固体氧化物燃料电池直接内重整的模型研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种通过电化学氧化反应直接将化学能高效率地转化为电能的装置,在大规模发电、联产以及一体化燃料升级等可再生能源系统领域具有广阔的市场前景。为进一步拓宽SOFCs的应用场景,降低运行成本,直接内重整(DIR)技术可将CH4等烷烃类物质在阳极催化生成H2,减少了燃料预处理要求且提高了转化效率,是目前SOFCs研究领域的热点之一。为了优化该技术的系统设计和操作条件,模型模拟的研究可显著减少实验工作量,并为其提供理论支撑和指导性建议。通过DIR-SOFC系统的模型模拟,结合场分布、动力学参数等,可以量化评估系统内的反应,从而了解其物理、化学过程的复杂性。本文总结了DIR-SOFC建模工作的现状,介绍了体积平均模型和针对微观结构的模型;重点讨论多尺度数学模型,对现有研究中的反应动力学过程描述、“能量-质量-动量”平衡方程、“1D-2D-3D”DIR-SOFC单元描述等进行了综述,能更好地评估变量对DIR的影响;对DIR-SOFC模型中不同液体燃料的重整反应及相关的反应动力学参数进行总结;指出现有模型的不足,并对DIR-SOFC系统模型的未来发展进行展望,使模型更加精准。

乙醇燃料质子导体固体氧化物燃料电池的制备及性能

针对质子导体乙醇燃料电池运行中阳极催化活性低以及积碳问题,采用原位成相法制备一种具有树枝孔状阳极结构的质子导体固体氧化物燃料电池,通过在树枝孔状阳极微通道内负载高效纳米催化剂构建微通道反应器来实现乙醇燃料的内部转化。结果表明:当燃料中乙醇的体积分数为10%、操作温度为650℃时,电池的峰值功率密度由0.076 W/cm^(2)增加到0.161 W/cm^(2),电池最大功率密度增加111%;在电流密度0.5 A/cm^(2)时进行放电稳定性测试,电池稳定运行57 h,且纤维催化剂的高催化活性加速碳的氧化反应,促进碳的气化,电池阳极-电解质界面未发现明显碳沉积。

阳极支撑型锥管串接式直接碳固体氧化物燃料电池组的制备及性能

针对阳极支撑型直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的浓差极化阻抗大的问题,本研究采用改进后的凝胶注模法制备了阳极支撑型锥管状固体氧化物燃料电池(SOFC)。通过适当增加溶剂的含量,改善了浆料的流动性,提高了成品的质量;通过增大造孔剂的含量,提高了阳极的孔隙率,减小了气体的扩散阻力。改进后的SOFC以氢气为燃料,在800℃运行时,开路电压为1.05 V,电化学阻抗谱的极化阻抗更小,电池的最大功率密度为0.67 W×cm^(–2)(阴极有效面积为2.2 cm^(2)),明显优于改进前的SOFC。改进后的SOFC直接采用担载质量分数5%K的活性炭为燃料,在800℃运行时,开路电压为1.030 V,接近理论电压,最大功率密度达0.74 W×cm^(–2),以400 mA进行恒流放电,碳燃料的有效利用率为31%,高于改进前电池的碳燃料的有效利用率17%。将改进后的4个锥管状单电池串联成电池组,直接采用担载质量分数5%K催化剂的活性炭为燃料,在800℃运行时,最大功率达8.0 W,高于改进前的4节DC-SOFC电池组(4.1 W),该电池组碳燃料的有效利用率为15%,峰值功率密度可达0.91 W×cm^(–2),超过了文献报道的最高值。

光辅助直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFCs)因其能够在较低工作温度下提供清洁、可持续能源方面的潜力而备受关注,但阳极缓慢的甲醇氧化反应(MOR)限制了其商业化应用。光辅助直接甲醇燃料电池(PMFCs)能利用光电耦合机制加速MOR过程,实现甲醇的化学能高效转化为电能,为开发高效、可持续的能源转换系统带来了巨大希望。本文首先简要回顾了PMFCs的背景、意义和在能源研究中的价值。从PMFCs的基本结构组成和酸碱介质下甲醇光电催化氧化的基本路径出发,总结了PMFCs阳极光电催化剂的研究进展。重点针对不同类型的PMFCs阳极光电催化剂,讨论光辅助下的MOR增强机制,如催化剂的尺寸效应、晶面效应、吸光性能、导电性以及表面等离激元共振(SPR)效应等方面的影响。PMFCs未来需要重点关注的研究方向是深入理解PMFCs的光电耦合机制和PMFCs阳极催化剂的构效关系,以及解决实际二电极系统下PMFCs光阳极的设计问题。

直接乙醇燃料电池阳极催化材料研究进展

与直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell, DMFC)相比,直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cell, DEFC)具有来源丰富、毒性低、生产和处理过程中成本较低和能量密度较高等特点,可以大量减少对传统燃料的依赖,缓解当前日益突出的世界能源危机。本文主要介绍了DEFC阳极催化剂材料的最新研究进展,如铂基和钯基催化剂的微观结构设计、成分控制和催化剂载体的优化以及一些基于过渡金属(Fe、Co、Ni等)的非贵金属催化剂等。最后,指出了DEFC阳极催化剂目前存在的问题(成本较高、活性较低和稳定性差等)并进行了展望。

直接乙醇燃料电池中乙醇电氧化过程的热力学和动力学考虑

从热力学和动力学角度讨论了质子交换膜燃料电池中的乙醇电氧化过程.理论计算得出直接乙醇燃料电池比乙醇重整质子交换膜燃料电池具有较高的有效能效率.从热力学分析可知,温度低于100℃时乙醇完全氧化的最大转化率仅为14%.从动力学角度考虑,PtSn/C催化剂对乙醇电氧化具有较高的催化活性,但仍不能使乙醇发生完全电氧化.热力学和动力学分析表明,操作温度是影响直接乙醇燃料电池性能的关键因素,它对开发新型催化剂和电解质膜材料提出了新的要求.

半焦结构对直接碳固体氧化物燃料电池输出性能的影响

碳燃料的结构特性是影响直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)输出特性的关键因素。选择生物质和低阶煤热解半焦作为DC-SOFC的燃料,采用红外光谱、拉曼光谱、XRD及氮气等温吸脱附等分析手段,结合半焦的CO_(2)还原活性及电池输出性能分析,研究了半焦组成和本征结构对DC-SOFC性能的影响机制。结果表明,半焦的灰分含量对其CO_(2)反应活性有重要影响,半焦脱灰后CO_(2)反应活性显著降低;脱灰半焦的表观芳香度越低,缺陷芳香环碳与有序芳香环碳的比值越大,半焦的CO_(2)反应活性越高,则半焦燃料DC-SOFC输出性能越好。利用多元函数拟合方法,建立了脱灰半焦燃料CO_(2)反应速率与半焦结构参数(芳香度、芳碳缺陷程度)之间的数学关系式,用于判断半焦CO_(2)反应速率大小及半焦燃料DC-SOFC输出性能的优劣。

固体氧化物直接氨燃料电池阳极材料的研究进展

固体氧化物直接氨燃料电池(Solid Oxide Direct Ammonia Fuel Cell, SO-DAFC)可以将氨直接电化学氧化转化为电能。SO-DAFC的阳极材料不仅需要具有较高的离子电导率和电子电导率,还需要对氨的分解有良好的催化活性;氨对大部分阳极材料的氮化作用会降低阳极材料的电化学性能,使得氨分解催化活性低、稳定性差,制约了SO-DAFC的商业化进程。从氨气在阳极材料上的电化学氧化阳极材料类型等方面,概述了固体氧化物直接氨燃料电池阳极材料的研究进展,并对阳极材料的优化方向进行了展望。

以哈密煤为燃料的直接碳固体氧化物燃料电池

传统燃煤发电方式效率受限,污染严重。通过直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)技术可将煤中化学能转化为电能,效率高,生成的高浓度CO_(2)有利于后续捕集、利用或封存,是一种潜在的高效洁净煤技术。使用煤基燃料的DC-SOFC已有一些前期研究,但煤炭成分和结构复杂,其对DC-SOFC性能影响研究还不够全面。为评估煤基燃料在DC-SOFC中使用的可行性,以新疆哈密煤为燃料,通过对比原煤、负载Fe催化剂的原煤、焦炭和负载Fe催化剂的焦炭为燃料的DC-SOFC性能,结合燃料成分的能谱分析,研究了影响煤基燃料DC-SOFC性能的关键因素。结果表明,新疆哈密煤可用作DC-SOFC的燃料,使用负载质量分数5%Fe催化剂的焦炭为燃料的DC-SOFC具有最好的输出性能,运行温度850℃下,峰值功率密度达255 mA/cm^(2);而使用焦炭燃料的DC-SOFC表现出最佳的燃料利用率,在850℃和200 mA恒电流模式下放电,其单质碳利用率达95%。新疆哈密煤是一种很有前途的DC-SOFC燃料,尤其是将原煤炭化、炭化后负载一定量Fe催化剂有较好的输出性能和高利用率。

直接乙醇燃料电池阴极制备与装配工艺优化实验设计与实施

为优化直接乙醇燃料电池的阴极催化剂,该文采用化学还原一步法分别制备出以活性炭、纳米碳和多壁碳纳米管为载体的Pt/C催化剂,研究了载体对催化剂性能的影响,并确定纳米碳为最优载体。以纳米碳为载体,采用相同工艺制备出具有核壳结构的Pt-Fe和Pt-Co合金催化剂,将其与Pt/纳米碳催化剂进行对比分析,探究了Fe、Co两种过渡金属对催化剂氧还原性能、稳定性等的影响,最终获得性能优于商业Pt/C催化剂的Pt-Fe/纳米碳合金催化剂。改进了电极制备及单电池装配工艺,提高了电池性能和实验成功率。

直接碳固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极的研究进展

直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)作为一种全固态的能量转换装置,可直接将固体碳燃料中的化学能转化为电能,比起其他燃料电池具有更高的电效率和燃料利用率。然而,直接使用碳作为燃料还面临诸多挑战,如碳燃料低的电氧化活性和传质,以及阳极侧三相反应界面有限。其中,电池的阳极反应对电池的电化学性能起到关键性的作用。本文详细介绍了新型钙钛矿材料在直接碳固体氧化物燃料电池阳极上的应用,为未来DC-SOFC阳极材料的设计和研究提供了参考和方向。

直接乙醇燃料电池中阳极催化剂的研究进展

直接乙醇燃料电池(DEFCs)中的阳极催化剂,在电池反应中起着至关重要的作用,但也存在成本高、乙醇的氧化效率低、耐久性差、易中毒等问题,严重阻碍了DEFCs的商业化。本文综述了提高电催化剂性能的有效策略,以期为进一步探索DEFCs提供参考。

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Bi_(2)O_(3)、Bi_(2)WO_(6)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。

制备方法对直接乙醇燃料电池阳极PtSn/C催化剂性能的影响

对比研究了用三种液相沉积还原法制备的PtSn/C催化剂,并用X射线衍射、透射电镜和程序升温还原等技术表征了催化剂的形貌、结构及组成.用乙二醇还原法制备的PtSn/C(EG)催化剂的平均粒径最小(约为1.8nm),且分布均匀,Sn以多种价态存在于PtSn/C(EG)中.采用循环伏安法和直接乙醇燃料电池单池评价了三种PtSn/C催化剂对乙醇氧化反应的催化活性,探索了单池性能与催化剂粒径及组成的关系.结果表明,PtSn/C(EG)催化剂具有较高的催化乙醇氧化活性.这可能是因为PtSn/C(EG)催化剂的金属粒径较小,Pt晶格发生了适当的扩张以及SnO2能够在较低电位下提供含氧物种的缘故.

直接乙醇燃料电池PtSn/C电催化剂的合成表征和性能

采用多元醇法制备了 n( Pt) /n( Sn)比为 2∶ 1 ,3∶ 1 ,4∶ 1的 Pt Sn/C电催化剂 .通过 XRD,TEM、循环伏安和氢化学吸附技术对催化剂进行了表征 . TEM和 XRD结果表明 ,不同比例的 Pt Sn/C金属粒子的平均粒径均小于 4nm,且粒径分布较窄 ;该系列催化剂中 Pt具有 fcc结构 ;Pt Sn间的相互作用使 Pt晶格参数增大 .循环伏安和氢化学吸附实验结果表明 ,加入 Sn可抑制 Pt对氢的吸附 ,Pt3Sn/C对乙醇的氧化电流比Pt4 Sn/C高约 1倍 .用不同 n( Pt) /n( Sn)比的催化剂作为直接醇类燃料电池阳极电催化剂 ,在相同条件下 ,随着 Sn含量的增加 ,单电池最大输出功率逐渐增大 ,当 Sn含量继续增大时 ,单池性能反而下降 .导致不同比例 Pt Sn催化剂活性差别的原因可能是由于 Sn与 Pt间的合金化程度不同和催化剂粒子尺寸效应及 Sn含量对电池阻抗等几方面因素所致 .对 40 h寿命测试前后的阳极 Pt3Sn/C催化剂的分析 ( Energy dispersive X-rayanalysis,EDX)结果表明 ,Pt Sn含量在测试前后均有所降低 ,Pt

直接乙醇燃料电池初探

采用商品化的PtRu/C和Pt/C分别作乙醇阳电极和氧气阴电极的催化剂 ,Nafion 115膜作固体电解质 ,组装成面积为 9cm2 的单池 .考察了电池温度、氧气压力、乙醇浓度及流量等对电池性能的影响 .实验结果表明在电池温度为 85℃ ,乙醇浓度为 1.0mol/L ,流量为 0 .5mL/min ,氧气压力为 0 .5MPa ,流量为 6 8mL/min条件下 ,电池开路电压为 0 .6 0 8V ,电流密度 5 0mA/cm2 时的放电端电压为 0 .32 9V ,电池最大功率密度为 19.2 5mW

直接乙醇燃料电池阳极催化材料的研究进展

评述了直接乙醇燃料电池阳极催化剂研究过程中存在的主要问题,简述了DEFC阳极催化荆的电催化氧化反应机理,概述了目前研究的主要成就,并对今后直接乙醇燃料电池阳极催化材料发展方向进行了展望。

碳纤维基PtSn催化剂直接乙醇燃料电池制备及性能研究

采用自制的碳纤维基PtSn催化剂薄膜作为阳极催化剂,商用Pt/C作为阴极催化剂,Nafion 115膜作为质子交换膜,通过热压制成膜电极,组装平板型直接乙醇燃料单电池,搭建测试系统并进行性能的测试,研究了温度、乙醇浓度、溶液流量、进气流量等参数对DEFC的影响。结果表明,当乙醇溶液浓度为1.0 mol/L、溶液进样流量为1.0 mL/min、溶液温度为80℃、氧气进样流量为100 mL/min时结果较优,单电池的最高功率密度达18.2 mW/cm2。

直接乙醇燃料电池阳极氧化催化剂和载体材料的发展现状

文章概述了直接乙醇燃料电池较之直接甲醇燃料电池的优势,简述了阳极氧化催化剂材料和载体材料的发展历程及其主要研究成就,并展望了阳极氧化催化剂材料和载体材料的发展给直接乙醇燃料电池带来的广阔前景。

直接乙醇燃料电池研究进展

介绍了直接乙醇燃料电池(DEFC)电催化氧化机理,分析了碳载铂催化剂等物质担载催化剂在DEFC中的性能,论述了电解质膜及DEFC性能的研究现状,指出了从阳极催化剂、电解质膜等方面提高DEFC性能的途径。