2009年似桌軾術(shù)與傳旅番燃料電池式乙醇傳感器的研制張小水,高勝國,古瑞琴,劉紅霞,張樹金(鄭州煒盛電子科技有限公司,河南鄭州450001)摘要:利用燃料電池反應(yīng)原理制備乙醇傳感器,可精確檢測呼氣中乙醇濃度,并對煙霧、汽油等典型的干擾氣體具有優(yōu)弄的選擇性。儈感器電榎乘用價格低亷、物理化學(xué)性質(zhì)穗定的磺化聚α-甲基萊乙烯制國體質(zhì)子交換膜作為載體材料,降低了傳感器的制造成本,并用釀乙酯處理質(zhì)子交換膜負(fù)戴二氧化珪以改善膜的親水吸水性能。傳感器采用全態(tài)方式裳配,避免了液態(tài)電化學(xué)傳感器的電解液泄漏問題。傳感器電極采用絲網(wǎng)印刷工藝制備,提高了電極尺寸的一致性、催化劑的分散度和電極的強(qiáng)度,改善了傳惑器的穗定性,提高了生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞:乙醇傳感器;燃料電池;質(zhì)子交換膜;絲網(wǎng)印刷中圖分類號:TP2l2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1002-1841(2009)增-0189-093Study of the Fuel Cell Ethanol Gas SensorZHANG Xiao-shui, GAO Sheng-guo, GU Rui-qin, LU Hong-xia, ZHANG Shu-jinZhengzhou Winsen Electronics Technology Co, Ltd, Zhengzhou 450001, China)Abstract: According to the principle of fuel cells, a kind of ethanol gas sensor was made of which can detect the ethanoloncentration in the exhalation gases exactly. The sensor has high selectivity to smog and gasoline etc. In the sensor a kind of solid proton exchange membrane which named polymeric sulphonateda-methylstyrene was used to be the electrode carrier materialwhich is very cheap and can reduce the coet of the sensor. This solid proton exchange membrane was dealed with ethyl silicatewhich can ameliorate the hydrophile property of the membrane. Because of the solid electrolyte the sensor will not leak. The electrode was made of by the means of screenprinted, which improved the coherence and intensity of the electrode. Furthermore, thedisperse state of the catalyzer and the stability of the sensor was also improwed, and the produce efficiency of sensor was increased.Key words: ethanol gas sensor; fuel cell; proto0引言當(dāng)前有很多研究集中在非含氟聚合物材料的方向上2。文中近年來,隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,各城市的機(jī)動汽車保也擬用價格低廉、物化性質(zhì)穩(wěn)定的磺化聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子有量逐年加大。伴隨著車輛的增加,酒后駕駛造成的交通事故交換膜替代目前常用的 nafion質(zhì)子交換膜,以進(jìn)一步降低燃料也屢見不鮮?？茖W(xué)數(shù)據(jù)顯示,酒后駕車發(fā)生事故的概率是沒有電池式酒精傳感器的制造成本做一探索。飲酒的16倍。飲酒者每百mL血液中酒精含量達(dá)到50mg時,1試驗反應(yīng)能力有所下降;達(dá)到150mg時,反應(yīng)能力下降50%,動分別用磺化a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜(從某離子交換作失調(diào),手腳失控,極易造成車禍。針對酒后駕車的危害,各樹脂廠定制)、 nafion膜和磺化聚苯乙烯質(zhì)子交換膜作3組對地管理部門紛紛開展嚴(yán)打行動,有效簡便的酒精檢測儀就成了比試驗。具體試驗過程如下:限酒行動的有力保證(1)將 nafion膜分別用一定濃度和溫度的雙氧水、硫酸處目前,在用的酒精檢測儀采用的核心檢測器件從原理上分理除雜、轉(zhuǎn)型,最后用去離子水浸煮處理待用;再將催化劑、類主要有半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器、燃料電池式氣體傳感器和有機(jī)溶劑,有機(jī)黏合劑和造孔劑調(diào)制成一定黏度的漿料,將漿紅外吸收式的氣體傳感器。半導(dǎo)體傳感器靈敏度雖然較高,但料用絲網(wǎng)印刷的方法印制于nfon膜上,催化層部分的直徑為其穩(wěn)定性、精確度很差,輸出信號非線性,應(yīng)用在警用的酒精12mm,為了增加催化層和 nafion膜的結(jié)合強(qiáng)度,將膜電極在檢測儀上根本無法滿足計量器具標(biāo)準(zhǔn)的要求。紅外吸收氣體傳平壓機(jī)上于一定的壓力和溫度下處理。將制好的膜電極裁制成感器精度、穩(wěn)定性較好,可以滿足警用酒精檢測儀的要求,但需要的形狀,用如圖1的方式裝配酒精傳感器,將傳感器編為其體積較大,價格昂貴,對在實際應(yīng)用中的大面積推廣存在一A組。定的障礙。燃料電池式氣體傳感器靈敏度較高,功耗低,穩(wěn)定(2)將磺化秦a-甲基苯乙烯離子交換膜首先用含正硅酸性和精度較好,信號輸出與酒精濃度呈良好的線性關(guān)系,可以乙酯中國煤化工共千,便負(fù)載上了一定滿足警用酒精檢測儀的應(yīng)用要求,且其價格雖仍較高,但與質(zhì)量CNMHG條水吸水性能;以下紅外吸收式的傳感器相比已大幅度的降低。處理和操作為了盡可能地降低燃料電池或此原理傳感器的材料成本,)再將普通的磺化聚苯乙烯離子交換膜用步驟B的工藝裝配傳感器,以與B步驟的結(jié)果進(jìn)行對比驗證收稿日期:2009-06-15Instrument Technique and Sensor0cL2009由表1的測試數(shù)據(jù)可以看出,用2種質(zhì)子交換膜制作的傳感器靈敏度基本相當(dāng),無明顯的差別,但其零點(diǎn)卻有較大的差質(zhì)子異, nafion膜傳感器的零點(diǎn)最小,磺化聚α-甲基苯乙烯質(zhì)子催化層外殼交換膜傳感器的零點(diǎn)略大,磺化聚苯乙烯質(zhì)子交換膜傳感器的零點(diǎn)最大。這個測試結(jié)果表明,磺化聚苯乙烯質(zhì)子交換膜在傳感器中會發(fā)生明顯的氧化降解反應(yīng),磺化聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜的降解反應(yīng)較為緩和,用甲基取代聚苯乙烯上的叔碳?xì)鋺?yīng)確能增強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性倒,而 nafion膜的化學(xué)穩(wěn)定性最好,降解反應(yīng)基本可以忽略。圖1傳感器裝配結(jié)構(gòu)示意圖(2)測試對200ppm酒精響應(yīng)恢復(fù)時間曲線,3種傳感器2測試結(jié)果及分析的性能無大的差別,如圖2所示。分別從每組試驗裝配的傳感器中任意抽取5支,分別將其編號為A、A2、A3、A4、A5、B1、B、B、B4、B5、CI、明潰復(fù)酯線C2、C3、C、C5。對其性能測試如下:(1)對這些傳感器測試零點(diǎn)、靈敏度數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示表1中pm=106表1傳感器零點(diǎn)和靈敏度數(shù)據(jù)mmm黑m題11.970.30.034.798.9213.041632.395.3810.1214.87時網(wǎng)[秒7.5211.317.8626.52B0.284.427.8811.8619.7630.11B30.193.867.1810.0416.6225.日2傳那器響應(yīng)恢復(fù)曲線圖B40.414.78.6511.9619.9330.(3)測試對200pm酒精輸出信號重復(fù)性測試。 nafion膜B50.373.916.889.6614.922.461.024.7.1399714.9823.36和磺化聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜的性能均可滿足國標(biāo)CB1374.557.310.2715T212542007的要求,而磺化聚苯乙烯質(zhì)子交換膜的性能稍差8.6c41.59577.219.97些,可能也是其底電流較大引起的不利影響,結(jié)果如表2所7.5710.222傳感器輸出相對重復(fù)性編號1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次重復(fù)性7.927.887.817948.038.018.078.068.167.197.367.14BI7.467.7.387.367.587.387.331.34B27837.857.967.277.337.14Cl7.297.187.137.377.167.347.617.437.337.367.697.587.635.966.31l.83相對重復(fù)性計算公式如衰3傳感器抗干擾數(shù)據(jù)相對重復(fù)性=×100%編號酒精香煙余味500.53HA2中國煤化工式中:C為傳感器第i次測量結(jié)果,μ;C為傳感器n次測量CNMH值平均值,μA;n為傳感器測量次數(shù)。(4)測試傳感器的抗干擾試驗。幾種典型的干擾物對傳7.052.03感器信號影響不大,可以達(dá)到實用的要求,結(jié)果如表3所示。增刊張小水等:燃料電池式乙醇傳感器的研制(5)對200pm酒精高低溫性能試驗。做溫度試驗時,由度下降的幅度較大,明顯地,其無法滿足酒精檢測儀的使用要于試驗設(shè)備所限,試驗時濕度控制在25%H~35%RH.m求。如圖3所示。fon膜傳感器的零點(diǎn)和靈敏度變化幅度較小,但其在高溫時靈敏度有下降趨勢,可能是高溫時nfon膜失水導(dǎo)致的。磺化聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜傳感器零點(diǎn)在高溫時比 nafion膜明顯變大,應(yīng)是高溫時其氧化降解加劇的表現(xiàn),但其相對靈敏度在高溫時沒有下降,與 nafion膜傳感器的相對靈敏度相比還略有上升,應(yīng)是負(fù)載的二氧化硅的強(qiáng)吸水效應(yīng)發(fā)揮了一定的作用?；腔郾揭蚁┵|(zhì)子交換膜的傳感器零點(diǎn)在高溫時升高幅度很大,應(yīng)是高溫時其氧化降解更為劇烈,會導(dǎo)致傳感器根本無法適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境,如表4所示。圖3傳感器零點(diǎn)靈敏度瀑移圖表4傳惑器高低溫零點(diǎn)靈敏度數(shù)據(jù)3結(jié)論編號-2℃10℃0℃0℃20℃30℃4℃9℃6℃磺化聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜制作的傳感器綜合性能A1-0000m030040.060080.110.15021雖然稍遜于atfo膜制作的傳感器,但也可以達(dá)到使用的要A1-x007.017y46787.9815821801n求。因為在幾十μMcm2的放電電流下,改性的質(zhì)子交換膜的81-0010.120140.170210250320.39048氧化降解速度很緩和,不至于顯著的降低傳感器的性能?；腔疊1-200668697127.37.467.71.98038.08C1-00.530.60.720.81.01.371.892493.23聚a-甲基苯乙烯質(zhì)子交換膜的可以降低酒精傳感器的生產(chǎn)成c1-2006166336.546827.137.888.99.439.本,更有利于燃料電池原理酒精檢測儀的推廣應(yīng)用注:A1-0表示A組1傳感器的零點(diǎn)輸出,A1-20表示A組1傳感器對參考文獻(xiàn)200pm酒精的反應(yīng)輸出,以下類推[1]GBT21254-2007呼出氣體酒精含量檢測儀,(6)長期穩(wěn)定性試驗。nfon膜制傳感器的零點(diǎn)和靈敏度2】高鵬,郭曉霞.非含氟型磺化聚合物質(zhì)子交換膜材料的研究進(jìn)在老化期(10d)后趨于穩(wěn)定,如用此傳感器制作的酒精檢測展(上).高分子通報,200(4):1-13儀12個月標(biāo)定1次,即可以達(dá)到實用的要求?；腔踑-甲[3]何燕周震海,改性豪苯乙烯磺酸質(zhì)子交換膜材料的制備及機(jī)理.電源技術(shù),2005(1):19-23基苯乙烯質(zhì)子交換膜制作的傳感器老化期稍長(14d),然后[4]毛宗強(qiáng).燃料電池.2005:47-82其零點(diǎn)、靈敏度趨于穩(wěn)定,如實際應(yīng)用于檢測儀上,其標(biāo)定周(5]于春菠,王玉江改性Naon膜在全固態(tài)二氧化硫氣體傳感器期應(yīng)在6個月,比 nafion膜的傳感器要短,但也可滿足需要中的應(yīng)用.分析化學(xué),200(4):397-40因為國標(biāo)GBT21254200明確規(guī)定,酒精檢測儀啟用6個[6」陳靄璠,崔梅生,白守禮,等.基于質(zhì)子導(dǎo)體的燃料電池型氣月后需強(qiáng)制標(biāo)定?；腔郾揭蚁┵|(zhì)子交換膜制作的傳感器靈敏體傳感器.化工學(xué)報,2003(2):232-236(上接第186頁)measures Ofice, Johnson Space Center. * KC-135 and Other Mi3結(jié)束語crogravity Simulations, Summary Report". NASA/TM-2005介紹了一個新型的空間細(xì)胞培養(yǎng)及細(xì)胞傳感系統(tǒng)的設(shè)計213162該系統(tǒng)具有持續(xù)觀測、環(huán)境控制以及快速跟蹤等特點(diǎn),可望在[7]劉愛平.細(xì)胞生物學(xué)熒光技術(shù).合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版我國未來的空間細(xì)胞培養(yǎng)試驗中得到應(yīng)用。社,2007參考文獻(xiàn):[8] FANG Q, XUM, XU B, et al. Development of long-term cell cul-[1]湯章城空間生物技術(shù)研究與應(yīng)用動態(tài).生命科學(xué),2002,12ture facility in hypothermia and its application in space biology re-(6):375-378search. Chinese J. Rehabit Theory Practice. 2004, 10(11):[2]吳漢基,蔣遠(yuǎn)大,張志遠(yuǎn),等.空間細(xì)胞與組織培養(yǎng)裝置的發(fā)展.中國航天,2005(2):16-19[9]韓建偉,張振龍,封國強(qiáng)單粒子鎖定極端敏感器件的試驗及對我國航天安全的警示,航天器環(huán)境工程,2008(3):26334Ihttp://www.esa.int.[5] ISABELLE W, BART S. Performance of a miniaturized bioreactor in[10]何志明.實時嵌入式操作系統(tǒng)在單片機(jī)中的應(yīng)用.科技技術(shù)space flight: microtechnology at the service of space biology. Enzyme作者簡中國煤化工方向為先進(jìn)傳感與測試技and Life Science Directorate, Human Adaptation and CounterCNMHG