CN102148386A - 燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法与计算机 - Google Patents

燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法与计算机 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池的燃料产生反应控制方法，包括：a.提供第一反应物。b.活化第一反应物，以产生燃料给燃料电池。c.当在第一反应物的活化过程中，燃料电池的特征值达第一参考值时，加入定量的第二反应物至第一反应物以决定监控时间，监控时间是燃料电池的特征值从第二参考值至第一参考值的时间。d.经过监控时间后，检测燃料电池的特征值以获得第一特征值。e.若第一特征值小于第一参考值，进行步骤d。f.若第一特征值大于第一参考值，再经过延迟时间后，检测燃料电池的特征值以获得第二特征值。g.若第二特征值小于第一参考值，进行步骤d。

Description

燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法与计算机
技术领域
本发明涉及燃料电池(fuel cell)，且特别涉及燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法。
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)以及燃料电池(fuel cell)等部分。其中，燃料匣用以提供燃料电池产生电力所需的氢气(H2)；燃料电池将氢气进行化学反应以产生电能，并将电能供应给电子系统使用。
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(H2O)使硼基化合物产生化学反应以产生氢气给燃料电池。然而，由于传统燃料匣的设计仅具有一个大型腔体，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，直至硼基化合物，例如为硼氢化钠(NaBH4)，与水的化学反应完全反应完成才会停止。
由于化学反应产氢会使得氢气的流量不稳定，常常在化学反应产氢气后，需要一颗流量控制阀来控制氢气的流量，以达成稳定氢气的供应。目前业界多以流量控制阀去控制氢气的流量，才能达到精准控制，但是流量控制阀相当昂贵，而若不用流量控制阀，会产生下列问题：
(一)无法适应不同环温操作，在低环温时会造成需要较大量的氢气，但是温度却过低，使氢气大量消耗；在高环温时会降低氢气量，但是温度却过高，系统难以降温到适合燃料电池反应的温度。
(二)氢气量无法控制，大量氢气会造成燃料电池系统电压和温度急速升高，氢气量太少又会使得电压降低；若没有良好控制方法，将会加速燃料电池系统的寿命降低。
(三)一般业界的控制模式，会使得温度的范围变大，使得温度会过高或过低，且温度又会直接影响效能的输出，让燃料利用率下降。
发明内容
本发明提出一种燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法与计算机程序产品，可有效地控制加入反应物的量及时间，进而使得燃料达到稳定的控制。
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。
为达上述的一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提供一种燃料电池的燃料产生反应控制方法，包括以下步骤：步骤a.提供第一反应物。步骤b.活化第一反应物，以产生燃料给燃料电池。步骤c.当在第一反应物的活化过程中燃料电池的特征值达第一参考值时，加入定量的第二反应物至第一反应物以决定监控时间，其中监控时间是前述加入定量的第二反应物后，燃料电池的特征值从第二参考值至第一参考值的时间。步骤d.加入定量的第二反应物至第一反应物且经过监控时间后，检测燃料电池的特征值以获得第一特征值。步骤e.若第一特征值小于第一参考值，则进行所述步骤d。步骤f.若第一特征值大于第一参考值，则再经过延迟时间后，检测燃料电池的特征值以获得第二特征值。步骤g.若第二特征值小于第一参考值，则进行所述步骤d。
本发明的一实施例提供一种用于燃料电池的燃料产生反应控制的计算机程序产品。当计算机加载该计算机程序并执行后，可完成上述燃料产生反应控制方法。
本发明的一实施例提供一种燃料电池系统，包括腔体、供应装置、燃料电池与控制单元。腔体具有第一反应物。供应装置依据控制信号决定供应至腔体的第二反应物的量，其中第一反应物与第二反应物于腔体中进行燃料产生反应以产生燃料。燃料电池耦接腔体以接收燃料，藉以产生电力。控制单元电连接至供应装置与燃料电池，以提供控制信号给供应装置以及监测燃料电池的特征值，其中控制单元进行如上所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法。
在本发明的一实施例中，上述第一反应物包括化学储氢材料。
在本发明的一实施例中，上述第一反应物包括硼氢化钠(NaBH4)。
在本发明的一实施例中，上述第二反应物包括化学储氢材料。
在本发明的一实施例中，上述第二反应物包括水(H2O)。
在本发明的一实施例中，上述活化第一反应物的步骤包括：持续缓慢加入第二反应物至第一反应物。
在本发明的一实施例中，上述若燃料电池的特征值大于上限值，则控制单元控制供应装置以停止将第二反应物加入至第一反应物；若燃料电池的特征值小于下限值，则控制单元进行所述步骤d。
在本发明的一实施例中，上述燃料电池的特征值为温度、输出电压、输出电流与输出功率的其一。
在本发明的一实施例中，上述燃料包括氢。
本发明的上述实施例因将第一反应物与第二反应物分别存放于腔体与供应装置，并藉由控制单元检测燃料电池的特征值，以据以输出控制信号来控制供应装置提供第二反应物，使得第二反应物在单位时间内加入的量可以有效地达到控制，且燃料的供应也可达到稳定的控制。再者，本发明实施例所提供的燃料电池系统可以不使用到流量控制阀，因此可以降低燃料电池系统的制作成本。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举一(或多个)实施例，并结合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为依照本发明实施例绘示一种燃料电池系统的框图；
图2为依照本发明实施例绘示燃料电池中温度变化的示意图；
图3是依照本发明实施例说明燃料电池的燃料产生反应控制方法流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图的一优选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、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1为依照本发明实施例绘示一种燃料电池系统100的框图。参照图1，燃料电池系统100用以供应电力给电子系统(负载)180。燃料电池系统100包括腔体110、供应装置120、燃料电池130与控制单元140。
腔体110具有第一反应物。供应装置120供应第二反应物至腔体110，使得腔体110中的第一反应物与第二反应物进行燃料产生反应，以产生燃料(例如氢气)给燃料电池130。于本实施例中，第一反应物可以为任何化学储氢材料，且第一反应物可以是固态或液态，例如硼氢化钠(NaBH4)，氢化锂...等等，但皆并不限制于此。第二反应物可以为任何化学储氢材料，例如水(H2O)，但并不限制于此。
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。
燃料电池130耦接腔体110，用以接收腔体110所产生的燃料(例如氢气)，进而将燃料转换成电力，以供应给电子系统180。
于本实施例中，燃料电池130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。以质子交换膜型燃料电池为例，质子交换膜型燃料电池主要由质子交换膜以及阴阳两电极组成。其中，燃料电池130阳极的燃料与触媒反应产生氢离子与电子，其化学式可以表不如下：
2H2→4H++4e-。
另外，燃料电池130阳极反应生成的电子会经由电子系统180等各种电路而回到燃料电池130的阴极端。阳极反应生成的氢离子穿透燃料电池130内的质子交换膜而往阴极端移动，再与燃料电池130阴极端的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，质子交换膜型燃料电池的总化学反应式可以表示如下：
2H2+O2→2H2O。
上述燃料电池130如何产生电力的手段为本领域所熟识的技艺，故在此不再赘述。应用本实施例者可以使用现今或将来任何形式的燃料电池130来实现燃料电池系统100。
控制单元140电连接至供应装置120与燃料电池130，控制单元140用以监控燃料电池130的特征值，并提供控制信号给供应装置120，以决定供应装置120供应第二反应物至腔体110的量及时间。于本实施例中，燃料电池130的特征值可以包括温度、输出电压、输出电流或输出功率等，但本发明不限于此。。
以下将依据本发明的实施例说明控制单元140监控燃料电池130的特征值以及提供控制信号给供应装置120的操作。为了方便说明，于本实施例中，假设燃料电池130的特征值为温度，亦即控制单元140将监控燃料电池130的温度，并据此提供控制信号给供应装置120。
图2为依照本发明实施例绘示燃料电池130中温度变化的示意图。合并参照图1与图2，当燃料电池系统100开始操作时，控制单元140会控制供应装置120持续缓慢加入第二反应物(例如水)至具有第一反应物(例如硼氢化钠)的腔体110，使得腔体110内的第一反应物活化(亦即将第一反应物与第二反应物进行燃料产生反应)，以产生燃料(例如氢气)给燃料电池130。在第一反应物的活化过程中，由于燃料电池130将燃料转换为电力，故燃料电池130的温度会由室温(如图2所标示之Tr)逐渐升高。接着当控制单元140监测到燃料电池130的温度到达第一参考值(例如图2所标示的Td)时，控制单元140会停止前述第一反应物的活化过程，并且控制供应装置120加入某一定量(例如X毫升)的第二反应物至腔体110。
之后，在第二反应物与第一反应物进行燃料产生反应的过程中，燃料电池130的温度会由第一参考值Td持续升高，并达到第二参考值(例如图2所标示的Th，假设为燃料电池130在燃料产生反应过程中的最高温度，但不限于此)。此时由于定量的第二反应物已消耗完毕，因此燃料电池130的温度会由第二参考值Th(燃料产生反应过程中的最高温度)开始下降，当燃料电池130的温度降低至第一参考值Td时，控制单元140会将此段时间(亦即燃料电池130的温度由第二参考值Th至第一参考值Td的时间)定义成监控时间(如图2中所标示之MP)，以便控制单元140可每隔上述监控时间MP对燃料电池130的温度进行检测。
当决定出监控时间MP之后，控制单元140控制供应装置120加入相同定量(X毫升)的第二反应物至腔体110，使得第二反应物与第一反应物再次进行燃料产生反应。之后，经过监控时间MP后，控制单元140会检测燃料电池130的温度以获得第一温度(亦即第一特征值，例如图2中所标示的201)，并且将第一温度201与第一参考值Td进行比较。
若第一温度201大于第一参考值Td，则再经过延迟时间(例如图2中所标示的时间范围DP)后，控制单元140再一次检测燃料电池130的温度以获得第二温度(亦即第二特征值，例如图2中所标示的202)，并且将第二温度202与第一参考值Td进行比较。于本实施例中，延迟时间DP例如为监控时间MP的1/10，但本发明不限于此。
若第二温度202小于第一参考值Td，控制单元140会控制供应装置120加入相同定量(X毫升)的第二反应物至腔体110，使得第一反应物与第二反应物再次进行燃料产生反应，并重复上述的过程，亦即经过监控时间MP后，再检测燃料电池130的温度以获得新的检测温度。
另一方面，若第二特征值大于第一参考值Td时，则再经过另一个延迟时间DP后，控制单元140会再次检测燃料电池130的温度以获得另一温度(亦即另一特征值)。接着，控制单元140会将此另一温度与第一参考值Td进行比对；若是此另一温度大于第一参考值Td时，则再次经过延迟时间DP后，控制单元140再次检测燃料电池130的温度，直到所检测之燃料电池130的温度小于第一参考值Td(亦即燃料电池130的特征值小于第一参考值)时，控制单元140会输出控制信号给供应装置120，以使供应装置120再次供应相同定量(X毫升)的第二反应物至腔体110。
承接上述，若控制单元140经过监控时间MP后检测出第一温度201(亦即第一特征值)小于第一参考值Td，则控制单元140会控制供应装置120立即加入相同定量(X毫升)的第二反应物至腔体110。如此一来，本实施例所提供的燃料电池系统100可有效地控制第二反应物加入的量及时间，进而有效地控制燃料(氢气)的量。
另外，于本实施例中，控制单元140中可设定一上限值与一下限值，分别如图2中所标示之Tup与Tlow。也就是说，当控制单元140检测到燃料电池130的温度超过此上限值Tup时，控制单元140会控制供应单元120停止加入第二反应物至腔体110；当控制单元140检测到燃料电池130的温度低于下限值Tlow时，控制单元140会控制供应单元120加入定量的第二反应物至腔体110，使得第一反应物与第二反应物持续产生反应，以提供燃料(氢气)给燃料电池130来产生电力。如此一来，本实施例所提供的燃料电池系统100可控制第二反应物加入的时间，使得燃料(氢气量)可以达到稳定的控制。
上述实施例中，燃料电池130的特征值是以温度为例，但本发明不限于此，且燃料电池130的特征值亦可置换为输出电压、输出电流与输出功率的其一，置换特征值后的实施方式可参照上述的说明，故在此不再赘述。
上述燃料电池系统100的操作过程可以整理为下述燃料电池130的燃料产生反应控制方法。图3是依照本发明实施例说明燃料电池的燃料产生反应控制方法流程图。参照图3，首先，在步骤S302中，提供第一反应物(例如硼氢化钠)。在步骤S304中，活化第一反应物，以产生燃料给燃料电池130。在此步骤S304中，以持续缓慢的方式加入第二反应物(例如水)至第一反应物，以便活化第一反应物(亦即第一反应物与第二反应物进行燃料产生反应)。
在步骤S306中，当在第一反应物的活化过程中，燃料电池130的特征值(例如温度、输出电压、输出电流或输出功率)达第一参考值时，加入定量的第二反应物至第一反应物以决定监控时间，其中监控时间是前述加入定量的第二反应物后，燃料电池130的特征值从第二参考值至第一参考值的时间。在步骤S308中，加入定量的第二反应物至第一反应物且经过监控时间后，检测燃料电池130的特征值以获得第一特征值。
若步骤S310判定第一特征值小于第一参考值，则进行所述步骤S308，即再次加入定量的第二反应物至第一反应物。另一方面，若步骤S310判定第一特征值大于第一参考值，则进行步骤S312，再经过延迟时间后，检测燃料电池130的特征值以获得第二特征值。
若步骤S314判定第二特征值小于第一参考值，则进行步骤S308，亦即再次加入定量的第二反应物至第一反应物。另一方面，若步骤S314判定第二特征值大于第一参考值，则进行步骤S312，即再经过延迟时间后，检测燃料电池130的特征值，然后重复步骤S312～S314，直到所检测之燃料电池130的特征值小于第一参考值。
另外，本实施例的燃料电池130的燃料产生反应控制方法可以设定一上限值与一下限值。也就是说，在决定出监控时间后，若燃料电池130的特征值大于上限值，则停止将第二反应物加入至第一反应物。另一方面，若燃料电池130的特征值小于下限值，则进行步骤S308。
上述诸实施例所述燃料电池130的燃料产生反应控制方法，在某些应用需求下，亦可以计算机程序产品的形式实现，并利用计算机可读取储存媒体储存此计算机程序，或利用网络媒体传播此计算机程序产品。当计算机加载上述计算机程序以及结合上述的燃料电池系统并执行后，可完成上述燃料产生反应控制方法。
综上所述，上述诸实施例至少具有下列其中一个优点：上述诸实施例因将第一反应物(例如硼氢化钠)与第二反应物(例如水)分别存放于腔体110与供应装置120，并藉由控制单元140检测燃料电池130的特征值，以输出控制信号来控制供应装置120，以使第二反应物的量及时间可以有效地达到控制，使得燃料(例如氢气)的供应可达到稳定的控制。另外，上述实施例所提供的燃料电池系统100可以不使用流量控制阀件，因此可以降低燃料电池系统100的制作成本。另外，上述诸实施例还具有下述至少其中一个效果：
(一)藉由控制单元140控制第二反应物加入的时间(例如加水时间)，使得燃料(氢气量)可根据上述实施例所提供的燃料电池130的燃料产生反应控制方法而达到稳定控制。
(二)可在适应不同环境温度操作，并随不同环境温度自动定义适合的特征时间(亦即监控时间)。
(三)随着燃料电池系统100的效能降低，本发明可随着燃料系统100的效能改变的检测时间，可以确保不会因为效能减低而产生误判的情形。
(四)本发明可以温度、输出电压、输出电流或输出功率等来作为判断指标(亦即燃料电池130的特征值)，而可改善因跳动情形产生的误差。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及发明说明内容所作的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权利要求不须达成本发明所揭露的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的权利范围。

Claims (19)

1.一种燃料电池的燃料产生反应控制方法，包括以下步骤：
步骤a.提供第一反应物；
步骤b.活化所述第一反应物，以产生燃料给燃料电池；
步骤c.当在所述第一反应物的活化过程中所述燃料电池的特征值达第一参考值时，加入定量的第二反应物至所述第一反应物以决定监控时间，其中所述监控时间是加入所述定量的所述第二反应物后，所述燃料电池的所述特征值从第二参考值至所述第一参考值的时间；
步骤d.加入所述定量的所述第二反应物至所述第一反应物且经过所述监控时间后，检测所述燃料电池的所述特征值以获得第一特征值；
步骤e.若所述第一特征值小于所述第一参考值，则进行所述步骤d；
步骤f.若所述第一特征值大于所述第一参考值，则再经过延迟时间后，检测所述燃料电池的所述特征值以获得第二特征值；以及
步骤g.若所述第二特征值小于所述第一参考值，则进行所述步骤d。
2.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述第一反应物包括化学储氢材料。
3.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述第一反应物包括硼氢化钠。
4.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述第二反应物包括化学储氢材料。
5.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述第二反应物包括水。
6.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述活化所述第一反应物的步骤包括：
持续缓慢加入所述第二反应物至所述第一反应物。
7.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，还包括：
若所述燃料电池的所述特征值大于上限值，则停止将所述第二反应物加入至所述第一反应物；以及
若所述燃料电池的所述特征值小于下限值，则进行所述步骤d。
8.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述燃料电池的所述特征值为温度、输出电压、输出电流与输出功率的其一。
9.如权利要求1所述的燃料电池的燃料产生反应控制方法，其中所述燃料包括氢。
10.一种用于燃料电池的燃料产生反应控制的计算机程序产品，当计算机加载所述计算机程序并执行后，可完成权利要求1所述的方法。
11.一种燃料电池系统，包括：
腔体，具有第一反应物；
供应装置，用以依据控制信号决定供应至所述腔体的第二反应物的量，其中所述第一反应物与所述第二反应物于所述腔体中进行燃料产生反应以产生燃料；
燃料电池，耦接所述腔体以接收所述燃料，藉以产生电力；以及
控制单元，电连接至所述供应装置与所述燃料电池，以提供所述控制信号给所述供应装置以及监测所述燃料电池的特征值，其中所述控制单元进行如权利要求1所述的燃料产生反应控制方法。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述第一反应物包括化学储氢材料。
13.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述第一反应物包括硼氢化钠。
14.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述第二反应物包括化学储氢材料。
15.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述第二反应物包括水。
16.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述活化所述第一反应物的步骤包括：
持续缓慢加入所述第二反应物至所述第一反应物。
17.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中若所述燃料电池的所述特征值大于上限值，则所述控制单元控制所述供应装置以停止将所述第二反应物加入至所述第一反应物；以及若所述燃料电池的所述特征值小于下限值，则所述控制单元进行所述步骤d。
18.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池的所述特征值为温度、输出电压、输出电流与输出功率的其一。
19.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括氢。
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