专利名称：燃料浓度测量装置及方法
技术领域：
本发明是关于一种燃料浓度测量装置及方法，且特别是关于一种简单且精确度高
的燃料浓度测量装置及方法。
背景技术：
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。 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 electrode assembly,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 exchange membrane)、一阳极触媒层、一阴极触媒层、一阳极气体扩散层(gas diffusion layer,GDL) 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在质子传 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。 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(DirectMethanol Fuel 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
阳极CH30H+H20 — C02+6H++6e_
阴极3/202+6H++6e- — 3H20 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。若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。 控制燃料电池中的燃料浓度最直接的方式就是利用传感器直接测量燃料的浓 度，并依照测量的结果来决定燃料以及水的补充量。此种作法已于US 6，589，671B1、 US 6，488，837、US 2002/076589 A1、US 2003/0196913 A1、W0 01/35478等文献中公开。其中， US 6， 488， 837与US 2003/0196913 Al公开了以薄膜电极组作为传感器，以直接测量甲醇 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。 亦有传统技术将所测量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， 278B2，此种作法不需使用到传感器直接测量燃料浓度，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。其他不需使用到传感器直接测量燃料 浓度的方式如US 6， 589， 679以及TW 94119975所述。
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此外，由于甲醇溶液的浓度与其物理特性相关，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，因此有许多传统技术利用测量声音在甲醇
溶液中的传递速度来推算出甲醇溶液的浓度，或是测量介电常数或密度来推算浓度如TWI 251954。但是，此种浓度推算方式所使用的传感器造价十分昂贵，或是精准度受燃料内的气 泡影响严重，因此测量时，传感器内部的液体必须静止且无气泡，测量的难度颇高。
综观上述的浓度测量方法，普遍有测量不易、测量成本高、测量精确度不稳定等问 题。因此，目前业界亟需一种简单且精确度高的燃料浓度测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种制造成本低且测量稳定性高的燃料浓度测量装置。
本发明另提供一种简单、成本低且测量稳定性高的燃料浓度测量方法。
本发明提出一种燃料浓度测量装置，其包括一触媒层、一扩散层、一燃料室、一反 应气体室以及一传感器。扩散层与触媒层连接，燃料室适于容纳待测燃料，且扩散层位于燃 料室与触媒层之间。反应气体室适于容纳反应气体，触媒层位于反应气体室与扩散层之间， 而燃料室内的待测燃料经由扩散层扩散至触媒层中，且待测燃料与反应气体在触媒层中进 行燃烧反应，以消耗反应气体室内的反应气体并产生一产物气体。传感器配置于反应气体 室上，以测量反应气体室内的反应气体或产物气体的浓度。 本发明提出一种燃料浓度测量方法，其包括提供上述的燃料浓度测量装置。接着， 将一待测燃料供应至燃料侧，并将一反应气体供应至反应气体室。之后，调整供应至反应气 体室的反应气体量，并根据反应气体室内反应气体的消耗速率或产物气体的产生速率来判 断待测燃料的浓度。 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。
图1A与图1B为本发明第一实施例的燃料浓度测量方法的示意图。 图2为在不同的燃料浓度情况下，传感器所测得的氧气浓度与停止供应氧气的时
间关系曲线。 图3为燃料浓度测量装置应用于燃料电池发电系统中的示意图。 主要元件符号说明 100:燃料浓度测量装置 110:触媒层 120 :扩散层 130 :燃料室 140 :反应气体室 150 :传感器 160 :待测燃料 170 :反应气体 200:燃料电池发电系统
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210 :燃料循环装置 220:燃料储存槽 230 :燃料电池模块 232 :燃料电池单体
具体实施方式
第一实施例 图1A与图1B为本发明第一实施例的燃料浓度测量方法的示意图。请先参照图1A，首先，提供一燃料浓度测量装置IOO，此燃料浓度测量装置IOO包括一触媒层110、一扩散层120、一燃料室130、一反应气体室140以及一传感器150。扩散层120与触媒层110连接，燃料室130适于容纳待测燃料160，且扩散层120位于燃料室130与触媒层110之间。反应气体室140适于容纳反应气体170，触媒层IIO位于反应气体室140与扩散层120之间。传感器150配置于反应气体室140上，以测量反应气体室140内的反应气体170的浓度。值得注意的是，此领域具有通常知识者当可根据所欲测量的反应气体170而选择适当的传感器150，因此本发明不限制所采用的传感器的种类。 在本实施例中，触媒层110的材质主要为白金触媒或其他高活性触媒与粘着剂，而触媒层110的厚度例如是介于1微米与50微米之间。扩散层120的材质包括陶瓷材料、高分子材料等具备可让甲醇穿透的基材，而扩散层120的厚度例如是介于IO微米与1000微米之间。此外，反应气体室140的容积例如是介于0. lc. c.与100c. c.之间，值得注意的是，反应气体室140的容积可依据待测燃料160的浓度、扩散层材料的厚度或扩散系数而稍做更动，上述尺寸仅为参考而非特为其限制。具体地说，若要对高浓度的待测燃料160进行浓度测量，容积较大的反应气体室140可以提供较佳的测量灵敏度(sensitivity)，反之，容积较小的反应气体室140则较适合对低浓度的待测燃料160进行浓度测量，可以有效地縮短测量所需的时间。 接着，将一待测燃料160供应至燃料浓度测量装置100的燃料室130中，并将一反应气体170供应至燃料浓度测量装置100的反应气体室140中。在本实施例中，供应至燃料室130中的燃料160例如是一浓度不确定的甲醇溶液。当然，供应至燃料室130中的燃料160亦可以是其他种燃料，例如乙醇溶液、甲酸溶液等，本领域具有通常知识者可依照实际需求来选择适当的燃料与触媒种类。除此之外，供应至反应气体室140中的反应气体170例如是空气、氧气或是其他适当的气体。当待测燃料160与反应气体170被供应至燃料浓度测量装置100时，燃料室130内的部分待测燃料160经由扩散层120扩散至触媒层110中，而反应气体170会进入触媒层110中，且待测燃料160与反应气体170在触媒层110中进行燃烧反应，以消耗被供应至反应气体室140内的反应气体170，并产生产物气体(如二氧化碳)。前述的燃烧反应的反应式如下
3/202+CH30H — C02+2H20 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(未示出)的方式，以减少供应至反应气体室140内的反应气体170量，或是停止供应反应气体170至反应气体室140。由于单位时间内所到达触媒层110中的待测燃料160量与燃料室130内的待测燃料160浓度有正比的关系，因此单位时间内所经由扩散现象到达触媒层110中的待
5测燃料160量多寡会直接影响反应气体室140内反应气体170的消耗速率。具体地说，当限制供应至反应气体室140的反应气体170量时，由于反应气体室140内的反应气体170会与扩散至触媒层110中的待测燃料160进行燃烧反应而逐渐被消耗，因此反应气体170消耗的速率可以透过传感器150的测量值直接判断。 在上述例子中，传感器150是用以测量反应气体170的浓度，进而推算出反应气体170的消耗速率。然而，因为反应物消耗的速率正比于产物二氧化碳产生的速率，所以本实施例可选用其他气体的传感器150，以使传感器150能够测量产物气体的浓度，进而推算出产物气体(如二氧化碳)的产生速率。在本实施例中，传感器150可以是二氧化碳浓度传感器，而此二氧化碳浓度传感器可用以测量二氧化碳浓度上升的速度，或是测量二氧化碳浓度上升至某一特定值所需的时间，进而判断出待测燃料160的浓度。
在本实施例中，当供应至反应气体室140的反应气体170被截断时，反应气体室140内的反应气体170的浓度变化率(即消耗速率)与待测燃料160的浓度有着密切的关连性。具体地说，若待测燃料160的浓度越高，其单位时间内所从燃料室130扩散至触媒层110的燃料量便越多，此时，反应气体170的消耗速率便越快；反之，若待测燃料160的浓度越低，其单位时间内从燃料室130扩散至触媒层110的燃料量便越少，此时，反应气体170的消耗速率便越慢。值得注意的是，当停止供应反应气体170至反应气体室140时，反应气体室140内的反应气体170量便相当于反应气体室140的容积。 根据上述，由于待测燃料160的浓度与反应气体170的消耗速率相关，因此本发明可透过传感器150直接测量反应气体室140内的反应气体170的浓度，并根据反应气体170的消耗速率迅速地推算出待测燃料160的浓度。
实验例 在本实验例中，待测燃料为甲醇溶液，反应气体为氧气，所选用的传感器为氧气浓度传感器，_反应气体室的容积为5c. c.，而所使用的甲醇溶液的浓度分别为1%、4%、7%与10%。 图2为在不同的燃料浓度情况下，传感器所测得的氧气浓度与停止供应氧气的时间关系曲线。请参照图2，当所使用的甲醇溶液的浓度分别为1%、4%、7%与10%时，反应气体的浓度下降速度有着明显的差异。此外，相同浓度的甲醇溶液所对应到的曲线均十分接近，且不同浓度的甲醇溶液所对应到的曲线在辨识上十分容易，不易混淆，因此，从图2的曲线可以很轻易且精准地推算出甲醇溶液的浓度。 在本实验例中，待测燃料的浓度可以根据反应气体浓度下降至某一特定值所须的时间来推算，然而，本发明并不限定必须以此方式推算燃料浓度，本发明亦可根据反应气体的浓度下降速度来推算出待测燃料浓度。
第二实施例 图3为燃料浓度测量装置应用于燃料电池发电系统中的示意图。请参照图3，本实施例的燃料电池发电系统200包括前述的燃料浓度测量装置100、一燃料循环装置210、一燃料储存槽220以及一燃料电池模块230，其中燃料循环装置210适于将燃料储存槽220中的燃料输送至燃料浓度测量装置100以及燃料电池模块230中。在本实施例中，燃料电池模块230可包括一个或是多个燃料电池单体232，而燃料电池单体232例如是一直接甲醇燃料电池单体。当然，本实施例所采用的燃料电池单体232可以是任何型态的燃料电池单体，本领域具有通常知识者可依照实际需求来选择其最适合的燃料电池单体。 综上所述，由于本发明可透过传感器直接测量反应气体室内的反应气体浓度或产
物气体浓度，并直接计算出反应气体室内的反应气体消耗速率或产物气体的产生速率，以
判断待测燃料的浓度，因此本发明所提出的燃料浓度测量方法与装置十分简单且精确。此
外，本发明的燃料浓度测量方法具有相当高的稳定性，不易受到燃料流动、燃料内气泡、燃
料中的杂质、薄膜电极组老化或不稳定等因素影响。 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，任何本领域技 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 围当视权利要求书所界定的为准。
权利要求
一种燃料浓度测量装置，适于测量一待测燃料的浓度，该燃料浓度测量装置包括一触媒层；一扩散层，与该触媒层连接；一燃料室，适于容纳该待测燃料，其中该扩散层位于该燃料室与该触媒层之间；一反应气体室，适于容纳该反应气体，其中该触媒层位于该反应气体室与该扩散层之间，而该燃料室内的该待测燃料经由该扩散层扩散至该触媒层中，且该待测燃料与该反应气体在该触媒层中进行燃烧反应，以消耗该反应气体室内的该反应气体，并产生一产物气体；以及一传感器，配置于该反应气体室上，以测量该反应气体室内的该反应气体或该产物气体的浓度。
2. 根据权利要求1所述的燃料浓度测量装置，其中该传感器包括一氧气浓度传感器以 测量该反应气体室内该反应气体的浓度。
3. 根据权利要求1所述的燃料浓度测量装置，其中该传感器包括一压力计以测量该反 应气体室内该反应气体的压力。
4. 根据权利要求1所述的燃料浓度测量装置，其中该传感器包括一二氧化碳浓度传感 器以测量该反应气体室内该产物气体的浓度。
5. —种燃料浓度测量方法，包括 提供一根据权利要求1所述的燃料浓度测量装置； 将一待测燃料供应至该燃料侧； 将一反应气体供应至该反应气体室；以及调整供应至该反应气体室的反应气体量，并根据该反应气体室内该反应气体的消耗速 率或该产物气体的产生速率来判断该待测燃料的浓度。
6. 根据权利要求5所述的燃料浓度测量方法，其中根据该反应气体室内该反应气体的 消耗速率来判断该待测燃料的浓度包括透过该传感器直接测量该反应气体的浓度；以及 根据该反应气体的浓度与时间的关系来判断该待测燃料的浓度。
7. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该待测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. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该待测燃料的浓度是根据该反应气 体的浓度的下降速度来判断。
9. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该待测燃料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。
10. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该待测燃料的浓度是根据该产物 气体的浓度的上升速度来判断。
11. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该反应气体包括空气或氧气。
12. 根据权利要求6所述的燃料浓度测量方法，其中该待测燃料包括甲醇溶液、乙醇溶 液，或甲酸溶液。
13. 根据权利要求5所述的燃料浓度测量方法，其中该调整供应至该反应气体室内的 该反应气体量的方法包括停止该反应气体至该反应气体室。
全文摘要
一种燃料浓度测量装置，其包括一触媒层、一扩散层、一燃料室、一反应气体室以及一传感器。扩散层与触媒层连接，燃料室适于容纳待测燃料，且扩散层位于燃料室与触媒层之间。反应气体室适于容纳反应气体，触媒层位于反应气体室与扩散层之间，而燃料室内的待测燃料经由扩散层扩散至触媒层中，且待测燃料与反应气体在触媒层中进行燃烧反应，以消耗反应气体室内的反应气体并产生一产物气体。传感器配置于反应气体室上，以测量反应气体室内的反应气体或产物气体的浓度。此外，本发明亦提供一种燃料浓度测量方法。
文档编号G01N31/12GK101750464SQ20081018561
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者康顾严, 赖秋助 申请人:财团法人工业技术研究院