TWI277233B - Fuel cell system - Google Patents
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Description
1277233 狄、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種燃料電池系統。 【先前技術】 近來,石化燃料的不足以及環境的污染已經變成很嚴重 的門4,而且採用燃料電池來取代石化燃料給引擎或其^ " "用,也已經被如火如荼的研究過並經過開發,使 得燃料電池的實際應用已經迫近。 同般用二次電池供電的馬達是以旋轉方式驅動輪 子,廷種機構對於動力輔助腳踏車來說已變得很普遍。如 Μ動力辅助腳踏車’充電^連接到家用充電插座上 使得家用電源能對二次電池進行充電;沒有_ 腳踏車是具有用㈣腳踏車I次電池本身 = 燃料電池。 逆仃死包的 [專利文件 1] JP"A-Sho 64-017379 [專利文件 2] JP-A-Sho 64-071073 [本發明要解決的問題] 如果是動力辅助腳踏車,則車體的傾斜可以报大,而 因為只有二個輪子’所以車體會翻覆。因此,對安置到
力辅助腳踏車上的憮极+ t J 曰早上的撚枓電池進行開發時,在 得很安全,即使車矽古&丄 U上而要 吏車以錢幅度的傾斜或是翻覆,而且 ¥疋在迫些情形下也κ 要月b運作,進行連續的再次 反應二次電池的荷電量。 丹人兄包 被女置在動力辅助 助腳踏車内用以對二次電池進行充 87885.doc 1277233 的燃料電池,以小尺寸、重量輕以及安全的觀點來看,很 需要一種直接改良燃料電池,該直接改良燃料電池具有當 作電解質用的固態聚合物薄膜。 圖4顯示出具有這種直接改良燃料電池產生電源之燃料 電池系統的建議實例組合圖。該燃料電池系統具有一直接 · 改良燃料電池1、一空氣幫浦2、一甲醇/水槽3以及一甲醇/ 水幫浦4,該燃料電池1具有當作電解質用的固態聚合物薄 膜’該空氣幫浦2供應空氣給燃料電池1的空氣電極丨丨,該 、 甲醇/水槽3儲存當作燃料用的甲醇水溶液,該甲醇/水幫浦 | 4將當作燃料用的甲醇水溶液供應給燃料電池1的燃料電, 極12。用以監視燃料中甲醇濃度的甲醇感測器$被安置在 甲醇/水槽3内,使得甲醇感測器5是在液體中。排氣唧筒6 被女置在甲醇/水槽3内,以便將經燃料電池内反應所產生 的二氧化碳在氣體條件下排放出來。氣體/液體分離器7連 接到空氣電極11,以便接收從空氣電極11排放出來的未反 應空氣以及因反應所產生的水,從液體中將氣體分離出 來,將未反應空氣經由排氣唧筒8排放出去,並且暫時的 將反應所產生的水儲存起來。燃料電池丨中的參考數號D 疋指固態聚合物電解質。 ·、 這種直接改良燃料電池系統在當作小型且輕型的燃料 電池系統時很有用,而該燃料電池系統會對在機車、機器 腳踏車、動力輔助腳踏車、或類似交通工具内的二次電池 進行充電。 圖5顯示出安置在雙輪交通工具内之直接改良燃料電池 87885.doc 1277233 系統的組合圖。在圖5中,與圖4具相 代表相同的組件。固態聚合物燃料電池:的早兀是 提之液體循環下,會向前或向後固定傾斜某到底下所 燃料用的甲醇藉由甲醇幫浦72而從甲醇槽;!供應V甲當二 水槽3。該燃料電池系統包括一控 " 別电路20,用以控制一 驅動裝置。該控制電路2〇包括—驅動電路21、 電路22以及一 CPU(中央處理器)23,控1]" ★ ^ 徑制甲醇/水燃料水溶 液内的甲醇濃度,並控制所產生之電源的輸出。在纪人圖 中,f醇濃度信號當作是控制所必要的資訊, 測器5輸入進來,而且電池溫度信號、產生之電流信號^ 及電壓信號都會從燃料電池i的溫度感測心輸入進來。 當使用直接改良燃料電池系統來對動力辅助腳踏車内 的二次電池進行充電時,而且當使用Ni_cd電池當作二次 電池時’在該電池被重新充電以補充該二次電池之前,該 電池便會先自我放電。控制電路2〇監視二次電池的放電情 形’並且當完全放電時(自我放電監視模式⑴,低耗電模式 (Π)),開始讓燃料電池系統對該電池進行再次充電。當動 力辅助腳踏車在行料,該模式會切換到驅動模式㈣, 而且控制電路20會控制燃料電池系統的電源產生,以反應 二次電池的充電情形。 “ 在足種直接改良燃料電池系統丨中,當用甲醇當作燃料 而且反應結果會產生水時,必須進行量測以防液體漏出。 既然二氧化碳氣體是因燃料電池内的反應而產生,而且二 氧化碳會在具有曱醇/水溶液的混合物中循環,同時未反應 87885.doc 1277233 的空氣也會在反應所產生的水之混合物中循環,所以需要 氣體/液體分離器來去除掉。因此,甲醇/水槽3與氣體/液體 ㈣器分別具有排氣哪筒6與8,以便將未反應的空氣、二 乳化碳或燃料電池所產生的類似物質,從燃料電池1的空 氣電極11排放出去。 然而,具上述組合的建議燃料電池系統會有的問題是, 如果該燃料電池系統被安置在雙輪交通工具或小型遊誕 上,則在翻覆或傾覆時會造成液體外漏。而且,還有的問 題疋,無法從液體中分離開氣體,或是無法在翻覆時進行 液體的循環。 而且,在所建議的燃料電池系統中,該燃料電池i是被 女置在垂直於左邊或右邊的方向上,但是當被安置到雙輪 父通工具上時,如圖5所示,燃料電極12上所反應的水以 及空氣電極11上所產生的水,在考慮到該二者的流動之 下’會在前進或後退方向上有一點的傾斜。然而,既然沒 有考慮向左或向右傾斜,所以當雙輪交通工具大幅傾斜或 翻覆時’便無法避免掉會在液體通道内產生阻塞。 雙輪交通工具常常會大幅傾斜或是翻覆,而且解決這些 問題來讓燃料電池系統進入實際應用確實是個挑戰。 當作燃料電池系統的技術,在jp_A_sho 64-017379的公開 文獻中已經說明過氣體分離,而且在jP_A_Sho 64-071073的 公開文獻中已經說明過氣體/液體分離器。然而,這些公開 的文獻並沒有說明對大幅傾斜以及翻覆的措施。 【發明内容】 87885.doc 1277233 本發明已經考;f 5 f、亡 目的在於接供。适二傳的技術問題’而且本發明的 接改良燃料電池系統用田作直 、g 散女置在可以被大幅傾斜的交 ^工具上’比如雙輪交通工且哎舢,兮祕上丨+丄/ = 偵㈣傾斜,並在翻覆時停止《統,或γ 制該系統的輸出。 义控 :且本發明的目的在於,當腳踏車或機車立在侧邊聊竿 =從傾斜中侦測出翻覆’並且只有在該交通工具翻 覆蛉才會完成上述的控制。 [解決問題的方式] 本發明中請專利範圍第1項的燃料電池系統包括一傾斜 =益以及-控制裝置,該傾斜感測器是用則貞測出該系 :傾斜’而該控制裝置是在傾斜感測器偵測到該系統的傾 :達到預設傾斜角度或更大角度時,用以停止該系統之辦 料電池的反應。可以在翻覆時藉控制而停止燃料電池的; 應’來避免燃料電池系統的誤動作。 、本發明申請專利範圍第2項的燃料電池系統包括一傾 感測器以及一控制裝置,該傾斜感測器是用以偵測出該系 統傾斜’而該控制裝置是在傾斜感測器偵測到該系统的傾 斜達到預設傾斜角度或更大角度時,用以控制該系統之姆 料電池的輸出。可以藉控制該燃料電池的 干别田,在電力輸 出達到最小量時,對連接到本系統的二次電池進行辅助充 電,讓該電地不會把電用完,以避免燃料電池系㈣ 作。 、 87885.doc •10- 1277233 申5月專利摩色圍第3項中所說明的發明是申請專利範圍第 1或第2項所述的燃料電池系統,其中該控制裝置在傾斜感 測器輸出預設傾斜角度或更大角度之傾斜角偵測信號細 :一段預設的時間或更長的時間時,會停止該系統之燃料 电池的反應或控制該燃料電池的輸出。如果該,系統被安置 在雙輪父通卫具上’則該系統會判斷該交通工具是在傾斜 :立在側邊腳架上的非翻覆狀態,或該交通工具是在轉彎 :暫才大巾田傾斜的狀態。該系統也會判斷出實際的翻覆狀 態’確實的停止燃料電池的反應或是控制燃料電池的輸 出。 申凊專利範圍第4項中所說明的發明是中請專利範圍第 1至第^項所述的燃料電池系統,其中—用以量測甲醇濃度 的甲醇感測器被安置在甲醇/水槽内的預設位置上,使得該 系統,傾斜到預設角度或更大角度而輸出該氣體濃度的 债測t號0^,甲醇感測器會從液體進入到氣體内;以及 其中該控制裝置在甲醇感測器的液體濃度㈣信號 後’會,收該氣體濃度的偵測信號,以決定該傾斜是預設 角度或疋更大角度。因此,沒有特別安置額外的傾斜感測 器’以降低成本。 申請專利範圍第5項中所說明的發明是巾請專利範圍第 1至第4項所述的燃料電池系統,其中該控制裝置在甲醇感 測器停止偵測到預設角度或更大角度的傾斜時,會進行該 系統的回復控制,而且在回復之前,會先進行系統功能的 k查所以,因翻覆之震動所引起的誤動作可以被檢查出 87885.doc -11- 1277233 來。 申請專利範圍第6項中所說明的發明是中請專利範圍第 —弟5項所述的燃料電池系、统,其中該系統是被安置在雙 輪又通工具或小型船上。當雙輪交通工具是立在側邊腳架 上或是以大傾斜角前進時,實際的翻覆會從傾斜中被辨別 出來因此’會停止燃料電池的反應或控制燃料電池的輸 以便讓雙輪交通工具或類似的交通卫具能持續的平穩 =。當確實產生最小輸㈣,可以避免在實際翻覆或傾 復=的誤動作,使得連接到該系統上的二次電池能被辅助 充屯,並且可以避免該電池把電用完。 【實施方式】 現在將要參考相關圖示來說明本發明的實施例。圖α 顯示出依據本發明直接改良燃料電池㈣之組合的示音 圖。例如,燃料電池系統的實施例是被安置在動力輔助腳 踏車、機車、機器腳踏車或類似交通工具上的系統。 如圖1所示,直接改良燃料電池系統的實施例包括一固 態聚合物燃料電池i、一空氣幫浦2、一甲醇/水槽3以及一 甲醇/水幫浦4 ’ s亥空氣幫浦2供應空氣給燃料電池}的空氣 電極’該甲醇/水槽3儲存當作燃料用的甲醇以及水的混合 液體,該甲醇/水幫浦4將當作燃料用的甲醇水溶液從甲醇/ 水槽^供應給燃料電池!的燃料電極。當作燃料用的甲醇藉 甲醇幫浦72彳< 甲醇槽71供應給甲醇/水槽3(>參考數號7是指 連接到燃料電池!之空氣電極的氣體/液體分離器。 該燃料電池系統包括-用以控制驅動裝置的控制電路 87885.doc -12- 1277233 該控制私路20具有一 •驅動電路2}、_輸出控制電路 22、-中央處理器23以及一記憶體裝置2[而且該控制電 路20控制甲醇/水燃料溶液中的f醇濃度以及所產生的電 原輸出。A 了進行控制,該系統被設計成讓甲醇濃度信號 由甲醇感測器5輸入,而且電池溫度與所產生的電流/電麗 信號是由燃料電池i輸人,同時從傾斜感測器_信號會 輸入進來,以偵测出雙輪交通工具的傾斜角度,當作是必 要的資訊。此外,一顯示裝置連接到控制電路2〇上,使用 中央處理器顯示出必要的資訊。 如果直接改良燃料電池系統使用Ni-Cd電池當作二次電 池,則該系統可以在再次充電以補充二次電池之前便先自 我放電。控制電路20監視二次電池的放電情形,並且在完 全放電時(自我放電監視模式(i),低耗電模式(π)),開始讓 燃料電池系統對該電池進行再次充電。當動力輔助腳踏車 在行進時,該模式會切換到驅動模式(iii),而且控制電路 20會控制燃料電池系統的電源產生,以反應二次電池的充 電情形。 接著,要說明具有上述組合之燃料電池系統的操作。燃 料電池系統所產生的電源類似於先前圖4與5中所提的燃 料電池系統。本發明燃料電池系統的操作特性是,控制電 路20會依據從傾斜感測器1 5的信號來控制燃料電池系統 中的電源產生。 在雙輪交通工具傾斜到某一特定角度或更大角度時,傾 斜感測器1 5會輸出一信號。傾斜感測器丨5可以债測到傾斜 87885.doc -13- 1277233 角並輸出一傾斜角信號。控制電路20會判斷該系統是否在 某一位置範圍内,可以依據由傾斜感測器1 5的信號來進行 正常的電源產生。 當雙輪交通工具停車時,使用側邊腳架並傾斜到某一傾 斜角。當(1)由傾斜感測器15而來的信號指出其傾斜角是比 該交通工具立在側邊腳架上的傾斜角還大時,以及(2)較大 傾斜角的偵測信號持續數秒鐘時,控制電路2〇會判斷出翻 覆並控制該燃料電池。 雙輪交通工具可以在車體的傾斜角比該交通工具立在 側邊腳架上的傾斜角還大時前進,視其速度而定,但是在 該情形下,車體會在數秒内於幾乎沒有傾斜角下轉到某一 位置,因此,當偵測到較大傾斜角時,如果該情形持續數 秒鐘,便會判斷出翻覆。 <翻覆時的控制> 以下是判斷出翻覆時燃料電池的控制。 (i) 當雙輪交通工具翻覆時,該燃料電池很有可能會因空 氣卡住不通或類似現象而無法正常產生電力時,便停止該 系統。 (ii) 在記憶體裝置中記錄下發生翻覆的事件來當作經歷 記錄用,而且當該系統下次再起動時,該模式會切換到檢 查模式。 在檢查模式下,對傾斜感測器15的數值、甲醇感測器5 的濃度數值、甲醇/水溶液量、驅動甲醇/水幫浦的電流量 (檢查空氣被卡住)、空氣電極上所產生的水量、甲醇槽Η 87885.doc -14- 1277233 的曱醇量以及類似數值進行檢杳 丁杬置如果是在正常範圍下 會再次起動。 而且,在檢查期間 示給使用者。 •、肩不衣置25會將進行檢查的情形顯 時,會判斷管路内的液 1 5的信號轉回到正常值 則燃料電池内的發電作 (ii〇當該系統在停止後重新起動 體是否穩定下來,如果傾斜感測器 而且再儲存後經過一段特定時間, 用會再次起動。 這會讓直接改良燃料電池系統 凡月b女置在常常會傾斜較 大角度或翻覆的交通工具上,比如 — π如雙輪父通工具上,使得 貫際翻覆可以從暫時的較大傾斜中 、,^ 尹士 > 辨開,亚且猎停止翻 覆日守燃料電池内的發電作用,爽 瓜避免誤動作的發生,而在 以父通工具回復到正f位置時,燃料電池内的發電作用可 以很平順的再次起動。 =判斷出翻覆時,並不停止燃料電池的運作,而是控制 :出以^最小輸出、對連接到該系統上的二次電池進行 辅助充電、以及避免電池把電用完。 接著,現在將參考圖2說明依櫨 ^ ^ ^ 據本發明第二實施例的直 !:ΓΓ池系統。在第—實施例中,使用偵測燃料電 池糸奴傾㈣度的傾斜感測器15,但傾斜感測㈣ 一定要精確的偵測出傾斜角度,σ ^ 要忐偵測出比立在側邊 腳架上之傾斜角度還大的傾斜角度即可。 j3t 在第二實施例中,甲醇感測器5不只 已,還能藉其位置的設計來去作、、-’辰又而 又十來田作傾斜感測器,如圖2所示, 87885.doc -15- 1277233 [本發明的影響] 如上所述,對於翻覆時直接改良燃料電池系統的影響可 以依據本發明被極小化,而且還可能提供最佳的燃料電池 系統安置在可以傾斜或大幅翻滾的交通工具上,比如雙輪 交通工具或如小艇或遊艇的小型船。 【圖式簡單說明】 圖1是依據本發明第一實施例之系統結構的示意圖。 圖2是依據本發明第一實施例之系統結構的示意圖’顯 示出也能當作傾斜感測器用之甲醇感測器的操作。 圖3疋上述第二實施例中所作用 貝j Y所便用之甲醇感測器操作的另 一實例示意圖。 *、、、·1 %〜示玩的方塊圖。 六圖5是當所建議之直接改良燃料電池系統被安置在雙库 人通工具上時其配置實例的方塊圖。 圖6是顯示出當所建議之直接改良燃 在雙_六、+ “、、黾池糸統被安j 仕又輪又通工具上時,燃料電池向 移動的示意圖。 4向右沿著車_ 【圖式代表符號說明】 1 燃料電池 2 空氣幫浦 3 甲醇/水溶液幫浦 4 甲醇/水幫浦 5 曱醇感測器 6 排氣唧筒 87885.doc -17- 氣體/液體分離器 排氣σ即筒 空氣電極 燃料電極 固態聚合物電解液薄膜 傾斜感測器 控制電路 驅動電路 輸出控制電路 中央處理器 記憶體裝置 顯示裝置 甲醇槽 甲醇幫浦 « 18-
Claims (1)
1277激§2125740號專利申請案 厂― 中文申請專利範圍替換本(95年12月)私*年^月2日修(更)正替換買年 甏 1 · · ................. II η------------------------ 一 ιιι-"·——— 拾、申請專利範圍: U 一種燃料電池系統,其係包括: 傾斜感測器,用以偵測該系統的傾斜;以及 控制裝置’用以在該傾斜感測器偵測到該系統之預設 角度或更大角度的傾斜時,使該系統中燃料電池的反應 停止; 该控制裝置在該傾斜感測器未偵測出規定角度或更大 角度的傾斜時’進行該系統的回復控制,且在該回復之 前先實施該系統之諸功能的確認。 2 · 一種燃料電池系統,其係包括: 傾斜感測器,用以偵測該系統的傾斜;以及 才工制裝置,用以在該傾斜感測器偵測到該系統之預設 角度或更大角度的傾斜時,抑制該系統中燃料電池的輸 出; 該控制裝置在該傾斜感測器未偵測出規定角度或更大 角度的傾斜時,進行該系統的回復控制,且在該回復之 前先實施該系統之諸功能的確認。 3.如請求項1或2之燃料電池系、统,其中該控制裝置在該傾 斜感測器輸出預設角度或更大角度之傾斜角度的偵測信 號經過-段預設的時間或更長的時間時,使該系統的: 料電池的反應停止或抑制該燃料電池的輸出; 在該傾斜感測器未债測出規定角度或更大角度的傾斜 時’進行該系統的回復控制’且在該回復之前先實施該 系統之諸功能的確認。 87885-951208.doc 1277233 4· 一種燃料電池系統,其係將量測甲醇濃度的甲醇感測器 女置在甲醇/水槽的預設位置上;使得該系統在傾斜到預 λ角度或更大角度時,藉由該感測器從液體中露出於氣 體中而輸出氣體濃度偵測信號; 且包含控制裝置,其從該甲醇感測器的液體之濃度偵 測^號接收氣體之濃度偵測信号虎,判斷為傾斜預設的角 〆 的角度’並使該系統的燃料電池反應停止。 •二料電池系統,其係將量測甲醇濃度的甲醇感測器 安置在甲知’水槽的預設位置上;使得該系統在傾斜到預 °又角度或更大角度時,藉由該感測器從液體中露出於氣 體中而輸出氣體濃度偵測信號; 且匕s ί空制裝置,其從該f醇感測器的液體之濃度债 、J ^號接收氣體之濃度偵測信號,判斷為傾斜預設的角 又或更大的角度,並抑制該系統的燃料電池的輸出。 6.如請求4或5之燃料電池系統,其中該控制裝置在該甲醇 感測器輸出預設角度或更大角度之傾斜角度的偵測信號 ,、奴預"又的時間或更長的時間時,使燃料電池的反 應停止或抑制該燃料電池的輸出。 ^明求項4或5之燃料電池系統,其中該控制裝置在該甲 醇感測ϋ停止彳貞測規定角度或更大角度的傾斜時,進行 該系、洗的回復控制,且在該回復之前先實施該系統之諸 功能的確認。 8.如=求項6之燃料電池系統,其中該控制裝置在該甲醇感 利益未偵測出規定角度或更大角度的傾斜時,進行該系 87885-951208.doc 1277233 統的回復控制,且在該回復之前 的確認。 "先^該_之諸功能 9· -種雙輪車輛上或小型船’其中裝載有如請 或5之燃料電池系統。 $ i、2、 —種雙輪車輛上或小型船,其中 衣戰有如請灰 電池系統。 义項3之燃料 11 · 一種雙輪車輛上或小型船,其中裝 電池系統。 如明求項6之燦料 12 · —種雙輪車輛上或小型船,其中裝 電池系統。 、如請求項7之燃料 4 裝載有如請 1 3 · —種雙輪車輛上或小型船,其中裝栽有 電池系統 如請求項、 料 87885-951208.doc 1272為各5740號申請案 中文圖式替換本(95年9月)
拾壹、圖式: ch3〇h+h2o+c〇2
驅動電路 輸出控制 電路 _ \ 21 \ 22 記憶體 裝置 中央處理器 24 23 控制電路 ►
25 20 圖1 87885.doc 1277233 正常狀態
傾斜狀態
圖2 87885.doc -2 - 51277233
87885.doc 1277233 一ill化碳
圖4 87885.doc 4- 1277233 ch3oh+h2o+c〇2
>
23 控制電路
20 圖5 87885.doc 1277233 向左或向右移動不列入考慮
左 ,--► :下t 圖6 87885.doc 6-
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