传感器

阅读:442发布:2020-05-11

专利汇可以提供传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种 燃料 电池 氧 传感器 ,包括:氧 阴极 ;用于控制氧向阴极扩散的速率的扩散控制装置;燃料;能够通过燃料的电化学氧化来得到 电流 的电催化 阳极 ;以及 电解 质,所述燃料部分或全部地溶解在所述 电解质 中。,下面是传感器专利的具体信息内容。

1.一种燃料电池传感器,包括:
阴极
用于控制氧向阴极扩散的速率的扩散控制装置,
燃料,
能够通过所述燃料的电化学氧化来得到电流的电催化阳极,以及
电解质,所述燃料部分或全部地溶解在所述电解质中。
2.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述阴极含铂。
3.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述阴极含金。
4.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述阴极含
5.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述阴极含
6.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述扩散控制装置是孔。
7.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述扩散控制装置是微孔膜。
8.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述扩散控制装置是无孔膜。
9.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述阳极含铂。
10.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述燃料是醇。
11.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述电解质是酸性的。
12.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述电解质是性的。
13.如权利要求1所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所产生的电流通过电阻器放电。
14.如权利要求10所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述燃料是1,2-乙二醇(乙二醇)。
15.如权利要求10所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述燃料是1,2,3-丙三醇(甘油)。
16.如权利要求11所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述电解质含硫酸
17.如权利要求12所述的燃料电池氧传感器,其特征在于,所述电解质含氢氧化

说明书全文

传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及电化学传感器,尤其涉及氧传感器。

背景技术

[0002] 从20世纪七十年代起,电化学氧传感器(galvanic oxygen sensor)是被开发和市场化的第一批电化学传感器。
[0003] 基于电化学原理工作的氧传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。最常见的模式包括铅阳极和氧阴极。其工作电极对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体扩散进入传感器后,在敏感电极表面进行氧化或还原反应,产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小与气体的浓度成比例,可通过外电路的负荷电阻予以测量。
[0004] 为了使反应能够发生,敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。但气体的浓度增加时,反应电流也增加,于是导致对电极电位改变(极化)。由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的,虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。如果气体的浓度不断地升高,敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感器将不成线性,因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
[0005] 对电极的极化所受的限制可以引进三电极系统(即第三电极、参考电极、和利用一外部的恒电位工作电路)来予以避免。在这样一种装置中,敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。在参考电极中无电流流过,因此这两个电极均维持在一恒定的电位。对电极则仍然可以进行极化,但对传感器而言已不产生任何限制作用。
[0006] 这样的氧传感器具有很多优点。它们紧凑、可靠、不用电、且可跨可接受温度范围操作而无需加热。尽管它们能够提供令人满意的性能,但是其含铅的事实在当今引起了关注,人们如今在积极寻找新的无铅配方。可用金属的选择限于周期表的内容以及它们的合金,此类途径的成功与否通过替代掉铅的电化学氧传感器的成功来判断。
[0007] 已进入市场的无铅氧传感器采用的是以上所述的三电极系统,因此在结构上更加复杂,且与现有类型的氧传感器之间存在管脚不兼容的问题。
[0008] 因此,人们需要开发一种采用两电极系统的无铅氧传感器,其不仅紧凑、可靠、不用电、可跨可接受温度范围操作而无需加热,而且对环境友好。

发明内容

[0009] 鉴于上述提到的主要问题,本发明中阐述的燃料电池氧传感器,包括:氧阴极,用于控制氧向阴极扩散的速率的扩散控制装置,燃料,能够通过燃料的电化学氧化来得到电流的电催化阳极,以及电解质,所述燃料部分或全部地溶解在所述电解质中。
[0010] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,阴极含铂。
[0011] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,阴极含金。
[0012] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,阴极含
[0013] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,阴极含
[0014] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,扩散控制装置是孔。
[0015] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,扩散控制装置是微孔膜。
[0016] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,扩散控制装置是无孔膜。
[0017] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,阳极含铂。
[0018] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,燃料是醇。
[0019] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,电解质是酸性的。
[0020] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,电解质是性的。
[0021] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,所产生的电流通过电阻器放电。
[0022] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,燃料是1,2-乙二醇(乙二醇)。
[0023] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,燃料是1,2,3-丙三醇(甘油)。
[0024] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,电解质含硫酸
[0025] 在本发明的燃料电池氧传感器的一个实施例中,电解质含氢氧化附图说明
[0026] 图1是根据本发明一实施例的燃料电池氧传感器的示意图。

具体实施方式

[0027] 为了更好地理解本发明,下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。但本发明的保护范围不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样在所附权利要求书限定的范围之内。
[0028] 在本发明的氧传感器中,从空气进入传感器的氧通常可通过以下三种方式被严格控制:
[0029] 1.小毛细孔;
[0030] 2.低渗透率的微孔膜;
[0031] 3.无孔膜。
[0032] 前两种方式提供与氧百分比成正比并在有效范围内呈线性的值,因此不受大气压变化的影响。这些方式较为常用,广泛应用于工业和制药业。第三种方式给出分压值,并且可被用于诸如下呼吸系统的专应用,通常线性至100%。
[0033] 另一方面,发明人试图使用其他材料替代铅电极以获得的新的无铅氧传感器,这些替代材料可以包括周期表中的一些金属及其合金,但是实际上金属并不是唯一可用作阳极的材料,可被氧化的分子-燃料-也可用作阳极的材料。原则上来说,燃料可以是气体、固体或液体的形式。气体体积过大,不便于储存,因此在实际操作中是不能采用的。
[0034] 我们考虑使用可溶于所选择的酸性或碱性的电解质中的固体和液体形式的燃料。碱性电解质可能是优选的,因为非贵金属材料可用于载流,但是它们易于被碳酸化,选择碱性电解质有利于抑制此种现象的发生,在选择材料的时候必须将此因素考虑在内。所述碳酸化是由于含碳燃料的氧化产物造成的,而不是由空气中的二氧化碳造成的。具体来说,因为空气中二氧化碳的比例原本就很低,即使是与以严格限制的方式从空气引入该氧传感器的氧气含量相比,二氧化碳的含量也要低好几个数量级,因此空气中的二氧化碳并不是导致非贵金属材料碳酸化的原因。
[0035] 所选择燃料的期望特性包括:
[0036] 1.低毒性,因为用一种有毒成分替代另一种有毒成分并无益处;
[0037] 2.低挥发性,否则燃料会因为蒸发而损耗;
[0038] 3.在电解质中的溶解性,否则燃料在阳极处无法以令人满意的程度发生反应;
[0039] 4.低凝固点,由此使得燃料/电解质混合物可以在尽可能宽的范围内用来进行操作;
[0040] 5.高能密度,即不但具有低的分子量,而且在氧化时每个分子释放多个电子
[0041] 6.阳极处的氧化产物优选地应当不是不溶性的,并且绝不能造成电极催化剂中毒。
[0042] 最符合这些要求的一类液态燃料似乎是液态多元醇,具体而言是乙二醇(1,2-乙二醇)。乙二醇毒性低,在优选的设计中,其液态温度范围为约-50°C至100°C以上,且在开发和原型测试时没有观察到有固态反应产物。
[0043] 因此,燃料电池的构成部分包括:阴极(氧电极),通常含有铂、金或银;控制氧向阴极扩散的速率的扩散控制装置;电催化阳极,优选包含铂黑催化剂;以及电解质/燃料混合物。该燃料电池连续操作,所产生的电流通过通常为100Ω的并联电阻器放电以产生1至15毫伏的电位,这取决于孔隙的直径或前面提及的其他扩散控制机制的性质。产生这样的电位的电流由此通常在10至150毫安的范围内。
[0044] 图1是根据本发明一实施例的燃料电池氧传感器的示意图。
[0045] 通过圆盘3中的孔控制氧从空气中进入传感器的过程,该孔由多孔PTFE膜1和4保护。在阴极6处,氧分子还原成氢氧根离子。该反应需要从接触线8通过外部电路(通常是负载电阻)在接触线5处供应电子,该电子是通过溶解在电解质中的诸如乙二醇(1,2-乙二醇)的燃料在催化活性阳极7处的氧化来供应的。燃料/电解质混合物保存在容器9中,从而对阳极7处消耗的燃料进行补充。氢氧根离子通过电解质从阴极移向阳极以完成内部电路,由此使电荷的不平衡得以平衡。整个组件被容纳在外壳9内。所产生的电流的量取决于与传感器入口相邻的空气中氧的百分比。
[0046] 在图1所示的燃料电池氧传感器的实际操作的一个实施方式中,空气中的氧气透过PTFE膜1,以受控的方式通过圆盘3中的孔,通过PTFE膜4,到达阴极6。燃料在催化活性阳极7处发生氧化反应,释放出的电子通过接触线8导出,通过外部电路(包括负载电阻)到达接触线5,然后这些电子在阴极6上与上述来自空气中的氧气接触,还原形成氢氧根离子。该形成的氢氧根离子在电势作用下从阴极6移动到阳极7处。所述电子在通过外部电路从接触线8移动到接触线5的过程中,在外部电路中产生相应的电流和电势,通过测量该电流和电势,可以准确地确定进入该传感器的空气中氧气的百分比。
[0047] 以下描述本发明的燃料电池氧传感器的两个示例。
[0048] 示例1
[0049] 碱性燃料电池氧传感器,由金阴极、铂黑阳极、尺寸为10至100微米的扩散孔、以及由重量百分比25%的乙二醇和重量百分比75%的4M氢氧化钾构成的电解质。
[0050] 示例2
[0051] 酸性燃料电池氧传感器,由铂阴极、铂黑阳极、尺寸为10至100微米的扩散孔、以及由重量百分比75%的乙二醇和重量百分比25%的4M硫酸构成的电解质。
[0052] 本领域技术人员可以理解,以上示例仅仅是本发明的燃料电池氧传感器的两个示例。
[0053] 本文在所述的采用两电极系统的无铅氧传感器不仅紧凑、可靠、不用电、且可跨可接受温度范围操作而无需加热,而且对环境友好。
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