用于气体测试的传感器和方法技术

一种测试气体的方法包含提供传感器，所述传感器包含感测电极和对电极，所述感测电极包含包括钯的催化剂，所述对电极包含金属催化剂。电解质设置在感测电极与对电极之间，且外部电路连接感测电极和对电极。在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，气体与感测电极接触。检测到电容响应，所述电容响应是在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，由感测电极暴露于气体中产生的。

Sensors and methods for gas testing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于气体测试的传感器和方法
技术介绍
用于检测烃或取代烃的气体传感器已用在各种工业或实验室设置中来用于过程控制。由于这些化合物也能够是可燃的或爆炸性的，因此在使用或制造这些化合物的地方，也已使用气体检测传感器来用于泄漏检测。已经使用或提出了各种类型的传感器。实例包含金属氧化物半导体（MOS）传感器、非色散红外检测器（NDIR）传感器、催化燃烧（pellistor）（球状电阻器）传感器和利用由陶瓷（诸如，钙钛矿）制成的高温固体电解质的混合潜力。烃或取代烃的新应用已经创建并将继续为气体检测传感器创建新的挑战，其经受成本限制和选择性要求。一个这种应用是在冷却和加热领域，其中较老的氯化烃（CFCs）由于它们对地球的臭氧层的不利影响被淘汰。氯化氟碳化合物最初被氯氟烃R12（二氯二氟乙烷）代替；然而，对其臭氧消耗潜力（ODP）的持续关注和对化合物的全球变暖潜力（GWP）的新关注导致它们被像R32（GWP=675）的氟化烃代替。对ODP和GWP的持续关注，伴随着蒸气压缩热交换系统的性能要求，已导致新制冷剂的开发，诸如像反式-1,3,3,3-四氟丙烯（HFOR1234ze）的氟化不饱和烃（即，氢氟烯烃），具有6的GWP。随着更高GWP的制冷剂逐渐减少，这些无毒的制冷剂预计将在全球范围内使用。已经认识到，轻度可燃性将需要布置泄漏检测传感器，以消除内部建筑空间（无论是被人占领还是被管制）中潜在的火灾危险和窒息风险。在许多地区，正在开发建筑规范，其将托管这种气体检测能力。以上类型的传感器在其中它们已被采用的工业或实验室设置中已被使用并具有不同程度的成功。然而，许多这种传感器有局限性，其能够影响它们在要求新的和现有应用（诸如商业应用）中的有效性。例如，由于对其他挥发性有机化合物（诸如酒精或燃料蒸气）的交叉敏感度，MOS和催化燃烧传感器容易出现错误警报。此外，用于检测氟化烃的MOS传感器的耐久性是有问题的，因为MOS传感器能够由于暴露于商业和住宅环境中可能存在的某些化学品而失效。NDIR传感器已被设计为具有良好的选择性和敏感度，但是是一种昂贵的解决方案，并且在设计和用于制冷剂检测时可能需要定期校准。鉴于对用于诸如氢氟烯烃的制冷剂的选择性和成本有效的气体传感器的苛刻要求，仍然需要新的替代品，其可以更适合各种应用。
技术实现思路
根据一些实施例，传感器包括感测电极和对电极，所述感测电极包含包括钯的催化剂，所述对电极包括金属催化剂。电解质设置在感测电极与对电极之间。包含电阻荷载和测量装置的外部电路与感测电极和对电极处的电容器连接，以指示在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，在电阻荷载上测量瞬态电流时分子的吸附和释放。测量装置配置为在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，检测由感测电极暴露于气体中产生的电容电响应。根据一些实施例，一种测试气体的方法包括提供传感器，所述传感器包括感测电极和对电极，所述感测电极包含包括钯的催化剂，所述对电极包括金属催化剂。电解质设置在感测电极与对电极之间，且外部电路连接感测电极和对电极。在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，气体与感测电极接触。检测到电容响应，所述电容响应是在没有施加到感测电极和对电极的电压偏置的情况下，由感测电极暴露于气体中产生的。在以上实施例的任一个中，检测到的由感测电极暴露于气体中产生的在电路中的响应包括电流上的变化。在以上实施例的任一个或组合中，基于响应来确定气体成分的浓度。在以上实施例的任一个或组合中，气体成分浓度的确定包括测量与电容装置的化学吸附或解吸引起的充电或放电相关联的累积电荷，以确定气体中的烯烃或取代烯烃的浓度。在以上实施例的任一个或组合中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，感测电极包括至少50wt.%的钯。在以上实施例的任一个或组合中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，感测电极包括至少10wt.%的钯。在以上实施例的任一个或组合中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，感测电极包括至少1wt.%的钯。在以上实施例的任一个或组合中，感测电极包括离聚物和包括钯的纳米颗粒。在以上实施例的任一个或组合中，电解质包括质子导电聚合物膜。在以上实施例的任一个或组合中，气体包括烯烃或取代烯烃。在以上实施例的任一个或组合中，气体包含氢氟烯烃。在以上实施例的任一个或组合中，传感器进一步包括从传感器的外表面到感测电极处的内部室的通道。在以上实施例的任一个或组合中，传感器进一步包括将气体引导到感测电极的鼓风机。附图说明此公开的主题在说明书结尾处的权利要求书中特别地指出并明确要求保护。从结合附图的以下具体实施方式中将清楚本公开的前述和其他特征和优点，其中：图1描绘了如本文所述的气体传感器的示意图；图2描绘了如本文所述的另一气体传感器的示意图；图3描绘了包括浸渍有质子导电离聚物的负载催化剂的微观电极结构的示例性图示，包含传感器的可逆化学充电/放电；图4描绘了如本文所述的传感器的电流响应；以及图5描绘了如本文所述的传感器的充电和放电响应。具体实施方式现在参见附图，图1中示意性地示出了气体传感器组件10。如图1中所示，气体传感器10包括设置在感测电极14与对电极16之间的电解质12。电解质12、感测电极14和对电极16能够统称为膜电极组件（MEA）。集电器15和17附接到电极并连接到电路18，其包括测量和/或控制装置19。集电器15、17能够由导电网或毡形成，并且被描绘成具有厚度，使得它们也能够用作气体扩散介质来促进气体在电极14、16的表面处扩散。在其他实施例中，集电器15、17能够是电极14、16表面的上相对薄的、几乎二维的导电屏，在这种情况下，不必导电的气体扩散介质能够定位在电极14、16附近。集电器/气体扩散介质15、17能够由导电材料（诸如碳、石墨化碳或不锈钢）形成。外部电阻荷载18与电容传感器连接。跨越荷载18的瞬态电压降是电化学能力的充电或放电的表现。测量装置19设置在连接感测电极14和对电极16的电路20中。测量装置19能够是电压表或安培表，但在许多情况下包括具有集成的荷载和电压和/或安培测量功能的电路、微处理器或类似电子装置。在一些实施例中，电阻荷载18和测量装置19能够一起集成到单个单元中。壳体22设置在MEA周围，具有开口24，以允许测试气体以通过开口的尺寸调节的气体流量进入传感器。开口24被示为完全打开，但是应该理解，它们可以覆盖有屏幕或气体可渗透膜或吸附器，以防止微粒或其他污染物。此外，尽管开口24出于说明的目的被示为直接通向图1中的集电器/气体扩散介质15，但也能够将测试气体引入一个或多个内部室或通道21中，其为测试气体提供从传感器的外表面到感测电极14的入口，如图2所示（其使用与图1中相同的编号来描述相同的部件）。如图2中进一步示出地，可选风扇或鼓风机23也能够与传感器集成，以将测试气体（由箭头26表示）引导向感测电极14。参见图1和图2，密本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测试气体的方法，包括：/n提供传感器，所述传感器包括感测电极、对电极、电解质和电路，所述感测电极包含包括钯的催化剂，所述对电极包括金属催化剂，所述电解质设置在所述感测电极与所述对电极之间，所述电路连接所述感测电极和所述对电极；/n在没有施加到所述感测电极和所述对电极的电压偏置的情况下，与所述感测电极接触；并且/n检测由所述感测电极暴露于气体中产生的电容响应。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170512 US 62/5056481.一种测试气体的方法，包括：
提供传感器，所述传感器包括感测电极、对电极、电解质和电路，所述感测电极包含包括钯的催化剂，所述对电极包括金属催化剂，所述电解质设置在所述感测电极与所述对电极之间，所述电路连接所述感测电极和所述对电极；
在没有施加到所述感测电极和所述对电极的电压偏置的情况下，与所述感测电极接触；并且
检测由所述感测电极暴露于气体中产生的电容响应。


2.如权利要求1所述的方法，其中，检测到的由所述感测电极暴露于气体中产生的在所述电路中的响应包括电流上的变化。


3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括基于所述响应确定气体成分的浓度。


4.如权利要求3所述的方法，包括测量与所述电容装置的化学吸附或解吸引起的充电或放电相关联的累积电荷，以确定气体中的成分的浓度。


5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，所述感测电极包括至少50wt.%的钯。


6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，所述感测电极包括至少10wt.%的钯。


7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，基于金属催化剂和/或催化剂载体和离聚物的总干重，所述感测电极包括至少1wt.%的钯。


8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述感测电极包括离聚物和包括钯的纳米颗粒。


9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述电解质包括质子导电聚合物膜。


10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述气体包括烯烃或取代烯烃。


11.如权利要求10所述的方法，其中，所述气体包括氢氟烯烃。


12.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨智伟，陈磊，
申请(专利权)人：开利公司，
类型：发明
国别省市：美国;US