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中溫型固態氧化物燃料電池電池堆開發

為了解決sr400極速的問題，作者盧錫全 這樣論述：

本研究藉以(1)不同組成的中溫型陽極支撐固態氧化物燃料電池、(2)不同製程、(3)開發不同電池組裝方式及(4)電池堆控制方法，研究中溫型固態氧化物燃料電池(IT-SOFC)電池堆的相關特性。電池片分為四通道電化學分析儀使用之直徑約2.1 cm小面積IT-SOFC單元電池及電池堆使用之10×10 cm2大面積IT-SOFC單元電池。IT-SOFC單元電池部分：使用的電解質(Electrolyte)為Sm0.2Ce0.8O2-x（SDC），陰極(Cathode)為複合陰極，外層成分為純的(La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3-x(LSCF)，內層為LSCF與SDC混合層；陽極(

Anode)是NiO與SDC之混合層，外加一層NiO電流收集層。在使用四通道電化學分析儀測試小面積之IT-SOFC單元電池在不同溫度時的I-V及電功率曲線圖得知，在500、550、600、650、700、750及800℃不同溫度區間的開路電壓(OCV)分別為0.88、0.86、0.83、0.79、0.73、0.62及0.55 V，而相對應的MPD分別為0.22、0.44、0.84、1.11、1.07、0.90及0.81 W/cm2。OCV隨著溫度增加而下降，主要是因為Ce4+會被還原為Ce3+導致電解質電子導電率增加，但是氣體的擴散速度、電極反應速率、離子導電率增加及電池阻抗降低卻有助於功率密

度提升。綜合以上兩組原因推測MPD會出現在500℃到800℃之間，研究結果顯示MPD出現在650℃。電解質改質部分：為降低SDC中Ce4+會被還原為Ce3+所導致電子導電，本研究亦嘗試加入電子阻絕層的方式，即是在原先SDC電解質中加入LSGM82作為電子阻絕層，而變成SDC/La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3−x(LSGM82)/SDC三層組合。結果顯示在小面積IT-SOFC單元電池電性質測試中，550、600、650、700、750及800℃時，OCV分別為0.92、0.94、0.97、0.96、0.93及0.87 V，此時MPD分別為0.13、0.26、0.50、0.74、0.9

4及1.08 W/cm2，電解質改質後的OCV比使用單一SDC電解質時高且隨著溫度增加而增加，且在高溫區MDP比純SDC有明顯的改善，因此加入LSGM82層可以有效改善部分SDC所產生的電子導電的問題。因為中溫段的效能以電解質為SDC之電池效能表現較佳，電池堆的實驗仍以電解質為SDC的單元電池為主。IT-SOFC電池堆的組裝部分：我們自行設計第一代IT-SOFC電池堆的組裝方式，以短序三層大面積IT-SOFC單元電池堆為主，當測試溫度為529及610℃時，OCV分別為2.49及2.38 V，此時MPD分別為211及580 mW/cm2，當溫度超過650℃時功率會極速下降。為了解電池堆在長續使用

時的狀態，我們進行電池堆長時效實驗，測試溫度定在570℃，負載電流密度為400 mA/cm2，此時燃料利用率(Fuel Utilization, Uf)為22.56%，低熱值(LHV)發電效率(Electrical efficiency)為9.9%。電池堆起始總電壓1.65 V，此時輸出電功率為53.46 W，電功率密度為220 mW/cm2，500小時後總電壓降為1.61 V，輸出電功率為52.16 W，電功率密度為215 mW/cm2，計算電池堆電壓衰減率為4.85%/kh。IT-SOFC電池堆的組裝方式精進部分：由於IT-SOFC電池堆應用時需要重覆堆疊30層以上，因此單層體積要越小越好

。第一代的組裝方式結構複雜且組裝不易，完成後單層厚度約為7 mm。為降低厚度，因此開發第二代組裝方法，即是開發新型的連接板，將陰極流道與陽極流道整合成一片，因此組裝變為容易且單層厚度減少40%成為5 mm，這項設計目前已獲得中華民國發明專利第I586027及I594491號。使用電解質為SDC及陽極改進後的單元電池，使用第二代組裝方法，組裝五層IT-SOFC電池堆，測試時平均溫度為564.5℃，電流密度為400 mA/cm2時，電池堆總電壓為3.001 V，輸出功率為97.33 W，電功率密度為241 mW/cm2，計算Uf為60.98%，為29.71%，Uo為17.91%。比較先前開發的IT

-SOFC電池堆，Uf及均有大幅提升，表示這項發明可作為更高功率的IT-SOFC電池堆組裝方式。IT-SOFC電池堆的通入氣體控制部分：當陽極端通入氫與氮混合氣比例為5:5、4:6及3:7測量電池電特性，結果顯示(氫氣) 3：(氮氣) 7的條件具有較高的Uf及。而陰極空氣流量為1、2、2.5、3及3.5 L/min，結果顯示當空氣流量增加時，最大功率密度會跟著上升，但當流量超過3 L/min就沒有太大效果，因此單層陰極端最低流量為3 L/min。而且氧氣利用率(Oxygen Utilization, Uo)要維持在40%以下且越低越好，多餘的空氣流量可以應用來帶走電池堆多餘的熱量。電解質為SD

C之單元電池陽極改進部分：為提高電池堆的效能，改進陽極組成及孔隙率，再進行大面積IT-SOFC單層電池堆長時效測試，測試溫度為591.4℃，負載電流密度為400 mA/cm2，Uf從22.56%提高至55.44%，從9.9%提升至28.52%，長時效測試結果顯示初始電壓為0.645 V，電功率為20.7 W，持續1095小時後電壓降低為0.625 V，電功率降低為20.25 W，降低為27.63%，計算長時效負載電壓衰減率為2.83%/kh。產品模組化設計部分：我們自製六層短序IT-SOFC電池堆來作為250 W IT-SOFC發電機組的發電源，通入氫、氮混合氣體，藉由DC轉AC的裝置，將發電

機的直流電力轉成家用交流電力110 V，成功輸出電力使一般電器正常運作。