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系統識別號 U0002-2001201421162300
中文論文名稱 固態硼氫化鈉控制釋放產氫之模式建立與設計
英文論文名稱 Modeling and design of solid NaBH4 controlled release systems for hydrogen generation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 鄭仰軒
研究生英文姓名 Yang-Hsuan Cheng
學號 601400061
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-17
論文頁數 108頁
口試委員 指導教授-陳逸航
委員-陳逸航
委員-何啟東
委員-王國彬
中文關鍵字 固態硼氫化鈉  薄膜  控制釋放  設計  氫氣 
英文關鍵字 Solid NaBH4  Membrane  Controlled release  Design  Hydrogen 
學科別分類
中文摘要 本研究利用Nylon 6,6 多孔性薄膜控制固態硼氫化鈉溶解釋放速率,使系統重量降低。以一次放氫為目標值,提供穩定氫源供給燃料電池發電,做為電子產品備用電源。透過多孔奈龍(Nylon 6,6)高分子薄膜,將液態水透過高分子之孔洞導入固態硼氫化鈉錠進行溶解,溶解後之硼氫化鈉溶液藉由濃度差擴散至外部溶液,經由系統設計與操作,可改變硼氫化鈉控制釋放速率。首先針對本系統建立質能平衡之數學模式,並與實驗結果進行印証比對模式之準確度。透過靈敏度分析,找出影響硼氫化鈉釋放量之設計與操作之主要變數各為:1. 薄膜厚度、薄膜尺寸,2. 操作溫度、外部水量。由模擬結果顯示,影響硼氫化鈉釋放速率之變數為薄膜厚度與薄膜面積,影響硼氫化鈉釋放之拖尾現象主要為內部水量。在實際應用上可透過改變操作溫度與溶液pH值來降低內部水量,以釋放拖尾之現象。最後,將鈷硼,釕觸媒置於外部溶液進行硼氫化鈉水解產氫之確認。
英文摘要 The objective of this work is to lighten the system weight by using Nylon 6,6 porous membranes to control release of solid NaBH4 tablets. This device provided stable hydrogen flowrate for PEMFC 3C product back-up power. Water permeated Nylon 6,6 porous membranes to dissolve solid NaBH4. The dissolved NaBH4 solution with a saturated concentration back-diffused through the porous membrane by concentration difference. In order to control the NaBH4 diffusion flux, mathematical models were built to describe the solid NaBH4 controlled release systems. The experiment was set-up. The external NaBH4 concentration was measured by iodine titration method once every 30 mins. The simulation result fit with experiment result well. After sensitivity analysis was made, design and operating variables of NaBH4 controlled release systems are: The membrane thickness, membrane area, operating temperature and external solution volume. The simulation result shows the membrane thickness and membrane area dominated the NaBH4 flux. The NaBH4 flux tail was affected by the internal volume. In real applications, operating temperature and solution pH value can be used as a manipulated variable to adjust internal volume. Finally, Co-B and Ru catalysts were placed in the external volume to promote NaBH4 hydrolysis reaction for hydrogen generation.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
本文目錄 III
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章、緒論 1
1.1背景 1
1.2文獻回顧 6
1.3研究動機 8
1.4論文架構 8
第二章、實驗 10
2.1實驗藥品與裝置 10
2.1.1實驗藥品 10
2.1.2儀器設備 10
2.2實驗步驟 11
2.2.1固態硼氫化鈉控制釋放與碘滴定法 11
2.2.1.1固態硼氫化鈉控制釋放實驗步驟 11
2.2.1.2碘滴定法 13
2.2.1.2.1碘滴定法原理 14
2.2.1.2.2碘滴定法步驟 14
2.2.1.2.3碘滴定之校正曲線 15
2.2.2觸媒製備產氫與固態硼氫化鈉控制釋放產氫 16
2.2.2.1鈷硼觸媒製備步驟 16
2.2.2.1.1離子交換 17
2.2.2.1.2鈷硼觸媒還原 18
2.2.2.2鈷硼觸媒產氫實驗 18
2.2.2.3固態硼氫化鈉控制釋放產氫實驗步驟 20
2.2.2.3.1實驗數據量測步驟 22
2.3實驗結果 25
2.3.1固態硼氫化鈉控制釋放實驗結果 25
2.3.2觸媒動力學參數迴歸 26
2.3.2.1鈷硼觸媒產氫結果 26
2.3.2.2觸媒動力式 27
2.3.2.3反應速率常數及吸附常數迴歸 29
2.3.2.4觸媒動力學參數迴歸 32
2.3.2.4.1頻率因子與活化能迴歸 32
2.3.2.4.2 L-H動力式之吸附常數 34
2.3.3硼氫化鈉控制釋放產氫實驗 36
第三章、固態硼氫化鈉控制釋放模式 37
3.1固態硼氫化鈉控制釋放模式建立 37
3.1.1模式假設 38
3.1.2數學模式建立 39
3.2阻力分析 46
3.2.1 基礎案例實驗點阻力分析 47
3.3模擬結果 48
3.4 模式預測 51
3.5結果與討論 53
第四章、固態硼氫化鈉控制釋放變數分析 56
4.1設計變數 56
4.1.1薄膜面積 57
4.1.2薄膜厚度 57
4.1.3錠的厚度 58
4.2操作變數 58
4.2.1外部水量(Ve) 58
4.2.2內部水量(Vi) 59
4.2.3操作溫度(T) 59
4.3操作範圍分析 61
4.4產品設計 62
4.4.1結果與討論 62
第五章、固態硼氫化鈉控制釋放產氫模式 71
5.1固態硼氫化鈉控制釋放產氫模式建立 71
5.1.1模式假設 72
5.1.2數學模式建立 74
5.2鈷硼觸媒產氫模擬結果 79
5.3添加鈷硼觸媒之變數分析 83
5.4結果與討論 86
5.5釕(Ru)觸媒動力式 87
5.5.1釕觸媒動力學參數迴歸 88
5.6釕觸媒產氫模擬結果 89
5.7添加釕觸媒之變數分析 93
5.7.1設計變數 93
5.7.2操作變數 95
5.7.3結果與討論 99
第六章、結論 100
符號說明 101
參考資料 106

圖目錄
圖1-1台灣電力公司102年各季發電量占比 1
圖2-1固態硼氫化鈉控制釋放系統(a)裝置示意圖,(b)實驗裝置圖,
(c)系統尺寸圖,(d)系統變數圖 13
圖2-2 (a)配置碘滴定待測液,(b)碘滴定法步驟 15
圖2-3碘滴定校正曲線 16
圖2-4離子交換法觸媒製備示意圖 17
圖2-5鈷硼觸媒產氫裝置圖 19
圖2-6固態硼氫化鈉控制釋放產氫系統 20
圖2-7固態硼氫化鈉控制釋放產氫裝置圖 21
圖2-8虛擬XP與溫度紀錄程式圖示 22
圖2-9溫度紀錄程式操作介面 23
圖2-10電子天秤紀錄程式圖示 23
圖2-11電子天秤紀錄程式操作介面 24
圖2-12 NaBH4控制釋放實驗數據 25
圖2-13 Co-B/TP-120觸媒製備還原溫度之產氫實驗氫氣累積圖操作溫度 27
圖2-14 Co-B/TP-207觸媒製備還原溫度之動力學參數迴歸圖 31
圖2-15 Co-B/TP-207觸媒製備還原溫度之動力學參數迴歸 33
圖2-16 Co-B/TP-207觸媒吸附常數中焓變化(ΔH0)及熵變化(ΔS0)之線性迴歸圖 35
圖2-17鈷硼觸媒控制產氫圖 36
圖3-1系統示意圖 46
圖3-2薄膜厚度(阻力)對轉速作圖(基礎案例: 20 ℃ 700 rpm) 48
圖3-3 NaBH4控制釋放模擬實驗圖 50
圖3-4 NaBH4在薄膜中濃度的變化 50
圖3-5反應速率常數kA值迴歸圖 52
圖3-6 NaBH4控制釋放實驗數據與模擬圖(T=10,15,20,25℃) 54
圖3-7 NaBH4控制釋放實驗數據與模擬圖(T=25,30,35,40℃) 55
圖4-1釋放目標曲線 56
圖4-2 控制釋放圖-改變薄膜面積(Am) 64
圖4-3控制釋放圖-改變薄膜厚度(xδ) 65
圖4-4控制釋放圖-改變錠的厚度(xA) 66
圖4-5控制釋放圖-改變外部水量(Ve) 67
圖4-6控制釋放圖-改變溫度(T=20℃,T=15℃,T=10℃) 68
圖4-7控制釋放圖-改變外部水量(Vi) 69
圖4-8控制釋放圖-改變溫度(T=25℃,T=30℃,T=35℃,T=40℃) 70
圖4-9薄膜厚度與面積組合 63
圖5-1鈷硼觸媒-固態硼氫化鈉控制釋放產氫圖 82
圖5-2添加鈷硼觸媒系統產氫圖 81
圖5-3系統產氫圖-改變添加觸媒量(Wc) 84
圖5-4系統產氫圖-改變操作溫度(T) 85
圖5-5系統產氫圖-改變外部水量(Ve) 86
圖5-6釕觸媒之動力學參數迴歸 88
圖5-7釕觸媒吸附常數中焓變化(ΔH0)及熵變化(ΔS0)之
線性迴歸圖 89
圖5-8釕觸媒-固態硼氫化鈉控制釋放產氫圖 92
圖5-9添加釕觸媒系統產氫圖 91
圖5-10添加釕觸媒系統產氫圖-改變薄膜面積(Am) 94
圖5-11添加釕觸媒系統產氫圖-改變薄膜厚度(xδ) 95
圖5-12添加釕觸媒系統產氫圖-改變外部水量(Ve) 96
圖5-13添加釕觸媒系統產氫圖-改變操作溫度(T) 97
圖5-14添加釕觸媒系統產氫圖-改變添加觸媒量(Wc) 98

表目錄
表1-1燃料電池分類 3
表1-2化學氫化物產氫反應與理論儲氫量(wt. %) 4
表2-1固態硼氫化鈉控制釋放系統設備尺寸表 12
表2-2固態硼氫化鈉控制釋放系統物理參數表 12
表2-3內部溶液體積與濃度 26
表2-4 TP-207觸媒操作溫度對反應速率常數及吸附常數迴歸表 32
表3-1反應速率常數kA值迴歸結果 53
表5-1釕觸媒操作溫度對反應速率常數及吸附常數迴歸表 87
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論文使用權限
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