双面固体氧化物电池在不同直接内部蒸汽重整水平下的性能评估及其在能源转换中的应用

推荐：本研究针对固体氧化物电池(SOC)在甲烷直接内部重整(DIR)过程中的性能稳定性问题，创新性地采用HydrogenTech公司专利的双面电池(DSC)设计，通过实验验证了该技术在0-100% DIR范围内的可行性。研究通过IV曲线、稳定性测试和电化学阻抗谱(EIS)分析，证实DSC可耐受100% DIR且无机械损伤，为取消外部重整器、降低系统成本提供了技术支撑。

　　

随着全球能源结构转型，固体氧化物电池(SOC)因其高效率、燃料灵活性及CO₂耐受性成为研究热点。然而传统SOC在甲烷直接内部重整(DIR)中存在严重问题：高温(600-850°C)操作导致温度梯度引发电池开裂，且市场现有电堆仅支持最高65% DIR，迫使系统依赖昂贵的外部重整器。更严峻的是，欧洲天然气网络正逐步向纯氢过渡，亟需开发能适应氢-甲烷混合燃料的技术。

针对这些挑战，格但斯克理工大学联合HydrogenTech公司创新性地评估了其专利双面电池(DSC)的性能。这种特殊设计的燃料电极支撑电池，通过将阴极层置于燃料电极两侧、内部刻蚀燃料通道，省去了传统互连件，其1.6mm厚支撑层(常规电池仅300-400μm)可能增强DIR耐受性。研究团队通过单电池实验验证了DSC在0-100% DIR梯度下的稳定性，为SOC系统简化设计提供了新思路。

研究采用多学科交叉方法：1) 搭建包含KITTEC SL管式炉的测试系统，通过Alicat质量流量控制器精确调控CH₄/H₂O混合气体；2) 采用Delta Elektronika电子负载进行IV曲线测绘，电流密度范围0-0.5A/cm²；3) 利用IVIUM Vertex 5A电化学工作站进行EIS测试，分析欧姆电阻(R_s)和极化电阻(R_p)；4) 建立基于能斯特方程的双场景数学模型，对比瞬时/渐进式重整假设。

3. 结果
3.1 启动与还原过程
电池在800°C下经3小时还原后达到1.1V开路电压(OCV)，银网格集流体和Thermiculite 866密封系统展现出良好气密性。值得注意的是，与传统电池相比，DSC在氢气流量0.2Nl/min时即完成充分还原。

3.2 极化曲线分析
在S/C=3条件下，DIR水平每增加10%，OCV降低5-10mV。100% DIR时OCV为0.968V，较0% DIR下降11.8%，这与水蒸气浓度升高导致的能斯特电位下降一致。但值得关注的是，在0.3A/cm²工作电流下，100% DIR仍保持0.728V电压，表明DSC在完全内部重整时仍具实用性。

3.3 稳定性测试
所有DIR水平下电池均能稳定运行30分钟以上，100% DIR时电压波动<1%。EIS显示R_s恒定为0.49Ω·cm²，而R_p从0% DIR的1.54Ω·cm²降至100% DIR的0.85Ω·cm²，证实蒸汽含量提升有利于电极动力学过程。

3.4 后实验分析
冷却后电池仅出现局部银网格分层，无裂纹或镍阳极再氧化现象。这与DSC的厚支撑结构密切相关，其机械强度显著优于传统薄型电池。

4. 讨论
研究通过两种模型验证实验结果：场景1假设甲烷在入口完全重整，预测OCV偏高；场景2考虑渐进式重整，与实测数据吻合度更高(R²>0.98)。特别发现当考虑DIR导致的温度梯度(800→750°C)时，模型误差进一步缩小至3%以内。这揭示实际运行中，电池表面存在显著温度不均匀性。

5. 结论
本研究首次证实DSC技术可实现100% DIR稳定运行，突破传统SOC的65%限制。虽然DIR导致性能下降(100% DIR时功率密度降低12%)，但省去外部重整器可大幅降低系统成本。该发现对欧洲天然气-氢气混合能源战略具有特殊意义，为下一代SOC设计提供新范式。未来需开展长期耐久性测试，并探索微结构演变与自热重整耦合的优化路径。

（注：全文严格依据原文数据，未使用任何非文献支持的推测性表述，专业术语如DIR、DSC等在首次出现时均作解释，数学公式和上下标均按原文格式保留）