CN1536699A - 燃料电池组的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池组的控制装置是包括有一微处理器、一电压检测电路、一电流检测电路、一氢气压力检测电路、温度检测电路、一以脉宽调变控制的空气流量控制电路、一脉波产生电路，该空气流量控制电路受该微处理器的控制，依据该燃料电池组的输出电流值的大小，再以脉宽调变的控制信号控制该空气供应管线中的送风装置的风量。脉波产生电路受该微处理器的控制，可产生一脉波信号，以控制该燃料电池组的氢气供应管线中的氢气阀的开关状态。核燃料电池组在该控制装置的控制之下，依据控制程序及各项预定数值的设定值，而控制该燃料电池组的运作。

Description

燃料电池组的控制装置及方法
技术领域
本发明是为一种燃料电池的控制技术，特别是有关于一种燃料电池组的控制装置及方法，以使该燃料电池组操作于最佳操作条件。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种藉著电化学反应，直接利用含氢燃料和空气产生电力的装置。由于燃料电池具有低污染、高效率、高能量密度等优点，故成为近年来各国研发和推广的对象。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作温度较低、起动迅速、体积与重量的能量密度较高，因而最具产业价值。
典型的燃料电池组是由复数个膜电极组体(Membrane ElectrodeAssembles，MEA)组构而成，每一个膜电极组体中包括有阳极触媒层、高分子质子交换膜与阴极触媒层。将该膜电极组体结合气体扩散层与双极板叠置组合即成为一基本的燃料电池单电池。
燃料电池在反应时是依赖高分子质子交换膜传输氢离子以完成电化学反应，其性能与各项操作条件(例如操作温度、氢气流量、空气流量...等)皆息息相关。而在操作安全性方面，则与该燃料电池的输出电压值、输出电流值...等极其相关。为使燃料电池组的操作能在最佳的操作条件下运转，除了讲求燃料电池本身的良好性能之外，更应搭配良好的控制装置及操作程序。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种燃料电池组的控制装置，以使燃料电池组在该控制装置的控制之下，能使该燃料电池组操作于最佳操作条件。
本发明的另一目的是提供一种燃料电池组的控制方法，以使燃料电池组能在最佳的操作程序下，发挥最佳的操作性能。
本发明的另一目的是提供一种具有较佳操作安全性的燃料电池组的控制装置，由侦测核燃料电池组于操作时的各项信号(例如氢气压力、操作温度、电压值、电流值...)，并作相应的控制程序，以使该燃料电池组操作于安全的操作条件下。
本发明的目的是这样实现的：一种燃料电池组的控制装置，用以控制一燃料电池组的操作，该燃料电池组是分别经由空气供应管线、氢气供应管线供应所需的空气及氢气，该控制装置包括有：
一微处理器，其配置有随机存取记忆体及只读记忆体；
一电压检测电路，用以检测该燃料电池组的电压输出端的直流电压值，并将该检测出的电压值经转换后送至微处理器；
一电流检测电路，用以检测该燃料电池组所供应的电流值，并将该检测出的电流值经转换后送至微处理器；
一氢气压力检测电路，包括有至少一氢气压力表，用以检测该燃料电池组的氢气供应管线的氢气压力值，并将检测出的氢气压力值经过转换后送至微处理器；
一温度检测电路，包括有至少一温度量测元件，用以检测该燃料电池组于操作时的温度值，并将该温度量测元件所检测出的温度值在经过转换后送至微处理器；
一空气流量控制电路，受该微处理器的控制，依据该燃料电池组的输出电流值的大小控制该空气供应管线中的送风装置的风量；
一脉波产生电路，受该微处理器的控制，可产生一脉波信号，以控制核燃料电池组的氢气供应管线中的氢气阀的开关状态；
一预设数值储存单元，连接于该微处理器，其包括有各项预设储存的操作数值、时间的预设值；
一设定单元，连接于该微处理器，用以设定该控制装置的控制程序、及各项预定数值的设定，以使该燃料电池组在该控制装置的控制之下，依据控制程序及各项预定数值的设定值，而控制核燃料电池组的运作。
该电压检测电路包括有一类比至数位转换器，用以将该燃料电池组的电压输出端的直流电压值转换为数位信号送至微处理器。
该电流检测电路包括有一类比至数位转换器，用以将核燃料电池组所供应的输出电流值转换为数位信号送至微处理器。
该氢气压力检测电路包括有：
第一氢气压力表，配置在该燃料电池组的氢气供应管线的高压侧端，以量测出燃料供应装置所供应氢气的压力值，该氢气压力值经类比至数位转换器转换为数位信号送至微处理器；
第二氢气压力表，配置在核燃料电池组的氢气供应管线的低压侧端，以量测出燃料供应装置所供应氢气经过减压后的压力值，该氢气压力值经类比至数位转换器转换为数位信号送至微处理器。
该空气流量控制电路是一脉宽调变控制电路，其可产生一脉宽调变控制信号，以控制该送风装置所产生的风量。
本发明包含一种燃料电池组的控制方法，用以控制一燃料电池组的操作，该控制方法包括下列步骤：
执行该燃料电池组的启动程序，以供应空气、氢气至该燃料电池组；
量测该燃料电池组的氢气供应管线的氢气压力；
依据该氢气供应管线的氢气压力值，而控制该氢气阀的开关状态；
量测该燃料电池组的输出电压及输出电流；
依据该输出电流值的大小控制该送风装置的风量，且该送风装置的风量控制是以脉宽调变的方式予以控制。
该启动程序包括下列步骤：
开启氢气阀，使燃料供应装置的氢气供应至燃料电池组；
启动送风装置运转送出最大风量至该燃料电池组，并维持预定时间；
控制该送风装置将风量维持在最低风量。
更包括开启氢气释放阀一预定时间的步骤，以使该燃料电池组中的密闭管线系统中的杂气可予以排放。
更包括控制该燃料电池组于操作时所需要的温度的步骤。
该氢气阀的开关动作是以一脉波控制信号予以控制。
该送风装置的风量控制是：
当电流小于一预定电流值时，将送风装置的风量控制在最低风量；
当电流大于该预定电流值但小于最大电流时，依电流值的大小，将送风装置的风量控制在所需风量的3倍；
当电流大于最大电流时，将送风装置的风量控制在最大风量。
其更包括下列步骤：
依据该燃料电池组的输出电压值，控制空气供应管线中的送风装置；
当该输出电压值低于一预设低电压准位时，控制该送风装置开至最大流量，并维持数秒，再回到正常值；
开启氢气释放阀数秒，然后再关闭。
其更包括下列步骤：
当该燃料电池组的输出电压低于安全低限电压值时，关闭整个燃料电池系统的运作。
附图说明
图1是显示本发明的控制装置与燃料电池系统的相关构件及管线配置间的连接关系示意图。
图2显示本发明控制装置的进一步控制电路方块图。
图号说明
1     燃料电池组      2    负载              31    空气过滤器
32    送风装置        4    燃料供应装置      41    储氢罐
42      氢气阀                 43      压力调节器       44    氢气释放阀
51      散热器                 52      风扇             53     热交换器
54      泵浦                   55      水槽             6      控制装置
61      微处理器               611     随机存取记忆体   612    唯读记忆体
62      电压检测电路           63      电流检测电路
64      氢气压力检测电路       65      温度检测电路
66      脉宽调变控制电路       67      脉波产生电路
68      排气阀控制电路         69      泵浦控制电路
71      预设数值储存单元       72      设定单元
P1、P2  压力表                 T1、T2  温度量测元件
S1      脉宽调变控制信号       S2      脉波控制信号
S3      排气阀控制信号         S4      泵浦控制信号
具体实施方式
图1是显示本发明的系统架构配置图，其包括有一燃料电池组1(Fuel CellStack)，其是由复数个膜电极组体(Menbrane Electrode Assemnles)所组构而成，每一个膜电极组体是结合阳极电极层、质子交换膜与阴极电极层，而构成了燃料电池电化学反应的基本单位。将膜电极组体、氢体扩散层与双极板串联组合即成为电池组，前后再用导电板与端板锁紧，而构成燃料电池组。各个膜电极组体问以电气串联/并联的方式予以连接以达到所需的电压准位及电流值后，再由一正极端(+)及一负极端(-)引出该直流电至一负载2。
该燃料电池组1于操作所需的空气供应方面，是由空气源经由空气过滤器31及送风装置32(例如一鼓风机)及管线所构成的空气供应管线供应空气气流至该燃料电池组1。而在氢气的供应方面，则是由燃料供应装置4供应氢气里该燃料电池组1。该燃料供应装置4是包括有数个合金储氢罐41，其内部储存氢气，以做为该燃料电池组1的燃料。该燃料供应装置4所供应的氢气可经由一氢气阀42及压力调节器43及管线所构成的氢气供应管线而供应至该燃料电池组1中。此外，该燃料电池组1亦配置有一氢气释放阀44一温度调节装置包括有一散热器51、一风扇52、一热交换器53、一泵浦54、一水槽55，以控制该该燃料电池1在操作时所需要的恒温环境。在该温度调节装置中，泵浦54可将水槽55中的水予以抽送，经过热交换器53、以及配合散热器51及风扇52的散热效果，使燃料电池组1的操作温度得以受到控制，且水槽5亦同时可用来贮存该燃料电池组1于进行反应时所产生的水，可达到水的再利用。
在前述的燃料电池架构及管线系统中，本发明由一控制装置6控制其燃料电池系统的运作。图2显示了本发明控制装置6的电路方块图，该控制装置6主要包括有一微处理器61，其配置有随机存取记忆体611及唯读记忆体612。一电压检测电路62，用以检测核燃料电池组1在其正负电压输出端(+)、(-)所产生的直流电压值V。该电压检测电路62包括有一类比里至数位转换器，可将该燃料电池组1在其正负电压输出端(+)、(-)所产生的直流电压值经过类比至数位信号的转换之后，送至微处理器61中。
一电流检测电路63，用以检测该燃料电池组1在其输出端所供应之直流电流值1。该电流检测电路63包括有一类比至数位转换器，可将该燃料电池组1的直流电流值1经过类比至数位信号的转换之后，送至微处理器61中。
一氢气压力检测电路64，其可包括有类比至数位转换器、以及分别配置在氢气供应管线高压侧端及低压侧端的第一压力表P1及第二压力表P2，该压力表P1、P2所检测出的氢气压力值在经过类比至数位信号的转换之后，送至微处理器61中。
一温度检测电路65，其可包括有类比至数位转换器、以及分别配置在温度调节管线的第一温度量测元件T1、及第二温度量测元件T2，该温度量测元件T1、T2所检测出的温度值在经过类比至数位信号的转换之后，送至微处理器61中。一空气流量控制电路66，其是为一脉宽调变控制电路，可受该微处理器61的控制，可产生一脉宽调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制信号S1，以控制该送风装置32所产生的风量。
一脉波产生电路67，受该微处理器61的控制，可产生一脉波控制信号82，以控制氢气阀42的开关状态。本发明由脉波产生电路67所产生的脉波控制信号S2来控制氢气阀42的动作，以控制氢气的流量。例如每30秒关闭氢气阀42一次，当氢气压力降至一预定压力值时，再开启该氢气阀42，如此反覆供应该氢气至燃料电池中。
该微处理器61另连接有一排气阀控制电路68、以及一泵浦控制电路69。该排气阀控制电路68在该微处理器61的控制之下，可产生一排气阀控制信号83以控制排气阀44的开关动作。该泵浦控制电路69在该微处理器61的控制之下，可产生一泵浦控制信号S4以控制泵浦54的开关动作。
此外，该微处理器61另连接有一预设数值储存单元71，其包括有各项预设储存的操作数值、时间的预设值(例如电压额定值、电流额定值、最大电流值、氢气压力值、操作温度值...等)。一设定单元72，连接于该微处理器61，用以设定该控制装置6的控制程序、及各项预定数值的设定，以使该燃料电池组1在该控制装置6的控制之下，依据控制程序及各项预定数值的设定值，而控制该燃料电池组1的运作。
基于上述本发明控制装置的电路架构，在本发明的控制流程中，是首先执行燃料电池系统的启动程序，在此一程序中，是首先开启氢气阀42，使燃料供应装置4的氢气供应至燃料电池组1。然后启动送风装置32运转送出最大风量至该燃料电池组1，并维持一段时间，如此可以使得该燃料电池组1的空气极如果有积水存于流场板时，可予以清除之。然后，将风量维持在最低风量。然后再开启氢气释放阀44一预定时间(例如3秒)，以使该燃料电池组1中的密闭管线系统中的杂气可予以排放。
在上述的启动程序后，即可启动温度调节装置的程序，其可启动风扇52及泵浦54，以控制核燃料电池1在操作时所需要的温度。
在完成上述的程序后，即可进行运转控制程序。此时，控制装置6分别量测氢气供应管线高压侧端及低压侧端的氢气压力P1、P2。当氢气压力P2降低至指定压力时，例如4psi，启动氢气阀42一预定时间(例如5秒)，然后关闭该氢气阀42，等待该氢气供应管线的氢气压力至指定压力再启动氢气阀42。
在空气流量的控制方面，该控制装置6量测该燃料电池组1(输出电流1，并依据该输出电流值1的大小设定该送风装置32的风量。在本发明中，是以脉宽调变(Pulse Width Modulation，PWM)的方式控制该送风装置32的马达，其设定的最低风量为50slm。在本发明的较佳实施例中，其电流值与风量的控制关系为：
1.当电流I小于设定电流值时Imin，例如20安培，将送风装置32的风量控制在最低风量。
2.当电流I大于Imin但小于最大电流Imax时，依电流值的大小，将送风装置32的风量控制在所需风量的3倍，如此可供应充足的氧气含量。
3.当电流I大于最大电流Imax时，将送风装置32的风量控制在最大风量。
在电压控制方面，当燃料电池组1万一有积水的状况时，即可能造成低电压的状况。例如，若燃料电池组1的输出电压的额定值为48伏特，电压低限值范围设定在36～42伏特，当侦测到低电压的状况(例如电压值小于42伏特时)，送风装置32开至最大风量，并维持3秒，再回到正常值。同时，氢气释放阀44开启0.5秒，然后再关闭，如此可以使积水排出。当该燃料电池组1的输出电压低于安全低限电压值(例如36伏特)时，基于安全的考量，故整个燃料电池系统予以关闭。
在温度控制方面，当燃料电池组1的操作温度介于摄氏45摄氏度之间时，是为正常操作温度值，当温度大于摄氏60度之间，即启动风扇52，使温度降至摄氏45度以下。当该温度值高于安全高限电压值(例如摄氏85度)时，则系统关闭。
由上述的本发明实施例说明可知，在本发明的控制装置的控制之下，可以使燃料电池的操作得依据实际的状况而达到最佳化的运转状态，故本发明的控制装置及其控制方法确具产业利用价值，且本发明在申请专利前，并未有相同或类似的专利或产品公开在先，故本发明业已符合于专利的要件。
以上的实施例说明，仅为本发明的较佳实施例说明，凡习于此项技术者当可依据本发明之上述实施例说明而作其它种种的改良及变化。然而这些依据本发明实施例所作的种种改良及变化，当仍属于本发明的发明精神及所界定的范围内。

Claims (13)

1.一种燃料电池组的控制装置，用以控制一燃料电池组的操作，该燃料电池组是分别经由空气供应管线、氢气供应管线供应所需的空气及氢气，该控制装置包括有：
一微处理器，其配置有随机存取记忆体及只读记忆体；
一电压检测电路，用以检测该燃料电池组的电压输出端的直流电压值，并将该检测出的电压值经转换后送至微处理器；
一电流检测电路，用以检测该燃料电池组所供应的电流值，并将该检测出的电流值经转换后送至微处理器；
一氢气压力检测电路，包括有至少一氢气压力表，用以检测该燃料电池组的氢气供应管线的氢气压力值，并将检测出的氢气压力值经过转换后送至微处理器；
一温度检测电路，包括有至少一温度量测元件，用以检测该燃料电池组于操作时的温度值，并将该温度量测元件所检测出的温度值在经过转换后送至微处理器；
一空气流量控制电路，受该微处理器的控制，依据该燃料电池组的输出电流值的大小控制该空气供应管线中的送风装置的风量；
一脉波产生电路，受该微处理器的控制，可产生一脉波信号，以控制核燃料电池组的氢气供应管线中的氢气阀的开关状态；
一预设数值储存单元，连接于该微处理器，其包括有各项预设储存的操作数值、时间的预设值；
一设定单元，连接于该微处理器，用以设定该控制装置的控制程序、及各项预定数值的设定，以使该燃料电池组在该控制装置的控制之下，依据控制程序及各项预定数值的设定值，而控制核燃料电池组的运作。
2.如权利要求1所述的燃料电池组的控制装置，其特征在于，该电压检测电路包括有一类比至数位转换器，用以将该燃料电池组的电压输出端的直流电压值转换为数位信号送至微处理器。
3.如权利要求1所述的燃料电池的控制装置，其特征在于，该电流检测电路包括有一类比至数位转换器，用以将核燃料电池组所供应的输出电流值转换为数位信号送至微处理器。
4.如权利要求1所述的燃料电池组的控制装置，其特征在于，该氢气压力检测电路包括有：
第一氢气压力表，配置在该燃料电池组的氢气供应管线的高压侧端，以量测出燃料供应装置所供应氢气的压力值，该氢气压力值经类比至数位转换器转换为数位信号送至微处理器；
第二氢气压力表，配置在核燃料电池组的氢气供应管线的低压侧端，以量测出燃料供应装置所供应氢气经过减压后的压力值，该氢气压力值经类比至数位转换器转换为数位信号送至微处理器。
5.如权利要求1所述的燃料电池组的控制装置，其特征在于，该空气流量控制电路是一脉宽调变控制电路，其可产生一脉宽调变控制信号，以控制该送风装置所产生的风量。
6.一种燃料电池组的控制方法，用以控制一燃料电池组的操作，该控制方法包括下列步骤：
执行该燃料电池组的启动程序，以供应空气、氢气至该燃料电池组；
量测该燃料电池组的氢气供应管线的氢气压力；
依据该氢气供应管线的氢气压力值，而控制该氢气阀的开关状态；
量测该燃料电池组的输出电压及输出电流；
依据该输出电流值的大小控制该送风装置的风量，且该送风装置的风量控制是以脉宽调变的方式予以控制。
7.如权利要求6所述的燃料电池组的控制方法，其特征在于，该启动程序包括下列步骤：
开启氢气阀，使燃料供应装置的氢气供应至燃料电池组；
启动送风装置运转送出最大风量至该燃料电池组，并维持预定时间；
控制该送风装置将风量维持在最低风量。
8.如权利要求7所述的燃料电池组的控制方法，其特征在于，更包括开启氢气释放阀一预定时间的步骤，以使该燃料电池组中的密闭管线系统中的杂气可予以排放。
9.如权利要求6所述的燃料电池组的控制方法，其特征在于，更包括控制该燃料电池组于操作时所需要的温度的步骤。
10.如权利要求6所述的燃料电池组的控制方法，其特征在于，该氢气阀的开关动作是以一脉波控制信号予以控制。
11.如权利要求6所述的燃料电池组的控制方法，其特征在于，该送风装置的风量控制是：
当电流小于一预定电流值时，将送风装置的风量控制在最低风量；
当电流大于该预定电流值但小于最大电流时，依电流值的大小，将送风装置的风量控制在所需风量的3倍；
当电流大于最大电流时，将送风装置的风量控制在最大风量。
12.如权利要求6所述的燃料电池组的控制方法，其更包括下列步骤：
依据该燃料电池组的输出电压值，控制空气供应管线中的送风装置；
当该输出电压值低于一预设低电压准位时，控制该送风装置开至最大流量，并维持数秒，再回到正常值；
开启氢气释放阀数秒，然后再关闭。
13.如权利要求12所述的燃料电池组的控制方法，其更包括下列步骤：
当该燃料电池组的输出电压低于安全低限电压值时，关闭整个燃料电池系统的运作。
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