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燃料電池是一種什么類型的發電裝置
發布時間：2023-02-16 瀏覽量：2220
燃料電池 ( fuel cells) 是一種不需要經過卡諾循環的電化學發電裝置，能量轉化率高。由于在能量轉換過程中，幾乎不產生污染環境的含氮和硫的氧化物，燃料電池還被認為是一種環境友好的能量轉換裝置。由于具有能量轉化效率高、發電效率高、比能高、污染小、噪聲小等多種優異性，燃料電池技術被認為是 21 世紀新型環保高效的發電技術之一。隨著研究不斷地突破，燃料電池已經在發電站、微型電源等方面開始應用。
對燃料電池的陽極和陰極而言，多級孔結構設計能夠促進燃料分子和反應產物的擴散，從而提高電流密度和轉化效率。Liu 等提出了一種用生物質作為碳前驅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模板法制備出來的，但是模板制備法后續處理耗時又耗材。比如 SiO2模板法制備多孔碳納米材料需要強酸 (氫氟酸)或強堿(如KOH)刻蝕 SiO2模板，這不但會增加制備成本，而且容易污染環境。采用具有海綿組織結構的水葫萍作為碳前驅體，利用生物質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出非常突出的氧化還原性能，其穩定性和抗甲醇交叉效應均優于 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(質量分數)]相當、甚至更好的催化性能。Wang 等開發了一種簡單、高效、綠色、大面積、液相制備三維石墨烯泡沫電極的方法，同時利用多元協同，成功制備出了一種負載超細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用中，表現出比商用 Pd/C 電極更好的催化活性和優異的穩定性。
Cheng 等利用原子層沉積技術，結合模板法，在柔性炭布基底上成功制備了三維多孔 Pt 納米管陣列應用于甲醇氧化，原子層沉積技術的優勢在于可以在原子尺度上精確控制 Pt 的尺寸和厚度，這種結構主要有以下幾方面的優勢:①三維中空納米管結構具有大的比表面積，可以提供更多的活性位點；②納米管結構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，能夠避免傳統粉末催化劑團聚和脫落的問題，有利于增強催化劑的穩定性。通過甲醇氧化性能測試和抗 CO 毒性測試發現，原子層沉積制備的較薄管壁 Pt納米管陣列呈現出優異的電催化活性(815 mA/mg)和較好的抗CO毒性性能，其活性是商用 Pt/C[20% Pt(質量分數)]催化劑(275 mA/mg)的近3倍。Ye 等通過無模板生長法構筑了低成本的三維氫氧化鎳/泡沫鎳[Ni(OH)2/Ni-foam] 電極，并作為高效的陽極材料用于直接尿素-過氧化氫燃料電池。電極上Ni(OH)2催化劑的表面形貌可以通過改變反應溫度來靈活控制，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。
聚合物電解質燃料電池具有啟動快速、輕質、高效的特點，因而在便攜器件和電動汽車方面備受關注。然而，目前聚合物電解質燃料電池的發展仍舊存在許多限制因素，例如催化劑價格、耐用性、流場結構問題等。其中，差的流場結構會使得通道被液態水堵塞和反應物分布不均，這些傳質問題會導致水在氣體擴散電極孔道中過度累積和反應物缺乏，從而使得氣體擴散電極中的多孔碳骨架材料被腐蝕，催化劑結塊與聚合物膜分解，這些都將使得電池性能及壽命衰減。因此，在聚合物電解質燃料電池中設計一種新型流場結構十分必要。Trogadas 等從肺部的分形結構中獲得啟發，在聚合物電解質燃料電池中設計分形流場，克服了聚合物電解質燃料電池中反應物分布不均勻的問題。
實驗結果證實了 3D 打印仿生肺部分形流場結構的聚合物電解質燃料電池的性能得到有效提升，相比于傳統蛇形流場結構，電池性能提高了約 20%，最高功率密度提高了約 30%。當延長電流維持時間進行測試時，反應物均勻分布的特性使得基于分形流場的聚合物電解質燃料電池電壓保持穩定，其衰減幅度降低至 5 mV/h。除此之外，當擴大流場規模時，聚合物電解質燃料電池仍舊能夠保持優異的電化學性能。此仿生肺部分形結構的技術在其它電化學體系也具有廣闊的應用前景，例如:氧化還原流體電池，不同電解質與不同類型的燃料電池等。
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