本研究第二年的任務 已完成工作 完成度
電池單極板流道的設計
已完成不同流道之單電池電化學模擬，分為蛇 型，雙蛇型，歧管型與棋盤型四種，並分析流道 設計對性能曲線與壓損之影響，針對內部溫度分 佈進行可靠度預測
100%
微流道製作與流場實驗印證 已完成矽晶圓之微流道元件，並利用水蒸氣進行
流場觀察，與數值模擬結果交叉分析 100%
金屬微流道製作
已利用CNC 洗床與 500 µm 直徑之鑽頭製作特 殊合金Crofer 22 APU 為基板之兩種微型流道 設計
100%
研發成果資料表
日期：2006 年 3 月 29 日 計 畫 名 稱 ： 固態氧化物燃料電池高溫供氣系統與電池介面之發展與整合(II) 計畫主持人：孫珍理
計畫編號：NSC 94-ET-7-011-006 -ET
期刊 論文
研討會
歐咸志, 孫珍理, "微型固態氧化物燃料電池之雙極板流道設計, "
第十二屆全國計算流力學學術研討會, 高雄, August 19-21, 2005.
技術報告
申請 獲得 專利
應用 與產業界、研發
機構互動成果
與核能研究所內進行氧化物燃料電池開發研究之團隊，針對電解 質、電極與interconnect 等關鍵材料，單電池數值模擬進行討論交 流。
可利用之產業 及 可開發之產品
燃料電池供氣系統與測試平台
技術特點
利用特殊設計避免高溫材料膨脹翹曲所引起之滲漏與安全性問 題，供氣管件之絕緣處理等。
推廣及運用的價值
目前燃料電池的測試平台皆以外國廠商為主，本計畫自行建構之高 溫供氣系統與測試平台，提供了關鍵技術的突破。目前國內研究燃 料電池的團隊越來越多，可為有需求的研究機構節省外購的經費。
第十二屆全國計算流體力學學術研討會 高雄，中華民國九十四年八月 The 12th National Computational Fluid Dynamics Conference Kaohsiung, August, 2005
CFD12-0911
微型固態氧化物燃料電池之雙極板流道設計
Flow Channel Design of Interconnect for Microscale Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) - A Numerical Investigation
歐咸志1
國立台灣科技大學機械系 1 孫珍理2
國立台灣科技大學機械系 2 摘要
本研究主要針對微型固態氧化物燃料電池中之雙極板，藉由數值軟體 CFDRC 建立 3D 模型探討 蛇型、雙蛇型、歧管型及棋盤型四種流道設計對於性能輸出之影響，並分析電池內部之氣體流場與電 流密度分佈。雙極板流道設計目標為使燃料均勻分佈及促進電化學反應，以提升輸出效能；並儘量減 少電池內部的溫度差，以降低熱應力並延長材料壽命。結果顯示，當電池在等溫條件及高入口燃料濃 度下操作，隨著電流密度的提升，雙蛇型及棋盤型流道開始有較佳的性能表現。而歧管型與棋盤型流 道所造成的壓降較小，在高燃料濃度下操作的性能表現比起其它兩種流道設計也不惶多讓，唯獨此兩 流道設計容易受到氧氣質量分量影響其在高電流密度下的輸出。
關鍵字：固態氧化物燃料電池，性能分析，流道設計
一、前言
隨著時代進步，人類對於能源的需求越來越 大。在 1997 年，世界各先進國家於日本京都簽 訂的「京都協議書」中，規定簽訂合約之各國須 逐年削減溫室氣體的總排放量。近年來，燃料電 池成為極受重視的一項新興能源替代方案，其高 效率、無汙染及安靜之優點，利用電化學反應直 接將化學能轉換成電能的方式，不同於以往的傳 統發電，可盡量減少能量轉換所造成的損耗。
由於 SOFC 之工作溫度極高，因此電池內部 之熱管理 (thermal management) 相當重要。當電 池操作時，會因溫度梯度及各材料間之熱膨漲係 數 (thermal expansion coefficient) 不同而產生熱 應力 (thermal stress)，進而破壞電池結構及降低
使用壽命。流道設計之優劣，不但影響了燃料擴 散行為及輸出效能，也將影響電池內部的熱傳及 溫度分佈。以下之文獻將回顧流道設計對於輸出 效能及電池內部溫度分佈之影響。
Ferguson [1] 等人利用數值模擬不同外型及 不同流向的三維 SOFC，分析流道間隔寬度及陽 極厚度對於電池裡的濃度分佈和效率之影響。結 果發現，在同一操作電壓下，對向流所能產生的 電流密度最高。當流道間隔寬度越大，電極與雙 極板接觸面積亦加大而使 ohmic overpotential 降 低。然而在流道間隔下，卻使燃料在之部分電極 中擴散不均，而導致整體效能下降，其結果與 Hentall [2] 及 Lin [3] 相同。當使用純氫作為燃料 時，陽極厚度越厚越不利於燃料擴散；但若使用
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CFD12-0911 甲烷作為燃料時，厚電極反而增進燃料重整 (fuel
reforming) 反應，使燃料轉換更加完全，進而提 昇效率。模擬結果發現若是利用甲醇作為燃料，
且滿足連續定理 (continuity theory) 及層流 狀態 (laminar flow)。
b. 電化學反應之生成水為氣相。
c. 電極與電解質皆為均質 (homogeneous) 且 等向性 (isotropic) 之多孔性材料，且雙極板 為一緻密之固體材料，材料性質皆為常數。
第十二屆全國計算流體力學學術研討會 高雄，中華民國九十四年八月 等溫 (isothermal) 條件兩種設定。在等溫條件 下，壁面溫度固定為 1073 K。電池外表面除雙極 板之 Z 方向允許電流進出，其餘 X 和 Y 方向皆設 為無電流進出且外表面無任何氣體洩漏。與陽極 接觸的雙極板之 Z 方向外表面設定電壓為 0 V，
而與陰極接觸的雙極板 Z 方向外表面設定電壓為
−η (fixed overpotential)。
2.5 網格獨立性分析
在同一 overpotential 下，觀察歧管型和棋盤 型流道，可發現其流道內之速度分佈與之前兩種
其主要之阻抗為 ohmic resistances。
3.2 熱邊界條件之影響
圖 5 為不同熱邊界條件之電池內部最高溫
第十二屆全國計算流體力學學術研討會 高雄，中華民國九十四年八月 (Electro Motive Force) 下降；而等溫條件則能維 持固定的 EMF，因此性能表現較佳。
第十二屆全國計算流體力學學術研討會 高雄，中華民國九十四年八月 concentration overpotential 增加。所以在低氧氣質 量分量下，電極的電流密度更容易受到流道設計
"Three-dimensional numerical simulation for various geometries of solid oxide fuel cells," Journal of Power Sources, vol. 58, pp. 109-122, 1996.
[2] P. L. Hentall, J. B. Lakeman, G. O.
Mepsted, P. L. Adcock, and J. M. Moore,
"New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors,"
Journal of Power Sources, vol. 80, pp.
235-241, 1999.
[3] Z. Lin, J. W. Stevenson, and M. A. Khaleel,
"The effect of interconnect rib size on the fuel cell concentration polarization in planar SOFCs," Journal of Power Sources, vol. 117, pp. 92-97, 2003.
[4] H. Yakabe, T. Ogiwara, M. Hishinuma, and I. Yasuda, "3-D model calculation for planar SOFC," Journal of Power Sources, vol. 102, pp. 144-154, 2001.
[5] S. W. Cha, R. O'Hayre, S. J. Lee, Y. Saito, and F. B. Prinz, "Geometric scale effect of flow channels on performance of fuel cells," Journal of the Electrochemical Society, vol. 151, pp. A1856-A1864, 2004.
[6] S. W. Cha, R. O'Hayre, Y. Saito, and F. B.
Prinz, "The scaling behavior of flow patterns: A model investigation," Journal of Power Sources, vol. 134, pp. 57-71, 2004.
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current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
pressure drop (Pa)
0
current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
pressure drop (Pa)
0 double serpentine vs diagonal rib
Velocity Magnitude (m/s)
五、圖表彙整
圖 1. 電池構造及各層厚度
表 1. SOFC 各元件之材料性質表
Component Electrolyte Anode Cathode Interconnect
Material YSZ Ni/ZrO2 LSM LaCrO3
Average Pore
Size (µm) 0.3 1.6 2.74 - Density
(kg/m3) - - - 6770
Specific Heat
(J/kg K) - - - 550.5
unit: µm
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current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 diagonal rib staggered cylinder current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 double serpentine diagonal rib staggered cylinder
current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
maximun temperature (K)
1200
current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
maximum temperature (K)
1072
current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
pressure drop (Pa)
0
current density (A/cm2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
pressure drop (Pa)
0
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CFD12-0911
(a) 蛇型流道
(c) 歧管型流道 (d) 棋盤型流道
(b) 雙蛇型流道
圖 9. 不同流道之陽極電流密度分佈圖
邊界條件：等溫、氧氣質量分量 = 1、overpotential = 0.7 V、Z = 1.25 mm
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Current Density (A/cm2)
(a) 蛇型流道
(c) 歧管型流道 (d) 棋盤型流道
(b) 雙蛇型流道
圖 10. 不同流道之陽極電流密度分佈圖
邊界條件：等溫、氧氣質量分量 = 0.5、overpotential = 0.7 V、Z = 1.25 mm
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Current Density (A/cm2)