TWI631760B - 主動式燃料壓力調節系統 - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種主動式燃料壓力調節系統，其包含有一微處理器；一氫氣調節裝置，係電性連結微處理器，包含有一氫氣儲存罐，並依序連接一開關閥、一手動調壓閥、一比例閥以及一氫氣壓力偵測器；一電力供應裝置，係電性連接微處理器，其包含有相互電性連接之一電壓偵測器、一電流偵測器、一電力調節次系統以及一負載；以及一燃料電池本體，其電力輸出至電力供應裝置，並有一第一管路連接氫氣調節裝置，再由一第二管路連接至外部空氣。

Description

主動式燃料壓力調節系統
本發明係有關於一種燃料壓力調節系統，尤其係指一種主動式的燃料壓力調節系統，能夠計算出燃料電池需要的氫氣壓力，又藉著電流、電壓或功率斜率的偵測，提前增加一個補償值上去，讓燃料電池於使用過程中不會因負載瞬間的變化而造成電系不穩定甚至元件損壞。
按，現今科技中，產生電力或是其他能源的原料，大多都是仰賴石油、煤礦、天然氣或是鈾，不斷大量地使用下，所排放的廢氣或是利用完畢的廢料，皆會對環境造成極大的傷害，例如近年來的溫室效應、酸雨、空氣汙染等現象，且這些屬於不可再生能源的原料，係總有一日會被人類開採並使用完畢；於是，為了減緩對地球環境的傷害，又避免未來有能源耗盡的一天，各國致力於推廣以其他替代能源代替這些不可再生能源，更制定了許多相關的環保法規，限制大量的汙染物排放至環境中。
為了因應未來的環保趨勢，許多業者也著重於綠色能源的開發，例如太陽能、風力、水力等發電設備；燃料電池即為一種較環保的資源，其發電原理跟一般乾電池或鋰電池係完全不同，燃料電池以氫氣作為主要的燃料來源，藉著電化學反應將電池中的化學能轉換成電能，其使用過程中不會產生廢氣污染環境，而且也可以儲存能量；目前燃料電池的應用相當廣泛，從車輛、飛機以及船隻等各種交通運輸工具皆有公司正在研發以燃料電池取代傳統石化燃料的動力產生方式，其中，以燃料電池車為例，相較於另一個熱門的電動汽車產業，燃料電池車之燃料以補充氫氣為主，其加氫時間大約為3~5分鐘，但電動汽車充電時間一次則需要4、5個小時，且兩者單趟的可行駛距離皆差不多為400~500公里；因此，可知燃料電池具有相當可觀的發展性。
在各種應用領域中，習知的燃料電池之供氫壓力調節是以手動方式調節至一個固定的適當壓力，使氫氣儲存罐以固定壓力向燃料電池供應氫氣，但此方式在負載功率忽然變大時，燃料電池中大量的氫氣被消耗，導致內部氫氣的壓力瞬間下降，氫氣儲存罐所設的定供給壓力，反而不足以提供給燃料電池，讓負載電壓下降；相反地，當負載功率忽然變小時，燃料電池內部又會因累積過多的氫氣導致內部壓力上升，造成氫氣洩放不及使負載電壓上升；此兩種狀況的發生都會讓負載端產生電壓過度波動甚至損壞負載設備。
另一種方式則加裝一個壓力偵測器，設定壓力值的上下限，偵測到壓力大於上限值時即關閉氫氣輸出，壓力小於下限值時，則開啟氫氣輸出，使壓力恆定於一個範圍內，例如中華民國專利公開號TW 201136015「燃料電池之氣體燃料供給系統」提供一種具有壓力偵測元件與洩壓元件的燃料供給系統，其在過高的壓力時，會進行洩壓動作，甚至偵測到管路壓力過高時，能關閉閥件，切斷氣體燃料的供應。然而，此種方式係屬於被動式的偵測，在負載功率瞬間大幅變動的時候，會不夠即時作到調壓的動作。
今，發明人即是鑑於上述現有之壓力調節方式於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種主動式燃料壓力調節系統，其能夠由燃料電池的輸出功率推算出當前需要的氫氣壓力值，再控制氫氣輸出的閥門迅速達到此壓力值；又，本發明能夠藉著負載端的電流、電壓或功率之斜率的採樣，預測負載的變化，以提前補償或洩放壓力。
為了達到上述實施目的，本發明一種主動式燃料壓力調節系統，其包含有一微處理器；一氫氣調節裝置，係電性連結微處理器，包含有一氫氣儲存罐，並依序連接一開關閥、一手動調壓閥、一比例閥以及一氫氣壓力偵測器；一電力供應裝置，係電性連接微處理器，其包含有相互電性連接之一電壓偵測器、一電流偵測器、一電力調節次系統以及一負載；以及一燃料電池本體，其電力輸出至電力供應裝置，並有一第一管路連接氫氣調節裝置，再由一第二管路連接至外部空氣。
於本發明之一實施例中，氫氣調節裝置係進一步包含有一空氣泵浦。
於本發明之一實施例中，空氣泵浦係接收燃料電池本體排出之氫氣。
於本發明之一實施例中，電壓偵測器係與燃料電池本體並聯。
於本發明之一實施例中，電流偵測器係與燃料電池本體串聯。
於本發明之一實施例中，燃料電池本體透過第二管路連接一鼓風機。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
請參閱第一圖，本發明一種主動式燃料壓力調節系統，其包含有一微處理器(1)；一氫氣調節裝置(2)，係電性連結微處理器(1)，包含有一氫氣儲存罐(21)，並依序連接一開關閥(22)、一手動調壓閥(23)、一比例閥(24)以及一氫氣壓力偵測器(25)，又，氫氣調節裝置(2)可進一步裝設一空氣泵浦(26)，係用以快速地洩放過燃料電池本體(4)內壓力過高的氫氣；一電力供應裝置(3)，係電性連接微處理器(1)，其包含有相互電性連接之一電壓偵測器(31)、一電流偵測器(32)、一電力調節次系統(33)以及一負載(34)，電壓偵測器(31)會與燃料電池本體(4)並聯，電流偵測器(32)則與燃料電池本體(4)串聯；以及一燃料電池本體(4)，其電力輸出至電力供應裝置(3)，並有一第一管路(41)連接氫氣調節裝置(2)，再由一第二管路(42)連接至外部空氣，並透過第二管路(42)又連接有一鼓風機(421)，鼓風機(421)係用以吸入外部之空氣，以氧氣作為燃料電池本體(4)中氧化還原的氧化劑。
藉此，由微處理器(1)可自動控制本主動式燃料壓力調節系統的作動，其中，氫氣調節裝置(2)之比例閥(24)可以調整氫氣輸出的流量以及壓力，且係根據推算出的氫氣壓力值進行閥門比例的調整，又能根據燃料電池的電性輸出，以斜率預測接下來負載(34)的功率變化，以使電力輸出穩定並保護燃料電池以及負載(34)的元件。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
請繼續參閱第一圖，實際使用時，燃料電池本體(4)係需要有氫氣與氧氣的反應，因此以第一管路(41)與第二管路(42)分別通入氫氣與氧氣；第一管路(41)即連接著氫氣調節裝置(2)，使用前可以從手動調壓閥(23)先手動調整到一個初始壓力，再開啟開關閥(22)，開始輸送氫氣至燃料電池本體(4)，氫氣輸送過程中會經過氫氣壓力偵測器(25)，偵測到的數值會傳輸給微處理器(1)；第二管路(42)係連接至外部空氣供給的部分，由一鼓風機(421)抽進需要的空氣，以空氣中含有的氧氣作為氧化劑，在燃料電池本體(4)內與氫氣反應，產生電力提供給負載(34)使用。
燃料電池本體(4)的電力輸出端係連接著電流偵測器(32)以及電壓偵測器(31)，其會隨時偵測燃料電池本體(4)的輸出電壓以及輸出電流，傳送電壓值以及電流值至微處理器(1)，由微處理器(1)將電壓值與電流值相乘計算出目前燃料電池本體(4)的輸出功率，再推算出氫氣的消耗量以及所需的氫氣壓力，若判斷氫氣壓力不足以供應接下來負載(34)的功率需求，微處理器(1)會指示比例閥(24)去控制開關閥(22)的開關時間，增加輸出的氫氣壓力，可參閱第二圖所示，開關時間比例越大，則代表氫氣壓力大；反之，若負載(34)的消耗功率低，微處理器(1)會判斷氫氣壓力已經足夠應付負載(34)正常運作，則再由比例閥(24)減少開關閥(22)的開關時間比例，減少輸出的氫氣，降低壓力，以保護負載(34)以及燃料電池本體(4)的安全。
再者，本發明又配合另一項保護措施，達到主動式的壓力調節；請參閱第三圖，除了藉由計算功率以及氫氣消耗量之外，亦能夠從電流、電壓與功率的斜率作到掌握負載(34)消耗的預判，以電流斜率為例，係在一個時間內取樣電流差值以計算出電流的斜率，如圖所示，先在時間t1取樣到電流i1，再於時間t2取樣到電流i2，此段時間內的電流變化為i2減去i1，時間變化則為t2減去t1，將電流變化以及時間變化的數值相除後，即可得知電流斜率；根據計算出的電流斜率，微處理器(1)即可預判出負載(34)係處於功率上升或是下降的狀態，再指示比例閥(24)控制開關閥(22)的開關週期，以提前補償壓力，或減少壓力，使燃料電池本體(4)隨時都能保持適當的氫氣量以及氫氣壓力。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:
1.本發明主動式燃料壓力調節系統之電壓偵測器以及電流偵測器能夠偵測燃料電池本體的輸出電壓值以及輸出電流值，藉由這兩個數值計算出功率，並且進一步推算出燃料電池本體氫氣的消耗量以及所需的氫氣壓力，再由比例閥自動控制開關閥的開關週期，準確的提供燃料電池本體所需的氫氣壓力，如此當負載變動時，就可以調節壓力至適當值，使負載之電壓穩定。
2.本發明主動式燃料壓力調節系統除了以氫氣消耗量推算出氫氣壓力之外，又能夠以斜率偵測的方式，達到提前補償壓力的技術；同樣係由電壓偵測器以及電流偵測器所偵測的電壓、電流或功率變化，搭配上時間的變化，由微處理器計算出斜率，以預判負載的變化走向，提前補償或減少氫氣的壓力，此種預判的模式，更快速地能夠應付負載功率大幅變動時所產生的狀況。
綜上所述，本發明之主動式燃料壓力調節系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)‧‧‧微處理器
(2)‧‧‧氫氣調節裝置
(21)‧‧‧氫氣儲存罐
(22)‧‧‧開關閥
(23)‧‧‧手動調壓閥
(24)‧‧‧比例閥
(25)‧‧‧氫氣壓力偵測器
(26)‧‧‧空氣泵浦
(3)‧‧‧電力供應裝置
(31)‧‧‧電壓偵測器
(32)‧‧‧電流偵測器
(33)‧‧‧電力調節次系統
(34)‧‧‧負載
(4)‧‧‧燃料電池本體
(41)‧‧‧第一管路
(42)‧‧‧第二管路
(421)‧‧‧鼓風機
第一圖：本發明其較佳實施例之整體架構示意圖。
第二圖：本發明其較佳實施例之壓力變化示意圖。
第三圖：本發明其較佳實施例之斜率採樣示意圖。

Claims (6)

  1. 一種主動式燃料壓力調節系統，其包含有： 一微處理器； 一氫氣調節裝置，係電性連結該微處理器，其包含有一氫氣儲存罐，並依序連接一開關閥、一手動調壓閥、一比例閥以及一氫氣壓力偵測器； 一電力供應裝置，係電性連接該微處理器，其包含有相互電性連接之一電壓偵測器、一電流偵測器、一電力調節次系統以及一負載；以及 一燃料電池本體，其電力輸出至該電力供應裝置，並有一第一管路連接該氫氣調節裝置，再由一第二管路連接至外部空氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述主動式燃料壓力調節系統，其中該氫氣調節裝置係進一步包含有一空氣泵浦。
  3. 如申請專利範圍第2項所述主動式燃料壓力調節系統，其中該空氣泵浦係接收該燃料電池本體排出之氫氣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述主動式燃料壓力調節系統，其中該電壓偵測器係與該燃料電池本體並聯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述主動式燃料壓力調節系統，其中該電流偵測器係與該燃料電池本體串聯。
  6. 如申請專利範圍第1項所述主動式燃料壓力調節系統，其中該燃料電池本體透過該第二管路連接一鼓風機。
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