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    • 专利摘要:
    一種風能與氫能複合式發電裝置，包含：一風機組件，具有一轉子葉片組及一分功器，該轉子葉片組連接該分功器，該分功器具有一第一輸出端及一第二輸出端；一致熱單元，連接該第一輸出端；一泵浦，連接該第二輸出端，用以加壓液態水；一加熱組件，連接該泵浦及致熱單元，用以將液態水加熱至臨界態；一電解單元，具有一輸入端、一氫氣輸出端及一氧氣輸出端，該輸入端連接該加熱組件，該電解單元用以將臨界態之液態水電解出氣態氫及氣態氧；及一燃料電池單元，具有連接該氫氣輸出端之一陽極流道及連接該氧氣輸出端之一陰極流道。
    公开号:TW201320457A
    申请号:TW100140111
    申请日:2011-11-03
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Chang-Hsien Tai；Jr-Ming Miao；Yao-Nan Wang
    申请人:Univ Nat Pingtung Sci & Tech；
    IPC主号:H01M8-00
    专利说明:
    風能與氫能複合式發電裝置
    本發明係關於一種發電裝置，尤其是一種利用燃料電池進行發電力產出之風能與氫能複合式發電裝置。
    請參照第1圖所示，揭示一種習知風能發電裝置9，由一支撐架91、一轉子葉片組92、一發電機組93及一齒輪箱所共同構成，該轉子葉片組92係呈可旋轉的設置於該支撐架91之頂緣位置，該發電機組93係經由該齒輪箱連接於該轉子葉片組92。藉此，當該轉子葉片組92因承受風力而轉動時，即可以帶動該齒輪箱調整轉速再驅動該發電機組93進行發電。
    一般而言，上述習知風能發電裝置9大多係藉由升力型葉片或阻力型葉片來捕捉風能，並利用該發電機組93內之轉軸與齒輪組將風能轉換為機械能後，再將機械能轉換為電能來發電。然而，以該習知風能發電裝置9之設計而言，由於受到Betz理論的限制，在將風能轉換為機械能的過程中，其能量的轉換係數僅約為0.52；換言之，該習知風能發電裝置9僅能將一半左右之風能轉換為機械能，而另一半之風能係會於轉換過程中損失，因此，倘若再將機械能轉換為電能時，該發電機組93所能產生之電量係相當有限，且受限於該發電機組93之運載容量，係導致該習知風能發電裝置9之發電效能低落。基於上述原因，該習知風能發電裝置9仍有進一步加以改良之必要。
    本發明目的乃解決習知技術之缺點，以提供一種風能與氫能複合式發電裝置，係可以將風能轉換為化學能來驅動燃料電池進行發電，並藉由風能與氫能之利用來增加在轉換的過程中所需要的能量，藉以達到提升發電效能者。
    為達到前述發明目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種風能與氫能複合式發電裝置，係包含：一風機組件，具有一轉子葉片組及一分功器，該轉子葉片組連接該分功器，且該分功器具有一第一輸出端及一第二輸出端；一致熱單元，連接該分功器之第一輸出端；一泵浦，連接該分功器之第二輸出端，用以加壓液態水；一加熱組件，連接該泵浦及致熱單元，用以將液態水加熱至臨界態；一電解單元，具有一輸入端、一氫氣輸出端及一氧氣輸出端，該輸入端連接該加熱組件，該電解單元係用以將臨界態之液態水電解出氣態氫及氣態氧；及一燃料電池單元，具有一陽極流道及一陰極流道，該陽極流道連接該氫氣輸出端，該陰極流道連接該氧氣輸出端。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該致熱單元係可以為太陽能加熱器或熱泵，且該加熱組件包含一主加熱器，該致熱單元係連接該主加熱器。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該加熱組件可以包含一第一加熱器，該第一加熱器係連接於該泵浦與該主加熱器之間。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該氫氣輸出端可以連接一第一排熱器，該第一排熱器可以連接該第一加熱器。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該加熱組件可以包含一第二加熱器，該第二加熱器係連接於該主加熱器與該電解單元之間。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該氧氣輸出端可以連接一第二排熱器，該第二排熱器連接該第二加熱器。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該致熱單元係可以由一壓縮器、一蒸發器、一節流閥及一冷凝器依序互相連接成一封閉循環系統，且該壓縮器連接該分功器，該冷凝器連接該加熱組件。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該燃料電池單元可以設有一氣態水導出口，且該氣態水導出口連接一放熱器。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，還可以包含一液態水槽，該液態水槽係連接該泵浦與該燃料電池單元之氣態水導出口。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置，該氫氣輸出端與該陽極流道之間係可以設有一第一加溼器，該氧氣輸出端與該陰極流道之間則可以設有一第二加溼器，且該第一加溼器及第二加溼器係分別藉由管路連接該氣態水導出口。
    為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明以下所述之「常溫」，約指300 K者，係屬熟悉該項技藝者所能理解；本發明以下所述之「高溫」，係指溫度高於該〝常溫〞者。
    本發明以下所述之「常壓」，約指1大氣壓者，係屬熟悉該項技藝者所能理解；本發明以下所述之「高壓」，係指壓力高於該〝常壓〞者。
    請參照第2圖所示，本發明第一實施例之風能與氫能複合式發電裝置，係包含一風機組件1、一致熱單元2、一泵浦3、一加熱組件4、一電解單元5及一燃料電池單元6，該風機組件1`係連接於該致熱單元2及泵浦3，該泵浦3係連接於該加熱組件4，該電解單元5則連接於該加熱組件4及燃料電池單元6。
    該風機組件1係可用以捕捉風能並輸出軸功，以驅動該致熱單元2及泵浦3作動，在本實施例中，該風機組件1係包含一轉子葉片組11及一分功器12。該轉子葉片組11係可以為升力型葉片模組或阻力型葉片模組，用以捕捉風能，並可輸出一軸功[W]。該分功器12係連接該轉子葉片組11，用以將該轉子葉片組11所輸出之軸功[W]分為一第一軸功[W1]及一第二軸功[W2]；其中，該分功器12係具有一第一輸出端121及一第二輸出端122，該第一輸出端121係可用以輸出該第一軸功[W1]，而該第二輸出端122則可用以輸出該第二軸功[W2]。
    該致熱單元2係連接該分功器12之第一輸出端121，且該致熱單元2可以是太陽能加熱器或熱泵等結構，且該第一軸功[W1]可用以驅動該致熱單元2輸出一主熱量[Q]。更詳言之，在本實施例中，該致熱單元2係選擇為熱泵，其係由一壓縮器21、一蒸發器22、一節流閥23及一冷凝器24依序藉由管路連接成一封閉循環系統，且管路內充填有工作流體，係熟悉該項技藝者所能理解，於此容不贅述。值得注意的是，該壓縮器21係連接該第一輸出端121，用以接收該分功器12所輸出之第一軸功[W1]，以便壓縮該工作流體到達高壓狀態。藉此，該致熱單元2可以利用該蒸發器22吸收一低溫顯熱熱源[q]，並可藉由該冷凝器24輸出該主熱量[Q]，以達到能量轉換之功能；其中，該低溫顯熱熱源[q]係指溫度低於100℃者，且亦低於該主熱量[Q]，屬熟悉該項技藝者所能理解。
    該泵浦3係連接該分功器12之第二輸出端122，用以壓縮常溫常壓之液態水[H2O(l)，以下稱〝第一液態水〞]，以便獲得常溫高壓之液態水[以下稱〝第二液態水〞]；更詳言之，該泵浦3係用以提高液態水之壓力至臨界態之操作狀態。
    該加熱組件4係連接該致熱單元2及泵浦3，用以將該〝第二液態水〞加熱至高溫高壓之液態水[以下稱〝第三液態水〞]，且該〝第三液態水〞之熱力狀態係到達臨界態狀態[critical state]。更詳言之，該加熱組件4主要包含一主加熱器41、一第一加熱器42及一第二加熱器43，如圖所示之實施例，該主加熱器41係選擇設置於該第一加熱器42及第二加熱器43之間，而該第一加熱器42則選擇連接該泵浦3，惟本發明不因此受限，在使用上，該主加熱器41、第一加熱器42及第二加熱器43之設置位置係可任意改變。其中，該主加熱器41可以連接該致熱單元2，用以藉由該致熱單元2所輸出之主熱量[Q]加熱該〝第二液態水〞，且本實施例之主加熱器41係連接該冷凝器24；該第一加熱器42係可藉由一第一熱量[Q1]加熱該〝第二液態水〞，而該第二加熱器43則可藉由一第二熱量[Q2]加熱該〝第二液態水〞。
    值得注意的是，該主加熱器41、第一加熱器42及第二加熱器43之設計，係以將該〝第二液態水〞加熱至該〝第三液態水〞為主要原則，因此，在該主熱量[Q]、第一熱量[Q1]及第二熱量[Q2]不足以將該〝第二液態水〞加熱至臨界態之情形下，該加熱組件4還可以包含一輔助加熱器44，該輔助加熱器44可以藉由一輔助熱量[Q’]來加熱該〝第二液態水〞，藉以確保該〝第二液態水〞可以順利升溫至該〝第三液態水〞。
    該電解單元5係連接該加熱組件4，以便該加熱組件4能夠將該〝第三液態水〞導入該電解單元5內進行臨界電解反應；換言之，無論該主加熱器41、第一加熱器42及第二加熱器43彼此之間的設置位置為何，該電解單元5係用以接收來自該加熱組件4完成加熱之〝第三液態水〞。更詳言之，在本實施例中，該電解單元5可選擇連接該第二加熱器43；另一方面，當本發明設有該輔助加熱器44時，該電解單元5則可選擇連接該輔助加熱器44。該電解單元5係可以為各種能夠將處於臨界態之〝第三液態水〞電解出高溫高壓之氣態氫[H2(g)][以下稱〝第一氣態氫〞]及高溫高壓之氣態氧[O2(g)][以下稱〝第一氣態氧〞]之結構設計，並可依使用需求選擇添加一催化觸媒劑來加速其反應，且該電解單元5可將該〝第一氣態氫〞及〝第一氣態氧〞分別導向不同之管路；更詳言之，該電解單元5係具有一輸入端51、一氫氣輸出端52及一氧氣輸出端53，該輸入端51係可連接於該第二加熱器43或該輔助加熱器44；該氫氣輸出端52係可連接一第一管路521，以便藉由該第一管路521將該〝第一氣態氫〞導出該電解單元5；該氧氣輸出端53則可連接一第二管路531，以便藉由該第二管路531將該〝第一氣態氧〞導出該電解單元5。
    值得注意的是，該第一及第二管路521、531可以分別設有一第一排熱器522及一第二排熱器532。其中，該第一排熱器522係可排放該〝第一氣態氫〞所具有之熱量，令其降溫至特定溫度後再流入該燃料電池單元6之陽極流道中；該第二排熱器532係可排放該〝第一氣態氧〞所具有之熱量，令其降溫至特定溫度後再流入該燃料電池單元6之陰極流道中。值得注意的是，該〝第一氣態氫〞降溫後係稱〝第二氣態氫〞，而該〝第一氣態氧〞降溫後則稱〝第二氣態氧〞，且該〝第二氣態氫〞及〝第二氣態氧〞之溫度係可依燃料電池之操作特性自行設定。更詳言之，在本實施例中，該第一排熱器522可以連接該第一加熱器42，用以將該〝第一氣態氫〞調節為該〝第二氣態氫〞，亦即該第一排熱器522可用以將該第一熱量[Q1]導入該第一加熱器42，使該第一加熱器42可以藉由該第一熱量[Q1]加熱該〝第二液態水〞；該第二排熱器532可以連接該第二加熱器43，用以將該〝第一氣態氧〞調節為該〝第二氣態氧〞，亦即該第二排熱器532可用以將該第二熱量[Q2]導入該第二加熱器43，使該第二加熱器43可以藉由該第二熱量[Q2]加熱該〝第二液態水〞。藉此，利用該第一及第二熱量[Q1]、[Q2]來加熱該〝第二液態水〞之設計，係可達到將熱量回收使用之目的，進而可達到節省能源之效果。
    該燃料電池單元6係連接於該電解單元5，用以藉由該〝第二氣態氫〞及〝第二氣態氧〞作為燃料，並藉由電化學反應來生成電能[E]，且該燃料電池單元6可將該電能[E]輸出至各種所需之場所及設備等，或是加以儲存；又，該燃料電池單元6亦可以將電能[E]之其中一部分導入該電解單元5，用以做為該電解單元5之電力來源。更詳言之，該燃料電池單元6係具有一陽極流道61及一陰極流道62，該陽極流道61係連接該氫氣輸出端52，而該陰極流道62則連接該氧氣輸出端53。在本實施例中，該陽極流道61係藉由該第一管路521連接該陽極流道61，用以接收該第一管路521所輸送之〝第二氣態氫〞；該陰極流道62則藉由該第二管路531連接該陰極流道62，用以接收該第二管路531所輸送之〝第二氣態氧〞。
    此外，由於該〝第二氣態氫〞及〝第二氣態氧〞在該燃料電池單元6內進行催化觸媒電化學反應而產生電能[E]後係會生成H2O(g)[以下稱〝第一氣態水〞]，因此，該燃料電池單元6可以進一步設有一氣態水導出口63，該氣態水導出口63可用以將該〝第一氣態水〞導引至特定場所或設備再利用。再者，該氣態水導出口63還可以連接一導管631，且該導管631可以設有一放熱器632，該放熱器632可用以排放該〝第一氣態水〞之熱量[Wq]，使其放熱凝結為常溫常壓之液態水[第一液態水]。簡言之，該燃料電池單元6係可輸出電能[E]及氣態水，且氣態水可以回收再利用。
    請再參照第2圖所示，本發明風能與氫能複合式發電裝置於使用時，該泵浦3可以連接一液態水槽7，該液態水槽7內注入有該〝第一液態水〞；另一方面，該液態水槽7亦可以連接該燃料電池單元6之氣態水導出口63，使流經該放熱器632而轉換回之〝第一液態水〞可以流至該液態水槽7回收再利用。更詳言之，首先，藉由該轉子葉片組11擷取風能並輸出軸功[W]至該分功器12，使該分功器12得以輸出該第一及第二軸功[W1]、[W2]至該致熱單元2及泵浦3。接著，藉由該液態水槽7將該〝第一液態水〞導入該泵浦3，令該泵浦3提高該〝第一液態水〞之壓力，並將該〝第二液態水〞導入該加熱組件4，以便透過該致熱單元2搭配該加熱組件4之設計，將該〝第二液態水〞加熱至該〝第三液態水〞後導入該電解單元5。最後，透過該電解單元5電解出氣態氫及氣態氫，並將其分別導入該陽極流道61及陰極流道62，使該燃料電池單元6可順利藉由電化學反應輸出電能[E]。
    本發明風能與氫能複合式發電裝置的主要技術特徵在於：藉由該轉子葉片組11擷取之風能輸出軸功，但不將軸功直接透過發電機轉換為電能，而是將該軸功用以驅動該致熱單元2及泵浦3作動，搭配該加熱組件4、電解單元5及燃料電池單元6之設計，即可以將風能與氫能順利轉換為化學能來產生出發電功能。藉此，相較於先前技術在將風能轉換為電能的過程中，受到發電機關鍵技術之限制，本案可以有效增加風能與氫能的利用率與降低能量在轉換的過程中所損失的比例，使得本發明可以達到提升發電效能之功效。
    請參照第3圖所示，係揭示本發明第二實施例之風能與氫能複合式發電裝置，相較於第一實施例，在該第二實施例中，該第一管路521係可以設有一第一加溼器523，而該第二管路531則可以設有一第二加溼器533。藉此，該第一及第二加溼器523、533係可用以分別調節該第一及第二管路521、531內之氣體的相對溼度，以便因應各種不同類型之燃料電池單元6的使用需求，使該燃料電池單元6輸出效率保持於最佳狀態。其中：
    該第一加溼器523係設置於該第一排熱器522與該陽極流道61之間，且該第一加溼器523可以藉由管路連接該燃料電池單元6之氣態水導出口63。藉此，由該氣態水導出口63流出之〝第一氣態水〞可以回流至該第一加溼器523，以便藉由該〝第一氣態水〞來調節該〝第二氣態氫〞之溼度。
    該第二加溼器533係設置於該第二排熱器532與該陰極流道62之間，且該第二加溼器533可以藉由管路連接該燃料電池單元6之氣態水導出口63。藉此，由該氣態水導出口63流出之〝第一氣態水〞可以回流至該第二加溼器533，以便藉由該〝第一氣態水〞來調節該〝第二氣態氧〞之溼度。
    本發明第二實施例之風能與氫能複合式發電裝置，係與該第一實施例所述具有相同之作用及功效外，更可藉由該第一及第二加溼器523、533之設計，來因應不同之燃料電池單元6的使用需求。
    雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 [本發明]
    1．．．風機組件
    11．．．轉子葉片組
    12．．．分功器
    121．．．第一輸出端
    122．．．第二輸出端
    2．．．致熱單元
    21．．．壓縮器
    22．．．蒸發器
    23．．．節流閥
    24．．．冷凝器
    3．．．泵浦
    4．．．加熱組件
    41．．．主加熱器
    42．．．第一加熱器
    43．．．第二加熱器
    44．．．輔助加熱器
    5．．．電解單元
    51．．．輸入端
    52．．．氫氣輸出端
    521．．．第一管路
    522．．．第一排熱器
    523．．．第一加溼器
    53．．．氧氣輸出端
    531．．．第二管路
    532．．．第二排熱器
    533．．．第二加溼器
    6．．．燃料電池單元
    61．．．陽極流道
    62．．．陰極流道
    63．．．氣態水導出口
    631．．．導管
    632．．．放熱器
    7．．．液態水槽
    E．．．電能
    Q．．．主熱量
    Q1．．．第一熱量
    Q2．．．第二熱量
    Q’．．．輔助熱量
    q．．．低溫顯熱熱源
    Wq．．．熱量
    W．．．軸功
    W1．．．第一軸功
    W2．．．第二軸功 [習知]
    9．．．風能發電裝置
    91．．．支撐架
    92．．．轉子葉片組
    93．．．發電機組
    第1圖：習知風能發電裝置的示意圖。
    第2圖：本發明第一實施例之風能與氫能複合式發電裝置的架構圖。
    第3圖：本發明第二實施例之風能與氫能複合式發電裝置的架構圖。
    1．．．風機組件
    11．．．轉子葉片組
    12．．．分功器
    121．．．第一輸出端
    122．．．第二輸出端
    2．．．致熱單元
    21．．．壓縮器
    22．．．蒸發器
    23．．．節流閥
    24．．．冷凝器
    3．．．泵浦
    4．．．加熱組件
    41．．．主加熱器
    42．．．第一加熱器
    43．．．第二加熱器
    44．．．輔助加熱器
    5．．．電解單元
    51．．．輸入端
    52．．．氫氣輸出端
    521．．．第一管路
    522．．．第一排熱器
    53．．．氧氣輸出端
    531．．．第二管路
    532．．．第二排熱器
    6．．．燃料電池單元
    61．．．陽極流道
    62．．．陰極流道
    63．．．氣態水導出口
    631．．．導管
    632．．．放熱器
    7．．．液態水槽
    E．．．電能
    Q．．．主熱量
    Q1．．．第一熱量
    Q2．．．第二熱量
    Q’．．．輔助熱量
    q．．．低溫顯熱熱源
    Wq．．．熱量
    W．．．軸功
    W1．．．第一軸功
    W2．．．第二軸功
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種風能與氫能複合式發電裝置，包含：一風機組件，具有一轉子葉片組及一分功器，該轉子葉片組連接該分功器，且該分功器具有一第一輸出端及一第二輸出端；一致熱單元，連接該分功器之第一輸出端；一泵浦，連接該分功器之第二輸出端，用以加壓液態水；一加熱組件，連接該泵浦及致熱單元，用以將液態水加熱至臨界態；一電解單元，具有一輸入端、一氫氣輸出端及一氧氣輸出端，該輸入端連接該加熱組件，該電解單元係用以將臨界態之液態水電解出氣態氫及氣態氧；及一燃料電池單元，具有一陽極流道及一陰極流道，該陽極流道連接該氫氣輸出端，該陰極流道連接該氧氣輸出端。
    [2] 依申請專利範圍第1項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該致熱單元係為太陽能加熱器或熱泵，且該加熱組件包含一主加熱器，該致熱單元係連接該主加熱器。
    [3] 依申請專利範圍第2項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該加熱組件包含一第一加熱器，該第一加熱器係連接於該泵浦與該主加熱器之間。
    [4] 依申請專利範圍第3項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該氫氣輸出端連接一第一排熱器，該第一排熱器連接該第一加熱器。
    [5] 依申請專利範圍第4項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該加熱組件包含一第二加熱器，該第二加熱器係連接於該主加熱器與該電解單元之間。
    [6] 依申請專利範圍第5項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該氧氣輸出端連接一第二排熱器，該第二排熱器連接該第二加熱器。
    [7] 依申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該致熱單元係由一壓縮器、一蒸發器、一節流閥及一冷凝器依序互相連接成一封閉循環系統，且該壓縮器連接該分功器，該冷凝器連接該加熱組件。
    [8] 依申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該燃料電池單元設有一氣態水導出口，且該氣態水導出口連接一放熱器。
    [9] 依申請專利範圍第8項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其另包含一液態水槽，該液態水槽係連接該泵浦與該燃料電池單元之氣態水導出口。
    [10] 依申請專利範圍第8項所述之風能與氫能複合式發電裝置，其中該氫氣輸出端與該陽極流道之間設有一第一加溼器，該氧氣輸出端與該陰極流道之間設有一第二加溼器，且該第一加溼器及第二加溼器分別藉由管路連接該氣態水導出口。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US9269978B2|2016-02-23|
    US20130115534A1|2013-05-09|
    TWI431844B|2014-03-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    GB2263734B|1992-01-31|1995-11-29|Declan Nigel Pritchard|Smoothing electrical power output from means for generating electricity from wind|
    JPH06101932A|1992-08-27|1994-04-12|Hitachi Ltd|排熱を利用する吸収ヒートポンプ及びコ−ジェネレ−ションシステム|
    JP4131308B2|1999-04-28|2008-08-13|トヨタ自動車株式会社|燃料電池の温度調節装置及び燃料電池の温度調節装置における燃料電池の起動方法|
    JP3871251B2|2001-07-13|2007-01-24|本田技研工業株式会社|燃料電池の加湿システム|
    US7981556B2|2005-10-07|2011-07-19|Proton Energy Systems, Inc.|Thermal management system for regenerative fuel cells and method thereof|
    法律状态:
    2019-12-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100140111A|TWI431844B|2011-11-03|2011-11-03|風能與氫能複合式發電裝置|TW100140111A| TWI431844B|2011-11-03|2011-11-03|風能與氫能複合式發電裝置|
    US13/589,458| US9269978B2|2011-11-03|2012-08-20|Wind power and hydrogen power complex generating device|
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