TWI567240B - 氫氣產生器 - Google Patents

Description

氫氣產生器

本發明主張2011年5月3日申請之美國專利申請案第13/099,707號案之優先權。

本發明係關於一種用以產生氫氣的氫氣產生器。

氫氣產生器係用以產生氫氣(H₂)與氧氣(O₂)的混合物，一般來說是以2：1的莫耳比例，此比例與水相同。

氫氣產生器包括四個主要零件，分別為：一陰極、一陽極、包含該陽極與該陰極的一凹穴、及容納在該凹穴內的一鹽水溶液。氫氣產生器通常是由不鏽鋼金屬板堆疊而成，這些堆疊的金屬板之間具有間隔以允許鹽水溶液從中流過。交錯的陰極與陽極板結構能夠使電流流過鹽水溶液，以便在陽極與陰極之間施加一電位差時能夠產生一化學反應。

金屬板堆疊結構是氫氣產生器中最常見的結構，但是堆疊的板體會產生出一項問題，就是板體之間的流體不容易與來自氫氣產生器的其他部位之新鮮流體進行交換，如此一來會降低氫氣產生器的效率。

有鑑於上述先前技術的問題與缺點，因此，本發明之一目的是要提供一種用於產生氫氣的裝置。

本發明之另一目的是要提供一種圓柱形氫氣產生器，其能夠比傳統堆疊板體所構成的產生器更加有效率地產生氫氣。

從本發明的說明書中，可以更加清楚明白本發明之其他目的與優點。

對於熟習本項技術者來說可以輕易理解，本發明確實能夠達成上述及其他目的。本發明係關於一種氫氣產生器，其包含：一陽極、一陰極、具有一內部凹穴的一外殼、及位於該凹穴內的一穿孔壁，該穿孔壁係位於該凹穴的一端附近且電性連接該陽極或陰極，並用以隔開該凹穴的一端部與該凹穴的一主體部。氫氣產生器包括在外殼內的水，水從凹穴的主體部連續延伸通過穿孔壁而進入凹穴的端部。

電性連接至穿孔壁的陽極或陰極可以從凹穴的主體部延伸通過穿孔壁而進入凹穴的端部且穿過外殼。外殼可以具有二端部及位於該凹穴內的一穿孔壁，該穿孔壁鄰近每一端且隔開凹穴的端部與凹穴的一主體部。陽極或陰極延伸通過外殼的一末端、通過一穿孔壁而進入凹穴的主體部、通過另一穿孔壁而進入凹穴的另一端部，且穿過外殼的另一端部。外殼中的水從凹穴的主體部連續延伸通過每一穿孔壁而進入凹穴的端部。

穿孔壁可以是一具有多個開口的金屬板，或者可以是一開放腔胞的金屬發泡體。氫氣產生器可以包括滑置於該內部凹穴內的一圓柱形金屬套筒，此金屬套筒具有二端部，氫氣產生器還包括一絕緣墊圈，其設置於金屬套筒二端部與穿孔壁之間。

陽極可以是一中空金屬管，其螺旋捲繞成一圓柱形結構。替代地，陽極可以是一中空金屬圓柱，其包括貫 穿該圓柱壁體的複數陽極開口，或者陽極可以是一圓柱形金屬網狀物。

氫氣產生器可以包括至少一導電端子，係從凹穴朝外延伸通過外殼內的一開口，在此外殼中，該至少一導電端子係與陽極電性接觸。

本發明的另一實施例係關於一種氫氣產生器，其包含：具有一內部凹穴的一外殼、該內部凹穴中的一陽極、及該內部凹穴中的一陰極。氫氣產生器包括一開放腔胞金屬發泡體，其設置於內部凹穴中並電性連接陽極或陰極。氫氣產生器包括外殼內的水，其連續地延伸通過該金屬發泡體。開放腔胞發泡體可以使陽極內部具有通道，且使陰極延伸通過發泡體式陽極內的通道。陽極通道可以具有一長度與複數通道壁，且在陰極與通道壁的全長之間具有一間隙，該間隙實質上填滿有水。

另一方面，開放腔胞發泡體亦可是內部具有通道的陰極，且使陽極延伸通過發泡體形式的陰極中之通道。氫氣產生器可以包括一圓柱形金屬套筒，其滑置於該內部凹穴中。金屬套筒可以具有二端部，其中一絕緣墊圈係設置於金屬套筒二端部與穿孔壁之間。

金屬發泡體可以包括一金質鍍層。

本發明的另一實施例係關於一種使用氫氣產生器的方法。此方法包含：設置一陽極、一陰極、具有一內部凹穴的一外殼、及位於該凹穴內的一穿孔壁，該穿孔壁係位於凹穴的一端且隔開凹穴的一端部與凹穴的一主體部之一端。陽極或陰極從凹穴的主體部延伸通過穿孔 壁，而進入凹穴的端部並通過外殼，且外殼中的水從凹穴的主體部連續延伸通過穿孔壁而進入凹穴的端部。此方法包含在陽極與陰極之間施加一電位差，此電位差足以產生氫氣。

相信本發明的技述特徵係新穎的，並已在申請專利範圍中特別提及本發明的元素特徵。由於圖式僅作為說明之用，故未按比例繪製。然而，本發明不論是其本身結構與操作方法，均能藉由參考說明書內的詳細說明與附圖得以清楚理解。

請參考圖1至圖13，其乃係描述本發明之較佳實施例並進行說明，其中類似的元件符號係表示本發明的類似部位。

圖1所示的氫氣產生器10包括一圓柱形鍍有陶瓷的鋁製外殼14，其具有外殼開口16及滑置於該外殼14內的一圓柱形金屬套筒22，金屬套筒22的長度小於外殼14的長度。外殼14具有相反二端部及位於該二端部之間的一凹穴，而且，一穿孔壁30抵靠金屬套筒22的二端部且與外殼的二端部相鄰隔開。金屬套筒22包括非隔離的套筒開口26及隔離的套筒開口28。非隔離的套筒開口26係用以卡合鹽水溶液的一入水口12及一排水口13、一氫氣出口80、及一清洗閥安裝口82。隔離的套筒開口28是用於陽極終端11，陽極終端11從外殼14的外部延伸到圓柱形金屬套筒22內部中的陽極。終端絕緣件32係用以放置在陽極終端11與隔離的套筒開口28之 間，這一點係如圖2的剖面圖所示。陽極終端11的末端係凸出於終端絕緣件32，致使能夠電性連接至凹穴內部的陽極18及凹穴外部的一電源供應器。金屬套筒22的開口對齊外殼開口16，致使陽極終端11、排水口13、入水口12、氫氣出口80、及清洗閥安裝口82各延伸通過對應的外殼開口16及套筒開口26、28，藉此密封地接觸外殼14且防止凹穴內的液體與氣體從凹穴中透過外殼開口16外洩。氫氣產生器的陽極可以具有任何適當形式與結構，但圖1顯示為一圓柱形的螺旋陽極18。陽極被多個終端11接觸，這些終端11將陽極支撐在套筒22內並與整個裝置內的套筒22與陰極結構隔開。

設有多根陰極棒20，在此顯示為一根中心棒及間隔圍繞該中心棒的四根棒，它們從外殼14一端的穿孔壁30延伸至外殼14另一端的另一穿孔壁30，且使每個陰極桿20電性接觸該等穿孔壁。在外殼14的每一端上，一陰極終端24係設置在穿孔壁30的一中心開口52且延伸通過端蓋70內的一端蓋開口72。陰極終端24可具有螺紋，致使一終端螺帽74將端蓋70固定緊靠在穿孔壁30上。陰極終端24透過與穿孔壁30的接觸而對這些陰極桿20提供共同的連接。

氫氣產生器在外殼14的每一端附近包括一絕緣墊圈60，其安置成緊靠套筒22末端，使穿孔壁30可被密封至套筒卻不會產生電性接觸。穿孔壁包括貫穿本身的複數開口或穿孔50，可以運用任何數量的開口或穿孔，以允許鹽水溶液流過。

端蓋70滑動地卡合在外殼14末端內且接觸穿孔壁30，藉此形成一密封件，致使連同密封件60而能夠防止氣體與液體流出凹穴外，但仍可通過氫氣出口80或清洗閥82流出凹穴外。

使用時，外殼凹穴內的水含有足夠的電解質，例如鹽(Na⁺Cl^-)或其他電解質以產生導電性，且可以被稱之為鹽水溶液。當施加一電壓於陽極(+)與陰極(-)時，所產生的電流會使鹽水發生電解，因而在陰極產生氣體形式的氫氣(H₂)，在陽極產生氣體形式的氧氣(O₂)。在套筒22每一端的陰極壁30在穿孔壁30與外殼14每一端的端蓋70之間產生許多小腔室。雖然並不知道確實的機制為何，但咸信這些腔室使鹽水保持與主要凹穴相通，因而能夠顯著幫助氫氣產生器產生出可用的氫氣。

圖3A顯示氫氣產生器移除掉端蓋70的一端視圖。陽極終端11、排水口13、入水口12、氫氣出口80、及清洗閥安裝口82係如圖1所示以徑向相反的方向從外殼14延伸出來。圖3B顯示另一替代配置方式，其中外殼開口在外殼的相反二側上並未對齊成複數直排，此種配置方式可以根據氫氣產生器的定向或實施氫氣產生器的其他因素而額外改變。

圖4至圖6顯示陽極的不同實施例，圖4為圖1的實施例，其中陽極18是一中空金屬管，係以螺旋捲繞呈圓柱形結構且具有捲曲封閉的尾端。在另一實施例中，圖5所示的陽極18'是一中空金屬圓柱，其包括貫穿圓柱壁體的多個陽極開口44。圖6所示的陽極18"是一圓柱 形金屬網狀物。陽極18、18'及18"係藉由與陽極終端11接觸而被支撐在外殼14的凹穴內。

在圖7至9所示的本發明另一實施例中，氫氣產生器10'包括一圓柱形開放腔胞金屬發泡體陽極86，其具有延伸於陽極86全長的多個孔洞或通道88。陰極桿20穿過孔洞88，且使至少一陰極桿的末端延伸超過圓柱形陽極86的對應末端。替代地，陰極可以為具有開放腔胞金屬發泡體形式，且陽極可以係具有延伸通過內部開口的桿體形式。孔洞88的直徑足以使陰極桿20無法接觸金屬發泡體86。金屬發泡體的開放腔胞允許鹽水或水90自由地從陽極的一側通過這些腔胞而流到陽極的另一側。圖8的剖面圖包括部位A係顯示外殼14、部位B係切開外殼以顯示金屬套筒22、部位C係切開金屬套筒以顯示金屬發泡體86的外表面、部位D係切開金屬發泡體的外表面以顯示金屬發泡體86'的內表面及陰極桿20。金屬發泡體較佳地是一鋁製金屬發泡體，且可以包括一金質鍍層以防止腐蝕。鋁製金屬發泡體可以整個發泡體皆由鋁製成，也可以在發泡體的外表面塗上鋁而形成一複合發泡體。陽極18、陰極桿20及套筒22可以額外包括一金質塗層以防止腐蝕。可以施加於本發明氫氣產生器的陽極、陰極與其他零件上之一範例性金質塗層為北卡羅萊納州伯靈頓市nCoat LLC公司所販售之JET-HOT nPowered之塗層。此塗層可以是二氧化矽為主的奈米有機混合物，它可具有水溶液或溶劑溶液的形式並運用噴灑、浸泡、滾壓或旋轉浸泡等方法塗鍍，並且以120℃ 至180℃的高溫硬化十分鐘，或者以足夠的時間硬化而使塗層黏著並硬化而具有想要的厚度(例如：1至2微米)。其中一範例為由台灣高雄市Nanmat技術公司所生產的NanoMate塗層。

圖8與圖9包括一圓柱形鍍有陶瓷的鋁製外殼14，其具有外殼開口16及滑置於外殼14內的一金屬套筒22。外殼14具有相向二端部及設置於該二端部之間的一凹穴，一穿孔壁30'係設置於外殼每一端部附近。穿孔壁30'係顯示成一板體，其由開放腔胞金屬發泡體製成。終端絕緣件32係設置於陽極終端11與金屬套筒22之間。陽極終端11的末端從終端絕緣件32朝內突出，致使可以機械連接及電性連接至凹穴內的陽極18，且朝外連接至凹穴外部的一電源供應器。氫氣產生器10'包括一端蓋70及一陰極終端24，至少一部分端蓋70滑置於外殼14的端部內，且陰極終端24穿過端蓋70內的一開口72，陰極終端24電性接觸外殼內部的金屬發泡體穿孔壁30'及外殼外部的一電壓供應器。

圖9顯示一組裝好的氫氣產生器10'，其包括固定好的端蓋70，致使凹穴內的鹽水或水90可以在凹穴內自由流動卻不會外洩出來。當排水口13處於開啟位置時，排水口13允許鹽水或水流出外殼的凹穴外，而且當排水口13處於關閉位置時能防止鹽水或水流出。當入水口12處於開啟位置時，入水口12允許鹽水或水流入外殼凹穴內，而且當入水口13處於關閉位置時能防止鹽水或水流入。

圖10顯示陽極18'係藉由陽極終端11與陽極墊圈34而被支撐在外殼凹穴內。墊圈34被裝附至陽極終端11並接觸陽極18'的外壁，藉此防止陽極18'相對於外殼14移動。陽極終端11係以一絕緣O環32'而被固定至外殼14內。

圖11顯示氫氣產生器10連接到一儲存槽系統，以沖洗外殼凹穴內的鹽水溶液。外殼可以包括一透明視窗46，以便目視監控氫氣產生器內部的活動。儲存槽系統包括一儲存槽58及一供應管線62，供應管線62係用以供溶液59從儲存槽58通過閥體67而流到氫氣產生器。此系統亦包括一返回管線64、返回閥68及一泵66，此泵係以泵抽吸鹽水溶液59使其通過氫氣產生器與儲存槽。

圖12顯示裝附至氫氣產生器的零件，用以控制並感測來自氫氣產生器的出口80(圖1)的氣體輸出。這些零件包括一閥體124，用以控制氫氣從出口80流到一苛性起泡器(caustic bubbler)38。起泡器38的出口包括一排水閥126、氫氣出口閥122及一Hobb開關128。Hobb開關128是一壓力感測開關，其包括一繼電器。當壓力超過一預定值時，此繼電器會卡住。Hobb開關可用以關閉一安全電路，而且假如氫氣壓力超過一安全值的話，則Hobb開關會關掉氫氣產生器的操作。

圖13顯示氫氣產生器的控制器之方塊圖，控制器包括一中央處理單元100及及來自氫氣產生器或圖12所示的控制零件之輸入端，這些輸入端包括來自Hobb開關 128的一輸入端102、及來自氫氣產生器外殼上之一壓力計的一輸入端104。控制器的輸出端包括傳送用以控制排水口的電氣信號之一輸出端110、用以控制電力到陽極與陰極終端的一輸出端112、用以控制泵66的一輸出端116、及用以控制清洗閥67、68的一輸出端118。控制器的輸出端也可以包括一安全關閉器114及用以控制閥體124的一氫氣控制閥120。

雖然陽極較佳地是由鋁製成，但陽極也可以由其他金屬製成。雖然陰極桿較佳地是由不鏽鋼製成，但也可以由其他金屬製成。在本發明的氫氣產生器中，陽極與陰極的結構可以互換及/或顛倒。

操作時，鹽水或水90被注入氫氣產生器10的凹穴內，且施加一電壓差於陽極與陰極之間，藉此打破並電解氫氣產生器的筒體內之水。此化學反應產生出氫氣與氧氣，且可能產生出其他副產物，包括氫氧化物、氯及氫氧化納。所產生的氫氣能夠從氫氣出口80離開，同時設置清洗閥82以清洗掉外殼14的凹穴內之其他氣體或水。

本發明的氫氣產生器已經克服先前技術的缺點，其係藉由設置一穿孔壁，其已足以分隔主要外殼凹穴與末端腔室，但卻能允許鹽水從凹穴流入末端腔室以及從末端腔室流入凹穴。

雖然已經伴隨特定的較佳實施例來說明本發明，但對於熟習本項技術者來說，在不背離上述說明的精神之前提下，仍可以構思出許多替換、修改與變化。因此， 本發明的申請專利範圍將涵蓋舉凡落入本發明的範圍與精神內之所有替換、修改與變化。

10、10'‧‧‧氫氣產生器

11‧‧‧陽極終端

12‧‧‧入水口

13‧‧‧排水口

14‧‧‧外殼

16‧‧‧外殼開口

18、18'、18"‧‧‧陽極

20‧‧‧陰極桿

22‧‧‧金屬套筒

24‧‧‧陰極終端

26、28‧‧‧套筒開口

30、30'‧‧‧穿孔壁

32‧‧‧終端絕緣件

34‧‧‧墊圈

38‧‧‧起泡器

44‧‧‧陽極開口

46‧‧‧透明視窗

50‧‧‧開口或穿孔

52‧‧‧中央開口

58‧‧‧儲存槽

59‧‧‧溶液

60‧‧‧絕緣墊圈/密封件

62‧‧‧供應管線

64‧‧‧返回管線

66‧‧‧泵

67‧‧‧閥體

68‧‧‧返回閥

70‧‧‧端蓋

72‧‧‧端蓋開口

74‧‧‧螺帽

80‧‧‧氫氣出口

82‧‧‧清洗閥安裝口

86‧‧‧開放腔胞金屬發泡體陽極

88‧‧‧孔洞或通道

90‧‧‧鹽水或水

100‧‧‧中央處理單元

102‧‧‧輸入端

104‧‧‧輸入端

110‧‧‧輸出端

112‧‧‧輸出端

114‧‧‧安全關閉器

116‧‧‧輸出端

118‧‧‧輸出端

120‧‧‧氫氣控制器

122‧‧‧氫氣出口閥

124‧‧‧閥體

126‧‧‧排水閥

128‧‧‧Hobb開關

圖1是依據本發明的氫氣產生器之立體分解圖。

圖2是依據本發明的陽極終端及終端絕緣件之剖面圖。

圖3A是圖1的氫氣產生器移除端蓋後的一端視圖。

圖3B是一端視圖，顯示延伸通過依據本發明的氫氣產生器的外殼之終端與開口的另一結構。

圖4是圖1的氫氣產生器之陽極的立體圖。

圖5是依據本發明的第二實施例之立體圖。

圖6是依據本發明的陽極之第三實施例之立體圖。

圖7是依據本發明的陽極之第四實施例之立體圖。

圖8是包括圖7所示的陽極之氫氣產生器的剖面圖。

圖9是圖8所示的氫氣產生器之側視圖。

圖10是氫氣產生器的剖面端視圖，其顯示陽極終端連接到圖5所示的陽極。

圖11是依據本發明包含一儲存槽系統的氫氣產生器之側視圖。

圖12是依據本發明用以控制氣體輸出的一閥系統之方塊圖。

圖13是依據本發明用於氫氣產生器的一控制器之方塊圖。

10‧‧‧氫氣產生器

11‧‧‧陽極終端

12‧‧‧入水口

13‧‧‧排水口

14‧‧‧外殼

16‧‧‧外殼開口

18‧‧‧陽極

20‧‧‧陰極桿

22‧‧‧金屬套筒

24‧‧‧陰極終端

26‧‧‧套筒開口

28‧‧‧套筒開口

30‧‧‧穿孔壁

32‧‧‧終端絕緣件

50‧‧‧開口或穿孔

52‧‧‧中央開口

60‧‧‧絕緣墊圈

70‧‧‧端蓋

72‧‧‧端蓋開口

74‧‧‧螺帽

80‧‧‧氫氣出口

82‧‧‧清洗閥安裝口

Claims (20)

1. 一種氫氣產生器，包含：一陽極；一陰極；一外殼，具有一內部凹穴；一金屬套筒，係滑入並位在內部凹穴內；一穿孔壁，位於該內部凹穴內且鄰近其一端，該穿孔壁電性連接該陽極或該陰極，且用以隔開該內部凹穴的一端部與該內部凹穴的一主體部；以及水，容納在該外殼內，該水從該內部凹穴的該主體部連續延伸通過該穿孔壁而進入該內部凹穴的該端部。
2. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中電性連接至該穿孔壁的該陽極或該陰極，係從該內部凹穴的該主體部延伸通過該穿孔壁而進入該內部凹穴的該端部且穿過該外殼。
3. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其更包括另一穿孔壁，其中該外殼具有二端部；該穿孔壁及該另一穿孔壁位於該內部凹穴內且鄰近每一端並分別隔開該內部凹穴的該二端部位與該內部凹穴的一主體部，該陽極或該陰極延伸通過該外殼的一端部、通過該穿孔壁而進入該內部凹穴的該主體部、通過該另一穿孔壁而進入該內部凹穴的該另一端部，且穿過該外殼的另一該端部，該外殼中的水從該內部凹穴的該主體部連續延伸通過每一該穿孔壁而進入該內部凹穴的該二端 部內。
4. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該穿孔壁是一內部具有多個開口的金屬板。
5. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該穿孔壁是一開放腔胞的金屬發泡體。
6. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該金屬套筒係滑入並位在該內部凹穴內的圓柱形金屬套筒，且該金屬套筒具有二端部，以及於該金屬套筒之每一端部與該穿孔壁之間設置一絕緣墊圈。
7. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該陽極是一中空金屬管，其螺旋捲繞成一圓柱形結構。
8. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該陽極是一中空金屬圓柱，其包括貫穿該中空金屬圓柱之壁體的複數陽極開口。
9. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，其中該陽極是一圓柱形金屬網狀物。
10. 如申請專利範圍第1項之氫氣產生器，更包括至少一導電端子，係從該內部凹穴朝外延伸通過該外殼內及該金屬套筒的一開口，在該外殼中，該至少一導電端子係與該陽極或陰極電性接觸。
11. 一種氫氣產生器，包含：一外殼，具有一內部凹穴；一陽極，位於該內部凹穴中；一陰極，位於該內部凹穴中；一開放腔胞金屬發泡體，其設置於內部凹穴中並 電性連接該陽極或該陰極；以及水，位於該外殼內且連續地延伸通過該開放腔胞金屬發泡體。
12. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，其中該開放腔胞金屬發泡體為陽極。
13. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，其中該開放腔胞金屬發泡體為陽極且內部具有通道，且該陰極延伸通過開放腔胞金屬發泡體形式的該陽極內之該等通道。
14. 如申請專利範圍第13項之氫氣產生器，其中該等陽極通道具有一長度與複數通道壁，且在該陰極與該等通道壁的全長之間具有一間隙，該間隙實質上填滿有水。
15. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，其中該開放腔胞金屬發泡體為陰極。
16. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，其中該開放腔胞金屬發泡體為陰極且內部具有通道，且該陽極延伸通過該開放腔胞金屬發泡體形式的該陰極中之該等通道。
17. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，更包括一圓柱形金屬套筒，其滑置於該內部凹穴中。
18. 如申請專利範圍第17項之氫氣產生器，其中該金屬套筒具有二端部，且其中於該金屬套筒之每一端部與該穿孔壁之間設置一絕緣墊圈。
19. 如申請專利範圍第11項之氫氣產生器，其中該開放 腔胞金屬發泡體包括一金質鍍層。
20. 一種使用氫氣產生器的方法，包含：設置一陽極、一陰極、具有一內部凹穴的一外殼、滑入並位在內部凹穴內的金屬套筒、及位於該內部凹穴內的一穿孔壁，該穿孔壁係位於該內部凹穴的一端且隔開該內部凹穴的一端部與該內部凹穴的一主體部，該陽極或該陰極從該內部凹穴的該主體部延伸通過該穿孔壁，而進入該內部凹穴的該端部位並通過該外殼，且該外殼中的水從該內部凹穴的該主體部連續延伸通過該穿孔壁而進入該內部凹穴的該端部；以及在該陽極與該陰極之間施加一電位差，此電位差足以產生氫氣。