能源利用效率不佳及環境污染一直是能源裝置議題中亟待解決的兩個重要問題。固態氧化物燃料電池因其高利用效率和產出物單純，已逐漸為國際所重視。本篇文章將針對固態氧化物燃料電池的原理、優劣、材料及市場發展狀況等方向作介紹。
綠能產業發展與燃料電池
台灣綠能產業目前主要著重於太陽光電與LED照明光電，市場需求大，成長快速，但因以外銷為主，易受國際景氣影響；而電動車、能源資通訊、氫能與燃料電池、生質燃料、風力發電等項目，產值與市場滲透率尚低，且國內缺乏關鍵技術，故尚未有全面性的發展。然而，這其中的燃料電池，因具有高能源利用效率和低環境污染的兩大優點，已成為國際競相發展的重要技術。
圖三、全球固態氧化物燃料電池市場規模分析
固態氧化物燃料電池結構與原理
最早 SOFC 的相關研究是由 Nernst在 1899 年發現了固態電解質的導電行為，而第一個以陶瓷電解質為基礎之燃料電池則於1973年由 Bauy 與 Presis 開發完成。不論何種燃料電池，其核心皆是由陽極（燃料電極）、電解質、陰極（空氣電極）依順序做組合。而固態氧化物燃料電池，顧名思義即這些部件全為固態材料，沒有電解液，因此不存在液體滲漏問題，安全性較其他型式的燃料電池高。
SOFC的運作原理（圖五），係由氧氣在陰極處獲得電子形成氧離子，接著經由固態電解質移動到陽極，當燃料為氫氣時，氫氣會與氧離子在陽極反應生成水與電子，電子再由外電路傳送到陰極形成完整的迴路，水則是無須擔心環保問題的副產物。
圖五、固態氧化物燃料電池的發電原理
電解質材料介紹
SOFC的電解質材料是一種陶瓷電解質，它的功能是將離子在陰極與陽極間傳遞，因此基本特性便是要能在操作溫度範圍內作為良好的離子傳導體，且為了避免電子不走外部電路，電解質同時也要是極差的電子導體才可避免內短路。當電解質層變薄時，可降低離子傳導阻抗，進而提高發電功率密度。為了避免離子快速擴散時，燃料與空氣產生混流，電解質層的相對密度需大於 95% 以上，才有足夠的緻密性阻隔燃料及空氣。電解質一端的陽極與燃料接觸進行還原反應；另一端陰極則與空氣接觸進行氧化反應。
電極材料介紹
電極的功能在於與燃料氣體或氧化物氣體產生反應並傳遞電子，故基本性質為良好的電子導電性，其次所需特性為多孔，至少需要 20~25% 的孔隙率，氣體才能擴散至反應位置。如圖六與圖七所示，電極在電池堆中，同時與電解質和連接板相鄰，因此其熱膨脹係數要能與此兩者相近，以降低熱應力產生。另外，陽極電極因長時間在高溫下與燃料氣體接觸，需具有穩定、不會反應產生雜相而使電阻升高之特性。
固態氧化物燃料電池產業發展近況
在圖四的固態氧化物燃料電池系統圖中，目前以美國大廠 Bloom Energy 的市場快速成長及拓展最受矚目。而國內多家廠商在提供 Bloom Energy 關鍵組件方面則早已佔有一席之地，也因此在台灣形成一材料代工產業鏈。然而，最主要的發電核心電池堆設計技術則掌握在……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：周子琪、邱國創 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期，更多資料請見下方附檔。