微管式固体氧化物燃料电池反应器中电能与化学品共生的电催化及动力学特性

化学反应器微型化可以有效提高反应过程传热和传质效率，改善宏观反应动力学。利用固体氧化物燃料电池电催化氧化特性，将微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）作为反应器，研究微型反应器中化学品与电能共生过程宏观动力学特性，对促进电催化与微型反应器动力学学科交叉，发展新型微反应过程具有重要学术意义和应用价值。主要研究目标和内容是: (1) 以基于甲烷的选择性氧化反应为目标反应，研制MT-SOFC电能与化学品共生反应器，研究其中电催化氧化宏观动力学特性；（2）设计和优化电池材料和电极制备工艺使之具有高选择性、反应活性和可控的微观结构以提高其电池性能和和机械性能；（3）优化相转移纺丝-烧结工艺，制备单层及多层具有特定结构和缺陷控制的陶瓷微管；（4）组装电池堆，设计和测试堆的结构对产物和电池输出功率影响，研究MT-SOFC中电能与化学品共生过程基本原理和特点，探索微小尺寸下电催化氧化反应动力学行为

设计、制备便携式微管固体氧化物燃料电池反应器，研究小分子含碳燃料在反应器中的电催化氧化和反应动力学，提高燃料使用效率，并为大幅降低建筑和交通领域的能耗和减少排放提供解决方案。研究内容：（1）筛选靶向反应，设计和优化电极材料的催化活性和离子电导率；（2）利用相转移-陶瓷中空纤维成型工艺，制备MT-SOFC电能-化学能共生反应器单电池；研究其电催化氧化机理和宏观动力学过程。重要结果：设计和制备了多种氧化物阳极材料、阴极材料、电解质材料和同时具有阴阳极电催化活性的对称电极材料，有效提高了电极的离子电导率、电子电导率和电极动力学效率；在新材料的基础上制备了单腔电池、对称型燃料电池、燃料电池/电解池可逆电池，探索了电能与化学能共生的不同方式；成功地利用共挤-共烧结法制备了阴极支撑、阳极支撑、双层阴极支撑和双层阳极支撑等多种结构的微管单电池；通过改变烧结温度、挤出速率和注膜液中乙醇添加量，实现了控制制备不同微结构的阴、阳极双层微管；成功实现一步法制备双层阴、阳极支撑的微管SOFC,显著降低了电极极化阻抗，改善了反应的宏观动力学效率，显著提高了电池的输出功率,抗积碳性能和稳定性。关键数据及其科学意义：以湿甲烷为燃料的双层阳极支撑微管SOFC，850℃下，最大峰值功率密度（MPD）达566mW/cm2，显示微管SOFC在传质效率和反应动力学方面的显著优势。基于LaSFCNb0.05 ScSZ电解质支撑对称单电池湿氢燃料中， 900°C MPD达1094 mW/cm2。850°C 在含H2S的氢气、合成气（50%CO）、丙烷和甲烷中的MPD分别达873,780,453,和172 mW/cm2，并且100小时测试时间内电池稳定性良好。对称结构电池可显著降低电池制备工艺和成本，提高电池的输出性能和长时间运行稳定性。成功实现燃料气/氧化气在该电池上的可逆反转, 电池在800°C 测试150-350小时，电池功率未降，该技术可有效解决含碳燃料阳极积碳问题。基于LaSFCNb0.05氧电极 的SOFC/SOEC可逆电池表现出良好的氧还原/氧析出催化活性,可逆性和稳定性, 800°C 电解电解水蒸气电压1.75V时，电流密度可达2.0A cm-2，50小时电解未见衰减。与单一SOFC中电能与化学能共生的方式相比，SOFC-SOEC可逆电池方式，将是实现稳定有效电能与化学能共生的更好方式。