电池堆结构演示教学

電池堆結構•管式與平板式SOFC之電池堆比較•管式SOFC電池堆結構•平板式SOFC電池堆結構•其他型式之SOFC電池堆結構

管式與平板式SOFC之電池堆比較由於構成SOFC的所有元件都是固體，因此電池結構與外型具有多樣性，可依照不同需求與環境進行設計，目前常用的設計有管式結構與平板式結構兩種，兩者之製程技術、密封技術、以及電阻等特徵之比較如表

電池堆結構(1)特徵管式SOFC平板式SOFC製程技術複雜(擠壓成型、電化學沉積、電漿噴塗、漿塗等)簡單(帶鑄、燒結)密封技術容易困難內電阻高低成本高低操作溫度1000℃800℃以下平板式SOFC的主要缺點是高溫密封困難,熱循環差。過去幾年間,許多公司已成功開發出玻璃或陶瓷的複合無機密封材料,解決SOFC高溫密封之問題,目前全世界固態氧化物燃料電池研究有70%集中在平板式固態氧化物燃料電池的開發工作。

電池堆結構(2)管式SOFC電池堆結構西門子西屋公司圓管式固態氧化物燃料電池與系統示意圖空氣電極電解質燃料電極雙極連結材料

電池堆結構(3)

電池堆結構(5)SOFC結構設計重點一般而言,在高溫操作下的SOFC其電極極化並不大,造成電位損失主要來自於各元件的歐姆阻抗,因此,選擇高導電度材料以及降低各元件之厚度成為SOFC結構設計的重點。SOFC的歐姆阻抗將有45%來自陰極、18%來自陽極、12%來自電解質、而剩下25%則來自雙極連接材料。針對圓管式SOFC高歐姆阻抗的問題,西門子西屋公司提出扁平管固態氧化物燃料電池(flat-tubeSOFC)的設計,又稱作HPDSOFC,下圖所示

電池堆結構(6)

電池堆結構(7)傳統及扁平SOFC之比較:西門子西屋HPDSOFC的設計中,將傳統SOFC圓管扁平化,並且在空氣電極中間加裝肋條隔板,以提供電流捷徑並作為空氣流到之用,HPDSOFC的設計有以下幾項優點:1)扁平管可以縮短電流平均路徑長度並同時增加電流路徑截面積,如此可以降電池歐姆阻抗、增加輸出功率。2)扁平管內可採用較薄的空氣電極,以降低濃度極化提高輸出功率。

電池堆結構(8)3)扁平管可以有效減少了管與管間的閒置空間,相同輸出功率下可以節省電池堆所需的空間,式傳統圓管的1/3長。4)由於肋條已經隔出空氣流道,扁平管無須供應空氣之氧化鋁導管。在單位質量的輸出功率,扁平管較傳統圓管SOFC高出約77%,在單位體積輸出功率的改進程度則可達到185%;此外,在固定的輸出功率之下,扁平管SOFC所需的單電池數明顯較少。

電池堆結構(9)圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較

電池堆結構(10)特徵

種類圓管SOFC扁平管SOFCEDB/ElsamaHPD4bHPD4HPD12電池長W之電池數791147349單電池輸出功率(W)12688136205比功率(W/kg)113191203200單位體積輸出功率(W/L)136297409388圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較(操作溫度:950℃,操作電壓:0.65V)a:在荷蘭EDB/Elsam運轉之110-Kw常壓型圓管SOFC系統。b:HighPowerDensitySOFC,下標表示所使用肋條數。

電池堆結構(11)平板式SOFC電池堆結構

電池堆結構(12)平板式SOFC的設計是先將空氣電極、固態電解質、以及燃料電極燒結為一體型成三合一結構PEN(positiveelectrode-electrolyte-negativeelectrodeplate),然後在PEN板與PEN板之間以雙面皆刻有流道的雙即連接板串聯,空氣和燃料氣體則分別從雙及連接板兩面的氣體流道中交叉流道。平板式SOFC之PEN板組成特徵

種類早期PEN板近代PEN板操作溫度900~1000℃700~800℃雙及連接材料特殊材料一般不銹鋼歐姆電阻高低電解質厚薄製作成本高低早期平板式SOFCPEN板及目前PEN板之比較

電池堆結構(13)將原先電解質支撐設計變更為陽極支撐厚度增加，將電解質隔膜製作很薄以降低歐姆電阻增加功率密度。左圖堆疊SOFC操作溫度只需700~800℃，如此低溫操作環境可以直接使用金屬雙極連接材料，例如不銹鋼，金屬雙極板耐久性比陶瓷好，並作為承受結構元件使電池堆的抗破壞及抗熱應力增加，不僅降低成本、降低電阻，並可解決熱膨脹問題。

電池堆結構(14)平板式SOFC之PEN板製程˙多次燒結平板SOFCPEN板製程先以帶鑄法製作陽極為之撑層並以真空電漿噴塗上電解質層,兩者在1400℃溫環境下進行第一次燒結,第二次燒結則是陰極層網印在電解質層上後進行。目前使用在傳統電力市場，住宅、商業用、工業用/現場型發電機及公共事業用電廠等。

電池堆結構(15)多次燒結製程漿料製備滑鑄帶鑄網印漿料製備真空電漿鍍層脫模/裁切組裝燒結磨邊真空電漿鍍層電池堆組裝連接板(沖壓)成型連接板切割表面塗層(銅膜)銅鋅合金焊雙極連接板陰極陽極電解質燒結1400℃品管裂痕檢驗網印漿塗漿料製備漿塗

電池堆結構(16)˙單次燒結平板SOFCPEN板製程

電池堆結構(17)先將陽極、電解質、以及陰極層以帶鑄法製作成帶狀薄層,然後將三種薄層依序堆疊或滾壓成PEN板,最後再以兩種不同的壓力進行一次燒結。分析結果顯示,平板SOFC以單次燒結製程的製作成本大約較多次燒結製程低10%左右。

電池堆結構(18)漿料製備帶鑄滑鑄漿料製備帶鑄滑鑄漿料製備帶鑄滑鑄脫模/裁切堆疊燒結品管裂痕檢驗磨邊滾軋脫模/裁切連接板(沖壓)成型連接板切割表面塗層(銅膜)銅鋅合金焊電池堆組裝單次燒結製程組裝雙極連接板陰極陽極電解質

其他型式之SOFC電池堆結構

電池堆結構(19)大功率的平板SOFC電池堆組合與其他類型的燃料電池樣,由PEN板與雙極連接板依序堆疊成多層三明治結構,如圖示,PEN板間以金屬雙極板連結,金屬板的流場結構以沖壓成壓型。由於PEN板屬於陶瓷材料,質地脆弱結構強度不足,抗拉伸強度一般只有抗壓強度的20%,不易製程大面積的PEN板,依目前技術PEN板最大面製作面積25㎝╳25㎝。

電池堆結構(20)波浪狀PEN板固態氧化物燃料電池又稱單塊疊層結構固態氧化物燃料電池模塊(monobloklayerbuilt,MOLB)有效工作面積大,功率密度較高,主要缺點:製作技術困難,由於電解質材料脆性很大,波浪狀的PEN板必須經過共同燒結一次成型,燒結條件的控制要求十分嚴格。

電池堆結構(21)

電池堆結構(22)瑞士Sulzer

Hexis公司開發一種以中空圓盤式PEN板所堆疊而成的SOFC,又稱熱交換一體成型電池堆(heatexchangeintegratedstack,HEXIS)。HEXIS的PEN板也是一種平板式結構,與傳統方型或矩形不同之處是PEN板的形狀是環狀圓盤。燃料氣體與空氣在圓盤式設計的電池內的流動方式與平板式SOFC有所不同,HEXIS的環狀圓盤不但是具有連結陰極、陽極和分配氣體作用,而且本身也是一個熱交換器。燃料氣體從圓盤中心的燃料氣體共用管道進入陽極圓環,放射狀地通過燃氣通道後從圓盤外緣出口排出,然後與從空氣氣體通道出口排出的剩餘空氣混合後至後燃器內進行燃燒,餘熱則以熱回收系統回收使用。

電池堆結構(23)

電池堆結構(24)另一款類似HEXIS結構之圓柱型SOFC電池堆。此圓柱型結構的SOFC電池堆為TechnologyManagement,Inc.(TMI)所開發之新產品。TMI的整合型SOFC系統設計中，將燃料重整器置於底座內，由25個圓盤狀的電池單元堆疊而成之圓柱型電池堆，並組立於重整器上面。燃料氣體與水同時經過燃料處理器，從圓柱上方沿著中心軸進入燃料電池堆，以放射狀方式流過陽極圓盤。空氣則從底座進入燃料電池，與燃料氣體方向相反，沿著圓柱中心兩側以放射方式通過陰極圓盤。未反應燃料氣體則與圓環外空氣進行燃燒，餘熱供燃氣蒸氣重整反應的熱源，進口空氣用來冷卻電池堆。TMI的SOFC特色與硫化物容忍度高，使用含量300ppmH2S的氫氣燃燒時，用轉時間可超過1,000小時。

電池堆結構(25)

電池堆結構(26)固態氧化物燃料電池堆經過消費者,日新月異之需求,加上各公司之研發設計求新求變之精神,從PEN傳統矩形式及波浪式,一在研發改善目前已有圓盤式及圓柱型式燃料電池堆,設計者構思回收餘熱再利用。目前科技發展迅速，固態氧化物SOFC燃料電池以慢慢進入一般家庭生活必備,