TWI451621B - 雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置 - Google Patents

雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置 Download PDF

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Description

雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置
本發明係關於一種然料電池供電裝置，特別是一種具雙氫氣流量供應之然料電池供電裝置。
水是自然界中最豐富之元素，性質穩定且安全，其組成成分中之氫原子，更可形成氫氣做為一乾淨之能源供人類使用。數十年來，業界均在努力尋找一經濟安全有效之方法，來製造出廉價而方便使用之氫氣做為能源。
目前習知之以電解方式製造氫氣技術，雖然技術可行，但仍然有許多問題存在阻擾其應用上之普及，例如需耗大量之電力進行電解，能源轉換效率差、產生不需要之廢棄物造成環境污染、電極耗損或機器系統體積過大或氫氣供應不及等技術障礙均屬之。
此外，如以金屬溶解於酸中，或以鹼金屬或鹼土族金屬(alkali metals or alkali earth metal hydrides)，或硼氫化合物(borohydrides)與水反應等，亦可製造氫氣。然而此類反應技術多以固體金屬化合物或硼氫化合物加水混合方式進行，除了產生氫氣以外，尚有固體產品廢棄物及廢液產生殘留於反應系統，部分甚至附著於未反應原料之表面而阻礙反應之繼續進行。此外，此種反應速率快，固體反應物之量不易控制，所釋放大量之熱常與產生之氫氣在含氧之環境下，劇烈反應而發生爆炸，以致造成安全上之疑慮。
日本特開平8-115733號公報提出有一種令耐熱性電極接觸於可設置在水中和水進行電熱化學反應的鋁體或鎂體所構成的反應金屬體的狀態下，對反應金屬體和耐熱性電極通電並進行水中放電，藉由上述反應金屬體與水產生的電熱化學反應產生氫氣的方法。
日本特開平10-208755號公報還提出一種使加熱至100℃以下的水與催化劑接觸，把水分解而產生氫氣的方法。
另一方面，燃料電池可藉由水與氫氣之輸入，以提供一乾淨、輕便、反應快速、安全且穩定之供電系統，為可有效解決空氣污染及溫室效應問題之一供電電源。雖然如前等所述有許多不同技術之產氫技術可供燃料電池之供電系統使用，然而燃料電池因負載變化，例如，燃料電池運具在啟動/爬坡/加速、等速、下坡減速、煞車等不同負載需求均會影響氫氣之流率，因此無法提供連續穩定供電。
圖1所示為習知燃料電池供電裝置100示意圖，包括輔助二次電池110、氫氣產生器120、燃料電池140、水槽150、電源分配器130和幫浦80，冷卻水611與燃料電池所需氫氣401經燃料電池140轉換成輸出直流電能113。當燃料電池因負載變化，例如，燃料電池運具在啟動/爬坡/加速、等速、下坡減速、煞車等不同負載需求時，電源分配器130啟動輔助二次電池110輸出充電/放電輸出電力113-2，以補償氫氣產生器120產生氫氣所輸出電力113-1的不足或過剩。習知燃料電池供電裝置100之燃料電池140所產生之廢熱(未示出)則釋出於空氣中外，另需一補充水1140給燃料電池140。習知燃料電池供電裝置100之主要缺點除需要電源分配器130外，因無法將燃料電池產生廢熱回收，以致整體之效率差。此外，習知燃料電池供電裝置100仍然需要二次電池。因此仍無法完全有效可解決習知二次電池電動車電池壽命有限(二~三年)且會污染環境、充電時間過長且能量密度低之缺點。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種廉價且可大量穩定供給氫氣給然料電池，並提升燃料電池供電裝置整體效率之雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置。雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置包括：一燃料電池，接收一燃料電池輸入水與一燃料電池輸入氫氣以產生一輸出直流電能、一燃料電池輸出水；一熱交換器，具有一第一熱交換流與一第二熱交換流；一氫氣緩衝器，內裝一金屬氫化物合金，該第二熱交換流經該氫氣緩衝器以產生一第一氫氣；一反應器，內裝一化學氫化物與一反應器水；該第二熱交換流經該化學氫化物產生一第二氫氣與一水蒸汽；一氫水分離器，接受該第一氫氣、該第二氫氣與一水蒸汽並將該一水蒸汽冷卻為一氫水分離器輸出水，該燃料電池輸入氫氣由該第一氫氣與該第二氫氣產生；一第一幫浦，經一水槽使該燃料電池輸入水流串流該第一熱交換流；一第二幫浦，使該第二熱交換流流經該氫氣緩衝器與該反應器；一流量控制器，當該一第二氫氣小於該一燃料電池輸入氫氣命令值時，控制使該第一氫氣與該一第二氫氣同時供給該燃料電池輸入氫氣；且當該一第二氫氣大於該燃料電池輸入氫氣命令值時，控制使該第二氫氣同時供給該燃料電池輸入氫氣與該一第二氫氣。
本發明藉由回收燃料電池產生廢熱提供氫氣緩衝器與反應器使用以產生燃料電池所需的氫氣。因此本發明之雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置然料電池之供電的連續性與整體效率可大大提高外，本發明之排放物為水、能量密度高，並可滿足美國能源部於2010年所定之單位重量氫氣密度(6wt%)要求(鎂與水反應>7%；氫化鎂與水反應>15%)。
以下將對本發明的實施例做出詳細說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，闡明大量的具體細節以提供針對本發明的全面理解。然而，本技術領域中具有通常知識者應理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。
圖2所示為根據本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置200示意圖。如圖2所示，燃料電池供電裝置200包括氫氣緩衝器(hydrogen gas buffer)10、反應器(reactor)20、流量控制器(mass flow controller,MFC)30、燃料電池(full cell)40、水槽(water tank)50、熱交換器(heat exchanger)60、氫水分離器(hydrogen gas/water separator)70和幫浦(pump)80與90。
在反應器20內包括來自水槽50的水1111與化學氫化物1110。幫浦90帶動熱交換器60之熱交換器輸出熱水602以提供熱源給反應器20，使反應器20內的化學氫化物1110與水1111反應。在一實施例中，化學氫化物20包括鎂(magnesium)或氫化鎂(magnesium hydride)。在一實施例中，水1111與化學氫化物包括鎂或氫化鎂1110在室溫下反應。在一實施例中，為提高化學氫化物1110之反應速率，熱交換器60所回收燃料電池40廢熱(未示出)可將熱交換器輸出熱水602以將反應器20之反應溫度提高至40~60℃。水1111與鎂或氫化鎂1110在藉由反應產生氫氣的同時，伴隨著氫氣的發生同時產生水蒸氣。在此，為了從反應器20取出的氣體中區分氫氣和水蒸氣，在反應器20與流量控制器30之間設置氫水分離器70，藉由氫水分離器70取出的氫氣且把水蒸氣冷卻為氫水分離器輸出水303並回收至水槽50以再利用。
氫氣儲存器10內裝有金屬氫化物合金1112，可提供或吸收氫氣。金屬氫化物合金1112，是1個金屬原子大約與2、3個，甚至更多個氫原子結合成之合金晶體，但仍保持金屬氫化物合金1112的晶體結構。一旦條件改變，如稍微加熱，氫原子就會從晶體空隙中跑出來，並以氫氣的形式放出，同時金屬氫化物合金1112的晶體也會恢復原狀。因此，金屬氫化物合金1112的貯氫過程是可逆的，有人稱它為「可逆貯氫」。金屬氫化物合金1112不僅貯氫量大，且可以反覆使用。可以作為金屬氫化物合金1112材料必須滿足下列條件。首先，貯氫量要大；第二，吸氫和放氫都容易，只要稍稍加熱就可以放氫且速度要快；第三，使用壽命長和價格便宜。目前，有很多正在研究和開發的金屬氫化物合金1112，但歸納起來主要有4大系列。第1個系列是鎂系貯氫合金，如氫化鎂、鎂-鎳合金等；第2個系列是稀土系貯氫合金，如鑭-鎳合金、混合稀土鎳-錳合金、混合稀土鎳-鋁合金等；第3個系列是鈦系貯氫合金，如氫化鈦、鈦-錳合金等；第4個系列是鋯系貯氫合金，如鋯系貯氫合金應用作鎳-氫電池負極材料。在一實施例中，金屬氫化物合包括但不限於氫化鋰(LiH)、氫化銅(CuH2)、氫化鎂(MgH2)、鎂-鎳氫合金(MgNiH4)、氫化鈦(TiH2)、鈦-鐵氫合金(TiFeH1.5)、鈦-鈷氫合金(TiCoH1.5)、鈦-錳氫合金(TiMn1.5H2.14)、鈦-鉻氫合金(TiCr2H2.6)或鑭-鎳氫合金(LaNi5H6)。
幫浦90亦帶動熱交換器輸出熱水602以提供熱源給氫氣儲存器10，使反應器20內的金屬氫化物合金(metal hydride)1112反應。
燃料電池所需的冷卻水403由熱交換器輸出冷水601提供。熱交換器輸出冷水601同時帶走燃料電池40所排放之廢熱(未示出)。氫氣緩衝器10與反應器20所產生的氫氣經氫水分離器70後送入流量控制器30以提供給燃料電池所需的氫氣401。燃料電池40所排放之燃料電池輸出水402則回收至水槽50以再利用。理論上水槽50不需注入補充水1140。然而，一補充水1140可進一步提供水槽50利用。
燃料電池供電裝置200啟動時，流量控制器70可控制使燃料電池所需的氫氣401與由氫氣緩衝器10提供。燃料電池40接受燃料電池所需的氫氣401與熱交換器輸出冷水601產生輸出直流電能1130，且熱交換器輸出冷水601帶走的燃料電池40所排放之廢熱(未示出)經熱交換器60以提供熱交換器輸出熱水602並經由幫浦90給氫氣緩衝器10與反應器20。氫氣緩衝器10與反應器20接收熱交換器輸出熱水602之熱能以產生更多的氫氣給燃料電池40，直到流量控制器輸出氫氣301與氫氣設定值1150相差在一預設定值範圍內。因此，燃料電池40產生廢熱(未示出)可經由熱交換器60回收使用以產生燃料電池所需之氫氣401，進而使整體之燃料電池供電裝置具相當高之效率。
當燃料電池因負載變化，例如，燃料電池運具在啟動/爬坡/加速、等速、下坡減速、煞車等不同負載需求時，若反應器20所產生的氫氣不足時，流量控制器70可控制氫氣緩衝器10所產生的氫氣經氫水分離器70直接補充氫氣給燃料電池40。反之，若反應器20所產生過多的氫氣時，流量控制器70可控制反應器20使所產生之過多的氫氣經氫水分離器70可直接送入氫氣緩衝器10，以進而將過多的氫氣儲存起來。如此一來，本發明除不需習知燃料電池供電裝置之電源分配器外，燃料電所需之氫氣401連續性可大大提升，進而使燃料電池40可產生穩定的輸出直流電能1130，以大大提昇整體燃料電池供電裝置之供電品質。
圖3所示為根據本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車300示意圖。在圖3與圖2中標記相同的元件具有相似的功能，在此將不對這些元件進行詳細描述。在圖3中，輸出直流電能1130可驅動一直流馬達3010。在一實施例中，直流馬達3010驅動一電動車(未示出)。因此，本發明裝置可解決習知二次電池電動車電池壽命有限(二~三年)且會污染環境、充電時間過長且能量密度低之缺點。
圖4所示為根據本發明另一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車400示意圖。在圖4與圖2中標記相同的元件具有相似的功能，在此將不對這些元件進行詳細描述。在圖4中，輸出直流電能1130可經一反流器(Inverter)4020驅動一交流馬達4010。在一實施例中，交直流馬達4010驅動一電動車(未示出)。因此，本發明裝置可解決習知二次電池電動車電池壽命有限(二~三年)且會污染環境、充電時間過長且能量密度低之缺點。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
100．．．習知燃料電池供電裝置示意圖
110．．．輔助二次電池
120．．．氫氣產生器
140．．．燃料電池
150．．．水槽
130．．．電源分配器
611．．．冷卻水
113-1．．．輸出電力
113-2．．．充電/放電輸出電力
1140．．．補充水
200．．．本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置示意圖
10．．．氫氣緩衝器
20．．．反應器
30．．．流量控制器
40．．．燃料電池
50．．．水槽
60．．．熱交換器
70．．．氫水分離器
80、90．．．幫浦
1110．．．化學氫化物、鎂、氫化鎂
1111．．．水
1112．．．金屬氫化物合金
1140．．．一補充水
113、1130．．．輸出直流電能
1150．．．氫氣設定值
301．．．流量控制器輸出氫氣
303．．．氫水分離器輸出水
401．．．燃料電池所需的氫氣
402．．．燃料電池輸出水
403．．．燃料電池所需的冷卻水
602．．．熱交換器輸出熱水
300．．．本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車示意圖
3010．．．直流馬達
400．．．本發明另一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車示意圖
4020．．．反流器
4010．．．交流馬達
圖1習知燃料電池供電裝置。
圖2本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置示意圖。
圖3根據本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車示意圖。
圖4根據本發明另一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電電動車示意圖。
200． ．本發明一實施例雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置示意圖
10．．．氫氣緩衝器
20．．．反應器
30．．．流量控制器
40．．．燃料電池
50．．．水槽
60．．．熱交換器
70．．．氫水分離器
80、90．．．幫浦
1110．．．化學氫化物、鎂、氫化鎂
1111．．．水
1112．．．金屬氫化物合金
1140．．．補充水
1130．．．輸出直流電能
1150．．．氫氣設定值
301．．．流量控制器輸出氫氣
303．．．氫水分離器輸出水
401．．．燃料電池所需的氫氣
402．．．燃料電池輸出水
403．．．燃料電池所需的冷卻水
601．．．熱交換器輸出冷水
602．．．熱交換器輸出熱水

Claims (7)

  1. 一種雙氫氣流量供應之燃料電池供電裝置，包括：一燃料電池，接收一燃料電池輸入水與一燃料電池輸入氫氣以產生一輸出直流電能、一燃料電池輸出水；一熱交換器，具有一第一熱交換流與一第二熱交換流；一氫氣緩衝器，內裝一金屬氫化物合金，該第二熱交換流經該氫氣緩衝器以產生一第一氫氣；一反應器，內裝一化學氫化物與一反應器水；該第二熱交換流經該化學氫化物產生一第二氫氣與一水蒸汽；一氫水分離器，接受該第一氫氣、該第二氫氣與一水蒸汽並將該水蒸汽冷卻為一氫水分離器輸出水，該燃料電池輸入氫氣由該第一氫氣與該第二氫氣產生；一第一幫浦，經一水槽使該燃料電池輸入水流串流該第一熱交換流；一第二幫浦，使該第二熱交換流流經該氫氣緩衝器與該反應器；一流量控制器，當該第二氫氣小於一燃料電池輸入氫氣命令值時，控制使該第一氫氣與該第二氫氣同時供給該燃料電池輸入氫氣；且當該第二氫氣大於該燃料電池輸入氫氣命令值時，控制使該第二氫氣同時供給該燃料電池輸入氫氣與該第二氫氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，該燃料電池輸出水與該氫水分離器輸出水注入該水槽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，進 一步包括注入該水槽的一補充水。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中化學氫化物為鎂或氫化鎂。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，其中該金屬氫化物合金為氫化鋰(LiH)、氫化銅(CuH2)、氫化鎂(MgH2)、鎂-鎳氫合金(MgNiH4)、氫化鈦(TiH2)、鈦-鐵氫合金(TiFeH1.5)、鈦-鈷氫合金(TiCoH1.5)、鈦-錳氫合金(TiMn1.5H2.14)、鈦-鉻氫合金(TiCr2H2.6)或鑭-鎳氫合金(LaNi5H6)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，該輸出直流電能驅動一直流馬達。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，該輸出直流電能經一反流器驅動一交流馬達。
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