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研究生： 陳琬珺
Wen June Chen
論文名稱： 中溫型固態氧化物燃料電池之LSCF陽極之水煤氣反應之研究
A study on coal gas reaction over LSCF anode of intermediate-temperature solid oxide fuel cell
指導教授： 黃大仁
Ta Jen Huang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 101
中文關鍵詞： 固態氧化物燃料電池 、水煤氣 、陽極
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    • 本研究選用鈣鈦礦型結構材料(ABO3)之LSCF (La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)氧化物，有別於傳統上以LSCF做為陰極材料，而是將其應用至固態氧化物燃料電池之陽極端。同時探討添加Cu或Ni等活性金屬至LSCF中，藉由改變LSCF的B site組成，觀察其對於各種不同比例的CO與H2混合氣之催化能力。
    由CO-TPR與H2-TPR之實驗得知，添加Cu至LSCF之B site形成LSCCF系列材料其還原溫度約為300℃，但是並無法有效地提高CO氧化反應之活性。若進一步地改為添加Ni至LSCF之 B site中取代Co而形成LSCNF118，因為在439℃時LSCNF118會有一個還原波峰，所以可大幅地提高LSCF對於H2在中高溫下之氧化反應能力。
    本研究為了瞭解何種組成的LSCF氧化物，於操作溫度800℃時能有最佳之反應活性，故以粉體進行CO、H2及水煤氣定溫反應實驗。研究結果顯示，未添加任何活性金屬的LSCF，對於CO氧化反應擁有最佳的反應活性，操作時間於60分鐘後仍能保持0.572μmole/min．g之CO2生成量。另外在水煤氣反應實驗中，添加Ni至LSCF之B site形成LSCNF118，則會破壞CO氧化反應之活性。若將LSCF含浸10wt%Ni製備成10Ni-LSCF，它不但能夠提高對於H2氧化反應之催化能力，而且還能提昇氧化CO氣體之反應活性。
    利用H2作為陽極反應氣體來進行測試單電池之效能，結果發現LSCF作為陽極之單電池效能並不良好，maximum power density僅達5.176 mW/cm2。若是添加導氧離子性效果較為優異的GDC材料 (Gadolinium doped Cerium,Gd0.2Ce0.8O3)至LSCF，除了可增加陽極材料的氧離子傳導速度之外，更能大幅地提高電池效能達至12.29 mW/cm2。若再添加少量Ni金屬至LSCF-GDC中製成3Ni-60LSCF-GDC，可將電池效能再提高至14.72 mW/cm2。
    改變陽極反應氣體為H2與CO各種比例之混合氣進行單電池效能測試，結果顯示CO的比例越高則電池效能越佳，而當以純CO為燃料之電池maximum power density較純H2為燃料足足相差有5倍之多。顯示以LSCF作為陽極材料，並利用純CO為反應氣體，其電池效能會有優異的表現。

    第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 4 2-1 固態氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell, SOFC) 4 2-1.1 操作原理 4 2-1.2陽極電化學反應 5 2-2中溫型固態氧化物燃料電池 8 2-3 導氧離子氧化物 10 2-3.1鈣鈦礦型結構 10 2-3.2螢石型結構 12 2-3.3 氧空洞與導氧離子性 13 2-3.3-1固有氧空洞(intrinsic oxygen vacancy) 13 2-3.3-2 非固有氧空洞(extrinsic oxygen vacancy) 14 2-4 燃料的選擇 15 2-5鈣鈦礦型氧化物陽極材料 19 第三章 研究規劃 22 第四章 實驗方法與步驟 24 4-1 實驗藥品 24 4-2製備方法 25 4-2.1醇鹽反應法製備氧化釓參雜氧化鈰（GDC） 25 4-2.2共沈澱法製備氧化釓參雜氧化鈰（GDC） 25 4-2.3 GNP(Glycine Nitrate Process)法製備氧化釓參雜氧化鈰（GDC） 26 4-2.4 GNP法製備鑭鍶鈷鐵氧化物系列 26 （LSCF、LSCCF118、LSCCF217、LSCNF118、LSCNF217） 26 4-2.5以含浸法製備Ni-GDC粉體 27 4-2.6以含浸法製備Ni-LSCF粉體 28 4-2.7製備陽極與接合層漿料 28 4-3 實驗裝置與實驗方法 29 4-3.1 儀器 29 4-3.2程溫還原反應與定溫反應 30 4-4 電池效能測試 31 第五章 實驗結果與討論 36 5-1 X光繞射分析(XRD) 36 5-1.1不同材料之合成法製備GDC 36 5-1.2 GNP法製備LSCF、LSCCF118、LSCCF217 38 5-2 程溫還原實驗（TPR） 41 5-2.1 氫氣程溫還原反應H2-TPR 41 5-2.1-1 60Ni-GDC 41 5-2.1-2 LSCF、LSCCF217、LSCCF118與LSCNF118 43 5-2.2 一氧化碳程溫還原反應CO-TPR 48 5-2.2-1 LSCF、LSCCF217與LSCCF118 48 5-3 定溫還原反應測試 51 5-3.1 氫氣定溫反應 51 5-3.2 一氧化碳定溫反應 54 5-3.3 水煤氣定溫反應 56 5-4電池效能表現 60 5-4.1 電池之SEM微結構圖 60 5-4.2電流電壓圖(I-V curve plot) 62 5-4.2-1傳統鎳觸媒積碳現象 62 5-4.2-2混合導體LSCF為陽極 66 5-4.2-3 LSCF混合導氧離子材料GDC為陽極 72 5-5定溫定電壓測試 80 5-5.1水煤氣定電壓反應 80 5-5.2甲烷定電壓反應 88 第六章 結論 94 第七章 未來展望 96 第八章 參考文獻 97 第九章 附錄 101 9-1. 校正曲線 101

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