专利名称：一种采用复合固体电解质膜的co传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及CO传感器，尤其涉及电化学CO传感器，具体是用固体电解质膜的 CO传感器。
背景技术：
CO是一种无色、无味、易燃、有毒、有害的气体，在空气中的阈限值为50ppm，爆炸 限为12.5-74%。凡含碳物质的不完全燃烧都会产生⑶，因此CO极易产生且广泛存在，常 见的接触机会有职业性接触(如工业生产煤气、炼钢、炼焦、矿井作业、化学工业等)和日常 生活接触(如交通堵塞、煤气灶故障、家用天然气或煤气泄漏等)。由于CO与血红蛋白的结 合能力比氧气大200倍，当CO进入人体血液循环系统后，就会大量取代氧气而与血红蛋白 结合，造成低氧、缺氧，从而导致患者头痛、耳鸣、恶心、窒息等。因此，对生活和工作环境中 的CO进行准确而有效地检测与报警是非常必要和必须的。采用气相色谱、红外分析仪等仪器都可以对CO进行检测，具有测试精度高、灵敏 度高等优点，但普遍存在着仪器设备笨重、不易携带、成本高昂等缺点，难以实现原位测量， 不适合日常普遍使用。目前达到实际应用水平的CO传感器主要有半导体式和电化学式两 种，半导体式CO传感器通常采用氧化物半导体材料主要有Sn02、Zn0及Fe2O3等作为敏感元 件，如ZL 99109048. 9所公布的半导体式CO传感器，其具有灵敏度高、响应快、测量范围宽 等特点，但半导体式元件普遍存在在空气中阻值漂移大、功耗较高、加热元件存在安全问题 等不足，不适于定量测试和制造便携式的设备，限制了半导体式CO传感器的应用。相比之 下，电化学CO传感器由于具有灵敏度高、重现性好、功耗低、安全可靠等独特优点而被广泛 关注。电化学CO传感器一般由电极、电解质按照一定的结构组装而成，电解质是电化学 传感器电极间的导体，可以是酸性溶液，也可以是碱性溶液。早期的电化学CO传感器多采 用液体电解质，一般采用一定浓度的硫酸溶液作为电解质，由于硫酸在过于干燥或潮湿的 环境中体积变化较大，使得传感器不能正常工作，且这种体系不可避免地存在腐蚀、硫酸泄 漏等问题，因此已被逐渐淘汰。以美国杜邦公司开发的Nafion 系列为代表的全氟磺酸膜 由于具有高的质子导电性、高的水扩散能力和良好的化学及电化学稳定性而被作为固体电 解质广泛应用与CO传感器中。在ZL 01252229. 5中公开了一种全固态聚合物电解质的CO 传感器，采用全氟磺酸阳离子交换膜(Nafion膜)取代传统的流动电解质，以贵金属粉末用 聚四氟乙烯粘结的防水催化剂膜作为电极，与传统的CO传感器相比，采用全氟磺酸膜的传 感器结构紧凑，不含流动性电解质液体，不存在漏液、腐蚀等问题。采用全氟磺酸膜取代传统的硫酸电解质，可以有效防止腐蚀、漏液、污染等问题， 但由于全氟磺酸膜必须在有水存在的条件下才可以传导质子，其电导率与膜的含水量呈线 性关系，因此在传感器设计的过程中必须要引入一个储水腔，从而保持全氟磺酸膜中的水 含量保持稳定，使其具有较好的质子导电性能。传感器的寿命与其失水率密切相关，在ZL 03818281. 5中在蓄水槽中引入无机氧化硅、氧化铝等微粒子制备的凝胶体，从而有效减低传感器的失水率，延长CO传感器使用寿命。 发明内容本实用新型的目的在于提供一种电化学CO传感器，传感器采用复合固体电解质 膜，从而降低CO传感器的失水率，延长CO传感器使用寿命，并降低材料成本。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为一种CO传感器，包括气体过滤器、CO进气隔板、上气体扩散层、绝缘密封圈、密封 胶圈、电解质膜组件、下气体扩散层、空气进气隔板和传感器壳体；过滤器侧面和下面分别 开有透气孔，过滤器下端面与CO进气隔板上端面接靠，CO进气隔板下端面与电解质膜组件 上端面接靠，CO进气隔板开有透气孔，电解质膜组件的下端面与下气体扩散层上端面接靠， 下气体扩散层的下端面与空气进气隔板相接触，空气进气隔板开有透气孔，空气进气隔板 下方壳体的腔体为水和空气的腔体，其特征在于所述电解质膜组件是质子交换膜燃料电 池用的复合固体电解质膜电极组件，所述复合固体电解质膜电极组件由复合固体电解质膜 和催化剂层构成，催化剂层位于复合固体电解质膜的两侧，催化剂是金属Pt或Au，是担载 型催化剂，所述复合固体电解质膜由聚四氟乙烯微孔基膜与全氟磺酸树脂组成，全氟磺酸 树脂涂覆在聚四氟乙烯微孔基膜两侧。本实用新型所述的一种CO传感器，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔基膜的厚度 为5 30 μ m、孔隙率彡50%,本实用新型所述的一种CO传感器，上气体扩散层及下气体扩散层是由30 80% 聚四氟乙烯和活性炭制备的气体扩散层。本实用新型具有如下优点采用复合固体电解质膜，从而有效降低CO传感器的失水率，延长CO传感器使用寿 命，方法简单可行，同时可以降低CO传感器成本。

本实用新型共附图4幅，其中图1采用复合固体电解质膜电极组件的CO传感器结构示意图。图2采用复合固体电解质膜电极组件的CO传感器在不同CO浓度下的输出电流值 曲线。图3采用复合固体电解质膜电极组件的CO传感器在CO浓度为300、400和500ppm 时的响应时间曲线。图4采用复合固体电解质膜电极组件的CO传感器失水率测试曲线，实验温度为 55 °C。附图中，1-气体过滤器，2-C0进气隔板，3-上气体扩散层，4-绝缘密封圈，5_密封 胶圈，6-复合固体电解质膜电极组件，7-下气体扩散层，8-空气进气隔板，9-传感器外壳。
具体实施方式
选取孔径为0.05 μ m，孔隙率为80%，厚度为15 μ m的多孔聚四氟乙烯微孔膜作 为基膜，将其浸入Iwt %的全氟磺酸乙醇溶液中，15分钟后取出。控干基膜表面溶液，置于90°C热台上干燥后，采用喷涂设备将5wt%的全氟磺酸乙醇溶液喷涂与上述基膜两侧，喷涂 后于100°C下干燥30分钟，如此反复喷涂干燥，直至复合膜厚度达到120 μ m,然后将复合膜 放入烘箱中140°C下干燥4小时，得到CO传感器用复合固体电解质膜。通过喷涂的方法将 贵金属Pt催化剂、全氟磺酸树脂、异丙醇或甲醇组成的浆料喷涂于复合固体电解质膜的两 侧而得到催化剂层，催化剂担载量为0. 5mg/cm2。秤取3克的活性炭，加入90ml异丙醇并充分搅拌，制得活性炭与乙醇或异丙醇浆 料，秤取一定量聚四氟乙烯分散液(浓度为10wt% )并加入到上述浆料中，充分搅拌后在 90°C水浴中破乳，随后采用辊压机多次滚压得到厚度为300 μ m的气体扩散层，气体扩散层 中聚四氟乙烯含量范围为70%。按照图1所示对CO传感器进行封装。传感器包括气体过滤器1、C0进气隔板2、 上气体扩散层3、绝缘密封圈4、密封胶圈5、复合固体电解质膜电极组件6、下气体扩散层7、 空气进气隔板8和传感器外壳9。气体过滤器侧面1和下面分别开有透气孔，气体过滤器1 下端面与CO进气隔板2相接触，CO进气隔板2开有透气孔，其下端面与上气体扩散层3相 接触，上气体扩散层3下端面与复合固体电解质膜电极组件6相接触，复合固体电解质膜电 极组件6的下端面与下气体扩散层7相接触，下气体扩散层7的下端面与空气进气隔板8 相接触，空气进气隔板8开有透气孔，其下方为腔体内为水和空气。上述组件依次安装完毕 后，采用封口机进行封口。对此CO传感器进行灵敏度、响应时间及失水率测试。图2所示为采用复合固体电 解质膜电极组件的CO传感器在不同CO浓度下的输出电流值曲线，输出电流值与CO浓度值 线性关系良好，CO浓度为500ppm时，输出电流为1200nA。图3所示为采用复合固体电解质 膜电极组件的CO传感器在CO浓度为300、400和500ppm时的响应时间曲线，图3中，带方 点的曲线是CO浓度为300ppm的响应时间曲线，带圆点的曲线是CO浓度为400ppm的响应 时间曲线，带三角点的曲线是CO浓度为500ppm的响应时间曲线，当CO浓度为300、400及 500ppm时，t9C1(即输出电流值达到稳定输出值的90% )均小于10s，响应特性良好。图4为采用复合固体电解质膜电极组件的CO传感器失水率测试曲线。图4中，带 方点的曲线是用Nafi0n212膜的CO传感器失水率测试曲线，带圆点的曲线是用Nafionll5 膜的CO传感器失水率测试曲线，带三角点的曲线是用复合固体电解质膜电极组件的CO传 感器失水率测试曲线。实验是将CO传感器放入鼓风干燥箱中并维持55°C不变，定期称量传 感器重量，从而计算传感器失水率。由图4可见，采用Nafi0n212膜、Nafionl 15膜及复合 固体电解质膜电极组件的传感器30天后失水分别为0. 77,0. 6和0. 52克，采用复合固体电 解质膜的CO传感器失水率大幅减小，可显著延长CO传感器寿命。
权利要求1.一种CO传感器，包括气体过滤器(1)、C0进气隔板(2)、上气体扩散层(3)、绝缘密 封圈(4)、密封胶圈(5)、电解质膜组件(6)、下气体扩散层(7)、空气进气隔板(8)和传感器 壳体(9)；气体过滤器(1)侧面和下面分别开有透气孔，气体过滤器(1)下端面与CO进气 隔板(2)上端面接靠，CO进气隔板(2)下端面与电解质膜组件(6)上端面接靠，CO进气隔 板(2)开有透气孔，电解质膜组件(6)的下端面与下气体扩散层(7)上端面接靠，下气体扩 散层(7)的下端面与空气进气隔板(8)相接触，空气进气隔板(8)开有透气孔，空气进气隔 板(8)下方壳体的腔体为水和空气的腔体，其特征在于所述电解质膜组件(6)是质子交 换膜燃料电池用的复合固体电解质膜电极组件，所述复合固体电解质膜电极组件由复合固 体电解质膜和催化剂层构成，催化剂层位于复合固体电解质膜的两侧，催化剂是金属Pt或 Au，是担载型催化剂，所述复合固体电解质膜由聚四氟乙烯微孔基膜与全氟磺酸树脂组成， 全氟磺酸树脂涂覆在聚四氟乙烯微孔基膜两侧。
2.按照权利要求1所述的一种CO传感器，其特征在于所述聚四氟乙烯微孔基膜的厚 度为5 30 μ m、孔隙率彡50%。
专利摘要一种CO传感器，包括气体过滤器、CO进气隔板、上气体扩散层、绝缘密封圈、密封胶圈、电解质膜组件、下气体扩散层、空气进气隔板和传感器壳体；电解质膜组件是质子交换膜燃料电池用的复合固体电解质膜电极组件，膜电极组件由复合固体电解质膜和催化剂层构成，催化剂层位于复合固体电解质膜的两侧，催化剂是担载型金属Pt或Au，复合固体电解质膜由聚四氟乙烯微孔基膜与全氟磺酸树脂组成。本实用新型的优点是采用复合固体电解质膜，可有效降低CO传感器的失水率，延长CO传感器使用寿命，方法简单可行，同时可以降低CO传感器成本。
文档编号G01N27/407GK201788166SQ20102051098
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者丁鹏, 侯中军, 张可, 林治银, 石伟玉, 稽官成, 臧振明, 马世闯 申请人:新源动力股份有限公司