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

電池堆結構(1) 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(2) 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 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(3) 管式SOFC電池堆結構 雙極連結材料 空氣電極 電解質 燃料電極 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

電池堆結構(4) 圓管式SOFC之組成 如下圖所示 , 每跟管子都是一個單電池 , 從裡到外分別由空氣電極、電解質、燃料電、以及雙極連結材料等四層所組成。 離開燃料電極的未完全反應之燃料氣體可以有兩種不同的處理方式 , 一種是與空氣在燃燒室混合後進行燃燒 , 所得餘熱可作為燃料電池進口空氣預熱之用 , 第二種則是將其導回燃料氣體迴路中在 重新進入燃料電池進行電化學反應,如圖所示

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電池堆結構(6) 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-tube SOFC)的設計 , 又稱作HPD SOFC , 下圖所示

電池堆結構(7) 傳統及扁平SOFC之比較:

電池堆結構(8) 西門子西屋HPD SOFC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 , HPD SOFC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(9) 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。

圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較 電池堆結構(10) 圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較

電池堆結構(11) 圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較 (操作溫度 : 950℃ , 操作電壓 : 0.65V) 特徵 種類 圓管SOFC 特徵 種類 圓管SOFC 扁平管SOFC EDB/Elsam a HPD4b HPD4 HPD12 電池長度 150 50 10kW之電池數 79 114 73 49 單電池輸出功率(W) 126 88 136 205 比功率(W/kg) 113 191 203 200 單位體積輸出功率(W/L) 297 409 388 a : 在荷蘭EDB/Elsam運轉之110-Kw常壓型圓管SOFC系統。 b : High Power Density SOFC , 下標表示所使用肋條數。

電池堆結構(12) 平板式SOFC電池堆結構 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(positive electrode-electrolyte-negative electrode plate) , 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。

電池堆結構(13) 平板式SOFC之PEN板組成 早期平板式SOFC PEN板及目前PEN板之比較 特徵 種類 早期PEN板 近代PEN板 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

電池堆結構(14) 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(15) 平板式SOFC之PEN板製程 ˙多次燒結平板SOFC PEN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(16) 多次燒結製程 漿料製備 滑鑄 帶鑄 網印 脫模/裁切 組裝 燒結 磨邊 電池堆組裝 連接板 (沖壓)成型 連接板切割 真空電漿 鍍層 脫模/裁切 組裝 燒結 磨邊 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 1400℃ 品管 裂痕檢驗 漿塗

電池堆結構(17) ˙單次燒結平板SOFC PEN板製程 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) 單次燒結製程 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 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

電池堆結構(19) 其他型式之SOFC電池堆結構 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㎝。

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電池堆結構(21) 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(monoblok layer built , 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。

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電池堆結構(23) 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(heat exchange integrated stack , 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。

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電池堆結構(25) 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Technology Management , 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300ppm H2S的氫氣燃燒時，用轉時間可超過1,000小時。

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電池堆結構(27) 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,想必在不久之後固態氧化物SOFC燃料電池將可發展使用於食衣住行各方面相關產品上。 目前市場上二次電池已發展相當快速，成為日常不可或缺之電力來源，鎳氫；鎳鎘；鋰電池等鎳氫及鎳鎘等相關產品屬於記憶性電池使用需作放電程序方可延常使用壽命。 鋰電池目前使用率很高，行動電話、筆記型電等均已使用因為不屬於記憶性燃料電池，電池不需放電，使用壽命長，使用時間較一般鎳氫及鎳鎘等電池長。