TWI403019B - Fuel concentration detection method for fuel cell device, and fuel cell device thereof - Google Patents

Description

用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法及其燃料電池裝置

本發明係關於一種燃料濃度偵測方法，特別是關於一種用於燃料電池的燃料濃度偵測方法。

習知直接甲醇燃料電池裝置乃會設置甲醇濃度感測器，隨時監控甲醇濃度值。然而目前市售的高精準度與高穩定度的甲醇濃度感測器價格過高，如此使得習知直接甲醇燃料電池裝置的製造成本無法大幅降低。

美國專利早期公報US2007/0275274A1「用於直接甲醇燃料電池的計算燃料濃度方法(METHOD OF CALCULATING FUEL CONCENTRATION IN DIRECT METHANOL FUEL CELL)」乃揭露利用插值計算手段來計算出當時燃料的濃度。US2007/0275274A1能夠在不使用甲醇濃度感測器的操作環境下，利用直接甲醇燃料電池的電流、電壓與溫度等三項物理參數，而計算獲得當時燃料的濃度。

本發明發明人有鑑於用來習知燃料電池裝置的燃料濃度偵測手段仍有改善之空間，因而亟思發明改良，而改良一種用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，用以改善上述缺失。

本發明目的在於提供一種用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，可降低燃料濃度偵測手段的製造成本。

為達上述之目的，本發明提供一種用於燃料電池裝置提升燃料濃度偵測的方法，其中燃料電池裝置係至少包含一個以上的發電單元。第一步驟是提供測定範圍位在第一下限燃料濃度值的第一濃度感測器，以及提供測定範圍位在第一上限燃料濃度值的第二濃度感測器，其中該第一濃度感測器與該第二濃度感測器係用來偵測注入至該些發電單元的燃料的濃度。第二步驟是提供測定範圍介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的免感測器(Concentration Sensorless)的濃度演算裝置，其中濃度演算裝置係用來偵測該燃料的濃度，其中第一下限燃料濃度值<第二下限燃料濃度值<第二上限燃料濃度值<第一上限燃料濃度值。

為使　貴審查委員對本發明之構造、特徵及其使用功效有更深一層的認識與瞭解，茲舉較佳之可行實施例並配合圖式詳細說明如下：

第一圖係顯示本發明用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法的流程圖，第二圖係顯示本發明燃料電池裝置的架構圖。本發明燃料濃度偵測方法10乃是應用於燃料電池裝置20。燃料電池裝置20乃至少包含一個以上的發電單元201，該些發電單元201是用來將輸入其內的燃料，經由電化學反應而產生電力。每個發電單元201是至少由一個陰極(Cathode)201a、一個陽極(Anode)201b以及一個質子交換膜201c所組成。發電單元201的具體範例乃可直接採行相關習知技藝，例如習知直接甲醇燃料電池(DMFC)的膜電極組(MEA)。本發明燃料濃度偵測方法10乃包括步驟101與步驟103，茲分別說明如下內文。

為了配合步驟(101)的執行，在燃料電池裝置20內部的適當位置，乃設置一個第一濃度感測器203a與一個第二濃度感測器203b。濃度感測器203a、203b的功能是用來偵測注入該些發電單元201的燃料的濃度，而控制單元205能夠接收到濃度感測器203a、203b產生的燃料濃度訊號。

步驟(101)乃提供測定範圍位在第一下限燃料濃度值的第一濃度感測器203a，以及提供測定範圍位在第一上限燃料濃度值的第二濃度感測器203b，而第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b係用來偵測注入至該些發電單元201的燃料的濃度。

茲舉以燃料電池裝置20係實施成直接甲醇燃料電池裝置的範例做為說明。注入於直接甲醇燃料電池裝置20的該些發電單元201的燃料濃度，其最好是能夠維持在4v%至6v%之間。但是，注入於該些發電單元201的燃料其濃度如果發生過高或過低的情況時，此時過高或過低濃度的燃料則會損壞該些發電單元201，或是使得該些發電單元201的發電效率下降。第一濃度感測器203a的主要功能是用來偵測燃料濃度是否過低，而第二濃度感測器203b的主要功能是用來偵測燃料濃度是否過高。在直接甲醇燃料電池裝置20的範例中，第一下限燃料濃度值的範例值可以選擇為2v%，或是臨近於2v%的數值，來做為過低燃料濃度的門檻值；而第一上限燃料濃度值的範例值可以選擇為8v%，或是臨近於8v%的數值，來做為過高燃料濃度的門檻值。

由於第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b的測定範圍，分別只針對燃料的第一下限燃料濃度值與第一上限燃料濃度值，因此第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b可以使用製造成本低廉的濃度感測器。

步驟(103)提供測定範圍介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的免感測器(Concentration Sensorless)的濃度演算裝置206，而濃度演算裝置206係用來偵測燃料的濃度，以及第一下限燃料濃度值<第二下限燃料濃度值<第二上限燃料濃度值<第一上限燃料濃度值。

為了配合步驟(103)的執行，該些發電單元201乃設置溫度感測器202以及電氣物理參數測量計204(例如電流計、電壓計)。

承續上述直接甲醇燃料電池裝置20的範例，濃度演算裝置206是用來偵測注入於該些發電單元201的燃料的濃度。本發明濃度演算裝置206的實施手段並不是採用實體的燃料濃度感測器，而是採用一種計算程序，經由輸入複數個有關於直接甲醇燃料電池裝置20運作當時的物理性值參數給該計算程序，然後該計算程序即計算出當時燃料的濃度。

本發明濃度演算裝置206的濃度測定範圍，乃會涵蓋到介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的濃度。在直接甲醇燃料電池裝置20的範例中，第二下限燃料濃度值的範例值可以選擇為4v%；而第二上限燃料濃度值的範例值可以選擇為6v%。

濃度演算裝置206的實施手段可以採用習知相關手段，例如美國專利早期公報US2007/0275274A1「用於直接甲醇燃料電池的計算燃料濃度方法(METHOD OF CALCULATING FUEL CONCENTRATION IN DIRECT METHANOL FUEL CELL)」。請參見第三圖，為了進行利用插值計算手段來計算出當時燃料的濃度，濃度演算裝置206乃會事先建立一個燃料濃度數據資料庫，燃料濃度數據資料庫乃至少包含介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的所有用來插值計算的數據。本發明可利用上述習知US2007/0275274A1所揭露的技藝，利用電流、電壓與溫度等三項物理參數來建立等濃度曲面206a、206b、206c、206d，而等濃度曲面206a、206b、206c、206d可以被轉換成對應的燃料濃度數據資料庫。

請參見第四圖，曲線C5乃是代表燃料的實際濃度，曲線C6乃是代表利用本發明燃料濃度偵測方法10所測量到的燃料濃度，直線C4乃是代表第一上限燃料濃度值，直線C1乃是代表第一下限燃料濃度值，虛線C2與虛線C3是乃是分別代表第二上限燃料濃度值與第二下限燃料濃度值。在時間T₁ 時，第一濃度感測器203a測量到的濃度乃會傳送給控制單元205，在時間T₂ 時，第二濃度感測器203b測量到的濃度乃會傳送給控制單元205，因此，控制單元205便能夠立即獲知在時間T₁ 當時燃料的實際濃度已發生過低濃度狀態，以及在時間T₂ 當時燃料的實際濃度已發生過高濃度狀態。

控制單元205接收溫度感測器202以及電氣物理參數測量計204等所測量的當時溫度T、當時所產生的電流I與電壓V等物理參數，然後，控制單元205命令濃度演算裝置206開始執行，接著，濃度演算裝置206會依據該些物理參數，依據燃料濃度數據資料庫，插值計算出當時燃料的濃度值。曲線C6即為經由濃度演算裝置206插值計算所獲得的燃料濃度。

再者，濃度演算裝置206的燃料濃度數據資料庫，乃可以再擴充數據範圍，使其插值計算能力，能夠涵蓋到小於且接近於第一上限燃料濃與大於且接近於第一下限燃料濃度的範圍之間。

上述控制單元205可採用數據處理器(DSP)或是控制器(Controller)。上述濃度演算裝置206可採用成韌體(Firmware)。

本發明的第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b的上下限濃度偵測功能，可用來保護利用濃度插值計算手段所獲得的燃料濃度值其可能產生誤差，而這誤差發生時機可能會出現在實際濃度過低或過高的情形上，例如發生在第四圖的時間T₁ 與時間T₂ 。

再者，第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b係可以採用整合成單顆的濃度感測器，這單顆濃度感測器乃具備第一濃度感測器203a與第二濃度感測器203b的功能。

本發明在燃料電池裝置內設置兩個低成本的燃料濃度感測器，以及一個免感測器的濃度演算裝置，來大幅降低濃度感測手段的製造成本，此項即為即為本發明優點及功效顯著增進所在。

由以上之實施例可知，本發明所提供之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法及其燃料電池裝置確實具有產業上之利用價值，故本發明業已符合於專利之要件。惟以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。

10．．．燃料濃度偵測方法

101．．．步驟

103．．．步驟

20．．．燃料電池裝置

201．．．發電單元

201a．．．陰極

201b．．．陽極

201c．．．質子交換膜

202．．．溫度感測器

203a．．．第一濃度感測器

203b．．．第二濃度感測器

204．．．電氣物理參數測量計

205．．．控制單元

206．．．燃料濃度演算裝置

206a~206d．．．曲面

第一圖係顯示本發明用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法的流程圖。

第二圖係顯示本發明燃料電池裝置的架構圖。

第三圖係顯示本發明燃料濃度演算裝置的等濃度曲面圖。

第四圖係顯示運作中的本發明燃料電池裝置所測量的燃料濃度變化曲線範例圖。

10．．．燃料濃度偵測方法

101~103．．．步驟

Claims (15)

1. 一種用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該燃料電池裝置係至少包含一個以上的發電單元，該包括下列步驟：A.提供測定範圍位在第一下限燃料濃度值的一第一濃度感測器，以及提供測定範圍位在第一上限燃料濃度值的一第二濃度感測器，其中該第一濃度感測器與該第二濃度感測器係用來偵測注入至該些發電單元的燃料的濃度；B.提供測定範圍至少包含介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的免感測器(Concentration Sensorless)的一濃度演算裝置，其中該濃度演算裝置係用來偵測該燃料的濃度，其中該第一下限燃料濃度值<該第二下限燃料濃度值<該第二上限燃料濃度值<該第一上限燃料濃度值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該濃度演算裝置，係用於當該燃料的濃度係介於該第一下限燃料濃度值與第一上限燃料濃度值之間時，該濃度演算裝置才會去執行計算，以獲得當時該燃料的濃度值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該濃度演算裝置，係用來依據該些發電單元當時的至少一項電氣物理參數、該些發電單元當時的溫度，計算出當時該燃料的濃度值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該至少一項電氣物理參數，係包含該些發電單元 當時的電流值、該些發電單元當時的電壓值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該些發電單元，係至少包含：一陽極、一陰極、以及位於該陽極與該陰極之間的質子交換膜。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該燃料，係甲醇溶液。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該第一下限燃料濃度值與該第一上限燃料濃度值，係分別為2V%與8V%。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該第二下限燃料濃度值與該第二上限燃料濃度值，係分別為4V%與6V%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池裝置的燃料濃度偵測方法，其中該第一濃度感測器與該第二濃度感測器，係一整合成單顆的濃度感測器。
10. 一種燃料電池裝置，包括：一至少一個以上的發電單元，係用於將注入其內的燃料經由電化學反應而產生電力；一溫度感測器，係用於測量該些發電單元的溫度；一電氣物理參數測量計，係用於測量該些發電單元的至少一項電氣物理參數；一測定範圍位在第一下限燃料濃度值的一第一濃度感測器，其中該第一濃度感測器係用來偵測該燃料的濃度；一測定範圍位在第一上限燃料濃度值的一第二濃度感測器，其中該第二濃度感測器係用來偵測該燃料的濃度；一測定範圍至少包含介於第二下限燃料濃度值與第二上限燃料濃度值之間的免感測器(Concentration Sensorless)的一濃度演算裝置，其中該濃度演算裝置係用來依據該該些電氣物理參數與該溫度，計算出當時該燃料的濃度值，其中該第一下限燃料濃度值<該第二下限燃料濃度值<該第二上限燃料濃度值<該第一上限燃料濃度值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池裝置，其中該些電氣物理參數，係包含電流值、電壓值。
12. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池裝置，其中該發電單元，係至少包含：一陽極、一陰極、以及位於該陽極與該陰極之間的質子交換膜。
13. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池裝置，其中該第一下限燃料濃度值與該第一上限燃料濃度值，係分別為2V%與8V%。
14. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池裝置，其中該第二下限燃料濃度值與該第二上限燃料濃度值，係分別為4V%與6V%。
15. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池裝置，其中該第一濃度感測器與該第二濃度感測器，係一整合成單顆的濃度感測器。