专利名称：一种甲醇浓度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及甲醇燃料电池领域，特别涉及一种甲醇浓度传感器。
背景技术：
甲醇燃料电池是一种直接将甲醇的化学能转化为 电能的装置。相对于气体燃料电池，甲醇燃料电池易于储备和运输，具有较高的能量转换效率，无需外重整及氢气净化装置，便于携带和储存，反应产物主要为水和少量的二氧化碳，是环境友好型的绿色能源。甲醇燃料电池对甲醇燃料的浓度有着较高的要求，这是因为如果使用较高浓度的甲醇溶液，易产生较为严重的燃料渗透问题。这不仅会给阴极侧带来混合电势，降低电池输出电压；同时这种燃料渗透也会带来电池寿命下降，燃料利用率低和运行时间短等问题。因此，现有的甲醇燃料电池的甲醇溶液均是一定范围的低浓度甲醇溶液，只有甲醇原料在一定的浓度范围时，甲醇燃料电池才会获得良好的运行效果。为了保证甲醇燃料电池的电化学性能，现有技术通常需要采用浓度传感器来测量甲醇的浓度，借此调节甲醇浓度至合适的范围。现有技术提供了多种甲醇浓度的检测方法，主要包括物理法和化学法，其中物理法如 Hengbing Zhao 等人在 “Journal of Power Sourcesl59 (2006) 626-636” 中介绍了基于密度，电容，粘度，声速，红外，折光指数，热容，温升等现象的传感器。化学法如谢静宜等(化学学报Vol. 65，2007第6期，532 536)测量了气体甲醇存在时的催化荧光现象；C. W. Lin 等在 “Materials Chemistry and Physics 55,1998,139-144” 中在招基材上使用金电极和聚吡咯等材料做成膜状传感器，通过测量甲醇存在时的膜电阻变化来得到甲醇浓度；Kyongsoo Lee等在“CARBON 49 (2011) 787-792”中使用碳纳米管和Nafion制成传感器，也是测量电阻的变化；J. K. Srivastava 等在 “Journal of Natural Gas Chemistry20(2011) 179-183”中使用氧化铅掺杂的氧化锡薄膜做传感器；M. mabrook等在“Sensorsand actuators, B 75 (2001) 197, 202”中使用二氧化钛-聚偏氟乙烯复合膜，也都是通过测量电阻或电流来得到浓度信息。但上述甲醇浓度传感器普遍存在的问题在于检测稳定性有待提闻。
实用新型内容本实用新型解决的技术问题在于提供一种检测稳定性高的甲醇浓度传感器。有鉴于此，本实用新型提供一种甲醇浓度传感器，包括管道I，所述管道I设有甲醇溶液入口 101和甲醇溶液出口 102 ；所述管道的入口 101和出口 102之间依次设有阴极集流板2、膜电极3、阳极集流板4、支撑板5 ;所述阴极集流板2和支撑板5之间设有密封部6 ；所述膜电极3包括依次设置的阴极扩散层301、阴极催化剂层302、质子交换膜303、阳极催化剂层304和阳极扩散层305，所述阴极扩散层301与阴极集流板2相接触。优选的，所述阳极集流板上设有阳极引线411 ;所述阴极集流板上设有阴极引线211。优选的，还包括壳体，所述壳体套设于所述管道、阴极集流板、膜电极、阳极集流板、支撑板和密封部的外部。本实用新型提供一种甲醇浓度传感器，其包括设有甲醇溶液进口和出口的管道；在管道入口和出口之间依次设置有阴极集流板、膜电极、阳极集流板、支撑板，阴极集流板和支撑板之间设有密封部。使用时，甲醇溶液通过管道的甲醇溶液入口进入，部分甲醇溶液通过传感器的质子交换膜到达阳极催化层，在阳极催化剂和外加恒定电压的作用下，渗透过来的甲醇被氧化，释放二氧化碳，产生质子；质子在在电场作用下经过质子交换膜到达阴极，被还原为氢气。部分甲醇溶液经甲醇溶液出口流出。上述过程中，电氧化的电流大小与渗透过来的甲醇溶液浓度成正比，渗透的甲醇浓度与检测溶液中的甲醇浓度成正比，即电 流大小与甲醇浓度成正比。本领域技术人员可以根据氧化电流得到待测甲醇溶液的浓度。本实用新型提供的甲醇浓度传感器是采用电化学检测法进行检测，由于电化学检测法具有较高的稳定性。因此，采用本实用新型提供的甲醇浓度传感器对甲醇溶液进行检测具有较高的稳定性，并且操作简便。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本实用新型实施例I提供的甲醇浓度传感器的结构示意图；图2为本实用新型实施例I提供的甲醇浓度传感器中膜电极的结构示意图；图3为本实用新型实施例2提供的甲醇浓度传感器的结构示意图；图4为甲醇浓度传感器的工作曲线；图5为传感器电流-时间曲线。
具体实施方式
为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。本实用新型实施例I公开了一种甲醇浓度传感器，其结构如图I所示，图I中箭头表示甲醇溶液的走向，该甲醇浓度传感器包括管道I ;阴极集流板2;膜电极3;阳极集流板4;支撑板5 ；所述管道I上设有甲醇溶液入口 101和甲醇溶液出口 102 ；所述阴极集流板2、膜电极3、阳极集流板4、支撑板5依次设置于管道I的入口 101和出口 102之间；所述阴极集流板2和支撑板5之间设有密封部6 ；如图2所示为甲醇浓度传感器中膜电极的结构示意图，膜电极包括依次设置的阴极扩散层301、阴极催化剂层302、质子交换膜303、阳极催化剂层304和阳极扩散层305，所述阴极扩散层301与阴极集流板2相接触。本实用新型提供的上述甲醇浓度传感器是利用电化学检测法检测甲醇浓度，该浓度传感器的检测原理如下甲醇溶液通过管道I的甲醇溶液入口 101进入，部分甲醇溶液通过传感器的质子交换膜303到达阳极催化层304，在阳极催化剂和外加恒定电压的作用下，渗透过来的甲醇被氧化，释放二氧化碳，产生质子；质子在电场作用下经过质子交换膜303到达阴极，被还原为氢气。部分甲醇溶液经甲醇溶液出口 102流出。 在上述过程中，电氧化的电流大小与渗透过来的甲醇溶液浓度成正比，而渗透的甲醇浓度又与原溶液中的甲醇浓度成正比，即电流大小与甲醇浓度成正比。由此，当在一定的温度下使用标准浓度的甲醇溶液测试其电氧化电流，就可得到一工作曲线，本领域技术人员可以使用上述浓度传感器来检测待测甲醇溶液产生的电流，并根据此工作曲线得到实际待测甲醇溶液的浓度变化。上述膜电极的阳极扩散层4和阴极扩散层2可以采用碳纸或碳布。阳极催化剂和阴极催化剂可以采用钼和钼钌黑，质子交换膜可以采用全氟磺酸质子交换膜。上述甲醇浓度传感器中，管道I用于输送甲醇溶液，其可采用聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜等对电池无污染的塑料制成。阴极集流板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输送到膜电极的阴极；另一方面，阴极集流板用于与外接电源的负极相连，同时阴极集流板2与膜电极3的阴极紧密接触，由此可将外接电源提供的电子传送到阴极，从而支持阴极的还原反应。阴极集流板2可以采用设有条形槽的石墨板。阳极集流板4用于与外接电源的正极相连，其与膜电极3的阳极紧密接触，阳极甲醇氧化产生的二氧化碳通过阳极集流板或集流网的孔隙扩散到空气中，阳极产生的电子通过阳极集流板或集流网传递到外接电源的正极。阳极集流板4也可以采用设有条形槽的石墨板，或者不锈钢网。支撑板5的作用主要是将膜电极3和阴阳极集流板固定到管道I的入口 101和出口 102之间，同时保证阴阳极的集流板与膜电极的表面充分接触。密封部6可以采用密封圈，材料具体可以为硅胶、氟硅胶或乙丙胶等。密封部6主要用于防止甲醇溶液泄露，并且保证电极接触良好。由上述内容可知，本实用新型提供的甲醇浓度感器是采用电化学检测法进行检测，由于电化学检测法具有较高的稳定性。因此，采用本实用新型提供的甲醇浓度传感器对甲醇溶液进行检测具有较高的稳定性，并且操作简便。本实用新型实施例2提供一种甲醇浓度传感器，其结构如图3所示，本实施例提供的甲醇浓度传感器与实施例I的区别在于阳极集流板4上设有阳极引线411 ；阴极集流板2上设有阴极引线211。[0043]检测甲醇溶液浓度时，将外加恒定电压的正负极分别与阳极集流板的阳极引线和阴极集流板的阴极引线相连接，进而便于检测，简化操作。作为优选方案，阴极引线和阳极引线之间还可串联一个测试电流的电子元件，当在阳极引线和阴极引线间施加恒定电压，同时有甲醇从膜电极的阴极渗透到阳极时，渗透过来的甲醇将被电氧化，产生的电流可以被测试元件所检测并输出显示，进而便于及时观察检测结果。此外，为了避免杂质进入传感器内部影响测试精度，本实用新型还优选在管道、阴极集流板、膜电极、阳极集流板、支撑板和密封部的外部套设壳体。同时，壳体还对内部器件起到保护的作用，延长传感器的使用寿命。采用如图3所示的甲醇浓度传感器，其中管道为聚乙烯材料；阴极集流板为石墨条形流�。荒さ缂挠行Х从γ婊�1cm2，阳极扩散层和阴极扩散层为碳纸，阳极催化剂和阴极催化剂分别为钼和钼钌黑；密封部为硅胶密封圈；阳极集流板为镀金不锈钢网。阴极引线与外接电源的负极相连，阳极引线与外接电源的正极相连，在阳极引线和阴极引线之间施加恒定电压，在30°C向管道内注入不同浓度的标准甲醇溶液并记录传感器电流，由此得到甲醇浓度和传感器电流的关系曲线，即甲醇浓度传感器的工作曲线，工作曲线如图4所示。从图4可以看出，甲醇的电氧化电流与甲醇浓度成正比，因此可以用来作为甲醇浓度的传感器。使用浓度为3M的甲醇溶液进行连续70个小时的浓度检测，如图5所示为传感器电流-时间曲线。由图5可知，传感器在约70小时的连续监测过程中，其电流的下降速度约为0. 06mA/小时，但考虑到实验过程中甲醇没有补加，而通过挥发将会导致甲醇的浓度稍微下降，另外虽然溶液在恒温状态，但传感器置于空气环境中，环境温度也会对传感器产生影响，故此可以看出传感器具有良好的稳定性。以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求1.一种甲醇浓度传感器，其特征在于，包括 管道(I)，所述管道(I)设有甲醇溶液入口(101)和甲醇溶液出口(102)； 所述管道的入口(101)和出口(102)之间依次设有阴极集流板(2)、膜电极(3)、阳极集流板(4)、支撑板(5);所述阴极集流板(2)和支撑板(5)之间设有密封部(6)； 所述膜电极(3)包括依次设置的阴极扩散层(301)、阴极催化剂层(302)、质子交换膜(303)、阳极催化剂层(304)和阳极扩散层(305)，所述阴极扩散层(301)与阴极集流板(2)相接触。
2.根据权利要求I所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阳极集流板上设有阳极引线(411);所述阴极集流板上设有阴极引线(211)。
3.根据权利要求I所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，还包括壳体，所述壳体套设于所述管道、阴极集流板、膜电极、阳极集流板、支撑板和密封部的外部。
专利摘要本实用新型提供一种甲醇浓度传感器，包括管道，其设有甲醇溶液入口和甲醇溶液出口；管道的入口和出口之间依次设有阴极集流板、膜电极、阳极集流板、支撑板；阴极集流板和支撑板之间设有密封部；膜电极包括依次设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层，阴极扩散层与阴极集流板相接触。本实用新型提供的甲醇浓度感器是采用电化学检测法进行检测，由于电化学检测法具有较高的稳定性。因此，采用本实用新型提供的甲醇浓度传感器对甲醇溶液进行检测具有较高的稳定性，并且操作简便。
文档编号G01N27/28GK202471646SQ20112056472
公开日2012年10月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者刘长鹏, 廖建辉, 李晨阳, 梁亮, 邢巍 申请人:中国科学院长春应用化学研究所
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