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]功能集成模块化研究小组组长Yoshinobu Fujishiro、首席研究员Toshiaki Yamaguchi和研究员Hiroshi Sumi开发了一种便携式燃料电池系统。
该系统使用微管固体氧化物燃料电池 (SOFC)使用，但是通过在纳米级别控制电极结构，液化石油气碳氢燃料现在可以直接使用了。由于它具有出色的快速启动特性并且便于携带，因此有望用作灾难、紧急情况和户外的电源。
有关该技术的详细信息，请参阅“纳米技术将在2013年第12届国际纳米技术展览会暨技术大会的AIST展位展出。
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| 便携式燃料电池系统的外观和概念图 |
SOFC有望成为燃料电池中发电效率最高的，目前正在作为固定电源投入实用。此外，它有望应用于下一代汽车和便携式电源等移动电源，但普通SOFC的工作温度高达700至1000摄氏度，且快速启动性能差的问题使其难以投入实际使用。
然而，近年来，随着智能手机、单段电视、摄像机等小型电子设备的普及，人们需要能够在灾难、紧急情况以及难以获得商用电源和快速充电器的户外情况下快速启动的几瓦到几十瓦的电源。此外，由于目前氢燃料很难获得，因此人们对使用LPG卡式钢瓶等通用碳氢燃料发电的SOFC的实际应用寄予厚望。
产业技术综合研究所在2005年至2005年进行的新能源产业技术综合开发机构项目“陶瓷反应器开发”中，开发了可在约600℃低温下工作的微管SOFC。2009 年 9 月 10 日 AIST 新闻稿)证明SOFC的低温运行提高了快速启动性能，使用氢燃料可以在几分钟内启动50-200W发电模块。此外，纳米尺寸二氧化铈 (CeO2）通过在电极上添加催化剂层（纳米陶瓷），在450℃的低温下产生甲烷燃料内部修改被证明 (2011 年 1 月 17 日 AIST 主要研究成果）。
这次，我们致力于开发一种燃料电池系统，可以使用液化石油气等碳氢化合物快速启动，与氢或甲烷燃料相比，碳氢化合物用途更广泛，更容易运输。
丁烷是液化石油气的主要成分之一，是通过热分解产生的，而不是甲烷碳沉积这种现象很可能发生，已知如果直接供给燃料电池，燃料电极（负极）会迅速劣化。因此，在传统的燃料电池系统中，在将丁烷燃料供给至燃料电池之前，需要使用使用昂贵的贵金属催化剂的外部重整器预先重整丁烷燃料。这次，通过在燃料电极的整个基材中添加具有内部重整功能的纳米二氧化铈，我们开发了一种纳米结构的控制电极，与传统电极相比，其耐久性得到了提高。通过使用该电极，新开发的微管SOFC即使直接使用丁烷燃料也可以产生稳定的电力。此外，提高的耐用性可以利用仅用于启动的LPG燃烧器的废气进行快速启动，并且作为微型管SOFC，它可以在不到2分钟的时间内达到400°C，约为传统产品时间的一半，并且可以驱动USB设备（图1）。由于纳米结构控制电极具有足够的内部重整功能，因此可以简化外部重整器，有助于燃料电池系统的小型化和成本降低。
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| 图 1 使用直接丁烷供应的快速启动测试（当连接到 USB 设备时） |
图2显示了发电后燃料电极的扫描电子显微镜(SEM)照片。在几小时内变得无法发电的传统电极(a)中，燃料电极中所含的镍催化剂被沉淀碳覆盖，并且还观察到纤维状碳的生长。相比之下，在使用纳米二氧化钛的改进电极(b)中，即使在发电24小时后也没有观察到碳沉淀，这表明对丁烷燃料的耐久性显着提高。
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| 图2 传统电极(a)和改进电极(b)使用丁烷燃料发电后的SEM照片 |
我们已经原型制作了一种“便携式燃料电池系统”，该系统使用LPG卡式钢瓶作为燃料，使用具有DC 5至36 V规格的微管SOFC发电模块（图3），并使用新开发的纳米结构控制燃料电极作为支撑。启动后，2分钟内即可操作5V DC供电的USB设备（图4）。此外，由于仅使用液化石油气燃烧器启动，因此不需要外部电源。这一发展证明了将SOFC发电系统应用于灾难和紧急情况、户外使用和下一代车辆等移动设备电源的可能性。
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| 图3微管SOFC模块（DC 5至36 V规格） |
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图4 使用LPG卡式钢瓶燃料的USB设备（LED灯）运行测试
原则上一缸可连续运行24小时 |
今后，我们将致力于提高SOFC模块的发电性能和耐久性，并开发包括燃料重整和供应控制系统的便携式燃料电池系统，旨在将其应用于灾难和紧急情况、户外使用以及下一代汽车等移动设备的电源。