CN1992408A - 燃料电池液态燃料补充控制系统与液态燃料补充控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池液态燃料补充控制系统与液态燃料补充控制方法，控制液态燃料电池系统的燃料区中储存的液态燃料的浓度，该液态燃料电池的液态燃料补充控制系统包括：一预设工作温度值；一燃料电池系统温度侦测装置，其侦测该液态燃料电池系统的系统温度值；一燃料补充系统，包括一储存罐及一液体输送装置，该液体输送装置将该储存罐中储存的高浓度液态燃料送至该燃料区以调整该燃料区浓度；及一燃料补充控制单元，其有一预设燃料补充速度；该燃料补充控制单元根据系统温度值与预设工作温度值计算出温度差值，然后根据温度差值将预设补充速度值增加或减少后产生工作补充速度值，根据工作补充速度控制燃料补充系统送出液态燃料的速度。

Description

燃料电池液态燃料补充控制系统与液态燃料补充控制方法

技术领域

本发明是关于一液态燃料电池系统，尤其是液态燃料电池的液态燃料补充控制系统与其应用的液态燃料电池系统，特别是关于一利用侦测液态燃料电池中液态燃料的温度来调整液态燃料补充速度的方法及装置。

背景技术

燃料电池目前在使用操作时，随着系统不断反应燃料是持续在消耗的，燃料体积及浓度都会递减，而为了能使燃料电池在最佳的状态下运作，如何适量的补充燃料使其浓度保持在最适合的范围是目前在燃料电池系统研究上相当重要的方向。

为了控制系统的燃料浓度，有相当多的方式，最直接的方法就是直接量测燃料浓度，依照量测的结果决定燃料补充量，如现有技术US6589671B1、US6488837、US2002/076589A1以及WO01/35478等均以各种量测方法决定甲醇浓度后再进行决定相关甲醇或水的补充量，另外Ballard Power的专利案US6698278B2是将量测到的温度及电流值带入一经验式中计算，可以得到燃料浓度，进而控制燃料浓度。

图1是一个现有燃料电池系统10的方块图。燃料电池系统10包括液态燃料补充控制系统11，燃料电池组111，泵112以及燃料区118。燃料区118储存一液态燃料。该液态燃料的浓度需控制在最适合的范围，才能使燃料电池在最佳的状态下运作。泵112将该液态燃料送至燃料电池组111的阳极处与阳极反应。

液态燃料补充控制系统11控制燃料区118中液态燃料的浓度。该液态燃料补充控制系统11包括：一浓度侦测装置117，一燃料补充控制单元115，以及一燃料补充系统12。

浓度侦测装置117，其侦测燃料区118中液态燃料的浓度值。燃料补充控制单元115，依据浓度侦测装置117所得的浓度值，并根据该浓度值与一浓度标准值的差值，调整加入的甲醇补充量，以控制燃料区118中液态燃料的浓度达到标准值。

燃料补充系统12包括一储存罐113以及一液体输送装置114。该液体输送装置114接收该甲醇补充量，将该储存罐113中储存的高浓度液态燃料送出至该燃料区118。另外，某些系统由于要求携带较高浓度的燃料，必须于设计时包括一较低浓度的液态燃料来源或是纯水来源，用以调整该燃料区的液态燃料的浓度。一般而言，会利用燃料电池系统阴极端反应产生的回收水以完成此部分功能。

液态燃料，例如甲醇溶液，其浓度的侦测元件大多有两个问题：精确度及价格。以现有技术如US6589679而言，利用另一个小型燃料电池单元进行浓度量测，容易受各种因素干扰量测的准确度，例如温度变化或是液体中的杂质甚至元件老化的问题。而Ballard Power的方式是比较有参考性的，但是使用经验式来计算为了能适应每个不同尺寸大小的系统，要根据不同系统进行调整。如此大费周章得到精准的浓度值，对于系统控制来说并不便利。

发明内容

本发明提供一种燃料电池液态燃料补充控制系统，其控制一液态燃料电池系统的一燃料区中储存的一液态燃料的浓度在一个适当范围内。该液态燃料电池的液态燃料补充控制系统包括：一预设工作温度值；一燃料电池系统温度侦测装置，其侦测该液态燃料电池系统的一系统温度值；一燃料补充系统，其包括一储存罐以及一液体输送装置，该液体输送装置将该储存罐中储存的高浓度液态燃料送出至该燃料区以调整该燃料区浓度；以及一燃料补充控制单元，其有一预设燃料补充速度；该燃料补充控制单元根据该系统温度值与该预设工作温度值计算出一温度差值，然后根据该温度差值将该预设补充速度值增加或减少后产生一工作补充速度值，再根据该工作补充速度控制该燃料补充系统送出液态燃料的速度。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，该预设工作温度值范围介于30℃-80℃之间。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，包括一环境温度侦测装置以侦测一环境温度值，该燃料补充控制单元调整该预设工作温度值为较该环境温度值高5℃以上。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，预设燃料补充速度设定为预设的燃料电池输出电流量所需的燃料量的1-7倍。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，当该温度差值大于一温度差值上限，该燃料补充控制单元减少该预设速度值后产生该工作补充速度值；并且当该温度差值小于一温度差值下限，该燃料补充控制单元增加该预设速度值后产生该工作补充速度值。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，该温度差值上限为小于20℃。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，该温度差值上限为10℃。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，该温度差值下限为大于-20℃。

本发明所述的液态燃料电池液态燃料补充控制系统，该温度差值下限为-10℃。

一液态燃料补充控制方法，其利用一燃料补充系统中一液体输送装置及储存高浓度液态燃料的一储存罐，调整一液态燃料电池系统的一燃料区中储存的液态燃料的浓度；该液态燃料补充控制方法包括：设定一预设补充速度值；设定一预设工作温度值；侦测该液态燃料电池系统的一系统温度值；根据该预设工作温度值及该系统温度值计算一温度差值，然后根据该温度差值将该预设补充速度值增加或减少后产生一工作补充速度值，再根据该工作补充速度调整液体输送装置传送液态燃料至该燃料区的速度。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，包括侦测一环境温度值，并设定预设工作温度值较环境温度高5℃以上。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，进一步设定该预设燃料补充速度为预设的燃料电池输出电流量所需的燃料量的1-7倍。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，进一步包括：设定一温度差值上限值及一温度差值下限值；当该温度差值界于该温度差值上下限内时，不进行工作补充速度值的调整。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，该温度差值上限小于20℃。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，该温度差值上限为10℃。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，该温度差值下限大于-20℃。

本发明所述的液态燃料补充控制方法，该温度差值下限为-10℃。

本发明所述燃料电池液态燃料补充控制系统与液态燃料补充控制方法，以量测到的燃料温度值当作控制参数，用来调整高浓度甲醇燃料补充量，进而使系统维持稳定运作。

附图说明

图1是一个现有燃料电池系统10的方块图；

图2是应用本发明一实施例的燃料电池系统20的方块图；

图3是逻辑判断机制的示意图。

具体实施方式

液态燃料电池的特性是：液态燃料浓度过低的时候薄膜电极组放不出足够的电，此时液态燃料反应渗透(crossover)薄膜电极组的现象也非常低，所以整个系统的温度与外界环境温度相差不多，随着浓度向上提升，放电量增加，此时伴随着释放反应热及液态燃料反应渗透到阴极的量增加造成液态燃料在阴极侧发生氧化现象此时会放出大量的热，整体系统温度就相对应提升了；如此可以得到一个相对应的系统与环境温度差值，作为浓度过低或者是过高的警讯；当浓度一直向上提升，整个系统温度也相对应一直升高。可量测系统浓度在某一定值时稳定操作的情况下，以此时系统的温度与环境温度差当作上限值。也就是温度差值如果超过此上限值代表浓度已经过高了，此时必须减少高浓度液态燃料的补充量；如果温度差值过低就增加高浓度液态燃料补充量。

本发明液态燃料电池的液态燃料补充控制方法的一实施例为：先设定一预设补充速度，该预设值为该液态燃料电池系统于标准浓度且连接一标准负载时，单位时间内维持该标准浓度所需补充的高浓度液态燃料量，其中包含预设操作条件下的燃料需求值与燃料穿透量。一般而言，可将预设燃料补充速度设定为预设的燃料电池输出电流量所需的燃料量的1-7倍。

接着侦测该液态燃料电池内部的一燃料区温度值。根据该环境温度值及一预设工作温度值计算出一温度差值并且根据该温度差值以一预先决定的方式将该预设补充速度增加或减少后输出一工作补充速度值。该预设工作温度值可根据燃料电池设定的操作状态，设定在介于30℃-80℃之间。

液态燃料电池均提供一燃料补充系统，其包括一储存罐以及一液体输送装置。根据前述输出的该工作补充速度值控制该液体输送装置将该储存罐中储存的高浓度液态燃料送出至该燃料区。

由于液态燃料电池工作时对于浓度变化的容许范围较大，因此可进一步提供一温度差值上限值及一温度差值下限值；当该温度差值大于该温度差值上限，以一预先决定的方法减少该预设速度值后输出该补充频率值；并且当该温度差值小于该温度差值下限，以一预先决定的方法增加该预设速度值后输出该补充频率值，而当温度差值在上下限之间时，系统以原有燃料补充速度值进行浓度控制。依理论值计算，该预设工作温度与系统操作温度间的温度差值上限最高可为20℃，其温度差值下限最低可为-20℃。经实验测得，该预设工作温度与系统操作温度间的温度差值上限与下限各为10℃及-10℃时，系统可以控制的相当稳定。

在某些情形下，燃料电池的工作温度若与该燃料电池所处的环境温度过于接近，会造成燃料浓度控制不稳定。因此在本发明的另一实施例，进一步侦测该液态燃料电池系统所处的环境温度，得出一环境温度值，并将预设工作温度值调整为高于该环境温度值5℃以上。

图2是应用本发明一实施例的燃料电池系统20的方块图。燃料电池系统20包括液态燃料补充控制系统21，燃料电池组211，泵212以及燃料区218。燃料区218储存的一液态燃料。需要将该液态燃料的浓度控制在最适合的范围，才能使燃料电池在最佳的状态下运作。泵212将该液态燃料送至燃料电池组211的阳极处与阳极反应。

液态燃料补充控制系统21控制燃料区218中液态燃料的浓度。该液态燃料补充控制系统21包括：一燃料区温度侦测装置217，一燃料补充控制单元215以及一燃料补充系统22。

燃料区温度侦测装置217侦测该液态燃料电池系统的该燃料区内部的一燃料区温度值。燃料补充控制单元215有一预设工作温度值。燃料补充控制单元215将该燃料区温度值减去该预设工作温度值以计算出一温度差值，以一预先决定的方式将该预设速度值增加或减少后，产生一工作补充速度值。燃料补充控制单元215可透过模拟-数字转换电路接收温度侦测装置的电压值转为温度读数，再透过减法器或其他逻辑计算装置产生该工作补充速度值。该预设工作温度值可根据燃料电池设定的操作状态，设定在介于30℃-80℃之间。

所述将预设速度值增加或减少的预定方式是针对在燃料电池于标准负载下操作时，以量测仪器供应固定浓度燃料固定时间后，计算燃料消耗量，作为实际控制时的“预设补充量”。例如，预设标准补充方式为5ml/10min(每十分钟补充5ml燃料)，当温度低于下限时可修正补充速度改为5ml/5min或是10ml/10min。当温度高于上限时也可以依此方式减少补充量，或者是增加补充时间。

燃料补充系统22包括一储存罐213以及一液体输送装置214。燃料补充控制单元215控制液体输送装置214将该储存罐213中储存的高浓度液态燃料依该补充速度值送出至该燃料区218。

燃料补充控制单元215可进一步设定一温度差值上限值及一温度差值下限值；当该温度差值界于上下限之间时，以原预设速度值进行补充，当大于该温度差值上限，以一预先决定的方法减少该预设速度值后输出该补充频率值；并且当该温度差值小于该温度差值下限，以一预先决定的方法增加该预设速度值后输出该补充频率值。依理论值计算，该预设工作温度与系统操作温度间的温度差值上限最高可为20℃，其温度差值下限最低可为-20℃。经实验测得，该燃料区温度与预设工作温度的温度差值在上限与下限各为10℃及-10℃时，仍可以稳健的进行浓度控制。

燃料补充控制单元215可进一步包含一环境温度侦测装置216，侦测该液态燃料电池所处环境的一环境温度值。燃料补充控制单元215接收该环境温度值，并视需要调整该预设工作温度值，以使其为高于该环境温度值5℃以上。

图3是逻辑判断机制的示意图。本发明所述液态燃料补充控制方法主要包括以下步骤：首先，由温度感测器量测温度信号；然后，进行A/D信号转换，将量测到的温度信号转换为数字信号；进而，判断温度差值(ΔT)的大小，根据该温度差值调整燃料补充量，即将该预设补充速度值增加或减少后产生一工作补充速度值；最后，将控制信号输出至操作泵(PUMP)，以根据该工作补充速度控制该燃料补充系统送出液态燃料的速度。

根据本发明所提供的方法及装置，可以简易地达成液态燃料系统中液态燃料浓度的控制。液态燃料电池放电时最明显且容易量测到的物理现象除了电流电压之外，就是系统温度的变化，只要量测系统中正在反应的燃料的温度值就可以知道现在系统的状态。本发明以量测到的燃料温度值当作控制参数，用来调整高浓度甲醇燃料补充量，进而使系统维持稳定运作。

本发明所述燃料电池液态燃料补充控制系统与液态燃料补充控制方法亦适用于一般具有阴极生成水回收系统及冷凝器的标准燃料电池系统。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

10、20：燃料电池系统

11、21：液态燃料补充控制系统

111、211：燃料电池组

112、212：泵

118、218：燃料区

117：浓度侦测装置

216：环境温度侦测装置

217：燃料区温度侦测装置

115、215：燃料补充控制单元

12、22：燃料补充系统

113、213：储存罐

114、214：液体输送装置

Claims (17)

1.一种燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，其控制一液态燃料电池系统的一燃料区中储存的一液态燃料的浓度，该液态燃料电池的液态燃料补充控制系统包括：

一预设工作温度值；

一燃料电池系统温度侦测装置，其侦测该液态燃料电池系统的一系统温度值；

一燃料补充系统，其包括一储存罐以及一液体输送装置，该液体输送装置将该储存罐中储存的高浓度液态燃料送出至该燃料区以调整该燃料区浓度；以及

一燃料补充控制单元，其有一预设燃料补充速度；该燃料补充控制单元根据该系统温度值与该预设工作温度值计算出一温度差值，然后根据该温度差值将该预设补充速度值增加或减少后产生一工作补充速度值，再根据该工作补充速度控制该燃料补充系统送出液态燃料的速度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，该预设工作温度值范围介于30℃至80℃之间。

3.根据权利要求1所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，包括一环境温度侦测装置以侦测一环境温度值，该燃料补充控制单元调整该预设工作温度值为较该环境温度值高5℃以上。

4.根据权利要求1所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，预设燃料补充速度设定为预设的燃料电池输出电流量所需的燃料量的1至7倍。

5.根据权利要求1或3所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，当该温度差值大于一温度差值上限，该燃料补充控制单元减少该预设速度值后产生该工作补充速度值；并且当该温度差值小于一温度差值下限，该燃料补充控制单元增加该预设速度值后产生该工作补充速度值。

6.根据权利要求5所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，该温度差值上限为小于20℃。

7.根据权利要求6所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，该温度差值上限为10℃。

8.根据权利要求5所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，该温度差值下限为大于-20℃。

9.根据权利要求8所述的燃料电池液态燃料补充控制系统，其特征在于，该温度差值下限为-10℃。

10.一液态燃料补充控制方法，其特征在于，其利用一燃料补充系统中一液体输送装置及储存高浓度液态燃料的一储存罐，调整一液态燃料电池系统的一燃料区中储存的液态燃料的浓度；该液态燃料补充控制方法包括：

设定一预设补充速度值；

设定一预设工作温度值；

侦测该液态燃料电池系统的一系统温度值；

根据该预设工作温度值及该系统温度值计算一温度差值，然后根据该温度差值将该预设补充速度值增加或减少后产生一工作补充速度值，再根据该工作补充速度调整液体输送装置传送液态燃料至该燃料区的速度。

11.根据权利要求10所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，包括侦测一环境温度值，并设定预设工作温度值较环境温度高5℃以上。

12.根据权利要求10所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，进一步设定该预设燃料补充速度为预设的燃料电池输出电流量所需的燃料量的1至7倍。

13.根据权利要求10或11所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，进一步包括：

设定一温度差值上限值及一温度差值下限值；

当该温度差值界于该温度差值上下限内时，不进行工作补充速度值的调整。

14.根据权利要求13所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，该温度差值上限小于20℃。

15.根据权利要求14所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，该温度差值上限为10℃。

16.根据权利要求13所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，该温度差值下限大于-20℃。

17.根据权利要求16所述的液态燃料补充控制方法，其特征在于，该温度差值下限为-10℃。

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