TW201017964A - Fuel cell system and method for checking fuel cell hydrogen leakage - Google Patents

Description

201017964 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種燃料電池系統，特別是有關於一 種可檢測氫氣洩漏的燃料電池系統及檢測氩氣洩漏的方 法。 【先前技術】 燃料電池因為具有高轉換效率以及低污染等優點，所 以近年來已開始普遍被應用於各種領域，諸如發電機組、 ❹ 内燃機以及可攜帶電子通訊產品等。然而，氫燃料電池係 以氫氣作為燃料，而氫氣具有易燃易爆高導熱之特性，若 燃料電池内的氫氣外漏則有安全之虞。會遇到的狀況包括 燃料電池本身的質子交換膜損壞，造成陽極端的氫分子穿 透質子交換膜跑到陰極端，經觸媒催化快速與氧氣反應， 形成高溫高熱甚至燃燒之情況。基於這個理由，防止燃料 電池之氫氣洩漏或檢測氩氣洩漏成為製造及使用燃料電 池的考量之一。除了安全性考量外，當燃料電池的氩氣外 0 漏時，如上述交換膜損壞的例子，則會影響電池性能，例 如輸出電壓下降。 傳統偵測燃料電池之氫氣洩漏的方法係外接一個氫 氣偵測器至燃料電池模組以感應電池模組内氫氣的濃 度，根據模組内1氣存在多寡判定是否有外漏情形。然 而，對於應用在攜帶式的電子產品，例如筆記型電腦或行 動電話等的燃料電池模組，安裝氫氣偵測器往往會增加整 體燃料電池系統的體積，造成不易整合在攜帶式電子產品 上之缺失。 9024-A51340TW/097017 201017964 基於上述理由，有必要提供可以檢查燃料電池氫氣洩 漏發生，同時具有較小的體積，以及可整合於攜帶式產品 上的一種燃料電池系統。 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供一種燃料電池系統及檢測燃料 電池氫氣洩漏之方法。 於一型態，本發明提供一種燃料電池系統，係可以檢 測氫氣洩漏。燃料電池系統包括一燃料電池模組，燃料電 美 池模組包括至少一燃料電池。燃料電池系統更包括一閥 攀 門，耦接燃料電池模組以及一氫氣來源，用以允許以及阻 隔氫氣傳輸到該燃料電池模組。燃料電池系統更包括一控 制板，辆接閥門以及燃料電池模組，用以當燃料電池模組 未耦接負載時，檢測燃料電池輸出電壓以判斷氳氣是否洩 漏。其中當控制板判定氫氣洩漏時，則控制閥門阻隔氫氣 之傳輸。 於另一型態，本發明提供一種檢測燃料電池氫氣洩漏 之方法，包括提供一燃料電池模組，燃料電池模組包含至 • 少一燃料電池；移除燃料電池模組所連接的負載；取得燃 料電池模組中各燃料電池的輸出電壓；比較燃料電池的輸 出電壓與一預設電壓；以及假如其中一個燃料電池的輸出 電壓小於預設電壓值，則判定氫氣洩漏。 以上所述燃料電池系統以及檢測燃料電池氫氣洩漏 之方法，係利用電路系統偵測燃料電池電壓之方式，可整 合於一般燃料電池系統上且不會增加系統面積，增加系統 可攜帶性。 9024-A51340TW/097017 5 201017964 【實施方式】 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易僅， 下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 第1圖係繪示本發明實施例的燃料電池系統的架構 圖。燃料電池系統100包括一燃料電池模組丨i 〇、一閾門 120、一控制板130以及一儲能裝置140。 電池燃料模組110具有至少一燃料電池112，每一個 燃料電池各具有一個輸出電壓。燃料電池112數目係根據 系統負載的需求決定。普遍的應用是使用複數個相同規格 ❿ 的燃料電池112串聯以提升燃料電池模組11〇輸出電壓。 在其他應用也可能是多組串聯的燃料電池112相互並聯 形成一個燃料電池模組110。閥門耦接到電池燃料模 組110以及氩氣來源，係允許或阻隔氫氣流到電池模組的 一個ΟΝ/OFF裝置。控制板130耦接到燃料電池模組no 及閥門120。控制板130是系統的控制中樞，用以檢測燃 料電池模組110以及燃料電池112的輸出電壓，以判斷電 池是否有氫氣洩漏的情形，若是，則控制板13〇會發出關 閉的控制仏號給閥門12〇。一儲能裝置140，例如是镇電 攀池、鎳氳電池及超級電容等’用以短暫提供電力給控制板 130。 控制板130可能是獨立的一個電路，可以接收、處理、 傳送各種信號。也可能包含數個單元，然後整合於控制板 130一。依據本發明實施例’控制板13()包含—感測及轉換 單元132、控制單元134及電力開關136。感測及轉換單 元132係用以偵測串聯的燃料電池112的端電壓斜 池模組no的輸出電壓，並將其轉換為數位信號^ 送到控制料134。控制單幻34例如微處理器、微= 9024-A51340TW/097017 6 201017964 器、單晶片、數位信號處理器等裝置，則依據接收到的數 位信號進行處理、分析及計算。依據本發明實施例，控制 單元134會將串聯的燃料電池112端電壓的數位信號換算 成各個燃料電池112的輸出電壓，然後比較各個燃料電池 112輸出電壓與預設電壓值，以判斷輸出電壓是否有下降 的情形。輸出電壓在此意指燃料電池112未接負載時的開 路電壓。預設電壓值則是使用者依據燃料電池應用範疇或 特性等所設定的電壓值。舉例來說，若正常燃料電池單位 輸出電壓為0. 6V至0. 9V，則可設定預設電壓值為0. 5V。 φ 因此，假如某一個燃料電池的輸出電壓降低至預設電壓值 0. 5V，表示此燃料電池112可能質子交換膜毀損導致氫分 子穿透，進而使得電池的電壓降低。當得到這種警訊時， 控制單元134緊接著發出信號至閥門，使得閥門120阻隔 氫氣輸入至燃料電池模組110。同樣地，控制單元134也 會比較燃料電池模組110的輸出電壓與一預設運轉電 壓。在此輸出電壓是指燃料電池模組110接負載時所量測 到的電壓。此預設運轉電壓則是燃料電池模組110所接的 負載可以運轉的最低電壓。當模組110的輸出電壓小於預 ® 設運轉電壓，表示氫氣洩漏造成模組110電壓降低。此時 控制單元134亦會發出信號至閥門120,以關閉閥門120。 儲能裝置140耦接控制板130，當燃料電池模組110 未提供電力給控制板130時，儲能裝置140可暫時提供電 力以維持電路運作。電力開關136，本質為一 ΟΝ/OFF開 關，設置於控制板130内，耦接控制單元134，接受控制 單元134的信號可切換接點，以允許或阻隔來自燃料電池 模組110的電力傳送。當燃料電池模組110耦接負載時， 9024-A51340TW/097017 7 201017964 電力開關136打開，允許模組的電力提供給控制板130並 且充電儲能裝置140。 第2圖係根據本發明的實施例，說明檢測燃料電池氫 氣洩漏之方法的流程圖。首先由方塊202開始。當氫氣進

入燃料電池模組110後，使得燃料電池模組11()可以進行 發電’並將產生的電力供應給控制板13〇，然後啟動週邊 裝置以及充電儲能裝置140。接著控制板130的控制單位 134命令電力開關136關閉，以切斷燃料電池模組11〇連 接控制板130，或是阻斷燃料電池模組ho連接到其他負 載，使得燃料電池模組110形成開路。接著控制板13〇内 的感測及轉換單元132偵測燃料電池112的端電壓。燃料 電池模組110通常是相同規格的複數個燃料電池112串聯 組成，因此會有複數個端電壓形成，如第3圖所示。感測 及轉換單元132還要將感測到的燃料電池112端電壓轉換 成，位信號才傳送至控制單位134。接著控制板13〇的控 制單元134根據所接收到的端電壓數位信號計算出每個 燃料電池112目前的輸出電壓值。 第3圖係燃料電池模组11〇的範例圖*，藉由此範例 描述燃料電池112的輸出電壓計算方式。如圖所示，燃料 電池模組11〇包含6個串接的燃料電池112(C1_C6)，因 此分別有6個端電壓n、V2...V6產生。控制單元134接 收f Vh V2-.V6的數位信號之後，將V1減去V2可得到 目刖燃料電池C1的輪出雷懕，丨、；+ # & 1 + ΐιο^^,勒出電壓以此類推可求出所有燃料 電池112的輸出電壓。 々傻冉比較母個燃料電池112的輸出電壓與一預設_ 壓。傻如有一個燃料電、池112的輸出電壓小於預設電壓 9024-A51340TW/097017 8 201017964 則表示這一個燃料電池Π2有氫氣洩漏的情形，控制單位 134會命令閥門120關閉’禁止氫氣繼續輸送。流程將到 此結束。假如每一個燃料電池112的輸出電壓維持在大於 預設電壓，則表示目前沒有氫氣洩漏發生，流程回到方塊 202。控制板13〇再度打開電力開關丨36以及將燃 模組110連回負載。然後燃料電池模組11〇可繼續供電給 控制板130或負載以及充電儲能裝置14〇。之後重複上述 流程進行檢測β 第4圖係根據本發明的實施例，說明另一檢測燃料電 • 池氫氣洩漏之方法的流程圖。首先由方塊402的i程開 始。當氫氣進入燃料電池模組11〇後，將產生電力供應控 制板130，然後啟動週邊裝置以及充電儲能裝置14〇‘。^ 著控制板130内的感測及轉換單元132偵 no的輸出電壓並將之轉換為數位信號。之後二= 電池模組110的輸出電壓與一預設運轉電壓。眾所皆知， 當，料電池模組110接上負載時，模組上的電壓會下降， 這是正常現象。但是當電壓下降到一定程度而可能導致負 • 載無法運作，那麼就可能是燃料電池Π2氫氣洩漏。這是 因為當單一燃料電池Π2發生氫氣洩漏時，相對的，燃料 電池112串聯電壓亦即電池模組11〇電壓，也會呈現下 降。預設運轉電壓便是根據燃料電池模組11()接上負載並 發生氫氣洩漏時所造成電壓下降情況而決定的一個數 值。假如模組110輸出電壓小於預設運轉電壓，則表示這 一個燃料電池模組Π〇有氫氣洩漏的情形，控制單位134 會命令閥門120關閉，禁止氫氣繼續輸送 。假如燃料電池 模組110的輸出電壓維持在大於預設運轉電壓，則表示目 9024-A51340TW/097017 9 201017964 前沒有氫氣洩漏發生。此流程回到方塊404，然後重複上 述偵測流程。 最後，熟此技藝者可體認到他們可以輕易地使用揭露 的觀念以及特定實施例為基礎而變更及設計可以實施同 樣目的之其他結構且不脫離本發明以及申請專利範圍。

9024-A51340TW/097017 10 201017964 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示本發明實施例的燃料電池系統的架構圖； 第2圖係根據本發明的實施例，說明檢測燃料電池氫 氣洩漏之方法的流程圖； 第3圖係燃料電池模組的範例圖示；以及 第4圖係根據本發明的實施例，說明另一檢測燃料電 池氳氣泡漏之方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 110〜燃料電池模組； 120〜閥門； 132〜感測及轉換單元； 136〜電力開關； 100〜燃料電池系統； 112〜燃料電池； 130〜控制板； 134〜控制單元； 140〜儲能裝置； 202、204、206、208、210、212、214、216、218〜方法步驟； 402、404、406、408、410、412、414〜方法步驟。 11 9024-A51340TW/097017

Claims (1)

1. 201017964 七、申請專利範圍： 1. 一種燃料電池系統，包括： 一燃料電池模組，包括至少一燃料電池； 一閥門，耦接該燃料電池模組以及一氩氣來源，用以 允許或阻隔氫氣傳輸到該燃料電池模組；以及 一控制板，耦接該閥門以及該燃料電池模組，用以當 該燃料電池模組未耦接負載時，檢測該燃料電池的輸出電 壓以判斷氳氣是否洩漏； 其中當該控制板判定氫氣洩漏時，則控制該閥門阻隔 P 氫氣之傳輸。 2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中 該燃料電池模組係由複數個燃料電池所串聯。 3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池系統，其 中，該控制板依據該等燃料電池所產生之複數個端電壓， 進一步換算出各該燃料電池所對應之輸出電壓。 4. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池系統，其中 該控制板比較該等燃料電池的輸出電壓與一預設電壓，當 其中一個該等燃料電池的輸出電壓低於該預設電壓時，表 ® 示發生氫氣泡漏。 5. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池系統，其中 該控制板更包含： 一感測及轉換單元，用以轉換該等燃料電池所產生之 複數個端電壓為複數個端電壓數位信號；以及 一控制單元，耦接該感測及轉換單元，換算該複數個 端電壓數位信號為各該燃料電池所對應的輸出電壓數位 信號，並且比較該等燃料電池的輸出電壓數位信號與一預 設電壓值，當其中一個該等燃料電池的輸出電壓數位信號 9024-Α51340TW/097017 12 201017964 低於該預設電壓值時，表示發生氫氣洩漏。 6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中 當該燃料電池模組耦接負載時，該控制板檢測該燃料電池 模組的輸出電壓，以判斷是否氫氣洩漏。 7. 如申請專利範圍第6項所述之燃料電池系統，該控 制板比較該燃料電池模組的輸出電壓與一預設運轉電 壓，當該輸出電壓低於該預設運轉電壓時，表示發生氫氣 洩漏。 8. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中 0 更包含一儲能裝置，耦接該控制板，用以在該燃料電池模 組未耦接負載時提供電力給控制板。 9. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池系統，其中 該控制板更包含： 一電力開關，用以允許或阻隔該燃料電池模組之電力 傳送； 一控制單元，耦接該電力開關單元，用以當該燃料電 池模組耦接負載時，打開該電力開關，使得該燃料電池模 組之電力提供給該控制板以及充電該儲能裝置。 ® 10.—種檢測燃料電池氫氣洩漏之方法，包括： 提供一燃料電池模組，該燃料電池模組包含至少一燃 料電池； 移除該燃料電池模組所連接的負載； 取得該燃料電池模組中各該燃料電池的輸出電壓； 比較該燃料電池的輸出電壓與一預設電壓；以及 假如其中一個該燃料電池的輸出電壓小於該預設電 塵值，則判定氫氣戌漏。 9024-Α51340TW/097017 13 201017964 _ 11 ·如申請專利範圍第 氣Ά漏之方法，更包含： 10項所述之檢測燃料電池氮 輕接該燃料電池模組至負載； 债測該燃料電池模組的輸出電麗； 比較該燃料電池模組的輸出電壓與一預設運電 壓；以及 ^ 假如該燃料電池模組的輸出電壓小於該預設運轉電 壓值’則判定氫氣洩漏。

   ,如申請專利範圍第10項或第11項所述之檢測燃 料電池氫氣洩漏之方法，更包含：當判定氫氣洩漏時，則 阻斷氫氣供應。 13·如申請專利範圍第1〇項所述之檢測燃料電池氫氣 沒漏之方法’其中取得該燃料電池的輸出電壓更包含： 量測串接的該等燃料電池的各端電壓； 依據各端電壓計算出各該燃料電池的輸出電壓。

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