TW575466B - Hydrogen storage bed system including an integrated thermal management system - Google Patents
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Description
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五、發明說明( 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 【發明領域】 本發明解決麻煩的熱管理問題,其到現在仍具有令人 討厭的氫儲存床系統。革命性的設計包含一種整合式熱管 理系統,其均勻且有效地加熱並冷卻氫儲存合金,這些氫 5儲存合金實際上能夠首次使用最普遍的,最終燃料源的氯 持續下一個千年甚至超過千年。尤其,已說明熱產生器⑽ 如觸媒燃燒器)、冷卻裝置(例如熱交換器)、以及熱分配 系統(例如熱匯流條或與熱分配散熱片結合之熱導管)之整 合。 10【發明背景】 作為燃料之氫具有巨大的能量,且其在被氧化或被燃 燒時,只產生水以作為該次燃燒之產物。氯容易燃燒,其 有,之無污染的燃燒,結合相對容易修改包括内燃機之既 存能源之事實,使得氫對於能量貧瘠的經濟而言變成理想 15的能源。Stanford Ovshinsky及他關於能量轉換裝置(Energy
Conversion Devices)之研究團,已長期將氣之電位值認 定為最終燃料。依據那個認知,已繼續努力發展為了支持 儲存用之裝置(USSN 09/435,497,申請日為1999年u月 6曰)’ m包含為了支持氫經濟之基礎結構的氫之運送 20裝置(USSN 09/444,810,申請曰為1999年^月22日)。 雖然氫為最終燃料,但其儲存與運送仍出現困難。在 液態時,氫會由於蒸發作用而遭受到嚴重的損失;此外在 壓縮與冷;東以獲得液態氫上存在有初始高能量成本。在氣 先、時’為了探討經濟上的儲存容量,氫必須被壓縮, --------------裝— (锖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Αδτ· .#· 91· 1. 3,000 3 575466 A7 B7 五、發明說明(> f縮氣體的容器需要本身必須是重的且屬於堅固構造之厚 牆壁圍起的容器。如上所應注意到的,Ovshinsky團隊 :透過下述開發來處理這些需求··氫儲存合金之開發;且 有向儲存容量的氫以及於相對低的溫度下高速率的充電盘 放電氫之金屬與金屬合金之開發。 手的兄笔/、 每種南容量固體儲存材料(其中氫係儲存在材料之分 子或晶體構造之内)之開發,在氫能量基經濟之内之又成 為另-種相關之不同的考量之解決方法。那是供搞帶式使 f ’特別是供攜帶式原原動力需要之可靠、可重複的小量 氫之儲存與釋放。關於這些應用,必須能確實且有效地完 二填充與釋放儲存材料,其係為在板上以運轉之原動機功 率源’其可能是氫燃燒引擎,氫燃料單元運轉電氣馬達, 15 20 或j他消耗氫之原動機系統。與這些需求有關連的係為確 保這種系統與其容器能忍受與原動機的運送相關的固定振 動之需求。如以前由0vshinsky團隊‘說明的,金屬氫化 物材料近來變成固態氫儲存裝置之一般興趣之焦點,通常 是在運送應用方面關於可靠的需求上或如需求之儲存與分 配氳給原動機功率能源。 原動力之能量產生係為影響麻煩的”溫室氣體”之大量 與正在成長部分,而溫室氣體係以巨大容積固定增加至地 球之大氣環境中。關於這些,以較大容積產生之二氧化碳 在這些溫室氣體中是尤其麻煩的,僅僅因為其乃以相當大 量容積產生而成為碳基燃料以及一氧化碳之燃燒產物,另 .種溫至氣體在呼吸期間傳送有毒性之額外負擔。使用氫 91. 1. 3,00( 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 575466 A7 五、發明說明( 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 作為燃料僅僅消除碳氧化物之產物,並僅產生水以作為其 燃燒之產物。以氫來置換汽油、液化石油天然氣(LPG)、 醇類、燃料油或其他碳基燃料(尤其在原動機燃料應用 中),將提供產物之大幅減少、這種地球暖化之解除、以 及有毒材料之釋放。 如前述’810申請案所注意到的,謹慎的氫儲存材料之 熱管理對於氫化與反氫化之可靠循環、或金屬氫化物或其 T儲存材料之填充與釋放而言是相當重要的。發明人現在 提供一種在填充或再供給燃料期間用以控制釋放熱之裝 置,以及一種在釋放或使用來自板上儲存容器或氫儲存材 料之床台之燃料期間產生與控制熱量施加之裝置。這些發 明人已經發展並於現在揭露出用以視需要(使用於功率產 生之轉移及在充填站之氣體槽之再供給燃料),而選擇性 或平均地加熱或冷卻儲存床之裝置。這種係由加熱與冷卻 裝置之設計或其組合所達成,以在儲存㈣之床台(盘在 儲存床中用以傳輸熱或冷卻載量至遠端區域之裝置連接) 内進行。亦要考量的是,下述發明之—部份料儲存容器 内部與大氣環境之熱絕緣,以韻能依據需要實施熱管 理,以使任何制這健㈣存床運作之原動機車輛能平 〇 20 順運作 此外,本發明之儲存容器大小可能通常是 =中它:亦可藉由添加多重的有用尺寸之容器而』 系統中。有效地,本案發明人於此已經發展,並於 、任何用途、形狀或尺寸之原動機車輛提供氫燃料運送與 私紙爾遘用中_標準(CNS)A4 χ挪公爱_ 91. 1. ------------裝 i I (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 575466 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明說明(4 儲存容量,這些車輛包含但是並未受限於轎車、卡車、火 車、飛機與船舶。應用氫燃料以移動這些車輛,將是朝向 重大且有料減少目前及有肖毀滅性地發生的地球暖化現 象之一大進步。 5 【發明之概述】 本發明包含一種氫儲存床系統,其包含壓力容器,配 置在壓力容器之内的氫儲存合金,以及整體配置在壓力容 益之内的整合式熱管理系統。整合式熱管理系統包含熱產 生裝置’冷卻裝置’與熱分配裝置。 熱產生裝置是一個或更多的電氣加熱元件與觸媒燃燒 器,後者是較佳選項。觸媒燃燒器係設計成燃燒一個或更 多的氫、汽油、燃料油、丙烷、柴油或天然氣,丙烷與氫 是杈佳選項。冷卻裝置包含管式熱交換器,其乃設計成可 利用空氣' 氳、水或有機冷卻劑。空氣、氮與水係較佳的 Μ冷卻劑。熱產生裝置與冷卻裝置可被^入成設計成加熱與 冷卻之單一機組。 熱分配裝置可包含熱連接至該熱產生裝置與該冷卻裝 置之散熱器,以及熱連接至該等散熱器與分散在氮儲存合 金之内之熱分配散熱片。熱分配散熱片與散熱器係由選自 2〇於由由導熱石墨、不銹鋼、鎂與鎂合金所組成之 料所形成。或者,熱分配裝置可包含熱連接至該熱產生裳 置以及取代散熱器之该冷卻裝置兩者之複數個熱導管。熱 分配散熱片係熱連接至熱導管與分散在氩儲存金之内y 又,熱分配散熱片係由選自於由導熱的石墨'不銹鋼、鎂 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
91· 1. 3,000 575466 A7 五、發明說明(5 ) "-- 與鎂合金所組成的群組之材料所形成。 ________I I —^1 ^ · I I (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 氫儲存合金係選自於由T-Zr基合金與鎂基合金所组 成^群組。較佳的高容量錢基儲存合金包含大於大約90 重!百分比的鎮,並包含至少一種改良元素。至少一種改 5良=素創造了一種鎂基合金,這種鎂基合金能儲存至少7 重I百分比的氫,並能在15分之内與3〇〇χ:之下吸收氫 之總儲存容量的80%。改良元素主要包含錄與猛(美飾合 金或鈽鋼合金),亦可包含例如紹、纪⑺與石夕之額外元素。 因此,每些合金通常將包含0·5-2·5重量百分比的鎳,與 約1.0 4.0重1百分比的猛(主要包含鈽、鑭、與镨)。 此合金亦可包含一個或一個以上的3-7重量百分比的鋁、 〇·1 1.5重量百分比的釔、與on 5重量百分比的矽。氮 儲存合金係以粉末片狀元件或其混合物之型式存在,以後 者為較佳選項。 15 壓力容器係由選自由不銹鋼或纖維強化聚合物所組成 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 之群組之一種或更多材料所形成。較佳的壓力容器是為一 種多層構造,例如三層構造,其包含:U内層,由輕量材 料所形成’其不會與氫與該儲存合金產生反應,並且可以 耐得住系統之操作溫度;2)中間層,由輕量絕緣材料所形 2〇成;以及3)外層,由容忍儲存床系統之操作壓力之纖維 強化聚合物所形成。 氫儲存床系統亦可包含熱電偶配置遍及氫儲存合金之 内部’以藉由觀察在合金之釋放區域之溫度峰值,確定系 統之填充狀態。 ___ 7 I紙張尺度拓國國家^^人4規格⑽x 297公爱)-1ΓΓ7 575466 A7
訂
575466 A7 五、發明說明(7 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 圖8b係為圖8a之第五實施例之氫儲存床系統的橫剖 面圖之概要描述; 圖9a係為本發明第六實施例之包含不同構造的熱導 官之氫儲存床系統的縱剖面圖之概要描述;以及 圖9b係為圖9a之第六實施例之氫儲存床系統的橫剖 面圖之概要描述。 【發明之詳細說明】 本發明包含具有整合式熱產生與熱交換之固態、金屬 氮化物之氫儲存床系統。本儲存系統包含儲存合金,其吸 附並釋出儲存的氫,其在後來是使用在例如動力驅動汽車 之應用上。本儲存床系統包含一個或更多個整合式熱產生 裝置以提供所需的熱,用以從氫儲存合金釋放儲存氫。熱 產生裝置亦與冷卻系統合而為一,其在以氫填充儲存合金 時’移除氫化物組成物之熱。此系統亦包含熱分配裝置, 用以在遠離加熱/冷卻裝置之系統内的位置之間傳送熱。 本發明設置熱分配裝置以平均地供應/移除來自系統之 熱,從而使整個系統全部維持均勻溫度。於此將探討關於 以下具體實施例之本發明之細節。 圖1係為本發明之一個實施例之氫儲存床系統ι的橫 剖面圖之概要描述。系統丨包含壓力容器2,而氳儲存合 金3容納在壓力容器2之内。整合式熱管理系統包含熱產 生裝置4與冷卻裝置5。如於此所使用的,‘‘加熱裝置”與 熱產生裝置一詞係被交替使用,並必須指出原處之熱產 生裝置。加熱與冷卻裝置係與熱分配系統產生緊密的熱接
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
91. 1. 3,000 575466 經 濟 部 智 慧 財 產 局 貝 工 消 费 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明(X ) 觸,此熱分配系統包含一個散熱器6與複數個配置的熱分 配散熱片7。在把氫填充進入氫儲存合金3期間,由儲存 合金3中之氫化物組成物所產生的熱會被傳送至分配散熱 片7,接著被傳送至散熱器6,最後被傳送至冷卻裝置5。 5在從儲存合金3釋放氫期間,熱係在加熱裝置4中產生, 被傳送至散熱器6,又被傳送至分配散熱片7,最後被傳 送至儲存合金3,於此使用熱以釋放氫。 在儲存床系統1之操作溫度下,壓力容器2可由任何 材料或容忍氫之平衡壓力之材料所形成。這些材料亦必須 ω是不會與儲存氫與氫儲存合金3產生反應,且必須耐得^ 系統之一般操作溫度。這些材料亦不允許氫擴散通過其 中,並且在容器之壽命期間不會受到氫脆。當然,溫度盥 壓力將取決於所使用之特定儲存合金3。一 ^ 而言’麼力之範圍可高達2〇巴’而溫度之範“二金。 [5 C °供壓力容@ 2用的-般結構材料可包含例如不錄鋼之 金屬。壓力容器2亦可藉由建構用絕緣材料做材料之容 器,或藉由使例如金屬之導熱材料之外部或内部絕緣而製 成熱絕緣的。壓力容器2是否受到絕緣將取決於是否採用 經由壓力容器之外部加熱與冷卻。如果存在有外部加録 。冷卻,則使壓力容器2絕緣將使其目的受挫。壓力容= Γ由例如碳纖維強化環氧材料等之纖維強化聚合材料所 構成,單獨或與其他材料相關聯(亦即, 維強化聚合物與多層結構材料之優點係為重量方)面 的節省。圖2說明依據本發明之具有-個多層壓力容器2、 _ 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSM4規格(210 X 297公笼f 91. 1. 3, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
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五、發明說明( 經濟部智慧財產局貝工消t合作社印製 一個氫輸入/輸出口 14與複數個加熱/冷卻口 13之儲存床 系統1的外部視圖。圖2之插圖顯示壓力容器2之多層構 造。内層10係由一種輕量材料所形成,其不會與氫^儲 存合金3產生反應,並且可以耐得住系統之操作溫度。中 5間層11係為一種輕量絕緣材料,其被清楚設計成能使從 儲存床系統至環境的熱損失最小化。最後,外層係為一種 月匕谷忍儲存床系統之操作壓力之纖維強化聚合物。 任何能安全並有效地儲存和釋放氫之合金,都可能被 使用作為本發明之儲存系統丨中的氫儲存合金3。特別有 用的是例如鈦-鍅基Ah之室溫氫儲存合金與高容量鎂基 儲存合金之合金。更有用的是完全說明於共同審理中的美 國專利申請案號09/435,497中之高容量、高動力之儲存 合金,此申請案名稱為”促使氫基生態系統之高儲存容量合金(High Storage Capacity Alloys Enabling a Hydrogen- 15 based Ecosystem)’’,申請日為1999年11月6曰,發明人 為Ovshinsky等人(‘497申請案”)。一般而言,高容量的 鎮基儲存合金包含大於大約90重量百分比的鎂,並包含 至少一種改良元素。至少一種改良元素創造了一種鎂基合 金’运種鎮基合金能儲存至少7重量百分比的氫,並能在 20 15分之内與3〇〇°C之下吸收氫之總儲存容量的80%。改 良元素主要包含鎳與猛(Mm)(美鈽合金或鈽鑭合金),亦可 包含例如鋁、釔(Y)與矽之額外元素。因此,這些合金通 常將包含0.5-2.5重量百分比的鎳,與大約i〇_4〇重量百 分比的錳(主要包含鈽(Ce)、鑭(La)、與镨(ρΓ))。此合金亦 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公* ) 91. 1. 3,000 575466 A7
五、發明說明(10 ) 可包含一個或一個以上的3-7重量百分比的鋁、〇1_15 重量百分比的釔、與0.3-1.5重量百分比的石夕。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 儲存合金3可以以粉末之型式被使用於儲存系統ι 中,或者可被做成球狀,如以下資料所說明的:美國申請 5序號09/634,678(名稱為”以球狀形式安全、經濟的運送氫 (Safe, Economical Transport of Hydrogen in Pelletized Fonn)”,申請曰為2000年8月8曰,發明人為〇vshinsky 等人)。在某些情況下,雖然粉末材料之使用可幫助將粉 末裝入此系統中。然而,粉末是難以處理的且使用上是^ 1〇險的,因此在某些實例中,以球狀儲存合金裝載系統ι將 是有利的。此外,在只使用粉末時,時常難以獲得儲存床 系統1中之儲存合金3之足夠高的封裝密度。因此,以粉 末和片狀之混合物之型式將儲存合金3裝入儲存床系統^ 中可能是有用的。 ’ 15 在釋放儲存於這些前述的氫儲存‘金3中的氫期間, 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 需要熱以從合金釋放氫。一般而言,有一些方式可提供迻 種熱。舉例而言,當氫欲被提供至内燃機時,熱可來自弓j 擎本身之廢氣。然而,本發明係被設計成在可在獲得少許 的外部熱或沒有外部熱時(例如在氫欲被提供至燃料電池 20時)被使用。因此,需要另一個熱源。 熱產生裝置4提供釋放儲存氫所需要的熱。熱產生裝 置4可以是任何用以就地產生從儲存合金3釋放氫所需^ 的熱之裝置。具體言之,熱產生裝置可包含電氣加熱元=、 觸媒燃燒器。觸媒燃燒器與催化燃燒過程係為習知技術所 91. 1. 3,000 12 575466 A7 B7 五、發明說明(丨丨 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 熟知的,且其係為熱產生之較佳裝置。觸媒燃燒器本質上 係藉由化學地結合燃料(例如氮或石炭氣化合物)與以催化劑 之形式存在的氧化劑(例如氧或空氣)而運作,燃料與氧化 劑會在運作時產生反應以形成燃燒產物與熱。然後,這些 熱係直接或間接傳送至外界環境(在本發明的情況下, 氫儲存合金)。 觸媒燃燒器提供一個内部熱源,用以加熱本發明之氫 儲存合金3。一般的觸媒燃燒器包含一個非多孔容室,其 並不允許氧、氫或在燃燒器與金屬氫化物材料或其他熱傳 遞裝置内部之間的燃燒產物之流動。較佳是,此容室係由 非多孔性之導熱材料所形成。催化劑係儲藏在容室之内。 一般而s,催化劑係為一種可降低燃燒反應之活化能的觸 媒。燃料係與壓縮空氣或氧一起傳送進入並通過燃燒器。 催化劑促使燃料與氧(或空氣中的氧)之間起化學反應。由 催化燃燒所產生的熱,係用以將儲存系統t之氫儲存合金 加熱達到使氫化物材料釋出氫之溫度。於此時點,由燃燒 器所產生的熱會完成兩件事··(1)其維持金屬氳化物儲存 材料之溫度(亦即,從材料當中補償熱傳遞);以及(2)提供 從氫儲存合金解吸氫之熱。 雖然氫本身可被燃燒或催化燃燒以提供需要的熱以釋 放儲存氫,但這會減少用以動力驅動其他裝置(例如燃料 電池)之可獲得的可用的氫,從而增加需要供應固定質量 的氫之儲存床之重量與容積。例如,在一般的燃料電池車 輛中’某些儲存氫可能需要提供需要釋放所有的儲存氫並 !11! i i I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂: 91. 1. 3,000 A7五、發明說明( !> B7 加熱周圍元件(亦即,嗖 地,必須使可得到的氣之這種損傳失遞最=,等)之熱。顯然 用二次燃料。二次燃料可以是^失取小化。因此,可能使 易儲存之燃料。這樣 易取得,廉價且容 貌、柴油、天然例子係為汽油、燃料油、丙 之較佳方法係以液態形式儲存。:儲存丙燒 釋放所有儲存氫(以一般氫驅㈣之。人可注意到 口田於風15動的燃料電池車輛杆护 所㊉要的量)將僅需要兩個加侖之丙 : 一部具也非常低排氣量之車°使車插變成 執=裝置5移除在氫儲存合金3之填充期間所產 ^、。亦即,在把氫填充至儲存合金3期間,會釋放亦 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 二=之熱)。A 了在填充期間維持適當的操作溫度',、 =和除這些熱。冷卻裝置5 —般係為熱交換器裝置 如流經管或其他封閉空間之冷卻劑。冷卻劑可能任何習知 之冷郃Μ,例如空氣或水。冷卻劑亦可以是氫,如以下資 料所說明的;美时請序號G9/558,827(名稱為”具有最大 化冷卻效率之氫冷卻氫儲存單元(A办心叩如C〇〇ied Hydrogen Storage Unit Having Maximized Cooling Efficiency)",申請曰為2〇〇〇年4月%曰發明人為 Ovshinsky等人),氫變成極好的冷卻媒介。冷卻劑亦可以 是習知技術所使用作為冷卻劑之有機材料之任何一種。用 以形成父換裔之材料將取決於,或者當然取決於所使用之 特定冷卻劑。這些材料必須不會與冷卻劑、氫、與儲存合 金3產生反應’且必須能耐得住系統丨之一般操作溫度。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 91. 1. 3,000 575466 A7 五、發明說明(θ 15 經 濟 部 智 慈 財 產 局 貝 工 消 費 合 作 社 印 製 20 特定材料將是導熱的’並可包含例如不銹鋼或其他導熱材 料之金屬。 在替代實施例中,熱產生裝置4與冷卻裝置5可能合 併成為-個裝置(舉例而言’參見圖6)。藉由將這兩個裝 置合而為-,儲存床系統k整體重量與容積會大幅地減 少。此種組合可以在使用空氣或氫作為冷卻劑媒介時最有 利地產生。此乃因為在此系統之加熱(釋放所需要的)期 間,燃料與空氣兩者會被插入至觸媒燃燒器並起反應以加 熱儲存床純卜或者,在冷卻(在填充時所t要的)期間, 空氣或氫係個別被插入至觸媒燃燒器,而插入的氣體係作 為冷卻劑,藉以移除氫化物組成物之熱。如果使用這個替 代物,則可能需要縮小加熱裝置内部上的催化劑之覆蓋範 圍’用以提高熱傳遞至冷卻劑媒介。 散熱器6係熱連接至熱產生裝置4與冷卻裝置5。散 熱器6係在氫之釋放期間從加熱裝置4至熱分配散熱片7 平均分配熱,並在氫之填充期間接收來自將熱傳送至冷卻 裝置5之熱分配散熱片7的熱。散熱器6與熱分配散熱片 7之組合確保遍及整個儲存床系統^之適當的熱傳遞,亦 保證整個儲存床系統丨儘可能處於均勻的溫度下。散熱器 6與熱分配散熱片7較佳是(但非必定是)由相同材料所形 成。此材料應該儘可能輕量,但必需是能導熱。此材料亦 必須不會與儲存氫或氫儲存合金產生反應,且能耐得住系 統1之一般操作溫度。 散熱器6與複數個熱分配散熱片7較佳是可由例如不
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575466 五 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 A7 、發明說明(# 錢鋼之金屬所形成,而較佳金屬係為鎂或結構鎂合金。鎂 及其合金係導熱的、輕量的、熱與結構穩固的,且通常不 會與儲存氫與儲存合金3產生反應。散熱器6與熱分配散 熱片亦可由導熱石墨所製成。散熱器6係足夠大以作為熱 儲存槽或當熱傳送進出系統1時之熱質。大型儲存槽確保 系充1内之熱係均等地分配遍及糸統主體(亦即,氣儲存 材料與熱分配散熱片7)。散熱器6之形狀係塑造成:能 使所有的熱分配散熱片7可平均地分佈遍及氫儲存合金3 之整個質量。 實例 儲存床系統1係依據圖1之本實施例而製造出。系統 1係包含由不銹鋼所形成之圓柱形壓力容器2,而鎂基氣 儲存合金3係容納在圓柱形壓力容器2之内。Mg合金, 標示為FC-76,具有下述成分:95·6重量百分比的鎂;j 6 重量百分比的鎳;〇·8重量百分比的矽;以及2·〇重量百 分比的經。整合式熱管理系統包含電氣熱產生裝置4與管 式熱父換冷卻裝置5,而空氣與水冷劑兩者係通過其中。 加熱與冷卻裝置係與散熱器6緊密熱接觸,散熱器6係由 純鎂所形成,並並塑造成大致如長方形厚板之形狀,此長 方形厚板係位於圓柱形壓力容器2之内,以使厚板之長户 橫越圓柱之長度,並使厚板之寬度橫越圓柱之直徨。熱$ 配散熱片7係熱裝設至散熱器6。熱分配散熱片7凸出^ 熱器6,並均等地配置遍及氫儲存合金3之大部分。熱八 配散熱片7係由純鎂所形成,並被塑造成如長方形板之= 16 Κ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)
3,0〇〇 575466 五、發明說明(β ) 或箱片之熱分配散熱片7係配置於圓柱形壓 力“ 2之内,以使其長度橫越圓柱之長度。 分配散熱片7之—端緣係與與散熱器6熱接觸另一反' 側端緣係與壓力容器2鄰接。 5 Μ公斤的吧76鎮基氫儲存合金粉末3,係以大約 0.6 g/cc之封裝密度(這可藉由密封粉末與片狀元件 : 被壓緊成儲存床系統卜此系統填充有並具有大約85^ 風之儲存容量。如圖3所示,其乃為儲存氫之克數對於時 圖表,空氣與水冷兩者係有效的以=; °為關於二顯:有關空冷之儲存氫對時間’而曲線"、 如所可見到的,兩者冷卻劑都是有效的,但 二二Ϊ許較快的填充,本以少於10分鐘的 時間元成一個填充循環。 15 表。圖I4 ^為在從儲存床釋放氫期間的溫度對時間之圖 _以加熱合金、一_==溫= 熱電偶所測量)。從圖中可清楚地看出,儲存床系統之溫 度係均勻分佈,從而說明出本執管 曲線之末端之溫度增加,係表糸統是有效的。靠近 乏而之上升。 0 係表不系統溫度隨著氫填充之空 別圖5係為本發明之氫儲存床系統1之第二實施例之橫 面描述,似於圖1之系統,本實施例之系統 谷器2’而在壓力容器2之内包含有氮儲存合 金。本系統之整合式熱管理包含七種加熱裝置4與七種 I I / 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21G x 297公楚) 91. 1· 3,0( 閲 575466 A7 B7 五、發明說明(丨 15 經 部 智 慧 財 產 局 貝 工 消 费 合 作 社 印 製 20 冷卻裝置5(其可被整合成雙重目的之加熱與冷卻裝置 加熱與冷卻裝置係與熱分配系統呈現緊密熱接觸,而熱分 配系統包含三個散熱器6與平均分佈之熱分配散熱片7。 於此系統中,三個散熱器6係均等地隔開遍及壓力容器2, 而某些熱分配散熱片7之配置係使對向端緣與兩個散熱器 6呈現熱接觸。 圖6係為本發明之氫儲存床系統1之第三實施例之橫 剖面圖之概要描述。系統i包含圓柱形壓力容器2,而壓 力容器2之内包含有氫儲存合金3。整合式熱管理系統包 含組合式加熱/冷卻裝置8,其係為配置在圓柱形壓力容 裔2内之中空盤繞螺旋形線圈,其中中空盤繞螺旋形線圈 之中心軸線係與圓柱形壓力容器2之中心軸線一致。中空 盤繞螺旋形線圈之内部係塗佈有催化材料以形成觸媒燃燒 器。因此’中空盤繞螺旋形線圈之内部在燃料與氧化劑通 過其中時係作為加熱器,而在冷卻劑反體(例如空氣或氫) 通過其中時係作為冷卻器。 吾人應注意到,因為中空盤繞螺旋形線圈係與氫儲存 合金3呈現緊密熱接觸,並高度分佈遍及氫儲存合金3, 所以亚不需要額外熱分配元件,例如散熱器與熱分配散熱 片。然而,如果發現熱並非平均地分佈在系統丨之内,則 這些熱分配元件可能視需要而增加。 圖7係為本發明之氫儲存床系統1之第四實施例之剖 面圖之概要描述。系統丨包含壓力容器2,而在壓力容器 2之内包含有氫儲存合金3。壓力容器具有長方形的或正
--------------裝--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂: 575466 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 —----- R7 五、發明說明(β ) 2 t/n»]面’並可具有延長轴線或更多立方體形狀。氫儲存 -金3係以複數層之方式配置於壓力容器,而在這些層之 間係配置有包含組合式加熱/冷卻裝置8之整合式熱管理 系統。組合式加熱/冷卻裝置8係為配置於氫儲存合金3 5之複數層之間之中空板。中空板之内部係塗佈有催化材料 以形成觸媒燃燒器。因此,中空板之内部在燃料與氧化劑 it過其中時係作為加熱器,而在冷卻劑氣體(例如空氣或 氫)通過其中時係作為冷卻器。吾人應注意到,因為中空 板係與氳儲存合金3呈現緊密熱接觸,並高度分佈遍及氮 =子δ金3所以並不需要額外熱分配元件,例如散熱器 與熱分配散熱片。然而,如果發現熱並非平均地分佈在系 統1之内,則這些熱分配元件可能視需要而增加。 圖8a係為本發明之氫儲存床系統1之第五實施例之 縱剖面圖之概要描述。系統丨包含圓柱形壓力容器2,而 15在壓力容器2之内包含有氫儲存合金3。整合式熱管理系 統包含至少一個組合式加熱/冷卻裝置8,其乃為配置在 圓柱形壓力容器2内之中空盤,其中中空盤之中心軸線係 圓柱开/壓力谷杰2之中心軸線一致。中空盤之内部係塗 佈有催化材料以形成觸媒燃燒器。因此,中空盤之内部在 』1、、料與氧化劑通過其中時係作為加熱器,而在冷卻劑氣體 (例如空乳或氫)通過其中時係作為冷卻器。加熱/冷卻裝 置Μ系與熱分配系統呈現緊密熱接觸,而熱分配系統包^ 熱導管9與分配之熱分配散熱片7。熱導管9之一端係與 組合式加熱/冷卻裝置令空盤8之其中一個圓形表面呈現 lull — — — — — — — — - II -III ϋ H ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂:
I 9L 1. 3,000 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 575466 五、發明說明(θ) 熱接觸。熱導管從組合式加熱/冷卻裝置8沿著圓柱形壓 力容器2之長度之兩方向延伸,以到達圓柱形壓力容器2 之末端。熱分配散熱片7係為平均配置在圓柱形壓力容器 2内之圓柱形盤,並在組合式加熱/冷卻裝置8與圓 5壓力容器2之端緣之間。熱分配散熱片7之中心軸線係與 圓柱形壓力容器2之中心轴線一致。熱分配散熱片7係與 熱導管9呈現熱接觸,並軸向延伸至圓柱形壓力容器2之 内壁。 圖8b係為圖8a之第五實施例之氫儲存床系統i的橫 ⑴剖面圖之概要描述。此圖顯示出圓柱形壓力容器2與氫儲 存a金3在系統1内的配置。此圖詳細顯示出複數條熱導 管9配置在系統i内之方式,以及熱導管9如何沿著圓柱 形壓力容器2之長度方向延伸。 熱導管係為一種利用蒸發與凝結循環,用以利用最小 μ溫降從溫度高的或熱輸入區域傳送熱i其冷的或熱輸出區 域之裝置。一種型式之熱導管包含封閉容器,而一層以可 瘵發液體滲透並從熱輸入區域延伸至其熱輸出區域之毛細 管材料係容納在此封閉容器之内。添加於容器之熱輸入區 域之熱,會使被供應至該處之液體蒸發。蒸汽會行進至容 2〇器之熱輸出區域,於此處蒸汽會凝結。凝結的液體係藉2 =細管材料中之毛細管作用而回到熱輸入區域。吾人^注 意到,雖然在本發明之具體實施例所說明之熱導管係=管 道形狀,但是現代化的熱導管技術允許在形成熱導管時I 用近乎任何中空形狀,從而亦可能使用其他有用之形狀。 本紙張尺度適標準㈣似4規格x撕公爱) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
91. 1. 3, 575466 A7 B7 五、發明說明(丨1 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 圖9a係為本發明之氫儲存床系統1之第六實施例之 縱剖面圖之概要描述。系統1包含圓柱形壓力容器2,而 在壓力容器2之内包含有氳儲存合金3。整合式熱管理系 統包含至少一個組合式加熱/冷卻裝置8,其係為中空長 方形板,配置在圓柱形壓力容器2之内,以使中空長方形 板之長度橫越圓柱之長度,並使中空長方形板之寬度橫越 圓柱之直徑。加熱/冷卻裝置8係與包含熱導管9與分配 之熱分配散熱片7之熱分配系統呈現緊密熱接觸。熱導管 9之一端係與組合式加熱/冷卻裝置中空板8之其中一個 大型長方形表面呈現熱接觸。熱導管以大致垂直方向從與 加熱/冷卻裝置8之熱接觸部向外延伸,從組合式加熱/冷 部裝置中空板8之大型長方形表面至圓柱形壓力容器2之 牆J。熱分配散熱片7係為長方形板或箔片,其乃配置在 圓柱形壓力容器2之内,以使其長度橫越圓柱之長度。長 方形板或箔片係配置在圓柱形壓力容器2之内,大致平行 於加熱/冷卻裝置中空板8,而長方形板或箔片之長度橫 越圓柱之長度,且厚板之寬度從圓柱内壁上之一點橫越至 圓柱内壁上之另一點。熱分配散熱片7係與熱導管9呈現 熱接觸。 圖91)係為圖9a之氫儲存床系統!之第六實施例之橫 剖面圖之概要描述。此圖顯示在系統丨内之圓柱形壓力容 為2與氫儲存合金3之配置。此圖詳細顯示出熱導管$配 置在系統1之内之方式,並顯示出熱導管9是如何沿著圓 柱形壓力容ϋ 2之直徑寬度延伸以及熱分配散熱片7之配 -I · I I (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
_______ 21 本紙張尺&適_則關*標準(CNS)A4規格⑵Q χ 297公g) 91· 1. 3,01 575466 A7 ...........-...... - B7 _ 五、發明說明(') 置。 吾人應注意到本發明之複數個儲存床系統可在較大容 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 益中被綑綁在一起。此種容器可能是絕緣的,並可提供儲 存床系統之外部加熱與冷卻。此容器亦可以是壓力容器。 5此外,在儲存床系統之内可置放熱電偶以監視遍及系統之 不同口P刀之/皿度,從而藉由量不同位置之溫度尖峰而可確 定燃料之體積。 取後,本發明之氫儲存床系統i可包含氫氣分配系 統,以提高儲存合金之氫化/反氫化之速度。此分配系統 10通常包含分配歧管與一個或更多的可透氫氣分配管,其乃 配置遍及氫儲存合金。 雖然已經結合較佳實施例與程序說明本發明,但是吾 人應理解到其並非意圖將本發明限制成所說明之實施例與 程序反之’其思圖涵盍可能包含在由以下附加之申請專 15利範圍所定義之本發明之精神與範疇i内之所有替代物, 變形例與等效設計。 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 適 度 尺 張 紙 本 釐 公 97 2 X 10 (2 格 規 A4 S) N (C 準 標 家 91 575466 A7 B7 五、發明說明(>1 ) 【圖式之代號說明】 1〜氫儲存床系統 3〜氫儲存合金 5〜冷卻裝置 5 7〜分配散熱片 9〜熱導管 11〜中間層 14〜氫輸入/輸出口 2〜壓力容器 4〜加熱裝置 6〜散熱器 8〜加熱/冷卻裝置 10〜内層 13〜加熱/冷卻口 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) i裝
經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 91. 1. 3,000
Claims (1)
- 575466Α8 Β8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 * ~種』L能存本灰統,包含: 壓力容器; 氫儲存合金,配置在該壓力容器之内;以及 整合式熱管理系統,整體配置在該壓力容器之内,名 5 壓力容器包含: 熱產生裝置; 冷卻裝置;以及 熱分配裝置。 2·如申請專利範圍第1項所述之氫儲存床系統,其中 1〇該熱產生裝置係選自於由電氣加熱元件與觸媒燃燒器所組 成的群組。 3.如申請專利範圍第2項所述之氫儲存床系統,其中 該熱產生裝置係為一個或更多個觸媒燃燒器。 4·如申請專利範圍第3項所述之氫儲存床系統,其中 15該等觸媒燃燒器係被設計成能燃燒選ΐ於由氫 '汽油、燃 料油、丙烷、柴油以及天然氣所組成的群組之至少一種燃 料。 5·如申請專利範圍第4項所述之氫儲存床系統,其中 該等觸媒燃燒器係被設計成能燃燒丙烷。 2〇 6·如申請專利範圍第1項所述之氫儲存床系統,其中 該冷卻裝置包含一個管式熱交換器。 7.如申請專利範圍第6項所述之氫儲存床系統,其中 該管式熱交換器係被設計成能利用選自於由空氣、氫、水 以及有機冷卻劑所組成的群組之至少一種冷卻劑。 24 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ί線_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 90. 11. 2,000 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 575466 gl___ 六、申請專利範圍 8·如申請專利範圍第7項所述之氫儲存床系統,其中 該管式熱交換器係被設計成能利用空氣以作為冷卻劑。 9 ·如申請專利範圍第7項所述之氫儲存床系統,其中 該管式熱交換器係被設計成能利用氫以作為冷卻劑。 5 如申請專利範圍第7項所述之氫儲存床系統,其 中該管式熱交換器係被設計成能利用水以作為冷卻劑。 11·如申請專利範圍第1項所述之氫儲存床系統,其 中該熱產生裝置與該冷卻裝置係合併成單一機組,此單一 機組係被設計成能催化燃燒丙烧或氫並利用空氣或氫以作 為冷卻劑。 12.如申請專利範圍第丨項所述之氫儲存床系統,其 中該熱分配裝置包含熱連接至該熱產生裝置與該冷卻裝置 兩者之複數個散熱器。 13·如申請專利範圍第12項所述之氫儲存床系統,其 15中該熱分配裝置更包含熱連接至該等散熱器並分散在該氫 儲存合金之内的複數個熱分配散熱片。 14·如申請專利範圍第13項所述之氫儲存床系統,其 中《亥等熱为配散熱片與該等散熱器係由選自於由導熱的石 墨、不銹鋼、鎂與鎂合金所組成的群組之材料所形成。 20 15·如申睛專利範圍帛1項所述之氫儲存床系統,其 _該熱分配裝置包含熱連接至該熱產生裝置與該冷卻裝置 兩者之複數個熱導管。 16·如申请專利範圍第15項所述之氮儲存床系統,其 中該熱分配裝置更包含熱連接至該等熱導管並分散在該氫 25 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇7^八整X---- A 屋) 90. 11. 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂^-----線一 575466 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 儲存合金之内的複數個熱分配散熱片。 Π·如申請專利範圍第16項所述之氫儲存床系統,其 中該等熱分配散熱片係由選自於由導熱的石墨、不銹鋼、 鎂與鎮合金所組成的群組之材料所形成。 )|8·如申請專利範圍帛!^所述之氫儲存床系統,其 中該氫儲存合金係選自於由基合金與鎂基合金所也 成之群組。 ’ 19·如申請專利範圍第18項所述之氫儲存床系統,其 中該氫儲存合金係為一種鎂基合金。 上20·如申請專利範圍第19項所述之氫儲存床系統,其 令該合金包含至少90重量百分比的鎂。 21·如申請專利範圍第20項所述之氫儲存床系統,其 中該合金更包含0.5-2.5重量百分比的鎳。 22·如申請專利範圍第21項所述之氫儲存床系統,其 中該合金更包含1.0-4.0重量百分比的知鑭合金。 23·如申請專利範圍第22項所述之氫儲存床系統,其 中該合金更包含1.0-4.0重量百分比的鈽鑭合金。 24.如申請專利範圍第23項所述之氫儲存床系統,其 中该鋅鑭合金主要包含飾、鑭與镨。 25·如申請專利範圍第23項所述之氫儲存床系統,其 中該合金更包含一個或更多個來自由3-7重量百分比的 铭,0.1-1.5重量百分比的釔與ο %〗5重量百分比的矽所 組成的群組。 26·如申請專利範圍第19項所述之氫儲存床系統,其 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) f^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 90· η· 2,〇〇〇 575466A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 中該氫儲存合金係以粉末,片狀元件或其混合物之型式存 在。 27·如申請專利範圍第26項所述之氫儲存床系統,其 中該氮儲存合金係以粉末與片狀元件之混合物之型式存 在。 28.如申清專利範圍第1項所述之氫儲存床系統,其 中该壓力容器係由一個或更多個選自於由不銹鋼或纖維強 化聚合物所組成的群組之材料所形成。 29·如申請專利範圍第1項所述之氫儲存床系統,其 中該壓力容器係為多層構造。 3〇·如申請專利範圍第29項所述之氫儲存床系統,其 中該壓力容器係為三層構造。 八 31 ·如申請專利範圍第30項所述之氫儲存床系統,其 中遠二層構造包含: 内層,由輕量材料所形成,其不會與氫與該儲存合金 產生反應,並且可以耐得住系統之操作溫度; 中間層’由輕量絕緣材料所形成;以及 外層,由容忍儲存床系統之操作壓力之纖維強化聚合 物所形成。 32. 如申請專利範圍第丨項所述之氫儲存床系統,其 中該系統更包含複數個配置遍及該氫儲存合金之内部的熱 電偶,以藉由觀察該合金之放電區中的溫度峰值決定該系 統之充電狀態。 33. 如申請專利範圍第丨項所述之氫儲存床系統,其 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----------------ii· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 90. 11. 2,〇〇〇 575466 A8 B8 C8 D8 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 中該系統更包含氫氣分配系統,用以提高該儲存合金之氫 化/反氫化速度。 34.如申請專利範圍第33項所述之氫儲存床系統,其 中該氫氣分配系統包含一個分配歧管以及一個或更多個遍 及該氫儲存合金配置之可透氫氣分配管。 35·如申請專利範圍第〗項所述之氫儲存床系統,其 中該整合式熱管理系統更包含: 複數個導熱凸部,以與該氫儲存合金熱傳遞接觸的方 式延伸並配置在該壓力容器之内;以及 一個加熱/冷卻交換器,安置在該壓力容器之内,並 以熱傳遞關係連接至該等導熱凸部且連接至該熱產生裝置 與該冷卻裝置; t 藉以,熱會被傳送至該氫儲存合金,經由該等導熱凸 部與該加熱/冷卻交換器,從該熱產生裝置和從該氮儲存 合金到達該冷卻裝置。 , 队如申請專利範圍第19項所述之氫儲存床系統,盆 中該鎂基合金具有下述成分:95.6重量百分比的鎂;二 重量百分比的鎳;0.8重量百分比的矽· J /,以及2.0重量百 分比的鐘。 28 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) -- 90. 11. 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------線
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