独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）先进制造工艺研究部[研究部主任村山信光]功能模块化研究小组[研究小组组长藤城义信]研究员铃木俊夫等氧化锆类型电解质二手固体氧化物燃料电池 (SOFC)工作温度，600℃发电密度11W/cm2
SOFC具有高可靠性和能量转换效率等优异特性，因为所有部件都可以由陶瓷材料制成，但由于它需要高工作温度（700至1000℃），其应用迄今为止受到限制。因此，为了使SOFC得到广泛的应用并投入实际使用，需要降低工作温度并降低成本，目前正在进行各种研究。
此次，产业技术研究院与精密陶瓷技术研究会合作，采用先进的制造工艺技术，提高了传统氧化锆基材料的性能，同时实现了电解质的细化和电极结构的优化，试制出管状微型SOFC。此外，通过明确燃料电极结构和燃料流量对发电性能的影响，我们明确了使用传统材料提高SOFC性能的指导方针。这项研究的结果被认为为实现可使用氧化锆基材料在低温下运行的 SOFC 系统提供了一条途径，该系统在长期稳定性和成本方面具有优越性。
该成果于2009年8月14日发表在美国科学杂志《Science》上。
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图1 开发管型微型SOFC（1W输出）
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燃料电池是一种通过燃料与空气（氧气）之间的化学反应直接产生电能的发电装置，由于其能量转换效率高，有望作为下一代能源投入实用。燃料电池固态聚合物 (PEFC)、熔融碳酸盐形式 (MCFC)、磷酸盐形式 (PAFC)、固体氧化物型（SOFC）等。PEFC的工作温度约为100°C，正在开发为家用和汽车用燃料电池，但也指出了能源效率低、电极材料成本高等问题。另一方面，由陶瓷材料制成的SOFC在燃料电池中具有最高的能量效率。然而，由于SOFC的工作温度高达700至1000摄氏度，其使用一直局限于大型发电设施。 SOFC如果工作温度可以降低家庭分布式电源、移动电子设备的电源、汽车辅助电源等，因此正在积极进行针对SOFC的低温运行的研究和开发。
AIST正在与精细陶瓷技术研究协会合作开展新能源和产业技术开发组织的一个项目，旨在降低SOFC的工作温度并提高其快速启动性能。陶瓷反应器开发”（2005-2009财年），我们正在进行研究和开发，通过微型化和高度集成化，实现高输出且即使在低于600℃的工作温度下也能抵抗热冲击的SOFC的商业化。到目前为止，虽然可以期待高发电性能，但它被认为难以制造。二氧化铈基材料，成功开发出高性能管式微型SOFC及其集成技术。 (2009 年 2 月 12 日新闻公告）
另一方面，对于氧化锆基材料已有大量的研发经验，其具有优异的长期稳定性且在成本方面具有优势，并且在SOFC（工作温度700-1000℃）的实际应用中取得了进展。 SOFC低温运行的研究主要集中在新材料的开发上，虽然可在600℃以下运行的SOFC材料的开发正在取得进展，但要使其发挥SOFC的功能，还有许多问题需要解决。因此，人们强烈希望开发一种能够实现低温操作的新制造工艺技术。
产业技术研究院与精密陶瓷技术研究会合作，开发了先前开发的使用二氧化铈基材料的高性能管状微型SOFC制造技术，并开发了一种新的制造工艺技术，可以实现更薄的电解质膜（从以前的膜厚约20μm减少到3μm）和先进的电极结构控制（孔隙率和催化剂结构）。通过将该制造工艺技术应用于氧化锆基材料，我们成功地创造了一种具有前所未有的薄膜电解质和高孔隙率电极结构的氧化锆基SOFC。
采用氧化锆陶瓷作为电解质材料、镍氧化锆陶瓷作为燃料侧电极材料、镧钴氧化陶瓷作为空气侧电极材料，制作了直径为18 mm的管状微型SOFC（图2）。通过改变这种微型SOFC燃料电极的孔隙率，我们比较了氢气流下的发电性能。电极电阻燃料电极孔隙率的影响较大，孔隙率为54%时，电极电阻可降低至1/30（图3）。当我们对这种燃料电极孔隙率为54%的微型SOFC在工作温度550-600℃进行发电测试时，最大值为05-11W/cm2的力量获得（图4）。我们还发现，微型SOFC的发电性能根据燃料流动条件的不同而变化很大。
这项研究的结果揭示了提高氧化锆基SOFC性能和降低工作温度的指南，这在长期稳定性和成本方面具有优势。随着设计成为可能，预计SOFC系统的应用将会扩大并变得更加普及。
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图2 所开发的管式微型SOFC（1W）的概述和横截面图
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图3 所开发的管式微型SOFC的电极电阻与燃料电极孔隙率之间的关系
（电子显微照片显示还原后的燃料电极结构）
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图4 燃料电极孔隙率为54%的SOFC的发电性能
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今后，我们将基于此次获得的知识，进行进一步的研究和开发，以提高在成本方面具有优势的氧化锆基SOFC的性能。新开发的氧化锆基SOFC（工作温度~600℃）和之前开发的二氧化铈基SOFC（工作温度~500℃）可根据燃料类型和重整方法等各种使用条件和应用进行使用。最终，我们希望扩大SOFC作为新能源装置的使用范围，并推动其广泛应用，以实现低碳排放社会。