直接碳燃料电池

本文综述了直接碳燃料电池（DCFC）的历史和发展状况，和其他燃料电池榴比，它具有更加优越的性能：效率更高、能量密度大、二氧化碳利用率更高、电池稳压能力强，燃料来源广泛以及结构优势。提出了DCFC在选择廉价而活性、导电性能良好的阳极碳材料的制备、电池材料的防腐问题、灰分的祛除问题和电池结构的优化和放大等方薅还存在一定的发展空间，未来市场会有非常巨大的潜力。     

直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料(MIECs)。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。     

碳基固体氧化物燃料电池理论模拟概述

主要对碳基固体氧化物燃料电池(SOFC)中三传二反的控制方程、不同尺度的不同物理场理论模型以及碳基燃料的重整、催化和硫化等方面进行概括总结。SOFC有可使用氢气、一氧化碳、甲烷和其他的碳氢化合物作为燃料进行电化学反应的燃料灵活性,但使用碳氢燃料需要解决诸如碳基燃料的重整、电极的催化、积碳和硫化等问题。电池内部反应气体的物质输运、电荷输运、能量输运、动量输运和化学及电化学反应状态均可以用偏微分方程来描述。运用这些电化学反应和输运的偏微分方程,结合材料的微观性质,可以建立SOFC的多尺度多物理场模型。通过理论模型研究材料微结构与性质、工作条件、几何构型等参数对电池性能的影响,对SOFC材料组成与电池堆结构进行定量分析和优化设计,可以加速SOFC技术的更快发展。     

碳基燃料SOFC阳极材料研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一类可以将燃料气体的化学能以高效而环境友好的方式直接转化为电能的电化学反应器。最近的研究趋势是发展可以直接电化学氧化碳氢化合物燃料(如天然气)的电池,但是使用碳氢化合物作为燃料时,目前最常使用的镍-氧化钇稳定的氧化锆(Ni/YSZ)金属陶瓷阳极材料具有易积碳和硫中毒的缺点。因此,研究在燃料气氛下具有混合离子-电子电导的替代阳极材料显得尤为必要。综述了以碳基燃料工作的SOFCs阳极材料研究的一些进展,并展望本领域在未来的发展趋势。     

固体氧化物燃料电池(SOFC)钛基钙钛矿阳极的研究进展

燃料电池是一种把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第四代燃料电池,其结构为全固态结构,在中高温条件下工作。SOFC具备燃料范围广、材料成本低、使用寿命长、发电效率高、余热利用价值高等优点。SOFC阳极为从外界输运过来的燃料与从阴极传递过来的氧离子发生电化学反应提供场所。开发高性价比的阳极是提高SOFC性能、降低其制造成本的关键。SOFC阳极材料包括贵金属、Ni基材料、Cu基材料、钙钛矿等。然而,贵金属阳极受成本制约较为严重,Ni基阳极在使用碳氢燃料时易产生积碳而降低其使用寿命,Cu基阳极的电化学活性较低。钙钛矿阳极因其稳定的结构、较高的抗积碳和耐硫毒化能力而得到广泛关注,近年来各类钙钛矿阳极的报道层出不穷。钛基钙钛矿因其较好的催化活性、电化学稳定性、抗硫中毒及抗积碳性能成为近年来SOFC阳极研究的热点。但相较传统Ni基阳极,钛基钙钛矿仍存在催化活性和电导率较低等问题。因此,若将钛基钙钛矿阳极直接应用于SOFC中则无法满足大功率放电需求。近年来,研究者们发现可以采用掺杂、复合改性等方法来提高钛基钙钛矿阳极的电化学活性。本文以目前研究较为广泛的La掺杂钛酸锶、Y掺杂钛酸锶和其他体系的钛基钙钛矿作为对象,重点讨论了钛基钙钛矿的改性方法(如掺杂和复合)和研究进展,并给出钛基钙钛矿的发展方向。本文将为高活性、高稳定性SOFC钙钛矿阳极的研究开发提供参考依据。     

固体氧化物直接碳燃料电池新型阳极研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池采用固体氧化物作为电解质, 能够将碳燃料的化学能直接转化为电能, 具有效率高、燃料适应性广、利于CO₂捕集等优点, 在能源与环境问题日益突出的现实条件下展现出广阔的应用前景。固体氧化物直接碳燃料电池中的关键问题在于研发合适的碳燃料转化阳极, 以满足反应催化、物质输运以及杂质耐受等要求。本文系统地总结并分析了多孔固体阳极、熔融碳酸盐阳极和液态金属阳极三类直接燃料电池阳极的结构特性、工作原理、材料特性等, 特别关注了以液态金属作为阳极的直接碳燃料电池, 分析了该类电极的优势, 探讨了未来固体氧化物直接碳燃料电池阳极的发展方向。     

英科学家利用废弃纤维板为直接碳燃料电池提供电能

据海外媒体报道,英国科学家表示,中密度纤维板可以在最小限度改装下为直接碳燃料电池(DCFC)提供电能。直接碳燃料电池是一种高效、清洁的燃料电池技术,其原理是碳和氧气勿需气化和重整可直接通过电化学反应产生电能,效率可达80%,燃料     

新型间接碳空气燃料电池反应环境研究

一种基于直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)建立的性能稳定,环境污染小,经济前景优异的新型间接碳空气燃料电池(Indirect Carbon/Air Fuel Cell,ICAFC)。研究了该新型ICAFC电池在700~800℃的反应温度和通入氢气、氦气和二氧化碳等不同气体时的电池性能,以及不同反应环境下的稳定性。实验表明:随着反应室温度的增高,新型ICAFC电池稳定的开路电压、电流密度和电池性能均随之提高;向电池液态锡阳极通入体积比为1∶10的氢气与氦气时,电池的运行阻抗最小,电池具有良好的放电性能,连续运行寿命超过400h。     

微生物燃料电池阳极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为催化剂将化学能转化为电能的新型洁净能源装置。与其他技术相比,微生物燃料电池(MFC)在处理污水的同时能够产电。现有的MFC装置以及电极材料、隔膜等均未达到预期的效果,通过了解MFC的结构及机理,主要针对目前MFC低产电、高成本的现状,从电池电极材料、催化剂和隔膜等几方面综述了近几年的发展。阳极作为产电微生物的载体,是影响电池性能的关键。碳基材料由于其成本低、导电性好、有利于产电微生物的附着,被作为理想的阳极材料。着重介绍了阳极碳基材料的修饰及新型材料的合成。     

具有特殊形貌和有序孔结构燃料电池用碳材料研究进展

特殊形貌和有序孔结构碳载体材料因其独特的结构显示出与常规碳材料不同的性质,在众多领域具有广泛的应用前景。以其作为燃料电池电催化剂载体可显著改善贵金属活性组分的分散度,有利于电极内的物料与电荷传输,进而提高催化剂活性和燃料电池性能。本文综述了近年来以碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳和碳凝胶等新型碳材料作为催化剂载体的研究进展,并对未来的发展趋势进行了展望。     

吩噻嗪衍生物电致变色材料的合成及其性能研究

合成了系列10-N取代的吩噻嗪衍生物(phenothiazine derivatives,PDs),利用氢谱、碳谱、红外光谱等方法对其结构进行表征,并使用电化学工作站和紫外光谱对其电化学性质作了初步研究。组装了以PDs作为阳极电致变色材料,紫罗精作为阴极电致变色材料的新型阴极-阳极复合电致变色器件。当施加2.4V电压时器件阴极材料显示蓝色,而施加反向电压时阳极材料显示为红色,颜色可逆转换且其响应时间250ms,循环次数超过104,可实现寻址。PDs作为阳极材料具有优良的电致变色性能并且廉价环保,是一种令人瞩目的新型电致变色阳极材料。     

α-MoC在无介体微生物燃料电池阳极的应用研究

采用溶体法结合碳热还原法制备了碳化钼,用XRD表征了碳化钼的结构,用SEM观察了所制备碳化钼的形貌。使用循环伏安法和交流阻抗法测试了碳化钼的电催化性能。把制备的碳化钼用于无介体微生物燃料电池阳极,电池最大功率密度达到商业铂碳的92%,表现出优越的电催化性能和良好的生物相容性。因此α-MoC可望成为一种具有广泛应用前景的无介体微生物燃料电池阳极材料。     

制铝用阳极

引言铝工业是碳唯一最大的用户,在电还原氧化制铝中,正是碳阳极以二氧化碳的形式除去氧。每吨铝理论上需求的最小耗碳量是0.33吨,在实际上,碳耗量大于该值,这是因为:a)CO_2与阳极反应形成CO;b)空气使炽热的阳极气化;c)阳极碳粒粉尘的脱除。     

微生物燃料电池阳极系统的最新研究进展

微生物燃料电池技术目前取得了突破性的进展,并迅速成为废水处理的热点.该文介绍了微生物燃料电池的工作原理和电子传递途径,并结合近期研究成果,重点评述了微生物燃料电池中阳极系统的研究状况,对阳极特性、产电微生物的种类、阳极生物膜驯化方式等三个方面进行了评价,提出了目前阳极研究中存在的问题以及未来的研究重点和方向.     

牺牲阳极材料的研究、应用及展望

综述了常用的镁基﹑锌基﹑铝基﹑复合牺牲阳极等牺牲阳极材料的性能特点;介绍了合金元素﹑杂质元素对阳极性能的影响;讨论了各种牺牲阳极材料的使用环境和填包料的组成及作用;展望了牺牲阳极材料的一些新发展和应用前景.     

阴离子膜耦合电化学反应氧化铈(Ⅲ)同时析出铜粉的新工艺

通过系列试验选择出耦合电化学反应氧化铈(Ⅲ)同时析出铜粉所需性能较佳的阴离子膜和Pb合金阳极，比较了不同电解方法的技术经济指标．结果表明：耦合电化学反应氧化铈(Ⅲ)同时析出铜粉的新工艺是解决制约硫酸稀土电解氧化分离铈(Ⅲ)实现工业化的可行方法．放大试验结果与小试验结果一致，阳极电效约82％，铈氧化率大于98％，阴极电效约94％．     

氢燃料电池技术发展现状及未来展望

氢燃料电池是实现氢能转换为电能利用的关键载体,在碳中和、碳达峰目标提出后,获得了基础研究与产业应用层面新的高度关注。本文围绕氢燃料电池技术体系,较为全面地分析了质子交换膜、电催化剂、气体扩散层等膜电极组件,双极板,系统部件,控制策略等方面的研究进展与发展态势;结合我国氢燃料电池技术领域国产化率、系统寿命、功率密度、制造成本等方面的发展现状分析,论证提出了面向2035年我国氢燃料电池技术系统发展方向。研究认为,为加速氢能及氢燃料电池技术应用,应加强制氢技术攻关,降低氢气燃料使用成本;加快关键材料和核心组件的技术攻关和转化应用;制定产业规划并增加投入,构建完备的政策支撑体系。     

金属有机骨架材料对生物燃料的吸附和纯化性能研究

金属有机骨架(MOFs)材料由于具有表面积大、结构多样性、永久孔隙率高和热稳定性高等优点,广泛应用于存储、分离和催化等领域。生物燃料是对环境无害且呈碳中性的一类新型可再生能源。主要介绍了研究MOFs吸附与分离性能的理论方法,综述了有关MOFs在生物燃料吸附与分离性能领域的实验和理论方面的最新进展,分析了提高吸附和纯化性能的方法和途径。最后讨论了MOFs在生物燃料领域未来的研究方向和发展前景。     

锌电积用铅合金复合阳极性能的影响因素

目前,国内外锌电积阳极材料主要是铅合金复合阳极。铅合金阳极制作工艺简单、成本低、使用方便、能回收,但存在机械强度差、易短路、析氧过电位高、电能消耗高、铅污染阴极锌等问题。综述了国内外锌电积过程用铅基合金复合阳极的研究现状,主要针对析氧过电位、耐腐蚀性、电催化活性等对阳极性能的影响因素进行归纳总结,如阳极合金成分(Ca、Co等)、阳极基体(Pb、Al等)、不同制备和处理方式(轧制、铸造、电沉积、极化时间等)和电解液成分环境(如添加剂、Mn~(2+)、Co~(2+)等)。最后,对锌电积用新型阳极的发展作出了展望。     

基于生物质制备活化三维多孔碳及其在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池是一种能把污水中有机物蕴含的化学能直接转换成电能的装置。目前,相对低的输出功率密度限制了它的应用。开发高性能的阳极材料是解决途径之一。基于生物质秸秆利用Hummers氧化法结合抗坏血酸还原法制备了活化三维多孔碳阳极,用扫描电子显微镜观察了所制备的材料的形貌、发现活化过程可以产生许多大小不一的孔结构,可有效帮助传质扩散。交流阻抗谱、循环伏安测试表明,活化可以大大提高三维多孔碳的电化学性能,基于活化三维多孔碳3DPC阳极所制备的微生物燃料电池(MFCs),最大功率密度可达到1184.5W/m~3,远远高于改性前(774.8W/m~3)。此研究为构筑新型三维碳基阳极提供了新思路和新方法。