DE102007022873B4

DE102007022873B4 - Kapazitiver Flüssigkeitsstanddetektor

Info

Publication number: DE102007022873B4
Application number: DE102007022873A
Authority: DE
Inventors: Andreas Zabel; Stefan Mergel
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: KR100970402B1; DE102007022873A1; KR20080100773A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Flüssigkeitsstandsdetektor, insbesondere auf einen Flüssigkeitsstandsdetektor für Direktmethanolbrennstoffzellen. In der vorliegenden Erfindung bildet die Flüssigkeit selbst eine zweite Platte eines kapazitiven Detektors. Die erste Platte ist mit einer dielektrischen Dünnfilmschicht bedeckt, die auf der ersten Platte durch ein Dünnfilmabscheideverfahren abgeschieden worden ist. Dieser dünne Film erlaubt eine Verringerung des Abstandes zwischen den Platten und erhöht die Kapazität des Detektors. Zusätzlich erlaubt die Verwendung einer dielektrischen Dünnfilmschicht die Verwendung von dielektrischen Materialien, die eine hohe dielektrische Konstante aufweisen. Die erste Platte und die dielektrische Dünnfilmschicht bedecken einen offenen Teil eines Behälters und sind am Behälter durch Mittel zur Versiegelung befestigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektor und insbesondere auf einen kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektor für Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC).
Technischer Hintergrund und Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, Methan oder Methanol, umspült und der Brennstoff wird dort oxidiert. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel umspült, zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, das an der Elektrode reduziert wird. Die zur Realisation der einzelnen Komponenten verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich zu wählen.
Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC; direct methanol fuel cell) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle, die schon bei Temperaturen im Bereich von ca. 60–120°C arbeitet. Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Polymermembran. Methanol (CH₃OH) wird ohne vorherige Reformierung zusammen mit Wasser direkt der Anode zugeführt und dort oxidiert. An der Anode entsteht als Abgas Kohlendioxid (CO₂). Der Kathode als Oxidationsmittel zugeführte Luftsauerstoff reagiert mit H⁺-Ionen und Elektroden zu Wasser. Der Vorteil der DMFC liegt in der Verwendung eines flüssigen, sehr leicht speicherbaren und überaus billigen Energieträgers, der zum Beispiel in Kunststoffpatronen verbreitet werden kann. Zudem existiert eine weit verzweigte Infrastruktur für Methanol bereits in vielen Bereichen, zum Beispiel durch die Verwendung als Frostschutzzusatz im Scheibenwischerwasser für Kraftfahrzeuge. Dieser Brennstoffzellentyp kann – je nach Auslegung – Leistungen im Bereich von einigen mW bis einigen 100 KW erbringen. DMFCs eignen sich insbesondere für den portablen Einsatz in elektronischen Geräten als Ersatz und Ergänzung zu herkömmlichen Akkumulatoren. Typische Einsatzgebiete liegen in der Telekommunikation und der Energieversorgung von Notebooks.
Die Oxidation des Methanols am Katalysator der Anode erfolgt stufenweise, wobei mehrere Reaktionswege mit unterschiedlichen Zwischenprodukten in der Diskussion stehen. Um die Effizienz der Brennstoffzelle hochzuhalten, ist es erforderlich die Reaktionsprodukte rasch aus der Umgebung der Elektrode zu entfernen. Aufgrund der herrschenden Temperaturen und des zu Grunde liegenden Chemismus entsteht ein Flüssig/Gas-Gemisch aus CO₂, Wasser, Wasserdampf und nicht umgesetzten Methanol. Aus diesem Flüssig/Gas-Gemisch muss das CO₂ abgetrennt werden, um nach Einjustierung der Methanolkonzentration die flüssige Brennstoffmischung erneut der Anode zuzuführen. Die Abtrennung der Gase geschieht mit Hilfe eines CO₂-Separators.
An der Kathode bildet sich aus nicht verbrauchter Luft, Wasser und Wasserdampf ebenfalls ein Flüssig/Gas-Gemisch. Um eine lange Autarkie des Systems zu erreichen, muss ein möglichst großer Teil des Wassers von der Luft abgetrennt und in den Anodenkreislauf zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck ist ein Wärmetauscher hinter dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle angeordnet, um das Gemisch zu kühlen und so eine Kondensation des Wasserdampfes zu erreichen.
Dem Wärmetauscher nachgelagert ist ein Luftseparator angeordnet, der den Luftstrom vom flüssigen Wasser abtrennt, um das Wasser wieder in den Anodenkreislauf zurück zu führen.
Unter anderem ist ein Flüssigkeitstank für eine stabile Systemarbeitsweise notwendig. Der Flüssigkeitsstand innerhalb des Tanks muss dem System bekannt sein um die Menge des zu recycelnden Wassers zu regeln.
Eine kontinuierliche Niveaumessung ist für die Systemkontrolle von großem Vorteil, da sie ermöglicht, bekannte Proportional-Integral-Ableitungs-Kontrollalgorithmen (PID) in die Regelsoftware zu implementieren, wodurch eine schnellere und besser kontrollierte Reaktion auf Änderungen des Systems ermöglicht wird.
Die Flüssigkeitstandsmessung in kleinen Behältern ist eine sehr schwierige Angelegenheit. Bekannte Probleme sind die Verlässlichkeit und die Genauigkeit des gemessenen Signals. Viele der etablierten Messprinzipien sind nur in mehr oder weniger großen Tanks zu verwenden.
Bekannte kapazitive Messprinzipien verwenden die Flüssigkeit als Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten. Einige Erfindungen umfassen einen Satz von Platten, die in die Flüssigkeit eintauchen, in anderen Erfindungen sind die Platten am Äußeren der Behälter angeordnet.
Ein Flüssigkeitsstandssensor ist in dem US-Patent Nr. 5,182,545 A offenbart. Beim Anstieg und Abfall eines Flüssigkeitsstandes in dem Behälter verändert der dielektrische Effekt der Flüssigkeit die effektive Kapazität eines Messsensors, welche durch eine mit dem Sensor verbundene elektrische Schaltung detektiert wird. Eine Platte des Sensors ist ein Fühler, der innerhalb des Behälters angeordnet ist, während ein geerdeter, leitender Bereich des Behälters eine zweite Platte des Kondensators ausbildet.
Ein nicht-eindringender Flüssigkeitsstandsdetektor, der einen kapazitiven an der Außenwand des Behälters angeordneten Einzelpunktsensor umfasst, ist in der US 5,017,909 A offenbart. Ein nicht-leitender Behälter oder ein nicht-leitendes Fenster in einen leitenden Behälter wird verwendet, um den Sensor zu platzieren, der isolierende Platten aufweist, die nicht in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. Die Sensoranordnung ist an der Außenwand des Behälters angebracht.
Beide, US 5,182,545 A und US 5,017,909 A verwenden die Flüssigkeit als Dielektrikum des Kondensators. Jedoch, da die Kapazität des Plattenkondensators antiproportional zum Abstand der Platten ist, führt die Verwendung der Flüssigkeit als Dielektrikum und/oder die Außenanordnung der Platten zu einem großen Plattenabstand, und daher hat ein solcher Sensor den Nachteil, dass die zu messende Kapazität und die Kapazitätsänderung sehr klein sind. Die geringe Kapazität folgt aus der geringen Plattenfläche und dem relativ großen Abstand zwischen diesen. Relativ teure Messelektronik ist von Nöten und das zu messende Signal ist relativ ungenau und auch Gegenstand von Beeinflussungen von äußeren elektrischen Feldern.
DE 10 2004 056 981 A1 offenbart einen Flüssigkeitssensor, bei dem ein offener Bereich in der Außenwand des Behälters von kapazitiven Sensorelektroden bedeckt ist. Der Sensor wird dabei schräg an den Behälter angeordnet, damit auch bei vergleichsweise geringem Hub des Flüssigkeitspegels die bedeckte Elektrodenfläche stark ansteigt und somit eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden kann.
US 6,943,566 B2 offenbart einen Sensor, der an einer Wand des Behälters angeordnet oder in den Behälter integriert ist. Die Wand des Behälters, bestehend aus Plastik oder Glassfaser, bildet das Dielektrikum und die leitende Flüssigkeit selbst bildet die zweite Platte, d. h. der Kondensator besteht aus einer Sensorplatte und dem Inhalt des Behälters. Jedoch, da die Wand aus Plastik oder Glassfaser das Dielektrikum bildet und die Wand dick genug sein muss, um die Flüssigkeit im Inneren zu halten, d. h. wenigstens einige Millimeter, ist der Abstand zwischen den Platten noch immer signifikant und die Kapazität niedrig. Ferner ist die Anwesenheit von metallischen Teilen zwischen den Sensorplatten und der Flüssigkeit nicht erlaubt, da sonst diese metallischen Teile die Kapazität des Systems bestimmten. Die Genauigkeit und die Linearität der Messung hängt von der Dicke und der Gleichmäßigkeit der dielektrischen Konstante des Wandmaterials über die gesamte Fläche der Sensorplatte ab. Letzteres ist schwer zu erreichen mit bekannten Fertigungsmethoden für Plastik.
Zusammenfassung der Erfindung
Die grundsätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es eine Aufgabe, eine kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektor anzugeben, der die Messung eines Flüssigkeitsstandes mit einer erhöhten Präzision erlaubt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektor mit erhöhter zu messender Kapazität anzugeben.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektor anzugeben, der die Verwendung von kostengünstigeren Messschaltungen ermöglicht.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Mittel des erfindungsgemäßen kapazitiven Flüssigkeitsstanddetektors gemäß Anspruch 1.
Der elektrolytische Kondensator besteht dabei aus einer Platte mit einer festen Fläche, die von der Flüssigkeit isoliert ist, und der Flüssigkeit selbst als „flüssiger Platte" mit einer variablen Fläche, die von dem Flüssigkeitsstand abhängt. Die Kapazität des elektrolytischen Kondensators hängt von der Fläche der flüssigen Platte ab und demzufolge von dem Flüssigkeitsstand. Die Fläche, die unbedeckt von der Flüssigkeit bleibt, trägt nicht zur Kapazität bei.
Demzufolge wird ein kapazitiver Flüssigkeitsdetektor zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in einem Behälter angegeben, bei dem die Flüssigkeit leitend ist und der Detektor eine erste Platte umfasst, die eine feste Größe aufweist und die von der Flüssigkeit isoliert ist, sowie eine zweite Platte die durch die Flüssigkeit selbst gebildet wird, wobei die Größe der zweiten Platte von dem Flüssigkeitsstand innerhalb des Behälters abhängt, wobei eine dielektrische Dünnschicht auf der Oberfläche der ersten Platte ausgebildet ist und zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist. Die erste Platte mit der auf ihrer Oberfläche ausgebildeten dielektrischen Dünnschicht ist so angeordnet, dass sie einen offenen Bereich der Außenwand des Behälters bedeckt, wobei die erste Platte mit der auf ihrer Oberfläche ausgebildeten dielektrischen Dünnschicht an dem Behälter mit einem Mittel zur Versiegelung zur Versiegelung des Behälters gegen Flüssigkeitsverlust angebracht ist.
Vorteilhafterweise, durch Verwendung einer dielektrischen Dünnfilmschicht auf der ersten Platte, wird der Abstand zwischen den Kondensatorplatten signifikant auf einige Mikrometer reduziert, die hinzugefügte Dicke der dielektrischen Dünnfilmschicht auf der festen Platte. Die Kapazität und der Kapazitätsanstieg verändern sich linear mit der Reduzierung des Plattenabstandes. Eine erhöhte Kapazität um einen Faktor von 10³ kann erreicht werden, verglichen mit existierenden Messvorrichtungen, wodurch das Messsignal wesentlich verlässlicher, genauer und unabhängiger von äußeren elektrischen Feldern wird.
Eine Dünnschicht-Passivierungsschicht kann auf der besagten dielektrischen Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und der zweiten Platte so angeordnet sein, dass ein Eindringen von Flüssigkeit in und durch die dielektrische Schicht verhindert wird.
Beide Schichten stellen vorteilhafterweise eine Isolierung der ersten Platte in Bezug auf die Flüssigkeit sicher.
Die Passivierungsschicht kann hydrophob sein. Dies verhindert das Auftreten eines Messfehlers während eines Absinkens des Flüssigkeitsstandes in Folge der Adhäsion der Flüssigkeit an der Oberfläche der Passivierungsschicht.
Konsequenterweise bildet die Oberfläche der Flüssigkeit, die im Kontakt mit der dielektrischen Schicht steht, die zweite Platte des besagten Detektors aus.
Die Mittel zur Versiegelung können die Kanten der dielektrischen Dünnschicht, die auf der ersten Platte ausgebildet ist, bedecken, sowie die Schichtstruktur an dem Behälter befestigen, so dass die erste Platte nicht im Kontakt mit der Flüssigkeit steht. Besagtes Mittel zur Versiegelung kann ferner die Kanten der Dünnschicht-Passivierungsschicht, die auf der dielektrischen Dünnschicht ausgebildet ist, bedecken sowie die Schichtstruktur an dem Behälter befestigen, so dass die erste Platte nicht im Kontakt mit der Flüssigkeit steht.
Bevorzugterweise ist der besagte offene Bereich der Außenwand des Behälters ein Loch in der Seitenwand des Behälters. Das obere Ende des Loches kann in Beziehung zum maximalen Flüssigkeitsstand des Behälters stehen, und das untere Ende des Loches in Beziehung zum minimalen Flüssigkeitsstand des Behälters. Die erste Platte mit der auf ihrer Oberfläche befestigten dielektrischen Dünnschicht kann von Außen an der Seitenwand des Behälters durch das Mittel zur Versiegelung an Stellen oberhalb des oberen Endes und unterhalb des unteren Endes des Loches befestigt werden.
Noch bevorzugter ist besagter offener Bereich der Außenwand des Behälters als eine vollständige Seitenwand des Behälters ausgebildet. Die erste Platte mit der auf ihrer Oberfläche befestigten dielektrischen Dünnschicht kann an den offenen Ecken des Behälters, die durch die fehlende Seitenwand ausgebildet werden, durch das Mittel zur Versiegelung angebracht werden.
Besagtes Mittel zum Versiegeln kann eine Dichtmasse oder ein Kleber sein.
Die dielektrische Konstante der dielektrischen Dünnschicht ist bevorzugt konstant über die gesamte Oberfläche der ersten Platte ausgebildet ist.
Die erste Platte kann einen ersten Kontakt zur Kontaktierung der ersten Platte aufweisen und die zweite Platte einen zweiten Kontakt. Der zweite Kontakt kann durch eine Kontaktelektrode gegeben sein, die so geformt ist, dass sie permanenten Kontakt mit der Flüssigkeit herstellt. Der zweite Kontakt kann am Boden des Behälters angeordnet sein. Der zweite Kontakt kann als Draht realisiert sein, der bis zum Innenboden des Behälters reicht. Alternativ kann der zweite Kontakt durch eine Metallplatte am Innenboden des Behälters realisiert sein. Der zweite Kontakt kann ferner als Drahtrahmen an den inneren Kanten des Behälters so angeordnet sein, dass die Flüssigkeit in jeder Orientierung des Behälters kontaktiert wird. Der zweite Kontakt kann als Metallplatte realisiert sein, die in einen Fenster im Boden oder in einer Seite des Behälters eingesetzt ist oder als multiple Platten, die so angeordnet sind, dass sie in jeder Orientierung im Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. Der zweite Kontakt kann in der Nähe des Auslasses des Behälters angeordnet sein.
Die erste Platte kann als polierte Edelstahlplatte ausgebildet sein.
Die dielektrische Schicht kann als gesputterte TiO₂-Schicht ausgebildet ist.
Die Passivierungsschicht kann eine gesputterte SiO₂, oder Si₃N₄ oder SiO_xN_y-Schicht oder eine schleuderbeschichtete Lackschicht unter Verwendung von chemisch widerstandsfähigen Photolithografielacken sein.
Der Abstand zwischen erster Platte und zweiter Platte ist bevorzugt weniger als 70 μm und noch bevorzugter zwischen 1 und 10 μm.
Die Dicke der dielektrischen Schicht beträgt bevorzugt weniger als 50 μm und noch bevorzugter zwischen 0,5 und 5 μm.
Die Dicke der Passivierungsschicht beträgt bevorzugt weniger als etwa 20 μm und noch bevorzugter zwischen 0,5 und 5 μm.
Die dielektrische Schicht weist bevorzugt eine dielektrische Konstante von wenigstens 20 auf, noch bevorzugter von wenigstens 80.
Der Behälter ist ein Flüssikgkeitsaufbewahrungstank oder ein Mixer eines direkten Methanolbrennstoffzellensystems.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Teil der abhängigen Ansprüche, die allein oder in jeder Kombination implementiert werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf Ausführungsbeispiele der Erfindung und die korrespondierenden Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
1 zeigt eine Grundstruktur des Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung und des Grundmessprinzips;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer vollständigen Seitenwand des Behälters als Kondensator;
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Fenster im Behälter und einer Drahtstruktur als Kontaktelektrode;
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Kontaktelektrode ausgebildet als Vielzahl von Metallplatten.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 dient zur Illustration der Grundstruktur des Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, einhergehend mit dem Grundmessprinzip, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die Grundidee der Erfindung ist es, eine wohldefinierte isolierende dielektrische Schicht 8 auf einer Sensorelektrode 7 unter Verwendung von wohldefinierten Schichtabscheidemethoden abzuscheiden. Durch die geringe Dicke der dielektrischen Schicht 8, bevorzugt zwischen 0,5 und 5 μm, kann eine hohe Kapazität des Kondensators erreicht werden. Die Verwendung einer dielektrischen Dünnschicht 8 ermöglicht die Verwendung von Materialien, die eine hohe dielektrische Konstante haben, wie z. B. TiO₂, was wiederum die Kapazität und die Messgenauigkeit verbessert.
Die Kapazität eines Plattenkondensators ist gleich:
wobei

ε₀: = die dielektrische Konstante von Vakuum,
ε_r: = die Dielektrische Konstante des Dielektrikums,
A: = die Fläche,
d: = der Abstand zwischen den Kondensatorplatten ist.

Eine Dünnfilmpassivierungsschicht 9 kann auf der dielektrischen Schicht 8 abgeschieden werden, um die Erosion des dielektrischen Schichtmaterials zu verhindern.
In der vorliegenden Erfindung ist der Abstand zwischen den Kondensatorplatten durch die Verwendung der Flüssigkeit selbst als eine „Flüssigkeitsplatte" und durch die Verwendung einer Dünnfilmschichtstruktur als Dielektrikum reduziert.
Der elektrolytische Kondensator als Messprinzip besteht aus einer Platte mit einer vordefinierten Fläche 7, welche durch eine dielektrische Schicht 8 und bevorzugt durch eine Passivierungsschicht 9 von der Flüssigkeit isoliert ist, und der Flüssigkeit 6 selbst als „Flüssigkeitsplatte" mit einer variablen Fläche 11 die vom Flüssigkeits stand 10 abhängt. Eine Kontaktelektrode 5 kontaktiert die Flüssigkeit 6. Die Flüssigkeit muss leitend sein. Demzufolge hängt die Kapazität des elektrolytischen Kondensators von der Fläche der Flüssigkeitsplatte 11 und damit weiter vom Flüssigkeitsstand 10 ab. Bei Anlegen einer Spannungsquelle an die Platten wird ein elektrisches Feld in der Fläche 11 der Flüssigkeitsplatte 14 unterhalb des Flüssigkeitsstandes ausgebildet. Die Fläche 12, die unbedeckt von der Flüssigkeit bleibt, trägt nicht zur Kapazität bei. Zur Messung der Kapazität müssen beide Platten kontaktiert werden. Die feste Platte 7 kann direkt kontaktiert werden. Die Flüssigkeitsplatte 6 verwendet eine Kontaktelektrode 5, die so ausgebildet ist, dass sie im Kontakt mit der Flüssigkeit steht.
Durch die Verringerung des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten auf einige Mikrometer, die hinzugefügte Dicke der Dünnfilmisolationsschichten auf der festen Platte 7, erhöht sich die Kapazität und der Kapazitätsanstieg linear mit der Reduzierung des Plattenabstandes. Eine erhöhte Kapazität um einen Faktor von 10³ kann erreicht werden, verglichen mit existierenden Messprinzipien, wie z. B. vorgestellt in der US 6,943,566 B2 , wodurch das Messsignal wesentlich verlässlicher, genauer und unabhängig von äußeren elektrischen Feldern gemacht wird. Ein Faktor 100 folgt von der dünnen Dicke des Dielektrikums (10 μm im Vergleich zur Dicke einer Tankwand von 1 mm). Ein weiterer Faktor 10 folgt von der dielektrischen Konstante von TiO₂ von 86 im Vergleich zu der von Plastik (z. B. ABS: 4,3; PVC: 3,4), wobei die effektive dielektrische Konstante der Schichtstruktur kleiner ist als die von reinem TiO₂. Demzufolge können Niedrigkostkapazitätsmessschaltungen und günstige Multimeter verwendet werden.
Die Schichten 8, 9, die auf der festen Platte 7 aufgetragen sind, erfüllen die folgenden Funktionen: Sie realisieren eine hohe dielektrische Konstante und erreichen dadurch eine hohe Kapazität und ferner verhindern das Eindringen von Flüssigkeit in die und durch die dielektrische Schicht 8.
Zum Erreichen von hochdünnen und defektfreien Dünnschichtbedeckungen muss das Substrat, hier die feste Platte 7, bevorzugt eine polierte Oberfläche mit einer sehr geringen Rauheit aufweisen, und die Verwendung von Hochenergiebedeckungsverfahren, wie z. B. Magnetronsputtern, kann angezeigt sein.
Die kleinstmögliche Dicke der dielektrischen Schicht wird durch die Gleichmäßigkeit der Abscheidemethode bestimmt, d. h. Einschlüsse sollten nicht gebildet werden. Die maximale Dicke sollte ungefähr 50 μm betragen. Die Kapazität eines Sensors mit einer Fläche von einem 1 cm² mit TiO₂ als Dielektrikum, ist dann gleich 1 nF. Bevorzugt reicht die Dicke von 0,5 bis 5 μm, was zu einer Kapazität zwischen 140 bis 14 nF (bei einer Fläche von 1 cm²) führt.
Die Dicke der Passivierungsschicht 9, sollte weniger als 20 μm betragen, bevorzugt liegt sie zwischen 0,5 und 5 μm.
Demnach ist die Dicke zwischen der ersten Platte 7 und der zweiten Platte 14 bevorzugt weniger als 70 μm und variiert noch bevorzugter zwischen 1 und 10 μm.
Der vollständige Messaufbau unter Verwendung einer einfachen Methode zur Messung der Kapazität umfasst eine Wechselspannungsquelle 17, die eine Spannung V und eine Frequenz f, wie in 2 gezeigt, zur Verfügung stellt. Die zwei Kontakte der Wechselspannungsquelle sind mit der ersten Platte 7 und der flüssigkeitskontaktierenden Elektrode 5 entsprechend verbunden. Ein Wechselspannungsmessgerät 16 ist in dem Schaltkreis angeordnet.
In Folge einer positiven Wechselspannungssinuswelle (mit der positiven Spannung bei 7 und der negativen Spannung bei 5) wird eine positive Ladung an der Grenzfläche zwischen der ersten Platte 7 und der dielektrischen Schicht 8 induziert und eine negative Ladung an der Grenzfläche zwischen der zweiten Platte 14 und der Passivierungsschicht 9. Das resultierende Dipolfeld 11 ist in 1 durch die Pfeile gezeigt.
Wenn die Wechselspannung umgekehrt wird, fließt ein Strom von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode und kehrt das Dipolfeld 11 um. Den fließenden Strom misst das Wechselspannungsstrommessgerät 16. der gemessene Strom I ist proportional zur Wechselspannung V, der Frequenz f und der Kapazität C des Sensors. I = V·2Πf·C.
Durch die Kenntnis der geometrischen Konditionen des Sensors kann die benetzte Fläche des Kondensators, dass heißt, der Flüssigkeitsstand berechnet werden.
Alternativ kann jedes andere Verfahren zur Bestimmung einer Kapazität verwendet werden.
2 ist der Behälter ein DMFC Mixerbehälter mit einem Luftauslass 2 und einem Flüssigkeitseinlass 3. Der Behälter 1 hat eine offene Struktur und besteht aus nur drei Seitenwänden, wobei die Wand, die dem Auslass 2 und dem Einlass 3 gegenüberliegt, fehlt. Die Schichtstruktur mit der ersten Platte 7, der dielektrischen Schicht 8 und der Passivierungsschicht 9 wird an die offene Struktur und die offenen Enden der oberen Wand und der unteren Wand geklebt. Das Dichtmittel oder der Kleber 4 verhindert, das Flüssigkeit aus dem Behälter 1 austritt, und sichert auch, dass die erste Platte 4 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit 6 steht. Die Kontaktelektrode 5 ist an der unteren Wand ausgebildet und reicht durch die untere Wand hindurch, um einen Kontakt mit der Umgebung herzustellen. Bevorzugt bedeckt die dielektrische Schicht 8 eine Seite der ersten Platte 7, die der Flüssigkeit 6 gegenüberliegt, komplett und die Passivierungsschicht 9, wenn Sie verwendet wird, bedeckt die dielektrische Schicht 8 komplett. Jedoch können die Schichten 8 und 9 die Ecken oder Kanten der ersten Platte 7 offen lassen; dann muss jedoch sicher gestellt werden, dass die Dichtmittel 5 so angeordnet sind, dass ein Kontakt der ersten Platte 7 mit der Flüssigkeit 6 verhindert wird.
Um die Größe des Sensors zu verringern kann auch nur ein Teil einer Fläche des Behälters mit der ersten Elektrode 7, wie in 3 gezeigt, bedeckt werden. Dazu wird ein Fenster 18 in einer Seite des Behälters offen gelassen. Bevorzugt sind die oberen und unteren Kanten des Fensters ungefähr gleich dem minimalen und dem maximalen erlaubten Flüssigkeitsstand in dem Behälter, dass heißt, der Messbereich des Sensors wird durch das Fenster definiert.
Die erste Platte 7, bedeckt mit der dielektrischen Schicht 8 und der Passivierungsschicht 9, ist an der Außenwand des Behälters durch Verwendung eines Dichtmittels oder eines Klebers 4 angebracht. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Dichtmittel oder der Kleber 4 im Kontakt mit der ersten Platte 7 stehen können, wodurch eine gute mechanische Befestigung der Sensorelektrode sicher gestellt werden kann, während die Ecken oder Enden der dielektrischen Schicht 8 und der Passivierungsschicht 9 bedeckt werden, wodurch ein Kontakt und damit ein Kurzschluss der Flüssigkeit 6 mit der ersten Platte 7 sowie Korrosion der Flüssigkeit in Richtung der dielektrischen Schicht 8 und des Materials der ersten Platte 7 verhindert wird.
Ein Drahtrahmen 13 ist innerhalb des Behälters 1 so angeordnet, dass bei Neigung des Behälters 1 in Richtung des Betrachters oder vom Betrachter weg, weiterhin wenigstens ein Teil des Drahtrahmens 13 im Kontakt mit der Flüssigkeit 6 steht. Daher arbeitet der Sensor auch in verschiedenen Orientierungen.
Zur Sicherstellung der Funktionsweise unter verschiedenen Orientierungen kann auch eine Kontaktelektrode verwendet werden, die aus einer Vielzahl von Metallplatten 5a, 5b, 5c besteht, wie in 4 gezeigt. In 4 ist die erste Platte 7 bedeckt mit der dielektrischen Schicht 8 und der Passivierungsschicht 9 an der Rückseite des Behälters 1 angeordnet. In der dargestellten Ansicht ist nur die Passivierungsschicht 9 sichtbar. Wenn die Vielzahl von Platten an der linken Wand 5a, am Boden 5b und an der rechten Wand 5c des Behälters angeordnet sind, kann letzterer geneigt werden, wie angezeigt durch die Pfeile. Die Flüssigkeitsstandsmessung funktioniert in jeder Orientierung unter einem Winkel von ±90°.
Die Anordnung des Behälters 1 einerseits, mit einem offenen Teil und einer Schichtstruktur bestehend aus einer ersten Platte 7 und einer dielektrischen Schicht 8, optional mit einer Passivierungsschicht 9, und andererseits, die Befestigung an dem Behälter 1 durch einen Kleber, erlaubt die Herstellung des Detektors in zwei verschiedenen Schritten, wodurch die Herstellungsflexibilität erhöht wird.
Das Material der Passivierungsschicht 9 sollte bevorzugt leicht hydrophob sein, damit die Adhäsion der Flüssigkeit 6 an der Passivierungsschicht 9 während eines Ansteigens und eines Abfalls des Flüssigkeitsstandes verringert wird, die ansonsten eine inkorrekte Messung des Flüssigkeitsstandes zur Folge hätte.
Die feste Platte 7 kann als eine komplette Seite des Behälters 1 ausgelegt sein oder als ein eingesetztes Teil in ein Fenster einer Seite des Behälters 1. Der Behälter 1 kann ein Tank oder ein Mixertank einer DMFC Brennstoffzelle sein. Der Tank kann aus einer polierten Edelstahlplatte geformt sein.
Die Kontaktelektrode 5 kann als Draht ausgelegt sein, der bis zum Innenboden des Behälters 1 reicht oder als eine Metallplatte auf dem Innenboden des Behälters 1 oder als ein Drahtrahmen 13 an den inneren Kanten des Behälters 1, zur Kontaktierung der Flüssigkeit in jeder Orientierung, oder als eine Metallplatte eingesetzt in ein Fenster im Boden oder in einer Seite des Behälters 1 oder als eine Vielzahl von Metallplatten zur Kontaktierung der Flüssigkeit in jeder Orientierung.
Die dielektrische Schicht 8 kann aus einer gesputterten TiO₂-Schicht bestehen, um eine hohe Kapazität zu erreichen, in Folge der hohen dielektrischen Konstante von TiO₂.
Die Passivierungsschicht 9 kann eine gesputterte SiO₂, oder Si₃N₄ oder SiO_xN_y Schicht sein, um eine langfristige chemische Stabilität zu garantieren und ein Eindringen der Flüssigkeit in die dielektrische Schicht zu verhindern, oder als eine schleuderbeschichtete Lackschicht, unter Verwendung von chemisch widerstandsfähigen Photolithographielacken ausgebildet sein.

1: Behälter/Tank
2: Luftauslass/einlass
3: Flüssigkeitseinlass/auslass
4: Klebverbindung
5: flüssigkeitskontaktierende Elektrode
6: Flüssigkeit
7: Metallelektrode
8: dielektrische Dünnschicht
9: Passivierungsschicht
10: tatsächlicher Flüssigkeitsstand
11: elektrisches Feld unterhalb des Flüssigkeitsniveaus
12: Fläche oberhalb des Flüssigkeitsstandes
13: Drahtrahmen als flüssigkeitskontaktierende Elektrode
14: zweite Platte

Claims

Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor zur Messung eines Flüssigkeitsstandes (10) in einem Behälter (1), wobei die Flüssigkeit leitend ist und der Detektor eine erste Platte (7) umfasst, die eine feste Größe aufweist und die von der Flüssigkeit (6) isoliert ist, sowie eine zweite Platte (14), die durch die Flüssigkeit (6) selbst gebildet wird, wobei die Größe der zweiten Platte (14) von dem Flüssigkeitsstand (10) innerhalb des Behälters (1) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Dünnschicht (8) auf der Oberfläche der ersten Platte (7) ausgebildet ist und zwischen der ersten Platte (7) und der zweiten Platte (14) angeordnet ist; die erste Platte (7) mit der auf ihrer Oberfläche ausgebildeten dielektrischen Dünnschicht (8) so angeordnet ist, dass sie einen offenen Bereich der Außenwand des Behälters (1) bedeckt, wobei die erste Platte (7) mit der auf ihrer Oberfläche ausgebildeten dielektrischen Dünnschicht (8) an dem Behälter (1) mit einem Mittel zur Versiegelung (4) zur Versiegelung des Behälters (1) gegen Flüssigkeitsverlust angebracht ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei eine Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) auf der besagten dielektrischen Dünnschicht (8) zwischen der dielektrischen Dünnschicht (8) und der zweiten Platte (14) so angeordnet ist, dass ein Eindringen von Flüssigkeit in und durch die dielektrische Dünnschicht (8) verhindert wird.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei die Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) hydrophob ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Flüssigkeit (6), die in direktem Kontakt mit der dielektrischen Dünnschicht (8) steht, die zweite Platte (14) des Detektors ausbildet.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei das Mittel zur Versiegelung (4) die Kanten der dielektrischen Dünnschicht (8), die auf der ersten Platte (7) ausgebildet ist, bedeckt sowie die Struktur aus erster Platte (7) und dielektrischer Dünnschicht (8) an dem Behälter (1) befestigt, so dass die erste Platte (7) nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit (6) steht.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei besagtes Mittel zur Versiegelung (4) ferner die Kanten der Dünnschicht-Passivierungsschicht (9), die auf der dielektrischen Dünnschicht (8) ausgebildet ist, bedeckt sowie die Struktur aus erster Platte (7), dielektrischer Dünnschicht (8) und Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) an dem Behälter befestigt, so dass die erste Platte (7) nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit (6) steht.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei der besagte offene Bereich der Außenwand des Behälters (1) ein Loch in der Seitenwand des Behälters (1) ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 7, wobei das obere Ende des Loches in Beziehung zum maximalen Flüssigkeitsstand (10) des Behälters (1) steht, und das untere Ende des Loches in Beziehung zum minimalen Flüssigkeitsstand (10) des Behälters (1) steht.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß der Ansprüche 7 oder 8, wobei die erste Platte (7) mit der auf ihrer Oberfläche befestigten dielektrischen Dünnschicht (8) von außen an der Seitenwand des Behälters (1) durch das Mittel zur Versiegelung (4) an Stellen oberhalb des oberen Endes und unterhalb des unteren Endes des Loches befestigt wird.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei besagter offener Bereich der Außenwand des Behälters (1) eine vollständige Seitenwand des Behälters (1) ausbildet.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 10, wobei die erste Platte (7) mit der auf ihrer Oberfläche befestigten dielektrischen Dünnschicht (8) an den offenen Ecken des Behälters (1), die durch die fehlende Seitenwand ausgebildet werden, durch das Mittel zur Versiegelung (4) angebracht wird.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei besagtes Mittel zum Versiegeln (4) eine Dichtmasse oder ein Kleber ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Konstante der dielektrischen Dünnschicht (8) konstant über die gesamte Oberfläche. der ersten Platte (7) ausgebildet ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Platte (7) einen ersten Kontakt zur Kontaktierung der ersten Platte (7) aufweist und die zweite Platte (14) einen zweiten Kontakt aufweist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 14, wobei der zweite Kontakt durch eine Kontaktelektrode (5) gegeben ist, die so geformt ist, dass sie permanenten Kontakt mit der Flüssigkeit (6) hat.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 und 15, wobei der zweite Kontakt am Boden des Behälters (1) angeordnet ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Kontakt als Draht realisiert ist, der bis zum Innenboden des Behälters (1) reicht.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Kontakt durch eine Metallplatte am Innenboden des Behälters (1) realisiert ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Kontakt als Drahtrahmen (13) an den inneren Kanten des Behälters (1) angeordnet ist, so dass die Flüssigkeit (6) in jeder Orientierung des Behälters (1) kontaktiert wird.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Kontakt als Metallplatte realisiert ist, die in ein Fenster im Boden oder in einer Seite des Behälters (1) eingesetzt ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Kontakt als multiple Platten realisiert ist, die so angeordnet sind, dass sie in jeder Orientierung in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontakt in der Nähe des Auslasses (3) des Behälters (1) angeordnet ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Platte (7) als polierte Edelstahlplatte ausgebildet ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Dünnschicht (8) als gesputterte TiO₂-Schicht ausgebildet ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei die Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) eine gesputterte SiO₂, oder Si₃N₄ oder SiO_xN_y-Schicht oder eine schleuderbeschichtete Lackschicht unter Verwendung von chemisch widerstandsfähigen Photolithografielacken ist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen erster Platte (7) und zweiter Platte (14) weniger als 70 μm beträgt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen erster Platte (7) und zweiter Platte (14) 1 bis 10 μm beträgt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der dielektrischen Dünnschicht (8) weniger als 50 μm beträgt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der dielektrischen Dünnschicht (8) zwischen 0,5 und 5 μm beträgt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei die Dicke der Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) weniger als etwa 20 μm beträgt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß Anspruch 2, wobei die Dicke der Dünnschicht-Passivierungsschicht (9) zwischen 0,5 und 5 μm liegt.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Dünnschicht (8) eine dielektrische Konstante von wenigstens 20 aufweist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Dünnschicht (8) eine dielektrische Konstante von wenigstens 80 aufweist.
Kapazitiver Flüssigkeitsdetektor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter (1) ein Flüssigkeitsaufbewahrungstank eines direkten Methanolbrennstoffzellensystems ist.