微纳米Mo_(2)C-C作为高性能微生物燃料电池的阳极电催化剂

通过简单的溶液衍生前驱体和煅烧法成功制备了具有微纳米结构的Mo_(2)C-C复合材料,并用作微生物燃料电池(MFC)的高性能阳极电催化剂。形态和组成表征表明,制备的Mo_(2)C-C复合材料由Mo_(2)C和C组成,具有微/纳米颗粒结构。同时材料表面含有丰富官能团,有助于提高微生物在阳极表面的附着。电化学测试结果表明,Mo_(2)C-C复合材料对阳极/微生物之间的电荷转移具有出色的电催化活性。装有微纳米Mo_(2)C-C/CF阳极的MFC的最大功率密度为1.61 W·m^(-2),明显优于商用碳毡阳极。这项工作为高性能、环保MFC阳极电催化剂提供新思路。

面向水下运载平台的氢氧燃料电池建模与仿真分析

以Modelica为基础,面向某型深海运载平台使用的质子交换膜燃料电池构建模型,主要包含氢氧燃料电池电堆模型、供氢系统模型以及供氧系统模型。针对该燃料电池模型分别进行了稳态验证,研究了氢氧气体压力、工作温度以及质子交换膜厚度对电池性能的影响,分析了该模型的动态性能。结果表明:该模型与实际运行数据具有良好的拟合度,能较为真实地反映燃料电池运行的氢氧气体压力、工作温度、质子交换膜厚度等关键参数对电堆性能的影响,较好地反映燃料电池动态输出特性。

氢燃料电池特性试验分析研究

在“双碳”目标及可持续发展战略背景下,氢燃料电池汽车备受国内外关注,其在节能减排、环保方面作用重大。但氢燃料电池汽车发展受制氢与储氢技术、燃料电池特性及稳定性等因素限制。为发挥燃料电池的环保价值,文章主要对氢燃料电池汽车的发展现状及电池特性进行分析和研究,期望能促进氢能产业发展,加快燃料电池升级,推进氢燃料汽车发展,推动汽车产业绿色节能。

绿色船舶燃料电池混动系统能量管理策略研究

针对绿色船舶燃料电池-锂电池混合动力系统存在经济性差、双能量源协同匹配难的问题,研究燃料电池开关和模糊逻辑控制2种不同策略下系统的经济性与可靠性。使用大功率燃料电池模拟器、燃料电池专用直流转换器等模块建立了混合动力系统的模拟实验平台,通过两种策略分别实现对混合动力系统输出功率的管理。实验结果表明,2种策略在优化能量分配上均显示出可行性,进一步比较发现,在船舶典型工况下,复合动力系统稳定运行的时长越久,燃料电池开关策略控制下的氢耗量越低,提高系统的氢燃料经济性。这项工作为后续进一步提升燃料电池船舶混合动力系统运行效率和优化系统性能具有工程指导意义。

基于集成型极限学习机的氢燃料电池寿命预测

基于数据驱动的寿命预测方法能精准预测质子交换膜燃料电池(PEMFC)的剩余使用寿命,提高预测性能是当前寿命预测领域的研究热点。针对PEMFC寿命预测过程中预测精度与鲁棒性的提升问题,基于统计学原理的寿命预测方法,提出一种集成极限学习机(EELM)结构,对PEMFC的寿命进行长期预测。集成结构中包含了50次重复测试,通过局部强化优化器算法对每次测试结果进行优化,提升了寿命预测精度。在长期预测的结果中,给出了EELM预测结果的平均值和95%置信区间,提升了系统的鲁棒性。最后采用稳态电流、准动态电流条件和动态电流下的老化数据集验证了所提方法的有效性与可行性。

质子交换膜燃料电池不同流场结构的分布特性研究

流场结构是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能以及特性参数分布的重要因素。了解PEMFC内各种特性的分布是提高电池性能、稳定性和耐用性的先决条件。因此,有必要充分了解燃料电池中的性能参数分布特性。利用数值模拟与仿真研究了平行、单蛇形和三蛇形流场的电池性能差异,对比了三种流场对燃料电池分布特性的影响,并使用一种新颖的标准——阻抗分布,来评估流场结构对性能均匀性的影响。结果表明,采用蛇形流场的燃料电池极化曲线性能优于平行流场。通过分析电流密度、阻抗和温度分布,得出平行流场均匀性更好的结论,三蛇形流场则兼顾了单蛇形和平行流场的优点。通过引入均匀度参数(标准差)来描述特性参数分布的均匀性,平行、单蛇形和多蛇形流场的阻抗分布均匀度参数分别为0.235、0.305和0.245Ω·cm^(2)。

氢燃料电池高效抗毒化Pt基电催化剂研究进展

随着全球化石能源逐渐枯竭和温室效应加剧,人们赖以生存的自然环境遭到了严重破坏,如何开发新能源或高效的能源转换装置已经成为当前的研究热点.质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为高效的能源转换装置可以通过电化学反应将氢气(H2)中储存的化学能直接转化为电能,具有零排放、零污染、转化效率高等优点,其商业化发展能够有效地缓解当前的能源与环境危机.由于工作温度差异,PEMFCs分为低温质子交换膜燃料电池(LTPEMFCs)和高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs).贵金属铂(Pt)是PEMFCs中最常用的催化剂材料之一,然而Pt的抗毒化能力相对较弱,导致其催化剂稳定性较差.此外,Pt的低利用率、高成本,进一步限制了其大规模商业化应用.PEMFCs燃料中存在微量的杂质气体(尤其是一氧化碳(CO)),CO在反应过程中会吸附在催化剂表面而不容易去除,导致Pt催化剂表面活性位点被毒化.除了CO的毒化作用,HT-PEMFCs催化层界面由于磷酸(PA)的随机分布也会引起Pt催化剂的毒化问题,进一步导致催化剂的活性降低.因此,开发高效抗毒化Pt基催化剂并探究其抗毒化机制是推动PEMFCs发展的关键.本文系统地阐述了PEMFCs中Pt基催化剂的毒化问题,重点讨论Pt基催化剂的设计、合成及其抗毒化机制;最后,对PEMFCs中Pt基催化剂的发展与挑战进行探讨和展望.

甲烷混合燃料气内重整反应对平板式固体氧化物燃料电池性能影响

为研究经过预重整的含甲烷混合燃料气中甲烷浓度及内部重整对平板式固体氧化物燃料电池电化学性能和热机械性能的影响,建立甲烷内重整平板式固体氧化物燃料电池模型,并对多孔材料的弹性模量及泊松比进行修正,对比3种不同甲烷浓度条件下电池的综合性能。结果表明:在电化学性能方面,随着混合燃料气中甲烷浓度的增大,电池电流密度和功率密度逐渐增大,流道中甲烷的摩尔浓度沿燃料流动方向逐渐减小,氢气浓度沿流动方向呈先增大后减小的趋势,氢气的最大浓度逐渐远离燃料入口;热机械性能方面,随着混合燃料气中甲烷浓度的增大,位于金属连接体上的电池最大第一主应力和位于燃料出口的电池最大温度逐渐降低。适当提高混合燃料气中甲烷的浓度有利于平板式固体氧化物燃料电池的综合性能优化。

甲醇重整固体氧化物燃料电池热电联产系统热力学分析与优化设计

甲醇燃料因其来源广泛、易于储运的特点,在固体氧化物燃料电池的船舶应用方面具有较大的潜力。该文提出面向船舶平台的甲醇燃料固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)热电联产系统,基于甲醇重整反应动力学建立重整反应器模型,通过Aspen Custom Model软件建立SOFC机理模型。针对甲醇重整过程水醇比及反应器温度、SOFC工作过程燃料利用率及工作温度双参数共同作用的影响进行详细分析。结果表明,甲醇重整过程最佳水醇比为1.3/1,最佳反应出口温度为280℃;SOFC最佳工作温度和燃料利用率分别为760℃和0.65;系统能量损失和(火用)损失随SOFC电功率增加而增加;SOFC电功率为50 kW时,SOFC电效率、系统能量效率和(火用)效率分别为59%、89%和41%。所提出的热电联产系统可实现高效热电供应,为SOFC船舶平台应用提供一定建议。

高温碱性电解制氢与碱性燃料电池发电研究进展

本综述分别介绍了高温碱性电解制氢与碱性燃料电池发电的研究进展。高温碱性电解制氢多采用铂族金属与雷尼镍、不锈钢等Ni基合金作为电催化剂,而其电解质主要可分为KOH水溶液与KOH-NaOH-LiOH多元熔融体系,并结合采用流延烧结与电极支撑粉末烧结等方法制备的金属氧化物隔膜以实现氢氧产物分离,相关电解装置已在100−400℃实现超400 h稳定运行且衰减速率<0.1 V/kh;系统层面,实现130℃下20 kW稳定制氢,并提出允许多热源热-氢能源转换及高品位电-氢-热联产的吸/放热灵活转换运行模式。高温碱性燃料电池发电方面在电催化剂方面采用类似铂族金属与Ni及其氧化物,而其电解质除高浓度KOH水溶液与熔融氢氧化物外可采用高价金属掺杂焦磷酸盐等具备高电导率的固态材料。相关液态电解质装备已实现kW级地面与太空应用,且新型固态电解质单元已通过超160 h运行测试,而高温碱性膜燃料电池近年来取得长足发展,已实现超195 h稳定运行。

固体氧化物燃料电池用甲醇水蒸气重整反应器研究进展

固体氧化物燃料电池分布式热电联供技术是建设“清洁、低碳、安全、高效”现代能源体系、提高能源供给、保障能源消费安全的重要途径。氢是固体氧化物燃料电池最主要且最适合的燃料,然而,固体氧化物燃料电池分布式热电联供技术的应用受限于氢储运技术的发展。采用液态甲醇作为储氢载体现场重整制氢,有望在氢源供应问题上实现突破。为研究国内外固体氧化物燃料电池用甲醇水蒸气重整反应器进展,本文概述了氢源供应方式,着重总结了现场重整制氢的核心设备——甲醇水蒸气重整反应器的结构功能和供热方式,分析了影响反应器重整性能的操作参数和结构参数,并介绍了甲醇水蒸气重整反应器与固体氧化物燃料电池集成发电的特点,提出固体氧化物燃料电池用甲醇水蒸气重整反应器未来发展方向包括大功率甲醇水蒸气重整反应器的设计、大功率甲醇水蒸气重整反应器制氢机理及传热传质特性研究,以及采用甲醇水蒸气重整反应器直接为中温固体氧化物燃料电池供氢发电的性能。

基于CFD仿真的燃料电池热管理优化

燃料电池工作时会产生大量的电化学热,需要良好的热管理来保持燃料电池的温度在合理区间内。基于Fluent软件对燃料电池冷却液流速、冷却流道横截面形状等进行研究,探究它们对燃料电池温度与输出性能的影响。研究发现,冷却液流速对燃料电池温度和输出性能有明显影响,流速越大,燃料电池温度越低、温度分布越均匀、输出性能越高。但流速的选择应综合考虑热管理需求与系统噪声、稳定性及寄生功率之间的平衡。长圆形截面的冷却液流道导致燃料电池的性能最差,圆角矩形截面的冷却液流道具有最优的冷却与输出性能。

燃料电池氢气系统自适应滑模解耦控制研究

有效的燃料电池氢气系统控制策略可以改善系统动态性能并延长使用寿命,本文针对循环泵型燃料电池氢气系统,提出了基于梯度寻优的自适应滑模解耦控制策略。首先基于Simulink搭建了燃料电池氢气系统模型,基于该模型设计了解耦滑模控制器在补偿模型精度不准的同时实现了流量和压力的解耦,并通过李雅普诺夫原理证明了反馈控制率的稳定性。然而,滑模控制存在动态响应性能和抖振相矛盾的问题,对此,本研究进一步设计了基于梯度下降的滑模控制参数自适应寻优方法,并通过前馈控制器提高变载时的系统稳定性,同时采用滑模调优参数Map自学习的方式,在保证闭环系统稳定的同时解决了瞬态工况下的梯度寻优延迟问题。结果表明:本文设计的结合前馈的自适应滑模解耦控制器超调量较小,响应时间较短,鲁棒性较高;阴阳极压差最大值约为0.01 bar,流量供给误差最大为0.015 g/s;能够在0.02 s内迅速响应变载运行时氢气压力和流量的变化需求;相比于前馈修正之前,电堆启动工况下的压力波动降低了0.122 bar;扰动作用下,系统稳定性保持良好,氢气压力波动最大为0.01 bar。

质子交换膜燃料电池反应物流道研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的反应物流道起到将反应气体尽可能均匀地分配到整个燃料电池的作用,对燃料电池的性能至关重要,其流道的结构设计也是目前最活跃的研究领域之一。根据反应物流道的结构类型,可将反应物流道按类型及发展历程分为常规形流道、基于常规流道的改进型流道、仿生型流道、三维复杂流道等。分析了各种流道类型的结构形式及研究现状,可以为未来质子交换膜燃料电池反应物流道的设计提供相应的参考。

高海拔环境下空冷质子交换膜燃料电池性能研究

高海拔地区低温和低氧环境往往会对质子交换膜燃料电池(PEMFC)无人机(UAV)的启动和巡航工作造成困难。为研究环境变量对不同海拔高度PEMFC的性能影响,分别在200、3000、4000m高度下对燃料电池系统进行测试和分析。结果表明,随着海拔高度的上升,PEMFC系统输出性能不断降低。在3000 m高度低湿条件下采取阴极进气加热,电堆最大电流密度由0.38 A/cm^(2)下降至0.33 A/cm^(2)。而在4000 m高度夜间相对高湿环境下,进气预热后电堆最大电流密度由0.32 A/cm^(2)提升至0.36 A/cm^(2)。同时,结合系统仿真分析,建立无人机PEMFC在不同海拔环境下的性能预测模型,电池性能预测与实验数据误差不超过5%,可用于准确预评估机载电池的性能。

微生物燃料电池处理甲基吡啶废水的性能及机理

选择3-甲基吡啶(3-MP)为模型污染物,构建了双室MFC,研究了其对含吡啶类污染物废水的处理性能及机理。经3-MP驯化后MFC阳极生物膜厚度达40μm,红假单胞菌属、戈登式菌属、水杆菌属、德沃斯氏菌属、金黄杆菌属、微杆菌属、细粒菌属、慢生根瘤菌属、申氏杆菌属、湖沉积杆菌属、假诺卡氏菌属等功能菌显著增加。MFC在64 h内可完全降解120 mg/L 3-MP。当3-MP质量浓度为30 mg/L时,48 h后C元素矿化率达69.4%,N元素主要转化为NH4+和NO3–。采用Haldane模型进行3-MP降解动力学分析,最大降解速率、半饱和常数、抑制常数、最大比降解速率分别为3.5 mg/(L·h)、59.9 mg/L、201.0 mg/L和0.58 mg/(L·h·cm^(2))。通过中间产物分析推测3-MP主要通过两条途径降解,一是吡啶环上甲基的氧化,二是中间体1,4-二氢-3-甲基吡啶的双键裂解。

固体氧化物燃料电池与电解池中的甲烷氧化偶联研究进展

近年来,相比于传统制烯烃工艺的经济性与环保性,甲烷氧化偶联(OCM)制乙烯成为研究的热点,然而产物选择性偏低及甲烷与氧气混合的安全风险限制了它的商业应用。固体氧化物燃料电池及电解池因易于电化学调控且具备氧离子膜结构可以解决这两项难题,并可耦合发电或者电解水和二氧化碳带来额外的商业价值。综述了利用固体氧化物燃料电池及电解池进行OCM反应的研究进展,重点分析了不同类型催化剂的优缺点,并讨论了电化学OCM的反应机理。未来需要进一步开发具备甲烷活化能力的离子电子混合导体材料作为催化剂,并辅以高温原位的检测技术与结合模拟计算来探究反应过程。

氢燃料电池乘用车事故现场紧急处置对策

随着氢能技术的广泛应用和快速发展,安全性成为氢燃料电池乘用车推广应用的关键点。从车辆辨识、重点部件、解救人员、禁用车辆出发,研判了阵地设置和评估安全风险,并提出可操作的处置战法和策略,以期达到科学、高效、安全、专业处置此类事故及有效避免救援人员出现伤亡的目的。

燃料电池的演化及发展探析

对燃料电池的工作原理进行了详细的分析;对其演化过程进行了简述;对其最新技术进行了详细的研究;对国内燃料电池技术的发展提供了参考意见。

基于燃料电池客车智能综合热管理控制系统集成与研究

为解决燃料电池客车单一电热式采暖系统高能耗的问题,并减少热能流失,文章基于氢燃料客车燃料电池发动机传统分布式热量控制策略,提出一种整车一体化智能综合热管理控制策略。将燃料电池发动机工作时产生的热量进行回收利用,并通过板翅式热交换器将热能充分转化并应用于客舱内采暖和前风挡除霜除雾,实现高集成度和精细化的热量管理。该技术可降低单一的电热式采暖系统的能耗,提升整车采暖舒适性体验,使整车经济性能大幅提升。