Toshio Suzuki（高级研究员）、功能集成组（组长：Yoshinobu Fujishiro）、日本国立先进工业技术研究所（AIST；主席：Tamotsu Nomakuchi）先进制造研究所（所长：Norimitsu Murayama）、美国科罗拉多矿业学院 Nigel Sammes（教授）等人开发了微型固体氧化物燃料电池（一种微型SOFC），带有催化剂层，可以通过直接重整使用各种碳氢化合物燃料。该技术允许在低于 450 °C 的温度下直接重整甲烷燃料来发电。

通常，SOFC 在 700 至 1000 °C 的高温下运行，在各种类型的燃料电池中具有最高的能量转换效率。然而，它们的使用仅限于大型固定电源等应用。 AIST 一直在研究和开发微型 SOFC，用于高要求的紧凑型电源。对于此类应用，使用碳氢化合物燃料的技术非常重要。然而，到目前为止，碳氢化合物在低于600℃的工作温度下还没有充分重整，因此很难将其作为燃料直接发电。因此，降低工作温度一直是一个大问题。

我们开发了一种在低温下直接重整甲烷蒸汽燃料的技术，通过在带有镍基燃料电极（阳极）的管状微型SOFC的内表面上形成纳米级二氧化铈基层作为重整催化剂。此外，我们在世界上首次演示了在450℃的低温下直接重整燃料的发电。开发的电池结构允许设计和应用适合各种碳燃料的加氢重整催化剂。新燃料电池技术的使用预计将导致紧凑型SOFC系统的早期开发，该系统可以在低温下直接使用碳氢化合物燃料并减少燃料电池启动能量。

部分结果已发表在英国科学期刊上，能源与环境科学。详细信息将于 2011 年 1 月 23 日至 28 日在美国佛罗里达州举行的第 35 届先进陶瓷和复合材料国际会议暨博览会上公布。

图 1：电池示意图

燃料电池是一种将燃料直接转化为电能的装置。燃料电池因其高能量转换效率而有望成为下一代能源。使用不同材料开发了各种类型的燃料电池；在这些电池中，SOFC 的能量转换效率最高。由于SOFC由陶瓷组成并在高温（700至1000°C）下运行，因此其应用仅限于大型发电系统。 SOFC 的新应用正在高需求领域开发，包括住宅应用的分布式电源、移动电子设备的电源以及车辆的辅助电源装置。开发这些应用的关键技术是（1）允许快速启动的微型 SOFC 模块化技术和（2）允许使用碳氢化合物燃料进行低温运行的多燃料技术。在采用传统镍基阳极的SOFC中，碳氢燃料在低于600℃的温度下不能充分重整，使得碳氢燃料难以直接发电。为了小型化SOFC系统，需要开发高性能SOFC技术，实现碳氢化合物在阳极直接重整并在500~600℃的低温下发电。

针对SOFC在小型高要求电源中的应用，产业技术研究所一直在进行微型SOFC的模块化研究和开发，以提高其快速启动能力并降低组件成本。在新能源产业技术综合开发机构的“陶瓷反应堆开发项目（2005～2009年度）”中，产业技术综合研究所对650℃以下的高输出、耐热冲击性SOFC的实际应用进行了研究，开发了使用二氧化铈和氧化锆系材料的快速启动微型SOFC的捆绑/堆叠技术。在当前的研究中，我们的目标是开发一种新型微型固体氧化物燃料电池，可以直接重整甲烷燃料。

SOFC 的性能随着工作温度的降低而迅速下降。为了解决这个问题，我们开发了一种新的电极技术，可实现 10 W/cm 的高功率密度²在约 600 °C 的低温下使用氢气（AIST 新闻稿，2009 年 9 月 10 日）。然而，需要进一步降低工作温度以减少SOFC系统的启动时间和能量。需要开发使用能量密集型碳氢化合物燃料的紧凑型 SOFC 系统以供实际使用。由于阳极在600℃以下的温度下催化活性较低，因此发电性能良好；在这些温度下重整反应很难发生。这个问题需要解决。

考虑到这一点，我们开发了一种阳极直接重整技术，通过改进多年来开发的管式微型SOFC技术，并在阳极添加催化剂层，以允许直接使用碳氢化合物燃料。在传统的平面电池中，互连材料连接到阳极表面以收集电流，这使得难以直接在电池上形成燃料重整层。因此，在平面燃料电池系统中，燃料重整器位于SOFC模块附近。在管状微型 SOFC 系统中，电流从阳极管的端面收集，从而可以将各种成分的功能层添加到阳极表面。

开发的管状微型SOFC采用二氧化铈基陶瓷作为电解质，镍二氧化铈基陶瓷作为阳极，镧钴二氧化铈基陶瓷作为空气电极（阴极）。通过在阳极内表面添加纳米级二氧化铈基重整催化剂层，制备了直径为 18 mm 的管状微型 SOFC（图 2）。

图2：具有纳米级二氧化铈基重整催化剂层的管状微型SOFC的横截面以及催化剂层的表面

具有和不具有二氧化铈基催化剂层作为功能催化剂的微型SOFC通过使用甲烷-蒸汽混合物在约450°C的温度下进行了测试。与没有催化剂层的微型SOFC相比，具有催化剂层的微型SOFC的发电性能得到显着改善。我们在世界上首次展示了通过直接重整甲烷基燃料在如此低的温度（500°C以下）下发电（图3）。在没有二氧化铈基催化剂层的情况下，直接使用甲烷基燃料时，在约450℃时产生的电压低至06V（图3），功率密度为每平方厘米几毫瓦。层状催化剂的功率密度增加至01 W/cm²—实用水平，大约是无催化剂密度的30倍。此外，功率密度为04 W/cm²和045瓦/厘米²分别在约 500 °C 和 550 °C 下实现（图 4）。目前，我们正在研究和开发具有不同催化剂层的电极，以实现等于或大于使用包括甲烷在内的各种碳氢燃料的低温氢燃料的功率密度。

在所开发的微型SOFC中，通过浆料涂布法形成功能性催化剂层。使用该方法可以添加适合各种碳氢化合物燃料的催化剂层。另外，催化剂层和阴极可以同时烧结，有成本效益。我们相信，这种新的燃料电池技术将加速实现可在低温下直接使用各种碳氢燃料的紧凑型 SOFC 系统。

图3：带催化剂层和不带催化剂层的管式微型SOFC在450℃左右的发电性能比较

图4：直接使用甲烷-蒸汽混合物在约(a) 550 °C、(b) 500 °C和(c) 450 °C下具有催化剂层的管状微型SOFC的发电性能的工作温度依赖性

下一步，我们将对各种碳氢燃料的催化剂层进行设计和优化，并将多年来开发的SOFC模块化技术应用于新型管式微型SOFC。我们的目标是减少启动能源，开发具有更快启动时间的紧凑型 SOFC 系统，并推广其作为下一代车辆和移动设备的小型、燃料灵活的电源。