人類社會(huì)的高速發(fā)展,使得對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng),人類所使用的一次能源從化石燃料等能源向太陽能、風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)化已是大勢(shì)所趨。然而,這些可再生能源通常缺少轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和恢復(fù)的途徑,而作為二次能源的氫能,恰恰為一次能源、化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)提供了高效的途徑。
隨著近年對(duì)氫能的研究,氫能的存儲(chǔ)和迅速釋放也成為了一個(gè)明星課題。作為化學(xué)儲(chǔ)氫的一種方式,(Na BH4)以其高氫儲(chǔ)量、氫氣釋放便捷和相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),受到了廣泛關(guān)注。本文以Na BH4水解為理論基礎(chǔ),制備了Na BH4水解所需催化劑,設(shè)計(jì)了氫氣發(fā)生及凈化系統(tǒng)并對(duì)其制氫的效率與純度進(jìn)行了考察,終將其應(yīng)用于集成的燃料電池系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了50-80W級(jí)燃料電池應(yīng)用性設(shè)計(jì)。
本文從NaBH4水解原理出發(fā),制備了用于Na BH4堿性溶液水解的催化劑,催化劑通過浸漬還原的方法制備,以非晶態(tài)Co-B-P為有效催化成分,以泡沫鎳為搭載基體。本文還對(duì)不同負(fù)載量的Co-B-P/泡沫鎳催化劑的反應(yīng)催化效率進(jìn)行了初步測(cè)試,在對(duì)15wt%Na BH4溶液催化時(shí),負(fù)載率43%的催化劑高催化速度可達(dá)每平方厘米240ml/min(反應(yīng)溫度75℃)。此后,本文對(duì)氫氣發(fā)生和凈化系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能考察。
結(jié)構(gòu)上,氫氣發(fā)生器為內(nèi)外腔可氣液分離式結(jié)構(gòu),凈化裝置為回流管-散熱片-回流管-吸收劑四級(jí)結(jié)構(gòu)。性能上,氫氣發(fā)生器可裝載上述負(fù)載率43%的催化劑66cm2,對(duì)流速不超過6ml/min的15wt%Na BH4溶液催化轉(zhuǎn)化率在85%以上,持續(xù)供氫速率1800ml/min,且反復(fù)使用40次負(fù)載率仍在35%以上;凈化裝置的散熱裝置可以對(duì)超過90%的含堿蒸氣冷凝,并依靠氫氣壓力周期性回流,吸收劑消耗量高5g/小時(shí),氫氣中堿性雜質(zhì)去除,純凈氫氣可以供燃料電池系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間使用。
后,本文對(duì)小型化燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)于控制進(jìn)行設(shè)計(jì),并將上述氫氣發(fā)生器應(yīng)用其中,進(jìn)行了綜合性能測(cè)試。燃料電池適工作壓強(qiáng)為50-70k Pa,長(zhǎng)時(shí)間按工作溫度不超過50℃。燃料電池系統(tǒng)凈重2.2kg,高輸出功率為82W,對(duì)應(yīng)輸出電壓12V,能量密度高可達(dá)353Wh/kg,并在9小時(shí)的連續(xù)工作中性能無明顯衰退,完成了50W以上的燃料電池系統(tǒng)集成,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。