CN102237533A - 具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，其包括：燃料电池系统；散热系统；储热系统以及控制模块；又，散热系统内设有一热交换器。其中，散热系统连通于燃料电池，而储热系统连接至热交换器，所述的控制模块是用于侦侧燃料电池系统的启动信号以及控制散热系统与储热系统的动作，借此将燃料电池产生的热能传递至储热系统。

Description

具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统

技术领域

本发明涉及一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，特别是涉及一种用于回收燃料电池所产生的热能的系统。

背景技术

由于能源有匮乏之虞，因此各国都在为氢能源时代来临做准备，燃料电池的洁净、高效率、多元化的能源特性，可应用于车辆动力、分散式发电、3C资讯产品电源等商业产品，让燃料电池成为最新兴的能源技术。燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生电和水(H₂O)，因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率极高。再者，二氧化碳排放量比其他发电设备低，水又是无害的产生物，因此是一种低污染性的能源。

然而，燃料电池在产生电力的同时，亦会产生热能。因此，将热能自燃料电池内排出以保护或稳定其化学变化，散热系统即为一相当重要的环节，再加上现在地球暖化日趋严重，各地气候异常，如何将能源有效地利用并且不会产生环境污染等问题，更是全世界相当注重的议题。

目前，散热的方式是利用导体，例如水，将热能携离燃料电池，再使热能直接散发至空气中，达到散热的目的。然而，此种作法不但浪费能源，亦可能成为环境温度上升的帮凶。再者，若是散热不全或是散热速率差时，热能将累积于燃料电池内，并影响转换电力的过程，间接造成输出电压不稳等问题。

由此可见，上述现有的散热系统在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，可将燃料电池所产生的热能回收再利用，优化散热效率，并且，随时监控温度并控制热交换的速率，使得燃料电池得以在最适温度的环境下进行电化学作用，达到电能转换的最佳效率。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，其包括：一燃料电池系统，其是由至少一燃料电池所构成；一散热系统，其具有：一第一热交换管路，是用以连通该燃料电池系统的水流道的一第一输出端及一第一输入端之间，又该第一热交换管路依水的流向依序串接有一散热循环马达、一第一流量感测器、一第一三通阀件、一第二流量感测器、一热交换器的第一侧端及一第一温度感测器；及一散热回流管路，其是由该第一三通阀件的一端连通至该散热循环马达与该第一输出端间的该第一热交换管路；一储热系统，其具有：一保温装置，其具有：一腔体，其具有一第二输出端、一第二输入端及多个开口；以及一第二温度感测器，其是结合于该保温装置以感测该腔体中的水温；一第二热交换管路，是用以连通该第二输出端及该第二输入端的间，又该第二热交换管路依水的流向依序串接有一储热循环马达、一第三流量感测器、一第二三通阀件及该热交换器的第二侧端；及一储热回流管路，其是由该第二三通阀件的一端连通至该热交换器与该第二输入端间的该第二热交换管路；以及一控制模块，其用以执行下列步骤：侦测该燃料电池系统的启动信号；启动该散热系统；启动该储热系统；及启动一热交换程序，使该第一热交换管路与该第二热交换管路内的水在该热交换器内进行热交换；其中，执行该热交换程序时，该燃料电池系统与该保温装置内的水之间在热交换时无物质的传递移转。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的燃料电池热电共生系统，其中所述开口包括一暖气机供水口、一暖气机回水口、一补水口及一供水口。

前述的燃料电池热电共生系统，其中所述的第一热交换管路进一步串接有一去离子水过滤器，且该去离子水过滤器设置于该第一温度感测器与该第一输入端之间。

前述的燃料电池热电共生系统，其中启动该散热系统包括下列步骤：启动该散热循环马达，又借由该第二流量感测器侦测该第一热交换管路内的一第一流量；当该第一流量的大小等于0 1pm时，控制该第一三通阀件使该第一三通阀件与该散热回流管路连通；以及当该第一流量的大小大于01pm时，进行一第一定量流量控制，其是借由该散热循环马达维持该第一流量的大小。

前述的燃料电池热电共生系统，其中当该第一流量的大小不等于一第一标准值时，该控制模块进一步执行第一警告机制，其中该第一标准值为当该热交换程序被启动时，该第一流量所必需的最小流量值即为该第一标准值。

前述的燃料电池热电共生系统，其中启动该储热系统包括下列步骤：启动该储热循环马达，又借由该第三流量感测器侦测该第二热交换管路内的一第二流量；以及进行一第二定量流量控制，其是借由该储热循环马达维持该第二流量的大小。

前述的燃料电池热电共生系统，其中当该第二流量的大小不等于一第二标准值时，该控制模块进一步执行第二警告机制，其中，当该热交换程序被启动时，该第二流量所必需的最小流量值即为该第二标准值。

前述的燃料电池热电共生系统，其中所述当该第二流量感测器侦测该第一热交换管路内的一第一流量的大小不等于零，且该第三流量感测器侦测该第二热交换管路内的一第二流量的大小不等于零时，读取该第一温度感测器及该第二温度感测器侦测的温度，并启动该热交换程序，而该热交换程序包括下列步骤：当该第一温度感测器感测的一第一温度小于一第一临界温度，且该第二温度感测器感测的一第二温度小于一第二临界温度时，进行热交换；当该第二温度大于该第二临界温度时，控制该第二三通阀件使该第二三通阀件与该储热回流管路连通，当该第一温度大于一第三临界温度时，停止该燃料电池系统运转；以及当该燃料电池系统停止运转，等待该第二温度小于一第四临界温度，且该第一温度小于等于该第三临界温度时，重新启动该燃料电池系统运转。

前述的燃料电池热电共生系统，其中所述的控制模块，其用以执行下列步骤：预设一时间值；以及当该第一流量及该第二流量的大小均等于零时，经过该时间值的时间后，若该第一流量及该第二流量的大小均依旧等于零时，则进行第三警告机制。

前述的燃料电池热电共生系统，其中所述当该第一温度大于该第一临界温度时，该控制模块进一步执行第四警告机制；又，该第一临界温度为当该热交换器的热交换效率最大时，该燃料电池系统的作业温度；该第二临界温度为当该热交换器的热交换效率最大时，该燃料电池系统的作业温度；该第三临界温度为该燃料电池系统可耐受的最高温度；该第四临界温度为启动储热系统所需的最高温度。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统至少具有下列优点及有益效果：

1、回收运用燃料电池所产生的热能，例如：连接暖气机等。

2、提升散热效率。

3、使燃料电池在最适温度的环境下进行电化学作用，达到电能转换的最佳效率。

综上所述，本发明具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，其包括：燃料电池系统；散热系统；储热系统以及控制模块；又，散热系统内设有一热交换器。其中，散热系统连通于燃料电池，而储热系统连接至热交换器，所述的控制模块是用于侦侧燃料电池系统的启动信号以及控制散热系统与储热系统的动作，借此将燃料电池产生的热能传递至储热系统。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的元件连接实施例图。

图2为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的控制模块启动流程实施例图。

图3为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的散热系统程序流程实施例图。

图4为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的储热系统的程序流程实施例图。

图5为本发明的一种具热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的热交换程序流程实施例图。

10：燃料电池系统        11：燃料电池

12：第一输出端          13：第一输入端

20：散热系统            21：第一热交换管路

211：散热循环马达       212：第一流量感测器

213：第一三通阀件       214：第二流量感测器

215：热交换器           215a：第一侧端

215b：第二侧端          216：第一温度感测器

217：去离子水过滤器     22：散热回流管路

30：储热系统            31：保温装置

311：腔体               311a：第二输出端

311b：第二输入端        311c：开口

312：第二温度感测器     32：第二热交换管路

321：储热循环马达       322：第三流量感测器

323：第二三通阀件      33：储热回流管路

40：控制模块           A：暖气机供水口

B：暖气机回水口        C：补水口

D：供水口

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的元件连接实施例图。图2为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的控制模块启动流程实施例图。图3为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的散热系统的程序流程实施例图。图4为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的储热系统的程序流程实施例图。图5为本发明的一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统的热交换程序流程实施例图。

如图1所示，本实施例为一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，其包括：一燃料电池系统10、一散热系统20、一储热系统30及一控制模块40。

燃料电池系统10是由至少一燃料电池11所构成，用于产生电能。

散热系统20具有一第一热交换管路21及一散热回流管路22，借此协助散去燃料电池系统10所产生的热能，避免因热能累积于燃料电池系统10内，导致电能转换效率发生变化。

所述的第一热交换管路21是用以连通燃料电池系统10的水流道的一第一输出端12及一第一输入端13之间，又第一热交换管路21依水的流向依序串接有一散热循环马达211、一第一流量感测器212、一第一三通阀件213、一第二流量感测器214、一热交换器215的第一侧端215a及一第一温度感测器216，借此进行散热，同时利用第一温度感测器216监控第一热交换管路21内的水温。

其中，散热回流管路22是由第一三通阀件213的一端连通至散热循环马达211与第一输出端12间的第一热交换管路21，借此，当第一热交换管路21内的水温低于所设定的温度或是储热系统30内的温度时，可控制第一三通阀件213使第一热交换管路21内的水流导入至散热回流管路22内，避免导致储热系统30的热能传递至第一热交换管路21的状况发生。

储热系统30包含一保温装置31、一第二热交换管路32、一储热回流管路33。借由热交换器215的作用，使得散热系统20所含的热能可传递至储热系统30进行储存及利用。其中，保温装置31包含一腔体311及一第二温度感测器312，所述的腔体311具有一第二输出端311a、一第二输入端311b及多个开口311c，第二温度感测器312结合于保温装置31以感测腔体中的水温。第二热交换管路32用以连通第二输出端311a及第二输入端311b之间，又第二热交换管路32依水的流向依序串接有一储热循环马达321、一第三流量感测器322、一第二三通阀件323及热交换器215的第二侧端215b。

储热回流管路33其是由第二三通阀件323的一端连通至热交换器215与第二输入端311b间的第二热交换管路32；此储热回流管路33在储热系统30的温度高于散热系统20时，即可借由第二三通阀件323将第二热交换管路32内的水导入至储热回流管路33内，以避免发生热能自储热系统30传递至散热系统20的情况。

请配合参阅图2，控制模块40用以执行下列步骤：侦测燃料电池系统的启动信号(S41)、启动散热系统(S42)、启动储热系统(S43)、以及启动热交换程序(S44)，其是使第一热交换管路21与第二热交换管路32内的水于热交换器215内进行热交换。其中，执行热交换程序时，燃料电池系统10与保温装置31内的水之间在热交换时无物质的传递移转。再者，此控制模块40能依据第一温度感测器216与第二温度感测器312所测的的温度，在进行比较后，决定是否要启动热交换程序，借此避免发生因储热系统30的热能高于散热系统20而导致的热能逆流的状况，进而避免造成燃料电池系统10的损坏。

另外，储热系统30内的开口311c进一步可包括一暖气机供水口A、一暖气机回水口B、一补水口C及一供水口D，以便于后端设备连接利用。又，第一热交换管路21进一步串接有一去离子水过滤器217，且去离子水过滤器217设置于第一温度感测器216与第一输入端13之间，用以过滤流入第一输入端13的水质，避免于杂质流入经由管路流入燃料电池系统10内，导致燃料电池系统10发生毁损或降低功率等情事。

请配合参阅图3，启动散热系统程序包括下列步骤：启动散热循环马达，侦测第一流量(S50)；当第一流量等于0 1pm时，控制第一三通阀件(S51)；以及当第一流量大于0 1pm时，进行第一定量流量控制(S52)。

启动散热循环马达，侦测第一流量(S50)：启动散热循环马达211并借由第二流量感测器214侦测第一热交换管路21内的一第一流量。

当第一流量等于0 1pm时，控制第一三通阀件(S51)：当第一流量等于0 1pm时，控制第一三通阀件213使水流向散热回流管路22。

当第一流量大于0 1pm时，进行第一定量流量控制(S52)：当第一流量大于0 1pm时，进行一第一定量流量控制，其是借由散热循环马达211维持第一流量的大小。

又，当第一流量的大小不等于一第一标准值时，控制模块40进一步执行第一警告机制，其中，当该热交换程序被启动时，该第一流量所必需的最小流量值即为该第一标准值，借此让操作人员得以掌握其散热状况，避免热能散发不去。

请配合参阅图4所示，启动储热系统包括下列步骤：启动储热循环马达，侦测第二流量(S60)；以及进行第二定量流量控制(S61)。启动储热循环马达321并借由第三流量感测器322侦测第二热交换管路32内的一第二流量，而且透过储热循环马达321维持第二流量的大小。其中，当第二流量的大小不等于一第二标准值时，控制模块40进一步执行第二警告机制，其中，当该热交换程序被启动时，该第二流量所必需的最小流量值即为该第二标准值，利用此模式来控制储热系统30内热能的累积，避免有热能逆传送至散热系统20。

当第二流量感测器214侦测第一热交换管路21内的一第一流量的大小不等于零，且第三流量感测器322侦测第二热交换管路32内的一第二流量的大小不等于零时，读取第一温度感测器216及第二温度感测器312侦测的温度，并启动热交换程序。

请配合图5，热交换程序包括下列步骤：当第一温度小于第一临界温度，且第二温度小于第二临界温度时，进行热交换(S70)；当第二温度大于第二临界温度时，控制第二三通阀件，当第一温度大于第三临界温度时，停止燃料电池系统运转(S71)；以及当燃料电池系统停止运转，等待第二温度小于第四临界温度，且第一温度小于第三临界温度时，重新启动燃料电池系统运转(S72)。

其中，第一温度是由第一温度感测器216所测得，而第二温度是由第二温度感测器312所感测。

当第一温度小于第一临界温度，且第二温度小于第二临界温度时，进行热交换(S70)：使热能得由散热系统20传递至储热系统30。

当第二温度大于第二临界温度时，控制第二三通阀件323使第二三通阀件323与储热回流管路33连通，当第一温度大于第三临界温度时，停止燃料电池系统运转(S71)：借此得以避免燃料电池系统10毁损或是效能降低。

当燃料电池系统停止运转，等待第二温度小于第四临界温度，且第一温度小于第三临界温度时，重新启动燃料电池系统运转(S72)：当确保燃料电池系统10不会发生毁损时，即会再启动燃料电池系统10产生电力。

又，控制模块40其进一步可执行下列步骤：预设一时间值；以及当第一流量及第二流量的大小均等于零时，经过时间值的时间后，若第一流量及第二流量的大小均依旧等于零时，则进行第三警告机制；借此，可避免水过久没有流动而导致燃料电池系统10发生问题。又，当第一温度大于第一临界温度时，控制模块可进一步执行第四警告机制。其中，第一临界温度与第二临界温度皆为在热交换器215进行最大热交换效率时，燃料电池系统10所测得的作业温度；第三临界温度为燃料电池系统10可耐受的最高温度；第四临界温度为启动储热系统30所需的最高温度。

本实施例无论在散热或是储热均能达到最佳状态，使得燃料电池系统10无论在电力的产生或是热能的利用，均发挥至最大值，对于环保维护亦有相当大的贡献。借由本实施例的实施，至少可达到以下进步功效：运用燃料电池系统10所产生的热能，例如：连接暖气机等需要热能的器材；提升燃料电池系统10的散热效率；以及使燃料电池系统10在最适温度的环境下进行化学作用，达到电能转换的最佳效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种具有热回收控制模块的燃料电池热电共生系统，其特征在于其包括：

一燃料电池系统，其是由至少一燃料电池所构成；

一散热系统，其具有：

一第一热交换管路，是用以连通该燃料电池系统的水流道的一第一输出端及一第一输入端之间，又该第一热交换管路依水的流向依序串接有一散热循环马达、一第一流量感测器、一第一三通阀件、一第二流量感测器、一热交换器的第一侧端及一第一温度感测器；及

一散热回流管路，其是由该第一三通阀件的一端连通至该散热循环马达与该第一输出端间的该第一热交换管路；

一储热系统，其具有：

一保温装置，其具有：一腔体，其具有一第二输出端、一第二输入端及多个开口；以及一第二温度感测器，其是结合于该保温装置以感测该腔体中的水温；

一第二热交换管路，是用以连通该第二输出端及该第二输入端的间，又该第二热交换管路依水的流向依序串接有一储热循环马达、一第三流量感测器、一第二三通阀件及该热交换器的第二侧端；及

一储热回流管路，其是由该第二三通阀件的一端连通至该热交换器与该第二输入端间的该第二热交换管路；以及

一控制模块，其用以执行下列步骤：

侦测该燃料电池系统的启动信号；

启动该散热系统；

启动该储热系统；及

启动一热交换程序，使该第一热交换管路与该第二热交换管路内的水在该热交换器内进行热交换；

其中，执行该热交换程序时，该燃料电池系统与该保温装置内的水之间在热交换时无物质的传递移转。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中所述开口包括一暖气机供水口、一暖气机回水口、一补水口及一供水口。

3.根据权利要求1所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中所述的第一热交换管路进一步串接有一去离子水过滤器，且该去离子水过滤器设置于该第一温度感测器与该第一输入端之间。

4.根据权利要求1所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中启动该散热系统包括下列步骤：

启动该散热循环马达，又借由该第二流量感测器侦测该第一热交换管路内的一第一流量；

当该第一流量的大小等于0lpm时，控制该第一三通阀件使该第一三通阀件与该散热回流管路连通；以及

当该第一流量的大小大于0lpm时，进行一第一定量流量控制，其是借由该散热循环马达维持该第一流量的大小。

5.根据权利要求4所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中当该第一流量的大小不等于一第一标准值时，该控制模块进一步执行第一警告机制，其中该第一标准值为当该热交换程序被启动时，该第一流量所必需的最小流量值即为该第一标准值。

6.根据权利要求1所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中启动该储热系统包括下列步骤：

启动该储热循环马达，又借由该第三流量感测器侦测该第二热交换管路内的一第二流量；以及

进行一第二定量流量控制，其是借由该储热循环马达维持该第二流量的大小。

7.根据权利要求6所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中当该第二流量的大小不等于一第二标准值时，该控制模块进一步执行第二警告机制，其中，当该热交换程序被启动时，该第二流量所必需的最小流量值即为该第二标准值。

8.根据权利要求1所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中所述当该第二流量感测器侦测该第一热交换管路内的一第一流量的大小不等于零，且该第三流量感测器侦测该第二热交换管路内的一第二流量的大小不等于零时，读取该第一温度感测器及该第二温度感测器侦测的温度，并启动该热交换程序，而该热交换程序包括下列步骤：

当该第一温度感测器感测的一第一温度小于一第一临界温度，且该第二温度感测器感测的一第二温度小于一第二临界温度时，进行热交换；

当该第二温度大于该第二临界温度时，控制该第二三通阀件使该第二三通阀件与该储热回流管路连通，当该第一温度大于一第三临界温度时，停止该燃料电池系统运转；以及

当该燃料电池系统停止运转，等待该第二温度小于一第四临界温度，且该第一温度小于等于该第三临界温度时，重新启动该燃料电池系统运转。

9.根据权利要求8所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中所述的控制模块，其用以执行下列步骤：

预设一时间值；以及

当该第一流量及该第二流量的大小均等于零时，经过该时间值的时间后，若该第一流量及该第二流量的大小均依旧等于零时，则进行第三警告机制。

10.根据权利要求8所述的燃料电池热电共生系统，其特征在于其中所述当该第一温度大于该第一临界温度时，该控制模块进一步执行第四警告机制；又，该第一临界温度为当该热交换器的热交换效率最大时，该燃料电池系统的作业温度；该第二临界温度为当该热交换器的热交换效率最大时，该燃料电池系统的作业温度；该第三临界温度为该燃料电池系统可耐受的最高温度；该第四临界温度为启动储热系统所需的最高温度。

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