[发明专利]燃料浓度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种燃料浓度测量装置及方法，且特别是关于一种简单 且精确度高的燃料浓度测量装置及方法。

背景技术

随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高， 由于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源， 而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。

简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转 换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由一薄膜电 极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及二电极板所构成。薄膜电 极组是由一质子传导膜(proton exchange membrane)、一阳极触媒层、一阴极 触媒层、一阳极气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)以及一阴极气体扩散 层所构成。其中，上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置在质子传导膜 的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极 触媒层之上。另外，二电极板包括一阳极与一阴极，其分别配置于阳极气 体扩散层与阴极气体扩散层之上。

目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给 来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的 反应式如下：

阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O

反应时，导入阳极的甲醇溶液的浓度会对直接甲醇燃料电池的输出稳 定度造成很大的影响。若导入阳极的甲醇溶液的浓度控制不当，除了会造 成发电效率不佳、输出功率不稳定等缺点外，更容易造成薄膜电极组的损 坏。因此，如何适当的补充甲醇，使导入阳极的甲醇溶液的浓度能够被控 制在最合适的范围内，是目前直接甲醇燃料电池在研发上相当重要的课题 之一。

控制燃料电池中的燃料浓度最直接的方式就是利用传感器直接测量燃 料的浓度，并依照测量的结果来决定燃料以及水的补充量。此种作法已于 US 6,589,671B1、US 6,488,837、US 2002/076589A1、US 2003/0196913A1、 WO 01/35478等文献中公开。其中，US 6,488,837与US 2003/0196913A1 公开了以薄膜电极组作为传感器，以直接测量甲醇的浓度。值得注意的是， 上述方法的精确度容易受到燃料中的杂质、薄膜电极组老化或不稳定等因 素影响。

亦有传统技术将所测量到的温度与电流值带入经验公式中以推算出燃 料浓度，如US 6,698,278B2，此种作法不需使用到传感器直接测量燃料浓 度，但是必须根据不同的燃料电极系统进行调整，方可推算出可能的燃料 浓度。其他不需使用到传感器直接测量燃料浓度的方式如US 6,589,679以 及TW 94119975所述。

此外，由于甲醇溶液的浓度与其物理特性相关，如声音在甲醇溶液中 的传递速度以及燃料的介电常数或密度等有着特定的关系，因此有许多传 统技术利用测量声音在甲醇溶液中的传递速度来推算出甲醇溶液的浓度， 或是测量介电常数或密度来推算浓度如TWI 251954。但是，此种浓度推算 方式所使用的传感器造价十分昂贵，或是精准度受燃料内的气泡影响严重， 因此测量时，传感器内部的液体必须静止且无气泡，测量的难度颇高。

综观上述的浓度测量方法，普遍有测量不易、测量成本高、测量精确 度不稳定等问题。因此，目前业界亟需一种简单且精确度高的燃料浓度测 量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种制造成本低且测量稳定性高的燃料浓度测 量装置。

本发明另提供一种简单、成本低且测量稳定性高的燃料浓度测量方法。

本发明提出一种燃料浓度测量装置，其包括一触媒层、一扩散层、一 燃料室、一反应气体室以及一传感器。扩散层与触媒层连接，燃料室适于 容纳待测燃料，且扩散层位于燃料室与触媒层之间。反应气体室适于容纳 反应气体，触媒层位于反应气体室与扩散层之间，而燃料室内的待测燃料 经由扩散层扩散至触媒层中，且待测燃料与反应气体在触媒层中进行燃烧 反应，以消耗反应气体室内的反应气体并产生一产物气体。传感器配置于 反应气体室上，以测量反应气体室内的反应气体或产物气体的浓度。