氢声析语

2025-12-30

导读：CH₄/CO₂直接内重整环境下平管型 SOFC 电堆的稳定性

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）技术是一种高效且环境友好的能源转换技术，它将燃料中的化学能直接转化为电能。与传统的火力发电技术相比，SOFC不经过热机循环，因此能量转换效率更高，且排放更低。SOFC的工作温度通常在800~1000℃之间，这使得它具有良好的燃料适应性，可使用天然气、沼气以及其他碳氢燃料。尽管SOFC具有优良的燃料适应性，但在使用碳氢燃料时，目前常用的Ni-YSZ（钇稳定的氧化锆）阳极材料会面临碳沉积的问题。这是由于Ni对C-H键断裂具有优异的催化活性，导致在电池运行过程中形成碳颗粒，这些碳颗粒会堵塞阳极的多孔结构，从而降低电池的性能，甚至导致电池失效。为了减轻碳的不良影响，在碳氢燃料中引入水蒸气进行湿重整是一种常见的方法。在高温条件下，碳氢燃料与水蒸汽反应生成合成气（主要由CO和H₂组成），随后产生的CO进一步与水蒸气发生逆水汽反应，生成H₂和CO₂。

CO₂作为全球变暖的主要温室气体之一，其排放对环境造成了严重影响。为了减轻CO₂排放对环境的影响，避免使用或再利用CO₂的技术变得至关重要。近年来，研究人员提出采用CO₂代替水进行干重整的策略，这样不仅可以简化系统，降低发电成本，还能实现CO₂的再利用。通过热力学计算建立了C–H–O三元相图，结果表明，引入CO₂可以将CH₄燃料从积碳区转移到非积碳区，从热力学角度消除了积碳的可能性。相关研究也表明，在高温下运行可以显著降低CO₂与CH₄的体积比值，从而减少积碳的风险。相比于湿重整，干重整生成的合成气具有更高的燃料浓度，这对于提高燃料利用率具有积极作用。然而，干重整对电极衰减的影响比湿重整更大，其耐用性也不如湿重整。

对于SOFC而言，重整过程可以通过内重整或者外重整两种方式进行。外重整需要在外部集成一个单独的重整系统，而内重整则可以直接在Ni-YSZ阳极上进行。虽然外重整的转化效率更胜一筹，但会增加额外的成本。直接内重整可以省去外部重整器，简化整个系统，因此近年来受到广泛的关注。研究表明，当CO₂/CH₄的比例为等摩尔时，干重整的催化反应速率最大，电池输出功率也最高。另有研究结果则表明CO₂与CH₄的体积比值在1.5~2.0范围内有利于CH₄的转化，并有助于在尾气中获得高浓度的H₂和CO。

除了重整技术的研究，其他一些研究集中在提高对CH₄干重整反应的催化活性和镍基阳极对积碳的耐受性方面。在NiO中引入少量Mg，提高了阳极催化活性，将阳极的过电位降低了25%。研究了在Ni-YSZ阳极上负载了Al₂O₃与SnO₂催化剂的特性，发现加入适量的Al₂O₃可以提高内重整性能，但过量的氧化铝会使其电化学性能变差，而加入SnO₂可以提高阳极的抗积碳能力，但对电化学性能产生了负面影响。

此外，水滑石结构的Mg/Al催化剂，萤石结构的(Ce, Zr)O₂₋δ基催化剂，钙钛矿结构的La₀.₄Sr₀.₆Co₀.₂Fe₀.₇Nb₀.₁O₃₋δ催化剂，也都展现了一定的催化活性。然而，这些材料的催化活性较低，成本较高，限制了它们的进一步应用。因此，重点仍需解决Ni-YSZ的抗积碳能力。

重整反应属于吸热过程，会显著改变电池内部的热场分布。为了提升传统Ni-YSZ电极的重整能力，可以通过优化电池构型来实现。传统平板型电池采用轴对称结构设计，在阳极侧进行CH₄重整反应时，会导致电池单侧出现局部热应力，从而可能引发电池弯曲甚至开裂。为解决这一问题，可以采用厚的阳极支撑体作为催化层，并在其中设计通孔结构。这种改进可以有效提升电池对称性，构建出准中心对称的平管型SOFC，能够实现热应力的各向同性分布，显著降低了电池弯曲甚至断裂的风险。此外，这种设计还可以增加反应活性位点，延长反应通道，为CH₄催化重整反应提供充分的反应时间。同时，平管型SOFC因其较高的结构对称性，还具有更优良的抗氧化还原性和热循环稳定性，从而在实际应用中表现出更优异的性能和可靠性。因此，本文以平管型固体氧化物燃料电池为研究对象，重点研究在CO₂/CH₄比例、电流密度等因素影响下，甲烷干重整环境下电池的瞬态、稳态性能，并利用各电池独立测量的方法，对各个单电池性能变化规律与机理开展研究，为SOFC的商业化和优化提供重要的理论依据和技术支持。

1. 实验

本工作采用挤出成型工艺制备平管型电池支撑体（NiO-3YSZ，3%物质的量浓度Y₂O₃稳定的ZrO₂），随后在支撑体的一侧依次丝网印刷活性阳极功能层（NiO-8YSZ，8%物质的量浓度Y₂O₃稳定的ZrO₂）、电解质层（8YSZ）与缓冲层（Gd₀.₁Ce₀.₉O₂，GDC）。随后，将制备后电池在1300℃下烧结5 h。待电池烧结完成降温后，在缓冲层上丝网印刷阴极层（La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃，LSCF），在1050℃下煅烧2 h。上述所有浆料均采购自浙江氢邦科技有限公司。最终，得到阳极支撑的平管型固体氧化物燃料电池，其构造为NiO-3YSZ|NiO-8YSZ|8YSZ|GDC|LSCF，如图1（a）所示，该全电池尺寸为155 mm×63 mm×3 mm，有效活性面积为60 cm²。

图1（a）电池结构示意图；（b）电堆结构示意图；（c）电堆内部引线位置

电堆由三片上述工艺制备的电池组装而成，如图1（b）所示，在空气出口侧的电池与连接板之间嵌入引线（图1（c）），从而实时监测运行过程中单电池的电压（U）。将装配好的电堆放入电炉中加热至750℃并保持恒温。接着通入气体，首先在阳极侧通入0.6 L·min⁻¹的N₂吹扫5 min，以便排出孔道内空气。随后，停止通入N₂，并在阳极侧通入0.6 L·min⁻¹的H₂进行阳极还原，同时阴极通入1.8 L·min⁻¹的空气。经过约4 h的还原过程，电堆还原完成。还原后，停止通入H₂，并在阳极通入CH₄和CO₂的混合气，开展电化学性能测试。

电化学性能采用浙江氢邦科技有限公司的500 W测试设备表征，包括开路电压（Open-circuit voltage, OCV）、瞬时电流–电压（I-V）及长期稳定性测试中电压与时间的关系。利用电化学工作站（VMP3B-20，Bio-Logic）测量电化学交流阻抗谱，频率范围设置为10~10⁵ Hz。以氩气作为载气，通过具有TDX-01柱和热导检测器的在线气相色谱仪（GC-7820，山东鲁南分析仪器有限公司）对阳极尾气进行成分分析。利用日立S4800冷场发射扫描电子显微镜（Scanning electron microscope, SEM）观察电池的微观结构。

2. 结果和讨论

2.1 CH₄/CO₂比例对电堆瞬时放电性能的影响

首先，对三片单电池组成的电堆在750℃下使用H₂为燃料的初始放电性能进行研究，控制空气流量为氢气的三倍，电流–电压–功率（I-V-P）曲线如图2（a）所示。结果显示，在氢气流速为1、2、3 L·min⁻¹时，电堆对应的OCV分别为3.208、3.322、3.377 V，表明电堆密封良好，无显著气体泄漏问题。进一步分析I-V曲线，当氢气流速为1 L·min⁻¹时，I-V曲线在大电流段（>25 A）下降较快，表明在这一条件下电堆的气体扩散过程较慢，可能是由于燃料供应不足所致。然而，当氢气流速从1 L·min⁻¹增加至2 L·min⁻¹时，电堆的最大放电功率从61.5 W显著增加至95.5 W，且I-V曲线在大电流段仍保持直线，显示出燃料供应充足。随着氢气流量进一步增加至3 L·min⁻¹，电堆的最大放电功率略微提高至100.0 W，但放电性能提高幅度较小，表明在这一流量下，电堆的性能已接近其极限，或者存在其他限制因素，如电极反应动力学或电池内部的传质限制。

图2（a）不同氢气流量下电堆的I-V-P曲线；（b）H₂为2 L·min⁻¹条件下电堆内各单电池的I-V-P曲线

为深入了解电堆内部各单电池性能的差异，我们利用电堆内部引线进行了详细研究（图2（b））。当氢气流速为2 L·min⁻¹时，电池1、2、3的OCV分别为1.107、1.109、1.108 V，均接近1.1 V，这进一步证实了电池的气密性良好，且安装一致性较高。然而，三片电池的最大功率分别为39.9、39.6、33.6 W，显示出一定的性能差异。特别是电池3，由于其位置远离电堆燃料气入口，导致其燃料供应相对较少，从而功率较低。三片电池的最大功率总和为113.1 W，高于电堆总功率，表明约有17.6 W的功率损耗在连接件、夹具等部件上，约占总功率的15.6%。

图3（a）不同CO₂/CH₄比例下电堆的I-V-P曲线；（b）CO₂为1.2 L·min⁻¹条件下电堆内各单电池的I–V–P曲线

基于上述电池，进一步研究其使用CH₄/CO₂混合气时的I-V-P放电性能，如图3（a）所示。研究中控制CH₄流速恒定在0.6 L·min⁻¹，通过调整CO₂流速来控制干重整的程度及尾气组成。结果显示，在CO₂/CH₄流量比例分别为2.0、1.5和1.0时，电堆的OCV分别为3.007、3.075、3.138 V，表明电堆无明显密封问题。随着CO₂含量的降低，阳极的氧分压也随之降低，这导致阳极与阴极间的氧分压差进一步增加，从而使得OCV上升。电堆的I-V曲线随电流的增加仍保持线性，表明在干重整燃料气条件下，电堆未出现活化极化与浓差极化现象。

在CO₂流量分别为1.2、0.9、0.6 L·min⁻¹时，电堆的最大功率分别为80.8、81.1、74.5 W。显然，随着CO₂含量的增加，电堆的输出功率也随之升高，这表明CO₂的存在促进了CH₄的重整反应，使其产生了更多的H₂与CO。这些中间产物是电堆放电过程中的重要燃料，它们的增加有助于提高电堆的输出功率。然而，由于CO₂本身并非燃料气，过多的CO₂会降低燃料气浓度，从而导致电堆输出功率降低。因此，存在一个最佳的CO₂/CH₄比例，以实现电堆输出功率的最大化。这一比例不仅取决于重整反应的效率，还受到燃料气浓度和电池内部传质效率的影响。I-V曲线表明，CO₂流量为1.2 L·min⁻¹时，电堆的干重整性能已接近其极限，进一步增加CO₂流量也难以大幅度提高电堆输出功率。

同样的，基于电堆内部引线，对于CO₂/CH₄流量比例为2时的单体电池性能分别进行研究（图3（b））。该条件下，三片电池的OCV分别为1.002、1.003、1.005 V，数值接近，表明气氛改变为CO₂/CH₄并未影响电堆的气密性与装配一致性。三块电池的最大输出功率分别为33.2、30.1、27.3 W，远离电堆燃料气入口处的功率逐渐降低，与氢气环境下的变化规律一致。三片电池的功率相加总和为90.6 W，相比于电堆输出功率，约有9.8 W的功率损失在连接体等其他部件上，约占总功率的10.8%。

平管式SOFC使用CO₂/CH₄燃料时展现出与氢气燃料相当的放电性能，表明其内部发生了干重整反应。为了深入探究该电池的内在反应，进一步借助气相色谱技术对不同电流条件下尾气的组成展开研究，以此来明确其干重整的程度。CO₂与CH₄的干重整反应为吸热反应，其反应生成的合成气中H₂与CO体积比例呈现1∶1的关系，具体的化学反应方程式如式（1）所示：

然而，该反应需要吸收的热量较大，导致反应速率较为缓慢，在实际过程中不可避免地会伴随着一些副反应的发生，其中逆水气反应较为典型，其具体的化学反应方程式如式（2）所示：

逆水气反应的能量需求相对较低，该反应一旦发生，就会进一步促使CO的含量增加，从而致使H₂与CO体积比例低于1。为了更加深入地研究CH₄干重整的反应详情以及燃料的利用状况，利用气相色谱对不同放电电流下尾气的组成进行表征分析（图4）。鉴于干重整反应的CO₂与CH₄的体积需求比例为1∶1，因此选用CO₂与CH₄均为0.6 L·min⁻¹条件下开展电堆的重整反应研究。

图4 电堆不同放电电流下的尾气组成及燃料利用率

当电流处于0 A时，即开路状态下，尾气中CH₄与CO₂的体积含量分别为2.49%与1.29%，如此低的CH₄与CO₂残留值充分表明干重整反应非常彻底，即平管型SOFC对CH₄干重整反应具有良好的催化活性；而此时H₂与CO的体积含量分别为41.13%与55.09%，显然，H₂的含量低于CO的含量，表明除了干重整反应之外，在电堆内部也发生了一定的逆水气反应，进而导致了CO含量的上升。

基于开路状态下的尾气组成，并且在暂时忽略其他可能引发积碳的反应的前提下，能够对干重整反应与逆水气反应在整个反应体系中的占比进行大致的估算。假设干重整反应所发生的物质的量为x mol，即各有x mol的CO₂与CH₄发生反应；逆水气反应所发生的物质的量为y mol，即各有y mol的CO₂与H₂发生反应。由于尾气中CO与H₂的含量与这两个反应的进行程度密切相关，所以它们之间存在着特定的数量关系，即CO与H₂的含量则满足以下关系式（3）与（4）：

其中，M_CO与M_H₂分别为尾气中CO与H₂的体积。通过对这组二元一次方程进行求解，可以得出，重整反应占比θ可定义为式（5）：

代入OCV状态下M_CO、M_H₂的数值，可得干重整反应占比θ为77.5%。计算结果表明，干重整反应在整个反应中占据主导地位，逆水气反应占比相对较小。

在SOFC中，H₂与CO作为燃料气，通过电化学反应对外释放电能，因此，随着电流的增加，H₂与CO作为反应物不断被消耗，其含量也会逐渐降低，而反应产物CO₂的含量则会随之逐渐升高。从反应机理来看，一方面，CO₂含量的增加会推动CH₄干重整反应（式（1））朝着正向进行；另一方面，CH₄本身也可作为燃料气直接参与SOFC的电化学反应。所以，虽然CH₄的含量较低，但其仍然随着电流的增加而持续降低。以CO₂作为CH₄反应完成的标志产物，不同电流下的燃料利用率可以依据式（6）来进行计算：

其中，η为CH₄的燃料利用率，M_CO₂为尾气中CO₂的体积。根据实测尾气值可以发现，当电流为18 A时，燃料利用率达到55.8%。可以合理推测，当达到最大放电电流时，燃料利用率还有望进一步提升。

2.2 CH₄/CO₂干重整环境下电堆的稳定性

针对电堆在750℃时，氢气流量为2 L·min⁻¹、空气流量为6 L·min⁻¹的工况下，采用15 A的放电电流对电堆开展恒流放电测试。测试过程中，通过原位监测技术对电堆以及其内部单电池的电压随时间的变化进行了实时记录，并绘制出了相应的V-t曲线，如图5所示。显然，在经历约104 h的持续放电后，电堆的电压几乎没有出现明显的衰减现象。这一结果直观地展现出该电堆具备良好的稳定性，能够在长时间的稳定放电运行，有效维持输出水平。为了更加精确地量化电堆的电压衰减情况，根据曲线拟合斜率计算电堆的电压衰减率仅为0.0130%·h⁻¹。与此同时，电池1、2、3的电压增长率分别为0.0148%·h⁻¹、0.0147%·h⁻¹及0.0158%·h⁻¹，电堆整体的电压衰减，单电池的电压增长，而非衰减，表明电堆所表现出的微弱衰减并非源于单电池性能的下降，而是归因于界面电阻的增加。电堆总电压与三片单电池电压之和的差值为界面电压的损耗，除以总电流即为界面电阻。通过计算，界面电阻从初始的11.1 mΩ逐步增加至17.5 mΩ，其增长率约为0.554%·h⁻¹，远高于单电池的衰减率。这一结果为后续针对电堆性能优化提供了重要的参考依据，有助于制定更为精准有效的调控策略。

图5 H₂为燃料时，电堆及内部单电池在恒流放电工作条件下的电压及界面电阻随时间变化

针对CH₄干重整条件下的长期稳定性同样展开研究，CO₂、CH₄流速分别为1.2、0.6 L·min⁻¹，空气流速设置为7.2 L·min⁻¹，放电电流设置为15 A，电堆及内部单电池的电压随时间变化的V-t曲线如图6（a）所示。值得注意的是，在实验进行到70~90 h这个时间段时，由于电子负载设备突发故障需要进行检修维护，无法进行放电测试。为确保电堆的安全与稳定，在不停止供气的前提下，电堆临时调整为开路状态，并将燃料气切换为纯氢（1 L·min⁻¹），同时将空气流速下调至3 L·min⁻¹（图6（b）），以避免潜在异常对电堆造成损害。待设备检修完毕后，放电测试流程恢复正常。开路状态前后，电堆的OCV并没有发生明显变化，表明该操作对电堆性能无明显影响。从整体的测试结果来看，电堆在经历360 h的长期测试之后，其电压几乎没有明显衰减，展示出该电堆在CH₄干重整条件下具备良好的稳定性，为其实际应用提供了坚实可靠的性能保障。

图6 CO₂/CH₄为燃料时，电堆及内部单电池在恒流放电工作条件下的（a）电压以及气体流量与（b）温度随时间的变化

为了更加精确地量化电堆在CH₄干重整条件下的电压衰减情况，依据放电段曲线数据进行了拟合斜率计算，结果表明电堆的电压衰减率仅为0.0096%·h⁻¹。进一步对比分析在氢气燃料条件下电堆的性能表现可以发现，平管式SOFC在CH₄干重整条件下展现出更高的稳定性。这种优越的稳定性可能归因于干重整过程的吸热特性，其吸收的热量能够有效地平衡放电过程中产生的电化学放热，从而在电堆内部形成了一种相对稳定的热环境。这种稳定的热环境显著降低了电池所承受的热应力，而热应力的降低对于减缓电堆的整体衰减速度起到了至关重要的作用。此外，电堆在CH₄干重整条件下的界面电阻也表现出良好的稳定性（31 mΩ）。通过拟合斜率计算得出，界面电阻的增长率约为0.0183%·h⁻¹，其稳定性进一步支持了电堆在干重整条件下的优异性能。

根据各单电池的电压引线监测所获取的电压曲线进行拟合计算，得到了各个单电池的衰减率分别为0.0021%·h⁻¹、0.0157%·h⁻¹、0.0165%·h⁻¹。显然，电池2和电池3的衰减率远大于电池1。值得关注的是，电池3的电压波动十分明显，表明电池3在运行过程中极有可能存在燃料气供应不足的问题。由于燃料气供应短缺，导致电池内部的电化学反应无法充分且稳定地进行，进而直接影响了电池的性能表现，使得电池3的性能出现明显下降，最终成为电堆性能衰减的关键因素之一，为后续针对电堆性能优化提升的研究工作提供了参考依据和数据支撑。

为了能够更加全面且深入地剖析长期稳定性测试过程中干重整反应与电化学放电反应的内在机制和相互关系，着重对CH₄干重整条件下的长期稳定性测试期间的尾气含量展开研究。图7（a）为CO₂、CH₄流速分别为1.2、0.6 L·min⁻¹，放电电流15 A时电堆的尾气组成随时间的变化情况。结果显示，在最初的50 h左右的时间段内，随着测试的持续推进，尾气中H₂与CO的含量呈现出逐渐降低的趋势，与此同时，CO₂的含量则稳步逐渐升高。在电堆放电过程中，H₂与CO作为燃料参与电化学反应，不断被消耗，从而导致其含量下降，而反应产物CO₂的量则相应增加，表明电堆的放电性能在这个阶段逐步得到提升。

图7 电堆在使用CO₂/CH₄为燃料长期（a）放电时的尾气组成和（b）放电后电池孔道的拉曼光谱

随着反应时间进一步延长，CH₄含量在后期几乎保持不变，并且趋近于零，表明CH₄在重整反应或放电反应中被充分消耗殆尽。相比之下，H₂与CO的含量在后期仅略有下降，而CO₂却出现了显著增加，表明在测试后期阶段，电堆的干重整性能出现了一定程度的下降趋势。尽管长期运行后电池的催化性能有所下降，但通过拉曼光谱分析阳极支撑体孔道表面时（图7（b）），并未发现碳相关的峰，表明阳极并未出现碳沉积现象，因此电池性能的衰减并非由阳极碳沉积引起。

电堆在前期能够有效消耗过多的CO₂并将其转化为H₂与CO，然而在后期，干重整能力略有下降，导致CO₂积累、含量显著上升。结合图6（a）中电堆及内部单电池电压随时间变化的V-t曲线进行综合分析，可以合理推断，在长期恒流放电过程中，由于电池3离进气口较远，可能存在燃料缺失情况，导致电池3阳极发生部分氧化现象，从而减弱其催化活性，影响了整个电堆的干重整能力。电池3的干重整反应减少，导致其相对于电池1、2的反应热量增加，进而增加了电池3的热应力，这也可能是电池3在长期恒流放电过程中性能变化的一个重要因素。

为验证电池与进气口距离对气体流量的影响，进一步利用COMSOL仿真软件对电堆断面进行建模分析，探究其内部流量分布特性。通过构建简化的二维几何模型，设置了如气体进/出气口、燃料气流道、电池以及阳极孔道等电堆关键结构。根据实际工况，设置CO₂、CH₄分别以1.2、0.6 L·min⁻¹流速通入，模拟了电堆内部气体流动行为，并分析了气体流速分布情况（图8）。仿真结果清晰表明了电堆内部气体的流动规律，由于电池1距离进气口最近，混合气体在进入电堆气腔后优先进入电池1，其流速较高。随着电池离进气口距离增加，气体在经过电堆时受到流道阻力和扩散效应的影响，后续电池内气体流速逐渐降低，含量也随之减少。电堆内部的气体分布存在明显不均匀性，远离流道的电池单元气体含量较少。为了深入理解电池各部位的流速分布情况，我们选取三片电池进出口以及中间位点进行定量化分析，如表1所示。以入口处为例，电池1、2、3的流速分别为0.1203、0.1187、0.1046 m·s⁻¹，相比于电池1，电池3的流速下降了约13%。气体流速分布结果与电堆性能内各电池稳定性吻合，也为优化电堆结构设计提供了重要参考依据。

图8 电堆在使用CO₂/CH₄为燃料时的气体流速分布

表1 电堆内三块电池各位置的流速

对长期恒流放电后的单电池进行微观结构分析，如图9所示。电池1的断面图像显示，电解质层厚度约为9 μm，电极与电解质无明显开裂脱层现象（图9（a））。在该图像中，基于材料的不同导电性呈现出不同的亮度表现。由于Ni具有良好的导电性，在图像中呈现出较亮的区域即为Ni颗粒，而与之相对应，较暗的部分则为YSZ颗粒。这种清晰的颗粒分布与界面结合状态表明电池1在长期恒流放电过程中保持了相对稳定的结构完整性。

电池2与电池3的断面图像显示，电极与电解质整体也保持良好的接触，但电池2的阳极与电解质层之间局部区域出现了明显脱落现象（图9（d）），表明随着电堆运行，电池2局部产生了一定的热应力。重整反应是吸热过程，电化学反应是放热过程，重整产物CO与电化学反应产物H₂O的水汽反应也是放热过程。这三种反应的热量循环可能导致电池2局部区域的温度波动，从而引发热应力的产生。由于阳极与电解质材料的热膨胀系数存在差异，在热应力的作用下，两者之间出现了失配现象，进而导致阳极与电解质局部脱落。此外，电池2的阴极与电解质间部分区域也出现了明显的纵向裂纹（图9（e）箭头指向位置），这些裂纹的存在进一步破坏了电池结构的完整性，增加了电子与离子传输的阻力，从而致使电池性能下降。

通过ImageJ软件分析电池1、2、3断面图像可知，三块电池的Ni颗粒平均粒径分别为(1.00±0.02)、(1.32±0.04)、(2.4±0.2) μm，表明电池3的阳极中出现了少量Ni颗粒团聚的现象。图9（f）中黄圈位置也能明显观察到Ni颗粒团聚现象，很可能是由于还原气氛不足导致Ni被部分氧化。Ni颗粒作为阳极中的关键活性成分，其团聚与细化以及部分氧化会改变阳极的微观结构与电化学活性位点，进而对电池3的整体性能产生不利影响，成为电池3在长期恒流放电过程中性能变化的一个重要微观结构因素。

图9（a）电池1、（b，d，e）电池2及（c，f）电池3测试后的断面SEM图像（内嵌图为粒径分布图）

3. 结论

本文比较了H₂和CH₄/CO₂干重整条件下电堆及单电池的电化学特性，探究了CH₄/CO₂比例和电流密度对电堆瞬时和长期催化重整性能的影响，并分别监测了每片电池的性能变化。

（1）当氢气流量为3 L·min⁻¹时，三片电池所组成的电堆OCV为3.377 V，最大放电功率为100.0 W，非电池部件消耗功率为17.6 W。当氢气流量为2 L·min⁻¹时，在15 A电流下恒流放电约100 h，电压衰减率为0.0130%·h⁻¹，各单电池性能反而提高，表明电堆所表现出的衰减并非源于电池自身性能的下降，而是由于电堆各部件之间的界面电阻逐渐增加所导致。

（2）在不同比例的CH₄/CO₂直接内部干重整条件下，电堆OCV最大值为3.138 V，最大放电功率为81.1 W，非电池部件消耗功率为9.8 W。在15 A电流、CO₂/CH₄流量比例为2的条件下恒流放电约360 h，电压衰减率为0.0096%·h⁻¹。在电堆内部的三片单电池中，远离燃料进气口的电池3存在燃料供应不足的情况，是电堆衰减的主要原因。从整体上来看，平管型电堆在CH₄/CO₂干重整条件下的衰减幅度相对较小，表明平管型电堆具备较为稳定的甲烷干重整性能，在CH₄/CO₂干重整应用场景中具有潜在的优势与可靠性。

文章来源：冯仰光，林科迪，张旸，林王林，官万兵，CH₄/CO₂直接内重整环境下平管型 SOFC 电堆的稳定性

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