η = ⎢ − ⎥
⎣ ⎦
(12)其中 il為極限電流密度，代表當燃料消耗速度等於最大燃料輸送速率時所產生的電流密度。
在高電流密度時concentration overpotential 的影響尤其明顯，因燃料消耗率上升，導致燃料輸 送不及。濃度所造成的電壓耗損對於具燃料重整(fuel reforming)的燃料電池尤其重要，經由重 整反應會使得燃料輸送速率降低，而混合燃料亦會使得燃料的分壓降低。
4 高溫供氣系統設備建構
高溫供氣系統依氧化鋯型燃料電池為設計測試對象，考量未來發展電池堆組(cell stack)的 擴充性，將電池的輸出功率設為100 W 以上，計算氫氣與氧氣的流量需求，最大供應流量為 2×10-5 kg/s，可將氣體加熱到 800oC。系統的整體架構如圖一所示。
氫氣與氧氣的氣瓶裝設了壓力計與調節閥，由閥件控制開關，而其流量則以針閥調節大 小，並裝置了浮子流量計(rotameter)以偵測氫氣與氧氣的流量。氣體管線主要以 310 型的不鏽 鋼管為主，氣體入口壓力與電池出口之背壓經由即時量測顯示在操控面版上，並可經由鋼瓶 之調節閥與背壓調節裝置加以調控，以避免電池內部壓力過大造成材料破壞或是氣體滲漏逆 流引起安全性問題。茲就高溫供氣系統的兩大重要組件：燃料電池供氣接管，和高溫加熱元 件與溫度控制模組，再作詳細說明。
Temp. Display
&
Controller Back Pressure
Monitor
Needle
Valve Rotameter Valve
Pressure Gauge
Temperature Probe Anode
Cathode Interconnect
Interconnect
Single Cell Electrolyte
Back Pressure Regulator
H2
O2
To
To To
To Inlet Pressure
Monitor
High Temp.
Heating Element
High Temp.
Heating Element Pressure
Regulator
圖一：高溫供氣系統整體架構圖
4.1 燃料電池供氣接管
在本子計畫中，interconnect 與電池夾具的設計，是以尺寸為 10 cm × 10 cm 的電解質與電 極所組成的PEN (Positive-Electrolyte-Negative) 基板為主，其塗覆電極的有效面積(Active Area) 為9 cm × 9 cm。在第一年的研究中，先行以 310 型不鏽鋼製造簡易流道的 interconnect 作為 測試，流道截面為V 型開口。並依照 Lin [5] 等人數值模擬所得之最佳肋條寬度，將其與電 極接觸的面積和流道面積的比值定為0.5，如圖二 (a) 所示。燃料氣體經由側面主要管路進入 interconnect，再分散至側邊，沿著細通道往上連接至流道內，氣體以相同方向流向出口的細 通道，再藉由另一側邊的管路流出interconnect。在未來第二年的延續計畫，將探討不同的流 道設計與材質對於電池整體效能與可靠度的影響。
在每一片interconnect 中，各鑽兩個量測用的孔，以特殊製造的高溫護套(high-temperature sheath)包覆量測探針，近氣體入口處為溫度探針的埋設區，而近氣體出口處則為壓力計的埋 設區，自行製造的高溫護套如圖二 (b) 所示。利用直徑為 5 mm，長 19.6 mm 的 K type 熱電 耦探針量測溫度，其範圍最高可達1370oC，標準誤差為 0.75%。
(b) (a)
圖二 (a) 具簡易流道設計之 Interconnect (b)電池內部壓力與溫度量側探針的高溫護套 PEN 基板周圍框緣放置 3 mm 厚的石英纖維板作為絕緣材料，在其上下以尺寸略大於 PEN 基板的interconnect 包夾固定，最外面再加上夾置治具。石英纖維板最高可耐 1260oC 的高溫，
且不具導電性，放置在interconnect 與夾具間作為墊片可避免電池的電流溢流與短路，並在材 質因溫差翹曲時具填補作用，減少氣體滲漏氣爆的機會。因氧化鋯型燃料電池在高溫操作的 特性，供氣接管以金屬材質為主，在與電池連接處必須特別以雙套管設計再加上石英纖維板 孔狀襯墊的方式防止電流洩漏，單電池的組合示意圖如圖三所示。
圖三 單電池組合圖
4.2 高溫加熱元件與溫度控制模組
加熱區內部主要為總功率4 kW 的加熱器環繞著氣體供應管，對其均勻加熱。以最大流量 為2×10-5 kg/s 計算，氣體通過加熱區的最短時間約為 15 至 20 秒時，仍可將氣體加熱至 800oC 以上，以符合氧化鋯型燃料電池的操作溫度。加熱區的外部以耐火磚建構而成，在其外再覆 以保溫磚，兩端有十字形的貫穿孔槽連結供氣管與加熱器，並以防火泥與玻璃棉將縫隙處仔
細填補以增進加熱效能。氫氣與氧氣的加熱區段分隔並排放入310 型不繡鋼架中，在其上方 為工作測試區域，可放置壓力與溫度量測控制的顯示面板，及電池組合，如圖四所示。
圖四 氫氣與氧氣之高溫加熱區
加熱器藉由PID controller 進行溫度迴授控制，控制器有兩個選項可供切換，一為設定加 熱區出口的氣體溫度，此選項適合在預熱時使用，可即時偵測加熱區內之溫度，另一為設定 燃料電池入口的氣體溫度，此選項適合在實驗進行中使用。
4 Interconnect 流道設計
由於 SOFC 之工作溫度極高，因此電池內部之熱管理 (thermal management) [2] 相當重 要；當電池在高溫下操作時，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) [7]，這將會破壞電池結構及降低材料使用壽 命。此外，電池本身所產生之熱量相當多，如何有效回收熱量，藉由熱交換達到燃料預熱之 目的，因此減少電池結構之溫度梯度及妥善利用廢熱，將是熱管理的二大重點。為達上述之 目的，除改變所使用之材料外，輸送燃料之流道也能對此有所改善。流道設計之優劣，不但 可影響燃料擴散行為及輸出效能，也將影響電池內部熱傳分佈及散熱效果。
4.1 流道設計相關文獻回顧
1996 年，Ferguson [3] 等人利用數值模擬不同外型的三維 SOFC，包含平板狀、圓管狀及 圓柱狀，比較同向流、對向流及交錯流之效率差異，並分析流道間隔寬度及陽極厚度對於電 池裡的濃度分佈、電壓損失和效率之影響。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，使Ohmic loss 降低。
然而這樣卻也造成燃料在流道間隔下之部分電極擴散不均，以致整體效能下降。當使用純氫 作為燃料時，陽極厚度越厚越不利於燃料擴散；但若使用甲烷作為燃料時，厚電極反而增進 燃料重整，使反應更加完全，進而提昇效率。但厚電極也將造成本身阻抗增加及燃料使用率
降低，所以過厚的電極，反而會造成效率的下降。Ferguson [3] 等人發現，若是利用甲醇作為 燃料，其陽極之最佳厚度約為200 μm。
2000 年 ， Yakabe [8] 等 人 利 用 數 值 與 實 驗 來 探 討 厚 陽 極 下 因 擴 散 行 為 所 產 生 的 concentration overpotential，並考慮一氧化碳與水結合之 water shift reaction 所造成之影響。結 果顯示，由於氫氣的擴散速率較一氧化碳高，所以在厚電極裡之濃度分佈較均勻，也較不易 產生局部燃料耗盡之情形。此外，water shift reaction 對於整體效能亦有所幫助，尤其在流道 的下游區，可減少因燃料耗盡所產生之concentration overpotential 的影響。
2001 年，Yakabe [4] 等人利用數值模擬軟體 STAR-CD 分析一平行流道，考慮流道內燃料 的重整反應與熱輻射效應下使用高熱傳導係數的雙極板對於熱應力的影響，並比較同向流及 對向流在電池內部的濃度、溫度、電壓、電流及應力分佈之差異。結果發現燃料重整反應的 速率相當大，使得燃料入口區的氫氣濃度大幅升高，而形成高局部電流密度區。由於燃料重 整為吸熱反應，會使燃料的局部溫度下降而造成較陡的溫度梯度，因此最大熱應力亦在燃料 入口區發生。若不考慮燃料重整反應，其熱應力可大幅降低至有重組反應的十分之一，由此 可知燃料重整反應是造成熱應力的重要因素。而若考慮熱輻射效應，Yakabe [4] 等人發現流 道內部溫度分佈較為均勻，且使高溫區向流道下游移動。由數值結果發現，熱輻射效應對於 流道內的最高溫約有 10 % 之影響。此外，同向流的溫度分佈較對向流均勻，且在操作時電 池內部的最高溫度也較低，所以同向流所造成的熱應力也相對較低。由於對向流使電池的操 作溫度升高，所產生之最高電流密度也較大，然而整體電流密度卻相當不均勻，所以在相同 操作電壓下之平均電流輸出反而不及同向流。而使用高熱傳導係數材料當作雙極板，會造成 燃料行徑之垂直方向的溫度梯度增加，以致增加熱應力。
2003 年，Recknagle [9] 等人利用模擬軟體 STAR-CD 建立三維的 SOFC 數值模型，比較同 向流、對向流與交錯流流道的燃料消耗率、電流密度及PEN 上之溫度分佈。結果顯示，高溫 區會靠近燃料入口且溫度會隨著空氣流向遞減，而同向流之溫度分佈最為均勻，內部溫差也 最小，可使溫度梯度降低 30%。交錯流與對向流之最大電流區皆靠近燃料入口，這是由於高 溫所造成的現象，但由於同向流之燃料與空氣流向相同，反而使最大電流區出現在流道中間。
對於同向流而言，其 PEN 上之電流密度差異不大，約僅有 3%。由於對向流與同向流之燃料 與空氣流向呈平行狀，因此氫氣消耗也呈現平行分佈；但交錯流因燃料與空氣流向呈垂直狀，
氫氣消耗會集中在燃料與空氣之出口端，易造成燃料耗盡。
2003 年，Yuan [10] 等人分析在 SOFC 的流道內，其燃料擴散層速度及壓力的分佈。改變 流道截面長寬比，觀察不同比例對流場所造成的影響。結果顯示，由於氣體擴散進入多孔性 介質的緣故，使得電極表面的速度邊界層形狀改變，速度分佈並不對稱。在燃料入口處，有 很強的擴散行為；而經過一段距離，因流道內壓力減少，減緩氣體往電極的擴散，而在流道 中形成渦漩。若固定流道寬度，改變流道深度，會造成渦漩存在的時間長短不同，較淺的流 道會使渦漩存在的時間延長。
2003 年，Lin [5] 等人利用數值與實驗驗證，討論氣體滲透距離 (penetration distance) 與 流道間隔寬度之關係，並試圖找出最佳之流道尺寸。結果顯示，當間隔寬度越大時，所造成 的concentration overpotential 就越大。反之，而當間隔寬度小於氣體滲透距離時，電極表面上 的濃度分佈則較均勻，不受間隔寬度的影響。若氣體滲透距離小於間隔寬度時，越小的間隔