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摘要：研究小组成功开发出一种微型反应器，将高效转化化学燃料为电能并在高温下运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）小型化，同时实现高度隔热，可以人手握持，并验证了其发电能力。

关键词：SOFC、金属支撑、小型化、隔热、离网设备供电

要点

将固体氧化物燃料电池小型化，且隔热做到可手持的程度，并验证了其发电能力。
制造出一种高度隔热的微型反应器，能够承受急速加热
通过燃料电池的小型化，使其能够应用于便携式能源系统，为偏远地区供电开辟了可能性。

概要

研究小组成功开发出一种微型反应器，将高效转化化学燃料为电能并在高温下运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）小型化，同时实现高度隔热，可以人手握持。

本研究中，研究小组通过将具有可缓解热应力的悬臂结构的YSZ微型反应器和多层绝缘结构（MLI：Multilayer Insulation）相结合，实现了高耐热性和绝缘性。这种新型结构可搭载金属支撑型电池（metal-supported SOFC cell），并可在不到五分钟的时间内从室温升温至固体氧化物燃料电池（SOFC）运行的约600℃，实现快速启动和发电。

这一成果不仅将传统固定式燃料电池小型化至手掌尺寸，还实现了即使内部温度达到600℃，也能手持的高隔热性，适合用于便携式能源系统，未来有望将其用作高能量密度的离网电源，可以直接为远离电网的边缘设备（如无人机和机器人）供电。

概要图：搭载平板型电池，将固体氧化物燃料电池应用于小型应用

背景

近年来，AI（人工智能）、无人机和机器人等技术正在逐步应用于社会的各个领域，需要高能量密度且寿命长的电源来驱动。特别是，能够在现场自主运行和做出决策的边缘设备需要一种无需依赖外部电网、直接离网供电的能源系统。

作为离网电源的有力候选，固体氧化物燃料电池（SOFC）正受到广泛关注，这是一种能够高效地将化学燃料转化为电能的下一代能源装置。如果能够成功将燃料电池装置小型化，就能够实现超过锂电池的高能量密度。

燃料电池有多种类型，其中固体氧化物燃料电池的优点在于不仅可以使用氢气，还可以使用乙醇、丙烷等多种燃料。目前，作为一种清洁能源而备受关注的氢气用作燃料时，需要推广高压储存和运输氢气的技术；另一方面，乙醇和丙烷是日常生活中随处可见的燃料，获取容易。

如上所述，固体氧化物燃料电池具有高能量密度和燃料多样性等优势，在日本已经作为家用电源（Ene-Farm®※）投入实际应用。然而，其应用目前仅限于大型固定式电源，尚未实现“掌上尺寸”的小型化。固体氧化物燃料电池的小型化挑战主要源于超过600℃的高温运行，需要高绝缘性和耐热性来维持高温。此外，过去也曾尝试开发小型SOFC，以用于给微机电系统（MEMS）内供电，但研发制造成本居高不下，已经投入实用的固定应用场景仍旧是实现小型化的最佳场景。

基于此，研究小组致力于开发一种将目前用于大型固定式应用的固体氧化物燃料电池小型化至掌上尺寸的微型反应器。该微型反应器采用了对热膨胀具有自由度的悬臂结构和具有高绝缘性的多层绝缘结构。此外，研究小组还为固体氧化物燃料电池搭载了平板形的金属支架，以实现快速启动。

研究成果

本研究中，研究小组试制了一种可将高温运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）小型化至掌上尺寸的微型反应器，并搭载了金属支撑电池，验证了其发电可行性。

研究小组首先利用模拟，设计了一种既具有高绝缘性又具有隔热性的悬臂结构以及多层绝缘结构。通过破坏性实验和基于X射线衍射的原位观察的热应力测量，研究小组对反应器的耐热性测试进行了评估。结果显示，普通结构在低于400℃的温度下会因热应力而开裂，而本研究所设计的反应器由于悬臂结构能够缓解应力，即使达到600℃以上的SOFC工作温度也能保持稳定。

为进行发电评估，研究小组使用高强度氧化钇稳定氧化锆（YSZ）制造了一个微型反应器，并在其内部形成了可引入空气（氧气）和氢气等燃料气体的微通道。反应器的中央部分搭载金属支撑型固体氧化物燃料电池（SOFC）电池（图1）。该电池具有很高的热稳定性，能够承受温度的快速升高。此外，外壳采用耐热树脂3D打印成型制作，并在内部层压有航空航天工业使用的铝蒸镀聚酰亚胺薄膜，以抑制辐射热。此外，通过将内部气体替换为氪气（Kr），进一步提高了绝缘性能。这使得研究小组能够以约10-15W的极低加热功率，将温度升高到600℃以上的SOFC工作温度（图2）。

图1. (A)金属支撑电池；(B)金属支撑电池搭载在微型反应器上

图2.（A）多层绝缘和微型反应器的热模拟；（B）微型反应器内部气氛分别为空气和氪气时，绝缘性能的比较。横纵轴分别为加热器功率与内部温度

在实际发电实验中，研究小组将氢气和氧气引入微流道，并通过加热器加热，在5分钟内将温度从室温升高至600℃，并验证了其发电能力（图3A）。研究还证实，即使在内部温度超过600℃的发电状态下，设备外表温度也保持在可以手持的程度（图3B、C）。

图3.（A）搭载有金属支撑电池的微型反应器的发电特性；B）手持状态下在600℃以上的温度下发电并驱动小型风扇；（C）设备外观照片

研究意义

本研究所开发的采用高度绝缘且耐热的微型反应器的小型固体氧化物燃料电池（SOFC），将以往主要用作大型固定式电源的SOFC小型化到掌上尺寸，从而为将其用作便携式独立电源开辟了道路。

凭借这项技术，以往依赖外部电源的边缘设备（即在现场自主运行和决策的设备）可直接搭载仅凭燃料供应即可长时间运行的高能量密度独立电源。一旦小型SOFC得以应用，即使在供电困难的环境中，例如灾害现场的传感器和摄像头监控系统、极地或无人环境下的观测设备，以及无人机和机器人的电源，也能实现长时间稳定运行。此外，本技术还能为以往因电池容量限制而无法使用的设备供电，有望拓展新的应用领域。

未来展望

本研究所开发的设备集成了单片金属支撑电池、启动加热器、热电偶、多层绝缘结构和燃料流动微通道，实现了约5×5×5厘米，重量不足100克的小型化。在这个尺寸下，能够快速将SOFC升温至600℃以上并验证了其发电能力，标志着便携式燃料电池的一个重要里程碑。

然而，实际应用仍面临诸多挑战：进一步提高发电性能以提升效率，将燃料供应机制集成到小型设备中，以及建立电池管理系统。此外，为了确保其能够承受长时间的连续运行，需要验证其长期耐久性和安全性。

通过逐一解决这些挑战，研究小组将进一步缩小反应堆的尺寸和重量，并将其与燃料供应机制完全集成，旨在将其作为下一代发电系统应用于边缘设备和离网环境中，实现长期独立运行。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/ldy6adtuyugp

https://doi.org/10.1038/s41378-025-01072-5

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