TWI581492B - Fuel cell system with constant gas pressure difference and its pressure reducing valve - Google Patents

Fuel cell system with constant gas pressure difference and its pressure reducing valve Download PDF

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Description

氣體壓差恆定之燃料電池系統及其減壓閥 【0001】
本發明係關於一種燃料電池系統及其減壓閥，尤指一種可恆定維持氧化劑氣體與燃料氣體之間的氣體壓差之燃料電池系統，以及使達成恆定壓差目標之減壓閥。



 【0002】
燃料電池是一種透過氧或是其他氧化劑進行氧化還原反應，將燃料中的化學能轉換成電能的電池，其優點是可以不間斷地提供穩定電力，直至燃料耗盡。最常見的燃料為氫；而一些碳氫化合物例如天然氣、醇和甲烷等，有時亦會作為燃料使用。
【0003】
前述之氧化還原反應通常是利用水的電解的逆反應來達成發電的目的，其工作原理係向陽極供給燃料(氫)，並向陰極供給氧化劑(空氣)；氫在負極分解成正離子和電子，氫離子通過質子交換膜，而電子則沿外部電路移向正極，負載電性連接於外部電路中。因此，燃料電池本身僅起催化轉換作用，而無活性物質儲存電力。另外，在質子交換膜燃料電池的應用時，通常會將燃料電池單體以堆疊形式製作為燃料電池堆以增加燃料電池的輸出功率。
【0004】
在習知的質子燃料電池系統中，燃料的進氣方式係利用減壓閥將氣體源的壓力作減壓，並將壓力穩定在一定的範圍後，再將之導入燃料電池。在典型的設計中，參與反應的氣體會經由不同且互為獨立的迴路進入燃料電池當中，以氫氣為燃料及使用空氣為氧化劑為例，進入燃料電池之氫氣壓力以及空氣壓力為各自獨立，並不互相影響。燃料電池在運轉時，氫氣經減壓閥控制而使氫氣壓力為一固定值，但相較之下，空氣壓力則為動態變化，因為隨著燃料電池輸出電力的不同，空氣壓縮機會調整轉速使空氣達到一個適合的流量供反應所需，導致空氣壓力也會隨著改變。這也表示氫氣與空氣之壓力差也是呈現動態變化。
【0005】
於燃料電池的結構中，氫氣與空氣係分別在質子交換膜兩側流通，一般而言，氫氣壓力必需略大於空氣壓力，以有利氫質子從陽極通過質子交換到陰極。但若是膜片兩側壓力差過大，則會造成膜片破裂，因此一般將氫氣廻路減壓，使氫氣壓力設定較低而保護質子交換膜，約為0.2~0.5bar錶壓力。然而，雖然為了保護燃料電池中的質子交換膜不會因為壓力差造成破裂而對氫氣壓力進行調整，但這並不能改變氫氣與空氣之壓力差係呈現動態變化之狀況；當燃料電池工作壓力下降時，燃料電池的發電效率也會隨著減低，空氣壓力在這過程中會隨著改變，從而讓質子交換膜兩側的壓力長時間處於不穩定的變化，造成質子交換膜的疲勞，縮短燃料電池的使用壽命。
【0006】
因此，如何將燃料電池的燃料氣體與氧化劑之壓力差為動態變化之狀況排除，即為本技術領域所要解決的實務問題。



 【0007】
本發明之主要目的，係提供一種氣體壓差恆定之燃料電池系統，其係在燃料氣體(例如氫氣)輸入管上的減壓閥引入氧化劑氣體(例如空氣)，使氧化劑氣體壓力可透過減壓閥當中的膜片而使減壓閥的燃料氣體輸出獲得壓力修正，且其修正後的壓力變化會與空氣壓力的變化同步。換句話說，進入燃料電池當中的氧化劑氣體以及燃料氣體能維持恆定的氣壓差，導致燃料電池的質子交換膜片不會因為兩側壓力的不穩定變化而發生疲勞，從而延長了燃料電池的使用壽命。
【0008】
本發明之再一目的，係提供一種減壓閥，其在減壓閥當中包含調整彈簧，因此除了空氣壓力以外，也可透過調整彈簧對膜片進行推擠，而這個調整彈簧所施以的壓力可作為進入燃料電池之燃料氣體與氧化劑氣體壓力差。同時，這也符合燃料電池當中，燃料氣體壓力必需略大於氧化劑氣體壓力的工作原理。
【0009】
本發明之另一目的，係提供一種氣體壓差恆定之燃料電池系統，其允許使用者改變調整彈簧的壓力，使本發明得靈活應用於不同壓差需求的燃料電池系統。
【0010】
因此，本發明揭示了一種氣體壓差恆定之燃料電池系統，其結構係包含：一氧化劑氣體輸入管；一燃料電池，其係與該氧化劑氣體輸入管相連接；一燃料氣體輸入管，其係與該燃料電池相連接；以及一減壓閥，其係設置於該燃料氣體輸入管上，且其進一步與該氧化劑氣體輸入管相連接，使該燃料氣體輸入管內之燃料氣體壓力與該氧化劑氣體輸入管內之氧化劑氣體壓力為同步變化，維持一固定氣壓差。
【0011】
而在所使用的減壓閥的結構上，則係包含：一第一腔體，其係與一燃料氣體輸入管相連接，該第一腔體具有一閥門單元控制該第一腔體內之燃料氣體流通量；一膜片，其係相鄰於該第一腔體，該膜片係與該閥門單元相連接；以及一第二腔體，其係透過該膜片而與該第一腔體相鄰，並進一步與一氧化劑氣體輸入管之複數個出口其中之一者相連接，且其具有一調整彈簧，該調整彈簧可推擠該膜片而使該閥門單元之位置改變。
1‧‧‧空氣輸入管
101、102‧‧‧出口
1a、1b、1c、1d、1e‧‧‧區段
2‧‧‧燃料電池
3‧‧‧氫氣輸入管
3a、3b、3c、3d‧‧‧區段
4‧‧‧減壓閥
41‧‧‧第一腔體
41U‧‧‧上游端
41D‧‧‧下游端
410‧‧‧閥門單元
410A‧‧‧流通口
42‧‧‧第二腔體
420‧‧‧調整彈簧
421‧‧‧彈簧壓力調節單元
43‧‧‧膜片
51‧‧‧壓縮機
52‧‧‧加濕器
53‧‧‧開關閥
54‧‧‧循環泵
55‧‧‧排氣閥
6a、6b‧‧‧第一氣體輸出管(區段)
7a、7b‧‧‧第二氣體輸出管(區段)
Pa‧‧‧空氣壓力
Ps‧‧‧調整彈簧壓力
PH‧‧‧氫氣壓力
【0012】

第1圖：其係為本發明一較佳實施例之燃料電池系統結構示意圖；
第2圖：其係為本發明一較佳實施例中，減壓閥之結構示意圖；
第3圖：其係為本發明一較佳實施例中，減壓閥之結構示意圖，用以表示第二腔體係與氧化劑氣體輸入管之複數個出口其中之一者相連接；以及
第4圖：其係為本發明一較佳實施例中，燃料電池之測試結果圖，用以表示輸入燃料電池之空氣以及氫氣係維持恆定壓差。



 【0013】
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
【0014】
首先請參考第1圖，本發明於一較佳實施例中所揭示的氣體壓差恆定之燃料電池系統及其減壓閥，在硬體結構上係包含了：一空氣輸入管1(同時亦以區段性之1a、1b、1c、1d以及1e表示)、一燃料電池2、一氫氣輸入管3(同時亦以區段性之3a、3b、3c以及3d表示)以及一減壓閥4。其中，燃料電池2係與空氣輸入管1相連接；氫氣輸入管3係與燃料電池2相連接，而減壓閥4則係設置於氫氣輸入管3上。本發明在此較佳實施例中，係以氫氣為燃料氣體，並使用空氣為氧化劑。
【0015】
本發明為了讓進入燃料電池當中的空氣以及氫氣能維持恆定的氣壓差，請一併參考第2圖，減壓閥4之結構係包含了一第一腔體41、一第二腔體42以及一膜片43。其中的第一腔體41係與氫氣輸入管3相連接，其具有一閥門單元410控制第一腔體41內之氫氣流通量；膜片43係相鄰於第一腔體41，且膜片43係與閥門單元410相連接；第二腔體42則係透過膜片43而與第一腔體41相鄰，並進一步與空氣輸入管1相連接，且第二腔體42的內部具有一調整彈簧420，此調整彈簧420可經由推擠膜片43而使閥門單元410之位置改變。如第2圖之較佳實施例所示，閥門單元410若經調整彈簧420的推擠力量影響，其可於垂直方向上產生位移，改變流通口410A的大小，進而影響氫氣輸入管3在通過減壓閥4後的流通量。
【0016】
基於第2圖所示的結構，氫氣之壓力可在減壓閥內減壓的同時，獲得來自空氣壓力的影響而得到修正。當具有壓力Pa 的空氣自空氣輸入管1進入到第二腔體42時，此第二腔體42就會具有壓力Pa ，並施力於膜片43。而除了來自空氣的壓力Pa ，第二腔體42尚有來自調整彈簧420施於膜片43的壓力Ps ，因此與膜片43相連接之閥門單元410係承受總和為Pa +Ps 的壓力。為了要使氫氣得以流通，氫氣輸入管3之壓力PH 需維持在等於Pa +Ps 的水準。
【0017】
進一步而言，本發明之較佳實施例中，第一腔體41係以閥門單元410而區隔為一上游端41U以及一下游端41D，其中僅下游端41D係與膜片43相鄰。據此結構，當氫氣要由上游端41U進入下游端41D，進而再進入燃料電池的過程中，氫氣的壓力PH 在下游端41D修正為Pa +Ps ，其中的Ps 為定值，因此會與空氣輸入管1的壓力達到同步變化的效果。換句話說，當系統架構中的燃料電池開始運轉待機時，空氣尚未進入空氣輸入管1，因此空氣壓力Pa 為零，此時氫氣在減壓閥4所受到的壓力修正等於調整彈簧420所設定的壓力Ps ；當空氣開始供應至空氣輸入管1後，空氣壓力Pa 升高，並且進入減壓閥4的第二腔體42當中，使得氫氣在減壓閥4所受到的壓力修正升高為空氣壓力Pa 加上壓差Ps ；同樣的，當空氣壓力Pa 降低時，氫氣在減壓閥4所受到的壓力修正也會伴隨著降低。因此，進入燃料電池的空氣與氫氣壓差可恆定地維持在調整彈簧420所設定的壓力Ps 。調整彈簧420所設定的壓力Ps 可透過彈簧壓力調節單元421作改變，而旋鈕為彈簧壓力調節單元421的較佳形式之一，以螺桿方式進行壓力調整亦可。
【0018】
而除了上述必要結構及其運作機制以外，本發明於一較佳實施例為了提升系統的運作效能，可進一步設置一洩壓閥，其係與第二腔體相連接。此洩壓閥可在空氣壓力Pa 過高時，將空氣排出而降低空氣壓力Pa ，使氫氣不會在減壓閥承受過大的空氣壓力Pa 。
【0019】
複請參考第1圖，本發明於一較佳實施例可更包含一壓縮機51、一加濕器52、一開關閥53、一循環泵54以及一排氣閥55。如圖所示，壓縮機51其係設置於空氣輸入管1之區段1a、1b之上，其係將環境空氣作為主要的供應氣源，利用機械能使空氣加壓，提供燃料電池充足的反應空氣；加濕器52係設置於空氣輸入管之區段1b、1C上，同時會連接一第一氣體輸出管6之區段6a、6b，其係利用燃料電池自身發電時所產生的水，將其回收後用以提升壓縮空氣的濕度；開關閥53係設置於氫氣輸入管3之區段3a、3b上，並位於氫氣源以及減壓閥4之間，其係用以控制氫氣的供應與切斷；循環泵54係設置於一第二氣體輸出管7之區段7a上，用以回收未反應完的氫氣，以減少氫氣的消耗量，例如透過連接氫氣輸入管之區段3d而將氫氣再利用；排氣閥55則係設置於第二氣體輸出管7之區段7b上，用以排放燃料電池所生成的水氣與廢氣。
【0020】
請參考第3圖，其係為本發明所揭示減壓閥，以其單體的運作機制而言，其結構中的第二腔體42係與一氧化劑氣體(例如空氣)輸入管之複數個出口101、102其中之一者相連接，而非僅與氧化劑氣體的唯一輸入管相連接，因為減壓閥與氧化劑氣體輸入管相連接僅是為了取得氧化劑氣體的壓力值，並不是作為流通氧化劑氣體之用。
【0021】
請參考第4圖，其係為本發明於實際測試時所呈現的壓差穩定現象；在先輸入氫氣至燃料電池，然後再輸入空氣的通常操作步驟之下，如圖所示，氫氣壓力會從最初期之ΔP(此時空氣尚未被輸入)開始，而在空氣被輸入後，隨著燃料電池的持續使用，即便是空氣壓力Pa 呈現出不穩定之變動型態，氫氣壓力PH 仍能穩定的與空氣壓力Pa 維持同步變化，兩者之間固定具有壓差為Ps ，可讓燃料電池的質子交換膜片不會因為兩側壓力的不穩定變化而發生疲勞，延長了燃料電池的使用壽命。
【0022】
綜上所述，本發明詳細揭示了一種氣體壓差恆定之燃料電池系統，其係在燃料氣體輸入管上的減壓閥引入氧化劑氣體，使氧化劑氣體壓力可透過減壓閥當中的膜片而使燃料氣體獲得壓力修正，讓進入燃料電池當中的氧化劑氣體以及燃料氣體能維持恆定的氣壓差，可避免燃料電池的使用壽命因為質子交換膜的疲勞而縮短，故無疑為一種極具開發價值之氣體壓差恆定之燃料電池系統。
【0023】
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧空氣輸入管
1a、1b、1c、1d、1e‧‧‧區段
2‧‧‧燃料電池
3‧‧‧氫氣輸入管
3a、3b、3c、3d‧‧‧區段
4‧‧‧減壓閥
51‧‧‧壓縮機
52‧‧‧加濕器
53‧‧‧開關閥
54‧‧‧循環泵
55‧‧‧排氣閥
6a、6b‧‧‧第一氣體輸出管(區段)
7a、7b‧‧‧第二氣體輸出管(區段)

Claims (12)

  1. 【第1項】
    一種氣體壓差恆定之燃料電池系統，其結構係包含：
    一氧化劑氣體輸入管；
    一燃料電池，其係與該氧化劑氣體輸入管相連接；
    一燃料氣體輸入管，其係與該燃料電池相連接；以及
    一減壓閥，其係設置於該燃料氣體輸入管上，且其進一步與該氧化劑氣體輸入管相連接，使該燃料氣體輸入管內之燃料氣體壓力與該氧化劑氣體輸入管內之氧化劑氣體壓力為同步變化，維持一固定氣壓差。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其中該減壓閥係包含：
    一第一腔體，該燃料氣體輸入管係與該第一腔體相連接，其具有一閥門單元控制該第一腔體內之燃料氣體流通量；
    一膜片，其係相鄰於該第一腔體，該膜片係與該閥門單元相連接；以及
    一第二腔體，其係透過該膜片而與該第一腔體相鄰，並進一步與該氧化劑氣體輸入管相連接，且其具有一調整彈簧，該調整彈簧可推擠該膜片而使該閥門單元之位置改變。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第2項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其中該減壓閥更包含一彈簧壓力調節單元。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第2項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其中該第二腔體進一步與一洩壓閥相連接。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第1項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其更包含一壓縮機，其係設置於該氧化劑氣體輸入管上。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第1項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其更包含一加濕器，其係設置於該氧化劑氣體輸入管上。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第1項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其更包含至少一氣體輸出管，其係與該燃料電池相連接。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第7項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其更包含一循環泵，其係設置於該些氣體輸出管其中至少之一者上。
  9. 【第9項】
    如申請專利範圍第1項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其更包含一開關閥，其係設置於該燃料氣體輸入管上，並位於一燃料氣源以及該減壓閥之間。
  10. 【第10項】
    如申請專利範圍第2項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其中該第一腔體係以該閥門單元而區隔為一上游端以及一下游端，其中僅該下游端係與該膜片相鄰。
  11. 【第11項】
    如申請專利範圍第10項所述的氣體壓差恆定之燃料電池系統，其中該上游端之壓力係為該燃料氣體輸入管之氣體壓力，該下游端之壓力係為該氧化劑氣體輸入管之氣體壓力以及該調整彈簧推擠該膜片之壓力總和。
  12. 【第12項】
    一種減壓閥，用於氣體壓差恆定之燃料電池系統，其結構係包含：
    一第一腔體，其係與一燃料氣體輸入管相連接，該第一腔體具有一閥門單元控制該第一腔體內之燃料氣體流通量；
    一膜片，其係相鄰於該第一腔體，該膜片係與該閥門單元相連接；以及
    一第二腔體，其係透過該膜片而與該第一腔體相鄰，並進一步與一氧化劑氣體輸入管之複數個出口其中之一者相連接，且其具有一調整彈簧，該調整彈簧可推擠該膜片而使該閥門單元之位置改變。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW201144968A (en) * 2003-04-04 2011-12-16 Texaco Development Corp Fluid balance control system and method for use in a fuel processor
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