氢的制备、储存、安全检测与生物燃料电池研究

目前，化石能源日益枯竭和二氧化碳排放导致的温室效应引起了世界各国的高度关注。约五分之一的二氧化碳是由使用化石燃料的交通工具所导致的。氢能是人类至今为止已知的、最为理想的清洁能源，使用零排放的氢燃料电池驱动交通工具是减少二氧化碳排放的有效手段之一。世界各国把氢能作为战略能源进行研究，我国既是能源短缺国，又是能源消耗最大的国家之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确指出，能源是未来15年我国科技发展的重要领域，清洁能源低成本规模化开发利用则是重点领域和优先主题。 本文将将简要介绍课题组在铝基材料制氢技术、多孔金属有机框架化合物（MOFs）材料储氢技术、基于石英微天平的氢气安全检测技术和生物燃料电池的有关研究工作。     

燃料电池汽车氢源选择的研究进展和预测

燃料电池汽车被认为是能源和交通领域的新方向之一,而目前氢源问题已成为其商业化的技术瓶颈。本文从国内外燃料电池汽车的发展现状出发,结合国外对燃料电池汽车氢源选择的评估和预测,及国内863计划“燃料电池汽车氢源基础设施工程前期研究”项目的研究结论,对我国燃料电池汽车的技术发展和商业化进程进行了预测。     

基于绿色氢科学理念构筑从低碳制氢到高效储氢的氢能体系

本文从低碳制氢和高效储氢的角度思考及探讨氢能体系绿色化发展过程中的关键科学问题.提出＂绿色氢科学＂理念与＂低碳制氢,高效储氢＂技术发展路线图,以期通过相关科学问题的认识,来构建具有高度原子经济性及可持续性的绿色氢能体系.     

离子色谱法在氢燃料电池汽车用氢气中的应用现状及展望

氢燃料电池汽车用氢气中痕量杂质会影响氢燃料电池的性能,国内外标准均严格规定了痕量杂质的限值要求。离子色谱法（IC） 具有操作简单、分析快速、灵敏度高、选择性好、可多组分检测的特点,ISO 14687－2∶2012、SAE J2719∶2015和GB/T 37244－2018等标准均涉及到离子色谱法分析其中的部分指标。目前离子色谱法在环境空气、固定污染源废气、天然气、烟气等气体分析领域有广泛应用,在氢燃料杂质的分析领域尚在起步阶段。该文综述了氢燃料和其他气体分析领域中总卤化物、甲酸、氨和总硫化物的分析方法,将离子色谱与不同分析技术进行比较。并基于离子色谱在其他气体杂质分析领域的应用进展,对其在氢燃料电池汽车用氢气杂质分析中的应用作出展望。     

脂肪酸(酯)脱氧制备生物燃料研究现状

随着全球能源消耗量的增长,传统化石燃料等不可再生能源将日趋枯竭且环境污染等弊端日益突显.利用绿色、可再生生物质资源,尤其是脂肪酸(酯)脱氧转化制备液体燃料已成为全球关注的热点.脂肪酸(酯)脱氧过程中氢源的不同,直接影响脱氧的反应路径、效率和成本.鉴于此,本文根据氢源的不同,综合分析了近年来脂肪酸(酯)的直接加氢脱氧、原位加氢脱氧、脱羧脱羰等过程的研究进展.提出了未来脱氧过程的主要发展方向和研究重点,为商业化脱氧技术的开发提供新的助力.     

车用燃料电池技术的现状与研究热点

燃料电池汽车作为清洁能源汽车的一部分近十几年来得到很大的发展。然而燃料电池的寿命、成本仍然是制约其商业化的瓶颈,其中材料是根本问题。本文对组成燃料电池的三种关键材料电催化剂、质子交换膜、双极板的发展现状进行了综述,并对研究热点进行了剖析。针对燃料电池在车载工况存在的问题,如电催化剂衰减、膜降解、双极板腐蚀等,基于已有试验结果和理论分析指出了可能的解决方案、对策与发展方向。     

生物燃料电池的研究进展

简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景.     

面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择

对氢气的多种制造途径加以探讨,也涉及到氢能的利用、燃料电池以及二氧化碳的减排。需要指出的是氢气并非能源,而只是能量的载体。 所以氢能的发展首先需要制造氢气。对于以化石燃料为基础的制氢过程,如煤的气化和天然气重整,需要开发更经济和环境友好的新过程,在这些新过程中要同时考虑二氧化碳的有效收集和利用问题。对于煤和生物质,在此提出了一种值得进一步深入研究的富一氧化碳气化制氢的概念。对于以氢为原料的质子交换膜燃料电池系统,必须严格控制制备的氢气中的一氧化碳和硫化氢;对于以烃类为原料的固体氧化物燃料电池,制备的合成气中的硫也需严格控制。然而,传统的脱硫方法并不适宜于这种用于燃料电池的极高深度的氢气和合成气的脱硫。氢能和燃料电池的发展是与控制二氧化碳排放紧密相关的。     

新型低压氢—镍电池中消氧反应的研究

高压氢-镍蓄电池是一种高效化学电源,具有能量密度高、充放电速率大、寿命长及耐过充等特点,将阴极贮氢材料代替压缩氢气,即为低压氢-镍蓄电池。负极材料不使用贵金属铂,以TiNi为负极的低压氢-镍电池内压在3×10~5Pa以下使用更加安全。镧镍基合金氢化物与水中溶氧反应的研究表明,它在25～55℃范围内能定量消除水中溶氧。本文主要讨论阴极贮氢材料如何有效消除电池过充电时氧化镍电极产生的氧气及其催化机理。 1 实验部分 以TiNi为负极的密封式A1型低压氢-镍蓄电池的容量为1A·h,死体积约为15 mL。图1、2分加别为电池过充时内压变化及过充后开路时内压变化曲线.实验按50、100、150 mA     

离子型交联磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备及高温燃料电池性能

以2,2′-双(4-磺基苯氧基)联苯二胺、 2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑和1,4,5,8-萘四甲酸二酐为单体, 通过逐步聚合和溶液成膜法制备了离子型交联磺化聚酰亚胺质子交换膜(SPI PEMs). SPI PEMs具有优异的机械性能和耐水解稳定性, 在高离子交换容量和高湿度下具有和NR212相当的质子传导性能. 电池工作温度为90 ℃时, 高加湿条件下, n(BSPOB)/n(DABI)为5/2的离子型交联SPI PEM(M1)的最大输出功率密度(W_max)为 0.93 W/cm², 高于NR212的0.86 W/cm². 当电池温度提高到110 ℃时, 所有PEMs的电池性能显著下降, M1的W_max为0.54 W/cm², 明显高于共价型交联的SPI PEM. 离子型交联的SPI PEM在110 ℃下300 h的开路电压(OCV)耐久性降低了约10%, 远高于NR212.     

基于PtIr/C阳极催化剂的直接氨燃料电池性能研究

氨(NH₃)是一种无碳氢载体, 比氢更易储运, 且体积能量密度更高, 因此直接氨燃料电池(DAFC)的研究具有重要的理论意义和实际价值. 本工作研究PtIr/C阳极催化剂在不同工作温度下电催化活性及其对DAFC性能的影响, 并探究了所用阴离子交换膜的渗氨量与DAFC性能的相关性. 结果表明, 从25~80 ℃, 基于PtIr/C阳极催化剂的DAFC在80 ℃下获得最优性能, 其开路电压(OCV) 0.50 V, 峰值功率密度3.2 mW•cm^-2, 可归功于Pt-Ir合金的协同作用和升温提高了催化活性. 不同温度下在DAFC阴极尾气中均检测到氨, 且氨含量随温度升高而上升, 致使阴极Pt/C催化剂毒化, 从而使DAFC的开路电压和功率密度下降.     

生物质热化学转化制备生物燃料及化学品

生物质是环境友好的可再生能源.近年来相关研究不断升温,文献报道量激增.本文在现有文献综述及近期报道的基础上,从利用热化学方法由生物质获得燃料油及化学品的角度对各方案进行了归纳、适当补充及简要述评,重点介绍了生物油催化裂解精制、水相重整制备烷烃、超临界水/水热制备化学品3个领域.     

生物质热化学转化制备生物燃料及化学品

生物质是环境友好的可再生能源。近年来相关研究不断升温,文献报道量激增。本文在现有文献综述及近期报道的基础上,从利用热化学方法由生物质获得燃料油及化学品的角度对各方案进行了归纳、适当补充及简要述评,重点介绍了生物油催化裂解精制、水相重整制备烷烃、超临界水/水热制备化学品3个领域。     

生物质热化学转化制备生物燃料及化学品

生物质是环境友好的可再生能源.近年来相关研究不断升温,文献报道量激增.本文在现有文献综述及近期报道的基础上,从利用热化学方法由生物质获得燃料油及化学品的角度对各方案进行了归纳、适当补充及简要述评,重点介绍了生物油催化裂解精制、水相重整制备烷烃、超临界水/水热制备化学品3个领域.     

电沉积制备MnO2催化剂及其在微生物燃料电池中的应用

通过电沉积的方法获得了一种具有均匀孔隙结构的海绵状二氧化锰催化剂,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征了所制备材料的表面形貌、结构及元素构成和赋存价态,采用线性伏安扫描(LSV)法对电沉积材料的电化学性能进行分析,考察其催化氧还原反应的活性,最后以合成的材料为阴极催化剂,构建微生物燃料电池系统,考察其在微生物燃料电池中的应用效果。结果表明,以电沉积二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池最大功率密度为975.6 mW/m~2,是以商业二氧化锰为阴极催化剂的电池的1.7倍;这表明作为一种经济、高效、环境友好的阴极氧还原催化剂,电沉积法制备的二氧化锰为实现阴极催化剂的低成本制备以及微生物燃料电池放大化推进提供了新的研究途径。     

双金属氮化物NiMoN析氢催化剂制备及其电解海水析氢性能的研究

电解水制氢是最具潜力的绿氢制备技术, 而高效析氢反应(HER)催化剂的开发对其大规模推广意义重大. 选用氯化镍和钼酸铵为镍源和钼源, 通过原位生长法获得NiMo双金属催化剂前驱体, 再以二腈二胺为氮源, 高温氮化-程序升温法制备了一系列NiMo_xN@NC催化剂(x代表钼酸铵和氯化镍的物质的量比), 并对催化剂进行了结构、形貌以及金属价态表征. 分别在1 mol/L KOH碱液以及模拟海水中分析了析氢(HER)性能. 结果表明, 碱液中NiMo_xN@NC催化剂均具有良好的电荷转移速率(R_ct<1 Ω), 具有较好的内在催化活性(Tafel斜率103~168 mV/dec). 其中, NiMo_0.75N@NC催化剂具有最高的极限电流(–178 mA/cm²), 最小的过电势η₁₀=0.164 V, η₁₀₀=0.448 V), 最高的内在催化活性, Tafel斜率只有103 mV/dec, 且具有较好的稳定性. 在海水中, 在10 mA/cm²和40 mA/cm²的负载电流下, NiMo_0.75N@NC催化剂依旧表现出了较好的稳定性.     

在体酶生物燃料电池的研究进展

酶生物燃料电池(Enzymatic biofuel cells,EBFCs)具有高专一性和催化性能,可催化与氧化还原反应有关的燃料并获得电能.可用的生物燃料,如葡萄糖、乳酸和丙酮酸盐,可以从汗液、泪液和血液中提取,因而以体液为燃料的EBFCs在可植入式或可穿戴式设备中具有良好的应用前景.采用生物电催化机理对酶生物燃料电池在体液发电中的应用进行了研究,以及对可植入式或可穿戴式生物燃料电池的主要挑战和未来的前景进行了展望.     

氢溴储能电池结构的优化和运行条件对电池性能的影响

研究了氢溴电池的电池结构、正极氢溴酸和溴电解质浓度、负极的氢气压力、质子交换膜厚度对氢溴电池的性能和电池效率的影响。对氢溴电池结构进行改进,单电池实现了200 mA·cm^-2电流密度恒流充放电,电池库伦效率100%。溴电极电化学反应受浓差极化控制,提高氢溴酸浓度,电池充电性能提高,同时,溴在氢溴酸的溶解度增大,电池放电性能也提高,氢溴酸浓度由0.5 mol·L^-1提高至1 mol·L^-1,电流密度200 mA·cm^-2,电池的能量效率和电压效率提高27.9%。氢溴电池充电过程,降低电池负极氢出压力,有利于提高充电性能,但膜透酸严重,放电过程中最佳的氢出压力是维持氢在碳纸憎水催化层的单层吸附,充放电过程氢出压力均为40.0 kPa,电池的能量效率80.2%。膜厚度与膜电阻极化和膜透酸密切相关,充电过程,膜由50.0 μm降至15.0 μm,膜透酸严重,负极电化学活性比表面积下降,电池充电性能降低。膜厚度对放电性能的影响还与电流密度有关,电流密度较低时,膜透酸造成负极电化学比表面积下降居主导地位,50.0 μm Nafion膜放电性能更高;电流密度超过200 mA·cm^-2时,膜电阻极化居主导电位,15.0 μm Nafion膜性能更高。采用20.0 μm质子交换膜,在200 mA·cm^-2电流密度循环充放电五次,电池的能量效率和电压效率达到85.3%,库伦效率100%。     

酶生物燃料电池自供能传感器的研究现状及应用

在现代分析领域中,对于生物传感器的要求不断倾向于微型化和便捷化。基于酶型生物燃料电池的自供能传感器在检测目标物的同时可以提供能量,避免了外电源的使用,为生物传感器的微型化和便捷化发展提供了有效途径,日益成为人们关注的焦点。本文按照设计原理进行分类,对近五年内发展的基于酶型生物燃料电池的自供能传感器进行了综述,并展望了其今后的研究趋势和应用前景。     

燃料电池汽车氢气排放分析仪的校准

建立燃料电池汽车氢气排放分析仪校准方法。根据仪器工作原理,拟定仪器的示值误差、测量重复性、响应时间、零点漂移和量程漂移为校准项目。利用氢气纯度标准物质进行试验,考察并给出具体参数指标：仪器的测量范围（体积分数）为0～10%,最大允许误差为±0.25%;以6次测量值的相对标准偏差反映仪器的测量重复性,应不大于1%;响应时间应不大于30 s;零点漂移应在±1.0%FS内;量程漂移应在±2.0%FS内。验证试验表明该校准方法准确有效。