直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。上述燃料电池系统至少包括燃料电池、阴极保湿层、燃料分配单元、控制单元、液态燃料补充元件、燃料储存区与温度感测元件，其中温度感测元件是用以量测燃料电池的实际温度。所述阳极燃料补充控制方法包括利用上述控制单元调整液态燃料补充元件所提供的燃料补充量。所述燃料补充量为基本补充量与温度修正补充量的和。基本补充量为燃料电池的实际放电电流的函数。温度修正补充量为燃料电池的实际温度与目标温度的差值的函数。
【专利说明】直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,简称DMFC)系统的放电程序的控制方法，且特别是有关于一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。
【背景技术】
[0002]直接甲醇燃料电池的反应式如下:
[0003]阳极:CH30H+H20— C02+6H++6e_
[0004]阴极:3/202+6H++6e-— 3H20
[0005]反应时，阳极的甲醇与水必须维持适当浓度，理论上是I摩尔:I摩尔，但因受限于电解质膜无法阻挡如此高浓度的甲醇水溶液穿透(crossover)至阴极，因此在传统的燃料电池系统中，阴极会使用冷凝器收集阴极水，再将所收集到的阴极水送回阳极端的燃料混合槽、并搭配燃料浓度侦测器、燃料循环泵与高浓度甲醇补充泵(pump)等元件，控制阳极区的甲醇水溶液浓度。
[0006]近年来所发展出的阴极被动式回水方法，是通过控制阴极湿度，营造阴、阳极水浓度梯度的差异，使阴极水经由电解质膜渗回阳极再利用的方式。在这类型的燃料电池系统中，阴极端不需要冷凝器等回收水元件，阳极端也不需燃料混合槽等复杂元件，仅需使用一微量泵，适时适量的供应阳极端高浓度甲醇，因此是否适时且适量的供应甲醇燃料，将会直接影响系统运作的稳定性。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，使系统得以稳定运作。
[0008]本发明提出一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。上述燃料电池系统至少包括燃料电池、位于燃料电池的阴极端的阴极保湿层、位于燃料电池的阳极端的燃料分配单元、控制单元、液态燃料补充元件、燃料储存区与温度感测元件，其中所述液态燃料补充元件接受控制单元的控制而将燃料储存区的甲醇燃料送往燃料分配单元进而分配至燃料电池，温度感测元件是用以量测燃料电池的实际温度。所述阳极燃料补充控制方法包括利用上述控制单元调整液态燃料补充元件所提供的燃料补充量。所述燃料补充量为基本补充量与温度修正补充量的和。所述基本补充量为燃料电池的实际放电电流的函数。所述温度修正补充量为燃料电池的实际温度与目标温度的差值的函数。
[0009]在本发明的一实施例中，上述温度修正补充量与上述差值为非线性的反比关系，并以差值的η次方的多项式来表示，其中n ^ 3。
[0010]在本发明的一实施例中，上述温度修正补充量还包括燃料电池的实际温度变化斜率的函数。
[0011]在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括:于燃料电池与燃料分配单元之间设置阳极燃料均匀层，以均匀分散甲醇燃料。
[0012]在本发明的一实施例中，上述燃料分配单元至少有一个入口接收甲醇燃料，并至少有两个出口将甲醇燃料送至燃料电池。
[0013]在本发明的一实施例中，上述阴极保湿层的材料包括金属、陶瓷或高分子聚合物，并以阴极保湿层的开孔率决定上述阴极保湿层的透气。
[0014]在本发明的一实施例中，上述阴极保湿层的开孔率例如介于0.5%?21%之间。
[0015]在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括:预设所述温度修正补充量的上限值。
[0016]在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括:预设所述温度修正补充量的下限值。
[0017]基于上述，本发明的控制方法除考量温度的影响，还加上与燃料电池的实际放电电流相关的基本补充量，因此能使燃料电池温度与电流更为稳定。
[0018]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1A为本发明一实施例的燃料电池系统的方块图。
[0020]图1B是图1A的燃料电池系统的另一例的方块图。
[0021]图2是本发明另一实施例的燃料电池组的剖面示意图。
[0022]图3是根据基本补充量对图1的燃料电池系统进行阳极燃料补充控制的曲线图。
[0023]图4显示预设补充量与差值(Tc-Tg)之间关系的曲线图。
[0024]图5显示电池实际温度变化斜率值与差值(Tc-Tg)之间关系的曲线图。
[0025]图6A是实验例I中以现有技术(类似WO 2010013711专利)提出的方式实际测试的结果。
[0026]图6B是实验例I中以本发明的阳极燃料补充控制方法实际测试的结果。
[0027]图7是实验例2的环境温度与目标温度变动下实际测试的结果。
[0028]图8A是实验例3的低温的环境温度下实际测试的结果。
[0029]图SB是实验例4的高温的环境温度下实际测试的结果。
[0030]其中，附图标记:
[0031]100:燃料电池系统
[0032]102,202a,202b:燃料电池
[0033]104、206a、206b:阴极保湿层
[0034]106,204:燃料分配单元
[0035]108:控制单元
[0036]110:液态燃料补充元件
[0037]112:燃料储存区
[0038]114:温度感测元件
[0039]116、208a、208b:阳极燃料均匀层
[0040]200:燃料电池组[0041]210:入口
[0042]212a、212b:出口
【具体实施方式】
[0043]图1A为本发明一实施例的燃料电池系统的方块图。请参照图1A，燃料电池系统100至少包括燃料电池102、位于燃料电池102的阴极端的阴极保湿层104、位于燃料电池102的阳极端的燃料分配单元106、控制单元108、液态燃料补充元件110、燃料储存区112与温度感测元件114。液态燃料补充元件110可以接受控制单元108的控制，将燃料储存区112的甲醇燃料送往燃料分配单元106，燃料分配单元106通过内部流道将甲醇燃料分配至燃料电池102。至于温度感测元件114是用来量测燃料电池102的实际温度，并可供控制单元108作控制的依据。
[0044]上述阴极保湿层104的作用是可控制反应后燃料电池102的阴极产生水的蒸发速率，使阴极区域的水可经质子传导膜扩散至阳极区域，供燃料电池102的阳极反应使用。阴极保湿层104的材料诸如金属、陶瓷或高分子聚合物等阻气材料。阴极保湿层104如能维持适当的透气度，即可适当控制阴极水气离开与保留的比例，并让燃料电池102的阴极反应所需氧气可以进入。举例来说，可以使用开孔率的方式决定阴极保湿层104的透气度，例如使其开孔率介于0.5%?21%之间，在本实施例的阴极保湿层104的开孔率例如约为5%左右。阴极保湿层104的厚度则例如是介于10 μ m?5mm之间，在本实施例的厚度例如约为 200 μ m。
[0045]在详细描述控制方法之前，本实施例的燃料电池系统100还有其他例子，请见图1B0在图1B中，于燃料电池102与燃料分配单元106之间还可设置阳极燃料均匀层116，因此燃料分配单元106所传送的甲醇燃料可以经过阳极燃料均匀层116再次均匀分散。阳极燃料均匀层116例如具有亲燃料的特性，S卩，阳极燃料均匀层116与甲醇燃料的接触角小于90度。所谓的“亲燃料”不等同于“亲水”，因为有些材料对甲醇的接触角小于90度，但是对水的接触角可能会大于90度。上述阳极燃料均匀层116的材料例如是无纺布、织布、纸类、泡绵、高分子聚合物等亲燃料材料。此外，上述阳极燃料均匀层116也可选择增设于燃料分配单元106内，以均匀分散甲醇燃料。
[0046]图1A与图1B的燃料分配单元106都是属于单方向传送甲醇燃料至燃料电池102，但本发明并不限于此。由燃料电池102、阴极保湿层104、燃料分配单元106与阳极燃料均匀层116构成的结构也可改用图2所示的构造。
[0047]图2是本发明另一实施例的燃料电池组的剖面示意图。在图2中，燃料电池组200同样包含燃料电池202a、202b、燃料分配单元204、阴极保湿层206a、206b与阳极燃料均匀层208a、208b，不过其中的燃料分配单元204是传送阳极燃料至其上下两面的燃料电池202a、202b。在燃料分配单元204至少有一个入口 210接收甲醇燃料，并至少有两个出口212a、212b将甲醇燃料送至燃料电池202a、202b，图中是以虚线表示燃料分配单元204中的流道，流道内可填充如毛细材料或是其他适合的材质的填充材料。譬如使用与甲醇燃料的接触角小于90度的填充材料，即，填充材料具有亲燃料的特性。
[0048]图2的燃料电池组200可直接置换至图1B的相关构件，而且如果燃料分配单元204本身即可将燃料均匀分配，可省略其中的阳极燃料均匀层208a、208b。[0049]无论是上述图1A、图1B或使用图2的燃料电池组，均可采行本发明的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。以下将详细说明利用控制单元108调整液态燃料补充元件110所提供的燃料补充量的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。
[0050]本发明所述的燃料补充量为基本补充量与温度修正补充量的和。
[0051]上述基本补充量为燃料电池的实际放电电流的函数，其可以是对每次时间区间内的放电电流进行积分计算而得的燃料需求量，如下式(I)。
[0052]
【权利要求】
1.一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该燃料电池系统至少包括燃料电池、位于该燃料电池的阴极端的阴极保湿层、位于该燃料电池的阳极端的燃料分配单元、控制单元、液态燃料补充元件、燃料储存区与温度感测元件，其中该液态燃料补充元件接受该控制单元的控制，将该燃料储存区的甲醇燃料送往该燃料分配单元进而分配至该燃料电池，该温度感测元件是用以量测该燃料电池的实际温度，所述阳极燃料补充控制方法包括: 利用该控制单元调整该液态燃料补充元件所提供的燃料补充量，该燃料补充量为基本补充量与温度修正补充量的和，其中 该基本补充量为该燃料电池的实际放电电流的函数；以及 该温度修正补充量为该燃料电池的该实际温度与该目标温度的差值的函数。
2.如权利要求1所述的直接甲醇燃 料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该温度修正补充量与该差值为非线性的反比关系，并以该差值的η次方的多项式来表示，其中η≥3。
3.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该温度修正补充量还包括该燃料电池的该实际温度变化斜率的函数。
4.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，还包括:于该燃料电池与该燃料分配单元之间设置阳极燃料均匀层，以均匀分散该甲醇燃料。
5.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该燃料分配单元至少有一个入口接收该甲醇燃料，并至少有两个出口将该甲醇燃料送至该燃料电池。
6.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该阴极保湿层的材料包括金属、陶瓷或高分子聚合物，以该阴极保湿层的开孔率决定该阴极保湿层的透气度。
7.如权利要求6所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，该阴极保湿层的该开孔率介于0.5%~21%之间。
8.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，还包括预设该温度修正补充量的上限值。
9.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，其特征在于，还包括预设该温度修正补充量的下限值。
【文档编号】H01M8/04GK103579644SQ201210377828
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年10月8日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】刘静蓉, 康顾严, 戴椿河, 周崇仁, 凌守弘 申请人:财团法人工业技术研究院