CN100410579C - 可携式供氢*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可携式供氢***，用以安全地储存氢原子并且能以气体型式供应氢给一使用氢的装置。该供氢***包含至少一个储氢罐以及一控制阀，并且提供一进/出气端口。当该供氢***先前即吸氢至每一个储氢罐内，并且与该使用氢的装置连结时，该供氢***则于该进/出气端口处供应具有一稳定压力的氢气给该使用氢的装置，并且由该供氢***所供应的氢气的压力能通过调整该控制阀来改变。

Description

可携式供氢***
技术领域
本发明涉及一种可携式供氢***(Hydrogensupply system)，用以气体型式供应氢给一使用氢的装置(Hydrogen-using device)，例如，燃料电池(Fuelcell)、气相层析仪(Gas chromatography system)或荧光光谱分析仪(Fluorescence spectrometer)等装置。
背景技术
先前的氢气供应***，其储存氢气的型态，多为气态及液态两种形态。由于气态氢、液态氢有易燃的特性，因此，先前的氢气供应***会让人担忧有引发***的危险。为降低先前的氢气供应***的危险性，先前的氢气供应***都会加以牢固地固定，以防倾倒引发***，也因此，先前的氢气供应***无法设计成可携式的供氢***。
随着固态储存氢技术的开发，亦即储氢合金(Hydrogen storage alloy)的开发，用以储存氢的装置的安全性也随之大幅提升。然而，以往运用储氢合金的装置，大多为间接地使用氢。举例说明，于常见的运用储氢合金的装置中，氢并不以直接消耗的方式(例如，燃烧)运作，而以电化学反应的方式将化学能直接转换成电能的电池，例如，镍氢电池(Nickel-metal hydride battery)、燃料电池等。以燃料电池为例，收纳储氢合金的储氢罐(Hydrogenstorage canister)为燃料电池的固定式组件。此外，由于储氢合金具有在产生吸氢/放氢的化学反应(可逆反应)的过程中，伴随着放热/吸热的热反应(可逆反应)的特性，因此，亦有运用储氢合金的热交换器被开发。然而，与燃料电池相同，收纳储氢合金的储氢罐亦为上述热交换器的固定式组件。
因此，本发明的一目的在于提供一种供氢***，用以安全地储存氢原子，并且以气体型式供应氢给一使用氢的装置使用，例如，燃料电池、气相层析仪或荧光光谱分析仪等装置。特别地，根据本发明的供氢***设计成可携式。借此，确保需使用到上述使用氢的装置的场所的安全。也借此，确保氢源(Hydrogensource)在运输上的安全性，也提升氢源在运输上的便利性。也借此，让上述使用氢的装置若为可携式的装置(例如，可携式气相层析仪)，搭配可携式供氢***，将大幅增加可携式使用氢的装置于现场(In situ)使用的可行性。也借此，可改变燃料电池中供氢***为非固定式、可更换的***。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种可携式供氢***，用以安全地储存氢原子，并且以气体型式供应氢给一使用氢的装置使用，例如，燃料电池、气相层析仪或荧光光谱分析仪等装置。
根据本发明的一较佳具体实施例的供氢***，其包含一座体、至少一个储氢罐、一管线装置以及一控制阀。该座体具有一安设于其内部的第一隔板以及一内壁。每一个储氢槽皆收纳一储氢合金。该至少一个储氢罐彼此皆隔开，并且皆固定至该第一隔板上。每一个储氢罐皆具有一个别的并露在该第一隔板与该内壁之间的开口。该管线装置具有一第一端以及一第二端。该管线装置的第一端分别密封地连接至每一个储氢罐的开口。该管线装置的第二端露于该座体之外。一进/出气端口提供于该管线装置的第二端处。该控制阀装设于该管线装置上近该进/出气端口处。当该供氢***先前即吸氢至每一个个储氢罐内，并且与一使用氢的装置连结时，该供氢***则于该进/出气端口处供应具有一稳定压力的氢气给该使用氢的装置，并且由该供氢***所供应的氢气的压力能通过调整该控制阀来改变。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解，其中：
图1A为绘示根据本发明的较佳具体实施例的供氢***1的内部构造。
图1B为绘示根据本发明的较佳具体实施例的供氢***1的外观。
图2为绘示可协助该供氢***1内部空气流通的风扇模块2。
图3A为绘示图1A中所述储氢罐14以另一形式的排列。
图3B为绘示图3A所绘示的供氢***1的外观。
图4为绘示以根据本发明的供氢***1做为一单元所架构成的供氢***组合2。
图5为绘示图1A的供氢***1，其加装另一组管线装置及控制阀。
具体实施方式
本发明提供一种可携式供氢***，用以安全地储存氢原子，并且以气体型式供应氢给一使用氢的装置使用。以下将详述本发明的较佳具体实施例，借以充分解说本发明的特征、精神、优点以及应用上的简便性。
请参阅图1A以及图1B所示，其描绘根据本发明的一较佳具体实施例的供氢***1。图1A绘示该供氢***1的内部构造。图1B绘示该供氢***1的外观。
如图1A所示，该供氢***1包含一座体(Housing)12、至少一个储氢罐(Hydrogen storagecanister)14(例如，图1A中所绘示的四个储氢罐14)、一管线装(Piping means)以一控制阀(Control valve)18。
如图1A所示，该座体12具有一安设于其内部的第一隔板(Partition)122以及一内壁124。
每一个储氢槽14皆收纳一储氢合金。诚如上文所述，储氢合金具有在产生吸氢/放氢的化学反应过程中，伴随着放热/吸热的热反应。因此，每一个储氢罐14在放氢时，其周围温度会下降，进而影响到邻近的储氢罐14放氢的反应减缓。为了降低所述储氢罐14在吸/放氢时彼此间的影响，所述储氢罐14彼此皆隔开，并做适当地排列，如图1A所示，该四个储氢罐14做矩阵式的排列，以利所述储氢罐14在吸/放氢时，其周围的空气能流通。
如图1B所示，该座体12并且具有一外壳128，该外壳其上提供有多个通气孔(Ventilator)1282以及至少一个把手(Handle)13。提供多个通气孔1282的用意，是促使该供氢***1内部的空气能流通至外部，以降低所述储氢罐14在吸/放氢时彼此间的影响。该把手13设计的用意，让该供氢***更方便携带。
同样示于图1A，所述储氢罐14并且皆固定至该第一隔板122上。设立该第一隔板122的用意，是让所述储氢罐14不直接接触到该座体12的外壳128，以避免所述储氢罐14在吸/放氢时，该座体12的外壳128发烫或结霜。该座体12的底座亦可以留有通气孔。底座设有通气孔的供氢***1可架在如图2所示的风扇模块2。装设在该风扇模块2内的风扇将冷空气通过送风孔22，再经过该供氢***1的底座上的通气孔，送入该供氢***1内，以更佳促使该供氢***1内部的空气流通，进而维持所述个储氢罐14在吸/放氢时的效率。
如图1A所示，每一个储氢罐14皆具有一个别的并露在该第一隔板122与该内壁124之间的开口(Opening)。
为了稳固所述储氢罐14，同样示于图1A中，该座体12并且具有一第二隔板126，所述储氢罐14固定于该第一隔板122与该第二隔板126之间。除了稳固所述储氢罐14之外，设立该第二隔板122的用意，亦让所述储氢罐14不直接接触到该座体12的外壳128，以避免所述储氢罐14在吸/放氢时，该座体12的外壳128发烫或结霜。
如图1A所示，该管线装置具有一第一端以及一第二端。该管线装置的第一端分别密封地连接至每一个储氢罐14的开口。该管线装置的第二端露于该座体12之外。一进/出气端口(Port)16提供于该管线装置的第二端处。
关于该供氢***1的内部的变化，请见图3A以及图3B所示。图3A绘示该供氢***1其内部构造的变化。图3B绘示图3A所绘示的供氢***1的外观。
请见图3A所示，该四个储氢罐14彼此皆隔开，并且做单列式地排列，以利所述储氢罐14在吸/放氢时，其周围的空气能流通。于图3B中具有与图1B相同号码标记的构件，其同样执行图2中相对应单元所具有的功能，在此不做赘述。
储氢合金皆具有于PCI(Pressure-composition-isotherm)曲线上呈现平台压力(Plateau pressure)的特性。该供氢***1于使用前，可连接压力高过所述储氢罐14所收纳的储氢合金的平台压力的氢源，即可将氢充入该供氢***1内，并储存于所述储氢罐14内。
当该供氢***1先前即吸氢至每一个储氢罐14内，并且与一使用氢的装置(未绘示于图中)连结时，通过该储氢合金于放氢时具有平台压力的特性，该供氢***1则于该进/出气端口16处供应具有一稳定压力的氢气给该使用氢的装置。由该供氢***1所供应的氢气的压力，能通过调整该控制阀18来改变。
于一具体实施例中，该储氢合金为一AB5型态合金并且表示成Lm(NixMy)。其中，Lm是一富镧混合稀土金属(La-rich misch metal)，至少包含镧(La)元素，并且与铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)以及钐(Sm)等元素所组成。Ni为镍元素。M由铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、锡(Sn)以及钙(Ca)等元素所组成。x、y为摩尔数，4.0≤x≤5.0，0≤y≤1.0，并且x+y＝5。
于另一具体实施例中，当镧元素达到该储氢合金中Lm的70至90wt.％(重量百分比)的量，并且铈元素达到该储氢合金中Lm的5至25wt.％的量时，通过将该控制阀18完全地打开，该供氢***1所供应的氢气的压力于室温下高于0.1Mpa。
于一具体实施例中，当镧元素达到该储氢合金中Lm的50至70wt.％的量，并且铈元素达到该储氢合金中Lm的25至45wt.％的量时，通过将该控制阀18完全地打开，该供氢***1所供应的氢气的压力于室温下高于0.5Mpa。
于实际应用时，该供氢***1事先与一氢气源连接，让氢气源内的氢以原子型态储存至每一个储氢罐14内的储氢合金。需注意的是，该氢气源内氢气的压力必须高过该供氢***1事后供应的氢气的压力。
于一具体实施例中，该使用氢的装置可以是燃料电池、气相层析仪、荧光光谱分析仪，或其它直接使用氢源的装置。
根据本发明的供氢***，除了单独使用之外，如图4所示，亦可以将根据本发明的供氢***1做为一单元，彼此串连进而架构成一供氢***组合3。
根据本发明的供氢***亦可做为氢气过滤器(Hydrogen filter)，以纯化一氢气源内的氢气。以图1A或图3A所绘示的供氢***1为例，若氢气源的氢气的纯度原为99.99％，该氢气源先行供应氢气至该供氢***1内，再由该供氢***1提供的氢气的纯度至少可高达99.9995％。
需补充说明的，半导体相关制程中，常常需使用到高纯度氢气。例如，氢气被使用做为与三氯硅烷(Trichlorosilane)反应的反应气体，进而形成磊晶硅(Epitaxial silicon)。然而，从高纯度氢气燃烧中所产生的水蒸气，会进而与氧气反应，助长热氧化物(Thermal oxide)的生长。因此，现行工业制成上使用高纯度氢气时，对于氢气的纯度都有严格规定。关于一些使用到高纯度氢气的工业制程，其对氢气的纯度的要求，列于表一供参考。
表一
  等级   超高纯度级   电子级   超大规模集成电路级
  最低纯度要求   99.999％   99.9995％   99.9999％
  符合SEMI规格   -   -   SEMI C3.19-93
现行高纯度氢气大多在高压、低温的状态下运送。然而，高纯度氢气在转载、运送的过程中，必定会有杂质渗入，进而降低纯度。制造商在使用运送到的高纯度氢气之前，势必要辅以价格昂贵、结构复杂的氢气过滤器，来过滤运送到的氢气，让其纯度达到制造上对氢气的纯度的要求。
根据本发明的供氢***亦可做为价格较低廉、结构简单的氢气过滤器。除了上文中所提及，具有单一进/出气端口的供氢***可将纯度为99.99％的氢气过滤成纯度达99.9995％的氢气。如图5所示，图1A中所披露的供氢***1额外加装另一组管线装置及控制阀18’，以使该供氢***1具有两个进/出气端口(16以及16’)。该另一组管线装置及控制阀18’的设置方式与原有管线及原有控制阀18的设置方式相同。该座体12及每一个储氢罐14在结构上与该另一组管线装置及控制阀18’的配合，亦与原有管线装置及控制阀18的配合相同。当图5所示的供氢***1与一氢气源相连接时，该氢气源内的氢气可由该供氢***1的一个一进/出气端口(例如，进气端口16)进气，而从该供氢***1的另一个一进/出气端口(例如，进气端口16’)排出。若该氢气源内氢气的纯度为99.99％时，该氢气源内氢气经由图5所示的供氢***1循环过滤，其氢气的纯度至少可高达99.9999％，以符合超大规模集成电路级对氢气纯度的要求。
总结本发明的特征以及优点在此列举如下：
(a)根据本发明的供氢***安全地储存氢原子，并且以气体型式供应氢给使用氢的装置使用，借此，确保需使用到所述使用氢的装置的场所的安全，也借此，确保氢源在运输上的安全性；
(b)根据本发明的供氢***为可携式供氢***，借此，提升氢源在运输上的便利性，也借此，让可携式使用氢的装置，搭配可携式供氢***，将大幅增加可携式使用氢的装置于现场使用的可行性；以及
(c)根据本发明的供氢***为可携式供氢***，借此，可改变燃料电池中供氢***为非固定式、可更换的***。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (13)

1. 一种可携式供氢***，该供氢***用以安全地储存氢原子并且能以气体型式供应氢给一使用氢的装置，其特征在于，该供氢***包含：
一座体，该座体具有一安设于其内部的第一隔板以及一内壁；
至少一个储氢罐，每一个储氢槽皆收纳一储氢合金，该至少一个储氢罐彼此皆隔开并且皆固定至该第一隔板上，每一个储氢罐皆具有一个别的并露在该第一隔板与该内壁之间的开口；
一管线装置，该管线装置具有一第一端以及一第二端，该管线装置的第一端分别密封地连接至每一个储氢罐的开口，该管线装置的第二端露于该座体之外，一进/出气端口提供于该管线装置的第二端处；以及
一控制阀，该控制阀装设于该管线装置上近该进/出气端口处；
其中当该供氢***先前即吸氢至每一个储氢罐内，并且与该使用氢的装置连结时，该供氢***则于该进/出气端口处供应具有一稳定压力的氢气给该使用氢的装置，并且该氢气的压力能通过调整该控制阀来改变。
2. 如权利要求1所述的可携式供氢***，其特征在于，其中该储氢合金为一AB5型合金并且表示成Lm(NixMy)，Lm为一富镧混合稀土金属并且包含镧以及选自由铈、镨、钕以及钐所组成的一群组中的至少一个元素，Ni为镍元素，M包含选自由铝、钛、锆、锡以及钙所组成的一群组中的至少一个元素，x、y为摩尔数，4.0≤x≤5.0，0≤y≤1.0，并x+y＝5。
3. 如权利要求2所述的可携式供氢***，其特征在于，其中当镧元素达到该储氢合金中Lm的70至90wt.％重量百分比的量，并且铈元素达到该储氢合金中Lm的5至25wt.％的量时，通过将该控制阀完全地打开该供氢***所供应的氢气的压力于室温下等于或高于0.1Mpa。
4. 如权利要求2所述的可携式供氢***，其特征在于，其中当镧元素达到该储氢合金中Lm的50至70wt.％的量，并且铈元素达到该储氢合金的25至45wt.％的量时，通过将该控制阀完全地打开该供氢***所供应的氢气的压力于室温下高于0.5Mpa。
5. 如权利要求1所述的可携式供氢***，其特征在于，其中该使用氢的装置选自由一燃料电池、一气相层析仪以及一荧光光谱分析仪所组成的一群组中的一个装置。
6. 如权利要求1所述的可携式供氢***，其特征在于，其中该座体还具有一第二隔板，该至少一个储氢罐固定于该第一隔板与该第二隔板之间。
7. 如权利要求1所述的可携式供氢***，其特征在于，其中该座体还具有一外壳，该外壳上提供有多个通气孔以及至少一个把手。
8. 一种供氢***，该供氢***能与一氢气源连接，其特征在于，该供氢***包含：
一座体，该座体具有一安设于其内部的第一隔板以及一第一内壁；
至少一个储氢罐，每一个储氢槽皆收纳一储氢合金，该至少一个储氢罐彼此皆隔开并且皆固定至该第一隔板上，每一个储氢罐皆具有一个别的并露在该第一隔板与该第一内壁之间的第一开口；
一第一管线装置，该第一管线装置具有一第一端以及一第二端，该第一管线装置的第一端分别密封地连接至每一个储氢罐的第一开口，该第一管线装置的第二端露于该座体之外，一第一进/出气端口提供于该第一管线装置的第二端处；以及
一第一控制阀，该第一控制阀装设于该第一管线装置上近该第一进/出气端口处；
其中当该供氢***与该氢气源连接时，该供氢***以氢原子型态储存该氢气源排入的氢，并且以气体型式排出氢给该氢气源，并且排入至该供氢***内及由该供氢***排出的氢气的压力能通过调整该第一控制阀来改变。
9. 如权利要求8所述的供氢***，其特征在于，其中该储氢合金为一AB5型合金并且表示成Lm(NixMy)，Lm为一富镧混合稀土金属并且包含镧以及选自由铈、镨、钕以及钐所组成的一群组中的至少一个元素，Ni为镍元素，M包含选自由铝、钛、锆、锡以及钙所组成的一群组中的至少一个元素，x、y为摩尔数，4.0≤x≤5.0，0≤y≤1.0，并且x+y＝5。
10. 如权利要求9所述的供氢***，其特征在于，其中当镧元素达到该储氢合金中Lm的70至90wt.％重量百分比的量，并且铈元素达到该储氢合金中Lm的5至25wt.％的量时，通过将该控制阀完全地打开该供氢***所供应的氢气的压力于室温下等于或高于0.1Mpa。
11. 如权利要求9所述的供氢***，其特征在于，其中当镧元素达到该储氢合金中Lm的50至70wt.％的量，并且铈元素达到该储氢合金的25至45wt.％的量时，通过将该控制阀完全地打开该供氢***所供应的氢气的压力于室温下高于0.5Mpa。
12. 如权利要求8所述的供氢***，其特征在于，其中该座体并且具有一第二隔板及一第二内壁，该至少一个储氢罐固定于该第一隔板与该第二隔板之间，每一个储氢罐皆具有一个别的并露在该第二隔板与该第二内壁之间的第二开口。
13. 如权利要求12所述的供氢***，其特征在于，其中进一步包含：
一第二管线装置，该第二管线装置具有一第一端以及一第二端，该第二管线装置的第一端分别密封地连接至每一个储氢罐的第二开口，该第二管线装置的第二端露于该座体之外，一第二进/出气端口提供于该第二管线装置的第二端处；以及
一第二控制阀，该第二控制阀装设于该第二管线装置上近该第二进/出气端口处；
其中当该供氢***与该氢气源连接时，该氢气源内的氢由该第一进/出气端口排入至该供氢***内，并且从该第二进/出气端口排出回该氢气源内，并且排入至该供氢***内的氢气的压力能通过调整该第一控制阀来改变，由该供氢***排出的氢气的压力能通过调整该第二控制阀来改变。
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