TWI453985B - 燃料電池系統 - Google Patents

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TWI453985B
TWI453985B TW097136624A TW97136624A TWI453985B TW I453985 B TWI453985 B TW I453985B TW 097136624 A TW097136624 A TW 097136624A TW 97136624 A TW97136624 A TW 97136624A TW I453985 B TWI453985 B TW I453985B
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Description

燃料電池系統
本發明係關於燃料電池系統的操作與設備，而且特別地係關於但不單限於一種用於啟動燃料電池系統的操作之對策。
水對於燃料電池系統的操作來說是不可或缺的，此種燃料電池系統例如具有包含環繞質子交換膜(Proton Exchange Membrane，簡稱為「PEM」)為主的燃料電池堆(fuel cell stack)之形式的系統。從陽極流動路徑通過PEM所傳導的質子(氫離子)與陰極流動路徑中所存在的氧，兩者之間的反應會產生水。過多的水必須從燃料電池堆中移除掉，以免溢出且隨後破壞燃料電池系統的性能。然而，至少在陰極流動路徑中必須存在一定量的水，以便維持PEM的水合作用(hydration)，藉此能夠使燃料電池達到最佳的性能。藉由謹慎的注入與移除之方式來管理水量，也可以提供一種有效的機制，用以將過多的熱量從燃料電池堆移走。
為了使性能達到最佳，透過注入燃料電池堆的陰極流動路徑內，而在這類燃料電池系統中謹慎地使用水。相較運用分開冷卻通道之其他種類的燃料電池系統來說，這種注水式燃料電池系統之潛在優點在於其尺寸與複雜度均有所降低。可以透過水分配歧管而將水直接注入到陰極流動路徑內，此種技術例如係揭示於GB2409763號中。
對於注水系統來說，有一點相當重要，就是任何回流到陰極流動路徑內的水必須具有相當高的純度，以避免污染PEM且隨後使燃料電池堆的性能下降。然而，高純度的要求意味著無法使用可降低水冰點的添加劑。特別是對於汽車的應用情形來說，為了複製出實際上燃料電池可能使用所處的環境，所以一般要求包括從冰點以下(一般低至－20℃)開始啟動。由於高純度的水之冰點為0℃(在1bar的壓力下)，所以在燃料電池系統中所剩下的任何水在燃料電池停工達一段足夠的時間之後便產生凝結。
在燃料電池系統中的冰，且特別是在陰極流動路徑內的冰，可能使燃料電池堆無法正常地操作，或者甚至完全無法操作。假如陰極流動路徑的任何部位被冰擋住的話，則空氣無法通過陰極，且燃料電池無法自行加熱至冰點以上。然後，勢必將需要用以加熱整個燃料電池堆的其他方法，如此一來，在燃料電池本身開始供應電力與熱能之前，必須先消耗外部能量。
本發明之目的是要解決上述的一個或多個問題。
在第一型態中，本發明提出一種用於啟動含有燃料電池堆的燃料電池系統之操作的方法，該方法包含以下步驟：i)開啟一陽極入口閥，以允許燃料進入此燃料電池堆的陽極體積內；ii)操作一個與燃料電池堆的陰極空氣入口呈流體相通 的空氣壓縮機，以允許空氣進入此燃料電池堆的陰極體積內；iii)監控陰極入口及/或出口的溫度；以及iv)一旦通過陰極入口及/或出口的流體溫度超過預定程度時，操作一個注水系統，以便使水注入陰極體積內；其中，從燃料電池堆所獲得的電流被限制住，以防止在橫跨燃料電池堆的一個或多個電池所測量到的電壓掉到第一電壓臨界值底下。
在第二型態中，本發明提出一種含有多個燃料電池的燃料電池堆，此燃料電池堆的每一端具有一個被設置於電流收集器板與端板之間的加熱器板，各個加熱器板係與個別的端板形成熱絕緣。
在第三型態中，本發明提出一種燃料電池系統，此燃料電池系統包含一個燃料電池堆及一個電氣控制單元，該電氣控制單源被建構成用以：i)開啟一陽極入口閥，以允許燃料進入此燃料電池堆的陽極體積內；ii)操作一個與燃料電池堆的陰極空氣入口呈流體相通的空氣壓縮機，以允許空氣進入此燃料電池堆的陰極體積內；iii)監控陰極入口及/或出口的溫度；以及iv)一旦通過陰極入口及/或出口的流體溫度超過預定程度時，操作一個注水系統，以便使水注入陰極體積內；其中，此電氣控制單元被建構成可限制從燃料電池堆 所獲得的電流，以防止在橫跨燃料電池堆的一個或多個電池所測量到的電壓掉到第一電壓臨界值底下。
在第四型態中，本發明提出一種燃料電池系統，此燃料電池系統包含一個燃料電池堆及一個電氣控制單元，該電氣控制單元其結構係用以：根據來自燃料電池堆中多個電池的電壓輸出之標準差，而調整燃料電池堆的操作參數，以便使燃料電池系統的操作達到最佳。
在第五型態中，本發明提出一種方法，用以使燃料電池系統的操作達到最佳，此燃料電池系統包含一個燃料電池堆及一個電氣控制單元，此方法包含以下步驟：提供來自燃料電池堆中多個電池的各個電池之電壓輸出的讀數至電氣控制單元；以及根據來自多個電池的電壓輸出之標準差，而使燃料電池系統之操作達到最佳，
其中，電氣控制單元調整燃料電池堆的操作參數，以便使燃料電池系統的操作達到最佳。
以下，將參考隨附圖式藉由範例說明本發明。
圖1顯示一個範例性燃料電池系統100的示意圖，此燃料電池系統100包含一個燃料電池堆110及其他相關零件。燃料電池堆110具有一條通過本身的陰極流動路徑，此陰極流動路徑包含一個空氣入口124，該空氣入口124通往一條空氣入口管線123且在陰極空氣入口126進入燃料 電池堆內。在通過燃料電池堆110內的一個內部陰極體積(未顯示)之後，陰極流動路徑離開燃料電池堆110且進入陰極出口管線121，並且通過陰極排放管線122與排放截止閥120。在正常操作期間，排放截止閥120是局部或完全打開的。例如一連結有冷卻風扇139的熱交換器130、及一水分離器131等不同零件可以被連接至陰極流動路徑內的陰極出口管線121與排放管線122上或連接至一部分的管線上。溫度感測器TX1、TX2、TX3、TX5以及壓力感測器PX2、PX3可以存在且連接至適當的位置上，以監控陰極流動路徑的入口管線123與出口管線121。
在本文中「陰極系統」一詞係打算用來包含燃料電池系統100中與燃料電池堆內的陰極體積結合在一起的這些部件。這些部件包括燃料電池的各種內部零件，例如入口、出口、內部流動路徑、水分配結構等，而且還包括與陰極體積呈流體相通的零件，例如各種入口、出口、用於液體與氣體的再循環與排放管線。「陰極流動路徑」一詞係打算用來包含一組陰極系統，其包含一條流體流動路徑，此路徑是從空氣入口124開始，通過空氣壓縮機133、入口管線123、燃料電池堆110的陰極體積、及陰極出口管線121。「陽極系統」與「陰極流動路徑」等詞也可以被類似地解釋成與陽極體積相結合的燃料電池系統100之各種零件。
連接至陰極空氣入口管線123的空氣壓縮機133將壓縮空氣供應至陰極流動路徑。例如空氣入口熱交換器134、流量計135、一個或多個空氣過濾器136、137、以及空氣 加熱器138等其他零件可以存在於空氣入口124與燃料電池堆110之間的陰極入口管線123內。空氣入口熱交換器134可以與冷卻劑管線141、三向閥142、及溫度感測器TX7一起使用，以便在燃料電池系統100的操作期間，藉由來自冷卻劑管線141的冷卻劑事先加熱來自空氣壓縮機133的空氣。通過空氣入口熱交換器134的冷卻劑管線141形成一條單獨的冷卻迴路，用以從壓縮機133之後的氣流中取得熱能。較佳地，冷卻劑管線141是在燃料電池堆110到達正常的操作溫度之後才開始操作，藉此避免在系統100的啟動期間從陰極空氣入口管線123中的空氣入口氣流取得熱能。透過使用三向閥142，可以達成在管線141內使冷卻劑轉向，如此能控制是否冷卻劑被輸送至熱交換器134。由於冷卻劑管線141與供應至陰極系統內的水分開，所以對於高純度水的要求就有所不同。因此，在冷卻劑管線141中所使用的冷卻劑可以包含例如乙二醇等添加劑，以便降低所使用的冷卻劑之冰點。
一般具有氣態氫形式的燃料係透過一個減壓閥151及一個致動閥152(較佳地是具有正常封閉式之電磁線圈致動閥的形式)而進入燃料電池系統內。具有氫氣形式的燃料供應源150一般係位於遠離燃料電池系統，例如具有朝向車輛後端的加壓槽之形式。另一個電磁線圈致動閥153及一個減壓閥154可以被設置成更加接近燃料電池堆110，此燃料電池堆110係位於燃料電池堆110的燃料源150與陽極入口156之間的陽極流動路徑之燃料入口管線155內。因 此，兩組分開的閥被設置成通往陽極入口156，一組151、152接近槽，而另一組153、154接近燃料電池堆110，且在兩者之間具有一條中間加壓的燃料管線119。減壓閥154調整乾燃料氣體的壓力至適合引進到燃料電池堆110內之程度，減壓閥154較佳地是一個被動裝置，其具有一個預先設定好的壓力設定值，然而也可以使用主動控制裝置。可以選擇性地設置一個燃料加熱器145，例如圖1所示般設置於閥153前方的加壓燃料管線119內，或者也可以在減壓閥154前方或後方設置於燃料入口管線155內。
另一個致動閥161係被設置於陽極出口管線165上。雖然電流通過電磁線圈所引起的閥152、153、161之致動能夠提供一定程度的加熱，但是每個致動閥152、153、161可以設有一個局部的加熱器元件，以便根據需要而使閥體解凍(defrost)。較佳地，每個致動閥152、153、161被建構成具有故障安全防護效果(fail－safe)，也就是說，只有在藉由通過電磁線圈的電流而引起致動時，這些致動閥才會打開。
為了監控且釋放陽極流動路徑內的燃料之壓力，可以設置一個壓力感測器PX1及/或壓力釋放閥157。較佳地，壓力釋放閥157被設定成當陽極流動路徑內的壓力超過安全的操作程度時，可打開且透過壓力釋放排放管線158而排放陽極流動路徑內的流體。
在陽極出口管線165內可以存在另一個手動操作閥162，此閥162例如係用於在工作期間確保陽極流動路徑的 減壓。例如，由於水通過PEM從陰極一側擴散過來之緣故，可能在燃料電池堆110中的陽極流動路徑內堆積出水。因此，可以在陽極排放管線164內設置一個陽極排放水分離器163，以便分離掉排放管線164內所存在的任何水。這些水可以被排放出去或者選擇性地重新循環。在燃料電池堆110的操作期間，閥161一般被保持成關閉，而且僅斷斷續續地打開，以便將任何堆積的水從陽極流動路徑排放出去。
陰極注水入口127係設置於燃料電池堆110內，此入口127係被連接至一條陰極注水管線125上。陰極注水管線125可以沿著其全長或局部長度受到加熱，且在一個含水容器140及陰極注水入口127之間延伸。可以設置一個加熱器129，用以供應熱能至此管線125的一個特定區域，以便加熱通過注水管線125且朝向陰極注水入口127的水。可以在陰極注水管線125上設置另一個壓力感測器PX4，以便在操作期間監控管線125上的背壓。
藉由一個選擇性設有加熱器143的水泵132，而抽吸來自陰極出口管線121的水，使水通過一條水返回管線128而朝向一個含水容器140。過多的水從燃料電池系統100被吐出來，通過一條水溢流管線144而離開含水容器140。
陽極出口電磁閥161被建構成可調整從燃料電池堆110所排放的飽和氣體與液體流。與陽極入口電磁閥153相同，陽極出口電磁閥161係藉由電氣方式加以控制且可以被打開或關閉，最好當停止供應能量時是關閉的。由於閥161亦遭受到液體/飽和氣體流，所以當系統100停工時，閥的 周圍可能存在有水滴。假如系統隨後受到攝氏零度以下(sub－zero)的周圍條件之影響，則閥161可能會因為結冰而停止。單單供應能量到此閥體上通常不足以打破結冰現象，因此可能需要透過加熱器元件166的外部加熱連同被供應能量的線圈之內部加熱兩者之組合方式。
較佳地，加熱器166被建構成可供應熱量至陽極出口電磁閥161以及陽極出口水分離器163上。加熱器166可以包含一個正溫度係數(Positive Temperature Coefficient，簡稱為「PTC」)加熱元件，此加熱元件被調整至一個適當的溫度範圍內。陽極出口管線水分離器163被建構成將水與來自燃料電池堆110的陽極出口159之混合氣體和液體排放水流分離開來。較佳地，陽極出口管線水分離器163被建構成使得通過陽極水排放管線167的水並不會污染在排放水中以氣泡形式出現的飽和氣體，以便使陽極排水中所產生的潛在爆炸性混合物之風險降至最低。剩餘的燃料氣體可以被重新循環至陽極入口156內。
圖1所示的陽極系統之結構也可以被用來偵測出燃料電池堆110內的洩漏現象。打開陽極入口電磁閥153，同時將陽極出口電磁閥161與旁通閥165保持成關閉，則一定量的氣體可被允許通過到燃料電池堆110的陽極體積內。然後，陽極入口電磁閥153被關閉起來，且藉由壓力感測器PX1而隨著時間監控在陽極入口156處的壓力。將作為時間函數的壓力與一條預先校準過的曲線進行比較，如此可用以說明藉由使質子傳導通過PEM所引起的燃料損耗， 其考慮到由於在燃料電池堆或陽極流動路徑內的相關零件中之洩漏的緣故所引起的任何額外損耗之調查分析結果。
當產生熱而同時供應能量至閥體時，所運用的控制策略較佳地在攝氏零度以下的操作期間將此納入考慮。雖然假設當系統在攝氏零度以下的條件下啟動時閥體會立即打開可能是不切實際的，但是打開閥體所需要的時間仍應該要縮到最小。在陽極入口管線155上的壓力轉換器PX1可以被用來監控陽極出口閥161的開啟與關閉，而且，一旦此轉換器PX1指出閥體161目前係正確地進行操作時，操作策略可以相應地從內部警告改變成正常操作。因為陽極出口閥161被正常地關閉起來，所以假如閥體161被打開的話，則壓力轉換器會顯示出壓力降低。假如由於冰塊的堆積使得閥體無法被打開的話，則這一點可以被顯示成在供應能量至閥體161時缺乏壓力降。因此，控制策略可以被建構成對閥體161提供更進一步的加熱，直到在供應能量至閥體161上時顯示出壓力降為止。
為了釋放陽極流動路徑內的燃料壓力，可以設置一個壓力釋放閥157。較佳地，此壓力釋放閥157被設定成當陽極流動路徑內的壓力超過一個安全的操作程度時，此閥體可以打開且排掉從陽極流動路徑通過一條壓力釋放排放管線158的流體。可以利用一個校準過的壓力轉換器且根據燃料電池堆110的額定壓力(rated pressure)，而以離線方式(off－line)設定安全的操作程度。
在陽極出口管線165中可以存在另一個手動操作閥 162，此閥162例如係用以在工作期間確保陽極流動路徑的降壓。在燃料電池堆110中的陽極流動路徑內可能會發生積水，這一點例如是由於水通過PEM從陰極一側擴散過來的結果。因此，可以在陽極排放管線164內設置陽極排放水分離器163，以便分離在排放管線164中所存在的任何水。水可以被排放出去，或者選擇性地再次循環。在燃料電池堆110的操作期間，閥體161一般被維持成關閉，而且僅斷斷續續地開啟，以便將任何累積的水從陽極流體路徑排放出去。
陰極注水入口127被設置於燃料電池堆110內，此入口127係被連接至一個陰極注水管線125。陰極注水管線125可以沿著其局部長度或全長受到加熱，且在一個含水容器140與陰極注水入口127之間延伸。可以設置加熱器129，以便提供熱能至此管線125的一個特定區域，而加熱通過注水管線125朝向陰極注水入口127流動的水。可以在陰極注水管線125上設置另一個壓力感測器PX4，以便在操作期間監控管線125上的背壓。
藉由一個選擇性設有加熱器143的水泵132，抽吸來自陰極出口管線121的水，使水通過一條水返回管線128而朝方向123含水容器140。過多的水從燃料電池系統100中被吐出去，通過一條水溢流管線144而離開含水容器140。含水容器的其他細節係揭示於與本案相同申請日且共同審查中的GB專利申請案「燃料電池系統」中。
圖2顯示一個與圖1的燃料電池堆110相結合的範例 性電氣控制系統200之示意圖。電力輸出201、202被連接至一個電氣負載260上，其代表汽車系統的不同零件，包括馬達及其他電動零件。由於在啟動期間所施加且通過此負載260的電流增加，所以由一個外部電源(例如：電池、或者在靜止的應用情形中之主要衍生出來的電力)所產生的電流可以對應地降低，以便維持負載260所要求的電流。在燃料電池堆110內的個別電池之電壓從此電池堆110中透過電氣連接方式而輸出至每個雙極板上，成為在多條電壓線路220上所輸出的電壓。透過一個多工器205，將來自各個電池的電壓讀數輸出至一個微控制器210。
燃料電池堆110的每個電池之電壓輸出可以透過連接至一個側垂片(side tab)而測量出來，此側垂片係被合併到個別燃料電池雙極板的設計內。側垂片可以具有公連接器的形式，因此能允許使用推擠套接式的母連接器，例如在汽車應用情形中常用的鏟形連接器。此種連接方式適用於高度的震動情形中。透過利用多工器205中一連串的差動放大器，可以相對於定義好的零值而決定出每個電池的電壓。多工傳輸的電壓讀數被輸入到微控制器210內。
微控制器210被建構成可存取燃料電池堆110中的各個電池之電壓，且控制兩個數位繼電器的動作。這些數位繼電器係用以驅動兩條輸出線路211、212。可以被整合於微控制器210內的數位繼電器經控制後可指出是否設置於電壓線路220上燃料電池堆110中的一個或多個電池的電壓降至某一設定的臨界電壓值以下。為了達到故障安全防 護效果(例如：在錯誤連接的情形中)，微控制器210被建構成只有在個別電壓臨界程度被燃料電池堆中的所有電池超過時才會將每條輸出線路設定得很高。因此，被維持得很高的兩條線路211、212係表示電池堆處於健全的操作狀態下。微控制器210能夠將這些數位繼電器設定成在不同的電壓臨界程度下引發操作。第一電壓臨界值表示故障情形，而第二電壓臨界值表示警告情形。一般來說，第二電壓臨界值是比第一電壓臨界值更高。這些電壓臨界值應該透過一個軟體界面而設定到微控制器210內。因此，分別對應於第一與第二電壓臨界值的輸出線路211、212上之數位資訊可以被燃料電池電氣控制系統200所運用，以便調整透過輸出連接201、202所得到的電流，且調整諸如空氣流速等參數，以便主動地提升燃料電池堆110的健全狀況與耐久性。用於第一與第二電壓程度的典型值分別為0.4V與0.6V，但是這些值可以根據其他不同的因素而有所改變，例如熱平衡與電池堆上可容許的負載。
使用電池電壓臨界值資訊是一種能夠確保燃料電池安全操作的有效方法，這是因為許多不同的可復原性錯誤一般是由一個或多個具有低電壓輸出的電池而顯示出來。較佳地，表現最差的電池之電壓程度被用來決定在輸出線路211、212上所設定的程度。
在藉由被設定為低的輸出線路212所顯示的警告狀況下，可以逐漸調整燃料電池堆110的控制參數，或者限制燃料電池的電流負載，直到警告狀況結束為止(這一點是由 設定為高的輸出線路212所顯示)。在藉由被設定為低的輸出線路211所顯示的故障狀況下，例如可藉由鬆開燃料電池堆110與電氣負載260之間所安裝的電氣接觸器(未顯示)，使得負載260可以暫時地與燃料電池堆110分開。接著，一旦解除了故障狀況之後(這一點是由微控制器將輸出線路211設定為高所顯示)，負載260被重新連接起來。
微控制器210可以被硬體比較器所取代，以決定是否電池電壓低於預定的臨界程度。因此，移除掉軟體的程度，因而可增加技術的強健性。當考慮整體系統200的保證及反應速度時，這一點特別有利。
除了數位繼電器的動作之外，微控制器210也可以被建構成將電池電壓資料資訊公告於CAN(Controller Area Network，控制器區域網路)240上。CAN能允許來自電壓線路220的燃料電池堆110之電壓數據圖透過例如外部電腦250及/或燃料電池電氣控制單元(ECU)230等適當硬體，而獲得監控及/或記錄。可以將與燃料電池系統操作最佳化有關之各種功能合併到ECU內，同時可以使用一台外部電腦，藉此透過在CAN上所能夠獲得的資訊而詳細地診斷且測試燃料電池系統。
透過與已知的數據圖相比較，可以使用電池電壓數據資料而增進燃料電池隨著時間與不同條件下的效率與性能。例如，橫跨燃料電池堆的電池電壓分佈在此電池堆110的邊緣處較小，而在此電池堆110的中央處升高，這一點一般係代表燃料電池堆110是冷的，或者正承收過多的冷 卻。相反的情形(也就是電壓程度朝向電池堆110的中心下降之情形)係代表燃料電池堆110很熱，或者正承受太少的冷卻。前者的情形可藉由減少冷卻程度及/或施加熱能至電池堆110的尾端而加以補救，後者的情形則可藉由增加冷卻程度及/或減少供應至電池堆110尾端的熱量程度而加以補救。ECU可以被建構成在設定好的時間間隔下(一般為每100ms)監控燃料電池堆110的電壓程度。為了診斷燃料電池性能且使性能最佳化，可以在更長的時間間隔下(一般為分鐘或小時的等級)實施對電壓程度的監控，且可以針對將燃料電池堆的壽命增到最大，而非讓目前的操作效率達到最佳化。
較佳地，陰極入口及/或出口的溫度係被一個例如ECU 230的燃料電池系統控制器所監控。此監控過程可以包括例如藉由溫度感測器TX2、TX3而取得陰極入口及/或出口氣流的真正溫度測量值。也可以藉由一個位於陽極出口管線165上的溫度感測器而監控陽極出口溫度。另一方面或者額外地，可以透過結合燃料電池堆110的熟知預定熱行為模式測量出其他燃料電池參數，而間接地監控陰極入口及/或出口的溫度。這些參數例如為時間以及隨著時間所獲得的電流。將燃料電池堆的熟知熱行為納入考量，可允許燃料電池控制器230間接地決定出在何時通過燃料電池堆110的陰極流動路徑會到達開始水注入時所要求的最小溫度。熱行為模式例如可以包括熱量在一個溫度範圍內損失到周圍環境之速率，以及在燃料電池堆中用於一個範圍內的電 流之加熱效果。藉由整合隨著時間所執行的電流測量，連同由於端板加熱器330a、330b等零件所引起的額外加熱效果，同時考量隨著時間從電池堆110中所產生的熱損耗，如此一來，可以計算出一個陰極流動路徑內的溫度估計值。
因此，在一般型態中，監控陰極入口及/或出口溫度可以包含取得陰極入口及/或出口氣流的溫度測量值。監控陰極入口及/或出口的溫度可以包含利用從燃料電池堆隨著時間所獲得的電流測量值，而計算出陰極入口及/或出口氣流的估計值。較佳地，後者的方案將燃料電池堆110的預定熱模式納入考慮。
透過運用最佳演算法，可額外利用電池電壓資訊，藉此試圖使燃料電池的健全情況與整體的系統效率達到最大。此最佳演算法應該不需要了解此系統的機構，且被配置成能夠根據相關準則的最終值而提出一項解決方案。在一種簡化的形式中，最佳演算法試圖減少(最好能降至最低)以下的成本函數：f(σν ,Pρ )＝α σν 2 ＋β Pρ 2
其中，σν 是多個電池的電壓輸出之標準差，Pρ 是寄生負載，α與β是常數。另一方面，最佳演算法可以單獨利用電池電壓輸出的標準差，藉此試圖降低此函數或將此函數降至最小，以便使電池堆110的輸出達到最佳化。
藉由對含有在電壓線路220上電池電壓分佈的燃料電池系統資料略為了解，可以在預定好的間隔中計算出上述的成本。在一定範圍內，燃料電池堆的個別電池電壓之標 準差是與此系統的空氣化學計量有關。在此文中，系統的化學計量係指相較於與供應到陽極體積內的燃料量進行反應所需之量，在燃料電池堆110的陰極體積內可獲得的氧氣之摩爾量。氫與氧的化學計量平衡是由以下的反應所表示：2H2 ＋O2 → 2H2 O
根據上述方程式，為了達到化學計量平衡，氫氣的摩爾數必須等於氧氣摩爾數的兩倍。因此，2的陰極化學計量表示通過陰極系統的氧O2 之摩爾數等於進入陽極系統內的氫H2 之摩爾數。典型地，需要至少2的化學計量，才能維持住一個正常封閉陰極系統內的反應效率。在一個開放性陰極系統中，化學計量可能高達50，也就是說，所能獲得的氧氣摩爾數為氫氣摩爾數的25倍。朝向富氧平衡(oxygen rich balance)增加化學計量會導致總燃料電池堆性能的增加以及燃料電池電壓標準差的降低。然而，為了達到在可獲得的氧含量之增加，則需要由於所使用的空氣輸送法(典型地為空氣壓縮機133)而增加寄生負載。因此，較佳地，使上述成本函數達成平衡，以便在寄生負載與燃料電池堆電壓輸出分佈之間達成適當的平衡。
在燃料電池堆上的寄生負載可以藉由測量在操作期間燃料電池系統100的一個或多個零件所消耗之電力而表示。因此，可以從提供至空氣壓縮機133、加熱器板330(稍後將進一步詳細說明)、以及用於升高陰極與陽極入口氣流的溫度之加熱器138、145等之一個或多個的電流測量值， 而決定出寄生負載的測量值。可以藉由空氣壓縮機133所獲得的輔助電力之測量值，而表示寄生負載的測量原理，此乃因為寄生負載能控制燃料電池堆110內的氣體之化學計量。例如可以透過測量空氣壓縮機133及/或其他諸如泵、閥、感測器、致動器與控制器等的電氣操作式裝置所獲得的電流，而獲得上述的測量值。空氣壓縮機133可以從一個高電壓源獲得電力，在此情形中，從此電壓源所獲得的電流之測量值可以提供必須的讀數。
從起初的條件開始，最佳化例行程序一般能夠以設定的時間間隔(例如：每分鐘)更新陰極(空氣)化學計量設定點。如此能允許系統根據不同的周圍條件而逐漸達到最佳化，例如根據周圍壓力(例如：海拔)或溫度的變化與電池堆的健全情形(例如：電池堆由於老化所引起的降級)。
為了輔助燃料電池系統100從零度以下的周圍溫度啟動，可能需要下列特色的一些或所有特色。
i)受熱的氫出口閥161(淨化閥)與水分離器/收集器163(圖1所示)；ii)加熱器138、145，用以升高陰極與陽極入口流的溫度；iii)加熱器330，用以升高燃料電池內的電流收集器之溫度，稍後將參考圖3、4a與4b詳細說明；iv)可獲得的液態水來源，用以將水引進到燃料電池堆內，例如含水容器140(圖1)；v)對攜帶液態水用的管線(包含注水管線125與排水管 線128)(圖1)進行微量加熱；以及vi)加熱燃料電池注水入口127周圍的區域。
以下，將詳細說明一個範例性的啟動程序。首先，空氣壓縮機133被啟動且設定成能夠提供固定的氣流速度至燃料電池堆陰極空氣入口126。對於具有200平方公分有效面積的燃料電池堆來說，所需要的流量可以被設定成能達到80A或更多的電流設定點。接著，加熱水管線125、128、氫出口閥161、燃料電池堆電流收集器320a、320b(配合圖3一起說明)，以及在水分離器131與含水容器140之間的清除泵(scavenge pump)132。在陰極與陽極入口管線123、155上的加熱器經致動後，使得陰極空氣入口126與陽極燃料入口156處的氣體氣流之入口溫度最好是介於5至10℃之間。當從零度以下的周圍環境下啟動時，每個氣流的溫度被調整成10℃的最大值，以便確保在燃料電池堆的頂端(一般氣體被引進於該處內)上之任何水並不會解凍得太快，且接著在燃料電池堆的下方區段中凝結，如此可能會仍舊低於冰點。這些氣體藉此被用於至少局部加熱陰極與陽極流動通路到一種程度，致使燃料電池堆並不會使經由注水入口127內所注入的水產生凝結。
然後，使陽極入口閥153與淨化閥161被致動。在此啟動狀態下，用於淨化閥的侵略性動作是藉由重複致動淨化閥161而引發的，藉此可促進閥體161內的自我加熱，而且透過重複的致動所引起的震動，可以解凍並強行逐出可能防止閥體立即開啟的冰塊之任何微小堆積。
直到陰極入口與出口溫度大於至少5℃為止，燃料電池堆不需要透過陰極注水而進行冷卻/加濕便可產生操作，如此是要確保透過陰極注水入口將水引進並不會導致在燃料電池堆110的陰極體積內形成冰塊。
燃料電池ECU控制從電池堆110所得到的電流。設定一個可能得到的電流之上限，且然後燃料電池ECU指定應該從燃料電池獲得何種電流。此電流限度係位於零及此上限之間，且是由ECU所設定的。電流限度應該小於或等於用於燃料電池的額定電流。為了達成更快速的啟動，燃料電池ECU 230可以將燃料電池堆110所獲得的電流設定成盡可能高到數位線路211、212上的設定值所能容許之程度。燃料電池ECU 230持續地監控燃料電池堆110的健全狀態，且相應地施加或移除負載260。此負載260一般係相對於時間以固定速率施加或移除，通常致使超過電壓警告臨界值時電流減少的速率)高於未超過電壓警告臨界值時電流增加的速率。燃料電池電流增加，使得電流係根據一條目標控制線增加且直到燃料電流堆110的額定電流達成為止。然而，假如一個或多個電池的電壓掉到警告(或第二)電壓臨界值，則燃料電池ECU 230主要使用線路212上的警告程度(亦即：兩個電壓臨界值指示器的較大者)，藉以調整燃料電池堆110所獲得的電流。基本的假設是要使從燃料電池所獲得的電流保持增加而與一條預定的目標控制線路一致，直到顯示出警告為止。可以根據燃料電池堆的特殊特性(例如：電池堆尺寸)而設定電流增加的預定速度，而 且，此速率可以被預定成能夠根據例如從電池堆所獲得的電流量值或溫度的測量值而有所改變。電流增加的最大速率最好是預定值，此預定值一般根據電池堆的尺寸可以介於每秒鐘1至3安培之間。此最大速率可決定出燃料電池系統能夠從冷啟動到達完全輸出動力所需之最快時間。假如電流設定點要求(例如：從外部系統所接收到的電流)係小於此最大速率，燃料電池系統將會遵守此較小值。在顯示出警告之後，電流會降低直到警告訊號消失為止。因此，控制主要運用燃料電池所能操縱且不會引發電池警告的最大電流。此種方式的一項優點在於燃料電池所產生的熱會隨著增加電流而增加，因此，越大的電流等於達成解凍的時間越快。此種起初加熱的方式最好在注入冷卻/加濕水之前發生。
在一般形態中，從燃料電池堆110所獲得的電流受到限制，以防止橫跨燃料電池堆的電池電壓總合掉到第三電壓臨界值以下，第三電壓臨界值是大於第二(警告)電壓臨界值乘上燃料電池堆110內的電池數量。然而，假如任何個別電池的電壓掉落至警告電壓臨界值以下，則電流便受到限制，直到電壓再度上升到此臨界值以上為止。
從冷開始啟動，電池堆的總電壓可以被調整於一個預設的固定值，此固定值是電池數量乘上每個電池預設調整好的電壓。用於個別電池的典型電壓可以大約是0.65伏特，因此，對於含有20個電池的電池堆之調整電壓將會是13伏特。雖然總電池堆電壓已經調整好了，但是假如個別 電池掉到警告電壓臨界值以下，例如0.4伏特或者大約額定電壓的62%的話，則將進一步調整所獲得的電流，以防止電池電壓進一步下降。
可以運用一個用於電流的預設斜率增加，而非使用整個電池堆電壓進行調整。然而，可以使用此預設電壓，以便自動地校正電池堆起動溫度與其他條件。
實際上，可以使用一個數學函數，以作為電池堆電流的設定點，如此必須考慮到包含電池堆電壓、電池堆溫度、周圍溫度、從啟動開始所需的時間、以及所有電池電壓的標準差等一個或多個因素。
一旦陰極入口156與出口159的溫度大於5℃時，外部冷卻/加濕水可以透過陰極注水入口127而添加到燃料電池堆110。而且在此時，燃料電池電流的控制可以回復到一些用於正常操作的其他方法，且可以關掉在燃料電池堆110上的任何加熱器。
圖3概略地顯示一個範例性燃料電池堆110的側視圖。此電池堆包含一堆個別的燃料電池310，且在此堆電池310的相反兩端上具有電流收集器板320a、320b。加熱器板330a、330b被設置成朝向燃料電池堆110的相反兩端，每個加熱器板330a、330b係被放置於個別的電流收集器板320a、320b與個別的端板350a、350b之間。每個加熱器板320a、320b係與個別端板350a、350b熱絕緣與電氣絕緣開來，此絕緣效果最好是藉由設置於個別加熱器板330a、330b與端板350a、350b之間的其他絕緣體板340a、340b而達成 的。
加熱器板330a、330b之主要目的是要藉由與此堆電池310中間處的剩餘電池相同之速率而加熱尾端電池311。加熱器板330亦使供水通道至歧管變得溫暖，致使當水被打開時它並不會凝結。
如圖4a與4b所示，每個加熱器板330是由兩個電氣加熱電路所建構而成。例如具有銅軌形式的電路最好被植入於加熱器板330內，藉此與一個相鄰的電流收集器隔開。圖4a顯示一個範例性加熱器板330的一表面之立體圖，而圖4b顯示相同加熱器板330的相反表面之立體圖。加熱器板330一般包含兩條埋入的軌道，這些軌道具有導電加熱元件410、420的形式且形成於一印刷電路板430上，這些加熱元件410、420在對應於燃料電池堆110中位於下方的燃料電池之有效面積上形成橫跨加熱器板的彎曲軌道。為求清楚，埋入的軌道410、420被顯示成可以在圖4a中看得見，但實際上這些軌道是看不見的，因為他們被一個電氣絕緣覆蓋層及/或另一電路板所覆蓋。透過在加熱器板330的邊緣上之鏟形連接形式的側垂片411、412、413、414，以正負終端連接，使得加熱器板330能透過一個例如儲存電池的電源而從外部供電。雖然這些垂片411、412、413、414係彼此接近以便於佈線，但是他們最好隔開一段空氣間隙415、416。這些空氣間隙415、416係用以防止在解凍期間可能形成的凝結水導致電氣短路。
除了加熱電流收集器的功能之外，加熱器板330也可 以將注入燃料電池堆110內的水(用於冷卻及加濕)從單一注水入口450轉移至多個埠460，這些埠係對應於沿著燃料電池堆110的全長延伸之多個狹窄通道(galleries)，這些通道被建構成用以將水配送至每個個別的電池上。介於入口450與埠460之間的水分配軌道470被設計成使得他們具有實質上相等的長度，如此一來，沿著每條路線的壓力降與流速均相等。只有其中一個加熱器板330a才需要水分配部位，這是因為水一般僅在燃料電池堆110的一端注入。每個加熱器板330也可以含有更多的埠470，以允許空氣與氫氣通過至個別電池。
圖5顯示圖3的燃料電池堆110之一部分的剖面圖。供水管線510允許水透過端板350而進入，水被引導而沿著一條箭頭520所指示的路徑行進。較佳地，供水管線510包含一個加熱元件，用以防止通過管線510的水凝結起來。水通過端板、絕緣層340，通過加熱器板330中的注水入口，沿著水分配路線470，通過埠460(圖4b)且沿著用於分配至個別電池310上的分佈狹窄通道。電流收集器板320將來自電池堆110的電流透過一條裝上去的纜線530而傳送至負載260上(圖2)。在端板350中具有水分配路線470之優點在於不需要一條單獨的水分佈板，因此在燃料電池堆中所需的零件便少了一個。另一項優點在於可預先加熱這些通道，如此能避免水在進入電池堆時產生凝結。
圖5所示的燃料電池堆110之結構能允許電池311在此堆電池310的相反兩端上透過與端板350絕緣的加熱器 板330而迅速加熱。端板350一般具有所需要的熱質量，以便提供堅硬的支撐結構而均勻地施加壓縮應力於每個電池310的有效區域上。假如並未與電池310形成熱絕緣的話，高熱質量將傾向減緩在電池堆110尾端處的加熱速率。然而，電池堆110中的個別雙極板可以被建構成具有較低的熱質量，因此可以在啟動程序期間被迅速地加熱。藉由使端板絕緣，電池310可以被更加快速地加熱，因此能夠以較短的時間從冷開始啟動。較佳地，透過加熱器板330可以提供足夠的熱，致使燃料電池堆110的尾端能夠以類似於中間的速率進行加熱。典型地，電流收集加熱器之大小被製作成使得當他們經操作後而在啟動期間加熱電池堆的尾端電池時能夠吸取足夠的能量。假如所吸取的能量太小的話，則加熱器無法在啟動期間充分地加熱電池，而且，假如電力太大的話，則尾端電池將傾向過熱，因而限制了電池堆的性能。
在零度以下的溫度從一個延長的週期開始之典型啟動的期間，圖4與圖5所示的全部零件均低於攝氏零度。當系統啟動時，燃料與氧化劑被供應至燃料電池堆310。然後，開始取得電流，且電池開始被熱起來。加熱器板330在啟動期間被致動，使得電流截止板320(current pick off plate)以類似於電池310的速率熱起來，如此將傾向具有較低的熱慣性，而且相較於電池端板350來說更具有熱絕緣效果。電池319最終將到達一個要求注入水以避免過熱之溫度。在典型的燃料電池中，當從－20℃啟動時，這一點將 介於大約15至60秒的週期時間內。在此溫度下，透過加熱過的供水管線510(亦被顯示為如圖1所示的陰極注水線路125)實施注水。很重要的是從管子510到個別電池310的所有通道在此溫度下均毫無冰塊。水通過端板350且位在加熱器板340上，以防止水在內部轉移埠與水分配軌道450、460、470中凝結起來(圖4b)。
上述加熱器板330包含下列一個或多個優點：i)板330a、330b允許快速地電氣加熱燃料電池堆110的電流收集器；ii)產生到電源的連接，致使能夠避免透過凝結的水滴所引起的短路；iii)藉由使用具有均勻長度的分配路線470，可以實施將冷卻水從單個注入點均勻地分佈到適當的分佈狹窄通道內；iv)陽極與陰極入口與出口流體可以通過加熱器板330a、330b；v)在燃料電池堆尾端處的減少熱遲滯現象，能增進電池堆的熱數據圖之平衡；以及(vi)為了防止電池堆110中心處的電池過熱，可以比沒有加熱器板330的情形更早點將水注入。
圖6顯示根據本發明在燃料電池系統的啟動操作期間之後的一個範例性程序之流程圖。第一步驟610是啟動操作，例如藉由施加電力(例如：從電池儲存單元)至電氣控制單元230(圖2)。然後，在步驟611，ECU操作陽極入口閥 153(圖1)，選擇性地操作閥體153上之一個整合的加熱器，且/或藉由如上述致動閥體內的電磁線圈。ECU例如藉由監控陽極入口156附近或其上的壓力感測器PX1之壓力讀數(圖1)，可決定是否陽極閥已經打開(步驟612)。
一旦陽極閥153打開時，空氣壓縮機133便被致動(步驟613)。另一方面，空氣壓縮機133可以在操作陽極閥153之前被致動。然後，在步驟614設定一個起初的電流極限，以用於燃料電池堆110。此起初電流極限可以是零，或者是燃料電池堆110從冷開始安全操作時的較高程度。
在燃料電池堆110開始暖機的期間，在步驟615與618，ECU依據來自電池堆的電池之最小電壓輸出Vmin 是否大於第一與第二臨界電壓程度V1 與V2 來作出決定。如上所述，可以根據數位線路211、212(圖2)上所存在的值而作出決定。假如在步驟615時最小電池電壓程度並未大於第一電壓臨界值V1 ，則關閉電流輸出(步驟616)。然後，在重新連接上電流之前，在步驟617，流程等候一段預設的時間(一般為幾秒鐘)。然後，電流極限可以被設定成在它被關掉之前的程度，或者重新設定成起初的電流極限。假如最小的電壓輸出並未小於V1 但並未大於V2 (警告或第二電壓臨界程度)，則降低電流極限直到Vmin 大於V2 為止(步驟619)。
然後，增加電流極限達一預定量(步驟620)。電流極限增加的速率可以是一個設定好的量，例如每秒鐘0.5安培，或者也可以根據目前設定的程度為其他的速率。
在步驟621時，評估是否在陰極流動路徑的入口123 與出口121之溫度Tin 、Tout 大於最小要求的溫度Tmin 。這些溫度讀數例如可以從溫度感測器TX2、TX3中獲得(圖1)。假如兩個溫度讀數大於Tmin 的話，則在步驟622時致動注水系統。另一方面，步驟621的決定可以單單取決於陰極出口管線的溫度Tout 。然後，注水系統繼續操作，根據陰極空氣氣流的溫度而有所改變，直到或除非空氣氣流的溫度掉落至最小程度Tmin 以下為止，或者假設燃料電池系統被關掉為止。
在啟動期間，步驟623評估是否電流極限I已經到達燃料電池堆110的額定電流。假如電流極限小於額定電流Irated 的話，則繼續啟動步驟，且進行到前一個步驟615。一旦到達此電流極限，在步驟624中，燃料電池系統著手開始連續操作模式。
連續操作期間，較佳地，燃料電池系統100繼續監控系統100的不同部件之電壓程度Vmin 與溫度。ECU亦繼續監控此操作且改變系統100的操作參數，以便如上所述般使操作達到最佳化。
圖7顯示在啟動期間來自燃料電池系統的範例性資料，其中負載電流710從零開始朝向額定電流(在此情形為100A)升高。在此電流升高的期間，電池堆電壓720也會有所改變。圖7亦顯示對應於啟動期間陰極排放溫度730、端板水控制溫度740、端板空氣溫度750、陽極排放溫度760、水泵背壓770、及陰極水流動速率780中的變化之曲線。
圖7顯示的測試係在含有20個電池的電池堆上實施。 使用13伏特，以作為ECU 230的設定點，且以封閉迴路控制模式進行操作。起初，藉由從冷(亦即：－20℃)開始啟動的電池堆，藉由幾安培的電流負載而達到13伏特的設定點。當電池堆溫暖起來時，ECU試圖調整電池堆的電壓到13伏特，且使負載電流710衝升。在第一週期711結束時，由於一個或多個電池執行得較差之緣故(在此情形中是由於過熱的緣故)，電池堆電壓720開始下降。然後，導致ECU降低電流。在第二週期712結束時，便打開注水系統。一旦水注入電池堆時，電壓上升。然後ECU使電流710衝升，直到陽極排放溫度超過0℃為止。此時，將電池堆視為已經解凍，所以電流710會更加急速地衝升至100A的完全負載。
在上述的方法中，用於增加電流負載的衝升速率受限至預定的最大程度。在圖7所示的特殊測試中，為了確保水不會在注入的時候凝結於電池堆內，所以只有當陰極排放溫度到達20℃時，才會致動注水系統。
在圖7所示的測試中，在起初的第一週期711中，電流負載710逐漸從零增加到大約40A，同時所測量到的電池堆電壓720仍維持成大約固定(在應用負載導致起初稍微下降之後)。在ECU偵測出電池堆中的一個或多個電池之電壓已經低於一個警告臨界程度之後，電流負載710會在第二週期712內逐漸降低，直到超過警告電壓臨界值為止。在第一與第二週期711、712期間，陰極排放溫度730的溫度會上升，而且在第二週期712期間會超過20℃。此時，致 動注水系統。開始注水是由冷卻水流速率780的突然增加所表示，接著便是陰極排放溫度730的小幅下降。由於端板加熱器330被致動且電池堆持續溫暖起來，所以端板水與空氣溫度740、750持續在整個啟動期間逐漸地上升。
在第三週期713期間，電流負載710持續地上升，儘管是以一個電池堆的電池電壓輸出所限定的降低速率而上升。陽極排放溫度760朝向此週期713的結束之急遽上升表示電池堆中的電池被以最佳方式加熱與潤濕。之後，接著在第四週期714期間電流負載較快的升高。由於電池電壓很低的緣故，在此週期內電流負載並不需要倒退。然後，到達100A的額定電流，且燃料電池系統開始在第五週期715期間進行連續操作。在燃料電池系統停工時，在起初的啟動之後17至18分鐘之間，電流負載710被切斷，且注水系統失去作用。後者代表水泵背壓770中的急遽下降。在缺乏電流負載710時，電池堆電壓720急速地升高，而且，然後隨著燃料電池110中剩餘的燃料之消散，電壓會逐漸減少。
在以下申請專利範圍所界定之本發明的範圍內，仍包含其他的實施例。
100‧‧‧燃料電池系統
110‧‧‧燃料電池堆
119‧‧‧燃料管線
120‧‧‧排放截止閥
121‧‧‧陰極出口管線
122‧‧‧陰極排放管線
123‧‧‧空氣入口管線
124‧‧‧空氣入口
125‧‧‧陰極注水管線
126‧‧‧陰極空氣入口
127‧‧‧陰極注水入口
128‧‧‧水返回管線
129‧‧‧加熱器
130‧‧‧熱交換器
131‧‧‧水分離器
132‧‧‧水泵
133‧‧‧空氣壓縮機
134‧‧‧空氣入口熱交換器
135‧‧‧流量計
136‧‧‧空氣過濾器
137‧‧‧空氣過濾器
138‧‧‧空氣加熱器
139‧‧‧冷卻風扇
140‧‧‧含水容器
141‧‧‧冷卻劑管線
142‧‧‧三向閥
143‧‧‧加熱器
144‧‧‧水溢流管線
145‧‧‧燃料加熱器
150‧‧‧燃料供應源
151‧‧‧減壓閥
152‧‧‧致動閥
153‧‧‧電磁線圈致動閥
154‧‧‧減壓閥
155‧‧‧燃料入口管線
156‧‧‧陽極入口
157‧‧‧壓力釋放閥
158‧‧‧壓力釋放排放管線
159‧‧‧陽極出口
161‧‧‧致動閥
162‧‧‧手動操作閥
163‧‧‧陽極排放水分離器
164‧‧‧陽極排放管線
165‧‧‧陽極出口管線
166‧‧‧加熱器元件
167‧‧‧陽極水排放管線
200‧‧‧電氣控制系統
201‧‧‧電力輸出
202‧‧‧電力輸出
205‧‧‧多工器
210‧‧‧微控制器
211‧‧‧輸出線路
212‧‧‧輸出線路
220‧‧‧電壓線路
230‧‧‧電氣控制單元(ECU)
240‧‧‧控制器區域網路(CAN)
250‧‧‧電腦
260‧‧‧電氣負載
310‧‧‧燃料電池
311‧‧‧電池
319‧‧‧電池
320‧‧‧電流收集器板
320a‧‧‧電流收集器
320b‧‧‧電流收集器
330‧‧‧加熱器板
330a‧‧‧端板加熱器
330b‧‧‧端板加熱器
340‧‧‧絕緣層
350‧‧‧端板
350a‧‧‧端板
350b‧‧‧端板
410‧‧‧加熱元件
411‧‧‧側垂片
412‧‧‧側垂片
413‧‧‧側垂片
414‧‧‧側垂片
415‧‧‧空氣間隙
416‧‧‧空氣間隙
420‧‧‧加熱元件
430‧‧‧印刷電路板
450‧‧‧注水入口
460‧‧‧埠
470‧‧‧水分配軌道
510‧‧‧供水管線
520‧‧‧箭頭
530‧‧‧纜線
610‧‧‧步驟
611‧‧‧步驟
612‧‧‧步驟
613‧‧‧步驟
614‧‧‧步驟
615‧‧‧步驟
616‧‧‧步驟
617‧‧‧步驟
618‧‧‧步驟
619‧‧‧步驟
620‧‧‧步驟
621‧‧‧步驟
622‧‧‧步驟
623‧‧‧步驟
624‧‧‧步驟
710‧‧‧負載電流
711‧‧‧第一週期
712‧‧‧第二週期
713‧‧‧第三週期
714‧‧‧第四週期
715‧‧‧第五週期
720‧‧‧電池堆電壓
730‧‧‧陰極排放溫度
740‧‧‧端板水控制溫度
750‧‧‧端板空氣溫度
760‧‧‧陽極排放溫度
770‧‧‧水泵背壓
780‧‧‧陰極水流動速率
TX1‧‧‧溫度感測器
TX2‧‧‧溫度感測器
TX3‧‧‧溫度感測器
TX4‧‧‧溫度感測器
TX5‧‧‧溫度感測器
TX7‧‧‧溫度感測器
PX1‧‧‧壓力感測器
PX2‧‧‧壓力感測器
PX3‧‧‧壓力感測器
PX4‧‧‧壓力感測器
I‧‧‧電流極限
Irated ‧‧‧額定電流
Vmin ‧‧‧最小電壓輸出
V1 ‧‧‧第一臨界電壓程度
V2 ‧‧‧第二臨界電壓程度
Tin ‧‧‧溫度
Tout ‧‧‧溫度
Tmin ‧‧‧最小要求的溫度
Tout ‧‧‧溫度
圖1顯示在一個完整的燃料電池系統內的各種零件配置之示意圖。
圖2顯示用於燃料電池系統的範例性電氣控制系統之 示意圖。
圖3顯示一個範例性燃料電池堆的側視圖。
圖4a與4b顯示一個用於燃料電池堆的範例性加熱器板之立體圖。
圖5顯示一個範例性燃料電池堆的局部剖面圖。
圖6顯示一個範例性起動程序之示意流程圖。
圖7顯示來自一個燃料電池系統的各種測量參數之一系列曲線圖。
100‧‧‧燃料電池系統
110‧‧‧燃料電池堆
119‧‧‧燃料管線
120‧‧‧排放截止閥
121‧‧‧陰極出口管線
122‧‧‧陰極排放管線
123‧‧‧空氣入口管線
124‧‧‧空氣入口
125‧‧‧陰極注水管線
126‧‧‧陰極空氣入口
127‧‧‧陰極注水入口
128‧‧‧水返回管線
129‧‧‧加熱器
130‧‧‧熱交換器
131‧‧‧水分離器
132‧‧‧水泵
133‧‧‧空氣壓縮機
134‧‧‧空氣入口熱交換器
135‧‧‧流量計
136‧‧‧空氣過濾器
137‧‧‧空氣過濾器
138‧‧‧空氣加熱器
139‧‧‧冷卻風扇
140‧‧‧含水容器
141‧‧‧冷卻劑管線
142‧‧‧三向閥
143‧‧‧加熱器
144‧‧‧水溢流管線
145‧‧‧燃料加熱器
150‧‧‧燃料供應源
151‧‧‧減壓閥
152‧‧‧致動閥
153‧‧‧電磁線圈致動閥
154‧‧‧減壓閥
155‧‧‧燃料入口管線
156‧‧‧陽極入口
157‧‧‧壓力釋放閥
158‧‧‧壓力釋放排放管線
159‧‧‧陽極出口
161‧‧‧致動閥
162‧‧‧手動操作閥
163‧‧‧陽極排放水分離器
164‧‧‧陽極排放管線
165‧‧‧陽極出口管線
166‧‧‧加熱器元件
167‧‧‧陽極水排放管線
TX1‧‧‧溫度感測器
TX2‧‧‧溫度感測器
TX3‧‧‧溫度感測器
TX4‧‧‧溫度感測器
TX5‧‧‧溫度感測器
TX7‧‧‧溫度感測器
PX1‧‧‧壓力感測器
PX2‧‧‧壓力感測器
PX3‧‧‧壓力感測器
PX4‧‧‧壓力感測器

Claims (48)

  1. 一種用於啟動含有燃料電池堆的燃料電池系統之操作的方法，該方法包含以下步驟：i)開啟一陽極入口閥，以允許燃料進入該燃料電池堆的一陽極體積內；ii)操作一個與該燃料電池堆的一陰極空氣入口呈流體相通的空氣壓縮機，以允許空氣進入該燃料電池堆的一陰極體積內；iii)監控該陰極入口及/或出口的溫度；以及iv)一旦通過該陰極入口及/或出口的流體溫度超過一預定程度時，操作一個注水系統，以便使水注入該陰極體積內；其中，從燃料電池堆所獲得的電流藉由以下方式被限制住，以防止在橫跨燃料電池堆的一個或多個電池所測量的電壓掉到第一電壓臨界值以下，提供來自該燃料電池堆中多個電池中的各個電池之電壓讀數以及燃料電池系統上的寄生負載之讀數至一個控制器；以及藉由該控制器調整該燃料電池系統的控制參數，以試圖將函數f(σν ,Pρ )=α σν 2 +β Pρ 2 降至最小，其中，σν 是多個電池的電壓輸出之標準差，Pρ 是寄生負載，而α與β是常數。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該電流增加直到電壓掉落至比第一電壓臨界值高的第二電壓臨界值以下 為止。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，電流相對於時間是以一個預定的速率增加。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之方法，其中，在電壓掉落至第二電壓臨界值以下之後減少電流，且直到電壓上升超過第二電壓臨界值為止。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，電流是以大於電流增加的速率之速率而減少。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，電流增加直到該燃料電池堆的額定電流達到為止。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，限制該電流，以防止橫跨該燃料電池堆的電池電壓總合掉落至第三電壓臨界值以下。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中，第三電壓臨界值係大於燃料電池堆中電池的數量乘上第二電壓臨界值。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，操作一加熱器，以便將陰極入口溫度維持在5℃至10℃的範圍內。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，藉由施加電流於該燃料電池堆的相反兩端上之加熱器板，而提供熱能至該燃料電池堆，各加熱器板係被設置於該燃料電池堆的一電流收集器板與一個端板之間，各加熱器板係與一個相鄰的個別端板形成熱絕緣。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其包含從一條注水 管線通過一在加熱器板內之水分佈通道饋給冷卻劑，以便允許冷卻劑從與加熱器板的第一表面相通的該注水管線通過，而到達該加熱器板的一個相反的第二表面上之一個或多個冷卻劑埠。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，該注水管線經過該燃料電池堆的端板而通過到該加熱器板的第一表面。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，在該加熱器板的第二表面上設置該水分佈通道。
  14. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其包含在操作該注水系統的步驟之前，加熱與該燃料電池堆的陰極體積流體相通的一條注水管線。
  15. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其包含重覆致動一個燃料淨化閥之步驟，藉此引起該閥的自行加熱。
  16. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其包含加熱在介於空氣壓縮機與燃料電池的陰極體積之間的一條空氣入口管線內之空氣的步驟。
  17. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，操作該燃料電池堆且並未將水注入，直到通過陰極入口與出口二者的流體溫度超過5℃為止。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該控制器提供數位輸出，以指出該等多個電池的一個或多個電池之電壓。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，該等數位輸出係表示是否：i)一個或多個電池的電壓係小於第一電壓臨界值；以及ii)一個或多個電池的電壓係小於比該第一電壓臨界值更大的第二電壓臨界值。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，假如該等數位輸出表示一個或多個電池的電壓低於第一電壓臨界值的話，該燃料電池堆便與一個電氣負載斷開，在電壓升高而超過第二電壓臨界值之後，該電氣負載便重新連接起來。
  21. 如申請專利範圍1項及第19至20項中任一項之方法，其中，該控制器提供該等多個電池的每個電池之電壓讀數至一個控制器區域網路。
  22. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，使該燃料電池系統的操作達到最佳包括改變以下的一個或多個：i)供應至陰極入口的空氣之流速；ii)藉由電池堆的相反兩端上之加熱器板所施加至該燃料電池堆的熱量程度；以及iii)從該燃料電池堆所獲得的電流。
  23. 一種含有多個燃料電池的燃料電池堆，該燃料電池堆的每一端具有一個被設置於一電流收集器板與一端板之間的加熱器板，各個加熱器板係與個別的端板形成熱絕緣。
  24. 如申請專利範圍第23項之燃料電池堆，其中，各加熱器板包含一個加熱元件，該加熱元件是以加熱器板上的導電軌道之形式出現。
  25. 如申請專利範圍第24項之燃料電池堆，其中，該導電軌道是以一個彎曲的軌道之形式出現，該彎曲軌道橫跨該加熱器板對應於燃料電池堆內的電池之有效區域的一部分。
  26. 如申請專利範圍第24或25項之燃料電池堆，其中，該導電軌道係埋於該加熱器板的一表面底下。
  27. 如申請專利範圍第24或25項之燃料電池堆，其中，該加熱器板包含一對延伸自加熱器板的邊緣之鏟形終端，該等終端之間被一個空氣間隙所隔開。
  28. 如申請專利範圍第23至25項中任一項之燃料電池堆，其中，該加熱器板包含一水分佈通道，該水分佈通道被建構成能允許冷卻劑從一條與加熱器板的第一表面相通之注水管線通過到該加熱器板的相反第二表面上的一個或多個冷卻劑埠。
  29. 如申請專利範圍第28項之燃料電池堆，其中，該注水管線通過端板到加熱器板的第一表面。
  30. 如申請專利範圍第28項之燃料電池堆，其中，水分配通道係設置於加熱器板的第二表面上。
  31. 一種燃料電池系統，其包含一個燃料電池堆及一個電氣控制單元，該電氣控制單元被建構成用以：i)開啟一陽極入口閥，以允許燃料進入該燃料電池堆的陽極體積內；ii)操作一個與該燃料電池堆的陰極空氣入口呈流體相通的空氣壓縮機，以允許空氣進入該燃料電池堆的陰極體 積內；iii)監控該陰極入口及/或出口的溫度；以及iv)一旦通過該陰極入口及/或出口的流體溫度超過預定程度時，操作一個注水系統，以便使水注入陰極體積內；其中，該電氣控制單元被建構成可限制從燃料電池堆所獲得的電流，以防止在橫跨該燃料電池堆的一個或多個電池所測量的電壓掉到第一電壓臨界值以下，該電氣控制單元被建構成：接受來自燃料電池堆中多個電池的各個電池之電壓讀數以及燃料電池系統上的寄生負載之讀數；以及調整該燃料電池系統的控制參數，以試圖將函數f(σν ,Pρ )=α σν 2 +β Pρ 2 減至最小，其中，σν 是多個電池的電壓輸出之標準差，Pρ 是寄生負載，而α與β是常數。
  32. 如申請專利範圍第31項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成可增加電流，直到電壓掉到比第一電壓臨界值高的第二電壓臨界值以下為止。
  33. 如申請專利範圍第32項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成可相對於時間以固定的速度增加電流。
  34. 如申請專利範圍第32或33項之燃料電池系統，其中，電氣控制單元被建構成在電壓掉落至第二電壓臨界值以下之後減少電流，且直到電壓升高而超過第二電壓臨界值為止。
  35. 如申請專利範圍第34項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成以一個大於電流增加速率的速率而減少電流。
  36. 如申請專利範圍第31至33項中任一項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成可增加電流，直到該燃料電池堆的額定電流到達為止。
  37. 如申請專利範圍第31至33項中任一項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成可限制電流，以防止橫跨該燃料電池堆的電池電壓之總合掉落至第三電壓臨界值以下。
  38. 如申請專利範圍第37項之燃料電池系統，其中，該第三電壓臨界值大於該燃料電池堆中電池的數量乘上該第二電壓臨界值。
  39. 如申請專利範圍第32或33項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成可操作一加熱器，以便將陰極入口溫度維持在介於5℃至10℃之間的溫度範圍內。
  40. 如申請專利範圍第31項之燃料電池系統，其包含一個多工器單元，該單元被建構成可接收來自多個電池的各個電池之電壓信號，且提供至少兩個數位輸出至電氣控制單元，以指出該多個電池的一個或多個電池之電壓。
  41. 如申請專利範圍第40項之燃料電池系統，其中，改變該等數位輸出以表示是否：i)一個或多個電池的電壓係小於第一電壓臨界值；以及ii)一個或多個電池的電壓係小於比該第一電壓臨界值 高的第二電壓臨界值。
  42. 如申請專利範圍第41項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成：假如該等數位輸出表示一個或多個電池的電壓小於第一電壓臨界值的話，將該燃料電池堆與一個電氣負載斷開，且在電壓升高超過第二電壓臨界值之後再次連接該電氣負載。
  43. 如申請專利範圍第40或41項之燃料電池系統，其包含一個控制器區域網路，其中，該控制器及/或多工器被建構成可提供多個電池的各個電池之電壓讀數至該控制器區域網路。
  44. 如申請專利範圍第31項之燃料電池系統，其中，該電氣控制單元被建構成藉由改變以下的一個或多個而使該燃料電池系統的操作達到最佳：i)供應至陰極入口的空氣之流速；ii)藉由電池堆的相反兩端上之加熱器板所施加至該燃料電池堆的熱量程度；以及iii)從該燃料電池堆所獲得的電流。
  45. 一種燃料電池系統，該燃料電池系統包含一個燃料電池堆及一個電氣控制單元，該電氣控制單元被建構成可根據來自燃料電池堆中多個電池的電壓輸出之標準差，而調整燃料電池堆的操作參數，以便使該燃料電池系統的操作達到最佳，其中，該電氣控制單元被建構成可調整該燃料電池堆的操作參數，以減小函數f(σν ,Pρ )=α σν 2 +β Pρ 2 ，其 中，σν 是多個電池的電壓輸出之標準差，Pρ 是寄生負載，而α與β是常數。
  46. 如申請專利範圍第45項之燃料電池系統，其中，操作參數包含下列的一個或多個參數：i)供應至該燃料電池堆上的陰極入口之空氣的流速；ii)藉由電池堆的相反兩端上之加熱器板所供應至該燃料電池堆的熱量程度；以及iii)從該燃料電池堆所獲得的電流。
  47. 一種用以使燃料電池系統的操作達到最佳之方法，該燃料電池系統包含一個燃料電池堆以及一個電氣控制單元，該方法包含以下步驟：提供來自燃料電池堆中多個電池的各個電池之電壓輸出的讀數至電氣控制單元；以及根據來自多個電池的電壓輸出之標準差，而使燃料電池系統之操作達到最佳，其中，該電氣控制單元藉由以下方式調整燃料電池堆的操作參數，以便使燃料電池系統的操作達到最佳：調整該燃料電池堆的操作參數，以減小函數f(σν ,Pρ )=α σν 2 +β Pρ 2 ，其中，σν 是多個電池的電壓輸出之標準差，Pρ 是電氣寄生負載，而α與β是常數。
  48. 如申請專利範圍第47項之方法，其中，該操作參數包含以下的一個或多個參數：i)供應至該燃料電池堆上的陰極入口之空氣的流速； ii)藉由電池堆的相反兩端上之加熱器板所施加至該燃料電池堆的熱量程度；以及iii)從該燃料電池堆所獲得的電流。
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