各國能源消耗不斷地在增加，為應付這龐大的能源消耗及能源環保問題，乾淨而 有效率的能源來源變得日益重要；燃料電池做為能源產生工具的重要性與日俱 增，與目前能源產生技術比較，燃料電池具備減少CO2排放量 40~60%及NOx排放 量 50~90%，固態燃料電池展現其能源效率高於 50%之實力，若與蒸氣渦輪機搭 配效率更達 70~80%以上，相對於蒸氣渦輪發電機，燃料電池於體積小或瓦數降 低後，沒有效率降低的問題，不僅可用於高瓦數、大容量發電，對於局部發電亦 非常理想。
固態氧化物燃料電池 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)，其操作的溫度範圍為
600~1,000℃，因為是在高溫的環境下工作，所以具備了許多獨特的優點，如(1) 電化學反應進行很快，這使得活化電壓損失較小，且不必用貴金屬做為催化劑；
(2)電池工作溫度足以使一般常用的燃料(如天然氣)中之氫氣分解出來，而不必使 用高純度的氫氣；(3)高溫產生之廢氣與冷卻液亦提供有用的熱資源，因此這類燃 料電池形成＂電熱共生系統(combined heat and power system, CHP)＂；(4)系統產生 之廢氣與冷卻液可用於驅動渦輪機，來帶動更多的電力，其理論效率可達 70~80
％，遠高於內燃機的 30％以下。從以上這些優點看來，SOFC 極有希望成為下一 世代的能源來源。SOFC 操作原理為氧氣在陰極被催化為氧離子，氧離子經由固 態電解質傳遞到陽極，並與燃料(氫氣或甲烷)進行電化學反應產生水、熱與電 能。對於一個燃料電池系統而言，除了陰極、陽極與電解質外，連接各別單一燃 料電池得用所謂的＂雙極板(Bipolar plate)＂。雙極板並肩負輸送燃料及空氣(或氧 氣)的重任。此外，燃料處理、儲存及供應系統、電流/電壓調節器與轉換系統、
壓力溫度調節或交換系統等，都是燃料電池中不可或缺的一環。整體燃料電池的 表現亦受各單元間整合後特性之影響。
釔安定化氧化鋯(YSZ)是SOFC中最常用的電解質，因為此類材料具備足夠的氧離
子傳導性，並且在氧化及還原氣氛下展現優秀的安定性。這些特性已有相當的研 究，可參見一些回顧文獻[1-6]。
氧化鋯在很純的成份下，並不是一個良好的電解質，因為其離子傳導性很差。同 時因為其正方相至單斜相變化的關係，材料極易碎裂。然而在添加了一些安定化 元素後，不僅可安定化立方相(由室溫到熔點)，還增加了氧空缺含量。這大幅增 加了離子傳導性，同時也延伸了離子導電的氧分壓範圍(105~10-13 Pa)，此氧分壓範 圍涵蓋了SOFC電解質工作時的所有氣氛條件，使安定化氧化鋯適用於SOFC之電 解質。氧化鋯的安定性可直接由安定化元素，如CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3、CeO2等 氧化物之添加直接造成。這些氧化物展現了相對高度溶解度於氧化鋯基材中，形 成氟化鈣(Fluorite)結構，並使立方晶相穩定存在於大範圍的成分及溫度中。此外 高濃度氧空缺因電荷平衡而形成，導致氧離子的高移動性。
在一定範圍的溫度中，安定化氧化鋯的離子傳導性與氧分壓大小沒有依存性，其 離子傳導數幾近於 1，亦即沒有電導之現象，這在SOFC是一重要特徵，可減少傳
導損耗[7,8]。而ZrO2離子傳導性與摻雜元素含量有關，例如離子傳導性常隨摻雜元
素含量有一最大值[9]，而此最大值常出現於接近於立方晶相完全安定化添加劑的 最小摻雜量，而隨摻雜量再增加，材料離子傳導性又再下降。目前的解釋是以缺 陷序化、空缺群集或靜電交互作用的結果來解釋氧化鋯離子傳導性的變化[10]。但 這些論點，並未有詳細的驗證與實驗的設計，是我們擬仔細探討之處。
SOFC 如同其他先進陶瓷材料一樣，相當地脆且易因微小缺陷而損壞，尤其氧化 鋯以完全安定化之立方晶相存在時。在 SOFC 各階段的製造過程及使用階段，皆 可能因材料之破壞而導致燃料與氧氣直接接觸，造成元件效能與效率的下降。因 此具備高韌性的電解質是極度需要的。
固態氧化物燃料電池(SOFC)已在連續操作下，展現相當優異的可靠度，但在較低 能量及可移動式的電源供應，應用上仍有許多挑戰，且其成本仍然太高，在高溫 操作的條件(800℃~1000℃)下，陶瓷材料在熱循環下，非常容易產生裂縫或機械 性質的問題；此外，CeO2基摻雜電解質SDC(Samarium Oxide doped CeO2)也是近年
來熱門的SOFC電解質之一，其具有較 8YSZ高之電性，極適合被應用於中、高溫 工作環境；但極易被還原，尤其是靠近陽極的位置；為了改善此現象，國外學者 紛紛採用較高電性與高耐還原性之 8YSZ作為CeO2系電解質之“抗還原層＂，但 是 8YSZ之電性與熱膨脹性卻不及SDC且機械性質更是遜色，非常不利間歇高溫 操作。
因此本計畫第一年將針對添加不同離子半徑之三價稀土族陽離子(RE=Yb3+, Er3+, Y3+, Dy3+, Y3+Nd3+, Sm3+, Nd3+)與五價鈮離子Nb5+共同摻雜(co-doping)對氧化鋯相變化 機制影響進行探討，掌握真正的韌化機制，並探討對機械及導電的性質影響，評 估何種摻雜與相分佈發生時材料的機械與電的性質呈現極佳的狀態；掌握相變化 的發生，提昇氧化鋯的機械與電的特性以應用於燃料電池電解質。