專利名稱：固相聚合物電解質(zhì)氧傳感器的制作方法
背景技術(shù)：
固體電解質(zhì)氧傳感器和伽伐尼(galvanic)電池氧傳感器當(dāng)前是用于監(jiān)控氣態(tài)氧的最廣泛使用的傳感器。固體電解質(zhì)氧傳感器一般包括電解質(zhì)主體，其由諸如涂有微量金屬氧化物(例如Y2O3)的鋯(ZrO2)之類的氧離子導(dǎo)電陶瓷構(gòu)成。在該主體相對(duì)面的多孔電極允許氧離子通過(guò)電解質(zhì)主體的擴(kuò)散。因此，當(dāng)一個(gè)電極暴露于參考?xì)怏w(例如，空氣)中而且另一個(gè)電極暴露于樣品氣體(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣)中時(shí)，在電極處氧分壓中的差別導(dǎo)致氧離子的擴(kuò)散，其導(dǎo)致在電極之間的相應(yīng)電壓差。這些固體電解質(zhì)氧傳感器的限制是在傳感器中使用的陶瓷電解質(zhì)僅僅在被加熱到高于400到600℃的溫度時(shí)才傳導(dǎo)氧離子。因此，固體電解質(zhì)氧傳感器在變得可做出響應(yīng)之前通常需要時(shí)間進(jìn)行加熱，而且可能在該傳感器中需要如授予Michael P. Murphy的美國(guó)專利4,175,019所述的輔助電加熱器。
使用液體電解質(zhì)的伽伐尼電池氧傳感器通常是簡(jiǎn)單、便宜、并且可在室溫下操作的。授予Tantram及其他人的美國(guó)專利4,132,616和4,324,632、授予Fujita及其他人的美國(guó)專利4,495,051、授予Shah及其他人的美國(guó)專利4,775,456、授予Matthiessen及其他人的美國(guó)專利4,988,428，以及授予Cuomo及其他人的美國(guó)專利5,284,566描述了巳知伽伐尼電池氧傳感器的某些結(jié)構(gòu)。伽伐尼電池氧傳感器作為電池以相同的原理操作，而且通常包括與液體電解質(zhì)接觸的陰極和陽(yáng)極。陰極一般由諸如鉑、金或者銀之類、作為氧電解還原的有效催化劑的金屬構(gòu)成，而且陽(yáng)極通常由鉛構(gòu)成。在陰極的氧還原產(chǎn)生氧離子，其通過(guò)電解質(zhì)流到陽(yáng)極并且與鉛陽(yáng)極反應(yīng)。在陰極和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的電流與氧濃度線性成正比，因此根據(jù)在陽(yáng)極和陰極之間的電流的測(cè)量可容易地確定氧濃度的測(cè)量。
伽伐尼電池傳感器具有幾個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。特別是，它們的預(yù)期壽命與使用率和導(dǎo)致的陽(yáng)極消耗相關(guān)。液體電解質(zhì)的泄漏也可以減少傳感器壽命并且損壞周圍的部件。此外，伽伐尼電池傳感器具有由于隨著傳感器老化而靈敏度喪失所導(dǎo)致讀出低值的趨勢(shì)。對(duì)于大多數(shù)的過(guò)程控制應(yīng)用，錯(cuò)誤的低氧讀出值可以產(chǎn)生可怕的后果。因此，伽伐尼電池傳感器必須被頻繁地再校準(zhǔn)，取決于應(yīng)用的關(guān)鍵程度，有時(shí)候可能每天一次。伽伐尼電池傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們對(duì)當(dāng)伽伐尼電池傳感器暴露于高濃度氧中時(shí)所導(dǎo)致的氧休克(shock)的敏感度。高氧濃度可以導(dǎo)致可能需要數(shù)個(gè)小時(shí)來(lái)均衡的、電解質(zhì)組分的局部變化。
聚合體電解質(zhì)已經(jīng)在電化學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。例如，Nafion(全氟磺酸樹脂)是已經(jīng)在傳感器和燃料電池的開發(fā)中廣泛使用的固相聚合物電解質(zhì)。Nafion具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電率，突出的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及良好的機(jī)械強(qiáng)度。另外，用各種貴金屬改性的Nafion可以創(chuàng)造具有為氣體感測(cè)所期望的離子和電子電導(dǎo)率特征的復(fù)合材料。如授予Dempsey及其他人的美國(guó)專利4,227,984和授予Shen及其它人的美國(guó)專利5,573,648、5,650,054、6,179,986、和6,200,443B1所述，基于固相聚合物電解質(zhì)(SPE)的伽伐尼電池傳感器已經(jīng)以良好的性能用于檢測(cè)一氧化碳(CO)和有毒氣體。
授予Dempsey及其他人的美國(guó)專利4,227,984描述了這樣的氣體傳感器，其使用在固相聚合物電解質(zhì)安裝膜表面上的三個(gè)電極來(lái)檢測(cè)諸如一氧化碳(CO)或者二氧化氮(NO2)之類的有毒氣體。美國(guó)專利5,573,648、5,650,054、6,179,986、和6,200,443 B1描述了具有兩個(gè)電極或者三個(gè)電極系統(tǒng)用于測(cè)量環(huán)境中的一氧化碳及其他有毒氣體的SPE氣體傳感器。這些毒性氣體傳感器通常成本低而且準(zhǔn)確，并且具有長(zhǎng)的使用年限但是還不適合用于氧的檢測(cè)。
授予Shen及其他人的美國(guó)專利6,080,294公開了這樣的伽伐尼氧傳感器，其包括在陰極和陽(yáng)極之間電串聯(lián)連接的固相聚合物電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。這個(gè)傳感器類似于傳統(tǒng)的伽伐尼電池氧傳感器，但是使用固相聚合物電解質(zhì)來(lái)控制電化學(xué)反應(yīng)的速率。這可以提高傳感器的使用壽命，但是該傳感器仍然具有許多與更傳統(tǒng)的伽伐尼電池氧傳感器相同的問(wèn)題。特別是，使用液體電解質(zhì)仍然存在泄漏問(wèn)題。另一個(gè)缺陷是控制氧擴(kuò)散的滲透膜可以引入較大的溫度效應(yīng)。此外，鉛(Pb)陽(yáng)極隨著時(shí)間的過(guò)去而被消耗，因?yàn)殂U(Pb)轉(zhuǎn)換為鉛氧化物(PbO和PbO2)而改變鉛陽(yáng)極的有效表面區(qū)域。因此，電化學(xué)活性和輸出電流最終落到零，此時(shí)必須重建或者替換傳感器，這導(dǎo)致鉛污染問(wèn)題。
在伽伐尼氧傳感器中的另一個(gè)問(wèn)題是堿性電解液的使用，其受長(zhǎng)時(shí)間暴露于諸如CO2之類的酸性氣體的影響。大多數(shù)這些傳感器不應(yīng)該在包含大于25％CO2的環(huán)境中連續(xù)使用。在有些情況下，長(zhǎng)時(shí)間暴露于酸性氣體損壞了基本的傳感器電解質(zhì)。在其它情況下，高濃度的酸性氣體產(chǎn)生了電流通量，其改變了傳感器在給定氧濃度下的標(biāo)準(zhǔn)期望輸出。
鑒于傳感器技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，具有長(zhǎng)操作壽命、快速響應(yīng)、低成本、無(wú)泄漏、和緊湊尺寸的容易制造的氧傳感器將是高度期望的。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，氧傳感器使用燃料電池類型的反應(yīng)和固相聚合物電解質(zhì)來(lái)感測(cè)或者測(cè)量樣品氣體中的氧。與其它電化學(xué)的氧傳感器相比，該氧傳感器具有相對(duì)低的阻抗、快速響應(yīng)、以及長(zhǎng)的工作壽命，而不要求有液體電解質(zhì)、鉛電極、或者消耗部分。該傳感器還可在室溫下操作。
在依據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的氧傳感器的操作中，感測(cè)電極催化其中氧捕獲電子并且與來(lái)自固相聚合物電解質(zhì)的氫離子化合以形成水的反應(yīng)。為了補(bǔ)償在感測(cè)電極處的電子和在聚合物固態(tài)電解質(zhì)中的氫離子的損失，將反電極(counter electrode)偏置到導(dǎo)致水電解的電壓，其中水的電解產(chǎn)生氫離子并且提供電子。附著于固相聚合物電解質(zhì)的參考電極可以提供相對(duì)于反電極和感測(cè)電極的參考電壓。來(lái)自反電極的電子形成流向感測(cè)電極的輸出電流。產(chǎn)生的電子電流取決于在感測(cè)電極處的氧消耗率，而且可以被測(cè)量以確定在感測(cè)電極處的氧濃度。反電極處創(chuàng)造的氫離子通過(guò)為良好質(zhì)子和電子導(dǎo)體的聚合物電解質(zhì)移動(dòng)到感測(cè)電極。
這類傳感器的重要優(yōu)點(diǎn)是不同于一般當(dāng)檢測(cè)氧時(shí)會(huì)耗費(fèi)鉛電極的伽伐尼電池傳感器，當(dāng)感測(cè)氧時(shí)這類傳感器不會(huì)耗費(fèi)電極或者其他材料。由該傳感器所需要并且生成的水分可以通過(guò)被測(cè)量的氣體中的濕度引入，而且可以在固態(tài)電解質(zhì)以及可選的密閉儲(chǔ)存器中循環(huán)和保持。因此即使當(dāng)該傳感器用于干的狀態(tài)時(shí)，它也能夠具有超過(guò)兩年的操作壽命。
本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例是包括參考電極、反電極以及感測(cè)電極與固態(tài)電解質(zhì)的塊或者膜電接觸的氣體傳感器。感測(cè)電極相對(duì)于參考電極的適當(dāng)偏置允許感測(cè)電極處氧與氫離子進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生水，以及在該處理中驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)感測(cè)電極。為了向感測(cè)電極提供電子以及提供在聚合物電解質(zhì)中的氫離子，可以偏置反電極以便進(jìn)行水的電解以釋放氫離子和電子。氫離子進(jìn)入聚合物電解質(zhì)，而且電子流向感測(cè)電極。從反電極通過(guò)感測(cè)電極的產(chǎn)生電流指示測(cè)量的氧濃度。
傳感器還可以包括在感測(cè)電極和要被測(cè)量的氣體源之間的插入物或者限制物。插入物包括控制氧到感測(cè)電極的流動(dòng)的毛細(xì)管孔或者其它擴(kuò)散隔膜。利用擴(kuò)散隔膜，擴(kuò)散速率限制了感測(cè)電極處的反應(yīng)，因此反應(yīng)速率和輸出信號(hào)與該傳感器外側(cè)的氣體的氧含量成正比。
檢測(cè)器的外殼可以包括儲(chǔ)存器，其包含水以保持在固態(tài)電解質(zhì)中或者周圍的濕度。在儲(chǔ)存器中，諸如包含H2SO4的聚合材料之類的水分保持劑可以在固態(tài)電解質(zhì)中保持適當(dāng)?shù)乃旨?jí)別以用于氧檢測(cè)器的長(zhǎng)有效壽命。
固態(tài)電解質(zhì)通常是傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)膜。固態(tài)電解質(zhì)可以是諸如Nafion之類的全氟離子交換聚合物，或者諸如聚(乙二醇)、聚(環(huán)氧乙烷)、聚(丙烯碳酸酯)之類的傳導(dǎo)質(zhì)子聚合物。當(dāng)使用時(shí)，可選地可以由諸如H3PO4之類的酸處理Nafion膜，其提高了Nafion的保水特征以及氫離子通過(guò)Nafion膜的傳導(dǎo)率。可以把感測(cè)電極、反電極和參考電極熱壓在Nafion膜上，以提供在電極和固態(tài)電解質(zhì)之間的高導(dǎo)電性。
電極，尤其是感測(cè)電極優(yōu)選為由多孔導(dǎo)電材料構(gòu)成。感測(cè)電極和反電極優(yōu)選為由催化氧還原的材料構(gòu)成，而且可以包括鉑、金、釕、鈀、銥、鉑/釕、鉑/銥、鉑/鈀合金、碳、以及鉑/碳。參考電極可以包含諸如鉑和金之類的貴金屬，或者諸如Ag/AgCl之類的高導(dǎo)電性金屬/鹽基化合物。
感測(cè)電極在暴露于測(cè)量氣體的固態(tài)電解質(zhì)側(cè)上。然而，在本發(fā)明的各種替換實(shí)施例中，反電極或者參考電極可以在與感測(cè)電極相同的側(cè)上，或者在與感測(cè)電極相對(duì)的側(cè)上。另外，感測(cè)電極、反電極、和參考電極的形狀可以改變。在一個(gè)實(shí)施例中，全部電極都是圓形。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)電極和反電極包括圓盤和圍繞該圓盤的同心環(huán)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是微型或者鈕扣類型的固態(tài)聚合物。通常，用于感測(cè)氧的非常小傳感器是不可能的，這是因?yàn)槠胀ǖ馁しツ嵫鮽鞲衅餍枰罅裤U用于消耗的陽(yáng)極。伽伐尼傳感器因此不能縮減到鈕扣大小(例如，大約1cm3或者更少)。然而，可以相當(dāng)緊湊地構(gòu)造使用固態(tài)聚合物作為支持電解質(zhì)以及使用燃料電池反應(yīng)用于感測(cè)的氧傳感器。
依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種鈕扣類型氧傳感器包括作為感測(cè)電極的第一電極、作為支持電解質(zhì)的固態(tài)聚合物、以及作為反電極/參考電極的第二電極?？梢杂删郾┖途埘?gòu)成的氣體滲透膜替換擴(kuò)散毛孔來(lái)控制氧擴(kuò)散率。滲入有H2SO4的玻璃纖維可用于調(diào)整濕度鈕扣類型氧傳感器的基本操作原理與較大燃料電池氧傳感器的那些操作原理相同，但是在鈕扣類型氧傳感器中的第二電極起通過(guò)提供氫離子來(lái)平衡在感測(cè)電極處的反應(yīng)的反電極的作用，以及起用于測(cè)量對(duì)感測(cè)電極的相對(duì)偏置的參考電極的作用。限制氧到感測(cè)電極表面的擴(kuò)散的氣體滲透膜限制反應(yīng)過(guò)程。該反應(yīng)過(guò)程因此應(yīng)該由Frick(菲克)擴(kuò)散方程描述，使得輸出信號(hào)與氧含量成正比。
本發(fā)明的另一個(gè)示例實(shí)施例是用于感測(cè)在樣品氣體中的氧的方法。本方法包括控制氧從樣品氣體到感測(cè)腔的擴(kuò)散速率；以及測(cè)量由感測(cè)腔中的催化反應(yīng)而產(chǎn)生的、通過(guò)感測(cè)電極的電流。在與固態(tài)電解質(zhì)電接觸的第一和第二電極(例如，感測(cè)和參考電極)之間的偏壓導(dǎo)致感測(cè)電極捕獲分別由反電極和聚合物電解質(zhì)提供的離子和電子。驅(qū)動(dòng)反電極以從水中創(chuàng)造氫離子和電子，以便提供給感測(cè)電極。凈反應(yīng)是水到水。因此，感測(cè)方法不耗費(fèi)傳感器中的材料，而且可以在具有長(zhǎng)使用壽命的傳感器中使用。擴(kuò)散的控制，其可以使用限制擴(kuò)散速率和反應(yīng)速率的毛細(xì)管孔實(shí)現(xiàn)，以便所測(cè)量的電流與擴(kuò)散到感測(cè)腔中的氣體的化學(xué)成分成正比。


圖1示出了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的固相聚合物電解質(zhì)(SPE)氧傳感器。
圖2示出了用于圖1中的傳感器的三電極系統(tǒng)傳感器的操作電路。
圖3A、3B、和3C分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有電極圖案的固態(tài)電解質(zhì)膜的頂部、底部、和側(cè)視圖。
圖4A、4B、和4C分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有另一電極圖案的固態(tài)電解質(zhì)膜的頂部、底部、和側(cè)視圖。
圖5A和5B分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有三個(gè)電極在膜的同一側(cè)的固態(tài)電解質(zhì)膜的頂部和側(cè)視圖。
圖6A和6B分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中感測(cè)電極和反電極是圓盤和圍繞環(huán)的固態(tài)電解質(zhì)膜的頂部和底部視圖。
圖7說(shuō)明了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鈕扣類型氧傳感器。
圖8為示出圖1中的傳感器對(duì)不同的氧濃度的響應(yīng)的圖形。
圖9說(shuō)明了圖1中的傳感器對(duì)氧濃度的線性響應(yīng)。
圖10示出了環(huán)境溫度對(duì)圖1或者圖7的傳感器的影響。
圖11示出了用于圖1或者圖7的傳感器的穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果。
在不同的附圖中使用相同的參考符號(hào)來(lái)指示相似或者相同的項(xiàng)。
具體實(shí)施例方式
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，氧傳感器使用固相聚合物電解質(zhì)(SPE)和燃料電池反應(yīng)來(lái)測(cè)量在樣品氣體中的氧濃度。依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SPE氧傳感器避免了電解質(zhì)泄漏，而且當(dāng)與伽伐尼電池氧傳感器相比時(shí)、具有顯著改善的壽命和響應(yīng)時(shí)間。該傳感器還允許在室溫下檢測(cè)和測(cè)量氧，并且具有可以容易地被小型化的結(jié)構(gòu)。
圖1說(shuō)明了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氧傳感器100。如所述，氧傳感器100包括接合到感測(cè)電極112、反電極114、和參考電極116的固態(tài)電解質(zhì)膜110。外殼120，其可以由諸如特氟隆(Teflon)之類的剛性化學(xué)惰性材料構(gòu)成，包括包圍固態(tài)電解質(zhì)膜110和電極112、114、和116的底部外殼122和蓋子124。
在傳感器100中，進(jìn)氣系統(tǒng)包括在外殼蓋124上的防塵蓋126、通過(guò)外殼蓋124的進(jìn)氣孔128、以及通過(guò)限制物130的擴(kuò)散毛細(xì)管132。防塵蓋126，其可以由諸如聚丙烯或者聚酯之類的材料構(gòu)成，防止灰塵及其他微粒污染物進(jìn)入傳感器100，并且由此保護(hù)電解質(zhì)膜110和感測(cè)電極112以防污染。
毛細(xì)管132控制氣體到感測(cè)電極112的擴(kuò)散速率。在示例實(shí)施例中，毛細(xì)管132直徑小于大約0.1μm并且為0.5mm長(zhǎng)。一般地說(shuō)，毛細(xì)管132的直徑和長(zhǎng)度限制了氧進(jìn)入感測(cè)腔140的擴(kuò)散速率，而且可以為傳感器100的特定幾何形狀和反應(yīng)速率進(jìn)行調(diào)整。做為選擇，諸如聚四氟乙烯之類的氧滲透膜可以用于控制擴(kuò)散，但是其一般將遭受較大的溫度變化。通過(guò)控制擴(kuò)散速率，毛細(xì)管132還控制在感測(cè)電極112處的氧的可用性，并且如下面進(jìn)一步所述，擴(kuò)散速率變?yōu)榭刂圃诟袦y(cè)電極112處的氧還原的反應(yīng)速率、質(zhì)量傳輸、和產(chǎn)生測(cè)量電流的限制因素。
氧滲透膜142和玻璃微纖維144在毛細(xì)管132和感測(cè)腔140之間。膜144，其可以由特氟隆或者其它適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成，保護(hù)毛細(xì)管132以防止來(lái)自內(nèi)側(cè)傳感器100的、否則可能會(huì)堵塞毛細(xì)管132的水或者其它物質(zhì)。玻璃微纖維144，其可以用硫酸處理，以幫助調(diào)整感測(cè)腔140中的濕度。
包含諸如滲入了硫酸的棉或者玻璃纖維紙、硅膠、或者聚合物(例如，聚乙二醇或者聚碳酸丙烯脂)之類的水分保持材料152的儲(chǔ)存器150處于底部外殼122中。水分保持材料152根據(jù)需要釋放出水，以保持電解質(zhì)膜110中的適當(dāng)濕度或者水分級(jí)別。在固態(tài)電解質(zhì)膜110上下的O環(huán)形墊片146防止來(lái)自儲(chǔ)存器150的水分泄漏通過(guò)膜110以及防止氣體進(jìn)入感測(cè)腔140。
傳感器100的關(guān)鍵部分是包括固態(tài)電解質(zhì)膜110和電極112、114、和116的組件。諸如膜110的成分和處理、電極112、114、和116到膜110的接口、以及電極112、114、和116在傳感器100中的排列之類的許多因素影響膜/電極組件的性能。在本發(fā)明的示例實(shí)施例中，固態(tài)電解質(zhì)膜110由Nafion構(gòu)成，所述Nafion是聚四氟乙烯和含有側(cè)鏈磺酸基團(tuán)的聚磺酰氟化物乙烯基醚的水合共聚物。作為替換可以使用諸如聚乙二醇、聚環(huán)氧乙烷、或者丙烯碳酸酯之類的其它傳導(dǎo)質(zhì)子聚合物。
通過(guò)膜110的低體離子阻抗是快速響應(yīng)所期望的。影響體離子阻抗的重要因素是在固態(tài)電解質(zhì)膜110和電極112、114、和116之間的界面阻抗。因此，在電極和膜110之間的良好接觸是重要的，而且依據(jù)本發(fā)明的方面，使用了熱壓方法來(lái)把電極112、114、和116附于膜110。在一個(gè)特定的制造過(guò)程中，大約為0.18mm厚的Nafion膜上鍍有液體Nafion或者Nafion溶液。有鍍層的膜和鉑或者貴金屬電極/催化劑被加熱到大約120℃，同時(shí)以大約2000BL的壓力壓在一起20-30秒，然后移動(dòng)到環(huán)境空氣冷卻。
體離子阻抗還取決于固態(tài)電解質(zhì)膜110的阻抗或者阻抗率。為了降低Nafion膜的阻抗，可以在將電極112、114、和116壓在膜110上之前用酸處理Nafion膜。一種特定的酸處理將濃度為0.5到1摩爾/升(mol/L)的硫酸(H2SO4)施加到膜。然而，將磷酸(H3PO4)添加劑與Nafion組合在一起可以改善Nafion的高溫電化學(xué)性能。在一種特定的酸處理中，在將Nafion膜浸入沸水和3％過(guò)氧化氫中之后，將該Nafion膜浸入濃縮的磷酸(85％的重量百分比)中并且加熱到大約150℃1個(gè)小時(shí)。把該膜移到去離子水中以便洗去分解酸。在1998年第496卷的Mat.Res.Symp.Proc.的217頁(yè)中的報(bào)告也描述了Nafion的某些處理工藝。
三個(gè)管腳162、164、166分別經(jīng)由在傳感器100內(nèi)側(cè)的鉑線(未示出)連接到電極112、114、和116。導(dǎo)線可以使用傳統(tǒng)方法焊接到電極112、114、和116以及管腳162、164、和166。管腳162、164、和166因此允許外部傳感器電子設(shè)備的連接以便輸出電流和輸入偏壓。
圖2是說(shuō)明傳感器100的操作，以及管腳162、164、和166到傳感器100中的電極112、114、和116的連接以及到諸如印刷電路板上的差動(dòng)放大器210和220以及電阻230之類的電器部件的連接的電路圖。做為選擇，圖2中說(shuō)明的電器部件可以全部都是氧傳感器的組成部分。
在操作期間，感測(cè)電極112對(duì)如方程(1)所示、其中進(jìn)入傳感器100并且擴(kuò)散到感測(cè)電極112的氧捕獲電子并且與來(lái)自聚合物固態(tài)電解質(zhì)110的氫離子化合以形成水的反應(yīng)進(jìn)行催化。
(1)差動(dòng)放大器210具有連接到參考電極116和參考電壓Vin的輸入端，以及連接到反電極114的輸出端。差動(dòng)放大器210因此驅(qū)動(dòng)反電極114以導(dǎo)致水的電解，其創(chuàng)造了氫離子并且提供電子以補(bǔ)償在方程(1)的反應(yīng)中在感測(cè)電極112處消耗的氫離子和電子。電解操作如方程(2)所示。
(2)流向感測(cè)電極112的電子形成了取決于氧消耗速率的輸出電流，而且可以測(cè)量該輸出電流以確定在感測(cè)電極112處的氧濃度。在反電極114處創(chuàng)造的氫離子通過(guò)聚合物電解質(zhì)110流向感測(cè)電極。在反電極114處創(chuàng)造的氧部分通過(guò)穿過(guò)儲(chǔ)存器150和外殼122的孔154擴(kuò)散出傳感器100，或者保持在儲(chǔ)存器150中。
方程(1)和(2)的反應(yīng)平衡，因此總的反應(yīng)是把水轉(zhuǎn)換為水，以及把感測(cè)電極112處的氧轉(zhuǎn)換為反電極114處的氧。反電極114處釋放的電子、感測(cè)電極112處捕獲的電子、以及從反電極114經(jīng)由固相聚合物電解質(zhì)110遷移到感測(cè)電極112的氫離子以取決于方程(1)的反應(yīng)的反應(yīng)速率的速率流動(dòng)。差動(dòng)放大器220將輸出電壓Vout驅(qū)動(dòng)到這樣的等級(jí)，以便通過(guò)電阻230的電流與在感測(cè)電極112處的反應(yīng)所需要的電子流相匹配。電壓Vout因此與反應(yīng)電流成正比，而且可以調(diào)節(jié)電阻230的阻抗以控制在電壓Vout和氧濃度之間的比例常數(shù)。
膜110上的終端112、114、和116的配置可以控制感測(cè)電極112處的氧還原的效率，并且因此控制測(cè)量電流的等級(jí)。圖3A、3B、和3C分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有感測(cè)電極112在電解質(zhì)膜110的一側(cè)以及反電極和參考電極114和116在電解質(zhì)膜110的另一側(cè)的電極/膜組件300的頂部、底部、和側(cè)視圖。
在本發(fā)明的示例實(shí)施例中，電解質(zhì)膜110是具有直徑大約1.5mm、厚度在大約0.1mm和大約0.2mm之間的酸化Nafion圓盤。感測(cè)電極112優(yōu)選為由用于方程(1)的反應(yīng)的催化劑材料構(gòu)成，并且可以是例如，鉑、金、釕、鈀、銥、鉑/釕、鉑/銥、鉑/鈀合金、碳、或者鉑/碳等多孔材料，并且厚度優(yōu)選為大約0.2mm。反電極114和參考電極116可以由與感測(cè)電極相同的材料構(gòu)成。因此，參考電極還可以由諸如鉑或者金之類的貴金屬、或者諸如銀/氯化銀之類的高導(dǎo)電性金屬鹽基化合物構(gòu)成。
在說(shuō)明性實(shí)施例中，電極是圓形的以便于制造。在本發(fā)明的示例實(shí)施例中，感測(cè)電極112和反電極114中的每一個(gè)具有大約0.5-0.8mm的直徑，而且參考電極116具有大約0.3-0.4mm的直徑。
對(duì)于電極組件300，參考電極116位于與感測(cè)電極112相對(duì)的膜110側(cè)上，并且與環(huán)境相對(duì)隔離。因此相對(duì)于環(huán)境中氧濃度的改變?cè)搮⒖茧妱?shì)更加穩(wěn)定，而且還避免了可能導(dǎo)致測(cè)量誤差的電勢(shì)漂移。反電極114也在與感測(cè)電極112相對(duì)的膜110側(cè)上。這防止反電極114處的反應(yīng)產(chǎn)物(例如，自由氧)干擾感測(cè)電極反應(yīng)。
圖4A、4B、和4C分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有感測(cè)和反電極112和114在電解質(zhì)膜110的一側(cè)以及參考電極116在電解質(zhì)膜110的另一側(cè)的電極/膜組件400的頂部、底部、和側(cè)視圖。組件400中的膜110和電極112、114、和116可以具有與在上述組件300中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相同的化學(xué)組成和尺寸。
電極/膜組件400，類似于組件300，具有將在相對(duì)側(cè)的參考電極116與感測(cè)電極112隔離的優(yōu)點(diǎn)，并且因此具有良好的參考電壓穩(wěn)定性。另外，具有反電極114在與感測(cè)電極112相同側(cè)可以通過(guò)減少氫離子必須穿過(guò)固態(tài)電解質(zhì)膜110的距離而加速質(zhì)量輸運(yùn)的速率。利用組件400，由于在沒有膜或者顯著的液膜障礙的情況下的高質(zhì)量輸運(yùn)速率，所以預(yù)期具有較高的靈敏度。如果給予兩個(gè)電極112和114相同的反應(yīng)條件，則電極112和114還可以共享相同的樣品氣體和濕度。然而，應(yīng)該考慮在感測(cè)電極和反電極之間適當(dāng)?shù)木嚯x，因?yàn)槎叹嚯x可以導(dǎo)致反電極114的反應(yīng)產(chǎn)物影響感測(cè)電極112處的反應(yīng)。
圖5A和5B分別示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有電極112、114、和116全部都在固態(tài)電解質(zhì)膜110同一個(gè)側(cè)的電極/膜組件500的頂視圖和側(cè)視圖。這個(gè)配置具有大質(zhì)量輸運(yùn)速率的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以簡(jiǎn)化到電極112、114、和116的電連接的結(jié)構(gòu)。
圖6A和6B分別示出具有圓環(huán)-圓盤配置、其中環(huán)狀反電極114圍繞圓形感測(cè)電極112的電極/膜組件600的頂部和底部視圖。組件600的同心電極配置提供了在感測(cè)和反電極112和114之間低離子體阻抗并且提供了用于參考電極116的高穩(wěn)定性。
組件300、400、500、或者的示例制造過(guò)程從Nafion膜110開始，該Nafion膜可能如上所述被酸化了。在熱壓設(shè)備將電極112、114、和116按壓在Nafion膜的一個(gè)或者多個(gè)面部以形成三電極系統(tǒng)之前，在Nafion膜的頂部和/或底部面部上鍍上液體Nafion。
圖7顯示了依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鈕扣類型氧傳感器700。鈕扣傳感器700包括一系列實(shí)質(zhì)上平的單元，它們可以彼此接觸地層疊以提供非常緊湊的傳感器配置。作為電極系統(tǒng)，傳感器700包括接合到第一電極712和第二電極714的固相聚合物電解質(zhì)膜710。膜710、電極712、和電極714中的每一個(gè)都可以是圓盤形狀的，而且電極712和714通常小于膜710，以提供讓氣體圍繞電極712和714的空間。
由諸如不銹鋼之類的材料構(gòu)成的剛性薄外殼包括包圍該電極系統(tǒng)的下部外殼720和蓋722。在外殼720中的孔724以及氣體滲透膜730和在外殼720內(nèi)的紙單元740允許氣體流向電極712。氣體滲透膜730，其可以由諸如聚丙烯和聚酯之類的材料構(gòu)成，控制氣體從傳感器700側(cè)到電極712的擴(kuò)散速率。紙單元740可以是滲入了硫酸(例如，6mol/L的H2S04)的玻璃微纖維紙，其與第一電極712接觸并且用來(lái)調(diào)整反應(yīng)濕度。相同類型的紙740還放置在第二電極714上作為保持固相聚合物電解質(zhì)膜710中的濕度的微儲(chǔ)存器。橡膠O環(huán)750分別放置在固相聚合物電解質(zhì)膜710的兩側(cè)以防止氣體或者水分泄漏。
外殼720和蓋722可以金屬或者其它導(dǎo)電材料構(gòu)成，以充當(dāng)用于提供偏壓以及輸出電流信號(hào)的電觸點(diǎn)。因此，外殼720電連接到電極712，而且蓋722電連接到電極714。導(dǎo)電帶或者類似的結(jié)構(gòu)(未示出)可用于通過(guò)介入諸如氣體滲透膜730和紙層740之類的單元中而提供導(dǎo)電性。諸如塑造或者橡膠之類的絕緣材料760使蓋722與外殼720電絕緣。
氧傳感器700的基本操作原理與圖1中的氧傳感器100的相同，但是在傳感器700中，第二電極714用作生成氫離子和自由電子的反電極，以及用作相對(duì)于感測(cè)電極712的參考電極。為了起反電極的作用，第二電極714被正向偏置(例如，到大約0.6V)以導(dǎo)致方程(2)的反應(yīng)，其向感測(cè)電極712提供電子并且向固相聚合物電解質(zhì)710提供質(zhì)子或者氫離子。感測(cè)電極712可以以與圖2中的感測(cè)電極112相同的方式連接到放大器的輸入，以使輸出電壓取決于感測(cè)電極712處的氧還原反應(yīng)的速率。
氣體滲透膜730限制了到感測(cè)電極712的氧擴(kuò)散，因此反應(yīng)速率和輸出信號(hào)與擴(kuò)散速率成正比。根據(jù)菲克(Frick)擴(kuò)散方程，擴(kuò)散速率與在氣體滲透膜730外面的氧含量成正比，因此輸出信號(hào)與氧含量成正比。
鈕扣類型氧傳感器700可以提供緊致傳感器配置。在一個(gè)示例實(shí)施例中，傳感器700具有大約20毫米的總直徑以及大約3毫米的厚度，以具有大約1cm3的總體積。
在傳感器100和700中的感測(cè)處理通常包括四個(gè)步驟，其可以潛在地限制總反應(yīng)速率并因此限制測(cè)量信號(hào)。這些步驟為氣體擴(kuò)散到感測(cè)電極表面；感測(cè)電極催化反應(yīng)；電子和離子傳輸?shù)礁袦y(cè)電極；以及從電極表面除去電極反應(yīng)產(chǎn)品。這些步驟中最慢的步驟創(chuàng)造了將控制整個(gè)處理的反應(yīng)速率的瓶頸。如果整個(gè)處理由到感測(cè)表面的氣體擴(kuò)散所控制，換言之，如果擴(kuò)散是瓶頸，則因?yàn)榉瓶?Frick)方程指示擴(kuò)散與氧含量成正比，所以氣體濃度具有與反應(yīng)速率和輸出信號(hào)的線性關(guān)系。
圖8示出了諸如圖1或者7中說(shuō)明的傳感器的輸出信號(hào)的曲線800。對(duì)于曲線800，氧濃度保持不變直到當(dāng)目標(biāo)氣體中的氧濃度突然下降時(shí)的時(shí)間T1。在響應(yīng)中，輸出信號(hào)下降，并且在小于10秒之后的時(shí)間T1’處達(dá)到完全響應(yīng)的90％。類似地，在時(shí)間T2，氧濃度返回到最初水平，而且輸出信號(hào)在之后小于10秒的時(shí)間T2′處上升到完全響應(yīng)的90％。傳感器100的快速反應(yīng)時(shí)間，其比當(dāng)前可用的商業(yè)氧傳感器明顯更快，可能歸因于感測(cè)電極112的高電催化活性，而且反應(yīng)速率是擴(kuò)散限制的。在擴(kuò)散速率和感測(cè)反應(yīng)速率相同時(shí)，在圖1的傳感器100中的感測(cè)電極112和毛細(xì)管132之間的感測(cè)腔140的小容量快速地達(dá)到平衡。在示例實(shí)施例中，感測(cè)腔140具有小于大約0.01mm2的容量。
圖9示出了傳感器100的輸出信號(hào)作為在傳感器100外側(cè)的氧濃度的函數(shù)的曲線900。對(duì)于曲線900，感測(cè)電極112具有相對(duì)于參考電極116大約-0.6V的固定電勢(shì)。曲線900說(shuō)明了為在0到30％的范圍內(nèi)的氧含量而獲得的適當(dāng)線性關(guān)系。曲線900的測(cè)量信號(hào)示出通過(guò)毛細(xì)管132的氧擴(kuò)散率在0-30％氧的范圍內(nèi)、令人滿意地由菲克(Frick)擴(kuò)散方程所描述(即，與氧含量成正比)。因此，傳感器100的讀數(shù)表示在氣體樣品中氧百分比，而與總的氣體壓力無(wú)關(guān)。
高于大約30％氧的氧含量存在額外的、對(duì)于傳感器100中的測(cè)量的復(fù)雜情況。特別地，如果氧含量高于大約30％，則擴(kuò)散速率不再與氧含量成正比，這要求輸出信號(hào)到氧含量值的非線性轉(zhuǎn)換。此外，如果擴(kuò)散速率變?yōu)檫^(guò)高，則感測(cè)電極112處的反應(yīng)速率變?yōu)檎w過(guò)程和所產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)的限制因素，而且傳感器100不能分清較高的氧含量級(jí)別。
圖10示出了測(cè)量信號(hào)作為包含固定氧含量的氣體樣品的溫度的函數(shù)的曲線1000。如圖9所示，傳感器100的輸出信號(hào)隨著溫度的逐漸變化而稍微改變。溫度效應(yīng)可能起因于氣體擴(kuò)散速率、電極反應(yīng)速率、和膜電阻中的熱變。當(dāng)暴露于溫度的階躍變化時(shí)，傳感器100呈現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)，其對(duì)于降溫降低測(cè)量信號(hào)，而且對(duì)于升溫增大測(cè)量信號(hào)。
圖11示出了曲線1100，其說(shuō)明了對(duì)于具有固定氧含量的樣品氣體如環(huán)境空氣、在幾個(gè)月所感測(cè)的來(lái)自傳感器100的測(cè)量信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。在長(zhǎng)期試驗(yàn)之后沒有發(fā)現(xiàn)大的信號(hào)改變。測(cè)量的一致性由傳感器100測(cè)量氧而不消耗電極或者其它材料的性能所引起。特別地，氧在感測(cè)電極112還原為水，而在反電極114消耗水以產(chǎn)生氫離子和氧。凈反應(yīng)是傳感器100的組成部分方面沒有改變。因此，只要傳感器100中的材料和結(jié)構(gòu)沒有改變，則傳感器100可以提供一致的測(cè)量。
雖然已經(jīng)根據(jù)特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是該描述僅僅是本發(fā)明應(yīng)用的一個(gè)示例而不應(yīng)該被當(dāng)作限制。公開的這些實(shí)施例的各種修改和特征組合在由權(quán)利要求所定義的本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，包含固態(tài)電解質(zhì)塊；感測(cè)電極，與所述塊電接觸；以及反電極，與所述塊電接觸，其中所述感測(cè)電極催化氧與氫離子和電子的反應(yīng)以產(chǎn)生水；所述反電極的偏置對(duì)水進(jìn)行分解以產(chǎn)生所述塊中的電子和氫離子；以及由捕獲的電子所導(dǎo)致的、通過(guò)所述感測(cè)電極的電流指示所測(cè)量的氧濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，還包含參考電極，與所述塊電接觸。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包含在所述感測(cè)電極和正被測(cè)量的氣體源之間的插入物，其中該插入物包括控制到所述感測(cè)電極的氧流動(dòng)，以便擴(kuò)散速率限制所述感測(cè)電極處的反應(yīng)速率。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述插入物包括用于限制氧流動(dòng)的毛細(xì)管孔。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中，所述毛細(xì)管孔具有小于0.1μm的直徑以控制氧擴(kuò)散。
6.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述插入物包含氣體滲透膜。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包含鄰近所述塊的儲(chǔ)存器，其中該儲(chǔ)存器包含用于保持在所述塊中的濕度的水。
8.如權(quán)利要求7所述的傳感器，還包含所述儲(chǔ)存器中的水分保持劑。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其中，所述水分保持劑包含聚合材料或者酸。
10.如權(quán)利要求9所述的傳感器，其中，所述酸包含H2SO4或者H3PO4。
11.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包含包圍所述塊的剛性外殼。
12.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述固態(tài)電解質(zhì)是傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)膜，其具有在大約0.01到0.2mm范圍之內(nèi)的厚度。
13.如權(quán)利要求12所述的傳感器，其中，所述固態(tài)電解質(zhì)包含全氟離子交換聚合物。
14.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述塊包含Nafion膜。
15.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中，所述Nafion膜被用酸處理。
16.如權(quán)利要求15所述的傳感器，其中，所述酸是H3PO4。
17.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中，所述感測(cè)和反電極被熱壓在Nafion膜上。
18.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述塊包含傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)部分，所述電解質(zhì)部分包括從由聚(乙二醇)、聚(環(huán)氧乙烷)、以及聚(碳酸丙烯脂)組成的組中選出的導(dǎo)電聚合物。
19.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，感測(cè)電極包含從由鉑、金、釕、鈀、銥、鉑/釕、鉑/銥、鉑/鈀合金、碳、以及鉑/碳組成的組中選出的材料。
20.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極由用于催化氧還原的材料構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述反電極包含從由鉑和金組成的組中選出的貴金屬。
22.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述參考電極包含從由鉑和Ag/AgCl組成的組中選出的材料。
23.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極位于所述塊的第一表面上，而所述反電極位于所述塊的第二表面上。
24.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其中，參考電極位于所述塊的第二表面上。
25.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述感測(cè)和反電極位于所述塊的第一表面上。
26.如權(quán)利要求25所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極為圓形，而所述反電極具有圍繞所述感測(cè)電極的環(huán)形。
27.如權(quán)利要求26所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極具有0.6毫米的直徑，而所述反電極具有0.2毫米的寬度。
28.如權(quán)利要求25所述的傳感器，其中，參考電極位于所述塊的第二表面上。
29.如權(quán)利要求25所述的傳感器，其中，參考電極位于所述塊的第一表面上。
30.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極和反電極中的每個(gè)都具有在0.5和0.8毫米之間的直徑。
31.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述感測(cè)電極的偏置在-1.0到1.0伏電壓之間。
32.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器的總尺寸小于大約5.0cm3。
33.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器的總尺寸小于大約1.0cm3。
34.一種氧傳感器，包含固態(tài)電解質(zhì)塊；與所述塊電接觸的第一、第二、和第三電極；分別與第一、第二、和第三電極電接觸的第一、第二、和第三終端，其中第一、第二、和第三終端彼此電隔離，以允許第一、第二、和第三電極的獨(dú)立偏置；以及電子電路，其連接到第一、第二、和第三終端以偏置第一、第二、和第三電極并且測(cè)量用于指示目標(biāo)氣體的電流。
35.如權(quán)利要求34所述的傳感器，還包含剛性外殼，其形成包含第一、第二、和第三電極中的至少一個(gè)的感測(cè)腔。
36.如權(quán)利要求34所述的傳感器，還包含限制器，其包括毛細(xì)管孔，該毛細(xì)管孔限制氧擴(kuò)散到感測(cè)腔中。
37.如權(quán)利要求34所述的傳感器，其中，該剛性外殼還包含儲(chǔ)存器，該儲(chǔ)存器與所述固態(tài)電解質(zhì)塊相聯(lián)系以控制固態(tài)電解質(zhì)中的含水量。
38.一種鈕扣類型的氧傳感器，包含固相聚合物電解質(zhì)塊；在所述塊的第一表面上的第一電極；在所述塊的第二表面上的第二電極；以及剛性外殼，其包括與第一電極電接觸的第一部分，以及與第二電極電接觸的第二部分。
39.如權(quán)利要求38所述的傳感器，還包含在所述塊和外殼中的孔之間的插入物，其中所述插入物包括膜，所述膜控制氧從孔到第一電極的流動(dòng)。
40.如權(quán)利要求39所述的傳感器，其中，所述膜允許氣體滲入到第一電極并且拒絕水和灰塵的進(jìn)入。
41.如權(quán)利要求40所述的傳感器，其中，所述膜由聚丙烯和聚酯構(gòu)成。
42.如權(quán)利要求40所述的傳感器，還包含在所述外殼內(nèi)的水分保持材料。
43.如權(quán)利要求42所述的傳感器，其中，塊、膜、和濕度保持材料中的每個(gè)都是圓盤形的，而且?guī)в型鈿さ脑纬蓤A盤形結(jié)構(gòu)的堆棧。
44.如權(quán)利要求38所述的傳感器，還包含在包含濕氣的外殼內(nèi)的水分保持材料。
45.如權(quán)利要求44所述的傳感器，其中，所述水分保持材料包含玻璃纖維紙。
46.如權(quán)利要求45所述的傳感器，其中，所述水分保持材料還包含酸，該酸在濕環(huán)境下吸收水以及在干燥環(huán)境下釋放水。
47.如權(quán)利要求46所述的傳感器，其中，所述酸是硫酸。
48.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其中，所述固相聚合物電解質(zhì)是傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)膜，其具有在大約0.01到0.02mm范圍之內(nèi)的厚度。
49.如權(quán)利要求48所述的傳感器，其中，所述固態(tài)電解質(zhì)包含全氟離子交換聚合物。
50.如權(quán)利要求48所述的傳感器，其中，所述塊包含Nafion膜。
51.如權(quán)利要求50所述的傳感器，其中，用85％的H3PO4處理Nafion膜。
52.如權(quán)利要求50所述的傳感器，其中，將第一和第二電極熱壓在Nafion膜上。
53.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其中，所述塊包含傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)部分，所述電解質(zhì)部分包括導(dǎo)電聚合物。
54.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其中，第一電極和第二電極包含從由鉑、金、釕、鈀、銥/釕、鉑/銥、鉑/鈀合金、碳、和鉑/碳組成的組中選出的材料。
55.如權(quán)利要求54所述的傳感器，其中，第一和第二電極具有在0.5和0.8毫米之間的直徑。
56.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其中，相對(duì)于第二電極，將-0.6伏電壓的偏置施加到第一電極。
57.如權(quán)利要求38所述的傳感器，其中，傳感器的總尺寸小于1.0cm3。
58.一種用于感測(cè)在樣品氣體中的氣態(tài)氧的方法，包含控制氧從樣品氣體到感測(cè)腔中的擴(kuò)散速率；催化在與固態(tài)電解質(zhì)電接觸的第一電極處的反應(yīng)，其中所述反應(yīng)導(dǎo)致氧捕獲氫離子和電子以產(chǎn)生水；在與所述固態(tài)電解質(zhì)接觸的第二電極之間施加偏壓，以導(dǎo)致釋放氫離子和電子的反應(yīng)；以及測(cè)量通過(guò)第一電極的電流，該電流由所述感測(cè)腔中離子與氧的反應(yīng)而產(chǎn)生。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，從水中釋放氫離子。
60.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，控制擴(kuò)散速率包含使用毛細(xì)管孔來(lái)控制進(jìn)入所述感測(cè)腔的氣體。
全文摘要
使用擴(kuò)散限制的燃料電池類型反應(yīng)的氧傳感器(100)包括例如在酸處理的Nafion膜上的固相聚合物電解質(zhì)(110)。該傳感器(100)避免電解質(zhì)泄漏并且避免電極的消耗。在不同的配置中，反電極(114)或者參考電極(116)可以在作為感測(cè)電極(112)的電解質(zhì)(110)的相同側(cè)或者相對(duì)側(cè)。插入物(130)限制并且控制氧擴(kuò)散到感測(cè)腔(140)中，其中在感測(cè)腔中，感測(cè)電極(112)催化氧的還原。施加到參考電極(116)和感測(cè)電極(112)上的適當(dāng)偏壓導(dǎo)致產(chǎn)生電流，該電流基于受擴(kuò)散限制的模式與氧消耗的速率成比例的假定下的菲克定律(Frick′s law)。例如，使用將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的電阻(230)可以測(cè)量輸出電流。
文檔編號(hào)G01N27/49GK1867825SQ200480029898
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者周華方, 孫鴻濤, 彼得·C·西 申請(qǐng)人:Rae系統(tǒng)股份有限公司