hjc888黄金城老品牌 新闻与活动 新闻与活动

摘要

hjc888黄金城中国官方网站未来产业技术研究所助理教授 Tetsuya Yamada、研究员 Bishnu Choudhary（研究时）、hjc888黄金城中国官方网站 Yasuko Yanada 教授、Kenichi Katsumata 教授、太阳诱电株式会社、双叶产业株式会社等组成的研究小组开发了高度绝缘的固体氧化物燃料电池高效地将化学燃料转化为电能的固体氧化物燃料电池（SOFC），将高温下运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）小型化至手掌大小，并实现发电。耐热微反应器（第 1 项）。

这项研究可以缓解热应力悬臂结构氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 微反应器，具有（第 2 项）和多层绝缘 (MLI)（第3项），我们实现了高耐热性和隔热性。这个新结构包括金属支撑 SOFC 电池可安装第4项，5分钟内可将温度从室温升至约600摄氏度，固体氧化物燃料电池（SOFC）运行，实现快速启动和发电。

这一成果使得传统的固定式燃料电池紧凑到手掌大小，并且实现了绝缘，即使内部温度达到600摄氏度也可以握在手中，使其有可能发展成便携式能源系统，未来将用于无人机、机器人等远离电网的地方边缘设备高能量密度，可直接为（第5项）供电离网（第 6 期）预计用作电源。

此结果发布于 12 月 25 日（当地时间）「微系统与纳米工程发表于施普林格自然

背景

近年来，AI（人工智能）、无人机、机器人等技术被引入社会各个领域，驱动这些设备需要高能量密度和长寿命的电源。特别是现场自主运行和决策的边缘设备，需要能够直接离网供电、不依赖外部电网的能源系统。

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为离网电源的有前途的候选者而受到关注，并且是可以将化学燃料高效转化为电能的下一代能源装置。如果我们能够成功地将燃料电池设备小型化，我们将能够实现比锂离子电池更高的能量密度。燃料电池有多种类型，但固体氧化物燃料电池的优点是能够使用多种燃料，不仅包括氢气，还包括乙醇和丙烷气。目前作为清洁能源而备受关注的氢气如果要用作燃料，就需要普及高压储存和运输氢气的技术。另一方面，乙醇和丙烷是我们周围无处不在的燃料，并且很容易获得。

如上所述，固体氧化物燃料电池具有能量密度高和燃料多样性的优点，在日本广泛用作家庭电源（Ene-Farm）。^®※)已投入实际使用。但其使用仅限于大型固定电源，尚未实现手掌大小的小型化。固体氧化物燃料电池小型化的挑战主要是由于其工作温度超过600℃，需要高绝缘性和耐热性来维持高温。另外，过去MEMS（第6项）有使用工艺[1]创建发电所需的新电池并致力于小型化的例子，但由于创建新电池需要大量的开发成本，因此希望能够使用固定用途的电池。

因此，我们致力于开发一种微反应器，将用于大型固定系统的固体氧化物燃料电池缩小到手掌大小。该微反应器采用具有热膨胀自由度的悬臂结构和具有高隔热性能的多层隔热结构。此外，还安装了扁平金属支架，以实现固体氧化物燃料电池的高速启动。

*“Ene Farm”是东京燃气有限公司、大阪燃气有限公司和 ENEOS 有限公司的注册商标。

研究结果

在这项研究中，我们制作了一种微反应器原型，可以将高温下运行的固体氧化物燃料电池 (SOFC) 缩小到手掌大小，安装金属支撑电池，并证明实际上可以发电。

在这项研究中，我们首先通过模拟设计了可以同时实现高绝缘性和耐热性的悬臂结构和多层绝缘结构。我们通过破坏性实验和使用X射线衍射原位观察的热应力测量来评估基于设计的悬臂/多层绝缘结构的原型反应器的耐热性。虽然正常结构在低于400℃的温度下会因热应力而破裂，​​但我们证实新设计的反应器的悬臂结构可以缓解应力，并且即使在高于600℃（SOFC的工作温度）的温度下也能保持稳定。

为了评估发电量，我们使用高强度氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 制造了一个微反应器，并在其内部形成了一个微通道，允许引入空气（氧气）和氢气等燃料气体。由太阳诱电株式会社开发的金属支撑 SOFC 电池安装在反应堆的中心（图 1、[2]）。该电池具有很高的热稳定性，可以承受温度的快速升高。此外，外壳是使用耐热树脂的3D打印机制成的，内部层压有也用于航天工业的镀铝Kapton薄膜，以抑制辐射热。此外，通过用氪（Kr）替代内部气体，我们能够进一步提高绝缘性能。因此，现在可以将温度提高到超过 600°C（SOFC 的工作温度），同时加热器输出功率约为 10-15 W（图 2）。

在实际发电实验中，将氢气和氧气引入微通道，利用加热器加热，在5分钟内将温度从室温升至600°C的工作温度，确认可以发电（图3A）。此外，我们还证明，即使在内部温度超过 600°C 的情况下发电，该设备仍保持足够凉爽，可以握在手中（图 3B、C）。

社会影响

本研究开发的使用高绝缘耐热微反应器的小型固体氧化物燃料电池（SOFC）是将主要用作大型固定电源的SOFC小型化至手掌大小，为其用作便携式独立电源铺平了道路。

这项技术可以直接为以前依赖外部电源的边缘设备（现场自主操作和决策的设备）配备高能量密度的独立电源，仅使用燃料供应即可长时间运行。如果采用小型SOFC，即使在供电困难的环境下，例如灾害现场的传感器和摄像头监控系统、极地或无人环境的观测设备、无人机和机器人的电源等，也可以长时间稳定运行。此外，它还可以为因电池容量限制而无法使用的设备供电，并有望扩展到新的应用领域。

未来发展

本研究开发的装置集成了单个金属支撑电池、启动加热器、热电偶、多层绝缘结构和燃料微通道，并且已经实现了约5 x 5 x 5厘米和小于100克的小型化。事实上，我们能够将 SOFC 快速升温至 600℃ 以上，并展示这种尺寸的发电能力，这是便携式燃料电池的一个重要里程碑。

另一方面，实际应用中剩下的重要问题包括进一步提高发电性能和提高效率、将燃料供应机构集成到小型设备中以及建立电池管理系统。此外，为了确保能够承受长期连续运行的可靠性，必须验证长期耐用性和安全性。

通过一一解决这些问题，我们将进一步减小反应堆的尺寸和重量，并将其与燃料供应机构完全集成，旨在未来作为可在边缘设备或离网环境中长时间独立运行的下一代发电系统投入实际使用。

附加说明

这项研究由四个机构进行：hjc888黄金城中国官方网站、hjc888黄金城中国官方网站、太阳诱电和双叶产业。此外，本研究还获得了以下资助：JSPS科学研究补助金（KAKENHI）基础研究（B）（问题编号：23K26749）、NEDO“产学官合作青年研究人员发展项目”、ERCA“研究促进基金（JPMEERF20233RL1）”。

参考文献

• Tsuchiya M、Lai B–K、Ramanathan S用于固体氧化物燃料电池的可扩展纳米结构膜。《自然·纳米技术》6, 282–286 (2011)。 101038/nnano201143
• Tomoe Kawamura、Daigo Ito、Shinichi Yamagishi，“应用多层电容器材料技术开发全固态电池和燃料电池”，The Micromeritics，No68，第 9-20 页（2025 年）。

术语解释

• 微反应器：一种小型化学反应装置，内部微通道尺寸从几百微米到几毫米不等。它的结构明显小于传统反应堆，具有优异的反应可控性、热响应性和安全性。
• 悬臂结构：仅一端固定至支撑构件而另一端不固定的结构。通过仅握住一端，可以减轻热膨胀等应力，并可以防止电池损坏。
• 多层绝缘 (MLI)：通过层压许多薄层（例如金属化膜）并极大地抑制辐射热而表现出高隔热性能的结构。
  它是航天工业中使用的一种轻质、高性能的绝热技术，通常与真空绝热结合使用。
• 金属支撑 SOFC 电池：一种SOFC电池，其中燃料电池结构由金属基板支撑，其特点是高机械强度和耐热冲击性。它能够抵抗快速的温度变化，并且具有比传统陶瓷支撑电池更快的启动速度和更小的尺寸的结构。
• 边缘设备：一种省电电子设备，对现场获取的数据进行分析判断。它需要在控制通信量的同时低延迟运行，并且即使在网络不稳定的环境下也能高可靠性运行。
• 离网：设备和系统仅依靠自己的电源运行的系统，不依赖电力公司的电网。通过使用燃料电池等独特的发电机，它可以在偏远地区或发生灾难时运行。
• MEMS（微机电系统）：该术语指“微机电系统”，是使用半导体制造技术创建微小机械结构和器件的加工技术的总称。通过薄膜形成、刻蚀等工艺，可以实现精度达数微米的微结构。

论文信息

已出版的杂志

微系统与纳米工程

论文标题

一种高隔热便携式微反应器，用于集成广泛使用的平面型 SOFC 并实现手持式发电

作者

Bishnu Choudhary、Gia Ginella Carandang、Shinichi Yamagishi、Saki Tada、Chie Kawamura、Yasuko Yanagida、Tetsuya Yamada*

DOI

101038/s41378-025-01072-5

研究员简介

山田哲也

hjc888黄金城中国官方网站未来产业技术研究所，助理教授
研究领域：固体氧化物燃料电池（SOFC）、微反应器、能源器件、材料工程

柳田康子

hjc888黄金城中国官方网站未来产业技术研究所教授
研究领域：生物MEMS、细胞控制、口腔传感器、海洋二氧化碳传感器

胜俣健一

hjc888黄金城中国官方网站先端工学部材料工学系教授
研究领域：无机工业材料（环境净化、光触媒、纳米片、抗菌材料）、陶瓷、催化剂、纳米结构

山岸新一

太阳诱电株式会社开发实验室材料开发部
研究领域：固体氧化物燃料电池SOFC（材料、电池结构、工艺构建）、陶瓷电化学器件

井上隆

双叶产业株式会社业务开发部 CN 业务开发部 CN 能源技术实验室
研究领域：热管理、热和流体行为分析、利用仿真进行设计优化