2.1 Stack 系統架構
圖 2.1 為一燃料電池發電系統之架構圖，本體部份主要由 BOP、Stack、PCU 等單元所組成，BOP 及 PCU 藉由控制單元進行操控，以得到符合要求之性能輸 出，而 Stack 本身為不可控制之元件，但可觀測。運轉過程中，控制單元依照實 際負載條件需求，對 BOP 進行燃料、空氣等輸入參數進行調節及熱能回收參數 等工作命令，同時控制 PWM converter、 inverter 及 battery 進行電力調節，各參 數間皆有互動關係存在，應綜合考量為宜。
圖 2.1：燃料電池發電系統之架構圖
圖 2.2：SOFC Stack 模組示意圖
圖 2.2 為 Stack 的電力輸出模型，本模型可分為三大部份，即 flow rate &
pressure、heat & temperature、與 electrochemical 三大模組，各模組間互相傳遞溫 度、壓力、流量、電功率等參數，以進行 Stack 整體之動態行為計算。
2.2 Stack 系統模型
電池堆為 SOFC 系統最重要之元件，其模型之準確性悠關整體性能之 動態表現。藉由熱力學與電化學推導其流道內之壓力、溫度，並考慮極化現 象的影響，建構 Stack 的電力輸出模型，在 stack modeling 部份，可分為兩部 份進行，分別為 A1.以氫氣為燃料之電池堆及 A2.以部份預重組為燃料之電池 堆。以 A1 模式所建立之電池堆模型，由於是以氫氣為燃料，無內部重組問 題，為單純之氫氧電化學反應，其特性易與多數文獻與穩態實驗進行驗證比 較，進行參數修正，待驗證無誤後再進行 A2 部份。
A1 部份包含以下子項：
A1.1 建立動態質傳模型，以模擬電池堆內各氣體分壓隨入口流量、溫
度、與燃料使用率之變化情形，以作為電化學 Nernst Eq.計算開路電位之活 性指標，另由於電極之多孔性擴散行為所形成之反應物與生成物之分壓亦需 詳細描述。
A1.2 建立能量平衡模型，由於氣體進出電池堆與因電極組合（PEN）
電化學反應所產生的反應熱，藉由傳導及對流現象將熱帶至外部，因此氣體 之流量、溫度、材料特性、與負載大小與型式皆會造成電池堆溫度變化，此 溫度將影響電化學特性及材料耐久性與電池堆壽命。
A1.3 建立電化學模型，藉由 A1.1 與 A1.2 所得之氣體分壓與溫度進行 開路電位計算，當電流通過燃料電池時，電極電位將偏離可逆電位，這種現 象稱為極化（polarization），其偏移量為過電位，主要為以下三項：活化過 電位（activation overpotential）、歐姆過電位（ohmic overpotential）、濃度過 電位（concentration overpotential）。燃料電池之實際輸出電壓為：開路電位-過電位。
A1.4 由上述各模組間互相傳遞溫度、壓力、流量、電功率等參數，以 進行 Stack 整體之穩態行為模擬分析，並與實驗結果進行驗證，修正電極與 電解質等材料參數與幾何係數等，以驗證模型之正確性。Stack 參數分析之 項目包含：操作溫度、電極活化能、反應常數對活化極化之影響、材料孔隙 度/扭曲率/厚度/bulk pressure 對濃度極化之影響、及操作溫度、材料阻抗對歐 姆極化之影響等。
A1.5 進行動態模擬測試，修改操作條件以進行定性分析，並完成簡單 閉迴路測試。如固定負載及 Air fuel ratio (AFR)時，變動氫氣入口之流率，由 於流量增加導致在 stack 內部之 H2 分壓增加，使得電壓及電流皆上升一些，
但由於入口溫度低於操作溫度，有較多之熱量被帶走，因而溫度些微下降。
固定入口氫氣流率及負載電阻時變動 AFR，隨著空氣流量增加，stack 內部 之氧氣分壓逐步上升，同時由空氣帶走更多的熱量導致溫度逐步下降，隨著
溫度下降，由於活化能及極化現象之影響，導致電壓及電流皆些微下降。圖 2.3 為固定溫度下不同流率及燃料使用率對 IV curve 之影響。
圖 2.3 為不同流率及燃料使用率對 IV curve 之影響
A2.加入內重組反應，改採 CH4為燃料，由於重組反應為吸熱反應，將 使電池堆之溫度降低，同時造成內部之成份改變。內重組反應包含下列反應 式：
Steam Reforming：CH4+H2O=CO+3H2
Water Gas Shifting：CO+H2O=CO2+H2
並進行動態模擬測試，修改操作條件以進行定性分析，及完成簡單閉 迴路測試。