[發明專利]燃料電池失效的預防裝置與方法

有效

• 申請號: 201310023065.3
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103872353A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 陳祈彰;蕭德瑛;鐘孝平;李純怡
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國;梁揮

技術領域

本發明是有關于一種燃料電池監測系統，且特別是有關于一種對于燃料電池系統失當的水管理和化學計量管理造成性能衰退或失效的預防方法與預防措施。

背景技術

隨著工業的進步，傳統能源如煤、石油及天然氣的消耗量持續升高，由于天然能源的存量有限，因此必須研發新的替代能源以取代傳統能源，而燃料電池便是一種重要且具實用價值的選擇。

簡單來說，燃料電池基本上是一種利用水電解的逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置。以質子交換膜燃料電池來說，其主要是由一膜電極組(membrane?electrode?assembly，簡稱MEA)及兩電極板所構成。

膜電極組分為陽極與陰極，在陽極(anode)傳輸的是燃料(如氫氣)，在陰極(cathode)傳輸的是具濕度的氧化劑(如空氣)，其中陽極為氧化反應、陰極為還原反應，化學式如下：

陽極：H₂→2H⁺+2e^-

陰極：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

當陽極的氫氣接觸到與質子交換膜相鄰的觸媒時，氫氣分子會解離成為氫離子及電子，其中電子流經回路(electrical?circuit)，而氫離子則直接由陽極穿越質子交換膜到達陰極。在陰極觸媒的作用下經由電子回路到達的電子與氧結合成氧離子，并隨即與穿越質子交換膜的氫離子合成形成水分子，此即為電化學(electrochemical)的氧化與還原反應過程，經由電子回路提供于負載。

然而，燃料電池的成本和壽命是其進入商業化的主要障礙，而水、熱管理及化學計量管理所帶來的系統問題是首當必須被解決的難題。

有鑒于上述，一種適用于商業化的燃料電池系統的控制邏輯，包括可以快速(speedily)、正確(accurately)、靈敏(sensitively)、簡單(simply)、便宜(cheaply)且可在線(on-line)、即時(realtime)現地(in-situ)與非侵入(non-invasion)的偵測方式，亟需被開發，以突破現有產業的瓶頸。

發明內容

本發明提供一種燃料電池失效的預防裝置與方法，能預防燃料電池系統失當的水管理和化學計量管理造成的性能衰退或失效。

本發明提出一種燃料電池失效的預防裝置。所述燃料電池包括至少一組單電池、位于所述單電池兩側的一對集電板以及分別位于該對集電板旁的一對端板。所述預防裝置包括上游與下游電壓監測單元、數據處理單元以及系統控制單元。上游與下游電壓監測單元對應每一單電池并同步監測每一單電池的上游與下游電壓。數據處理單元則接收上述上游與下游電壓的電壓信號，以得到每一單電池的上游與下游電壓的差動電壓(differential?voltage，DV)。系統控制單元再根據所述差動電壓，對燃料電池進行失效預防的矯正控制。

在本發明的一實施例中，上述上游電壓監測單元可為上游電壓計，上述下游電壓監測單元可為下游電壓計。

在本發明的一實施例中，上述上游與下游電壓監測單元可為陽極電壓計。

在本發明的一實施例中，上述上游與下游電壓監測單元可為陰極電壓計。

在本發明的一實施例中，上述單電池包括膜電極組、陽極流場板、陰極流場板、陽極氣體擴散層以及陰極氣體擴散層。陽極流場板包括傳輸燃料的陽極流道、陰極流場板包括傳輸氧化劑的陰極流道，而陽極氣體擴散層是位于膜電極組與陽極流場板之間；陰極氣體擴散層是位于膜電極組與陰極流場板之間。

在本發明的一實施例中，上述燃料電池包括一燃料入口歧道、一燃料出口歧道、一氧化劑入口歧道和一氧化劑出口歧道。燃料入口歧道連接每個單電池的陽極流道的入口、燃料出口歧道連接每個單電池的陽極流道的出口、氧化劑入口歧道連接每個單電池的陰極流道的氧化劑入口、氧化劑出口歧道連接每個單電池的陰極流道的氧化劑出口。

在本發明的一實施例中，上述數據處理單元包括數據擷取單元與數據運算單元。

在本發明的一實施例中，上述系統控制單元的所述失效預防的矯正控制包括根據所述差動電壓與一容許區間，對所述燃料電池進行所述失效預防的矯正控制。

在本發明的一實施例中，上述矯正控制還包括當判定所述差動電壓低于所述容許區間的下限，則進行水管理不當的矯正控制，其中所述水管理不當的矯正控制是選自包括增加相對濕度、降低所述燃料電池的溫度與降低化學計量中的至少一種措施。