專利名稱：一種甲醇濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及甲醇燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種甲醇濃度傳感器。
背景技術(shù)：
甲醇燃料電池是一種直接將甲醇的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為 電能的裝置。相對于氣體燃料電池，甲醇燃料電池易于儲備和運輸，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，無需外重整及氫氣凈化裝置，便于攜帶和儲存，反應(yīng)產(chǎn)物主要為水和少量的二氧化碳，是環(huán)境友好型的綠色能源。甲醇燃料電池對甲醇燃料的濃度有著較高的要求，這是因為如果使用較高濃度的甲醇溶液，易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的燃料滲透問題。這不僅會給陰極側(cè)帶來混合電勢，降低電池輸出電壓；同時這種燃料滲透也會帶來電池壽命下降，燃料利用率低和運行時間短等問題。因此，現(xiàn)有的甲醇燃料電池的甲醇溶液均是一定范圍的低濃度甲醇溶液，只有甲醇原料在一定的濃度范圍時，甲醇燃料電池才會獲得良好的運行效果。為了保證甲醇燃料電池的電化學(xué)性能，現(xiàn)有技術(shù)通常需要采用濃度傳感器來測量甲醇的濃度，借此調(diào)節(jié)甲醇濃度至合適的范圍?，F(xiàn)有技術(shù)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，其中物理法如 Hengbing Zhao 等人在 “Journal of Power Sourcesl59 (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?；瘜W(xué)法如謝靜宜等(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. W. Lin 等在 “Materials Chemistry and Physics 55,1998,139-144” 中在招基材上使用金電極和聚吡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；Kyongsoo Lee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“Sensorsand actuators, B 75 (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。但上述甲醇濃度傳感器普遍存在的問題在于檢測穩(wěn)定性有待提聞。

實用新型內(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題在于提供一種檢測穩(wěn)定性高的甲醇濃度傳感器。有鑒于此，本實用新型提供一種甲醇濃度傳感器，包括管道I，所述管道I設(shè)有甲醇溶液入口 101和甲醇溶液出口 102 ；所述管道的入口 101和出口 102之間依次設(shè)有陰極集流板2、膜電極3、陽極集流板4、支撐板5 ;所述陰極集流板2和支撐板5之間設(shè)有密封部6 ；所述膜電極3包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層301、陰極催化劑層302、質(zhì)子交換膜303、陽極催化劑層304和陽極擴(kuò)散層305，所述陰極擴(kuò)散層301與陰極集流板2相接觸。優(yōu)選的，所述陽極集流板上設(shè)有陽極引線411 ;所述陰極集流板上設(shè)有陰極引線211。優(yōu)選的，還包括殼體，所述殼體套設(shè)于所述管道、陰極集流板、膜電極、陽極集流板、支撐板和密封部的外部。本實用新型提供一種甲醇濃度傳感器，其包括設(shè)有甲醇溶液進(jìn)口和出口的管道；在管道入口和出口之間依次設(shè)置有陰極集流板、膜電極、陽極集流板、支撐板，陰極集流板和支撐板之間設(shè)有密封部。使用時，甲醇溶液通過管道的甲醇溶液入口進(jìn)入，部分甲醇溶液通過傳感器的質(zhì)子交換膜到達(dá)陽極催化層，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；質(zhì)子在在電場作用下經(jīng)過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，被還原為氫氣。部分甲醇溶液經(jīng)甲醇溶液出口流出。上述過程中，電氧化的電流大小與滲透過來的甲醇溶液濃度成正比，滲透的甲醇濃度與檢測溶液中的甲醇濃度成正比，即電 流大小與甲醇濃度成正比。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)氧化電流得到待測甲醇溶液的濃度。本實用新型提供的甲醇濃度傳感器是采用電化學(xué)檢測法進(jìn)行檢測，由于電化學(xué)檢測法具有較高的穩(wěn)定性。因此，采用本實用新型提供的甲醇濃度傳感器對甲醇溶液進(jìn)行檢測具有較高的穩(wěn)定性，并且操作簡便。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本實用新型實施例I提供的甲醇濃度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型實施例I提供的甲醇濃度傳感器中膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型實施例2提供的甲醇濃度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為甲醇濃度傳感器的工作曲線；圖5為傳感器電流-時間曲線。
具體實施方式
為了進(jìn)一步理解本實用新型，下面結(jié)合實施例對本實用新型優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本實用新型的特征和優(yōu)點，而不是對本實用新型權(quán)利要求的限制。本實用新型實施例I公開了一種甲醇濃度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，圖I中箭頭表示甲醇溶液的走向，該甲醇濃度傳感器包括管道I ;陰極集流板2;膜電極3;陽極集流板4;支撐板5 ；所述管道I上設(shè)有甲醇溶液入口 101和甲醇溶液出口 102 ；所述陰極集流板2、膜電極3、陽極集流板4、支撐板5依次設(shè)置于管道I的入口 101和出口 102之間；所述陰極集流板2和支撐板5之間設(shè)有密封部6 ；如圖2所示為甲醇濃度傳感器中膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖，膜電極包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層301、陰極催化劑層302、質(zhì)子交換膜303、陽極催化劑層304和陽極擴(kuò)散層305，所述陰極擴(kuò)散層301與陰極集流板2相接觸。本實用新型提供的上述甲醇濃度傳感器是利用電化學(xué)檢測法檢測甲醇濃度，該濃度傳感器的檢測原理如下甲醇溶液通過管道I的甲醇溶液入口 101進(jìn)入，部分甲醇溶液通過傳感器的質(zhì)子交換膜303到達(dá)陽極催化層304，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；質(zhì)子在電場作用下經(jīng)過質(zhì)子交換膜303到達(dá)陰極，被還原為氫氣。部分甲醇溶液經(jīng)甲醇溶液出口 102流出。 在上述過程中，電氧化的電流大小與滲透過來的甲醇溶液濃度成正比，而滲透的甲醇濃度又與原溶液中的甲醇濃度成正比，即電流大小與甲醇濃度成正比。由此，當(dāng)在一定的溫度下使用標(biāo)準(zhǔn)濃度的甲醇溶液測試其電氧化電流，就可得到一工作曲線，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用上述濃度傳感器來檢測待測甲醇溶液產(chǎn)生的電流，并根據(jù)此工作曲線得到實際待測甲醇溶液的濃度變化。上述膜電極的陽極擴(kuò)散層4和陰極擴(kuò)散層2可以采用碳紙或碳布。陽極催化劑和陰極催化劑可以采用鉬和鉬釕黑，質(zhì)子交換膜可以采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜。上述甲醇濃度傳感器中，管道I用于輸送甲醇溶液，其可采用聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜等對電池?zé)o污染的塑料制成。陰極集流板2 —方面用于提供甲醇溶液通道，使得甲醇溶液可以由此通道輸送到膜電極的陰極；另一方面，陰極集流板用于與外接電源的負(fù)極相連，同時陰極集流板2與膜電極3的陰極緊密接觸，由此可將外接電源提供的電子傳送到陰極，從而支持陰極的還原反應(yīng)。陰極集流板2可以采用設(shè)有條形槽的石墨板。陽極集流板4用于與外接電源的正極相連，其與膜電極3的陽極緊密接觸，陽極甲醇氧化產(chǎn)生的二氧化碳通過陽極集流板或集流網(wǎng)的孔隙擴(kuò)散到空氣中，陽極產(chǎn)生的電子通過陽極集流板或集流網(wǎng)傳遞到外接電源的正極。陽極集流板4也可以采用設(shè)有條形槽的石墨板，或者不銹鋼網(wǎng)。支撐板5的作用主要是將膜電極3和陰陽極集流板固定到管道I的入口 101和出口 102之間，同時保證陰陽極的集流板與膜電極的表面充分接觸。密封部6可以采用密封圈，材料具體可以為硅膠、氟硅膠或乙丙膠等。密封部6主要用于防止甲醇溶液泄露，并且保證電極接觸良好。由上述內(nèi)容可知，本實用新型提供的甲醇濃度感器是采用電化學(xué)檢測法進(jìn)行檢測，由于電化學(xué)檢測法具有較高的穩(wěn)定性。因此，采用本實用新型提供的甲醇濃度傳感器對甲醇溶液進(jìn)行檢測具有較高的穩(wěn)定性，并且操作簡便。本實用新型實施例2提供一種甲醇濃度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實施例提供的甲醇濃度傳感器與實施例I的區(qū)別在于陽極集流板4上設(shè)有陽極引線411 ；陰極集流板2上設(shè)有陰極引線211。[0043]檢測甲醇溶液濃度時，將外加恒定電壓的正負(fù)極分別與陽極集流板的陽極引線和陰極集流板的陰極引線相連接，進(jìn)而便于檢測，簡化操作。作為優(yōu)選方案，陰極引線和陽極引線之間還可串聯(lián)一個測試電流的電子元件，當(dāng)在陽極引線和陰極引線間施加恒定電壓，同時有甲醇從膜電極的陰極滲透到陽極時，滲透過來的甲醇將被電氧化，產(chǎn)生的電流可以被測試元件所檢測并輸出顯示，進(jìn)而便于及時觀察檢測結(jié)果。此外，為了避免雜質(zhì)進(jìn)入傳感器內(nèi)部影響測試精度，本實用新型還優(yōu)選在管道、陰極集流板、膜電極、陽極集流板、支撐板和密封部的外部套設(shè)殼體。同時，殼體還對內(nèi)部器件起到保護(hù)的作用，延長傳感器的使用壽命。采用如圖3所示的甲醇濃度傳感器，其中管道為聚乙烯材料；陰極集流板為石墨條形流場；膜電極的有效反應(yīng)面積為1cm2，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層為碳紙，陽極催化劑和陰極催化劑分別為鉬和鉬釕黑；密封部為硅膠密封圈；陽極集流板為鍍金不銹鋼網(wǎng)。陰極引線與外接電源的負(fù)極相連，陽極引線與外接電源的正極相連，在陽極引線和陰極引線之間施加恒定電壓，在30°C向管道內(nèi)注入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲醇溶液并記錄傳感器電流，由此得到甲醇濃度和傳感器電流的關(guān)系曲線，即甲醇濃度傳感器的工作曲線，工作曲線如圖4所示。從圖4可以看出，甲醇的電氧化電流與甲醇濃度成正比，因此可以用來作為甲醇濃度的傳感器。使用濃度為3M的甲醇溶液進(jìn)行連續(xù)70個小時的濃度檢測，如圖5所示為傳感器電流-時間曲線。由圖5可知，傳感器在約70小時的連續(xù)監(jiān)測過程中，其電流的下降速度約為0. 06mA/小時，但考慮到實驗過程中甲醇沒有補(bǔ)加，而通過揮發(fā)將會導(dǎo)致甲醇的濃度稍微下降，另外雖然溶液在恒溫狀態(tài)，但傳感器置于空氣環(huán)境中，環(huán)境溫度也會對傳感器產(chǎn)生影響，故此可以看出傳感器具有良好的穩(wěn)定性。以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型及其核心思想。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，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求的保護(hù)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)或使用本實用新型。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實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型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，其特征在于，包括 管道(I)，所述管道(I)設(shè)有甲醇溶液入口(101)和甲醇溶液出口(102)； 所述管道的入口(101)和出口(102)之間依次設(shè)有陰極集流板(2)、膜電極(3)、陽極集流板(4)、支撐板(5);所述陰極集流板(2)和支撐板(5)之間設(shè)有密封部(6)； 所述膜電極(3)包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層(301)、陰極催化劑層(302)、質(zhì)子交換膜(303)、陽極催化劑層(304)和陽極擴(kuò)散層(305)，所述陰極擴(kuò)散層(301)與陰極集流板(2)相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，所述陽極集流板上設(shè)有陽極引線(411);所述陰極集流板上設(shè)有陰極引線(211)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的甲醇濃度傳感器，其特征在于，還包括殼體，所述殼體套設(shè)于所述管道、陰極集流板、膜電極、陽極集流板、支撐板和密封部的外部。
專利摘要本實用新型提供一種甲醇濃度傳感器，包括管道，其設(shè)有甲醇溶液入口和甲醇溶液出口；管道的入口和出口之間依次設(shè)有陰極集流板、膜電極、陽極集流板、支撐板；陰極集流板和支撐板之間設(shè)有密封部；膜電極包括依次設(shè)置的陰極擴(kuò)散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴(kuò)散層，陰極擴(kuò)散層與陰極集流板相接觸。本實用新型提供的甲醇濃度感器是采用電化學(xué)檢測法進(jìn)行檢測，由于電化學(xué)檢測法具有較高的穩(wěn)定性。因此，采用本實用新型提供的甲醇濃度傳感器對甲醇溶液進(jìn)行檢測具有較高的穩(wěn)定性，并且操作簡便。
文檔編號G01N27/28GK202471646SQ20112056472
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉長鵬, 廖建輝, 李晨陽, 梁亮, 邢巍 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所