TWI385851B - 固態氧化物燃料電池及其製作方法 - Google Patents

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Description

固態氧化物燃料電池及其製作方法
本發明是有關於一種固態氧化物燃料電池及其製作方法，且特別是有關於一種具奈米結構電極中溫金屬支撐固態氧化物燃料電池及其製作方法。
固態氧化物燃料電池是一種藉電化學機制發電的裝置，而一般是通入氧氣(或空氣)與氫氣生成水並發電，因此乃具有高的發電效率及低污染性。在諸多文獻如Appleby,『Fuel cell technology:Status and future prospects,』Energy ,21,521,1996、Singhal,『Science and technology of solid-oxide fuel cells,』MRS Bulletin ,25,16,2000、Williams,『Status of solid oxide fuel cell development and commercialization in the U.S.,』Proceedings of 6th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells(SOFC VI),Honolulu,Hawaii,3,1999、Hujismans et al.,『Intermediate temperature SOFC-a promise for the 21th century,』J .Power Sources ,71,107,1998)等揭露出固態氧化物燃料電池之電解質、陽極以及陰極的材質，其中電解質材質為釔安定氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia,YSZ)，而陽極材質為以鎳和釔安定氧化鋯混合組成之金屬陶瓷(Ni/YSZ cermet)，且陰極材質乃為以具鈣鈦礦結構之鑭鍶錳導電氧化物(LaMnO3 )。
然而，由於釔安定氧化鋯(YSZ)需要在900～1000℃的高溫下工作才有足夠高的離子導電度，使得固態氧化物燃料電池必須要搭配耐高溫之昂貴材料，造成導致製作成本過高而難以大量普及。
因此，習知技藝便有提出採用較薄的(約5μm)釔安定氧化鋯(YSZ)電解質層，以降低其在小於900℃工作溫度的電阻值及損失。或者，採用在600～800℃之中溫環境下便具有高離子導電度的電解質材質(例如含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LaGaO3 )，簡稱LSGM)，便能因為可使用相對容易的製作技術及較便宜的材料去組合固態氧化物燃料電池堆(Stack)，進而達到降低製作成本的目的。同時降低工作溫度的固態氧化物燃料電池系統其可靠度及使用壽命均能顯著提升，更有利推廣固態氧化物燃料電池的應用領域，使其涵蓋家庭及汽車應用。
然而，當固態氧化物燃料電池的工作溫度降至約600℃時，薄的(約5μm)釔安定氧化鋯(YSZ)電解質層便會因為過低的離子導電度而不符需求，因此便需要其他具高離子導電度的材料，例如含釓摻雜的氧化鈰(Gadolinium doped Ceria,GDC)或是含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭LSGM(Lanthanum Strontium Gallate Magnesite)以作為電解質的材質。
此外，當溫度降低時，陰極及陽極之電化學活性也隨之降低，導致陰極及陽極的極性電阻(polarization resistance)變大，且能量損失也增大。因此需要使用新的陰極及陽極材質，其中陰極材質可如鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF,La0.6 Sr0.4 Co0.2 Fe0.8 O3 )，而陽極材質可如鎳和含釓摻雜的氧化鈰混合組成物(GDC/Ni)或是鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC(Lanthanum doped Ceria)/Ni)。另外，習知技藝之陰極及陽極結構多為微米結構，應改進為奈米結構以求增加三相界面(Three-Phase Boundaries,TPB)數目，從而增加陰極及陽極的電化學反應能力，達到降低陰極及陽極的能量損失。
以陽極的結構而言，參考文獻(Virkar,『Low-temperature anode-supported high power density solid oxide fuel cells with nanostructured electrodes,』Fuel Cell Annual Report,111,2003)揭露固態氧化物燃料電池之金屬陶瓷(Ni/YSZ cermet)陽極的結構是由較薄的細孔層以及較厚的粗孔層組合而成，其中較薄細孔層的孔洞是愈細愈好，最好能到奈米級以求有效增加三相界面(TPB)數目。然而，Virkar並未揭露此較薄細孔層具有如何的奈米結構特性。
此外，中國王金霞等人也於參考文獻(Wang,『Influence of size of NiO on the electrochemical properties for SOFC anode,』Chemical Journal of Chinese Universities )中提出使用奈米級NiO與微米級的YSZ混合料經壓錠成形再用氫氣還原，以得到具備增加三相界面(TPB)數目及減少電極能量損失等優點之固態氧化物燃料電池的金屬陶瓷陽極。不過，王金霞等人亦未具體揭露陽極的奈米結構。
以陰極的結構而言，Liu等人於參考文獻(Liu,『Nanostructured and functionally graded cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells』,J. Power Sources ,138,194,2004)中揭露以燃燒化學氣相沈積法(Combustion Chemical Vapor Deposition)製作具奈米及功能梯度結構的陰極。由於在此陰極結構中陰極電化學反應位置或三相界面(TPB)數目大量提升，使得陰極的極性及歐姆電阻均降低，進而減少陰極的能量損失。
以電解質的結構而言，若電解質的厚度愈大，則固態氧化物燃料電池的內阻也愈大，導致電池內損能量增大且輸出電力功率變小。尤其當固態氧化物燃料電池的工作溫度低於700℃時，電解質的電阻能量損失會變成是固態氧化物燃料電池的主要能量損失之一，因此有必要降低電解質的厚度或者提升電解質的離子導電度，方能提高電池的輸出電力功率。
一般而言，製作固態氧化物燃料電池的方法有(1)化學氣相沉積法(2)電化學氣相沉積法(3)溶膠-凝膠法(4)帶鑄法(5)絲網印刷法(6)物理氣相沉積法(7)旋轉塗佈法以及(8)電漿噴塗法等等，其中電漿噴塗法又分成大氣電漿噴塗法及真空電漿噴塗法兩種。在這些製作方法中，帶鑄法、絲網印刷法及旋轉塗佈法必須搭配多道高溫燒結程序，而化學氣相沉積法、電化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、物理氣相沉積法及電漿噴塗法可以不需要經過高溫燒結程序即可製作固態氧化物燃料電池。
在需要高溫燒結程序的製作方法中，容易在高溫燒結程序中使固態氧化物燃料電池裏產生彎翹不平及裂紋缺陷。此外，高溫燒結製程常用於獲得緻密電解質層及提升電解質層與電極層之間的緊密接觸，但是高溫燒結製程同時也會讓多孔電極層變得緻密而失去多孔電極層應有的質傳功能。另外，高溫燒結製程很容易導致電解質層與電極層之間產生不利電池性能的化學反應，例如含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)電解質層與陽極介面層的鎳元素在高溫下會產生鑭鎳氧化物絕緣相(LaNiO3 )，造成增加固態氧化物燃料電池本身的內電阻，如參考文獻(Zhang et al.,『Interface reactions in the NiO-SDC-LSGM system,』Solid State Ionics, 139,145,2001)所述。
美國專利US20070009784揭露利用高溫燒結法製作中溫固態氧化物燃料電池，其中陽極的材質為鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC(Lanthanum doped Ceria)/Ni)，而含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)的化學組成為La0.4 Ce0.6 O2 ，且電解質之材質為含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)，又陰極的材質是由一層含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)及鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)以50%：50%體積比例組成的膜層以及一層由鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)做的電流收集層所組成。
為防止在1200～1300℃高溫燒結陽極製程以及1100℃高溫燒結陰極製程中引發含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)與陽極之鎳(Ni)元素產生反應而生成如鎳酸鑭(LaNiO3 )之絕緣相，此專利在陽極與電解質之間添加一層含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC)之隔離層(即圖1中之第二陽極隔離層)，以避免高溫燒結製程中產生上述不利反應。
然而，當含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)之電解質厚度為20μm或更小時，陰極之鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)之鈷(Co)元素會在高溫燒結過程中擴散至含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)之電解質，而使得電解質的絕緣性變差，並開始呈現電子導電現象，進而導致固態氧化物燃料電池發生內部漏電現象而使得開路電壓小於1伏特。換句話說，需要高溫燒結程序的製作方法仍無可避免因為高溫而導致的不良現象。
在不需要高溫燒結程序的製作方法中，大氣電漿噴塗法具有最快速的成膜速率，而在近幾年得到大家的注意，是前途相當看好的製程之一。特別是大氣電漿的噴塗火焰能快速加熱注入的粉料至熔融或半熔融狀態，而這些熔融或半熔融狀態的粉料在撞擊基材後便會急速冷卻形成膜層。這種快速成膜製程可顯著減少諸如上述之不利電池性能的化學反應(如產生鑭鎳氧化物絕緣相(LaNiO3 ))，而由參考文獻(Hui et al.,『Thermal plasma spraying for SOFCs:Applications,potential advantages,and challenges,』J. Power Sources ,170,308,2007)所揭露。
美國專利US20040018409揭露以傳統低電壓(小於70伏特V)與高電流(大於700安培A)之二氣式大氣電漿噴塗法製作固態氧化物燃料電池，其中含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)電解質厚度需大於60μm方可得到開路電壓值(OCV)大於1伏特。由於電漿噴塗槍之陽極噴嘴上的電弧弧根會沿氣流方向前後跳動而導致噴塗槍的電壓有ΔV的壓差變化，因此大氣電漿噴塗槍的工作電壓誤差會比ΔV/V相對變化大，而不利於有效且穩定均勻加熱注入之粉末。
另外，在低電壓高電流的二氣式大氣電漿噴塗火焰中，因為其電弧較短，會導致火焰加熱注入粉末的熱效率變差。再者，由於其需使用較高電流，導致大氣電漿噴塗槍之陰陽電極使用壽命變短，更換陰極與陽極的頻率增加，進而使得製作成本增加。
美國專利US20040018409揭露用於電漿噴塗製作膜層的微米級粉團是使用晶粒小於100nm的粉末，經加入聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)黏劑造粒後，再經傳統加熱程序燒除聚乙烯醇(PVA)黏劑，達到燒結粉末而形成多孔的奈米結構微米級粉團。這種奈米結構微米級粉團製程較為複雜，會增加固態氧化物燃料電池的製作成本。此外，由於此微米級粉團的表面積較小，因此不易在電漿火焰中達到均勻加熱的效果。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種固態氧化物燃料電池，具有較佳的電特性，並以金屬支撐而達到高熱傳導的效果。
此外，本發明之另一目的是提供一種固態氧化物燃料電池的製作方法，以本發明所揭露之噴塗粉團大小分群組法，搭配以氬、氦及氫為電漿氣體之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗法鍍膜，以提升鍍膜品質與效率。
本發明所使用之噴塗粉團大小分群組法係將噴塗粉團經篩選分成數個群組，例如10~20μm、20~40μm及40~70μm三群。電漿噴塗鍍膜時只用其中某一群粉團，並針對選用的那一群粉團，也選擇適合電漿噴塗的特定功率，例如以製作LSGM電解質層為例，噴塗10~20μm粉團時，電漿噴塗功率為46~49kW；噴塗20~40μm粉團時，電漿噴塗功率為49~52kW；噴塗40~70μm粉團時，電漿噴塗功率為52~55kW。如此可避免過大粉團受熱不均或不易形成半熔融狀態以及過小粉團因過熱而產生分解現象。上述粉團大小及電漿噴塗功率範圍只是本發明將粉團分成數個群組的一個例子，但本發明之精神不受此例所限制。
為達上述或是其他目的，本發明提出一種固態氧化物燃料電池，包括金屬框架、多孔性金屬基板、第一陽極隔離層、陽極介面層、第二陽極隔離層、電解質層、陰極隔離層、陰極介面層以及陰極電流收集層。
其中多孔性金屬基板先經補粉、熱壓及酸蝕三項前置處理程序，使其擁有一圈緻密之不透氣或低透氣外框，以求增加多孔性金屬基板之機械強度，但外框以內之多孔金屬基板卻是具高透氣性。
其中第一陽極隔離層為多孔次微米或微米結構，陽極介面層為多孔奈米結構，第二陽極隔離層為緻密結構或多孔奈米結構，電解質層具緻密不透氣性，陰極隔離層為緻密結構或多孔奈米結構，陰極介面層為多孔奈米結構或多孔次微米結構，而陰極電流收集層為多孔微米結構。
其中第一陽極隔離層是配置於經前置處理後之多孔性金屬基板上，陽極介面層是配置於第一陽極隔離層上，第二陽極隔離層是配置於陽極介面層上，電解質層是配置於第二陽極隔離層上，陰極隔離層是配置於電解質層上，陰極介面層是配置於陰極隔離層上，陰極電流收集層是配置於陰極介面層上。
其中第一陽極隔離層可為單一材料層，例如LDC或LSCM(鍶及錳摻雜之鉻酸鑭)或者是兩種材料例如LDC及LSCM組合而成之雙材料層或者是氧化鉻。LSCM(La0.75 Sr0.25 Cr0.5 Mh0.5 O3 )兼具阻擋多孔性金屬基板內不利元素擴散至陽極介面層及增強氧化氫燃料之性能。第一陽極隔離層較佳之厚度為10~20μm與較佳之孔隙度為15~30%體積比。但本發明不對其厚度與孔隙度作限制。
其中第二陽極隔離層通常為單一材料層例如LDC。第二陽極隔離層較佳之厚度為5~15μm。但本發明不對其厚度作限制。
其中陽極介面層為兩種材料組合而成之混合層，例如LDC及鎳。
其中電解質層可為單層或者是雙層結構，例如LSGM單層或LDC和LSGM組成之雙層結構。
其中陰極隔離層通常為單一材料層，例如LDC，並非一定要有，視需要而定。如果沒有陰極隔離層，則陰極介面層是配置於電解質層上。
其中陰極介面層通常為兩種材料組合而成之混合層，例如LSGM及LSCF之混合層，也可以是單一材料層，例如LSCF。
其中陰極電流收集層是配置於陰極介面層上，陰極電流收集層為單一材料層，例如LSCF。
最後，將鍍完全部膜層及完成後置熱處理之多孔性金屬基板配置於金屬框架中。上述每一種隔離層的主要功能在於降低或免除隔離層之上下層材料之間產生不利反應或不利之元素擴散。
在本發明之固態氧化物燃料電池及其製作方法中，固態氧化物燃料電池的支撐結構是由多孔性金屬基板與金屬框架所組成，除了可增加固態氧化物燃料電池在高溫工作下的抗變能力，提升電池片平整度與機械強度及具有高支撐強度以有利於製作電池堆外，並可達到高熱傳導的效果。此外，固態氧化物燃料電池之陽極介面層與陰極介面層均具有奈米粒子組合做成之奈米結構時，可提高電極之電化學反應活性及導電度，降低電極電阻以達到減少電能的耗損。而且由於陽極介面層與陰極介面層是由二種不同材料均勻混合形成之交錯雙網路(離子導通網路及電子導通網路)，基於相互阻擋移動之效應，可減緩電極結構在高溫操作環境下各成份粒子經凝聚變大之問題，以增加電極結構之使用壽命。
為克服習知二氣式大氣電漿噴塗法之低電壓(小於70伏特V)與高電流(大於700安培A)所導致壽命較差的問題，本發明所提出之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗法並搭配噴塗粉末大小分群組法，可在高電壓(大於107伏特)與中電流(小於510安培)的工作環境下產生長弧電漿火焰，可增加高溫電漿與注入粉末的加熱作用時間，以提高粉末受熱效率，更有效均勻地加熱注入之粉末，獲得具有高品質鍍膜之固態氧化物燃料電池。由於工作電流較小，因此可增長大氣電漿噴塗槍之陰極與陽極的使用壽命，以降低製作成本。
另外，本發明係將小於100nm的奈米粉末加入聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成奈米結構之微米級粉團，也將次微米粉末及微米粉末加入聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成微米級粉團後，再經篩選程序將電池片各層所需之粉末依顆粒大小分成數個群組作為電漿噴塗用之注入粉末。然後再分別將篩選過符合需要之粉末直接注入三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗之電漿火焰中，利用電漿噴塗電漿火焰直接燒除聚乙烯醇(PVA)黏劑並加熱剩餘之奈米、次微米及微米粉末。
以電漿噴塗製作由奈米或次微米或微米粉末所組成之奈米或次微米或微米結構之多孔膜層時，係使用較小之電漿噴塗功率。由於注入之微米級粉團其大小先經篩選而限定在某一較窄範圍內，當這些微米級粉團進入電漿火焰中由於大小(質量)相近容易均勻受熱至半熔融狀態而沈積成孔隙均勻之大面積多孔膜層。同時奈米粉末整體具有較大的表面積，而使得更有利於均勻受熱而製成具備獨特的奈米結構及性能的奈米結構多孔膜層。
以電漿噴塗製作緻密不透氣電解質層時，係使用較大之電漿噴塗功率。由於注入之微米級粉團其大小先經篩選而限定在某一較窄範圍內，當這些微米級粉團進入電漿火焰中由於大小(質量)相近容易均勻受熱至熔融狀態而沈積成緻密不透氣之大面積電解質膜層。
結合上述製作多孔膜層及緻密不透氣膜層之優點，便能製出高功率固態氧化物燃料電池。再者，因為大氣電漿噴塗為一種快速燒結製程，且在噴塗過程中及噴塗完後之熱處理製程均會使固態氧化物燃料電池試片的溫度小於1000℃，可以避免傳統高溫燒結製程遭遇到含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)與鎳的不良作用或是鈷擴散至含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)電解質之不利問題。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。另外，本發明內容說明中，奈米粉末及奈米孔洞一般指的是大小小於100nm之粉粒及孔洞，次微米粉末及次微米孔洞一般指的是大小在100nm~500nm範圍內之粉粒及孔洞，而微米粉末及微米孔洞一般指的是大小在1μm~20μm範圍內之粉粒及孔洞。
圖1為依據本發明第一實施例之固態氧化物燃料電池的剖面示意圖。請參考圖1，本發明之固態氧化物燃料電池100包括金屬框架110、多孔性金屬基板120、第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141、陰極隔離層150、陰極介面層160以及陰極電流收集層161。其中先於多孔性金屬基板120上依序堆疊第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141、陰極隔離層150、陰極介面層160以及陰極電流收集層161，然後再將多孔性金屬基板120焊接於金屬框架110中。此外，陽介面極層131為多孔奈米結構，而陰極介面層160為多孔奈米結構或多孔次微米結構。
請參考圖2A與圖2B，其分別繪示本發明與習知技藝(美國專利US20040018409)以大氣電漿噴塗方式成膜之差異示意圖。其中電漿火炬210會產生電漿火焰220將注入粉團240/240a加熱並沉積在基板260成膜。
在本發明中，如圖2A所示，乃是將奈米粉末或次微米粉末或微米粉末230加入聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成奈米結構微米級粉團，也將次微米粉末及微米粉末加入聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成微米級粉團，然後經篩選程序篩選出大小在某一範圍之微米級粉團240，例如10~20μm或20~40μm或40~70μm範圍之微米級粉團240，然後將此種大小已選定之微米級粉團240直接注入到噴塗功率也選定之大氣電漿噴塗的電漿火焰220中，利用電漿火焰220直接燒除聚乙烯醇(PVA)黏劑並同時加熱剩餘之散開的粉末250成受熱狀態之奈米粉末或次微米粉末或微米粉末。
其中，在聚乙烯醇(PVA)黏劑被電漿火焰220燒除的瞬間，受熱之散開的粉末250的粉粒之間會因失去黏劑而呈現較大的間距。如此一來，受熱之散開的粉末250整體會具有較大的受熱表面積，而使得電漿火焰220更有利將散開的粉末250依需要均勻加熱至半熔融或熔融狀態。當應用於製作多孔膜層中，可使受熱之散開的粉末250形成均勻的半熔融狀態，若散開的粉末250為奈米粉末，則如此所製作成的奈米結構膜層具備更均勻的奈米孔洞；若散開的粉末250為次微米粉末，則如此所製作成的次微米結構膜層具備更均勻的次微米孔洞；若散開的粉末250為微米粉末，則如此所製作成的微米結構膜層具備更均勻的微米孔洞。當應用於製作緻密不透氣膜層中，可使受熱之散開的粉末250形成均勻的熔融狀態，如此所製作成的大面積緻密不透氣膜層不易有漏氣孔。這些奈米、次微米及微米結構膜層更能滿足固態氧化物燃料電池對各膜層之獨特特性要求，例如透氣性、三相界面(TPB)及導電性。
反觀圖2B所示，習知技藝(美國專利US20040018409)係將小於100nm的奈米粉末230a加入聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成奈米結構微米級粉團後，尚需再經傳統加熱程序燒除聚乙烯醇(PVA)黏劑，以達到燒結粉末而形成多孔的奈米結構微米級粉團240a。接著，再將未經篩選之粉團240a直援注入到二氣式之大氣電漿噴塗之電漿火焰220中，加熱成受熱狀態之粉末團250a，然後沉積在基板260成膜。
其中，由於奈米結構微米級粉團240a經過傳統加熱程序燒結過，因此粉末團250a中的奈米粉粒之間會較為緊密，而會降低粉末團250a內奈米粉粒與電漿火焰接觸受熱的表面積，導致電漿火焰220較不易均勻地將粉末團250a均勻加熱至成熔融或半熔融狀態，而使得成膜效果較差。另外，由於注入電漿火焰之粉團240a未經篩選，會因粉團240a之大小有過大差異而導致過大粉團受熱不好及過小粉團過熱而變質之不好現象，也會影響成膜效果。此外，習知技藝尚要多一道傳統加熱程序以去除聚乙烯醇(PVA)黏劑，而使得製作成本增加。
本發明除了能使用以聚乙烯醇(PVA)黏劑之造粒(agglomerated)粉團外，也能使用燒結壓碎(sintered and crushed)粉團。使用燒結壓碎(sintered and crushed)粉團時也是將此類粉團篩選分成10~20μm、20~40μm及40~70μm三個粉團群組。上述之三個粉團群組只是本發明之一例，本發明不對粉團群組之範圍及群組數量做限制。
此外，本發明之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗法(下文將會詳述)與傳統二氣式大氣電漿噴塗法(美國專利US20040018409)相比較，本發明之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗所產生的電漿火焰具有較長的電弧，可增加高溫電漿與注入粉團的加熱作用時間，以使粉末具有較高受熱效率而可沉積出品質較佳且附著力較強的薄膜。
在本發明第一實施例中，陽極介面層131之材質為良好電子導電奈米材料與良好氧負離子導電奈米材料之組合物，其中良好電子導電奈米材料例如鎳、銅、鎳銅或是鎳銅鈷混合物等，而良好氧負離子導電奈米材料例如釔安定氧化鋯(YSZ)、含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)或含釓摻雜的氧化鈰(GDC)等。換句話說，陽極介面層131之材質例如可包括鎳和釔安定氧化鋯混合組成物(YSZ/Ni)、鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/Ni)或是鎳和含釓摻雜的氧化鈰混合組成物(GDC/Ni)等等奈米複合材料。
承接上述，陽極介面層131為具備許多奈米級三相界面(TPB)之奈米結構，而奈米級三相界面(TPB)是由下列三類構件共同構成，其中第一類為奈米孔，第二類為奈米釔安定氧化鋯(YSZ)粉末、奈米含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)粉末、奈米含釓摻雜的氧化鈰(GDC)粉末或是其他良好氧負離子導電奈米材料粉末，以及第三類為奈米鎳(Ni)粉末、奈米銅(Cu)、奈米鎳銅(Ni/Cu)複合材、奈米鎳銅鈷(Ni/Cu/Co)複合材或其他良好電子導電奈米材料粉末。這些奈米級三相界面可以提高陽極介面層131之電化學反應活性及導電度，並降低陽極介面層131之電阻以降低電能的耗損及減緩陽極介面層131結構在高溫操作環境下造成的金屬粒子(如鎳粒子)凝聚而變大之問題，以增加陽極介面層131結構之使用壽命。
在本發明第一實施例中，陰極介面層160之材質為雙材料混合之電子-離子導電層，例如含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物(LSGM/LSCF)、含釓摻雜的氧化鈰與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物(GDC/LSCF)或是含鑭摻雜的氧化鈰與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物(LDC/LSCF)等等。類似前述，陰極介面層160亦可以是具備許多奈米級三相界面(TPB)而具有較佳的電化學反應活性及導電度。此外，陰極介面層160可為單一材料之電子-離子導電層例如LSCF。如果陰極介面層160為雙材料混合之電子-離子導電層，則此介面層可由電解質層141材質例如LSGM及具電子-離子導電材質例如LSCF依梯度體積比例或依50%：50%體積比例混合而成。
在陽極介面層131與陰極介面層160的結構中，陽極介面層131的厚度可介於10～30μm之間，而較佳的厚度是介於15～25μm之間，且陽極介面層131的孔隙度是介於15～30%之間。陰極介面層160的厚度可介於15～40μm之間，而較佳的厚度是介於20～30μm之間，且陰極介面層160的孔隙度是介於15～30%之間。陽極介面層131與陰極介面層160可為梯度的結構，以減緩與電解質層141因材質之膨脹係數的差異所造成的影響。
請再參考圖1，本發明之多孔性金屬基板120是用於讓反應氣體通過，而多孔的特性會讓多孔性金屬基板120較不具支撐力，因此本發明另配置金屬框架110來支撐多孔性金屬基板120，藉以提昇固態氧化物燃料電池100的整體結構強度。
在本發明第一實施例中，多孔性金屬基板120例如為多孔性金屬片，且其材質可包括鎳、鐵或銅。具體而言，多孔性金屬片之材質可為純鎳粉，亦可為部分鎳粉摻雜鐵粉、部分銅粉摻雜鐵粉或是部分銅粉與鎳粉摻雜鐵粉，其中鐵粉含量均小於20%重量比。此外，多孔性金屬基板120的孔隙度可藉酸蝕將其提升至介於35~55%，其透氣率常數可增至3~6達西(Darcy)，而多孔性金屬基板120的厚度可介於為1～2mm，又多孔性金屬基板120的面積可介於2.5×2.5cm2 ～20×20cm2 。不過本發明並不限定多孔性金屬基板120的材質、厚度、面積或是結構。
此外，由於第一陽極隔離層130及陽極介面層131等各膜層是要依序堆疊沉積於多孔性金屬基板120，而當多孔性金屬基板120表面孔洞之孔徑大於50μm時會不利膜層之沉積，因此本發明在多孔性金屬基板120的表面上形成補粉層121，而使多孔性金屬基板120的表面孔洞之孔徑縮小至50μm。
其中，金屬框架110之材質可為抗氧化抗腐蝕的不銹鋼材料，而如肥力鐵系不銹鋼(Ferritic Stainless Steel)，例如不銹鋼440等，或是其他如Crofer 22等耐高溫、耐腐蝕及耐氧化之金屬材料。金屬框架110之厚度為2～3mm，且膨脹係數為10～14×10-6 /℃之間，以便搭配多孔性金屬基板120與相關的膜層。
附帶一提的是，儘管本實施例之金屬框架110不會直接與陰極介面層160以及陰極電流收集層161接觸，但是鄰近陰極介面層160與陰極電流收集層161之金屬框架110表面會鍍上保護層(未繪示)，以防止鉻毒化陰極介面層160與陰極電流收集層161。其中保護層之材質可包括錳鈷尖晶石(spinel)材質或鑭鍶錳LSM材質。
在本發明第一實施例中，金屬框架110與多孔性金屬基板120例如是以雷射銲接而成一體，而焊接位置180是以圖1中的小黑點表示，不過本發明並不限定多孔性金屬基板120與金屬框架110的連接方式。藉由金屬框架110的對位及拉平，可更容易將複數個固態氧化物燃料電池100堆疊成電池堆。此外，金屬框架110與多孔性金屬基板120的接合處可設計形成凹槽170，以作為密封封膠填充的位置。
請再參考圖1，電解質層141可為單層或是雙層或是多層的結構。以單層之電解質層141而言，其材質可為含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)、含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)或含釓摻雜的氧化鈰(GDC)。以雙層之電解質層141而言，其可為不同離子導電材料組合而成，而如含鑭摻雜的氧化鈰-含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LDC-LSGM)之兩層結構或是含釓摻雜的氧化鈰-含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(GDC-LSGM)之兩層結構。以三層或多層之電解質層141而言，其可為含鑭摻雜的氧化鈰-含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭-含鑭摻雜的氧化鈰(LDC-LSGM-LDC)之三層結構或是含鑭摻雜的氧化鈰-含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭-含釓摻雜的氧化鈰(LDC-LSGM-GDC)之三層結構。這些組合膜層的厚度和順序可依實際設計需要而定。一般，含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)與含釓摻雜的氧化鈰(GDC)的厚度可介於10～20μm，而含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)的厚度可介於30～45μm。
值得注意的是，若固態氧化物燃料電池100在700℃以下的溫度工作且不會發生不良介面反應時，本發明可以不需配置第二陽極隔離層140與陰極隔離層150。若固態氧化物燃料電池100在700℃以上的溫度工作且會發生不良介面反應時，本發明更可於陽極介面層131與電解質層141之間配置第二陽極隔離層140，也可以在陰極介面層160與電解質層141之間再配置陰極隔離層150。換句話說，隔離層之材質主要是不會與相鄰膜層產生不利反應且具有負氧離子導電之材料，例如含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)、含釔摻雜之氧化鈰(YDC)或是含釓摻雜的氧化鈰(GDC)材料等等。
請再參考圖1，陰極電流收集層161是用於收集陰極介面層160的電流，相對地，多孔性金屬基板120便是用於收集陽極的電流。陰極電流收集層161可為次微米或微米的結構，且陰極電流收集層161材質可包括次微米或微米鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)粉末、次微米或微米鑭鍶鈷氧化物(LSCo)粉末、次微米或微米鑭鍶鐵氧化物(LSF)粉末或是SSC粉末所組成。在本實施例中，陰極電流收集層161的厚度是介於20～50μm之間，而較佳厚度是介於30～40μm之間，且陰極電流收集層161的孔隙度可介於30～50%之間。此外，陰極電流收集層161可由具電子-離子導電材質製成，不過本發明亦不限定陰極電流收集層161的材質、厚度或是孔隙度。
附帶一提的是，本發明並不限制陰極電流收集層161為次微米或微米結構。舉例來說，利用含浸滲透法而將奈米觸媒金屬滲入次微米或微米結構之陰極電流收集層161，便可將陰極電流收集層161之次微米或微米結構轉變成具奈米特性之結構，其中奈米觸媒金屬可如奈米銀(Ag)或奈米鈀(Pd)等等。
前文已具體描述本發明之固態氧化物燃料電池100的詳細結構，以下將再配合流程圖示說明各個構件的製作方法，並串聯每個流程以製作出固態氧化物燃料電池100，特別是本發明之多孔性金屬基板120之前置處理程序、噴塗粉末大小之分群組及以氬、氦及氫為電漿氣體之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程。
圖3為依據本發明第一實施例之固態氧化物燃料電池100之製作方法的流程圖。請參考圖3，本發明之固態氧化物燃料電池100之製作方法，首先如步驟S31所示乃先對噴塗粉團做篩選分成數個群組，例如10~20μm、20~40μm與40~70μm三個群組。
然後步驟S32再對多孔性金屬基板120進行前置處理。
然後再進行步驟S33，在多孔性金屬基板120上依序形成第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141、陰極隔離層150、陰極介面層160與陰極電流收集層161(如圖1所示)，產生一電池片，其中至少一個膜層是以氬、氦及氫為電漿氣體之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程所形成的。但下面敘述均以此三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗法製作本發明之固態氧化物燃料電池100之各個膜層。
為求較佳的品質與效果，在形成陰極電流收集層161之後，本實施例子更可如步驟S34所示而進行後置處理製程，以提昇固態氧化物燃料電池100的性能及信賴度。
關於步驟S31與步驟S32，本發明並不限制其次序，也就是說，可以先進行步驟S32，然後再進行步驟S31。
本發明在已做前置處理之多孔性金屬基板120上完成上述膜層之鍍膜工作後，即得一電池片，然後進行步驟S35將該電池片上的多孔性金屬基板120與金屬框架110結合起來。但也可以先將已做前置處理之多孔性金屬基板120與金屬框架110先結合起來，再進行鍍膜的程序。本發明並不限定此步驟的先後順序。結合方式可以用焊接接合，不過本發明並不限定多孔性金屬基板120與金屬框架110的結合方式。
以下，將詳細說明步驟S32中所進行之多孔性金屬基板120的前置處理流程。圖4為依據本發明第一實施例之前置處理製程的流程圖。請參考圖4，如步驟S321～S326所示，首先步驟S321提供多孔性金屬基板120。
步驟S322再將此基板泡在酸性溶液中進行清洗(酸洗)，即在稀釋之硝酸及鹽酸中浸泡10~60分鐘。本發明之酸性溶液例子為1000cc去離子水中加50cc的硝酸。
然後步驟S323再對多孔性金屬基板120進行補粉，補粉程序又分為兩個次程序(1)與(2)，其中次程序(1)是在多孔性金屬基板120外圈以高金屬含量之漿料填補基板表面，形成一已填漿料之外框(本實施利中外框寬度為3~5mm)。而後次程序(2)是在上述框內之基板表面以金屬粉直接填補其上並抹平之。填補漿料中之金屬及填補用之金屬粉其材料需配合基板材料及需要而定，常用有鎳粉或鎳、鐵、銅及鈷等多種金屬混合之金屬粉。如果使用多孔性鎳金屬為基板，一般則使用含鎳漿料及鎳粉從事補粉工作。鎳漿料中的鎳顆粒採用細的，例如小於10μm，而鎳粉中的鎳顆粒採用粗的，例如30~50μm。
然後步驟S324再以熱壓法進行高溫燒結及整平製程，熱壓法採小於1100℃真空或還原氣氛熱壓製程，在壓力小於50kg/cm2 下，高溫燒結時間約1～3小時，然後慢速降溫至室溫，便能在多孔性金屬基板120的表面上形成補粉層121及其外圈形成一3~5mm寬之緻密外框。補粉層121有助於在其上做多層膜之成膜，而緻密外框有助於多孔性金屬基板120與金屬框架110之焊接。
然後步驟S325再對多孔性金屬基板進行酸蝕，即在稀釋之硝酸及鹽酸中浸泡30~90分鐘，使基板120之透氣率常數達到預期數值，例如3~6達西(Darcy)。經酸蝕過之補粉層121其上之孔洞孔徑需保持小於50μm。
最後步驟S326再對多孔性金屬基板120進行中低溫度(600~700℃)20~50分鐘大氣中之表面氧化，使補粉層121上之孔洞孔徑進一步縮小。
類似前述，多孔性金屬基板120可為厚度約1～2mm，面積大小約5cm×5cm～20cm×20cm，不過本發明並不限制多孔性金屬基板120的材質、結構或形狀。
請再參考圖3，以下將以本發明獨特之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程來形成第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141、陰極隔離層150、陰極介面層160與陰極電流收集層161。值得注意的是，以三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程形成前述任一個膜層均會有效提升固態氧化物燃料電池100的效能，不過本發明較佳的實施方式是以三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程形成前述所有的膜層，然而本發明並不限定之。
本發明之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程乃具有較長的電弧而得以增加高溫電漿與注入粉團的加熱作用時間，藉此使粉末具有較高受熱效率而可沉積出品質較佳的膜層。此外，三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程是在高電壓與中電流的的環境中操作。由於工作電流較小，因此可增長大氣電漿噴塗槍之陰極與陽極的使用壽命，以降低製作成本。
具體而言，三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程是一種穩定高電壓高熱焓之大氣電漿噴塗製程，而使用由氬氣、氦氣及氫氣均勻混合之氣流，以產生高熱焓高速度之大氣電漿火焰。在本實施例之氬氦氫混合氣流中，氬氣常用流量為49～55slpm，而氦氣常用流量為23～27slpm，且氫氣常用流量為2～10slpm。
此外，三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程之穩定工作電壓值可依噴塗不同材料而有所調整。噴塗電解質層141之緻密層時，可採用功率較大且穩定工作電壓值大於100±1伏特之噴塗參數。噴塗陽極介面層131或是陰極介面層160之多孔性電極層時，可採用功率較小且穩定工作電壓值約86±1伏特之噴塗參數。換句話說，本發明之穩定高電壓高熱焓之三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程可依各種需求調整噴塗參數，做出固態氧化物燃料電池100之任一膜層，而深具簡便及快速性。熟悉此項技藝者當可輕易依據實際製作情形而稍加修改製作參數，惟其仍屬本發明之範疇內。
類似前述，本發明除了能使用以聚乙烯醇(PVA)黏劑之造粒(agglomerated)粉團外，也能使用燒結壓碎(sintered and crushed)粉末團。本實施利使用之粉團乃是以奈米或次微米或微米粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒成奈米或次微米或微米結構微米級粉團，而後將粉團送入電漿火焰中，以火焰將黏劑瞬間完全燒除並加速加熱剩餘之粉末至高速熔融或半熔融狀態，最後沉積成膜。針對製作陽極介面層131與陰極介面層160，本發明使用以奈米粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒而成之奈米結構微米級粉團。
承接上述，在製作陰極電流收集層161之微米結構或次微米結構中，本發明使用之粉團是以次微米粉末或是微米粉末混合聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒而成之微米級粉團，不過本發明亦不限定粉團的組成，舉例而言，粉團亦可為由部份奈米粉末、部份次微米粉末與部份微米粉末混合聚乙烯醇(PVA)黏劑造粒而成，端看膜層實際所需的設計結構而定。此外，儘管此處均以聚乙烯醇作為黏劑的種類，不過本發明亦不限定黏劑的種類。
不論是使用上述那一種粉團，本發明之重點是將上述粉團加以篩選分成數群，例如分成10~20μm、20~40μm及40~70μm三個粉團群組。然後注粉時只使用其中某一群，並針對使用的粉群以最佳的電漿功率加熱該粉群。
另外，經篩選分群之粉團由於注入電漿火焰的方式不同，亦會造成成膜的特性不同。圖5A～5D分別為依本發明第一實施例之不同注粉方式的示意圖。請參考圖5A～5D，電漿火焰510是從陰極噴頭520向外而從陽極噴嘴530中間噴出，將粉團540注入於電漿火焰510中，以進行成膜製程。在圖5A中，粉團540是以內注水平的方式送入電漿火焰510中。在圖5B中，粉團540是以內注向上的方式送入電漿火焰510中。在圖5C中，粉團540是以外注向下的方式送入電漿火焰510中，而在圖5D中，粉團540是以內注向下的方式送入電漿火焰510中。藉由不同的注粉方式，可產生粉團540與電漿火焰510的接觸時間與受熱溫度之差異，進而使得成膜的特性不同。
在本實施例之形成第一陽極隔離層130及陽極介面層131的製程中，首先會將多孔性金屬基板120加熱至650～750℃，然後再以三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程依圖5A之內注水平的注粉方式或圖5D所示之內注向下的注粉方式將注入之粉團加熱，最後沉積在多孔性金屬基板120上而形成第一陽極隔離層130及陽極介面層131。採用圖5A之內注水平的注粉方式或圖5D所示之內注向下的注粉方式可使第一陽極隔離層130及陽極介面層131能保有多孔性，並同時提升第一陽極隔離層130與多孔性金屬基板120之間的附著力及陽極介面層131與第一陽極隔離層130之間的附著力。由於前文均已詳述陽極介面層131的材質、厚度與結構特性，於此便不再贅述。另外，為增加陽極介面層131的孔隙度，本發明亦可在粒團內加入部分碳粉而作為造孔劑。以本實施例來說，碳粉的含量是小於15wt%，而不致於對陽極介面層131之機械強度影響過大。
在本實施例之形成第二陽極隔離層140與電解質層141的製程中，首先會將多孔性金屬基板120、第一陽極隔離層130與陽極介面層131加熱至750～900℃，然後再以三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程依圖5A及5B之注粉方式在陽極介面層131上依序形成第二陽極隔離層140與電解質層141。當然，若固態氧化物燃料電池100是在低於700℃的環境中操作，則通常也可省略第二陽極隔離層140及陰極隔離層150之製作。由於前文均已詳述第二陽極隔離層140、電解質層141與陰極隔離層150的材質、厚度與結構特性，於此便不再贅述。另外，在第二陽極隔離層140與電解質層141之製程中，為使注入粉團能達全部熔融狀態，粉團在注入電漿火焰時，可全部採取如圖5B所示之內注向上的注粉方式。
隔離層之材質主要是不會與相鄰膜層產生不利反應且具有負氧離子導電之材料，例如含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)、含釔摻雜之氧化鈰(YDC)或是含釓摻雜的氧化鈰(GDC)材料等等。
在本實施例中陰極隔離層150之材料可為含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)、含釔摻雜之氧化鈰(YDC)或是含釓摻雜的氧化鈰(GDC)或其他不會與相鄰膜層產生不利反應且具有負氧離子導電之材料等，基本上與第二陽極隔離層140具有相同或類似的性能。製作陰極隔離層150之注粉方式與第二陽極隔離層140相同。鍍陰極隔離層150前也需要先把尚未鍍此層之試片加熱至750～900℃。
於形成陰極介面層160以及陰極電流收集層161的製程中，首先會將多孔性金屬基板120、第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141與陰極隔離層150加熱至650～750℃，然後再以三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗火焰加熱注入之粉團，使其在陰極隔離層150上依序沈積陰極介面層160與陰極電流收集層161。製作陰極介面層160及陰極電流收集層161時，採圖5C之注粉方式，以便獲得性能優良之多孔膜層。由於前文均已詳述陰極介面層160與陰極電流收集層161的材質、厚度與結構特性，於此便不再贅述。
另外，為增加陰極介面層160的孔隙度，本發明亦可在形成陰極介面層160之粒團內加入部分碳粉而作為造孔劑。以本實施例來說，碳粉的含量是小於15wt%，而不致於對陰極介面層160之機械強度影響過大。
請再參考圖3，當依序形成第一陽極隔離層130、陽極介面層131、第二陽極隔離層140、電解質層141、陰極隔離層150、陰極介面層160與陰極電流收集層161後，便完成固態氧化物燃料電池100的製作，而得到一固態氧化物燃料電池片。若要再進一步提昇固態氧化物燃料電池100的性能，可接著再進行步驟S34之後置處理製程。
在本實施例步驟S34之後置處理製程中，主要乃是經溫度小於1000℃之壓燒熱處理，將陰極之電阻值調整至最小值，使整個固態氧化物燃料電池100之輸出功率密度可達到最大值。具體而言，壓燒熱處理之溫度是介於875～950℃之間，且壓燒熱處理過程使用的壓力為200～1000g/cm2 。經壓燒熱處理後可降低陰極之阻抗損失，使電池之最大輸出功率密度可至1.2W/cm2 。
此外，壓燒熱處理的目的在於消除電漿噴塗膜層內之應力及增加各膜層間的結合力。壓燒的壓力及溫度要適當，熱處理溫度需搭配陰極介面層160及陰極電流收集層161的電漿噴塗功率而調整，適當的壓力及熱處理溫度可增加陰極介面層160及陰極電流收集層161內各粉末在電池片垂直方向相互接觸的面積，因而增加陰極介面層160及陰極電流收集層161的電子及離子導電能力，而仍保有陰極介面層160及陰極電流收集層161之多孔透氣性能。
以下，將再分段詳述本發明之各膜層的製作參數與實驗圖，並實際測試固態氧化物燃料電池100的相關特性。再次強調的是，以下所述之實際數據並非用以限制本發明，而熟悉此項技藝者當可依據說明而調整參數，惟其均仍屬本發明之範疇內。
附帶一提的是，做完電池片各膜層之鍍膜工作及電池片之壓燒熱處理後即可以雷射銲接將多孔性金屬基板120與金屬框架110結合在一起，以求增加在高溫(800℃)下的抗變能力及提升多孔性金屬基板120的平整度、抗壓性能及整體電池的機械強度。其中金屬框架110之材質可以是肥力鐵系不銹鋼(Ferritic Stainless Steel)或其他例如Crofer 22等耐高溫、耐腐蝕及耐氧化之金屬材料。此外，本發明更可利用三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗製程於金屬框架110的表面上形成保護層(未繪示)，其中保護層之材質例如為錳鈷尖晶石(spinel)材質或鑭鍶錳LSM材質。
下面提供7個具體實例作為說明，每一例子中使用的粉末，不論是造粒粉團或者是燒結壓碎粉團，都先經前述之粉末篩選法篩選後才注入三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗火焰中，進行鍍膜製程，而且鍍膜用的多孔性金屬基板也做了必要的前置處理程序。
範例1：多孔性LSCM(La0.75 Sr0.25 Cr0.5 Mn0.5 O3 )第一陽極隔離層。
注入電漿火焰之粉團屬燒結壓碎粉團，其大小為40~70μm的群組，而未燒結壓碎前之原始粉末大小為0.6~2μm。送粉設備為雙筒式精密送粉機(型號為Sulzer Metco Twin-120)，注粉方式為內注水平方式(圖5A)或內注向下方式(圖5D)。電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣7～9slpm。噴塗電功率：32～38kW(電流302～362A/電壓105～106V)。噴塗距離：9～11cm。噴塗槍掃描速度：500～700mm/sec。送粉率：2～8g/min。準備鍍膜之多孔性鎳板預熱溫度：650～750℃。
範例2：多孔性奈米結構梯度之鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/Ni)之陽極介面層，LDC為Ce0.55 La0.45 O2 。
注入電漿火焰之粉團為造粒粉團，其大小為20~40μm的群組。共有兩種粉團，一種由奈米級含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團，另一種由奈米級氧化鎳(NiO)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團。這兩種粉團由雙筒式精密送粉機(型號為Sulzer Metco Twin-120)送至接在電漿噴塗槍之Y型混合注粉器，而注粉方式為內注水平方式(圖5A)或內注向下方式(圖5D)。
此外，電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣7～9slpm。噴塗電功率：36～42kW(電流340～400A/電壓105～106V)。噴塗距離：9～11cm。噴塗槍掃描速度：500～700mm/sec。送粉率：2～8g/min。準備鍍膜之物件預熱溫度：650～750℃。
鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/Ni)之陽極介面層是由鎳化氧和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/NiO)之膜層經氫氣還原而成的。
此外，橫截破斷面上之含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)與鎳(Ni)的比例為依梯度體積比例改變，亦即愈靠近多孔性金屬基板之陽極介面層區域含鎳(Ni)的比例愈高。另外，若不欲製作梯度結構，則可噴塗由氧化鎳和含鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/NiO)之膜層，經氫氣還原而成含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)與鎳(Ni)之多孔膜層，此膜層中氧化鈰(LDC)與鎳(Ni)之比例為50%：50%體積比例。製作這種LDC：Ni=50%：50%體積比例之多孔膜層，僅用一種造粒粉團，其大小為20~40μm的群組，此粉團係由含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)粉末、奈米級氧化鎳(NiO)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑均勻混合做成之微米級粉團。
範例3：緻密之含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)膜層(可作為第二陽極隔離層或陰極隔離層)。
注入電漿火焰之粉團為造粒粉團，其大小為20~40μm的群組。此粉團由奈米級含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團，而注粉方式為內注向上方式(圖5B)。電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣7～9slpm，且每種氣體工作壓力4～6kg/cm2 。噴塗電功率：42～48kW(電流396～457A/電壓105～106V)。噴塗距離：8～10cm。噴塗槍掃描速度：800～1200mm/sec。送粉率：2～6g/min。準備鍍膜之物件預熱溫度：750～850℃。
範例4：無裂縫氣密之含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)膜層(電解質層)。
注入電漿火焰之粉團為造粒粉團或者是燒結壓碎粉團，其大小為20~40μm的群組。如使用之粉團為造粒粉團，則此粉團為由奈米級含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑做成之微米級粉團，或是由0.2~2μm之含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團，再經燒結除去聚乙烯醇(PVA)黏劑而製成之燒結微米級粉末團。如使用之粉團為燒結壓碎粉團，則此粉團由奈米晶粒組成。而注粉方式為內注向上方式(圖5B)。
電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣6～10slpm，且每種氣體工作壓力4～6kg/cm2 。噴塗電功率：49～52kW(電流462～495A/電壓105～106V)。噴塗距離：8～10cm。噴塗槍掃描速度：500～700mm/sec。送粉率：2～6g/min。準備鍍膜之物件預熱溫度：750～850℃。
範例5：多孔性奈米結構梯度之含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭與鑭鍶鈷鐵氧化物混合組成物(LSGM/LSCF)之陰極介面層。
注入電漿火焰之粉團有兩種不同材料，一種是用LSGM粉末，另一種是用LSCF粉末。在此，LSGM粉團同範例4，使用之LSCF粉團由一種由次微米級鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團，其大小為20~40μm的群組。LSGM及LSCF粉團由雙筒式精密送粉機(型號為Sulzer Metco Twin-120)送至接在電漿噴塗槍之Y型混合注粉器，而注粉方式為外注向下方式(圖5C)。
此外，電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣2～5slpm。噴塗電功率：28～38kW(電流302～432A/電壓88～93V)。噴塗距離：9～11cm。噴塗槍掃描速度：500～700mm/sec。送粉率：2～8g/min。準備鍍膜之物件預熱溫度：650～750℃。
在陰極介面層之橫截面上，含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)與鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)的比例是依梯度體積比例而改變的，即愈靠近電解質層之陰極介面層區域中含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)的比例愈高。若不製作梯度結構，則可噴塗由鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭與鑭鍶鈷鐵氧化物兩者均勻混合而組成之LSGM/LSCF膜層，此膜層中鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)與鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)的比例為50%：50%體積比例。
範例6：多孔性鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)之陰極電流收集層。
注入電漿火焰之LSCF粉團為造粒粉團，其大小為40~70μm的群組。此粉團由次微米級鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)粉末與聚乙烯醇(PVA)黏劑混合做成之微米級粉團，而注粉方式為外注向下方式(圖5C)。電漿噴塗參數為電漿氣體：氬氣49～55slpm、氦氣23～27slpm、氫氣2～5slpm。噴塗電功率：28～38kW(電流302～432A/電壓88～93V)。噴塗距離：9～11cm。噴塗槍掃描速度：500～700mm/sec。送粉率：2～8g/min。準備鍍膜之物件預熱溫度：650～750℃。
範例7：固態氧化物燃料電池(Ni-LSCM-LDC/Ni-LDC-LSGM-LSGM/LSCF-LSCF)。
依據前述範例1～6之噴塗參數，依序將LSCM第一陽極隔離層、鎳和鑭摻雜的氧化鈰混合組成物(LDC/Ni)奈米結構陽極介面層、鑭摻雜的氧化鈰(LDC)第二陽極隔離層、鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)電解質層、鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭與鑭鍶鈷鐵氧化物組成物(LSGM/LSCF)陰極介面層以及鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)之陰極電流收集層形成在多孔性鎳金屬基板上，即完成固態氧化物燃料電池(Ni-LSCM-LDC/Ni-LDC-LSGM-LSGM/LSCF-LSCF)的製作。此例之LSGM/LSCF陰極介面層為LSGM：LSCF=50%：50%體積比例。另外，此例不含陰極隔離層。接著可將固態氧化物燃料電池在875~950℃溫度下燒壓熱處理1～3小時即可達到本實施例之固態氧化物燃料電池之較佳狀態。
圖6為依據本發明第一實施例製作之固態氧化物燃料電池的電性操作性能圖。此固態氧化物燃料電池之陰極面積為15cm2 ，其在800℃工作溫度下之最大輸出功率密度為1.2W/cm2 。本發明不受電池面積限制。
綜上所述，本發明之固態氧化物燃料電池及其製作方法至少具有下列九項優點：
一、準備注入電漿火焰之噴塗粉團先依粉團大小篩分成數群，例如10~20μm,20~40μm及40~70μm三群。電漿噴塗鍍膜時只用其中某一群粉團，並針對所選用的粉團群組，也選擇適合的特定電漿噴塗功率，如此做法可避免過大粉團受熱不均或不易形成半熔融狀態以及過小粉團因過熱而產生分解現象，如此所形成之膜層較為均勻且具有較佳的品質。
二、上述之粉團分群法(第一項)，使得注入之粉團可為造粒粉團或者是燒結壓碎粉團，增加注入之粉團的多樣性，而且能使用粉末形狀及粒徑分佈較差之便宜粉末。
三、如果注入粉團為造粒粉團，則本發明是直接將粉末與黏劑造粒後，直接送入電漿火焰以燒除黏劑，並將剩餘粉末熔融成膜。
四、於製作多孔性電極膜層，以上述之方法(第一項所述之粉團分群法)能製作粉粒及孔洞大小相對均勻分佈之多孔性電極膜層。亦可製作粉粒及孔洞大小有特定分佈之多層膜多孔性電極。
五、於製作緻密電解質層，以上述之方法(第一項所述之粉團分群法)能製作緻密度相對均勻分佈之緻密性電解質層。
六、以酸蝕法能去除多孔性金屬基板上之不良雜質，同時能有效提高多孔性金屬基板之透氣率。
七、陽極介面層之奈米結構與陰極介面層之奈米結構具有較多的奈米級三相界面(TPB)，可有效提升固態氧化物燃料電池的電特性，並降低固態氧化物燃料電池工作溫度。
八、本發明利用不同的注粉方式，以調整膜層的特性(例如多孔性、緻密性或是氣密性)。
九、以氬、氦及氫三氣式高電壓中電流大氣電漿噴塗之長弧高速高能量火焰加熱粉末，可增加粉末與電漿火焰接觸的時間，提高注入粉末的加熱效率及鍍膜效率，同時降低電漿噴塗火炬之電極耗損，延長電漿噴塗火炬之使用壽命，降低固態氧化物燃料電池之製作成本。
另外，本發明在多孔性金屬基板上，也能以與上述第一實施例固態氧化物燃料電池各膜層之完全相反的沉積順序製作另一種如圖七所示結構之第二實施例的固態氧化物燃料電池1000，即在多孔性金屬基板1200上以氬、氦及氫之三氣式高電壓中電流長弧電漿火焰依序完成補粉層1210、陰極電流收集隔離層1620(例如LSCM)、陰極電流收集層1610、陰極介面層1600、陰極隔離層1500、電解質層1410、陽極隔離層1400、陽極介面層1310及陽極電流收集層1320(氧化鎳層，在還原環境會轉變成導電的鎳層)等之鍍膜製程。然後再進行固態氧化物燃料電池之後置熱處理及與金屬框架1100之焊接結合，其中，圖7中的黑點代表焊接位置1800。另外，金屬框架1100與多孔性金屬基板1200的接合處可設計形成凹槽1700，以作為密封封膠填充的位置。
關於第二實施例之製作流程以及各膜層之製作方法及其材質與第一實施例相同，不再贅述。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．固態氧化物燃料電池
110．．．金屬框架
120．．．多孔性金屬基板
121．．．補粉層
130．．．第一陽極隔離層
131．．．陽極介面層
140．．．第二陽極隔離層
141．．．電解質層
150．．．陰極隔離層
160．．．陰極介面層
161．．．陰極電流收集層
170．．．凹槽
180．．．焊接位置
210．．．電漿火炬
220．．．電漿火焰
230、230a．．．粉末
240、240a．．．粉團
250a．．．粉末團
250．．．散開的粉末
510．．．電漿火焰
520．．．陰極噴頭
530．．．陽極噴嘴
540．．．粉團
S31～S35、S321～S326．．．步驟
1000．．．固態氧化物燃料電池
1100．．．金屬框架
1200．．．多孔性金屬基板
1210．．．補粉層
1310．．．陽極介面層
1320．．．陽極電流收集層
1400．．．陽極隔離層
1410．．．電解質層
1500．．．陰極隔離層
1600．．．陰極介面層
1610．．．陰極電流收集層
1620．．．陰極電流收集隔離層
1700．．．凹槽
1800．．．焊接位置
圖1係本發明第一實施例之固態氧化物燃料電池的剖面示意圖。
圖2A圖2B係本發明與習知技藝以大氣電漿噴塗方式成膜之差異示意圖。
圖3係本發明第一實施例之固態氧化物燃料電池之製作方法的流程圖。
圖4係本發明第一實施例之製作方法流程圖中關於步驟32對多孔性金屬基板進行前置處理的流程圖。
圖5A～5D係本發明第一實施例之大氣電漿噴塗製程中粉團注入電漿火焰的四種不同方式示意圖。
圖6係本發明第一實施例之固態氧化物燃料電池電性操作性能圖。
圖7係本發明第二實施例之固態氧化物燃料電池的剖面示意圖。
100．．．固態氧化物燃料電池
110．．．金屬框架
120．．．多孔性金屬基板
121．．．補粉層
130．．．第一陽極隔離層
131．．．陽極介面層
140．．．第二陽極隔離層
141．．．電解質層
150．．．陰極隔離層
160．．．陰極介面層
161．．．陰極電流收集層
170．．．凹槽
180．．．焊接位置

Claims (63)

  1. 一種固態氧化物燃料電池，包括：一金屬框架；一多孔性金屬基板，配置於該金屬框架中；一第一陽極隔離層，配置於該多孔性金屬基板上；一陽極介面層，配置於該第一陽極隔離層上，而該陽極介面層為多孔奈米結構；一電解質層，配置於該陽極介面層上；一陰極介面層，配置於該電解質層上；以及一陰極電流收集層，配置於該陰極介面層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層主要是由複數個導電子顆粒、複數個導離子奈米粒所構成，而該複數個導電子顆粒與該複數個導離子奈米粒排列間隙出複數個陰極孔洞，且該複數個陰極孔洞為奈米孔洞或次微米孔洞。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其係能產生大於1Watt/cm2 之高功率密度固態氧化物燃料電池。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陽極介面層主要是由複數個導電子奈米粒、複數個導氧負離子奈米粒所構成之混合物，而該複數個導電子奈米粒與該複數個導氧負離子奈米粒排列間隙出複數個陽極奈米孔洞。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之固態氧化物燃料電池，其中該複數個導電子奈米粒係包含奈米鎳、奈米銅、奈米鎳銅混合物或奈米鎳銅鈷混合物，而該複數個導氧負離子奈米粒係包含奈米釔安定氧化鋯、含鑭摻雜的奈米氧化鈰或含釓摻雜的奈米氧化鈰。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陽極介面層之材質包括奈米鎳和奈米釔安定氧化鋯混合組成物、奈米鎳和含鑭摻雜的奈米氧化鈰混合組成物或是奈米鎳和含釓摻雜的奈米氧化鈰混合組成物。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之固態氧化物燃料電池，其中該複數個導電子顆粒為鑭鍶鈷鐵氧化物，又該複數個導離子奈米粒為含鍶及鎂摻雜的奈米鎵酸鑭、含釓摻雜的奈米氧化鈰或含鑭摻雜的奈米氧化鈰。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層之材料包括含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物、含釓摻雜的氧化鈰與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物或是含鑭摻雜的氧化鈰與鑭鍶鈷鐵氧化物組成之混合物。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陽極介面層具有複數個奈米級三相界面，而該陽極介面層的厚度是介於10～30μm之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陽極介面層的厚度是介於15～25μm之間，而該陽極介面層的孔隙度是介於15～30%之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層具有複數個奈米級三相界面，而該陰極介面層的厚度是介於15～40μm之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層的厚度是介於20～30μm之間，且該陰極介面層的孔隙度是介於15～30%之間。
  13. 如申請專利範圍第4項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陽極介面層中越靠近該多孔性金屬基板的區域所含導電子奈米粒比例愈高。
  14. 如申請專利範圍第2項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層中越靠近該電解質層的區域所含導離子奈米粒的比例愈高。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該多孔性金屬基板之材質為純鎳粉、部分鎳粉摻雜鐵粉、部分銅粉摻雜鐵粉或是部分銅粉與鎳粉摻雜鐵粉，而鐵粉含量均小於20%重量比。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該多孔性金屬基板之孔隙度係介於35~55%，而該多孔性金屬基板的厚度介於為1～2mm。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一補粉層，配置於該多孔性金屬基板與該第一陽極隔離層之間。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之固態氧化物燃料電池，其中該補粉層與該多孔性金屬基板所形成之表面孔洞之孔徑小於50μm。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之固態氧化物燃料電池，其中該補粉層材料與該多孔性金屬基板材料相同。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之固態氧化物燃料電池，其中該補粉層厚度小於40μm。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之固態氧化物燃料電池，其中該多孔性金屬基板之孔隙度為35~55%體積比及透氣率常數為3~6達西。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該金屬框架之材質為肥力鐵系不銹鋼。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該金屬框架之材質為Crofer 22。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該金屬框架之材質膨脹係數介於係10～14×10-6 /℃之間。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一保護層，而該保護層是配置於金屬框架上，且該保護層之材質包括錳鈷尖晶石材質或鑭鍶錳材質。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該電解質層之材質包括含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭、含鑭摻雜的氧化鈰或含釓摻雜的氧化鈰。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之固態氧化物燃料電池，其中含鑭摻雜的氧化鈰與含釓摻雜的氧化鈰的厚度介於10～20μm，而含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭的厚度介於30～45μm。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極電流收集層係為多孔次微米結構及多孔微米結構。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極電流收集層之材質包括鑭鍶鈷鐵氧化物、鑭鍶鈷氧化物或鑭鍶鐵氧化物。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極電流收集層之厚度是介於20～50μm之間，且陰極電流收集層的孔隙度介於30～50%之間。
  31. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一陰極隔離層，配置於該電解質層與該陰極介面層之間。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極隔離層之材質包括含鑭摻雜的氧化鈰、含釔摻雜之氧化鈰或是含釓摻雜的氧化鈰材料。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極隔離層之厚度為5~15μm。
  34. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該第一陽極隔離層之材料包含有含鑭摻雜的氧化鈰、鍶及錳摻雜之鉻酸鑭、La0.75 Sr0.25 Cr0.5 Mn0.5 O3 、氧化鉻或其他具備高電子導電且能阻擋鉻擴散之材料。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，其中該第一陽極隔離層之厚度為10~20μm，且其孔隙度為15~30%體積比。
  36. 如申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一第二陽極隔離層，配置於該陽極介面層與該電解質層之間。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之固態氧化物燃料電池，其中該第二陽極隔離層之材質包括含鑭摻雜的氧化鈰、含釔摻雜之氧化鈰或是含釓摻雜的氧化鈰材料。
  38. 如申請專利範圍第36項所述之固態氧化物燃料電池，其中該第二陽極隔離層之厚度為5~15μm。
  39. 一種固態氧化物燃料電池，包括：一金屬框架；一多孔性金屬基板，配置於該金屬框架中；一陰極電流收集隔離層，配置於該多孔性金屬基板上；一陰極電流收集層，配置於該陰極電流收集隔離層上；一陰極介面層，配置於該陰極電流收集層上；一電解質層，配置於該陰極介面層上；一陽極介面層，配置於該電解質層上，而該陽極介面層為多孔奈米結構；以及一陽極電流收集層，配置於該陽極介面層上。
  40. 如申請專利範圍第39項所述之固態氧化物燃料電池，其中該陰極介面層主要是由複數個導電子顆粒、複數個導離子奈米粒所構成，而該複數個導電子顆粒與該複數個導離子奈米粒排列間隙出複數個陰極孔洞，且該複數個陰極孔洞為奈米孔洞或次微米孔洞。
  41. 如申請專利範圍第39項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一補粉層，配置於該多孔性金屬基板與該陰極電流收集隔離層之間。
  42. 如申請專利範圍第39項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一陰極隔離層，配置於該電解質層與該陰極介面層之間。
  43. 如申請專利範圍第39項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一陽極隔離層，配置於該陽極介面層與該電解質層之間。
  44. 如申請專利範圍第39項所述之固態氧化物燃料電池，更包括一保護層，而該保護層是配置於金屬框架上，且該保護層之材質包括錳鈷尖晶石材質或鑭鍶錳材質。
  45. 一種固態氧化物燃料電池的製作方法，該燃料電池具有複數個膜層，其步驟包括：步驟(1)：製作電漿噴塗火炬所用之複數個具有預定大小之粉團，該複數個粉團係分別由各膜層所用之材質粉末製作而成；步驟(2)：依照該複數個粉團顆粒大小分為複數個群組；以及步驟(3)：以大氣電漿噴塗製程於一多孔性金屬基板上依序沉積一第一陽極隔離層、一陽極介面層、一電解質層、一陰極介面層與一陰極電流收集層，其中步驟(3)針對沉積不同膜層使用之電漿噴塗火炬的功率為：對於第一陽極隔離層，粒徑40~70μm之含鍶及錳摻雜之鉻酸鑭(LSCM)或粒徑20~40μm之含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)，則預定電漿噴塗火炬的功率為32~38kW或42~48kW；對於陽極介面層，粒徑20~40μm之含鑭摻雜的氧化鈰(LDC)和氧化鎳(NiO)，則預定電漿噴塗火炬的功率為36~42kW；對於電解質層，粒徑20~40μm之含鍶及鎂摻雜的鎵酸鑭(LSGM)，則預定電漿噴塗火炬的功率為49~52kW；對於陰極介面層，粒徑20~40μm之LSGM和鑭鍶鈷鐵氧化物(LSCF)，則預定電漿噴塗火炬的功率為28~38kW；對於陰極電流收集層，粒徑 40~70μm之LSCF，則預定電漿噴塗火炬的功率為28~38kW。
  46. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該複數個群組係依粉團顆粒大小分為10~20μm、20~40 μm與40~70 μm三個群組。
  47. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中至少一膜層是以三氣式大氣電漿噴塗製程形成。
  48. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其係更包括有對該多孔性金屬基板進行一前置處理製程，該前置處理製程包括有下列步驟：步驟(1)：提供該多孔性金屬基板；步驟(2)：對該多孔性金屬基板進行酸洗；步驟(3)：對該多孔性金屬基板進行一表面補粉製程；以及步驟(4)：對該多孔性金屬基板以熱壓法進行高溫燒結及整平製程。
  49. 如申請專利範圍第48項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該表面補粉製程係在該多孔性金屬基板的表面塗上金屬粉漿料以形成一緻密外框，然後在該緻密外框內之基板表面以金屬粉直接填補其上並抹平之。
  50. 如申請專利範圍第48項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該金屬粉係包含有鎳粉或者鎳、鐵、銅及鈷混合之金屬粉。
  51. 如申請專利範圍第48項所述之固態氧化物燃料電 池的製作方法，其中該熱壓法係於低於1100℃真空或還原氣氛熱壓製程，在壓力小於50kg/cm2 下，高溫燒結約1~3小時，然後慢速降溫至室溫。
  52. 如申請專利範圍第48項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中在完成對該多孔性金屬基板以熱壓法進行高溫燒結及整平製程之後，更對該多孔性金屬基板進行一酸蝕製程。
  53. 如申請專利範圍第52項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中在完成對該多孔性金屬基板進行酸蝕製程之後，更對該多孔性金屬基板進行表面氧化製程。
  54. 如申請專利範圍第53項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該表面氧化製程是在600~700℃之高溫空氣中進行20~50分鐘表面氧化。
  55. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中於陰極電流收集層沉積之後，更包括進行一後置處理製程，而該後處理製程係對該固態氧化物燃料電池進行壓燒熱處理，以降低其陰極阻抗之損失並增加最大輸出功率。
  56. 如申請專利範圍第55項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該後置處理製程為壓燒熱處理，而溫度是介於875~950℃之間，且壓力為200~1000g/cm2 。
  57. 如申請專利範圍第55項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中完成該後置處理製程之後，更包括將該多孔性金屬基板與一金屬框架進行結合。
  58. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電 池的製作方法，其中更包括於該陽極介面層與該電解質層之間形成一第二陽極隔離層。
  59. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中更包括於該陰極介面層與該電解質層之間形成一陰極隔離層。
  60. 如申請專利範圍第47項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該三氣式大氣電漿噴塗製程係使用氬氣、氦氣及氫氣之混合氣流。
  61. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該複數個粉團係將各膜層所用之材質的粉末加入聚乙烯醇黏劑造粒所形成之微米級粉團。
  62. 如申請專利範圍第45項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中該複數個粉團係將各膜層所用之材質的粉末燒結造粒並壓碎所形成之微米級粉團。
  63. 如申請專利範圍第57項所述之固態氧化物燃料電池的製作方法，其中在完成將該多孔性金屬基板與該金屬框架結合後，更包括對一凹槽進行填補一密封材料，而該凹槽係形成於該金屬框架該多孔性金屬基板的接合處並靠近第一陽極隔離層。
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