李勝偉、汪俐穎 / 中央大學材料所；曾重仁、李侃融 / 中央大學機械系；鄭博駿 / 中央大學能源所
可逆固態氧化物燃料電池(R-SOFC)之工業應用性
O-SOEC之一項應用為可進行電解CO2以達減碳之目的(圖四(c))，由其電解CO2之化學反應式可知，不僅可藉由O-SOEC高溫操作之特性弱化CO2鍵結，降低電解CO2之電壓，亦可避免O-SOEC電解水所產之濕氫氣對電極觸媒之破壞。電解CO2之產物CO可運用費托合成(Fischer-Tropsch)進行各種碳氫化合物之產出，而氧氣可以維持生命，因此SOEC被視為是火星任務的重要發展。此外，丹麥Riso國家實驗室在電解二氧化碳有非常深入的研究，使用了Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ進行了長時間的電解，發現了當在電解二氧化碳的時候加入少量的氫氣可以使電極活化，因此提出了水和二氧化碳的共電解合成碳氫化合物燃料。
P-SOEC亦可運用於共電解合成碳氫化合物，圖六是P-SOEC可結合之化工應用，有別於O-SOEC之電解CO2，P-SOEC則是將CO2通入氫氣電極端，使CO2與電解水所產之氫進行反應，直接於氫氣電極端生成碳氫化合物。由於碳氫化合物之理想生成溫度約300 ℃，而P-SOEC之操作溫度為500~700 ℃，此方法目前僅初步驗證其可行性，需進一步優化其化工反應，提高碳氫化合物之產量。例如將產出之氫氣透過載流氣體(Carrier Gas)導入碳氫化合物固定反應床，透過碳氫化合物固定反應床之特定碳氫化合物生成之觸媒、工作溫度等參數，強化碳氫化合物產率。
圖六、P-SOEC在電解產氫相關應用與其牽涉之化學反應
中大R-PSOC研究現況
中央大學研究團隊針對可逆質子傳導型固態氧化物電解電池(Reversible Proton-Conducting Solid Oxide Cell; R-PSOC)投入多年研究，過去針對P-SOFC陽極(氫氣電極)設計電極結構，如圖七所示。本實驗室成功利用靜電紡絲技術(Electrospinning)製備SrCe1-xYxO3-δ (SCY)奈米纖維，並將其應用於P-SOFC之SCY-Ni複合陽極功能層，以有效改善陽極內部之三相邊界點密度，實驗結果證實，可提升電池最大操作功率約15%，並且由交流阻抗分析可確認，SCY-Ni複合陽極功能層可大幅降低其界面歐姆阻抗及極化阻抗，此成果已發表在Journal of Power Sources 436, (2019) 226863。另外，中大團隊所開發出的Nd-doped LSCF奈米纖維化陰極亦展現優異性能(圖八)。
圖八、中央大學R-PSOC研究團隊所開發之Nd-doped LSCF奈米纖維化陰極
中央大學R-PSOC研究團隊並將燃料電池應用到電解產氫技術，開發可逆操作之R-PSOC，先前以旋轉塗佈法製作BaCeZrYO3(BCZY)為電解質之陽極支撐型R-PSOC，顯示在SOFC模式下具良好性能，電流密度可達352.5 mA/cm2@0.55V(圖九(a))，但SOEC模式下之產氫性能卻不如預期，其主因為電解模式下電解質層漏電流過大。因文獻中提及BCZY摻雜Yb(鐿)可以改善漏電流情況，本研究團隊亦合成具低電子導率之Yb摻雜BCZY電解質(BCZYYb)，並製成單電池進行正逆反應量測，結果如圖九(b)，於1.6 V的電解電壓下，相較於BCZY單電池的漏電流(664.3 mA/cm2)，BCZYYb單電池的漏電流已降至108.5 mA/cm2，可見Yb摻雜降低電解質之電子導率有其成效，已大幅提升SOEC模式下之性能。然而，SOFC模式下之發電性能卻些微下降。目前正積極針對正逆反應在電化學機制上的複雜要求，將電解質與電極材料在電性、匹配性與穩定性等性能上進一步調控。
於中低溫SOFC開發上，中央大學R-PSOC研究團隊突破傳統SOFC之陰、陽極與電解質結構設計，開發新型中低溫操作之SOFC(或稱Single Layer Fuel Cell; SLFC；Electrolyte Free Fuel Cell; EFFC)，如圖十所示。此新型低溫SOFC導入「離子半導體」之概念，製程快速簡單，並避免傳統SOFC需超過1,000℃之燒結製程，於常壓550℃之低溫操作下呈現優異性能表現(994 mA/cm2 @0.6 V)，並透過低溫質子傳導材料BZY之添加，進一步提升電池性能至1,156 mA/cm2 @ 0.6 V。
中央大學R-PSOC研究團隊亦針對R-PSOC系統放大模擬分析，利用熱電聯產、燃氣回收、水合反應等理論計算完成低能耗高效率之系統配置(圖十一)，以供未來商轉參考基準。根據…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。