专利名称：燃料电池循环系统、其控制方法及其关机方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池循环系统、其控制方法及其关机方法，且特别 涉及一种易于小型化且可避免水渗漏的燃料电池循环系统、其控制方法及其 关才几方法。
背景技术：
利用燃料电池产生能源具有高效率、低噪音、无污染的优点，故其为可 充分满足环保需求的能源技术。目前常见的燃料电池种类为质子交换膜型燃
料电池(PEMFC)以及直接曱醇燃料电池(DMFC)。以直接曱醇燃料电池为例， 阳极的燃料(曱醇)与催化剂反应产生氢离子与电子，阳极反应生成的电子经 由电路往阴极端，氢离子则穿透质子交换膜往阴极端再与电子和氧气反应生 成水。因此，在直接曱醇燃料电池运作的过程中，需将供给至阳极处的曱醇 溶液浓度控制在例如5% -10%的一定范围内，因浓度若小于5%会导致燃料 供给不足，反之若大于10。/。则会造成曱醇穿越膜电极组体(MEA)至阴极，两 者皆会使燃料电池的性能下降。另一方面，由于阴极处于反应后会产生水， 故需将水回收与燃料槽中的高浓度曱醇混合来达到所需浓度，以增加燃料的 使用效率。
图1为一示意图，显示已知包含燃料浓度控制及水回收构件的燃料电池 循环系统100，其中以实线标注的流向代表燃料电池102的阳极循环流程， 以虚线标注的流向代表燃料电池102的阴极循环流程。如图l所示，燃料电 池102阴极反应所需氧气由鼓风机(blower)104引入，阴极处产生的水分蒸发 后被带至水槽(water tank) 106冷凝储存。另 一 方面，循环泵(circulation pump)108抽取混合槽112(mixing tank)中的燃料至燃料电池102阳极处，且 经反应后的阳极燃料再流回混合槽112。在燃料电池102的运作过程中其阳 极处会不断消耗曱醇，故混合槽112中的曱醇溶液浓度会随时间逐渐下降， 此时需补充水与高浓度曱醇以将燃料浓度维持于前述的预设范围内。依此一 已知设计，当混合槽112中的曱醇溶液浓度降低时，分别利用水泵(waterpump)114与计量泵(dosingpump)116抽取水槽106及燃料槽118来补充水与
曱醇，使混合槽112的燃料浓度恢复至预设范围。
然而，上述的已知设计为调节燃料浓度需使用两个不同泵体(水泵114
与计量泵116)进行回收水与高浓度曱醇的补给，如此不仅提高制造成本更会
使整体系统的体积庞大而难以小型化。
图2为显示另一已知燃料电池循环系统200的示意图，
其中以实线标注的流向代表燃料电池202的阳才及循环流程，以虛线标注
的流向代表燃料电池202的阴极循环流程。如图2所示，燃料电池202阴极
反应所需氧气由鼓风机204引入，阴极处产生的水分蒸发后被带至水槽206
冷凝储存。
另一方面，循环泵208抽取混合槽212中的燃料至燃料电池202阳极处， 且经反应后的阳极燃料再流回混合槽212。当混合槽212的曱醇溶液浓度降 低时，利用计量泵216抽取燃料槽218中的高浓度曱醇至混合槽212中，且 水槽206储存的回收水是以重力滴落方式直接流入混合槽212中。
上述的已知设计以重力滴落的方式利用回收水，虽可达到省略一个水泵 构件的目的，但该重力滴落设计须提供高度落差使系统小型化更加困难，且 混合槽212与水槽206连通的设计，在循环泵208运作时容易使部分阳极燃 料泄漏至水槽206。
另外，为使气流通过以将水分凝结而储存于水槽中，水槽会开设一气流 开口与外界相通。因此，若该燃料电池循环系统设计为一可携式系统，当其
关机停止运作后回收水会从水槽的开口泄漏至外界，造成使用者的不便。
发明内容
本发明提供一种燃料电池循环系统及其控制方法，其可减少系统体积及 制造成本、简化浓度控制过程且可避免回收水渗漏。
依本发明的一实施例， 一种燃料电池循环系统，用以控制供给至少一燃 料电池的燃料的浓度及处理该燃料电池反应后的生成水的回收过程，且燃料 电池循环系统包含燃料槽、水槽、混合槽、第一及第二泵体及开关阀。燃料 槽储存燃料；水槽储存燃料电池反应后的生成水；混合槽连通燃料槽及水槽； 第一泵体，连通燃料槽、水槽及混合槽，以抽取燃料槽内的燃料及水槽内的 生成水至混合槽内，以形成混合流体；第二泵体，连通燃料电池及混合槽，以循环地抽取混合槽内的混合流体至燃料电池进行反应，并将反应后的混合
流体送回混合槽；及开关阀，设置于燃料槽至第一泵体的流道上，以控制燃
料槽与混合槽间的连通状态。
基于上述各个实施例的设计，通过开启或关闭于燃料槽至第一泵体的流 道上设置的开关阀，可进行混合槽的燃料浓度调整。因此，相较已知设计可 减少使用一个水泵而仍能满足系统的水回收要求，且因不采重力滴落回收水 方式而可省略构件间的高度落差，获得缩小系统体积、降低成本及减少耗电 量的效果。再者，不论水槽中是否有水该循环系统均可运作，如此可简化浓 度控制流程而不须进行例如监测混合槽或水槽水位的额外控制，且因水槽与 混合槽分离设置于泵体两侧，故可避免燃料泄漏至水槽的问题。
本发明的另 一 实施例为 一种燃料电池循环系统控制方法。首先侦测混合 槽内的流体的燃料浓度，当混合槽内的流体的燃料浓度d 、于一预设范围时，
槽内的流体的燃料浓度恢复至预设范围内后关闭泵体。当燃料电池循环系统 收到关机信号后，封闭燃料槽至混合槽的流道、且开启泵体抽取水槽一段时 间后再关闭泵体以清除水槽内的生成水。
基于上述各个实施例的设计，可确保燃料电池循环系统关机后不会有水 分经由水槽开口泄漏至外界。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所披露的技术特征中得到进一 步的了解。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 特举实施例并配合所附图示，作详细说明如下。
图l为一示意图，显示一已知燃料电池循环系统的设计。
图2为一示意图，显示另一已知燃料电池循环系统的设计。
图3为显示依本发明一实施例的燃料电池循环系统的示意图。
图4为显示依本发明另 一 实施例的燃料电池循环系统的示意图。
图5为说明依本发明一实施例的燃料电池循环系统控制方法的流程图。
图6A及图6B为显示依本发明另一实施例的燃料电池循环系统的示意
图，且图6A及图6B分别显示正常运转时及收到关机信号后的流道控制状态。图7A及图7B为显示依本发明另一实施例的燃料电池循环系统示意图， 且图7A及图7B分别显示正常运转时及收到关机信号后的流道控制状态。
附图标记说明
10、 30、 40: 燃料电池循环系统
12燃料电池14鼓风才几16水槽18循环泵22混合槽24计量泵26燃料槽28:开关阀32:三通阀100、200: 燃料电池循环系统
102、202燃料电池
104、204鼓风机
106、206水槽
108、208循环泵
112、212:混合槽
114:水泵116、216:计量泵
118、218燃料槽
P: 汇流点
S10-S70: 方法步骤
具体实施例方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图示 的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语， 例如上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图示的方向。因此，使用 的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。再者，在如下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
图3为显示依本发明一实施例的燃料电池循环系统10的示意图，其中 以实线标注的流向代表燃料电池12的阳极循环流程，以虚线标注的流向代 表燃料电池12的阴极循环流程。请参照图3，燃料电池12阴极反应所需氧 气由鼓风机(blower)14引入，阴极处产生的水分蒸发后被带至水槽(water tank) 16冷凝储存。另 一 方面，循环泵(circulation pump) 18抽取混合槽 22(mixing tank)中的燃料至燃料电池12阳极处，且经反应后的阳极燃料再流 回混合槽22。在燃料电池12的运作过程中其阳极处会不断消耗曱醇，故混 合槽22中的曱醇溶液浓度会随时间逐渐下降，故此时需补充水槽16中的生 成水与燃料槽26中的高浓度曱醇以将混合槽22的燃料浓度维持于预设范围 内。计量泵(dosingpump)24与水槽16、燃料槽26、及混合槽22三者形成有 彼此连通的流道，且在实施例中，燃料槽26至计量泵24的流道上形成有与 水槽16至计量泵24的流道汇合的汇流点P。亦即，汇流点P至计量泵24 的流道区段为水及高浓度曱醇均会流经的重复区段。再者，开关阀(on/off valve)28设置于燃料槽26至汇流点P的流道上。在循环系统10运作时，开 关阀28通常处于关闭状态因此计量泵24可抽取水槽16中的生成水至混合 槽22中，且一旦侦测到混合槽22中的曱醇浓度不足时即开启开关阀28补 入燃料槽26中的高浓度曱醇，使混合槽22的曱醇浓度恢复到预设范围。此 外于另一实施例中，鼓风机14亦可以使用空气泵浦。
如图4所示，在另一实施例中，燃料槽26至计量泵24的流道、与水槽 16至计量泵24的流道于进入计量泵24前彼此分离并未汇合，且通过设置开 关阀28于燃料槽26至计量泵24的流道上，同样可达到依据混合槽22的曱 醇浓度值决定是否补充燃料槽26中的高浓度甲醇的效果。
因此，由上述各个实施例的设计可知，通过开启或关闭于燃料槽26至 计量泵24的流道上设置的开关阀28,可进行混合槽22的燃料浓度调整。因 此，和图1的已知设计相较可减少使用一个水泵而仍能满足系统的水回收要 求，获得缩小系统体积、降低成本及减少耗电量的效果。再者，和图2的已 知设计相较，上述实施例的设计将水槽16与混合槽22分离设置于计量泵24 两侧，故可避免燃料泄漏至水槽22的问题，且因不采重力滴落方式故不须 保留构件间的高度落差而可缩小系统体积。
另外，上述各个实施例设计将水槽16与燃料槽26并联设置于计量泵24的入口侧，故不论水槽16中是否有水该循环系统均可运作，当开关阀28开 启时，若水槽16中有水可同时补充水及高浓度曱醇，若水槽16中无水可仅 补充高浓度曱醇，因此可简化浓度控制流程而不须进行例如监测混合槽22 或水槽16水位的额外控制。
如下伴随图5的流程图，说明依本发明一实施例的燃料电池循环系统控 制方法。如图5所示，首先当燃料电池12开始运作后，混合槽22的燃料浓 度会逐渐降低(步骤SIO)。每当利用例如浓度计的装置侦测混合槽22的燃料 浓度，测得的燃料浓度低于预设值时，即开启计量泵24与开关阀28同时将 水与高浓度燃料送入混合槽22(步骤S30、步骤S40),持续至混合槽22内的 溶液浓度达到预设值再关闭计量泵24与开关阀28(步骤S50、步骤S60)，重 复这些步骤可使混合槽22的燃料浓度维持在预设范围内。
再者，在一实施例中，即使混合槽22的燃料浓度未低于预设值而无须 开启计量泵24与开关阀28来补充高浓度燃料，仍可每隔一段时间在开关阀 28关闭的状态下开启计量泵24以将水槽16的水送入混合槽22(步骤S70)， 如此可保持水槽16于千燥状态，减少循环系统运转时因倾倒或其他因素导 致水渗漏到外界的机会。当然，此一步骤并非必需而可视实际需要进行，水 槽16中的生成水亦可仅在须补充高浓度燃料的情况下同时送入混合槽22 内。
请再参照图5，当燃料电池循环系统10收到关机信号时(步骤S20)即进 入关机模式，此时将开关阀28关闭且将计量泵24开启持续至将水槽16的 水抽干为止，以确保关机后不会有水分经由水槽16开口泄漏至外界。
在一实施例中，当循环系统IO收到关机信号后，计量泵24可在开关阀 28关闭状态下抽取一段预定时间以确保水槽16的水已被抽干后再关闭。
在另一实施例中，当循环系统IO收到关机信号后，计量泵24可在开关 阀28关闭状态下开启运作，同时持续监控混合槽22中的溶液浓度以判定水 槽16的储水是否已被抽干，因为若有水进入则混合槽22的燃料浓度会逐渐 下降，当水槽16的水抽干后混合槽22的燃料浓度即保持一固定值，如此可 判定水已抽干而将计量泵24关闭。
在另一实施例中，可量测计量泵24的消耗功率变化判定水槽的水是否 已被抽干，因为计量泵24吸取水时与吸取空气时的消耗功率明显不同。
图6A及图6B为显示依本发明另一实施例的燃料电池循环系统30的示意图。图6A及图6B分别显示正常运转时及收到关机信号后的流道控制状 态，其中以加粗不连续线代表于该状态下流体未流经的路径。本实施例的设 计与图3所示的实施例类似，差别在于燃料电池循环系统30其混合槽22至 计量泵24的流道上增加一个三通阀32、且三通阀32与燃料槽26间形成可 彼此连通的流道。请参照图6A,在正常运转状态下系统保持三通阀32的A、 B两端连通且A、 C两端不连通的状态，此时计量泵24将水与高浓度曱醇 送入混合槽22中。当循环系统30收到关机信号后，如图6B所示此时开关 阀28关闭且三通阀32切换至A、 B两端不连通且A、 C两端连通的状态， 如此计量泵24由水槽16所吸入的水会送入燃料槽26储存，而非储存于混 合槽22中，避免发生循环系统30于下次开始运转时混合槽22的初始浓度 可能过低的情形。
图7A及图7B为显示依本发明另一实施例的燃料电池循环系统40示意 图。图7A及图7B分别显示正常运转时及收到关机信号后的流道控制状态， 其中以加粗不连续线代表于该状态下流体未流经的路径。
该实施例的设计与图3所示的实施例类似，差别在于燃料电池循环系统 40其混合槽22至计量泵24的流道上增加一组三通阀32、且三通阀32与燃 料电池12间形成可彼此连通的流道。请参照图7A，在正常运转状态下系统 保持A、 B两端连通且A、 C两端不连通的状态，此时计量泵24将水与高浓 度曱醇送入混合槽22中。当循环系统40收到关机信号后，如图7B所示此 时开关阀28关闭且三通阀32切换至A、 B两端不连通且A、 C两端连通的 状态，如此计量泵24由水槽16所吸入的水会送入燃^f电池12的阳极流道 中储存，而非储存于混合槽22中。由于关机时若曱醇仍残留于燃料电池12, 会导致膜电极组体(MEA)的使用寿命减短，但若将流道中的曱醇全部抽出又 无法保持湿润状态。因此，本实施例设计在关机时将水打入阳极流道以将残 存的曱醇逼入混合槽22，如此可避免因曱醇残留造成膜电极组体使用寿命减 短的情形，且同时可维持膜电极组体的湿润状态。
另夕卜，虽然前述实施例均以曱醇作为工作流体举例说明，但其并不限定。 其他例如轻油、乙醇等等任何可作为燃料电池燃料的液态含氬燃料，均可运 用于本发明的燃料电池循环系统中。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与
ii润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。另外，本 发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所披露的全部目的或优点或 特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限 制本发明的权利范围。
权利要求
1. 一种燃料电池循环系统，用以控制供给至少一燃料电池的燃料的浓度及处理该燃料电池反应后的生成水的回收过程，该燃料电池循环系统包含燃料槽，储存该燃料；水槽，储存该燃料电池反应后的该生成水；混合槽，连通该燃料槽及该水槽；第一泵体，连通该燃料槽、该水槽及该混合槽，以抽取该燃料槽内的该燃料及该水槽内的该生成水至该混合槽内，以形成一混合流体；第二泵体，连通该燃料电池及该混合槽，以循环地抽取该混合槽内的该混合流体至该燃料电池进行反应，并将反应后的该混合流体送回该混合槽；及开关阀，设置于该燃料槽至该第一泵体的流道上，以控制该燃料槽与该混合槽间的连通状态。
2. 如权利要求1所述的燃料电池循环系统，其中该燃料槽至该第一泵体 的该流道与该水槽至该第一泵体的流道在一汇流点汇合，且该开关阀设置于 该燃料槽至该汇流点的流道上。
3. 如权利要求1所述的燃料电池循环系统，还包含鼓风机或空气泵浦，以输送该燃料电池反应所需的气体。
4. 如权利要求1所述的燃料电池循环系统，其中该第一泵体为计量泵， 且该第二泵体为循环泵。
5. 如权利要求1所述的燃料电池循环系统，还包含一个三通阀，设置于 该第一泵体至该混合槽的流道上，且该三通阀与该燃料槽系连通。
6. 如权利要求1所述的燃料电池循环系统，还包含一个三通阀，设置于 该第 一泵体至该混合槽的流道上，且该三通阀与该燃料电池连通。
7. —种燃料电池循环系统控制方法，该燃料电池循环系统包含储存燃料 的燃料槽、储存燃料电池反应后的生成水的水槽、及连通该燃料槽及该水槽 的混合槽，该控制方法包含如下步骤侦测该混合槽内的流体的燃料浓度；当该混合槽内的流体的燃料浓度小于一预设范围时，开启泵体，以抽取 该水槽内的该生成水及该燃料槽内的该燃料至该混合槽内，在该混合槽内的流体的燃料浓度至该预设范围内后关闭该泵体；及当该燃料电池循环系统收到一关机信号后，封闭该燃料槽至该混合槽的 流道，且开启该泵体抽取该水槽一段时间后再关闭该泵体，以清除该水槽内 的该生成水。
8. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关机 信号后开启该泵体清除该生成水的步骤包含侦测该混合槽内的流体的燃料 浓度是否持续降低。
9. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关机 信号后开启该泵体清除储水的步骤，包含侦测该泵体消耗功率是否明显变化 的步骤。
10. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后开启该泵体清除该生成水的步骤中，该水槽的该生成水被抽取至该 混合槽。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后封闭该燃料槽至该混合槽的流道的步骤为将设置于该燃料槽至该 泵体的流道上的开关阀设为关闭状态。
12. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后开启该泵体清除该生成水的步骤中，该水槽的该生成水被抽取至该 燃料槽。
13. 如权利要求12所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后封闭该燃料槽至该混合槽的流道的步骤为将设置于该燃料槽至该 泵体的流道上的开关阀设为关闭状态，及将设置于该泵体至该混合槽的流道 上的三通阀与该燃料槽连通。
14. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后开启该泵体清除该生成水的步骤中，该水槽内的该生成水被抽取至 该》然津+电〉也。
15. 如权利要求14所述的燃料电池循环系统控制方法，其中在收到该关 机信号后封闭该燃料槽至该混合槽的流道的步骤为将设置于该燃料槽至该 泵体的流道上的开关阀设为关闭状态，及将设置于该泵体至该混合槽的流道 上的三通阀与该燃料电池连通。
16. 如权利要求7所述的燃料电池循环系统控制方法，还包含在收到关机信号前每间隔一段时间封闭该燃料槽至该混合槽的流道，且开启该泵体抽 取该水槽内的该生成水。
17. —种燃料电池循环系统的关机方法，该燃料电池循环系统包含储存 燃料的燃料槽、储存燃料电池反应后的生成水的水槽、及连通该燃料槽及该 水槽的混合槽，该关机方法在运转中的该燃料电池循环系统收到关机信号后实施且包含如下步骤关闭抽取该混合槽内的流体并输送至该燃料电池的第二泵体；及封闭该燃料槽至该混合槽的流道，且开启第一泵体，以抽取该水槽的该 生成水，在该水槽内不具该生成水后关闭该第一泵体。
18. 如权利要求17所述的燃料电池循环系统关机方法，其中在开启该第 一泵体抽取该水槽的该生成水的步骤中，该水槽的该生成水被抽取至该混合槽。
19. 如权利要求17所述的燃料电池循环系统关机方法，其中在开启该第 一泵体抽取该水槽的该生成水的步骤中，该水槽的该生成水被抽取至该燃料槽。
20. 如权利要求17所述的燃料电池循环系统关机方法，其中在开启该第 一泵体抽取该水槽的该生成水的步骤中，该水槽的该生成水被抽取至该燃料电池。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池循环系统、其控制方法及其关机方法。该燃料电池循环系统包含燃料槽、水槽、混合槽、第一及第二泵体及开关阀。混合槽连通燃料槽及水槽，且第一泵体连通燃料槽、水槽及混合槽以抽取燃料槽内的燃料及水槽内的生成水至混合槽内，以形成一混合流体。第二泵体连通燃料电池及混合槽以循环地抽取混合槽内的混合流体至燃料电池进行反应，并将反应后的混合流体送回混合槽。开关阀设置于燃料槽至第一泵体的流道上以控制燃料槽与混合槽间的连通状态。本发明可减少系统体积及制造成本、简化浓度控制过程且可避免回收水渗漏。
文档编号H01M8/04GK101478051SQ20081000162
公开日2009年7月8日 申请日期2008年1月4日 优先权日2008年1月4日
发明者李璟柏, 正 王, 许年辉, 黄金树 申请人:中强光电股份有限公司