TWI415325B - Fuel cell power supply control system - Google Patents

Description

燃料電池供電控制系統

本發明是有關於一種電池供電控制系統，且特別是有關於一種燃料電池供電控制系統。

近年來，由於過度使用石化燃料所造成的溫室效應之影響，使得全球氣候開始變得反覆無常，進而釀造各種災害，例如：水災、熱浪或海平面上升等之問題。因此，尋求一種對環境不會造成傷害且亦能夠永續被利用的再生能源隨即受到社會大眾的重視。

而目前較為常見的再生能源包括：太陽能、風能、水能、生質能、地熱能、潮汐能以及燃料電池等。藉由這些再生能源的發展，使得環境汙染問題得以改善(例如避免排放溫室氣體)。其中，燃料電池為一種利用氫氣與氧氣的化學反應後，進而提供電力的一種環保電池裝置。請參閱圖1，圖1為習知一種燃料電池系統的示意圖。

如圖1所示，燃料電池系統5包含單一氫氣供應單元50、氫氣供應開關51、機械式壓力表52、浮子流量計53以及燃料電池模組54。

於使用時，使用者開啟氫氣供應開關51，之後以手動方式調整機械式壓力表52的壓力以及浮子流量計53的氫氣流量大小後，此時便可將氫氣供應單元50(例如：低壓儲氫罐)中的氫氣輸送至燃料電池模組54的氫氣進入口540，之後利用風扇55轉動以加快將空氣中的氧氣導入電池模組54(如圖1中三個箭頭方向)，使得氫氣與氧氣於燃料電池模組54內部進行一化學反應，而能夠於電力輸出部(例如正、負兩極端)輸出電力至一負載56使用，並且將氫與氧兩者化學反應後的水或多餘氣體從反應物排出口541排出。

由此可知，雖然利用此燃料電池系統5能夠達到提供電力至負載56使用的目的，然而該燃料電池系統5尚有下列問題存在，例如：

1.當負載56不同時，使用者需要手動調整機械式壓力表52以控制氫氣供應單元50的壓力，或者使用者需要手動調整浮子流量計53來控制氫氣供應單元50輸送至氫氣進入口540的氫氣流量大小，以節省氫氣的使用。然而，於實際運用時，這種以手動來控制壓力或流量的方式是難以精準達到控制氫氣狀態以滿足不同的負載56所需的電力，也就是說，手動方式可能會造成過多或過少的氫氣進入氫氣進入口540，反而導致燃料電池模組54內部因氫氣與氧氣的過度反應或反應不完全造成導致燃料電池模組54的損壞或氫氣浪費的問題。

2.由於負載56直接電性連接在燃料電池模組54的電力輸出部，因此在未加裝任何電力轉換器或儲電裝置的情況下，燃料電池系統5供給負載56的電力是不穩定的。

3.由於燃料電池系統5未具備額外的另一氫氣供應單元，因此若此單一氫氣供應單元50的氫氣使用完畢時，燃料電池系統5的電力輸出部亦停止供電而不能夠持續運作，需要更換新的氫氣供應單元50後，燃料電池系統5才能夠繼續供電給負載56，以致供電效率不佳之問題。

有鑑於此，本發明提供一種燃料電池供電控制系統，以改善上述之問題。

依據上述之目的，本發明提供一種燃料電池供電控制系統包含至少二氫氣供應單元、燃料電池模組、電力轉換器以及運算控制模組。至少二氫氣供應單元包含電子式壓力控制器與流量控制器；燃料電池模組包含氫氣輸入口、氧氣輸入口與電力輸出部，氫氣輸入口用以輸入此至少二氫氣供應單元所提供的氫氣，氧氣輸入口用以輸入氧氣；電力轉換器電性連接電力輸出部以提供電力至負載；運算控制模組電性連接電子式壓力控制器、流量控制器、燃料電池模組與電力轉換器。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述電力輸出部與電力轉換器之間更電性連接一儲電裝置，所述儲電裝置由超級電容與二極體電性連接所組成。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述燃料電池模組更包含反應物排出口，反應物排出口更配置一去水器，所述去水器連通至氫氣輸入口，而於去水器連通氫氣輸入口之間更配置一止逆閥，於去水器連通反應物排出口之間更配置一洩壓閥，運算控制模組更電性連接洩壓閥以控制洩壓閥的啟閉。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述燃料電池模組更配置有溫度感測器與至少一風扇，且運算控制模組更電性連接溫度感測器以控制至少一風扇的葉片轉動速度。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述運算控制模組為數位訊號控制器，所述數位訊號控制器更電性連接包含螢幕與鍵盤的一電子裝置。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述電力轉換器為降壓轉換器或升壓轉換器。

依照本發明的實施例所述之燃料電池供電控制系統，上述燃料電池模組為質子交換膜燃料電池模組。

運用本發明燃料電池供電控制系統之功效在於：具有備用的氫氣供應單元，且利用運算控制模組控制電子式壓力控制器或流量控制器以精確達到控制該至少二氫氣供應單元所提供之氫氣輸送至氫氣輸入口的流量，使得電力輸出部能夠提供效率更佳的一電力並經過電力轉換器將該電力作升壓或降壓等電力轉換作業以滿足各種不同的負載之電力需求；同時，利用儲電裝置使得電力得以穩定地供給負載。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

請參閱圖2，圖2為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的示意圖。

如圖2所示，燃料電池供電控制系統1包含至少二氫氣供應單元10、燃料電池模組11、電力轉換器12以及運算控制模組13。

至少二氫氣供應單元10於此以第一氫氣供應單元101與第二氫氣供應單元102為例，但數量不限定於此，二個以上亦適用。所述至少二氫氣供應單元10包含電子式壓力控制器103與流量控制器104，其中電子式壓力控制器103用以限制第一氫氣供應單元101或第二氫氣供應單元102的壓力大小；流量控制器104用以限制第一氫氣供應單元101或第二氫氣供應單元102供應氫氣的流量大小。進一步地，至少二氫氣供應單元10更包含控制氫氣供應與否的氫氣供應開關105。

燃料電池模組11包含氫氣輸入口111、氧氣輸入口112與電力輸出部113。所述氫氣輸入口111用以輸入此至少二氫氣供應單元10所提供的氫氣(例如第一氫氣供應單元101或第二氫氣供應單元102所提供的氫氣)；氧氣輸入口112則用以輸入氧氣(例如外界氧氣)，當氫氣與氧氣在燃料電池模組11內部發生化學反應後，燃料電池模組11便能夠從電力輸出部113輸出一電力。其中，燃料電池模組11於此以質子交換膜燃料電池(PEMFC)模組為例，但不限定於此。

另外，燃料電池模組11更包含反應物排出口115。所述反應物排出口115更配置有去水器116，該去水器116利用管路而能夠連通至氫氣輸入口111，並於去水器116連通氫氣輸入口111之間更配置有止逆閥117，於去水器116連通反應物排出口115之間更配置有洩壓閥115a。

值得一提的是，由於氫氣與氧氣在燃料電池模組11內部進行化學反應後，燃料電池模組11會產生工作溫度，因此於燃料電池模組11更配置溫度感測器118與至少一風扇119。其中，利用溫度感測器118能夠感測燃料電池模組11的工作溫度的正常與否；進一步地，當燃料電池模組11工作溫度過高時，便可啟動至少一風扇119以適時地對燃料電池模組11進行散熱。

電力轉換器12電性連接電力輸出部113以提供從電力輸出部113輸出且經過轉換(例如降壓或升壓)的電力至負載120，如此以滿足不同負載120所需之電力，進而滿足該負載120的工作電壓而使負載120能夠正常運作。

其中，為了避免瞬間負載120的不同而造成電力輸出部113所提供之電力不足或是不穩度的關係，進一步地，於電力輸出部113與電力轉換器12之間更電性連接儲電裝置114，如此以確保燃料電池供電控制系統1施加於負載120的電力為穩定的狀態，進而提高系統的穩定度。

以及，所述儲電裝置114能夠由超級電容114a與二極體114b電性連接所組成，其中由於超級電容114a具有快速充放電且儲存電力容量大等之特點，因此當上述瞬間負載120不同而造成電力輸出部113所提供之電力不足或是不穩度之問題發生時，便能夠暫時利用超級電容114a供電至負載120，並且利用二極體114b能夠避免超級電容114a所提供之電力逆流所造成燃料電池模組11損壞之問題。接著，當燃料電池模組11內部氫氣與氧氣反應速度跟上負載120的變化後，即可由電力輸出部113穩定的提供電力至負載120而同時對超級電容114a進行充電。

運算控制模組13電性連接電子式壓力控制器103、流量控制器104、燃料電池模組11與電力轉換器12；進一步地，所述運算控制模組13更電性連接洩壓閥115a與溫度感測器118。

由上述可知，操作者能夠利用運算控制模組13選擇性的使用第一氫氣供應單元101或第二氫氣供應單元102。例如，當第一氫氣供應單元101內之氫氣快要耗盡時，利用運算控制模組13之控制能夠立即切換至第二氫氣供應單元102，並於系統使用第二氫氣供應單元102的同時，再次補充氫氣至第一氫氣供應單元101內部，而能夠於第二氫氣供應單元102快要耗盡時，再次切換至第一氫氣供應單元101，透過這樣的切換方式使得系統能夠持續運作而提高系統的工作效率。

舉例來說，當選擇第一氫氣供應單元101供應氫氣時，利用運算控制模組13能夠控制電子式壓力控制器103以限制第一氫氣供應單元101壓力大小，並且能夠控制流量控制器104以限制第一氫氣供應單元101供應氫氣的流量大小。

接著，當氫氣從氫氣輸入口111進入燃料電池模組11內部以及氧氣從氧氣輸入口112進入燃料電池模組11內部後，氧氣與氫氣利用例如上述質子交換膜進行化學反應，並從電力輸出部113(正、負極端)產生一電力以提供至電力轉換器12，並經過電力轉換器12將該電力轉換(例如降壓或升壓)後即可滿足負載120所需之電力。其中當負載120改變時，由於燃料電池模組11之電力輸出部113電力輸出響應較為緩慢之緣故，因此能夠暫時利用超級電容114a供電至負載120以確保燃料電池供電控制系統1施加於負載120的電力為穩定的狀態，並且利用二極體114b能夠避免超級電容114a所提供之電力逆流所造成燃料電池模組11損壞之問題。

再者，由於運算控制模組13電性連接燃料電池模組11與電力轉換器12，運算控制模組13利用信號回授的方式能夠獲取燃料電池模組11與電力轉換器12的相關參數資訊。

例如：運算控制模組13計算燃料電池模組11內部所參與反應的氫氣為不足的話，即可即時性地調整電子式壓力控制器103或流量控制器104以增加第一氫氣供應單元101之氫氣輸送至氫氣輸入口111的流量；反之，若運算控制模組13計算燃料電池模組11內部所參與反應的氫氣為過剩的話，即時性地調整電子式壓力控制器103或流量控制器104以減少第一氫氣供應單元101之氫氣輸送至氫氣輸入口111的流量，如此以精確控制氫氣的使用量而避免造成氫氣的浪費。

或者，運算控制模組13獲取電力轉換器12的相關參數資訊。例如：運算控制模組13利用信號回授的方式得知電力輸出部113的輸出電壓或電流並不能夠滿足負載120之需求，運算控制模組13即時性地調整電子式壓力控制器103或流量控制器104以調整第一氫氣供應單元101之氫氣輸送至氫氣輸入口111的流量，以滿足負載120所需之電力，進而提升系統的整體供電效率。

以及，當氫氣與氧氣在燃料電池模組11內部進行化學反應後，燃料電池模組11會產生工作溫度，因此運算控制模組13能夠利用溫度感測器118來獲取該工作溫度，並於該工作溫度過高時，運算控制模組13啟動至少一風扇119並增加至少一風扇119的葉片轉動速度，以適時地對燃料電池模組11進行散熱，避免燃料電池模組11因高溫而造成特性下降。

另外，當氫氣與氧氣在燃料電池模組11內部進行化學反應後，兩者的反應物包含水，因此利用設置在反應物排出口115的去水器116能夠將反應物排出口115所排出的水分吸收並將剩餘氫氣導入氫氣輸入口111而達到能源再利用的目的。其中，運算控制模組組能夠控制洩壓閥115a的啟閉，以適時的將去水器116水分吸收後的氫氣經止逆閥117導入氫氣輸入口111。另外，亦可利用洩壓閥115a將燃料電池模組11內部氫、氧反應後的熱能或剩餘氣體排出。

請參閱圖3，圖3為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的電路示意圖。

如圖3所示，運算控制模組13能夠為數位訊號控制器(例如：dsPIC30F4011)；電力轉換器12為一降壓轉換器。運算控制模組13包含下列接腳：V1mset、V2mfb、V3pset、V4pfb、I/O、PWM2、ADCtmp、ADCV_f 、ADCI_f 、PWM1、ADCI_L 與ADCV_O 。其中，V1mset為限制氫氣流量大小的接腳；V2mfb為回授信號所得氫氣實際流量大小的接腳；V3pset為限制壓力大小的接腳；V4pfb為回授信號所得實際壓力大小的接腳；I/O為控制洩壓閥115a開關的接腳；PWM2為調整至少一風扇119電壓大小的接腳；ADCtmp為電性連接溫度感測器118以偵測燃料電池模組11工作溫度值的接腳；ADCV_f 為偵測燃料電池模組11輸出電壓的接腳；ADCI_f 為偵測燃料電池模組11輸出電流的接腳；PWM1 為調整開關Q1導通之責任週期的接腳；ADCI_L 為偵測電力轉換器12(例如此實施例中的降壓轉換器)中之電感L電流的接腳；ADCV_O 為偵測電力轉換器12輸出電壓(例如施加於負載120的電壓)的接腳。

由此可知，利用這些接腳，運算控制模組13能夠電性連接電子式壓力控制器103、流量控制器104、燃料電池模組11與電力轉換器12、洩壓閥115a與溫度感測器118，並從中取得系統的相關參數資訊，如此以達到控制氫氣迴路以及電力的供電控制系統。其中，雖然於圖3中電力轉換器12以降壓轉換器來說明，但於實際運用時升壓轉換器亦適用，此部分為熟悉此項技藝者所能夠理解的部份，為了簡明起見，於此不加贅述。

請參閱圖4，圖4為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的示意圖。

如圖4所示，運算控制模組13更能夠電性連接電子裝置14，電子裝置14包含螢幕140與鍵盤141。例如，若運算控制模組13為數位訊號控制器時，利用數位訊號控制器內部的串列通訊埠介面(例如RS232串列通訊埠介面)能夠將回授信號傳輸至安裝有對應數位訊號控制器之控制軟體的電子裝置14，而利用電子裝置14的螢幕140以顯示燃料電池供電控制系統的相關參數資訊；並且，操作者能夠利用電子裝置14的鍵盤141輸入相關控制指令，如此更達到監控的效能。

由上述可知，本發明所述燃料電池供電控制系統包含以下之特點：

1.別於手動方式之控制，利用運算控制模組能夠精確控制氫氣的使用量而避免造成氫氣的浪費。

2.利用電力轉換器能夠將燃料電池模組電力輸出部所輸出的電力作轉換(例如降壓或升壓)，並且利用儲電裝置中的超級電容，具有快速充放電且儲存電力容量大等之特點，因而能夠迎應變動的負載而穩定供給至負載之電力，進而大幅提升系統的供電效率。

3.具有備用的氫氣供應單元(二個或二個以上)，使得系統能夠持續供電至負載。

4.利用去水器能夠將燃料電池模組內部反應之氫、氧所產生的水分吸收並將剩餘氫氣導入氫氣輸入口而達到能源再利用的目的。

5.利用感測器能夠感測燃料電池模組的工作溫度的正常與否，當燃料電池模組工作溫度過高時，運算控制模組即時啟動風扇以適時地對燃料電池模組進行散熱。

6.運算控制模組能夠電性連接包含螢幕與鍵盤的電子裝置，進而達到監控系統的效能。

7.能夠以節能的供電方式提供至各種3C產品或是電動車等產品；並且大幅降低對環境的汙染而符合環保的需求。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

[先前技術部分]

5．．．燃料電池系統

50．．．氫氣供應單元

51．．．氫氣供應開關

52．．．機械式壓力表

53．．．浮子流量計

54．．．燃料電池模組

540．．．氫氣進入口

541．．．反應物排出口

55．．．風扇

56．．．負載

[本發明部分]

1．．．燃料電池供電控制系統

10．．．二氫氣供應單元

101．．．第一氫氣供應單元

102．．．第二氫氣供應單元

103．．．電子式壓力控制器

104．．．流量控制器

105．．．氫氣供應開關

11．．．燃料電池模組

111．．．氫氣輸入口

112．．．氧氣輸入口

113．．．電力輸出部

114．．．儲電裝置

114a．．．超級電容

114b．．．二極體

115．．．反應物排出口

115a．．．洩壓閥

116．．．去水器

117．．．止逆閥

118．．．溫度感測器

119．．．風扇

12．．．電力轉換器

120．．．負載

13．．．運算控制模組

14．．．電子裝置

140．．．螢幕

141．．．鍵盤

L．．．電感

Q1．．．開關

圖1為習知一種燃料電池系統的示意圖；

圖2為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的示意圖；

圖3為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的電路示意圖；以及

圖4為本發明一實施例燃料電池供電控制系統的示意圖。

1．．．燃料電池供電控制系統

10．．．二氫氣供應單元

101．．．第一氫氣供應單元

102．．．第二氫氣供應單元

103．．．電子式壓力控制器

104．．．流量控制器

105．．．氫氣供應開關

11．．．燃料電池模組

111．．．氫氣輸入口

112．．．氧氣輸入口

113．．．電力輸出部

114．．．儲電裝置

114a．．．超級電容

114b．．．二極體

115．．．反應物排出口

115a．．．洩壓閥

116．．．去水器

117．．．止逆閥

118．．．溫度感測器

119．．．風扇

12．．．電力轉換器

120．．．負載

13．．．運算控制模組

Claims (10)

1. 一種燃料電池供電控制系統，包含：至少二氫氣供應單元，包含一電子式壓力控制器與一流量控制器；一燃料電池模組，包含一氫氣輸入口、一氧氣輸入口與一電力輸出部，該氫氣輸入口用以輸入該至少二氫氣供應單元所提供的氫氣，該氧氣輸入口用以輸入氧氣；一電力轉換器，電性連接該電力輸出部以提供一電力至一負載；以及一運算控制模組，電性連接該電子式壓力控制器、該流量控制器、該燃料電池模組與該電力轉換器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該電力輸出部與該電力轉換器之間更電性連接一儲電裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池供電控制系統，其中該儲電裝置由一超級電容與一二極體電性連接所組成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該燃料電池模組更包含一反應物排出口，該反應物排出口更配置一去水器，該去水器連通至該氫氣輸入口。
5. 如申請專利範圍第4項所述之燃料電池供電控制系統，其中於該去水器連通該氫氣輸入口之間更配置一止逆閥，於該去水器連通該反應物排出口之間更配置一洩壓閥，該運算控制模組更電性連接該洩壓閥以控制該洩壓閥的啟閉。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該燃料電池模組更配置有一溫度感測器與至少一風扇，且該運算控制模組更電性連接該溫度感測器以控制該至少一風扇的葉片轉動速度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該運算控制模組為一數位訊號控制器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池供電控制系統，其中該數位訊號控制器更電性連接包含一螢幕與一鍵盤的一電子裝置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該電力轉換器為一降壓轉換器或一升壓轉換器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池供電控制系統，其中該燃料電池模組為質子交換膜燃料電池模組。