燃料电池报告固态氧化物燃料电池(电池堆结构)

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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、
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(10)
圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較
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
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
• 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(16)
多次燒結製程
陽極 漿料 製備
帶鑄
滑鑄
電解質 漿料 製備
真空電漿 鍍層
組裝
脫模/ 裁切
網印
漿塗
雙極連接板
連接板 (沖壓)成型
連接板 切割
表面塗層
(銅膜)
銅鋅合 金焊
燒結 1400℃
陰極
漿料 製備
品管 裂痕檢驗
網印
真空電漿 鍍層
燒結
磨邊
漿塗
電池堆組裝
電池堆結構(17)
˙單次燒結平板SOFC PEN板製程
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。
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
電池長度 10kW之電池數 單電池輸出功率(W) 比功率(W/kg) 單位體積輸出功率(W/L)
圓管SOFC EDB/Elsam
a
150 79 126 113 136
扁平管SOFC HPD4b HPD4 HPD12
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)
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。
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
操作溫度
雙及連接材料
歐姆電阻
電解質
製作成本
早期PEN板 900 ~ 1000℃
特殊材料 高 厚 高
近代PEN板 700 ~ 800℃ 一般不銹鋼
低 薄 低
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。
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
電池堆結構(5)
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(2)
特徵
管式SOFC
平板式SOFC
複雜 製程技術 (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 內電阻 成本 操作溫度
容易 高 高 1000℃
困難 低 低 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
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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。