TWI535102B - 直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法 - Google Patents

直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法 Download PDF

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Description

直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法
本發明是有關於一種直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell，簡稱DMFC)系統的放電程序之控制方法，且特別是有關於一種直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法。
直接甲醇燃料電池的反應式如下：陽極：CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
陰極：3/2 O2+6H++6e- → 3H2O
反應時，陽極的甲醇與水必須維持適當濃度，理論上是1莫耳：1莫耳，但因受限於電解質膜無法阻擋如此高濃度的甲醇水溶液穿透(crossover)至陰極，因此在傳統的燃料電池系統中，陰極會使用冷凝器收集陰極水，再將所收集到的陰極水送回陽極端的燃料混合槽、並搭配燃料濃度偵測器、燃料循環泵浦與高濃度甲醇補充泵浦(pump)等元件，控制陽極區的甲醇水溶液濃度。
近年來所發展出的陰極被動式回水方法，是透過控制陰極濕度，營造陰、陽極水濃度梯度的差異，使陰極水經由電解質膜滲回陽極再利用的方式。在這類型的燃料電池系統中，陰極端不需要冷凝器等回收水元件，陽極端也不需燃料混合槽等複雜元件，僅需使用一微量泵浦，適時適量的供應陽極端高濃度甲醇，因此是否適時且適量的供應 甲醇燃料，將會直接影響系統運作的穩定性。
本發明提供一種直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，使系統得以穩定運作。
本發明提出一種直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法。上述燃料電池系統至少包括燃料電池、位於燃料電池的陰極端的陰極保濕層、位於燃料電池的陽極端的燃料分配單元、控制單元、液態燃料補充元件、燃料儲存區與溫度感測元件，其中所述液態燃料補充元件接受控制單元的控制而將燃料儲存區的甲醇燃料送往燃料分配單元進而分配至燃料電池，溫度感測元件是用以量測燃料電池的實際溫度。所述陽極燃料補充控制方法包括利用上述控制單元調整液態燃料補充元件所提供的燃料補充量。所述燃料補充量為基本補充量與溫度修正補充量之和。所述基本補充量為燃料電池的實際放電電流的函數。所述溫度修正補充量為燃料電池的實際溫度與目標溫度之差值的函數。
在本發明之一實施例中，上述溫度修正補充量與上述差值為非線性的反比關係，並以差值的n次方的多項式來表示，其中n3。
在本發明之一實施例中，上述溫度修正補充量還包括燃料電池的實際溫度變化斜率之參數。
在本發明之一實施例中，上述控制方法還包括：於燃 料電池與燃料分配單元之間設置陽極燃料均勻層，以均勻分散甲醇燃料。
在本發明之一實施例中，上述燃料分配單元至少有一個入口接收甲醇燃料，並至少有兩個出口將甲醇燃料送至燃料電池。
在本發明之一實施例中，上述陰極保濕層的材料包括金屬、陶瓷或高分子聚合物，並以陰極保濕層的開孔率決定上述陰極保濕層的透氣。
在本發明之一實施例中，上述陰極保濕層的開孔率例如介於0.5%~21%之間。
在本發明之一實施例中，上述控制方法還包括：預設所述溫度修正補充量的上限值。
在本發明之一實施例中，上述控制方法還包括：預設所述溫度修正補充量的下限值。
基於上述，本發明的控制方法除考量溫度的影響，還加上與燃料電池的實際放電電流相關的基本補充量，因此能使燃料電池溫度與電流更為穩定。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為本案一實施例之燃料電池系統的方塊圖。請參照圖1A，燃料電池系統100至少包括燃料電池102、位於燃料電池102的陰極端的陰極保濕層104、位於燃料電 池102的陽極端的燃料分配單元106、控制單元108、液態燃料補充元件110、燃料儲存區112與溫度感測元件114。液態燃料補充元件110可以接受控制單元108的控制，將燃料儲存區112的甲醇燃料送往燃料分配單元106，燃料分配單元106透過內部流道將甲醇燃料分配至燃料電池102。至於溫度感測元件114是用來量測燃料電池102的實際溫度，並可供控制單元108作控制的依據。
上述陰極保濕層104的作用是可控制反應後燃料電池102的陰極產生水的蒸發速率，使陰極區域的水可經質子傳導膜擴散至陽極區域，供燃料電池102的陽極反應使用。陰極保濕層104的材料諸如金屬、陶瓷或高分子聚合物等阻氣材料。陰極保濕層104如能維持適當的透氣度，即可適當控制陰極水氣離開與保留的比例，並讓燃料電池102的陰極反應所需氧氣可以進入。舉例來說，可以使用開孔率的方式決定陰極保濕層104的透氣度，例如使其開孔率介於0.5%~21%之間，在本實施例的陰極保濕層104的開孔率例如約為5%左右。陰極保濕層104的厚度則例如是介於10 μm~5 mm之間，在本實施例的厚度例如約為200 μm。
在詳細描述控制方法之前，本實施例的燃料電池系統100還有其他例子，請見圖1B。在圖1B中，於燃料電池102與燃料分配單元106之間還可設置陽極燃料均勻層116，因此燃料分配單元106所傳送的甲醇燃料可以經過陽極燃料均勻層116再次均勻分散。陽極燃料均勻層116例 如具有親燃料的特性，意即，陽極燃料均勻層116與甲醇燃料之接觸角小於90度。所謂的「親燃料」不等同於「親水」，因為有些材料對甲醇的接觸角小於90度，但是對水之接觸角可能會大於90度。上述陽極燃料均勻層116之材料例如是不織布、織布、紙類、泡綿、高分子聚合物等親燃料材料。此外，上述陽極燃料均勻層116也可選擇增設於燃料分配單元106內，以均勻分散甲醇燃料。
圖1A與圖1B的燃料分配單元106都是屬於單方向傳送甲醇燃料至燃料電池102，但本發明並不限於此。由燃料電池102、陰極保濕層104、燃料分配單元106與陽極燃料均勻層116構成的結構也可改用圖2所示的構造。
圖2是本案另一實施例之燃料電池組的剖面示意圖。在圖2中，燃料電池組200同樣包含燃料電池202a~b、燃料分配單元204、陰極保濕層206a~b與陽極燃料均勻層208a~b，不過其中的燃料分配單元204是傳送陽極燃料至其上下兩面的燃料電池202a~b。在燃料分配單元204至少有一個入口210接收甲醇燃料，並至少有兩個出口212a、212b將甲醇燃料送至燃料電池202a~b，圖中是以虛線表示燃料分配單元204中的流道，流道內可填充如毛細材料或是其他適合之材質的填充材料。譬如使用與甲醇燃料的接觸角小於90度之填充材料，意即，填充材料具有親燃料的特性。
圖2的燃料電池組200可直接置換至圖1B的相關構件，而且如果燃料分配單元204本身即可將燃料均勻分 配，亦可省略其中的陽極燃料均勻層208a~b。
無論是上述圖1A、圖1B或使用圖2的燃料電池組，均可採行本案的直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法。以下將詳細說明利用控制單元108調整液態燃料補充元件110所提供的燃料補充量的直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法。
本案所述的燃料補充量為基本補充量與溫度修正補充量之和。
上述基本補充量為燃料電池的實際放電電流的函數，其可以是每次時間區間內的放電電流，積分計算而得之燃料需求量，如下式(1)。
在式(1)中，c1為一常數值，其值可以由膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)面積大小與串聯片數來決定，一般而言，MEA的面積愈大、串聯片數愈多則c1值愈大；n則是時間區間的代號，n0。
根據上述基本補充量對圖1的燃料電池系統進行陽極燃料補充控制，即得到如圖3的燃料補充示意圖，圖3僅示意基本補充量的部分，尚未包括溫度修正補充量的部分。
至於溫度修正補充量是燃料電池的實際溫度與目標溫度之差值的函數。燃料電池的操作溫度若太低輸出功率會太小，溫度太高則可能浪費過多燃料易造成內阻失控，因此為了讓燃料電池穩定運作，通常會設定一燃料電池系統的操作目標溫度，而此目標溫度可以是一定值，也可以依 環境溫度的不同而改變。上述溫度修正補充量能控制燃料電池實際溫度(Tc)趨近於希望的目標溫度(Tg)。
本案所述的燃料補充量中的溫度修正補充量可以下式(2)表示。
溫度修正補充量=c2×g(△T) (2)
在式(2)中，c2是一常數，可依系統實際需求而定；g(△T)為預設補充量，請參考圖4中的曲線(即預設補充量)，控制單元108可以依照橫座標(Tc-Tg)的值，來決定該補充時機的預設補充量。預設補充量g(△T)與(Tc-Tg)為非線性的反比關係，且g(△T)可用(Tc-Tg)的n次方多項式來表示，其中n3。這樣的預設補充量設計可以讓燃料電池實際溫度Tc過低時，快速提升溫度，並控制Tc漸漸趨近於目標溫度，並且在Tc溫度過高時，減少預設補充量使Tc下降。因此，溫度修正補充量與上述差值(Tc-Tg)也是非線性的反比關係，並以差值的n次方的多項式來表示，其中n3。另外，為避免甲醇燃料的補充量過多或過少，可預設上述溫度修正補充量的上限值以及/或者下限值。
由於本案所述的燃料補充量除上述溫度修正補充量之外還有基本補充量，所以溫度修正補充量本身可為負值。基本補充量也能減小溫度修正補充量所造成的溫度與輸出功率震盪。兩者之間的配合，達到使燃料電池穩定操作的目的。
除了上述控制方法，溫度修正補充量還可考慮燃料電池的實際溫度變化的斜率來作調整。換言之，溫度修正補 充量可加上燃料電池的實際溫度變化斜率之參數，以因應燃料電池實際溫度(Tc)增溫過快或過慢的情形發生。
如圖5所示，縱座標為預設Tc變化斜率值，該曲線h(△T)為預設之Tc斜率，亦即燃料電池在該(Tc-Tg)的溫度條件下，預設的Tc上升或下降的速度。而控制單元108可以量測某時間區間的實際溫度變化斜率，即dTc/dt，並計算(預設Tc斜率-實際Tc斜率)的值，即下式(3)右側之[h(△T)-(dTc/dt)]，透過此計算值對溫度修正補充量進行調整。
下式(3)表示燃料補充量中的溫度修正補充量。
在式(3)中，c2與g(△T)如同式(2)所敘述；h(△T)是預設Tc變化斜率值；dTc/dt是實際Tc變化斜率值；c3為一常數。
以下列舉幾個實驗例以對本發明進行更詳盡的說明。應注意，下文中各實驗例之數據僅是用來說明本案所提出的控制方法的測試效果，並非用以限定本發明之範圍。
實驗例1
燃料電池定電壓輸出的實際測試結果在圖6A與圖6B。圖6A是以類似WO 2010013711專利提出的方式進行燃料補充。圖6B則是以本案的同時包含基本補充量與溫度修正補充量之燃料補充量，進行陽極燃料補充的效果。
比較圖6A與圖6B可知，關於溫度(Tc)與電流(I)的震 盪幅度，都是本案的方法較為緩和。
實驗例2
實驗例2是改變環境溫度(Tr)與目標溫度(Tg)，其餘測試條件以及控制方法與上一實驗例的圖6B相同。實際測試結果顯示在圖7。
從圖7可知，當環境溫度(Tr)與目標溫度(Tg)變動下，本案的方法同樣能穩定燃料電池的實際溫度(Tc)。
實驗例3
實驗例3是低溫的環境溫度(約10℃)下實際測試的結果，請見圖8A。從圖8A可知，當環境溫度低時，本案的方法同樣能穩定燃料電池的實際溫度(Tc)。
實驗例4
實驗例4是環境溫度(Tr)約43℃時實際測試的結果，請見圖8B。從圖8B可知，當環境溫度高時，本案的方法同樣能穩定燃料電池的實際溫度(Tc)。
綜上所述，本發明的直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，由於將燃料電池實際放電電流的函數(基本補充量)也包含到燃料補充量，所以能減小溫度修正補充量所造成的溫度與輸出功率震盪，進而使直接甲醇燃料電池系統得以穩定運作。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧燃料電池系統
102、202a、202b‧‧‧燃料電池
104、206a、206b‧‧‧陰極保濕層
106、204‧‧‧燃料分配單元
108‧‧‧控制單元
110‧‧‧液態燃料補充元件
112‧‧‧燃料儲存區
114‧‧‧溫度感測元件
116、208a、208b‧‧‧陽極燃料均勻層
200‧‧‧燃料電池組
210‧‧‧入口
212a、212b‧‧‧出口
圖1A為本案一實施例之燃料電池系統的方塊圖。
圖1B是圖1A的燃料電池系統的另一例的方塊圖。
圖2是本案另一實施例之燃料電池組的剖面示意圖。
圖3是根據基本補充量對圖1的燃料電池系統進行陽極燃料補充控制的曲線圖。
圖4顯示預設補充量與差值(Tc-Tg)之間關係的曲線圖。
圖5顯示電池實際溫度變化斜率值與差值(Tc-Tg)之間關係的曲線圖。
圖6A是實驗例1中以類似WO 2010013711專利提出的方式實際測試的結果。
圖6B是實驗例1中以本案的陽極燃料補充控制方法實際測試的結果。
圖7是實驗例2之環境溫度與目標溫度變動下實際測試的結果。
圖8A是實驗例3之低溫的環境溫度下實際測試的結果。
圖8B是實驗例4之高溫的環境溫度下實際測試的結果。

Claims (8)

  1. 一種直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，該燃料電池系統至少包括燃料電池、位於該燃料電池的陰極端的陰極保濕層、位於該燃料電池的陽極端的燃料分配單元、控制單元、液態燃料補充元件、燃料儲存區與溫度感測元件，其中該液態燃料補充元件接受該控制單元的控制，將該燃料儲存區的甲醇燃料送往該燃料分配單元進而分配至該燃料電池，該溫度感測元件是用以量測該燃料電池的實際溫度，所述陽極燃料補充控制方法包括：利用該控制單元調整該液態燃料補充元件所提供的燃料補充量，該燃料補充量為基本補充量與溫度修正補充量之和，其中該基本補充量為該燃料電池的實際放電電流的函數；以及該溫度修正補充量為該燃料電池的該實際溫度與目標溫度之差值的函數，且當該實際溫度大於該目標溫度，該溫度修正補充量可以為負值，其中該溫度修正補充量與該差值為非線性的反比關係，並以該差值的n次方的多項式來表示，其中n3。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，其中該溫度修正補充量更包括該燃料電池的該實際溫度變化斜率之參數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，更包括：於該燃料電池與 該燃料分配單元之間設置陽極燃料均勻層，以均勻分散該甲醇燃料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，其中該燃料分配單元至少有一個入口接收該甲醇燃料，並至少有兩個出口將該甲醇燃料送至該燃料電池。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，其中該陰極保濕層的材料包括金屬、陶瓷或高分子聚合物，以該陰極保濕層的開孔率決定該陰極保濕層的透氣度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，其中該陰極保濕層的該開孔率介於0.5%~21%之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，更包括預設該溫度修正補充量的上限值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池系統的陽極燃料補充控制方法，更包括預設該溫度修正補充量的下限值。
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