中文摘要：

化学反应器微型化可以有效提高反应过程传热和传质效率，改善宏观反应动力学。利用固体氧化物燃料电池电催化氧化特性，将微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）作为反应器，研究微型反应器中化学品与电能共生过程宏观动力学特性，对促进电催化与微型反应器动力学学科交叉，发展新型微反应过程具有重要学术意义和应用价值。主要研究目标和内容是: (1) 以基于甲烷的选择性氧化反应为目标反应，研制MT-SOFC电能与化学品共生反应器，研究其中电催化氧化宏观动力学特性；（2）设计和优化电池材料和电极制备工艺使之具有高选择性、反应活性和可控的微观结构以提高其电池性能和和机械性能；（3）优化相转移纺丝-烧结工艺，制备单层及多层具有特定结构和缺陷控制的陶瓷微管；（4）组装电池堆，设计和测试堆的结构对产物和电池输出功率影响，研究MT-SOFC中电能与化学品共生过程基本原理和特点，探索微小尺寸下电催化氧化反应动力学行为

结论摘要：

设计、制备便携式微管固体氧化物燃料电池反应器，研究小分子含碳燃料在反应器中的电催化氧化和反应动力学，提高燃料使用效率，并为大幅降低建筑和交通领域的能耗和减少排放提供解决方案。研究内容（1）筛选靶向反应，设计和优化电极材料的催化活性和离子电导率；（2）利用相转移-陶瓷中空纤维成型工艺，制备MT-SOFC电能-化学能共生反应器单电池；研究其电催化氧化机理和宏观动力学过程。重要结果设计和制备了多种氧化物阳极材料、阴极材料、电解质材料和同时具有阴阳极电催化活性的对称电极材料，有效提高了电极的离子电导率、电子电导率和电极动力学效率；在新材料的基础上制备了单腔电池、对称型燃料电池、燃料电池/电解池可逆电池，探索了电能与化学能共生的不同方式；成功地利用共挤-共烧结法制备了阴极支撑、阳极支撑、双层阴极支撑和双层阳极支撑等多种结构的微管单电池；通过改变烧结温度、挤出速率和注膜液中乙醇添加量，实现了控制制备不同微结构的阴、阳极双层微管；成功实现一步法制备双层阴、阳极支撑的微管SOFC,显著降低了电极极化阻抗，改善了反应的宏观动力学效率，显著提高了电池的输出功率,抗积碳性能和稳定性。关键数据及其科学意义以湿甲烷为燃料的双层阳极支撑微管SOFC，850℃下，最大峰值功率密度（MPD）达566mW/cm2，显示微管SOFC在传质效率和反应动力学方面的显著优势。基于LaSFCNb0.05 ScSZ电解质支撑对称单电池湿氢燃料中， 900°C MPD达1094 mW/cm2。850°C 在含H2S的氢气、合成气（50%CO）、丙烷和甲烷中的MPD分别达873,780,453,和172 mW/cm2，并且100小时测试时间内电池稳定性良好。对称结构电池可显著降低电池制备工艺和成本，提高电池的输出性能和长时间运行稳定性。成功实现燃料气/氧化气在该电池上的可逆反转, 电池在800°C 测试150-350小时，电池功率未降，该技术可有效解决含碳燃料阳极积碳问题。基于LaSFCNb0.05氧电极 的SOFC/SOEC可逆电池表现出良好的氧还原/氧析出催化活性,可逆性和稳定性, 800°C 电解电解水蒸气电压1.75V时，电流密度可达2.0A cm-2，50小时电解未见衰减。与单一SOFC中电能与化学能共生的方式相比，SOFC-SOEC可逆电池方式，将是实现稳定有效电能与化学能共生的更好方式。