燃料電池液態燃料補充控制系統與液態燃料補充控制方法
2023-06-04 09:13:36
專利名稱：燃料電池液態燃料補充控制系統與液態燃料補充控制方法
技術領域：
本發明是關於一液態燃料電池系統，尤其是液態燃料電池的液態燃料補充控制系統與其應用的液態燃料電池系統，特別是關於一利用偵測液態燃料電池中液態燃料的溫度來調整液態燃料補充速度的方法及裝置。
背景技術：
燃料電池目前在使用操作時，隨著系統不斷反應燃料是持續在消耗的，燃料體積及濃度都會遞減，而為了能使燃料電池在最佳的狀態下運作，如何適量的補充燃料使其濃度保持在最適合的範圍是目前在燃料電池系統研究上相當重要的方向。
為了控制系統的燃料濃度，有相當多的方式，最直接的方法就是直接量測燃料濃度，依照量測的結果決定燃料補充量，如現有技術US6589671B1、US6488837、US2002/076589A1以及WO01/35478等均以各種量測方法決定甲醇濃度後再進行決定相關甲醇或水的補充量，另外Ballard Power的專利案US6698278B2是將量測到的溫度及電流值帶入一經驗式中計算，可以得到燃料濃度，進而控制燃料濃度。
圖1是一個現有燃料電池系統10的方塊圖。燃料電池系統10包括液態燃料補充控制系統11，燃料電池組111，泵112以及燃料區118。燃料區118儲存一液態燃料。該液態燃料的濃度需控制在最適合的範圍，才能使燃料電池在最佳的狀態下運作。泵112將該液態燃料送至燃料電池組111的陽極處與陽極反應。
液態燃料補充控制系統11控制燃料區118中液態燃料的濃度。該液態燃料補充控制系統11包括一濃度偵測裝置117，一燃料補充控制單元115，以及一燃料補充系統12。
濃度偵測裝置117，其偵測燃料區118中液態燃料的濃度值。燃料補充控制單元115，依據濃度偵測裝置117所得的濃度值，並根據該濃度值與一濃度標準值的差值，調整加入的甲醇補充量，以控制燃料區118中液態燃料的濃度達到標準值。
燃料補充系統12包括一儲存罐113以及一液體輸送裝置114。該液體輸送裝置114接收該甲醇補充量，將該儲存罐113中儲存的高濃度液態燃料送出至該燃料區118。另外，某些系統由於要求攜帶較高濃度的燃料，必須於設計時包括一較低濃度的液態燃料來源或是純水來源，用以調整該燃料區的液態燃料的濃度。一般而言，會利用燃料電池系統陰極端反應產生的回收水以完成此部分功能。
液態燃料，例如甲醇溶液，其濃度的偵測元件大多有兩個問題精確度及價格。以現有技術如US6589679而言，利用另一個小型燃料電池單元進行濃度量測，容易受各種因素幹擾量測的準確度，例如溫度變化或是液體中的雜質甚至元件老化的問題。而Ballard Power的方式是比較有參考性的，但是使用經驗式來計算為了能適應每個不同尺寸大小的系統，要根據不同系統進行調整。如此大費周章得到精準的濃度值，對於系統控制來說並不便利。
發明內容
本發明提供一種燃料電池液態燃料補充控制系統，其控制一液態燃料電池系統的一燃料區中儲存的一液態燃料的濃度在一個適當範圍內。該液態燃料電池的液態燃料補充控制系統包括一預設工作溫度值；一燃料電池系統溫度偵測裝置，其偵測該液態燃料電池系統的一系統溫度值；一燃料補充系統，其包括一儲存罐以及一液體輸送裝置，該液體輸送裝置將該儲存罐中儲存的高濃度液態燃料送出至該燃料區以調整該燃料區濃度；以及一燃料補充控制單元，其有一預設燃料補充速度；該燃料補充控制單元根據該系統溫度值與該預設工作溫度值計算出一溫度差值，然後根據該溫度差值將該預設補充速度值增加或減少後產生一工作補充速度值，再根據該工作補充速度控制該燃料補充系統送出液態燃料的速度。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，該預設工作溫度值範圍介於30℃-80℃之間。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，包括一環境溫度偵測裝置以偵測一環境溫度值，該燃料補充控制單元調整該預設工作溫度值為較該環境溫度值高5℃以上。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，預設燃料補充速度設定為預設的燃料電池輸出電流量所需的燃料量的1-7倍。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，當該溫度差值大於一溫度差值上限，該燃料補充控制單元減少該預設速度值後產生該工作補充速度值；並且當該溫度差值小於一溫度差值下限，該燃料補充控制單元增加該預設速度值後產生該工作補充速度值。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，該溫度差值上限為小於20℃。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，該溫度差值上限為10℃。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，該溫度差值下限為大於-20℃。
本發明所述的液態燃料電池液態燃料補充控制系統，該溫度差值下限為-10℃。
一液態燃料補充控制方法，其利用一燃料補充系統中一液體輸送裝置及儲存高濃度液態燃料的一儲存罐，調整一液態燃料電池系統的一燃料區中儲存的液態燃料的濃度；該液態燃料補充控制方法包括設定一預設補充速度值；設定一預設工作溫度值；偵測該液態燃料電池系統的一系統溫度值；根據該預設工作溫度值及該系統溫度值計算一溫度差值，然後根據該溫度差值將該預設補充速度值增加或減少後產生一工作補充速度值，再根據該工作補充速度調整液體輸送裝置傳送液態燃料至該燃料區的速度。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，包括偵測一環境溫度值，並設定預設工作溫度值較環境溫度高5℃以上。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，進一步設定該預設燃料補充速度為預設的燃料電池輸出電流量所需的燃料量的1-7倍。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，進一步包括設定一溫度差值上限值及一溫度差值下限值；當該溫度差值界於該溫度差值上下限內時，不進行工作補充速度值的調整。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，該溫度差值上限小於20℃。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，該溫度差值上限為10℃。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，該溫度差值下限大於-20℃。
本發明所述的液態燃料補充控制方法，該溫度差值下限為-10℃。
本發明所述燃料電池液態燃料補充控制系統與液態燃料補充控制方法，以量測到的燃料溫度值當作控制參數，用來調整高濃度甲醇燃料補充量，進而使系統維持穩定運作。
圖1是一個現有燃料電池系統10的方塊圖；圖2是應用本發明一實施例的燃料電池系統20的方塊圖；圖3是邏輯判斷機制的示意圖。
具體實施例方式
液態燃料電池的特性是液態燃料濃度過低的時候薄膜電極組放不出足夠的電，此時液態燃料反應滲透(crossover)薄膜電極組的現象也非常低，所以整個系統的溫度與外界環境溫度相差不多，隨著濃度向上提升，放電量增加，此時伴隨著釋放反應熱及液態燃料反應滲透到陰極的量增加造成液態燃料在陰極側發生氧化現象此時會放出大量的熱，整體系統溫度就相對應提升了；如此可以得到一個相對應的系統與環境溫度差值，作為濃度過低或者是過高的警訊；當濃度一直向上提升，整個系統溫度也相對應一直升高。可量測系統濃度在某一定值時穩定操作的情況下，以此時系統的溫度與環境溫度差當作上限值。也就是溫度差值如果超過此上限值代表濃度已經過高了，此時必須減少高濃度液態燃料的補充量；如果溫度差值過低就增加高濃度液態燃料補充量。
本發明液態燃料電池的液態燃料補充控制方法的一實施例為先設定一預設補充速度，該預設值為該液態燃料電池系統於標準濃度且連接一標準負載時，單位時間內維持該標準濃度所需補充的高濃度液態燃料量，其中包含預設操作條件下的燃料需求值與燃料穿透量。一般而言，可將預設燃料補充速度設定為預設的燃料電池輸出電流量所需的燃料量的1-7倍。
接著偵測該液態燃料電池內部的一燃料區溫度值。根據該環境溫度值及一預設工作溫度值計算出一溫度差值並且根據該溫度差值以一預先決定的方式將該預設補充速度增加或減少後輸出一工作補充速度值。該預設工作溫度值可根據燃料電池設定的操作狀態，設定在介於30℃-80℃之間。
液態燃料電池均提供一燃料補充系統，其包括一儲存罐以及一液體輸送裝置。根據前述輸出的該工作補充速度值控制該液體輸送裝置將該儲存罐中儲存的高濃度液態燃料送出至該燃料區。
由於液態燃料電池工作時對於濃度變化的容許範圍較大，因此可進一步提供一溫度差值上限值及一溫度差值下限值；當該溫度差值大於該溫度差值上限，以一預先決定的方法減少該預設速度值後輸出該補充頻率值；並且當該溫度差值小於該溫度差值下限，以一預先決定的方法增加該預設速度值後輸出該補充頻率值，而當溫度差值在上下限之間時，系統以原有燃料補充速度值進行濃度控制。依理論值計算，該預設工作溫度與系統操作溫度間的溫度差值上限最高可為20℃，其溫度差值下限最低可為-20℃。經實驗測得，該預設工作溫度與系統操作溫度間的溫度差值上限與下限各為10℃及-10℃時，系統可以控制的相當穩定。
在某些情形下，燃料電池的工作溫度若與該燃料電池所處的環境溫度過於接近，會造成燃料濃度控制不穩定。因此在本發明的另一實施例，進一步偵測該液態燃料電池系統所處的環境溫度，得出一環境溫度值，並將預設工作溫度值調整為高於該環境溫度值5℃以上。
圖2是應用本發明一實施例的燃料電池系統20的方塊圖。燃料電池系統20包括液態燃料補充控制系統21，燃料電池組211，泵212以及燃料區218。燃料區218儲存的一液態燃料。需要將該液態燃料的濃度控制在最適合的範圍，才能使燃料電池在最佳的狀態下運作。泵212將該液態燃料送至燃料電池組211的陽極處與陽極反應。
液態燃料補充控制系統21控制燃料區218中液態燃料的濃度。該液態燃料補充控制系統21包括一燃料區溫度偵測裝置217，一燃料補充控制單元215以及一燃料補充系統22。
燃料區溫度偵測裝置217偵測該液態燃料電池系統的該燃料區內部的一燃料區溫度值。燃料補充控制單元215有一預設工作溫度值。燃料補充控制單元215將該燃料區溫度值減去該預設工作溫度值以計算出一溫度差值，以一預先決定的方式將該預設速度值增加或減少後，產生一工作補充速度值。燃料補充控制單元215可透過模擬-數字轉換電路接收溫度偵測裝置的電壓值轉為溫度讀數，再透過減法器或其他邏輯計算裝置產生該工作補充速度值。該預設工作溫度值可根據燃料電池設定的操作狀態，設定在介於30℃-80℃之間。
所述將預設速度值增加或減少的預定方式是針對在燃料電池於標準負載下操作時，以量測儀器供應固定濃度燃料固定時間後，計算燃料消耗量，作為實際控制時的「預設補充量」。例如，預設標準補充方式為5ml/10min(每十分鐘補充5ml燃料)，當溫度低於下限時可修正補充速度改為5ml/5min或是10ml/10min。當溫度高於上限時也可以依此方式減少補充量，或者是增加補充時間。
燃料補充系統22包括一儲存罐213以及一液體輸送裝置214。燃料補充控制單元215控制液體輸送裝置214將該儲存罐213中儲存的高濃度液態燃料依該補充速度值送出至該燃料區218。
燃料補充控制單元215可進一步設定一溫度差值上限值及一溫度差值下限值；當該溫度差值界於上下限之間時，以原預設速度值進行補充，當大於該溫度差值上限，以一預先決定的方法減少該預設速度值後輸出該補充頻率值；並且當該溫度差值小於該溫度差值下限，以一預先決定的方法增加該預設速度值後輸出該補充頻率值。依理論值計算，該預設工作溫度與系統操作溫度間的溫度差值上限最高可為20℃，其溫度差值下限最低可為-20℃。經實驗測得，該燃料區溫度與預設工作溫度的溫度差值在上限與下限各為10℃及-10℃時，仍可以穩健的進行濃度控制。
燃料補充控制單元215可進一步包含一環境溫度偵測裝置216，偵測該液態燃料電池所處環境的一環境溫度值。燃料補充控制單元215接收該環境溫度值，並視需要調整該預設工作溫度值，以使其為高於該環境溫度值5℃以上。
圖3是邏輯判斷機制的示意圖。本發明所述液態燃料補充控制方法主要包括以下步驟首先，由溫度感測器量測溫度信號；然後，進行A/D信號轉換，將量測到的溫度信號轉換為數位訊號；進而，判斷溫度差值(ΔT)的大小，根據該溫度差值調整燃料補充量，即將該預設補充速度值增加或減少後產生一工作補充速度值；最後，將控制信號輸出至操作泵(PUMP)，以根據該工作補充速度控制該燃料補充系統送出液態燃料的速度。
根據本發明所提供的方法及裝置，可以簡易地達成液態燃料系統中液態燃料濃度的控制。液態燃料電池放電時最明顯且容易量測到的物理現象除了電流電壓之外，就是系統溫度的變化，只要量測系統中正在反應的燃料的溫度值就可以知道現在系統的狀態。本發明以量測到的燃料溫度值當作控制參數，用來調整高濃度甲醇燃料補充量，進而使系統維持穩定運作。
本發明所述燃料電池液態燃料補充控制系統與液態燃料補充控制方法亦適用於一般具有陰極生成水回收系統及冷凝器的標準燃料電池系統。
雖然本發明已通過較佳實施例說明如上，但該較佳實施例並非用以限定本發明。本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，應有能力對該較佳實施例做出各種更改和補充，因此本發明的保護範圍以權利要求書的範圍為準。
附圖中符號的簡單說明如下
10、20燃料電池系統11、21液態燃料補充控制系統111、211燃料電池組112、212泵118、218燃料區117濃度偵測裝置216環境溫度偵測裝置217燃料區溫度偵測裝置115、215燃料補充控制單元12、22燃料補充系統113、213儲存罐114、214液體輸送裝置
權利要求
1.一種燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，其控制一液態燃料電池系統的一燃料區中儲存的一液態燃料的濃度，該液態燃料電池的液態燃料補充控制系統包括一預設工作溫度值；一燃料電池系統溫度偵測裝置，其偵測該液態燃料電池系統的一系統溫度值；一燃料補充系統，其包括一儲存罐以及一液體輸送裝置，該液體輸送裝置將該儲存罐中儲存的高濃度液態燃料送出至該燃料區以調整該燃料區濃度；以及一燃料補充控制單元，其有一預設燃料補充速度；該燃料補充控制單元根據該系統溫度值與該預設工作溫度值計算出一溫度差值，然後根據該溫度差值將該預設補充速度值增加或減少後產生一工作補充速度值，再根據該工作補充速度控制該燃料補充系統送出液態燃料的速度。
2.根據權利要求1所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，該預設工作溫度值範圍介於30℃至80℃之間。
3.根據權利要求1所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，包括一環境溫度偵測裝置以偵測一環境溫度值，該燃料補充控制單元調整該預設工作溫度值為較該環境溫度值高5℃以上。
4.根據權利要求1所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，預設燃料補充速度設定為預設的燃料電池輸出電流量所需的燃料量的1至7倍。
5.根據權利要求1或3所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，當該溫度差值大於一溫度差值上限，該燃料補充控制單元減少該預設速度值後產生該工作補充速度值；並且當該溫度差值小於一溫度差值下限，該燃料補充控制單元增加該預設速度值後產生該工作補充速度值。
6.根據權利要求5所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，該溫度差值上限為小於20℃。
7.根據權利要求6所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，該溫度差值上限為10℃。
8.根據權利要求5所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，該溫度差值下限為大於-20℃。
9.根據權利要求8所述的燃料電池液態燃料補充控制系統，其特徵在於，該溫度差值下限為-10℃。
10.一液態燃料補充控制方法，其特徵在於，其利用一燃料補充系統中一液體輸送裝置及儲存高濃度液態燃料的一儲存罐，調整一液態燃料電池系統的一燃料區中儲存的液態燃料的濃度；該液態燃料補充控制方法包括設定一預設補充速度值；設定一預設工作溫度值；偵測該液態燃料電池系統的一系統溫度值；根據該預設工作溫度值及該系統溫度值計算一溫度差值，然後根據該溫度差值將該預設補充速度值增加或減少後產生一工作補充速度值，再根據該工作補充速度調整液體輸送裝置傳送液態燃料至該燃料區的速度。
11.根據權利要求10所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，包括偵測一環境溫度值，並設定預設工作溫度值較環境溫度高5℃以上。
12.根據權利要求10所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，進一步設定該預設燃料補充速度為預設的燃料電池輸出電流量所需的燃料量的1至7倍。
13.根據權利要求10或11所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，進一步包括設定一溫度差值上限值及一溫度差值下限值；當該溫度差值界於該溫度差值上下限內時，不進行工作補充速度值的調整。
14.根據權利要求13所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，該溫度差值上限小於20℃。
15.根據權利要求14所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，該溫度差值上限為10℃。
16.根據權利要求13所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，該溫度差值下限大於-20℃。
17.根據權利要求16所述的液態燃料補充控制方法，其特徵在於，該溫度差值下限為-10℃。
全文摘要
本發明提供一種燃料電池液態燃料補充控制系統與液態燃料補充控制方法，控制液態燃料電池系統的燃料區中儲存的液態燃料的濃度，該液態燃料電池的液態燃料補充控制系統包括一預設工作溫度值；一燃料電池系統溫度偵測裝置，其偵測該液態燃料電池系統的系統溫度值；一燃料補充系統，包括一儲存罐及一液體輸送裝置，該液體輸送裝置將該儲存罐中儲存的高濃度液態燃料送至該燃料區以調整該燃料區濃度；及一燃料補充控制單元，其有一預設燃料補充速度；該燃料補充控制單元根據系統溫度值與預設工作溫度值計算出溫度差值，然後根據溫度差值將預設補充速度值增加或減少後產生工作補充速度值，根據工作補充速度控制燃料補充系統送出液態燃料的速度。
文檔編號H01M8/04GK1992408SQ20051013536
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日 優先權日2005年12月31日
發明者沈聖詠, 張嵐逢, 康顧嚴, 賴秋助 申請人:財團法人工業技術研究院