镍-锑阳极固体氧化物燃料电池中甲烷裂解制氢与发电的集成技术研究

研究人员针对传统甲烷裂解制氢需高温（>1000°C）导致能耗高、固体氧化物燃料电池（SOFCs）镍基阳极易积碳等问题，设计了一种镍-锑（Ni-Sb）混合阳极SOFC，实现了甲烷裂解制氢（5.108 mLH2gNi-1min-1，选择性98%）与发电（峰值功率密度265 mW cm?2）的协同集成，为低碳能源技术提供了新思路。

　　

论文解读

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放特性成为研究热点，但传统甲烷蒸汽重整制氢过程能耗高且伴随大量CO₂排放。甲烷裂解虽可直接产生氢气和碳材料（如石墨烯），却面临反应温度过高（>1000°C）和积碳处理的难题。与此同时，固体氧化物燃料电池（SOFCs）虽能高效转化甲烷为电能，但传统镍-氧化钇稳定氧化锆（Ni-YSZ）阳极在干甲烷气氛中易因积碳失活。如何将甲烷裂解与SOFCs发电耦合，实现能源梯级利用，成为突破技术瓶颈的关键。

针对上述问题，中国的研究团队设计了一种基于镍-锑（Ni-Sb）混合熔融金属阳极的SOFCs系统。该研究通过集成甲烷裂解与燃料电池发电，在800°C下实现了峰值功率密度265 mW cm^?2，同时氢气产率达5.108 mL_H2g_Ni^-1min^-1，选择性高达98%。相关成果发表于《Fuel》，为低碳能源技术提供了创新解决方案。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ（BSCF）阴极，并选用商业GDC（Gd₂O₃-掺杂CeO₂）电解质。通过石英管反应器量化甲烷裂解产氢，结合电化学阻抗谱和功率密度曲线评估电池性能，利用显微表征分析阳极抗积碳机制。

研究结果

材料合成
BSCF阴极通过CA-EDTA络合法合成，与GDC电解质构成电池核心。Ni-Sb熔融阳极的引入显著降低传统Ni-YSZ的积碳风险。

甲烷裂解制氢验证
实验表明，纯Sb阳极在650-800°C无催化活性，而Ni的加入使甲烷转化率大幅提升。气相色谱证实氢气选择性达98%，且碳产物被熔融Sb有效捕获，避免电极堵塞。

结论与意义
该研究首次实现了SOFCs中甲烷裂解-发电的循环集成：熔融Sb阳极通过动态消耗积碳实现自清洁，Ni催化位点促进甲烷高效裂解。其创新性体现在三方面：（1）利用熔融金属的氧传导性提升电化学反应效率；（2）通过“制氢-发电”分阶段操作简化产物收集；（3）为工业级SOFCs抗积碳设计提供新范式。未来需优化Sb蒸发损失和系统密封性，但这一技术路径对推动氢经济具里程碑意义。