第四章 結果與討論
4.3 單電池前後流道設計改善與研究
4.3.2 前後流道設計與流場均勻性影響分析
根據前述設計，本研究進行了初步的模擬分析後發現，因為流場無前後導流板設計，
原設計的燃料側流場會有兩側的速度較中央快速的不均勻現像。針對此部分，本研究修 改了直線流道的設計，加長兩側流道長度使流場更趨於均勻，確認其影響。如圖(4-33) 所示，原設計為 Type A，改善流場均勻度的設計為 Type B。
而設計上為節省流道設計時間，針對流道均勻性先以純流場進行模擬分析，並依據 各個流道中間的流量，繪製流量分佈圖。如圖(4-34)為 Type A 與 Type B 兩種流道設計 的流場示意圖，紅色方框為電池片的接觸區域。圖(4-35) 為 Type A 與 Type B 的流量分 佈圖，由結果可發現，Type B 的設計可以有效改善流場均勻性，而此方式在製作上也比 在前後流場增加導流板的設計更為簡易。
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圖(4- 33) 六角形多電池堆組合示意圖
圖(4- 34) 流量分佈選擇面示意圖
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圖(4- 35) Type A 與 Type B 流量分佈圖
確認流場的均勻性後，再進行了此兩種設計的單電池模擬分析。在 I-V 曲線上，圖 (4-36)，發現 Type A 與 Type B 的發電效率幾乎相同，但觀察電流密度分佈與氫氣分佈，
圖(4-37)、圖(4-38)，仍可明顯看到 Type B 的設計其分佈是較為均勻的。推測其原因，
在於兩種類型的空氣側流道設計採用的都是多孔隙電流收集板，流場上都是中間快而接 近邊界處的兩邊較慢，如圖(4-39)。由於這部分是固定的，根據前述幾何尺寸的流場測 試知道空氣與陰極接觸的反應面積是影響電池效率的重點。因此我們可以推測，在相同 空氣側流道條件且燃料流量也是固定的情況下，只改變燃料側流場的均勻度並不一定會 提高電池效率。而這並不與前述參考文獻相衝突，因參考文獻所做的研究都是空氣側流 道與燃料側流道一起改變的。此情況較類似於 2008 年 Ping Yuan[31]的研究，電池堆在 固定幾何條件且空氣與燃料的總流量不變的條件下，發電效率是幾乎相同的，其影響只
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在電壓與溫度的分佈狀況而已。不過考慮電流密度均勻分佈的需求，Type B 的設計仍可 列為考量。
圖(4- 36) Type A 與 Type B 發電效率比較：I-V 曲線圖
圖(4- 37) Type A 與 Type B 電流密度分佈比較(Current density, A/m2)，0.65V
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圖(4- 38) Type A 與 Type B 燃料側流道氫氣含量分佈比較(H2 mole fraction)，065V
圖(4- 39) Type A 與 Type B 空氣側陰極氧氣含量分佈比較(O2 mole fraction)，0.65V
61 4.3.3 對角線流場設計影響分析
考慮到六角形設計的缺點，此方式仍然耗費過多材料，在多電池堆組合時，非完全 對稱性的設計使得一部分電池堆在氣體的進出口部分會相反過來，換句話說本來的二出 口會變為二入口，本來的一入口會變為一出口，這對電池堆的發電性能也許會有影響。
針對此部分，本研究設計出了新的全對稱雙極板設計，並針對此設計作分析比較。如圖
(4-40)所示，新設計為 Type C，此為正方形雙極板設計，如同前述設計概念，可將多電 池堆互相組合，每個角落皆由四組電池堆組合出流道管線，而此形狀除了使用材料較少，
管線數也更少。流場方向是由雙極板的其中一個角落以對角線方向朝另一角落的出口前 進。在電池片的放置方向上，其電池片的對角線也同樣與雙極板對角線的相同方向放置。
燃料側流道設計則為棋盤狀結構，這是為了讓燃料氣體能夠更容易的在內部混合流動。
而空氣側流道維持原來的多孔隙電流收集板設計，由另一個角落進入。其設計上有點類 似交錯流，也因此可以節省不少空間的使用。圖(4-41)為此設計的電池堆示意圖。
在模型建構上，如同前述方式，忽略電池堆周圍的模型建置並以邊界條件取代，如 下圖(4-42)所示，並與 Type A 進行比較分析。
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圖(4- 40) 六角形與正方形燃料側雙極板設計示意圖
圖(4- 41) 正方形電池堆設計示意圖
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圖(4- 42) Type C 單電池模型：(a)陽極極板 (b)陽極流場 (c)單電池片 (d)陰極流場 (e)陰極極板 (f)單電池
組
進行單電池模擬分析後發現，Type C 的發電效率可比 Type A 提高約 12%的效率，
如圖(4-43)、表(4-10)所示。觀察電流密度分佈，圖(4-44)，也能發現此對角線流場的設 計可以有效增加電流密度。觀察氫氣與氧氣分佈，圖(4-45)、圖(4-46)，都能明顯發現燃 料使用率的提高，在氫氣分佈上有一部份區域甚至出現氫氣幾乎用完的狀況。對此，本 研究計算了兩種設計詳細的燃料使用率。藉由電池堆空氣入口與出口所減少的量可以計 算出氧氣的消耗量，再藉此換算出氫氣消耗量。使用公式：
64 Fuel utilization = 1 −
× 100%
我們可以得到更精確的燃料使用率數值。經計算，在電壓同樣為 0.65V 的情況下，Type C 的燃料使用率比 Type A 的燃料使用率高出約 14.6%，表(4-11)。
推測其原因在於此種設計不僅僅是單純的交錯流場，也可看作是逆向流與同向流的 混合體。而在空氣側流場的氧氣分佈上，可發現在 Type C 的設計中大部分空氣都能與 陰極接觸反應，受邊界降低流速的影響較小。但在 Type A 的設計中，陰極非進出口方 向的邊界處流場，受到雙極板流道邊界的影響有流速較慢的現象，比較之下，Type C 陰 極的整體氧氣濃度是會較 Type A 來的高的。這些原因都提高了新設計的發電效率與燃 料使用率。
在壓降分佈上，圖(4-47)，可看到兩種類型的最大壓降是差不多的，這也代表 Type C 在輸入氣體時並不會耗費較多的能量。
在溫度分佈上，圖(4-48)，Type A 的最大溫度差約 13.5 度，Type C 的最大溫度差約 22.6 度。Type C 的溫度差較大，這對未來電池堆的結構可能會有不良影響，不過這部分 還有許多改善空間，像是可針對邊界條件或幾何外觀再做改善，電池片的形狀也可設計 成圓角的方形電池片，甚至操作上可以藉由控制的方式讓氣體進出口可以在電池操作一 段時間後調換，藉此改變溫度分佈。
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圖(4- 43) Type A 與 Type C 發電效率比較：I-V 曲線圖
類型 Max power density (mW/cm2) Type A 662.2
Type C 744.5 (12%)
表(4- 10) Type A 與 Type C 比較：最大能量密度(max power density)，0.65V
類型 燃料使用率 (Fuel utilization) Type A 70 %
Type C 84.6 %
表(4- 11) Type A 與 Type C 比較：燃料使用率 (Fuel utilization)，0.65V
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圖(4- 44) Type A 與 Type C 電流密度分佈(Current density, A/m2)，0.65V
圖(4- 45) Type A 與 Type C 燃料側流場氫氣含量分佈(H2 mole fraction)，0.65V
圖(4- 46) Type A 與 Type C 陰極氧氣含量分佈(O2 mole fraction)，0.65V
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圖(4- 47) Type A 與 Type C 壓降分佈(Pressure distribution, pa)，0.65V
圖(4- 48) Type A 與 Type C 溫度分佈(Temperature distribution, K)，0.65V
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第六章 結論與未來展望
6.1 結論
經過數值分析後發現，在雙極板的設計上，改變空氣側流道的幾何尺寸影響大於燃 料側的影響。其原因推測是因為氧氣的擴散性並不向氫氣那麼大，而電池的發電效率與 氫氣在陽極的濃度和氧氣在陰極的濃度有很大的關係，兩邊濃度越高電流密度也就越大。
但在陰極厚度很薄的情況下，傳統直流道電流收集板與陰極的接觸使得空氣擴散至電解 質層又更為不易。因此本研究以多孔隙材料來取代傳統的直流道，使空氣能夠更容易擴 散至電解質層。
而在傳統逆向流場，為使流場均勻，本研究以加長兩側流速較快的流道來驅使流場 變得均勻，這比起增設前後導流板或改變流道寬度是更為簡易的設計。但在 Type A 與 Type B 的比較中有相同的空氣側流場設計，因為空氣側流道並無設計導流板，這導致了 空氣側流場在靠近邊界處速度較慢氧氣濃度較低的影響，而這也是影響電池總體效率的 主因，所以即使改變了燃料側流場的均勻度，對電池片來說也不一定能有效提高電池效 率，但對電流密度的分佈是確實有改善的。
再進一步改善設計後，本研究設計了一種全新的方式，以對角線流場來設計電池堆。
這不僅改善傳統交錯流效率不佳的缺點，還能有交錯流電池堆才能有的簡易組裝製造的 外型，其空氣側流道的設計更能改善空氣在電池邊界處流量較少的缺點。是充分符合電 池效率高、燃料使用率高、減少材料成本、製作與組裝簡單等等優點的一種設計。其發 電效率比傳統的逆向流場設計提升了 12%，燃料使用率更提升了 14.6%。
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6.2 未來工作
在 Type A 與 Type B 的設計中，由於空氣側流道的設計相同，使得電池總體的效率 是幾乎一樣的。而此設計中空氣受邊界影響使得電池兩側的氧氣流量較低，對此若要進 一步分析可以將空氣側的流道寬度加寬，使降低邊界的影響讓空氣側流場能更均勻分佈，
藉此提高空氣與陰極的接觸面積來提升發電效率，如圖(6-1)所示。
在 Type C 的設計中，我們可發現氫氣有提早用完的現象，而電池兩邊角落的氫氣 仍然還有剩。對此我們可以針對這部分嘗試再進行幾何尺寸的設計改善，縮短進出口之 間的距離，強迫較多的氫氣往中間對角線移動，藉此提高燃料使用率，如圖(6-2)所示。
圖(6- 1) 空氣側流道加寬示意圖
圖(6- 2) 縮短 Type C 設計進出口之間的距離示意圖
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圖(A- 1) 電池堆不同氣體流道入口直徑切面壓降分佈比較