Polite Co, Ltd（以下简称“Polite”）和米乐m6官方网站（以下简称“AIST”），固体离子材料组极端功能材料研究部，山口佑树，首席研究员，Hiroshi Sumi，研究小组组长粉末冶金使用技术多孔不锈钢基板上固体氧化物燃料电池 (SOFC)
传统的 SOFC 是电解质或燃料电极用作支撑，但由于两者都是由陶瓷制成，因此它们很脆且容易破碎，并且容易受到振动和热冲击的影响。将这种支撑改为多孔不锈钢基材使其更坚固，使其适合汽车和无人机等移动应用。 Porite用于小型电机轴承、机械结构件等。烧结通过应用零件制造中培育的粉末冶金技术，我们开发了一种兼具燃料扩散性和机械强度的多孔不锈钢基材。另一方面，AIST使用电解液纳米颗粒并成功提高了电解质的阻气性能。通过将 Porite 开发的多孔不锈钢基板与 AIST 开发的电解质纳米颗粒相结合，我们制作并演示了实用尺寸的 5 cm 见方金属支撑 SOFC。
该技术的详细信息将于2023年12月14日至15日举行的“第32届SOFC研究大会”上公布。
SOFC在600至900摄氏度的高温下运行，有望在燃料电池中具有最高的发电效率。在日本，它已作为家庭热电联产（热电联产）系统商业化，并且越来越受欢迎。尽管SOFC有望应用于多种应用，但目前在将其开发用于固定用途以外的其他用途方面尚未取得进展。
由于SOFC中的电解质和电极是固体，因此它们可以具有如图1所示的各种结构。到目前为止，氧化锆（ZrO2)作为载体的电解质负载的SOFC，以及使用由镍催化剂和通过稀释具有高电阻的电解质制成的电解质的混合物制成的多孔燃料电极作为载体的燃料电极负载的SOFC。然而，由于电解质和电极含有陶瓷，因此具有脆性和容易破裂的缺点。固定用途以外的应用还包括汽车和无人机等移动性，但迄今为止，由于需要能够承受振动和热冲击的机械强度，因此SOFC的应用被认为很困难。为了将SOFC应用于移动性，有必要开发使用多孔不锈钢作为支撑材料的金属支撑SOFC，其比陶瓷具有更高的强度和韧性。
图1 SOFC的横截面结构
Porite 是采用粉末冶金技术开发的用于 SOFC 的铬基合金互连器并将其供应给 SOFC 制造商。互连器具有分离和供应燃料和空气以及电连接上部和下部电池的作用。互连器需要气体阻隔性能，因此不能有孔密集使用金属。 2017年安装了使用该铬基合金互连器的250kW SOFC系统，满足了Porite Kumagaya第二工厂约50%的电力需求。另一方面，具有孔隙的多孔金属也可以使用粉末冶金技术来制造。 Porite与日本产业技术研究院合作，参与了中小企业厅的“战略基础技术发展支援项目”，并建立了使用粉末冶金技术的金属支撑SOFC的多孔金属基材的制造工艺。
AIST 开发了一种“便携式燃料电池系统”，可以使用液化石油气卡式钢瓶发电 (2013 年 1 月 28 日新闻公告) 和“紧凑型高功率燃料电池系统”(2017 年 2 月 9 日新闻公告)。此外，我们还开发了“SOFC无人机”并演示了长时间飞行（2020 年 6 月 15 日新闻公告)表明SOFC可以应用于移动性。另一方面，为了确保 SOFC 在移动领域的可靠性，必须提高其强度。 AIST通过新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目，对金属支撑SOFC的制造工艺进行了研究。这次，我们将Porite开发的多孔金属基材与AIST开发的SOFC制造工艺相结合，开发出了实用尺寸的金属支撑SOFC。
Porite的研发是“战略基础技术进步支援项目/开发用于提高固体氧化物燃料电池（SOFC）强度的多孔金属基材”（2020-2022财年），AIST的研发得到了NEDO的“产学官合作研究开发项目，以解决大幅扩展的共同问题”的支持燃料电池的使用/固体氧化物燃料电池弹性技术的开发”（2020 财年-2022 财年）。
多孔金属用于过滤器等多种应用，但在金属负载型SOFC中，由粒径约为1μm的金属催化剂-陶瓷混合物制成的多孔电极层压在基板上，因此需要控制金属颗粒的直径和SOFC用多孔金属的孔径。此外，在 600 °C 或更高的高温下使用的 SOFC 需要基板、电极和电解质之间的热膨胀系数匹配。
Porite 建立了一种采用粉末冶金技术制造多孔不锈钢基材的工艺，采用热膨胀系数与电解质材料氧化锆相似的铁素体不锈钢作为原材料。图2是所开发的用于金属支撑SOFC的多孔不锈钢基底的表面扫描电子显微镜(SEM)照片。原料不锈钢颗粒的粒径约为20～50μm，但通过从图2(a)中的约50μm到图2(b)中的约10μm任意控制基板表面的孔的尺寸，可以堆叠各种多孔电极。整个基底的孔隙率约为50%，表明气体扩散性良好。
图2 金属支撑SOFC用多孔不锈钢基材表面的SEM照片
传统的SOFC电解质在超过1300°C的高温下烧结，以获得对氢气等燃料具有优异气体阻隔性能的致密陶瓷。然而，多孔不锈钢基材的耐热性比陶瓷低，不能在高温下烧结。图3是多孔不锈钢基底上分层的氧化锆电解质的表面SEM照片。如果烧结温度降低到1,000至1,200摄氏度，由于陶瓷烧结不充分，就会形成气孔，如图3(a)所示，所供应的燃料将泄漏到空气中。
AIST 开发了平均粒径为 70 至 150 nm 的氧化锆电解质纳米粒子，即使在较低温度下也能加速烧结。在图3（b）中，添加了电解质纳米颗粒，即使降低烧结温度，电解质中的通孔数量也大幅减少，并且气体阻隔性能得到改善。这可以防止燃料泄漏，并允许所有供应的燃料用于发电。
图3 多孔不锈钢基底上分层的氧化锆电解质表面的SEM照片
(a) 未添加纳米颗粒，(b) 添加纳米颗粒
我们通过将Porite开发的多孔金属基板与AIST开发的SOFC制造工艺相结合，开发出实用尺寸的金属支撑SOFC。图4是所开发的5cm见方金属负载SOFC的外观照片。由镍催化剂和电解质、氧化锆电解质和导电陶瓷组成的燃料电极放置在多孔不锈钢基板上空气杆等采用带成型、丝网印刷等湿法进行层压。为了抑制不锈钢基材的氧化，它是通过在低氧分压和比传统SOFC更低的温度下烧结来制造的。这次，我们制作了 5 厘米见方的金属支撑 SOFC 原型，但通过扩大多孔不锈钢基材的压制成型机，可以使其变得更大。
图4 5厘米见方的金属支撑SOFC（左：电解质侧，右：多孔不锈钢基板侧）
图5显示了550至750°C下的燃料电池特性，使用图4中金属支撑SOFC的一部分，并在电解质顶部堆叠直径为6毫米的空气侧电极。左轴（空心标记）上的电压与横轴上的电流密度的乘积就是右轴（实心标记）上的输出密度，输出密度越高，燃料电池的性能越好。在图5(a)中没有电解质纳米颗粒的电池中，电流密度为0 A/cm2开路电压（OCV）为09V以下，低于理论电动势（10至11V），表明部分燃料泄漏到空气侧。在图5（b）中添加了电解质纳米粒子的电池中，OCV为1V或更高，这是750℃下06W/cm的实用水平2的功率密度这种金属支撑的SOFC预计未来将用于移动出行等多种应用。
图5 金属支撑SOFC的发电特性（a）没有纳米颗粒的电池，（b）有纳米颗粒的电池
汽车和无人机等移动系统不仅需要 SOFC 的韧性，还需要快速的启动性能。新开发的金属支撑 SOFC 在 750 °C 时为 06 W/cm2获得了相同的性能水平，但如果可以在较低的温度下获得相同水平的性能，则可以减少加热所需的时间。此外，为了降低成本，延长电极材料的寿命至关重要。未来，我们将通过改进电极来开发具有长寿命、即使在低温下也能实现高功率密度的金属支撑SOFC，并且我们还将研究增加尺寸和量产的方法。