论文摘要
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将存在于燃料(氢是最主要的燃料)与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置,具有质量轻,供电可靠,无振动,噪声小,启动快,无污染等优点。然而,除了质子交换膜燃料电池本身一些技术问题需要解决外,缺少高效、安全、响应迅速的在线供氢技术是使其实用化较预期缓慢的一个重要原因。金属铝水解制氢是一种很有前景的储存和运输能量的方式,具有资源丰富、产氢值高(1245ml/g)、价格便宜、产物环境友好等优点,可以很方便的为氢燃料电池提供稳定、响应迅速的在线氢源。本文在碱性环境下对铝水解反应制氢进行了基础实验,研究了碱的类型、碱的浓度、温度、铝粉粒径以及反应后的沉淀等对产氢速率的影响。实验发现,强碱性物质如氢氧化钠、氢氧化钾等对铝水反应的加速作用明显,而氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化铝等物质对反应促进作用较弱,后两者几乎没有促进作用,说明溶液中氢氧根的存在及浓度大小对铝水解反应起着重要的作用;提高反应温度、增加碱液浓度、增加铝粉的比表面积等都明显提高了铝水解反应的产氢速率;另外,沉淀的存在也有助于提高铝水解反应的产氢速率。基于上述基础实验数据以及文献中的经验公式,通过最小二乘法拟合了预测产氢速率的两个数学表达式,涵盖了氢气产生速率与铝粉质量、反应温度、碱液浓度、铝粉粒径、反应液体积等之间的关系,从而为以后氢气产率在50%之前的实验进行初步预测,进而进一步指导实验。另外,也对铝水在碱液中反应制氢的动力学进行了探讨,建立了铝水解反应制氢的动力学模型,并用实验数据对动力学模型进行了验证,结果表明,在铝粉转化率达85%之前,动力学模型能够很好的说明反应的发生。另外,本文也对铝水解制氢的成本和能量利用率进行计算,并与其他氢气制取方法进行了比较,通过计算得到了铝制氢气的成本约为10元/Nm3,远低于硼氢化钠制氢的成本,较低于高压钢瓶氢气的价格。铝水反应制氢的能量利用率为20.6%左右。设计了氢气生产及应用与阻燃剂ATH联合生产工艺系统以及与冰晶石联合生产的工艺系统,实现了氢气的生产与副产物的循环回收利用,有利于成本的降低和资源的回收,有利于环境的保护。设计了为KW级质子交换膜燃料电池供氢系统,并对制氢反应器及其相关组件进行了设计计算和加工,根据设计流程图完成了整个实验装置的搭建,然后在搭建好的实验台上进行了相关实验。结果表明,在一定的碱液量存在下,铝粉加入量以及与碱液的接触面积决定了氢气产生速率。在铝粉流量稍微稳定时氢气产生速率也较稳定,所以要想为燃料电池提供稳定氢源,必须保证铝粉流量的稳定。同时,本文也设计了几种小型制氢装置,可以很方便的制取氢气,以应用于燃料电池中。