CN1595700A - 储氢容器的氢气流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种储氢容器的氢气流量控制装置，用以对容置在一储氢罐容置体中的储氢容器的温度予以控制并藉以控制该储氢容器的氢气流量。本发明包括有一加热装置，其经由一热源燃料供应管路连接于一热源燃料贮槽，以由该热源燃料贮槽中取得热源燃料，送至一触媒床中，用以对该储氢罐容置体予以加热。一送风装置，用以供应一气流至该储氢罐容置体中。一控制器依据所接收到的储氢罐容置体中的温度信号，据以控制该加热装置及送风装置，以对容置在一储氢罐容置体中的储氢容器进行温度及氢气流量的控制。该控制器连接有一控制参数设定值及一参数设定单元，用以设定及储存该控制器在执行控制时所需的各项控制参数。

Description

储氢容器的氢气流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种储氢容器的控制装置，特别是关于一种以热源燃料供应管路供应热源燃料，并经一触媒床燃烧，以对储氢罐容置体中的储氢容器进行氢气流量的控制。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种借着电化学反应，利用含氢燃料和空气产生电力的装置。为了使该燃料电池产生电化学反应，必需将氢气及空气分别经由适当的氢气信道及空气信道通入该燃料电池中。
目前氢气储存的技术主要可分为高压气体、液态氢与储氢合金三种，其中高压气体储氢方式的能量重量密度较高，但是体积较大，而且安全性较差。液态氢储氢方式的能量重量密度虽也较高，但是液化能量消耗大，同时须使用绝热储槽，比较适合用在大型储槽。在一般性的应用领域(例如电动车中所使用的较小型储氢容器)中，应以储氢合金较为实用。储氢合金的技术，主要是以储氢容器作为氢气的贮存容器。
储氢合金的种类甚多，操作的压力与温度都不相同，同时单位重量与单位体积的储氢量也各自相异。目前实用的储氢合金包括镧镍系列、铁钛系列与镁合金系列等，较常使用者为铁钛系列，所能产生的压力、流量与合金重量等特性较为适合应用在例如电动车中。
镁合金系列的储氢容器较镧镍系列、铁钛系列的储氢量高，亦即相同重量的容器可储存的氢气量较多。但是镁合金系列的储氢容器在实际使用时有一项缺点，亦即须要在高温状况下才能释放较大流量的氢气，例如在200~300℃之间，因此如无适当的加热装置则无法使用。
然而，以储氢容器来作为燃料电池的氢气供应源时，虽然具有简便、安全的优点，但是该储氢容器的储氢、放氢性能直接影响了燃料电池的操作性能。储氢合金在放氢时会吸热，使储氢容器的温度下降，导致储氢合金的放氢速率降低，因此此时需要同时利用适当的流量控制方式来控制储氢容器的氢气流量。在进行该储氢合金的氢气流量时，亦需要有一控制装置来侦测整个系统中各相关构件的信号及控制各相关构件的动作。然而，在现有技术中，为了要使该储氢容器在放氢作业时能对该储氢容器进行适当的加热，一般都是以电热加热方式或回收引擎、电池组的废热来达到加热的功能，此种方式需由一电力或废热回收装置来供应该电热装置所需的电能。在实际使用时仍有其限制。再者，以该电热装置对储氢容器进行加热时，除耗费甚大的电能之外，其加热速度亦较慢。目前为止的现有技术中，并未见到有可迅速加热、加热温度高的技术，在氢气流量的控制方面亦未见到有适当的控制装置。另外，采用质子交换膜燃料电池冷却水废热时，废热温度在100℃以下，也无法提供足够的热量加热镁合金系列的储氢容器。
再者，在采行上述的高效加热架构时，亦需配合一控制装置，才能正确掌握整体系统的控制及信号的侦测。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种储氢容器的氢气流量控制装置，在该控制装置的控制之下，可使储氢容器在放氢作业时，能对该储氢容器进行良好的氢气流量控制。
本发明的另一目的在于提供一种高效能的储氢容器加热装置，其采用甲醇搭配触媒床的结构、以及适当的气流供应来使储氢容器得以受到迅速及高效能的加热，并藉以达到氢气流量的控制。
为达到上述目的，本发明提供了一种储氢容器的氢气流量控制装置，以对容置在一储氢罐容置体中的储氢容器进行氢气流量的控制，该控制装置包括有：
一加热装置，经由一热源燃料供应管路连接于一热源燃料贮槽，以由该热源燃料贮槽中取得热源燃料，用以对该储氢罐容置体予以加热；
一送风装置，用以供应一气流至该储氢罐容置体中；
至少一温度传感器，用以侦测该储氢罐容置体内部的温度，以产生一温度信号至该微控器；
一控制器，包括有一微控器，该控制器依据所接收到的温度信号，据以控制该加热装置及送风装置的动作，并藉以控制该储氢容器由一氢气释放管路所释放出的氢气流量。
该控制器的微控器更连接有一控制参数设定值，用以储存该控制器在执行控制时所需的各项控制参数。
该控制参数设定值中所储存的控制参数包括有一温度基准值、一氢气流量基准值、一风量基准值。
该控制器的微控器更连接有一参数设定单元，用以设定该控制参数设定值储存单元的各项参数。
所述储氢容器的氢气流量控制装置更包括有一预热装置，以使该热源燃料供应管路中所供应的热源燃料在进入加热装置中先行予以加热。
所述储氢容器的氢气流量控制装置更包括有一热源燃料贮量传感器，用以侦测热源燃料贮槽中的热源燃料的贮量，并可送出一热源燃料贮量信号至该微控器。
该热源燃料贮槽中所储存的热源燃料为甲醇。
该热源燃料供应管路中包括有一开关阀，在该微控器的控制下可控制该开关阀的动作，以控制是否供应热源燃料至该加热装置。
该加热装置包括有：
一触媒床，配置在该储氢罐容置体中；
一喷嘴区段，其具有一气流引入端，经由一气流引入管路连通于该送风装置，用以引入气流至该喷嘴区段，该喷嘴区段的气流送出端经由一混合气送出管路连通于该触媒床的混合气送入端，该喷嘴区段具有一热源燃料入口，连通于该热源燃料供应管路；
当该送风装置所产生的气流通过该喷嘴区段时，在该喷嘴区段形成气流负压，使热源燃料供应管路中所供应的热源燃料被吸引入该喷嘴区段，使得热源燃料与气流形成混合气，该混合气经由该混合气送出管路送入该触媒床的混合气送入端，该混合气在触媒床中燃烧后产生热气，使得承置在该储氢罐容置体中的储氢容器受到加热。
该加热装置包括有一盘绕管路，其配置在该储氢罐容置体的内侧壁面，其一端连通于热源燃料供应管路，另一端则是连通至该喷嘴区段的气流引入端，以使该热源燃料贮槽的热源燃料供应管路先经过该盘绕管路之后，再连通至该喷嘴区段，藉由该触媒床燃烧产生的热气，对该盘绕管路中的热源燃料进行加热。
由此可见，采用本发明的储氢容器的氢气流量控制装置，能够对氢气流量实现很好的控制。
附图说明
图1所示为本发明的控制装置与各相关构件连接的示意图；
图2所示为图1中控制装置的进一步电路功能方块图；
图3所示为本发明的控制流程图。
图式各组件符号说明
1          储氢罐容置体
2          储氢容器
21         连接结构
22         氢气释放管路
23         流量计
24         压力调节阀
25         盖体
26         垫圈
27         隔热材料层
3          热源燃料贮槽
31         液态甲醇
32         泵浦
33         热源燃料供应管路
331        开关阀
34         盘绕管路
35         热源燃料供应导管
4          预热装置
5          送风装置
51         气流
52         气流引入管路
53         喷嘴区段
531        热源燃料入口
54         混合气送出管路
55         混合气
6          触媒床
61         混合气送入端
62         燃烧端
63         热气
7          控制器
71         温度传感器
711        模拟至数字转换器
712        缓存器
72         热源燃料贮量传感器
721        模拟至数字转换器
722        缓存器
731        模拟至数字转换器
732        缓存器
74         多任务器
75         驱动电路
76         驱动电路
77         驱动电路
8          控制参数设定值储存单元
81         温度基准值
82         氢气流量基准值
83         风量基准值
9          参数设定单元
S1         温度信号
S2         热源燃料贮量信号
S3         氢气流量信号
S4         风量控制信号
S5         热源燃料开关信号
S6         预热装置控制信号
具体实施方式
请参阅图1所示，显示本发明相关构件配置与控制装置间的连接示意图。在结构配置方面，本发明在一储氢罐容置体1的内部空间承置有例如两个储氢容器2，该储氢容器2可藉由一连接结构21而连接于一氢气释放管路22的一端。该连接结构21例如可采用卡制杆、扣合、螺合、压合等习知结合方式，以使该储氢容器2稳固连接于该氢气释放管路22。
在该氢气释放管路22中可配置有一流量计23，用以量测该储氢容器2经由该氢气释放管路22所释放出氢气的流量。该氢气释放管路22中亦配置有一压力调节阀24，用以调节该储氢容器2所释放出氢气的压力。
该储氢罐容置体1的另一端可结合有一盖体25，以使该储氢罐容置体1的一端予以封闭。而当需要将放氢完成的储氢容器2由储氢罐容置体1中予以取出时，则可将该盖体25予以分离，以便拆装该储氢容器2。在该盖体25与储氢罐容置体1之间可夹置有一垫圈26，且该储氢罐容置体1之外壁面更可覆设有隔热材料层27，以使该储氢罐容置体1具有较佳的保温效果。
一热源燃料贮槽3中贮放了适量的热源燃料31(例如液态甲醇)，其可经由一泵浦32将热源燃料31抽送至一热源燃料供应管路33。而在该储氢罐容置体1的内部配置有复数圈的盘绕管路34，其可以是沿着该储氢罐容置体1的内侧壁面而盘绕。该盘绕管路34的一端连通于该热源燃料供应管路33。
较佳地，该热源燃料供应管路33在进入盘绕管路34之前，可配置有一预热装置4，其可为一电热式加热装置。藉由该预热装置4可使该热源燃料贮槽3所供应的热源燃料31在经由热源燃料供应管路33时，可由该预热装置4对通过的热源燃料进行预热，然后再送入盘绕管路34中。
一送风装置5可用以供应一气流51，该送风装置5的气流输出端经由一气流引入管路52连接一喷嘴区段53的气流引入端，以使该气流51引入至该喷嘴区段53中。该喷嘴区段53的气流送出端经由一混合气送出管路54连通于一触媒床6(Catalyst Bed)的混合气送入端61。该触媒床6配置在该储氢罐容置体1的内部空间，且在此一实施例中其配置在两个储氢容器2之间。
在该喷嘴区段53具有一热源燃料入口531，连通有一热源燃料供应导管35，而该热源燃料供应导管35则是经由储氢罐容置体1中的盘绕管路34之后连通于该热源燃料供应管路33。
当该送风装置5所产生的气流51经由气流引入管路52送至该喷嘴区段53时，由于该喷嘴区段53的直径较气流引入管路52的直径为小，故在该喷嘴区段53形成气流负压，使热源燃料供应导管35的热源燃料(甲醇)被吸引入该喷嘴区段53，使得甲醇与气流形成雾状混合气55。
该混合气55经由该混合气送出管路54送入该触媒床6的混合气送入端61时，该混合气55会在该触媒床6中燃烧而在燃烧端62产生热气63，使得承置在该储氢罐容置体1中的储氢容器2受到加热。当该触媒床6的燃烧端62所产生的热气63在通过该储氢容器2与该储氢罐容置体1之间时，会通过盘绕在该储氢罐容置体1的内侧壁面的盘绕管路34，故使得该盘绕管路34内部的甲醇进一步得到热能而完全气化。
在该储氢罐容置体1的热气排出端亦可包括有一气体回收装置，以将可能燃烧不完全或再行利用的废热重新导回予以回收燃烧。在该储氢罐容置体1的热气排出末端亦可包括有一气体处理装置，以将残存燃烧不完全的物质加以处理，此种装置类似汽机车引擎废气的触媒转换器，可减少污染排放。
前述各相关构件的动作由一控制器7所控制，该控制器7可连接控制所需的各项控制参数设定值储存单元8、以及一可供操作者设定该各项控制参数的参数设定单元9。
参阅图2所示，其显示本发明控制器7的进一步电路功能方块图。同时配合图1及图2所示，对本发明作进一步的说明。
该控制器7连接有一温度传感器71，其可配置在该储氢罐容置体1中，用以感测该储氢罐容置体1内部的温度状况，并产生一温度信号S1至该控制器7。该温度信号S1经由一模拟至数字转换器711及一缓存器712后，再经多任务器74后而可由该微控器70所接收。
该控制器7亦可经由一信号线连接一热源燃料贮量传感器72，该热源燃料贮量传感器72可用以侦测热源燃料贮槽3中的液态甲醇31的贮量，并可送出一热源燃料贮量信号S2。该热源燃料贮量信号S2经由一模拟至数字转换器721及一缓存器722后，再经多任务器74后而可由该微控器70所接收。
该控制器7亦连接至该氢气释放管路22的流量计23，用以感测出该氢气释放管路22所释放出的氢气流量信号S3。该氢气流量信号S3经由一模拟至数字转换器731及一缓存器732后，再经多任务器74后而可由该微控器70所接收。
该控制器7中的微控器70可经由一驱动电路75送出一风量控制信号S4至该送风装置5，用以控制该送风装置5所送出的气流量。
该控制器7的微控器70可经由一驱动电路76送出一热源燃料开关信号S5以控制一连接于热源燃料供应管路33中的一开关阀331，以控制是否供应或关闭热源燃料。该开关阀331可采用比例控制阀(PID)，藉由其比例控制功能，而达到精确的流量控制。
该控制器7亦可经由一驱动电路77送出一预热装置控制信号S6，以控制该预热装置4的加热功能，以使该热源燃料贮槽3所供应的热源燃料31在经由热源燃料供应管路33时，可由该预热装置4对通过的热源燃料进行预热，然后再送入盘绕管路34中。
控制参数设定值储存单元8连接至该控制器7的微控器70，以提供本发明在执行控制时所需的各项控制参数。例如，该控制参数可包括有一温度基准值81、一氢气流量基准值82、一风量基准值83…等。一参数设定单元9连接于该控制器7的微控器70，可用以设定该控制参数设定值储存单元8的各项参数或其它功能设定。
该控制器7在执行储氢容器的温度控制时，可依据实际的需要而进行加热或冷却的控制。例如当进行储氢容器2的冷却功能时，由该控制器7控制该送风装置5运转，以将送风装置5产生的气流51经由气流引入管路52、喷嘴区段53、混合气送出管路54而送入该储氢罐容置体1的内部空间。
而当进行储氢容器2的加热功能时，首先是由该送风装置5提供气流51，并经气流引入管路52送至喷嘴区段53。同时，由泵浦32将热源燃料贮槽3中的热源燃料(液态甲醇)供应至该热源燃料供应管路33。此时，该热源燃料可在通过该热源燃料供应管路33时，以预热装置4进行预热。
然后，该热源燃料再经由盘绕管路34及热源燃料供应导管35而连通至该喷嘴区段53的热源燃料入口531。该热源燃料在通过该盘绕管路34时，会受到触媒床6所产生的热气予以加热。
当该气流51通过该喷嘴区段53时，将热源燃料供应导管35中的热源燃料经由喷嘴区段53的热源燃料入口531吸入至该喷嘴区段53中，而形成雾状混合气。如此可将该混合气导引送至一触媒床6中，使该混合气在该触媒床6中燃烧，并送出热气。
最后，将该触媒床6所产生的热气导引至该储氢罐容置体1的内部空间以及储氢容器2周围，使该储氢容器受到加热。如前所述，该触媒床6所产生的热气可在排出时，更经一气体回收装置，以将可能燃烧不完全或再行利用的废热重新导回予以回收燃烧。该排出的气体亦可经一气体处理装置将残存燃烧不完全的物质加以处理，此种装置类似汽机车引擎废气的触媒转换器，可减少污染排放。
图3所示为本发明的控制流程图，其控制流程首先在步骤101中设定各项控制参数设定值。在设定好各项控制参数设定值，在控制操作时即由送风装置5提供气流51，并经气流引入管路52送至喷嘴区段53(步骤102)。
同时，控制装置7会侦测热源燃料贮槽3中热源燃料(液态甲醇)的贮量是否正常、以及侦测储氢罐容置体1内部的温度(步骤103)。如果该热源燃料的贮量正常时，即由控制装置7控制开关阀331动作，并由该泵浦32将热源燃料贮槽3中的热源燃料供应至该热源燃料供应管路33(步骤104)。
此时，该热源燃料可在通过该热源燃料供应管路33时，以预热装置4进行预热(步骤105)。
然后，该热源燃料再经由盘绕管路34及热源燃料供应导管35而连通至该喷嘴区段53的热源燃料入口531(步骤106)。
当该气流51通过该喷嘴区段53时，将热源燃料供应导管35中的热源燃料经由喷嘴区段53的热源燃料入口531吸入至该喷嘴区段53中，而形成雾状混合气(步骤107)。如此可将该混合气导引送至一触媒床6中(步骤108)，使该混合气在该触媒床6中燃烧，并送出热气(步骤109)。
最后，将该触媒床6所产生的热气导引至该储氢罐容置体1的内部空间以及储氢容器2周围(步骤110)，使该储氢容器2受到加热。在加热的同时，控制装置7会持续侦测热源燃料贮槽3中热源燃料的贮量及储氢罐容置体1内部的温度(步骤111)，以控制该储氢容器2的放氢流量。且该控制器7会经由流量计23量测该储氢容器2经由氢气释放管路22放释放出的氢气流量(步骤112)。
该触媒床6所产生的热气可在排出时，更可包括一回收该触媒床所产生热气的步骤(步骤113)，以将可能燃烧不完全或可以再行利用的废热重新导回予以回收燃烧。当然亦可经一气体处理装置将残存燃烧不完全的物质加以处理(步骤114)。

Claims (10)

1.一种储氢容器的氢气流量控制装置，以对容置在一储氢罐容置体中的储氢容器进行氢气流量的控制，该控制装置包括有：
一加热装置，经由一热源燃料供应管路连接于一热源燃料贮槽，以由该热源燃料贮槽中取得热源燃料，用以对该储氢罐容置体予以加热；
一送风装置，用以供应一气流至该储氢罐容置体中；
至少一温度传感器，用以侦测该储氢罐容置体内部的温度，以产生一温度信号至该微控器；
一控制器，包括有一微控器，该控制器依据所接收到的温度信号，据以控制该加热装置及送风装置的动作，并藉以控制该储氢容器由一氢气释放管路所释放出的氢气流量。
2.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该控制器的微控器更连接有一控制参数设定值，用以储存该控制器在执行控制时所需的各项控制参数。
3.如权利要求2所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该控制参数设定值中所储存的控制参数包括有一温度基准值、一氢气流量基准值、一风量基准值。
4.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该控制器的微控器更连接有一参数设定单元，用以设定该控制参数设定值储存单元的各项参数。
5.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其更包括有一预热装置，以使该热源燃料供应管路中所供应的热源燃料在进入加热装置中先行予以加热。
6.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其更包括有一热源燃料贮量传感器，用以侦测热源燃料贮槽中的热源燃料的贮量，并可送出一热源燃料贮量信号至该微控器。
7.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该热源燃料贮槽中所储存的热源燃料为甲醇。
8.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该热源燃料供应管路中包括有一开关阀，在该微控器的控制下可控制该开关阀的动作，以控制是否供应热源燃料至该加热装置。
9.如权利要求1所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该加热装置包括有：
一触媒床，配置在该储氢罐容置体中；
一喷嘴区段，其具有一气流引入端，经由一气流引入管路连通于该送风装置，用以引入气流至该喷嘴区段，该喷嘴区段的气流送出端经由一混合气送出管路连通于该触媒床的混合气送入端，该喷嘴区段具有一热源燃料入口，连通于该热源燃料供应管路；
当该送风装置所产生的气流通过该喷嘴区段时，在该喷嘴区段形成气流负压，使热源燃料供应管路中所供应的热源燃料被吸引入该喷嘴区段，使得热源燃料与气流形成混合气，该混合气经由该混合气送出管路送入该触媒床的混合气送入端，该混合气在触媒床中燃烧后产生热气，使得承置在该储氢罐容置体中的储氢容器受到加热。
10.如权利要求9所述的储氢容器的氢气流量控制装置，其中该加热装置包括有一盘绕管路，其配置在该储氢罐容置体的内侧壁面，其一端连通于热源燃料供应管路，另一端则是连通至该喷嘴区段的气流引入端，以使该热源燃料贮槽的热源燃料供应管路先经过该盘绕管路之后，再连通至该喷嘴区段，藉由该触媒床燃烧产生的热气，对该盘绕管路中的热源燃料进行加热。
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