專利名稱：一種甲醇濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及甲醇濃度傳感器。
背景技術(shù)：
甲醇濃度傳感器主要用于檢測和控制甲醇燃料電池中的甲醇濃度，以保證甲醇燃料電池在合理的甲醇濃度范圍內(nèi)工作。甲醇燃料電池對甲醇的濃度具有較高的要求，使用高濃度的甲醇溶液，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的甲醇滲透問題。發(fā)生甲醇滲透不僅會給陰極帶來混合電勢，降低電池的輸出電壓，還會帶來電池壽命下降，燃料利用率低及運行時間短等問題。因此，只有保持電池中甲醇濃度處于合理的濃度范圍，才能保證電池具有較高的電化學(xué)性能，這就需要采用濃度傳感器來監(jiān)測并調(diào)節(jié)甲醇的濃度?，F(xiàn)有技術(shù)中提供了多種甲醇濃度的檢測方法，主要包括物理法和化學(xué)法。如Hengbing Zhao 等人在 “Journal of Power Sources 159 (2006) 626-636” 中介紹 了基于密度，電容，粘度，聲速，紅外，折光指數(shù)，熱容，溫升等現(xiàn)象的傳感器。謝靜宜等(化學(xué)學(xué)報Vol. 65，2007第6期，532 536)測量了氣體甲醇存在時的催化熒光現(xiàn)象；C. ff. Lin等在“Materials Chemistry and Physics 55,1998,139-144” 中在招基材上使用金電極和聚批咯等材料做成膜狀傳感器，通過測量甲醇存在時的膜電阻變化來得到甲醇濃度；Ky0ngS00Lee等在“CARBON 49(2011)787-792”中使用碳納米管和Nafion制成傳感器，也是測量電阻的變化；J. K. Srivastava 等在 “Journal of Natural Gas Chemistry20 (2011) 179-183，，中使用氧化鉛摻雜的氧化錫薄膜做傳感器；M. mabrook等在“Sensors and actuators, B75(2001) 197，202”中使用二氧化鈦-聚偏氟乙烯復(fù)合膜，也都是通過測量電阻或電流來得到濃度信息。在燃料電池領(lǐng)域，采用基于質(zhì)子交換膜電極(MEA)的甲醇濃度傳感器具有更好的實用性及針對性。孫維等人在“Journal of PowerSources 162 (2006) 1115 - 1121”中介紹了一種脈沖式甲醇濃度傳感器，通過在兩個膜電極的陰極和陽極之間施加脈沖式電壓來檢測甲醇的濃度。但是，這種脈沖式甲醇濃度傳感器必須具備脈沖發(fā)射裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種甲醇濃度傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，體積小。本發(fā)明提供了一種甲醇濃度傳感器，包括電極裝置，溫度傳感器和電子控制板；所述電極裝置包括陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和介于所述陽極導(dǎo)電支撐流場板和陰極導(dǎo)電支撐流場板之間的質(zhì)子交換膜電極；所述質(zhì)子膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層；所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜電極的有效面積為O. 2 2cm2。優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜電極與陽極導(dǎo)電支撐流場板之間還包括密封邊框。優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜電極與陰極導(dǎo)電支撐流場板之間還包括密封邊框。優(yōu)選的，所述陰極擴散層為碳紙或碳布。優(yōu)選的，所述陽極擴散層為碳紙或碳布。優(yōu)選的，所述陰極催化劑層的催化劑為鉬黑，鉬黑的用量為疒8mg/cm2。
優(yōu)選的，所述陽極催化劑層的催化劑為鉬釕黑，鉬釕黑的用量為疒8mg/cm2。優(yōu)選的，所述陽極導(dǎo)電支撐流場板上具有朝向質(zhì)子交換膜電極的點狀流場，點狀流場外圍繞有氣體溢出通道。優(yōu)選的，所述陰極導(dǎo)電支撐流場板上具有條形流場。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的甲醇濃度傳感器包括電極裝置、溫度傳感器和電子控制板，所述電極裝置包括陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和介于所述陽極導(dǎo)電支撐流場板和陰極導(dǎo)電支撐流場板之間的質(zhì)子交換膜電極；所述質(zhì)子膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層；所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。本發(fā)明的甲醇濃度傳感器是利用電化學(xué)檢測法檢測甲醇濃度的。電子控制板對電極裝置施加電壓，當(dāng)甲醇存在時，甲醇將滲透過質(zhì)子交換膜電極的陰極和質(zhì)子交換膜，到達陽極，并在陽極催化劑作用下被氧化，放出二氧化碳，給出氧化電流，同時生成的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜返回到陰極，在陰極還原成氫氣。在此過程中，陽極產(chǎn)生的氧化電流以及溶液的溫度可以被電子控制板讀取，然后通過比對預(yù)置的氧化電流值與甲醇濃度及環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，輸出代表甲醇濃度的控制電流或控制電壓。由于本發(fā)明的甲醇濃度傳感器可以浸入到甲醇溶液中，通過氧化電流、溫度和甲醇濃度三者的關(guān)系，得到甲醇濃度，因此其穩(wěn)定性好。另外，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，有利于應(yīng)用于體積較小的甲醇燃料電池。


圖1為本發(fā)明質(zhì)子交換膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的甲醇濃度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明電極裝置的分解結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明實施例1提供的甲醇濃度傳感器在不同溫度和甲醇濃度下的工作曲線。
具體實施例方式為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明實施例公開了一種甲醇濃度傳感器，包括電極裝置，溫度傳感器和電子控制板；
所述電極裝置包括陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和介于所述陽極導(dǎo)電支撐流場板和陰極導(dǎo)電支撐流場板之間的質(zhì)子交換膜電極；所述質(zhì)子膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層；所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。按照本發(fā)明，電極裝置包括質(zhì)子交換膜電極，置于質(zhì)子交換膜電極一側(cè)的陽極導(dǎo)電支撐流場板和置于質(zhì)子交換膜電極另一側(cè)的陰極導(dǎo)電支撐流場板。按照本發(fā)明，電極裝置中，質(zhì)子交換膜電極如圖1所示，圖1為本發(fā)明質(zhì)子交換膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖，所述質(zhì)子交換膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層101、陰極催化劑層102、質(zhì)子交換膜103、陽極催化劑層104和陽極擴散層105。所述陽極擴散層和陰極擴散 層優(yōu)選為碳紙或碳布。所述陽極催化劑層的催化劑優(yōu)選為鉬黑，鉬黑的用量優(yōu)選為2 8mg/cm2，更優(yōu)選為r5mg/cm2。所述陽極催化劑層的催化劑優(yōu)選為鉬釕黑，鉬釕黑的用量優(yōu)選為2 8mg/cm2,更優(yōu)選為4 5mg/cm2。所述質(zhì)子交換膜優(yōu)選為全氟磺酸質(zhì)子交換膜。所述質(zhì)子交換膜電極的有效面積優(yōu)選為O. 2 2cm2，更優(yōu)選為O. 8^1. 5cm2。按照本發(fā)明，電極裝置中，陽極導(dǎo)電支撐流場板置于質(zhì)子交換膜的一側(cè)，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板上優(yōu)選具有朝向質(zhì)子交換膜電極的點狀流場，點狀流場外圍繞有氣體溢出通道，所述氣體溢出通道延伸至陽極導(dǎo)電支撐板邊緣，可與外界相通，所述氣體溢出通道的寬度優(yōu)選為O. 5 1_。所述陽極導(dǎo)電支撐流場板優(yōu)選為石墨板。為保證電極裝置的密封性，防止甲醇溶液從質(zhì)子交換膜電極的周圍進入，優(yōu)選的，在所述質(zhì)子交換膜電極與陽極導(dǎo)電支撐流場板之間還設(shè)置有密封邊框。所述密封邊框為框型片，中間為甲醇、氧氣、水和質(zhì)子等反應(yīng)物和產(chǎn)物通過的通道。所述密封邊框優(yōu)選為硅膠邊框、氟硅膠邊框或乙丙膠邊框。按照本發(fā)明，電極裝置中，陰極導(dǎo)電支撐流場板置于質(zhì)子交換膜的另一側(cè)，所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陰極導(dǎo)電支撐流場板上具有條形流場。所述陰極導(dǎo)電支撐流場板優(yōu)選為石墨板。為保證電極裝置的密封性，防止甲醇溶液從質(zhì)子交換膜電極的周圍進入，優(yōu)選的，在所述質(zhì)子交換膜電極與陰極導(dǎo)電支撐流場板之間還設(shè)置有密封邊框。所述密封邊框為框型片，中間為甲醇、氧氣、水和質(zhì)子等反應(yīng)物和產(chǎn)物通過的通道。所述密封邊框優(yōu)選為硅膠邊框、氟硅膠邊框或乙丙膠邊框。所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、密封邊框、質(zhì)子交換膜電極、密封邊框和陰極導(dǎo)電支撐流場板優(yōu)選通過螺絲依次貫穿連接。按照本發(fā)明，所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。本發(fā)明對溫度傳感裝置沒有特殊限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際情況選擇能夠讀取溫度的裝置即可。所述電子控制板對陽極支撐流場板給出正電壓，對陰極支撐流場板給出負(fù)電壓，并可以讀取陽極支撐流場板和陰極支撐流場板之間產(chǎn)生的電壓差并且讀取溫度傳感器的溫度信號。本發(fā)明對所述電子控制板的具體結(jié)構(gòu)沒有特殊限制，按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式選擇即可。所述連接優(yōu)選通過弓I線。本發(fā)明的甲醇濃度傳感器的結(jié)構(gòu)具體參見圖2和圖3，圖2為本發(fā)明提供的甲醇濃度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括電極裝置7、溫度傳感器5和電子控制板6。圖3為電極裝置的分解結(jié)構(gòu)圖，包括質(zhì)子交換膜電極1，陰極支撐流場板2，陽極支撐流場板3和密封邊框4。陰極支撐流場板2上具有條形流場22，陰極支撐流場板2通過引線21與電子控制6板連接。陰極支撐流場板2與質(zhì)子交換膜電極I連接，兩者之間設(shè)置有密封邊框4。所述質(zhì)子交換膜電極I包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層。所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板2連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板3連接；陽極支撐流場板3上具有朝向質(zhì)子交換膜電極的點狀流場32，點狀流場外圍繞有氣體溢出通道。陽極支撐流場板3通過引線31與電子控制板6連接。陽極支撐流場板3 具有點狀流場32的一側(cè)與質(zhì)子交換膜電極I連接，兩者之間設(shè)置有密封邊框4。溫度傳感器5通過引線51與電子控制板6連接。電子控制板6包括電源輸入端61，電壓輸出端62和電流檢測端63。電子控制板6對陰極支撐流場板I給出負(fù)電壓，陽極支撐流場板2給出正電壓，陰極支撐流場板I和陽極支撐流場板2之間的電壓差為O. Π. 2V，當(dāng)陰極支撐流場板I和陽極支撐流場板2之間產(chǎn)生電流時，該電流作為電流信號經(jīng)電流檢測端63輸入電子控制板6。溫度傳感器5的溫度信號輸入電子控制板6，電極裝置和溫度傳感器5的信號被電子控制板處理后，得到一個輸出電壓，經(jīng)電壓輸出端62輸出。本發(fā)明提供的甲醇濃度傳感器利用電化學(xué)檢測法檢測甲醇濃度，檢測原理為甲醇溶液通過陰極支撐流場板的條形流場進入質(zhì)子交換膜電極，部分甲醇溶液通過陰極擴散層、陰極催化劑層和質(zhì)子交換膜到達陽極催化劑層；在陽極催化劑和外加恒定電壓的作用下，滲透過來的甲醇被氧化，釋放二氧化碳，產(chǎn)生質(zhì)子，二氧化碳通過氣體溢出通道擴散到甲醇溶液中；質(zhì)子在電場作用下經(jīng)過質(zhì)子交換膜到達陰極催化劑層，被還原為氫氣，也擴散到甲醇溶液中。在上述過程中，甲醇電氧化的電流大小與滲透進入質(zhì)子交換膜電極的甲醇溶液濃度成正比，滲透進入的甲醇溶液濃度與原溶液中甲醇濃度成正比，即甲醇電氧化的電流大小與原溶液中甲醇濃度成正比。由此，當(dāng)在不同溫度下使用標(biāo)準(zhǔn)濃度的甲醇溶液測試其電氧化電流，就可得到一組工作曲線，然后使用所述甲醇濃度傳感器檢測待測甲醇溶液產(chǎn)生的電流并根據(jù)工作曲線進行比對，即可得到待測甲醇溶液濃度。為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的甲醇濃度傳感器進行說明，本發(fā)明的保護范圍不受以下實施例的限制。實施例1采用如圖2和圖3所示的甲醇濃度傳感器，陰極導(dǎo)電支撐流場板、密封邊框、質(zhì)子交換膜電極、密封邊框、陽極導(dǎo)電支撐流場板依次疊加設(shè)置并用螺絲貫穿連接，構(gòu)成電極裝置；陰極導(dǎo)電支撐流場板通過引線與電子控制板連接，陽極導(dǎo)電支撐流場板通過引線與電子控制板連接；溫度傳感器通過引線與電子控制板。其中，陰極導(dǎo)電支撐流場板為具有條形流場的石墨板，質(zhì)子交換膜電極的有效反應(yīng)面積為1cm2，陽極擴散層和陰極擴散層為碳紙，陽極催化劑層的催化劑為鉬釕黑，鉬釕黑的用量為5mg/cm2，陰極催化劑層的催化劑為鉬黑，鉬黑的用量為5mg/cm2，密封邊框為硅膠密封邊框，陽極導(dǎo)電支撐流場板為具有點狀流場的石墨板。在不同溫度下，將所述甲醇濃度傳感器浸入到不同濃度的甲醇溶液中，在陰極支撐流場板和陽極支撐流場板之間施加O. Π. 2V的恒定電壓，記錄甲醇濃度傳感器的電流，由此得到甲醇濃度、甲醇濃度傳感器電流和溫度的關(guān)系曲線，如圖4所示。圖4為本發(fā)明實施例1提供的甲醇濃度傳感器在不同溫度和甲醇濃度下的工作曲線。曲線A為60°C下，甲醇傳濃度感器在不同甲醇濃度時的氧化電流變化情況；曲線B為50°C下，甲醇濃度傳感器在不同甲醇濃度時的氧化電流變化情況；曲線C為40°C下，甲醇濃度傳感器在不同甲醇濃度時的氧化電流變化情況；曲線D為30°C下，甲醇濃度傳感器在不同甲醇濃度時的氧化電流變化情況。以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種甲醇濃度傳感器，包括電極裝置，溫度傳感器和電子控制板；所述電極裝置包括陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和介于所述陽極導(dǎo)電支撐流場板和陰極導(dǎo)電支撐流場板之間的質(zhì)子交換膜電極；所述質(zhì)子膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層；所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜電極的有效面積為O. 2 2cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜電極與陽極導(dǎo)電支撐流場板之間還包括密封邊框。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜電極與陰極導(dǎo)電支撐流場板之間還包括密封邊框。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陰極擴散層為碳紙或碳布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陽極擴散層為碳紙或碳布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陰極催化劑層的催化劑為鉬黑，鉬黑的用量為2 8mg/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陽極催化劑層的催化劑為鉬釕黑，鉬釕黑的用量為2 8mg/cm2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陽極導(dǎo)電支撐流場板上具有朝向質(zhì)子交換膜電極的點狀流場，點狀流場外圍繞有氣體溢出通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陰極導(dǎo)電支撐流場板上具有條形流場。
全文摘要
本發(fā)明提供一種甲醇濃度傳感器，包括電極裝置，溫度傳感器和電子控制板；所述電極裝置包括陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和介于所述陽極導(dǎo)電支撐流場板和陰極導(dǎo)電支撐流場板之間的質(zhì)子交換膜電極；所述質(zhì)子膜電極包括依次疊加設(shè)置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層；所述陰極擴散層與陰極導(dǎo)電支撐流場板連接，所述陽極擴散層與陽極導(dǎo)電支撐流場板連接；所述陽極導(dǎo)電支撐流場板、陰極導(dǎo)電支撐流場板和溫度傳感器分別與電子控制板連接。所述甲醇濃度傳感器可以浸入到甲醇溶液中，因此其穩(wěn)定性好。另外，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，有利于應(yīng)用于體積較小的甲醇燃料電池。
文檔編號H01M8/04GK102998352SQ201210552648
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者邢巍, 廖建輝, 李晨陽, 張玉微, 嚴(yán)亮 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所