中低溫式氧化釤-鈰固態氧化物燃料電池系統多尺度模擬與設計

Multi-Scale Modeling and Design of an Intermediate-Temperature Samarium-Doped-Ceria SOFC System

陳建穎(Jian-Ying Chen)

指導教授 ： 洪哲文

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2008年)

摘要

本論文以多尺度(multi-scale)方式研究固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)性能，並設計其周邊系統。其中微觀尺度方面，研究的是固態電解質氧化釤摻雜二氧化铈(samaria-doped ceria, SDC)中氧離子傳導率。固態氧化物燃料電池主要利用氧離子在電解質中單向傳遞來發電，但因目前所使用的材料性質，氧離子必須在高溫環境下才能傳遞，其應用和設計上就受到了許多限制。所以本論文以分子動力學方法來模擬新的低溫運作電解質材料SDC，嘗試以模擬的角度來解釋分子構造與最後性能的關係。
本論文分別改變摻雜濃度和操作溫度兩方向研究SDC。首先將873K作為基礎溫度，模擬摻雜5.36mol%、11.34mol%、17.39mol%和25.58mol% 氧化釤的SDC，嘗試從分子運動的角度來解釋為何會有最佳摻雜濃度的出現，並與實驗結果做比較。另一方面以摻雜11.34mol%氧化釤為基礎，模擬系統溫度分別在673K，773K，873K，973K和1073K狀態下操作，結果當溫度降低時氧離子傳導率也會降低，而673K時，SDC仍可操作，此時傳統YSZ(yttria-stablized zirconia)已無作用。
在巨觀尺度(macro-scale)方面，本論文研究固態氧化物燃料電池堆及其附加裝置的整體系統模擬。以目前實驗室擁有的YSZ-SOFC電池堆系統為對象，實際實驗量測性能，並在電腦上建模做數值模擬。驗證電腦模式的正確性和有效性後，將分子動力學模擬所得到的SDC奈米性質代入巨觀模式中，並與YSZ-SOFC性能做比較，了解改變電解質對系統性能的影響。本論文研究成果主要在自行建立多尺度模擬工具，以提供現在及未來固態氧化物燃料電池材料及系統設計改進。

關鍵字

燃料電池 ； 電解質 ； 模擬 ； HASH(0x1a8935f0)

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無資料

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SOFC ； SDC ； electrolyte ； modeling

參考文獻

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