燃料浓度量测方法
【专利摘要】一种燃料浓度量测方法。首先，提供一燃料电池单体，此燃料电池单体具有一阳极侧以及一阴极侧。接着，将一燃料供应至阳极侧，并将一反应气体供应至阴极侧。之后，调整供应至阴极侧的反应气体量，并根据燃料电池单体内反应气体的消耗速率来判断燃料的浓度。
【专利说明】燃料浓度量测方法
[0001]本申请是申请日为2008年12月I日、申请号为200810177816.6、发明名称为“燃料浓度量测方法”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种燃料浓度量测方法，且特别涉及一种简单且精确度高的燃料浓度量测方法。
【背景技术】
[0003]随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。
[0004]简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由一薄膜电极组(membrane electrodeassembly,简称MEA)及二电极板所构成。薄膜电极组是由一质子传导膜(proton exchangemembrane)、一阳极触媒层、一阴极触媒层、一阳极气体扩散层(gas diffus1n layer,⑶L)以及一阴极气体扩散层所构成。其中，上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置于质子传导膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层之上。另外，二电极板包括一阳极与一阴极，其分别配置于阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之上。
[0005]目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(Direct MethanolFuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的反应式如下:
[0006]阳极:CH30H+H20— C02+6H++6e-
[0007]阴极:3/202+6H++6e-— 3H20
[0008]反应时，导入阳极的甲醇溶液的浓度会对直接甲醇燃料电池的输出稳定度造成很大的影响。如果导入阳极的甲醇溶液的浓度控制不当，除了会造成发电效率不佳、输出功率不稳定等缺点外，更容易造成薄膜电极组的损坏。因此，如何适当的补充甲醇，使导入阳极的甲醇溶液的浓度能够被控制在最合适的范围内，是目前直接甲醇燃料电池在研发上相当重要的课题之一。
[0009]控制燃料电池中的燃料浓度最直接的方式就是利用感测器直接量测燃料的浓度，并依照量测的结果来决定燃料以及水的补充量。此种作法已于US 6, 589,671 BK US6，488，837、US 2002/076589A1、US 2003/0196913AU WO 01/35478 等文献中公开。其中，US 6，488，837与US 2003/0196913A1公开了以薄膜电极组作为感测器，以直接量测甲醇的浓度。值得注意的是，上述方法的精确度容易受到燃料中的杂质、薄膜电极组老化或不稳定等因素影响。
[0010]亦有已知技术将所量测到的温度与电流值带入经验公式中以推算出燃料浓度，如US 6，698，278 B2，此种作法不需使用到感测器直接量测燃料浓度，但是必须根据不同的燃料电极系统进行调整，方可推算出可能的燃料浓度。其他不需使用到感测器直接量测燃料浓度的方式如US 6，589，679，TW 94119975所述。
[0011]此外，由于甲醇溶液的浓度与其物理特性如声音在甲醇溶液中的传递速度以及燃料的介电常数或密度等有着特定的关系，因此有许多已知技术利用量测声音在甲醇溶液中的传递速度来推算出甲醇溶液的浓度，或是量测介电常数或密度来推算浓度如TWI251954。但是，此种浓度推算方式所使用的感测器造价十分昂贵，或是精准度受燃料内的气泡影响严重，因此量测时，感测器内部的液体必须静止且无气泡，量测的难度颇高。
[0012]综观上述的浓度量测方法，普遍有量测不易、量测成本高、量测精确度不稳定等问题。因此，目前业界亟需一种简单且精确度高的燃料浓度量测方法。
【发明内容】
[0013]有鉴于此，本发明提供一种简单、成本低且稳定的方法，可以精确测得燃料浓度。
[0014]本发明提出一种燃料浓度量测方法，其包括提供一燃料电池单体，此燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组。接着，将一燃料供应至阳极侧，并将一反应气体供应至阴极侧。之后，调整供应至阴极侧的反应气体量，并根据阴极侧内反应气体的消耗速率来判断燃料的浓度。
[0015]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1A与图1B为本发明第一实施例的燃料浓度量测方法的示意图。
[0017]图2为燃料电池单体所输出的开路电压与停止供应反应气体的时间关系曲线。
[0018]图3为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体所输出的开路电压与停止供应反应气体的时间关系曲线。
[0019]图4A与图4B为本发明第二实施例的燃料浓度量测方法的示意图。
[0020]图5为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体以定电压输出电能，其电流与停止供应反应气体的时间关系图。
[0021]图6为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体以定电流输出电能，其电压与停止供应反应气体的时间关系图。
[0022]图7为本发明第三实施例的燃料浓度量测方法的示意图。
[0023]【主要元件符号说明】
[0024]100、200、300、400、500:燃料电池单体
[0025]110:阳极侧
[0026]120:阴极侧
[0027]130:薄膜电极组
[0028]131:质子传导膜
[0029]132:阳极触媒层
[0030]133:阴极触媒层
[0031]134:阳极气体扩散层
[0032]135:阴极气体扩散层
[0033]140:燃料
[0034]150:反应气体
[0035]160:穿透燃料
[0036]170:外界负载
[0037]180:感测器
[0038]OCV:开路电压
【具体实施方式】
[0039]图1A与图1B为本发明第一实施例的燃料浓度量测方法的示意图。请先参照图1A，首先，提供一燃料电池单体100，此燃料电池单体100具有一阳极侧110以及一阴极侧120。在本实施例中，燃料电池单体100可以是一直接甲醇燃料电池单体，具体来说，燃料电池单体100具有一位于阳极侧110与阴极侧120之间的薄膜电极组130，其中膜电极组130例如是由一质子传导膜131 (proton exchange membrane)、一阳极触媒层132、一阴极触媒层133、一阳极气体扩散层134(gas diffus1n layer,⑶L)以及一阴极气体扩散层135所构成。上述的阳极触媒层132与阴极触媒层133分别配置于质子传导膜131的两侧，阳极气体扩散层134与阴极气体扩散层135分别设置在阳极触媒层132与阴极触媒层133之上。当然，本实施例所采用的燃料电池单体100可以是任何类型的燃料电池单体，本领域技术人员可依照实际需求来选择其最适合的燃料电池单体。值得注意的是，前述的燃料电池单体100可以燃料电池系统中的燃料电池堆。
[0040]接着将一燃料140供应至燃料电池单体100的阳极侧110，并将一反应气体150供应至燃料电池单体100的阴极侧120。在本实施例中，供应至阳极侧110的燃料140例如是一浓度不确定的甲醇溶液。当然，供应至阳极侧110的燃料140亦可以是其他种燃料，例如乙醇溶液、甲酸溶液等，本领域技术人员可依照实际需求来选择适当的燃料。除此之夕卜，供应至阴极侧120的反应气体150例如是空气、氧气或是其他适当的气体。当燃料140与反应气体150持续地被供应至燃料电池单体100时，阳极侧110部分燃料会经由穿透(Crossover)现象到达膜电极组130的阴极触媒层133 (如图1A中所标示的穿透燃料160),并和氧气进行燃烧反应，其反应式如下:
[0041]3/202+CH30H — C02+2H20
[0042]上述的燃烧反应会消耗阴极侧120的氧气，此时燃料电池单体100可维持一适当的开路电压(Open Circuit Voltage)0CV。
[0043]接着请参照图1B，本实施例可以利用控制气体传送元件或开关阀门(图中并未标示)的方式，减少或停止反应气体150供应至阴极侧120。由于到达阴极侧120的穿透燃料160量多寡与阳极侧110的燃料140浓度有正比的关系，因此经由穿透现象到达阴极侧120的穿透燃料160量多寡会直接影响阴极侧120反应气体150的消耗速率。具体来说，当限制供应至阴极侧120的反应气体150量时，由于阴极侧120内的反应气体150会与穿透燃料160进行燃烧反应而逐渐消耗，因此反应气体150消耗的速率可以从燃料电池单体100的开路电压来判断。在本实施例中，当供应至阴极侧120的反应气体150被截断时，阴极侧120内的反应气体150仅足够让燃料电池单体100的开路电压OCV维持一段时间，而此段时间的长短与燃料140的浓度有着密切的关连性。具体来说，如果燃料140的浓度越高，其从阳极侧110穿透(crossover)至阴极侧120的能力便越好,此时，反应气体150的消耗速率便越快；反之，如果燃料140的浓度越低，其从阳极侧110穿透至阴极侧120的能力便越差，此时，反应气体150的消耗速率便越慢。
[0044]承接上述，由于燃料140的浓度与反应气体150的消耗速率相关，因此本发明可根据反应气体150的消耗速率，迅速地推算出燃料140的浓度。
[0045]图2为燃料电池单体100的开路电压OCV与停止供应反应气体150的时间关系曲线，而图3为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体100的开路电压OCV与停止供应反应气体150的时间关系曲线。本实施例可根据所量测到的开路电压OCV来估计反应气体150的消耗情形，具体来说，当反应气体150被消耗殆尽时，开路电压OCV会发生下降的情况，此开路电压OCV发生下降的时间点可用来推算燃料140的浓度。
[0046]从图3可以清楚得知，当所使用的甲醇溶液的浓度分别为与9%时，开路电压OCV发生下降的时间点会有明显的差异。换句话说，本实施例可以利用开路电压OCV发生下降的时间点来推算出燃料浓度，此方式具有相当不错的量测灵敏度(sensitivity)。
[0047]在上述实施例中，主要是以开路电压发生下降的时间点来推算出燃料浓度，然而本发明并不限定必须以此方式推算燃料浓度，本发明亦可根据开路电压下降的速度来推算出燃料浓度。除此之外，本实施例还可以根据开路电压OCV下降至特定值所需的时间来推算出燃料的浓度。以图3为例，当甲醇溶液的浓度越高时，开路电压OCV下降至特定值的时间越短；反之，当甲醇溶液的浓度越低时，开路电压OCV下降至特定值的时间越长。值得注意的是，本实施例可以通过控制所通入的反应气体量，来使不同浓度的燃料浓度所对应到的开路电压OCV下降至特定值的时间差异拉大，进而使燃料浓度的判断更为容易。
[0048]值得注意的是，上述实施例所述及的燃料电池单体100可以直接用来当作燃料浓度感测器，亦可以连接于燃料电池系统内的燃料循环回路中，此种燃料浓度感测器在安装上不需分接，且燃料浓度感测器在运作上不影响燃料电池系统的运作。具体来说，由于本发明采用燃料电池单体100来进行燃料浓度的量测，因此本发明可以将燃料电池堆中的一个或是多个燃料电池单体当作燃料浓度感测器来使用，以进行燃料浓度的量测。此时，燃料电池堆便不需要外接其他的燃料浓度感测器。
[0049]图4A与图4B为依照本发明的第二实施例所绘示燃料浓度量测方法的示意图。请先参照图4A，本实施例的燃料电池单体400与第一实施例的燃料电池单体100类似，惟二者的主要差异在于:在图4A中，燃料电池单体400正对外界负载170输出电能。
[0050]接着请参照图4B，燃料电池单体400可以利用控制气体传送元件或开关阀门(图中并未标示)的方式，减少或停止反应气体150供应至阴极侧120,当限制供应至阴极侧120的反应气体150量时，阴极侧120内的反应气体150除了燃料电池单体400的还原反应而被消耗之外，与穿透燃料160进行的燃烧反应也会消耗阴极侧120内的反应气体150，由于穿透燃料160量的多寡正比于阳极侧110的燃料140浓度，因此可以从该反应气体150消耗的速率推算燃料140的浓度。
[0051]图5为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体以定电压输出电能，其电流与停止供应反应气体的时间关系图。图6为在不同的燃料浓度情况下，燃料电池单体以定电流输出电能，其电压与停止供应反应气体的时间关系图。从图5与图6可以清楚得知，电压变化或电流变化的速率可以迅速地使量测者推算出燃料140的浓度。
[0052]请继续参照图5，根据图5中的各条电流-时间曲线，量测者可以根据电流下降至特定值所需的时间来推算出燃料浓度。具体来说，当燃料浓度越高时，电流下降至特定值所需时间越短；反之，当燃料浓度越低时，电流下降至特定值所需时间越长。在其他实施例中，量测者亦可以根据特定时间内的电流下降量来推算出燃料浓度。具体来说，当燃料浓度越高时，特定时间内的电流下降量越大；反之，当燃料浓度越低时，特定时间内的电流下降越小。
[0053]请参照图6，根据图6的各条电压-时间曲线，量测者可以根据电压下降至特定值所需的时间来推算出燃料浓度。具体来说，当燃料浓度越高时，电压下降至特定值所需时间越短；反之，当燃料浓度越低时，电压下降至特定值所需时间越长。在其他实施例中，量测者亦可以根据特定时间内的电压下降量来推算出燃料浓度。具体来说，当燃料浓度越高时，特定时间内的电压下降量越大；反之，当燃料浓度越低时，特定时间内的电压下降越小。
[0054]承接上述，在图5与图6所介绍的量测方法中，同样可以通过控制所通入的反应气体量，来使燃料浓度的判断更为容易。
[0055]图7为本发明第三实施例的燃料浓度量测方法的示意图。请参照图7，本实施例的燃料电池单体500与第一实施例的燃料电池单体100类似，惟二者的主要差异在于:在图7中，燃料电池单体500进一步包括一感测器180。具体来说，本实施例可先通过感测器180量测该阴极侧120的反应气体150浓度。接着，再根据所量测到的反应气体150的浓度与时间的关系来判断燃料140的浓度。在本实施例中，感测器180例如是氧气浓度感测器或是压力计。
[0056]承接上述，如果本实施例通过感测器180直接量测反应气体150的浓度变化，对于燃料140的浓度的推算将更为便利与精确。
[0057]与前述实施例类似，本实施例在可根据反应气体150的浓度下降至某一特定值所须的时间来判断燃料140的浓度，或是根据反应气体150浓度下降的速度来判断燃料140的浓度。
[0058]很显然的，在上述的第三实施例中，所述的感测器180亦可以是二氧化碳浓度感测器，因为反应物消耗的速率正比于产物二氧化碳产生的速率，所以本实施例也可以改用二氧化碳感测器量测二氧化碳浓度上升的速度，或是量测二氧化碳浓度上升至某一特定值所需的时间，来判断燃料140的浓度。
[0059]综上所述，由于本发明可根据阴极侧的反应气体消耗速率来判断燃料的浓度，因此本发明所提出的燃料浓度量测方法十分简单且精确。此外，本发明的燃料浓度量测方法具有相当高的稳定性，不易受到燃料流动及燃料内气泡的影响。
[0060]虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种燃料浓度量测方法，包括: 提供一燃料电池单体，该燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组； 对应于至少一已知浓度的燃料，建立至少一反应气体浓度与时间的关系曲线，而建立至少一反应气体浓度与时间的关系曲线的方法包括: (a)将一已知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)将一反应气体供应至该阴极侧； (C)停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该阴极侧该反应气体的浓度，以获得一反应气体浓度与时间的关系曲线； (a)’将一未知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)’将一反应气体供应至该阴极侧； (C) ’停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该阴极侧该反应气体的浓度，以获得一新的反应气体浓度与时间的关系曲线，进而减少量测所需的时间；以及 比较该反应气体浓度与时间的关系曲线以及新的反应气体浓度与时间的关系曲线，以判断该未知浓度的燃料浓度。
2.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料电池单体包括一直接甲醇燃料电池单体。
3.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该反应气体包括空气或氧气。
4.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料包括甲醇溶液、乙醇溶液，或甲酸溶液。
5.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该反应气体的浓度是通过一感测器来量测。
6.如权利要求5所述的燃料浓度量测方法，其中该感测器包括一氧气浓度感测器或一压力计。
7.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该反应气体浓度下降至某一特定值所须的时间来判断。
8.如权利要求1所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据反应气体浓度下降的速度来判断。
9.一种燃料浓度量测方法，包括: 提供一燃料电池单体，该燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组； 对应于至少一已知浓度的燃料，建立至少一产物气体浓度与时间的关系曲线，而建立至少一产物气体浓度与时间的关系曲线的方法包括: (a)将一已知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)将一反应气体供应至该阴极侧； (C)停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该阴极侧该产物气体的浓度，以获得一产物气体浓度与时间的关系曲线； (a)’将一未知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)’将一反应气体供应至该阴极侧； (C)，停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该阴极侧该产物气体的浓度，以获得一新的产物气体浓度与时间的关系曲线，进而减少量测所需的时间；以及 比较该产物气体浓度与时间的关系曲线以及新的产物气体浓度与时间的关系曲线，以判断该未知浓度的燃料浓度。
10.如权利要求9所述的燃料浓度量测方法，其中该产物气体的浓度是通过一感测器来量测。
11.如权利要求10所述的燃料浓度量测方法，其中该感测器包括二氧化碳感测器。
12.如权利要求9所述的燃料浓度量测方法，其中该产物气体的浓度是根据该产物气体浓度上升至某一特定值所须的时间来判断，或是根据该产物气体浓度上升的速度来判断。
13.一种燃料浓度量测方法，包括: 提供一燃料电池单体，该燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组； 对应于至少一已知浓度的燃料，建立至少一开路电压与时间的关系曲线，而建立至少一开路电压与时间的关系曲线的方法包括: (a)将一已知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)将一反应气体供应至该阴极侧； (C)停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该开路电压，以获得一开路电压与时间的关系曲线； (a)’将一未知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)’将一反应气体供应至该阴极侧； (C) ’停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该开路电压，以获得一新的开路电压与时间的关系曲线，进而减少量测所需的时间；以及 比较该开路电压与时间的关系曲线以及新的开路电压与时间的关系曲线，以判断该未知浓度的燃料浓度。
14.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该开路电压下降的时间点来判断。
15.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该开路电压下降至某一特定值所须的时间来判断。
16.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该开路电压下降的速度来判断。
17.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料电池单体包括一直接甲醇燃料电池单体。
18.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该反应气体包括空气或氧气。
19.如权利要求13所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料包括甲醇溶液、乙醇溶液，或甲酸溶液。
20.一种燃料浓度量测方法，包括: 提供一燃料电池单体，该燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组； 对应于至少一已知浓度的燃料，建立至少一输出电流与时间的关系曲线，而建立至少一输出电流与时间的关系曲线的方法包括: (a)将一已知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)将一反应气体供应至该阴极侧； (C)停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该输出电流，以获得一输出电流与时间的关系曲线； (a)’将一未知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)’将一反应气体供应至该阴极侧； (C) ’停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该输出电流，以获得一新的输出电流与时间的关系曲线，进而减少量测所需的时间；以及 比较该输出电流与时间的关系曲线以及新的输出电流与时间的关系曲线，以判断该未知浓度的燃料浓度。
21.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该输出电流下降的时间点来判断。
22.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该输出电流下降至某一特定值所须的时间来判断。
23.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据输出电流下降的速度来判断。
24.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料电池单体包括一直接甲醇燃料电池单体。
25.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该反应气体包括空气或氧气。
26.如权利要求20所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料包括甲醇溶液、乙醇溶液，或甲酸溶液。
27.一种燃料浓度量测方法，包括: 提供一燃料电池单体，该燃料电池单体具有一阳极侧、一阴极侧以及至少一膜电极组； 对应于至少一已知浓度的燃料，建立至少一输出电压与时间的关系曲线，而建立至少一输出电压与时间的关系曲线的方法包括: (a)将一已知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)将一反应气体供应至该阴极侧； (C)停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该输出电压，以获得一输出电压与时间的关系曲线； (a)’将一未知浓度的燃料供应至该阳极侧； (b)’将一反应气体供应至该阴极侧； (C) ’停止供应该反应气体至该阴极侧，并且量测该膜电极组的该输出电压，以获得一新的输出电压与时间的关系曲线，进而减少量测所需的时间；以及 比较该输出电压与时间的关系曲线以及新的输出电压与时间的关系曲线，以判断该未知浓度的燃料浓度。
28.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该输出电压下降的时间点来判断。
29.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据该输出电压下降至某一特定值所须的时间来判断。
30.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该未知浓度的燃料的浓度是根据输出电压下降的速度来判断。
31.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料电池单体包括一直接甲醇燃料电池单体。
32.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该反应气体包括空气或氧气。
33.如权利要求27所述的燃料浓度量测方法，其中该燃料包括甲醇溶液、乙醇溶液，或甲酸溶液。
【文档编号】G01N27/416GK104316586SQ201410538155
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2008年12月1日 优先权日:2007年12月19日
【发明者】康顾严, 黄珮芳, 赖秋助 申请人:财团法人工业技术研究院