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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃鈺媖
研究生(外文):Yu-Ying Huang
論文名稱:催化劑催化硼氫化鈉水解高製氫研究
論文名稱(外文):Study of catalytic high hydrolysis of sodium borohydride by foam catalyst
指導教授:蘇艾蘇艾引用關係
指導教授(外文):Ay Su
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:化學氫反應器硼氫化鈉氫氧化鈉產氫質子交換膜燃料電池
外文關鍵詞:hydrogenreactorsodium borohydridesodium hydroxideProton Exchange Membrane Fuel Cellhydrogen producing
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本研究中設計出之新式的反應器,加上純度較高之硼氫化物與Ru/Ni作連續流動的情形下,經催化水解產氫後可得到高純度、高產量之氫氣,由於氫氣的方便及高穩定性,使用各個wt.%濃度不同之硼氫化鈉、氫氧化鈉作測試,在各個實驗中產氫值最佳的條件下篩選,以作為後續產氫水解之實驗,將以實驗中測試其3小時長的產氫值,測試單片觸媒配予不同流量的測試,以1片觸媒1 mL/min之流率為佳,最後以多片觸媒配合當量流量並觀察其各流量之效率值,以求得實驗之高產氫率。研究中,可得知其實驗結果效率為最佳者,是以使用硼氫化鈉濃度20 wt.%、氫氧化鈉濃度 3wt.%作為最佳輔助之燃料水溶液,在進料率為1mL/min時,測出其產氫值可達0.48 mL/min,效率可達97%,在3小時的測試時間內,其效率仍為一穩定性與低溫質子交換膜燃料電池作測試時,可整合成一系統並達穩定產氫;以當量觸媒與溶液測試其產氫值時,發現在5片觸媒5 mL/min時,其產氫效率以產氫量2.43 mL/min可達97%為最佳測試結果。

A new reactor had been designed in this reaserch. Flowing with high purity sodium borohydride solution and reactive with Ru/Ni catalyst, the reactor can produce a large number of high purity hydrogen. According to hydrogen is convenience and has high stability, we use different weight percents of sodium borohydride and sodium hydroxide for testing.

In every experiment, we choose a best data of producing hydrogen into the continually hydrogen hydrolysis experiment. The research uses different solution inputs for single piece and each experiment capacity based on three hours. The best data of output flow rate is 1 micro liter per minute. Finally, we got a high producing hydrogen rate by using pieces catalyst and fine equivalent concentration.

In this research, we got the most efficient producing prescription are using 20 percent weight of sodium borohydride and 3 percent weight of sodium hydroxide for hydrolysis solution. When input rate is 1 micro liter per minute, we got the producing output is 0.48 micro liters per minute, the efficiency is 97%. In this 3 hours experiment, the reactor has stable efficiency and applied in a low temperature PEMFC (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell). And we got a best testing result which is using 5 pieces catalyst and 5 micro liters per minute solution. The result data of hydrogen producing is 2.43 micro liters per minute, the efficiency is 97%.


目 錄

論文口試委員審定書………………………………………………………I
授權書……………………………………………………………………II書名頁……………………………………………………………………III
中文提要…………………………………………………………………IV
英文提要…………………………………………………………………V
致 謝……………………………………………………………………VII
目 錄…………………………………………………………………VIII
表目錄…………………………………………………………………IV
圖目錄…………………………………………………………………V

第一章、 導 論……………………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………………1
1-2 介紹氫能源………………………………………………………2
1-2-1氫能源的特性………………………………………………2
1-3製氫的方法……………………………………………………… 3
1-3-1 化石燃料製氫…………………………………………… 4
1-3-2 水電解製氫……………………………………………… 4
1-3-3 生物質製氫…………………………………………… 5
1-3-4 生物(學)製氫……………………………………………… 5
1-3-5 高溫熱化學循環水裂解製氫………………………………6
1-3-6 光電化學製氫技術……………………………………… 7
1-3-7 氫的純化 ………………………………………………… 7
1-4 儲氫的技術…………………………………………………… 8
1-4-1高壓氫氣…………………………………………………… 8
1-4-2低溫液氫 …………………………………………………9
1-4-3金屬氫化物…………………………………………………9
1-4-4化學儲氫……………………………………………10
1-5使用燃料電池具有的優點…………………………………11
1-6 文獻回顧探討…………………………………………………12
1-7 研究動機與目的……………………………………………… 13

第二章、 硼氫化合物氫氣水解技術……………………………………20
2-1硼氫化合物氫氣水解之基本原理……………………………20
2-2 硼氫化合物水解產氫之特點…………………………………21
2-3 硼氫化合物水解產氫之催化劑………………………………23
2-4 硼氫化鈉水解製氫系統研究現況……………………………24
2-5 移動式電源的應用……………………………………………25

第三章、 研究方法及實驗步驟………………………………26
3-1實驗設置系統……………………………………………… 26
3-1-1儀器設備………………………………………………26
3-1-2 氫氣反應器的設計………………………………………27
3-1-3 Ru/Ni催化劑與NaBH4燃料的前置……………………27
3-2 燃料-NaBH4水溶液的選用……………………………………28
3-3 NaBH4之水解高產氫實驗……………………………………28
3-4 產氫生成物之成份分析………………………………………29
3-5 低溫燃料電池與製氫系統之整合……………………………29
3-5-1 低溫燃料電池……………………………………………29
3-5-2 電池性能測試平台………………………………………30
3-5-3 燃料電池與產氫系統之整合……………………………30第四章、結果與討論……………………………………………………31
4-1氫氣反應生成速率的影響…………………………………… 31
4-2 觸媒的前置標準化……………………………………………32
4-2-1前啟動時間…………………………………………………32
4-2-2 前啟動時間的溫度………………………………………32
4-2-3 單片觸媒作長時間測試…………………………………33
4-3 硼氫化鈉產氫之變數參數……………………………………33
4-3-1 硼氫化鈉進料的濃度對氫氣生成率的影響……………33
4-3-2 溶液流量對製氫速率之影響……………………………34
4-3-3 高產氫的觸媒量測試研究………………………………34
4-3-4 反應器設計用以製氫之氣體成份分析…………………37
4-4 反應器產氫與低溫燃料電池之整合…………………………37
4-4-1 開路電壓量測(OCV) ……………………………………37
4-4-2 定電壓測試 (CV) ………………………………………38
4-4-3 定電流測試 (CC) ………………………………………38
4-4-4 電池極化曲線量測(IV) ………………………………39

第四章、 結論與未來規劃………………………………………………41
5-1 結論……………………………………………………………41
5-2 未來規劃………………………………………………………42
參考文獻…………………………………………………………………43
自述………………………………………………………………………72
表 目 錄

表3-1 低溫燃料電池之規格……………………………………………47
表3-2 元智薄型膜電極組(MEA)規格…………………………………47
表4-1各濃度硼氧化鈉之產氫效率關係表……………………………48
表4-2 各濃度氫氧化鈉之產氫效率關係表……………………………48
表4-3 各進料流量之產氫效率關係表………………………………48
表4-4 硼氫化鈉水解產氫之實驗結果表………………………………49
表4-5 各當量觸媒與進料流量之產氫效率表…………………………49
表4-6 硼氫化鈉水解自製氫之氣體成份分析…………………………49
表4-7低溫燃料電池與製氫系統整合之定電壓數據…………………50
表4-8 低溫燃料電池與製氫系統整合之定電流數據…………………50
表4-9低溫燃料電池與製氫系統整合之極化曲線數據………………50
圖 目 錄
圖1-1 氫氣生成測試系統[5]…………………………………………51
圖1-2 氫氣生成示意圖[6]……………………………………………51
圖1-3 測量氫氣產生率之實驗裝置示意圖 [9]………………………52
圖 1-4 NaBH4水溶液的批次式反應器[11]…………………………52
圖1-5 連續流動式之反應器……………………………………………53
圖 1-6製氫反應器及NaBH4水解製氫系統示意圖[17] ………………53
圖 2-1 各金屬之催化活性[4] …………………………………………54
圖2-2 小型室溫產氫裝置[7]…………………………………………54
圖2-3 製氫裝置實體圖[5]…………………………………………… 54
圖2-4 蛇腹式產氫裝置[25]……………………………………………55
圖2-5 無方向性產氫裝置[26] ………………………………………55
圖3-1 隔膜式幫浦……………………………………………………56
圖3-2 熱電偶器…………………………………………………………56
圖3-3 氫氣質量流量計…………………………………………………56
圖3-4製氫反應器實體上視圖…………………………………………57
圖3-5製氫反應器實體正視圖…………………………………………57
圖3-6 防漏用之O型環………………………………………………58
圖3-7 Ru/Ni片-催化劑………………………………………………58
圖3-8 白色細顆粒NaOH粉末………………………………………59
圖3-9 白色半透明結晶顆粒NaBH4粉末……………………………59
圖3-10 實驗的架構實體圖……………………………………………60
圖3-11 氫氣調節閥調量………………………………………………60
圖3-12 即時氣體分析儀(RTGA)………………………………………61
圖3-13 RTGA之質譜圖………………………………………………61
圖3-14 石墨流道板(單蛇式)與催化劑…………………………………62
圖3-15 低溫燃料電池實體圖…………………………………………62
圖3-16 測試低溫電池之機台850C……………………………………63
圖3-17 測試產氫之低溫燃料電池裝置………………………………63
圖3-18 製氫系統之實驗裝置圖………………………………………64
圖4-1 RTGA氣體成份分析圖…………………………………………64
圖4-2 測試3小時之產氫實驗流量……………………………………65
圖4-3測試3小時之產氫實驗效率……………………………………65
圖4-4 各濃度硼氧化鈉之產氫流量……………………………………66
圖4-5 各濃度硼氧化鈉之產氫效率…………………………………66
圖4-6 各濃度氫氧化鈉之產氫流量…………………………………67
圖4-7 各濃度氫氧化鈉之產氫效率…………………………………67
圖4-8 1pc的觸媒之各產氫流量………………………………………68
圖4-9 1pc的觸媒之各產氫流量之產氫效率關係圖…………………68
圖4-10各當量觸媒水解產氫之流量關係圖…………………………69
圖4-11各當量觸媒水解產氫之流量效率圖…………………………69
圖4-12低溫電池開路電壓之量測……………………………………70
圖4-13 低溫電池定電壓之量測………………………………………70
圖4-14 低溫電池定電流之量測……………………………………71
圖4-15 低溫電池之極化曲線圖……………………………………71


參考文獻

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(3)S.C. Amendola, S.L. Sharp-Goldman, M.S. Janjua, N.C. Spencer, M.T. Kelly, P.J. Petillo, M. Binder, 2000, “A safe, portable, hydrogen gas generator using aqueous borohydride solution and Ru catalyst,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 25, pp.969-975.
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(5)Y. Kojima, K. Suzuki, K. Fukumoto, Y. Kawai, M. Kimbara, H. Nakanishi, S. Matsumoto, 2004, “Development of 10 kW-scale hydrogen generator using chemical hydride,” Journal of Power Sources, Vol. 125, pp.22-26.
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(10)J. Lee, K.Y. Kong, C.R. Jung, E. Cho, S.P. Yoon, J. Han, T.G. Lee, S.W. Nam, 2007, “A structured Co–B catalyst for hydrogen extraction from NaBH4 solution,” Catalysis Today, Vol. 120, pp.305-310.
(11)S.J. Kim, J. Lee, K.Y. Kong, C.R. Jung, I.G. Min, S.Y. Lee, H.J. Kim, S.W. Nam, T.H. Lim, 2007, “Hydrogen generation system using sodium borohydride for operation of a 400W-scale polymer electrolyte fuel cell stack,” Journal of Power Sources, Vol. 170, pp.412-418.
(12)J. Zhang, Y. Zheng, J.P. Gore, T.S. Fisher, 2007, “1kWe sodium borohydride hydrogen generation system Part I: Experimental study,” Journal of Power Sources, Vol. 165, pp.844-853.
(13)G.Y. Moon, S.S. Lee, K.Y. Lee, S.H. Kim, K.H. Song, 2008, “Behavior of hydrogen evolution of aqueous sodium borohydride solutions,” Journal of Ind. Eng. Chem., Vol. 14, pp.94-99.
(14)A. Pozio, M. De Francesco, G. Monteleone, R. Oronzio, S. Galli, C. D’Angelo, M. Marrucci, 2008,“Apparatus for the production of hydrogen from sodium borohydride in alkaline solution,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33 pp.51-56.
(15)H.B. Dai, Y. Liang, P. Wang, X.D. Yao, T. Rufford, M. Lu, H.M. Cheng, 2008,“High-performance cobalt–tungsten–boron catalyst supported on Ni foam for hydrogen generation from alkaline sodium borohydride solution,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33 pp.4405-4412.
(16)J.H. Kim, J.Y. Lee, K. H. Choi, H. Chang, 2008,“Development of planar, air-breathing, proton exchange membrane fuel cell systems using stabilized sodium borohydride solution,” Journal of Power Sources, Vol. 185 pp.881-885.
(17)Y. Liang, H.B. Dai, L.P. Ma, P. Wang, H.M. Cheng, 2009,“Hydrogen generation from sodium borohydride solution using a ruthenium supported on graphite catalyst,” International Journal of Hydrogen Energy, pp.1-6.
(18)R. Oronzio, G. Monteleone, A. Pozio, M. De Francesco, S. Galli, 2009,“New reactor design for catalytic sodium borohydride hydrolysis,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34 pp.4555-4560.
(19)P. Gislon, G. Monteleone, P.P. Prosini, 2009,“Hydrogen production from solid sodium borohydride,” Journal of Power Sources, Vol. 929-937.
(20)R. Oronzio, G. Monteleone, A. Pozio, M. De Francesco, S. Galli, 2009,“Hydrogen production from solid sodium borohydride with hydrogen peroxide decomposition reaction,” Journal of Power Sources, Vol. 4555-4560.
(21)H. Tian, Q. Guo, D. Xu, 2010,“Hydrogen generation from catalytic hydrolysis of alkaline sodium borohydride solution using attapulgite clay-supported Co-B catalyst,” Journal of Power Sources, Vol. 195 pp.2136-2142.
(22)Lin Yu, Michael A. Matthews, 2011,“Hydrolysis of sodium borohydride in concentrated aqueous solution ,” Journal of Power Sources, Vol. 7416-7422
(23)Taegyu Kim, 2011,“Hydrogen generation from sodium borohydride using microreactor for micro fuel cells,” Journal of Power Sources, Vol. 1401-1410.
(24)莊惠真、蔡登宏、張書銘、黃科志、郭榮和、莊明志、黃金堂,”硼氫化鈉產氫應用於小型燃料電池”,新新季刊,第37卷第1期,民國98年1月,頁72-81。
(25)黃科志、蔡登宏、康德人、翁炳志、莊惠真、龔建智、李俊毅,”蛇腹彈簧式產氫裝置”,中華民國專利公報,專利號碼096213538 (2007)。
(26)黃科志、蔡登宏、康德人、莊惠真、陳文懿,”無方向性氫氣產生裝置”,中華民國專利公報,專利號碼097222204(2008)。
(27)黃鎮江”燃料電池”,2008年,滄海書局。


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