電化學(xué)氣體傳感器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】電化學(xué)氣體傳感器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)14/289222 (題目為電化學(xué)氣體傳感器，于2014年5月28日提交)的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請(qǐng)關(guān)于電化學(xué)氣體傳感器和結(jié)合這樣的傳感器的氣體檢測(cè)器。更特別地，本申請(qǐng)關(guān)于可以部分地通過(guò)印刷來(lái)形成的這樣的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]電化學(xué)氣體傳感器公知地用于檢測(cè)和量化諸如一氧化碳、氧氣等等的有毒氣體。可以使用電化學(xué)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的傳感器。這樣的單元以測(cè)量電流的模式進(jìn)行操作，所述模式提供與特別的分析物氣體的濃度相關(guān)的電流輸出。
[0004]這樣的傳感器通常包括感測(cè)電極。已知的電極由基于溶液的方法制成。
[0005]在這樣的基于溶液的方法中，最初將催化劑超聲地散布在含水的溶液中以形成懸浮液。將聚四氟乙烯(PTFE)添加到懸浮液中以形成絮凝混合物。然后，將絮凝混合物轉(zhuǎn)移到襯底上，其在升高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。然后將燒結(jié)的混合物轉(zhuǎn)移到微孔性PTFE膜上，然后對(duì)其加壓。電極中的PTFE的比例不僅影響傳感器中的氣體擴(kuò)散參數(shù)，它也支持電催化劑且最大化催化劑、氣體和電解質(zhì)之間的界面，在所述界面處發(fā)生關(guān)鍵的電化學(xué)過(guò)程。
[0006]如明顯的，在該基于溶液的方法中需要許多步驟來(lái)制造電極。結(jié)果包括高制造成本、材料成本和勞動(dòng)力成本。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1圖示了根據(jù)此的氣體檢測(cè)器；
圖2是圖示了根據(jù)此的方法的方面的流程圖；
圖3是圖示了對(duì)于包括GEFC-1ES和鉑的混合物的電極而言，針對(duì)空氣中的02的響應(yīng)時(shí)間的圖；
圖4是圖示了對(duì)于包括GEFC-1ES和鉑的混合物的電極而言，針對(duì)空氣中的C0的響應(yīng)時(shí)間的圖；以及
圖5是圖示了對(duì)于包括GEFC-1ES、鉑和石墨的混合物的電極而言，針對(duì)空氣中的02的響應(yīng)時(shí)間的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]雖然所公開(kāi)的實(shí)施例可以采取許多不同的形式，但是在理解了本公開(kāi)內(nèi)容將被認(rèn)為是其原理的例證以及實(shí)踐其的最佳模式，并且不意在將其權(quán)利要求限制到說(shuō)明的具體實(shí)施例的情況下，其具體實(shí)施例在附圖中示出并將在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0009]在一方面，具有改進(jìn)的生產(chǎn)率的電化學(xué)氣體傳感器可以有利地通過(guò)使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢杂捎∷C(jī)將催化劑漿或者配方(recipe)絲網(wǎng)印刷或半色調(diào)印刷在電極膜上，然后進(jìn)行燒結(jié)。
[0010]然后，印刷的元件可以用作電化學(xué)傳感器的電極。傳感器的示例性類(lèi)型包括02傳感器或C0傳感器。在另一方面，根據(jù)此的傳感器的替換類(lèi)型在沒(méi)有限制的情況下包括氧氣栗和有毒氣體傳感器。
[0011]在對(duì)于復(fù)雜的設(shè)備沒(méi)有任何需求的情況下可以簡(jiǎn)單并快速地制成漿。該漿可以包括催化劑、粘合劑和稀釋液。不像已知的過(guò)程，根據(jù)此的絲網(wǎng)印刷方法具有更少的步驟。
[0012]催化劑可以是鉑、鉑黑、石墨和鉑的混合物、碳和鉑黑的混合物、貴金屬、其混合物。
[0013]可從金能燃料電池有限公司(Golden Energy Fuel Cell C0., Ltd.)以商業(yè)方式得到的全氟離子電解質(zhì)溶液(GEFC-1ES全氟磺酸和PTFE的共聚物)或者可從Dupont ?以商業(yè)方式得到的Naf1n? (四氟乙稀(Teflon?)和全氟_3，6- 二氧-4-甲基-7-辛稀-磺酸的共聚物)的溶液可以用作粘合劑。乙二醇或其它類(lèi)似的化學(xué)制品可以用作稀釋液以形成催化劑漿、配方或催化劑系統(tǒng)，其可以被印刷機(jī)印刷在PTFE膜上。印刷的元件在升高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)以形成電極，其可以用在諸如02傳感器或C0傳感器的電化學(xué)傳感器中。
[0014]GEFC-1ES的或Naf1n?的功能是粘合劑的功能。它在電極中的比例不僅影響傳感器中的氣體擴(kuò)散參數(shù)，同時(shí)支持電催化劑且最大化催化劑、氣體和電解質(zhì)之間的界面，在所述界面處發(fā)生關(guān)鍵的電化學(xué)過(guò)程。由GEFC-1ES或Naf1n?制成的漿適合于用在半色調(diào)絲網(wǎng)印刷中。
[0015]如圖1中所示，示例性氧氣傳感器10可以被承載在外殼12中，并且包括氣體擴(kuò)散感測(cè)或工作電極14、參考電極16和對(duì)電極18。如下面詳細(xì)描述的，電極中的一個(gè)或多個(gè)電極可以通過(guò)印刷過(guò)程來(lái)形成。電極不需要是同樣的。
[0016]如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，由基于本印刷的過(guò)程形成的電極可以被結(jié)合到氣體檢測(cè)器(諸如檢測(cè)器30)中。檢測(cè)器30可以包括承載傳感器10以及如本文中描述的那樣制造的電極14-18的外殼34?？刂齐娐?6可以耦合至電極以進(jìn)行氣體濃度確定?？梢蕴峁┮纛l和/視覺(jué)輸出裝置38以警告用戶(hù)當(dāng)前感測(cè)的氣體濃度。
[0017]圖2圖示了根據(jù)此的方法100的方面。如在102處，將包括鉑催化劑連同乙二醇以及GEFC溶液的漿混合在一起以得到均勻的混合物。然后，如在104處，將漿加熱到特定體積。
[0018]然后，如在106處，使用印刷機(jī)將可絲網(wǎng)印刷的催化劑半色調(diào)印刷在PTFE片材上。然后，如在108處，在預(yù)先確定的溫度下燒結(jié)印刷的元件或形狀，以如在110處獲得可以用作感測(cè)電極、參考電極或?qū)﹄姌O的電極。
[0019]根據(jù)此，電極催化劑可以由80%重量的鉑黑和20%重量的GEFC-1ES粘合劑制成。漿中的粘合劑不僅影響傳感器中的氣體擴(kuò)散參數(shù)，它也支持鉑電催化劑且最大化催化劑、氣體和電解質(zhì)之間的界面，在所述界面處發(fā)生關(guān)鍵的電化學(xué)過(guò)程。
[0020]關(guān)于圖1，使用由上面描述的過(guò)程100創(chuàng)建的電極，傳感器10可以被實(shí)現(xiàn)為02傳感器或C0傳感器。
[0021]在操作上，在用于02傳感器的感測(cè)電極處，02被還原:
02+ 4H++ 4e — 2H20 (1) 在對(duì)電極處，存在反平衡氧化:
2H20 — 4Η++ Ο 2+ 4e (2)。
[0022]圖3圖示了就上面描述的催化劑材料而言，針對(duì)空氣中20.9%的02和1的02傳感器隨時(shí)間的響應(yīng)的圖。在用于C0傳感器的感測(cè)電極處，C0被氧化:
CO + H20 — C02 2H++4e (3)
在對(duì)電極處，存在反平衡還原:
02+ 4H++ 4e — 2H 20 (4)。
[0023]圖4圖示了通過(guò)將GEFC-1ES和鉑的混合物用作由絲網(wǎng)印刷形成的感測(cè)電極，針對(duì)空氣和50ppm —氧化碳的隨時(shí)間的響應(yīng)的圖。
[0024]在另一個(gè)示例中，將預(yù)先確定比例的鉑和石墨與乙二醇和GEFC-1ES溶液混合在一起以得到均勻的混合物。然后，將漿加熱到預(yù)先確定的體積。然后，使用印刷機(jī)將催化劑半色調(diào)印刷在PTFE片材上。在印刷之后，然后在預(yù)先確定的溫度下燒結(jié)印刷的元件以獲得可以用作用于02傳感器的感測(cè)電極、參考電極或?qū)﹄姌O的電極。
[0025]在該第二示例中的電極催化劑由75%重量的鉑黑、10%重量的石墨和15%重量的GEFC-1ES粘合劑制成。圖5圖示了就第二催化劑材料而言，對(duì)于在空氣和N2中的02傳感器隨時(shí)間的響應(yīng)的圖。
[0026]總之，上面公開(kāi)的使用絲網(wǎng)印刷方法的電極制造過(guò)程具有比已知的過(guò)程更少的步驟。首先，催化劑(例如，鉑黑或碳和鉑黑的混合物或其它貴金屬催化劑)與GEFC-1ES或Naf1n?或GFEC-1ES和Naf1n?的混合物混合。然后，添加乙二醇以通過(guò)攪拌來(lái)形成漿。
[0027]然后，電極形狀可以被絲網(wǎng)印刷在PTFE膜上且在升高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。通過(guò)使用該絲網(wǎng)印刷過(guò)程，可以形成在傳感器和C0傳感器兩者中都可使用的鉑電極。
[0028]技術(shù)人員還將理解圖3-5的圖僅是說(shuō)明性的且不是對(duì)其的限制。在不脫離其精神和范圍的情況下，電極結(jié)構(gòu)中的變化可以導(dǎo)致不同的響應(yīng)時(shí)間。
[0029]從前述中，將觀察到的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以實(shí)現(xiàn)大量變化和修改。將理解的是，不意在或不應(yīng)當(dāng)推斷關(guān)于本文中說(shuō)明的特定設(shè)備的限制。當(dāng)然，意在由所附權(quán)利要求覆蓋如落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的修改。
[0030]此外，附圖中描繪的邏輯流不要求所示的特別的次序或者順序次序以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果?？梢蕴峁┢渌襟E，或者可以從描述的流中除去步驟，并且可以將其它部件添加到描述的實(shí)施例中，或者從描述的實(shí)施例中去除其它部件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種設(shè)備，包括: 外殼；以及 由所述外殼承載的電化學(xué)氣體傳感器，其中所述電化學(xué)氣體傳感器包括多個(gè)電極，并且其中所述多個(gè)電極中的至少一個(gè)包括印刷的部分，其中所述印刷的部分包括在襯底上印刷的漿。2.如權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中所述漿被半色調(diào)印刷在所述襯底上，并且其中所述漿被燒結(jié)到所述襯底。3.如權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中所述電化學(xué)氣體傳感器包括:與所述多個(gè)電極中的至少一個(gè)接觸的電解質(zhì)，其中粘合劑至少部分地提供在所述漿中的催化劑、與所述傳感器中的所述襯底接觸的氣體和所述電解質(zhì)之間的界面。4.如權(quán)利要求3中的設(shè)備，還包括:第二外殼，其中所述第二外殼承載所述外殼、所述傳感器和控制電路，所述控制電路耦合至所述電極以確立周?chē)臍怏w濃度。5.如權(quán)利要求4中的設(shè)備，還包括可聽(tīng)的或視覺(jué)輸出裝置，其中所述可聽(tīng)的或視覺(jué)輸出裝置由所述第二外殼承載且耦合至所述控制電路以提供氣體濃度指示器。6.一種方法，包括: 提供包括至少催化劑和粘合劑的漿； 將所述漿以選擇的形狀印刷到多孔襯底上；以及 燒結(jié)所印刷的形狀和相關(guān)聯(lián)的襯底。7.如權(quán)利要求6中的方法，還包括:將所燒結(jié)的形狀和所述相關(guān)聯(lián)的襯底作為電極結(jié)合到電化學(xué)傳感器中。8.如權(quán)利要求6中的方法，其中所述漿還包括稀釋液。9.如權(quán)利要求6中的方法，還包括:在印刷所述漿之前加熱所述漿。10.如權(quán)利要求6中的方法，其中所述催化劑包括以下各項(xiàng)中的至少一個(gè):鉑、鉑黑、石墨和鉑的混合物、碳和鉑黑的混合物、貴金屬、或其混合物，并且其中，所述粘合劑包括以下各項(xiàng)中的至少一個(gè):全氟離子電解質(zhì)溶液或者四氟乙烯和磺酸的共聚物。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及電化學(xué)氣體傳感器。氣體檢測(cè)器包括電化學(xué)氣體傳感器。該傳感器包括多個(gè)電極。電極中的至少一個(gè)電極由催化劑/粘合劑漿形成，所述催化劑/粘合劑漿被半色調(diào)印刷到襯底上。燒結(jié)合成印刷的元件和襯底以形成電極。
【IPC分類(lèi)】G01N27/26
【公開(kāi)號(hào)】CN105277599
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510276809
【發(fā)明人】劉玲, 張艷, 鄭茜
【申請(qǐng)人】霍尼韋爾國(guó)際公司
【公開(kāi)日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日
【公告號(hào)】EP2950090A1, US20150346135