TWI451622B - 高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置 - Google Patents

高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置 Download PDF

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Description

高低壓氫流量控制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，特別是一種具高低壓氫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。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。
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、高壓氫氣產生器120、減壓器123、燃料電池140、水槽150、電源分配器130和幫浦160，用以將燃料電池輸入冷卻水126與燃料電池輸入氫氣170經燃料電池140轉換成輸出直流電能121。高壓氫氣產生器120所產生之高壓氫氣流124經減壓器123用以提供燃料電池輸入氫氣170。燃料電池140所排放之陰極反應生成水125則回收至水槽150以再利用。
高壓氫氣流124可利用如將金屬溶解於酸中(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))與水反應以產生氫氣、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以產生氫氣(如日本特開平8-115733號公報)或加熱至100℃以下的水與催化劑接觸把水分解等方法以產生氫氣(如，日本特開平10-208755號公報)。
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時，均會影響氫氣之流率，因此無法單獨提供連續穩定供電121。因此需要電源分配器130啟動輔助二次電池110輸出充電/放電輸出電力180，以補償氫氣產生器120產生之高壓氫氣流124所導至輸出電力190的不足或過剩。此外，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127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之廢熱回收再利用，以致整體之效率差外，仍然需要二次電池。因此習知燃料電池供電裝置100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高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置。高低壓氫流量控制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電能、一陰極反應生成水；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產生一第一氫氣流；一高壓氫氣產生器，產生一第二氫氣流；一第一幫浦，使該燃料電池輸入水流經一水槽後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；一流量控制器，當該一第二氫氣流小於該一燃料電池輸入氫氣命令值時，控制使該第一氫氣流與該一第二氫氣流同時供給該燃料電池輸入氫氣；且當該一第二氫氣流大於該燃料電池輸入氫氣流命令值時，控制使該第二氫氣流同時供給該燃料電池輸入氫氣與該一第二氫氣流。
本發明可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高低壓氫流量控制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)210、高壓氫氣產生器120、流量控制器(mass flow controller,MFC)230、燃料電池(full cell)140、水槽(water tank)150、熱交換器(heat exchanger)220和幫浦(pump)160與260。
高壓氫氣產生器120可產生高壓氫氣124。在一實施例中，高壓氫氣124由高壓氫氣產生器120內之反應物280產生。在一實施例中，高壓氫氣124之壓力可達到700bar。在一實施例中，反應物280為液態反應物。在一實施例中，液態反應物可為液態氫。在另一實施例中，反應物280為氣態反應物。在一實施例中，氣態反應物可為高壓氣態氫。
氫氣儲存器210內裝有金屬氫化物合金290，可提供或吸收氫氣。金屬氫化物合金290，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290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290的晶體也會恢復原狀。因此，金屬氫化物合金290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290不僅貯氫量大，且可以反覆使用。可以作為金屬氫化物合金290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290，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260帶動熱交換器輸出熱水270以提供熱源給氫氣儲存器210，以使氫氣儲存器210的金屬氫化物合金280反應後產生低壓氫氣240。在一實施例中，高壓氫氣124之壓力大於低壓氫氣240之壓力。在一實施例中，為提高氫氣儲存器210之低壓氫氣240之流量，熱交換器輸出熱水220使氫氣儲存器210之反應溫度提高至30~60°C。
幫浦160帶動熱交換器輸出冷水122以提供燃料電池輸入冷卻水126。熱交換器輸出冷水122同時帶走燃料電池140所排放之廢熱(未示出)。氫氣緩衝器210所產生之低壓氫氣240與高壓氫氣產生器120可產生高壓氫氣124送入流量控制器230以提供給燃料電池所需的氫氣170。燃料電池140所排放之陰極反應生成物水125則回收至水槽150以再利用。理論上水槽150不需注入補充水127。然而，一補充水127可進一步提供水槽150利用。
燃料電池供電裝置200啟動時，流量控制器230可控制使燃料電池所需的氫氣170與由氫氣緩衝器210提供。燃料電池230接受燃料電池所需的氫氣170與熱交換器輸出冷水122產生輸出直流電能121。幫浦160帶動熱交換器輸出冷水122以提供燃料電池輸入冷卻水126並帶走的燃料電池140所排放之廢熱(未示出)後，經熱交換器220以提供熱交換器輸出熱水122給氫氣緩衝器210。氫氣緩衝器210接收熱交換器輸出熱水122之熱能以產生更多的氫氣給燃料電池140，直到流量控制器輸出之燃料電池所需的氫氣170與燃料電池輸入氫氣設定值250相差在一預設定值範圍內。因此，燃料電池140產生廢熱(未示出)可經由熱交換器220回收再使用以產生燃料電池所需之氫氣170，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，若高壓氫氣產生器120所產生高壓氫氣124不足時，流量控制器230可控制氫氣緩衝器210所產生的低壓氫氣240直接補充燃料電池所需的氫氣170給燃料電池140。在一實施例中，燃料電池所需的氫氣170大於燃料電池輸入氫氣設定值250一預設值時，流量控制器230指示高壓氫氣產生器120所產生高壓氫氣124不足。反之，若高壓氫氣產生器120所產生高壓氫氣124過多時，流量控制器230可控制高壓氫氣產生器120所產生高壓氫氣124接送入氫氣緩衝器210，以進而將過多的氫氣儲存起來。在一實施例中，燃料電池輸入氫氣設定值250大於燃料電池所需的氫氣170一預設定值時，流量控制器230指示高壓氫氣產生器120所產生高壓氫氣124過多。如此一來，氫氣緩衝器210，不僅可以回收燃料電池排放熱能，還可以藉由高壓氫氣124流入至低壓氫氣240反應吸熱，自動地對燃料電池進行冷卻。
本發明除不需習知燃料電池供電裝置之電源分配器與減壓器外，燃料電所需之氫氣170連續性可大大提升，進而使燃料電池140可產生穩定的輸出直流電能121，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高低壓氫流量控制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121可驅動一直流馬達310。在一實施例中，直流馬達310可驅動一電動車(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高低壓氫流量控制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121可經一反流器(Inverter)420驅動一交流馬達410。在一實施例中，交直流馬達410可驅動一電動車(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
121．．．輸出直流電能
123．．．減壓器
124．．．高壓氫氣
125．．．陰極反應生成水
126．．．燃料電池輸入冷卻水
127．．．補充水
130．．．電源分配器
140．．．燃料電池
150．．．水槽
160．．．幫浦
170．．．燃料電池輸入氫氣
180．．．充電/放電輸出電力
190．．．輸出電力
200．．．本發明一實施例高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置示意圖
210．．．氫氣緩衝器
220．．．熱交換器
230．．．流量控制器
240．．．低壓氫氣
250．．．燃料電池輸入氫氣設定值
260．．．幫浦
270．．．熱交換器輸出熱水
280．．．反應物
290．．．金屬氫化物合金
300．．．本發明一實施例高低壓氫流量控制之燃料電池供電電動車示意圖
310．．．直流馬達
400．．．本發明另一實施例高低壓氫流量控制之燃料電池供電電動車示意圖
410．．．交流馬達
420．．．反流器
圖1習知燃料電池供電裝置。
圖2本發明一實施例高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置示意圖。
圖3根據本發明一實施例高低壓氫流量控制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高低壓氫流量控制之燃料電池供電電動車示意圖。
200．．．本發明一實施例高低壓氫流量控制之燃料電池供電裝置示意圖
210．．．氫氣緩衝器
220．．．熱交換器
230．．．流量控制器
240．．．低壓氫氣
250．．．燃料電池輸入氫氣設定值
260．．．幫浦
270．．．熱交換器輸出熱水
280．．．反應物
290．．．金屬氫化物合金
121．．．輸出直流電能
124．．．高壓氫氣
125．．．陰極反應生成水
126．．．燃料電池輸入冷卻水
127．．．補充水
140．．．燃料電池
150．．．水槽
160．．．幫浦
170．．．燃料電池輸入氫氣

Claims (6)

  1. 一種高低壓氫流量控制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電能、一陰極反應生成水；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產生一第一氫氣；一高壓氫氣產生器，產生一第二氫氣；一第一幫浦，使該燃料電池輸入水流經一水槽後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；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，該第二氫氣之壓力大於該第一氫氣之壓力。
  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，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)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，該輸出電能進一步驅動一直流馬達。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的燃料電池供電裝置，其中，該輸出電能進一步經一反流器驅動一交流馬達。
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