以活性炭为燃料的固体氧化物燃料电池(英文)

采用注浆成型法制备了管状电解质支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为YSZ,阳极和阴极材料都采用银.将活性炭不加任何气体直接用作电池的燃料.电池的有效面积为2.5cm2,在800℃时给出最大功率为16mW,其开路电压随温度的变化与理论结果一致.此电池在30mA的恒电流下连续稳定运行了37h,通过电化学反应消耗了加入电池中碳燃料的42%(w),证明了电池的工作是可以自维持的.与使用石墨燃料的SOFC相比,此电池的运行稳定性得到了明显的提高,因为活性炭比石墨具有大得多的微孔率和表面积.电池运行37h后很快衰减,燃料烧结和燃料量减少造成碳表面积减小可能是衰减的主要原因.电化学阻抗谱测试结果表明电池的极化电阻在电池的总损耗中占主导.通过对电池反应机理进行分析,认为发生在阳极/电解质界面的CO电化学氧化反应和发生在碳燃料表面的Boudouard反应构成的循环维持了电池的运行,因此通过添加促进上述两个反应的催化剂,可提高电池的性能.     

双过渡层阴极对流延法制备的阳极支撑直接碳固体氧化物燃料电池性能的改善作用

采用流延法制备了阳极支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC),电解质材料为钇稳定化氧化锆(YSZ),阳极为镍和YSZ构成的金属陶瓷(Ni-YSZ),阴极为LSCF-GDC/LSCF复合材料,同时在阴极与电解质之间制备了YSZ-GDC/GDC双过渡层。分别采用含3%的加湿H_2和活性炭为燃料,对此电池的输出性能及阻抗谱进行测试。采用加湿H_2测试的结果表明:在800℃下,采用双过渡层电池的开路电压达到1 V,最大功率密度为680 mW·cm~(-2),比未改良电池的最大功率密度(372 mW·cm~(-2))提高了83%。直接采用固体碳为燃料时,具有双过渡层阴极的电池在850℃时的开路电压达到0.95 V,最大输出功率密度达429 mW·cm~(-2),几乎比无过渡层阴极的电池(225 mW·cm~(-2))高出1倍,特别是双过渡层阴极还使直接使用碳燃料的SOFC(DC-SOFC)的燃料利用率提高了33%。     

一种高活性 Ni掺杂 La0.6Sr0.4FeO3-δ作为碳基燃料固体氧化物燃料电池对称电极

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种在中高温下可以直接将储存在燃料中的化学能转换成电能的全固态电化学反应装置.因其具有能量转换效率高、环境友好、全固态结构以及可以使用碳氢化合物燃料等优点,近年来受到了广泛的关注.在诸多电极材料当中, Ni基金属陶瓷是 SOFCs中最常使用的阳极材料,这是由于金属 Ni具有优良的电子电导和催化性能.然而当使用碳基化合物燃料时,传统的 Ni金属陶瓷阳极材料面临严重的积碳、Ni颗粒长大以及硫中毒等问题.这些问题不仅会影响 SOFCs的寿命,而且还会严重地降低 SOFC的商业化进程.因此,开发具有高催化活性、抗积碳的阳极材料对碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池的发展至关重要.与金属基阳极相比,氧化物阳极的热膨胀系数与电解质材料更匹配,性能的可调控性更强.铁酸锶镧(LSF)是一种分子式为 ABO3的钙钛矿结构的氧化物,在高温下具有较高的电子电导率.据报道 LSF作为阴极材料时,表现出了良好的性能.但是 LSF作为阳极材料时,却存在着催化性能不足的问题.我们研究了 Ni掺杂的 La0.6Sr0.4FeO3-δ(LSFN),以提高其作为 SOFCs阳极材料的催化性能.同时采用将 LSFN在 SOFC工作气氛下原位还原的方法,在 LSFN颗粒表面原位生长出分布均匀的纳米颗粒.透射电镜分析结果表明该偏析的颗粒为 Ni-Fe合金.有报道显示, Ni-Fe合金对碳氢化合物氧化具有良好的催化活性,所以在 LSFN颗粒表面生成这种合金颗粒有利于提高阳极材料的催化活性.对于 Ni-Fe合金以均匀的纳米颗粒析出的原因,还有待进一步研究.为了研究 LSFN作为 SOFC电极材料的性能,我们采用浸渍法将 LSFN前驱体溶液浸渍到氧化钇稳定氧化锆(YSZ)一体化电池的对称多孔骨架中,经过焙烧,得到了具有对称结构的 SOFC单电池.所使用的 YSZ一体化骨架为中间层薄而致密,两边厚而多孔的三层结构,这种结构可以显著地降低电解质的厚度,从而达到降低单电池的阻抗的目的.这一新型对称电池结构具有如下优点：阳极表面上可能发生的硫毒化和积碳问题有可能通过将阳极和阴极反用而消除;氧化剂(空气)将冲走吸附在电极上的硫和碳粒子,从而使电极得以再生.此外,氧化还原稳定的阴极预期将提高阴极的寿命.对单电池的电化学测试结果表明, LSFN电极材料的最佳浸渍量为30 wt%,这是因为较低的 LSFN浸渍量(<30 wt%),不能形成连续的电子传导网络,电极的电子传导能力不足;而 LSFN电极材料的浸渍量高于30 wt%时则会降低电极反应的三相界面,从而影响电池的性能.在750oC下, LSFN为电极的单电池在以湿润 C3H8为燃料时其开路电压(OCV)达到了约1.18 V,高于以 H2为燃料电池的电压.以 CH4为燃料时, LSFN为电极的单电池的开路电压远高于 LSF为电极的单电池.在750oC下,以 C3H8为燃料时, LSFN和 LSF为电极的电池的峰值输出功率密度分别达到400和230 mW/cm2.这些结果表明,通过 Ni掺杂和原位焙烧,在 LSFN电极颗粒表面制备了均匀分布的 Ni-Fe合金纳米颗粒,极大地提高了铁酸锶镧材料对碳基燃料的催化活性.长期放电测试结果表明, LSF为电极的单电池在测试过程中,尾气可以收集到类似焦油状的黑色物质;而 LSNF为电极的单电池在测试过程中并没有观察到明显的焦油状物质生成.通过气相色谱-质谱联用分析,发现所产生的焦油状物质主要成分是含苯环、碳碳双建或碳碳三键的烃类.这说明 LSF电极只能使 C3H8部分氧化, LSFN对 C3H8等碳氢化合物燃料的氧化具有高的催化活性和良好的耐久性. Ni掺杂的 La0.6Sr0.4FeO3-δ阳极材料是一种有希望的碳基燃料 SOFCs对称电极.     

固体氧化物燃料电池运行初期电化学性能演变机制

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效的发电装置, 其运行中的性能衰减受到众多因素的影响, 如何分辨这些因素的贡献、并在此基础上确定衰减的主导因素, 对于更有针对性地提升SOFC的运行寿命至关重要. 广泛的测试结果表明, SOFC的电化学性能在运行初期(约前100 h)会发生最为显著且复杂的变化, 但是对其演变机制还没有形成清晰的认识. 本工作基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分析方法分别研究了工业尺寸电池(100 cm²)和纽扣电池(0.45 cm²)在运行初期的电化学性能演变规律, 得到了关于电池性能和电极微观结构演变机制的一致性规律. 电池在运行初期依次经历活化阶段和老化阶段: 活化阶段阳极孔隙率增加、气相扩散过程改善, 电池性能逐渐上升; 老化阶段阳极Ni颗粒发生烧结团聚, 有效三相界面长度显著降低, 阳极界面反应过程劣化, 电池性能逐渐下降. 各阶段的持续时间、性能变化幅度会受到电池制备工艺的影响. 本工作提出的运行初期电化学性能演变机制能够为进一步研究SOFC的长期稳定性奠定基础.     

质子交换膜燃料电池阳极脉冲排放动态特性研究

阳极脉冲排放能有效提高氢气的利用率,延长燃料电池的使用寿命.以催化层活性面积为25 cm2的燃料单电池为研究对象,排放触发电压设定为其稳定运行时电势值的90%.通过改变阳极进气压力和电池温度等操作条件,研究电池的脉冲周期和电池性能,并进行比较分析,得出阳极脉冲排放的最优方案.     

一种高活性Ni掺杂La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)作为碳基燃料固体氧化物燃料电池对称电极（英文）

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种在中高温下可以直接将储存在燃料中的化学能转换成电能的全固态电化学反应装置.因其具有能量转换效率高、环境友好、全固态结构以及可以使用碳氢化合物燃料等优点,近年来受到了广泛的关注.在诸多电极材料当中,Ni基金属陶瓷是SOFCs中最常使用的阳极材料,这是由于金属Ni具有优良的电子电导和催化性能.然而当使用碳基化合物燃料时,传统的Ni金属陶瓷阳极材料面临严重的积碳、Ni颗粒长大以及硫中毒等问题.这些问题不仅会影响SOFCs的寿命,而且还会严重地降低SOFC的商业化进程.因此,开发具有高催化活性、抗积碳的阳极材料对碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池的发展至关重要.与金属基阳极相比,氧化物阳极的热膨胀系数与电解质材料更匹配,性能的可调控性更强.铁酸锶镧(LSF)是一种分子式为ABO_3的钙钛矿结构的氧化物,在高温下具有较高的电子电导率.据报道LSF作为阴极材料时,表现出了良好的性能.但是LSF作为阳极材料时,却存在着催化性能不足的问题.我们研究了Ni掺杂的La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)(LSFN),以提高其作为SOFCs阳极材料的催化性能.同时采用将LSFN在SOFC工作气氛下原位还原的方法,在LSFN颗粒表面原位生长出分布均匀的纳米颗粒.透射电镜分析结果表明该偏析的颗粒为Ni-Fe合金.有报道显示,Ni-Fe合金对碳氢化合物氧化具有良好的催化活性,所以在LSFN颗粒表面生成这种合金颗粒有利于提高阳极材料的催化活性.对于Ni-Fe合金以均匀的纳米颗粒析出的原因,还有待进一步研究.为了研究LSFN作为SOFC电极材料的性能,我们采用浸渍法将LSFN前驱体溶液浸渍到氧化钇稳定氧化锆(YSZ)一体化电池的对称多孔骨架中,经过焙烧,得到了具有对称结构的SOFC单电池.所使用的YSZ一体化骨架为中间层薄而致密,两边厚而多孔的三层结构,这种结构可以显著地降低电解质的厚度,从而达到降低单电池的阻抗的目的.这一新型对称电池结构具有如下优点:阳极表面上可能发生的硫毒化和积碳问题有可能通过将阳极和阴极反用而消除;氧化剂(空气)将冲走吸附在电极上的硫和碳粒子,从而使电极得以再生.此外,氧化还原稳定的阴极预期将提高阴极的寿命.对单电池的电化学测试结果表明,LSFN电极材料的最佳浸渍量为30wt%,这是因为较低的LSFN浸渍量((27)30wt%),不能形成连续的电子传导网络,电极的电子传导能力不足;而LSFN电极材料的浸渍量高于30wt%时则会降低电极反应的三相界面,从而影响电池的性能.在750oC下,LSFN为电极的单电池在以湿润C_3H_8为燃料时其开路电压(OCV)达到了约1.18V,高于以H_2为燃料电池的电压.以CH_4为燃料时,LSFN为电极的单电池的开路电压远高于LSF为电极的单电池.在750oC下,以C_3H_8为燃料时,LSFN和LSF为电极的电池的峰值输出功率密度分别达到400和230mW/cm~2.这些结果表明,通过Ni掺杂和原位焙烧,在LSFN电极颗粒表面制备了均匀分布的Ni-Fe合金纳米颗粒,极大地提高了铁酸锶镧材料对碳基燃料的催化活性.长期放电测试结果表明,LSF为电极的单电池在测试过程中,尾气可以收集到类似焦油状的黑色物质;而LSNF为电极的单电池在测试过程中并没有观察到明显的焦油状物质生成.通过气相色谱-质谱联用分析,发现所产生的焦油状物质主要成分是含苯环、碳碳双建或碳碳三键的烃类.这说明LSF电极只能使C_3H_8部分氧化,LSFN对C_3H_8等碳氢化合物燃料的氧化具有高的催化活性和良好的耐久性.Ni掺杂的La_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)阳极材料是一种有希望的碳基燃料SOFCs对称电极.     

以丁烷为燃料的便携直接火焰固体氧化物燃料电池堆的研究(英文)

以丁烷液化气为燃料,以固体氧化物燃料电池为电源,可以进行全天候的充电,是未来理想的充电模式。研究了以丁烷为燃料的可以便携的直接火焰燃料电池堆。该电池结构和电性能分别用扫描电子显微镜SEM和电化学工作站进行了表征。该电池堆由3片以Ni/YSZ为阳极支撑形的单电池构成。该电池堆操作开路电压为2.1 V,最大输出功率为0.24 W,可带动小风扇连续运行超过4 h。运行4 h后电池阳极没有积炭发生,说明该电池可以连续运行多个小时,可用作便携充电电源。     

微生物阳极燃料电池极性反转现象研究

本文在构建出微生物阳极燃料电池系统的基础上,研究了微生物燃料电池极性反转现象. 实验表明,由活性污泥混合菌源接种的微生物阳极在电极表面形成电化学生物膜,但平行构建的微生物阳极燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度差异. 在串联微生物燃料电池组中,放电操作会导致性能较差的微生物单电池首先出现极性反转. 电极电势测量表明,较高的放电电流使微生物阳极电势迅速正移,导致电池系统出现极性反转. 在室温范围内,温度升高可使MFC承受较高的放电电流,不易发生极化. 燃料物质缺乏时,MFC易发生极性反转,但过高的电流仍能使燃料物质充分的MFC出现极性反转. MFC极性反转会对微生物阳极性能造成影响. 极性反转时间较短(<5 min),对微生物阳极影响不大,但延长极性反转时间,会导致微生物阳极性能下降.     

乙醇在Ni-ZnO-ZrO_2-YSZ阳极SOFC上的发电性能

为考察乙醇用于固体氧化物燃料电池的可行性,用柠檬酸溶胶-凝胶制备阳极催化材料Ni-ZnO-ZrO2,利用机械混合法制备Ni-ZnO-ZrO2-YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)阳极。用涂覆法,在YSZ电解质上,制备了Ni-ZnO-ZrO2-YSZ/YSZ/LSM(La0.85Sr0.15MnO3)与Ni-YSZ/YSZ/LSM的单体电池。在不同蒸发器操作温度、电池操作温度和乙醇蒸气流量下,以乙醇为燃料进行发电实验,对两种阳极的电池发电性能进行比较。实验结束后,用SEM检测了两种电池阳极的表面。结果表明,Ni-ZnO-ZrO2-YSZ阳极SOFC的电池输出性能明显高于Ni-YSZ阳极,且Ni-ZnO-ZrO2-YSZ阳极具有较好的抗积炭能力。     

中温平板型固体氧化物燃料电池研究

采用流延法制备Ni/YSZ阳极支撑体 YSZ电解质复合膜素坯.经等静压,共烧结而得到的复合膜,其YSZ电解质层的厚度在1530μm之间,面积大于100cm2.再将由柠檬酸盐法合成的Ce0.8Sm0.2O1.9(CSO)和固相法合成的La0.6Sr0.4CoO3(LSCO)相继沉积到YSZ膜上形成有CSO中间层的复合阴极,从而构成Ni/YSZ/CSO/LSCO的中温平板型固体氧化物燃料(单体)电池,其中Ni/YSZ为阳极,CSO是中间层,LSCO为阴极.以H2作燃料气,O2为氧化气,850℃下,该单电池开路电压达1.1V,最大输出功率密度0.2W/cm2.本文还对该单电池复数阻抗谱进行了分析讨论.     

High Energy Fuels II: Gas Chromatographic Separation of Energetic Compounds Derived from Dicyclopentadiene

An effective gas-liquid chromatographic separation of thirteen energetic dicyclopentadiene derivatives has been established using OV-17 as the stationary phase. FID was chosen as the favorable detector after comparing its response factors with those of TCD. Using this method good repeatability, reproducibility and precision are obtained in both qualitative and quantitative analyses of compounds investigated.     

Selective synthesis of tricyclopentadiene from dicyclopentadiene with homogeneous Pd catalysts

We explored a simple synthetic strategy with homogeneous palladium catalysts to afford a [2 + 2] isomer of tricyclopentadiene in good yield (up to 98% from cyclopentadiene and up to 78% from dicyclopentadiene) with high selectivity. The effects of a variety of palladium precursors, phosphorus ligands and acids were investigated to improve the productivity and selectivity of the tricyclopentadiene synthesis. The reaction conditions were evaluated and their effects on the product distribution were also discussed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

在线高效液相色谱-毛细管气相色谱联用方法的建立

建立了一种以保留间隙柱技术和阀切换以及定量管样品转移为接口并具有早期溶剂蒸气出口的在线液相色谱与毛细管气相色谱联用方法。考察了主要实验条件,如溶剂蒸发温度、载气压力等对联机系统性能的影响,并用萘和联苯对该系统的线性范围进行了测定。利用联机系统对一种轻柴油样品进行了分析。     

Thermogravimetric investigation on combustion characteristics of oil shale and high sulphur coal mixture

Co-combustion experiments of mixture of Huadian oil shale and Heshan coal with high sulphur content have been conducted using a thermogravimetric analyzer. The effects of five different Ca/S mol ratios on the combustion characteristics of mixture fuel are analyzed using TG and DTG curves. The results show that the initial temperature of combustion of mixture fuel is decreased with an increase in the oil shale content of mixture fuel. The combustion characteristic of mixture fuel is superior to that of Heshan coal. Adding about 20 mass% Huadian oil shale into Heshan coal is feasible for desulfurization of mixture fuel during combustion.     

Side chain crosslinking of aromatic polyethers for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell applications

Novel aromatic polymers bearing polar pyridine units in the main chain and side chain crosslinkable hydroxyl and propargyl groups have been successfully synthesized. The polymers have been investigated in terms of their critical properties related to their application in high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells, such as doping ability, mechanical properties, and thermal stability. Crosslinked membranes were prepared by direct crosslinking of hydroxyl side chain groups with decafluorobiphenyl used for the first time as a crosslinking agent. However, further functionalization of hydroxyl groups to the propargyl derivative has also led to crosslinked polymers after thermal curing. Both types of crosslinked membranes exhibited higher glass transition temperatures as well as lower doping levels when doped in phosphoric acid compared with the non crosslinked analogs, confirming the formation of a successfully crosslinked network. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part A: Polym Chem, 2012     

高活性、高抗毒性的甲酸燃料电池阳极催化剂

甲酸燃料电池是一种近年发展起来的新型燃料电池,具有极好的商业化前景,但其发展受到很多因素的制约,其中阳极催化剂是影响其性能的关键因素。本文从催化剂的制备方法、催化剂载体和掺杂其他元素等方面介绍了近年来国内外在提高催化剂的活性和抗毒性方面所做的重要研究工作。具体包括:电沉积法、有机溶胶法等重要制备方法,碳纳米管、石墨烯和复合材料作为催化剂载体的研究以及通过掺杂其他元素制备合金催化剂和复合催化剂来提高催化剂活性和抗毒性的相关研究工作。本文还对甲酸燃料电池的发展做了展望。     

Separation and determination of peptide metabolite of Bacillus licheniformis in a microbial fuel cell by high‐speed capillary micellar electrokinetic chromatography

A method using high‐speed capillary micellar electrokinetic chromatography and a microbial fuel cell was applied to determine the metabolite of the peptides released by Bacillus licheniformis . Two peptides, l ‐carnosine and l ‐alanyl‐l ‐glutamine were used as the substrate to feed Bacillus licheniformis in a microbial fuel cell. The metabolism process of the bacterium was monitored by analyzing the voltage outputs of the microbial fuel cell. A home‐made spontaneous injection device was applied to perform high‐speed capillary micellar electrokinetic chromatography. Under the optimized conditions, tryptophan, glycine, valine, tyrosine and the two peptides could be rapidly separated within 2.5 min with micellar electrokinetic chromatography mode. Then the method was applied to analyze the solutions sampled from the microbial fuel cell. After 92 h running, valine, as the metabolite, was successfully detected with concentration 3.90 × 10⁻⁵ M. The results demonstrated that Bacillus licheniformis could convert l ‐carnosine and l ‐alanyl‐l ‐glutamine into valine. The method employed in this work was proved to have great potential in analysis of metabolites, such as amino acids, for microorganisms.     

Fabrication and optimization of proton conductive polybenzimidazole electrospun nanofiber membranes

Phosphoric acid (PA)–doped polybenzimidazole (PBI) proton exchange membranes have received attention because of their good mechanical properties, moderate gas permeability, and superior proton conductivity under high temperature operation. Among PBI‐based film membranes, nanofibrous membranes withstand to higher strain because of strongly oriented polymer chains while exhibiting higher specific surface area with increased number of proton‐conducting sites. In this study, PBI electrospun nanofibers were produced and doped with PA to operate as high temperature proton exchange membrane, while changes in proton conductivity and morphologies were monitored. Proton conductive PBI nanofiber membranes by using the process parameters of 15 kV and 100 μL/h at 15 wt% PBI/dimethylacetamide polymer concentration were prepared by varying PA doping time as 24, 48, 72, and 96 hours. The morphological changes associated with PA doping addressed that acid doping significantly caused swelling and 2‐fold increase in mean fiber diameter. Tensile strength of the membranes is found to be increased by doping level, whereas the strain at break (15%) decreased because of the brittle nature of H‐bond network. 72 hour doped PBI membranes demonstrated highest proton conductivity whereas the decrease on conductivity for 96‐hour doped PBI membranes, which could be attributed to the morphological changes due to H‐bond network and acid leaking, was noted. Overall, the results suggested that of 72‐hour doped PBI membranes with proton conductivity of 123 mS/cm could be a potential candidate for proton exchange membrane fuel cell.     

初中化学教学中培育社会责任素养*——以“燃料及其利用”复习教学为例

在分析“社会责任”素养内涵和研究现状的基础上,制订了初中化学“燃料及其利用”复习教学课的“社会责任”素养目标,并设计了以“秸秆综合利用的变迁”以及“历史悠久的薪柴燃料-使用方便的化石燃料-清洁环保的新型燃料”的燃料“进化史”为主线的教学流程。从“燃料及其利用”复习教学来看,初中化学教学可以通过真实情境、创新实验和有意义的学习经历等实践路径让学生获得“社会责任”体验,形成“社会责任”素养。     

固体氧化物燃料电池阳极材料研究及其在高温水电解制氢方面的应用

本文综述了固体氧化物燃料电池阳极材料的研究现状和进展。详细地介绍了国内外固体氧化物燃料电池阳极材料的制备、改性、微观结构与性能关系以及阳极反应动力学机理，并对各种材料适用的条件和优缺点进行了比较。对阳极材料在高温电解制氢领域阴极上的应用前景进行了展望。