專利名稱：燃料電池系統及其燃料產生反應控制方法與計算機的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池(fuel cell)，且特別涉及燃料電池系統及其燃料產生反應 控制方法。
背景技術：
能源的開發與應用一直是人類生活不可或缺的條件，但能源的開發與應用對環境 的破壞與日俱增。利用燃料電池(fuel cell)技術產生能源具有高效率、低噪音、無污染的 優點，是符合時代趨勢的能源技術。現今常見的燃料電池系統大致具有燃料匣(fuel cartridge)以及燃料電池(fuel cell)等部分。其中，燃料匣用以提供燃料電池產生電力所需的氫氣Ol2)；燃料電池將氫氣 進行化學反應以產生電能，并將電能供應給電子系統使用。一般而言，傳統燃料匣大多采用一次性反應的硼基化合物儲氫技術，并加水(H2O) 使硼基化合物產生化學反應以產生氫氣給燃料電池。然而，由于傳統燃料匣的設計僅具有 一個大型腔體，且硼基化合物儲氫技術應用在此類燃料匣內所產生的化學反應為一次性反 應。所以，氫氣會被不斷地產生，直至硼基化合物，例如為硼氫化鈉(NaBH4),與水的化學反 應完全反應完成才會停止。由于化學反應產氫會使得氫氣的流量不穩定，常常在化學反應產氫氣后，需要一 顆流量控制閥來控制氫氣的流量，以達成穩定氫氣的供應。目前業界多以流量控制閥去控 制氫氣的流量，才能達到精準控制，但是流量控制閥相當昂貴，而若不用流量控制閥，會產 生下列問題(一 )無法適應不同環溫操作，在低環溫時會造成需要較大量的氫氣，但是溫度卻 過低，使氫氣大量消耗；在高環溫時會降低氫氣量，但是溫度卻過高，系統難以降溫到適合 燃料電池反應的溫度。( 二)氫氣量無法控制，大量氫氣會造成燃料電池系統電壓和溫度急速升高，氫氣 量太少又會使得電壓降低；若沒有良好控制方法，將會加速燃料電池系統的壽命降低。(三)一般業界的控制模式，會使得溫度的范圍變大，使得溫度會過高或過低，且 溫度又會直接影響效能的輸出，讓燃料利用率下降。
發明內容
本發明提出一種燃料電池系統及其燃料產生反應控制方法與計算機程序產品，可 有效地控制加入反應物的量及時間，進而使得燃料達到穩定的控制。本發明的其它目的和優點可以從本發明所揭露的技術特征中得到進一步的了解。為達上述的一或部分或全部目的或是其它目的，本發明的一實施例提供一種燃料 電池的燃料產生反應控制方法，包括以下步驟步驟a.提供第一反應物。步驟b.活化第一 反應物，以產生燃料給燃料電池。步驟c.當在第一反應物的活化過程中燃料電池的特征值 達第一參考值時，加入定量的第二反應物至第一反應物以決定監控時間，其中監控時間是前述加入定量的第二反應物后，燃料電池的特征值從第二參考值至第一參考值的時間。步 驟d.加入定量的第二反應物至第一反應物且經過監控時間后，檢測燃料電池的特征值以 獲得第一特征值。步驟e.若第一特征值小于第一參考值，則進行所述步驟d。步驟f.若第 一特征值大于第一參考值，則再經過延遲時間后，檢測燃料電池的特征值以獲得第二特征 值。步驟g.若第二特征值小于第一參考值，則進行所述步驟d。本發明的一實施例提供一種用于燃料電池的燃料產生反應控制的計算機程序產 品。當計算機加載該計算機程序并執行后，可完成上述燃料產生反應控制方法。本發明的一實施例提供一種燃料電池系統，包括腔體、供應裝置、燃料電池與控制 單元。腔體具有第一反應物。供應裝置依據控制信號決定供應至腔體的第二反應物的量， 其中第一反應物與第二反應物于腔體中進行燃料產生反應以產生燃料。燃料電池耦接腔體 以接收燃料，藉以產生電力。控制單元電連接至供應裝置與燃料電池，以提供控制信號給供 應裝置以及監測燃料電池的特征值，其中控制單元進行如上所述的燃料電池的燃料產生反 應控制方法。在本發明的一實施例中，上述第一反應物包括化學儲氫材料。在本發明的一實施例中，上述第一反應物包括硼氫化鈉(NaBH4)。在本發明的一實施例中，上述第二反應物包括化學儲氫材料。在本發明的一實施例中，上述第二反應物包括水(H2O)。在本發明的一實施例中，上述活化第一反應物的步驟包括持續緩慢加入第二反 應物至第一反應物。在本發明的一實施例中，上述若燃料電池的特征值大于上限值，則控制單元控制 供應裝置以停止將第二反應物加入至第一反應物；若燃料電池的特征值小于下限值，則控 制單元進行所述步驟d。在本發明的一實施例中，上述燃料電池的特征值為溫度、輸出電壓、輸出電流與輸 出功率的其一。 在本發明的一實施例中，上述燃料包括氫。本發明的上述實施例因將第一反應物與第二反應物分別存放于腔體與供應裝置， 并藉由控制單元檢測燃料電池的特征值，以據以輸出控制信號來控制供應裝置提供第二反 應物，使得第二反應物在單位時間內加入的量可以有效地達到控制，且燃料的供應也可達 到穩定的控制。再者，本發明實施例所提供的燃料電池系統可以不使用到流量控制閥，因此 可以降低燃料電池系統的制作成本。為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉一(或多個)實施例，并結 合附圖，作詳細說明如下。
圖1為依照本發明實施例繪示一種燃料電池系統的框圖；圖2為依照本發明實施例繪示燃料電池中溫度變化的示意圖；圖3是依照本發明實施例說明燃料電池的燃料產生反應控制方法流程圖。
具體實施例方式有關本發明的前述及其它技術內容、特點與功效，在以下結合附圖的一優選實施 例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如上、下、左、右、 前或后等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。圖1為依照本發明實施例繪示一種燃料電池系統100的框圖。參照圖1，燃料電池 系統100用以供應電力給電子系統(負載)180。燃料電池系統100包括腔體110、供應裝 置120、燃料電池130與控制單元140。腔體110具有第一反應物。供應裝置120供應第二反應物至腔體110，使得腔體 110中的第一反應物與第二反應物進行燃料產生反應，以產生燃料(例如氫氣)給燃料電池 130。于本實施例中，第一反應物可以為任何化學儲氫材料，且第一反應物可以是固態或液 態，例如硼氫化鈉(NaBH4),氫化鋰...等等，但皆并不限制于此。第二反應物可以為任何化 學儲氫材料，例如水(H2O),但并不限制于此。于本實施例中，當第一反應物接觸到第二反應物時，所發生的化學反應式例如有 以下幾種，但皆不限制于此 1、[CH3N (H) BH2] 3 — [CH3NBH] 3+3H2 ；2、nNH4X+4MHn — Μχη+Μ3Νη+4ηΗ2 ；3、Ν2Η6Χ2+8/ηΜΗη — 2/ηΜχη+2/ηΜ3Νη+7Η2 ；4、(NH4) 2S04+16/nMHn — 4M2/n0+M2/nS+2/nM3Nn+12H2 ；5、N2H6SO4+16/nMHn — 4M2/n0+M2/nS+2/nM3Nn+l IH2 ；6、LiBH4 — LiH+B+ (3/2) H2 ；7、Ni+2H20 — Ni (OH) 2+H2 ；以及8、NaBH4+2H20 — NaB02+4H2。燃料電池130耦接腔體110，用以接收腔體110所產生的燃料(例如氫氣)，進而 將燃料轉換成電力，以供應給電子系統180。
于本實施例中，燃料電池130可以為質子交換膜型燃料電池(ftOtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，或者為直接甲醇燃料電池(DirectMethanol Fuel Cell, DMFC)，但皆不限制于此。以質子交換膜型燃料電池為例，質子交換膜型燃料電池主要由質 子交換膜以及陰陽兩電極組成。其中，燃料電池130陽極的燃料與觸媒反應產生氫離子與 電子，其化學式可以表不如下2H2 —4H++4e\另外，燃料電池130陽極反應生成的電子會經由電子系統180等各種電路而回到 燃料電池130的陰極端。陽極反應生成的氫離子穿透燃料電池130內的質子交換膜而往陰 極端移動，再與燃料電池130陰極端的電子和氧氣反應生成水，其化學式可以表示如下4H++4e>02 — 2H20。因此，質子交換膜型燃料電池的總化學反應式可以表示如下2H2+02 — 2H20。上述燃料電池130如何產生電力的手段為本領域所熟識的技藝，故在此不再贅 述。應用本實施例者可以使用現今或將來任何形式的燃料電池130來實現燃料電池系統 100。
控制單元140電連接至供應裝置120與燃料電池130，控制單元140用以監控燃料 電池130的特征值，并提供控制信號給供應裝置120，以決定供應裝置120供應第二反應物 至腔體110的量及時間。于本實施例中，燃料電池130的特征值可以包括溫度、輸出電壓、 輸出電流或輸出功率等，但本發明不限于此。。以下將依據本發明的實施例說明控制單元140監控燃料電池130的特征值以及提 供控制信號給供應裝置120的操作。為了方便說明，于本實施例中，假設燃料電池130的特 征值為溫度，亦即控制單元140將監控燃料電池130的溫度，并據此提供控制信號給供應裝 置 120。圖2為依照本發明實施例繪示燃料電池130中溫度變化的示意圖。合并參照圖1 與圖2，當燃料電池系統100開始操作時，控制單元140會控制供應裝置120持續緩慢加入 第二反應物(例如水)至具有第一反應物(例如硼氫化鈉)的腔體110，使得腔體110內的 第一反應物活化(亦即將第一反應物與第二反應物進行燃料產生反應)，以產生燃料(例如 氫氣)給燃料電池130。在第一反應物的活化過程中，由于燃料電池130將燃料轉換為電 力，故燃料電池130的溫度會由室溫(如圖2所標示之Τ,)逐漸升高。接著當控制單元140 監測到燃料電池130的溫度到達第一參考值(例如圖2所標示的Td)時，控制單元140會 停止前述第一反應物的活化過程，并且控制供應裝置120加入某一定量(例如X毫升)的 第二反應物至腔體110。之后，在第二反應物與第一反應物進行燃料產生反應的過程中，燃料電池130的 溫度會由第一參考值Td持續升高，并達到第二參考值(例如圖2所標示的Th，假設為燃料 電池130在燃料產生反應過程中的最高溫度，但不限于此)。此時由于定量的第二反應物已 消耗完畢，因此燃料電池130的溫度會由第二參考值Th(燃料產生反應過程中的最高溫度) 開始下降，當燃料電池130的溫度降低至第一參考值Td時，控制單元140會將此段時間(亦 即燃料電池130的溫度由第二參考值Th至第一參考值Td的時間)定義成監控時間(如圖 2中所標示之MP)，以便控制單元140可每隔上述監控時間MP對燃料電池130的溫度進行 檢測。當決定出監控時間MP之后，控制單元140控制供應裝置120加入相同定量(X毫 升)的第二反應物至腔體110，使得第二反應物與第一反應物再次進行燃料產生反應。之 后，經過監控時間MP后，控制單元140會檢測燃料電池130的溫度以獲得第一溫度(亦即 第一特征值，例如圖2中所標示的201)，并且將第一溫度201與第一參考值Td進行比較。若第一溫度201大于第一參考值Td，則再經過延遲時間(例如圖2中所標示的時 間范圍DP)后，控制單元140再一次檢測燃料電池130的溫度以獲得第二溫度(亦即第二 特征值，例如圖2中所標示的20 ，并且將第二溫度202與第一參考值Td進行比較。于本 實施例中，延遲時間DP例如為監控時間MP的1/10，但本發明不限于此。若第二溫度202小于第一參考值Td，控制單元140會控制供應裝置120加入相同 定量(X毫升)的第二反應物至腔體110，使得第一反應物與第二反應物再次進行燃料產生 反應，并重復上述的過程，亦即經過監控時間MP后，再檢測燃料電池130的溫度以獲得新的 檢測溫度。另一方面，若第二特征值大于第一參考值Td時，則再經過另一個延遲時間DP后， 控制單元140會再次檢測燃料電池130的溫度以獲得另一溫度(亦即另一特征值)。接著，控制單元140會將此另一溫度與第一參考值Td進行比對；若是此另一溫度大于第一參考值 Td時，則再次經過延遲時間DP后，控制單元140再次檢測燃料電池130的溫度，直到所檢測 之燃料電池130的溫度小于第一參考值Td(亦即燃料電池130的特征值小于第一參考值) 時，控制單元140會輸出控制信號給供應裝置120，以使供應裝置120再次供應相同定量(X 毫升)的第二反應物至腔體110。承接上述，若控制單元140經過監控時間MP后檢測出第一溫度201 (亦即第一特 征值)小于第一參考值Td，則控制單元140會控制供應裝置120立即加入相同定量(X毫 升)的第二反應物至腔體110。如此一來，本實施例所提供的燃料電池系統100可有效地控 制第二反應物加入的量及時間，進而有效地控制燃料(氫氣)的量。另外，于本實施例中，控制單元140中可設定一上限值與一下限值，分別如圖2中 所標示之Tup與TlOT。也就是說，當控制單元140檢測到燃料電池130的溫度超過此上限值 Tup時，控制單元140會控制供應單元120停止加入第二反應物至腔體110 ；當控制單元140 檢測到燃料電池130的溫度低于下限值T1ot時，控制單元140會控制供應單元120加入定 量的第二反應物至腔體110，使得第一反應物與第二反應物持續產生反應，以提供燃料(氫 氣)給燃料電池130來產生電力。如此一來，本實施例所提供的燃料電池系統100可控制 第二反應物加入的時間，使得燃料(氫氣量)可以達到穩定的控制。上述實施例中，燃料電池130的特征值是以溫度為例，但本發明不限于此，且燃料 電池130的特征值亦可置換為輸出電壓、輸出電流與輸出功率的其一，置換特征值后的實 施方式可參照上述的說明，故在此不再贅述。上述燃料電池系統100的操作過程可以整理為下述燃料電池130的燃料產生反應 控制方法。圖3是依照本發明實施例說明燃料電池的燃料產生反應控制方法流程圖。參照 圖3，首先，在步驟S302中，提供第一反應物(例如硼氫化鈉)。在步驟S304中，活化第一 反應物，以產生燃料給燃料電池130。在此步驟S304中，以持續緩慢的方式加入第二反應 物(例如水)至第一反應物，以便活化第一反應物(亦即第一反應物與第二反應物進行燃 料產生反應)。在步驟S306中，當在第一反應物的活化過程中，燃料電池130的特征值(例如溫 度、輸出電壓、輸出電流或輸出功率)達第一參考值時，加入定量的第二反應物至第一反應 物以決定監控時間，其中監控時間是前述加入定量的第二反應物后，燃料電池130的特征 值從第二參考值至第一參考值的時間。在步驟S308中，加入定量的第二反應物至第一反應 物且經過監控時間后，檢測燃料電池130的特征值以獲得第一特征值。若步驟S310判定第一特征值小于第一參考值，則進行所述步驟S308，即再次加入 定量的第二反應物至第一反應物。另一方面，若步驟S310判定第一特征值大于第一參考 值，則進行步驟S312，再經過延遲時間后，檢測燃料電池130的特征值以獲得第二特征值。若步驟S314判定第二特征值小于第一參考值，則進行步驟S308，亦即再次加入定 量的第二反應物至第一反應物。另一方面，若步驟S314判定第二特征值大于第一參考值， 則進行步驟S312，即再經過延遲時間后，檢測燃料電池130的特征值，然后重復步驟S312 S314，直到所檢測之燃料電池130的特征值小于第一參考值。另外，本實施例的燃料電池130的燃料產生反應控制方法可以設定一上限值與一 下限值。也就是說，在決定出監控時間后，若燃料電池130的特征值大于上限值，則停止將第二反應物加入至第一反應物。另一方面，若燃料電池130的特征值小于下限值，則進行步 驟 S308。上述諸實施例所述燃料電池130的燃料產生反應控制方法，在某些應用需求下， 亦可以計算機程序產品的形式實現，并利用計算機可讀取儲存媒體儲存此計算機程序，或 利用網絡媒體傳播此計算機程序產品。當計算機加載上述計算機程序以及結合上述的燃料 電池系統并執行后，可完成上述燃料產生反應控制方法。綜上所述，上述諸實施例至少具有下列其中一個優點上述諸實施例因將第一反 應物(例如硼氫化鈉)與第二反應物(例如水)分別存放于腔體110與供應裝置120，并藉 由控制單元140檢測燃料電池130的特征值，以輸出控制信號來控制供應裝置120，以使第 二反應物的量及時間可以有效地達到控制，使得燃料(例如氫氣)的供應可達到穩定的控 制。另外，上述實施例所提供的燃料電池系統100可以不使用流量控制閥件，因此可以降低 燃料電池系統100的制作成本。另外，上述諸實施例還具有下述至少其中一個效果(一 )藉由控制單元140控制第二反應物加入的時間(例如加水時間)，使得燃料 (氫氣量)可根據上述實施例所提供的燃料電池130的燃料產生反應控制方法而達到穩定 控制。(二)可在適應不同環境溫度操作，并隨不同環境溫度自動定義適合的特征時間 (亦即監控時間)。(三)隨著燃料電池系統100的效能降低，本發明可隨著燃料系統100的效能改變 的檢測時間，可以確保不會因為效能減低而產生誤判的情形。(四)本發明可以溫度、輸出電壓、輸出電流或輸出功率等來作為判斷指標(亦即 燃料電池130的特征值)，而可改善因跳動情形產生的誤差。以上所述，僅為本發明的優選實施例而已，當不能以此限定本發明實施的范圍，即 大凡依本發明權利要求書及發明說明內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專 利涵蓋之范圍內。另外本發明的任一實施例或權利要求不須達成本發明所揭露的全部目的 或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，并非用來限制本發 明的權利范圍。
權利要求
1.一種燃料電池的燃料產生反應控制方法，包括以下步驟 步驟a.提供第一反應物；步驟b.活化所述第一反應物，以產生燃料給燃料電池；步驟c.當在所述第一反應物的活化過程中所述燃料電池的特征值達第一參考值時， 加入定量的第二反應物至所述第一反應物以決定監控時間，其中所述監控時間是加入所述 定量的所述第二反應物后，所述燃料電池的所述特征值從第二參考值至所述第一參考值的 時間；步驟d.加入所述定量的所述第二反應物至所述第一反應物且經過所述監控時間后， 檢測所述燃料電池的所述特征值以獲得第一特征值；步驟e.若所述第一特征值小于所述第一參考值，則進行所述步驟d ； 步驟f.若所述第一特征值大于所述第一參考值，則再經過延遲時間后，檢測所述燃料 電池的所述特征值以獲得第二特征值；以及步驟g.若所述第二特征值小于所述第一參考值，則進行所述步驟d。
2.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述第一反應物包括 化學儲氫材料。
3.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述第一反應物包括 硼氫化鈉。
4.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述第二反應物包括 化學儲氫材料。
5.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述第二反應物包括水。
6.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述活化所述第一反 應物的步驟包括持續緩慢加入所述第二反應物至所述第一反應物。
7.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，還包括若所述燃料電池的所述特征值大于上限值，則停止將所述第二反應物加入至所述第一 反應物；以及若所述燃料電池的所述特征值小于下限值，則進行所述步驟d。
8.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述燃料電池的所述 特征值為溫度、輸出電壓、輸出電流與輸出功率的其一。
9.如權利要求1所述的燃料電池的燃料產生反應控制方法，其中所述燃料包括氫。
10.一種用于燃料電池的燃料產生反應控制的計算機程序產品，當計算機加載所述計 算機程序并執行后，可完成權利要求1所述的方法。
11.一種燃料電池系統，包括 腔體，具有第一反應物；供應裝置，用以依據控制信號決定供應至所述腔體的第二反應物的量，其中所述第一 反應物與所述第二反應物于所述腔體中進行燃料產生反應以產生燃料； 燃料電池，耦接所述腔體以接收所述燃料，藉以產生電力；以及 控制單元，電連接至所述供應裝置與所述燃料電池，以提供所述控制信號給所述供應裝置以及監測所述燃料電池的特征值，其中所述控制單元進行如權利要求1所述的燃料產 生反應控制方法。
12.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述第一反應物包括化學儲氫材料。
13.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述第一反應物包括硼氫化鈉。
14.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述第二反應物包括化學儲氫材料。
15.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述第二反應物包括水。
16.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述活化所述第一反應物的步驟包括 持續緩慢加入所述第二反應物至所述第一反應物。
17.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中若所述燃料電池的所述特征值大于上限 值，則所述控制單元控制所述供應裝置以停止將所述第二反應物加入至所述第一反應物； 以及若所述燃料電池的所述特征值小于下限值，則所述控制單元進行所述步驟d。
18.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述燃料電池的所述特征值為溫度、輸 出電壓、輸出電流與輸出功率的其一。
19.如權利要求11所述的燃料電池系統，其中所述燃料包括氫。
全文摘要
一種燃料電池的燃料產生反應控制方法，包括a.提供第一反應物。b.活化第一反應物，以產生燃料給燃料電池。c.當在第一反應物的活化過程中，燃料電池的特征值達第一參考值時，加入定量的第二反應物至第一反應物以決定監控時間，監控時間是燃料電池的特征值從第二參考值至第一參考值的時間。d.經過監控時間后，檢測燃料電池的特征值以獲得第一特征值。e.若第一特征值小于第一參考值，進行步驟d。f.若第一特征值大于第一參考值，再經過延遲時間后，檢測燃料電池的特征值以獲得第二特征值。g.若第二特征值小于第一參考值，進行步驟d。
文檔編號H01M8/06GK102148386SQ201010112989
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者周柏圭, 洪國泰, 王正 申請人:揚光綠能股份有限公司