TW201137295A - System for recycling the thermal energy generated from a fuel cell module - Google Patents

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201137295 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電共生 系統，特別為種應用於回收燃料電池所產生的熱能之系统。 【先前技術】 由於能源有匱乏之虞，因此各國都在為氫能源時代來臨做 準備，燃料電池的潔淨、高效率、多元化的能源特性，可應用 於車輛動力、分散式發電、3C資訊產品電源等商業產品厂讓 燃料電池成為最新興的能源技術。燃料電池是以特殊催化劑使 燃料與氧發生反應產生電和水（H20)，因不需推動渦輪等發 電器具，也不需將水加熱至水蒸氣再經散熱變回水，所以能量 轉換效率極同。再者，一氧化碳排放量比其他發電設備低，水 又是無害的產生物，因此是一種低污染性的能源。 然而，燃料電池在產生電力的同時，亦會產生熱能。因此， 將熱能自燃料電池内排出以保護或穩定其化學變化，散熱系統 即為一相當重要的環節，再加上現在地球暖化日趨嚴重，各地 氣候異常，如何將能源有效地利用並且不會產生環境污染等問 題’更是全世界相當注重之議題。 目刚，散熱的方式係利用導體，例如水，將熱能攜離燃料 電池，再使熱能直接散發至空氣中，達到散熱之目的。然而， 此種作法不但浪費能源，亦可能成為環境溫度上升的幫兇。再 者，右是散熱不全或是散熱速率差時，熱能將累積於燃料電池 内’並影響轉換電力的過程，間接造成輸出電壓不穩等情事。 201137295 【發明内容】 本發明係為一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電共生 系統，可將燃料電池所產生之熱能回收再利用，優化散熱效 率，並且，隨時監控溫度並控制熱交換之速率，使得燃料電池 得以在最適溫度的環境下進行電化學作用，達到電能轉換之最 佳效率。 為達上述功效，本發明係提供一種具熱回收控制模組之燃 籲料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池系統，其係由至少 一燃料電池所構成；一散熱系統，其具有：一第一熱交換管路， 係用以連通燃料電池系統之水流道之一第一輸出端及一第一 輸入端之間，又第一熱交換管路依水之流向依序串接有一散熱 循環馬達、一第一流量感測器、一第一三通閥件、一第二流量 感測器、一熱交換器之第一側端及一第一溫度感測器；以及一 散熱迴流管路，其係由第一三通閥件之一端連通至散熱循環馬 I達與第一輸出端間之第一熱交換管路；一儲熱系統，其具有： 一保溫裝置，其具有：一腔體，其具有一第二輸出端、一第二 輸入端及複數個開口；以及一第二溫度感測器，其係結合於保 溫裝置以感測腔體中之水溫；一第二熱交換管路，係用以連通 第二輸出端及第二輸入端之間，又第二熱交換管路依水之流向 依序串接有一儲熱循環馬達、一第三流量感測器、一第二三通 閥件及熱交換器之第二侧端；以及一儲熱迴流管路，其係由第 二三通閥件之一端連通至熱交換器與第二輸入端間之第二熱 交換管路；以及一控制模組，其用以執行下列步驟：偵測燃料 201137295 電池系統之啟動訊號；啟動散熱系統；啟動儲熱系統；以及啟 動一熱交換程序，使第一熱交換管路與第二熱交換管路内之水 於熱交換器内進行熱交換；其中，執行熱交換程序時，燃料電 池系統與保溫裝置内的水之間於熱交換時無物質之傳遞移轉。 藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效： :、回收運用燃料電池所產生之熱能，例如：連接暖氣機等。 二、提升散熱效率。 一使燃料電池在最適溫度的環境下進行電化學作用，達到 電能轉換之最佳效率。 、為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術内容並據 弋包且根據本說明書所揭露之内容、申請專利範圍及圖 ^ ’任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優 因此將在實财式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優 【實施方式】 電係為本發明之—種具熱回收控制模組之燃料電池费 熱^收件連接實施例圖。第2圖係為本發明之一種具 程實施例圖。第3 _為本㈣之控制模組啟㈣ 料電池熱電共生^“⑽熱喊㈣模組之燒 係為本發明之—接 ........之程序流程實施例圖。第4圖 統之儲執系⑦具熱回收控制心之燃料電池熱電共生系 具熱回收序錄料^15_林發明之一赛 控制核組之燃料電池熱電共生系統之熱交換程料 201137295 程實施例圖。 如第1圖所示，本實施例係為一種具熱回收控制模組之燃 料電池熱電共生系統，其包括：一燃料電池系統10、一散熱系 統20、一儲熱系統30及一控制模組40。 燃料電池系統10係由至少一燃料電池11所構成，用於產 生電能。 散熱系統20具有一第一熱交換管路21及一散熱迴流管路 22，藉此協助散去燃料電池系統10所產生之熱能，避免因熱 ® 能累積於燃料電池系統10内，導致電能轉換效率發生變化。 所述之第一熱交換管路21係用以連通燃料電池系統10之 水流道之一第一輸出端12及一第一輸入端13之間，又第一熱 交換管路21依水之流向依序串接有一散熱循環馬達211、一第 一流量感測器212、一第一三通閥件213、一第二流量感測器 214、一熱交換器215之第一側端215a及一第一溫度感測器 216，藉此進行散熱，同時利用第一溫度感測器216監控第一 0熱交換管路21内之水溫。 其中，散熱迴流管路22係由第一三通閥件213之一端連 通至散熱循環馬達211與第一輸出端12間之第一熱交換管路 21，藉此，當第一熱交換管路21内之水溫低於所設定之溫度 或是儲熱系統30内之溫度時，可控制第一三通閥件213使第 一熱交換管路21内的水流導入至散熱迴流管路22内，避免導 致儲熱系統30的熱能傳遞至第一熱交換管路21之狀況發生。 儲熱系統30係包含一保溫裝置31、一第二熱交換管路 32、一儲熱迴流管路33。藉由熱交換器215的作用，使得散熱 201137295 系統20所含之熱能可傳遞至儲熱系統3〇進行儲存及利用。其 中，保溫裝置31包含一腔體311及一第二溫度感測器312，所 述之腔體311係具有一第二輸出端3Ua、一第二輸入端3nb 及複數個開口 311c，第二溫度感測器312係結合於保溫裝置 31以感測腔體中之水溫。第二熱交換管路32係用以連通第二 輸出端311a及第二輸入端3m之間，又第二熱交換管路32 依水之流向依序串接有_儲熱循環馬達32卜—第三流量感測 器322、一第二三通閥件323及熱交換器215之第二侧端215b。 儲熱迴流管路33其係由第二三通閥件323之一端連通至 熱交換器215與第二輸入端311b間之第二熱交換管路32;此 儲熱迴流管路33在儲熱系統3〇的溫度高於散熱系統2〇時， 即可藉由第二三通閥件323將第二熱交換管路32内的水導入 至儲熱迴流管路33内，以避免發生熱能自儲熱系統30傳遞至 散熱系統20的情況。 請配合參閱第2圖’控制模組40係用以執行下列步驟： 偵測燃料電池系統之啟動訊號(S41)、啟動散熱系統(S42)、啟 動儲熱系統(S43)、以及啟動熱交換程序（S44)，其係使第一熱 交換管路21與第二熱交換管路32内之水於熱交換器215内進 行熱交換。其中，執行熱交換程序時，燃料電池系統1〇與保 溫裝置31内的水之間於熱交換時無物質之傳遞移轉。再者， 此控制模組40係能依據第一溫度感測器216與第二溫度感測 器312所測的之溫度’於進行比較後，決定是否要啟動熱交換 程序’藉此避免發生因儲熱系統30的熱能高於散熱系統2〇而 導致的熱能逆流之狀況，進而避免造成燃料電池系統1〇的損 201137295 壞。 另外，儲熱系統30内 < 開口 3丨ic係進一步可包括一暖氣 機供水口 A、一暖氣機回水〇 B、一補水口 C及一供水口 D， 以便於後端設備連接利用。又，第一熟交換管路21進一步串 接有一去離子水過濾器217 ,且去離子水過濾器217設置於第 一溫度感測器216與第〜輪入端13之間，用以過濾流入第一 輸入端13的水質，避免於雜質流入經由管路流入燃料電池系 統10内，導致燃料電池系統1〇發生毀損或降低功率等情事。 請配合參閱第3圖，啟動散熱系統程序包括下列步驟：啟 動散熱循環馬達，偵測第一流量（S50);當第一流量等於〇 1pm 時，控制第一三通閥件(S51);以及當第一流量大於〇ipm時， 進行第一定量流量控制（S52)。 啟動散熱循環馬達，偵測第一流量（S50):啟動散熱循環馬 達211並藉由第二流量感測器214偵測第一熱交換管路21内 之一第一流量。 當第一流量等於0 lpm時，控制第一三通閥件(S51):當第 一流量等於0 lpm時，係控制第一三通閥件213使水流向散熱 迴流管路22。 當第一流量大於0 1pm時，進行第一定量流量控制（S52): 當第一流量大於0 lpm時，進行一第一定量流量控制，其係 藉由散熱循環馬達211維持第一流量之大小。 又，當第一流量之大小不等於一第一標準值時，控制模組 40進一步執行第一警告機制，其中，當該熱交換程序被啟動 時，該第一流量所必需之最小流量值即為該第一標準值，藉此 201137295 讓操作人員得以掌握其散熱狀況，避免熱能散發不去。 請配合參閱第4圖所示，啟動儲熱系統係包括下列步驟： 啟動儲熱循環馬達，侧第HS6G);以及進行第二定量流 量控制（S61)。啟動儲熱循環馬達321並藉由第三流量感測^ 322制第二熱交換管路32^之一第二流量，而且透過儲熱循 環馬達321維持第二流量之大小。其中，當第二流量之大小不 等於一第二標準值時’控制模組4〇進一步執行第二警告機制， 其中，當該熱交換程序被啟動時，該第二流量所必需之最小流 量值即為該第二標準值，利用此模式來控制儲熱系統3〇内熱 能的累積’避免有熱能逆傳送至散熱系統2〇。 當第二流量感測器214偵測第一熱交換管路21内之一第 一流量之大小不等於零，且第三流量感測器322偵測第二熱交 換官路32内之一第二流量之大小不等於零時，讀取第一溫度 感測器216及第二溫度感測器312偵測之溫度，並啟動熱交換 程序。 、 請配合第5圖，熱交換程序係包括下列步驟：當第一溫度 小於第一臨界溫度，且第二溫度小於第二臨界溫度時，進行熱 交換(S70);當第二溫度大於第二臨界溫度時，控制第二三通閥 件，田第一溫度大於第二臨界溫度時，停止燃料電池系統運轉 (S71);以及當燃料電池系統停止運轉，等待第二溫度小於第四 臨界溫度，且第一溫度小於第三臨界溫度時，重新啟動燃料電 池系統運轉(S72)。 其中，第一溫度係由第一溫度感測器216所測得，而第二 溫度係由第二溫度感測器312所感測。 201137295 當第-溫度小於第-臨界溫度，且第二溫度小於第二臨界 /皿度時’進行熱交換(S7G):使熱能得由散熱系統2()傳遞至儲 熱系統30。 當第二溫度大於第二臨界溫度時，係控制第二三通閥件 323使第一二通閥件323與儲熱迴流管路33連通，當第一溫度 大於第二臨界溫度時，停止燃料電池系統運轉(⑺）：藉此得以 避免燃料電池系統1〇毀損或是效能降低。 當燃料電池系統停止運轉，等待第二溫度小於第四臨界溫 度’且第-溫度小於第三臨界溫度時，重新啟動燃料電池系統 運轉(S72) · g確保燃料電池系統不會發生毀損時，即會再 啟動燃料電池系統10產生電力。 又’控制模組40其進一梦可執行下列步驟：預設一時間 值；以及當第一流量及第二流量之大小均等於零時，經過時間 值之時間後，若第一流量及第二流量之大小均依舊等於零時， 則進行第三警告機制；藉此，β避免水過久沒有流動而導致燃 料電池系統10發生問題。又，當第一溫度大於第一臨界溫度 時，控制模組可進一步執行第四警告機制。其中，第一臨界溫 度與第二臨界溫度皆為在熱交換器215進行最大熱交換效率 時，燃料電池系統1 〇所測得I作業》度，第二臨界溫度係為 燃料電池系統1〇可耐受的最高溫度；第四臨界溫度係為啟動 儲熱系統30所需的最高溫度。 本實施例無論在散熱威是麟熱均此達到最佳狀態’使得燃 料電池系統10無論在電力的產生或是熱能的利用，均發揮至 最大值，對於環保維護亦有相當大之貢獻。藉由本實施例的實 201137295 施，至少可達到以下進步功效：運用燃料電池系統ίο所產生 之熱能，例如：連接暖氣機等需要熱能之器材；提升燃料電池 系統10之散熱效率；以及使燃料電池系統10在最適溫度的環 境下進行化學作用，達到電能轉換之最佳效率。 惟上述各實施例係用以說明本實施例之特點，其目的在使 熟習該技術者能瞭解本實施例之内容並據以實施，而非限定本 實施例之專利範圍，故凡其他未脫離本實施例所揭示之精神而 完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍 中。 # 【圖式簡單說明】 第1圖係為本發明之一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電 共生系統之元件連接實施例圖。 第2圖係為本發明之一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電 共生系統之控制模組啟動流程實施例圖。 第3圖係為本發明之一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電 共生系統之散熱系統程序流程實施例圖。 第4圖係為本發明之一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電 共生系統之儲熱系統之程序流程實施例圖。 第5圖係為本發明之一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電 共生系統之熱交換程序流程實施例圖。 【主要元件符號說明】 10.............燃料電池系統 12 201137295 11 ........ .....燃料電池 12 .. .....第一輸出端 13........ .....第一輸入端 20........ .....散熱系統 21 ........ .....第一熱交換管路 211....... .....散熱循環馬達 212....... .....第一流量感測器 213....... .....第一二通閥件 214....... .....第二流量感測器 215....... .....熱交換器 215a…" .....第一側端 215b… .....第二側端 216....... .....第一溫度感測器 217....... .....去離子水過濾器 22........ .....散熱迴流管路 30........ .....儲熱系統 31 ........ .....保溫裝置 311....... .....腔體 311a… .....第二輸出端 311b… .....第二輸入端 311c….· .…·開口 312....... .....第二溫度感測器 32........ ......第二熱交換管路 儲熱循環馬達 321 201137295 322 ............第三流量感測器 323 ............第二三通閥件 33 .............儲熱迴流管路 40.............控制模組 A..............暖氣機供水口 B...............暖氣機回水口 C...............補水口 D..............供水口

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Claims (1)

1. 201137295 七、申請專利範圍： 1. 一種具熱回收控制模組之燃料電池熱電共生系統，其包括： 一燃料電池系統，其係由至少一燃料電池所構成； 一散熱系統，其具有： 一第一熱交換管路，係用以連通該燃料電池系統之水流 道之一第一輸出端及一第一輸入端之間，又該第一熱 父換管路依水之流向依序串接有一散熱循環馬達、一 第一流量感測器、一第一三通閥件、一第二流量感測 器、一熱交換器之第一侧端及一第一溫度感測器；以 及 一散熱迴流管路，其係由該第一三通閥件之一端連通至 該散熱循環馬達與該第一輸出端間之該第一熱交換管 路； 一儲熱系統，其具有：

   一保溫裝置，其具有：一腔體，其具有一第二輸出端、 一第二輸入端及複數個開口；以及一第二溫度感測 器，其係結合於該保溫裝置以感測該腔體中之水溫； 第一熱父換管路，係用以連通該第二輸出端及該第二 輸入端之間，又該第二熱交換管路依水之流向依序串 接有一儲熱循環馬達、一第三流量感測器、一第二三 通閥件及該熱交換器之第二侧端；以及 儲熱迴/;IL官路，其係由該第一三通閥件之一端連通至 該熱父換器與該第二輸入端間之該第二熱交換管路； 以及 ^ 15 201137295 一控制模組，其用以執行下列步驟： 偵測該燃料電池系統之啟動訊號； 啟動該散熱系統； 啟動該儲熱系統；以及 啟動一熱交換程序，使該第一熱交換管路與該第二熱 交換管路内之水於該熱交換器内進行熱交換； 其中，執行該熱交換程序時，該燃料電池系統與該保溫裝 置内的水之間於熱交換時無物質之傳遞移轉。 2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池熱電共生系統，其 中該些開口包括一暖氣機供水口、一暖氣機回水口、一補 水口及一供水口。 3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池熱電共生系統，其 中該第一熱交換管路進一步串接有一去離子水過濾器，且 該去離子水過濾器設置於該第一溫度感測器與該第一輸入 端之間。 4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池熱電共生系統，其 中啟動該散熱系統係包括下列步驟： 啟動該散熱循環馬達，又藉由該第二流量感測器偵測 該第一熱交換管路内之一第一流量； 當該第一流量之大小等於0時，控制該第一三通閥件 使該第一三通閥件與該散熱迴流管路連通；以及 當該第一流量之大小大於0時，進行一第一定量流量 控制，其係藉由該散熱循環馬達維持該第一流量之大小。 5. 如申請專利範圍第4項所述之燃料電池熱電共生系統，其中 201137295 當該第一流量之大小不等於一第一標準值時，該控制模組進 一步執行第一警告機制，其中該第一標準值為當該熱交換程 序被啟動時，該第一流量所必需之最小流量值即為該第一標 準值。 6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池熱電共生系統*其中 啟動該儲熱系統係包括下列步驟： 啟動該儲熱循環馬達，又藉由該第三流量感測器偵測該 第二熱交換管路内之一第二流量；以及 進行一第二定量流量控制，其係藉由該儲熱循環馬達維 持該第二流量之大小。 7. 如申請專利範圍第6項所述之燃料電池熱電共生系統，其中 當該第二流量之大小不等於一第二標準值時，該控制模組進 一步執行第二警告機制，其中，當該熱交換程序被啟動時， 該第二流量所必需之最小流量值即為該第二標準值。 8. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池熱電共生系統，其中 當該第二流量感測器偵測該第一熱交換管路内之一第一流 量之大小不等於零，且該第三流量感測器偵測該第二熱交換 管路内之一第二流量之大小不等於零時，讀取該第一溫度感 測器及該第二溫度感測器偵測之溫度，並啟動該熱交換程 序，而該熱交換程序係包括下列步驟： 當該第一溫度感測器感測之一第一溫度小於一第一臨 界溫度，且該第二溫度感測器感測之一第二溫度小於一第二 臨界溫度時，進行熱交換； 當該第二溫度大於該第二臨界溫度時，控制該第二三通 17 201137295 閥件使該第二三通閥件與該儲熱迴流管路連通，當該第一溫 度大於一第三臨界溫度時，停止該燃料電池系統運轉；以及 當該燃料電池系統停止運轉，等待該第二溫度小於一第 四臨界溫度，且該第一溫度小於等於該第三臨界溫度時，重 新啟動該燃料電池系統運轉。 9. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池熱電共生系統，其中 該控制模組，其用以執行下列步驟： 預設一時間值；以及 當該第一流量及該第二流量之大小均等於零時，經過該 時間值之時間後，若該第一流量及該第二流量之大小均依舊 等於零時，則進行第三警告機制。 10. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池熱電共生系統，其 中當該第一溫度大於該第一臨界溫度時，該控制模組進一 步執行第四警告機制；又，該第一臨界溫度為當該熱交換 器之熱交換效率最大時，該燃料電池系統之作業溫度；該 第二臨界溫度為當該熱交換器之熱交換效率最大時，該燃 料電池系統之作業溫度；該第三臨界溫度係為該燃料電池 系統可耐受的最高溫度；該第四臨界溫度係為啟動儲熱系 統所需的最高溫度。