CN102623725A - 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。上述控制方法包括设定电池堆的控制温度；检测环境温度及电池堆的运作温度；以及依据环境温度、电池堆的运作温度、电池堆的目前发热量，计算电池堆的热阻值。上述控制方法还包括依据控制温度、环境温度以及热阻值，设定电池堆的允许发热量。当电池堆的目前发热量小于允许发热量且运作温度小于控制温度时，提升电池堆的目前发热量。当电池堆的目前发热量大于允许发热量或运作温度大于控制温度时，降低电池堆的目前发热量。

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，且特别涉及一种具有温度保护机制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。燃料电池具有多种类型，其中常见的为质子交换膜型燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell；PEMFC)。此外，在燃料电池系统中，电池堆的运作温度是关键的性能指针之一。
可携式燃料电池为近年来新颖的燃料电池应用之一，在微小化燃料电池的过程中，系统会精简掉一些非必要的辅助装置，例如散热的风扇。在没有散热装置的燃料电池系统中，温度的控制更为重要及困难。
图1为电池堆在不同运作温度下的电池电压与电流密度的关系图。请参考图1，根据研究数据显示，当电池堆的运作温度越高时，在相同电流密度下，其电压输出较大，表示性能较好，这是因为较高的温度会帮助电化学反应及质子在质子交换膜(proton exchange membrane)的传递速度。但是电池堆的运作温度不能无限制地提高，因为太高的运作温度会导致质子交换膜的材料无法承受过高的运作温度而损伤，使燃料电池的寿命大大减低。
图2为现有燃料电池系统于进行温度控制时的流程图。请参考图2，首先会取得电池堆的温度(步骤S210)，并判断此温度是否大于保护温度(步骤S220)。当电池堆的温度大于保护温度时，表示燃料电池产生的热过多，需减少燃料电池的功率输出(步骤S230)，以降低温度；当电池堆的温度小于保护温度时，表示燃料电池产生的热在允许范围内，可以增加燃料电池的功率输出(步骤S240)。然而这样的控制方式仅判断电池堆的温度是否大于保护温度，容易导致燃料电池系统的温度过度地上下振荡而不稳定。
此外，在中国台湾第201025790号公开发明申请中揭示了一种具有温度补偿控制的电源供应装置。其选择性地自外部电源供电予负载，或自外部电源对电池充电。其输出电压设有高低限，当感测温度低于预设温度时，输出电压容许为高限；当感测温度高于预设温度时，输出电压的最高容许值随感测温度与预设温度的温差增加而逐渐下降，但仍高于所设的低限。再者，在中国台湾第200733465号公开发明申请中揭示了一种电源系统的控制方法。又，在美国第20050069740号公开专利申请中，揭露了一种燃料电池系统的调节及温度控制方法。此外，在美国第6881509号专利中，揭露了一种燃料电池系统的功率控制方法及系统。
发明内容
本发明提出一种燃料电池系统的控制方法，此方法基于环境温度、电池堆的控制温度、电池堆的热阻值来设定电池堆的允许发热量，藉此可避免温度过度地上下振荡。
本发明提出一种燃料电池系统，其基于环境温度、电池堆的控制温度、电池堆的热阻值来设定电池堆的允许发热量，藉此可在没有散热装置的情况下，控制电池堆的温度。
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。上述方法包括设定电池堆的控制温度，以及检测燃料电池系统的环境温度和电池堆的运作温度。上述方法还包括依据电池堆的输出电压及输出电流，计算电池堆的目前发热量。上述方法还包括依据环境温度、运作温度以及目前发热量，计算电池堆的热阻值。上述方法还包括依据控制温度、环境温度以及热阻值，设定电池堆的允许发热量。上述方法还包括当目前发热量小于允许发热量且运作温度小于控制温度时，提升目前发热量；而当目前发热量大于允许发热量或运作温度大于控制温度时，降低目前发热量。
本发明的一实施例提出一种燃料电池系统。上述的燃料电池系统包括电池堆、第一温度传感器、第二温度传感器、电压电流检测单元、处理器。电池堆用以进行化学反应，以输出电能。第一温度传感器用以检测电池堆的运作温度。第二温度传感器用以检测环境温度。电压电流检测单元用以检测电池堆的输出电压及输出电流。处理器电连接至第一温度传感器、第二温度传感器以及电压电流检测单元。处理器依据电池堆的输出电压及输出电流，计算电池堆的目前发热量。处理器依据环境温度、运作温度以及目前发热量计算电池堆的热阻值。处理器依据控制温度、环境温度以及热阻值设定电池堆的允许发热量。处理器依据预设的控制温度、环境温度以及热阻值，设定电池堆的允许发热量，且处理器根据目前发热量、允许发热量、运作温度及控制温度调整目前发热量。
在本发明的一实施例中，燃料电池系统还包括转换器，转换器电连接至电池堆及处理器，用以转换电池堆的输出电压或输出电流，以产生并输出负载电压。
在本发明的一实施例中，上述的环境温度为Ta，运作温度为TS，控制温度为Tc，目前发热量为Egen，而热阻值为R，则R等于
Figure BSA00000431466500031
允许发热量等于
Figure BSA00000431466500032
在本发明的一实施例中，当提升或降低目前发热量时，处理器通过调整输出电压或输出电流来调整目前发热量。
在本发明的一实施例中，上述的电池堆为质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)堆。
在本发明的上述实施例中，燃料电池系统的处理器基于环境温度及电池堆的温度之间的差异，适应性地设定电池堆的允许发热量，藉此可在没有散热装置的情况下，仍能控制温度，同时可避免温度过度地上下振荡。
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。
附图说明
图1为电池堆在不同运作温度下的电池电压与电流密度的关系图；
图2为现有燃料电池系统于进行温度控制时的流程图；
图3为本发明一实施例的燃料电池系统的框图；
图4为本发明一实施例的控制燃料电池系统的流程图；
图5A为本发明一实施例的燃料电池系统启动后其电池堆的运作温度及热阻值与时间的关系图；
图5B为本发明一实施例的燃料电池系统启动后其电池堆的允许发热量及目前发热量与时间的关系图；
图6绘示本发明一实施例的燃料电池系统经过实际试验后所得到的运作温度、允许发热量以及目前发热量与时间的关系。
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，在以下结合附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图3为本发明一实施例的燃料电池系统的框图。请参考图3，燃料电池系统300包含有电池堆310、第一温度传感器320、第二温度传感器330、电压电流检测单元340、处理器350以及转换器360。电池堆310用以进行化学反应，以输出电能。在本发明一实施例中，燃料电池系统300为质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)。而在本发明一实施例中，燃料电池系统300为直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell；DMFC)。其中，不论是质子交换膜型燃料电池或是直接甲醇燃料电池，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。
第一温度传感器320用以检测电池堆310的运作温度TS，于实际测量时，利用第一温度传感器320以接触或红外线检测或其它方式取得电池堆310的表面温度，此表面温度即为本实施例中的运作温度TS。而第二温度传感器330用以检测燃料电池系统300所在处的环境温度Ta。电压电流检测单元340用以检测电池堆310的输出电压VS及输出电流IS，电压电流检测单元340可为欧姆计、安培计的组合或三用电表等具有测量电压和电流功能的装置。处理器350电连接至第一温度传感器320、第二温度传感器330以及电压电流检测单元340，以接收来自第一温度传感器320、第二温度传感器330以及电压电流检测单元340所测量而得的信号。处理器350依据电压电流检测单元340所检测到的电池堆310的输出电压VS及输出电流IS计算电池堆310的目前发热量Egen，其中Egen∝IS×VS。
此外，处理器350依据第一温度传感器320、第二温度传感器330所检测到的运作温度TS、环境温度Ta、以及目前发热量Egen计算电池堆310的热阻值R。在本发明一实施例中，上述的热阻值R等于
Figure BSA00000431466500051
其中热阻值R正比目前发热量Egen的倒数，并反比于输出电压VS或输出电流IS。然而，值得注意的是，上述的热阻值R的计算方式并不以此为限。
再者，处理器350还会依据预设的控制温度TC、环境温度Ta以及热阻值R设定电池堆310的允许发热量Eallow。其中，控制温度TC的大小为默认值，其依据不同燃料电池系统(电池堆)而有不同的设定，以本实施例来说，控制温度TC为电池堆310预设的最高允许温度值。详言之，藉由本发明的方法所控制的燃料电池系统300，电池堆310的运作温度TS在正常情况下大部分时间不会超过控制温度TC。此外，在本发明一实施例中，上述的允许发热量Eallow等于
Figure BSA00000431466500052
然而，值得注意的是，上述的允许发热量Eallow的计算方式并不以此为限。
转换器360电连接至电池堆310及处理器350，用以转换电池堆310的输出电压或输出电流，以产生并输出负载电压，以供电至负载380。
在本实施例中，当目前发热量Egen小于允许发热量Eallow且运作温度TS小于控制温度TC时，处理器350藉由控制转换器360的操作，来提升目前发热量Egen。另一方面，当目前发热量Egen大于允许发热量Eallow或运作温度TS大于控制温度TC时，处理器350控制转换器360，以降低目前发热量Egen。
在本发明一实施例中，处理器350是通过调整燃料电池系统300的工作点来提升或降低目前发热量Egen。详言之，当燃料电池系统300运作时，其工作曲线如图1所示，处理器350通过调整转换器360的输出电压或输出电流，来改变燃料电池系统300的工作点在上述工作曲线上的位置。
图4为本发明一实施例的控制燃料电池系统的流程图。请参考图4，在步骤S400中，根据燃料电池系统300的特性设定电池堆310控制温度TC的大小。在步骤S410中，藉由第一温度传感器320检测环境温度Ta以及藉由第二温度传感器330检测电池堆310的运作温度TS。在步骤S420中，处理器350依据电池堆310的输出电压VS及输出电流IS，计算电池堆310的目前发热量Egen。在步骤S430中，处理器350依据环境温度Ta、运作温度TS以及目前发热量Egen，计算电池堆310的热阻值R。在步骤S440中，处理器350依据控制温度TC、环境温度Ta以及热阻值R，设定电池堆310的允许发热量Eallow。在步骤S450中，处理器350判断是否目前发热量Egen小于允许发热量Eallow且运作温度TS小于控制温度TC。倘若目前发热量Egen大于允许发热量Eallow或是运作温度TS大于控制温度TC，则降低目前发热量热量Egen(步骤S460)。倘若目前发热量Egen小于允许发热量Eallow且运作温度TS小于控制温度TC，则提升目前发热量热量Egen(步骤S470)。值得注意地，在本发明一实施例中，燃料电池系统300会每隔预定时间间隔(例如10秒)重复地执行上述的流程(步骤S410～S470)一次。
图5A为本发明一实施例之燃料电池系统300启动后其电池堆310的运作温度TS及热阻值R与时间的关系图。图5B为本发明一实施例的燃料电池系统300启动后其电池堆310的允许发热量Eallow及目前发热量Egen与时间的关系图。请参考图5A及图5B，当燃料电池系统300启动后，电池堆310的运作温度TS会从环境温度Ta开始逐渐地上升至控制温度TC。其中，在运作温度TS未上升前，热阻值R较小，故允许发热量Eallow较大。之后，随着运作温度Ts上升，热阻值R也跟着上升，而导致允许发热量Eallow随之下降。最后，目前发热量Egen会等于允许发热量Eallow，且运作温度Ts会等于控制温度Tc，而达成系统热平衡状态。
图6绘示本发明一实施例的燃料电池系统300经过实际试验后所得到的运作温度TS、允许发热量Eallow以及目前发热量Egen与时间的关系。其中，其测试条件为环境温度为27±1℃，而控制温度TC设定为53℃，且是在无外加驱动力的散热装置(如风扇)的自然对流的情况下所进行的试验。实验纪录如图6所示，在未达控制温度53℃前，允许发热量Eallow为发散的情况。亦即，随着电池堆的运作温度TS逐渐升高后，允许发热量Eallow也逐渐下降并趋近目前发热量Egen。在时间点TB之后，运作温度TS稳定在控制温度53℃以内。由此结果显示，通过本发明的上述各实施例能有效地将燃料电池温度控制在稳定的状态。
综上所述，在本发明的上述实施例中，燃料电池系统的处理器因应基于环境温度及电池堆的温度之间的差异，适应性地而设定电池堆的允许发热量，藉此可在没有散热装置的情况下，仍能安全而有效地控制温度。
以上所述，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发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。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，所述燃料电池系统包括电池堆，所述方法包括：
设定所述电池堆的控制温度；
检测所述燃料电池系统的环境温度以及所述电池堆的运作温度；
依据所述电池堆的输出电压及输出电流，计算所述电池堆的目前发热量；
依据所述环境温度、所述运作温度以及所述目前发热量，计算热阻值；
依据所述控制温度、所述环境温度以及所述热阻值，设定所述电池堆的允许发热量；
当所述目前发热量小于所述允许发热量且所述运作温度小于所述控制温度时，提升所述目前发热量；以及
当所述目前发热量大于所述允许发热量或所述运作温度大于所述控制温度时，降低所述目前发热量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述环境温度为Ta，所述运作温度为Ts，所述控制温度为Tc，所述目前发热量为Egen，所述热阻值为R，所述允许发热量等于
3.如权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中是通过调整所述输出电压或输出电流来提升或降低所述目前发热量。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述电池堆为质子交换膜型燃料电池堆。
5.一种燃料电池系统，包括：
电池堆，用以进行化学反应，以输出电能；
第一温度传感器，用以检测所述电池堆的运作温度；
第二温度传感器，用以检测环境温度；
电压电流检测单元，用以检测所述电池堆的输出电压及输出电流；以及
处理器，电连接至所述第一温度传感器、所述第二温度传感器以及所述电压电流检测单元，其中所述处理器依据所述输出电压及所述输出电流计算所述电池堆的目前发热量，所述处理器依据所述环境温度、所述运作温度以及所述目前发热量计算所述电池堆的热阻值，且所述处理器依据预设的控制温度、所述环境温度以及所述热阻值设定所述电池堆的允许发热量，且所述处理器根据所述目前发热量、所述允许发热量、所述运作温度及所述控制温度调整所述目前发热量。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，还包括转换器，电连接至所述电池堆及所述处理器，用以转换所述电池堆的所述输出电压或输出电流。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述处理器控制所述转换器来调整所述目前发热量。
8.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述环境温度为Ta，所述运作温度为Ts，所述控制温度为Tc，所述目前发热量为Egen，所述热阻值为R，
Figure FSA00000431466400021
所述允许发热量等于
9.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述电池堆为质子交换膜型燃料电池堆。
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