TWI755647B - 燃料電池系統及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池系統，用於連接一負載或一外部轉換器，燃料電池系統包括一電堆以及一直流/直流轉換器。電堆包含陽極輸出端以及陰極輸出端。直流/直流轉換器包含第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端。第一輸入端電性連接陽極輸出端，第二輸入端電性連接陰極輸出端，而第二輸出端電性連接於電堆的該陽極輸出端。其中直流/直流轉換器的第一輸出端以及電堆的陰極輸出端分別用於電性連接於負載或外部轉換器。

Description

燃料電池系統及其控制方法
本發明係關於一種燃料電池系統及其控制方法。
目前燃料電池之併網系統主要有串聯以及並聯兩種結構。以併網效率來說，因為串聯結構的電壓相對接近併網電壓，因此效率相對的高。燃料電池以氫氣與甲烷做為燃料以產生電能、熱量及水，當燃料電池運作一段時間後，部分的電堆會產生積水與性能下降問題，因此必須對積水的電堆進行排水程序。然而，當具有串聯結構的併網系統在進行排水程序時，其他未積水的電堆的輸出能量也會受到積水的電堆的影響以及限制。
再者，當燃料電池因為積水問題或性能下降導致其輸出電壓經常低於額定電壓操作下限值，可能導致燃料電池會有極性反轉，造成燃料電池的損傷。
本發明在於提供一種燃料電池系統及其控制方法，可有效地控制燃料電池系統的每一電堆的輸出電壓維持於額定電壓操作上限值以及額定電壓操作下限值之間，以及提高燃料電池系統輸出至負載的電壓以及功率。
本發明所揭露的一種燃料電池系統，用於連接負載或外部轉換器，燃料電池系統包括電堆及直流/直流轉換器。電堆包含陽極輸出端以及陰極輸出端。直流/直流轉換器包含第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端以及第二輸出端。第一輸入端電性連接陽極輸出端，第二輸入端電性連 接陰極輸出端，第二輸出端電性連接於電堆的該陽極輸出端，而直流/直流轉換器的第一輸出端以及電堆的陰極輸出端分別用於電性連接負載或外部轉換器的兩端。
本發明所揭露的一種燃料電池系統的控制方法，燃料電池系統包含多個電堆、多個電壓感測器、處理器、多個直流/直流轉換器以及個輸出端電壓轉換器，而控制方法包括：以電壓感測器分別測量電堆的電壓值且傳送電壓值至處理器；以處理器定義具有最小電壓值的電堆為參考電堆，而參考電堆為該些電堆之一；以處理器判斷參考電堆的電壓值是否小於額定電壓操作上限值；若處理器確認參考電堆的電壓值小於額定電壓操作上限值，以處理器判斷參考電堆的電壓值是否小於額定電壓操作下限值；以及若處理器確認參考電堆的電壓值小於額定電壓操作下限值，以處理器發出降低電流命令至輸出端電壓轉換器。
本發明所揭露的一種燃料電池系統的控制方法，包括：以電壓感測器分別測量電堆的電壓值且傳送電壓值至處理器；以處理器定義定義具有最小電壓值的電堆為參考電堆，而參考電堆為該些電堆之一；以處理器判斷參考電堆的電壓值是否小於額定電壓操作上限值；若處理器確認該參考電堆的電壓值小於額定電壓操作上限值，以處理器分別判斷電堆的電壓值是否大於額定電壓操作上限值；若處理器確認該些電堆中的至少一個的電壓值大於額定電壓操作上限值，以處理器致能與具有大於該額定電壓操作上限值的電壓值的電堆相連接的直流/直流轉換器以及停能其他剩餘的直流/直流轉換器；以處理器判斷被致能的直流/直流轉換器的輸出電壓值是否大於額定電壓操作上限值；以及若處理器確認該被致能的直流/直流轉換器的輸出電壓值大於額定電壓操作上限值，以處理器發出增加電壓命令至被致能的直流/直流轉換器。
本發明的燃料電池系統及其控制方法，乃透過電壓補償之機制來提高燃料電池系統的輸出電壓。此外還有效地控制燃料電池系統的每 一電堆的輸出電壓維持於額定電壓操作下限值與額定電壓操作上限值之間，藉此確保每個電堆都在額定電壓發電狀態以及避免電堆發生極性反轉的狀況。再者，更依據燃料電池系統是否處於輕載狀態以及電堆性能是否不佳，來控制每一直流/直流轉換器的停能狀態以及致能狀態，藉此達到提高燃料電池系統整體的輸出電壓以及輸出功率，以便降低高電流下的線路損耗。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
10:電堆
101:陽極輸出端
102:陰極輸出端
11:直流/直流轉換器
111:第一輸入端
112:第二輸入端
113:第一輸出端
114:第二輸出端
115:電氣隔離變壓器
12:電壓感測器
13:處理器
14:輸出端電壓轉換器
141:第三輸入端
142:第四輸入端
143:第三輸出端
15:第一電容
151:第一正極
152:第一負極
16:第二電容
161:第二正極
162:第二負極
17:第一開關
171:第一端部
172:第二端部
18:第二開關
181:第三端部
182:第四端部
L:負載
V:輸出電壓
圖1係根據本發明燃料電池系統之第一實施例所繪示的功能方塊圖。
圖2係根據本發明燃料電池系統之第二實施例所繪示功能方塊圖。
圖3係根據本發明燃料電池系統之第三實施例所繪示功能方塊圖。
圖4係根據本發明燃料電池系統之第四實施例所繪示功能方塊圖。
圖5係根據本發明燃料電池系統之控制方法之第一實施例所繪示的流程圖。
圖6係根據本發明燃料電池系統之控制方法之第二實施例所繪示的流程圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1係根據本發明燃料電池系統之第一實施例所繪示的功 能方塊圖。如圖1所示，燃料電池系統包括一電堆10、一直流/直流轉換器11、一電壓感測器12、一處理器13以及一輸出端電壓轉換器14。電堆10具有一陽極輸出端101以及一陰極輸出端102，而直流/直流轉換器11包含一第一輸入端111、一第二輸入端112、一第一輸出端113、一第二輸出端114以及一電氣隔離變壓器115。該直流/直流轉換器11的第一輸入端111電性連接於電堆10的陽極輸出端101，直流/直流轉換器11的第二輸入端112電性連接電堆10的陰極輸出端102，而直流/直流轉換器11的第二輸出端114電性連接於電堆10的陽極輸出端101。電氣隔離變壓器115設於直流/直流轉換器11的內部。
如圖1所示，電壓感測器12電性連接於電堆10以便量測陽極輸出端101與陰極輸出端102之間的輸出電壓V。處理器13電性連接於電壓感測器12以便接收以及處理來自電壓感測器12的電壓。輸出端電壓轉換器14例如為直流/交流轉換器或直流/直流轉換器，輸出端電壓轉換器14包含有一第三輸入端141、一第四輸入端142以及一第三輸出端143，輸出端電壓轉換器14的第三輸入端141電性連接於直流/直流轉換器11的第一輸出端113，輸出端電壓轉換器14的第四輸入端142電性連接於直流/直流轉換器11的第二輸入端112以及電堆10的陰極輸出端102，而輸出端電壓轉換器14的第三輸出端143用於電性連接於負載L。
在一實施例中，電壓感測器12、處理器13以及輸出端電壓轉換器14設於同一電路板上。在其他實施例中，電壓感測器12、處理器13以及輸出端電壓轉換器14各設有無線通訊元件，電壓感測器12及輸出端電壓轉換器14可設於同一電路板或不同電路板，而處理器13設於一遠端裝置(例如雲端伺服器)，而電壓感測器12、處理器13以及輸出端電壓轉換器14透過無線通訊進行資訊傳遞。
在另一實施例中，輸出端電壓轉換器14的第三輸出端143用於電性連接於一外部轉換器。
圖2係根據本發明燃料電池系統之第二實施例所繪示的功能方塊圖。如圖2所示，燃料電池系統更包括一第一電容15以及一第二電容16，而第一電容15以及第二電容16作為穩壓元件。其中該第一電容15包含一第一正極151以及一第一負極152，而第二電容16包含一第二正極161以及一第二負極162。第一電容15的第一正極151電性連接於直流/直流轉換器11的第一輸出端113以及輸出端電壓轉換器14的第三輸入端141，而第一電容15的第一負極152電性連接於直流/直流轉換器11的第二輸出端114。第二電容16的第二正極161電性連接於第一電容15的第一負極152以及電堆10的陽極輸出端101，而第二電容16的第二負極162電性連接於直流/直流轉換器11的第二輸入端112、電堆10的陰極輸出端102以及輸出端電壓轉換器14的第四輸入端142。
圖3係根據本發明燃料電池系統之第三實施例所繪示的功能方塊圖。如圖3所示，燃料電池系統更包括一第一開關17以及一第二開關18，而第一開關17以及第二開關18作為電堆10發生極性反轉時的保護元件。其中該第一開關17包含一第一端部171以及一第二端部172，而該第二開關18包含一第三端部181以及一第四端部182。第一開關17的第一端部171電性連接第一電容15的第一正極151以及輸出端電壓轉換器14的第三輸入端141，而第一開關17的第二端部172電性連接第一電容15的第一負極152。第二開關18的第三端部181電性連接第一開關17的第二端部172以及第二電容16的第二正極161，而第二開關18的第四端部182電性連接於第二電容16的第二負極162以及輸出端電壓轉換器14的第四輸入端142。
圖4係根據本發明燃料電池系統之第四實施例所繪示功能方塊圖。如圖4所示，圖4的燃料電池系統係為N個圖3的燃料電池系統的相互串聯，其中N為大於2的正整數。搭配第一個電堆10的第一開關17的第一端部171電性連接於輸出端電壓轉換器14的第三輸入端141， 而搭配第N個電堆10的第二開關18的第四端部182電性連接於輸出端電壓轉換器14的第四輸入端142。在本實施例中，第一開關17以及第二開關18為二個相同的二極體，第一端部171以及第二端部172為其中一個二極體的陰極(N)與陽極(P)，而第三端部181以及第四端部182為另一個二極體的陰極(N)與陽極(P)。當第一個電堆10發生極性反轉時，搭配第一個電堆10的二個二極體處於導通狀態以作為電流傳輸路徑。
圖5係根據圖4的燃料電池系統所執行的控制方法之第一實施態樣所繪示的流程圖，同理圖1~圖3的燃料電池系統亦可執行圖5的控制方法。共同參閱圖4與圖5，在步驟S101中，以多個電壓感測器12分別測量多個電堆10的多個電壓值且傳送該些電壓值至一處理器13。在步驟S102中，以處理器13定義具有最小電壓值的電堆10為一參考電堆，而參考電堆為該些電堆10之一。在步驟S103中，以處理器13判斷參考電堆的電壓值是否小於一額定電壓操作上限值。若處理器13確認參考電堆的電壓值小於額定電壓操作上限值，接著進入步驟S104：以處理器13判斷參考電堆的電壓值是否小於額定電壓操作下限值。若處理器13確認參考電堆的電壓值未小於額定電壓操作上限值，接著進入步驟S105：以處理器13發出一增加電流命令至輸出端電壓轉換器14，藉此提高輸出端電壓轉換器14的輸出電流。若處理器13確認參考電堆的電壓值小於額定電壓操作下限值，接著進入步驟S106：以處理器13發出降低電流命令至輸出端電壓轉換器，藉此降低輸出端電壓轉換器14的輸出電流。若處理器13確認參考電堆的電壓值未小於額定電壓操作下限值，接著進入步驟S107：維持輸出端電壓轉換器14的輸出電流。在輸出端電壓轉換器14依據降低電流命令降低輸出端電壓轉換器的輸出電流之後，再次重新執行步驟S104。
當電堆的輸出電壓超過額定電壓操作上限值，代表電堆之輸出功率未達額定值以及最佳操作點條件，而當電堆的輸出電壓低於額定電壓操作下限值，則容易導致極性反轉而損壞電堆。本發明之燃料電池系統 執行圖5之控制方法之後，可有效地控制燃料電池系統的每一電堆的輸出電壓維持於額定電壓操作下限值與額定電壓操作上限值之間，藉此確保每個電堆都在額定電壓發電狀態以及避免電堆發生極性反轉的狀況。
圖6係根據圖4的燃料電池系統所執行的控制方法之第二實施態樣所繪示的流程圖，同理圖1~圖3的燃料電池系統亦可執行圖6的控制方法。共同參閱圖4與圖6，在步驟S201中，以多個電壓感測器12分別測量多個電堆10的多個電壓值且傳送該些電壓值至一處理器13。在步驟S202中，以處理器13定義具有最小電壓值的電堆11為參考電堆，而參考電堆為該些電堆10之一。在步驟S203中，以處理器13判斷參考電堆的電壓值是否小於或等於一額定電壓操作上限值。若步驟S203之判斷結果為肯定，則進入步驟S204：以處理器13判斷是否至少一個電堆10的電壓值大於額定電壓操作上限值。
反之若步驟S203之判斷結果為否定，意即燃料電池系統的所有電堆11的電壓值均大於額定電壓操作上限值而使得燃料電池系統處於輕載狀態，則進入步驟S205：以處理器13停能所有的直流/直流轉換器11。
若步驟S204之判斷結果為肯定，意即所有電堆10之中至少有一個電堆10的電壓值大於額定電壓操作上限值，則進入步驟S206：以處理器13將所有電堆10分為第一電堆組以及第二電堆組，其中第一電堆組的每個電堆10的電壓值大於額定電壓操作上限值，而第二電堆組的每個電堆10的電壓值小於或等於額定電壓操作上限值，而以處理器13致能與第一電堆組相連接的的直流/直流轉換器11以及停能與第二電堆組相連接的直流/直流轉換器11。舉例來說，N個電堆10分別定義為第1號至第N號電堆，處理器13確認第1號電堆與第2號電堆的電壓值大於額定電壓操作上限值，而第3號電堆至第N號電堆的電壓值小於或等於額定電壓操作上限值，則處理器13致能與第1號電堆以及第2號電堆相連接的直流/ 直流轉換器11以及停能與第3號電堆至第N號電堆相連接的直流/直流轉換器11。
反之，若步驟S204之判斷結果為否定，意即所有電堆10的電壓值均小於或等於額定電壓操作上限值，則進入步驟S205。
在步驟S206之後，接續步驟S207。在步驟S207中，以處理器判斷被致能的直流/直流轉換器11的輸出電壓值是否大於額定電壓操作上限值。若處理器13確認被致能的直流/直流轉換器11的輸出電壓值大於該額定電壓操作上限值，接著執行步驟S208：以處理器發出一增加電壓命令至被致能的直流/直流轉換器11，藉此增加被致能的直流/直流轉換器11的輸出電壓。若處理器13確認被致能的直流/直流轉換器11的輸出電壓值未大於額定電壓操作上限值，接著執行步驟S209：以處理器發出一降低電壓命令至被致能的直流/直流轉換器11，藉此降地被致能的直流/直流轉換器11的輸出電壓。在執行完步驟S208或步驟S209之後，再次執行步驟S204。
本發明之燃料電池系統執行圖6之控制方法之後，可依據燃料電池系統是否處於輕載狀態以及電堆性能是否不佳，來控制每一直流/直流轉換器的停能狀帶以及致能狀態，藉此達到提高燃料電池系統整體的輸出電壓以及輸出功率。
綜上所述，依據本發明的燃料電池系統及其控制方法，燃料電池系統的直流/直流轉換器的容量不需匹配到與電堆足瓦功率。本發明的控制方法透過電壓補償之機制，以提高燃料電池系統的輸出電壓。此外，還有效地控制燃料電池系統的每一電堆的輸出電壓維持於額定電壓操作下限值與額定電壓操作上限值之間，藉此確保每個電堆都在額定電壓發電狀態以及避免電堆發生極性反轉的狀況。再者，更依據燃料電池系統是否處於輕載狀態以及電堆性能是否不佳，來控制每一直流/直流轉換器的停能狀帶以及致能狀態，藉此達到提高燃料電池系統整體的輸出電壓以及輸出功 率，以便降低高電流下的線路損耗。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10:電堆
101:陽極輸出端
102:陰極輸出端
11:直流/直流轉換器
111:第一輸入端
112:第二輸入端
113:第一輸出端
114:第二輸出端
115:電氣隔離變壓器
12:電壓感測器
13:處理器
14:輸出端電壓轉換器
141:第三輸入端
142:第四輸入端
143:第三輸出端
L:負載
V:輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包含多個電堆、多個電壓感測器、一處理器、多個直流/直流轉換器以及一個輸出端電壓轉換器，而該控制方法包括：以該些電壓感測器分別測量該些電堆的多個電壓值且傳送該些電壓值至該處理器；以該處理器定義具有最小電壓值的該電堆為一參考電堆，而該參考電堆為該些電堆之一；以該處理器判斷該參考電堆的電壓值是否小於一額定電壓操作上限值；若該處理器確認該參考電堆的電壓值小於該額定電壓操作上限值，以該處理器判斷該參考電堆的電壓值是否小於一額定電壓操作下限值；以及若該處理器確認該參考電堆的電壓值小於該額定電壓操作下限值，以該處理器發出一降低電流命令至該輸出端電壓轉換器。
  2. 如請求項1所述之燃料電池系統的控制方法，更包括若該處理器確認該參考電堆的電壓值未小於該額定電壓操作上限值，以該處理器發出一增加電流命令至該輸出端電壓轉換器。
  3. 如請求項1所述之燃料電池系統的控制方法，更包括當該輸出端電壓轉換器依據該降低電流命令降低該輸出端電壓轉換器的輸出電流之後，再次執行該處理器判斷該參考電堆的電壓值是否小於該額定電壓操作下限值之步驟。
  4. 一種燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包含多個電堆、多個電壓感測器、一處理器、多個直流/直流轉換器以及一個輸出端電壓轉換器，而該控制方法包括：以該些電壓感測器分別測量該些電堆的多個電壓值且傳送該些電壓值至該處理器；以該處理器定義具有最小電壓值的該電堆為一參考電堆，而該參考電堆為該些電堆之一；以該處理器判斷該參考電堆的電壓值是否小於一額定電壓操作上限值；若該處理器確認該參考電堆的電壓值小於該額定電壓操作上限值，以該處理器分別判斷該些電堆中的至少一個的電壓值是否大於該額定電壓操作上限值；若該處理器確認該些電堆之一的電壓值大於該額定電壓操作上限值，以該處理器致能與具有大於該額定電壓操作上限值的電壓值的該電堆相連接的該直流/直流轉換器以及停能其他剩餘的直流/直流轉換器；以該處理器判斷該被致能的直流/直流轉換器的輸出電壓值是否大於該額定電壓操作上限值；以及若該處理器確認該被致能的直流/直流轉換器的輸出電壓值大於該額定電壓操作上限值，以該處理器發出一增加電壓命令至該被致能的直流/直流轉換器。
  5. 如請求項4所述之燃料電池系統的控制方法，更包括當該被致能的該直流/直流轉換器依據該增加電壓命令輸出一電壓之後，再次執 行以該處理器分別判斷該些電堆中的至少一個的電壓值是否大於該額定電壓操作上限值之步驟。
  6. 如請求項4所述之燃料電池系統的控制方法，更包括若該處理器確認該參考電堆的電壓值未小於該額定電壓操作上限值，以該處理器停能所有的該些直流/直流轉換器。
  7. 如請求項4所述之燃料電池系統的控制方法，更包括若該處理器確認該些電堆之一的電壓值未大於該額定電壓操作上限值，以該處理器停能與具有未大於該額定電壓操作上限的電壓值的該電堆相連接的該直流/直流轉換器。
  8. 如請求項4所述之燃料電池系統的控制方法，更包括若該處理器確認該被致能的直流/直流轉換器的輸出電壓值未大於該額定電壓操作上限值，以該處理器發出一減少電壓命令至該被致能的直流/直流轉換器。
  9. 如請求項8所述之燃料電池系統的控制方法，更包括當該被致能的該直流/直流轉換器依據該減少電壓命令輸出一電壓之後，再次執行以該處理器分別判斷該些電堆中的至少一個的電壓值是否大於該額定電壓操作上限值之步驟。
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