TWI543433B - 燃料電池之陽極氣體管理方法及系統 - Google Patents

Description

燃料電池之陽極氣體管理方法及系統

本發明是一種燃料電池之陽極氣體管理方法及系統，尤其是指一種藉由量測燃料電池之陽極局部電流，並判斷燃料電池內部性能變化，據以啟閉陽極之出口的燃料電池之陽極氣體管理方法及系統。

長久以來，世界各地的石油油田大量被開採，其存量經探勘後亦所剩無幾，預估僅能再供人類支用最多30至50年，因此科學界已迫切地尋找替代能源方案。

燃料電池為一種不需使用石油做為動力源的新型能源，主要依賴氫與氧的氧化還原反應來發電。燃料電池可以採用多種方法來分類，本發明欲探討者，係以開放式或封閉式來分類。

上述所指的開放與封閉，指的是燃料電池的陽極在氧化還原的反應過程中處於開啟或是封閉的狀態。由於燃料電池在反應過程中，陰極會產生不需要的不純物(例如氮氣跟水)，並穿越隔離膜而往陽極擴散，若陽極處於封閉狀態，則隨著這些不純物逐漸於陽極累積，封閉式的燃 料電池之反應速率下降，放電性能也隨之降低；若改用開放式的燃料電池可以解決上述問題，然而，由於陽極為開啟狀態，如此為了令燃料電池維持高性能反應而必須持續提供氫氣，造成大量之氫氣浪費。且未能參與反應的氫氣會直接流出電池，使電池效率變相地降低。

為了避免封閉式的燃料電池受到不純物的影響，習用技術會採用一套判定電池內部性能是否下降的方法，並據此決定是否開啟陽極來排出不純物。

其中一種習知方法是在固定的電流密度下測量電壓的變化，並依據電壓下降的程度來估測燃料電池內部的放電性能。然而，實務中的燃料電池並不可能一直以同樣的負載操作，由於燃料電池的電壓會隨著電流密度變動，當電流密度隨著負載改變而變化劇烈時，電壓也就跟著變化劇烈，如此導致電壓的量測並非建立在單一變數(不純物的濃度)的標準下，使量測的電壓值毫無參考價值可言。

另一種習知方法是使用電流積分法，此種方法可以應用於上述的變動負載狀況，係隨時間對電流進行積分，當積分的電流值累積到一定程度以後即開啟陽極。此方法的缺點是需常駐消耗大量的記憶體來持續計算並記憶電流積分值，且其係由外部計算整個燃料電池的電流積分，並無法測知燃料電池內部的局部性能是否已經下降。再者，包含燃料電池在內，任何電池都存在老化問題，隨 著燃料電池老化，前述積分值需由專業人士隨時進行調整，在維修服務上存在諸多麻煩。

為解決上述問題，本發明提出一種燃料電池之陽極氣體管理方法及系統，藉由區分燃料電池之陽極以測量陽極的局部電流與整體電流，並利用局部電流以及整體電流建立一變動特徵值，再透過此變動特徵值做為陽極之出口啟閉的管理方針之依據。

依據本發明之一實施方式，提供一種燃料電池之陽極氣體管理方法，其用於管理一燃料電池堆之一陽極的一出口，本實施方式包含以下步驟：分割前述之陽極，使其區分為一第一區塊以及一第二區塊。提供一第一電流計以及一第二電流計。電性串聯第二區塊以及第二電流計。電性並聯第一區塊以及第二區塊以形成一整體電流組。電性串聯第一電流計以及前述之整體電流組。電性量測第一電流計以及第二電流計，並以第二電流計之讀值以及第一電流計之讀值的比值作為一變動特徵值。設定一臨界特徵值。令燃料電池堆放電，使變動特徵值下降。以及監測變動特徵值與臨界特徵值相等時，開啟出口。

在以上所述的電性並聯以及電性串聯中，係使第二電流計僅能量測到第二區塊的電流密度，而在第二電流計與第一區塊電性並聯後，整體電流組之電流密度即為 整個陽極的總電流密度，亦即第一電流計所測量到的電流密度讀值。

在本實施方式中，前述所指的第二區塊代表燃料電池堆中較靠近陽極出口之區域，由於氮氣與水氣在陽極出口最先開始堆積，因此濃度較高，選擇此處做為局部電流的量測對象，係因其具有較高的指標性，可做為燃料電池是否開始出現性能下降的判斷依據。

假設燃料電池的負載電流密度恆定，且也不產生任何不純物，則理論上變動特徵值也維持恆定。然而，實際上變動特徵值受上述因素影響而會隨時改變，在變動特徵值等於預先設定的臨界特徵值時，則開啟出口以排出不純物。

本實施方式的變動特徵值為第二電流計與第一電流計之讀值比值，而根據此定義以及上述內容可知，當燃料電池局部區域性能下降時，此區域的電流密度下降，雖然第一區塊以及第二區塊的電流密度值都在降低，但前者的降幅遠不如後者明顯(因氮氣與水氣的分布並非均勻)，如此造成變動特徵值在燃料電池的放電過程中，為呈現逐漸降低的趨勢。

因此，依據本實施方式之示例，上述所指的臨界特徵值乃低於初始狀態的變動特徵值，隨著不純物於放電過程中不斷累積，最終變動特徵值會下降至與臨界特徵值相等。

藉由本實施方式，本發明之燃料電池之陽極氣體管理方法可以解決習知技術因忽略變動負載因素所導致的判斷失準問題，也不需要使用額外的硬體來計算以及調校相關數值。最重要的是，本實施方式乃針對燃料電池中最先出現性能降低的區域及早偵測以及管理，相較於習知技術僅由外部測量燃料電池的整體電性數值，本實施方式的偵測與判斷更符合燃料電池的真實情況。

另外，關於臨界特徵值之設定，本實施方式另可包含：封閉前述出口，並令燃料電池堆於一預載電流密度以及一預載電壓放電。監測前述之預載電壓，當預載電壓下降一電壓閾值時，測量第二電流計之一特徵電流密度值。計算前述特徵電流密度值與預載電流密度之比值而產生一正規化特徵值。以及將前述臨界特徵值取代為正規化特徵值。

上述之預載電流密度實質上即為第一電流計的讀值，而特徵電流密度值相對於預載電流密度之關係，可類比為第二電流計相對於第一電流計，亦即陽極出口端以及整個陽極之電流密度的比值。

設置電壓閾值的目的，在於燃料電池堆的受電體對操作電壓的容許下限值不盡相同，對於操作電壓之範圍要求較嚴格的電器設備者，電壓閾值亦相對窄縮，以本實施方式為例，電壓閾值可以定義為0.1伏特，但實際情況則按照使用者的需要自行定義。

當預載電壓的降幅等於電壓閾值時，此時陽極出口端的性能降低程度，亦同時體現於第二電流計的降幅，因此藉由特徵電流密度值與預載電壓相除而得之正規化特徵值，能夠很好地反映出操作電壓的即時情況，進而得知燃料電池堆的性能降低程度。

依據本發明之另一實施方式，提供一種燃料電池之陽極氣體管理系統，其包含一燃料電池堆、一第一電流計、一第二電流計、一測量模組以及一控制模組。

燃料電池堆具有一陽極，且陽極具有一出口並區分為一第一區塊以及一第二區塊。第二電流計電性串聯第二區塊，且兩者又並聯第一區塊以形成一整體電流組。第一電流計電性串聯整體電流組，如此使第一電流計可量測整個陽極的電流密度值，而第二電流計僅量測第二區塊的電流密度值。

測量模組電性連接燃料電池堆，並且量測第一區塊以及第二區塊之電流密度，其後，測量模組輸出第二電流計以及第一電流計之讀值的比值作為一變動特徵值。

設定模組儲存一臨界特徵值，此處所述的臨界特徵值之意義與前述第一實施方式相同，故此處不再說明。另外，設定模組可以僅是安置在燃料電池之陽極氣體管理系統內的一智能晶片，例如整合在測量模組內。

控制單元可以是一常閉電磁閥，其訊號連接設定模組，控制單元連動控制前述陽極之出口，且比對前述 的變動特徵值與臨界特徵值後，依據設定模組的設定而控制啟閉前述出口。

本實施方式相較於習知技術的主要優點，在於其僅需要偵測第一電流計以及第二電流計的讀值，變動特徵值為依據此二數值的簡單運算，不需要複雜的積分計算過程。且因變動特徵值並非一持續累積的數值，因此也不會耗費大量的記憶體來保留相關資訊，僅需在變動特徵值達到設定條件後進行相應動作即可。

前述之燃料電池之陽極氣體管理系統可以包含一正規化模組，其用於提供燃料電池堆於一預載電流密度以及一預載電壓下放電，並監測前述之預載電壓。

由前述第一實施方式可知，無論是以何種電性條件進行放電，只要燃料電池堆的陽極出口被封閉，則其電壓會因不純物影響而呈現下降趨勢。當預載電壓下降一電壓閾值時，正規化模組測量第二電流計之一特徵電流密度值，並計算其與預載電流密度之比值，據此產生一正規化特徵值，再將前述之臨界特徵值取代為此一正規化特徵值。

前述之電壓閾值可以為0.1伏特，但如同前述所說，電壓閾值係依據各種電器的操作條件加以修改設定，並依據電壓閾值的下限設定來決定特徵電流密度值的量測時機。

100‧‧‧燃料電池之陽極氣體管理方法

200‧‧‧燃料電池之陽極氣體管理系統

300‧‧‧燃料電池堆

310‧‧‧陽極

311‧‧‧第一區塊

312‧‧‧第二區塊

313‧‧‧出口

400‧‧‧第一電流計

500‧‧‧第二電流計

600‧‧‧測量模組

700‧‧‧控制模組

800‧‧‧正規化模組

E_n‧‧‧正規化特徵值

E_t‧‧‧臨界特徵值

E_v‧‧‧變動特徵值

J_n‧‧‧特徵電流密度值

J_s‧‧‧預載電流密度

S‧‧‧整體電流組

V_s‧‧‧預載電壓

V_t‧‧‧電壓閾值

S01~S12‧‧‧步驟

第1A圖係繪示本發明一實施方式之燃料電池之陽極氣體管理方法的步驟流程圖；第1B圖係繪示本發明一實施方式之燃料電池之陽極氣體管理方法的步驟流程圖；第2圖係繪示本發明另一實施方式之燃料電池之陽極氣體管理系統的結構方塊圖；第3圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統的燃料電池堆監測示意圖；第4A圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統的電子負載示意圖；以及第4B圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統的特徵值正規化示意圖。

第1A圖以及第1B圖係繪示本發明一實施方式之燃料電池之陽極氣體管理系統100的步驟流程圖。請參照第1A圖以及第1B圖，本實施方式之燃料電池之陽極氣體管理系統100用於管理一燃料電池堆300之一陽極310的一出口313(因說明之需要，請先配合參照第2圖、第3圖、第4A圖以及第4B圖中之圖式符號)，並包含以下步驟：步驟S01為分割前述之陽極310，使其區分為一第一區塊311以及一第二區塊312。其中，第二區塊312較靠近前述陽極310之出口313，而根據電學常識可知，當燃料電池堆300 形成通路而有電流通過時，此電流值應為第一區塊311以及第二區塊312之電流的總和。

步驟S02為提供一第一電流計400以及一第二電流計500。步驟S03係電性串聯第二區塊312以及第二電流計500。亦即使用第二電流計500來量測第二區塊312之電流密度值。

步驟S04為電性並聯第一區塊311以及第二區塊312以形成一整體電流組S。如同上述所言，由於陽極310僅被區分為第一區塊311以及第二區塊312，此處所指的整體電流組S，即代表了其內部的電流為燃料電池堆300的總電流。

步驟S05為電性串聯第一電流計400以及前述之整體電流組S。步驟S06為電性量測第一電流計400以及第二電流計500，並以第二電流計500之讀值以及第一電流計400之讀值的比值作為一變動特徵值Ev。

由步驟S01至步驟S05可知，第一電流計400用於量測第一區塊311以及第二區塊312的電流密度值之總和，而第二電流計500僅針對第二區塊312做局部電流密度值的量測。此處所述的各個電流計可以是一般的安培計，而電流密度值與電路截面積的乘積即為電流值，此為既有電學知識，故不詳細說明電流密度值的量測方法。

於步驟S06中，變動特徵值Ev可以被視為是第二區塊312之電流密度值在整個陽極310中所佔的電流密度值之比重，由前述介紹可知，第一電流計400、第二電流 計500乃至於變動特徵值E_v，三者在燃料電池堆300的放電過程中會隨時間變動，本實施方式主要即是利用上述變動特徵值E_v是否達到某個設定條件，據此做出後續決策。

步驟S07係封閉前述的出口313，並令燃料電池堆300於一預載電流密度J_s以及一預載電壓V_s下放電，此處設置的電流以及電壓等環境條件為電學領域的通常知識者可以輕易設置，且這些數值的大小亦不需特別界定，因此亦不多作說明。

步驟S08為監測預載電壓V_s，當預載電壓V_s下降一電壓閾值V_t時，測量第二電流計500之一特徵電流密度值J_n。由於陽極310部份會受不純物累積影響，故可知在燃料電池堆300放電一段時間後，特徵電流密度值J_n必定會低於原先的預載電流密度J_s，而步驟S07與步驟S08的目的即在於觀察預載電壓V_s的降幅以及第二電流計500之讀值的變化關係，並且依據容許的電壓閾值V_t，對當時的特徵電流密度值J_n進行紀錄。

步驟S09為計算前述特徵電流密度值J_n與預載電流密度J_s之比值而產生一正規化特徵值E_n。由步驟S01至步驟S05的說明可知，正規化特徵值E_n是做為變動特徵值E_v的下限標準而存在。

舉例言之，若設定電壓閾值為0.1伏特，則當預載電壓V_s下降0.1伏特時，測量特徵電流密度值J_n為預載電流密度J_s之80%，則得到正規化特徵值E_n為0.8。

然而，本實施方式所定義的各種特徵值僅為說明用途，實際上並不限制其定義方式，例如可以將特徵值定義成第一電流計400與第二電流計500之讀值比值，則此時上述的正規化特徵值E_n成為1.25。

步驟S10係將臨界特徵值E_t取代為前述之正規化特徵值E_n。需在此特別說明的是，針對不同廠牌以及型號的燃料電池、以及應用在不同的受電體上，其容許的臨界特徵值E_t皆可能有所變動。因此，步驟S07至S10的用途即是提供使用者在未知燃料電池的特性之下，先行利用上述步驟找出適合的臨界特徵值E_t。

步驟S11係令燃料電池堆300放電，使變動特徵值E_v下降。步驟S12為監測變動特徵值E_v與臨界特徵值E_t相等時，開啟出口313。

步驟S11以及步驟S12即為燃料電池堆300之實際使用流程，由於臨界特徵值E_t已透過上述步驟求取，因此可藉由第一電流計400以及第二電流計500計算並監測變動特徵值E_v，並於其與臨界特徵值E_t相等時開啟陽極310的出口313，使前述的不純物排出陽極310，進而使燃料電池堆300的性能回到正常水準。

透過上述的實施方式，本發明之燃料電池之陽極氣體管理系統100可以簡易地利用各種電流密度之間的特徵值關係，建立燃料電池堆300的操作標準，且在後續的監控上並不若習知技術的繁雜以及耗用硬體資源。更重要的是，本實施方式所監控的對象為燃料電池實務使用上 最先開始發生性能下降之處，相較於習用技術直接測量電壓、或是對整個燃料電池進行電流積分，本發明所使用的方法可以避免這些技術所遭遇的不準確問題，提供更貼近實際操作狀況的判斷基準。

第2圖係繪示本發明另一實施方式之燃料電池之陽極氣體管理系統200的結構方塊圖。第3圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統200的燃料電池堆300監測示意圖。請一併參照第2圖以及第3圖，燃料電池之陽極氣體管理系統200包含一燃料電池堆300、一第一電流計400、一第二電流計500、一測量模組600、一控制模組700以及一正規化模組800。

如第3圖所示，燃料電池堆300具有一陽極310，陽極310具有一出口313並區分為一第一區塊311以及一第二區塊312，本實施方式所使用的出口313可以是常閉電磁閥，利用電路訊號控制其啟閉。

由於一般的電池皆有陽極310以及陰極，而陰極並非本發明所欲討論重點，因此連同其餘不需要的元件(例如外接的其他電器)並未於圖中繪示。另外，為避免訊號連接以及電路連接產生混淆，圖中之訊號連接以虛線表示，電路連接則以實線表示。

陽極310所包含的出口313實際上位於輸送燃料電池堆300反應所需的氣體管路上，因此出口313的啟閉狀態直接影響陽極310附近的氣體組成。

第二電流計500電性串聯第二區塊312，並且電性並聯第一區塊311而形成一整體電流組S，而第一電流計400又電性串聯整體電流組S。由第3圖可知，第一電流計400將測得燃料電池堆300的整體電流，而第二電流計500僅測得流經第二區塊312的電流。

測量模組600電性連接燃料電池堆300，並且分別量測第一電流計400與第二電流計500的電流密度，且測量模組600輸出第二電流計500之讀值以及第一電流計400之讀值的比值，將此比值作為一變動特徵值E_v，此處變動特徵值E_v的特性已如上述第一實施方式所述，因此不再說明。

控制模組700儲存一臨界特徵值E_t並連動控制前述之出口313，且控制模組700訊號連接測量模組600以接收變動特徵值E_v，並比對變動特徵值E_v與臨界特徵值E_t後，控制啟閉前述出口313。舉例來說，當變動特徵值E_v等於甚至低於臨界特徵值E_t時，控制模組700即開啟出口313，直到變動特徵值E_v高於臨界特徵值E_t某個幅度後，再次關閉出口313。

第4A圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統200的電子負載示意圖。第4B圖係繪示第2圖之燃料電池之陽極氣體管理系統200的特徵值正規化示意圖。請再參照第4A圖以及第4B圖，如同前述說明，控制模組700所儲存的變動特徵值E_v可以自由設定，也可以依據一定步驟的正規化流程之結果而設定。

如第4B圖所示，在上述的啟閉控制之前，燃料電池堆300、第一電流計400以及第二電流計500形成迴路以準備進行正規化，此時為得知燃料電池堆300的電性特性，正規化模組800提供燃料電池堆300於一預載電流密度J_s以及一預載電壓V_s下放電，此處的預載條件可以透過連接簡單的電阻達成，只要可使第一電流計400以及第二電流計500產生讀值以供後續正規化用途，並不限制此條件的設置形式，也不限制電流密度J_s與預載電壓V_s的數值大小。

由第4A圖可知，第一電流計400在燃料電池堆300開始操作時，其讀值應與預載電流相同，而第二電流計500為第一電流計400之分流值。當燃料電池堆300操作一段時間過後，因陽極310之不純物累積，迴路內的電壓會開始下降，以第4B圖為例，當預載電壓V_s下降的幅度到達一電壓閾值V_t時，此時迴路內電壓為V_s-V_t，代表此為可接受之電壓的最低下限，本實施方式預設電壓閾值V_t為0.1伏特，但此數值可以自行調變。

正規化模組800訊號連接第一電流計400以及第二電流計500以監測兩者讀值，當預載電壓V_s的降幅到達前述的電壓閾值V_t時，記錄此時的第二電流計500之讀值為一特徵電流密度值J_n，並將此值與預載電流密度J_s相除而成為一正規化特徵值E_n，即E_n=J_n/J_s。其後，再將前述之臨界特徵值E_t取代為此一正規化特徵值E_n，做為出口313的啟閉之判斷標準。

本實施方式之燃料電池之陽極氣體管理系統200的優點在於監測燃料電池堆300而利用特徵值變化來得知燃料電池局部性能的真實變化情況。相較於習知技術會因為電池老化問題而需不斷地調整積分值來修正出口啟閉的判定條件，本實施方式可以免除上述困擾，直接掌握燃料電池堆300的真實運作情況，藉此達到主動以及自動地性能調節。

由上述各個實施方式所揭露內容，本發明至少具備以下優點：

第一，本發明監測陽極末端的電流密度值以及臨界特徵值，並藉由上述數值來建立其與燃料電池堆的性能之關係，以利於後續排放不純物之氣體來維持燃料電池堆的良好運作，此管理方案不但較習知技術擁有更精確的監測結果，於燃料電池的操作管理也提供了高度的便利性。

第二，現有的技術需要使用額外的硬體來對電流進行積分，又積分上限值之設定與燃料電池真實的性能反應難以直接關聯，不僅需要更多的硬體成本、存在當機等失效風險之外，積分值的調整亦相當耗費人力；本發明改變上述之管理策略，使燃料電池堆的性能的監測大幅簡化且穩定化。

第三，本發明不使用直接量測電壓的方式來評估燃料電池的操作情況，因此可以較佳地應用於多種電 器，不致因為部份電器有負載劇烈變動的特性，而使量測結果跟著失準，較習用技術擁有更良好的泛用度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

300‧‧‧燃料電池堆

310‧‧‧陽極

311‧‧‧第一區塊

312‧‧‧第二區塊

313‧‧‧出口

400‧‧‧第一電流計

500‧‧‧第二電流計

700‧‧‧控制模組

800‧‧‧正規化模組

E_n‧‧‧正規化特徵值

E_t‧‧‧臨界特徵值

J_n‧‧‧特徵電流密度值

S‧‧‧整體電流組

V_s‧‧‧預載電壓

V_t‧‧‧電壓閾值

Claims (7)

1. 一種燃料電池之陽極氣體管理方法，用於管理一燃料電池堆之一陽極的一出口，該燃料電池之陽極氣體管理方法包含：分割該陽極，使該陽極區分為一第一區塊以及一第二區塊；提供一第一電流計以及一第二電流計；電性串聯該第二區塊以及該第二電流計；電性並聯該第一區塊以及該第二區塊以形成一整體電流組；電性串聯該第一電流計以及該整體電流組；電性量測該第一電流計以及該第二電流計，並以該第二電流計之讀值以及該第一電流計之讀值的比值作為一變動特徵值；設定一臨界特徵值；令該燃料電池堆放電，使該變動特徵值下降；以及監測該變動特徵值與該臨界特徵值相等時，開啟該出口。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之陽極氣體管理方法，另包含：封閉該出口，並令該燃料電池堆於一預載電流密度以及一預載電壓放電； 監測該預載電壓，該預載電壓下降一電壓閾值時，測量該第二電流計之一特徵電流密度值；計算該特徵電流密度值與該預載電流密度之比值而產生一正規化特徵值；以及將該臨界特徵值取代為該正規化特徵值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池之陽極氣體管理方法，另包含：定義該電壓閾值為0.1伏特。
4. 一種燃料電池之陽極氣體管理系統，包含：一燃料電池堆，該燃料電池堆具有一陽極，該陽極具有一出口並區分為一第一區塊以及一第二區塊；一第一電流計；一第二電流計，該第二電流計電性串聯該第二區塊，且該第一區塊電性並聯該第二區塊而形成一整體電流組，而該第一電流計電性串聯該整體電流組；一測量模組，電性連接該燃料電池堆並量測該第一區塊以及該第二區塊之電流密度，且該測量模組輸出該第二電流計之讀值以及該第一電流計之讀值的比值作為一變動特徵值；一控制模組，其儲存一臨界特徵值並連動控制該出口，且該控制模組訊號連接該測量模組，並比對該變動特徵值與該臨界特徵值後控制啟閉該出口。
5. 如申請專利範圍第4項之燃料電池之陽極氣體管理系統，其中該控制模組透過一常閉電磁閥啟閉該出口。
6. 如申請專利範圍第4項之燃料電池之陽極氣體管理系統，另包含：一正規化模組，其提供該燃料電池堆於一預載電流密度以及一預載電壓下放電，並監測該預載電壓，該預載電壓下降一電壓閾值時，該正規化模組測量該第二電流計之一特徵電流密度值，並計算該特徵電流密度值與該預載電流密度之比值而產生一正規化特徵值，且該正規化模組將該臨界特徵值取代為該正規化特徵值。
7. 如申請專利範圍第6項之燃料電池之陽極氣體管理系統，其中該電壓閾值為0.1伏特。