CN113130946B - 关闭燃料电池的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，方法的步骤包含：停止通入氢气至燃料电池；接着，在持续运转可调变负载时，使燃料电池内剩余的氢气持续反应以快速消耗氢气，同时检测燃料电池的氢气压力与电压值；以及当氢气压力值不大于气压阈值时，调降可调变负载的需求功率，以持续消耗残存的氢气，直到检测到燃料电池的电压值不大于最终电压阈值时，则关闭燃料电池。因此，本发明的燃料电池在关闭后系统内并不会残留过多的氢气，避免关机时产生燃烧反应、开机启动时产生高压电的情形发生。

Description

关闭燃料电池的控制方法及其系统

技术领域

本发明为一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，特别是指一种在关闭燃料电池的程序中，利用检测燃料电池的气压及电压以决定关闭燃料电池的时机与关闭燃料电池的控制方法及其系统。

背景技术

近年来，永续发展为重要的课题，全球因而致力追求能源、环保与经济的平衡发展。在运输工具方面，一般使用汽油作为动力来源，然而，在汽油转换为能量的过程中会释放大量的温室气体，无疑违背追求环保的目标，尤其在京都议定书生效后的温室气体减量压力，各国也渐渐释出能源替代方案。由于氢能可循环利用的特性，使燃料电池技术在运输工具上的应用，成为兼顾环境保护，也是目前高能源价格时代的解决方案。

燃料电池在关机的过程中，燃料电池系统中仍有残存的氢气及空气，残存于系统内的氢气容易使得燃料电池维持在开路电压的状况，并且氢气容易自阳极穿过(crossover)至阴极的空气端而发生燃烧反应。而在燃料电池开机时，氢气与空气之间的接口锋前沿着触媒层移动的时候容易产生高电压，进而使触媒载体产生氧化反应，伤害燃料电池的效能与寿命。因此，如何控制燃料电池在关机时仍有氢气残存于系统当中，是燃料电池需解决的一重要课题。

在公知技术当中，在燃料电池关机时，通过降低进入燃料电池阴极、阳极的气压，使得阳极达到负压的状态，并在达到负压时，通入惰性气体至阳极，以减少在下次燃料电池开机时所产生接口锋前的问题。然而，公知技术的缺点在于，如要通入惰性气体，需额外配置惰性气体于燃料电池上，无疑造成了系统设计的复杂度，此外，实际操作中，燃料电池组为多个单电池堆栈组合而成，当阳极达到负压状态时，由于氢气分布的不均匀，容易使得部分的电池周围没有氢气存在，造成电池的损坏，也就是说，在达到负压状态时，虽然仍然有电流的产生，却有部分的电池没有与适当的氢气进行反应，反而进行碳的氧化反应，进而造成燃料电池的损坏。

发明内容

本发明的一目的在于提供一关闭燃料电池的控制方法及其系统，在燃料电池的关机程序当中，在停止提供燃料电池反应物之后，利用可调变负载以消耗燃料电池系统中剩余的反应物，并利用检测燃料电池系统氢气的气体压力，以判断反应物的消耗状况。

本发明的又一目的在于提供一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，在检测燃料电池氢气压力时，同时检测燃料电池的电压，利用燃料电池的电压更精准地判断反应物的消耗状况，以充分消耗残存的氢气同时避免损害燃料电池，避免残余过多的氢气穿过电池极层，进而造成燃料电池系统内发生燃烧的状况、或高电压造成碳载体腐蚀的状况。

本发明的另一目的在于提供一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，在设定情况下，停止通入空气至燃料电池系统，使残存氢气与空气中的氧气反应完后，剩余的氮气会充满于燃料电池系统，以避免在燃料电池下次进行开机时形成氢气与空气的锋面，避免高电压的产生而腐蚀碳载体。

为达上述发明目的，本发明提出一种关闭燃料电池的控制方法，通过控制与燃料电池耦接的可调变负载，以关闭燃料电池系统，方法包含以下步骤:停止通入氢气至燃料电池；接着，在持续运转可调变负载时，使燃料电池内剩余的氢气持续反应以快速消耗氢气，同时检测燃料电池的氢气压力与电压值；以及当氢气压力值不大于气压阈值时，调降可调变负载的需求功率，以持续消耗残存的氢气，直到检测到燃料电池的电压值不大于最终电压阈值时，则关闭燃料电池。

在上述步骤当中，当可调变负载包含多个负载时，调降可调变负载的需求功率的方法为关闭至少一该可调变负载。其中关闭至少一可调变负载的方式为根据可调变负载的需求功率由大至小依次关闭。

在上述步骤当中，调降可调变负载的需求功率的方法为直接调整可调变负载的需求功率。

在上述步骤当中，在持续检测燃料电池的电压值时，检测燃料电池中的至少一单电池的电压值。在上述步骤当中，气压阈值不大于0.5磅力每平方英寸。

在上述步骤当中，最终电压阈值不大于0.1伏特。

在上述步骤当中，当检测到燃料电池的气压值不大于气压阈值时，停止通入空气至燃料电池。

在上述步骤当中，当检测到燃料电池的电压值不大于最终电压阈值时，在关闭燃料电池前，关闭燃料电池的阴极的进气阀及该燃料电池的出气阀。

为达上述发明的目的，本发明提出一种关闭燃料电池的控制系统，包含至少一可调变负载、燃料电池、电压检测器、气压检测器、控制单元。燃料电池耦接可调变负载。电压检测器用于检测燃料电池的电压并产生燃料电池的电压值。气压检测器用于检测燃料电池的阳极的气压并产生燃料电池的阳极的一气压值。控制单元用于确定并判断燃料电池的电压值，并根据判断该气压值及该电压值的结果，调降该可调变负载及关闭该燃料电池。

其中，可调变负载为真空泵浦、氢气泵浦、抽气泵浦、循环泵浦、水泵浦、散热器、鼓风机、直流转换器、马达等。

综上所述，本发明提出一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，利用检测燃料电池的电压和/或气压以判断燃料电池系统内剩余的反应气体量，并搭配需求功率不同的负载来不过量地消耗剩余的反应气体，以克服公知技术中存在的技术瓶颈，使燃料电池在下次进行开机时不会形成氢气与空气的锋面，且在关闭燃料电池后，燃料电池系统内并不会有氢气存在，以避免产生高压电、燃烧反应的情形发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的控制系统方块示意图；

图2为本发明实施例的控制方法流程图；

图3为本发明实施例的控制系统方块示意图；

图4为本发明实施例的控制系统方块示意图；

符号说明：

1、燃料电池系统，20、控制单元，30、燃料电池，41、主负载，42、次负载，43、二次电池，44、外部负载，50、电压检测器，60、气压检测器，70、氢气槽，71、氢气进气阀，72、氢气出气阀，80、鼓风机，81、空气进气阀，82、空气出气阀，90、气体加湿单元，S01、S02、S03、S04、S05a、S05b、S06、S07a、S07b、S08：步骤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，当燃料电池要进行关机时，先停止通入氢气至燃料电池，再通过与燃料电池耦接的可变动负载以较快的消耗速度来反应残存于燃料电池系统内的氢气，直到充分消耗残存的氢气后，再关闭燃料电池系统。进一步而言，当停止通入氢气至燃料电池后，燃料电池的阳极处的反应物会因为可变动负载的运作而逐渐被消耗，而在消耗反应物的过程中，在设定条件下逐渐调降可调变负载的需求功率，以避免反应物消耗速率过快而发生反应物分布不均匀的问题。

本发明提出两种调降可变动负载的需求功率的方式，其中一方式在可调变负载包含多个负载时，通过关闭至少一个负载以达到改变整体负载的需求功率，且所述的多个负载分别包含有不同或相同需求功率的负载。本实施例将以存在主、次负载的方式为例，说明关闭至少一可调变负载的流程，其中主负载表示具有较大需求功率的负载，次负载的需求功率则小于主负载的需求功率。请同时参阅图1及图2，图1为本发明实施例的控制系统方块示意图，图2为本发明实施例的控制方法流程图。如图1所示，关闭燃料电池的控制系统1包含主负载41、次负载42、燃料电池30、电压检测器50、气压检测器60和控制单元20。

利用上述系统来执行的方法包含以下步骤：步骤S01，提供关机信号至控制单元20；步骤S02，接着，控制单元20根据关机信号控制氢气停止通入至燃料电池30，此时可调变负载仍维持原本的状态以继续运转，在本实施态样中的可调变负载包含主负载41及次负载42，使燃料电池内剩余的氢气继续进行反应；步骤S03，气压检测器60持续检测燃料电池30的阳极的气压值、电压检测器50持续检测燃料电池30的电压值；步骤S04，控制单元20确定气压检测器60所检测到的气压值，并判断气压值是否大于气压阈值；若判断大于气压阈值，进入步骤S05a，通过控制单元20使燃料电池30继续提供动力至主负载41及次负载42，并回到步骤S04a；若判断不大于气压阈值，进入步骤S05b，控制单元20控制主负载41关闭且使燃料电池30继续提供动力到次负载42；步骤S06，控制单元20读取电压检测器50所检测到燃料电池30的电压值，并判断电压值是否大于最终电压阈值；若判断大于最终电压阈值，进入步骤S07a，控制单元20控制燃料电池30继续提供动力到次负载；若判断不大于最终电压阈值，进入步骤S07b，控制单元20控制关闭次负载；最后，步骤S08，控制单元20控制关闭燃料电池30。

在上述实施例中，当控制单元20接收到关机信号后，即控制氢气停止通入燃料电池30，然而，虽已停止通入氢气，燃料电池30内部仍会存有剩余未反应的氢气，也就是说，此时燃料电池30利用残存于其中的氢气进行反应以提供动力，因而，在此时检测燃料电池30的气压，便可以判断燃料电池30内残存的氢气量。

在上述实施例中，气压阈值及最终电压阈值的设定能使主负载41及次负载42在适当的时机关闭，在本实施例中，主负载41的需求功率大于次负载42的需求功率，详细而言，燃料电池30内残存的氢气逐渐因反应而消耗，随着反应物浓度的降低，燃料电池30的电压也随之降低，控制单元20读取气压检测器60所检测到燃料电池30的气压值并判断是否大于气压阈值，若控制单元20判断大于气压阈值，代表氢气浓度仍足够，由于当气压高的时候，就不会出现氢气分布不均匀的问题，所以可以使用需求功率较大的负载以消耗氢气，主负载41及次负载42继续运作，以继续快速地消耗残存的氢气，若控制单元20判断不大于气压阈值，代表氢气浓度已被消耗至设定浓度范围，控制单元20控制燃料电池30停止提供动力至需求功率较大的主负载41(关闭主负载41)，但仍使燃料电池30继续提供动力至次负载42，使燃料电池30内残存的氢气能够继续反应，直到控制单元20判断所检测到燃料电池30的电压值不大于最终电压阈值，燃料电池30停止提供动力至次负载42并关闭燃料电池30。

进一步而言，上述实施例根据负载的需求功率来逐渐关闭负载，一般来说，由于氢气停止通入至燃料电池30后，燃料电池30内部仍有相当高含量的氢气，因此，仍可供应较大功率的可调变负载(包含主负载41及次负载42)能量，快速消耗氢气而不会导致氢气分布不均，进而损害燃料电池寿命。当氢气压力不大于气压阈值时，氢气在燃料电池内部的分布开始有不均匀状况，通常会先选择性地关闭有较大需求功率的主负载41，再关闭有较小需求功率的次负载42，然而，并非以此为限；另外，本实施例并不限制主负载41及次负载42的数量，换言之，当具有数量更多的主负载41及次负载42时，也可以随着负载的需求功率大小而依序关闭负载。

本发明所提出另一种调降可变动负载的需求功率的方式为直接调整可调变负载的需求功率，也就是说，当可调变负载中存在变动负载时，直接调降变动负载的需求功率，以调降整体可调变负载的需求功率。请参考图3，图3为本发明实施例的控制系统方块示意图。如图3所示，图3与图1的技术内容相同的部分于此不再赘述，关闭燃料电池的控制系统1还包含二次电池43及外部负载44。

在此实施例中，主负载41为直流转换器，使燃料电池30在设定的电流区间内将电流输出至外部负载44，然而，当控制单元20接收到关机信号，并且需要调降燃料电池30的输出功率时，直流转换器可直接调整其本身的需求功率，使燃料电池30的输出的功率得以下降，即使燃料电池30仍有少量的电流输出至直流转换器，也可通过直流转换器的调控，使输出的电流储存至二次电池43。

此外，在检测燃料电池的电压值时，可检测燃料电池系统中的单电池的电压值。其中当有多个次负载存在时，在检测到燃料电池的电压值大于最终电压阈值时，除持续调降主负载的需求功率外，还关闭至少一次负载，直到电压值不大于最终电压阈值，而关闭至少一次负载的方式根据次负载的需求功率由大至小依序关闭。

需说明的是，上述实施例中所述的主负载41若为鼓风机，而其它负载则使用非鼓风机的负载时，当控制单元20判断燃料电池30的阳极的气压不大于气压阈值时，控制单元20控制燃料电池30停止提供动力至鼓风机，空气停止通入至燃料电池30，也就是说，燃料电池30内的阴极、阳极处的反应物浓度均会随着反应的进行而逐渐下降，因此可通过预先计算反应所需要的气体量来设定气压阈值，而在燃料电池30的阳极的氢气消耗完毕时，阴极处存在的空气中的氧气也消耗完毕，使得燃料电池30内仍然具有剩下未参与反应的氮气，氮气会在燃料电池30内逐渐扩散而充满整个密闭空间，使燃料电池30的阴极不会形成真空或负压状态。

在上述实施例中，控制单元20可通过控制来关闭鼓风机或关闭空气通入阀的方式使空气停止通入燃料电池30，然而上述仅用于举例说明，并非用于限制空气停止通入燃料电池的手段。在本发明的实施例中，可调变负载为燃料电池系统内部的负载和/或为燃料电池系统外部的负载。举例而言，可调变负载为真空泵浦、氢气泵浦、抽气泵浦、循环泵浦、水泵浦、散热器、鼓风机、直流转换器、马达等。

在本发明的实施例中，气压阈值不大于0.5磅力每平方英寸，最终电压阈值不大于0.1伏特。

在本发明的实施例中，在关闭燃料电池之前，关闭燃料电池系统所有的气体进、出气阀，上述气体阀可按照需求在不同时机关闭。请参考图4，图4为本发明实施例的控制系统方块图。在此实施例中，关闭燃料电池的控制系统1包含燃料电池30、主负载41、氢气槽70、氢气进气阀71、氢气出气阀72、鼓风机80、空气进气阀81、空气出气阀82、气体加湿单元90。氢气进气阀71用于阻隔氢气槽70与燃料电池30，氢气出气阀72阻隔燃料电池30与外界环境，空气进气阀81阻隔鼓风机80与燃料电池30，空气出气阀31阻隔燃料电池与外界环境。需说明的是，在空气进入燃料电池30及氢气、空气需排放到外界环境时，都需通过气体加湿单元90，以提供气体加湿的作用。

举例而言，当燃料电池30持续作动，提供动力至主负载41时，持续开启氢气进气阀71、空气进气阀81、空气出气阀82，使氢气槽70的氢气得以供应至燃料电池、鼓风机得以供应空气至燃料电池，在燃料电池的控制系统1收到关机信号时，首先关闭氢气槽70的氢气进气阀71，停止供应氢气制燃料电池30，而空气进气阀81可在检测到燃料电池30的气压值不大于气压阈值时进行关闭，或在电压值不大于最终电压阈值时进行关闭，在关闭燃料电池前，关闭空气出气阀82。氢气出气阀72则在需要排放氢气时开启。

此外，在检测燃料电池的电压值时，可检测燃料电池系统中的单电池的电压值。其中当有多个次负载存在时，在检测到燃料电池的电压值大于最终电压阈值时，除持续关闭主负载还关闭至少一次负载，直到电压值不大于最终电压阈值。而关闭至少一次负载的方式根据次负载的需求功率由大至小依序关闭。

因此，本发明的技术精神在于利用检测电压及气压的方式，决定关闭负载及燃料电池的时机，当检测到气压仍大于气压阈值时，持续开启所有的可调变负载，并持续检测燃料电池的电压值，直到检测到气压不大于气压阈值时，降低可调变负载的需求功率，以继续消耗燃料电池中剩余的气体，直到检测到电压不大于最终电压阈值时，再关闭燃料电池。本发明中可包含有多个可调变负载，且可根据可调变负载的耗能量大小以逐渐关闭这些可调变负载，也就是说，在到达最终电压阈值之前，若检测到的电压仍远大于最终电压阈值，可按照次负载的需求功率逐渐关闭各个次负载，其它未被关闭的次负载仍持续运作以消耗燃料电池中剩余的气体，直到所检测的电压不大于最终电压值时，再关闭需求功率最小的负载，此外，还可直接调整负载本身的需求功率，也就是不需关闭负载，而是通过调降负载本身的需求功率，来达到降低整体负载的需求功率，通过上述方法，使残存于燃料电池内的氢气可近乎完全反应。

综上所述，本发明提出的一种关闭燃料电池的控制方法及其系统，利用检测燃料电池的电压及气压来判断燃料电池系统内剩余的反应气体量，并搭配需求功率不同的负载以消耗剩余的反应气体，使关闭燃料电池的时候，燃料电池内部仅消耗残存的氢气而仍保留空气中原有的氮气，氮气会逐渐填满燃料电池，进而让燃料电池在下次进行开机时不会形成氢气与空气的锋面，且在关闭燃料电池后，燃料电池系统内并不会有氢气存在，以避免产生高压电、燃烧反应的情形发生。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，通过控制与该燃料电池耦接的至少一可调变负载，来关闭该燃料电池系统，该方法包含以下步骤：

停止通入氢气至该燃料电池；

在持续运转该可调变负载时，使该燃料电池内剩余的氢气持续反应并检测该燃料电池的一气压值及一电压值，该气压值为该燃料电池的阳极的气压值；

当该气压值不大于一第一气压阈值时，调降该可调变负载的需求功率，直到检测到该燃料电池的该电压值不大于一最终电压阈值时，关闭该燃料电池；

其中，该第一气压阈值不大于0.5磅力每平方英寸，该最终电压阈值不大于0.1伏特。

2.如权利要求 1所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，该可调变负载包含多个负载时，调降该可调变负载的需求功率的方法为关闭至少一该可调变负载。

3.如权利要求 2所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，当关闭多个该可调变负载时，关闭的方式为根据该可调变负载的需求功率，由大至小依序关闭。

4.如权利要求 1所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，调降该可调变负载的需求功率的方法为直接调整该可调变负载的需求功率。

5.如权利要求 1所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，在检测该燃料电池的该电压值时，还检测该燃料电池中的至少一单电池的电压值。

6.如权利要求 1所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，当检测到该燃料电池的该气压值不大于该第一气压阈值时，停止通入空气至该燃料电池。

7.如权利要求 1所述的关闭燃料电池的控制方法，其特征在于，当检测到该燃料电池的该电压值不大于该最终电压阈值时，在关闭该燃料电池前，关闭该燃料电池的阴极的进气阀及该燃料电池的出气阀。

8.一种关闭燃料电池的控制系统，其特征在于，包含：

至少一可调变负载；

一燃料电池，耦接该可调变负载；

一电压检测器，用于检测该燃料电池的电压并产生该燃料电池的一电压值；

一气压检测器，用于检测该燃料电池的阳极的气压以产生该燃料电池的阳极的一气压值；

一控制单元，用于确定并判断该燃料电池的该电压值及该气压值，并根据判断该气压值及该电压值的结果，调降该可调变负载及关闭该燃料电池。

9.如权利要求 8所述的关闭燃料电池的控制系统，其特征在于，该可调变负载为真空泵浦、氢气泵浦、抽气泵浦、循环泵浦、水泵浦、散热器、鼓风机、直流转换器、马达中至少一种。

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