一种甲醇溶液浓度的检测方法
【专利摘要】本发明提供一种甲醇溶液浓度的检测方法，属于甲醇溶液浓度的检测方法领域。解决现有的直接甲醇燃料电池中燃料甲醇浓度的检测方法不够精确的问题。该方法先配制标准溶液，然后根据甲醇标准溶液浓度与所测电阻值的关系绘制甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线；最后利用标准工作曲线，得出待测溶液的浓度值。本发明所用的甲醇气体传感器无需跟待测溶液直接接触，保证直接甲醇燃料电池在合理的甲醇浓度范围内工作，器件使用寿命长，可靠性高，长期稳定性好。
【专利说明】
一种甲醇溶液浓度的检测方法
技术领域
[0001 ]本发明属于甲醇溶液浓度的检测方法领域，具体涉及一种甲醇溶液浓度的检测方 法。
【背景技术】
[0002] 直接甲醇燃料电池(DMFC)，是将燃料（甲醇)和氧化剂(氧气或空气）的化学能直接 转化为电能的一种发电装置。直接甲醇燃料电池以其燃料来源丰富、储存携带方便、结构简 单、成本低廉、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注。DMFC潜在的应用前 景，主要集中在分散电源(偏远地区小型分散电源、家庭不间断电源），移动电源（国防通讯 移动电源、单兵作战武器电源、车载武器电源、电动摩托车或助动车等移动电源），电子产品 电源(手机、PDA、摄像机、笔记本电脑等电源），MEMS器件微电源以及传感器件等领域。在过 去的二十多年里，人们对这种新型电源产生了巨大热情，许多国家均对发展DMFC进行了较 大的科技投入。作为直接甲醇燃料电池(DMFC)燃料的甲醇其理论比能与纯的甲醇的能量密 度分别为6100Wh kg-1与4800Wh L-、但是，DMFC工作时甲醇从阳极交换到阴极会导致DMFC 能量密度的衰减。提供给DMFC阳极的甲醇溶液应该是低浓度的（一般小于2mol )，而当DMFC 工作时系统需要对另外一级内部甲醇浓度的预定范围提供一个精确的控制。为了能给DMFC 系统内的额外的纯甲醇的控制提供精确的信息，因此，一个能精确控制甲醇浓度的传感器 在DMFC的实际工作中是非常重要的。研究开发具有高性能和高可靠性的应用于DMFC中的甲 醇浓度检测传感器具有非常重要的科学意义和现实社会意义。
[0003] 现有技术中提供的关于在DMFC中应用的甲醇浓度的检测方法大都是利用电化学 原理制作的。1989年美国的T. Kumaga i等人提出利用甲醇的出现引起开路电压变化的方法 来检测甲醇的浓度。这种传感器件的结构类似于一个常规的DMFC，当甲醇通过膜扩散进入 阴极的空气中时，它将引起阴极开路电压的减小。甲醇的浓度越高，扩散通过膜的甲醇越 多，从而阴极的开路电压越低。但是此种方法最大的缺点是它的重复性非常的不好。1990年 Y.Nogami等人提出利用电容的方法检测汽油和甲醇混合物中的甲醇浓度。由于甲醇和汽油 的介电常数是不同的，因此，两个电极之间的电容会随着甲醇浓度的变化而变化。但是由于 甲醇和水介电常数的差别远远小于甲醇与汽油介电常数的差别，而在DMFC中的甲醇浓度一 般小于5wt%，因此，此方法很难检测水中的甲醇浓度。1998年Barton等人利用甲醇电化学 氧化的极限电流来检测DMFC中的甲醇浓度。Barton设计使得甲醇在扩散通过Nafkm膜后 被氧化。由此表明，在温度从40~80 °C的范围内，极限电流和甲醇浓度(高达4mo 1)之间存在 一个极强的相关性。但是此传感器需要用到一层的DMFC单元作为一个敏感器件，因此在实 际应用中能否与实际工作的DMFC很好耦合是个未知数。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的直接甲醇燃料电池中燃料甲醇浓度的检测方法 不够精确的问题，而提供一种甲醇溶液浓度的检测方法。
[0005] 本发明提供一种甲醇溶液浓度的检测方法，包括：
[0006] 步骤一:标准溶液的配制
[0007] 将分析纯的甲醇溶液用去离子水稀释，配置成浓度分别为lm〇l/L、1.5m〇l/L、 2mo 1 /L、2.5mo 1 /L、3mo 1 /L的甲醇标准溶液；
[0008] 步骤二:标准溶液的测试
[0009] 将步骤一中各种浓度的甲醇标准溶液分别处于22 °C~70 °C的温度条件下，将甲醇 气体传感器及温度传感器分别放入不同浓度的甲醇标准溶液中，分别测试甲醇气体传感器 在不同温度条件下不同浓度甲醇标准溶液中的电阻值，并根据甲醇标准溶液浓度与所测电 阻值的关系绘制甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线；
[0010]步骤三:待测溶液浓度的测试
[0011] 将待测溶液放入直接甲醇液体燃料电池的燃料混合室中，将甲醇气体传感器及温 度传感器也放入混合室中，并测试甲醇气体传感器的电阻值与对应的温度值，根据步骤二 的标准工作曲线，得出待测溶液的浓度值。
[0012] 优选的是，所述的分析纯的甲醇溶液浓度大于等于99.5%。
[0013]优选的是，所述直接甲醇液体燃料电池的燃料混合室的体积小于50ml。
[0014] 优选的是，所述的气体传感器与待测溶液液面的距离为l_2cm。
[0015] 优选的是，所述的甲醇气体传感器的制备方法，包括：
[0016] 1)将半导体氧化物纳米材料加去离子水成糊状后，涂在带有信号电极的陶瓷管 上，然后向陶瓷管中穿入加热丝，制成烧结型旁热式气敏元件；
[0017] 2)将步骤1)得到的气敏元件焊接到测试管座上，在200°C~240°C条件下老化10~ 12小时，得到甲醇气体传感器。
[00?8 ]优选的是，所述的半导体氧化物纳米材料为Sn〇2、ZnO或I Π2〇3。
[0019] 本发明的有益效果
[0020] 本发明提供一种甲醇溶液浓度的检测方法，由于不同温度、不同浓度甲醇溶液上 方的甲醇气体浓度是不同的。而甲醇溶液的浓度与其上方气体浓度的关系是一定的，本发 明是利用甲醇气体传感器对不同甲醇气体浓度的检测来确定甲醇溶液浓度的，该方法简 单、实用性强。所用的甲醇气体传感器无需跟待测溶液直接接触，保证直接甲醇燃料电池在 合理的甲醇浓度范围内工作，器件使用寿命长，可靠性高，长期稳定性好。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明所用甲醇气体传感器的结构示意图；
[0022] 图2为本发明实施例1不同温度条件下甲醇溶液浓度与Sn02纳米线基甲醇气体传 感器电阻值的标准工作曲线；
[0023] 图3为本发明实施例2不同温度条件下甲醇溶液浓度与Sn02纳米管基甲醇气体传 感器电阻值的标准工作曲线。
【具体实施方式】
[0024] 本发明提供一种甲醇溶液浓度的检测方法，包括：
[0025]步骤一:标准溶液的配制
[0026]将分析纯的甲醇溶液用去离子水稀释，配置成浓度分别为lm〇l/L、1.5m〇l/L、 2mol/L、2.5mol/L、3mol/L的甲醇标准溶液;所述的分析纯的甲醇溶液浓度优选大于等于 99.5% ；
[0027]步骤二:标准溶液的测试
[0028] 将步骤一中各种浓度的甲醇标准溶液分别处于22 °C~70 °C的温度条件下，将甲醇 气体传感器及温度传感器分别放入不同浓度的甲醇标准溶液中，分别测试甲醇气体传感器 在不同温度条件下不同浓度甲醇标准溶液中的电阻值，并根据甲醇标准溶液浓度与所测电 阻值的关系绘制甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线；
[0029] 步骤三:待测溶液浓度的测试
[0030] 将待测溶液放入直接甲醇液体燃料电池的燃料混合室中，将甲醇气体传感器及温 度传感器也放入混合室中，并测试待甲醇气体传感器的电阻值与对应的温度值，根据步骤 二的标准工作曲线，得出待测溶液的浓度值;所述直接甲醇液体燃料电池的燃料混合室的 体积优选小于50ml;所述的气体传感器与待测溶液液面的距离优选为l-2cm。
[0031] 按照本发明，所述的甲醇气体传感器和温度传感器为本领域常用的传感器，本发 明所述的甲醇气体传感器为所有对甲醇具有敏感特性的气体传感器，制备方法没有特殊限 制，所述的甲醇气体传感器的制备方法优选包括：
[0032] 1)将半导体氧化物纳米材料加去离子水成糊状后，涂在带有信号电极2的陶瓷管1 上，然后向陶瓷管1中穿入加热丝3,制成烧结型旁热式气敏元件，其结构示意图如图1所示； 所述的半导体氧化物纳米材料为对甲醇气体具有敏感特性的半导体氧化物纳米材料，优选 包括 Sn〇2、ZnO 或 In2〇3。
[0033] 2)将步骤1)做好的气敏元件焊接到测试管座上，在200°C~240°C条件下老化10~ 12小时，得到甲醇气体传感器。
[0034] 下面结合具体实施例对本发明方法作进一步说明。
[0035] 实施例1
[0036]本发明实施例所用甲醇气体传感器是以静电纺丝方法制备的Sn02纳米线材料为 敏感材料制作的旁热式气体传感器。甲醇气体传感器的结构示意图如图1所示。器件工作时 加热电极俩端所施加的加热电压为5V。
[0037] (1)标准溶液的配置:将分析纯的甲醇溶液(浓度大于等于99.5%)用去离子水稀 释，分别配置成浓度为1~3mol/L的5个不同浓度(步长为0.5mol/L) 20ml的甲醇标准溶液； [0038] (2)标准溶液的测试:将步骤（1)中各种浓度的甲醇标准溶液分别处于22 °C~70 °C 的不同温度条件下，将Sn02纳米线基甲醇气体传感器分别放入不同浓度的甲醇标准溶液上 方，分别测试其在不同温度条件下不同浓度甲醇标准溶液上方的电阻值，并根据甲醇标准 溶液浓度与电阻值的关系绘制出甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线，如图 2所示；
[0039] (3)待测试样的测试:将待测溶液放入直接甲醇燃料电池的燃料混合室中，将Sn02 纳米线基甲醇气体传感器及温度传感器放入直接甲醇燃料电池的燃料混合室中，测试得到 实时的电阻值为〇.33kQ，当时对应的温度为50°C，根据步骤(2)所绘制的如图2所示的标准 工作曲线，得出待测溶液的浓度值为1.5mo 1 /L。
[0040] 实施例2
[0041]本发明实施例所用甲醇气体传感器是以静电纺丝方法制备的Sn02纳米管材料为 敏感材料制作的旁热式气体传感器。甲醇气体传感器的结构示意图如图1所示。器件工作时 加热电极俩端所施加的加热电压为5V。
[0042] (1)标准溶液的配置:将分析纯的甲醇溶液(浓度大于等于99.5%)用去离子水稀 释，分别配置成浓度为1~3mol/L的5个不同浓度(步长为0.5mol/L) 20ml的甲醇标准溶液； [0043] (2)标准溶液的测试:将步骤(1)中各种浓度的甲醇标准溶液分别处于22°C~70°C 的不同温度条件下，将Sn02纳米管基甲醇气体传感器分别放入不同浓度的甲醇标准溶液上 方，分别测试其在不同温度条件下不同浓度甲醇标准溶液上方的电阻值，并根据甲醇标准 溶液浓度与电阻值的关系绘制出甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线，如图 3所示；
[0044] (3)待测试样的测试:将待测溶液放入直接甲醇燃料电池的燃料混合室中，将Sn02 纳米管基甲醇气体传感器及温度传感器放入直接甲醇燃料电池的燃料混合室中，测试得到 实时的电阻值为2.2kQ，当时对应的温度为50°C，根据步骤(2)所绘制的如图3所示的标准 工作曲线，得出待测溶液的浓度值为1.5mo 1 /L。
【主权项】
1. 一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，包括： 步骤一:标准溶液的配制 将分析纯的甲醇溶液用去离子水稀释，配置成浓度分别为lm〇l/L、1.5m〇l/L、2m 〇l/L、 2.5mol/L、3mol/L的甲醇标准溶液； 步骤二:标准溶液的测试 将步骤一中各种浓度的甲醇标准溶液分别处于22°C~70°C的温度条件下，将甲醇气体 传感器及温度传感器分别放入不同浓度的甲醇标准溶液中，分别测试甲醇气体传感器在不 同温度条件下不同浓度甲醇标准溶液中的电阻值，并根据甲醇标准溶液浓度与所测电阻值 的关系绘制甲醇气体传感器在不同温度条件下的标准工作曲线； 步骤三:待测溶液浓度的测试 将待测溶液放入直接甲醇液体燃料电池的燃料混合室中，将甲醇气体传感器及温度传 感器也放入混合室中，并测试甲醇气体传感器的电阻值与对应的温度值，根据步骤二的标 准工作曲线，得出待测溶液的浓度值。2. 根据权利要求1所述的一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，所述的分析纯的 甲醇溶液浓度大于等于99.5%。3. 根据权利要求1所述的一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，所述直接甲醇液 体燃料电池的燃料混合室的体积小于50m 1。4. 根据权利要求1所述的一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，所述的气体传感 器与待测溶液液面的距离为l-2cm〇5. 根据权利要求1所述的一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，所述的甲醇气体 传感器的制备方法，包括： 1) 、将半导体氧化物纳米材料加去离子水成糊状后，涂在带有信号电极（2)的陶瓷管 (1)上，然后向陶瓷管中穿入加热丝(3 )，制成烧结型旁热式气敏元件； 2) 、将步骤1)得到的气敏元件焊接到测试管座上，在200°C~240°C条件下老化10~12 小时，得到甲醇气体传感器。6. 根据权利要求5所述的一种甲醇溶液浓度的检测方法，其特征在于，所述的半导体氧 化物纳米材料为Sn〇2、ZnO或In2〇3。
【文档编号】G01N27/12GK106093139SQ201610488028
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】邢巍, 贺媛, 李晨阳, 刘长鹏, 梁亮, 葛君杰, 金钊
【申请人】中国科学院长春应用化学研究所