项目名称：碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究首席科学家：韩敏芳中国矿业大学（北京）起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容2.1关键科学问题科学问题1：多相体系中电子、离子迁移机制SOFC发电过程是通过电子、离子的生成、界面转移和体相输运即荷电迁移来实现的，主要包括氧在阴极（离子、电子混合导体）上被吸附，得到电子，还原为氧离子，通过氧离子传导的电解质输运到复合阳极，与碳氢燃料发生电化学氧化反应，并释放电子等多相体系中电子、离子输运过程。这一过程涉及到反应气、产物气、电子导体、离子导体，以及电子/离子混合导体等多相体系。输运与反应活性存在的动力学问题，有望利用特殊纳米结构与纳米效应来进行调控。此外，还希望在分子尺度、纳米尺度、微米尺度对涉及到的输运、反应以及结构演化有深入的认识，这些问题属于纳米离子学的研究范畴。主要研究内容包括：尺寸效应、缺陷化学、空间电荷层效应对材料离子、电子输运性质的影响及其调控研究；复杂分形结构电极的反应动力学研究；纳米材料制备过程中的微结构演变与控制；纳米材料在运行温度范围内及外界影响下的结构与组分稳定性研究。科学问题2：SOFC中多相界面演变特征进一步提高SOFC稳定性，是其走向商业化亟待解决的另一关键问题。在SOFC运行或热循环过程中，存在着一定程度的电化学性能衰减。该现象本质上与荷电条件下（SOFC运行工况下）界面演变有关，包括阳极、电解质、阴极、密封以及连接体各功能层之间的界面迁移和扩散、微观结构演变以及亚稳态发展过程设计新型一体化电池结构，简化界面过程的复杂性，提高稳定性，借助理论计算和界面模型仿真，研究各种界面在不同气氛、荷电状态下的演变规律，即其化学稳定性、微观结构稳定性、氧化还原循环稳定性和机械稳定性等，揭示多相界面的演变规律，以及演变对电池性能的影响规律，实现对性能的调控，是实现碳基燃料SOFC长期稳定高效运行的关键。科学问题3：SOFC中多尺度多物理场（温场、电场、流场、应力场）耦合规律SOFC的多尺度微观结构、电极过程及电堆中的温场、流场、电场、应力场分布以及耦合作用直接影响SOFC的可靠运行及整体优化。采用常规的实验表征方法，几乎不可能同时研究上述诸多因素的协同影响，需要借助多尺度、多场耦合理论模拟反映实际过程。采用精确高效的多场耦合模拟方法，有利于优化电池运行的工作参数，避免影响电池性能的不利因素。发展多组分、多颗粒尺寸、多种...
