[发明专利]燃料电池失效的预防装置与方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种燃料电池监测系统，且特别是有关于一种对于燃料电池系统失当的水管理和化学计量管理造成性能衰退或失效的预防方法与预防措施。

背景技术

随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。

简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由一膜电极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及两电极板所构成。

膜电极组分为阳极与阴极，在阳极(anode)传输的是燃料(如氢气)，在阴极(cathode)传输的是具湿度的氧化剂(如空气)，其中阳极为氧化反应、阴极为还原反应，化学式如下：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

当阳极的氢气接触到与质子交换膜相邻的触媒时，氢气分子会解离成为氢离子及电子，其中电子流经回路(electrical circuit)，而氢离子则直接由阳极穿越质子交换膜到达阴极。在阴极触媒的作用下经由电子回路到达的电子与氧结合成氧离子，并随即与穿越质子交换膜的氢离子合成形成水分子，此即为电化学(electrochemical)的氧化与还原反应过程，经由电子回路提供于负载。

然而，燃料电池的成本和寿命是其进入商业化的主要障碍，而水、热管理及化学计量管理所带来的系统问题是首当必须被解决的难题。

有鉴于上述，一种适用于商业化的燃料电池系统的控制逻辑，包括可以快速(speedily)、正确(accurately)、灵敏(sensitively)、简单(simply)、便宜(cheaply)且可在线(on-line)、即时(realtime)现地(in-situ)与非侵入(non-invasion)的侦测方式，亟需被开发，以突破现有产业的瓶颈。

发明内容

本发明提供一种燃料电池失效的预防装置与方法，能预防燃料电池系统失当的水管理和化学计量管理造成的性能衰退或失效。

本发明提出一种燃料电池失效的预防装置。所述燃料电池包括至少一组单电池、位于所述单电池两侧的一对集电板以及分别位于该对集电板旁的一对端板。所述预防装置包括上游与下游电压监测单元、数据处理单元以及系统控制单元。上游与下游电压监测单元对应每一单电池并同步监测每一单电池的上游与下游电压。数据处理单元则接收上述上游与下游电压的电压信号，以得到每一单电池的上游与下游电压的差动电压(differential voltage，DV)。系统控制单元再根据所述差动电压，对燃料电池进行失效预防的矫正控制。

在本发明的一实施例中，上述上游电压监测单元可为上游电压计，上述下游电压监测单元可为下游电压计。

在本发明的一实施例中，上述上游与下游电压监测单元可为阳极电压计。

在本发明的一实施例中，上述上游与下游电压监测单元可为阴极电压计。

在本发明的一实施例中，上述单电池包括膜电极组、阳极流场板、阴极流场板、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层。阳极流场板包括传输燃料的阳极流道、阴极流场板包括传输氧化剂的阴极流道，而阳极气体扩散层是位于膜电极组与阳极流场板之间；阴极气体扩散层是位于膜电极组与阴极流场板之间。

在本发明的一实施例中，上述燃料电池包括一燃料入口歧道、一燃料出口歧道、一氧化剂入口歧道和一氧化剂出口歧道。燃料入口歧道连接每个单电池的阳极流道的入口、燃料出口歧道连接每个单电池的阳极流道的出口、氧化剂入口歧道连接每个单电池的阴极流道的氧化剂入口、氧化剂出口歧道连接每个单电池的阴极流道的氧化剂出口。

在本发明的一实施例中，上述数据处理单元包括数据撷取单元与数据运算单元。

在本发明的一实施例中，上述系统控制单元的所述失效预防的矫正控制包括根据所述差动电压与一容许区间，对所述燃料电池进行所述失效预防的矫正控制。

在本发明的一实施例中，上述矫正控制还包括当判定所述差动电压低于所述容许区间的下限，则进行水管理不当的矫正控制，其中所述水管理不当的矫正控制是选自包括增加相对湿度、降低所述燃料电池的温度与降低化学计量中的至少一种措施。