專利名稱：燃料濃度測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種燃料濃度測量裝置及方法，且特別是關(guān)于一種簡單且精確度高
的燃料濃度測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的進步，傳統(tǒng)能源如煤、石油及天然氣的消耗量持續(xù)升高，由于天然能源 的存量有限，因此必須研發(fā)新的替代能源以取代傳統(tǒng)能源，而燃料電池便是一種重要且具 實用價值的選擇。 簡單來說，燃料電池基本上是一種利用水電解的逆反應(yīng)而將化學能轉(zhuǎn)換成電能的 發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池來說，其主要是由一薄膜電極組(membrane electrode assembly,簡稱MEA)及二電極板所構(gòu)成。薄膜電極組是由一質(zhì)子傳導(dǎo)膜(proton exchange membrane)、一陽極觸媒層、一陰極觸媒層、一陽極氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL) 以及一陰極氣體擴散層所構(gòu)成。其中，上述的陽極觸媒層與陰極觸媒層分別配置在質(zhì)子傳 導(dǎo)膜的兩側(cè)，陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層分別設(shè)置在陽極觸媒層與陰極觸媒層之 上。另外，二電極板包括一陽極與一陰極，其分別配置于陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層 之上。 目前業(yè)界常見的質(zhì)子交換膜燃料電池是直接甲醇燃料電池(DirectMethanol Fuel Cell,簡稱DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液當作燃料供給來源，并經(jīng)由甲醇與氧的相 關(guān)電極反應(yīng)來產(chǎn)生電流。直接甲醇燃料電池的反應(yīng)式如下
陽極CH30H+H20 — C02+6H++6e_
陰極3/202+6H++6e- — 3H20 反應(yīng)時，導(dǎo)入陽極的甲醇溶液的濃度會對直接甲醇燃料電池的輸出穩(wěn)定度造成很 大的影響。若導(dǎo)入陽極的甲醇溶液的濃度控制不當，除了會造成發(fā)電效率不佳、輸出功率不 穩(wěn)定等缺點外，更容易造成薄膜電極組的損壞。因此，如何適當?shù)难a充甲醇，使導(dǎo)入陽極的 甲醇溶液的濃度能夠被控制在最合適的范圍內(nèi)，是目前直接甲醇燃料電池在研發(fā)上相當重 要的課題之一。 控制燃料電池中的燃料濃度最直接的方式就是利用傳感器直接測量燃料的濃 度，并依照測量的結(jié)果來決定燃料以及水的補充量。此種作法已于US 6，589，671B1、 US 6，488，837、US 2002/076589 A1、US 2003/0196913 A1、W0 01/35478等文獻中公開。其中， US 6， 488， 837與US 2003/0196913 Al公開了以薄膜電極組作為傳感器，以直接測量甲醇 的濃度。值得注意的是，上述方法的精確度容易受到燃料中的雜質(zhì)、薄膜電極組老化或不穩(wěn) 定等因素影響。 亦有傳統(tǒng)技術(shù)將所測量到的溫度與電流值帶入經(jīng)驗公式中以推算出燃料濃度，如 US 6， 698， 278B2，此種作法不需使用到傳感器直接測量燃料濃度，但是必須根據(jù)不同的燃 料電極系統(tǒng)進行調(diào)整，方可推算出可能的燃料濃度。其他不需使用到傳感器直接測量燃料 濃度的方式如US 6， 589， 679以及TW 94119975所述。
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此外，由于甲醇溶液的濃度與其物理特性相關(guān)，如聲音在甲醇溶液中的傳遞速度
以及燃料的介電常數(shù)或密度等有著特定的關(guān)系，因此有許多傳統(tǒng)技術(shù)利用測量聲音在甲醇
溶液中的傳遞速度來推算出甲醇溶液的濃度，或是測量介電常數(shù)或密度來推算濃度如TWI 251954。但是，此種濃度推算方式所使用的傳感器造價十分昂貴，或是精準度受燃料內(nèi)的氣 泡影響嚴重，因此測量時，傳感器內(nèi)部的液體必須靜止且無氣泡，測量的難度頗高。
綜觀上述的濃度測量方法，普遍有測量不易、測量成本高、測量精確度不穩(wěn)定等問 題。因此，目前業(yè)界亟需一種簡單且精確度高的燃料濃度測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種制造成本低且測量穩(wěn)定性高的燃料濃度測量裝置。
本發(fā)明另提供一種簡單、成本低且測量穩(wěn)定性高的燃料濃度測量方法。
本發(fā)明提出一種燃料濃度測量裝置，其包括一觸媒層、一擴散層、一燃料室、一反 應(yīng)氣體室以及一傳感器。擴散層與觸媒層連接，燃料室適于容納待測燃料，且擴散層位于燃 料室與觸媒層之間。反應(yīng)氣體室適于容納反應(yīng)氣體，觸媒層位于反應(yīng)氣體室與擴散層之間， 而燃料室內(nèi)的待測燃料經(jīng)由擴散層擴散至觸媒層中，且待測燃料與反應(yīng)氣體在觸媒層中進 行燃燒反應(yīng)，以消耗反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生一產(chǎn)物氣體。傳感器配置于反應(yīng)氣體 室上，以測量反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體或產(chǎn)物氣體的濃度。 本發(fā)明提出一種燃料濃度測量方法，其包括提供上述的燃料濃度測量裝置。接著， 將一待測燃料供應(yīng)至燃料側(cè)，并將一反應(yīng)氣體供應(yīng)至反應(yīng)氣體室。之后，調(diào)整供應(yīng)至反應(yīng)氣 體室的反應(yīng)氣體量，并根據(jù)反應(yīng)氣體室內(nèi)反應(yīng)氣體的消耗速率或產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生速率來判 斷待測燃料的濃度。 為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例， 并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1A與圖1B為本發(fā)明第一實施例的燃料濃度測量方法的示意圖。 圖2為在不同的燃料濃度情況下，傳感器所測得的氧氣濃度與停止供應(yīng)氧氣的時
間關(guān)系曲線。 圖3為燃料濃度測量裝置應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的示意圖。 主要元件符號說明 100:燃料濃度測量裝置 110:觸媒層 120 :擴散層 130 :燃料室 140 :反應(yīng)氣體室 150 :傳感器 160 :待測燃料 170 :反應(yīng)氣體 200:燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
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210 :燃料循環(huán)裝置 220:燃料儲存槽 230 :燃料電池模塊 232 :燃料電池單體
具體實施方式
第一實施例 圖1A與圖1B為本發(fā)明第一實施例的燃料濃度測量方法的示意圖。請先參照圖1A，首先，提供一燃料濃度測量裝置IOO，此燃料濃度測量裝置IOO包括一觸媒層110、一擴散層120、一燃料室130、一反應(yīng)氣體室140以及一傳感器150。擴散層120與觸媒層110連接，燃料室130適于容納待測燃料160，且擴散層120位于燃料室130與觸媒層110之間。反應(yīng)氣體室140適于容納反應(yīng)氣體170，觸媒層IIO位于反應(yīng)氣體室140與擴散層120之間。傳感器150配置于反應(yīng)氣體室140上，以測量反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170的濃度。值得注意的是，此領(lǐng)域具有通常知識者當可根據(jù)所欲測量的反應(yīng)氣體170而選擇適當?shù)膫鞲衅?50，因此本發(fā)明不限制所采用的傳感器的種類。 在本實施例中，觸媒層110的材質(zhì)主要為白金觸媒或其他高活性觸媒與粘著劑，而觸媒層110的厚度例如是介于1微米與50微米之間。擴散層120的材質(zhì)包括陶瓷材料、高分子材料等具備可讓甲醇穿透的基材，而擴散層120的厚度例如是介于IO微米與1000微米之間。此外，反應(yīng)氣體室140的容積例如是介于0. lc. c.與100c. c.之間，值得注意的是，反應(yīng)氣體室140的容積可依據(jù)待測燃料160的濃度、擴散層材料的厚度或擴散系數(shù)而稍做更動，上述尺寸僅為參考而非特為其限制。具體地說，若要對高濃度的待測燃料160進行濃度測量，容積較大的反應(yīng)氣體室140可以提供較佳的測量靈敏度(sensitivity)，反之，容積較小的反應(yīng)氣體室140則較適合對低濃度的待測燃料160進行濃度測量，可以有效地縮短測量所需的時間。 接著，將一待測燃料160供應(yīng)至燃料濃度測量裝置100的燃料室130中，并將一反應(yīng)氣體170供應(yīng)至燃料濃度測量裝置100的反應(yīng)氣體室140中。在本實施例中，供應(yīng)至燃料室130中的燃料160例如是一濃度不確定的甲醇溶液。當然，供應(yīng)至燃料室130中的燃料160亦可以是其他種燃料，例如乙醇溶液、甲酸溶液等，本領(lǐng)域具有通常知識者可依照實際需求來選擇適當?shù)娜剂吓c觸媒種類。除此之外，供應(yīng)至反應(yīng)氣體室140中的反應(yīng)氣體170例如是空氣、氧氣或是其他適當?shù)臍怏w。當待測燃料160與反應(yīng)氣體170被供應(yīng)至燃料濃度測量裝置100時，燃料室130內(nèi)的部分待測燃料160經(jīng)由擴散層120擴散至觸媒層110中，而反應(yīng)氣體170會進入觸媒層110中，且待測燃料160與反應(yīng)氣體170在觸媒層110中進行燃燒反應(yīng)，以消耗被供應(yīng)至反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170，并產(chǎn)生產(chǎn)物氣體(如二氧化碳)。前述的燃燒反應(yīng)的反應(yīng)式如下
3/202+CH30H — C02+2H20 接著請參照圖1B，本實施例可以利用控制氣體傳送元件或開關(guān)閥門(未示出)的方式，以減少供應(yīng)至反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170量，或是停止供應(yīng)反應(yīng)氣體170至反應(yīng)氣體室140。由于單位時間內(nèi)所到達觸媒層110中的待測燃料160量與燃料室130內(nèi)的待測燃料160濃度有正比的關(guān)系，因此單位時間內(nèi)所經(jīng)由擴散現(xiàn)象到達觸媒層110中的待
5測燃料160量多寡會直接影響反應(yīng)氣體室140內(nèi)反應(yīng)氣體170的消耗速率。具體地說，當限制供應(yīng)至反應(yīng)氣體室140的反應(yīng)氣體170量時，由于反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170會與擴散至觸媒層110中的待測燃料160進行燃燒反應(yīng)而逐漸被消耗，因此反應(yīng)氣體170消耗的速率可以透過傳感器150的測量值直接判斷。 在上述例子中，傳感器150是用以測量反應(yīng)氣體170的濃度，進而推算出反應(yīng)氣體170的消耗速率。然而，因為反應(yīng)物消耗的速率正比于產(chǎn)物二氧化碳產(chǎn)生的速率，所以本實施例可選用其他氣體的傳感器150，以使傳感器150能夠測量產(chǎn)物氣體的濃度，進而推算出產(chǎn)物氣體(如二氧化碳)的產(chǎn)生速率。在本實施例中，傳感器150可以是二氧化碳濃度傳感器，而此二氧化碳濃度傳感器可用以測量二氧化碳濃度上升的速度，或是測量二氧化碳濃度上升至某一特定值所需的時間，進而判斷出待測燃料160的濃度。
在本實施例中，當供應(yīng)至反應(yīng)氣體室140的反應(yīng)氣體170被截斷時，反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170的濃度變化率(即消耗速率)與待測燃料160的濃度有著密切的關(guān)連性。具體地說，若待測燃料160的濃度越高，其單位時間內(nèi)所從燃料室130擴散至觸媒層110的燃料量便越多，此時，反應(yīng)氣體170的消耗速率便越快；反之，若待測燃料160的濃度越低，其單位時間內(nèi)從燃料室130擴散至觸媒層110的燃料量便越少，此時，反應(yīng)氣體170的消耗速率便越慢。值得注意的是，當停止供應(yīng)反應(yīng)氣體170至反應(yīng)氣體室140時，反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170量便相當于反應(yīng)氣體室140的容積。 根據(jù)上述，由于待測燃料160的濃度與反應(yīng)氣體170的消耗速率相關(guān)，因此本發(fā)明可透過傳感器150直接測量反應(yīng)氣體室140內(nèi)的反應(yīng)氣體170的濃度，并根據(jù)反應(yīng)氣體170的消耗速率迅速地推算出待測燃料160的濃度。
實驗例 在本實驗例中，待測燃料為甲醇溶液，反應(yīng)氣體為氧氣，所選用的傳感器為氧氣濃度傳感器，_反應(yīng)氣體室的容積為5c. c.，而所使用的甲醇溶液的濃度分別為1%、4%、7%與10%。 圖2為在不同的燃料濃度情況下，傳感器所測得的氧氣濃度與停止供應(yīng)氧氣的時間關(guān)系曲線。請參照圖2，當所使用的甲醇溶液的濃度分別為1%、4%、7%與10%時，反應(yīng)氣體的濃度下降速度有著明顯的差異。此外，相同濃度的甲醇溶液所對應(yīng)到的曲線均十分接近，且不同濃度的甲醇溶液所對應(yīng)到的曲線在辨識上十分容易，不易混淆，因此，從圖2的曲線可以很輕易且精準地推算出甲醇溶液的濃度。 在本實驗例中，待測燃料的濃度可以根據(jù)反應(yīng)氣體濃度下降至某一特定值所須的時間來推算，然而，本發(fā)明并不限定必須以此方式推算燃料濃度，本發(fā)明亦可根據(jù)反應(yīng)氣體的濃度下降速度來推算出待測燃料濃度。
第二實施例 圖3為燃料濃度測量裝置應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的示意圖。請參照圖3，本實施例的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)200包括前述的燃料濃度測量裝置100、一燃料循環(huán)裝置210、一燃料儲存槽220以及一燃料電池模塊230，其中燃料循環(huán)裝置210適于將燃料儲存槽220中的燃料輸送至燃料濃度測量裝置100以及燃料電池模塊230中。在本實施例中，燃料電池模塊230可包括一個或是多個燃料電池單體232，而燃料電池單體232例如是一直接甲醇燃料電池單體。當然，本實施例所采用的燃料電池單體232可以是任何型態(tài)的燃料電池單體，本領(lǐng)域具有通常知識者可依照實際需求來選擇其最適合的燃料電池單體。 綜上所述，由于本發(fā)明可透過傳感器直接測量反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體濃度或產(chǎn)
物氣體濃度，并直接計算出反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體消耗速率或產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生速率，以
判斷待測燃料的濃度，因此本發(fā)明所提出的燃料濃度測量方法與裝置十分簡單且精確。此
外，本發(fā)明的燃料濃度測量方法具有相當高的穩(wěn)定性，不易受到燃料流動、燃料內(nèi)氣泡、燃
料中的雜質(zhì)、薄膜電極組老化或不穩(wěn)定等因素影響。 雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范 圍當視權(quán)利要求書所界定的為準。
權(quán)利要求
一種燃料濃度測量裝置，適于測量一待測燃料的濃度，該燃料濃度測量裝置包括一觸媒層；一擴散層，與該觸媒層連接；一燃料室，適于容納該待測燃料，其中該擴散層位于該燃料室與該觸媒層之間；一反應(yīng)氣體室，適于容納該反應(yīng)氣體，其中該觸媒層位于該反應(yīng)氣體室與該擴散層之間，而該燃料室內(nèi)的該待測燃料經(jīng)由該擴散層擴散至該觸媒層中，且該待測燃料與該反應(yīng)氣體在該觸媒層中進行燃燒反應(yīng)，以消耗該反應(yīng)氣體室內(nèi)的該反應(yīng)氣體，并產(chǎn)生一產(chǎn)物氣體；以及一傳感器，配置于該反應(yīng)氣體室上，以測量該反應(yīng)氣體室內(nèi)的該反應(yīng)氣體或該產(chǎn)物氣體的濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料濃度測量裝置，其中該傳感器包括一氧氣濃度傳感器以 測量該反應(yīng)氣體室內(nèi)該反應(yīng)氣體的濃度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料濃度測量裝置，其中該傳感器包括一壓力計以測量該反 應(yīng)氣體室內(nèi)該反應(yīng)氣體的壓力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料濃度測量裝置，其中該傳感器包括一二氧化碳濃度傳感 器以測量該反應(yīng)氣體室內(nèi)該產(chǎn)物氣體的濃度。
5. —種燃料濃度測量方法，包括 提供一根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料濃度測量裝置； 將一待測燃料供應(yīng)至該燃料側(cè)； 將一反應(yīng)氣體供應(yīng)至該反應(yīng)氣體室；以及調(diào)整供應(yīng)至該反應(yīng)氣體室的反應(yīng)氣體量，并根據(jù)該反應(yīng)氣體室內(nèi)該反應(yīng)氣體的消耗速 率或該產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生速率來判斷該待測燃料的濃度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料濃度測量方法，其中根據(jù)該反應(yīng)氣體室內(nèi)該反應(yīng)氣體的 消耗速率來判斷該待測燃料的濃度包括透過該傳感器直接測量該反應(yīng)氣體的濃度；以及 根據(jù)該反應(yīng)氣體的濃度與時間的關(guān)系來判斷該待測燃料的濃度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該待測燃料的濃度是根據(jù)該反應(yīng)氣 體濃度下降至某一特定值所須的時間來判斷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該待測燃料的濃度是根據(jù)該反應(yīng)氣 體的濃度的下降速度來判斷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該待測燃料的濃度是根據(jù)該產(chǎn)物氣 體濃度上升至某一特定值所須的時間來判斷。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該待測燃料的濃度是根據(jù)該產(chǎn)物 氣體的濃度的上升速度來判斷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該反應(yīng)氣體包括空氣或氧氣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料濃度測量方法，其中該待測燃料包括甲醇溶液、乙醇溶 液，或甲酸溶液。
13. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料濃度測量方法，其中該調(diào)整供應(yīng)至該反應(yīng)氣體室內(nèi)的 該反應(yīng)氣體量的方法包括停止該反應(yīng)氣體至該反應(yīng)氣體室。
全文摘要
一種燃料濃度測量裝置，其包括一觸媒層、一擴散層、一燃料室、一反應(yīng)氣體室以及一傳感器。擴散層與觸媒層連接，燃料室適于容納待測燃料，且擴散層位于燃料室與觸媒層之間。反應(yīng)氣體室適于容納反應(yīng)氣體，觸媒層位于反應(yīng)氣體室與擴散層之間，而燃料室內(nèi)的待測燃料經(jīng)由擴散層擴散至觸媒層中，且待測燃料與反應(yīng)氣體在觸媒層中進行燃燒反應(yīng)，以消耗反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生一產(chǎn)物氣體。傳感器配置于反應(yīng)氣體室上，以測量反應(yīng)氣體室內(nèi)的反應(yīng)氣體或產(chǎn)物氣體的濃度。此外，本發(fā)明亦提供一種燃料濃度測量方法。
文檔編號G01N31/12GK101750464SQ20081018561
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者康顧嚴, 賴秋助 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院