專利名稱：一種采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜的co傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及CO傳感器，尤其涉及電化學(xué)CO傳感器，具體是用固體電解質(zhì)膜的 CO傳感器。
背景技術(shù)：
CO是一種無色、無味、易燃、有毒、有害的氣體，在空氣中的閾限值為50ppm，爆炸 限為12.5-74%。凡含碳物質(zhì)的不完全燃燒都會(huì)產(chǎn)生⑶，因此CO極易產(chǎn)生且廣泛存在，常 見的接觸機(jī)會(huì)有職業(yè)性接觸(如工業(yè)生產(chǎn)煤氣、煉鋼、煉焦、礦井作業(yè)、化學(xué)工業(yè)等)和日常 生活接觸(如交通堵塞、煤氣灶故障、家用天然氣或煤氣泄漏等)。由于CO與血紅蛋白的結(jié) 合能力比氧氣大200倍，當(dāng)CO進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后，就會(huì)大量取代氧氣而與血紅蛋白 結(jié)合，造成低氧、缺氧，從而導(dǎo)致患者頭痛、耳鳴、惡心、窒息等。因此，對生活和工作環(huán)境中 的CO進(jìn)行準(zhǔn)確而有效地檢測與報(bào)警是非常必要和必須的。采用氣相色譜、紅外分析儀等儀器都可以對CO進(jìn)行檢測，具有測試精度高、靈敏 度高等優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在著儀器設(shè)備笨重、不易攜帶、成本高昂等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)原位測量， 不適合日常普遍使用。目前達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的CO傳感器主要有半導(dǎo)體式和電化學(xué)式兩 種，半導(dǎo)體式CO傳感器通常采用氧化物半導(dǎo)體材料主要有Sn02、Zn0及Fe2O3等作為敏感元 件，如ZL 99109048. 9所公布的半導(dǎo)體式CO傳感器，其具有靈敏度高、響應(yīng)快、測量范圍寬 等特點(diǎn)，但半導(dǎo)體式元件普遍存在在空氣中阻值漂移大、功耗較高、加熱元件存在安全問題 等不足，不適于定量測試和制造便攜式的設(shè)備，限制了半導(dǎo)體式CO傳感器的應(yīng)用。相比之 下，電化學(xué)CO傳感器由于具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、功耗低、安全可靠等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛 關(guān)注。電化學(xué)CO傳感器一般由電極、電解質(zhì)按照一定的結(jié)構(gòu)組裝而成，電解質(zhì)是電化學(xué) 傳感器電極間的導(dǎo)體，可以是酸性溶液，也可以是堿性溶液。早期的電化學(xué)CO傳感器多采 用液體電解質(zhì)，一般采用一定濃度的硫酸溶液作為電解質(zhì)，由于硫酸在過于干燥或潮濕的 環(huán)境中體積變化較大，使得傳感器不能正常工作，且這種體系不可避免地存在腐蝕、硫酸泄 漏等問題，因此已被逐漸淘汰。以美國杜邦公司開發(fā)的Nafion 系列為代表的全氟磺酸膜 由于具有高的質(zhì)子導(dǎo)電性、高的水?dāng)U散能力和良好的化學(xué)及電化學(xué)穩(wěn)定性而被作為固體電 解質(zhì)廣泛應(yīng)用與CO傳感器中。在ZL 01252229. 5中公開了一種全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的CO 傳感器，采用全氟磺酸陽離子交換膜(Nafion膜)取代傳統(tǒng)的流動(dòng)電解質(zhì)，以貴金屬粉末用 聚四氟乙烯粘結(jié)的防水催化劑膜作為電極，與傳統(tǒng)的CO傳感器相比，采用全氟磺酸膜的傳 感器結(jié)構(gòu)緊湊，不含流動(dòng)性電解質(zhì)液體，不存在漏液、腐蝕等問題。采用全氟磺酸膜取代傳統(tǒng)的硫酸電解質(zhì)，可以有效防止腐蝕、漏液、污染等問題， 但由于全氟磺酸膜必須在有水存在的條件下才可以傳導(dǎo)質(zhì)子，其電導(dǎo)率與膜的含水量呈線 性關(guān)系，因此在傳感器設(shè)計(jì)的過程中必須要引入一個(gè)儲(chǔ)水腔，從而保持全氟磺酸膜中的水 含量保持穩(wěn)定，使其具有較好的質(zhì)子導(dǎo)電性能。傳感器的壽命與其失水率密切相關(guān)，在ZL 03818281. 5中在蓄水槽中引入無機(jī)氧化硅、氧化鋁等微粒子制備的凝膠體，從而有效減低傳感器的失水率，延長CO傳感器使用壽命。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種電化學(xué)CO傳感器，傳感器采用復(fù)合固體電解質(zhì) 膜，從而降低CO傳感器的失水率，延長CO傳感器使用壽命，并降低材料成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種CO傳感器，包括氣體過濾器、CO進(jìn)氣隔板、上氣體擴(kuò)散層、絕緣密封圈、密封 膠圈、電解質(zhì)膜組件、下氣體擴(kuò)散層、空氣進(jìn)氣隔板和傳感器殼體；過濾器側(cè)面和下面分別 開有透氣孔，過濾器下端面與CO進(jìn)氣隔板上端面接靠，CO進(jìn)氣隔板下端面與電解質(zhì)膜組件 上端面接靠，CO進(jìn)氣隔板開有透氣孔，電解質(zhì)膜組件的下端面與下氣體擴(kuò)散層上端面接靠， 下氣體擴(kuò)散層的下端面與空氣進(jìn)氣隔板相接觸，空氣進(jìn)氣隔板開有透氣孔，空氣進(jìn)氣隔板 下方殼體的腔體為水和空氣的腔體，其特征在于所述電解質(zhì)膜組件是質(zhì)子交換膜燃料電 池用的復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件，所述復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件由復(fù)合固體電解質(zhì)膜 和催化劑層構(gòu)成，催化劑層位于復(fù)合固體電解質(zhì)膜的兩側(cè)，催化劑是金屬Pt或Au，是擔(dān)載 型催化劑，所述復(fù)合固體電解質(zhì)膜由聚四氟乙烯微孔基膜與全氟磺酸樹脂組成，全氟磺酸 樹脂涂覆在聚四氟乙烯微孔基膜兩側(cè)。本實(shí)用新型所述的一種CO傳感器，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔基膜的厚度 為5 30 μ m、孔隙率彡50%,本實(shí)用新型所述的一種CO傳感器，上氣體擴(kuò)散層及下氣體擴(kuò)散層是由30 80% 聚四氟乙烯和活性炭制備的氣體擴(kuò)散層。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜，從而有效降低CO傳感器的失水率，延長CO傳感器使用壽 命，方法簡單可行，同時(shí)可以降低CO傳感器成本。

本實(shí)用新型共附圖4幅，其中圖1采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器在不同CO濃度下的輸出電流值 曲線。圖3采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器在CO濃度為300、400和500ppm 時(shí)的響應(yīng)時(shí)間曲線。圖4采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器失水率測試曲線，實(shí)驗(yàn)溫度為 55 °C。附圖中，1-氣體過濾器，2-C0進(jìn)氣隔板，3-上氣體擴(kuò)散層，4-絕緣密封圈，5_密封 膠圈，6-復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件，7-下氣體擴(kuò)散層，8-空氣進(jìn)氣隔板，9-傳感器外殼。
具體實(shí)施方式
選取孔徑為0.05 μ m，孔隙率為80%，厚度為15 μ m的多孔聚四氟乙烯微孔膜作 為基膜，將其浸入Iwt %的全氟磺酸乙醇溶液中，15分鐘后取出?？馗苫け砻嫒芤?，置于90°C熱臺上干燥后，采用噴涂設(shè)備將5wt%的全氟磺酸乙醇溶液噴涂與上述基膜兩側(cè)，噴涂 后于100°C下干燥30分鐘，如此反復(fù)噴涂干燥，直至復(fù)合膜厚度達(dá)到120 μ m,然后將復(fù)合膜 放入烘箱中140°C下干燥4小時(shí)，得到CO傳感器用復(fù)合固體電解質(zhì)膜。通過噴涂的方法將 貴金屬Pt催化劑、全氟磺酸樹脂、異丙醇或甲醇組成的漿料噴涂于復(fù)合固體電解質(zhì)膜的兩 側(cè)而得到催化劑層，催化劑擔(dān)載量為0. 5mg/cm2。秤取3克的活性炭，加入90ml異丙醇并充分?jǐn)嚢?，制得活性炭與乙醇或異丙醇漿 料，秤取一定量聚四氟乙烯分散液(濃度為10wt% )并加入到上述漿料中，充分?jǐn)嚢韬笤?90°C水浴中破乳，隨后采用輥壓機(jī)多次滾壓得到厚度為300 μ m的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層 中聚四氟乙烯含量范圍為70%。按照圖1所示對CO傳感器進(jìn)行封裝。傳感器包括氣體過濾器1、C0進(jìn)氣隔板2、 上氣體擴(kuò)散層3、絕緣密封圈4、密封膠圈5、復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件6、下氣體擴(kuò)散層7、 空氣進(jìn)氣隔板8和傳感器外殼9。氣體過濾器側(cè)面1和下面分別開有透氣孔，氣體過濾器1 下端面與CO進(jìn)氣隔板2相接觸，CO進(jìn)氣隔板2開有透氣孔，其下端面與上氣體擴(kuò)散層3相 接觸，上氣體擴(kuò)散層3下端面與復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件6相接觸，復(fù)合固體電解質(zhì)膜電 極組件6的下端面與下氣體擴(kuò)散層7相接觸，下氣體擴(kuò)散層7的下端面與空氣進(jìn)氣隔板8 相接觸，空氣進(jìn)氣隔板8開有透氣孔，其下方為腔體內(nèi)為水和空氣。上述組件依次安裝完畢 后，采用封口機(jī)進(jìn)行封口。對此CO傳感器進(jìn)行靈敏度、響應(yīng)時(shí)間及失水率測試。圖2所示為采用復(fù)合固體電 解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器在不同CO濃度下的輸出電流值曲線，輸出電流值與CO濃度值 線性關(guān)系良好，CO濃度為500ppm時(shí)，輸出電流為1200nA。圖3所示為采用復(fù)合固體電解質(zhì) 膜電極組件的CO傳感器在CO濃度為300、400和500ppm時(shí)的響應(yīng)時(shí)間曲線，圖3中，帶方 點(diǎn)的曲線是CO濃度為300ppm的響應(yīng)時(shí)間曲線，帶圓點(diǎn)的曲線是CO濃度為400ppm的響應(yīng) 時(shí)間曲線，帶三角點(diǎn)的曲線是CO濃度為500ppm的響應(yīng)時(shí)間曲線，當(dāng)CO濃度為300、400及 500ppm時(shí)，t9C1(即輸出電流值達(dá)到穩(wěn)定輸出值的90% )均小于10s，響應(yīng)特性良好。圖4為采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳感器失水率測試曲線。圖4中，帶 方點(diǎn)的曲線是用Nafi0n212膜的CO傳感器失水率測試曲線，帶圓點(diǎn)的曲線是用Nafionll5 膜的CO傳感器失水率測試曲線，帶三角點(diǎn)的曲線是用復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件的CO傳 感器失水率測試曲線。實(shí)驗(yàn)是將CO傳感器放入鼓風(fēng)干燥箱中并維持55°C不變，定期稱量傳 感器重量，從而計(jì)算傳感器失水率。由圖4可見，采用Nafi0n212膜、Nafionl 15膜及復(fù)合 固體電解質(zhì)膜電極組件的傳感器30天后失水分別為0. 77,0. 6和0. 52克，采用復(fù)合固體電 解質(zhì)膜的CO傳感器失水率大幅減小，可顯著延長CO傳感器壽命。
權(quán)利要求1.一種CO傳感器，包括氣體過濾器(1)、C0進(jìn)氣隔板(2)、上氣體擴(kuò)散層(3)、絕緣密 封圈(4)、密封膠圈(5)、電解質(zhì)膜組件(6)、下氣體擴(kuò)散層(7)、空氣進(jìn)氣隔板(8)和傳感器 殼體(9)；氣體過濾器(1)側(cè)面和下面分別開有透氣孔，氣體過濾器(1)下端面與CO進(jìn)氣 隔板(2)上端面接靠，CO進(jìn)氣隔板(2)下端面與電解質(zhì)膜組件(6)上端面接靠，CO進(jìn)氣隔 板(2)開有透氣孔，電解質(zhì)膜組件(6)的下端面與下氣體擴(kuò)散層(7)上端面接靠，下氣體擴(kuò) 散層(7)的下端面與空氣進(jìn)氣隔板(8)相接觸，空氣進(jìn)氣隔板(8)開有透氣孔，空氣進(jìn)氣隔 板(8)下方殼體的腔體為水和空氣的腔體，其特征在于所述電解質(zhì)膜組件(6)是質(zhì)子交 換膜燃料電池用的復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件，所述復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件由復(fù)合固 體電解質(zhì)膜和催化劑層構(gòu)成，催化劑層位于復(fù)合固體電解質(zhì)膜的兩側(cè)，催化劑是金屬Pt或 Au，是擔(dān)載型催化劑，所述復(fù)合固體電解質(zhì)膜由聚四氟乙烯微孔基膜與全氟磺酸樹脂組成， 全氟磺酸樹脂涂覆在聚四氟乙烯微孔基膜兩側(cè)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種CO傳感器，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔基膜的厚 度為5 30 μ m、孔隙率彡50%。
專利摘要一種CO傳感器，包括氣體過濾器、CO進(jìn)氣隔板、上氣體擴(kuò)散層、絕緣密封圈、密封膠圈、電解質(zhì)膜組件、下氣體擴(kuò)散層、空氣進(jìn)氣隔板和傳感器殼體；電解質(zhì)膜組件是質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合固體電解質(zhì)膜電極組件，膜電極組件由復(fù)合固體電解質(zhì)膜和催化劑層構(gòu)成，催化劑層位于復(fù)合固體電解質(zhì)膜的兩側(cè)，催化劑是擔(dān)載型金屬Pt或Au，復(fù)合固體電解質(zhì)膜由聚四氟乙烯微孔基膜與全氟磺酸樹脂組成。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是采用復(fù)合固體電解質(zhì)膜，可有效降低CO傳感器的失水率，延長CO傳感器使用壽命，方法簡單可行，同時(shí)可以降低CO傳感器成本。
文檔編號G01N27/407GK201788166SQ20102051098
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者丁鵬, 侯中軍, 張可, 林治銀, 石偉玉, 稽官成, 臧振明, 馬世闖 申請人:新源動(dòng)力股份有限公司