TWI226909B - System and method for generating high pressure hydrogen - Google Patents

Description

1226909 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種直接產生高壓氫氣（壓縮氫氣）之系統及 方法，其爲氫氣能量之利用所必須，而無需使用任何機械 式加壓裝置，如壓縮機，使用一多元電解質膜（此後稱爲 PEM)電解純水，如去離子水、蒸餾水及過濾後之潔淨水 等。本發明屬於有關潔淨氫氣能源之技術。 【先前技術】 近年來使用化石燃料，主要是煤及汽油，所釋放出來之 二氧化碳，被認爲是全球溫室效應之主要因素。此外，由 燃燒化石燃料所排放之氮氧化物及硫氧化物，也是損害人 類健康與造成雨林破壞之酸雨的主要成因。還有，現存之 化石燃料基本的問題在於量的有限，早晚會用罄。 爲了使以上的問題不致發生，極需發展新穎的技術，藉 以使化石燃料之消耗減少或不再使用，利用淸潔之自然能 源來代替化石燃料，並能再生。 最豐富的自然能源代替品爲太陽能。每小時由地球接受 之太陽能，相當於或是大於全人類一年所消耗的能量。僅 使用太陽能來滿足人類所有的能量需求並不是夢，而且許 多利用太陽能的技術’如太陽能發電機已被提出。 利用自然能源之代表方法，在此項技術中熟知的有太陽 能發電機、航空發電機及水電發電機等，該自然能源以電 能的形式來利用。 要儲存並傳送電能本身可是很困難，而且電能通常以充 7 312/發明說明書(補件)/92-04/9210〗974 1226909 電池的方式儲存。然而，電池笨重，而電荷在不用的儲存 期間’會自己放電而消耗。 未來能源最重要的問題，是在能夠免於上述之問題，或 是能量能夠容易儲存與傳送，並隨時隨地都能使用。氫氣 產生之能源，可滿足以上所述之狀況。 氫氣容易儲存，並能夠以電能再生其能源，做爲一能源 既方便又有效率。如此，吾人想藉由電解水，有效地由自 然能源所得之電能，轉換成淸潔氫氣能源，並想使用氫氣， 做傳統能源，如石油的能源代替品。吾人希望將氫氣使用 做能源之氫氣經濟社會，可以在2 1世紀時到來。 爲了落實氫氣經濟社會的理想，使用氫氣爲燃料（多元電 解質燃料電池，在此之後簡稱爲pEFC)之燃料電池，已活 躍地在發展進行當中，做爲有效利用氫氣爲能源的裝置。 此外’在汽車及家用發電機中使用氫氣，已受到考慮。如 果以上所說明之方法廣爲流傳，以使由自然能源所產生的 氫氣得以廣泛利用的話’就可以落實氫氣經濟社會，而且 不必擔憂二氧化碳的溫室效應。 以上所述之社會，是基於有效使用自然能源產生氫氣的 決定性問題，已被解決的假設之上，尤其是太陽能。 利用氣热爲能源的最重要問題’在於如何將氯氣安全地 以氣態傳送與儲存在一小型容器中。 爲了解決以上所說明的問題，已有人嘗試將氫氣轉換成 液態氫，或允許氫氣在一閉附合金中被吸附。然而，這些 方法都無法解決瞬時蒸發與閉附容積不足的問題。近年來 8 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 已發展有輕質與高度抗壓的氣體汽缸’局壓氫氣的安全性 已受到重新考量。結果’氬氣常常以350或更局大氣壓之 壓縮氫氣，於氣體汽缸中儲存與傳送。該法被廣泛地視爲 氫氣經濟社會之相容技術。 當氫氣以上述之方式，被使用燃料電池之燃料電池汽車 利用時，應使用高達3 5 0大氣壓下之壓縮氫氣。否則，該 氫氣氣體汽缸的體積要很大’而且乘客的空間就得減少 了。反觀當氫氣汽缸體積小時’騎乘的距離變小也就不實 際。因此，將現世轉換成氫氣經濟社會’利用3 5 0大氣壓 或更高之高壓氫氣乃是重點。 雖然長久以來已使用水溶液鹼性電解質’如將氫氧化鉀 (K〇Η)溶解於水中所備製之鹼性水溶液電解一段時間，來 產生氫氣，使用多元電解質膜（在此後簡稱ΡΕΜ)直接將純 水電解成氫氣與氧氣，近年來隨多元電解質燃料電池 (PEFC)的發展，已受到注意，其中水藉由使用ΡΕΜ做PEFC 的逆反應而電解。 因爲鹼，如氫氧化鉀與雜物，如在水性鹼溶液之電解液 在水中溶解的二氧化碳間的反應在電極上形成堆積物，在 本技術中爲熟知，水性電解質電池必須常常淸理，用來移 除累積下來的物質。也需要用移除與氫氣一同產生之鹼濕 氣之淨化裝置。 因爲分解產生之氫氣與氧氣’以一多孔性之分隔膜，如 一容許氣體通過之石棉’彼此分開，其間混合的比例隨著 產生之氣體量的減少而增加，而氫氣或是氧氣通過該多孔 9 312/發明說明書(補件)/92-(Μ/92101974 1226909 膜的比例相對地增加。結果’該混合氣體變成一爆炸氣體’ 有爆炸的危險，任意的停止或是開始氣體之產生便極其困 難。使用太陽光或是航空動力所產生之電動能’來電解該 水性鹼溶液以產生氫氣並不容易’因其爲一常常變化的自 然能源。還有，因爲由電解水性鹼溶液所產生之氫氣壓低’ 需要使用一氣體壓縮機以備置一高度壓縮之氫氣。 相較之下，直接使用電解純水以得到高純度之氫氣，而 氫氣與氧氣以PEM分開，只允許在該PEM電解方法中的 質子通過。因此，當電解如電解鹼水溶液突然停止時，氫 氣與氧氣彼此不混合，而且開始或是暫停可以隨意進行。 結果，用該常常變化之自然能源所轉換氫氣產生之電動 能，來進行PEM電解法非常優異。 藉由PEM電解法來產生高壓氫氣，先天上便能夠產生高 壓氫氣與氧氣，因此將液體轉換成氣體，即是將小體積轉 換成大體積，原則上不需使用機械增壓裝置如壓縮機等。 最後，高達1000或更高之大氣壓下的氫氣，也只有藉由電 解才能得到。因爲沒有使用機械可動式的零件，如機械增 壓所需之裝置，就不需要定期性之維修及時常檢測與換 件。因此，能夠將自然能源實際轉換成氫氣一長段時間， 不必維修，而且也不需人照顧是可能的。還有，因爲該PEM 電解法具較高之壓縮效率，與機械增壓裝置如壓縮機相 較，Ρ Ε Μ電解法的好處是所需要之壓縮動力較低，而期望 都集中在藉由ΡΕΜ分解做能量轉換產生高壓氫氣。 藉由ΡΕΜ電解產生氫氣的系統，包含電解電池，由複數 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 ]〇 1226909 個單位之電池堆疊所備置之結構，其中該PEM具催化電極 將鉑形成於兩者的表面上，該PEM以多孔式電極夾住，可 讓純水與氣體通過。因爲各電池堆疊在電解電池中，具有 上述之結構，分隔各單位之電極被命名爲雙極電極，因爲 該電極爲陰極也爲陽極。包含堆疊單位電池之PEM電解電 池，可以稱爲一雙極多層型電解電池。吾人對藉由該雙極 多層型電解電池，使用PEM產生高壓氫氣的系統之出現， 期望甚高。 然而，使用PEM之電解電池的電解現存的問題爲，封密 構件及該電解電池的P E Μ，其壓阻抗大約只有4大氣壓。 稍做改善的話，只能在以上所述之電解電池產生幾個，或 是最多幾十個大氣壓之氫氣與氧氣，然而能源轉換所需之 大於350或是更高之大氣壓的氫氣則無法產生。因此，氫 氣必須使用一氣體壓縮機被壓縮，做有效之儲存與傳送。 不使用氣體壓縮機來產生高壓氫氣，將液態氫蒸發，以 轉換成高壓氫氣，而氫氣於一氣體汽缸中充壓。然而，這 方法不好，因爲氫氣的液化需要大量的能源，而且液態氫 氣在傳送與儲存時會因蒸發而消耗。還有，液化器需要定 期或是常常維護，在人手不夠時，並不容易自動操作以在 遠距離區域產生液態氫。 與使用壓縮氫氣比較下，以能量之消耗而言，產生液態 氫氣時能量轉換效率降低，因爲需要大量能量。雖然本國 每年售出三億立方米的氫氣，然如果只要有百分之十的汽 車使用氫氣做燃料的話，估計約會消耗幾十倍的氫氣量。 11 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 光是液化所需的能量，就會超過現今市場上可用的氫氣能 量所能提供的能量。 雖然應該建造足夠做液化大量之氫氣的液化機，額外建 造之液化機只消耗能量，卻不會產生額外之能量並消耗更 多的能量。 因此，對能量傳換效率來說，使用液化氫做能源並不 好，而且必須要建造不產生額外能量之設備，才能落實該 液態氫之使用。 因此，使用液化氫做高壓氫氣源，或是做能源的使用有 限，而且很難想像使用液態氫在未來之氫氣經濟社會中爲 主要之能源。 另一方面，氣體壓縮機有零件磨損的問題，如先前所 述。還有，機械增壓裝置，如氣體壓縮機本身，用來以350 大氣壓或更高之壓力來產生高壓氫氣，尙爲發展的課題。 目前尙無可用而且令人滿意的裝置。例如，商場上可以買 到的往復式壓縮機，不能製造超過200大氣壓的氣體，而 膜片式壓縮機每1 〇〇〇小時需要換一次膜片，而且其生產能 最高僅爲30N/m3而已。目前沒有產能爲3 00 N/m3之氣體壓 縮機，而且氫氣受氣體壓縮機污染，也是另一個無法忽視 的問題。 當使用該PEM燃料電池將氫氣轉換成電動能之燃料之 氫氣的純度不夠時，電極具毒性，以降低電池的輸出能， 導致降低電池的壽命。因此，氫氣汙染爲其致命的缺點。 將能源做有效的運用的方式’係將氫氣的體積壓縮於一 12 312/發明說明書(補件)/92-(M/92101974 1226909 一高壓之下’以使氫氣輕易地儲存與運送。當氫氣能 由降低體積的方式，便利儲存與運送來轉換成高壓 時，其可以使用做化石燃料的替代品。現今已有人硏究 電解的各種方法，做爲產生高壓氫氣的合適方法，僅 電解，而沒用氣體壓縮機。對於僅用電解來產生高壓氫 以利用氫氣做能源所需的裝置，目前已提出了各種方 尤其爲了解決電解電池之低壓阻抗的問題。 例如，在日本專利序號3,220,607 (美國5,6 90,797 )中 該雙極多層型電解電池之PEM上的力，係爲產生於陰 之氫氣與陽極上的氧氣的差壓，而在電池之密封構件 作用的力，係在電池中氫氣與氧氣的合壓力與電池外 的差壓。因此，該電池沉浸於儲存純水與氧氣之用的 容器中的純水裏，以控制儲存氫氣之高壓容器的壓力 之與儲存氧氣之高壓容器的壓力相等。在PEM上作用 壓與電池密封構件上的差壓，係控制在該電池的壓阻 圍內。結果，只有在該電池之壓阻抗範圍內之一差壓 用於該電池上，甚至在當氫氣與氧氣產生於合壓力超 電池壓阻抗的狀況下時，藉此得以產生高壓氫氣。 然而，還得考慮在產生氫氣與氧氣之裝置中的金屬 腐鈾。當儲存陽極所產生之氧氣於該高壓容器中時， 電池藉由將其豎架於該高壓容器中的方式沉浸在純水 因此，具電極之電解電池係密封於含高壓氧氣的環境 當壓力增加時，容易會引起金屬與水間的腐蝕作用。 還有，金屬零件之腐蝕，如電極等，容易在PEM熱 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 源藉 氫氣 PEM 使用 氣， 法， ，在 極中 上所 壓力 高壓 ，使 之差 抗範 ，作 過該 零件 電解 cju 〇 中， 阻抗 13 1226909 允許範圍內，隨溫度增高而發生。此外，也不可忽視漏電 流，因爲該PEM電解電池所沉浸之純水的阻抗降低。當溫 度增高的問題，藉由將該PEM電解電池所在之純水藉由熱 交換器冷卻來解決時，電池被強迫在攝氏4 0 °或更低的溫 度下操作，此時電池效率變差，而且該操作狀況對熱之有 效使用也不好。 因此，本發明提出之建議包括解決先天的問題，如由氧 氣所引起之電解腐蝕，以及純水阻抗降低之漏電流，以產 生利用氫氣做能源所需之高壓氫氣。 當異狀發生，如隔絕電解電池陽極室與陰極室的PEM破 裂，或是電解電池的密封構件破裂時，大量的氫氣與氧氣 在電解電池所豎架之高壓電池中混合，使產生起爆氣體的 危險增高。因此，對此危險也需要做一防範措施。 因此，雖然理論上可以在產生氫氣與氧氣之裝置中，產 生幾百個大氣壓或更高之高壓氫氣，該裝置目前僅可應用 於產生幾十大氣壓之氫氣，而且並不容易產生做能源使用 之幾百個大氣壓之高壓氫氣。 因爲電解電池所在之純水阻抗降低，在電解電池中流動 之電流的一部分在電解電池所在之純水中流動，甚至在無 金屬腐蝕的問題解決時，會降低因電能損失所引起之電解 效率。還有，因爲離子交換樹脂之電壓阻抗及熱阻抗低， 在高壓容器中純水純度降低所引起之阻抗降低，無法藉由 離子交換樹脂將已受汙染的純水重生成純水，回復至其高 阻抗狀態。尤其，在溫度爲攝氏80 °或更高之下加強電解 14 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 效率時，情況更嚴重。 雖然純水應以離子交換樹脂產生，因爲當阻抗降低而增 加純水溫度時，該容器牆壁物質加速溶解至純水中，該電 池的壓力受到限制，因爲離子交換樹脂由於在高壓下處理 純水而受到損壞。結果，產生做能源使用之氫氣所需的高 壓氫氣很難。 爲了解決這些問題，日本 U n e X a m i n e d專利申請序號 2 00 1 - 1 3090 1建議一氫氣能源給進裝置，其架構使得電的絕 緣性不受到高電解溫度的影響，其中藉電解產生之氫氣與 氧氣，係儲存於分開之高壓槽中，而將電解電池以密封式 浸泡於一獨特之高壓容器中之電絕緣液中，使得電極不至 在高溫與高壓的氧氣與水共存下，受到金屬腐蝕。 此方法不僅將電解腐蝕與純水阻抗降低的問題一次解 決，同時也能夠防止起爆氣體的產生，因爲純水的作用爲 將氫氣與氧氣隔絕，甚至在電解電池破損時亦然，藉而大 大地改善電池的安全。 然而，該方法仍舊很困難實際地使用，因爲至今尙無實 際可用之電絕緣液，來浸泡電解電池於高壓容器中。 需要大量電絕緣液，才能滿足產生足夠的氫氣以滿足能 源消耗的量之裝置的需求。然而，以化學法合成並使用大 量之電絕緣液，而對環境不造成負擔是極困難的，而環境， 尤其是地下水及土壤，不受滲漏的影響也是極困難。還有， 該液體係必須不能燃燒並且化學性穩定，使得該液體與一 小量由電解電池漏氣的氧氣及氫氣不起反應，而即使在與 15 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 局壓谷器中大量漏出之氧氣反應時，沒有爆炸的危險。能 夠滿足以上要求之電絕緣液至今尙無著落。 例如’雖然P C B爲一減緩火談之液體，並有相當優異的 特性’然就其製造與使用對公共危險與環境汙染的觀點看 來’卻是令人望之卻步。因此，現今所有可用的絕緣油都 易燃’而且當氧氣漏氣時，有爆炸的危險。 此外’純水不容易使用，因爲純水的阻抗隨時間改變， 如上所述，雖然純水本身爲一極優異的絕緣液體。 因爲純水具有分解所有物質的潛在性，而當純水密封於 高壓容器中時，純水的阻抗逐漸降低。由於產生一漏電流 之故，該阻抗的降低不僅降低電池的效益，而且由該電解 電池所在之該高壓容器中的漏電能所產生的氫氣與氧氣， 會增加壓力。此壓力的增加，可能會使該電解電池最後面 臨被高壓損壞，或者該氫氣與氧氣的混合氣體會有爆炸可 能。因此，這些潛在問題必須要有防範措施。 【發明內容】 因此，發明者考慮以上所述的狀況後，本發明的目標係 以提供一種產生高壓氫氣的系統及方法，其中高壓氫氣， 尤其是350或是更高的大氣壓之壓力下利用氫氣做能源， 可以不需使用任何氣體壓縮機來有效地產生。該氫氣可以 用常常變化之自然能源，如陽光所產生的電能，藉由電解 的方式來產生，穩定又安全。 如此，高壓氫氣可以僅以電解來產生，包含的步驟爲： 提供使用PEM於一氫氣大氣之下的高壓容器中之電解電 16 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 池、使用該電解電池電解純水、儲存電解電池所在之高壓 容器中之陰極所產生之氫氣、及儲存一同儲存電解純水與 回返之純水之高壓容器之陽極所產生之氧氣。結果’在利 用氣氣能源所需之3 5 0或更局大氣壓的狀況下’ 了 一 種產生高壓壓縮氫氣的系統與方法。 在以上所述之產生系統與方法中，純水使用電解電池電 解，同時調整儲存氫氣之高壓容器的壓力及儲存氧氣及電 解純水之高壓容器間的差壓’以低於構成電解電池之PEM 的壓阻抗。所得之氫氣及氧氣儲存起來’而純水在以一熱 交換器冷卻後，供應給該電解電池的氧氣邊。還有’在電 解電池中所產生之氫氣在以一位於高壓容器外之熱交換器 冷卻後，回返至高壓容器中。以上的處理使得電解電池更 能穩定操作，因爲在電解的過程中所損失的能量，並沒有 對電解電池加熱。 電解效益在該PEM電解法中，因溫度較高而效率得以改 善。雖然使用做PEM電解的PEM係由多分子材料製成， 其與傳統之塑膠相較，具一相當高之熱阻抗，當溫度超過 攝氏1 0 0 °時，其機械強度降低，超過攝氏1 2 0 °時，降低 得更快。因爲操作電解電池所需的溫度爲攝氏80 °或更 低，由電解水之電能損失所產生的熱在操作該PEM電解電 池時移除。此外，吾人發現在PEM電解系統中的溫度，可 以有效並確實控制，藉由形成熱交換器中之氫氣與氧氣管 線以及加熱媒體的管線成細管’以一寬廣的熱傳導面積來 增加熱傳導，藉而確保足夠高的壓阻抗與熱傳導。此係在 17 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 一'預疋溫度下電解的好處5較佳約在攝氏8 0 ，藉由太陽 能所產生之電能，在未來做爲一淸潔能源。此方法另一好 處爲，當藉由操作電解電池來電解水產生氫氣之過程因爲 在寒帶地區的夜晚或是在冬天停頓時，電池中純水的溫度 不至低於攝氏0°，因爲水在此溫度下凍結。 還有，另發明了一種將細微管拉出一厚的高壓容器之密 封管洞的新穎方法。 爲了壓抑作用於電解電池上的力在該電解電池壓阻抗 範圍內，氫氣與氧氣作用於電解電池上的差壓，應被控制 以位於該電解電池壓阻抗範圍內。然而，因爲該電解電池 壓阻抗係受限，氫氣與氧氣作用於電解電池上的壓力增加 時，需要較高的準確性來控制該壓力，如以下示範。傳統 之壓力控制方法，或是由氫氣與氧氣轉移之壓力控制，可 能變得無法滿足需要。如此，吾人發現壓力可以藉由在儲 存氫氣與氧氣之高壓容器中的純水，允許控制有效地自一 較高壓力之容器轉移至一較低的容器，而代替將氫氣與氧 氣以氣體的形式轉換的壓力控制，或是藉由兩種方法一起。 吾人也已發展適用該壓力控制方法之壓力控制器。 以下的方程式（1)控制差壓的有效準確度S ( % )，電解電池 壓阻抗Ps，而在電解電池中所產生之氫氣（或氧氣）壓力爲 P。此方程式表示產生高壓氫氣之系統與方法中所需之高 壓控制準確度。 S ^ (Ps/P) X 1 00 (1) 上式（1)表示，增加控制該差壓的Ps或是準確度S(%)， 18 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 或是增加Ps及S，以增加產生之氫氣或是氧氣的壓力P， 是有必要的。然而，因爲控制差壓'的準確度S目前受到限 制，可用之氫氣或是氧氣的壓力P最終是由電解電池之壓 阻抗P S來決定。 雖然目前可用之電解電池可允許之壓阻抗通常約爲4大 氣壓，當該產生之氫氣或氧氣的壓力約爲1 0大氣壓時，控 制該壓力的準確度可以在4/10之內，或是40%。如此，可 以使用傳統所使用來控制壓力之方法，而不必擔心會破壞 電解電池。因此，把氫氣做能源使用所需求之大約3 5 0大 氣壓之壓力，可以應用於現今之傳統電解電池上。 然而，一高精度之壓力控制，需要準確度在4/400或更 高，或是1 %或更高，做爲使用該電解電池在350大氣壓下 穩定與安全產生氫氣之需求，或是任何產生氫氣及氧氣所 需求的壓力下，例如約400大氣壓。該準確度藉由傳統的 壓力控制方式是幾乎無法達到的，而且需要更嚴格的壓力 控制，因爲在未來，氫氣需要在7 00大氣壓的壓力下壓縮。 本發明者已探討一種使電解電池之壓阻抗降低排除在 外的方法，以及藉由傳送純水來控制壓力的方法，並且在 以下將說明一新穎結構之電解電池，在改善電解電池的壓 阻抗方面相當有效。該結構允許電解電池所在之高壓容器 的直徑小。此外，該高壓容器之壁可以盡量薄，雖然該壁 之厚度必須要厚得以對應產生之壓力，或是該高壓容器的 厚度在壓力越高要越厚，或者該厚度需要與該容器之直徑 的平方成正比。因此，該結構的改善允許該容器之製造與 19 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 處理容易，使用該容器在製造成本上具優勢。 吾人發現以下之結構在展現上述的效應上頗具功效： (1) 雙極多層型之電解電池，係藉由一壓縮構件的壓力而 壓縮固定； (2) 藉由提供一排放氣孔與在該雙極電極邊牆上的陰極 交通，在陰極所產生之氫氣與穿透之純水，直接自電池之 各陰極排放到高壓氫氣容器中； (3) 待電解的水，係經由一在該電池中心之孔所形成之純 水給進通路來供應。 還有發展一水位計，藉由利用一氣體，如氧氣，與純水 間電導性的大幅差異，以解決以下在量測高壓氣體存在之 容器中水位時所發生的問題，並改善壓力控制的準確度。 雖然使用做電解材料的純水，以及電解得來的氧氣係一 同儲存於高壓容器中，通常的想法是該水儲存於容器的下 半部分，而氧氣儲存於容器的上半部分，因爲氧氣的密度 在標準狀況（攝氏0度與1大氣壓）下僅有1.4 29 X 1 0·3 g/cc 〇 然而，氧氣的密度與水的密度在7 0 0大氣壓下相同，從 計算1 / ( 1.42 9 X 1 (Γ 3 )= 7 00，假設氧氣爲理想氣體。此意 即在高於7 0 0大氣壓時，水浮在氧氣上，而氣體較水輕的 規則便不成立了。 還好，將密度這樣轉換並不會發生，除非壓力爲1 〇〇〇 大氣壓或是更高的狀況下，因爲要考慮氧氣分子的大小與 氧氣分子間的力。然而，廣泛使用之浮動型水位計並不能 20 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 準確地感測水面，由於水流浮動不穩定之故與其他的因 素，當水與氧氣間密度的差異不大時。此外，在浮動型水 位計中浮標的在承受壓力下的耐用性也得要考量，因爲浮 動型水位計之浮標比重必須小於1。因此，製造一個在氫 氣能源所使用之壓力下耐久的浮標，一般認爲極困難。 本發明之發明者已發展一水位計，可以在高壓之下穩定 操作，以穩定及廣泛地運用本發明產生高壓氫氣的方法。 以上所說明之本發明，提供一種產生高壓氫氣的系統， 包含一電解電池置於一高壓容器中，該容器也可以做爲所 產生之氫氣的儲存槽。該電解電池包含多元電解膜，藉電 解純水來產生氫氣與氧氣。 本發明也提供一種產生高壓氫氣的系統，包含兩個高壓 容器，一高壓容器用來儲存產生之氫氣，一高壓容器用來 儲存電解純水與產生之氧氣。一電解電池，包含多元電解 質膜藉電解產生氫氣與氧氣之用，係置於儲存產生之氫氣 的高壓容器中，而儲存電解純水與產生之氧氣的高壓容 器，與電解電池交通。 較佳的是，產生高壓氫氣的該系統，具一壓力控制裝 置，用來控制儲存氫氣之高壓容器的內壓與儲存氧氣之高 壓容器的內壓之差壓，使之低於該電解電池的壓阻抗。 較佳的是，產生高壓氫氣的該系統，具一壓力控制裝 置，提供做量測各高壓容器的壓力，並調整該差壓，基於 量測之値，藉由將氫氣或是氧氣經由在各高壓容器中之閥 切換來排放，使之低於該電解電池之壓阻抗。 21 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 較佳的是，產生局壓氫氣的該系統，具一壓力控制裝 置，用來調整差壓，藉由切換與高壓容器中純水管線交通 之容器中的閥，允許純水傳送，使之低於電解電池壓阻抗。 較佳的是，產生高壓氫氣的該系統，具一壓力控制裝 置，提供於與塡充各高壓容器中純水交通之管線中，而且 該壓力係受該壓力控制裝置控制，該裝置具有一滑件，其 靠純水在各高壓容器中的差壓來滑動。 較佳的是，在產生高壓氫氣系統中之電解電池，係爲一 雙極多層型電池，包含複數個堆疊的雙極電極，在兩表面 上具有催化層，而且該電解電池係置於該高壓容器中之架 設桌面上，使其以在該桌面以上之壓縮鑽模來壓縮。 本發明也提供一種產生高壓氫氣的方法，其中一包含多 元電解質膜之電解電池，係置於一高壓容器中，而且藉由 使用電解電池來電解純水產生氫氣與氧氣。所產生之氫氣 係儲存於包含該電解電池之高壓容器中，而氧氣係儲存於 儲存電解純水之高壓容器中，與返回的純水一同儲存。 較佳的是，產生之氫氣先行冷卻，然後再儲存於包含電 解電池之高壓容器中。 較佳的是，在儲存氫氣之高壓容器之內壓與儲存氧氣與 純水之高壓容器之內壓間的差壓，係調整至低於在電解過 程中，組成該電解電池之多元電解質膜壓阻抗的壓力。該 壓力較佳係藉由調整在各高壓容器中之氫氣壓力與氧氣壓 力，藉由將氫氣與氧氣自該等容器中排放，及/或在該等容 器間轉移純水。 22 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 【實施方式】 根據本發明之產生高壓氫氣系統的具體實施例將於以 下詳細說明。 本發明基本上提供一種直接電解純水產生氫氣與氧^ 的系統與方法，使用電解電池，包含以一分隔膜，如多元 電解質膜將彼此隔開之陽極室與陰極室。 如以上所詳細之說明，本發明能夠使高壓氫氣安全穩定 地產生，不須使用改善傳統系統所使用之氫氣與氧氣產生 系統而使用之氣體壓縮機。構成該產生系統之各構件與該 技術中所熟知的構件原則上相同。 圖1爲一示意圖，示範本發明之高壓氫氣產生系統一例 之總結構。元件符號1代表一電解電池，置於一高壓容器 1〇(也稱爲儲存氣氣之局壓容器，因爲其也做爲一儲存氫氣 之容器，以下將會說明）中。該電解電池包含一陽極室與一 陰極室（圖未示），以多元電解質膜（PEM)隔開，在PEM兩 端具有電極。電解所用之純水係經由一純水供應管線3供 應給電解電池1之陽極室。該電解電池的結構係使該氫氣 與氧氣分別產生於該電解電池1之陽極室與陰極室，藉由 一電源9經陰極線5與一陽極線7供應電力。 產生於陽極室之氧氣被送入高壓容器3 1 (也稱做電解純 水槽或是儲存氧氣之高壓容器），經一回返管線4與一部分 由純水供應管線3之純水一起做爲儲存電解純水之用，並 儲存於一氧氣槽3 1 a，該槽具有一小型底區域，位於該電 解純水槽3 1的上部分。 23 312/發明說明書(補件)/92-(M/92101974 1226909 產生於電解電池1之陰極室之氫氣，可以直接排入該高 壓容器10，並儲存於高壓容器10中。然而，因爲產生之 氫氣在電解過程中受到電損失所加熱，架設於高壓容器中 之該電解電池1，在當氫氣不受冷卻就排到高壓容器1 0中 受到氫氣的熱來加熱，該PEM最終會因爲熱而破損。 爲了防止PEM受到熱的破壞，產生於電解電池1中的氫 氣受冷卻，藉由將之經一管線引入一位於高壓容器1 0之外 的外接式的熱交換器25b，而且氫氣被排入高壓容器10 中，較佳是經由一氫氣排流管線2排入其底部或是其底部 附近。結果，由該電解電池1之電力損失所產生的熱受冷 卻，而且氫氣維持於適合操作電解電池的溫度。 用溫度計28a與29b分別來量測流入與流出該熱交換器 25b之氫氣溫度，而且氫氣的溫度係藉由控制送入熱交換 器25b之冷水的溫度與體積來控制。 因爲自一氫氣排流管線2排入之氫氣變重，因爲由熱交 換器25b冷卻，其溫度較儲存於高壓容器1〇中所儲存之氫 氣低之故，冷的氫氣收集在高壓容器1〇之底部。然而，此 氫氣被由管線2所排流的氫氣提昇，並當溫度與電解電池 1接觸時增加，藉由比重降低之故而升起。此升起之氫氣 將高壓容器1 〇的熱，經由閥1 5及針閥1 6載出高壓容器 1 0，而該電解電池1有效地冷卻。 當電解電池1以純水冷卻至某限度，藉由已經過熱交換 器25 a冷卻之供應純水給陽極邊時，與此項技術所熟知沉 浸純水中之PEM電解系統的電解電池相較之下，純水的冷 24 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 卻能力不足。因此，吾人想要的是將電解電池1架設於儲 存氫氣之高壓容器1 〇中的結構’產生於電解電池1的氫氣 在冷卻之後回到架設該電解電池1之高壓容器中。 雖然吾人想要藉由冷卻高壓容器本身的方式來冷卻，直 接將氫氣排入高壓容器10中’但是因爲在高壓容器10中 之熱分佈所需冷卻的熱傳導的區域大。此外，該容器的熱 傳導在壓力增加時變差，因爲高壓容器1〇的壁需要厚才 行。因此，該方法在冷卻效益上並不優異。 電解電池可以藉由將產生於電解電池1之氫氣如以上說 明排流的方式有效地冷卻’因爲氫氣的溫度沒有消散。因 爲氫氣可以經由細微的管子排流’其管路的壁與高壓容器 1 0比較之下較薄，熱傳導並不差’而冷卻效益也加強了。 根據如此，可以產生高壓氣氣’而不必將電解電池1置 於本發明中水與氧氣共存之腐蝕的環境中，而使得冷卻之 氫氣能夠自氫氣排流管線2經由熱交換器25b來排入’藉 由該電解電池1之瞬時增壓的功能，而不必使用幫浦。 此外，氫氣的熱傳導隨高壓容器1 〇的壓力加大而增加’ 而且其冷卻電解電池1的能力也得到改善。 還有明顯的是該高壓氫氣可以用本發明穩定有效地產 生。根據本發明，由電解電池1所加熱之氫氣上升’並藉 由將在熱交換器25b中所冷卻之氫氣回歸到高壓容器10 的底部，以達到該高壓容器的上半部，並經由一閥1 5與針 閥1 6 —起藉抽取熱的方式來釋放。根據如此’電解電池的 冷卻效益高，以設計一高效系統，能夠做產生高壓氫氣之 25 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 用。 如以上說明之電解電池1中所產生之氫 流管線2被排入該高壓容器1 〇中’並收集 器10中。 當電能連續地自電源9經由陰極線5與 電解電池1時，純水被連續地電解以產生 氣收集於該電解純水槽3 1之氧氣池3 1 a弓 高壓容器10中，該水槽與容器的壓力增力 氧氣與氫氣的壓力分別藉由壓力計39a 其分別位於電解純水槽3 1與高壓容器1 0 用一獨立提供之控制器（圖未示）彼此相比 高於氫氣的壓力時’例如，一閥3 6便由控 來自動打開，並將氧氣經一針閥3 8來釋放 回容器中。另一方面，當氧氣的壓力等於 針閥3 6藉由操作該控制器來關閉。該針艮 制器，藉氧氣與氫氣間差壓的幅度自動控 電解在電解電池1的純水，使氫氣與氧 的比例產生。當純水連續地電解’藉由關 交通之閥3 6與3 7，並藉關閉與高壓容器 與15,不對外排放氫氣與氧氣，高壓容器 與形成於電解純水槽3 1中之氧氣池3 1 a 升。 因爲本發明導向控制高壓氫氣做氫氣能 佳的方式是氧氣收集於氧氣池3 1 a中的體 312/發明說明書(補件)/92-(M/92101974 氣，自該氫氣排 與儲存於高壓容 陽極線7供應至 氧氣與氫氣。氧 f，而氫氣收集於 與3 9 b來量測， 處。量測之値使 。當氧氣的壓力 制器的一個信號 於空氣中或是補 氫氣的壓力，該 3 3 8的孔由該控 制。 氣的體積以2 : 1 閉與氧氣池3 1 a 1 0交通之閥1 4 1 0之氫氣壓力， 的氧氣壓力會上 源之用，因此較 積受到控制，藉 26 1226909 由觀察水位33a，使得其體積爲高壓容器10體積4 %或更 少一些，以安全備製高壓氫氣。多餘之氧氣經由針閥3 8 釋放，而且壓力受到控制，使得氧氣壓力總是等於氫氣的 壓力，或使得氧氣與氫氣間的差壓至少在電解電池的壓抗 範圍內，或是在2大氣壓之內，將氧氣控制得稍微高於氫 氣壓。 當氫氣與氧氣的壓力分別達到預定的壓力時，該控制器 自動停止自動力源9供應給電解電池1的電力，而且電解 因壓力停止增加而停止。 在高壓容器10與氧氣池31a中的氫氣與氧氣的壓力分別 以上述方式控制，其壓力總是控制在一致的壓力，氧氣壓 總是稍微高一些，而且氧氣與氫氣間的差壓控制於在電解 電池的壓阻抗範圍內。根據如此，電解電池1內部與外部 間的差壓，及作用於上隔絕電解電池1之陽極室與陰極室 間之分隔膜（在PEM上具白金電極的膜）上的壓力，都受控 制在膜之壓阻抗範圍內。結果，該分隔膜沒有破損，氫氣 與氧氣沒有拽漏。 如果該分隔膜破損，或是電解電池1的密封膜的一部分 可能因某原因而破壞。然而，氧氣的壓力可以與氫氣的壓 力平衡，藉由允許電解純水槽3 1中小體積的純水流入高壓 容器1 0中，藉由連接與電解電池1連接之純水進水管線3 與回流管線4至電解純水槽3 1的底部，及藉由控制在氧氣 池3 1 a中的氧氣壓力，使之稍微高於氫氣在高壓容器1〇 中的壓力。結果，多餘的純水被防止流入高壓容器中，而 27 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 且氫氣與氧氣沒有混合，因而處理過程相當安全。 還有，當氫氣在氧氣池31a中的體積壓制在高壓容器10 的體積之4 %或更低時，電解純水槽3 1中的氧氣與高壓容 器1 0中的氫氣，即使在任何可預期之破損狀況下，也不會 混合。 假設在氧氣池31a中的氧氣與在高壓容器10中的氫氣意 外地混合，但是氫氣的濃度沒有超過爆炸之下限4 %，氣爆 便不會發生。 以上所說明僅在正常的電解水沒有維持之下才會發生 的。通常，動力源（見Realize Co.所出版，Ha rada等所著之 半導體製造之安全措施與控制手冊一書）的安全關閉模 式，會在控制器感測到一不正常的電流或是異常的電壓時 立即啓動，並且該產生系統的操作停止，以保安全。 藉由至少防止由氫氣與氧氣混合所引起的爆炸，超過電 解電池1破壞的損壞是不會發生的。 因爲由電解電池1之異常狀態所引起的氧氣與氫氣混 合，其程度是無法以控制器監視電流與電壓來感測，便可 以使用一氧氣電測訊號轉換器1 〇 a與氫氣電測訊號轉換器 3 1 b來感測，而電解電池的操作緊急停止。因此，可以安 全產生做能源使用之高壓氫氣。 因爲電解電池1、陰極線5與陽極線7對電池供應電力， 而該電極終端6與8都置於筒壓氫氣大氣之中，電解腐倉虫 的問題可以避免。 當使用氫氣時，連接高壓容器1 0之閥1 5藉由該控制器 28 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 來開啓，而氫氣受到控制，藉由調整針閥1 6的開口，使其 慢慢地流出。 在高壓容器1 0中的壓降立即由壓力計3 9b感測到，而且 g動力源9流自電解電池1的電流，受到控制器的控制’ 以開始電解電池1中的電解動作。結果，氫氣產生與由閥 1 5與針閥1 6排放的體積相同之體積，而氫氣壓力回到其 啓始_力。 ®爲氫氣經由閥1 5與針閥1 6所流出的氫氣體積’藉由 慢慢地增加針閥1 6開口的方式增加，使氫氣的壓力降低。 然而，壓力降低立即被壓力計3 9 a感測到，而從動力源9 流經電解電池1的電流藉操作控制器而增加，藉之回到啓 始壓力。 雖然氯氣經由閥1 5與針閥1 6所釋放的體積’藉由保持 常壓力的方式逐漸增加，當消耗之氫氣量達到產生的氫氣 量時，雖然增加針閥1 6的開口 ’壓力並沒有進一步增加。 結果，從動力源9流自電解電池1的電流停止增加。 當消耗之氫氣量超過氫氣可以由電解電池1所產生之最 大量時，也就是說，產生的氫氣量在動力源9流自電解電 池1的電流達到最大時，無法再增加，而且針閥1 6的開口 不再增加。因此，氫氣所需求的量超過氫氣可以自電解電 池1所產生的最大量時，就不能供應了。 當高壓容器1 0的壓力維持在一預定的壓力下時’當局壓 容器10中的壓力緊急降低時，閥I4與37打開’在局壓容 器1 〇中的氫氣與電解純水槽3 1之氧氣池3 1 a中的氧氣緊 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 29 1226909 急排放。 當氫氣與氧氣間的差壓藉釋放氫氣而增加時，閥3 6 制器操作打開。氧氣經由針閥3 8排放，使得氫氣在高 器1 0中的壓力與在電解純水槽3 1之氧氣池3 1 a中的 壓力平衡，使得在氫氣與氧氣間的差壓，至少落在電 池的壓阻抗範圍內，而且氧氣壓稍微高於氫氣壓。 雖然以上的說明讓人產生一印象，即是針閥1 6與 開口與從動力源9流自電解電池1的電流控制得太慢 實它們是以電腦高速控制。因爲控制速度與自然能源 相比之下夠高了，該控制器可以追逐自然能源的變化 據如此，使用本發明之產生高壓氫氣之系統，即使在 由變化無常之自然能源所發的電能，在產生氫氣上也 有問題。 當氫氣從氫氣排放管線2排入高壓容器1 〇中，排放 氣含有一小量的水，而且水係收集於高壓容器1 〇底部 水池1 1中。 該水的量係受到一水位計1 2隨時監視，而當收集到 定量的水時，閥1 7打開以將水經由針閥1 8排放至一 器2 0中。當水位降至一預定的水位時，閥1 7關閉， 止排放。 因爲氫氣溶於由高壓容器1 0所排放的水中’氫氣也 於該儲水器20中。以一針閥23控制氮氣的流量’經 線24與濾器22供應至儲水器20中’而氮氣經由濾 排放至空氣中。因爲儲水器的設計使其藉由濾器1 9與 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 由控 壓容 氧氣 解電 38的 ，其 變化 。根 使用 不會 之氫 之一 一預 儲水 水停 收集 一管 器19 空氣 30 1226909 隔開，微生物不會混入儲水器20之中。 雖然純水供應給電解電池1並不特別受限制，純水藉由 圖1中所示之具體實施例中的電解純水槽3 1中的進水幫浦 3 2供應至電解電池中。 該進水幫浦3 2包含一感應電動機與一螺旋槳型進水幫 浦一體成型，其細節在以下參考圖式詳細說明。 自該給水幫浦32所排放之純水，在位於進水管線3中點 之熱交換器25a冷卻後，被送入電解電池1中， 供應至熱交換器2 5 a及自其釋放之純水的溫度，用溫度 計2 8 a與2 9 a量測，使其與熱交換器2 5合作。電解電池1 係設計，以能夠在一所想要的溫度下電解，藉由使用控制 器，控制由一冰箱（圖未示）所供應之冷卻水的量，經由一 冷卻水供應管線26a。 因爲收集在電解純水槽3 1中的純水，因在電解電池1 電解成氫氣與氧氣消耗，水表面由水位計3 3連續監視，而 純水則由純水補充槽44補充，氧氣在氧氣池3 1 a中的體積 較佳爲高壓容器1 0中氫氣體積的4 %範圍內。 雖然純水的補充以控制器來控制，在電解純水槽3 1與純 水補充庫4 1間的閥4 0與4 2先是關閉，因爲電解純水槽 3 1與純水儲存槽4 8經由一給水管線5 1 a與回流管線5 1 b 連通。 然後，給水管線5 1 a的閥4 1與回流管線5 1 b的閥4 3打 開，而純水經由離子交換塔4 6、濾器4 5、純水補充槽4 4、 回流管線5 1 b與純水儲存槽48，依此順序操作幫浦47來 31 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 做循環。當純水的阻抗被純水補充槽4 4中之阻抗計4 9 a 量測，指示一預定阻抗時，閥4 1與4 3關閉，而幫浦4 7 停止，藉之將純水補充槽44塡充，具一高阻抗，而不含任 何氣泡。 然後，純水補充槽4 4由電解純水槽3 1的氧氣池3 1 a的 氧氣壓力加壓，其與純水補充槽間藉由打開閥40與42來 連通。然而，因爲充滿純水的純水補充槽4 4中沒有氣體零 件的存在，壓力變化可以忽略的情況下，幾乎沒有體積變 化。因此，在純水補充槽44中的純水因重力，瞬時掉至電 解純水槽3 1中，而在電解純水槽3 1中的高壓氧氣藉由替 代純水的方式，進入純水補充槽44中。 閥40與42藉由確認在純水補充槽44中的純水已流入電 解純水槽3 1中被關閉，而水位3 3 a已使用水位計3 3回到 其原始位準。當閥4 3關閉時，在純水儲存槽4 8中的高壓 氧氣係經由一濾器5 0排放至空氣中，而純水補充槽4 4的 壓力則回到大氣壓力。 接著，閥4 1打開，而且純水藉啓動幫浦4 7來循環以塡 充純水補充槽44中的純水，藉之再次以純水補充電解純水 槽31。 因爲純水儲存槽4 8經由一給水管線5 1與水槽5 6連通， 在當純水儲存槽48的水位因補充純水至純水補充槽44中 時降低’幫浦5 5自動操作。補充水如純水，供應自純水儲 存槽4 8時，經由給水管線5 1中點之離子交換塔5 4、濾器 5 3與閥5 2來轉換成純水。 32 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 圖2示範加強冷卻效應之管線的範例系統主要部分的管 線。 在此範例中，產生之氫氣經由複數個細微管2a、2b等等 導至高壓容器1 0的外部，該等細微管藉一位於高壓容器 1 0上部之分岐管線6 0，自氫氣排放管線2分岐出來。氫氣 再次自壓力容器1 0的底部，在允許其通過位於複數個細微 管中點之熱交換器25b後，排放入高壓容器10中。使用該 細微管，允許熱傳導區域增加，同時加強管線本身的壓阻 抗。 當氫氣排放管線2自高壓容器10分入細微管2a、2b等 等時，保持封閉特性是很重要的。根據如此，在本發明中 使用一種新穎的方法，其中穿透高壓容器1 0的牆壁的孔， 分至細微管2a、2b等等係以插入的方式，自高壓容器1〇 的內部形成錐形的形狀，而且該等細微管以封閉的方式密 封起來，並不以楔形狀之核心來焊接密封。 氫氣流入與流出熱交換器25b的溫度，係以連附於細微 管2a、2b等，在熱交換器25b入口邊的溫度計28b量測， 以及連附於細微管2a、2b等，在熱交換器25b出口邊的溫 度計2 9 b量測。氫氣的溫度係藉由控制送入熱交換器2 5 b 之冷卻水的溫度與流量來控制。 冷卻水也可以利用做冷卻高壓容器1 〇中的氫氣之用，藉 由將冷卻水通過高壓容器1 〇中的細微管，使電解電池1 中及水池Π中的純水能夠在停止期間不結凍。 冷卻水的溫度通常在攝氏1 0至2 0度的範圍內，而該冷 33 312/發明說明書(補件)/92-(Μ/92101974 1226909 卻水用一幫浦自一冷卻水槽供應。當電解電池1電解水產 生熱時，可以使用冷卻水將之冷卻至’例如’攝式80度或 更低的溫度，同時當電解電池1在停止的期間’可加溫至 攝氏〇度或以上，以免凍結。 在電解純水槽3 1中的純水在藉熱交換器25a冷卻後，可 以供應至電解電池1的陽極邊。該回流管線4也分歧成複 數個細微管4a、4b等等’於圖2中所不之局壓谷描1 1〇上 部分之分歧管64處’以控制電解電池1的溫度’如氫氣排 放管線2中的一樣。純水的溫度與產生之氧氣的溫度由溫 度計與熱交換器2 5 c來控制，而純水係供應至電解純水槽 3 1的底部，並儲存於此。 溫度的控制並不只針對電解電池1而已’同時也防止電 解電池1、電解純水槽3 1與細微管4 a、4 b _等中的純水’ 不至凍結。 例如，當大氣溫度在夜晚停工時降到攝式0度以下，控 制器（圖未示）以細微管線4 a、4 b等等處之溫度計感測到溫 度的下降（在圖中以記號〇表示），而電解電池1、電解純水 槽3 1與細微管4a、4b等等中的純水，係藉由操作一高壓 幫浦3 2，將純水打流入回流管線4中來加溫純水與氧氣， 包含純水進水管線3與複數細微管4a、4b等等，甚至於在 電解電池1停止期間。 所使用之冷卻水的溫度通常在攝氏1 〇至20度的範圍 內，而且純水係自一冷卻水庫（圖未示）以一幫浦來供應。 當電解電池1產生電力時，冷卻水可以使用做冷卻電解電 34 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 池1至攝氏8 0度或更低，而在電解電池1停止時，又怕凍 結時，可以將之加溫至攝氏0度以上。 在本發明中，包含複數個細微管64a、64b等等之冷卻管 線64，位於電解純水槽3 1中，做冷卻電解純水槽3 1中的 純水之用。結果，電解電池1的溫度可以容易地控制’同 時有效地防止冷卻電解純水槽3 1中的純水不至結凍。 圖3爲一剖面視圖，示一由感應電動機驅動之給水幫浦 的例子，做給水幫浦32的一例。在圖中，元件符號71代 表冷卻電解純水槽3 1的底部，元件符號7 2代表純水出口 孔，元件符號73代表一給水葉片，元件符號.74代表一旋 轉軸，元件符號7 5代表一轉子，其以一包含一疊片形多層 矽鋼片之疊片鐵核心，與一籠型銅線圈一體成形，並以樹 脂覆蓋，元件符號76代表一驅動核心，其備製之法係將一 核心纏繞於一多層鐵核心上，並以樹脂覆蓋，元件符號76a 與7 6b代表鉛線，供應電流給驅動線圈，元件符號77代表 一旋轉感應線圈，元件符號77c代表一旋轉感應磁鐵，元 件符號77a與77b代表旋轉感應線圈的鉛線，元件符號78a 至7 8c代表軸承，元件符號79代表一螺帽，元件符號80 代表一螺絲，而元件符號8 1則代表一軸承構件。 鉛線76a、7 6b、77a與7 7b藉樹脂覆蓋的方式電絕緣， 並藉由電絕緣的方式，藉電流導入端穿透底部71的方式導 入電解純水槽3 1的外部。 以上給水幫浦32的結構，藉由電解純水槽3 1外部之一 電源供應電能予驅動線圈76，以及對轉子75固定之旋轉 35 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 軸7 4的旋轉，開始旋轉轉子7 5。結果，葉片7 3同時旋轉’ 而在電解純水槽3 1中的純水自純水出口孔7 2供應至紿# 管線3。 嵌入旋轉軸74之磁鐵77c，與旋轉軸74的旋轉一起旋 轉，以將一交流感應電流流通線圈7 7，而且控制器可以自 交流電流的循環數，監視旋轉速度。 圖4爲一示意圖，說明一電流導入終端，做爲供應一大 電流至構成該產生氫氣高壓系統之電解電池1。在圖式 中，元件符號90代表一銅導體，元件符號90a代表一內鉛 線，元件符號91代表一樹脂絕緣體，元件符號92a與92b 及93a與93b代表密封〇形環，元件符號94代表一樹脂盤’ 元件符號95a與95b代表金屬盤，元件符號96代表一繞線 終端，元件符號97代表一螺帽，元件符號98代表一壓板’ 元件符號99代表一螺絲，元件符號1 00代表一螺帽，而元 件符號101代表高壓容器10之一容器壁。因爲電感90藉 由與電解純水容器3 1電絕緣的方式穿透該容器壁，電力可 以自外部轉移至該電解純水容器3 1的內部。 圖5爲一示意圖，說明一電流導入終端，將一小電流供 應給給水幫浦32與本發明產生高壓氫氣系統之水位計 3 3。在圖式中，元件符號1 1 〇代表電解純水槽3 1之容器壁， 元件符號1 1 1代表一絕緣體，以樹脂充滿，如可固化之環 氧樹脂，而元件符號1 1 2代表一銅線，以搪瓷表層覆蓋。 此結構允許數個電線導入電解純水槽3 1中。 圖6爲一示意圖，說明使用於本發明中之水位計的例 36 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 子。在圖式中，元件符號1 20代表電解純水槽3 1的容器壁， 元件符號1 2 1與1 24代表固定螺絲，元件符號1 22代表一 銅線，以搪瓷表層覆蓋，元件符號1 2 3代表一壓板，元件 符號1 2 5 a至1 2 5 c代表搪瓷表層剝落後之鍍金電極，而元 件符號1 2 6代表一撐臂。因爲在容器壁1 20與水位計3 3之 電極1 25 a間的電阻抗以所說明的方式架構，與在當電極 1 2 5 a浸在水中與不浸在純水中時不同，浸在純水中之電極 1 2 5 a可以與不浸在水中時之電極1 2 5 a區別出來，使得水 表面能夠決定其是在水表面上或是水表面下。 根據如此，可以決定水表面3 3 a是在電極1 2 5 a與1 2 5 b 間，或是125b與125間，或是在電極125c上，使電極組 可做水位計使用。 圖7示一電解純水槽3 1外部供應電力之進水幫浦之例， 其與置於電解純水槽3 1中之進水幫浦3 2不同。一對電動 機1 28與一對磁鐵1 29以相對給水旋轉葉片1 27的方式對 稱置放。該幫浦主單位與旋轉葉片127，及環板130係以 一非磁性之材料製作，如不鏽鋼，而固定在旋轉葉片127 上之磁鐵129與固定於電動機128軸上的磁鐵129，以一 抗熱之塑膠，如樹脂（PEEK)的薄隔牆131分開。 在旋轉葉片127上之磁鐵129，用以上的結構吸引電動 機128上的磁鐵129，而旋轉葉片127浮動並固定於空中。 該葉片1 27繞電動機1 28之旋轉而旋轉。純水流入連接 旋轉葉片1 27邊之電解純水槽3 1之底部，而氧氣流入連接 電動機1 28邊之電解純水槽3 1之上部。然而，這些部分具 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 37 1226909 相同之壓力，因爲其在相同之電解純水槽中，而且沒有應 用差壓於隔板1 3 1之上。 當電解純水槽3 1中之純水供應給電解電池1之陽極時， 電流經穿透給水幫浦主單位之電線，經電流導入終端供應 給電動機1 2 8，如圖4所示。 圖8爲一不意圖’說明一種密封局壓容器1 0或是電解純 水槽3 1之穿孔的方法。在圖式中，元件符號1 4 1代表高壓 容器1 0或純水及氧氣容器3 1的邊牆，X代表容器的內部， 而Y代表該容器的外部，元件符號1 40代表一管線，元件 符號142代表一核心，元件符號143代表一環，元件符號 1 44代表一固定螺絲，元件符號1 45代表該固定螺絲的固 定器。 上述之結構，當固定螺絲1 44藉抓住固定螺絲之固定器 145從X方向旋緊時，允許核心142壓入邊牆141上，以 壓縮配合管線1 4 0。核心1 4 2藉由容器的高壓壓該固定螺 絲1 44的朝旋緊的方向被旋緊，而該管線則完全密封於該 穿透孔中。 雖然核心1 42模鑄於一結構上，其藉由插入圖8中說明 之邊牆1 4 1來固定，市場上已可買到將連接器使用一錐形 螺絲固定於邊牆1 4 1，而管線1 40可以用圖8中所說明之 相同的核心1 4 2密封。 圖9爲一示意圖，示本發明產生高壓氫氣之總結構的另 一例子。此產生高壓氫氣的系統，基本上與圖1所示之系 統相同，並包含一高壓氫氣容器202，其結構使電解電池 38 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 201適應於一產生之氫氣大氣中，一高壓氧氣容器262用 來儲存回返之純水與產生之氧氣，純水線2 1 6 a與2 1 6 b使 在高壓氫氣容器202中的純水與高壓氧氣容器中的純水連 通’而一差壓感測器2 5 3，用來感測高壓氫氣容器202中 的氫氣與高壓氧氣容器262中的氧氣的差壓，以控制該差 壓。 在圖9之產生高壓氫氣之系統中，待電解之純水自高壓 氧氣容器262以幫浦207送入電解電池201中，而該純水 藉由電源2 6 1供應電解所需之電能來電解。氫氣與純水自 一氫氣排放孔203排入高壓容器202中，而產生之氧氣與 未電解之純水，經一回返管線204被送回高壓氧氣容器262 中，而氧氣儲存於位於高壓容器26 2上部分之氧氣池252 中〇 高壓氫氣容器2 02中的壓力與氧氣容器262的壓力，分 別藉產生之氫氣與氧氣增加，至一預定的壓力，如400大 氣壓。當不需氫氣時，該系統係藉停止電解的方式待命。 反過來，當需要氫氣時，將一閥25 7打開，而一針閥256 慢慢打開，以自一氫氣供給孔25 5給進氫氣。 在給進氫氣後，高壓氫氣容器202中的壓降以一壓力計 2 5 4感測到時，藉與壓力計2 5 4合作之控制器（圖未示）的指 示，將電源26 1所供應之電能供應至電解電池20 1，而供 應該電能直到由壓力計254所量測之壓力回復其原始値。 當以壓力計25 4所量測之壓力，藉由增加電源261的電 能增加，直到由壓力計25 4所量測之壓力回復其原始値 39 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 時，針閥2 5 6的開口進一步增加。氫氣藉維持針閥開口的 增加與電源來之電能繼續進氣’直到壓力在增加針閥開口 的增加不再降低時，或是電源2 6 1供應之電能達到一最大 可允許動力時爲止。 儲存於氧氣池252中的氧氣壓力與高壓氫氣容器202中 的氫氣間的差壓，在電解與進氫氣過程中’以一差壓感測 器2 5 3來量測，在以下的具體實施例中示一例子。通常， 控制器（圖未示）控制閥244與針閥243開口間之切換，而 自氧氣排放孔2 4 5之排放量的控制’係使得該差壓感測器 2 5 3沒有差壓信號傳送出來。 當控制高壓氫氣容器202中的壓力’使其與純水與高壓 氧氣容器2 6 2中的壓力相等時’電解純水’而氫氣係自氫 氣給進孔2 5 5供應。 高壓容器26 2與高壓氫氣容器202間的差壓，係藉由氧 氣與氫氣的排放來控制，尤其藉圖1中產生高壓氫氣之系 統的氧氣之排放來控制。然而，因爲自電解電池20 1之壓 阻抗的可允許壓力通常爲4大氣壓，使用電解電池201來 產生4 00或更高之大氣壓氫氣與氧氣，其壓力控制的準確 度需要在1%或是更高。 超過電解電池201可允許之壓阻抗的差壓，可以由連接 至氫氣進孔25 5來進氫氣之系統所消耗的氫氣變化量引起 之壓力控制擾動來產生，或是藉由電源2 6 1之電能變化來 產生。如此，在系統中提供切換閥20 8與217，以避免差 壓超過電解電池之可允許壓阻抗，不至因壓力控制的擾動 40 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 而產生。該等切換閥分別連接純水管線2 1 6 a與2 1 6 b，做 爲將高壓氫氣容器202中的純水與高壓氧氣容器262中的 純水交通之用，並基於差壓來操作。 如此，當高壓氫氣容器202中的氫氣壓降低至低於高壓 氧氣容器2 6 2中氧氣的壓力，而當其間的差壓超過電池201 可允許的壓力時，高壓氧氣容器262中的純水，藉由切換 閥208排放入高壓氫氣容器202中。結果，在高壓氧氣容 器262中的純水體積降低，而氧氣池25 2中的氧氣體積增 加，藉而降低局壓氧氣容器262中的壓力，同時增加高壓 氣热谷益2 0 2中的壓力’以維持低於可允許壓阻抗之差壓。 假設在高壓氫氣容器202中的氫氣體積爲20公升，在高 壓氧氣容器262中的氧氣體積爲0.4公升（氫氣體積的2%) ，而產生的氫氣壓力爲4 0 0大氣壓。然後，4毫升的純水， 其爲0.4公升之氧氣的1 %，流出高壓氧氣容器262，並流 入高壓氫氣容器202中。結果，氧氣壓力降低至4大氣壓， 爲400大氣壓的1%，而氫氣壓力增加〇.〇8大氣壓。根據 如此，一差壓4.08大氣壓可以藉由轉移僅4毫升水的方 式，而有效地降低至電池的壓阻抗之下。 控制在高壓氧氣容器2 6 2中的水面2 5 1，對產生氫氣來 說非常重要，尤其在3 5 0大氣壓或更高時。在此發明中， 水位計25 0置於高壓氧氣容器262中，以隨時監視水面 25 1，而在高壓純水進水槽241中的純水，在當水表面251 自一預定位準降低時，藉由打開閥2 3 8，利用重力，允許 流入高壓氧氣容器2 6 2中。自高壓純水進水槽2 4 1將純水 41 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 流入局壓氧氣谷益2 6 2中，允許相同量的氧氣經由閥2 3 9 流入高壓純水進水槽24 1中。 將高壓純水進水槽241放置於較高壓氧氣容器2 62高位 準，以及將純水進水槽2 4 0來補充純水給與高壓純水進水 槽24 1相同水位或是更高的高壓純水進水槽24 1是很重要 的，以利用重力，將高壓純水進水槽2 4 1中的水流入高壓 氧氣容器262中。 純水係藉由關閉閥2 3 8與2 3 9，並打開閥2 3 6與2 3 7的 方式，補充於高壓純水進水槽241中。高壓氧氣容器262 藉由閉閥2 3 8與2 3 9的方式隔離，而純水給進槽2 4 0中的 純水係藉幫浦2 3 2，經由一離子交換塔2 3 3與濾器2 3 4，送 入高壓純水進水容器中。 純水的阻抗係以阻抗計2 3 5量測。純水經由離子交換塔 23 3做離子處理來循環，直到阻抗變得高於所預定的値， 因爲當純水的阻抗高，電解電池2 0 1的催化電極中毒，而 電解電池201的壽命便減少了。 當純水進水槽240置於較高壓純水進水槽241高的位置 時，高壓純水進水槽24 1內部充滿純水，而使空氣泡泡得 以移除。根據如此，當閥2 3 6與2 3 7關閉而閥2 3 8與2 3 9 打開時，壓力的變化僅視純水的體積而定，其幾乎可以被 忽略。 因爲純水以幫浦23 2在大氣壓下循環，幫浦2 3 2、離子 交換塔2 3 3、濾器23 4與阻抗計2 3 5係都在大氣壓下操作。 由阻抗計23 5所量測之純水阻抗，決定幫浦2 3 2循環純 42 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 水何時中止。 當提供一與高壓純水進水槽 2 4 1相同性能之補助槽 時，在高壓氧氣槽262中純水的進水不會延遲，因爲總有 一個隨時可用。 在高壓氧氣容器262中的純水藉由送入電解電池201中 做電解材料。根據如此，當純水待一長段時間，而水的品 質因阻抗降低，例如6百萬歐姆/平方厘米或更低時，電 解電池201之催化電極可能中毒，而電解電池201的使用 壽命可能就降低了。如此，吾人希望偶而以淸新純水來置 換一部分純水，以防止高壓氧氣容器262中的純水變差。 純水在高壓氧氣容器262中交換，係藉允許高壓氧氣容 器中的純水，藉打開閥2 1 8流入純水排放槽2 1 9中，將純 水排放槽2 1 9中的純水，藉關閉閥2 1 8並打開閥221，排 放至儲水器22 3中，並將淸新的純水以對應自高壓純水進 水槽24 1所排放的體積來補充。 爲了降低純水交換時的壓力變化，純水排放槽2 1 9之體 積較佳爲氧氣池25 2體積的1%，而交換純水的頻率可以爲 一天1 0次（約1 0 % )，雖然視所使用之純水量來決定。 自電解電池1陽極穿透入陰極的純水與產生的氫氣’一 起自氫氣排放孔203排入高壓氫氣容器202中’而純水收 集於高壓氫氣容器202的底部。 純水的儲存體積較佳約爲高壓氧氣容器262之氧氣 '池 25 2體積的兩倍。該體積藉由水位計210感測水面209而 控制，當純水體積增加至預定體積時’純水藉打開閥2 1 1 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 43 1226909 允許流入純水槽2 1 2中。純水槽2 1 2的體積的決定’係使 得由打開閥2 1 1與允許純水流入純水槽2 1 2所引起的壓力 變化，不超過電解電池2 0 1壓阻抗所決定之可允許之壓阻 抗。 例如，假設產生之氫氣在高壓氫氣容器202中之最大壓 力爲400大氣壓，氫氣所儲存之體積爲20公升，而電解電 池2 0 1可允許之壓力爲4大氣壓，在運作中，氫氣以打開 閥2 1 1以允許純水流入純水槽2 1 2之壓力變化，計算得400 大氣壓xO.Ol = 4大氣壓，假設該純水槽的體積爲0.2公升 (儲存氫氣體積之1%)。 甚至當差壓超過 4大氣壓的產生係由幾個因素所積起 來，切換閥208與217的動作，不會產生差壓超過電解電 池壓抗的允許値。 在圖9中，元件符號205代表熱交換器，用來冷卻由電 解所產生的熱，元件符號206代表熱交換器，做爲調整供 應至電解電池201的純水至一需求的溫度，元件符號213 代表電阻型位準計，元件符號2 1 5代表一純水排放管線， 元件符號220代表一電阻型位準計，元件符號224代表一 浮動式位準計，元件符號225代表一進水孔，元件符號227 代表一幫浦，元件符號2 2 8代表一離子交換塔，元件符號 229代表一濾器’元件符號23 0代表純水阻抗計，元件符 號231代表一浮動式位準計，元件符號246代表一緊急氧 氣排放孔，元件符號247代表一緊急氧氣排放孔，元件符 號24 8代表一壓力計，元件符號249代表一氣體漏氣感測 44 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 器，用來感測氫氣在氧氣中的濃度，元件符號2 5 8代表一 緊急氫氣排放閥’元件符號2 5 9代表一緊急氫氣排放閥， 而元件符號260代表氣體漏氣感測器，用來感測氧氣在氫 氣中的濃度。 圖1 0爲一部分剖面視圖，示本發明中使用不同壓力感測 器的結構。如圖式中所示，差壓感測器2 5 3包含一主單位 300，其具一汽缸3〇1，其兩端以伸縮囊306與307密封， 藉由高壓氫氣容器202或是高壓氧氣容器262的壓力，並 在其中塡充惰性流體，可以在縱方向擴展；一內磁鐵體 3 〇4，提供在軸方向自由滑動，與汽缸3 0 1的內面緊密接 觸；一外磁鐵體3 0 5，與汽缸301的外表面緊密接觸，以 與內磁鐵體3 04合作滑動；及一感測器3 20，用來感測差 壓，與可滑動之外磁鐵體3 05藉由擴展伸縮囊306與307 合作。 感測器3 20包含一遮光板319，與可滑動之外磁鐵體305 合作；一顯示板3 1 6，包含開口 3 1 7與3 1 8，被遮光板3 1 9 遮蔽；及一光電計（圖未示），在穿透開口 317與318後， 用來將傳送光之照明能量轉換成電力信號。 在圖10中所示之差壓感測器25 3中，在高壓氫氣容器 202中的氫氣，經氫氣管線312送入一氫氣壓室310中， 在高壓氧氣容器262中的氧氣，經氧氣管線送入氧氣壓力 室311中，而在該等氣體室中的壓力分別傳送至伸縮囊306 與3 07中。 因爲使用如機油之流體塡充伸縮囊3 06與307及汽缸 45 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 301，其體積幾乎不隨壓力變化。如此，伸縮囊3 0 6與307 在氧氣與氫氣的高壓自氫氣管線3 1 2與氧氣管線3 1 3傳送 來時，並不會受擠壓。 當自氫氣管線3 1 2來的氫氣壓力等於自氧氣管線3 1 3來 的氧氣壓力時，內磁鐵體3 04維持靜止於汽缸3 0 1之中心， 因爲由氫氣壓室310與氧氣壓室31 1分別施於伸縮囊306 與3 0 6的壓力相等。 然而，當自氫氣管線3 1 2來的氫氣壓力大於自氧氣管線 313來的氧氣壓力時，一彈簧314受差壓擴展而彈簧315 壓縮，而該內磁鐵體304位移至氧氣壓力室311邊，藉由 受固定桿302與303所壓擠，至差壓分別與彈簧314與315 之擴展與壓縮力平衡的位置。 因爲內磁鐵體3 04與外磁鐵體3 05係藉之間所施之磁力 成磁耦合，該外磁鐵體3 05隨內磁鐵體304與固定於外磁 鐵體3 05上的遮光板319的位移而移動，以遮蔽氧氣邊開 口 3 1 8的一部分。結果，通過開口 3 1 8之照明能量降低， 而通過開口 3 1 7的照明能量則維持不變。 相反地，當自氫氣管線3 1 2來的氫氣壓力小於自氧氣管 線3 1 3來的氧氣壓力時，氫氣邊開口 3 1 7的一部分受到遮 光板3 1 9的遮蔽，通過開口 3 1 7的照明能量降低。 由氫氣管線3 1 2來的氫氣壓力與氧氣管線3 1 3來的氧氣 壓力那一個高，或是其差壓，都可以由量測通過開口 3 1 7 與3 1 8的照明能量來決定。因此，藉由控制’例如控制切 換圖9中所示之閥2 4 4與針閥2 4 3的氧氣排放的量，差壓 46 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 可以調整至零。 當感測內磁鐵體位置的感測方法可以藉由以上所說明 之量測照明能量時，該量測可以使用一滑動電阻來進行。 一滑動器固定於外磁鐵體3 05上，而該滑動器係在滑動電 阻上滑動，與外磁鐵體3 05整合之滑動器和諧運動，藉此 量測內磁鐵體3 04位移的距離。 圖11A與11B分別爲系統中所使用之安全閥20 8或217 的剖面與側視圖。如圖式中所示，安全閥20 8或2丨7包含 一排放孔332，在一閥330直筒主單位處；一汽缸331在 直筒閥內；一彈簧3 3 3與汽缸3 3 1聯鎖，該彈簧3 3 3係以 一螺絲3 3 5與螺帽3 3 6固定，使其可以調整彈簧力；連接 至純水管線216a或216b的連接管線3 3 8,以允許高壓氫氣 容器202或高壓氧氣容器262中的純水可以轉移；及一排 氣孔3 3 7。 安全閥208與217的提供，係藉由轉動螺絲頭3 3 4放鬆 固定螺帽3 3 6，調整該彈簧3 3 3的壓擠強度。結果，經連 接管線3 3 8轉移之純水的壓力所擠壓的汽缸3 3 1，係置於 排放孔3 3 2之上，而使得在連接管線3 3 8中之純水能夠以 一所需的壓力（由電池的可允許壓力所決定）自排放孔3 3 2 排放。其也可能旋緊固定螺帽3 3 6，使其設定不受改變。 當在大氣壓適應閥的主單位3 30的壓力高於純水在連接 管線3 3 8中的壓力時，由於差壓之故，汽缸3 3 1藉彈簧3 3 3 的壓縮開始向上排量。當純水在連接管線3 3 8中的壓力進 一步增加時，汽缸3 3 1的位準超過排放孔3 3 2的位準，以 47 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 允許在連接管線3 3 8中的純水自排放孔3 3 2排放，以降低 連接管線3 3 8中的壓力。當排放孔3 3 2成一反三角形時， 差壓大的時候純水排放的量降低，而差壓小時其排放的量 增加，作用在迅速消除差壓。 圖1 2爲水位計的剖面視圖，該水位計利用氣體如氧氣與 純水間電導性的大差異，而且該水位計使用做圖9中的水 位計25 0。該水位計包含一主電極3 5 0，具一棍形中央電極 3 5 0 a與一同心外電極3 5 0 b，位於中央電極3 5 0 a的外部； 及一次電極3 5 1，具棍形中央電極3 5 1 a，除了電極頂端外， 其餘以一絕緣汽缸包覆，及一同心外電極3 5 1 b，位於該中 央電極351a的外部。 在圖式中，該元件符號3 5 2代表純水的表面；元件符號 3 5 3 a及3 5 3 b代表排氣孔；元件符號3 54a與354b分別代表 外電極351b與351b的附件構件；元件符號3 5 5 a與3 5 5 b 分別代表中央電極3 5 0a與3 5 0b的附件構件；元件符號3 5 6a 與3 5 6b代表絕緣體；元件符號3 5 7 a與3 5 7 b分別代表連接 外電極3 5 Ob與3 5 1 b的固定鑽模，·元件符號3 5 8代表一附 件凸緣，兀件符號359a與359b代表螺帽，用來分別固定 固定鑽模3 5 7 a與357b;元件符號3 60a與3 60b代表絕緣板； 元件符號361a與361b代表墊片；元件符號362a與362b 代表鉛線；元件符號3 6 3 a與3 6 3 b代表墊片；元件符號3 64a 與3 64b代表固定中央電極3 5 0a與3 5 0b之螺帽；元件符號 3 6 5 a至3 67b代表〇-形環。 當水位計2 5 0中之中央電極3 5 0a及外電極3 5 0b如以上 48 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 所說明之建構沉浸在水中時’在中央電極3 5 0 a與外電極 3 5 0 b間的純水阻抗R m，可以藉由在鉛線3 6 2 a與地面連接 一電阻計來量測。 在曝露、不受絕緣汽缸3 6 8所包覆之中央電極3 50b的頂 端與外電極351b間的電阻Rr，可以藉由量測鉛線3 62a與 地面間的電阻來量測。 電極35 la頂部分不受絕緣汽缸3 68包覆之長度定爲Lr， 中央電極3 50a與外電極3 5 0b沉浸在水裏的各長度定爲 Lx。於是，Lx由下式決定；

Lx = Lr (Rr/Rm) (1) 上式（1)示純水3 5 2表面的位準，係由計算L x而得。 當離子交換器樹脂塔出口之純水的阻抗約爲1 8百萬歐 姆/平方厘米時，隨離子濃度由溶解純水容器牆而增加時， 其阻抗隨時間降低。然而，其總是可能感測一準確之水位， 不論純水阻抗隨時間改變多少，因爲位準由量測Ri·來修 正。 因爲氣體，如氫氣與氧氣爲電絕緣體，在鉛線3 64a與接 地間的電阻抗，僅由純水的電阻抗來決定，其中央電極 3 50a與外電極3 5 0b浸水，而氫氣與氧氣的電阻抗效應可 以忽略。 因爲所有的材料以及中央電極3 5 0a與外電極3 50b具優 異的結構壓阻抗與特性，該水位計25 0可以如傳統之浮動 型水位計一樣，不受壓力的限制來使用。 雖然當電力施於電極之間，於高壓氫氣與氧氣共存的環 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 49 1226909 境下，電極的材料會受到電解之腐蝕，然而該問題可以藉 由脈衝量測法，或是將中央電極3 5 0a與351b及外電極350b 與35 1 b以抗腐蝕之稀有金屬如鈦或是鉑來電鍍而解決。還 有，因爲鉛線3 64a與接地間的電阻抗Rr做爲純水的電阻 抗，其量測値可以使用作爲評量純水品質，用來決定純水 與氧氣之高壓容器2 62中純水交換的頻率。 圖1 3示本發明之產生高壓氫氣系統的另一例。電解電池 201係設計使可以在高壓氫氣容器202產生之氫氣大氣中 適應，如先前所說明。當該系統也包含高壓氧氣容器262， 做儲存待電解之純水、回流之純水與產生之氧氣之用，其 包含一壓力控制器2 7 0來代替差壓感測器2 5 3，而排放閥 2 0 8與2 1 7則省略。 該壓力控制器270，藉由允許高壓氧氣容器262與高壓 氫氣容器2 0 2間的純水移動，以其間的差壓爲主，自具局 壓的容器至一低壓的容器，做減輕差壓的功能。 當高壓氧氣容器262中的壓力變得大於局壓氫氣容器 202中的壓力時，在高壓氧氣容器262中的純水流入壓力 控制器270中，而同等體積的純水自該壓力控制器270被 推回高壓氫氣容器202中。結果，高壓氧氣容器262中的 壓力，隨純水的體積，因氧氣池25 2體積增加而降低時降 低，而且高壓氫氣容器202中的壓力，隨純水體積增加而 增加，藉而減輕差壓。 該壓力控制器270感測純水轉移的量，並以控制器（圖未 示）控制閥244與針閥24 3間的切換。結果，轉移至高壓氫 50 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 氣容器202邊的純水，回流到高壓氧氣容器262 i 自該氧氣排放孔24 5排放之氧氣體積係受到控制 止進一步純水的轉移，以使壓力平均。 因爲控制電解電池2 0 1產生的氫氣法使氫氣的 由控制電源2 6 1供應至電解電池2 0 1的電力，維 定的壓力，該補充純水至高壓氧氣容器262與自 水的方法，及自該高壓氫氣容器202排放純水的 圖9中所說明之系統的方法一樣，因此其說明省 圖1 4 A示壓力控制器2 7 0的部分剖面視圖，而 壓力控制器沿著圖1 4 A中線A - A ’之剖面視圖。壓 2 7 0包含壓力控制器之一主單位3 9 0，具非磁性材 空心汽缸370，一內滑件371與該空心汽缸370 密滑動接觸，並以一磁性材料製成，及一外滑件 空心汽缸370外表面緊密滑動接觸，並以一磁 成；及一位置感測器400，用來感測外滑件372 高壓氫氣容器202中的純水3 84，係導入由該內 所隔開之空心汽缸3 7 0之一半處，而在高壓氧氣 中的純水3 8 5係導入另一半。 在高壓氫氣容器202中的純水3 84與高壓氧氣 中的純水3 8 5以該內滑件3 7 1隔開。如此，純水 水385不會混合。當高壓氫氣容器202的壓力等 氣容器2 62中的壓力時，在兩容器間沒有差壓， 3 7 1設定於該空心汽缸3 7 0的中央位置。 如此’當高壓氧氣容器2 62中的壓力高於高壓 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 ΐ。然後， ，使得防 壓力，藉 持在一預 其排放純 方法，與 略。 圖14Β示 力控制器 料所製之 內表面緊 3 7 2與該 性材料製 的位置。 滑件3 7 1 容器262 容器262 3 84與純 於高壓氧 該內滑件 氫氣容器 51 1226909 202中的壓力時，在高壓氧氣容器262中的純水自管線375 流入空心汽缸3 7 0，以降低高壓氧氣容器262中的壓力。 結果，內滑件371被推擠，藉由允許純水流入空心汽缸 37 0，使得純水3 8 4的體積增加，而由於降低體積而溢流之 純水3 8 5則經管線3 7 6流入純水與高壓氧氣容器2 6 2中， 藉而自動減輕產生之差壓，因爲氧氣的壓力，由於氧氣在 高壓氧氣容器262中的體積降低而降低。 內滑件3 7 1自中央位置移動至一彈簧3 8 3邊位置。因爲 該內滑件3 7 1與外滑件3 7 2磁性耦合之故，該外滑件3 7 2 移動至與一輕型遮蔽板3 7 7排量相同的相同位置，其藉由 一固定棍3 8 1固定於該外滑件3 7 2上，以覆蓋一開口 3 8 0 的一部分，藉而降低由開口 3 80所穿透之照明能量。 因此內滑件371的長度與位移，由比較穿透開口 380與 穿透開口 3 7 9的照明能量來決定，針閥24 3的開口由控制 器（圖未示）來控制，使得內滑件3 7 1，藉由比較開口 3 8 0 所傳送的照明能量與開口 3 7 9所傳送的照明能量，回到原 始之中央位置。 做爲比較壓力控制器27 0照明能量之位置感測器400， 具有與差壓感測器2 5 3之感測器3 2 0 —樣的結構與功能。 自氧氣排放孔245所排放的氧氣體積，係藉由控制針閥 24 3的開口來控制’使得內滑件37 1總是待在以上所說明 之中央位置。因此，高壓氫氣可以產生，而不必對電解電 池2 0 1施一差壓。 當高壓氫氣容器202中的壓力維持高於高壓氧氣容器 52 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 2 6 2中的壓力時’而內滑件3 7 1至的位移不能藉以上所說 明之控制方式停止時，內滑件3 7 1會撞擊彈簧3 8 3。医j爲 再壓彈簧3 8 3再也不能使該內滑件371移動，直到胃 件3 7 1回到該位置’否則該內滑件3 7 1的移動沒有限制。 因此，在此期間幾乎沒有差壓產生。 然而，當內滑件371撞擊彈簧3 8 3時，內滑件371不能 再移動，除非其濟壓彈簧3 8 3。換句話說，差壓無法藉由 內滑件3 7 1的移動來控制。然而，當有一旁通流管3 7 4時， 彈簧3 8 3收縮以允許局壓氫氣容器2 0 2中的純水，直接由 旁通流管3 7 4流到高壓氧氣容器2 6 2中，藉而防止差壓增 加至一預定壓力之上。 允許高壓氫氣容器2 0 2中的純水直接由旁通流管3 7 4流 到高壓氧氣容器262中，暗示有一些不正常的狀態已浮 現，使之無法僅藉由控制器（圖未示）來控制針閥243的開 口來控制系統之操作。如此，提供有緊急之關閉切換（圖未 示）及緊急排放閥247與24 8，在不正常的狀態下做緊急停 止，使電解電池201的電源261關閉，而除了閥2 5 8外， 所有的閥都關閉，而氫氣與氧氣自電解電池20 1的產生停 頓，以立即降低高壓氫氣容器202的壓力。 雖然在圖13中未示，同時也提供一氮氣管線，做爲以氮 氣沖洗高壓氧氣容器262與高壓氫氣容器202內部之用’ 以安全停止該系統。 設定彈簧3 82與3 8 3的強度，使得允許純水流入旁通流 管3 7 3或3 7 4的差壓爲壓迫彈簧3 8 3的結果，藉由內滑件 53 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 371落在電解電池201可允許之壓阻抗範圍內，來保護電 解電池20 1，使之不至受到壓力高過壓抗的損壞。 除了滑件3 7 1的體積外，當空心汽缸3 7 0的體積調整至 與高壓容器2 6 2中的氧氣池2 5 2相等時，在操作緊急關閉 機制之前，可以減輕差壓的± 5 0 %。 圖15與16示差壓控制器270的部分剖面圖。在該等圖 中所示之壓力控制器2 7 0，包含一純水管線4 1 3壓力控制 器270並聯，以及一中間停汽閥420，以切換器41 1與412 做切換該閥之用。 在壓力控制器270中，內滑件371藉由在兩端之切換器 4 1 1與4 1 2，當差壓增加至超過藉由內滑件3 7 1的位移，以 及由內滑件3 7 1引起彈簧3 8 3壓縮之可控制的位準時，允 許停汽閥420打開。例如，在高壓氫氣容器202中的純水， 允許純水經管線4 1 3直接流入高壓氧氣容器2 62中，使差 壓不至增加到預定壓力以上。 圖1 7爲根據本發明之產生氫氣系統5 0 1中所使用的電解 電池之結構與附件之橫剖面。 電解電池5 03爲一雙極多層型電解電池，係以垂直方向 架設於高壓氫氣容器502中。 如圖17中可以看出，電解電池503,在一盤狀主陰極504 與主陽極5 05間，包含複數個環狀之多元電解質膜5 0 6， 其具鈾催化層於其兩面上，及複數個環狀雙極電極5 07， 其以多孔質之電極5 1 1，其形成方式係在多孔質電極5 1 1 之間垂直插入隔牆5 1 6所堆疊成。該電解電池，係架設於 54 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 一於高壓氫氣容器502中之架設桌面517上，而主陽極505 以一彈簧構件5 1 9所壓縮之壓縮鑽模5 2 3向下壓縮。 壓縮鑽模5 2 3包含一直筒形的鑽模主單位5 1 8，固定於 電解電池5 03上，一彈簧構件5 1 9連接在鑽模之主單位5 1 8 上，而一壓螺絲5 20，其一端固定於高壓容器502中，使 其將彈簧構件5 1 9增能。雖然因方便示範之故，在圖17 中僅示一組壓縮鑽模，其實有複數組壓縮鑽模對稱配置， 以平均壓縮電解電池5 0 3。然而，電解電池5 0 3可以藉一 液壓壓縮，而不受該彈簧構件壓縮。 電解電池503係藉由將複數個雙極電極5 07堆疊而形 成。具有一氧氣及純水的排放通道A，藉由形成穿透孔5 0 9 於各雙極電極5 07的外圓周，以使孔在垂直方向彼此交 通。氧氣與純水排放孔512形成於各雙極電極507的陽極 邊，以面對氣體排放通道A，而產生之氧氣與未電解的純 水經排放口 5 1 2、氧氣與純水排放通道A及氧氣排放管線 5 4 2，排放至高壓容器5 0 2的外部。一氫氣與純水排放孔 5 1 0則形成於徑向方向，以直接將陰極產生的氫氣與穿透 的純水，排放至高壓容器中。 一純水進水通道B形成於電解電池5 0 3的中央，經穿透 孔5 08來進電解純水，孔5 08形成於各雙極電極5 07之中 心，使各孔在垂直方向彼此連通。該純水進水通道B連接 至一純水給水管線5 47，自高壓容器5 02的外部進純水， 而純水係經由形成於陽極邊、與純水進水通道B接觸之純 水進水孔5 0 8 a來供應給多孔質電極5 1 1。 55 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 自外部供應電能之鉛線5 3 2，係連接於該電解電池503 的頂部。 雖然對多元電解質膜5 0 6上的壓縮力調整，使不至以壓 縮鑽模523來壓垮該多元電解質膜506，其調整的可允許 範圍非常窄，使該多元電解質膜還是可能被壓垮。因此， 將一密封構件524之環形板，置於該多元電解質膜5 06的 外圓周上，使得該多元電解質膜5 06在施一過高之壓縮力 時，不至壓垮。 此密封構件5 2 4較多元電解質膜5 0 6薄但質地較硬，並 形成一環，使用的材料爲塑膠，在電絕緣上極優異。雖然 多元電解質膜5 0 6的厚度與密封構件5 2 4的厚度間的關 係，應合適來得到密封的特性，然其可以藉由該雙極電極 507來夾住該多元電解質膜506與密封構件524,並在一預 定壓力下壓縮後，藉由量測電阻抗的方式來確定。 當密封特性已決定不合適，該多元電解質膜5 〇 6與密封 構件5 24的組合變更，或是自各具不同厚度複數個密封構 件5 24中’再選一個合適厚度的密封材料出來，以選擇所 需之電阻抗之組合。 較佳的方式係提供一環形密封構件，於構成純水進水通 道B之穿透孔5 0 8周圍，以改善純水進水通道b與電極間 的密封性能。 爲了防止多元電解質膜5 06與密封構件5 24板不至受到 雙極電極5 07的重量壓垮，吾人希望限制堆疊雙極電極5〇7 的數目，並將複數個堆疊之電極使用串級接法。 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 56 1226909 該主陰極5 04可以連續地與高壓氫氣容器5 02電連接， 藉由允許其與該架設桌面517接觸，而該主陽極5 05可以 與高壓氫氣容器5 02絕緣。當高壓氫氣容器5 02接地（圖未 示）時，該主陰極504接地，而該主陽極5 05則與接地電勢 絕緣。結果，藉由連接電源於電流導入端5 2 7與接地之間， 提供一電源給電解電池5 0 3。當電解水所需要的電能，自 電流導入端5 27經由鉛線5 3 2供應給主陽極時，純水係由 各純水進水管線547，經與純水進水孔B接觸之陽極處的 各純水進水孔5 0 8 a，供應至多孔質電極5 1 1。由電解純水 所產生之氧氣，以及沒有電解的純水，係經由各排放孔 5 12，收集於具複數穿透孔5 09之氧氣與純水排放通道A， 並回流至一高壓容器（圖未示），經氧氣排放管線5 4 2做儲 存高壓氧氣之用。 產生於陰極之氫氣與穿透之純水，直接自排放孔5 1 0排 放至高壓容器5 02中，而穿透之純水自一純水排放管線5 4 8 排放，並收集於一廢水槽中（圖未示）。收集於高壓容器502 中之氫氣，自形成於高壓容器5 02中之氫氣進氣孔5 3 8補 回。 將作用於多元電解質膜5 06兩端的差壓，與作用於雙極 電極5 07間、以多元電解質膜密封之密封構件5 24的差壓 降低至零，是有可能的，藉由控制收集氧氣之高壓容器（圖 未示）之氧氣壓力與高壓容器5 02中的氫氣壓力相等。通 常，在氫氣與氧氣間的差壓，係控制在電解電池5 03之壓 阻抗範圍內，以保護多元電解質膜506不至破壞，並以防 57 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 止氧氣自密封構件5 24漏入高壓容器5 02中，甚至當收集 於高壓容器5 02中的氫氣壓力已超過該電池的壓阻抗時亦 妖〇 j\ \\ 圖1 8示圖1 7中之電解電池5 03的分解透視圖。電解電 池5 03由環形多元電解質膜5 06、在多元電解質膜外圓周 上之密封構件5 24之複數環形板、及具相同直徑之複數個 環形雙極電極5 07所組成。多元電解質膜、密封構件及雙 極電極在垂直方向堆疊於主陰極504與主陽極5 05之間。 將產生之氧氣與未電解之純水排出高壓容器5 0 2的排放孔 512,位在各構件的陽極邊，而直接將產生之氫氣與穿透之 純水排放至高壓容器5 02之排放孔5 1 0，則位在各構件的 陰極邊。 形成純水進水通道B之穿透孔5 08、做爲進電解純水之 用，係位於各構件（除了主陽極5 05 )的中央，而進純水給陽 極之純水進水孔508a，係形成於各雙極電極507之內。密 封該純水進水通道B之密封構件50 5 a、一孔與一與該孔連 接之純水進水孔5 0 8 a、及一氧氣與純水排放孔5 1 2，係位 於主陽極5 05。 一排放孔5 1 0係位於各雙極電極5 07的邊牆，以排放產 生於陰極之氫氣與穿透之純水，至高壓容器502中。 根據如此，從圖1 8可以明顯看出，自形成於主陰極5 0 4 中央的純水進水通道B所供應之純水，係由純水進水孔 508a排送至陽極邊之各多孔質電極511。產生於陽極之氧 氣與未電解的純水，自氧氣與純水排放孔5 1 2流入氧氣排 58 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 放通道A，並經由氧氣排放管線5 4 2被補回至高壓容器5 0 2 之外部。產生於陰極之氫氣與穿透之純水，直接自該氫氣 與純水排放孔510排放至高壓容器502中。 該多孔質電極511包含一鈦金屬網，而其兩面藉焊接固 定至雙極電極5 07的內牆上。該網之表面做接觸該多元電 解質膜5 06之用，鉑催化劑形成於各表面上，可拋光成平 滑表面，並包含一碳覆膜，藉ECR電漿沉積於該表面上。 圖18中構成電解電池5 03之各構件，具有以軸方向位於 外圓周處之定位溝槽522，以組合佈置各構件。 圖1 9示供應至電解電池陽極之純水的水流圖案。在圖式 中所示之箭頭表示純水流。純水自位於純水進水孔 5 0 8 a 中央之純水進水通道B供應，並以360°之角度擴散，流向 雙極電極5 07之內圓周牆。水流漸漸變細，並且純水經由 以對稱方式排列之氧氣與純水排放孔5 1 2，流入包含穿透 孔509之氧氣排放通道A中。 【圖式簡單說明】 圖1爲一示意圖，示範本發明產生高壓氫氣之系統的一 個範例的總結構； 圖2爲一管線的範例，做加強圖1中產生高壓氫氣系統 中之冷卻效應； 圖3爲一進水幫浦的剖面圖，以一感應電動機來供應動 力，爲圖1中進水幫浦之一例； 圖4爲一示意圖，說明將大電流供給電解電池之一電流 導入端的例子； 59 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 圖5爲一示意圖，說明將小電流供給該進水幫浦與水位 計之電流導入端的例子； 圖6爲一示意圖，說明水位計的一個例子； 圖7爲一示意圖，說明進水幫浦的另一個例子； 圖8爲一示意圖，說明一種密封該高壓容器邊牆上一穿 孔的方法； 圖9爲一 τκ意圖，示範本發明產生高壓氫氣系統的另一 個例子的總結構； 圖1 0爲圖9中差壓感測器之結構的部分剖面圖； 圖1 1 A示圖9中安全閥結構的剖面圖； 圖1 1 B示圖9中安全閥結構的側視圖； 圖1 2示圖9中水位計結構的剖面圖； 圖13爲一示意圖，示範本發明產生高壓氫氣系統的第三 個例子的總結構； 圖1 4 A示範圖1 3中壓力控制器的部分剖面圖； 圖14B示範圖14A中壓力控制器沿著線A-A’的剖面圖； 圖1 5示另一例壓力控制器的部分剖面圖； 圖1 6示一不同之壓力控制器的部分剖面圖； 圖1 7示範根據本發明之電解電池的結構與接附的剖面 圖； 圖1 8示圖1 7中之電解電池的分解透視圖；及 圖1 9示範圖1 7中之電解電池陽極上的純水之一流動圖 案。 (元件符號說明） 60 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 X 局 壓 容 器 內 部 Y 高 壓 容 器 外 部 A 氣 體 排 放 通 道 B 純 水 進 水 通 道 1 電 解 電 池 2 氫 氣 排 放 管 線 2a、2b 細 微 管 3 純 水 供 應 管 線 4 回 返 管 線 4a、4 b 細 微 管 5 陰 極 線 6、8 電 極 終 端 7 陽 極 線 9 電 源 10 局 壓 容 器 10a 氧 氣 電 測 訊 號轉換器 11 水 池 12 水 位 計 13 水 位 14 閥 15 閥 16 針 閥 17 閥 18 針 閥 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

61 1226909 19 20 20a 20b 21 22 23 24 25 25a 25b 25c 26a 26b 27a 27b 28a 28b 29a 29b 30 31 3 1a 31b 濾器 水槽 水位計 水位 閥 濾器 針閥 管線 熱交換器 熱交換器 熱交換器 熱交換器 冷卻水供 冷卻水輸 冷卻水供 冷卻水輸 溫度計 溫度計 溫度計 溫度計 溫度計 電解純水 氧氣池 氫氣電測

應管線 出管線 應管線 出管線

槽 訊號轉換器 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 62 1226909 32 進水幫浦 33a 水位 33 水位計 34 閥 35 針閥 36 閥 37 閥 38 針閥 39a、 39b 壓力計 40 閥 4 1 閥 42 閥 43 閥 44 純水補充槽 45 濾器 46 離子交換塔 47 幫浦 48 純水儲存槽 49 水位計 49a 阻抗計 49b 水位 50 濾器 5 1a 給水管線 5 1 b 回流管線 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 63 1226909 5 1 給水管線 52 閥 53 濾器 54 離子交換塔 55 幫浦 56 水槽 57 補充水供應管線 58 閥 59 水位計 59a 水位 60 分岐管線 6 4a 、64b 細微管 64 冷卻管線 7 1 冷卻電解純水槽的底部 72 純水出口孔 73 給水葉片 74 轉軸 75 轉子 76 驅動核心 76a 、7 6b 鉛線 77 旋轉感應線圈 77a 、77b 旋轉感應線圈的鉛線 77c 旋轉感應磁鐵 78a 至7 8 c 軸承 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

64 1226909 79 螺 帽 80 螺 絲 8 1 軸 承 構件 90 銅 導 體 90a 內 鉛 線 91 樹 脂 絕緣' 蝴 體 92a、 92b 密 ί封◦ -形 環 93a、 93b 密 ί封〇 -形 94 樹 脂 盤 95a > 95b 金 :屬盤 96 繞 線 終端 97 螺 帽 98 壓 板 99 螺 絲 100 螺帽 101 局 壓 容器 10 之 容 器 壁 110 電 解 純水: 槽 3 1 之 容 器 111 絕 緣 體 112 銅 線 120 電 解 純水 槽 3 1 的 容 器 12 1 固 定 螺絲 122 銅 線 123 壓 板 124 固 定 螺絲 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 65 1226909 125a 至 125c 搪瓷表層剝落後之鍍金電極 126 撐臂 127 旋轉葉片 128 一對電動機 129 一對磁鐵 130 環板 13 1 薄隔牆 140 管線 14 1 高壓容器1或純水及氧氣容器3 1的邊牆 142 核心 143 TSfi 壞 144 固定螺絲 145 固定器 201 電解電池 202 高壓氫氣容器 203 氫氣排放孔 204 回歸管線 205 熱交換器 206 熱交換器 207 幫浦 208 閥 209 水面 2 11 閥 212 純水槽 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

66 1226909 2 13 電 阻 型 位 準 計 2 15 純 水 排 放 管 線 216a 與 216b 純水線 2 17 安 全 閥 2 17 閥 2 18 閥 219 純 水 排 放 槽 220 電 阻 型 位 準 計 221 閥 223 水 槽 224 浮 動 式 位 準 計 225 進 水 孔 227 幫 浦 228 離 子 交 換 塔 229 濾 器 230 純 水 阻 抗 計 23 1 浮 動 式 位 準 計 232 幫 浦 233 離 子 交 換 塔 234 濾 器 235 阻 抗 計 236 閥 237 閥 238 閥 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

67 1226909 239 閥 240 純 水 進 水 槽 24 1 局 壓 純 水 進 水 槽 243 控 制 閥 244 針 閥 245 氧 氣 排 放 孔 246 緊 急 氧 氣 排 放 孔 247 緊 急 氧 氣 排 放 孔 248 壓 力 計 249 氣 體 漏 氣 感 測 器 250 水 位 計 25 1 水 面 252 氧 氣 池 253 差 壓 感 測 器 254 壓 力 計 255 氫 氣 供 給 孔 256 針 閥 257 閥 258 緊 急 氫 氣 排 放 閥 258 閥 259 緊 急 氫 氣 排 放 閥 260 氣 體 漏 氣 感 測 器 261 電 源 262 局 壓 氧 氣 容 器 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

68 1226909 2 7 0 壓力控制器 3 00 差壓感測器之主單位 301 汽缸 3 04 內磁鐵體 3 0 5 外磁鐵體 3 0 6 伸縮囊 3 07 伸縮囊 310 氫氣壓室 311 氧氣壓室 3 1 2 氫氣管線 3 13 氧氣管線 3 14 彈簧 315 彈簧 3 16 顯示板 317 開口 3 18 開口 319 遮光板 3 20 感測器 3 3 0 閥 331 汽缸 3 3 2 排放孔 3 3 3 彈簧 3 3 4 螺絲頭 3 3 5 螺絲 69 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 336 螺 帽 337 排 氣 孔 338 連 接 管 線 350 主 電 極 3 5 0a 棍 形 中 央 電 極 3 5 0b 同 心 外 電 極 35 1 次 電 極 351a 棍 形 中 央 電 極 35 1b 同 心 外 電 極 352 純 水 表 面 3 5 3 a 排 氣 孔 3 5 3 b 排 氣 孔 3 5 4a 棍 形 中 央 電 極 之 附 件 構 件 3 5 4b 同 心 外 電 極 之 附 件 構 件 3 5 5 a 棍 形 中 央 電 極 之 附 件 構 件 3 5 5 b 同 心 外 電 極 之 附 件 構 件 3 5 6a 絕 緣 體 3 5 6b 絕 緣 體 3 5 7 a 固 定 鑽 模 3 5 7 b 固 定 鑽 模 358 附 件 凸 緣 3 5 9 a 螺 帽 3 5 9b 螺 帽 3 60a 絕 緣 板 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

70 1226909 360b 絕 緣 板 36 1 a 墊 片 361b 墊 片 362a in 線 3 62b 鉛 線 3 63 a 墊 片 3 63 b 墊 片 364a 螺 帽 364b 螺 帽 368 絕 緣 汽 缸 370 空 心 汽 缸 371 內 滑 件 372 外 滑 件 37 3 旁 通 流 管 374 旁 通 流 管 375 管 線 376 管 線 377 輕 型 遮 蔽 板 379 穿 透 開 □ 380 開 □ 383 彈 簧 384 高 壓 氫 氣 容 器 之 純 水 385 局 壓 氧 氣 容 器 之 純 水 390 壓 力 控 制 器 主 單 位 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974

71 1226909 400 位置 4 11 切換 4 12 切換 4 13 純水 420 中間 50 1 產生 502 高壓 503 電解 504 主陰 505 主陽 5 0 5 a 密封 506 多元 507 雙極 508 穿透 5 0 8 a 純水 509 穿透 5 10 氫氣 5 11 多孔 5 12 氧氣 5 17 架設 5 18 鑽模 5 19 彈簧 523 壓縮 524 密封 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 感測器 器 器 管線 停汽閥 氫氣之系統 氫氣容器 電池 極 極 構件 電解質膜 電極 孔 進水孔 孔 與純水排放孔 質電極 與純水排放孔 面 主單位 構件 鑽模 構件

72 1226909

527 電 流 導 入 端 532 鉛 線 538 氫 氣 進 氣 孔 542 氧 氣 排 放 管 線 547 純 水 給 水 管 線 548 純 水 排 放 管 線 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 73

Claims (1)

1226909 拾、申請專利範圍 1. 一種高壓氫氣之產生系統，藉由使用一包含多元電解 質膜之電解電池，直接電解純水， 其中一電解電池位於一高壓容器中，該容器亦做爲產生 氫氣的儲存槽之用。 2. —種高壓氫氣之產生系統，藉由使用一包含多元電解 質膜之電解電池，直接電解純水， 其中一電解電池位於一高壓容器中，該容器亦做爲產生 氫氣的儲存槽之用，而電解純水儲存於另一高壓容器中， 其與電解電池連通，做爲產生氧氣之儲存槽之用。 3 .如申請專利範圍第2項之高壓氫氣之產生系統，具壓 力控制裝置，用來控制儲存氫氣之高壓容器的內壓與儲存 氧氣之高壓容器的內壓間的差壓，使之低於電解電池之壓 阻抗。 4.如申請專利範圍第3項之高壓氫氣之產生系統，其中 壓力控制裝置，係提供做調整儲存氫氣之高壓容器的內 壓，使其稍微低於儲存氧氣之高壓容器的內壓。 5 ·如申請專利範圍第3或4項之高壓氫氣之產生系統， 其中壓力控制裝置，係提供做量測各高壓容器的壓力， 並以量測値爲主，藉由將氫氣或是氧氣經由各高壓容器之 閥切換來排放，來調整差壓，使之低於電解電池之壓阻抗。 6 ·如申請專利範圍第3或4項之高壓氫氣之產生系統， 其中壓力控制裝置，係藉由允許純水，藉由切換與各高 壓容器中純水交通之管線所連接的容器中的閥來轉移，做 74 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 調整差壓使之低於電解電池之壓阻抗。 7 .如申請專利範圍第6項之高壓氫氣之產生系統， 其中與高壓容器中純水交通之管線，包含兩條管子，其 中一條在儲存氫氣之高壓容器中具有一閥，而另一條在儲 存氧氣之高壓容器中具有一閥。 8 ·如申請專利範圍第7項之高壓氫氣之產生系統，其中 該閥具一三角形之排放孔。 9.如申請專利範圍第6項之高壓氫氣之產生系統， 其中該壓力控制裝置具有差壓計，其包含： 一非磁性材料之汽缸，藉各高壓容器的壓力以及塡充一 惰性氣體，將兩端以塑膠伸縮囊密封於軸向方向； 一主單位，包含一內磁鐵體，與該汽缸的內表面緊密接 觸，以及一外磁鐵體，與該汽缸的外表面緊密接觸；及 一感測器，基於伸縮囊彈性變形所變化之該外磁鐵體的 位置，來感測差壓。 1 〇 ·如申請專利範圍第9項之高壓氫氣之產生系統，其中 該感測器包含一輕型遮蔽板，與該外磁鐵體聯鎖，一窗板 具一開口，被該輕型遮蔽板遮蔽，及一光電計將穿透該開 口之照明能轉換成電力信號。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之高壓氫氣之產生系統，其中 該感測器包含一滑件，做爲一建構元件，藉由與該外磁鐵 體聯鎖，於一電阻上滑動。 1 2 ·如申請專利範圍第3或4項之高壓氫氣之產生系統， 其中壓力控制裝置，位於與各高壓容器中之純水連通之 75 312/發明說明書(補件)/92-〇4/92101974 1226909 管線中’並以一包含一滑件之壓力控制器，根據純水在各 高壓容器中的差壓滑動，調整容器的壓力。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之高壓氫氣之產生系統， 其中該壓力控制器’具有一*主單位及一位置感測器，做 爲感測一外滑件的位置，並藉由允許分別位於高壓容器中 之純水移動，調整高壓容器的壓力，而該主單位包含： 一空心汽缸，以非磁性材料所製，一端與儲存氫氣之高 壓容器中的純水連通，另一端與儲存氧氣之高壓容器中的 純水連通； 一內滑件，以磁性材料所製，用來阻擋純水，並以與空 心汽缸的內表面緊密接觸的方式滑動；及 一外滑件，以磁性材料所製，並以與空心汽缸的外表面 緊密接觸的方式滑動。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該空心汽缸具有緩衝裝置，如於兩端之流通道，當該內 滑件滑至汽缸兩端之一時，做爲將純水流經該等通道之用。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該空心汽缸具有緩衝裝置，如於兩端之切換器，當該內 滑件滑至汽缸兩端之一時，做爲切換純水流動管線中一關 斷閥。 1 6 ·如申請專利範圍第1 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該空心汽缸具有一淨體積，等於或小於儲存氫氣之高壓 容器的氫氣體積或是儲存氧氣之高壓容器的氧氣體積兩者 中較小的體積。 76 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 1 7.如申請專利範圍第1至3項中任一項之高壓氫氣之產 生系統，具有一熱交換器，位於高壓容器外部，做爲冷卻 產生之氫氣之用。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之高壓氫氣之產生系統，其 中儲存氫氣之高壓容器與高壓容器外部之熱交換器，與一 氫氣冷卻管線連接，包含複數個細微管，岐佈於該高壓容 器中。 1 9 ·如申請專利範圍第2或3項之高壓氫氣之產生系統， 具有一熱交換器，在管線的通道中，做爲對電解電池進電 解純水，及/或於管線的通道中，做爲自電解電池回歸純水 之用，而該等熱交換器，係提供做控制供應電解電池及/ 或自電解電池回歸的純水之純水溫度之用，或是防止純水 不至結凍。 20 ·如申請專利範圍第1 9項之高壓氫氣之產生系統，其 中回歸之純水的管線，包含複數個細微管線，歧佈於儲存 氫氣之高壓容器中。 2 1.如申請專利範圍第2或3項之高壓氫氣之產生系統， 其中複數個控制儲存之氫氣及/或氧氣與純水溫度或是防 止純水不至結凍之冷卻細微管，位於儲存氫氣之高壓容器 及/或儲存氧氣之高壓容器之內。 22·如申請專利範圍第18項之高壓氫氣之產生系統，其 中該等細微管架持並鉛錘於各核心的中心，該核心以封閉 的方式，固定於構成各高壓容器邊牆由內部朝外部呈錐形 的穿孔中。 77 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 2 3 ·如申請專利範圍第2 0項之高壓氫氣之產生系統，其 中該等細微管架持並鉛錘於各核心的中心，該核心以封閉 的方式，固定於構成各高壓容器邊牆由內部朝外部呈錐形 的穿孔中。 24.如申請專利範圍第21項之高壓氫氣之產生系統，其 中該等細微管架持並鉛錘於各核心的中心，該核心以封閉 的方式，固定於構成各高壓容器邊牆由內部朝外部呈錐形 的穿孔中。 25 ·如申請專利範圍第2或3項之高壓氫氣之產生系統， 其中儲存氧氣之高壓容器，架有一進水幫浦，做爲將儲存 於容器中之電解純水進給電解電池之用，及一電動機來驅 動該進水幫浦。 26. 如申請專利範圍第2或3項之高壓氫氣之產生系統， 其中儲存氧氣之高壓容器具體積控制裝置，做爲控制儲存 於高壓容器中之純水的體積，使之高於儲存氫氣之高壓容 器的體積，並控制氧氣的體積爲小於儲存氫氣之高壓容器 體積的4 %或更低。 27. 如申請專利範圍第2或3項之高壓氫氣之產生系統， 其中儲存氧氣之高壓容器具純水補充設備，以一循環系統 構成，包含一補充消耗純水之純水儲存槽、一離子交換塔 及一純水補充槽。 2 8.如申請專利範圍第27項之高壓氫氣之產生系統， 其中純水補充設備包含純水補充槽、一進水管線及一管 線做回歸氧氣與純水之用， 78 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 該純水補充槽的位置，使儲存於其中的純水能夠以重力 的方式供應給儲存氧氣的高壓容器，並能夠接受儲存氧氣 之高壓容器中的氧氣，‘ 在純水儲存槽與純水補充槽間的進水管線，其位置使得 在純水儲存槽中的純水，經由離子交換器塔，供應至純水 補充槽，及 回歸氧氣與純水之管線，在純水儲存槽與純水補充槽間 的位置，使得在純水槽中的高壓氧氣能夠經由純水補充槽 中之一濾器排放，在純水補充槽中之純水循環直到純水回 復至一預定的阻抗。 2 9.如申請專利範圍第26項之高壓氫氣之產生系統， 其中體積控制裝置，包含至少一個水位計，做爲量測塡 充於儲存氧氣之高壓容器中的純水的表面，及一針閥與該 水位計聯鎖，及 該水位計做爲控制純水之表面，使得收集於儲存氧氣之 高壓容器的體積，變成儲存氫氣之高壓容器之體積的4% 或更低。 3 0.如申請專利範圍第29項之高壓氫氣之產生系統，其 中該水位計包含金屬電極，彼此電絕緣並固定於一撐臂 上，及一阻抗計，做爲量測電極與高壓容器間的電阻抗。 3 1 .如申請專利範圍第2 9項之高壓氫氣之產生系統，其 中該水位計包含一直筒形電極，在中央具一棍狀電極。 3 2.如申請專利範圍第3 1項之高壓氫氣之產生系統，其 中該水位計也包含一棍狀參考電極，以一電絕緣之汽缸覆 79 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 蓋（除了該汽缸頂部外），以及一直筒形之參考電極，在其 中心具一棍狀之參考電極。 3 3.如申請專利範圍第1至3項中任一項之高壓氫氣之產 生系統， 其中該電解電池爲一雙極多層型電解電池，其製造方 式，係藉由將複數個包含多元電解質膜之雙極電極堆疊而 成，具催化層形成於其兩表面上，以及多孔質電極與該多 元電解質膜兩表面接觸， 該雙極電解電池位於高壓容器之一架設桌面上，使可以 用該桌面上之壓縮鑽模來壓縮。 34.如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統.，其 中電解電池爲雙極多層型電解電池，具有雙極電極，包含 一純水進水通道形成於該雙極電極的中心。 3 5 .如申請專利範圍第3 3項之高壓氫氣之產生系統， 其中電解電池爲雙極多層型電解電池，包含一形成於該 雙極電極中心之純水進水通道，具一氧氣與純水之排放孔 於各雙極電極之陽極邊，及一排放孔，直接將陰極邊形成 之氫氣與純水排放至高壓容器中，及 氧氣與純水排放通導，垂直地形成於各雙極電極的外圓 周上，與該氧氣與純水排放孔接觸。 3 6.如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統，其 中該雙極電極的形狀爲盤狀。 3 7 .如申請專利範圍第3 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該多元電解質膜，係以一密封構件板插入於雙極電極的 80 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 外圓周上，固定於雙極電極上。 3 8 .如申請專利範圍第3 7項之高壓氫氣之產生系統，其 中該密封構件板以一較多元電解質膜薄而質地較硬的材料 形成。 3 9 .如申請專利範圍第3 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該壓縮之雙極多層型之電解電池係形成串級。 40.如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統，其 中該架設電解電池的桌面，包含一純水進水孔，將純水供 應給純水進水通道。 4 1 .如申請專利範圍第3 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該壓縮鑽模之一端，係固定並保持於該高壓容器的內牆 上。 4 2.如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統，其 中該壓縮鑽模包含一鑽模主單位，固定於電解電池的上部 分、一彈簧適應於該鑽模之主單位內，及一壓迫螺絲，其 一端保持於高壓容器中，以對該彈簧增能。 43.如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統，其 中該雙極電極係以垂直方向堆疊，其頂面做爲陽極，而底 面做爲陰極。 44 ·如申請專利範圍第3 3項之高壓氫氣之產生系統，其 中該多孔質電極，係藉由焊接固定於電解電池之內。 45·如申請專利範圍第33項之高壓氫氣之產生系統，其 中該電解電池包含該多孔質電極，具一拋光表面，與該多 元電解質膜接觸。 81 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 4 6 . —種高壓氫氣之產生方法，包含以下步驟： 使用一電解電池，藉由電解純水來產生氫氣與氧氣，該 電解電池包含多元電解質膜並位於一高壓容器中； 儲存產生之氫氣於電解電池所在之高壓容器中；及 儲存氧氣於將純水與回歸之純水一起儲存的高壓容器 中。 4 7 .如申請專利範圍第4 6項之高壓氫氣之產生方法，包 含冷卻產生之氫氣的步驟。 4 8.如申請專利範圍第46項之高壓氫氣之產生方法，包 含以下步驟： 將產生之氫氣經一管線排出該高壓容器；及 以一熱交換器冷卻之後，將氫氣歸回高壓容器中儲存。 4 9.如申請專利範圍第46項之高壓氫氣之產生方法，包 含以下步驟： 將氧氣與歸回之純水經一管線排出該高壓容器；及 以一熱交換器控制溫度之後，將氧氣與歸回之純水儲存 於儲存電解純水之高壓容器中。 50.如申請專利範圍第48或49項之高壓氫氣之產生方 法，其中各管線包含複數個細微管線岐佈於高壓容器中， 至少將產生之氫氣自高壓容器底部回歸至內部。 5 1 .如申請專利範圍第46項之高壓氫氣之產生方法， 其中純水，係藉由調整儲存氫氣之高壓容器的內壓與儲 存氧氣及純水之高壓容器之內壓間的差壓，以低於構成該 電解電池之多元電解質膜的壓阻抗的壓力，來電解。 82 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 5 2 .如申請專利範圍第5 1項之高壓氫氣之產生方法， 其中純水，係藉由調整儲存氫氣之高壓容器的內壓，使 之稍低於儲存氧氣與純水之高壓容器的壓力，來電解，而 且該純水循環系統包含該電解電池。 5 3 ·如申請專利範圍第5 1或5 2項之高壓氫氣之產生方 法，其中該差壓的調整，係藉由控制各高壓容器中之氫氣 壓力與氧氣壓力，及/或轉移容器中的純水。 5 4 .如申請專利範圍第5 3項之高壓氫氣之產生方法，其 中純水藉由切換位於連接各高壓容器間的純水管線內的閥 來轉移。 5 5 ·如申請專利範圍第5 3項之高壓氫氣之產生方法，其 中純水藉由切換連接純水管線的閥來轉移，該等純水管線 分別與高壓容器耦合並位於各高壓容器中。 5 6 .如申請專利範圍第5 5項之高壓氫氣之產生方法，其 中該等閥係在沉浸於高壓容器中純水中時切換。 5 7 ·如申請專利範圍第5 3項之高壓氫氣之產生方法，其 中該等閥係以一位於耦合分別高壓容器的純水管線中之壓 力控制器來自動切換。 5 8 ·如申請專利範圍第5 1或5 2項之高壓氫氣之產生方 法，其中儲存於儲存氫氣之高壓容器中的純水體績，係控 制爲較儲存氧氣之高壓容器中所儲存之氧氣體積大，及 其中儲存於儲存氧氣之高壓容器中的純水體積，係控制 爲較儲存氫氣之高壓容器中所儲存之氫氣體積大。 59·如申請專利範圍第51或52項之高壓氫氣之產生方 83 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974 1226909 法，其中儲存於儲存氧氣之高壓容器中的氧氣體積，係控 制在儲存氫氣之高壓容器中氫氣體積的4 %的範圍之內。 60.如申請專利範圍第46至49項之高壓氫氣之產生方 法，其中具高阻抗之純水，在去離子化與去泡沬之後含一 小數目氣泡，做電解使用。 6 1 .如申請專利範圍第60項之高壓氫氣之產生方法，其 中做電解用之純水，係自儲存純水之高壓容器供應，使用 位於該容器中之一進水幫浦與幫浦驅動電動機。 84 312/發明說明書(補件)/92-04/92101974