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主题:
提倡与发展新一代能源转换技术,以代替现行的化学燃料和基于燃烧的能源系统,是缓解环境问题与实现可持续发展的必要条件。由于燃料电池具有高效率和低或零排放等固有优点,它成为了目前最引人注目的能源转换技术之一。虽然氢气是燃料电池应用中最洁净和最高效的燃料,但是由于其生产、运输、储存仍存在很大的挑战,氢燃料电池的大规模商业化受到限制。作为氢气的理想替代品,富氢燃料液体甲醇具有多种优点,包括具有更高的能量密度、运输方便和储存简单等等。基于上述原因,在过去十年,发展直接甲醇燃料电池(DMFC)的热潮在全球掀起。

尽管如此,此类燃料电池在商业化的进程中遇到一个关键的难题─功率密度低。除缓慢的甲醇电化学氧化反应和甲醇渗透问题外,另外两个极具挑战性的难题也导致了传统直接甲醇燃料电池的低功率密度。一个是电池本身不能妥善处理其运行过程中从阳极渗透到阴极的过量水份。另一个是传统的电池设计会引起过多的热量损失,从而导致电池操作温度低。要解决这两个难题,就需要对热、水管理有足够的重视。

以微型直接甲醇燃料电池原型作为动力的模型车

采用的方法:
在这个项目中,我们着手解决上文提及的问题。首先,我们利用微机电系统技术设计了一个微型直接甲醇燃料电池原型。此微型直接甲醇燃料电池设计不但促进了阴极水的移除,而且使电池获得更高的操作温度。接着,我们开发了一个传热、传质与电化学动力学耦合的理论模型,能够为被动式直接甲醇燃料电池的设计与优化提供一套简单而有效的工具。最后,我们在理论上和实验上研究了此电池原型的传热、传质特性。

 
赵天寿教授

主要发现和意义:
一种新型的燃料电池:我们研制出一种新型的直接甲醇燃料电池,它不需要液体泵和气体压缩机等设备。此被动式燃料电池能够取得的最大功率密度达30mW/cm2,是公开资料报导中性能最高的。这项研究已经在Electrochemistry Communications发表,该期刊是燃料电池领域中最有声望的期刊之一,而这篇文章更获得了该期刊的引用次数最多奖。另外,由于此类直接甲醇燃料电池是一众传统电池替代品中最有竞争力的候选者,Fuel Cells Bulletin ─ 一个为世界燃料电池业界发布最新的技术和商业信息的国际新闻通讯,以我们的研究作为专题文章报导。(ISSN1464-2859,2005年2月)

一种新的制氢技术:根据一贯的认识,直接甲醇燃料电池是一种产电的电化学设备。然而,最近我们发现,氢气可以在直接燃料电池中自发产生。同时,我们提出了一套可以预测自析氢奇特现象的理论。这些工作已在顶级电化学期刊Electrochemical and Solid-State Letters上发表。这个发现引发一种新的制氢技术的发明,与传统的甲醇重整制氢技术相比,该新技术不但可在室温下完成制氢,而且不会产生一氧化碳的排放问题。另外,直接甲醇燃料电池中析氢现象的发现还引出了其他发明,例如一种崭新的直接甲醇燃料电池激活方法(Electrochemical and Solid-State Letters 8 A549-A553,2005)、一种新的甲醇渗透率测量方法(Journal of The Electrochemical Society 152(11)A2238-A2245,2005)和一种准确的阴阳极电势测量方法(Electrochemical and Solid-State Letters 8 A211-A214,2005)等。


赵天寿教授
香港科技大学
机械工程学系

metzhao@ust.hk

 

  

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