专利名称：水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池机组，特别涉及一种水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组。
背景技术：
燃料电池(Fuel Cell)是一种借电化学反应，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、激活迅速、体积与重量的能量密度较高，因此最具产业价值。
在业者研发、性能测试、品质管制、产品维护的过程中，经常都必需将该燃料电池组及各相关组件间的管路连结及电路连接及测试。在新产品的推广、燃料电池供电系统原理解说、教育示范、商品展示等各种场合中，业者或是使用者亦必需重复执行该燃料电池组及各相关组件间的管路连结及电路连接工作。
本发明所欲解决的技术问题。在新产品的推广、原理解说、教育示范、商品展示等场合中，由于一直缺乏适当的机组可供使用，常使得一般使用者无法真正了解到该项新科技产品的各项特点。在业者研发、性能测试、品质管制、产品维护的过程中，亦往往没有适当的机组设计可供使用，而使得技术者往往花费许多时间在作各相关构件间的管路连结及电路连接、及测试。
再者，由于整个燃料电池系统所涉及到的相关构件相当多，故会影响到该燃料电池系统效能的原因也相当多。研究人员或使用者欲知道整个燃料电池系统中的哪个构件不合要求或是不良品，往往会耗费许多时间于查证的工作。这些目前存在的问题，都不利于燃料电池的推广及实际应用。
因此，实有必要设计出一种具有简易操作、简易连结、且具备系统组件检测及功能验证功能的燃料电池机组。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，通过本发明的整体构件配置及简易的管线及电路连接，而使得燃料电池电力供应装置的相关组件检测及功能验证更为简易。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池系统的机组设计，通过本发明的辅助，可以将整个燃料电池电力供应系统的工作原理、电气特性、气体供应状况完全呈现出来，以使业者及使用者完全掌握该燃料电池系统的运作状况。
本发明的另一目的在于提供一种水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其机组采用了水冷式的设计，可以较符合于实际应用时的状况，且能使该燃料电池在水冷设计中得到较高的工作效能。
本发明为解决公知技术的问题所采用的技术手段是在一承载框架的燃料电池承置台上承置一燃料电池组，一氢气供应装置可供应该燃料电池组反应所需的氢气，再由该燃料电池组的氢气出口排放出。一送风装置可供应该燃料电池组反应所需的空气，再由该燃料电池组的空气出口排放出。一液冷装置，连接于该燃料电池组的冷却液出口与冷却液入口之间，用以使该燃料电池得到适当的冷却。一加湿器，连结于该空气供应管线，用以使该送风装置送入燃料电池组的空气得到适当加湿。一控制装置，用以控制该检测及功能验证机组的各项测试及信号接收。
经由本发明所采用的技术手段，使得燃料电池电力供应装置的功能测试、展示、组件检测、功能验证更为简易、确实，可使业者在研发、使用者实际使用、或教学展示等各种不同场合皆可确实掌握该燃料电池系统的整体机组、以及各个组件的运作是否正常。且通过本发明的连接及显示装置，可呈现出燃料电池组与各相关构件之间的管线及线路连接、显示该燃料电池组在操作时的各项电气参数、气体供应状况、各项信号检测状况。相对于公知技术，本发明具有明显的效果增进。
图1是本发明水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组立体图；图2是本发明水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组的系统连结示意图；图3是图1中连接及显示盘面上的各相关组件的较佳实施例配置图。
具体实施例方式
图1是本发明水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组的立体图。图中显示在一承载框架1中配置有一控制装置2，该控制装置2连接有一显示器2 1及必要的输出入装置22(例如控制键盘等)。该显示器21可以将整个水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组的各项信号检测状况、运作效能、曲线图等实时地予以显示。
在该承载框架1的框架平台11上形成有一具有适当倾斜顶面的燃料电池承置台12，以供承置一燃料电池组3(Fuel Cell Stack)，该燃料电池组3承置在该承置台12上时，其氢气出口32与空气出口34位于该承置台12的较低方向，故可使该燃料电池组3具有良好的生成水排放能力。
一电子负载23配置在该承载框架1中，作为该燃料电池组3的负载仿真装置。
在该承载框架1中的适当位置配置了一液冷装置37，用以提供该燃料电池组3工作时所需的冷却功能。
该燃料电池组3在进行电化学反应时所需的氢气供应源是可由储氢装置4供应。该氢气供应装置4包括有至少一低压金属氢罐承置槽41以及对应数量的低压金属氢罐42。该氢气供应装置4配置在该承载框架1的一侧边，其经由管线连接于该燃料电池组3，以供该燃料电池组3反应所需的氢气。该氢气供应装置4亦可由其它氢气源经由管线供应该燃料电池组3所需的氢气。
该燃料电池组3在进行电化学反应时所需的空气则可由一送风装置5经由连接至该燃料电池组3的管线所供应。
该承载框架1上亦设置了一连接及显示盘面6，以作为管线及线路的连接以及显示该燃料电池组3于操作时的各项性能参数(例如电压、电流、温度)以及气体供应状况(例如氢气、空气的供应状况、及加湿效果)。该连接及显示盘面6的配置状况将后述。
图2是本发明水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组的系统连结示意图，其燃料电池组3由复数个膜电极组体(MembraneElectrode Assemblies)所组构而成，每一个膜电极组体是结合阳极触媒层、质子交换膜与阴极触媒层，而构成了燃料电池电化学反应的基本单位。将膜电极组体、氢气扩散层与双极板串联组合即可成为电池模块；再者，氢气双极板与空气双极板中间辅以冷液流供燃料电池组温度控制用，前后再用导电板与端板锁紧，而构成水冷式燃料电池组。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(-)引出直流电至电子负载23。
该燃料电池组3在操作时需要空气及氢气的供应。其中该氢气的供应方面，是由氢气供应装置4供应该燃料电池组3反应所需的氢气。该氢气供应装置4的低压金属氢罐42可采用低压金属氢罐或是其它的供氢装置，以供应氢气作为该燃料电池组3的燃料。该氢气供应装置4所供应的氢气可经由氢气供应管线43供应至该燃料电池组3的氢气入口31。在该氢气供应管线43中包括有一紧急关闭钮44，以在紧急状况时及时关闭氢气的供应及电力输出。一氢气压力调节阀45(减压阀)可作为氢气压力的减压调节。一氢气压力计46可用来检测及显示氢气的压力。
在该氢气供应管线43的氢气压力调节阀45之后，更配置有一氢气质流控制器47(Mass Flow Controller)，其是一种流量计与控制阀组的精密机电组合，其可以测量该氢气的质量流速。一氢气浮子流量控制计(Gas Flow Rotameter)48亦配置在该氢气供应管线43中，以利研究人员或使用者观测气体流量状态，其前端可配置一氢气流量控制旋钮481，可作为氢气质流控制器47与氢气浮子流量控制计48交叉验证。
在该氢气供应管线43连通于燃料电池组3的氢气入口31之前，可另由一氮气供应源49经由氮气供应管线491、氮气压力调节器492、以及一三通控制阀493而连通至该氢气供应管线43，在操作燃料电池组3之前或操作完成后，借此氮气的供应而将燃料电池组氢气供应管线43内的氢气或杂质气体驱散，以维护燃料电池组3性能的稳定性。
由前述氢气供应管线43所供应至燃料电池组3的氢气在送入燃料电池组3的氢气入口31之后，经由该燃料电池组3的内部氢气槽道后再由氢气出口32送出。而在该氢气出口3的管线中配置有一单向阀321、一电磁控制阀322，其中该单向阀321管制排出的氢气仅能往出口方向排出，而电磁控制阀322可通过开启或关闭状态而控制氢气端残余生成水的排放。
氢气供应方式依检测需求采取开放式或密闭式供应。开放式时，可经由更改化学计量比(Stoichiometric ratio)并依据燃料电池组电压、电流输出自动调整流量或固定流量；密闭式时，可实际量测氢气消耗速率，比照理论值与输出功率可进一步研究燃料电池组使用效率。
而在空气源的供应方面，其由一送风装置5(例如一无油式空气压缩机)经一空气供应管线51供应空气至该燃料电池组3的空气入口33。在该空气供应管线51中包括有一空气压力调节阀52可作空气压力的减压调节。一压力计53可用来检测出及显示空气的压力。一空气质流控制器54可测量该空气的质量流速。一空气流量控制计55亦配置在该空气供应管线51中，以利研究人员或使用者观测气体流量状态，其前端可配置一空气流量控制旋钮551，可作为空气质流控制器54与空气浮子流量控制计55交叉验证。
空气供应方式采取开放式供应，可经由更改化学计量比(Stoichiometric ratio)并依据燃料电池组电压、电流输出自动调整流量或了解固定流量对燃料电池组性能的影响。
该空气供应管线51中包括有一加湿器56，其配置目的是使送入燃料电池组3的空气保持一适当的湿度，以使燃料电池组3得以正常地操作。经过该加湿器56的空气在送入燃料电池组3的空气入口33前的管线另以隔热套管57予以包覆，以确保送入燃料电池组3空气的加湿效果，且在该管线中可配置一温度传感器571量测该送入空气的温度，并由一入口空气温度表572显示其入口空气温度状况。
空气送入燃料电池组3之后，会由该燃料电池组3的空气出口34送出，并再经过该加湿器56后送出并予以排放。而该燃料电池组3的空气出口34与加湿器56间的管线亦可以隔热套管58予以包覆，且在该管线中可配置一温度传感器581量测该送出空气的温度，并由一出口空气温度表582显示其出口空气温度状况。经由该入口空气温度表572与出口空气温度表582，可据以了解空气加湿状态及加湿器的性能。
该加湿器56配置一加热组件561(例如加热片)并结合一温度控制器562，通过该温度控制器562可控制加湿器56的温度，以使该加湿器56对通过的入口空气调整其加湿效果，进而了解气体湿度对燃料电池组3性能的影响。该温度控制器562在控制加湿器56的温度时，可由一温度传感器563予以量测温度状况。
该燃料电池组3具有一冷却液入口35及一冷却液出口36。在该冷却液出口36处配置一液冷装置37，其包括有一热交换装置371、一冷却风扇372、一风扇控制器373、一温度传感器374、一水箱375、一泵376。该温度传感器374可量测出该燃料电池组3的冷却液出口36所送出的冷却液的温度，而该风扇控制器373可依据该温度传感器374量测出的冷却液温度状况而控制冷却风扇372的运转。经由热交换装置371后的冷却液得到适当的冷却之后，可经由管线以泵376送回至该燃料电池组3的冷却液入口35。
另者，该燃料电池组3的冷却液出口36所送出的冷却液在进入热交换装置371之前，可经由适当的管线路径使前述低压金属氢罐42加热，以提升该低压金属氢罐42的放氢性能；因低压金属氢罐具放氢吸热的特性，故利用该冷却液可同时达到降温的效果。
本发明中另包括有一电压量测装置38，可经由连接至燃料电池组3中各个燃料电池单元的导线381而量测出该燃料电池组3中各个燃料电池单元的电压状况，借此进一步观察各种操作条件对燃料电池组各电池单元的影响。
图3是图1中连接及显示盘面6上的各相关组件的较佳实施例配置图。在该连接及显示盘面6上主要划分为燃料电池组及气体供应管线的连接及显示区61、一阳极气体(氢气)供应管线显示区62、一阴极气体(空气)供应管线显示区63、一电气负载连接及显示区64、以及一辅助显示区65。
该燃料电池组及气体供应管线的连接及显示区61中包括有氢气入口31、氢气出口32、空气入口33、空气出口34、冷却液入口35、冷却液出口36等连接单元。为对应于图1及图2所示的对应构件，故各连接单元乃标示以相类同构件的参照编号。
一温度显示器374配置在燃料电池组3的图中，用以显示该燃料电池组3的操作温度，另一温度显示器563配置在燃料电池组3的图标上方，用以显示加湿器56的表面温度。
该阳极气体供应管线显示区62中包括有氢气压力调节阀45、一氢气压力计46、一氢气浮子流量控制计48、一氢气流量控制旋钮481。该阴极气体供应管线显示区63中则包括有空气压力调节阀52、一空气压力计53、一空气流量控制计55、一空气流量控制旋钮551、一入口空气温度表572、一出口空气温度表582。在阳极气体供应管线显示区62与阴极气体供应管线显示区63之间适当位置处设置一紧急按钮7，以在紧急状况时供操作按下该紧急按钮7，使整个系统停止运转，包括关闭氢气的供应及电力输出。
电气负载连接及显示区64中包括有负载切换开关24、电压表25、电流表26、AC电源切换开关27、AC电源插座28、灯座29。通过该负载切换开关24可切换研究/教学示范功能。本发明中另配置有一DC/AC转换器将燃料电池组所产生的直流电转成交流电，通过AC电源切换开关27将电力输出至AC电源插座28或灯座29。
辅助显示区65可依据实际应用的不同而弹性使用该辅助显示区65，例如在该辅助显示区65中可绘上整个燃料电池供应系统的管线图及电气回路图，或是作为其它显示的辅助显示区。
前述的控制装置2可采用一个人计算机或特别设计的控制电路经由信号接收界面接收本发明的检测及功能验证机组中各个相关的信号、以及经由信号输出界面控制各个相关构件的动作。例如在图2所示的本发明系统连结示意图中，其中该温度传感器374、563、571、581、电压量测装置38、氢气压力计46、氢气质流控制器47、空气质流控制器54等构件所产生的信号皆可透过信号接收界面传送至该控制装置2。该控制装置2在接收各个相关信号之后，可经由信号输出界面而控制各个相关构件的动作，例如该控制装置2可透过信号输出界面而控制图2中所示的电磁控制阀322、氢气质流控制器47、空气质流控制器54等构件的动作。
通过上述的本发明实施例说明可知，本发明的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，透过整体构件的配置、简易的管线连接、简易的电路连接、相关构件的盘面显示、以及控制装置的控制之下，使得燃料电池电力供应装置的功能检测及验证更为简易，使得研究人员或业者在进行整个燃料电池系统的各相关构件的功能检测时极为方便。故本发明确具产业利用价值，且本发明在申请专利前，并未有相同或类似的专利或产品公开在先，故本发明业已符合于发明专利的要件。
而以上的实施例说明，仅为本发明的较佳实施例说明，本领域的技术人员可以根据本发明做相应变动，然而这些依据本发明实施例所作的种种改良及变化，仍属于本发明的精神及所界定的专利范围内。
权利要求
1.一种水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，包括有一燃料电池组，其具有一氢气入口、一氢气出口、一空气入口、一空气出口、一冷却液入口、一冷却液出口；一承载框架，其具有一框架平台，用以承置该燃料电池组；一氢气供应装置，经由一氢气供应管线连接至该燃料电池组的氢气入口，以供应该燃料电池组反应所需的氢气，再由该燃料电池组的氢气出口排放出；一送风装置，经一空气供应管线连接至该燃料电池组的空气入口，以供应该燃料电池组反应所需的空气，再由该燃料电池组的空气出口排放出；一液冷装置，连接在该燃料电池组的冷却液出口与冷却液入口间，用以使该燃料电池得到适当的冷却；一加湿器，连结于该空气供应管线，用以使该送风装置送入燃料电池组的空气得到适当加湿；一控制装置，用以控制该检测及功能验证机组的各项测试及信号的接收；一连接及显示盘面，用以提供该氢气供应管线、空气供应管线、燃料电池组、控制装置及负载之间的管线及线路连接、以及显示该燃料电池组在操作时的各项电气参数以及气体供应状况。
2.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该承载框架的框架平台上更包括有一具有倾斜顶面的燃料电池承置台，供承置一燃料电池组，使该燃料电池组承置在该承置台上时，其氢气出口与空气出口位于该承置台的较低方向。
3.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该氢气供应装置配置在该承载框架的侧边，其经由管线连接于该燃料电池组的氢气入口，该氢气供应装置具有至少一低压金属氢罐承置槽，每一个低压金属氢罐承置槽可供容置一低压金属氢罐。
4.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该氢气供应管线中包括有一氢气压力调节阀，可作氢气压力的减压调节；一氢气压力计，可用来检测及显示氢气的压力；一氢气质流控制器，用以测量该氢气的质量流速；一氢气浮子流量控制计，以作为氢气流量控制，其前端可配置一氢气流量控制旋钮。
5.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该氢气供应管线中更包括有一紧急关闭钮，以在紧急时及时关闭氢气的供应及电力输出。
6.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该氢气供应管线在连通于燃料电池组的氢气入口之前，另由一氮气供应源经由氮气供应管线以及一三通控制阀而连通至该氢气供应管线。
7.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该燃料电池组的氢气出口的管线更包括有一单向阀以及一电磁控制阀，其中该单向阀管制排出的氢气仅能往出口方向排出，而电磁控制阀通过开启或关闭状态而控制氢气端残余生成水的排放。
8.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该空气供应管线包括有一空气压力调节阀，可作空气压力的减压调节；一空气质流控制器，可测量该空气的质量流速；一空气流量控制计，作为空气流量控制，其前端可配置一空气流量控制旋钮。
9.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该送风装置经由空气管线所送入的空气在经过该加湿器送入燃料电池组的空气入口前的管线、以及由该燃料电池组的空气出口连接至该加湿器间的管线皆以隔热套管予以包覆。
10.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该燃料电池组的空气入口及燃料电池组的空气出口各配置有温度传感器，用以量测其温度，借以了解空气加湿状态及加湿器的性能。
11.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该加湿器配置一加热组件，且更结合有一温度控制器，通过该温度控制器可控制加湿器的温度，进而调整由空气供应管线所送入至燃料电池组空气入口的入口空气的加湿效果。
12.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于更包括有一电压量测装置，其经由连接至燃料电池组中各个燃料电池单元的导线而量测出该燃料电池组中各个燃料电池单元的电压状况，进一步观察各种操作条件对燃料电池组各电池单元的影响。
13.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该液冷装置包括有一热交换装置、一冷却风扇、一风扇控制器、一水箱、一泵、一温度传感器，其中该温度传感器可量测出该燃料电池组的冷却液出口所送出的冷却液的温度，而该风扇控制器即依据该温度传感器量测出的冷却液温度状况而控制冷却风扇的运转。
14.如权利要求1所述的水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，其特征在于该燃料电池组的氢气出口配置有一单向阀以及一电磁控制阀，其中该单向阀管制排出的氢气仅能往出口方向排出，而电磁控制阀可通过开启或关闭状态而控制氢气端残余生成水的排放。
全文摘要
本发明公开了一种水冷式燃料电池系统组件的检测及功能验证机组，在一承载框架的燃料电池承置台上承置一燃料电池组，一氢气供应装置可供应该燃料电池组反应所需的氢气，再由该燃料电池组的氢气出口排放出。一送风装置可供应该燃料电池组反应所需的空气，再由该燃料电池组的空气出口排放出。一液冷装置，连接于该燃料电池组的冷却液出口与冷却液入口之间，用以使该燃料电池得到适当的冷却。一加湿器，连结于该空气供应管线，用以使该送风装置送入燃料电池组的空气得到适当加湿。一控制装置，用以控制该检测及功能验证机组的各项测试及信号的接收。
文档编号G01N27/26GK1641345SQ20041000104
公开日2005年7月20日 申请日期2004年1月16日 优先权日2004年1月16日
发明者徐耀升 申请人:亚太燃料电池科技股份有限公司