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Nobumitsu Murayama]美国科罗拉多矿业学院功能集成与模块化研究组首席研究员Toshio Suzuki[研究组长Yoshinobu Fujishiro]Nigel Sammes教授等人开发出一种带有催化剂层的微生物，可以直接重整和使用各种碳氢化合物燃料
固体氧化物燃料电池（微型固体氧化物燃料电池）。这使得即使在低于 450°C 的低温下也可以通过重整甲烷燃料直接发电。
SOFC 在高工作温度下运行（700-1000℃），能量转换效率是燃料电池中最高的。然而，其应用主要限于大型固定电源，因此AIST一直在对微型SOFC进行研究和开发，以便将其应用于需求量大的小型电源。利用碳氢燃料的技术在此类应用中很重要，但迄今为止，在低于600°C的温度下燃料重整尚未取得充分进展，因此难以直接用于发电，从而使较低的工作温度成为主要问题。
此次，我们通过在镍基燃料电极的管式微型SOFC的内壁上构建纳米级二氧化铈层作为重整催化剂，成功开发了使用甲烷+蒸汽燃料的低温范围内的直接电极重整技术。此外，我们在世界上第一个证明即使在低至450℃的温度下也可以通过直接燃料重整发电。此外，所开发的电池结构允许设计和应用适合各种碳氢化合物燃料的重整催化剂，并有望早日实现紧凑型SOFC系统，该系统可以在低温下直接利用碳氢化合物燃料，从而减少启动能量。
该成果部分发表在英国科学杂志《能源与环境科学》上。详情将于 2011 年 1 月 23 日至 28 日在美国佛罗里达州举行的第 35 届先进陶瓷与复合材料国际会议暨博览会上公布。
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图 1 单元概览
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燃料电池是直接将燃料转化为电能的装置，由于能实现较高的能量转换效率，有望成为下一代能源。根据所使用的材料，已经开发出各种类型的燃料电池，但 SOFC 显示出最高的能量转换效率。 SOFC是一种完全由陶瓷材料制成的燃料电池，工作温度高达700至1000摄氏度，因此其应用仅限于大型发电设施。有
家庭分布式电源、
移动电子设备的电源、
汽车辅助电源进行此类应用程序开发的重要之处是
快速启动操作到目前为止，使用传统的镍基燃料电极直接发电还很困难，因为在低于600℃的温度下燃料的重整不能充分进行。特别是，为了使设备小型化，期望实现能够在500至600摄氏度的低温下在电极处直接重整燃料并同时发电的高性能SOFC技术。
AIST一直致力于微型SOFC的模块化研究和开发，提高快速启动性能并降低组件成本，旨在将SOFC应用于高需求的小型电源。特别是，在新能源产业技术综合开发机构的“陶瓷反应器开发”项目（2005-2005财年）中，我们对高输出且在650摄氏度以下的工作温度下具有抗热冲击能力的SOFC进行了商业化研究，并迄今为止成功开发了使用二氧化铈和氧化锆基材料能够快速启动的微型SOFC的捆绑和堆叠技术。这次，我们致力于开发一种可以直接重整甲烷燃料的新型微型SOFC。
由于SOFC的性能在工作温度降低时迅速下降，AIST正在使用氢燃料在600℃左右的10W/cm的低温下克服这个问题
2（结果于2009年9月公布）。另一方面，为了缩短SOFC系统的启动时间和启动能量，需要进一步降低运行温度。此外，为了推进SOFC的应用发展，有望实现使用高能量密度碳氢燃料的紧凑系统。然而，当使用诸如甲烷之类的烃燃料时，尤其是在难以发生重整反应的低于600℃的低温下，与氢燃料的情况不同，出现电极活性降低、导致发电性能显着下降的问题，并且需要解决该问题。
在此背景下，我们通过开发迄今为止开发的管型微型SOFC技术，开发了添加具有燃料重整功能的催化剂层的直接电极重整技术，使得直接使用碳氢化合物燃料成为可能。在传统的平板电池中，用于集电的互连材料连接到燃料电极的表面，因此很难在电池上直接设置燃料重整功能层，因此采用了将燃料重整器安装在SOFC模块附近的系统配置。另一方面，在管型微型SOFC中，电流从燃料电极管的端面收集，因此可以将具有各种构造的功能层应用到燃料电极表面。
我们这次打造的管状微型SOFC采用二氧化铈基陶瓷作为电解质材料和燃料侧电极材料
镍-二氧化铈系统用于陶瓷和空气侧电极材料
灯笼钴-二氧化铈使用陶瓷。通过在燃料电极内壁表面涂覆纳米尺寸的二氧化铈重整催化剂层，制备了直径为18 mm的管状微型SOFC（图2）。
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图2 具有纳米级二氧化铈催化剂层的管状微型SOFC和催化剂层表面的横截面
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使用甲烷和水蒸气的混合气体在450℃左右的低温下对具有和不具有二氧化铈催化剂层作为功能催化剂层的微型SOFC进行测试，证实具有二氧化铈催化剂层的微型SOFC与不具有二氧化铈催化剂层的微型SOFC相比，发电性能显着提高。这是世界上首次证明即使在500°C以下的低温下也可以通过直接燃料重整发电（图3）。当不施加二氧化铈催化剂层时，在450℃左右电动势小至约06V（图3），当直接使用甲烷基燃料时电动势为几mW/cm2，但通过使用二氧化铈催化剂层，实用水平约为其30倍，01W/cm2的输出被证实。此外，在500℃和550℃左右，各04W/cm2和045W/cm2得到（图4）。此外，我们目前正在研究和开发具有各种催化剂层的电极技术，旨在将包括甲烷在内的各种碳氢燃料的输出性能提高到与氢燃料相同或更高的水平，即使在低温下也是如此。
在新开发的微型SOFC中，添加功能催化剂层的工艺是浆料涂覆法被使用。通过使用该方法，可以施加适合于各种烃燃料的催化剂层，此外，由于催化剂层可以与空气电极同时烧制，因此在成本方面也是有利的。因此，可以加速实现可在低温下直接利用各种碳氢化合物燃料的紧凑型SOFC系统。
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图3带催化剂层和不带催化剂层的管式微型SOFC在450℃附近的性能对比
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图4 配备催化剂层的管状微型SOFC中直接使用甲烷蒸汽的发电性能的工作温度依赖性 (a) 550℃左右 (b) 500℃左右 (c) 450℃左右
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未来，我们将根据各种碳氢燃料来设计和优化催化剂层，并将迄今为止开发的SOFC模块化技术应用到我们开发的管状微型SOFC中，开发出可降低启动能量并提高快速启动性能的紧凑型SOFC系统，并推广其作为使用多种燃料的下一代车辆和移动设备的紧凑型电源。
国立产业技术综合研究所
先进制造工艺研究部功能集成模块化研究组
首席研究员 Toshio Suzuki 电子邮件：
研究组组长 Yoshinobu Fujishiro 电子邮件：
