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燃料電池是一種什么類型的發(fā)電裝置
發(fā)布時(shí)間：2023-02-16 瀏覽量：1527
燃料電池 ( fuel cells) 是一種不需要經(jīng)過(guò)卡諾循環(huán)的電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化率高。由于在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，幾乎不產(chǎn)生污染環(huán)境的含氮和硫的氧化物，燃料電池還被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的能量轉(zhuǎn)換裝置。由于具有能量轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)電效率高、比能高、污染小、噪聲小等多種優(yōu)異性，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是 21 世紀(jì)新型環(huán)保高效的發(fā)電技術(shù)之一。隨著研究不斷地突破，燃料電池已經(jīng)在發(fā)電站、微型電源等方面開始應(yīng)用。
對(duì)燃料電池的陽(yáng)極和陰極而言，多級(jí)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)燃料分子和反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而提高電流密度和轉(zhuǎn)化效率。Liu 等提出了一種用生物質(zhì)作為碳前驅(qū)體制備超薄多孔氮摻雜石墨烯( 約 1.4 nm)。通常情況下，多孔碳納米片都是通過(guò)模板法制備出來(lái)的，但是模板制備法后續(xù)處理耗時(shí)又耗材。比如 SiO2模板法制備多孔碳納米材料需要強(qiáng)酸 (氫氟酸)或強(qiáng)堿(如KOH)刻蝕 SiO2模板，這不但會(huì)增加制備成本，而且容易污染環(huán)境。采用具有海綿組織結(jié)構(gòu)的水葫萍作為碳前驅(qū)體，利用生物質(zhì)本身含有的金屬鹽在高溫下的刻蝕和氨氣的活化作用，制備出一種超薄多孔氮摻雜碳納米片。這種多孔氮摻雜碳納米片在堿性、中性和酸性條件下均表現(xiàn)出非常突出的氧化還原性能，其穩(wěn)定性和抗甲醇交叉效應(yīng)均優(yōu)于 Pt/C 催化劑，并在自制的鋅 -空氣電池、微生物燃料電池以及直接甲醇燃料電池中表現(xiàn)出非常好的陰極性氧還原性能。在相同條件下，具有與商用 Pt/C[ 20% Pt(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]相當(dāng)、甚至更好的催化性能。Wang 等開發(fā)了一種簡(jiǎn)單、高效、綠色、大面積、液相制備三維石墨烯泡沫電極的方法，同時(shí)利用多元協(xié)同，成功制備出了一種負(fù)載超細(xì)鉬納米粒子的三維多孔石墨烯泡沫電極。該電極在乙醇燃料電池的應(yīng)用中，表現(xiàn)出比商用 Pd/C 電極更好的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。
Cheng 等利用原子層沉積技術(shù)，結(jié)合模板法，在柔性炭布基底上成功制備了三維多孔 Pt 納米管陣列應(yīng)用于甲醇氧化，原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以在原子尺度上精確控制 Pt 的尺寸和厚度，這種結(jié)構(gòu)主要有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):①三維中空納米管結(jié)構(gòu)具有大的比表面積，可以提供更多的活性位點(diǎn)；②納米管結(jié)構(gòu)有利于電子的傳輸和電解液的滲入;③Pt納米管和柔性炭布的緊密接觸，能夠避免傳統(tǒng)粉末催化劑團(tuán)聚和脫落的問(wèn)題，有利于增強(qiáng)催化劑的穩(wěn)定性。通過(guò)甲醇氧化性能測(cè)試和抗 CO 毒性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，原子層沉積制備的較薄管壁 Pt納米管陣列呈現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性(815 mA/mg)和較好的抗CO毒性性能，其活性是商用 Pt/C[20% Pt(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]催化劑(275 mA/mg)的近3倍。Ye 等通過(guò)無(wú)模板生長(zhǎng)法構(gòu)筑了低成本的三維氫氧化鎳/泡沫鎳[Ni(OH)2/Ni-foam] 電極，并作為高效的陽(yáng)極材料用于直接尿素-過(guò)氧化氫燃料電池。電極上Ni(OH)2催化劑的表面形貌可以通過(guò)改變反應(yīng)溫度來(lái)靈活控制，其中納米片狀 Ni(OH)2/Ni-foam 電極具有最高的尿素電氧化催化活性。
聚合物電解質(zhì)燃料電池具有啟動(dòng)快速、輕質(zhì)、高效的特點(diǎn)，因而在便攜器件和電動(dòng)汽車方面?zhèn)涫荜P(guān)注。然而，目前聚合物電解質(zhì)燃料電池的發(fā)展仍舊存在許多限制因素，例如催化劑價(jià)格、耐用性、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)問(wèn)題等。其中，差的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)使得通道被液態(tài)水堵塞和反應(yīng)物分布不均，這些傳質(zhì)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致水在氣體擴(kuò)散電極孔道中過(guò)度累積和反應(yīng)物缺乏，從而使得氣體擴(kuò)散電極中的多孔碳骨架材料被腐蝕，催化劑結(jié)塊與聚合物膜分解，這些都將使得電池性能及壽命衰減。因此，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中設(shè)計(jì)一種新型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)十分必要。Trogadas 等從肺部的分形結(jié)構(gòu)中獲得啟發(fā)，在聚合物電解質(zhì)燃料電池中設(shè)計(jì)分形流場(chǎng)，克服了聚合物電解質(zhì)燃料電池中反應(yīng)物分布不均勻的問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了 3D 打印仿生肺部分形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì)燃料電池的性能得到有效提升，相比于傳統(tǒng)蛇形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，電池性能提高了約 20%，最高功率密度提高了約 30%。當(dāng)延長(zhǎng)電流維持時(shí)間進(jìn)行測(cè)試時(shí)，反應(yīng)物均勻分布的特性使得基于分形流場(chǎng)的聚合物電解質(zhì)燃料電池電壓保持穩(wěn)定，其衰減幅度降低至 5 mV/h。除此之外，當(dāng)擴(kuò)大流場(chǎng)規(guī)模時(shí)，聚合物電解質(zhì)燃料電池仍舊能夠保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。此仿生肺部分形結(jié)構(gòu)的技術(shù)在其它電化學(xué)體系也具有廣闊的應(yīng)用前景，例如:氧化還原流體電池，不同電解質(zhì)與不同類型的燃料電池等。
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