mile米乐官方网站 开发出集成微管固体氧化物燃料电池（SOFC）并可在低温下运行的紧凑型燃料电池模块

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[研究部部长村山信光]功能模块化研究组[研究组长藤城义伸]、精密陶瓷技术研究会[加藤太郎会长]（以下简称“FCRA”）、NGK SPARK PLUG有限公司[代表董事兼总裁兼代表董事 Michiaki Kato]（以下简称“NGK SPARK PLUG”）、东邦燃气株式会社[代表董事兼社长佐伯隆]（以下简称“东邦燃气”）固体氧化物燃料电池高性能，可实现 (SOFC) 的多功能部署微管型SOFC高集成度模块

　由于SOFC通常在800℃或更高的高温下运行，其应用领域受到限制，并且可以用于以前难以实现的低温运行。快速操作一直希望实现一种可以启动和停止的SOFC模块。此次，我们打造了一款专为数十至数百W级设计、可适应各种系统规格的发电模块。歧管的连接状态和集电状态，并了解其特性，我们对该模块进行了发电测试。配备两个微管型 SOFC 集成单元（90 个电池）的模块输出功率为 2 W/cm³高级别发电密度的同时，我们获得了超过40%的发电效率和超过50W的输出。此外，我们成功开发了配备8个集成单元的200W级模块，并建立了多个100W级模块的基本制造和评估技术（图）。未来使用200W级的模块，汽车辅助电源（APU），小热电联产的适用性等等。

　本研究成果基于独立行政机构新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）项目“陶瓷反应釜发展”，并将于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2009年10月6日在奥地利维也纳举行的第11届SOFC国际研讨会上发表。

微管型SOFC高集成模块

　燃料电池可以实现高发电效率，而二氧化碳据说是全球变暖的原因之一₂已经开发出多种技术来显着减少产生的量。其中，效率最高的燃料电池是由陶瓷材料制成的固体氧化物燃料电池（SOFC）。由于SOFC的工作温度范围比其他燃料电池更高（800-1000摄氏度），废热可用于燃料重整和热水储存，大大提高了整个系统的能源效率。此外，它已被证明比其他燃料电池具有更高的长期稳定性。然而，由于迄今为止SOFC在高温下运行，其应用仅限于热循环和负载波动最小的发电设备。因此，为了扩大SOFC的应用范围，使其广泛应用于家庭分布式电源、移动电子设备电源、汽车辅助电源等，需要研制一种工作温度在650℃以下、能够快速启动和关闭的SOFC模块。微管SOFC被视为一种很有前途的技术，可以实现快速启动和关闭，但由于其难以集成，人们一直希望创造一种小型、高效的SOFC模块，可以覆盖几瓦到几千瓦的发电规模，这是一个很高的工业需求（图1）。

图1各种燃料电池的发展现状及紧凑型SOFC发展的必要性

　作为NEDO项目“陶瓷反应器开发”（2005-2005财年）的一部分，AIST、FCRA/日本火花塞和东邦燃气公司共同进行研究，以实现工作温度为650℃以下、高输出且可快速启动的SOFC的商业化。迄今为止，我们已经成功开发出直径为毫米至亚毫米量级的高性能微管型SOFC，作为能够快速启动的SOFC，并建立了方糖大小的集成单元（立方体）的制造方法，并在550℃的低温下实现了2W/cm的高性能。³上述发电特性已得到证明(2007 年 3 月 29 日新闻公告）。此外，为了提高集成单元和模块的性能，我们还在致力于微管型SOFC的改进。科学''（2009年8月14日），该技术公布。

　为了将使用这种高性能微型管型SOFC的系统投入实际使用，需要提高这些微型管型SOFC的集成度，并建立和验证可根据所需输出进行灵活电气连接的高度集成技术以及歧管连接等模块化技术。AIST、FCRA/日本火花塞和东邦气体研究了这些不同的制造技术，着手开发具有高度集成微型管型SOFC的原型模块，并确认了其有效性。通过评估发电特性来确定制造技术。AIST评估了每个模块元件的基本性能，并根据结果，FCRA/Nippon Spark Plug设计并制造了模块。随后，东邦燃气公司对已完成的模块进行了示范评估，继续进行研究。

　这次，我们高度集成了具有耐快速启动和关闭结构的微管型SOFC，并在使用被称为高离子导电材料的氧化钆固溶体二氧化铈和氧化钪稳定氧化锆电解质的50W级模块中确认了发电性能。具体来说，通过组合多个通过提高组件形状精度而制成的15-30W级集成单元（3级并联，9-15级串联），我们创建了一个可以产生任何功率输出的模块。该50W级模块由2个集成单元（图2）并联而成（90个电池），由3级并联和15级串联的微管型SOFC组成，体积发电密度为2W/cm³级别（每个集成单元）发电，并且在40%或更高的发电效率下获得了50W或更高的输出（图3）。还证实，在低燃料利用率的条件下可以获得更高的输出。在本次研发中，我们还完成了200W级的模块，目前正在对其进行评估。该200W级模块结构复杂，由8个集成单元组成，但通过成功制造包含气体歧管和集流结构的发电单元，我们相信我们有实现更高输出的前景，并朝着SOFC的多用途发展迈出了一步。

图 2 小型高效 SOFC 电池和模块的开发

图3 50W级模组发电测试结果

　这种紧凑、高集成度的SOFC模块是单位体积集成度（电极面积）世界最高水平的发电模块，是燃料电池系统小型化、高输出化的有效技术。此外，在作为基本部件的集成单元中，1cm³2 W或更多的模块发电量

　采用本次开发的微管型SOFC的模块化技术，可作为数十W级小型移动设备的电源（模块体积尺寸：数十cm）³)至数kW级（模块体积尺寸：数千cm³)的实际应用开发将会加速。

　未来，除了进一步完善电池和组件配置外，我们还将在各种工况下进行验证，并尝试进一步提高性能，打造出能够适应各种系统规格的组件，开发出高抗震、快速启动的高性能发电组件。

◆固体氧化物燃料电池（SOFC；固体氧化物燃料电池)

 

燃料电池是一种高效清洁的发电方式，可以通过水电解的逆反应直接由氢和氧的化学反应产生电能，目前有几种类型正在开发中。其中，SOFC是一种使用氧化物的燃料电池，由于其运行温度为800-1000摄氏度，因此高效耐用，并且利用废热提高了整体能源效率，因此有望投入实际使用。另一方面，它的缺点是难以快速启动和关闭，因为它在高温下运行，并且容易受到热冲击。最近的研发重点是实现500-600°C范围内的低温运行、小型化、高效率以及快速启动和关闭，未来有望应用于家庭热电联产系统和汽车等运输设备的辅助动力装置（APU）。[返回来源]

◆微管型SOFC

 

预计将燃料电池制成微管将提高耐热冲击性并实现快速启动操作。另据报道，减小管径可显着提高单位燃料电池体积的发电量，从而使模块更小、温度更低成为可能。通常，管由燃料电极材料制成，并且电解质和空气电极形成在管的表面上。目前已开发出直径为04-2毫米的高性能微管型SOFC。[返回来源]

◆模块

 

除了燃料电池本身之外，是指将它们集成起来用于发电的最小单元。通常，包括燃料电池、气封、歧管等的集成结构称为模块。[返回来源]

◆快速操作

 

要使用SOFC，需要将其加热至工作温度。在这种情况下，为了方便使用，优选快速加热和停止，但另一方面，这可能会导致发电模块内的温度分布较大，并且由于热应力而损坏陶瓷结构。因此，快速升温和关断是SOFC的主要技术挑战。传统的SOFC系统据说需要一个多小时才能启动，但微型管SOFC即使通过燃烧器直接加热立即启动也可以毫无问题地运行。[返回来源]

◆歧管

 

指将燃料气体和空气引入燃料电池所需的部件。[返回来源]

◆功率密度

 

通常电极面积为1cm²产生的电力当比较燃料电池单位体积的发电量时，其以体积发电密度表示，并与正常发电密度分开描述。[返回来源]

◆汽车辅助电源(APU)

 

随着汽车变得越来越复杂，现代汽车需要更多的电力。它是提供当时所需电力的辅助电源。一般来说，通过在长途卡车司机小憩时使用辅助电源来操作空调，预计可以最大限度地减少因空转而造成的能量损失和空气污染物排放。[返回来源]

◆热电联产

 

一种通过利用能源废热来提高整体能源效率的方法。也可以指电网电源和分布式电源相结合的系统。[返回来源]

◆陶瓷反应釜

 

使用可以转换物质和能量的功能陶瓷材料的化学反应控制系统。例如，氧化锆（含有氧化钇固溶体的ZrO₂) 陶瓷（YSZ）等氧离子传导材料利用氧离子在晶体中扩散和移动的特性，可用于传感器、燃料电池发电、气体净化等。[返回来源]