台湾专利TW201306372A 液態燃料電池系統關機及自維護運作程序

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专利摘要:
一種液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，包括所述液體燃料電池系統發出一關機訊號，並在液體燃料電池系統的一液體燃料電池接收到上述關機訊號時停止放電。接著進行以下四道步驟。液體燃料電池系統會停止供應一陰極氣體。經過一第一段時間後，再開始供應陰極氣體。液體燃料電池則進行放電，直到該液體燃料電池的輸出功率小於等於一第一預設值，之後停止放電並停止供應該陰極氣體。重複以上四道步驟數次，才完全停止液體燃料電池系統。
公开号:TW201306372A
申请号:TW100127061
申请日:2011-07-29
公开日:2013-02-01
发明作者:Ku-Yen Kang；Chun-Ho Tai；Ching-Jung Liu；Shou-Hung Ling；Chung-Jen Chou；Yin-Wen Tsai
申请人:Ind Tech Res Inst；
IPC主号:H01M8-00

专利说明:
液態燃料電池系統關機及自維護運作程序
本發明是有關於一種燃料電池的操作，且特別是有關於一種液體燃料電池(liquid fuel cell)系統的關機及自維護運作程序。
燃料電池是目前用來取代傳統能源的一種選擇。燃料電池基本上按照燃料可分為氣體燃料電池與液體燃料電池。其中直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell，DMFC)屬於目前最受注目的一種液體燃料電池，其是直接使用甲醇水溶液當作燃料供給來源，並經由甲醇與氧的相關電極反應來產生電流。
當直接甲醇燃料電池系統關機時，陽極端仍會殘留甲醇燃料，以雙極板(bipolar)的流道而言，傳統的作法是在關機之後停止陽極燃料的供給，持續提供陰極空氣一段時間，以期將穿透(crossover)至陰極的甲醇燃料反應燒掉，但是這樣的作法只能防止關機初期甲醇燃料對陰極的毒化，而在陰極空氣停止供應之後，尚未反應掉的燃料依然會到達陰極，導致陰極觸媒的毒化。
另一方面，在使用較高濃度的被動式液體燃料電池系統中，關機之後陽極處的燃料濃度會持續累積，並穿透(crossover)至陰極，若在關機一段時間之後沒有對殘留燃料作處理，容易造成陰極觸媒毒化的情形發生。
因此，近來有針對以上問題提出的改善方法，譬如在主動式燃料電池系統部分，TW I315109專利提出當燃料電池系統關機時，陽極燃料停止循環供應，而陰極風扇持續運轉，直到燃料電池系統的溫度與外界溫度差異小於設定值時，陰極風扇才停止運轉；CN1996655專利則提出當系統關機，陽極的高濃度燃料停止供應，但是輸送低濃度的循環泵(Pump)仍然持續將燃料混合槽中的燃料輸送至陽極端，直到混合燃料濃度等於或低於設定濃度，才停止循環泵的工作。以上方法均是希望盡量將陽極的甲醇燃料消耗掉，避免殘留的燃料毒化陰極觸媒，進而影響燃料電池壽命。
然而，目前技術所提出的作法均是將陽極側的燃料濃度或是燃料量控制在某個程度以下，與沒有甲醇殘留的理想情況有些差距，其原因在於關機程序是一種耗電的行為，必須由燃料電池系統內部二次電池的儲存電力來支付，因此無法進行過長時間的關機程序。而且雖然目前技術已經將陽極側的燃料濃度或是燃料量控制在某個程度以下，但是當陰極氣體不再供應時，陽極側剩餘的甲醇依然會透過穿透(crossover)路徑在陰極累積，而造成陰極觸媒毒化的現象發生。
另外一種液體燃料電池系統的陽極所需燃料是透過液態高濃度甲醇的蒸發氣體來供應，當此系統關機時，高濃度甲醇仍然會持續蒸發成氣體，因此縱使系統已經關機，陽極的甲醇燃料仍會持續累積，此情況會造成電解質膜內阻增加與陰極觸媒毒化的現象。已知有JP2007-173110專利提出在陽極燃料供應區設置一遮蔽氣態燃料的閥門，當系統關機時可以關閉此閥門。但是在實際系統中，氣態燃料供應至陽極的範圍甚大，相當於膜電極組的面積大小，此閥門的設置除了佔據系統體積之外，想要封閉大範圍的氣態燃料擴散，實施上有相當的難度。
本發明提供一種液體燃料電池系統的關機及自維護運作程序，能避免殘留的陽極燃料對膜電極組造成不良的影響，並可提升燃料利用率。
本發明另提供一種液體燃料電池系統的關機及自維護運作程序，能避免燃料電池系統關機之後，殘留的陽極燃料對膜電極組造成不良的影響。
本發明提出一種液體燃料電池系統的關機及自維護運作程序，包括所述液體燃料電池系統發出一關機訊號，並在液體燃料電池系統的一液體燃料電池接收到上述關機訊號時停止放電，然後進行以下步驟a至步驟d。步驟a：液體燃料電池系統停止供應一陰極氣體。步驟b：經過一第一段時間後開始供應陰極氣體。步驟c：液體燃料電池進行放電，直到液體燃料電池的輸出功率小於等於一第一預設值。步驟d：液體燃料電池停止放電並停止供應該陰極氣體。上述步驟b開始供應陰極氣體至步驟d停止供應陰極氣體的期間，定義為第二段時間，重複步驟a至步驟d，直到上述液體燃料電池在第二段時間的總輸出能量小於等於一第二預設值，或是步驟a至步驟d的重複循環次數已達預定次數，完全停止液體燃料電池系統。
在本發明之一實施例中，上述第一預設值為該液體燃料電池系統的耗電量。
在本發明之一實施例中，上述第一段時間例如在5秒鐘至1小時之間。
在本發明之一實施例中，上述第一段時間是一定值。
在本發明之一實施例中，重複進行步驟a至步驟d的期間，上述第一段時間包括隨液體燃料電池的溫度變化而改變。所述溫度變化是根據一環境溫度與液體燃料電池的溫度的差異作調整，當兩者差異愈小，則第一段時間則愈長。
在本發明之一實施例中，重複進行步驟a至步驟d的期間，上述第一段時間包括隨第二段時間中液體燃料電池的輸出能量變化而改變。所述輸出能量變化是根據液體燃料電池在第二段時間所輸出的能量，減去前一次第二段時間所輸出能量，所得的一差值作調整，若此差值愈小，則第一段時間可調整愈長。
在本發明之一實施例中，上述第二預設值例如是液體燃料電池系統在第一段時間與第二段時間的總消耗能量。
在本發明之一實施例中，上述預定次數約在1次~20次之間。
本發明另提出一種液體燃料電池系統的關機及自維護運作程序，包括啟動一關機訊號至液體燃料電池系統，且當前述液體燃料電池系統收到關機訊號時，上述液體燃料電池系統的液體燃料電池停止放電，且停止供應陽極燃料。接著，停止供應陰極氣體一第一段時間，之後供應陰極氣體一第二段時間。重複以上停止供應陰極氣體第一段時間再開始供應陰極氣體第二段時間的兩道步驟。然後完全停止液體燃料電池系統。
在本發明之另一實施例中，上述第一段時間包括一初始時間，其例如在5秒鐘至1小時之間。
在本發明之另一實施例中，上述第一段時間為一定值。
在本發明之另一實施例中，重複進行以上停止供應陰極氣體再供應陰極氣體的步驟期間，上述第一段時間包括隨液體燃料電池的一溫度變化而改變，其中溫度變化是根據一環境溫度與液體燃料電池的溫度的差異作調整，當兩者差異愈小，則第一段時間則愈長。
在本發明之另一實施例中，重複進行以上停止供應陰極氣體再供應陰極氣體的步驟，直到上述液體燃料電池系統的溫度小於等於一第三預設值。所述第三預設值例如是環境溫度加上3℃~10℃。
在本發明之另一實施例中，上述第二段時間例如在3秒鐘至10分鐘之間。
在本發明之另一實施例中，重複進行以上停止供應陰極氣體再供應陰極氣體的步驟，直到重複的循環已達一預定次數。上述預定次數約在1次~20次之間基於上述，本發明在液體燃料電池系統關機之後，經由重覆進行陰極空氣的中止與供應，該項操作會使穿透(crossover)陰極的殘留甲醇進行燃燒反應而被清理乾淨，以避免殘留的陽極燃料對膜電極組造成不良的影響。另外，若是應用於被動式的液體燃料電池系統，還可將陽極的殘存燃料完全消耗並放電，以提升燃料利用率。
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1是本發明之一第一實施例所使用的一種液體燃料電池系統的方塊簡圖，其中僅顯示一般液體燃料電池系統內幾個主要構件。在圖1中，液體燃料電池系統100包括液體燃料電池102、陰極氣體供應元件104與控制單元106。控制單元106能控制液體燃料電池102是否放電，並可控制陰極氣體供應元件104是否向液體燃料電池102供氣。而液體燃料電池102所放出的電可存在二次電池或供給負載使用。
圖2是依照本發明之第一實施例之一種液體燃料電池系統的關機步驟流程圖。以下請參照圖2並可搭配圖1，以瞭解系統關機的程序。
首先，液體燃料電池系統100會發出一關機訊號，如步驟200。這樣的關機訊號譬如是在液體燃料電池102的放電量低於某一設定值(其可以是大於等於液體燃料電池系統100的總耗電量)時，由液體燃料電池系統100的控制單元106發出的關機訊號。
然後在步驟202，當液體燃料電池102接收到上述關機訊號時，液體燃料電池102會停止放電。
接著在步驟204，液體燃料電池系統100停止供應陰極氣體一第一段時間，此步驟譬如由控制單元106所發出的關機訊號也會到達陰極氣體供應元件104，並導致陰極氣體供應元件104停止供應陰極氣體。
上述步驟202與步驟204之間可以「同時」進行，或者也可以「間隔數秒」。
隨後，經過上述第一段時間後，在步驟206中開始供應陰極氣體一第二段時間。上述第一段時間譬如是5秒鐘至1小時之間，此第一段時間的長短與陽極燃料殘留情形有關；一般而言陽極殘留燃料愈多，則第一段時間會愈短。第一段時間較佳的範圍是10秒鐘至30分鐘之間。
然後在步驟208，液體燃料電池102進行放電，且由液體燃料電池102所放出的電可存在二次電池或供給負載使用(如圖1所示)。上述步驟206與步驟208之間可以「同時」進行，或者也可以「間隔數秒」。而在步驟208期間，如果液體燃料電池102的輸出功率大於一第一預設值，則液體燃料電池102持續進行放電步驟；若液體燃料電池102的輸出功率小於等於上述第一預設值，則後續執行步驟210。
在步驟210中，液體燃料電池102停止放電，並停止供應陰極氣體。上述的第二段時間是指步驟206開始供應陰極氣體至步驟210停止供應陰極氣體之間所經過的期間，上述的第一預設值例如是燃料電池系統100本身的耗電量。
然後，重複以上步驟204至步驟210。在重複步驟204至步驟210的循環中，上述的第一段時間可以是一定值，也可以是一隨液體燃料電池溫度變化而改變的值；舉例來說，可以以環境溫度為固定參數，液體燃料電池102本體的溫度為比較參數，當兩者溫度差愈小，則上述的第一段時間則愈長。另外，第一段時間還可以是隨第二段時間中液體燃料電池102輸出能量變化而改變的值。舉例來說，如果液體燃料電池102在此次循環第二段時間中的輸出能量較前次循環第二段時間中的輸出能量小，則表示陽極甲醇燃料殘留量較少，因此第一段時間可以比較長。
直到上述液體燃料電池102在第二段時間的總輸出能量小於等於一第二預設值，或是步驟204至步驟210的重複循環次數已達預定次數，則進行步驟212，完全停止所述液體燃料電池系統。上述第二預設值例如是液體燃料電池系統100本身在第一段時間與第二段時間的總消耗能量，上述的預定次數例如在1次~20次之間，較佳的預定次數範圍為1次~12次，但本實施例並不限於此。
圖3是根據第一實施例之關機步驟進行的時間與放電量之曲線圖。假設液體燃料電池系統的總耗電量為100mW，並設定液體燃料電池102停止放電的時間點為放電量低於100mW，當陰極氣體供應元件停止供應陰極氣體時，液態燃料電池系統的總耗電量降為20mW以下。由圖3可知，第一預設值為100mW，第二預設值是在第一段時間與第二段時間內的系統總消耗能量(即點狀區域的總量)。隨著重複進行停止供應陰極氣體與供應陰極氣體期間之次數增加，第一段時間的時間間隔逐漸拉長，由1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘至15分鐘以上。由於當液體燃料電池接收到關機訊號時，還能間歇地放電直到燃料用盡，所以本實施例的方法不但可避免殘留的陽極燃料對膜電極組造成不良的影響，並可提升燃料利用率。
圖4是本發明之一第二實施例所使用的一種液體燃料電池系統的方塊簡圖，其中僅顯示一般液體燃料電池系統內幾個主要構件。在圖4中，液體燃料電池系統400包括液體燃料電池402、陰極氣體供應元件404、控制單元406與陽極燃料供應元件408。控制單元406能接收外界訊號來控制液體燃料電池402是否放電，並可分別控制陰極氣體供應元件404與陽極燃料供應元件408是否向液體燃料電池402供應氣體或燃料。
圖5是依照本發明之第二實施例之一種液體燃料電池系統的關機步驟流程圖。以下請參照圖5並可搭配圖4，以瞭解系統關機的程序。
首先，啟動一關機訊號至液體燃料電池系統400，如步驟500。這樣的關機訊號譬如是由使用者啟動的關機訊號。
然後在步驟502，當液體燃料電池402接收到上述關機訊號時，液體燃料電池402會停止放電。
接著在步驟504，陽極燃料供應元件408會停止供應一陽極燃料。
隨後在步驟506，陰極氣體供應元件404會停止供應陰極氣體一第一段時間。所述第一段時間譬如是5秒鐘至1小時之間，此第一段時間的長短與陽極燃料殘留情形有關。一般而言陽極殘留燃料愈多，則第一段時間會愈短。第一段時間較佳的範圍是10秒鐘至30分鐘之間。
之後經過上述第一段時間後，進行步驟508，供應陰極氣體一第二段時間，其例如在3秒鐘至10分鐘之間。此第二段時間的長短與陰極氣體流量及陰極反應面積大小有關，一般而言陰極氣體流量愈小或陰極反應面積愈大，則第二段時間會愈長。第二段時間較佳的範圍是5秒鐘至5分鐘之間。
然後，重複以上步驟506至步驟508，在重複步驟506至步驟508的循環中，上述的第一段時間可以是一定值，也可以是一隨液體燃料電池402溫度變化而改變的值，舉例來說，可以以環境溫度為固定參數，液體燃料電池402本體的溫度為比較參數，當兩者溫度差愈小，則上述的第一段時間則愈長。
直到上述液體燃料電池系統400的溫度小於等於第三預設值，或是步驟506至步驟508的重複循環次數已達預定次數，則進行步驟510，完全停止所述液體燃料電池系統。上述第三預設值例如是環境溫度加上3℃~10℃，較佳的值可以是5℃。上述的預定次數例如在1次~20次之間，較佳的預定次數範圍為1次~12次，但本實施例並不限於此。
綜上所述，本發明的液體燃料電池系統在主動或被動的情況下關機後，能經由重覆進行陰極空氣的中止與供應，使穿透(crossover)陰極的殘留甲醇進行燃燒反應而被清理乾淨，藉此防止殘留燃料對膜電極組造成不良的影響。而且，本發明若應用於被動式的液體燃料電池系統，還可將陽極的殘存燃料完全消耗並間歇地放電，以提升燃料利用率。
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、400．．．液體燃料電池系統
102、402．．．液體燃料電池
104、404．．．陰極氣體供應元件
106、406．．．控制單元
200~212、500~510．．．步驟
408．．．陽極氣體供應元件
圖1是本發明之一第一實施例所使用的一種液體燃料電池系統的方塊簡圖。
圖2是依照本發明之第一實施例之一種液體燃料電池系統的關機步驟流程圖。
圖3是根據第一實施例之關機步驟進行的時間與放電量之曲線圖。
圖4是本發明之一第二實施例所使用的一種液體燃料電池系統的方塊簡圖。
圖5是依照本發明之第二實施例之一種液體燃料電池系統的關機步驟流程圖。
200~212．．．步驟

权利要求:
Claims (22)
[1] 一種液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，包括：該液體燃料電池系統發出一關機訊號；該液體燃料電池系統的一液體燃料電池接收到該關機訊號時停止放電；a.該液體燃料電池系統停止供應一陰極氣體；b.經過一第一段時間後開始供應該陰極氣體；c.該液體燃料電池進行放電，直到該液體燃料電池的輸出功率小於等於一第一預設值；d.該液體燃料電池停止放電並停止供應該陰極氣體，上述步驟b開始供應陰極氣體至步驟d停止供應陰極氣體的期間，為一第二段時間；重複進行步驟a至步驟d；以及完全停止該液體燃料電池系統。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第一預設值為該液體燃料電池系統的耗電量。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第一段時間在5秒鐘至1小時之間。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第一段時間是一定值。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟d的期間，該第一段時間包括隨該液體燃料電池的一溫度變化而改變。
[6] 如申請專利範圍第5項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該溫度變化是根據一環境溫度與該液體燃料電池的溫度的一差異作調整，當該差異愈小，則該第一段時間則愈長。
[7] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟d的期間，該第一段時間包括隨該第二段時間中該液體燃料電池的一輸出能量變化而改變。
[8] 如申請專利範圍第7項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該輸出能量變化是根據該液體燃料電池在該第二段時間所輸出的能量，減去前一次的該第二段時間所輸出能量，所得的一差值作調整，若該差值愈小，則該第一段時間愈長。
[9] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟d之步驟，直到該步驟d的該液體燃料電池在該第二段時間內的總輸出能量小於等於一第二預設值。
[10] 如申請專利範圍第9項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第二預設值包括該液體燃料電池系統在該第一段時間與該第二段時間的總消耗能量。
[11] 如申請專利範圍第1項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟d之步驟，直到重複進行步驟a至步驟d的一循環已達一預定次數。
[12] 如申請專利範圍第11項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該預定次數在1次~20次之間。
[13] 一種液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，包括：啟動一關機訊號至該液體燃料電池系統；當該液體燃料電池系統收到該關機訊號，該液體燃料電池系統的一液體燃料電池停止放電；停止供應一陽極燃料；a.　停止供應一陰極氣體一第一段時間；b.　供應該陰極氣體一第二段時間；重複進行步驟a至步驟b；以及完全停止該液體燃料電池系統。
[14] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第一段時間在5秒鐘至1小時之間。
[15] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第一段時間為一定值。
[16] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟b的期間，該第一段時間包括隨該液體燃料電池的一溫度變化而改變。
[17] 如申請專利範圍第16項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該溫度變化是根據一環境溫度與該液體燃料電池的溫度的一差異作調整，當該差異愈小，則該第一段時間則愈長。
[18] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中重複進行步驟a至步驟b，直到該液體燃料電池系統的溫度小於等於一第三預設值。
[19] 如申請專利範圍第18項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第三預設值是一環境溫度加上3℃~10℃。
[20] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該第二段時間在3秒鐘至10分鐘之間。
[21] 如申請專利範圍第13項所述之液體燃料電池系統的關機及自維護運作程序方法，其中重複進行步驟a至步驟b之步驟，直到重複進行步驟a至步驟b的一循環已達一預定次數。
[22] 如申請專利範圍第21項所述之液體燃料電池系統關機及自維護運作程序，其中該預定次數在1次~20次之間。

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