TWI425707B - 結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統 - Google Patents

Description

結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統

本發明係為關於一種燃料電池熱電共生系統，特別為一種應用無線射頻技術於燃料電池熱電共生系統之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統。

近年來隨著經濟起飛，用電需求也跟著不斷加深，尖峰時段時常出現供應電量不足的情況，其中雖可透過限電加以緩和，然而限電卻造成民生用電或工業用電極大的不便。改善電力不足的方法包括有：興建新電廠或提高能源使用效率。然而近年來環保意識高漲，加上地球的天然資源有限，欲建構新的發電廠，著實為不智之舉，因此當前改善電力不足的最佳方法，就是有效提升能源的使用率。

燃料電池熱電共生系統是一種綠能產業下的產品，其係由燃料電池及熱電共生系統所組成，可藉由熱電共生系統將燃料電池運轉時所產生的廢熱加以回收，並以熱水型態儲存於保溫裝置內，以同時供應電力及熱水，充分達到能源再利用的功效。

然而，燃料電池於運轉過程中需導入固定流量及穩定溫度的水流以帶出廢熱，因此系統中的水路均需加裝溫度及流量的感測器，以隨時監控系統的狀態並加以調整，好確保系統能穩定運作。

習知技術中，為配合整體系統的組裝及配線，往往需彎折感測器的隔離線，而造成感測器量測上的誤差。又感測器的阻抗會受隔離線的長度影響，以致於隔離線無法隨意剪短，然而若欲藉由溫度補償導線延長隔離線，也會導致阻抗變大，並造成量測結果存在有嚴重誤差，因此隔離線長度是無法隨意做變更的，再者系統需封裝於空間狹小的機殼內，也使得配線的困難度更加提升。

除了無法隨意彎折或變更線材長度外，還需要使用為數眾多的線材並同時要兼顧感測器的精準度，上述原因使得燃料電池熱電共生系統於量產時，只能以人力手工的方式配線，導致人力成本增加，並難以達到模組化的目標。

本發明係為一種結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，藉由無線射頻感測器設置，可減少線材因為彎折或改變長度所造成的感測誤差，因此可提升系統對溫度及流量感測的靈敏度，同時也可提升系統穩定度。

本發明係為一種結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，無線射頻感測器的導入可降低配線的困難度，同時減少量產時需人工配線的成本，使得燃料電池熱電共生系統可達到模組化生產之目標。

為達上述功效，本發明係提供一種結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池，其具有一第一輸出端及一第一輸入端；一第一熱交換管路，係用以連通第一輸出端及第一輸入端，又第一熱交換管路依水之流向依序串接有一散熱循環馬達、一第一無線射頻感測器、一第二無線射頻感測器、一熱交換器之第一側端及一第三無線射頻感測器；一保溫裝置，其具有：一腔體，其具有一第二輸出端、一第二輸入端及至少一開口；以及一第四無線射頻感測器，第四無線射頻感測器結合於保溫裝置以感測腔體中之水溫；以及一第二熱交換管路，係用以連通第二輸出端及第二輸入端，又第二熱交換管路依水之流向依序串接有一儲熱循環馬達、一第五無線射頻感測器及熱交換器之第二側端；以及一無線射頻資料處理系統，其包括：一無線射頻讀取器，經致能後之無線射頻讀取器係發送一第一無線射頻信號至每一無線射頻感測器，並接收每一無線射頻感測器發射的一第二無線射頻信號；以及一微控制器，其係致能無線射頻讀取器，並根據第二無線射頻信號產生一控制信號以控制對應之散熱循環馬達及儲熱循環馬達。

藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：

一、可藉由改善線材所導致的感測誤差，進而提升燃料電池熱電共生系統的對溫度及流量的偵測靈敏度，使系統判定的準確度提高，同時相對提升系統的穩定度。

二、降低配線的困難度，以達到模組化的生產效率。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

第1圖係為本發明實施例之一種結合無線射頻感測器60之燃料電池熱電共生系統100之示意圖。第2圖係為本發明實施例之一種無線射頻封包301之示意圖。第3圖係為本發明實施例之一種無線射頻感測器60之示意圖。第4圖及第5圖分別為本發明實施例之一種無線射頻讀取器80及其周邊介面86之示意圖。

如第1圖所示，本實施例係為一種結合無線射頻感測器60之燃料電池熱電共生系統100，其包括：一燃料電池熱電共生系統100；以及一無線射頻資料處理系統200。其中，無線射頻資料處理系統200係透過無線射頻技術自燃料電池熱電共生系統100擷取其運作狀況，以利於隨時監控並控制系統之運作。

燃料電池熱電共生系統100，其包括：一燃料電池10；一第一熱交換管路20；一保溫裝置30；以及一第二熱交換管路40。

燃料電池10具有一第一輸出端11及一第一輸入端12，其中自燃料電池10排出的水係經由第一輸出端11流出，經由第一熱交換管路20再由第一輸入端12流回燃料電池10內。

第一熱交換管路20用以連通第一輸出端11及第一輸入端12以形成一水流迴路。而燃料電池10於發電過程中所產生的廢熱可藉由水帶離燃料電池10，並由第一輸出端11排出，再透過第一熱交換管路20使經熱交換的水由第一輸入端12導引回燃料電池10。

第一熱交換管路20依水之流向依序串接有一散熱循環馬達50a、一第一無線射頻感測器60a、一第二無線射頻感測器60b、一熱交換器70之第一側端及一第三無線射頻感測器60c。散熱循環馬達50a係用以推動第一熱交換管路20內水流流動，因此可藉由調控散熱循環馬達50a之轉速以控制第一熱交換管路20內水流的流速。

第一無線射頻感測器60a係為具有無線射頻傳輸之流量感測器，其係用以偵測第一熱交換管路20的水流流量，以確保有足夠的水於第一熱交換管路20中穩定流動。第二無線射頻感測器60b及第三無線射頻感測器60c則為溫度感測器，同樣具有無線射頻傳輸之功用，並且分別用以監控流入及流出熱交換器70水流的溫度。

保溫裝置30其具有：一腔體31以及一第四無線射頻感測器60d，其中腔體31具有一第二輸出端311、一第二輸入端312及至少一開口313，並可利用開口313導出保溫裝置30內所存放的熱水以供使用者使用。而第四無線射頻感測器60d係為一具有無線射頻傳輸功能之溫度感測器，其結合於保溫裝置30並用以偵測腔體31中的水溫。

第二熱交換管路40係用以連通第二輸出端311至第二輸入端312，將保溫裝置30內的水由第二輸出端311導出至熱交換器70，並於熱交換後將熱水由第二輸入端312導回保溫裝置30儲放。其中，第二熱交換管路40依水之流向依序串接有一儲熱循環馬達50b、一第五無線射頻感測器60e及熱交換器70之第二側端。

儲熱循環馬達50b同樣用以推動第二熱交換管路40內之水流，因此可藉由儲熱循環馬達50b以控制水流流速。第五無線射頻感測器60e係為具有無線射頻傳輸功用之流量感測器，以偵測第二熱交換管路40內的水流流量。

如第1圖所示，無線射頻資料處理系統200其包括：一無線射頻讀取器80；以及一微控制器90。

無線射頻讀取器80係用以致能每一無線射頻感測器60並讀取其信號。無線射頻讀取器80會發送一第一無線射頻信號。當無線射頻感測器60在無線射頻讀取器80之信號發送範圍內時，無線射頻感測器60便會在接收到此第一無線射頻信號後而致能，並再回傳一第二無線射頻信號。無線射頻讀取器80接收到每一無線射頻感測器60發射的第二無線射頻信號後，即可獲知各個無線射頻感測器60所擷取到的流量或溫度資訊。

微控制器90係致能無線射頻讀取器80，使無線射頻讀取器80發送第一無線射頻信號以致能無線射頻感測器60。並且，微控制器90又可根據第二無線射頻信號以產生一控制信號，以控制對應之散熱循環馬達50a及儲熱循環馬達50b，並藉由散熱循環馬達50a及儲熱循環馬達50b調整水流的流速以達到較佳之熱交換效果。

如第2圖所示，本實施例之無線射頻信號及數位信號之封包301格式係由無線射頻感測器位址及無線射頻感測器資訊所組成，因此資訊傳送上可透過位址來判定其資訊來源。再者，每一封包301的位元係可依據無線射頻感測器60的多寡進行增減。

如第3圖所示，本實施例之無線射頻感測器60係包括：一感測模組61；以及一資料擷取無線射頻模組62。感測模組61係用以擷取燃料電池10之一狀態信號，感測模組61又可分為溫度感測模組及流量感測模組。

本實施例中，第一及第五無線射頻感測器60a、60e所包含的感測模組61係為流量感測模組，當流量感測模組偵測到第一熱交換管路20或第二熱交換管路40中無水流經過或水流流量不在正常範圍內，系統則會產生不正常運作的警告。

第二、第三及第四無線射頻感測器60b、60c、60d包含的感測模組61則為溫度感測模組，並且可藉由第二及第三無線射頻感測器60b、60c偵測到的溫度作為決定散熱循環馬達50a及儲熱循環馬達50b轉速的依據。

資料擷取無線射頻模組62，其包括；一資料擷取與類比放大單元621；一第一數位資料處理單元622；一第一天線623；以及一第一射頻單元624。

資料擷取與類比放大單元621係電性連接於感測模組61與第一數位資料處理單元622之間，資料擷取與類比放大單元621係將由感測模組61所接收到燃料電池10的狀態信號轉換為一第一數位信號，再由第一數位資料處理單元622將第一數位信號轉換為第二無線射頻信號。

第一射頻單元624電性連接於第一數位資料處理單元622及第一天線623間，第一射頻單元624係透過第一天線623發送第二無線射頻信號。此外，第一射頻單元624也透過第一天線623接收第一無線射頻信號，並依據第一無線射頻信號致能資料擷取無線射頻模組62使其作動以擷取燃料電池10之狀態信號。

如第4圖及第5圖所示，無線射頻讀取器80包含有：一第二天線81；一第二射頻單元82；一第二數位資料處理單元83；以及一資料蒐集單元84。

第二天線81係用以發送第一無線射頻信號及接收第二無線射頻信號。第二射頻單元82，其係電性連接於第二天線81與第二數位資料處理單元83，第二天線81接收第二無線射頻信號後，遂由第二射頻單元82接收第二天線81輸出之第二無線射頻信號，再由第二數位資料處理單元83將接收到的第二無線射頻信號轉換為一第二數位信號。此外，第二射頻單元82也會透過第二天線81發送第一無線射頻信號。

資料蒐集單元84電性連接於第二數位資料處理單元83，且資料蒐集單元84儲存有一預設資料信號以作為系統正常運作之標準，其中預設資料信號包含有正常運作下，水流溫度與馬達50a、50b轉速的相對關係。微控制器90可比較第二數位信號及預設資料信號，並據此產生控制信號以控制散熱循環馬達50a及儲熱循環馬達50b，使馬達50a、50b轉速可根據水流溫度調控，使熱能轉換率達最佳化。

其中，第二及第三無線射頻感測器60b、60c所產生的第二數位信號與預設資料信號比較後，當第二無線射頻感測器60b偵測之水流溫度提升，亦即流入熱交換器70內的水溫升高，因此需加速散熱循環馬達50a之轉速，使燃料電池10產生之熱水快速進入熱交換器70內，使熱交換加快進行。同樣地，當第三無線射頻感測器60c之第二數位信號說明流出熱交換器70之水流溫度提高，則要加速儲熱循環馬達50b的轉速，使第二熱交換管路40內之水流加速進入熱交換器70，以提升熱交換速度，並使第三無線射頻感測器60c所偵測之水溫可被降低。

如第4圖所示，無線射頻讀取器80可進一步包含一第一記憶裝置85a，其係電性連接於資料蒐集單元84，而資料蒐集單元84可將第二數位信號儲存於第一記憶裝置85a。

又，無線射頻讀取器80可進一步包括一周邊介面86，而周邊介面86係電性連接於資料蒐集單元84，且周邊介面86可以是一串列接口、一並列接口或一通用串列匯流排，第二數位信號可藉由周邊介面86對外輸出。如第5圖所示周邊介面86也可進一步電性連接一第二記憶裝置85b，第二記憶裝置85b同樣可用於儲存第二數位信號。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

100．．．燃料電池熱電共生系統

200．．．無線射頻資料處理系統

10．．．燃料電池

11．．．第一輸出端

12．．．第一輸入端

20．．．第一熱交換管路

30．．．保溫裝置

31．．．腔體

311．．．第二輸出端

312．．．第二輸入端

313．．．開口

40．．．第二熱交換管路

50a．．．散熱循環馬達

50b．．．儲熱循環馬達

60．．．無線射頻感測器

60a．．．第一無線射頻感測器

60b．．．第二無線射頻感測器

60c．．．第三無線射頻感測器

60d．．．第四無線射頻感測器

60e．．．第五無線射頻感測器

61．．．感測模組

62．．．資料擷取無線射頻模組

621．．．資料擷取與類比放大單元

622．．．第一數位資料處理單元

623．．．第一天線

624．．．第一射頻單元

70．．．熱交換器

80．．．無線射頻讀取器

81．．．第二天線

82．．．第二射頻單元

83．．．第二數位資料處理單元

84．．．資料蒐集單元

85a．．．第一記憶裝置

85b．．．第二記憶裝置

86．．．周邊介面

90．．．微控制器

301．．．封包

第1圖係為本發明實施例之一種結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統之示意圖。

第2圖係為本發明實施例之一種無線射頻封包之示意圖。

第3圖係為本發明實施例之一種無線射頻感測器之示意圖。

第4圖及第5圖分別為本發明實施例之一種無線射頻讀取器及其周邊介面之示意圖。

100．．．燃料電池熱電共生系統

200．．．無線射頻資料處理系統

10．．．燃料電池

11．．．第一輸出端

12．．．第一輸入端

20．．．第一熱交換管路

30．．．保溫裝置

31．．．腔體

311．．．第二輸出端

312．．．第二輸入端

313．．．開口

40．．．第二熱交換管路

50a．．．散熱循環馬達

50b．．．儲熱循環馬達

60．．．無線射頻感測器

60a．．．第一無線射頻感測器

60b．．．第二無線射頻感測器

60c．．．第三無線射頻感測器

60d．．．第四無線射頻感測器

60e．．．第五無線射頻感測器

70．．．熱交換器

80．．．無線射頻讀取器

90．．．微控制器

Claims (7)

1. 一種結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池，其具有一第一輸出端及一第一輸入端；一第一熱交換管路，係用以連通該第一輸出端及該第一輸入端，又該第一熱交換管路依水之流向依序串接有一散熱循環馬達、一第一無線射頻感測器、一第二無線射頻感測器、一熱交換器之第一側端及一第三無線射頻感測器；一保溫裝置，其具有：一腔體，其具有一第二輸出端、一第二輸入端及至少一開口；以及一第四無線射頻感測器，該第四無線射頻感測器結合於該保溫裝置以感測該腔體中之水溫；以及一第二熱交換管路，係用以連通該第二輸出端及該第二輸入端，又該第二熱交換管路依水之流向依序串接有一儲熱循環馬達、一第五無線射頻感測器及該熱交換器之第二側端；以及一無線射頻資料處理系統，其包括：一無線射頻讀取器，經致能後之該無線射頻讀取器係發送一第一無線射頻信號至每一該無線射頻感測器，並接收每一該無線射頻感測器發射的一第二無線射頻信號；以及一微控制器，其係致能該無線射頻讀取器，並根據該第二無線射頻信號產生一控制信號以控制對應之該散熱循環馬達及該儲熱循環馬達。
2. 如專利申請範圍第1項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中每一該無線射頻感測器包括：一感測模組，其係擷取該燃料電池之一狀態信號；以及一資料擷取無線射頻模組，其包括；一資料擷取與類比放大單元，係電性連接於該感測模組，將接收的該狀態信號轉換為一第一數位信號；一第一數位資料處理單元，係電性連接於該資料擷取與類比放大單元以轉換該第一數位信號為該第二無線射頻信號；一第一天線，係用以發送該第二無線射頻信號及接收該第一無線射頻信號；以及一第一射頻單元，係電性連接於該第一數位資料處理單元及該第一天線，該第一射頻單元依據該第一無線射頻信號致能該資料擷取無線射頻模組，並透過該第一天線發送該第二無線射頻信號。
3. 如專利申請範圍第1項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中該無線射頻讀取器包含有：一第二天線，係用以發送該第一無線射頻信號及接收該第二無線射頻信號；一第二射頻單元，係電性連接於該第二天線，接收該第二天線輸出之該第二無線射頻信號及透過該第二天線發送該第一無線射頻信號；一第二數位資料處理單元，係電性連接於該第二射頻單元以接收該第二無線射頻信號並轉換為一第二數位信號；以及一資料蒐集單元，係電性連接於該第二數位資料處理單元，且該資料蒐集單元儲存有一預設資料信號，藉由該微控制器比較該第二數位信號及該預設資料信號，並據此產生該控制信號。
4. 如專利申請範圍第3項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中該無線射頻讀取器進一步包含一第一記憶裝置，該第一記憶裝置係儲存該第二數位信號。
5. 如專利申請範圍第3項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中該無線射頻讀取器進一步包括一周邊介面，其係電性連接於該資料蒐集單元。
6. 如專利申請範圍第5項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中該周邊介面係為一串列接口、一並列接口或一通用串列匯流排。
7. 如專利申請範圍第5項所述之結合無線射頻感測器之燃料電池熱電共生系統，其中該周邊介面進一步包含一第二記憶裝置，該第二記憶裝置係儲存該第二數位信號。