一種甲醛氣體傳感器的製造方法
2023-12-02 20:18:11
一種甲醛氣體傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種甲醛氣體傳感器，它包括進氣外殼、密封外殼、進氣口濾膜、膜電極組件、空腔支撐體、陽極引線和陰極引線，其中，進氣外殼帶有進氣口，所述進氣口濾膜在進氣外殼的進氣口外部貼合，密封外殼嵌入至所述進氣外殼構成一個中空的閉合外殼，所述陽極引線、膜電極組件、陰極引線和空腔支撐體從左至右依次設置於所述閉合外殼內；膜電極組件包括固體聚合物電解質和分別設置在固體聚合物電解質兩側的陽極和陰極，陽極和陰極均為氣體擴散電極，氣體擴散電極包括氣體擴散層和催化層雙層結構。本發明的甲醛氣體傳感器在常溫下就能對被測氣體進行檢測，生產成本低，使用壽命長，檢測靈敏度高，檢測結果穩定。
【專利說明】一種甲醛氣體傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種甲醛氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]室內空氣汙染物主要包括甲醛(HCHO)、苯系物和揮發性有機物等，改善室內空氣品質的首要前提是對室內空氣汙染物的檢驗，而實現對室內空氣汙染物如甲醛、苯系物等實時、準確的現場檢驗和識別是控制室內空氣品質的兩個關鍵技術。因此開發出能實時檢測各種有害氣體的傳感器，受到各個國家的重視。密度板、刨花板等人造板材，膠粘劑、牆紙等裝修材料，化纖紡織品、消毒劑等日常生活用品都會散發甲醛，液化石油氣等化石燃料的不完全燃燒也會釋放甲醛，因此在空氣中存在一定的甲醛。我國的國家室內空氣品質標準中規定甲醛最高允許濃度為0.08mg/m3,為保證人身安全，就需要對空氣中的甲醛濃度進行檢測。
[0003]目前市場上的可攜式甲醛檢測儀主要採用電化學傳感器法，工作原理是甲醛經電極催化反應後產生的極限擴散電流與甲醛濃度成正比，檢測電流強度就能測得甲醛濃度。然而大多數氣體傳感器均採用純的貴金屬(Pt、Au等)作為工作電極、濃硫酸作為電解質溶液。純的貴金屬作為工作電極，生產成本高，電化學性能不好，檢測靈敏度差；濃硫酸具有很強的腐蝕性，因此電極材料和電解池容易受到腐蝕，使用壽命不長，檢測結果不穩定。
[0004]發明專利CN101776640A公開了一種在現場即可對甲醛濃度進行檢測的甲醛氣體傳感器，其包含支撐外殼、進氣外殼、膜電極複合體和多孔墊片，該膜電極複合體採用貴金屬催化劑直接熱壓塗覆在電解質表面作為工作電極和對電極，其缺點在於:貴金屬用量過大，傳感器成本高；採用熱壓工藝，導致固體聚合物電解質永久性損傷，電解質的化學耐受性、機械性能、質子傳導能力均相應的變壞；催化劑直接作為電極，其傳感器檢測過程中由於傳質限制不可能獲得顯著的電流密度，檢測靈敏度差且低濃度含量無法檢測。
【發明內容】
[0005]有鑑於此，本發明旨在提供一種全固態甲醛氣體傳感器，該傳感器在常溫下就能對被測氣體進行檢測，生產成本低，使用壽命長，檢測靈敏度高，檢測結果穩定。
[0006]為實現上述目的，本發明提供的技術方案為:
[0007]—種甲醒氣體傳感器,其特徵在於,它包括進氣外殼、密封外殼、進氣口濾膜、膜電極組件、空腔支撐體、陽極引線和陰極引線，其中，所述進氣外殼帶有進氣口，所述進氣口濾膜在進氣外殼的進氣口外部貼合，所述密封外殼嵌入至所述進氣外殼構成一個中空的閉合外殼，所述陽極引線、膜電極組件、陰極引線和空腔支撐體從左至右依次設置於所述閉合外殼內；所述膜電極組件包括固體聚合物電解質和分別設置在固體聚合物電解質兩側的陽極和陰極，所述陽極和陰極均為氣體擴散電極，氣體擴散電極包括氣體擴散層和催化層雙層結構，陽極引線與陽極連接，陰極引線與陰極連接。膜電極組件採用氣體擴散電極，電極內部有大面積的氣體容易到達而又與整體溶液較好地聯通的薄液膜，打破甲醛、氧氣等氣體因為低溶解度而在電極上的低傳質速度的限制壁壘，獲得顯著地電流密度，大幅度提高甲醛氣體傳感器的靈敏度和響應時間。
[0008]上述方案中，所述的進氣外殼和密封外殼材料為ABS、尼龍PA、PC、P0M或PVC工程塑料材料中的一種或幾種。本發明提供的甲醛氣體傳感器主體材料使用的是ABS、尼龍PA、PC、P0M或PVC等工程塑料材料，該類材料成本低廉，機械性加工性良好，對傳感器電極材料及電解質材料不產生物理或化學反應。
[0009]上述方案中，所述的進氣外殼的進氣口形狀為多孔網篩型、多孔條狀型、單孔圓形或單孔方形中的一種或幾種組合。單孔圓形或單孔方形進氣口有利於被測氣體擴散進入，多孔網篩型或多孔條狀型進氣口有利於減小膜電極組件在進氣外殼上的應力集中，保護膜電極組件不被壓破。
[0010]上述方案中，所述的進氣口濾膜由濾紙製成。由透氣阻水的濾紙等多孔材料製成的進氣口濾膜設置在進氣外殼外側可以阻止雜質氣體的進入，減少雜質氣體對檢測結果的幹擾。
[0011]上述方案中，所述的固體聚合物電解質為全氟磺酸質子交換膜。固體聚合物電解質，如全氟磺酸質子交換膜，可以避免電極材料和電解池受到腐蝕，延長傳感器使用壽命，檢測結果穩定；另外固體聚合物電解質具有極佳的化學耐受性、良好的機械性能、優良的質子傳導能力以及酸性、保水性，使得本發明提供的甲醛氣體傳感器響應時間短、靈敏度高、使用壽命長，檢測的甲醛濃度下限低。
[0012]上述方案中，所述的膜電極組件採用催化劑塗布膜(CCM, catalyst coatedmembrane)技術製備,催化劑通過噴塗、網印、擠壓塗布或刮塗施加於固體聚合物電解質上得到催化劑塗布膜，然後覆上氣體擴散層，催化層與氣體擴散層組合，得到氣體擴散電極。與傳統將催化劑塗覆到氣體擴散層相比，CCM的特點是直接將催化劑塗覆到固體聚合物電解質的兩側，這種方法的好處是很薄的催化層就可以均勻覆蓋固體電解質膜。同時該方法中，催化層與固體電解質膜形成整體，結合緊密，它們之間的界面電阻也大大減小，使其靈敏度得到高。採用CCM技術製備膜電極是一種「三合一」組件，工藝過程中不進行熱壓，從而避免固體聚合物電解質因熱壓而導致的損傷，且催化劑與電解質接觸緊密，有利於電化學反應生成水對電解質的潤溼，使得本發明提供的甲醛氣體傳感器的內部阻抗降低，靈敏度得到提高，響應時間縮短。
[0013]上述方案中，所述氣體擴散層由多孔碳材料碳紙或碳布製成。
[0014]上述方案中，所述的催化層由貴金屬催化劑和具有離子傳導功能的離子傳導聚合物構成。貴金屬催化劑包括Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、0s、Au或Ag中的一種或幾種,其特徵在於貴金屬催化劑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的經高溫處理的炭材擔體上。催化層可以通過多種方法將催化劑塗覆到聚合物電解質膜上。所述的方法包括噴塗、網印、刮塗、擠壓塗布等，貴金屬用量為0.01mg/cm2至2mg/cm2。本發明提供的甲醒氣體傳感器貴金屬催化劑用量極低，大幅度降低了甲醛氣體傳感器生產成本。
[0015]上述方案中，所述的空腔支撐體設置在膜電極組件的陰極一側，所述的空腔支撐體由軟木、海綿、碳紙、碳布、高分子泡沫、泡沫玻璃或泡沫陶瓷中的一種或幾種多孔材料製成，且保有0.01%到10%的含水量。在膜電極組件陰極一側設置空腔支撐體有利於陰極導線與陰極的固定及緊密接觸，有利於電荷傳遞，另外空腔支撐體保有0.01%到10%的含水量，有利於延長使用壽命。
[0016]上述方案中，還包括引線固定件，用於將陽極引線和陰極引線的引出端固定在進氣外殼上。由引線固定件將陽極引線和陰極引線的引出端固定在進氣外殼上，可以對陰陽極引線起到保護作用，使甲醛氣體傳感器不易損壞。
[0017]本發明的有益效果是:本發明的甲醛氣體傳感器在常溫下就能對被測氣體進行檢測，生產成本低，使用壽命長，檢測靈敏度高，檢測結果穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明甲醛氣體傳感器的結構示意圖；
[0019]圖2是膜電極組件的截面示意圖；
[0020]圖3是本發明甲醛氣體傳感器的主視圖；
[0021]圖4是本發明甲醛氣體傳感器的俯視圖；
[0022]圖5是圖4沿A-A方向剖面圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖和實施例進一步對本發明進行說明，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
[0024]圖1是本發明甲醛氣體傳感器的結構示意圖，如圖1所示，本發明提供的甲醛氣體傳感器包括:進氣口濾膜3、進氣外殼1、陽極引線6、膜電極組件4、陰極引線7、空腔支撐體5和密封外殼2。
[0025]其中，帶有進氣口的進氣外殼I和嵌入其中的密封外殼2構成一個中空的閉合外殼，中空的閉合外殼從左至右，內部分別放置陽極引線6、膜電極組件4、陰極引線7和空腔支撐體5，進氣口濾膜3在進氣外殼I的進氣口外部貼合，被測氣體穿過進氣口濾膜，通過進氣口進入該傳感器。
[0026]其中，採用CCM技術製備的膜電極組件4包括固體聚合物電解質8和分別設置在固體聚合物電解質兩側的陽極和陰極，陽極和陰極均為氣體擴散電極，氣體擴散電極包括氣體擴散層10和催化層9雙層結構，催化層9由貴金屬催化劑製成，陽極引線6與陽極連接，陰極引線7與陰極連接。圖2是膜電極組件4的截面示意圖，從左至右分別是陽極氣體擴散層、陽極催化層，固體聚合物電解質8、陰極氣體擴散層和陰極催化層。
[0027]如圖2所示，該實施例甲醛氣體傳感器的固體聚合物電解質8採用Naf1nR 211膜。固體聚合物電解質可以避免電極材料和電解池受到腐蝕，延長傳感器使用壽命，檢測結果穩定；另外Nanonli 211膜具有極佳的化學耐受性、良好的機械性能、優良的質子傳導能力以及酸性、保水性，使得本發明提供的甲醛氣體傳感器響應時間短、靈敏度高、使用壽命長，檢測的甲醛濃度下限低。
[0028]如圖2所示,該實施例甲醒氣體傳感器的膜電極組件4採用CCM(catalyst coatedmembrane)技術製備,催化劑通過噴塗、網印和刮塗方式，施加於固體聚合物電解質上得到CCM，然後覆上氣體擴散層10，與催化層9組合。採用CCM技術製備膜電極是一種「三合一」組件，工藝過程中不進行熱壓，從而避免固體聚合物電解質因熱壓而導致的損傷，且催化劑與電解質接觸緊密，有利於電化學反應生成水對電解質的潤溼，使得本發明提供的甲醛氣體傳感器靈敏度得到提高，響應時間縮短。
[0029]如圖2所示，該實施例甲醛氣體傳感器的陽極或陰極採用氣體擴散電極，其氣體擴散層10選用炭材製備。膜電極組件4採用氣體擴散電極，電極內部有大面積的氣體容易到達而又與整體溶液較好地聯通的薄液膜，打破甲醛、氧氣等氣體因為低溶解度而在電極上的低傳質速度的限制壁壘，獲得顯著地電流密度，大幅度提高甲醛氣體傳感器的靈敏度和響應時間。
[0030]如圖2所示，該實施例甲醛氣體傳感器的催化層9主要成分為Pt。Pt催化劑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的經高溫處理的炭材擔體上，用量為0.4mg/cm2。本發明提供的甲醛氣體傳感器貴金屬催化劑用量極低，大幅度降低了甲醛氣體傳感器生產成本。
[0031]下面對本發明提供的甲醛氣體傳感器的工作原理進行介紹。
[0032]被測氣體經過進氣外殼I的進氣口進入該傳感器後，在擴散作用下進入氣體擴散電極，與陽極接觸，在氣體擴散電極催化層的電催化劑的作用下，甲醛發生脫氫反應，生成質子(H+)和電子(e_)，化學反應方程式為:HCH0+H20 — C02+4H++4e_。
[0033]質子(H+)通過固體聚合物電解質Nan0nK 211膜傳導到陰極，到達陰極的質子(H+)與空氣中的氧氣(O2)反應生成水(H2O),化學反應方程式為:4H++4e_+02 — 2H20。
[0034]由上可知，總的化學反應方程式為:HCH0+02 — C02+H20。
[0035]該傳感器的待測氣體甲醛在電極上發生的電化學過程有許多步驟組成，其中擴散步驟是反應速度的控制步驟，整個反應可以由cottrell方程描述，電化學反應可用下式表示:0x+ze = Red。假設初始條件為C0x (O, t) = O (t>0)，根據Fick定律和Faraday定律,可以得到在擴散控制下的電流i和被測物質甲醛的濃度成正比例關係:i(t) = nFA D0x1/2c0x/(t1/2 π 1/2)。其中，F為法拉第常數，A為電極面積，D0x為氧化態物質的擴散係數，c0x為氧化態物質的本體濃度，t為反應時間，z為電極反應電子的計量係數。
[0036]由上可知，陽極上產生的電子通過陽極引線6、外部電流檢測電路和陰極引線7傳導到陰極，電子的流動產生電流，根據外部電流檢測電路檢測的電流信號的強弱可以檢測被測氣體的濃度。
[0037]圖3是本發明甲醛氣體傳感器的主視圖，圖4是本發明甲醛氣體傳感器的俯視圖，圖5是本發明甲醛氣體傳感器的主視圖的A-A方向剖面圖。
[0038]如圖3和圖4所示，該實施例甲醛氣體傳感器的進氣外殼I的進氣口形狀是多孔網篩型。多孔網篩型進氣口有利於被測氣體擴散進入氣體擴散電極的擴散層，同時多孔網篩型進氣口有利於減小膜電極組件在進氣外殼上的應力集中，保護膜電極組件不被壓破。
[0039]如圖3和圖4所不，該實施例甲醒氣體傳感器的進氣外殼I和密封外殼2米用ABS工程塑料材料，所述的進氣外殼I帶有進氣口，該類材料成本低廉，機械性加工性良好，對傳感器電極材料及電解質材料不產生物理或化學反應。
[0040]如圖5所示，該實施例甲醛氣體傳感器的空腔支撐體5設置在膜電極組件4陰極一側，由高分子泡沫製成，且保有2%的含水量，在膜電極組件4陰極一側設置空腔支撐體有利於陰極導線與陰極的固定及緊密接觸，有利於電荷傳遞，另外，空腔支撐體保有一定含水量，有利於延長使用壽命。
[0041]如圖5所示，該實施例甲醛氣體傳感器的進氣口濾膜3設置在進氣外殼I外側，由透氣阻水的分子篩膜多孔材料製成。由透氣阻水的分子篩膜多孔材料製成的進氣口濾膜3設置在進氣外殼外側可以阻止雜質氣體的進入，減少雜質氣體對檢測結果的幹擾。
[0042]如圖5所示，該實施例甲醛氣體傳感器還包括引線固定件，用於將陽極引線6和陰極引線7的引出端固定在進氣外殼上。由引線固定件將陽極引線和陰極引線的引出端固定在進氣外殼上，可以對陰、陽極引線起到保護作用，使甲醛氣體傳感器不易損壞。
【權利要求】
1.一種甲醒氣體傳感器,其特徵在於,它包括進氣外殼(I)、密封外殼(2)、進氣口濾膜(3)、膜電極組件(4)、空腔支撐體(5)、陽極引線(6)和陰極引線(7)，其中，所述進氣外殼(I)帶有進氣口，所述進氣口濾膜(3)在進氣外殼(I)的進氣口外部貼合，所述密封外殼(2)嵌入至所述進氣外殼(I)構成一個中空的閉合外殼，所述陽極引線(6)、膜電極組件(4)、陰極引線(7)和空腔支撐體(5)從左至右依次設置於所述閉合外殼內；所述膜電極組件包括固體聚合物電解質(8)和分別設置在固體聚合物電解質兩側的陽極和陰極，所述陽極和陰極均為氣體擴散電極，氣體擴散電極包括氣體擴散層(10)和催化層(9)雙層結構。
2.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的進氣外殼(I)和密封外殼(2)材料為ABS、尼龍PA、PC、POM或PVC工程塑料材料中的一種或幾種。
3.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的進氣外殼(I)的進氣口形狀為多孔網篩型、多孔條狀型、單孔圓形或單孔方形中的一種或幾種組合。
4.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的進氣口濾膜(3)由濾紙製成。
5.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的固體聚合物電解質(8)為全氟磺酸質子交換膜。
6.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的膜電極組件(4)採用催化劑塗布膜技術製備，催化劑通過噴塗、網印、擠壓塗布或刮塗施加於固體聚合物電解質上得到催化劑塗布膜，然後覆上氣體擴散層(10)，催化層(9)與氣體擴散層(10)組合，得到氣體擴散電極。
7.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述氣體擴散層(10)由多孔碳材料碳紙或碳布製成。
8.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的催化層(9)主要成分為Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Au或Ag中的一種或幾種,貴金屬催化劑以納米級顆粒形式高分散地擔載到經高溫處理的炭材擔體上，用量為0.0lmg/cm2至2mg/cm2。
9.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，所述的空腔支撐體(5)設置在膜電極組件(4)的陰極一側，所述的空腔支撐體(5)由軟木、海綿、碳紙、碳布、高分子泡沫、泡沫玻璃或泡沫陶瓷中的一種或幾種多孔材料製成，且保有0.01%到10%的含水量。
10.根據權利要求1所述的甲醛氣體傳感器，其特徵在於，還包括引線固定件，用於將陽極引線(6)和陰極引線(7)的引出端固定在進氣外殼⑴上。
【文檔編號】G01N27/407GK104181219SQ201410436908
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】陳磊, 詹明, 梁聰 申請人:武漢理工大學