TWI281282B - Parameter acquisition system and testing method for water-cooled fuel cell stack - Google Patents

Description

1281282 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係屬於一種水冷式燃料電池之冷卻循環系統參數擷取測試方 法’其中著重在一種水冷式燃料電池於不同電流/電壓特性曲線下之冷卻循 環系統參數特性的測試方法。 【先前技術】 燃料電池是-種將氫氣及氧氣分別經由觸媒反應轉換成電力的裝置， 其特點乃是反應過程所生成物僅是電力、熱量和冷卻水等，極具環保 效皿的电力供應裝置受到眾人注目。近年來石化燃制發成本節節高漲， 使用年限紛紛被綱於有限的伟將被人們使祕盡，新的替代能源研究 叙然成為各國政府急需努力的課題。細，㈣電池應職術被勉下— 世代新新能源的代表作之—。其中又以質子交換膜燃料電池贿C)較可用 於低温狀態下操作⑽。0、啟動時驗短(〈2min)、高能量密度等優點，適 合於-般可攜帶式、祕式賴制。極具有市場前做及發展的優2 燃枓電池反應機蚁高分子f子交換膜為中間媒介，水分子將陽極端氣質 子拖复到陰極端與氧氣進行還原反應後即生成冷卻水，成為燃料電池2 標準發電反應循環用。 個 、，在水冷式簡電池系統所扮演的角色相當重要，隨 枓包池不_電流/電壓特性轉下進行冷卻水的流量與溫度調整變化 u然料電池取適當的冷卻效果，藉此使得燃料電池維持於最高、最穩定= 5 1281282 功率輸出。然而大瓦鱗_水 /±y+l 飞从科電池輸出電流量相當大(MOA)， 2燃鼓也岭大，氣冷式冷卻綠無法滿足燃料電 =官理的需求，直接藉由冷卻水在燃料電池内部冷卻水道進行散熱，才 ^吏传W電池維持於穩定的功率輪出。其中冷卻水流量太低、散熱量不 J卩1轉致電池_部溫度急驟升高，使得質子交換膜產生過度燥化 卜7卩^里太㊅、散熱_高’使得燃料電池長時間維持於偏低溫 作，输㈣繼物崎電爾。嶋冷式燃料 I池操作上，她於小功率氣冷式_電池來得複雜許多，姉稍加不留 二’、料〜也操作條件’過熱⑽Gt sp⑷立即形成於膜電極組上，導致質 子父換膜發生破裂’引域氣與氧氣直接混合進行職反應。如何有效地 畺貝j。&錄冷例轉系統各項零組件運作以及燃料電池性能，對於水冷式 燃料電池將是一門重要的課題。 傳、、、充的水/令式燃料電池之冷卻循環系統參數擷取測試方法，普遍利用 人工方式依序讀取各類錶頭（流量計、雜計、溫度計#)的數據，並且加 以V、整與分析，往往造成許多人力上浪費。無法立即動祕式量測冷卻循 %系統各項周邊零組件(散熱器、冷卻水幫浦、冷卻水流量監視器、熱電偶 溫度感測裔）操作參數變化，以及與燃料電池性能參數變化，最終導致燃料 電池系統控制電路板研製時程緩慢。 【發明内容】 水冷式燃料電池之冷卻循環系統參數擷取測試方法，著重於冷卻楯環 Γ281282 系統之自動化參數操取測試方法，有效地立即量測、記錄燃料電池之冷卻 盾衣系統周邊凡件(冷卻水幫浦、散熱器、冷卻水監視器、溫度計)操作特 物然料電池性能參數變化(流量、壓力、溫度、濕度、電壓、㈣，同

才找出彼此間互相影響的最佳化參數，藉此達到燃料電池與冷卻循環系統 之最佳化操作參數。 W 緣此本發明主要目的是提供—種水冷式燃料電池之電壓/電流特性條 件下i财冷式觸電池之本體操作溫度、冷卻循_⑽之流量與前 後溫度差變化。 本發明主要的目是使縣冷式_電池之冷卻循環紐參數擷取測試 方=，在燃料電池之電流/電壓特性曲線之下，擷取到燃料電池系統周邊元 件最佳化_作參數，可糊㈣錢料電池控制電職研製上，大大縮 短產品開發人力與時間。 “本㈣另—個目的是循環冷㈣統參數娜測試方法，可以有效解決 籲許多_電池極板表面溫度急驟升高、冷卻循環系統流量不足等現象發 生，藉此達㈣冷卻循環系、統最佳化冷卻效率。 本發明另—個目的在於提供冷賴《、統參數擷取職錢，可以有 放也觀測到夕項翏數間互相影響關係與暫態反應現象量測 ’有助於更瞭解 水冷式燃料電池操作特性與變化。 【實施方式】 本發明是建立-套完整的水冷式燃料電池之冷卻循環系統參數掏取測 7 1281282 各項零°8錢·作參數即時®測與記錄，立即找出 反應物化Ml 顧朿，例如暫時齡系統負載量、增加 方、、比、降低電池組操作溫度、增加或減少冷卻水流量等處理 …避免水冷式簡電池錢作過較到損害。

第-_示水冷式燃料電池之冷卻循環系統職時連接示意圖。由於 本U參數掏取測叙賴作業時，首先把燃料電池⑴透過信號線路 )與電子負載計⑵進行連接，使得燃料電池⑴本身所產生的功率由電 力^成熱量消耗掉，麵料電池⑴在不同放電模式下的特性變化，其 中電子負載計⑵的電流與龍信號，透過信號線路⑽由參數擷取處理系 統⑹進行資料控制與記錄。熱敏餘⑺直接被安置_料電池⑴本體表 面上，進仃極板表面溫度量測，透過信麟路(連接到參數擷取處理系 統(6)進行資料量測與記錄。 Μ 陽極是以純氫氣當作燃料來源，透過氫氣管路⑽傳送到燃料電池⑴ 陽極端進行電化學反應，氫氣由氫氣流量控制器⑶)控制到適當的流量與 虱氣加濕器（32)控制到適當的溫度、濕度操作條件，其中氫氣流量控制器 (31)透過信號線路(Α3)由參數擷取處理系統⑹進行資料控制與記錄；氫 氣加濕器（32)四透過信號線路(Α4)由參數擷取處理系統⑹進行資料控制 與記錄。陰極是以空氣當作燃料來源，透過氫氣管路(Β2)傳送到燃料電池 (1)陰極端進行電化學反應，空氣由空氣流量控制器（4丨）控制到適當的流量 與空氣加濕器（42)控制到適當的溫度、濕度操作條件，其中空氣流量控制 8 Γ281282 器（41)透過信麟路(A5)岭數娜處理祕⑹進行㈣控制與記錄，· 工氣加濕斋（32)透過信號線路(⑹由參數擷取處理系統⑹進行資料控制 吳猶。冷部水來源則是由燃料電池⑴的冷卻水出口處排放到冷卻水路線 (B3)進行處理，最後由冷卻水人口處進行雌料電池⑴本體，形成一個冷 部迴路。首先冷卻水透過熱電偶溫度感測器⑸）進行第i點出口處溫度量測 與熱電偶溫度感測器（55)進行第2點人口溫度量測，兩個參數分別透過信號 線路(A7)與信號線路(A11)由參數擷取處理系統(6)進行資料量測與記錄。 從燃料電池(1)排放出來的是高溫冷卻水，藉由散熱器⑽進行散熱操作， 等待溫度卩㈣適當簡作溫度時，再導人_料電池⑴本體進行散熱，其 中散熱裔（52)操作電壓透過信號線路(A8)由參數擷取處理系統（6)進行資 料控制與記錄。接著冷卻水經由冷卻水流量監視器（53)，量測到當時管路 内的冷卻水流量，透過信號線路(A9)由參數擷取處理系統(6)進行資料量測 與圮錄。最後冷卻水經由冷卻水幫浦（54)傳送於冷卻水路線(β3)内流動， 其中冷部水幫浦（54)操作電壓透過信號線路(Αίο)由參數擷取處理系統(6) 進行資料控制與記錄。 第二圖顯示水冷式燃料電池之冷卻循環系統參數擷取測試方法流程 圖。首先系統在步驟201中設定實驗初始值，包括最佳電壓設定值(Vt)、資 料擷取精確度(s)、可容許溫度差值(△&、ATS2)、冷卻水幫浦（54)或散熱 為（52)初始操作電壓(ywl、vR1)、冷卻水幫浦（54)或散熱器（52)最大操作電 壓(Vwt、VRt)、冷卻水幫浦（54)或散熱器（52)每次微調增加值(Avwl、AVR1) 等苓數。接著，在步驟202中利用熱敏電阻(7)量測到燃料電池（Γ)本體表 9 1281282 面酿度(tc)與電子負載計⑵所量測到的電壓值⑺，以及在步驟2〇3利用冷 卻水流量監視器⑽量測冷卻循環系統之冷卻水流量⑼、熱電偶溫度感測 的（51、55)¾:測第1點與第2點之溫度值(Τι、T2)，在步驟2〇4則是計算步 驟203所量測的第丨點與第2點之溫度差值。 接著在步驟205判斷第1點與第2點之溫度值(放)是否小於預設值 ⑹，若否定的話，則是回覆到步驟2〇7，將顯示冷卻效果不良之訊息於軟 鲁體界面上，提醒操作者在使用燃料電池時，冷卻循環系統可能發生散熱效 果不良情況；若是的話，則是到達步驟施。接著步驟2〇6判斷燃料電池 ⑴本體表面温度㈤是否小於預設值⑹，若政的話，贱回覆到步驟 2〇7，將顯示冷躲果不良之訊息於軟體界面上，提醒操作者在使用燃料電 池時，冷卻循環系統可能發生散熱效果不良情況；若是的話，則是到達步 驟 212 〇 在前述的步職7結束後，到達步驟施進行散熱器⑽操作電壓調 整，其中增加散熱細廊作輕為㈣ri胤），接著在步_判斷 散熱器⑽當時操作電壓㈤是否小於最終操作電祕），若否定的話， 則是回覆到步驟213 ;若是的話，則是回覆到步驟搬，利用熱敏電阻⑺ 量測到燃《池⑴本體絲溫度㈤與電子負_(2)所量_的電錄 (V)，以及繼續其它的步驟執行。 在步驟施到達下-個步驟212，判斷燃料電池輸出電㈣)是否大於最 佳電壓預贿⑹，若細話爾咖_1G，進行冷卻水幫細） 知作電麼的調整；若是的話，則是回覆到步驟213。如上述步棚，增加 1281282 冷卻水幫糊的操作電娜κ=ν雜），接著在步驟_斷冷卻水幫 浦⑼當時綱_2)㈣綠麵卿”），辆的話，則是 回覆到步驟213 ;若是醜，則是_到步驟，利用熱敏電阻⑺量測 到燃科電池⑴本體表面溫度㈤與電子負載計⑵所量㈣的電難⑺， ^…⑽肩執仃。接著，辣213將所有量卿的參數記錄於軟體 賢料庫内。

類 丽，並沒有相似或 的利或相_錢公開在絲，於是本發明已經符合申請發 要件的需求。 a由上料細之實施之_，僅屬於本伽讀佳實際例證說明而已， 凡疋茶閱或學習該倾術者，可視為本發明之上述實施例證而進行的其它 2或欠化等。然而’這些依據本發明之實際繼所進行的改良或變化， •自疋屬於本發明之發明範圍以及本發明之申請專利的範圍内。 【圖式簡單說明】 =—圖顯不水冷式燃料電池之冷卻循環系統測試時連接示意圖。 弟-頒不水冷式燃料電池冷卻解紐參數擷取戦方法之流程圖。 11 1281282

【主要零組件符號說明】 1 燃料電池 2 電子負載計 31 氫氣流量控制器 32 氫氣加濕器 41 空氣流量控制器 42 空氣加濕器 5卜55 熱電偶溫度感測器 52 散熱器 53 冷卻水流量監視器 54 冷卻水幫浦 6 參數擷取處理系統 7 熱敏電阻 A卜A2 信號線 A3、A4、A5、A6 信號線 A7、A8、A9、A10、A1H12 信號線 B1 氳氣管路 B2 空氣管路 B3 冷卻水管路 12

Claims (1)

1281282 十、申請專利範園·· 1、一種轉挪t㈣蝴姆龍__，同時立即量 測°己錄到散熱器、冷卻水幫浦在燃料電池於不同電流/電堡特性曲線 下的最佳化的操作特性’該戦方法包括下列步驟： ⑷电子負載計連接到燃料電池之陽極端與陰極端兩側； ⑻燃料電池操作於操作溫度、㈣、流量及放電模式下； ⑹使得-氫_勸氫綠軌氫__、魏㈣器進入 到燃料電池陽極端； ⑼使得-空氣麵經由空錄路及_量_、空氣加濕器進入 到燃料電池陰極端； ^使得-冷卻水_冷卻轉路及冷卻轉浦、散絲、冷卻水流 I監視器與熱電偶溫度感測器； ⑺在燃料電池不同的定電流放電模式下，冷卻循環系統參數操取測試 方法之步驟來量_邊零組件的操作特性與燃料電池性能的關係。 、2請專利範圍第i項所述水冷式燃料電池之冷卻循環系統參數搁取 —方法’其巾該冷卻循⑽統跑與馳溫财，綠必須小於 —個預設值⑹，以雜冷卻贿系統可峡_料電轉作於 狀態。 、 卜如申請專概_ 1項舰水冷式燃料魏之冷卻彳轉系統參數娜 測姑法，、其中燃料電池本體表面溫度㈤必須小於—個預設值⑹， 以確保冷卻循環系統可以使得燃料電池操作於正常的狀$ 13 Γ281282 4、 如申請專利範圍第2項所述之水冷式燃料電池之 取測試方法，其中冷卻循斜％第 7 ” H统參數擷 小於以下。緣、先之弟1點與弟2點溫度差值CW必須 5、 如申請專利細第3項所述之水冷式轉電池之冷卻循環㈣炎躺 取測妨法’其_電池本體表面溫_賴小於Μ。 6、 如申請專利翻第1項所述之水冷式燃料電池之冷卻循環㈣失_ 取測試方法，其中燃料電池在參數操取測試流程中設定為定電流模式; 進行放電操作。 包沒供八卜 7、 如申請專利範圍第1項所述之 Τ式燃枓包池之冷卻循環系統參數擷 取測試方法，其中冷卻循環系絲夕楚〗机t 数铖 …、弟U與第2點溫度差變化盥姆料電 器操作電壓進行微 池本體表面溫度兩者異常時，冷卻循環系統啟動散熱；— 調工作。 I - 8、 如申請專利範圍第i項 … W式轉電池之冷卻循環系統參數擷 取測試方法，其中燃料電池輪出带 封… 輸出"昼異常時’冷卻循環系統啟動冷卻水 豸浦操作電壓進行微調工作。 9、 如申請專利範圍第〗項所 ㈣之水冷式燃料電池之冷卻猶環系統參數擷 取測試方法’其中卿）中物卩彳嶋統之最佳化參軸取測試方法 步驟包括： =)设定實驗初始值，包括最佳_設定值、資料擷取精確度、可容許 又差值〜P水惠浦或散熱器初始操作電塵、冷卻水幫浦或散熱器最 大操作龍、冷卻水幫浦或賴ϋ每次微調增加值； 14 1281282 (F2)量測燃料電池本體表面溫度與電壓值變化； (F3)量測冷卻循環系統之冷卻水流量、量測第1點與第2點之溫度值； (F4)計算所量測的第1點與第2點之溫度差值； (F5)判斷第1點與第2點之溫度值是否小於預設值，如杲否定的話，則 是顯示冷卻效果不良之訊息於軟體界面上，如果是的話，則是往下 步驟(F6);

⑽判斷麵電池本體表面溫度是否小於預設值，如果否定的話，則是 顯不冷部效果不良之訊息於軟體界面上，如果是的話，則是往下到 步驟(F10); (F7)曰加政熱ϋ操作電壓為散熱器的初始電壓加上散熱器的微調電壓 值； (F8)判斷散熱ϋ當時操作電壓是否小於最終操作電壓，如果否定的話 則疋回復到步驟(F13)，如果是的話，則是回覆到步驟㈣； (F10)判斷鮮U錢^電壓是否大於最佳電翻設值，如果否定的 如果是的話，則是回覆到步驟(F13) 為冷卻水幫浦的初始電壓加上冷卻水

話，則回覆到步驟(FU)。 (F11)增加冷卻水幫浦操作電壓 浦的微調電壓值； ⑽)判斷冷卻彻㈣_編觸物娜，如果否定 的話’則是回_麵_;如果是的話，則械 (F13)所有量_的麵記錄於操作軟體資料庫内。 15 1281282 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第一圖。 (二) 本代表圖之零組件符號簡單說明:

1 燃料電池 2 電子負載計 31 氫氣流量控制器 32 氫氣加濕器 41 空氣流量控制器 42 空氣加濕器 5卜55 熱電偶溫度感測器 52 散熱器 53 冷卻水流量監視器 54 冷卻水幫浦 6 參數擷取處理系統 7 熱敏電阻 A卜A2 信號線 A3、A4、A5、A6 信號線 A7、A8、A9、A10、AH、A12 信號線 B1 氫氣管路 B2 空氣管路 B3 冷卻水管路 4