专利名称：燃料电池的运行方法及燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的运行方法及系统，且特别涉及直接氧化物燃料电池的运行 方法及系统。
背景技术：
由于传统石化能源已渐渐耗尽，且石化能源的利用会对于生态环境造成很大的冲 击，因此发展低污染且具高发电效率的能源利用方式，已成为重要的课题。在各种已发展的新能源利用方式中(例如太阳能电池、生化能源、或燃料电池 等)，燃料电池的高发电效率与低污染性，使其倍受注目。不同于石化能源的火力发电需经 过多段的能量转换，燃料电池可直接将化学能转化为电能，且通过触媒电极的使用，可加快 燃料电池的燃料(如氢气或甲醇)及氧化剂(如氧气)的反应速率，使其效率高出火力发 电许多，又其副产物大抵为水，不会对环境造成危害。在燃料电池的应用中，通常会使用贵金属触媒来增加发电效率，例如钼(Pt)就常 用以当作异相催化反应的触媒。燃料电池在经过一段时间的使用后，由于触媒的表面可能 会被在反应环境中的其他成分毒化或由反应中的沉积物或残余物所覆盖，触媒的催化能力 会下降而导致燃料电池的效率下降。以直接甲醇燃料电池为例，在供电过程中，部分的甲醇 可能会以扩散或电渗透的方式穿透膜电极组(membrane electrode addembly，MEA)的电解 质而到达阴极端，并造成阴极的触媒受到毒化。当燃料电池的触媒电极过度毒化时，可能造 成永久性的伤害而使燃料电池的效能及使用寿命下降。此外，对于直接甲醇燃料电池而言， 阳极端所产生的二氧化碳气体可能会附着于触媒电极的表面而降低反应面积，使燃料电池 的效能下降。因此，为了充分运用燃料电池并使其效能稳定，本领域技术人员亟需新的燃料电 池的运行方法及系统。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明一实施例提供一种燃料电池的运行方 法，包括提供燃料电池，燃料电池对负载提供输出电源；测量燃料电池所提供的输出电源的 初始平均电压；在燃料电池对负载提供输出电源第一时间之后，测量输出电源的第一平均 电压；以及当初始平均电压与第一平均电压的电压差大于第一可允许电压差时，停止燃料 电池对负载提供输出电源。本发明一实施例提供一种燃料电池系统，包括燃料电池单元，用以对负载提供输 出电源；电压测量单元，用以于不同时间点测量燃料电池单元所提供的输出电源于不同时 间点的多个电压；以及控制单元，用以根据电压测量单元所测量的电压决定输出电源的初 始平均电压；在决定初始平均电压之后，根据电压测量单元所测量的电压决定输出电源的 平均电压；计算初始平均电压与平均电压之间的电压差；以及当电压差大于可允许电压差 时，停止燃料电池单元对负载提供输出电源。
本发明通过对燃料电池进行效能监测，并于适当时机停止燃料电池的供电以使之 即时恢复，可同时兼顾发电效率与使用寿命。
图1为显示本发明--实施例的燃料电池架构的示意图。
图2为显示本发明--实施例的燃料电池的运行方法的方法流程图。
图3为显示本发明--实施例的燃料电池系统300。
上述附图中的附图标记说明如下
10 -燃料电池堆叠； 12 负载；
14 〃开关；16 控制单元；
18 -燃料提供单元； 20 氧化剂提供单元；
22 -电池；200 方法；
SO、Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、Sll、S12、S13 步骤；
300 系统；302 燃料电池单元；
304 负载；306 电压测量单元；
308 控制单元；310 燃料提供单元；
312 氧化剂提供单元。
具体实施例方式本发明实施例提供一种燃料电池的运行方法及系统，包括通过测量燃料电池的平 均电压，并当所测量的平均电压与初始平均电压的电压差大于一预定值时，暂停燃料电池 的供电以避免触媒电极进一步毒化，且恢复其效能。在进入本发明实施例的说明之前，以下先叙述已经公知的一种燃料电池的运行方 法。在此方法中，周期性地在预定时间之后使燃料电池暂时停止供电。燃料电池停止供电 之后，受毒化的触媒电极可逐渐恢复其效能，并逐渐消除毒化现象。然而，上述的方法无法有效地利用燃料电池，且也无法安全地保护燃料电池免于 受到过度的毒化。举例而言，当燃料电池的运行状况良好时，本可以较长时间进行供电，却 仍需被周期性地停止供电而无法长时间供电，因而降低发电效率。另一方面，当燃料电池的 运行状况较差时，仍需继续发电直至下一次的停止供电时间到达，可能使触媒电极的毒化 现象于这段时间之内进一步的恶化，更甚者可能会对触媒电极造成永久性的伤害，因而降 低燃料电池的效能与使用寿命。为有效利用燃料电池并保护燃料电池的触媒电极免于受到过度毒化(poisoned)。 本发明实施例通过对燃料电池进行电压测量，并于检测到燃料电池的效能下降至某一程度 时，暂时停止燃料电池继续供电，使其受到毒化的触媒电极能即时恢复，使触媒电极免于过 度毒化。除了可有效利用燃料电池的发电效能外，还能确保燃料电池的触媒电极免于受到 永久性的伤害，可显著地提升燃料电池的效能与使用寿命。图1为显示本发明一实施例的燃料电池架构的示意图，其用以说明本发明一实施 例的燃料电池的运行方法。应注意的是，由以下的说明可知，本发明一实施例所述的燃料电 池的运行方法不限于在图1所示的架构下执行，本领域普通技术人员当可明了图1的架构
5仅为举例说明用，可于其他燃料电池架构中采用本发明实施例的燃料电池的运行方法。如图1所示，在此燃料电池架构中，燃料电池堆叠(fuel cell stack) 10用以对一 负载12提供输出电源。燃料电池堆叠10由数个燃料电池膜电极组串联而成以提供所需的 电压，其所串联的数目视需求不同而有不同的堆叠数目。负载12可为任何需消耗电能的产 品。在本发明实施例中，燃料电池堆叠10通常是直接氧化物燃料电池堆叠，例如是直接甲 醇燃料电池堆叠。如图1所示，燃料电池架构包括燃料提供单元18及氧化剂提供单元20，其分别用 以对燃料电池堆叠10提供燃料(例如，甲醇)及氧化剂(例如，氧气或空气)。燃料电池架 构还包括控制单元16、开关14、及电池22。控制单元16可控制燃料提供单元18及氧化剂 提供单元20对燃料电池堆叠10的燃料及氧化剂的提供，且可通过开关14来控制燃料电池 堆叠10是否对负载12提供电源。例如，当燃料电池堆叠10的效能下降时，可将开关14打 开而停止燃料电池堆叠10继续对负载12提供电源，并可同时减少或停止对燃料电池堆叠 10的阳极提供燃料，且也可停止对燃料电池堆叠10的阴极提供氧化剂。在燃料电池堆叠10 停止供应电源期间，与负载12并联的电池22可暂时对负载12提供电源，使负载12得以继 续运行。当燃料电池堆叠10停止供应电源时，燃料电池堆叠10内部的燃料可扩散至毒化 的触媒电极附近。在燃料电池堆叠10不运行的情形下，毒化的触媒电极可与燃料发生反应 而逐渐恢复，使毒化现象减轻或消除。之后，可重新增加或开始对燃料电池堆叠10的阳极 提供燃料、重新开始对燃料电池堆叠10的阴极提供氧化剂、以及重新开始对负载12供电。以下，将配合图2的方法流程图更详细地说明本发明实施例的燃料电池的运行方 法200。方法200自步骤SO开始。先架设所需的燃料电池架构，例如可以(但不限于)图 1所示的方式架构。接着，进行步骤Si，对负载提供输出电源。接着，进行步骤S2以测量输出电源的 初始平均电压。一般而言，燃料电池刚开始运行时，电压会较不稳定。因此，通常可在燃料 电池运行一段时间之后，才开始测量并计算燃料电池的输出电源的初始平均电压。例如，可 在燃料电池开始供电约(但不限于)1分钟之后，才开始测量并计算燃料电池的输出电源的 初始平均电压。本领域普通技术人员当可了解，可视情况不同而于不同的时间点开始测量 并计算初始平均电压。例如，可在0. 5、2、或3分钟之后才开始测量并计算初始平均电压。 初始平均电压的决定方式于一段时间内测量不同时间点时的数个电压值，取这些电压值的 平均值并将之视为该燃料电池的初始平均电压。例如，可在5秒钟之内每秒测量一电压值， 并取所得5个电压值的平均值以计算出燃料电池的初始平均电压。再举例而言，也可在10 秒钟之内每两秒测量一电压值，并取所得电压值的平均值以计算出燃料电池的初始平均电 压。燃料电池的初始平均电压决定方式可视情况而调整，不限定为上述的例子。 接着，进行步骤S3，持续对负载提供输出电源一第一时间。在步骤S4中，在第一时 间之后，测量输出电源的第一平均电压。例如，可采用类似于初始平均电压的决定方式来测 量并计算燃料电池的第一平均电压。第一时间的长短可视实际应用而有所调整。例如，可 在步骤S2结束之后，对负载供电(但不限于)约9分钟之后才开始测量并计算燃料电池的 第一平均电压。再举例而言，也可在步骤S2结束之后，对负载供电约15分钟之后才开始测 量并计算燃料电池的第一平均电压，端视应用情形不同而可作调整。一般而言，当燃料电池 所处的应用中，燃料电池容易过度毒化时，较佳采用较短的第一时间。反之，当燃料电池所处的应用中，燃料电池不易过度毒化时，则可采用较长的第一时间。接着，进行步骤S5，计算初始平均电压与第一平均电压之间的电压差，并与第一可 允许电压差作比较。当初始平均电压与第一平均电压之间的电压差大于第一可允许电压差 时，代表燃料电池的输出电源已下降过多，超出可允许的程度。此时，燃料电池的触媒电极 可能已受到一定程度的毒化，导致第一平均电压已与初始平均电压差异过大(超出了第一 可允许电压差)。为了避免已毒化的触媒电极进一步毒化而造成无法恢复的伤害，需停止燃 料电池对负载提供输出电源。在步骤S6中，因初始平均电压与第一平均电压之间的电压差大于第一可允许电 压差，所以需使燃料电池停止对负载供电。如此，可在燃料电池的触媒电极过度毒化之前， 使毒化的触媒电极逐渐恢复而使毒化现象减轻或消除，可有效提高燃料电池的使用寿命。 此外，还可减少或停止燃料的供应，并也可停止氧化剂的供应，使得燃料电池的恢复得以顺 利进行。接着，当燃料电池的恢复大抵完成时，可进行步骤S7,增加或开始燃料的供应，且 可开始氧化剂的供应。即，可使燃料电池重新再对负载提供输出电源。易言之，方法200在 步骤S7之后，可重新自步骤Sl开始进行。在上述方法中，第一可允许电压差的值可视应用情况不同而作调整。一般而言，当 燃料电池所处的应用中，燃料电池容易过度毒化时，较佳采用较低的第一可允许电压差。如 此，初始平均电压与第一平均电压的电压差将较容易超过第一可允许电压差，并可较频繁 地进行步骤S6，使燃料电池能较常进行恢复以避免过度毒化。反之，当燃料电池所处的应用 中，燃料电池不易过度毒化时，则可采用较高的第一可允许电压差。如此，可较充分地运用 燃料电池，使发电效率提升。通常，以单一燃料电池膜电极组而言，其在未毒化或老化之前的输出电源电压为 约0. 5伏特。当输出电源电压下降至约0. 3伏特时，可判定此单一燃料电池膜电极组已不 适合继续运行，并应使之停止供电以避免过度毒化而无法再恢复。在此情形下，可以将第一 可允许电压差设定为0. 2伏特。一旦发现电压的下降超出了 0. 2伏特，便应停止供电以使 燃料电池得以即时恢复。应注意的是，第一可允许电压差不限定是0.2伏特。对于单一燃 料电池膜电极组而言，第一可允许电压差可介于(但不限于)约0.011 0.2伏特之间。再者，对于燃料电池堆叠(fuel cell stack)而言，由于其为多个单一燃料电池膜 电极组的串联，因此可有更大的第一可允许电压差。对于燃料电池堆叠而言，其第一可允许 电压差可例如是(但不限于)单一燃料电池膜电极组的第一可允许电压差的倍数。例如， 对于具有20个单一燃料电池膜电极组的串联的燃料电池堆叠，其第一可允许电压差可介 于(但不限于)约0.22 4伏特之间。此外，随着燃料电池的材料系统不同、应用不同、供 电对象不同、或使用环境不同(例如，温度不同)等，都可适应地调整采用不同的第一可允 许电压差。如上所述，在步骤S5中，当初始平均电压与第一平均电压的电压差大于第一可允 许电压差时，需接着进行步骤S6。然在另一种情形中，当初始平均电压与第一平均电压的电 压差小于第一可允许电压差时，则需接着进行步骤S8，使燃料电池继续对负载提供输出电 源一第二时间。在此情形下，由于燃料电池的输出电源的电压并未下降过多，足见燃料电池 的性能仍良好而未过度毒化，因此可继续使用燃料电池供电以获较佳发电效率。相似地，第二时间的长度可视情况而调整。例如，第二时间的长度可为(但不限于)约2分钟。再举 例而言，第二时间的长度可为(但不限于)约3分钟。接着，进行步骤S9，测量并计算燃料电池的输出电源的第二平均电压。第二平均电 压的测量方式可类似于第一平均电压。接着，进行步骤S10，计算初始平均电压与第二平均电压之间的电压差，并与第二 可允许电压差作比较。第二可允许电压差需不大于第一可允许电压差。在一实施例中，第 二可允许电压差等于第一可允许电压差。在另一实施例中，第二可允许电压差小于第一可 允许电压差。一般而言，当燃料电池运行至步骤SlO时，已供电一段时间而使触媒电极有一 定程度的毒化。此时，为确保燃料电池免于过度毒化，较佳使第二可允许电压差小于第一可 允许电压差，使得燃料电池可更为即时地恢复。 当初始平均电压与第二平均电压之间的电压差大于第二可允许电压差时，代表燃 料电池的输出电源已下降过多，超出可允许的程度。为了避免已毒化的触媒电极进一步毒 化而造成无法恢复的伤害，需停止燃料电池对负载提供输出电源。因此，方法200需进行至 步骤S6以使燃料电池得以恢复。并且，在恢复之后，可接着进行步骤S7，并接着重新开始对 负载供电。相似地，在步骤SlO中，若在另一种情形中，当初始平均电压与第二平均电压的电 压差小于第二可允许电压差时，则需接着进行步骤S11，使燃料电池继续对负载提供输出电 源一第三时间。在此情形下，由于燃料电池的输出电源的电压并未下降过多，足见燃料电池 的性能仍良好而未过度毒化，因此可继续使用燃料电池供电以获较佳发电效率。相似地，第 三时间的长度可视情况而调整。例如，第三时间的长度可为(但不限于)约2分钟。再举 例而言，第三时间的长度可为(但不限于)约3分钟。类似地，可接着进行步骤S12的测量并计算输出电源的一第三平均电压，以及进 行步骤S13的计算初始平均电压与第三平均电压之间的电压差，并与第三可允许电压差作 比较。当初始平均电压与第三平均电压之间的电压差大于第三可允许电压差时，显示燃料 电池的触媒电极可能即将过度毒化。此时方法200需进行至步骤S6以使燃料电池即时恢 复。在恢复之后，可进行步骤S7,并可重新自步骤Sl而重新再对负载提供输出电源。第三可允许电压差需不大于第二可允许电压差。在一实施例中，第三可允许电压 差等于第二可允许电压差。在另一实施例中，第三可允许电压差小于第二可允许电压差。一 般而言，当燃料电池运行至步骤S13时，已供电一段时间而使触媒电极有一定程度的毒化。 此时，为确保燃料电池免于过度毒化，较佳使第三可允许电压差小于第二可允许电压差，使 得燃料电池可更为即时地恢复。相似地，在步骤S13中，若初始平均电压与第三平均电压之间的电压差小于第三 可允许电压差时，则可使燃料电池继续供电。并也可以相似方式设定第四可允许电压差或 甚至第五可允许电压差，使得燃料电池得以在效能良好时，持续供电以提高发电效率，并也 可在过度毒化之前，即时地恢复以延长使用寿命。图3为显示本发明一实施例的燃料电池系统300。系统300适于进行本发明实施 例的燃料电池的运行方法，例如是图2所示的方法200。系统300包括燃料电池单元302，用以对负载304提供输出电源。系统300包括电 压测量单元306，用以于不同时间点测量燃料电池单元302所提供的输出电源于不同时间点的多个电压。系统300包括控制单元308，其用以根据电压测量单元306所测量的部分的 电压决定电池单元302的输出电源的初始平均电压。在决定初始平均电压之后，控制单元 308可根据电压测量单元所测量的部分的电压决定输出电源的平均电压。控制单元308还 计算初始平均电压与平均电压之间的电压差。例如，控制单元308可计算初始平均电压与 第一平均电压(或第二、第三平均电压等)之间的电压差。控制单元308还可在当电压差 大于可允许电压差时(例如，当大于第一可允许电压差时)，停止燃料电池单元302对负载 304提供输出电源而使之得以即时恢复。此外，如图3所示，系统300还可包括燃料提供单元310及氧化剂提供单元312，分 别用以对燃料电池单元302的阳极提供燃料及对燃料电池单元302的阴极提供氧化剂，其 中燃料提供单元310及氧化剂提供单元312受控制单元308所控制。当电压差大于可允许 电压差时，控制单元308可使燃料提供单元310的燃料提供停止或减少，且也可使氧化剂提 供单元312的氧化剂提供停止。在一实施例中，系统300还可包括一电池，当燃料电池单元 302停止对负载304提供输出电源时，电池可用以暂时对负载304提供一电源。举例而言， 电池可以(但不限于)类似于图1所示的方式而连接至负载。本发明实施例通过对燃料电池进行效能监测，并于适当时机停止燃料电池的供电 以使之即时恢复，可同时兼顾发电效率与使用寿命。虽然本发明已以数个较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属 技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因 此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种燃料电池的运行方法，包括提供一燃料电池，该燃料电池对一负载提供一输出电源；测量该燃料电池所提供的该输出电源的一初始平均电压；在该燃料电池对该负载提供该输出电源一第一时间之后，测量该输出电源的一第一平 均电压；以及当该初始平均电压与该第一平均电压的电压差大于一第一可允许电压差时，停止该燃 料电池对该负载提供该输出电源。
2.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，还包括对该燃料电池的一阳极提供一燃料；以及对该燃料电池的一阴极提供一氧化剂。
3.如权利要求2所述的燃料电池的运行方法，其中当该初始平均电压与该第一平均电 压的电压差大于该第一可允许电压差时，还包括减少或停止对该燃料电池的该阳极提供该 燃料。
4.如权利要求3所述的燃料电池的运行方法，其中在减少或停止对该燃料电池的该阳 极提供该燃料的步骤之后，还包括增加或开始对该燃料电池的该阳极提供该燃料。
5.如权利要求2所述的燃料电池的运行方法，其中当该初始平均电压与该第一平均 电压的电压差大于该第一可允许电压差时，还包括停止对该燃料电池的该阴极提供该氧化 剂。
6.如权利要求5所述的燃料电池的运行方法，其中在停止对该燃料电池的该阴极提供 该氧化剂的步骤之后，还包括开始对该燃料电池的该阴极提供该氧化剂。
7.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，其中在停止该燃料电池对该负载提供该 输出电源的步骤之后，还包括使该燃料电池开始对该负载提供该输出电源。
8.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，还包括当该初始平均电压与该第一平均电压的电压差小于该第一可允许电压差时，使该燃料 电池继续对该负载提供该输出电源；在继续对该负载提供该输出电源一第二时间之后，测量该输出电源的一第二平均电 压；以及当该初始平均电压与该第二平均电压的电压差大于一第二可允许电压差时，停止该燃 料电池对该负载提供该输出电源，其中该第二可允许电压差不大于该第一可允许电压差。
9.如权利要求8所述的燃料电池的运行方法，其中该第二可允许电压差小于该第一可 允许电压差。
10.如权利要求8所述的燃料电池的运行方法，其中该第二可允许电压差等于该第一 可允许电压差。
11.如权利要求8所述的燃料电池的运行方法，其中在停止该燃料电池对该负载提供 该输出电源的步骤之后，还包括使该燃料电池开始对该负载提供该输出电源。
12.如权利要求8所述的燃料电池的运行方法，还包括其中当该初始平均电压与该第二平均电压的电压差小于该第二可允许电压差时，使该 燃料电池继续对该负载提供该输出电源；在继续对该负载提供该输出电源一第三时间之后，测量该输出电源的一第三平均电压；以及当该初始平均电压与该第三平均电压的电压差大于一第三可允许电压差时，停止该燃 料电池对该负载提供该输出电源，其中该第三可允许电压差不大于该第二可允许电压差。
13.如权利要求12所述的燃料电池的运行方法，其中停止该燃料电池对该负载提供该 输出电源的步骤之后，还包括使该燃料电池开始对该负载提供该输出电源。
14.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，其中该燃料电池为一单一燃料电池膜 电极组，且该第一可允许电压差介于0. 011 0. 2伏特之间。
15.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，其中该燃料电池为一直接氧化物燃料 电池。
16.如权利要求1所述的燃料电池的运行方法，还包括提供一电池，当该燃料电池停止 对该负载提供该输出电源时，该电池用以对该负载提供一电源。
17.一种燃料电池系统，包括一燃料电池单元，用以对一负载提供一输出电源；一电压测量单元，用以于不同时间点测量该燃料电池单元所提供的该输出电源于不同 时间点的多个电压；以及一控制单元，用以根据该电压测量单元所测量的所述多个电压决定该输出电源的一初始平均电压；在决定该初始平均电压之后，根据该电压测量单元所测量的所述多个电压决定该输出 电源的一平均电压；计算该初始平均电压与该平均电压之间的一电压差；以及当该电压差大于一可允许电压差时，停止该燃料电池单元对该负载提供该输出电源。
18.如权利要求17所述的燃料电池系统，还包括一燃料提供单元，用以对该燃料电池单元的一阳极提供一燃料；以及一氧化剂提供单元，用以对该燃料电池单元的一阴极提供一氧化剂，其中该燃料提供 单元及该氧化剂提供单元受该控制单元所控制。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中当该电压差大于该可允许电压差时，该 控制单元使该燃料提供单元的燃料提供停止或减少。
20.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中当该电压差大于该可允许电压差时，该 控制单元使该氧化剂提供单元的氧化剂提供停止。
21.如权利要求17所述的燃料电池系统，还包括一电池，当该燃料电池单元停止对该 负载提供该输出电源时，该电池用以对该负载提供一电源。
全文摘要
本发明实施例提供一种燃料电池的运行方法及燃料电池系统，该方法包括提供燃料电池，燃料电池对负载提供输出电源；测量燃料电池所提供的输出电源的初始平均电压；在燃料电池对负载提供输出电源第一时间之后，测量输出电源的第一平均电压；以及当初始平均电压与第一平均电压的电压差大于第一可允许电压差时，停止燃料电池对负载提供输出电源。本发明实施例通过对燃料电池进行效能监测，并于适当时机停止燃料电池的供电以使之即时恢复，可同时兼顾发电效率与使用寿命。
文档编号H02J7/00GK102104260SQ20091026247
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者叶剑平, 张维凯, 童柏少, 赖将文 申请人:南亚电路板股份有限公司