由文獻可知，以往學者之研究大多以平行式流道且為單流道作為研究對象，藉由改變不同 燃料流向觀察所產生之燃料、溫度及電池分佈；而對於不同形狀流道間的綜合比較之文獻相 對較少。並且，對於燃料電池而言，在其組成之電極 (electrode) 及電解質 (electrolyte) 內的 微觀傳輸現象，對於輸出效能之影響尤甚。本研究利用數值軟體 CFDRC 針對微型 SOFC 建 立 3D 模型，探討不同形狀流道所產生之流場情形對於燃料擴散及電池效能之影響。此外，
也將分析電池之溫度分佈情形，以期能降低溫度梯度，減少熱應力，並能針對不同流道設計 在高溫操作下做整體評估與測試，整合燃料電池系統封裝技術，達到測試與系統整合操作的 目標。
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3 Interconnect 流道設計
3.1 數值模擬3.1.1 模型建立
本研究所模擬之單電池的三維尺寸為1 cm × 1 cm × 0.23 cm，其內部結構可分為五層，各 層之厚度如圖1 所示。中間電解質的厚度為 200 µm、陽極和陰極厚度各為 50 µm 和兩端最外 側的雙極板厚度則各為1000 µm，而不同設計之流道則置於兩邊雙極板內。
Ano de Cath ode Elect rolyte
Interconnect
圖 1 電池構造及各層厚度
不同流道設計其深度皆為 500 µm，為減少雙極度與電極接觸面積比例所造成的影響，故 將各流道的截面積與電極反應面積之比例維持在63%到 66%。本分析設定通入陽極之燃料為 純氫氣；陰極為純氧氣或各佔 50%質量分量之氧氮混合氣體。除輸入之燃料假設為理想氣體 外，為配合電解質與電極實際材料性質，模擬中也包含多孔性材料及一般固體兩種不同性質 之設定，使用各材料之性質如表1 所示。
Unit: µm
表 1 SOFC 各元件之材料性質表
Component Electrolyte Anode Cathode Interconnect Material YSZ Ni/ZrO2 LSM LaCrO3
Electrical Conductivity (S/m)
0.01 105 1.33×104 100
Porosity (%) 1 45 44 - Permeability
(m2) 10-18 10-12 10-12 - Thermal
Conductivity (W/m K)
2.7 6 11 2.11 Average Pore
Size (µm) 0.3 1.6 2.74 - Density
(kg/m3) - - - 6770
Specific Heat
(J/kg K) - - - 550.5
3.1.2 邊界條件設定
在電池的數值計算中，使用了下列基礎假設：
a. 假設兩邊流入的燃料皆為理想氣體 (ideal gas)，並且滿足連續定理 (continuity theory) 及層流狀態 (laminar flow)。
b. 電化學反應產生之生成水為氣相。
c. 假設電極與電解質皆為均質 (homogeneous) 且具等向性 (isotropic) 之多孔性材料，而 interconnect 為一緻密固體材料。
d. 忽略因不同材料所產生之接觸熱阻及接觸電阻。
e. 忽略重力對流場之影響。
3.5.3 網格獨立性分析
結構型網格 (structured grid) 主要用於一般較規則之幾何形狀，但本文所分析之流道，有 部分流道幾何呈現圓角或尖角，因此也採用混合型網格 (mixed grid)，混合型網格主要為結構 型網格及三角柱網格之組合，可在外形較不規則之部份藉由使用非結構三角柱網格，避免結 構型網格所造成之網格扭曲。
蛇型流道網格構造全部使用結構型網格時，必須在各流道間的間隔 (rib) 與流道轉彎處加 密，或是將部分流道間隔改為三角柱網格。歧管型流道網格結構因流道左下方及右上方有大 幅度轉彎，所以特別加密此部分的網格。棋盤型流道網格結構由於中間隔相當多，形狀也較 不規則，因此不利於結構型網格，也較難加密，必須將流道部分改為三角形網格，其餘則維 持結構型網格，如此可改善不規則流道中的網格扭曲程度。
網格測試之收斂標準值 (convergence criterion) 設為 10-4以下，經由比較結構型網格與混 合型網格發現在相同的網格數下計算，結構型網格的收斂速度較快，甚至可節省一倍的時間。
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經由網格穩定性及計算時間的考量，蛇型、雙蛇型和棋盤型流道採用結構性網格，總網格數 目分別為359058、451304 和 537138。歧管型流道則採用混合型網格，總網格數目為 528192。
將四種流道之總網格數與所佔總體積加以計算，蛇型、雙蛇型、歧管型及棋盤型流道之平均 網格大小分別為6.4 × 10-4 mm3、5.1 × 10-4 mm3、4.3 × 10-4 mm3及4.4 × 10-4 mm3。此外，本研 究發現數值模型在 Z 方向之網格數對於網格穩定性影響甚巨，尤其對於結構型網格，若 Z 方 向之網格數過少，會造成數據不穩定。 因此，最後所選定的數值模型中每層材料的 Z 方向節 點皆有5 個等間距節點以上。
3.2 微型流道 3.2.1 製程
微流道的製作主要是以厚度525 µm、米勒指數 (Miller index) 為 <1 0 0> 的 P 型雙面拋 光矽晶圓為基材。在矽晶圓製程中，使用兩層光罩，第一層光罩定義了流道入口與出口等貫 穿孔，第二層則是微流道主體，其蝕度深度為200 µm，製程中使用兩次 DRIE 的步驟，蝕刻 出兩種不同深度的溝槽。進行製程之前，先將矽晶圓浸泡在比例為6:1 的稀釋氫氟酸 (Buffered Oxide Etch, BOE) 溶液中，以去除在矽晶圓表面上的原生氧化矽。接下來進行第一次的微影 製程：將晶圓放入120oC 之烤箱中十分鐘以上去水烘烤，以烘乾水分，塗佈 HMDS 以增加光 阻與晶圓間的接合能力，再塗佈Shipley SPR 220-7.0 之厚光阻，光阻厚度平均約為 8.917 µm。
軟烤後將晶圓靜置六小時後再進行曝光，顯影與硬烤。
硬烤後以光阻為遮罩利用電感藕合電漿蝕刻機 (inductively coupled plasma etching, ICP)非 等向性蝕刻貫穿孔。將晶圓所殘留的光阻清洗乾淨後，再轉面進行第二次的微影製程，此層 光阻定義了微流道元件，且為第二次 DRIE 的遮罩。製程最後以陽極接合(anodic bonding)將 玻璃與矽晶圓接合，再進行切割(dicing)及流體管路的銜接。利用 Electronic Visions EV501 陽 極接合機將矽與玻璃晶圓接合，其接合溫度約在400 至 450oC 之間。在接合時的高溫環境使 矽與玻璃表面產生很強的共價鍵，使得矽與玻璃能夠黏合。陽極接合完成後，利用晶圓切割 機依循晶圓上之切割線分別切割成12 個晶片。將切割完成之晶片黏於 DIP IC socket，再使用 鐵氟龍製之軟管由矽晶圓底面連接流道出入口，鐵氟龍管之內徑為1/32 吋 (0.8 mm)，外徑為 1/16 吋 (1.59 mm)。在流管連接時為補強流管與矽晶圓的接合能力，在鐵氟龍管外再黏一內 徑為2 mm、厚度為 1 mm、長約 0.5 mm 的管路，以增加流管與矽晶圓的接合面積。
3.2.2 SEM 圖
圖二為完成兩道微影與蝕刻製程後之微流道元件SEM 圖。
(a) 蛇型流道 (b) 雙蛇型流道
圖 2 不同流道之 SEM 圖