专利名称：液态燃料电池系统关机及自我维护运作方法
技术领域：
本发明是关于一种燃料电池的操作，且特别是有关于一种液体燃料电池(liquidfuel cell)系统的关机及自我维护运作方法。
背景技术：
燃料电池是目前用来取代传统能源的一种选择。燃料电池基本上按照燃料可分为气体燃料电池与液体燃料电池。其中直接甲醇燃料电池(directmethanol fuel cell,DMFC)属于目前最受注目的一种液体燃料电池，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。当直接甲醇燃料电池系统关机时，阳极端仍会残留甲醇燃料，以双极板(bipolar)的流道而言，传统的作法是在关机之后停止阳极燃料的供给，持续提供阴极空气一段时间， 以期将穿透(crossover)至阴极的甲醇燃料反应烧掉，但是这样的作法只能防止关机初期甲醇燃料对阴极的毒化，而在阴极空气停止供应之后，尚未反应掉的燃料依然会到达阴极，导致阴极触媒的毒化。另一方面，在使用较高浓度的被动式液体燃料电池系统中，关机之后阳极处的燃料浓度会持续累积，并穿透(crossover)至阴极，若在关机一段时间之后没有对残留燃料作处理，容易造成阴极触媒毒化的情形发生。因此，近来有针对以上问题提出的改善方法，譬如在主动式燃料电池系统部分，Tff1315109专利提出当燃料电池系统关机时，阳极燃料停止循环供应，而阴极风扇持续运转，直到燃料电池系统的温度与外界温度差异小于设定值时，阴极风扇才停止运转；CN1996655专利则提出当系统关机，阳极的高浓度燃料停止供应，但是输送低浓度的循环泵(Pump)仍然持续将燃料混合槽中的燃料输送至阳极端，直到混合燃料浓度等于或低于设定浓度，才停止循环泵的工作。以上方法均是希望尽量将阳极的甲醇燃料消耗掉，避免残留的燃料毒化阴极触媒，进而影响燃料电池寿命。然而，目前技术所提出的作法均是将阳极侧的燃料浓度或是燃料量控制在某个程度以下，与没有甲醇残留的理想情况有些差距，其原因在于关机程序是一种耗电的行为，必须由燃料电池系统内部二次电池的储存电力来支付，因此无法进行过长时间的关机程序。而且虽然目前技术已经将阳极侧的燃料浓度或是燃料量控制在某个程度以下，但是当阴极气体不再供应时，阳极侧剩余的甲醇依然会透过穿透(crossover)路径在阴极累积，而造成阴极触媒毒化的现象发生。另外一种液体燃料电池系统的阳极所需燃料是透过液态高浓度甲醇的蒸发气体来供应，当此系统关机时，高浓度甲醇仍然会持续蒸发成气体，因此纵使系统已经关机，阳极的甲醇燃料仍会持续累积，此情况会造成电解质膜内阻增加与阴极触媒毒化的现象。已知有JP2007-173110专利提出在阳极燃料供应区设置一遮蔽气态燃料的阀门，当系统关机时可以关闭此阀门。但是在实际系统中，气态燃料供应至阳极的范围甚大，相当于膜电极组的面积大小，此阀门的设置除了占据系统体积之外，想要封闭大范围的气态燃料扩散，实施上有相当的难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种液体燃料电池系统的关机及自我维护运作方法，能避免残留的阳极燃料对膜电极组造成不良的影响，并可提升燃料利用率。本发明另提供一种液体燃料电池系统的关机及自我维护运作方法，能避免燃料电池系统关机之后，残留的阳极燃料对膜电极组造成不良的影响。本发明提出一种液体燃料电池系统的关机及自我维护运作方法，包括所述液体燃料电池系统发出一关机信号，并在液体燃料电池系统的一液体燃料电池接收到上述关机信号时停止放电，然后进行以下步骤a至步骤d。步骤a :液体燃料电池系统停止供应一阴极气体。步骤b :经过一第一段时间后开始供应阴极气体。步骤c :液体燃料电池进行放电，直到液体燃料电池的输出功率小于等于一第一默认值。步骤d :液体燃料电池停止放电并停 止供应该阴极气体。上述步骤b开始供应阴极气体至步骤d停止供应阴极气体的期间，定义为第二段时间，重复步骤a至步骤d，直到上述液体燃料电池在第二段时间的总输出能量小于等于一第二默认值，或是步骤a至步骤d的重复循环次数已达预定次数，完全停止液体燃料电池系统。在本发明的一实施例中，上述第一默认值为该液体燃料电池系统的耗电量。在本发明的一实施例中，上述第一段时间例如在5秒钟至I小时之间。在本发明的一实施例中，上述第一段时间是一定值。在本发明的一实施例中，重复进行步骤a至步骤d的期间，上述第一段时间包括随液体燃料电池的温度变化而改变。所述温度变化是根据一环境温度与液体燃料电池的温度的差异作调整，当两者差异越小，则第一段时间则越长。在本发明的一实施例中，重复进行步骤a至步骤d的期间，上述第一段时间包括随第二段时间中液体燃料电池的输出能量变化而改变。所述输出能量变化是根据液体燃料电池在第二段时间所输出的能量，减去前一次第二段时间所输出能量，所得的一差值作调整，若此差值越小，则第一段时间可调整越长。在本发明的一实施例中，上述第二默认值例如是液体燃料电池系统在第一段时间与第二段时间的总消耗能量。在本发明的一实施例中，上述预定次数约在I次 20次之间。本发明另提出一种液体燃料电池系统的关机及自我维护运作方法，包括启动一关机信号至液体燃料电池系统，且当前述液体燃料电池系统收到关机信号时，上述液体燃料电池系统的液体燃料电池停止放电，且停止供应阳极燃料。接着，停止供应阴极气体一第一段时间，之后供应阴极气体一第二段时间。重复以上停止供应阴极气体第一段时间再开始供应阴极气体第二段时间的两道步骤。然后完全停止液体燃料电池系统。在本发明的另一实施例中，上述第一段时间包括一初始时间，其例如在5秒钟至I小时之间。在本发明的另一实施例中，上述第一段时间为一定值。在本发明的另一实施例中，重复进行以上停止供应阴极气体再供应阴极气体的步骤期间，上述第一段时间包括随液体燃料电池的一温度变化而改变，其中温度变化是根据一环境温度与液体燃料电池的温度的差异作调整，当两者差异越小，则第一段时间则越长。在本发明的另一实施例中，重复进行以上停止供应阴极气体再供应阴极气体的步骤，直到上述液体燃料电池系统的温度小于等于一第三默认值。所述第三默认值例如是环境温度加上3°C 10°C。在本发明的另一实施例中，上述第二段时间例如在3秒钟至10分钟之间。在本发明的另一实施例中，重复进行以上停止供应阴极气体再供应阴极气体的步骤，直到重复的循环已达一预定次数。上述预定次数约在I次 20次之间基于上述，本发明在液体燃料电池系统关机之后，经由重复进行阴极空气的中止与供应，该项操作会使穿透(crossover)阴极的残留甲醇进行燃烧反应而被清理干净，以避免残留的阳极燃料对膜电极组造成不良的影响。另外，若是应用于被动式的液体燃料电池系统，还可将阳极的残存燃料完全消耗并放电，以提升燃料利用率。
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，并配合附图作详细说明如下。
图I是本发明的第一实施例所使用的一种液体燃料电池系统的方块图；图2是本发明第一实施例的一种液体燃料电池系统的关机步骤流程图；图3是第一实施例的关机步骤进行的时间与放电量的曲线图；图4是本发明的第二实施例所使用的一种液体燃料电池系统的方块图；图5是本发明的第二实施例的一种液体燃料电池系统的关机步骤流程图。附图标识100、400 :液体燃料电池系统102、402 :液体燃料电池104、404 :阴极气体供应组件106,406 :控制单元200 212、500 510 :步骤408 阳极气体供应组件
具体实施例方式下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。图I是本发明的一第一实施例所使用的一种液体燃料电池系统的方块简图，其中仅显示一般液体燃料电池系统内几个主要构件。在图I中，液体燃料电池系统100包括液体燃料电池102、阴极气体供应组件104与控制单元106。控制单元106能控制液体燃料电池102是否放电，并可控制阴极气体供应组件104是否向液体燃料电池102供气。而液体燃料电池102所放出的电可存在二次电池或供给负载使用。图2是依照本发明的第一实施例的一种液体燃料电池系统的关机步骤流程图。以下请参照图2并可搭配图1，从而了解系统关机的方法。首先，液体燃料电池系统100会发出一关机信号，如步骤200。这样的关机信号譬如是在液体燃料电池102的放电量低于某一设定值(其可以是大于等于液体燃料电池系统100的总耗电量)时，由液体燃料电池系统100的控制单元106发出的关机信号。然后在步骤202，当液体燃料电池102接收到上述关机信号时，液体燃料电池102会停止放电。接着在步骤204，液体燃料电池系统100停止供应阴极气体一第一段时间，此步骤譬如由控制单元106所发出的关机信号也会到达阴极气体供应组件104，并导致阴极气体供应组件104停止供应阴极气体。上述步骤202与步骤204之间可以「同时」进行，或者也可以「间隔数秒」。随后，经过上述第一段时间后，在步骤206中开始供应阴极气体一第二段时间。上述第一段时间譬如是5秒钟至I小时之间，此第一段时间的长短与阳极燃料残留情形有关；一般而言阳极残留燃料越多，则第一段时间会越短。第一段时间较佳的范围是10秒钟至30 分钟之间。然后在步骤208，液体燃料电池102进行放电，且由液体燃料电池102所放出的电可存在二次电池或供给负载使用(如图I所示)。上述步骤206与步骤208之间可以「同时」进行，或者也可以「间隔数秒」。而在步骤208期间，如果液体燃料电池102的输出功率大于一第一默认值，则液体燃料电池102持续进行放电步骤；若液体燃料电池102的输出功率小于等于上述第一默认值，则后续执行步骤210。在步骤210中，液体燃料电池102停止放电，并停止供应阴极气体。上述的第二段时间是指步骤206开始供应阴极气体至步骤210停止供应阴极气体之间所经过的期间，上述的第一默认值例如是燃料电池系统100本身的耗电量。然后，重复以上步骤204至步骤210。在重复步骤204至步骤210的循环中，上述的第一段时间可以是一定值，也可以是一随液体燃料电池温度变化而改变的值；举例来说，可以，以环境温度为固定参数，液体燃料电池102本体的温度为比较参数，当两者温度差越小，则上述的第一段时间则越长。另外，第一段时间还可以是随第二段时间中液体燃料电池102输出能量变化而改变的值。举例来说，如果液体燃料电池102在此次循环第二段时间中的输出能量较前次循环第二段时间中的输出能量小，则表示阳极甲醇燃料残留量较少，因此第一段时间可以比较长。直到上述液体燃料电池102在第二段时间的总输出能量小于等于一第二默认值，或是步骤204至步骤210的重复循环次数已达预定次数，则进行步骤212，完全停止所述液体燃料电池系统。上述第二默认值例如是液体燃料电池系统100本身在第一段时间与第二段时间的总消耗能量，上述的预定次数例如在I次 20次之间，较佳的预定次数范围为I次 12次，但本实施例并不限于此。图3是根据第一实施例的关机步骤进行的时间与放电量的曲线图。假设液体燃料电池系统的总耗电量为IOOmW,并设定液体燃料电池102停止放电的时间点为放电量低于IOOmff,当阴极气体供应组件停止供应阴极气体时，液态燃料电池系统的总耗电量降为20mW以下。由图3可知，第一默认值为100mW，第二默认值是在第一段时间与第二段时间内的系统总消耗能量(即点状区域的总量)。随着重复进行停止供应阴极气体与供应阴极气体期间的次数增加，第一段时间的时间间隔逐渐拉长，由I分钟、3分钟、5分钟、10分钟至15分钟以上。由于当液体燃料电池接收到关机信号时，还能间歇地放电直到燃料用尽，所以本实施例的方法不但可避免残留的阳极燃料对膜电极组造成不良的影响，并可提升燃料利用率。
图4是本发明的一第二实施例所使用的一种液体燃料电池系统的方块简图，其中仅显示一般液体燃料电池系统内几个主要构件。在图4中，液体燃料电池系统400包括液体燃料电池402、阴极气体供应组件404、控制单元406与阳极燃料供应组件408。控制单元406能接收外界信号来控制液体燃料电池402是否放电，并可分别控制阴极气体供应组件404与阳极燃料供应组件408是否向液体燃料电池402供应气体或燃料。图5是依照本发明的第二实施例的一种液体燃料电池系统的关机步骤流程图。以下请参照图5并可搭配图4，从而了解系统关机的方法。首先，启动一关机信号至液体燃料电池系统400，如步骤500。这样的关机信号譬如是由使用者启动的关机信号。然后在步骤502，当液体燃料电池402接收到上述关机信号时，液体燃料电池402 会停止放电。接着在步骤504，阳极燃料供应组件408会停止供应一阳极燃料。随后在步骤506，阴极气体供应组件404会停止供应阴极气体一第一段时间。所述第一段时间譬如是5秒钟至I小时之间，此第一段时间的长短与阳极燃料残留情形有关。一般而言阳极残留燃料越多，则第一段时间会越短。第一段时间较佳的范围是10秒钟至30分钟之间。之后经过上述第一段时间后，进行步骤508，供应阴极气体一第二段时间，其例如在3秒钟至10分钟之间。此第二段时间的长短与阴极气体流量及阴极反应面积大小有关，一般而言阴极气体流量越小或阴极反应面积越大，则第二段时间会越长。第二段时间较佳的范围是5秒钟至5分钟之间。然后，重复以上步骤506至步骤508，在重复步骤506至步骤508的循环中，上述的第一段时间可以是一定值，也可以是一随液体燃料电池402温度变化而改变的值，举例来说，可以以环境温度为固定参数，液体燃料电池402本体的温度为比较参数，当两者温度差越小，则上述的第一段时间则越长。直到上述液体燃料电池系统400的温度小于等于第三默认值，或是步骤506至步骤508的重复循环次数已达预定次数，则进行步骤510，完全停止所述液体燃料电池系统。上述第三默认值例如是环境温度加上TC 10°C，较佳的值可以是5°C。上述的预定次数例如在I次 20次之间，较佳的预定次数范围为I次 12次，但本实施例并不限于此。综上所述，本发明的液体燃料电池系统在主动或被动的情况下关机后，能经由重复进行阴极空气的中止与供应，使穿透(crossover)阴极的残留甲醇进行燃烧反应而被清理干净，藉此防止残留燃料对膜电极组造成不良的影响。而且，本发明若应用于被动式的液体燃料电池系统，还可将阳极的残存燃料完全消耗并间歇地放电，以提升燃料利用率。本发明的技术内容及技术特点已如上公开，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，包括 该液体燃料电池系统发出一关机信号； 该液体燃料电池系统的一液体燃料电池接收到该关机信号时停止放电； a.该液体燃料电池系统停止供应一阴极气体； b.经过一第一段时间后开始供应该阴极气体； c.该液体燃料电池进行放电，直到该液体燃料电池的输出功率小于等于一第一默认值； d.该液体燃料电池停止放电并停止供应该阴极气体， 上述步骤b开始供应阴极气体至步骤d停止供应阴极气体的期间，为一第二段时间； 重复进行步骤a至步骤d;以及 完全停止该液体燃料电池系统。
2.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第一默认值为该液体燃料电池系统的耗电量。
3.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第一段时间在5秒钟至I小时之间。
4.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第一段时间是一定值。
5.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤d的期间，该第一段时间包括随该液体燃料电池的一温度变化而改变。
6.如权利要求5所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该温度变化是根据一环境温度与该液体燃料电池的温度的一差异作调整，当该差异越小，则该第一段时间则越长。
7.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤d的期间，该第一段时间包括随该第二段时间中该液体燃料电池的一输出能量变化而改变。
8.如权利要求7所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该输出能量变化是根据该液体燃料电池在该第二段时间所输出的能量，减去前一次的该第二段时间所输出能量，所得的一差值作调整，若该差值越小，则该第一段时间越长。
9.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤d的步骤，直到该步骤d的该液体燃料电池在该第二段时间内的总输出能量小于等于一第二默认值。
10.如权利要求9所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第二默认值包括该液体燃料电池系统在该第一段时间与该第二段时间的总消耗能量。
11.如权利要求I所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤d的步骤，直到重复进行步骤a至步骤d的一循环已达一预定次数。
12.如权利要求11所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该预定次数在I次 20次之间。
13.一种液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，包括 启动一关机信号至该液体燃料电池系统；当该液体燃料电池系统收到该关机信号，该液体燃料电池系统的一液体燃料电池停止放电； 停止供应一阳极燃料； a.停止供应一阴极气体一第一段时间； b.供应该阴极气体一第二段时间； 重复进行步骤a至步骤b;以及 完全停止该液体燃料电池系统。
14.如权利要求13所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第一段时间在5秒钟至I小时之间。
15.如权利要求13所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第一段时间为一定值。
16.如权利要求13所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤b的期间，该第一段时间包括随该液体燃料电池的一温度变化而改变。
17.如权利要求16所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该温度变化是根据一环境温度与该液体燃料电池的温度的一差异作调整，当该差异越小，则该第一段时间则越长。
18.如权利要求13所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤b，直到该液体燃料电池系统的温度小于等于一第三默认值。
19.如权利要求18所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第三默认值是一环境温度加上3°C 10°C。
20.如权利要求13所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该第二段时间在3秒钟至10分钟之间。
21.如权利要求13所述的液体燃料电池系统的关机及自我维护运作方法，其特征在于，重复进行步骤a至步骤b的步骤，直到重复进行步骤a至步骤b的一循环已达一预定次数。
22.如权利要求21所述的液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，其特征在于，该预定次数在I次 20次之间。
全文摘要
一种液体燃料电池系统关机及自我维护运作方法，包括所述液体燃料电池系统发出一关机信号，并在液体燃料电池系统的一液体燃料电池接收到上述关机信号时停止放电。接着进行以下四道步骤。液体燃料电池系统会停止供应一阴极气体。经过一第一段时间后，再开始供应阴极气体。液体燃料电池则进行放电，直到该液体燃料电池的输出功率小于等于一第一默认值，之后停止放电并停止供应该阴极气体。重复以上四个步骤数次，才完全停止液体燃料电池系统。
文档编号H01M8/04GK102903941SQ201110287159
公开日2013年1月30日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年7月29日
发明者康顾严, 戴椿河, 刘静蓉, 凌守弘, 周崇仁, 蔡英文 申请人:财团法人工业技术研究院