mile米乐官方网站 纳米结构控制的固体氧化物燃料电池（SOFC）高性能电极的开发

国立先进产业技术综合研究所 [会长：石村和彦]（以下简称“AIST”）零排放国际协同研究中心 [研究中心主任：吉野彰] 电化学器件基础研究小组 凯特琳·巴加利纳奥，首席研究员，岸本春夫，能源效率研究部研究小组组长 [研究主任：堀田辉久] 能源转换技术组山路克彦研究组组长、石山智宏、极端功能材料研究部首席研究员[研究部主任松原一郎]固体离子材料组首席研究员岛田博之与多家公司进行战略联合研究固体氧化物能源转换先进技术联盟 (ASEC)的研究中，我们开发了一种具有纳米结构控制的高性能空气电极。而且，还配备固体氧化物燃料电池 (SOFC)单格展示了世界最高水平的发电性能。

SOFC单电池有脉冲激光沉积法（PLD法）8812_8822自组装纳米复合空气电极（以下简称“纳米复合空气电极”）之外，我们还开发了这款产品，以充分展示空气电极的性能。纳米柱状多孔集流层，配备纳米复合燃料电极功能层，700℃时45 W/cm²该结果基于 SOFC电池堆的小型化并降低制造成本。

这项工作的详细信息可以在开放获取学术期刊“自然通讯''（电子版）。

SOFC比其他燃料电池具有更高的发电效率，适合家庭和商业用途热电联产系统投入商业使用。近年来，具有较大发电量和高发电效率的应用已经得到利用。单声道生成系统也在进步。

系统尺寸和制造成本是SOFC广泛使用的问题。如果能够提高SOFC单体电池的发电性能，与相同发电容量的传统SOFC系统相比，可以减少SOFC单体电池的使用数量，从而实现更小的尺寸和更低的成本。

AIST于2016年成立ASEC，与多家公司进行战略联合研究，一直致力于创造尖端的SOFC技术。利用产业技术研究所的基础技术，SOFC的输出密度为3W/cm²为了实现上述目标，我们已经开始材料开发和电池技术开发。这是传统功率密度的10倍以上。

在 ASEC，我们致力于开发一种具有低电极反应电阻的新型空气电极，目的是提高电池输出密度。此外，在高输出电池的生产中，我们利用了使用挤出成型和带成型的燃料电极基材制造技术、以及通过浸涂和丝网印刷进行成膜和烧成的电解质层制造技术等量产技术，开发了可应对高输出的燃料电极支撑SOFC单电池（参见原理图）。

新开发的高功率SOFC单电池采用了AIST在ASEC新开发的多个组件（原理图中红色所示）。

空气电极：自组装纳米复合空气电极（纳米复合空气电极）
对于传统的SOFC空气电极材料，通常使用单一的镧-锶-钴-铁复合氧化物(LSCF)或LSCF与作为氧化物离子导体的氧化铈基氧化物(例如掺钆的氧化铈，GDC)的混合物的多孔烧制体，其粒径约为数百nm至1μm。
AIST已成功使用PLD方法制造了具有新结构的纳米复合空气电极，其中LSCF和GDC两种材料在纳米尺度上交替排列。图1显示了传统多孔空气电极和纳米复合材料空气电极的示意图，以及纳米复合材料空气电极的电子显微镜图像和元素分析图。在所开发的纳米复合空气电极中，LSCF相和GDC相是分离的，并且在厚度为几十纳米的柱状结构内以几纳米宽度的条纹存在。所制造的纳米复合材料空气电极与稍后显示的纳米柱状多孔集流体层相结合，是世界上最小的空气电极。电极反应电阻率，001Ω/cm²

燃料电极功能层：纳米复合燃料电极功能层
使用氧化镍（NiO）和氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的混合物的燃料电极功能层，其具有比载体更细的亚微米粒径，通常用于燃料电极载体和电解质之间，以加速氢氧化反应。在这个高输出单元中，喷雾热解法，制备其中约10nm的NiO和YSZ的一次颗粒聚集成二次颗粒的粉末，并将其用于燃料电极功能层。该层不仅降低了整个电池的电阻，而且对于形成致密的薄膜电解质也发挥了重要作用。

空气电极集电层：纳米柱状多孔集电层
为了加速电极反应，需要向反应场供给电子，通常在空气电极上设置粒径为1μm左右的集流层。为了充分发挥形态控制在纳米级的纳米复合空气电极的性能，需要在每个几十纳米的区域内进行电连接，以使整个电极有效工作。该电池采用新的PLD方法生产镧-锶-钴复合氧化物（LSC：La_0.6高级_0.4COO₃)的纳米柱状多孔集流层。

图2显示了配备这些新材料的单电池的发电测试结果。 700℃时世界最高输出密度45 W/cm²600℃时超过15 W/cm²08 V 时为 3 A/cm²(700℃)电流密度，传统普通电池03至05 A/cm²相比，当前值大约高出6到10倍。使用该技术，预计电池数量可减少至传统系统的十分之一左右，从而有助于显着降低成本和缩小系统规模。

针对此次开发的自组装纳米复合空气电极材料，于2021年6月启动的固体氧化物能量转换先进技术联盟（ASEC-2）第二阶段将旨在通过稳定其结构来提高电极的寿命和可靠性，并检验其大规模生产的适应性。我们还致力于尽快将开发的每个组件安装到实际电池中的技术投入实际应用。

◆固体氧化物能源转换先进技术联盟（ASEC）

固体氧化物能源转换先进技术联盟 (ASEC) 正在与八家公司、四所大学和研究机构以及日本产业技术研究院 (AIST) 进行联合研究，旨在实现使用固体氧化物的创新能源转换设备。我们正在开发下一代创新材料和电池堆技术，重点是固体氧化物燃料电池 (SOFC) 和高温蒸汽电解 (SOEC)，并正在讨论设想这些技术在社会上得到实施的战略情景，目标是到 2030 年和 2050 年。
这项研究和开发是 ASEC 主要成员（大阪燃气株式会社、京瓷株式会社、电装株式会社、森村 SOFC 技术株式会社、三浦工业株式会社、日本产业技术研究院、六家公司和机构）基于 AIST 拥有的基础技术进行的创新材料项目和创新电池堆项目的成果。[返回来源]

◆固体氧化物燃料电池（SOFC）

一种使用陶瓷作为材料的高温操作型燃料电池。在 SOFC 中，氧离子 (O^2-)的材料作为电解质，并且将空气电极和燃料电极放置在电解质的两侧。在空气电极处，发生空气中的氧与电子结合形成氧离子的反应，在燃料电极处，发生燃料与氧离子结合产生电子的反应（如果使用氢作为燃料，则产生水蒸气和电子）从而发电。正常工作温度在700℃以上。与其他燃料电池相比，其特点是发电效率高。[返回来源]

◆单细胞

燃料电池的结构单元之一。一般是指空气极和燃料极分别设置在电解质两侧的一组。将多个单电池堆叠在一起以增加输出的结构称为堆栈。[返回来源]

◆脉冲激光沉积法（PLD法）

真空チャンバー内で高出力reーザーを发光して対象の材料（ター）ゲット）を一気に蒸発させることで、组成御された高结晶性の薄膜を形成する物理蒸着法。[返回来源]

◆自组装纳米复合空气电极

一种新型空气电极，可实现纳米级不同材料的混合。在PLD方法中，之所以使用“自组装”一词，是因为在基板上成膜过程中，同时蒸发不同材料的靶材，利用不同材料的选择性、规则的晶体生长现象来形成薄膜。自组装结构也可以通过成膜条件来控制。这次创建的自组装纳米复合材料被认为由于存在由电极（LSCF）、电解质（GDC）和气体组成的三相界面（通常被认为具有高电极反应活性）且在纳米级高密度而实现了高性能。[返回来源]

◆纳米柱状多孔集流层

在SOFC的空气电极反应中，氧分子与电子反应并变成氧离子。为了加速电极反应，向反应场提供电子也很重要。集流层起到向电极反应场快速供给电子的作用。 (La,Sr)CoO₃以LSC（LSC）为靶材，采用PLD方法在基板上制备了厚度为数十纳米的稀疏沉积的柱状结构薄膜。[返回来源]

◆电池堆

一个SOFC单电池只能获得1V左右的电压，因此在实际的SOFC系统中，多个单电池捆绑在一起形成电池堆。[返回来源]

◆热电联产系统

从燃料中提取两种能量的系统：电力和热能。[返回来源]

◆单声道生成系统

仅从燃料中提取电能的系统。[返回来源]

◆电极反应电阻率

SOFC单电池发电过程中造成功率损耗的电阻元件之一。高性能需要具有低电阻率的电极。在空气电极的反应过程中，它相当于将空气中的氧分子转化为可以被电解质输送的形式（转化为氧离子）时所消耗的能量。[返回来源]

◆喷雾热解法

粒子合成之一金属元素を溶かした水溶液を超音波振动素子等で喷雾し、キャriaガsuにより加热炉に搬送して、方向、分割、反応、焼结を连続的に行う。 这次制作的纳米复合燃料电极中，二次粒子是通过约10 nm的NiO和YSZ的初级粒子团聚。通过使用这些二次粒子形成多孔电极，可以获得作为电极催化剂的高活性。[返回来源]