人類社會的高速發(fā)展,使得對能源的需求量不斷增長,人類所使用的一次能源從化石燃料等能源向太陽能、風能等可再生能源轉(zhuǎn)化已是大勢所趨。然而,這些可再生能源通常缺少轉(zhuǎn)化、儲存和恢復的途徑,而作為二次能源的氫能,恰恰為一次能源、化學能和電能之間的轉(zhuǎn)化和存儲提供了高效的途徑。
隨著近年對氫能的研究,氫能的存儲和迅速釋放也成為了一個明星課題。作為化學儲氫的一種方式,(Na BH4)以其高氫儲量、氫氣釋放便捷和相對穩(wěn)定的化學性質(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)計了氫氣發(fā)生及凈化系統(tǒng)并對其制氫的效率與純度進行了考察,終將其應(yīng)用于集成的燃料電池系統(tǒng)中,實現(xiàn)了50-80W級燃料電池應(yīng)用性設(shè)計。
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。本文還對不同負載量的Co-B-P/泡沫鎳催化劑的反應(yīng)催化效率進行了初步測試,在對15wt%Na BH4溶液催化時,負載率43%的催化劑高催化速度可達每平方厘米240ml/min(反應(yīng)溫度75℃)。此后,本文對氫氣發(fā)生和凈化系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能考察。
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-吸收劑四級結(jié)構(gòu)。性能上,氫氣發(fā)生器可裝載上述負載率43%的催化劑66cm2,對流速不超過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,且反復使用40次負載率仍在35%以上;凈化裝置的散熱裝置可以對超過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,氫氣中堿性雜質(zhì)去除,純凈氫氣可以供燃料電池系統(tǒng)長時間使用。
后,本文對小型化燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)于控制進行設(shè)計,并將上述氫氣發(fā)生器應(yīng)用其中,進行了綜合性能測試。燃料電池適工作壓強為50-70k Pa,長時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,對應(yīng)輸出電壓12V,能量密度高可達353Wh/kg,并在9小時的連續(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,具有實際應(yīng)用價值。