专利名称：动态串并联配置燃料电池系统的配置方法及燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于配置燃料电池系统内部燃料电池单元的方法及燃料电池系统，其特别是关于一种利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法及燃料电池系统。
背景技术：
一般而言，燃料电池是指一种发电装置，其藉由电化学的反应过程，直接利用含氢的燃料程空气中的氧气在无燃烧的情形下直接产生电力。燃料电池不像一般一次电池一样用完即丢，也不像二次电池一般，用完需充电藉以恢复电力，燃料电池仅需继续添加燃料即可维持其电力。
以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，以氢气为燃料，其反应机制可视为电解水的逆反应，在阳极反应中，氢气经由扩散层进入，藉由触媒层的催化剂如铂金属的催化作用，将氢气分解成氢质子及电子，前者经由质子交换膜进入阴极反应区，后者则经由集电装置输往外界负载使用，另外一方面，氧气藉由阴极端的扩散层进入，藉由触媒层的催化剂如铂金属的催化作用将氧化分解，并结合来自于质子交换膜的氢质子及来自集电装置的电子，于阴极反应区生成水，如此即完成发电反应。其化学反应式如下所示阳极反应阴极反应总反应以直接甲醇燃料电池系统(DMFC)为例，位于中间层为造成质传效果的电解质膜，在电解质膜的两上下侧分别为触媒层，触媒层是阳极及阴极的电化学反应的所在，在触媒层的各两侧上端则是扩散层，阳极的反应物甲醇透过扩散层扩散进入触媒层反应，而化学反应所生成物二氧化碳会经由阳极端的扩散层排出，氢质子会透过电解质层进行质传，此时电子会经由阳极集电层收集电流之后流经负载再回到阴极，与质传后的氢质子结合，会合经由阴极端的扩散层进入的氧气在触媒层进行反应，生成物水再经由阴极端的扩散层排出，如此即完成发电反应。其化学反应式如下所示阳极反应阴极反应总反应一个燃料电池单元通常包括了最内层的质子交换膜、位于两侧的触媒层及位于最外两侧的气体扩散层，以上说明的反应即是一个燃料电池单元(cell)运作的最基本原理。就质子交换膜燃料电池(PEMFC)而言，一个燃料电池单元所产生的理想电位是1.2V，以直接甲醇燃料电池系统而言，一个燃料电池单元所产生的理想电位是1.2V，分析质子交换膜燃料电池的运作情形，可以发现至少有四种电力损失会发生阳极活化损失、电池阻抗损失、阴极活化损失，以及质传损失。观察直接甲醇燃料电池系统的运作情形，亦有相似的电力损失，其不同的处在于，除了以上的四种电力损失的外，其更包括了甲醇穿透所造成的电位损失。这些电力损失会使理想电位造成不同程度的电位压降，使得燃料电池单元的发电效率不佳，这些压降损失会使单个的燃料电池单位的电压下降0.4V~0.8V，甚至更低，使得燃料电池的发电输出功率不稳定。
造成燃料电池发电效率不稳定的原因除了以上所述的情形的外，燃料电池运作时所处的环境亦会造成影响，操作温度、操作压力及氧气供应的流量不同，燃料电池的发电效率都不相同，除此的外，就直接甲醇燃料电池系统而言，甲醇浓度及甲醇穿透率亦是影响发电输出功率的重大因素。这些因子及其间的交互作用等因素，会让燃料电池的电位压降及电流密度有很大的浮动范围，让燃料电池的电压及电流的输出相当的不稳定，进而使燃料电池的功率输出不稳定。
另外，目前燃料电池的制作形式大致分为以下种类堆栈式燃料电池、平面展开式燃料电池及复合式燃料电池。堆栈式燃料电池的组装方式乃是指各个电池单元(cell)依其平面依垂直方向进行堆栈，每多堆栈一组则厚度就增加一些。平面展开式燃料电池则是指各个电池单元(cell)依其平面进行依水平方向组装。而复合式燃料电池则是结合两者的组装方式而成。无论是何种燃料电池，皆必须借着电池单元的串联及并联来达成所须的电力，以串联增加输出的电压量，以并联提高可利用的电流量。就堆栈式燃料电池而言，其利用其堆栈的组装方式，最直接的动作就是串联了，反观之，欲达成并联的效果就必须另外接出连结。以平面展开式燃料电池而言，并联的连接方式比串联较为方便。而复合式燃料电池就更为麻烦了。无论是何种制作方式的燃料电池，通常连接的方式固定之后，其串并联就不会被改变了。
图1显示习知燃料电池的固定组装方式的架构示意图。在图1中每个燃料电池单元都有可能发生功率输出不稳定的情形，就电池的运作效率而言，如果燃料电池单元输出的电力不一致，往往会造成燃料电池单元的使用寿命减短、电力差距愈大、以及寿命减短的速度愈快等等情况。图1内共有六个燃料电池单元，假设每一个燃料电池单元标准电压为0.6V，其中分别以三个燃料电池单元为一组串联，再将两组串联燃料电池进行并联，然而在燃料电池单元10A发生了功率输出不稳定的情形，例如其电压已降为0.2V，由于这个燃料电池单元10A的影响，乃造成燃料电池10的效率快速下降，进而使得整组的燃料电池10的输出功率骤降。更有甚者，如果其中任何一个电池单元故障或损坏，则会使得整个燃料电池10完全失去作用。由于燃料电池10系采用公知固定组装方式来组装内部各个燃料电池单元，而无法单独对故障的燃料电池单元10A予以断路，致使要报废掉整个燃料电池10。
再者，燃料电池10虽然内部包含有六个燃料电池单元，然而由于是采用固定组装方式来连接，无法再对六个燃料电池单元予以变化成另一种电压的供电。
本发明发明人有鉴于公知固定组方式来组装燃料电池的缺失，以及燃料电池单元因本身所致的电力损失因素，难以到达理想电位1.2V，而造成组装后燃料电池的额定电压的不确定，乃亟思改良而发明一种利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法及其燃料电池系统。
发明内容
本发明的第一目的，是提供一种智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法，以及实施该方法的燃料电池系统，其能够很容易地将燃料电池系统内的各个燃料电池，予以动态式连接成各种不同的电压与电量。
本发明的第二目的，是提供一种智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法，以及实施该方法的燃料电池系统，其能够将燃料电池系统内的个别不良的燃料电池予以断路隔离，使得燃料电池系统能够更能有效的利用。
为达成本发明上述目的，本发明提供一种利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法包括下列步骤提供至少一个多路开关切换器；电气性连接至少二个燃料电池于多路开关切换器；控制多路开关切换器的切换，使得连接至多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
再者，为达成本发明上述目的，本发明提供一种智能型可操控式动态串并联的燃料电池系统包括至少一个的多路开关切换器；电气性连接多路开关切换器的至少二个燃料电池；微控制器系用以监测燃料电池的发电状况，并控制多路开关切换器的切换，使得连接至多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
图1显示公知燃料电池的固定组装方式的架构示意图。
图2显示本发明利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法的流程图。
图3显示依据本发明方法所实施的燃料电池系统的架构图。
图4显示本发明多路开关切换器的结构示意图。
图5是说明本发明控制多路开关切换器的切换所对应的电气连接组态。
图6A显示的多路开关切换器的切换状态，其配置成串联的电气连接组态。
图6B显示的多路开关切换器的切换状态，其配置成并联的电气连接组态。
图6C显示的多路开关切换器的切换状态，其配置成断路的电气连接组态。
图6D显示的多路开关切换器的切换状态，其配置成部份通路的电气连接组态。
图6E显示的多路开关切换器的切换状态，其配置成另一种部份通路的电气连接组态。
图7显示依据图3的实施例。
图8显示图7控制多路开关切换器的切换所对应的电气连接组态。
图中10燃料电池10A 燃料电池单元20配置方法30燃料电池系统40负载50切换201、203、205 步骤301 燃料电池303 多路开关切换器303a、303b 控制讯号输入脚303c、303d 输出脚303e、303f 脚位307a、307b 控制讯号307c、307d、307e 控制讯号305 微控制器3031 第一多路开关切换器3033 第二多路开关切换器3035 第三多路开关切换器
3037第四多路开关切换器3039第五多路开关切换器为使熟悉该项技术人士了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合所附的附图，对本发明详加说明如后具体实施方式
图2显示本发明利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法的流程图，以及图3显示依据本发明方法所实施的燃料电池系统的架构图。本发明利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法20，主要是应用在燃料电池系统，让实施本发明方法20的燃料电池系统30能够很容易地操控内部所有的燃料电池301，依据负载40的电气性规格要求、燃料电池301良莠状态，并联配置所有燃料电池301，或者串联配置所有燃料电池301、或者将所有燃料电池301断路而完全不与负载40连接，或者仅将良好的燃料电池301与负载40连接，并将损坏的燃料电池301不与负载40连接的部份通路配置。
本发明的配置方法20的步骤分别说明如下步骤(201)提供多路开关切换器303。本发明所采用的多路开关切换器303可以是一种电子式多路开关切换器，例如为由金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)构成的多路开关切换器303。步骤(203)是电气性连接至少二个燃料电池301于多路开关切换器303。在步骤(203)中，每个燃料电池301的正极与负极分别与多路开关切换器303电气性连接，并且将多路开关切换器303的其中两个输出脚303c、303d作为连接负载40的正极与负极。步骤(205)系控制多路开关切换器303的切换50，使得连接至多路开关切换器303的至少二个燃料电池301，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。在步骤(205)中，多路开关切换器303的控制讯号输入脚303a、303b接收控制讯号307a、307b，多路开关切换器303依据所接收到控制讯号307a、307b，切换成对应的电气连接组态，据此，每个燃料电池301皆被多路开关切换器303切换连接成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
图3的燃料电池系统30包括有多路开关切换器303，至少二个燃料电池301，以及微控制器305。其中至少二个燃料电池301系电气性连接多路开关切换器303，而微控制器305系用以控制多路开关切换器303的切换50，使得连接至多路开关切换器303的至少二个燃料电池301，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
图4显示本发明多路开关切换器的结构示意图。多路开关切换器303的控制讯号输入脚303a、303b系用来连接微控制器305以接收控制讯号307a、307b，而两个输出脚303c、303d是用来作为连接负载40的正极与负极。各个燃料电池301的正极与负极可以利用多路开关切换器303的脚位303e、303f以及输出脚303c、303d来分别连接。多路开关切换器303的内部A端点、B端点、C端点、D端点、E端点、F端点、以及G端点等皆是受控制讯号307a、307b的控制，而被控制成各端点能够彼此互为连通或断路。
图5是说明本发明控制多路开关切换器的切换所对应的电气连接组态。当微控制器305输出「0」(低电压准位)的控制讯号307a，以及「0」(低电压准位)的控制讯号307b时，请配合参见图6A显示的多路开关切换器303的切换状态，其配置成串联的电气连接组态。又当微控制器305输出「1」(高电压准位)的控制讯号307a，以及「1」(高电压准位)的控制讯号307b时，请配合参见图6B显示的多路开关切换器303的切换状态，其配置成并联的电气连接组态。又当微控制器305输出「1」(高电压准位)的控制讯号307a，以及「0」(低电压准位)的控制讯号307b时，请配合参见图6C显示的多路开关切换器303的切换状态，其配置成断路的电气连接组态。又当微控制器305输出「0」(低电压准位)的控制讯号307a，以及「1」(高电压准位)的控制讯号307b时，请配合参见图6D显示的多路开关切换器303的切换状态，其配置成部份通路的电气连接组态，亦即在图2右侧的燃料电池301是良好的，并且供应电力至负载40，然而左侧的燃料电池301是损坏的，已经配置为部份通路状态，使损坏的燃料电池停止运作，并连接至其它可用的燃料电池。再者，又当微控制器305输出「0」(低电压准位)的控制讯号307a，以及「1」(高电压准位)的控制讯号307b时，请配合参见图6E图显示的多路开关切换器303的切换状态，其配置成另一种部份通路的电气连接组态，亦即在图2左侧的燃料电池301是良好的，并且供应电力至负载40，然而右侧的燃料电池301是损坏的，已经配置为部份通路状态，使损坏的燃料电池停止运作，并连接至其它可用的燃料电池。
图7显示依据图3的实施例，以及图8显示图7控制多路开关切换器的切换所对应的电气连接组态。图7的第一多路开关切换器3031至第五多路开关切换器3039系采用电子式多路开关切换器，例如采用MOSFET之类的电子组件，当多路开关切换器3031~3039的闸极为「1」(高电压准位)时，源极在电气的效果上是与汲极连接，相反地，当多路开关切换器3031~3039的闸极为「0」(低电压准位)时，源极在电气的效果上是与汲极断路(不连接)。微控制器305分别对第一多路开关切换器3031至第五多路开关切换器3039输出控制信号307a、307b、307c、307d、307e，而获得图8所揭露的串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
本发明的微控制器305进一步能够用来监测每个燃料电池301的发电状况，以确实掌握每个燃料电池301的良莠，以达成最佳的智能型可操控式动态串并联燃料电池301的配置。
本发明的燃料电池301可以是燃料电池单元，或者是为堆栈式燃料电池、平面展开式燃料电池、复合式燃料电池等等。再者，本发明的燃料电池301可以是质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、其它燃料电池等等。
本发明的配置方法20与燃料电池系统30法并以上述揭露的两个数量的燃料电池301为挶限，依据本发明原理精神，凡熟悉该项技术者，能够推及于配置方法20与燃料电池系统30在两个以上数量的燃料电池301上实施，这些等效范畴变化，仍属于本发明的内。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，所作更动与润饰仍属于本发明后附的权利要求书的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法，包括下列步骤提供一多路开关切换器；电气性连接至少二个燃料电池于该多路开关切换器；控制该多路开关切换器的切换，使得连接至该多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
2.如权利要求1所述的配置方法，其中该多路开关切换器系为一电子式多路开关切换器。
3.如权利要求1所述的配置方法，其中该电气性连接至少二个燃料电池于该多路开关切换器的步骤，系将每个燃料电池的正极与负极分别电气性连接该多路开关切换器。
4.如权利要求1所述的配置方法，其中该控制该多路开关切换器的切换的步骤，系利用一微控制器对该多路开关切换器输出一控制讯号，以令该多路开关切换器依据该控制讯号予以变化该切换。
5.如权利要求1所述的配置方法，其中该燃料电池可以为一燃料电池单元、一堆栈式燃料电池、一平面展开式燃料电池、一复合式燃料电池等其中的一个。
6.如权利要求1所述的配置方法，其中该燃料电池可以为一质子交换膜燃料电池(PEMFC)、一直接甲醇燃料电池(DMFC)等其中的一个。
7.如权利要求4所述的配置方法，其中该微控制器，进一步用以监测该燃料电池的发电状况。
8.一种智能型可操控式动态串并联的燃料电池系统，包括一多路开关切换器；至少二个燃料电池，其电气性连接该多路开关切换器；一微控制器，用以控制该多路开关切换器的切换，使得连接至该多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部份通路的电气连接组态。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该多路开关切换器为一电子式多路开关切换器。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该至少二个燃料电池，是将每个燃料电池的正极与负极分别电气性连接该多路开关切换器。
11.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该微控制器，用以对该多路开关切换器输出一控制讯号，以令该多路开关切换器依据该控制讯号予以变化该切换。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该燃料电池可以为一燃料电池单元、一堆栈式燃料电池、一平面展开式燃料电池、一复合式燃料电池等其中的一个。
13.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该燃料电池可以为一质子交换膜燃料电池(PEMFC)、一直接甲醇燃料电池(DMFC)等其中的一个。
14.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中该微控制器，进一步用以监测该燃料电池的发电状况。
全文摘要
本发明是一种利用智能型可操控式动态串并联配置燃料电池系统的配置方法及燃料电池系统，配置方法包括下列步骤提供至少一个的多路开关切换器；电气性连接至少二个燃料电池于多路开关切换器；控制多路开关切换器的切换，使得连接至多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部分通路的电气连接组态。该燃料电池系统包括，一多路开关切换器；电气性连接该多路开关切换器的至少二个燃料电池；一微控制器，用以控制该多路开关切换器的切换，使得连接至该多路开关切换器的至少二个燃料电池，配置成串联、并联、断路、部分通路的电气连接组态。
文档编号H01M8/00GK1632976SQ20031012305
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者邓丰毅 申请人:胜光科技股份有限公司