TW201616715A - 平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組 - Google Patents

平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組 Download PDF

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Abstract

一種平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組，電池堆單元包含一陽極端板、一電池單元及一陰極端板，陽極端板其中一面設有一第一流道區，陽極端板四端角設有第一燃料輸入孔及中心設有一第一燃料輸出孔，陰極端板其中一面設有一第二流道區，陰極端板相對二側設有第二空氣輸入槽及第二空氣輸出槽，電池單元設有一陽極層及一陰極層，電池單元四端角設有第三燃料輸入孔及中心設有第三燃料輸出孔，於陽極端板與電池單元之間設有陽極金屬網及陽極密封材料，於電池單元與陰極端板之間設有陰極金屬網及陰極密封材料。

Description

平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池 堆模組
本發明為一種平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組，尤指一種體積小、效率高且易於包裝與組裝之電池堆單元及電池堆模組，其可配合發電系統規格進行電池堆配置，以達到易於組裝與抽換之功效。
固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)為一種藉由電化學反應將燃料轉換輸出電能之能量轉換裝置，且其廢熱能量回歸系統再應用，可使SOFC發電系統的能量轉換效率提升高達80-90%，另外系統應用規模可小至移動裝置，一般規模如家用、醫院、社區等，大至發電站，因此受到世界各國之重視，並競相投入其技術開發。
一般平板型固態氧化物燃料電池(SOFC)電池堆(stack)為了產生較多之電力，通常係將數個到數十個之SOFC單體加以堆疊接合在一起，且使各SOFC電池堆單元之間加以串接導通，而形成一SOFC電池堆。
而由於該習用之SOFC電池堆單元係將端板、框架、電池單元、密封材料及金屬接觸層堆疊接合之方式加以組裝，因此不但使得製程方面較為複雜，且使組裝之電池堆模組體積較大，如此，除造成組裝上之複雜度增加之外，安裝於發電系統後，將因整體之體積過大而使其發電系統單位容積發電比偏低。
有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一平板型固態氧化物燃 料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其優點為體積小，效率高及易於組裝，且能達到易於發電系統之電池堆模組組裝與抽換之功效，有利於提升SOFC產品之商業競爭力。
為達上述之目的，本發明提供一種平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其包括：一陽極端板，該陽極端板呈矩形，於該陽極端板四端角各設有一第一燃料輸入孔，於該陽極端板中心設有一第一燃料輸出孔，該陽極端板之一面設有第一流道區；一陰極端板，該陰極端板呈矩形，於該陰極端板四端角各設有一第二燃料輸入孔，於該陰極端板中心設有一第二燃料輸出孔，該陰極端板之一面設有第二流道區，於該陰極端板之一側設有複數個第二空氣輸入槽，於該陰極端板相對於設有該第二空氣輸入槽之另一側設有複數個第二空氣輸出槽，該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽與該第二流道區相連通；一電池單元，該電池單元呈矩形，於該電池單元四端角各設有一第三燃料輸入孔，於該電池單元中心設有一第三燃料輸出孔，該電池單元之相對二面分別為一陰極層及一陽極層，該陽極端板設置於該電池單元具有該陽極層之一面，且該第一流道區朝向該陽極層，該陰極端板設置於該電池單元具有該陰極層之一面，且該第二流道區朝向該陰極層，該四個第一燃料輸入孔、該四個第二燃料輸入孔、該四個第三燃料輸入孔之位置相互對應，該第一燃料輸出孔、該第二燃料輸出孔、該第三燃料輸出孔之位置相互對應；一陽極金屬網，設置於該陽極端板與該電池單元之間；一陰極金屬網，設置於該陰極端板與該電池單元之間；至少一陽極密封材料，設置於該陽極端板與該電池單元之間，該陽極密封材料係環繞設置於該第一燃料輸入孔、該第一燃料輸出孔、該第一流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍；以及至少一陰極密封材料，設置於該陰極端板與該電池單元之 間，該陰極密封材料係環繞設置於該第二燃料輸入孔、該第二燃料輸出孔、該第二流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍。
為達上述之目的，本發明又提供一種平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其係由複數個上述之平板型固態氧化物燃料電池堆單元堆疊而成。
為達上述之目的，本發明又提供一種平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其包括：一陽極端板，該陽極端板呈矩形，於該陽極端板四端角各設有一第一燃料輸入孔，於該陽極端板中心設有一第一燃料輸出孔，該陽極端板之一面設有第一流道區；一陰極端板，該陰極端板呈矩形，於該陰極端板四端角各設有一第二燃料輸入孔，於該陰極端板中心設有一第二燃料輸出孔，該陰極端板之一面設有第二流道區，於該陰極端板之一側設有複數個第二空氣輸入槽，於該陰極端板相對於設有該第二空氣輸入槽之另一側設有複數個第二空氣輸出槽，該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽與該第二流道區相連通；複數個連接板，該連接板呈矩形，於該連接板四端角各設有一第八燃料輸入孔，於該連接板中心設有一第八燃料輸出孔，該連接板相對二面分別為一陽極流道區與一陰極流道區，於該連接板設有該陰極流道區之面之一側設有複數個第八空氣輸入槽，於該連接板設有該陰極流道區之面之相對於設有該第八空氣輸入槽之另一側設有複數個第八空氣輸出槽，該第八空氣輸入槽、該第八空氣輸出槽與該陰極流道區相連通；以及複數個電池組，該電池組包括：一電池單元，該電池單元呈矩形，於該電池單元四端角各設有一第三燃料輸入孔，於該電池單元中心設有一第三燃料輸出孔，該電池單元之相對二面分別為一陰極層及一陽極層；一陽極金屬網，設置於該電池單元具有該陽極層之面；一陰極金屬網，設置於該電池單元具有該陰極層之面；至少一陽極密封材料，設置於該電池單元具有該陽極層之 面；以及至少一陰極密封材料，設置於該電池單元具有該陰極層之面；於該陽極端板與其中一該連接板之間設有一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第一燃料輸入孔、該第一燃料輸出孔、該第一流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陰極流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍；於該陰極端板與另一連接板之間設有另一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陽極流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第二燃料輸入孔、該第二燃料輸出孔、該第二流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍；於二連接板之間設有另一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陽極流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陰極流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍；每一該電池單元之該陽極層皆朝向該陽極端板設有該第一流道區之面，每一該電池單元之該陰極層皆朝向該陰極端板設有該第二流道區之面；該四個第一燃料輸入孔、該四個第二燃料輸入孔、該複數個第三燃料輸入孔與該複數個第八燃料輸入孔之位置相互對應，該第一燃料輸出孔、該第二燃料輸出孔、該第三燃料輸出孔與該第八燃料輸出孔之位置相互對應，該第二空氣輸入孔與該第八空氣輸入孔之位置相互對應，該第二空氣輸出孔與該第八空氣輸出孔之位置相互對應。
為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。
100‧‧‧電池堆單元
10、10A~10F‧‧‧陽極端板
11、11A~11F‧‧‧第一燃料輸入孔
12、12A~12F‧‧‧第一燃料輸出孔
13、13A~13F‧‧‧第一凸點
14、14A~14F‧‧‧第一流道區
20、20A~20B‧‧‧陰極端板
21、21A~21B‧‧‧第二燃料輸入孔
22、22A~22B‧‧‧第二燃料輸出孔
23、23A~23B‧‧‧第二凸點
24、24A~24B‧‧‧第二流道區
25、25A~25B‧‧‧第二空氣輸入槽
26、26A~26B‧‧‧第二空氣輸出槽
27‧‧‧封阻材料
30‧‧‧電池單元
31‧‧‧第三燃料輸入孔
32‧‧‧第三燃料輸出孔
33‧‧‧陰極層
34‧‧‧陽極層
35‧‧‧電解質層
40‧‧‧陽極密封材料
41‧‧‧矩形框部件
411‧‧‧第四燃料輸入孔
42‧‧‧圓形部件
421‧‧‧第四燃料輸出孔
50‧‧‧陽極金屬網
51‧‧‧凹部
52‧‧‧孔洞
60‧‧‧陰極金屬網
61‧‧‧凹部
62‧‧‧孔洞
70‧‧‧陰極密封材料
71‧‧‧長條形部件
711‧‧‧第七燃料輸入孔
72‧‧‧矩形部件
721‧‧‧通道
73‧‧‧圓形部件
731‧‧‧第七燃料輸出孔
80‧‧‧連接板
81‧‧‧第八燃料輸入孔
82‧‧‧第八燃料輸出孔
83‧‧‧陽極流道區
831‧‧‧陽極凸點
84‧‧‧陰極流道區
841‧‧‧陰極凸點
85‧‧‧第八空氣輸入槽
86‧‧‧第八空氣輸出槽
90‧‧‧電池組
100A、200、300‧‧‧電池堆模組
圖1為本發明之平板型固態氧化物燃料電池堆單元實施例之組合結構示意圖。
圖2為圖1實施例之分解結構示意圖。
圖3為圖1實施例之底視分解結構示意圖。
圖4為圖1之陽極端板實施例之結構示意圖。
圖5至圖10為本發明之陽極端板之其他實施例之結構示意圖。
圖11為圖1之陰極端板實施例之結構示意圖。
圖12至圖13為本發明之陰極端板之其他實施例之結構示意圖。
圖14為圖1之電池單元實施例之結構示意圖。
圖15為圖1之陽極金屬網實施例之結構示意圖。
圖16為圖1之陰極金屬網實施例之結構示意圖。
圖17為圖1之陽極密封材料實施例之結構示意圖。
圖18為圖1之陰極密封材料實施例之結構示意圖。
圖19為圖1實施例之A-A斷面放大結構示意圖。
圖20為圖1實施例之B-B斷面放大結構示意圖。
圖21為本發明平板型固態氧化物燃料電池堆模組之一實施例之剖面結構示意圖。
圖22為本發明平板型固態氧化物燃料電池堆模組另一實施例之外觀結構示意圖。
圖23為圖22實施例之分解結構示意圖。
圖24為圖22實施例之底視分解結構示意圖。
圖25為圖22之連接板實施例之頂視結構示意圖。
圖26為圖22之連接板實施例之底視結構示意圖。
圖27為本發明平板型固態氧化物燃料電池堆模組又一實施例之外觀結構示意圖。
以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。
請參閱圖1至圖3所示本發明所提供之平板型固態氧化物燃料電池堆單元之實施例，電池堆單元100包含一陽極端板10、一陰極端板20、一電池單元30、二組陽極密封材料40、一陽極金屬 網50、一陰極金屬網60以及二組陰極密封材料70。
請參閱圖4所示，陽極端板10具有相對之二面，於陽極端板10其中一面(圖示該陽極端板10之頂面)設有一第一流道區14，陽極端板10呈矩形，於陽極端板10四端角各設有一第一燃料輸入孔11，於陽極端板10中心設有一第一燃料輸出孔12，複數個第一燃料輸入孔11圍繞第一燃料輸出孔12設置，第一燃料輸入孔11及第一燃料輸出孔12貫穿陽極端板10相對之二面，於第一流道區14設有複數個第一凸點13，該複數個第一凸點13係以第一燃料輸出孔12為中心環繞設置，該複數個第一凸點13係以燃料輸出孔12為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
請參閱圖5至圖10所示本發明之陽極端板之其他實施例之結構示意圖。圖5所示陽極端板10A具有四個第一燃料輸入孔11A、一第一燃料輸出孔12A、複數個第一凸點13A及第一流道區14A。圖6所示陽極端板10B具有四個第一燃料輸入孔11B、一第一燃料輸出孔12B、複數個第一凸點13B及第一流道區14B；圖7所示陽極端板10C具有四個第一燃料輸入孔11C、一第一燃料輸出孔12C、複數個第一凸點13C及第一流道區14C；圖8所示陽極端板10D具有四個第一燃料輸入孔11D、一第一燃料輸出孔12D、複數個第一凸點13D及第一流道區14D；圖9所示陽極端板10E具有四個第一燃料輸入孔11E、一第一燃料輸出孔12E、複數個第一凸點13E及第一流道區14E；圖10所示陽極端板10F具有四個第一燃料輸入孔11F、一第一燃料輸出孔12F、複數個第一凸點13F及第一流道區14F。圖5至圖10所示陽極端板10A~10F與圖4陽極端板10之主要差異在於第一凸點13B~13F之形狀不同，但皆以第一燃料輸出孔12為中心環繞對稱設置，而其目的主要是使流場均勻，因圖4~圖10之陽極端板10~10F皆為矩形，四個第一燃料輸入孔11~11F皆位於四端角，而燃料輸出孔12~12F皆位於中央，因此以對稱進行設計。換言之，若陽極端板為其他形狀，燃料輸入孔及燃料輸出孔之設置態樣與圖4~圖10實施例不同，則第一凸點也不限於圖4~圖10之態樣，如前所述，可達成使流場均勻之設 計即可。此外，以圖4為例，其中部分第一凸點13可作為支撐點，以增進結構強度，並具有造成分流與擾流之作用，。
請參閱圖11所示，陰極端板20具有相對之二面，於陰極端板20其中一面(圖示該陰極端板20之頂面)設有一第二流道區24，陰極端板20呈矩形，於陰極端板20四端角各設有一第二燃料輸入孔21，於陰極端板20中心設有一第二燃料輸出孔22，複數個第二燃料輸入孔21圍繞第二燃料輸出孔22設置，第二燃料輸入孔21及第二燃料輸出孔22貫穿陰極端板20相對之二面。於第二流道區24設有複數個第二凸點23，該複數個第二凸點23係以第二燃料輸出孔22為中心環繞設置，該複數個第二凸點23係以第二燃料輸出孔22為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。於陰極端板20之一側設有複數個第二空氣輸入槽25，於陰極端板20相對於設有第二空氣輸入槽25之另一側設有複數個第二空氣輸出槽26，第二空氣輸入槽25、第二空氣輸出槽26與第二流道區24相連通。本實施例之第二凸點23包含了多種形狀，其中包括複數個相互平行之長條狀結構，而該長條狀結構之長度延伸方向與第二空氣輸入槽25、第二空氣輸出槽26之長度延伸方向平行，其作用在於使空氣可平順地由第二空氣輸入槽25流入第二流道區24，而後由第二空氣輸出槽26流出。
請參閱圖12及圖13所示本發明之陰極端板之其他實施例之結構示意圖。圖12所示陰極端板20A具有四個第二燃料輸入孔21A、一第二燃料輸出孔22A、複數個第二凸點23A、第二流道區24A、複數個第二空氣輸入槽25A及複數個第二空氣輸出槽26A。圖13所示陰極端板20B具有四個第二燃料輸入孔21B、一第二燃料輸出孔212B、複數個第二凸點23B、第二流道區24B、複數個第二空氣輸入槽25A及複數個第二空氣輸出槽26A。圖12及圖13所示陰極端板20A、20B與圖11陰極端板20之主要差異在於第二凸點23A、23B之形狀不同，但仍以第二燃料輸出孔22A為中心環繞對稱設置，且具有相互平行之長條狀結構，而該長條狀結構之長度延伸方向與第二空氣輸入槽25A、25B及第二空氣輸出 槽26A、26B之長度延伸方向平行。然必須說明的是，上述凸點之設置方式，其目的主要也是使流場均勻，考慮圖11~圖13之陰極端板20~20B皆為矩形，四個第二燃料輸入孔21~21B皆位於四端角，第二燃料輸出孔22~22B皆位於中央，第二空氣輸入槽25A、25B及第二空氣輸出槽26A、26B之長度延伸方向平行，因此第二凸點23~23B以對稱進行設計，且具有長條形結構。換言之，若陰極端板為其他形狀，第二燃料輸入孔及第二燃料輸出孔、第二空氣輸入槽及第二空氣輸出槽之設置態樣與上述實施例不同，則第二凸點也不限於圖11~圖13之態樣。此外，以圖11為例，其中部分第二凸點23可作為支撐點，以增進結構強度，並具有造成分流與擾流之作用。
圖4~圖10所示之陽極端板10~10F及圖11至圖13所示之陰極端板20~20B，皆可採用耐高溫合金或其他導電性材料，例如高鎳合金、不鏽鋼441、Crofer22等材料。
請參閱圖14所示，於電池單元30呈矩形，於電池單元30四端角各設有一第三燃料輸入孔31，於電池單元30中心設有一第三燃料輸出孔32，複數個第三燃料輸入孔31圍繞第三燃料輸出孔32設置，第三燃料輸入孔31及第三燃料輸出孔32貫穿電池單元30相對之二面。電池單元30之相對二面分別為一陰極層33及一陽極層34，於陰極層33與陽極層34之間設有一電解質層35。陽極端板10設置於電池單元30具有陽極層34之一面，且第一流道區14朝向陽極層34。陰極端板20設置於電池單元30具有陰極層33之一面，且第二流道區24朝向陰極層33。電池單元30配合發電系統設計配置，其形狀不限制為本實施例之矩形。而若電池單元30為其他形狀時，前述圖4~圖10所示陽極端板10~10F及圖11至圖13所示陰極端板20~20B之形狀也隨之變更。電池單元30可使用陽極支撐型固態氧化物燃料電池片，亦可使用電解質支撐型固態氧化物燃料電池片，若為平板式陽極支撐層固態氧化物燃料電池，其材料為NiO、YSZ、LSM組合而成，其中會配置一功能層以增進離子傳輸與電子傳導，並提升其性能。電池單元30之 尺寸不限，例如可為10.8公分×10.8公分。
請參閱圖2、圖14及圖15所示，陽極金屬網50設置於電池單元30之陽極層34，陽極金屬網50概呈矩形，於陽極金屬網50之四端角各具有一凹部51，於陽極金屬網50之中心具有一孔洞52。凹部51、孔洞52之作用皆在於使陽極金屬網50避開陽極密封材料40之設置位置。陽極金屬網50之形狀並不限於圖示態樣，其可與電池單元30之陽極層34接觸而不致妨礙燃料之輸入及輸出即可。
請參閱圖2、圖14及圖16所示，陰極金屬網60設置於電池單元30之陰極層33，陰極金屬網60概呈矩形，於陰極金屬網60之四端角各具有一凹部61，於陰極金屬網60之中心具有一孔洞62。凹部61、孔洞62之作用皆在於使陰極金屬網60避開陰極密封材料70之設置位置。陰極金屬網60之形狀並不限於圖示態樣，其可與電池單元30之陰極層33接觸而不致妨礙燃料之輸入及輸出即可。
請參閱圖2及圖17所示，於陽極端板10與電池單元30之間設有陽極密封材料40，陽極密封材料40由一矩形框部件41以及一圓形部件42構成，矩形框部件41之四端角各設有一第四燃料輸入孔411，於圓形部件42中心設有一第四燃料輸出孔421。
請參閱圖2及圖18所示，於陰極端板20與電池單元30之間設有陰極密封材料70，陰極密封材料70由二長條形部件71、複數個矩形部件72以及一圓形部件73構成，長條形部件71以及矩形部件72構成一呈矩形之框架，其四端角各設有一第七燃料輸入孔711，矩形部件72之間構成複數個通道721，於圓形部件73中心設有一第七燃料輸出孔731。
請參閱圖2、圖17及圖18所示，陽極密封材料40及陰極密封材料70之作用在於提供陽極端板10、電池單元30、陰極端板20結合後之氣密作用，以及對陽極金屬網50及陰極金屬網60構成絕緣，陽極密封材料40及陰極密封材料70之材料可採用陶瓷材料或玻璃-陶瓷混合材料等絕緣材料，例如Al2O3或 SiO2-B2O3-Al2O3-BaO系玻璃-陶瓷。
基於上述密封與絕緣之作用，陽極密封材料40及陰極密封材料70之形狀並不限於圖示態樣。就陽極密封材料40而言，其設置範圍係環繞
設置於第一燃料輸入孔11、第一燃料輸出孔12、第一流道區13、電池單元30與陽極金屬網50之外圍，使不妨礙燃料之輸入、輸出，且能達到使陽極端板10與電池單元30密封及對陽極金屬網50絕緣。而就陰極密封材料70而言，其設置範圍係環繞設置於第二燃料輸入孔21、第二燃料輸出孔22、第二流道區24、電池單元30及陰極金屬網60之外圍，以不妨礙燃料及空氣之輸入、輸出，且能達到使陰極端板20與電池單元30密封及對陰極金屬網60絕緣。於圖2及圖3顯示設有二組陽極密封材料40以及二組陰極密封材料70，然設置之數量可依實際所需而定，亦可僅設置一組或多於二組之陽極密封材料40以及一組或多於二組之陰極密封材料70。
請參閱圖19、圖20所示，將陽極端板10、陽極密封材料40、陽極金屬網50、電池單元30、陰極金屬網60、陰極密封材料70及陰極端板20依序組合，第一燃料輸入孔11、第四燃料輸入孔411、第三燃料輸入孔31、第七燃料輸入孔711、第二燃料輸入孔21之位置相互對應。第一燃料輸出孔12、第四燃料輸出孔421、第三燃料輸出孔32、第七燃料輸出孔731、第二燃料輸出孔22(可參閱圖2)之位置相互對應。
請參閱圖19所示，空氣由第二空氣輸入槽25進入電池堆單元100內，流經陰極金屬網60後再由第二空氣輸出槽26流出電池堆單元100(如虛線箭頭所示路徑)。
請參閱圖1及圖20所示，本實施例於實際應用時，於第二燃料輸入孔21及第二燃料輸出孔22設有封阻材料27，使得燃料由第一燃料輸入孔11進入電池堆單元100內，流經陽極金屬網50後再由第一燃料輸出孔12流出電池堆單元100(如實線箭頭所示 路徑)。封阻材料27之材質不限，可採用與陰極端板20相同之材料，或為其他金屬、陶瓷材料，並以密封材料密封以防止燃料洩漏。
請參閱圖1及圖21所示，圖21顯示本發明所提供之平板型固態氧化物燃料電池堆模組之實施例，電池堆模組100A是由複數個圖1之電池堆單元100堆疊而成，每一電池堆單元100以陽極端板10位於底部之態樣堆疊於另一電池堆單元100之陰極端板20上，而位於最頂部之陰極端板20之第二燃料輸入孔21與第二燃料輸出孔22內設有封阻材料27，使各層之燃料輸入孔與燃料輸出孔相連通。燃料由第一燃料輸入孔11進入各層電池堆單元100內，流經陽極金屬網50後再由第一燃料輸出孔12流出最底部之電池堆單元100(如實線箭頭所示路徑)。
請參閱圖22至圖24所示，本發明所提供之平板型固態氧化物燃料電池堆模組之實施例，電池堆模組200包含一陽極端板10、一陰極端板20、複數個連接板80及複數個電池組90，本實施例為三層式結構，因此設有二個連接板80。本實施例之陽極端板10、陰極端板20之結構與圖2所示之陽極端板10、陰極端板20之結構相同。
請參閱圖25至圖26所示，連接板80呈矩形，於連接板80四端角各設有一第八燃料輸入孔81，於連接板80中心設有一第八燃料輸出孔82，複數個第八燃料輸入孔81圍繞第八燃料輸出孔82設置，第八燃料輸入孔81及第八燃料輸出孔82貫穿連接板80相對之二面。連接板80相對二面分別為一陽極流道區83與一陰極流道區84。於陽極流道區83設有複數個陽極凸點831，該複數個陽極凸點831係以第八燃料輸出孔82為中心環繞設置，該複數個陽極凸點831係以第八燃料輸出孔82為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。於陰極流道區84設有複數個陰極凸點841，該複數個陰極凸點841係以第八燃料輸出孔82為中心環繞設置，該複數個陰極凸點841係以第八燃料輸出孔82為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。於連接板80設有陰極流道區84之面之一側設有複 數個第八空氣輸入槽85，於連接板80設有陰極流道區84之面之相對於設有第八空氣輸入槽85之另一側設有複數個第八空氣輸出槽86，第八空氣輸入槽85、第八空氣輸出槽86與陰極流道區84相連通。陰極凸點841包含了多種形狀，其中包括複數個相互平行之長條狀結構，而該長條狀結構之長度延伸方向與第八空氣輸入槽85、第八空氣輸出槽86之長度延伸方向平行。於本實施例中，陰極流道區84之態樣與陰極端板20相同。連接板80可採用耐高溫合金或其他導電性材料，例如高鎳合金、不鏽鋼441、Crofer22等材料。於本實施例中，陽極流道區83之結構與陽極端板10之第一流道區14之結構相同，陰極流道區84之結構與陰極端板20之第二流道區24之結構相同。
請參閱圖23至圖26所示，電池組90包括一電池單元30、二組陽極密封材料40、一陽極金屬網50、一陰極金屬網60以及二組陰極密封材料70。本實施例之電池單元30、陽極密封材料40、陽極金屬網50、陰極金屬網60及陰極密封材料70之結構與圖2所示之電池單元30、陽極密封材料40、陽極金屬網50、陰極金屬網60及陰極密封材料70之結構相同。
於陽極端板10與其中一連接板80(圖23所示位於下層之連接板80)之間設有一電池組90，該電池組90之陽極密封材料40係環繞設置於第一燃料輸入孔11、第一燃料輸出孔12、第一流道區14、電池單元30與陽極金屬網50之外圍，該電池組90之陰極密封材料70係環繞設置於第八燃料輸入孔81、第八燃料輸出孔82、陰極流道區84、電池單元30及陰極金屬網60之外圍。
於陰極端板20與另一連接板80(圖23所示位於上層之連接板80)之間設有另一電池組90，該電池組90之陽極密封材料40係環繞設置於第八燃料輸入孔81、第八燃料輸出孔82、陽極流道區83、電池單元30與陽極金屬網50之外圍，該電池組90之陰極密封材料70係環繞設置於第二燃料輸入孔21、第二燃料輸出孔22、第二流道區24、電池單元30及陰極金屬網60之外圍。
於二連接板80之間設有另一電池組90，該電池組90之陽極 密封材料40係環繞設置於第八燃料輸入孔81、第八燃料輸出孔82、陽極流道區83、電池單元30與陽極金屬網50之外圍，該電池組90之陰極密封材料70係環繞設置於第八燃料輸入孔81、第八燃料輸出孔82、陰極流道區84、電池單元30及陰極金屬網60之外圍。
每一電池單元30之陽極層34皆朝向陽極端板10設有第一流道區14之面，每一電池單元30之陰極層33皆朝向陰極端板20設有第二流道區24之面；第一燃料輸入孔11、第二燃料輸入孔21、第三燃料輸入孔31與第八燃料輸入孔81之位置相互對應，第一燃料輸出孔12、第二燃料輸出孔22、第三燃料輸出孔32與第八燃料輸出孔82之位置相互對應。第二空氣輸入孔25與第八空氣輸入孔85之位置相互對應，第二空氣輸出孔26與第八空氣輸出孔86之位置相互對應。
本實施例於實際應用時，於第二燃料輸入孔21及第二燃料輸出孔22設有封阻材料(圖中未示出)，燃料由第一燃料輸入孔11輸入電池堆模組200之後，可流經各電池單元30之陽極層34，再由第一燃料輸出孔12流出電池堆模組200。此外，空氣由第二空氣輸入孔25、第八空氣輸入孔85輸入電池堆模組200之後，可流經各電池單元30之陰極層33，再由第二空氣輸出孔26與第八空氣輸出孔86流出電池堆模組200。
比對圖21與圖22，將三個圖1所示平板型固態氧化物燃料電池堆單元100相互堆疊，亦可具有圖22所示平板型固態氧化物燃料電池堆模組200之功效，惟圖21結構之厚度較厚，而由於連接板80結合了陽極端板10與陰極端板20之結構，因此可取代設置一片陽極端板10與一片陰極端板20之厚度，使平板型固態氧化物燃料電池堆模組200之厚度進一步得到縮減。
此外，高鎳合金材料於高溫時易揮發出鉻元素(Cr)，容易毒化電池單元30之陰極層33，而致使其性能降低，因此，可於陰極端板20之表面與連接板80之陰極流道區84之表面噴塗一保護層，例如以網印或電漿噴塗LSM、MnCo、鈣鈦礦等混合材料，以 抑制鉻元素揮發。
請參閱圖27所示，其顯示三十層式結構之電池堆模組300，其設置型態與圖22之電池堆模組200相類似，包括一陽極端板10以及一陰極端板20，差別在於本實施例設置了較多的連接板80而堆疊了較多的層數。以圖22及圖27所示實施例可知，電池單元30與連接板80之數量關係為，電池單元30之數量若為N，則連接板80之數量為N-1，圖22之實施例設有三個電池單元30以及二個連接板80，而圖27之實施例設有三十個電池單元30以及二十九個連接板80。
依實作樣品驗證，若陽極端板10厚度約為3~5mm，陰極端板20厚度約為3~5mm，及連接板80厚度約為2~3mm時，如圖25所示之電池堆組裝完成後，其最佳性能於負載重量為20~50kg，平均應力約為0.083~0.208kg/cm2，且可使電池堆各層性能趨近一致。
關於上述所有實施例結構，皆是將燃料輸入孔圍繞設置於燃料輸出孔外圍，其係基於使燃料均勻流入之考量，然除此之外，亦可將燃料輸入孔與燃料輸出孔之位置互換，亦即，燃料是由中心的孔洞輸入，而由外圍的孔洞輸出。
綜上所述，本發明提供平板型固態氧化物燃料電池堆單元及平板型固態氧化物燃料電池堆模組，尤指一種體積小、效率高且易於包裝與組裝之電池堆單元及電池堆模組，其可配合發電系統規格進行電池堆配置，以達到易於組裝與抽換之功效，且由於電池堆單元及電池堆模組之燃料進出口為平面，因此易於組裝、搬移、載重施壓及包裝，電池堆之堆疊片數沒有限制，且性能達到最佳效能。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。。
100‧‧‧電池堆單元
10‧‧‧陽極端板
20‧‧‧陰極端板
30‧‧‧電池單元
40‧‧‧陽極密封材料
50‧‧‧陽極金屬網
60‧‧‧陰極金屬網
70‧‧‧陰極密封材料

Claims (15)

  1. 一種平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其包括：一陽極端板，該陽極端板呈矩形，於該陽極端板四端角各設有一第一燃料輸入孔，於該陽極端板中心設有一第一燃料輸出孔，該陽極端板之一面設有第一流道區；一陰極端板，該陰極端板呈矩形，於該陰極端板四端角各設有一第二燃料輸入孔，於該陰極端板中心設有一第二燃料輸出孔，該陰極端板之一面設有第二流道區，於該陰極端板之一側設有複數個第二空氣輸入槽，於該陰極端板相對於設有該第二空氣輸入槽之另一側設有複數個第二空氣輸出槽，該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽與該第二流道區相連通；一電池單元，該電池單元呈矩形，於該電池單元四端角各設有一第三燃料輸入孔，於該電池單元中心設有一第三燃料輸出孔該電池單元之相對二面分別為一陰極層及一陽極層，該陽極端板設置於該電池單元具有該陽極層之一面，且該第一流道區朝向該陽極層，該陰極端板設置於該電池單元具有該陰極層之一面，且該第二流道區朝向該陰極層，該四個第一燃料輸入孔、該四個第二燃料輸入孔、該四個第三燃料輸入孔之位置相互對應，該第一燃料輸出孔、該第二燃料輸出孔、該第三燃料輸出孔之位置相互對應；一陽極金屬網，設置於該陽極端板與該電池單元之間；一陰極金屬網，設置於該陰極端板與該電池單元之間；至少一陽極密封材料，設置於該陽極端板與該電池單元之間，該陽極密封材料係環繞設置於該第一燃料輸入孔、該第一燃料輸出孔、該第一流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍；以及至少一陰極密封材料，設置於該陰極端板與該電池單元之間，該陰極密封材料係環繞設置於該第二燃料輸入孔、該 第二燃料輸出孔、該第二流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其中該第一流道區設有複數個第一凸點，該複數個第一凸點係以該第一燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第一燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其中該第二流道區設有複數個第二凸點，該複數個第二凸點係以該第二燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第二燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其中該第二凸點包含複數個相互平行之長條狀結構，該長條狀結構之長度延伸方向與該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽之長度延伸方向平行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆單元，其中該四個第二燃料輸入孔與該第二燃料輸出孔內設有封阻材料。
  6. 一種平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其包含複數個申請專利範圍第1項之平板型固態氧化物燃料電池堆單元，每一該平板型固態氧化物燃料電池堆單元以該陽極端板位於底部之態樣堆疊於另一該平板型固態氧化物燃料電池堆單元之該陰極端板上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該位於最頂部之該陰極端板該四個第二燃料輸入孔與該第二燃料輸出孔內設有封阻材料。
  8. 一種平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其包括：一陽極端板，該陽極端板呈矩形，於該陽極端板四端角各設有一第一燃料輸入孔，於該陽極端板中心設有一第一燃料輸出孔，該陽極端板之一面設有第一流道區；一陰極端板，該陰極端板呈矩形，於該陰極端板四端角各設 有一第二燃料輸入孔，於該陰極端板中心設有一第二燃料輸出孔，該陰極端板之一面設有第二流道區，於該陰極端板之一側設有複數個第二空氣輸入槽，於該陰極端板相對於設有該第二空氣輸入槽之另一側設有複數個第二空氣輸出槽，該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽與該第二流道區相連通；複數個連接板，該連接板呈矩形，於該連接板四端角各設有一第八燃料輸入孔，於該連接板中心設有一第八燃料輸出孔，該連接板相對二面分別為一陽極流道區與一陰極流道區，於該連接板設有該陰極流道區之面之一側設有複數個第八空氣輸入槽，於該連接板設有該陰極流道區之面之相對於設有該第八空氣輸入槽之另一側設有複數個第八空氣輸出槽，該第八空氣輸入槽、該第八空氣輸出槽與該陰極流道區相連通；以及複數個電池組，該電池組包括：一電池單元，該電池單元呈矩形，於該電池單元四端角各設有一第三燃料輸入孔，於該電池單元中心設有一第三燃料輸出孔，該電池單元之相對二面分別為一陰極層及一陽極層；一陽極金屬網，設置於該電池單元具有該陽極層之面；一陰極金屬網，設置於該電池單元具有該陰極層之面；至少一陽極密封材料，設置於該電池單元具有該陽極層之面；以及至少一陰極密封材料，設置於該電池單元具有該陰極層之面；於該陽極端板與其中一該連接板之間設有一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第一燃料輸入孔、該第一燃料輸出孔、該第一流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陰極流道區、該電池單元及該陰極 金屬網之外圍；於該陰極端板與另一連接板之間設有另一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陽極流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第二燃料輸入孔、該第二燃料輸出孔、該第二流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍；於二連接板之間設有另一該電池組，該電池組之該陽極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陽極流道區、該電池單元與該陽極金屬網之外圍，該電池組之該陰極密封材料係環繞設置於該第八燃料輸入孔、該第八燃料輸出孔、該陰極流道區、該電池單元及該陰極金屬網之外圍；每一該電池單元之該陽極層皆朝向該陽極端板設有該第一流道區之面，每一該電池單元之該陰極層皆朝向該陰極端板設有該第二流道區之面；該四個第一燃料輸入孔、該四個第二燃料輸入孔、該複數個第三燃料輸入孔與該複數個第八燃料輸入孔之位置相互對應，該第一燃料輸出孔、該第二燃料輸出孔、該第三燃料輸出孔與該第八燃料輸出孔之位置相互對應，該第二空氣輸入孔與該第八空氣輸入孔之位置相互對應，該第二空氣輸出孔與該第八空氣輸出孔之位置相互對應。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該陽極流道區設有複數個陽極凸點，該複數個陽極凸點係以該第八燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第八燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置；於該陰極流道區設有複數個陰極凸點，該複數個陰極凸點係以該第八燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第八燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該第一流道區設有複數個第一凸點，該複數個第一凸點係以該第一燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第一燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該陽極流道區之結構與該第一流道區之結構相同。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該第二流道區設有複數個第二凸點，該複數個第二凸點係以該第二燃料輸出孔為中心環繞設置且以該第二燃料輸出孔為中心之半徑長度延伸方向對稱設置。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該第二凸點包含複數個相互平行之長條狀結構，該長條狀結構之長度延伸方向與該第二空氣輸入槽、該第二空氣輸出槽之長度延伸方向平行。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該陰極流道區之結構與該第二流道區之結構相同。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之平板型固態氧化物燃料電池堆模組，其中該四個第二燃料輸入孔與該第二燃料輸出孔內設有封阻材料。
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