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燃料電池自增濕系統、開關機策略優化及混合動力開發應用於輕型載具之研究

為了解決ZINGER 2021的問題，作者郭子維 這樣論述：

行動載具為燃料電池於市場中主流應用之一，此應用的特性為頻繁的開關機及動態負載變化。此特性常導致氣體加濕不足及觸媒與碳載體快速的衰退，會加速燃料電池性能衰退老化。本研究透過燃料電池自增濕系統設計以及優化開關機控制策略，分別解決氣體加濕不足以及觸媒與碳載體快速衰退的問題。為解決空氣加濕不足的現象，本研究將冷卻水流入加濕器的濕側以增加空氣濕度，進而提升燃料電池性能輸出，並將燃料電池系統產生的水，冷凝後導入冷卻水迴路。冷凝水的量是否足夠，取決於系統的功率輸出以及冷凝溫度的設定。越低的冷凝溫度雖然能夠冷凝更多的水，但是得消耗更多的系統功耗，過高的系統功耗將導致整體效率低落。實驗證實冷凝溫度40℃為最佳

的設定數值，因其能夠滿足不同系統輸出功率下的加濕水量需求，且極小化冷凝風扇所使用的功耗。經由實驗證明燃料電池輸出功率達2.97kW時，性能可提升10.4%。開關機控制策略的優化主要為改變反應電壓、反應物濃度及反應時間等參數，透過電壓控制、抽真空及管線氣體清空，以降低碳腐蝕對電池性能的影響。經過3000次開關機測試後，數據顯示在主要操作功率點(500mA/cm²)下的衰退率為3.6%，比對傳統無優化開關機策略的衰退率17.6%有明顯的改善。除了理論的推論以及實驗室的測試實驗之外，本研究將自增濕統設計以及優化開關機控制策略落實於燃料電池機車系統上，並透過機車標準測試的動態負載行車型態(CNS310

5)，證實本研究於實務上確實可落實。另外，本研究也說明了燃料電池、鋰電池及超級電容的混合動力應用，並使用Matlab/Simulink模擬燃料電池與鋰電池的混合動力分配。未來可以針對任何一種車用載具，應用採用本研究結果，以達到提升燃料電池統性能以及耐久的目的。