CN101825604A - 甲醛气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的甲醛气体传感器，进气外壳、支撑外壳、膜电极复合体、工作电极引线和对电极引线，其中，支撑外壳和可嵌入其中的进气外壳构成一个中空的闭合外壳，对置于其中的膜电极复合体进行支撑，甲醛从进气外壳的进气口进入；膜电极复合体包括固态电解质和分别设置在固态电解质两侧的由贵金属催化剂制成的工作电极和对电极，工作电极引线与工作电极连接，对电极引线与对电极连接。本发明提供的甲醛气体传感器在常温下就能对甲醛气体进行检测，节省能源。
Description
技术领域
本发明提供了一种气体传感器，特别是指一种甲醛气体传感器。
背景技术
刨花板、密度板等人造板材，胶粘剂、墙纸等装修材料，化纤纺织品、消毒剂等日常生活用品都会散发出甲醛，液化石油气等石化燃料不完全燃烧也会释放出甲醛，因此在空气中会存在一定的甲醛。室内空气中甲醛浓度一般在0.01ppm(part per million，百万分之一)到0.5ppm，个别污染严重的居室，甲醛浓度可以达到1ppm以上，超过一定浓度的甲醛会对人体造成伤害(我国的国家室内空气质量标准中规定甲醛最高允许浓度为0.08mg/m3)。为保证人身安全，就需要对空气中的甲醛浓度进行检测。以前的监测方法是先现场采样，再进行室内分析，这种监测方法操作繁琐、测定时间长，不能满足现场大批测定的监测需求。
发明专利CN101349669A公开了一种在现场即可对甲醛浓度进行检测的甲醛气体传感器，其包含一基板、一电极层及一气体感测层，该基板由绝缘材料制成，该电极层设置于该基板的一侧，该气体感测层至少由氧化镍(NiO)制成，该气体感测层设置于该电极层的一侧，使该电极层介于该基板及气体感测层之间，该气体感测层的厚度介于0.3至0.52μm，电极层包含一个用于催化气体的感测电极组及一个用于加热该气体感测层的加热电极组。加热电极组将气体感测层加热到一定温度，甲醛气体传感器才能对甲醛气体进行监测。
上述甲醛气体传感器具有下述缺点：加热电极组必须将气体感测层加热到很高的温度(300摄氏度)，甲醛气体传感器才能进行正常监测。这样会消耗很多能量，造成能源浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种甲醛气体传感器，其在常温下就能对甲醛气体进行检测，节省能源。
本发明提供的甲醛气体传感器，包括：进气外壳101、支撑外壳102、膜电极复合体104、工作电极引线105A和对电极引线105B，其中，
支撑外壳102和可嵌入其中的进气外壳101构成一个中空的闭合外壳，对置于其中的膜电极复合体104进行支撑，甲醛从进气外壳101的进气口进入；
膜电极复合体104包括固态电解质和分别设置在固态电解质两侧的由贵金属催化剂制成的工作电极和对电极，工作电极引线105A与工作电极连接，对电极引线105B与对电极连接。
由上可知，采用上述技术方案的甲醛气体传感器在常温下就能对甲醛气体进行检测，节省能源。
其中，所述贵金属催化剂为铂、钯、铑、金、银、钌中的一种或几种。
由上可知，由铂、钯、铑、银、金、钌中的一种或几种制成的工作电极和对电极对甲醛有很高的催化活性，采用本发明内容制成的工作电极在室温下，对甲醛具有良好的催化氧化活性，可以分解甲醛，产生电子，通过电极引线到达对电极，通过一系列的外部电路处理，可以检测出室内甲醛浓度，检测的甲醛浓度的下限低至0.01ppm。
其中，所述固态电解质采用全氟磺酸质子交换膜，所述全氟磺酸质子交换膜为强酸处理过的全氟磺酸质子交换膜，其酸浓度为40～75％。
由上可知，全氟磺酸质子交换膜具有体积小、转换效率高的优点，固态电解质采用全氟磺酸质子交换膜，可以减少甲醛气体传感器的响应时间。强酸处理过的酸浓度为40～75％的全氟磺酸质子交换膜不易受外界湿度变化的影响，可降低相对湿度对甲醛传感器输出信号的干扰，提高甲醛传感器输出信号的真实性。
其中，所述工作电极和对电极是采用全氟磺酸质子交换膜浸渍还原贵金属盐制成的。
由上可知，采用全氟磺酸质子交换膜浸渍还原贵金属盐制成的工作电极和对电极催化活性高。
其中，所述工作电极和对电极的电阻为1～30欧姆。
由上可知，电阻为1～30欧姆的工作电极和对电极的催化活性更高。
其中，所述膜电极复合体104是将固态电解质和其两侧的工作电极和对电极在压力为120～140KPa，加热温度为80～100℃，热压时间为5分钟的条件下热压而成的。
由上可知，在上述条件下热压形成的膜电极复合体104的转换效率更高。
较佳的，还包括设置在膜电极复合体104的两侧的第一多孔垫片103A和第二多孔垫片103B。
由上可知，在膜电极复合体104的两侧设置第一多孔垫片103A和第二多孔垫片103B，可以使工作电极引线105A与工作电极固定及紧密的接触，有利于电荷传递。
其中，还包括引线固定件106，用于将工作电极引线105A和对电极引线105B的引出端固定在支撑外壳102上。
由上可知，由引线固定件106将工作电极引线105A和对电极引线105B的引出端固定在支撑外壳102上，可以对工作电极引线105A和对电极引线105B起到保护作用，使甲醛气体传感器不易损坏。
其中，所述进气外壳101的进气口为网格型多孔进气口。
由上可知，采用网格型多孔进气口有利于甲醛气体扩散进入。
其中，进气外壳101的外部设置允许甲醛气体通过的过滤层107。所述过滤层107由分子筛、活性炭或炭纸中的一种或几种制成。
由上可知，在进气外壳101的外部设置允许甲醛气体通过的由分子筛、活性炭或炭纸中的一种或几种制成的过滤层107可以阻止杂质气体的进入，减少杂质气体对检测的干扰。
附图说明
图1为本发明甲醛气体传感器的结构示意图；
图2为膜电极复合体的结构原理图；
图3为本发明甲醛气体传感器的主视图；
图4为本发明甲醛气体传感器的主视图的A-A方向剖视图；
图5本发明甲醛气体传感器的主视图的B-B方向剖视图；
图6为甲醛气体传感器在不同甲醛浓度下输出的信号曲线；
图7为具有过滤层的甲醛气体传感器的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明甲醛气体传感器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的甲醛气体传感器包括：进气外壳101、支撑外壳102、第一多孔垫片103A、第二多孔垫片103B、膜电极复合体104、工作电极引线105A、对电极引线105B和引线固定件106，其中，
进气外壳101采用网格型多孔进气口结构，采用这种结构有利于甲醛气体扩散进入。
支撑外壳102和嵌入其中的进气外壳101构成一个中空的外壳整体，其用于对置于其中的其他部件起到支撑保护作用，参见图3所示。
膜电极复合体104设置在支撑外壳102和进气外壳101构成的外壳整体中，膜电极复合体104包括工作电极、固态电解质和对电极三层，所述膜电极复合体104是由热压机将固态电解质和其两侧的工作电极和对电极热压而成的。热压条件为，压力120～140KPa，加热温度80～100℃，热压时间5分钟。如图2所示。本例中采用全氟磺酸质子交换膜作为固态电解质，全氟磺酸质子交换膜具有体积小、转换效率高等优点。本例中采用浸渍还原法在全氟磺酸质子交换膜上镀铂(Pt)形成电阻为1～30欧姆，最好是5～7欧姆的工作电极和对电极。
具体制作工艺包括：先对全氟磺酸质子交换膜进行预处理，所述预处理是将全氟磺酸质子交换膜分别在过氧化氢溶液和硫酸溶液中浸泡除杂。
然后通过将全氟磺酸质子交换膜浸泡在氯化钠溶液中，实现全氟磺酸质子交换膜中的质子与钠离子的交换。
接着将含有钠离子的全氟磺酸质子交换膜浸泡在浓度为0.001～0.01mmol/L的铂盐溶液中，实现全氟磺酸质子交换膜中的钠离子与铂盐溶液中的铂离子的交换；
最后将含有铂离子的全氟磺酸质子交换膜浸泡在浓度为0.2～0.5mmol/L的硼氢化钠溶液中，实现铂离子的还原，以得到镀铂的全氟磺酸质子交换膜。
在全氟磺酸质子交换膜上镀铂形成的工作电极对甲醛有较高的催化活性，其在常温下就可以催化甲醛发生脱氢反应，因此该工作电极不需要加热就可以工作，这样就减少了加热装置，不仅降低了传感器的制造成本，而且节约了因加热部分而使用能源。同时由于铂(Pt)得良好的催化性能，可以使甲醛气体传感器检测的甲醛浓度的下限低至0.01ppm。
第一多孔垫片103A和第二多孔垫片103B设置在膜电极复合体104的两侧，第一多孔垫片103A用于使甲醛气体充分、均匀的与工作电极接触，第二多孔垫片103B用于使空气充分、均匀的与对电极接触，提高传感器的响应时间以及输出信号的稳定性。
第一多孔垫片103A还用于使工作电极引线105A与工作电极固定及紧密的接触，第二多孔垫片103B还用于使对电极引线105B与对电极固定及紧密的接触，有利于电荷传递。
参考图4和图5所示的剖视图，工作电极和第一多孔垫片103A之间设置由铂制成的工作电极引线105A，电极引线的一端与工作电极连接，另一端引出；对电极和第二多孔垫片103B之间设置由铂制成的对电极引线105B，电极引线的一端与工作电极连接，另一端引出。
引线固定件106用于将工作电极引线105A和对电极引线105B的引出端固定在支撑外壳102上。
下面对本发明提供的甲醛气体传感器的工作原理进行介绍。
甲醛气体经进气外壳101的进气口进入甲醛气体传感器后与工作电极接触，在工作电极的催化作用下，甲醛发生脱氢反应，产生质子(H+)和电子(e-)，化学反应方程式如下，HCHO+H2O→CO2+4H++4e-。
质子(H+)通过质子交换膜传导到对电极，到达对电极的质子(H+)与空气中的氧气(O2)反应生成水(H2O)，化学反应方程式如下，O2+4H++4e-→2H2O。因工作电极的水浓度较低，生成的水从水浓度高的对电极迁移到工作电极。
由上可知，总的化学反应方程式：HCHO+O2→CO2+H2O。
工作电极上的电子通过工作电极引线105A、外部电路和对电极引线105B传导到对电极，电子的流动产生电流，根据工作电极和对电极之间的电流信号的强弱可以检测甲醛气体的浓度。
由于室内环境中甲醛含量较低，本发明提供的甲醛传感器在很低的甲醛浓度范围内有较高的输出信号，甲醛气体传感器在不同甲醛浓度下输出的信号曲线如附图6所示，从图中可以看出，甲醛浓度为0.33ppm时，传感器输出信号为113，对应本例子中传感器的灵敏度为580nA/ppm。
另外，空气中的酒精(C2H5OH)成分经工作电极催化也会发生氧化反应，生成电流信号，导致检测到的甲醛浓度高于空气中甲醛浓度。另外，空气中的氨气经进气外壳101的进气口进入甲醛气体传感器后会占据工作电极的活性位，降低传感器的灵敏度，导致检测到的甲醛浓度低于室内空气中甲醛浓度。
有鉴于此，可以在甲醛气体传感器的进气外壳101的外部设置过滤层107，如图7所示，用于过滤空气中的酒精、氨气等气体。该过滤层107可以由只允许甲醛气体通过的分子筛制成。减少杂质气体对检测的干扰，可以保证甲醛传感器检测结果的可靠性和真实性。
另外，空气的相对湿度对甲醛传感器的检测具有一定的影响。通常，当空气的相对湿度＜25％时，相对湿度越小甲醛传感器的检测结果的相对误差越大；当相对湿度＞75％，相对湿度越大甲醛传感器的检测结果的相对误差越大。
为减小空气的相对湿度对甲醛传感器的检测结果的影响，可以使用硫酸、磷酸或硝酸等对质子交换膜进行酸处理。由于酸具有保水性，在酸到达一定浓度后，酸的湿度不易受外界湿度变化的影响，酸浓度为40～75％的质子交换膜可降低相对湿度对甲醛传感器输出信号的干扰，提高甲醛传感器输出信号的真实性。
本发明中的工作电极和对电极也可以由在固态电解质上镀覆其它贵金属，如钯、金等形成。工作电极引线105A和对电极引线105B也可以有其他金属制成，例如银、铜。过滤层107也可以由炭纸、活性炭等多孔材料制成。
Claims (10)
1.一种甲醛气体传感器，其特征在于，包括：进气外壳(101)、支撑外壳(102)、膜电极复合体(104)、工作电极引线(105A)和对电极引线(105B)，其中，
支撑外壳(102)和可嵌入其中的进气外壳(101)构成一个中空的闭合外壳，对置于其中的膜电极复合体(104)进行支撑，甲醛从进气外壳(101)的进气口进入；
膜电极复合体(104)包括固态电解质和分别设置在其两侧的由贵金属催化剂制成的工作电极和对电极，工作电极引线(105A)与工作电极连接，对电极引线(105B)与对电极连接。
2.根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述贵金属催化剂为铂、钯、铑、金、银、钌中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述固态电解质采用全氟磺酸质子交换膜，所述全氟磺酸质子交换膜为强酸处理过的全氟磺酸质子交换膜，其酸浓度为40～75％。
4.根据权利要求3中所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述工作电极和对电极是采用全氟磺酸质子交换膜浸渍还原贵金属盐制成的。
5.根据权利要求4所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述工作电极和对电极的电阻为1～30欧姆。
6.根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述膜电极复合体(104)是将固态电解质和其两侧的工作电极和对电极在压力为120～140KPa，加热温度为80～100℃，热压时间为5分钟的条件下热压而成的。
7.根据权利要求3所述的甲醛气体传感器，其特征在于，还包括设置在膜电极复合体(104)的两侧的第一多孔垫片(103A)和第二多孔垫片(103B)。
8.根据权利要求3所述的甲醛气体传感器，其特征在于，还包括引线固定件(106)，用于将工作电极引线(105A)和对电极引线(105B)的引出端固定在支撑外壳(102)上。
9.根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，所述进气外壳(101)的进气口为网格型多孔进气口。
10.根据权利要求1所述的甲醛气体传感器，其特征在于，进气外壳(101)的外部设置允许甲醛气体通过的过滤层(107)，所述过滤层(107)由分子筛、活性炭或炭纸中的一种或几种制成。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU YADU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO Free format text: FORMER OWNER: BEIJING YADU CONTROL OF AIR POLLUTION TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20120420 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 102200 CHANGPING, BEIJING TO: 215159 SUZHOU, JIANGSU PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20120420 Address after: Su Fu Lu Guangfu town Suzhou city Jiangsu province 215159 No. 18-2 Applicant after: SUZHOU YADU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 102200, B228, Zhongxing Road, 10 Changping District science and Technology Park, Beijing Applicant before: Beijing Yadu Control of Air Pollution Technology Co., Ltd. |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100908 |