[发明专利]电化学气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及具有改进的性能和使用寿命的电化学气体传感器。

背景技术

在很大程度上，以下的说明将集中于氧气传感器的例子。然而，如下文所 详细描述的那样，本发明的原理同样适用于其它类型的电化学气体传感器，包 括氧气泵和有毒气体传感器。

安培计型的电化学氧气传感器通常包括气体扩散工作电极(“气敏电极”)， 其通常以分散在PTFE带上的石墨/铂催化剂为基础。氧气在该阴极上被还原， 同时在最常见地用铅(Pb)制成的消耗性阳极(“反电极”)上发生平衡氧化。 电极容纳在外壳中，其可以保留能够支持相关反应的液态电解液(liquid electrolyte)，诸如乙酸钾水溶液。所述传感器设计的关键特征是使用用于调节氧 气进入电池(cell)的受控扩散通道(controlled diffusion access)。通过设置所有 氧气在阴极上发生反应，传感器的电输出可以直接与环境中的氧气浓度相关。

这些原理是众所周知的，并且已经描述在例如B S Hobbs，A D S Tantram和 R Chan-Henry的“Liquid Electrolyte Fuel Cells”中，它是P T Moseley，J O W Norris 和D E Williams，Adam Hilger编辑的“Techniques and Mechanisms in Gas Sensing”， 1991的第6章。然而，在确保该方法可以被转化为用在苛刻环境中的不规则的、 可靠的传感器时存在着许多工程上的挑战。如果用户日益需要所述设备具有更 长的寿命，情况由其如此。

图1举例说明了常规的氧气传感器构造。外壳(仅仅显示了帽10)设有毛 细管气体入口12，该入口典型地可以经机械或激光钻孔而获得。安装到背衬带 16(典型地为PTFE)上的催化剂14，例如铂/石墨/PTFE混合物，一起形成了 阴极气敏或工作电极20。这通过热粘结或热压凹结合(heat stake)到传感器帽 10上，通常围绕着催化剂印痕区(catalyst footprint)外面的圆周区域22，尽管 直接粘结在催化剂上方也是可能的。以盘(优选柔性的)的形式粘结到网状物 31的气体扩散构件30被圈闭在电极组件20和帽10之间。下面进一步描述它的 目的和操作。

气敏电极20和反电极56被分离器(例如41，42)隔开，所述分离器当被 电解液饱和时，其润湿了活性表面，并在两个电极20、56之间提供了通过区域 40的电解通道。此外，它们为所述柔性结构充当了对抗反电极56的衬垫，否则 可能导致损坏。集流器50从气敏电极延伸到一个外部连接，同时筐54(典型地 由镍制成)典型地被用于作为确保可靠接触反电极56的机构，并且通过集流器 58连接到第二外部销。在使用中外部销将电极连接到传感电路。

整个组件填充电解液(其润湿了电极20、56的活性表面)，并随后被密封， 典型地通过将帽10超声焊接到传感器外壳的底部(未示出)来密封。这个动作 也使整个结构置于很大程度的压缩中。为了确保维持分离器41、42和气敏电极 20上的催化剂14之间的良好接触，这是必要的。如果这种接触是不适当的，则 输出的信号容易发生波动，这自然是不希望有的。

这种设计和组装技术已经在许多商品中使用多年。然而，存在许多涉及电 解液、电极背衬带16和扩散器30的性能和相互作用的问题，其仍将导致操作 上的困难，本发明正式特别关注这些问题。

采用扩散器元件30以便防止出现称为“堵塞(plugging)”现象。当通过毛 细管12进入传感器的气体直接撞到电极背衬带16上时会发生这种现象。带16 的性质主要根据为催化剂混合物提供良好的疏水性支撑物以及提供高度的气体 扩散性而选取。然而，即使相对多孔的带也对到来的气体呈现出一定程度的扩 散阻碍，其结果是气体到达活性电极表面的速率不仅仅受控于毛细管12的特性。 实际上，在毛细管12下面小区域内的气体“塞”作为电极控制的结果而建立起来。 次要的影响是在大部分表面上电极的利用可能不同样地有效，导致了较差的效 率。