CN1237639C - 燃料电池的氢气源供应装置及其强化热传导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于燃料电池的氢气源(hydrogen source)供应装置的强化热传导装置,该氢气源供应装置具有至少一充填有金属氢化物(metal hydride)且具有一外径的高压瓶(pressurized bottle),该强化热传导装置包含:一呈长圆柱形且具有一内径的金属壳体,其中高压瓶的外径略大于金属壳体的内径;及至少一可扩张凸肋,大致沿金属壳体的长度方向延伸并与金属壳体一体成形,以此,当高压瓶被穿置于金属壳体内时,高压瓶将迫使凸肋扩张,使金属壳体与高压瓶紧呈紧密地接触。本发明亦公开一种具有此种强化热传导装置的氢气源供应装置。

Description

燃料电池的氢气源供应装置及其强化热传导装置
技术领域
本发明是关于一种适用于燃料电池(fuel cell)的氢气源(hydrogensource)供应装置,特别是关于一种具有强化热传导装置的氢气源供应装置。
背景技术
随着人类文明的进步,传统能源,譬如煤、石油及天然气的消耗量持续攀高,造成地球严重的污染,导致温室效应及酸雨等环境的恶化。此外,人类已清楚地体会认识到天然能源的存量是有限的,如果被持续地滥用,可能在不久的将来便会消耗殆尽。因此,世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源,而燃料电池便是其中的一种重要且具发展潜力及实用价值的选择,与传统的内燃机相较,燃料电池具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
简而言之,燃料电池是一种将氢和氧通过电化学反应产生电能,也可说是一种水电解的逆反应,以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池为例,其包含多个电池单体,每一单体包含位于中央的一质子交换膜(proton exchange membrane,PEM),其两侧各设一层催化剂,其外再各设置一层气体扩散层(gas diffusion layer,GDL),最外侧则分别设一阳极双极板与阴极双极板,将此构件紧密地以一预定的接触压力结合在一起而成一电池单体。
燃料电池在实际应用时,为了能获得足够的电力,必需对燃料电池持续地供续氧气及氢气,以保持前述电化学反应的持续作用。氧气通常可由空气中轻易取得,而氢气则需通过特殊的供应装置提供给燃料电池使用。
现有装载氢气源的其中一种方法,是直接将氢气以高压、低温的方式储存于一高压氢气筒内,再于需要时将氢气的压力及温度还原至操作压力后再予以释放。
另一种现有装载氢气源的材料为所谓的金属氢化物(metalhydride),这种金属氢化物在特定温度状态下,可在一相对应的压力释放氢气,其释放氢气的过程为一吸热反应(endothermic reaction)。当储存于金属氢化物内的氢气被完全释放后,可再将新鲜纯氢气回充至金属氢化物内,且其充填氢气的过程为一放热反应(exothermic reaction)。金属氢化物所在的特定温度与其所释放氢气的压力间大致呈一具有正向斜率的线性关系,这种线性关系根据不同制造商所制造的金属氢化物的特性有所不同。
由于金属氢化物必需在在吸收了热量后,方能释放其所储存的氢气,若受热不均则可能使金属氢化物无法完全地释放其所储存的氢气。
有鉴于氢气的易燃特性,必需将氢气以一种安全、且轻便的方法预先储存于一特定容器内,再依需要均匀地释放氢气,进行前述逆反应。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池(fuel cell)的氢气源(hydrogen source)供应装置,其设有一强化热传导装置,以此使氢气源可与强化热传导装置紧密地接触,以强化热源与氢气源之间的热传导,以对氢气源加热以提供该氢气源中的金属氢化物进行完全的吸热反应,而有效释出一定压力的氢气。
本发明的另一目的提供一种燃料电池氢气源供应装置的强化热传导装置。
为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:一种燃料电池氢气源供应装置的强化热传导装置,其中该氢气源供应装置具有至少一充填有金属氢化物且具有一外径的高压瓶(pressurizedbottle),该强化热传导装置包含:一呈长圆柱形且具有一圆心及一内径的金属壳体,其中该高压瓶的外径略大于该金属壳体的内径;及至少一可扩张凸肋,大致沿该金属壳体的长度方向延伸并与该金属壳体一体成形;借此,当该高压瓶被穿置于该氢气供应装置中时,该强化热传导装置恰包覆于该高压瓶之外,该高压瓶迫使该凸肋扩张,使该金属壳体与该高压瓶间呈紧密地接触。
本发明还提供一种氢气源供应装置,包含:至少一充填有金属氢化物且具有一外径的高压瓶,具有:一底端;一气口端;一气体释放阀装置,设于该气口端上;一外箱,界定一容置空间,且具有相对的第一端及第二端;一可扩张金属壳体,具有一圆心及一内径且呈长圆柱形,其穿设于该外箱内,将该容置空间分隔成一位于该壳体内部的内容纳室供容置该高压瓶,及一位于该壳体外部的外容纳室,其中该金属壳体的内径略小于该高压瓶的外径;至少一快速接头,设于该外箱上,恰与该内容纳室中所容纳的高压瓶的气体释放阀装置连结,引动开启该气体释放阀装置;一第一防漏密封,设于该外箱的第一端及该可扩张金属壳体之间;及一第二防漏密封,设于该外箱的第二端、及该可扩张金属壳体之间;借此,当高压瓶被置于该内容纳室内时,高压瓶将迫使该可扩张金属壳体扩张,使该可扩张金属壳体与该高压瓶呈紧密地接触。
本发明的优点是:由于本发明的强化热传导装置形成至少一可扩张凸肋,起大致沿金属壳体的长度方向延伸并与金属壳体一体成形,因此此,当氢气源被穿置于金属壳体内时,氢气源将迫使凸肋扩张,使金属壳体与氢气源间紧密地接触。因而可确保金属氢化物能够常态地在受热均匀地情况下,顺利地释放其所储存的氢气。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明:
图1a显示根据本发明的强化热传导装置的立体视图;
图1b显示图1a的强化热传导装置被扩张后的立体视图;
图2a显示图1a的强化热传导装置的侧视图;
图2b显示图1b的强化热传导装置的侧视图;
图3a显示应用本发明的强化热传导装置的氢气源供应装置的剖面示意图;
图3b显示一根据本发明的氢气源供应装置的立体外观示意图;
图4显示一快速接头的剖面视图;
图5显示该快速接头的立体分解图;
图6a显示高压瓶尚未与快速接头的固定环连接时的示意图;及
图6b显示高压瓶已与快速接头的固定环连接时的示意图。
图中符号说明:
D1        外径
D2         内径
10         强化热传导装置
12         金属壳体
14         可扩张凸肋
20         氢气源供应装置
22         高压瓶
23         入口
24         外箱
25         出口
26         顶板
27         底板
28         快速接头
29         第一防漏密封
30         第二防漏密封
142、144   凸肋表面
221        底端
222        气口端
224        气体释放阀装置
225        顶针
226        压缩弹簧
227        锁定装置
242        第一端
244        第二端
246        第一圆形开口
248        第二圆形开口
262        第三圆形开口
282        固定环
284        撞针
286        槽道
具体实施方式
参考图1a的立体视图,其显示一根据本发明的强化热传导装置10;图2a显示该强化热传导装置10的侧视图。该强化热传导装置10包含:一呈长圆柱形的金属壳体12;及多个可扩张凸肋14,大致沿金属壳体12的长度方向延伸并与金属壳体12一体成形。该金属壳体12具有一圆心。如图1a所示,每一凸肋14自金属壳体12的外表面朝远离其圆心的径向方向凸伸,其包含一对相对称的凸肋表面142、144。
图1b及2b图标该强化热传导装置10在其内径受到外力时,每一凸肋14的一对凸助表面142、144被迫分离而呈扩张的状态。强化热传导装置10较佳是由铜或不锈钢制成,当然亦可使用其它具有延展性及热传导性的金属材料或复合材料制成。
图3a显示应用该热传导装置10的氢气源供应装置20的剖面示意图;图3b显示一根据本发明的氢气源供应装置的立体外观示意图。如图3a及3b所示,该氢气源供应装置20包含:至少一充填有金属氢化物的高压瓶22、一外箱24、一顶板26、一可扩张金属壳体12、一底板27、至少一快速接头28、一第一防漏密封29、及一第二防漏密封30。
每一高压瓶22具有外径D1、一底端221、一气口端222、及一气体释放阀装置224,设于该气口端222上。该外箱24界定一容置空间,且具有相对的第一端242及第二端244,该第一端242及第二端244上分别形成一大致全等的第一圆形开口246及第二圆形开口248。
顶板26固定在该外箱24的第一端242,且在相对应第一圆形开口246的位置处,形成一与第一圆形开口246大致全等的第三圆形开口262。
金属壳体12界定一容置空间,且具有内径D2(参图2a),该内径D2略小于该高压瓶22的外径D1。金属壳体12穿设过该第一、第二、及第三圆形开口246、248、262,以将该容置空间分隔成一位于壳体12内径的内容纳室16,及一位于壳体12外径的外容纳室18。该内容纳室16及外容纳室18分别用于容置该高压瓶22及高温水。
底板27固定在该外箱24的第二端244。快速接头28设于该底板27上,恰与该内容纳室16中所容纳的高压瓶22的气体释放阀装置224连结,引动开启该气体释放阀装置224。
第一防漏密封29设于该顶板26、该外箱24的第一端242、及该金属壳体12之间;该第二防漏密封30设于该底板27、该外箱24的第二端244、及该金属壳体12之间,防止外容纳室18中的高温水泄漏。
使用本发明的氢气源供应装置20时,由于高压瓶22的外径D1稍大于金属壳体12的内径D2,将高压瓶22穿置于内容纳室16内时,将迫使金属壳体12扩张,使金属壳体12与高压瓶22紧呈密地接触。
为了便于将具有较大外径的高压瓶22插入金属壳体12,可使高压瓶22的气口端222形成渐缩的外径。
图4显示一快速接头28的剖面视图;图5显示该快速接头28的立体分解图。快速接头28包含:一固定环282,固设于底板27上;及一撞针284,自固定环282的中心点由底板27端朝内容纳室16的方向垂直突出。固定环282上形成一对朝向底板27方向倾斜的槽道286。槽道286与设于高压瓶22的气口端的锁定装置227(如图所示的杆件)配合;借此,将高压瓶22插入内容纳室16时,使高压瓶22的锁定装置227沿着槽道286朝向底板27的方向旋入因而被锁定至该固定环282时,撞针284恰插入该气体释放阀装置224中迫使气体释放阀装置224开启以释放氢气,如图4所示。
快速接头28的撞针284迫使高压瓶22的气体释放阀装置224开启的动作示意,可通过配合图6a、6b获得更楚地了解;其中图6a显示出高压瓶22尚未与快速接头28的固定环282连接时,圈绕于气体释放阀装置224的顶针225外的压缩弹簧226仍借助瓶22中气体压力维持于伸张状态,使气体释放阀置224处于关闭的不泄气状态;当高压瓶22进入内容纳室16而与快速接头28的固定环282连接锁合后,顶针225则被该快速接头28的撞针284压挤,抵抗该压缩弹簧226的弹力而迫使顶针225向内缩,如图6b所示,以顺利开启气体释放阀装置224,预备将瓶22中的气体以特定压力导出。
在高压瓶22被插置于内容纳室16后,外容纳室18内的高温水即环绕内容纳室16周围,对内容纳室16内的高压瓶22加热以提供该高压瓶22中的金属氢化物进行吸热反应,而经由该气体释放阀装置224释出一定压力的氢气。
高温水可由一位于外箱24下方,且与温水储水槽(图未示出)相连通的入口23进入外容纳室18,再经由一位于外箱24上方的出口25离开外容纳室18,使高温水可流经外容纳室18周围;借此,高温水的热能可被有效地传导至高压瓶22。
如前所述,高压瓶22内的金属氢化合的释放氢气的过程为一吸热反应,因此,高温水的热能恰可提供此一吸热反应所需的能量,使高压瓶22内的金属氢化物可在一选定的温度及一相对应的压力下释放氢气。
由于本发明的氢气源供应装置是直接应用燃料电池所产生的电能或提供流动循环的高温水等一切可能的供热系统作为热能来源,故可持续地对高压瓶内的金属氢化物提供热能,使其进行释氢反应。且由于本发明的高温水及高压瓶之间仅以一强化热传导装置间隔开,且高压瓶可与强化热传导装置紧密地接触,故可强化热源与氢气源之间的热传导。
根据实际操作发现,燃料电池的较佳供氢操作压力约在344.5至2067kPa(50至300psi)的范围内。因此,可根据高压瓶内所存金属氢化物的特性,应用电子控制回路、温度感应器等现有控制手段,使加热装置将高压瓶保持在一预定温定,以使高压瓶保持在344.5至2067kPa(50至300磅/平方英寸(psi))范围内的释放压力。当储存在金属氢化物内的氢气被完全释放后,可将高压瓶22自内容纳室16中快速取出,再将新鲜纯氢气回充至高压瓶22中的金属氢化物内,故重新为燃料电池提供了一种安全、且轻便地氢气源,且可依需要均匀地释放氢气。
本发明为一突破现有技艺的新颖设计,然其亦可以其它的特定形式来实现,而不脱离本发明的精神和重要特性。因此上文所列的技术实施方式在各方面都应被视为例示性而非限制性实施例,而所有的改变只要合乎本案的权利要求所定义或与其技术实施方式等效者,均应包含在本发明的保护范畴内。

Claims (14)

1.一种燃料电池氢气源供应装置的强化热传导装置,其中该氢气源供应装置具有至少一充填有金属氢化物且具有一外径的高压瓶,该强化热传导装置包含:
一呈长圆柱形且具有一圆心及一内径的金属壳体,其中该高压瓶的外径略大于该金属壳体的内径;及
至少一可扩张凸肋,大致沿该金属壳体的长度方向延伸并与该金属壳体一体成形;
借此,当该高压瓶被穿置于该氢气供应装置中时,该强化热传导装置恰包覆于该高压瓶之外,该高压瓶迫使该凸肋扩张,使该金属壳体与该高压瓶间呈紧密地接触。
2.根据权利要求1所述的强化热传导装置,其特征在于:该至少一凸肋自该金属壳体由朝远离其圆心的径向方向凸伸,其包含一对互呈对称的凸肋表面。
3.根据权利要求1所述的强化热传导装置,其特征在于:该金属壳体是由铜制成。
4.根据权利要求1所述的强化热传导装置,其特征在于:该金属壳体是由不锈钢制成。
5.一种氢气源供应装置,包含:
至少一充填有金属氢化物且具有一外径的高压瓶,具有:
一底端;
一气口端;
一气体释放阀装置,设于该气口端上;
一外箱,界定一容置空间,且具有相对的第一端及第二端;
一可扩张金属壳体,具有一圆心及一内径且呈长圆柱形,其穿设于该外箱内,将该容置空间分隔成一位于该壳体内部的内容纳室供容置该高压瓶,及一位于该壳体外部的外容纳室,其中该金属壳体的内径略小于该高压瓶的外径;
至少一快速接头,设于该外箱上,恰与该内容纳室中所容纳的高压瓶的气体释放阀装置连结,引动开启该气体释放阀装置;
一第一防漏密封,设于该外箱的第一端及该可扩张金属壳体之间;及
一第二防漏密封,设于该外箱的第二端、及该可扩张金属壳体之间;
借此,当高压瓶被置于该内容纳室内时,高压瓶将迫使该可扩张金属壳体扩张,使该可扩张金属壳体与该高压瓶呈紧密地接触。
6.根据权利要求5所述的氢气源供应装置,其特征在于:该装置进一步包含:
一顶板,固定于该外箱的第一端;及
一底板,固定于该外箱的第二端;
其中
该至少一快速接头设于该底板上,该第一防漏密封设于该顶板、该外箱的第一端、及该可扩张金属壳体之间,而该第二防漏密封,设于该底板、该外箱的第二端、及该可扩张金属壳体之间。
7.根据权利要求5所述的氢气源供应装置,其特征在于:
该外箱的第一端及第二端上分别形成一大致全等的第一圆形开口及第二圆形开口;
该顶板在相对应第一圆形开口的位置处,形成一与该第一圆形开口大致全等的第三圆形开口;及
该可扩张金属壳体穿设过该第一、第二、及第三圆形开口;
8.根据权利要求5所述的氢气源供应装置,其特征在于:该可扩张金属壳体进一步包含:至少一可扩张凸肋,大致沿该壳体的长度方向延伸并与该壳体一体成形。
9.根据权利要求8所述的氢气源供应装置,其特征在于:该至少一凸肋自该金属壳体由朝远离其圆心的径向方向凸伸,其包含一对互呈对称的凸肋表面。
10.根据权利要求8所述的氢气源供应装置,其特征在于:该可扩张金属壳体由铜制成。
11.根据权利要求8所述的氢气源供应装置,其特征在于:该可扩张金属壳体由不锈钢制成。
12.根据权利要求5所述的氢气源供应装置,其特征在于:该快速接头包含:
一固定环,固设于底板上且具有一中心点;
一锁定装置,可拆式地连接该固定环及该相对应高压瓶的气口端;
一撞针,自该固定环的中心点由该底板朝该内容纳室垂直突出;
借此,将一相对应的高压瓶插入该内容纳室使该高压瓶的气口端被锁定至该固定环时,该撞针恰插入该气体释放阀装置中迫使气体释放阀装置开启以释放氢气。
13.根据权利要求5所述的氢气源供应装置,其特征在于:该外容纳室内容置温水,以提供该高压瓶中的金属氢化物进行吸热反应,而经由该气体释放阀装置释出一定压力的氢气。
14.根据权利要求13所述的氢气源供应装置,其特征在于:该温水将高压瓶保持在一预定温定,使高压瓶保持在344.5至2067kPa范围内的释放压力释放氢气。
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