TWI401208B - 動態儲氫的裝置及其方法 - Google Patents

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Description

動態儲氫的裝置及其方法
本發明係關於一種儲存氫氣的技術，特別是關於一種使用動態氫氣壓力的儲氫方法及其裝置，
能源是現代國家科技化的原動力，但現正面臨著石化能源短缺與環境保護的問題；氫氣，則提供未來能源希望的選項。氫氣的來源為水，而其作為能源原料所產生的副產物也是水蒸氣，並不會產生二氧化碳等溫室氣體，是符合環保的綠色能源之一。然而，使用氫能源的困難在於氫氣的儲存技術，即儲氫技術；其中利用特定的儲氫材料與氫之間的鍵結，將氫氣吸附或封存於該材料中，具有安全及儲存密度高的優點。
儲氫材料以吸附型儲氫材料(Sorption Material)最具潛力，它通常是利用具有高比表面積的碳基材料來吸附氫氣，例如：活性碳、奈米碳管、及有機金屬微孔材料(Metal-organic Frameworks,MOF)等。習知之擔持或摻雜觸媒的多孔性儲氫材料，其儲氫技術多採用靜態儲氫過程，也就是使用固定的氫氣壓力於整個儲氫過程，其儲氫的功效有限。因此，有必要發展更佳的儲氫技術。
有鑑於此，在本發明的一方面，一實施例提供一種動態儲氫的方法，其包含下列步驟：提供一多孔性儲氫材料，該多孔性儲氫材料擔持或摻雜一觸媒；設定氫氣的一操作壓力值及一壓力降幅值；供應一氫氣予該多孔性儲氫材料；增加該氫氣的壓力直到該操作壓力值；降低該氫氣的壓力直到壓力降幅為該壓力降幅值；及重覆上述之氫氣壓力增加及降低的步驟。
在本發明的另一方面，另一實施例提供一種動態儲氫的裝置，其包含：一儲氫容器，其耐壓大於1050 psi，且其裝填一多孔性儲氫材料，該多孔性儲氫材料擔持或摻雜一觸媒；一第一導氣管，其連接至該儲氫容器，用以將一氫氣導入該儲氫容器；一第二導氣管，其連接至該儲氫容器，用以將一氫氣導出該儲氫容器；一第一調壓閥，其設置於該第一或第二導氣管的管路中，用以調整該儲氫容器的氫氣壓力；及一控制單元，其連接至該第一調壓閥，用以控制該儲氫容器的氫氣壓力增加、降低、及升降的重覆操作。
本發明之動態儲氫方法及裝置，藉由動態反覆升降的氫氣壓力施予儲氫材料而提升其儲氫功效，一方面可以排出影響觸媒活性以外的雜質，另一方面又可避免儲氫過程的溫度累積。
以下將參照隨附之圖式詳細描述及說明本發明之特徵、目的、功能，及其達成所使用的技術手段；但所列舉之實施例僅為輔助說明，以利對本發明有更進一步的認知與瞭解，並不因此限制本發明的範圍及技術手段。
請參照圖1，為根據本發明一實施例之動態儲氫裝置100的方塊示意圖，本實施例包含：一裝填多孔性儲氫材料110的儲氫容器120、一第一導氣管130、一第二導氣管140、一第一調壓閥150、及一控制單元160。為了提供高純度的氫氣，在儲氫裝置100的前端可能包括氫氣源170先經過一氫氣純化單元180，再經過該第一導氣管130及裝設於其管路中的該第一調壓閥150，而將氫氣通入該儲氫容器120而充灌入該多孔性儲氫材料110；未被該多孔性儲氫材料110吸附或儲存的氫氣接著將可由該第二導氣管140及裝設於其管路中的第二調壓閥151而導出或進行氫氣的回收機制。該第一調壓閥150及第二調壓閥151則電性連接至該控制單元160，以調整該儲氫容器的氫氣壓力。
該儲氫容器120的耐壓性須大於該儲氫裝置100的動態操作時氫氣可能的最大壓力值；在本實施例，使用耐壓性大於1050 psi，且一般稱為儲氫匣的儲氫容器120，以承受當氫氣通入其中所造成的高氣壓。
該多孔性儲氫材料110係裝填於該儲氫容器120中，其組成為擔持或摻雜觸媒的多孔性儲氫材料，以吸附或儲存氫氣。在本實施例，該多孔性儲氫材料為活性碳，且該觸媒為鉑；但並不以此為限，該多孔性儲氫材料110一可為奈米碳管或其他的多孔性材料搭配其他有助於吸附氫氣的觸媒材料。
該第一導氣管130連接至該儲氫容器120，用以將經過純化的氫氣導入該儲氫容器。該第一調壓閥150裝設於該第一導氣管130的管路中，用以受該控制單元160的調控而調整該儲氫容器120的氫氣壓力。該第二導氣管140連接至該儲氫容器120，用以將未被該多孔性儲氫材料110吸附或儲存的氫氣導出該儲氫容器120。該第二調壓閥151裝設於該第二導氣管140的管路中，亦受該控制單元160的調控而調整該儲氫容器120的氫氣壓力。
在本實施例的動態儲氫裝置100可進一步包括一熱交換器(未示於圖1)，其亦可電性連接至該控制單元160，以調控該儲氫容器120的溫度介於15℃至30℃之間；但並不以此為限，端視實際狀況而定。
該控制單元160連接至該第一調壓閥150、第二調壓閥151、及該熱交換器，用以控制該儲氫容器120的溫度、氫氣壓力增加、降低、及升降重覆操作的動態設定。該控制單元160對該儲氫容器120中的氫氣設定一操作壓力值及一壓力降幅值，藉以控制該氫氣的壓力增加到該操作壓力值，又降低直到壓力降幅為該壓力降幅值，並重覆上述之氫氣壓力增加及降低，以動態的氮氣壓力操作來提高該多孔性儲氫材料110的儲氫能力。在本實施例，該操作壓力值的較佳範圍為950 psi至1050 psi，該壓力降幅值的較佳範圍為5 psi至550 psi；但並不以此為限，該操作壓力值亦大於700 psi，且該壓力降幅值小於700 psi。
本實施例的操作流程或步驟可以併同以下的另一實施例說明；請參照圖2，為根據本發明另一實施例之動態儲氫方法的流程示意圖，該動態儲氫方法200包含下列步驟：步驟210提供一多孔性儲氫材料；步驟220設定氫氣的一操作壓力值及一壓力降幅值；步驟230供應一氫氣予該多孔性儲氫材料；步驟240增加該氫氣的壓力直到該操作壓力值；步驟250降低該氫氣的壓力直到壓力降幅為該壓力降幅值；及步驟260重覆上述之氫氣壓力增加及降低的步驟240及250。請同時參照圖1及2，本實施例在裝置或流程結構中所使用的各單元或硬體組件的技術特徵皆如上文實施例之描述，在此不再贅述。
在一實際操作案例中，該多孔性儲氫材料為擔持鉑為觸媒的活性碳5.9公克，且以操作壓力值設定為1000 psi，壓力降幅值設定為500 psi進行實驗。該控制單元160調控該儲氫容器120的溫度於21℃至24℃之間，且控制該第一調壓閥150以增加氫氣的壓力，控制該第二調壓閥151以降低氫氣的壓力。先啟動該第一調壓閥150，使氫氣由該氫氣源170通入該儲氫容器120以增加其內壓力至1000 psi；再關閉該第一調壓閥150並開啟該第二調壓閥151以導出氫氣至該儲氫容器120內壓力為500 psi；再關閉該第二調壓閥151並開啟該第一調壓閥150以通入氫氣至該儲氫容器120內壓力又為1000 psi；上述之氫氣壓力增加及降低的操作重覆26次。本實驗的儲氫過程共計20小時，其針對活性碳/鉑的多孔性儲氫材料的氫氣壓力及溫度的量測記錄如圖3所示，結果的放氫量量測值約為1.933 wt%。另一個對照組(習知的恆壓儲氫技術)實驗則使用相同的鉑/活性碳多孔性儲氫材料，惟氫氣壓力固定為1000 psi進行儲氫過程亦20小時，結果的放氫量量測值僅為1.217 wt%。由上述實驗數據可顯示：此反覆升降氮氣壓力的動態儲氫裝置及方法，可以提高多孔性儲氫材料的吸附或儲存氫氣能力，相較於其相對應條件的對照組，放氫量高出約58%。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
100．．．儲氫裝置
110．．．儲氫材料
120．．．儲氫容器
130．．．第一導氣管
140．．．第二導氣管
150．．．第一調壓閥
151．．．第二調壓閥
160．．．控制單元
170．．．氫氣源
180．．．氫氣純化單元
200．．．動態儲氫方法
210/220/230/240/250/260．．．步驟
圖　1　根據本發明一實施例之動態儲氫裝置的方塊示意圖。
圖　2　根據本發明另一實施例之動態儲氫方法的流程示意圖。
圖　3　較佳實施例之儲氫過程的氫氣壓力及溫度實驗記錄。
100．．．儲氫裝置
110．．．儲氫材料
120．．．儲氫容器
130．．．第一導氣管
140．．．第二導氣管
150．．．第一調壓閥
151．．．第二調壓閥
160．．．控制單元
170．．．氫氣源
180．．．氫氣純化單元

Claims (8)

  1. 一種動態儲氫的方法，其包含下列步驟：提供一多孔性儲氫材料，該多孔性儲氫材料擔持或摻雜一觸媒；設定氫氣的一操作壓力值及一壓力降幅值；供應一氫氣予該多孔性儲氫材料；增加該氫氣的壓力直到該操作壓力值；降低該氫氣的壓力直到壓力降幅為該壓力降幅值；及重覆上述之氫氣壓力增加及降低的步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之動態儲氫的方法，其中該多孔性儲氫材料為活性碳，且該觸媒為鉑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之動態儲氫的方法，更包括：將該多孔性材料裝填於一儲氫容器內，該儲氫容器的耐壓大於1050 psi。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之動態儲氫的方法，更包括：調控該多孔性儲氫材料的溫度，使介於15℃至30℃之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之動態儲氫的方法，其中該操作壓力值大於700 psi。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之動態儲氫的方法，其中該操作壓力值介於950 psi至1050 psi之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之動態儲氫的方法，其 中該壓力降幅值小於700 psi。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之動態儲氫的方法，其中該壓力降幅值介於5 psi至550 psi之間。
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