Bi掺杂的直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展

发展可替代能源对缓解全球能源问题具有重要意义。直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,DMFC) 因其工作温度低、能量密度高以及污染物排放少等特性,正逐渐成为最有发展前景的便携式能源技术之一。目前,其商业化进程主要取决于甲醇氧化反应(methanol oxidation reaction,MOR) 的动力学快慢、催化剂的成本和寿命。Bi元素的掺杂可以极大地提高甲醇电催化氧化的性能,并且可以提高阳极催化剂抵抗CO中毒的能力。介绍了掺杂Bi的贵金属和非贵金属阳极电催化剂,以及贵金属掺杂Bi₂O₃、Bi₂WO₆ 等光辅助电催化剂;综述了它们提高甲醇电催化氧化性能的机制,并展望了阳极Bi电催化剂在DMFC中所面临的机遇和挑战。     

阳极电催化剂在直接甲醇燃料电池中的应用

直接甲醇燃料电池以燃料甲醇来源丰富,价格低廉,储存、携带方便而成为近年的研究热点.评述了电极催化剂在直接甲醇燃料电池的研究概况,详细介绍了各种催化剂对甲醇氧化的作用.     

Silicon-based micro direct methanol fuel cell with an N-inputs-N-outputs anode flow pattern

A micro direct methanol fuel cell(μDMFC) is suitable for use in notebook computers,mobile phones,and other digital products.To resolve the poor mass-transport efficiency problem in the anode flow channel,this paper presents an N-inputs-N-outputs parallel flow pattern with rectangular convexes to reinforce methanol mass transport and reduce concentration polarization.The simulation results show that the N-inputs-N-outputs parallel flow channels with the rectangle convexes improve the performance.μDMFCs,which have four anode flow patterns,are fabricated using MEMS(microelectromechanical systems) technology.The experimental results show that the μDMFC with the rectangle convexes has a performance better than previously reported systems,and has a peak power density of 19.96 mW/cm2.The simulation and experimental results are in good agreement.     

直接甲醇燃料电池无担载铂黑催化剂的制备与表征

为了寻找适合于商用直接甲醇燃料电池的电催化剂,研究了无担载铂黑催化剂的制备方法.采用柠檬酸三钠为稳定剂和保护剂,在液相条件下以NaBH4为还原剂制备了铂黑催化剂.用X射线衍射、扫描电镜和电化学活性面积法研究了该体系的pH值、保护剂用量等因素对该催化剂性能的影响;分析了柠檬酸三钠的作用机理.结果表明:自制催化剂粒径为3.7 nm、分布更窄,当Pt∶C6H5O3-7的摩尔比为1∶1, pH=8时,制备出的铂黑催化剂性能较好,用它组装的单电池的电流-电压输出性能略优于商用催化剂.     

用于直接甲醇燃料电池系统甲醇浓度控制的软测量

为了提高直接甲醇燃料电池燃料的效率,并使该系统微型化,提出了一种用于控制该系统中循环甲醇浓度的软测量算法。该算法利用甲醇浓度对电化学响应的特性,将电堆的电流、电压以及温度作为对浓度的响应参数,将每片电池作为传感原件,准确测量电池的电流、电压和温度。结果表明,采用该算法从实验结果推测值的甲醇浓度误差小于0.40%。该算法可用于微型燃料电池的开发。     

阴极低铂载量催化剂直接甲醇燃料电池的交流阻抗谱

为了降低直接甲醇燃料电池(DM FC)的成本,研究了阴极低铂载量催化剂的DM FC的交流阻抗谱(E IS)。利用等效电路,考察温度、空气体积流量对DM FC单电池的反应动力学、传质以及欧姆阻抗等电极过程的影响。实验表明:膜阻抗、常相位角元件的电容、电荷转移电阻、以及甲醇氧化弛豫过程相关的低频电感和电阻随着工作温度的升高而呈规律性的变化;空气流量则对电荷转移电阻和低频电感的影响较为显著。     

直接甲醇燃料电池电化学性能

以Pt-Ru/C和Pt/C分别为阳极、阴极催化剂,自制了膜电极,并组装了直接甲醇燃料电池(DMFC)以及测试系统.通过稳态电流-电压极化曲线法,研究了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度对DMFC电化学性能的影响.研究结果表明,在电池温度为25 ℃以及阴极为自然空气的条件下,当DMFC输出电压为0.22 V时,其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到68 Ma·cm-2和14.8 Mw·cm-2,且各因素对电池性能存在着明显的影响.实验的最佳运行工艺参数:甲醇流量为2 Ml·min-1,甲醇浓度为2 mol·L-1,甲醇温度为30 ℃,空气增湿温度为40～60 ℃.     

直接甲醇燃料电池管状阴极的制备与性能

以管状金属钛网为支撑体,采用浸涂工艺在其外表面依次制备了气体扩散层、Pt/C催化层和Nafion 膜,制得管状阴极,并分析了影响电池性能的因素.研究结果表明,采用浆液浸涂工艺制备的阴极气体扩散层与催化层,均具有有利于气体传质和电化学反应的多孔结构.随着阴极催化剂载量的增加,单电池的性能也逐渐提高.当Pt载量为4.3 mg/cm2时,常温下以空气作为氧化剂,电池功率密度峰值约为12.3 mW/cm2,而同样的电池,在60 ℃下以氧气作为氧化剂,则可以达到40.0 mW/cm2,这表明温度和氧化剂种类与催化剂载量一样,是影响电池性能的重要因素.电池经约100 h工作时间后进行的等电压放电试验结果表明,该管状Ti基阴极的电化学稳定性优良.     

Cu改性直接甲醇燃料电池Pd/C阴极催化剂的电催化性能

用铜做掺杂元素,采用浸渍法以活性炭为载体制备了贵金属载量为20%的Pd-Cu/C系列直接甲醇燃料电池阴极催化剂,比较了4种不同Cu含量催化剂的电催化性能。采用ICP和X射线衍射分析了催化剂中金属元素的比例以及Cu掺杂对Pd/C催化剂晶体结构的影响。结果表明:催化剂中Pd与Cu的物质的量之比与预设值相近,Pd和Cu基本被全部还原;Pd-Cu/C催化剂为面心立方结构,元素铜的加入使催化剂的Pd-Pd间距缩小,从而HO2 ads和OO键能更好地吸附在催化剂金属表面;当采用NaBH4为还原剂,Pd与Cu物质的量比为3∶1时,催化剂(Pd3Cu/C)的平均粒径为3.4 nm,催化剂的催化性能最好,电化学活性表面积EAS达到38.9m2/gPd,电化学性能较Pd/C催化剂有很大提高,接近Pt/C商用催化剂。     

直接甲醇燃料电池的阳极进料系统及控制策略

直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells,DMFC)的甲醇燃料的利用关系到系统的能量密度,是其微型化亟待解决的问题。为了提高甲醇利用率和提高系统的能量密度,必须采用必要的进料系统和控制策略。该文从主动和被动两类系统总结了面向直接甲醇燃料电池的关键系统组件和相关的控制策略,从系统工程的角度加以分析,总结了DMFC用甲醇传感器和系统控制的设计开发思想,并指出电池型化学传感器将是DMFC用甲醇传感器的主要开发方向,系统需采用脉冲式进料和混合动力方式以适应不同模式的负载。自呼吸电堆需采用基于化学势为推动力的被动式进料方式。采用空载自升温模式有助于缩短启动时间。     

质子交换膜燃料电池梯度扩散层水传输研究

为考察梯度扩散层排水能力,通过自制的测试装置测量了梯度扩散层液态水爆破压力和临界相饱和度;通过称重法测量了梯度扩散层液态水的残留量,并对梯度扩散层液态水过水流率和液态水残留量进行了理论计算.结果表明:与均匀扩散层比较,梯度扩散层能提高液态水排水量,降低液态水残留量.理论计算的两种结构梯度扩散层的液态水过水流率比均匀扩散层分别增加了152.82 %和171.85 %,液态水的残留量分别减少了23.73 %和35.42 %;由梯度扩散层组装的燃料电池比普通电池具有更好的性能.     

直接甲醇燃料电池测控系统的研制

根据直接甲醇燃料电池性能测试和运行工艺参数的需要,设计了在线实时监控系统,硬件采用瑞博华公司的数据采集器AD8201用于实时的监测电池系统的运行参数和性能,通过开关量控制甲醇热压的加热设备,来稳定电池的运行温度,测量的具体参数有电流、电压和温度,并用二维视图显示在计算机屏幕上,软件采用VB设计实现。     

Operational and structural aspects of a vapor-feed semi-passive direct methanol fuel cell supplied with concentrated methanol

Direct methanol fuel cell （DMFC） has great potential to replace the traditional battery in the field of portable power sources. This study investigates the operational and structural aspects of a vapor-feed semi-passive DMFC supplied with concentrated methanol. The effec tiveness of using vaporous methanol to improve the cell performance is experimentally validated. Results indicate that there exits an optimal value of methanol concentration that favors both methanol supply and control of methanol crossover （MCO）. With the increase in vaporization temperature, the cell performance can be enhanced. Based on the traditional structural design, a sintered porous metal plate is further used to depress the impact of MCO so that the cell performance can be significantly improved at a relatively higher methanol concentration. This is of great importance to enhance the energy density and operating duration for portable applications. The mechanisms related to the performance behaviors are discussed in detail.     

微型直接甲醇燃料电池流场板内多相流动分析

针对微型直接甲醇燃料电池,运用多孔介质理论建立了微型直接甲醇燃料电池流场板内含电化学反应的、毛细力驱动下的微通道内多相流动的传输模型;计算并分析了流场板内微通道尺寸、功率密度等重要参数对毛细力驱动下微通道中多相流动的传输特性的影响,以及流场板内微通道尺寸对电池性能的影响.结果表明:微通道内液相饱和度随通道宽度和高度的增加而增大,随节距和电池功率密度的增加而减小;电池的功率密度随微通道高度和宽度的增加而增大,随节距和长度的增加而减小.     

车用甲醇汽油燃料技术性能

为规范甲醇汽油燃料的应用和生产,研究了甲醇与汽油互溶问题。通过发动机的动力性和经济性试验,确定了甲醇的添加比例、甲醇汽油的标号和甲醇汽油标准指标。研究结果表明:体积分数为15%、25%两种比例的甲醇汽油在应用时,无需对车辆做任何改动,功率分别能达到国标90#汽油的97%和93%,排放平均下降10%,经济性提高约6%。     

微生物燃料电池中碳基阳极材料和表面修饰碳基阳极材料研究进展

 随着能源匮乏和水污染问题的加剧,迫切需要寻找新的能源开发和利用技术。微生物燃料电池(MFCs)作为一种新兴的高效生物质能利用方式,可以将有机废水中的化学能直接转化为电能,具有去污和产能双重功能。产电微生物附着的阳极对MFCs 性能具有重要影响。碳基材料成本低、导电性高且生物相容性好,被广泛用于MFCs 的阳极材料。分别从传统碳材料、三维多孔碳基材料、化学法表面处理改性、碳纳米材料修饰和导电聚合物修饰等方面综述了MFCs 碳基阳极材料的最新研究成果,探讨了三维多孔结构和表面修饰促进MFCs 产电性能的微观本质,并对碳基阳极材料的应用前景进行分析和展望。     

直接甲醇燃料电池双极板冷却通道的热设计

将单个直接甲醇燃料电池的固体骨架看成开口系统,燃料电池稳定运行时的热负荷由阳极反应、阴极反应和甲醇直接氧化反应产生的3部分热量组成,利用热力学原理将其计算.在双极板上设置平行的冷却通道,将电池电化学反应产生的热量及时排出,有利于燃料电池的稳定运行.根据燃料电池中燃料、氧化剂的流向和冷却通道内冷却水流向的不同,冷却水和壁面的换热分别在恒热流密度和恒壁温热边界条件下进行.计算了2种情况下冷却通道壁面的温度和换热系数.结果表明,前者的换热效果要比后者好,但是,后者保证了工作层面具有恒定的温度,更有利于直接甲醇燃料电池的稳定运行.     

The kinetic studies of direct methane oxidation to methanol in the plasma process

The research outlined here includes a study of methanol production from direct methane conversion by means of thermal and plasma method. The kinetic study, derived from thermal-based approach, was carried out to investigate thoroughly the possible intermediate species likely to be presented in the process. A set of plasma experiments was undertaken by using dielectric barrier discharge （DBD）, classified as non-thermal plasma, done at atmospheric pressure and room temperature. Plasma process yields more methanol than thermal process at the same methane conversion rates and methane to oxygen feed ratios. Oxidation reaction of thermal process resulted CO and CO2 as the most dominant products and the selectivity reached 19% and 68%, respectively. Moreover, more CO and less CO2 were produced in plasma process than in thermal process. The selectivity of CO and CO2 by plasma was 47% and 20%, respectively. Ethane （C2H6）was detected as the only higher hydrocarbon with a significant concentration. The concentration of ethane reached 9% of the total products in plasma process and 17% in thermal process. The maximum selectivity of methanol, the target material of this research, was 12% obtained by plasma method and less than 5% by thermal process. In some certain points, the kinetic model closely matched with the experimental results.     

阳极支撑型固体氧化物燃料电池的研制

采用固相反应法制备出Gd2O3掺杂CeO2(GDC);用流延法制备阳极;用丝网印刷法制备电解质层及阴极;对GDC的相成分和热膨胀系数进行了测试分析;对阳极和电解质烧结后的孔隙率、密度及显微组织进行了表征．试验结果表明,采用流延法及丝网印刷法,通过选取合适的粉末原料,调整并优化制备过程的工艺参数,可以制备出具有良好组织结构和性能的阳极支撑型中温SOFC单电池。