能源科技學術合作研究計畫成果報告
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 (I) Developments of High-Temperature Transport System and
Cell Stack for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
計畫編號：NSC 93-2623-7-011-006 –ET
執行期限：2004 年 1 月 1 日至 2004 年 12 月 31 日 主持人：孫珍理､黃榮芳 台灣科技大學機械工程系 Email: [email protected]
研究人員：歐咸志
摘要
為提高氧化鋯燃料電池系統的反應效能，系統的操作通常設定在高溫高壓之下進行。提高 氣體反應器裡的壓力可增強電化學反應速率，並在高電流密度下降低氣體擴散所延生的濃度 過電壓的影響，進而提升電池整體輸出之電壓。此外，高溫操作可降低activation overpotential，
且常可免去反應觸媒的使用，而使整個燃料電池系統的製成更精簡。為了達到良好的電化學 反應與增大輸出電壓，除了高溫的燃料與氧氣必須能均勻而無洩漏的輸送進多孔質的正負極 材料之中，也必須確保反應後所產生的水蒸氣能順利排出。此外，在高溫高壓的操作環境下，
如何降低各種材料相異的膨脹係數所引起的變形脆裂，阻擋氣體洩漏與防止組件因高溫高壓 的侵蝕損壞，是非常嚴苛的挑戰。
本子計畫第一年之研究成果簡述如下：已設計建構一套高溫供氣系統，可分別將氫氣與氧 氣加溫至800oC，以最大可達氫氣 1.5×10-5 kg/s，氧氣 10-4 kg/s 的質量流率供給固態氧化物燃 料電池，流量可自由調整並進行即時量測，以供應將來多電池組發展時使用。加熱器溫度的 操控有兩種迴授控制模式可供切換：以加熱器出口溫度，或燃料電池的入口溫度為設定控制 目標。此外，在系統內亦整合了壓力感測器即時量測氣體的入口壓力與電池的出口背壓，以 調整電池內部之壓力平衡，達成止逆與防爆的作用。建構本高溫供氣系統，主要目標期能在 未來延續計畫供以測試探討雙極板流道設計與不同材料對於電池效能的影響。
此外，利用數值軟體CFDRC 進行四種不同流道設計之初步模擬，以討論不同流道幾何 形狀對燃料濃度與電流密度分佈的影響，藉此輔助進行流道設計之最佳化。其中，以絕熱邊 界條件模擬在cell stack 中間夾層的單一電池之情況，發現電池內部溫度高達 1000oC 以上，
突顯出熱應力對於整合電池組不同材質的重要性。而若使用純氫與純氧做為燃料，並固定流 道與電極的接觸面積，數值結果發現在相同操作溫度下，不同流道設計對於電池的可輸出功 率並不會造成太大的影響。然而，輸送氣體時所需的壓差對於不同流道設計可相差十倍以上，
而直接影響了輸送泵的消耗功率，與整體系統的輸出效能。
關鍵詞：固態氧化物燃料電池，高溫，供氣測試系統，流道設計
Abstract
To enhance the efficiency of the electrochemical reaction, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) is set to operate at high temperature. The high-efficiency characteristic of SOFC benefits from the decrease of activation overpotential at high temperature and oxidation of carbon monoxide by the water shift reaction. In general, increasing pressure of the cell results in higher reaction rates and output voltages. However, issues such as material deformation and fracture due to the thermal mismatch and pressure imbalance remain to be challenging.
Our custom built SOFC test system includes 4 kW heating elements that can be used to heat the reagent transfer lines up to 800oC with a mass flow rate of 2×10-5 kg/s. The flow rates of hydrogen and oxygen are adjustable and measured by rotameters during the test procedure. PID controllers are implemented to the coil heaters with two integrated temperature sensing in order to monitor the heating outlet temperatures and the cell inlet temperatures of reagents. Cell inlet and back pressures are measured and accommodated by regulators to stabilize cell’s internal pressure. This high-temperature apparatus is built in-house and will be facilitated to examine the effects of various fluidic channel design of interconnect on cell performance and the reliability of innovative electrolyte/electrode materials developed by our team members for the ongoing projects.
Moreover, initial investigations are carried on to study the impacts of flow channel design of interconnect on the performance of planar SOFC. Cell-level simulations are performed by using commercial software package CFD-ACE. Co-flow configuration is applied for fuel delivery in this investigation. To keep the Ohmic loss in the same order, the ratio of interconnect contact area (rib) to channel projection area is fixed to 0.5 approximately. The deviations of the polarization curves are less than 2% for different flow archetypes despite the large variation of pressure reduction in flow channels. This is ascribed to the uniform gas concentration by using pure oxygen and hydrogen. The variations of the pressure reduction are mainly caused by different flow characteristics of the flow channel designs and are less revealing in pointing out the performance variations of fuel cell. Larger pressure reduction requires more auxiliary power consumption for fuel delivery. This indicates that flow pattern design can be optimized to enhance the performance of SOFC.
Keywords: solid oxide fuel cell (SOFC), high temperature, test system, gas manifold design
目錄
摘要...ii
Abstract ...iii
目錄...iv
1 前言... 1
2 研究目的... 2
3 電池效能影響因素... 2
3.1 系統壓力... 3
3.2 系統溫度... 4
3.3 材料材質特性... 4
3.4 氣體擴散傳輸的影響... 5
4 高溫供氣系統設備建構... 5
4.1 燃料電池供氣接管... 6
4.2 高溫加熱元件與溫度控制模組... 7
4 Interconnect 流道設計... 8
4.1 流道設計相關文獻回顧... 8
4.2 流道設計相關專利... 10
4.3 流道內部壓力計算... 12
4.4 流道間隔寬度的影響... 13
4.5 固態氧化物燃料電池數值分析... 14
4.5.1 條件假設與合理性證明... 14
4.5.2 Governing equations ... 14
5 結果與討論... 16
5.1 高溫供氣系統... 16
5.2 電池數值模擬... 17
5.2.1 氣體濃度分佈... 18
5.2.2 電流密度分佈... 19
5.2.3 電池內溫度分佈... 19
6 Reference ... 21
7 計畫成果自評... 23
研發成果資料表...24
附錄：本計畫成果發表之會議論文...25
1 前言
近年來，由於溫室效應的問題日益嚴重與考量到環境保護的因素，減少二氧化碳排氣量與 提升能源轉化效率遂成為能源問題中的重要議題。尤其是受到京都議定書(Kyoto Protocol) [1]
的影響，尋找替代性能源的任務更是刻不容緩。與其他新興能源方案相較之下，燃料電池因 其在穩定性與高效能上突破的優勢，而特別受到極大的重視。研發實用性的燃料電池系統，
亟需整合各個不同的研究領域；舉凡燃料前置處理，熱交換，控制系統，能量轉換調節等等，
每個環節皆必須充分配合。本子計畫針對子計畫一與子計畫二所發展出之電極與氧化鋯電解 質，進行所需之高溫供氣系統與電池介面的研發與整合。
固態氧化物燃料電池相較於其它類型之燃料電池除了高發電量外，其優點還包含了使用多 種不同燃料的相容性、不需水管理(water management) [2] 的便利性，以及排出的高溫氣體可 再利用等等。然而，因其高溫操作的特性，也使得選取材料時，在抗腐蝕、抗氧化與熱膨脹 係數匹配方面遭遇嚴苛的考驗。此外，熱管理(thermal management)也成為固態氧化物燃料電 池的重要課題，良好的熱管理，不僅可以提升燃料電池的輸出效能，還能延長燃料電池的使 用壽命。
電流值的大小與電池內部的損失有關，在探討燃料電池內部反應及傳輸現象的研究中，大 部分著重於如何降低電池內部的電阻抗來提升整體的輸出效能。在輸出大電流時，會造成電 池電壓值的降低。在實際燃料電池的應用中，為了達到所需的操作電壓，通常以串聯單電池 (single cell)的方式來增加電壓。而串聯電池時，在各單電池間為了導通電流而加入的雙極板 (bipolar plate)遂成為左右電池效能的關鍵元件。雙極板的主要功能為傳輸各單電池所產生之 電流，其導電性質的優劣，將直接影響電池的總電壓。此外，雙極板承載了輸送氣體的流道 結構，當電池串聯成組時(cell stack)，具有將燃料輸送至電池內部，達成電化學反應輸出電流 之功能。流道設計的良莠，會直接影響燃料在電極板分佈的均勻性，而造成性能的影響。
Ferguson [3] 等人在 1996 年時利用數值模擬分析三維不同外型之固態氧化物燃料電池，對 於平板、圓管及圓柱狀三種燃料電池的形式，比較在同向流、對向流及垂直流不同配置之下 的電池效率差異，以及分析肋條寬度和陽極厚度對於整個電池裡的濃度分佈、各項損失和效 率之影響。結果發現在同一電壓之下，對向流所能產生的電流密度最高。肋條的寬度越大時，
歐姆損失(Ohmic loss)雖然較小，但也會使得燃料濃度的分佈較不均勻。而陽極的厚度越厚，
會讓燃料濃度分佈較為平均，但消耗率（電化學反應率）卻降低。整體來說，當厚度過大時，
反而會造成電池效率的下降。2001 年，Yakabe [4] 等人利用數值軟體 STAR-CD 模擬一平行 流道之固態氧化物燃料電池，分析單電池裡的濃度、溫度、電壓、電流及應力之分佈，並比 較同向流及對向流之差異，燃料在流道內「轉化」(reforming)之效率，與使用高熱傳導係數 之材料對於電池整體熱應力的影響。結果發現燃料轉化反應的速率相當快，遠大於燃料的輸 送流速。在肋條底下，因為只能靠擴散來傳輸，所以燃料濃度有明顯的降低。在流向配置的 比較上，對向流雖在燃料入口處產生出很高的電流密度，但隨著氫氣的消耗，電流密度的分 佈差異很大。反之，同向流配置雖然使整個電極表面上的電流密度不高，但卻保持一定的均 勻度。Lin [5] 等人利用數值模擬與實驗驗證，探討氣體擴散距離與肋條寬度之間的關係，並 試圖找出最佳的流道尺寸。結果顯示，肋條的寬度越大，因濃度梯度所造成的電壓損失越多。
而當氣體滲透距離(penetration distance)大於肋條寬度時，電極表面上的氣體濃度分佈得非常
均勻，較不受到肋條寬度影響。而當氣體滲透距離小於肋條寬度時，相對來說，肋條寬度越 窄會使得氣體濃度分佈較均勻。但因一般情況下接觸阻抗(contact resistance)大於歐姆阻抗 (Ohms resistance)，故肋條寬度不可太窄，通常是介於流道寬度的 1/3 至 2/3 左右。
2 研究目的
燃料電池的製作與研究，不僅只由電解質、電極等材料方面的問題；燃料利用率與回收、
燃料流道的設計、電極催化行為等等，皆須整合不同領域背景的研究成員，組成研發小組，
一同開發設計，考慮相關層面，使每一項設計符合各方面的需求，如同流道的設計，必須配 合金屬/陶瓷流道與SOFC 陶瓷主體之間的熱膨脹係數、防熱震外，尚須考慮其能將反應後的 水蒸氣排出，且高溫下必將流道中的氣體壓力提升，且燃料於流道中的流速與催化反應之間 的關聯性；這些都是發展SOFC 元件所會遭遇的問題，故由整體系統設計的觀點來發展高溫 供氣系統，恰可進行各研究領域的整合，達成試作的SOFC 系統雛形。
此外，由文獻可知，雙極板流道幾何形狀實對燃料電池整體效能有重大影響。而利用數值 分析的方式，可幫助評估實際在電池整合時，如熱應力與燃料滲漏(fuel crossover)等問題對於 整體系統的影響與可能的解決方式，以期在建構高溫供氣系統時能針對其加工性與高溫操作 下之可靠度做整體評估與測試，整合燃料電池系統封裝技術，達到測試與初步系統整合操作 的目標。
3 電池效能影響因素
燃料電池基本原理是利用燃料在電極上進行電化學反應，解離出帶電離子與電子，帶電離 子通過電解質到另一電極與氧氣產生反應；電子則由外迴路接至負載形成迴路。SOFC 的基 本構造，主要由三種不同元件所構成：陽極、電解質及陰極，並以interconnect 對其外部加以 夾心。位於中間的電解質由於要阻隔兩側電極上的燃料互相穿透，因此需要相當緻密的結構；
而位於兩側的電極因為要讓燃料能分佈均勻並加大反應面積，因此皆為多孔性結構。
若是以氫氣和氧氣作為陽極與陰極的燃料，當氫氣由陽極流道流入時，會在陽極的孔隙間 與經由電解質傳遞的帶負電氧離子產生還原反應，生成水蒸氣與電子。氫氣在孔隙間與觸煤 和電解質形成反應的介面，稱為「三相邊界」(Three-Phase-Boundary, TBP)。反應所產生之電 子經由負載傳至陰極的三相邊界，與氧氣產生氧化反應成為帶負電氧離子，帶負電氧離子則 經由電解質傳至陽極進行下一次的反應。周而復始，只要不間斷輸送燃料，就可持續產生電 流。
對SOFC 而言，各電極電化學反應式如下，
陽極
2
2 2
2H +2O − →2H O 4e+ − (1)
陰極
2
O2+4e− →2O − (2)
總反應
2 2 2
2H +O →2H O (3)
影響電池效能的因素包含了系統整體壓力、操作溫度、材料特性、與氣體在interconnect 中的擴散傳輸機制等，各於下列段落中分述。
3.1 系統壓力
由於燃料電池中的能量是以化學能和電能為主，為能夠將「化學能」量化，因此利用熱力 學中的Gibbs free energy (gf) 表示之，Gibbs free energy 與熱力性質 enthalpy 類似，是一種量 化能量的性質。而在電化學反應中所釋放的能量，正是反應物與生成物Gibb free energy 的改 變量，若考慮燃料電池的基本反應式，則可寫成
( )
2( )
2( )
2f f H O f H f O
g g g 1 g
Δ = − −2 (4)
若不考慮能量轉換中的不可逆性(irreversibility)所造成的損耗，化學能可完全轉換成電能。
在常壓下，假設輸入1 mole 的氫氣，與 0.5 mole 的氧氣反應可產生 2 mole 的電子，亦即由 能量守恆可知
0 0
gf z F E 2F E
Δ = − ⋅ ⋅ = − ⋅ (5)
其中Δ 為 1 mole 氫與氧完全反應的 Gibbs free energy 改變量，z 為反應所生成的電子數，Fgf 為Faraday constant 及 E0為常壓下的電動勢(Electro-Motive Force, EMF)。由式 6 可得
0 gf
E 2F
= −Δ (6)
由於燃料電池直接將化學能轉換成電能，因此不受傳統熱力學中Carnot cycle 效率限制，
然而在電化學反應的過程中，除電能的轉換外，並伴隨著熱量的產生，熱能的量化可以enthalpy 來表示。因此，對於1 mole 的氫，電池所能產生的最大效率為
max f f
g 100%
h η = Δ ×
Δ (7)
其中Δ 為 1 mole 的氫與氧反應的 enthalpy 改變量。表 1 [6] 為燃料電池基本反應式在不同溫hf 度下的電動勢及其效率限制。
表1 不同溫度下之效率限制 [6]
Form of water product
Temperature (oC)
Δgf
(kJ/mole)
E0max
(V)
ηmax
(%)
Vapor 600 -199.6 1.04 70
Vapor 800 -188.6 0.98 66
Vapor 1000 -177.4 0.92 62
燃料電池的電動勢除與操作溫度相關之外，亦會受到電池的操作壓力與燃料濃度分佈的影 響。若考慮電池的操作壓力和燃料濃度，根據Nernst Equation 系統實際的電壓應為
2 2
2
1
H O2
0
H O
P P E E RTln
2F P
⎡ ⎤
⎢ ⋅ ⎥
= + ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
(8)
其中 R 為氣體常數，T 為操作溫度，PH2、PO2及 PH2O分別為氫氣、氧氣和水蒸氣在系統內的 分壓。理想狀態上，提高操作壓力十倍，大約可以增加0.06 伏特的輸出電壓。而不同的流道 設計，在高燃料使用率時，亦會造成分壓變化，進而影響EMF。
3.2 系統溫度
當兩種不同材料連結在一起時，在接觸表面上雙電層(double charge layer)的存在會形成能 障。電池在操作時，為驅動帶電離子與電子突破能障產生電化學反應，必須耗損部分電壓，
稱為activation overpotential，此損失與電流之關係式可由 Butler-Volmer 方程式表示之。
( )
0 act act
nF nF
i i exp 1 exp
RT RT
⎡ ⎧ ⎫ ⎧ ⎫⎤
= ⎢⎣ ⎨⎩ − α η ⎬⎭− ⎨⎩−α η ⎬⎭⎥⎦ (9) 其 中 i0 為 交 換 電 流 密 度(exchange current density) ，α為傳輸係數，而ηact 為 activation overpotential。式 9 經由簡化可得 Tafel 方程式
act
0
RT i 2 Fln i
η = α ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ (10)
Activation overpotential 通常在低電流密度時最為重要。其中，i0為是影響此損失的重要參數；
交換電流密度依使用的電極材質組成而不同，交換電流密度越大，則 activation overpotential 所造成的損失越小。對於SOFC 而言，通常陽極的交換電流密度會大於陰極的交換電流密度。
且i0與電池的操作溫度相關，故 activation overpotential 對於高溫型燃料電池（如 SOFC）的 影響較小。此外，增加電極表面粗糙度、提高操作溫度、增加系統壓力等方式亦可降低電池 的activation overpotential。
3.3 材料材質特性
根據Ohms Law，電流流經一物體時，必會在兩端造成電壓損失，稱為 Ohmic overpotential。
ohm i r
η = ⋅ (11)
其中ηohm為 Ohmic overpotential，而 r 為面積阻抗，與各層的電阻係數、厚度、接觸面積 相關。電阻係數越大，則也r 越大。而每一層的厚度越薄，所對應的 r 則越小。此外，interconnect 與電極的接觸面積越大，則r 越小，Ohmic overpotential 所造成的耗損也越小。相較於 activation overpotential，Ohmic overpotentail 對於高溫燃料電池的影響較大。
除電阻係數外，各種材質的物理性質亦會對電池整體性能造成相當大的影響。例如電解質 在燃料電池中，主要負責傳遞電化學反應所產生的帶電離子，必須是具高離子導電率的緻密 材料，以減低燃料擴散到另一電極(fuel crossover)。當以電解質做為支撐陽極與陰極的基材
(electrolyte-supported type)時，電解質必須具備較佳的機械強度，以承受兩邊氣體的壓差所造 成的應力。此外，其電子導電率亦需較低，以避免漏電流(current leakage)直接穿透電解質層。
而電極為進行氧化還原反應的關鍵元件，主要負責催化進入電池的燃料，使其產生電化 學解離反應放出帶電離子與電子。電極材料必須具備高催化活性、高電子導電率、良好的化 學結構穩定性等條件。對於 SOFC 而言，高溫操作具相當優良之催化效果，故不需使用貴重 金屬做為催化劑，可降低系統成本。
除此之外，在燃料電池中，經電化學反應所產生之輸出電壓約在一伏特以內，為配合大 電壓負載之需求，電池通常以串聯方式來增加輸出電壓。串聯後的系統池則稱為電池堆 (cell stack)，以雙極板(interconnect)做為各單電池間串聯的元件。雙極板除在電性上負責連接各單 電池外，並附有流道凹槽以將燃料供應至電極表面，除了必須具高電子導電率及低離子導電 率外，更重要的是在高溫操作下的化學穩定性與氣密性。而因 SOFC 為高溫型燃料電池，故 雙極板的熱膨脹係數必須與其他材質互相匹配，以減低電池內部的溫度梯度所產生的熱應力。
3.4 氣體擴散傳輸的影響
在高電流密度時，因電化學反應速率變快，大量消耗輸送進入的燃料，造成流道內燃料的 分壓或濃度降低。根據 Nernst Equation，燃料分壓或濃度降低會使電壓下降，而此電壓降稱 為concentration overpotential，可由 Nernst Equation 改寫為
con
l
RT i
2F ln 1 i
⎡ ⎤
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
寬度會使得氣體的濃度分佈越均勻。一般而言，因為電極與雙極板間的contact resistance 大於 材料本身的Ohmic resistance，所以間隔寬度不可過小，通常介於 1/3 至 2/3 的流道寬度左右。
2003 年，Tanner 和 Virkar [11] 藉由面積阻抗 (area-specific resistance, ASR) ，研究對於平 行流道及圓柱交錯型流道改變流道間距大小及接觸寬度之於總阻抗的影響，並比較以電解質 或陽極作為支撐基材之間的差異。結果發現，在不同的條件之下，以陽極作為支撐基材所產 生的ASR 皆比電解質低。這是由於陽極材料本身的阻抗就比電解質低。對於不同流道，ASR 皆隨著流道寬度的增加而變大，而ASR 會隨著電極接觸寬度的增加而減少。但尺寸的變化對 於圓柱交錯型流道的ASR 影響較大，故對於圓柱交錯型流道而言，必須特別注意其流道尺寸 的設計。
4.2 流道設計相關專利
目前與雙極板流道相關之發表專利，大約可加以分成三類：蛇形流道 (serpentine channel) [12-18]、歧管型流道 (manifold channel) [13, 19]及其它型流道 (others) [20, 21]。蛇形流道與歧 管型流道是目前主流的流道設計，其它型流道為一些平常比較不常見之設計，如棋盤型流道 (checkerboard channel)、扇形流道 (fan-delta channel) 及螺旋型流道 (spiral channel)。蛇形流 道所產生的壓降較大，燃料分佈隨著流道遞減。相較之下，歧管型流道與其它型流道雖然也 有各自的優點，但專利數目較少。各類型流道雖然外形各異，但其改進目標皆大致相同，如：
增加電化學反應面積、促進燃料均勻分佈、減少溫度梯度和降低成本等。表 2 整理了目前已 發表的流道設計相關專利，與其改善之細節。
Improvements Increase pressure drop and channel length Prevent fuel short-circuiting Increase pressure drop Decrease material usage Promote hydration Improve electrochemical activity Decrease the temperature gradient Stabilize the voltage performance Facilitate reactant distribution more uniform Cost-cutting and reduce the thickness of cell
Inventor J. A. Rock [12] J. A. Rock [15] J. A. Rock [22] N. G. Vitale [23] M. H. Nelson [17] S. J. Granata B. M. Woodle [18] H. H. Voss C. Y. Chow [13] X. Ren S. Gottesfild [19] V. Gurau et al. [20] Y. S. Yoo et al. [21]
Patent Title Converging/Diverging Flow Channels for Fuel Cell Mirrored Serpentine Flow Channels for Fuel Cell Serially-Linked Serpentine Flow Channels for PEM Fuel Cell Fluid Flow Plate for Decreased Density of Fuel Cell Assembly Fuel Cell Channel Distribution for Hydration Water Fuel Cell Plates with Skewed Process Channels for Uniform Distribution of Stack Compression Load Coolant Flow Field Plate for Electrochemical Fuel Cells Flow Channel Device for Electrochemical Cells Fuel Cell Collector Plates with Improved Mass Transfer Channels Solid Oxide Fuel Cells Having Gas Channel
Patent number US 6699614 B2 US 6099984 US 6309773 B1 US 5981098 US 6303245 B1 US 4853301 US 5230966 WO 48852 A1 US 6551736 B1 US 0091766 A1
表2 各類型流道專利 Channel Type Serpentine Serpentine Serpentine Serpentine Serpentine Serpentine Manifold Manifold Others Others
4.3 流道內部壓力計算
當燃料在電池內部經由流道輸送時，流道邊界上的摩擦力會阻止流體前進。為克服此摩擦 力，必須在流道入口處施加壓力以輸送燃料。而燃料在電池內部的壓降除了歸因於流道壁面 的摩擦力外，亦與電池內的燃料使用率有關。在高電流密度下，燃料的使用率越高，使得流 道入口與出口間的壓降增大。流道內的壓降是一項不可忽視的參數，其將直接影響電池內部 的機械強度與電池所產生的電動勢(EMF)。而在大型燃料電池系統中，壓降更直接與輸送燃 料時泵所需耗費的功率。而在燃料電池內部，PEN 兩邊各承受輸送氫氣與氧氣所需的壓差不 同所引起的應力，當PEN 兩邊的壓力差異過大，超越其材質所能承受之最大應力時，將會造 成PEN 的破裂，引起高溫燃燒氣爆的危險。
針對矩形及正三角形流道截面，分析其尺寸大小對於壓降的影響，將有助於 interconnect 與系統整體設計。若假設為不可壓縮流(incompressible flow)，對於矩形截面其體積流率與壓 降之關係式如下 [24]：
( )
13 5 5
i 1,3,5...
tanh i D / 2W 12Q L 192
P 1
DW D i
∞ −
=
⎡ π ⎤
Δ = μ ⎢⎣ −π
∑
⎥⎦ (13)其中W 為流道的寬度、D 為流道的深度、μ為流體的黏滯係數、Q 為體積流率、P 為壓力及 L 為流道長度。而正三角形截面之體積流率與壓力降之關係式如下 [24]：
4
320 QL P 3W
Δ = μ (14)
W 為正三角形的邊長，即流道寬度。根據上述二式，只要知道燃料輸入速率、物理性質及流 道截面之幾何尺寸，即可推測燃料行經流道所產生之壓降。
本計畫中所製作之燃料電池模型其內部流道長度約為8.6 cm，陽極入口輸送燃料為純氫，質 量流率為2.5 × 10-5 kg/s；陰極入口輸送燃料為純氧，質量流率為 1 × 10-4 kg/s。
表3 列出不同的流道寬度與截面幾何，對於氣體在流道內壓降的影響。發現在相同的質量 流率、操作溫度及流道寬度下，三角形截面所造成的壓降約比矩形截面大 6 倍；而當流道寬 度減為 0.7mm 時，壓降約會增加 4 倍。因此，若使用三角形為流道截面，其 PEN 兩邊較容 易造成壓力不平衡並使材料產生破壞。
表 3 不同截面尺寸所對應的壓差 Cross-sectional
Geometry of Channel Rectangular Triangular
Channel Width (mm) 1 0.7 1 0.7
ΔPH2 (kPa) 63.7 265.4 382.2 1592 ΔPO2 (kPa) 34.8 145.0 226.8 944.7
4.4 流道間隔寬度的影響
在Lin 等人[5] 的研究中，為了解流道間隔寬度與流道寬度之間比例對於氣體擴散行為之 影響，因此定義一氣體之滲透距離 (penetration distance)做為特徵長度。所謂滲透距離，其定 義為氣體因電化學反應中而尚未耗盡前在流道間隔底下所能擴散之距離。Lin 在其研究中發 現，若當氣體之滲透距離大於流道間隔與流道寬度之和時，氣體在流道與流道間隔底下之濃 度相同，代表此時電極上之濃度相當均勻，可大幅減低因濃度差異所造成之 concentration overpotential。在此，可根據基礎的擴散原理，試圖找出 SOFC 所對應的氣體滲透距離。
首先，依據電化學基本原理可求出燃料電池入之電化學反應與燃料消耗關係式
j j
1 dN i J = =
A dt zF (15)
其中為 A 反應面積，N 為反應物之莫耳數，t 為時間，i 為電流密度，F 為 Faraday constant 及z 為每莫耳氫氣所產生的電子數。接著，根據 Fick’s Law 可將氣體擴散速率表示為
diff j
j j
J =-D c x
∂
∂ (16)
其中D 為氣體之 diffusivity、c 為氣體濃度及 x 為氣體所行進之距離。上面之氣體表示式為氣 體在無障礙空間之擴散速率，但由於氣體在多孔性電極內之擴散能力會大幅減低，為配合氣 體在多孔性電極內之擴散行為，必須將氣體之diffusivity 以 Bruggman 關係式加以修正
eff τ
j j
D =ε ×D (17)
其中ε 為電極之孔隙度及 τ 為電極之 tortuosity。列出上面各方程式後，依據滲透距離之觀念，
當在某特定之燃料消耗速率下，其擴散速率正好可以給予完全之補給，使得電極中不產生無 法反應之‘dead zone’。
eff j
1 ΔN Δc
A Δt =D ΔL (18)
由於燃料會完全耗盡，因此設定燃料濃度在流道間隔底下擴散至零。將上式兩邊移項後可得
( )
eff eff eff
j bulk j bulk bulk j
j
D c -0 D c zρ FD
ΔL= = =
ΔN/Δt i/zF i M
⋅ ⋅
⋅ (19)
其中ρj = cj · Mj，ρ 為氣體密度，M 為分子量及ΔL 為滲透距離，而氣體的 diffusivity 可以式 20 表示 [25]
( ) ( )
1.75
AB 1/2 1/3 1/3 2
AB v A v B
0.00143T D =
PM ⎡ Σ + Σ ⎤
⎣ ⎦
(20)
其中下標A 和 B 代表了氣體 A 在氣體 B 中擴散，T 為操作溫度，P 為操作壓力及Σv為氣體之 原子擴散體積。在此，電池操作溫度及壓力設定為800oC 及 1 atm，A 和 B 氣體分別為氫氣和 水蒸氣，其原子擴散體積為6.12 和 13.1。將各數值代入上式後可得 DAB = 8.5 × 10-6 m/s。經 由式 17 修正後，再將陽極材料之材料性質及溫度壓力條件之參數代入式 19，可得ΔL = 3.7 mm。
依據計算後之結果發現，目前所設計的流道寬度與間隔都在1 mm 以下，電極上之燃料分 佈應呈現相當均勻之狀態。
4.5 固態氧化物燃料電池數值分析
利用數值軟體CFDRC 模擬包含 interconnect 與 PEN 之單一電池，針對四種不同流道之結 果，個別討論其燃料、電流密度與溫度的分佈情形，將有助於釐清與供氣系統整合時諸如熱 應力與燃料洩漏等潛藏問題，並藉此分析因流道所造成的濃度分佈與電流之間的關係。在此 模擬中，不同流道的截面積固定為約佔總截面積之65%，以固定電池的 Ohmic resistance。
4.5.1 條件假設與合理性證明
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。
因流道的尺寸相當小，所對應之流速使得流體有可能發生壁面滑移與不連續現象，在此以 Knudsen Number (Kn) 判斷是否滿足先前之假設。Knudsen Number 的定義為
Kn= λ/ L (21)
其中λ為氣體之平均自由路徑 (Mean Free Path, MFP)，而 L 為特徵尺寸。L 在此是以流道入口 之水力直徑(hydraulic diameter)代入計算。氣體的 MFP 可以下式表示
2 2
1/ 2 n kT / 2 P
λ = π φ = π φ (22) 其中k 為 Boltzmann constant (1.38 × 10-23 m2 kg/s2·K)，n 為氣體的 number density，φ為氣體分 子直徑，而 P 為壓力。由式 15 可計算得知兩邊燃料之 Kn 皆小於 0.001。因此，本研究的數 值模型仍滿足連續定理的假設。
此外，再以Reynolds Number (Re) 判斷流體是否為層流。Reynolds Number 的定義為 Re= ρUL /μ =m / L& μ (23) 其中ρ為輸入流體的密度，U 為流體速度，L 為流道的水力直徑、μ為流體的黏滯係數，而 m& 為輸入流體的質量流率。經由計算可得兩邊燃料之 Re 皆小於 10，因此輸入燃料為層流狀 態之假設可成立。
4.5.2 Governing equations
數值模擬的統御方程式主要可分為質量、動量、能量、成分及電量守恆，其各方程式之定 義及說明如下。
a. 質量守恆
( ) (
U)
0t
∂ ερ + ∇ ⋅ ερ =
∂ (24)
其中ε為多孔性介質之孔隙率，ρ為流體密度及 U 為流體速度。式 18 與一般流體力學基本質 量守恆方程式類似，但由於電池內之電極屬多孔性介質，為配合計算流體在電極內之情況，
因此在上式中加入孔隙率。當ε = 0 時，代表介質中無流體存在，如固體的 interconnect；當ε = 1 時，代表介質中只存在流體，如流道中之燃料。對於多孔性介質而言，ε介於 0 至 1 之間。
b. 動量守恆
(
U) (
UU)
P( )
2 Ut
∂ ε μ
ερ + ∇ ⋅ ερ = −ε∇ + ∇ ⋅ εγ +
∂ κ (25)
其中p 為壓力，γ為流體剪應力，μ為流體之黏滯係數及κ為多孔性介質之滲透率，κ為流體穿 越多孔性介質之能力。等號右邊最後一項為Darcy’s Law，主要計算流體在孔洞內流動時所造 成之壓降。
c. 能量守恆
( ) ( )
T 2h Uh q : U dP i E
t dt
∂ ερ + ∇ ⋅ ερ = ∇ ⋅ + εγ ∇ + ε − η + σ
∂ (26)
其中 h 為焓，q 為熱通量，iT為傳輸電流密度，η為過電壓，σ為導電率，而 E 為電壓。等號 右邊倒數第二項代表電化學反應中由化學能轉換成電能時所釋放的熱量速率，而等號右邊最 後一項代表了因Joule heating 所產生熱量的速率。而 q 為結合了熱傳導與各成份擴散所造成 之熱通量，可以式21 表示。
N i i i 1
q T J h
=
= ζ∇ +
∑
(27)其中ζ為多孔性介質的熱傳導係數、Ji為各成份之質量擴散速率及N 為反應成份總數。
d. 成分守恆
(
yi) (
Uyi)
Ji .it
∂ ερ + ∇ ⋅ ερ = ∇ ⋅ + ω
∂ (28)
其中yi為各成份之莫耳分量及ω 為電化學反應中 i 成份之產生率或消耗率。式 22 中之 J.i i可以 式23 表示
i
i i,eff i i,eff j,eff j j,eff j
j j
J D y y D M M D y M D y
M
= ρ ∇ +ρ ∇ −
∑
∇ −∇∑
∇ (29)其中 Di, eff和 M 分別為反應成份的實際質量擴散係數及分子量。等式右邊第一項為 Fickian
diffusion，主要代表了濃度梯度所造成的擴散速率；而其他項則滿足 Stefan-Maxwell 關係式，
用來計算當多種成份混合之後的擴散行為。Di, eff可藉由Bruggman 關係式計算得知。
i,eff i
D = ετD (30)
其中τ為 tortuosity，或稱為 Bruggman 係數。當τ值越大，在材質中的擴散越差。在多孔性介 質通常假設τ值介於 2 至 4 會較接近實驗所得到的結果。成分守恆方程式中之最後一項ω ，其.i
值代表電化學反應各成份之產生率或消耗率，可由式25 表示。
. .. .
i i i iT
a a F
⎛ ⎞ ω =⎜ − ⎟
⎝ ⎠ (31)
其中a 和.i a 分別代表反應物和生成物的化學當量係數，F 為 Faraday constant。 ..i
e. 電流守恆
∇ ⋅ =i 0 (32)
其中i 為電流密度。假設整個電池呈電中性，且操作中並無電荷產生，則電流守恆定律成立。
而在多孔性電極中，由於電流會同時以電子和離子兩種不同形式在固體與流體進行傳導，因 此電流可分為固體與流體兩個部份。
F S
i i 0
∇ ⋅ + ∇ ⋅ = (33)
其中iS與iF分為固體與流體的電流密度。式27 可寫成
S F T
i i i
∇ ⋅ = −∇ ⋅ = (34)
當電流分為固體與流體兩項之後，兩邊為完全獨立之項，而經由電化學反應可使其間產 生交互反應，稱為傳輸電流密度iT。在套用Ohm’s Law 之後，式 28 則可寫成
(
S S) (
F F)
iT∇ ⋅ −σ ∇φ = −∇ ⋅ −σ ∇φ = (35)
其中σS和σF分別為固體和流體的導電率；φS和φF分別為固體和流體的電位。一般而言，iT與 電池操作溫度、燃料分壓和電極上的overpotential 有關，其值可由 Butler-Volmer equation 計 算得知。
i
N
a c
T 0 i
i 1
F F
i i exp exp C
RT RT
β
=
⎡ ⎧α ⎫ ⎧−α ⎫⎤
= ⎢⎣ ⎨⎩ η −⎬⎭ ⎨⎩ η⎬⎭⎥⎦
∏
(36)其中i0為交換電流密度，此值與電極材料和操作溫度有關；αa和αc分別為陽極和陰極的 傳輸係數，Ci 為反應物在靠近電極表面的莫耳濃度，βi 為反應物的濃度指數(concentration exponent)。
5 結果與討論 5.1 高溫供氣系統
第一年之研究成果簡述如下：已設計一套高溫供氣系統，可分別將氫氣與氧氣加溫至 800oC，質量流率至少可以達到 2×10-5 kg/s，並可自由調動並量測，以供應將來多電池組發展 時使用。此外，單電池三明治內實際的電解質與電極夾片核心結構非常的薄，可能僅有1 mm 以下，且其電子陶瓷材料具有易碎性，必須在供氣時考慮到電極兩邊之氫氣與氧氣因不同壓 力對夾片所造成的應力問題。單電池三明治夾片的組裝，亦需考慮到高溫狀態時之氣密性。
三明治夾片核心的材質不同，在高溫下的膨脹率與機械性質也有異，會造成封裝與防漏的難 題。基於安全性的考量，此建構中之系統加入壓力平衡自動回授調整與止逆、防爆等次系統，
以利未來電池組實驗測試之用。
5.2 電池數值模擬
除了高溫氣體供應系統以外，另外完成具有初步流道設計的腔體的單極板以供單電池三明 治夾片核心使用。在陽極與陰極的外側必須加上interconnect 以便將反應產生的電能引出到負 荷電器去使用。而且，interconnect 還須包含氣體流道，以便將高溫氫氣引入至陽極，以及將 高溫氧氣引入至陰極。由於陽極與陰極都是多孔質材料，在陰極反應後的二價氧離子穿過陰 極板、電解質板，在陽極板與氫氣反應，生成水蒸氣、電子及熱。流道的設計，牽涉到擴散、
排氣、反應效率的問題，頗為複雜。因此，為輔助發展單電池三明治夾片核心的單極板，已 利用套裝軟體 CFDRC 針對氧化鋯燃料電池進行初步流道腔體之數值模擬，以期尋找出能讓 氣體均勻分佈擴散之最佳化設計。目前所建構比較之流道設計有棋盤圓柱式(cylindrical grid)、單流道蛇紋式(single-channel serpentine)、多流道蛇紋式(multi-channel serpentine)、對角 分歧式(diagonal bifurcation)。
圖五 陽極與電解質介面上不同流道所造成的氫氣質量分率分佈，電池的電壓為 0.3V
其流道面積佔總電導體面積之比值盡量維持在0.63 至 0.66，以期盡量減低 Ohmic resistance 對燃料電池效能之影響，將重心放在流道設計之分析上。經由初步的流場模擬，可得到在所 預估的燃料電池操作進氣量下，不同流道設計內之氣體、電流密度、溫度分佈與所需壓差的 差異。結果顯示，蛇紋式的流道設計在同樣的功率輸出情形下，其流道流阻較大，而容易造 成氣體在電極上分佈不均與較大的溫度梯度等等問題。此初步結果顯示針對完整的電池組進
X
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Y
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
X
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Y
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
X
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Y
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
X
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Y
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
H2 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05
