功能组装技术组（组长：藤城义伸）、米乐m6官方网站（AIST）先进制造研究所（所长：村山法光）（会长：野间口保）、精密陶瓷研究会（会长：加藤太郎）、NGK火花塞有限公司（会长：加藤则夫）（FCRA-NGK），以及东邦燃气有限公司（Toho Gas）（总裁：Taku Saeki）开发了高度集成的高性能微管式固体氧化物燃料电池（SOFC）模块，这将拓宽 SOFC 的应用范围。

SOFC 的现有应用受到限制，因为电池在超过 800°C 的高温下运行。人们期望实现能够快速（启动和停止）操作的SOFC模块。在这项研究中，我们开发了可产生数十至数百瓦功率的 SOFC 模块，可满足各种系统要求。进行了发电测试，检查了气体歧管的连接、电流收集和各种特性。测试的模块由两个集成微管式SOFC单元（总共90个电池）组成，输出功率超过50 W，发电效率超过40%，体积功率密度为2 W/cm³。此外，通过组装8个集成单元构建了200W级模块。因此，产生高达数百瓦功率的大型模块的基本制造和评估技术已经建立（见下图）。 SOFC模块对辅助动力装置（APU）和小型热电联产系统的适用性将使用200W级模块进行测试。

这项研究是新能源和产业技术综合开发机构 (NEDO)“先进陶瓷反应器”项目的一部分，其结果将在 2009 年 9 月 16 日在爱媛大学举行的第 22 届日本陶瓷学会秋季研讨会和 10 月 6 日在奥地利维也纳举行的第 11 届 SOFC 国际研讨会上报告2009年。

高集成微管式SOFC模块

已经开发出多种类型的燃料电池，试图实现高发电效率并大大减少二氧化碳排放₂排放，导致全球变暖。在这些燃料电池中，由陶瓷部件组成的SOFC表现出最高的效率。由于SOFC与其他类型的燃料电池不同，在高温（800-1000°C）下运行，废热可用于燃料重整和热水储存，系统的整体能源效率可以非常高。此外，已证实 SOFC 比其他类型的燃料电池表现出更好的长期稳定性。然而，由于SOFC在高温下运行，其应用仅限于热循环和负载变化可以保持较小的发电系统。因此，人们需要能够在低于650℃的温度下快速启动和停止操作的SOFC，以便它们能够广泛应用于家庭分散电源、移动设备电源和电动汽车中的APU等。在这种情况下，微管式固体氧化物燃料电池被证明在实现快速启停运行方面表现出了巨大的潜力。然而，问题之一是难以集成这些管式电池来实现小型、高功率 SOFC，发电功率范围从几瓦到几千瓦，而工业界对此有很大的高效需求（图 1）。

图。 1 燃料电池发展趋势及小型SOFC需求

作为NEDO项目的一部分，先进陶瓷反应器项目（2005-2009财年）、AIST、FCRA-NGK和东邦气体合作实现了SOFC，满足在650°C以下的温度下运行、高功率输出和快速启动和停止运行等要求。此次合作开发了能够快速启动的高性能微管式SOFC，其直径在毫米或亚毫米范围内。已经建立了制造集成单元（立方体）的技术，其大小如方糖，可产生超过 2 W/cm 的功率³在550°C的低温下(2007 年 3 月 29 日新闻稿）。为了提高集成单元和模块的性能，进一步研究了微管式SOFC的升级技术，相关报告之一发表在美国《科学》杂志上（2009年8月14日）。

对于高性能微管式SOFC系统的实际应用，认为有必要增加集成规模，建立并验证实现任意电气连接以满足输出要求的集成技术，以及包括歧管连接在内的模块技术。 AIST、FCRA-NGK 和 Toho Gas 开发了集成微管式 SOFC 和制造原型模块的技术。我们还评估了发电能力，以证明所采用的制造技术的有效性。 AIST承担评估每个模块元件基本性能的责任；在此结果的基础上，FCRA-NGK 设计并制造了模块，东邦燃气对已完成的模块进行了评估。

在这项研究中，微管式 SOFC 本质上能够快速启动和停止操作，并且是高度集成的。电池的电解质选用氧化钆掺杂的二氧化铈和氧化钪稳定的氧化锆，这两种材料都是优异的离子传导材料。使用50W级模块检查发电性能。更准确地说，模块是使用多个 15 至 30W 级别的集成单元（3 个并联，9-15 个串联）组装而成，其中包含具有出色尺寸精度的组件，以满足目标功率输出。为了实现50W级模块，需要并联两个集成单元（图2），每个单元由3个并联和15个串联的微管状SOFC组成（该模块包含90个电池）。该组件经验证输出功率超过50W，发电效率超过40%，单位体积功率为2W/cm³（每个集成单元；图 3）。也证实了在较低的燃料利用率下可以获得更高的输出功率。此外，200W级模块已经组装完毕，目前正在进行评估。虽然200W级模块由8个集成单元组成，结构复杂，但带有气体歧管和集流结构的发电单元的完成增加了更高功率输出的前景，并表明我们向更广泛的SOFC应用迈出了重要一步。

图。 2 小型高效SOFC和模块的开发

图。 3 50W级组件发电测试结果

本研究开发的SOFC模块每单位体积（电极面积）的集成度是最高水平，所开发的技术可用于实现更小、更强大的能源。由于模块的基本组件（即集成单元）可以产生 2 W/cm 的体积功率密度³，目前的技术被证明对于制造高度集成的微管式SOFC模块是有效的。

开发的微管式SOFC组件技术将有助于加速SOFC应用领域的拓展，组件体积可达数十厘米³（几十瓦的应用发电，例如移动电子设备的电源）到几千厘米³（几千瓦，例如家用电源和汽车APU）。

我们将进一步改进电池和组件结构，进行各种工况下的测试，提高组件性能，以开发抗热冲击、快速启动、易于兼容各种系统要求的高性能SOFC组件。