[发明专利]燃料电池系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种燃料电池系统及其控制方法，且特别是有关于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。燃料电池具有多种类型，其中常见的为质子交换膜型燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)。此外，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，已成为考量燃料电池系统主要的性能指针之一。

有关于燃料电池系统中的电池堆(Stack)的特性请参阅图1至图3。图1示出电池堆在不同燃料供应率R1～R3(R1＞R2＞R3)下的电压-电流密度曲线图。如图1所示，当电池堆在燃料供应率R2时，电池堆的最佳工作点(电压及电流值)为工作点OP2(V2，I2)，补充说明一点，图1～2中的I值为经由电流密度值转换后的结果。因此，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，而使电池堆的输出电压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，由于电池堆的输出电压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)则会使得燃料的利用率降低。

图2示出电池堆在不同老化程度A1～A3(老化程度A3＞A2＞A1)下的电压-电流密度曲线图。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)。若设定电池堆的输出电压V大于电压V2时，则会使得燃料的利用率降低，其因电池堆的输出电压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)。另外，若设定电池堆的输出电压V小于电压V2时，则会产生燃料供应不足的现象，而使电池堆的输出电压V急速下降从而损伤到电池堆。由图1及图2可知，必须根据电池堆的燃料供应率或老化程度来设定电池堆的工作点，才能使电池堆达到最高的发电效率。

以传统技术而言，大多采用定电压、定电流或电压扰动观察的方式来控制燃料电池堆所输出的电压与电流操作点，从而让进入电池堆的燃料可以被有效地利用以转化成电能。举例来说，美国专利案号第5,714,874号揭露了一种以定电压的方式将电池堆的输出电压控制在27V～28V之间。当电池堆的输出电压大于28V时，则增加电池堆的最大输出电流；另外，当电池堆的输出电压低于27V时，则减少电池堆的最大输出电流。

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，并不适合应用在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。

另一方面，美国专利案号第2006/0029844号揭露利用电压扰动的观察方式得到电池堆的最大输出功率点。然而当电池堆内部的氢流量不足时，很容易造成电池堆运作在不适当的电压操作点，从而会冲击电池堆的使用寿命。

除此之外，台湾专利案号第201004018号与第200905960号，以及美国专利案号第2007/0196700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，可依据氢流量的状况动态地调整电池堆的输出电压，藉以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，可稳定地运作而让电池堆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。

为达到上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，包括：判断燃料电池系统中的电池堆内部的氢流量是否足够；当判断氢流量足够时，逐步降低电池堆的输出电压，并且持续侦测电池堆的输出电流，直至电池堆的输出电流停止上升；以及当判断氢流量不足时，逐步增加电池堆的输出电压，并且持续侦测电池堆的输出电流，直至电池堆的输出电流开始下降。