CN1276535C - 包括压力传感器的燃料量控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的燃料量控制系统。该燃料量控制系统包括一储存待供给阳极的燃料的燃料储存单元；一贮存作为在阴极上的化学反应的结果而产生的稀释剂的稀释剂储存单元；一将从燃料储存单元供给的燃料和从稀释剂储存单元供给的稀释剂混合以向阳极提供燃料混合溶液的燃料混合单元；一位于燃料混合单元中的压力传感器，该传感器具有取决于在燃料混合溶液中的燃料的浓度的不同体积，并根据体积变化输出电信号；以及一个控制单元，该控制单元接收由压力传感器输出的电信号并输出电信号以打开和关闭燃料储存单元和稀释剂储存单元，使得从燃料混合单元向燃料电池堆供给具有合适浓度的燃料混合溶液。

Description

包括压力传感器的燃料量控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的包括压力传感器的燃料量控制系统，更具体地讲，涉及一种使用于一种较小的燃料电池的燃料量控制系统，该系统包括一个用于测量供给该燃料电池的燃料的浓度的小型传感器，以保持恒定的燃料浓度。
背景技术
燃料电池是电化学系统，在其中，由燃料的氧化还原反应所产生的自由能变化转化为电能。燃料电池包括三个部分，即一于其上发生氧化反应的阳极，一于其上发生还原反应的阴极，以及一被置于阳极和阴极之间输运离子的电解质。在阳极上，燃料，例如氢或甲醇，失去电子并转化为阳离子。在阴极上，空气中的氧离子接受由阳极提供的电子并产生水。
直接利用液体甲醇作为燃料源的燃料电池被称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。在DMFC中，按预定比例混合的甲醇和水的混合物被直接供给燃料电池堆(fuel cell stack)的阳极，使得不需要单独的燃料调节器(fuelmodifier)，并且燃料电池系统具有较小的尺寸。然而，当供给燃料电池堆的甲醇溶液的浓度超过一适当的范围时，燃料电池的总的能量产生效率降低。按照常规，业已建议使用各种可以检测供给阳极的甲醇溶液的浓度的传感器，以便改进DMFC的性能。
美国专利第6,303,244号公开了一种附着在燃料箱上的甲醇传感器，但是没有公开检测甲醇浓度的详细的方法。美国专利US.6,488,837公开了一种通过使用一个电流传感器测量甲醇浓度的方法，该电流传感器根据甲醇浓度输出一个电信号并且与一个横跨阳极和阴极的小电路相连接。国际专利第0123,874号披露了一种测量甲醇浓度的方法，在该方法中，在测量之前，从燃料电池中抽取一部分甲醇溶液并将其加热至沸点。韩国专利公开第2002-0056136号公开了一种根据甲醇溶液吸收率的变化检测甲醇浓度的传感器。
在上述那些专利中，都需要单独的甲醇浓度传感器，使得燃料电池系统的尺寸增加。此外，在能量效率上并没有显著的改进。
发明内容
本发明提供了一种适用于高效小型燃料电池的燃料量控制系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于向燃料电池堆提供燃料的燃料量控制系统，所述的燃料电池堆包括一阳极和一阴极并且通过燃料的化学反应产生电能，所述的燃料量控制系统包括：一储存待供给阳极的燃料的燃料储存单元；一贮存作为在阴极上的化学反应的结果而产生的稀释剂的稀释剂储存单元；一将从燃料储存单元供给的燃料和从稀释剂储存单元供给的稀释剂混合的燃料混合单元；一位于燃料混合单元中的压力传感器，该传感器具有取决于燃料混合溶液(fuel mixture solution)中燃料的浓度的各种不同的体积并根据体积变化输出电信号；以及一个控制单元，该控制单元接收由压力传感器输出的电信号并输出电信号以打开和关闭燃料储存单元和稀释剂储存单元，使得从燃料混合单元向燃料电池堆供给具有合适浓度的燃料混合溶液。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于向燃料电池堆供给燃料的燃料量控制系统，所述的燃料电池堆包括一阳极和一阴极并且通过燃料的化学反应产生电能，所述的燃料量控制系统包括：一储存待供给阳极的燃料的燃料储存单元；一贮存作为阴极上的化学反应的结果而产生的稀释剂的稀释剂储存单元；一被连接在燃料储存单元和稀释剂储存单元之间的管道，该管道将按照合适的比例包括从燃料储存单元供给的燃料和从稀释剂储存单元供给的稀释剂的燃料混合溶液供给燃料电池堆；位于该管道中的压力传感器，该传感器具有取决于混合物中的燃料浓度的不同体积并根据体积变化输出电信号；以及控制单元，该控制单元接收由压力传感器输出的电信号并输出电信号以打开和关闭燃料储存单元和稀释剂储存单元，使得将具有合适浓度的燃料混合溶液供给燃料电池堆。
在以上根据本发明的燃料量控制系统中，压力传感器可以包括：基底，以及一附着在该基底的表面上的压力膜(pressure film)，该压力膜具有取决于燃料混合溶液的浓度的不同体积。在一个实施例中，压力传感器可以包括：一外电极；一内电极；以及一装在内电极和外电极之间的空间中的压力构件，该压力构件具有取决于燃料混合溶液的浓度的不同体积。
压力传感器可以使用聚合物离子交换膜(polymeric ion exchangemembrane)或树脂制造。该压力传感器可以包括根据压力传感器的体积变化输出电信号的电路。
如上所述，根据本发明的燃料量控制系统包括可以简单地测量燃料的浓度的小的压力传感器。因此，使用该压力传感器可以制造具有较高能量效率的小型燃料电池。
附图说明
通过参考附图在详细的示范性的实施例中所作的说明，本发明的以上的和其他的特性和优点将变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的燃料电池的燃料量控制系统的结构；
图2示出根据本发明的另一个实施例的燃料电池的燃料量控制系统的结构；
图3示出一个可以用于根据本发明的燃料量控制系统的压力传感器的例子；
图4示出另一个可以用于根据本发明的燃料量控制系统的压力传感器的例子；
图5是图3的压力传感器的膨胀系数对甲醇溶液的浓度的曲线图；以及
图6是根据本发明的压力传感器的体积膨胀百分比对时间的曲线图，其中，该压力传感器使用具有阳离子交换位(cation exchange sites)的聚合物(Nafion 115)制造，并浸在去离子(DI)水和5M-甲醇溶液中。
具体实施方式
以下将参考附图详细地说明根据本发明的燃料电池的燃料量控制系统的若干实施例。
参考显示根据本发明的一个实施例的燃料量控制系统的结构的图1，燃料混合单元109与燃料电池堆101相连接，并且向该燃料电池堆提供燃料。燃料储存单元105和稀释剂储存单元107，该稀释剂储存单元储存在燃料电池堆101的阴极上发生的电化学反应的产物，以便使用该产物作为燃料稀释剂。提供用做燃料氧化剂的空气的空气压缩单元111与燃料电池堆101相连接。可以用提供空气以外的其他氧化剂的单元代替空气压缩单元111。
第一泵115a连接在燃料储存单元105和燃料混合单元109之间，调节供给燃料混合单元109的燃料量。第二泵115b连接在稀释剂储存单元107和燃料混合单元109之间，调节供给燃料混合单元109的燃料量。第三泵115c连接在燃料混合单元109和燃料电池堆101之间，调节供给燃料电池堆101的燃料混合物的量。被用于燃料电池堆101但是没有参加氧化还原反应的燃料混合物被收集到燃料混合单元109中。被用做燃料稀释剂的氧化还原反应的产物，例如水，流入稀释剂储存单元107。
使用由控制单元113输出的电信号操纵第一至第三泵115a、115b和115c以及空气压缩单元111。这些电信号响应从位于燃料混合单元109中的压力传感器103输出的压力信号从控制单元113输出。
压力传感器103的体积随燃料混合单元109中所容纳的燃料混合物的浓度而变化。压力传感器103包括检测压力传感器103的体积变化并将其转化为电信号的预定电子电路。控制单元113可以包括利用压力信号计算燃料混合物的浓度的计算器和将燃料混合物的计算浓度与预先存储的基准浓度值比较的比较器。
当被所述的电子电路放大和输出的压力信号被接收时，控制单元113将接受到的压力信号转换成燃料混合物的浓度值。如果燃料混合物的浓度值大于基准浓度值，那么控制单元113开启第二泵115b并关闭第一泵115a，以便降低供给燃料混合单元109的燃料混合物的浓度。如果燃料混合物的浓度值小于基准浓度值，那么控制单元113开启第一泵115a并关闭第二泵115b，从而停止向燃料混合单元109供给稀释剂并提高燃料混合单元109中的燃料混合物的浓度。
通用的直接甲醇燃料电池(DMFC)利用甲醇作为燃料并利用在阴极上产生的水作为稀释剂。从燃料量控制系统的燃料混合单元109供给的甲醇混合物扩散进入燃料电池堆101的膜电极组件(membrane-electrode assembly)(MEA)的整个阳极上，引发如以下方程式(1)表示的电化学氧化反应。从空气压缩单元111向燃料电池堆101供给的空气扩散进入MEA的整个阴极上，引发如以下方程式(2)表示的电化学还原反应。电能通过反应过程中产生的电子的迁移产生，并由集电器板(current collector plate)收集。方程式(1)和(2)所表示的反应可以表达为以下方程式(3)。
                  ...(1)
Figure C20041000594500091
Figure C20041000594500092
图2示出根据本发明的另一个实施例的用于燃料电池的燃料量控制系统的结构。在图2中，附图标记121表示燃料电池堆，附图标记123表示压力传感器，附图标记125表示燃料储存单元，附图标记127表示稀释剂储存单元127，附图标记131表示空气压缩单元，附图标记133表示控制单元，附图标记135a表示第一泵，附图标记135b表示第二泵。图2中的燃料量控制系统的这些组成部分的功能与图1中所示的燃料量控制系统的相应组成部分的功能相同。
与图1中所示的燃料量控制系统不同，图2的燃料量控制系统不包括燃料混合单元。压力传感器123位于从燃料储存单元125供给的燃料和从稀释剂储存单元127供给的稀释剂流动通过的管道(未示出)中，并且测量燃料和稀释剂的混合物的浓度。控制单元133响应从压力传感器123输出的压力信号而输出电信号以控制第一和第二泵135a和135b。以上所述的根据本发明的燃料量控制系统可以包括如下所述的各种传感器。
图3示出可以在根据本发明的燃料量控制系统中使用的压力传感器的一示例。参考图3，压力传感器153包括基底153a和附着在基底153a的表面上的压力膜153b。压力膜153b的体积随接触压力传感器153的燃料混合物的浓度而变化。
在例如DMFC的利用甲醇作为燃料的燃料电池中，可以使用例如Nafion(E.I.duPong的注册商标)的全氟化阳离子交换树脂作为压力膜153b。Nafion是一种聚合物离子交换膜，被广泛地用做DMFC的MEA中的电解质膜(electrolyte membrane)。在实践中，DMFC中Nafion的膨胀(swelling)被认为是使燃料电池性能恶化的一个因素。然而，在本发明中，可以有效地测量甲醇溶液的浓度的传感器却是基于Nafion的膨胀性能实现的。替换地，离子导电(ion-conductive)聚合物树脂或复合树脂，例如聚苯乙烯磺酸(polystyrene sulfonic acid)、聚醚砜磺酸(poly ether ether sulfone sulfonicacid)、磺化聚烯烃(sulfonated polyolefin)、磺化聚砜(sulfonated polysulfone)，两者都具有取决于燃料，例如甲醇溶液，的浓度的可变化的体积，可以用做压力膜153b。
表1示出具有图3的结构的压力传感器的膨胀系数(ΔV/V0)的变化，该结构是使用Nafion 115制造的，对应于26℃和46℃时甲醇溶液的浓度。图5是图3的压力传感器的膨胀系数对使用表1中的数据的甲醇溶液的浓度的曲线图。
                           表1                                 (单位：mm2)
  浓度   时间              26℃                 46℃
2M   1分钟   388.8   V0＝252.77   303.36   V0＝191.8
  4分钟   388.8   ΔV/V0＝0.53815   303.36   ΔV/V0＝0.53815
3M   1分钟   375.376   V0＝233.22   248.85   V0＝153.5625
  4分钟   375.375   ΔV/V0＝0.609532   248.85   ΔV/V0＝0.53815
4M   1分钟   233.84   V0＝99.92   240   V0＝102.475
  4分钟   233.84   ΔV/V0＝1.339336   240   ΔV/V0＝0.53815
如表1所示，相同温度下，压力传感器的膨胀系数(ΔV/V0)的增加与甲醇溶液的摩尔浓度成正比，但是在相同的浓度下，体积相对于时间没有变化，即1分钟后和4分钟后没有区别，这证实根据本发明的压力传感器的可靠性。根据本发明为这个实验所制造的压力传感器可以精确测量燃料混合物的浓度，而与持续的时间无关。
参考图5，在从1M至3M的浓度范围中，压力传感器的膨胀系数(ΔV/V0)在46℃时稍微大于在26℃的值。
由于DMFC的燃料电池堆产生反应热，所以所供给的甲醇和所收集的水的温度上升，使DMFC内的压力传感器膨胀。因此，当使用根据本发明的压力传感器测量燃料的浓度时，必须考虑膨胀系数的误差容限，以补偿燃料温度的上升。
例如，当标准甲醇溶液的浓度范围从1M到3M时，根据表1和图5的实验数据，压力传感器的膨胀系数的基准范围(reference range)可以设定为在0.45和0.6之间。当由压力传感器输出的压力信号计算出的膨胀系数不在以上基准范围内时，控制单元113(133)输出电信号，以便分别开启或关闭与燃料储存单元和稀释剂储存单元相连接的泵，并将燃料的浓度控制在适合的范围内。
图4示出可以用于根据本发明的燃料量控制系统的压力传感器的另一个例子。参考图4，被制作成形状类似球形的压力传感器163被浸在混合燃料溶液162中。压力传感器163包括内电极164和围绕内电极164的外电极166，以及填充内电极164和外电极166之间的空间的压力构件163a。绝缘层168形成在外电极166的表面上。压力构件163a是弹性构件。压力构件163a可以用半导体材料、含石墨的胶乳(graphite-containing latex)，或Nafion制造，其中Nafion为优选的。可以使用具有随混合燃料溶液162的浓度而变化的体积的任何材料做压力构件163a，并不限于以上所列的材料。
压力构件163a的弹性阻力随压力构件163a的体积而变化并且影响内电极164和外电极166间的电流。压力传感器163包括与控制单元相连接的电子电路。压力传感器163的电子电路输出取决于与浓度变化或膨胀系数变化相对应的电流变化的电信号。
传统燃料电池能够使用仅相当于96g纯甲醇的仅1.5L 2M-甲醇溶液产生电能。然而，使用压力传感器的根据本发明的燃料量控制系统通过使从燃料电池堆产生的水循环而可以利用相当于1170g(1500×0.78)的1.5L纯甲醇，并产生比利用2M-甲醇溶液的传统燃料电池大12倍的电能。换句话讲，当使用根据本发明的燃料量控制系统时，与传统燃料电池相比较，可以使用少于1/12的甲醇量来产生电能。因此，燃料电池的尺寸可以明显地减小。
图6是根据本发明的压力传感器的体积膨胀百分比对时间的曲线图，其中，压力传感器是利用Nafion 115制造的，并且被浸在去离子(DI)水和5M-甲醇溶液中。参考图6，在DI水和5M-甲醇溶液中压力传感器的体积膨胀与时间无关。显然，可以利用用Nafion制造的根据本发明的压力传感器可靠地测量甲醇溶液的浓度。
尽管业已参考本发明的若干示例性的实施例具体地显示和说明了本发明，但是对本领域中的普通技术人员来说，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的前提下，当然可以对其在形式和细节上做出各种变化，例如使用各种光学传感器或光声传感器。

Claims (14)

1.一种用于向燃料电池堆提供燃料的燃料量控制系统，所述的燃料电池堆包括一阳极和一阴极并且通过燃料的化学反应产生电能，所述的燃料量控制系统包括：
储存待供给阳极的燃料的燃料储存单元；
贮存作为在阴极上的化学反应的结果而产生的稀释剂的稀释剂储存单元；
将从所述的燃料储存单元供给的燃料和从所述的稀释剂储存单元供给的稀释剂混合以向阳极提供燃料混合溶液的燃料混合单元；
位于所述的燃料混合单元中的压力传感器，所述的传感器具有取决于所述燃料混合溶液中燃料的浓度的不同的体积，并根据体积变化输出电信号；以及
控制单元，所述的控制单元接收由所述的压力传感器输出的所述的电信号并输出电信号以开启和关闭所述的燃料储存单元和所述的稀释剂储存单元，使得从所述的燃料混合单元向所述的燃料电池堆供给具有合适浓度的燃料混合溶液。
2.根据权利要求1所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括：
基底，以及
附着在所述基底的表面上的压力膜，所述的压力膜具有取决于燃料混合溶液的浓度的不同体积。
3.根据权利要求1所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括：
外电极；
内电极；以及
填充在内电极和外电极之间的空间中的压力构件，该压力构件具有取决于燃料混合溶液的浓度的不同体积。
4.根据权利要求2所述的燃料量控制系统，其中所述的压力膜使用聚合物离子交换膜或树脂制造。
5.根据权利要求3所述的燃料量控制系统，其中所述压力构件用聚合物离子交换膜或树脂制造。
6.根据权利要求2所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括输出取决于所述压力传感器的体积的变化的电信号的电子电路。
7.根据权利要求3所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括输出取决于所述压力传感器的体积的变化的电信号的电子电路。
8.一种用于向燃料电池堆供给燃料的燃料量控制系统，所述的燃料电池堆包括一阳极和一阴极并且通过燃料的化学反应产生电能，所述的燃料量控制系统包括：
储存待供给阳极的燃料的燃料储存单元；
贮存作为在阴极上的化学反应的结果而产生的稀释剂的稀释剂储存单元；
连接在所述燃料储存单元和所述稀释剂储存单元之间的管道，所述的管道将包括合适比例的从所述燃料储存单元供给的燃料和从所述稀释剂储存单元供给的稀释剂的燃料混合溶液供给所述燃料电池堆；
位于所述管道中的压力传感器，所述的传感器具有取决于所述混合物中燃料浓度的不同体积，并根据体积变化输出电信号；以及
控制单元，所述控制单元接收由所述压力传感器输出的电信号并输出电信号以开启和关闭所述燃料储存单元和所述稀释剂储存单元，使得将具有合适浓度的燃料混合溶液供给所述的燃料电池堆。
9.根据权利要求8所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括：
基底，以及
附着在该基底的表面上的压力膜，所述压力膜具有取决于所述燃料混合溶液的浓度的不同体积。
10.根据权利要求8所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括：
外电极；
内电极；以及
填充内电极和外电极之间的空间的压力构件，所述压力构件具有取决于所述燃料混合溶液的浓度的不同体积。
11.根据权利要求9所述的燃料量控制系统，其中所述的压力膜使用聚合物离子交换膜或树脂制造。
12.根据权利要求10所述的燃料量控制系统，其中所述的压力构件使用聚合物离子交换膜或树脂制造。
13.根据权利要求9所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括输出取决于所述压力传感器的体积的变化的电信号的电子电路。
14.根据权利要求10所述的燃料量控制系统，其中所述的压力传感器包括输出取决于所述压力传感器的体积的变化的电信号的电子电路。
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