CN102468511A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于一种电池燃料系统，用以提供操作电压至负载。此系统包括燃料电池组、多个集电板、电压检测模块以及电源切换模块。燃料电池组包括多个相互串联的燃料电池片，所述多个燃料电池片堆叠，以使燃料电池组的电位能依序增加。多个集电板配置于燃料电池组之中，所述多个集电板分别具有电压输出端子，所述电压输出端子用以输出多个电压电平。电压检测模块用以检测所述多个电压电平。电源切换模块根据负载的变化自动切换至最接近操作电压的所述多个电压电平其中之一，以调整燃料电池组的输出电压。本发明提供的燃料电池系统，可根据负载的变化自动切换电压电平，以避免负载过大而导致输出电压变动过大。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明是有关于一种燃料电池系统，且特别是有关于一种可根据负载变化自动切换电压电平的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种能直接将燃料中的化学能转变成电能的发电装置。为了使燃料电池的功率稳定地提供至负载，大部分的系统会串联一组直流输入的电源转换器，以提供固定的输出电压至后端负载。然而，传统的电源转换器的转换效率大致介于85～95％之间，因而损耗一部份的电能。此外，在设计高功率的系统时，单一电池燃料通常因极片面积尺寸限制，无法增加总电流，只能以高电压来达到高功率的效果，然而常常因输出电压超过电源转换器的电压输入范围，而找不到适当的电源转换器。另外，当传统的燃料电池应用在轻型车辆的电源供应系统时，也常常需要持续高功率及大电流的输出，若采用市售的直流电源转换器，往往无法达到规格需求。因此，系统常需面临改变设计的困难，有待改善。
发明内容
本发明有关于一种燃料电池系统，可根据负载的变化自动切换电压电平，以避免负载过大而导致输出电压变动过大。
根据本发明的一方面，提出一种燃料电池系统，用以提供操作电压至负载，其特征在于，该系统包括：
燃料电池组，包括多个相互串联的燃料电池片，所述多个燃料电池片相互堆叠，以使该燃料电池组的电位能依序增加；
多个集电板，配置于该燃料电池组之中，所述多个集电板分别具有电压输出端子，所述电压输出端子用以输出多个电压电平；
电压检测模块，连接所述电压输出端子，用以检测所述多个电压电平；以及
电源切换模块，连接该电压检测模块以及所述电压输出端子，并根据该负载自动切换至最接近该操作电压的所述多个电压电平其中之一，以调整该燃料电池组的输出电压。
所述的燃料电池系统，其中，还包括稳压元件，连接于该电源切换模块与该负载之间，用以稳定该输出电压。
所述的燃料电池系统，其中，该稳压元件包括电容。
所述的燃料电池系统，其中，该电压检测模块包括多个分压电阻，用以撷取所述多个电压电平。
所述的燃料电池系统，其中，该电压检测模块包括多个运算放大器，用以撷取所述多个电压电平。
所述的燃料电池系统，其中，所述多个集电板交错堆叠于该燃料电池组中。
所述的燃料电池系统，其中，该电压切换模块包括：
逻辑控制器，连接该电压检测模块，用以产生控制信号；
多个切换开关，连接该逻辑控制器，并根据该控制信号切换所述多个电压电平其中之一；
多个光耦合器，连接于所述多个切换开关与该逻辑控制器之间，用以隔离所述多个切换开关及该控制信号；以及
多个逆向保护元件，其一端连接于所述多个切换开关。
所述的燃料电池系统，其中，该逻辑控制器控制两个切换开关的工作周期，以调整该输出电压的范围。
所述的燃料电池系统，其中，所述多个切换开关为继电器或晶体管开关。
所述的燃料电池系统，其中，所述多个逆向保护元件为二极管。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的燃料电池系统，可根据负载的变化自动切换电压电平，以避免负载过大而导致输出电压变动过大。
附图说明
图1绘示依照一实施例的电池燃料系统的电路方块图；
图2A绘示依照一实施例的集电板的示意图；
图2B绘示依照一实施例的电池燃料组及集电板的立体示意图；
图3绘示依照一实施例的电压切换模块的内部示意图；
图4绘示依照一实施例的燃料电池组的示意图。
其中，附图标记：
100：电池燃料系统
110：燃料电池组
112：燃料电池片
120：集电板
122：电压输出端子
124：气体流道
130：电压检测模块
132：输入端
134：输出端
140：电源切换模块
142：切换开关
144：光耦合器
146：逆向保护元件
148：逻辑控制器
LV1～LV5：电压电平
Vout：输出电压
具体实施方式
为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
本实施例的燃料电池系统，可应用在低功率的可携式电子产品、定置型的发电站或是高功率的车辆系统中。利用燃料电池片的负载与电压成反比的特性，低负载时以较少数量的燃料电池片输出电压，高负载时切换至较多数量的燃料电池片维持以相同电压的输出，以避免高功率系统中总输出电压超过上限的情况。因此，本实施例能有效控制燃料电池系统的输出电压范围。在一实施例中，可通过检测燃料电池片的电压电平，以于不同负载下自动切换至最接近操作电压的电压电平，当输出电压不足时，则迅速切换至高电压电平，当输出电压过高时，则迅速切换至低电压电平，以使燃料电池系统维持输出电压的电平。
请参照图1、2A及2B，其中图1绘示依照一实施例的电池燃料系统的电路方块图，图2A绘示依照一实施例的集电板的示意图，而图2B绘示依照一实施例的电池燃料组及集电板的立体示意图。电池燃料系统100包括一燃料电池组110、多个集电板120、一电压检测模块130以及一电源切换模块140。燃料电池组110包括多个相互串联的燃料电池片112，此些燃料电池片112由下而上逐层堆叠，以使燃料电池组110的电位能依序增加。例如，燃料电池片112的数量为36个，电位能最高可达36V。因此，燃料电池组110的输出电压Vout由燃料电池片112的数量决定，数量越多电压越高，数量越少电压越低。
在一实施例中，燃料电池片112例如是质子交换膜燃料电池，其以氢气为燃料，空气为氧化剂，并以固态的高分子聚合物为电解质。电解质将燃料电池片112分隔为阴极以及阳极，氢气于阳极气体流道124(请参考图2A)中经触媒层的催化，解离为氢离子与电子。氢离子通过质子交换膜往阴极迁移，而电子无法穿过薄膜，必须经由阳极集电板120至外部电路对负载做功之后，才能回到阴极。氧气于阴极气体流道中与来自阳极的电子以及氢离子在触媒的催化下，形成水分子，并经由气体流道排出。然而，当燃料电池组110对负载做功时，电流密度提高，且内电阻明显增加，因而使输出电压Vout会随着电流密度增加而下降。因此，本实施例利用燃料电池系统100的负载与电压成反比的特性，低负载时以较少数量的燃料电池片112输出一电压，高负载时切换至较多数量的燃料电池片112以维持相同电压的输出，以避免传统高功率系统中操作电压变动过大的情况。
接着，请参考图2B，集电板120配置于燃料电池组110之中，且各个集电板120具有一电压输出端子122。电压输出端子122根据电位能的高低而个别输出一电压电平LV1～LV5。在一实施例中，集电板120可做为双极板，其包括碳板、不锈钢板或是其它的导电板。集电板120的电压电平LV1～LV5可根据集电板120的位置来决定，位置越低，电压电平越低；位置越高，电压电平越高。因此，本实施例可通过检测各个电压输出端子122的电压电平LV1～LV5，以于不同负载下自动切换至最接近操作电压的电压电平LV1～LV5。例如，当燃料电池组110的输出电压Vout不足时，则迅速切换至高电压电平(例如LV2)的集电板120；当输出电压Vout过高时，则迅速切换至低电压电平(例如LV3)的集电板120，以维持燃料电池系统100的输出电压Vout的电平。
在一实施例中，集电板120交错堆叠于燃料电池组110中，以避免集电板120的电压输出端子122过于接近而容易导致短路。此外，各个电压输出端子122例如以插接、卡榫或是螺丝固定的方式衔接电力输出的电缆线。
接着，请参考图1，电压检测模块130连接电压输出端子122，用以检测不同位置的集电板120的电压电平LV1～LV5以及接收输出电压Vout的信号，以做为电源切换模块140的判断依据。在一实施例中，电压检测模块130具有一输入端132以及一输出端134。输入端132与相对应的电压输出端子122电性连接，而输出端134与相对应的电源切换模块140电性连接。此外，各个燃料电池片112的工作电压约在1V～0.6V之间，而实际上对外部负载做功时都会导致燃料电池组110的输出电压Vout产生波动，若燃料电池组110的输出电压Vout低于最低的工作电压时，将会导致燃料电池组110无法发电，甚至造成永久损坏。因此，本实施例可通过电压检测模块130来检测各个电压输出端子122的电压电平LV1～LV5以及输出电压Vout的变化，还可通过切换至高电压电平的集电板120，以避免燃料电池组110的输出电压Vout不足而造成损坏。
在一实施例中，电压检测模块130包括多个分压电阻136或多个运算放大器，电压检测模块130可通过分压电阻136或运算放大器来撷取各个集电板120所输出的电压电平LV1～LV5，再将电压信号转换后传送至电源切换模块140，以做为调整输出电压Vout的依据。因此，当燃料电池组110对负载做功时，由于电流密度提高而使输出电压Vout下降，电源切换模块140可根据负载的用电量或电流量自动切换至最接近操作电压的电压电平LV1～LV5其中之一，以维持输出电压Vout的电平。
接着，请参考图1及3，其中图3绘示依照一实施例的电源切换模块140的内部示意图。电源切换模块140可包括多个切换开关142、多个光耦合器144、多个逆向保护元件146以及一逻辑控制器148。切换开关142与对应的集电板120电性连接，用以切换不同电压电平LV1～LV5。切换开关142例如为继电器或晶体管开关，且一次只导通其中一切换开关142所连接的集电板120，以做为燃料电池组110的输出电压Vout。此外，光耦合器144连接于相对应的切换开关142及逻辑控制器148之间，用以隔离切换开关142及其控制信号。另外，逆向保护元件146例如是二极管，其一端连接切换开关142，用以避免输出电压Vout回流至切换开关142。再者，逻辑控制器148连接电压检测模块130，切换开关142连接逻辑控制器148。逻辑控制器148用以撷取电压检测模块130的信号并判断各个集电板120所输出的电压电平LV1～LV5，以控制切换开关142进行电压电平LV1～LV5的切换，以使输出电压Vout保持一致。
在一实施例中，逻辑控制器148可通过控制两个切换开关142的工作周期，调整输出电压Vout的范围，以降低稳定状态下输出电压Vout的误差。
接着，请参考图1，稳压元件150连接于电源切换模块140与负载D之间，稳压元件150用以稳定输出电压Vout，以使输出电压Vout在一稳定电压范围内，例如是24V左右。稳压元件150例如为一超级电容，其安装于燃料电池系统100的输出端。当电源切换模块150输出不同的输出电压Vout时，稳压元件150可帮助输出电压Vout稳定，并于负载D瞬间升高时，提供瞬间的大电流输出，以缓冲电流切换时间。
接着，请参考图1及4，其中图4绘示依照一实施例的燃料电池组的示意图。在一实施例中，当应用在车辆的电源供应系统时，常常需要持续高功率及大电流的输出，此时燃料电池系统100的操作电压亦可随着负载D的变动而改变，以将输出电压Vout自动切换至最接近操作电压的电压电平。操作电压例如为12V、24V或36V等可变电压，且电源切换模块140一次只导通其中一切换开关142所连接的集电板120，以调整燃料电池系统100的输出电压Vout的电平。例如负载D所需的功率增加时，可调高输出电压Vout，而负载D所需的功率减少时，可调低输出电压Vout。因此，本实施例的燃料电池系统100的操作电压不限定为定值，而是可随着负载D的变化而改变，以达到规格需求。
本发明上述实施例所揭露的燃料电池系统，利用燃料电池片的负载与电压成反比的特性，低负载时以较少数量的燃料电池片输出电压，高负载时切换至较多数量的燃料电池片维持以相同电压的输出。因此，本发明通过电源切换模块以及电源检测模块有效控制燃料电池系统的输出电压范围，不需通过电源转换器转换电压，以提高转换效率并减少系统的体积。
综上所述，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。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，用以提供操作电压至负载，其特征在于，该系统包括：
燃料电池组，包括多个相互串联的燃料电池片，所述多个燃料电池片相互堆叠，以使该燃料电池组的电位能依序增加；
多个集电板，配置于该燃料电池组之中，所述多个集电板分别具有电压输出端子，所述电压输出端子用以输出多个电压电平；
电压检测模块，连接所述电压输出端子，用以检测所述多个电压电平；以及
电源切换模块，连接该电压检测模块以及所述电压输出端子，并根据该负载自动切换至最接近该操作电压的所述多个电压电平其中之一，以调整该燃料电池组的输出电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括稳压元件，连接于该电源切换模块与该负载之间，用以稳定该输出电压。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，该稳压元件包括电容。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该电压检测模块包括多个分压电阻，用以撷取所述多个电压电平。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该电压检测模块包括多个运算放大器，用以撷取所述多个电压电平。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个集电板交错堆叠于该燃料电池组中。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该电压切换模块包括：
逻辑控制器，连接该电压检测模块，用以产生控制信号；
多个切换开关，连接该逻辑控制器，并根据该控制信号切换所述多个电压电平其中之一；
多个光耦合器，连接于所述多个切换开关与该逻辑控制器之间，用以隔离所述多个切换开关及该控制信号；以及
多个逆向保护元件，其一端连接于所述多个切换开关。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，该逻辑控制器控制两个切换开关的工作周期，以调整该输出电压的范围。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个切换开关为继电器或晶体管开关。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多个逆向保护元件为二极管。
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