CN109341810A - 一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法，包括叉指电极，其特点是叉指电极包括基底和设于基底上的导电叉指；导电叉指表面镀铂；叉指电极上相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度为设定比值，将该液位传感器设于气液分离器装有甲醇缓冲溶液的腔体侧壁内测定甲醇缓冲溶液的液位。本发明的优点是叉指电极作为液位传感器的核心部件，结构简单、体积小；叉指电极结构提高了液位检测信号响应的灵敏性和稳定性，覆盖于镀铂导电叉指上的全氟磺酸树脂的扩散传质作用提高液位变化对电流信号响应的线性；该液位传感器适用于气液分离器中甲醇液位的实时检测，为燃料电池系统的稳定运行提供参数依据。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法。
背景技术
直接醇类燃料电池(DAFC)是将储存于醇类(甲醇、乙醇等)中的化学能直接转化成电能的装置，具有比能量密度高、无污染、无噪音、无辐射、携带方便、安全可靠等特点，在移动电源等方面具有广阔的应用前景。应用于直接液体供料燃料电池系统的气液分离器通常由与电堆阴极侧冷凝器相连接的水/空气分离器和与电堆阳极出口相连的CO2分离器两部分组成。其分离出来的液态混合物和水经连接管通入到燃料进料罐中，与加入的纯燃料或高液位燃料混合均匀后作为燃料电池反应所需的燃料供给电堆阳极。这样可以使直接醇类燃料电池体积小、重量轻、集成度高、可操作性强、效率高便于携带，以满足燃料电池系统在仅携带一定量纯甲醇的条件下尽可能长时间的稳定运行，气液分离器能否持续不断地为电堆提供燃料是直接醇类燃料电池能够稳定运行的关键，因此，需要使用液位传感器对气液分离器中的液位进行实时检测。
中国专利申请，一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，申请号为200910013296.X，申请公布号CN 101997127 A，申请公布日2011.03.30，将直接液体供料燃料电池系统中与电堆阴极冷凝器出口和电堆阳极出口分别相连的两个气液分离器集成为一体，并在空气/水分离腔设置有螺旋分离棒，试图通过旋转流动提高气液分离效率。
中国专利申请，一种用于直接液体进料燃料电池系统的气液分离器，申请号为201510960706.7，申请公布号CN 106898801 A，申请公布日2017.06.27，将空气/水分离、CO2、阴极水回收、阳极燃料混合液回收和纯燃料(高浓度燃料)补给等多项功能于一体，不仅可以将直接液体供料燃料电池系统中阴极侧空气(不包含消耗掉氧气)/液态水的分离和阳极侧CO2/燃料混合液的分离一体化，同时还可以将阴极水的回收利用与阳极燃料进料溶液的混合集成到上述气液分离器当中，增强了系统的集成度，缩小系统的体积，简化了系统的结构。
叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。中国专利申请，一种利用叉指电极测量亚硝酸盐浓度的方法，申请号CN201810089263.2，申请日20180130，申请公布号CN108226238A，申请公布日20180629，公开了一种利用叉指电极测量亚硝酸盐浓度的方法，包括：分别测量在叉指电极上滴加不同浓度的标准亚硝酸溶液时叉指电极的阻抗并生成标准阻抗数据；测量在叉指电极上滴加待测亚硝酸溶液时叉指电极的阻抗并生成待测阻抗数据；当待测阻抗数据与某一标准阻抗数据相符时，则此标准阻抗数据所对应的标准亚硝酸溶液的浓度与待测亚硝酸溶液的浓度相同。本申请公开的方法根据在叉指电极上滴加不同浓度的亚硝酸盐溶液后引起的叉指电极阻抗变化，可以通过电化学阻抗谱图很方便直观的判断出亚硝酸盐溶液的浓度，并且测量过后的叉指电极经过重新清洗后还可以重复利用，有利于推进在日常生活中不同场合亚硝酸盐含量的检测应用。但是对于直接甲醇燃料系统的气液分离器的液位检测，不能满足实时检测的要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法，叉指电极作为液位传感器的核心部件，结构简单、体积小；叉指电极结构提高了液位检测信号响应的灵敏性和稳定性，覆盖于镀铂导电叉指上的全氟磺酸树脂的扩散传质作用提高液位变化对电流信号响应的线性；该液位传感器适用于气液分离器中甲醇液位的实时检测，为燃料电池系统的稳定运行提供参数依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，包括叉指电极，其特点是所述叉指电极包括基底和设于基底上的导电叉指；所述导电叉指表面镀铂；所述叉指电极上相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度为设定比值，将该液位传感器设于气液分离器装有甲醇缓冲溶液的腔体侧壁内测定甲醇缓冲溶液的液位。
进一步地，所述基底选用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种材料制作。
进一步地，所述导电叉指表面上覆盖全氟磺酸树脂，利用全氟磺酸树脂的扩散传质作用提高温度对电流信号响应的线性。
进一步地，所述全氟磺酸树脂在导电叉指表面的覆盖规格为0.1～12mg/cm2。
进一步地，所述叉指电极相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的设定比值为1∶0.2～5；所述叉指宽度为50～200μm，在具体实施时叉指电极相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的参考设定值为50μm∶100μm、50μm∶50μm或100μm∶50μm。
本发明还提供一种利用上述液位传感器检测直接甲醇燃料电池系统中甲醇液位的方法，所述燃料电池系统包括内部设置有液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，所述液位传感器与燃料控制系统连接，其特点是，包括如下步骤：液位标准值测量、通过测量电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
S1在所述叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，在所述企业分离器中连续通入甲醇缓冲溶液，测量溶液液位及对应的叉指电极两端电流，并生成电流随液位变化标准曲线；
S2将内部设置有液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述标准曲线上的液位数据相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位；
S3确定所述甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求；
所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点为3个，分别为高液位、标准液位及低液位。
本发明还提供另外一种利用上述液位传感器检测直接甲醇燃料电池系统中甲醇液位的方法，所述燃料电池系统包括内部设置有两个液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，所述液位传感器与燃料控制系统连接，其特点：其中两个液位传感器分别为工作传感器和参比传感器，所述两个传感器中叉指电极的叉指宽度一样、相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的比值一样，工作传感器和参比传感器的叉指电极长度的比值大于5；使用时参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里；上述方法包括如下步骤：参比传感器浸没时电流标准值测量、通过测量工作传感器两侧电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
A1使参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里，在所述参比传感器叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，测量参比传感器叉指电极两端电流，得到参比传感器浸没时电流标准值；
A2将内部设置有两个液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量工作传感器叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述参比传感器浸没时电流标准值相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位为工作传感器两端电流和参比传感器浸没时电流的比值与参比传感器中叉指电极的长度的乘积；
A3确定所述甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求；
所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点为3个，分别为高液位、标准液位及低液位。
与现有技术相比，本发明的优点是叉指电极作为液位传感器的核心部件，结构简单、体积小；叉指电极结构提高了液位检测信号响应的灵敏性和稳定性，覆盖于镀铂导电叉指上的全氟磺酸树脂的扩散传质作用提高液位变化对电流信号响应的线性；该液位传感器适用于气液分离器中甲醇液位的实时检测，为燃料电池系统的稳定运行提供参数依据。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明液位传感器结构示意图。
图2是本发明实施例中50μm∶50μm叉指电极液位传感器在不同浓度甲醇溶液中电流与温度关系示意图。
图中：1-叉指电极 2-基底 3-导电叉指。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，包括叉指电极1，其特点是叉指电极1包括基底2和设于基底2上的导电叉指3；导电叉指1表面镀铂；叉指电极1上相邻导电叉指3之间的间隙距离与导电叉指宽度为设定比值，将该液位传感器设于气液分离器装有甲醇缓冲溶液的腔体侧壁内，测定甲醇缓冲溶液的液位。
基底2选用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种材料制作。
导电叉指3表面上覆盖全氟磺酸树脂，利用全氟磺酸树脂的扩散传质作用提高温度对电流信号响应的线性。
全氟磺酸树脂在导电叉指表面的覆盖规格为0.1～12mg/cm2。
叉指电极相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的设定比值为1∶0.2～5；所述叉指宽度为50～200μm，在具体实施时叉指电极相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的参考设定值为50μm∶100μm、50μm∶50μm或100μm∶50μm。
将上述液位传感器粘于气液分离器装有甲醇缓冲溶液的腔体侧壁内，壁高60mm。对叉指电极施加0.8V恒压，测量液位高度和电流关系。由图2可以看出，随液位的上升，甲醇缓冲溶液与叉指电极接触面积增大，电流信号随液位线性增大，即实现了所述传感器对液位变化的检测。另外，通过调整相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的设定值为50μm∶100μm、50μm∶50μm、100μm∶50μm可得到不同信号响应强度，由于叉指电极面积越大，镀铂量越高，其成本也就越高，但是信号相应强度越大，因此相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的设定值不同造成液位传感器的性能差异，可根据不同的直接甲醇燃料电池系统进行选择。
实施例2
本发明还提供一种利用上述液位传感器检测直接甲醇燃料电池系统中甲醇液位的方法，燃料电池系统包括内部设置有液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，液位传感器与燃料控制系统连接，其特点是，包括如下步骤：液位标准值测量、通过测量电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
S1在叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，在企业分离器中连续通入甲醇缓冲溶液，测量溶液液位及对应的叉指电极两端电流，并生成电流随液位变化标准曲线；
S2将内部设置有液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述标准曲线上的液位数据相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位；
S3确定甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求；
缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点为3个，分别为高液位、标准液位及低液位。
实施例3
本发明还提供另外一种利用上述液位传感器检测直接甲醇燃料电池系统中甲醇液位的方法，燃料电池系统包括内部设置有两个液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，液位传感器与燃料控制系统连接，其特点：其中两个液位传感器分别为工作传感器和参比传感器，两个传感器中叉指电极的叉指宽度一样、相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的比值一样，工作传感器和参比传感器的叉指电极长度的比值大于5；使用时参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里；上述方法包括如下步骤：参比传感器浸没时电流标准值测量、通过测量工作传感器两侧电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
A1使参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里，在参比传感器叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，测量参比传感器叉指电极两端电流，得到参比传感器浸没时电流标准值；
A2将内部设置有两个液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量工作传感器叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述参比传感器浸没时电流标准值相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位为工作传感器两端电流和参比传感器浸没时电流的比值与参比传感器中叉指电极的长度的乘积；
A3确定所述甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求；
缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点为3个，分别为高液位、标准液位及低液位。
Claims (8)
1.一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，包括叉指电极，其特征在于：所述叉指电极包括基底和设于基底上的导电叉指；所述导电叉指表面镀铂；所述叉指电极上相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度为设定比值，将该液位传感器设于气液分离器装有甲醇缓冲溶液的腔体侧壁内测定甲醇缓冲溶液的液位。
2.根据权利要求1所述一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，其特征在于：所述基底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或环氧树脂中的一种。
3.根据权利要求2所述一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，其特征在于：所述导电叉指表面上覆盖全氟磺酸树脂。
4.根据权利要求3所述一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，其特征在于：所述全氟磺酸树脂在导电叉指表面的覆盖规格为0.1～12mg/cm2。
5.根据权利要求1所述一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器，其特征在于：所述叉指电极相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的设定比值为1∶0.2～5，所述叉指宽度为50～200μm。
6.一种利用权利要求1～5任意项权利要求所述的液位传感器用于检测燃料电池系统甲醇液位的方法，所述燃料电池系统包括内部设置有液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，所述液位传感器与燃料控制系统连接，其特征在于，包括如下步骤：液位标准值测量、通过测量电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
S1在所述叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，在所述企业分离器中连续通入甲醇缓冲溶液，测量溶液液位及对应的叉指电极两端电流，并生成电流随液位变化标准曲线；
S2将内部设置有液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述标准曲线上的液位数据相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位；
S3确定所述甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求。
7.一种利用权利要求1～5任意项权利要求所述的液位传感器用于检测燃料电池系统甲醇液位的方法，所述燃料电池系统包括内部设置有两个液位传感器的气液分离器和调节甲醇缓冲溶液进料的缓冲溶液控制系统，所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点，所述液位传感器与燃料控制系统连接，其特征在于：其中两个液位传感器分别为工作传感器和参比传感器，所述两个传感器中叉指电极的叉指宽度一样、相邻导电叉指之间的间隙距离与导电叉指宽度的比值一样，工作传感器和参比传感器的叉指电极长度的比值大于5；使用时参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里；上述方法包括如下步骤：参比传感器浸没时电流标准值测量、通过测量工作传感器两侧电流来确定气液分离器中甲醇缓冲溶液的液位以及确定液位调节方式，具体步骤如下：
A1使参比传感器浸没于甲醇缓冲溶液里，在所述参比传感器叉指电极两端施加预设电压，预设电压为0.6～1.2V恒定电压，测量参比传感器叉指电极两端电流，得到参比传感器浸没时电流标准值；
A2将内部设置有两个液位传感器的气液分离器接入燃料电池系统，测量工作传感器叉指电极两端电流，测量时叉指电极上的电压为预设电压；
将测得的电流数据与所述参比传感器浸没时电流标准值相比较，确定液位分离器中甲醇缓冲溶液液位为工作传感器两端电流和参比传感器浸没时电流的比值与参比传感器中叉指电极的长度的乘积；
A3确定所述甲醇缓冲溶液液位与所述液位设定点的大小关系，调节缓冲溶液进料量至符合系统运行要求。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述缓冲溶液控制系统设有用于操作的液位设定点为3个，分别为高液位、标准液位及低液位。
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| CN201811380420.1A CN109341810B (zh) | 2018-11-20 | 2018-11-20 | 一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法 |
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| CN201811380420.1A Active CN109341810B (zh) | 2018-11-20 | 2018-11-20 | 一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器及检测方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114243058A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-25 | 东风汽车集团股份有限公司 | 燃料电池系统及其气液分离装置、控制方法和控制装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040149032A1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-05 | Sell Jeffrey A | Liquid level sensor |
| CN1547660A (zh) * | 2001-08-31 | 2004-11-17 | 伊顿公司 | 组合液体状况监测器和液位传感器 |
| CN101120236A (zh) * | 2004-12-22 | 2008-02-06 | 因勒纪汽车系统研究公司 | 电容式液位传感器 |
| CN101297181A (zh) * | 2005-10-26 | 2008-10-29 | 因勒纪汽车系统研究公司 | 包括在绝缘基板上的叉指电极的电容式液位计 |
| CN208937141U (zh) * | 2018-11-20 | 2019-06-04 | 上海醇加能源科技有限公司 | 一种用于直接甲醇燃料电池系统的液位传感器 |
-
2018
- 2018-11-20 CN CN201811380420.1A patent/CN109341810B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114243058A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-25 | 东风汽车集团股份有限公司 | 燃料电池系统及其气液分离装置、控制方法和控制装置 |
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