水量对于Bunsen反应分层特性影响的实验研究

以Bunsen反应产物不同酸相溶液的分层特性为研究对象,通过分析H2SO4/HI/I2/H2O四元混合溶液的分层现象,实验研究水量对两相溶液体系分层的具体影响。实验结果表明:过量水的加入导致两相溶液中的杂质增加,但能有效抑制副反应的发生,过量的水更易移动至H2SO4相;两相溶液的分层特性随水量的增加而变差,当H2O/H2SO4物质的量之比为16时,两相溶液中的I2物质的量分数分别约0.07和0.50;水量是影响分层特性的最重要因素之一。     

硫碘循环制氢中Bunsen副反应的热力学模拟研究

利用热力学模拟计算软件FactSage来模拟溶液组分构成、温度和压力对Bunsen副反应的影响。模拟结果表明:增加碘量、水量和提高压力均能同时抑制H_2SO_4相溶液和HI_x相溶液中副反应的发生。对于H_2SO_4相溶液,增大HI量会促进副反应的发生,H_2SO_4相溶液主要发生的副反应为S和SO_2形成副反应。对于HI_x相溶液,增大H_2SO_4量会促进副反应的发生,HI_x相溶液中3种副反应均发生,但SO_2和S形成副反应相比H_2S形成副反应占据主导地位。常压下,T≤360 K时,控制反应物比例能保证副反应基本不发生。     

质子交换膜燃料电池内部传热传质三维模拟

针对常规流场质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型考虑了电化学反应动力学以及反应气体在流道和多孔介质内的流动和传递过程,详细研究了水在质子膜内的电渗和扩散作用。计算结果表明,反应气体传质的限制和质子膜内的水含量直接决定了电极局部电流密度的分布和电池输出性能;在电流密度大于0.3~0.4A/cm2时开始出现水从阳极到阴极侧的净迁移;高电流密度时膜厚度方向存在很大的温度梯度,这对膜内传递过程有较大影响。     

甘油水蒸气重整制氢热力学分析

采用吉布斯自由能最小化原理计算甘油水蒸气重整制氢过程的平衡组成,该模型经实验结果验证,吻合良好。考察温度、压力、水/甘油物质的量之比对H_2、CO、CO_2、CH_4组成及选择性,积碳,原料平衡转化率及系统耗能的影响。计算结果表明:在高温低压及高水/甘油物质的量之比条件下有利于提高H_2产率,水/甘油物质的量之比大于4时可有效避免积碳,在873 K下,水/甘油物质的量之比大于20时即可完全消除CH4;结合各反应条件对上述关键反应过程参数的影响,推荐反应温度为823～1023 K,反应压力为常压,水/甘油物质的量之比6∶1～46∶1。甘油水蒸气重整反应过程在反应温度1023 K及水/甘油物质的量之比为9的典型工况下系统耗能占系统产生总能量的30%以上。     

钙离子对质子交换膜燃料电池性能衰减机理研究

采用试验方法,通过向质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极(阳极和阴极)注入2种浓度(200和500 mg/L)的Ca~(2+)溶液,研究Ca~(2+)对PEMFC电化学性能的影响;通过扫描电镜(SEM),能量散射谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对经Ca~(2+)污染20 h后的电池性能的衰减机理进行研究。实验结果表明,经200和500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,电池的电化学性能衰减明显,随着Ca~(2+)浓度的增加,电池电化学性能衰减程度增大;SEM和EDS实验结果表明,经500 mg/L Ca~(2+)污染PEMFC阳极20 h后,阴、阳两极的气体扩散层分别与阴、阳两极的催化层剥离,在质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层均发现Ca元素,在质子交换膜上Ca元素含量高于其他部件上;EPMA实验结果表明,Ca~(2+)污染PEMFC阳极后,Ca元素主要存在于质子交换膜上;研究结果表明,PEMFC电化学性能衰减的机理主要是由于Ca~(2+)与质子交换膜中的质子发生离子交换反应并取代质子交换膜中的磺酸根基团上的质子形成新的磺酸盐结构所致。     

交指状流场质子交换膜燃料电池的流动特性

不同流场构型对质子交换膜燃料电池的流动特性和电池效率有重要的影响,因此流场的设计和理论研究是质子交换膜燃料电池研究的重要课题.发展了一个基于计算流体力学的稳态的三维数学模型,应用建立的模型对一个交指状流场设计的质子交换膜燃料单电池进行了数值研究,电池的电极面积大小为6.4×6.5 cm2,计算得到了电池的流场、局部电流密度和组分浓度等的空间分布,分析了其流动特性和传输机理.     

直接液体甲醇燃料电池流场组织行为研究(Ⅰ) 传统对称流道电池的模型建立

建立了直接甲醇燃料电池垂直流道方向电池单元的二维稳态数学模型,考虑了电化学动力学、多组分传递和甲醇渗透影响.计算了流道布置密度、扩散层、催化层和质子交换膜等组件尺度对电池内物料传质特性、化学反应组织和电池输出性能的影响.研究发现,增加流道布置密度、增加催化层厚度能有效提高电极反应均匀性和电池性能.其中催化层和质子膜的厚度影响最为显著,在该文研究范围内分别可提高电池的平均电流密度131.0%和17.8%.而扩散层和质子交换膜厚度都存在一个最佳值,需要与以上流场板设计尺寸和膜电极尺寸匹配.     

质子交换膜燃料电池传输现象的数值分析

建立了一个具有蛇形通道,采用Nafion117膜单体质子交换膜燃料电池的三维数学模型,该模型同时考虑了流动、传热、传质、电化学动力学和多组分传输现象。通过求解传输方程组,并耦合电化学动力学方程,获得了电池的极化性能曲线和电池内部的反应物浓度、温度、速度分布。计算结果表明,增加电极孔隙率、提高电池运行温度和压力有助于改善电池性能。估算的极化性能与献中的实验数据基本符合。分析了运行条件对电池性能的影响。     

预磁极化条件下PEM水电解制氢特性与效率研究

为提高质子交换膜（proton exchange membrane,PEM）水电解制氢速率、降低电解所需能耗,针对磁场预极化条件下蒸馏水的分子极性和应力特性进行研究,通过构建磁场环境下氢质子的能级跃迁微观物理模型与磁化矢量——极化氢质子浓度对应的宏观数学模型,对不同磁场强度下电解液的离子电导率、电流密度和制氢速率进行定性和定量分析,并利用自主搭建的可调节预磁极化PEM水电解制氢试验平台对所提出方法的有效性进行重复试验。试验结果表明,经过预磁极化处理的蒸馏水电导率提高了2~3倍,且随着磁场强度的增加,PEM电解电流密度不断增大,极间电圧不断减小,制氢速率明显提升。     

电流密度和运行温度对PEM水电解制氢能耗的影响

质子交换膜(PEM)水电解制氢技术是采用绿电制取绿氢的重要方法,对我国实现双碳目标具有重要意义。优化运行参数是降低PEM水电解制氢系统能耗的一种重要途径。建立一套工业级PEM水电解制氢实验装置,通过现场实验,考察电流密度和运行温度对PEM水电解制氢系统能耗的影响,探讨优化运行参数降低运行能耗的方法。结果表明,当电流密度为0.2～1.4 A/cm²、运行温度为20～60℃,PEM水电解制氢系统单位能耗分别与电流密度、运行温度负相关。提高运行温度会引起电解电压下降,系统单位直流能耗显著降低。提高电流密度会造成系统单位直流能耗升高,而单位交流能耗降低。     

金属钙离子浓度对PEMFC性能影响研究

通过向PEMFC阳极添加3种浓度(即50、200、500 mg/L)金属钙离子溶液,研究金属钙离子浓度对PEMFC性能的影响。实验结果表明,随着Ca~(2+)浓度增加,燃料电池电压不断降低。在电流密度为500 m A/cm~2,相同的污染时间9 h的条件下,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染后的电池电压相对于未污染的电池电压分别降低了14%、29%、64%;燃料电池的最大功率密度随着金属Ca~(2+)浓度的增加而降低,经50、200、500 mg/L Ca~(2+)污染9 h后的电池最大功率密度相对于未污染的电池最大功率密度分别降低了24%、33%、43%。电池经500 mg/L Ca~(2+)污染6 h,在500 m A/cm~2电流密度下恒电流放电2 h后,电池电压降低了58%。这些结果表明,Ca~(2+)及其浓度对PEMFC的电化学性能有显著的影响。     

流态化燃烧NO、N2O和SO2同步排放试验研究

研究了热态流化床实验台中燃烧褐煤、烟煤和无烟煤时SO_2、NO和N_2O同步排放浓度随过量空气系数、燃烧温度和钙硫比的变化规律。试验中过量空气系数变化范围为0.8～1.8,燃烧温度变化范围为750～950℃,钙硫比变化范围为0～3。结果表明:过量空气系数增加时NO和N_2O的排放浓度增加,SO_2排放浓度先增加后降低;燃烧温度增加时NO排放浓度增加,N_2O排放浓度降低,SO_2的排放浓度增加;加入碳酸钙后NO排放量增加,N_2O和SO_2的排放量减少。加入碳酸钙后可以有效降低SO_2排放,同时会使NO排放增加、N_2O排放降低;烟煤、无烟煤和褐煤燃烧时NO、SO_2和N_2O随过量空气系数的变化规律存在差别。     

基于钙基和钠基喷雾半干法烟气脱硫技术的经济性研究

为研究喷雾半干法烟气脱硫特性,搭建了试验平台,分别选用Ca(OH)_2溶液、Na_2CO_3溶液和NaHCO_3溶液进行了脱硫特性试验研究,分析了进口烟气温度、进口SO_2质量浓度、化学计量比和绝热饱和温差对脱硫效率的影响,并以某垃圾电厂为例进行了经济性分析。结果表明:保持出口烟气温度不变,随着进口烟气温度的提高,3种吸收剂的脱硫效率均有一定的提高;随着进口SO_2质量浓度的增大,脱硫效率降低;在相同条件下,使用NaHCO_3溶液作为吸收剂时脱硫效率最高,Na_2CO_3溶液次之;使用Ca(OH)_2溶液作为吸收剂,综合脱硫效率可达84%,工程上将其作为吸收剂更合适。     

8通道复合蛇形流道质子交换膜燃料电池综合优化研究

文章建立了三维、稳态、恒温的8通道复合蛇形流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,并利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,对流道尺寸(宽度-深度)、气体扩散层(GDL)孔隙度、进气速度以及温度不同的8通道复合蛇形流道PEMFC单体内流动和传质过程进行了数值模拟和计算研究。研究结果表明,PEMFC的水分布特性、气体分布特性、电流密度分布特性、压力分布特性以及电化学特性均会随着宽度-深度的变化而变化,最佳宽度-深度组合为1.2 mm-0.8 mm,最佳GDL孔隙度-进气速度-温度组合为0.5-5 m/s-353.15 K。     

基于电化学阻抗法的质子交换膜燃料电池“三步活化法”机理研究

活化能够有效地发挥质子交换膜燃料电池膜电极的性能,"三步活化法"是其中一种比较理想的方法。为了研究"三步活化法"活化质子交换膜燃料电池的机理,利用电化学阻抗谱测试"三步活化法"过程中的膜电极阻抗,并建立等效电路模型拟合所得实验数据。结果表明,"三步活化法"可以有效降低欧姆阻抗、阳极法拉第阻抗、阴极法拉第阻抗以及阴极传质阻抗,这表明"三步活化法"有利于电子、质子、气体与水的传输通道的形成。     

硫碘制氢中本生反应两相分离的试验研究

采用恒温法测定293～363K温度范围内I2在不同配比的HI/H2O二元溶液中的溶解度,同时研究328K和345K温度下过量碘量和水量对本生反应产物的两相(硫酸相和碘化氢相)分离特性的影响。结果显示:I2在HI/H2O两元体系中的溶解度随温度的增加而增加,随二元体系中H2O比重的增加而降低;过量碘的加入能显著改善两相分离的效果,两相中杂质的最大相对降幅达到约85%;过量水的加入不利于两相的净化;模拟液完成两相分离的时间受其组分影响较小,分层能在2min内进行完全。     

乙二酸抑制亚硫酸铵氧化的本征反应动力学

利用典型的间歇反应装置,通过改变反应溶液的初始pH值、亚硫酸铵物质的量浓度、乙二酸物质的量浓度以及反应温度,对乙二酸存在条件下亚硫酸铵氧化的本征反应动力学进行了研究.结果表明：随着乙二酸物质的量浓度增加,亚硫酸铵的氧化速率降低;随亚硫酸铵物质的量浓度增加,氧化速率升高;氧化速率对乙二酸与亚硫酸铵的反应级数分别为-0.4和1.1级;在一定温度范围内,亚硫酸铵的氧化速率随温度升高而升高,但反应温度应控制在60°C以下;氧化反应的表观活化能为30.318 kJ·mol-1.     

Na2SO3吸收NO2的反应动力学试验研究

为验证湿法烟气脱硫产物溶液还原吸收脱硝技术的可行性,考察了溶液浓度、NO_2分压等不同因素对吸收特性的影响。在搅拌釜系统内进行Na_2SO_3溶液吸收NO_2的反应动力学研究。结果显示:Na_2SO_3溶液吸收NO_2的反应属于快速拟一级反应。NO_2的吸收速率与其入口的NO_2分压呈线性正比关系。NO的生成量随NO_2入口浓度的增加而增加,且NO_2在NaHSO_3溶液中产生的NO量远大于在Na_2SO_3溶液中产生的量。     

固体聚合物电解质水电解膜电极的电化学阻抗谱研究

测量了不同电解温度、电解电压等操作条件下固体聚合物电解质水电解膜电极的电化学阻抗谱,采用ZSimpWin软件对阻抗谱进行了拟合和分析。结果表明,提高电解温度,可减小电极的电化学反应电阻以及固体聚合物电解质膜的电阻;提高电解电压,电极的电化学反应电阻降低,但是电压过高,受气泡效应显著影响,电极反应电阻反而增加,阻抗谱中出现散乱的点;与质子交换膜燃料电池不同,SPE水电解过程中膜电极的阻抗谱出现"弥散效应",拟合时采用的等效电路也不同。     

O_2/CO_2气氛下煤混生物燃烧SO_2生成特性研究

通过管式炉研究煤混生物质在O_2/CO_2气氛下燃烧生成SO_2特性与O_2/N_2气氛下SO_2生成特性比较,改变O_2/CO_2气氛中氧气浓度、生物质掺混比例以及燃烧温度等方法。发现O_2/CO_2气氛能明显降低SO_2生成,氧气浓度提高了燃烧前期SO_2的生成,降低后期SO_2生成,少量生物质的掺混就能明显降低SO_2的生成,燃烧温度的提高能使焦炭燃烧过程中较难析出的SO_2加快析出。