固態氧化物燃料電池中雙極板與陽極、金屬填料之界面反應研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

固態氧化物燃料電池中雙極板與陽極、金屬填料之界面反 應研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-042-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學材料科技研究所

計 畫 主 持 人 ： 顏怡文

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：林承寬 碩士班研究生-兼任助理人員：邵培盛

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 99 年 08 月 13 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

固態氧化物燃料電池中雙極板與陽極、金屬填料 之界面反應研究

計畫類別：

個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 98－2221－E－011－042－

執行期間： 98 年 08 月 01 日 至 99 年 07 月 31 日

計畫主持人：顏怡文 共同主持人：

計畫參與人員：邵培盛、林承寬

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：█精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

▇

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管 計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學材料科學與工程學系

中 華 民 國 99 年 09 月 　21 日

摘要

在固態氧化物然料電池系統中，鎳-釔安定化氧化鋯陶金(8YSZ)為目前較普遍的陽極材料的選擇；而雙極板部 分主要以不鏽鋼材料較為熱門。本計畫旨在探討真實操作環境下所產生陽極與雙極板之間的界面反應與時效之行 為。本研究採真空硬焊方式進行探討以Ag-Cu-Ti 商用活性填料接合雙極板-鐵基不銹鋼 430SS 與陽極 8YSZ 之行 為。在430SS/活性填料/8YSZ 的液/固反應中，主要生成相為 TiO 與 Cu-Ti-O 化合物，隨著溫度與持溫時間的增加，

Cu-Ti-O 化合物會逐漸溶回去填料基地內。在靠近不鏽鋼端的生成物以 EPMA 進行 color mapping，顯示其主要組 成為Cu-Ti 化合物。隨著反應溫度與時間的增加，Ti 原子會不斷的往界面擴散，填料基地組織最後只剩下富 Cu 區、

富Ag 區與 Cu-Ag 共晶。將真空硬銲的結果進行 700、750℃時效反應，反應時間為 24 小時。實驗結果顯示在長時 間的高溫時效後，在靠近8YSZ 端的界面，TiO 相會轉為穩定的 TiO2相，而Cu 與 Ag 原子亦會擴散穿越過氧化鈦 層。Cu 原子隨即與存在於界面的 O 原子反應生成 CuO 與 Cu2O。Ag 原子仍然與富 Ag 區存在於界面。同樣的，O 原子亦會擴散進入填料基地與原先的富 Cu 區反應生成 CuO。隨著反應溫度與時間的增加，TiO2反應層會逐漸溶 回基地形成鬆散結構，亦提供Cu、O、Ag 原子的擴散路徑。

關鍵字：固態氧化物然料電池、8YSZ、Ag-Cu-Ti 商用活性填料(Cusil ABA)、430SS、真空硬焊

Abstract

The solid oxide fuel cell (SOFC) has been extensively investigated by its characteristic property using solid-state electrolyte. In SOFC structure, 8 mol% yttria doped zirconia (8YSZ) and stainless steel are commonly used as the anode and interconnect materials, respectively. The Ag-Cu-Ti active alloy (Cusil ABA) can be used as the sealing filler. The interfacial reactions in the 8YSZ/Cusil ABA/stainless steel 43 (430SS) sandwich couple bonded by a vacuum barzing method were investigated. The eutectic structure of Ag and Cu, TiO, Cu3Ti3O and Cu2Ti4O phases were observed in the 8YSZ/Cusil ABA/430SS sandwich couple reacted at 833^oC for 60 min. Aged these specimens at 700^oC for 24 h in the atmosphere, Ag-rich phase and CuO dendrite phases between the 8YSZ and 430SS, and CuO, Cu2O and TiO2 layers close to 8YSZ were observed. Increasing brazing temperature to 883 ^oC, the Cu3Ti3O and the Cu2Ti4O phases were dissolved back to the molten braze alloy. Consequently, there are two intermetallic compounds, the TiO and the Cu-Ti phases, were formed at the interfaces along the 8YSZ and 430SS boundaries. The TiO2/CuO/Ag-rich/CuO/TiO2 structures were observed between 8YSZ and 430SS, when the 8YSZ/Cusil ABA/430SS couple was brazed at 883^oC for 60 min and then aged at 750^oC fot 24 h.

Keywords: solid oxide fuel cell (SOFC), 8 mol% yttria doped zirconia (8YSZ), Ag-Cu-Ti active alloy (Cusil ABA), stainless steel 430 (430SS), vacuum brazing

1.前言

隨著溫室效應，地球暖化的問題逐漸影響到人類 的日常生活中，即使在本世紀末即將面臨石油耗竭，

人們對於自然資源的仰賴與需求仍是有增無減。因此 尋找及研發替代能源越顯刻不容緩，再加上環保意識 抬頭，發展發電效率高且符合潔淨環保要求的新式能 源，已成為當前各國莫不爭相研究的重要議題。

而在各類型的燃料電池中，又以固態氧化物燃料 電池(solid oxide fuel cells, SOFC)被視為最具潛力之 高能量轉換效率之技術產品。因為SOFC 是全固態設 計，不需要貴重金屬當催化劑，還可以避免液態電解

質造成的腐蝕污染等問題；壽命長，老化速率低，理 論上發電效率可達到80%，因此適用於固定式以及大 型發電系統的應用。

由全部陶瓷電解質與電極構成的 SOFC，如何在 長 時 間 操 作 下 維 持 良 好 穩 定 性 成 了 主 要 的 發 展 瓶 頸。一般陶瓷材料在高溫熱循環下很容易造成熱應力 的堆積產生微裂縫，造成機械性質的下降，因此降低 SOFC 的工作溫度以及改善材料系統來提升電極催化 與導電性質的提升為各國學者及有關單位研究發展 所關注的焦點。

SOFC 在材料的選用、結構的設計以及製程與組 裝的技術皆攸關電池性能，其中雙極板(interconnetor) 主要扮演提供陽極與鄰近陰極的連接電路及導氣功 用，所以必須具有良好的電傳導性、化學及相穩定性 與較低的氣體穿透度；而若能大幅降低SOFC 的工作 溫度，則能避免金屬高溫過度氧化，將金屬材料系統 應用於SOFC 可降低成本且提高導電度。因此當金屬 材料應用於雙極板上，與其匹配的陽極材料在含氧氣 氛高溫操作下的界面反應為本研究所要探討的。此 外，SOFC 電池系統上的堆疊封裝整合也是相當嚴苛 的挑戰。早期的 SOFC 密封材料以玻璃陶瓷材料為 主，但製程複雜，參數不易控制，且在高溫下會與金 屬雙極板產生交互擴散產生介金屬相，如 Cr 元素的 溶解擴散與玻璃反應生成BaCrO4[1]，造成與相鄰元件 機械性質上的劣化，大幅降低SOFC 長時間操作的穩 定性。

文獻中對於以商用填料與8YSZ 與不銹鋼接合的 研究並不多^[2-6]。本計畫探討以SOFC 陽極-釔安定化 氧化鋯(YSZ)與雙極板 Fe 基不鏽鋼(430SS)之間的界 面反應機制，並選用商業活性填料 Ag-Cu-Ti 合金，

利 用 目 前 廣 泛 應 用 於 金 屬 陶 瓷 接 合 的 真 空 硬 焊 (vacuum brazing)來接合 SOFC 陽極與雙極板。為了探 討真實操作情況下環境氣氛對界面生成物的影響，硬 銲 完 成 後 進 行 時 效 反 應 熱 處 理 觀 察 介 金 屬 層 (Intermetallic compounds, IMCs)的行為，配合既有文 獻建構SOFC 工作溫度範圍，評估以金屬填料作為封 裝材料的可行性。在未來SOFC 系統的整合上提供一 些基礎的參考資料及數據。

2.實驗方法

2.1 YSZ 塊材製備

將 已 經 過 表 面 處 理 的 商 用 釔 安 定 型 氧 化 鋯 (ZrO2-8 mol%Y2O3)，直接均勻秤取 0.5 克置入於直徑 15 mm 之不鏽鋼模具中，以萬能試驗機進行等速加 壓，最大荷重為50 MPa，持壓三分鐘後進行洩壓脫 模，將生胚置於氧化鋁坩堝中進行燒結。

2.2 真空硬焊

使用差式熱分析儀(differential thermal analusis, DTA) 先 對 商 用 活 性 填 料 -Cusil ABA (Ag-25.46 wt%Cu-1.68 wt% Ti)進行液相線溫度測量，以決定硬 銲過程的溫度參數。將活性填料裁切成 5×5 mm 大 小，鐵基不銹鋼(430SS)裁切成 7.5 × 7.5 mm 之面積，

略大於活性填料面積。進行反應前預先將活性填料酸 洗以去除表面氧化物，接著置於430SS 與 YSZ 之間，

此為欲進行真空硬銲的三明治結構，並在上下各加入 直徑12.5 mm、長度 2 cm 的不鏽鋼棒，增加反應過 程 中 試 片 的 平 穩 ； 上 方 的 不 鏽 鋼 模 具 提 供 一 約 1.8×10³ Pa 負載，以確保試片能順利接合。而為避免 活性填料中的活性鈦元素在硬銲過程產生額外的氧 化行為，因此在搭配有真空機械幫浦的管狀爐中進行 反應，反應壓力控制在5×10^-3 torr 以下，反應時間為 10、30、60 分鐘。反應終了爐冷至室溫後方才取出，

以減少陶瓷在冷卻過程中因熱應力的累積而造成微 裂縫的產生。此外，為了探討SOFC 在真實操作氣氛 下對硬銲結果的影響，因此將實驗結果續以進行時效 熱處理。把完成反應的430SS/活性填料/YSZ 三明治 結構置於氧化鋁坩堝中，在高溫爐中進行反應溫度 700 與 750^oC，時效時間為 24 小時，熱處理完畢爐冷 至室溫取出。

2.3 試片分析

首先將完成反應的試片以環氧樹脂進行埋模，接 著進行金相製備處理，以碳化矽砂紙進行粗磨及細 磨，由號數120 目至 4000 目依序更換，最後分別以 粒徑1.0 μm 與 0.3 μm 的氧化鋁粉末進行拋光，讓反 應偶界面光滑平整以利於後續觀察。接著以光學顯微 鏡(optical microscope, OM)進行界面組織型態的初步 觀察，並搭配影像分析軟體量測不同位置區域的界面 反應層面積，再除以量測區域的長度以求出平均的反 應層厚度。然後以場發射電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)搭配能量散佈 光譜儀(energy dispersive X-ray spectrometer, EDX)對 界面生成相進行高倍率的組織型態觀察與生成相的 元素半定量分析，最後以電子微探儀(electron probe X-ray micro analyzer, EPMA)在操作電壓 20 KV 下，

撘配BEI (backscattered electron image)影像對介金屬 生成相作精確的微區組成的全定量分析，並比對相圖 上的資料以確立生成相的種類。

3.結果與討論

3.1 真空硬焊結果

採用Ag-25.46 wt%Cu-1.68 wt% Ti 之三元合金，

商業名稱為：Cusil ABA，作為真空硬焊的活性填料。

填料的厚度為70 μm，利用 DTA 測定其液相線溫度 實驗結果為823^oC。將 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明 治反應偶在液相線溫度10、60 ^oC 以上進行液/固反應。

　 Fig. 1 為 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治反應偶在 833 ^oC 下，反應 10 分鐘後的界面 BEI 金相微結構影 像。觀察靠近8YSZ 的界面處有兩層對比明顯的連續 反應層。上方厚度較薄、對比較深呈黑色的反應層，

經由 EPMA 的定量結果為 Cu-48.5 at.% Ti-49 at.%

O，根據 Ti-O 相圖^[7]，此相應為TiO 相。另有一對比 較淺成深灰色的連續反應層，經由 EPMA 的組成分 析為Cu-42.2 at.% Ti-13.6 at.% O，此相應為 Cu3Ti3O。

在文獻上^[5,8-10]Ag-Cu-Ti/8YSZ 界面的生成物主要為

TiO 或 TiOx，緊鄰氧化鈦層的反應層主要為Cu-Ti-O 化合物，此連續層主要為Cu3Ti3O 及 Cu2Ti4O 的化合 物。

Fig. 2 為在相同溫度下將反應時間增加到 60 分 鐘後的反應界面BEI 金相微結構影像。由結果中可以 觀察到在Cu3Ti3O 反應層的下方，出現微指狀的不連 續反應層，經由 EPMA 的分析結果為 Cu-54.0 at.%

Ti-13.1 at.% O，應為 Cu2Ti4O 相。根據 Fig. 1 與 Fig. 2 的實驗結果的比較發現，即使持溫時間增加，在靠近 8YSZ 界面端的 TiO 反應層厚度並沒有明顯增加，主

要是因為連續Cu3Ti3O 反應層的形成限制住了其成長 機制，使得填料中的 Ti 原子無法持續往界面移動形 成TiO 相，因此金屬填料中剩餘的 Ti 原子接著與固 溶於填料中的O 原子反應形成微指狀的 Cu2Ti4O 相。

Fig. 1 使用 Cusil ABA 填料接合 YSZ/430SS 在 833 ^oC 反應10 分鐘後的 BEI 影像。

Fig. 2 使用 Cusil ABA 填料接合 YSZ/430SS 在 833 ^oC 反應60 分鐘後的 BEI 影像。

Fig. 3 則為在 883 ^oC 下反應 10 分鐘後的界面形 態BEI 影像。由影像中可以明顯觀察到金屬活性填料 與8YSZ 的界面只存在一連續的反應層，經由 EPMA 的組成分析結果為TiO 相，並沒有觀察到 Cu3Ti3O 相 的存在。此現象說明了隨著溫度與反應時間的增加，

Cu3Ti3O 相的層狀組織也會出現剝離逐漸溶解於金屬 填料基地的行為。Fig. 4 為在 883℃下反應 60 分鐘後 的BEI 影像，靠近 8YSZ 界面處亦僅剩 TiO 相^[7]。

3.2 時效反應結果

將 真 空 硬 銲 所 得 之 結 果 再 進 行 人 工 時 效 熱 處 理。把430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治結構置於氧化 鋁坩堝中，直接在高溫爐中進行時效反應，反應溫度 為700、750 ^oC，持溫時間為 24 小時，持溫時間終了 冷卻至室溫取出。

　 Fig. 5 為 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治反應偶在 833℃反應 10 分鐘後，於 700^oC 下時效 24 小時後的 界面BEI 微結構影像。由 Fig. 5 影像可以觀察到靠近 8YSZ 界面存在三種對比不同的連續反應層；最上方 呈深灰色較薄的反應層經由 EPMA 的組成分析為 Cu-47.7at. %O，固溶有微量的 Zr、Y、Ag 等元素，

應為CuO 相。緊鄰著 CuO 相生長的對比呈淺灰色的 連續反應層組成分析的結果為Cu- 31.5at. %O，此相 應為 Cu2O。而最下方顏色呈深黑的反應層，其組成 為Cu-31.4at. % Ti-64.6at. % O，根據 Ti-O 二元相圖

[7]，此相應為TiO2相。

Fig. 3 使用 Cusil ABA 填料接合 YSZ/430SS 在 883 ^oC 反應持溫時間10 分鐘後的 BEI 影像

Fig. 4 使用 Cusil ABA 填料接合 YSZ/430SS 在 883 ^oC 反60 分鐘後的 BEI 影像

Fig. 5 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治反應偶在 833℃

反應10 分鐘後，於 700^oC 下時效 24 小時後的 界面BEI 影像

此時效結果與真空硬焊結果 (Fig. 1 至 Fig. 4) 比 較，實驗結果顯示靠近8YSZ 的緊臨反應層由 TiO 相 變成 CuO 相。推測其形成的可能原因為長時間的高 溫時效提供了Cu 原子額外的擴散活化能，得以跨越

原先的TiO 擴散阻障層，擴散進入界面的 Cu 原子隨 即與O 原子反應生成 CuO 反應層。當大量的 Cu 原 子進入界面消耗O 原子，造成在靠近 8YSZ 界面處 O 原子的濃度下降，因此剩餘的O 原子與過剩的 Cu 原 子反應生成以熱力學觀點上較不穩定的Cu2O 相。根 據擴散定律濃度與距離成反比，因此濃度上的差異造 成反應的不同，其相與相之間的邊界亦較為平整。而 經過時效反應後的氧化鈦層從 TiO 相轉變為 TiO2

相，根據 Ti-O 相圖^[7]可知無論溫度高低，當界面 O 原子濃度持續增加時，生成相會由 TiO 逐漸轉為 TiO2(rutile)。而熱力學的計算數據^[11]顯示在 750℃，

TiO2 的生成自由能的改變量為-758.4 KJ< TiO 的- 444.1 KJ，亦可解釋為何在時效反應初期 Cu 原子尚 未大量擴散進入界面時，TiO 相即轉變為 TiO2相穩定 存在於界面的現象。

Fig. 6 為 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治反應偶 在883℃反應 60 分鐘後，於 750^oC 下時效 24 小時後 的界面BEI 影像。由 Fig. 6 影像中觀察到 TiO2幾乎 消失於填料基地中，推測此現象的形成原因可能為經 過長時間的時效反應後，原本連續且緊密的氧化鈦 層，逐漸出現島嶼狀的黑色顆粒散佈在邊界，顯示其 逐漸剝離溶回填料基地中，TiO2整體結構變的較為鬆 散，而也因此提供了大量的Cu、Ag 原子往 8YSZ 界 面擴散的移動路徑。

Fig. 6 430SS/Cusil ABA/8YSZ 三明治反應偶在 883℃

反應60 分鐘後，於 750^oC 下時效 24 小時後的 界面BEI 影像

4.結論

4.1 真空硬焊

使用商用Cusil ABA 活性填料時，在 833 ^oC 反應 60 分鐘時，界面的生成相主要為 8YSZ / TiO / Cu3Ti3O / Cu2Ti4O / Ag-Cu 合金，當溫度升高與時間增加時，

組織型態呈微指狀的Cu2Ti4O 會逐漸剝離溶回填料基 地裏，當溫度與時間持續增加時，Cu3Ti3O 相亦會逐 漸剝離產生島嶼狀散佈然後溶回填料基地裏。而在持 溫過程中，Ti 原子不斷往界面擴散使得填料基地組織 最後為富Ag 區、富 Cu 區與 Ag-Cu 共晶組織。在 8YSZ 的界面最後僅剩 TiO 相，而與 430SS 的界面始終以 Cu-Ti 化合物為主。

4.1 時效反應

根據實驗結果顯示，在時效反應初期界面的TiO 相會逐漸轉變為 TiO2相，隨著長時間的高溫時效反 應，TiO2反應層會逐漸出現島嶼狀剝離現象，此現象 亦提供了填料基地中的Cu、Ag 原子往界面擴散的路 徑。大量的 Cu 原子隨即與界面的 O 原子反應形成 CuO 與 Cu2O 相，不穩定的 Cu2O 相隨著持溫時間的 增加會逐漸消失。往界面擴散的Ag 原子不易與其他 元素反應最終以島嶼狀的富Ag 區散佈在 CuO 與 TiO2

反應層中。時效過後TiO2相會逐漸溶回填料基地裏，

而O 原子會擴散至整個填料基地與原先殘留的富 Cu 區反應產生CuO 相，最終填料基地僅剩富 Ag 區與富 Cu 區。在 430SS 的界面生成物亦會與 O 原子反應生 成CuO 與 TiOx取代原先的Cu-Ti 化合物。

5.參考文獻

1. SECA Core Technology Program-SOFC interconnect Meeting, July28-29, (2004).

2. N. Iwanoto, H. Yokoo, “Joining of zirconia to metals using Zr-Cu alloy”, Engineering Fracture Mechanics, 40 (1991) 931-940.

3. M. Singh, T. P. Shpargel, R. Asthana, “Brazing of stainless steel to YSZ using silver-base brazes”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, 26 (2005) 383-390.

4. M. C. Tucker, Craig P. Jacobson, Lutgard C. De Jonghe, Steven J. Visco, “A braze system for metal-supported solid oxide fuel cell”, Journal of Power Sources, 160 (2006)1049-1057.

5. O. Smorygo, J. S. Kim, M. D. Kim, T. G. Eom,

“Evolution of the interlayer and the fracture modes of the zirconia/Cu-Ag-Ti filler/Ti active brazing joints”, Materials Letters, 61 (2007) 613-616.

6. Y. W. Yen, C. Y. Lee, D. P. Huang and J. W. Su,

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7. J. K. Murray and H. A. Wriedt, Binary Alloy Phase Diagrams-CD-ROM, Materials Park, OH : ASM International (1996).

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9. H. Q. Hao, Y. L. Wang, Z. H. Jin and X. T. Wang,

“Joining of zirconia to zirconia using Ag-Cu-Ti filler metal”, Journal of Materials Processing Technology, 52 (1995) 238-247.

10. R. M. Do Nascimento, A. E. Martinelli, A. J. DE A.

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11. J. P. Hammond, S. A. David, M. L. Santella,

“Brazing ceramic oxides to metals at low temperatures”, Welding Journal, vol.67, pp.

227s-232s (1988).

6.計畫成果自評

在前期計畫中(鐵-鉻合金與陽極/陰極之界面反 應與相平衡-I-III，NSC (93-95)-2218-E-011 -005)，已 得知鐵基不銹鋼 430SS 可以作為 SOFC 之雙極板材 料，而 Ag-Cu 合金也適合做為密封的填料。本期研 究 特 色 則 是 結 合 上 述 計 畫 所 獲 得 之 經 驗 與 實 驗 結 果，直接以商用銀-銅-鈦活性填料接合雙極板-不銹鋼 430SS 與陽極 8YSZ 之行為；並於大氣環境下時效熱 處理，探究其接合行為的變化。根據實驗結果顯示，

在時效反應初期界面的 TiO 相會逐漸轉變為 TiO2

相，隨著長時間的高溫時效反應，TiO2反應層會逐漸 出現島嶼狀剝離現象。大量的Cu 原子隨即與界面的 O 原子反應形成 CuO 與 Cu2O 相，不穩定的 Cu2O 相 隨著持溫時間的增加會逐漸消失。時效過後 TiO2相 會逐漸溶回填料基地裏，而 O 原子會擴散至整個填 料基地與原先殘留的富Cu 區反應產生 CuO 相，最終 填料基地僅剩富Ag 區與富 Cu 區。在 430SS 的界面 生成物亦會與O 原子反應生成 CuO 與 TiOx取代原先 的Cu-Ti 化合物。

而 計 畫 主 持 人 利 用 此 計 畫 共 計 參 與 國 內 研 討 會，預計發表3 篇論文；國際研討會一次，發表兩篇 論文。其中一篇已獲得Journal of Electronic Materials 期刊之接受。本計畫所獲得之結果也正在整理之中，

預計年底前會投稿於國際期刊-Journal of Alloys and compounds。本研究所獲得之成果分列如後：

I. 期刊發表：

1. Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate, Journal of ELECTRONIC MATERIALS (2010, in press).

2. Interfacial reactions in 8YSZ/430SS/Cusil ABA /8YSZ/430SS sandwich couples (prepare to submit

to Journal of Alloys and compounds).

II. 國際研討會：

1. Interfacial reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate, Kuen-da Chen Yee-wen Yen*and Wei-kai Liou, 139th TMS Annual Meeting, Seattle, WA, CA, USA (2010). (oral) 2. Interfacial Reactions of Pure Sn、Sn-3.0Ag-0.5Cu

and Sn-9.0Zn Lead-free Solders with the Fe-42Ni Substrate, Yu-Ping Hsieh, Chien-Chung Jao, Yee-Wen Yen*, 139th TMS Annual Meeting, Seattle, WA, CA, USA (2010). (poster)

III.國內研討會：

2010 中國材料年會

[1] Sn-Zn-Fe 三元系統於 270^oC 下的相平衡 [2] Sn-Zn 合金與 Au 基材之界面反應 中國鑛冶工程學會99 年年會：

[1] 以銀-銅-鈦活性填料接合固態氧化物燃料電池 不鏽鋼雙極板與釔安定化氧化鋯陶金陽極之 界面反應與時效之研究

本計畫獲國科會補助研究，為期一年時間。相關 的研究經費實在拮据，計畫主持人自99 年 3 月起亦 不支領研究主持人費，才得已勉強維持計畫的運作。

在如此有限的經費與時間內，能獲得上述的成果，實 屬不易。在此感謝所有參與此計畫的研究人員。新式 能源開發的政策已成為行政院經濟部的重點推展計 畫之一。而SOFC 有其優點，可以成為小型社區發電 之發電設備，可以有效降低碳的排放量。未來如果國 科會或經濟部能對類似計畫給予更多的經支持，相信 必能共創產、官、學三贏的局面；也使台灣成為新式 能源的輸出國。

出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC 98－2221－E－011－042－

計畫名稱 固態氧化物燃料電池中雙極板與陽極、金屬填料之界面反應研究 出國人員姓名

服務機關及職稱 顏怡文/國立台灣科技大學材料科學與工程學系/副教授

會議時間地點 2010/2/14-18，美國西雅圖市；本人於 2/15 下午發表口頭演講。

會議名稱 2010 年美國礦物、金屬、材料學會年會

發表論文題目

1. Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate (Oral)

2. Interfacial Reactions of Pure Sn、Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-9.0Zn Lead-free Solders with the Fe-42Ni Substrate (Post)

1.參加會議簡介

TMS 全名為 The Minerals, Metals & Materials Society，為美國礦冶、金屬與材料 學會，是美國，同時也是國際材料界上非常資深的一個學會，在美國材料學界有極高 之影響力。該學會至今已成立 139 年，會員遍及全球。今年 2010 年於美國西雅圖市 舉辦年會，近 60 場的研討會，超過 3000 名以上來自世界各地的材料界菁英共襄盛舉。

在電子 IC 產業極為發達的亞洲，台灣、日本、韓國、香港等各國之材料先進與研究 學者均視 TMS 為每年最重要之材料盛會。今年舉辦期間適逢中國農曆新年，但亞洲 各國之學者仍捨棄與家人團聚的機會，不辭辛勞參與此次會議，發表最新之研究。本 次會議場所是在美國西雅圖市，正值早春加上新年氣氛，給人感覺十分的清新。今年 全球景氣逐漸回溫，業界參與此次學術研討的人數較去年多，廠商參展規模亦勝於去 年。綜觀此次研討會，在無鉛銲料的領域中多數為臺、韓兩國的研究報告。這也顯示 此領域的關鍵技術掌握在亞洲。如果台灣要保有在電子構裝與無鉛銲接領域的領先地 位，政府與廠商相關單位應該投以更多的資源給予學術界，以讓台灣繼續在此領域擔 任領航員的角色。

2.與會心得

　 在此次會議中我繼續續任 TMS 之 Alloy Phases Committee 委員，於 2 月 14 日晚 間與會議主席 Prof. Schmid-Fetzer、副主席-Dr. F. Zhang 等共同召開會議，檢討去年由

該委員會所舉辦之研討會-『Phase Stability, Phase Transformation, and Reactive Phase Formation in Electronic Materials X』的會議狀況，與今年報名情況，並預估 2011 年之 狀況。同時也改選委員會主席，由副主席 Dr. Zhang 升任主席一職。此外，明年此研 討會之負責主席亦為台灣中興化工陳志銘教授，我亦擔任共同會議主持人一職。隔 日，即 2 月 15 日上午，我先擔任『Phase Stability, Phase Transformation, and Reactive Phase Formation in Electronic Materials IX』之主持人；下午則由我上台做論文報告。

所報告之題目為『Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate 』。同時，我亦參加 TMS 之海報論文，論文 題目為『Interfacial Reactions of Pure Sn、Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-9.0Zn Lead-free Solders with the Fe-42Ni Substrate』。故 2010 年，我共有兩篇論文發表於 TMS。

　 　無鉛銲料自 2006 年 7 月 1 日推行以來，已歷經近四年時間。此無鉛化的趨勢，

是一條單行道，並無退路可言。但隨構裝尺寸的縮小，相關的問題卻也一一浮現，嚴 重性更勝於以往。由於台灣與韓國主宰世界構裝市場，所以相關議題的報告多以來 台、韓兩國研究結果為主。在台灣方面，清大化工陳信文教授、清大材料杜正恭教授、

台大材料高振宏教授等等，更是會場矚目的焦點。在此領域，預估近 10 位台灣教授 親自參與此議題的討論，如果包含學生，則約有 40 餘位，其參與人數更勝於台灣的 相關年會。這也顯見台灣老師與學生國際化程度十分高；雖然相關經費拮据，但師生 參與國際學術研討會的熱情不減，許多師生都是自掏腰包前往。以本人為例，我亦自 行負擔約 6 萬台幣的經費來參與此研討會。台灣要進步，絕對不是空口白話的口號。

研究學者在前線打仗，相關的後勤補給也是十分重要的。沒有子彈、糧食，如何戰勝 敵人？！雖然相關科研經費日益縮減，還是期盼政府相關單位與產業界，能給予學術 界更多的資源，以共同為確保台灣掌握關鍵技術而共同努力！

以下也附上幾張此次研討會的張照片，作為此篇報告的花絮報導，增加報告的閱 讀性。照片說明如下：

Fig. 1 2010/2/15 當天上午之議程。其中會議主持人分別為中興化工-陳志銘教授與我本 人。

Fig. 2 本人主持會議時之一景。演講者為大阪大學之 Suganuma 教授，為日本知名之 構裝專家。

Fig. 3 本人主持會議時之一景。演講者為中興大學之陳志銘教授。陳教授為 Phase Stability, Phase Transformation, and Reactive Phase Formation in Electronic Materials IV』主要籌辦委員。

Fig. 4 本人所發表之論文-Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate 之演講一景。

Fig. 5 本人於此會議所發表之海報論文-Interfacial Reactions of Pure Sn,Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-9.0Zn Lead-free Solders with the Fe-42Ni Substrate

Fig. 1 2010/2/15 當天上午之議程。其中會議主持人分別為 中興化工-陳志銘教授與我本人。

Fig. 2 本人主持會議時之一景。演講者為大阪大學之 Suganuma 教授，

為日本知名之構裝專家。

Fig. 3 本人主持會議時之一景。演講者為中興大學之陳志銘教授。

陳教授為 Phase Stability, Phase Transformation, and Reactive Phase Formation in Electronic Materials IV』主要籌辦委員。

Fig. 4 本人所發表之論文-Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate 之演講一景。

Fig. 4 本人於此會議所發表之海報論文-Interfacial Reactions of Pure Sn, Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-9.0Zn Lead-free Solders with the Fe-42Ni Substrate 備註：

附件為此次參與 2010TMS 所發表之論文，題目為：Interfacial Reactions of Sn-0.7Cu、

Sn-9Zn and Sn-58Bi Lead-free Solders with the Au/Ni/SUS304 Substrate，已被國際期刊 (SCI)-Journal of Electronic Materials 期刊所接受之信件。該文預計於 2010 年年底之前 刊出。

無研發成果推廣資料

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他： （以 100 字為限）

國內研討會發表 3 篇論文；國際研討發表兩篇論文。

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本 在 前 期 計 畫 中 ( 鐵 - 鉻 合 金 與 陽 極 / 陰 極 之 界 面 反 應 與 相 平 衡 -I-III ， NSC (93-95)-2218-E-011 -005)，已得知鐵基不銹鋼 430SS 可以作為 SOFC 之雙極板材料，而 Ag-Cu 合金也適合做為密封的填料。本期研究特色則是結合上述計畫所獲得之經驗與實驗 結果，直接以商用銀-銅-鈦活性填料接合雙極板-不銹鋼 430SS 與陽極 8YSZ 之行為；並於 大氣環境下時效熱處理，探究其接合行為的變化。本計畫所獲之結果證明銀-銅-鈦商用填 料可應用在 SOFC 系統中；實現 SOFC 之實際應用與增加其可靠度，提供重要之資訊。新式 能源開發的政策已成為行政院經濟部的重點推展計畫之一。而 SOFC 有其優點，可以成為 小型社區發電之發電設備，可以有效降低碳的排放量。未來如果國科會或經濟部能對類似 計畫給予更多的經支持，相信必能共創產、官、學三贏的局面；也使台灣成為新式能源的 輸出國。