专利名称：燃料电池系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，且特别是涉及一种可稳定地输出电力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，其中常见的为直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell ；DMFC)以及质子交换膜型燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell ;PEMFC)。然而，不论是直接甲醇燃料电池或是质子交换膜型燃料电池，其都是藉由使燃料产生反应来发电，而燃料多寡及反应的快慢会影响整个燃料电池的效能及稳定度。以质子交换膜型燃料电池为例，质子交换膜型燃料电池主要由质子交换膜以及阴阳两电极组成。其阳极以氢气为燃料，而氢气由泵浦及流量控制阀输送至阳极的流道中，而当氢气与阳极中的触媒反应时，会反应产生热。阳极的燃料与触媒反应产生氢离子与电子，其化学式如下:2H2 — 4H++4e_阳极反应生成的电子经由电路去往阴极，氢离子则穿透质子交换膜去往阴极，再与电子和氧气反应生成水，其化学式如下:4H++4e +O2 — 2H20而阴极所产生的水蒸气则会透过冷凝系统再回收。另一方面，由于阳极的氢气反应时的流率需要恒定，故常需要复杂的阀件及泵浦去做氢气的流量控制。做为燃料的氢气可藉由一般现有的氢气产生方式来制造，其中以化学储氢技术为常用的技术，其广泛用于可携式电力装置中。化学储氢技术通常是藉由固态反应物与液态反应物反应而产生氢气。其中，上述的固态反应物可为金属氢化物或金属，例如:硼氢化钠(NaBH4)、氢化镁(MgH2)、氢化钙(CaH2)或铝粉(Al)。上述的液态反应物可包括液态水、苹果酸(malic acid)、朽1 檬酸(citric acid)、硫酸(H2SO4)、小苏打(NaHCO3)水、石灰(CaCO3)水等液体。举例来说，可将水加入硼氢化钠中，以使得两者发生化学反应，而产生氢气。之后，再将产生的氢气通入燃料电池中，即可反应而产生电力。上述硼氢化钠与水反应的操作方式可以是将水加入硼氢化钠中，或是将硼氢化钠加入水中，这两种方式均可。其化学式如下:NaBH4+2H20 — NaB02+4H2由化学式可知，此化学反应为一次化反应会造成不断产生氢气，直到固态反应物与液态反应物的化学反应完成才会停止。由于化学反应产氢会使得氢气流量不稳定，故常需要一个流量控制阀来稳定地输出氢气。此外，利用上述 方式每次将水加入固态反应物后，会非常大量地释放氢气。而当燃料电池一次接收到大量的氢气量时，造成其输出电压升高及其温度急剧升高，因此系统控制相当不易。目前业界都以阀件去做控制氢气的输出，以达到精准控制，但是阀件相当昂贵。此外，若是不用阀件来控制氢气的输出，则会有下列问题:1.无法适应不同环温操作。在低环温时会造成需要大量的化学反应以产生氢气并维持其温度；而在高环温时，由于反应性较佳，其控制氢气流量的逻辑会不同。另一方面，倘若温度若是过高，系统则难以降温到燃料电池最佳温度。2.氢气流量无法控制。大量氢气会造成电压和温度急速升高，而氢气量太少又会使得电压降低。若没有良好的氢气流量的控制方法，将会使得电池堆组寿命降低非常快。3.目前一般业界的控制模式，会使得燃料电池的温度范围变大，而导致温度会过高或是过低。又因温度会直接地影响燃料电池输出电力时的效能，故会导致燃料电池的燃料利用率下降。此外，在美国20090214904号公开专利申请，揭示了一种整合燃料(IntegratedFuel)及燃料电池，其控制开口尺寸并结合使用膜材料，以控制水或水蒸气通入固体燃料的速率。再者，在中国台湾201004018号公开专利申请，揭露了一种燃料电池的燃料供应方法。此外，在美国20070196700号公开专利申请，揭露了一种燃料供应的控制方法。
发明内容
本发明提出一种燃料电池系统的控制方法，此方法基于所检测到的燃料电池系统的输出特征值，控制提供反应物的速率和量，以使燃料电池系统的输出稳定。本发明提出一种燃料电池系统，其基于所检测到的燃料电池系统的输出特征值，控制提供反应物的速率和量，藉此在不增加阀件的情况下，稳定燃料电池系统的输出。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。上述的控制方法包括检测燃料电池系统的输出特征值，以及依据输出特征值控制燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。其中当燃料电池系统操作在第一模式时，每当输出特征值降至下限值时，提供第一预设量的反应物至燃料电池系统的反应槽。其中当燃料电池系统操作在第二模式时，以变动的供给速率，提供第二预设量的反应物至反应槽。其中当燃料电池系统操作在第三模式时，以变动的供给速率，提供非固定量的反应物至反应槽。本发明的一实施例提出一种燃料电池系统。上述的燃料电池系统包括反应槽、供给装置、检测单元以及微控制单元。反应槽用以使反应物在其中产生反应。供给装置用以供给反应物至反应槽。检测单元用以检测燃料电池系统的输出特征值。微控制单元耦接至供给装置及检测单元，用以依据检测单元所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。其中当燃料电池系统操作在第一模式时，每当输出特征值降至下限值时，微控制单元控制供给装置提供第一预设量的反应物至反应槽。其中当燃料电池系统操作在第二模式时，微控制单元控制供给装置以变动的供给速率提供第二预设量的反应物至反应槽。其中当燃料电池系统操作在第三模式时，微控制单元控制供给装置以变动的供给速率提供非固定量的反应物至反应槽，其中非固定量大于第二预设量。本发明的一实施例提出一种燃料电池系统的控制方法。上述的控制方法包括检测燃料电池系统的输出特征值，以及依据输出特征值控制燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。其中当燃料电池系统操作在第一模式时，倘若输出特征值尚未达到下限值时，则以第一供给速率提供第一预设量的反应物至燃料电池系统的反应槽。其中当燃料电池系统操作在第二模式时，判断输出特征值是否介于上限值以及下限值之间，并依据判断结果，变更提供至反应槽的反应物的量。其中当燃料电池系统操作在第三模式时，判断已经提供至反应槽的反应物的总量，并于总量达到预设最大供给量时，停止供应反应物至反应槽。本发明的一实施例提出一种燃料电池系统。上述的燃料电池系统包括反应槽、供给装置、检测单元以及微控制单元。反应槽用以使反应物在其中产生反应。供给装置用以供给反应物至反应槽。检测单元用以检测燃料电池系统的输出特征值。微控制单元耦接至供给装置及检测单元，用以依据检测单元所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。其中当燃料电池系统操作在第一模式时，倘若输出特征值尚未达到下限值时，则微控制单元控制供给装置以第一供给速率提供第一预设量的反应物至燃料电池系统的反应槽。其中当燃料电池系统操作在第二模式时，微控制单元判断输出特征值是否介于上限值以及下限值之间，并依据判断结果，控制供给装置以变更提供至反应槽的反应物的量。其中当燃料电池系统操作在第三模式时，微控制单元判断已经提供至反应槽的反应物的总量，并于总量达到预设最大供给量时，控制供给装置以停止供应反应物至反应槽。在本发明的一实施例中，燃料电池系统为质子交换膜型燃料电池系统，反应物会与反应槽内的燃料反应而产生反应气体。燃料电池系统还包括电池堆，用以与所述的反应气体反应而产生电能。输出特征值为燃料电池系统的温度、反应气体的流量、反应气体的压力、电池堆的输出电流或电池堆的输出电压。在本发明的一实施例中，燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统，反应物为甲醇，输出特征值为燃料电池系统的温度、输出电流或输出电压。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第一模式时，每当在提供第一预设量的反应物至反应槽后，倘若上述的输出特征值的后续峰值小于默认值，则微控制单元将燃料电池系统由第一模式切换至第二模式，而上述的默认值大于下限值。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式且输出特征值的平均值大于上限值时，微控制单元控制供给装置以降低供给速率，而当燃料电池系统操作在第二模式且输出特征值的平均值小于下限值时，微控制单元控制供给装置以提升供给速率。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式时，每当输出特征值降至下限值的倍数时，微控制单元控制供给装置提供第二预设量的反应物至反应槽，其中上述的倍数大于一。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式时，倘若在相邻两次供给装置提供第二预设量的反应物至反应槽之间的时间间隔小于预设周期时，则微控制单元将燃料电池系统由第二模式切换至第三模式。在本发明的一实施 例中，当燃料电池系统操作在第一模式时，倘若输出特征值已达到下限值时，则微控制单元将燃料电池系统由第一模式切换至第二模式。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式时，倘若微控制单元判断出输出特征值大于上限值，则微控制单元控制供给装置以减少提供至反应槽的反应物的量。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式时，倘若微控制单元判断出输出特征值小于下限值，则微控制单元控制供给装置以增加提供至反应槽的反应物的量。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第二模式时，倘若在多次提供反应物至反应槽后，上述的输出特征值仍小于下限值，则微控制单元将燃料电池系统由第二模式切换至第三模式。在本发明的一实施例中，当燃料电池系统操作在第三模式时，倘若微控制单元判断出上述的输出特征值小于下限值，则微控制单元控制上述的供给装置以增加提供至反应槽的反应物的量。在本发明的一实施例中，每当输出特征值小于下限值时，则微控制单元控制上述的供给装置立即地提供反应物至反应槽。在本发明的上述实施例中，燃料电池系统的微控制单元基于所检测到的燃料电池系统的输出特征值，控制提供反应物的速率和量，藉此在不增加阀件的情况下，稳定燃料电池系统的输出，而节省制造成本。此外，微控制单元会依据上述的输出特征值，将燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二，而使燃料电池系统可稳定地反应并产生电，并可适应不同的操作环境。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并结合附图，作详细说明如下。
图1为本发明一实施例的燃料电池系统的框图；图2为本发明一实施例的燃料电池系统操作在第一模式时，其输出特征值与时间的关系图；图3为本发明一实施例的燃料电池系统操作在第二模式时，其输出特征值与时间的关系图；图4为本发明一实施例的燃料电池系统操作在第二模式时，其输出特征值与时间的关系图；图5为本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图；图6为本发明一实施例的燃料电池系统的输出特征值与时间的关系图；图7为本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。
具体实施例方式有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现 。以下实施例中所提到的方向用语，例如:上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1为本发明一实施例的燃料电池系统的框图。请参考图1，燃料电池系统100包含有供给装置110、反应槽120、微控制单元(Micro Control Unit ;1 ^)130、检测单元140以及电池堆150。供给装置110用以供给反应物至反应槽120。反应物在反应槽120经过处理或与其它物质产生化学反应，而产生对应的产物。上述的产物会被传送到电池堆150反应，以产生电能。检测单元140耦接至反应槽120或电池堆150，用以检测燃料电池系统100的输出特征值。上述的输出特征值是检测单元140于反应槽120或电池堆150运作时所检测到的一个物理特性，而在下文中将有更多关于输出特征值的说明。在本发明的一实施例中，燃料电池系统100为质子交换膜型燃料电池系统。供给装置110所供给的反应物会与反应槽120内的燃料反应而产生反应气体(例如:氢气)。上述的燃料可为金属氢化物或金属，例如:硼氢化钠(NaBH4)、氢化镁(MgH2)、氢化|丐(CaH2)或招粉(Al)。上述的反应物可包括液态水、苹果酸(malic acid)、朽1檬酸(citric acid)、硫酸(H2SO4)、小苏打(NaHCO3)水、石灰(CaCO3)水等液体。必须了解的，上述仅为示例性的说明，燃料和反应物可以是其它可产生类似反应的物质，而不局限于上面所提到的物质。电池堆150内的质子交换膜会使上述的反应气体发生反应，而产生电能。其中，因有关于电池堆150内质子交换膜的作用为本领域技术人员的已知技术，故在此即不再赘述。在此实施例中，上述的输出特征值可为燃料电池系统100的温度、反应气体的流量、反应气体的压力、电池堆150的输出电流或输出电压。检测单元140则相对地可为温度计、流量计、压力计、电流计或电压计，以量测燃料电池系统100的温度、反应气体的流量、反应气体的压力、电池堆150的输出电流或输出电压。在本发明的一实施例中，燃料电池系统100为直接甲醇燃料电池系统，而反应物为甲醇。供给装置Iio供给甲醇至反应槽120，甲醇浓度会在反应槽120内经过调整，反应槽120输出浓度调整过后的甲醇溶液至电池堆150，以使甲醇在电池堆150反应而产生电能。其中，上述的输出特征值可为供给装置110供给至反应槽120的甲醇流量、反应槽120供给至电池堆150的甲醇溶液的流量、燃料电池系统100的温度、输出电流或输出电压。检测单元140则相对地可为温度计、电流计或电压计，以量测供给装置110供给至反应槽120的甲醇流量、反应槽120供给至电池堆150的甲醇溶液的流量、燃料电池系统100的温度、输出电流或输出电压。微控制单元130依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同的时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。举例而言，在本发明一实施例中，微控制单元130依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同的时间点分别操作在第一模式及第二模式。在本发明一实施例中,微控制单元130依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同的时间点分别操作在第一模式及第三模式。在本发明一实施例中，微控制单元130依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同的时间点分别操作在第二模式及第三模式。在本发明一实施例中，微控制单元130依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同的时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式。在本发明一实施例中，微控制单元130依据上述的输出特征值，控制燃料电池系统100依序地操作在第一模式、第二模 式及第三模式。必须了解的，燃料电池系统100操作在各模式的时间先后次序可依实际需要进行调整，且燃料电池系统100操作在任一个模式下的次数并不局限于一次。在下文中将有更多关于第一模式、第二模式及第三模式的说明。请参考图2并同时参考图1，图2为本发明一实施例的燃料电池系统100操作在第一模式时，其输出特征值与时间的关系图。图2的横轴表示时间，而图2的纵轴表示上述检测单元140所量测到的输出特征值。当燃料电池系统100操作在第一模式时，每当上述的输出特征值降至下限值Ld时，微控制单元130控制供给装置110提供第一预设量的反应物至反应槽120。其中，下限值Ld可依据对于燃料电池系统100的需求(例如:额定电压、额定电流、额定功率...等)来设定，当对于燃料电池系统100的需求不同时，可相对地调整下限值Ld，以使燃料电池系统100能符合需求。此外，第一预设量也可依据对于燃料电池系统100的需求来设定，例如:对于需要输出较大功率的燃料电池系统100来说，第一预设量相对而言也会较大，而使燃料电池系统100的反应速率较大。本领域中的技术人员应可明白上述的第一预设量及下限值Ld可依不同的燃料电池系统100的规格来加以制订、调整，以适应不同的使用需求。此外，在本发明一实施例中，当燃料电池系统100操作在第一模式时，每当在提供第一预设量的反应物至反应槽120后，倘若上述的输出特征值的后续峰值小于默认值01，则微控制单元130将燃料电池系统100由第一模式切换至第二模式或由第一模式切换至第三模式。其中，如图2所示，默认值01大于下限值Ld。而在时间点I；、T4，供给装置110分别提供第一预设量的反应物至反应槽120。其中，相对于时间点I；、T1, T2和T3的上述输出特征值的后续峰值皆大于默认值01，而相对于时间点T4的输出特征值的后续峰值P则小于默认值01。故当微控制单元130判断出后续峰值P小于默认值01后，就会将燃料电池系统100由第一模式切换至第二模式或由第一模式切换至第三模式。请参考图3并同时参考图1，图3为本发明一实施例的燃料电池系统100操作在第二模式时，其输出特征值与时间的关系图。图3的横轴表示时间，而图3的纵轴表示上述检测单元140所量测到的输出特征值。当燃料电池系统100操作在第二模式时，微控制单元130控制供给装置110以变动的供给速率提供第二预设量的反应物至反应槽120。其中，上述的第二预设量可依据对于燃料电池系统100的需求来设定。举例来说，对于需要输出较大功率的燃料电池系统100而言，第二预设量相对也会较大。本领域中的技术人员应可明白第二预设量可依不同的燃料电池系统100的规格来加以制订、调整，以适应不同的使用需求。如上所述，微控制单元130控制供给装置110以变动的供给速率提供第二预设量的反应物至反应槽120。为了说明「变动的供给速率」，请参考图3。以图3为例，供给装置110会在时间点Ta、Tb、T。、Td和Te分别提供第二预设量的反应物至反应槽120。其中，时间点Ta、Tb、Tc^TjP I；之间的时间间隔T2a、T2b、T2。和T2d并不一定相等。因此，当燃料电池系统100操作在第二模式时，供给装置110提供反应物至反应槽120的供给速率是变动的。在本发明一实施例中，当燃料电池系统100操作在第二模式且上述的输出特征值的平均值大于上限值Lu时，微控制单元130会控制供给装置110以降低反应物的供给速率。当供给装置110降低反应物的供给速率后，相邻两次供给反应物至反应槽120的时间间隔会拉长，以减缓反应物的反应速度。此外，在此一实施例中，当燃料电池系统100操作在第二模式而上述的输出特征值的平均值小于下限值Ld时，微控制单元130控制供给装置100以提升反应物的供给速率 。当供给装置110提升反应物的供给速率后，相邻两次供给反应物至反应槽120的时间间隔会缩短，以加快反应物的反应速度。请参考图4并同时参考图1，图4为本发明一实施例的燃料电池系统100操作在第二模式时，其输出特征值与时间的关系图。图4的横轴表示时间，而图4的纵轴表示上述检测单元140所量测到的输出特征值。在此一实施例中，当燃料电池系统100操作在第二模式时，每当上述的输出特征值降至下限值Ld的一倍数α时，微控制单元130控制供给装置110提供第二预设量的反应物至反应槽120，其中上述的倍数α大于一。以图4为例，上述的输出特征值在时间点TA、TB、TC、TD和Te分别下降至a Ld，故供给装置110在时间点TA、TB、Te、TD和Te分别提供第二预设量的反应物至反应槽120。其中，时间点TA、TB、Te、TD和Te之间的时间间隔T2A、T2B> T2c和T2d并不一定相等。在本发明一实施例中，当燃料电池系统100操作在第二模式时，倘若在相邻两次供给装置110提供第二预设量的反应物至反应槽120之间的时间间隔小于一预设周期时，则微控制单元130会将燃料电池系统100由第二模式切换至第一模式或由第二模式切换至第三模式。上述的预设周期例如是30秒，但本发明并不以此为限。本领域中的技术人员应可明白上述的预设周期可依不同的燃料电池系统100的规格来加以制订、调整，以适应不同的使用需求。在本发明一实施例中，当燃料电池系统100操作在第三模式时，微控制单元130控制供给装置110以变动的供给速率，提供非固定量的反应物至反应槽120。其中，此处的「变动的供给速率」与上述说明中的「变动的供给速率」是一致的，故不再赘述。此外，上述的非固定量是指当燃料电池系统100操作在第三模式时，每次供给装置110提供反应物至反应槽120的量是非固定的。在本发明一实施例中，上述的非固定量可大于上述的第二预设量，以提升反应物的反应速率。在本发明一实施例中，在燃料电池系统100操作在第三模式的期间,倘若提供反应物至反应槽120的次数超过一预设次数时，则微控制单元130会将燃料电池系统100由第三模式切换至第一模式或由第三模式切换至第二模式。必须了解的，燃料电池系统100在各模式之间的切换机制并不以上述实施方式为限，本领域中的技术人员应可明白第一模式、第二模式、第三模式之间的切换机制而依据实际需求加以调整。请参考图5，图5为本发明一实施例的燃料电池系统100的控制方法的流程图。在步骤S510中，藉由检测单元140检测燃料电池系统100的输出特征值。在步骤S520中，微控制单元130依据上述的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。请参考图6及图7并同时参照图1。图6为本发明一实施例的燃料电池系统100的输出特征值与时间的关系图，图7为本发明一实施例的燃料电池系统100的控制方法的流程图。图6的横轴表示时间，而图6的纵轴表示上述检测单元140所量测到的输出特征值或是反应物的供给量。其中每一以标志“ ■ ”所标示的点各代表一次供应反应物至反应槽120，而每一标志“ ■ ”所在的横坐标表示供应反应物的时间点，而每一标志“ ■ ”所在的纵坐标表示反应物的供应量。在本实施例中，上述的燃料电池系统亦包括供给装置110、反应槽120、微控制单元130以及 检测单元140。微控制单元130亦会依据检测单元140所检测到的输出特征值，控制燃料电池系统100在不同时间点分别操作在第一模式1、第二模式II及第三模式III。以下说明中，上述的输出特征值将以Fp表示。虽然在本实施例中，燃料电池系统100是依序地操作在第一模式1、第二模式II及第三模式III，但本领域中的技术人员应明白燃料电池系统100操作在各模式的时间先后次序可依实际需要进行调整。在本发明一实施例中，每当输出特征值Fp小于下限值BL时，微控制单元130会控制供给装置110，以立即地提供反应物至反应槽120。当燃料电池系统100操作在第一模式I时，微控制单元130会设定供给装置110每次提供反应物至反应槽120的量为第一预设量X1 (步骤S710)。之后，在步骤S720中，微控制单元130会判断输出特征值Fp是否大于或等于下限值BL。倘若输出特征值Fp尚未达到下限值BL时，则微控制单元130控制供给装置100以第一供给速率提供第一预设量X1的反应物至反应槽120 (步骤S730)。倘若在步骤S720中判断出输出特征值Fp已经达到下限值BL，则微控制单元130将燃料电池系统100由第一模式I切换至第二模式II。当燃料电池系统100操作在第二模式II时，微控制单元130会设定供给装置110每次提供反应物至反应槽120的量为第二预设量X2 (步骤S740)。之后，在步骤S750中，微控制单元130判断输出特征值Fp是否介于上限值TL及下限值BL之间，并依据判断结果，控制供给装置110以变更提供至反应槽120的反应物的量。详言之，倘若在步骤S750中判断出特征值Fp介于上限值TL及下限值BL之间，则令一个累计参数N等于零(步骤S760)。倘若在步骤S750中判断出特征值Fp大于上限值TL，则微控制单元130控制供给装置110以减少提供至反应槽120的反应物的量，并令累计参数N等于零(步骤S770)。在本发明一实施例中，当于步骤S770中减少提供至反应槽120的反应物的量时，系使新的第二预设量X2等于原先的第二预设量X2减去一预设量xdm。再者，在本发明一实施例中，当于步骤S770中减少提供至反应槽120的反应物的量时,亦同时降低提供反应物至反应槽120的速率,亦即拉长相邻两次提供反应物至反应槽120的时间间隔。倘若在步骤S750中判断出特征值Fp小于下限值BL，则微控制单元130控制供给装置Iio以增加提供至反应槽120的反应物的量，并累加I至累计参数N (步骤S780)。在本发明一实施例中，当于步骤S780中增加提供至反应槽120的反应物的量时，系使新的第二预设量X2等于原先的第二预设量X2加上一预设量Xdp。再者，在本发明一实施例中，当于步骤S780中增加提供至反应槽120的反应物的量时，亦同时提高提供反应物至反应槽120的速率，亦即缩短相邻两次提供反应物至反应槽120的时间间隔。此外，当燃料电池系统100操作在第二模式II时，倘若在多次提供反应物至反应槽120后，输出特征值Fp仍小于下限值BL，则微控制单元130将燃料电池系统100由第二模式II切换至第三模式III。以图7的实施例来说，微控制单元130会进行步骤S790，以判断累计参数N是否大于一预定次数P。倘若累计参数N大于预定次数P，则表示在多次提供反应物至反应槽120后，输出特征值Fp仍小于下限值BL，此时微控制单元130会将燃料电池系统100由第二模式II切换至第三模式III。值得注意地，上述的累计参数N的初始值为零。当燃料电池系统100操作在第三模式III时，微控制单元130会设定供给装置110每次提供反应物至反应槽120的量为非固定量X3 (步骤S800)。一般而言，非固定量X3大于第二预设量X2。之后，在步骤S810中，微控制单元130判断已经提供至反应槽120的反应物的总量Dsum是否已经达到预 设最大供给量TD，并于总量达到预设最大供给量时，控制供给装置Iio停止供应反应物至反应槽120。此外，倘若在步骤S810中，微控制单元130判断出已提供至反应槽120的反应物的总量Dsum尚未达到预设最大供给量TD，则进行步骤S820。在步骤S820中，微控制单元130判断输出特征值Fp是否介于上限值TL以及下限值BL之间，并依据判断结果，控制供给装置HO以变更提供至反应槽120的反应物的量。详言之，倘若在步骤S820中判断出特征值Fp介于上限值TL及下限值BL之间，则回到步骤S810。倘若在步骤S820中判断出特征值Fp小于下限值BL，则微控制单元130控制供给装置110以增加提供至反应槽120的反应物的量(步骤S830)。在本发明一实施例中，当于步骤S830中增加提供至反应槽120的反应物的量时，使新的非固定量X3等于原先的非固定量XJAXdf倍，其中倍数Xdf大于一。本领域中的技术人员应可明白上限值TL、下限值BL、第一预设量X1、第二预设量X2、非固定量x3、预定次数P、预设最大供给量TD、预设量Xdffl、预设量Xdp以及倍数Xdf可依不同的燃料电池系统100的规格来加以制订、调整，以适应不同的使用需求。此外，图6和图7所对应的燃料电池系统100可为质子交换膜型燃料电池系统或是直接甲醇燃料电池系统。综上所述，在本发明的上述实施例中，燃料电池系统的微控制单元基于所检测到的燃料电池系统的输出特征值，控制提供反应物的速率和量，藉此可稳定燃料电池系统的输出，故可在不增加阀件的情况下，节省制造成本。此外，微控制单元会依据上述的输出特征值，将燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二，而使燃料电池系统可稳定地反应并产生电，并可适应不同的操作环境。以上所述，仅为本发明优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，依本发明权利要求书及说明书内容所作简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。摘要部分和标题仅是用来辅助专 利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
权利要求
1.一种燃料电池系统的控制方法，包括: 检测所述燃料电池系统的输出特征值；以及 依据所述输出特征值，控制所述燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，每当所述输出特征值降至下限值时，提供第一预设量的反应物至所述燃料电池系统的反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，以变动的供给速率，提供第二预设量的所述反应物至所述反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，以变动的供给速率，提供非固定量的所述反应物至所述反应槽，其中所述非固定量大于所述第二预设量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述燃料电池系统为质子交换膜型燃料电池系统，所述反应物会与所述反应槽内的燃料反应而产生反应气体，而所述燃料电池系统还包括电池堆，用以与所述反应气体反应而产生电能，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、所述反应气体的流量、所述反应气体的压力、所述电池堆的输出电流或输出电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统，所述反应物为甲醇，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、输出电流或输出电压。
4.根据权利要求1所 述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，每当在提供所述第一预设量的所述反应物至所述反应槽后，若所述输出特征值的后续峰值小于默认值，则将所述燃料电池系统由所述第一模式切换至所述第二模式或所述第三模式，其中所述默认值大于所述下限值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式且所述输出特征值的平均值大于上限值时，降低所述供给速率，而当所述燃料电池系统操作在所述第二模式且所述输出特征值的平均值小于所述下限值时，提升所述供给速率。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，每当所述输出特征值降至所述下限值的α倍时，提供所述第二预设量的所述反应物至所述反应槽，其中所述α值大于一。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，若在相邻两次提供所述第二预设量的所述反应物至所述反应槽之间的时间间隔小于预设周期时，则将所述燃料电池系统由所述第二模式切换至所述第三模式。
8.一种燃料电池系统，包括: 反应槽，用以使反应物在其中产生反应； 供给装置，用以供给所述反应物至所述反应槽； 检测单元，用以检测所述燃料电池系统的输出特征值；以及 微控制单元，耦接至所述供给装置及所述检测单元，用以依据所述检测单元所检测到的所述输出特征值，控制所述燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二；其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，每当所述输出特征值降至下限值时，所述微控制单元控制所述供给装置提供第一预设量的所述反应物至所述反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，所述微控制单元控制所述供给装置以变动的供给速率提供第二预设量的所述反应物至所述反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，所述微控制单元控制所述供给装置以变动的供给速率提供非固定量的所述反应物至所述反应槽，其中所述非固定量大于所述第二预设量。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统为质子交换膜型燃料电池系统，所述反应物会与所述反应槽内的燃料反应而产生反应气体，而所述燃料电池系统还包括电池堆，用以与所述反应气体反应而产生电能，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、所述反应气体的流量、所述反应气体的压力、所述电池堆的输出电流或输出电压。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统，所述反应物为甲醇，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、输出电流或输出电压。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，每当在提供所述第一预设量的所述反应物至所述反应槽后，若所述输出特征值的后续峰值小于默认值，则所述微控制单元将所述燃料电池系统由所述第一模式切换至所述第二模式或所述第三模式，而所述默认值大于所述下限值。
12.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式且所述输出特征值的平均值大于上限值时，所述微控制单元控制所述供给装置以降低所述供给速率，而当所述燃料电池系统操作在所述第二模式且所述输出特征值的平均值小于所述下限值时，所述微控制 单元控制所述供给装置以提升所述供给速率。
13.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，每当所述输出特征值降至所述下限值的α倍时，所述微控制单元控制所述供给装置提供所述第二预设量的所述反应物至所述反应槽，其中所述α值大于一。
14.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，若在相邻两次所述供给装置提供所述第二预设量的所述反应物至所述反应槽之间的时间间隔小于预设周期时，则所述微控制单元将所述燃料电池系统由所述第二模式切换至所述第三模式。
15.一种燃料电池系统的控制方法，包括: 检测所述燃料电池系统的输出特征值；以及 依据所述输出特征值，控制所述燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，倘若所述输出特征值尚未达到下限值时，则以第一供给速率提供第一预设量的反应物至所述燃料电池系统的反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，判断所述输出特征值是否介于上限值以及所述下限值之间，并依据判断结果，变更提供至所述反应槽的所述反应物的量； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，判断已经提供至所述反应槽的所述反应物的总量，并于所述总量达到预设最大供给量时，停止供应所述反应物至所述反应槽。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述燃料电池系统为质子交换膜型燃料电池系统，所述反应物会与所述反应槽内的燃料反应而产生反应气体，而所述燃料电池系统还包括电池堆，用以与所述反应气体反应而产生电能，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、所述反应气体的流量、所述反应气体的压力、所述电池堆的输出电流或输出电压。
17.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中所述燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统，所述反应物为甲醇，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、输出电流或输出电压。
18.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，若所述输出特征值已达到所述下限值时，则将所述燃料电池系统由所述第一模式切换至所述第二模式或所述第三模式。
19.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，判断所述输出特征值，若所述输出特征值大于所述上限值，则减少提供至所述反应槽的所述反应物的量，若所述输出特征值小于所述上限值则增加提供至所述反应槽的所述反应物的量。
20.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，若在多次提供所述反应物至所述反应槽后，所述输出特征值小于所述下限值，则将所述燃料电池系统由所述第二模式切换至所述第三模式。
21.根据权利要求15所述的燃料电池系统的控制方法，其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，若判断出所述输出特征值小于所述下限值，则增加提供至所述反应槽的所述反应物的量。
22.—种燃料电池系统，包括: 反应槽，用以使反应物在其中产生反应； 供给装置，用以供给所述反应物至所述反应槽； 检测单元，用以检测所述燃料电池系统的输出特征值；以及 微控制单元，耦接至所述供给装置及所述检测单元，用以依据所述检测单元所检测到的所述输出特征值，控制所述燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，倘若所述输出特征值尚未达到下限值时，则所述微控制单元控制所述供给装置以第一供给速率提供第一预设量的反应物至所述反应槽； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，所述微控制单元判断所述输出特征值是否介于上限值以及所述下限值之间，并依据判断结果，控制所述供给装置以变更提供至所述反应槽的所述反应物的量； 其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，所述微控制单元判断已经提供至所述反应槽的所述反应物的总量，并于所述总量达到预设最大供给量时，控制所述供给装置以停止供应所述反应物至所述反应槽。
23.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统为质子交换膜型燃料电池系统，而所述燃料电池系统还包括电池堆，用以与所述反应气体反应而产生电能，所述反应物会与所述反应槽内的燃料反应而产生反应气体，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、所述反应气体的流量、所述反应气体的压力、所述电池堆的输出电流或输出电压。
24.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统为直接甲醇燃料电池系统，所述反应物为甲醇，所述输出特征值为所述燃料电池系统的温度、输出电流或输出电压。
25.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第一模式时，若所述输出特征值已达到所述下限值时，则所述微控制单元将所述燃料电池系统由所述第一模式切换至所述第二模式或所述第三模式。
26.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，所述微控制单元判断所述输出特征值，若所述输出特征值大于所述上限值，则所述微控制单元控制所述供给装置以减少提供至所述反应槽的所述反应物的量，若所述输出特征值小于所述上限值，则所述微控制单元控制所述供给装置以增加提供至所述反应槽的所述反应物的量。
27.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第二模式时，若在多次提供所述反应物至所述反应槽后，所述输出特征值小于所述下限值，所述微控制单元将所述燃料电池系统由所述第二模式切换至所述第三模式。
28.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池系统操作在所述第三模式时，若所述微控制单元判断出所述输出特征值小于所述下限值，所述微控制单元控制所述供给装置以增加提 供至所述反应槽的所述反应物的量。
全文摘要
一种燃料电池系统及其控制方法。上述控制方法包括检测燃料电池系统的输出特征值，以及依据所检测到的输出特征值控制燃料电池系统在不同时间点分别操作在第一模式、第二模式及第三模式至少其中之二。藉此，燃料电池系统可稳定地反应并产生电，并可适应不同的操作环境。
文档编号H01M8/04GK103219534SQ20121001634
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者朱鼎舜, 周柏圭, 郑再兴 申请人:扬光绿能股份有限公司