高溫型燃料電池

固態氧化物燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池

固態氧化物燃料電池簡介 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell) SOFC，以固體氧化物作為電解質 的高溫燃料 電池，電池工作溫度在800℃~1000℃。 1899年Nernst提出SOFC概念。1973，Bauy 與Presis完成第一個以SOFC為基礎之工 作電池。 較早加入SOFC研究之國際部門：美國西屋電 器公司、阿貢國家實驗室、布魯克- 海文國家 實驗室。日本電技術實驗室、電力總研究院。 瑞士BBC公司。

Solid Oxide Fuel Cell 1986年西屋製造第一 台3kW等級之SOFC 發電機，並且成功運 行 5000小時。 Ztek已經可以將 25kW的SOFC系統， 安裝於一輛卡車上， 並且成功 操作超過 25000小時。

SOFC之優點 SOFC技術在發電領域具有特別大的潛力，元件結構的簡單性、 低成本製造的能力、很高質量附產的熱（高達1273K）和系統整 體的簡單性。 SOFC發電系統提供的好處有：潔淨和來自低投資成本和超高效率的低價 電力 可使用多種燃料如天然氣，低的NOx、SOx和HC 等污染物的排放、產生 的CO2容易收集等。 降低地球變暖、提供革新電廠的機會和分散發電 系統的應用以使總的 能量價格下降。

SOFC之優點 SOFC是全固態電池，不存在電解質滲漏問題，無需電解質管理系 統。 輸出功率高，發電效率高達50%。 可使用天燃氣、煤氣，甚至可以利用可燃性廢氣等多種燃料。

SOFC之優點 SOFC排出的高溫尾氣與渦輪機構建高效率的聯合發電系統，發電效 率可達70%。 SOFC可以用作大型的固定發電站，也可以用作小型 的家庭辦公樓等 的熱電聯用裝置（CHP），還可用 作運輸工具中的輔助電源APU系 統。

SOFC之缺點 氧化物電解質為陶瓷材料，容易脆裂，電池堆組裝較困難。 高溫熱應力作用為引起電池龜裂，故主要構件的熱膨賬率需嚴格匹 配。

固態氧化物燃料電池 電解質:在高溫下具有傳遞氧離子(O2−)能力的固態氧化物 陽極燃料:天然氣、煤氣、甲烷等碳氫化合物 陰極氧化劑:空氣中的氧氣 固態氧化物燃料電池由於完全是由固態材料所組成，包括固態電解 質、固態電極等。所以其穩定性及使用壽命均超越其他的燃料電池。

SOFC的基本結構 SOFC材料應滿足在高溫工作時化學穩定性， 相容 性以及耐久性。 SOFC之基本組成包括：電解質、陽極(Anode)、陰 極(Cathode)。

固態電解質(1) 典型的固態電解質有下列的特性?： 其化學鍵結為離子鍵 主要帶電體為離子 電子導電率非常小

固態電解質(2) 一固態氧化物燃料電池的電解質材料必須具備以下三點要求： 電解質材料不可有孔隙產生，造成氣體的通過，而形成短路。 電解質材料必須是電的絕緣體，並且其氧離子的傳導能力愈大愈好。 電解質材料必須要愈薄愈好，以降低工作溫度。

固態電解質(3) 常用的固態氧化物電解質： 釔穩定氧化鋯 (Yttria-stabilized zirconia) 氧化鉍系 ( Bi2O3 - based System) 鑭鎵氧化物系 (LaGaO3-based)

SOFC的電解質 降低操作溫度而且具有足夠的氧離子電導率，降低 YSZ電解質的薄 膜厚度是唯一的途徑 電解層薄膜厚度量測與監控問題 薄膜厚度均勻性與控制問題 機械強度問題 薄膜阻抗下降的問題

SOFC的陽極材料(Anode) 陽極材料在設計上必須符合幾點要求： 良好的電子導電性。 較高之孔隙率足以讓燃料進入陽極。 較好之催化效率使半反應順利進行。 高溫熱穩定性。 還原氣氛下之結構穩定性。 高溫熱膨脹係數需與電解質、陰極和連接元件相配合。 與電解質之間的介面穩定性高。 常用的有鎳與氧化鋯 (Ni/YSZ) 混合的陶金材料 (cermet)。

陰極(Cathode) SOFC之陰極需長期在高溫及氧化過程中工作，對 陰極材料之要求： 氧化過程中化學穩定性高 電子導電性良好，且在1000℃以下時導電率仍不能低於 500 Ω-1.cm-1 對氧的電化學還原反應具有良好的催化性 具有氣體傳輸性良好的多孔構造 由室溫到1000 ℃的溫度區先不產生相變化 與電解質YSZ之熱膨脹係數匹配良好，確保在升溫與降溫的熱循環過程中兩者 緊密接觸。

陰極材料 在1000°C 的操作溫度下，只有貴金屬或具有電子導性之金屬氧化物 可當作SOFC 之陰極材料。(不符經濟效益) 添加鍶之鑭錳氧化物(Sr-doped-LaMnO3)，由於在高溫、氧化氣氛下 具有良好的電子導電率(~ 102 S/cm) ，因此為最佳之陰極材料。

熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池簡介 MCFC所使用之電解質為分布在多孔陶瓷材料(LiAlO2)的鹼性碳酸 鹽。鹼性碳酸鹽電解質在600~800℃下呈熔融狀態，此時具有極佳的 離子傳導度。由於是高溫操作，MCFC的反應電極不需要鉑等貴金屬 催化劑，一般可採用鎳與氧化鎳分別作為陽極與陰極的觸媒。

熔融碳酸鹽燃料電池電極反應 陰極反應: 1 2 O2+CO2+2e-→C 𝑂 3 2− 陽極反應:H2+C 𝑂 3 2− →CO2+H2O+2e- 總反應: 1 2 O2+H2+CO2 →H2O+CO2

MCFC優點 MCFC具內重整能力，CH4與CO均可直接作為燃料，不但提高發電效率 也簡化系統。

MCFC應用領域 分散性電站 集中型電廠

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