专利名称：测量甲醇浓度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量乙醇浓度的传感器，更具体地说，涉及一种测量供给直接供液燃料电池的阳极的稀释的乙醇的浓度的传感器。
背景技术：
直接供液燃料电池利用诸如甲醇或乙醇一类的燃料和诸如氧一类的氧化剂之间的电化学反应产生电力，并具有高的能量和功率密度。另外，由于直接供液燃料电池直接使用其燃料，不需要诸如燃料重整装置一类的外部周边装置，并且燃料容易贮存和供给。
如图1所示，直接供液燃料电池具有放置在阳极2和阴极3之间的一个电解质膜片1。阳极2和阴极3分别包括用于供给和扩散燃料的燃料扩散层22和32；用于燃料的氧化还原反应的催化剂层21和31；和电极支承层23和33。供电极反应用的催化剂可以由即使在低温下，也具有良好的催化特性的贵金属-例如Pt构成。为了防止由反应副产物-例如一氧化碳造成的催化剂中毒，还可以使用包含诸如Ru，Rh，Os或Ni一类的过渡金属的合金。该电极支承层23和33由碳纸或碳布制成；并且，为了容易供给燃料和排出反应产品，其表面是防水的。该电解质膜片1可以为厚度为50～200μm的聚合物膜片。通常，使用包含水分和具有离子导电性的氢离子交换膜片作为该电解质膜片1。
在使用甲醇和水的混合物作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)中，产生二种电化学反应。在阳极反应中，燃料被氧化，向在阴极反应中，氧和氢离子被还原。该反应如下阳极反应阴极反应甲醇分子与水分子在阳极2上反应，产生二氧化碳分子，6个氢离子和6个电子。氢离子通过该电解质膜片1迁移至阴极3，并在阴极3上，与通过一个外部线路供给的氧和电子反应，生成水。即，在DMFC的总反应中，通过甲醇与氧的反应，生成水和二氧化碳。这里，一个甲醇分子与氧反应，生成2个分子的水。
燃料不是纯的甲醇，而是在系统中产生或贮存的甲醇和水的混合物。当在该混合物中的甲醇浓度高时，由于在电解质膜片(氢离子交换膜片)中燃料的跨越(燃料穿过该膜片的一种现象)，电力产生性能大为降低。这样，一般使用浓度为0.5～2M(2～8体积％)的稀释的甲醇。
DMFC系统具有贮存浓缩或纯的甲醇的燃料箱，并将从该燃料箱来的甲醇和从DMFC回收的水或从水箱供给的水的混合物作为燃料供给阳极。这里，需要一个甲醇传感器以测量该混合物的浓度。
美国专利6303244号公布了一种在循环液箱中测量甲醇浓度的甲醇传感器，但没有具体测量方法的说明。美国专利6488837号说明了可以利用电流传感器测量甲醇浓度，该传感器输出与甲醇浓度成比例的电气信号。美国专利公报2004/0013912号说明可将燃料电池的小量的甲醇溶液分离和加热至沸腾，并测量沸点来确定甲醇浓度。美国专利6536262号说明了利用安装在燃料供给管路上的一个旁通管路上二点之间的压力差，确定乙醇浓度的方法。
发明内容
本发明提供了一种利用甲醇的粘度，可靠地测量甲醇浓度的装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种测量甲醇浓度的装置，它放置在将液体燃料供给直接供液燃料电池的阳极的管路上，该装置包括放置在该管路上的一个垂直支承梁；放置在该支承梁上，和具有预先确定的粗糙度的一个上表面的一个水平板；和固定在该支承梁的侧面上的一个传感器，该传感器可通过在该管路中流动的液体燃料的粘度变化产生的该支承梁的变形，产生电气信号。
该装置还包括放置在该管路中，和在其顶部具有一个开口的一个壳体，该支承梁可通过该开口固定在该管路上。
该传感器为压敏电阻传感器。
该压敏电阻传感器放置在该支承梁的底部一半上。
该板的上表面的粗糙度为该板的厚度的1/100～1/10RMS。
根据本发明的另一个方面，提供了一种测量甲醇浓度的装置，它放置在将液体燃料供给直接供液燃料电池的阳极的管路上，并具有第一个开口，该装置包括具有与在其顶部的第一个开口相应的第二个开口，和通过使该第二个开口与该第一个开口对准而固定在该管路的外侧上的一个壳体；一端穿过该第二个开口固定在该壳体的底部，与该第一个开口和第二个开口隔开的一个支承梁；固定在该支承梁的另一端上和具有带有预先确定的粗糙度的一个上表面的一个板；和一个固定在该支承梁的侧面上的传感器；该传感器通过由在该管路中流动的液体燃料的粘度的变化产生的该支承梁的变形，产生电气信号。
本发明的上述和其他特点与优点，通过参照附图对示例性实施例的详细说明将会更清楚。其中图1为直接供液燃料电池的一般结构的横截面图；图2为具有根据本发明的一个实施例的测量甲醇浓度的装置的直接供液燃料电池系统的示意图；图3为根据本发明的一个实施例的测量甲醇浓度的装置的横截面图；图4为表示粘性和甲醇浓度之间的关系的图形；图5表示在1.0M甲醇溶液中的一个支承梁的变形程度的仿真结果；图6为表示利用与图5相同的方法，在1.1M甲醇溶液中测量的应力和在1.0M甲醇溶液中测量的应力之间的差别的图形；和图7为根据本发明的另一个实施例的测量甲醇浓度的装置的横截面图。
具体实施例方式
现在参照附图，更充分地说明本发明，在附图中表示了本发明的示例性实施例。
图2为具有根据本发明的一个实施例的甲醇浓度测量装置的直接供液燃料电池系统的示意图。
从图2可看出，用于还原反应的空气送至在堆叠件110中的阴极，由在阴极上反应产生的水被回收至燃料混合器140。高度浓缩的或纯的甲醇存贮在燃料箱120中。
利用第一个泵122将在该燃料箱120中的浓缩的甲醇燃料供给至燃料混合器140。送至燃料混合器140的甲醇与从阳极返回至燃料混合器140中的没有反应的燃料和从阴极来的水混合。然后，利用第二个泵142将混合的液体燃料供给至该堆叠件110的阳极。
从燃料混合器140送至阳极的稀释的燃料的浓度，利用安装在该燃料混合器140和阳极之间的管路160上的测量甲醇浓度的装置150测量。控制系统170根据测量的甲醇浓度，利用第一个泵122控制供给至燃料混合器140的燃料量。
图3为根据本发明的一个实施例的测量甲醇浓度的装置的横截面图。
参见图3可看出，测量甲醇浓度的装置150放置在管路160中，液体燃料通过该管路以固定的速度流动。液体燃料的流动速度由图2所示的第二个泵142控制。测量甲醇浓度的装置150包括固定在管路160上，并在其顶部有开口151a的壳体151；通过该开口151a，从该壳体151突出出来的垂直的支承梁153；以其下表面固定在该支承梁153上的板155；和固定在该支承梁153的侧面上的压敏电阻传感器157。该热敏电阻传感器157通过电路(没有示出)将电气信号输出至控制系统170。
该壳体的可防止该支承梁153直接被燃料流动加压。该壳体151的上部可防止燃料流在该壳体151中产生涡流。
支承梁153的一端固定在管路160上，另一端固定在板155的下表面上。虽然，在图3中，该支承梁153的末端直接固定在管路160上，但它也可以固定在壳体151的底部(没有示出)，并且该壳体151的底部固定在管路160上。
板155的上表面155a的粗糙度最好为板155的厚度的1/100～1/10RMS(均方根)。该上表面155a受到由于燃料流动引起的粘性力的影响。该支承梁153在燃料流动方向上，与该粘性力成比例地变形。该支承梁153的变形程度用该压敏电阻传感器157的电气信号表示。当该粘性力增加时，变形的程度增加，因此，压敏电阻传感器157的输出增大。在本发明中，利用该电气信号测量甲醇浓度。
根据本发明，该粘性力F粘性和甲醇溶液粘度的关系由式(1)给出。
式中，A是板155的上表面155a的面积；dv/dy是在与流体流动方向垂直的方向上的速度梯度。当流动速度由第二个泵142保持为常数时，dv/dy为常数，因此，该粘性力F粘性与流体的粘度成比例。
图4为表示粘度和甲醇浓度的关系的图形。
从图4中可看出，当甲醇浓度在40℃下增加时，流体的粘度以固定的速度增加。这样，可通过测量在管路160中流动的流体的粘度，确定甲醇浓度。
图5表示在1.0M甲醇溶液中，支承梁的变形程度的仿真结果。这里，雷诺数为178.1，在支承梁的各个位置上计算剪切应力。
图6为表示在1.1M甲醇溶液中，利用与图5相同的方法测量的应力和在1.0M甲醇溶液中测量的应力之间的差别的图线。这里，横坐标定义为无因次的传感器位置，该支承梁153的底部位置定义为0，该支承梁153的顶部位置定义为1。
从图5和图6可看出，对于0.1M的浓度差有应力差，这表示根据本发明的测量甲醇浓度的装置的灵敏度为0.1M或更好。该压敏电阻传感器157可以放置在沿着该支承梁153的0.1～0.85处。然而，在该支承梁153的下部，应力差较大。另外，当该压敏电阻传感器157位于梁的下部时，该压敏电阻传感器157较少受到流体流动的直接冲击的影响，结果产生的传感器噪声降低。根据上述二点，在该支承梁153的下部，传感器157的灵敏度较高。因此，最好，该压敏电阻传感器157放置在该支承梁153的下部上。
图7为根据本发明的另一个实施例的测量甲醇浓度的装置250的横截面图。
参见图7可看出，测量甲醇浓度的装置放置在管路160中，液体燃料通过该管以固定速度流动。液体燃料的流动速度可用图2所示的第二个泵142控制。测量甲醇浓度的装置250包括固定在管路160外侧上的壳体251。该管路160具有第一个开口160a，该壳体251在其顶部具有与该第一个开口160a相应的第二个开口251a。该装置250还包括通过该第二个开口251a和该第一个开口160a，从壳体251突出出来的垂直支承梁253；以其下表面固定在该支承梁253上的板258；和固定在该支承梁253的侧面上的压敏电阻传感器257。该压敏电阻传感器257通过电路(没有示出)将电气信号输出至控制系统170。
该支承梁253的一端固定在该壳体251的底部，另一端固定在该板255的下表面上。
该板255的上表面255a的粗糙度最好为板255厚度的1/100～1/10RMS(均方根)。
测量甲醇浓度的装置250的工作与装置150的工作相同，因此不重复其详细说明。
如上所述，根据本发明实施例的测量甲醇浓度的装置，当在小装置中使用时，其具有甲醇浓度的测量灵敏度良好约为1.0M，因此，可以有效地在小型便携式的直接供液燃料电池中使用。
虽然，参照示例性实施例，说明了本发明，但具有普通业内人士知道，在不偏离由下述权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，可作各种形式和细节的改变。
权利要求
1.一种测量甲醇浓度的装置，它放置在将液体燃料供给直接供液燃料电池的阳极的管路上，该装置包括放置在该管路上的垂直支承梁；放置在该支承梁上，和具有预先确定的粗糙度的上表面的板；和固定在该支承梁的侧面上的传感器，该传感器可通过在该管路中流动的液体燃料的粘度变化产生的该支承梁的变形，产生电气信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征为，它还包括，放置在该管路中，和在其顶部具有开口的壳体，该支承梁可通过该开口固定在该管路上。
3.如权利要求1所述的装置，其特征为，该传感器为压敏电阻传感器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征为，该压敏电阻传感器放置在该支承梁的底部一半上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征为，该板的上表面的粗糙度为该板的厚度的1/100～1/10RMS。
6.一种测量甲醇浓度的装置，它放置在将液体燃料供给直接供液燃料电池的阳极的管路上，并具有第一个开口，该装置包括具有与在其顶部的第一个开口相应的第二个开口，和通过使该第二个开口与该第一个开口对准而固定在该管路的外侧上的壳体；一端穿过该第二个开口固定在该壳体的底部，与该第一个开口和第二个开口隔开的支承梁；固定在该支承梁的另一端上和具有预先确定的粗糙度的上表面的板；和固定在该支承梁的侧面上的传感器；该传感器通过由在该管路中流动的液体燃料的粘度的变化产生的该支承梁的变形，产生电气信号。
7.如权利要求6所述的装置，其特征为，该传感器为压敏电阻传感器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征为，该压敏电阻传感器放置在该支承梁的底部一半处。
9.如权利要求6所述的装置，其特征为，该板的上表面的粗糙度为该板的厚度的1/100～1/10RMS。
全文摘要
提供了一种测量甲醇浓度的装置。它放置在将液体燃料供给直接供液燃料电池的阳极的管路上，该装置包括放置在该管路上的一个垂直支承梁；放置在该支承梁上，和具有预先确定的粗糙度的一个上表面的一个水平板；和固定在该支承梁的侧面上的一个传感器，该传感器可通过在该管路中流动的液体燃料的粘度变化产生的该支承梁的变形，产生电气信号。
文档编号H01M8/04GK1793832SQ20051012886
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月7日 优先权日2004年12月9日
发明者罗小兵, 赵慧贞, 李在镛, 姜尚均 申请人:三星Sdi株式会社