固态氧化物燃料电池SOFC系统中银-铜填料与镍不锈钢之双极板间.PDF

固態氧化物燃料電池(SOFC)系統中銀-銅填料與鎳、不銹鋼之雙極板間之界面反應 1/ 1 1/ 2 黃東平 研究生 *顏怡文 /助理教授 蘇建瑋 研究生 李嘉平 /教授 1 2 國立台灣科技大學材料科技研究所 國立台灣科技大學化學工程學系 摘要 固態氧化物燃料電池(SOFC)因具有較高的發電效率及較佳的可靠度，在大型發電系統有極佳的發展性，成 為熱門新興能源，引起廣泛的研究。SOFC 系統中常用雙極板材料為不銹鋼，而陽極材料為鎳-釔安定化氧化鋯 陶金。本研究以液/固反應偶形式，擬探討以銀-銅合金作為填料，與陽極材料中的鎳以及雙極板不鏽鋼間之界面 反應關係。在Ag-Cu/Ni 的液/固反應中，Ni 基材界面會隨填料含 Cu 量，逐漸生成(Cu,Ni)固溶體。穩定(Cu,Ni) 固溶體生成，會減緩Cu 原子往Ni 基材擴散之趨勢。在Ag-Cu/電鍍 Ni/ 430 不銹鋼的液/固反應，含Cu 量低的 填料其界面越平整，反應層為γ(Fe,Ni)；含Cu 量高的填料，界面越粗糙，反應層為(Cu,Ni)+γ(Fe,Ni)。 關鍵字：固態氧化物燃料電池(SOFC)、鎳-釔安定化氧化鋯陶金、反應偶界面反應、雙極板 (*e-mail:ywyen@mauil.ntust.edu.tw) 1. 前言 隨著石油價格的飆漲，尋找新形式的能源替代石化原料已成為當今世界各國極力的目標。在眾多的新能源 中，以燃料電池最被看好。燃料電池的發展已有一段時間，其中固態氧化物燃料電池(SOFC)因不需要液態電解 質，工作溫度高、效率好、且在連續操作下有極高的可靠度，適合提供大能量與固定式裝置下操作。目前西門 子-西屋公司所製造的 100KW 的 SOFC 系統，在連續操作下20000 小時下仍不至於產生劣化現象，受到極大的 重視[1]。單一 SOFC 結構是由陽極/雙極板/陰極/電解質組成，加以串連可形成一完整的電池系統。目前熱門雙 極板的材料為低價的不銹鋼[2]，以鉻基或鐵基為主的合金材料為主，可將傳統的SOFC 操作溫度由 1000-850℃ 降低至850-700℃。且其氧化阻抗與防蝕能力較佳，熱膨脹係數與電極相仿，被視為有相當的機會取代目前的傳 統的雙極板材料-鑭鈣鉻氧化物(LCC)或鑭鍶鉻氧化物(LSC)。常見的陽極與陰極材料則分別為 Ni-YSZ 與 LaSrMn(LSM)為主[3]。 密封材料用於維持在電極/電解質/雙極板之三明治結構間的密封性。選用材料的過程必須考慮一些基本要 求，如：高溫環境下密封性良好、不會洩漏氣體、低蒸汽壓穩定性高、熱循環下隨時間增加，組成是否變動而 造成黏度變化過大、與鄰近元件的熱膨脹係數是否匹配。最常被採用的密封材料有三類：玻璃、陶金、耐壓金 屬[4]。 文獻中關於密封材料的開發已經有一段時間， Duquette 等人[4]則嘗試以銀線作為平板式 SOFC 的密封材 料，量測其洩漏速率在500℃下約75.8 Pa/min。Sohn 等人[5]以BaO-Al O -B O -SiO 為材料並加入La O 、ZrO 、 2 3 2 3 2 2 3 2 NiO 等作為密封材料，與 YSZ 在 800℃接合後，發現加入 La O 、NiO 會增加 CTE，添加 ZrO 則反之；其中 2 3 2 B O / SiO 比值為0.71 時有最好的流動性，對於接合的強度影響甚大；對於長時間穩定性的測試，加入5 at.% 2 3 2 La2O3 的玻璃有最好的穩定性，最適合作為 SOFC 在 800℃操作下的密封材料。Ley 等人[6]探討 SrO-La O -Al O -B O 作為 SOFC 的密封材料，實驗發現在 800-1000℃的工作溫度下，與鄰近元件之CTE 相當 2 3 2 3 2 3 匹配(8