TWI328620B - Hydrogen generating apparatus - Google Patents

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1328620 玖、發明說明 (*明a明患敌明：發明所“技财領域.先爵技斯.内容背跑方式及困式簡單說明） 【智^明戶斤屬挂^術^々員域^】 發明領域 本發明有關於燃料電池，更特定言之，本發明有關於 5 一種用於使燃料電池產生氫氣之方法及裝置。 C ^tr 發明背景 過去的百年來對於能源的需求呈現指數性劇增，隨後 對於漣源的需求亦不斷成長，已探索及研發出許多不同的 1〇能源供源，其中一種主要能源供源已經是且一直是碳氫化 合物的燃燒作用，但是碳氫化合物的燃燒通常會導致不完 王燃燒及不可燃物而造成不同數量的煙霧及其他污染物。 由於碳氫化合物燃燒生成的污染物之緣故，近年來更 加需要較乾淨的能源供源，由於更重視較乾淨的能源供源 15 ,燃料電池已變得更受歡迎且更精密，持續研發燃料電池 的程度已使許多人推測燃料電池很快可與用來產生大量都 市電力的氣體渦輪機、對於汽車提供動力的内燃引擎、及 可供各種不同小型與大型電子裝置運轉的電池進行競爭。 燃料電池進行一種將氫與氧轉換成電力與熱量之電化 20能量轉換，燃料電池類似於電池但可在提供動力的同時“ 再充電”。 燃料電池提供一可用來驅動馬達、燈光或任何數量的 電氣用品之DC(直流電）電壓，具有數種不同類型的燃料電 池且各類型利用不同的化學作用，燃料電池通常依照所用 6 1328620 玖、發明說明 的電解質類型加以分類，燃料電池類型一般歸類成下列五 種群組：質子交換薄膜型（PEM)燃料電池、鹼基型燃料電 池（AFC)、磷酸型燃料電池（paFC)、固態氧化物型燃料電 池（SOFC)及熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC)。 5 PEM燃料雷池 PEM燃料電池目前係為咸信最有潛力的燃料電池技術 ，並使用任何燃料電池當中一種最簡單的反應，參照第1 圖，一PEM燃料電池通常包括四個基本元件：一陽極2〇、 一陰極22、一電解質（pEM)24以及一配置於電解質24各側 10 之觸媒26。 陽極20為燃料電池的負柱並傳導自氫分子釋出的電子 使得電子可使用在一外部電路21中，陽極2〇中蝕刻有通路 28以使氫氣盡可能平均地散佈於觸媒26表面上方。 陰極22係為燃料電池的正柱並在其中蝕刻有通路以 15將氧（通常為空氣）平均地配送至觸媒26表面’陰極22亦從 外部電路將電子傳導回到觸媒而在此處可與氫離子及氧重 新組合形成水，水係為PEM燃料電池的唯一副產品。 電解質24為質子交換薄膜（PEM)24，PEM為一種經過 特殊處理只傳導帶正電的離子之多孔材料，電解質以可防 20 止電子通過。 觸媒26-般為薄塗在竣紙或布上之翻粉，觸媒％通常 粗縫且多孔以盡量加大可暴露於氯或氧之麵的表面積觸 媒26有利於氧與氫的反應。 在一可運作的燃料電池中，PEM24嵌夾在陽極2〇與陰 7 玖、發明說明 5 極22之間’將燃料電池的操作概括描述如下。經加屋的氬 氣㈣係在陽極20側進入燃科電池，當一個札分子接觸到 觸媒26上的鉑時則分成兩個h+離子及兩個電子⑹，電子 專導’!過陽極20亚在此處設法通過外部電路2 ^藉以可能供 電進行有效οι作（諸如轉動馬達或使燈泡23發光）並回到燃 料電池的陰極側。 同τ在燃料電池的陰極22側上，強迫氧氣⑼）通過 觸媒26，在部份PEM燃料電池系統中，〇2供源可能為空氣 ’當強迫〇2通過觸媒26時形成兩個氧原子，各氧原子具有 1〇強烈的負電荷’此負電荷吸引兩個H+離子通過PEM 24並 在此處與來自外部電路的一個氣原子及兩個電子组合以形 成一水分子（H2〇)。 上述的PEM燃料電池反應只產生大約〇 7伏特，因此為 了將電壓升高至更有用的數值，則常將許多個燃料電池組 15 合以形成一燃料電池堆疊。 PEM燃料電池通常以相當低的溫度（約8(rc /176卞）運 作，故其可以快速升溫，並因為其不需要任何能夠承受與 電力生產相關的高溫之特殊材料故可以容納在便宜的圍堵 結構中。 20 燃料電池之氫氣產生 如上述，上述各種燃料電池使用氧及氫來生產電力， 燃料電池所需要的氧通常由空氣供應，事實上，對於pEM 燃料電池而言係將大氣條件下的普通空氣泵送入陰極，但 氫則不像氧一樣容易取得。 8 1328620 玫、發明說明 氫難以產生、儲存及配送，一種燃料電池常用來生產 氫之方法係使用一重整裝置（ref〇rmer)，重整裝置使用碳 氫化合物或醇燃料來生產氫、然後將氫供給至燃料電池。 但不幸地，重整裝置亦具有問題，若碳氫化合物為汽油或 某些其他常見的碳氫化合物，則會生成s〇x、Ν〇χ及其他 不良產物，尤其必須移除硫否則會損傷電極觸媒重整裝 置通常以向溫運作並消耗給料的大量能源。 亦可在出現一觸媒的情形下利用一燃料供源經由低溫 化學反應來生成氫，但用於生產氫之低溫化學反應具有許 夕相關問題中一種主要問題在於需用泵將化學混合物 移入一充填有一催化劑的反應室内’由於使用-泵故消耗 了燃料電池所產生的至少一部份動力（稱為寄生動力），若 泵消耗的動力過高，則燃料電池的發電運作將變得不合經 濟效益。 15 _ &且，提供給反應室的化學混合物必須經過精確地計 量㈣一種有效率產生電力之化學反應，精確的計量設備 將增向栗送系統的費用、複雜度及敏感度並增加寄生動力

用的可揭式消費電子產品及其他裝置之效用。 品中使用燃料電池之另一 密集的氫燃料供源，雖然 此外’在諸如數位相機及膝上型電腦等可攜式消費 另一項挑戰在於提供_種安全且能量 雖然已經具有諸如上述ρΕΜ燃料電池 9 1328620 玖、發明說明 專用於發電的燃料電池糸統，其通常不夠小或不夠密集故 無法使用於大部份的可攜式消費產品中。 【發明内容】 發明概要 本發明之一目的係提供一種氫氣產生裝置，其包括一 化學反應室、一化學溶液貯槽、以及一用於將一化學溶液 從化學溶液貯槽移至化學反應室之未接受動力的壓力製造 構件。 圖式簡單說明 參照圖式及下文詳細描述可清楚地得知本發明的上述 及其他特性與型態，其中： 第1圖為一 PEM燃料電池裝置的未組裝立體圖； 第2圖為根據本發明的一實施例之一燃料電池裝置的 示意圖； 第3圖為根據本發明的一實施例之氫氣產生器的示意圖； 第4A圖為根據本發明的另一實施例之一氫氣產生器的 示意圖； 第4B圖為根據第4A圖的實施例之一氫氣產生器實行 方式的立體圖； 第4C圖為根據第4B圖的實施例之一氫氣產生器實行 方式的部分内部元件的立體圖； -龙第5圖為根據本發明的另一實施例之—氫氣產生器的 氫氣產生器的 _第6圖為根據本發明的另一實施例之一 示意圖； 第7圖為根據本發明的另一實施例之一氫氣產生器的 10 25 玖、發明說明 示意圖； 第8圖為根據本發明的另 示意圖； 實施例之一氫氣產生器的 5 第9圖為根據本發明的 控制結構之概念圖； 貫施例之一氩氣產生器的一 第10圖為根據本發明的一實施例之一氮氣產生器的一 控制演算法之流程圖。 圖中相同的編號代表相似但未必相同的元件，雖然本 發明可具有各種不同修改及替代形式，圖卡及文中已藉由 10範例顯示及詳述其特定實施例，但應瞭解對於特定實施例 的描述並無意將本發明限制在所揭露的特定形式，相反地 ，預定涵蓋所有位於申請專利範圍所界定之本發明的精神 與範圍内之修改、均等物及替代物。 C實施方式；J 15 較佳實施例之詳細說明 下文描述本發明的示範性實施例，如熟悉此技術者所 瞭解，可以廣泛不同的化學反應（尤其是用於生產氫的化 學反應）來實行本發明，燃料電池應用包括但不限於PEM 燃料電池、AFC、PAFC、SOFC及MCFC。 現在參照圖式，尤其參照第2圖顯示根據本發明的一 實施例之一燃料電池系統的示意圖，根據第2圖的實施例 ’具有一與一氫氣產生裝置42呈現流體式導通之燃料電池 40 ’氫氣產生裝置42可沿著一箭頭44代表的路徑提供一氫 氣供應，可由環境空氣提供之一氧供應亦可如另一箭頭46 11 玖、發明說明 所示與燃料電池40呈流體式導通。 燃料電池40可經由-外部電路48提供動力至—電負載 -電負載可包含任何電氣運作裝置且其包括但不限於 數位相機' 膝上型電腦及其他可攜式電子裝置。外部電路 48亦可連接至一選擇性電容器或電池52，選擇性電容器或 電池52在圖中與燃料電㈣電性並聯以對於電負㈣提供 輔助動力。 虱既產生裝置4 2需要提供氫氣至燃料電池4 〇以在燃料 電池4〇内驅動-能源生產化學反應’氫氣產生裝置42可採 取午夕不同形式，參照第3圖顯示根據本發明之—氮氣產 生裝置54的一可能實施例。根據第3圖的實施例，氣氣產 生裝置54包括一化學溶液貯槽，在本實施例中將此化學溶 液貯槽顯示為-容納有一含氫燃料供應之新溶液袋^，含 气·…:料可此但不限於包括諸如硼氫化鈉等水性金屬氫化物 Μ及胺敎（amine bGrane)且其各可生產氫氣。新溶液袋％較 佳係為概括可變形且能夠包含流體溶液的塑膠、彈性體或 其他材料製成之撓性袋。 在新溶液袋56周圍可能配置有一未接受動力的壓力製 構件且言如為位於新溶液袋56鄰近處之一彈簧μ，“未 2〇接收動力”係指壓力製造構件操作時不消耗電能也不需要 來自馬達的動力，彈簧58可能包括一或多個構件，此一或 夕個構件係朝向新溶液袋56偏壓以增加容納在新溶液袋56 内之含氫燃料的壓力’含氫燃料的加壓作用有利於使含氩 燃料從新溶液袋56移至一化學反應室6〇〇彈簧58及新溶液 12 1328620 玖、發明說明 袋56可能構成一“彈簧-袋’，，亦即用於容納一化學溶液之 撓性袋或容器且藉由—諸如彈簧或其他偏壓構件等機械式 壓力製造構件施壓於其上以幫助驅出化學溶液。 化學反應室60可能與新溶液袋56分離且設計為可容置 5 一用於生產氫氣的化學反應，化學反應室60可能依據用於 生產氫氣的反應而包括廣泛不同的材料，化學反應室可 能為撓性或剛性，但在本實施例中化學反應室6〇為剛性。 此外，化學反應室60可能包.含一用於提高含氫燃料的反應 速率之觸媒62，觸媒62可能包括但不限於一諸如釕、铑或 1〇鉑等貴金屬觸媒，觸媒62可能包括諸如鎳等其他金屬。 可能藉由一諸如管件64等流體路徑來便利使含氫燃料 從新溶液袋56移動至化學反應室6〇。此外，可藉由一諸如 微閥66等閥來控制含氫燃料從新溶液袋兄至化學反應室6〇 的流動，微閥66可沿著管件64配置在任何方便的位置以控 15制來自新溶液袋56的流動。微閥66可購自各商業供應者且 可至少以三種主要方式加以控制，可藉由脈衝之間的時間 (微閥66脈動頻率）、脈衝寬度（微閥66保持開啟的時程）及/ 或開孔尺寸變化來控制微閥66，可變的開孔尺寸控制係代 表微閥開啟或關閉程度之類比控制，微闊66因此能夠精密 20地控制進入化學反應室60内之含氫燃料流動，微閥66可能 通$為關閉，因此當需要虱氣時，微閥6 6打開以讓經由彈 簀58加壓的含氫燃料流入反應室6〇内。亦可能包括一選擇 性止回閥68，在圖示實施例中，止回閥68位於微閥66下游 ，但不限於此。止回閥68可能插在沿著管件64的任何點上 13 I32862〇 玖、發明說明 ，止回閥68可從數處不同來源購得並為單向闊，因此，止 回閥68可在化學反應室60中萬-累積壓力時防止產物或含 氫燃料產生回流。 —下文描述氫氣產生裝置54的操作，將—諸如删氯化納 5寻含風燃料供源插入新溶液袋56令，部份實施例中，新溶 液袋56可能在充填之後對抗彈簧58分別地插入，或者，新 浴液袋56可能在處於第3圖所示配置時進行充填，彈簧μ 配置於新溶液袋56鄰近處且往新溶液袋56偏壓因此將^容 液袋56所容納之侧氫化鋼加壓。當_燃料電池需要氣氣來 卬提供電流時，微閥66可開啟或振盡以讓加壓的蝴氮化納從 新溶液袋56移至化學反應室6〇。當蝴氣化納進入化學反應 室60且遇制媒62時，氫氣從錢化納溶液释出，自爛氣 化納溶液釋出的氫氣隨後可供應至一燃料電池，諸如第I 及2圖的燃料電池裝置。 15 t前的氫氣產生裝置需用某類型的泵來使含氫燃料的 供應從-貯槽移至-反應室，如上述，栗顯著增加燃科電 池裝置的寄生損失並佔用空間，故限制了燃料電池裝置可 使用的能量密度。有利情形下，本發明藉由提供一機械式 壓力供源以利使含氫燃料從一貯槽移至一反應室，而降低 20 了寄生損失並減低空間需求。 接著參照第4 A圖，顯示根據本發明之一氫氣產生裝置 154的另一實施例。第4A圖的氫氣產生裝置154類似於第3 圖的實施例而可能包括一諸如新溶液袋156等化學溶液貯 槽及一化學反應室160，但根據第4人圖的實施例，新溶液 14 玖、發明說明 袋丨56可能完全受到化學反應室16〇所容納，此配置的一項 優點在於簡省空間及提高能量密度，新溶液袋156概括具 有撓性，因此隨著含氫燃料供應（及新溶液袋156的容積）減 少，化學反應室⑽專門用來進行化學反應之部份將增加 。化學反應室160與新溶液袋156不同而可能為剛性結構並 可能包含一觸媒，第4A圖的配置係為一種可消除任何重複 容積之具有空間效率的組態。 除了具有空間效率之外，第4A圖的組態亦包括一種使 新/谷液袋156位於化學反應室160内令新溶液袋156暴露於 〇化學反應室160的壓力之配置，因此當化學反應室160在操 作期間加壓時，壓力係轉移至新溶液袋156且可利用一很 小力量的壓力製造構件以任何的化學反應室16〇壓力來引 發從新溶液袋156至化學反應室160之流動。依此，因為新 溶液袋1 56總是暴露於化學反應室160壓力，小力量加壓構 15件可能具有小力量及輕重量’’本實施例中，小力量加壓 構件係為一輕重量的線圈彈簧15 8。並且，容納有新溶液 袋156之化學反應室160因為不需具有處理大力量（因而體 型較大）彈簧時的夠大體積與勁度故可能具有輕重量且比 習知反應器更小。 20 本實施例的線圈彈簧158係在化學反應室160的一壁 163與新溶液袋156或一抵靠住新溶液袋156的構件之間配 置於化學反應室160内。依此，線圈彈簧158施力至新溶液 袋156並充分提高新溶液袋156所容納之流體的麈力至足以 使流體從新溶液袋移入化學反應室160内之程度，撓性袋 15 1328620 玖、發明說明 與一彈簧之組合係如本文所界定般地構成一彈簧-袋。 一流體導通路徑164提供一用於使來自袋156的溶液或 燃料進入反應室160之路徑，根據第4A圖所示的實施例， 流體導通路徑丨64位於反應室16〇外部且行經新溶液袋156 5與用來專門進行化學反應之化學反應室160的部份161之間 ，但不限於此，流體導通路徑164亦可能完全容納在化學 反應至160内》如同第3圖所示的實施例，流體導通路徑 16 4包括一諸如微閥丨6 6等閥藉以計量從新溶液袋t $ 6流至 用來專門進行化學反應之化學反應室16〇的部份161之流體。 10 第4A圖所示的氫氣產生裝置154的操作可描述於下文 ，將一諸如哪氫化鈉等含氫燃料供源插入新溶液袋丨56中 ’部份實施例t可將經充填的新溶液袋156對抗線圈彈簧 158分別插入，或可在處於第4八圖所示的配置時充填新溶 液袋156。當新溶液袋156充填有硼氫化鈉等水性溶液或其 15他燃料時，將佔用化學反應室160所界定之容積的一顯著 部份。線圈彈簧丨58配置於新溶液袋156鄰近處壓縮抵住新 溶液袋156，因此，線圈彈簧158將新溶液袋156所容納之 硼氫化鈉加壓，線圈彈簧158(壓縮時）儲存的位能提供了化 學溶液移動的動力而不會增加如同先前氩氣產生系統的泵 20 原本造成之寄生損失。 當一燃料電池需要氫氣來提供電流時，微閥1 66可開 啟或振盪以使經加壓的硼氫化鈉從新溶液袋丨56移至化學 反應室160用來進行化學反應之部份丨6丨。當硼氫化鈉進入 化學反應室160用來進行化學反應之部份丨6丨且遇到—觸媒 16 1328620 玖、發明說明 (未圖示）時’氫氣從水性硼氫化鈉溶液釋出，自水性删氮 化鈉溶液釋出的氫氣隨後可供應至一諸如第1及2圖所示的 燃料電池裝置之燃料電池。當水性硼氫化鈉溶液的供應被 消耗時’撓性的新溶液袋156將降低容積並在化學反應室 5丨60内提供更大容積來進行化學反應。 接著參照第4B圖顯示根據第4A圖的實施例之一種實 際實行方式，根據第4B圖的實施例，氫氣產生裝置154包 括形成化學反應室160之一框架159及—窗口 161以—切除 部165。一擋板狀壓力板167配置於化學室16〇内且彈菁 1〇〖58配置於窗口 16!與擋板狀壓力板167之間。新溶液袋156 配置為與彈簧I58相對且與擋板狀壓力板167相鄰，流體導 通路徑164從新溶液袋156延伸並在本實施例中完全容納在 化學反應室160内，參照第4C圖可更清楚地看見流體導通 路徑164及相關組件，微閥166沿著流體導通路徑164配置 15有一出口孔口 171藉以讓經過微閥166的流體以受控制方式 進入化學反應室160中。 接著參照第5圖，顯示根據本發明之一氫氣產生裝置 254的另一實施例，第5圖的實施例類似於第4圖的實施例 包括一化學溶液貯槽，將此化學溶液貯槽顯示為一容納在 20 一化學反應室26〇内之撓性新溶液袋250，可能亦將撓性新 溶液袋256視為本文界定的一彈簧_袋。根據第5圖的實施 例，壓力製造構件為彈簧-袋256本身，撓性袋256較佳由 諸如橡膠或其他材料等彈性體製成且其提供一趨向特定形 狀或容積之偏壓或機械彈簧狀力量。因此，材料當受壓力 17 1328620 玖、發明說明 而膨脹時係施壓在内含的任何與l 一 ;il旦上，藉以對抗較小形狀 或容積的自然偏壓而容納該流體 體因此，彈簧-袋256可具 有與第4圖的實施例相似或相同的；^ U的運作’但第5圖的實施例 不需要線圈彈簀（158，第4圖）。若尤田的m }右不用線圈彈簧，彈簧-袋 256設有一諸如水性棚氫化鈉箄彳 + 寻化千 >谷液以使彈簧·袋256 膨脹，此膨脹作用通常位於彈簧·袋256的彈性極限内，彈 簧-袋256的膨聽以與氣球在壓力下容納_空氣容積大致 相同的方式在彈簣·妨6容納的化學溶液上提供―力^力 量0 -流體導通路徑264係利於將化學溶液（諸如水性删氯 化鈉）從彈簧-袋256轉移至化學反應室26〇中發生的反應， 流體導通路徑264可能如圖示般地至少部份地位於化學反 應室260外部、或者流體導通路徑264可能位於化學反應室 260内部，化學反應室260可能為撓性或剛性且亦可能包含 15 —觸媒以提高化學溶液的反應速率。流體導通路徑264可 能亦包括一諸如微閥266等控制閥以將從彈簧-袋256前往 化學反應室260内的反應之化學溶液加以計量。類似於第4 圖所示的實施例’當水性棚氫化鈉的供應從彈簧-袋2 $ 6轉 移至化學反應室260時’彈簧-袋256的容積將減小。當彈 20 簧·袋256的容積減小時’可有更多的化學反應室26〇容積 用來進行化學反應，可將化學反應室260中的反應所生產 之氫提供給一諸如第1及2圖所描述裝置之燃料電池裝置的 —陽極。 接著參照第6圖，顯示一氫氣產生裝置354的另一實施 18 1328620 玖、發明說明 例，第6圖的實施例類似於第5圖的實施例，但根據第^圖 的貫施例，化學反應室為—撓性反應袋36〇，—彈簧-袋 3 5 6可配置於撓性反應袋則内並提供壓力給其中所容納的 任何含氫燃料溶液（諸如硼氫化鈉）。如上述，彈簧-袋356 5由於充填有一含氫燃料溶液所以可在彈性膨脹時提供壓力 ，彈簧-袋356可在撓性反應袋36〇中自由漂浮、或可附接 至撓性反應袋360。 一流體導通路徑364係利於將含氫化學溶液（諸如水性 硼氫化鈉）從彈簧-袋356轉移至撓性反 應袋360，流體導通 ίο路徑364可能如圖示般地至少部份地位於撓性反應袋36〇外 部、或者流體導通路徑364可能完全位於撓性反應袋36〇内 部，撓性反應袋360可能包含一觸媒以增高含氣燃料溶液 的反應速率。流體導通路徑364可能亦包括一諸如微閥366 等控制閥以將從彈簧·袋356前往撓性反應袋36〇之含氮燃 15料溶液加以計量。類似於第4及5圖所示的實施例，當諸如 水性硼氫化鈉等含氫溶液的供應從彈簧-袋356轉移至撓性 反應袋360時，彈簧-袋356的容積將減小。當彈簧_袋356的 容積減小時，可有更多的撓性反應袋360容積用來進行化 學反應。並且，撓性反應袋36〇的容積可因為含氫溶液供 20應的進入而增大，撓性反應袋亦可作為一用於容納生產氫 氣的化孥反應過後的剩餘產品之膨脹的廢料貯槽，此處描 述的第6圖實施例相較於習知的1氣產生系统可能具有特 別輕的重量。 接著參照第7圖，顯示用於一燃料電池之一氫氣產生 19 1328620 玖、發明說明 裝置454的另一實施例，根據第7圖的實施例，氫氣產生裝 置454包括一實施作為新溶液袋456之化學溶液貯槽、及一 實施作為反應室袋460之化學反應室，新溶液袋456可能容 納一諸如水性硼氫化鈉等含氫燃料溶液，且反應室袋460 5 可能容納一觸媒（未圖示），新溶液袋456及反應室袋460皆 可能由一剛性框架457加以挽性容納。有利情形中，剛性 框架457不必像先前的氫氣產生系統般地需要成為流體緊 密式及抗流體腐蝕性，故簡化了剛性框架457的結構並能 夠使用較便宜且較輕的材料，反應室袋460可防止含氫溶 10 液如同第3及4圖實施情形般地聚集在一剛性殼反應室内可 能出現的角落及隙縫中。 新溶液袋456及反應室袋460可能彼此由一壓力板465 所分離，壓力板465可能為一鄰近且抵靠住新溶液袋456及 /或反應室袋460之壓力製造構件。譬如第一及第二線圈彈 15 簧467，469等一或多個偏壓構件在壓力板465上提供一力 量，第一及第二線圈彈簧467，469所提供的力量係經由壓 力板465轉移至新溶液袋456以增高溶液袋456中之含氫溶 液上的壓力。 一流體導通路徑464係利於將含氫化學溶液（諸如水性 20 硼氫化鈉）從新溶液袋456轉移至反應室袋460，流體導通 路徑464可能如圖示般地至少部份地位於剛性框架457外部 、或者流體導通路徑464可能完全位於剛性框架457内部， 反應室袋460可能包含一觸媒以增高含氫燃料溶液的反應 速率。流體導通路徑464可能亦包括一諸如微閥466等控制 20 1328620 玖、發明說明 閥以將從新溶液袋456前往反應室袋460之含氫燃料溶液加 以4畺。s諸如水性硼氫化鈉等含氫溶液的供應從新溶液 袋456轉移至反應室袋46〇時，壓力板465往新溶液袋456產 生位移且將降低新溶液袋456的容積並增大反應室袋46〇。 5反應室袋460因此可能亦稱為廢料貯槽藉以收集用於生產 氫的反應完成後之產物。或者，可將與反應室袋46〇相似 或相同之一額外的廢料貯槽包括在剛性框架4 5 7内部或外 部藉以收集廢料產物，可將在反應室袋460中生產的氫提 供給一諸如第1及2圖所描述的裝置之燃料電池裝置的一陽 10 極。 接著參照第8圖，顯示一氫氣產生裝置554的另一實施 例，以一活塞-缸體配置顯示氫氣產生裝置554，一配置於 缸體557中的活塞555將缸體557分成一化學溶液貯槽部556 及一反應室部560，一彈簧558可能配置於活塞555與缸體 15 557的一壁559之間以在缸體557的化學溶液貯槽部556上提 供壓力並利於將一諸如硼氫化鈉等化學溶液從缸體557的 化學溶液貯槽部556移至缸體557的反應室部56〇，彈簧558 亦可將活塞移往缸體557的化學溶液貯槽部556，第8圖的 實施例由於不採用可能未完全利用剛性殼内的所有空間之 2〇袋所以係特別具有空間效率。此外，第8圖的實施例係降 低或消除了可能原本困在袋的角落或摺縫中之缸體557的 化學溶液貯槽部556中之任何廢料溶液。 一流體導通路徑564係利於將化學溶液（諸如水性硼氫 化鈉）從缸體557的化學溶液貯槽部556轉移至缸體兄？的反 21 1328620 玖、發明說明 應室部560，流體導通路徑564可能如圖示般地至少部份地 位於缸體557外部、或者流體導通路徑564可能配置於活塞 555中，缸體557的反應室部560可能包含一觸媒以提高化 學溶液的反應速率。流體導通路徑564可能亦包括一諸如 5微閥566等控制閥以將從缸體557的化學溶液貯槽部556前 往反應室部560之化學溶液加以計量。當水性硼氫化鈉的 供應從缸體557的化學溶液貯槽部556轉移至反應室部560 時，彈簧558將活塞555移往化學溶液貯槽部556且化學溶 液貯槽部556的容積減小。當缸體557的化學溶液貯槽部 10 556的容積減小時，可有更多的缸體557容積供反應室部 560使用。可將在缸體557的反應室部560中生產的氫提供給 一諸如第I及2圖所描述的裝置之燃料電池裝置的一陽極。 熟悉可從本文揭示獲益的技術者瞭解，上述實施例最 好是以一種與定向無關的方式對於一化學反應室之一含氫 15燃料供源進行計量，亦即因為壓力製造構件以任何定向在 化學溶液貯槽56, 156等與化學反應室6〇’ 16〇等之間提供 壓差，故氫氣產生裝置54 , 154等可以任何定向操作，這 對於時常以多種不同方式進行移動及重新定向之可攜式電 此外，本發明的部

上述各實施例較佳由一控制閥將從一 化學貯槽轉移至 子裝置中的燃料電池應用將特別重要。此外 份實施例可能只使用單一控制閥66，166等 前出現在需要泵及多個㈣閥的氫氣產生系 22 1328620 玖、發明說明 一反應室之一諸如硼氩化鈉等化學溶液進行計量，控制間 (諸如上述微閥）有利於控制氫氣的產生。接著參照第9圖， 顯示根據本發明一實施例之氫氣產生裝置所用之一控制方 案的示意圖，對於此控制方案的輸入可能包括但不限於使 5用者設定值700、組態設定值7〇2、燃料電池堆積電壓7〇4 、貯槽、氫氣及/或反應器壓力706、燃料電池電流7〇8及 燃料電池功率710。 使用者設定值700可能包括可供使用者操作以直接控 制控制閥狀態之開關、按妨及類似物。組態設定值可 1〇能包括一啟動常式以啟動控制方案及設定操作參數，已知 可將一或多個輸入700〜710供給至一控制演算法7 12以控 制氫氣產生裝置，控制演算法可包括用於接收輸入、分析 所接收的輸入及將適當與對應控制訊號提供至控制閥之所 有需要的程式化及電子裝置，控制演算法因此可能包括一 15數位電子控制器、一類比電子控制器或一機械控制器，控 制演算法可能使用任何或全部的輸入7〇〇〜7 1〇來發佈指令 狀怨資訊（輸出）’指令狀態資訊可能包括用於指示閥位置（ 開啟/關閉）之目前的閥狀態714、及/或用於指示閥操作頻 率之定時資訊716。依據控制演算法的輸出，控制閥可開 2〇啟或關閉7 1 8以控制從一貯槽至一反應室之化學溶液流動 、因此亦控制氫的生產速率。 第10圖顯示一種作為控制方案一部份之控制演算法的 範例，但已知热悉自本揭示獲益的技術者可使用許多其 他及/或頜外控制演算法來滿足各別需求而且第丨〇圖只是 23 1328620 玖、發明說明 範例’譬如，一生產控制器除了改變間的開啟頻率之外亦 可改受一控制閥的脈衝寬度及/或開孔尺寸。並且，亦可 將-電池、電容器或其他能量儲存裝置添加至此系統（如 第2圖所示）以使燃料電池與負載退搞，讓燃料電池保持以 5 其最有效率的速率進行運作。 根據第10圖的示範性實施例’控制演算法可能啟動 800並等待—計時器逾期謝，然後檢查燃 一在部份實施例中不具有計時器。若燃料= 電壓超過-預定“高（Hlgh)”限804，則控制演算法繼續前進 ίο將-閥計時器設為-“高，，延遲頻率8〇6，且堆積電壓持續 性檢查、或在部份實施例中再次於一計時器逾期之後⑽1 藉由-計時器進行週期性檢查802。若燃料電池堆積電塵 未超過預定的“高，，限804’控制閥脈動一次8〇8且演算法檢 查燃料電池堆積電壓是否低於一“中（medium)”限81〇。若 燃料電池堆積電壓未低於“中”限81〇，貝請計時器設為一“ 中”延遲解812，且堆積電壓持續檢查、或在具有一計時 器的實施例中於-計時器8〇1逾期之後再次週期性檢查謝 。但如果燃料電池堆積電壓低於“中，，限，則„計時器設 為“低（Low)，，延遲頻率，且堆積電麈持續性或再次週期性 2〇 檢查802。 上文描述僅供示範及描述本發明，其無意將本發明窮 舉或限制於所揭露的任何精確形式，可能對於上述細節作 出許多修改及變更。 選擇及描述圖示實施例係為了清楚地說明本發明的原 24 1328620 玖、發明說明 理及其實際應用，上m預定讓熟悉此技術者能夠最佳 地以各種實_㈣用本發明且涵蓋了適合特定用途的各 種修改，本發明的範圍係由申請專利範圍所界定。 【圖式簡單說明】 第1圖為一 PEM燃料電池裝置的未組裝立體圖； 弟2圖為根據本發明的一實施例之一燃料電池裝置的 示意圖； 第3圖為根據本發明的一實施例之氫氣產生器的示意圖； 10 示意圖； 第4A圖為根據本發日月的另—實施例之—氫氣產生器的 方式=:根據第Μ圖的實施例之一氫氣產生… 第5圖為根據本發明的另一實施例之 示意圖； 氧氣產生器的 15 示：圖為根據本發明的另-實施例之1氣產生器的 弟7圖為根據本發明的另施例之 示意圖； 虱轧產生盗的 20 弟8圖為根據本發明的另—實施例之 不意圖； 斗礼座玍态的 第9圖為根擔士 & 據本發明的—實施例之一氣 控制結構之概相； ^產“的— 第1 〇圖為根播★1 控制演算法之流程Γ明的—實施例之—氣氣產生器的― 25 1328620 玫、發明說明 【圖式之主要元件代表符號表】 20…陽極 21,48…外部電路 22…陰極 23…燈泡 24…電解質(PEM) 26,62···觸媒 28···通路 30…通路 40…燃料電池 42,54,154,254,354,454,554 …氫 氣產生裝置 44…箭頭 46…箭頭 50…電負載 52…選擇性電容器或電池 56,156,456…新溶液袋 58,558…彈簧 60,160,260…化學反應室 62…觸媒 64…管件 66,166,266,366,466,566 …微閥 68…選擇性止回閥 15 8…線圈彈黃 159…框架 16卜··用來專門進行化學反應之 化學反應室的部份 16卜..窗口 163…壁 164,264,364,464··.流體導通路徑 165···切除部 167···擋板狀壓力板 171···出口子匕σ 256…撓性新溶液袋 356…彈篑-袋 360…撓性反應袋 457…剛性框架 460···反應室袋 465···壓力板 467···第一線圈彈簧 469".第二線圈彈簧 555···活塞 556···化學溶液貯槽部 557···缸體 559…壁 560···反應室部 26

Claims (1)

1328620

包含

» 第92103538號專利申請案申請專利範圍修正本99.03.05. 申請專利範圍 種氫氣產生裝置， 一化學反應室； 一化學溶液貯槽；及 一未接收動力的壓力製造構件，其用於將一化學 溶液從該化學溶液貯槽移送至該化學反應室； 其中該化學溶液包含一水性金屬氫化物；以 及 其中該壓力製造構件係包含一彈簧。 2.如申請專利範圍第1項之裝置，該化學溶液係容納 在該化學溶液貯槽中。 3·如申專利範圍第丨或2項之袭置，其中該化學溶液貯 槽係由該化學反應室所容納。 .如申4專利範圍第丨項之裝置其中該化學溶液貯槽包 含一撓性袋。 上如申π專利範圍第4項之裝置，其中該彈簧係設置成與 該撓性袋相鄰。 27