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CN102195057A - 氢气产生装置及燃料电池 - Google Patents

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CN102195057A
CN102195057A CN2010101300077A CN201010130007A CN102195057A CN 102195057 A CN102195057 A CN 102195057A CN 2010101300077 A CN2010101300077 A CN 2010101300077A CN 201010130007 A CN201010130007 A CN 201010130007A CN 102195057 A CN102195057 A CN 102195057A
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solid fuel
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王正
周柏圭
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Young Green Energy Co
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Abstract

一种氢气产生装置，适用于燃料电池。氢气产生装置包括容纳槽及缓冲层。缓冲层配置于容纳槽内而将容纳槽分隔为第一容纳空间及第二容纳空间。第一容纳空间适于容纳液态反应物。第二容纳空间适于容纳第一固态燃料。液态反应物适于透过缓冲层到达第二容纳空间而与第一固态燃料反应产生氢气。

Description

氢气产生装置及燃料电池
技术领域
本发明是有关于一种氢气产生装置及具有所述氢气产生装置的燃料电池，且特别是有关于一种使用固态燃料的氢气产生装置及具有其的燃料电池。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种利用化学能直接转换为电能的发电装置，与传统发电方式比较之下，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，是极具未来前瞻性的干净能源，可应用的范围包括携带式电子产品、家用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及小型发电系统等各种领域。
各类燃料电池依其运作原理及操作环境之不同而有不同的应用市场，在可移动式能源上的应用主要是以氢气质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)及直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell，DMFC)为主，两者皆属于使用质子交换膜进行质子传导机制的低温启动型燃料电池。以此类质子交换膜燃料电池操作原理，为氢气在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)以及电子(e-)(PEMFC原理)，或甲醇与水在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、二氧化碳(CO2)以及电子(e-)(DMFC原理)，其中氢离子可以经由质子传导膜传递至阴极，而电子则经由外部电路传输至负载作功之后再传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子于阴极触媒层进行还原反应并产生水。上述阳极所需的燃料氢气可借由固态硼氢化纳(NaBH4)储氢技术而得，即是将水加入固态硼氢化纳以反应产生氢气。
若将大量的水直接与固态硼氢化纳反应，会使反应过于剧烈而无法平缓、稳定地产生氢气。因此系统需要增加额外的阀件来控制氢气量的稳定释出，而会增加系统的复杂度及机构强度，并增加所需成本。此外，可于固态硼氢化钠添加一些填充物(如硅)以使反应较不剧烈，但反应生成的氢气的重量百分比会因此而有所降低。
发明内容
本发明提出一种氢气产生装置，其固态燃料可与水缓慢反应以稳定释放氢气。
本发明提出一种燃料电池，其氢气产生装置的固态燃料可与水缓慢反应以稳定释放氢气。
本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为实现上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一个实施方案提供一种氢气产生装置，适用于燃料电池。氢气产生装置包括容纳槽及缓冲层。缓冲层配置于容纳槽内而将容纳槽分隔为第一容纳空间及第二容纳空间。第一容纳空间适于容纳液态反应物。第二容纳空间适于容纳第一固态燃料。液态反应物适于透过缓冲层到达第二容纳空间而与第一固态燃料反应产生氢气。
为实现上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一个实施方案提供一种燃料电池，其包括氢气产生装置、电池堆及导引结构。氢气产生装置包括容纳槽及缓冲层。缓冲层配置于容纳槽内而将容纳槽分隔为第一容纳空间及第二容纳空间。第一容纳空间适于容纳液态反应物。第二容纳空间适于容纳第一固态燃料。液态反应物适于透过缓冲层到达第二容纳空间而与第一固态燃料反应产生氢气。导引结构连接于氢气产生装置及电池堆之间，且适于将固态燃料与液态水反应产生的氢气导引至电池堆。
基于上述，在本发明的上述实施方案中，缓冲层配置于容纳槽内而位于液态反应物与固态燃料之间。借此，液态反应物可持续地透过缓冲层而传递至固态燃料，以使固态燃料与液态反应物缓慢反应而稳定释放氢气，且提高反应生成之氢气的重量百分比，并减少整体结构的体积与所需成本。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明一个实施例的氢气产生装置的示意图。
图1B为图1A的缓冲层转变为多孔结构层的示意图。
图1C为图1A的液态反应物与固态燃料反应后的示意图。
图2为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图3为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图4为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图5为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图6为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图7A为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。
图7B为图7A的液态反应物与固态燃料反应的示意图。
图8为图7A的氢气产生装置配置毛细结构的示意图。
图9为图1A的氢气产生装置应用于燃料电池的示意图。
50：液态反应物
60、124、224、562：固态燃料
70：水溶液
80：燃料电池
100、200、300、400、500、600、700：氢气产生装置
110、210、310、410、510、610、710：容纳槽
112、712、792：开口
110a、210a、310a、410a、510a、610a、710a：第一容纳空间
110b、210b、310b、410b、510b、610b、710b：第二容纳空间
120、320、620、720：缓冲层
120’、220：多孔结构层
122、222：填充材
130、730：防水透气膜
140：吸水结构
450：活塞
560：胶囊
570：电阻
680：微孔层
780：毛细结构
790：袋体
800：电池堆
900：导引结构
D：方向
具体实施方式
有关本发明之前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
图1A为本发明的一个实施例的氢气产生装置的示意图。图1B为图1A的缓冲层转变为多孔结构层的示意图。图1C为图1A的液态反应物与固态燃料反应后的示意图。请先参考图1A，本实施例的氢气产生装置100适用于燃料电池，用以提供燃料电池阳极反应所需的氢气。氢气产生装置100包括容纳槽110及缓冲层120。缓冲层120配置于容纳槽110内而将容纳槽110分隔为第一容纳空间110a及第二容纳空间110b。
第一容纳空间110a适于容纳液态反应物50。第二容纳空间110b适于容纳固态燃料60。本实施例的缓冲层120可由填充材122及固态燃料124所组成，填充材122及固态燃料124例如分别为硅及硼氢化钠粉末。借此，位于第一容纳空间110a的液态反应物50可先与固态燃料124反应产生氢气，而使缓冲层120转变为如图1B所示的多孔结构层120’。接着，未反应的液态反应物50可持续地透过多孔结构层120’被传递至固态燃料60，以使固态燃料60与液态反应物50缓慢反应而稳定释放氢气。
本实施例的液态反应物50及固态燃料60(124)例如分别为液态水及硼氢化钠粉末，然而本发明不以此为限，液态反应物50及固态燃料60(124)亦可为其它适于反应产生氢气的适当物质。此外，可于固态燃料60(124)加入触媒以加速液态反应物50及固态燃料60(124)的反应。
反应过后的整体结构如图1C所示，固态燃料60与液态反应物50反应生成的水溶液70会充满容纳槽110，并将多孔结构层120’推至容纳槽110顶端。其中，在液态反应物50及固态燃料60分别为液态水及硼氢化钠粉末的情况下，水溶液70例如为偏硼酸钠水溶液(NaBO2.H2O或NaBO2.4H2O)。
本实施例的容纳槽110具有开口112。开口112连通第二容纳空间110b，且氢气产生装置100还包括覆盖开口112的防水透气膜130。借此，固态燃料60与液态反应物50反应产生的氢气可透过防水透气膜130从容纳槽110排出，而固态燃料60与液态反应物50反应产生的水溶液70会被防水透气膜130阻隔而不致外泄。此外，氢气产生装置100还可包括配置于第一容纳空间110a内的吸水结构140，用以吸收液态反应物50而形成水胶，借以将液态反应物50固定于第一容纳空间110a内。然而本发明不以此为限，在其它实施例中亦可不配置吸水结构140，而直接将液态反应物50容纳于第一容纳空间110a内。
图2为本发明另一个实施例的氢气产生装置的示意图。请参考图2，在本实施例的氢气产生装置200中，直接在容纳槽210内配置多孔结构层220以作为缓冲层。位于第一容纳空间210a的液态反应物50可持续地透过多孔结构层220被传递至位于第二容纳空间210b的固态燃料60，以使固态燃料60与液态反应物50缓慢反应而稳定释放氢气。此外，还可将固态燃料224填充于多孔结构层220的孔隙中，以与液态反应物50反应产生氢气。多孔结构层220中，还可填充如图一A所示的填充材222。
图3为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。请参考图3，在本实施例的氢气产生装置300中，在容纳槽310内配置透水不透气膜320以作为缓冲层。位于第一容纳空间310a的液态反应物50可持续地透过透水不透气膜320被传递至位于第二容纳空间310b的固态燃料60，以使固态燃料60与液态反应物50缓慢反应而稳定释放氢气。
本实施例的透水不透气膜320例如为质子交换膜。具体而言，透水不透气膜320可为聚苯乙烯磺酸膜(PSSA)、全氟磺酸型膜、四氟乙烯多孔膜、四氟乙烯多孔膜与全氟磺酸型膜复合膜、非氟化的质子交换膜、聚醚砜膜(polyethersulfone)或部分氟化的质子交换膜。此外，透水不透气膜320的材质还可为聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(polyimide)或聚酰胺亚胺(PAI)。
图4为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。请参考图4，本实施例的氢气产生装置400还包括活塞450。活塞450可动地配置于容纳槽410的第一容纳空间410a，且适于沿方向D移动以增加第一容纳空间410a内的压力，借以迫使液态反应物50下移而开始与位于第二容纳空间410b的固态燃料60反应。
图5为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。请参考图5，本实施例的氢气产生装置500包括胶囊560及连接胶囊560的电阻570。胶囊560配置于容纳槽510的第一容纳空间510a内，且胶囊560内配置有固态燃料562。当加热电阻570烧破胶囊560时，固态燃料562会进入第一容纳空间510a而与液态反应物50反应产生气体，使第一容纳空间510a内的压力增加，藉以迫使液态反应物50下移而开始与位于第二容纳空间510b的固态燃料60反应。固态燃料562可为各种适当的物质，以与液态反应物50反应产生氢气、二氧化碳或其它气体，本发明不对固态燃料562的种类加以限制。
图6为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。请参考图6，本实施例的氢气产生装置600还包括微孔层680(图示为两个)，所述微孔层迭置于缓冲层620而分别位于容纳槽610的第一容纳空间610a内及第二容纳空间610b内。微孔层680可进一步缓冲液态反应物50下移速度，以使固态燃料60与液态反应物50能够更缓慢地反应而稳定释放氢气。本发明并不对微孔层680的数量加以限制，在其它实施例中，可位于缓冲层620上方配置微孔层680，或位于缓冲层620下方配置微孔层680。上述微孔层680例如为将碳粒(粉)加上浆料(binder)涂布在碳布或碳纸上而形成的结构。
图7A为本发明另一实施例的氢气产生装置的示意图。图7B为图7A的液态反应物与固态燃料反应的示意图。请参考图7A，在本实施例的氢气产生装置700中，容纳槽710的开口712连通第一容纳空间710a，且防水透气膜730覆盖开口712。此外，氢气产生装置700还包括袋体790配置于容纳槽710的第一容纳空间710a且适于容纳液态反应物50。袋体790的开口792连接缓冲层720。
借此配置方式，液态反应物50可透过开口792往缓冲层720及第二容纳空间710b移动，以与固态燃料60反应产生氢气。如图7B所示，液态反应物50与固态燃料60反应产生的水溶液70会压迫袋体790，迫使袋体790内的液态反应物50持续从开口792流出并与固态燃料60反应。液态反应物50与固态燃料60反应产生的氢气可透过防水透气膜730被排出。如此，液态反应物50被袋体790包覆住，而使液态反应物50不会因为压差的关系穿透防水透气膜730而外泄。值得注意的是，在其它实施例中，上述袋体790内包覆的液态反应物50亦可被吸水结构吸收而成为水胶，其可被水溶液70压迫而从开口792流出。
图8为图7A的氢气产生装置配置毛细结构的示意图。请参考图8，还可在氢气产生装置700的开口792处配置毛细结构780。毛细结构780例如为棉线且平铺于缓冲层720，以将袋体790内的液态反应物50吸出并导至缓冲层720。在其它实施例中，还可在缓冲层720的上表面配置具毛细力的布材，以使液态反应物50可均匀地分布于缓冲层720。在其它未图示的实施例中，还可将固态燃料60区分为多层，各层之间可配置填充材(如硅)，各层填充材的添加量皆可不同，且触媒的添加量亦可不同。此外，可在固态燃料60添加触媒或不参与反应的材料(如硅微粒)，使反应更加平缓以稳定释放氢气。
上述所有实施例中的氢气产生装置皆可应用于燃料电池以提供燃料电池阳极反应所需氢气，以下以图1A的氢气产生装置100为例加。图9为图1A的氢气产生装置应用于燃料电池的示意图。请参考图9，本实施例的燃料电池80由图1A的氢气产生装置100、电池堆800及导引结构900所组成。导引结构900连接于氢气产生装置100及电池堆800之间，用以将固态燃料60与液态反应物50反应产生的氢气导引至电池堆800，以提供电池堆800阳极反应所需氢气。值得注意的是，电池堆800阴极反应所需的氧气例如是借由其它的供应源来提供，在本实施例中并未对此部分加以图示。本实施例的燃料电池80可用于笔记型计算机或手机等电子装置，或可应用于车辆或船等交通工具。
综上所述，在本发明的上述实施例中，缓冲层配置于容纳槽内而位于液态反应物与固态燃料之间。借此，液态反应物可持续地透过缓冲层被传递至固态燃料，以使固态燃料与液态反应物缓慢反应而稳定释放氢气。由于不需在固态燃料加入填充物，因此可提高反应生成的氢气的重量百分比，并减少整体结构的体积与所需成本。此外，可在缓冲层上迭置微孔层，以进一步缓冲液态反应物与固态燃料的反应速率。另外，可借由活塞增加液态反应物所在的第一容纳空间的压力，或借由在第一容纳空间内反应生成气体以增加第一容纳空间的压力，来迫使液态反应物下移而开始与位于第二容纳空间的固态燃料反应产生氢气。
上述仅为本发明的优选实施例，并不以此限制本发明的实施范围，即凡是依据本发明之权利要求书范围及发明说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不需实现本发明所揭露的全部目的或优点或特点。

Claims (26)

1.一种氢气产生装置，其适用于燃料电池，该氢气产生装置包括：
容纳槽；以及
缓冲层，所述缓冲层配置于所述容纳槽内而将该容纳槽分隔为第一容纳空间及第二容纳空间，其中所述第一容纳空间适于容纳液态反应物，所述第二容纳空间适于容纳第一固态燃料，所述液态反应物适于透过所述缓冲层到达该第二容纳空间而与所述第一固态燃料反应产生氢气。
2.如权利要求1所述的氢气产生装置，其中所述缓冲层包括：
填充材；以及
第二固态燃料，其中部分所述液态反应物适于与所述第二固态燃料反应产生氢气，而使所述缓冲层转变为多孔结构层。
3.如权利要求2所述的氢气产生装置，其中所述填充材的材质包括硅。
4.如权利要求1所述的氢气产生装置，其中所述缓冲层包括多孔结构层。
5.如权利要求4所述的氢气产生装置，其中所述缓冲层还包括第三固态燃料，所述第三固态燃料填充于所述多孔结构层的孔隙中。
6.如权利要求1所述的氢气产生装置，其中所述缓冲层为透水不透气膜。
7.如权利要求1所述的氢气产生装置，其还包括活塞，所述活塞可动地配置于所述第一容纳空间，其中该活塞适于在该第一容纳空间内移动而改变该第一容纳空间内的压力。
8.如权利要求1所述的氢气产生装置，其还包括：
胶囊，所述胶囊配置于所述第一容纳空间内，其中第三固态燃料适于容置于该胶囊内；以及
电阻，所述电阻连接该胶囊，其中当加热该电阻烧破该胶囊时，所述第三固态燃料进入所述第一容纳空间而与所述液态反应物反应产生气体，使该第一容纳空间内的压力增加。
9.如权利要求1所述的氢气产生装置，其还包括微孔层，所述微孔层迭置于所述缓冲层而位于所述第一容纳空间内或所述第二容纳空间内。
10.如权利要求1所述的氢气产生装置，其中所述容纳槽具有开口，该开口连通所述第一容纳空间或所述第二容纳空间，该氢气产生装置还包括防水透气膜，所述防水透气膜覆盖所述开口。
11.如权利要求1所述的氢气产生装置，其还包括吸水结构，所述吸水结构配置于所述第一容纳空间内且适于吸收所述液态反应物。
12.如权利要求1所述的氢气产生装置，其还包括袋体，所述袋体配置于所述第一容纳空间内且适于容纳所述液态反应物，其中该袋体具有开口，所述开口连接所述缓冲层。
13.如权利要求12所述的氢气产生装置，其还包括毛细结构，所述毛细结构配置于所述开口处且与所述缓冲层接触。
14.一种燃料电池，其包括：
氢气产生装置，所述氢气产生装置包括：
容纳槽；
缓冲层，所述缓冲层配置于所述容纳槽内而将该容纳槽分隔为第一容纳空间及第二容纳空间，其中所述第一容纳空间适于容纳液态反应物，所述第二容纳空间适于容纳第一固态燃料，所述液态反应物适于透过所述缓冲层到达所述第二容纳空间而与所述第一固态燃料反应产生氢气；
电池堆；以及
导引结构，所述导引结构连接于所述氢气产生装置及所述电池堆之间，且适于将所述第一固态燃料与所述液态反应物反应产生的氢气导引至该电池堆。
15.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述缓冲层包括：
填充材；以及
第二固态燃料，其中部分所述液态反应物适于与所述第二固态燃料反应产生氢气，而使所述缓冲层转变为多孔结构层。
16.如权利要求15所述的燃料电池，其中所述填充材的材质包括硅。
17.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述缓冲层包括多孔结构层。
18.如权利要求17所述的燃料电池，其中所述缓冲层还包括第三固态燃料，所述第三固态燃料填充于所述多孔结构层的孔隙中。
19.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述缓冲层为透水不透气膜。
20.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述氢气产生装置还包括活塞，所述活塞可动地配置于所述第一容纳空间，其中该活塞适于在该第一容纳空间内移动而改变该第一容纳空间内的压力。
21.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述氢气产生装置还包括：
胶囊，所述胶囊配置于所述第一容纳空间内，其中第三固态燃料适于容置于该胶囊内；以及
电阻，所述电阻连接该胶囊，其中当加热该电阻烧破该胶囊时，所述第三固态燃料进入所述第一容纳空间而与所述液态反应物反应产生气体，使该第一容纳空间内的压力增加。
22.如权利要求14所述的燃料电池，其还包括微孔层，所述微孔层迭置于所述缓冲层而位于所述第一容纳空间内或所述第二容纳空间内。
23.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述容纳槽具有开口，所述开口连通所述第二容纳空间，所述氢气产生装置还包括防水透气膜，所述防水透气膜覆盖该开口。
24.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述氢气产生装置还包括吸水结构，所述吸水结构配置于所述第一容纳空间内且适于吸收所述液态反应物。
25.如权利要求14所述的燃料电池，其中所述氢气产生装置还包括袋体，所述袋体配置于所述第一容纳空间内且适于容纳所述液态反应物，其中该袋体具有开口，所述开口连接所述缓冲层。
26.如权利要求25所述的燃料电池，其中所述氢气产生装置还包括毛细结构，所述毛细结构配置于所述开口处且与所述缓冲层接触。
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