以甲烷为燃料的SOFC研究进展
固体氧化物燃料电池的研究前沿
固体氧化物燃料电池的研究前沿固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，具有很高的能量转换效率和较低的环境影响。
近年来，固体氧化物燃料电池的研究逐渐走向前沿，不断取得新的突破和进展。
本文将就固体氧化物燃料电池的研究前沿进行探讨。
固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的高温电化学器件，其工作原理是通过将燃料气体（如氢气、甲烷等）和氧气在阳极和阴极催化剂的作用下发生氧化还原反应，从而产生电能和热能。
固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低污染排放、燃料灵活性强等优点，被广泛认为是未来清洁能源的重要选择之一。
在固体氧化物燃料电池的研究领域，有几个方面的前沿研究尤为引人关注。
首先是材料的研究。
固体氧化物燃料电池的性能受到材料的制约，如阳极、阴极、电解质等材料的选择和性能直接影响着电池的性能和稳定性。
近年来，研究人员通过合成新型材料、优化材料结构等手段不断提高固体氧化物燃料电池的性能，如提高电导率、降低极化、提高抗硫化性能等，从而推动固体氧化物燃料电池技术的发展。
其次是界面和反应动力学的研究。
固体氧化物燃料电池是一个复杂的多相多组分体系，其中阳极、阴极、电解质等界面的反应过程对电池性能有着重要影响。
研究人员通过表面工程、界面设计等手段来调控界面反应，提高电池的性能和稳定性。
同时，研究固体氧化物燃料电池中的反应动力学规律，揭示反应速率与温度、压力、成分等因素之间的关系，对于优化电池操作条件、提高电池效率具有重要意义。
此外，固体氧化物燃料电池的堆级系统集成也是当前的研究热点之一。
固体氧化物燃料电池堆是由多个电池单元组成的，堆级系统集成涉及到堆内温度、压力、气体流动等多个参数的控制和优化，旨在提高整个系统的能量转换效率和稳定性。
研究人员通过优化堆内流场、改进堆结构、设计高效热管理系统等手段来提高固体氧化物燃料电池堆的性能，推动固体氧化物燃料电池技术的商业化应用。
最后，固体氧化物燃料电池的智能化和自适应控制也是当前的研究热点之一。
211171490_甲烷催化部分氧化制合成气催化剂的研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 4 期甲烷催化部分氧化制合成气催化剂的研究进展阮鹏1，杨润农1，2，林梓荣1，孙永明2（1 广东佛燃科技有限公司，广东 佛山 528000；2 中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640）摘要：天然气是一种前景广阔的清洁燃料，甲烷作为天然气的主要成分，其高效利用具有重要的现实意义。
在众多甲烷转化途径中，甲烷催化部分氧化（CPOM ）具有能耗低、合成气组分适宜、反应迅速等优势。
本文简要介绍了CPOM 反应机理，即直接氧化机理和燃烧-重整机理；重点综述了过渡金属、贵金属、双金属和钙钛矿这四类CPOM 催化剂的研究现状；分析了反应温度、反应气体碳氧比和反应空速对CPOM 反应特性的影响；阐述了积炭和烧结这两种催化剂失活的主要原因及应对措施。
根据研究结果可知，通过选取合适的催化剂组分、采用优化的制备方法、精确控制催化剂活性组分分布和微观结构等措施，可以保证更多的有效活性位更稳定地暴露在催化剂表面，以此提高催化性能（包括甲烷转化率、合成气选择性、合成气生成率、反应稳定性等）。
最后指出了对CPOM 催化剂微观结构的合理设计与可控制备以及对CPOM 反应机理的深入研究仍将是今后关注的重点。
关键词：甲烷；部分氧化；催化剂；合成气；多相反应中图分类号：TE644 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）04-1832-15Advances in catalysts for catalytic partial oxidation of methane to syngasRUAN Peng 1，YANG Runnong 1，2，LIN Zirong 1，SUN Yongming 2(1 Guangdong Foran Technology Company Limited, Foshan 528000, Guangdong, China; 2 Guangzhou Institute of EnergyConversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: Natural gas is a promising clean fuel. The efficient use of methane, the major component of natural gas, is of great practical importance. Among many methane conversion routes, catalytic partial oxidation of methane (CPOM) has the advantages of low energy consumption, suitable syngas fraction and rapid reaction. This paper briefly introduced the CPOM reaction mechanisms (i.e. direct oxidation mechanism and combustion-reforming mechanism), reviewed the current research on four types of CPOM catalysts (i.e. transition metal, noble metal, bimetal and perovskite catalysts), analysed the effects of reaction temperature, carbon to oxygen molar ratio of reactant gas and reaction space velocity on CPOM reaction characteristics, and explained the two main causes of catalyst deactivation (i.e. carbon deposition and sintering) together with their countermeasures. According to the results of the research, the catalytic performance (including methane conversion, syngas selectivity, syngas yield, reaction stability) could be improved by selecting suitable catalyst components, adopting an optimized preparation method and precisely controlling the distribution of active components and microstructure of the catalyst. These method could ensure that more active sites are consistently exposed to the surface of catalyst. Finally, it综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1109收稿日期：2022-06-13；修改稿日期：2022-08-22。
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是指一种基于氧化物电解质的能源转换设备，具有高效率、低污染等优点，是解决能源和环境问题的重要途径。
SOFC的研究从20世纪60年代开始，经过几十年的发展，已经进入了工程应用阶段，具有广泛的应用前景。
一、SOFC的原理及特点SOFC是一种通过将氢、甲烷等燃料在电解质中氧化释放电子，并在电流作用下合成水和CO2的化学反应实现能量转换的设备。
氧化物电解质材料一般为ZrO2、Y2O3、Sc2O3等，核心部件是阳极、阴极、电解质和电极间隔等。
SOFC的输出电压高，能达到1.2V以上，而且效率高达50%-70%以上，远高于传统燃烧能源转化的效率。
除此之外，SOFC还具有以下特点：①燃料多样性，可利用天然气、甲烷、乙醇、乙烷等多种化合物；②低污染，SOFC的化学反应产物主要是水和二氧化碳，排放可控制在很小的范围内；③稳定性高，SOFC的耐久性好，可以工作数万小时而未出现显著的性能下降；④噪音低，没有传统燃烧式发电机的噪音和振动；⑤经济性好，SOFC的综合能量转化效率高，可以降低能源成本。
二、SOFC技术研究的进展随着燃料电池技术的不断发展，SOFC研究的重点逐渐由基础研究及单电池研究转向系统研究和工程应用，进展迅速。
在电解质和电极材料、微观结构及界面反应、高温氧化、堆设计和制造等方面有了很大的突破，SOFC的稳定性和耐久性得到了显著提升。
1. 电解质和电极材料电解质材料是SOFC的核心，其稳定性和离子传导率等性能直接影响SOFC的性能。
目前电解质材料主要有ZrO2、Y2O3、Sc2O3等氧化物，其中YSZ（Yttria Stabilized Zirconia）最为常用。
除此之外，还有钙钛矿型氧化物、氧化铈等新型电解质材料，其离子传导率、热膨胀系数等性能均有明显优势。
阴阳极材料是SOFC电子和离子传输的重要通道，其耐腐蚀性和导电能力等性能对SOFC的工作性能和寿命均有影响。
SOFC多尺度多场耦合和性能演化理论研究
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 172技报告导读SOFC多尺度多场耦合和性能演化理论研究林子敬(中国科学技术大学)摘 要：针对本研究主攻一体化电池结构SOFC和使用以甲烷为代表的碳基燃料的科学技术目标，经过对目前理论与模拟研究现状的系统全面考虑，我们在研究的前两年着重开展了一些必需的基础理论和模拟研究，以弥补现状的不足。
本报告侧重介绍本课题在如下方面开展的创新性理论研究与所取得的成果：(1)获得精度与Dusty-gas Model精度相当的物种流量解析表达式；(2)获得能解释实验结果的Ni颗粒生长理论模型；给出三相线长度随Ni颗粒生长变化的理论关系；(3)获得能解释实验结果的多孔复合电极有效电导率理论模型；(4)建成微管SOFC多尺度多物理场耦合的二维模型；给出关键材料组分、微结构和工作参数对微管SOFC性能的影响，指明可具有合理力学性能的材料组分、微结构和工作参数。
这些研究为后期的系统全面理论模拟研究奠定了良好基础。
关键词：多组分其他输运 镍颗粒生长 电导率 纳米浸渍电极 微管SOFC 机械强度Multiscale & Multiphysics Theory and Modeling on SOFC Performances and DegradationsLin Zijing（University of Science and Technology of China,USTC）Abstract ：The overall objective of our 973 program is to conduct basic research on solid oxide fuel cells (SOFCs) with nano-composite electrode structures and using methane fuel as a representative of general fossil fuel. Based on this objective and considering the deficiency of the available theory and modeling technique, we carried out the corresponding theory and modeling activities to fill the gap. This report summaries some of our key findings on the following topics: (1) Obtaining analytical decoupled expressions for the fluxes of multi-component gas species with accuracy comparable to the coupled Dusty-Gas Model; (2) Developing a theoretical model for the Ni agglomeration that is capable of explaining the experimental data. Moreover , using this model to establish the relationship between the TPB length and the growth of Ni particles; (3) Developing models for the effective electrical conductivities of nano-composite electrode and explaining the experimental data; (4) Building multi-scale and multi-physics numerical 2D model for micro-tubular SOFC. Based on this numerical tool, conducting simulation study on the effects of key material composition, microstructure and operating parameters on the performance of micro-tubular SOFC. The simulation results are used to identify the material composition, microstructure and operating parameters with desirable mechanical properties. The above results provide a solid basis for a systematical and thorough theoretical and modeling study in the future activity of the program.Key Words ：Multi-component gas transport;Agglomeration of Ni particle;Electrical conductivity ;Nano-particle infiltrated electrode;Micro-tubular SOFC;Mechanical strength阅读全文链接（需实名注册）：/xiangxiBG.aspx?id=51036&flag=1阳极支撑三层一体化结构电池的制备及性能研究韩敏芳 杨志宾 郑紫微(中国矿业大学（北京）)摘 要：采用流延工艺制备了NiO-8%Y 2O 3/ZrO 2(YSZ)阳极支撑三层一体化结构单电池，在此基础上采用浸渍工艺在多孔YSZ 基体上低温制备了高活性阴极La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O 3–δ(LSCF)。
固体氧化物燃料电池的工作原理和改进方法
固体氧化物燃料电池的工作原理和改进方法固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, SOFC）是一种高效、环保且具有广泛应用前景的新型电化学装置。
SOFC通过将燃料（如氢气、甲烷等）和氧气直接反应产生电能，相对于传统热力发电，它的效率更高、排放更少；与传统电池相比，它的运行温度更高，能适应更复杂的环境。
本文将就SOFC的工作原理进行简述，并介绍现阶段SOFC研究中面临的问题及改进方法。
一、SOFC的工作原理SOFC是一种在高温（800~1000°C）下工作的氧化还原电池，其基本结构为：阳极-电解质层-阴极。
在电解质层的两侧分别放置阳极和阴极，其中阳极一般是一种氧化物（如La0.8Sr0.2M0.97Fe0.03O3-δ），阴极一般是金属（如银）。
电解质层一般采用氧离子导体（如ZrO2），它在高温下可以使氧离子在阳极和阴极之间传输。
SOFC的工作原理是：氢气在阳极表面经过水蒸气重组反应（H2+H2O=2H2O+2e-），然后形成氧化物离子（O2-），它们通过氧离子导体穿过电解质层至阴极表面，并与氢离子（H+）反应，产生水和电子（2H++O2-+2e-=H2O）。
电子由外部电路流回阳极处，完成电流的闭合。
总反应方程式为：2H2+O2=2H2O。
二、现阶段SOFC研究中的问题尽管SOFC具有高效、环保等优点，但在应用过程中仍面临一些问题，主要包括：1.热膨胀问题：SOFC在高温下工作，热膨胀会导致电解质层和阴阳极之间的胶接失效，造成电池寿命缩短或失效。
2.电解质掺杂问题：SOFC中的电解质掺入一定量其他离子，能够提高电解质的电导率和稳定性。
但是这种掺杂过程需要高温下进行，增加了制造成本。
3.阴极催化剂活性下降问题：SOFC阴极的常用材料是银、铂等贵金属，成本较高，同时阴极催化剂还容易受到CO或其他化学物质的中毒作用，活性下降。
三、现阶段SOFC研究的改进方法针对以上问题，目前的SOFC研究方向主要有以下改进方法：1.采用新型材料：目前，研究人员尝试采用一些新型材料来替代常用的电解质、阴阳极等材料。
梯度Cu·CeO2-Ni-YSZ复合阳极直接甲烷SOFC的制备与性能
Ｍ ＥＮＧ Ｘｉ ｕ － Ｘｉ ａ ’ ｌ ＧＯＮＧ Ｘｕ ｎ ’ Ｙ ＡＮＧ Ｎａ ｉ － Ｔ ａ ｏ ’ ， Ｔ ＡＮ Ｘｉ ａ ｏ — Ｙ ａ ｏ ’ ＭＡ Ｚｉ — Ｆ ｅ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆＴ ｏ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｚ ｉ ｂ ｏ ２ ５ ５ ０ ４ ９ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ， Ｐ Ｒ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｊ ｉ ａ ｏ Ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｙ ｔ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ４ ０ ， Ｐ Ｒ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
摘要： 采用三层共压一 共烧 结法， 并涂 覆 Ｌ ａ Ｓ ｒ ｏ Ｍｎ Ｏ。 （ Ｌ ＳＭ） ￣极， 制备 了梯度 Ｎ ｉ ． Ｙ Ｓ Ｚ阳极结构的 固体氧化物 燃 料 电池 （ ＳＯＦ Ｃ） （ 大孔 Ｎｉ — Ｙ Ｓ Ｚｌ 微孔 Ｎｉ － Ｙ Ｓ Ｚｌ Ｙ Ｓ Ｚｌ Ｌ Ｓ Ｍ） （ Ｙ Ｓ Ｚ ： Ｙ ： Ｏ。 稳定 的Ｚ ｒ Ｏ ： Ｌ ＳＭ： Ｓ ｒ 掺 杂的 Ｌ ａ Ｍｎ Ｏ。 ） ．
sofc阳极积碳原理
sofc阳极积碳原理小伙伴们！今天咱们来唠唠SOFC阳极积碳这个事儿。
你可能一听就觉得这是个特高深、特难懂的东西，其实呀，没那么可怕，咱就像聊天儿一样把它搞明白。
SOFC呢，就是固体氧化物燃料电池。
这阳极啊，就像是一个小舞台，好多反应都在这儿发生呢。
那积碳是怎么回事儿呢？这就得从进入阳极的那些东西说起啦。
咱知道，在SOFC工作的时候，常常会有碳氢化合物进来。
比如说甲烷啊，这甲烷就像个调皮的小捣蛋鬼。
当它到了阳极这个小天地的时候，它就想搞点事情。
甲烷在阳极会发生一系列的反应。
本来呢，按照正常的剧本，甲烷是要被氧化，然后乖乖地释放出电子，为电池供电的。
可是啊，有时候就会出岔子。
在一些情况下，甲烷分解这个过程就有点失控啦。
甲烷可能会分解成碳和氢气。
这碳啊，就像灰尘一样，一点点地在阳极上堆积起来。
你想啊，这阳极本来是有自己的工作要做的，结果这些碳就像不请自来的小垃圾，在那儿越堆越多。
这就好比你正在打扫房间，结果突然有人不停地往地上扔小纸屑，时间长了，房间就变得乱糟糟的。
而且哦，这个积碳的过程还和反应的温度有很大关系呢。
温度就像是一个指挥家，指挥着各种反应的进行。
如果温度不合适，就像是指挥家乱指挥一样。
比如说温度比较低的时候，甲烷分解成碳的这个反应就更容易发生。
这就像在寒冷的冬天，有些东西就变得不那么听话，容易出状况。
另外呀，阳极的材料也很关键。
如果阳极材料对碳的亲和力比较大，那就像是一个有磁性的东西，会把碳都吸引过来。
这阳极材料就像是一个有吸引力的小陷阱，碳就不由自主地往上面跑，然后在上面安家落户。
这阳极积碳可不是小事情哦。
积了碳之后，阳极就像被堵住了一样。
那些原本要进行的反应就没办法好好进行了。
就好比一条原本畅通的马路，突然被很多障碍物堵住了，汽车就开不过去啦。
电池的性能就会大大下降，发电的效率也变得很低。
这就像一个本来活力满满的小机器人，突然被什么东西卡住了关节，动起来就不利索了。
那怎么解决这个积碳的问题呢？这也是科学家们一直在研究的事儿。
电化学合成技术在能源转化中的新进展与应用
电化学合成技术在能源转化中的新进展与应用在当今全球能源需求不断增长和环境问题日益严峻的背景下，寻找高效、清洁和可持续的能源转化技术已成为当务之急。
电化学合成技术作为一种具有巨大潜力的能源转化手段，近年来取得了显著的新进展，并在能源领域展现出广泛的应用前景。
电化学合成技术的基本原理是利用电能驱动化学反应，将原料转化为具有更高能量或更有价值的产物。
这一过程通常涉及电子的转移和离子的迁移，通过精心设计的电极材料、电解质溶液和反应条件，可以实现对反应的精确控制和优化。
在能源转化领域，电化学合成技术的一个重要应用是燃料电池。
燃料电池能够将化学能直接转化为电能，具有高效、清洁和安静等优点。
其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）是目前研究的热点。
PEMFC 以氢气为燃料，在质子交换膜的作用下，氢气在阳极发生氧化反应产生质子和电子，质子通过膜传递到阴极，与氧气结合生成水，同时电子通过外电路形成电流。
SOFC 则工作在较高温度下，能够使用多种燃料，如氢气、甲烷等，具有更高的能量转化效率和燃料适应性。
除了燃料电池，电化学合成技术在储能领域也发挥着关键作用。
锂离子电池是目前最常见的储能装置之一，其性能的提升很大程度上依赖于电化学合成技术的进步。
通过优化电极材料的结构和组成，如开发高容量的正极材料（如三元材料、磷酸铁锂等）和高性能的负极材料（如硅基材料、金属锂等），可以显著提高电池的能量密度和循环寿命。
同时，新型的电化学储能技术，如钠离子电池和钾离子电池，也在不断发展。
这些电池具有资源丰富、成本低廉等优势，有望在未来的大规模储能中得到应用。
在可再生能源的转化和存储方面，电化学合成技术也展现出了独特的魅力。
例如，通过电解水可以将电能转化为氢气，实现能源的存储和运输。
电解水过程包括阳极的析氧反应（OER）和阴极的析氢反应（HER）。
开发高效、稳定且廉价的 OER 和 HER 催化剂是提高电解水效率的关键。
甲烷水蒸气重整反应研究进展
甲烷水蒸气重整反应研究进展孙杰1，孙春文2，李吉刚1，周添1，董中朝1，陈立泉2【摘要】[摘要] 甲烷水蒸气重整（SMR）作为可与多种高温发电系统耦合的燃料供应过程，目前受到相当普遍的重视。
本文从SMR的过程和反应机理、甲烷重整催化剂材料和性能评价、传统反应器和微反应器的SMR性能比较，以及耦合SMR系统的匹配等方面，对SMR反应的研究进展进行了归纳和分析。
分析结果表明，目前与固体氧化物燃料电池（SOFC）耦合的SMR反应，尤其是与非传统的微小型反应器匹配的催化剂材料、反应器结构设计、结构与材料一体化的研究都有待深入。
【期刊名称】中国工程科学【年(卷),期】2013(000)002【总页数】9【关键词】[关键词] 甲烷水蒸气重整；机理；催化剂；微反应器；SOFC1 前言我国需要一种清洁、安全和可靠的能源来保障经济的可持续发展和人民的生活质量。
由于油价飙升、能源多样化和能源供应安全需求，以及全球环境问题，使天然气作为一种全球性的能源，近些年来得到广泛利用。
同样的原因，也使H2被视为未来的能源媒介[1～3]。
而目前，工业上H2的大规模生产多采用甲烷的重整。
用化石燃料制H2能够实现化石能源和可再生能源系统之间的平稳转换。
此外，H2可供多种燃料电池发电，这方面优势对于我国实现能源安全、空气质量、温室气体减排和工业竞争等能源相关政策的目标意义重大。
H2的主要特征在于它是一种清洁的能源媒体，它与氧结合释放出储存在H—H键中的化学能，而反应产物只有洁净的水蒸气。
因此，H2引起了政策制定者、科学家和企业等多方的兴趣。
甲烷水蒸气重整（SMR）反应是传统制取富氢合成气的重要途径，目前工业上较成熟的制氢工艺，也是最简单和最经济的制氢方法。
在生产氨水、甲醇以及其他化工产品的过程中，所需要的氢均由SMR制得。
SMR工艺从1926年开发应用至今，工程师们对此工艺做过了许多方面的改进，已经是应用于H2工业生产的成熟技术。
但目前，与固体氧化物燃料电池（SOFC）耦合的SMR过程，尤其是与非传统的微小型反应器匹配的催化剂材料、反应器结构设计、结构与材料一体化的研究都有待深入。
甲烷直接制备甲醇的研究与展望
第52卷第7期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 7 2023年7月 Liaoning Chemical Industry July，2023收稿日期： 2022-11-14甲烷直接制备甲醇的研究与展望程雪新，苏永庆*，胡泽民，赵子龙（云南师范大学， 云南 昆明 650500）摘 要： 研究了甲烷直接制备甲醇的方法，工业中甲烷制备甲醇还是在高温条件下，对在低温温和的条件下甲烷制备甲醇进行了总结。
并对使用电催化方法的甲烷制备甲醇进行了研究和讨论。
关 键 词：甲烷； 甲醇； 催化剂； 电催化中图分类号：TQ201 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）07-1043-04在当今，我们使用的能量能源主要来自石油，煤炭和天然气，并且这三大能源在世界经济及社会发展中占主导地位[1]。
虽现在核能，太阳能，水能等新能源的开发利用已经得到了很大开发和利用。
但有关专家预测，未来的几十年里，石油、煤炭和天然气依旧在世界发展中占有主导地位[2]。
虽天然气的探明储量远远超过原油，但由于大部分的天然气产地在远离城市的地方，若能在原地把天然气转化为基础化工产品，就会极大的降低成本[3]。
其中甲烷是天然气的主要成分，甲烷的活化和功能化成为有用的碳氢化合物和含氧产物已受到广泛关注。
1 甲烷直接部分氧化的方式目前，甲烷转化为甲醇主要直接转化和间接转化两种方式，工业生产主要应用间接转化法[4]。
工业上通常使用的是甲烷间接合成甲醇法，反应在800~1 000 ℃高温下进行，工艺流程长，能耗及设备投资较大[5]。
工业上已经大规模实施了两种将甲烷转化为液态烃的方法：甲烷转化为汽油和费托合成[6]。
这两种技术都是通过蒸汽重整生成合成气（一氧化碳和氢气的混合物）途径（1）和（2），然后转化为相关产品。
在传统的甲烷蒸汽重整装置中，二次装置由来自一次装置的未反应甲烷供给，并在高于一次装置的温度下用氧气和蒸汽重整[7]。
固体氧化物燃料电池材料和镍基甲烷干重整催化剂的制备与性能研究
固体氧化物燃料电池材料和镍基甲烷干重整催化剂的制备与性能研究本论文主要围绕固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)材料和甲烷干重整(dry reforming of methane, DRM)催化剂的制备与性能开展研究。
SOFC是一种将化学能直接转化为电能的装置,具有清洁、高效、全固态设计、模块化等特点。
降低SOFC的生产成本,提高其工作效率和稳定性是目前研究的主要问题。
DRM将两种温室气体(CH4和C02)转化为两种重要的合成气(H2和CO),对于提高CH4利用率、减少污染以及化工合成产业都有重要意义。
当前的许多相关工作都着重于寻找和制备稳定、高效和抗积碳能力强的催化剂。
论文主要工作包括(1)开发了一种适用于大规模生产、操作简单、生产周期短且成本低的高性能SOFC制备技术,对其中的关键参数进行了优化；(2)对SOFC 阳极材料进行优化,通过加入纳米氧化铝改善阳极烧结性能,提高SOFCs的发电效率和稳定性；(3)使用湿法浸渍制备甲烷干重整催化剂,通过材料表征和性能测试对碳沉积机理进行分析,得到了比较理想的钙钛矿型Ni基催化剂前躯体材料。
具体结果如下：论文第二章的主要工作是开发了利用湿粉喷雾法(wet powder spraying, WPS)制备YSZ电解质层(electrolyte layer, EI)、NiO-YSZ 阳极功能曾(anode functional layer, AFL)和流延法(tape casting, TC)制备NiO-YSZ阳极支撑层(anode support Layer, ASL)的SOFC半电池制备技术,并优化了工艺参数。
研究表明在WPS制备YSZ薄膜时,衬底温度、喷雾速率和浆料中的粘结剂(聚乙烯醇缩丁醛,PVB)浓度对薄膜生坯中的YSZ粉体分散与堆积情况影响很大。
通过对制备出的YSZ薄膜的表征和分析,我们优化了喷雾条件和浆料配比,成功利用自动式喷雾设备制备出了平整、厚度均匀且致密的YSZ电解质薄膜,此方法也被应用于NiO-YSZ AFL的制备。
不同结构下SOFC发电系统的性能分析、优化与比较
不同结构下SOFC发电系统的性能分析、优化与比较随着人类社会的发展,环境问题已不容忽视。
固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有全固体结构,高效率,易维护,无污染等优点,已是当前绿色发电技术的研究热点之一。
现阶段对于SOFC发电技术的研究已从电堆过渡到完整的SOFC发电系统上。
SOFC发电系统具有多变量耦合、强非线性的特点,对系统进行稳态性能分析是后续对系统进行控制的必要条件,也是系统稳定、高效、长时间运行的基础;并且SOFC系统具有结构多样化的特性,不同的系统结构具有不同的性能,对现有经典的SOFC系统的性能进行深入比较,可以为SOFC系统集成与走向应用提供理论支撑。
以此为目标,本文以四种5KW级平板式SOFC发电系统为对象:即纯氢气SOFC 发电系统、外重整(steam reformer)SR-SOFC发电系统、SOFC-GT(gas turbine)混合发电系统以及SOFC-SOEC(固体氧化物电解池,通过吸收太阳能、风能等间歇性电能可将二氧化碳转化为燃料)联合发电系统,对其进行深入的系统性能分析与优化,然后在同等条件下比较续航能力、系统效率、系统成本等指标参数,分析各系统的优劣并针对不同的应用领域提出建议。
本文的具体研究内容及安排如下:首先,根据物理守恒定律及化学动力学原理建立各发电系统的机理模型。
为了平衡模型的计算量与精度,论文采用有限元的方法为电堆和换热器搭建1D分布式模型,系统中的BOP(balance of plant)部件比如重整器,燃烧室,鼓风机,GT单元等则采用集总参数模型,并对系统各部件的模型进行集成以形成系统模型,为后文进行系统分析奠定了基础。
然后,基于完备的系统分析、优化方法,本文以SR-SOFC发电系统为例,在整个输入空间内对其进行稳态性能分析,并在满足系统温度约束的条件下,找出不同输出功率下具有最大系统效率的最优操作点。
最后,对四种不同类型的SOFC发电系统,进行系统性能的比较分析,并给出各系统优势特点及其应用领域建议。
甲烷为燃料的IT-SOFC阳极电催化剂的研究的开题报告
甲烷为燃料的IT-SOFC阳极电催化剂的研究的开题报告一、研究背景固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高效、稳定的能量转换设备，能够直接将天然气等燃料转化成电能。
其中，Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cell（IT-SOFC）作为一种比传统高温SOFC更具潜力的新型SOFC，其工作温度较低，降低了系统的腐蚀性和材料强度等问题。
而甲烷又是一种广泛存在于天然气中的主要成分，因此研究利用甲烷作为燃料的IT-SOFC具有较高的实用价值和科学意义。
IT-SOFC中阳极的电催化剂是影响其性能和稳定性的重要因素之一，而目前在甲烷为燃料的IT-SOFC中对阳极电催化剂的研究还比较薄弱，需要加强相关的研究工作。
二、研究目的本研究旨在制备一种针对甲烷为燃料的IT-SOFC阳极的高效电催化剂，通过探究其催化反应机理，优化其工艺条件，提高甲烷的电化学氧化效率，从而提高IT-SOFC的燃料利用效率和稳定性。
三、研究内容和方法1. 制备IT-SOFC阳极电催化剂；2. 研究电催化剂在甲烷氧化反应中的催化机理和动力学特征；3. 优化电催化剂的制备工艺条件，提高其甲烷氧化的电化学性能；4. 搭建IT-SOFC实验平台，在实际运行中测试其燃料利用效率和稳定性。
方法包括合成化学、电化学测试、表征分析等。
四、预期成果和意义1. 成功制备高效的甲烷为燃料的IT-SOFC阳极电催化剂；2. 深入探究阳极电催化剂的催化机理和动力学特征，为其后续的研究提供理论支持；3. 优化电催化剂的制备工艺条件，提高其甲烷氧化的电化学性能；4. 在实际应用中提高IT-SOFC的燃料利用效率和稳定性，为固体氧化物燃料电池的应用提供新型材料和技术支持。
五、研究进度安排1. 第1-2个月：文献综述，确定研究方向、目的和方法；2. 第3-4个月：制备并表征电催化剂材料；3. 第5-6个月：研究阳极电催化剂在甲烷氧化反应中的催化机理和动力学特征；4. 第7-8个月：优化电催化剂的制备工艺条件，并进行性能测试；5. 第9-11个月：搭建IT-SOFC实验平台，进行实际应用测试；6. 第12个月：总结成果，撰写论文。
固体氧化物燃料电池的研究与应用
固体氧化物燃料电池的研究与应用固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高效清洁的电化学发电系统，其效率高于传统的燃气发电机组和化石能源发电厂。
SOFC作为一种新型能源技术，具有显著的应用潜力。
一、SOFC的原理及研究进展SOFC以氧化物为电解质，通过将氧原子离子（O2-）导向阳极，导电的质子（H+）则通过电解质层，进入阴极并与氧元素结合形成水，同时在阳极与燃料反应氧化形成二氧化碳。
SOFC的核心部件为固体氧化物电池，开发高效、稳定的电解质、阳极和阴极材料是此类电池关键的研究方向。
近年来，SOFC在小型化、高密度和耐久性等方面得到了显著进展。
传统的SOFC系统在使用较长时间后往往会出现降低输出功率的情况，但今天的研究结合了具有更好稳定性的陶瓷材料，并通过设计改善氧化物电极结构，使得SOFC寿命和电化学性能得到了显著提高。
此外，光学计算模拟技术和材料科学研究手段被应用于SOFC的结构设计中，以优化喷印和构件装配的效率，并提高SOFC的能量密度和稳定性。
二、SOFC的应用领域1、战略能源设备SOFC作为一个能够有效解决环境污染和减排难题的绿色能源，其在国防和军事工业领域的应用有望成为未来国家发展的一大重要方向。
尤其是在高纯氢气和小型化燃料电池系统的应用，以及任意气体燃料供应的问题上，都具有广泛的应用前景。
2、能源供应SOFC被广泛视为是未来能源的方向，可以发挥其优异的高效性能，在城市供电、工业生产、居民采暖、航空航天和汽车等领域进行广泛的应用。
随着SOFC技术的不断改进，SOFC电力系统将会被广泛应用于能源供应方面。
SOFC燃料电池可直接使用天然气、石油天然气、乙醇、甲烷等碳氢化合物燃料，其高效、经济、环保的特点受到社会各界的认可。
3、环保节能SOFC作为一种低能耗、低污染的绿色能源，可有效地节约能源、减少二氧化碳等有害气体的排放。
SOFC与光伏、风力发电技术的结合，有望推动能源革命进一步发展，实现真正的绿色低碳生态。
碳基燃料SOFC阳极材料研究进展
碳基燃料SOFC阳极材料研究进展孙春文;李泓;陈立泉;孙杰;杨伟;马朝晖;李帅;仙存妮;王少飞;肖睿娟;施思齐【摘要】Solid oxide fuel cells (SOFCs) are electrochemical reactors that can directly convert the chemi-cal energy of a fuel gas into electrical energy with high efficiency and in an environment-friendly way. The recent trends in the research of solid oxide fuel cells concern the use of available hydrocarbon fuels,such as nature gas. The most commonly used anode material Ni/YSZ cermet exhibits some disadvantages when hydrocarbons were used as fuels. Thus it is necessary to develop alternative anode materials which show a mixed conductivity under fuel conditions. This article reviews the recent developments of anode materials for SOFCs with carbon-based fu-els. The future trend in this field is briefly summarized as well.% 固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一类可以将燃料气体的化学能以高效而环境友好的方式直接转化为电能的电化学反应器。
甲烷燃料电池固定电站最新发展
以甲烷为原料的燃料电池固定电站的最新进展一、概述由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。
此外，还具有以下优点：（1）部分负荷时也能保持高的效率；（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；（3）由于输出功率单位由堆的输出功率决定，故机组容量具有自由度；（4）电池本体的负荷响应性好；（5）x NO 及x SO 等的排出量少，有利环保。
正是由于由于其具有发电效率高，适应多种燃料和环境特性好等优点，近二十年来燃料电池得到很大的发展，各类高性能，高稳定性的燃料电池已被广泛地应用于字航、船舶、电气、通讯及运输等方面。
特别是近年由于全球对于提高能源利用率及减少环境污染的需要，燃料电池再次受到广泛重视。
二、燃料电池的原料——氢气的制取发展燃料电池首先要解决原料气-氢气支取问题。
目前，氢气生产的主要原料气又天然气、汽油、柴油、煤、生物质及醇类。
生产方法主要有正气重整、不完全氧化、气化法、热裂解法和催化裂解等。
其中，坦然其是与其它原料相比 具有相对能耗较小、储量丰富、投资较低等优点，目前，天然气蒸汽重整是生产氢气的最经济有效的途径，世界上氢气总产量的3/4来自天然气蒸汽重整。
天然气重整是利用甲烷与水蒸气在高温下发生反应而制取氢气。
这主要是因为：首先,天然气中含氢量较高,天然气转化制氢技术成熟,成本相对较低,制氢产生的温室气体相对较少。
工业上也有以甲醇为燃料的燃料电池,但目前生产甲醇最主要的原料也是天然气；其次,我国目前正大力发展城市天然气,将其作为燃料电池的燃料符合国家的能源政策。
燃料电池按电池中使用的电解质可分为以下几类:碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、聚合物膜电解质型燃料电池(PEFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC) 等。
SOFC中低浓度干甲烷在Ni／YSZ阳极上的反应
（， ｈ ｍｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ ｏｌ ｅＤ ｉ ｎ ｅｓｙ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ， ｌ ａ １０ ２ Ｃ ｉ ； １Ｃ ｅ ｃ ｇｎｅｉ ｌ ｇ， ａ ａ Ｕ ｉ ｒｔ Ｔ ｃｎ ｌ ｙＤａ ｎ１６ ， ｈｎ ａＥ ｎＣ ｅ ｌ ｎ ｖ ｉｏ ｏ ｉ １ ａ ２Ｎｅ ｎ ｒ ｅｈ ｏｏ ｅｅｒｈ ｖｓ ｎＡｏ ｒＩｄ ｓ ｉ ｅｅ ｃ ｅ ｔ ， ｏ ｒ０ ００ ，ａａ） ． ｗＥ ｅｇ Ｔ ｃｎ ｌｇ Ｒ ｓａｃ ｉｏ ， ｍｏｉｎ ｕｔａＲ ｓａ ｈ ｎ ｒ ｍｏｉ３ － １３ Ｊｐｎ ｙ ｙ Ｄｉ ｉ ｒ ｌ ｒ Ｃ ｅＡ １
全氧 化的电流密度 增加 。
关键词：固体氧 化物燃料 电池 ；甲烷 ；反应 ；阳极 中图分类号：Ｔ ｌ．４ Ｍ９ １ ４ 文献标识码 ：Ａ
Ｒｅ ｃ ｉ ｎｓｏ ｗ ｎｃ ｎｔ ａ ｉ ｎ Ｄｒ ｅ ｈ ｎｅｏ ／ ａ ｔｏ ｆＬｏ Ｃｏ ｅ ｒ ｔｏ ｙ Ｍ ｔ ａ ｎ Ｎｉ ＹＳＺ Ａｎｏ ｆＳ ＦＣ ｄｅｏ Ｏ
Ｉ Ｓｖ ｒ ｍｐ ｒａ ｔｔ ｎ ｗ ｈｅｃ ｅ ｉａ ｄ ｅ ｅ ｏｃ ｅ ｉａ ｅ ｃｉ ｎ ｆｍｅ ｈ ｅ ｏ ｅ ｈ ｏ ｅ ｏ ＯＦ ｔｉ ｅｙ ｉ ｏ ｔ ｏ ｋ ｏ ｔ ｈ ｍ ｃ ｌａ ｌｃ ｎ ｎ ｒ ｈ ｍ ｃ ｒａ ｔｏ ｓｏ ｔ ａ ｖ ｒｔ ｅ ａ ｄ ｆＳ Ｃ， ｌ ｎ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｅｅ ｔ ｅ ｄ ｉ ｌ ｘｄ ｅ ｃ ｌｆ ＯＦ ） ｏ ｃ ｒｓｔｅｄｒｃ ｓ ｆ ｔａ ｅｏ ａｕａ ｇ ｓ ｓｒ ｃ： ｅｒｃ ｎ ｎ ｓ ｉ ｏ ｉｅｆ ｌ ｅｌ Ｓ Ｃ ｃ ｎ ｅｎ ｉ ｔ ｅｏ ｈ ｒ ｔｒ ａ， ｒ ｔ ｎｏｄ ｕ ｈ ｅ ｕ ｍｅ ｎ ｎ ｌ
直接甲烷燃料的SOFC复合阳极制备及研究
1前言固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells ，简称SOFCs ）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置[1]。
同时，SOFC 对于燃料选择范围非常广泛，如可以使用氢气、丁烷、水煤气、生物质气化混合气体等。
SOFC 除了具有其他类型的燃料电池能量转换效率高、环境污染小等优点之外，它还有其独有的特点，如燃料适用范围广、电池寿命长等，因此其作为固定电站在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等多领域都有广泛的应用[2]。
SOFC 主要由阳极、阴极和电解质组成。
阳极作为SOFC 的重要组成部分，其主要功能是为燃料的氧化提供反应场所并同时起到传递电子和催化效果的作用。
目前，在SOFC 中应用最为广泛的是Ni/YSZ （3%氧化钇稳定氧化锆）阳极。
在Ni/YSZ 阳极结构中，YSZ 起骨架的作用，Ni 颗粒均匀地分布于YSZ 构建的网络结构中，这种结构大大增加了三相界面区域，从而提高了电池的性能。
金属Ni 能促进C-C 的断裂，有利于丁烷、水煤气等燃料的催化裂解。
但是，作为催化剂，金属Ni 本身也有一些不足之处[3]。
传统的Ni 阳极催化剂很容易发生积碳反应，主要表现为在甲烷气氛下，阳极出现丝状碳纤维和碳粉，阻塞了阳极气体通道。
Singhal在一篇关于碳纳刘丽丽，孙良良，石纪军，程亮，徐序，吴也凡，罗凌虹（景德镇陶瓷大学，景德镇333001）本文采用浸渍法，在固体氧化物燃料电池Ni/YSZ 阳极上制备纳米Ru 层。
采用扫描电子显微镜（SEM ）和能谱（EDS ）对阳极成分和结构进行表征发现：显微结构良好的Ru 催化层和纳米级Ru 颗粒均匀的分散于Ni-YSZ 阳极内部。
以甲烷为燃料，单电池在750℃的温度下，浸渍了0.67mol %Ru 的Ru-Ni-YSZ ||YSZ ||Ag 单电池获得最大功率密度可达374mW/cm 2。
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方法是在高温下,在阳极内部CH4直接重整（如图 2.所示）,且水蒸汽重整制氢占据了主导地 位。在内部重整型SOFC中,重整反应所需热量由燃料电池反应供给,因而可以省去传统SOFC
的燃料处理器所需的外部热交换器,在燃料电池内部将重整反应与电化学氧化反应偶联将内
部重整由概念变成现实。
甲烷蒸汽重整过程主要进行如下反应：
（5）甲烷在高温下发生了裂解反应，
CH4→C+2H2
(20)
C+H2O→CO+H2
(21)
但是,甲烷直接进入 SOFC 阳极后,在阳极氧化过程复杂,在阳极表面,甲烷的不完全氧
化、积碳等现象均会导致电池性能下降。基于此,我们在研究甲烷直接转化发电基础上,对甲
烷在 SOFC 中的阳极催化氧化机制作深入研究与探讨。
2.1.2.甲烷直接氧化
甲烷结构稳定,完全氧化转化反应的自由能高。天然气在SOFC中的利用方式有两种,其
一,甲烷经外部催化转化成CO和H2混合气,然后进入SOFC阳极发电,这需要复杂的外部重整 转化设备,投资大,增加了工艺的复杂性;其二,将甲烷直接送入SOFC阳极,在SOFC阳极表面
直接完成转化与发电两个过程,是目前SOFC电催化过程研究中的前沿领域。 因为蒸汽重
2.2.阳极氧化性能研究
上述各个反应与O2-的供应速度密切相关。当氧气进入SOFC本体时,氧在阴极上的还原 反应速度及O2-在固体氧化物电解质中的离子传输速率,直接影响到达阳极表面的O2-数目。在 SOFC系统中,希望到达阳极的O2-数目足够多,使甲烷达到完全氧化反应,释放出最多电子数, 获得高的输出电流密度。氧离子在固体氧化物电解质中的迁移机理分析表明,高活性阴极催 化剂、固体电解质的组成及厚度、系统工作温度都会影响到达阳极的O2-数目。此外,在阳极 与固体电解质之间存在三相界面(tpb),研究表明在tpb处,富集着相当数目的O2-,富集的O2-越多, 积碳现象越少。因此,在阳极催化剂分布时,形成较多的tpb区域是有利的。
氧离子在电解质膈膜两侧电位差和浓差驱动力的作用下,通过电解质中的氧空位，定向跃迁
到阳极侧(燃料电极)上，并与燃料(H2、CO或CH4)进行氧化反应,失去的电子通过外电路回 到阴极:
2O2 +2H2-4 e-→2H2O
(2)
4O2+CH4-8e- →2H2O +CO2
(3)
O2 +CO-2 e-→CO2
组元 电解质 阴极 阳极 连接体
表 1.固体氧化物燃料电池各组元要求
要求
电导性
稳定性
相容性
高的离子电导 低的电子电导
燃料和氧化中， 和 相 邻 组 元 不
化学、相、晶形 发 生 化 学 反 应
和尺寸稳定
和内部扩散
在氧化环境中， 和 相 邻 组 元 不
高的电子电导 化学、相、晶形 发 生 化 学 反 应
(1)甲烷与O2-发生完全氧化反应，生成CO2和H2O，释放出电子；
CH4 ＋2O2→CO2＋2H2O
(14)
(2)甲烷与O2-发生部分氧化反应生成合成气，CO和H2再与O2-反应释放出电子；
CH4 + 0.5O2 → CO + 2H2 CO+O2-→CO2+2eH2+O2-→H2O+2e-
(15)
是产生电能的过程。
甲烷在SOFC中的重整反应的动力学与机理研究在目前很受关注，因为甲烷直接通入阳
极，在阳极发生重整反应和电催化反应，这样比H2的反应复杂的多，而且甲烷重整反应受到 多种因素的影响。它不仅涉及到反应物、生成物在催化剂表面和内部的质量传递和扩散，而
且涉及许多并行反应。不同电极材料及其界面结构和运行环境（各气体的分压、反应温度等
燃料电池的各组成单元有各自的要求，首先要在还原气氛或（和）氧化气氛中有较好 的稳定性，其中包括化学稳定、晶型稳定和外形尺寸的稳定等；其次彼此间要有好的化学相 容性；合适的电导性和相近的热膨胀系数。同时要求电解质和连接体是完全致密的，以防燃 料气和氧气的渗透混合；阳极和阴极应该是多孔的，从而利于气体渗透到反应位置。具体要 求如表 1：
和相邻组元热 膨胀匹配
和相邻组元热 膨胀匹配
和相邻组元热 膨胀匹配
-1-
1.2.SOFC 工作原理
和一般燃料电池一样,SOFC也是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置,只不 过工作温度较高,一般在 800—1000℃.它也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成.在阳 极一侧持续通入燃料气,例如H2、CH4、煤气等,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,例 如氢,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面.
2.甲烷在 SOFC 阳极氧化性能的研究
甲烷是天然气中的主要成分,资源十分丰富。随着我国天然气探明储量不断增加,天然气 资源的开发利用,已从原有的较单一的化工利用方式,逐步转向民用、发电和汽车应用等领 域。甲烷是非常理想的燃料电池燃料, 固体氧化物燃料电池(SOFC)因其工作温度高,可以直 接利用天然气和煤制气等气体燃料,具有燃料转化效率高、污染排放少等优点。
3.结语
燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。从原理上讲,燃料电池不 受卡诺循环限制,与传统热机相比,具有能量转化效率高和环境友好等优点。CH4气体是丰富 而廉价的燃料气体,固体氧化物燃料电池工作温度较高，故通过燃料电池的转化可以使CH4 得到最充分利用。但在阳极的严重积碳现象严重的阻碍了甲烷作为燃料气体在SOFC中的推 广，所以寻找新型的抗积碳材料是我们今后研究的重点。
CH4 + H2O → 3H2 + CO
(10)
同时伴随发生水气变换反应：
CO + H2O → CO2 + H2
(11)
由反应(1.21)、(1.22)产生的H2、CO在阳极发生电化学氧化过程：
H2 + O2- → H2O + 2e-
(12)
CO + O2- → CO2 + 2e-
(13)
其中式(10)、(11)是化学反应，是燃料气体的改质转化过程；式(12)、(13)是电化学反应，
马紫峰[1]等以YSZ为固体电解质，采用Pt作电极材料。经适当工艺加工成管式SOFC,通 过六通阀切换装置,使反应气与反应产物与气相色谱仪相联,进行组成分析。得出甲烷的转化 率与温度、空速等条件有关。
首先，随温度的升高，甲烷的转化率提高，H2和CO生成量也不断增加，尾气中没有CO2 和其他组分生成。
(16) (17)
(3)甲烷与生成的说水蒸汽发生重整反应，生成CO和H2；
CH4 ＋H2O→CO＋3H2
(18)
CO+O2-→CO2+2eH2+O2-→H2O+2e-
(19)
(4)当O2-数目供应不足时，也可能生成C2烃，并释放出部分电子，甲烷没有发生完全氧化反
应；
-4-
以甲烷为燃料的 SOFC 研究进展
鲁楠，由宏新
大连理工大学化工学院 116012
摘 要：固体氧化物燃料电池(SOFC)采用的是全固体的电池结构,不存在液体电解质带来的 腐蚀和流失等问题,而且具有燃料适应性广等突出优点。本文较详细地介绍了固体氧化物燃 料电池的特点、工作原理,并全面阐述了以甲烷为燃料时电池阳极的反应类型和原理。 关键词：固体氧化物燃料电池 甲烷 阳极
和尺寸稳定
和内部扩散
在燃料环境中， 和 相 邻 组 元 不
高的电子电导 化学、相、晶形 发 生 化 学 反 应
和尺寸稳定
和内部扩散
高的离子电导 低的电子电导
在燃料和氧化 环境中，化学、 相、晶形和尺寸 稳定
和相邻组元不 发生化学反应 和内部扩散
多孔性 完全致密 多孔隙 多孔隙
完全致密
热膨胀 和相邻组元热 膨胀匹配
-3-
图 2.直接内部蒸汽重整甲烷的 SOFC 系统
结果表明，在CH4-H2O系统的Pt阳极和YSZ接触表面，温度为873K-1173K时电化学反应 速率已被定量的确定，C,CO,CH4,和H2的氧化反应过程是并行的。主要的电化学氧化反应是 873-1173K下的H2/H2O氧化反应。在873-973K下CH4-H2O系统中的H2/H2O和CO/CO2的电化学 反应速率要比在H2-H2O系统中的H2/H2O反应速率大，尤其是在阴极极化时；同样也比在阳 极极化时CO-CO2系统的CO/CO2反应速率大。这要归功与YSZ的吸附物质。
过程。的能量却没有直
接用于燃料电池系统,因而浪费了大量的能源,在目前的SOFC发电系统中,这种实现形式逐渐
被淘汰。
2.内部重整（Internalreforming）
目前,甲烷在SOFC中重整反应主要有水蒸气重整和直接氧化两大方式。当今广泛使用的
(4)
电池总的反应方程式为:
2H2+ O2→2H2O CH4+2O2→2H2O + CO2 2CO+ O2→2CO2 SOFC 的开路电势为：
(5) (6) (7) (8)
Ee = −∆G / nF
电池的理论极限效率为：
ηMAX = ∆G / ∆H
(9)
-2-
图 1. 氧离子电导燃料电池电化学反应过程示意图
SOFC的工作原理如图 1.所示, 在阴极一侧持续通入氧气或空气,具有多孔结构的阴极
表面吸附氧,由于阴极本身的催化作用,使得氧分子O2得到电子被还原成氧离子O2-,在化学
势的作用下, O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体：
O2+4e- →2O2-
(1)
其次，空速对甲烷的转化结果影响很大。空速过大,燃料气体在阳极表面停留时间短, 反应不能完全：随着燃料气速及空速的增大,甲烷转化量及H2和CO的生成量呈下降趋势,然后 达到一个相对稳定范围；空速太小,停留时间长,甲烷反应过度会造成积碳：对比甲烷转化量 和H2生成量,可以发现,H2生成量基本保持为CH4转化量的 2 倍,证明由CH4转化产生的H2并没 有参与阳极的氧化反应,而CO生成量与CH4转化量不相当,不能实现反应前后的碳平衡,证明 甲烷在阳极转化过程中有积碳。究其原因是,由于阴极氧还原反应速度限制以及固体电解质 中离子传导阻力,导致到达阳极的O2-数目不够,使阳极反应中形成缺氧反应。 另外，积碳对电池性能也有一定的影响。向电池中通入O2,可以检测到尾气中有CO产生,说明 了阳极表面的积碳可以用O2除去。若甲烷燃料经鼓泡器增湿处理,阳极表面的积碳现象也可 以降低。在烧去积碳后,试验电池的输出电性能有一定程度的改善。