复合气体条件下可逆固体氧化物电池“电-气”转换特性研究

Reversible solid oxide cells (SOCs) have been attracted great attention due to the basis of two important functions, electricity generation and electrolysis. With the development of Power-to-Gas technology, the interconnection and exchange of electricity and gas can be realized if the hydrogen produced by reversible SOCs which is directly added to natural gas pipeline in a certain proportion. However, only one kind of gas is used as the fuel and the research of reversible SOCs used nature gas as fuel has not been studied thoroughly. In order to apply to the multi fuels condition of natural gas pipeline, this project is to design high performance reversible SOCs electrode and the research contents mainly focus on the following items. Firstly, we will study on the electrochemical reaction mechanism of multi-gases molecules on the surface of perovskite electrode material. Secondly, three dimensional structure of perovskite oxide fiber electrode will be fabricated with the exsolution of nanoscale metallic particles. Then, we will investigate the influence mechanism of the coupling effect between fiber electrode and exssolved nanoscale metallic particles on the electrochemical reaction process of multi-gases, and the kinetic model of electrode reaction will be established based on theoretical calculation. In multi-gases, we will also clarify the interfacial properties of a reversible SOCs constructed by fiber electrode in the different modes. Finally, the characteristics of conversion between power and multi-gases will be evaluated through experimental verifications. The results of this project will provide theoretical and experimental views of the mechanisms for the large scale energy conversion between multi-gases and electric power.

可逆固体氧化物电池（SOCs）因其同时具备发电和电解功能而备受关注。随着Power-to-Gas技术的发展，可以将可逆SOCs产生的氢气按一定比例直接加入天然气管道，从而实现“电能-天燃气”的互联互换。然而目前大多数可逆SOCs仅在单一气体下工作，对适用于天然气管道传输的复合气体型可逆SOCs缺乏研究。本项目拟以设计高性能可逆SOCs电池电极为研究目标，研究多元气体分子在钙钛矿电极表面的电化学反应机理；实现纳米金属颗粒出溶的钙钛矿氧化物纤维电极三维结构的可控生长；揭示纤维电极和纳米金属颗粒的耦合效应对复合气体电化学反应进程的影响机制，并结合理论计算建立电极反应动力学模型；阐明纤维电极构筑的可逆SOCs单电池在复合气体条件下“发电-电解”模式转换过程中的界面特性，并对“电-气”可逆转换性能进行实验验证和评估。本项目的研究结果有望为实现"电能-复合气体"之间的大规模相互转换奠定理论和实验基础。

开发电能与其它形式能源之间的大规模相互转换技术，是近期新能源电力系统领域的关键课题之一。可逆固体氧化物燃料电池（Reversible Solid Fuel Cells，RSOCs）集发电与电解池功能于一体，能够实现“燃气化学能-电能”之间高效率相互转换的目标，是一种新型的可逆能源转换技术。随着Power-to-Gas技术的发展，可以将RSOCs产生的氢气按一定比例直接加入天然气管道，从而实现“电能-天燃气”的互联互换与新能源电力的大规模存储。以往的RSOCs研究主要集中于利用单一气体（氢气或甲烷）发电和制氢，而利用 SOEC 的 P2G 技术也仅局限于其电解池的功能。本项目创新性地提出采用高活性纤维电极构筑的RSOCs技术来实现“复合气体-电能”之间的高效率相互转换，深入研究了RSOCs材料在复合气体下“电-气”相互转换性能，这对于实现电能与燃气之间的相互转换具有重要的意义。项目首先通过电极材料纳米纤维形貌的可控生长与复合气体于电极表面多重催化反应过程为切入点，开发了高活性纤维电极构筑的RSOCs电极材料新体系，结合实验与第一性原理计算，揭示了纳米纤维电极材料的电化学反应电荷转移能力随纤维形貌的变化规律，并分析了不同ABO3型结构钙钛矿电极材料在还原气氛中原位生成纳米金属颗粒的条件和作用，获得了多种新型、稳定、高效的RSOCs用电极材料；首次报道了基于Ru-RuO2可逆相变调控的Cr/Mn基钙钛矿材料用于RSOCs电极，相比于传统Cr/Mn基钙钛矿材料，新材料极大的提高了电催化性能，同时能够保持长时间稳定运行；通过构建RSOCs单电池及其性能测试分析，揭示了不同纳米金属颗粒的原位出溶对“复合气体-电能”相互转换的影响规律和机理；研究了钙钛矿电极多元合金出溶机制，单电池在800℃可达到1 W cm-2的功率密度，共电解CO2-H2O时，单电池电流密度可达5 A cm-2@1.8V。本项目的研究成果不但具有重要的科学意义，而且有望为将单一气体的RSOCs技术延伸到更广的燃料适用范围，为复合燃料气体条件下 SOCs 的可逆稳定运行提供理论指导和实践依据。