产综研：开发出具有可控纳米结构的SOFC用高性能电极！实现世界最高水平的发电性能

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摘   要：日本国立研究开发法人产业技术综合研究所开发出具有可控纳米结构的SOFC用高性能电极，搭载该空气电极SOFC单电池表现出了世界最高水平的发电性能，有助于SOFC系统的小型化和制造成本的降低。

关键字：SOFC、高性能电极、发电性能、可控纳米结构、空气电极、燃料电极功能层、空气电极集电层

 要点

●通过在纳米尺度上控制SOFC用空气电极的结构，实现高性能化

●通过开发出发挥高性能空气电极性能的SOFC单电池制造技术，在发电性能上达到了世界最高水平

●有助于SOFC系统的小型化和制造成本的降低

概要

日本国立研究开发法人产业技术综合研究所（以下称为“产综研”)的研究人员与和多家企业进行战略联合研究的固体氧化物能源转换尖端技术联盟（ASEC）合作，开发出一种具有可控纳米结构的高性能空气电极。此外，搭载该空气电极的固体氧化物燃料电池（SOFC）单电池表现出了世界最高水平的发电性能。

在SOFC单电池中，除了搭载使用脉冲激光沉积法（PLD法）制作的自组织化纳米复合空气电极（以下称为“纳米复合空气电极”)之外，还搭载了为充分发挥空气电极性能而开发的纳米柱状多孔集电层和纳米复合燃料电极功能层，在700℃下实现了4.5W/cm²以上的世界最高水平输出密度。该成果有助于SOFC电池组的小型化以及制造成本的降低。

实现世界最高水平发电性能的燃料电极支撑型SOFC单电池的示意图（红字为此次开发的材料）

社会背景

与其他燃料电池相比，SOFC的发电效率更高，已经作为家庭用和商业用的燃料电池热电联产系统在市场上销售。最近，其被用于具有更大发电容量的应用和利用高发电效率的单发电系统。

系统的大小和制造成本是SOFC普及的课题。如果能够提高SOFC单电池的发电性能，则与相同发电容量的传统SOFC系统相比，可以减少SOFC单电池的使用数量，并有望实现小型化和低成本化。

研究经过

产综研于2016年设立了与多个企业进行战略共同研究的ASEC，并一直致力于SOFC尖端技术的开发。利用产综研拥有的基础技术，开始进行材料开发和单元化技术开发，目标是实现3W/cm²以上的SOFC输出密度。这一目标是传统SOFC一般输出密度的10倍以上。

ASEC致力于开发一种具有低电极反应电阻的新型空气电极，以提高电池的输出密度。另外，在高输出电池的制作中，利用作为量产技术的挤出成形法和胶带成形法中的燃料电极基材制作技术、以及通过浸涂和丝网印刷进行成膜和烧成的电解质层制作技术等，开发了能够应对更高输出的燃料电极支撑型SOFC单电池（参照示意图）。

研究内容

此次开发的高功率SOFC单电池利用了产综研在ASEC新开发的多个部件（示意图中红字部分）。

空气电极：自组织化纳米复合空气电极（纳米复合空气电极）

传统SOFC空气电极材料一般使用单一的镧-锶-钴-铁复合氧化物（LSCF）、或者LSCF和作为氧化物离子传导体的二氧化铈系氧化物（例如氧化钆掺杂二氧化铈、GDC）的混合物的多孔质烧成体，粒径在几百纳米到1微米左右。

此次产综研利用PLD法成功地制作出了具有LSCF和GDC两种材料以纳米尺度交替排列的新结构的纳米复合空气电极。图1为传统多孔空气电极和纳米复合空气电极的示意图，以及纳米复合空气电极的电子显微图像、元素分析图谱。在开发的纳米复合空气电极中，LSCF相和GDC相在数十纳米左右粗细的柱状结构中，以数纳米的宽度分离，呈条纹状。所制作的纳米复合空气电极通过与后文所示的纳米柱状多孔集电层组合，实现了世界最低水平的电极反应电阻率——0.01Ω/cm²。

图1 开发的自组织化纳米复合空气电极的示意图及分析结果

燃料电极功能层：纳米复合化燃料电极功能层

为了在燃料电极支撑体和电解质之间迅速进行氢的氧化反应，一般使用由镍氧化物(NiO)与氧化钇稳定化氧化锆(YSZ)的混合物制成的燃料电极功能层，其粒径约为亚微米，比支撑体的粒径更细。在此次的高输出电池中，通过使用喷雾热分解法，制作由10nm左右的NiO和YSZ的一次粒子凝聚而成的二次粒子化粉末，并将其用于燃料电极功能层。该层在降低电池整体电阻的同时，还对致密薄膜电解质的形成起到了重要作用。

空气电极集电层：纳米柱状多孔集电层

为了迅速进行电极反应，需要向反应场供给电子，通常在空气电极上设置由1μm左右的粒径构成的集电层。为了充分发挥在纳米水平上进行形态控制的纳米复合空气电极的性能，需要在各数十nm左右的区域进行电连接，以使整个电极有效工作。在此次的电池中，采用PLD法新开发了镧-锶-钴复合氧化物（LSC:La_0.6Sr_0.4CoO₃）的纳米柱状多孔集电层。

搭载了这些新材料的单电池的发电试验结果如图2所示。700℃时输出密度达到4.5W/cm²以上，为世界最高水平，600℃时达到1.5W/cm²。在SOFC电池的一般工作电压0.8V下，电流密度为3A/cm²(700℃)，与传统一般电池的0.3~0.5A/cm²相比，电流值约为6~10倍。通过使用该技术，预计可以将电池数量减少到传统系统的约1/10，这有助于成本的大幅削减以及系统的小型化。

图2所制单电池的发电试验结果

今后展开

对于此次开发的自组织化纳米复合空气电极材料，在2021年6月启动的固体氧化物能量转换尖端技术联盟第2期（ASEC-2）中提到，将通过结构的稳定化来实现电极的长寿命和高可靠性，并将研究对其进行量产化的适应性。另外，在实用电池中安装所开发各部件的技术也有望尽早实现实用化。

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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