以Ni-SDC為陽極材料之固態氧化物燃料電池研究

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研究生：	陳冠蓉 Kuan-Jung Chen
論文名稱：	以Ni-SDC為陽極材料之固態氧化物燃料電池研究 Study of Ni-SDC anode of solid oxide fuel cells
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：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	111
中文關鍵詞：	固態氧化物燃料電池、混合導體
外文關鍵詞：	SOFC, Ni, SDC
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固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）全為陶瓷材料固體結構，需在高溫（＞800℃）才能達到足夠導氧離子性，可以進行電化學反應。因為操作於高溫之下，為符合熱膨脹係數、介面固溶...等條件，材料的選擇性少，製作成本提高、難以商業化。若能降低SOFC操作溫度至中溫（600℃）則可大幅減少成本，但最主要的問題是中溫時反應性差，化學能→電能轉換效率太差，如果能針對電池各組成的阻力來源加以詳細研究，則能有效降低阻力，使SOFC中溫發電商業化。
以同時具有導電性與導離子性的混合導體SDC含浸觸媒Ni為陽極、單只具有導氧離子性的YSZ為電解質，依此兩者為基礎。在減少了電解質厚度的前提下（3mm→325μm），分別針對陰極材料、以及陽極觸媒比例加以分析研究。陰極LSM為陶瓷材料，在低溫時（600℃）無法對氧有良好分解能力，而高溫時則能有效發揮陰極功能，也因此與Pt的差距會隨操作溫度升高而減小。較佳的陰極材料也因提供O2-能力好，對需要大量氧氣進料的甲烷有較多助益。降低陽極觸媒鎳含量（60％→2％）對甲烷分解氧化反應影響較大，相對於氫氣的簡單構造，甲烷反應步驟較複雜，需要更多反應活性位置，而鎳的減少大量降低甲烷行內部重組的部分，雖然三相點增多，但電流密度不增反降。
利用表現較佳的一組電池，行長時間觸媒反應：通入甲烷一段時間，然後只通入Ar，觀察由陰極傳導過來的O2-不斷的與積碳作用，生成CO放出電流。比較以不同濃度氧氣（20％＆10％）去除積碳的圖譜，因通入濃度的高低而對於生成CO與CO2有不同的趨勢。

目 錄
中文摘要..................................................I
誌謝辭...................................................II
目錄....................................................III
圖目錄....................................................V
表目錄...................................................IX

第一章、    序論 1
第二章、    文獻回顧 4
2-1固態氧化物燃料電池（SOFC) 4
2-1-1 SOFC原理及應用 4
2-1-2 中溫型SOFC 6
2-2 SOFC構造 7
2-2-1固態氧化物電解質 7
2-2-2固態氧化物陰極 9
2-2-3固態氧化物陽極 11
2-3陽極微結構 12
2-3-1混合導體 12
2-3-2電化學反應位置 14
2-4電池分析 15
2-4-1開路電位（OCV）15
2-4-2電流電位圖 15
2-4-3 長時間反應性 15
第三章、    研究方向 16
第四章、    實驗方法 17
4-1實驗藥品、儀器 17
4-2電池單元 18
4-2-1陽極材料製備 18
4-2-2單電池製作 20
4-3實驗裝置 21
4-4實驗流程 23
第五章、    結果與討論 25
5-1電池單元微結構（SEM）25
5-1-1俯視圖 26
5-1-2縱切面 27
5-2電流表現 28
5-2-1 60%Ni-SDC/YSZ/LSM 28
5-2-2 60%Ni-SDC/YSZ/Pt 46
5-2-3 2%Ni-SDC/YSZ/Pt 64
5-3系統比較 82
5-3-1陽極觸媒量 82
5-3-2 陰極差異（LSM＆Pt）92
5-4長時間反應性 102
5-4-1導氧離子性 102
5-4-2去積碳 104
第六章、    結論 106
第七章、    參考文獻 108

圖 目 錄
Fig. 1-1  燃料電池系統示意圖 2
Fig. 2-1-1.1  SOFC內部離子傳導示意圖 4
Fig. 2-1-1.2  小型區塊發電表示圖 5
Fig. 2-2-1.1  YSZ立方螢石結構 7
Fig. 2-2-2-.1  鈣鈦礦結構 9
Fig. 2-3-1.1  混合導體示意圖 13
Fig. 2-3-2.1  三相點示意圖 14
Fig. 4-2-1.1  陽極粉末製作流程圖 19
Fig. 4-3.1  反應系統示意圖 21
Fig. 4-3.2  電池製作流程與封裝 22
Fig. 5-1-1a  60%Ni-SDC,anode top view 26
Fig. 5-1-1b  2%Ni-SDC,anode top view 26
Fig. 5-1-2a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,side view 27
Fig. 5-1-2b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,side view 27
Fig. 5-1-2c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,side view 27
Fig.5-2-1.1a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃不同進料濃度 29
Fig.5-2-1.1b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃不同進料濃度 30
Fig.5-2-1.1c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,800℃不同進料濃度 31
Fig.5-2-1.2a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃低濃度進料 32
Fig.5-2-1.2b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃低濃度進料 33
Fig.5-2-1.2c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,800℃低濃度進料 34
Fig.5-2-1.3a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃氫氣進料 35
Fig.5-2-1.3b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃氫氣進料 36
Fig.5-2-1.3c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,800℃氫氣進料 37
Fig.5-2-1.4a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃甲烷進料 38
Fig.5-2-1.4b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃甲烷進料 38
Fig.5-2-1.4c  60%Ni-SDC/Y1SZ/LSM,800℃甲烷進料 39
Fig.5-2-1.5a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 40
Fig.5-2-1.5b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 40
Fig.5-2-1.5c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,800℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 41
Fig.5-2-1.6a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,600℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 42
Fig.5-2-1.6b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,700℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 42
Fig.5-2-1.6c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,800℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 43
Fig.5-2-1.7a  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,5%H2＆10%H2溫度變化 44
Fig.5-2-1.7b  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,5%CH4＆10%CH4溫度變化 44
Fig.5-2-1.7c  60%Ni-SDC/YSZ/LSM,50%H2＆100%H2溫度變化 45
Fig.5-2-2.1a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃不同進料濃度 47
Fig.5-2-2.1b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃不同進料濃度 48
Fig.5-2-2.1c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃不同進料濃度 49
Fig.5-2-2.2a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃低濃度進料 50
Fig.5-2-2.2b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃低濃度進料 51
Fig.5-2-2.2c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃低濃度進料 52
Fig.5-2-2.3a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃氫氣進料 53
Fig.5-2-2.3b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃氫氣進料 54
Fig.5-2-2.3c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃氫氣進料 55
Fig.5-2-2.4a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃甲烷進料 56
Fig.5-2-2.4b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃甲烷進料 56
Fig.5-2-2.4c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃甲烷進料 57
Fig.5-2-2.5a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 58
Fig.5-2-2.5b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 58
Fig.5-2-2.5c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 59
Fig.5-2-2.6a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 60
Fig.5-2-2.6b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 60
Fig.5-2-2.6c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 61
Fig.5-2-2.7a  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,5%H2＆10%H2溫度變化 62
Fig.5-2-2.7b  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,5%CH4＆10%CH4溫度變化 62
Fig.5-2-2.7c  60%Ni-SDC/YSZ/Pt,50%H2＆100%H2溫度變化 63
Fig.5-2-3.1a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃不同進料濃度 65
Fig.5-2-3.1b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃不同進料濃度 66
Fig.5-2-3.1c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃不同進料濃度 67
Fig.5-2-3.2a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃低濃度進料 68
Fig.5-2-3.2b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃低濃度進料 69
Fig.5-2-3.2c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃低濃度進料 70
Fig.5-2-3.3a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃氫氣進料 71
Fig.5-2-3.3b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃氫氣進料 72
Fig.5-2-3.3c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃氫氣進料 73
Fig.5-2-3.4a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃甲烷進料 74
Fig.5-2-3.4b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃甲烷進料 74
Fig.5-2-3.4c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃甲烷進料 75
Fig.5-2-3.5a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 76
Fig.5-2-3.5b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 76
Fig.5-2-3.5c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃同濃度10%之氫氣與甲烷進料 77
Fig.5-2-3.6a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,600℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 78
Fig.5-2-3.6b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,700℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料.............78
Fig.5-2-3.6c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,800℃同濃度5%之氫氣與甲烷進料 79
Fig.5-2-3.7a  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,5%H2＆10%H2溫度變化 80
Fig.5-2-3.7b  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,5%CH4＆10%CH4溫度變化 80
Fig.5-2-3.7c  2%Ni-SDC/YSZ/Pt,50%H2＆100%H2溫度變化 81
Fig.5-3-1.1a  Ni wt%,600℃, H2,不同系統 83
Fig.5-3-1.1b  Ni wt%,700℃, H2,不同系統 84
Fig.5-3-1.1c  Ni wt%,800℃, H2,不同系統 85
Fig.5-3-1.2a  Ni wt%,600℃, CH4,不同系統 86
Fig.5-3-1.2b  Ni wt%,700℃, CH4,不同系統 86
Fig.5-3-1.2c  Ni wt%,800℃, CH4,不同系統 87
Fig.5-3-1.3a  Ni wt%,600℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 88
Fig.5-3-1.3b  Ni wt%,700℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 88
Fig.5-3-1.3c  Ni wt%,800℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 89
Fig.5-3-1.4a  Ni wt%,600℃,10%H2＆10%CH4,不同系統 90
Fig.5-3-1.4b  Ni wt%,700℃, 10%H2＆10%CH4,不同系統 90
Fig.5-3-1.4c  Ni wt%,800℃, 10%H2＆10%CH4,不同系統 91
Fig.5-3-2.1a  Cathode,600℃, H2,不同系統 93
Fig.5-3-2.1b  Cathode,700℃, H2,不同系統 94
Fig.5-3-2.1c  Cathode,800℃, H2,不同系統 95
Fig.5-3-2.2a  Cathode,600℃, CH4,不同系統 96
Fig.5-3-2.2b  Cathode,700℃, CH4,不同系統 96
Fig.5-3-2.2c  Cathode,800℃, CH4,不同系統 97
Fig.5-3-2.3a  Cathode,600℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 98
Fig.5-3-2.3b  Cathode,700℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 98
Fig.5-3-2.3c  Cathode,800℃,5%H2＆5%CH4,不同系統 99
Fig.5-3-2.4a  Cathode,600℃,10%H2＆10%CH4,不同系統 100
Fig.5-3-2.4b  Cathode,700℃,10%H2＆10%CH4,不同系統 100
Fig.5-3-2.4c  Cathode,800℃,10%H2＆10%CH4,不同系統 101
Fig.5-4-1.1  CO、CO2出口量 103
Fig.5-4-1.2  電流測量值 103
Fig.5-4-2.1  以20％O2去積碳，CO、CO2出口量 105
Fig.5-4-2.2  以10％O2去積碳，CO、CO2出口量 105

表 目 錄
Table 1-1  各種燃料電池比較 3
Table 4-2-1  三種電池系統對照表 18
Table 4-2-2.1  陰極用溶液 20
Table 4-2-2.2  陽極用黏結劑溶液 20
Table 5-4-2  碳的均衡 104

                                

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