TWI458996B - 燃料電池失效的預防裝置與方法 - Google Patents

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Description

燃料電池失效的預防裝置與方法
本發明是有關於一種燃料電池監測系統，且特別是有關於一種對於燃料電池系統失當的水管理和化學計量管理造成性能衰退或失效的預防方法與預防措施。
隨著工業的進步，傳統能源如煤、石油及天然氣的消耗量持續升高，由於天然能源的存量有限，因此必須研發新的替代能源以取代傳統能源，而燃料電池便是一種重要且具實用價值之選擇。
簡單來說，燃料電池基本上是一種利用水電解之逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置。以質子交換膜燃料電池來說，其主要是由一膜電極組(membrane electrode assembly，簡稱MEA)及兩電極板所構成。
膜電極組分為陽極與陰極，在陽極(anode)傳輸的是燃料(如氫氣)，在陰極(cathode)傳輸的是具濕度的氧化劑(如空氣)，其中陽極為氧化反應、陰極為還原反應，化學式如下：
陽極：H2 →2H+ +2e-
陰極：O2 +4H+ +4e- →2H2 O
當陽極之氫氣接觸到與質子交換膜相鄰之觸媒時，氫氣分子會解離成為氫離子及電子，其中電子流經迴路(electrical circuit)，而氫離子則直接由陽極穿越質子交換膜 到達陰極。在陰極觸媒的作用下經由電子迴路到達之電子與氧結合成氧離子，並隨即與穿越質子交換膜的氫離子合成形成水分子，此即為電化學(electrochemical)的氧化與還原反應過程，經由電子迴路提供於負載。
然而，燃料電池的成本和壽命是其進入商業化的主要障礙，而水熱管理及化學計量管理所帶來的系統問題是首當必須被解決的難題。
有鑑於上述，一種適用於商業化的燃料電池系統的控制邏輯，包括可以快速(speedily)、正確(accurately)、靈敏(sensitively)、簡單(simply)、便宜(cheaply)且可在線(on-line)、即時(real time)現地(in-situ)與非侵入(non-invasion)的偵測方式，亟需被開發，以突破現有產業的瓶頸。
本案提供一種燃料電池失效的預防裝置與方法，能預防燃料電池系統失當的水管理和化學計量管理造成之性能衰退或失效。
本案提出一種燃料電池失效的預防裝置。所述燃料電池包括至少一組單電池、位於所述單電池兩側的一對集電板以及分別位於該對集電板旁的一對端板。所述預防裝置包括上游與下游電壓監測單元、資料處理單元以及系統控制單元。上游與下游電壓監測單元對應每一單電池並同步監測每一單電池的上游與下游電壓。資料處理單元則接收 上述上游與下游電壓的電壓訊號，以得到每一單電池的上游與下游電壓之差動電壓(differential voltage，DV)。系統控制單元再根據所述差動電壓，對燃料電池進行失效預防的矯正控制。
在本發明之一實施例中，上述上游電壓監測單元可為上游電壓計，上述下游電壓監測單元可為下游電壓計。
在本發明之一實施例中，上述上游與下游電壓監測單元可為陽極電壓計。
在本發明之一實施例中，上述上游與下游電壓監測單元可為陰極電壓計。
在本發明之一實施例中，上述單電池包括膜電極組、陽極流場板、陰極流場板、陽極氣體擴散層以及陰極氣體擴散層。陽極流場板包括傳輸燃料的陽極流道、陰極流場板包括傳輸氧化劑的陰極流道，而陽極氣體擴散層是位於膜電極組與陽極流場板之間；陰極氣體擴散層是位於膜電極組與陰極流場板之間。
在本發明之一實施例中，上述燃料電池包括一燃料入口歧道、一燃料出口歧道、一氧化劑入口歧道和一氧化劑出口歧道。燃料入口歧道連接每個單電池的陽極流道的入口、燃料出口歧道連接每個單電池的陽極流道的出口、氧化劑入口歧道連接每個單電池的陰極流道的氧化劑入口、氧化劑出口歧道連接每個單電池的陰極流道的氧化劑出口。
在本發明之一實施例中，上述資料處理單元包括資料 擷取單元與資料運算單元。
在本發明之一實施例中，上述系統控制單元的所述失效預防的矯正控制包括根據所述差動電壓與一容許區間，對所述燃料電池進行所述失效預防的矯正控制。
在本發明之一實施例中，上述矯正控制還包括當判定所述差動電壓低於所述容許區間的下限，則進行水管理不當的矯正控制，其中所述水管理不當的矯正控制是選自包括增加相對溼度、降低所述燃料電池之溫度與降低化學計量中的至少一種措施。
在本發明之一實施例中，上述矯正控制還包括當判定所述差動電壓高於所述容許區間的上限，則進行化學計量管理不當的矯正控制，其中所述化學計量管理不當的矯正控制是選自包括增加化學計量、降低所述燃料電池之輸出功率、增加所述燃料電池之溫度與降低相對溼度中的至少一種措施。
在本發明之一實施例中，上述矯正控制還包括當判定所述差動電壓高於所述容許區間的上限並有瞬間高峰出現時，則進行水氾濫的矯正控制，其中所述水氾濫的矯正控制包括將燃料與氧化劑通入所述單電池，以排水。
本案另提出一種燃料電池失效的預防方法。所述燃料電池包括至少一組單電池、位於所述單電池兩側的一對集電板以及分別位於該對集電板旁的一對端板。所述預防方法包括測量每一單電池的上游電壓與下游電壓，以得到所述上游電壓與所述下游電壓之差動電壓(DV)，再判定所述 差動電壓是否位於容許區間內，如果差動電壓超出容許區間，則進行矯正。
在本發明之另一實施例中，上述測量上游電壓與下游電壓的方法包括使用上游電壓計與下游電壓計分別量測每一單電池的上游電壓與下游電壓。
在本發明之另一實施例中，上述測量上游電壓與下游電壓的方法包括使用陽極電壓計量測每一單電池的陽極之上游電壓與下游電壓。
在本發明之另一實施例中，上述測量上游電壓與下游電壓的方法包括使用陰極電壓計量測每一單電池的陰極之上游電壓與下游電壓。
在本發明之另一實施例中，上述矯正包括：當差動電壓低於容許區間的下限時進行水管理不當的矯正，如增加相對溼度、降低燃料電池之溫度、降低化學計量等。
在本發明之另一實施例中，上述矯正包括：當差動電壓高於容許區間的上限，則進行化學計量管理不當的矯正，如增加化學計量、降低燃料電池之輸出功率、增加燃料電池之溫度、降低相對溼度等。
在本發明之另一實施例中，當差動電壓高於容許區間的上限並有瞬間高峰出現時，還可進行水氾濫的矯正，例如將燃料與氧化劑通入所述單電池，以進行排水。
基於上述，本發明藉由監測每一單電池中電化學流場上游與下游間的差動電壓與發展趨勢，對燃料電池內水管理和化學計量管理不當所造成的性能衰退或失效之問題， 進行快速(speedily)、正確(accurately)、靈敏(sensitively)、簡單(simply)、便宜(cheaply)且可在線(on-line)、即時(real time)現地(in-situ)與非侵入(non-invasion)的預測與監控。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為依照本發明之第一實施例之一種燃料電池失效的預防裝置之示意圖。
請參照圖1，第一實施例中的燃料電池100包括一單電池102、位於單電池102兩側的一對集電板(current collector)104a與104b以及分別位於集電板104a與104b旁的一對端板(end plate)106a與106b。上述單電池102可包括膜電極組(membrane electrode assembly,MEA)108、陽極流場板(flow field plate)110、陰極流場板112、陽極氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)114以及陰極氣體擴散層116，但本發明並不限於此。上述陽極流場板110包括傳輸燃料(氫氣)的陽極流道(flow channels)110a，陰極流場板112包括傳輸氧化劑(空氣)的陰極流道112a。當燃料電池100運作時，陽極之氫氣分子會解離成為氫離子及電子，其中電子流經陽極流場板110、集電板104a、負載(load)118，再進入集電板104b與陰極流場板112，而氫離子則直接由陽極穿越膜電極組108到達陰極。到達陰極之電子會與氧結合成氧離子，並隨即與穿越膜電極組108之 氫離子合成形成水分子。
在圖1中，預防裝置包括上游與下游電壓監測單元120a與120b、資料處理單元122以及系統控制單元124。本文中將陽極流場板110與陰極流場板112界定為總長度L的三等份，其中與燃料入口歧道(inlet manifold)126a和氧化劑入口歧道128a相鄰的L/3長度區域稱為上游(upstream)130，與燃料出口歧道126b和氧化劑出口歧道128b相鄰的L/3長度區域稱為下游(downstream)132。第一實施例的上游電壓監測單元120a是上游電壓計、下游電壓監測單元120b是下游電壓計。上游電壓計120a監測的電壓位置是在上游130區域的任一位置，下游電壓計120b所監測的電壓位置是在下游132區域的任一位置；其中，以緊鄰氧化劑入口歧道128a處與氧化劑出口歧道128b處為較佳監測位置。
第一實施例的資料處理單元122例如具有資料運算單元與資料擷取單元136。在接收上游電壓計120a測得的上游電壓Vus 與下游電壓計120b測得的下游電壓Vds 的電壓訊號後，可透過運算放大器(operational amplifier)134或減法器(subtractor)或軟體作為資料運算單元，以運算得到單電池102的上游電壓Vus 與下游電壓Vds 之間的差動電壓(differential voltage,DVcell )，並傳送至資料擷取單元136。然後由系統控制單元124根據所述差動電壓DVcell ，對燃料電池100進行失效預防的矯正控制。
上述系統控制單元124的失效預防的矯正控制將於下 文描述。
當外部負載118開始運轉，並設定負載電流從零開始並逐步增大，由電流計138量測電流，並同步使用第一實施例的預防裝置的上游電壓計120a與下游電壓計120b逐步監測，即可獲得燃料電池100的差動電壓(DVcell )與電流(DV-I)之曲線圖，如圖2所示。
在圖2中顯示五種參數的實例，分別為參數200a、200b、200c、200d以及200e。由圖中可以明確得知運轉參數200a為最佳條件，其差動電壓在任何負載的電流皆近於零毫伏特(DVcell 0mV)，這代表水管理(即燃料與氧化劑的相對濕度)以及化學計量管理皆為最佳條件。
若以參數200a結果為基礎，當差動電壓為正(DVcell >0)參數200b及200d，表示上游電壓大於下游電壓(Vus >Vds )，若趨勢發展愈偏離差動電壓為零(DVcell =0)時，代表化學計量管理愈不佳，亦表示燃料電池處於化學計量缺乏(lack in)狀態。當差動電壓為負(DVcell <0)參數200c及200e，表示上游電壓小於下游電壓(Vus <Vds )，若趨勢發展愈偏離差動電壓為零(DVcell =0)，代表水管理愈不佳，亦表示燃料電池處在乾化(dry out)狀態。
然而，燃料電池是非常複雜的電化學反應場，影響其性能的參數很多，除了水管理與化學計量管理，更有結構應力、溫度以及壓力等因子，故本實施例設定一個容許區間(tolerance interval)DVTI ，其包括上限(upper limit)DVUL 與下限(lower limit)DVLL ，以增加預測的可靠度。
經由容許區間DVTI 的上限DVUL 與下限DVLL 判定，可知圖2的參數200b與200c仍屬可容許之操作參數。而參數200d在低電流負載是可以容許的化學計量，但在愈高電流負載時，燃料電池的化學計量由缺乏(lack in)變成飢餓(starvation)狀態。至於參數200e在低電流負載同樣是可以容許的水管理狀態，但在愈高電流負載時，燃料電池由乾化(dry out)變成脫水(dehydration)狀態。因此，參數200d與參數200e都會造成失效發生，皆需有相對應的水管理不當之矯正與化學計量管理不當之矯正。所述水管理不當的矯正控制例如是選自包括增加相對溼度、降低所述燃料電池之溫度與降低化學計量中的至少一種措施；所述化學計量管理不當的矯正控制例如是選自包括增加化學計量、降低所述燃料電池之輸出功率、增加所述燃料電池之溫度與降低相對溼度中的至少一種措施。以上措施可同時進行多種或只選擇一種措施。
此外，如採負載定電流(constant current)模式，共有七種化學計量參數的實例，其中化學計量分別為S0、S1、S2、S3、S4、S5及S6，且S0為最佳化。以S0為準，愈往右的化學計量愈低、愈往左的化學計量愈高。經第一實施例的預防裝置監測，可獲得監測結果如圖3A和圖3B所示。
圖3A是不同化學計量之上游電壓Vus 與下游電壓Vds 隨時間的變化曲線；圖3B是圖3A的差動電壓DVcell 隨時間變化的曲線圖。
圖1之上游電壓計120a監測的上游電壓(Vus )結果為圖 3A的曲線302，圖1之下游電壓計120b監測的下游電壓(Vds )結果為圖3A的曲線300。如將圖3A的曲線300與302經由圖1之運算放大器134轉換為差動電壓DVcell ，結果顯示於圖3B。
由差動電壓DVcell 結果可知化學計量S0之狀態下，其差動電壓皆幾近於零毫伏特(DVcell 0mV)為最佳化學計量管理條件，因此可據此設定一個適合的容許區間DVTI ，其包括上限DVUL 與下限DVLL 。當差動電壓為正(DVcell >0)，代表燃料電池處於低化學計量(under-stoichiometry)狀態，且當差動電壓大於上限(DVcell >DVUL )，則代表燃料電池進入缺乏狀態甚至飢餓狀態，如實例之化學計量S5及S6；反觀，當差動電壓為負(DVcell <0)，代表燃料電池處於過化學計量狀態(over-stoichiometry)，且當差動電壓小於下限(DVcell <DVLL )，代表系統周邊組件(balance of plant,BOP)寄生電力損耗過多、系統效率下降，且造成電池逐漸乾化，如化學計量S1。因此需進行上述的化學計量管理不當的矯正控制。
而且，本實施例除了具備預測電池化學計量管理及發展趨勢外，更可以偵測液態水氾濫(liquid water overflow)。若圖1之燃料電池100在運轉過程中的監測發現，差動電壓出現瞬間高峰(peak)304，即代表燃料電池內部出現液態水氾濫。此處高峰304的振幅306定義為差動電壓平均振幅308的兩倍以上，但本發明並不限於此。因流場板的流道與配置型態的不同，「高峰」的定義值也會不相同。
當高峰開始頻繁出現時，即代表圖1之燃料電池100內部已出現嚴重的化學計量缺乏狀態，如化學計量S5的曲線310。此處以高峰出現頻率大於0.01Hz時定義為「頻繁」，但因流場板的流道與配置型態的不同，其定義值也會不相同。若高峰進入高頻振盪，即代表圖1之燃料電池100內部已出現飢餓(starvation)狀態，且液態水氾濫，如化學計量S6的曲線312。上述情形皆會造成失效發生，因此，需有相對應的水氾濫的矯正控制，如將燃料與氧化劑通入燃料電池100，以排水。此處以高峰出現頻率大於0.05Hz時定義為「高頻」，但因流場板的流道與配置型態的不同，定義值也會不相同。
燃料電池失效的預防裝置除圖1外，還可包括另兩種設置，如圖4與圖5所示。
圖4是圖1之一變形例之燃料電池失效的預防裝置之示意圖；圖5是圖1之另一變形例之燃料電池失效的預防裝置之示意圖。在圖4與圖5中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件，其中圖4是使用陰極電壓計400作為上游與下游電壓監測單元，以量測陰極流場板112的上游與下游之間的電壓值(Vca )；圖5是使用陽極電壓計500作為上游與下游電壓監測單元，以量測陽極流場板110的上游與下游之間的電壓值(Van )。
以圖3B相同的模式，採負載定電流(constant current)模式及七種化學計量參數S0~S6的實例，監測結果如圖6所示，圖中陰極差動電壓(Vca )600為透過陰極電壓計400 所監測之結果，其預測的趨勢隨著化學計量的逐步降低，而差動電壓卻呈現逐步的增加與圖3B之趨勢一致。
至於圖6中的陽極差動電壓曲線(Van )602為透過陽極電壓計500所監測之結果，其預測的趨勢是隨著化學計量逐步降低，差動電壓卻呈現逐步的降低，與圖3B是趨勢相反。因此，假若採用圖5的預防裝置並以圖2與圖3的矯正控制時，應經由採用[(Van ×(-1)]的邏輯，即可獲得相同之預測模式進行電池狀態的判定。
另外，如採負載定電流與定化學計量模式，共有五種水管理參數的實例，水管理參數分別為RH1、RH2、RH3、RH4及RH5。經圖1的預測裝置監測，可獲得監測結果，如圖7所示。由差動電壓(DVcell )結果可知，相對濕度RH1之狀態下，其差動電壓皆幾近於零毫伏特(DVcell 0mV)為最佳化學相對濕度條件，因此可據此設定一個適合的差動電壓容許區間DVTI ，其包括上限DVUL 與下限DVLL ，其中，容許區間DVTI 、上限DVUL 與下限DVLL ，三個參數在同一燃料電池100系統中的判斷準則應為相同(可與第一實施例採相同的值)。當差動電壓為負值(DVcell <0)，且當小於下限(DVcell <DVLL )，代表燃料電池100處於乾化的狀態(drying out)，如實例之相對濕度RH3、RH4及RH5。再者，本圖除了可預測電池水管理及發展趨勢外，更可以偵測電池出現脫水(dehydration)現象；也就是說，若圖1的燃料電池100運轉過程中偵測差動電壓出現週期性波動700，即代表燃料電池100內部出現嚴重脫水(dehydration) 現象，會造成失效發生，需有相對應的預防措施。
圖8為依照本發明之第二實施例之一種燃料電池失效的預防裝置之示意圖。
請參照圖8，第二實施例中的燃料電池800包括由N組單電池802構成的電池堆(stack)804、位於電池堆804兩側的一對集電板806a與806b、以及分別位於集電板806a與806b旁的一對端板808a與808b。上述電池堆804內的單電池802可參照第一實施例的單電池100，但本發明並不限於此。當燃料電池800實際運轉時，每一個單電池802對應一個上游電壓監測單元(如上游電壓計810)與一個下游監測單元(如下游電壓計812)，分別同步監測每一單電池802的電壓訊號傳輸給資料處理單元814。資料處理單元814包括資料擷取單元(data acquisition)816與資料運算單元(data operation)818，用以將來自上游與下游電壓計810與812之每一個單電池802的電壓訊號傳遞進入資料運算單元818，取得每一單電池802之差動電壓(DVcell )後，將訊號傳遞給資料擷取單元816；同時，利用訊號傳輸單元，將每一個單電池802的電壓訊號傳遞進入資料擷取單元816，進行每一單電池802的電壓監測，再將資料傳輸給系統控制單元822，進行燃料電池800的失效預防的矯正控制。
圖9為圖8之燃料電池的失效預防之流程圖。
請參照圖9，當由圖8的系統控制單元822接收到每一單電池802的上游電壓與下游電壓之差動電壓(DVcell )資 料後，即可針對電池狀態開始判定900。
當差動電壓維持在容許區間(DVLL DVcell DVUL )901，表示電池水與化學計量管理狀態良好，即完成判定902。
當差動電壓不在容許區間內，進行狀態判定(DVcell DVLL 或DVcell DVUL )903。
當DVcell DVLL 表示電池水管理不當(相對濕度不足)904，即進行濕度矯正方法905，包括：(A)增加相對溼度、或(B)降低電池堆溫度、或(C)降低化學計量等。當差動電壓DVcell 回復至在容許區間(DVLL DVcell DVUL )906後，結束矯正措施902。
當DVcell DVUL 表示電池化學計量管理不當(化學計量不足)907；當應先判定是否有高峰出現908。當有出現高峰(震幅與頻率達到設定條件)時，應先以大量燃料與氧化劑將液態水排出909至排除高峰值的出現；再進行化學計量矯正方法910，包括(A)增加化學計量、或(B)降低電池堆輸出功率、或(C)增加電池堆溫度、或(D)降低相對溼度等。當差動電壓DVcell 回復至在容許區間(DVLL DVcell DVUL )911後，結束矯正措施902。
以上述循環進行燃料電池失效預測與預防。
綜上所述，本發明能藉由監測每一單電池中電化學流場上游與下游間的差動電壓與發展趨勢，矯正燃料電池內關於水管理和化學計量管理不當的問題，以便快速、正確、靈敏、簡單、便宜且可在線、即時、現地與非侵入的預測 與監控電池失效。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、800‧‧‧燃料電池
102、802‧‧‧單電池
104a、104b、806a、806b‧‧‧集電板
106a、106b、808a、808b‧‧‧端板
108‧‧‧膜電極組
110‧‧‧陽極流場板
110a‧‧‧陽極流道
112‧‧‧陰極流場板
112a‧‧‧陰極流道
114‧‧‧陽極氣體擴散層
116‧‧‧陰極氣體擴散層
118‧‧‧負載
120a、810‧‧‧上游電壓監測單元
120b、812‧‧‧下游電壓監測單元
122、814‧‧‧資料處理單元
124、822‧‧‧系統控制單元
126a‧‧‧燃料入口歧道
126b‧‧‧燃料出口歧道
128a‧‧‧氧化劑入口歧道
128b‧‧‧氧化劑出口歧道
130‧‧‧上游
132‧‧‧下游
134‧‧‧運算放大器
136、816‧‧‧資料擷取單元
138‧‧‧電流計
200a、200b、200c、200d、200e‧‧‧參數
300、302、310、312‧‧‧曲線
304‧‧‧高峰
306、308‧‧‧振幅
400‧‧‧陰極電壓計
500‧‧‧陽極電壓計
600、602‧‧‧電壓曲線
700‧‧‧週期性波動
804‧‧‧電池堆
818‧‧‧資料運算單元
900~911‧‧‧步驟
DVTI ‧‧‧容許區間
DVUL ‧‧‧上限
DVLL ‧‧‧下限
L‧‧‧長度
RH1~RH5‧‧‧相對濕度
S0~S6‧‧‧化學計量
Vus ‧‧‧上游電壓
Vds ‧‧‧下游電壓
Vca ‧‧‧陰極差動電壓
Van ‧‧‧陽極差動電壓
圖1為依照本發明之第一實施例之一種燃料電池失效的預防裝置之示意圖。
圖2為第一實施例之燃料電池的差動電壓(DVcell )與電流(DV-I)之曲線圖。
圖3A是不同化學計量下第一實施例之燃料電池的上游電壓Vus 與下游電壓Vds 隨時間的變化曲線圖。
圖3B是圖3A的差動電壓DVcell 隨時間變化的曲線圖。
圖4是圖1之一變形例之燃料電池失效的預防裝置之示意圖。
圖5是圖1之另一變形例之燃料電池失效的預防裝置之示意圖。
圖6是不同化學計量下圖4與圖5之差動電壓隨時間變化的曲線圖。
圖7是不同相對濕度下第一實施例之燃料電池的差動電壓隨時間的變化曲線圖。
圖8為依照本發明之第二實施例之一種燃料電池失效 的預防裝置之示意圖。
圖9為圖8之燃料電池的失效預防之流程圖。
100‧‧‧燃料電池
102‧‧‧單電池
104a、104b‧‧‧集電板
106a、106b‧‧‧端板
108‧‧‧膜電極組
110‧‧‧陽極流場板
110a‧‧‧陽極流道
112‧‧‧陰極流場板
112a‧‧‧陰極流道
114‧‧‧陽極氣體擴散層
116‧‧‧陰極氣體擴散層
118‧‧‧負載
120a‧‧‧上游電壓監測單元
120b‧‧‧下游電壓監測單元
122‧‧‧資料處理單元
124‧‧‧系統控制單元
126a‧‧‧燃料入口歧道
126b‧‧‧燃料出口歧道
128a‧‧‧氧化劑入口歧道
128b‧‧‧氧化劑出口歧道
130‧‧‧上游
132‧‧‧下游
134‧‧‧運算放大器
136‧‧‧資料擷取單元
138‧‧‧電流計
L‧‧‧長度
Vus ‧‧‧上游電壓
Vds ‧‧‧下游電壓

Claims (19)

  1. 一種燃料電池失效的預防裝置，所述燃料電池包括至少一組單電池、位於所述單電池兩側的一對集電板以及分別位於該對集電板旁的一對端板，所述預防裝置包括：上游電壓監測單元，對應每一單電池並同步監測所述每一單電池的上游電壓；下游電壓監測單元，對應所述每一單電池並同步監測所述每一單電池的下游電壓；資料處理單元，接收所述上游電壓監測單元與所述下游電壓監測單元所傳輸的所述上游電壓與所述下游電壓的電壓訊號，以得到所述每一單電池的所述上游電壓與所述下游電壓之差動電壓；以及系統控制單元，根據所述差動電壓與一容許區間對所述燃料電池進行失效預防的矯正控制，當判定所述差動電壓低於所述容許區間的下限，則進行水管理不當的矯正控制，且當判定所述差動電壓高於所述容許區間的上限，則進行化學計量管理不當的矯正控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述上游電壓監測單元包括上游電壓計，所述下游電壓監測單元包括下游電壓計。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述上游電壓監測單元與所述下游電壓監測單元為陽極電壓計。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預 防裝置，其中所述上游電壓監測單元與所述下游電壓監測單元為陰極電壓計。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述單電池包括：膜電極組；陽極流場板，包括傳輸燃料的陽極流道；陰極流場板，包括傳輸氧化劑的陰極流道；陽極氣體擴散層，位於該膜電極組與該陽極流場板之間；以及陰極氣體擴散層，位於該膜電極組與該陰極流場板之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述燃料電池更包括：一燃料入口歧道，連接每一單電池的所述陽極流道的入口；一燃料出口歧道，連接每一單電池的所述陽極流道的出口；一氧化劑入口歧道，連接每一單電池的所述陰極流道的入口；以及一氧化劑出口歧道，連接每一單電池的所述陰極流道的出口。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述資料處理單元包括資料擷取單元與資料運算單元。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述水管理不當的矯正控制是選自包括增加相對溼度、降低所述燃料電池之溫度與降低化學計量中的至少一種措施。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述化學計量管理不當的矯正控制是選自包括增加化學計量、降低所述燃料電池之輸出功率、增加所述燃料電池之溫度與降低相對溼度中的至少一種措施。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述失效預防的矯正控制更包括：當判定所述差動電壓高於所述容許區間的上限並有瞬間高峰出現時，則進行水氾濫的矯正控制。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池失效的預防裝置，其中所述水氾濫的矯正控制包括將燃料與氧化劑通入所述單電池，以排水。
  12. 一種燃料電池失效的預防方法，所述燃料電池包括至少一組單電池、位於所述單電池兩側的一對集電板以及分別位於該對集電板旁的一對端板，所述預防方法包括：測量每一單電池的上游電壓與下游電壓，以得到所述上游電壓與所述下游電壓之差動電壓；以及判定所述差動電壓是否位於一容許區間內，如果所述差動電壓超出所述容許區間，則進行矯正，其中所述矯正包括：當所述差動電壓低於所述容許區間的下限，則進行水管理不當的矯正，且當所述差動電壓高於 所述容許區間的上限，則進行化學計量管理不當的矯正。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中測量所述上游電壓與所述下游電壓的方法包括：使用上游電壓計與下游電壓計分別量測每一單電池的上游電壓與下游電壓。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中測量所述上游電壓與所述下游電壓的方法包括使用陽極電壓計量測每一單電池的陽極之上游電壓與下游電壓。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中測量所述上游電壓與所述下游電壓的方法包括使用陰極電壓計量測每一單電池的陰極之上游電壓與下游電壓。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中所述水管理不當的矯正是選自包括增加相對溼度、降低所述燃料電池之溫度與降低化學計量中的至少一種措施。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中所述化學計量管理不當的矯正是選自包括增加化學計量、降低所述燃料電池之輸出功率、增加所述燃料電池之溫度與降低相對溼度中的至少一種措施。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池失效的預防方法，其中當所述差動電壓高於所述容許區間的上限並有瞬間高峰出現時，更包括進行水氾濫的矯正。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池失效的預防方法，其中所述水氾濫的矯正包括將燃料與氧化劑通入所述單電池，以排水。
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