[发明专利]直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell，简称DMFC)系统的放电程序的控制方法，且特别是有关于一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。

背景技术

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，阳极的甲醇与水必须维持适当浓度，理论上是1摩尔：1摩尔，但因受限于电解质膜无法阻挡如此高浓度的甲醇水溶液穿透(crossover)至阴极，因此在传统的燃料电池系统中，阴极会使用冷凝器收集阴极水，再将所收集到的阴极水送回阳极端的燃料混合槽、并搭配燃料浓度侦测器、燃料循环泵与高浓度甲醇补充泵(pump)等元件，控制阳极区的甲醇水溶液浓度。

近年来所发展出的阴极被动式回水方法，是通过控制阴极湿度，营造阴、阳极水浓度梯度的差异，使阴极水经由电解质膜渗回阳极再利用的方式。在这类型的燃料电池系统中，阴极端不需要冷凝器等回收水元件，阳极端也不需燃料混合槽等复杂元件，仅需使用一微量泵，适时适量的供应阳极端高浓度甲醇，因此是否适时且适量的供应甲醇燃料，将会直接影响系统运作的稳定性。

发明内容

本发明提供一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法，使系统得以稳定运作。

本发明提出一种直接甲醇燃料电池系统的阳极燃料补充控制方法。上述燃料电池系统至少包括燃料电池、位于燃料电池的阴极端的阴极保湿层、位于燃料电池的阳极端的燃料分配单元、控制单元、液态燃料补充元件、燃料储存区与温度感测元件，其中所述液态燃料补充元件接受控制单元的控制而将燃料储存区的甲醇燃料送往燃料分配单元进而分配至燃料电池，温度感测元件是用以量测燃料电池的实际温度。所述阳极燃料补充控制方法包括利用上述控制单元调整液态燃料补充元件所提供的燃料补充量。所述燃料补充量为基本补充量与温度修正补充量的和。所述基本补充量为燃料电池的实际放电电流的函数。所述温度修正补充量为燃料电池的实际温度与目标温度的差值的函数。

在本发明的一实施例中，上述温度修正补充量与上述差值为非线性的反比关系，并以差值的n次方的多项式来表示，其中n≥3。

在本发明的一实施例中，上述温度修正补充量还包括燃料电池的实际温度变化斜率的函数。

在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括：于燃料电池与燃料分配单元之间设置阳极燃料均匀层，以均匀分散甲醇燃料。

在本发明的一实施例中，上述燃料分配单元至少有一个入口接收甲醇燃料，并至少有两个出口将甲醇燃料送至燃料电池。

在本发明的一实施例中，上述阴极保湿层的材料包括金属、陶瓷或高分子聚合物，并以阴极保湿层的开孔率决定上述阴极保湿层的透气。

在本发明的一实施例中，上述阴极保湿层的开孔率例如介于0.5%～21%之间。

在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括：预设所述温度修正补充量的上限值。

在本发明的一实施例中，上述控制方法还包括：预设所述温度修正补充量的下限值。

基于上述，本发明的控制方法除考量温度的影响，还加上与燃料电池的实际放电电流相关的基本补充量，因此能使燃料电池温度与电流更为稳定。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明一实施例的燃料电池系统的方块图。

图1B是图1A的燃料电池系统的另一例的方块图。

图2是本发明另一实施例的燃料电池组的剖面示意图。

图3是根据基本补充量对图1的燃料电池系统进行阳极燃料补充控制的曲线图。

图4显示预设补充量与差值(Tc-Tg)之间关系的曲线图。

图5显示电池实际温度变化斜率值与差值(Tc-Tg)之间关系的曲线图。

图6A是实验例1中以现有技术（类似WO 2010013711专利）提出的方式实际测试的结果。

图6B是实验例1中以本发明的阳极燃料补充控制方法实际测试的结果。

图7是实验例2的环境温度与目标温度变动下实际测试的结果。

图8A是实验例3的低温的环境温度下实际测试的结果。