TWI416788B - 燃料電池系統 - Google Patents

Description

燃料電池系統

本發明是有關於一種燃料電池系統，且特別是有關於一種可根據負載變化自動切換電壓位準之燃料電池系統。

燃料電池是一種能直接將燃料中的化學能轉變成電能的發電裝置。為了使燃料電池之功率穩定地提供至負載，大部分的系統會串聯一組直流輸入之電源轉換器，以提供固定之輸出電壓至後端負載。然而，傳統的電源轉換器的轉換效率大致介於85～95%之間，因而損耗一部份的電能。此外，在設計高功率之系統時，單一電池燃料通常因極片面積尺寸限制，無法增加總電流，只能以高電壓來達到高功率之效果，然而常常因輸出電壓超過電源轉換器之電壓輸入範圍，而找不到適當的電源轉換器。另外，當傳統的燃料電池應用在輕型車輛的電源供應系統時，也常常需要持續高功率及大電流的輸出，若採用市售的直流電源轉換器，往往無法達到規格需求。因此，系統常需面臨改變設計之困難，有待改善。

本發明係有關於一種燃料電池系統，可根據負載之變化自動切換電壓位準，以避免負載過大而導致輸出電壓變動過大。

根據本發明之一方面，提出一種燃料電池系統，用以提供一操作電壓至一負載。此系統包括一燃料電池組、多數個集電板、一電壓偵測模組以及一電源切換模組。燃料電池組包括多數個相互串聯之燃料電池片，此些燃料電池片由下而上逐層堆疊，以使燃料電池組之電位能逐層增加。多數個集電板配置於燃料電池組之中，此些集電板分別具有一電壓輸出端子，此些電壓輸出端子用以輸出多數個電壓位準。電壓偵測模組連接電壓輸出端子，用以偵測此些電壓位準。電源切換模組連接電壓偵測模組以及此些電壓輸出端子，並根據負載之變化自動切換至最接近操作電壓之此些電壓位準其中之一，以調整燃料電池組之輸出電壓。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本實施例之燃料電池系統，可應用在低功率的可攜式電子產品、定置型之發電站或是高功率之車輛系統中。利用燃料電池片之負載與電壓成反比的特性，低負載時以較少數量的燃料電池片輸出電壓，高負載時切換至較多數量的燃料電池片維持以相同電壓之輸出，以避免高功率系統中總輸出電壓超過上限之情況。因此，本實施例能有效控制燃料電池系統之輸出電壓範圍。在一實施例中，可藉由偵測燃料電池片之電壓位準，以於不同負載下自動切換至最接近操作電壓之電壓位準，當輸出電壓不足時，則迅速切換至高電壓位準，當輸出電壓過高時，則迅速切換至低電壓位準，以使燃料電池系統維持輸出電壓之位準。

請參照第1、2A及2B圖，其中第1圖繪示依照一實施例之電池燃料系統之電路方塊圖，第2A圖繪示依照一實施例之集電板的示意圖，而第2B圖繪示依照一實施例之電池燃料組及集電板之立體示意圖。電池燃料系統100包括一燃料電池組110、多數個集電板120、一電壓偵測模組130以及一電源切換模組140。燃料電池組110包括多數個相互串聯之燃料電池片112，此些燃料電池片112由下而上逐層堆疊，以使燃料電池組110之電位能依序增加。例如，燃料電池片112的數量為36個，電位能最高可達36V。因此，燃料電池組110的輸出電壓Vout係由燃料電池片112的數量決定，數量越多電壓越高，數量越少電壓越低。

在一實施例中，燃料電池片112例如是質子交換膜燃料電池，其以氫氣為燃料，空氣為氧化劑，並以固態之高分子聚合物為電解質。電解質將燃料電池片112分隔為陰極以及陽極，氫氣於陽極氣體流道124(請參考第2A圖)中經觸媒層的催化，解離為氫離子與電子。氫離子通過質子交換膜往陰極遷移，而電子無法穿過薄膜，必須經由陽極集電板120至外部電路對負載做功之後，才能回到陰極。氧氣於陰極氣體流道中與來自陽極的電子以及氫離子在觸媒的催化下，形成水分子，並經由氣體流道排出。然而，當燃料電池組110對負載做功時，電流密度提高，且內電阻明顯增加，因而使輸出電壓Vout會隨著電流密度增加而下降。因此，本實施例利用燃料電池系統100之負載與電壓成反比的特性，低負載時以較少數量的燃料電池片112輸出一電壓，高負載時切換至較多數量的燃料電池片112以維持相同電壓之輸出，以避免傳統高功率系統中操作電壓變動過大之情況。

接著，請參考第2B圖，集電板120配置於燃料電池組110之中，且各個集電板120具有一電壓輸出端子122。電壓輸出端子122根據電位能的高低而個別輸出一電壓位準LV1～LV5。在一實施例中，集電板120可做為雙極板，其包括碳板、不銹鋼板或是其他的導電板。集電板120的電壓位準LV1～LV5可根據集電板120的位置來決定，位置越低，電壓位準越低；位置越高，電壓位準越高。因此，本實施例可藉由偵測各個電壓輸出端子122之電壓位準LV1～LV5，以於不同負載下自動切換至最接近操作電壓之電壓位準LV1～LV5。例如，當燃料電池組110之輸出電壓Vout不足時，則迅速切換至高電壓位準(例如LV2)之集電板120；當輸出電壓Vout過高時，則迅速切換至低電壓位準(例如LV3)之集電板120，以維持燃料電池系統100之輸出電壓Vout之位準。

在一實施例中，集電板120交錯堆疊於燃料電池組110中，以避免集電板120的電壓輸出端子122過於接近而容易導致短路。此外，各個電壓輸出端子122例如以插接、卡榫或是螺絲固定之方式銜接電力輸出之電纜線。

接著，請參考第1圖，電壓偵測模組130連接電壓輸出端子122，用以偵測不同位置之集電板120的電壓位準LV1～LV5以及接收輸出電壓Vout之訊號，以做為電源切換模組140之判斷依據。在一實施例中，電壓偵測模組130具有一輸入端132以及一輸出端134。輸入端132與相對應之電壓輸出端子122電性連接，而輸出端134與相對應之電源切換模組140電性連接。此外，各個燃料電池片112的工作電壓約在1V~0.6V之間，而實際上對外部負載做功時都會導致燃料電池組110的輸出電壓Vout產生波動，若燃料電池組110的輸出電壓Vout低於最低的工作電壓時，將會導致燃料電池組110無法發電，甚至造成永久損壞。因此，本實施例可藉由電壓偵測模組130來偵測各個電壓輸出端子122的電壓位準LV1~LV5以及輸出電壓Vout的變化，更可藉由切換至高電壓位準之集電板120，以避免燃料電池組110之輸出電壓Vout不足而造成損壞。

在一實施例中，電壓偵測模組130包括多數個分壓電阻136或多數個運算放大器，電壓偵測模組130可藉由分壓電阻136或運算放大器來擷取各個集電板120所輸出之電壓位準LV1~LV5，再將電壓訊號轉換後傳送至電源切換模組140，以做為調整輸出電壓Vout之依據。因此，當燃料電池組110對負載做功時，由於電流密度提高而使輸出電壓Vout下降，電源切換模組140可根據負載之用電量或電流量自動切換至最接近操作電壓之電壓位準LV1~LV5其中之一，以維持輸出電壓Vout之位準。

接著，請參考第1及3圖，其中第3圖繪示依照一實施例之電源切換模組140的內部示意圖。電源切換模組140可包括多數個切換開關142、多數個光耦合器144、多數 個逆向保護元件146以及一邏輯控制器148。切換開關142與對應之集電板120電性連接，用以切換不同電壓位準LV1~LV5。切換開關142例如為繼電器或電晶體開關，且一次只導通其中一切換開關142所連接之集電板120，以做為燃料電池組110之輸出電壓Vout。此外，光耦合器144連接於相對應之切換開關142及邏輯控制器148之間，用以隔離切換開關142及其控制訊號。另外，逆向保護元件146例如是二極體，其一端連接切換開關142，用以避免輸出電壓Vout回流至切換開關142。再者，邏輯控制器148連接電壓檢測模組130，切換開關142連接邏輯控制器148。邏輯控制器148用以擷取電壓偵測模組130之訊號並判斷各個集電板120所輸出之電壓位準LV1~LV5，以控制切換開關142進行電壓位準LV1~LV5之切換，以使輸出電壓Vout保持一致。

在一實施例中，邏輯控制器148可透過控制兩個切換開關142之工作週期，調整輸出電壓Vout之範圍，以降低穩定狀態下輸出電壓Vout的誤差。

接著，請參考第1圖，穩壓元件150連接於電源切換模組140與負載D之間，穩壓元件150用以穩定輸出電壓Vout，以使輸出電壓Vout在一穩定電壓範圍內，例如是24V左右。穩壓元件150例如為一超級電容，其安裝於燃料電池系統100之輸出端。當電源切換模組150輸出不同之輸出電壓Vout時，穩壓元件150可幫助輸出電壓Vout穩定，並於負載D瞬間升高時，提供瞬間之大電流輸出，以緩衝電流切換時間。

接著，請參考第1及4圖，其中第4圖繪示依照一實施例之燃料電池組的示意圖。在一實施例中，當應用在車輛的電源供應系統時，常常需要持續高功率及大電流的輸出，此時燃料電池系統100之操作電壓亦可隨著負載D之變動而改變，以將輸出電壓Vout自動切換至最接近操作電壓之電壓位準。操作電壓例如為12V、24V或36V等可變電壓，且電源切換模組140一次只導通其中一切換開關142所連接之集電板120，以調整燃料電池系統100之輸出電壓Vout之位準。例如負載D所需的功率增加時，可調高輸出電壓Vout，而負載D所需的功率減少時，可調低輸出電壓Vout。因此，本實施例之燃料電池系統100的操作電壓不限定為定值，而是可隨著負載D之變化而改變，以達到規格需求。

本發明上述實施例所揭露之燃料電池系統，係利用燃料電池片之負載與電壓成反比的特性，低負載時以較少數量的燃料電池片輸出電壓，高負載時切換至較多數量的燃料電池片維持以相同電壓之輸出。因此，本發明藉由電源切換模組以及電源偵測模組有效控制燃料電池系統之輸出電壓範圍，不需藉由電源轉換器轉換電壓，以提高轉換效率並減少系統的體積。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電池燃料系統

110‧‧‧燃料電池組

112‧‧‧燃料電池片

120‧‧‧集電板

122‧‧‧電壓輸出端子

124‧‧‧氣體流道

130‧‧‧電壓偵測模組

132‧‧‧輸入端

134‧‧‧輸出端

136‧‧‧分壓電阻

140‧‧‧電源切換模組

142‧‧‧切換開關

144‧‧‧光耦合器

146‧‧‧逆向保護元件

148‧‧‧邏輯控制器

150‧‧‧穩壓元件

D‧‧‧負載

LV1~LV5‧‧‧電壓位準

Vout‧‧‧輸出電壓

第1圖繪示依照一實施例之電池燃料系統之電路方塊圖。

第2A圖繪示依照一實施例之集電板的示意圖。

第2B圖繪示依照一實施例之電池燃料組及集電板之立體示意圖。

第3圖繪示依照一實施例之電壓切換模組的內部示意圖。

第4圖繪示依照一實施例之燃料電池組的示意圖。

100‧‧‧電池燃料系統

110‧‧‧燃料電池組

130‧‧‧電壓偵測模組

132‧‧‧輸入端

134‧‧‧輸出端

140‧‧‧電源切換模組

150‧‧‧穩壓元件

D‧‧‧負載

LV1~LV5‧‧‧電壓位準

Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

1. 一種燃料電池系統，用以提供一操作電壓至一負載，該系統包括：一燃料電池組，包括複數個相互串聯之燃料電池片，該些燃料電池片相互堆疊，以使該燃料電池組之電位能依序增加；複數個集電板，配置於該燃料電池組之中，該些集電板分別具有一電壓輸出端子，該些電壓輸出端子用以輸出複數個電壓位準；一電壓偵測模組，連接該些電壓輸出端子，用以偵測該些電壓位準；以及一電源切換模組，連接該電壓偵測模組以及該些電壓輸出端子，並根據該負載自動切換至最接近該操作電壓之該些電壓位準其中之一，以調整該燃料電池組之輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，更包括一穩壓元件，連接於該電源切換模組與該負載之間，用以穩定該輸出電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池系統，其中該穩壓元件包括一電容。
4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中該電壓偵測模組包括複數個分壓電阻，用以擷取該些電壓位準。
5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中該電壓偵測模組包括複數個運算放大器，用以擷取該些 電壓位準。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中該些集電板交錯堆疊於該燃料電池組中。
7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中該電源切換模組包括：一邏輯控制器，連接該電壓偵測模組，用以產生一控制訊號；複數個切換開關，連接該邏輯控制器，並根據該控制訊號切換該些電壓位準其中之一；複數個光耦合器，連接於該些切換開關與該邏輯控制器之間，用以隔離該些切換開關及該控制訊號；以及複數個逆向保護元件，每一該些逆向保護元件之一端相對應連接於該些切換開關之一。
8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池系統，其中該邏輯控制器控制該些切換開關之工作週期，以調整該輸出電壓之範圍。
9. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池系統，其中該些切換開關為繼電器或電晶體開關。
10. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池系統，其中該些逆向保護元件為二極體。