TWI641181B - 燃料電池系統及其啟閉方法 - Google Patents

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Abstract

本案係提供一種可避免碳載體腐蝕之燃料電池系統及其啟閉方法。燃料電池系統包括至少一燃料電池反應模組，該模組至少包括一陽極腔室，該系統之啟閉方法包括下列步驟：(a)執行一關閉模式；(b)導通一第一負載，連接至該燃料電池反應模組，以組配消耗該陽極腔室內之一陽極反應流體；(c)提供一緩衝流體至該陽極腔室，且斷開該第一負載；(d)維持關閉該燃料電池系統；(e)執行一啟動模式；(f)提供該陽極反應流體至該陽極腔室；以及(g)導通一第二負載，連接至該燃料電池反應模組，且維持該燃料電池系統持續運作。

Description

燃料電池系統及其啟閉方法
本案係關於一種燃料電池系統，尤指一種可避免碳載體腐蝕之燃料電池系統及其啟閉方法。
眾所熟知之燃料電池(Fuel cell)是一種主要利用含氫之還原劑與含氧之氧化劑進行氧化還原反應而產生電能，以供電力予電子設備或應用裝置(例如：3C產品或移動式載具等)使用。然而傳統的燃料電池已發現於其啟動程序中，電極的觸媒層間會發生碳腐蝕的現象，使燃料電池之操作效能衰退。
常見的燃料電池於啟動程序時，空氣共存於陽極及陰極之觸媒層；在兩觸媒層之間設置有一電解質層之質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)。其中含氧的氧化劑被導向流經一陰極腔室，以使氧化劑鄰近於陰極觸媒層而流動。於其同時，含氫燃料流體則被導向流經一陽極腔室，以使含氫燃料流體鄰近於陽極觸媒層而流動。當含氫燃料流體流經陽極腔室時，流體與空氣間產生的介面鋒前將沿陽極觸媒層移動，直至流體將空氣全數排除出於陽極腔室之外。已知於燃料電池的每次啟動程序中，面對於流體與空氣鋒前的觸媒層會遭受實質的碳腐蝕作用。
第1圖係習知燃料電池之電化學反應示意圖。燃料電池10具有陰極觸媒層12、陽極觸媒層14及電解質層16。其中陰極觸媒層12具有觸媒，並整 合於一支撐材料上，如白金承載於多孔碳墨之載體表面上。而於燃料電池10的啟動程序中，含氫燃料流體由左側的區域A導入至陽極觸媒層14，此時相對的陰極觸媒層12則曝露於空氣中。待含氫燃料流體分解成氫離子和電子後，氫離子由陽極觸媒層14穿過電解質層16而至陰極觸媒層12中的區域A。則於陰極觸媒層12，氫離子、空氣中的氧氣與還原生成之電子一併生成水。另一方面，於燃料電池10右側的區域B中，在陽極觸媒層14上的空氣，則與陽極觸媒層14區域A所提供的電子及來自對面陰極觸媒層12所提供的氫離子或質子一併形成水。其中由陰極觸媒層12區域B至陽極觸媒層14區域B的質子傳送，與由陰極觸媒層12區域B至陰極觸媒層區域A的電子傳送，將致使陰極觸媒層12區域B之電位昇高，並生成與燃料電池正常操作模式不同之逆電流。則陰極觸媒層12區域B之反應將腐蝕碳源而形成二氧化碳，並將水電解成氧氣。當含氫燃料流體完全被利用時，第1圖所示之情況仍然會發生。
顯見地，於第1圖區域B中反應所產生的逆電流，使該區域電位提昇，並快速地使陰極觸媒層12區域B中支撐觸媒之碳載體腐蝕。於實際應用時，支撐陰極觸媒層12之高表面積碳載體於歷經數十次啟動及關閉程序後會有25%至30%被腐蝕消去。
因此，如何發展一種可避免碳載體腐蝕之燃料電池系統及其啟閉方法來解決現有技術所面臨之問題，實為本領域亟需面對之課題。
本案之目的在提供一種燃料電池系統及其啟閉方法，藉由系統在啟閉階段控制反應流體或緩衝流體導入至陽極腔室，以及排除之時程次序，並適時提供負載，以消耗或清除陽極腔室內所附著之反應流體或緩衝流體，可避 免產生碳腐蝕之現象。此外，相較於習知技藝冗長的開關機程序，本案藉由真空抽氣、負載耗氫、提供流體、流體淨化…等程序排程，更可加速減少開關機程序所耗費的時間，使用方便，更具產業實用性。
為達上述目的，本案提供一種燃料電池系統，其至少包括一燃料電池反應模組、一陽極第一流體供應單元、一陽極第二流體供應單元、一控制單元、一第三控制閥以及一分流器。燃料電池反應模組包括至少一陽極腔室。陽極第一流體供應單元包括一第一控制閥，以組配提供一陽極反應流體至陽極腔室。陽極第二流體供應單元包括一第二控制閥，以組配提供一緩衝流體至陽極腔室。控制單元連接至第一控制閥及第二控制閥，以組配控制第一控制閥或第二控制閥導入陽極反應流體或緩衝流體至陽極腔室。第三控制閥連接至陽極腔室及控制單元，以組配受控制單元驅動而開啟，使陽極腔室內之陽極反應流體或緩衝流體被排出。分流器連接至燃料電池反應模組及控制單元，以組配於關閉模式時提供一第一負載，而於啟動模式及持續運作時提供一第二負載。
為達上述目的，本案更提供一種應用於燃料電池系統之啟閉方法。燃料電池系統至少包括一燃料電池反應模組，前述模組包括至少一陽極腔室。前述系統的啟閉方法包括下列步驟：(a)執行一關閉模式；(b)導通一第一負載，連接至燃料電池反應模組，以組配消耗陽極腔室內之一陽極反應流體；(c)提供一緩衝流體至陽極腔室，且斷開第一負載；(d)維持關閉燃料電池系統；(e)執行一啟動模式；(f)提供陽極反應流體至陽極腔室；以及(g)導通一第二負載，連接至燃料電池反應模組，且維持燃料電池系統持續運作。
10‧‧‧燃料電池
12‧‧‧陰極觸媒層
14‧‧‧陽極觸媒層
16‧‧‧電解質層
2、2a‧‧‧燃料電池系統
20‧‧‧燃料電池反應模組
201‧‧‧陰極腔室
202‧‧‧陰極觸媒層
203‧‧‧電解質層
204‧‧‧陽極觸媒層
205‧‧‧陽極腔室
21‧‧‧陽極第一流體供應單元
211‧‧‧第一控制閥
22‧‧‧陽極第二流體供應單元
221‧‧‧第二控制閥
23‧‧‧陰極流體供應單元
24‧‧‧控制單元
25‧‧‧抽氣裝置
251‧‧‧第三控制閥
26‧‧‧分流器
261‧‧‧第一負載
262‧‧‧第二負載
27‧‧‧三通閥
28‧‧‧循環回收單元
A‧‧‧區域
B‧‧‧區域
C‧‧‧陽極反應流體
D‧‧‧緩衝流體
E‧‧‧陰極反應流體
R1‧‧‧第一分流電阻
R2‧‧‧第二分流電阻
第1圖係習知燃料電池電化學反應之示意圖。
第2A圖係本案第一較佳實施例之燃料電池系統方塊圖。
第2B圖係第2A圖之另一實施態樣之燃料電池系統方塊圖。
第3圖係第2A圖燃料電池系統之啟閉流程圖。
第4圖係表1各次序中電池電壓、流體壓力與時間的關係圖。
第5圖係第2A圖燃料電池系統之加速應力測試結果。
第6圖係第5圖加速應力測試後之化學反應有效比表面積(電化學表面積)變化圖。
第7A圖係本案第二較佳實施例之燃料電池系統方塊圖。
第7B圖係第7A圖另一實施態樣之燃料電池系統方塊圖。
第8圖係第7A圖燃料電池系統之啟閉流程圖。
第9圖係表2各次序中，電池電壓、流體壓力與時間的關係圖。
第10圖係第7A圖燃料電池系統之加速應力測試結果。
第11圖係第10圖加速應力測試後之化學反應有效比表面積(電化學表面積)變化圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例，將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。
第2A圖係本案第一較佳實施例之燃料電池系統方塊圖。燃料電池系統2至少包括有：一燃料電池反應模組20、一陽極第一流體供應單元21、一陽極第二流體供應單元22、一陰極流體供應單元23、一控制單元24、一抽氣 裝置25以及一分流器(Shunt)26。燃料電池反應模組20包括有至少：一陰極腔室201、一陰極觸媒層202、一電解質層203、一陽極觸媒層204及一陽極腔室205。陽極第一流體供應單元21包括一第一控制閥211，以組配提供一陽極反應流體C至陽極腔室205。陽極第二流體供應單元22包括一第二控制閥221，以組配提供一緩衝流體D至陽極腔室205。陽極腔室205內設有陽極觸媒層204。陰極流體供應單元23連接至燃料電池反應模組20之陰極腔室201及控制單元24。陰極腔室201內設有陰極觸媒層202。前述兩觸媒層202、204之間設有電解質層203。控制單元24連接至第一控制閥211及第二控制閥221，以組配控制第一控制閥211或第二控制閥221導入陽極反應流體C或緩衝流體D至陽極腔室205。於本實施例中，陽極反應流體C為含氫燃料流體，緩衝流體D及陰極流體供應單元23供應之陰極反應流體E則可為一空氣。於另一實施例中，緩衝流體D更可為一氮氣或惰性氣體，但不以此為限。另外，抽氣裝置25連接至陽極腔室205、控制單元24及一第三控制閥251，以組配受控制單元24驅動而抽離陽極腔室205內之殘留流體，使陽極腔室205內接近或達真空狀態(例如：0~-30psi)。分流器26連接至燃料電池反應模組20及控制單元24，以組配於關閉模式時提供一第一負載261，而於啟動模式及持續運作時提供一第二負載262，用以消耗陽極腔室205內殘餘的陽極反應流體C。其中第一負載261包括一第一分流電阻R1，第二負載262包括一第二分流電阻R2，第一分流電阻R1小於第二分流電阻R2；於實際應用時，第一負載261可為真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機或直流轉換器等，而第二負載262可為真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機、直流轉換器或馬達等。其中燃料電池系統2藉由控制單元24控制第一控制閥211或第二控制閥221 導入陽極反應流體C或緩衝流體D至陽極腔室205，以及控制抽氣裝置25及第三控制閥251清除陽極腔室205內殘留陽極反應流體C或緩衝流體D之時程次序，並適時提供分流器26之第一負載261或第二負載262，以消耗陽極腔室205內殘餘附著之陽極反應流體C，進而達成避免碳載體腐蝕之目的。值得注意的是，前述第一控制閥211與第二控制閥221係為電磁閥，更可一併整合而改以一三通閥來取代，例如：三位三通電磁閥等，以節省組件。第2B圖即揭示第2A圖之另一實施態樣之燃料電池系統方塊圖，其中陽極第一流體供應單元21及陽極第二流體供應單元22係透過一三通閥27連接至陽極腔室205。三通閥27更連接至控制單元24，並受其控制而決定單獨導通陽極第一流體供應單元21的陽極反應流體C、單獨導通陽極第二流體供應單元22的緩衝流體D或閉鎖不導通任何流體至陽極腔室205。換言之，第2B圖中之三通閥27可取代第2A圖中第一控制閥211與第二控制閥221之作動，使燃料電池系統2之整體結構更精簡。當然，此非限制本案技術特徵之條件，本案並不受限於此，且不再贅述。惟應強調的是，前述燃料電池反應模組20係包括但不限於單電池模組、由單電池模組所組成的燃料電池電堆、或其他形式的電池模組或組合式電堆等。前述抽氣裝置25係包括但不限於真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦或鼓風機等。
基於前述之架構，本案更提供一種可避免碳載體腐蝕之燃料電池系統之啟閉方法。第3圖係第2A圖燃料電池系統關閉及啟動流程圖。表1則列示燃料電池系統2於各程序中各元件之作動關係表。如第2A圖所示，當燃料電池系統2於持續提供電源作動時，控制單元24開啟第一控制閥211供應陽極反應流體C至陽極腔室205，以及關閉第二控制閥221、第三控制閥251及抽氣裝置25，導通分流器26的第二負載262及開啟陰極流體供應單元23，如表1之次 序7。當使用者選定執行一關閉模式時，如第3圖所示之步驟S11，控制單元24便開始依表1列示之次序1至4作動：首先，關閉第一控制閥211、第二控制閥221，開啟抽氣裝置25及第三控制閥251，作動時間3秒進行真空抽氣以將陽極腔室205內之殘留流體抽離清除，例如使其接近或達真空狀態，而使陽極腔室205達一負壓，即如步驟S12。其次，關閉抽氣裝置25及第三控制閥251，並導通分流器26上之第一負載261且持續作動5秒，以消耗陽極腔室205內所附著之陽極反應流體C，如步驟S13。接著，關閉陰極流體供應單元23及斷開分流器26之第一負載261，開啟抽氣裝置25、第三控制閥251及第二控制閥221而持續作動3秒，使陽極腔室205內充滿陽極第二流體供應單元22所供應之緩衝流體D，如步驟S14。最後，關閉抽氣裝置25、第三控制閥251及第二控制閥221至少持續15秒以上即完成燃料電池系統2之關閉作業，可維持系統關閉之程序鎖定，如步驟S15。另一方面，當使用者選定執行一啟動模式時，如步驟S16，控制單元24則依表1列示之次序5至7作動：首先，開啟抽氣裝置25及第三控制閥251並持續作動3秒進行真空抽氣，以將陽極腔室205內殘留流體抽離清除，例如使其接近或達真空狀態，而使陽極腔室205達一負壓，如步驟S17。接著，開啟第一控制閥211持續作動3秒以提供陽極第一流體供應單元21之陽極反應流體C至陽極腔室205，同時亦啟動陰極流體供應單元23持續供應一陰極反應流體E至陰極腔室201，如步驟S18。最後，關閉抽氣裝置25及第三控制閥251，並導通分流器26之第二負載262持續作用15秒以上，即完成燃料電池系統2之啟動作業，可維持系統運作之程序鎖定，如步驟S19，此時燃料電池系統2便可穩定反應並持續提供電源。
第4圖係表1之各次序中電池電壓、陽極流體壓力與時間的關係圖。請配合參考第2A圖及第3圖內容可知，控制單元24於關閉模式(即表1之次序1至4)時的作動如下：首先，關閉第一控制閥211，開啟抽氣裝置25及第三控制閥251進行真空抽氣，以將陽極反應流體C抽離陽極腔室205外，使接近或達真空狀態(表1及第4圖之次序1)；其次，導通分流器26之第一負載261以進行負載耗氫，將陽極腔室205內殘留的未反應流體C予以消耗掉，而整個陽極腔室205仍維持真空狀態(表1及第4圖之次序2)。接著，開啟第二控制閥221以導入緩衝流體D至陽極腔室205，使其充滿於整個陽極腔室205內。最後，於燃料電池系統2鎖定在關閉程序，系統維持關閉狀態，即可使緩衝流體D維持於陽極腔室205中而達到保護作用(表1及第4圖之次序3、4)。另一方面，當燃料電池反應模組20欲再次啟動時，燃料電池系統2之控制單元24則執行一啟動模式，依表1及第4圖之次序5至7作動：首先，開啟抽氣裝置25及第三控制閥251，以將緩衝流體D抽離陽極腔室205而接近或達真空狀態(表1及第4圖之次序5)。接著，開啟第一控制閥211以將陽極第一流體供應單元21之陽極反應流體C導入至陽極腔室205進行流體淨化(表1及第4圖之次序6)，使陽極反應流體C充滿於陽極腔室205及陽極觸媒層204間。最後，導通分流器26之第二負載262，則燃料電池系統2即完成鎖定開啟程 序，維持系統運作(表1及第4圖之次序7)，陽極反應流體C透過陽極腔室205持續穩定供予陽極觸媒層204以進行反應。由上可知，燃料電池系統2可藉由控制單元24控制第一控制閥211或第二控制閥221導入陽極反應流體C或緩衝流體D至陽極腔室205，以及控制抽氣裝置25及第三控制閥251清除陽極流體205內殘留陽極反應流體C或緩衝流體D之時程次序，並適時提供分流器26之第一負載261或第二負載262，以消耗陽極腔室205內附著之陽極反應流體C，進而達成避免碳載體腐蝕之目的，並節省開關機的時間。
第5圖係第2A圖燃料電池系統之加速應力測試(Accelerated Stress Test，AST)結果。其中該加速應力測試之條件為：反應溫度65℃、相對濕度50%，而燃料電池系統2經過前述10,000次啟動/關閉循環後，於電流密度400(mA/cm2)的條件下，電池電壓由0.75伏特降至0.72伏特，僅減少3~4%。而於電流密度1,000(mA/cm2)的條件下，電池電壓由0.6伏特降至0.54伏特，僅減少10%。此外，第6圖係第5圖加速應力測試後，燃料電池系統2之化學反應有效比表面積或簡稱電化學表面積(Electrochemical Surface Area，ECSA)變化圖。由圖可知，燃料電池系統2於經歷10,000次啟動/關閉循環後，其電化學表面積並未有明顯地遞減，意即本案之燃料電池系統2藉由控制反應流體C或緩衝流體D導入至陽極腔室205，以及排定之時程次序，並適時提供分流器26之第一負載261或第二負載262，以消耗或清除陽極腔室205內附著之陽極反應流體C或緩衝流體D，確實可有效避免碳載體腐蝕。此外，相較於習知技藝冗長的開關機程序而言，本案藉由真空抽氣、負載耗氫、提供流體以及流體淨化(fluid purge)等程序排程，更可加速減少開關機程序所耗費的時間，開關機程序均得以於數十秒內完成，使用方便，更具產業實用性。
第7A圖係本案第二較佳實施例之燃料電池系統方塊圖。於本實施例中，燃料電池系統2a係與第2A圖所示之燃料電池系統2相似，且相同的元件標號代表相同之元件、結構與功能，於此不再贅述。其不同之處在於燃料電池系統2a中省略了抽氣裝置25。且於本實施例中，燃料電池系統2a更包括一循環回收單元28，可採用例如但不限於氫氣泵浦或鼓風機所構成，連接於第二控制閥221與陽極腔室205之管線之間，以及陽極腔室205與第三控制閥251之間，以組配循環回收陽極未反應的陽極反應流體C導回至陽極腔室205的入口，重複使用以降低燃料的成本，當然此非限制本案技術特徵之條件。燃料電池系統2a亦藉由控制單元24控制第一控制閥211或第二控制閥221導入陽極反應流體C或緩衝流體至陽極腔室205之時程次序，並適時提供分流器26之第一負載261或第二負載262，以消耗或清除陽極腔室205內附著之陽極反應流體C或緩衝流體D，進而達成避免碳載體腐蝕之目的。於另一實施態樣中，前述第一控制閥211與第二控制閥221可為例如是但不限於一電磁閥，更可一併整合而改以一三通閥來取代，例如：三位三通電磁閥等，以節省組件。第7B圖即揭示第7A圖之另一實施態樣之燃料電池系統方塊圖，其中陽極第一流體供應單元21及陽極第二流體供應單元22係透過一三通閥27連接至陽極腔室205。三通閥27更連接至控制單元24，並受其控制而決定單獨導通陽極第一流體供應單元21的陽極反應流體C、單獨導通陽極第二流體供應單元22的緩衝流體D或閉鎖不導通任何流體至陽極腔室205。換言之，第7B圖中之三通閥27可取代第7A圖中第一控制閥211與第二控制閥221之作動，使燃料電池系統2之整體結構更精簡。於其他實施例中，第一控制閥211、第二控制閥221及循環回收單元28至 陽極腔室205之連通作動，亦可一併整合而以一多位多通電磁閥來取代，惟此亦非限制本案技術特徵之條件，本案不受限於此，且不再贅述。
第8圖係第7A圖燃料電池系統關閉及啟動流程圖。表2則列示燃料電池系統2a於各程序中各元件之作動關係表。如第7A~8圖及表2所示，當燃料電池系統2a於持續運作時，控制單元24開啟第一控制閥211供應陽極反應流體C至陽極腔室205，關閉第二控制閥221、第三控制閥251，導通分流器26之第二負載262及開啟陰極流體供應單元23。當使用者選定於執行一關閉模式時，如第8圖之步驟S21，控制單元24將依表2列示次序1至3作動：首先，關閉第一控制閥211，導通分流器26之第一負載261，持續作動5秒，以消耗陽極腔室205內附著之陽極反應流體C，如步驟S22。接著，關閉陰極流體供應單元23及斷開分流器26之第一負載261，開啟第三控制閥251及第二控制閥221，持續作動3秒，使陽極腔室205內充滿陽極第二流體供應單元22所供應之緩衝流體D，以排除原陽極腔室205內殘留之陽極反應流體C，如步驟S23。最後，關閉第三控制閥251及第二控制閥221至少持續15秒以上，即完成燃料電池系統2a之關閉作業，可維持系統關閉模式之程序鎖定，如步驟S24。另一方面，當使用者選定於執行一啟動模式時，如步驟S25所示，控制單元24則將依表2列示次序4至5作動：首先，開啟第一控制閥211、第三控制閥251，並持續作動3秒，使陽極反應流體C由陽極第一供應單元21導入至陽極腔室205，以排除原陽極腔室205內殘留之緩衝流體D；同時亦開啟陰極流體供應單元23持續供應一陰極反應流體E至陰極腔室201，如步驟S26。最後，關閉第三控制閥251，並導通分流器26之第二負載262持續作用15秒以上，即完成燃料電池系統2a 之啟動作業，可維持系統運作之程序鎖定，如步驟S27，此時燃料電池系統2a便可穩定反應並持續提供電源。
第9圖係表2各次序中，電池電壓、流體壓力與時間的關係圖。請參考第7~8圖及表2可知，控制單元24於關閉模式(即表1所列之次序1至3)時，會先關閉第一控制閥211，並導通分流器26之第一負載261，藉由第一負載261以消耗陽極腔室205內仍殘存的陽極反應流體C。接著，斷開分流器26及關閉陰極流體供應單元23，並開啟第二控制閥221、第三控制閥251，使緩衝流體D由陽極第二流體供應單元22導入至陽極腔室205內，並將原殘留之陽極反應流體C排離，使陽極腔室205內僅保有緩衝流體D且略低於常壓(表2及第9圖之次序2)。然後，關閉第二控制閥221、第三控制閥251，使燃料電池系統2a進入鎖定關閉程序，即可使陽極腔室205維持於緩衝流體D環境中而達到保護作用(表2及第9圖之次序3)。另一方面，當燃料電池系統2a欲啟動時，控制單元24則進行一啟動模式，即表2及第9圖所列之次序4至5：首先，開啟第一控制閥211及第三控制閥251，使陽極第一流體供應單元21之陽極反應流體C導入至陽極腔室205，並排除原陽極腔室205內殘留之緩衝流體D(表2及第9圖之次序4)，此時陽極腔室205均處於陽極反應流體C的環境中。接著，啟動分流器26之第二負載262，則燃料電池系統2a完成鎖定開啟程序(表2及第9圖之次序5)，陽極反應流體C透過陽極腔室205持 續穩定供予陽極觸媒層204以進行反應。由上可知，燃料電池系統2a可藉由控制單元24控制第一控制閥211或第二控制閥221導入陽極反應流體C或緩衝流體D至陽極腔室205，並適時提供分流器26之第一負載261或第二負載262，以消耗或清除陽極腔室205內附著之陽極反應流體C或緩衝流體D，進而達成避免碳載體腐蝕之目的。換言之，本案結合關機時，提供流體、負載耗氫等程序；以及開機時，使用流體淨化(Fluid purge)等程序，可有效達到降低碳材腐蝕的目標，並可減少開關機程序所需耗費的時間。
第10圖係第7A圖燃料電池系統之加速應力測試結果。其中該加速應力測試之條件為：反應溫度65℃、相對濕度50%，而燃料電池系統2a經過前述10,000次啟動/關閉循環後，於電流密度400(mA/cm2)的條件下，電池電壓由0.74伏特降至0.68伏特，僅減少7%。此外，第11圖係對應第10圖加速應力測試後，燃料電池系統之化學反應有效比表面積(電化學表面積)變化圖。由圖可知，燃料電池系統2a於經歷10,000次啟動/關閉循環後，其電化學表面積並未遞減超過25%，意即本案之燃料電池系統2a藉由控制反應流體C或緩衝流體D導入至陽極腔室205，以及排定之時程次序，並適時提供負載以消耗陽極腔室205內附著之流體，確實能有效避免碳載體腐蝕。
值得注意的是，上述各實施例中各控制程序之溫度、濕度或操作時間等僅為例示，於實際應用時，各控制程序之操作參數均可依電池組數量、系統與場域環境等條件而調變，以獲致最佳化之參數。應強調的是，依本案概念發想而以相似結構系統或控制程序，達成快速安全的陽極氣體交換，並達成低度陰極碳材腐蝕與快速的開關程序者，皆不脫本案所屬之保護範圍。
綜上所述，本案提供一種可避免碳載體腐蝕之燃料電池系統及其啟閉方法，其藉由控制反應流體或緩衝流體導入至陽極腔室，以及排定之時程次序，並適時提供負載，以消耗或清除陽極腔室內附著之流體，以達成避免碳載體腐蝕之目的。此外，相較於習知技藝冗長的開關機程序，本案藉由真空抽氣、流體淨化、負載耗氫、提供流體等程序排程，更可加速減少開關機程序所耗費的時間，開關機程序均得以於數十秒內完成，使用方便，更具產業實用性。
本案得由熟習此項技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (11)

  1. 一種燃料電池系統，至少包括有：一燃料電池反應模組，包括至少一陽極腔室；一陽極第一流體供應單元，包括一第一控制閥，以組配提供一陽極反應流體至該陽極腔室；一陽極第二流體供應單元，包括一第二控制閥，以組配提供一緩衝流體至該陽極腔室；一控制單元，連接至該第一控制閥及該第二控制閥，以組配控制該第一控制閥或該第二控制閥導入該陽極反應流體或該緩衝流體至該陽極腔室；一第三控制閥，連接至該陽極腔室及該控制單元，以組配受該控制單元驅動而開啟，使該陽極腔室內之該陽極反應流體或該緩衝流體排出；以及一分流器，連接至該燃料電池反應模組及該控制單元，以組配於一關閉模式時提供一第一負載，或於一啟動模式及持續運作時則提供一第二負載。
  2. 如請求項1所述之燃料電池系統，其中該第一負載係選自第一分流電阻、真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機或直流轉換器其中之一，該第二負載係選自第二分流電阻、真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦、水泵浦、散熱器、鼓風機、直流轉換器或馬達其中之一；該第一分流電阻小於該第二分流電阻。
  3. 如請求項1或2所述之燃料電池系統，更包括一抽氣裝置，連接至該第三控制閥及該控制單元，以組配受該控制單元驅動而開啟，使該陽極腔室內之該陽極反應流體或該緩衝流體由該第三控制閥排出，使該陽極腔室內接近或達真空狀態。
  4. 如請求項3所述之燃料電池系統，其中該抽氣裝置係選自真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦或鼓風機其中之一。
  5. 如請求項1所述之燃料電池系統，其中該陽極反應流體為一含氫燃料流體，該緩衝流體係選自空氣、氮氣或惰性氣體其中之一。
  6. 一種燃料電池系統之啟閉方法，該燃料電池系統包括至少一燃料電池反應模組，該燃料電池反應模組至少包括一陽極腔室，該啟閉方法包括步驟：(a)執行一關閉模式；(b)導通一第一負載，連接至該燃料電池反應模組，以組配消耗該陽極腔室內殘餘之一陽極反應流體；(c)提供一緩衝流體至該陽極腔室，且斷開該第一負載；(d)維持關閉該燃料電池系統；(e)執行一開啟模式；(f)提供該陽極反應流體至該陽極腔室；以及(g)導通一第二負載，連接至該燃料電池反應模組，且維持該燃料電池系統持續運作。
  7. 如請求項6所述之啟閉方法，其中該燃料電池系統更包含一分流器，包括一第一分流電阻及一第二分流電阻，以分別做為該第一負載及該第二負載，其中該第一分流電阻小於該第二分流電阻。
  8. 如請求項6所述之啟閉方法，其中該步驟(b)更包括一前置處理步驟：(b1)使該陽極腔室接近或達真空狀態。
  9. 如請請求6所述之啟閉方法，其中該步驟(f)更包括一前置處理步驟：(f1)使該陽極腔室接近或達真空狀態。
  10. 如請求項6所述之啟閉方法，其中該陽極反應流體為一含氫燃料流體，該緩衝流體係選自空氣、氮氣或惰性氣體其中之一。
  11. 如請求項6所述之啟閉方法，其中該燃料電池系統更包括一抽氣裝置，連接至該陽極腔室；該抽氣裝置係選自真空泵浦、氫氣泵浦、抽氣泵浦、循環泵浦或鼓風機其中之一。
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