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燃料电池型U乐国际网站酒精传感器的制备

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  燃料电池型酒精传感器的制备_电子/电路_工程科技_专业资料。丝丝童丝三塑————;———。———。———窒竺塑坚丝竺坐——;———;———;———;—兰生兰∑些2004年9月 贵金属Sep.2004燃料电池型酒精传感器的制备万吉高,张国庆,黄炳醒(贵

  丝丝童丝三塑————;———。———。———窒竺塑坚丝竺坐——;———;———;———;—兰生兰∑些2004年9月 贵金属Sep.2004燃料电池型酒精传感器的制备万吉高,张国庆,黄炳醒(贵研铂业股份有限公司,云南昆明650221)Manufacture WAN Jigao,of A Fuel CeU AlcoholSe吣orZHANG Guoqing,HUANG Bing】|【ing65022 l,Cllina)(Sino—Platinum Metals Co.Ltd.,Kun血ng,YuIlIl姐Abstract:A newkiIldoffuelceUalcoholassensorusingmembr锄e‘electrode.assemblywasintroduced.Nafion 115 membrane was used usedastlle polymer electrolyte,platinum and palladium wereascatalysts,alcohol锄doxygenaniIl air were usedfuel aIld oxidantrespectiVely.Whenalcoholaexists in t11e environment.tllere iselectrical cun.ent between anocIe and camode of me cell.Incertain range of alcohol concen仃atiOn,tlle electrical Voltage of tlle ceU w硒proportional to me alcoholconcen昀tion.Sensor technology;FuelK即髓司kcell;NafionmeInb啪e:A1coh01sensor摘薹:介绍了1种利用膜电极组件测试酒精含量的燃料电池型酒精传感器,该燃料电池以Nafion115作电解质,Pt、Pd等贵金属作电催化剂。用酒精做燃料,空气中氧做氧化剂.只要环境气中存在酒精气氛,电池立即输出电信号。在一定的浓度范围内电池的输出电压 变化值与酒精浓度成正比关系。 关键词:传感器技术;燃料电池;Naflon膜;酒精传感器 中田分类号:TP212.2 文献标识码:A文章编号:1004—0676(2004)03.0036—03交通运输、高空作业、矿山等场所发生的事故中有相当比例是操作者酒后操作造成的,操作者 血液中的酒精浓度与肇事的危险度具有明显的对应关系。因此,世界上许多国家和地区先后制定了 法律法规,对操作者的饮酒情况作出定量检测,根据饮酒情况作相应的处理。现在普遍采用金属氧 化物(如氧化锡、偏锡酸锌等)半导体型酒精传感器检测驾驶人员呼出气体中的酒精含量,再根据人 体血液中与呼出气体中的酒精浓度的比值(为2000~2100:1)判定操作者的醉酒程度。中国对酒后驾驶的判定界限为10~30IT∥100mL(血液中的酒精浓度),醉酒驾驶为100~150m∥100IIlL。由于金属氧化物半导体型酒精传感器对汽油的分辨率较差,难以达到特定的要求uj;同时该类传感器功率较大,不利于制作便携式探测器。作者在本文介绍了利用N娟on膜作固体电解质,在 N蚯on膜两边沉积有贵金属电催化剂,然后根据燃料电池原理制备出的酒精传感器。收稿日期:2003.11.20 作者简介:万吉高,男,硕士,高级工程师,主要从事气体传感器及贵金属材料的研究工作。U乐国际网站万方数据 第3期万吉高等:燃料电池型酒精传感器的制备3711.1实验Na60n膜的预处理 采用Nafionll5膜作固体聚合物电解质。在制备燃料电池型酒精传感器之前,膜的预处理如下:用2次净化水煮沸1h:用5%H202溶液煮沸lh除去膜表面的杂质,用沸水清洗;再用1~3mo儿H2s04溶液煮沸1h,用2次净化水彻底清洗后保存在2次净化水中。 1.2传感嚣的制鲁 实验用原料、试剂有:氯铂酸(H2PtCl6?6H20,分析纯)、氯化四氨合铂(【Pt(NH3)4]C12?H20, 分析纯)、硼氢化钠(NaBH4,分析纯)、氢氧化钠(NaOH)和聚四氟乙烯乳液等。 用2次净化水将氯铂酸或氯化四氨合铂配成一定浓度的溶液,用氢氧化钠调节溶液的pH值, 加入硼氢化钠溶液,清洗,80~120℃烘干,得到铂黑粉末。在铂黑粉末中加入一定比例的聚四氟乙 烯乳液,搅拌,用轧膜机反复轧制成厚度为0.2~0.5nllIl的催化膜。在温度为50~120℃,压力10~40MPa的条件下将Nafionll5膜和催化膜压在一起,构成膜电极三合一组件,经装配电极引线是传感器的结构及测试示意图。分析纯的无水乙醇经空气平衡,分别配制成不同浓度的酒精气体,酒精气体只限于接触N撕on膜的一边,用HEwLETT 34401A数字万用表测量取样电阻两端的电压。 在电池的阳极一边,由于催化剂铂的作用,酒精被氧化成乙酸【2】,并释放出4个电子: C2H50H+H20—CH3COOH+4H++4P一…………………………………… 在阴极一边,从阳极迁移来的H+与空气中的氧发生反应:(1)02+4一+4P一一2H20……………………………………………电池的总反应为:C2H50H+02(2)一CH3COOH+H20…………………………………………(3)一定浓度的酒精l一一名 V出 删丑 姆]粤0◆密封材料Nafionl 15膜催化电极取样电阻图1传感器结构及测试示意图Fig.1 Schematic diagr柚mof t11esensor图2传感器对酒精的响应特性Fig.2 (1structureResponsibility of mesensor onalcoholl×10—4酒精,22×10—4酒精)这样,电子Q一)通过外部的导线从阳极达到阴极,氢离子(H+)则通过质子交换膜Nafion 115迁移 至阴极,U乐国际网站从而在阳极和阴极之间产生电流,且电流的大小(即H+、P一的浓度)与酒精的含量成正比关 系。通过图1中的取样电阻,测量出传感器的输出电压值。万方数据 38贵金属第25卷在一定酒精浓度下,传感器输出电压与时间的关系见图2。U乐国际网站从图2可知,环境气氛中酒精浓度 越高,传感器的输出电压越大,在一定酒精浓度范围内,酒精浓度与传感器的输出电压成正比关系。 从图2还可看出,在传感器刚接触到酒精气氛(O~30s)的时间内,U乐国际网站传感器的输出电压增加较快,30s 以后电压基本保持一恒定值,因此其响应特性较好。 在燃料电池型酒精传感器中,发生了3方面的反应:①燃料(酒精)和氧化剂(氧气)在电极中的 扩散;②阳极和阴极的催化剂表面上的化学反应:③H+在质子交换膜中的扩散以及与OH一的反应。 在固体聚合物电解质中,粒子的扩散要比在气体中扩散缓慢得多。H+在Nafion膜中的扩散系数为(1~10)×10击cm2,s pJ,而催化剂Pt表面的化学反应速率应远大于H+在质子交换膜中的扩散速率,因此总 反应的速度由H+在聚合物电解质膜中的扩散决定。 在燃料电池中总电流I为: I=k?(DH++DoH.)?【H十】?【OH’】…………………(4) 式中k为系数,DH+、DoH.为H+、OH’的扩散系差瞪 删数,【H+】、【oH-】为H+、oH’的浓度。由于【H_】与【OH】近似相等,传感器的输出值与H+浓度的平方成正比: I==k?(DH++DoH一)?【H+】2………………………(5)暂 袋图3给出了传感器的输出电压变化值与酒精浓 度的关系。从图3可见,在一定的浓度范围内,传 感器的输出电压变化值与酒精浓度呈线传感器输出电压值与酒精浓度的关系Fig.3 Rclation betweenⅡle output voltage of tllesensorwim me coIlcen缸ation of alcohol3结论采用N娟on 115膜作固体电解质,制备出了全固态的燃料电池型酒精传感器。结果表明,在一定酒精浓度范围内,传感器的输出电压变化值与酒精浓度成正比关系。在燃料电池型酒精传感器中, H+在质子交换膜Nafion 115中的扩散及其反应是整个电池反应的速度控制环节。4本课题属贵研铂业股份有限公司R&D基金资助项目(.瑙.RD05.02)参考文献【l】中华人民共和国公安部安全行业标准GA307.200l,呼出气体酒精含量探测器【S】.【2】Millet P’Michas26:933.937.A,D咖dR.A solid polymerelec仃olyte—b撇d em锄ol g躯sensor[J】.Appl.ElecⅡDchem.,1996,0f water[3】Zawodzinsl【i TA,Neem锄M,SiU咖dLO,甜以Detemin撕ndi胁sincoemcients in perfluorosulfonateionom甜cn把Inb柚es【J】.J.Phys.Chem.,199l,95:6040-6044.万方数据 燃料电池型酒精传感器的制备作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 万吉高, 张国庆, 黄炳醒 贵研铂业股份有限公司,云南,昆明,650221 贵金属 PRECIOUS METALS 2004,25(3) 9次参考文献(3条) 1.GA307-2001.呼出气体酒精含量探测器 2.Millet P;Michas A;Durand R A solid polymer electrolyte-based ethanol gas sensor 1996 3.Zawodzinski T A;Neeman M;Sillerud L O Determinatin of water diffusin coefficients in perfluorosulfonate ionomeric membanes 1991本文读者也读过(10条) 1. 万吉高.黄炳醒 高选择性酒精传感器[期刊论文]-传感器世界2004,10(2) 2. 王冰.徐平Bing.XU Ping 集成型三氧化锡纳米棒酒精传感器的自组装研制[期刊论文]-光电子·激光 2008,19(8) 3. 岳睿.Yue Rui 警用呼气式酒精传感器的研究进展[期刊论文]-化学传感器2006,26(3) 4. 洪盛志 纳米铂催化电化学式酒精传感器的研究[学位论文]2003 5. 顾伟军.史晓东.彭亦功 基于电化学原理的燃料电池型酒精传感器技术与设计[会议论文]-2007 6. 熊业攀.李仁旺.朱泽飞.张鹏举.任志锋.Xiong Yepan.Li Renwang.Zhu Zefei.Zhang Pengju.Ren Zhifeng 基于 ARM和MiniGUI的呼气式酒精测试仪研究[期刊论文]-计算机测量与控制2009,17(8) 7. 陈成新.CHEN Cheng-xin 一种校准呼气酒精测试仪的新方法[期刊论文]-计量学报2006,27(2) 8. 谭秋林.许姣.薛晨阳.曲运强.TAN Qiulin.XU Jiao.XUE Chenyang.QU Yunqiang 基于C8051F040酒精浓度测试仪 的研究[期刊论文]-传感技术学报2009,22(10) 9. 王啸东 车载酒精测试控制器的设计[期刊论文]-硅谷2010(6) 10. 杨文斌.Yang Wen-bin 车载酒精锁[期刊论文]-山西电子技术2010(3)引证文献(9条) 1.叶铭,石奋苏 嵌入式车载酒精锁闭系统设计[期刊论文]-电脑知识与技术 2011(35) 2.杨文斌 车载酒精锁[期刊论文]-山西电子技术 2010(03) 3.邹泽宇,邓惜仁,王庆玲 基于单片机的防酒后驾驶智能控制系统[期刊论文]-软件 2013(02) 4.李芳菊,石建华 电化学酒精传感器在警用酒精探测器中的应用设计[期刊论文]-计算机与数字工程 2011(07) 5.潘祖军,朱文胜,岳睿 汽车用酒精传感器的分析[期刊论文]-北京汽车 2007(01) 6.陈丽,朱瑞祥,云超 基于单片机的防酒后驾驶控制系统设计[期刊论文]-传感器与微系统 2009(02) 7.唐慧,唐鹤云 人体内酒精含量现场检测技术[期刊论文]-中国医疗设备 2011(02) 8.岳睿 警用呼气式酒精传感器的研究进展[期刊论文]-化学传感器 2006(03) 9.李莎 基于表面修饰技术构建新型纳米级乙醇生物传感器[学位论文]硕士 2008引用本文格式:万吉高.张国庆.黄炳醒 燃料电池型酒精传感器的制备[期刊论文]-贵金属 2004(3)

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