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。     

直接甲醇燃料电池中的涉水传递现象及数值模拟

直接甲醇燃料电池（DMFC）的开发设计日渐成为燃料电池领域的研究热点。利用数学模型对内部传递现象进行数值模拟,不仅具有很强的理论意义,而且对结构设计和操作条件优化有很强的指导意义。本文基于两相流模型和CFD（computer fluid dynamics）技术的应用,综述了电池内部绝大多数的传递过程,特别是近些年开发的电池内部与水相关的传递过程的物理模型和数学模型,并以二者的相互联系加以组织。这些模型思想综合考虑了微观传递机理,描述了电池内复杂的传递现象并提供了相应的数值模拟方法和模型验证方法。这些方法能够加深人们对电池内部传质现象的理解,而其实用意义在于能够指导设计和优化电池结构、提高电池的体积和重量比能量密度和缩短开发周期和大幅度降低开发成本。     

反胶束法制备直接甲醇燃料电池Pt-Sn/C催化剂及其表征

在水/AOT/环己烷反胶束体系中, 制备了Pt-Sn/C催化剂, 研究了不同ω (反胶束溶液中水与表面活性剂的物质量之比)值对Pt-Sn粒径的影响. 并采用TEM, XRD, XPS, 循环伏安等技术对其进行表征. TEM结果表明合成的Pt-Sn纳米颗粒为球形, 在碳载体表面均匀分布, 粒径分布窄, 平均粒径为2.7 nm. Pt-Sn颗粒尺寸随着ω的增加而增大. XRD结果表明该催化剂中Pt具有面心立方结构且没有与Sn形成合金. XPS结果表明在该催化剂中, Pt主要以零价态存在. 在甲醇溶液中的循环伏安扫描结果表明, 甲醇氧化峰电位和峰电流随着ω的增加而减小, 说明反胶束方法可以通过控制颗粒尺寸, 从而影响催化剂的电氧化活性. 相对于商用Pt-Ru/Vulcan XC-72 (20 wt%, E-TEK公司), 该催化剂具有较低的峰电势以及较高的I_f/I_b (循环伏安曲线中正向扫描峰电流与反向扫描峰电流的比值), 这表明用此方法制备的Pt-Sn/C催化剂具有较好的抗中毒能力.     

铂催化甲醇氧化开始步骤的研究

用ab initio和密度泛函(DFT)方法研究甲醇在铂低指数晶面的脱氢步骤. 在经典的Bagotzky模型计算的基础上提出了三种新的吸附脱氢模型, 并通过计算证明了三种模型的可行性, 计算证实了原位波谱法检测到的甲醇在铂上脱氢的三种中间体, CHOH, CH₂OH和CH₃O. 得出了甲醇脱氢的根本原因在于形成的强Pt—H键, 且在Pt不同的晶面上, 催化性能及反应历程、中间产物都不同.     

Pt/C和Pt/CNTs电极的电化学稳定性研究

采用恒电位氧化法研究了Pt/C和Pt/CNTs电极的电化学稳定性. 相同条件下, Pt/C电极的氧化电流大约为Pt/CNTs电极的2倍; 120 h氧化后, Pt/C电极Pt的电化学表面积下降了21.3%, 而Pt/CNTs电极仅下降了7.6%, 表明Pt/CNTs电极性能衰减较慢. X射线光电子能谱(XPS)分析表明, Pt/C的载体碳黑表面氧增加量大于Pt/CNTs中碳纳米管(CNTs)表面氧的增加量, 说明碳黑的被氧化程度较高, 电化学稳定性差; Pt的表面化学状态没有发生变化; 碳纳米管本身的抗电化学氧化性也大于碳黑. 所以, 载体的被氧化程度不同是两种电极性能衰减不同的主要原因之一, 并且排除了Pt表面状态的影响.     

生物添加剂对汽油机燃油经济性及废气排放影响的研究

将一种棕榈油提取物作为添加剂,加入汽油中以研究其对汽油机燃油经济性和排放品质的影响。针对市场上正使用的辛烷值为93#的高清洁汽油和乙醇汽油,通过发动机台架试验对加剂前后的汽油机性能指标进行了对比和分析．结果表明:加入此种添加剂后对各种汽油的燃油经济性有大幅改善作用,对乙醇汽油的效果尤甚。加剂后可以使乙醇汽油的燃油经济性与普通汽油完全一样。对于93#高清洁汽油,除了未燃碳氢(HC)略有上升外,其他排放物如氮氧化物 (Nox)、一氧化碳等有所减少, CO2排放有明显的改善。对于乙醇汽油,则HC和CO2略有上升。     

PtRu/C电催化剂上甲醇吸附氧化过程的电化学原位红外光谱

采用调变的多元醇法制备了高分散的Pt/C, PtRu/C和Ru/C电催化剂. XRD计算结果表明, PtRu/C电催化剂的平均粒径和合金度分别为2.2 nm和71%. 采用电化学方法和原位傅里叶变换红外反射光谱方法(in situ FTIRS)研究了甲醇在3种电催化剂上的吸附氧化过程, 发现PtRu/C对甲醇的催化活性明显高于Pt/C, Ru的加入一方面影响了甲醇在Pt上的解离吸附性能, 另一方面提供了Ru-OH物种, 从而抑制了低电位下电催化剂中毒. 红外光谱研究结果表明, 线性吸附态CO(COL)是主要毒化物种, 反应产物主要是CO2, 还有少量的甲酸甲酯. 根据实验结果讨论了甲醇在PtRu/C电催化剂上的氧化机理.     

Edge-enriched graphene with boron and nitrogen co-doping for enhanced oxygen reduction reaction

Carbon-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR), especially in anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs), have received a lot of attention because they exhibit excellent stability and are comparable to commercial Pt/C catalysts. Currently, to maximize the catalytic activity of carbon-based electrocatalysts, there are two major strategies: heteroatom doping or exposing active edge sites. However, the approach of increasing heteroatomic dopants of active edge sites has been rarely addressed. In this study, we present a simple strategy to prepare edge-enriched graphene catalysts with an increased ratio of heteroatomic dopants suitable for ORR of AEMFCs. The catalysts were prepared under harsh oxidation conditions, followed by a simple co-doping process with boron and nitrogen. The ORR activity of the catalysts was observed to be related to an increase of edge sites with heteroatomic dopants. We believe that the edge-enriched structure leads to accelerated electron transfer with enhanced oxygen adsorption.     

乏燃料贮存格架跌落事故冲击分析和试验验证

乏燃料贮存格架是核电厂贮存乏燃料的重要设备,在满载条件下和地震/跌落事故中,都应保持稳定和安全状态．本文基于LS-DYNA对乏燃料贮存格架进行了跌落事故冲击分析,考虑了最重重物从可能最高处意外跌落的情况．分析时考虑了碰撞、几何大变形、材料非线性等非线性因素．分析发现,浅跌落情况下贮存格架变形较大,但为局部变形,冲击载荷不影响贮存格架的安全功能．深跌落情况下,组件跌落在支座上方时支座承受的载荷最大,并在许用载荷范围内．为确保核电厂安全性和可靠性,基于分析得到的现象,设计和开展了乏燃料贮存格架浅跌落和深跌落试验．试验采用了等比例贮存腔和真实燃料组件的管座．同时对试验件进行了跌落分析,并与试验结果进行了对比,验证了分析技术的保守性和准确性．掌握的分析技术可应用于所有压水堆核电站乏燃料贮存格架的跌落事故分析．     

新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验及其抑爆性能评估

为掌握新型微乳化柴油的抑爆性能和机理,开展了-10#柴油、普通微乳化柴油和新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验。采用灰色关联分析法,对柴油样品云雾爆炸火球的表面最高温度时的平均温度、高温(高于1 273.15 K)持续时间、火球最大截面积、火球辐射度等特征参数进行定量计算并评估其爆炸威力,又运用液体燃料抛撒和成像系统,研究柴油样品在激波及其高速气流作用下的抛撒雾化现象及其抑爆机理。结果表明:新型微乳化柴油的抛撒云雾径向扩展半径和云雾爆炸火球特征参数均明显小于-10#柴油、普通微乳化柴油,如在含水质量分数为5%的乳化柴油中分别添加质量分数为0.2%和0.4%的高分子聚合物防雾剂,形成的新型微乳化柴油的火球表面最高平均温度比-10#柴油分别低296.90和336.90 K,高温持续时间比-10#柴油分别少94和234 ms;火球最大截面积也分别只有-10#柴油的60.10%、53.53%;新型微乳化柴油的爆炸威力最小,抑爆性能最好,其次是普通微乳化柴油和-10#柴油;微乳化柴油的水分质量分数在15%以下时,多增加10%的水与添加0.2%防雾剂的抑爆效果相当;新型微乳化柴油抑爆性能较好的主要原因是柴油中添加防雾剂使其液滴黏弹性增大,在高速气流剪切作用不易破碎、雾化,液滴分散效果差。