TW201525741A - 開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法 - Google Patents

開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法 Download PDF

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Abstract

本發明係提供一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法，包括：a.發電單元的開發設計步驟，係包含：a1.測試一膜電極組的特性；a2.設計一雙極板流道的結構；a3.設計一燃料電池堆的反應氣體之流向；a4.組裝該燃料電池堆；b.控制單元的開發設計步驟，係包含：b1.建立一控制器與複數個周圍元件之間的複數個控制動作；b2.將該控制器與一市售燃料電池連接，以及測試該控制器與該市售燃料電池之間的運作；c.分析該燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗。

Description

開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法
本發明係關於一種發電裝置，特別係關於一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法。
台灣發明專利案申請案號第097133023號「模組式燃料電池之結構與封裝設計裝置」，已揭露一種燃料電池之組合結構，主要係於一殼體內設有一容置空間，複數單元電池堆係以同一方向排列堆疊於該殼體之容置空間內，該單元電池堆依序係由一陰極層、一發電極板、一陽極層及一連接片所疊併組成，連接片係銜接串聯各單元電池堆，一密封盤及一蓋體依序封蓋於該殼體之容置空間開口，該蓋體外側另結合一銜接座，於該銜接座之至少一表側設有複數導流管，其另一端則分別連通於複數電池堆分流歧管，再由該複數電池堆分流歧管另分別銜接於複數支線分流歧管。所述台灣發明專利案乃提供了如何設計模組式燃料電池之參考。
本發明的發明人有鑑於習知燃料電池相關結構與設計技藝仍有改良空間，因此亟思發明改良，而發明出一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法，可對小型燃料電池的結構設計提供幫助。
本發明的目的係提供一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法，提供對小型燃料電池的結構設計的幫助。
為達成本發明上述的目的，本發明提供一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法，包括：a.發電單元的開發設計步驟，係包含： a1.測試一膜電極組的特性；a2.設計一雙極板流道的結構；a3.設計一燃料電池堆的反應氣體之流向；a4.組裝該燃料電池堆；b.控制單元的開發設計步驟，係包含：b1.建立一控制器與複數個周圍元件之間的複數個控制動作；b2.將該控制器與一市售燃料電池連接，以及測試該控制器與該市售燃料電池之間的運作；c.分析該燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖並配合詳細之說明，說明如後：
1‧‧‧開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法
2‧‧‧單電池
3‧‧‧燃料電池電堆
4‧‧‧風扇
5‧‧‧外殼
11‧‧‧發電單元的開發設計步驟
13‧‧‧控制單元的開發設計步驟
15‧‧‧分析燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗之步驟
20‧‧‧陽極集電板
21‧‧‧陽極流道板
22‧‧‧膜電極組
23‧‧‧陰極流道板
24‧‧‧陰極集電板
25‧‧‧氣密墊片
26‧‧‧加熱片
31‧‧‧膜電極組
32‧‧‧端板
33‧‧‧集電板
34‧‧‧絕緣墊片
35‧‧‧氣密墊片
36‧‧‧雙極板
37‧‧‧螺絲
111‧‧‧測試一膜電極組的特性之步驟
113‧‧‧設計一雙極板流道的結構之步驟
115‧‧‧設計一燃料電池堆的反應氣體之流向之步驟
117‧‧‧組裝燃料電池堆之步驟
第1圖顯示本發明的開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法的流程圖。
第2圖顯示本發明的發電單元的開發設計步驟的流程圖。
第3圖顯示本發明的控制單元的開發設計步驟的流程圖。
第4圖顯示本發明的單電池的分解結構圖。
第5圖顯示本發明的單電池的立體圖。
第6圖顯示本發明測試單電池特性的測試環境示意圖。
第7A、7B圖顯示本發明的雙極板設計的結構圖。
第8A~8C圖顯示本發明燃料電池堆的反應氣體之流向設計的結構圖。
第9圖顯示本發明的燃料電池堆的分解結構圖。
第10圖顯示本發明的燃料電池堆的立體圖。
第11圖顯示本發明的燃料電池堆、風扇與外殼的組裝立體圖。
第12圖顯示本發明的控制器、周圍元件與燃料電池堆的連接圖。
第13圖顯示本發明的控制器控制周圍元件的控制動作表。
第14圖顯示本發明的控制器單元的電路圖。
本發明的開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法1解決了燃料電池的結構設計的問題，開發設計燃料電池發電系統在實際應用上，常常需要多片膜電極組(MEA)堆疊而成，這是因為若單片MEA的操作電壓都過於低，以氫氧燃料電池為例，單電池的操作電壓約是0.5~0.7V之間，這並不符合常用的負載元件，因此需要多顆單電池做堆疊，並達到符合的電力輸出；然而多顆單電池所組合的燃料電池堆，需要使電堆正常供電的種種因素就必須縝密考慮。在組裝質子交換膜燃料電池(PEMFC)的過程中，必須要確定組出的燃料電池堆(或簡稱為電堆)使用的範圍將是多少的瓦特數，決定了要此用多少片的MEA來組成電堆，MEA的面積大小也將影響整個電堆幾何大小；電堆的構造裡有個關鍵的零組件是雙極板，雙極板主要的功能是使氣體均勻的分佈在MEA上，並傳遞MEA所發出的電能，此時雙極板上的流道就扮演了極為重要的角色，流道不同的幾何形狀將影響氣體在燃料電池內流通的情況，流道必須使氣體在燃料電池內順利的流通，減少氣體流過流道的壓損，並將PEMFC發電時，所產生的多餘水分順利的排出電堆外，因此，雙極板的流道也是必須要考慮的因素。
當PEMFC組裝完成後，必須要使用該些周圍元件(BOP)使之順利發電，BOP的功能除了使電堆順利發電外，還必須延長電堆的使用壽命，在實際使用中可能會遇到負載瞬變、過高的負載或溫度過高的各種情況，因此BOP就必須適時的做出相對應的保護機制，以避免電堆損壞。 一般來說影響PEMFC性能的原因如：溫度、壓力、氣體流量和負載變化。這其中有著許多複雜的水、熱、氣體管理。以水管理為例，燃料電池在實際使用過程中，會有高低負載的不同情況，在不同高低的負載下，MEA所產生的水量也會有所不同；然而，市售燃料電池控制器卻都是以固定排水時間的方式來做控制，這會造成MEA的水阻塞或是脫水過乾；在每一次的排水即是供給燃料的排放，在低負載時，供給的燃料過剩，排水便是燃料的浪費；在高負載時，供給的燃料不足就造成燃料電池性能的影響，也會產生過多的水量；並且在燃料電池控制器使用上通常都需要外加電力提供給控制器，如此一來造成了燃料電池的使用不便利以及性能影響與燃料的浪費。上述所面臨的課題在開發設計燃料電池發電系統過程中都是必需面臨與解決。
請參見第1、2、3圖，本發明的開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法1，乃主要包括：發電單元的開發設計步驟(步驟11)、控制單元的開發設計步驟(步驟13)、以及分析燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗(步驟15)，茲分別說明如下內文。
發電單元的開發設計步驟(步驟11)乃包含：測試一膜電極組的特性(步驟111)、設計一雙極板流道的結構(步驟113)、設計一燃料電池堆的反應氣體之流向(步驟115)、以及組裝燃料電池堆(步驟117)。
在此說明步驟111的技藝精神，在測試一膜電極組的特性(步驟111)中，本發明組裝一單電池2，如第4、5圖所示，而單電池2乃由陽極集電板20、陽極流道板21、膜電極組22、陰極流道板23、陰極集電板24、以及氣密墊片25等所組成。組裝完成的單電池的最外兩側面上，在陰、 陽極兩側各黏貼了一片加熱片26，這是為了控制單電池池2本身溫度，使單電池2在適合的溫度下輸出，以提升單電池的性能。請配合參見第6圖，單電池2的燃料電池在活化時，必須要在良好的條件下進行，活化時所設定的操作參數，有電池的鎖合扭力、溫度、氣體的溫度、濕度以及流量，所以將進行一系列的操作參數設定實驗。每隔一預定時間(例如3分鐘)紀錄電池內阻值與電流密度之數值，直至變化數值趨近平穩，其電池內阻值為4~8mΩ，即完成活成程序。在一具體實施例的活化時的相關環境設定參數如下：鎖合扭力：24kgf-cm、氣密墊片厚度：0.15mm、電池溫度：50℃、陽極氣體：氫氣5bar,300cc/min,50℃加濕、陰極氣體：空氣5bar,1500cc/min,50℃加濕。
在此說明步驟113的技藝精神，在設計一雙極板流道的結構(步驟113)中，為讓電堆盡可能的輕量化，雙極板的流道就必須經過縝密的設計，本發明可採行模擬軟體為Fluent，用來模擬反應氣體流經雙極板流道後，是否可以順利地排出電堆外，並計算其壓力損失及流速分佈。最後將挑選一款壓力損失較低，並使氣體均勻地分佈在流道內的設計。本發明採行的第一雙極板，如第7A圖所示，流道為四蛇流道，流道寬度為3mm，肋寬度為1.5mm，匯流氣體的雙極板通道為半徑4mm的圓孔。再者，本發明採行的第二雙極板，如第7B圖所示，流道為三蛇流道。第一、二雙極板經過所述Fluent模擬後，計算其壓力損失及流速分佈，再來挑選出適用的雙極板。
在此說明步驟115的技藝精神，在燃料電池堆的反應氣體之流向(步驟115)中，決定了流道設計後，茲舉以開發十片單電池所串聯而成 的電堆做為範例，反應氣體在電池內部的走向也極為重要，良好的氣流走向可以使氣體均勻地進入每顆電池中，並順利離開電堆，完成燃料供應。反應氣體流向與入出口的設計範例，請配合參見第8A~8C圖，分別為串聯十片流道、前五後五、以及並聯十片流道入出口同側等3種不同的設計範例。
在此說明步驟117的技藝精神，在組裝燃料電池堆(步驟117)中，請配合參見第9~11圖，燃料電池堆3以固定用的複數支螺絲37，施以適當之夾持力來固定燃料電池內部之多層結構，集電板33為了要與外部的電路作連接，故延伸出面積做為方便連接使用之設計。在右側的端板32有讓反應氣體進出的接頭，為了在實際使用狀況時，可以減少使用體積大小，故作同側進出口的設計。因為在燃料電池陰極端是做開放式的設計，所以在外觀上可以看到排列式的孔洞，這是為了讓空氣可以順利的通過膜電極組31的陰極側，使燃料電池順利發電。加上給陰極端空氣的風扇4，固定風扇4的方式是再外加外殼5，風扇4的大小選擇可以包含整個電堆陰極端，確保每個電池的陰極端都可以供應到足夠的空氣量，並且在電池內部保留足夠的空間放置溫度感測器，溫度感測信號送回燃料電池控制器內，溫度訊號用以調整風扇速度，進以控制燃料電池電堆3的溫度。在第9圖中的組件分別是絕緣墊片34、氣密墊片35、以及雙極板36。
接著說明控制單元的開發設計步驟(步驟13)，步驟13乃包含：建立控制器與複數個周圍元件之間的複數個控制動作(步驟131)、以及將控制器與市售燃料電池連接，以及測試控制器與市售燃料電池之間的運作(步驟133)。
在此說明步驟131的技藝精神，在建立控制器與複數個周圍元件之間的複數個控制動作(步驟131)中，為了製作出一款符合燃料電池(堆)所適用的控制器，可先以市售燃料電池控制器作為基準，作為本發明的控制器的設計依據。燃料電池(堆)在使用的過程中會遭遇的各式各樣的情況，而控制器必須適時做出相對應的動作，以延長燃料電池(堆)的使用壽命。為了控制器使用的便利性，控制器的電力來源，僅需由燃料電池(堆)本身供應。請配合參見第12~14圖，燃料電池(堆)在運轉時，最先遇到的問題就是燃料的供給問題，在陽極供應的氫氣，所使用控制的元件是電磁閥，控制的電磁閥數量總共是兩個，一個是氫氣進入燃料電池之前的供氣閥，另一個則是氫氣離開燃料電池之後的排氣閥，前電磁閥影響著氫氣是否可以順利進入燃料電池的關鍵。由於必須使氫氣進入燃料電池後才能順利發電，以利發電後供應給控制器使用，所以供氣閥所使用的是常通型的，氫氣經由供氣閥進入燃料電池後，燃料電池即可順利發電並供應電力給控制器，使燃料電池持續工作運轉。供氣閥在燃料電池遭遇到負載瞬變、溫度過高或負載過高的狀態時，即切斷氫氣對燃料電池的供給，避免燃料電池發生狀況時，氫氣卻持續供應；而排氣閥則是考慮到在不同的負載下，所作出對應的不同排放時間，例如在高負載時，產生的燃料電池產生的水量會增加，此時，則必須縮短排放時間，避免造成燃料電池積水的現象，適當的排放時間可以使燃料電池更穩定的電力輸出。
燃料電池陰極端由於作的是開放式的設計，陰極反應氣體的供給來源是空氣由風扇吸入至陰極端，控制器將偵測到燃料電池的負載，依負載的不同高低，來改變風扇的轉速快慢，例如燃料電池在高負載的狀 況時，氧化劑的需求量增加了，此時，則增加風扇轉速，以提供燃料電池所需的氧化劑量。風扇除了供給氧化劑的功能外，同時，也對燃料電池進行散熱，例如控制器偵測到燃料電池溫度過高時，會增加風扇轉速，藉以帶走燃料電池多餘的熱量；因此風扇的轉速控制，影響了氧化劑供給速率及散熱的快慢。燃料電池在使用時，常常使用者沒有帶著檢測燃料電池的工具，因此本發明的控制器外殼帶有液晶顯示器，顯示著燃料電池的電壓與溫度，讓使用者可以清楚的知道燃料電池狀況。
警示的部分控制器外殼有警示燈元件，在燃料電池瀕臨危險的情形時，例如溫度偏高、負載偏高，則警示燈會閃爍，藉以用來提醒使用者，燃料電池的狀態處於較危險的情況。燃料電池若無法正常供電時，適時的把負載端切斷也是必須的，切斷負載所使用的元件是繼電器，例如過高的溫度、過高的負載時，控制器將給予訊號給繼電器，繼電器則切斷燃料電池對負載的供應，以維持燃料電池的使用壽命。提醒使用者負載切斷的元件是蜂鳴器，當繼電器切斷負載時，蜂鳴器也會鳴叫，用來提醒使用者燃料電池停止電力輸出。
在此說明步驟133的技藝精神，在將控制器與市售燃料電池連接，以及測試控制器與市售燃料電池之間的運作(步驟133)中，本發明的控制器可採行單晶片，例如為可程式模塊系統晶片(Programmable System On Chip,PSoC)。開發使用的軟體採行為Cypress公司提供的專屬PSoC整合開發環境，PSoC Designer用以開發嵌入式系統。Designer以專案形式來管理一項開發作業。將控制器與市售燃料電池連接後，利用習知燃料電池測試平台，來進行控制器與市售燃料電池之間的運作測試。
再接著說明分析燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗(步驟15)。在此說明步驟15的技藝精神，本發明利用交流阻抗分析的習知原理，對電化學系統施加交流電壓，系統會回饋一交流電流，經由交流電壓與交流電流之間的運算，便可獲得此系統的阻抗值，藉由改變供應交流電的頻率，可以得到該電化學系統阻抗隨著頻率變化之關係，進而由此關係求出該系統的等效電路。燃料電池的電化學反應也可以利用傳統電化學的量測方式，取得燃料電池內部的電化學反應，以電化學阻抗頻譜量測法(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)，繪製成奈氏圖(Nyquist plot)。藉由分析阻抗圖並設計一個等效電路，並解釋各阻抗在電化學反應中的物理意義。其他的電化學量測法還有環狀伏安法(Cyclic Voltammetry)及線性掃描伏安法(Linear Sweep Voltammetry)。
本發明利用習知電化學分析實驗中，有幾種常被利用於解釋電化學反應而產生的阻抗，在燃料電池內部的電化學反應中，最主要受到以下三種阻抗：歐姆阻抗(RΩ)、電荷傳導所產生的活化阻抗，又稱電荷傳導阻抗(Rct)、擴散限制所產生的濃度阻抗，又稱擴散阻抗(Rd)。在等效電路中，歐姆阻抗的的模型為一個電阻，電阻的虛部為零，所以在奈式圖是X軸(實部軸)上的一點，不會隨著頻率而改變，歐姆阻抗的等效電路及對應奈式圖。活化阻抗(Rct)與擴散阻抗(Rd)，在等效電路上為電阻及電容所並聯而成，其等效電路及對應奈式圖。燃料電池從陽極到陰極反應過程，繪製成等效電路及對應奈氏圖。本發明可再利用習知技藝中，針對PEMFC控制運作時的操作參數，做不同溫度與膜含水量的交流阻抗實驗，並分別探討陽極與陰極的阻抗分佈，進行各參數對阻抗值的影響。本發明又可再利用習 知技藝中，利用電化學頻譜分析用來量測PEMFC，透過溫度、流量及濕度等參數控制，進行阻抗頻譜的變化研究。
本發明的開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法1解決了小型燃料電池的結構設計的問題，此即為本發明顯著功效增進所在之處。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法
11‧‧‧發電單元的開發設計步驟
13‧‧‧控制單元的開發設計步驟
15‧‧‧分析燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗之步驟

Claims (6)

  1. 一種開發設計小型燃料電池堆暨控制系統的方法，包括：a.發電單元的開發設計步驟，係包含：a1.測試一膜電極組的特性；a2.設計一雙極板流道的結構；a3.設計一燃料電池堆的反應氣體之流向；a4.組裝該燃料電池堆；b.控制單元的開發設計步驟，係包含：b1.建立一控制器與複數個周圍元件之間的複數個控制動作；b2.將該控制器與一市售燃料電池連接，以及測試該控制器與該市售燃料電池之間的運作；c.分析該燃料電池堆的性能與電化學交流阻抗。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該測試膜電極組的特性步驟，係包含組裝一單電池的步驟，其中該單電池係包含該膜電極組。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該單電池係包含該設計該雙極板流道的結構步驟中的該雙極板。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中在該組裝該燃料電池堆驟中的該燃料電池堆，係包含複數個該膜電極組、以及複數個該雙極板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該控制器，係一可程 式模塊系統晶片。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電化學交流阻抗，係為一歐姆阻抗、一電荷傳導所產生的活化阻抗、或一擴散限制所產生的濃度阻抗。
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