专利名称：燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种燃料电池组的加湿装置，特别是关于一种燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置。
背景技术：
查燃料电池(Fuel Cell)是一种借着电化学反应，直接利用含氢燃料和空气产生电力的装置。由于燃料电池具有低污染、高效率、高能量密度等优点，故成为近年来各国研发和推广的对象。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作温度较低、起动迅速、体积与重量的能量密度较高，因而最具产业价值。
典型的燃料电池组是由多个膜电极组体(Membrane ElectrodeAssembles，MEA)组构而成，每一个膜电极组体中包括有阳极触媒层、高分子质子交换膜与阴极触媒层。将该膜电极组体结合气体扩散层与双极板叠置组合即成为一基本的燃料电池单电池。
燃料电池在反应时是依赖高分子质子交换膜传输氢离子(质子)以完成电化学反应，其电池性能与各项操作条件，例如温度、湿度、氢气流量、空气流量...等皆息息相关。例如以湿度条件而言，必需使该燃料电池的高分子质子交换膜维持在合适的操作湿度下才能使该燃料电池保持较佳的质子交换效率。
在现有的技术之下，为了维持该燃料电池操作在适当的操作湿度，一般作法是在反应气体供应管线中配置一加湿器，以使该反应气体在经过该加湿器时提高其相对湿度，然后再供应至该燃料电池中。例如以空气(氧气)的供应而言，一般作法即是在鼓风机之后配置该加湿器，然后再连接至燃料电池中的阴极反应气体输入孔，以使该空气在进入至燃料电池中时能得到适当的相对湿度。
图1是显示习知技术中，一配置有加湿器的燃料电池系统的示意图。该燃料电池组1反应所需的氢气是由一氢气源2所供应，该氢气源2所供应的氢气由该燃料电池组1的氢气入口11送入，而可由氢气出口12送出。该氢气源1可由习知的储氢罐或其它氢气产生装置而供应。
该燃料电池组1反应所需的氧气是由一空气源3所供应。一加湿器4可连接在该空气源3与燃料电池组1的空气入口13之间。借由该加湿器4可用以供应经过适当湿度调节后的反应气体至该燃料电池组1中。
该加湿器4的气体导入端41可将空气源引入至加湿器4中，经过该加湿器4中的湿度调节功能再由气体导出端42送出经过调节过的气体至该燃料电池组1的空气入口13，以供应该燃料电池组1反应所需的氧气。前述的空气源3可由一般鼓风装置所供应。
在前述的设计中，也有些设计额外设计了废热回收管路的设计，以增强该加湿器在加湿及加热方面的效能。
然而，在前述习用的燃料电池反应气体加湿技术中，虽然能达到控制反应气体相对湿度的目的，但是在实际使用时发现仍有许多待改进之处，例如在加湿器的管线配置、加湿器的效能...等各方面，仍有待进一步改良的空间。
以温度状况对加湿器效能的影响而言，通常当燃料电池系统启动初期时，该燃料电池组及加湿器的内部工作环境仍处于较低温度状态，故会使得加湿器在加湿效能方面无法达到良好的效果。此时即使设计有废热回收等复杂的管路设计，但对于系统启动初期时完全没有帮助。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，借由本发明的设计，可以使加湿器在燃料电池系统启动初期即发挥其良好的加湿效能。
本发明的另一目的是提供一种结构配置简易的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其只需配合简易的加热板及控制装置，即可使送入至该燃料电池组的反应气体能得到适当的温度及湿度调节。
本发明为解决习知技术的问题所采用的技术手段是以一加湿器连接在该空气源与燃料电池组的空气入口之间，借由该加湿器用以供应经过适当湿度及温度调节后的反应气体至该燃料电池组中。该加湿器配置有至少一加热板。一控制装置，可在该燃料电池组启动运转时，依据一预设的参数条件，而控制该加热板的加热动作。
本发明控制装置包括有至少一温度传感器，用以量测该加湿器的温度状况，并送出一温度信号；一微控器，可接收该温度传感器所产生的温度信号，并依据该温度信号而控制该加热板；一参考温度值储存单元，可用以储存及提供一参考温度信号至该微控器；一时间设定值储存单元，其可提供一时间信号至该控制装置。
本发明的效果是经由本发明所采用的技术手段，可以使得燃料电池组在启动初期即在本发明所提供的温度/湿度调节控制之下，提供一具有最佳相对湿度的反应气体，以使该燃料电池组操作于最佳操作条件。
再者，本发明只需配合简易的加热板及控制装置，即可使送入至该燃料电池组的反应气体能得到适当的温度及湿度调节，在结构配置及组装时极易实施。
图1是显示习知技术中，一配置有加湿器的燃料电池系统的示意图；图2是显示本发明燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置的第一实施例系统连接示意图；图3是显示本发明第一实施例中所使用的加湿器立体图；图4是显示图3中加湿器的侧视图；图5是显示图3中加热板与加湿器分离时的立体分解图；图6是显示本发明燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置的第二实施例系统连接示意图；图7是显示本发明第二实施例中所使用的加湿器侧视图。
符号说明1 燃料电池组11 氢气入口12 氢气出口13 空气入口131 隔热套管14 空气出口141 隔热套管2 氢气源3 空气源4 加湿器41 气体导入端42 气体导出端43 废气导入端44 废气导出端45 端板5 加热板
6 控制装置61微控器62温度传感器63参考温度值储存单元64温度比较单元65时间设定值储存单元66控制参数设定单元67驱动电路68开关装置7 电能供应装置81温度传感器82温度传感器83温度比较单元84电压检测单元9 警示单元具体实施方式
本发明的其它目的及其功效，将借由以下的实施例及所附图式作进一步的说明图2是显示本发明燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置的第一实施例系统连接示意图。该燃料电池组1是由多个膜电极组体(MembraneElectrode Assemblies)所组构而成，每一个膜电极组体结合阳极触媒层、质子交换膜、与阴极触媒层、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层而构成了燃料电池电化学反应的基本单位。各个膜电极组体间以电气串联的方式予以连接以达到所需的电压准位及电流值后，再由一正极端(+)及一负极端(-)输出一输出电压Vout。
该燃料电池组1反应所需的氢气是由一氢气源2所供应，该氢气源2所供应的氢气由该燃料电池组1的氢气入口11送入，而可由氢气出口12送出。该氢气源1可由习知的储氢罐或其它氢气产生装置而供应。
该燃料电池组1反应所需的氧气是由一空气源3所供应。一加湿器4可连接在该空气源3与燃料电池组1的空气入口13之间。借由该加湿器4可用以供应经过适当湿度调节后的反应气体至该燃料电池组1中。
该加湿器4的气体导入端41可将空气源引入至加湿器4中，经过该加湿器4中的湿度调节功能再由气体导出端42送出经过调节过的气体至该燃料电池组1的空气入口13，以供应该燃料电池组1反应所需的氧气。前述的空气源3可由一般鼓风装置所供应。
经过该加湿器4进行湿度调节后的气体在送至该燃料电池组1中之后，再由一空气出口14送回至该加湿器4的废气导入端43，且该废气经过该加湿器4内部之后，再由该加湿器4的废气导出端44予以排放。
连接于该加湿器4的气体导出端42与燃料电池组1的空气入口13之间的管线可以隔热套管131予以包覆，以确保送入燃料电池组1空气的加湿效果。而连接于该加湿器4的废气导入端43与燃料电池组1的空气出口14之间的管线亦可以隔热套管141予以包覆。
在本发明的第一实施例中，该加湿器4的端板45处结合有一加热板5。图3是显示本发明第一实施例中所使用的加湿器4的立体图，图4是显示该加湿器4的侧视图，而图5是显示图3中的加热板5与加湿器4分离时的立体分解图。图式中所示，是在该加湿器4的两个端板45处皆设置一个加热板5，当然亦可仅在其中一个端板45设置一加热板5。
该加湿器4的端板45可由导热性能良好的材料(例如铝或铝合金等)制成；加热板5可由硬质(或软质)电阻加热片制成。该加热板5除了配置在该加湿器4的端板45外侧面之外，亦可以配合适当的隔绝材料而以内嵌式的方式配置在该加湿器4的端板45内侧面。
该加湿器4的加热板5可由一控制装置6依据预设的条件所控制，该控制装置6包括有一微控器61，其连接有一温度传感器62。该温度传感器62可量测该加湿器4的温度状况，并送出一温度信号s1至该控制装置6。
该控制装置6中亦可包括有一参考温度值储存单元63，其可提供一参考温度信号s2，以使微控器61在进行控制时，可以该参考温度值储存单元63中所储存的温度值作为控制的参考值。该温度信号s1与参考温度信号s2会被送至一温度比较单元64以进行温度值的比较。
该控制装置6中亦可包括有一时间设定值储存单元65，其可提供一时间信号s3至该微控器61。以使微控器61在进行控制时，可以该时间设定值储存单元65中所储存的时间值作为控制的参考值。
而为了使使用者可依据实际需要而设定该参考温度值储存单元63中的参考温度值及时间设定值储存单元65中的时间设定值，该微控器61可连接有一控制参数设定单元66，可分别将参考温度值及时间设定值储存于该参考温度值储存单元63及时间设定值储存单元65中。
该微控器61依据前述所侦测到的温度信号s1、参考温度信号s2、时间信号s3可据以判断是否控制加湿器4的启动及调温功能。该微控器61所产生的输出信号可经由一驱动电路67产生一驱动信号，再由该驱动信号驱动一开关装置68的状态，进而控制该加热板5的加热状态。
该加热板5的电能是可由一电能供应装置7所供应，而该电能供应装置7是可为一外界的电源(直流电源或交流电源)，亦可以该燃料电池所输出的输出电压Vout作为工作电源。
当燃料电池系统启动时，该燃料电池组1反应所需的氢气及空气分别由氢气源2及空气源3供应，而空气源3在供应至该燃料电池系统时，会经过加湿器4进行湿度的调节。而由于燃料电池系统启动时，该加湿器4的内部工作环境仍处于较低温度状态，其状态会由温度传感器62予以量测出，并送出一温度信号s1至该控制装置6。
该控制装置6依据该接收到的温度信号s1及参考温度值储存单元63中的参考温度信号s2首先会经过温度比较单元64比较。其比较的结果，如果该温度信号s1较参考温度信号s2为低，则微控器61会产生一输出信号经由驱动电路67控制开关装置68闭合，故加热板5即立即对该加湿器4进行加热。当加热至一预定条件时(亦即此时该燃料电池已运作达一预定时间之后)，此时该温度信号s1较参考温度信号s2为高，则微控器61停止送出输出信号，使开关装置68开路，故加热板5即停止加热。
该控制装置6除了以温度信号作为控制加热板的依据之外，亦可以时间条件作为控制加热板状态的依据。例如，使用者可以依据实际的燃料电池系统状况而设定一时间设定值。当燃料电池系统启动时，该加湿器4即立即产生一输出信号经由驱动电路67控制开关装置68闭合，故加热板5即立即对该加湿器4进行加热。当该预设的时间设定值到达到时，则微控器61停止送出输出信号，使开关装置68开路，故加热板5即停止加热。
此外，本发明的设计中，在该加湿器4的气体导出端42与燃料电池组1的空气入口13间的管线可配置有一温度传感器81，而在该加湿器4的废气导入端43与燃料电池组1的空气出口14间的管线亦可以配置有一温度传感器82。该两个温度传感器81、82所量测出的温度值经一温度比较单元83予以比较，而可送出一温差信号s4至微控器61，故微控器61可据以得知送入燃料电池组1的空气入口13的反应气体与由该燃料电池组1的空气出口14所送出的反应气体两者间的温差状况，并作为控制该加热板5是否加热的依据。
该燃料电池组1的输出电压Vout亦可由一电压检测单元84予以量测，并由该电压检测单元84送出一电压信号s5至微控器61，以使该微控器61据以得知该燃料电池组1的输出电压状况，再作为控制该加热板5是否加热的依据。例如，当该输出电压的数值降低时，有可能代表送入该燃料电池组1的反应气体湿度不足，而其原因有可能是为加湿器4中的温度太低所致。故此时，微控器61即可尝试控制加热板5开始加热，以提升该加湿器4中的温度。如此可使加湿器4与燃料电池组1的整体运作得到最佳的效能。
该微控器61可连接有一警示单元9，以在前述的各项控制动作中，万一有异常状况，则可由该警示单元9发出适时的警示声音或灯号。
图6是显示本发明燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置的第二实施例系统连接示意图，图7是显示本发明第二实施例中所使用的加湿器侧视图。在此一实施例中，其大部分的组件与前述图2所示的第一实施例相同，其差异在于该加湿器4是配置有数个加热板5a、5b、5c，每一个加热板5a、5b、5c皆可由控制装置中的各别驱动电路67a、67b、67c以及开关装置68a、68b、68c予以控制。而在该加湿器4亦可配置有数个温度传感器62a、62b、62c，可分别感测出该加湿器4的区段温度信号s1a、s1b、s1c，并送至微控器61中。
该微控器61依据该接收到的温度信号s1a、s1b、s1c，再依据参考温度值储存单元63中的参考温度信号s2，可判别出该加湿器4的温度状况。微控器61即可产生输出信号透过各别的驱动电路67a、67b、67c以及开关装置68a、68b、68c而控制该加湿器4的区段温度。
借由上述的设计，可使得该燃料电池系统启动时，其反应气体即可经由加湿器进行瞬间启动及调温的功能，进而提升该燃料电池的工作效能。
权利要求
1.一种燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，用以将燃料电池反应所需的反应气体经过湿度及温度调节之后，供应至燃料电池组中，其特征在于所述加湿模组包括有一燃料电池组；一氢气源，用以供应该燃料电池组反应所需的氢气；一空气源，用以供应该燃料电池组反应所需的氧气；一加湿器，连接在该空气源与燃料电池组的空气入口之间，借由该加湿器可将该用以空气源所供应的反应气体在供应经过适当湿度及温度调节后，经由该空气入口送至该燃料电池组中；至少一加热板，配置在该加湿器，用以将该经过该加湿器的反应气体予以加热；一控制装置，可在该燃料电池组启动运转时，依据一预设的参数条件，而控制该加热板的加热动作。
2.根据权利要求1的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于所述控制装置包括有至少一温度传感器，用以量测该加湿器的温度状况，并送出一温度信号；一微控器，可接收该温度传感器所产生的温度信号，并依据该温度信号而控制该加热板。
3.根据权利要求2的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于其更包括有一参考温度值储存单元，可用以储存及提供一参考温度信号至该微控器；一温度比较单元，用以比较该温度传感器的温度信号与参考温度值储存单元中的参考温度信号。
4.根据权利要求3的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于更包括有一控制参数设定单元，用以设定一参考温度值至该参考温度值储存单元中。
5.根据权利要求2的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于所述控制装置包括有一时间设定值储存单元，其可提供一时间信号至该控制装置，以使控制装置在进行控制时，可以该时间设定值储存单元中所储存的时间值作为控制该加热板的依据。
6.根据权利要求5的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于更包括有一控制参数设定单元，用以设定一时间信号至该时间设定值储存单元中。
7.根据权利要求1的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于该加热板是配置在该加湿器的两端板。
8.根据权利要求1的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于该加热板是配置在该加湿器的其中一个端板。
9.根据权利要求1的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于该加湿器的气体导出端与燃料电池组的空气入口间的管线配置有一温度传感器，而在该加湿器的废气导入端与燃料电池组的空气出口间的管线亦配置有一温度传感器。
10.根据权利要求1的燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，其特征在于该燃料电池组的输出电压由一电压检测单元予以量测，并由该电压检测单元送出一电压信号至该控制电路。
全文摘要
本发明是一种燃料电池加湿模组的瞬间启动及调温装置，是以一加湿器连接在该空气源与燃料电池组的空气入口之间，借由该加湿器用以供应经过适当湿度及温度调节后的反应气体至该燃料电池组中。该加湿器配置有至少一加热板。一控制装置，可在该燃料电池组启动运转时，依据一预设的参数条件，而控制该加热板的加热动作。控制装置包括有至少一温度传感器，用以量测该加湿器的温度状况，并送出一温度信号；一微控器，可接收该温度传感器所产生的温度信号，并依据该温度信号而控制该加热板；一参考温度值储存单元，可用以储存及提供一参考温度信号至该微控器；一时间设定值储存单元，其可提供一时间信号至该控制装置。
文档编号H01M8/00GK1741312SQ20041005717
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者徐耀升 申请人:亚太燃料电池科技股份有限公司