[发明专利]电化学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及电化学传感器的改进，具体地说，提供了一种与常规的电化学传感器相比能在更高的环境温度下操作的电化学传感器，故该电化学传感器可用于更宽范围的应用中。

背景技术

电化学传感器用于探测具体的“目标”气体的存在，所述“目标”气体通常(但不是必须)是污染气体分子，尤其是毒性气体分子。但是，电化学传感器还可用于卫生用途中，例如用于指示手上含酒精的消毒凝胶的存在；用于呼吸含醇量分析仪中；作为在封闭的环境如机动车舱中操作的空气质量传感器；以及用于感知一氧化碳的存在，尤其是探测从汽油驱动的压缩机供给的压缩空气中一氧化碳的存在，在那里空气供给中的一氧化碳会存在一氧化碳中毒的危险。但是，常规的传感器不能在与上述用途有关的环境条件下操作。

常规的电化学传感器通常是双电极或三电极类型的。双电极传感器使用燃料电池技术，包含在电解质中的贵金属电极，并包括在要分析的气体在与电极接触之前通过其的扩散屏障，目标气体(如果存在的话)与电极的反应导致电流流过，从而提供了目标气体存在的指示。在三电极静电位受控装置中，第三电极通常称作参比电极，使传感电极的电势出现偏差，从而控制对具体的目标气体的灵敏度。多孔的扩散屏障(通常是PTFE膜)用作传感电极材料的支撑物，用来在传感电极的空气侧保持干燥的区域，以防止与任何游离的液体电解质的接触。用于感知目标气体分子的存在的气体扩散通过膜进入电催化剂层中到达活性位点，所述活性位点是用电解质湿润的区域，在那里可发生电化学反应以产生目标气体分子存在的输出信号指示。然而，多孔膜是不利的，因为其延迟了气体的通过，从而增加了响应时间。即使膜具有高达50％，甚至更高的孔隙率，也会产生这一效应。此外，该膜将传感器的操作压力限制到大气压或接近大气压；大气压以上的压力变化会损坏或毁坏电极结构，从而损坏或毁坏传感器。

响应时间也受电催化剂上吸附传感器电解质的影响。由于在某种程度上，所有的电解质用作催化剂毒物，所以理想的是可以选择对催化剂的有害影响最小的电解质。但是，中毒效应可通过环境条件来减轻，因此，磷酸(其在室温下是严重的催化剂毒物)可在更高的温度下用作电解质，在该更高的温度下中毒效应会减轻。

影响电化学传感器的响应速率的另一个因素是传感器的内阻，尤其是在双电极传感器的情况下。假设电极本身能充分地导电，则内阻的主要来源将是电解质本身，并且，由于大多数传感器含有酸电解质(其是高(离子的)导电性的)，对电阻具有主要影响的变量是传感器的结构。一些传感器的电极是串联的，从而导致用于导电的长路径长度，因而具有高的内部电阻，这导致优选平行板设计，在该设计中电极之间的分隔间隙尽可能小。较佳地，为了使传感器部件之间产生接触电阻的可能性最小化，传感器制成部件的单一单元(传感电极/隔板+电解质/对电极)，而不是分开地组装入传感器外壳中。然而，该传感器仅含有少量的电解质，因此易受温度和湿度变化的影响。在高温和/或低湿度条件下，水从传感器中蒸发，电解质从电极表面退去，从而改变了其性能特征。另一方面，在低温和/或高湿度条件下，从空气中吸收水，从而导致酸从传感器溢流和可能泄漏的危险。

发明内容

本发明的目的是提供一种电化学传感器，它避免了现有的传感器的问题和缺点。

一方面，本发明提供了一种电化学传感器，它包括传感电极和对电极，以及具有不同孔隙率的第一(传感器)基体(matrix)和第二(贮槽)基体，各个基体含有电解质，所述第一基体的表面与第二基体相邻并接触，所述第二基体具有施涂于其上作为传感电极的催化剂涂层，并且包含在所述第二基体中的电解质能够流向第一基体或者流自第一基体。

在使用时，电解质在第一和第二基体之间流动的能力可在第一(传感器)基体中保持基本上不变的电解质体积，与温度和湿度的环境条件无关。

较佳地，施涂到或置于第一基体上的催化剂涂层具有最小的孔隙率或最大的表面积；传感器基体本身具有中等的孔隙率或表面积，而贮槽基体具有最小的表面积。表面积较大的材料具有较小的孔径尺寸，因此，与较高或较粗孔隙率的表面积较小的材料相比，保持流体的能力更强。

在本发明的传感器中，对电极宜包括施涂在第一基体的其它表面上的催化剂涂层，但是任选地，也可在与第一基体相邻的第二基体的表面上施加涂层。