CN1763999A - 电源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电源供应系统，提供一负载运作所需操作电压，包含：燃料电池组，通过内部化学反应产生电压；供料装置，内部储存流体燃料且与燃料电池组相连通，以将流体燃料导入燃料电池组内；鼓风机，与燃料电池组相连通，以将外部空气导入燃料电池组内；检测电路，与负载电连接，以检测负载运作所需操作电压，根据检测结果产生触发信号；以及电压转换电路，与燃料电池组、检测电路及负载连接，以响应触发信号而将燃料电池组所产生的电压转换成负载运作所需操作电压。该电源供应系统可在没有电源或无法供应市电时对电子装置进行充电，并且易于携带、重量轻，可提供单一或多种不同规格的输出电压供负载使用或充电。

Description

电源供应系统

技术领域

本发明涉及一种电源供应系统，尤其涉及一种使用燃料电池作为供电单元的电源供应系统。

背景技术

燃料电池(Fuel cell)是一种利用化学能直接转换为电能的发电装置，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，是极具前瞻性的干净能源。

目前发展中的燃料电池依电解质的不同，可将其区分为碱液型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固态氧化物型燃料电池(SOFC)及质子交换膜型燃料电池(PEMFC)等。然而，燃料电池的运作原理依种类的不同会有些许差异，以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，甲醇水溶液在燃料电池的阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H⁺)、电子(e^-)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之后再传递至阴极，而供给至阴极的氧气(O₂)会与氢离子(H⁺)及电子(e^-)于阴极触媒层进行还原反应并产生水。

燃料电池的每个单元(Fuel cell unit)所能提供的电压较小(约0.4V)，所以在应用时通常会串联多个燃料电池单元，以形成一个燃料电池组(Fuelcell assembly)，达到电子产品所需操作电压。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。目前的堆叠型燃料电池组10结构如图1所示，其包括一个由阳极触媒电极111、质子交换膜112及阴极触媒电极113所组合而成的膜电极组11(Membrane-Electrodelyte Assembly，MEA)，以及作为个别电极组串联的双极板12(bipolar plate)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连接外，也可设计流道121作为燃料的供应通道。

另外，图2为目前平面型燃料电池组的结构示意图。目前的平面型燃料电池组20包括一金属框架21、多个膜电极组22及两个电极板23、24，其中每个膜电极组22同样由阳极触媒电极、质子交换膜和阴极触媒电极所组合而成(未图示)。平面型燃料电池组20中金属框架21具有多个通口211，每一通口211设置一对应的膜电极组22。金属框架21的一侧边另设置两电流集结板(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、厚度薄与体积小等优点，因此发展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。

目前一般可携式电子装置进行充电时，需将充电器(未图示)插接于电源插座，才能通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。虽然公知的充电器可以对可携式电子装置进行快速充电，但是如果位处于一个没有市电电源的地方或者是市电电源无法供电的状况下，那么公知的充电器将无法发挥任何的作用。

因此，如何利用燃料电池发展出一种可改善上述公知技术缺陷的电源供应系统，也即发展不需依赖市电电源就能够实时提供可携式电子装置运作所需电源或其内部可充电电池进行充电的电源供应系统，实为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种使用燃料电池作为供电单元的电源供应系统，解决传统充电装置在没有电源的地方或无法供应市电的状况下就无法对电子装置进行充电等缺点。

本发明的另一目的在于提供一种使用燃料电池作为供电单元的电源供应系统，该电源供应系统易于携带、重量轻，而且可以提供单一或多种不同规格的输出电压供负载使用或充电。

为达到上述目的，本发明的一较广义实施样态为提供一种电源供应系统，用以提供一负载运作所需操作电压，该电源供应系统包含：一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压；一供料装置，其内部储存一流体燃料且与该燃料电池组相连通，用以将该流体燃料导入该燃料电池组内；一鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；一检测电路，其与该负载电连接，用以检测该负载运作所需操作电压，并根据检测结果产生一触发信号；以及一电压转换电路，其与该燃料电池组、该检测电路及该负载连接，用以响应该触发信号的触发而将该燃料电池组所产生的该电压转换成该负载运作所需操作电压。

根据本发明的构想，其中该负载为一可携式电子装置。

根据本发明的构想，其中该流体燃料为甲醇或是氢气。

根据本发明的构想，其中该供料装置可抽换地设置于电源供应系统内。

根据本发明的构想，其中该电压转换电路为升压电路(Charge PumpingCircuit)，用以将燃料电池组所产生的电压升压成该负载运作所需操作电压。

根据本发明的构想，其中该燃料电池组所产生的该电压为一直流电压，且该升压电路为一直流对直流转换器(DC/DC Converter)。

根据本发明的构想，其中该电源供应系统还包括一回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水及/或未反应的流体燃料。

根据本发明的构想，其中该燃料电池组为一平面型燃料电池组。

根据本发明的构想，其中该检测电路及该电压转换电路设置于一印刷电路板总成上。

为达到上述目的，本发明的另一较广义实施样态为提供一种电源供应系统，用以提供多个输出电压，该电源供应系统包含：一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压；一供料装置，其内部储存一流体燃料且与该燃料电池组相连通，用以将该流体燃料导入该燃料电池组内；一鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；以及一电压转换电路，其与该燃料电池组连接，用以将该燃料电池组所产生的该电压转换成多个输出电压，以提供多个负载运作所需操作电压。

根据本发明的构想，其中该负载为一可携式电子装置，该流体燃料为甲醇或氢气，而该供料装置可抽换地设置于该电源供应系统内。

根据本发明的构想，其中该电压转换电路为一升压电路，用以将该燃料电池组所产生的该电压升压成该负载运作所需操作电压，而该燃料电池组所产生的该电压为一直流电压，且该升压电路为一直流对直流转换器。

根据本发明的构想，其中还包含回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水及/或未反应的流体燃料，而该燃料电池组为平面型燃料电池组，而其中该检测电路及该电压转换电路设置于印刷电路板总成上。

为达到上述目的，本发明的再一较广义实施样态为提供一种电源供应系统，用以提供至少一负载运作所需操作电压，该电源供应系统包含：燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生电压；供料装置，用以提供流体燃料；回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水；混合槽，其与该供料装置、该回收槽以及该燃料电池组相连通，用以接收该供料装置所提供的该流体燃料以及该回收槽所提供的水，混合与调配成所需流体燃料浓度并供应至该燃料电池组；鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；检测电路，其与该负载电连接，用以检测该负载运作所需操作电压，并根据检测结果产生触发信号；以及电压转换电路，其与该燃料电池组、该检测电路及该负载连接，用以响应该触发信号的触发而将该燃料电池组所产生的该电压转换成该负载运作所需操作电压。

为达到上述目的，本发明又提供一种电源供应系统，用以提供多个输出电压，该电源供应系统包含：燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生电压；供料装置，用以提供流体燃料；回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水；混合槽，其与该供料装置、该回收槽以及该燃料电池组相连通，用以接收该供料装置所提供的该流体燃料以及该回收槽所提供的水，混合与调配成所需流体燃料浓度并供应至该燃料电池组；以及电压转换电路，其与该燃料电池组连接，用以将该燃料电池组所产生的该电压转换成多个输出电压，以提供多个负载运作所需操作电压。

附图说明

本发明得由下列附图与实施例说明，得到更深入的了解：

图1为目前堆叠型燃料电池组的结构示意图；

图2为目前平面型燃料电池组的结构示意图；

图3(a)为本发明第一较佳实施例的电源供应系统的结构示意图；

图3(b)为图3(a)的方框结构示意图；

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；

图4(b)为图4(a)的组合示意图；

图5为一示范性平面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电源供应系统的结构示意图；以及

图6(b)为图6(a)的方框结构示意图。

10：堆叠型燃料电池组    11：膜电极组            12：双极板

13：电极板              14：电极板              111：阳极触媒电极

112：质子交换膜         113：阴极触媒电极       121：流道

20：平面型燃料电池组    21：金属框架            22：膜电极组

23：电极板              24：电极板              211：通口

212：电流集结板         231：流道               30：电源供应系统

31：供料装置            32：平面型燃料电池组    33：印刷电路板总成

34：回收槽              35：输出端              36：负载

37：电源转接装置        38：盖板                39：把手

311：鼓风机             312：混合槽             313：导管

321：第一流道板         322：第二流道板         324：流体燃料入口

323：串联的燃料电池单元                         325：入风口

331：直流对直流转换器   332：检测电路           40：电源供应系统

41：供料装置            411：鼓风机

42：平面型燃料电池组    43：印刷电路板总成

431：直流对直流转换器   44：回收槽              45：输出端

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的态样上具有各种变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

请参阅图3(a)与(b)，其分别为本发明第一较佳实施例的电源供应系统的结构及方框示意图。如第三图(a)所示，本发明的电源供应系统30经由单一输出端35提供一负载运作所需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、鼓风机311、平面型燃料电池组32、印刷电路板总成33及回收槽34。

供料装置31可抽换地设置于电源供应系统30内，且以其流体燃料出口与平面型燃料电池组32的流体燃料入口相连通。供料装置31的内部填充甲醇或是氢气等流体燃料，但不以此为限，以提供平面型燃料电池组32所需流体燃料。鼓风机311设置于平面型燃料电池组32的一侧，且其出风口与平面型燃料电池组32的入风口相连通。鼓风机311用于将外界的空气导入平面型燃料电池组32内，以提供平面型燃料电池组32内部进行化学反应所需反应气体，例如氧气。

请参阅图3(b)，印刷电路板总成33上设置一电压转换电路及一检测电路332，当电源供应系统30与负载36电性连接时，检测电路332会主动至负载36检测其运作所需操作电压，并根据检测结果产生一触发信号。

于一些实施例中，电压转换电路为一升压电路(Charge Pumping Circuit)，且该升压电路以一直流对直流转换器(DC/DC Converter)331为佳。直流对直流转换器331与平面型燃料电池组32、检测电路332及负载36电性连接，其接收平面型燃料电池组32所产生的直流输入电压V及接收检测电路332所传送的触发信号，并响应该触发信号的触发而将平面型燃料电池组32所产生的直流输入电压V升压成负载36运作所需操作电压，并经由电源供应系统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所需操作电压或是作为一充电器对负载36进行充电的动作，所以使用者不需依赖市电电源就可得到所需电源，而且，使用检测电路332来检测负载36所需操作电压，再根据检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，由于平面型燃料电池组32内部反应后会产生水(H₂O)及/或释出未反应的流体燃料，因此电源供应系统30也可选择性地设置回收槽(wasteliquid)34，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和负载36的电源输入端，由此以供应该负载36所需电力。当然，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，以方便使用者应用。

请参阅图4(a)，其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提供至少一负载运作所需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、鼓风机311、混合槽312、导管313、平面型燃料电池组(未图示于图4(a))、印刷电路板总成33及回收槽34。供料装置31可抽换地设置于电源供应系统30内，且以其流体燃料出口与该混合槽312的入口相连通。供料装置31的内部填充纯甲醇或是氢气等流体燃料，但不以此为限，通过供料装置31与混合槽312的间的控制阀(未图示于图4(a))控制，可以将流体燃料导入混合槽内312，经混合与调配成所需流体燃料浓度后，提供至平面型燃料电池组使用。鼓风机311设置于平面型燃料电池组的一侧，且其出风口与平面型燃料电池组的入风口相连通。鼓风机311用于将外界的空气导入平面型燃料电池组内，以提供平面型燃料电池组内部进行化学反应所需反应气体，例如氧气。另外，由于平面型燃料电池组内部反应后会产生水(H₂O)，因此电源供应系统30也设置一回收槽(waste liquid)34，以回收反应后所产生的纯水。回收槽(waste liquid)34内的纯水可以通过导管313导引至混合槽312内，通过控制阀(未图示于图4(a))的控制，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流体燃料浓度，再提供至燃料电池组使用。再者，为增加美观，方便图案印刷以及携带方便，也可将上述结构加装一盖板38以及把手39，如图4(b)所示，由此燃料电池的电源供应系统30便可以很容易地携带与应用。

于一些实施例中，平面型燃料电池组32可使用传统的平面型燃料电池组结构，但不以此为限，其它目前已发明或即将发明的平面型燃料电池组结构也可并入参考。一示范性的平面型燃料电池组32结构显示于图5，其包括一第一流道板321、一第二流道板322与一组串联的燃料电池单元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的流体燃料出口(未图示)相连通，以将流体燃料导入平面型燃料电池组32内。第二流道板322具有一入风口325，该入风口325与鼓风机311的出风口(未图示)相连通，以将外部空气导入平面型燃料电池组32内。串联的燃料电池单元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)。平面型燃料电池组32的运作原理简述如下：以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，当供料装置31内的甲醇水溶液经由平面型燃料电池组32的流体燃料入口324导入第一流道板321后，在平面型燃料电池组32各膜电极组的阳极触媒层上会进行氧化反应，以产生氢离子(H⁺)、电子(e^-)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^-)可经由网状金属导板传递至输出端后提供至印刷电路板总成33，并于传输至负载做功之后再传递至阴极，而供给至阴极侧的空气或氧气(O₂)会与氢离子(H⁺)及电子(e^-)通过网状金属导板的网格而于膜电极组的阴极触媒层上进行还原反应并产生水。

请参阅第六图(a)与(b)，其分别为本发明第三较佳实施例的电源供应系统的结构及方框示意图。如图6(a)所示，于此实施例中，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操作电压，其主要的组成构件包含供料装置41、鼓风机411、平面型燃料电池组42、印刷电路板总成43及回收槽44。其中，供料装置41、鼓风机411、平面型燃料电池组42及回收槽44的组成结构、设计原理及所能达到的目的及功效已详述于前述实施例中，因此不再赘述。

请参阅第六图(b)，印刷电路板总成43上设置一电压转换电路，该电压转换电路为一升压电路(Charge Pumping Circuit)，且该升压电路以一直流对直流转换器(DC/DC Converter)431为佳。直流对直流转换器431与平面型燃料电池组42及负载电性连接，用以接收平面型燃料电池组42所产生的直流输入电压V，并将该直流输入电压V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30瓦特(W)及输出电压20伏特(V)、输出功率5瓦特(W)及输出电压3.5伏特(V)，以及输出功率10瓦特(W)及输出电压7.0伏特(V)等，以提供多个负载例如笔记型计算机运作所需操作电压，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能够在任何没有市电电源的地方直接提供负载所需操作电压或是作为一充电器对负载进行充电的动作，所以使用者不需依赖市电电源就可得到所需电源，而且，提供多个不同规格的输出电压，能够满足不同负载的需求。

另外，上述的负载可为可携式电子装置，例如：笔记型计算机、个人数字助理(PDA)、数字相机或是移动电话(mobile phone)，但不以此为限。

纵上所述，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所需操作电压或是作为一充电器对负载进行充电的动作。此外，由于本发明利用检测电路先检测负载所需操作电压，再根据检测结果驱动直流对直流转换器产生输出电压，或是直接利用直流对直流转换器产生多个输出电压，都能够满足不同负载的需求。再者，本发明的电源供应系统也具有厚度薄、体积小以及易于携带等优点。更甚者，当供料装置内的流体燃料用完时，只要替换另一个供料装置即可继续供应电力，因此也有利于携带以及持续提供电力。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本领域技术人员进行各种改型，然而皆不脱离如所附权利要求欲保护的范围。

Claims (12)

1.一种电源供应系统，用以提供至少一负载运作所需操作电压，其中该电源供应系统包含：

一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压，

一供料装置，其内部储存一流体燃料且与该燃料电池组相连通，用以将该流体燃料导入该燃料电池组内；

一鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；

一检测电路，其与该负载电连接，用以检测该负载运作所需操作电压，并根据检测结果产生一触发信号；以及

一电压转换电路，其与该燃料电池组、该检测电路及该负载连接，用以响应该触发信号的触发而将该燃料电池组所产生的该电压转换成该负载运作所需操作电压。

2.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，该负载为一可携式电子装置，而该流体燃料为甲醇或氢气。

3.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，该供料装置可抽换地设置于该电源供应系统内。

4.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，该电压转换电路为一升压电路，用以将该燃料电池组所产生的该电压升压成该负载运作所需操作电压，其中该燃料电池组所产生的该电压为一直流电压，且该升压电路为一直流对直流转换器。

5.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于还包括一回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水及/或未反应的流体燃料。

6.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，该燃料电池组为一平面型燃料电池组，该检测电路及该电压转换电路设置于一印刷电路板总成上。

7.一种电源供应系统，用以提供多个输出电压，其中该电源供应系统包含：

一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压；

一供料装置，其内部储存一流体燃料且与该燃料电池组相连通，用以将该流体燃料导入该燃料电池组内；

一鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；以及

一电压转换电路，其与该燃料电池组连接，用以将该燃料电池组所产生的该电压转换成多个输出电压，以提供多个负载运作所需操作电压。

8.如权利要求7所述的电源供应系统，其特征在于，该负载为一可携式电子装置，该流体燃料为甲醇或氢气，而该供料装置可抽换地设置于该电源供应系统内。

9.如权利要求7所述的电源供应系统，其特征在于，该电压转换电路为一升压电路，用以将该燃料电池组所产生的该电压升压成该负载运作所需操作电压，而该燃料电池组所产生的该电压为一直流电压，且该升压电路为一直流对直流转换器。

10.如权利要求7所述的电源供应系统，其特征在于还包含一回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水及/或未反应的流体燃料，而该燃料电池组为一平面型燃料电池组，而其中该检测电路及该电压转换电路设置于一印刷电路板总成上。

11.一种电源供应系统，用以提供至少一负载运作所需操作电压，其中该电源供应系统包含：

一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压；

一供料装置，用以提供一流体燃料；

一回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水；

一混合槽，其与该供料装置、该回收槽以及该燃料电池组相连通，用以接收该供料装置所提供的该流体燃料以及该回收槽所提供的水，混合与调配成所需流体燃料浓度并供应至该燃料电池组；

一鼓风机，其与该燃料电池组相连通，用以将外部空气导入该燃料电池组内；

一检测电路，其与该负载电连接，用以检测该负载运作所需操作电压，并根据检测结果产生一触发信号；以及

一电压转换电路，其与该燃料电池组、该检测电路及该负载连接，用以响应该触发信号的触发而将该燃料电池组所产生的该电压转换成该负载运作所需操作电压。

12.一种电源供应系统，用以提供多个输出电压，其中该电源供应系统包含：

一燃料电池组，其通过内部的化学反应，以产生一电压；

一供料装置，用以提供一流体燃料；

一回收槽，其与该燃料电池组相连通，用以回收该燃料电池组所产生的水；

一混合槽，其与该供料装置、该回收槽以及该燃料电池组相连通，用以接收该供料装置所提供的该流体燃料以及该回收槽所提供的水，混合与调配成所需流体燃料浓度并供应至该燃料电池组；以及

一电压转换电路，其与该燃料电池组连接，用以将该燃料电池组所产生的该电压转换成多个输出电压，以提供多个负载运作所需操作电压。

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