2012cb215400-g碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究研究首席科學(xué)家：韓敏芳韓敏芳中國礦業(yè)大學(xué)（北京）中國礦業(yè)大學(xué)（北京）起止年限：2012.12016.82012.12016.8依托部門：教育部教育部電堆的可靠性及壽命。2.2主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容研究內(nèi)容研究內(nèi)容1：關(guān)鍵材料關(guān)鍵材料組成、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)及離子、電子遷移機(jī)制研究及離子、電子遷移機(jī)制研究通過第一性原理計(jì)算，研究典型導(dǎo)體（螢石型、鈣鈦礦型、尖晶

2、石型等）材料的組成、結(jié)構(gòu)，及其對電導(dǎo)性能的影響規(guī)律，為SOFC關(guān)鍵材料的選擇和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。研究關(guān)鍵材料中不同尺度對空間電荷層和雙電層中離子、電子傳導(dǎo)規(guī)律的影響，探索新型電解質(zhì)材料，并研究電解質(zhì)材料（LSGM、摻雜CeO2、復(fù)合離子導(dǎo)體等）的離子輸運(yùn)特性，探索與之匹配的高性能電極材料，構(gòu)建一體化中低溫運(yùn)行的SOFC單元電池，研究其性能，獲取材料組成、結(jié)構(gòu)對電化學(xué)性能的影響規(guī)律。針對該研究內(nèi)容設(shè)立1個(gè)課題：“中低溫SOFC關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)

3、及荷電傳導(dǎo)機(jī)制”。研究內(nèi)容研究內(nèi)容2：電極過程及電催化反應(yīng)機(jī)理研究：電極過程及電催化反應(yīng)機(jī)理研究研究反應(yīng)物分子在電極上的吸附、活化、傳遞過程及其規(guī)律，研究影響電極電化學(xué)性能的各種因素，闡述電池性能與電極的表面交換系數(shù)、離子擴(kuò)散系數(shù)、電解質(zhì)的離子擴(kuò)散系數(shù)和空位濃度等的定量關(guān)系，建立電極三相界面的電化學(xué)模型。研究以CH4為代表的碳基燃料的催化重整和電催化反應(yīng)機(jī)理，理解碳基燃料體系的SOFC陽極過程動(dòng)力學(xué)，獲取抑制積碳的新方法、新結(jié)構(gòu)或新材料

4、體系。研究陰極的氧還原過程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建復(fù)合電極的二維無窮大滲流模型，獲取降低陰極極化的途徑和方法。探索新型陽極和陰極材料，提高碳基燃料的電化學(xué)氧化和氧的電化學(xué)還原的動(dòng)力學(xué)性能。針對該研究內(nèi)容設(shè)立2個(gè)課題：“碳基燃料反應(yīng)特異性及陽極催化動(dòng)力學(xué)”和“高性能陰極構(gòu)建及其電化學(xué)行為”。研究內(nèi)容研究內(nèi)容3：高性能、高穩(wěn)定：高性能、高穩(wěn)定SOFC結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面性能基礎(chǔ)研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面性能基礎(chǔ)研究常規(guī)SOFC中，不同組分的陽極、電解質(zhì)、陰極之

5、間具有明顯的層狀界面，可能導(dǎo)致電極電解質(zhì)層分離，影響電池的電化學(xué)性能和長期穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)界面優(yōu)化，提出以電解質(zhì)材料為骨架的一體化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除電極電解質(zhì)間的層狀界面，如圖1所示。研究一體化電池結(jié)構(gòu)中氧離子、電子輸運(yùn)的性質(zhì)和規(guī)律，探索一體化電池的電化學(xué)性能和力學(xué)性能在熱循環(huán)、熱震等苛刻條件下的穩(wěn)定性規(guī)律；發(fā)展在一體化基體中低溫負(fù)載納米催化劑的技術(shù)，研究二者之間的界面作用機(jī)理，研究納米材料在一定溫度條件下的生長機(jī)理和穩(wěn)定控制機(jī)制，確保納