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研究生: 黃世慶
SHYH-CHING HUANG
論文名稱: 燃料電池用於筆記型個人電腦之研究
Study on the Fuel Cells for Notebook PCs
指導教授: 羅有綱
Yu-Kang Lo
口試委員: 劉益華
Yi-Hua Liu
歐勝源
Sen-Yuan Ou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 106
中文關鍵詞: 直接甲醇燃料電池筆記型個人電腦膜電極組
外文關鍵詞: Direct Methanol Fuel Cell, Notebook Personal Computer, Membrane Electrode Assembly
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  • 本論文介紹導入直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)當作筆記型個人電腦(Notebook Personal Computer, NB PC)的第二顆備用電池,可以適度的延長離線放電時間。如果要繼續延長放電時間,則直接甲醇燃料電池的輸出功率必須大於所需的負載功率,一般估計最少為20瓦,視負載狀況而定。由於不同配備的筆記型電腦負載也不同,相同的筆記型電腦在執行不同的程式時,負載也不相同,因此,本論文選取了一些常用的測試程式,希望能夠蒐集、了解在不同電腦上執行各種程式時,不同功率規格的直接甲醇燃料電池所可以維持的放電時間。
    首先經過規劃與驗證,得到將直接甲醇燃料電池匯入筆記型電腦當作第二顆備用電池的合理電路架構,接著再將兩倍於筆記型電腦大小的直接甲醇燃料電池,縮小成一個CD-ROM的尺寸組裝到筆記型個人電腦內,其中最困難的為機械元件考量,包含膜電極組(Membrane Electrolyte Assembly, MEA)、流道(Flow Channel)、風扇(Fan)、泵浦(Pump)、濃度檢知器(Sensor)與水位檢知器等,這些都必須請專家專案訂作。測試數據顯示,CD-ROM尺寸的直接甲醇燃料電池輸出只有3瓦,因此宜檢查每一個元件與設計步驟,以尋求突破與改善,相信兩年內應該可以正式商品化。


    This thesis introduces a direct methanol fuel cell (DMFC) as the second battery of a notebook PC (NB PC) to have a longer discharging time. To do this, a DMFC should have a greater output power than the load power needed. Generally, the output power of a DMFC must be at least 20 W. Load demands vary with different NB PCs. Moreover, to run different programs on the same NB PC consumes different powers. Therefore, some test programs are chosen in this thesis to measure the discharging times for running different programs on three NB PCs via several DMFCs with different output power levels.
    By planning and verifying carefully, a suitable circuit topology for DMFCs serving as the second battery of NB PCs is obtained. To reduce the size of a DMFC to be installed into the CD-ROM slot of a notebook PC, the most difficult part is the mechanical components, including the membrane electrolyte assembly (MEA), flow channes, fans, pumps, the concentration sensor, and the water level sensor. These must be handled by experts. According to the test data, the output power of a DMFC with a CD-ROM size is only 3 W. Components and design procedures must be examined to seek effective improvements. It is believed that the above problem may have a chance be overcomed within 2 years before commercializing.

    摘要 i 中文摘要 i 英文摘要 ii 目錄 iii 圖目錄 vi 表目錄 xi 第一章 簡介 1.1 目的 1 1.2 直接甲醇燃料電池模組 1 1.2.1 燃料電池.... 1 1.2.2 燃料電池模組…. 10 1.2.3 直接甲醇燃料電池模組…. 11 1.2.3.1 8瓦直接甲醇燃料電池…. 11 1.2.3.2 直接甲醇燃料電池8瓦模組…. 12 1.2.3.3 直接甲醇燃料電池20瓦模組…. 12 1.3 筆記型個人電腦的電源 13 1.4 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦的電源 13 1.5 設計目標 14 第二章 理論分析 2.1 直接甲醇燃料電池8瓦模組的動作原理 15 2.1.1 膜電極組.... 15 2.1.1.1 膜電極組的動作原理.... 15 2.1.1.2 膜電極組的活化…. 17 2.1.1.3 膜電極組的電流、電壓、功率曲線…. 17 2.1.1.4 膜電極組的極化…. 20 2.1.2 8瓦直接甲醇燃料電池的動作原理…. 21 2.1.3 直接甲醇燃料電池8瓦模組的動作原理…. 23 2.2 筆記型個人電腦電源的動作原理 24 2.2.1 待測筆記型個人電腦的電源規格…. 25 2.2.2 待測筆記型個人電腦的負載 …. 25 2.3 直接甲醇燃料電池8瓦模組用在筆記型個人電腦的動作原理 26 2.4 小結 27 第三章 設計程序 3.1 8瓦直接甲醇燃料電池模組的測試程序 28 3.2 直接甲醇燃料電池8瓦模組的測試程序 30 3.3 筆記型個人電腦的電源測試程序 31 3.4 直接甲醇燃料電池8瓦模組用在筆記型個人電腦的測試程序 32 3.5 小結 34 第四章 實驗結果 4.1 8瓦直接甲醇燃料電池模組的測試結果 35 4.2 直接甲醇燃料電池模組的測試結果 44 4.3 筆記型個人電腦的電源測試結果 53 4.3.1 12”筆記型個人電腦A之電源測試結果 54 4.3.2 12”筆記型個人電腦B之電源測試結果 64 4.3.3 15”筆記型個人電腦之電源測試結果 69 4.4 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦的測試結果 75 4.5 測試資料比較 87 第五章 結論 5.1 結論 89 5.2 建議 89 參考資料 圖目錄 圖1.1 鹼性燃料電池的膜電極組 2 圖1.2 磷酸燃料電池的膜電極組 3 圖1.3 磷酸燃料電池的系統方塊圖 3 圖1.4 熔融碳酸鹽燃料電池的膜電極組 4 圖1.5 固態氧化物燃料電池的膜電極組 5 圖1.6 質子交換膜燃料電池的膜電極組 6 圖1.7 質子交換膜燃料電池的電動機車動力系統方塊圖 6 圖1.8 直接甲醇燃料電池的膜電極組 7 圖1.9 直接甲醇燃料電池的系統方塊圖 7 圖1.10 燃料電池發電容量與適用範圍 9 圖1.11 8瓦直接甲醇燃料電池 11 圖1.12 直接甲醇燃料電池8瓦模組 11 圖1.13 直接甲醇燃料電池20瓦模組 12 圖1.14 筆記型個人電腦的電源 13 圖1.15 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦的電源 14 圖2.1 杜邦Nafion 117的化學式 15 圖2.2 膜電極組的動作原理 16 圖2.3 直接甲醇燃料電池的能量原理解析 18 圖2.4 直接甲醇燃料電池的電壓、電流與功率曲線 20 圖2.5 直接甲醇燃料電池的電壓、電流曲線 21 圖2.6 8瓦直接甲醇燃料電池的方塊圖 22 圖2.7 直接甲醇燃料電池8瓦模組的方塊圖 23 圖2.8 筆記型個人電腦電源的方塊圖 25 圖2.9 直接甲醇燃料電池用在筆記型個人電腦的電源方塊圖 27 圖3.1 8瓦直接甲醇燃料電池的測試點TP1 29 圖3.2 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的理想電壓、負載曲線 30 圖3.3 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的功率、負載曲線 30 圖3.4 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的動態負載曲線 31 圖3.5 直接甲醇燃料電池8瓦模組的測試點TP2與TP3 31 圖3.6 直接甲醇燃料電池8瓦模組測試點TP2與TP3的預估曲線圖 32 圖3.7 筆記型個人電腦的電源測試點TP4與TP5 33 圖3.8 筆記型個人電腦的電源測試點TP4與TP5的預估曲線圖 33 圖3.9 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦的電源測試點 TP6、TP7與TP8 34 圖3.10 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦的電源測試點 TP6、TP7與TP8的預估曲線圖 34 圖4.1 8瓦直接甲醇燃料電池的測試點TP1 36 圖4.2 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的電壓、負載曲線 38 圖4.3 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點100Hz、500mA動態負載曲線 38 圖4.4 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點100Hz、1A動態負載曲線 39 圖4.5 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點100Hz、1.5A動態負載曲線 39 圖4.6 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點100Hz、2A動態負載曲線 40 圖4.7 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點1kHz、500mA動態負載曲線 40 圖4.8 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點1kHz、1A動態負載曲線 41 圖4.9 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點1kHz、1.5A動態負載曲線 41 圖4.10 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點1kHz、2A動態負載曲線 42 圖4.11 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點10kHz、500mA動態負載曲線 42 圖4.12 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點10kHz、1A動態負載曲線 43 圖4.13 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點10kHz、1.5A動態負載曲線 43 圖4.14 8瓦直接甲醇燃料電池TP1點10kHz、2A動態負載曲線 44 圖4.15 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的動態負載曲線 45 圖4.16 直接甲醇燃料電池8瓦模組的測試點TP2與TP3 45 圖4.17 直接甲醇燃料電池8瓦模組測試點TP2與TP3的 動態電壓、負載曲線 46 圖4.18 直接甲醇燃料電池8瓦模組的100Hz、0.25A動態電壓 47 圖4.19 直接甲醇燃料電池8瓦模組的100Hz、0.5A動態電壓 48 圖4.20 直接甲醇燃料電池8瓦模組的100Hz、0.75A動態電壓 48 圖4.21 直接甲醇燃料電池8瓦模組的100Hz、1A動態電壓 49 圖4.22 直接甲醇燃料電池8瓦模組的1kHz、0.25A動態電壓 49 圖4.23 直接甲醇燃料電池8瓦模組的1kHz、0. 5A動態電壓 50 圖4.24 直接甲醇燃料電池8瓦模組的1kHz、0.75A動態電壓 50 圖4.25 直接甲醇燃料電池8瓦模組的1kHz、1A動態電壓 51 圖4.26 直接甲醇燃料電池8瓦模組的10kHz、0.25A動態電壓 51 圖4.27 直接甲醇燃料電池8瓦模組的10kHz、0. 5A動態電壓 52 圖4.28 直接甲醇燃料電池8瓦模組的10kHz、0.75A動態電壓 52 圖4.29 直接甲醇燃料電池8瓦模組的10kHz、1A動態電壓 53 圖4.30 直接甲醇燃料電池8瓦模組的動態電壓、負載曲線 54 圖4.31 筆記型個人電腦的電源測試點TP4與TP5 54 圖4.32 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨Idle 模式負載變化曲線圖 57 圖4.33 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT) 與TP5 (VDCBTout)的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化曲線圖 59 圖4.34 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨MPEG 模式負載變化曲線圖 61 圖4.35 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化曲線圖 63 圖4.36 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨3D 模式負載變化曲線圖 65 圖4.37 筆記型個人電腦B電源測試點TP4 (VBT) 與TP5 (VDCBTout)的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化曲線圖 68 圖4.38 筆記型個人電腦B電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化曲線圖 70 圖4.39 15”筆記型個人電腦的電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化曲線圖 73 圖4.40 15”筆記型個人電腦的電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨3D 模式負載變化曲線圖 74 圖4.41 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8 76 圖4.42 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨Idle 模式負載變化曲線圖 78 圖4.43直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化曲線圖 81 圖4.44 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨MPEG 模式負載變化曲線圖 83 圖4.45 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨CPU max 模式負載變化曲線圖 85 圖4.46 筆記型個人電腦電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨3D 模式負載變化曲線圖 87 圖4.47 筆記型個人電腦的負載功率與放電時間變化曲線圖 88 表目錄 表1.1 各種燃料電池的特性與比較 8 表1.2 燃料電池的應用 8 表4.1 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的電壓變化資料 37 表4.2 8瓦直接甲醇燃料電池測試點TP1的動態負載資料 44 表4.3 直接甲醇燃料電池8瓦模組測試點TP2與TP3的靜態負載資料 46 表4.4 直接甲醇燃料電池8瓦模組測試點TP2與TP3 的動態電壓、負載數據 53 表4.5 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout) 的電壓、電流、功率、Gauge隨Idle 模式負載變化資料 55 表4.6 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與 TP5 (VDCBTout)的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化資料 57 表4.7 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout) 的電壓、電流、功率、Gauge隨MPEG 模式負載變化資料 60 表4.8 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout) 的電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化資料 62 表4.9 筆記型個人電腦A電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨3D 模式負載變化資料 63 表4.10 筆記型個人電腦B電源測試點TP4 (VBT)與 TP5 (VDCBTout)的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化資料 66 表4.11 筆記型個人電腦B電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化資料 68 表4.12 15”筆記型個人電腦電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨CPU max 模式負載變化資料 71 表4.13 15”筆記型個人電腦電源測試點TP4 (VBT)與TP5 (VDCBTout)的 電壓、電流、功率、Gauge隨3D 模式負載變化資料 73 表4.14筆記型個人電腦輸出功率隨機種、負載變化的比較 75 表4.15 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨Idle 模式負載變化資料 77 表4.16 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨Battery Mark 模式負載變化資料 79 表4.17 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨MPEG 模式負載變化資料 81 表4.18 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的電壓、電流、功率、Gauge 隨CPU max 模式負載變化資料 83 表4.19 直接甲醇燃料電池模組用在筆記型個人電腦測試點 TP6、TP7與TP8的測試資料的電壓、電流、功率、Gauge 隨3D 模式負載變化資料 85 表4.20 DISCHGBT與DISCHGBT & FC的放電資料 87

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