[發明專利]燃料電池系統及其控制方法

無效

• 申請號: 201210016342.3
• 申請日: 2012-01-19
• 公開（公告）號: CN103219534A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 朱鼎舜;周柏圭;鄭再興
• 申請（專利權）人: 揚光綠能股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 舒雄文;蹇煒

技術領域

本發明涉及一種燃料電池系統及其控制方法，且特別是涉及一種可穩定地輸出電力的燃料電池系統及其控制方法。

背景技術

能源的開發與應用一直是人類生活不可或缺的條件，但能源的開發與應用對環境的破壞與日俱增。利用燃料電池(fuel?cell)技術產生能源具有高效率、低噪音、無污染的優點，是符合時代趨勢的能源技術。燃料電池具有多種類型，其中常見的為直接甲醇燃料電池(Direct?Methanol?Fuel?Cell；DMFC)以及質子交換膜型燃料電池(Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell；PEMFC)。然而，不論是直接甲醇燃料電池或是質子交換膜型燃料電池，其都是藉由使燃料產生反應來發電，而燃料多寡及反應的快慢會影響整個燃料電池的效能及穩定度。

以質子交換膜型燃料電池為例，質子交換膜型燃料電池主要由質子交換膜以及陰陽兩電極組成。其陽極以氫氣為燃料，而氫氣由泵浦及流量控制閥輸送至陽極的流道中，而當氫氣與陽極中的觸媒反應時，會反應產生熱。陽極的燃料與觸媒反應產生氫離子與電子，其化學式如下：

2H₂→4H⁺+4e^-

陽極反應生成的電子經由電路去往陰極，氫離子則穿透質子交換膜去往陰極，再與電子和氧氣反應生成水，其化學式如下：

4H⁺+4e^-+O₂→2H₂O

而陰極所產生的水蒸氣則會透過冷凝系統再回收。另一方面，由于陽極的氫氣反應時的流率需要恒定，故常需要復雜的閥件及泵浦去做氫氣的流量控制。

做為燃料的氫氣可藉由一般現有的氫氣產生方式來制造，其中以化學儲氫技術為常用的技術，其廣泛用于可攜式電力裝置中。化學儲氫技術通常是藉由固態反應物與液態反應物反應而產生氫氣。其中，上述的固態反應物可為金屬氫化物或金屬，例如：硼氫化鈉(NaBH₄)、氫化鎂(MgH₂)、氫化鈣(CaH₂)或鋁粉(Al)。上述的液態反應物可包括液態水、蘋果酸(malic?acid)、檸檬酸(citric?acid)、硫酸(H₂SO₄)、小蘇打(NaHCO₃)水、石灰(CaCO₃)水等液體。舉例來說，可將水加入硼氫化鈉中，以使得兩者發生化學反應，而產生氫氣。之后，再將產生的氫氣通入燃料電池中，即可反應而產生電力。上述硼氫化鈉與水反應的操作方式可以是將水加入硼氫化鈉中，或是將硼氫化鈉加入水中，這兩種方式均可。其化學式如下：

NaBH₄+2H₂O→NaBO₂+4H₂

由化學式可知，此化學反應為一次化反應會造成不斷產生氫氣，直到固態反應物與液態反應物的化學反應完成才會停止。由于化學反應產氫會使得氫氣流量不穩定，故常需要一個流量控制閥來穩定地輸出氫氣。

此外，利用上述方式每次將水加入固態反應物后，會非常大量地釋放氫氣。而當燃料電池一次接收到大量的氫氣量時，造成其輸出電壓升高及其溫度急劇升高，因此系統控制相當不易。

目前業界都以閥件去做控制氫氣的輸出，以達到精準控制，但是閥件相當昂貴。此外，若是不用閥件來控制氫氣的輸出，則會有下列問題：

1.無法適應不同環溫操作。在低環溫時會造成需要大量的化學反應以產生氫氣并維持其溫度；而在高環溫時，由于反應性較佳，其控制氫氣流量的邏輯會不同。另一方面，倘若溫度若是過高，系統則難以降溫到燃料電池最佳溫度。

2.氫氣流量無法控制。大量氫氣會造成電壓和溫度急速升高，而氫氣量太少又會使得電壓降低。若沒有良好的氫氣流量的控制方法，將會使得電池堆組壽命降低非常快。

3.目前一般業界的控制模式，會使得燃料電池的溫度范圍變大，而導致溫度會過高或是過低。又因溫度會直接地影響燃料電池輸出電力時的效能，故會導致燃料電池的燃料利用率下降。