CN102192931A - 电化学一氧化碳传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电化学一氧化碳传感器，包括有内储有氢氧化物液体的阳极反应桶，能与外部检测气体相连的聚气罩，以及催化一氧化碳气体的膜电极组件，聚气罩内面紧贴配装有阴极压片，且阴极压片与聚气罩外周圈配装有密封圈；阳极反应桶上口内置有阳极压片，阳极压片与密封圈之间垫配有集流膜定位片；将整个结构设计成电池形状体，体积较小，且携带便捷；基于阳极反应桶为本体，将结构设计成一体，结构紧凑；充分利用水气化学化学反应原理，将一氧化碳气体催化成电压，再利用电流原理，实现对一氧化碳气体含量的检测；外部检测气体由过滤体进行进气过滤，其净化效果好，并能确保检测操作的高效性；检测气体不限于一氧化碳气体，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域，特别涉及一种电化学一氧化碳传感器。
背景技术
一氧化碳等有害气体，其一般无色无味，且多藏匿于隐蔽之处，不易发现；当有人进入时，极易产生凶险，甚至导致人员的伤亡；对于有害气体的检测仪器，目前品种较多，有置于实验室较大规格的，也有便于随身携带的；如专利号为CN200820050372.5的中国发明专利《一氧化碳传感器》(公告号为CN201225994Y)；包括过滤器、上电极片、传感器芯片、下电极片、液体室、外壳、上电极引脚和下电极引脚，传感器芯片的上下端面分别与上电极片和下电极片接触，上电极片上开设有透气孔，过滤器、上电极片、传感器芯片和下电极片由上至下设置在外壳的内部，液体室设在外壳的底部，外壳的顶部开设有进气孔，上电极引脚的一端与上电极片连接，另一端穿出外壳的底部，下电极引脚的一端与下电极片连接，另一端穿出外壳的底部。该设计在进气孔部位未设置有过滤体，即不能对所检测气体进行纯净处理，在实际使用时不能提供纯度较高的有害气体，即有损整个器具的操作效率；未在传感器两面贴配离子收集膜，即在电压所形成的离子收集速度较慢，两极电荷较不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种结构紧凑、携带便捷、检测效率高、成本较低、电荷稳定及适用范围广的电化学一氧化碳传感器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：电化学一氧化碳传感器，包括有内储有氢氧化物液体的阳极反应桶，能与外部检测气体相连的聚气罩，以及催化一氧化碳气体的膜电极组件，聚气罩内面紧贴配装有阴极压片，且阴极压片与聚气罩外周圈配装有密封圈，且密封圈与阳极反应桶上口密封配合；阳极反应桶上口内置有阳极压片，阳极压片与密封圈之间垫配有集流膜定位片；集流膜定位片中间制有定位孔，且定位孔与膜电极组件嵌配；阳极压片中间制有贯流孔，且贯流孔控制阳极反应桶内储氢氧化物液体与膜电极组件之间的流通；阴极压片中间制有贯气孔，且该贯气孔控制聚气罩内进检测气体与膜电极组件之间的流通。
采取的措施还包括：
上述的聚气罩中间制有凹腔，四周制有翻边；凹腔内嵌配有过滤体，并将外部检测气体过滤成一氧化碳气体；翻边内面与阴极压片贴配。
上述的过滤体为活性炭物质；上述的聚气罩外顶面上制有至少二个进气孔，且进气孔与聚气罩的凹腔连通；聚气罩外顶面固定有阴极引脚。
上述的膜电极组件与进入的一氧化碳气体、阳极反应桶内氢氧化物液体产生化学反应，并产生二氧化碳气体、正电荷离子和电子。
上述的阳极反应桶内储有的氢氧化物液体为水质液体；阳极反应桶外底面固定有阳极引脚。
上述的阳极引脚与阴极引脚之间连接有导电负载，并能形成输出电流。
上述的膜电极组件的外表面为阴极工作面，且膜电极组件经化学反应产生的电子聚留在该阴极工作面上。
上述的阴极工作面上贴配有阴极集流膜，阴极工作面上所聚留下的电子转移并保留到阴极集流膜上，且阴极集流膜与阴极压片连接。
上述的膜电极组件的内表面为阳极工作面，且膜电极组件经化学反应产生的正电荷离子聚留在阳极工作面上。
上述的阳极工作面上贴配有阳极集流膜，阳极工作面上所聚留下的正电荷离子转移并保留到所述的阳极集流膜上，且阳极集流膜与阳极压片连接。
与现有技术相比，本发明包括有内储有氢氧化物液体的阳极反应桶，能与外部检测气体相连的聚气罩，以及催化一氧化碳气体的膜电极组件，聚气罩内面紧贴配装有阴极压片，且阴极压片与聚气罩外周圈配装有密封圈，且密封圈与阳极反应桶上口密封配合；阳极反应桶上口内置有阳极压片，阳极压片与密封圈之间垫配有集流膜定位片；集流膜定位片中间制有定位孔，且定位孔与膜电极组件嵌配；阳极压片中间制有贯流孔，且贯流孔控制阳极反应桶内储氢氧化物液体与膜电极组件之间的流通；阴极压片中间制有贯气孔，且该贯气孔控制聚气罩内进检测气体与膜电极组件之间的流通。本发明的优点在于：将整个结构设计成电池形状体，体积较小，且携带便捷；基于阳极反应桶为本体，将结构设计成一体，结构紧凑；充分利用水气化学化学反应原理，将一氧化碳气体催化成电压，再利用电流原理，实现对一氧化碳气体含量的检测；外部检测气体由过滤体进行进气过滤，其净化效果好，并能确保检测操作的高效性；配置水质液体，其成本较低，取材便捷；双面配置阴阳极集流膜，利于电子的集聚，提高电荷的稳定性；检测气体不限于一氧化碳气体，适用范围广。
附图说明
图1是本发明实施例的横向剖视示意图；
图2是图1中I处的局部放大示意图；
图3是图1的外形示意图；
图4是图3的左视示意图；
图5是图3的右视示意图；
图6是本发明实施例的三维示意图；
图7是本发明实施例配置导电负载时的电流产生原理示意图；
图8是图6的三维分解示意图；
图9是本发明实施例输出开路电压特性曲线图；
图10是本发明实施例输出CO感应电流特性曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图10所示，图标号说明如下：阳极反应桶1，氢氧化物液体1a，阳极压片2，贯流孔21，阳极集流膜3，膜电极组件4，阴极工作面41，阳极工作面42，集流膜定位片5，定位孔51，阴极集流膜6，密封圈7，阴极压片8，贯气孔81，过滤体9，聚气罩10，进气孔10a，翻边10b，凹腔10c，阳极引脚11，阴极引脚12，导电负载A，阴极工作室B，阳极反应室C，膜电极电荷反应组件D，电子e-，输出电流Iout，正电荷离子H+。
本发明实施例，电化学一氧化碳传感器，包括有内储有氢氧化物液体1a的阳极反应桶1，能与外部检测气体相连的聚气罩10，以及催化一氧化碳气体的膜电极组件4，聚气罩10内面紧贴配装有阴极压片8，且阴极压片8与聚气罩10外周圈配装有密封圈7，且密封圈7与阳极反应桶1上口密封配合；阳极反应桶1上口内置有阳极压片2，阳极压片2与密封圈7之间垫配有集流膜定位片5；集流膜定位片5中间制有定位孔51，且定位孔51与膜电极组件4嵌配；阳极压片2中间制有贯流孔21，且贯流孔21控制阳极反应桶1内储氢氧化物液体1a与膜电极组件4之间的流通；阴极压片8中间制有贯气孔81，且该贯气孔81控制聚气罩10内进检测气体与膜电极组件4之间的流通。将整个结构设计成电池形状体，体积较小，且携带便捷；基于阳极反应桶为本体，将结构设计成一体，结构紧凑；充分利用水气化学化学反应原理，将一氧化碳气体催化成电压，再利用电流原理，实现对一氧化碳气体含量的检测。
聚气罩10中间制有凹腔10c，四周制有翻边10b；凹腔10c内嵌配有过滤体9，并将外部检测气体过滤成一氧化碳气体；翻边10b内面与阴极压片8贴配。过滤体9为活性炭物质；聚气罩10外顶面上制有至少二个进气孔10a，且进气孔10a与聚气罩10的凹腔10c连通；聚气罩10外顶面固定有阴极引脚12。外部检测气体由过滤体进行进气过滤，其净化效果好，并能确保检测操作的高效性。
膜电极组件4与进入的一氧化碳气体、阳极反应桶1内氢氧化物液体1a产生化学反应，并产生二氧化碳气体、正电荷离子H+和电子e-，其化学反应公式为CO+H2O→CO2+2H++2e-。阳极反应桶1内储有的氢氧化物液体1a为水质液体；阳极反应桶1外底面固定有阳极引脚11。阳极引脚11与阴极引脚12之间连接有导电负载A，并能形成输出电流Iout。配置水质液体，其成本较低，取材便捷。
膜电极组件4的外表面为阴极工作面41，且膜电极组件4经化学反应产生的电子e-聚留在该阴极工作面41上。阴极工作面41上贴配有阴极集流膜6，阴极工作面41上所聚留下的电子e-转移并保留到阴极集流膜6上，且阴极集流膜6与阴极压片8连接。配置阴极集流膜，利于电子的集聚，提高负电荷的稳定性。
膜电极组件4的内表面为阳极工作面42，且膜电极组件4经化学反应产生的正电荷离子H+聚留在阳极工作面42上。阳极工作面42上贴配有阳极集流膜3，阳极工作面42上所聚留下的正电荷离子H+转移并保留到阳极集流膜3上，且阳极集流膜3与阳极压片2连接。配置阳极集流膜，利于正电荷离子的集聚，提高正电荷的稳定性。
一、本发明实施例的适用范围：
本结构相当于一个对空气中存在着较低浓度的一氧化碳气体作为阴极燃料的小型燃料电池，主要输出是恒定的电流，输出电流并与空气中的一氧化碳浓度成良好的线性关系。
本结构除了对一氧化碳敏感之外，对甲烷、丙烷、异丁烷、乙烯、乙醇、酒精、异丙醇、苯、甲苯、乙酸乙酯、氢、硫化氢、二氧化硫也有微弱的反应。
二、本发明实施的基本电气参数如下所述：
规格尺寸：φ22.5*44.5±0.5mm；
CO浓度探测范围：＞10ppm；
CO浓度分析度：10至1000ppm；
输出电流：0.5至2nA/ppmCO；
输出最大电压：40至60mV；
功率损耗：0mW；
电容量(Cx)：3800至9000uF；
串联内阻(Rs)：0.5至10Ω；
漏电电阻(Rsh)：＞250K；
三、本发明实施的结构组成如下所述：
由金属材料做成装有H2O的密封阳极反应室C和填有活性炭物质材料的阴极气体反应室B及膜电极电荷反应组件D三个重要部分组成。
阳极反应室C由阳极反应桶1、阳极引脚11和H2O组成。
膜电极电荷反应组件D由阳极压片2、阳极集流膜3、膜电极组件4、集流膜定位片5、阴极集流膜6、密封圈7、阴极压片8组成。
阴极工作室B由集气罩10和碳包或碳布9及阴极引脚12组成。
四、本发明实施例的工作原理如下所述：
当含有一氧化碳气体的空气进入阴极工作室B后，经阴极工作室B内的过滤包活性炭9滤除一些带有其它杂质的气体后得到较为纯净的一氧化碳CO气体，这一氧化碳CO气体通过阴极压片8上的阴极片气孔81扩散到膜电极组件4的阴极工作面41上，在膜电极组件4的催化作用下，一氧化碳CO气体在膜电极组件4的阴极工作面41上与阳极室B中转移出来的水H2O中的氧O元素结合生成了二氧化碳CO2气体，并将水H2O中的氢H2原子分解成2粒带有正电荷的H+离子和2粒电子e-，电子本身为负电荷。
其化学反应式为：CO+H2O→CO2+2H++2e-，即在膜电极组件4的阴极工作面41上单聚留下催化所生成的电子2e-，形成了负电荷并转移保留到阴极集流膜6上。而2个正电荷离子H+却由膜电极组件4转移到对面的阳极工作面42上，致使阳极工作面42单聚留正电荷离子H+离子形成了正电荷并转移保留到阳极集流膜2上；这样就会使阳极集流膜3、阴极集流膜6两集电膜上之间产生电位差。
由于阳极反应桶1、阳极压片2、阴极压片8和聚气罩10都是金属件，当极阴阳极两个引脚间接有导电负载A时，阳极集流膜3上的2正电荷离子H+便通过阳极反应桶1、阳极压片2、阳极引脚11、外接电载A、阴极引脚12、聚气罩10、阴极压片8和阴极集流膜6中的2e-电子会合形成了输出电流Iout。
五、本发明实施例的输出电气特性如下所述：
5.1、本结构与CO浓度输出电流的特性关系，如图10所示，
本结构和CO反应后输出的主要是电流，输出电流与CO浓度成线性关系，而且维持不变的CO浓度值时电流是恒定的。
本结构的CO输出电流并不是每个传感器都是一致，主要在0.5至2nA/ppmCO之间。
5.2、本结构与CO反应输出电压，如图9所示；
5.2.1、输出电压特性
当传感器在含有维持一定的ppm浓度的CO气体中时便会产生恒定的电流，如果传感器两极引脚是空载时或者两极间的放电电流小于输出电流值时就会随时间变化产生积分电压值，当积分电压升到一定程度时不会再继续上升保持平稳的电压值，即为饱和电压值，本结构和电压在40mV至60mV之间。
5.2.2、输出电压与反应时间及CO浓度的关系
如图9所示，可以看出当CO气体浓度越低时进入饱和电压的时间须要越长，反之CO气体的浓度越高时进入饱和电压的时间就越短，我们就是利用这一个关系特点或电流和CO气体的线性关系进行CO浓度检测的。
六、本发明实施例的各组件使用材料如下表所列：
| 零件号 | 零件名称 | 材料 | 成型/装配工艺 |
| 1 | 阳极反应桶 | 不锈钢或其它金属 | 冲压拉申成型、组装后再卷边 |
| 2 | 阳极压片 | 不锈钢或其它金属 | 冲压成型后激光打孔 |
| 3 | 集流膜 | 导电防水透气膜 | 冲裁或剪裁 |
| 4 | 膜电极组件 | MEA膜电极 | 冲裁或剪裁 |
| 5 | 集流膜定位 | PP、PE、PET | 冲裁 |
| 6 | 集流膜 | 导电防水透气膜 | 冲裁或剪裁 |
| 7 | 密封圈 | 橡胶 | 注塑 |
| 8 | 阴极压片 | 不锈钢或其它金属 | 冲压成型后激光打孔 |
| 9 | 碳包或碳布 | 活性炭或含活性炭物质 | -- |
| 10 | 集电罩 | 不锈钢或其它金属 | 冲压拉申成型 |
| 11/12 | 引脚 | 镍带 | 剪裁后点焊到固定件上 |
本发明的优点在于：将整个结构设计成电池形状体，体积较小，且携带便捷；基于阳极反应桶为本体，将结构设计成一体，结构紧凑；充分利用水气化学化学反应原理，将一氧化碳气体催化成电压，再利用电流原理，实现对一氧化碳气体含量的检测；外部检测气体由过滤体进行进气过滤，其净化效果好，并能确保检测操作的高效性；配置水质液体，其成本较低，取材便捷；双面配置阴阳极集流膜，利于电子的集聚，提高电荷的稳定性；检测气体不限于一氧化碳气体，适用范围广。
本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (10)
1.电化学一氧化碳传感器，包括有内储有氢氧化物液体(1a)的阳极反应桶(1)，能与外部检测气体相连的聚气罩(10)，以及催化一氧化碳气体的膜电极组件(4)，其特征是：所述的聚气罩(10)内面紧贴配装有阴极压片(8)，且阴极压片(8)与聚气罩(10)外周圈配装有密封圈(7)，且密封圈(7)与所述的阳极反应桶(1)上口密封配合；所述的阳极反应桶(1)上口内置有阳极压片(2)，阳极压片(2)与所述的密封圈(7)之间垫配有集流膜定位片(5)；所述的集流膜定位片(5)中间制有定位孔(51)，且定位孔(51)与所述的膜电极组件(4)嵌配；所述的阳极压片(2)中间制有贯流孔(21)，且贯流孔(21)控制阳极反应桶(1)内储氢氧化物液体(1a)与膜电极组件(4)之间的流通；所述的阴极压片(8)中间制有贯气孔(81)，且该贯气孔(81)控制聚气罩(10)内进检测气体与膜电极组件(4)之间的流通。
2.根据权利要求1所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的聚气罩(10)中间制有凹腔(10c)，四周制有翻边(10b)；所述的凹腔(10c)内嵌配有过滤体(9)，并将外部检测气体过滤成一氧化碳气体；所述的翻边(10b)内面与阴极压片(8)贴配。
3.根据权利要求2所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的过滤体(9)为活性炭物质；所述的聚气罩(10)外顶面上制有至少二个进气孔(10a)，且进气孔(10a)与聚气罩(10)的凹腔(10c)连通；所述的聚气罩(10)外顶面固定有阴极引脚(12)。
4.根据权利要求3所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的膜电极组件(4)与进入的一氧化碳气体、阳极反应桶(1)内氢氧化物液体(1a)产生化学反应，并产生二氧化碳气体、正电荷离子(H+)和电子(e-)。
5.根据权利要求4所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的阳极反应桶(1)内储有的氢氧化物液体(1a)为水质液体；所述的阳极反应桶(1)外底面固定有阳极引脚(11)。
6.根据权利要求5所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的阳极引脚(11)与阴极引脚(12)之间连接有导电负载(A)，并能形成输出电流(Iout)。
7.根据权利要求6所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的膜电极组件(4)的外表面为阴极工作面(41)，且膜电极组件(4)经化学反应产生的电子(e-)聚留在该阴极工作面(41)上。
8.根据权利要求7所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的阴极工作面(41)上贴配有阴极集流膜(6)，阴极工作面(41)上所聚留下的电子(e-)转移并保留到所述的阴极集流膜(6)上，且阴极集流膜(6)与所述的阴极压片(8)连接。
9.根据权利要求6所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的膜电极组件(4)的内表面为阳极工作面(42)，且膜电极组件(4)经化学反应产生的正电荷离子(H+)聚留在阳极工作面(42)上。
10.根据权利要求9所述的电化学一氧化碳传感器，其特征是：所述的阳极工作面(42)上贴配有阳极集流膜(3)，阳极工作面(42)上所聚留下的正电荷离子(H+)转移并保留到所述的阳极集流膜(3)上，且阳极集流膜(3)与所述的阳极压片(2)连接。
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