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基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法技术

技术编号:9693698 阅读:162 留言:0更新日期:2014-02-20 22:36
基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法,属于气体传感器技术领域。由核心部分与储水罐组成;其中核心部分从上至下依次由扩散帽、活性炭过滤层、一侧带有Pt敏感电极和另一侧带有对电极的Nafion膜、集电层组成,储水罐为带有集电层卡槽的储水槽,在扩散帽上设置气体扩散孔,在集电层上设置有给水孔,活性炭过滤层安装在扩散帽内,扩散帽将活性炭过滤层、Nafion膜和集电层压紧并固定和限位在集电层卡槽上,扩散帽(3)与储水罐(2)间密封且绝缘。本发明专利技术的传感器可以实现在室温下对CO的高灵敏度检测。

【技术实现步骤摘要】
基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法
本专利技术属于气体传感器
,具体涉及一种基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器及其制备方法,该传感器主要用于室内CO气体的检测。
技术介绍
一氧化碳(CO)是一种无色、无臭、无味的气体,空气中的一氧化碳通过呼吸系统进入人体与血液中的血红蛋白结合,其不仅降低血球携带氧的能力,而且还抑制、延缓氧血红蛋白的解析与释放,导致机体组织因缺氧而坏死,严重者则可能危及人的生命。因此,对大气中(尤其是室内环境中)的一氧化碳检测尤为重要,必须开发出适于室内检测用的高性能一氧化碳气体传感器。市面上的CO传感器主要有电化学式和半导体式两种。电化学式气体传感器拥有很多优点,对检测气体有很好的选择性和较高的灵敏度。但是,这一类传感器造价高而且寿命短,同时由于这类传感器广泛使用液态电解质,其电解质溶液的泄漏可能会腐蚀器件。在使用过程中,溶剂含量因挥发和反应等因素发生变化,导致电解质的浓度改变,使器件失效。半导体式CO传感器主要是金属氧化物SnO2气体传感器,其优点为灵敏度高、响应速度快、价格便宜、寿命长,但是这类传感器长时间使用后会发生零点漂移,敏感度下降的现象,而且需要高温工作,因此功耗高,且在检测CO这种可燃性气体时,一旦CO气体浓度达到爆炸极限,器件就有成为引爆源的危险。为了克服现有传感器的不足,必须开发高性能的新型CO气体传感器。
技术实现思路
本专利技术根据燃料电池的反应原理,目的在于提供一种新原理、新结构传感器,在常温下实现对CO的高灵敏度检测。具体涉及一种基于质子交换膜(Nafion)的燃料电池型CO传感器,由核心部分(I)与储水罐(2)组成;其中核心部分(I)从上至下依次由扩散帽(3)、活性炭过滤层(5)、一侧带有Pt敏感电极(7)和另一侧带有对电极(8)的Nafion膜(6)、集电层(9 )组成,储水罐(2 )为带有集电层卡槽(11)的储水槽(12 ),在扩散帽(3 )上设置气体扩散孔(4 ),在集电层(9 )上设置有给水孔(10 ),活性炭过滤层(5 )安装在扩散帽(3 )内,扩散帽(3 )将活性炭过滤层(5 )、Naf ion膜(6 )和集电层(9 )压紧并固定和限位在集电层卡槽(11)上,扩散帽(3)与储水罐(2)间密封且绝缘。其结构示意图如附图1所示。传感器的制作过程如下:一、传感器外壳的设计与制作1.制作导电的储水罐(2)、扩散帽(3)和集电层(9);其中,储水罐(2)包括集电层卡槽(11)和储水槽(12);扩散帽(3)是一个中空的帽子状结构部件,顶部含有多个扩散孔(4),内部装有活性炭过滤层(5);集电层(9)是一个带有给水孔(10)的薄片;二、Nafion膜Pt电极的制备利用化学沉淀法制备Nafion膜的Pt电极,其制作过程如下:A.Nafion膜的预处理(I)将Nafion膜置于H2O2溶液中(质量分数3~8%),水浴加热I~2小时(水浴温度50~100°C),取出后用去离子水冲洗3~5次;(2)将上述步骤得到的Nafion膜放入H2SO4溶液(浓度0.2~1M)中水浴加热I~2小时,取出后用去离子水冲洗3~5次;(3)将上述步骤得到的Nafion膜浸入去离子水中,水浴加热30~60分钟,取出后用去离子水冲洗3~5次;(4)重复步骤(3)3~5次,从而得到处理过的Nafion膜,放入去离子水中密封保存。B.Nafion膜Pt电极的制备(I)将预处理过的Nafion膜在20~40°C下干燥;(2)将烘干的Nafion膜固定在分隔池中间,如附图3所示,分离池由贵金属溶液槽(13)和还原剂溶液槽(14)组成,两槽间由Nafion膜(6)完全分隔;(3)将H2PtCl·6溶液(5~20mM)和NaBH4溶液(40~70mM)分别加入到Nafion膜两侧的溶液槽中,常温下静置反应8~10小时,从而在接触H2PtCl6溶液一侧的Nafion膜(6)表面生长出一层厚度为5~20 μ m的Pt敏感电极(7);(4)调转Nafion膜(6)的方向,重复操作步骤(3),可在Nafion膜(6)的另一侧生长一层厚度为5~20 μ m Pt对电极(8);(5)将带有Pt敏感电极(7)与Pt对电极(8)的Nafion膜(6)用去离子水冲洗后在H2SO4溶液中(浓度0.2~1M)浸泡30~60分钟,最后在放入去离子水中密封保存;三、CO传感器的制作I)向储水槽(12)中加入其容积80%~90%的去离子水;2)依次将集电层(9)、带有Pt敏感电极(7)和Pt对电极(8)的Nafion膜(6)、活性炭过滤层(5)、扩散帽(3)按由下到上的顺序放到集电层卡槽(11)上,并使之压紧;3)用绝缘密封材料将扩散帽(3 )固定在储水罐(2 )上,使扩散帽(3 )和储水罐(2 )间密封且相互绝缘,从而制备得到基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器。在本专利技术所述的传感器结构中,活性炭过滤层(5)能有效地滤掉CO中的醇类物质,消除了其对于传感器检测的干扰;储水槽(12)内装有去离子水,从而可以提供Nafion膜(6)正常工作所需要的湿度环境;集电层(9)是沟通Nafion膜(6)与储水槽(11)的桥梁,一方面它可以导通传感器内部流通的电子,另一方面,它带有的给水孔(10)可以通透水蒸汽,为Nafion膜(6)提供其能正常工作的湿度环境。本专利技术所述的质子交换膜燃料电池型传感器的敏感机理是:当室内存在CO气体时,CO气体会通过扩散孔(4)和活性炭过滤层(5)到达Pt敏感电极(7),并发生如下反应:C0+H20=2e>2H++C02(I)产生的质子以Nafion膜(6)为媒介,直接到达Pt对电极(8),而电子经过扩散帽(3)、阳极引线(16)、电流表(15)、阴极引线(17)、储水罐(2)、集电层(9)最终到达Pt对电极(8),如附图4所示,并发生如下反应:l/202+2H++2e_=H20(2)反应(I)和反应(2)即是燃料电池的阳极与阴极反应。气体浓度决定了反应(I)和⑵进行,也就决定了外电路电流的大小,即外电路中电流的大小和外界CO气体浓度的大小成比例关系。本专利技术的新结构传感器,利用Nafion膜(6)的质子导通特性,加之利用Pt催化电极对CO气体高效催化作用,使之具有常温工作和灵敏度高等特点。本专利技术的优点:(I)传感器小巧轻便,便于携带。(2)可在潮湿的空气中使用(使用时不受湿度条件的限制)。(3)传感器无需加热,可常温工作,减少能源损耗。(4)扩散帽上的小孔可以有效阻止大量CO气体进入到达敏感电极,削弱了 Pt电极的中毒效应,延长了传感器的使用寿命。(5)产物为CO2对环境无污染。(6)灵敏度较高,响应恢复好。【附图说明】图1:传感器整体结构图(左图)和传感器核心部分结构图(右图)传感器由核心部分(I)和储水罐(2)和构成,其中核心部分(I)包括:扩散帽(3)、气体扩散孔(4)、活性炭过滤层(5)、Pt敏感电极(7)、Nafion膜(6)、Pt对电极(8)、集电层(9)、给水孔(10)。图2:储水罐(2)剖面图储水罐(2)包括集电层卡槽(11)和储水槽(12)。图3:反应容器分隔池的结构图反应时,将Nafion膜(6)置于贵金属溶液槽(13)与还原剂溶液槽(14)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器,其特征在于:由核心部分(1)与储水罐(2)组成;其中核心部分(1)从上至下依次由扩散帽(3)、活性炭过滤层(5)、一侧带有Pt敏感电极(7)和另一侧带有对电极(8)的Nafion膜(6)、集电层(9)组成,储水罐(2)为带有集电层卡槽(11)的储水槽(12),在扩散帽(3)上设置气体扩散孔(4),在集电层(9)上设置有给水孔(10),活性炭过滤层(5)安装在扩散帽(3)内,扩散帽(3)将活性炭过滤层(5)、Nafion膜(6)和集电层(9)压紧并固定和限位在集电层卡槽(11)上,储水罐(2)、扩散帽(3)和集电层(9)为导电材料,扩散帽(3)与储水罐(2)间密封且绝缘。

【技术特征摘要】
1.一种基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器,其特征在于:由核心部分(I)与储水罐(2)组成;其中核心部分(I)从上至下依次由扩散帽(3)、活性炭过滤层(5)、一侧带有Pt敏感电极(7)和另一侧带有对电极(8)的Nafion膜(6)、集电层(9)组成,储水罐(2)为带有集电层卡槽(11)的储水槽(12 ),在扩散帽(3 )上设置气体扩散孔(4 ),在集电层(9 )上设置有给水孔(10),活性炭过滤层(5)安装在扩散帽(3)内,扩散帽(3)将活性炭过滤层(5)、Nafion膜(6)和集电层(9)压紧并固定和限位在集电层卡槽(11)上,储水罐(2)、扩散帽(3)和集电层(9)为导电材料,扩散帽(3)与储水罐(2)间密封且绝缘。2.权利要求1所述的一种基于质子交换膜的燃料电池型CO传感器的制备方法,其步骤如下: A.Nafion膜Pt电极的制备 1)将预处理过的Nafion膜在20?4(TC下干燥; 2)将烘干的Nafion膜固定在分隔池中间; 3)将H2PtCl6溶液和NaBH4溶液分别加入到Nafion膜(6)两侧的贵金属溶液槽(13)和还原剂溶液槽(14)中,常温下静置反应8?10小时,从而在接触H2PtCl6溶液一侧的Nafion膜(6)表面生长出一层厚度为5?20 μ m的Pt敏感电极(7); 4)调转Nafion膜(6)的方向,重复操作步骤(3),从而在Nafion膜(6)的另一侧生长出一层厚度为5?20 μ m的Pt...

【专利技术属性】
技术研发人员:卢革宇梁喜双刘英伟
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:

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