CN101877411B - 供氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明利用吸水性高分子使水形成不流动的状态，可进一步搭配吸水性棉质材料以加速吸水。上述吸水性材料搭配固态氢燃料可形成稳定的供氢装置，即使将供氢装置倒置或侧放均不会造成液态水流入燃料电池并阻塞MEA膜，进而使燃料电池性能下降甚至无法发电。

Description

供氢装置
技术领域
本发明是关于一种供氢装置，特别是关于供氢装置于燃料电池的应用。 
背景技术
近来对于许多可携式能源的需求如可携式计算机、随身听、相机、随身听等各种数字装置，都需要一种便宜、长时效供电、体积小、重量轻，且可用于各种环境的电池。虽然公知燃料电池具有经济而长效的特点，但受到氢燃料供应限制，而无法广泛使用于各类可携式产品。所以，解决氢燃料供应问题将是未来小型可携式氢能源发电系统的趋势。氢燃料的供应须符合便宜、方便、体积小、重量轻、及供氢速率稳定等原则。以化学储氢材料做为氢来源，最大的优点是储氢密度高，目前国际的趋势是往固态氢材料上发展。在使用固态氢燃料(催化剂加硼氢化钠)时需要加水使其反应以产生氢气如式1所示，会遭遇两个极大的问题：一是如何维持供氢速率稳定？目前国际上皆是利用复杂的机械设计来达到维持供氢速率稳定。如此一来，便会使得放氢装置体积大增，并增加成本。 
为解决上述问题，本发明的发明人已经进行材料方面的设计，在水解过程中可自行维持稳定的放氢速率，不需要额外且复杂的机构设计(参见中国台湾专利申请号第98108205号)。另一方面，以固态氢燃料(催化剂加硼氢化钠)加水产生氢气的作法会遭遇另一问题：只能单一方向使用，无法上下左右摇晃时使用。因为当上下左右摇晃时，液态水会被氢气带往燃料电池，造成燃料电池性能下降及无法携带使用。目前国际上所采用的解决方案是利用疏水性气液分离膜来达到透气挡水的目的，但其缺点为价格昂贵，造成成本增加。此外气液分离膜并无法完全挡住液态水，氢气产生时所造成的压力亦会将少量的水挤出带往燃料电池并降低其效率。综上所 述，目前亟需一完全固态的供氢组件以应用于燃料电池。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种供氢装置。 
为实现上述目的，本发明提供的供氢装置，包括吸水性材料，用以吸附水、醇类或上述的组合；以及固态氢燃料，直接接触吸水性材料以放氢。 
附图说明
图1是本发明一实施例中，固态放氢的示意图； 
图2是本发明一实施例中，固态氢燃料与吸水性材料的组合示意图； 
图3是本发明一实施例中，固态放氢的示意图； 
图4是本发明一实施例中，供氢装置的放氢速率与时间的关系图；以及 
图5是本发明一实施例中，供氢装置的放氢速率与时间的关系图。 
附图中主要组件符号说明 
10、20～供氢装置； 
11、21～容器； 
13～水胶状固体； 
15～固态氢燃料； 
23～片状吸水性材料； 
25～片状固态氢燃料； 
27～棒状物。 
具体实施方式
本发明提供一种供氢装置，包括吸水性材料，用以吸附水、醇类、或上述的组合；以及固态氢燃料，直接接触吸水性材料以放氢。吸水性材料可为吸水性高分子如聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚环氧乙烷、淀粉接枝共聚物、或橡胶共混物。少量的吸水性高分子可大量吸附水，举例来说，1g的聚丙烯酸钠可吸附25g以上的水。 
本发明的固态氢燃料的组成含有固体催化剂、固体氢化物、及疏水性 高分子弹性体。固体氢化物可为金属硼氢化物如NaBH4、LiBH4、Ca(BH4)2、Mg(BH4)2、KBH4、或Al(BH4)3、金属氢化物如LiH、NaH、或CaH2、硼氮氢化物如氨硼烷、乙硼烷、二氨乙硼烷、H2B(NH3)2BH4、聚氨基硼烷、环硼氮烷、吗啉硼烷、硼烷-四氢呋喃、或上述任意的组合。固体催化剂是含有Ru、Co、Ni、Cu、Fe、或上述任意组合的催化剂。疏水性高分子弹性体包括硅胶、橡胶、或硅橡胶。将固体催化剂及固体氢化物高速球磨后，再加入疏水性高分子弹性基材，便形成可挠性的固态氢燃料，其详细成份配比及作法可参考中国台湾专利申请号第98108205号。 
如图1所示，将吸水性高分子置入供氢装置10的容器11中并加入适量水或醇类如甲醇或乙醇，即可形成水胶状固体13。即使将容器11倾斜或摇晃，水胶状固体13中的液体亦不会流出容器。将上述固态氢燃料15置于水胶状固体13上后，固态氢燃料15会将水胶状固体13所含的液体(水或醇类)吸出并反应形成氢气。即使将供氢装置10倒置或侧放，供氢装置10内未与固态氢燃料15反应的液体仍会被吸水性高分子所吸附，因此不会流出容器11。由于上述特性，本发明的供氢装置10可进一步连接至燃料电池，且避免公知技术中供氢装置的液体流入燃料电池所导致的问题。 
上述吸水性高分子的吸水量可达本身重量的数百倍，并可阻止液体流出。不过吸水性高分子的吸水速率慢，需要较久的时间才能形成水胶状固体。为弥补吸水速率慢的缺陷，本发明的另一实施例的吸水性材料还包括一吸水性棉质材料。吸水性棉质材料的吸水速度快，但吸水量少且无法完全将水锁住。为了兼具吸水性棉质材料吸水速率快，以及吸水性高分子吸附量大且吸附的液体不会流出的优点，可将适量的吸水性高分子添加至吸水棉质材料的表面，形成一片状吸水性材料23，如图2所示。 
接着将固态氢燃料裁切为片状。由于固态氢燃料内含有疏水性高分子弹性体，因此片状固态氢燃料25为可挠性。将片状的固态氢燃料25迭合至片状吸水性材料23后，卷成棒状物27如图2所示。上述棒状物27可收纳于防水袋中，收纳期限端视防水袋的防水效果。 
如图3所示，将上述棒状物27置入供氢装置20的容器21中，并加入适量液体如水或醇类(甲醇、乙醇、或上述的混合物)至容器21，使吸水性材料23吸水。固态氢燃料25会将吸水性材料23所含的液体吸出并反 应形成氢气。即使将供氢装置20倒置或侧放，供氢装置20内未与固态氢燃料25反应的液体仍会被吸水性材料23所吸附，因此不会流出容器21。由于上述特性，本发明的供氢装置20可进一步连接至燃料电池，且避免公知技术中供氢装置的液体流入燃料电池所导致的问题。 
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，以下特举数实施例并配合附图作详细说明。 
实施例1 
取1g吸水性高分子聚丙烯酸钠置于容器中，加入25g水。静待10分钟后，形成不流动的水胶。 
参考中国台湾专利申请号第98108205号的方法，取固体氢化物(NaBH4)、催化剂(Co2+/IR-120)高速球磨后，再加入硅橡胶形成可挠性固态氢燃料。接着以造粒机使上述固态氢燃料形成锭状，平均每锭固态氢燃料含有1g固体氢化物、0.1g催化剂、及0.1g硅橡胶。 
将两锭固态氢燃料置于上述水胶后，固态氢燃料将吸水并反应形成氢气。经量测后，放氢速率与时间的关系图如图4所示。 
实施例2 
取0.5g的聚丙烯酸钠平均散布于吸水性棉质材料(5cm*13cm*0.05cm，购自雅妮国际股份公司的超薄化妆棉KK-II)，形成片状吸水性材料。 
参考中国台湾专利申请号第98108205号的方法，取固体氢化物(NaBH4)、催化剂(Co2+/IR-120)高速球磨后，再加入硅橡胶形成可挠性固态氢燃料。接着将上述固态氢燃料压片后裁切，形成片状固态氢燃料(4cm*11cm*0.1cm)。 
将片状吸水性材料及片状固态氢燃料迭合后卷成棒状，并将棒状物置于容器中。将20g水加入容器后，吸水性材料迅速吸水。静置五分钟后将多余的水倒出后量测固态氢燃料的放氢速率，如图5所示。 
在实施例1及2中，即使倒置或侧放容器，均无水自容器中流出，且不影响放氢速率。由上述可知，本发明不需多余的薄膜即可避免供氢装置的液体流入燃料电池。 
虽然本发明已以数个较佳实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动 与润饰，因此本发明的保护范围应当以申请的权利要求范围所界定的内容为准。 

Claims (11)

1.一种供氢装置，包括：
一吸水性材料，用以吸附水、醇类或上述的组合；以及
一固态氢燃料，直接接触该吸水性材料以放氢，其中，该固态氢燃料包括固体氢化物、固体催化剂及疏水性高分子弹性体。
2.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该吸水性材料为一高分子，该高分子包括聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚环氧乙烷、淀粉接枝共聚物或橡胶共混物。
3.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该吸水性材料为一高分子与一棉质材料的组合，且该高分子包括聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚环氧乙烷、淀粉接枝共聚物或橡胶共混物。
4.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该醇类包括甲醇、乙醇或上述任意组合。
5.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该固体氢化物包括金属硼氢化物、金属氢化物、硼氮氢化物、乙硼烷、硼烷-四氢呋喃或上述任意组合。
6.依据权利要求5所述的供氢装置，其中，该金属硼氢化物包括NaBH4、LiBH4、Ca(BH4)2、Mg(BH4)2、KBH4或Al(BH4)3。
7.依据权利要求5所述的供氢装置，其中，该金属氢化物包括LiH、NaH或CaH2。
8.依据权利要求5所述的供氢装置，其中，该硼氮氢化物包括氨硼烷、二氨乙硼烷、H2B(NH3)2BH4、聚氨基硼烷、环硼氮烷或吗啉硼烷。
9.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该固体催化剂包括Ru、Co、Ni、Cu或Fe。
10.依据权利要求1所述的供氢装置，其中，该疏水性高分子弹性体包括硅胶、橡胶或硅橡胶。
11.依据权利要求1所述的供氢装置，应用于一燃料电池。
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