固体氧化物直接碳燃料电池研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池(solid oxide direct carbon fuel cell,SO-DCFC)在煤炭清洁利用方面具有独特优势,近年来受到研究人员的广泛重视.在对SO-DCFC基本概念与特点介绍基础上,对其中3个重要研究内容,即阳极反应机制、机制建模与模拟、及性能改进与优化方面的研究现状和进展进行了综述分析,指出SO-DCFC阳极反应机制与碳燃料和阳极接触方式密切相关,对其性能改进极为重要:碳燃料与阳极直接物理接触时基本不发生碳的直接电化学反应,碳燃料与CO2的气化反应是影响SO-DCFC性能的速率控制步骤:目前SO-DCFC模拟研究工作较少,应加强SO-DCFC机制建模与模拟工作;通过引入碳燃料催化气化和抑制阳极CO积炭能显著改善电池性能.     

直接碳燃料电池阳极反应特性研究

直接碳燃料电池(DCFC)具有能量转化效率高、污染低、燃料来源广等突出优点,被认为是缓解能源危机和环境污染的有效途径,而固体氧化物直接碳燃料电池(SO-DCFC)因其腐蚀性小、寿命长等优点是一种具有发展潜力的燃料电池。以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质组装对称电池,研究操作温度、阳极燃料特性、阳极气氛等对电池性能的影响。结果表明,随着操作温度的降低,电池欧姆电阻变大,电池性能下降。阳极燃料特性是影响电池性能的关键因素,以活性炭、半焦、石墨为燃料的DCFC性能顺序为活性炭半焦石墨;燃料中混合碳酸盐能明显改善DCFC性能,当碳酸盐混合半焦作为燃料时,电池功率密度达到25 m W/cm2。阳极载气为CO2能促进阳极CO生成,提高电池性能,而N2载气稀释阳极反应气浓度,降低电池性能。     

YSZ单晶电解质-熔融Sn阳极直接碳燃料电池反应特性

直接碳燃料电池(direct carbon fuel cell,DCFC)能够将固体碳燃料的化学能通过电化学反应连续地转化为电能,采用熔融Sn作为阳极可望实现储能发电一体化。该文以YSZ单晶作为电解质测试熔融Sn阳极DCFC反应特性。结果表明,光滑的电解质–电极界面有利于Sn与反应界面的充分接触以及界面固体产物层SnO2的剥离,从而降低欧姆阻抗和活化阻抗。在电池模式下,随着放电时间的增加,固体产物SnO2不断积累,导致电导率下降,阻碍了氧离子输运,造成电池性能迅速下降。温度升高可有效提高熔融Sn阳极电池或直接碳燃料电池性能;900℃温度条件更为有利于碳与SnO2反应以及Sn电化学反应的进行。     

碳刷和碳布阳极微生物燃料电池产电特性研究

分别以碳刷和碳布作为微生物燃料电池的阳极材料,研究了两种电极材料对于电池启动过程、电极上附着的生物量、生物膜的电化学活性、阳极阻抗以及电池性能的影响。结果表明,采用碳刷为阳极材料的微生物燃料电池启动更快,电极上附着的生物量更多,生物膜的电化学活性也更高,阳极阻抗更低,这也导致了其最大体积比功率[(28.1±2.3)W/m3]高于采用碳布为阳极材料电池的最大体积比功率[(17.6±1.8)W/m3],是其1.6倍。     

自制涂层三维阳极MFC产电性能研究

以乙酸钠为燃料,制作涂层型三维复合阳极并组建铁碳布空气阴极微生物燃料电池。以铁网为三维框架,将碳毡覆盖至其上,并使用碳粉和30%PTFE溶液的混合液作为涂料在阳极表面添加涂层。将制作好的自制涂层型三维阳极和铁网分别组装微生物燃料电池,测试了铁网单独作为阳极时电池的产电性能,以及涂层含量和配合比对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明,相比铁网阳极,自制涂层型三维阳极能有效地提高电池的产电性能;涂层的含量和配合比均对电池产电性能有较大影响;当碳粉和PTFE的含量分别为750 mg和10 m L时,即配比为75∶1时,电池的产电性能最好,表观内阻为190 W,最大比功率为5 189.4 m W/m3。     

阳极出口端封闭式质子交换膜燃料电池现状

与阳极出口开放式质子交换膜燃料电池比较,阳极出口端封闭的质子交换膜燃料电池具有氢气反应完全,系统不需额外辅助设备等优点。因此对质子交换膜燃料电池工作原理和结构以及阳极出口封闭式燃料电池的特点进行了简要的阐述,重点对阳极出口端封闭式质子交换膜燃料电池的实验研究及模型研究现状进行较深入的分析和总结。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

SOFC内CH4-H2O重整反应及其影响因素数值分析

为研究CH_4-H_2O在镍基阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)的传质传热、催化重整与电化学反应的关系,构建了一种单通道板式SOFC三维数值模型,模型耦合了质量、动量、能量、电荷传递以及CH_4-H_2O重整反应动力学,对操作温度、水碳比(S/C)、特别是电流密度(J)等影响因素进行分析并通过实验验证了模型的有效性。结果表明,CH_4-H_2O重整反应速率随温度变化明显;当J=0.6 A/cm~2时,操作温度高于750℃,S/C在3～3.5左右可防止直接CH_4-H_2O重整引起的热力学积碳;电流密度与CH_4转化率、燃料利用率和CH_4-H_2O重整速率反应密切相关,当J0.45 A/cm~2时,CH_4转化率迅速上升,但当J达到0.9 A/cm~2后,CH_4转化率趋于平稳。电流密度越大,燃料利用率越高,当J=0.9 A/cm~2,燃料利用率可达73.2%;此外,电流密度有助于抑制热力学积碳。     

直接甲烷SOFC阳极催化剂研究进展

针对直接甲烷为固体氧化物燃料电池燃料时,阳极催化剂的抗积碳性,总结了近年来阳极催化剂的研究进展,对Ni、Ce、Cu基催化剂改性的双金属固熔体阳极,混合了离子和电子导电的钙钛矿型氧化物阳极以及其它复合氧化物催化剂性能进行评述,分析得出了今后直接甲烷燃料SOFC阳极的发展方向.     

固体氧化物燃料电池多孔支撑结构内传递现象研究综述

针对新型的集成板式固体氧化物燃料电池多孔阳极结构,总结了其中反应气的能量、组份和质量传递的新特点,包括燃料气输运通道和多孔支撑复合结构的多尺度效应、以及化学反应和物理扩散对控制方程的耦合影响等。在文献综述的基础上,围绕固体氧化物燃料电池内部反应气体传递过程,阐述需要进一步深入探讨的基础问题。     

喷射器在燃料电池阳极循环回收系统中的应用

在燃料电池阳极系统中,使用喷射器装置将阳极未反应完的燃料循环回收,可以在保证燃料充分供应的同时,避免由于燃料浪费而导致整个系统效率降低。在完成喷射器的设计和模型之后,将其与燃料电池及其他装置集成,实现了完整的燃料电池阳极循环回收系统模型。在MATLAB/SIMULINK环境里,采用比例-积分-微分(PID)方法控制阳极的湿度和压力,实现了燃料电池阳极系统的实时仿真运行,运行性能稳定。     

平板式固体氧化物燃料电池Ni/YSZ阳极上甲烷重整过程实验研究

为了开发甲烷直接内部重整的高效固体氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)燃料电池系统,必须对阳极上甲烷水蒸气重整过程进行详细研究。文中搭建了实验台,对开发的平板式SOFC燃料电池多孔介质阳极上甲烷重整过程进行了实验研究。给出在不同燃料流量和不同水蒸气/甲烷比(S/C)工况下出口气体各组分的摩尔分数和甲烷转化率的分布。实验结果表明工作参数对甲烷的转化率有很大的影响,在相同工作温度下甲烷的转化率随着进口燃料流量增加而降低,因此出口气体中氢气的摩尔浓度也相应降低。另外通过分析实验结果,可见阳极的入口处最有可能有碳形成。     

矩形微生物燃料电池阳极室传质模拟

以碳布为阳极材料、无添加电子介体微生物燃料电池的阳极室为模拟对象,建立了底物在阳极室和生物膜内传质过程以及生物膜内生化与电化学反应的控制方程,考察了阳极电势和进口底物流量对底物浓度分布、降解效率及电流密度的影响。计算结果表明,阳极电势对阳极室及生物膜内底物浓度的分布有着重要的影响。阳极电势越高,阳极室及生物膜内底物浓度越低,底物降解效率越高,产生的电流密度越大。进口底物流量越大,底物在反应器中水力停留时间越短,底物降解效率越低;随着进口底物流量的增加,单位时间内底物的传质通量增大,生物膜内底物的消耗速率增加,因此电流密度随之增大。     

微生物燃料电池阳极材料的最新研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂,既可以处理废水又可以产生电能,是一种具有很好应用前景的新兴技术。综述了近年来用于微生物燃料电池阳极材料的最新研究进展,着重综述了炭材料的处理、炭材料的修饰对微生物燃料电池产电性能影响的研究进展。分析了微生物燃料电池阳极材料大规模应用主要存在的问题,并对微生物燃料电池的应用前景做出展望。     

低温燃料电池电催化剂的研究近况

质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)是两种最先进的低温燃料电池,介绍了它们的阳极和阴极电催化剂近年的进展。包括PEMFC中用纯H2作燃料时,阴极催化剂的Pt-Cr;用重整产品作燃料时,阳极能耐CO毒化的催化剂Pt-Ru和Pt-Ru/WOχ。DMFC中,阳极促进甲醇电氧化的PtRu、PtRuOs、PtRuNi和四氨络铂与喹啉基双胺络钴的混合物,阴极的碳载Pt和Co/Fe-卟啉。涉及到双功能机理,中间体机理,甲醇在PtRu阳极内的电氧化过程和Co/Fe-卟啉纳米结构对O2还原的边上电催化机理。用Ni作阳极电催化剂的直接2-丙醇燃料电池有希望作为汽车应用的新能源。     

燃料电池微孔层在反极高电势下的电化学腐蚀

微孔层衰退是影响质子交换膜燃料电池寿命的重要因素之一,国内外学者对阴极微孔层衰退已经进行了广泛的研究。而电池在实际运行过程中极易发生反极,电池反极会使阳极产生高电势(1.6 V左右),可能会导致阳极微孔层衰退,目前关于阳极微孔层衰退的研究几乎没有报道。在电化学工作站上模拟了燃料电池阳极反极产生的高电势(1.6 V),对阳极微孔层电化学腐蚀进行了研究。研究发现,在反极电势下腐蚀后,微孔层疏水性急剧降低、MPL表面形成明显的孔洞、孔径减小且电池性能急剧下降,这表明微孔层发生严重的碳腐蚀,严重降低微孔层的水管理能力。该研究结果对开发抗反极微孔层具有重要意义。     

SOFC多孔阳极内微尺度流动的Lattice-Boltzmann模拟

为了模拟阳极支撑固体氧化物燃料电池多子阳极内的微尺度流动,利用Lattice-Boltzmann方法建立了多组分气体流动模型,结合多孔介质的数值构造方法,验证了复杂多孔介质内微尺度流动模型的有效性,研究了多孔阳极微结构和燃料组分对质量传递和浓差极化的影响.计算结果表明:Lattice-Boltzmann方法适用于多孔电极内的微尺度流动模拟,阳极浓差极化与燃料组分、电流密度以及阳极微结构相关.     

甲醇燃料电池阳极电催化剂研究进展

甲醇阳极电催化剂是影响直接甲醇燃料电池性能的关键技术之一。从单组分、二组分和多组分电催化剂等方面,详细综述了近年来直接甲醇燃料电池用阳极电催化剂在制备方法、电催化活性和抗CO中毒等方面的研究进展。     

碱性介质中甲醇在PdRu/MWCNT上的电催化氧化

采用乙二醇还原法制备了碱性直接甲醇燃料电池Pd Ru/MWCNT阳极催化剂,并考察了其电催化性能。透射电子显微镜(TEM)结果显示,Ru的加入可以改善Pd纳米粒子在碳载体表面的分散性。X射线光电子能谱(XPS)显示,在Ru的作用下,金属Pd的氧化态有所升高。电化学测试结果表明,Pd Ru/MWCNT催化剂在碱性溶液中对甲醇电氧化反应具有较高的催化活性和较好的抗中毒能力。     

多硫化钠-溴新型再生燃料电池的研究

研制出多硫化钠 溴新型再生燃料电池 (PS BrRFC) ,电池采用聚丙烯腈碳毡为电极 ,阳离子交换膜为隔膜 ,放电时流入阳极室的硫化钠或低硫的多硫化钠溶液、阴极室的溴溶液分别反应成为高硫的多硫化钠和溴化钠 ,充电时反应逆向进行。系统地研究了膜材料、电池温度、电解液浓度对电池性能的影响。聚丙烯腈碳毡电极对阴极、阳极电极反应具有很高的活性 ,这种新型储能电池放电时比功率达到 0 .3W /cm2 (V =1.0V)。循环性能研究表明 ,电池的充放电性能好 ,性能衰减很小