TW533262B

TW533262B - Fuel cell hydrogen supply system using secondary fuel to release stored hydrogen

Info

Publication number: TW533262B
Application number: TW090125151A
Authority: TW
Inventors: Stanford R Ovshinsky; Rosa T Young
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-05-21
Also published as: AU2002211491A1; US6627340B1; WO2002031897A2; WO2002031897A3

Description

533262 A7 B7 五、發明說明（【相關申請案】本申请案係為美國申請案號〇9/6〇9,487(申請曰為 2000年7 @ 5)之部分續案，其因而是购MW申請日為㈣年之部分續申^案號【發明領域】本發明-般而言係關於允許使用革命性的新歐凡尼克 (〇v〇nic)之氫儲存合金以作為燃料電池之燃料供給源之系統設計與熱考量。本發明尤有關於藉由燃燒習知之辦料或利用其他形式之廢熱以將解吸之熱提供給最後驅動燃料電池之氫，而降低從氫儲存合金釋放氫的相對成本之系統設計。用以儲存本發明之系統中的氫之氯儲存合金，係能儲存大約7個重量百分比（wt%)的氣，並能在1 5分鐘内吸 :它們最大容量之至少80%，且在不損失容量或動能的清况下具有至少2000循環之循環壽命。 15【發明背景】本專利申請案說明了對於氫基經濟結構有用的氣儲存 5金之經濟使用的系統設計與熱考量。關於㈣於此之系統’藉由直接燃燒氫並重新利用廢熱以減少釋放錯存氯所需要之額外加熱量，實際上可使單次裝滿氫的汽車具 3〇〇哩範圍之續航力。揭露於美國中請案號嶋的彻， ::=、2〇〇1年7月5曰(以下稱為，487申請案，藉此列入1參#之合金的元素與交互作用的局部環境，們提供高儲存容量、優越的動能與長循環壽命。這種經濟結構之基礎結構系統，係為共同審理中的美國專利$ 5 10 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格咖χ 297公3髮-- 91* 3· 2,〇〇〇 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 533262 A7 B7 五、發明說明（> ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製請案號09/444,810之主題，其名稱為“氫基生態系統（A Hydrogen-based Ecosystem)’’，申請曰為 1999 年 11 月 22 曰（以下稱為W10申請案），其乃於此列入作參考。這種基礎結構，因而可藉由氫儲存合金而實現，而氫儲存合金已 5 經克服了向來已經被認定是不易解決的化學、物理、電子與催化之位障（barrier)。在這種基礎結構方面有用的其他氫儲存合金，係完全說明於共同審理中的美國專利申請案號09/435,497中，其名稱為”促使氫基生態系統之高儲存容量合金（High Storage Capacity Alloys Enabling a 10 Hydrogen-based Ecosystem)’’，申請曰為 1999 年 11 月 6 曰（以下稱為f497申請案），其乃於此列入作參考。ς497申請案係關於能解決合金之無法解決之問題，此問題為：使具有非常快速之動能之足夠氫氣儲存容量容許氫氣之安全與有效的儲存，用以為氫基經濟結構提供燃料，例如驅動 15 内燃機與裝有燃料電池之車輛。在’497申請案中，本案發明人首先揭露具有大約高於6個重量百分比的氫氣儲存容量與異常動能之鎂基合金之製品。此種革命性的新發現係可藉由以下方式而實現··將材料視為系統，並藉以依能提供需要的催化局部環境的方式，利用化學改良劑以及失 20 序與局部有序之原理（Stanford R. Ovshinsky所率先開拓），同時設計出儲存與高比率充填/釋放循環之主特徵。換言之，藉由控制微粒與晶粒尺寸、形態、表面狀態、催化活性、顯微結構、與異常的儲存容量之整體交互作用的環境，這些原理可允許材料之調整。其中失序提供額外的 4 91. 3. 2,000 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 533262 A7

自由度，俾能應用原子工程，例如具有成分，位置，與拓撲失序之新的組成物。部位（site)之函數可藉由改變其成分、位置，及與鄰近元素之交互作用而改變與控制。這可藉由使用特有的元件，修改地段之數目，使用化學改良劑 5 之添加物，以及根據原子規模添加/移除元素以建構原子規模多孔性而達成。 ’810與’497申請案之組合，解決了已經抑制氫的：^ 儲存容量；以及2)基礎結構之普遍使用的雙基本位障問題。隨著‘497申請案之合金的使用，固態氫可被安全地 ίο以小船、平底載貨船、火車、卡車等運送出貨。‘810申请案所說明之氫基礎結構需要遍及整個系統地謹慎實施熱 i管理與有效的熱能利用。在不需要實際上燃燒氫本身的情況下，本發明有助於藉由降低釋放氫所需的額外之外加熱1，而使基礎結構之次系統間的必要熱傳遞變得更簡 15單、更有效、且更符合經濟效益。隨著世界人口的膨脹及其經濟的成長，二氧化碳之大氣濃度逐漸使地球變得溫暖，導致氣候的改變。全球能源系統係不斷地發展遠離燃燒產生有害氣體之富碳燃料。近乎長達一個半世紀，從工業革命開始，具有含碳量高之燃 20料已漸進地被那些含碳量較低的燃料所取代。有人已經預測到这種演變將在21世紀末附近產生一種無碳能源系 "本發月係為種燃燒少量的碳氫化合物燃料以協助使用…、炭月b源之裝置，其將提供車輛3〇〇哩範圍之續航力。在近期，氫將被使用於汽車、卡車、與工業工廠之燃料電本紙張尺㈣时_ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 91. 3. 2,000 533262 A7 B7 五、發明說明（今） 10 15 20 池，誠如其已經為繞軌道運轉之太空飛行器提供動力一樣:氫已經是供電瓶（例如_ 〇v〇nic触町公司所發明氫化物電瓶’其使氫往復地往返以產生電力，並已徹底改革自動工業）使用之燃料源，且燃料電池使用氫以產生電^。隨著高容量、快速動能之固態儲存材料的到來，現在氫將提供-般的無碳燃料以涵蓋所有的燃料需要。取自於可靠的工業來源之圖！，係為說明朝向無碳環境之社會趨勢，其乃為從麵年代早期開始使用木材時間，同時經歷工業革命，一直到大約2〇1〇年之“氫氣，，經濟結構之初期的函數。纟_年代，燃料主要是木材， 1材中之氫與碳之比率大約是Q1。當社會轉換成使用煤炭與石油時’氫與碳之比率首切加i 1.3,然後增加至而近來更增加i 4。然而，社會之最終目標係採用…厌燃料’亦即’最普遍的元素-·純氫。問題已變成是無法安全與經濟地使用液態或氣態的儲存。固態儲存容量與基礎，構將解決這些問題。，497與，81G中請案之發明人已經藉由發明出一種具有異常的吸收/解吸動能之顯存材料（7%並非最佳化的數值，且將會與較佳之動能一起曰'加）（亦即’在少於2分鐘下之至少8〇%之充填），以及種使用廷些儲存合金之基礎結構而促使這種現象成為可。技些遵循原子工程之原理的合金首先可允許一種安全的用=儲存、運送、與傳輸純氫之高容量裝置。它們亦允許在沒有嚴格規定與限制正常氫氣運送的情況下，以普通的貨箱發送氫氣。面月& ί紙張巧適财⑽χ 297公6楚 91· 3. 2,000 533262 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（f ) #氮：為”最終燃料”。氫乃是取之不盡，用之不竭的。氮係為于由中最豐富的元素，且所有物質都包含氫。氫可 $我：的星球提供一種乾淨的能源，並可藉由將水分解成虱與乳之各種不同的製程而產生。接著，氫亦可以以固態 5形式儲存與運送，因此能經濟且安全地使用氫。雖然世界的石油儲存量可能耗盡，但氫之供應實際上係、准持未文限的。可由媒、天然氣與其他碳氫化合物所產 f之氫最好疋經由水之電解而形成，更好是使用來自太陽之能量（參見美國專利第4,678,679號（,679)，其揭露書 ίο於此併入作參考）。吾人應注意到揭露於，專利中之三接點太陽此電池尤其適合於水之電解，其乃因為它們的輸出電壓正是電解所需之電壓，因此不需要電壓調整電子設備以執行電解。然而，氫亦可藉由使用任何其他形式之經濟月b里（例如風、波浪、地熱、水力發電 '核能等）將水電 15解而產生。再者，氫本質上係為低成本之燃料。氳具有任何化學燃料之每單位重量最高密度之能量，且因為”燃燒，，氫之主要副產品係為水，所以氫本質上是無污染的。因此，氫叮疋解決夕數世界能I之相關問題（例如氣候改變、污染、對石油之戰略依存等）之手段，以及提供協助開發 20 中國家之手段。雖然氫已經被廣泛充分應用作為燃料，但其利用上之主要缺點（特別在例如車輛之驅動之汽車使用上）已成為缺少可接受的簡易氫儲存媒體。以壓縮氣體儲存氫係需要使用龐大且笨重的容器。此外，需要龐大且非常昂貴的壓縮本紙張尺度適用中國國家標<(CNS)A4規格⑽x 297 ^)---—---- 91· 3. 2,0〇〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-------- 533262 A7 B7 10 15 20 五、發明說明（厶）器以將氫儲存成為壓縮氣體，而壓炸/失火之危險。、’非吊大的揭作為 ::為氫係相“燃的。液態二製1„出的話，其係具有高度揮發性。此外， …昂貴的’且液化處理所需要的能量係為可藉項缺I虱Γ產生之能量之主要部分。儲存成驗體之另一項缺點，係會由於非常高的蒸發而損失大量的氣。首先，藉由使用，497申請案之原子工程合存成為固態氫化物可提供比將、’ 、至= 將虱儲存成為壓縮氣體或壓力槽中之液體更大的重量百分比之儲存。又，㈣之形式儲存氫是安全的，且舍 "〜的且不會出現任何儲存於容器中成為乳體或液體之氫所會出現的危險問題，態氯化物形式儲存時’氯乃存在於其最低的除了與儲存氣態氫或液態氯相關的問題 :=::式:氫相關的問題。例如，液態氫之運送时而要超絕熱槽，其將又笼會子又笨重又龐大，且將易受破裂與爆办曰。又，一部份之液態氫將需要經常殘留於槽中，之加熱與冷卻，這將遭受大的熱損失。關於氣態运加㈣油罐車可歸運送較小量的氫，但這些 ^谷易μ裂與爆炸之影響。關於較大量的氫之運送， ^要建構整體新的氫管線運送系統，或者將必須改造姐 ’>/、天然氣用之既存的管線系統之屋縮器站、閥與概勢本纸張尺度翻+ Μ--------^--------- Γ 请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 533262 A7 B7 、發明說明（ 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 以供氮使用°當^，此乃假設這些既存的管線之構造材料將適合於氫的運送。一在氫化物並非維持靜止之應用時，材料之每單位重量的馬氫儲存容量係為—項重要考量。相對於材料之重量的減儲存容量❹了車輛之航行讀與_，並使得使用，種材料成為不切實際的。吾人期望以低解吸溫度(約3〇〇 C)減少釋放氫所需要之能量數。再者，需要有效利用來自車輛、機器、或其他類似設備之可得到的廢熱，才能以相當低的解吸溫度釋放儲存氫。吾人需要良好的可逆性，以使氫儲存材料能夠重複吸收·解吸循環而不會顯著的損失其氫儲存能力。需要良好的動能’以使氫在一段相當短的時間内被吸收或釋出。吾人需要有對在製造與利用期間材料可能遭受到的有害物質之抵抗力，用以避免可接受性能之退化。習知技術之金屬的主氫儲存材料包含鎮、鎮鎳、叙、鐵-鈦 '鑭五鎳（lanthanum pentanickel)與這些金屬之其他合金。然而’並沒有習知技術之材料已經解決前述的問題，亦即，在可革命化推動卫業並使氫成為普遍燃料之普及的商業利用的情況下，解決使材料適合於儲存媒體之問題。因此’雖然已提出多種金屬氫化物系統，作因為鎂元素可儲存超過7個重量百分比之氫’所以已經大量研究錢系統。在我們的工作（使用d&f軌道的元素修改，導致與局部環境之新的接合選擇）之前.，雖然鎮可儲存大量的氮，但其具有動能相當慢之缺點。舉例而纟，鎂氮化物理 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) m · 1 I ϋ ϋ I l i 一 δ、V n n ϋ ϋ .^1 —1 ·ϋ 1 #

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五、發明說明（S 10 15 20 :二：：儲存大約？6個重量百分比之氫，其乃使用下述 ^旦出·百分比儲存=H/H+M，其中ΪΙ係為所儲存氫，里❿Μ係為儲存氫之材料重量（以下提及之所有儲 '百刀比係基於此公式而計算出）。不幸的是，儘管習知技術之=料具有高儲存容量，但因為釋放氫需耗費數日， :斤以其S無用#。雖然' 76%儲存容量理想地係適合氫儲子於板上以供驅動車輛用，但它仍需要本發明以形成依據失序之原理運作的鎂基合金，用以改變以前不適用的材料並使它們成為商業上可接受的材料以供普及使用。、：係很難以活性化。舉例而言，美國專利號揭露必須活性化鎂，以於至425t之溫度和1000 P下持 '、‘數曰而消除表面位障，用以獲得合理的（90%)轉換成氫化物狀態。再者，這種氫化物之解吸通常需要在氫解吸開始之前加熱至相當高的溫度。前述專利說明了 MgH2 材料必須在解吸開始之前加熱至277〇C之溫度，且需要相當高的溫度與時間以達到可接受的操作輸出。即使那樣，純鎂之動能是不可接受的（亦即不適用）。高解吸溫度使習知技術之鎂氫化物變得不適合。氫之儲存亦已考量到鎂基合金。所研究之兩種主要鎂合金晶體構造已經是AJ與AB2合金系統。在a2b系統中，Mg^i合金已因為它們適中的氫儲存容量，以及比鎂更夕的形成熱（64 kJ/mol)而受到大量研究。然而，因為 Mg2Ni具有南達3.6個重量百分比的氫之儲存容量的可能性，所以研究者已嘗試經由機械式混合成合金、機械研磨匕 91* 3· 2,〇〇〇本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公复 533262 A7 B7 五、發明說明（？）與元素的替換，來改善這些合金之氩化特性。然而，3.6 個重量百分比根本不夠高，而動能同樣不夠。近來，研究者已嘗試形成MgNi2型式之合金以供氫儲存用。參見Tsushio等人所著作之鎂基拉夫斯相合金之 5 氫化特性（Hydrogenation Properties of Mg-based Laves Phase Alloys)，合金與化合物之期刊（Journal of Alloys and Compounds)，269 (1998)，219-223 頁。Tsushi 等人確定這些合金之氫化物尚未被報導出，且他們並未成功地改變 MgNi2合金以形成氫儲存材料。 10 最後，本案發明人已經在研究高鎂含量的合金或元素改變的鎂。例如，在美國專利5,976,276 ; 5,916,381 ;以及6，103,024號中，Sapru等人已機械地製造出包含大約75 至95原子百分比的鎂之合金鎂-鎳-鉬以及鎂-鐵-鈦材料，以供氫之熱儲存用。這些合金係藉由下述方法而形成：利 15 用球磨機或磨碎機而以適當的比率混合元素成分；及藉由機械地將材料混合成合金持續幾個小時以提供機械合金。雖然相較於Mg2Ni合金之下，這些合金已改善了儲存容量，但它們仍具有比可接受的更低的壓升高原（plateau pressure) 〇 20 變化之高鎂含量合金之另一例係揭露於美國專利第 4,431，561號（ς561)中，發明人為Ovshinsky等人，而其揭露書於此列入作參考。在‘561專利中，高鎂含量之氫儲存合金之薄膜係藉由濺鍍而產生。雖然此種工作在應用基本原理以徹底改善儲存容量方面具有顯著的效果，但一直 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) > 0 1 n n n aim n 1« 一 · n ·1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 91. 3. 2,000 533262 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（π ) 到於此所說明之本發明才使所有需要之高儲存容量、良好動能與良好循環壽命的特性整合在一起。在美國專利第4,623,597號（"，597專利，，），其揭露書係列入作參考，本案發明人之其一，〇灿吨，說明了 5第-次用以作為電化學電池之負電極之失序的多成分氯儲存材料。於此專利中，〇vshinsky說明了如何定做失序材料以大幅增加氫儲存與可逆性特徵。這種朱序材料係由非晶系、微晶、中間範圍之有序、或多晶碎（缺乏長範圍之成分有序)中一個或更多個所組成’其中多晶矽材料可能包含可被設計成為材料之拓撲、成分、轉移、及位置修改與失序之一個或更多個。這些失序材料之活性材料之架構包含一個或更多元素之主矩陣與併入於此主矩陣之改良劑。改良劑提高所產生之材料的失序，從而建構多數與多範圍之催化地活性部位與氫儲存部位。 597專利之失序電極材料係藉由許多確保主要不平衡亞穩相之形成技術，而由輕量、低成本的元素所形成，從而導致高能量、高功率密度與低成本。所產生之低成本，焉能量密度之失序材料允許這種雙向開關半導體元件電池 (Ovonic battery)可最優勢地被利用作為二次電池，但亦作為主要電池，且今日在本發明之受讓人之授權下為全世界所使用。 397專利之材料之局部構造與化學有序之調整，對達成期望特徵是十分重要的。，597專利之陽極之改善特徵，係藉由處理局部化學有序與局部構造有序而達成，從而藉 10 15 20 __ 12 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

91. 3. 533262 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（// ) 由將選定的改良元素結合至主矩陣以建構期望的失序材料。失序材料具有產生多數活性部位之期望電性構造。儲存部位之本質與數目係被設計成獨立於催化活性部位。例如轉變元素之多執道改良劑，係提供由於各種可得 5到的接合構造之大幅增加的儲存部位，從而導致能量密度的增加。修正技術特別提供不平衡材料，其具有提供獨特的接合構造、執道重疊、以及接合部位之範圍之變化程度之失序。由於不同程度之軌道重疊與失序構造.，微量的構造重新配置係在充電/放電循環或休息周期期間產生，並於其間產生長循環與閒置壽命。 f597專利之改良電池包含具有訂做的局部化學環境之電極材料，而設計此局部化學環境係用以產生高電化充電與放電效率與高電荷輸出。藉由利用依據，597專利可與其他元素產生化學變化之主矩陣，吾人可能控制材料之局部化學環境，以建立大幅增加的供氫解離之催化活性部位之密度，亦建立大幅增加的氫儲存部位之密度。 ^ ’597專利之失序材料係被設計成具有不平常的電性構 w，其乃由組成原子之變化令的三維交互作用與它們的各種執道所引起。失序起因於原子之成分，位置與轉移的關 20係。吾人利用所選定元素，α更進一步地藉由它們與這些執道之交互作用而調整失序，俾能建立期望的局部化學環境。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

597專利令所說明 < 失序可以是屬於以成分或組態失序之型式存在之原子本質，而成分或組態失序係設置遍及

533262 A7 五、發明說明（/乂） 5 10 15 20 材料之主體或在材料之許多區域中。憑藉一個相位與另一個相位之關係、，藉由在原子階層冑立在模擬成分或組態失序之材料内之顯微相，亦可將失序導入至主矩陣或表面上—舉例而s，可藉由導入不同種類的晶相之顯微區域，或藉由導入非晶相或相位之區域，或藉由導入除了晶相或相位之區域以外的非晶相或相位之區域，而建構出失序材料在每些各種相位之間的界面可提供富有局部化學環境之表面，此局部化學環境提供許多期望的電化氫儲存之位。在化學與熱氫化物之間存在有某種程度的差異是很基本的。本發明之熱氫化物合金係以它們自己本身待解決ς 基本問題而被設計作為清楚的材料等級，其十如下表i、所顯示之問題係與那些電化學系統待解決之問題形成顯著之對照。 +在㈣儲存於這些前述的氫儲存合金中的氫期間，係 :要熱篁以從合金釋放氫。存在有一些可提供此種孰之方 ί °舉例而言’當將氣供應給内燃機時，熱可來自引擎本 t所排出的氣體。然而’當將氫供應給燃料電池時，難以使用那種廢熱以從儲存台釋放料氫。因此加熱源。而要另一種雖然可燃燒或催化燃燒氫本身以提供所需的孰，作這亦會減少燃料電池可得到的氫’從而增加供定、給燃料電池所需要的儲存台之重量與容積:、例如，：二的燃料電池車輛中’可能需要某些儲存氣，用以提供釋放 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 x 297 - 91. 3. 2,000 533262 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7___ 五、發明說明（〇 ) 所有儲存氫與加熱周圍元件（亦即殼體、熱能傳遞元件等) 所需要的熱。顯然必須使可獲得的氫之此種損失最小化。因此，在關於不燃燒氫的情況下，提供所需的熱以釋放儲存氫的系統之技術方面，存在有一個強列的感覺需 5 求。此種系統係說明如下。表1

電化學氫儲存材料氣相（熱）氫儲存材料機制 H2o分子分裂於材料表面.所分離之 H2氣體環境鹼性氧化環境（KOH電解液） Η:氣體--極易藉由氧氣而中毒（在KOH存在下無效）動力學室溫下之氫儲存/釋放從20°C至lOOt之任何地方的氫儲存熱動力學特定範圍的有用M-H 鍵結強度最好是變動程度之 M_H鍵結強度導熱性微小效應巨大效應導電性巨大效應微小效應化學反應 M+H20+e ^MH+OH' H2(g)^2H 【發明之概述】本發明提供藉由燃燒習知燃料以提供解吸的熱而從氫 10儲存合金釋放氫以降低相對成本之系統設計。此系統包 91· 3· 2,000 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂：

15 533262 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印衆五、發明說明（％) 含：儲存習知燃料之裝置；燃燒習知燃料之裝置；以及藉由燃燒習知燃料而產生的熱提供至儲存台丄氫之裝置。〃輝取儲存用=儲存氫之合金係為以鎂基氫儲存合金粉末之形存在之高容量、低成本、輕量之具有快速動力學的妖氣儲存合金材料。這些合金首次使得利用固態儲存與運送氣以提供動力給氫基經濟結構成為可行的方式，尤其是提供動力給例如内燃機或燃料電池車輛之移動式能量消耗設傷。合金包含大於大約90個重量百分比的鎮，並具有啦少 6重量百分比之氫儲存容量；b)吸收動能，以使合金粉末於300 C在10分鐘之内吸收其總容量之8〇%; c)在不損失容量或動能的情況下，至少5〇〇循環之循環壽命。合金粉，更好是具有至少6 5個重量百分比之氯儲存容量，最好是至少6.9個重量百分比，又更好是7個重量百分比。又，合金粉末更好是於鳩以5分鐘内吸收其總容量之而最好是在h5分鐘之内完成。在不損失動能或容 a、月况下’材料較好是循環至少65〇次更好是至少1 〇〇〇次’且最好是至少2000次。 4、加至鎂以產生合金之改良元素主要包含鎳與 20 Mm(鈽鋼合金），並亦可包含例如銘、紀（yttnum)與石夕之 ''卜；^素以及例如碳與硼（輕量、吸收氫，並改變局部 ^生％^)之改良元素。领允許改變可獲得之電子數以形，，合式的氫儲存部位之兩種電子之採納。混合式的氫儲㈣位就是氫被—些電子所包狀地點，而非正常的晶格 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 15

本紙張尺度適用 X 297公茇） 2,000 A7、發明說明（γ Β7 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 儲存部位。因此，這些合金分比的錄，與大約個重量二3 0.5_2.5個重量百錦、網、與鳍）。這些合金亦可包= (主要包含重量百分比的銘，（U] 5個重、或以上之3·7個個重量百分比的石夕。刀比的在乙’以及0.3-1.5 【圖式之簡單說明】圖1為說明社會朝向無碳能橫座標為時間，縱座標為H/C(氫/碳）比f圖表’ 車輛^係為顯科用本發明之合金以提供動力給内燃機皁輛之虱氣供給系統之示意圖；、也鱼Γ係為顯示利用本發明之合金以提供動力給燃料電池車輛之虱氣供給系統之示意圖。圖4係為本發明之合金材料循環50、65〇盥2〇54次下儲存氫對時間的吸收曲線圖，其料顯示本發明之合金材料基本上於循,裒2054具有如同它們於循環5〇時相同的氫儲存容量與吸收動能；圖5係為詳細繪製出FC_86合金之吸收動能在三種不同溫度下，氫解吸的重量百分比對時間之曲線圖；圖6係為具有兩種不同微粒尺寸之fc-76合金粉末之吸收動能之曲線圖；圖7顯示本發明之實施例，其中與氫儲存合金材料接合之支持裝置係螺旋纏繞成為捲盤（coil);以及圖8顯示本發明之變形例，其中與氫儲存合金材料接合之支持裝置係被裝配成複數個堆疊的圓盤（disk)。 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 3· 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 533262 A7 _ B7 五、發明說明（A ) 【發明之詳細說明】 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上所述，虽氫儲存合金台係使用作為供内燃機（ICE) 使用之燃料能源時，來自引擎排氣之過剩的熱可被使用以加熱氫儲存台’用以釋放更多氫。圖2係為這種系統之示 5意圖。此系統說明供ICE車輛使用之氮氣供給系統。供給系統提供-個具有氫氣之氫引擎！。此系統具有一個氮氣儲存部分2與一個引擎廢熱傳遞供應通道3,而引擎廢熱傳遞供應通道3係用以將從引擎！排放之引擎廢熱（以排氣或引擎冷卻劑之型式）引導至氯氣儲存部分2。此系 "亦包含一條回流通道4與一條排氣管7。回流通道“系用以將用以加熱氫儲存材料之任何引擎冷卻劑傳回至引擎 1 ’而排氣管7係、用以排放使用過之廢氣。此系統更包含一條將來自氫氣儲存部分2之氫氣導引至引擎丨之氯氣供應通逼5。引擎廢熱傳遞供應通道3設有—個溫度調整部 15分、^用以規範待導入至氫氣儲存部分2之廢熱之溫度。以追種系統，產生於ICE内之廢熱可有效地用以加熱氯儲存材料，藉以從該處排放氫以供ICE使用。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製上所述¥這種燃料供給系統與燃料電池（fc) —起使用時:可得到非常少量之可用的廢熱以釋放來自儲存台 20 =儲存風’而燃燒氫是一種非常不經濟之提供所需熱之方 f因此，本案發明人已發展出本系統以經濟地釋放儲存 :圖，頁*供FC車輛使用之氫氣供給系統之示意圖， =係用以提供具有氫氣之燃料電池8。此系統具有一個氣乳儲存部分12與—條傳輸供應通道9,而傳輸供應通道9 本紐尺度 --~~ --— 5 10 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製發明說明（〇係用以將從燃料電池8妣 i〇。燃燒…燒用剩Γ二剩的氮引導至燃料燃燒器 ^ /，、70用幻的虱與二次燃料以加熱依序經由供應導& 13而提供至儲存台 ^ ^ ^ ^ lV _ ^ Q 12之熱傳輸媒；丨，從而提供熱以釋放儲存氫。—旦來自熱傳輸媒介之熱已被傳送至鼠儲存台，孰傳輪媒介石祕*抑 · 媒；丨就會經由傳回導管14而返回至燃燒裔10。氣传以炎白卜來自機料電池8之用剩的氫為媒介而被k供至燃燒器1()，而儲由供靡_ 储存於槽17中之二次燃料係經 d導/18、而被傳送至燃燒器。此系統亦包含-條排 & ，用以釋放使用過的燃燒器氣體。此系統更包含 Γ條氮氣供應通道u，_將來自氫氣赫單元12之氫氡引導至燃料電池8。二次燃料可以是任何可輕易獲得燃料。舉例而言，這種燃料係為汽油油天然軋，等。較佳的燃料是丙烧方法係以液態形式儲存。燃燒器1〇 .......... :、料以產生所需要的熱以釋放氫之裝置。舉例而言，燃舞 -包a火焰型燃燒器、内燃機、觸媒燃燒器等。較佳的舞燒器是觸媒燃燒器。此種觸媒燃燒器可以是一個分離； 2 —或可忐與儲存台結合，用以更有效的使用燃燒之熱。 - 口之σ人可/主思到將僅需要兩加余的丙烧就可釋方以典型之氫驅動式燃料電池車輛航行3〇〇哩所需要之所# 儲存氫。這使車輛成為排氣非常少的車輛。、雖然本系統之具體說明包含二次燃料以及燃燒二次为料以產生熱以從其儲存台釋放儲存氫之裝置，但亦可單本紙張尺度適用中咖冢標準（CNS)A4磁2 7 = (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

廉價且容易儲存的燃料油、丙燒、柴而儲存丙烷之較佳是任何利用二次 15 20 91. 3. 2,000 533262 五發明說明（ 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 他可仔到廢熱之能源，或與二次燃料結合使用。其 ::可包a · 1)來自與電性加熱元件連結在一起之電池 2)用燃料電池加熱廢水以將其轉換成蒸氣；以及 :車輛之制動(例如來自制動來令片或再生制動)所釋放之熱/能量。 ^ ’本發月之儲存台有用的合金包含大於大約90個重置百分比的鎂，並包含至少—種改良元素。至少-改良元素建立了鎮基合金，其在不損失動能或儲存容量的情況 /、有至v 650循ί哀之循環壽命。這些材料更好是具有至广1000循％之循環哥命，而最好是具有至少π⑼循環之循命。合金能夠儲存至少6個重量百分比的氮。變化，金更好是能夠儲存至少65個重量百分比的氫，而最好疋儲存至；7個重量百分比的氫。合金亦能夠於3〇〇。〇未滿1〇分鐘吸收至少氫之整個儲存容量之80%，更好是未滿5分鐘，而最好是未滿15分鐘。改良元素主要包含鎳與Mm(飾鑭合金），並亦可包含例如鋁、纪⑽㈣與矽之額外元素，以及例如碳與硼（輕量、吸收氫、並改變局部活性環境）之改良元素。硼允許改變可獲得之電子數以形成混合式的氫儲存部位之兩種電子之採納。混合式的氫儲存部位就是氫被一些電子所包圍之地點，而非正常的曰曰格儲存部位。因此，合金一般將包含〇 5_2 5個重量百分比的鎳，與大約LO-4.〇個重量百分比的Mm(主要包含鈽、鑭、與镨）。合金亦可包含一種或以上之3-7個重量百分比的鋁，0.1_1.5個重量百分比的釔，以及〇 3-1 5個 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度過用甲國國豕4示準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 91. 3. 2,000

重量百分比的矽。。例子具有指定FC-86之變化鎂合金會被製成，其乃具有下述成分·· 95個重量百分比的鎂，2個重量百分比的鎳， 5以及3·0個重量百分比的Mm。個別的原合金元素係混合於小工具箱（glove box)中。混合物係被置於石墨坩堝中，而坩堝係被置於爐中。坩堝於其底部具有2〇毫米之氮化硼開口，其係被可移除的氮化硼桿所填塞。爐被抽氣而降至非常低壓，並以氬氣洗淨三次。在爐内之氬氣壓力會提 10高至1 Psi，並在將坩堝加熱至75(TC時維持於此種壓力。一旦準備好要融化後，氮化硼桿會升高且氬氣會被注入至處於壓力下的爐中。溶融之合金會經由氮化硼開口而從石墨坩堝當中流出，並流至非水冷式、水平旋轉之鋼輪之上。以大約1400 rpm旋轉之輪子，使熔融之合金凝固成為微 15粒，接著，微粒會彈跳脫離覆蓋旋轉輪之水冷式鋼蓋，並落入不銹鋼盤中，而於該處逐漸冷卻。5克的固化合金薄片係與100毫克之石墨助磨劑混合。混合物受到機械研磨持續3小時。然後，藉由過濾將研磨合金予以分類，以回收具有微粒尺寸在30與65微米之間的材料。合金具有大 20約7個重量百分比的氫之儲存容量，並在2·3分鐘以内以大約275°C之溫度吸收最大容量之80 % (且可以在} 5分鐘以内以較高溫度吸收80%)。以下將提供合金特性之二他細節。八在高儲存容量與優越的吸收/解吸動能之合金組人 91. 3. 2,〇〇〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部.智慧財產局員工消費合作社印製 21 533262 A7 五、發明說明（/ ) 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 ^本發明之合金是唯—的。本案發明人已發現到合金成 =儲存材料之微粒尺寸兩者的組合對於動能具有顯著二s亦即’本案發明人已發現到材料（不管具體的成 :為何)之動能，係可因微粒尺寸之減少(亦即增進表面狀 μ而传到改善。又，將碳微粒包含在材料之表面上會增進表面狀k可藉由機械式地使本發明之粉末合金材料 ’、厌材料犯σ成合金而達成。因此，合金可經由快速硬化而製成’錢，額外表面狀態可藉由機械研磨及/或混合成合金而增進。具體言之，本案發明人已發現到具有微粒尺寸在大約3G與7G微米之間的材料是最有用的。此種微粒尺寸提供優越的動能，同時仍然能夠被製造出。吾人應特別注意到本發明之合金的動能與容量並未隨著循環而降低。這可從圖4中看出’其乃為本發明之合金材料於3GGt下持續循環5G(以符號▲表示），循環65〇(以符號•表示）與循環2054(以符號♦表示）時，儲存氫對時間之吸收曲線圖。如圖4所示，本發明之合金材料實際上於循環2054具有如同它們於循環5〇時相同的氫儲存容量與吸收動能。當於2054循環結束本測試時’所有因素都表示出在不損失容量或動能的情況下，本合金可容易地達成至少5000循環或大於5000循環之循環壽命。圖5係為FC-86合金之吸收動能之曲線圖。具體言之，其繪製出3種溫度23(TC(◊符號）、24(rc(〇符號/ 與275°C(*符號）之重量百分比的氫吸收對時間的曲線圖。如可看見的，合金於230 C以5.2分鐘吸收其總容量之

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533262 A7 五、發明說明（yj 5 10 /〇’合金於300°C以2.4分鐘吸收其總容量之80 %，而合金於325°C以2.3分鐘吸收其總容量之8〇 %。圖6係為本發明之具有兩個不同微粒尺寸之合金材料粉末之吸收動能的曲線圖。具體言之，其繪製出具有75_ 250微米（〇符號），與32_63微米（◊符號）之範圍的微粒尺寸之材料的重量百分比的氫吸收對時間的曲線圖。如可看見的’較小的微粒尺寸會大幅地提高吸收動能。形成上述例子中之粉末的方法係為快速硬化接著研磨’但亦可使用氣體喷霧。當研磨材料時，使用磨碎機係為研磨之較佳方法。在研磨這些合金時，特別有用的方法是添加例如碳之研磨劑。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 本發明包含一個用以將氫儲存於容器或槽内之金屬氮化物虱儲存裝置。在本發明之一個實施例中，儲存裝置包含實體上接合至支持裝置之先前說明的氫儲存合金材料。一般而言，支持裝置可以採用任何形式之可固定儲存合金材料的構造。支持裝置之例子包含但並未受限於網、格、鎮鋼（matte)、箱，泡沫與平板。每個都可能以金屬或非金屬存在。支持裝置可能由具有適當熱力學特徵之多種材料所形成’而此熱力學特徵可提供所需要熱傳遞之機構。這些包含金屬與非金屬兩者。較佳的金屬包含那些來自由鎳'1呂、鋼、鐵與其混合物或合金所組成之群組的金屬。可由金屬形成之支持裝置之例子係包含金屬絲網、延展金屬與泡珠金屬。 23 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱 91. 3. 2,000 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 533262 A7

五、發明說明（>V) 氫儲存合金材料實體上係可藉由緊壓及/或燒結製程以接合至支持裝置。合金材料首先轉換成為細微粉末。然後，將粉末緊壓至支持裝置之上。緊壓製程使粉末黏著至支持裝置，並變成支持裝置之整體部分。在緊壓之後，先 5將已充滿合金粉末之支持裝置預熱而後燒結。預熱過程釋放過剩的水分，並阻止合金粉末之氧化。燒結係於高溫下進行，實質上是在包含氫之惰性氣體下進行。此溫度係足夠高以促進合金材料之微粒至微粒之接合，並促進合金材料接合至支持裝置。 1〇支持裝置/合金材料可被封裝在多數不同構造之容器/ 槽之内。圖7顯示支持裝置/合金材料係螺旋纏繞成捲盤之構造。圖8顯示將支持裝置/合金材料裝配在容器中成為複數個堆疊圓盤之變化構造。亦有可能使用其他構造（例如堆疊平板）。 15 緊壓與燒結合金材料至支持裝置之上，係可增加合金材料之封裝密度，藉以改善氫儲存系統之熱力與動力特徵。因為氫被吸收與解吸，所以在支持裝置與合金材料間之緊密接觸，係可增加熱能傳遞至氫儲存合金材料與熱能從氫儲存合金材料傳出之效率。此外，遍及容器内部之支 20持裝置之均勻分佈，係可提供遍及合金材料之儲存台之均勻溫度與熱量分佈。這導致了遍及其整體之氫之吸收與解吸之更均勻之速率，因而建構更有效的能量儲存系統了當在氫儲存台中僅使用合金粉末（不使用支持裝置）時之一項問題，係為由於微粒尺寸縮小所導致的自我緊壓。 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)"" ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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五、發明說明（ ’、即，在反覆之氫化與反氫化循環期間，合金材料在吸收與解吸氫時會膨脹並收縮。吾人已經發現，因為將氮引入至材料晶格並從材料晶格排出之結果，某些合金材料之容積可膨脹並收縮最多25%。因為合金材料之尺寸改變之 5結果，它們會龜裂、遭遇到破裂、並斷裂成更細小與更微小之微粒。在反覆循環之後，細微微粒會自我緊壓，導致低效率的氫傳輸狀況，以及直接對抗儲存容器之壁面之高應力。然而，在吸收與解吸循環期間，用以使合金材料附著 10至支持裝置上之製程，係可保持合金微粒穩固地彼此接合，並接合至支持裝置。再者，支持裝置之緊密封裝在容器内，係可作為一種機械支持部，用以在材料之膨脹、收縮與破裂期間，將合金微粒保持在一定的位置。雖然已經參考較佳具體實例與過程說明本發明，但 15是，吾人應理解到，本發明之具體實例與過程並非意圖限制本發明之範疇。相反地，吾人應理解到，在不背離本發明之精神與範疇下所作的種種修改與變化，理當視為是本發明之等效設計。因此，本發明之範圍應由以下之申請專利範圍所決定。 20 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 91. 3. 2,000 25 533262 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（# ) 【圖式之代號說明】1〜引擎 2〜氫氣儲存部分 3〜引擎廢熱傳遞供應通道 5 4〜回流通道 5〜氫氣供應通道 6〜溫度調整部分 7〜排氣管 8〜燃料電池 10 9〜傳輸供應通道 10〜燃燒器 11〜氫氣供應通道 12〜氫氣儲存單元 13〜供應導管 15 14〜傳回導管 15〜排氣管 17〜槽 18〜供應導管 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 3. 2,000

Claims

533262 六、申請專利範圍 5 10 15 20 1·一種氫驅動式車輛系統，該系統包含·· 燃料電池： ‘ 虱供應裝置，有效地交互連接至該應裝置包含氫儲存台··以及彳,“虱供加熱源，用以從該儲存台釋放儲存氣，由燃燒氫所產生之熱。 …、彝排除心：^二範圍…項所述之氣驅動式車輛系統， ::中該加熱源包含用以將熱提供給該氫儲存台之燃裔，以及供該燃燒器使用之二次燃料。 3.如巾請專利範圍第2項所述之氫驅動式車輛系統，其中該二次燃料係選自於由汽油、燃料油、丙烷、柴油' 或天然氣所組成之群組。卞/ 4·如申請專利範圍第3項所述之氫驅動式車輛系統，其中該二次燃料係為丙烷。 5.如申請專利範圍第2項所述之氫驅動式車輛系統，其中該該燃燒器係選自由火焰型燃燒器、内燃機' 或觸媒燃燒器所組成之群組。、 6·如申請專利範圍第5項所述之氫驅動式車輛系統，其中該燃燒器係為觸媒燃燒器。 7·如申請專利範圍第1項所述之氫驅動式車輛系統，其中該氫儲存台包含氫儲存合金，而其特徵為：該合金具有· a) 至少6個重量百分比之氫儲存容量； b) 吸收動能，以使合金粉末在1〇分鐘内以3〇(rc吸線 I___—__21_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐六、申請專利範圍 10 15 20 收其總容量之8〇% ;以及循環：二容量或動能之任何-個的情況下，至少- 有至少_循^==—，該合金具盆中=::„第7項所述之氫驅動式車輛系統，谷置或動能之任何-個的情況下，該合金且有至少2000循環之循環壽命。 D金具 1〇.如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車輛系統，其中該氫儲存合# 、的微粒尺寸之粉末所形成。間 U·如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車辆系統’其中該合金包含至少9〇個重量百分比的鎂。、 12.如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車輛系統’其中該合金具有至少65個重量百分比之氫儲存容量。 13·如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車輛系統’其中該合金具有吸收動能，以使合金粉末在5分鐘内以300°C吸收其總容量之80〇/〇。 14·如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車輛系其中該合金具有至少7個重量百分比之氫儲存容量。 15·如申請專利範圍第7項所述之氫驅動式車輛系其中該合金具有吸收動能，以使合金粉末在1·5分鐘 f 線統統 I_____28_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 533262 A8 B8 C8 D8

六、申請專利範圍 ίο 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 内以300°C吸收其總容量之80〇/〇。 16·如申請專利範圍第u項所述之氫驅動式車輛系其中該合金更包含0.5-2.5個重量百分比的鎳。、 17 ·如申哨專利範圍第16項所述之氫驅動式車輛系其中該合金更包含1.0-4.0個重量百分比的鈽鑭合金。 18·如申請專利範圍第17項所述之氫驅動式車輛系其中該鈽鑭合金主要包含飾、鑭與镨。 ' 19·如申請專利範圍第18項所述之氫驅動式車輛系其中該合金更包含選自於由3_7個重量百分比的鋁， 0.1-1.5個重量百分比的釔以及〇 3“ 5個重量百分比的矽所組成之群組之一個或更多個。 20.如申請專利範圍第11項所述之氫驅動式車輛系統’其中該合金包含91.0個重量百分比的鎂' 〇 9個重量百分比的鎳、5.6個重量百分比的鋁、〇 5個重王里日分比的釔以及2.0個重量百分比的鈽鑭合金。 21 ·如申請專利範圍第11項所述之氫驅動式車輛系統’其中該合金包含95.6個重量百分比的鎂、1 6個重量百分比的鎳、0·8個重量百分比的矽以及2·〇個重量百八比的飾鑭合金。 22·如申請專利範圍第η項所述之氫驅動式車輛系統’其中該合金包含95個重量百分比的鎂、2個重量百分比的鎳以及3 ·0個重量百分比的鈽鑭合金。 23·如申請專利範圍第η項所述之氫驅動式車柄系統，其中該合金更包含碳與硼之至少一種。統統統統 ---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨訂---------線- 29 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 533262 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 24.如申請專利範圍第11項所述之氫驅動式車輛系統，其中該合金具有原子標度之多孔性（atomic scale porosity) 〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 30 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐）