CN103811781A - 发热装置的供热方法 - Google Patents
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Abstract
一种发热装置的供热方法。该发热装置包括燃料电池、电能储存装置、电热转换元件与切换单元。燃料电池用于对电能储存装置充电，电能储存装置用于向电热转换元件供电。切换单元使发热装置在第一模式与第二模式间切换。该发热装置的供热方法包括：以燃料电池对电能储存装置充电，且以燃料电池产生热能的第一供热方式；以及以电能储存装置向电热转换元件供电，且以电热转换元件产生热能的第二供热方式。在发热装置切换为第一模式时，第一供热方式与第二供热方式交替进行，在发热装置切换为第二模式时，第一供热方式与第二供热方式同时进行。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发热装置的供热方法，且特别是有关于一种具有燃料电池、电能储存装置与电热转换元件的发热装置的供热方法。
背景技术
燃料电池（fuel cell）是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置。燃料的选择性很高，例如氢气、甲醇、乙醇、天然气，都可以做为燃料电池的燃料。
当燃料电池工作时，通过催化剂使燃料与氧发生反应，其产物为水。有些燃料也可能产生二氧化碳。然而，相较于其他发电方法（例如火力发电），燃料电池工作时二氧化碳的排放量相当低，因此，可视为一种低污染性的发电方法。
直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）是直接使用甲醇（水溶液）或甲醇蒸气为燃料，将化学能转化为电能的发电装置，其燃料效率（即化学能转换成电能的效率）随操作温度略有不同，通常小于40%，其余化学能转化为热能。一般应用中，视燃料电池发电产出的热能为废热，需设计机构或耗费能量来散热。因此，妥善应用燃料电池产出的热能不失为另一种提升燃料整体利用效率的方法。
发明内容
本发明提出一种发热装置供热的方法。所述发热装置包括至少一燃料电池、至少一电能储存装置、至少一电热转换元件与一切换单元，所述燃料电池用于对所述电能储存装置充电，所述电能储存装置用于向所述电热转换元件供电，所述切换单元使所述发热装置在第一模式与第二模式之间切换，其特征在于，
所述发热装置供热的方法包括：
以所述燃料电池对所述电能储存装置充电且所述燃料电池在充电过程中产生热能的第一供热方式；以及
以所述电能储存装置向所述电热转换元件供电且以所述电热转换元件产生热能的第二供热方式，
其中，在将所述发热装置切换为所述第一模式时，所述第一供热方式与所述第二供热方式交替进行，且在将所述发热装置切换为所述第二模式时，所述第一供热方式与所述第二供热方式同时进行。
当所述电能储存装置的电量到达预定下限时，启动所述燃料电池以进行所述第一供热方式；以及
当所述电能储存装置的电量到达预定上限时，关闭所述燃料电池并进行所述第二供热方式。
所述第一供热方式包括：
所述燃料电池启动并产生电能，以对所述电能储存装置充电，所述燃料电池产生的热能供应所述发热装置所需的热能。
在所述发热装置处于所述第一模式时，于启动所述燃料电池时关闭所述电热转换元件。
所述第二供热方式包括：
所述电能储存装置供电给所述电热转换元件，以启动所述电热转换元件并产生热能。
所述第二供热方式包括：
将所述电热转换元件的功率进行调整。
在将所述发热装置切换为所述第二模式时，所述发热装置的供热方法还包括降低所述燃料电池的工作电压或增加所述燃料电池的燃料消耗量。
所述燃料电池为直接甲醇型燃料电池，且所述燃料电池的燃料为浓度大于50%v/v的甲醇溶液。
所述燃料电池的所述燃料直接在所述燃料电池的膜电极组阳极反应。
所述燃料电池的输出功率小于50W。
所述燃料电池的输出功率小于10W。
所述燃料电池运作时的内部温度小于70°C。
所述燃料电池运作时的内部温度小于60°C。
所述发热装置供热的方法还包括以所述电能储存装置对外部元件供电。
所述电能储存装置包括二次电池或电容。
所述电热转换元件包括电阻式加热器或热电元件。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是根据第一实施例绘示的发热装置的供热方法流程示意图。
图2是根据第一实施例绘示的发热装置的方块图。
图3是根据另一实施例绘示的发热装置的方块图。
图4A是实验例1的实验结果示意图。
图4B是实验例2的实验结果示意图。
附图标记说明
100：发热装置
101：切换单元
102：燃料电池
104：电能储存装置
106：电热转换元件
108：外部元件
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
图1是根据第一实施例绘示的发热装置的供热方法流程示意图。图2是第一实施例的发热装置的方块图。图1中，在同一时间轴上呈现发热装置提供热量的变化、燃料电池的启动与关闭、电能储存装置的电量变化及电热转换元件的功率变化。因此，清楚呈现第一实施例的发热装置的供热方法。
参照图2，根据第一实施例，发热装置100包括切换单元101、燃料电池102、电能储存装置104与电热转换元件106。燃料电池102与电能储存装置104电性连接，以用于对电能储存装置104进行充电，并可视需要加入电压转换的相关设计（未绘示）。电能储存装置104与电热转换元件106电性连接，以用于向电热转换元件106进行供电。切换单元101可因应使用者的需求，控制发热装置100输出的热量。控制的方式将于下文详述。
本说明书中所谓的「电能储存装置」，意指可以进行多次充放电的装置，例如二次电池（secondary battery）或电容（capacitor）。二次电池的实例包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池。当然，本发明的实施例并不特别限制电能储存装置的种类，只要是可以经燃料电池充电并放电至另一电子元件的装置，均涵盖于本发明的范畴之内。
本说明书中所谓的「电热转换元件」，意指可以通过消耗电能而与外界产生热交换的元件。此处所谓的热交换，可以指对外界进行加热，例如，电热转换元件可为电阻式加热器。此外，电热转换元件也可能是由热电材料构成的热电元件，热电元件具有冷端与热端，因此，在这种实施型态中，电热转换元件可视需要对外界进行冷却或加热。
燃料电池的运作原理是以化学反应将化学能转换为电能，反应时，除了产生电能以外，还会产生大量的热能。以燃料效率20.8%的直接甲醇型燃料电池为例，其燃料为甲醇，消耗1L的甲醇约可得到4800Wh（瓦×小时）的能量，其中约1000Wh为电能，而约3800Wh为热能。本发明实施例的供热方法即是在寻求一种利用燃料电池发电时所产生热能的方式。
在第一实施例中，发热装置100是一种携带型的发热装置，例如人体保暖装置、相机包或保温背包等。为了携带方便，燃料电池102的体积通常不宜太大，输出功率可小于50W，例如是小于10W。再者，燃料电池102运作时的内部温度（即发电时燃料的化学反应的反应温度）可小于70°C，例如是小于60°C。在本实施例中所使用的燃料电池102可利用本发明发明人的相关台湾申请案（申请号99144306）中所揭露的燃料电池，其可不具方向性的任意放置。燃料电池102的燃料可为浓度大于50%v/v的甲醇溶液，高浓度的燃料可直接在燃料电池102的膜电极组阳极反应，不需通过混合槽稀释进料。
请参照图1，在时间点t0时，发热装置100启动。请注意，为了方便说明，以下描述是基于如下假设：在时间t0时，电能储存装置104的电量达饱和（即已达预设的上限）；且此时使用者需要的热量较低，即发热装置100提供较低的热量，发热装置100上可设置不同热量需求的开关（例如：强、弱），使用者可依实际需要自行选择。在一实施例中，开关可连接至切换单元101，通过使发热装置100切换至供给较少热量的模式，此时为第一模式。至于使用者所需热量较高的情况，将于下文详述。当然，实际使用发热装置100时，不受前述条件限制。在发热装置100启动以后（时间t＞t0时），由于电能储存装置104的电量已达设定上限，燃料电池102无须启动。此时，电能储存装置104供电给电热转换元件106，以启动电热转换元件106并产生热能，供应发热装置100所需的热能。由于发热装置100所需提供的热量较低，此时电热转换元件106的功率可以不用达到其最大功率，亦即可将电热转换元件106的功率进行调整，例如，可仅达到其最大功率的50%，如图1所示。此时，发热装置100以热能QL对外输出，例如若发热装置100为手持式发热装置，此时输出的热能QL可让使用者感觉温暖，或例如是设计于背包内的发热装置，热能QL可输出至背包内的保暖空间，使该空间温度高于环境温度。
电热转换元件106的电力可由电能储存装置104供应，因此，随着时间推移，电能储存装置104的电量逐渐下降，到时间t1时，电能储存装置104的电量降低至预定下限，此时，进行第一供热方式，燃料电池102启动并产生电能，以对电能储存装置104充电，且可视电能储存装置104需求，于燃料电池102与电能储存装置104间增设电压转换装置（未绘示）。由于燃料电池102启动时，除了产生电能以外也会产生热能，在发热装置100所需供应的热量较低的状况下，此时不再需要藉由电热转换元件106来供给热能QL，而是由燃料电池102产生的热能供应发热装置100所需的热能，因此在燃料电池102启动时（时间t1）可关闭电热转换元件106。
在时间由t1行进至t2时，燃料电池102产生的电能对电能储存装置104充电，使电能储存装置104的电量逐渐上升，且同时由燃料电池102产生热能，以供应发热装置100输出热能QL。于时间t2处，电能储存装置104的电量达到其预定上限，因此燃料电池102关闭。之后再进行第二供热方式，即发热装置100所需供应的热能QL接着由电热转换元件106供给。换言之，回到如时间点t0的状态。
在本说明书中，以「第一供热方式」指称以燃料电池102对电能储存装置104充电且燃料电池102在充电过程中产生热能以供热的情形（t1至t2的供热方式），以「第二供热方式」指称电能储存装置104向电热转换元件106供电且以电热转换元件106产生热能以供热的情形（t0至t1的供热方式）。「第一」、「第二」的用语只是为了区分两种供热方式，并不表示这两种供热方式在时间上有先后之别。事实上，第一供热方式与第二供热方式可以交替进行（如针对t0至t2所描述者）或同时进行（以下将有更详细的描述）。
时间t2至t3的供热过程与时间t0至t1相同；时间t3至t4的供热过程与时间t1至t2相同，以此类推，在发热装置100切换为第一模式的情形下，前述第一供热方式与第二供热方式可不断交替重复进行。也就是说，只要燃料电池102中的燃料没有用尽，第一实施例的供热方法可以稳定提供热能输出。更详细地说，公知的可携式发热装置均是以消耗电能的方式来发热（将电能转换为热能），在电量耗尽以后就无法继续发热，也无法自行发电储电，必须依赖外部电力供应，才可再度发热，然而，第一实施例的供热方法不仅能通过耗电来发热（即利用电热转换元件106，将电能转换为热能），也能在发电储电的同时发热（利用燃料电池102，将化学能转换为热能），因此可提供稳定且长效的热能输出。
请继续参照图1，在时间t5时，电能储存装置104的电量再度达到上限，因此燃料电池102关闭。为了维持热能输出，电热转换元件106随之开启，此时，如果使用者所需的热量变高了，使用者可将前述调整热量需求的开关切换为「强」，因应此切换，切换单元101可以调高电热转换元件106的功率，使发热装置100输出较大的热能QH。由于电热转换元件106的功率增大，加速了电能储存装置104电量的消耗，如图1所示，相较于t0至t1（或t2至t3）的情形，代表电能储存装置104的电量的曲线在t5至t6间的斜率更陡峭。电能储存装置104的电量到达下限时（时间t6），切换单元101可将发热装置100切换为第二模式，启动燃料电池102，此时，燃料电池102与电热转换元件106一起发热，也就是说，在发热装置100切换为第二模式时，第一供热方式与第二供热方式是同时进行的。更进一步来说，由于燃料电池102可以供应部分的热量，因此电热转换元件106的功率可以调降，使电能储存装置104电量的消耗降低。只要燃料电池102的发电效率足够，就可以在电能储存装置104持续对电热转换元件106供电的情形下，同时继续对电能储存装置104充电。
到达时间t7时，如果发热装置100不再需要输出较高热能QH，此时切换为第一模式，可以关闭电热转换元件106，由燃料电池102单独供应发热装置100所需输出的较低热能QL，并继续对电能储存装置104充电，以利后续第一供热方式与第二供热方式的交替进行。
以上实施型态，仅描述了以电热转换元件106供热的情形，然而，电热转换元件106也可用来进行冷却。例如，在燃料电池102对电能储存装置104充电时，如果燃料电池102产生的热量太多，而使发热装置100的温度过高时，则电热转换元件106可切换成消耗电能以排除热量的模式，因此微调发热装置100的温度。
另外，燃料电池可视使用者热量需求采取燃料效率较低的操作模式（以相同量的燃料而言，发电效率降低而发热效率升高的模式），以增加热量产生，例如降低工作电压或使用更多燃料进行反应。
此外，在本实施例中，电能储存装置104的电力并不一定要全部送予电热转换元件106，只要在发热装置100内安装合适的电力输出埠，电能储存装置104的电力也可以传送给与电能储存装置104电性连接的外部元件108，如图3所示。外部元件108可以是携带型的3C产品，如手机、mp3、个人行动助理等。可视外部元件108需求，于电能储存装置104与外部元件108间增设电压转换装置（未绘示）。
再者，发热装置100还可包括温度侦测单元（未绘示）、电力侦测单元（未绘示）与控制单元（未绘示）。温度侦测单元可以侦测发热装置100的温度，例如，在发热装置100为人体保暖装置时，温度侦测单元可经过设定，侦测发热装置与人体接触的部份的温度；电力侦测单元可侦测电能储存装置104的剩余电量；控制单元可根据来自温度侦测单元与电力侦测单元的信息，决定燃料电池102的开启与关闭、电热转换元件106的开启与关闭以及电热转换元件106开启时的功率大小。这些单元的结构以及各单元之间的实体配置与电路连接关系，可参考本技术领域技术人员所知的任一种技术，于此不再赘述。
〈实验〉
以下将列举实验例来进一步说明本发明实施例的发热装置的供热方法，然而，本发明并不限于以下实验例。
实验例1
实验例中所使用的发热装置包括直接甲醇型燃料电池***，其包括燃料电池、位于燃料电池的阴极端的阴极保湿层、位于燃料电池的阳极端的燃料分配单元、控制单元、液态燃料补充元件、燃料储存区与温度感测元件。液态燃料补充元件接受控制单元的控制，将燃料储存区的高浓度甲醇燃料（68%的甲醇水溶液）送往燃料分配单元，进而分配至燃料电池。温度感测元件量测燃料电池的实际温度，并提供温度讯息给予控制单元。控制单元将燃料电池的操作温度控制于60℃以下。
使用300μm厚的铝板作为导热板，并在铝板上设置电阻式加热器（PI薄膜电热片，面积为1×3cm2）。铝板也直接接触燃料电池，以传导燃料电池产生热量。发热装置内另配有锂离子电池。以此结构作为发热装置的基础模型。
图4A呈现实验例1的实验结果图。图4A中，左纵轴显示加热器的功率与燃料电池的发电功率，右纵轴显示铝板的温度。在实验例1中，首先以加热器对铝板加热，在时间约为0.3小时时，关闭加热器，并启动燃料电池，使燃料电池对二次电池充电，并继续加热。实验中刻意维持加热器耗电量等于燃料电池充电量相等的电能平衡，***可以在无外部负载的状态下长时间持续运作。实际应用上，在有外部电能需求时，可调整加热器与燃料电池耗电发电比例，以向外输出电能。
在实验例1中，电阻式加热器的加热与燃料电池发电所致的加热交替进行，在室温20°C的环境下，将铝板的温度稳定维持在37°C～43°C之间。
实验例2
实验例2的发热装置的配置与实验例1相同。实验例2与实验例1的差异在于，实验例2是在室温15°C下进行。
图4B呈现实验例2的实验结果图。图4B中，左纵轴显示加热器的功率与燃料电池的发电功率，右纵轴显示铝板的温度。由于实验例2的环境温度较低，若要达到与实验例1相同的温度（37°C～43°C），发热装置需要输出更高的热能，因此，在实验例2中，先采取加热器对铝板加热，且燃料电池在对二次电池充电的同时也对铝板加热的方式来进行加热，在时间约为1.1小时时，关闭燃料电池，以加热器独力加热。在时间约为1.25小时时，再启动燃料电池，并将加热器的功率降低，以继续加热。实验中刻意维持加热器耗电量等于燃料电池充电量相等的电能平衡。
综上所述，本发明实施例结合燃料电池、电热转换元件与电能储存装置，提供一种利用燃料电池发电时所产生的热能的方法，可以增加燃料利用的效率，避免能源的浪费。本发明实施例提供的供热方法可利用发电或耗电的方式达到发热（保暖）的目的，且前述两种方式可交替或同时进行。因此，***可以在无外部负载的状态下长时间持续运作，可以达到稳定且长期的热能输出。在发电以生热的同时，若有外部电力需求，也可以提供电能给周边的3C产品。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种发热装置的供热方法，所述发热装置包括至少一燃料电池、至少一电能储存装置、至少一电热转换元件与一切换单元，所述燃料电池用于对所述电能储存装置充电，所述电能储存装置用于向所述电热转换元件供电，所述切换单元使所述发热装置在第一模式与第二模式之间切换，其特征在于，
所述发热装置供热的方法包括：
以所述燃料电池对所述电能储存装置充电且所述燃料电池在充电过程中产生热能的第一供热方式；以及
以所述电能储存装置向所述电热转换元件供电且以所述电热转换元件产生热能的第二供热方式，
其中，在将所述发热装置切换为所述第一模式时，所述第一供热方式与所述第二供热方式交替进行，且在将所述发热装置切换为所述第二模式时，所述第一供热方式与所述第二供热方式同时进行。
2.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，
当所述电能储存装置的电量到达预定下限时，启动所述燃料电池以进行所述第一供热方式；以及
当所述电能储存装置的电量到达预定上限时，关闭所述燃料电池并进行所述第二供热方式。
3.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述第一供热方式包括：
所述燃料电池启动并产生电能，以对所述电能储存装置充电，所述燃料电池产生的热能供应所述发热装置所需的热能。
4.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，在所述发热装置处于所述第一模式时，于启动所述燃料电池时关闭所述电热转换元件。
5.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述第二供热方式包括：
所述电能储存装置供电给所述电热转换元件，以启动所述电热转换元件并产生热能。
6.如权利要求5所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述第二供热方式包括：
将所述电热转换元件的功率进行调整。
7.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，在将所述发热装置切换为所述第二模式时，所述发热装置的供热方法还包括降低所述燃料电池的工作电压或增加所述燃料电池的燃料消耗量。
8.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池为直接甲醇型燃料电池，且所述燃料电池的燃料为浓度大于50%v/v的甲醇溶液。
9.如权利要求8所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池的所述燃料直接在所述燃料电池的膜电极组阳极反应。
10.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池的输出功率小于50W。
11.如权利要求10所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池的输出功率小于10W。
12.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池运作时的内部温度小于70°C。
13.如权利要求12所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述燃料电池运作时的内部温度小于60°C。
14.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述发热装置的供热方法还包括以所述电能储存装置对外部元件供电。
15.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述电能储存装置包括二次电池或电容。
16.如权利要求1所述的发热装置的供热方法，其特征在于，所述电热转换元件包括电阻式加热器或热电元件。
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