CN112786928A - 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，用于连接一负载或一外部转换器，燃料电池系统包括一电堆以及一直流/直流转换器。电堆包含阳极输出端以及阴极输出端。直流/直流转换器包含第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端。第一输入端电性连接阳极输出端，第二输入端电性连接阴极输出端，而第二输出端电性连接于电堆的该阳极输出端。其中直流/直流转换器的第一输出端以及电堆的阴极输出端分别用于电性连接于负载或外部转换器。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明有关于一种燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
目前燃料电池的并网系统主要有串联以及并联两种结构。以并网效率来说，因为串联结构的电压相对接近并网电压，因此效率相对的高。燃料电池以氢气与甲烷做为燃料以产生电能、热量及水，当燃料电池运作一段时间后，部分的电堆会产生积水与性能下降问题，因此必须对积水的电堆进行排水程序。然而，当具有串联结构的并网系统在进行排水程序时，其他未积水的电堆的输出能量也会受到积水的电堆的影响以及限制。
再者，当燃料电池因为积水问题或性能下降导致其输出电压经常低于额定电压操作下限值，可能导致燃料电池会有极性反转，造成燃料电池的损伤。
发明内容
本发明在于提供一种燃料电池系统及其控制方法，可有效地控制燃料电池系统的每一电堆的输出电压维持于额定电压操作上限值以及额定电压操作下限值之间，以及提高燃料电池系统输出至负载的电压以及功率。
本发明所揭露的一种燃料电池系统，用于连接负载或外部转换器，燃料电池系统包括电堆及直流/直流转换器。电堆包含阳极输出端以及阴极输出端。直流/直流转换器包含第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端。第一输入端电性连接阳极输出端，第二输入端电性连接阴极输出端，第二输出端电性连接于电堆的该阳极输出端，而直流/直流转换器的第一输出端以及电堆的阴极输出端分别用于电性连接负载或外部转换器的两端。
本发明所揭露的一种燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统包含多个电堆、多个电压感测器、处理器、多个直流/直流转换器以及一个输出端电压转换器，而控制方法包括：以电压感测器分别测量电堆的电压值且传送电压值至处理器；以处理器定义具有最小电压值的电堆为参考电堆，而参考电堆为该些电堆之一；以处理器判断参考电堆的电压值是否小于额定电压操作上限值；若处理器确认参考电堆的电压值小于额定电压操作上限值，以处理器判断参考电堆的电压值是否小于额定电压操作下限值；以及若处理器确认参考电堆的电压值小于额定电压操作下限值，以处理器发出降低电流命令至输出端电压转换器。
本发明所揭露的一种燃料电池系统的控制方法，包括：以电压感测器分别测量电堆的电压值且传送电压值至处理器；以处理器定义具有最小电压值的电堆为参考电堆，而参考电堆为该些电堆之一；以处理器判断参考电堆的电压值是否小于额定电压操作上限值；若处理器确认该参考电堆的电压值小于额定电压操作上限值，以处理器分别判断电堆的电压值是否大于额定电压操作上限值；若处理器确认该些电堆中的至少一个的电压值大于额定电压操作上限值，以处理器致能与具有大于该额定电压操作上限值的电压值的电堆相连接的直流/直流转换器以及停能其他剩余的直流/直流转换器；以处理器判断被致能的直流/直流转换器的输出电压值是否大于额定电压操作上限值；以及若处理器确认该被致能的直流/直流转换器的输出电压值大于额定电压操作上限值，以处理器发出增加电压命令至被致能的直流/直流转换器。
本发明的燃料电池系统及其控制方法，乃通过电压补偿的机制来提高燃料电池系统的输出电压。此外还有效地控制燃料电池系统的每一电堆的输出电压维持于额定电压操作下限值与额定电压操作上限值之间，藉此确保每个电堆都在额定电压发电状态以及避免电堆发生极性反转的状况。再者，更依据燃料电池系统是否处于轻载状态以及电堆性能是否不佳，来控制每一直流/直流转换器的停能状态以及致能状态，藉此达到提高燃料电池系统整体的输出电压以及输出功率，以便降低高电流下的线路损耗。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为根据本发明燃料电池系统的第一实施例所示的功能方块图。
图2为根据本发明燃料电池系统的第二实施例所示功能方块图。
图3为根据本发明燃料电池系统的第三实施例所示功能方块图。
图4为根据本发明燃料电池系统的第四实施例所示功能方块图。
图5为根据本发明燃料电池系统的控制方法的第一实施例所示的流程图。
图6为根据本发明燃料电池系统的控制方法的第二实施例所示的流程图。
其中，附图标记：
10 电堆
101 阳极输出端
102 阴极输出端
11 直流/直流转换器
111 第一输入端
112 第二输入端
113 第一输出端
114 第二输出端
115 电气隔离变压器
12 电压感测器
13 处理器
14 输出端电压转换器
141 第三输入端
142 第四输入端
143 第三输出端
15 第一电容
151 第一正极
152 第一负极
16 第二电容
161 第二正极
162 第二负极
17 第一开关
171 第一端部
172 第二端部
18 第二开关
181 第三端部
182 第四端部
L 负载
V 输出电压
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求范围及附图，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
图1为根据本发明燃料电池系统的第一实施例所示的功能方块图。如图1所示，燃料电池系统包括一电堆10、一直流/直流转换器11、一电压感测器12、一处理器13以及一输出端电压转换器14。电堆10具有一阳极输出端101以及一阴极输出端102，而直流/直流转换器11包含一第一输入端111、一第二输入端112、一第一输出端113、一第二输出端114以及一电气隔离变压器115。该直流/直流转换器11的第一输入端111电性连接于电堆10的阳极输出端101，直流/直流转换器11的第二输入端112电性连接电堆10的阴极输出端102，而直流/直流转换器11的第二输出端114电性连接于电堆10的阳极输出端101。电气隔离变压器115设于直流/直流转换器11的内部。
如图1所示，电压感测器12电性连接于电堆10以便量测阳极输出端101与阴极输出端102之间的输出电压V。处理器13电性连接于电压感测器12以便接收以及处理来自电压感测器12的电压。输出端电压转换器14例如为直流/交流转换器或直流/直流转换器，输出端电压转换器14包含有一第三输入端141、一第四输入端142以及一第三输出端143，输出端电压转换器14的第三输入端141电性连接于直流/直流转换器11的第一输出端113，输出端电压转换器14的第四输入端142电性连接于直流/直流转换器11的第二输入端112以及电堆10的阴极输出端102，而输出端电压转换器14的第三输出端142用于电性连接于负载L。
在一实施例中，电压感测器12、处理器13以及输出端电压转换器14设于同一电路板上。在其他实施例中，电压感测器12、处理器13以及输出端电压转换器14各设有无线通讯元件，电压感测器12及输出端电压转换器14可设于同一电路板或不同电路板，而处理器13设于一远端装置(例如云端服务器)，而电压感测器12、处理器13以及输出端电压转换器14通过无线通讯进行信息传递。
在另一实施例中，输出端电压转换器14的第三输出端142用于电性连接于一外部转换器。
图2为根据本发明燃料电池系统的第二实施例所示的功能方块图。如图2所示，燃料电池系统更包括一第一电容15以及一第二电容16，而第一电容15以及第二电容16作为稳压元件。其中该第一电容15包含一第一正极151以及一第一负极152，而第二电容16包含一第二正极161以及一第二负极162。第一电容15的第一正极151电性连接于直流/直流转换器11的第一输出端113以及输出端电压转换器14的第三输入端141，而第一电容15的第一负极152电性连接于直流/直流转换器11的第二输出端114。第二电容16的第二正极161电性连接于第一电容15的第一负极152以及电堆10的阳极输出端101，而第二电容16的第二负极162电性连接于直流/直流转换器11的第二输入端112、电堆10的阴极输出端102以及输出端电压转换器14的第四输入端142。
图3为根据本发明燃料电池系统的第三实施例所示的功能方块图。如图3所示，燃料电池系统更包括一第一开关17以及一第二开关18，而第一开关17以及第二开关18作为电堆10发生极性反转时的保护元件。其中该第一开关17包含一第一端部171以及一第二端部172，而该第二开关18包含一第三端部181以及一第四端部182。第一开关17的第一端部171电性连接第一电容15的第一正极151以及输出端电压转换器14的第三输入端141，而第一开关17的第二端部172电性连接第一电容15的第一负极152。第二开关18的第三端部181电性连接第一开关17的第二端部172以及第二电容16的第二正极161，而第二开关18的第四端部182电性连接于第二电容16的第二负极162以及输出端电压转换器14的第四输入端142。
图4为根据本发明燃料电池系统发第四实施例所示功能方块图。如图4所示，图4的燃料电池系统为N个图3的燃料电池系统的相互串联，其中N为大于2的正整数。搭配第一个电堆10的第一开关17的第一端部171电性连接于输出端电压转换器14的第三输入端141，而搭配第N个电堆10的第二开关18的第四端部182电性连接于输出端电压转换器14的第四输入端142。在本实施例中，第一开关17以及第二开关18为二个相同的二极管，第一端部171以及第二端部172为其中一个二极管的阴极(N)与阳极(P)，而第三端部181以及第四端部182为另一个二极管的阴极(N)与阳极(P)。当第一个电堆10发生极性反转时，搭配第一个电堆10的二个二极管处于导通状态以作为电流传输路径。
图5为根据图4的燃料电池系统所执行的控制方法的第一实施方式所示的流程图，同理图1～图3的燃料电池系统亦可执行图5的控制方法。共同参阅图4与图5，在步骤S101中，以多个电压感测器12分别测量多个电堆10的多个电压值且传送该些电压值至一处理器13。在步骤S102中，以处理器13定义具有最小电压值的电堆10为一参考电堆，而参考电堆为该些电堆10之一。在步骤S103中，以处理器13判断参考电堆的电压值是否小于一额定电压操作上限值。若处理器13确认参考电堆的电压值小于额定电压操作上限值，接着进入步骤S104：以处理器13判断参考电堆的电压值是否小于额定电压操作下限值。若处理器13确认参考电堆的电压值未小于额定电压操作上限值，接着进入步骤S105：以处理器13发出一增加电流命令至输出端电压转换器14，藉此提高输出端电压转换器14的输出电流。若处理器13确认参考电堆的电压值小于额定电压操作下限值，接着进入步骤S106：以处理器13发出降低电流命令至输出端电压转换器，藉此降低输出端电压转换器14的输出电流。若处理器13确认参考电堆的电压值未小于额定电压操作下限值，接着进入步骤S107：维持输出端电压转换器14的输出电流。在输出端电压转换器14依据降低电流命令降低输出端电压转换器的输出电流之后，再次重新执行步骤S104。
当电堆的输出电压超过额定电压操作上限值，代表电堆的输出功率未达额定值以及最佳操作点条件，而当电堆的输出电压低于额定电压操作下限值，则容易导致极性反转而损坏电堆。本发明的燃料电池系统执行图5的控制方法之后，可有效地控制燃料电池系统的每一电堆的输出电压维持于额定电压操作下限值与额定电压操作上限值之间，藉此确保每个电堆都在额定电压发电状态以及避免电堆发生极性反转的状况。
图6为根据图4的燃料电池系统所执行的控制方法的第二实施方式所示的流程图，同理图1～图3的燃料电池系统亦可执行图6的控制方法。共同参阅图4与图6，在步骤S201中，以多个电压感测器12分别测量多个电堆10的多个电压值且传送该些电压值至一处理器13。在步骤S202中，以处理器13定义具有最小电压值的电堆11为参考电堆，而参考电堆为该些电堆10之一。在步骤S203中，以处理器13判断参考电堆的电压值是否小于或等于一额定电压操作上限值。若步骤S203的判断结果为肯定，则进入步骤S204：以处理器13判断是否至少一个电堆10的电压值大于额定电压操作上限值。
反之若步骤S203的判断结果为否定，意即燃料电池系统的所有电堆11的电压值均大于额定电压操作上限值而使得燃料电池系统处于轻载状态，则进入步骤S205：以处理器13停能所有的直流/直流转换器11。
若步骤S204的判断结果为肯定，意即所有电堆10之中至少有一个电堆10的电压值大于额定电压操作上限值，则进入步骤S206：以处理器13将所有电堆10分为第一电堆组以及第二电堆组，其中第一电堆组的每个电堆10的电压值大于额定电压操作上限值，而第二电堆组的每个电堆10的电压值小于或等于额定电压操作上限值，而以处理器13致能与第一电堆组相连接的的直流/直流转换器11以及停能与第二电堆组相连接的直流/直流转换器11。举例来说，N个电堆10分别定义为第1号至第N号电堆，处理器13确认第1号电堆与第2号电堆的电压值大于额定电压操作上限值，而第3号电堆至第N号电堆的电压值小于或等于额定电压操作上限值，则处理器13致能与第1号电堆以及第2号电堆相连接的直流/直流转换器11以及停能与第3号电堆至第N号电堆相连接的直流/直流转换器11。
反之，若步骤S204的判断结果为否定，意即所有电堆10的电压值均小于或等于额定电压操作上限值，则进入步骤S205。
在步骤S206之后，接续步骤S207。在步骤S207中，以处理器判断被致能的直流/直流转换器11的输出电压值是否大于额定电压操作上限值。若处理器13确认被致能的直流/直流转换器11的输出电压值大于该额定电压操作上限值，接着执行步骤S208：以处理器发出一增加电压命令至被致能的直流/直流转换器11，藉此增加被致能的直流/直流转换器11的输出电压。若处理器13确认被致能的直流/直流转换器11的输出电压值未大于额定电压操作上限值，接着执行步骤S209：以处理器发出一降低电压命令至被致能的直流/直流转换器11，藉此降地被致能的直流/直流转换器11的输出电压。在执行完步骤S208或步骤S209之后，再次执行步骤S204。
本发明的燃料电池系统执行图6的控制方法之后，可依据燃料电池系统是否处于轻载状态以及电堆性能是否不佳，来控制每一直流/直流转换器的停能状带以及致能状态，藉此达到提高燃料电池系统整体的输出电压以及输出功率。
综上所述，依据本发明的燃料电池系统及其控制方法，燃料电池系统的直流/直流转换器的容量不需匹配到与电堆足瓦功率。本发明的控制方法通过电压补偿的机制，以提高燃料电池系统的输出电压。此外，还有效地控制燃料电池系统的每一电堆的输出电压维持于额定电压操作下限值与额定电压操作上限值之间，藉此确保每个电堆都在额定电压发电状态以及避免电堆发生极性反转的状况。再者，更依据燃料电池系统是否处于轻载状态以及电堆性能是否不佳，来控制每一直流/直流转换器的停能状带以及致能状态，藉此达到提高燃料电池系统整体的输出电压以及输出功率，以便降低高电流下的线路损耗。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，用于连接一负载或一外部转换器，其特征在于，该燃料电池系统包括：
一电堆，包含一阳极输出端以及一阴极输出端；以及
一直流/直流转换器，包含一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端以及一第二输出端，该第一输入端电性连接该阳极输出端，该第二输入端电性连接该阴极输出端，该第二输出端电性连接于该电堆的该阳极输出端；
其中该直流/直流转换器的该第一输出端以及该电堆的该阴极输出端分别用于电性连接该负载或该外部转换器。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该直流/直流转换器包含有一电气隔离变压器。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，更包括一第一电容及一第二电容，该第一电容包含一第一正极以及一第一负极，该第二电容包含一第二正极以及一第二负极，该第一正极电性连接该第一输出端，该第一负极电性连接该第二输出端，该第二正极电性连接该阳极输出端、该第一负极以及该阳极输出端，该第二负极电性连接该第二输入端以及该阴极输出端。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，更包括一第一开关及一第二开关，该第一开关包含一第一端部以及一第二端部，该第二开关包含一第三端部以及一第四端部，该第一端部电性连接该第一正极，该第二端部电性连接该第一负极，该第三端部电性连接该第二端部以及该第二正极，该第四端部电性连接该第二负极。
5.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，该燃料电池系统包含多个电堆、多个电压感测器、一处理器、多个直流/直流转换器以及一个输出端电压转换器，而该控制方法包括：
以该些电压感测器分别测量该些电堆的多个电压值且传送该些电压值至该处理器；
以该处理器定义具有最小电压值的该电堆为一参考电堆，而该参考电堆为该些电堆之一；
以该处理器判断该参考电堆的电压值是否小于一额定电压操作上限值；
若该处理器确认该参考电堆的电压值小于该额定电压操作上限值，以该处理器判断该参考电堆的电压值是否小于一额定电压操作下限值；以及
若该处理器确认该参考电堆的电压值小于该额定电压操作下限值，以该处理器发出一降低电流命令至该输出端电压转换器。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括若该处理器确认该参考电堆的电压值未小于该额定电压操作上限值，以该处理器发出一增加电流命令至该输出端电压转换器。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括当该输出端电压转换器依据该降低电流命令降低该输出端电压转换器的输出电流之后，再次执行该处理器判断该参考电堆的电压值是否小于该额定电压操作下限值的步骤。
8.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，该燃料电池系统包含多个电堆、多个电压感测器、一处理器、多个直流/直流转换器以及一个输出端电压转换器，而该控制方法包括：
以该些电压感测器分别测量该些电堆的多个电压值且传送该些电压值至该处理器；
以该处理器定义具有最小电压值的该电堆为一参考电堆，而该参考电堆为该些电堆之一；
以该处理器判断该参考电堆的电压值是否小于一额定电压操作上限值；
若该处理器确认该参考电堆的电压值小于该额定电压操作上限值，以该处理器分别判断该些电堆中的至少一个的电压值是否大于该额定电压操作上限值；
若该处理器确认该些电堆之一的电压值大于该额定电压操作上限值，以该处理器致能与具有大于该额定电压操作上限值的电压值的该电堆相连接的该直流/直流转换器以及停能其他剩余的直流/直流转换器；
以该处理器判断该被致能的直流/直流转换器的输出电压值是否大于该额定电压操作上限值；以及
若该处理器确认该被致能的直流/直流转换器的输出电压值大于该额定电压操作上限值，以该处理器发出一增加电压命令至该被致能的直流/直流转换器。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括当该被致能的该直流/直流转换器依据该增加电压命令输出一电压之后，再次执行以该处理器分别判断该些电堆中的至少一个的电压值是否大于该额定电压操作上限值之步骤。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括若该处理器确认该参考电堆的电压值未小于该额定电压操作上限值，以该处理器停能所有的该些直流/直流转换器。
11.如权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括若该处理器确认该些电堆之一的电压值未大于该额定电压操作上限值，以该处理器停能与具有未大于该额定电压操作上限的电压值的该电堆相连接的该直流/直流转换器。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，更包括若该处理器确认该被致能的直流/直流转换器的输出电压值未大于该额定电压操作上限值，以该处理器发出一减少电压命令至该被致能的直流/直流转换器。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统的控制方法，更包括当该被致能的该直流/直流转换器依据该减少电压命令输出一电压之后，再次执行以该处理器分别判断该些电堆的电压值是否大于该额定电压操作上限值的步骤。
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