[发明专利]燃料电池系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，且特别涉及一种能够提升燃料利用率与具有保护性能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。在燃料电池系统的运作过程中，如何控制燃料电池堆(fuel cell stack)的输出电压与输出电流以得到最大的输出功率，并且让电池堆中的燃料能被有效地利用以转化成电能，已成为燃料电池系统主要的性能指针之一。

一般而言，电池堆在不同燃料供应率下有着不同的工作特性。请参阅图1，图1绘示电池堆在不同燃料供应率R1～R3(R1＞R2＞R3)下的电流密度-电压曲线图。在燃料供应率R2时，电池堆的最佳工作点(V，I)为工作点OP2(V2，I2)。若设定电池堆的输出电流I大于电流I2时，则会产生燃料供应不足的现象，使得电池堆的输出电压V急速下降，从而损伤到电池堆。另外，若设定电池堆的输出电流I小于电流I2时，则会使得燃料的利用率降低，因为电池堆的输出电压V与输出电流I的乘积(V×I)小于对应于最佳工作点OP2的电压V2与电流I2的乘积(V2×I2)。

另一方面，不同老化程度的电池堆亦对应不同的工作特性。请参阅图2，图2绘示电池堆在不同老化程度A1～A3下(老化程度A3＞A2＞A1)的电流密度-电压曲线图。当电池堆在老化程度A2时，电池堆的最佳工作点(V，I)为工作点OP2(V2，I2)。若设定输出电压V大于电压V2时，则燃料的利用率降低，若设定电池堆的输出电压V小于电压V2时，则产生燃料供应不足的现象，从而损伤电池堆。

再者，如图3所示，图3绘示电池堆在进行工作点OP1～OP3切换时的电压变化示意图。当电池堆的工作点(V，I)由工作点OP1(V1，I1)切换至工作点OP2(V2，I2)时，电压变化为ΔV。此时，由于工作点OP2(V2，I2)尚未进入燃料不足区，所以ΔV相对较小。另外，当电池堆的工作点(V，I)由工作点OP2(V2，I2)切换至工作点OP3(V3，I3)时，其电压变化为ΔV’。此时，由于工作点OP3(V3，I3)已进入燃料不足区，所以ΔV’相对较大，变化较为剧烈。

基于上述，为了因应不同电池堆的工作特性，以提高效率并达到保护电池的目的，须为电池堆选择正确的工作点(V，I)。然而以传统技术而言，大多采用定电压、或定电流或电压扰动的观察方式控制燃料电池堆所输出的电压与电流工作点。举例来说，美国专利案第5,714,874号揭露了一种使用定电压的方式以将电池堆的输出电压控制在27V～28V之间；美国专利案第2006/0029844号则揭露利用电压扰动的观察方式以得到电池堆的最大输出功率点。

然而，定电压的控制方式只适用在供应固定燃料流量的燃料电池系统中，其并不适合应用在具有变动燃料流量的燃料电池系统中。当定电压的控制方式应用在具有变动燃料流量的燃料电池系统中时，在燃料不足与过多的条件下，电池堆的发电效率会较低。此外，定电压的控制方式应用在老化的电池堆时，由于老化的电池堆的工作电压点会产生偏移，以至于燃料的利用率会降低。再者，由于定电压的控制方式很容易造成电池堆的输出电压与输出电流产生剧烈的变化，从而会冲击电池堆的使用寿命。

由于美国专利案第2006/0029844号所揭露的电压扰动的观察方式并未设定电压过低的保护点，所以容易因电池堆的输出电压过低而损伤到电池堆本身。此外，在运作过中须对电池堆的输出电压进行上下扰动，容易造成电池堆的输出电压与输出电流产生剧烈的变化，从而会冲击电池堆的使用寿命。

除此之外，中国台湾专利案第200905960号以及美国专利案第2007/0196700号、第2007/0178336号与第2010/0173211号都揭露了有关燃料电池系统的控制方式。

发明内容

本发明提出一种燃料电池系统的控制方法，可以稳定地调整燃料电池系统中电池堆的输出电压与输出电流，藉此让电池堆可以得到较高的输出功率，而且进入至电池堆中的燃料也能被有效地利用以转化成电能。

本发明提出一种燃料电池系统，其得以稳定地运作以让电池堆得以保持较高的发电效率以及具有较长的使用寿命。

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。