在燃料電池的大家庭中，固體氧化物燃料電池(SOFC)是除了質子交換膜燃料電池(PEMFC)以外另一種較受矚目的能量轉換裝置。與PEMFC相反，SOFC使用固體氧化物電解質將負氧離子從陰極傳導到陽極，在陽極側發生氧離子與氫或一氧化碳的電化學氧化。SOFC用途較為廣泛，可用於從汽車輔助動力單元到100W至2MW的固定發電裝置，且其理論效率可超過60%。SOFC較高的工作溫度，使其不需要昂貴的貴金屬催化劑，且可以在陽極內部重整輕質烴燃料，例如甲烷，丙烷和丁烷。SOFC還可以通過外部重整較重的碳氫化合物來獲取燃料，例如汽油，柴油，噴氣燃料(JP-8)或生物質燃料。內外部重整過程的產物一般是氫氣，一氧化碳，二氧化碳，蒸汽和甲烷的混合物。而且SOFC系統還可以通過使用燃料電池電化學反應釋放的熱量，用於系統內外部重整過程，進而提高整體效率。SOFC多尺度示意圖如下所示：
圖1 SOFC多尺度示意圖
除此之外，我們還可以通過SOFC的逆反應裝置—固體氧化物電解池(SOEC)來實現電能向化學能的轉化儲存。SOEC的一大優勢是可以很好的解決部分可再生能源發電（如風能和太陽能發電）由於其發電波動同電力系統的不匹配問題。同時，SOEC可實現CO2和H2O的共電解，將其轉化為燃料（合成氣），從而實現CO2的有效儲存和利用。因此，SOEC被認為是二氧化碳中性循環並利用二氧化碳的一種非常有前景的方法。完整的循環路線是： (i) 使用固體吸附劑捕獲大氣中的 CO2 或收集工業廢氣（如煉鐵廠排放大量 CO2）， (ii) 將 H2O 和 CO2 共電解， (iii) 通過費託工藝或其他化學工藝將合成氣轉化成碳氫燃料， 這種路線被確定為最節能和經濟上可行的能量—燃料路徑之一。基於SOFC和SOEC較廣的燃料適用性，我們建立三維模型研究了不同操作條件下電池內部重整反應的分布情況。
對於陽極支撐SOFC，厚的陽極氣體擴散層給供給碳氫燃料時提供了充足的內重整反應空間，同時高溫也能促進反應的進行。在本節討論了操作壓力對於不同燃料供給的 SOFC 多孔陽極內重整反應速率的影響。由於甲烷在電池上遊的積聚， MSR 反應主要發生在靠近流道前端的陽極多孔層中。且因為陽極氣體組分很難擴散到極板下方區域，在此區域內 MSR 反應速率相較於流道下方會有所下降。壓力對於 MSR 反應速率有一定的增強作用，使得 MSR 反應向入口端聚集，並且甲烷在高壓力下很快被轉化為氫氣和一氧化碳，在低壓力的電池中段甲烷才被完全轉化，而在高壓力的電池上段甲烷濃度就能降為零。同樣，如圖2 (b) 所示，較高的操作壓力也能夠影響 WGSR 反應速率分布。在入口處，壓力對於 WGSR 反應速率有一個很明顯的增強，但是因為一氧化碳的急劇消耗，反應速率很快就變小。同時由於出口段電池溫度的上升， WGSR反應速率也有所提高。在肋板下 WGSR 反應速率也存在著較流道下方低的情況。
圖2 SOFC模式下壓力對化學反應速率的影響 (a) MSR； (b) WGSR
對於SOEC工作模式，操作壓力對於內重整反應分布的影響也有著相似的趨勢。圖 3 展示了 1.5 A m-2 （接近熱中性電壓—TNV）下，操作壓力對陰極擴散層中分面上的 WGSR 和 DIR (MSR) 的影響。不同操作壓力下進氣質量流量保持一致，進氣濃度會隨著壓力上升而增加。如圖3(a) 所示，常壓下 DIR 速率幾乎為零，但逆向 DIR 速率隨著壓力上升迅速增加到 44 mol m-3 s-1。這很容易由 Le Chatelier's 原理解釋。由於氫氣在流道下遊積聚，逆向 DIR 主要集中在流道下遊。如圖 3(b) 所示，隨著壓力增加，入口處逆向 WGSR 速率迅速增加，且沿著流道急劇下降。這主要是由於陰極進氣組分中沒有 CO，同時逆向 DIR 在流道下遊消耗大量H2。
圖3 SOEC模式下壓力對化學反應速率的影響；(a) DIR (MSR)； (b) WGSR
多孔電極是SOFC電化學反應發生的場所，對SOFC電極結構進行研究與優化具有重要的指導意義。因此我們建立了固體氧化物燃料電池的一維和準二維模型。
一維模型考慮了複雜且完備的電化學過程，計算了電池內部的電勢分布， 同時採用OAT（控制變量法）方法研究了微觀結構參數與宏觀參數對電池性能的耦合作用機理。通過計算我們發現，在較小的粒徑和陽極反應層厚度有利於電池性能的提升；陰極反應層厚度變大，粒徑變小有利於提高電池性能，但會影響電池的散熱過程。在保持電子導體粒徑不變的條件下，較小的陰陽極粒度比均不利於電池性能，隨著粒度比的增大，電池性能逐漸變好，但是隨著粒度比的進一步增大，電池性能隨電子導體相對體積分數的增大迅速下降，此時粒度比對應的最佳體積分數範圍很窄，在加工製造過程中很難保證電池性能的穩定性，總的來說，粒度比在大於1，小於1.8的範圍內取值較為合理。
(a)
(b)
圖 4 陽極反應層結構參數對電池性能的影響; (a) 粒徑與厚度；（b）粒度比與體積分數
準二維模型採用了全局敏感性分析方法，不同於OAT方法，全局敏感性分析考慮了24個不同參數間的相互作用，敏感性分析方法可以從眾多參數中篩選出對電池性能影響最大的參數，在實際應用中可以有根據的忽略敏感度低的參數，減少實驗和模擬工作的數據量，為更高效地優化電池結構指明了路徑。通過計算我們對不同參數劃分了敏感性等級，陽極和陰極反應層的微觀結構參數對電池的性能起著決定性的作用，有7個非常敏感的因素。導電材料的相對體積分數是最敏感的參數，粒子半徑對電池的影響在微觀因素中最低。離子導體粒徑對性能的影響遠遠超過電子導體粒徑，陰極側參數對電池性能的影響影響都大於陽極側因素。值得注意的是，反應層層厚度對性能的影響並沒有預期的那麼重要，因此建議進一步研究應集中在對電極微觀結構的優化上。
圖 5 固體氧化物燃料電池參數敏感性等級劃分
從長遠來看，在煤炭工業和能源工業的環境友好化進程中，SOFC技術可以發揮重要作用，但是世界上普遍把它作為一種戰略儲備技術。且我國SOFC產業起步較晚，發展較歐美和日本等發達國家還有一定差距，我國的固體氧化物燃料電池商業化進程依然任重而道遠。
更多信息請參考原文：
(1) Y. Du, Y. Qin, G. Zhang, et al. Modelling of effect of pressure on co-electrolysis of water and carbon dioxide in solid oxide electrolysis cell [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44(7): 3456-3469.
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