奈米科技概論期中報告: 燃料電池 奈微所 碩一 陳約璋 指導教授 李旺龍 老師

燃料電池的化學原理、種類與基本構造

燃料電池的化學原理、種類與基本構造 氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子（proton）H＋與兩個電子（electron）e-，其中質子被氧『吸引』到電解質的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子

燃料電池的化學原理、種類與基本構造 與一般電池相異處: 一般電池是能量的“儲存器”;而燃料電池則是能量“轉換器”，只要供給燃料，就能產生電力，但其不能儲存電能。 目前燃料電池最常用的燃料仍是以具有最高活性的“氫氣＂為主。而氧化劑則可直接取空氣予以使用。

燃料電池的優點 高效率：能量轉換率高於45% 以上 低污染：若以氫氣作為燃料，反應主要產 物為水 無噪音 高機動性：燃料電池具備可模組化 (modulation)，可以依使用電 量大小來增減電池組的數量

燃料電池的缺點 成本居高不下。 燃料電池一般都用強酸或強鹼為電解質，故反應時催化劑(鉑、金等)本身必須能夠耐強酸或耐強鹼

燃料電池的分類

燃料電池的分類

固態氧化物燃料電池 (SOFC) SOFC比起其他燃料電池還有更多的優點: 讓電化學反應在更高溫操作，具有更快的反應速率。 可直接使用含有甲烷的燃料，如天然氣、沼氣。 不需要貴重金屬，如白金來當作電化學反應的催化劑。 整個燃料電池為一完全固態結構 (70% 以上為氧化物 )，可使用數年而不需維修或更換。

固態氧化物燃料電池之反應 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。

固態氧化物燃料電池之反應

固態氧化物燃料電池之反應

固態電解質 典型的固態電解質有下列的特性： (1) 其結構之鍵結為離子鍵 (2) 高離子導電率 (3) 主要帶電體為離子 (4) 電子導電率非常小

固態電解質 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： 1. 電解質材料不可有孔隙產生，造成氣體的通過，而形成短路。 2. 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。 3. 電解質材料必須要愈薄愈好，以降低歐姆極化的影響。

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

陽極材料 陽極材料在設計上必須符合幾點要求： 常用的有鎳與氧化鋯 (Ni/YSZ) 混合的陶金材料 (cermet)。 1. 良好的電子導電性。 2. 較高之孔隙率足以讓燃料進入陽極。 3. 較好之催化效率使還原半反應順利進行。 4. 高溫熱穩定性。 5. 還原氣氛下之結構穩定性。 6. 高溫熱膨脹係數需與電解質、陰極和連接元件相配 合。 7. 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。

連接元件 (Interconnect) 為了串聯及並聯較多的Fuel Cell，連接元件便成為高溫環境下的導線，除了導電的功能之外，也要具分隔燃料與氧化劑之功能。 常用的連接元件材料為鑭的鉻酸鹽。

燃料電池的堆疊

燃料電池的堆疊

奈米技術於燃料電池上之應用 固態氧化物燃料電池之效能主要由下列三種不可逆反應所主導。 歐姆極化 (ohmic polarization) 活化極化 (activation polarization) 濃度極化 (concentration polarization)

歐姆極化 (ohmic polarization) 歐姆阻抗主要來自於氧離子在電解質內移動，以及電子在電極內移動時的阻抗。影響此時電池性能的因素為燃料電池的內電阻，包含了電解質之氧離子交換阻抗與各材料間的接觸阻抗等。

活化極化(activation polarization) 活化極化現象主要是來自於電極表面在剛要產生電化學反應時，所需的趨動力增加所致。此一活化極化現象主要與電化學反應的速率有關，包含了空氣與燃料氣體的吸附與脫附動力學。

濃度極化(concentration polarization) 濃度極化現象與空氣或燃料氣體由外界擴散至電極表面的速率有關。在整個電化學的反應過程中，空氣或燃料氣體必須適時地移動至電極表面，一旦空氣或燃料氣體來不及供應，也就是在電極表面無法維持一適當的反應物濃度時，則會發生濃度極化現象。

固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極)

固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 固態電解質 (solid electrolyte)： 由一高氧離子性低電子導性之導體所組成之一緻密薄膜，其厚度約為20 um，最常用的氧離子導體材料為釔安定化氧化鋯 (yttria stabilized zirconia, YSZ)。

固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 陽極 (cathode)： 在燃料電池的反應中，陽極與燃料直接接觸，所以必須要有良好的電子導電率外，還要有可在還原環境中有良好的穩定性。在結構上，則必須讓燃料氣體與反應後的水或二氧化碳，可以很容易的進出，故陽極是為孔洞的材料 (porous structure)，常用的陽極材料為鎳(Ni) 與氧化鋯 (YSZ) 的陶金材料 (Ni/YSZ)。

固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 固態氧化物燃料電池三極 (陰極、電解質與陽極) 陰極 (anode)： 與陽極相似，必須要有高電子導電率、穩定性與孔洞結構。但是陰極要在氧化環境下操作，因此，無法使用一般的金屬材料，必須改用具有電子導電性的氧化物材料。常用的陰極材料為添加鍶的錳酸鑭氧化物 (LSM, Sr-doped-LaMnO3)。

奈米技術於燃料電池上之應用 在歐姆極化方面，由於電解質材料是整個燃料電池中，阻抗最大的材料，因此，可藉由合成奈米級之高氧離子導性之氧離子導體粉末，利用薄膜技術以製成厚度~ 15 μm 之電解質薄膜，以降低燃料電池之內電阻。

奈米技術於燃料電池上之應用 當空氣擴散至陰極與電解質表面時，空氣會從陰極得到電子，形成氧離子(O2-) ，經由電解質層移動至陽極，在陽極與氫氣結合形成水蒸汽。在這整個反應過程中，氣體反應的位置稱之為三相界面 (three-phase-boundary,TPB)，也就是氣體/電解質/電極三相的界面。

奈米技術於燃料電池上之應用 要有效地降低活化極化現象，即要提高三相界面的位置，也就是提昇在“電解質 / 電極＂界面的面積。因此，若可以將電極材料製成奈米級 (nm) 的粉末，而增加在電解質表面的TPB 面積，則可大幅提昇燃料電池之效率。

奈米技術於燃料電池上之應用 另一方式則是開發具有氧離子導性與電子導性之複合電極材料 (Mixed Ionic Electronic Conductor,MIEC)，如La0.8Sr0.2Cu2O2.5，此一材料本身即具有良好的氧離子導性與電子導性，因此，若將此一材料當作陰極材料，則每一La0.8Sr0.2Cu2O2.5電極之表面積都可視為TPB 的延伸，因此可將活化極化現象大幅減少。

奈米技術於燃料電池上之應用 當電極週遭的反應氣體因為電化學反應而消耗時，電極附近參與反應的物質會與外界氣體濃度有著明顯的差異，這種因為濃度上的差異而導致的“濃度極化”現象，可以利用燃料電池結構上的設計來加以改善。 反應氣體緩慢地靠近電化學反應界面或是產物緩慢地離開電化學反應界面，是造成燃料電池濃度極化的主因。因此，可以將燃料電池之電極改以巨孔(Macroporus，直徑約數百nm)形態之電極，以幫助反應氣體的進入與產物氣體之排出。

奈米技術於燃料電池上之應用

奈米技術於燃料電池上之應用

奈米微壓印技術之應用 壓印技術是先以傳統的光微影技術將特定圖案定義在模具(mold)或稱模板(template)、印章(stamp)上，再以壓印機將其施加壓力於鍍有高分子阻劑 (resist)的加熱基板上。待降溫後，將模具與高分子阻劑分離，最後以反應式離子蝕刻機(reactive ion etching, RIE) 去除壓印殘餘層(residual layer)，即完成圖案的轉移。

奈米微壓印技術之應用

奈米微壓印技術之應用 壓印技術因為是一個機械式施壓而造成的物理反應過程，圖案之尺寸大小完全由依附模具上的圖案來定義，故不會發生傳統微影技術之缺點，如光波繞射 (diffraction)、發生於光阻劑的散射 (scattering) 及干涉 (interference)現象及電子被基板背向散射 (backscattering)……等現象，因此可使得解析度大為提高，到達奈米級之尺度。 壓印技術可在相當短暫的時間得到所需的微形非平整圖案，對SOFC的設計及製程改進都有很大的幫助。

SOFC 未來發展 以上所介紹為現階段state-of-the-art SOFC 材料。目前SOFC單電池之最大電力密度可達1.8 W/cm2 以上，但離產品商業化仍有一段距離。 未來，除了材料導電性及穩定性仍需進一步提昇外，在燃料電池設計，包括：電解質、電極厚度、電極孔隙率、電極板設計及電池組設計都仍待不斷的改進與突破。

結 論 燃料電池可以直接以含碳氫化合物之氣體，如天然氣等作為燃料，將燃料氧化之化學能直接轉變成電能，與傳統的火力發電比較，預期效率可達兩倍以上(即排出的CO2僅為火力發電的1/2)，而且其反應無燃燒過程，NOx或SOx等排放量幾乎為零、無噪音等優點。 固態氧化物燃料電池發電技術是未來最具潛力可取代火力發電與核能發電的新能源技術，成為下一代發電方式的新主流。