TWI539124B - 發熱裝置的供熱方法 - Google Patents

Description

發熱裝置的供熱方法

本揭露是有關於一種發熱裝置的供熱方法，且特別是有關於一種具有燃料電池、電能儲存裝置與電熱轉換元件的發熱裝置的供熱方法。

燃料電池(fuel cell)是一種使用燃料進行化學反應產生電力的裝置。燃料的選擇性很高，例如氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，都可以做為燃料電池的燃料。

當燃料電池工作時，藉由催化劑使燃料與氧發生反應，其產物為水。有些燃料也可能產生二氧化碳。然而，相較於其他發電方法(例如火力發電)，燃料電池工作時二氧化碳的排放量相當低，因此，可視為一種低污染性的發電方法。

直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)是直接使用甲醇(水溶液)或甲醇蒸氣為燃料，將化學能轉化為電能的發電裝置，其燃料效率(即化學能轉換成電能的效率)隨操作溫度略有不同，通常小於40%，其餘化學能轉化為熱能。一般應用中，視燃料電池發電產出的熱能為廢熱，需設計機構或耗費能量來散熱。因此，妥善應用燃料電池產出的熱能不失為另一種提升燃料整體利用效率的方法。

本揭露的實施例提出一種發熱裝置供熱的方法。所述 發熱裝置包括燃料電池、電能儲存裝置、電熱轉換元件與切換單元。燃料電池適於對電能儲存裝置充電，電能儲存裝置適於向電熱轉換元件供電。切換單元使發熱裝置在第一模式與第二模式之間切換。上述發熱裝置的供熱方法包括：以燃料電池對電能儲存裝置充電，且燃料電池在充電過程中產生熱能的第一供熱方式，以及以電能儲存裝置向電熱轉換元件供電且以電熱轉換元件產生熱能的第二供熱方式。在發熱裝置切換為第一模式時，第一供熱方式與第二供熱方式交替進行，在將發熱裝置切換為第二模式時，第一供熱方式與第二供熱方式同時進行。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是根據第一實施例繪示的發熱裝置的供熱流程示意圖。圖2是第一實施例的發熱裝置的方塊圖。圖1中，於同一時間軸上呈現發熱裝置提供熱量的變化、燃料電池的啟動與關閉、電能儲存裝置的電量變化及電熱轉換元件的功率變化。藉此，清楚呈現第一實施例的發熱裝置的供熱方法。

參照圖2，根據第一實施例，發熱裝置100包括切換單元101、燃料電池102、電能儲存裝置104與電熱轉換元件106。燃料電池102與電能儲存裝置104電性連接，以適於對電能儲存裝置104進行充電，並可視需要加入電壓轉換之相關設計(未繪示)。電能儲存裝置104與電熱轉 換元件106電性連接，以適於向電熱轉換元件106進行供電。切換單元101可因應使用者的需求，控制發熱裝置100輸出的熱量。控制的方式將於下文詳述之。

本說明書中所謂的「電能儲存裝置」，意指可以進行多次充放電的裝置，例如二次電池(secondary battery)或電容(capacitor)。二次電池的實例包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池。當然，本揭露的實施例並不特別限制電能儲存裝置的種類，只要是可以經燃料電池充電並放電至另一電子元件的裝置，均涵蓋於本揭露的範疇之內。

本說明書中所謂的「電熱轉換元件」，意指可以藉由消耗電能而與外界產生熱交換的元件。此處所謂的熱交換，可以指對外界進行加熱，例如，電熱轉換元件可為電阻式加熱器。此外，電熱轉換元件也可能是由熱電材料構成的熱電元件，熱電元件具有冷端與熱端，因此，在這種實施型態中，電熱轉換元件可視需要對外界進行冷卻或加熱。

燃料電池的運作原理是以化學反應將化學能轉換為電能，反應時，除了產生電能以外，還會產生大量的熱能。以燃料效率20.8%的直接甲醇型燃料電池為例，其燃料為甲醇，消耗1 L的甲醇約可得到4800 Wh(瓦×小時)的能量，其中約1000 Wh為電能，而約3800 Wh為熱能。本揭露實施例的供熱方法即是在尋求一種利用燃料電池發電時所產生之熱能的方式。

在第一實施例中，發熱裝置100是一種攜帶型的發熱裝置，例如人體保暖裝置、相機包或保溫背包等。為了攜帶方便，燃料電池102的體積通常不宜太大，輸出功率可小於50 W，例如是小於10 W。再者，燃料電池102運作時的內部溫度(即發電時燃料之化學反應的反應溫度)可小於70℃，例如是小於60℃。在本實施例中所使用之燃料電池102可利用本揭露發明人的相關台灣申請案(申請號99144306)中所揭露的燃料電池，其可不具方向性的任意放置。燃料電池102的燃料係可為濃度大於50% v/v的甲醇溶液，高濃度的燃料可直接在燃料電池102的膜電極組陽極反應，不需透過混合槽稀釋進料。

請參照圖1，在時間點t₀時，發熱裝置100啟動。請注意，為了方便說明，以下描述是基於如下假設：在時間t₀時，電能儲存裝置104的電量達飽和(即已達預設的上限)；且此時使用者需要的熱量較低，即發熱裝置100提供較低的熱量，發熱裝置100上可設置不同熱量需求的開關(例如：強、弱)，使用者可依實際需要自行選擇。在一實施例中，開關可連接至切換單元101，藉此使發熱裝置100切換至供給較少熱量的模式，此時為第一模式。至於使用者所需熱量較高的情況，將於下文詳述。當然，實際使用發熱裝置100時，不受前述條件限制。在發熱裝置100啟動以後(時間t>t₀時)，由於電能儲存裝置104的電量已達設定上限，燃料電池102無須啟動。此時，電能儲存裝置104供電給電熱轉換元件106，以啟動電熱轉換 元件106並產生熱能，供應發熱裝置100所需的熱能。由於發熱裝置100所需提供的熱量較低，此時電熱轉換元件106的功率可以不用達到其最大功率，亦即可將電熱轉換元件106的功率進行調整，例如，可僅達到其最大功率的50%，如圖1所示。此時，發熱裝置100以熱能Q_L對外輸出，例如若發熱裝置100為手持式發熱裝置，此時輸出的熱能Q_L可讓使用者感覺溫暖，或例如是設計於背包內的發熱裝置，熱能Q_L可輸出至背包內的保暖空間，使該空間溫度高於環境溫度。

電熱轉換元件106的電力可由電能儲存裝置104供應，因此，隨著時間推移，電能儲存裝置104的電量逐漸下降，到時間t₁時，電能儲存裝置104的電量降低至預定下限，此時，進行第一供熱方式，燃料電池102啟動並產生電能，以對電能儲存裝置104充電，且可視電能儲存裝置104需求，於燃料電池102與電能儲存裝置104間增設電壓轉換裝置(未繪示)。由於燃料電池102啟動時，除了產生電能以外也會產生熱能，在發熱裝置100所需供應的熱量較低的狀況下，此時不再需要藉由電熱轉換元件106來供給熱能Q_L，而是由燃料電池102產生的熱能供應發熱裝置100所需的熱能，因此在燃料電池102啟動時(時間t₁)可關閉電熱轉換元件106。

在時間由t₁行進至t₂時，燃料電池102產生的電能對電能儲存裝置104充電，使電能儲存裝置104的電量逐漸上升，且同時由燃料電池102產生熱能，以供應發熱裝置 100輸出熱能Q_L。於時間t₂處，電能儲存裝置104的電量達到其預定上限，因此燃料電池102關閉。之後再進行第二供熱方式，即發熱裝置100所需供應之熱能Q_L接著由電熱轉換元件106供給。換言之，回到如時間點t₀的狀態。

在本說明書中，以「第一供熱方式」指稱以燃料電池102對電能儲存裝置104充電且燃料電池102在充電過程中產生熱能以供熱的情形(t₁至t₂的供熱方式)，以「第二供熱方式」指稱電能儲存裝置104向電熱轉換元件106供電且以電熱轉換元件106產生熱能以供熱的情形(t₀至t₁的供熱方式)。「第一」、「第二」的用語只是為了區分兩種供熱方式，並不表示這兩種供熱方式在時間上有先後之別。事實上，第一供熱方式與第二供熱方式可以交替進行(如針對t₀至t₂所描述者)或同時進行(以下將有更詳細的描述)。

時間t₂至t₃的供熱過程與時間t₀至t₁相同；時間t₃至t₄的供熱過程與時間t₁至t₂相同，以此類推，在發熱裝置100切換為第一模式的情形下，前述第一供熱方式與第二供熱方式可不斷交替重複進行。也就是說，只要燃料電池102中的燃料沒有用罄，第一實施例的供熱方法可以穩定提供熱能輸出。更詳細地說，習知的可攜式發熱裝置均是以消耗電能的方式來發熱(將電能轉換為熱能)，在電量耗盡以後就無法繼續發熱，也無法自行發電儲電，必須依賴外部電力供應，才可再度發熱，然而，第一實施例的供熱方法不僅能藉由耗電來發熱(即利用電熱轉換元件 106，將電能轉換為熱能)，也能在發電儲電的同時發熱(利用燃料電池102，將化學能轉換為熱能)，因此可提供穩定且長效的熱能輸出。

請繼續參照圖1，在時間t₅時，電能儲存裝置104的電量再度達到上限，因此燃料電池102關閉。為了維持熱能輸出，電熱轉換元件106隨之開啟，此時，如果使用者所需的熱量變高了，使用者可將前述調整熱量需求的開關切換為「強」，因應此切換，切換單元101可以調高電熱轉換元件106的功率，使發熱裝置100輸出較大的熱能Q_H。由於電熱轉換元件106的功率增大，加速了電能儲存裝置104之電量的消耗，如圖1所示，相較於t₀至t₁(或t₂至t₃)的情形，代表電能儲存裝置104的電量的曲線在t₅至t₆間的斜率更陡峭。電能儲存裝置104的電量到達下限時(時間t₆)，切換單元101可將發熱裝置100切換為第二模式，啟動燃料電池102，此時，燃料電池102與電熱轉換元件106一起發熱，也就是說，在發熱裝置100切換為第二模式時，第一供熱方式與第二供熱方式是同時進行的。更進一步來說，由於燃料電池102可以供應部分的熱量，因此電熱轉換元件106的功率可以調降，使電能儲存裝置104電量的消耗降低。只要燃料電池102的發電效率足夠，就可以在電能儲存裝置104持續對電熱轉換元件106供電的情形下，同時繼續對電能儲存裝置104充電。

到達時間t₇時，如果發熱裝置100不再需要輸出較高熱能Q_H，此時切換為第一模式，可以關閉電熱轉換元件 106，由燃料電池102單獨供應發熱裝置100所需輸出的較低熱能Q_L，並繼續對電能儲存裝置104充電，以利後續第一供熱方式與第二供熱方式的交替進行。

以上實施型態，僅描述了以電熱轉換元件106供熱的情形，然而，電熱轉換元件106也可用來進行冷卻。例如，在燃料電池102對電能儲存裝置104充電時，如果燃料電池102產生的熱量太多，而使發熱裝置100的溫度過高時，則電熱轉換元件106可切換成消耗電能以排除熱量的模式，藉此微調發熱裝置100的溫度。

另外，燃料電池可視使用者熱量需求採取燃料效率較低的操作模式(亦即，以相同量的燃料而言，發電效率降低而發熱效率升高的模式)，以增加熱量產生，例如降低工作電壓或使用更多燃料進行反應。

此外，在本實施例中，電能儲存裝置104的電力並不一定要全部送予電熱轉換元件106，只要在發熱裝置100內安裝合適的電力輸出埠，電能儲存裝置104的電力也可以傳送給與電能儲存裝置104電性連接的外部元件108，如圖3所示。外部元件108可以是攜帶型的3C產品，如手機、mp3、個人行動助理等。可視外部元件108需求，於電能儲存裝置104與外部元件108間增設電壓轉換裝置(未繪示)。

再者，發熱裝置100還可包括溫度偵測單元(未繪示)、電力偵測單元(未繪示)與控制單元(未繪示)。溫度偵測單元可以偵測發熱裝置100的溫度，例如，在發 熱裝置100為人體保暖裝置時，溫度偵測單元可經過設定，偵測發熱裝置與人體接觸的部份的溫度；電力偵測單元可偵測電能儲存裝置104的剩餘電量；控制單元可根據來自溫度偵測單元與電力偵測單元的資訊，決定燃料電池102的開啟與關閉、電熱轉換元件106的開啟與關閉以及電熱轉換元件106開啟時的功率大小。這些單元的結構以及各單元之間的實體配置與電路連接關係，可參考所屬技術領域中具有通常知識者所知的任一種技術，於此不再贅述。

〈實驗〉

以下將列舉實驗例來進一步說明本揭露實施例的發熱裝置的供熱方法，然而，本揭露並不限於以下實驗例。

實驗例1

實驗例中所使用的發熱裝置包括直接甲醇型燃料電池系統，其包括燃料電池、位於燃料電池的陰極端的陰極保濕層、位於燃料電池的陽極端的燃料分配單元、控制單元、液態燃料補充元件、燃料儲存區與溫度感測元件。液態燃料補充元件接受控制單元的控制，將燃料儲存區的高濃度甲醇燃料(68%的甲醇水溶液)送往燃料分配單元，進而分配至燃料電池。溫度感測元件量測燃料電池的實際溫度，並提供溫度訊息給予控制單元。控制單元將燃料電池的操作溫度控制於60℃以下。

使用300 μm厚的鋁板作為導熱板，並在鋁板上設置電阻式加熱器(PI薄膜電熱片，面積為1×3 cm²)。鋁板 也直接接觸燃料電池，以傳導燃料電池產生之熱量。發熱裝置內另配有鋰離子電池。以此結構作為發熱裝置的基礎模型。

圖4A呈現實驗例1的實驗結果圖。圖4A中，左縱軸顯示加熱器的功率與燃料電池的發電功率，右縱軸顯示鋁板的溫度。在實驗例1中，首先以加熱器對鋁板加熱，在時間約為0.3小時時，關閉加熱器，並啟動燃料電池，使燃料電池對二次電池充電，並繼續加熱。實驗中刻意維持加熱器耗電量等於燃料電池充電量相等的電能平衡，系統可以在無外部負載的狀態下長時間持續運作。實際應用上，在有外部電能需求時，可調整加熱器與燃料電池耗電發電比例，以向外輸出電能。

在實驗例1中，電阻式加熱器的加熱與燃料電池發電所致的加熱交替進行，在室溫20℃的環境下，將鋁板的溫度穩定維持在37℃~43℃之間。

實驗例2

實驗例2的發熱裝置的配置與實驗例1相同。實驗例2與實驗例1的差異在於，實驗例2是在室溫15℃下進行。

圖4B呈現實驗例2的實驗結果圖。圖4B中，左縱軸顯示加熱器的功率與燃料電池的發電功率，右縱軸顯示鋁板的溫度。由於實驗例2的環境溫度較低，若要達到與實驗例1相同的溫度(37℃~43℃)，發熱裝置需要輸出更高的熱能，因此，在實驗例2中，先採取加熱器對鋁板加熱，且燃料電池在對二次電池充電的同時也對鋁板加熱的 方式來進行加熱，在時間約為1.1小時時，關閉燃料電池，以加熱器獨力加熱。在時間約為1.25小時時，再啟動燃料電池，並將加熱器的功率降低，以繼續加熱。實驗中刻意維持加熱器耗電量等於燃料電池充電量相等的電能平衡。

綜上所述，本揭露實施例結合燃料電池、電熱轉換元件與電能儲存裝置，提供一種利用燃料電池發電時所產生的熱能的方法，可以增加燃料利用的效率，避免能源的浪費。本揭露實施例揭露的供熱方法可利用發電或耗電的方式達到發熱(保暖)的目的，且前述兩種方式可交替或同時進行。藉此，系統可以在無外部負載的狀態下長時間持續運作，可以達到穩定且長期的熱能輸出。在發電以生熱的同時，若有外部電力需求，也可以提供電能給周邊的3C產品。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發熱裝置

101‧‧‧切換單元

102‧‧‧燃料電池

104‧‧‧電能儲存裝置

106‧‧‧電熱轉換元件

108‧‧‧外部元件

圖1是根據第一實施例繪示的發熱裝置的供熱流程示意圖。

圖2是根據第一實施例繪示的發熱裝置的方塊圖。

圖3是根據另一實施例繪示的發熱裝置的方塊圖。

圖4A是實驗例1的實驗結果示意圖。

圖4B是實驗例2的實驗結果示意圖。

Claims (15)

1. 一種發熱裝置的供熱方法，所述發熱裝置包括至少一燃料電池、至少一電能儲存裝置、至少一電熱轉換元件與一切換單元，所述燃料電池適於對所述電能儲存裝置充電，所述電能儲存裝置適於向所述電熱轉換元件供電，所述切換單元使所述發熱裝置在第一模式與第二模式之間切換，以及所述燃料電池為直接甲醇型燃料電池，且所述燃料電池的輸出功率小於50W，其中，所述發熱裝置供熱的方法包括：以所述燃料電池對所述電能儲存裝置充電且所述燃料電池在充電過程中產生熱能的第一供熱方式；以及以所述電能儲存裝置向所述電熱轉換元件供電且以所述電熱轉換元件產生熱能的第二供熱方式，其中，在將所述發熱裝置切換為所述第一模式時，所述第一供熱方式與所述第二供熱方式交替進行，且在將所述發熱裝置切換為所述第二模式時，所述第一供熱方式與所述第二供熱方式同時進行。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，包括：當所述電能儲存裝置的電量到達預定下限時，啟動所述燃料電池以進行所述第一供熱方式；以及當所述電能儲存裝置的電量到達預定上限時，關閉所述燃料電池並進行所述第二供熱方式。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方 法，其中，所述第一供熱方式包括：所述燃料電池啟動並產生電能，以對所述電能儲存裝置充電，所述燃料電池產生的熱能供應所述發熱裝置所需的熱能。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中，在所述發熱裝置處於所述第一模式時，於啟動所述燃料電池時關閉所述電熱轉換元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中，所述第二供熱方式包括：所述電能儲存裝置供電給所述電熱轉換元件，以啟動所述電熱轉換元件並產生熱能。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發熱裝置的供熱方法，其中，所述第二供熱方式包括：將所述電熱轉換元件的功率進行調整。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，更包括降低所述燃料電池的工作電壓或增加所述燃料電池的燃料消耗量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述燃料電池的燃料為濃度大於50% v/v的甲醇溶液。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述燃料電池的所述燃料直接在所述燃料電池的膜電極組陽極反應。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方 法，其中所述燃料電池的輸出功率小於10W。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述燃料電池運作時的內部溫度小於70℃。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述燃料電池運作時的內部溫度小於60℃。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，更包括以所述電能儲存裝置對外部元件供電。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述電能儲存裝置包括二次電池或電容。
15. 如申請專利範圍第1項所述之發熱裝置的供熱方法，其中所述電熱轉換元件包括電阻式加熱器或熱電元件。