人类社会的高速发展,使得对能源的需求量不断增长,人类所使用的一次能源从化石燃料等能源向太阳能、风能等可再生能源转化已是大势所趋。然而,这些可再生能源通常缺少转化、储存和恢复的途径,而作为二次能源的氢能,恰恰为一次能源、化学能和电能之间的转化和存储提供了高效的途径。
随着近年对氢能的研究,氢能的存储和迅速释放也成为了一个明星课题。作为化学储氢的一种方式,(Na BH4)以其高氢储量、氢气释放便捷和相对稳定的化学性质,受到了广泛关注。本文以Na BH4水解为理论基础,制备了Na BH4水解所需催化剂,设计了氢气发生及净化系统并对其制氢的效率与纯度进行了考察,终将其应用于集成的燃料电池系统中,实现了50-80W级燃料电池应用性设计。
本文从NaBH4水解原理出发,制备了用于Na BH4碱性溶液水解的催化剂,催化剂通过浸渍还原的方法制备,以非晶态Co-B-P为有效催化成分,以泡沫镍为搭载基体。本文还对不同负载量的Co-B-P/泡沫镍催化剂的反应催化效率进行了初步测试,在对15wt%Na BH4溶液催化时,负载率43%的催化剂高催化速度可达每平方厘米240ml/min(反应温度75℃)。此后,本文对氢气发生和净化系统进行了结构设计和性能考察。
结构上,氢气发生器为内外腔可气液分离式结构,净化装置为回流管-散热片-回流管-吸收剂四级结构。性能上,氢气发生器可装载上述负载率43%的催化剂66cm2,对流速不超过6ml/min的15wt%Na BH4溶液催化转化率在85%以上,持续供氢速率1800ml/min,且反复使用40次负载率仍在35%以上;净化装置的散热装置可以对超过90%的含碱蒸气冷凝,并依靠氢气压力周期性回流,吸收剂消耗量高5g/小时,氢气中碱性杂质去除,纯净氢气可以供燃料电池系统长时间使用。
后,本文对小型化燃料电池系统结构于控制进行设计,并将上述氢气发生器应用其中,进行了综合性能测试。燃料电池适工作压强为50-70k Pa,长时间按工作温度不超过50℃。燃料电池系统净重2.2kg,高输出功率为82W,对应输出电压12V,能量密度高可达353Wh/kg,并在9小时的连续工作中性能无明显衰退,完成了50W以上的燃料电池系统集成,具有实际应用价值。
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