TWI797781B - 燃料電池的氫氣回饋系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池的氫氣回饋系統，包含氫氣流量控制器、燃料電池堆、氫氣體濃度偵測器以及電控單元。氫氣流量控制器用於偵測燃料氣體中的氫氣流量。燃料電池堆具有輸入端及輸出端，輸入端接收燃料氣體，燃料電池堆以燃料氣體的一部分作為燃料以產生輸出電流至負載，燃料電池堆更透過輸出端排出殘餘氣體。氫氣體濃度偵測器偵測關聯於殘餘氣體中的氫氣濃度。電控單元根據該氫氣流量、燃料電池堆的電壓及氫氣濃度控制輸出電流。

Description

燃料電池的氫氣回饋系統及方法

本發明係關於一種燃料電池的氫氣回饋系統及方法。

現今，各產業（例如，半導體廠、石化廠或廢矽漿處理廠等）經常需要使用燃料電池（fuel cell）進行發電，故廠商需要處理燃料電池所產生的尾氣。舉例而言，極紫外光（extreme ultraviolet，EUV）微影設備產生的尾氣通常含有大量的氫氣及氮氣。在現有技術中，處理尾氣的方式包含燃燒尾氣，但透過燃燒的方式處理尾氣通常需耗費額外的能源，故也需要較高的成本。

因此，目前已陸續出現尾氣處理方式的研究，以降低尾氣處理成本。舉例而言，有的廠商透過調整尾氣排氣管的管徑方式，降低尾氣中特定氣體（例如，氫氣）的排出濃度。然而，此方式反而會影響電堆的性能，且可能還需根據目標處理氣體不同而調整管徑，使用上並不方便。

鑒於上述，本發明提供一種以滿足上述需求的燃料電池的氫氣回饋系統及方法。

依據本發明一實施例的燃料電池的氫氣回饋系統，包含：一氫氣流量控制器，用於偵測一燃料氣體中的一氫氣流量；一燃料電池堆，具有一輸入端及一輸出端，該輸入端接收該燃料氣體，該燃料電池堆以該燃料氣體的一部分作為燃料以產生一輸出電流至一負載，該燃料電池堆更透過該輸出端排出一殘餘氣體；一氫氣體濃度偵測器，用於偵測關聯於該殘餘氣體中的一氫氣濃度；以及一電控單元，電性連接該氫氣流量控制器、該燃料電池堆及該氫氣體濃度偵測器，該電控單元根據該氫氣流量、該燃料電池堆的電壓及該氫氣濃度控制該輸出電流。

依據本發明一實施例的燃料電池的氫氣回饋方法，包含：以一氫氣流量控制器偵測一燃料氣體中的一氫氣流量，並傳輸該氫氣流量至一電控單元；以一燃料電池堆透過一輸入端接收該燃料氣體；以該燃料電池堆以該燃料氣體的一部分作為燃料以產生一輸出電流至一負載，並透過一輸出端排出一殘餘氣體；以該電控單元透過一氫氣體濃度偵測器取得關聯於該殘餘氣體的一氫氣濃度；以及以該電控單元根據該氫氣流量、該燃料電池的電壓及該氫氣濃度控制該輸出電流。

綜上所述，根據本發明一或多個實施例所示的燃料電池的氫氣回饋系統及方法可以降低燃料電池堆輸出的氫氣殘餘量，以使最終輸出的氫氣殘餘量可以落在期望的範圍內。並且，可以有效地避免可用的氫氣被浪費掉，進而提升燃料利用率，並降低處理尾氣的成本。此外，根據本發明一或多個實施例所示的燃料電池的氫氣回饋系統及方法透過監控輸入至燃料電池堆的氫氣流量、燃料電池堆的燃料電池堆20的電壓及最終被排出的廢氣的氫氣濃度等，可以緩解甚至避免燃料匱乏效應的發生，並提升燃料電池的燃料利用率。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請一併參考圖1及圖2，圖1係依據本發明第一實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，圖2係依據本發明一實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋方法的流程圖，其中圖2可搭配圖1氫氣回饋系統100來運行，且圖1所示的虛線箭頭方向即為氣體的流動方向，而實線箭頭方向則為與電力相關的訊號的傳輸方向。

本發明的燃料電池的氫氣回饋系統100包含一氫氣流量控制器10、一燃料電池堆20、一氫氣體濃度偵測器40以及一電控單元50。電控單元50電性或通訊連接於氫氣流量控制器10、燃料電池堆20以及氫氣體濃度偵測器40。

氫氣流量控制器10可以是調壓閥或是質量流量控制器（mass flow controller，MFC），本發明不對氫氣流量控制器10的類型予以限制。燃料電池堆20可為包含多個單電池的電池堆，且可以是質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）等。電控單元50可以是引擎控制單元（engine control unit，ECU）、動力總成控制器（powertrain control module，PCM）等，也可以是控制器、處理器或伺服器等，本發明不對電控單元50的類型予以限制。下文將先參照圖1及圖2說明本發明的燃料電池的氫氣回饋系統及方法。

步驟S10：以氫氣流量控制器10偵測燃料氣體1001中的氫氣流量，並傳輸氫氣流量至電控單元50。氫氣流量控制器10係用於偵測輸入至燃料電池堆20的一燃料氣體1001中的一氫氣流量，並將測得的氫氣流量傳輸至電控單元50。燃料氣體1001可以是來自極紫外光（extreme ultraviolet，EUV）微影設備，並輸入至燃料電池堆20，而氫氣流量控制器10即是偵測來自極紫外光微影設備的燃料氣體1001中的氫氣流量。

步驟S20：以燃料電池堆20透過輸入端201接收燃料氣體；步驟S30：以燃料電池堆20以燃料氣體1001的一部分作為燃料以產生輸出電流I至負載30，並透過輸出端排出殘餘氣體1003。燃料電池堆20透過其輸入端201接收燃料氣體1001，並將燃料氣體1001的一部分作為燃料，其中燃料氣體1001例如為包含氮氣、氧氣及碳氫化合物等的氣體，而燃料即為氫氣。燃料電池堆20即可將燃料氣體1001中的氫氣作為燃料，以產生輸出電流I至負載30，其中負載30例如是併網機，但本發明不對負載30的類型予以限制。接著，燃料電池堆20透過輸出端202（燃料電池堆20的陽極）將消耗燃料氣體1001後產生的殘餘氣體1003排出，其中殘餘氣體1003即是消耗燃料氣體1001後所產生的氣體產物。另外，燃料電池堆20的燃料利用率通常不會達到100%，故殘餘氣體1003可能包含水氣及氫氣。

步驟S40：以電控單元50透過氫氣體濃度偵測器40取得關聯於殘餘氣體的氫氣濃度；步驟S50：以電控單元50根據氫氣流量、燃料電池堆20的電壓V及氫氣濃度控制輸出電流I，其中電壓V是指燃料電池堆20產生的電壓的值，而輸出電流I是指燃料電池堆20輸出至負載30的電力。氫氣體濃度偵測器40係設置在燃料電池堆20的輸出端202，以偵測殘餘氣體1003中的氫氣濃度，並將測得的氫氣濃度輸出至電控單元50。此外，氫氣回饋系統更可以包含一電力偵測器（未圖示）電性連接於電控單元50，用於偵測燃料電池堆20的每個電池實際產生的電壓，並將偵測得的電壓值傳輸至電控單元50。據此，電控單元50可以根據氫氣流量控制器10測得的氫氣流量、燃料電池堆20產生的電壓V及氫氣濃度控制傳送至負載30的輸出電流I。據此，即可有效降低燃料電池堆20輸出的氫氣殘餘量，以使燃料電池堆20輸出的氫氣殘餘量可以符合法規或各廠商的限制。並且，可以避免可用的氫氣被浪費掉，進而提升燃料利用率，並降低處理尾氣的成本。

請一併參考圖1及圖3，其中圖3係繪示圖2的步驟S50的細部流程圖。亦即，圖3所示的步驟S501、S503及S505說明了電控單元50根據氫氣流量控制輸出至負載30的輸出電流I的實現方式。

步驟S501：電控單元根據氫氣流量設定傳送至負載的輸出電流。換言之，電控單元50在取得流入燃料電池堆20的氫氣流量後，即可判得燃料電池堆20透過燃料氣體1001能產生多少的輸出電流至負載30。舉例而言，當燃料氣體1001中氫氣流量是11.24標準公升每分鐘（normal liter per minute，nlpm），氮氣流量是2.36 nlpm，則所計算出來的輸出電流約為20.35安培。亦即，電控單元50可以將燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I設定為20.35安培。

步驟S503：取得燃料電池堆20輸出的電壓；步驟S505：於該燃料電池堆的電壓及氫氣濃度不符合期望值時，調整燃料電池堆20的輸出電流I。具體地，本發明的氫氣回饋系統可以更包含一電力偵測器電性連接於電控單元50，用於偵測燃料電池堆20的每個電池的電壓，並將測得的電壓V值傳輸給電控單元50。又或者，若電控單元50可以偵測所述電池輸出的燃料電池堆20的電壓V，則可以省略電力偵測器的設置。

電控單元50在取得燃料電池堆20的電壓V後，可以判斷燃料電池堆20的電壓V是否符合不小於電壓下限，以進一步判斷是否需調升或調降燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I。亦即，當燃料電池堆20的電壓V小於電壓下限時，表示可能存在燃料匱乏效應（fuel starvation effect），故電控單元50調降從燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I，以緩解燃料匱乏效應。

反之，當燃料電池堆20的電壓V大於電壓下限時，表示燃料電池堆20目前不存在燃料匱乏效應，故電控單元50可以不調整從燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I。此外，不論電控單元50是否調整輸出電流I，氫氣回饋方法皆可以回到步驟S503，以由電控單元50持續監控燃料電池堆20的每個電池的電壓，或是回到圖2的步驟S10，以由電控單元50持續根據輸入燃料電池堆20的氫氣流量調控傳送至負載30的輸出電流I。

請一併參考圖1及圖4，其中圖4係繪示圖3的步驟S505的細部流程。

在取得燃料電池堆20的電壓V後，電控單元50可以判斷燃料電池堆20的電壓V與電壓下限的關係，及氫氣濃度與氫氣濃度上限的關係。首先，透過判斷燃料電池堆20的電壓V是否小於電壓下限，可以判斷燃料電池堆20是否有燃料匱乏的情況。再者，所述氫氣濃度是由氫氣體濃度偵測器40所測得，即氫氣濃度是指燃料電池堆20排出的殘餘氣體1001中的氫氣濃度。透過判斷燃料電池堆20排出的殘餘氣體1001中的氫氣濃度是否大於氫氣濃度上限，可以判斷燃料電池堆20是否排出過多氫氣。所述的電壓下限例如是0.6伏特，氫氣濃度上限例如是4000 ppm，但本發明不對電壓下限及氫氣濃度上限的實際數值予以限制。

當電控單元50在步驟S5051判斷燃料電池堆20的電壓V大於電壓下限，且氫氣濃度大於氫氣濃度上限時，表示燃料電池堆20還可以消耗更多氫氣，並產生更多電力。步驟S5051所指的情況為，在燃料電池堆20不具有燃料匱乏的情況下，燃料電池堆20排出的殘餘氣體1003中的氫氣濃度高於氫氣濃度上限。因此，電控單元50可以執行步驟S5052：增加輸出電流，以透過調升燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I，進而使燃料電池堆20消耗更多氫氣。

當電控單元50在步驟S5053判斷燃料電池堆20的電壓V小於電壓下限且氫氣濃度小於氫氣濃度上限時，表示儘管燃料電池堆20未排出過多氫氣，燃料電池堆20仍可能已經或即將發生燃料匱乏效應的問題。因此，電控單元50可以執行步驟S5054：降低輸出電流，以透過調降燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I，進而降低燃料電池堆20消耗的氫氣量（或消耗速率等）。據此，即可避免燃料電池堆20為了供應負載30足夠的電力，而造成燃料不足的情況。

當電控單元50在步驟S5055判斷燃料電池堆20的電壓V小於電壓下限且氫氣濃度大於氫氣濃度上限時，表示燃料電池堆20排出過多氫氣，且燃料電池堆20可能已經或即將發生燃料匱乏效應的問題。因此，電控單元50可以執行步驟S5054：降低輸出電流，以透過調降燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I，進而降低燃料電池堆20消耗的氫氣量或消耗速率等。

當電控單元50在步驟S5056判斷燃料電池堆20的燃料電池堆20的電壓V大於電壓下限，且氫氣濃度小於氫氣濃度上限時，表示燃料電池堆20有效利用所收到的氫氣。因此，電控單元50可以接續執行步驟S5057：不調整輸出電流。並且，不論電控單元50是否有調整燃料電池堆20的輸出電流I，氫氣回饋方法皆可以回到圖2的步驟S10，以由電控單元50持續根據輸入燃料電池堆20的氫氣流量調控燃料電池堆20傳送至負載30的輸出電流I。

為了有更好的理解，圖4所述調控燃料電池堆20的電池電流的方式可以下表1表示。據此，即可有效降低燃料電池堆20排出的氫氣殘餘量，以使燃料電池堆20排出的氫氣殘餘量可以符合法規或各廠商的限制，並且可以避免可用的氫氣被浪費掉，進而提升燃料利用率，及降低處理尾氣的成本。

表1

燃料電池堆的電壓是否小於電壓下限	氫氣濃度是否大於氫氣濃度上限	輸出電流調整方式
否	是	增加輸出電流
是	否	降低輸出電流
是	是	降低輸出電流
否	否	不調整輸出電流

此外，當燃料電池堆20的電壓小於電壓下限，且燃料電池堆20輸出的氫氣濃度大於氫氣濃度上限時，更可以透過將燃料電池堆20輸出的氫氣回授至燃料電池堆20，以降低燃料電池堆20最終輸出的氫氣濃度，並避免燃料匱乏效應的發生。具體而言，請參考圖5，圖5係依據本發明第二實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖5所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖5所示的氫氣回饋系統相似於圖1所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖5與圖1的不同處在於，圖5的氫氣回饋系統更包含一緩衝桶60及一氫氣循環幫浦70，而氫氣體濃度偵測器40係設置在緩衝桶60的排氣口。

緩衝桶60連接於燃料電池堆20的輸出端202，氫氣循環幫浦70連接於燃料電池堆20的輸入端201與緩衝桶60之間。緩衝桶60用於從燃料電池堆20輸出的殘餘氣體1003中的過濾出一過濾氫氣1005，並將過濾氫氣1005送至氫氣循環幫浦70，其中緩衝桶60係透過氣體擴散速率的差異或分子篩（即分子的大小差異）將氫氣過濾出來。接著，氫氣循環幫浦70可以將來自緩衝桶60的過濾氫氣1005傳輸至燃料電池堆20的輸入端201。

在將殘餘氣體1003中的氫氣過濾出來後，緩衝桶60將殘餘氣體1003中剩餘的一過濾尾氣1007（即從殘餘氣體1003中過濾出氫氣後的產物）排出。如圖5所示，氫氣體濃度偵測器40係設置在緩衝桶60的排氣口，以偵測過濾尾氣1007中的氫氣濃度，過濾尾氣1007關聯於尾氣輸出端202輸出的氫氣濃度，即是指基於殘餘氣體1003經過緩衝桶60後產生的過濾尾氣1007中的氫氣濃度。因此，電控單元50可以是根據緩衝桶60排出的過濾尾氣1007的氫氣濃度，執行圖2到圖4及表1所敘述的方式，進而控制燃料電池堆20的輸出電流。

此外，在一實施例中，當氫氣流量控制器10是質量流量控制器時，氫氣循環幫浦70可以是以定流量的方式將過濾氫氣1005送至燃料電池堆20的輸入端201，故即使燃料利用率較低，仍可以將燃料電池堆20中電池的電壓維持為不小於電壓下限，並提高殘餘氣體1003的氫氣消耗量。此外，在另一實施例中，當氫氣流量控制器10是調壓閥時，氫氣循環幫浦70可以是以定壓力的方式將過濾氫氣1005送至燃料電池堆20的輸入端201，故可以有效提升燃料利用率，並提高殘餘氣體1003中的氫氣消耗量。

據此，相較於習知技術的氫氣純化儀器，本發明所示的氫氣回饋系統及方法更能有效降低整體系統的成本。並且，本發明所示的氫氣回饋系統及方法更可以有效利用燃料電池堆20輸出的殘餘氣體1003中的氫氣，以提供燃料電池堆20所需的燃料，並同時將最終排出的氫氣濃度維持在期望的範圍內。

請參考圖6，圖6係依據本發明第三實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖6所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖6所示的氫氣回饋系統相似於圖5所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖6與圖5的不同處在於，圖6的氫氣回饋系統更包含一驅氣（purge）閥80及一稀釋混合桶90，而氫氣體濃度偵測器40係設置在稀釋混合桶90的排氣口。

燃料電池堆20包含一尾氣輸出端202以及一空氣輸出端203，其中尾氣輸出端202為燃料電池堆20的陽極出口(此出口的成分係氫氣燃料經過離子交換膜後，殘餘未反應的氫氣且含有水蒸氣)，而空氣輸出端203為燃料電池堆20的陰極出口(此出口的成分係氧氣燃料經過離子交換膜後，反應完的空氣加上水蒸氣)。

在圖6中，緩衝桶60用於過濾來自燃料電池堆20的殘餘氣體1003，以從殘餘氣體1003過濾出過濾氫氣1005。稀釋混合桶90連接於燃料電池堆20的空氣輸出端203，驅氣閥80連接於緩衝桶60與稀釋混合桶90之間，以將緩衝桶60排出的過濾尾氣1007送至稀釋混合桶90。稀釋混合桶90用於混合從空氣輸出端203接收的空氣1002與從緩衝桶60接收的過濾尾氣1007，以產生並排出排放廢氣1009。排放廢氣1009即包含空氣1002及過濾尾氣1007，其中過濾尾氣1007係從殘餘氣體1003過濾掉過濾氫氣1005的產物。

換言之，因緩衝桶60具有卻水的功能，故可凝結收集殘餘氣體1003中的水氣作為過濾尾氣1007，再以驅氣閥80排至稀釋混合桶90。稀釋混合桶90混合從驅氣閥80接收的過濾尾氣1007與從空氣輸出端203接收的空氣1002，並將混合產生的氣體作為最終排放出去的排放廢氣1009，其中氫氣體濃度偵測器40即是用於偵測稀釋混合桶90所排出的排放廢氣1009中的氫氣濃度。因此，即使過濾尾氣1007中仍含有氫氣，仍可透過稀釋混合桶20的方式，降低最終的排放廢氣1009的氫氣濃度。

並且，在此實施例中，電控單元50可用如上的方式取得燃料電池堆20的輸入端201的氫氣流量、燃料電池堆20的電壓及關聯於尾氣輸出端202輸出的氫氣濃度，其中「關聯於尾氣輸出端202輸出的氫氣濃度」即是指基於殘餘氣體1003經過緩衝桶60、驅氣閥80、稀釋混合桶90後，產生的排放廢氣1009中的氫氣濃度，故電控單元50可以如上圖2到圖4及表1所說明的方式，控制燃料電池堆20的輸出電流。據此，除了可以有效利用燃料電池堆20輸出的殘餘氣體1003中的氫氣外，更可以進一步降低排放廢氣1009中的氫氣濃度。

請參考圖7，圖7係依據本發明第四實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖7所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖7所示的氫氣回饋系統相似於圖1所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖7與圖1的不同處在於，圖7的氫氣回饋系統更包含稀釋混合桶90，而氫氣體濃度偵測器40係設置在稀釋混合桶90的排氣口。

相同於上一個實施例，在本實施例中，燃料電池堆20的陽極出口為尾氣輸出端202，而燃料電池堆20的陰極出口為空氣輸出端203。稀釋混合桶90係連接尾氣輸出端202以及空氣輸出端203，以混合從尾氣輸出端202接收的殘餘氣體1003以及從空氣輸出端203接收的空氣1002，並透過其排氣口排出排放廢氣1009’，排放廢氣1009’即包含空氣輸出端203排出的空氣1002及尾氣輸出端202排出的殘餘氣體1003，其中氫氣體濃度偵測器40即是用於偵測稀釋混合桶90所排出的排放廢氣1009’中的氫氣濃度，排放廢氣1009’ 關聯於尾氣輸出端202輸出的氫氣濃度。根據以上設置，即可降低燃料電池的氫氣回饋系統整體的氫氣排放濃度。

此外，在此實施例中，電控單元50一樣可以取得燃料電池堆20的輸入端201的氫氣流量、燃料電池堆20的燃料電池堆20的電壓及關聯於尾氣輸出端202的氫氣濃度，其中「關聯於尾氣輸出端202輸出的氫氣濃度」即是指基於殘餘氣體1003經過稀釋混合桶90後，產生的排放廢氣1009”中的氫氣濃度，故電控單元50可以採用圖2到圖4及表1所的流程來控制輸出電流。

請參考圖8，圖8係依據本發明第五實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖8所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖8所示的氫氣回饋系統相似於圖7所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖8與圖7的不同處在於，圖8的氫氣回饋系統更包含一空氣幫浦100。

空氣幫浦100連接於稀釋混合桶90，以將外部空氣1010輸入至稀釋混合桶90。稀釋混合桶90即可混合從輸出端202接收的殘餘氣體1003與從空氣幫浦100接收的外部空氣1010，以產生並排出排放廢氣1009”，而氣體濃度偵測器40係偵測排放廢氣1009”的氫氣濃度，排放廢氣1009” 關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度，其中排放廢氣1009”即包含輸出端202排出的殘餘氣體1003及來自空氣幫浦100的外部空氣1010。

並且，在此實施例中，電控單元50同樣可以取得燃料電池堆20的輸入端201的氫氣流量、燃料電池堆20的電壓及關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度，其中「關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度」即是指基於殘餘氣體1003經過稀釋混合桶90後，產生的排放廢氣1009”中的氫氣濃度，故電控單元50可以如上圖2到圖4及表1所說明的方式，控制輸出電流。據此，可以有效降低排放廢氣1009”中的氫氣濃度，並透過執行圖2到圖4的流程，可以避免燃料匱乏效應的發生。此外，在未繪示的另一實施例中，稀釋混合桶90可以是連接於空氣幫浦100以及如圖7所示的空氣輸出端203，以更進一步降低排放廢氣1009”中的氫氣濃度。

請參考圖9，圖9係依據本發明第六實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖9所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖9所示的氫氣回饋系統相似於圖8所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖9與圖8的不同處在於，圖9的稀釋混合桶90是連接於尾氣輸出端202、空氣輸出端203以及空氣幫浦100，而空氣幫浦100更連接於燃料電池堆20的輸入端201（在此實施例中較佳為陰極輸入端）。

空氣幫浦100用於將外部空氣1010的一部分送至輸入端201，及將外部空氣1010的另一部分送至稀釋混合桶90。稀釋混合桶90混合從尾氣輸出端202接收的殘餘氣體1001、從空氣輸出端203接收的空氣1002與從空氣幫浦100接收的所述外部空氣1010的另一部分，以產生並排出排放廢氣1009’，而氣體濃度偵測器40係偵測排放廢氣1009’的氫氣濃度，排放廢氣1009’ 關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度。

並且，在此實施例中，電控單元50同樣可以取得燃料電池堆20的輸入端201的氫氣流量、燃料電池堆20的電壓及關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度，其中「關聯於輸出端202輸出的氫氣濃度」即是指基於殘餘氣體1003經過稀釋混合桶90後，產生的排放廢氣1009’中的氫氣濃度，故電控單元50可以如上圖2到圖4及表1所說明的方式，控制燃料電池堆20的輸出電流。據此，可以有效降低排放廢氣1009’中的氫氣濃度，並透過執行圖2到圖4所說明的方式，可以避免燃料匱乏效應的發生。

請參考圖10，圖10係依據本發明第七實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖，其中圖10所示的箭頭方向即為氣體的流動方向。圖10所示的氫氣回饋系統相似於圖1所示的氫氣回饋系統，故相同之處不再於此贅述。圖10與圖1的不同處在於，圖10的輸出端202係連接於另一燃料電池堆20’的另一輸入端201’。為便於說明，此處將稱燃料電池堆20為第一燃料電池堆20，其輸出端202為第一輸出端202；以及稱燃料電池堆20’為第二燃料電池堆20’，其輸入端201’及輸出端202’分別為第二輸入端201’及第二輸出端202’。

如圖10所示，第一燃料電池堆20在以燃料氣體1001輸出第一輸出電流至負載30後，第一燃料電池堆20透過第一輸出端202排出第一殘餘氣體1003。第一殘餘氣體接著被送至第二燃料電池堆20’的第二輸入端201’，故第二燃料電池堆20’可以將第一殘餘氣體1003的一部分作為燃料以產生並輸出一第二輸出電流，其中第二輸出電流可以被送至負載30，亦可以是被送至另一負載，本發明不以此為限。

接著，第二燃料電池堆20’將第二殘餘氣體從第二輸出端202’排出，而氣體濃度偵測器40係偵測第二殘餘氣體2003的氫氣濃度，第二殘餘氣體2003關聯於第一輸出端202輸出的氫氣濃度。並且，在此實施例中，電控單元50同樣可以取得第一燃料電池堆20的第一輸入端201的氫氣流量、燃料電池堆20的第一輸出端20的電壓及關聯於第一輸出端202輸出的氫氣濃度，其中「關聯於第一輸出端202輸出的氫氣濃度」即是指基於第一殘餘氣體1003經過第二燃料電池堆20’後，產生的第二殘餘氣體2003中的氫氣濃度，故電控單元50可以如上圖2到圖4及表1所說明的方式，控制輸出電流。據此，可以有效降低排放廢氣（第二殘餘氣體2003）中的氫氣濃度，並透過執行圖2到圖4所說明的方式，可以避免燃料匱乏效應的發生。

此外，第二燃料電池堆20’的第二輸出端202’可以更連接於另一燃料電池堆，本發明不對燃料電池堆的連接數量予以限制。在圖10的實施例中，第一燃料電池堆20可以是質子交換膜燃料電池，而第二燃料電池堆20’可以是陰離子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）或固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）。具體地，由於第二燃料電池堆20’所收到的燃料氣體（第一殘餘氣體1003）中的氫氣濃度可能會低於第一燃料電池堆20收到的第一燃料氣體1001（因第二燃料電池堆20’的燃料氣體即為第一燃料電池堆20所排出的第一殘餘氣體1003），而陰離子交換膜燃料電池及固態氧化物燃料電池較不會受燃料匱乏效應的影響，故第二燃料電池堆20’可以是陰離子交換膜燃料電池或固態氧化物燃料電池，進而降低最終排放廢氣（第二殘餘氣體2003）中的氫氣濃度。

此外，在圖10的實施例中，第二燃料電池堆20’的輸出端202’更可以圖5的方式連接緩衝桶60及氫氣循環幫浦70；及以圖6的方式連接緩衝桶60、氫氣循環幫浦70、驅氣閥80及稀釋混合桶90。在圖10的實施例中，第二燃料電池堆20’的輸出端202’亦可以是以圖7的方式連接稀釋混合桶90；及以圖8或圖9的方式連接稀釋混合桶90及空氣幫浦100。

綜上所述，根據本發明一或多個實施例所示的燃料電池的氫氣回饋系統及方法可以降低燃料電池堆輸出的氫氣殘餘量，以使最終輸出的氫氣殘餘量可以落在期望的範圍內。並且，可以有效地避免可用的氫氣被浪費掉，進而提升燃料利用率，並降低處理尾氣的成本。此外，根據本發明一或多個實施例所示的燃料電池的氫氣回饋系統及方法透過監控輸入至燃料電池堆的氫氣流量、燃料電池堆的燃料電池堆20的電壓及最終被排出的廢氣的氫氣濃度等，可以緩解甚至避免燃料匱乏效應的發生，並提升燃料電池的燃料利用率。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10:氫氣流量控制器 20,20’:燃料電池堆 201:輸入端/第一輸入端 201’:第二輸入端 202:輸出端/尾氣輸出端 202’:第二輸出端 203:空氣輸出端 30:負載 40:氫氣體濃度偵測器 50:電控單元 60:緩衝桶 70:氫氣循環幫浦 80:驅氣閥 90:稀釋混合桶 100:空氣幫浦 1001:燃料氣體 1002:空氣 1003:殘餘氣體/第一殘餘氣體 1005:過濾氫氣 1007:過濾尾氣 1009,1009’,1009”:排放廢氣 2003:第二殘餘氣體

圖1係依據本發明第一實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖2係依據本發明一實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋方法的流程圖。圖3係繪示圖2的步驟S50的細部流程圖。圖4係繪示圖3的步驟S505的細部流程圖。圖5係依據本發明第二實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖6係依據本發明第三實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖7係依據本發明第四實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖8係依據本發明第五實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖9係依據本發明第六實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。圖10係依據本發明第七實施例所繪示的燃料電池的氫氣回饋系統的示意圖。

10:氫氣流量控制器

20:燃料電池堆

201:輸入端

202:輸出端

30:負載

40:氫氣體濃度偵測器

Claims (24)

1. 一種燃料電池的氫氣回饋系統，包含：一氫氣流量控制器，用於偵測一燃料氣體中的一氫氣流量；一第一燃料電池堆，具有一第一輸入端及一第一輸出端，該第一輸入端接收該燃料氣體，該第一燃料電池堆以該燃料氣體的一部分作為燃料以產生一輸出電流至一負載，該第一燃料電池堆更透過該第一輸出端排出一第一殘餘氣體；一第二燃料電池堆，具有一第二輸入端及一第二輸出端，該第二輸入端連接於該第一輸出端，該第二燃料電池堆將該第一殘餘氣體的一部分作為燃料以產生並輸出一第二輸出電流，並透過該第二輸出端排出一第二殘餘氣體；以及一氫氣體濃度偵測器，用於偵測該第二殘餘氣體的一氫氣濃度；以及一電控單元，電性連接該氫氣流量控制器、該第一燃料電池堆及該氫氣體濃度偵測器，該電控單元根據該氫氣流量、該第一燃料電池堆的電壓及該氫氣濃度控制該輸出電流。
2. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，其中該電控單元係根據該氫氣流量設定該輸出電流，並以該第一燃料電池堆或該第二燃料電池堆輸出的電壓作為該燃料電池的電壓，該電控單元係於判斷該燃料電池的電壓低於一電壓下限時，降低該輸出電流。
3. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，其中該電控單元於該燃料電池的電壓低於一電壓下限，而該氫氣濃度未大於一氫氣濃度上限時，降低該輸出電流。
4. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，其中該電控單元於該燃料電池的電壓未低於一電壓下限，而該氫氣濃度大於一氫氣濃度上限時，增加該輸出電流。
5. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，其中該電控單元於該燃料電池的電壓低於一電壓下限，且該氫氣濃度大於一氫氣濃度上限時，降低該輸出電流。
6. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，更包含一緩衝桶及一氫氣循環幫浦，該緩衝桶連接於該第二燃料電池堆的該第二輸出端，該氫氣循環幫浦連接於該緩衝桶與該第二燃料電池堆的該第二輸入端之間，該緩衝桶用於輸出該第二殘餘氣體中的一過濾氫氣至該氫氣循環幫浦，該氫氣循環幫浦透過該第二輸入端將該過濾氫氣送入該第二燃料電池堆。
7. 如請求項6所述的氫氣回饋系統，其中該緩衝桶更輸出該第二殘餘氣體中的一過濾尾氣。
8. 如請求項6所述的氫氣回饋系統，更包含一驅氣閥及一稀釋混合桶，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該稀釋混合桶係連接於該第二燃料電池堆的一空氣輸出端，該驅氣閥連接於該緩衝桶與該稀釋混合桶之間，該緩衝桶更輸出該第二殘餘氣體中的一過濾尾氣至該驅氣閥，該驅氣閥將該過濾尾氣送至該稀釋混合桶， 該稀釋混合桶用於混合從該空氣輸出端接收的一空氣與從該緩衝桶接收的該過濾尾氣，以產生並排出一排放廢氣。
9. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，更包含一稀釋混合桶，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該第二燃料電池堆更包含一空氣輸出端，該稀釋混合桶係連接於該第二燃料電池堆的該尾氣輸出端及該空氣輸出端，該稀釋混合桶用於混合從該空氣輸出端接收的一空氣與從該尾氣輸出端接收的該第二殘餘氣體，以產生並排出一排放廢氣。
10. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，更包含一空氣幫浦及一稀釋混合桶，其中該稀釋混合桶連接於該第二燃料電池堆的該第二輸出端以及該空氣幫浦，該空氣幫浦用於將一外部空氣輸入至該稀釋混合桶，該稀釋混合桶用於混合從該第二輸出端接收的該第二殘餘氣體與該外部空氣，以產生並排出一排放廢氣。
11. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，更包含一空氣幫浦及一稀釋混合桶，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該稀釋混合桶連接於該第二燃料電池堆的該尾氣輸出端、該第二燃料電池堆的一空氣輸出端以及該空氣幫浦，該空氣幫浦更連接於該第二燃料電池堆的該第二輸入端，該空氣幫浦用於將一外部空氣的一部分送至該第二輸入端，及將該外部空氣的另一部分送至該稀釋混合桶，該稀釋混合桶用於混合從該空氣輸出端接收的一空氣、從該尾氣輸出端接收的該第二殘餘氣體與從該空氣幫浦接收的該外部空氣的該另一部分，以產生並排出一排放廢氣。
12. 如請求項1所述的氫氣回饋系統，其中該第一燃料電池堆係質子交換膜燃料電池，該第二燃料電池堆係陰離子交換膜燃料電池或固態氧化物燃料電池。
13. 一種燃料電池的氫氣回饋方法，包含：以一氫氣流量控制器偵測一燃料氣體中的一氫氣流量，並傳輸該氫氣流量至一電控單元；以一第一燃料電池堆透過一第一輸入端接收該燃料氣體；以該第一燃料電池堆以該燃料氣體的一部分作為燃料以產生一輸出電流至一負載，並透過一第一輸出端排出一第一殘餘氣體；以該第一燃料電池堆將該第一殘餘氣體輸出至一第二燃料電池堆的一第二輸入端；以及以該第二燃料電池將該第一殘餘氣體的一部分作為燃料以產生一第二輸出電流，並透過一第二輸出端排出一第二殘餘氣體；以該電控單元透過一氫氣體濃度偵測器取得該第二殘餘氣體的一氫氣濃度；以及以該電控單元根據該氫氣流量、該燃料電池的電壓及該氫氣濃度控制該輸出電流。
14. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中以該電控單元根據該氫氣流量控制該輸出電流包含：以該電控單元根據該氫氣流量設定該負載的該輸出電流；以該電控單元取得該第一燃料電池堆的電壓；以及 以該電控單元於判斷該燃料電池的電壓低於一電壓下限時，降低該輸出電流。
15. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中以該電控單元調整該輸出電流包含：以該電控單元於該燃料電池的電壓低於一電壓下限，而該氫氣濃度未大於一氫氣濃度上限時，降低該輸出電流。
16. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中以該電控單元調整該輸出電流包含：以該電控單元於該燃料電池的電壓未低於一電壓下限，而該氫氣濃度大於一氫氣濃度上限時，增加該輸出電流。
17. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中以該電控單元調整該輸出電流包含：以該電控單元於該燃料電池的電壓低於一電壓下限，且該氫氣濃度大於一氫氣濃度上限時，降低該輸出電流。
18. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端連接於一緩衝桶，一氫氣循環幫浦更連接於該緩衝桶與該第二燃料電池堆的該第二輸入端之間，在以該第二燃料電池堆的該第二輸出端排出該第二殘餘氣體後，該方法更包含：以該緩衝桶輸出該第二殘餘氣體中的一過濾氫氣至該氫氣循環幫浦；以及以該氫氣循環幫浦透過該第二輸入端將該過濾氫氣送入該第二燃料電池堆。
19. 如請求項18所述的氫氣回饋方法，其中在以該氫氣循環幫浦透過該第二輸入端將該過濾氫氣送入該第二燃料電池堆後，該方法更包含：以該緩衝桶輸出該第二殘餘氣體中的一過濾尾氣。
20. 如請求項18所述的氫氣回饋方法，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該第二燃料電池堆更包含一空氣輸出端，且該空氣輸出端連接於該稀釋混合桶，一驅氣閥更連接於該緩衝桶與該稀釋混合桶之間，在以該第二燃料電池堆的該尾氣輸出端排出該第二殘餘氣體後，該方法更包含：以該緩衝桶輸出該第二殘餘氣體中的一過濾尾氣至該驅氣閥；以該驅氣閥將該過濾尾氣送至該稀釋混合桶；以及以該稀釋混合桶混合從該空氣輸出端接收的一空氣與從該緩衝桶接收的該過濾尾氣，以產生並排出一排放廢氣。
21. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該第二燃料電池堆更包含一空氣輸出端，且該尾氣輸出端及該空氣輸出端連接於一稀釋混合桶，以該燃料電池堆透過該第二輸出端排出該第二殘餘氣體，在以該第二燃料電池堆的該尾氣輸出端排出該第二殘餘氣體後，該方法更包含：以該稀釋混合桶混合從該空氣輸出端接收的一空氣與從該尾氣輸出端接收的該第二殘餘氣體，以產生並排出一排放廢氣。
22. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端連接於一稀釋混合桶，而該稀釋混合桶更連接於一 空氣幫浦，在以該第二燃料電池堆的該第二輸出端排出該第二殘餘氣體後，該方法更包含：以該空氣幫浦將一外部空氣輸入至該稀釋混合桶；以及以該稀釋混合桶混合從該第二輸出端接收的該第二殘餘氣體與該外部空氣，以產生並排出一排放廢氣。
23. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中該第二燃料電池堆的該第二輸出端係一尾氣輸出端，該第二燃料電池堆更包含一空氣輸出端，且該稀釋混合桶連接於該尾氣輸出端、該空氣輸出端以及該空氣幫浦，在以該第二燃料電池堆的該尾氣輸出端排出該第二殘餘氣體後，該方法更包含：以該空氣幫浦將一外部空氣的一部分送至該第二輸入端，及將該外部空氣的另一部分送至該稀釋混合桶；以及以該稀釋混合桶混合從該空氣輸出端接收的一空氣、從該尾氣輸出端接收的該第二殘餘氣體與從該空氣幫浦接收的該外部空氣的該另一部分，以產生並排出一排放廢氣。
24. 如請求項13所述的氫氣回饋方法，其中該第一燃料電池堆係質子交換膜燃料電池，該第二燃料電池堆係陰離子交換膜燃料電池或固態氧化物燃料電池。

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