固態氧化物燃料電池運作方式

依電池的運作方式，分為雙反應室、單反應室、直接火焰式燃料電池，圖(2-4)。而 單反應室、直接火焰式燃料電池為最近新的研究發向，待解決的問題還相當多。雙反應 室則為目前發展較成熟，應用最廣的一種形式。

圖(2- 4) 固態氧化燃料電池運作方式分類[11]

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2.2.4.1 雙反應室固態氧化物燃料電池 (Dual-Chamber Solid Oxide Fuel Cell,

DC-SOFC)

Advantage Challenges

 Does not require catalytically selective electrodes

 Large-scale stationary power generation.

 Configuration is not considered suitable for portable applications in which frequent and rapid start-up and shut-down

 Large internal stress during the heating and cooling processes between cell components and sealant.

表(2- 3) 雙反應室固態氧化物燃料電池(DC-SOFC)的優點與挑戰[12]

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2.2.4.2 單反應室固態氧化物燃料電池 (Single-Chamber Solid Oxide Fuel Cell,

SC-SOFC)

SC-SOFC 是分別在陽極與陰極中加入不同的高選擇性觸媒材料，藉此來達到對已 經混合的燃料與空氣氣體進行反應發電。由於受限於觸媒的選擇目前的主要限制在於電 池必須平行於流場方向放置，且流速必須要夠快陰極的反應才會比較好。其反應方式如 下圖(2-5)所示：

圖(2- 5) 單反應室平板固態氧化物燃料電池。A：陽極；C：陰極(需有高選擇性觸媒)；SE：緻密的或多

孔性電解質[13]

此種方式的主要優點在於不用封裝也不需要緻密的電解質，可以降低系統的複雜性 減少電池製作上的困難，電池片的設計也因此可以有多種變化。雖然偏低的燃料使用率 可以藉由多串聯數個同樣的系統來改善但發電效率偏低仍然是急待改善的缺點。最終目 標是直接將數個電池直接串連，並使混合氣體垂直通過電池組。如下圖(2-6)所示，此種 方式不僅可改善低的燃料使用率，高流速更能降低混合氣體在單片電池的停留時間，快 速帶走反應後不需要的氣體。此類型又被稱為混合反應式固態氧化物燃料電池 (Mixed Reactant SOFC, MR-SOFC)。SC-SOFC 詳細的優缺點，如下表(2-4)所示。

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圖(2- 6) 混合反應式固態氧化物燃料電池堆(MR-SOFC)設計[13]

Advantage Challenges

 Sealing-free structure

 Less complex gas mani folding

 Increased thermo mechanical stability

 More compact and simplified designs

 Easier stack assembly

 Great potential for miniaturization

 No need for gas-tight electrolyte

 Exothermic reactions to sustain cell

 temperature

 New cell designs

 Easier fabrication

 Highly selective and catalytically active materials necessary.

 Low efficiency due to parasitic, non-electrochemical reactions.

 Lower fuel utilization than in dual-chamber SOFCs.

 Risk of explosion for fuel-air mixtures at high temperatures.

表(2- 4) 單反應室固態氧化物燃料電池(SC-SOFC)的優點與挑戰[12]

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2.2.4.3 直接火焰燃料電池 (Direct-Flame Solid Oxide Fuel Cell, DFFC)

直接火焰燃燒燃料電池是直接藉由缺氧燃燒的方式燃燒酒精或其他燃料來提供電 池發電時所需的熱能和燃料。此種方式改善了傳統雙反應室 SOFC 啟動時間過久的缺點，

並且可以迅速地開啟和關閉電源。但在整個系統的發展上仍然有許多問題需要解決。

DFFC 詳細的優缺點，如下表(2-5) 所示。

Advantage Challenges

 Ultra-simple cell configuration

 Highly flexible fuel selection

 Frequent and rapid start-up and shut-down

 Portable power generation

 Thermal management.

 The uneven heating of the flame will induce the thermal stress within the fuel cell and may cause it to crack.

 Fuel utilization.

 Most of the fuel is consumed by combustion and therefore the total electrical efficiency is low.

 System design.

 Flames in real situations are generally hard to control and may often be unstable.

表(2- 5) 直接火焰燃燒燃料電池(DFFC)的優點與挑戰[11]