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。

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。

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。

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。

反应物化学计量比对阶梯流道URFC性能影响

本文基于一个两相、非等温模型,探究了燃料电池模式的化学计量比对一体式再生燃料电池性能的影响。结果表明,在燃料电池模式下提高反应物的化学计量比有利于促进传质与排水,但消耗的泵功会持续增加,因此电池性能的提升率随化学计量比的增加呈先上升后下降的趋势。在本文的运行工况下,当化学计量比为1.5时,燃料电池模式的净输出功最高;此外,在电池饥饿程度较高时,将化学计量比设置为1.5对充放电循环效率的提升率最高。

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。

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。

可逆质子交换膜燃料电池研究进展

可逆质子交换膜燃料电池(RPEMFC)是一种在同一装置上实现水电解(充电)和燃料电池发电(放电)两种功能的储能电池。随着PEMFC技术的迅速发展,RPEMFC开始引起人们更多关注。介绍了它的工作原理,对电催化、膜电极(MEA)制作、电池性能以及应用等方面的研究进展进行评述。双效氧电极(氧还原和氧气析出)是RPEMFC的技术关键,但其电催化剂的双效高活性功能以及稳定性还没有得到很好解决。由于它的理论比能量高(可达3 600 Wh/kg),可靠性好,并且寿命长,因此RPEMFC在许多蓄电池的应用领域,特别是对质量有严格限制的场合(如航天飞机和太阳能飞机等),将得到广泛应用。

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。

水基推进系统综述

水基推进系统的发展为航天器推进、供电、能量储存、系统构建提供了新的选择。这一系统的核心是一体化可再生燃料电池,它利用太阳能电池帆板提供的电能电解水,产生的氢氧气体既可以用于燃烧推进,又可以通过燃料电池反应重新复合为水进行供电。介绍了水基推进系统的基本组成与工作原理,通过质量估算与性能分析,评估了水基推进系统的工作能力、适用范围及空间应用优势。

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.

一体式可再生燃料电池膜电极和流场研究

一体式可再生燃料电池(URFC)对质量限制场合有着十分重要意义。膜电极(MEA)和流场构型是影响URFC性能的主要因素,为此研究了氧电极中Pt和Ir催化剂比例和两种流场构型,以及电池工作温度。通过电池双模式循环工作效率来评价膜电极和流场对一体式可再生燃料电池性能的影响。结果表明:最佳催化剂比例是:Pt与Ir质量比3∶1;流场对电池性能影响显著,并且相对于WE模式,在FC模式下影响更大。

组合式再生燃料电池双效氧电极催化剂制备与表征

介绍了组合式再生燃料电池基本特点 ,简要回顾了组合式再生燃料电池中双效氧电极催化剂研究现状。利用还原沉积法制备了PtIr/C双效氧电极催化剂 ,对催化剂进行了XRD表征。以三电极体系对催化剂进行了析氧和溶氧双反应的催化活性评价 ,结果表明 :Pt主要催化燃料电池模式下的溶氧反应 。

一体式再生燃料电池温度和热流密度非原位同步测量

一体式再生燃料电池的热流密度和温度分布的研究对电池热管理具有重要的意义。本文将自制的薄膜传感器植入一体式再生燃料电池中,进行非原位实验研究。在给定不同气体预热温度下,测量了一体式再生燃料电池内部热流密度和局部温度,并根据已得到的温度和热流密度计算出局部表面传热系数。结果表明,在不同的气体预热温度下,流道内气体的温度和气体扩散层表面的温差维持在3℃左右。气体扩散层表面的热流密度整体呈现出下降的趋势。靠近加热棒处的温度最高,但热流密度最低。相同的气体预热温度下,流道内气体和气体扩散层表面的温差对换热量的影响要大于温度梯度的影响;气体预热温度的上升对表面传热系数h的影响不大。30℃时,表面传热系数h值在450~750 W/(m2·K)之间。40℃时,表面传热系数h在450~650 W/(m2·K)之间。

一体式再生燃料电池的性能衰减研究

一体式再生燃料电池(URFC)的性能衰减问题是阻碍其应用的瓶颈,有必要探明其衰减机理。通过发电-电解模式循环实验对URFC进行了耐久性测试,通过电化学阻抗谱和微观物理表征方法分析了URFC性能衰减的原因。分析发现:电解模式下URFC性能衰减更加显著,电化学阻抗谱测试结果表明电池性能的衰减主要源于电荷转移阻抗的增大,占电池总阻抗增大的85%以上。膜电极元素观测结果表明:催化剂Ir和Pt元素的相对质量分数分别减少了24.46%和7.66%,进一步证实了Ir和Pt元素的溶解和团聚造成催化层活性降低是导致URFC性能衰减的主要原因。这为揭示URFC衰减机制提供了研究基础,并对减缓URFC性能衰减提供指导。

一体可再生燃料电池双功能催化剂的制备方法

目的本文旨在探讨可再生燃料电池双功能催化剂的最优制备工艺。方法采用浸渍还原法、烧结法、共沉积法分别制备载量为20%的Pt/IrO2,对3种方法制备的催化剂进行XRD表征,并且观测其作为URFC氧极催化剂时电池的性能。结果从操作方法来看,烧结法更为优越;从XRD测试看,浸渍还原法所制得催化剂的Pt-Ir干涉峰更为强烈;从电池极化曲线上来看,浸渍还原法也占有优势。结论浸渍还原法所制得的催化剂性能更为优越,然而受实验中还原剂浓度,pH值等因素影响较大;共沉积法在离心过程中催化剂损耗较大;烧结法易于放大及批量生产,然而催化剂性能一般。

微乳法合成Pt/C、PtIr/C催化剂及其电化学性能表征

以碳纳米粉(XC-72R)作为载体,以3种不同方法合成Pt/C负载型催化剂.并由X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、循环伏安法(CV)、恒电位测试(Potentiostatic)以及线性极化分析(Potentiodynamic polarization)等方法表征该催化剂.结果表明,由微乳法制得的负载型催化剂Pt/C,活性组分的颗粒尺寸为5～10 nm,均匀地分散在载体表面,电化学性能良好.而以同一微乳法由异辛烷/Triton X100/正己醇/水体系合成的含有不同Pt、Ir比例的负载型的Pt100-xIrx/C催化剂,则其中以Pt85Ir15表现出更为良好的电化学综合性能.

不同温度下URFC模式切换中两相流及电压响应

通过实验得到了一体式再生燃料电池(unitized regenerative fuel cell,URFC)模式切换过程中电池内部的两相流观测可视化结果以及同步电压动态变化情况,讨论了温度影响下燃料电池和电解池模式切换过程中的两相流动规律以及同步电池电压的变化规律。实验结果显示:当电解池直接切换到燃料电池模式时,由于水淹的影响,电池电压接近0.0 V,同时受温度影响不大;当电池在运行不供水电解模式下120.00 s后切换时,电池能够在高温状态下切换至燃料电池模式,且温度较高时氧气侧水淹较弱。燃料电池向电解池模式切换时,温度和电流密度的高低同样会影响电解模式下的性能稳定性。

纳米镍一体式燃料电池体系电化学性能研究

分别研究了采用气-固充氢充电方式和电化学充电的纳米镍一体式燃料电池体系的电化学性能。采用气-固充氢方式的电池以0.008 m A/cm^2进行恒流放电,放电比容量为47 mA·h/g。采用线性扫描伏安法以及电化学交流阻抗谱法研究充氢态的M-URFC的微观反应过程,线性扫描伏安曲线在0.75 V出现Pt/Ir合金催化氧还原反应峰。通过充氢态的M-URFC的放电曲线、线性扫描伏安曲线以及阻抗谱分别从宏观和微观角度证明了贮氢合金中的氢与氧气结合发生了电化学反应。

供水流量对URFC模式切换影响实验研究

本文利用一个有效面积为25 cm2并具有可视化窗口的一体式再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell,URFC),通过实验手段研究了其从燃料电池模式向电解池模式切换过程中,供水流量对电池电压及流道内气液两相流的影响.结果表明,燃料电池模式向电解池模式切换时供水流量的大小对切换后电解池模式的电压有一定影响。小流量供水时,水到达电池内部所需时间过长,电解池模式并不能够持续运行;随着供水流量的增大,水到达电池内部时间越来越快,切换后电解池模式电压的变化越来越小,在液态水进入电池氧电极侧后,电解池的电压趋于稳定。