前後流道設計與網格測試

為簡化電池堆設計與製造成本增加使用便利性，以蜂巢式組合的概念來設計電池堆。

設計上，前後流道不使用導流板設計，以流道中間一個入口並往兩邊流動的兩出口方式 來增加流場均勻性，以簡化其設計。當以此方式組合時每個角落都可以藉由三組電池堆 組合出流道管線，藉此來達到節省材料與增加使用便利性的目的。而本研究也將針對燃 料側流道做更進一步的改善分析。

圖(4-23)為空氣側雙極板設計，氣體由其中一角進入通過電池反應後再往兩邊出口，

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其中原本的直流道電流收集板設計改以多孔性材料來取代。

圖(4-24)為燃料側雙極板設計，氣體由其中一角進入通過電池反應後再往兩邊出口 出氣，電流收集板以傳統直流道設計。

圖(4-25)為電池堆組合示意圖，燃料與空氣的氣體流場方式為逆向流。

圖(4-26)為電池堆組合剖面圖，空氣側流場方向為進入紙面，燃料側流場方向為出 來紙面，燃料側流道高度為 0.5 mm，空氣側流道高度為 1 mm，單電池片包含陽極和陰 極為 1.1 mm，電池支架(cell holder)為系統組合時密封電池兩邊氣體用的，於電池外側。

圖(4-27)為多電池堆組合示意圖，類似蜂巢狀組合結構。

為使數值分析計算更迅速，此部分模型的建構忽略電池堆周圍的模型建置並以邊界 條件取代，包含電池支架以及雙極板與電池支架接觸的部分都予以省略。如下圖(4-28) 所示。再來針對單電池流道與前後流場網格進行網格測試，使減少模型網格數讓計算更 有效率。

圖(4- 23) 空氣側多孔性材料電流收集板流道設計示意圖

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圖(4- 24) 燃料側電流收集板流道設計示意圖

圖(4- 25) 六角形電池堆設計示意圖

圖(4- 26) 單電池組結構剖面示意圖

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圖(4- 27) 六角形多電池堆組合示意圖

圖(4- 28) 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

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網格改善上，由於流道為直線流道，流體為穩定層流，因此本研究將流道前端與後 端的網格配置較密，中段網格則則較疏，流道高度與寬度的網格數則維持不變，以此方 式來縮減網格數。為減少計算時間，測試單電池流道網格，先忽略前後流道的部分。設 定上限制流道長度方向網格數量為 50 個，以中間疏兩邊密的方式繪製，其變化係數(Bias

factor)為 4，空氣側流道高度切割 5 層，燃料側流道高度切割 3 層，其他網格尺寸繪製 上則維持不變。如圖(4-29)，其單電池模型總網格數由 609,150 減少為 320,500 個。進行 單電池模擬後分別繪製 I-V 曲線，可以發現其結果差異不大，如圖(4-30)所示。下面將 繼續使用此設定進行前後流場網格測試。

圖(4- 29) 直線流道方向網格測試，單電池模型總網格數由 609,150 減少為 320,500 個

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圖(4- 30) 直線流道方向網格測試，I-V 曲線

單電池組繪製完成後再繪製前後流場的網格。針對前後流場進行網格測試。將入口 處網格放大，接近直線流道入口則維持同樣大小，如圖(4-31)。其單電池模型總網格數 由 782,388 減少為 433,262 個。分別繪製 I-V 曲線後，如圖(4-32)，確認結果誤差不大。

再來將以此設定進行後續分析。

圖(4- 31) 前後流道網格測試，單電池模型總網格數由 782,388 減少為 433,262 個

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圖(4- 32) 前後流道網格測試，I-V 曲線