CN102478537B - 甲醇浓度传感探头、甲醇浓度感测方法和甲醇浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甲醇浓度传感探头，其包括绝缘基板、阴极层和阳极层，阴极层和阳极层分别结合于绝缘基板表面，阴极层具有间隔排布于绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阴极触头，阳极层具有间隔排布于绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阳极触头，多个阴极触头和多个阳极触头相互交替间隔排布。本发明还涉及具有上述甲醇浓度传感探头的甲醇浓度传感器以及一种甲醇浓度感测方法。该甲醇浓度传感探头结构简单紧凑，占用空间小，而且测量结果准确迅速。测量时，阴极层和阳极层在甲醇溶液中形成明显的电势差，通过检测两电极之间的电势差即可得出甲醇浓度，通过这种电势差测量方式，使得测量结果准确，方便快速测出甲醇浓度。

Description

甲醇浓度传感探头、甲醇浓度感测方法和甲醇浓度传感器

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种甲醇浓度传感探头、甲醇浓度感测方法和甲醇浓度传感器。

背景技术

能源开发一直以来是全球的研究热门之一。具有高效节能、低排放或零排放优势的能源受到世界各国的广泛重视，而燃料电池技术就是其中之一。燃料电池是通过在阴阳两极进行氧化还原反应而将化学能转换为电能，其具有能量转化效率高、低污染、适用范围广、负荷响应快，运行质量高等特点。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池中一种，其主要利用气态或液态的甲醇作为燃料，以Nafion型质子交换膜作为隔膜。由于采用气态或液态的甲醇进料，提高电池安全性，而燃料产物为主要为水，无污染，因而具有很广阔的商业化前景。然而，直接甲醇燃料电池对甲醇进料浓度有严格限制，例如采用体积分数3-5％的甲醇。如果甲醇浓度过高，就会出现甲醇交迭问题，从而降低燃料电池的效率，反之，如果甲醇浓度过低，甲醇的供应不足，影响电极反应，同样难以提升燃料效率。因此，需要对甲醇浓度进行感测。

目前，主流的甲醇浓度传感器大多采用燃料电池的方式完成浓度参数与电信号的转化。工作方式之一是在膜电极组件(MEA)的阳极层上施加恒定电位，使到达载有Pt、Ru等贵金属催化剂阳极层的甲醇发生电化学氧化，根据极限扩散电流测定甲醇浓度。然而这种测定方法只能适用于在线测定甲醇浓度，而且测定的时间较长，不能快速测量电极甲醇溶液的浓度，这样造成在线即时测量结果滞后。

发明内容

有鉴于此，提供一种测量准确快速的甲醇浓度传感探头。

以及一种测量准确快速的甲醇浓度感测方法及甲醇浓度传感器。

一种甲醇浓度传感探头，包括绝缘基板、阴极层和阳极层，所述阴极层和阳极层分别结合于所述绝缘基板表面，所述阴极层具有间隔排布于所述绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阴极触头，所述阳极层具有间隔排布于所述绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阳极触头，多个阴极触头和多个阳极触头相互交替间隔排布。

一种甲醇浓度感测方法，其包括下列步骤：

将上述甲醇浓度传感探头置于待测的含甲醇溶液中；

检测出探头上阴极层和阳极层的电势差；

根据阴极层和阳极层的电势差得出待测的含甲醇溶液中甲醇浓度。

以及，一种甲醇浓度传感器，包括上述的甲醇浓度传感探头以及与所述探头电连接的外部测量电路。

在所述甲醇浓度传感探头中，在绝缘基板设置阴极层和阳极层，结构简单紧凑，占用空间小，测量结果准确迅速。在甲醇浓度传感探头用于测量时，阴极层和阳极层在甲醇溶液中形成明显的电势差，通过检测两电极之间的电势差即可得出甲醇浓度，通过这种电势差测量方式，使得测量结果准确，方便快速测出甲醇浓度。而且，通过设置多个触头，提高结果准确性和可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的甲醇浓度传感探头的结构示意图；

图2是本发明实施例的甲醇浓度传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例的甲醇浓度感测方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，显示本发明实施例的甲醇浓度传感探头10，其包括绝缘基板11、阴极层12和阳极层14，阴极层12和阳极层14分别结合于绝缘基板11的表面，阴极层12具有间隔排布于绝缘基板11的表面上且一端电连接在一起的多个阴极触头121，阳极层14具有间隔排布于绝缘基板11的表面上且一端电连接在一起的多个阳极触头141，多个阴极触头121和多个阳极触头141相互交替间隔排布。

绝缘基板11可以是各种绝缘材质制成的，例如可以是但不限于聚四氟乙烯薄膜、聚芳酰胺纤维纸、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜等，例如可采用杜邦公司的Nafion112薄膜等。

阴极层12的材质为铜、锌、铝或钡等金属材质，优选铜材质；阳极层14的材质为铂、铜等金属材质，优选铂材质。阴极层12和阳极层14采用不同的金属材质，例如，阴极层12的材质为铜，阳极层14的材质为铂。阴极层12和阳极层14阵列式排布于绝缘基板11的表面，阴极层12的阴极触头121和邻近的阳极层12的阳极触头141之间的间隔距离为0.5～2毫米，例如可以为1毫米或1.5毫米。阴极层12和阳极层14分别是均匀的层状或者薄膜结构，例如涂覆或沉积于绝缘基板11的表面，阴极层12和阳极层14的厚度均为20-500微米，优选为100-300微米，例如可以为150毫米或200毫米。

多个阴极触头121在同一侧的一端通过结合于绝缘基板11表面的一个阴极导电薄膜120连接在一起，同样，多个阳极触头141在同一侧的一端通过结合于绝缘基板11表面的一个阳极导电薄膜140连接成在一起，阴极导电薄膜120和阳极导电薄膜140并列结合于绝缘基板11的表面，多个阴极触头121分别嵌设于多个阳极触头141之间或者多个阳极触头141分别嵌设于多个阴极触头121之间。本实施例中，多个阴极触头121和阴极导电薄膜120构成阴极层12，多个阳极触头141和阳极导电薄膜140构成阳极层14，阴极触头121和阳极触头141都是薄膜形状，厚度均为20-500微米。阴极导电薄膜120和阳极导电薄膜140的厚度也为20-500微米。多个阴极触头121的材质与阴极导电薄膜120的材质相同，两者连接成一体的连续薄膜。多个阳极触头141的材质与阳极导电薄膜140的材质相同，两者连接成一体的薄膜。而且，在具体的实施例中，多个阴极触头121和多个阳极触头141相互平行，构成阵列式排布。

本实施例中微米厚度的阴极层12和阳极层14可通过各种物理或化学沉积方法形成，例如，通过物理气相沉积方法(Physical Vapor Deposition，简称为PVD)形成，便于工业上批量生产。具体步骤如下制备方法所述，触头121、141分别与导电薄膜120、140一同形成。

按照上述结构，阴极层12和阳极层14的对应多个触头121和141形成多个电极对，通过这种结构设置，能够提高阴极层12和阳极层12之间电势差的准确性、可靠性和稳定性，而且这种电极组形式能够放大电势差，有利于减小误差，使得测定结果更加准确可靠。

具体地，如图所示，多个阴极触头121共同电连接于一个第一引线16，多个阳极触头141共同电连接于一个第二引线18，第一引线16和第二引线18作为甲醇浓度传感探头的正负极引线，用于与外部测量电路电连接或者连接至直接甲醇燃料电池的在线监控装置中。第一引线16与阴极层12的连接处15以及第二引线18与阳极层14的连接处15用绝缘材料封装，第一引线16和第二引线18分别用绝缘材料封装。绝缘材料可以是塑料或树脂材料，例如但不限于环氧树脂等。

第一、第二引线16、18分别与阴极导电薄膜120和阳极导电薄膜140对应电连接，例如图1所示，连接于阴极导电薄膜120和阳极导电薄膜140同一侧的端部。在第一、第二引线16、18分别与阴极导电薄膜120和阳极导电薄膜140对应电连接的部分，即连接处15涂覆有环氧树脂等绝缘材料。

上述甲醇浓度传感探头10可通过PVD薄膜沉积技术形成，具体步骤如下：提供绝缘基板11，例如采用上述材质的基板；在基板表面依次采用PVD技术，利用掩模板沉积电极材料膜在绝缘基板11上，形成阴极层12和阳极层14，具体可以是如图1所示及上述的电极结构(例如还包括一体沉积形成薄膜120和140)。薄膜沉积厚度控制在20-500微米。PVD薄膜沉积技术可以是但不限于真空蒸发、溅射、离子镀等方法，通过PVD技术，可获得均匀致密、硬度高的薄膜层。如前所述，形成阴极层12和阳极层14后，进一步焊接引线，例如上述的第一、第二引线16、18，然后再用环氧树脂等对引线与薄膜连接处进行绝缘封装。

上述甲醇浓度传感探头结构简单，电极之间安排紧凑，占用空间小。该探头测量甲醇浓度时，通过阴阳两极之间的电势差得出待测的含甲醇溶液中甲醇浓度，阴极层和阳极层在甲醇溶液中形成明显的电势差，通过该电势差测量方式，使得测量结果准确，方便快速测出甲醇浓度。而且，通过设置多个触头，提高结果准确性和可靠性。上述甲醇浓度传感探头可广泛应用于各种类型的甲醇浓度测量设备，例如可集成在直接甲醇燃料电池中，或者作为单独的一套甲醇浓度检测仪器。

请参阅图2，显示具有上述甲醇浓度传感探头的甲醇浓度传感器，包括上述甲醇浓度传感探头10以及与其电连接的外部测量电路20。具体地，甲醇浓度传感探头10通过第一、第二引线16、18与外部测量电路20电连接。外部测量电路20用于测量探头上的阴极层12和阳极层14之间的电势差，例如可以是包括一电位计，以及显示电势差数值和显示甲醇浓度的显示装置。甲醇浓度可以是根据阴极层与阳极层之间电势差与甲醇浓度之间的关系得出，例如依据标定的电势差关系表，就可以表征未知的甲醇溶液中的甲醇浓度。可以理解的是，甲醇浓度传感探头可以是集成在直接甲醇燃料电池内部，进行在线测量甲醇浓度，以监制甲醇的进料量，即作为动态的甲醇浓度传感探头。

请参阅图3，本发明实施例进一步提供一种甲醇浓度感测方法，即使用上述甲醇浓度传感探头10进行测量，该方法包括下列步骤：

S10：将上述的甲醇浓度传感探头10置于待测的含甲醇溶液中；

S20：检测出探头10上阴极层12和阳极层14的电势差；

S30：根据阴极层12和阳极层14的电势差得出待测的含甲醇溶液中甲醇浓度。

在步骤S10中，甲醇浓度传感探头为前述的甲醇浓度传感探头10，此处不再赘述。甲醇浓度传感探头10浸没于待测甲醇溶液中，在阴极层12和阳极层14之间形成明显的电势差。采用多个阴极触头121和多个阳极触头141时，探头10伸入到甲醇溶液中，可在甲醇溶液的多个不同位置点和深度测量其浓度，使得测量结果更加准确可靠。

在步骤S20中，电势差可通过一个外部测量电路测量20(如图2所示)，例如通过电位计等进行检测，即时获得电势差值。然后，根据测出电势差得出待测的含甲醇溶液中甲醇浓度，即步骤S30。

在实际测量过程中，可先根据标准的不同浓度的甲醇溶液中的阴极层与阳极层之间电势差标定甲醇浓度与电势差之间的关系，得到标定的电势差关系表，然后依据标定的电势差关系表，得出未知的甲醇溶液的浓度。这样，外部测量电路中可安装一转换模块，用于将测出的电势差数值根据标定的电势差关系表转换成甲醇浓度值，并由一显示装置显示，这样只要采用一次配套检测仪器就可以快速测量甲醇溶液的浓度，也可以安装在燃料电池甲醇溶液中在线测量甲醇溶液的浓度，并可在线显示，既方便快速，并能直接读取数值。

可以理解的是，以上实施例只是示例性地列举出一些较佳实施例，本发明的结构、部件、材质、位置排列等并不限于以上描述。例如，阴极层12和阳极层14可以是相对设置，而不是上述实施例中的相嵌设置，等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种甲醇浓度感测方法，其包括下列步骤：

将甲醇浓度传感探头置于待测的含甲醇溶液中，所述甲醇浓度传感探头包括绝缘基板、阴极层和阳极层，所述阴极层和阳极层分别结合于所述绝缘基板表面，所述阴极层具有间隔排布于所述绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阴极触头，所述阳极层具有间隔排布于所述绝缘基板表面上且一端电连接在一起的多个阳极触头，多个阴极触头和多个阳极触头相互交替间隔排布，所述阴极层和所述阳极层采用不同的金属材质，所述阴极层的材质为铜、锌、铝或钡，所述阳极层的材质为铂或铜；

检测出探头上阴极层和阳极层的电势差；

根据阴极层和阳极层的电势差得出待测的含甲醇溶液中甲醇浓度。

2.如权利要求1所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述阴极触头和邻近的阳极触头之间的间隔距离为0.5～2毫米。

3.如权利要求1所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述绝缘基板为聚四氟乙烯薄膜、聚芳酰胺纤维纸、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

4.如权利要求1所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述多个阴极触头共同电连接于一个第一引线，所述多个阳极触头共同电连接于一个第二引线，所述第一引线和第二引线作为所述甲醇浓度传感探头的正负极引线。

5.如权利要求4所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述第一引线与阴极层的连接处以及所述第二引线与阳极层的连接处用绝缘材料封装，所述第一引线和所述第二引线分别用绝缘材料封装。

6.如权利要求1所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述多个阴极触头在同一侧的一端通过结合于绝缘基板表面的一个阴极导电薄膜连接在一起，所述多个阳极触头在同一侧的一端通过结合于绝缘基板表面的一个阳极导电薄膜连接成在一起，所述阴极导电薄膜和所述阳极导电薄膜并列结合于所述绝缘基板表面，所述多个阴极触头分别嵌设于所述多个阳极触头之间或者所述多个阳极触头分别嵌设于所述多个阴极触头之间。

7.如权利要求6所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述多个阴极触头是与所述阴极导电薄膜材质相同并连接成一体的薄膜，所述多个阳极触头是与所述阳极导电薄膜材质相同并连接成一体的薄膜。

8.如权利要求1所述的甲醇浓度感测方法，其特征在于，所述阴极触头为20-500微米厚的薄膜，所述阳极触头为20-500微米厚的薄膜。

9.一种用于如权利要求1～8任一项所述的甲醇浓度感测方法的甲醇浓度传感器，其特征在于，包括甲醇浓度传感探头以及与所述探头电连接的外部测量电路。