高温电气转化池中介尺度结构和过程耦合机理的研究

Power-gas conversion cell operating at 600-800 oC (i.e., solid oxide cell, SOC) may be used for both fuel cell mode fueled by CO/H2 or electrolysis mode producing syngas from H2O/CO2, which has been considered as one of the most promising technologies in reducing emissions and improving the storage performance of renewable energies. Coarse-graining particle models and relevant experimental methodologies will be developed for the objective to investigate the electrode meso-scale structures, the coupled reactions and multi-phase transport phenomena, which employs an integration approach to cover the gap between the microscopic scale (particles at nano scale) and macroscopic one (at electrode/cell scale). Dissipative particle dynamics (DPD) and its extensions, including DPDe for energy conversion and multi-particle MDPD (for multi-component and phase-change), will be further developed for investigating the coupling mechanisms of the particle-electrode morphology -reactions-transport phenomena in the SOC electrodes employing new materials to replace Ni as the fuel catalyst. The validated methods will be applied for analyzing the electrode material properties and for optimizing fabrication processing, which are significant for enhancing the SOC overall performance and reducing the cost.

工作在 600-800oC 的电气转化池（SOC）可以共电解 H2O/CO2 生产 CO/H2 合成气或以 CO/H2 为燃料直接发电，是一种极具前景的CO2减排和新能源消纳技术。其电极中的多功能材料颗粒/孔的结构多为亚微米到微米量级，是典型的介观尺度。本项目研究SOC可双向操作的电极中复杂结构和物理化学过程的耦合，包括：析氢/氧活性电极新型催化剂材料表界面和介观结构表征; CO/H2 电化学和 CO2/H2O 共电解催化反应的机理; 催化剂颗粒表面反应和电化学耦合机理; 多相反应和传递过程协同作用机理和强化。本项目致力于开发粒子介观模型和先进的实验方法理解多相反应过程中存在的复杂结构的耦合问题，探索材料-结构-反应-多相传递过程协同作用机理和强化规律，提升我国的能源利用效率和CO2减排。

本项目以可逆固体氧化物燃料电池（SOC）为研究对象，采用实验、验证和模拟相结合的研究方法，开展电极材料合成、物性表征、性能测试和分析，对介尺度电极的结构、反应过程与电极传递过程的耦合进行了理论分析。本项目集材料表界面和颗粒聚团的结构研究、方法验证及模型应用于一体，以反映材料特性的原子尺度分子动力学模型描述介尺度的反应/传递过程耦合，具有一定的特色。.在实验方面，采用溶胶凝胶法制备了La0.3Sr0.7TiO3 (LST)、Sr0.88Y0.08TiO3 (YST)燃料极材料，并在B位掺杂Ni和浸渍铜改善LST和YST的电导率、催化活性和抗积碳性能。以YST为燃料极的SOC最高功率密度可达87 mW/cm2，运行100小时后性能衰减和积碳现象均不明显；采用原位复合工艺开发出了具有较高双功能氧催化活性的Sr0.5Sm0.5CoO3-Gd0.2Ce0.8O2-x（SSC-GDC）复合催化剂，并作为空气极制备了SOC的单体电池，最大功率密度达0.244 W/cm2，且在H2/H2O下具有良好的充放电性能和稳定性。.在模拟方面，结合CG-MD势函数并开展了微尺度电极结构的烧结模拟，讨论了LST与GDC纳米团的互动机制、介尺度颗粒体系在烧结过程的演变规律。基于弛豫后的稳定结构，表征了微孔结构与物性的参数，研究了烧结过程中的材料配比、工艺参数等调控机制对表面积损失、三相界面长度的影响规律。基于介尺度电极结构，建立了表面催化机理与反应动力学以及表面成分的介尺度扩散模型。通过扩散和源项参数的局域平均，实现了与宏观电极过程多物理场传递模型的跨尺度耦合。探索了多相表面成分分布、多步基元反应和宏观多物理场之间的相互影响、介尺度微孔结构特征对动态可逆性能影响规律，以及电极结构、多模式转化、工况参数等控制因素的敏感性和动态性能的时效规律，并提出优化策略。.本项目的研究结果可对催化剂的制备、 SOC双向操作时催化层介尺度结构和物理化学过程的耦合分析、电极结构设计与工艺参数的选择具有重要指导意义，探索了一条关联介尺度结构和宏观性能的新途径。该项目的研究方法具有推广价值，也具有较高的学术意义。