無鉛原電池型氧傳感器制造技術

公開了具有水性電解質和鉍陽極的無鉛原電池型氧傳感器。所述電解質在水和鹽之外還包含多元醇。令人意外的是，采用這樣的電解質的傳感器具有增強的鈍化抗性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無鉛原電池型氧傳感器。更特別地，本專利技術涉及具有殼體、陰極、鉍基陽極、和包括鹽及多元醇的水性電解質(aqueous electrolyte)的無鉛原電池型氧傳感器。
技術介紹
基于消耗性鉛陽極的原電池型氧傳感器是公知的。這些儀器通常是可靠的，且具有高靈敏度。然而，由于與鉛污染相關的環境和健康問題，在這類儀器中鉛的存在是不期望的。因此，需要可靠的、靈敏的原電池型氧傳感器，其避免使用鉛陽極。近來，已經嘗試采用由鋅、鋁和錫制成的陽極來替代鉛陽極。然而這些類型的陽極的壽命似乎非常有限，原因是陽極表面的自腐蝕和鈍化。
技術實現思路
因此，對于無鉛原電池型氧傳感器具有持續的需求。令人意外和意想不到的是往原電池型氧傳感器的水性電解質中添加多元醇能夠阻止鉍陽極的鈍化。附圖說明圖1是無鉛原電池型氧傳感器的示意圖。具體實施方式本文公開的實施方式可以采用多種不同形式，其中特定的實施方式以附圖示出并將在本文中詳細描述，本文的公開內容應理解為本專利技術構思的示例，和實施它的最佳方式，并且不意于將本申請的權利要求限制為所例示的特定實施方式。本專利技術涉及無鉛原電池型氧傳感器。圖1描繪了大致根據一種示例性實施方式顯示的無鉛原電池型氧傳感器10。傳感器10可采用塑料或金屬殼體12制成。殼體12內包括陰極14、鉍氧陽極16、包括鹽及多元醇的水性電解質18，和阻隔物(barrier)20(可透性膜或毛細管)。陰極14和陽極16可通過一
組線集流體(wire collector)22偶聯到(couple to)外部負載電阻24。陰極14為導電性材料，選自由鉑、金、銀、鈀、銠、銥和鍍有鉑、金、銀、鈀、銠、銥或任何其他適合材料的碳構成的組。在一種實施方式中，陰極14由聚四氟乙烯(PTFE)膜制成，其浸漬有嵌入碳基質中的高表面積鉑催化劑。陽極16由鉍制成，其在水中是熱力學穩定的。以下反應的標準電勢為-0.46伏特：Bi2O3+3H2O(I)+6e-→2Bi(s)+6OH-。在陽極處沒有由氫析出導致的自腐蝕并且在陰極處沒有由氫析出導致的自腐蝕。重要的是，鉍是市售的且沒有毒性。傳感器中的水性電解質包含鹽和多元醇。該鹽選自由氫氧化鉀、氫氧化鈉、醋酸鉀、和醋酸鈉構成的組。在另一實施方式中，該鹽為氫氧化鉀。氫氧化鉀的濃度范圍為從大約1M至飽和。所述鹽還可以為季銨氫氧化物，例如R4N+OH-，其中R為烷基，選自由甲基、乙基、丙基、丁基，和它們的混合構成的組。所述電解質在氧傳感器反應中不消耗。此外，整個電化學反應中均沒有水參與，因而傳感器的水量受外部因素控制。在其他傳感器中，鉍的電化學氧化導致在中性或堿性電解質環境中在水存在下在電極表面上形成Bi2O3層。該層使得電極鈍化，這意味著在中等電壓下沒有電流可以通過所述表面。令人意外的是，在水性電解質中加入多元醇抑制了鉍陽極的鈍化。該多元醇可為丙三醇、赤蘚醇、山梨醇、乙二醇、和它們的各種混合物。在一種實施方式中，該多元醇為丙三醇，丙三醇的含量以體積計可為大約5％到大約70％。在另一實施方式中，丙三醇的含量以體積計為大約20％到大約30％。可透性阻隔物20可選擇性透過氧。例如，可使用四氟乙烯樹脂膜或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物膜。還可以使用毛細管作為擴散阻隔物(diffusion barrier)。對于線集流體22，其可由鎳或鉑制成。出人意料和令人意外的優點是向水性電解質中加入多元醇可阻止鉍陽極的鈍化，而這種鈍化會導致傳感器壽命縮短。這樣的傳感器對氧分壓具有優良的線性度(linearity)。在氧氣中的信號(signal at oxygen)為空氣中信號的
4.7倍高(4.7times higher than that in air)。另外，對具有鉍陽極的無鉛氧傳感器在純氧中進行了加速壽命試驗，所采用的電解質包含7M KOH水溶液，或者溶劑為在水中含30％體積比的丙三醇的混合物的7M KOH溶液。僅采用KOH的傳感器在7天后停止工作，原因是鉍陽極的鈍化。其在空氣中的預期壽命為1個月。令人意外的是，采用KOH和丙三醇混合物的傳感器在氧氣中工作了167天。其在空氣中的預期壽命為2年。在另一試驗中，基于不同的多元醇進行了恒電流檢測，以確定它們在氧傳感器中的適用性。除了其中溶劑未完全混合的乙醇之外，制備了具有3g溶解/混合在7ml的10M KOH中的所需多元醇的電解質溶液。鉍電極上的電流保持穩定在30mA，并且記錄了出現電勢(potential)突然上升的時間。表1因此，這些試驗證明了所主張的多元醇在本文所述的氧傳感器中的適用性。這樣的鉍電極與包含多元醇和鹽的水性電解質可用在其他電化學傳感器和用于其他目的的原電池中，例如在蓄電池中。基于上述內容，可以獲知在不偏離本專利技術的精髓和范圍的前提下，可以實現眾多變體和變型。應當理解沒有將范圍限定在本文例示的特定設備的意圖和暗示。毫無疑問，意圖由所附的權利要求覆蓋所有這類落入權利要求范圍內的變型。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
氧傳感器，其包含：殼體、陰極、鉍陽極、和包含多元醇及鹽的水性電解質，其中所述陽極是基本上無鉛的。

【技術特征摘要】
1.氧傳感器，其包含：殼體、陰極、鉍陽極、和包含多元醇及鹽的水性電解質，其中所述陽極是基本上無鉛的。2.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述陰極包含導電性材料，其選自由鉑、金、銀、鈀、銠、銥和鍍有鉑、金、銀、鈀、銠或銥的碳構成的組。3.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述陰極為鍍鉑的碳。4.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述鹽為堿性鹽。5.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述鹽選自由氫氧化鉀、氫氧化鈉、醋酸鉀、和醋酸鈉構成的組。6.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述鹽為氫氧化鉀。7.根據權利要求1所述的氧傳感器，其中所述鹽為季銨氫氧化物，R4N+OH-。8.根據權利要求7所述的氧傳感器，其中R為烷基，其選自由甲基、乙基、丙基、丁基和它們的混合構成的組。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：C·鄧沙特，
申請(專利權)人：霍尼韋爾國際公司，
類型：發明
國別省市：美國;US