第四章 結果與討論
4.2 直流道設計的改善與研究
4.2.2 流道幾何尺寸影響分析
針對雙極板在直線流道下，燃料側和空氣側的流道寬度、高度以及雙極板和電池的 接觸寬度做影響分析，以了解影響性的大小再做更深入的研究。改變的參數如下圖(4-6)、
圖(4-7)、表(4-4)所示。
圖(4- 6) 燃料側流道高度 ha；燃料側流道寬度 wa；雙極板陽極接觸寬度 ca；空氣側流道高度 hc；空氣側
流道寬度 wc；雙極板陰極接觸寬度 cc
38
參數 原尺寸 改變尺寸
Test 1 ha 1 mm 0.25 mm
0.5 mm
Test 2 hc 1 mm 0.5 mm
Test 3 wa, wc, 1 mm 1.4 mm ca, cc 1 mm 0.6 mm Test 4
wa, wc, 1 mm 1.8 mm ca, cc 1 mm 0.2 mm
表(4- 4) 流道幾何尺寸影響分析參數設定
圖(4- 7) 流道幾何尺寸設定示意圖：(a)ha=0.5 mm, (b)ha=0.25 mm, (c)hc=0.5 mm,
(d)wa=wc=1.4 mm, ca=cc=0.6 mm, (e) wa=wc=1.8 mm, ca=cc=0.2 mm
39 4.2.2.1 燃料側流道高度影響
模型繪製後，以固定電壓的方式，分別模擬 1.1V 到 0.55V 數點來繪製 I-V 曲線。
測試不同的燃料側流道高度(ha) 1 mm、0.5 mm、0.25 mm，觀察其對發電性能的影響。
在同樣的流量下，降低流道高度等同於也是增加流速。其結果，在最大能量密度(max power density)上大約提升 1%左右，圖(4-8)、表(4-5)，可見其影響不大。但觀察燃料側 流道氫氣分佈時，圖(4-9)，可以發現降低流道高度，氫氣出口處的氫氣含量是較低的，
也就是說降低燃料側流道高度可增加氫氣的使用率。但 0.5 mm 與 0.25 mm 差別不大，
為減少壓降影響，往後設計燃料側流道高度選擇 0.5 mm 即可。
圖(4- 8) 燃料側流道高度影響：I-V 曲線圖
40
參數 尺寸 Max power density (mW/cm2) ha&hc 1 mm 752.23
ha 0.5 mm 758.47 (0.83%) ha 0.25 mm 761.02 (1.1%)
表(4- 5) 燃料側流道高度影響：最大能量密度(max power density)
圖(4- 9) 燃料側流道高度影響：氫氣分佈圖(H2 mole fraction)，0.8V 側視觀察
4.2.2.2 空氣側流道高度影響
測試不同的空氣側流道高度(hc) 1 mm、0.5 mm，觀察其對發電性能的影響。
結果發現，改變空氣側流道高度對電池片發電效率影響更小(0.36%)，圖(4-10)、表 (4-6)。推測這是因為在富氧環境反應狀態下，空氣的狀態改變對發電性能的影響性不大，
如同前述 2008 年 Ping Yuan 的研究[31]所提出的，空氣側主要影響電池片溫度的分佈，
而縮小流道高度雖然可增加流場流速，但在總流量不變的情況下其溫度影響也有限。不 過流速的增快仍然有助於氧氣擴散至電解質層反應。如圖(4-11)，我們仍可發現其電解
41 質層後段的接觸面氧氣濃度是稍微較高的。
設計上，為減少壓降損失，空氣側流道仍以 1 mm 高度來設計。
圖(4- 10) 空氣側流道高度影響：I-V 曲線圖
參數 尺寸 Max power density (mW/cm2)
hc 1 mm 752.2
hc 0.5 mm 754.9 (0.36%)
表(4- 6) 空氣側流道高度影響：最大能量密度(max power density)
42
圖(4- 11) 空氣側流道高度影響：氧氣分佈圖(O2 mole fraction)，0.8V 側視觀
4.2.2.3 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響
測試不同的燃料側流道寬度(wa)與電流收集板的接觸寬度(ca)，空氣側流道寬度(wc) 與電流收集板的接觸寬度(cc)，觀察其對發電性能的影響。
結果發現，改變流道寬度和接觸寬度可以提高 2-3%的發電效率，圖(4-12)、表(4-7)。
仔細分析後可以看到一個現象，當雙極板與電池片的接觸寬度減小時，在電流密度和氧 氣分佈上都有更均勻的趨勢，而在氫氣分佈上也可發現氫氣的使用效率有明顯的增加，
如圖(4-13)到圖(4-16)所示。這表示增加氣體與電池片的反應接觸面積是可以有效改善電 池效率的。而空氣側的接觸寬度改變影響又更為顯著，最主要的原因是因為電解質層的 厚度很薄，使得當改變空氣側的流道寬度和雙極板接觸寬度時，接觸寬度越小的設計可 以讓空氣更容易進入電解質層反應，流道寬度的增加更增加了反應面積，如圖(4-17)。
這樣的結果也與 2011 年 Zuopeng Qu[22]等人的研究結果是相符合的。
43
圖(4- 12) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：I-V 曲線圖
參數 尺寸 Max power density (mW/cm2) wa&wc 1 mm 752.2
ca&cc 1 mm
wa&wc 1.4 mm 767.4 (2%) ca&cc 0.6 mm
wa&wc 1.8 mm 773.6 (2.8%) wa&wc 0.2 mm
表(4- 7) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：最大能量密度(max power density)
44
圖(4- 13) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：電流密度分佈(Current density, A/m2)，0.6V
圖(4- 14) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：電解質表面氧氣分佈(O2 mole fraction)，0.6V
45
圖(4- 15) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：電解質表面氫氣分佈(H2 mole fraction)，0.8V
圖(4- 16) 燃料側與空氣側流道寬度和雙極板接觸寬度影響：切面氫氣分佈(H2 mole fraction)，0.8V
46
圖(4- 17) 空氣側流道寬度與雙極板接觸寬度結構示意圖，紅色圈圈示意氣體難以擴散到的位置