CN100434904C - 用于液态燃料电池的计算燃料浓度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液态燃料电池的计算燃料浓度的方法，包括下列步骤：提供至少一个以上且具有不同已知浓度的燃料给该液态燃料电池，并使得该液态燃料电池分别在各个不同已知浓度的燃料的条件下，发生电化学反应而产生电力。提供一负载(Electrical Load)与该液态燃料电池作电性连接，且变化该负载的电压值V。分别于各项不同已知浓度燃料的条件下，且在该负载的电压值变化过程进行中，测量并记录当时运作中的该液态燃料电池的多个物理量参数，并且选择该些物理量参数的其中三项，来建立对应的三维测量空间。依据该三维测量空间来建立一插值计算手段，用于计算出位于该液态燃料电池的燃料的未知浓度。当未知浓度的燃料提供给该液态燃料电池而发生电化学反应且产生电力，测量此时的至少该三项物理量参数，并利用所建立的插值计算手段，能够计算得到位于该液态燃料电池的燃料的目前浓度。

Description

用于液态燃料电池的计算燃料浓度方法

技术领域

本发明涉及一浓度计，尤其涉及一种用于液态燃料电池的计算燃料浓度的方法。

背景技术

用来测量液态燃料电池(如：直接甲醇燃料电池)的燃料浓度所采用的公知手段，仅公开了利用浓度传感器作为测量燃料浓度的技术而已。虽然此公知手段可以解决燃料浓度的测量问题，但是对于轻、薄、短、小的直接甲醇燃料电池而言，浓度传感器的体积规模也必须紧密地配合改变，否则愈来愈微型化的直接甲醇燃料电池，将无法在其内部来设置浓度传感器。

本发明鉴于上述公知手段的缺失，公开了一种用于液态燃料电池的计算燃料浓度的方法，本发明方法可以看做是一种虚拟式燃料浓度传感器，用来测量燃料的浓度。

发明内容

本发明的主要目的为不用借助于实体的浓度传感器，来提供一种计算燃料浓度的方法，能够用来测量进行电化学反应中的液态燃料电池，其当时所使用的燃料其浓度为多少。

本发明的另一目的为取代实体的浓度传感器，而提供一种计算燃料浓度方法，能够用来测量进行电化学反应中的液态燃料电池，其当时所使用的燃料其浓度为多少。

为达成本发明上述目的，本发明提供一种用于液态燃料电池的计算燃料浓度的方法，包括下列步骤：A提供至少一个以上且具有不同已知浓度的燃料给该液态燃料电池，并使得该液态燃料电池分别在各个不同已知浓度的燃料的条件下，发生电化学反应而产生电力；B.提供一负载(Electrical Load)与该液态燃料电池作电性连接，且变化该负载的电压值V；C.分别于各项不同已知浓度燃料的条件下，且在该步骤B进行中，测量并记录当时运作中的该液态燃料电池的多个物理量参数，并且选择该些物理量参数的其中三项，来建立对应的三维测量空间，其中所述该些物理量参数包含：一温度参数、一稳态电流参数、一电流超越量参数、一瞬时电流参数，其中该电流超越量参数借由计算该瞬时电流参数与该稳态电流参数的差异量绝对值而得到；D.依据该三维测量空间来建立一插值计算手段，用于计算出位于该液态燃料电池的燃料的未知浓度，其中所述该插值计算手段的建立步骤，包括下列步骤：d1.利用在n个已知浓度C₁，C₂，...，C_n的燃料所测量到的该温度参数、该稳态电流参数、该电流超越量参数，在该三维测量空间中得到n个对应的等浓度曲面；d2.提供该未知浓度C的燃料供应至该液态燃料电池，以及测量此时该液态燃料电池的温度T、稳态电流I、电流超越量σ，其中此时的温度T、稳态电流I、电流超越量σ为对应到位于该三维测量空间中的测量点P；d3.将该测量点P沿该三维测量空间中的稳态电流坐标轴方向分别投影在该n个等浓度曲面上，以取得n个投影点，其中该n个投影点的稳态电流坐标值分别为Ii，i＝1，2，...，n；以及d4.利用下列计算式计算该燃料的浓度C

$C=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{\underset{i\≠k}{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{I-I_i}{I_k-I_i}\right)\·C_k$

其中n≥2；以及E当未知浓度的燃料提供给该液态燃料电池而发生电化学反应且产生电力，测量此时对应于步骤C的至少该三项物理量参数，并利用步骤D所建立的插值计算手段，能够计算得到位于该液态燃料电池的燃料的目前浓度。

为使本领域的普通技术人员了解本发明的目的、特征及功效，现借由下述具体实施例，并配合附的图，对本发明详加说明，说明如后：

附图说明

图1为本发明用于液态燃料电池系统的计算燃料浓度方法的流程图。

图2为验证本发明方法所建置的液态燃料电池测试系统的构造。

图3为本发明计算燃料浓度的方法在各种已知浓度燃料下，利用三维测量空间所得到的等浓度曲面。

图4为本发明方法建立插值计算手段的流程图。

图5为测量图2液态燃料电池系统的电流-时间变化曲线。

主要元件符号说明

10计算燃料浓度方法

20液态燃料电池

31、33、35、37等浓度曲面

101、103、105、107、109步骤

1071、1073、1075、1077步骤

具体实施方式

图1为本发明用于液态燃料电池系统的计算燃料浓度方法的流程图。本发明计算燃料浓度的方法10用来计算出当时位于液态燃料电池20的燃料的浓度，而完全不必使用到实体的浓度传感器。本发明的计算燃料浓度方法10包括步骤101至步骤109，分别说明如下：步骤101为提供至少一个以上且具有不同已知浓度的燃料给液态燃料电池20，并使得液态燃料电池20分别在各个不同已知浓度的燃料的条件下，发生电化学反应而产生电力。步骤103为提供一负载(Electrical Load)22与液态燃料电池20作电性连接，且变化负载22的电压值V。

在步骤101中，本发明分别地将各种已知浓度的燃料供应至液态燃料电池20，并使得液态燃料电池20分别在各种已知浓度燃料下发生电化学反应。为了方便测量到本发明所需要的各项物理量参数，本发明特别提供一种配合本发明方法10所建置的液态燃料电池系统，请参见图2。在图2中，液态燃料电池20为一双极液态燃料电池，且可以为一采用印刷电路板制程而制成的直接甲醇燃料电池。另外，在步骤103中，图2的负载22的电压值V范围介于0V与0.7V之间，而变化负载22电压值的变化量ΔV介于0.02V与0.5V之间。

步骤105为分别于各项不同已知浓度燃料的条件下，且在步骤103进行中，测量并记录当时运作中的液态燃料电池20的多个物理量参数，并且选择该些物理量参数的其中三项，来建立对应的三维测量空间。在步骤105中，在已知浓度燃料的条件下，本发明测量并记录液态燃料电池20的温度参数、稳态电流参数、电流超越量参数及瞬时电流参数，其中电流超越量参数借由计算瞬时电流参数与稳态电流参数的差异量绝对值而得到。本发明采用温度参数、稳态电流参数、电流超越量参数等三项物理量参数，来建立对应于液态燃料电池20的三维测量空间。利用液态燃料电池系统分别在每一个已知浓度燃料的供应条件下，使得液态燃料电池20发生电化学反应，并且同时测量与记录变化中的温度参数、稳态电流参数、电流超越量参数，而这些参数会传送至图2的计算机24，接着，借由计算机24的处理，而产生对应于已知浓度以及该些温度参数、稳态电流参数、电流超越量参数等条件下的三维测量空间，请参见图3显示的本发明计算燃料浓度方法在各种已知浓度燃料下，利用三维测量空间所得到的等浓度曲面。在图3中，等浓度曲面31是利用一个已知浓度C₁的燃料所获得到的，其中坐标轴X代表电流超越量(overshoot)参数，坐标轴Y代表温度参数，坐标轴Z代表稳态电流参数。同理，例如再分别利用不同的已知浓度C₂、C₃、C₄的燃料，而再能够分别获得对应的三个等浓度曲面33、35、37。

在步骤105中的已知浓度燃料，其浓度一般能够选择在介于2v％与8v％之间，因所选用的膜电极组(MEA)的不同，也可以加大其浓度范围。同时，所要测量与记录的温度参数其范围最好是介于10℃与80℃之间。

步骤107依据该三维测量空间来建立一插值计算手段，其中该插值计算手段用于计算出位于该液态燃料电池的燃料的未知浓度。在步骤107中，由于三维测量空间的各个等浓度曲面已经被建立出来，因此，本发明能够利用插值计算，来推算出燃料的未知浓度。步骤109为当未知浓度的燃料提供给该液态燃料电池而发生电化学反应且产生电力，测量此时对应于步骤105的至少该三项物理量参数，亦即温度参数、稳态电流参数、电流超越量参数，并利用步骤107所建立的插值计算手段，能够计算得到位于该液态燃料电池的燃料的目前浓度。

图4为本发明方法的建立插值计算手段的流程图。步骤1071利用在n个已知浓度C₁，C₂，...，C_n的燃料所测量到该些温度参数、该些稳态电流参数、该些电流超越量参数等值，在该三维测量空间中得到n个对应的等浓度曲面。图3所显示的等浓度曲面31，即为步骤1071在已知浓度C₁的情况下，所执行的具体结果。步骤1073提供该未知浓度C的燃料供应至液态燃料电池20，以及测量此时电化学反应中的液态燃料电池20的温度T、稳态电流I、电流超越量σ，此时所测量到的该温度T、该稳态电流I、该电流超越量σ为对应到位于该三维测量空间的一个坐标点，而这个坐标点用来作为测量未知浓度的测量点P(如图3所显示)。

步骤1075将该测量点P沿该三维测量空间中的稳态电流坐标轴(即Z轴)方向分别投影在该n个等浓度曲面上，以取得n个投影点(例如图3的P₁、P₂、P₃、P₄等)，其中该n个投影点的电稳态流坐标值分别为I₁，i＝1，2，...，n。步骤1077利用下列计算式来计算该燃料的浓度C：

$C=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{\underset{i\≠k}{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{I-I_i}{I_k-I_i}\right)\·C_k$ 其中n≥2。

本发明的方法10在完成步骤步骤101至步骤105后，便能够确定出液态燃料电池20的所对应的该些等浓度曲面，接着，实现步骤107与步骤109所采用的手段，可以利用程序代码来加以具体实现，也就是将该些等浓度曲面以及上述插值计算式编写成程序代码，让使用于液态燃料电池20的处理器(图未显示)执行。

本发明的计算燃料浓度方法10是一种虚拟式燃料浓度传感器，借由变化负载22的电压值V，测量当时的温度、稳态电流(如图5中稳态区所显示)以及可能产生的电流超越量(如图5中瞬时区所显示)，以建立在三维测量空间中的该些等浓度曲面，再利用插值计算手段来获得燃料的浓度，本发明可谓是一种创新的发明。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做出部分的变动与修饰，所作变动与修饰仍属于本发明申请专利的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于液态燃料电池的计算燃料浓度的方法，其特征在于：包括下列步骤：

A.提供至少一个以上且具有不同已知浓度的燃料给该液态燃料电池，并使得该液态燃料电池分别在各个不同已知浓度的燃料的条件下，发生电化学反应而产生电力；

B.提供一负载Electrical Load与该液态燃料电池作电性连接，且变化该负载的电压值V；

C.分别于各项不同已知浓度燃料的条件下，且在该步骤B进行中，测量并记录当时运作中的该液态燃料电池的多个物理量参数，并且选择该些物理量参数的其中三项，来建立对应的三维测量空间，其中所述该些物理量参数包含：一温度参数、一稳态电流参数、一电流超越量参数、一瞬时电流参数，其中该电流超越量参数借由计算该瞬时电流参数与该稳态电流参数的差异量绝对值而得到；

D.依据该三维测量空间来建立一插值计算手段，其中该插值计算手段用于计算出位于该液态燃料电池的燃料的未知浓度，所述该插值计算手段的建立步骤，包括下列步骤：

d1.利用在n个已知浓度C₁，C₂，...，C_n的燃料所测量到的该温度参数、该稳态电流参数、该电流超越量参数，在该三维测量空间中得到n个对应的等浓度曲面；

d2.提供该未知浓度C的燃料供应至该液态燃料电池，以及测量此时该液态燃料电池的温度T、稳态电流I、电流超越量σ，其中此时的温度T、稳态电流I、电流超越量σ为对应到位于该三维测量空间中的测量点P；

d3.将该测量点P沿该三维测量空间中的稳态电流坐标轴方向分别投影在该n个等浓度曲面上，以取得n个投影点，其中该n个投影点的稳态电流坐标值分别为I_i，i＝1，2，...，n；以及

d4.利用下列计算式计算该燃料的浓度C

$C=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{\underset{i\≠k}{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{I-I_i}{I_k-I_i}\right)\·C_k$

其中n≥2；以及

E.当未知浓度的燃料提供给该液态燃料电池而发生电化学反应且产生电力，测量此时对应于步骤C的至少该三项物理量参数，并利用步骤D所建立的插值计算手段，能够计算得到位于该液态燃料电池的燃料的目前浓度。

2.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该步骤A所提供的各个已知浓度燃料，其浓度介于2v％与8v％之间。

3.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该步骤C的记录步骤为：记录介于10℃与80℃之间的温度参数。

4.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该负载的电压值V的范围介于0V与0.7V之间。

5.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该步骤B的变化该负载电压值的变化量ΔV介于0.02V与0.5V之间。

6.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该插值计算手段为一个以程序代码实现的插值计算手段。

7.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该液态燃料电池为一双极液态燃料电池。

8.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该液态燃料电池为一采用印刷电路板制程所制造的液态燃料电池。

9.如权利要求1所述的计算燃料浓度方法，其特征在于：该液态燃料电池为一直接甲醇燃料电池。

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