燃料电池堆监控方法及其燃料电池控制系统与流程

燃料电池堆监控方法及其燃料电池控制系统
【技术领域】
1.本发明是关于一种燃料电池的控制技术，特别是一种燃料电池堆监控方法及其燃料电池控制系统。


背景技术：

2.随着工业发展的进步，带动了人类生活的便利。但也因为科技的进步，造成了环境的污染，进而导致气候暖化的环境变迁。造成全球暖化的主因在于排放的二氧化碳造成了全球性的温室效应。有鉴于此，温室气体的减量为全球关切的问题。
3.产生二氧化碳的原因有很多，其中一个原因是在于火力发电燃烧燃煤造成温室气体的产生。为了解决这个问题，目前世界上各个国家也都推动洁净能源，希望能够替代传统利用燃煤的发电方式。洁净能源有很多类型，例如：风力发电、太阳能发电，水力发电或者是燃料电池发电等。相较于传统的发电型式，燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，不须经过燃烧及机械程序，有能源效率高、及低(零)废气排放的优点。
4.然而，现有技术中，在燃料电池堆的总电压是由多组燃料电池单元的电压而迭加而成。因此，需要使用电压巡检单元检查燃料电池堆中各单电池的电压值。由于反应过程中各燃料电池单元间的氢气与空气流量会随着操作电流变化，所需的反应量也会不同状况的变化产生(例如：氢气压力与空气压力的操作变化、燃料电池堆的负载变化、或流道的液态水的堆积等变化)，因而造成各燃料电池单元的电压浮动剧烈产生，而无法准确的确认单电池的电压值。
5.因此，如何准确的确认单电池的电压值以解决使燃料电池堆的电压低下的异常问题，并使得燃料电池系统有效进行排除异常是燃料电池发展中一个重要的课题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种燃料电池堆监控方法及其燃料电池控制系统，在燃料电池测试平台中，通过监测燃料电池系统中燃料电池堆各单电池的阻抗值的变化推算出健康管理状况，通过本发明的方法与系统可以解决现有技术中因为各燃料电池堆中各个燃料电池单元因为水的堆积问题与湿度控制于不同操作状况下的变化，所造成的燃料电池堆的电压低下的异常状况而无法有效监测燃料电池堆电压的问题，使得燃料电池系统有效进行排除异常。
7.本发明提供一种燃料电池堆监控方法及其燃料电池控制系统，尽管于燃料电池堆的操作过程中，液态水的堆积与气压的变化都会造成电压浮动，然而可以将燃料电池堆中的各单电池电压换算成阻抗值。阻抗值在正常系统的操作下可代表了各燃料电池堆中的氢气或空气流道中液态水的状态与质子交换膜的湿润程度。在一实施例中，通过计算出平均电压值进而推算出每一个燃料电池单元的平均阻抗值作为基准，将各个燃料电池单元的实际阻抗(g)都与基准值进行比较。当有单一异常的燃料电池单元发生大幅度的阻抗变化时，可以使得燃料电池系统可以及时调整氢气压力与空气压力使得燃料电池堆操作时可以维
持各燃料电池堆的反应稳定度且维持各个燃料电池单元间的液态水的量与湿度。
8.在一实施例中，本发明提供一种燃料电池堆监控方法，包括有下列步骤，首先，提供一燃料电池堆，其具有多个燃料电池单元。然后，推算出关于每一燃料电池单元的一平均电压。接着，根据平均电压，计算出每一燃料电池单元所具有的一平均阻抗，以根据平均阻抗决定一允许阻抗范围。然后，取得每一燃料电池单元的一实际阻抗。接着，进行判断程序，当判断实际阻抗不在允许阻抗范围内时，进行一调整程序，以调整燃料电池堆的一燃料供应特征以改变实际阻抗。
9.在一实施例中，本发明提供一种燃料电池控制系统，包括有燃料电池堆、多组电压侦测单元以及控制单元。燃料电池堆，其具有多个燃料电池单元。多组电压侦测单元，与燃料电池堆电性连接，用以产生多组电压信息。控制单元，用以根据多组电压信息推算出关于每一燃料电池单元的一平均电压，并根据平均电压，计算出每一燃料电池单元所具有的一平均阻抗，以根据平均阻抗决定一允许阻抗范围，控制单元还通过电压信息取得每一燃料电池单元的一实际阻抗，当控制单元判断实际阻抗不在允许阻抗范围内时，控制单元启动一调整程序，以调整燃料电池堆的一燃料供应特征以改变实际阻抗。
10.本发明所采用的具体技术，将通过以下的实施例及附呈图式作进一步的说明。
【附图说明】
11.图1是本发明的燃料电池控制系统的一实施例示意图。
12.图2是本发明的燃料电池堆监控方法的一实施例流程示意图。
13.图3是本发明的一燃料电池堆监控方法流程示意图。
14.图4是本发明决定第二进气压力的一实施例流程示意图。
15.主要元件符号说明：
[0016]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料电池监控系统
[0017]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料电池堆
[0018]
300
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料电池单元
[0019]
300a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极
[0020]
300b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极
[0021]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
进气调节单元
[0022]
310
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
弹性元件
[0023]
311
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
螺杆
[0024]
313
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
流体通道口
[0025]
314
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阀门
[0026]
315
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
弹性元件
[0027]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流侦测单元
[0028]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一气体压力侦测单元
[0029]
34
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
流量侦测单元
[0030]
35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制单元
[0031]
36
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气压缩机
[0032]
37
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二气体压力侦测单元
[0033]
380
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极供气管路
[0034]
381
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极供气管路
[0035]
39
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
電壓偵測單元
[0036]
90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一反应气体
[0037]
91
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二反应气体
[0038]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
監控方法
[0039]
40-45
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
方法步骤
[0040]
440-445
ꢀꢀꢀꢀ
方法步骤
【具体实施方式】
[0041]
在下文将参考随附图式，可更充分的描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。类似数字始终指示类似元件。以下将以多种实施例配合图式来说明燃料电池气体压力控制方法及其燃料电池监控系统，然而，下述实施例并非用以限制本发明。
[0042]
请参阅图1所示，该图为本发明的燃料电池控制系统的一实施例示意图。在本实施例中，燃料电池控制系统3包括有燃料电池堆30、进气调节单元31、电流侦测单元32、第一气体压力侦测单元33、流量侦测单元34、多组电压侦测单元39以及控制单元35所构成。本实施例中的燃料电池堆30，为氢燃料电池。阴极侧c供应第一反应气体90，例如：氧气，或者是空气，阳极侧a则供应第二反应气体91，例如：氢气。燃料电池堆30是由多个燃料电池单元300所构成，每一燃料电池单元300还包括有阳极300a与阴极300b，燃料电池堆30为本领域所熟知的技术，因此其结构在此不做赘述。
[0043]
进气调节单元31与燃料电池堆30的阳极供气管路380相连接，在一实施例中，进气调节单元31与控制单元35电性连接，用以根据控制单元35的控制讯号调节进入燃料电池堆30内的第二反应气体91量，而调节第二反应气体91的进气压力。在另一实施例中，进气调节单元31可以为被动式气压控制阀体，根据第一反应气体90与第二反应气体91的气压差，决定开启或关闭。也就是第一反应气体90的进气压力大于第二反应气体的进气压力时，进气调节单元31开启，当第二反应气体91的进气压力大于第一反应气体90的进气压力特定范围时，则进气调节单元31关闭。
[0044]
电流侦测单元32与燃料电池堆30电性连接，用以侦测燃料电池堆30的出力电流。此外，电流侦测单元32还与控制单元35电性连接，以将侦测到关于出力电流的电讯传输给控制单元35。每一电压侦测单元39与其中之一燃料电池单元300电性连接，用以侦测燃料电池单元300的出力电压。此外，电流侦测单元32还与控制单元35电性连接，以将侦测到关于出力电压的电讯传输给控制单元35。
[0045]
第一气体压力侦测单元33与燃料电池堆30的阴极供气管路381相连接，用以侦测阴极供气管路381中关于第一反应体90的第一进气压力。本实施例中，第一反应气体90为空气。第一气体压力侦测单元33还进一步的与控制单元35电性连接，以将侦测到的关于第一进气压力的电讯传输给控制单元35。
[0046]
流量侦测单元34用以侦测供应阴极供气管路381所需的第一反应进气流量。在一实施例中，流量侦测单元34直接侦测进入阴极供气管路38内实际的第一反应气体90的进气流量。在另一实施例中，流量侦测单元34是通过侦测供应第一反应气体90的空气压缩机36的转速，例如马达转速，并根据转速决定出进入阴极供气管路381内实际的第一反应气体90的进气流量。在另一实施例中，流量侦测单元34亦可将关于转速的电讯传给控制单元35，由控制单元35计算出进入阴极供气管路381内实际的反应进气流量。
[0047]
更进一步的，燃料电池控制系统3还包括有第二气体压力侦测单元37，用以侦测阳极供气管路380内关于第二反应气体91的实际进气压力，并将关于实际进气压力的电讯传给控制单元35。控制单元35与进气调节单元31、电流侦测单元32、第一气体压力侦测单元33以及流量侦测单元34电性连接，控制单元35根据各单元所回传的信息，对第一与第二反应气体90与91的压力关系进行调控。
[0048]
请同时参阅图1与图2所示，其中图2为本发明的燃料电池堆监控方法的一实施例流程示意图。监控方法4首先以步骤40提供如图1所示的燃料电池堆，其具有多个燃料电池单元300。然后进行步骤41推算出关于每一燃料电池单元300的一平均电压v
average cell
。在本步骤中，v
average cell
计算方式如下式(1)所示：
[0049][0050]
其中，为每一个燃料电池单元300电压的总合，可以通过每一个电压侦测单元39量测对应的燃料电池单元300的电压，作为σ电压
cell
。n
cell
则代表燃料电池单元300的数量。在另一实施例中，也可以通过电压侦测单元39取得每一燃料电池单元300的电压，再相加以得到要说明的是，当燃料电池堆30的操作过程中，液态水的堆积与第一与第二反应气体的分别的气压的变化都会造成电压浮动。然而可以将燃料电池堆30中的各燃料电池单元300的电压换算成阻抗值。阻抗值代表了各燃料电池单元300中的氢气或空气流道中液态水的状态与质子交换膜的湿润程度。但因燃料电池堆的操作变化过程中需要基准值作为操作基准做为参考，故需要计算出平均电压值v
average cell
进而推算出平均阻抗值作为基准。
[0051]
接着进行步骤42，根据平均电压v
average cell
，计算出每一燃料电池单元300所具有的一平均阻抗r
average cell
，以根据平均阻抗决定一允许阻抗范围。在本步骤中，燃料电池堆平均阻抗r
average cell
如下式(2)所示：
[0052]raverage cell
＝v
average cell
/i
stacks
…
(2)
[0053]
其中，i
stacks
代表着燃料电池堆30的电流。允许阻抗范围为平均阻抗的正负20％～25％。
[0054]
接下来，进行步骤43取得每一燃料电池单元的实际阻抗。在本步骤中，通过电压侦测单元39侦测每一个燃料电池单元300的实际发电的电压值，以及用电流侦测单元32侦测燃料电池堆的出力电流，进而可以推算出每一燃料电池单元300的实际阻抗。然后进行步骤44，当判断实际阻抗不在允许阻抗范围内时，进行一调整程序，以调整燃料电池堆30的燃料供应特征以改变实际阻抗。在本步骤中，由于燃料电池堆30的正常操作中，每个操作电流下正常会对应一范围的阻抗值，因此在各个燃料电池单元300在反应时的实际阻抗与燃料电池单元300的平均阻抗误差值不在允许阻抗范围时，则进行调整程序。要说明的是，前述所
谓的允许阻抗范围是以燃料电池单元300平均阻抗值为准，实际阻抗对于平均阻抗的误差应介于平均阻抗的正负20％～25％为准。要说明的是，前述范围为本领域技术的人员可以根据实际需求而定，并不以该数值为限制。
[0055]
当发现数值误差时，也就是不在平均阻抗的正负20％～25％时，调整程序会调整第一反应气体90与第二反应气体91的整氢气压力与空气压力的参数值。在调整的一实施例中，如图3所示，首先进行步骤440，以电流侦测单元32量测燃料电池堆30的反应所产生的出力电流，并将信息传输给控制单元35。然后进行步骤441，控制单元35根据出力电流决定燃料电池堆30的阴极供气管路381所需的标准进气流量。其中，电流与标准进气流量c1的关系式如下式(1)所示：
[0056]
c 1＝a+b in+c i
(n+1)
+...,a,b,c,...＝constant...(1)
[0057]
在方程式(1)中，c1代表着第一反应气体的标准进气流量，i代表出力电流，n代表次方。方程式(1)的项数与a,b与c,以及n是由使用者自行决定。以下说明根据电流决定标准进气流量c1的方法。首先，步骤4410，根据燃料电池堆中的膜电极组，当中的电化学反应可推论出空气中消耗的氧气质量与电流的关系，其为本领域技术的人员所熟知的技术，在此不做赘述。接着进行步骤4411，由于方程式(1)式中的c1为进行电化学反应时空气所需反应质量，且与电流形成曲线关系。而曲线的变化会由燃料电池堆的种类与数量下可被调整，因此当燃料电池堆所需条件被决定的当下，而被计算出的曲线方程式中对应的常数，例如：a,b,c的常数值，也被决定。因此，当由步骤4410所得知的关系与步骤4411所得知的在对应不同燃料电池堆所得知的方程式常数，可决定(1)式的方程式的状态。
[0058]
步骤441之后，进行步骤442，以流量侦测单元34量测供应阴极供气管路380所需的第一反应气体90的反应进气流量。在步骤442的一实施例中，可以利用流量侦测单元34侦测供应第一反应气体90的空气压缩机36运转时的转速，然后根据转速决定出第一反应气体90的反应气体流量c2。决定反应气体流量c2可以利用以下方程式(2)来进行演算：
[0059]
c2＝d+e dn+f d
(n+1)
+...,d,e,f,...＝constant...(2)
[0060]
在方程式(2)中，c2代表着第一反应气体实际进入阴极进气管路380的反应气体流量，d代表空气压缩机的转速，n代表次方。方程式(2)的项数与a,b与c,以及n是由使用者自行决定。以下说明决定的方式，根据空气压缩机组所运转时，会产生一空气质量流量与一马达的转速值，此关系可以预先建立。因此，当空气压缩机运转时，在一转速值下会对应一种输出质量流率值，故在此关系下会形成如上述方程式(2)，此关系式是被测量出的。根据使用者所选择的空气压缩机，第(2)式的常数值d,e,f也会同时被决定在(2)式中。
[0061]
控制单元35取得了步骤441所得到的标准气体流量c1以及步骤442所得到的反应气体流量c2之后，就进行步骤443比较标准进气流量c1与反应进气流量c2之间的差异，当标准进气流量c1与反应进气流量c2之间的差异在第一标准范围内时，本实施例中第一标准范围为，[(c2
–
c1)/c1]x 100％≦cd,cd＝5～20％，以第一气体压力侦测单元33量测阴极供气管路381的第一进气压力(pa)。步骤443的主要目的在于，因为空气压缩机的转速操作需要满足电化学反应所需的空气吞吐量下，因此必须将燃料电池堆30在负载下所需的空气质量流率与空气压缩机所产生空气质量流率，使两者之间要趋近一范围内，使得燃料电池堆30的电压与电功率输出可以稳定，在(1)式与(2)式中两者在燃料电池堆的负载操作时，以(1)式作为基准，(2)式相较于流体速率，考虑操作误差与流体管路间所产生的误差值，两式在
操作误差范围应要在5～20％内。要说明的是，误差范围可以根据需求而定，并不以5～20％为限制。
[0062]
之后控制单元进行步骤444，根据第一进气压力(pa)决定燃料电池堆的阳极供气管路380所具有的第二进气压力(ph)。在本步骤44中，第一进气压力(pa)与第二进气压力(ph)的关系如方程式(3)所示：
[0063]
[(ph-pa)/pa]x100％≦d,d＝5～20％...(3)
[0064]
在根据方程式(3)决定了第二进气压力(ph)之后，进行步骤445，控制单元35根据第二气体压力侦测单元37所侦测到在阳极供气管路380的实际气体压力pm2与第二进气压力(ph)之间的压力差是否落第二标准范围内。本实施例中，第二标准范围为第二进气压力(ph)的5～20％。如果没有，则控制单元35控制或参考第一进气压力控制进气调节单元31以调节进入阳极供气管路380所需的第二反应气体91的流量，使得阳极供气管路380实际的进气压力pm2与第二进气压力(ph)的压力差符合第二标准范围内。要说明的是，进气调节单元31并不限于图1的实施方式，在另一控制方式中，如图4所示，进气调节单元31为偏压气动式阀体，其是属于被动式的气压调节阀。亦即通过第一反应气体91所产生的第一进气压力与弹性元件310与315的组合来驱动偏压气动式阀体作动，以与第二反应气体91的第二进气压力形成一压差。此种阀体是通过外部施力，例如：图3中的螺杆311通过旋转施压于弹簧310以及第一反应气体91的第一进气压力的结合产生偏压，可以控制阀门314开启流体通道口313，以让第二反应气体91通过阀体进入到燃料电池堆30，因此在阀体内不须经控制单元35的控制就可以根据第一进气压力来控制第二进气压力。
[0065]
要说明的是，燃料电池堆操作上氢气侧的压力如果大于空气侧的压力值，可以减少避免过多的液态水自从空气侧反向扩散至氢气侧外，也同步利用燃料电池堆的电化学反应中的水合现象使得在氢离子传递过程中顺利将氢气侧的水分带至空气侧，使得这两种不同方向的扩散机制可达到一动态平衡。因此，通过步骤440～445的程序，让第二反应气体91，例如：氢气的压力(ph)是由第一反应气体90，例如：空气压力(pa)，作为参考压力，间接调整第二反应气体的第二进气压力参数值，可通过进气调节单元31调整下形成压力差。压力差的设定范围为第二进气压力(ph)，亦即，氢气压力，大于第一进气压力(pa)，亦即空气压力，并通过控制让差值控制范围为第一进气压力的5～20％，以达有效调节内部生成液态水的水量，避免因为燃料电池堆造成物理性损坏外，同时避免失去稳定的水平衡的问题发生，进而可以使得燃料电池的各个燃料电池单元的电压回复至正常值。
[0066]
最后，再回到图2所示，进行步骤45，在调整燃料供应特征之后，判断改变后的实际阻抗是否落入在允许阻抗范围内，如果没有，重复步骤41～44多次，例如：二次、三次或多次，如果经过多次之后，实际阻抗无法落入在允许阻抗范围内，则判断对应不在允许阻抗范围内的燃料电池单元有异常。
[0067]
虽然本发明的实施例揭露如上所述，然并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，举凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征、方法及数量当可做些许的变更，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求范围所界定者为准。