三维石墨毡阳极自呼吸微流体燃料电池性能数值模拟

针对采用三维石墨毡可渗透阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池,建立了三维等温稳态数学模型,对电池中燃料及电解液的流动和传输、电极过程动力学及电荷传递过程进行了模拟,计算获得了具有石墨毡阳极的微流体燃料电池内的传质和燃料渗透特性,研究了石墨毡厚度及反应物（燃料和电解液）流量对电池性能的影响。结果表明：当入口流量为333 μl·min^-1时,采用石墨毡可渗透阳极相比碳纸和碳布可渗透阳极,极限电流密度和极限功率密度分别提升12%和50%;电池电压为0.8 V时燃料渗透引起的寄生电流密度仅占电流密度的0.86%。电池性能随着石墨毡电极厚度增加而升高,但增幅逐渐减小;反应物流量增大,电池的性能先增加后逐渐趋于稳定。     

钒微流体燃料电池性能的数值模拟

对一种新型钒微流体燃料电池进行了理论分析并建立了三维数值模型。该模型包含了层流、物质传输与电化学反应等电池内部的物理和化学过程。计算得到的极化曲线与实验数据吻合较好,说明模型是可靠的。通过多场耦合求解,数值模拟了体积流速、燃料纯度等对电池性能的影响。研究结果表明：增大体积流速可以提高电池的功率,但燃料利用率会大幅降低;燃料纯度对燃料电池的电压有较大影响;燃料利用率低是制约微流体燃料电池发展的主要因素之一。通过改进原有Y形流道设计,设计了一种双Y形流道微流体电池,仿真结果显示其可以较大地改善燃料的利用率。     

催化剂分布对可渗透阳极微流体燃料电池性能特性影响的研究

微流体燃料电池是一种新型微型电源装置。酸性体系下电池运行时产生的CO₂气泡会严重影响电池性能以及稳定性。研究电池运行过程中气泡动态行为对削弱气泡影响具有重要意义。本文构建具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池,实验研究了阳极催化剂分布对电池性能以及CO₂动态行为的影响。结果表明：催化剂分布在阳极两侧时电池性能最好,但电池波动性大。仅在一侧分布催化剂时,电池运行稳定,气泡主要在电解液流道形成。     

催化剂分布对可渗透阳极微流体燃料电池性能特性影响的研究

微流体燃料电池是一种新型微型电源装置。酸性体系下电池运行时产生的CO₂气泡会严重影响电池性能以及稳定性。研究电池运行过程中气泡动态行为对削弱气泡影响具有重要意义。本文构建具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池,实验研究了阳极催化剂分布对电池性能以及CO₂动态行为的影响。结果表明：催化剂分布在阳极两侧时电池性能最好,但电池波动性大。仅在一侧分布催化剂时,电池运行稳定,气泡主要在电解液流道形成。     

石墨毡掺氮对直接液流甲醇燃料电池性能的影响

利用尿素分解产生的氨气对石墨毡进行氮掺杂,成功制备了掺氮石墨毡。采用XRD、SEM和XPS研究了材料的晶体结构、表面形态与元素组成,运用循环伏安和交流阻抗方法研究了电化学性能,组装单体电池研究了电池的放电性能。结果表明：掺氮石墨毡与石墨毡相比具有更加优异的电化学性能,且掺杂温度与掺杂时间对石墨毡电化学活性有影响。     

双室微生物燃料电池阳极区域动态模拟

为了探究不同因素对微生物燃料电池(MFC)电流输出影响,建立了以葡萄糖为底物,硫瑾为电子中介体的微生物燃料电池阳极区域一维动态传质模型。模型方程用MATLAB软件编程求解,考查并分析了微生物、葡萄糖和还原态电子中介体初始浓度与外接电阻值对电池电流的影响,并与实验结果进行了对比。模拟结果表明:与稳态传质模型相比,作者所建立的动态传质模型模拟结果和实验结果能够更好吻合;增加阳极室中微生物初始浓度、葡萄糖初始浓度,还原态电子中介体初始浓度或减小外接电阻值均有利于增加电池电流且模拟结果与实验结果一致;当阳极室中还原态电子中介体的初始浓度为0.1 mmol×L~(-1)电极表面浓差极化现象对电池电流影响较大,导致模拟数据与实验数据有偏差。该模型可为研究其他复杂模型提供参考。     

阳极孔隙率对固体氧化物燃料电池性能影响的数值分析

基于商用计算流体动力学软件及开发的燃料电池多孔介质内多组分流动和扩散、传热传质、电化学反应、电流场等复杂的物理过程的计算程序,对采用不同孔隙率阳极的平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池(planar-electrode-support solid oxide fuel cell,PES-SOFC)的性能进行数值计算,得到不同阳极孔隙率下单电池内部各气体组分浓度、温度、电势、电流、电流密度等参数的分布。由计算结果可知,在阳极孔隙率为0.3～0.4之间时,以氢气为燃料的该类型SOFC单电池表现出较好的气体扩散和电流传导特性,相应输出电压也较高。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池性能及其传质特性

针对有效面积为1 cm2的自呼吸式直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）单电池,阳极采用燃料罐供液,将阴极侧集流体和夹具设计为一体式结构,并用自制的七合一膜电极组件对其进行测试,讨论了催化剂类型、扩散层材料、集流体结构等因素对其性能的影响,分析了电池内部的传质特性,优化了电池特别是其在中高电流密度条件下的性能。实验结果表明：采用Pt黑、Pt-Ru黑催化剂制作的自呼吸式DMFC能强化反应物的传质;采用碳布制作的膜电极更倾向于获得更高的极限电流密度;低电流密度时,因甲醇渗透电池电压随着甲醇浓度的增加而降低,但在中高电流密度下,电池性能随甲醇浓度的增大先升高后降低;平行集流体有利于阴阳极生成物的排出和反应物的传质,因此易获得较高的电池性能。     

尿液微生物燃料电池泡沫金属阳极性能研究

通过线性扫描伏安(LSV)曲线、循环伏安(CV)曲线、电化学阻抗谱(EIS)和塔菲尔(Tafel)曲线对泡沫镍电极、泡沫铜电极和泡沫铁镍电极的性能进行了研究;并分别以泡沫镍电极、泡沫铜电极和泡沫铁镍电极作为尿液微生物燃料电池(UMFC)阳极,通过启动曲线的测试,对3种泡沫金属电极的性能进行了比较。结果表明,泡沫铜电极的LSV特性、CV特性、EIS特性和Tafel特性均优于泡沫镍电极和泡沫铁镍电极,以其为阳极的UMFC产电稳定电压能够达到356mV;泡沫镍电极的CV特性和LSV特性与泡沫铁镍电极相似,泡沫镍电极的EIS特性优于泡沫铁镍电极;泡沫铁镍电极的性能优于泡沫镍电极,以泡沫铁镍电极为阳极的UMFC产电稳定电压能够达到110mV。     

燃料电池用石墨材料

由于石墨材料的一些特性，使其作为燃料电池中的主要部件集流板的基础原料，正在被人们所重视并致力于开发。     

微生物燃料电池阳极的研究进展

产电微生物与电池阳极之间的电子传递效率是影响微生物燃料电池（MFC）产电性能的重要因素之一.通过对阳极材料的改进和修饰可以有效地降低阳极反应的活化能垒,提高电子传递效率,进而提高MFC产电性能.详细介绍了近年来MFC阳极材料的国内外研究进展,并针对当前研究所面临的问题,提出了今后MFC阳极的发展方向.     

碳纤维阳极构造对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池（MFCs）阳极性能受生物膜的影响,而生物膜则直接与阳极表面积有关。以不同长度和数量的碳纤维丝作为阳极,研究了阳极构造和表面积对MFC输出功率的影响。当阳极为单根长度为1 cm碳纤维丝时,MFC产生的最大功率密度最高,为10.50 W·m^-2,随着碳纤维丝长度逐渐增加（2～14 cm）,MFC产生的最大功率显著下降。以多根的长度为2 cm碳纤维丝构成阳极时,MFC的功率与根数（1～4 根）呈正比,当采用4根2 cm纤维丝时,MFC的最大功率密度为2.92 W·m^-2,该数值为单根8 cm碳纤维丝的2.78倍。观察碳纤维丝长度方向上的生物膜的分布表明：受碳纤维欧姆电阻的影响,在碳纤维丝电流引出端附近的生物量明显大于碳纤维其他地方,这说明：增加纤维丝长度虽可提高阳极的表面积,但并不能提高阳极的产电性能。     

碳纤维阳极构造对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池(MFCs)阳极性能受生物膜的影响,而生物膜则直接与阳极表面积有关。以不同长度和数量的碳纤维丝作为阳极,研究了阳极构造和表面积对MFC输出功率的影响。当阳极为单根长度为1 cm碳纤维丝时,MFC产生的最大功率密度最高,为10.50 W·m-2,随着碳纤维丝长度逐渐增加(2~14 cm),MFC产生的最大功率显著下降。以多根的长度为2 cm碳纤维丝构成阳极时,MFC的功率与根数(1~4根)呈正比,当采用4根2 cm纤维丝时,MFC的最大功率密度为2.92 W·m-2,该数值为单根8 cm碳纤维丝的2.78倍。观察碳纤维丝长度方向上的生物膜的分布表明:受碳纤维欧姆电阻的影响,在碳纤维丝电流引出端附近的生物量明显大于碳纤维其他地方,这说明:增加纤维丝长度虽可提高阳极的表面积,但并不能提高阳极的产电性能。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置,阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限,电池功率密度较低的问题,本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极,通过热重分析得到合适的碳化条件,并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时,电池具有最优性能,其最大功率密度达12.85W/m²,比采用碳布阳极的MFC提升10倍,较采用碳毡阳极的燃料电池高38%;具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素,通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗,可以进一步提升电池性能。     

羟基自由基对全钒液流电池石墨毡电极的性能影响

采用H2SO4和H2O2的分解产物羟基自由基,对石墨毡电极进行表面处理。循环伏安法和交流阻抗测试显示,处理后石墨毡的阴阳极峰电流分别提高160.96%和120.24%,极化反应电阻从74.95 Ω·cm2显著降低至18.92 Ω·cm2。红外光谱测试表明石墨毡处理后表面含有大量含氧亲水基团,拉曼光谱测试结果显示处理后石墨毡的石墨化度降低,进一步证明了石墨毡电极表面受到了不同程度的氧化。X射线光电子能谱测试显示石墨毡处理后的含氧量提高0.58%,定量地证明了红外光谱和拉曼光谱的测试结果。采用自制静态单电池对石墨毡电极进行测试,处理后石墨毡的充放电容量分别提高37.04%和22.22%,表明该方法处理石墨毡电极能够显著提高全钒液流电池性能。     

不同碳材料阳极对海底微生物燃料电池性能影响

分别以相同投影面积的不同碳材料作阳极,以最大功率、阳极电势和内阻为评价指标,研究不同碳材料对海底微生物燃料电池(BMFCs)产电性能影响,利用塔菲尔曲线比较不同碳材料电化学活性.结果表明:碳纤维、碳毡、泡沫碳、碳棒做阳极时,稳定电位和启动时间基本相同;抗极化性能依次减弱;最大功率密度分别为45.79、22.16、16.85、6.17 mW/m2;电池内阻分别为:213、257、312、358Ω;最大交换电流密度分别为0.33、0.13、0.11、0.01 A/m2;组成电池的稳定输出功率分别为0.72、0.61、0.51、0.32 mW.阳极物质传递分析表明,BMFCs产电性能受阳极材料表面附着微生物数量和底物转移率影响.     

应用于微生物燃料电池阳极的材料

阳极是影响微生物燃料电池(MFC)产电性能的重要因素,改善阳极材料的性能可以大幅提高MFC的整体性能。首先对MFC阳极所用的基底材料进行了对比分析;然后从表面改性处理、纳米材料修饰、导电聚合物及其复合材料修饰、填料阳极等多个角度出发,对改善阳极材料性能的研究进展进行了综述,并时未来的发展趋势进行了展望,探讨了今后MFC阳极材料的研究重点。     

微生物燃料电池阳极修饰的研究进展

微生物细胞与电池阳极之间的电子转移速率是影响微生物燃料电池(MFC)产电性能的重要因素之一.通过阳极修饰可以促进电子转移速率,进而提高MFC产电性能.综述了MFC阳极修饰的研究进展.     

微生物燃料电池阳极材料的研究进展

微生物细胞向阳极转移电子的能力是微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)功率密度低的重要影响因素之一,高性能的MFC阳极要易于产电微生物细胞附着生长,易于电子从微生物细胞向阳极传递,同时要求阳极内部电阻小、导电性强、阳极电势稳定.文章综述了MFC阳极材料的研究进展.     

微生物燃料电池阳极材料修饰研究进展

总结了近年来微生物燃料电池(MFCs)阳极种类及其修饰方法,主要包括增加阳极表面积,提高电化学活性生物的粘附量或接触位点、或者降低阳极内阻、减小电子传递阻力等方面。认为较低的输出功率、较高的操作成本是限制其实际应用的主要障碍。未来的重点是开发研究电导性高、稳定性强、比表面积大、生物相容性好的阳极材料,而对MFCs阳极材料的不断探索研究也将推动MFCs实际应用的进程。