电化学燃料浓度侦测器

摘要

本新型系关于侦测配制于水溶液中一特定燃料，例如甲醇、乙醇、甲酸及硼氢化钠(sodium borohydride)等，的浓度之电化学侦测器。本创作之电化学燃料浓度侦测器主要乃由一薄膜电极组(membrane electrode assembly： MEA)，两个电流收集器(current collector)，及两片面板(endplate)组合而成一简单轻巧之装置。其中薄膜电极组是由含有电化触媒(electrocatalyst)之阳极及阴极与一氢离子交换膜(proton exchange membrane： PEM)经热压而成，而PEM之作用为做为一固态高分子电解质(solid polymer electrolyte：SPE)，用于与阴阳两电极构成一完整的电化学系统。此一侦测器之特征为阴极面积甚大于阳极面积，并且充分利用空气中之氧气为氧化剂，其目的为使渗透至阳极与氢离子交换膜界面之燃料溶液能被完全反应而不产生浸透(crossover)现象，进而使侦测器具有高准确度与高侦测浓度范围。此电化学燃料浓度侦测器之工作原理是由薄膜电极组产生电流信号，其中阳极反应为水溶液中燃料之电化学氧化反应(electrooxidation)，而阴极反应为空气中氧气之电化学还原反应(electroreduction)，所产生电流信号之大小即反应水溶液中燃料浓度之高低。因此，此电化学燃料浓度侦测器之优点为构造简单操作极具弹性，其可利用被动模式(passive mode)或主动模式(active mode)两种方式操作。前者完全为一小型燃料电池(fuel cell)而不须外加直流电压；后者则转变为一小型电解器(electrolyzer)，但仅须外加一小直流电压(<0.3 V)。此一外加电压有去极化(depolarization)的作用，能促进燃料浓度侦测器整体之电化学反应，增强电流信号。此外，其并可在燃料溶液于静止或流动状况下使用。此电化学燃料浓度侦测器适用于使用水溶液燃料之薄膜燃料电池系统。

主权项

1.一种电化学燃料浓度侦测器,针对配制于水溶液 中燃料浓度之侦测;此侦测器主要由一薄膜电极组 及两个电流收集器,用两片面板固定配以防漏材料 组合而成,其中薄膜电极组是由含有电化触媒之阳 极及阴极与一氢离子交换膜经热压而成,电流收集 器为良好之导电板,其正中心位置各有一开口以通 燃料或氧化剂,其阴极边之开口甚大于阳极边之开 口,使得曝露的阴极面积甚大于阳极面积;另外阴 极面板有一开口以通氧化剂,而阳极面板有一燃料 溶液储槽及两溶液通路。 2.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中侦测器为使用于直接甲醇燃料电池(DMFC) 系统所使用之燃料浓度侦测器。 3.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中使用于燃料电池系统其为利用水溶液燃 料者,其水溶液燃料包括有机燃料和无机燃料。 4.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中所使用氧化剂包括,但不限于,周边大气 中之氧气。 5.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中有一薄膜电极组是利用包括,但不限于, Nafion117之质子交换膜与两片电极经热压而成,其 中阳极所用之触媒为以包括,但不限于,导电性碳 黑作载体之Pt-Ru/C,而阴极所用之触媒为以包括,但 不限于,导电性碳黑作载体之Pt/C;电极之材料包括, 但不限于,碳布及碳纸。 6.根据申请专利范围第5项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中触媒用量两者均为高乘载量为1.0-20.0mg/ cm2,但最佳为4.0-10.0mg/cm2,又阳极面积则甚小于阴极 面积呈不对称组合,两者面积比为1:2-1:100,但最佳 为1:4-1:10。 7.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中电流收集器系以,包括但不限于,石墨之 薄板为材料,且两片薄石墨板各有一圆型开口,阳 极面与阴极面开口面积比为1:2-1:100,但最佳为1:4-1: 10。 8.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中面板是以两片,包括但不限于,压克力板 为材料,阳极压克力面板有一燃料溶液储槽及通路 开口,而阴极面板有一开口以通空氧;防漏材料则 包括但不限于铁弗龙、矽胶及橡胶材料。 9.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中操作模式为被动模式及主动模式两种方 式;前者不须外加直流电压,后者则外加一直流电 压<1.0V,但最佳为<0.3 V。 10.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中侦测器可应用于溶液为静止及流动状态 。 11.根据申请专利范围第1项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中侦测器可使用于不同温度下进行水溶液 中燃料浓度之侦测,不同温度系指低于100℃之温度 ,而最佳之操作温度为20~80℃。 12.根据申请专利范围第3项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中有机燃料包括甲醇、乙醇、甲酸等。 13.根据申请专利范围第3项所述电化学燃料浓度侦 测器,其中无机燃料包括钠钾之硼氢化物。 图式简单说明: 第一图系本创作电化学燃料浓度侦测器之基本构 造。 第二图系本创作电化学燃料浓度侦测器所测得甲 醇燃料溶液之电流对时间(i-t)关系曲线。 第三图系本创作电化学燃料浓度侦测器所测得甲 酸燃料溶液之电流对时间(i-t)关系曲线。 第四图本创作系电化学燃料浓度侦测器所测得硼 氢化钠燃料溶液之电流对时间(i-t)关系曲线。 第五图系本创作电化学燃料浓度侦测器所测得甲 醇燃料溶液之检量线。 第六图系电化学燃料浓度侦测器于一定甲醇浓度( 2.0M)下所测得电流(i)对操作温度(T)之关系。