催化作用的电场增强性能及包含气体的固态装置的制作方法

专利名称：催化作用的电场增强性能及包含气体的固态装置的制作方法
催化作用的电场增强性能及包含气体的固态装置本申请要求2007年12月12日提交的序列号为61/013，287的美国临时申请的优 先权，其整体在此引用作为参考，包括任何附图、表格或者图形。
背景技术：
电化学电池为离子导体之间两种电极材料的耦合，从而在离子导体、电极和气体 之间的界面上发生电化学反应。电极材料通常为金属或者半导体而离子导体通常为电解 质。电极还可包括混合的电子/离子材料。当前，钇稳定氧化锆(YSZ)正用作某些气体传 感器和燃料电池的电解质材料。电化学电池可以以开路模式运行或者可用于随着向电池施加电流或者电压而驱 动反应。在许多装置例如气体传感器和燃料电池以及应用例如电镀中使用电化学电池。电 化学电池还用在将反应物转换为有用副产品的催化中。气体传感器为检测单种或者多种气体的浓度或者存在的装置。气体传感器可但不 必包括电化学电池。没有电化学电池的气体传感器可被看作非电化学装置。气体传感器可 具有用于检测气体的不同转换机制以及可通过检测多种气体而为多功能的。例如，可采用 电位测量、电流测量、或者阻抗测量。多数气体传感器的一个问题在于其它气体的交叉干扰 或者差的选择性。燃料电池为将化学能直接转换为用于在例如汽车和家庭的的应用中能耗的电能 的装置。固体氧化物燃料电池(SOFC)为一种组合夹在至少两个电极之间的固体电解质的 燃料电池，其中一个电极用作阴极另一个电极用作阳极。燃料电池还可组合为层叠组件以 增大功率输出。在电解质为阳离子导体的情形，氧气在阴极反应并在氧气与例如H2或者CO2 的燃料发生电化学反应的地方通过作为离子的电解质被输送阳极以产生电能。在利用电化学电池的某些装置中，组合非法拉第电化学改性的催化活性(NEMCA) 效应用于通过对电化学电池中的电极直接施加电压或者电流而增强催化反应。在催化作用中，反应动力学包括改变中间步骤速率的过程和反应中的其它过程。 这些改变影响总的反应速率。反应能量学涉及激活反应步骤的许多不同能垒。例如，扩散障碍为一种类型的能 垒。可通过对系统增加能量而克服这些能垒。通常热能用于克服这些能垒。反应路径为从初始反应物至最终产品时反应所遵循的步骤。反应所遵从的路径必 须部分地与系统的动力学和能量学有关。吸附和解吸为气相分子被俘获(物理吸附)或者 束缚至表面(化学吸附)的过程。这些过程还影响反应的动力学和能量学。表面弛豫包括整个吸附层的运动，而表面重构包括表面周期性的变化。两个过程 都可改变反应进行的路径。表面动力学可涉及包括表面上动力学运动的过程，例如气体 (相)分子与表面的碰撞或者物质在表面上的扩散。催化剂可作为电化学装置的部分存在或者位于用来或者为催化剂提供某种结构 或者将催化剂分散在不同反应位置的“催化剂载体”顶上。催化反应的一个主要问题为“毒物”的存在所引起的削弱转换。“毒物”的存在还可对气体传感器、燃料电池和其它相关装置产生不利影响。毒物可阻挡吸附位置或者引起 相位重构；后一种情形可由与例如来自电解质的氧气形成络合物的毒物引起并且可能接下 来发生络合物的解吸。这一点可阻止某些依靠该氧气存在的机制发生，从而抑制该装置或 者催化剂正常运行。

发明内容
本发明的实施例涉及电场增强化学和/或电化学反应。可产生并成形电场以改变 气体吸附和用于各种应用的其它化学反应。可采用作为有意偏置以产生电场的导电表面的 电场电极提供所产生的电场。本发明的某些实施例可应用于气体传感器、燃料电池和其它 电化学装置。此外，某些实施例可用于改进电化学促进反应(NEMCA)的性能和任何其它涉 及至少一种气体物质的一般催化反应，例如乙烯氧化。根据本发明实施例设置的电场电极 还可用于非电化学装置例如不用电解质的气体传感器。在实施例中，电场电极可应用于气体传感器。电场电极可设置为改进气体传感器 的灵敏度、选择性、和响应时间。在一个实施例中，电场电极可被定位为施加与气体传感器的测量电极平行的电 场。在另一个实施例中，电场电极可应用于气体传感器以成形电场分布。在这样的实 施例中，可相对于气体传感器的测量电极定位电场电极以相对于装置或者催化剂载体上的 具体位置施加期望的电场分布。电场可相对于特定的局部反应区或者整个装置成形为垂 直、平行或者其间的任何角度。此外，装置不同区域电场的相对强度可不同。在另一个实施 例中，电场电极可应用于组合空气参比电极的气体传感器。在实施例中，电场电极可应用于燃料电池。电场电极可用于稳定表面上的吸附络 合物/使表面上的吸附络合物不稳定并去除或者抑制毒物在燃料电池表面上累积。根据本发明实施例设置的电场电极可用于采用外部产生的电场改变存在于电化 学系统中偶极层区域周围的局部电场。“电场电极”可用于增强化学/电化学反应和各种装置及应用中的性能。该“电场 电极”可有效并主动地成形以获得增强的性能。在电化学装置的实施例中，很少或者没有 (电离或者电子)电流或者电荷被引入金属/电解质或者半导体/电解质界面。另外，该 “电场电极”可组合该装置的任何其它具有至少一个不同于对电场形状起作用的另外的目 的的结构或者元件。在如果需要可采用多个电压源时可以以电池或者其它电压源施加电压。可以以微 控制器、多路转换器、(电阻)分压器、和/或其它对各种“电场电极”施加不同电压值或者 偏置方案的设备。存在多种可用于制造这些装置的技术。可同时制造多个装置并在制造后通过各种 工具分离该多个装置。另外，这些和其它技术可用于在电场增强催化剂载体上沉积催化剂。 可采用本领域技术人员所熟知的下面的技术或者其它技术的任意组合i)多层制造流延、丝网印刷；ii)自底向上(加法)方法
直写法(例如抽吸或者气溶胶沉积)、浸涂法、旋涂法、激光烧结法；iii)多步(减法)法采用光刻法和在制造微电子元件和微电机械系统(MEMS)时所使用的其它技术进 行微型加工、电子束和激光减法制造、激光微加工；iv)电线附加方法和金属化用于金属化或者电线附接的金属优选能够经受恶劣环境、电线接合(例如金或者 钼线)、铜焊、和/或任何其它电线附接方法。不同的金属化可存在于多层中并且通过层间 存在的通孔相互连接；ν)装置封装标准或者新的封装技术和高温(或者任何其它的)电子装置和/或传感器的设计 可以和该装置一起使用；并且vi)催化剂沉积可采用任何方法例如旋涂、浸涂或者热喷涂将催化剂材料沉积在载体上。本发明的实施例可涉及性能增强气体传感器、燃料电池、和其它电化学或者非电 化学装置，化学处理和改进催化转换器的增强催化反应。实施例可根据应用的不同，包括汽 车制造商、传感器公司、电业公司、和/或化学制造公司，获得较低的成本、提高的生产率、 效率和/或精度。


图1A-1C示出了根据本发明实施例的平面气体传感器。图IA示出了根据本发明 实施例电场平行于测量电极施加的平面气体传感器的横截面视图，图IB示出了图IA的平 面气体传感器的俯视图，而图IC示出了图IA的平面气体传感器的仰视图；图2A-2C示出了根据本发明实施例的平面气体传感器。图2Α示出了根据本发明 实施例具有有源成形电场的电场电极的平面气体传感器的横截面视图，图2Β示出了图2Α 的平面气体传感器的俯视图，而图2C示出了图2Α的平面气体传感器的仰视图；图3Α-3Β示出了对于多种环境温度在采用和不采用电场电极时(偏置方案1，表格 2)比较NO和NO2灵敏度变化的视图；图3C-3D示出了在500C下对图2A-2C示出的实施例施加负(_)场偏置的偏置方 案1 (表格2)的NO和NO2灵敏度的结果；图3Ε示出了在500C下施加至图2A-2C所示出实施例的偏置方案2 (表格2)的对 NO和NO2传感器响应；图3F示出了施加至图2A-2C所示出实施例的偏置方案3(表格2)的NO结果，其 中装置的仅仅La2CuO4侧的导电层11和19通电；其它导电层不通电；图3Η示出了施加至图2A-2C所示出实施例的偏置方案4(表格2)的结果；图4A-4D示出了采用根据图2A-2C所示出实施例的平面传感器的三种不同的有源 成形电场的电场图；图5A-5C示出了根据本发明实施例的平面气体传感器。图5Α示出了根据本发明 实施例具有空气参比电极的平面气体传感器的横截面视图，图5Β示出了图5Α的平面气体 传感器的俯视图，而图5C示出了图5Α的平面气体传感器的仰视图6A-6B示出了根据图5A-5C所示出实施例在各种温度下暴露在650ppmN0或者 NO2的气体进料组成期间在各种施加电场电压下脱离半导体材料的NOx浓度变化的质谱比 较；图6C-6D示出了在450C下根据图5A-5C的实施例的平面气体传感器对NO和NO2 以及在650ppm进料组成期间NOx浓度相应变化的灵敏度曲线。图6C示出了暴露在NO的传 感器的灵敏度曲线和NOx水平，而图6D示出了暴露在NO2的传感器的灵敏度曲线和NOx水 平；图7A示出了用于温度编程解吸(TPD)测试的样品示意图；图7B-7E示出了解吸分布图。图7B和7C分别示出了根据本发明实施例的具有 300°C下NO的初始吸附的所测量的NO和NO2解吸分布，图7D和7E分别示出了根据本发明 实施例的具有300°C下NO2的初始吸附的所测量的NO和NO2解吸分布；图8A-8F示出了利用电场增强的装置(包括气体传感器)的各种其它可能的设 置。图8A示出了基底(电解质或者其它材料)的俯视图，其中每个测量电极被多个在测量 电极周围形成虚线环的多个“电场电极”所围绕。图8B示出了图8A的横截面，其中测量电 极和“电场电极”显示在一个表面上，而加热器结构(蛇形或者其它图案)在另一个表面上。 图8C示出了图8A的横截面，但现在“电场电极”和加热器结构嵌入基底中，新的层(电解 质或者其它材料)处于基底和测量电极之间；图8D和8E示出了图8A的横截面，其中加热器结构嵌入基底中而第二层介于基底 和测量电极之间；电场电极现在形成盘状而非虚线结构。另外，8D示出了在每个测量电极 上方形成腔的结构；电场电极附加于该结构的内侧。图8E示出了类似的形成腔的结构，但 是电场电极处于该结构的顶部；图8F-8H示出了利用电场增强的装置的若干其它结构。8F示出了在每个都具有 至少两个测量电极的基底顶部存在两个矩形层的实施例的俯视图。若干电场电极以虚线结 构围绕每个该矩形层。8G示出了 8F的横截面，其具有矩形层和相应的测量电极和电场电 极。加热结构示出为处于底面上。图8H示出了另一个其中测量电极位于顶部的其中一个 矩形区域被与基底接触的气敏材料代替的可能的实施例。在两个位置对该材料形成电接 触。该实施例的其余部分与8G相同；图9A-9C示出了根据本发明实施例的电化学装置(例如燃料电池)。图9A示出 了根据本发明实施例的具有电场电极的电化学装置(例如燃料电池)的横截面视图，图9B 示出了图9A的电化学装置(例如燃料电池)的俯视图，而图9C示出了图9A的电化学装置 (例如燃料电池)的仰视图；图10A-10C示出了根据本发明实施例的电化学装置(例如燃料电池)。图IOA示 出了根据本发明实施例的具有平面结构电场电极的电化学装置(例如燃料电池)的横截面 视图，图IOB示出了图IOA的电化学装置(例如燃料电池)的俯视图，而图IOC示出了图 IOA的电化学装置(例如燃料电池)的仰视图；图11A-11C示出了根据本发明实施例的催化剂床。图IlA示出了根据本发明实 施例的用于催化过程的催化剂床的横截面视图，图IlB示出了图IlA的催化剂床的多边 形-柱面形状的俯视图，而图IlC表示催化剂颗粒。
具体实施例方式本发明的实施例涉及通过采用装置或者反应或过程位置周围特别形成(或者“成 形”)的电场增强化学反应和相关的过程。所形成的电场可用于改进若干应用中的性能，包 括应用于气体传感器、燃料电池、和其它电化学装置例如隔氢膜。所形成的电场还可用于改 进已知通过电化学电池的直接偏置增大催化剂速率的电化学“促进”反应例如对催化活性 的非法拉第电化学改性(NEMCA)的性能。此外，所“成形”电场可用于增强包含气体的任何 一般催化反应。例如，可增强气体重整和一般催化转换。这一点包括为某目的依靠或者利 用气体吸附或者催化反应的其它非电化学装置例如电阻型气体传感器、或者例如气体分离 的应用的增强性能。根据本发明的实施例，电场可用于改变各种应用的气体吸附和化学反应。当在 (至少)两个表面之间施加电压时可产生电场。而且，可施加多种电压。这些表面都不需 要处于该装置附近。其中一个表面可以为地面。有意通过施加电压而偏置以产生电场的导 电元件可称为“电场电极”。通过不造成电流(电子或者离子)经过装置的方式产生间接产生的外部电场。在 间接产生的电场中，通过如电容器一样的绝缘体以及不传导离子的材料阻挡电流。但是当金属或者半导体具有直接施加于其的电压从而电流流经材料时形成直接 产生的电场。当电化学电池直接偏置时情况也是如此，不同的是，在电解质和金属或者半导 体电极之间的界面上，电流提供用于发生电化学反应而非流经装置的电子。对电化学电池而言，间接产生的电场不产生到达构成电池的电解质或者电极的电 荷。但是，直接产生的电场对金属或者半导体和电解质的界面提供电荷。根据本发明的某些实施例，装置或者催化剂载体的其它部分可直接或者间接地参 与电场产生。直接参与的实例为其中和NEMCA —样电压或者电流直接施加至电池。间接参 与的实例为“天然”电场存在于材料中。本发明的实施例有源成形电场。在有源成形期间，电场分布可被构造得均勻或者 非均勻，并且可有效并有源地相对于装置或者催化剂载体(例如局部反应区)或者整个装 置/载体上的具体位置“成形为”任何期望(外形)分布。电场可相对于局部反应区或者整 个装置/载体为垂直、平行或者在其间形成任何角度。电场也可穿过装置中的任何点。另 外，装置/载体中各点的场强可不同。可以以任何数量和/或围绕局部反应区或者整个装置/载体的结构放置电场电 极。可在任何指定时间使用单个或多个“电场电极”。不同的层材料可用于不同的“电场电 极”以和周围的材料兼容。可作为绝缘、导电和覆层的单个或多个实例提供“电场电极”。指 定“电场电极”每层类型的数量不必与其它“电场电极”中的层数相同。“电场电极”可嵌入 装置的表面内或者表面上。“电场电极”可存在于装置/载体内特殊设计的腔中并且可组合 段间间隙。电场电极的绝缘层用作经过不期望电荷流的装置、催化剂、或者催化剂载体(即 基底支撑载体)区域的电荷(即电子或者离子)流的阻挡层。层可但不必参与化学和/或 电化学反应。电场电极的导电层用作电荷从电荷源(例如电源)到达(阻挡)绝缘层的路径。 导电层可但不必参与化学和/或电化学反应。导电层可由导电材料例如金(Au)形成。
电场电极的覆层或者盖层用于阻止气体被吸附到电场电极的导电层上。覆层还用 于进一步(机械地)使导电层和绝缘层固定于基底。覆层可但不必参与化学和/或电化学 反应。覆层可但不必由绝缘材料形成。电场电极可呈现任何几何形状例如方形或者圆形，包括厚度和其它尺寸的变化。 电场电极各种层的几何形状和层类型可但不必相互不同。施加至任何指定“电场电极，，的电荷可以为正电荷或者负电荷。“电场电极，，可可 选择地接地或者浮置。可通过改变正电荷或者负电荷的位置或者通过改变哪些“电场电极” 接地或者浮置而改变电场“方向”。任何值或者符号的固定(DC)电压可施加至“电场电极”。“电场电极”上的固定电 压可与所有(或者一些)其它“电场电极”不同或者相同。对任何指定的“电场电极”所施 加的电压可在“恒定”或者“脉冲”偏置方案直接切换。对任何指定的“电场电极”所施加的 电压可在“恒定”(DC电压)和(AC电压)偏置方案直接切换。可在不同的时间以固定或者变化的值和周期产生脉冲(DC电压)电场。在这种机 制下，通过对所有或者一些“电场电极”施加所施加(DC)电压以及从其去除所施加(DC)电 压而使电场产生脉冲。对于不同的“电场电极”脉冲的周期和/或值可但不必相同。对任 何指定的“电场电极”所施加的电压可在“脉冲”或者“恒定”偏置方案之间切换。对任何指 定的“电场电极”所施加电压可在“脉冲”(DC电压)和(AC电压)偏置方案之间切换。在一些实施例中，可对“电场电极”施加时间改变(例如正弦)电压。对任何指定 的“电场电极”所施加的电压可在(AC电压)和(DC电压)偏置方案之间切换。可通过任何方式在任何时间测量任何“电场电极”的电流和电压以保证其在装置 或者催化剂运行期间继续工作。通过采用根据本发明实施例的电场电极调控电场，可利用某些机制以增强催化作 用和包含气体的固态装置的性能。电场增强可造成分子内吸附键或者表面吸附键的分子弯 曲模式的频率变化。这些静电机制可造成键角和或键长变化。此外，极化及因而产生的稳 定、对准、或者表面原子或者大原子方位或者吸附物(可为极化物质)的变化也可发生。化学机制可包括轨道和供给/反给的量的更改。可影响络合物形成(对带电和不 带电物质)稳定性的表面和/或被吸附物的电子密度和泡利斥力都可发生变化。这些化学 机制可改变分子内被吸附物键或者表面被吸附物键的强度。在一些实施例中电场可产生静电和化学机制。两种机制所起作用可能相同，或者 一种可能比另一种占主导。此外，静电和化学机制都还可改变吸附层中被吸附物之间的横 向作用。在其它实例中电场可造成装置或者过程中所包含的材料的费米能级变化，从而改 变一些或者所有材料的吸附和/或催化特性。电场增强后对系统产生的变化可引起若干不同的效果。一种效果为改变反应路 径。例如，新的反应路径可由于电场增强而获得。这一点可共同改进催化速率、副产品浓度 或者新的副产品。反应动力学可改变为开启新的反应路径或者降低(或者提高)发生反应 所需要的温度。另一种效果为改变吸附/解吸或者解离/重组过程。例如，可防止反应抑制剂(或 者“毒物”)的吸附物的累积或者使得其以期望的方法解吸。反应助催化剂(例如增强反应的共吸附物)可通过电场相互吸引或者被特殊的反应位置吸引。此外，期望的反应可加速 或者不期望的反应可减速。电场可影响这些过程发生的温度并且可稳定这些过程或者使这 些过程不稳定。表面弛豫或者重构可变至较低(或者较高)温度。可阻止旧的弛豫/重构过程或 者可获得新的弛豫/重构过程。在实施例中，“电场电极”可用于通过对表面更新例如因为 毒物而损失并在随后造成新表面相位形成的氧阻止相位重构。电场增强可加速或者减速某些物质的扩散，造成反应变化。如果电场具有大范围 影响则也可改变气体分子与气体相位的碰撞；这一点可改变反应进行的路径。电场可造成常常在反应如何进行方面起重要作用的系统热力学发生变化。在反应 依靠各种物质或者络合物的热力学的装置或者应用中，“电场电极”可移动平衡以获得新的 反应和/或络合物，或者改变这些反应发生的温度。此外，可以以改变上面提到的过程的方式影响气相。因此，可有效“成形”通过“电场电极”产生的电场以在装置/载体或者装置/载 体中的具体位置产生期望的电场分布。另外，如果需要所成形电场可随着时间有源改变。以“电场电极”产生的电场可用于有意地(或者无意地)“强迫”吸附、解吸、或者 特殊反应。以“电场电极”产生的电场可用于倒转抑制剂中毒的影响。以“电场电极”产生的电场可用于吸引反应助催化剂。以“电场电极”产生的电场可用于增强电化学装置(例如气体传感器和燃料电 池)、非电化学装置(例如不利用电解质的气体传感器)和一般催化反应(例如乙烯氧化) 或者电化学增强(即NEMCA)反应的性能。电场电极可用于改进例如气体传感器的灵敏度、选择性、和响应时间的特征。“电 场电极”可组合进气体传感器阵列中，其具有其它性能增强特征例如嵌入发热器等等。气体 传感器阵列可具有多个电极并可用于检测大量气体。该气体传感器中的测量电极可处于相 同的气体环境中并且可以但不必包括空气参比或者其它类型的参比电极。在电化学系统中，局部化电场存在于已知为偶极层的区域周围。该区域对电化学 反应在该系统中发生的方式是重要的。通过采用以“电场电极”产生的外部电场，可改变这 些“天然”电场。对电场的直接控制可造成系统发生期望的变化。NEMCA对产生于直接偏置 的电场的控制是有限的，这是因为提高的直接偏置可产生焦耳热和/或电解质或者电极的 分解。但是，以“电场电极”产生的电场极限可能为高许多数量级。“电场电极”可用在气体传感器中以改变装置的灵敏度、选择性、和响应时间。“电 场电极”还可用于如其对离开装置的气体组分和存在于装置表面的物质的影响所示地改变 催化反应。本发明的某些实施例可涉及电压测量、阻抗测量(电阻和/或电容)或者电流测 量气体传感器。图1A-1C示出了采用平行于气体传感器测量电极的电场电极施加电场的实施例。 参考示出根据本发明实施例的气体传感器应用的平行电场实施例的横截面的图1A，测量电 极1和2可附接至基底3。基底3可以电解质或者其它材料。在基底3由电解质形成的具 体实施例中，基底可由钇稳定氧化锆(YSZ)形成。在一个实施例中，测量电极1和2可由相同的材料形成。但是，在其它实施例中，测量电极1和2可由不同的材料形成。例如，在具 体实施例中，第一测量电极1可由La2CuO4B成，而第二测量电极2可由钼(Pt)形成。当第 一电极1和第二电极2与基底3接触以及基底3为电解质时形成电化学电池。可在单种气体环境中设置测量电极1和2。在固体电解质3的与第一和第二测量 电极1和2相反的侧可设置电场电极以施加平行电场。可相应于第一测量电极1设置第一 电场电极6和第二电场电极8。可相应于第二测量电极2设置第三电场电极7和第四电场 电极9。在具体实施例中，可在第一和第二电场电极6和8以及固体电解质3下方设置第 一绝缘体4，可在第三和第四电场电极7和9以及固体电解质3之间设置第二绝缘体5。第 一和第二绝缘体4和5可例如由Al2O3形成。电场电极的电极可由导电材料形成。例如，电 极可由金(Au)形成。可在每个电场电极上设置覆层以进行绝缘并改进粘接。覆层例如由 Al2O3形成。绝缘层4和5可使得电场电极6和7的导电层不与基底3接触。如果基底3选 为电解质，则不认为绝缘层4和5以及导电层6和7是电化学电池的部分。图IB示出了图IA的测量电极1和电极2设置在基底3上的图IA所示出的平行 电场实施例的顶面。金属导线或者其它金属化(未示出)可以以许多方式连至测量电极。 对传感器而言，这些导线可用于向测量装置发送关于电极上电动势场(EMF)的信息。图IC示出了图IA示出的平行电场实施例的底面，其中绝缘层4和导电层6和8 构成两个“电场电极”。金属导线(未示出)可以以多种方式连至电场电极。不同的“充电方案”可用于获得气体传感器灵敏度、选择性、响应时间等等的变化。 通过经在任意导电层6至9上的施加电压积累正(+)或者负(-)电荷而实现这一点。如下面的表格1所示，存在多种不同的“充电方案”，每种机制造成装置中不同的 电场分布，并因此造成传感器行为的不同更改。表格 1 如这里所讨论的，电场电极可用于“成形”装置中的电场分布。该技术在气体传感 器装置中进行测试并建模以示出在“成形”期间场分布如何改变。图2A-2C示出了将成形电场施加于平面气体传感器的测量电极的实例。参考示出了气体传感器应用的成形电场实施例的横截面的图2A，测量电极13和 17可附接至基底24。基底24可以为电解质或者其它材料。在其中基底3由电解质形成的 具体实施例中，基底可由YSZ形成。如参考图1A-1C所描述的实施例所描述，测量电极可由 相同或者不同的材料形成。例如，第一测量电极13可由La2CuO4而第二测量电极17可由Pt 形成。如果基底24为电解质，则第一测量电极13、第二测量电极17、和基底24构成电化学 电池。可在单种气体环境种设置测量电极13和17。
电场电极可设置在固体电解质24的位置上以施加有源成形电场。第一电场电极 11可以以环形设置在第一测量电极13周围，而第二电场电极15可以以环形设置在第二测 量电极17周围。第三电场电极19可设置在固体电解质24的与第一测量电极13相反的 侧面上并设置为对应第一电场电极11的环形，而第四电场电极22可设置在固体电解质24 的与第二测量电极17相反的侧面上并设置为对应第二电场电极15的环形。在具体实施例 中，第一绝缘体10可以以环形设置在第一电场电极11和固体电解质24之间，第二绝缘体 14可以以环形设置在第二电场电极15和固体电解质24之间，第三绝缘体18可以以环形 设置在第三电场电极19和固体电解质24之间，而第四绝缘体21可以以环形设置在第四电 场电极22和固体电解质24之间。第一、第二、第三和第四绝缘体10、14、18和21可由例如 Al2O3形成。电场电极的电极可由导电材料形成。例如，电极可由金(Au)形成。覆层可设置在每个电场电极上以进行绝缘。在具体实施例中，第一覆层12可设置 在第一电场电极11上，第二覆层16可设置在第二电场电极15上，第三覆层20可设置在第 三电场电极19上，而第四覆层23可设置在第四电场电极22上。覆层可由例如Al2O3形成。 如果需要可省略覆层。金属导线或者其它金属化(未示出)可夹在单独的导电层和覆层之 间。电场电极的导电层不与基底24接触，尽管如果需要覆层可接触。如果基底24为电解 质，则层10至12、14至16、18至20和21至23不是电化学电池的一部分。图2B示出了成形电场实施例的顶面，其中测量电极13和电极17附接至基底24。 金属导线或者其它金属化物(未示出)可以以多种方式附接至测量电极。对于传感器应用 而言这些导线用于向测量装置发送关于电极上EMF的信息。多个测量电极和“电场电极”也 可组合至该装置中，使其形成气体传感器阵列。图2C示出了所成形电场实施例的底面，其中绝缘层10、14、18和21以及导电层 11、15、19和22形成四个电场电极。金属导线(未示出)可以以多种方式附接至“电场电 极”(与导电层接触)。该电场电极也可具有与环形不同的几何形状；实际上测量(或者其 它有源材料)可以和设置在中心的电场电极一起形成环形。不同的“充电方案”可用于获 得气体传感器灵敏度、选择性、响应时间等等的变换。通过经在任意导电层11、15、19和22 所施加的电压积累正⑴或者负㈠电荷而实现这一点。如下面的表格2所示，存在多种不同的“充电方案”，每种机制造成装置中不同的 电场分布，并因此造成传感器行为的不同更改。采用成形电场实施例测试充电方案1至3。 注意，在充电方案6中，导电层11 (和19)与15(和22)具有不同的电荷值(即施加至每层 的电压的值不同)。其它方案也可采用但尚未进行测试；这些方案被包括在内以示出“所成 形电场”装置的优点。表格2
图3A-3H描述了图2A-2C示出的所成形电场实施例的结果。测量电极13和17 分别为La2CuO4和Pt。图3A表示图2A-2C所示出的所成形电场实施例的(电压测量)NO传感器结果。 测量电极为暴露于相同的气体环境的Pt和La2Cu04(即没有空气参比)。该图比较没有电 场的状况与具有采用充电方案1的+IV偏置在450C、500C、550C和600C下的状况。在该图 所表示的试验中，顶部电场电极(围绕Pt和La2CuO4测量电极)正偏置。基底相反侧上相 应的“电场电极”均为负偏置。换言之，在顶部电场电极(高电压)和底部电场电极(低电 压)之间施加电压。图3B表示图2A-2C所示出的所成形电场实施例的NO2传感器结果。测量电极为 Pt和La2Cu04。该图比较没有电场的状况与具有采用充电方案1的+IV偏置的状况。在该 附图所表示的试验中，顶部电场电极(围绕Pt和La2CuO4测量电极)正偏置。基底相反侧 上相应的“电场电极”均为负偏置。图3C示出了图2A-2C所示出的所成形电场实施例的稳态传感器响应。在该种情 形，采用充电方案1(表格2)对顶部“电场电极(围绕Pt和La2CuO4测量电极)”施加不同 强度的负(_)偏置。基底相反侧上相应的“电场电极”均为正偏置。图3E示出了施加至图2A-2C所示出实施例的偏置方案2(表格2)的NO和NO2传 感器响应。在表示为正偏置的情形，对围绕La2CuOjU量电极的电场电极(导电层11)和与 Pt测量电极对准的基底相反侧上的电场电极(导电层22)施加高电压。同时，对围绕Pt测 量电极的电场电极(导电层15)和与La2CuO4测量电极对准的基底相反侧上的电场电极(导 电层19)施加低电压。在标记为负㈠偏置的情形，施加至电场电极的高电压和低电压相 反。图3F和3G示出了施加至图2A-2C所示出的实施例的偏置方案3的NO和NO2灵 敏度结果。在这种情形对围绕La2CuO4测量电极的电场电极(导电层11)施加负偏置，并 对基底相反侧上相应的电场电极(导电层19)施加正偏置。与Pt测量电极对准的其它两 个电场电极(导电层15和22)无偏置(浮置)。图3H示出了施加至图2A-2C所示出实施例的偏置方案4的NO和NO2灵敏度结果。 在这种情形对围绕Pt测量电极的电场电极(导电层15)施加正(或者负(-))偏置，并对 基底相反侧上相应的电场电极(导电层22)施加负(或者正)偏置。与La2CuO4测量电极 对准的其它两个电场电极(导电层15和22)无偏置(浮置)。对图2A-2C所示出的实施例使用在表格2的各种充电方案中的电场电极造成气体 传感器的不同测量行为(图3A-3H)。如图3A所示，对于充电方案1(表格2)，对NO的传感器响应随着施加IV的电场偏置而改变。另外，变化幅度随着环境温度改变而不同。但是， 当与图3B比较时，清楚的是电场电极对装置的NO2响应要大得多。造成传感器响应的机制 的选择性增强或者减弱在多种电化学装置、非电化学装置和其它相关过程中非常有用。如 图3C和3D所示充电方案1 (表格2)造成极大(NO灵敏度的 20X增加和NO2灵敏度的 IOX增加)。另外，对NO2的灵敏度开始为负并且在获得正响应之前趋向于零灵敏度。同时， NO响应仅仅正向增大。因此，可能选择NO而非NO2。使用图3E所示出的充电方案2示出了所成形电场进一步增强气体传感器的能力。 在这种情形，正的电场偏置使得NO2响应随着偏置增加而增加，NO灵敏度仅仅稍微增加但随 着偏置增加不再有其它变化。另一方面，负电场偏置使得降低的NO灵敏度几乎为零，同时 维持NO的灵敏度。实际上对于电场电极的-0. 5V偏置，NO灵敏度可忽略而NO2灵敏度实际 上增加。如图3F-3G所示，充电方案3 (表格2)随着电场偏置改变产生NO和NO2灵敏度相 似的变化。这一点表示该充电方案可用于获得增强的总-NOx传感器信号。图3H进一步示出了各种成形电场以多种方法增强装置的能力。在这种情形，结 果表明偏置方案可使得选择N0，这是因为NO2灵敏度趋向于零而NO灵敏度保持相对不变。 另外，对每个所成形电场偏置获得不同的结果表示相似的增强可用于改进其它电化学装 置、非电化学装置和其它相关过程。图4A表示示出采用充电方案3的图2A-2C的所成形电场实施例相对电场强度的 电场分布图25。这里，“电场电极” 26带正电荷，而“电场电极” 28带相同值的负电荷。“电 场电极”27和29浮置。附图中的每个分布25表示从装置表面离开并且在围绕装置的整个 气体环境中的不同场强。虽然未示出，应当注意的是场强分布也延伸通过基底30和装置的 其它部分(即电场透过装置)。图4B表示和图4A所表示的充电方案相同的电场向量图31。附图中的每个箭头表 示电场在空间中的方向。电场从正电荷区移至负电荷区。观看图4B并参考图2B，清楚的 是对于该充电方案(在理想情形中)电场在构成“电场电极”26和28的环中心附近是均勻 的。但是，电场在“电场电极” 27和29的环中心附近不均勻。图4A和4B中的电场分布图 和电场向量图将根据若干参数(例如“电场电极”的电压和/或所使用的充电方案)的值 而改变。尽管未示出，但是应当注意的是场向量也延伸通过基底30和装置的其它部分(即 电场透过装置)。而且，注意在理想情形不考虑“电场”电极边沿附近的边缘效应。图4C表示的是图2A-2C的所成形电场实施例的充电方案1的电场向量图32。这 里，“电场电极” 33和34带正电荷，而“电场电极” 35和36带负电荷。观看图4C并参考图 2C，清楚的是对于该充电方案(在理想情形中)电场在构成“电场电极” 33、34、35和36的 环中心附近均勻。另外，经过环中部的电场向量方向对左对环(33和35)和对右对环(34 和36)相同。这也是和两对环中间相同的方向(即通过装置中部，与表面垂直)。还要注意 的是该方案中的电场分布关于装置和周围的气体环境对称(假定为理想情形并且没有周 围物体的干扰)。该电场向量图将随着“电场电极”上的电压值(并且如果充电方案改变) 改变。虽然未示出，但是应当注意的是场向量也延伸通过基底37和装置的其它部分(即 电场透过装置)。图4D表示是图2A-2C的所成形电场实施例的充电方案2的电场向量图38。这里，“电场电极” 39和42带正电荷，而“电场电极” 40和41带负电荷。观看图4D并参考图2C， 清楚的是对于该充电方案(在理想情形中)电场在构成“电场电极” 39、40、41和42的环 中心附近均勻。另外，经过环中部的电场向量方向对左对环(39和41)和对右对环(40和 42)不相同；其方向相反(并且垂直于表面)。还要注意的是该方案中的电场分布关于装置 和周围的气体环境对称(假定为理想情形并且没有周围物体的干扰)。尽管该后一种实施 映射了图4C所显示的情形，但是该两对环(即恰好在装置中部)中间的电场不再垂直于表 面；而是该电场现在平行于表面。该电场向量图将随着“电场电极”上的电压值(并且如果 充电方案改变)改变。虽然未示出，但是应当注意的是场向量也延伸通过基底43和装置的 其它部分(即电场透过装置)。而且除了充电方案2(图4D)和1(图4C)之间场向量图的 差异，还值得注意的是该两个实例的分布图所表示的场强也发生改变(未示出)。图4A-4D为主要表示不同充电方案(和实施例)可使得电场增强在装置或者一般 催化过程中(有源)微调的思想的简单2D模型。该电场分布等在真实的装置或者过程中 可能不同，这是因为测量电极和其它元件的存在也将对电场起作用，使其不同于所示出的 简单情形。与该装置、催化剂、气体、吸附物等等的静电和化学相互作用将取决于这些电场 分布和向量图。因此，可根据指定应用的装置或者一般催化过程(有源)微调这些相互作 用。图5A表示利用空气参比电极51的传感器实施例。该实施例用于示出如通过改 变所测量气体组成所示催化反应在使用电场电极期间改变。绝缘层45和48、导电层46和 49、和覆层47和50构成四个“电场电极”。测量电极44和空气参比电极51连至基底(电 解质或者其它材料)52。图5B示出了示出具有覆层47的“电场电极”实施例的空气参比样品的顶面。金 属导线或者其它金属化部件(未示出)可以以多种方式连至测量或者空气参比电极。对 于传感器应用而言这些导线用于向测量装置发送关于电极上EMF的信息。多个测量电极和 “电场电极”也可组合至该装置中，使其构成气体传感器阵列。图5C示出了“电场电极”实施例的空气参比样品的底面。空气参比电极51连至 基底52，并被该表面上的“电场电极”围绕。覆层50从该观察点可见。该传感器装置包括电解质一侧上的第一、矩形环状“电场电极”。在该环中部沉积 Pt空气参比电极。在相反侧La2CuO4电极连至电解质。在该电极顶部为第二板形“电场电 极”。La2CuO4电极和第二电场电极暴露于有源气流，而Pt空气参比电极和第一场电极仍然 处于恒定的氧气分压下(即空气)。在正(La2CuO4侧高压)和负(Pt侧高压)方向在0、2、5和8V的“电场电极”偏置 下对3% O2中的多个NOx浓度评估传感器。在450°C、500°C、和550°C下进行该测试并对每 种状况重复两次。在每个温度下将在电场影响下的传感器与无偏装置进行比较。传感器信 号在550C和500C下非常低，这一点造成所施加电场(未示出)的灵敏度很少或者无变化， 除了在500C下NO的-8V定位点。但是，如在图6A和6B所看出，在所有的温度下，如质谱 学所检测，电场偏置的改变造成离开La2CuO4测量电极的气体组分变化。采用相应气体步骤 的650ppm NO或者N02给料组成的测量NOx组成形成这些图。因为保证当施加至手工样品 时模型化场强精确代表真实性的困难，这些图关于电场偏置电压。如从图4中两张附图可 清楚，对NO和N02两个气体步骤而言NOx水平发生较大变化。另外，就N02气体步骤而言，肩/峰在所测量N02曲线上(大约-5V电场偏置)随着温度提高而发展。在450°C下，随着在装置上形成电场，NO和N02灵敏度都发生大的改变。在图6C 和6D中可以看到对气体步骤的灵敏度(mV/10ppm NOx)以及在650ppmN0或者N02给料组 成期间所测量的浓度。对于NO气体步骤而言，从区域I到II降低的(+)场偏置造成NO 和N02浓度同时增加而灵敏度没有太大变化。在区域II，伴随着所测量NO急剧降低和N02 较平稳的降低发生从(+)到(_)的场偏置的转变。物质浓度变化的该差异看上去导致灵敏 度从区域II到III时降低。随着现在的(_)场偏置进一步下降，N02水平继续下降而NO基 本不变。这一点伴随着装置的NO灵敏度的显著提高。最后在从区域III到IV的转变中， 随着NO和N02浓度响应于更加(-)的场偏置而下降，灵敏度出现较大下降。现在考虑图5中对450°C下N02气体步骤的四个变化区域，测量机制似乎出现了 更复杂的变化。在从区域I至II时，N02浓度明显上升同时伴随着NO更大的下降。这一 点造成N02灵敏度向更小的更正的值明显偏移。在区域II中间，伴随着N02灵敏度下降存 在NO和N02浓度的重叠。在区域II更加(_)的端部小的升高之后，随着区域III的开始 N02灵敏度明显下降。也在该转变期间，随着N02量明显下降和NO更慢上升出现NO和N02 浓度代第二次重叠。在接近于区域IV的区域III，所测量的NO浓度开始变化和减小而N02 继续下降。因此，N02灵敏度在区域IV稍微提高。如图6A-6D所示，图5A-5C中实施例的结果表明采用电场电极可改变材料的催化 性质，这一点可用于电化学装置、非电化学装置、或者其它相关(催化)过程。另外，这些结 果可通过使得对各种气体物质的灵敏度发生大的改变而增强气体传感器。图7A示出的样品用于图7B至7E所示出的场辅助解吸测量。这些结果表明，即使 在较小的场强下，间接施加的电场也可影响La2CuO4表面上NOx的行为。以如图7A所示出 的“电场电极”对样品进行温度编程解吸(TPD)实验。该样品包括绝缘层54和55 (Al2O3) 和导电层56和57 (Au)连至两端的多孔La2CuO4条53的截面。尽管没有示出，但是也可看 到对La2CuO4的高表面区域颗粒样品的作用。在若干组试验中，该样品在导电层56和57以 各种施加的电压偏置。TPD为其中以较低温度(例如300C)吸附初始量的气体然后将其冷气到室温的试 验技术。然后切断所关注的气体，而惰性气体例如氦流过反应器。然后在以质谱仪监视所 解吸物质的变化时，温度以高线性速率(例如30°C /min)倾斜。随着电场电压定位点增多，N0(图7B)的解吸峰值移动至较高温度，同时虽然强度 不同但可维持相似的初始峰值形状。除了向上的温度峰移动以外，高温下的NO的延迟解吸 表示为更确定的峰值。该移动伴随着在和NO解吸相同的温度下出现大的而2解吸峰值(图 7C)。峰值强度和面积的变化表明吸附/解吸能和化学吸附机制可能因为电场而改变。在 表格3中可找到从样品解吸的气体量。表格3NO 吸附表格3.在NCHO2TPD期间吸附的NOx总量 对N02吸附进行了相同的试验(图7D和7E)。在这些结果中，解吸能的变化较不 明显，但是各峰值强度的明确变化表明了化学吸附机制可能的变化。表格4中可看到解吸 量。
表格 4
NO2 吸附
表格4.在N02+02TPD期间吸附的NOx总量
根据本发明的传感器实施例可利用电位测量、阻抗测量和/或电流测量。这些传 感器可在相同的气体环境中定位所有的电极并且可采用空气参比电极或者一些其它类型 的参考。在各实施例中，可以交替地以保持“电场电极”上的电荷等于期望值的稳压器或者 其它装置提供施加至“电场电极”的电压。这样如果气体环境(或者一些现象)使得电荷 变化，则稳压器或者其它装置可起反作用以保证电荷回到期望的值。可以从随时间变化的 测量电流计算该电荷，这是因为至少在理想情形，由于施加至“电场电极”的电压，没有电子 流流经该装置。在“回路”中测量的该电流是由于在理想情形仅仅为完美绝缘体的绝缘层 上所积累电荷的变化而引起的。图8A-8H表示其中可利用电场增强的一些其它各种结构。图8A示出了基底58 (电 解质或者其它材料)的俯视图，其中每个测量电极59、60和61被若干在测量电极周围形成 虚线环的多个“电场电极” 62、63和64所围绕。在图8A-8H中，电场电极示出为一体，其如 图2A-2C的实施例所示由至少绝缘层和导电层以及可能的覆层组成。图8B示出了图8A的 横截面，其中测量电极59、60和61和“电场电极” 62、63和64显示在一个表面上而加热器 结构65、66和67 (蛇形或者其它图案)显示在第二表面上。图8C示出了图8A的横截面，但现在“电场电极” 62、63和64和加热器结构65、66和67嵌入基底58中。另外，新的层 68 (电解质或者其它材料)处于基底58和测量电极59、60和61之间。图8D和8E示出了图8A的横截面，其中加热器结构65、66和67嵌入基底中，并且 第二层68介于基底58和测量电极59、60和61之间；电场电极70、71和72现在形成盘状 而非图8A中所看到的虚线结构。另外，8D示出了在每个测量电极59、60和61上方形成腔 的结构69 ；电场电极70、71和72连接于该结构的内侧。图8E示出了类似的形成腔的结构 69，但是电场电极70、71和72处于该结构的顶部。图8F-8H示出了利用电场增强的装置的若干其它结构。8F示出了在每个都具有至 少两个测量电极76、77、78和79的基底73 (电解质或者其它材料)顶部存在两个矩形层80 和81 (电解质或者其它材料)的实施例的俯视图。层80和81用于将测量电极76、77、78 和79与基底73分开。结构74和75围绕每个该矩形层并以虚线结构表示若干电场电极。 8G表示8F的横截面，其示出了矩形层80和81和相应的测量电极76、77、78和79。还示出 了电场电极74和75以及底面上的加热结构82和83。图8H示出了另一个具有测量电极 (8F中的76和77)的其中一个矩形层(8F中的80)被与基底73接触的气敏材料84(例如 电阻随着气体暴露而改变)代替的可能的实施例。在两个位置对该材料形成电接触85和 86。该实施例的其余部分与8G相同。在燃料电池(例如S0FC)中氧气在阴极上解离在阳极上反应，并且燃料在阳极解 离和反应。如这里所讨论的，电场的出现可使得表面上的被吸附络合物稳定/不稳定。这 一点可能造成将改进燃料电池性能(例如增强功率密度输出)的动力学或者反应机制发生 改变。而且，如所讨论的，可通过本发明的采用“电场电极”的实施例去除或者阻止毒物在 燃料电池表面特别是在燃料侧的堆积。在SOFC中采用“电场电极”可降低工作温度并可采 用燃料电池中更廉价的材料。另外，电极可用于更改装置以当负荷条件改变时增强或者维 持性能。图9A表示电场增强的电化学电池(例如燃料电池)实施例。这里，可以为电解质 的基底94具有附接的阳极(88或者95)和阴极(95或者88)。在其它实施例中，其它材料 用作其顶上为电解质和其它相应的层的载体或者其它载体材料例如阳极载体。在装置为阳 极支持且电解质为连至载体的非常薄的层的情况下可采用不同的结构。阴极然后可沉积在 电解质顶部，完成电池。“电场电极”由绝缘层88和91、导电层89和92以及覆层90和93 组成。金属导线或者其它互联(未示出)可以以多种不同方法连至电极。该结构还可形成 由多个电池组成的堆叠。图9B为电化学电池(例如燃料电池)实施例的一个表面。这里，可看到覆层91 和93。电极87可以为阳极或者阴极并连至基底95。图9C为燃料电池实施例的另一个表 面。这里仅仅能看到电极95。其连至基底94并且可为阳极或者阴极。图10A-10C示出了平面结构的不同的电场增强电化学装置(例如燃料电池)实施 例。示出可由任意数量电池组成的堆叠结构。在图IOA中，存在若干电场电极，其由导电层 97、102和109以及绝缘层96、98、101、103、108和110组成。在该结构中，绝缘层和覆层之 间的差别不明显。这些层沉积在基底99和111上，其具有各种连接的电极100、104、105和 107(阳极和阴极)。尽管不是必须，在一些情形电场电极具有用作分隔各种电化学电池之 间的气体的密封物的附加用处。图IOB示出了具有电场电极的基底99、电极100 (阳极或者阴极)和绝缘层98的图IOA实施例的顶面。图IOC示出了具有电场电极的基底111、电极 106 (阳极或者阴极)和绝缘层110的图IOA实施例的底面。NEMCA可大大增强催化反应的速率。就NEMCA而言，由于增加的电势(以及因此的 场强)可造成装置的永久损坏，对电池电极所施加的电压或者(电子)电流所形成的电场 有限。但是，采用“电场电极”可增强NEMCA电场。另外，“电场电极”由于可位于装置上的 任何位置因而对吸附和反应的控制比NEMCA更强。如这里所讨论的，可借助电场改变催化反应。“电场电极”可组合至催化剂载体中 从而以期望的方法改变反应路径。改进包括增加的转换收益和/或反应的较低温度要求。 这一点可使得催化反应的成本更低和收益率改进。图IlA示出了用于催化过程的催化剂床实施例的横截面。金属芯112嵌入蜂窝结 构114的中部。外部电极113附接至蜂窝结构114的外周。蜂窝结构还可为另一个用于容 纳催化剂颗粒115的相关形状。该实施例为多边-柱状，并在金属芯112和外部电极113 之间施加电压以在分散于蜂窝结构114中的催化剂颗粒周围产生电场。反应气体流经蜂窝 结构114，在那里其可在催化剂颗粒上反应。注意蜂窝结构114也可由电解质材料组成。在 这种情形，绝缘层置于金属芯112和蜂窝结构114之间。绝缘层也置于外部电极113和蜂 窝结构114结构之间。另外，例如该具有电解质蜂窝结构79的实施例可以以电场增强模式 工作。图IlB示出了具有金属芯77和外部电极78的多边-柱状的俯视图。也示出了蜂 窝结构79。图IlC表示可遍布在图IlA和IlB所看到的蜂窝结构中的催化剂颗粒团80。在所有所示出的实施例以及任何其它利用电场电极的实施例中，当包含电化学电 池时，如在别处所讨论的组合的NEMCA效应(直接偏置)和电场增强(由“电场电极”提供) 可改进催化作用。而且，多个“电场电极”可用于这样的结构或者相关实施例中。所有相关的或者这里所引用的专利、专利申请、临时申请和出版物都整体在此引 用作为参考到其不与该说明书明显的教导不一致的程度，包括所有的附图和表格。应当理解的是这里所描述的实例和实施例仅仅为描述目的并且本领域技术人员 将联想到其各种更改或者变化，并且这些更改或变化将包括在该申请的实质和范围中。
权利要求
一种电化学电池，包括基底，其中该基底包括电解质；至少两个测量电极，其中所述至少两个测量电极设置在基底上，其中所述至少两个测量电极与电解质电接触；用于在所述至少两个测量电极的至少一个的附近形成电场的装置；用于测量一个或多个所述至少两个测量电极的特征的装置，其中在该至少两个测量电极附近产生电场改变所测量的特征。
2.根据权利要求1的电化学电池，其中所述特征为电特征。
3.根据权利要求1的电化学电池，其中所述特征为温度。
4.根据权利要求2的电化学电池，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个 之间的电压。
5.根据权利要求2的电化学电池，其中所述电特征为在所述至少两个测量电极中的两 个之间流动的电流。
6.根据权利要求2的电化学电池，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个 之间的阻抗。
7.根据权利要求2的电化学电池，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个 之间的电阻。
8.根据权利要求2的电化学电池，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个 之间的电容。
9.根据权利要求2的电化学电池，还包括用于更改所述至少两个测量电极中至少一个的温度的装置，其中更改温度改变所测量 的电特征。
10.根据权利要求9的电化学电池，还包括用于监视所述至少两个测量电极中的至少一个的温度的装置。
11.根据权利要求1的电化学电池，其中所述电化学电池为气体传感器。
12.根据权利要求1的电化学电池，其中所述用于产生电场的装置设置在基底上。
13.根据权利要求12的电化学电池，其中所述用于产生电场的装置包括至少一个定位 在基底上的电场电极。
14.根据权利要求13的电化学电池，其中所述至少一个测量电极和所述至少一个电场 电极被设置在基底的相反侧上。
15.根据权利要求13的电化学电池，其中所述至少一个测量电极和所述至少一个电场 电极被设置在基底的相同侧上。
16.根据权利要求13的电化学电池，其中所述至少一个电场电极的每个都包括导电层 和绝缘层，其中所述绝缘层被设置在基底和导电层之间。
17.根据权利要求2的电化学电池，其中所述用于测量一个或多个所述至少两个测量 电极的电特征的装置测量所述一个或多个至少两个测量电极的电特征的时间相关性。
18.根据权利要求11的电化学电池，其中所述气体传感器测量气体混合物成分的浓度。
19.根据权利要求11的电化学电池，其中所述气体传感器测量气体的存在。
20.根据权利要求18的电化学电池，其中所述至少两个测量电极的第一测量电极位于 电解质的第一表面上，其中所述至少两个测量电极的第二测量电极位于电解质的第一表面 上，其中所述用于测量一个或多个所述至少两个测量电极的特征的装置包括测量第一测量 电极和第二测量电极之间电压的装置。
21.根据权利要求20的电化学电池，其中用于在所述至少两个测量电极中的至少一个 测量电极附近形成电场的装置在所述第一测量电极附近形成电场。
22.根据权利要求21的电化学电池，其中所述用于形成电场的装置在所述第二测量电 极附近形成电场。
23.根据权利要求21的电化学电池，其中所述用于形成电场的装置包括至少一个电场 电极。
24.根据权利要求23的电化学电池，其中所述至少一个电场电极包括围绕第一测量电 极的第一环形电极。
25.根据权利要求1的电化学电池，还包括位于基底上的参比电极。
26.根据权利要求18的电化学电池，其中所述成分为NO。
27.根据权利要求18的电化学电池，其中所述成分为N02。
28.根据权利要求18的电化学电池，其中所述成分选自下述的组氨、SO2,SO3、烃、H2, H2O、CO 禾口 CO20
29.根据权利要求18的电化学电池，还包括用于从所测量电特征确定成分浓度的装置。
30.根据权利要求1的电化学电池，其中用于形成电场的装置不与基底电接触。
31.一种设备，包括基底；至少一个测量电极，其中所述至少一个测量电极位于基底上； 用于在所述至少一个测量电极中的一个的附近形成电场的装置； 用于测量所述至少一个测量电极中的一个的特征的装置。
32.根据权利要求31的设备，其中所述特征为电特征。
33.根据权利要求32的设备，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的阻抗。
34.根据权利要求32的设备，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的电阻。
35.根据权利要求32的设备，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的电容。
36.根据权利要求32的设备，其中所述用于测量电特征的装置测量所述至少一个测量 电极中的一个的电特征的时间相关性。
37.根据权利要求32的设备，其中所述基底包括电解质，其中所述至少一个测量电极 中的一个与所述电解质电接触。
38.根据权利要求32的设备，其中所述电特征为所述至少一个测量电极的两个之间的 阻抗。
39.根据权利要求31的设备，其中所述特征为温度。
40.根据权利要求32的设备，还包括用于更改所述至少一个测量电极的至少一个的温度的装置，其中更改温度改变所测量 电特征。
41.根据权利要求40的设备，还包括用于监视所述至少一个测量电极的只是一个的温度的装置。
42.一种催化设备，包括基底，其中所述基底包括电解质；至少两个电极，其中所述至少两个电极与电解质电接触；用于将一个或多个所述至少两个电极的表面暴露在一种或者多种气体的装置；用于在表面附近产生电场的装置，其中所述电场更改所述一种或多种气体与一个或多 个所述至少两个电极之间的催化反应。
43.根据权利要求42的催化设备，其中所述电场增强所述一种或者多种气体与一个或 多个所述至少两个电极之间的催化反应。
44.根据权利要求42的催化设备，还包括将电解质暴露在所述一种或者多种气体的装 置，其中所述电场更改该一种或多种气体与电解质之间的催化反应。
45.根据权利要求43的催化设备，还包括用于将电解质暴露在所述一种或者多种气体 的装置，其中所述电场更改所述一种或多种气体与电解质之间的催化反应。
46.根据权利要求43的催化设备，还包括用于在所述至少两个电极的两个电极之间施加偏置的装置。
47.根据权利要求46的催化设备，其中所述用于施加偏置的装置为电压源。
48.根据权利要求46的催化设备，其中所述用于施加偏置的装置为电流源。
49.根据权利要求42的催化设备，其中所述基底包括使得所述一种或者多种气体可通 过其中的多孔结构，其中所述至少两个电极包括多孔结构中的多个颗粒。
50.一种设备，包括基底，其中该基底包括电解质；至少两个位于基底上的电极，其中所述至少两个电极与所述电解质电接触；和用于在一个或多个所述至少两个电极附近形成电场的装置，其中当一个或多个所述至 少两个电极暴露在一种或多种气体中时在该至少两个电极之间产生输出EMF，其中在一个 或多个所述至少两个电极附近的电场更改该输出EMF。
51.根据权利要求50的设备，还包括连至两个所述至少两个电极的负载，其中电力输送至负载。
52.根据权利要求50的设备，其中两个所述至少两个电极位于基底的相反侧上，其中 第一气体与该两个电极的第一电极接触，其中第一气体发生反应从而第一气体成分的离子 和/或第一气体的离子传播通过电解质至该两个电极的第二电极并分别成为第一气体的 成分和/或第一气体。
53.根据权利要求52的设备，还包括用于在该两个该至少两个电极上施加偏置的装置。
54.根据权利要求53的设备，其中所述施加偏置的装置为电压源。
55.根据权利要求53的设备，其中所述施加偏置的装置为电流源。
56.一种方法，包括提供基底，其中该基底包括电解质；提供至少两个测量电极，其中所述至少两个测量电极设置在基底上，其中所述至少两 个测量电极与电解质接触；在所述至少两个测量电极中的至少一个的附近形成电场；测量一个或多个所述至少两个测量电极的特征，其中在所述至少两个测量电极附近产 生电场改变所测量的特征。
57.根据权利要求56的方法，其中所述特征为电特征。
58.根据权利要求56的方法，其中所述特征为温度。
59.根据权利要求57的方法，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个之间 的电压。
60.根据权利要求57的方法，其中所述电特征为在所述至少两个测量电极中的两个之 间流动的电流。
61.根据权利要求57的方法，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个之间 的阻抗。
62.根据权利要求57的方法，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个之间 的电阻。
63.根据权利要求57的方法，其中所述电特征为所述至少两个测量电极中的两个之间 的电容。
64.根据权利要求56的方法，还包括更改所述至少两个测量电极中的至少一个的温度，其中更改该温度改变所测量的电特征。
65.根据权利要求64的方法，还包括监视该至少两个测量电极中至少一个的温度。
66.根据权利要求56的方法，其中该方法为测量气体的方法。
67.根据权利要求56的方法，其中产生电场通过位于基底上的产生电场的装置完成。
68.根据权利要求67的方法，其中产生电场的装置包括至少一个定位在基底上的电场 电极。
69.根据权利要求68的方法，其中所述至少一个测量电极和所述至少一个电场电极设 置在基底的相反侧上。
70.根据权利要求67的方法，其中所述至少一个测量电极和所述至少一个电场电极设 置在基底的相同侧上。
71.根据权利要求68的方法，其中所述至少一个电场电极每个都包括导电层和绝缘 层，其中所述绝缘层设置在基底和导电层之间。
72.根据权利要求57的方法，其中测量一个或多个所述至少两个测量电极的电特征的 装置测量一个或多个所述至少两个测量电极的电特征的时间相关性。
73.根据权利要求66的方法，其中所述气体传感器测量气体混合物成分的浓度。
74.根据权利要求66的方法，其中所述气体传感器测量气体的存在。
75.根据权利要求73的方法，其中所述至少两个测量电极的第一测量电极位于电解质的第一表面上，其中所述至少两个测量电极的第二测量电极位于电解质的第一表面上，其 中测量一个或多个所述至少两个测量电极的特征的装置包括测量所述第一测量电极和所 述第二测量电极之间电压的装置。
76.根据权利要求75的方法，其中所述用于在所述至少两个测量电极中的至少一个测 量电极附近形成电场的装置在所述第一测量电极附近形成电场。
77.根据权利要求76的方法，其中所述用于形成电场的装置在所述第二测量电极附近 形成电场。
78.根据权利要求76的方法，其中用于形成电场的装置包括至少一个电场电极。
79.根据权利要求78的方法，其中所述至少一个电场电极包括围绕所述第一测量电极 的第一环形电极。
80.根据权利要求56的方法，还包括位于基底上的参比电极。
81.根据权利要求73的方法，其中所述成分为NO。
82.根据权利要求73的方法，其中所述成分为N02。
83.根据权利要求73的方法，其中所述成分选自下述的组氨、SO2,SO3、烃、H2、H2O, CO 和 CO2。
84.根据权利要求73的方法，还包括用于从所测量电特征确定成分浓度的装置。
85.根据权利要求56的方法，其中用于形成电场的装置不与基底电接触。
86.一种方法，包括 提供基底；提供至少一个测量电极，其中该至少一个测量电极位于基底上； 在所述至少一个测量电极的一个的附近形成电场； 测量所述至少一个测量电极的一个的特征。
87.根据权利要求86的方法，其中所述特征为电特征。
88.根据权利要求87的方法，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的阻抗。
89.根据权利要求87的方法，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的电阻。
90.根据权利要求87的方法，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的一个的电容。
91.根据权利要求87的方法，其中测量电特征包括测量所述至少一个测量电极中的一 个的电特征的时间相关性。
92.根据权利要求87的方法，其中所述基底包括电解质，其中所述至少一个测量电极 中的一个与电解质电接触。
93.根据权利要求87的方法，其中所述电特征为所述至少一个测量电极中的两个之间 的阻抗。
94.根据权利要求86的方法，其中该特征为温度。
95.根据权利要求94的方法，还包括更改所述至少一个测量电极的至少一个的温度，其中更改温度改变所测量电特征。
96.根据权利要求95的方法，还包括监视所述至少一个测量电极的至少一个的温度。
97.一种更改催化反应的方法，包括提供基底，其中所述基底包括电解质；提供至少两个电极，其中所述至少两个电极与电解质接触；将一个或多个所述至少两个电极的表面暴露在一种或者多种气体；在表面附近产生电场，其中所述电场更改所述一种或多种气体与一个或多个所述至少 两个电极之间的催化反应。
98.根据权利要求97的方法，其中所述电场增强所述一种或者多种气体与一个或者多 个所述至少两个电极之间的催化反应。
99.根据权利要求98的方法，还包括将电解质暴露在所述一种或者多种气体，其中所 述电场更改所述一种或多种气体与电解质之间的催化反应。
100.根据权利要求97的方法，还包括将电解质暴露在所述一种或者多种气体，其中该 电场更改该一种或多种气体与电解质之间的催化反应。
101.根据权利要求98的方法，还包括在所述至少两个电极中的两个电极之间施加偏置。
102.根据权利要求101的方法，其中施加偏置包括在所述至少两个电极中的两个上施 加电压。
103.根据权利要求101的方法，其中施加偏置包括在所述至少两个电极中的两个上施 加电流。
104.根据权利要求97的方法，其中所述基底包括使得该一种或者多种气体可通过其 中的多孔结构，其中所述至少两个电极包括多孔结构中的多个颗粒。
105.—种方法，包括提供基底，其中所述基底包括电解质；提供至少两个位于基底上的电极，其中所述至少两个电极与所述电解质电接触；以及在一个或多个所述至少两个电极附近形成电场，其中当一个或多个所述至少两个电极 暴露在一种或多种与一个或多个所述至少两个电极发生反应的气体中时，在所述至少两个 电极中的两个之间产生输出EMF，其中在一个或多个该至少两个电极附近的电场更改该输 出 EMF。
106.根据权利要求105的方法，还包括将负载连至所述至少两个电极中的两个上，其中电力输送至负载。
107.根据权利要求105的方法，其中所述至少两个电极中的两个位于基底的相反侧 上，其中第一气体与该两个电极的第一电极接触，其中第一气体发生反应从而第一气体成 分的离子和/或第一气体的离子传播通过电解质至该两个电极的第二电极并分别成为第 一气体的成分和/或第一气体。
108.根据权利要求107的方法，还包括在所述至少两个电极中的两个上施加偏置。
109.根据权利要求108的方法，其中通过电压源施加所述偏置。
110.根据权利要求108的方法，其中通过电流源施加所述偏置。全文摘要
提供了用于催化的电场增强性能的电极结构及包含气体的固态装置。根据实施例，电场电极可组合在例如气体传感器和燃料电池的装置中以相对于气体传感器和燃料电池表面的测量电极成形所提供的电场。所成形电场可改变表面动力学、系统热力学、反应动力学、和吸附/解吸过程。在一个实施例中，可在平面气体传感器的测量电极周围提供环形电场电极。
文档编号H01M8/04GK101897066SQ200880120515
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者B·M·布莱克本, E·D·瓦奇曼, F·M·范阿斯赫四世 申请人:佛罗里达大学研究基金公司