CN114665126A - 燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种燃料电池气体压力控制方法，包括有下列步骤，首先，量测一燃料电池堆的一出力电流。然后，根据出力电流决定燃料电池堆的一阴极供气管路所需的一标准进气流量。接着，量测供应阴极供气管路所需的一第一反应气体的一空气压缩机的一转速。然后根据转速决定进入阴极供气管路所需的一反应进气流量。接着进行比较，当标准进气流量与反应进气流量之间的差异在一第一标准范围内时，量测阴极供气管路的一第一进气压力，然后再根据第一进气压力决定燃料电池堆的一阳极供气管路所具有的一第二进气压力。最后，以第二进气压力控制进入阳极供气管路所需的一第二反应气体。

Description

燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统

【技术领域】

本发明是关于一种燃料电池的控制技术，特别是一种燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统。

【背景技术】

随着工业发展的进步，带动了人类生活的便利。但也因为科技的进步，造成了环境的污染，进而导致气候暖化的环境变迁。造成全球暖化的主因在于排放的二氧化碳造成了全球性的温室效应。有鉴于此，温室气体的减量为全球关切的问题。

产生二氧化碳的原因有很多，其中一个原因是在于火力发电燃烧燃煤造成温室气体的产生。为了解决这个问题，目前世界上各个国家也都推动洁净能源，希望能够替代传统利用燃煤的发电方式。洁净能源有很多类型，例如：风力发电、太阳能发电，水力发电或者是燃料电池发电等。相较于传统的发电型式，燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，不须经过燃烧及机械程序，有能源效率高、及低(零)废气排放的优点。

然而，现有技术中，燃料电池堆在进行电化学反应时，由于阴极侧会产生水，因此如果在反应过程没有适当处理或监控，反应中的多余的水会产生水珠使得供应气体的流道阻塞的情形发生。此外，燃料电池系统的燃料电池堆与系统间在氢气侧与空气侧间的压力值间控制协调性较差，会使得燃料电池堆造成物理性损坏，进而造成失去稳定的水平衡。

即使在燃料电池系统中燃料电池堆的氢气循环侧中过多的水分去除可通过主动排除(如氢气循环泵浦)与被动排除(如引射器等)，然而被排出的液态水会集中至一水槽中，水槽上有一排放阀排负责放出过量的液态水至燃料电池堆的氢气侧外部；当排放阀开启时，会能有效的将氢气侧的流道多余水份能有效的排出且累积至水槽，但当液态水自水槽中排空且关闭排放阀的同时，会有些许的氢气也会排出至外部。因此，排放阀的排放过程时会造成多余的氢气浪费外，且无法避免的使得燃料电池堆中单电池电压会短暂降低，使得操作总电压会有些许浮动而影响电力操作性。

因此，如何以提升燃料电池系统对燃料电池堆之间的氢气压力与空气压力间的协调性，解决燃料电池堆内部通过外部系统控制下，维持氢气侧与空气侧间的压力差，并且有效调节内部生成液态水的水量，是当前发展燃料电池一个重要的课题。

【发明内容】

本发明提供一种燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统，基于燃料电池堆的操作稳定性，需要同时满足燃料电池系统内燃料电池堆氢气侧和空气侧的压力差值与空气压缩机的输出空气质量和所需燃料电池堆所需的空气反应量以达到动态平衡操作稳定燃料电池堆的电压功率。

本发明提供一种燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统，在一实施例中，本发明只需要通过侦测阴极供气的状态，即可有效的提升燃料电池系统对燃料电池堆之间的氢气压力与空气压力间的协调性，解决燃料电池堆内部通过外部系统控制下，维持氢气侧与空气侧间的压力差，并且有效调节内部生成液态水的水量，避免因为燃料电池堆造成物理性损坏，而造成失去稳定的水平衡的问题发生。

本发明提供一种燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统，其是同时在燃料电池中的质子交换膜两侧的阳极与阴极需要形成一压力差，使得过量的水不会因压力由阴极侧渗入阳极侧，且阳极的氢气压力大于阴极的空气压力，解决多余的水会产生水珠使得供应气体的流道阻塞的情形。

由于燃料电池堆在不同操作状态下，氢气侧与空气侧之间的两者压力差，会因燃料电池系统中的操作下有剧烈变化。当空气压力值的变化剧烈时，使得氢气的参考值也会难以控制。因此本发明在燃料电池系统中氢气侧的操作压力值是基于空气的压力值再加上一压力差值作为基准，可以解决燃料电池系统中的氢气与空气的输送时的背景压力值，与空气压缩机因调整输送的所需的反应空气质量，而造成空气压缩机的转速变动而变化的问题，进而让氢气与空气之间的压力产生剧烈不稳定的变化。

在一实施例中，本发明提供一种燃料电池气体压力控制方法，包括有下列步骤：首先，量测一燃料电池堆的一出力电流。然后，根据出力电流决定燃料电池堆的一阴极供气管路所需的一标准进气流量。接着，量测供应阴极供气管路所需的一第一反应气体的一空气压缩机的一转速。然后根据转速决定进入阴极供气管路所需的一反应进气流量。接着进行比较，当标准进气流量与反应进气流量之间的差异在一第一标准范围内时，量测阴极供气管路的一第一进气压力，然后再根据第一进气压力决定燃料电池堆的一阳极供气管路所具有的一第二进气压力。最后，以第二进气压力控制进入阳极供气管路所需的一第二反应气体。

在另一实施例中，本发明提供一种燃料电池监控系统，用以监控一燃料电池堆，燃料电池监控系统包括有一进气调节单元、一电流侦测单元、一第一气体压力侦测单元、一流量侦测单元以及一控制单元。其中，燃料电池堆与燃料电池堆的一阳极供气管路相连接。电流侦测单元，用以侦测燃料电池堆的一出力电流。第一气体压力侦测单元，与燃料电池堆的一阴极供气管路相连接，用以侦测阴极供气管路的一第一进气压力。流量侦测单元，用以侦测供应阴极供气管路所需的一第一反应气体的一空气压缩机的一转速。控制单元，与电流侦测单元、第一气体压力侦测单元以及流量侦测单元电性连接，控制单元根据出力电流决定阴极供气管路所需的一标准进气流量，根据转速决定进入阴极供气管路所需的一反应进气流量，并且判断标准进气流量与反应进气流量之间的差异，当差异在一第一标准范围内时，控制单元根据第一进气压力决定燃料电池堆的一阳极供气管路所具有的一第二进气压力。

本发明所采用的具体技术，将通过以下的实施例及附呈图式作进一步的说明。

【附图说明】

图1是本发明的燃料电池监控系统的一实施例示意图。

图2是本发明的燃料电池气体压力控制方法的一实施例流程示意图。

图3是本发明的燃料电池监控系统的另一实施例示意图。

主要元件符号说明：

3 燃料电池监控系统

30 燃料电池堆

300 燃料电池单元

300a 阳极

300b 阴极

31 进气调节单元

310 弹性元件

311 螺杆

313 流体通道口

314 阀门

315 弹性元件

32 电流侦测单元

33 第一气体压力侦测单元

34 流量侦测单元

35 控制单元

36 空气压缩机

37 第二气体压力侦测单元

380 阳极供气管路

381 阴极供气管路

90 第一反应气体

91 第二反应气体

4 燃料电池气体压力控制方法

40-45 方法步骤

【具体实施方式】

在下文将参考随附图式，可更充分的描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。类似数字始终指示类似元件。以下将以多种实施例配合图式来说明燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统，然而，下述实施例并非用以限制本发明。

请参阅图1所示，该图为本发明的燃料电池监控系统的一实施例示意图。在本实施例中，燃料电池监控系统3包括有燃料电池堆30、进气调节单元31、电流侦测单元32、第一气体压力侦测单元33、流量侦测单元34以及控制单元35所构成。本实施例中的燃料电池堆30，为氢燃料电池。阴极侧C供应第一反应气体90，例如：氧气，或者是空气，阳极侧A则供应第二反应气体91，例如：氢气。燃料电池堆30是由多个燃料电池单元300所构成，每一个燃料电池单元300具有阳极300a与阴极300b，燃料电池堆30为本领域所熟知的技术，因此其结构在此不做赘述。

进气调节单元31与燃料电池堆30的阳极供气管路380相连接，进气调节单元31在一实施例中为主动式气压控制阀，与控制单元35电性连接，用以根据控制单元35的控制讯号调节进入燃料电池堆30内的第二反应气体91量，而调节第二反应气体91的进气压力。在另一实施例中，进气调节单元31可以为被动式气压控制阀体，根据第一反应气体90与第二反应气体91的气压差，决定开启或关闭。也就是第一反应气体90的进气压力大于第二反应气体的进气压力时，进气调节单元31开启，当第二反应气体91的进气压力大于第一反应气体90的进气压力特定范围时，则进气调节单元31关闭。电流侦测单元32与燃料电池堆30电性连接，用以侦测燃料电池堆30的出力电流。此外，电流侦测单元32还与控制单元35电性连接，以将侦测到关于出力电流的电讯传输给控制单元35。

第一气体压力侦测单元33与燃料电池堆30的阴极供气管路381相连接，用以侦测阴极供气管路381中关于第一反应体90的第一进气压力。本实施例中，第一反应气体90为空气。第一气体压力侦测单元33还进一步的与控制单元35电性连接，以将侦测到的关于第一进气压力的电讯传输给控制单元35。

流量侦测单元34用以侦测供应阴极供气管路381所需的第一反应进气流量。在一实施例中，流量侦测单元34直接侦测进入阴极供气管路38内实际的第一反应气体90的进气流量。在另一实施例中，流量侦测单元34是通过侦测供应第一反应气体90的空气压缩机36的转速，例如马达转速，并根据转速决定出进入阴极供气管路381内实际的第一反应气体90的进气流量。在另一实施例中，流量侦测单元34亦可将关于转速的电讯传给控制单元35，由控制单元35计算出进入阴极供气管路381内实际的反应进气流量。

更进一步的，燃料电池监控系统3还包括有第二气体压力侦测单元37，用以侦测阳极供气管路380内关于第二反应气体91的实际进气压力，并将关于实际进气压力的电讯传给控制单元35。控制单元35与进气调节单元31、电流侦测单元32、第一气体压力侦测单元33以及流量侦测单元34电性连接，控制单元35根据各单元所回传的信息，对第一与第二反应气体90与91的压力关系进行调控。

请参阅图2所示，该图为本发明的燃料电池气体压力控制方法的一实施例流程示意图。燃料电池气体压力控制方法4的流程中，首先进行步骤40提供如图1的燃料电池监控系统3。接着，进行步骤41，启动燃料电池反应，并以电流侦测单元32量测燃料电池堆30的反应所产生的出力电流，并将信息传输给控制单元35。然后进行步骤42，控制单元35根据出力电流决定燃料电池堆30的阴极供气管路381所需的标准进气流量。其中，电流与标准进气流量C1的关系式如下式(1)所示：

C1＝a+bIⁿ+cI⁽ⁿ⁺¹⁾+...,a,b,c,...＝Constant...(1)

在方程式(1)中，C1代表着第一反应气体的标准进气流量，I代表出力电流，n代表次方。方程式(1)的项数与a,b与c,以及n是由使用者自行决定。以下说明根据电流决定标准进气流量C1的方法。首先，步骤420，根据燃料电池堆中的膜电极组，当中的电化学反应可推论出空气中消耗的氧气质量与电流的关系，其为本领域技术的人员所熟知的技术，在此不做赘述。接着进行步骤421，由于方程式(1)式中的C1为进行电化学反应时空气所需反应质量，且与电流形成曲线关系。而曲线的变化会由燃料电池堆的种类与数量下可被调整，因此当燃料电池堆所需条件被决定的当下，而被计算出的曲线方程式中对应的常数，例如：a,b,c的常数值，也被决定。因此，当由步骤420所得知的关系与步骤421所得知的在对应不同燃料电池堆所得知的方程式常数，可决定(1)式的方程式的状态。

步骤42之后，进行步骤43，以流量侦测单元34量测供应阴极供气管路380所需的第一反应气体90的反应进气流量。在步骤43的一实施例中，可以利用流量侦测单元34侦测供应第一反应气体的空气压缩机36运转时的转速，然后根据转速决定出第一反应气体90的反应气体流量C2。决定反应气体流量C2可以利用以下方程式(2)来进行演算：

C2＝d+eDⁿ+fD⁽ⁿ⁺¹⁾+...,d,e,f,...＝Constant...(2)

在方程式(2)中，C2代表着第一反应气体实际进入阴极进气管路380的反应气体流量，D代表空气压缩机的转速，n代表次方。方程式(2)的项数与a,b与c,以及n是由使用者自行决定。以下说明决定的方式，根据空气压缩机组所运转时，会产生一空气质量流量与一马达的转速值，此关系可以预先建立。因此，当空气压缩机运转时，在一转速值下会对应一种输出质量流率值，故在此关系下会形成如上述方程式(2)，此关系式是被测量出的。根据使用者所选择的空气压缩机，第(2)式的常数值d,e,f也会同时被决定在(2)式中。

控制单元35取得了步骤42所得到的标准气体流量C1以及步骤43所得到的反应气体流量C2之后，就进行步骤44比较标准进气流量C1与反应进气流量C2之间的差异，当标准进气流量C1与反应进气流量C2之间的差异在第一标准范围内时，本实施例中第一标准范围为，[(C2–C1)/C1]x100％≦Cd,Cd＝5～20％，以第一气体压力侦测单元33量测阴极供气管路381的第一进气压力(PA)。步骤44的主要目的在于，因为空气压缩机的转速操作需要满足电化学反应所需的空气吞吐量下，需要将燃料电池堆的负载下所需空气质量流率与空气压缩机所产生空气质量流率两者之间要趋近一范围内，使得燃料电池堆的电压与电功率输出可以稳定，在(1)式与(2)式中两者在燃料电池堆的负载操作时，以(1)式作为基准(2)式相较于流体速率，考虑操作误差与流体管路间所产生的误差值，两式在操作误差范围应要在5～20％内。要说明的是，误差范围可以根据需求而定，并不以5～20％为限制。

之后控制单元进行步骤45，根据第一进气压力(PA)决定燃料电池堆的阳极供气管路380所具有的第二进气压力(PH)。在本步骤44中，第一进气压力(PA)与第二进气压力(PH)的关系如方程式(3)所示：

[(PH-PA)/PA]x100％≦D,D＝5～20％...(3)

在根据方程式(3)决定了第二进气压力(PH)之后，控制单元35根据第二气体压力侦测单元37所侦测到在阳极供气管路380的实际气体压力PM2与第二进气压力(PH)之间的压力差是否落第二标准范围内。本实施例中，第二标准范围为第二进气压力(PH)的5～20％。如果没有，则控制单元35控制或参考第一进气压力控制进气调节单元31以调节进入阳极供气管路380所需的第二反应气体91的流量，使得阳极供气管路380实际的进气压力PM2与第二进气压力(PH)的压力差符合第二标准范围内。在另一控制方式中，如图3所示，进气调节单元31为偏压气动式阀体，其是属于被动式的气压调节阀。亦即通过第一反应气体91所产生的第一进气压力与弹性元件310与315的组合来驱动偏压气动式阀体作动，以与第二反应气体91的第二进气压力形成一压差。此种阀体是通过外部施力，例如：图3中的螺杆311通过旋转施压于弹簧310以及第一反应气体91的第一进气压力的结合产生偏压，可以控制阀门314开启流体通道口313，以让第二反应气体91通过阀体进入到燃料电池堆30，因此在阀体内不须经控制单元35的控制就可以根据第一进气压力来控制第二进气压力。

要说明的是，燃料电池堆操作上氢气侧的压力如果大于空气侧的压力值，可以减少避免过多的液态水自从空气侧反向扩散至氢气侧外，也同步利用燃料电池堆的电化学反应中的水合现象使得在氢离子传递过程中顺利将氢气侧的水分带至空气侧，使得这两种不同方向的扩散机制可达到一动态平衡。因此，本发明的精神在于让第二反应气体91，例如：氢气的压力(PH)是由第一反应气体90，例如：空气压力(PA)，作为参考压力，可通过进气调节单元31调整下形成压力差。压力差范围设定为第二进气压力(PH)，亦即，氢气压力，大于第一进气压力(PA)，亦即空气压力，并通过控制让差值控制范围为第一进气压力的5～20％，以达有效调节内部生成液态水的水量，避免因为燃料电池堆造成物理性损坏外，同时避免失去稳定的水平衡的问题发生。

虽然本发明的实施例揭露如上所述，然并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，举凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征、方法及数量当可做些许的变更，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池气体压力控制方法，其特征在于，所述燃料电池气体压力控制方法包含以下步骤：

量测一燃料电池堆的一出力电流；

根据所述出力电流决定所述燃料电池堆的一阴极供气管路所需的一标准进气流量；

量测供应所述阴极供气管路所需的一第一反应气体的一反应进气流量；

比较所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异，当所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异在一第一标准范围内时，量测所述阴极供气管路的一第一进气压力；

根据所述第一进气压力决定所述燃料电池堆的一阳极供气管路所具有的一第二进气压力；以及

以所述第二进气压力控制进入所述阳极供气管路所需的一第二反应气体。

2.根据权利要求1所述的燃料电池气体压力控制方法，其特征在于，其中当所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异不在所述第一标准范围内时，调整空气压缩机的转速，使得所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异在所述第一标准范围内。

3.根据权利要求1所述的燃料电池气体压力控制方法，其特征在于，其中所述第二进气压力大于所述第一进气压力，所述第二进气压力与所述第一进气压力的差值控制范围为所述第一进气压力的5～20％。

4.根据权利要求1所述的燃料电池气体压力控制方法，其特征在于，其中还包括有侦测所述阳极供气管路的一实际进气压力，并确认所述实际进气压力与所述第二进气压力的差异是否在一第二标准范围内。

5.根据权利要求1所述的燃料电池气体压力控制方法，其特征在于，其中根据供应所述阴极供气管路所需的所述第一反应气体的一空气压缩机的一转速决定。

6.一种燃料电池监控系统，用以监控一燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池监控系统包含：

一电流侦测单元，用以侦测所述燃料电池堆的一出力电流；

一第一气体压力侦测单元，与所述燃料电池堆的一阴极供气管路相连接，用以侦测所述阴极供气管路的一第一进气压力；

一流量侦测单元，用以侦测供应所述阴极供气管路所需的一第一反应气体的一反应进气流量；

一控制单元，与所述电流侦测单元、所述第一气体压力侦测单元以及所述流量侦测单元电性连接，所述控制单元根据所述出力电流决定所述阴极供气管路所需的一标准进气流量，并且判断所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异，当所述差异在一第一标准范围内时，所述控制单元根据所述第一进气压力决定所述燃料电池堆的一阳极供气管路所具有的一第二进气压力；以及

一进气调节单元，与所述燃料电池堆的所述阳极供气管路相连接，所述进气调节单元根据所述第二进气压力供应一第二反应气体。

7.根据权利要求6所述的燃料电池监控系统，其特征在于，其中当所述控制单元判断所述差异不在所述第一标准范围内时，所述控制单元控制空气压缩机的转速，使得所述标准进气流量与所述反应进气流量之间的差异在所述第一标准范围内。

8.根据权利要求6所述的燃料电池监控系统，其特征在于，其中所述第二进气压力大于所述第一进气压力，所述第二进气压力与所述第一进气压力的差值控制范围为所述第一进气压力的5～20％。

9.根据权利要求6所述的燃料电池监控系统，其特征在于，其中还包括有一第二气体压力侦测单元，用以侦测所述阳极供气管路的一实际进气压力。

10.根据权利要求9所述的燃料电池监控系统，其特征在于，其中还具有一进气调节单元，与所述燃料电池堆的所述阳极供气管路相连接，当所述实际进气压力与所述第二进气压力的差异未在一第二标准范围内时，所述进气调节单元调节所述第二反应气体，使所述实际进气压力与所述第二进气压力的差异在所述第二标准范围内。

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