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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 化學工程學系
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/46770
標題: 硼氫化鈉水解產氫系統之設計與控制
Design and Control of a Hydrogen Generation System using the Sodium Borohydride Hydrolysis Reaction
作者: Ya-Ling Cheng
鄭雅玲
指導教授: 吳哲夫(Jeffrey D. Ward)
共同指導教授: 陳逸航(Yih-Hung Chen)
關鍵字: 儲氫,程序設計,模式化,控制,啟動,
hydrogen storage,process design,modeling,control,start-up,
出版年 : 2010
學位: 碩士
摘要: 世界能源正面臨一個新的轉捩點,在能源消費結構中,開始從石油為主要能源逐步向多元能源結構過度,氫能源便是替代能源中極受囑目之一。使用氫能源的一大問題的氫氣的儲存,其中化學儲氫法的硼氫化鈉(NaBH4)具有潛力達到美國能源局(DOE)所訂定的2015年儲氫系統能源密度標準(5.5wt%) [28]。
此篇研究係建立硼氫化鈉(NaBH4)連續式產氫系統之數學模式,以描述該系統的行為,在等溫、絕熱、部份熱移除等不同的操作狀態下,探討反應器不同的熱移除量與系統儲氫量之關聯。在連續式產氫系統中,偏硼酸鈉(NaBO2)的濃度會受到高反應熱釋出所產生的大量水蒸氣之影響,而較高的反應器出口溫度可以有效提升NaBO2飽和溶解度,因此產氫系統傾向操作在部份熱移除的情況下,會有較好的能量密度表現。接著,為了解決大量氣體(包括水蒸氣和氫氣)充滿塞流式反應器,造成NaBH4溶液無法有效與觸媒表面活性位置接觸之問題,本研究同時提出一個新的反應器設計架構,即在塞流式反應器中,增設一層針孔膜,藉此分離出液相與氣相通道,使NaBH4水解反應更易進行,並可省去裝設氣液分離器的重量,進一步增加系統的能量密度。
此外,本研究針對控制目標,即加快氫氣產能需求改變時之動態響應,並避免NaBO2析出的問題,提出了二個控制架構如下,一、以進料當作產能調節變數;二、以氫氣出口流量做為產能調節變數。在此二種控制架構下,當氫氣需求量改變時,皆無NaBO2析出的問題,並且氫氣流量皆獲得合理的動態響應。
為了使產氫系統能即時、快速地供應燃料電池使用,本研究建立之冷進料的啟動策略係脈衝連結一階式的進料形態,在絕熱環境下操作,並且結合前次啟動後儲存在反應器中的氫氣,使硼氫化鈉(NaBH4)產氫系統達到DOE的目標啟動時間(即5~15秒) [28]。
NaBH4 hydrolysis for on-board hydrogen generation has received much attention recently due to its higher theoretical energy capacity and zero emissions. In this work, three different operating modes (adiabatic, isothermal, Partially-insulated) of a continuous hydrogen generation system using the NaBH4 hydrolysis reaction are explored. Partially-insulated operation is recommended for this system since it has a higher outlet temperature and lower temperature distribution in reactor, which both mitigate the NaBO2 precipitation problem so that a larger energy density can be achieved. A novel reactor design is proposed to overcome the effects of gas generation and multiphase flow from the NaBH4 hydrolysis reaction. With a pinhole membrane set in the middle of reactor tube to provide gas and liquid channels respectively, the multi-phase flow problem is reduced and energy capacity increased since a separator is not needed for gas-liquid separation. Next, two control structures are developed and both give reasonable dynamic results. The on-supply structure gives fast response while the on-demand structure provides a simple control loop to adjust hydrogen generation directly. After control policies are designed, a cold start-up strategy is developed using a pulse plus step function feed input and reserved hydrogen from previous reaction to give rapid and sufficient hydrogen gas to supply a PEM fuel cell.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/46770
全文授權: 有償授權
顯示於系所單位:化學工程學系

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