采用甲烷水蒸气部分内重整技术的固体氧化物燃料电池(SOFC)—方面能够有效避免积碳和局部热应力的问题,一方面能够实现热量内部耦合从而提高系统效率,具有广阔的应用前景。通过高温原位拉曼光谱阐释积碳与消解的机理,以及数值模拟手段分析操作工况的优化策略具有重要意义。本文从电化学光谱学联合测试需求出发,自主设计搭建了一套适用于高温电化学反应体系原位拉曼光谱学与电化学联用的测试系统,采用该系统研究甲烷SOFC阳极过程的积碳与消解规律,进一步采用数值模拟手段分析甲烷部分内重整过程操作工况优化策略。设计搭建了一套适用于高温固体氧化物燃料电池电极表界面机理研究的高温电化学原位拉曼光谱测试系统。系统可以实现室温至850℃的SOFC双室运行与电化学性能测试,通过设计石英玻璃光学窗口,可实现高温原位的光学成像与拉曼光谱测试,拉曼光谱测试的空间分辨率达到5μm。采用高温原位拉曼测试系统研究了 Ni-YSZ阳极材料特性和甲烷在阳极表面积碳与消解的机理。Ni-YSZ阳极在氧化还原循环中具有化学稳定性和可逆性。甲烷在阳极表面积碳形态与甲烷浓度密切相关,低浓度甲烷下只形成高度有序化的石墨碳,高浓度下存在石墨碳和无定形碳两种形态。拉曼光谱动态实验表明阳极表面优先形成有序的石墨碳,随着积碳程度加深,转变为无定形碳的形成与生长过程。水蒸气的引入可以原位消解表面积碳,消解的时间尺度与甲烷浓度呈正相关。基于上海硅酸盐研究所设计的平板式SOFC结构,耦合非均相化学/电化学反应、电荷传递、质量与能量传递等过程,构建三维SOFC模型,分析SOFC甲烷水蒸气部分内重整的优化策略。相比于甲烷水蒸气完全外部重整,适当的甲烷水蒸气内重整反应可以优化电池单元内部的电化学活性组分(氢气和一氧化碳)以及产热速率分布。甲烷水蒸气内重整比例影响电池性能、电池内最大温差和局部温度梯度,在特定工况下存在最优的重整比例。