臺灣博碩士論文加值系統

傳統固態氧化物燃料電池(SOFC)用的陽極Ni-YSZ複合材料，其缺點在於，以NI做為基底的陽極材，成本無法進一步降低，近期開始出現以不銹鋼做為陽極支撐材料的相關研究與學術著作，其單價跟含Ni材料相比低廉許多，希望藉由不銹鋼來降低燃料電池的成本。另外，不銹鋼本身在高溫時與基材的熱膨脹係數較為匹配，也有不錯的抗氧化性，是個擁有高度競爭能力的陽極支撐材材料。

本研究的目的主要在於改善陽極材料，發展以不銹鋼為主的金屬合金，有別於一般陽極的製備方式，本實驗以旋轉電極粉末冶金的方式製作陽極粉末，並改變其孔隙率以及鉻含量，以期做出達到最大化抗氧化能力以及導電性的金屬陽極支撐材。
本實驗之負極為鎢棒，正極為420不銹鋼。製備出的粉末，將會與粒徑不同的Fe、Cr粉進行混合，以改變其孔隙率和鉻含量。燒結後以顯微鏡觀察其燒結情形，並且將其拿去做以下的分析：孔隙度測量、TMA測熱膨脹係數、高溫氧化還原測試、SEM觀察微結構的變化、四點探針量測法測電阻。

Conventional anode support of solid oxide fuel cell (SOFC) with Ni-YSZ composite materials has the drawback of high material cost. Recently research works attempt to use stainless steel instead of using Ni-base alloy as anode support materials to reduce the cost of SOFC fuel cells. The stainless steel substrate is highly competitive materials for anode materials due to the properties of good match with solid electrolyte in thermal expansion coefficient as well as better oxidation resistance than Ni-base alloy.
　　However the porous anode substrate with conventional processing method is time spending and expansive, therefore in this report a process will be proposed to fabricate the anode support substrate with powder metallurgy method.
Stainless steel420 -based spherical powder with particle size of around 150 um has been made with rotating electrode process. The experiment is carried out with tungsten cathode and anode of rod of stainless steel. It was than sintered with proper sintering condition and binders. The results of experiment indicated that alloys substrate made with this technique could contain large pore and porosity.
The sintered specimens were than evaluated with TMA analysis of thermal expansion coefficient, oxidation test and SEM observation of microstructure .

目錄
摘要.................................................................................................................................i
Abstract...........................................................................................................................ii
符號對照表....................................................................................................................iii
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 4
2.1燃料電池 4
2.1.1固體氧化物燃料電池（SOFC）運作原理 4
2.1.2固體氧化物燃料電池之類型 6
2.1.3 SOFC之陽極介紹 7
2.2旋轉電極理論 13
第三章 實驗步驟與方法 25
3.1實驗設計 25
3.2旋轉電極製粉 25
3.2.1旋轉電極設備介紹 26
3.2.2製粉程序 26
3.2.3粉末處理 27
3.3數據分析 28
3.3.1滲油法求孔隙率 29
3.3.2高溫氧化測試 29
3.3.3四點量測電阻 29
3.3.4 TMA熱膨脹係數測量 30
第四章 結果與討論 36
4.1成品之孔隙率 36
4.2高溫氧化性質 37
4.2.1初期氧化探討 37
4.2.2 105小時高溫氧化探討 39
4-3高溫電阻測試 41
4-4 熱膨脹係數測試 42
第五章 結論 81
第六章 參考文獻 83


圖目錄
圖2- 1 SOFC工作原理 15
圖2- 2 PEN平板型SOFC結構示意圖 16
圖2- 3 YSZ示意圖 16
圖2- 4 1000°C時不同元素添加至ZrO2對其導電度之影響 17
圖2- 5 不同厚度的電解質其電壓降對於溫度關係圖 17
圖2- 6 PEN之微結構圖 18
圖2- 7 不同溫度下Ni含量對於Ni-YSZ的導電度關係圖 18
圖2- 8 Ni含量與熱膨脹係數之關係圖 19
圖2- 9 陽極支撐型SOFC陽極基材示意圖 19
圖2- 10 氧化層厚度與時間關係圖 20
圖2- 11 數種不鏽鋼其氧化速率常數對溫度之關係圖 20
圖2- 12 高溫陽極棒表面示意圖 21

圖3- 1 實驗流程圖 31
圖3- 2 旋轉電極示意圖 32
圖3- 3 旋轉電極設備圖 32
圖3- 4 粉末粒徑分布圖 33
圖3- 5 合金模擬相圖 33
圖3- 6 乾壓機 34
圖3- 7 氫氣燒結爐 35

圖4- 1 孔隙率與鉻含量關係圖..............................................................43
圖4- 2 孔隙率與粗粉比例關係圖..........................................................43
圖4- 3 粉末分布示意圖..........................................................................44
圖4- 4 OM金相圖(A)粗粉比例20%(B)粗粉比例30%(C)粗粉比例40%(D)粗粉比例50%........................................................................................44
圖4- 5粗粉含量20%、Cr含量14%之(A)OM(B)SEM(C)Cr含量分布(D)Fe含量分布圖.........................................................................................45
圖4- 6粗粉含量20%、Cr含量16%之(A)OM(B)SEM(C)Cr含量分布(D)Fe含量分布圖.........................................................................................45
圖4- 7粗粉含量20%、Cr含量18%之(A)OM(B)SEM(C)Cr含量分布(D)Fe含量分布圖.........................................................................................46

圖4-8- 1 A在850°C持溫1hr之氧化圖 47
圖4-8- 2 B在850°C持溫1hr之氧化圖 48
圖4-8- 3 C在850°C持溫1hr之氧化圖 49
圖4-8- 4 D在850°C持溫1hr之氧化圖 50
圖4-8- 5 E在850°C持溫1hr之氧化圖 51
圖4-8- 6 F在850°C持溫1hr之氧化圖 52
圖4-8- 7 G在850°C持溫1hr之氧化圖 53
圖4-8- 8 H在850°C持溫1hr之氧化圖 54
圖4-8- 9 I在850°C持溫1hr之氧化圖 55
圖4-8- 10 J在850°C持溫1hr之氧化圖 56
圖4-8- 11 K在850°C持溫1hr之氧化圖 57
圖4-8- 12 L在850°C持溫1hr之氧化圖 58

圖4-9- 1 A在850°C持溫105hr之氧化圖 59
圖4-9- 2 B在850°C持溫105hr之氧化圖 60
圖4-9- 3 C在850°C持溫105hr之氧化圖 61
圖4-9- 4 D在850°C持溫105hr之氧化圖 62
圖4-9- 5 E在850°C持溫105hr之氧化圖 63
圖4-9- 6 F在850°C持溫105hr之氧化圖 64
圖4-9- 7 G在850°C持溫105hr之氧化圖 65
圖4-9- 8 H在850°C持溫105hr之氧化圖 66
圖4-9- 9 I在850°C持溫105hr之氧化圖 67
圖4-9- 10 J在850°C持溫105hr之氧化圖 68
圖4-9- 11 K在850°C持溫105hr之氧化圖 69
圖4-9- 12 L在850°C持溫105hr之氧化圖 70

圖4-10- 1 粗粉Wt20%之試片高溫氧化增重圖 71
圖4-10- 2 粗粉Wt30%之試片高溫氧化增重圖 71
圖4-10- 3 粗粉Wt40%之試片高溫氧化增重圖 72
圖4-10- 4 粗粉Wt50%之試片高溫氧化增重圖 72
圖4-10- 5 鉻含量14%之試片高溫氧化增重圖 73
圖4-10- 6 鉻含量16%之試片高溫氧化增重圖 73
圖4-10- 7 鉻含量18%之試片高溫氧化增重圖 74

圖4-11- 1 A試片(粗粉wt20% Cr含量14%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 74
圖4-11- 2 B試片(粗粉wt20% Cr含量16%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 75
圖4-11- 3 C試片(粗粉wt20% Cr含量18%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 75
圖4-11- 4 D 試片(粗粉wt30% Cr含量14%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 76
圖4-11- 5 E試片(粗粉wt30% Cr含量16%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 76
圖4-11- 6 F試片(粗粉wt30% Cr含量18%)之熱膨脹係數與溫度關係圖 77




















表目錄
表2- 1 不同公司其SOFC的主要製備方式 22
表2- 2 各種製程方式可達到之電解質厚度 23
表2- 3 各式基材之性質 24
表2- 4 800度C下材料ASR 24

表3- 1 旋轉電極參數設置......................................................................26
表3- 2 粉末粒徑分部累積表..................................................................27
表3- 3 實驗試品參數表..........................................................................28

表4- 1 滲油實驗之數據........................................................................... 78
表4- 2 粉末之孔隙率............................................................................... 78
表4- 3 初期氧化數據............................................................................... 79
表4- 4 105小時氧化數據........................................................................ 79
表4- 5高溫電阻測試表............................................................................ 80
表4- 6熱膨脹係數對照表........................................................................ 80

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