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電解質支撐型微管狀固態氧化物燃料電池之開發與特性研究

為了解決AMD 6000 APU的問題，作者謝文碩 這樣論述：

本研究初期以Zr0.8Sc0.2O2-δ (ScSZ)為電解質材料，以擠出成形法製備電解質支撐微管型之SOFCs。研究顯示塑料在成形時形狀規則且內外表面平整，具有良好的塑化性與成形性。結果顯示於1400oC時具有最佳特性，其外徑約3.8 mm，管壁厚約210 μm，相對密度可達97.1%。該燒結溫度之微管由三點抗彎測試後，其平均抗彎強度可達190 MPa以上，符合目前SOFCs高溫操作之需求，並發現燒結1400oC之微管抗彎強度優於燒結1450oC之微管(171 MPa)，其原因在微管相對密度相近時，平均晶粒越小(晶界比例越多)其抗彎強度值越佳。最佳化之擠出微管使用沉浸法與熱膨脹收縮

儀分析出最佳之共燒參數，研究顯示，電解質與陽極共燒雖有較佳的界面燒附性，但易產生裂縫而產生電池破裂，將電解質預燒至1100oC再共燒陽極於1400oC即能獲得燒附性佳且無裂縫之陽極。LSM-GDC/ScSZ/NiO-ScSZ/NiO電池 (Cell A)之最高電功密度於850oC下為0.17 Wcm-2，開路電壓大於1.08 V。多次熱循環後，電池機械結構依然完整。 LSCF-GDC/GDC/ScSZ/NiO-ScSZ/NiO電池 (Cell B)藉由電解質中間層(Ce0.8Gd0.2O0-δ, GDC)隔離LSFC與ScSZ，阻止燒附時SrZrO3及La2Zr2O7之不導電二次相生成。

研究顯示，Cell B之歐姆阻抗略高於Cell A，但電池的極化阻抗卻大為下降，使電池整體電阻值下降，於850oC時，其電功率密度為0.26 Wcm-2，其電功率密度比Cell A高出40%。 由上述之研究發現鋯基電解質支撐型微管狀SOFC操作溫度適用於800oC以上，為降低操作溫度，本研究另使用鈰基電解質取代鋯基電解質，LSCF-GDC/GDC/NiO-GDC/NiO (Cell C)及LSCF-GDC/GDC/ScSZ/NiO-GDC/NiO (Cell D)等電池被製作且探討其微結構與電性能的關係。GDC層及ScSZ層之厚度控制在285 μm及8 μm，加入ScSZ層之微管型SOF

C於650、700、750及800oC下，其歐姆阻抗分別上升49.3%、31.4%、19.0%及17.1%；而極化阻抗分別上升220.6%、321.4%、540.0%及566.7%。其歐姆阻抗的增加是因為ScSZ層及界面電阻所致；而極化阻抗的增加則是因為於界面上較低的電荷傳輸及氧擴散速率所致。研究發現Cell D於650到800oC下，其開路電壓僅些微下降(1.06 V至0.98 V)，而Cell C之開路電壓則明顯下降(0.92 V至0.76 V)，這表示ScSZ層確實抑制了因GDC層因電子導電所導致的開路電壓下降。於650、700、750及800oC下，Cell C之最高電功率密度分別為0

.20、0.27、0.33及0.36 Wcm-2；而Cell D之最高電功率密度分別為0.16、0.23、0.32及0.42 Wcm-2。Cell D之最高電功率密度於750oC時有明顯的增加，其主因為當操作溫度高於750oC，Cell C開路電壓下降的效應將大於Cell D所增加的電池阻抗。