JP2013069685A

JP2013069685A - 給電装置

Info

Publication number: JP2013069685A
Application number: JP2012202351A
Authority: JP
Inventors: Po-Kuei Chou; 柏圭周; Chien-Hsun Yang; 建▲しゅん▼ 楊; 岳璋 ▲呉▼; Yueh-Chang Wu; Wen-Hsing Chang; 文星張; Yu-Hsiang Lin; ▲猷▼翔林
Original assignee: Young Green Energy Co
Current assignee: Young Green Energy Co
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-04-18
Also published as: CN103022533A; US20130078486A1

Abstract

【課題】燃料電池に用いる給電装置を提供する。
【解決手段】かかる給電装置は、気孔を有する第一筐体と、前記第一筐体内に配置される第二筐体であって、前記第二筐体内には燃料電池を有する第二筐体と、前記第一筐体内に配置される電池モジュールであって、前記燃料電池及び前記電池モジュールは互いに給電するために用いられる電池モジュールと、前記第一筐体内に配置され且つ前記気孔に近接する吸気ユニットであって、前記吸気ユニットは前記気孔を介して気体を前記第一筐体に吸入するために用いられる吸気ユニットと、前記第一筐体内に配置され、前記気体を加熱するために用いられる熱交換モジュールであって、前記気体は前記熱交換モジュールを流れて加熱された後に、少なくとも一部の前記気体は前記燃料電池及び前記電池モジュールを流れる熱交換モジュールと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電装置に関し、特に、燃料電池に用いる給電装置に関する。

燃料電池（Fuel Cell, FC）が、化学エネルギーを利用して電気エネルギーに転換する発電装置である。従来の発電方式に比べ、燃料電池は、汚染が低く、騒音が低く、エネルギー密度が高く、及びエネルギー転換効率が比較的高いなどの利点を有し、将来性のある清潔エネルギーである。燃料電池の応用可能な範囲は、携帯型電子製品、家庭用発電システム、運輸工具、軍用設備、宇宙工業、及び小型発電システムなどの各種分野を含む。

各種燃料電池は、その動作原理及び操作環境の違いにつれて異なる応用市場を有する。移動式エネルギー上での応用は、主に、プロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)及びメタノール直接型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)を主とし、両者はともにプロトン交換膜を使用してプロトン伝導メカニズムを行う低温作動型燃料電池に属する。この種のプロトン交換膜燃料電池の操作原理は、水素が陽極触媒層において酸化反応を行って水素イオン（H+）及び電子(e-)を生成するもの（PEMFC原理）であり、或いは、メチルアルコール及び水が陽極触媒層において酸化反応を行って水素イオン（H+）、二酸化炭素（CO2）、及び電子（e-）を生成するもの（DMFC原理）である。そのうち、水素イオンはプロトン交換膜を経由して陰極に伝送することができ、電子は外部回路を経由して負荷に伝送した後に陰極に更に伝送することができ、この時は、陰極端に供給されている酸素が、陰極触媒層において、水素イオン及び電子と還元反応を行って水を生成することができる。

燃料電池は上述の反応過程に水を生成することができるので、負温度の環境（例えば、温度が０℃以下の高山、極地などの低温環境）で燃料電池の起動又は操作を行うと、プロトン交換膜の表面には結氷が発生する場合があり、これにより、氷は、プロトン交換膜を刺し通し、プロトン交換膜にダメージを与える可能性がある。また、燃料電池では、化学反応を用いて水素を生成するための反応物が水であれば、水が負温度時に結氷することがあり、これにより、他の反応物と化学反応を行うことができず、水素を生成することができなくなる恐れがある。

特許文献１は、ファンを利用して熱い空気を燃料電池の陰極端に導く燃料電池モジュールを開示している。特許文献２は、燃焼器、熱交換器及び燃料電池モジュールが一つの筐体に収納される熱生成器を開示している。特許文献３は、熱交換器により加熱された空気を燃料電池に導く燃料電池システムを開示している。特許文献４は、蓋が冷却蓋板の冷却器を加熱する燃料電池を開示している。

台湾特許第I255577号米国特許公開第2009/0253092号米国特許第7470479号米国特許公開第2008/0118787号

本発明の目的は、燃料電池が負温度環境で正常に動作することができる給電装置を提供することにある。

本発明の他の目的及び利点については、本発明に開示されている技術的特徴から更なる理解を得ることができる。

上述の一又は部分又は全部の目的若しくは他の目的を達成するために、本発明の一実施例によれば、給電装置が提供される。この給電装置は、第一筐体と、第二筐体と、電池モジュールと、吸気ユニットと、熱交換モジュールとを含む。第一筐体は、気孔を有する。第二筐体は、第一筐体内に配置され、そのうち、第二筐体内には、燃料電池を有する。電池モジュールは、第一筐体内に配置され、そのうち、燃料電池及び電池モジュールは、互いに給電するために用いられる。吸気ユニットは、第一筐体内に配置され、且つ気孔に近接し、そのうち、吸気ユニットは、気孔を介して気体を第一筐体に吸入する。熱交換モジュールは、第一筐体内に配置され、気体を加熱するために用いられ、そのうち、気体は熱交換モジュールを流れて加熱された後に、少なくとも一部の気体は、燃料電池、電池モジュールを流れる。

上述により、本発明の上述の実施例では、熱交換モジュールにより加熱された後の気体は燃料電池、電池モジュールを流れることによって、燃料電池及び電池モジュールは、比較的高い温度で給電を行うことができる。よって、燃料電池内に生じた結氷現象が燃料電池の正常な作動に影響を与えることを防止でき、且つ、燃料電池は比較的高い温度により給電効率を向上することができるので、給電装置に、高山、極地又は他の負温度環境で正常に給電させることができる。

本発明の一実施例による給電装置を示す図である。図１における給電装置内の気体流動を示す図である。本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

なお、次の各実施例の説明は、添付した図面を参照して行われたものであり、本発明の実施可能な特定の実施例を例示するために用いられる。また、次の各実施例に言及した方向の用語、例えば、上、下、前、後、左、右などは、添付した図面の方向を参考するためのもののみである。よって、以下に使用された方向の用語は、説明のために用いられ、本発明を限定するためのものでない。

図１は、本発明の一実施例による給電装置を示す図である。図２は、図１における給電装置内の気体流動を示す図である。図１及び図２を参照する。本実施例の給電装置１００は、第一筐体１１０、第二筐体１２０、電池モジュール１３０、吸気ユニット１４０、及び熱交換モジュール１５０を含む。第一筐体１１０は、気孔１１２を有する。第二筐体１２０は、第一筐体１１０内に配置され、且つ第二筐体１２０内には、燃料電池１２２を有する。電池モジュール１３０は、第一筐体１１０内に配置され、電池モジュール１３０は、燃料電池１２２に給電するために用いられ、これにより、燃料電池１２２の初期作動に必要な電力を提供する。燃料電池１２２は、反応により電気エネルギーを生成した後に、電池モジュール１３０に給電することもでき、これにより、電池モジュール１３０が十分な電気量を有するように維持させることができる。

吸気ユニット１４０は、例えばファンであり、第一筐体１１０内に配置され且つ気孔１１２に近接する。吸気ユニット１４０は、気孔１１２を介して気体（例えば、外部の空気）を経路Ｐ１に沿って第一筐体１１０内に吸入するために用いられる。本実施例では、第一筐体１１０と第二筐体１２０とは、完全な緊密接続でなく、且つ第一筐体１１０と第二筐体１２０との間には、気体流通のための通路としての一定の空間が存在するので、第一筐体１１０内に進入した気体は、第一筐体１１０内において第二筐体１２０との間に流動することができる。熱交換モジュール１５０は、第一筐体１１０内に配置され、気体は、経路Ｐ２に沿って熱交換モジュール１５０を流れて加熱された後に、一部の気体は、経路Ｐ３に沿って燃料電池１２２を流れ、続いて経路Ｐ４に沿って電池モジュール１３０を流れ、最後に経路Ｐ５に沿って吸気ユニット１４０を流れて継続して流動することができる。

上述の配置方式により、気体は、熱交換モジュール１５０に加熱された後に、燃料電池１２２、電池モジュール１３０、及び吸気ユニット１４０を順に流れることができ、これにより、燃料電池１２２及び電池モジュール１３０は、比較的高い温度の環境で給電を行うことができ、且つ気体は、吸気ユニット１４０の作用により絶えずに循環加熱され得るので、給電装置１００内において非負温度状態になることを確保できる。よって、燃料電池１２２内に生じた結氷現象が燃料電池の正常な作動に影響を与えることを防止可能であり、且つ電池モジュール１３０は、比較的高い温度により給電効率を向上することができ、これにより、給電装置１００は、高山、極地又は他の負温度環境で正常な給電を行うことができる。

本発明は、第一筐体１１０内及び第二筐体１２０内の温度の上昇幅について限定しない。例えば、燃料電池１２２内の結氷現象を避けるために、熱交換モジュール１５０は、第一筐体１１０内及び第二筐体１２０内の温度が０℃よりも低い温度から０℃よりも高い温度まで上昇できるように、気体を十分に高い温度まで加熱する必要がある。燃料電池１２２及び電池モジュール１３０の給電効率を更に向上するために、熱交換モジュール１５０により上述の気体を更に高い温度まで加熱することができ、これにより、第一筐体１１０内及び第二筐体１２０内の温度は、５℃まで、或いは、他の適切な温度値以上まで上昇することができる。また、本発明は、気体の流動方式について限定せず、気体は、経路Ｐ４に沿って電池モジュール１３０を流れた後に、一部の気体は、経路Ｐ６に沿って第二筐体１２０内に進入し、それから、経路Ｐ３に沿って第二筐体１２０から流れ出しても良い。

詳細に言えば、本実施例の第一筐体１１０の材質は、例えば、フォーム（Foam）又はポリスチレン（PS）系発泡体などの保温材料を含み、これにより、第一筐体１１０内の温度は、外部の低温により迅速に降下することがない。他の実施例では、第一筐体１１０内に真空層を設置してもよく、これにより、外部との熱交換の速度を下げ、第一筐体１１０内の温度が外部の低温により迅速に降下することを更に防止できる。

また、本実施例の第一筐体１１０は、排気弁１１４を有し、第一筐体１１０内の気体は、排気弁１１４を介して外部に排出することができ、これにより、第一筐体１１０内の気圧を調整することでき、第一筐体１１０内の圧力が大き過ぎて外部の気体（例えば空気）が吸気ユニット１４０により第一筐体１１０に吸入され難いことを防止できる。また、第一筐体１１０は、排気口１１６を更に有し、排気口１１６は、第二筐体１２０と連通し、燃料電池１２２の反応した後の剰余気体は、排気口１１６を介して外部に排出することができる。他の実施例では、第一筐体１１０では、排気弁１１４の箇所に、排気弁１１４の代わりに、排気口が設置されてもよく、且つ、該排気口には、透気性及び不透液性を有する膜を更に設置してもよく、これにより、外部の液体が給電装置１００内に進入してその正常な作動に影響を与えることを防止できる。

図１及び図２に示すように、本実施例の熱交換モジュール１５０は、２つの加熱片１５２及び複数の隔離板１５４を含む。これらの隔離板１５４は、２つの加熱片１５２の間に配置され、これにより、２つの加熱片１５２の間は、流路を構成する。上述の気体は、経路Ｐ２に沿って上述の流路を流れている時に、２つの加熱片１５２により加熱され、十分な加熱を受けることができる。なお、本発明は、図１及び図２に限定されず、他の実施例では、熱交換モジュールは、一つ又は複数の加熱片を含んでもよく、また、実際の需要に応じて、複数の隔離板は、加熱片の一方側又は両側に配置されてもよい。以下、熱交換モジュールについては、図面を以て例を挙げて説明する。

図３は、本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。図３を参照する。本実施例の熱交換モジュール２５０は、２つの加熱片２５２及び一つの隔離板２５４を含み、隔離板２５４は、２つの加熱片２５２の間に配置されて、２つの加熱片２５２の間に流路を構成する。

図４は、本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。図４を参照する。本実施例の熱交換モジュール３５０は、一つの加熱片３５２及び複数の隔離板３５４を含み、一部の隔離板３５４は、加熱片３５２の一方側に配置され、もう一部の隔離板３５４は、加熱片３５２の他方側に配置され、これにより、加熱片３５２の両側に流路を構成する。

図５は、本発明の他の実施例による熱交換モジュールを示す図である。図５を参照する。本実施例の熱交換モジュール４５０は、三つの加熱片４５２ａ〜４５２ｃ及び複数の隔離板４５４を含み、一部の隔離板４５４は、加熱片４５２ａと加熱片４５２ｂとの間に配置されて、加熱片４５２ａと加熱片４５２ｂとの間に流路を構成し、もう一部の隔離板４５４は、加熱片４５２ｂと加熱片４５２ｃとの間に配置されて、加熱片４５２ｂと加熱片４５２ｃとの間に流路を構成する。

図２に示すように、本実施例の燃料電池１２２は、発熱ユニット１２２ａを含む。燃料電池１２２の反応過程に、発熱ユニット１２２ａは、熱エネルギーを生成することができ、上述の気体は、経路Ｐ３に沿って流れる時に、発熱ユニット１２２ａを流れて更に加熱され、これにより、燃料電池１２２自身が作動する時に生成した熱エネルギーを利用して給電装置１００内の温度を上げることができる。

本実施例の燃料電池１２２は、例えば、プロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、メタノール直接型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)、又は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）であり、本発明は、燃料電池１２２の種類について限定しない。また、本実施例の電池モジュールは、リチウムイオン電池（lithium ion battery）、LiFeP04電池（LiFeP04 Battery）、鉛蓄電池(lead acid battery)、ニッケル水素電池（nickel metal hydride battery）、又は乾電池（dry battery）を含んでも良い。

図２に示すように、本実施例の給電装置１００は、少なくとも一つの燃料貯蔵箱１６０（図には三つがある。）を更に含む。燃料貯蔵箱１６０は、第一筐体１１０内に配置され、且つ燃料電池１２０の反応に必要な燃料を提供するために用いられる。例えば、各燃料貯蔵箱１６０は例えば水素貯蔵箱であり、燃料電池１２０の反応に必要な水素、又は、水素を生成するための反応物を保存するために用いられる。気体は、経路Ｐ３に沿って第二筐体１２０から流れ出した後に、一部の気体は、経路Ｐ７に沿って燃料貯蔵箱１６０を流れて吸気ユニット１４０に到達する。燃料貯蔵箱１６０を流れている気体は、燃料貯蔵箱１６０の温度を上げることができ、これにより、燃料貯蔵箱１６０から燃料電池１２２に提供した燃料に比較的高い温度を持たせ、燃料電池１２２の反応効率を向上することができる。

本発明は、第一筐体１１０内の各部品の配置位置について限定しない。第二筐体１２０、電池モジュール１３０、吸気ユニット１４０、熱交換モジュール１５０、及び燃料貯蔵箱１６０の相対位置を適切に調整してもよく、また、第一筐体１１０内の適切な位置に適切な数のストッパー又は他の気流導引構造を設置してもよく、これにより、気体は、吸気ユニット１４０の作用により上述の方式で第一筐体１１０内に循環流動することができる。

以上述べたところを総合すれば、本発明の上述の実施例では、熱交換モジュールにより加熱された気体は、燃料電池、電池モジュール、燃料貯蔵箱及び吸気ユニットを流れることによって、燃料電池及び電池モジュールは、比較的高い温度で給電を行え、且つ気体は、吸気ユニットの作用により絶えずに循環加熱されて、給電装置内において非負温度状態になることを確保できる。よって、燃料電池内に生じた結氷現象が燃料電池の正常な動作に影響を与えることは避けられ、且つ電池モジュールは比較的高い温度により給電効率を向上することができ、また、燃料貯蔵箱から燃料電池に提供した燃料に比較的高い温度を持たせることにより、燃料電池の反応効率を向上し、給電装置に、高山、極地又は他の負温度環境で正常な給電を行わせることができる。

本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の部分と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及している「第一」、「第二」等の用語は、要素（element）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのもののみであり、要素の数量上の上限又は下限を限定するためのものでない。

１００給電装置
１１０第一筐体
１１２気孔
１１４排気弁
１１６排気口
１２０第二筐体
１２２燃料電池
１２２ａ発熱ユニット
１３０電池モジュール
１４０吸気ユニット
１５０、２５０、３５０、４５０熱交換モジュール
１５２、２５２、３５２、４５２ａ〜４５２ｃ加熱片
１５４、２５４、３５４、４５４隔離板
１６０燃料貯蔵箱
Ｐ１〜Ｐ７経路

Claims

気孔を有する第一筐体と、
前記第一筐体内に配置される第二筐体であって、前記第二筐体内には燃料電池を有する第二筐体と、
前記第一筐体内に配置される電池モジュールであって、前記燃料電池及び前記電池モジュールは互いに給電するために用いられる電池モジュールと、
前記第一筐体内に配置され且つ前記気孔に近接する吸気ユニットであって、前記吸気ユニットは前記気孔を介して気体を前記第一筐体に吸入するために用いられる吸気ユニットと、
前記第一筐体内に配置され、前記気体を加熱するために用いられる熱交換モジュールであって、前記気体は前記熱交換モジュールを流れて加熱された後に、少なくとも一部の前記気体は前記燃料電池及び前記電池モジュールを流れる熱交換モジュールと、
を含むことを特徴とする給電装置。
前記給電装置は通路を更に含み、
前記通路は前記第一筐体と前記第二筐体との間に形成され、前記気体は前記通路を経由して前記熱交換モジュール、前記燃料電池、及び前記電池モジュールを流れる、請求項１に記載の給電装置。
前記第一筐体は排気弁を有し、
前記第一筐体内の前記気体は、前記第一筐体内の気圧を調整するために、前記排気弁を介して外部へ排出される、請求項１に記載の給電装置。
前記第一筐体は排気口を有し、
前記排気口は前記第二筐体に連通され、前記燃料電池の反応後における剰余気体は前記排気口を介して外部へ排出される、請求項１に記載の給電装置。
前記第一筐体の材質は保温材料を含む、請求項１に記載の給電装置。
前記燃料電池はプロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、メタノール直接型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)、又は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）である、請求項１に記載の給電装置。
前記燃料電池は発熱ユニットを含み、
前記気体は前記発熱ユニットを流れて加熱される、請求項１に記載の給電装置。
前記電池モジュールはリチウムイオン電池（lithium ion battery）、LiFeP04電池（LiFeP04 Battery）、鉛蓄電池(lead acid battery)、ニッケル水素電池（nickel metal hydride battery）、又は、乾電池（dry battery）を含む、請求項１に記載の給電装置。
前記吸気ユニットはファンである、請求項１に記載の給電装置。
前記熱交換モジュールは、
少なくとも一つの加熱片と、
流路を構成する少なくとも一つの隔離板と、
を含み、
前記気体は前記流路を流れて前記少なくとも一つの加熱片により加熱される、請求項１に記載の給電装置。
前記少なくとも一つの加熱片の数は２であり、前記少なくとも一つの隔離板は前記２つの加熱片の間に配置される、請求項１０に記載の給電装置。
燃料貯蔵箱を更に含み、
前記燃料貯蔵箱は前記第一筐体内に配置され且つ前記燃料電池の反応に必要な燃料を提供するために用いられる、請求項１に記載の給電装置。
前記燃料貯蔵箱は水素貯蔵箱である、請求項１２に記載の給電装置。
前記気体は前記熱交換モジュールにより加熱された後に、一部の前記気体は前記燃料電池、前記燃料貯蔵箱、及び前記吸気ユニットを流れる、請求項１２に記載の給電装置。