TWI298957B - Fuel cell apparatus - Google Patents

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1298957 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） t發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關燃料電池。 5 【先前 發明背景 過去一世紀以來，對能量之需求係呈指數增長。因對 能量之增加需求，許多不同能源已被探究及發展。一主要 能源持續係烴之燃燒。但是，烴之燃燒一般係不完全燃燒 10 且釋出不可燃物，其會造成不同含量之煙霧及其它污染物 〇 因燃燒烴而產生之污染物，對於較乾淨且更有效率之 能源之需求近年來係日益增加。因對於較乾淨能源之增加 興趣，燃料電池已變得更普遍且更成熟。對於燃料電池之 15 研究發展已持續至多數人思索燃料電池很快會與產生大量 城市用電之氣體渦輪機、發動汽車之内燃引擎及操作各種 小型及大型電子產品之電池相競爭。但是，許多具各種不 同調制電力需求之應用係不能藉由現今之燃料電池技術所 符合。 20 燃料電池使燃料及氧化劑進行電化學能量轉化成電力 及熱。燃料電池係相似於電池，但其可於提供電力時，，重新 充電”。 燃料電池提供DC(直流）電壓，其可被用以提供馬達、 燈具或各種電器用品電力。具有數種不同型式之燃料電池 1298957 玖、發明說明 ，每一者係使用不同之化學。燃料電池一般係藉由所用電 解質型式而分類。燃料電池型式一般歸類為五種之一：質 子交換膜（PEM)燃料電池、鹼燃料電池(AFC)、磷酸燃料電 池（PAFC)、固體氧化物燃料電池（SOFC)及熔融碳酸鹽燃料 5 電池（MCFC)。 一般，燃料電池包含下列基本元件：陽極、陰極、電 解質，及配置於陽極及電解質間與陰極及電解質間之一或 更多之催化劑。元件組成於上述各種不同燃料電池之每一 者係可改變。 10 雖然燃料電池之發展近年來係快速，但仍具有數缺失 。現今燃料電池之一困難係缺乏多用途性。典型燃料電池 之配置僅能產生具相對較窄參數之電力，且無重大之電力 調制。但是，許多現代電子裝置需要可顯著變化之多種電 壓及電流。因此，典型燃料電池不能提供許多今日現代電 15 子裝置之電力。 C發明内容】 發明概要 於許多可能實施例之一中，本發明提供一種包含可藉 由控制模組以至少二配置而可電力重新建構之燃料電池組 20 之燃料電池裝置。 圖式簡單說明 本發明之前述及其它之特徵及方面於閱讀下列詳細描 述及參考圖式將變得更明顯，其中： 第1圖係依據本發明一實施例之單一電池之燃料電池 1298957 玖、發明說明 裝置之表示圖。 第2圖係依據本發明一實施例之燃料電池組或堆列之 表示圖。 第3圖係依據本發明一實施例之燃料電池之樣品極化 5 圖。 第4圖係依據本發明一方面之燃料電池電力系統之方 塊圖。 第5A圖係依據本發明一實施例之可重新建構之燃料 電池裝置之表示圖。 10 第5B圖係於第5A圖中所示之節點之表示圖。 第5C圖係第5B圖中所示之開關之表示圖。 第6圖係依據本發明另一實施例之可重新建構之燃料 電池裝置之表示圖。 第7圖係依據本發明另一實施例之可重新建構之燃料 15 電池裝置之表示圖。 第8圖係依據本發明一實施例之燃料電池裝置之開關 網絡之表示圖。 第9圖係依據本發明一實施例之第8圖之開關網絡之 例示結構之表示圖。 20 第10圖係依據本發明一實施例之第8圖之開關網絡之 另一例示結構之表示圖。 第11圖係依據本發明一實施例之第8圖之開 例示結構之表示圖。 第12圖係依據本發明-實施例之第8圖之開_絡< 1298957 玖、發明說明 例示結構之表示圖。 第13圖係依據本發明一方面之固體氧化物燃料電池裝 置之透視圖。 於圖式中，相同參考編號表示相似（但無需相同）之元 5 件。雖然本發明可有各種不同之改良及變化形式，其特殊 實施例已於圖式中例示，且於此詳細描述。但需瞭解此間 之特殊實施例描述不欲使本發明限於所揭露之特殊形式， 但相反地，本發明係涵蓋落於藉由所附申請專利範圍所界 定之本發明精神及範圍内之所有改良、等效物及變化。 10 【實施方式】 例示實施例之詳細說明 本發明之例示實施例係描述如下。如熟習此項技藝者 所暸解，本發明可於廣泛不同之燃料電池應用中實施。燃 料電池應用不受限地包含PEM燃料電池、AFC、PAFC、 15 SOFC 及 MCFC。 現參考圖式，特別是第1圖，單一電池之燃料電池裝 置（100)之表示圖依據本發明一實施例而被顯示。燃料電池 裝置（100)可為如上所述之任何燃料電池型式，且包含陽極 (102)及陰極（104)。一般燃料電池之操作電壓範圍係約1.0 20 至1.2伏特之開路電壓，降至完全短路電壓。因為即使開 路電壓相對較低，一般係使燃料電池配置成如第2圖所示 之數個堆列或組。“堆列”或“組”（200)可包含一或更多 之個別燃料電池，其被連接在一起以增加輸出電壓。依據 第2圖之實施例，燃料電池裝置（200)係以六個電池之呈串 1298957 玖、發明說明 聯、、、口 口而_ 7F ’以增加電負載可得之電壓。但是，需瞭解 燃料電池裝置（2(H))係性質上之代表例示，且燃料電池堆列 内之電池數量可為任何數量，從如第1圖所示之單-電池 結構。至具有數百個電池或更多之結構。 雖然大部份燃料電池之開路電壓係1〇至12伏特，但 最大電力輸出-般係以〇·5(+" ·2)伏特範圍實施。極化圖 (3〇〇)(如第3圖所示）係許多燃料電池之典型，包含第2圖 之燃料電池裝置（2GG)。極化圖⑽)顯示電壓與電流之關係 圖（3〇2)。燃料電池電力輸出曲線（3〇4)亦顯示於相同圖 10 (300)上。此曲線（304)表示考量下之例示燃料電池之最大電 力輸出於約0.7V之電壓時係約1〇〇〇 mW。 即使電力輸出對於大部份燃料電池於接近極化圖（3〇〇) 中。（306)處可達隶大，但燃料電池一般係於此圖（3⑽）之近 端部（3G8)處能更有效操作。即，當於較高電壓及較低電流 15操作時，燃料電池可比接近特殊燃料電池之最大理論電壓 更有效率地自各種不同化學反應產生電力。當供應之電流 增加時，燃料電池效率快速減少。因此，為使燃料系統效 率達最大，燃料電池電力輪出與效率間需被小心調整。依 據傳統燃料電池使用，此等調整決定僅依據對燃料電池之 20預期負載需求作一次。因此，當負載需求改變，燃料電池 會經常以極低效率操作。但是，依據本發明，燃料電池可 有利地被電重新建構以使效率達最大。此重新建構可規律 地或連縯地發生。此外，依據本發明之能電重新建構之燃 料電池電力結構有利地提供多重電壓及電流被同時供應至 10 1298957 玖、發明說明 電器用品。 其次參考第4圖，燃料電流電力系統(600)被顯示，其 促進依據本發明一實施例之燃料電池堆列重新建構。燃料 電池電力系統（600)可包含燃料電池供應（602)，其可以數種 5 電配置重新建構。燃料電池供應（602)被連接至變壓器，例 如，直流直流變換器（604)。燃料電池供應（602)係性質上之 例示代表，且燃料電池供應之内部配置之細節係於下參考 第5-6圖而探討。於某些實施例，直流直流變換器（604)可 以直流交流換流器替代，以提供交流電流至負載（608)。 10 燃料電池電力系統（600)亦包含一備用電力供應，諸如 ，第二電池（610)，其係電連接至負載（608)。第二電池 (610)較佳係可重新充電之電池。第二電池（610)可被包含以 提供短期負載”峰值水準”、系統起動電力、待命或系統”休 眠”電力，或其它電力需求。另外，第二電池（610)可與超 15 級電容器結合或以其替換而使用。第二電池（610)及/或超級 電容器之容量可包含衡量數因素，其不受限地包含預期之 負載分佈、系統重量及體積、組件之成本及複雜性、燃料 電池之起動期及寄生負載（例如，電控制、開關及裝置等） ，及系統效率。具有此揭示内容利益之熟習此項技藝者能 20 基於應用之特殊要求而輕易估量備用電力供應。 燃料電池供應（602)、直流直流變換器（604)及（若被包 含）第二電池（610)可與控制模組（606)呈電連通。控制模組 (606)可包含控制邏輯電路、訊號調節電路、開關控制電路 及其它促進燃料電池供應（602)重新建構以達最佳設定及利 11 1298957 玖、發明說明 用可重新充電之第二電池_)或使其重新充電之功能。控 制模組（600)可自具有此揭露内容之利益之熟習此項技藝者 所知之各種不同來源發現。例如，摩托羅拉（觀⑽⑷ 68HCxx系列之微控制器可被使用。 5 ㈣模組(6G6)之控制邏輯可被程式化而接受來自各種 不同來源之輸入值，並且以接收之輸入值及可獲得之可能 燃料電池供應（602)結構為基準計算最佳燃料電池堆列結構 。輸入值可不受限地包含負載(_)之特性、燃料電池性能（ 可包含燃料電池效率、燃料之利用、溫度、反應物及/或產 10物之組成及流動、淨電力輸出，燃料電池是否於極性化曲 線上操件等）、電池(610)充電狀態、自負載(608)之活性回 饋’及其它輸出數據。 燃料電池供應（602)較佳係包含數個燃料電池或燃料電 池堆列，其係藉由開關而相互連接，開關可被開啟或關閉 15以產生連接至此系統（600)剩餘者之燃料電池及燃料電池堆 列之其它結構。控制模組可被程式化以藉由選擇性及/或漸 增式地使燃料電池供應（6〇2)之一或多個燃料電池或燃料電 池堆列連接至直流直流變換器（604)或彼此連接而重新建構 此燃料電池供應（6〇2)以符合負載需求及於波值性能操作。 20 燃料電池或燃料電池堆列之連接可依據由控制模組（606)所 作之計算以串聯、並聯，或串聯及並聯之結合而為之。當 控制模組（606)接收各種不同之輸入值並計算符合負載需求 之最佳燃料電池堆列結構，控制模組會造成燃料電池供應 (602)内之各種不同開關開啟或關閉以使燃料電池供應（202) 12 1298957 玖、發明說明 重新建構，且造成燃料電池供應（602)輸出至系統（600)之其 餘部份。此外，控制模組（606)可規律地、連續地或以其它 方式於燃料電池供應（602)之個別堆列交替使用，以增加系 統（600)之壽命及可靠性。於燃料電池供應（602)之個別堆列 5 間之規律性交替使用可藉由調節陽極及陰極而使堆列獲利 。於使用烴燃料之燃料電池，一般係於開路電動勢時於陽 極上產生焦炭。因此，循環個別堆列之使用係有利地提供 堆列規律性之負載，以避免陽極產生焦炭。控制模組（606) 可被程式化以於無任何人為介入下自動地施行所有監測及 10 重新建構之功能。此外，控制模組（606)可為動態，造成會 受損之任何個別電池或堆列之旁路。 藉由控制模組（606)之燃料電池源（602)之有利重新建構 可藉由燃料電池源（602)之結構而促進。其次參考第5A圖 ，可重新建構之燃料電池供應（400)係依據本發明一實施例 15 而顯示。此燃料電池供應（400)係燃料電池供應（602 ;第4 圖）可採用之結構建構之一例子。燃料電池供應（400)包含數 個燃料電池組或堆列（402)。於本實施例中，每一組六個電 池之四組（402/404/406/408)，或二十四個個別電池，之呈 串聯組合被顯示。但是，此四組（402/404/406/408)之呈串 20 聯組合係性質上之例示代表，且任何數量之其它組合可取 代所示之組合。此外，每一個別組（402)之實際電池數量無 需為六個（如本實施例般），且每一組内之電池數量亦無需 相等。 依據第5A圖之實施例，燃料電池供應（400)可包含至 13 1298957 玖、發明說明 少一位於燃料電池組（402/404/406/408)之每一者間之分接 (412/414/416)，及至少一自第一（402)及最後（408)之燃料電 池組延伸之分接（410/418)。分接（412/414/416)可包含任何 導電元件。分接（410/412/414/416/418)之每一者可被電連接 5 至至少一開關（個別為420/422/424/426/428)，以使一或更 多之燃料電池堆列（402/404/406/408)彼此及/或與變壓器（諸 如，如上參考第4圖所示之直流直流變換器（604))選擇性地 連接或中斷。例如，以負載需求為基準，燃料電池組之一 (406)有時可藉由撥動一或更多之開關（例如，於第三燃料電 10 池組（406)與第二（404)及第四（408)燃料電池組間連接之開 關（424及426))造成第三燃料電池組（406)旁路而與直流直 流變換器（604 ，第 4 圖）呈電中斷。開關 (420/422/424/426/428)可為固態裝置或繼電器。 依據本發明一實施例之一或更多之開關 15 (420/422/424/426/428)之細節係於第5B及5C圖顯示。例 如，開關422可包含三個開關（SW1/SW2/SW3)之組合，以 促進燃料電池組之不同配置。此三個開關（SW1/SW2/SW3) 之每一者可包含第5C圖以示意型式顯示之細節。 除第5A圖所示者外，分接（410/412/414/416/418)可另

20 外包含互連。分接（410/412/414/416/418)亦可包含比第5A 圖之例示實施例中所示者更少之連接。決定負載參數及提 供與所示者不同之另類分接及其它互連及開關以使燃料電 池供應（400)之重新建構最佳地符合預期之負載參數係具此 揭露内容利益之熟習此項技藝者之範圍内。 14 1298957 玖、發明說明 因此，藉由對燃料電池組（402/404/406/408)提供一或 更多之分接（410/412/414/416/418)，燃料電池供應（400)可 藉由控制模組（606,第4圖）以任何若干方式調整不同負載 要求及促進每一個別燃料電池組之有效操作而重新建構。 5 如第5A圖所示，第一（402)及最後（408)燃料電池組内之燃 料電池組（404/406/408)之分接（412/414/416)可包含至少一 第二開關（個別係430,432,434)，以進一步促進燃料電池供 應（400)之重新建構。第二開關（430/432/434)可，例如，使 燃料電池供應（400)被電重新建構以藉由撥動數個開關（諸如 10 ，以元件422，424, 426，430, 432及434編列之開關）使數 個燃料電池組（404及406)繞道或中斷。 當藉由使燃料電池供應（400)電重新建構而使燃料電池 組（諸如，第二燃料電池組（404))自燃料電池供應（400)繞道 或與直流直流變換器（604，第4圖）中斷，一般供應至個別 15 電池或整個組（404)之化學反應物於某些實施例中可被中斷 ，使經繞道或經中斷之燃料電池組（404)呈”休眠”或待命模 式。因此，控制模組（606)可包含用於使閥或其它控制裝置 關閉至個別燃料電池或整個燃料電池組（404)之反應物供應 之電路、邏輯及控制能力。另外，當燃料電池組（404)被繞 20 道或中斷時，化學反應物供應於某些實施例可未被改變。 於許多燃料電池型式中，當燃料電池係於開路狀態時，燃 料電池停止或顯著地降低化學反應，其於電力中斷時會自 動地促進經繞道或被中斷之燃料電池組（404)之”休眠”或待 命模式。 15 1298957 玖、發明說明 其次參考第6圖，另外之可重新建構之燃料電池供應 (500)係依據本發明之另一實施例顯示。燃料電池供應（5〇〇) 係燃料電池源（602;第4圖）可採用之結構建構之另一例子 。燃料電池供應（500)包含數個燃料電池組或堆列（5〇2)，於 5 本實施例，每一組6個電池之四組（502/504/506/508)之一 呈串聯結合，其可與每一組6個電池之四組 (540/542/544/546)之第二串聯結合呈並聯建構。但是此八 組（502/504/506/508 及 540/542/544/546)之呈串聯/並聯之結 合於性質上係例示代表，且任何數量之其它之串聯/並聯之 10 結合可取代所示之結合。此外，每一個別組（502)内之實際 電池數量無需為6個（如本實施例中般），每一組内之電池 數亦無需相等。此等組（502等）内之電池數可以預期之系統 負載特性及淨燃料電池電力輸出變化之所欲規律性為基準 而選擇。 15 依據第6圖之實施例，燃料電池供應（500)可包含至少 一位於第一組之燃料電池組（502/504/506/508)之每一者間 之分接（512/514/516)，及至少一自第一組之第一（502)及最 後（508)之燃料電池組延伸之分接（510/518)。相似地，燃料 電池供應（500)可包含至少一位於第二組之燃料電池組 20 (540/542/544/546)之每一者間之分接（550/552/554)，及至少 一自第二組之第一（540)及最後（546)之燃料電池組延伸之分 接（548/556)。分接（510/512/514/516/518/548/550/552/554/ 556)之每一者可被電連接至至少一開關（個別係 520/522/524/526/528/558/560/562/564/566)，以使一或多個 16 1298957 玖、發明說明 燃料電池組（5〇2等）彼此選擇性地連接或中斷，或與直流直 /瓜麦換器（604 ’第4圖）選擇性地連接或中斷。例如，以負 載需求為基準，燃料電池組之-（544)有時可藉由撥動一或 更多之開關（例如，於第三燃料電池組（544)與第二（542)及 5第四（546)燃料電池組間連接之開關（562及564))，中斷第 二燃料電池組，而與燃料電池供應（500)中斷。一或更多之 依據本發明之開關（52G等）可參考如上之第5B及5C圖所 示及探纣般建構。分接（51〇等）可包含許多互連以促進以任 何方式之燃料電池組（5〇2等）之重新建構，提供不同之電負 10荷要求决疋負載參數及提供與所示者不同之另類分接及 其它互連及開關以使燃料電池供應（500)之重新建構最佳地 符合預期之負載參數係具此揭露内容利益之熟習此項技藝 者之範圍内。 因此，藉由對燃料電池組（502等）提供一或更多之分接 15 (510等），燃料電池供應（500)可以任何方式重新建構以對 不同負載要求而調整，並促進每一個別燃料電池組之有效 操作。如第6圖所示，第一（502)及最後（508)之燃料電池組 内之第一串聯組之燃料電池組（504/506/508)之分接 (512/514/516)可包含至少一第二開關（個別係530/532/534) 20 ，以進一步促進燃料電池供應（500)之重新建構。相似地， 第一（540)及最後（546)之燃料電池組内之第二串聯組之燃料 電池組（542/544/546)之分接（550/552/554)可包含至少一第 二開關（個別係568/570/572)，以進一步促進燃料電池供應 (500)之重新建構。第二開關（530/532/534/568/570/572)可， 17 1298957 玖、發明說明 例如，藉由撥動一或更多之開關使燃料電池供應（500)被電 重新建構以使多個燃料電池組以各種不同之串聯/並聯結合 連接及/或繞道。如上所探討，開關可藉由控制模組（606， 第4圖）控制，其可評估所接收之輸入值，可獲得之可能重 5 新建構，然後，使此等電池組之最佳重新建構發生。 當燃料電池組（諸如，第二燃料電池組（504))藉由使燃 料電池供應（500)電重新建構而繞道或中斷時，一般被供應 至個別電池或整個電池組（504)之化學反應物可於某些實施 例被中斷，使經繞道或經中斷之燃料電池組（504)呈”休眠” 10 或待命模式。於欲選擇性地中斷對個別燃料電池組（502等） 之化學供應之實施例，其可能需以個別之化學供應及可以 控制模組（606，第4圖）控制之排放線路調測每一燃料電池 組（502等）。另外，當燃料電池組（504)被繞道或中斷時， 化學反應物供應於某些實施例係未改變。於許多燃料電池 15 型式，當燃料電池係於開路狀態時，燃料電池停止或顯著 地降低化學反應，其可於被繞道或中斷時，自動地促進經 繞導或經中斷之燃料電池組（504)之”休眠”或待命模式。 可重新建構之燃料電池供應（500)可被配置成使被認為 可操作之個別燃料電池組（504/506/542/544)時常係於供應 20 (500)之中央，以於外燃料電池組（502/508/540/546)未操作 時提供熱至此等電池組。最多使用之燃料電池組之中央位 置對於加熱目的係重要的，如此，任何”休眠中’’之燃料電 池組於需要時可快速作用。 其次參考第7圖，依據本發明另一實施例之燃料電池 18 1298957 玖、發明說明 電力系統（700)被顯示。依據第7圖之實施例，燃料電池電 力系統（700)可包含數個燃料電池組（402/404/406/408)，每 一組係電連接至開關網絡（702)。需瞭解可具有更大或更少 數量之電連接至開關網絡之燃料電池組，且所示實施例係 5性質上之例示代表。開關網絡（702)可包含能使燃料電池組 (402/404/406/408)重新建構之任何數量之開關及連接，其 例子係於下探討。 參考第8圖，依據本發明之開關網絡（7〇2)之一實施例 被顯示。依據第8圖之實施例，可具有用以使燃料電池組 10 (402/404/406/408)以任何數量之建構互連之數個節點（4〇1) 。此等節點（401)之每一個表示一可能電連接點，其可包含 可選擇性地開啟或關閉以使燃料電池組（402/404/406/408) 電重新建構之開關（第5B及5C圖）。例如，若要的話，燃 料電池組（402/404/406/408)可藉由關閉第9圖所示之節點 15 (401)處之連接而呈串聯式建構（於本實施例中之缺乏節點 (401)係表示開路狀態）。再者，燃料電池組 (402/404/406/408)亦可藉由關閉如第1〇圖所示節點（4〇1)處 之連接而呈並聯式重新建構。其它建構亦可能，例如，第 11圖所示之電力建構，其中，二燃料電池組（4〇4及4〇8)係 20呈串聯式建構，且剩餘之二燃料電池組（4〇2及4〇6)係停頓 。另一可能之電力建構例子係如第12圖所示，其中，二燃 料電池組（404 &綱)係以串聯式建構，且其它二燃料電池 組(402及406)係停頓。需瞭解任何數量之其它電重新建構 依據本發明係可能，且第M2圖所示之建構係性f上之例 19 1298957 玖、發明說明 示代表。 需暸解藉由上述結構之數個建構可被實施以藉由重新 建構燃料電池組而同時提供數個電壓至負載裝置。許多現 代電子用品需要數個不同壓之電流（例如，電腦需要用於中 5 央處理器、顯示器、風扇等之電力），且本發明能使燃料電 池組被重新建構以同時提供數個電力需求。 如上所探討，本發明可以各種不同燃料電池型式利用 。例如，固態氧化物燃料電池（SOFC)、質子交換膜燃料電 池、磷酸及此等燃料電池之其它衍生物可自本發明技術獲 10 利。但是，本發明可能最適於SOFC。 參考第13圖，平面式固態氧化物燃料電池（19)被顯示 。SOFC現今被認為係一非常有前途之燃料電池技術，且 能於無使用改質器下使用各種不同燃料（例如，氫、烴、醇 等）。S0FC(19)包含四個基本元件：陽極（20)、陰極（22)、 15 電解質（24)及二極板（26及27)，其係個別被配置於陽極 (20)及陰極（22)之外側。電解質（24)被夾置於陽極（20)與陰 極(22)間。 與陽極（20)接觸之二極板（26)係燃料電池（19)之負極接 線柱，且傳導自燃料釋出之電子，如此，電子可於外部電 20 路（21)使用。二極板（26)包含於其它形成圖案之通道（28)， 以使燃料儘可能均句地分散於陽極（20)之表面上，且自陽 極（20)區域移除任何燃料產物（例如，水、二氧化碳等）。 與陰極（22)接觸之二極板（27)係燃料電池（19)之正極接 線柱。二極板（27)具有於其内形成圖案之通道（30)，使氧（ 20 1298957 玖、發明說明 一般係空氣）均勻地分佈於陰極（22)之表面，且提供移除耗 盡氧之空氣。二極板(27)亦使電子自外部電路（2丨）傳導至陰 極(22)，其間，與分子氧結合形成氧離子。 於本實施例之電解質（24)係固態氧化物膜。電解質（24) 5典型上係理想上僅傳導氧離子之南溫陶竟材料。此電解質 (24)避免電子通過，且係不能滲透氣態之反應物及產物。 陽極（20)可為陶瓷/金屬之混合物（金屬陶瓷，例如，以 氧化紀安定之氧化錯/鎳、以氧化釤摻雜之氧化鈽/鎳等）。 1%極（20)—般係多孔狀以使三相邊界達最大。陽極（2〇)促進 10 燃料之氧化反應。 陰極（22)典型上係電催化劑及氧離子導體之複合混合 物（例如，鑭勰亞錳酸鹽/以氧化釔安定之氧化锆、釤勰輝 砷鈷礦/以氧化釤摻雜之氧化鈽等）。陰極（22)一般係多孔狀 以使三相邊界達最大。陰極促進氧化劑之還原。 15 於操作中之燃料電池，電解質（24)被夾置於陽極（2〇)與 陰極（22)間。燃料電池之操作一般係描述如下。燃料（例如 ，烴、H2、一氧化碳等）係於陽極侧上進入燃料電池。當燃 料與陽極（26)上之催化劑接觸時，離子及電子係藉由於陽 極氧化燃料而形成，且電子（e-)被形成。電子係經由陽極 20 (20)傳導至二極板（26)，其間形成經外部電路（21)之路徑， 可提供電力以進行有用工作（諸如，使馬達運轉或點亮燈泡 (23)) ’且回到燃料電池（19)之陰極側。 同時，於燃料電池之陰極（22)側，分子氧（〇2)存在於空 氣中，且係沿二極板（27)流動。當〇2被迫使沿著二極板 21 1298957 玖、發明說明 (27)且越過陰極，其形成二個氧離子，每—者具有強的負 電荷。此等氧離子通過固態氧化物電解質，且於陽極⑼) 上與燃料交互作用。t H2係用於S0FC(19)之燃料，氧離 子結合形成水分子及用於外部電路（21)之二電子。 5 剛描述之燃料電池反應於有用電流僅產生約〇·7伏特 。因此，為使電壓依如上所述般上升至較高程度，許多個 別之燃料電池一般被結合以形成燃料電池堆列。 固態氧化物燃料電池典型上係於相當高溫（約高於8㈨ C)操作，使其具有高反應動力學，且依陽極組成使用各種 10不同之燃料。較低溫之操作對於需快速起動或不昂貴之貯 藏結構及溫度管理係所考量之應用係所欲的。 於某些建構，SOFC(19)可以管件陣列配置。但是，本 實施例係以所示之平面式堆列配置顯示。 先前之描述僅係用以例示及描述本發明而呈現。不欲 15使詳盡闡述或使本發明限於所揭露之任何嚴格形式。許多 改良及變化基於上述教示係可能。 較佳貫施例被選擇及描述以便最佳例示本發明原理及 其實際應用。先前描述係用以使熟習此項技藝者以適於特 殊使用之各種不同實施例及以各種不同改良最佳利用本發 20 明。本發明範圍係欲以下列申請專利範圍界定。 【圖式簡單說明】 第1圖係依據本發明一實施例之單一電池之燃料電池 裝置之表示圖。 第2圖係依據本發明一實施例之燃料電池組或堆列之 22 1298957 玖、發明說明 表示圖。 第3圖係依據本發明一實施例之燃料電池之樣品極化 圖。 第4圖係依據本發明一方面之燃料電池電力系統之方 5 塊圖。 第5A圖係依據本發明一實施例之可重新建構之燃料 電池裝置之表示圖。 苐5B圖係於弟5 A圖中所示之節點之表示圖。 第5C圖係第5B圖中所示之開關之表示圖。 10 第6圖係依據本發明另一實施例之可重新建構之燃料 電池裝置之表示圖。 第7圖係依據本發明另一實施例之可重新建構之燃料 電池裝置之表示圖。 第8圖係依據本發明一實施例之燃料電池裝置之開關 15 網絡之表示圖。 第9圖係依據本發明一實施例之帛8目之開關網絡之 例示結構之表示圖。 第10圖係依據本發明-實施例之第8圖之開關網絡之 另一例示結構之表示圖。 20 第11圖係依據本發明-實施例之第8圖之開關網絡之 例示結構之表示圖。 第12圖係依據本發明一實施例之第8圖之開關網絡之 例示結構之表示圖。 第13圖係依據本發明—方面之固體氧化物燃料電池裝 23 1298957 玖、發明說明 置之透視圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 100......燃料電池裝置 500·… ...燃料電池供應 102·.·· • •陽極 502,504,506,508,540,542,544,546... 104···· • •陰極 ...燃料電池組或堆列 200.... ..燃料電池裝置組 510,512,514,516,518,548,550,552,554, 300···· ··極化圖 556·… …分接 302·… ..電壓與電流之關係圖 520,522,524,526,528,558,560,562,564, 304···. 樾剩·電池電力輸出曲、線 566··· ...開關 306·… 極化圖中心 530,532,534,568,570,572……第二開 308···. ...極化圖之近端部 關 600·.·, ...燃料電流電力系統 401··· ...節點 602.... ...燃料電池供 402,404,406,408……燃料電池組 604… ...直流直流變換器 700……燃料電池電力系統 606." ...控制模組 702… ...開關網絡 608… …負載 19"··· •固悲氧化物燃料電池 610… …第二電池 20…·· •陽極 400··· ...燃料電池供應 21… .外部電路 402,404,406,408……燃料電池組或 22…·· •陰極 堆列 23…·· .燈泡 410,412,414,416,418……分接 24…·. .電解質 420,422,424,426,428......開關 26,27. …··沐板 430,432,434……第二開關 28…·. ,·通道 SW1?SW25SW3……開關 30 ,·通道 24

Claims (1)

1298957 拾、申請專利範圍 1·一種燃料電池裝置（600)，包含燃料電池組（4〇2)，其可藉 由控制模組（606)以至少二種配置作電重新建構。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該燃料電池組 (402)進一步包含一或更多之開關，其係藉由該控制模組 5 (606)控制以重新建構該燃料電池組（402)。 3 ·如申請專利範圍第1至2項所述之裝置，其中，該控制模 組（606)被程式化重新建構該燃料電池組（4〇2)以回應負載 需求之變化。 4.如申請專利範圍第1至3項所述之裝置，其中，該控制模 10 組（6〇6)被程式化以重新建構該燃料電池組（4〇2)而同時提 供不同電壓之電流至電裝置（6〇8)。 5·如申請專利範圍第1至4項所述之裝置，其中，該控制模 組（606)被程式化以自負載裝置接收作為輸入值之一或更多 之··負載特性、燃料電池性能，及活性回饋數據；且重新 15 建構該燃料電池組（402)以回應該輸入值。 6·如申請專利範圍第1至5項所述之裝置，其中，該控制模 組（606)被程式化而以規律間隔重新建構該燃料電池組 (402)，而均勻使用該燃料電池組（402)。 7·—種控制模組（606)，包含： 20 邏輯電路； 開關電路；及 δί(ι號調郎電路； 其中，該邏輯、開關及訊號調節之電路係可連接至一 燃料電池裝置（600)以重新建構該燃料電池（600)之數個燃 25 1298957 拾、申請專利範圍 料電池堆列（402)。 其中，該邏輯、開關

(402)以回應該燃料電池負載數據。 8·如申請專利範圍第7項所述之裝置，

電重新建構位於數個燃料電池組（4〇2)間之一或更多之連接 (412)。 10 10·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該重新建構 包含開啟或關閉電連接至該一或更多連接（4 i 2)之一或更多 之開關（422)。 26