CN102623724A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统及其控制方法。控制方法包括：判断燃料电池系统中的电池堆的输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压；若是，则于第二预设期间内递增电池堆的输出电流；若否，则在电池堆的输出电压的变化程度大于预设值时，于第二预设期间内递减电池堆的输出电流；以及响应于电池堆的输出电流的递增或递减而改变电池堆的输出电压，并且于第三预设期间后，将暂存电压更新为已改变的输出电压。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，且特别涉及一种能够提升燃料利用率与具有保护性能的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
能源的开发与应用一直是人类生活不可或缺的条件，但能源的开发与应用对环境的破坏与日俱增。利用燃料电池(Fuel Cell)技术产生能源具有高效率、低噪音、无污染的优点，是符合时代趋势的能源技术。在燃料电池系统的运作过程中，如何控制燃料电池堆(fuel cell stack)的输出电压与输出电流以得到最大的输出功率，并且让电池堆中的燃料能被有效地利用以转化成电能，已成为燃料电池系统主要的性能指针之一。
一般而言，电池堆在不同燃料供应率下有着不同的工作特性。请参阅图1，图1绘示电池堆在不同燃料供应率R1～R3(R1＞R2＞R3)下的电流密度-电压曲线图。在燃料供应率R2时，电池堆的最佳工作点(V，I)为工作点OP2(V2，I2)。若设定电池堆的输出电流I大于电流I2时，则会产生燃料供应不足的现象，使得电池堆的输出电压V急速下降，从而损伤到电池堆。另外，若设定电池堆的输出电流I小于电流I2时，则会使得燃料的利用率降低，因为电池堆的输出电压V与输出电流I的乘积(V×I)小于对应于最佳工作点OP2的电压V2与电流I2的乘积(V2×I2)。
另一方面，不同老化程度的电池堆亦对应不同的工作特性。请参阅图2，图2绘示电池堆在不同老化程度A1～A3下(老化程度A3＞A2＞A1)的电流密度-电压曲线图。当电池堆在老化程度A2时，电池堆的最佳工作点(V，I)为工作点OP2(V2，I2)。若设定输出电压V大于电压V2时，则燃料的利用率降低，若设定电池堆的输出电压V小于电压V2时，则产生燃料供应不足的现象，从而损伤电池堆。
再者，如图3所示，图3绘示电池堆在进行工作点OP1～OP3切换时的电压变化示意图。当电池堆的工作点(V，I)由工作点OP1(V1，I1)切换至工作点OP2(V2，I2)时，电压变化为ΔV。此时，由于工作点OP2(V2，I2)尚未进入燃料不足区，所以ΔV相对较小。另外，当电池堆的工作点(V，I)由工作点OP2(V2，I2)切换至工作点OP3(V3，I3)时，其电压变化为ΔV’。此时，由于工作点OP3(V3，I3)已进入燃料不足区，所以ΔV’相对较大，变化较为剧烈。
基于上述，为了因应不同电池堆的工作特性，以提高效率并达到保护电池的目的，须为电池堆选择正确的工作点(V，I)。然而以传统技术而言，大多采用定电压、或定电流或电压扰动的观察方式控制燃料电池堆所输出的电压与电流工作点。举例来说，美国专利案第5,714,874号揭露了一种使用定电压的方式以将电池堆的输出电压控制在27V～28V之间；美国专利案第2006/0029844号则揭露利用电压扰动的观察方式以得到电池堆的最大输出功率点。
然而，定电压的控制方式只适用在供应固定燃料流量的燃料电池系统中，其并不适合应用在具有变动燃料流量的燃料电池系统中。当定电压的控制方式应用在具有变动燃料流量的燃料电池系统中时，在燃料不足与过多的条件下，电池堆的发电效率会较低。此外，定电压的控制方式应用在老化的电池堆时，由于老化的电池堆的工作电压点会产生偏移，以至于燃料的利用率会降低。再者，由于定电压的控制方式很容易造成电池堆的输出电压与输出电流产生剧烈的变化，从而会冲击电池堆的使用寿命。
由于美国专利案第2006/0029844号所揭露的电压扰动的观察方式并未设定电压过低的保护点，所以容易因电池堆的输出电压过低而损伤到电池堆本身。此外，在运作过中须对电池堆的输出电压进行上下扰动，容易造成电池堆的输出电压与输出电流产生剧烈的变化，从而会冲击电池堆的使用寿命。
除此之外，中国台湾专利案第200905960号以及美国专利案第2007/0196700号、第2007/0178336号与第2010/0173211号都揭露了有关燃料电池系统的控制方式。
发明内容
本发明提出一种燃料电池系统的控制方法，可以稳定地调整燃料电池系统中电池堆的输出电压与输出电流，藉此让电池堆可以得到较高的输出功率，而且进入至电池堆中的燃料也能被有效地利用以转化成电能。
本发明提出一种燃料电池系统，其得以稳定地运作以让电池堆得以保持较高的发电效率以及具有较长的使用寿命。
本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述的一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，包括：判断燃料电池系统中的电池堆的输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压；若是，则于第二预设期间内递增电池堆的输出电流；若否，则在电池堆的输出电压的变化程度大于预设值时，于第二预设期间内递减电池堆的输出电流；以及响应于电池堆的输出电流的递增或递减而改变电池堆的输出电压，并且于第三预设期间后，将暂存电压更新为已改变的输出电压。
在本发明的一实施例中，在判断电池堆的输出电压之前，所提供的控制方法还包括：取得电池堆的输出电压。
在本发明的一实施例中，在取得电池堆的输出电压之前，所提供的控制方法还包括：进行缓启动程序以使电池堆适于运作。
在本发明的一实施例中，若电池堆的输出电压的变化程度小于预设值，则重新取得电池堆的输出电压以进行判断。
本发明的一实施例提出一种燃料电池系统，包括：电池堆、检测单元、转换单元，以及处理单元。其中，电池堆用以进行化学反应而产生电能。检测单元耦接电池堆，用以检测电池堆的输出电压与输出电流。转换单元耦接电池堆，用以转换电池堆的输出电压与输出电流。处理单元耦接检测单元与转换单元，用以判断电池堆的输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压；若是，则于第二预设期间内控制转换单元以间接地递增电池堆的输出电流；若否，则在电池堆的输出电压的变化程度大于预设值时，于第二预设期间内控制转换单元以间接地递减电池堆的输出电流；以及响应于电池堆的输出电流的递增或递减而控制转换单元以间接地改变电池堆的输出电压，并且于第三预设期间后，将暂存电压更新为已改变的输出电压。
在本发明的一实施例中，若电池堆的输出电压的变化程度小于预设值，则处理单元重新判断电池堆的输出电压。
在本发明的一实施例中，电池堆至少可以为一质子交换膜型燃料电池堆。
在上述本发明的一实施例中，第一预设期间可以大于第二预设期间与第三预设期间，且第三预设期间可以大于第二预设期间。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并结合附图，作详细说明如下，但是上述一般描述及以下实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
图1绘示为电池堆在不同燃料供应率R1～R3下的电流密度-电压曲线图；
图2绘示为电池堆在不同老化程度A1～A3下的电流密度-电压曲线图；
图3绘示为电池堆在进行工作点OP1～OP3切换时的电压变化示意图；
图4绘示为本发明一实施例的燃料电池系统的框图；
图5绘示为本发明一实施例的处理单元经配置后的判断与更新示意图；
图6绘示为本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图的多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
另外，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。
图4绘示为本发明一实施例的燃料电池系统400的框图。请参考图4，燃料电池系统400包含有电池堆401、检测单元403、转换单元405，以及处理单元407。于本实施例中，电池堆401用以进行化学反应以输出电能Eng。举例来说，电池堆401可以为质子交换膜型燃料电池堆(ProtonExchange Membrane Fuel Cell Stack，PEMFC Stack)或者为直接甲醇燃料电池堆(Direct Methanol Fuel Cell Stack，DMFC Stack)。
然而，不论是质子交换膜型燃料电池堆或是直接甲醇燃料电池堆，两者皆属于使用质子交换膜进行质子传导机制的低温启动型燃料电池。以此类质子交换膜燃料电池的操作原理为：氢气在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)以及电子(e-)(PEMFC原理)，或甲醇与水在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、二氧化碳(CO2)以及电子(e-)(DMFC原理)，其中氢离子可以经由质子传导膜传递至阴极，而电子则经由外部电路传输至负载之后再传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子于阴极触媒层进行还原反应并产生水。
检测单元403耦接电池堆401，用以检测电池堆401的输出电压V与输出电流I。转换单元405(例如为直流-直流转换器(DC-DC converter)，但并不限制于此)耦接电池堆401，用以转换电池堆401的输出电压V与输出电流I，并据以提供电力P给负载409(例如为电子装置)使用。
处理单元407耦接检测单元403与转换单元405，用以判断电池堆401的输出电压V于第一预设期间内(例如为10个预设周期(10×Tperiod)，但并不限制于此)是否大于等于暂存电压(Vtemp)。
若是(亦即电池堆401的输出电压V于10个预设周期内都大于等于暂存电压)，则处理单元407会于第二预设期间内(例如1个预设周期(1×Tperiod)，但并不限制于此)控制转换单元405以间接地递增电池堆401的输出电流I，(亦即透过控制转换单元405的方式来增加电池堆401的输出电流I，从而增加供应给负载409的的电力的电流)。在此条件下，表示电池堆401内部氢流量还足够。
若否(亦即电池堆401的输出电压V于10个预设周期内有低于暂存电压的状况)，则处理单元407会在电池堆401的输出电压V的变化程度大于预设值(依实际设计需求而决定)时(可理解为上述的ΔV’)，于第二预设期间内控制转换单元405以间接地递减电池堆401的输出电流I(亦即透过控制转换单元405的方式来降低电池堆401的输出电流I，从而降低供应给负载409的电力的电流)。在此条件下，表示电池堆401内部氢流量可能不足够。然而，若电池堆401的变化程度小于预设值(可理解为上述的ΔV)，则有可能是受外在环境的影响所扰动，且电池堆401内部氢流量可能还是足够的。如此一来，处理单元407就会重新判断电池堆401的输出电压V，而不会立即控制转换单元405以间接地递减电池堆401的输出电流I。
另外，处理单元407更会响应于电池堆401的输出电流I的递增或递减而控制转换单元405以间接地改变电池堆401的输出电压V(亦即透过控制转换单元405的方式来降低电池堆401的输出电压V)，并且于第三预设期间后(例如2个预设周期(2×Tperiod)，但并不限制于此)，将暂存电压更新为已改变的输出电压V。于本实施例中，第一预设期间可以大于第二预设期间与第三预设期间，且第三预设期间可以大于第二预设期间，但并不限制于此，视实际设计需求而论。
基于上述，图5绘示为本发明一实施例的处理单元407经配置后的判断与更新示意图。请合并参照图4与图5，当处理单元407判断出电池堆401的输出电压V于10个预设周期内都大于等于暂存电压，此时表示电池堆401内部氢流量还足够，则处理单元407会于1个预设周期的时间内控制转换单元405以间接地递增电池堆401的输出电流I。如此一来，电池堆401的输出电压V会随之降低。接着，处理单元407会在10个预设周期之后的2个预设周期，将暂存电压更新为已改变的输出电压V(用意为避免误判燃料供应的能力)。
另一方面，当处理单元407判断出电池堆401的输出电压V于10个预设周期的时间中的某一预设周期有发生低于暂存电压的状况，且电池堆401的输出电压V的变化程度已大于预设值时，处理单元407会于1个预设周期内控制转换单元405以间接地递减电池堆401的输出电流I，从而避免电池堆401的输出电压V急速下降而导致损伤。如此一来，电池堆401的输出电压V会随之上升。接着，处理单元407会在电池堆401的输出电压V发生较大变化的预设周期后的2个预设周期的时间，将暂存电压更新为已改变的输出电压V。由此可知，电池堆401不但可以稳定地运作，而且还可以保持在最高效能/发电效率的状态。
基于上述实施例所揭示的内容，图6绘示为本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法流程图。本实施例的燃料电池系统的控制方法包括以下步骤。
在燃料电池系统的电池堆正式进入运作之前，进行缓启动程序(步骤S601)，藉以使电池堆适于运作，亦即：等待足够的燃料进入电池堆的流道内、湿润电池堆以及提高电池堆的温度到适合运作的程度为止。在进行完缓启动程序后，电池堆随即就可开始进入运作。
在电池堆开始进入运作后，取得电池堆的输出电压(步骤S603)。
在取得电池堆的输出电压后，判断等待计数是否大于0(步骤S605)。
于此先假设等待计数等于0。如此一来，即会判断电池堆的输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压。更清楚来说，电池堆的输出电压会于步骤S607中判断是否大于等于暂存电压；若是，则将扰动计数加1(步骤S609)，进而判断扰动计数是否大于10(亦即对应前述实施例的10个预设周期，第一预设期间)(步骤S611)。若扰动计数未大于10，则返回至开始，直至扰动计数大于10为止。
可见，电池堆的输出电压会在不同的时间点被取得10次，而且每一次的取得都将与暂存电压进行比较。若所取得的10次输出电压都大于等于暂存电压的话，则于第二预设期间(亦即对应前述实施例的1个预设周期)内递增电池堆的输出电流(Ifc)(步骤S613)。
响应于电池堆的输出电流的递增，电池堆的输出电压也会跟着改变(因电池堆的特性的缘故)。如此一来，暂存电压会在第三预设期间后才被更新。更清楚来说，在递增电池堆的输出电流之后，设定等待计数等于2(亦即对应前述实施例的2个预设周期，第三预设期间)，以及清除扰动计数等于0(步骤S615)。
在设定完等待计数与清除完扰动计数后，即可返回开始以重新取得电池堆的输出电压(步骤S603)，接着判断等待计数是否大于0(步骤S605)。由于此时等待计数为2，所以将等待计数减1(步骤S617)，进而判断等待计数是否等于0(步骤S619)。若等待计数未等于0，则返回至开始，直至等待计数等于0为止。一旦等待计数等于0，就将暂存电压更新为对应于所递增的输出电流而改变的输出电压(步骤S621)，并且再次对电池堆的输出电流进行下一循环的调整。
另一方面，若电池堆的输出电压于步骤S607中判断为小于暂存电压，则进一步地判断电池堆的输出电压的变化程度是否大于预设值(步骤S623)。若电池堆的变化程度小于预设值，则有可能是受外在环境的影响所扰动，且电池堆内部氢流量可能还是足够的。如此一来，即返回开始以重新取得并判断电池堆的输出电压。然而，若电池堆的变化程度大于预设值，则于第二预设期间(对应前述实施例的1个预设周期)内递减电池堆的输出电流(步骤S625)。
响应于电池堆的输出电流的递减，电池堆的输出电压也会跟着改变(因电池堆的特性的缘故)。如此一来，即可再次对暂存电压进行下一次的更新(亦即将暂存电压更新为对应于所递减的输出电流而改变的输出电压)，以及再次对电池堆的输出电流进行下一循环的调整。
相似地，于本实施例中，第一预设期间可以大于第二预设期间与第三预设期间，且第三预设期间可以大于第二预设期间，但并不限制于此，一切视实际设计需求而论。
综上所述，在本发明的上述实施例中，至少可以实现以下其中之一目标：
1、动态地调整电池堆的输出电流，故可适用在具有变动燃料供应的环境(亦即变动燃料流量)的燃料电池系统中；
2、不需预设固定的工作点，故可适用在不同老化程度的电池堆上；
3、使用阶梯式的调整方式以对电池堆的输出电流进行调整，藉以让电池堆的输出电压与输出电流的变化程度相对平滑，故可提升电池堆的使用寿命；
4、观察电池堆的输出电压变化以致使电池堆不会进入燃料不足区，故不会使电池堆的输出电压骤降而造成电池堆的损伤；以及
5、等待进入至电池堆的燃料稳定后才会继续对电池堆的输出电流进行下一循环的调整，故燃料电池系统并不会误判燃料供应的状态以使电池堆的输出电压骤降而造成电池堆的损伤。
以上所者，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及说明书所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统的控制方法，包括：
判断所述燃料电池系统中的电池堆的输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压；
若是，则于第二预设期间内递增所述电池堆的输出电流；
若否，则在所述电池堆的所述输出电压的变化程度大于预设值时，于所述第二预设期间内递减所述电池堆的所述输出电流；以及
响应于所述输出电流的递增或递减而改变所述电池堆的所述输出电压，并且于第三预设期间后，将所述暂存电压更新为所述已改变的输出电压。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中在判断所述燃料电池系统中的所述电池堆的所述输出电压于所述第一预设期间内是否大于等于所述暂存电压之前，还包括：
取得所述电池堆的所述输出电压。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，其中在取得所述电池堆的所述输出电压之前，还包括：
进行缓启动程序以使所述电池堆适于运作。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，其中若所述变化程度小于所述预设值，则重新取得所述电池堆的所述输出电压以进行判断。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述第一预设期间大于所述第二预设期间与所述第三预设期间，且所述第三预设期间大于所述第二预设期间。
6.一种燃料电池系统，包括：
电池堆，用以进行化学反应而产生电能；
检测单元，耦接所述电池堆，用以检测所述电池堆的输出电压与输出电流；
转换单元，耦接所述电池堆，用以转换所述输出电压与所述输出电流；以及
处理单元，耦接所述检测单元与所述转换单元，用以判断所述输出电压于第一预设期间内是否大于等于暂存电压；若是，则于第二预设期间内控制所述转换单元以间接地递增所述电池堆的所述输出电流；若否，则在所述电池堆的所述输出电压的变化程度大于预设值时，于所述第二预设期间内控制所述转换单元以间接地递减所述电池堆的所述输出电流；以及响应于所述电池堆的所述输出电流的递增或递减而控制所述转换单元以间接地改变所述电池堆的所述输出电压，并且于第三预设期间后，将所述暂存电压更新为所述已改变的输出电压。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中若所述变化程度小于所述预设值，则所述处理单元重新判断所述输出电压于所述第一预设期间内是否大于等于所述暂存电压。
8.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述第一预设期间大于所述第二预设期间与所述第三预设期间，且所述第三预设期间大于所述第二预设期间。
9.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述电池堆至少为质子交换膜型燃料电池堆。
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