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人類社會的高速發展,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化已是大勢所趨。然而,這些可再生能源通常缺少轉化、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定的化學性質,受到了廣泛關注。本文以Na BH4水解為理論基礎,制備了Na BH4水解所需催化劑,設計了氫氣發生及凈化系統并對其制氫的效率與純度進行了考察,終將其應用于集成的燃料電池系統中,實現了50-80W級燃料電池應用性設計。
本文從NaBH4水解原理出發,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(反應溫度75℃)。此后,本文對氫氣發生和凈化系統進行了結構設計和性能考察。
結構上,氫氣發生器為內外腔可氣液分離式結構,凈化裝置為回流管-散熱片-回流管-吸收劑四級結構。性能上,氫氣發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溶液催化轉化率在85%以上,持續供氫速率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,氫氣中堿性雜質去除,純凈氫氣可以供燃料電池系統長時間使用。
后,本文對小型化燃料電池系統結構于控制進行設計,并將上述氫氣發生器應用其中,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℃。燃料電池系統凈重2.2kg,高輸出功率為82W,對應輸出電壓12V,能量密度高可達353Wh/kg,并在9小時的連續工作中性能無明顯衰退,完成了50W以上的燃料電池系統集成,具有實際應用價值。