固態氧化物燃料電池(Solid Oxide FuelCell; SOFC)將燃料經電化學反應，將它所具的化學能轉換成電能和熱能。功能就像是發電機，如同其它的燃料電池。類似的燃料電池包括：質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid FuelCell; PAFC)等。不同的地方是SOFC 的操作溫度在600~1,000°C之間，屬於高溫型燃料電池。PEMFC 與DMFC的操作溫度在50~80°C之間， PAFC 的操作溫度在160~200°C之間，均屬於低溫型燃料電池。國際上SOFC 的發展方向是作為工業分散式發電(Distributed Power Generation)，然而近年有部份的研發轉向可攜式小型的發電機。
SOFC 優於PEMFC 、DMFC 的地方，是因為高溫操作所排出的廢熱可以產生高熱值的蒸氣（如同火力發電），這些蒸氣推動渦輪發電機做二次發電。SOFC 本身的放電能量轉換效率約在60% ，再加上二次發電的能量轉換效率約在20% 。這種高能源轉換效率的科技，對世界石化能源（煤、油、天然氣）逐漸耗竭的今天是非常重要的。
SOFC 另外的優點是在高溫下的電化學反應非常的快，除了不需要貴金屬觸媒（鉑、金、釕）之外，也有較廣的燃料使用範圍。可使用的燃料除了氫氣之外，甲烷、甲醇、丁烷等低碳的碳氫化合物都可以直接送入燃料電池發電用，甚至煤碳粉也可以作為燃料（ 直接碳粉燃料電池(Direct Carbon Fuel Cell; DCFC)）。雖然SOFC 有這些優點，高溫材料的特性與壽命上仍有許多需改善的地方，製造成本也需要降低。
電池結構與材料
1.電池外形
電池的基本構造包括三個元件：電解質、陽極、陰極。因SOFC 操作在高溫，除了這三個元件之外，密封(Sealing)材料與電池聯結(Interconnection Contact)材料也是重要的關鍵元件。圖四將電池依外型分成管狀電池(Tubular Cell)(6)或是板狀電池(Planar Cell)。SOFC 技術最先發展的是管狀電極。在電池啟動時用燃料燃燒加熱整個電池，因此氧化燃料的陽極是設計在管外，還原空氣的陰極設計在管內。電池由常溫啟動，升溫至600~1000°C 操作。這期間電池內各組件的熱膨脹係數差異若過大，將會產生內部應力，造成電極、電解質的龜裂。此外，電池在高溫的密封也受到嚴厲的考驗。圓形的管狀電極所產生的應力比較均勻，密封也比較沒有問題。板狀電極所組成的電池組比較緊密，它的功率密度（單位體積所能輸出的功率）比管狀電極要高。
低溫型燃料電池組如DMFC 、PEMFC 、PAFC 多以這種方式做電池串聯。但是這種電池疊堆的方式，密封是靠電池組兩端的壓力迫緊電池的密封材料，所施加的壓力若略有不均勻，容易造成由陶瓷材料所組成電極、電解質的破裂。
圖四、(a)管狀電池；(b)板狀電池的外型
2. 電解質
顧名思義，固態氧化物燃料電池的電解質便是摻有釔的氧化鋯(Yttrium Stabilized Zirconia; YSZ)。它的導電度取決於氧離子(O2-)在氧化物內的游離速率。YSZ 的離子導電度隨著溫度的升高而增加。在700°C 以上， YSZ 有足夠高的離子導電度， 並且是良好的電絕緣材質（它在1,500°C 時變成導電材質）。圖五的右軸是依離子導電度計算出電解質電阻控制在0.15ohm cm2所需的厚度。以圖中的 8% Y2O3ZrO2為例，當電池溫度是900°C 時， YSZ的離子導電度是0.1 ohm-1 cm-1 ，此時電解質電阻在0.15 ohm cm2 的厚度是150μm 。
當操作溫度降低到700°C ， YSZ 的離子導電度降低到0.02 ohm-1 cm-1 ，此時若要保持電解質的電阻在0.15 ohm cm2 的話，電解質的厚度便要降至20μm 。其它正在發展的電解質包括參有鈧的氧化鋯(Scandium-doped Zirconia; SDZ)，摻有釓的氧化鈰(Gadolinium-doped Ceria;GDC)，以及其它的電解質。它們的離子導電度也都比YSZ 要高，因此在同樣的離子導電度下，電池可以操作在較低的溫度。
3. 電池聯結材料(Interconnection Materials)
電池間的串並聯需要耐高溫的導電材料。基本上可以分成兩種：高溫型(900~1,000°C)陶瓷導電材料與低溫型(600∼700°C)合金導電材料。陶瓷導電材料是摻雜鑭或釔的鉻鐵(Chromites)。這些鉻鐵也含有如鎂(Mg)、鍶(Sr)、鈣(Ca)、鈷(Co)等微量的金屬元素。在1000°C 的操作溫度下，這些鉻鐵的導電度約在1~30 S cm-1 。合金導電材料早期使用Cr5Fe1Y2O3合金。現正致力開發成本較低的鐵鈷系不鏽鋼材質(Ferritic Chromium Steel)，腐蝕是最大的問題。許多公司現採用Krupp Formulation Crofer22 APU合金作為電池串並聯材料用。
4. 密封材料(Sealing Materials)
管狀電池組在密封上的問題比較小，板狀電池多處需要密封防止氣體的混合。密封方式有兩種：黏結密封(Bonded Seal)與緊迫密封(Compressive Seal)。金屬焊接是一種黏結密封方式，但是因為金屬導電、易腐蝕的特性，多數密封場合無法應用。此外，黏結密封也可以使用玻璃或玻璃陶瓷材料，將要密封的元件黏結在一起，以達到密封的目地。熔融玻璃的組成可以調配使其具流體特性，使之能與黏著物緊密結合，或填充到各個需要密封的角落。這些材料成本低且易加工。然而玻璃或玻璃陶瓷材質在電池升降溫時易脆碎，導致密封失效。緊迫密封使用玻璃/ 雲母(Mica)/ 玻璃材料。由於各元件之間並非黏結在一起，可以容忍彼此間熱膨脹係數的差異。
小型SOFC 與其應用範圍
AMI (Adaptive Materials, Inc.)與NanoDynamics 發展出小型可攜式SOFC 發電機。這些小型可攜式SOFC 多由管狀電池所組成，使用罐裝的丙烷為燃料。AMI 現有25W 與150W 兩種SOFC 發電機（Amie 25 與Amie 150），圖十是AMI 所發展的Amie 25 。一罐丙烷燃料可放電1500 小時。圖十一上方是NanoDynamics的NDRevolution 50 外觀，下方是它的紅外線影像，顯示電池外圍的溫度在41°C 以下。NanoDynamics另一產品是NDRevolution 60，系統體機為7 升，系統含燃料罐總重4.5 公斤，尺寸23×15×23 cm ，開機20 分鐘後SOFC啟動， SOFC 操作溫度700~800°C ，外圍溫度40°C ，全負載下可連續操作14 小時。這些小型可攜式SOFC 發電機可以作為電池充電器、軍事用野戰攜帶電源、遙距監控設備電源、廣告影像電源等。
圖十、Amie25 小型SOFC
圖十一、NDRevolution 50 小型SOFC
電池操作在相當高的溫度，因此電池各組件侷限於耐高溫的陶瓷材料，電極使用摻雜金屬元素的陶瓷材料，電解質為含釔的氧化鋯。為了避免材質因溫度變化所造成的熱脹冷縮與高溫密封的問題，電池大多採管狀設計。近年開始有板狀電池設計出現，因為板狀電極以疊堆方式組成的電池組有較高的功率密度，但是高溫密封還需要更進一步的改善。降低操作溫度可以使用更寬廣的密封與電池聯結材料，但是降低操作溫度必須提高電極活性與電解質的離子導電度。SOFC 成功的關鍵在開發出低成本、安定、效能高的新材料。
SOFC 現已成功地展示在分散式大型發電的應用，現逐漸邁向小型發電機市場的開發，這包括：Delphi 正在開發的千瓦級輔助電源(Auxiliary Power Unit; APU)，百瓦以下可攜式發電機、實驗室正在發展的微型SOFC 發電機。AMI 與NanoDynamics 是目前致力發展百瓦級以下可攜式發電機的公司。這些發電機使用市售露營烤肉用瓦斯罐為燃料發電。發電組件是管狀的SOFC 電池組。這些小型SOFC 發電機將會與RMFC(Reformat Methanol Fuel Cell) 所發展的市場
與應用相近。
作者：薛康琳/國立聯合大學能源與資源系
★本文節錄自「工業材料雜誌」259期，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7030