稀土在燃料电池中应用的最新研究进展

稀土在燃料电池中应用的最新研究进展Ξ

蒋柏泉1,刘玉德1,胥　永1,余晓英2

(11南昌大学环境科学与化学工程学院,江西　南昌　330029;

21江南化工厂,江西　南昌　330029)

摘　要:燃料电池具有能量转化率高、环境污染小、噪声低、灵活性大、使用寿命长等诸多优点,在电动汽车、潜艇、航天、洁净电站、移动电源等各个领域具有广阔的应用前景。稀土元素因其特殊的物理和化学性质,在改进和提高燃料电池性能等方面具有潜在的应用前景。本文较全面综述报道了近五年来国内外稀土在固体氧化物燃料电池(SO FC)、质子交换膜燃料电池(PE M FC)和熔融碳酸盐燃料电池(M CFC)中应用的最新研究进展。

关键词:稀土;燃料电池;固体氧化物;质子交换;熔融碳酸盐

中图分类号:TM91114;O614133 文献标识码:A 文章编号:100420277(2007)0120088204

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的装置,它不经过热机过程,因而不受卡诺循环限制,被公认为21世纪首选的清洁高效发电技术。燃料电池根据所使用的电解质类型可分为碱性燃料电池(A FC)、磷酸燃料电池(PA FC)、熔融碳酸盐燃料电池(M CFC)、固体氧化物燃料电池(SO FC)、质子交换膜燃料电池(PE M FC)。电解质、电极和催化剂质量的好坏,直接影响燃料电池的使用性能。稀土元素因其特殊的物质结构而具有优异的物理、化学、磁、光和电学性能,有着极为广泛的用途,被称为21世纪的战略元素。目前,国内外许多研究者利用稀土独特的性能,对燃料电池电解质、电极和催化剂进行改性研究,取得了可喜的成果。本文综述报道了近五年来国内外稀土在燃料电池中应用的最新研究成果。

1　稀土在固体氧化物燃料电池(SO FC)中的应用研究

铁素体不锈钢SU S430(含16%～17%C r,质量分数)适用于低温(<800℃)操作下固体氧化物燃料电池(SO FC s)的连接材料。但是在超过此温度时,不锈钢很容易氧化,生成C r2O3和Fe3O4(尖晶石),大大降低了电池的性能。Fu Changjing等[1]采用等离子喷涂技术(A PS),在钢表面喷涂L a018Sr012M nO3-?(L S M20)涂层或L a018Sr012FeO3-?涂层(L SF20),可减慢氧化物的生长,特别是C r2O3相。涂层后的样品在大气压和800℃下,经过50次循环(每次20h)反复氧化,表现非常稳定。然而,未经喷涂的不锈钢则会发生严重的蜕变和失重。L SF20在减少表面氧化、界面阻力和防止铬的扩散等方面具有明显的优势。将喷有涂层L SF20的合金在大气中800℃下放置1000h后,其界面阻力比喷有涂层L S M20的合金降低23倍。

R iza F等[2]采用无定形柠檬酸合成法制备了L n018Sr012Fe018Co012O3-x(L n=L a,P r,N d,Sm,Eu, Gd)氧化物,并进行了表征。经X射线粉末衍射测定,所有氧化物都呈单相形式。但是,在电子显微镜下,发现在大部分组成中均发现有第二相(氧化钴)存在。热膨胀测定的无规律性说明在加热过程中,氧化物可能发生了某些结构上的变化。研究了轻稀土阳离子对该氧化物在具有高离子传导率、低线性热膨胀系数和与电解质有好的匹配性的中温固体氧化物燃料电池中的性质的影响及其潜在的应用。

St′ep hane Celerier等[3]采用改进的溶胶凝胶法合成了L a9133Si6O26型硅磷灰石粉体。与目前用传统固态法制备的氧化物L n10-x B6O26±z(B=Si o r Ge)离子传导体比较,用该种方法具有能降低结晶温度,制备出纳米级颗粒等优点。该类氧化物是以硅醇盐

第28卷第1期2007年2月

稀 土

Ch inese R are Earth s

V o l128,N o11

Feb ruary2007

Ξ收稿日期:2006207215

作者简介:蒋柏泉(19492),男,江苏无锡人,教授,研究方向:稀土应用,新能源。

和氮化镧为前驱物合成的,目前文献中尚未见有此报道。为了在溶胶分解后制备纯相粉体,对工艺参数(水解率、溶胶中金属前驱物的浓度和有机化合物的作用)进行了考察,发现在800℃时,可制备出纯的L a9133Si6O26型硅磷灰石粉体。改进的溶胶凝胶法可使粉体烧结温度降低200℃。用该粉体在1400℃下制备出高致密性(90%～95%)陶瓷,使其具有高离子传导率,防止气体混合物从燃料电池(SO FC)一端进入另一端。

L ep e F J等[4]以钙钛矿结构的L n2 3-x L i3x T i O3为前驱物,采用新的合成路线制备了新的氧化物L n2 3-x T i O3-3x 2(L n=L a,P r和N d;0107≤x≤0113)。前驱物由陶瓷法和改进的溶胶凝胶法制备,并用硝酸(2m o l L)进行处理,生成新相L n2 3-x T i O3-3x(O H)3x。然后将新相煅烧,使其水解获得阴离子亏损型氧化物L n2 3-x T i O3-3x 2。在连续合成过程的每一步骤中,所有的相经X射线粉末衍射分析都呈钙钛型。阴离子空穴数量由I CP(电感耦合等离子)法确定;缺少的T i( )用EPR(电子自旋共振仪)检测。不同气氛(N2,A r,H2 A r,空气和O2)下交流电测定的结果表明,由于T i( )还原成T i ( ),在还原气氛下,提高了新相的传导率,可用作固体氧化物燃料电池的阳极材料。

陈永红等[5]采用甘氨酸-硝酸盐法(GN P)合成了L a015R E013Sr012FeO3-?(R E=N d,Ce,Sm)系列复合氧化物粉体,结果显示,掺N d的样品1200℃烧结2h成为单一立方钙钛矿结构,掺Ce样品有明显的CeO2立方相析出,掺Sm样品主相为钙钛矿结构并伴有微弱的杂峰。1250℃烧结2h的L a015N d013Sr012 FeO3-?在600℃时电导率高达100S?c m-1以上,明显高于L a015Ce013Sr012FeO3-?及L a015Sm013Sr012 FeO3-?样品的电导率,预示着L a015N d013Sr012FeO3-?有可能成为一种良好的中温固体氧化物燃料电池(SO FC)的阴极材料。

高文元等[6]采用传统固相反应法制备了中温固体氧化物燃料电池中的稀土复合掺杂钙钛矿型阴极材料。L a1-x Sr x Co1-y Fe y O3系列材料最适宜焙烧温度为1230℃;L a1-x Ca x M n1-y Co y O3、L a1-x Sr x M nO3系列材料最适宜的焙烧温度为1000℃;L a018Sr012-x Ca x Co1-y Fe y O3系列材料最适宜的烧结温度为1300℃;最适宜的保温时间是10h;适当延长保温时间,有利于产物晶体结构的完整。反应物经混合、压片、烧成和研磨可以合成晶粒尺寸为1nm～5nm的粉料。对ABO3型L a M nO3进行复合掺杂,表明A位Sr2+、Ca2+共掺杂取代部分L a3+以及B位Co3+、Fe3+双掺杂都能够提高材料的电导率。

李艳等[7]采用硝酸盐分解方法在Sr015Sm015 CoO3(SSC)中掺入少量的银(A g),形成可用于SO FC的多孔阴极材料(SSC-A g x)。通过X射线衍射测试确定了材料的物相组成;用SE M观测了中温电解质Ce018Sm012O119表面涂层电极的微结构;利用电化学极化曲线和阻抗谱研究了这些材料中低温(500℃～800℃)电化学性能,确定掺A g量和烧结温度对阴极电化学性能的影响。结果表明,SSC 在中温区掺20%A g时具有最佳的电化学性能,在600℃时,阴极总阻抗是SSC的1 11,在750℃时为SSC的1 4,SSC中掺A g是提高阴极在中温区电化学性能的有效途径。

稀土钙钛矿型氧化物L aCaO3是固体氧化物燃料电池(SO FC)研制中具有应用前景的固体电解质材料。石敏等[8]用固相反应法制备了L a0185Sr0115 Ga0185M g0115O01285(L SG M)粉末,其水溶液pH值出现先升后降的规律,由于粉末在水溶液中很稳定,因而可采用水基浆料制备电解质膜。在L a0185Sr0115 Ga0185M g0115O01285粉末中加入适量分散剂、粘结剂、塑化剂、去泡剂和溶剂,用流延法制备L SG M厚膜,其厚膜完整、无宏观缺陷及可以卷曲,经过1500℃下进行10h～24h烧结后,得到致密的L SG M厚膜,可满足SO FC的要求。

张媛等[9]考察了在钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂上,氢气中一氧化碳选择氧化的催化性能,发现该催化剂具有优良的催化活性和选择性。L a M nO3中的锰被铜部分取代后可以提高其催化活性,当其中的镧再被锶或钡部分取代后所得的催化剂的催化活性进一步提高。其中L a018Sr012M n015Cu015O3的催化活性为最佳,在该催化剂上,在40000mL?g-1?h-1下,150℃时CO可全部转化为CO2,此时的选择性达54%,与铂催化剂性能相近。反应气中加入CO2时,CO转化率下降,但选择性有所提高;加入水蒸汽则使CO的转化率和选择性均下降。

纪媛等[10]利用固相法制备了不同粒度的Ce018 Sm012O119(SDC)与(ZrO2)0192(Y2O3)0108(YSZ)的复合材料,(SDC与YSZ质量比分别为1∶9,3∶7,5∶5),以其为电解质制备成片状燃料电池,X射线衍

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第1期 蒋柏泉等:稀土在燃料电池中应用的最新研究进展

射结果表明,该材料呈双相复合结构,阻抗谱和电池性能的测量结果表明,电解质在低温和掺杂量较低时电导率比纯YSZ高,在电池工作温区(700℃～850℃)内电导率都较低。以它为电解质的氢氧燃料电池开路电压很低,并且随SDC掺杂量的升高下降的非常明显。

Kesap ragada S V等[11]采用活性微波烧结工艺进一步提高掺杂碱稀土的没什子酸镧(L SG M)粉体的致密度,制备了致密稳定的电解质层,应用于中温固体氧化物燃料电池(IT-SO FC s)。与传统的烧结工艺相比,由于原位处产生热,新工艺可使烧结过程具有更高活性而获得较高的动力学效应。L SG M 粉体颗粒在1350℃下微波烧结20m in,密度可达到理论密度的95%以上,粒径2Λm～3Λm,结构中无其它相生成。

吕吉等[12]采用固相反应方法合成了碱土(Ca, Sr)双掺氧化铈基固溶体材料Ce019Ca011-x Sr x O119(x =0,0104,0105,0106,110)。制备的碱土双掺杂的CeO2呈立方萤石结构。利用阻抗谱研究了材料的离子导电性,发现碱土双掺杂有利于提高材料离子导电率。掺杂两种碱土金属的等效离子半径接近临界离子半径时导电率最高。将此系列材料作电解质进行燃料电池试验,电池输出功率高于YSZ电解质及碱土金属单掺杂氧化铈,且电池输出开路电压也高于单掺杂情况。

蒋凯等[13]利用溶胶-凝胶法低温合成了B aCe018L n012O219(L n=Gd,Sm,Eu)固体电解质,X 射线粉末衍射表明,900℃即形成正交钙钛矿结构,较高温固相反应合成温度降低了约600℃。测定了样品的阻抗谱和电导率,研究了其导电机理,溶胶-凝胶法合成可减小或消除固体电解质的晶界电阻, 800℃时B aCe018Gd012O219的Ρ=7187×10-2S?c m-1,以它为电解质的氢氧燃料电池开路电压接近1V,最大输出功率密度为30mW?c m-2。

2　稀土在质子交换膜燃料电池(PEM FC)中的应用研究

杨书廷等[14]采用超声共沉淀法制备了多孔状稀土合金氧化物前驱体,将其与CaH2 H2进行低温还原扩散反应得到合金粉样品,粒径分布均匀,颗粒大小约20nm。在此合金粉上用化学法修饰上P t后用作质子交换膜燃料电池的阳极催化剂,组装成电池进行电催化性能测试,结果表明具有良好的氢质

子传质动力,可以提高PE M FC在室温下操作时的功率输出。

张伟等[15]选择Ce(SO4)2?4H2O与H2N CSN H 为引发体系,控制反应温度为40℃,反应时间为6h 等工艺条件,成功合成了一种新的质子交换膜燃料电池电极添加剂—阳离子聚电解质P(AM-DM2 DAA C),当单体浓度大于8%时,可以控制阳离子聚电解质P(AM-DM DAA C)分子量在018×104～113×104范围内,阳离子聚电解质P(AM-DM2 DAA C)具有良好的导电性能和电化学稳定性,取代价格昂贵的N afi on乳液,作为离子交换膜燃料电池电极添加剂,电极性能良好。制备的小分子量阳离子聚电解质有良好的热稳定性,可以满足作为电极添加剂在热压过程中不发生氧化或分解的要求。

C rabb等[16]通过采用表面有机金属化学(Su r2 face O rgano M etallic Chem istry-SOM C)法添加第二金属锗得到P t-GeO2 C催化剂,催化性能良好,通过GeO2的引入改变了催化剂铂的表面结构,减弱了CO的低温吸附强度。该催化剂制备从碳载铂催化剂开始,碳载铂来自John son M atthey公司。制备方法简述如下:将碳载体放入去离子水中,经超声波分散,然后引入铂氯酸,并加入碳酸钠将铂氯酸水解后,加入甲醛液,将铂离子在90℃下进行原位还原,再经过滤、洗涤,并在100℃下干燥获得。

3　稀土在熔融碳酸盐燃料电池(M CFC)中的应用研究

Jung-Ho W ee[17]在熔融碳酸盐燃料电池(M CFC)的阳极电极N i-C r中添加少量的铈后,在500℃～600℃时,其抗烧结性能优于未加铈的电极,但在高于600℃时,微弱于未添加铬的阳极电极。通过蠕变试验,观察了N i-C r电极中添加铈后对其蠕变应力和孔隙率变化的影响。结果表明,N i -C r电极中添加铈后,其抗蠕变性能优于未添加铈的电极,且正比于铈的添加量。添加铈改善了电极的延展性或柔软性,因而提高了电极在高压高温下操作时的抗蠕变能力。

程谟杰等[18]用半导体掺杂法将L i CoO2阴极掺杂M g,又重掺杂L a和Ce等稀土元素。该阴极具有粗细双孔层结构,分别适应液相和气相的传质。又用单电池评价阴极(电化学)性能,并与N i O阴极性能进行比较。反应气压为019M Pa,气体利用率为20%,用2和阴极分别组装的熔融碳酸

09稀 土 第28卷

盐燃料单电池(阳极为N i -C r ,电极面积为26c m 2)电流密度为300mA ?c m -2。放电时,工作电压分别为01848V 和01820V ,功率密度分别为25414mW ?c m -2和246mW ?c m -2。L i CoO 2阴极性能优于N i O 阴极,且其电导率达到N i O 阴极同等水平。

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La test Researches on Appl ica tion s of Rare Earth i n Fuel Cell

J IA N G B o 2quan 1

,L IU Y u 2d e 1

,X U

Y ong 1

,YU X iao 2y ing 2

(11S chool of E nv ironm ental and Che m ical E ng ineering ,N anchang U niversity ,N anchang 330029,Ch ina ;

21J iang nan Che m ical E ng ineering P lant ,N anchang 330029,Ch ina )

Abstract :Fuel cells have m any advan tages ,such as h igher energy conversi on ,less environm en tal po llu ti on ,low 2er no ise ,good flex ib ility and long service life ,and can be w idely u sed in electric veh icle ,subm arine ,spacefligh t ,clean pow er stati on ,mob ile pow er sou rce and so on 1R are earth s exh ib it po ten tial app licati on p ro spect in i m p roving the p roperties of fuel cells becau se of their special physical and chem ical p roperties 1T he latest researches on app lica 2ti on s of rare earth s in so lid ox ide fuel cell (SO FC ),p ro ton exchange m em b rane fu ll cell (PE M FC )and m elted carbonate fu ll cell (M CFC )w ere summ arized and in troduced in th is paper 1

Key words :rare earth s ;fuel cell ;so lid ox ides ;p ro ton exchange ;m elted carbonate

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9第1期 蒋柏泉等:稀土在燃料电池中应用的最新研究进展

微生物燃料电池的意义

1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1

浅析燃料电池研究进展及应用

浅析燃料电池研究进展及应用 摘要: 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能将外界提供的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。本文介绍了原电池的工作原理、特点和分类，并详细阐述了原电池的研究进展和应用。 关键词: 燃料电池工作原理应用 随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。 1. 燃料电池的工作原理 燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气与氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。 图1燃料电池工作原理示意图 2燃料电池的分类 目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池) 3燃料电池的优点 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点: (1)发电效率高。理论上, 它的发电效率可达到85% ～90% ,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40% ～60%。(2)环境污染小。

氢燃料电池应用于无人机行业面临的几大核心问题

氢燃料电池应用于无人机行业面临的几大核心问题 来源：宇辰网 自4月10日，无人机企业科比特航空发布HYDrone-1800的多旋翼无人机以来，整个行业就沸腾起来，不断争论氢燃料动力系统目前是否能应用在工业级无人机行业。笔者就此总结了目前关于氢燃料电池大家争论的几个核心问题： 1.氢燃料电池技术是否成熟 2.氢气的来源问题 3.氢气的存储及安全问题 带着这些问题，笔者查阅了一些文章，采访了多位电力系统的专家，在这里粗浅地谈一下氢燃料电池在无人机行业的应用情况。 首先，氢燃料电池不是什么新技术 不管在国内还是国外，不管是航空还是汽车，氢燃料电池都不算是新技术了。 早在20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。

进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞一架以氢燃料电池为动力源的小型飞机。 2008年奥运会期间，上海大众提供了20辆帕萨特领驭氢燃料电池汽车，作为奥运之行的“绿色车队”。 在2015年初的美国拉斯维加斯消费电子展（CES）上，丰田宣布14年底量产的氢燃料电池汽车Mirai将于晚些时候正式商用，并宣布免费开放与燃料电池相关的全部专利；2015年东京车展上，本田发布了氢燃料电池车Clarity，号称续航700km。除此外，雷克萨斯、奔驰等一众国际豪华汽车品牌纷纷推出了自己的氢燃料电池车。 虽然车展样车和实用性技术还有一定的差距，但氢能被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁，实现能源可持续供给和循环的重要能源载体之一。 那么，氢能源的工作原理是什么 氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢在阳极变成氢离子（质子）通过电解质转移到阴极，同时放出电子通过外部的负载到达阴极，与氧气发生反应生成水。

微生物燃料电池电极材料的研究进展.

微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.sodocs.net/doc/5711936907.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。

生物燃料电池的研究进展_宝玥

第10卷　第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10　No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝　王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要:　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. 关键词:　生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号:　T M911.45 文献标识码:　A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 　阳极反应　C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 　阴极反应　6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.sodocs.net/doc/5711936907.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹

摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展

1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人

燃料电池汽车的动力传动系统设计

燃料电池汽车的动力传动系统设计 1引言 燃料电池汽车是电动汽车的一种。 燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动 机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动 ，就可使车辆在路上行驶，燃料电池的能量转 换效率比内燃机要高 2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 ，因此燃料电池车 辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求 ，汽车动力系统将从现在以汽油等化 石燃料为主慢慢过渡到混合动力 ，最终将完全由清洁的燃料电池车替代。 近几年来，燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制 造厂，如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电 池汽车，并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略目标。 目前，燃料电池轿车的样车正在 进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本 田的FCX Clarity 最高时速达到了 160 km/h[8];丰田燃料电池汽车 FCHV-adv 已经累计运行 了 360,000 km 的路试,能够在零下37度启动，一次加氢能够从大阪行驶到东京 （560公 里）。 在我国科技部的支持下，燃料电池汽车技术得到了迅速发展。 2007年，我国第四代燃料电池 轿车研制成功，该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km 。2008年,20燃料电池示范 汽车又 在北京奥运进行了示范运行。 2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有 196辆燃 料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。 燃油绘济性 排放环保 l ;uel economic exhaust eih ironmen(al protection Internal combustion engine Shori peicxl Mid peitxl Long pei

氢燃料电池的特点及应用

氢燃料电池的特点及应用 2009-04-08 16:06出处：比特网论坛作者：lijing【我要评论】[导读]燃料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 企业数据中心每周热点文章 下载数据中心白皮书赢取指纹U盘下载刀片服务器解决方案赢取ThinkPad笔记本灵活多变的数据中心机柜解决方案(视频) IT管理人员眼中的动态架构 Gartner 电源管理的节能展望云运算开放宣言各方看法不一 料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 1 现在通信站后备电源的解决方案 现在的通信站通常都是由市电供电,采用铅酸蓄电池作为主要的后备电源,其初次投资比较低。但蓄电池的维护及管理成本较高,特别是在环境不好的情况下,成本更高;并且蓄电池使用寿命短;如不能有效监控其工作状况,常常导致蓄电池在真正需要的时候不能有效供电,造成通信中断。 2 燃料电池技术 燃料电池是电化学装置,能够将氢和氧的化学能转变为电能,并且没有污染,无有害物质排放。PEM型燃料电池(质子交换膜燃料电池)由两个电极(阴极和阳极)组成,通过聚合膜联系起来。 气态氢被送到膜的阳极,空气被送到阴极,氢原子在阳极侧被剥离电子,带正电荷的质子穿过膜到达阴极。为使该反应发生,须使用铂金催化剂。氢的电子通过外部回路从阳极到达阴极,产生了电流,在阴极,电子、质子和空气中的氧结合产生水,是燃料电池的主要副产品,如图1所示。 图1 燃料电池的工作原理图 3 燃料电池的优势 (1)无污染。燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式——最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体

微生物燃料电池的研究进展

山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日

微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。

氢燃料电池备用电源

氢能备用电源市场前景可观近年来，壳牌石油公司和通用汽车公司在美国大力研发新能源汽车，并在华盛顿特区、纽约等地广泛设立氢燃料加油站。 氢能在污染排放、生产成本和资源丰富性方面具有其他能源无法比拟的优势，但这种被称为“终极能源”的能源，为何在我国遭遇了产业困境？ 3月7日，冬寒尚未褪去，现代汽车蔚山工厂氢燃料电池汽车(以下简称“氢燃料汽车”)生产工厂却已满载春意，工作人员忙着将17辆ix35氢燃料汽车装载到货按照计划，这17辆氢燃料汽车将横渡大洋，落户欧洲。其中15辆运往丹麦，2辆运往瑞典。到4月份，丹麦和瑞典有关政府机构或公共机关的一些官员，就可以乘坐氢燃料汽车进行办公。 同作为新能源汽车，电动汽车经历了数十年的推广，成效并不令人满意。亚洲、欧洲和北美的汽车行业高管们有意将目光投向了氢燃料汽车。据悉，宝马、福特和丰田等车企均计划在未来几年内量产并全球出售氢燃料汽车。 值得一提的是，此次现代生产的氢燃料汽车，是世界上首次成功实现批量生产的氢燃料汽车。这对于“氢燃料汽车”产业以及整个“氢能源”行业来说，无疑是一利好消息。

随着氢燃料汽车逐步向商业化进程迈进，氢能源的利用已越来越进入公众的视野。江苏中靖新能源科技有限公司(以下简称“中靖新能源”)高级副总裁袁音向《能源》记者表示，氢能源可称为“终极能源”，因其在污染、排放、使用、生产成本、可再生和资源丰富性等众多方面都具有其他能源所无法比拟的优势。 氢能源行业根据能源开发和使用的技术，更是将能源大致分为了三类：传统技术能源(化石资源、不可再生资源，如煤、石油)、中间过渡技术能源(如内燃机、核能)、终极技术能源—氢。 氢能源大有前途，但相比于国外企业的高调发展，国内企业却没有想象中的热情。在认准氢能源发展前景的新兴民营企业、高校和科研单位看来，我国应不失时机地抓住氢能源发展机遇。 资金的缺失 氢能源有两大类使用方法。第一类被称为“热化学”方法，即燃烧。另一类被称为“电化学”方法。氢燃料电池技术则属于后者，被认为是利用氢能、解决未来人类能源危机的终极方案。 “氢燃料电池是目前市场热衷度最高的氢能源利用技术。利用氢气和氧化剂在电池内的化学反应直接生产电能，具有无污染、节能、高效、安静、安全等特性，可用于新型汽车、发电站、潜艇和家庭直接

燃料电池的发展现状及研究进展

应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹

摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商

氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用

氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用 一、通信备用电源系统简介 通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。 铅酸蓄电池的优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。 当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。 鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。 二、氢燃料电池的原理 氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气（燃料）和氧气（来自空气）中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。 燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括：高效率（不受“卡诺循环”的限制）、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。 三、氢燃料电池与现有备用电源的比较 1、与铅酸电池的比较 和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括： 适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32℃或更高，这样每年可节约大量空调电费。 只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。 按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。 重量轻，不需特殊的承重处理。 占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。 寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。 安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如：当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。 2、与移动油机的比较 与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是： 自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。 低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。 四、通信备用氢燃料电池系统的应用 1、系统的接入 燃料电池系统可以布置于室内和室外，但作为通信备用电源系统，根据现有通信机房的

浅谈微生物燃料电池研究进展

2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.sodocs.net/doc/5711936907.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。

非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展

非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展低温燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置，是一种绿色的能源技术，对解决目前我们所面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义，美国《时代周刊》将燃料电池列为 21 世纪的高科技之首；在我国的科技发展规划中，燃料电池技术也被列为重要的发展方向之一。 催化剂是燃料电池中关键材料之一，催化剂的成本占到燃料电池成本的1/3。铂被证明是用于低温燃料电池的最佳催化剂活性组分，但使用铂做为燃料电池催化剂也存在如下严重问题：（1）铂资源匮乏；（2）价格昂贵；（3）抗毒能力差。目前通过合金来改善催化剂的研究有碳负载的铂钌合金催化剂PtRu/C，以及添加有其他促进成分的 Pt/C 和 PtRu/C 催化剂等。为了有效降低燃料电池的成本，主要采用集中两个方面研究来降低铂载量：（1）开发非铂电催化剂；（2）开发研制低铂电催化剂。本文就此对近年来的研究现状进行综述。 1 非铂催化剂 非铂催化剂在酸性直接醇类燃料电池中的研究非铂催化剂的研究，主要采用钯基或钌基掺杂其他金属制备催化剂，近年来，研究人员用了多种方法制备了各种活性组分高度分散的钯基催化剂，在催化燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）中显示了可与铂基催化剂相媲美的效果。同时，作为直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接乙醇燃料电池（DAFC）的阳极催化剂，也显示了诱人的应用前景。以下从影响催化剂性能的几个因素对近年来的相关工作进行讨论。

催化剂的组成直接影响其性能。Colmenares 等合成用 Se修饰的 Ru/C 催化剂 (RuSey/C) 应用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极催化，结果表明在～ V 电压下，Se 的加入促进了氧还原并减少了生成 H2O2的趋势；少量甲醇的存在对于 RuSey/C 催化氧还原影响较小，说明这类催化剂具有较好的抗甲醇性能。Jose' 等合成了两种非铂催化剂 Pd-Co-Au/C 和Pd-Ti/C，在质子交换膜燃料电池氧还原中的活性与现在常用的 Pt 催化剂活性相当。Shao 等制备了 Pd-Fe/C 系列催化剂用于氧还原反应，结果表明 Pd3Fe/C 氧还原活性比商业催化剂Pt/C (ETEK)好。Wang 等采用有机溶胶法合成了PdFeIr/C 催化剂，研究表明 Fe 和 Ir 的添加，大大增加了催化剂的分散性，从而提高了催化剂的活性，该催化剂表现出较高的氧还原能力和较好的耐甲醇性能。Mayanna 等合成了不同组成的 Ni-Pd合金膜催化剂，并研究了在硫酸环境中的甲醇电氧化性能，发现与纯 Ni 相比其阳极峰电流明显增大，合金化以后其表面积增加了近 300 倍。 制备方法与合成条件对催化剂性能的影响显着。Shen 等利用微波交替加热法制备了 Pd/MWCNT 电催化剂，发现在碱性溶液中显示了良好的甲醇催化氧化性能，与 Pt/C 相比，氧化电位负移了 100 mV 左右。同时他们还研究了多种氧化物对Pd/C 催化氧化多种醇类（甲醇、乙醇、乙二醇等）的促进作用，发现在碱性溶液中 Pd-NiO/C 对乙醇的氧化与 Pt/C 相比负移了300 mV 左右。他们用类似方法合成了 AuPd-WC/C 复合催化剂，并研究了在碱性条件下对乙醇氧化的电催化行为。发现与相同催化剂载量的 Pt/C 催化剂相比，乙醇氧化的起始电位负移了 100 mV 左右，峰电流密度增加了 3 倍左右，而且还显示了良好的稳定性。徐常威等用水热法分解蔗糖制备出表层

燃料电池的建模仿真

燃料电池的建模仿真 虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具 燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。 图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。 如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。 在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。