电化学气体传感器的制造方法
【专利说明】电化学气体传感器
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求美国专利申请序列号14/289222 (题目为电化学气体传感器，于2014年5月28日提交)的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本申请关于电化学气体传感器和结合这样的传感器的气体检测器。更特别地，本申请关于可以部分地通过印刷来形成的这样的传感器。
【背景技术】
[0003]电化学气体传感器公知地用于检测和量化诸如一氧化碳、氧气等等的有毒气体。可以使用电化学单元来实现这样的传感器。这样的单元以测量电流的模式进行操作，所述模式提供与特别的分析物气体的浓度相关的电流输出。
[0004]这样的传感器通常包括感测电极。已知的电极由基于溶液的方法制成。
[0005]在这样的基于溶液的方法中，最初将催化剂超声地散布在含水的溶液中以形成悬浮液。将聚四氟乙烯(PTFE)添加到悬浮液中以形成絮凝混合物。然后，将絮凝混合物转移到衬底上，其在升高的温度下进行烧结。然后将烧结的混合物转移到微孔性PTFE膜上，然后对其加压。电极中的PTFE的比例不仅影响传感器中的气体扩散参数，它也支持电催化剂且最大化催化剂、气体和电解质之间的界面，在所述界面处发生关键的电化学过程。
[0006]如明显的，在该基于溶液的方法中需要许多步骤来制造电极。结果包括高制造成本、材料成本和劳动力成本。
【附图说明】
[0007]图1图示了根据此的气体检测器；
图2是图示了根据此的方法的方面的流程图；
图3是图示了对于包括GEFC-1ES和铂的混合物的电极而言，针对空气中的02的响应时间的图；
图4是图示了对于包括GEFC-1ES和铂的混合物的电极而言，针对空气中的C0的响应时间的图；以及
图5是图示了对于包括GEFC-1ES、铂和石墨的混合物的电极而言，针对空气中的02的响应时间的图。
【具体实施方式】
[0008]虽然所公开的实施例可以采取许多不同的形式，但是在理解了本公开内容将被认为是其原理的例证以及实践其的最佳模式，并且不意在将其权利要求限制到说明的具体实施例的情况下，其具体实施例在附图中示出并将在本文中进行详细描述。
[0009]在一方面，具有改进的生产率的电化学气体传感器可以有利地通过使用丝网印刷技术来实现。可以由印刷机将催化剂浆或者配方(recipe)丝网印刷或半色调印刷在电极膜上，然后进行烧结。
[0010]然后，印刷的元件可以用作电化学传感器的电极。传感器的示例性类型包括02传感器或C0传感器。在另一方面，根据此的传感器的替换类型在没有限制的情况下包括氧气栗和有毒气体传感器。
[0011]在对于复杂的设备没有任何需求的情况下可以简单并快速地制成浆。该浆可以包括催化剂、粘合剂和稀释液。不像已知的过程，根据此的丝网印刷方法具有更少的步骤。
[0012]催化剂可以是铂、铂黑、石墨和铂的混合物、碳和铂黑的混合物、贵金属、其混合物。
[0013]可从金能燃料电池有限公司(Golden Energy Fuel Cell C0., Ltd.)以商业方式得到的全氟离子电解质溶液(GEFC-1ES全氟磺酸和PTFE的共聚物)或者可从Dupont ?以商业方式得到的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剂。乙二醇或其它类似的化学制品可以用作稀释液以形成催化剂浆、配方或催化剂系统，其可以被印刷机印刷在PTFE膜上。印刷的元件在升高的温度下进行烧结以形成电极，其可以用在诸如02传感器或C0传感器的电化学传感器中。
[0014]GEFC-1ES的或Naf1n?的功能是粘合剂的功能。它在电极中的比例不仅影响传感器中的气体扩散参数，同时支持电催化剂且最大化催化剂、气体和电解质之间的界面，在所述界面处发生关键的电化学过程。由GEFC-1ES或Naf1n?制成的浆适合于用在半色调丝网印刷中。
[0015]如图1中所示，示例性氧气传感器10可以被承载在外壳12中，并且包括气体扩散感测或工作电极14、参考电极16和对电极18。如下面详细描述的，电极中的一个或多个电极可以通过印刷过程来形成。电极不需要是同样的。
[0016]如本领域技术人员将理解的，由基于本印刷的过程形成的电极可以被结合到气体检测器(诸如检测器30)中。检测器30可以包括承载传感器10以及如本文中描述的那样制造的电极14-18的外壳34。控制电路36可以耦合至电极以进行气体浓度确定。可以提供音频和/视觉输出装置38以警告用户当前感测的气体浓度。
[0017]图2图示了根据此的方法100的方面。如在102处，将包括铂催化剂连同乙二醇以及GEFC溶液的浆混合在一起以得到均匀的混合物。然后，如在104处，将浆加热到特定体积。
[0018]然后，如在106处，使用印刷机将可丝网印刷的催化剂半色调印刷在PTFE片材上。然后，如在108处，在预先确定的温度下烧结印刷的元件或形状，以如在110处获得可以用作感测电极、参考电极或对电极的电极。
[0019]根据此，电极催化剂可以由80%重量的铂黑和20%重量的GEFC-1ES粘合剂制成。浆中的粘合剂不仅影响传感器中的气体扩散参数，它也支持铂电催化剂且最大化催化剂、气体和电解质之间的界面，在所述界面处发生关键的电化学过程。
[0020]关于图1，使用由上面描述的过程100创建的电极，传感器10可以被实现为02传感器或C0传感器。
[0021]在操作上，在用于02传感器的感测电极处，02被还原:
02+ 4H++ 4e — 2H20 (1) 在对电极处，存在反平衡氧化:
2H20 — 4Η++ Ο 2+ 4e (2)。
[0022]图3图示了就上面描述的催化剂材料而言，针对空气中20.9%的02和1的02传感器随时间的响应的图。在用于C0传感器的感测电极处，C0被氧化:
CO + H20 — C02 2H++4e (3)
在对电极处，存在反平衡还原:
02+ 4H++ 4e — 2H 20 (4)。
[0023]图4图示了通过将GEFC-1ES和铂的混合物用作由丝网印刷形成的感测电极，针对空气和50ppm —氧化碳的随时间的响应的图。
[0024]在另一个示例中，将预先确定比例的铂和石墨与乙二醇和GEFC-1ES溶液混合在一起以得到均匀的混合物。然后，将浆加热到预先确定的体积。然后，使用印刷机将催化剂半色调印刷在PTFE片材上。在印刷之后，然后在预先确定的温度下烧结印刷的元件以获得可以用作用于02传感器的感测电极、参考电极或对电极的电极。
[0025]在该第二示例中的电极催化剂由75%重量的铂黑、10%重量的石墨和15%重量的GEFC-1ES粘合剂制成。图5图示了就第二催化剂材料而言，对于在空气和N2中的02传感器随时间的响应的图。
[0026]总之，上面公开的使用丝网印刷方法的电极制造过程具有比已知的过程更少的步骤。首先，催化剂(例如，铂黑或碳和铂黑的混合物或其它贵金属催化剂)与GEFC-1ES或Naf1n?或GFEC-1ES和Naf1n?的混合物混合。然后，添加乙二醇以通过搅拌来形成浆。
[0027]然后，电极形状可以被丝网印刷在PTFE膜上且在升高的温度下进行烧结。通过使用该丝网印刷过程，可以形成在传感器和C0传感器两者中都可使用的铂电极。
[0028]技术人员还将理解图3-5的图仅是说明性的且不是对其的限制。在不脱离其精神和范围的情况下，电极结构中的变化可以导致不同的响应时间。
[0029]从前述中，将观察到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实现大量变化和修改。将理解的是，不意在或不应当推断关于本文中说明的特定设备的限制。当然，意在由所附权利要求覆盖如落入权利要求的范围内的所有这样的修改。
[0030]此外，附图中描绘的逻辑流不要求所示的特别的次序或者顺序次序以实现期望的结果。可以提供其它步骤，或者可以从描述的流中除去步骤，并且可以将其它部件添加到描述的实施例中，或者从描述的实施例中去除其它部件。
【主权项】
1.一种设备，包括: 外壳；以及 由所述外壳承载的电化学气体传感器，其中所述电化学气体传感器包括多个电极，并且其中所述多个电极中的至少一个包括印刷的部分，其中所述印刷的部分包括在衬底上印刷的浆。2.如权利要求1中的设备，其中所述浆被半色调印刷在所述衬底上，并且其中所述浆被烧结到所述衬底。3.如权利要求1中的设备，其中所述电化学气体传感器包括:与所述多个电极中的至少一个接触的电解质，其中粘合剂至少部分地提供在所述浆中的催化剂、与所述传感器中的所述衬底接触的气体和所述电解质之间的界面。4.如权利要求3中的设备，还包括:第二外壳，其中所述第二外壳承载所述外壳、所述传感器和控制电路，所述控制电路耦合至所述电极以确立周围的气体浓度。5.如权利要求4中的设备，还包括可听的或视觉输出装置，其中所述可听的或视觉输出装置由所述第二外壳承载且耦合至所述控制电路以提供气体浓度指示器。6.一种方法，包括: 提供包括至少催化剂和粘合剂的浆； 将所述浆以选择的形状印刷到多孔衬底上；以及 烧结所印刷的形状和相关联的衬底。7.如权利要求6中的方法，还包括:将所烧结的形状和所述相关联的衬底作为电极结合到电化学传感器中。8.如权利要求6中的方法，其中所述浆还包括稀释液。9.如权利要求6中的方法，还包括:在印刷所述浆之前加热所述浆。10.如权利要求6中的方法，其中所述催化剂包括以下各项中的至少一个:铂、铂黑、石墨和铂的混合物、碳和铂黑的混合物、贵金属、或其混合物，并且其中，所述粘合剂包括以下各项中的至少一个:全氟离子电解质溶液或者四氟乙烯和磺酸的共聚物。
【专利摘要】本发明涉及电化学气体传感器。气体检测器包括电化学气体传感器。该传感器包括多个电极。电极中的至少一个电极由催化剂/粘合剂浆形成，所述催化剂/粘合剂浆被半色调印刷到衬底上。烧结合成印刷的元件和衬底以形成电极。
【IPC分类】G01N27/26
【公开号】CN105277599
【申请号】CN201510276809
【发明人】刘玲, 张艳, 郑茜
【申请人】霍尼韦尔国际公司
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年5月27日
【公告号】EP2950090A1, US20150346135