能量管理模块以及驱动装置的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  6

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专利名称:能量管理模块以及驱动装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种驱动装置,特别地,涉及一种具有燃料电池的驱动装置 及其应用的能量管理模块。
背景技术
燃料电池(FudCdl)的应用相当广泛,例如家庭备用电力、车船的电力系 统、低功率的可携式电子产品等,都可使用燃料电池。每一燃料电池具有膜 电极组(MEA)。在膜电极组的阳极端供给一定浓度的燃料,在阴极端给适量 的氧气后,在阴极与阳极间因化学反应而产生一电位差,所以可提供电流予 一外部负载。由于燃料电池的反应生成物为二氧化碳与水,所以不会产生任 何化学有机物质。因此,燃料电池可称为环保能源。常见的燃料电池包括直 接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell, DMFC),其是利用甲醇水溶液作 为发电用燃料。
于传统直接甲醇燃料电池中,需控制所使用的甲醇水溶液浓度使其不高 于一特定浓度,以避免甲醇渗透(cross over)情形发生而降低其膜电极组(MEA) 的发电效率。上述特定值则视所使用的膜电极组的性质而定,通常不高于 10vol%。另外,直接甲醇燃料电池也容易受到其操作温度及其环境温度所影 响,当其操作温度或环境温度过高时(通常高于60。C)时,直接甲醇燃料电池 的发电效率便会下降。
直接甲醇燃料电池的阳极化学反应式如下
CH3OH + H20 ^ 6H+ + 6e- +C02
阴极化学反应式如下 1.5 02 + 6H+ +6e- ^ 3H20
直接甲醇燃料电池的总反应式如下
CH3bH+H20+1.502^ 3H20
由上述总反应式可知,理论上直接甲醇燃料电池反应时会生成水,但是实际中由于环境温度与工作温度等因素,于反应过程中水会蒸发且其蒸发量 恐大于其生成量。另外,燃料电池中甲醇水溶液中的甲醇则随着反应时间的 增加而减少,因此所使用的甲醇水溶液浓度会随反应时间增加而减少,当甲 醇水溶液浓度过低时,于阳极处反应生成的氢离子就会大幅减少。因此,要 让直接甲醇电池内的电化学反应持续下去的话,就得增加甲醇含量与水量, 以维持直接甲醇燃料电池的持续运作。

发明内容
本发明提供了一种驱动装置及能量管理模块。
依据一实施例,本发明提供了一种驱动装置,用以驱动一负载,包括 一二次电池; 一燃料电池; 一燃料补给装置;以及一能量管理模块,耦 接该燃料电池、该二次电池与该燃料补给单元,产生一电流信号予该负载并 根据该燃料电池的一电能信号以及一液位信号产生一第一补给信号与一第 二补给信号予该燃料补给装置,驱动该燃料补给装置对该燃料电池进行燃料 补给。
在上述驱动装置中,该燃料电池包括 一膜电极模块;以及一燃料储存 装置,以提供该膜电极模块一燃料溶液,使该膜电极模块产生该电能信号。
在上述驱动装置中,该燃料储存装置还包括一液位检测计,该液位检测 计根据燃料储存装置内的该燃料溶液的液位状态提供该液位信号。
在上述驱动装置中,该能量管理模块包括 一处理单元;以及一温度检 测单元,其中该温度检测单元根据该燃料电池的温度状态以提供该处理单元 一温度信号,而该处理单元则根据该燃料电池的电能信号、液位信号以及该 温度信号产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃料补给装置。
在上述驱动装置中,该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元; 以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补 给信号补给一第一浓度燃料溶液予该燃料电池,而该第二浓度燃料补给单元 根据该第二补给信号补给一第二浓度燃料溶液予该燃料电池,其中该第一浓 度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的浓度。
在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液的浓度高于50%体积百分比, 而该第二浓度燃料溶液的浓度低于10%体积百分比。在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液的浓度为100%体积百分比, 而该第二浓度燃料溶液的浓度介于3~10%体积百分比。
在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液与该第二浓度燃料溶液为甲醇 水溶液。
在上述驱动装置中,该第一浓度燃料补给单元内设置有一第一泵,根据 该第一补给信号补给该第一浓度燃料溶液,而该第二浓度燃料补给单元内设 置有一第二泵,根据该第二电能信号补给该第二浓度燃料溶液。
依据另一实施例,本发明提供了一种能量管理模块,耦接一二次电池、 一燃料电池以及一燃料补给装置,用以驱动一负载与补给该燃料补给装置,
该能量管理模块包括
一处理单元;以及一温度检测单元,根据该燃料电池的温度状态以提供 该处理单元一温度信号,其中该处理单元根据该燃料电池之一电能信号、一 液位信号以及该温度信号,以产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃 料补给装置。
在上述能量管理模块中,该处理单元包括 一检测电路,用以检测该燃 料电池的该电能信号; 一微处理器,耦接于该检测电路与该温度检测单元, 根据该电能信号、该液位信号与该温度信号以产生该第一补给信号与该第二 补给信号予该燃料补给装置。
在上述能量管理模块中,该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单 元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第 一补给信号补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至该燃料电池,而该第二 浓度燃料补给单元根据该第二补给信号补给一第二定量的一第二浓度燃料 溶液至该燃料龟池,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶 液的浓度。
在上述能量管理模块中,且该第二浓度燃料溶液与该第一浓度燃料溶液 之间具有一浓度比值A,该检测电路于检测该电能信号后依序得到一电压信 号与一电流信号,该微处理器根据该电压信号与该温度信号得出该燃料电池 的效率值并进而根据该电流信号以及该燃料电池的效率值得出该燃料电池 需补给的该第一浓度燃料溶液的理论量YQ,该微处理器根据该液位信号得出 需补给的该第二浓度燃料溶液的该第二定量YL,并经由表达式Y2= Yo-( Yl4A)得出需补给的该第一浓度燃料溶液的该第一定量Y2。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料补给单元内设置有一第一泵, 以接收该第一补给信号并补给该第一浓度燃料至该燃料电池的一燃料储存 装置,而该第二浓度燃料补给单元内设置有一第二泵,以接收该第二电能信 号并补给该第二浓度燃料至该燃料电池的该燃料储存装置,而该微处理器分别将该第一定量Y2与该第二定量Yl分别转换成该第一补给信号与该第二补 给信号予该第一泵与该第二泵。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料的浓度高于50%体积百分比, 而该第二浓度燃料的浓度低于10%体积百分比。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料的浓度为100%体积百分比, 而该第二浓度燃料的浓度介于3~10%体积百分比。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料与该第二浓度燃料为甲醇水溶 液。依据又一实施例,本发明提供了一种驱动装置,用以驱动一负载,包括一二次电池; 一燃料电池; 一燃料补给装置;以及一能量管理模块,耦 接该燃料电池、该二次电池与该燃料补给单元,产生一电流信号予该负载并 根据该燃料电池的一燃料浓度信号以及一液位信号产生一第一补给信号与 一第二补给信号予该燃料补给装置,驱动该燃料补给装置对该燃料电池进行 燃料补给。在上述驱动装置中,该燃料电池包括 一膜电极模块;以及一燃料储存 装置,以提供该膜电极模块一燃料溶液,其中该燃料储存装置内设置有一液 位检测器以及一浓度检测器,该液位检测计根据燃料储存装置内的该燃料溶 液的液位状态提供该液位信号,而该液位检测计根据燃料储存装置内的该燃 料溶液的浓度状态提供该燃料浓度信号。在上述驱动装置中,该能量管理模块包括 一处理单元,根据该燃料电 池的燃料浓度信号与液位信号产生该第一补给信号与该第二补给信号予该 燃料补给装置。在上述驱动装置中,该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元; 以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补 给信号补给一第一浓度燃料溶液予该燃料电池,而该第二浓度燃料补给单元 根据该第二补给信号补给一第二浓度燃料溶液予该燃料电池,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的浓度。在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液的浓度高于50%体积百分比, 而该第二浓度燃料溶液的浓度低于10%体积百分比。在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液的浓度为100%体积百分比, 而该第二浓度燃料溶液的浓度介于3~10%体积百分比。在上述驱动装置中,该第一浓度燃料溶液与该第二浓度燃料溶液为甲醇 水溶液。在上述驱动装置中,该第一浓度燃料补给单元内设置有一第一泵,根据 该第一补给信号补给该第一浓度燃料溶液,而该第二浓度燃料补给单元内设 置有一第二泵,根据该第二电能信号补给该第二浓度燃料溶液。依据另一实施例,本发明提供了一种能量管理模块,耦接一二次电池、 一燃料电池以及一燃料补给装置,用以驱动一负载与补给该燃料补给装置, 该能量管理模块包括一处理单元,根据该燃料电池的一燃料浓度信号及一液 位信号,以产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置。在上述能量管理模块中,该处理单元包括 一微处理器,根据该燃料浓 度信号及该液位信号,以产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃料补 给装置。在上述能量管理模块中,该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单 元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第 一补给信号补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至该燃料电池,而该第二 浓度燃料补给单元根据该第二补给信号补给一第二定量的一第二浓度燃料 溶液至该燃料电池,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶 液的浓度。在上述能量管理模块中,且该第二浓度燃料溶液与该第一浓度燃料溶液 之间具有一浓度比值A,该微处理器根据该燃料浓度信号得出该燃料电池所 需补给的该第一浓度溶液的理论量YQ,并根据该液位信号得出该第二浓度燃料溶液的该第二定量Yl,并经由表达式Y2= Y。 -( Yl *八)得出需补给的该第 一浓度燃料溶液的该第一定量Y2。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料补给单元内设置有一第一泵, 以接收该第一补给信号并补给该第一浓度燃料至该燃料电池的一燃料储存装置,而该第二浓度燃料补给单元内设置有一第二泵,以接收该第二电能信 号并补给该第二浓度燃料至该燃料电池的该燃料储存装置,而该微处理器分 别将该第一定量Y2与该第二定量Yl分别转换成该第一补给信号与该第二补 给信号予该第一泵与该第二泵。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料的浓度高于50%体积百分比, 而该第二浓度燃料的浓度低于10%体积百分比浓度。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料的浓度为100%,而该第二浓 度燃料的浓度介于3~10%。在上述能量管理模块中,该第一浓度燃料与该第二浓度燃料为甲醇水溶液。本发明的驱动装置内的能量管理模块具有稳定控制并管理其内燃料 电池电能表现的功能,并通过燃料补给装置的设置而达成燃料溶液及水 分的补给,因此驱动装置内所采用的燃料电池将可于长时间操作后仍可 保持稳度的发电效率。此外,所应用的燃料补给装置仅需采用一般常见 的桶槽及定量泵等装置,并通过能量管理模块管理燃料电池内燃料溶液 的浓度,因而具有系统简单及操作方便等优点,可免除人工调配燃料溶 液的可能问题。


图1为本发明驱动系统的示意图;图2为依据本发明一实施例的驱动装置的示意图;图3为依据本发明一实施例的能量管理模块的示意图;图4为依据本发明一实施例的燃料电池的示意图;图5为依据本发明一实施例的燃料补给装置的示意图;图6为依据本发明一实施例的控制方法;图7为依据本发明一实施例的补给信号的产生方法;图8为依据本发明另一实施例的驱动装置的示意图;图9为依据本发明一实施例的能量管理模块的示意图;图IO为依据本发明另一实施例的燃料电池的示意图;图11为依据本发明另一实施例的控制方法;以及图12为依据本发明另一实施例的补给信号的产生方法。
并且,上述附图中的各附图标记说明如下
100:驱动系统;110:驱动装置;
120:负载;210:二次电池;
220、220':燃料电池; 230:能量管理模块;
240:燃料补给装置;310:电压转换单元;
320:电流产生单元;330:处理单元;
340:开关单元;331:检测电路;
332:微处理器;350:温度检测单元;
410:MEA模块;420:燃料储存装置;
422:液位检测器;424:浓度检测器;
510:第一浓度燃料补给单元;
512:第一补给泵; 514:第二浓度燃料补给单元;
516:第二补给泵。
具体实施例方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特 举一较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下
图1为依据本发明一实施例的驱动系统的示意图。如图所示,驱动系统
100具有驱动装置110以及负载120。负载120根据驱动装置110所提供的 电源信号而执行相关功能。在本实施例中,负载120为风扇(fan)、泵(pump)、 加热器或是其它电器。
图2为依据本发明一实施例的驱动装置的示意图。如图所示,驱动装置 110包括二次电池210、燃料电池220、能量管理模块230以及燃料补给装 置240。 二次电池210为可重复充电的电池,如锂电池、镍镉电池以及镍氢 电池。能量管理模块230则分别耦接二次电池210、燃料电池220以及燃料 补给装置240,以根据二次电池210所产生的电能信号SSEC或是根据燃料 电池220所产生的电能信号SFC而驱动负载,以及根据燃料电池所提供的电 能信号SFC与燃料液位信号SL产生两补给信号SHLS与SLLS予燃料补给 装置240内具有不同燃料浓度的两燃料补给单元(未显示),以驱动此些燃料补给装置内的补给泵(未显示)补给不同浓度的燃料溶液至燃料电池220,以
补给燃料电池220所需的生电用燃料及水分,并使得驱动装置110可以稳定 且长时间的运转。于本实施例中,电能信号SSEC与SFC、燃料液位信号SL、 补给信号SHLS及SLLS可为电压信号或电流信号。
图3为依据本发明一实施例的能量管理模块的示意图。如图所示,能量 管理模块230包括电压转换单元310以及电流产生单元320。电压转换单元 310转换电能信号SSEC或SFC以产生电压信号SDC,电流产生单元320则 接收电压信号SDC并根据信号组SCG1提供不同大小的电流信号予负载。在 本实施例中,能量管理模块230还包括一处理单元330、 一开关单元340以 及一温度检测单元350。处理单元330具有检测电路331以及微处理器332。 温度检测单元350检测燃料电池的操作温度或燃料电池的环境温度并提供一 温度信号ST予处理单元330内的微处理器332。检测电路331用以检测燃 料电池提供的龟能信号SFC,并可根据此电能信号得到足以反应燃料电池电 能状态的一电压信号或一电流信号,微处理器332则耦接于检测电路331以 接受上述电压信号或电流信号。如此,处理单元330内的微处理器332可根 据电能信号SFC、来自燃料电池的燃料液位信号SL与温度信号ST产生补给 信号SLLC与补给信号SHLC予燃料补给装置240(请参照图2),以对燃料电 池进行燃料溶液的补给。
本实施例中能量管理模块内的电压转换单元310以及电流产生单元320、 处理单元330、开关单元340以及温度检测单元350以及处理单元330内的 检测电路331以及微处理器332的详细实施情形与组成构件则请参照同属本 案申请人于2007年10月26日所申请的第096140219号中国台湾专利申请 案,其发明名称为"能量管理模块以及驱动装置",在此以提及方式将其并 入于本文中。
于本实施例中,处理单元330将根据燃料电池的状态(如电能信号SFC、 燃料液位信号SL、及温度信号ST),提供信号组SCG1予电流产生单元320。 因此,电流产生单元320便可根据燃料电池的状态,而提供电流信号予负载, 此电流信号与燃料电池内的燃料溶液内的燃料损耗具有一正比关系。另外, 处理单元330还可根据上述燃料电池的状态而提供信号组SCG2予一开关单 元340。因此,开关单元340可根据燃料电池的状态,将电能信号SFC传送至电压转换单元310,并根据处理单元330的补给信号SHLS及SLLS使得 燃料补给装置240(请参照图2)对燃料电池进行燃料与水分的补给,以稳定此 电流产生单元320所接收电压信号SDC,并提供一稳定电流信号予负载。
请参照图4,显示了依据本发明一实施例的燃料电池220,其具有一膜 电极组模块(绘示为MEA模块)410以及一燃料储存装置420,其中燃料储存 装置420与MEA模块410相连结,燃料储存装置420内用于储存及供应MEA 模块410发电用之燃料溶液,并通过适当的分流/合流装置以及输送配件的设 置(都未显示),即可输送及回收流通于MEA模块410内的燃料溶液。燃料储 存装置例如为一桶槽,其内可设置一液位检测器422,液位检测器422根据 燃料储存装置内燃料溶液的液位状态而提供液位信号SL予能量管理模块 230内处理单元330内的微处理器332。燃料储存装置420内的主要液位由 高至低依序包括一最高液位(HH)、 一高液位(H)、 一低液位(L)及一低低液位 (LL),其中最高液位(HH)与最低液位(LL)分别对应于燃料储存装置420内近 乎全满的液位位置以及近乎全空的液位位置,而高液位(H)与低液位(L)的设 置则与介于此两液位间的燃料溶液浓度有关。 一般而言介于高液位与低液位 间的燃料溶液浓度需为具有可供MEA模块410稳定生电的一燃料溶液浓度。 以直接甲醇电池(DMFC)的燃料电池为例,所使用的生电燃料溶液的较佳浓 度依所使用的MEA模块种类而定,通常采用浓度介于3~10%的甲醇水溶液, 以利其内MEA模块410稳定生电。因此,能量管理模块230内的处理单元 330可根据液位信号SL而得到燃料电池内的燃料储存装置的液位状态,并 视液位状态及燃料电池所提供的电能信号的状态而提供适当的补给信号 SLLC与SHLC予燃料补给装置240。
请参照图5,显示了依据本发明一实施例的燃料补给装置的示意图。如 图所示,燃料补给装置240包括一第一浓度燃料补给单元510以及一第二浓 度燃料补给单元514,其中第一浓度燃料补给单元根据补给信号SHLS后补 给一定量的一第一浓度燃料溶液予燃料电池220内的燃料储存装置420,而 第二浓度燃料补给单元则根据补给信号SLLS而补给一定量的一第二浓度燃 料溶液至燃料电池的燃料储存装置420处,其中第一浓度燃料溶液的燃料浓 度需高于第二浓度燃料溶液的浓度,而第一浓度燃料补给单元510以及第二 浓度燃料补给单元514可单独、同时或依序操作,以对燃料储存单元420进行燃料溶液补给。于一实施例中,第一浓度燃料补给单元510以及第二浓度
燃料补给单元514例如为具有较燃料储存单元420体积为大的一桶槽,以利 进行长时间补给,而第一浓度燃料补给单元510内则设置有一第一补给泵 512,以根据补给信号SHLS补给第一浓度燃料溶液,而第二浓度燃料补给 单元514内则设置有一第二补给泵,以根据补给信号而补给第二浓度燃料溶 液。上述第一补给泵512以及第二补给泵514例如为一定量泵。
于一实施例中,第一浓度燃料溶液的浓度通常高于50%(vol%),其主要 补给燃料溶液中的损耗的纯燃料量(不含水),而第二浓度燃料溶液的浓度通 常低于l%(vol%),其主要作用为补给燃料溶液中因温度效应所散失的水分。 而于较佳实施例中,第一浓度燃料溶液的浓度为100%,即为一纯燃料溶液, 而该第二浓度燃料溶液的浓度则约介于3~10%,以进行水分的补给,并从而 达成燃料电池内的燃料与水的补给。于本实施例中,燃料电池例如为直接甲 醇电池(DMFC),而其所使用的生电燃料溶液、补给用的第一浓度燃料溶液 与第二浓度燃料溶液例如为具有前述浓度的甲醇水溶液或纯甲醇溶液。
请参照图6的流程图,显示了依据本发明一实施例的控制方法。控制方 法600中可利用燃料电池驱动负载,并同时通过能量管理模块控制燃料电池 内的燃料溶液补给,使得燃料电池可稳定且长时间的驱动负载。如图所示, 首先启动二次电池,利用不同于图3所示的一回路(未显示于图3内)以驱动 第二浓度补给单元内的补给泵,输送第二浓度燃料溶液至燃料电池内的燃料 储存装置中直至其内的最高液位(HH),此时燃料储存装置内的第二浓度燃料 溶液已足以启动MEA模块生电并使其性能达成稳定(步骤610)。于此步骤中, 于启动二次电池之前,燃料电池内的MEA模块与燃料储存装置内并未存在 有任何燃料溶液。
接着,燃料电池于启动后,其内的MEA模块便可提供了一电能信号予 能量管理模块内的处理单元,且燃料电池内的燃料储存装置内的液位检测器 则提供了一液位信号予处理单元,而能量管理模块内的温度检测单元则于检 测燃料电池的温度状态(工作温度及/或环境温度)后提供处理单元一温度信 号。如此,处理单元可根据上述电能信号、液位信号以及温度信号,以产生 一第一补给信号与一第二补给信号予燃料补给装置(步骤620)。
接着,燃料补给装置内的第一浓度燃料补给单元根据上述第一补给信号补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至燃料电池的燃料储存装置内,而上 述第二浓度燃料补给单元则根据上述第二补给信号补给一第二定量的一第 二浓度燃料溶液至燃料电池的燃料储存装置内。上述补给的第一浓度燃料溶 液的浓度需高于第二浓度燃料溶液的浓度。设置于第一浓度燃料补给单元内 一第一泵以及设置于第二浓度燃料补给单元内一第二泵则分别根据上述第 一补给信号与第二补给信号进行第一燃料浓度溶液与第二燃料溶液的补给, 以使得燃料电池内的燃料溶液储存装置的液位与燃料溶液浓度维持稳定,进 而维持燃料电池的稳定发电情形(步骤630)。
图7为一流程图,显示了步骤620中于处理单元的第一补给信号与第二 补给信号的产生方法的一可能实施例。首先,处理单元内的检测电路根据燃 料电池所提供的电能信号而依序得出一电压信号与一电流信号(步骤710)。
接着,处理单元内的微处理器根据前述电压信号以及温度检测单元所提 供的温度信号得出此时燃料电池的发电效率值(步骤720)。此发电效率值为 一实验值,可通过比对上述电压信号与温度信号与储存于微处理器内的发电 效率表所得到。
接着,处理单元内的微处理器根据前述电流信号并参考前述发电效率值 得出燃料电池应补给的第一浓度燃料溶液量YQ,其为一理论值而非实际的补 给量,此电流信号与燃料电池内的燃料溶液的纯燃料效耗量具有一正比关系 (步骤730)。
接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器根据得自于燃料电池内 燃料储存装置的液位信号而得出燃料电池内的燃料储存装置内的欲补给的 第二浓度燃料溶液量YL(步骤740)。根据上述液位信号,第二浓度燃料溶液 量Yl之补给具有以下三种可能情形
a. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位高于等于高液位(H) 位置时,则第二浓度燃料溶液量Yl的量将为零,即不进行第二浓度燃料溶 液的补给;
b. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位位于低液位(L)位 置时,则第二浓度燃料溶液量YL的补给量将设定为由低液位(L)位置至高液 位(H)位置的量;或者
c. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位(X)介于高液位(H)位置与低液位(L)位置间的一液位位置时,则可定时补给定量的第二浓度燃料 溶液量Yl予燃料储存装置内,上述补给量可通过实验所得到。
接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器根据表达式Y2= Yo-( Yl *八)得出实际补给的第一浓度燃料溶液量Y2,其中标号A代表第二浓度燃料 溶液与第一浓度燃料溶液间的浓度比值(步骤750),其为一已知值。
接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器分别将上述补给量Y2 与Yl分别转换成第一补给信号与该第二补给信号予第一浓度燃料补给单元 与第二浓度燃料补给单元(步骤760)。
经由上述的解说,本发明的驱动装置内的能量管理模块具有稳定控制并 管理其内燃料电池电能表现的功能,并通过燃料补给装置的设置而达成燃料 溶液及水分的补给,因此驱动装置内所采用的燃料电池将可于长时间操作后 仍可保持稳度的发电效率。此外,所应用的燃料补给装置仅需采用一般常见 的桶槽及定量泵等装置,并通过能量管理模块管理燃料电池内燃料溶液的浓 度,因而具有系统简单及操作方便等优点,可免除人工调配燃料溶液的可能 问题。
本发明的驱动装置及能量管理模块并不以上述图2与图3的实施情形加 以限制。图8与图9则分别显示依据本发明另一实施例的驱动装置以及能量 管理模块。
请参照图8,显示了依据本发明另一实施例的驱动装置110,其大体相 似于图2所示的驱动装置。在此,驱动装置110采用了不同于图2所示的燃 料电池220的一燃料电池220',其余构件则与图2所示驱动装置相同。于本 实施例中,燃料电池220'除了提供一电能信号SFC以及一液位信号SL予能 量管理模块230夕卜,更提供了一燃料浓度信号SC予能量管理模块230。能 量管理模块230分别耦接二次电池210、燃料电池220以及燃料补给装置240, 以根据二次电池210所产生的电能信号SSEC或是根据燃料电池220所产生 的电能信号SFC而驱动负载,以及根据燃料电池所提供的燃料浓度信号SC 与燃料液位信号SL产生两补给信号SHLS与SLLS予燃料补给装置240内 具有不同燃料浓度的两燃料补给单元(未显示),以驱动此些燃料补给单元内 的补给泵(未显示)补给不同浓度的燃料溶液至燃料电池220,,以补给燃料电 池220'所需的生电用燃料及水分,并使得驱动装置IIO可以稳定且长时间的运转。于本实施例中,电能信号SSEC与SFC、燃料液位信号SL、燃料浓度 信号SC、补给信号SHLS及SLLS可为电压信号或电流信号。
图9为图8所采用的能量管理模块的示意图。如图所示,能量管理模块 230包括电压转换单元310以及电流产生单元320。电压转换单元310转换 电能信号SSEC或SFC以产生电压信号SDC,电流产生单元320则接收电压 信号SDC并根据信号组SCG1提供不同大小的电流信号予负载。在本实施例 中,能量管理模块230还包括一处理单元330、 一开关单元340以及一温度 检测单元350。处理单元330具有检测电路331以及微处理器332。温度检 测单元350检测燃料电池的操作温度或燃料电池的环境温度并提供一温度信 号ST予处理单元330内的微处理器332。检测电路331用以检测燃料电池 提供的电能信号SFC,微处理器332则耦接于检测电路331以接受上述电压 信号或电流信号。于本实施例中,处理单元330内的微处理器332仅根据来 自燃料电池的燃料液位信号SL及燃料浓度信号SC即可产生补给信号SLLC 与补给信号SHLC予燃料补给装置240(请参照图2),以对燃料电池进行燃料 溶液的补给。
于本实施例中,处理单元330将根据燃料电池的状态(如电能信号SFC、 燃料浓度信号SC、燃料液位信号SL、及温度信号ST),提供信号组SCG1 予电流产生单元320。因此,电流产生单元320便可根据燃料电池的状态, 而提供电流信号予负载。另外,处理单元330更可根据上述燃料电池的状态 而提供信号组SCG2予一开关单元340。因此,开关单元340可根据燃料电 池的状态,将电能信号SFC传送至电压转换单元310,并根据处理单元330 的补给信号SHLS及SLLS使得燃料补给装置240(请参照图2)对燃料电池进 行燃料与水分的补给,以稳定此电流产生单元320所接收电压信号SDC,并 提供一稳定电流信号予负载。
请参照图10,显示了依据本发明另一实施例的燃料电池220',其具有一 膜电极组模块(绘示为MEA模块)410以及一燃料储存装置420,其中燃料储 存装置420与MEA模块410相连结,燃料储存装置420内用于储存及供应 MEA模块410发电用的燃料溶液,并通过适当之分流/合流装置以及输送配 件的设置(都未显示),即可输送及回收流通于MEA模块410内的燃料溶液。 燃料储存装置例如为一桶槽,其内可设置一液位检测器422以及一浓度检测器424,此液位检测器422根据燃料储存装置内燃料溶液的液位状态而提供 液位信号SL予能量管理模块230内处理单元330内的微处理器332,而浓 度检测器424则根据燃料储存装置内燃料溶液的浓度状态而提供燃料浓度信 号SC予能量管理模块230内处理单元330内的微处理器332。燃料储存装 置420内的主要液位由高至低依序包括一最高液位(HH)、 一高液位(H)、 一 低液位(L)及一低低液位(LL),其中最高液位(HH)与最低液位(LL)分别对应于 燃料储存装置420内近乎全满的液位位置以及近乎全空的液位位置,而高液 位(H)与低液位(L)的设置则与介于此两液位间的燃料溶液浓度有关。 一般而 言介于高液位与低液位间的燃料溶液浓度需为具有可供MEA模块410稳定 生电的一燃料溶液浓度。以直接甲醇电池(DMFC)的燃料电池为例,所使用 的生电燃料溶液较佳地为浓度介于3 10。/。(vol。/。)的甲醇水溶液,以利其内 MEA模块410的稳定生电。因此,能量管理模块230内的处理单元330可 根据燃料电池内燃料浓度信号SC的状态并参照液位信号SL而提供适当的补 给信号SLLC与SHLC予燃料补给装置240。
请参照图11的流程图,显示了依据本发明一实施例的控制方法。控制 方法800中可利用燃料电池驱动负载,并同时通过能量管理模块控制燃料电 池的燃料补给,使得燃料电池可稳定且长时间的驱动负载。如图所示,首先 启动二次电池,利用不同于图9所示的一回路(未显示)以驱动第二浓度补给 单元内的补给泵,输送第二浓度燃料溶液至燃料电池内的燃料储存装置中直 至其内的最高液位(HH),此时燃料储存装置内的第二浓度燃料溶液便可启动 MEA模块生电并使其性能达成稳定(步骤810)。于此步骤中,于启动二次电 池之前,燃料电池内的MEA模块与燃料储存装置内并未存在有任何燃料溶 液。
接着,燃料电池于启动后,当燃料电池内的燃料储存装置内的浓度检测 器检测到所使用的燃料溶液的浓度低于一设定值时,将提供一燃料浓度信号 予处理单元内的微处理器并通过其内的液位检测器同时提供了一液位信号 予处理单元内的微处理器。如此,处理单元可根据上述燃料浓度信号与液位 信号,以产生一第一补给信号与一第二补给信号予燃料补给装置(步骤820)。
接着,燃料补给装置内的第一浓度燃料补给单元根据上述第一补给信号 补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至燃料电池的燃料储存装置内,而上述第二浓度燃料补给单元则根据上述第二补给信号补给一第二定量的一第 二浓度燃料溶液至燃料电池的燃料储存装置内。上述补给的第一浓度燃料溶 液的浓度需高于第二浓度燃料溶液的浓度。设置于第一浓度燃料补给单元内 一第一泵以及设置于第二浓度燃料补给单元内一第二泵则分别根据上述第 一补给信号与第二补给信号进行第一燃料浓度溶液与第二燃料溶液的补给, 以使得燃料电池内的燃料溶液储存装置之液位与燃料溶液浓度维持稳定,进 而维持燃料电池的稳定发电情形(步骤830)。
图12为一流程图,显示了步骤820中于处理单元的第一补给信号与第 二补给信号的产生方法900的一可能实施例。
首先,当燃料电池内的燃料储存装置内的浓度检测器检测到所使用的燃 料溶液的浓度低于一设定值时,将提供一燃料浓度信号并同时通过液位检测 器提供一液位信号予处理单元内的微处理器,以得出燃料电池需补给的第一 浓度燃料溶液量Y。(步骤910)。以下为用于计算需补充的第一浓度燃料溶液 量Y。的可能实施例,Y。可采用下述的计算式所得出。
接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器根据得自于燃料电池内 燃料储存装置的液位信号而得出燃料电池内的燃料储存装置内需补给的第 二浓度燃料溶液量YL(步骤920)。根据上述液位信号,第二浓度燃料溶液量 YL的补给具有以下三种可能情形
a. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位高于等于高液位(H) 位置时,则第二浓度燃料溶液量Yl的量将为零,即不进行第二浓度燃料溶 液的补给;
b. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位位于低液位(L)位 置时,则第二浓度燃料溶液量YL的补给量将设定为由低液位(L)位置至高液 位(H)位置的量;或者
c. 当液位信号显示了燃料储存装置内的燃料溶液液位(X)介于高液位(H) 位置与低液位(L)位置间的一液位位置时,则可定时补给定量的第二浓度燃料 溶液量Yl予燃料储存装置内,上述补给量可通过实验所得到。
接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器根据表达式Y2= Yo-( Yl *八)得出实际需补给的第一浓度燃料溶液量Y2,其中标号A代表第二浓度燃 料溶液与第一浓度燃料溶液间的浓度比值(步骤930),为一已知值。接着,能量管理模块内的处理单元内的微处理器分别将上述补给量Y2 与Yl分别转换成第一补给信号与该第二补给信号予第一浓度燃料补给单元
与第二浓度燃料补给单元(步骤940)。
经由上述的解说,本发明的驱动装置内的能量管理模块具有稳定控制并 管理其内燃料电池电能表现的功能,并通过燃料补给装置的设置而达成燃料 溶液及水分的补给,因此驱动装置内所采用的燃料电池将可于长时间操作后 仍可保持稳度的发电效率。此外,所应用的燃料补给装置仅需采用一般常见 的桶槽及定量泵等装置,并通过能量管理模块管理燃料电池内燃料溶液的浓 度,因而具有系统简单及操作方便等优点,可免除人工调配燃料溶液的可能 问题。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上,然而其并非用以限定本发明,任 何所属领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种更 动与润饰,因此本发明的保护范围当所附权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种驱动装置,用以驱动一负载,包括一二次电池;一燃料电池;一燃料补给装置;以及一能量管理模块,耦接该燃料电池、该二次电池与该燃料补给单元,产生一电流信号予该负载并根据该燃料电池的一电能信号以及一液位信号产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置,驱动该燃料补给装置对该燃料电池进行燃料补给。
2. 如权利要求1所述的驱动装置,其中该燃料电池包括 一膜电极模块;以及一燃料储存装置,以提供该膜电极模块一燃料溶液,使该膜电极模块产 生该电能信号。
3. 如权利要求2所述的驱动装置,其中该燃料储存装置还包括一液位检 测计,该液位检测计根据燃料储存装置内的该燃料溶液的液位状态提供该液 位信号。
4. 如权利要求1所述的驱动装置,其中该能量管理模块包括-一处理单元;以及一温度检测单元,其中该温度检测单元根据该燃料电池的温度状态以提 供该处理单元一温度信号,而该处理单元则根据该燃料电池的电能信号、液 位信号以及该温度信号产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃料补 给装置。
5. 如权利要求1所述的驱动装置,其中该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补 给信号补给一第一浓度燃料溶液予该燃料电池,而该第二浓度燃料补给单元 根据该第二补给信号补给一第二浓度燃料溶液予该燃料电池,其中该第一浓 度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的浓度。
6. 如权利要求5所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于50%体积百分比,而该第二浓度燃料溶液的浓度低于10%体积百分比。
7. 如权利要求5所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液的浓度为 100%体积百分比,而该第二浓度燃料溶液的浓度介于3~10°/。体积百分比。
8. 如权利要求5所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液与该第二浓 度燃料溶液为甲醇水溶液。
9. 如权利要求5所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料补给单元内设置 有一第一泵,根据该第一补给信号补给该第一浓度燃料溶液,而该第二浓度 燃料补给单元内设置有一第二泵,根据该第二电能信号补给该第二浓度燃料 溶液。
10. —种能量管理模块,耦接一二次电池、 一燃料电池以及一燃料补给装 置,用以驱动一负载与补给该燃料补给装置,该能量管理模块包括一处理单元;以及一温度检测单元,根据该燃料电池的温度状态以提供该处理单元一温度 信号,其中该处理单元根据该燃料电池的一电能信号、 一液位信号以及该温 度信号,以产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置。
11. 如权利要求IO所述的能量管理模块,其中该处理单元包括 一检测电路,用以检测该燃料电池的该电能信号;一微处理器,耦接于该检测电路与该温度检测单元,根据该电能信号、 该液位信号与该温度信号以产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃 料补给装置。
12. 如权利要求11所述的能量管理模块,其中该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补给信号补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至该燃料电池,而该第二浓度 燃料补给单元根据该第二补给信号补给一第二定量的一第二浓度燃料溶液至该燃料电池,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的 浓度。
13. 如权利要求12所述的能量管理模块,其中且该第二浓度燃料溶液与 该第一浓度燃料溶液之间具有一浓度比值A,该检测电路于检测该电能信号 后依序得到一电压信号与一电流信号,该微处理器根据该电压信号与该温度信号得出该燃料电池的效率值并进而根据该电流信号以及该燃料电池的效 率值得出该燃料电池需补给的该第一浓度燃料溶液的理论量YQ,该微处理器 根据该液位信号得出需补给的该第二浓度燃料溶液的该第二定量Yl,并经由表达式Y2= YQ-( Yl *八)得出需补给的该第一浓度燃料溶液的该第一定量Y2。
14. 如权利要求13所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料补给单元 内设置有一第一泵,以接收该第一补给信号并补给该第一浓度燃料至该燃料 电池的一燃料储存装置,而该第二浓度燃料补给单元内设置有一第二泵,以 接收该第二电能信号并补给该第二浓度燃料至该燃料电池的该燃料储存装 置,而该微处理器分别将该第一定量Y2与该第二定量Yl分别转换成该第一 补给信号与该第二补给信号予该第一泵与该第二泵。
15. 如权利要求12所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料的浓度高 于50%体积百分比,而该第二浓度燃料的浓度低于10%体积百分比浓度。
16. 如权利要求15所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料的浓度为 100%体积百分比,而该第二浓度燃料的浓度介于3~10%体积百分比。
17. 如权利要求12所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料与该第二 浓度燃料为甲醇水溶液。
18. —种驱动装置,用以驱动一负载,包括 一二次电池;一燃料电池; 一燃料补给装置;以及一能量管理模块,耦接该燃料电池、该二次电池与该燃料补给单元,产 生一电流信号予该负载并根据该燃料电池的一燃料浓度信号以及一液位信 号产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置,驱动该燃料补 给装置对该燃料电池进行燃料补给。
19. 如权利要求18所述的驱动装置,其中该燃料电池包括 一膜电极模块;以及一燃料储存装置,以提供该膜电极模块一燃料溶液,其中该燃料储存装 置内设置有一液位检测器以及一浓度检测器,该液位检测计根据燃料储存装 置内的该燃料溶液的液位状态提供该液位信号,而该液位检测计根据燃料储 存装置内的该燃料溶液的浓度状态提供该燃料浓度信号。
20. 如权利要求18所述的驱动装置,其中该能量管理模块包括 一处理单元,根据该燃料电池的燃料浓度信号与液位信号产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃料补给装置。
21. 如权利要求18所述的驱动装置,其中该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补 给信号补给一第一浓度燃料溶液予该燃料电池,而该第二浓度燃料补给单元 根据该第二补给信号补给一第二浓度燃料溶液予该燃料电池,其中该第一浓 度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的浓度。
22. 如权利要求21所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高 于50%体积百分比,而该第二浓度燃料溶液的浓度低于10%体积百分比。
23. 如权利要求22所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液的浓度为 100%体积百分比,而该第二浓度燃料溶液的浓度介于3~10%体积百分比。
24. 如权利要求21所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料溶液与该第二 浓度燃料溶液为甲醇水溶液。
25. 如权利要求21所述的驱动装置,其中该第一浓度燃料补给单元内设 置有一第一泵,根据该第一补给信号补给该第一浓度燃料溶液,而该第二浓 度燃料补给单元内设置有一第二泵,根据该第二电能信号补给该第二浓度燃 料溶液。
26. —种能量管理模块,耦接一二次电池、 一燃料电池以及一燃料补给装 置,用以驱动一负载与补给该燃料补给装置,该能量管理模块包括-一处理单元,根据该燃料电池的一燃料浓度信号及一液位信号,以产生 一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置。
27. 如权利要求26所述的能量管理模块,其中该处理单元包括 一微处理器,根据该燃料浓度信号及该液位信号,以产生该第一补给信号与该第二补给信号予该燃料补给装置。
28. 如权利要求26所述的能量管理模块,其中该燃料补给装置包括 一第一浓度燃料补给单元;以及一第二浓度燃料补给单元,其中该第一浓度燃料补给单元根据该第一补 给信号补给一第一定量的一第一浓度燃料溶液至该燃料电池,而该第二浓度燃料补给单元根据该第二补给信号补给一第二定量的一第二浓度燃料溶液 至该燃料电池,其中该第一浓度燃料溶液的浓度高于该第二浓度燃料溶液的 浓度。
29. 如权利要求28所述的能量管理模块,其中且该第二浓度燃料溶液与 该第一浓度燃料溶液之间具有一浓度比值A,该微处理器根据该燃料浓度信 号得出该燃料电池所需补给的该第一浓度溶液的理论量Yo,并根据该液位信 号得出该第二浓度燃料溶液的该第二定量Yl,并经由表达式Y2= Y。 -( Yl *A) 得出需补给的该第一浓度燃料溶液的该第一定量Y2。
30. 如权利要求28所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料补给单元 内设置有一第一泵,以接收该第一补给信号并补给该第一浓度燃料至该燃料 电池的一燃料储存装置,而该第二浓度燃料补给单元内设置有一第二泵,以 接收该第二电能信号并补给该第二浓度燃料至该燃料电池的该燃料储存装 置,而该微处理器分别将该第一定量Y2与该第二定量YL分别转换成该第一 补给信号与该第二补给信号予该第一泵与该第二泵。
31. 如权利要求30所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料的浓度高 于50%体积百分比,而该第二浓度燃料的浓度低于10%体积百分比。
32. 如权利要求31所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料的浓度为 100%,而该第二浓度燃料的浓度介于3~10%。
33. 如权利要求28所述的能量管理模块,其中该第一浓度燃料与该第二 浓度燃料为甲醇水溶液。
全文摘要
本发明提供了一种能量管理模块以及驱动装置,用以驱动一负载,包括一二次电池;一燃料电池;一燃料补给装置;以及一能量管理模块,耦接该燃料电池、该二次电池与该燃料补给单元,产生一电流信号予该负载并根据该燃料电池的一电能信号以及一液位信号产生一第一补给信号与一第二补给信号予该燃料补给装置,驱动该燃料补给装置对该燃料电池进行燃料补给。
文档编号H01M8/00GK101515650SQ20081008043
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者林昱志, 柯友俊, 赖将文, 陈竣明 申请人:南亚电路板股份有限公司

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