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CN102088095A - 燃料匣、燃料电池系统及其电能管理方法 - Google Patents

燃料匣、燃料电池系统及其电能管理方法 Download PDF

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CN102088095A
CN102088095A CN2009102536525A CN200910253652A CN102088095A CN 102088095 A CN102088095 A CN 102088095A CN 2009102536525 A CN2009102536525 A CN 2009102536525A CN 200910253652 A CN200910253652 A CN 200910253652A CN 102088095 A CN102088095 A CN 102088095A
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CN
China
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reactant
fuel cell
hydrogen
fuel
cell system
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CN2009102536525A
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许年辉
王正
周柏圭
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Young Green Energy Co
Original Assignee
Young Green Energy Co
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Publication date
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Priority to US12/957,414 priority patent/US8486581B2/en
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Abstract

一种燃料匣。此燃料匣包括：多个腔体，适于分别存放第一反应物；以及多个供应装置，分别对应多个腔体之其一，且适于分别供应第二反应物至所对应的腔体中，以使第二反应物与第一反应物于对应的腔体中发生反应，而生成氢气。此外，一种应用此燃料匣之燃料电池系统及其电能管理方法亦被提出。

Description

燃料匣、燃料电池系统及其电能管理方法
技术领域
本发明系有关于一种能源技术，且特别是有关于一种燃料匣、及应用此燃料匣的燃料电池系统及其电能管理方法。
背景技术
能源的开发与应用一直是人类生活不可或缺的条件，但能源的开发与应用对环境的破坏与日俱增。利用燃料电池(fuel cell)技术产生能源具有高效率、低噪音、无污染的优点，是符合时代趋势的能源技术。
现今常见的燃料电池系统大致具有燃料匣(fuel cartridge)、燃料电池(fuel cell)以及二次电池(secondary battery)这三个主要的部份。其中，燃料匣用以提供燃料电池产生电力所需的氢气；而二次电池则用以接收燃料电池所产生之电力以进行充电，并据以供应给电子装置使用。
一般而言，传统燃料匣大多采用一次性反应的硼基化合物储氢技术，并加水使其产生化学反应以不断地产生氢气(H2)给燃料电池。然而，由于传统燃料匣的设计为一大型腔体，且硼基化合物储氢技术应用在此类燃料匣内所产生的化学反应为一次性反应。所以，氢气会被不断地产生，直至硼氢化钠(NaBH4)燃料与水(H2O)的化学反应完全反应完成才会停止。
由此可知，纵使电子装置未消耗二次电池的电量，燃料匣还是会持续提供氢气给燃料电池，从而造成氢气及电力的浪费，以至于燃料匣所提供的氢气无法被充分的利用。
除此之外，美国专利编号6790416与7487858亦揭露了与燃料电池相关的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种燃料匣、及应用此燃料匣之燃料电池系统及其电能管理方法，通过本发明提高燃料匣所产生的氢气被燃料电池所使用之利用率。
本发明的其他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。
为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明之一实施例提供一种燃料匣，包括多个腔体，多个腔体适于分别存放第一反应物；多个供应装置，分别对应多个腔体之其一，且适于分别供应第二反应物至所对应的腔体中，以使第二反应物与第一反应物于对应的腔体中反应，而生成燃料电池产生电力时所需的氢气。
本发明之另一实施例提供一种燃料电池系统，包括上述的燃料匣、燃料电池、以及二次电池。燃料电池耦接燃料匣，适于吸收来自燃料匣的氢气，以产生电力。二次电池电连接燃料电池，适于接收电力以进行充电。
于本发明的一实施例中，所述第一反应物及第二反应物的至少其一包括化学储氢材料。
于本发明的一实施例中，所述第一反应物及第二反应物包括含氢之化合物。
于本发明的另一实施例中，所述第一反应物包括含氢化合物，而所述第二反应物包括化学储氢材料。
于本发明的一实施例中，每一供应装置至少包括手动开关、磁力装置、连杆装置或含马达带动的齿轮装置。
于本发明的一实施例中，所述腔体的数量为X、二次电池的电容量为N-瓦特小时(Watt hour，Wh)，而燃料电池吸收这些腔体的其一之氢气所产生的电力的电量为N/X瓦特小时。
于本发明的一实施例中，每当二次电池消耗的总电量达N/X-Wh时，另一供应装置供应第二反应物至所对应的腔体中，以使第二反应物与第一反应物于所对应的腔体中反应而生成氢气。
于本发明的一实施例中，燃料电池吸收所述腔体之氢气来产生电力并供应电力给二次电池。
本发明之再一实施例提供一种电能管理方法，适于上述的燃料电池系统，而此电能管理方法包括：提供上述之燃料电池系统；侦测二次电池供应给电子装置之电力的总电量是否达预设值；以及当二次电池的总电量达预设值时，控制燃料匣使供应装置之其一供应第二反应物至所对应的腔体中，以使第二反应物与第一反应物于所对应的腔体中反应而产生氢气。
于本发明的一实施例中，电能管理方法更包括：当二次电池的提供给电子装置之总电量未达预设值时，控制二次电池持续供应电力给电子装置。
于本发明的一实施例中，电能管理方法更包括：判断每一供应装置与其所对应的腔体的反应状态，当每一供应装置与其所对应的腔体的反应状态被判断为已完成反应时，设定电子装置输出一提醒信号(例如用讯息、灯的变化等等方式)，以提醒使用者更换燃料匣或者提醒使用者燃料匣已无法产生足够的氢气。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点。在本发明之上述实施例中，由于燃料匣中具有多个腔体，且当二次电池提供给电子装置的总电量达预设值(如，N/X-Wh)时，利用这些腔体的其一产生氢气给燃料电池使用(亦即分段提供氢气，而非一次完全提供氢气)。如此一来，燃料匣内每一腔体所产生的氢气能充分的被燃料电池所使用，而不会造成氢气的浪费。
为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下，但是上述一般描述及以下实施方式仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张之范围。
附图说明
图1绘示为本发明一实施例之燃料电池系统的应用示意图。
图2绘示为本发明一实施例之燃料匣的示意图。
图3A绘示为本发明一实施例之供应装置采用手动开关的示意图。
图3B绘示为本发明一实施例之供应装置采用磁力装置的示意图。
图3C绘示为本发明一实施例之供应装置采用连杆装置的示意图。
图3D绘示为本发明一实施例之供应装置采用含马达带动之齿轮装置的示意图。
图4～7绘示为本发明一实施例之电能管理方法的流程图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之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，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
图1绘示为本发明一实施例之燃料电池系统的应用示意图。请参照图1，燃料电池系统101用以供应电力给电子装置103，且其包括二次电池105、燃料匣107以及燃料电池109。于本实施例中，二次电池105用以接收燃料电池109所产生的电力以进行充电，并供应给电子装置103。燃料匣107适于依据二次电池105所提供给电子装置的总电量，以产生适量的氢气给燃料电池109。
燃料电池109耦接燃料匣107，并且连接二次电池105与电子装置103。燃料电池109用以吸收燃料匣107所产生的氢气，藉以产生电力给二次电池105。
于本实施例中，燃料电池109可以为质子交换膜型燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，或者为直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell，DMFC)，但皆不限制于此。以PEMFC为例，PEMFC主要由质子交换膜以及阴阳两电极组成。其中，阳极的燃料与触媒反应产生氢离子与电子，其化学式可以表示如下：
2H2→4H++4e-。
另外，阳极反应生成的电子会经由电路往阴极端，而氢离子则穿透质子交换膜往阴极端，再与电子和氧气反应生成水，其化学式可以表示如下：
4H++4e-+O2→2H2O。
因此，PEMFC的总化学反应式可以表示如下：
2H2+O2→2H2O。
然而，有关燃料电池如何产生电力的手段实属本发明领域所熟识的技艺，故而在此并不再加以赘述之。以下将针对本发明如何解决先前技术所述及之问题的技术手段做一详加描述如下。
更清楚来说，图2绘示为本发明一实施例之燃料匣107的示意图。请合并参照图1与图2，燃料匣107包括多个腔体(至少要有2个腔体，于此以6个腔体201_1～201_6为例，但并不限制于此个数)与多个供应装置(于此以6个供应装置203_1～203_6为例，但并不限制于此个数)。于本实施例中，腔体201_1～201_6分别对应供应装置203_1～203_6，亦即腔体201_1对应供应装置203_1、腔体201_2对应供应装置203_2，请依此类推。另外，腔体201_1～201_6内分别存放第一反应物。第一反应物可以为任何含氢之化合物，例如水(H2O、NaOH)，但并不限制于此。
另外，供应装置203_1～203_6分别供应第二反应物给腔体201_1～201_6，以使第二反应物与第一反应物接触反应，而产生燃料电池109产生电力所需的氢气。第二反应物可以为任何化学储氢材料般的固态燃料(solid fuel)，例如硼氢化钠(NaBH4)，氢化锂等，但并不限制于此。另外，供应装置203_1～203_6可以为手动开关、磁力装置、连杆装置或含马达带动之齿轮装置等等的机构装置，但皆不限制于此。
以单一腔体201与供应装置203为例，图3A～图3D分别绘示为本发明一实施例之供应装置203采用手动开关、磁力装置、连杆装置与含马达带动之齿轮装置的示意图。请合并参照图3A～图3D，从图3A～图3D中可以清楚看出，供应装置203可利用手动开关、磁力装置、连杆装置或含马达带动的齿轮装置，以将第二反应物(亦即固态燃料)供应至腔体201内。
如此一来，当第一反应物(如，水)接触(亦即图3A～图3D所标示的”on”)到第二反应物时，就会发生化学反应而产生氢气给燃料电池109。反之，当第一反应物未接触(亦即图3A～图3D所标示的”off”)到第二反应物时，就不会发生化学反应，所以自然就不会产生氢气给燃料电池109。
于本实施例中，当第一反应物接触到第二反应物时，所发生的化学反应式例如有以下几种，但皆不限制于此：
1、[CH3N(H)BH2]3→[CH3NBH]3+3H2；
2、nNH4X+4MHn→Mxn+M3Nn+4nH2；
3、N2H6X2+8/nMHn→2/nMxn+2/nM3Nn+7H2；
4、(NH4)2SO4+16/nMHn→4M2/nO+M2/nS+2/nM3Nn+12H2；
5、N2H6SO4+16/nMHn→4M2/nO+M2/nS+2/nM3Nn+11H2；
6、LiBH4→LiH+B+(3/2)H2；
7、Ni+2H2O→Ni(OH)2+H2；以及
8、NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2。
然而，在本发明的另一实施例中，亦可以将第一反应物与第二反应物颠倒配置，只需要将水固定成水胶或者吸附在任何的吸水材料上(例如海棉、吸水棉等等)即可。
由上述实施例所揭示内容大致可知，本实施例同样可以在燃料匣107内采用一次性反应的硼基化合物储氢技术(并不限制于此，其它类型的储氢技术亦可)以产生氢气给燃料电池109，但是由于燃料匣107中设计有6个腔体201_1～201_6，且每当二次电池105提供给电子装置103的总电量已达预设值时(详述如后)，控制供应装置203_1～203_6的其中之丨供应第二反应物给其所对应的腔体201_1/201_2/.../201_6，以与第一反应物反应而生成氢气给燃料电池109。如此一来，即可确保燃料匣107所产生的氢气充分的被燃料电池109所使用，而不会造成氢气的浪费。
更清楚来说，燃料电池109吸收这些腔体201_1～201_6的其一之氢气所产生的电力之电量必需视腔体201的个数与二次电池105的电容量而决定。举例来说，假设二次电池105的电容量为N-瓦特小时(Watt hour，Wh)，而腔体201的个数为6个的话，则燃料电池109吸收这些腔体201_1～201_6之其一的氢气所产生的电力之电量为N/X-Wh。如此一来，当二次电池105消耗N/X-Wh的电量时，另一供应装置(未反应过的供应装置)的其中之丨203_1～203_6供应第二反应物至其所对应的腔体中燃料电池201_1～201_6，以与第一反应物反应而生成氢气提供给燃料电池109，从而使燃料电池109产生电力至二次电池105，以补充二次电池105所被消耗的电量。
举例来说，假设二次电池105的电容量与燃料电池109吸收所有燃料匣107所生成之氢气后所产生的总电量皆为60-Wh的话(但并不限制于此)，则当二次电池105的总电量被消耗至50-Wh时(亦即二次电池105已提供给电子装置10310-Wh)，此时例如可以通过供应装置203_1以将第二反应物供应至腔体201_1内。如此一来，第一反应物就会接触到第二反应物以发生化学反应，从而产生氢气给燃料电池109。
此时，由于第一反应物接触到第二反应物的化学反应也属一次性反应。因此，氢气会被不断地产生，直至固态燃料与水的化学反应完成才会停止。如此一来，燃料电池109就会产生约10-Wh的电力以对二次电池105进行充电，从而使得二次电池105的总电量恢复到60-Wh。
另一方面，一旦当二次电池105的总电量又被消耗至50-Wh时(亦即二次电池105的总电量又被电子装置103消耗了10-Wh)，此时例如可以通过供应装置203_2以将第二反应物供应至腔体201_2内。如此一来，第一反应物就会接触到第二反应物以发生化学反应，从而产生氢气给燃料电池109。
此时，由于第一反应物接触到第二反应物的化学反应仍属一次性的反应。因此，氢气会被不断地产生，直至固态燃料与水的化学反应完成才会停止。如此一来，燃料电池109仍会产生约10-Wh的电力以对二次电池105再次进行充电，从而使得二次电池105的总电量又恢复到60-Wh。
基于上述的解释可以推知，燃料匣107在适当的时机(亦即每当二次电池105的总电量被电子装置103消耗10-Wh时)可以分次(以本实施例为例则为6次)产生适量的氢气给燃料电池109(亦即分段使用的概念)，而非如传统燃料匣一次就持续不断地产生对等于60-Wh的氢气给燃料电池109(亦即一次全部使用完的概念)，就算电子装置103未消耗二次电池105的电量。
如上所述，通过本实施例之燃料匣107的设计可让二次电池105所消耗的电量等于燃料电池109所提供用以对二次电池105所充电的电力之电量。因此，本实施例之燃料匣107的设计不但可以让燃料匣107内每一腔体201_1～201_6所产生的氢气充份的被燃料电池109使用，且又不会造成氢气的浪费，然本发明不以上述为限。
换言之，本实施例可以在电子装置103无市电插头供电时，随即开始由燃料电池系统101内的二次电池105供电。并且，当二次电池105所耗损的电量达到203_1～203_6，单一供应装置203_1～203_6与其对应的腔体201_1～201_6之反应物反应后，生成的氢气被燃料电池109吸收而产生的电力的电量时，则使未反应过的供应装置203_1～203_6其中之丨供应第二反应物至其所对应的腔体201_1～201_6，以使燃料电池109产生电力并对二次电池105进行充电。如此一来，即可使得二次电池105续航力增加，从而达到永续电力的效果。
另一方面，上述实施例是以每当二次电池105提供给电子装置103的总电量为10-Wh时，燃料匣107产生适量的氢气给燃料电池109为例来进行说明与解释，但是在本发明的其他实施例中，亦可以其他数值为之，例如更大或更小的数值，一切可端视实际设计需求来决定之。
汇整上述实施例的内容，图4～6绘示为本发明一实施例之电能管理方法的流程图。请参照图4～7，并请一并参阅图1及图2，本实施例之电能管理方法适于上述的燃料电池系统101，且此电能管理方法包括：提供燃料电池系统(步骤S401)；侦测二次电池供应给电子装置之电力的总电量是否达预设值(步骤S403)。
于本实施例中，当二次电池105提供给电子装置103的总电量达预设值时，控制燃料匣107，使供应装置之其丨203_1～203_6供应第二反应物至所对应的腔体201_1～201_6中，以使第二反应物与第一反应物于对应的腔体中反应而生成氢气。(步骤S405)。
另一方面，当二次电池提供给电子装置的总电量未达预设值时，控制二次电池持续供应电力给电子装置(步骤S407)。此外，本实施例更包括下列步骤：
侦测燃料电池所产生之电力；(步骤S501)
根据电力判断提供第二反应物之供应装置与所对应之腔体的反应状态(步骤S503)；以及
根据反应状态决定是否让另一供应装置提供第二反应物至所对应之腔体中。(步骤S505)
为了有效运用燃料电池109所产生的电力，通过步骤S501侦测，由于燃料电池109所产生的电力，与供应装置203_1～203_6和其所对应的腔体201_1～201_6的化学反应状态有关，因此当侦测到燃料电池109所产生之电力下降至一预定比例时(如，下降至原供电力之80％～20％之间的某一数值)，判断该反应状态为已完成反应。
此外，本实施例还可进一步包括下列步骤：
侦测每一腔体与所对应之供应装置的反应状态(步骤S601)
；以及
当每一反应状态皆判断为已完成反应，设定电子装置输出一提醒信号(步骤S601)。
通过判断反应状态，当判断燃料匣107的每个供应装置203_1～203_6中的第二反应物与其所对应的腔体201_1～201_6中的第一反应物已完成反应时，则设定电子装置103发出提醒信号，利用如讯息、灯的变化等等方式。来提醒使用者更换燃料匣107或者提醒使用者此燃料匣107已完全反应。在此要补充说明的是，图7之流程图为本发明的其中之丨实施例，于本发明的其他实施例中，可结合图4～6中的方法进行不同的管理方法，本发明不以上述为限。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点。在本发明之上述实施例中，由于燃料匣中具有多个腔体，且每当二次电池的总电量消耗已达预设值时，有单一腔体会产生氢气给燃料电池使用。如此一来，即可确保燃料匣内每一腔体所产生的氢气充分的被燃料电池所使用，而不会造成氢气的浪费。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (19)

1.一种燃料匣，包括：
多个腔体，该些腔体适于分别存放一第一反应物；以及
多个供应装置，分别对应该些腔体之其一，且适于分别供应一第二反应物至所对应的该腔体中，以使该第二反应物与该第一反应物于所对应的该腔体中反应而生成氢气。
2.如权利要求1所述的燃料匣，其中该第一反应物及该第二反应物的至少其一包括一化学储氢材料。
3.如权利要求1所述的燃料匣，其中该第一反应物及该第二反应物的至少其一包括一含氢化合物。
4.如权利要求3所述的燃料匣，其中该含氢化合物为一硼氢化钠或一金属氢化物。
5.如权利要求1所述的燃料匣，其中每一该供应装置至少包括一手动开关、一磁力装置、一连杆装置或一含马达带动的齿轮装置。
6.一种燃料电池系统，包括：
一燃料匣，包括：
多个腔体，该些腔体适于分别存放一第一反应物；以及
多个供应装置，分别对应该些腔体之其一，且适于分别供应一第二反应物至所对应的该腔体中，以使该第二反应物与该第一反应物于所对应的该腔体中反应而生成氢气；
一燃料电池，耦接该燃料匣，且适于吸收来自于该燃料匣的氢气以产生一电力；以及
一二次电池，电连接该燃料电池，且适于接收该电力以进行充电。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中该燃料电池适于吸收来自于该燃料匣的该些腔体的其一所产生的该氢气以产生该电力。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该些腔体的数量为X，该二次电池的电容量为N瓦特小时，当该燃料电池吸收于该腔体中生成之该氢气而产生该电力时，该电力之电量为N/X瓦特小时。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中当该二次电池消耗N/X瓦特小时的电量时，另一该供应装置适于提供该第二反应物至所对应的该腔体中，以使该第二反应物与该第一反应物于所对应的该腔体中反应而生成氢气。
10.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中该第一反应物及该第二反应物的至少其一包括一化学储氢材料。
11.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中该第一反应物及该第二反应物至少其一包括一含氢化合物。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中该含氢化合物为一硼氢化钠或一金属氢化物。
13.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中每一该供应装置至少包括一手动开关、一磁力装置、一连杆装置或一含马达带动的齿轮装置。
14.一种电能管理方法，适于一燃料电池系统，包括：
提供一燃料电池系统，其中该燃料电池系统包括一燃料匣、一燃料电池、一二次电池，该燃料匣具有多个腔体、多个供应装置，该些腔体适于分别存放一第一反应物，该些供应装置分别对应该些腔体之其一，且适于提供一第二反应物至所对应之该腔体中，以使该第二反应物与该第一反应物于所应的该腔体中反应而生成氧气；
侦测该二次电池供应给一电子装置之一电力的总电量是否达一预设值；以及
当该二次电池所供应的总电量达该预设值时，控制该燃料匣使该些供应装置之其丨供应该第二反应物至所对应的该腔体中，以使该第二反应物与该第一反应物反应于所对应的该腔体中而生成氢气。
15.如权利要求14所述的电能管理方法，更包括：
当该二次电池所提供之该总电量未达该预设值时，控制该二次电池持续供应该电力给该电子装置。
16.如权利要求14所述的电能管理方法，该燃料电池耦接该燃料匣，适于吸收该氢气以产生一电力，该二次电池电连接该燃料匣，适于接收该电力以进行充电。
17.如权利要求16所述的电能管理方法，更包括：
侦测该燃料电池所产生之该电力；
根据该电力判断提供该第二反应物之该供应装置与所对应之该腔体的一反应状态；以及
根据该反应状态决定是否让另一该供应装置提供该第二反应物至所对应之该腔体中。
18.如权利要求17所述的电能管理方法，更包括：
当侦测到该燃料电池所产生之该电力下降至一预定比例时，判断该反应状态为已完成反应；以及
当判断该反应状态已完成反应时，控制另一该供应装置提供该第二反应物至所对应的该腔体中。
19.如权利要求17所述的电能管理方法，更包括：
侦测每一该腔体与所对应之该供应装置的该反应状态；以及
当每一该反应状态皆判断为已完成反应，设定该电子装置发出一提醒信号。
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