CN1279645C - 用于燃料电池系统的恒温控制系统及其恒温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于燃料电池系统的恒温控制系统，包括：至少一个以上的热导管，其中热导管的部份设置于温度/燃料感测层，且热导管的第一端末伸入于温度/燃料感测层内部；连接热导管第二端末的热沉；散热组件用以对热沉进行散热；加热组件用以对热沉进行加热；温度控制处理单元，用以感测燃料电池核心组件之阳极作用时所产生热量温度，以及用以当阳极燃料之温度高于预定温度范围时，激活散热组件以对热沉进行散热，以及用以当阳极燃料之温度低于预定温度范围时，激活加热组件以增加热沉的温度；藉由恒温控制系统使阳极燃料的温度维持在预定温度范围，使得燃料电池核心组件的阳极作用提高效益。

Description

用于燃料电池系统的恒温控制系统及其恒温控制方法

技术领域

本发明是关于一种燃料电料的作用时控制温度的控制系统与控制方法，其特别是关于一种恒温控制系统与恒温控制方法，能够在控制燃料电料的作用时将其阳极燃料维持在预定温度范围之内。

背景技术

美国专利USP6,146,779号「液体流动板，燃料电池总成系统，以及利用液体流动板用于控制燃料电池热量的方法(Fluid flow plate，fuelcell assembly system，and method employing same for controllingheat in fuel cells)」提示利用热导管以控制燃料电池的热量，虽然USP6,146,779已提出将温度控制机制实施于燃料电池中，USP6,146,779仍不具备恒温控制的功能，尚且USP6,146,779所揭露的液体流动板(Fluid flow plat)以及燃料电池总成系统(fuel cell assemblysystem)，其结构较复杂且制作困难。再者由于USP6,146,779的液体流动板结构因素，燃料电池总成系统所具有的温度控制系统的设计应用较适合用在较大型的系统，对于小型化以及携带式的3C电子产品，以及它更微小的电子产品则完全不适合。

美国专利USP6,598,397「整合式微型结合热导管与电力系统(Integrated micro combined heat and power system)」虽然已提示热导管、燃料电池、温度控制等等架构，但USP6,598,397是应用于废热发电，而且与恒温控制无关。

本发明的发明人有鉴于上述公知技术缺失，乃亟思改良而发明一种恒温控制系统与恒温控制方法，其能够控制燃料电料的作用时将其阳极燃料维持在预定温度范围之内。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒温控制系统与恒温控制方法，使之应用于燃料电池系统，以让燃料电池在阳极作用时保持预定温度范围的操作环境，而获得良好发电效益。

为达成本发明上述的目的，本发明提供一种用于燃料电池系统的恒温控制系统，其中燃料电池系统至少具有燃料电池核心组件，以及温度/燃料感测层，其接合于燃料电池核心组件的阳极上表面，用以提供燃料电池核心组件的阳极作用时所需的阳极燃料的流动空间。恒温控制系统包括：至少一个以上的热导管，其中热导管的部份是设置于温度/燃料感测层且热导管的第一端末伸入于温度/燃料感测层内部，用以将燃料电池核心组件的阳极作用时所产生的热量传导至热导管的第二端末；连接热导管第二端末的热沉；散热组件用以对热沉进行散热，以降低热沉的温度；一加热组件用以对热沉进行加热，以增加热沉的温度；温度控制处理单元，用以感测燃料电池核心组件的阳极作用时所产生热量温度，以及用以当阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活散热组件以对热沉进行散热，藉此散热阳极燃料的温度，以及用以当阳极燃料的温度低于预定温度范围时，激活加热组件以增加热沉的温度，藉此加阳极燃料的温度；藉由恒温控制系统以对阳极燃料的温度维持在预定温度范围，使得燃料电池核心组件的阳极作用提高效益。

再者，为达成本发明上述的目的，本发明提供一种用于燃料电池系统的恒温控制方法，其适用于燃料电池系统，其至少具有燃料电池核心组件，以及温度/燃料感测层，接合于燃料电池核心组件的阳极上表面，用以提供燃料电池核心组件的阳极作用时所需的阳极燃料的流动空间，该方法包括下列步骤：提供至少一个以上的热导管，其中热导管的部份是设置于温度/燃料感测层且热导管的第一端末伸入于温度/燃料感测层内部，用以将燃料电池核心组件的阳极作用时所产生的热量传导至热导管的第二端末；将热导管的第二端末与热沉连接；提供散热组件，其中散热组件用以对热沉进行散热，以降低热沉的温度；提供加热组件，其中加热组件用以对热沉进行加热，以增加热沉的温度；设置温度控制处理单元，其中温度控制处理单元用以感测燃料电池核心组件的阳极作用时所产生热量温度，以及用以当阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活散热组件以对热沉进行散热，藉此散热阳极燃料的温度，以及用以当阳极燃料的温度低于预定温度范围时，激活加热组件以增加热沉的温度，藉此加热阳极燃料的温度；藉由上述诸步骤以对阳极燃料的温度维持在预定温度范围，使得燃料电池核心组件的阳极作用提高效益。

附图说明

图1显示本发明用于燃料电池系统的恒温控制系统的架构图；

图2显示燃料电池核心组件的结构图；

图3显示设置于温度/燃料感测层的热导管的结构图；

图4显示本发明用于燃料电池系统的恒温控制方法的流程图；

图5显示本发明与电子产品整合成一体的架构示意图。

图中

10    燃料电池系统

20    恒温控制系统

30    恒温控制方法

31、33、35、37、39    步骤

101    燃料电池核心组件

103    温度/燃料感测层

103a   注入孔

103b   阳极燃料作用区

201    热导管

201a   第一端末

201b   第二端末

203    热沉

205    温度控制处理单元

205a   温度传感器

207    散热组件

209    加热组件

为使熟悉该项技术人士了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合所附的附图，对本创作详加说明如后：

具体实施方式

图1显示本发明用于燃料电池系统的恒温控制系统的架构图。本发明的恒温控制系统20是应用在燃料电池系统10中，由于燃料电池核心组件101在进行化学作用时会产生热量，尤其是在燃料电池核心组件101是以复数个串联或并联在一起共同进行运作来发电时，总体所产生热量的温度甚为可观，如果不加以控制则对于燃料电池系统10会造成负面影响。请配合参见图2显示的燃料电池核心组件的结构图，燃料电池核心组件101的阳极上侧是与温度/燃料感测层103接合，而温度/燃料感测层103主要的功能，乃是提供燃料电池核心组件101在阳极作用时所需的阳极燃料的流动空间，本发明恒温控制系统20的一部份的构成是设置在温度/燃料感测层103，下文揭露说明恒温控制系统20，本发明以直接甲醇燃料电池系统为范例，详细揭露恒温控制系统20如何运用到直接甲醇燃料电池系统中，惟本发明不以下文所揭露的具有恒温控制系统的直接甲醇燃料电池系统的范例内容为局限，凡熟悉该项技术人士在了解本发明原理精神后，其能够推及于其它的燃料电池系统中，凡此变化的运用皆属于本发明的等效范畴之内。

图3显示设置于温度/燃料感测层的热导管的结构图。阳极燃料可以经由注入孔103a注入至阳极燃料作用区103b，燃料电池核心组件101即在阳极燃料作用区103b进行阳极作用。温度/燃料感测层103可以利用两层基板加以迭合而成，下层基板可以将其形成中空矩形空间，这个中空矩形空间作为阳极燃料作用区103b的实施手段，而上层基板可以是一个平板，并且在这平板的适当位置处形成注入孔103a。至少一个以上的热导管201，其中热导管201的一部份系设置在温度/燃料感测层103，而且热导管103的第一端末201a伸入于温度/燃料感测层103的内部，藉由热导管201用以将燃料电池核心组件101在阳极作用时，将所产生的热量传导至热导管201的第一端末201a，最后传导至第二端末201b。在具体实施上，热导管201的第一端末201a与温度/燃料感测层103连接，并且第一端末201a约大于5公厘(5mm)长度，使其浸入于作为阳极燃料的甲醇水溶液中。热导管201可以采用绝热性质的黏合剂来与温度/燃料感测层103黏接一起，同时所伸入于温度/燃料感测层103内部的热导管201部份，其可以采用在温度/燃料感测层103以钻孔或挖沟槽方式，来容许热导管201部份伸入该层103。

热导管201的第二端末201b与热沉203连接，而连接方式的具体手段可以在热沉203底部钻孔，并尽量与热导管201直接接触，连接时所生空隙部分乃辅以高导热性黏胶来将热导管201与热沉203粘接密合，主要目的是让热导管201与热沉203的间的空气间隙减到最少。热导管201的数量可以是一根或复数根，同时热导管201的断面形状可以是圆形或打扁成椭圆形，而热导管201种类可以是铜热导管、钇钡铜氧热导管、及其它高热传系数的热导管，管璧可以是铜粉或其它金属孔隙材料，热导管201内工作流体可以是纯水或其它液体，热传系数K值最好大于20000以上，若大于50000更理想，热导管制作方式可以是烧结、筛网、或其它可使热传系数提高的方式。

连接热导管201的第二端末201b的热沉203，其材质可以是铜、铝、或其它较高热传系数的材质，热沉203的底座形状可以是方形、圆形、或其它规则形状，底座上面的鳍片可以是全部平行的矩形鳍片、垂直交错的鳍片、辐射向外的鳍片、或其它任意可达良好热交换效果的鳍片几何形状。

散热组件207主要是用以对热沉203进行散热，以降低热沉203的温度。散热组件207可以采用风扇或风箱，再者所采用风扇或风箱最好是能够调整转速以改变风量，以确保良好的散热效果。

加热组件209主要是用以对热沉203进行加热，以增加热沉203的温度。

温度控制处理单元205主要是用以感测燃料电池核心组件101在阳极作用时，其所产生热量系已达多少的温度数值。同时，温度控制处理单元205用以当阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活散热组件207以对热沉203进行散热，由于散热组件207加快热沉203的温度下降，如此便直接让热导管201所传导的阳极燃料的热量得以控制温度的下降。同时，温度控制处理单元205用以当阳极燃料的温度低于预定温度范围时，激活加热组件209以增加热沉203的温度，再由热导管201的第二端末201b来传导加热热量至第一端末201a，如此阳极燃料的温度得以控制上升。在实施上，温度控制处理单元205至少包括一个以上的温度传感器205a，以及将温度传感器205a设置在温度/燃料感测层103，用来感测阳极燃料的目前温度。温度传感器205a可以采用热敏电阻，白金电阻温度计，铬铝合金热电偶，铁、铜、镍合金热电偶，白金热电偶，以及热阻器等等。再者，温度控制处理单元205能够进一步包括一个处理器，用来接收温度传感器205a的讯号，藉以获得阳极燃料的目前温度数据，以及对散热组件207与加热组件209进行激活或关闭等控制。

图4显示本发明用于燃料电池系统的恒温控制方法的流程图。本发明的恒温控制方法30主要包括有步骤(31)至步骤(39)，其分述如下。步骤(31)是提供至少一个以上的热导管201，而且热导管201的部份系设置于温度/燃料感测层103且热导管201的第一端末201a伸入于该层103内部，用以将燃料电池核心组件101的阳极作用时所产生的热量传导至热导管201的第二端末201b。藉由热导管201的作用，将流动于温度/燃料感测层103的阳极燃料得以向外界传送出去其热量，或者将外界的较高热量引入于阳极燃料。步骤(33)系将热导管201的第二端末201b与热沉203连接。步骤(35)系提供散热组件207，其中散热组件207用以对热沉203进行散热，以降低热沉203的温度。步骤(37)系提供加热组件209，其中加热组件209用以对热沉203进行加热，以增加热沉203的温度。步骤(39)系设置温度控制处理单元205，其中温度控制处理单元205用以感测燃料电池核心组件101的阳极作用时所产生热量温度，以及用以当阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活散热组件207以对热沉203进行散热，藉此散热阳极燃料的温度，以及用以当阳极燃料的温度低于预定温度范围时，激活加热组件209以增加热沉203的温度，藉此加热阳极燃料的温度。本发明恒温控制方法30藉由上述诸步骤以对阳极燃料的温度维持在预定温度范围，使得燃料电池核心组件101的阳极作用提高效益，以直接甲醇燃料电池系统为例，在以浓度5％甲醇水溶液为阳极燃料，该甲醇水溶液最佳工作温度60℃，本发明恒温控制方法30能够将位于温度/燃料感测层103内阳极燃料作用区103b的该甲醇水溶液阳极燃料，将其控制在最佳工作温度60℃的预定温度范围。

在实施本发明时，上述的散热组件207、加热组件209、热沉203可以设置于燃料电池系统10的外部。导热管201的第一端末201a必须与阳极燃料极为邻近，因此设置在温度/燃料感测层103的部份导热管201系结合在燃料电池系统10的内部。温度控制处理单元205的温度传感器205a亦须与阳极燃料极为邻近，因此温度传感器205a系设置在温度/燃料感测层103的内部。图5显示本发明与电子产品整合成一体的架构示意图，电子产品可以是笔记型计算机，或者其它行动式电子装置等，在这个整合一体的电子产品内，热沉203直接使用中央处理器(CPU)的散热座，散热组件207可以直接使用中央处理器的散热座上的风扇，或者另一个风扇以共同对散热座提供风流动。加热组件209可以是CPU，或是电子产品现成的其它组件，例如为芯片组，在CPU或其它组件运作时会产生的热源，这热源提供给恒温控制系统20来控制使用。

在实施本发明时，热导管201与温度/燃料感测层103的间的结合先予以完成，然后进行温度/燃料感测层103与燃料电池核心组件101的接合，接合手段其可以是采用压合、层积、黏合、螺丝锁合、夹合或其它接合方式等等具体实施方式来达成。

本发明将热导管应用在具有恒温控制系统的燃料电池系统，特别是直接甲醇燃料电池的应用，使得直接甲醇燃料电池可以在稳定的环境中工作，本发明则实属创举，同时，本发明尚具有如下优点：适用于3C电子产品或更微小的电子产品；热导管可配合空间需求加工成三维(3D)结构，以因应燃料电池系统不同的外观形状，以及因应燃料电池系统所搭配使用的电子产品其空间配置条件。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求的范围所界定者为准。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池系统的恒温控制系统，其中燃料电池系统至少具有燃料电池核心组件，以及温度/燃料感测层，是接合于该燃料电池核心组件的阳极上表面，用以提供该燃料电池核心组件的阳极作用时所需的阳极燃料的流动空间，该恒温控制系统包括：

至少一个以上的热导管，其中该热导管的部份是设置于该温度/燃料感测层且该热导管的第一端末伸入于该温度/燃料感测层内部，用以将该燃料电池核心组件的阳极作用时所产生的热量传导至该热导管的第二端末；

连接该热导管第二端末的热沉；

散热组件，用以对该热沉进行散热，以降低该热沉的温度；

加热组件，用以对该热沉进行加热，以增加该热沉的温度；

温度控制处理单元，用以感测该燃料电池核心组件的阳极作用时所产生热量温度，以及用以当该阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活该散热组件以对该热沉进行散热，藉此散热该阳极燃料的温度，以及用以当该阳极燃料的温度低于该预定温度范围时，激活该加热组件以增加该热沉的温度，藉此加热该阳极燃料的温度；

藉由该恒温控制系统以对该阳极燃料的温度维持在该预定温度范围，使得该燃料电池核心组件的阳极作用提高效益。

2.如权利要求1所述的恒温控制系统，其中该散热组件为风扇、风箱其中的一个。

3.如权利要求1所述的恒温控制系统，其中该热沉是为高热传导系数材质所制造。

4.如权利要求3所述的恒温控制系统，其中该材质是选自铜金属、铝金属。

5.如权利要求1所述的恒温控制系统，其中该温度控制处理单元至少包括温度传感器，其设置于该温度/燃料感测层内部，用以感测该阳极燃料的温度。

6.如权利要求1所述的恒温控制系统，其中该燃料电池系统是直接甲醇燃料电池系统。

7.如权利要求6所述的恒温控制系统，其中该热导管的第一端末是浸入于甲醇水溶液中。

8.一种用于燃料电池系统的恒温控制方法，其适用于燃料电池系统，至少具有燃料电池核心组件，以及温度/燃料感测层，是接合于该燃料电池核心组件的阳极上表面，用以提供该燃料电池核心组件的阳极作用时所需的阳极燃料的流动空间，该方法包括下列步骤：

提供至少一个以上的热导管，其中该热导管的部份是设置于该温度/燃料感测层且该热导管的第一端末伸入于该温度/燃料感测层内部，用以将该燃料电池核心组件的阳极作用时所产生的热量传导至该热导管的第二端末；

将该热导管的第二端末与热沉连接；

提供散热组件，其中该散热组件用以对该热沉进行散热，以降低该热沉的温度；

提供加热组件，其中该加热组件用以对该热沉进行加热，以增加该热沉的温度；

设置温度控制处理单元，其中该温度控制处理单元用以感测该燃料电池核心组件的阳极作用时所产生热量温度，以及用以当该阳极燃料的温度高于预定温度范围时，激活该散热组件以对该热沉进行散热，藉此散热该阳极燃料的温度，以及用以当该阳极燃料的温度低于该预定温度范围时，激活该加热组件以增加该热沉的温度，藉此加热该阳极燃料的温度；

藉由上述诸步骤以对该阳极燃料的温度维持在该预定温度范围，使得该燃料电池核心组件的阳极作用提高效益。

9.如权利要求8所述的恒温控制方法，其中该散热组件为风扇、风箱其中的一个。

10.如权利要求8所述的恒温控制方法，其中该热沉为高热传导系数材质所制造。

11.如权利要求10所述的恒温控制方法，其中该材质是选自铜金属、铝金属。

12.如权利要求8所述的恒温控制方法，其中该温度控制处理单元至少包括温度传感器，其设置于该温度/燃料感测层内部，用以感测该阳极燃料的温度。

13.如权利要求8所述的恒温控制方法，其中该燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统。

14.如权利要求13所述的恒温控制方法，其中该热导管的第一端末是浸入于甲醇水溶液中。

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