一体式再生燃料电池双功能氧电极高分散工艺研究

一体式再生燃料电池(PEM-URFC)将燃料电池和电解池融为一体,正向耗氢发电,反向电解产氢,是理想的储能装置。双功能氧电极(BOE)是承担氧还原反应与析氧反应的核心场所,通常由Pt和IrO_(2)两种材料混合制备而成。制备BOE的浆料难分散,导致催化剂利用率低、耐久性差。为了克服上述难题,本研究通过结合巯基-聚乙二醇-羧基稳定剂与间隔超声分散工艺的方法,提升了Pt-IrO_(2)浆料的分散效果和稳定性,并在此基础上制备了高分散的BOE。实验结果表明,本研究所制备的BOE富含纳米级孔,相较于通过持续超声分散工艺制备的BOE,催化剂利用率更高。极化性能测试结果表明,由本研究制备BOE所组装的PEM-URFC在0.5 A/cm^(2)工作条件下双向效率最高可达51.12%,比由持续超声分散工艺制备BOE所组装PEM-URFC的双向效率高9%;此外,在3000次加速实验后,由本研究制备BOE所组装的PEM-URFC双向效率仅衰减0.249%,低于由持续超声分散工艺制备BOE所组装PEM-URFC的1.675%。本工作所提出的结合稳定剂与间隔超声分散工艺提升分散效果的方法,对优化双功能电极的制备工艺具有一定的参考价值。

美国新的可再生燃料标准和用量目标促进可再生天然气的生产

2023年6月21日,美国环保署(EPA)宣布了一项最终条例,规定了2023—2025年纤维素生物燃料的产量要求和标准,这是可再生燃料标准(RFS)计划的一部分。纤维素生物燃料类别主要适用于可再生天然气(RNG),一种由沼气制成的天然气。与之前的目标产量相比,该条例将纤维素生物燃料的目标产量提高:2023年提高25%,达到8.4×10^(8) gal(1 gal≈3.785 L);2024年提高29%,达到10.9×10^(8) gal;2025年提高33%,达到13.8×10^(8) gal。RFS是一项联邦计划,要求汽油和柴油生产商将可再生燃料纳入国家运输燃料供应。美国环保署发布RFS规则,对某些可再生燃料类别的用量提出要求,并通过年度可再生用量义务(RVO)设定这些用量。当生产出经认证的燃料时,美国环保署会生成可再生识别码(RIN),生产商可以与其他市场参与者进行RIN交易。

美国可再生燃料标准(RFS)的实施与监管

可再生燃料标准(RFS)项目是美国联邦政府为提高生物燃料利用量、减少温室气体排放而推出的政策安排,要求相关责任方在2022年前不断增加可再生燃料在交通运输领域的用量,完成法定的年度可再生燃料配比责任量。美国环保署负责项目的具体执行,按照原料、工艺流程、温室气体减排效果等将可再生燃料划分类别,依据法定目标、燃料供应和其他条件为炼油商和进口商设定年度可再生燃料配比责任量,在必要时有权对责任方行使豁免权并适度调整合规目标,同时对可再生燃料配额交易市场进行监管。可再生燃料身份码(RINs)对应于美国生产或进口的每加仑可再生燃料,跟踪可再生燃料的使用情况并监测履约表现。RINs能在市场自由交易,责任方可选择购买RINs完成合规目标。从实施结果上看,传统淀粉乙醇燃料及生物质柴油的使用量达到法定目标,而纤维素生物燃料与先进生物燃料未达到预期目标,环保署不得不连续调整标准。未来环保署仍将拥有年度可再生燃料责任量的制定与调整权并负责市场监管,同时也面临着替代燃料技术水平、地区经济现状、政策调整、公平性等多种不确定因素的挑战。

带有支撑层的一体式再生燃料电池新结构及性能分析

针对一体式再生燃料电池(URFC)双向性能低的问题,以多孔传输层(PTL)与催化剂涂覆膜(CCM)之间界面接触为切入点,提出一种包含支撑层的新型URFC结构,并对PTL结构参数进行优化。通过极化曲线和电化学阻抗谱分析了不同结构URFC的性能。实验发现:钛毡纤维结构细密化有利于提升URFC双向性能,当电流密度为1.5 A/cm 2时,带有支撑层的URFC相比传统URFC,在燃料电池模式下电压上升了69 mV,在电解槽模式下电压下降了12 mV;新结构URFC具有更小的接触阻抗及质子传输阻抗,比燃料电池模式的高频阻抗下降了16.2%。压敏纸实验和电镜测试表明,支撑层可以使催化层与PTL之间的宏观接触应力分布更加均匀,改善了钛纤维与催化层之间界面的微观接触状态,有利于提高电子传输效率及反应动力。研究可为一体式再生燃料电池结构设计及优化提供参考。

一体式可再生燃料电池双功能氧催化剂的研究进展

双功能氧催化剂的催化活性及稳定性是决定一体式可再生燃料电池能否高效运作的关键因素之一。得益于分别对于氧还原及氧析出反应特定中间产物适当的结合能,铂与铱、钌及其氧化物所制成的贵金属催化剂常被应用于一体式可再生燃料电池中作为双功能氧催化剂。同时,近年来对于非铂族双功能氧催化剂的研究也取得了较大进展。本篇综述从一体式可再生燃料电池中氧还原及氧析出反应的作用机理出发,首先着重对传统铂基双功能催化剂的构效关系进行了总结,其次介绍了钙钛矿型、尖晶石型氧化物、非金属等新型双功能氧催化剂的发展趋势。此外,本文对于该研究领域所存在的限制条件和发展路线也进行了总结与展望。

基于一体式再生燃料电池的并网型微电网系统建模及分析

一体式再生燃料电池(unitized regenerative fuel cell,URFC)是一种集成了燃料电池发电与电解水制氢于一体的电化学装置,与风力、光伏发电相结合后,在并网型微电网系统中具有广阔的应用前景。为此,提出结合URFC、风电机组、光伏机组和传统电网的并网型微电网系统模型,并采用净现值作为衡量系统投资合理性的经济指标。以湖北地区某工业园区为研究对象,提出氢电供应因子用于协调并网型微电网系统的能源调度,并通过粒子群优化算法对系统进行设备容量优化和投资评估。结果表明:并网型微电网系统存在最优系统容量配置,当氢电供应因子为0.8时,微电网系统的净现值为最大值,具有良好的投资可行性。

Neste公司和Scania公司尝试采用数字化方案追踪可再生燃料使用情况

为了便于追踪并确认每辆卡车可再生燃料的使用情况,Neste公司和Scania公司正在试用一种数字化方案。Scania车队管理系统数据经过与Neste公司的燃料排放数据整合,该方案可为Scania车队管理系统客户提供准确及时的温室气体(GHG)排放报告和可持续性信息。客户可自行对使用Neste公司可再生燃料与化石燃料的排放情况进行比较,排放目标进展情况一目了然。

一体式可再生燃料电池

一体式可再生燃料电池是可再生燃料电池中最先进的一种,它是在同一组件上既可以实现燃料电池功能又可以实现水电解功能的储能和供电系统,具有能量密度高、使用寿命长、使用中无自放电且无放电深度及电池容量的限制等优点,是极有希望在空间、军事及可移动电源领域替代传统二次电池的储能系统。本文介绍了一体式可再生燃料电池的研究进展,并提出了目前亟待解决的问题。

再生燃料电池的研究与应用

与传统二次电池(铅酸蓄电池、锂电池)相比,再生燃料电池在储能时间、能量密度、使用寿命和环境保护方面占有优势,可广泛应用于航天、军事领域和现场蓄能系统。本文介绍了再生燃料电池的原理、分类和应用情况,详细阐述了再生燃料电池双效电极和双效电极催化剂的制备方法以及水热管理的研究进展,指出再生燃料电池的不足之处并进行了展望。

可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究

概述了可再生燃料电池的工作原理和特性;介绍了国外可再生燃料电池的空间应用,在"太阳神"无人机和平流层飞艇上的设计验证经验,以及国内的技术发展水平;分析了可再生燃料电池系统应用于空间电源所要解决的系统优化设计、电解器和燃料电池的高性能及安全性设计、功率控制器的集成化设计、氢气/氧气的空间储存及后处理等关键技术;提出了用于空间电源的可再生燃料电池系统初步设计方案,对系统的组成和工作流程、各子系统的功能和设计方式进行了论述,可为我国未来的新型航天器电源系统设计提供参考。

一体式再生燃料电池双效膜电极的研究

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及循环稳定性,在燃料电池模式运行时,工作电压为0.708 V@1 000 mA/cm2;水电解模式运行时,工作电压为1.623 V@1 000 mA/cm2,URFC循环运行100 h,电池表现出良好的稳定性。膜电极表面结构和极化特性分析表明:CCM膜电极制备工艺实现了催化层和质子交换膜的一体化,改善了电极与质子交换膜界面稳定性,提高了膜电极的电性能和循环稳定性。IrO2扩散层提高了膜电极在高电解电位下的耐蚀性能,促进了膜电极在循环运行中的稳定性。

利用不同工艺催化大豆油裂解制备可再生燃料油(英文)

以大豆油为原料,考察了间歇式反应工艺,旋转锥式反应工艺和精馏反应工艺3种裂解工艺对裂解产物性能的影响,并探讨了多种催化剂的催化裂解效果。结果表明,优选反应条件为:催化剂质量分数5%精馏温度320～350℃,裂解温度460～480℃,滴加速度35 g/h。在碱性催化剂Na2CO3的参与下,利用精馏反应工艺裂解大豆油产物的分子组成得到优化。通过红外光谱、气质联用和凝胶色谱对裂解产物的分析表明,产物具有较低的平均相对分子质量,主要成分为C24以下的烷烃、烯烃、醛、羧酸等。从化学组成及燃料性能来看,裂解产物的性质与石化柴油相近。

精馏法催化大豆油裂解制备可再生燃料油(英文)

采用自组装的裂解精炼装置,以大豆油为原料考察了精馏反应条件对裂解产物性能的影响。结果表明,最佳反应条件为：精馏柱温度范围320~350℃,裂解反应釜温度480~500℃,大豆油滴加速度为35 g/h。通过红外光谱（FTIR）、气质联用（GC-MS）和凝胶色谱（SEC）对裂解产物的分析表明,产物具有较低的平均分子质量,主要成分为烷烃、烯烃、醛、羧酸等。从化学组成及燃料性能来看,裂解产物的性质与石化柴油相近,裂解所得产物密度825 kg/m3,黏度4.0 mm2/s,热值42 MJ/kg,冷凝点-9℃,冷滤点-4℃,具有较好燃料性能。

一体式再生燃料电池性能

报道了反应条件对一体式再生燃料电池单体电池性能的影响,并对单体电池的极化特性和循环稳定性进行测试。结果表明:URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。双模式工作条件下,反应温度控制在60～70℃比较合适。在燃料电池模式下,提高氧气压力可以更显著的提高电池性能;在氢气相对湿度为100%条件下,氧气相对湿度对电池性能影响不大,当电流密度大于500 mA/cm2时,采用干态氧气和相对湿度为100%氧气时,电池性能趋于一致。

百瓦级一体式再生燃料电池堆研究

对百瓦级一体式再生燃料电池堆(URFC)的电性能和燃料电池(FC)/水电解(W E)双模式循环稳定性进行测试研究。所研制的百瓦级URFC电池堆双模式工作电性能优良,循环性能稳定。燃料电池模式工作条件下:电流密度为500 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.789 V,输出功率236 W;电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.681 V,输出功率409 W。水电解模式工作条件下:电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压1.628V,产生标准状态下氢气的耗能量为4.26 kW h/m 3。电流密度为500 mA/cm 2时,URFC电池堆充放电循环电压效率为51.5%。单体电池电压方差和计算结果表明,在工作电流密度0～400 mA/cm 2的窗口区间内,单体电池电压具有相对最好的均匀一致性。在100 h/20次的FC/WE双模式循环试验中,URFC电池堆性能衰减平均为1.70%。

大豆油催化裂解精炼制备可再生燃料油

采用自组装裂解-精馏耦合精炼装置,以大豆油为原料考察了精馏柱温度(DT)、裂解反应釜温度、加料速度等反应条件对裂解产物性能的影响。结果表明,最佳反应条件为:精馏柱温度范围为320～350℃,裂解反应釜温度为480～500℃,滴加速度为35g/h。裂解所得产物密度825kg/m3,粘度4.0mm2/s,热值42MJ/kg,冷凝点-9℃,冷滤点-4℃,燃料性能较好。通过凝胶色谱和气质联用对裂解产物的分析表明,产物具有较低的平均分子量,主要成分为烷烃、烯烃、醛、羧酸等。从化学组成及燃料性能来看,裂解产物的性质与石化柴油相近。

欧盟交通可再生燃料法规建设及对我国的启示

据能源和气候信息小组(Energy&Climate Intelligence Unit)等机构最近统计,全球已有128个国家和地区提出了碳中和目标。其中,欧洲是“自上而下”地确定了温室气体减排目标的法律地位,而美国则是在法律上确定了温室气体是污染物,从对污染物排放进行管理的角度开展相关工作。关于交通领域的减碳行动,国际上普遍的做法是在全社会碳中和行动的系统框架下协同开展相关工作,在立法的基础上系统建立政策、标准和技术工具体系,从车辆、燃料和运输等领域着手,在先进技术开发、相关行业转型和公众使用引导等方面展开具体行动,均取得较好成果。

一体式再生燃料电池双效氧电极催化剂

对一体式可再生燃料电池双效氧电极催化剂进行研究，考察了析氧催化剂和贵金属Pt黑组成的复合催化剂的双效性能以及催化剂配比和焙烧温度对性能的影响，用XRD对催化剂的物相特性进行表征。结果表明：复合催化剂的燃料电池性能按以下顺序递减：Pt黑＞Pt/Ru/Ir＞Pt/Ru＞Pt/IrO2～Pt/Ir＞Pt/RuO2；水电解性能按以下顺序递减：Pt/IrO2＞Pt/RuO2＞Pt/Ir＞Pt 黑。分析比较，Pt/IrO2复合催化剂表现出良好的燃料电池/水电解双功能特性以及循环稳定性，具有最佳的 URFC 能量转换效率。因此，Pt/IrO2复合催化剂是最适宜的双效氧电极催化剂。一定温度范围内的焙烧处理对 Pt/IrO2催化剂燃料电池性能影响不大，而对水电解性能具有一定的影响，大电流密度运行，未焙烧处理的Pt/IrO2催化剂表现出更好的水电解性能。

一体式可再生燃料电池用新型膜电极三合一

介绍了大连化物所一体式可再生燃料电池新型膜电极三合一的研究进展,包括非碳担载双功能电催化剂、"内嵌式"膜电极、非碳材质扩散层.结果表明新型膜电极三合一明显提高了一体式可再生燃料电池的性能和循环寿命.

加拿大计划加大可再生燃料的使用力度

加拿大政府已计划在汽油、柴油和取暖油中加入可再生燃料，以此来减少温室气体的排放。据该国环境部长Rona Ambrose称，政府计划到2010年实现汽油中可再生燃料含量达到5％，到2012年柴油和取暖油中可再生燃料含量达到2％的目标。