一种醇类燃料电池电堆及其检测浓度方法与流程

1.本发明涉及燃料电池，具体涉及一种醇类燃料电池电堆及其检测浓度方法。


背景技术：

2.目前适用醇类监测的传感器大多采用燃料电池型的方式。该传感器类似于一个燃料电池单元，因其结构同dafc很相似，在工业化方面具有相当的优势。其中，工作于恒定电压的驱动模式传感器具有响应信号强，浓度范围宽，寿命长等优势。其工作原理是：在膜电极集合体(mea)的阳极上施加能够使甲醇发生电化学氧化作用的恒定电位。甲醇溶液可以直接由阳极进料直接到达阳极催化剂层，也可以由阴极进料，透过质子交换膜到达阳极。无论哪种方式，都要通过适当阻碍层后达到载有pt等贵金属催化剂的电极表面发生电化学氧化。由于有阻碍层的作用产生极限扩散电流，通过测得该极限扩散电流可以测定甲醇浓度。
3.现有的醇类燃料电池测量浓度时通常使用在流路中设置浓度传感器的方式，传感器大多采用燃料电池型的方式，此类浓度传感器易受干湿状态、吸附离子等影响导致稳定性和可靠性不高，此外此类浓度传感器受质子交换膜尺寸影响，响应电流过小，若采用放大信号的方式会影响精度，并且这种设置在流路中的传感器结构易产生泄露问题。现有的醇类燃料电池可靠性差、精准度差、容易出现液体泄露。
4.因此，需要对现有技术进行改进。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种高效的一种醇类燃料电池电堆及其检测浓度方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种醇类燃料电池电堆，包括发电模块和浓度传感模块，还包括前端板和后端板，所述前端板上设置有燃料进口及反应物出口；所述发电模块由极板和膜电极组成的发电单体堆叠而成，所述发电模块的前后两端设置有导电集耳；所述浓度传感模块依次由第一绝缘板、浓度传感阳极板、浓度传感膜电极、浓度传感阴极板及第二绝缘板堆叠而成，所述第一或第二绝缘板上靠近极板位置设置有浓度传感测温孔，所述第一及第二绝缘板靠近极板侧分别设置有浓度传感导电接口。
7.作为对本发明一种醇类燃料电池电堆的改进：所述浓度传感阳极板和浓度传感阴极板设有密封线凹槽。
8.作为对本发明一种醇类燃料电池电堆的改进：所述浓度传感模块浓度响应通过温度补偿获得准确值。
9.作为对本发明一种醇类燃料电池电堆的改进：所述浓度传感导电接口之间恒定0.6
‑
0.9v电压范围内某一值。
10.作为对本发明一种醇类燃料电池电堆的改进：所述浓度传感模块设置于靠近前端板处，或者设置于靠近后端板处。
11.本发明还提供一种电堆用于检测通过电堆中醇类燃料浓度的方法，包括如下步
骤：浓度传感模块的标定和通过测量温度来确定电堆进口或出口处燃料的浓度，具体步骤如下：
12.s1:在所述浓度传感模块施加预设电压，所述浓度传感导电接口靠近浓度传感阳极板为阳极接口，靠近浓度传感阴极板为阴极接口，阳极接口和阴极接口之间恒定0.6
‑
0.9v电压范围内某一值，阳极接口相对阴极接口为高电位，在所述电堆中通入设定浓度的醇类燃料溶液，将溶液加热升温，测量浓度传感模块两端电流和浓度传感模块温度，并生成电流随温度变化关系，拟合电流同浓度与温度之间的关系为i＝f(c,t)，其中，i
‑
输出电流(a)，c
‑
设定溶液浓度(mol/l)，t
‑
传感模块温度(℃)；
13.s2：在所述浓度传感模块施加预设电压，预设电压为0.6～0.9v恒定电压，将待测的醇类燃料溶液通入正常工作的电堆中，测量浓度传感模块两端电流和浓度传感模块温度，则可通过s1所得关系式i＝f(c,t)确定对应的溶液浓度。
14.作为对本发明用于检测通过电堆中醇类燃料浓度的方法的改进：步骤s1中醇类燃料通液的设定浓度为0.3
‑
1.2mol/l。
15.作为对本发明用于检测通过电堆中醇类燃料浓度的方法的改进，包括如下步骤：浓度传感模块的标定和通过测量温度来确定电堆进口或出口处燃料的浓度，具体步骤如下：
16.a1:在所述浓度传感模块施加预设电压，所述浓度传感导电接口靠近浓度传感阳极板为阳极接口，靠近浓度传感阴极板为阴极接口，阳极接口和阴极接口之间恒定0.6
‑
0.9v电压范围内某一值，阴极接口相对阳极接口为高电位，在所述电堆中通入设定浓度的醇类燃料溶液，将溶液加热升温，测量浓度传感模块两端电流和浓度传感模块温度，并生成电流随温度变化关系，拟合电流同浓度与温度之间的关系为i＝g(c,t)，其中，i
‑
输出电流(a)，c
‑
设定溶液浓度(mol/l)，t
‑
传感模块温度(℃)；
17.a2：在所述浓度传感模块施加预设电压，预设电压为0.6～0.9v恒定电压，将待测的醇类燃料溶液通入正常工作的电堆中，测量浓度传感模块两端电流和浓度传感模块温度，则可通过a1所得关系式i＝g(c,t)确定对应的溶液浓度。
18.本发明一种醇类燃料电池电堆及其检测浓度方法的技术优势为：
19.本发明提供一种醇类燃料电池电堆，其集成了浓度传感的功能，及提高的浓度传感的可靠性及测量精度，又简化了系统结构。
20.本发明一种醇类燃料电池电堆及其检测浓度方法不受干湿状态、吸附离子等的影响，可靠性提升、集成度提高、便于加工、精度提高。
附图说明
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
22.图1是本发明一种醇类燃料电池电堆的结构示意图；
23.图2是图1中第一绝缘板201和前端版3的结构示意图；
24.图3是图1中第二绝缘板205的结构示意图；
25.图4是实施例1所得的甲醇溶液为0.5mol/l时的温度
‑
电流曲线；
26.图5是实施例1所得的阳极流速为4ml/min时的溶液温度
‑
电流曲线；
27.图6是实施例2所得的阳极流速为4ml/min时的溶液温度
‑
电流曲线。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
29.实施例1、一种醇类燃料电池电堆，如图1
‑
4所示，包括发电模块1和浓度传感模块2，还包括前端板3和后端板4，所述前端板3上设置有燃料进口301及反应物出口302；
30.燃料进口301用于通入醇类燃料溶液，醇类燃料溶液的浓度为0.3
‑
1.2mol/l。
31.发电模块1由极板和发电模块膜电极102组成的发电单体堆叠而成，极板为双极板103，双极板103包括发电模块阳极板104和发电模块阴极板101，若干发电模块阳极板104和发电模块阴极板101依次交替堆叠，相邻发电模块阳极板104和发电模块阴极板101之间均设置有发电模块膜电极102。
32.所述发电模块1的前后两端设置有导电集耳110；导电集耳110包括发电模块正极集耳111和发电模块负极集耳112；
33.所述浓度传感模块2依次由第一绝缘板201、浓度传感阳极板202、浓度传感膜电极203、浓度传感阴极板204及第二绝缘板205堆叠而成，所述第一绝缘板201或第二绝缘板205上浓度传感极板(浓度传感阳极板202和浓度传感阴极板204)的位置设置有浓度传感测温孔206，所述第一绝缘板201及第二绝缘板205靠近浓度传感极板(浓度传感阳极板202和浓度传感阴极板204)一侧分别设置有浓度传感导电接口207。第一绝缘板201和第二绝缘板205上均设置有溶液通孔208和固定孔209。
34.浓度传感导电接口207包括浓度传感正极接口和浓度传感负极接口，浓度传感正极接口和浓度传感负极接口分别设置在第一绝缘板201和第二绝缘板205上。
35.浓度传感阳极板202和浓度传感阴极板204设有密封线凹槽；
36.浓度传感膜电极效面积为25
‑
50cm2；
37.浓度传感模块2浓度响应通过温度补偿获得准确值。
38.两个浓度传感导电接口207之间恒定0.6
‑
0.9v电压范围内某一值。
39.浓度传感模块2设置于靠近前端板3处，或者设置于靠近后端板4处。
40.电堆用于检测通过电堆中醇类燃料浓度的方法，包括如下步骤：浓度传感模块2的标定和通过测量温度来确定电堆进口或出口处燃料的浓度，具体步骤如下：
41.s1:在浓度传感模块施加预设电压，浓度传感导电接口207靠近浓度传感阳极板202为阳极接口，靠近浓度传感阴极板204为阴极接口，通过浓度传感导电接口207施加预设电压(预设电压为0.6～0.9v恒定电压范围内某一值)，通入的阳极流速为定值(例如2ml/min、4ml/min、6ml/min)，阳极流速通过液泵测量得到；阳极接口相对阴极接口为高电位；
42.通过前端板3上的燃料进口301向电堆通入设定浓度的醇类燃料溶液，将醇类燃料溶液加热升温；
43.通过浓度传感导电接口207测量浓度传感模块两端电流；通过浓度传感测温孔206测量浓度传感模块温度；同时生成电流随温度变化关系，拟合电流同浓度与温度之间的关系为i＝f(c,t)＝c*(k1*t
‑
k2)；
44.其中，i
‑
通过浓度传感导电接口207测量得到的输出电流(a)，c
‑
设定溶液浓度(mol/l)，t
‑
传感模块温度(℃)，k1为极板系数一，k2为极板系数二，
45.如图5所示，在本实施例1中采用的实验用浓度传感极板，拟合电流同浓度与温度
之间的关系，得到k1为0.15，k2为0.092；
46.i＝f(c,t)＝c*(0.15*t
‑
0.092)；
47.燃料的流动方向为：燃料从燃料进口301进入，通过溶液通孔208依次穿过前端版3、第一绝缘板201、浓度传感模块2、第二绝缘板205、发电模块1和后端板4，然后通过溶液通孔208直接反向流出反应物出口302。
48.s2：通过浓度传感导电接口207施加预设电压(与步骤s1中的预设电压一致)，预设电压为0.6～0.9v恒定电压范围内某一值，将待测的醇类燃料溶液通入正常工作的电堆中，测量浓度传感模块2两端电流和浓度传感模块温度，则可通过s1所得关系式确定对应的溶液浓度。
49.实施例2、一种醇类燃料电池电堆，结构与实施例1相同，将电堆用于检测通过电堆中醇类燃料浓度的方法中的阴极接口和阳极接口的电位修改为“阴极接口相对阳极接口为高电位”，其余等同于实施例1。
50.由于反向加电位，导致渗透速度不同，电流响应就不同；
51.实施例2所得的关系式i＝g(c,t)＝c*(
‑
0.273*t+6.56)；
52.最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。