TW200428692A - Electrochemical cell refueling and maintenance system - Google Patents

Description

200428692 玖、發明說明： 【屬?^明所1屬員域^ 發明領域 - 本發明係有關金屬空氣電化學電池系統，尤係有關在 · 5正常補充燃料及/或維修時仍可保持操作的不斷電系統。 發明背景 . 金屬空氣電化學電池已變成一種具吸引力的“可擇替 代能源”(見2001“Electnc vehicle”，併此附送參考），主要係 鲁 1 〇其有非常高的能源密度以及可補充消耗性金屬燃料的能 力。金屬空氣電池的能量可藉以一新的陽極或新的陽極= 料來更換耗盡的金屬陽極而來補充。又，某些類型的電化 學電池亦可被充電來將金屬氧化物放電反應生成物電化學 地轉化回可消耗的金屬燃料。於該等可再充電和不能再充 Μ電的電池系統中，皆需要維修保養來維持電池的操作(例如 清理可再使用的陰極結構，更換損壞的構件等等）。 補充燃料或維修過程之-習知的缺點是該系統必須暫 鲁 停。由於該金屬空氣電池在其可用壽命中能被補充燃料許 多次，故該金屬空氣電池必須補料或維修而來由該電池或 2〇系統獲取能量。但是，當在補料或維修過程中，該系統的 停機對使用者而言會是-大問題。例如，在使用金屬空氣 電池作為能源的不斷電系統(UPS)或備用電力系统中，當補 充燃料或進行維修時若該整個系統必須關掉則會有高錢 ' 險0 5 電池=，:::::乃有:要提供-種金屬空氣電化學 ⑽可自m及=修過程中仍能不中斷地操 皆同）。 线放錢式或充電模式 C 明内2 發明概要 省去技術之上述及其它的問題和缺點，能被本發明 模組化電化學電料、統，尤其是—簡電池裝置和系統， 的一些方法及裝置來克服或消減。 該系統包含N+X個各別的電化學電池模組。該系統 個模組典型係足以提供—放電輸出或接收—充電輸入 某些實施财’-控㈣統亦會被提供來檢測各模組的狀 況，並決定最佳的N個模組來提供當放電或充電時之最佳性 能所需的功能。該額外的X個模組(#使用—控制系統時， 係被該控難統決定排除)之—或多者，係可絲維修或補 料(可以或不必移出電池結構），而不會中斷其餘的n個模組 之操作。 本發明的上述及其它特徵，專業人士將可由以下詳細 說明和圖式來清楚瞭解。 圖式簡單說明 第1圖示出一金屬空氣系統。 第2圖示出該系統之第—金屬空氣模組的補充燃料或 維修。 第3圖不出5亥系統之第二金屬空氣模組的補充燃料或 維修 第4圖示出鸪系矣 修 ，'第N金屬空氣模組的補充燃料或維 第5圖示出鸪系会 或維修。 >'之第N+1金屬空氣模組的補充燃料 【實施冷气】 較佳實施例之祥蚰說明 -種可提供多種： 被示於第1圖中。讀系έ途所需能量的電化學電池系統ίο係 各模組1，2,3·..Ν，仏f包含多數的電化學電池 ’如所示之 在可充電系統中的欲在该電池系統10的典型操作下（即 而額外添即已足夠。 *些包括金屬空氣電化學電池’而在 、會藉由一離子傳導介質(例如一離子傳導聚合物，-電解質 凝膠，或""液體電解質如KQH或NaQH等)來與—陰極結構 離子接觸。在此介面上的電化學反應會產生電力，其會被 运至一電連接的耗電負載裝置（經由一電連接於該陽極和 耗電負载裝置之間的陽極終接元件，與一電連接於該陰極 結構和耗電負載裝置之間的陰極終接元件）。在該電化學反 應中，〇2典型會在該燃料電池的陰極電解f介面處被消 於金屬空氣燃料電池裝置和系統中，其燃料陽極係為 —金屬（例如卡狀、片狀、帶狀或膏聚形式的鋅或銘）。 在金屬空氣燃料電池裝置和系統中，該氧化金屬（如辞 200428692 氧化物或鋁氧化物）可藉將一電力產生源連接通過該介 面，以使相反的電化學反應將該氧化金屬轉化成可再使用 於放電操作的原來形式，而來被充電。在該等放電及充電 操作中所依據的電化學技術係被揭述於以下各專利檔案 5 中：WO 99/18628名稱為“使用金屬燃料卡的金屬空氣燃料 電池系統”；WO 99/18627名稱為“使用金屬燃料帶的金屬空 ’ 氣燃料電池系統”；WO 99/18620名稱為“使用移動陽極和陰 · 極結構的金屬空氣燃料電池系統”；WO 03/41211名稱為“可 充電及補充燃料的金屬空氣電化學電池”；WO 02/73732名 ® 10 稱為“可補充燃料的金屬空氣電化學電池及用於電化學電 池之可補充燃料的陽極結構，，；及美國專利Ν〇· 5250370等各 案，其内容併此附送。 在該等燃料電池裝置及系統中之燃料電池的陽極結構 (尤其是在金屬空氣燃料電池中之可耗式陽極燃料材料）會 15具有有限的壽命。在一定數次的放電/充電循環之後，即需 要&極更換操作，其中一 ％極結構(例如在一金屬空氣燃 料電池中的氧化金屬，或在一氫類燃料電池中的陽極元件） · 會被以一新的陽極結構來更換。

S亥燃料電池裝置及系統的陰極結構亦會有一有限的壽 20命。在金屬空氣燃料電池裝置/系統中，其陰極結構乃包I 一惰性導體的可透氧網(如碳及電流收集基質），及一觸媒可 - 還原渗透穿過該網而進入系統中的氧。通常，在金屬空氣 - 燃料電池裝置/系統中之陰極結構的操作壽命會遠超二二 單獨的金屬燃料陽極(例有10至50倍的操作壽命），故其在所 8 200428692 對應的陽極更換之後仍可重複地使用。當該陰極結構的操 作壽命終了時，則可經濟地更換“耗盡，，的陰極結構。 此外，該燃料電池裝置或系統的離子傳導介質（如電解 貝）亦具有一有限的壽命。在一定數次的放電/充電循環之 5後，即需要一更換操作，其中該被消耗的離子傳導介質（如 電解質）會以“新鮮的，，離子傳導介質來更換。 在某些實施例中（如前述之W0 02/73732參考案中所詳 述），該陽極和電解質能在同一操作中來更換，例如該陽極 卡會被以一固體膠膜來包覆，而該固體膠膜係可電隔離該 1〇陽極與陰極，並形成一離子傳導媒體源。 在另一實施例中，一金屬空氣電池可包含流體式電 池，其中電極耗用燃料係以液體或膏漿形式來提供。該等 電池可包括以金屬（如Ζη，Α1)和電解質混合成膏漿或液體形 式的金屬空氣電池。 15 又’該電化學電池亦可包含一種氧化還原電池，例如 鋅/溴、釩氧化還原電池，或其它的流體類氧化還原電池， 其中陽極液及/或陰極液會以液體形式來提供。 該系統10更包含一控制系統15。該控制系統15包含一 感測系統可監測每一個別的金屬空氣模組1，2,3,…N，N+1之 2〇 狀況，及/或切換系統能電連接/斷接某些電池。該控制系統 15更可包含一DC/DC轉換器，DC/AC轉換器，或適當的人 工智慧能藉感測外部負載需求，而依據該負載/充電系統對 電壓/電流電平波動的判斷敏感性來調整該系統。故，該電 池系統10會經由一控制系統15來連接於一負載或充電單元 9 Z在某些實施例中，該控制系統包—電子控制系統設有 -功率的半導體開關（如電晶體或mosfets)。 4歹 ij to ^ _ m 统會被連接於繼電器或其它的機電開關。 銷士始/卜的實她例中’ 一開關可包括一機械式或機電的互 可乂二先#可為人工操作或自動控制的。該控制器亦 或操作性連接於-功率電路，例如包含-或多個電 ^及/或電池’尤其是在需要切換操作及接續電力時可能 泡生延遲的情況者。*針對並聯電池系統，典型並不需要 、(不順疋、纟k由半導體開關，機械開關或機電開關）。 上所述，在该電池系統10的典型操作下（如可充電系 統中:放電或充電），_模組即已是夠。在某些實施例中， 於正吊操作時，所有的模組（即N+1個模組）皆會一齊來被放 電^或充電。在某它實施例中，該控㈣統將會檢測每一 \、、、的狀况並依據该糸統的操作模式，來選出最佳的n 板、、且以供放電或充電。若該系統中之_模組需要補充燃 料或維修時，該控制系統會檢出其狀況，而使模組丨（見第2 图）模組2(見弟3圖）、模組]ST(見第4圖）或模組N+i(見第5 圖）等能被補充燃料及/或進行維修。在某些實施例中，此可 被完成而不必卸除整個電池結構。例如，可僅卸除該耗盡 的陽極部份，而陰極部份仍可完整保留在該電池系統内， 如在習知技術中機械式充電或補充燃料一般。 依據本發明之一重要特徵，為能保持不中斷的系統操 作’该補充燃料及/或維修會在該系統10中的X個模組來同 時進行。故，有N個模組乃保持最佳的系統操作。該N個模 2經㈣㈣城系統來簡電連接於旁通跳接線，或 續的U冓&通巾％在該控制㈣心或其它適當切換系 、、死的操作下來完成。 5 “第2圖不出第一模組係與該系統斷接而來補充燃料及/ :、、、修。此補料或維修工作可用人力或由機械人或其它可 二的機械裝置來自動地進行。當此第—模_補料或祕 ， 二成之後，該新鮮的模組會回到該系統内。如第3圖所示， · 為第二模組嗣可被處理來補充燃料及/或維修。第*〜$圖則 示出第N及N+1模組的補充燃料及/或維修。 · 1〇 由上述說明乃可看出本發明的主要特徵係提供一或多 個額外的模組於該系統，俾在該系統補充燃料或維修時能 避免停機。故，雖有N+1個模組被示於該系統1〇内（其能以 N個模組來操作），但其會被提供Ν+χ個模組。故其中又個模 組可被用來補充燃料及/或維修，而不會中斷其餘]^個模組 15 的運作。 上述系統能被使用於各種類型的電力系統。例如，其 可在使用瞬間系統諸如一UPS(第一反應），電力後備系統 鲁 (弟一反應）’或電動車輛系統時獲得甚大的效益。 雖較佳實施例已被示出及說明，但各種修正及替代等 20亦可被實施而不超出本發明的精神與範圍。因此，應請瞭 解本發明於上所述者僅為舉例說明而非限制。 ， 【圖式簡單說明】 第1圖示出一金屬空氣系統。 第2圖示出該系統之第一金屬空氣模組的補充燃料或 11 200428692 維修。 第3圖示出該系統之第二金屬空氣模組的補充燃料或 維修。 第4圖示出該系統之第N金屬空氣模組的補充燃料或維 5 修。 第5圖示出該系統之第N+1金屬空氣模組的補充燃料 或維修。 【圖式之主要元件代表符號表】 1，2,3"*1^^+1"*各電化學電池模組 10…電化學電池系統 15…控制系統 20…負載/充電單元

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Claims (1)

1. 200428692 拾、申請專利範圍·· I 一種模組電化學電池系統，包含： N+X個各別的電化學電池模組，其中n個模組能提 供一放電輸出或接收一充電輸入；及 5 一控制系統能檢測各模組的狀況，並決定最佳的1^ 個模組來提供充電或放電時之最佳性能所需的功能； 其中由該控制系統決定排除的額外χ個模組中之一 · 或多個可被處理而不會中斷其餘>^個模組的操作，其中 X— 1。 肇 1〇 2· 一種可提供電力的模組電化學電池系統，包含·· Ν+Χ個各㈣電化學電池模組，其巾Ν個模組能提 供一放電輸出；及 一控制系統能檢測各模組的狀況，並蚊最佳的ν 個模組來提供放電時之最佳性能所需的功能； 5 其巾由該控制系統決定排除的額外X個模組中之一 或多個可被處理而不會中斷其餘關的操作 X— 1。 · 3.-種可充電多數電池的模組電化學電池系統，包含. Ν+Χ個各制電化學電池·，其巾朴或N+1個 模組能接受一充電輸入；及 一控制系統驗測各模_狀況，並決定前+X個 — 模組中是否有任一者在接收充電輸入時功能不佳； . 其中由該控制系統蚊排除的額外χ個模緩中之一 或多個可被處理而不會中斷其餘Ν個模組的操作，其中 13 200428692 x-卜 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之系統 的X個模組係可被取出來供維修該模組。 5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之系統 5 的X個模組係可被取出來供更換該模組。 6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之系統 組包含金屬空氣電化學電池。 7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之系統 組包含可補充燃料的金屬空氣電化學電池 10 8.如申請專利範圍第1至3項中任一項之系統 組包含可再充電的金屬空氣電化學電池。 其中該額外 其中該額外 其中該各模 其中該各模 其中該各模