CN116613851A - 一种燃料电池电源供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池电源供应系统，包括：供电装置、侦测电路、电压转换装置；其中，所述供电装置包括燃料电池组、供料装置、进气装置，所述供料装置、所述进气装置分别连接所述燃料电池组以分别将燃料和气体导入所述燃料电池组；所述侦测电路连接负载，且配置为能用于侦测负载所需的电压，并能根据该侦测结果产生一传输至所述电压转换装置的触发信号；所述电压转换装置连接所述燃料电池组、所述侦测电路以及负载，其配置为能根据所述侦测电路传递的触发信号将燃料电池组的电压转化为负载所需的电压值。通过本发明，可以使得燃料电池电源供应系统能自动适应更多的负载，且便于携带。

Description

一种燃料电池电源供应系统
技术领域
本发明涉及电源装置技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池电源供应系统。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，与传统发电方式比较，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及高能量转换效率等优点，是极具前瞻性的清洁能源。
燃料电池有诸多种类，根据其电解质的不同，可将其分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。然而，不同种类的燃料电池其工作原理也存在着差异，以PEMFC为例，甲醇水溶液在燃料电池的阳极进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氢离子(H+)可以经由质子交换膜传递至阴极，电子(e-)则经由外部电路传输至负载做功后再传递至阴极，而供给至阴极的氧气(O2)会与氢离子(H+)及电子(e-)在阴极发生还原反应并产生水。
燃料电池的每个单元(Fuel cell unit)所能提供的电压较小(约0.4V～1.2V)所以在实际应用中通常会串联多个燃料电池单元，以形成一个燃料电池组(Fuel cellassembly)，达到电子产品所需的操作电压。目前燃料电池单元串联成燃料电池组的方式主要可区分为堆叠型(stacked)与平面型(panel)两种。当前堆叠型燃料电池组10的结构如图1所示，其包括一个由阳极111、质子交换膜112以及阴极113所组合而成的膜电极组11(Membrane Electrode Assembly，MEA)，以及作为个别电极组串联的双极板12(bipolarplate)和两电极板13、14所组成。其中，双极板12的功能除用作电池单元串联接外，也可设计流道121作为燃料的供应通道。此外，图2为当前平板型燃料电池组的结构示意图。目前的平板型燃料电池组20通常包括一个金属框架21、复数个膜电极组22以及两个电极板23、24，其中每个膜电极组22同样由阳极、质子交换膜和阴极组成(未图示)。平面型燃料电池组20中的金属框架21具有复数个通口211，每一通口211设置一个对应的膜电极组22，金属框架21的一侧设置有两电流集结板(current collector)212，以作为燃料电池组20的电流输出端。两个电极板23、24内侧也可设计流道231，以作为燃料或氧气的供应通道。由于平面型燃料电池组20具有易组装、重量轻、厚度薄以及体积小等优点，因此开发各种结构的平面型燃料电池组以应用于可携式电子装置已成为市场研发的趋势。但是，现有的平板型燃料电池组所组成的电源供应系统也只能输出固定的电压，且结构较为庞大和复杂，不利于携带。
目前一般可携式电子装置进行充电时，需要将充电器(未图示)插接于电源插座才能透过电源插座接收到交流电源，并经由充电器内的交流/直流转换器将交流电(AC)转换成直流电(DC)，最后送到可携式电子装置内进行充电。虽然已知的充电器可以对可携式电子装置进行快速充电，但是如果位于一处没有市电电源的地方或者是市电电源无法供电的状况下，由于充电器不具有发电能力，因此在电能耗尽时，充电器将无法发挥作用。
即现有的电源供应系统存在着电能无法持续供应以及输出电压单一、不方便携带的问题。
发明内容
本发明公开了一种燃料电池电源供应系统，结构简单，操作便利，旨在改善现有的电源供应系统存在着电能无法持续供应以及输出电压单一、不方便携带的问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种燃料电池电源供应系统，包括：供电装置、侦测电路、电压转换装置；其中，所述供电装置包括燃料电池组、供料装置、进气装置，所述供料装置、所述进气装置分别连接所述燃料电池组以分别将燃料和气体导入所述燃料电池组；所述侦测电路连接负载，且配置为能用于侦测负载所需的电压，并能根据该侦测结果产生一传输至所述电压转换装置的触发信号；所述电压转换装置连接所述燃料电池组、所述侦测电路以及负载，其配置为能根据所述侦测电路传递的触发信号将燃料电池组的电压转化为负载所需的电压值。
进一步地，所述电压转换装置为升压电路。
进一步地，所述燃料电池组产生的电压为直流电压，且所述升压电路为直流/直流转换器。
进一步地，所述供电装置连接有回收系统，所述回收系统与所述燃料电池组相连通，用以回收燃料电池组所产生的反应物或者未反应物。
进一步地，所述供电装置还设置有混合系统，所述混合系统连接所述供料装置、回收系统以及燃料电池组，所述混合系统用于接收供料装置所提供的流体燃料以及回收系统所提供的水，并将其混合调配成所需的流体燃料浓度后供应至所述燃料电池组。
进一步地，所述供料装置与所述混合系统之间设置有第一控制阀，所述回收系统与所述混合系统之间通过导管连接，且所述导管上设置有第二控制阀。
进一步地，所述燃料电池电源供应系统还包括有控制电路板，所述侦测电路以及所述电压转换装置集成于所述控制电路板，且所述控制电路板上设置有至少一输出端。
进一步地，所述控制电路板上设置有多个适于输出不同电压值的输出端。
进一步地，所述燃料电池为平板型燃料电池。
进一步地，所述进气装置为鼓风机。
有益效果：本发明通过设置供料装置给燃料电池组持续提供电源，保证供电装置的电能使用更具有持续性，通过设置侦测电路感应负载的电压，并将该所需电压信号反馈至电压转换装置，从而可以使得该电源供应系统输出负载所需的电压值，以满足各种负载所需的电压，以用于供应不同的便携式电子设备。且采用平板型燃料电池，通过结构设计使得整个电源供应系统的结构紧凑，便于携带。
附图说明
图1为现有的堆叠型燃料电池组的结构示意图；
图2为现有的平板型燃料电池组的结构示意图；
图3(a)为本发明第一实施例的一种燃料电池电源供应系统的结构示意图；
图3(b)为图3(a)的模块结构示意图；
图4(a)为本发明第二较佳实施例的一种燃料电池电源供应系统的结构示意图；
图4(b)为图4(a)的组合示意图；
图5为一种示范性的平板型燃料电池组的结构示意图；
图6(a)为本发明第三较佳实施例的燃料电池电源供应系统的结构示意图；
图6(b)为图6(a)的模块结构示意图；
具体实施方式
实施例
结合图3(a)与3(b)所示，本发明第一实施例提供了一种燃料电池电源供应系统，包括：供电装置、侦测电路322、电压转换装置331；其中，所述供电装置包括燃料电池组32、供料装置31、进气装置311，所述供料装置31、所述进气装置311分别连接所述燃料电池组32以分别将燃料和气体导入所述燃料电池组32；所述侦测电路322连接负载36，且配置为能用于侦测负载36所需的电压，并能根据该侦测结果产生一传输至所述电压转换装置331的触发信号；所述电压转换装置331连接所述燃料电池组32、所述侦测电路322以及负载36，其配置为能根据所述侦测电路322传递的触发信号将燃料电池组32的电压转化为负载36所需的电压值。
本实施例中，所述燃料电池组32采用平板型燃料电池，其可以使得整个结构紧凑且便于携带，供料装置31所供应的燃料可以采用甲醇或者氢气，且不局限于此。所述侦测电路322和所述电压转换装置331可以集成于以控制电路板33上，且该控制电路板33可以设置与燃料电池组32相平行，从而使结构紧凑。通过设置供料装置31给燃料电池组32持续提供电源，保证供电装置的电能使用更具有持续性，通过设置侦测电路322感应负载36的电压，并将该所需电压信号反馈至电压转换装置331，从而可以使得该电源供应系统输出负载36所需的电压值，以满足各种负载36所需的电压，以用于供应不同的便携式电子设备。本实施例中，所述电路控制板33可以采用现有的印刷电路板总成，并件个所述侦测电路322和电压转换装置331集成在所述印刷电路板总成上。
如图3(a)与3(b)，为本发明一较佳实施例的燃料电池电源供应系统的结构的示意图。如图3(a)所示，本发明的电源供应系统30包括单一输出端35提供一负载36所需要的操作电压或对该负载进行充电，还包括供料装置31、进气装置311、燃料电池组32、控制电路板33以及一回收系统。这里所述供料装置31设置于电源供应系统30内，且以其流体燃料出口与燃料电池组32的流体燃料入口相连通。供料装置31内部填充甲醇或氢气等流体燃料(但不限于此)，以提供燃料电池组32所需的流体燃料。进气装置311设置于燃料电池组32的一侧，且其出风口与燃料电池组32的入风口相连通，进气装置311用于将外界的空气导入燃料电池组32内，以提供燃料电池组32内部进行化学反应所需要的反应气体，例如氧气；这里所述进气装置可以采用鼓风机等装置。
如图3(b)所示，控制电路板33上设置有电压转换装置331以及侦测电路332，当电源供应系统30与负载36电连接时，侦测电路332会侦测负载36工作所需要的操作电压，并根据侦测结果产生一触发信号，并将该触发信号传递至控制电路板30，由控制电路板30向电压转换装置331发出相应的电压转换信号，以将燃料电池组32产生的电压转换为负载36所需要的电压。这里侦测电路332和电压转换装置331的电路构造为现有的技术，不具体展开。
在一些实施例中，电压转换装置331可以采用升压电路，且该升压电路优选为直流对直流转换器331。直流对直流转换器331与燃料电池组32、侦测电路332以及负载36电连接，以接收燃料电池组32所产生的直流输入电压及接收侦测电路332所传送的触发信号，并因该触发信号的触发而将燃料电池组32所产生的直流输入电压升压成负载36工作所需的操作电压，并经由电压供应系统30的单一输出端35(如图3(a)所示)传送至负载36。因此，使用本发明的燃料电池电源供应系统30能够在任何没有市电电源的地方直接提供负载36所需的操作电压或是作为一充电器对负载36进行充电，所以使用者不需要依赖市电电源就可以得到所需的电源，且使用侦测电路332来侦测负载36所需的操作电压，再根据侦测结果驱动直流对直流转换器331产生输出电压，能够满足不同负载的需求。
另外，由于燃料电池组32内部反应后会产生水及/或释放出未反应的流体燃料，因此电源供应系统30可选择性地设置一回收系统，所述回收系统可以设置为回收槽34，用以回收反应后所产生的水及/或未反应的流体燃料。此外，由于不同的负载36具有不同规格的电源输入端，为方便使用者使用，也可配合一电源转接装置37，使其连接于电源供应系统30的电源输出端35以及负载36的电源输入端，来供应负载36所需的电力。此外，为方便多负载36同时使用，也可将电源转接装置37设计成多电源输出端，以方便使用者同时针对多个负载36使用。
图4(a)为本发明第二较佳实施例的电源供应系统的结构示意图。如图4(a)所示，该电源供应系统30经由单一输出端35提供至少一负载工作所需的操作电压或对该负载进行充电，其主要的组成构件包含供料装置31、进气装置311、混合系统、导管313、平板型燃料电池组(未图示于图4(a))、控制电路板33及回收系统。这里混合系统设置为一混合槽312，所述回收系统设置为一回收槽34。
供料装置31设置于电源供应系统30内，且其流体燃料出口与混合槽312的入口相连通。供料装置31的内部填充纯甲醇或氢气等流体燃料(但不限于此)，由设置于供料装置31与混合槽312之间的第一控制阀(未图示于图4(a))控制，可以将流体燃料导入混合槽312内，经混合槽312调配成所需的流体燃料浓度后，提供至平板型燃料电池组使用。进气装置311设置于平板型燃料电池组的一侧，且其出风口与平板型燃料电池组的入风口相连通。进气装置311用于将外界的空气导入平板型燃料电池组内，以提供平板型燃料电池组内部进行化学反应所需的反应气体(例如氧气)。另外，由于平板型燃料电池组内部反应后会产生水，因此电源供应系统30设置一回收系统，用于回收反应后所产生的纯水。回收系统内的纯水可以透过导管313导引至混合槽312内，并通过设置于导管313上的第二控制阀(未图示于图4(a))控制，使其可与供料装置31所提供至混合槽312内的甲醇或是氢气等流体燃料混合成所需要的流体燃料浓度，再提供至燃料电池组使用。该设置可以提高燃料的使用效率，减少浪费，有助于内部形成循环回收利用系统，同时由于反应产生的水为纯水，可以直接利用，无需外部再通过各种反应生成。此外，还可在上述结构加装一个盖板38以及把手39，如图4(b)所示，使燃料电池电源供应系统30便携带。
如图5所示，在一些实施例中，燃料电池组32可使用传统平板型燃料电池组结构(但不限于此)，包括其他目前已发明或即将发明的平板型燃料电池组结构。这里提供一种示范性的燃料电池组32结构，包括第一流道板321、第二流道板322与串联的燃料电池单元组323，其中第一流道板321具有一流体燃料入口324，该流体燃料入口324可与供料装置31的流体燃料入口(未图示)相连通，以将流体燃料导入燃料电池组32内。第二流道板322具有一入风口325，该入风口325与进气装置311的出风口(未图示)相连通，以将气体导入燃料电池组32内。串联的燃料电池单元组323由多个燃料电池单元串接而成，其中每一个燃料电池单元由一网状金属导板以及一膜电极组构成(未图示)。燃料电池组32的工作原理简述如下：以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池为例，当供料装置31内的甲醇水溶液经由燃料电池组32的流体燃料入口324导入第一流道板321后，在燃料电池组32的各膜电极组的阳极上会进行氧化反应，以产生氢离子、电子以及二氧化碳，其中氢离子可以经由质子交换膜传递至阴极，电子可经由网状金属导板传递至输出端后提供至控制电路板33，并于传递至负载做功后再传递至阴极，而供给至阴极侧的空气或氧气会与氢离子及电子透过金属导板的网格而在膜电极组的阴极上进行还原反应并产生水。
如图6(a)与6(b)所示，分别为本发明第三较佳实施例的电源供应系统的结构以及模块示意图。如图6(a)所示，在此实施例中，电源供应系统40具有多个输出端45，可同时提供多组不同的输出电压给不同负载所需的操作电压，其主要的组成构件包括供料装置41、进气装置411、平板型燃料电池组42、控制电路板总成43以及回收系统44。其中，供料装置41、进气装置411、平板型燃料电池组42以及回收槽44的组成结构、设计原理以及所能实现的功能已详述于前述实施例中，此处不再赘述。
如图6(b)所示，控制电路板43上设置一电压转换装置，该电压转换装置为一升压电路，且该升压电路以一直流对直流转换器431为佳。直流对直流转换器431与平板型燃料电池组42以及负载电性连接，用以接收平板型燃料电池组42所产生的直流输入电压，并将该直流输入电压升压成多个输出电压。在一些实施例中，电源供应系统40可同时提供多种不同规格的工作电压，例如输出功率30W及输出电压20V、输出功率5W及输出电压3.5V，以及输出功率10W及输出电压7.0V等，以用于多个不同电压的负载，例如笔记本电能工作所需的电压，并经由电源供应系统40的多个输出端45(如图4(a)所示)传送至负载或对其进行充电。因此，使用本发明的电源供应系统40能够在任何没市电电源的地方直接提供负载所需要的操作电压或是作为一个充电器对负载进行充电，所以使用者不需依赖市电电源就可以得到所需的电源，而且可同时提供复数个不同规格的输出电压，能够满足不同负载的需求。
另外，上述的负载36可为可便携式电子装置，例如笔记本电脑、平板电脑或是手机，但不限于此。
综上所述，本发明的电源供应系统利用燃料电池作为供电单元，能够在任何没有市电电源的地方直接提供负载36所需的操作电压或是作为一充电器对负载36进行充电。此外，由于本发明利用侦测电路先侦测负载36所需的操作电压，再根据侦测结果驱动电压转换装置产生输出电压，或是直接利用直流对直流转换器产生复数个输出电压，都能够满足不同负载的需求。此外，本发明的燃料电池电源供电系统具有厚度薄、体积小以及易于携带等优点，且当供料装置内的流体燃料用完时只需要替换另一个供料装置即可继续供电，因此也有利于携带以及持续提供电力。
应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

Claims (10)

1.一种燃料电池电源供应系统，其特征在于，包括：供电装置、侦测电路、电压转换装置；其中，
所述供电装置包括燃料电池组、供料装置、进气装置，所述供料装置、所述进气装置分别连接所述燃料电池组以分别将燃料和气体导入所述燃料电池组；
所述侦测电路连接负载，其配置为能侦测负载所需的电压，并能根据该侦测结果产生一传输至所述电压转换装置的触发信号；
所述电压转换装置连接所述燃料电池组、所述侦测电路以及负载，其配置为能根据所述侦测电路传递的触发信号将燃料电池组的电压转化为负载所需的电压值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述电压转换装置为升压电路。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述燃料电池组产生的电压为直流电压，且所述升压电路为直流/直流转换器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述供电装置连接有回收系统，所述回收系统与所述燃料电池组相连通，用以回收燃料电池组所产生反应物或者未反应物。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述供电装置还设置有混合系统，所述混合系统连接所述供料装置、回收系统以及燃料电池组，所述混合系统用于接收供料装置所提供的流体燃料以及回收系统所提供的水，并将其混合调配成所需的流体燃料浓度后供应至所述燃料电池组。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述供料装置与所述混合系统之间设置有第一控制阀，所述回收系统与所述混合系统之间通过导管连接，且所述导管上设置有第二控制阀。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述燃料电池电源供应系统还包括有控制电路板，所述侦测电路以及所述电压转换装置集成于所述控制电路板，且所述控制电路板上设置有至少一输出端。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述控制电路板上设置有多个适于输出不同电压值的输出端。
9.根据权利要求1所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述燃料电池为平板型燃料电池。
10.根据权利要求1所述的燃料电池电源供应系统，其特征在于，所述进气装置为鼓风机。
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