臺灣博碩士論文加值系統

為了達到美國能源局(DOE)訂定的儲氫量7.5 wt.%，在此提出水管理的固態硼氫化鈉水解產氫反應系統。在本文中，固態硼氫化鈉錠溶解的水主要是質子交換燃料電池所產生水提供的。接著，建構數學模式去說明固態硼氫化鈉藉由擴散作用從錠的表面到水溶液中。使用”the equation of moment”解出濃度邊界層的厚度。濃度邊界層的厚度是跟擴散係數、水的流速及流動的距離有關。在求出濃度邊界層厚度後，在使用”Crank Nicolson method”去解NaBH4的質量平衡的方程式。求出的平均濃度與實驗數據有符合。為滿足50 W電能需求，本系統最理想的目標是獲得最小體積。本系統設計的三個變數分別為：硼氫化鈉錠的直徑、管內直徑及液位高度。
以筆記型電腦所需電力50 W操作1 hr為目標，結果為：最小體積VT=16.69cm，管徑DR=2.5cm，錠直徑DS=2.2cm，液位高度xh=1.7cm 。

In order to achieve the hydrogen storage capacity 7.5 wt.% set by DOE (Department of Energy), the solid sodium borohydride hydrolysis reaction with water management was proposed. In this work, the solid sodium borohydride tablet was dissolved in recycled water which was generated from proton exchange membrane fuel cells. The mathematical model was built to describe the mass diffusion through the surface of the solid sodium borohydride tablet to the bulk water solution. The equation of moment method was used to solve and determine the concentration boundary layer thickness which is a function of diffusivity coefficient, velocity of water in the annular space and flow distance. After determining the concentration boundary layer thickness, the Crank Nicolson method was used to solve the material balance equation of NaBH4. The effluent average NaBH4 concentration of the vessel can be evaluated and fitted with our experiment data. For 50 W power demand the optimal objective of the system is to minimize the container size. Three design variables of the system are: The tablet diameter, cylindrical vessel diameter, and height of liquid.
In order to generate 50W power for Notebook using around 1 hr, the minimum cylindrical vessel volume VT=16.69cm, cylindrical vessel diameter DR=2.5cm,the tablet diameter DS=2.2cm,height of liquid xh=1.7cm

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 Ⅹ
第一章、緒論 1
1-1簡介 1
1-2文獻回顧 5
1-3研究動機 8
第二章、固態硼氫化鈉與燃料電池迴流水之水解產氫系統設計 9
2-1概念設計 9
2-2溶解固態硼氫化鈉單元 11
2-3硼氫化鈉水解產氫單元 13
2-4 固態硼氫化鈉溶解之濃度與儲氫量關係 15
第三章、固態硼氫化鈉溶解實驗 18
3-1固體硼氫化鈉溶解實驗概念設計說明 18
3-1-1固體硼氫化鈉壓錠操作方式 21
3-1-2硼氫化鈉固體溶解實驗步驟 22
3-2.碘滴錠 24
3-2-1碘滴錠原理 25
3-2-2碘滴錠推導 26
3-2-3碘滴錠實驗溶液的配置 28
3-3-4碘滴錠實驗步驟 29
3-3實驗結果 32
3-3-1碘滴定校正曲線 32
3-3-2溶解實驗結果 34
3-4結果與討論 35
第四章、溶解實驗數學模式建立 36
4-1穩態邊界層內部濃度之數學模式建立 36
4-2濃度邊界層厚度 40
4-3穩態邊界層內部濃度之數值解法 42
4-4模擬與實驗結果比較 49
第五章、固態硼氫化鈉溶解系統最適化設計 52
5-1流速 對邊界層厚度與濃度之影響 52
5-2管內直徑 對邊界層厚度與濃度之影響 54
5-3硼氫化鈉錠直徑 對邊界層厚度與濃度之影響 56
5-4最適化分析 57
5-5設計法則 61
5-6結果與討論 63
第六章、結論 64
符號說明 65
參考文獻 68
附錄 72
 
圖目錄
圖1-1、質子交換膜燃料電池發電原理示意圖 3
圖1-2、氫氣的儲存方式 4
圖1-3、美國能源局對儲氫系統的儲氫量目標值 7
圖1-4、硼氫化鈉產氫成本之關係圖 8
圖2-1、固態硼氫化鈉水解產氫發電系統(a)流程圖, (b)裝置圖 10
圖2-2、固態硼氫化鈉狀態與擺放方式示意圖 12
圖2-3、垂直式固態硼氫化鈉溶解示意圖 (a)固態硼氫化鈉錠排列方式，(b)固態硼氫化鈉錠溶解圖 12
圖2-4、硼氫化鈉水解產氫系統反應器結構圖(a)橫剖面看 (b)側視圖(左邊) (c) 側視圖(右邊) (d)儀器照片 14
圖2-5、(a)硼氫化鈉濃度對儲氫量之關係 (b)進料水補充量對硼氫化鈉濃度之關係 17
圖3-1、固體硼氫化鈉溶解裝置 19
圖3-2、(a)打錠模具實際圖 (b)硼氫化鈉壓錠步驟示意圖 21
圖3-3、碘滴錠(a)滴定設備(b)硼氫化鈉溶解裝置 30
圖3-4、碘滴定標準作業程序 31
圖3-5、碘滴的校正曲線 34
圖3-6、改變液位高度下，硼氫化鈉濃度對時間之關係圖 35
圖4-1、硼氫化鈉溶解實驗與數學模式建立的關係圖 37
圖4-2、濃度邊界層厚度超過管壁示意圖 43
圖4-3、邊界層內部濃度等份圖(x與y方向各分成四等份) 45
圖4-4、標示邊界條件的邊界層內部濃度等份圖 45
圖4-5、平均濃度 對 、 、 之關係圖 48
圖4-6、(上圖)液體高度 與濃度邊界厚度 之關係及(下圖)液體高度 與平均濃度 之關係 49
圖4-7、擴散方向y 與平均濃度 之關係 50
圖5-1、(上圖)流速 對濃度邊界厚度 之關係及(下圖)不同流速 對平均濃度 與實驗濃度之關係 53
圖5-2、流速 對邊界層厚度 之關係 54
圖5-3、(上圖) 管徑大小 對濃度邊界厚度 之關係及(下圖) 管徑大小 對平均濃度 與實驗濃度之關係 54
圖5-4、(a) 管徑大小 對流速 (b)流速 對邊界層厚度 之關係(管徑大小 ) 55
圖5-5、(上圖) 錠的大小 對濃度邊界厚度 之關係及(下圖) 錠的大小 對平均濃度 與實驗濃度之關係 56
圖5-6、流速 對邊界層厚度 之關係(錠的大小 ) 57
圖5-7、硼氫化鈉濃度15 wt%的最適化結果(上圖)在不同錠直徑 與管直徑 下之最小體積 (下圖) 在不同錠直徑 下，液位高度 與硼氫化鈉壓錠後的高度 之關係。 59
圖5-8、固定硼氫化鈉量下(a)錠直徑較小，硼氫化鈉壓錠後的高度較高(b)錠直徑較大，硼氫化鈉壓錠後的高度較小 60
圖5-9硼氫化鈉濃度15 wt%的最適化結果與操作區域 61
圖5-10、最適化設計法則(設計步驟) 62
圖5-11、最適化設計法則(實例) 62

 
表目錄
表1-1、再生能源蘊藏量 1
表1-2、燃料電池的種類與特性 2
表1-3、硼氫化鈉類型與儲氫量之比較 7
表3-1實驗藥品清單 19
表3-2實驗材料與裝置 20
表3-3硼氫化鈉濃度測量方法之優缺點 24
表3-4配置標準溶液所需氫氧化鈉與硼氫化鈉的量 32
表3-5、實驗硼氫化鈉與理論硼氫化鈉含量之關係 34
表4-1、各變數名稱 38
表4-2、固定液位高度下，十分鐘後所有實驗濃度的平均值 49
表4-3、模擬的各個物理參數值 50
表5-1、不同流速 與實驗濃度之關係 53
表5-2、不同管徑大小 與實驗濃度之關係 54
表5-3、流速 ，管內直徑 ，錠直徑 對濃度邊界層厚度 與平均濃度 之影響 63

[1]英國石油公司B.P., 初級能源蘊藏量統計報告,2008 .
[2]衣寶廉, 黃朝榮, 林修正, 燃料電池-原理與應用, 五南出版社, 2009.
[3]www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/doe_h2_storage.pdf
[4]Walter. J. C., Zurawski. A., Montgomery. D., Thornburg. M., Revankar. S.,”Sodium borohydride hydrolysis kinetics comparison for nickel, cobalt, and ruthenium boride catalysts”., Journal of Power Sources 179 (2008) 335-339.
[5]Amendola. S. C., Sharp-Goldman. S. L., Janjua. M. S., Spencer. N. C., Kelly. M. T., Petillo. P. J., Binder. M.,”A safe, portable, hydrogen gas generator using aqueous borohydride solution and Ru catalyst”.,International Journal of Hydrogen Energy 25 (2000) 969-975.
[6]Kim. J. H., Kim K. T., Kang. Y. M., Kim. H. S., Song. M.S., Lee. Y. J., Lee. P. S., Lee. J. Y.,”Study on degradation of filamentary Ni catalyst on hydrolysis of sodium borohydride” ., Journal of Alloys and Compounds 379 (2004) 222-227.
[7]Jeong . S. U., Kim.R. K., Cho. E. A., Kim. H. J., Nam. S. W., Oh. I. H., Hong. S. A., Kim. S. H.,”A study on hydrogen generation from NaBH4 solution usingthe high-performance Co-B catalyst”., Journal of Power Sources 144 (2005) 129-134.
[8]Hsueh. C. Li., Liu. C. H., Chen. B. H., Lee. M. S., Chen. C. Y., Lu. Y. W., Tsau. F., Ku. J. R.,”A novel design of solid-state NaBH4 composite as a hydrogen source for 2W PEMFC applications”., Journal of Power Sources 196 (2011) 3530-3538.
[9]Pinto. A.M.F.R.,, Falcao. D.S., Silva. R.A., Rangel. C.M.,”Hydrogen generation and storage from hydrolysis of sodium borohydride in batch reactors”., International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 1341 – 1347.
[10]Kojima. Y., Suzuki. K. I., Fukumoto. K., Kawai. Y., Kimbara. M., Nakanishi. H., Matsumoto. S.,”Development of 10 kW-scale hydrogen generator using chemical hydride”., Journal of Power Sources 125 (2004) 22-26.
[11]Moon. G. Y., Lee. S. S., Lee. K. Y., Kim. S. H., Song. K. H.,” Behavior of hydrogen evolution of aqueous sodium borohydride solutions”., Journal of Industrial and Engineering Chemistry 14 (2008) 94-99.
[12]Demirci. U.B., Akdim. O., Miele. P.,”Ten-year efforts and a no-go recommendation for sodiumborohydride for on-board automotive hydrogen storage”., International journal hydrogen energy 34 (2009) 2638-2645.
[13]Amendola. S. C., Sharp-Goldman. S. L., M. Janjua. S., Kelly. M. T., Petillo. P. J., Binder. M.,”An ultrasafe hydrogen generator: aqueous, alkaline borohydride solutions and Ru catalyst”., Journal of Power Sources 85 (2000) 186-189.
[14]Hua. Dong., Hanxi. Y., Xinping. Ai., Chuansin. C., ”Hydrogen production from catalytic hydrolysis of sodium borohydride solution using nickel boride catalyst” ., International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) 1095 – 1100.
[15]Zhang. J., Zheng. Y., Gore. J. P., Mudawar. I., Fisher. T. S.,”1 kWe sodium borohydride hydrogen generation system Part II: Reactor modeling” ., Journal of Power Sources 170 (2007) 150–159.
[16]Kojima. Y., Kawai. Y., Nakanishi. H., Matsumoto. S.,”Compressed hydrogen generation using chemical hydride” ., Journal of Power Sources 135 (2004) 36-41.
[17]Liu. B. H., Li. Z. P., Suda. S.,”Solid sodium borohydride as a hydrogen source for fuel cells” ., Journal of Alloys and Compounds 468 (2009) 493–498.
[18]Gislon. P., Monteleone. G., Prosini. P. P.,”Hydrogen production from solid sodium borohydride” ., International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 929 – 937.
[19]Hsueh. C. L., Liu. C. H., Chen. B. H., Chen C. Y., Kuo. Y. C., Hwang. K. J., Ku. J. R.,”Regeneration of spent-NaBH4 back to NaBH4 by using high-energy ball milling”., International journal of hydrogen energy 34 (2009) 1717-1725.
[20]Crane. M., Crane. L., Healy. A.M., Corrigan. O. I., Gallagher. K. M., McCarthy. L. G.,”A Pohlhausen solution for the mass flux from a multi-layered compact in the USP drug dissolution apparatus” Simulation Modelling Practice and Theory 12 (2004) 397–411.
[21]McMahon. N., Crane. M., Ruskin. H. J., Crane. L.,”The importance of boundary conditions in the simulation of dissolution in the USP dissolution apparatus”., Simulation Modelling Practice and Theory 15 (2007) 247-255.
[22]Dehghan. Mehdi,”Weighted finite difference techniques for the one-dimensional advection-diffusion equation”.,Applied Mathematics and Computation 147 (2004) 307-319.