TW202127720A - 關閉燃料電池的控制方法及其系統 - Google Patents

Abstract

本發明係為一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，方法之步驟包含：停止通入氫氣至燃料電池；接著，在持續運轉可調變負載時，使燃料電池內剩餘的氫氣持續反應以快速消耗氫氣，同時偵測燃料電池的氫氣壓力與電壓值；以及當氫氣壓力值不大於氣壓閾值時，調降可調變負載的需求功率，以持續消耗殘存的氫氣，直到偵測到燃料電池的電壓值不大於最終電壓閾值時，則關閉燃料電池。是以，本發明之燃料電池在關閉後系統內並不會殘留過多的氫氣，避免關機時產生燃燒反應、開機啟動時產生高壓電之情形發生。

Description

關閉燃料電池的控制方法及其系統

本發明係為一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，特別是指一種在關閉燃料電池的程序中，利用偵測燃料電池的氣壓及電壓以決定關閉燃料電池的時機之關閉燃料電池的控制方法及其系統。

近年來，永續發展為重要的課題，全球因而致力追求能源、環保與經濟的平衡發展。在運輸工具方面，一般使用汽油作為動力來源，然而，在汽油轉換為能量的過程中會釋放大量的溫室氣體，無疑違背追求環保的目標，尤其在京都議定書生效後的溫室氣體減量壓力，各國也漸漸釋出能源替代方案。由於氫能可循環利用的特性，使燃料電池技術於運輸工具上的應用，成為兼顧環境保護，亦是能因應目前高能源價格時代的解決方案。

燃料電池在關機的過程中，燃料電池系統中仍有殘存的氫氣及空氣，殘存於系統內的氫氣容易使得燃料電池維持在開路電壓的狀況，並且氫氣容易自陽極穿過(crossover)至陰極的空氣端而發生燃燒反應。而在燃料電池開機時，氫氣與空氣之間的介面鋒前沿著觸媒層移動的時候容易產生高電壓，進而使觸媒載體產生氧化反應，傷害燃料電池的效能與壽命。因此，如何控制燃料電池在關機時仍有氫氣殘存於系統當中，是燃料電池需解決的一重要課題。

在習知技術當中，係在燃料電池關機時，透過降低進入燃料電池陰極、陽極的氣壓，使得陽極達到負壓的狀態，並在達到負壓時，通入惰性氣體至陽極，以減少在下次燃料電池開機時所產生介面鋒前的問題。然而，習知技術的缺點在於，如要通入惰性氣體，需額外配置惰性氣體於燃料電池上，無疑造成了系統設計的複雜度，此外，實際操作中，燃料電池組為多個單電池堆疊組合而成，當陽極達到負壓狀態時，由於氫氣分布的不均勻，容易使得部分的電池周圍沒有氫氣存在，造成電池的損壞，也就是說，在達到負壓狀態時，雖然仍然有電流的產生，卻有部分的電池沒有與適當的氫氣進行反應，反而進行碳的氧化反應，進而造成燃料電池的損壞。

基於上述習知技術之瓶頸，本發明係提供一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，在燃料電池進行關機時，持續偵測使偵測燃料電池系統的氫氣壓力與電壓，以判斷關閉燃料電池的時機，以避免關機的過程當中造成系統處於高電壓狀態、或因氫氣分布不均勻導致觸媒載體受損，並避免氫氣穿過電池極層而發生燃燒反應的問題，進而提升燃料電池的壽命。

本發明之一目的在於提供一關閉燃料電池的控制方法及其系統，其係在燃料電池的關機程序當中，在停止提供燃料電池反應物之後，利用可調變負載以消耗燃料電池系統中剩餘的反應物，並利用偵測燃料電池系統氫氣的氣體壓力，以判斷反應物的消耗狀況。

本發明之又一目的在於提供一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，其係在偵測燃料電池氫氣壓力時，更同時偵測燃料電池之電壓，利用燃料電池的電壓更精準地判斷反應物的消耗狀況，以充分消耗殘存的 氫氣同時避免損害燃料電池，避免殘餘過多的氫氣而穿過電池極層，進而造成燃料電池系統內發生燃燒的狀況、或高電壓造成碳載體腐蝕的狀況。

本發明之另一目的在於提供一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，其係在特定情況下，停止通入空氣至燃料電池系統，使殘存氫氣與空氣中的氧氣反應完後，剩餘的氮氣會充滿於燃料電池系統，以避免在燃料電池下次進行開機時形成氫氣與空氣的鋒面，避免高電壓的產生而腐蝕碳載體。

為達上述發明之目的，本發明係提出一種關閉燃料電池的控制方法，藉由控制與燃料電池耦接的可調變負載，以關閉燃料電池系統，方法係包含以下步驟：停止通入氫氣至燃料電池；接著，在持續運轉可調變負載時，使燃料電池內剩餘的氫氣持續反應以快速消耗氫氣，同時偵測燃料電池的氫氣壓力與電壓值；以及當氫氣壓力值不大於氣壓閾值時，調降可調變負載的需求功率，以持續消耗殘存的氫氣，直到偵測到燃料電池的電壓值不大於最終電壓閾值時，則關閉燃料電池。

在上述步驟當中，當可調變負載包含複數個負載時，調降可調變負載的需求功率的方法係為關閉至少一該可調變負載。其中關閉至少一可調變負載的方式更依據可調變負載的需求功率由大至小依序關閉。

在上述步驟當中，調降可調變負載的需求功率的方法係為直接調整可調變負載的需求功率。

在上述步驟當中，在持續偵測燃料電池之電壓值時，係偵測燃料電池中的至少一單電池之電壓值。在上述步驟當中，氣壓閾值係不大於0.5磅/平方英寸。

在上述步驟當中，最終電壓閾值係不大於0.1伏特。

在上述步驟當中，其中當偵測到燃料電池的氣壓值不大於氣壓閾值時，更停止通入空氣至燃料電池。

在上述步驟當中，其中當偵測到燃料電池的電壓值不大於最終電壓閾值時，在關閉燃料電池前，更關閉燃料電池的陰極的進氣閥及該燃料電池的出氣閥。

為達上述發明之目的，本發明係提出一種關閉燃料電池的控制系統，包含至少一可調變負載、燃料電池、電壓偵測器、氣壓偵測器、控制單元。燃料電池係耦接可調變負載。電壓偵測器係用以偵測燃料電池的電壓以產生燃料電池的電壓值。氣壓偵測器係用以偵測燃料電池的陽極的氣壓以產生燃料電池的陽極的一氣壓值。控制單元係用以確知並判斷燃料電池的電壓值，並根據判斷該氣壓值及該電壓值的結果，控制以調降該可調變負載及關閉該燃料電池。

其中，可調變負載係可為真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機、直流轉換器、馬達等。

綜上所述，本發明係提出一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，利用偵測燃料電池的電壓及/或氣壓以判斷燃料電池系統內剩餘的反應氣體量，並搭配需求功率不同的負載以不過量地消耗剩餘的反應氣體，以克服習知技術中存在的技術瓶頸，使燃料電池在下次進行開機時不會形成氫氣與空氣的鋒面，且在關閉燃料電池後，燃料電池系統內並不會有氫氣存在，以避免產生高壓電、燃燒反應之情形發生。

1‧‧‧燃料電池系統

20‧‧‧控制單元

30‧‧‧燃料電池

41‧‧‧主負載

42‧‧‧次負載

43‧‧‧二次電池

44‧‧‧外部負載

50‧‧‧電壓偵測器

60‧‧‧氣壓偵測器

70‧‧‧氫氣槽

71‧‧‧氫氣進氣閥

72‧‧‧氫氣出氣閥

80‧‧‧鼓風機

81‧‧‧空氣進氣閥

82‧‧‧空氣出氣閥

90‧‧‧氣體加濕單元

S01、S02、S03、S04、S05a、S05b、S06、S07a、S07b、S08‧‧‧步驟

第1圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖。

第2圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

第3圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖。

第4圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。本發明實施例之構造及使用係詳細說明如下。必須瞭解的是本發明提供了許多可應用的創新概念，在特定的背景技術之下可以做廣泛的實施。此特定的實施例僅以特定的方式表示，以製造及使用本發明，但並非限制本發明的範圍。

本發明係提出一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，其精神乃在於，當燃料電池要進行關機時，先停止通入氫氣至燃料電池，再藉由與燃料電池耦接的可變動負載以較快的消耗速度來反應殘存於燃料電池系統內的氫氣，直到充分消耗殘存的氫氣後，再關閉燃料電池系統。進一步而言，當停止通入氫氣至燃料電池後，燃料電池的陽極處的反應物係會因為可變動負載的運作而逐漸被消耗，而在消耗反應物的過程中，係在特定條件下逐漸調降可調變負載的需求功率，以避免反應物消耗速率過快而發生反應物分布不均勻的問題。

本發明係提出兩種調降可變動負載的需求功率的方式，其中之一方式係在可調變負載包含複數個負載時，藉由關閉至少一個負載以達到改變整體負載的需求功率，且所述的多個負載可分別包含有不同或相同 需求功率的負載。本實施例將以存在主、次負載的方式為例，說明關閉至少一可調變負載的流程，其中主負載表示具有較大需求功率的負載，次負載的需求功率則小於主負載的需求功率。請同時參閱第1圖及第2圖，第1圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖，第2圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。如第1圖所示，關閉燃料電池的控制系統1包含主負載41、次負載42、燃料電池30、電壓偵測器50、氣壓偵測器60、控制單元20。

利用上述系統以執行之方法包含以下步驟：步驟S01，提供關機訊號至控制單元20；步驟S02，接著，控制單元20根據關機訊號以控制使氫氣停止通入至燃料電池30，此時可調變負載仍維持原本的狀態以繼續運轉，在本實施態樣中的可調變負載包含主負載41及次負載42，使燃料電池內剩餘的氫氣繼續進行反應；步驟S03，氣壓偵測器60持續偵測燃料電池30的陽極的氣壓值、電壓偵測器50持續偵測燃料電池30之電壓值；步驟S04，控制單元20確知氣壓偵測器60所偵測到的氣壓值，並判斷氣壓值是否大於氣壓閾值；若判斷大於氣壓閾值，進入步驟S05a，藉由控制單元20以使燃料電池30繼續提供動力至主負載41及次負載42，並回到步驟S04a；若判斷不大於氣壓閾值，進入步驟S05b，控制單元20控制使主負載41關閉且使燃料電池30繼續提供動力到次負載42；步驟S06，控制單元20讀取電壓偵測器50所偵測到燃料電池30之電壓值，並判斷電壓值是否大於最終電壓閾值；若判斷大於最終電壓閾值，進入步驟S07a，控制單元20控制使燃料電池30繼續提供動力到次負載；若判斷不大於最終電壓閾值，進入步驟S07b，控制單元20控制以關閉次負載；最後，步驟S08，控制單元20控制以關閉燃料電池30。

在上述實施例中，當控制單元20接收到關機訊號後，即控制 使氫氣停止通入燃料電池30，然而，雖已停止通入氫氣，燃料電池30內部仍會存有剩餘未反應之氫氣，也就是說，此時燃料電池30係利用殘存於其中之氫氣進行反應以提供動力，因而，在此時偵測燃料電池30的氣壓，便可以判斷燃料電池30內殘存的氫氣量。

在上述實施例中，氣壓閾值及最終電壓閾值係設定以使主負載41及次負載42得以在適當的時機關閉，在本實施例中，主負載41的需求功率係大於次負載42的需求功率，詳細而言，燃料電池30內殘存的氫氣逐漸因反應而消耗，隨著反應物濃度的降低，燃料電池30的電壓亦隨之降低，控制單元20讀取氣壓偵測器60所偵測到燃料電池30的氣壓值並判斷是否大於氣壓閾值，若控制單元20判斷大於氣壓閾值，代表氫氣濃度仍足夠，由於當氣壓高的時候，較不會出現氫氣分布不均勻的問題，所以可以使用需求功率較大的負載以消耗氫氣，主負載41及次負載42繼續運作，以繼續快速地消耗殘存的氫氣，若控制單元20判斷不大於氣壓閾值，代表氫氣濃度已被消耗至特定濃度範圍，控制單元20控制使燃料電池30停止提供動力至需求功率較大的主負載41(關閉主負載41)，但仍使燃料電池30繼續提供動力至次負載42，使燃料電池30內殘存的氫氣能夠繼續反應，直到控制單元20判斷所偵測到燃料電池30的電壓值不大於最終電壓閾值後，燃料電池30停止提供動力至次負載42並關閉燃料電池30。

進一步而言，上述實施例係依據負載的需求功率以逐漸關閉負載，一般來說，由於氫氣停止通入至燃料電池30後，燃料電池30內部仍有相當高含量的氫氣，因此，仍可供應較大功率的可調變負載(包含主負載41及次負載42)能量，快速消耗氫氣而不會導致氫氣分布不均，進而損害燃料 電池壽命。當氫氣壓力不大於氣壓閾值時，氫氣於燃料電池內部之分布開始有不均勻狀況，通常會先選擇性地關閉有較大需求功率的主負載41，再關閉有較小需求功率的次負載42，然而，並非以此為限；另外，本實施例並不限制主負載41及次負載42的數量，換言之，當具有數量更多的主負載41及次負載42時，亦可以隨著負載的需求功率大小而依序關閉負載。

本發明所提出另一種調降可變動負載的需求功率的方式係為直接調整可調變負載的需求功率，也就是說，當可調變負載中存在變動負載時，係可直接調降變動負載的需求功率，以調降整體可調變負載的需求功率。請參考第3圖，第3圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖。如第3圖所示，第3圖與第1圖之技術內容相同之部分於此不再贅述，關閉燃料電池的控制系統1更包含二次電池43及外部負載44。

在此實施例中，主負載41係為直流轉換器，以使燃料電池30在特定的電流區間內將電流輸出至外部負載44，然而，當控制單元20接收到關機訊號，並且需要調降燃料電池30的輸出功率時，直流轉換器可直接調整其本身的需求功率，使燃料電池30的輸出的功率得以下降，即使燃料電池30仍有少量的電流輸出至直流轉換器，亦可透過直流轉換器的調控，使輸出的電流儲存至二次電池43。

此外，在偵測燃料電池之電壓值時，係可偵測燃料電池系統中的單電池之電壓值。其中當有複數個次負載存在時，在偵測到燃料電池的電壓值大於最終電壓閾值時，除持續調降主負載的需求功率外，更關閉至少一次負載，直到電壓值不大於最終電壓閾值，而關閉至少一次負載的方式更依據次負載的需求功率由大至小依序關閉。

需說明的是，上述實施例中所述之主負載41若為鼓風機，而其他負載則使用非鼓風機之負載時，當控制單元20判斷燃料電池30的陽極的氣壓不大於氣壓閾值時，控制單元20控制使燃料電池30停止提供動力至鼓風機，空氣停止通入至燃料電池30，也就是說，燃料電池30內的陰極、陽極處的反應物濃度均會隨著反應的進行而逐漸下降，因此可透過預先計算反應所需要的氣體量以設定氣壓閾值，而在燃料電池30的陽極的氫氣消耗完畢時，陰極處存在的空氣中的氧氣亦消耗完畢，使得燃料電池30內仍然具有剩下未參與反應的氮氣，氮氣會在燃料電池30內逐漸擴散而充滿整個密閉空間，使燃料電池30的陰極不會形成真空或負壓狀態。

在上述實施例中，控制單元20係可透過控制以關閉鼓風機或關閉空氣通入閥的方式使空氣停止通入燃料電池30，然而上述僅用以舉例說明，並非用以限制使空氣停止通入燃料電池之手段。在本發明之實施例中，可調變負載係為燃料電池系統內部之負載及/或為燃料電池系統外部之負載。舉例而言，可調變負載係可為真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機、直流轉換器、馬達等。

在本發明之實施例中，氣壓閾值係不大於0.5磅/平方英寸，最終電壓閾值係不大於0.1伏特。

在本發明之實施例中，在關閉燃料電池之前，係更關閉燃料電池系統所有的氣體進、出氣閥，上述之氣體閥係可依照需求在不同時機關閉。請參考第4圖，第4圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊圖。在此實施例中，關閉燃料電池的控制系統1包含燃料電池30、主負載41、氫氣槽70、氫氣進氣閥71、氫氣出氣閥72、鼓風機80、空氣進氣閥81、空氣出氣閥82、 氣體加濕單元90。氫氣進氣閥71係用以阻隔氫氣槽70與燃料電池30，氫氣出氣閥72係阻隔燃料電池30與外界環境，空氣進氣閥81係阻隔鼓風機80與燃料電池30，空氣出氣閥31係阻隔燃料電池與外界環境。需說明的是，在空氣進入燃料電池30及氫氣、空氣需排放到外界環境時，皆需通過氣體加濕單元90，以提供氣體加濕的作用。

舉例而言，當燃料電池30持續作動，以提供動力至主負載41時，持續開啟氫氣進氣閥71、空氣進氣閥81、空氣出氣閥82，以使氫氣槽70的氫氣得以供應至燃料電池、鼓風機得以供應空氣至燃料電池，在燃料電池的控制系統1收到關機訊號時，係首先關閉氫氣槽70的氫氣進氣閥71，以停止供應氫氣制燃料電池30，而空氣進氣閥81係可在偵測到燃料電池30的氣壓值不大於氣壓閾值時進行關閉，或在電壓值不大於最終電壓閾值時進行關閉，在關閉燃料電池前，更關閉空氣出氣閥82。氫氣出氣閥72則在需要排放氫氣時開啟。

此外，在偵測燃料電池之電壓值時，係可偵測燃料電池系統中的單電池之電壓值。其中當有複數個次負載存在時，在偵測到燃料電池的電壓值大於最終電壓閾值時，除持續關閉主負載更關閉至少一次負載，直到電壓值不大於最終電壓閾值。而關閉至少一次負載的方式更依據次負載的需求功率由大至小依序關閉。

是以，本發明之技術精神乃在於利用偵測電壓及氣壓的方式，以決定關閉負載及燃料電池的時機，當偵測到氣壓仍大於氣壓閾值時，持續開啟所有的可調變負載，並持續偵測燃料電池的電壓值，直到偵測到氣壓不大於氣壓閾值時，降低可調變負載的需求功率，以繼續消耗燃料電池中 剩餘的氣體，直到偵測到電壓不大於最終電壓閾值時，再關閉燃料電池。本發明中可包含有複數個可調變負載，且可依據可調變負載的耗能量大小以逐漸關閉這些可調變負載，也就是說，在到達最終電壓閾值之前，若偵測到的電壓仍遠大於最終電壓閾值，可依照次負載的需求功率以逐漸關閉各個次負載，其他未被關閉的次負載仍持續運作以消耗燃料電池中剩餘的氣體，直到所偵測的電壓不大於最終電壓值時，再關閉需求功率最小的負載，此外，更可直接調整負載本身的需求功率，也就是不需關閉負載，而是藉由調降負載本身的需求功率，來達到降低整體負載的需求功率，藉由上述方法，以使殘存於燃料電池內的氫氣可近乎完全反應。

綜上所述，本發明係提出一種關閉燃料電池的控制方法及其系統，利用偵測燃料電池的電壓及氣壓以判斷燃料電池系統內剩餘的反應氣體量，並搭配需求功率不同的負載以消耗剩餘的反應氣體，使關閉燃料電池的時候，燃料電池內部僅消耗殘存的氫氣而仍保留空氣中原有的氮氣，氮氣會逐漸填滿燃料電池，進而讓燃料電池在下次進行開機時不會形成氫氣與空氣的鋒面，且在關閉燃料電池後，燃料電池系統內並不會有氫氣存在，以避免產生高壓電、燃燒反應之情形發生。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

S01、S02、S03、S04、S05a、S05b、S06、S07a、S07b、S08‧‧‧步驟

Claims (11)

1. 一種關閉燃料電池的控制方法，藉由控制與該燃料電池耦接的至少一可調變負載，以關閉該燃料電池系統，該方法係包含以下步驟：停止通入氫氣至該燃料電池；

   在持續運轉該可調變負載時，使該燃料電池內剩餘的氫氣持續反應並偵測該燃料電池的一氣壓值及一電壓值；以及

   當該氣壓值不大於一第一氣壓閾值時，調降該可調變負載的需求功率，直到偵測到該燃料電池的該電壓值不大於一最終電壓閾值時，則關閉該燃料電池。
2. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中該可調變負載包含複數個負載時，調降該可調變負載的需求功率的方法係為關閉至少一該負載氣壓氣壓。
3. 如請求項2所述之關閉燃料電池的控制方法，其中當關閉多個該負載時，關閉的方式更依據該些負載的需求功率，由大至小依序關閉。
4. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，調降該可調變負載的需求功率的方法係為直接調整該可調變負載的需求功率。
5. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中在偵測該燃料電池的該電壓值時，更偵測該燃料電池中的至少一單電池的電壓值。
6. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中該氣壓閾值係不 大於0.5磅/平方英寸。
7. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中該最終電壓閾值係不大於0.1伏特。
8. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中當偵測到該燃料電池的該氣壓值不大於該氣壓閾值時，更停止通入空氣至該燃料電池。
9. 如請求項1所述之關閉燃料電池的控制方法，其中當偵測到該燃料電池的該電壓值不大於該最終電壓閾值時，在關閉該燃料電池前，更關閉該燃料電池地陰極的進氣閥及該燃料電池的出氣閥。
10. 一種關閉燃料電池的控制系統，包含：

    至少一可調變負載；

    一燃料電池，耦接該可調變負載；

    一電壓偵測器，係用以偵測該燃料電池的電壓以產生該燃料電池的一電壓值；

    一氣壓偵測器，係用以偵測該燃料電池的陽極的氣壓以產生該燃料電池的陽極的一氣壓值；以及

    一控制單元，係用以確知並判斷該燃料電池的該電壓值及該氣壓值，並根據判斷該氣壓值及該電壓值的結果，控制以調降該可調變負載及關閉該燃料電池。
11. 如請求項10所述之關閉燃料電池的控制系統，其中該可調變負載係為真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機、直流轉換器、馬達之至少其中之一。

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