专利名称：一种甲醇浓度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及甲醇浓度传感器。
背景技术：
甲醇浓度传感器主要用于检测和控制甲醇燃料电池中的甲醇浓度，以保证甲醇燃料电池在合理的甲醇浓度范围内工作。甲醇燃料电池对甲醇的浓度具有较高的要求，使用高浓度的甲醇溶液，容易产生严重的甲醇渗透问题。发生甲醇渗透不仅会给阴极带来混合电势，降低电池的输出电压，还会带来电池寿命下降，燃料利用率低及运行时间短等问题。因此，只有保持电池中甲醇浓度处于合理的浓度范围，才能保证电池具有较高的电化学性能，这就需要采用浓度传感器来监测并调节甲醇的浓度。现有技术中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。如Hengbing Zhao 等人在 “Journal of Power Sources 159 (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。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. ff. Lin等在“Materials Chemistry and Physics 55,1998,139-144” 中在招基材上使用金电极和聚批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；Ky0ngS00Lee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“Sensors and actuators, B75(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。在燃料电池领域，采用基于质子交换膜电极(MEA)的甲醇浓度传感器具有更好的实用性及针对性。孙维等人在“Journal of PowerSources 162 (2006) 1115 - 1121”中介绍了一种脉冲式甲醇浓度传感器，通过在两个膜电极的阴极和阳极之间施加脉冲式电压来检测甲醇的浓度。但是，这种脉冲式甲醇浓度传感器必须具备脉冲发射装置，结构复杂，体积大。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种甲醇浓度传感器，结构简单，体积小。本发明提供了一种甲醇浓度传感器，包括电极装置，温度传感器和电子控制板；所述电极装置包括阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和介于所述阳极导电支撑流场板和阴极导电支撑流场板之间的质子交换膜电极；所述质子膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层；所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。优选的，所述质子交换膜电极的有效面积为O. 2 2cm2。优选的，所述质子交换膜电极与阳极导电支撑流场板之间还包括密封边框。优选的，所述质子交换膜电极与阴极导电支撑流场板之间还包括密封边框。优选的，所述阴极扩散层为碳纸或碳布。优选的，所述阳极扩散层为碳纸或碳布。优选的，所述阴极催化剂层的催化剂为钼黑，钼黑的用量为疒8mg/cm2。
优选的，所述阳极催化剂层的催化剂为钼钌黑，钼钌黑的用量为疒8mg/cm2。优选的，所述阳极导电支撑流场板上具有朝向质子交换膜电极的点状流场，点状流场外围绕有气体溢出通道。优选的，所述阴极导电支撑流场板上具有条形流场。与现有技术相比，本发明的甲醇浓度传感器包括电极装置、温度传感器和电子控制板，所述电极装置包括阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和介于所述阳极导电支撑流场板和阴极导电支撑流场板之间的质子交换膜电极；所述质子膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层；所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。本发明的甲醇浓度传感器是利用电化学检测法检测甲醇浓度的。电子控制板对电极装置施加电压，当甲醇存在时，甲醇将渗透过质子交换膜电极的阴极和质子交换膜，到达阳极，并在阳极催化剂作用下被氧化，放出二氧化碳，给出氧化电流，同时生成的质子通过质子交换膜返回到阴极，在阴极还原成氢气。在此过程中，阳极产生的氧化电流以及溶液的温度可以被电子控制板读取，然后通过比对预置的氧化电流值与甲醇浓度及环境温度的关系曲线，输出代表甲醇浓度的控制电流或控制电压。由于本发明的甲醇浓度传感器可以浸入到甲醇溶液中，通过氧化电流、温度和甲醇浓度三者的关系，得到甲醇浓度，因此其稳定性好。另外，其结构简单，体积小，有利于应用于体积较小的甲醇燃料电池。
图1为本发明质子交换膜电极的结构示意图；图2为本发明提供的甲醇浓度传感器的结构示意图；图3为本发明电极装置的分解结构图；图4为本发明实施例1提供的甲醇浓度传感器在不同温度和甲醇浓度下的工作曲线。
具体实施例方式为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明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发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了一种甲醇浓度传感器，包括电极装置，温度传感器和电子控制板；
所述电极装置包括阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和介于所述阳极导电支撑流场板和阴极导电支撑流场板之间的质子交换膜电极；所述质子膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层；所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。按照本发明，电极装置包括质子交换膜电极，置于质子交换膜电极一侧的阳极导电支撑流场板和置于质子交换膜电极另一侧的阴极导电支撑流场板。按照本发明，电极装置中，质子交换膜电极如图1所示，图1为本发明质子交换膜电极的结构示意图，所述质子交换膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层101、阴极催化剂层102、质子交换膜103、阳极催化剂层104和阳极扩散层105。所述阳极扩散层和阴极扩散 层优选为碳纸或碳布。所述阳极催化剂层的催化剂优选为钼黑，钼黑的用量优选为2 8mg/cm2，更优选为r5mg/cm2。所述阳极催化剂层的催化剂优选为钼钌黑，钼钌黑的用量优选为2 8mg/cm2,更优选为4 5mg/cm2。所述质子交换膜优选为全氟磺酸质子交换膜。所述质子交换膜电极的有效面积优选为O. 2 2cm2，更优选为O. 8^1. 5cm2。按照本发明，电极装置中，阳极导电支撑流场板置于质子交换膜的一侧，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板上优选具有朝向质子交换膜电极的点状流场，点状流场外围绕有气体溢出通道，所述气体溢出通道延伸至阳极导电支撑板边缘，可与外界相通，所述气体溢出通道的宽度优选为O. 5 1_。所述阳极导电支撑流场板优选为石墨板。为保证电极装置的密封性，防止甲醇溶液从质子交换膜电极的周围进入，优选的，在所述质子交换膜电极与阳极导电支撑流场板之间还设置有密封边框。所述密封边框为框型片，中间为甲醇、氧气、水和质子等反应物和产物通过的通道。所述密封边框优选为硅胶边框、氟硅胶边框或乙丙胶边框。按照本发明，电极装置中，阴极导电支撑流场板置于质子交换膜的另一侧，所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阴极导电支撑流场板上具有条形流场。所述阴极导电支撑流场板优选为石墨板。为保证电极装置的密封性，防止甲醇溶液从质子交换膜电极的周围进入，优选的，在所述质子交换膜电极与阴极导电支撑流场板之间还设置有密封边框。所述密封边框为框型片，中间为甲醇、氧气、水和质子等反应物和产物通过的通道。所述密封边框优选为硅胶边框、氟硅胶边框或乙丙胶边框。所述阳极导电支撑流场板、密封边框、质子交换膜电极、密封边框和阴极导电支撑流场板优选通过螺丝依次贯穿连接。按照本发明，所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。本发明对温度传感装置没有特殊限制，本领域技术人员根据实际情况选择能够读取温度的装置即可。所述电子控制板对阳极支撑流场板给出正电压，对阴极支撑流场板给出负电压，并可以读取阳极支撑流场板和阴极支撑流场板之间产生的电压差并且读取温度传感器的温度信号。本发明对所述电子控制板的具体结构没有特殊限制，按照本领域技术人员熟知的方式选择即可。所述连接优选通过弓I线。本发明的甲醇浓度传感器的结构具体参见图2和图3，图2为本发明提供的甲醇浓度传感器的结构示意图，包括电极装置7、温度传感器5和电子控制板6。图3为电极装置的分解结构图，包括质子交换膜电极1，阴极支撑流场板2，阳极支撑流场板3和密封边框4。阴极支撑流场板2上具有条形流场22，阴极支撑流场板2通过引线21与电子控制6板连接。阴极支撑流场板2与质子交换膜电极I连接，两者之间设置有密封边框4。所述质子交换膜电极I包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层。所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板2连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板3连接；阳极支撑流场板3上具有朝向质子交换膜电极的点状流场32，点状流场外围绕有气体溢出通道。阳极支撑流场板3通过引线31与电子控制板6连接。阳极支撑流场板3 具有点状流场32的一侧与质子交换膜电极I连接，两者之间设置有密封边框4。温度传感器5通过引线51与电子控制板6连接。电子控制板6包括电源输入端61，电压输出端62和电流检测端63。电子控制板6对阴极支撑流场板I给出负电压，阳极支撑流场板2给出正电压，阴极支撑流场板I和阳极支撑流场板2之间的电压差为O. Π. 2V，当阴极支撑流场板I和阳极支撑流场板2之间产生电流时，该电流作为电流信号经电流检测端63输入电子控制板6。温度传感器5的温度信号输入电子控制板6，电极装置和温度传感器5的信号被电子控制板处理后，得到一个输出电压，经电压输出端62输出。本发明提供的甲醇浓度传感器利用电化学检测法检测甲醇浓度，检测原理为甲醇溶液通过阴极支撑流场板的条形流场进入质子交换膜电极，部分甲醇溶液通过阴极扩散层、阴极催化剂层和质子交换膜到达阳极催化剂层；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，二氧化碳通过气体溢出通道扩散到甲醇溶液中；质子在电场作用下经过质子交换膜到达阴极催化剂层，被还原为氢气，也扩散到甲醇溶液中。在上述过程中，甲醇电氧化的电流大小与渗透进入质子交换膜电极的甲醇溶液浓度成正比，渗透进入的甲醇溶液浓度与原溶液中甲醇浓度成正比，即甲醇电氧化的电流大小与原溶液中甲醇浓度成正比。由此，当在不同温度下使用标准浓度的甲醇溶液测试其电氧化电流，就可得到一组工作曲线，然后使用所述甲醇浓度传感器检测待测甲醇溶液产生的电流并根据工作曲线进行比对，即可得到待测甲醇溶液浓度。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的甲醇浓度传感器进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1采用如图2和图3所示的甲醇浓度传感器，阴极导电支撑流场板、密封边框、质子交换膜电极、密封边框、阳极导电支撑流场板依次叠加设置并用螺丝贯穿连接，构成电极装置；阴极导电支撑流场板通过引线与电子控制板连接，阳极导电支撑流场板通过引线与电子控制板连接；温度传感器通过引线与电子控制板。其中，阴极导电支撑流场板为具有条形流场的石墨板，质子交换膜电极的有效反应面积为1cm2，阳极扩散层和阴极扩散层为碳纸，阳极催化剂层的催化剂为钼钌黑，钼钌黑的用量为5mg/cm2，阴极催化剂层的催化剂为钼黑，钼黑的用量为5mg/cm2，密封边框为硅胶密封边框，阳极导电支撑流场板为具有点状流场的石墨板。在不同温度下，将所述甲醇浓度传感器浸入到不同浓度的甲醇溶液中，在阴极支撑流场板和阳极支撑流场板之间施加O. Π. 2V的恒定电压，记录甲醇浓度传感器的电流，由此得到甲醇浓度、甲醇浓度传感器电流和温度的关系曲线，如图4所示。图4为本发明实施例1提供的甲醇浓度传感器在不同温度和甲醇浓度下的工作曲线。曲线A为60°C下，甲醇传浓度感器在不同甲醇浓度时的氧化电流变化情况；曲线B为50°C下，甲醇浓度传感器在不同甲醇浓度时的氧化电流变化情况；曲线C为40°C下，甲醇浓度传感器在不同甲醇浓度时的氧化电流变化情况；曲线D为30°C下，甲醇浓度传感器在不同甲醇浓度时的氧化电流变化情况。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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，包括电极装置，温度传感器和电子控制板；所述电极装置包括阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和介于所述阳极导电支撑流场板和阴极导电支撑流场板之间的质子交换膜电极；所述质子膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层；所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。
2.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述质子交换膜电极的有效面积为O. 2 2cm2。
3.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述质子交换膜电极与阳极导电支撑流场板之间还包括密封边框。
4.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述质子交换膜电极与阴极导电支撑流场板之间还包括密封边框。
5.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阴极扩散层为碳纸或碳布。
6.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阳极扩散层为碳纸或碳布。
7.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阴极催化剂层的催化剂为钼黑，钼黑的用量为2 8mg/cm2。
8.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阳极催化剂层的催化剂为钼钌黑，钼钌黑的用量为2 8mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阳极导电支撑流场板上具有朝向质子交换膜电极的点状流场，点状流场外围绕有气体溢出通道。
10.根据权利要求1所述的甲醇浓度传感器，其特征在于，所述阴极导电支撑流场板上具有条形流场。
全文摘要
本发明提供一种甲醇浓度传感器，包括电极装置，温度传感器和电子控制板；所述电极装置包括阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和介于所述阳极导电支撑流场板和阴极导电支撑流场板之间的质子交换膜电极；所述质子膜电极包括依次叠加设置的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层；所述阴极扩散层与阴极导电支撑流场板连接，所述阳极扩散层与阳极导电支撑流场板连接；所述阳极导电支撑流场板、阴极导电支撑流场板和温度传感器分别与电子控制板连接。所述甲醇浓度传感器可以浸入到甲醇溶液中，因此其稳定性好。另外，其结构简单，体积小，有利于应用于体积较小的甲醇燃料电池。
文档编号H01M8/04GK102998352SQ201210552648
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者邢巍, 廖建辉, 李晨阳, 张玉微, 严亮 申请人:中国科学院长春应用化学研究所