CN101237057B - 溶液浓度控制与供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明主要提供溶液浓度控制与供给装置，其是配合使用于一燃料电池，且该溶液浓度控制与供给装置中的一控制组件控制该溶液浓度控制与供给装置的操作步骤包括侦测一溶液混合装置的混合溶液浓度、侦测该溶液混合装置中的混合溶液液面高度、判断该混合溶液浓度是否落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内、根据该混合溶液浓度以及该混合溶液液面高度信息演算出该溶液储存装置所需输出的溶液量加入该溶液混合装置后的预计混合溶液液面高度以及控制该溶液储存装置输出溶液，以使得该混合溶液浓度落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内。

Description

溶液浓度控制与供给装置
技术领域
本发明是一种关于溶液浓度控制与供给装置，其特别是利用液面侦测以及浓度侦测的信息回馈，以控制所需的溶液浓度。
背景技术
公知技术中，对于燃料电池的燃料浓度控制多采用单纯的浓度侦测，只对燃料电池的浓度做被动式的侦测，而无法及时补充燃料来控制燃料电池的燃料浓度，由于燃料电池的燃料电池芯与燃料反应后，会使燃料电池的燃料浓度降低，若无法及时对燃料浓度进行控制，燃料电池芯内的反应膜将无法提供足够的输出能量，而在不需要提供太多能量的条件下，过高的浓度会破坏电池芯内的反应膜，对燃料电池会有负面的影响。
故本发明有鉴于上述公知技术的缺失，因而亟思发明，以电容式水位计配合溶液浓度侦测器，加以有效利用并改良，可使燃料电池内的燃料浓度保持定值，该型态能有效用控制燃料电池内的燃料浓度，与之前公知技术相比，更具精确控制燃料电池内的燃料浓度的优点，故本发明不仅能准确侦测燃料电池的浓度，亦可为及时补充溶液浓度的不足的装置。
发明内容
本发明主要是提供一溶液浓度控制与供给装置，其是提供一溶液液面信息以及浓度信息回馈机制，用以控制供给至一燃料电池进行化学反应所需的溶液能维持在特定的浓度范围中。
本发明另一目的是提供该溶液浓度控制与供给装置，其是具有回收该燃料电池生成物至该溶液浓度控制与供给装置，以提供燃料电池所需溶液的浓度调配。
本发明再一目的是提供该溶液浓度控制与供给装置，其是可回收燃料电池反应生成物中的水，并输送至该溶液浓度控制与供给装置，使得可以提供燃料电池所需燃料溶液的浓度调配。
为达到上述的目的，本发明是提供一溶液浓度控制与供给装置，其是配合使用于一燃料电池，并用以控制输入该燃料电池进行化学反应的溶液的浓度，且该溶液浓度控制与供给装置包括一溶液混合装置、一电容式液面侦测组件、一溶液传输装置、一溶液浓度侦测组件、一溶液储存装置以及一控制组件。其中该控制组件控制该溶液浓度控制与供给装置的操作步骤包括侦测该溶液混合装置的混合溶液浓度、侦测该溶液混合装置中的混合溶液液面高度、判断该混合溶液浓度是否落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内、根据该混合溶液浓度以及该混合溶液液面高度信息演算出该溶液储存装置所需输出的溶液量加入该溶液混合装置后的预计混合溶液液面高度以及控制该溶液储存装置输出溶液，以使得该溶液混合装置中的混合溶液液面高度达到该预计混合溶液液面高度，该控制组件停止该溶液储存装置的低浓度储存槽输出补充溶液；以及该混合溶液浓度落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内时，进行该溶液浓度侦测组件侦测浓度步骤。
再者，前述的燃料电池可透过该溶液浓度控制与供给装置提供该燃料电池进行电化学反应所需的燃料供给，以及回收该燃料电池进行电化学反应后所生成的水。
附图说明
图1是显示本发明溶液浓度控制与供给装置的组件关联示意图；
图2是显示本发明溶液浓度控制与供给装置一具体实施例的示意图；
图3是显示本发明溶液浓度控制与供给装置的操作步骤流程图；
图4是显示本发明溶液浓度控制与供给装置的另一具体实施例的示意图；以及
图5是显示本发明溶液浓度控制与供给装置的图4操作步骤流程图。
主要组件符号说明
溶液混合装置(1)
电容式液面侦测组件(2)
溶液传输装置(3)
燃料电池(4)
溶液浓度侦测组件(5)
控制组件(6)
溶液储存装置(7)
高浓度储存槽(71)
低浓度储存槽(72)
冷凝器(8)
冷凝器(9)
C0：预设浓度
C1：混合溶液浓度
C2：补充溶液浓度
C3：稀释溶液浓度
L1：第一溶液体积
L2：第二溶液体积
L3：第三溶液体积
L4：第四溶液体积
具体实施方式
参考图1所示，其是本发明溶液浓度控制与供给装置的组件关联图。本发明是有关于一种溶液浓度控制与供给装置，其包含一溶液混合装置(1)、一电容式液面侦测组件(2)、一溶液传输装置(3)、一燃料电池(4)、一溶液浓度侦测组件(5)、一控制组件(6)以及一溶液储存装置(7)。以下将针对本发明的具体较佳实施例作一详细说明。
请再配合参考图2所示，是本发明溶液浓度控制与供给装置一具体实施例的示意图，其中，本实施例主要是以使用在于燃料电池装置上为具体实施例，而且该溶液混合装置(1)是一混合调节燃料电池的燃料浓度以及储存经浓度调节后的燃料的储存装置槽；该溶液传输装置(3)是一流体导引装置，用以将该溶液混合装置(1)中的燃料输送至该燃料电池(4)，再由该燃料电池(4)将反应过后的残余燃料输送回该溶液混合装置(1)中，使得该溶液混合装置(1)与该燃料电池(4)的间则藉由该溶液传输装置(3)达到循环连结的效果；该燃料电池(4)内具有可与燃料溶液发生反应的触媒；该溶液浓度侦测组件(5)是用以侦测该溶液混合装置(1)与该溶液传输装置(3)中的燃料浓度，并定义为一混合溶液浓度C1；该控制组件(6)是用以控制该溶液浓度控制与供给装置的运作及其所需的逻辑演算；以及该溶液储存装置(7)是包括一可储存特定浓度的燃料的装置，并可供给燃料至该溶液混合装置(1)。其中，由于该燃料电池(4)所需的溶液其浓度必须可控制，才能使燃料电池的反应效率达到最佳化以及保护电池芯延长使用寿命，因此在该溶液传输装置(3)尚需搭配该溶液浓度侦测组件(5)，用以侦测进入该燃料电池(4)的溶液浓度，并定义为混合溶液浓度C1，再将信息传送给该控制组件(6)。若该溶液浓度侦测组件(5)所侦测到溶液浓度是低于系统预设的一预设浓度C0，该控制组件(6)会配合该电容式液面侦测组件(2)回馈的溶液液面高度，且控制对该溶液储存装置(7)将内部溶液传输到该溶液混合装置(1)内，且该溶液储存装置(7)内部的补充溶液的浓度为补充溶液浓度C2，该补充溶液浓度C2是大于预设浓度C0。当该燃料电池(4)内部的该混合溶液浓度C1达到系统预设浓度C0时，该控制组件(6)会停止该溶液储存装置(7)继续输送溶液到该溶液混合装置(1)，藉此控制手段来达成液体的浓度控制。
前述的溶液混合装置(1)中所储存的混合溶液量是定义为一第一溶液体积L1，且前述的溶液传输装置(3)内所含与流经于该燃料电池(4)的溶液体积是定义为一第二溶液体积L2，以及定义该溶液储存装置(7)加入该溶液混合装置(1)的补充溶液量为一第三溶液体积L3。
基于前述本发明的而本实施例中，可进一步包括一冷凝器(8)，该冷凝器(8)是一散热装置以及流体导引装置，且其机械连通该燃料电池(4)与该溶液混合装置(1)，使得当燃料溶液经由该燃料电池(4)进行化学反应后产生的气态流体会被导入该冷凝器(8)，该冷凝器(8)将进入的气态流体后凝结成液态流体，并直接被导入该溶液混合装置(1)中，而使得混合进入该溶液混合装置(1)的溶液中，使得该混合溶液浓度C1将会逐渐降低，直到低于预设浓度C0。
前述的该溶液储存装置(7)是可以透过帮浦或任何流体驱动装置，将该溶液储存装置(7)中的溶液传输至该溶液混合装置(1)。
前述的电容式液面侦测组件(2)，是可利用平行板电容式水位计来侦测溶液混合装置(1)的溶液量，主要技术内容已揭露于本案发明人于台湾专利申请第94221746号案中，其是溶液混合装置(1)外装置两平行电容板，利用其平行电容板所量测到的电容值，来计算出溶液混合装置(1)内部的溶液体积，配合控制组件(6)所读到溶液浓度侦测组件(5)的信号，溶液浓度侦测组件(5)其是利用光学式组件来侦测溶液的浓度，主要技术内容已揭露于本案发明人于台湾专利申请第95133612号案中，其是利用量测光源于不同浓度的燃料中光源接收情形的变化，再由此来判断溶液的浓度，来对溶液储存装置(7)中的燃料做动作以达液体浓度的控制手段。
此外，该电容式液面侦测组件(2)的另一实施方式，为使用单面电容式水位计来侦测溶液混合装置(1)的溶液量，其主要技术内容已揭露于本案发明人于台湾专利申请第95104177号案中，其是利用电容感应特性会因溶液混合装置(1)内部溶液与空气比例不同，而有不同的介质常数因此导致电容值的不同，藉此量测溶液混合装置(1)的溶液量。
前述的电容式液面侦测组件(2)所回馈的溶液混合装置(1)的混合溶液液面高度是对应该溶液混合装置(1)的混合溶液的第一溶液体积L1，因此当该混合溶液浓度C1低于该预设浓度C0时，该混合溶液液面高度信息传输至该控制组件(6)后，该控制组件(6)可根据该混合溶液液面高度信息与该混合溶液浓度C1演算出该溶液储存装置(7)所需提供的补充溶液量为该第三溶液体积L3，并获得该第三溶液体积L3加入该第一溶液体积L1后的该溶液混合装置(1)中的预计混合溶液液面高度。使得该溶液储存装置(7)输出至该溶液混合装置(1)的补充溶液量达到该第三溶液体积L3时，或该溶液储存装置(7)输出补充溶液至该溶液混合装置(1)后的混合溶液液面高度达到该预计混合溶液液面高度时，该混合溶液浓度C1会落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，且同时该控制组件(6)可控制该溶液储存装置(7)停止输出补充溶液至该溶液混合装置(1)。
请再配合参考图3所示，是本发明溶液浓度控制与供给装置的操作步骤流程图，基于前述本发明的溶液浓度控制与供给装置，其操作步骤包括：步骤301，其是该溶液浓度侦测组件(5)侦测该溶液混合装置(1)传输到该燃料电池(4)的溶液浓度，而获得该溶液混合装置(1)中的溶液浓度为该混合溶液浓度C1；步骤302，其是该电容式液面侦测组件(2)侦测该溶液混合装置(1)中的混合溶液液面高度，并将该混合溶液液面高度信息传输至该控制组件(6)；步骤303，其是该控制组件(6)进行判断所侦测到的该混合溶液混合溶液浓度C1是否落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，若成立该控制组件(6)回到步骤301，且若侦测到的该混合溶液混合溶液浓度C1低于预设浓度C0为基准的迟滞范围内，则进入步骤304；步骤304，其是该控制组件(6)根据该电容式液面侦测组件(2)所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该溶液混合装置(1)所需提供的补充溶液量所对应的补充溶液加入该溶液混合装置(1)后的预计混合溶液液面高度；以及步骤305，其是该控制组件(6)将配合该电容式液面侦测组件(2)控制该溶液储存装置(7)输出补充溶液量，直到该溶液储存装置(7)输出的补充溶液量达到该第三溶液体积L3时，或该第三溶液体积L3加上该第一溶液体积L1后的该溶液混合装置(1)的混合溶液液面高度达到该预计混合溶液液面高度时，该混合溶液浓度C1会落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，且同时该控制组件(6)停止该溶液储存装置(7)输出的补充溶液。
请再配合参考图4所示，是本发明溶液浓度控制与供给装置的另一具体实施例的组件关联图，前述实施例可具体地使用在燃料电池装置中，本发明溶液浓度控制与供给装置可进一步包括一冷凝器(9)，且前述的溶液储存装置(7)可进一步包括一高浓度储存槽(71)以及一低浓度储存槽(72)。其中该冷凝器(9)是一散热装置以及流体导引装置，且其机械连通该燃料电池(4)与该高浓度储存槽(71)的低浓度储存槽(72)，使得当燃料溶液经由该燃料电池(4)进行化学反应后产生的气态流体会被导入该冷凝器(8)，该冷凝器(8)将进入的气态流体后凝结成液态流体，并直接被导入该低浓度储存槽(72)中。该溶液储存装置(7)的高浓度储存槽(71)是储存具有补充溶液浓度C2的补充溶液；以及该低浓度储存槽(72)是机械连通该冷凝器(9)，并储存该冷凝器(9)导入的液体。
本实施例中，当该混合溶液浓度C1不在预设浓度C0为基准的迟滞范围内时，而该控制组件(6)由溶液浓度侦测组件(5)控制该溶液储存装置(7)内的高浓度储存槽(71)或低浓度储存槽(72)将燃料溶液输送至该溶液混合装置(1)中，直到该混合溶液浓度C1落在预设浓度C0为基准的迟滞范围内。其中该低浓度储存槽(72)的溶液浓度是定义为稀释溶液浓度C3，该低浓度储存槽(72)的输出溶液量是溶液定义为第四溶液体积L4。
请再配合参考图5所示，是本发明溶液浓度控制与供给装置的图4实施例的操作步骤流程图，基于前述本发明的溶液浓度控制与供给装置，其操作步骤包括：步骤501，其是该溶液浓度侦测组件(5)侦测该溶液混合装置(1)传输到该燃料电池(4)的溶液浓度，而获得该溶液混合装置(1)中的溶液浓度为该混合溶液浓度C1；步骤502，其是该电容式液面侦测组件(2)侦测该溶液混合装置(1)中的混合溶液液面高度，并将该混合溶液液面高度信息传输至该控制组件(6)；步骤503，其是该控制组件(6)进行判断所侦测到的该混合溶液浓度C1是否落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，若在该预设浓度C0为基准的迟滞范围内该控制组件(6)回到步骤501，且若侦测到的该混合溶液浓度C1若不在该预设浓度C0为基准的迟滞范围内时，则进入步骤504；步骤504，其是比较该混合溶液浓度C1与该预设浓度C0，若侦测到的该混合溶液浓度C1低于该预设浓度C0进入步骤505，若侦测到的该混合溶液浓度C1高于该预设浓度C0则进入步骤507；步骤505，其是该控制组件(6)根据该电容式液面侦测组件(2)所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该溶液混合装置(1)所需提供的补充溶液量所对应的补充溶液加入该溶液混合装置(1)后的混合溶液液面高度为第一预计混合溶液液面高度；步骤506，其是该控制组件(6)将配合该电容式液面侦测组件(2)控制该溶液储存装置(7)自该高浓度储存槽(71)输出补充溶液量，直到该高浓度储存槽(71)输出的补充溶液量达到该第三溶液体积L3时，或该第三溶液体积L3加上该第一溶液体积L1后的该溶液混合装置(1)的混合溶液液面高度达到第一预计混合溶液液面高度时，该混合溶液浓度C1会落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，且同时该控制组件(6)停止该溶液储存装置(7)自该高浓度储存槽(71)输出的补充溶液，并回到步骤501；步骤507，其是该控制组件(6)根据该电容式液面侦测组件(2)所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该溶液储存装置(7)的低浓度储存槽(72)所需输出的第四溶液体积L4加入该溶液混合装置(1)后的混合溶液液面高度为第二预计混合溶液液面高度；步骤508，其是该控制组件(6)将配合该电容式液面侦测组件(2)控制该溶液储存装置(7)的低浓度储存槽(72)输出稀释溶液量，直到该溶液储存装置(7)输出的补充溶液量达到该第四溶液体积L4时，或该第四溶液体积L4加上该第一溶液体积L1后的该溶液混合装置(1)的混合溶液液面高度达到第二预计混合溶液液面高度时，该混合溶液浓度C1会落入于该预设浓度C0为基准的迟滞范围内，且同时该控制组件(6)停止该溶液储存装置(7)输出该低浓度储存槽(72)中的稀释溶液，并回到步骤501。
前述的溶液浓度侦测组件(5)可由一电流电压感测手段所取代，且该控制组件(6)可包括一电流电压转换燃料浓度手段，该电流电压感测手段是用以侦测该燃料电池芯所输出的电流电压值，并将此电流电压值信号传输到该控制组件(6)，而该电流电压转换燃料浓度手段用以将燃料电池的电流电压转换为溶液的浓度值。
前述定义该高浓度储存槽(71)补充溶液浓度C2以及该低浓度储存槽(72)的稀释溶液浓度C3的溶质是相同于定义该混合溶液浓度C1的溶质。
再者，前述透过本发明的溶液浓度控制与供给装置的溶液浓度控制方法的各个实施例中，该控制组件(6)在控制该溶液储存装置(7)输送溶液到该溶液混合装置(1)的溶液浓度控制过程中，该溶液传输装置(3)可持续运作供给溶液至该燃料电池(4)，以持续进行该燃料电池(4)的操作。
本发明所提供的一种溶液浓度控制与供给装置，以利用电容式液面侦测组件，配合浓度侦测装置，来控制所需的溶液浓度，因此本发明极具进步性及符合申请创作专利的要件，爰依法提出申请。
以上已将本发明作一详细说明，惟以上所述者，仅为本发明的一较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。

Claims (11)

1.一种溶液浓度控制与供给装置，其是配合使用于一燃料电池，并用以控制输入该燃料电池进行化学反应的溶液的浓度，其特征在于该溶液浓度控制与供给装置包括：
一溶液混合装置，其是一混合溶液的储存装置槽；
一电容式液面侦测组件，其是设置于该溶液混合装置，用以侦测该溶液混合装置内的混合溶液液面高度；
一溶液传输装置，其是机械连通该溶液混合装置与该燃料电池，用以将该溶液混合装置中的溶液传输至该燃料电池且再将该燃料电池中反应后的溶液传输至该溶液混合装置；
一溶液浓度侦测组件，其是用以侦测该溶液混合装置传输至该燃料电池的溶液浓度，并定义此浓度为一混合溶液浓度；
一溶液储存装置，其是包括一高浓度储存槽，用以储存补充溶液，且该补充溶液浓度是高于一预设浓度，以及该溶液储存装置是用以传输所储存的溶液至该溶液混合装置；以及
一控制组件，其是用以控制该溶液浓度控制与供给装置的操作，其操作方法包括：
该溶液浓度侦测组件侦测该溶液混合装置传输到该燃料电池的混合溶液，以获得该混合溶液浓度；
该电容式液面侦测组件侦测该溶液混合装置中的混合溶液液面高度，并将该混合溶液液面高度信息传输至该控制组件；
该控制组件判断所侦测到的该混合溶液浓度是否落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内；
该混合溶液浓度低于该预设浓度为基准的迟滞范围内时，该控制组件根据该电容式液面侦测组件所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该高浓度储存槽所需输出的补充溶液量加入该溶液混合装置后的混合溶液液面高度为第一预计混合溶液液面高度；
该控制组件控制该溶液储存装置的高浓度储存槽输出补充溶液，直到该溶液混合装置中的混合溶液液面高度达到该第一预计混合溶液液面高度时，该控制组件停止该溶液储存装置的高浓度储存槽输出补充溶液；以及
该混合溶液浓度落入于该预设浓度为基准的迟滞范围内时，进行该溶液浓度侦测组件侦测浓度步骤。
2.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其中进一步包括一冷凝器，该冷凝器是一散热装置以及流体导引装置，且该冷凝器机械连通该燃料电池与该溶液混合装置，该燃料电池进行化学反应后产生的气态流体会被导入该冷凝器，该冷凝器将进入的气态流体凝结成液态流体，并直接被导入该溶液混合装置中。
3.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该溶液储存装置进一步包括一低浓度储存槽，该低浓度储存槽是储存稀释溶液，且该稀释溶液浓度是低于该预设浓度。
4.如权利要求3所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该控制组件控制该溶液浓度控制与供给装置的操作步骤进一步包括：
该混合溶液浓度高于该预设浓度为基准的迟滞范围内时，该控制组件根据该电容式液面侦测组件所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该低浓度储存槽所需输出的稀释溶液量所加入该溶液混合装置后的混合溶液液面高度为第二预计混合溶液液面高度；以及
该控制组件控制该溶液储存装置的低浓度储存槽输出稀释溶液，直到该溶液混合装置中的混合溶液液面高度达到该第二预计混合溶液液面高度时，该控制组件停止该溶液储存装置的低浓度储存槽输出稀释溶液。
5.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：进一步包括一冷凝器，且该溶液储存装置进一步包括一低浓度储存槽，该冷凝器是一散热装置以及流体导引装置，且该冷凝器机械连通该燃料电池与该低浓度储存槽，该燃料电池进行化学反应后产生的气态流体会被导入该冷凝器，该冷凝器将进入的气态流体凝结成液态流体，并直接被导入该低浓度储存槽中。
6.如权利要求5所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该控制组件控制该溶液浓度控制与供给装置的操作步骤进一步包括：
该混合溶液浓度高于该预设浓度为基准的迟滞范围内时，该控制组件根据该电容式液面侦测组件所回馈的混合溶液液面高度信息，演算出该低浓度储存槽所需输出的稀释溶液量所加入该溶液混合装置后的混合溶液液面高度为第二预计混合溶液液面高度；以及
该控制组件控制该溶液储存装置的低浓度储存槽输出稀释溶液，直到该溶液混合装置中的混合溶液液面高度达到该第二预计混合溶液液面高度时，该控制组件停止该溶液储存装置的低浓度储存槽输出稀释溶液。
7.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该电容式液面侦测组件是一平面带线电容器。
8.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该溶液浓度侦测组件是一比热式传感器。
9.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该溶液浓度侦测组件是利用一光学式传感器量测溶液的浓度。
10.如权利要求1所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该溶液浓度侦测组件是包括一电流电压感测手段，且该控制组件可包括一电流电压转换燃料浓度手段，该电流电压感测手段是用以侦测该燃料电池所输出的电流电压值，并将此电流电压值信号传输到该控制组件，而该电流电压转换燃料浓度手段用以将燃料电池的电流电压转换为溶液的浓度值。
11.如权利要求3所述的溶液浓度控制与供给装置，其特征在于：该高浓度储存槽补充溶液浓度以及该低浓度储存槽的稀释溶液浓度的溶质是相同于定义该混合溶液浓度的溶质。
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