TWI618292B - 陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統 - Google Patents

Abstract

一種陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，應用於一陽極循環式燃料電池，其中陽極循環式燃料電池包含燃料電池單元，燃料電池單元包含陽極，陽極包含導電板，導電板包含第一區塊以及第二區塊，其中第一區塊對應氣體入口，第二區塊對應氣體出口。陽極循環式燃料電池之氣體管理方法包含進行一封閉式放電步驟、進行一第一監測步驟、進行一循環式放電步驟、進行一氣體壓縮步驟以及進行一第二監測步驟。藉此，有利於決定排氣閥門的開啟時機，並可降低排氣閥門的開啟頻率，進而有利於提升能源效率。

Description

陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統

本發明是有關於一種燃料電池之氣體管理方法及系統，且特別是有關於一種陽極循環式燃料電池之氣體管理方法及系統。

人類對能源的依賴隨著工業化而日益加深，然而，在使用能源的過程中，其所伴隨的產物常會造成環境負擔。例如，在燃燒石油、煤炭等化石燃料的過程中，會排放大量二氧化碳而造成溫室效應；或者，一次性乾電池在電力用罄後即無法再使用而衍生廢棄物處理的問題。此外，一次性乾電池內含汞、鎘等重金屬，可能會造成水與土壤的汙染。因此，如何發展綠色能源，遂成為相關業界與學界努力目標之一。

在眾多綠色能源中，燃料電池可藉由持續供應燃料和氧化劑(如氧或空氣)，而能達到持續不間斷地電力供應。其不像一次性乾電池電力用罄即需丟棄，也不像充電電 池，需於電力耗盡時進行充電而無法持續供電。此外，燃料電池放電時主要產物為水和熱，以及視其燃料種類可能有少量的二氧化碳，相較於其他能源，可有效避免汙染物的產生，而引起高度重視。

常見的燃料電池包括質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)等。燃料電池的分類主要取決於電解質材料，此外，不同燃料電池所使用的燃料與氧化劑可能略有不同，但其運作原理皆是於陽極入口端通入燃料使燃料產生氧化反應，並於陰極入口端通入氧化劑，使氧化劑產生還原反應。而未參與反應的剩餘燃料與剩餘氧化劑則分別由陽極出口端與陰極出口端流出。為了提高燃料電池之燃料利用率，可採用陽極循環式，即安裝一氣體推送裝置，如氣體幫浦或噴射器，將陽極出口端未參與反應的剩餘燃料送回陽極入口端，與新鮮燃料混合後，再送入陽極。

然而，燃料電池放電的過程中，陰極的雜質，如氮氣或反應產生的水，仍會經由電解質擴散至陽極而使燃料的濃度下降，進而導致電池性能下降。因此，陽極出口端常安裝一排氣閥門以適時排除累積在陽極內的雜質，使燃料電池的性能回升。

排氣閥門開啟時機攸關著燃料電池的性能、壽命及能源效率。例如，過於頻繁的開啟會導致浪費燃料，而延遲過久的開啟則會導致燃料電池的性能不佳、折損壽命。現今已發展出判斷排氣閥門開啟時機的方法，包括依據電壓變化率、電流積分；然而，其方法及系統皆太過複雜，不利於應用於現今普遍使用的燃料電池。因此，相關業者與學者仍企求一簡單且可有效判斷排氣閥門開啟時機之陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統。

本發明之一目的是提出一種陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其有利於決定排氣閥門的開啟時機，進而可避免浪費燃料、折損電池壽命，並可降低排氣閥門的開啟頻率，進而有利於提升能源效率。

本發明之另一目的是提出一種陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其具有結構簡單之優點，有利於應用於現今普遍使用的燃料電池。

依據本發明一態樣之一實施方式，提供一種陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，應用於一陽極循環式燃料電池。其中陽極循環式燃料電池包含燃料電池單元，燃料電池單元包含陽極，陽極包含導電板，導電板包含第一區塊以及第二區塊。其中第一區塊對應一氣體入口，第二區塊對應一氣體出口。陽極循環式燃料電池之氣體管理方法包含進行一封閉式放電步驟、進行一第一監測步驟、進行一循環式 放電步驟、進行一氣體壓縮步驟以及進行一第二監測步驟。進行封閉式放電步驟是在氣體推送裝置、排氣閥門與回收閥門關閉時，使燃料電池單元進行放電。進行第一監測步驟是監測一變動特徵值，當變動特徵值小於或等於預設的一臨界特徵值時，開啟氣體推送裝置與回收閥門，其中變動特徵值是第二區塊電流密度與燃料電池單元之整體電流密度的比值。進行循環式放電步驟是在氣體推送裝置與回收閥門開啟且排氣閥門關閉時，使燃料電池單元進行放電。進行氣體壓縮步驟是關閉回收閥門，以壓縮氣體推送裝置與回收閥門中的氣體。進行第二監測步驟是監測變動特徵值，當變動特徵值小於或等於臨界特徵值時，開啟排氣閥門使陽極與外界連通。

依據前述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中臨界特徵值之設定方法可包含進行一預設封閉式放電步驟以及進行一電壓監測步驟。進行預設封閉式放電步驟是在氣體推送裝置、排氣閥門與回收閥門關閉時，使燃料電池單元於一預載電流密度及一預載電壓進行放電。進行一電壓監測步驟是監測預載電壓，當預載電壓下降一電壓閾值時，量測計算第二區塊電流密度作為臨界電流密度，並以臨界電流密度與預載電流密度的比值作為臨界特徵值。電壓閾值可為0.1伏特。

依據前述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中氣體推送裝置可為氣體幫浦，燃料電池單元可為質子交換膜燃料電池。

依據本發明另一態樣之一實施方式，提供一種陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，包含陽極循環式燃料電池、第一電流感測器、第二電流感測器以及控制模組。陽極循環式燃料電池包含燃料電池單元、氣體循環單元及排氣閥門。燃料電池單元包含陽極、氣體入口及氣體出口，其中陽極包含導電板，導電板包含第一區塊以及第二區塊，第一區塊對應氣體入口，第二區塊對應氣體出口。氣體循環單元連接氣體入口與氣體出口。氣體循環單元包含氣體推送裝置及回收閥門，氣體推送裝置設置於氣體出口與氣體入口之間，用以提供陽極中的氣體由氣體出口往氣體入口方向流動的動力，回收閥門設置於氣體推送裝置與氣體入口之間。排氣閥門設置於氣體推送裝置與回收閥門之間。第一電流感測器用以量測燃料電池單元之整體電流。第二電流感測器用以量測第二區塊電流。控制模組連接第一電流感測器、第二電流感測器、氣體推送裝置、排氣閥門與回收閥門。控制模組儲存一臨界特徵值。控制模組接收第二區塊電流與燃料電池單元之整體電流並計算求得第二區塊電流密度與燃料電池單元之整體電流密度的比值作為變動特徵值。控制模組比對變動特徵值以及臨界特徵值以控制閉啟氣體推送裝置、排氣閥門與回收閥門。

依據前述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中控制模組可在氣體推送裝置、排氣閥門與回收閥門關閉時比對變動特徵值以及臨界特徵值，當變動特徵值小於或等於臨界特徵值時，開啟氣體推送裝置與回收閥門，使陽 極處於氣體循環狀態。

依據前述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中控制模組可在氣體推送裝置開啟、排氣閥門與回收閥門關閉時比對變動特徵值以及臨界特徵值，當變動特徵值小於或等於預設的臨界特徵值時，開啟排氣閥門使陽極與外界連通。

依據前述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中氣體推送裝置可為氣體幫浦，燃料電池單元可為質子交換膜燃料電池。

100‧‧‧陽極循環式燃料電池之氣體管理系統

110、810‧‧‧燃料電池單元

111、811‧‧‧陽極

112‧‧‧膜電極組

113‧‧‧陰極

114、814‧‧‧導電板

114a、814a‧‧‧第一區塊

114b、814b‧‧‧第二區塊

115‧‧‧導電板

116、816‧‧‧氣體入口

117、817‧‧‧氣體出口

120‧‧‧氣體循環單元

121‧‧‧氣體推送裝置

122‧‧‧回收閥門

123‧‧‧氣體管路

130、830‧‧‧排氣閥門

140、840‧‧‧第一電流感測器

150、850‧‧‧第二電流感測器

160、860‧‧‧控制模組

200‧‧‧負載

300‧‧‧陽極循環式燃料電池之氣體管理方法

310、320、330、340、350‧‧‧步驟

500‧‧‧臨界特徵值之設定方法

510、520‧‧‧步驟

600‧‧‧導電板

610‧‧‧導線

620‧‧‧銀膠

800‧‧‧陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統

L1‧‧‧第一區塊的長度

L2‧‧‧第二區塊的長度

J1‧‧‧第一區塊的電流密度

J‧‧‧燃料電池單元之整體電流密度

Cv‧‧‧變動特徵值

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種陽極循環式燃料電池之氣體管理系統的示意圖；第2圖係繪示第1圖之陽極循環式燃料電池之氣體管理系統與一負載連接的示意圖；第3圖係依照本發明另一實施方式之陽極循環式燃料電池之氣體管理方法的步驟流程圖；第4A圖係第2圖中陽極氣體於封閉式放電步驟的流動示意圖；第4B圖係第2圖中陽極氣體於循環式放電步驟的流動示意圖； 第4C圖係第2圖中陽極氣體於氣體壓縮步驟的流動示意圖；第4D圖係第2圖中陽極氣體於排氣閥門開啟時的流動示意圖；第5圖係依照本發明又一實施方式之臨界特徵值之設定方法的步驟流程圖；第6圖係實施例1之陽極所使用的導電板的示意圖；第7A圖係實施例1之電壓與時間的關係圖；第7B圖係實施例1之正規化電流密度、位置與時間的關係圖；第8圖係繪示依照本發明比較例1的一種陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統的示意圖；第9A圖係比較例1於不同電流密度之電壓與時間的關係圖；第9B圖係比較例1於不同電流密度之電流密度、位置與時間的關係圖；第10A圖係比較例1之另一電壓與時間的關係圖；以及第10B圖係比較例1之正規化電流密度、位置與時間的關係圖。

<陽極循環式燃料電池之氣體管理系統>

第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100的示意圖。第1圖中，陽 極循環式燃料電池之氣體管理系統100包含陽極循環式燃料電池(未另標號)、第一電流感測器140、第二電流感測器150以及控制模組160。

陽極循環式燃料電池包含燃料電池單元110、氣體循環單元120及排氣閥門130。

燃料電池單元110包含陽極111、氣體入口116及氣體出口117，其中陽極111包含導電板114，導電板114包含第一區塊114a以及第二區塊114b，第一區塊114a對應氣體入口116，第二區塊114b對應氣體出口117。

具體來說，燃料電池單元110可為單一的燃料電池或者由複數個燃料電池組成的燃料電池堆，此外，電池單元110可為但不限於質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池或固態氧化物燃料電池，依據不同的燃料電池，可使用不同的燃料，例如，質子交換膜燃料電池與鹼性燃料電池可以氫氣作為燃料。第1圖中，燃料電池單元110為單一的燃料電池，且燃料電池單元110為質子交換膜燃料電池，燃料電池單元110包含陽極111、膜電極組112以及陰極113，陰極113包含導電板115，然而其僅為例示，本發明並不以此為限。此外，由於本發明係針對陽極循環式燃料電池之陽極氣體提出的管理方法與系統，因此，關於燃料電池單元110的其他細節，例如燃料源、陰極入口、陰極出口、氧化劑源等，皆予以省略。在其他實施方式中，當燃料電池單元110為燃料電池堆時，陽極111係指燃料電池堆中位於最外側之燃料電池的陽極。此 外，可藉由將習用的陽極導電板改成兩個不連續的導電板來得到第一區塊114a及第二區塊114b。氣體入口116用以供一燃料(圖未繪示)通入陽極111，氣體出口117用以供陽極111中的氣體(以下亦可簡稱為陽極氣體)流出，陽極111中的氣體包含未參與反應的剩餘燃料以及由陰極113擴散過來的雜質如氮氣或水。導電板114用以收集陽極111所產生的電流，第一區塊114a與第二區塊114b中，第一區塊114a較接近氣體入口116，第二區塊114b較接近氣體出口117，換言之，第一區塊114a可用於收集陽極111接近氣體入口116之區域的電流，第二區塊114b可用於收集陽極111接近氣體出口117之區域的電流。第一區塊114a的長度L1可大於或等於第二區塊114b的長度L2，藉此，有利於監控陽極111接近接近氣體出口117區域的電流密度，可依據實際需求調整第一區塊114a的長度L1與第二區塊114b的長度L2的比例，本發明並不以此為限。較佳地，第一區塊114a的長度L1比第二區塊114b的長度L2可為9比1至19比1。另外，第1圖中第一區塊114a與第二區塊114b的間隔距離僅為例示，用以表示導電板114被分割成兩個區塊，本發明並不以此為限。

氣體循環單元120連接氣體入口116與氣體出口117。氣體循環單元120包含氣體推送裝置121、回收閥門122以及氣體管路123。氣體推送裝置121設置於氣體管路123上並設置於氣體出口117與氣體入口116之間，用以提供陽極111中的氣體由氣體出口117往氣體入口116方向 流動的動力。回收閥門122設置於氣體管路123上並設置於氣體推送裝置121與氣體入口116之間。具體來說，當氣體推送裝置121與回收閥門122皆開啟時，可將由陽極111之氣體出口117排出的氣體送回氣體入口116處，與新鮮的燃料混合後，再進入陽極111。藉此，可回收未參與反應的剩餘燃料，而可提高燃料利用率。氣體推送裝置121可為氣體幫浦。回收閥門122可為電磁閥。

排氣閥門130與氣體管路123連接並設置於氣體推送裝置121與回收閥門122之間。排氣閥門130用以供陽極111與外界(未另標號)連通。在燃料電池單元110放電過程中，由於陽極111會逐漸累積雜質，而造成燃料電池單元110所能提供的電壓下降(即燃料電池單元110的性能下降)，此時，可藉由開啟排氣閥門130使陽極111與外界連通，讓陽極111中的雜質排到外界而達到淨化功能，進而使燃料電池單元110的性能恢復，換言之，排氣閥門130通常處於關閉的狀態，其於排放雜質時開啟。排氣閥門130可為電磁閥。

第一電流感測器140用以量測燃料電池單元110之整體電流，第二電流感測器150用以量測第二區塊114b的電流。第一電流感測器140與第二電流感測器150可為但不限於安培計或三用電表，安培計可用於量測電流大小，電流可經由公式換算為電流密度，關於電流與電流密度的換算為習知，在此不另贅述。具體來說，第二電流感測器150與第二區塊114b串聯，第一區塊114a與第二區塊114b 並聯後再與第一電流感測器140串聯；因此，第二電流感測器150可量測第二區塊114b的電流，第一電流感測器140可量測燃料電池單元110之整體電流。

控制模組160連接第一電流感測器140、第二電流感測器150、氣體推送裝置121、排氣閥門130與回收閥門122。控制模組160儲存一臨界特徵值。控制模組160接收第二區塊114b電流與燃料電池單元110之整體電流，並計算出第二區塊114b的電流密度以及燃料電池單元110之整體電流密度再計算求得第二區塊114b電流密度與燃料電池單元110之整體電流密度的比值作為變動特徵值，當燃料電池單元110之整體電流密度為J，第二區塊114b的電流密度為J2，變動特徵值為Cv，其滿足下列條件：Cv=J2/J。控制模組160比對變動特徵值以及臨界特徵值以控制閉啟氣體推送裝置121、排氣閥門130與回收閥門122。具體來說，控制模組160與第一電流感測器140、第二電流感測器150、氣體推送裝置121、排氣閥門130與回收閥門122的連接關係為訊號連接，訊號連接可為有線連接或無線連接，第1圖中係用虛線來表達訊號連接的關係。控制模組160可透過於電腦上安裝資料擷取(Data Acquisition)卡以及相應的軟體來實現，例如，資料擷取卡可為但不限於美國國家儀器(National Instruments Corporate)公司的所生產的NI 9219、NI 9401或NI 9205等，此時可搭配美國國家儀器公司相應的軟體。

第2圖係繪示第1圖之陽極循環式燃料電池之氣 體管理系統100與一負載200連接的示意圖。如第2圖所示，當使用陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100對一負載200進行供電，負載200分別與陽極111的導電板114與陰極113的導電板115連接，如第2圖所示，第一電流感測器140量測到燃料電池單元110之整體電流。

<陽極循環式燃料電池之氣體管理方法>

第3圖係依照本發明另一實施方式之陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300的步驟流程圖。陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300可應用管理陽極循環式燃料電池的陽極氣體。以下配合第2圖之陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100與負載200，來具體說明陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300。第3圖中，陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300包含步驟310、步驟320、步驟330、步驟340與步驟350。

步驟310是進行一封閉式放電步驟，係在氣體推送裝置121、排氣閥門130與回收閥門122關閉時，使燃料電池單元110進行放電。請同配合參照第4A圖，其係第2圖中陽極氣體(未繪示)於封閉式放電步驟的流動示意圖，由於第4A圖係用於說明陽極氣體流動的方式，故僅繪示出陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100中的陽極循環式燃料電池，而將其餘元件予以省略；另外，第4A圖中的"X"表示關閉狀態，"箭頭"表示陽極氣體的流動方向，以下第4B圖、第4C圖及第4D圖皆相同，將不再贅述。由第4A圖可知，當進行步驟310時，氣體推送裝置121、排氣閥門130 與回收閥門122皆為關閉，因此，無法將陽極111中未參與反應的剩餘燃料傳送回氣體入口116，前述封閉式放電步驟中的"封閉"，係指陽極111並非處在氣體循環狀態。

步驟320是進行一第一監測步驟，係監測變動特徵值，當變動特徵值小於或等於預設的臨界特徵值時，開啟氣體推送裝置121與回收閥門122，使陽極111處於氣體循環狀態。關於變動特徵值的細節請參照前文。

步驟330是進行一循環式放電步驟，係在氣體推送裝置121與回收閥門122開啟且排氣閥門130關閉時，使燃料電池單元110進行放電。請同配合參照第4B圖，其係第2圖中陽極氣體於循環式放電步驟的流動示意圖，由第4B圖可知，此時陽極111中的氣體，由陽極出口117排出後經由氣體推送裝置121推送而通過回收閥門122，並與新鮮燃料混合後再由氣體入口116進入陽極111，依此循環。前述循環式放電步驟中的"循環"，係指陽極111是處在氣體循環狀態。

具體來說，控制模組160於進行步驟310時，同步監測變動特徵值，當變動特徵值大於預設的臨界特徵值時，維持進行步驟310，而當變動特徵值小於或等於預設的臨界特徵值時，表示陽極111接近氣體出口117的區域累積了過多雜質，而使第二區塊114b的電流密度過低。此時，開啟氣體推送裝置121與回收閥門122，使陽極111處於氣體循環狀態，而進入步驟330，藉此使陽極111中的雜質不會堆積在陽極111接近氣體出口117的區域，而使第二區塊 114b的電流密度回升，以恢復燃料電池單元110的性能。

步驟340是進行一氣體壓縮步驟，係關閉回收閥門122，以壓縮氣體推送裝置121與回收閥門122中的氣體。請同配合參照第4C圖，其係第2圖中陽極氣體於氣體壓縮步驟的流動示意圖，由第4C圖可知，此時，氣體推送裝置121處於開啟狀態，其不斷地將陽極111中的氣體抽出，而回收閥門122處於關閉狀態，因此氣體推送裝置121與回收閥門122中的氣體持續被壓縮。步驟340係於步驟330持續一段時間後進行，由於步驟330中陽極111處於氣體循環狀態，陽極111中的雜質亦平均分布，此時，無法藉由監測第二區塊114b的電流密度來判斷雜質的累積程度，故需切換至步驟340，中止氣體循環狀態，而有利於判斷雜質的累積程度，並可增加判斷雜質累積程度的效率。由於燃料電池單元100連接不同負載200時，其產生雜質的速率不同，因此，前述"持續一段時間”可依不同的負載200而彈性調整。依據本發明一實施例，步驟340可於步驟330持續60分鐘後進行。

步驟350是進行一第二監測步驟，係監測變動特徵值，當變動特徵值小於或等於臨界特徵值時，開啟排氣閥門130使陽極111與外界連通。請同配合參照第4D圖，其係第2圖中陽極氣體於排氣閥門130開啟時的流動示意圖。由第4D圖可知，此時氣體推送裝置121與排氣閥門130為開啟狀態，回收閥門122為關閉狀態，藉此，可將陽極111中的雜質排出，而可使燃料電池單元110的性能恢復，另藉由 氣體推送裝置121可加速陽極111中雜質氣體排出的速度，可進一步避免排氣閥門130開啟過久而造成燃料的浪費。具體來說，控制模組160於進行步驟340時，同步監測變動特徵值，當變動特徵值大於預設的臨界特徵值時，表示雜質累積程度輕微，尚不需要開啟排氣閥門130，此時回到步驟330，繼續循環式放電，而當變動特徵值小於或等於預設的臨界特徵值時，表示陽極111已累積了過多雜質；此時，開啟排氣閥門130，將陽極111中的雜質排到外界而達到淨化功能，而可使燃料電池單元110的性能恢復。待陽極111淨化後，可回到步驟310，持續使用陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300來管理陽極氣體。

第5圖係依照本發明又一實施方式之臨界特徵值之設定方法500的步驟流程圖。以下係以第2圖之陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100與負載200，來具體說明臨界特徵值之設定方法500。臨界特徵值之設定方法500包含步驟510以及步驟520。

步驟510是進行一預設封閉式放電步驟，係在氣體推送裝置121、排氣閥門130與回收閥門122關閉時，使燃料電池單元110於一預載電流密度及一預載電壓進行放電。

步驟520是進行一電壓監測步驟，係監測預載電壓，當預載電壓下降一電壓閾值時，量測計算第二區塊114b電流密度作為臨界電流密度，並以臨界電流密度與預載電流密度的比值作為臨界特徵值。

具體來說，預載電流密度為燃料電池單元110整體提供的電流密度，即第一電流感測器140所量測到的燃料電池單元110之整體電流再經由控制模組160計算轉換所得之燃料電池單元110之整體電流密度。預載電壓為燃料電池單元110整體提供的電壓，預載電壓的初始值取決於預載電流密度與負載200的種類，在放電過程中，預載電壓會因為雜質的累積而逐漸下降，預載電壓可利用控制模組160量測，例如，當控制模組160為安裝在電腦上的資料擷取卡，則預載電壓可透過資料擷取卡獲得。電壓閾值則是燃料電池單元110在放電過程中其輸出電壓可降低的幅度的容忍值，當預載電壓下降幅度等於或大於電壓閾值，表示燃料電池單元110性能已下降太多，需作適當的氣體管理，以使燃料電池單元110性能恢復。基於不同的負載200，其可承受的電壓變化幅度不同，因此，可視實際需求設定電壓閾值的大小。依據本發明一實施例，電壓閾值為0.1V，但本發明不以此為限。藉此，本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300可視負載200種類的不同，為其量身訂作適當的臨界特徵值，有利於提升本發明之陽極循環式燃料電池之氣體管理方法300的應用廣度。

由上述說明可知，依據本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，具有結構簡單之優點，其僅需將陽極導電板分割成第一區塊及第二區塊，再加裝排氣閥門、回收閥門與氣體推送裝置，有利於應用於現今普遍使用的燃料電池。另外，依據本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理 方法，有利於決定排氣閥門的開啟時機，並可降低排氣閥門的開啟頻率，而能大幅提升能源效率。

<實施例1>

首先，依據第1圖架構一陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100，並將之一負載200進行連接，如第2圖所示，其中燃料電池單元110為質子交換膜燃料電池，燃料電池單元110的反應面積為125cm²。氣體推送單元121為氣體幫浦(廠牌為凱恩孚(KNF)；型號為NMP015S)。排氣閥門130與回收閥門122為電磁閥(廠牌為Burker，Germany；型號為Type 6126)，控制模組160為美國國家儀器公司的所生產的NI 9219，以氫氣作為燃料通入陽極111，以空氣作為助燃劑通入陰極113。惟在進行實驗時，為了解陽極111內部中各部位的電流密度變化，把陽極111的導電板114更換掉。請參照第6圖，其係實施例1之陽極111所使用的導電板600的示意圖，導電板600為石墨導電板，其包含20條導線610，導線610以銀膠620固定導電板600上，各條導線610彼此並聯。每條導線610連接一電流感測器(連接方式與第二感測器150及第二區塊114b的連接方式相同)後再與控制模組160連接，也就是說，實驗時將陽極111的導電板600區分為20個區塊，而非如第1圖之導電板114的兩個區塊(第一區塊114a及第二區塊114b)。藉此，可偵測陽極111沿著氣體入口116至氣體出口117不同位置的電流密度。

實施例1的實驗條件如下：燃料電池單元110的操作溫度為65℃，輸出固定電流60A(相當電流密度為 0.48Acm^-2)，電壓閾值為0.1V。

請參照第7A圖及第7B圖。第7A圖係實施例1之電壓與時間的關係圖，電壓是指燃料池單元110的輸出電壓，可用控制模組160量測，電壓的單位為伏特(V)，時間是指燃料電池單元110的運作時間，時間的單位為分鐘(min)。第7B圖係實施例1之正規化電流密度、位置與時間的關係圖，其中正規化電流密度是指單一導線610的電流密度與燃料電池單元110之整體電流密度的比值，位置1至20乃對應導電板600的20個區塊，以最接近氣體入口116的區塊為1，以最接近氣體出口117的區塊為20，時間是指燃料電池單元110的運作時間，時間的單位為分鐘(min)。第7A圖及第7B圖中，封閉是指進行封閉式放電步驟，循環是指進行循環式放電步驟，壓縮是指進行氣體壓縮步驟，排氣是指開啟排氣閥門130。如第7A圖及第7B圖所示，實施例1係依序進行約30分鐘的封閉式放電步驟、約30分鐘的循環式放電步驟、約20分鐘的氣體壓縮步驟、排氣、再進行約30分鐘的封閉式放電步驟、60分鐘的循環式放電步驟、20分鐘的氣體壓縮步驟、排氣，其中兩次循環式放電步驟的時間不同，係為觀察循環式放電時間不同所造成的差異。

由第7A圖及第7B圖可知，當進行封閉式放電步驟時，雜質易堆積在氣體出口117附近，而導致氣體入口116與氣體出口117的正規化電流密度差異很大，而造成燃料電池單元110的輸出電壓下降，藉由循環式放電步驟可使燃料電池單元110的輸出電壓回升，然而，由於雜質隨著氣 體循環，無法藉由正規化電流密度來判斷雜質在陽極111中累積的情形(循環式放電步驟中，不同位置的正規化電流密度差異不大)，而藉由氣體壓縮步驟，有利於判斷雜質的累積程度(氣體壓縮步驟中，氣體入口116與氣體出口117的正規化電流密度差異很大)。另由第7A圖及第7B圖可知，當燃料電池單元110電壓下降幅度大時，接近氣體出口117處的正規化電流密度亦明顯降低，顯見接近氣體出口117處的正規化電流密度可作為燃料電池單元110電壓下降的指標。因此，依據本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，係以接近氣體出口117區塊(對應第二區塊114b)的正規化電流密度作為變動特徵值，來當作被監測對象，而不需要監測其他區塊的正規化電流密度，因此僅需將導電板114區分為第一區塊114a及第二區塊114b，而不需如實施例1區分成20個區塊，故本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法具有簡單的優點。再者，比較第7A圖中的兩次循環式放電步驟，第一次循環式放電步驟僅進行30分鐘即進行氣體壓縮步驟，其於排氣時的電壓與初始電壓(時間為0的電壓)差異不大，顯示第一次排氣時燃料電池單元110中的雜質累積情況尚輕微，可以再延後打開排氣閥門130的時間，因此，繼續進行實驗時，拉長第二次循環式放電步驟的時間，而比較第二次排氣時的電壓與初始電壓，其差值尚在預設的電壓閾值0.1V以內，顯示第二次排氣時燃料電池單元110中的雜質累積情況仍不嚴重，可再延遲打開排氣閥門130的時間，也就是說，實施例1之排氣閥門130的開啟週期(封閉 式放電步驟、循環式放電步驟與氣體壓縮步驟的時間總和)至少可為110分鐘以上，換言之，可大幅降低排氣閥門130的開啟頻率。

<比較例1>

比較例1係陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統，與本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統相較，比較例1缺少氣體循環單元，因此無法將未參與反應的燃料回收再利用。

請參照第8圖，其係繪示依照本發明比較例1的一種陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800的示意圖。陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800包含燃料電池單元810、排氣閥門830、第一電流感測器840、第二電流感測器850以及控制模組860。燃料電池單元810包含陽極811、氣體入口816及氣體出口817，其中陽極811包含導電板814，導電板814包含第一區塊814a以及第二區塊814b，第一區塊814a對應氣體入口816，第二區塊814b對應氣體出口817。陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800與第1圖之陽極循環式燃料電池之氣體管理系統100的差異僅在於陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800缺少氣體循環單元120，其餘細節皆相同，在此不另贅述。

進行實驗時，首先，依據第8圖架構一陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800，並將之一負載(圖未繪示)進行連接。並且，如同實施例1，將導電板814更換為第6圖的導電板600，以利偵測陽極811沿著氣體入口816至氣 體出口817不同位置的電流密度。關於陽極封閉式燃料電池之氣體管理系統800中各元件的種類與規格可與實施例1相同，在此不另贅述。

比較例1的實驗條件如下：燃料電池單元810的操作溫度為65℃，分別以輸出固定電流30A(相當電流密度為0.24Acm^-2)、輸出固定電流40A(相當電流密度為0.32Acm^-2)、輸出固定電流50A(相當電流密度為0.4Acm^-2)進行實驗。

請參照第9A圖及第9B圖，第9A圖係比較例1於不同電流密度之電壓與時間的關係圖，電壓是指燃料電池單元810的輸出電壓，電壓的單位為伏特(V)，時間是指燃料電池單元810的運作時間，時間的單位為分鐘(min)。第9B圖係比較例1於不同電流密度之電流密度、位置與時間的關係圖，其中電流密度是指每一導線610的電流密度，位置1至20乃對應導電板600的20個區塊，最接近氣體入口816的區塊為1，以最接近氣體出口817的區塊為20，時間是指燃料電池單元810的運作時間，時間的單位為分鐘(min)。

第9A圖及第9B圖中，封閉是指進行封閉式放電步驟，即在排氣閥門830關閉時進行放電，排氣是指開啟排氣閥門830。如第9A圖及第9B圖所示，當燃料電池單元810為封閉式時，陽極811內部的電流密度分布非常不均，長期使用下來，易折損燃料電池單元810的壽命。

另將比較例1以下列條件進行實驗，燃料電池單元810的操作溫度為65℃，分別以輸出固定電流60A(相當 電流密度為0.48Acm^-2)，可得第10A圖及第10B圖。第10A圖係比較例1之另一電壓與時間的關係圖，第10B圖係比較例1之正規化電流密度、位置與時間的關係圖，第10A圖及第10B圖中，時間係以秒作為單位，其餘座標的定義可與第7A圖及第7B圖相同，在此不另贅述。由第10A圖及第10B圖可知，倘若以電壓閾值等於0.1V作為基準，約30分鐘即需開啟排氣閥門830排放雜質，與本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統相較，其開啟排氣閥門830的週期過短，即開啟頻率過高，易浪費燃料，能源效率不佳。

應說明的是，本發明實施例1的用意是為了驗證本發明的方法是否可有效地管理陽極氣體，因此，本發明的實施例1陽極111的導電板600係區分為20個區塊；然而，如前所述，在實務中，僅需觀察接近氣體出口117區塊(對應第二區塊114b)的正規化電流密度即可。換言之，本發明的實施例1係本發明是否有效的驗證結果。

綜上所述，依據本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統，與陽極封閉式燃料電池之氣體管理方法與系統相較，可避免燃料電池單元的陽極長期處於電流密度不均的狀況，可延長使用壽命，並可延長開啟排氣閥門的週期，可避免燃料的浪費，提升能源效率。再者，依據本發明的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統，可解決陽極處於氣體循環狀態時，無法判斷雜質累積程度而無法判斷開啟排氣閥門時機的問題，另與習用的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法與系統相較，本發明的陽極循環式燃料電 池之氣體管理方法與系統具有結構及方法簡單的優點，有利於應用於現今普遍使用的燃料電池。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，應用於一陽極循環式燃料電池，其中該陽極循環式燃料電池包含一燃料電池單元，該燃料電池單元包含一陽極，該陽極包含一導電板，該導電板包含一第一區塊以及一第二區塊，其中該第一區塊對應一氣體入口，該第二區塊對應一氣體出口，該陽極循環式燃料電池之氣體管理方法包含：進行一封閉式放電步驟，係在一氣體推送裝置、一排氣閥門與一回收閥門關閉時，使該燃料電池單元進行放電；進行一第一監測步驟，係監測一變動特徵值，當該變動特徵值小於或等於預設的一臨界特徵值時，開啟該氣體推送裝置與該回收閥門，其中該變動特徵值係該第二區塊電流密度與該燃料電池單元之整體電流密度的比值；進行一循環式放電步驟，係在該氣體推送裝置與該回收閥門開啟且該排氣閥門關閉時，使該燃料電池單元進行放電；進行一氣體壓縮步驟，係關閉該回收閥門，以壓縮該氣體推送裝置與該回收閥門中的一氣體；以及進行一第二監測步驟，係監測該變動特徵值，當該變動特徵值小於或等於該臨界特徵值時，開啟該排氣閥門使該陽極與外界連通。
2. 如申請專利範圍第1項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中該臨界特徵值之設定方法 包含：進行一預設封閉式放電步驟，係在該氣體推送裝置、該排氣閥門與該回收閥門關閉時，使該燃料電池單元於一預載電流密度及一預載電壓進行放電；以及進行一電壓監測步驟，係監測該預載電壓，當該預載電壓下降一電壓閾值時，量測計算該第二區塊電流密度作為一臨界電流密度，並以該臨界電流密度與該預載電流密度的比值作為該臨界特徵值。
3. 如申請專利範圍第2項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中該電壓閾值為0.1伏特。
4. 如申請專利範圍第1項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中該氣體推送裝置為一氣體幫浦。
5. 如申請專利範圍第1項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理方法，其中該燃料電池單元為一質子交換膜燃料電池。
6. 一種陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，包含：一陽極循環式燃料電池，包含：一燃料電池單元，包含一陽極、一氣體入口及一氣體出口，其中該陽極包含一導電板，該導電板包含 一第一區塊以及一第二區塊，該第一區塊對應該氣體入口，該第二區塊對應該氣體出口；一氣體循環單元，連接該氣體入口與該氣體出口，該氣體循環單元包含一氣體推送裝置及一回收閥門，該氣體推送裝置設置於該氣體出口與該氣體入口之間，用以提供該陽極中的一氣體由該氣體出口往該氣體入口方向流動的動力，該回收閥門設置於該氣體推送裝置與該氣體入口之間；及一排氣閥門，設置於該氣體推送裝置與該回收閥門之間；一第一電流感測器，用以量測該燃料電池單元之整體電流；一第二電流感測器，用以量測該第二區塊電流；以及一控制模組，連接該第一電流感測器、該第二電流感測器、該氣體推送裝置、該排氣閥門與該回收閥門，該控制模組儲存一臨界特徵值，該控制模組接收該第二區塊電流與該燃料電池單元之整體電流並計算求得該第二區塊電流密度與該燃料電池單元之整體電流密度的比值作為變動特徵值，該控制模組比對該變動特徵值以及該臨界特徵值以控制閉啟該氣體推送裝置、該排氣閥門與該回收閥門。
7. 如申請專利範圍第6項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中該控制模組係在該氣體推送裝置、該排氣閥門與該回收閥門關閉時比對該變動特徵值以及該臨界特徵值，當該變動特徵值小於或等於該臨界 特徵值時，開啟該氣體推送裝置與該回收閥門，使該陽極處於一氣體循環狀態。
8. 如申請專利範圍第6項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中該控制模組係在該氣體推送裝置開啟、該排氣閥門與該回收閥門關閉時比對該變動特徵值以及該臨界特徵值，當該變動特徵值小於或等於預設的該臨界特徵值時，開啟該排氣閥門使該陽極與外界連通。
9. 如申請專利範圍第6項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中該氣體推送裝置為一氣體幫浦。
10. 如申請專利範圍第6項所述的陽極循環式燃料電池之氣體管理系統，其中該燃料電池單元為一質子交換膜燃料電池。