催化作用的電場增強性能及包含氣體的固態裝置的制作方法

專利名稱：催化作用的電場增強性能及包含氣體的固態裝置的制作方法
催化作用的電場增強性能及包含氣體的固態裝置本申請要求2007年12月12日提交的序列號為61/013，287的美國臨時申請的優 先權，其整體在此引用作為參考，包括任何附圖、表格或者圖形。
背景技術：
電化學電池為離子導體之間兩種電極材料的耦合，從而在離子導體、電極和氣體 之間的界面上發生電化學反應。電極材料通常為金屬或者半導體而離子導體通常為電解 質。電極還可包括混合的電子/離子材料。當前，釔穩定氧化鋯(YSZ)正用作某些氣體傳 感器和燃料電池的電解質材料。電化學電池可以以開路模式運行或者可用于隨著向電池施加電流或者電壓而驅 動反應。在許多裝置例如氣體傳感器和燃料電池以及應用例如電鍍中使用電化學電池。電 化學電池還用在將反應物轉換為有用副產品的催化中。氣體傳感器為檢測單種或者多種氣體的濃度或者存在的裝置。氣體傳感器可但不 必包括電化學電池。沒有電化學電池的氣體傳感器可被看作非電化學裝置。氣體傳感器可 具有用于檢測氣體的不同轉換機制以及可通過檢測多種氣體而為多功能的。例如，可采用 電位測量、電流測量、或者阻抗測量。多數氣體傳感器的一個問題在于其它氣體的交叉干擾 或者差的選擇性。燃料電池為將化學能直接轉換為用于在例如汽車和家庭的的應用中能耗的電能 的裝置。固體氧化物燃料電池(SOFC)為一種組合夾在至少兩個電極之間的固體電解質的 燃料電池，其中一個電極用作陰極另一個電極用作陽極。燃料電池還可組合為層疊組件以 增大功率輸出。在電解質為陽離子導體的情形，氧氣在陰極反應并在氧氣與例如H2或者CO2 的燃料發生電化學反應的地方通過作為離子的電解質被輸送陽極以產生電能。在利用電化學電池的某些裝置中，組合非法拉第電化學改性的催化活性(NEMCA) 效應用于通過對電化學電池中的電極直接施加電壓或者電流而增強催化反應。在催化作用中，反應動力學包括改變中間步驟速率的過程和反應中的其它過程。 這些改變影響總的反應速率。反應能量學涉及激活反應步驟的許多不同能壘。例如，擴散障礙為一種類型的能 壘。可通過對系統增加能量而克服這些能壘。通常熱能用于克服這些能壘。反應路徑為從初始反應物至最終產品時反應所遵循的步驟。反應所遵從的路徑必 須部分地與系統的動力學和能量學有關。吸附和解吸為氣相分子被俘獲(物理吸附)或者 束縛至表面(化學吸附)的過程。這些過程還影響反應的動力學和能量學。表面弛豫包括整個吸附層的運動，而表面重構包括表面周期性的變化。兩個過程 都可改變反應進行的路徑。表面動力學可涉及包括表面上動力學運動的過程，例如氣體 (相)分子與表面的碰撞或者物質在表面上的擴散。催化劑可作為電化學裝置的部分存在或者位于用來或者為催化劑提供某種結構 或者將催化劑分散在不同反應位置的“催化劑載體”頂上。催化反應的一個主要問題為“毒物”的存在所引起的削弱轉換。“毒物”的存在還可對氣體傳感器、燃料電池和其它相關裝置產生不利影響。毒物可阻擋吸附位置或者引起 相位重構；后一種情形可由與例如來自電解質的氧氣形成絡合物的毒物引起并且可能接下 來發生絡合物的解吸。這一點可阻止某些依靠該氧氣存在的機制發生，從而抑制該裝置或 者催化劑正常運行。

發明內容
本發明的實施例涉及電場增強化學和/或電化學反應。可產生并成形電場以改變 氣體吸附和用于各種應用的其它化學反應。可采用作為有意偏置以產生電場的導電表面的 電場電極提供所產生的電場。本發明的某些實施例可應用于氣體傳感器、燃料電池和其它 電化學裝置。此外，某些實施例可用于改進電化學促進反應(NEMCA)的性能和任何其它涉 及至少一種氣體物質的一般催化反應，例如乙烯氧化。根據本發明實施例設置的電場電極 還可用于非電化學裝置例如不用電解質的氣體傳感器。在實施例中，電場電極可應用于氣體傳感器。電場電極可設置為改進氣體傳感器 的靈敏度、選擇性、和響應時間。在一個實施例中，電場電極可被定位為施加與氣體傳感器的測量電極平行的電 場。在另一個實施例中，電場電極可應用于氣體傳感器以成形電場分布。在這樣的實 施例中，可相對于氣體傳感器的測量電極定位電場電極以相對于裝置或者催化劑載體上的 具體位置施加期望的電場分布。電場可相對于特定的局部反應區或者整個裝置成形為垂 直、平行或者其間的任何角度。此外，裝置不同區域電場的相對強度可不同。在另一個實施 例中，電場電極可應用于組合空氣參比電極的氣體傳感器。在實施例中，電場電極可應用于燃料電池。電場電極可用于穩定表面上的吸附絡 合物/使表面上的吸附絡合物不穩定并去除或者抑制毒物在燃料電池表面上累積。根據本發明實施例設置的電場電極可用于采用外部產生的電場改變存在于電化 學系統中偶極層區域周圍的局部電場。“電場電極”可用于增強化學/電化學反應和各種裝置及應用中的性能。該“電場 電極”可有效并主動地成形以獲得增強的性能。在電化學裝置的實施例中，很少或者沒有 (電離或者電子)電流或者電荷被引入金屬/電解質或者半導體/電解質界面。另外，該 “電場電極”可組合該裝置的任何其它具有至少一個不同于對電場形狀起作用的另外的目 的的結構或者元件。在如果需要可采用多個電壓源時可以以電池或者其它電壓源施加電壓。可以以微 控制器、多路轉換器、(電阻)分壓器、和/或其它對各種“電場電極”施加不同電壓值或者 偏置方案的設備。存在多種可用于制造這些裝置的技術。可同時制造多個裝置并在制造后通過各種 工具分離該多個裝置。另外，這些和其它技術可用于在電場增強催化劑載體上沉積催化劑。 可采用本領域技術人員所熟知的下面的技術或者其它技術的任意組合i)多層制造流延、絲網印刷；ii)自底向上(加法)方法
直寫法(例如抽吸或者氣溶膠沉積)、浸涂法、旋涂法、激光燒結法；iii)多步(減法)法采用光刻法和在制造微電子元件和微電機械系統(MEMS)時所使用的其它技術進 行微型加工、電子束和激光減法制造、激光微加工；iv)電線附加方法和金屬化用于金屬化或者電線附接的金屬優選能夠經受惡劣環境、電線接合(例如金或者 鉬線)、銅焊、和/或任何其它電線附接方法。不同的金屬化可存在于多層中并且通過層間 存在的通孔相互連接；ν)裝置封裝標準或者新的封裝技術和高溫(或者任何其它的)電子裝置和/或傳感器的設計 可以和該裝置一起使用；并且vi)催化劑沉積可采用任何方法例如旋涂、浸涂或者熱噴涂將催化劑材料沉積在載體上。本發明的實施例可涉及性能增強氣體傳感器、燃料電池、和其它電化學或者非電 化學裝置，化學處理和改進催化轉換器的增強催化反應。實施例可根據應用的不同，包括汽 車制造商、傳感器公司、電業公司、和/或化學制造公司，獲得較低的成本、提高的生產率、 效率和/或精度。


圖1A-1C示出了根據本發明實施例的平面氣體傳感器。圖IA示出了根據本發明 實施例電場平行于測量電極施加的平面氣體傳感器的橫截面視圖，圖IB示出了圖IA的平 面氣體傳感器的俯視圖，而圖IC示出了圖IA的平面氣體傳感器的仰視圖；圖2A-2C示出了根據本發明實施例的平面氣體傳感器。圖2Α示出了根據本發明 實施例具有有源成形電場的電場電極的平面氣體傳感器的橫截面視圖，圖2Β示出了圖2Α 的平面氣體傳感器的俯視圖，而圖2C示出了圖2Α的平面氣體傳感器的仰視圖；圖3Α-3Β示出了對于多種環境溫度在采用和不采用電場電極時(偏置方案1，表格 2)比較NO和NO2靈敏度變化的視圖；圖3C-3D示出了在500C下對圖2A-2C示出的實施例施加負(_)場偏置的偏置方 案1 (表格2)的NO和NO2靈敏度的結果；圖3Ε示出了在500C下施加至圖2A-2C所示出實施例的偏置方案2 (表格2)的對 NO和NO2傳感器響應；圖3F示出了施加至圖2A-2C所示出實施例的偏置方案3(表格2)的NO結果，其 中裝置的僅僅La2CuO4側的導電層11和19通電；其它導電層不通電；圖3Η示出了施加至圖2A-2C所示出實施例的偏置方案4(表格2)的結果；圖4A-4D示出了采用根據圖2A-2C所示出實施例的平面傳感器的三種不同的有源 成形電場的電場圖；圖5A-5C示出了根據本發明實施例的平面氣體傳感器。圖5Α示出了根據本發明 實施例具有空氣參比電極的平面氣體傳感器的橫截面視圖，圖5Β示出了圖5Α的平面氣體 傳感器的俯視圖，而圖5C示出了圖5Α的平面氣體傳感器的仰視圖6A-6B示出了根據圖5A-5C所示出實施例在各種溫度下暴露在650ppmN0或者 NO2的氣體進料組成期間在各種施加電場電壓下脫離半導體材料的NOx濃度變化的質譜比 較；圖6C-6D示出了在450C下根據圖5A-5C的實施例的平面氣體傳感器對NO和NO2 以及在650ppm進料組成期間NOx濃度相應變化的靈敏度曲線。圖6C示出了暴露在NO的傳 感器的靈敏度曲線和NOx水平，而圖6D示出了暴露在NO2的傳感器的靈敏度曲線和NOx水 平；圖7A示出了用于溫度編程解吸(TPD)測試的樣品示意圖；圖7B-7E示出了解吸分布圖。圖7B和7C分別示出了根據本發明實施例的具有 300°C下NO的初始吸附的所測量的NO和NO2解吸分布，圖7D和7E分別示出了根據本發明 實施例的具有300°C下NO2的初始吸附的所測量的NO和NO2解吸分布；圖8A-8F示出了利用電場增強的裝置(包括氣體傳感器)的各種其它可能的設 置。圖8A示出了基底(電解質或者其它材料)的俯視圖，其中每個測量電極被多個在測量 電極周圍形成虛線環的多個“電場電極”所圍繞。圖8B示出了圖8A的橫截面，其中測量電 極和“電場電極”顯示在一個表面上，而加熱器結構(蛇形或者其它圖案)在另一個表面上。 圖8C示出了圖8A的橫截面，但現在“電場電極”和加熱器結構嵌入基底中，新的層(電解 質或者其它材料)處于基底和測量電極之間；圖8D和8E示出了圖8A的橫截面，其中加熱器結構嵌入基底中而第二層介于基底 和測量電極之間；電場電極現在形成盤狀而非虛線結構。另外，8D示出了在每個測量電極 上方形成腔的結構；電場電極附加于該結構的內側。圖8E示出了類似的形成腔的結構，但 是電場電極處于該結構的頂部；圖8F-8H示出了利用電場增強的裝置的若干其它結構。8F示出了在每個都具有 至少兩個測量電極的基底頂部存在兩個矩形層的實施例的俯視圖。若干電場電極以虛線結 構圍繞每個該矩形層。8G示出了 8F的橫截面，其具有矩形層和相應的測量電極和電場電 極。加熱結構示出為處于底面上。圖8H示出了另一個其中測量電極位于頂部的其中一個 矩形區域被與基底接觸的氣敏材料代替的可能的實施例。在兩個位置對該材料形成電接 觸。該實施例的其余部分與8G相同；圖9A-9C示出了根據本發明實施例的電化學裝置(例如燃料電池)。圖9A示出 了根據本發明實施例的具有電場電極的電化學裝置(例如燃料電池)的橫截面視圖，圖9B 示出了圖9A的電化學裝置(例如燃料電池)的俯視圖，而圖9C示出了圖9A的電化學裝置 (例如燃料電池)的仰視圖；圖10A-10C示出了根據本發明實施例的電化學裝置(例如燃料電池)。圖IOA示 出了根據本發明實施例的具有平面結構電場電極的電化學裝置(例如燃料電池)的橫截面 視圖，圖IOB示出了圖IOA的電化學裝置(例如燃料電池)的俯視圖，而圖IOC示出了圖 IOA的電化學裝置(例如燃料電池)的仰視圖；圖11A-11C示出了根據本發明實施例的催化劑床。圖IlA示出了根據本發明實 施例的用于催化過程的催化劑床的橫截面視圖，圖IlB示出了圖IlA的催化劑床的多邊 形-柱面形狀的俯視圖，而圖IlC表示催化劑顆粒。
具體實施例方式本發明的實施例涉及通過采用裝置或者反應或過程位置周圍特別形成(或者“成 形”)的電場增強化學反應和相關的過程。所形成的電場可用于改進若干應用中的性能，包 括應用于氣體傳感器、燃料電池、和其它電化學裝置例如隔氫膜。所形成的電場還可用于改 進已知通過電化學電池的直接偏置增大催化劑速率的電化學“促進”反應例如對催化活性 的非法拉第電化學改性(NEMCA)的性能。此外，所“成形”電場可用于增強包含氣體的任何 一般催化反應。例如，可增強氣體重整和一般催化轉換。這一點包括為某目的依靠或者利 用氣體吸附或者催化反應的其它非電化學裝置例如電阻型氣體傳感器、或者例如氣體分離 的應用的增強性能。根據本發明的實施例，電場可用于改變各種應用的氣體吸附和化學反應。當在 (至少)兩個表面之間施加電壓時可產生電場。而且，可施加多種電壓。這些表面都不需 要處于該裝置附近。其中一個表面可以為地面。有意通過施加電壓而偏置以產生電場的導 電元件可稱為“電場電極”。通過不造成電流(電子或者離子)經過裝置的方式產生間接產生的外部電場。在 間接產生的電場中，通過如電容器一樣的絕緣體以及不傳導離子的材料阻擋電流。但是當金屬或者半導體具有直接施加于其的電壓從而電流流經材料時形成直接 產生的電場。當電化學電池直接偏置時情況也是如此，不同的是，在電解質和金屬或者半導 體電極之間的界面上，電流提供用于發生電化學反應而非流經裝置的電子。對電化學電池而言，間接產生的電場不產生到達構成電池的電解質或者電極的電 荷。但是，直接產生的電場對金屬或者半導體和電解質的界面提供電荷。根據本發明的某些實施例，裝置或者催化劑載體的其它部分可直接或者間接地參 與電場產生。直接參與的實例為其中和NEMCA —樣電壓或者電流直接施加至電池。間接參 與的實例為“天然”電場存在于材料中。本發明的實施例有源成形電場。在有源成形期間，電場分布可被構造得均勻或者 非均勻，并且可有效并有源地相對于裝置或者催化劑載體(例如局部反應區)或者整個裝 置/載體上的具體位置“成形為”任何期望(外形)分布。電場可相對于局部反應區或者整 個裝置/載體為垂直、平行或者在其間形成任何角度。電場也可穿過裝置中的任何點。另 外，裝置/載體中各點的場強可不同。可以以任何數量和/或圍繞局部反應區或者整個裝置/載體的結構放置電場電 極。可在任何指定時間使用單個或多個“電場電極”。不同的層材料可用于不同的“電場電 極”以和周圍的材料兼容。可作為絕緣、導電和覆層的單個或多個實例提供“電場電極”。指 定“電場電極”每層類型的數量不必與其它“電場電極”中的層數相同。“電場電極”可嵌入 裝置的表面內或者表面上。“電場電極”可存在于裝置/載體內特殊設計的腔中并且可組合 段間間隙。電場電極的絕緣層用作經過不期望電荷流的裝置、催化劑、或者催化劑載體(即 基底支撐載體)區域的電荷(即電子或者離子)流的阻擋層。層可但不必參與化學和/或 電化學反應。電場電極的導電層用作電荷從電荷源(例如電源)到達(阻擋)絕緣層的路徑。 導電層可但不必參與化學和/或電化學反應。導電層可由導電材料例如金(Au)形成。
電場電極的覆層或者蓋層用于阻止氣體被吸附到電場電極的導電層上。覆層還用 于進一步(機械地)使導電層和絕緣層固定于基底。覆層可但不必參與化學和/或電化學 反應。覆層可但不必由絕緣材料形成。電場電極可呈現任何幾何形狀例如方形或者圓形，包括厚度和其它尺寸的變化。 電場電極各種層的幾何形狀和層類型可但不必相互不同。施加至任何指定“電場電極，，的電荷可以為正電荷或者負電荷。“電場電極，，可可 選擇地接地或者浮置。可通過改變正電荷或者負電荷的位置或者通過改變哪些“電場電極” 接地或者浮置而改變電場“方向”。任何值或者符號的固定(DC)電壓可施加至“電場電極”。“電場電極”上的固定電 壓可與所有(或者一些)其它“電場電極”不同或者相同。對任何指定的“電場電極”所施 加的電壓可在“恒定”或者“脈沖”偏置方案直接切換。對任何指定的“電場電極”所施加的 電壓可在“恒定”(DC電壓)和(AC電壓)偏置方案直接切換。可在不同的時間以固定或者變化的值和周期產生脈沖(DC電壓)電場。在這種機 制下，通過對所有或者一些“電場電極”施加所施加(DC)電壓以及從其去除所施加(DC)電 壓而使電場產生脈沖。對于不同的“電場電極”脈沖的周期和/或值可但不必相同。對任 何指定的“電場電極”所施加的電壓可在“脈沖”或者“恒定”偏置方案之間切換。對任何指 定的“電場電極”所施加電壓可在“脈沖”(DC電壓)和(AC電壓)偏置方案之間切換。在一些實施例中，可對“電場電極”施加時間改變(例如正弦)電壓。對任何指定 的“電場電極”所施加的電壓可在(AC電壓)和(DC電壓)偏置方案之間切換。可通過任何方式在任何時間測量任何“電場電極”的電流和電壓以保證其在裝置 或者催化劑運行期間繼續工作。通過采用根據本發明實施例的電場電極調控電場，可利用某些機制以增強催化作 用和包含氣體的固態裝置的性能。電場增強可造成分子內吸附鍵或者表面吸附鍵的分子彎 曲模式的頻率變化。這些靜電機制可造成鍵角和或鍵長變化。此外，極化及因而產生的穩 定、對準、或者表面原子或者大原子方位或者吸附物(可為極化物質)的變化也可發生。化學機制可包括軌道和供給/反給的量的更改。可影響絡合物形成(對帶電和不 帶電物質)穩定性的表面和/或被吸附物的電子密度和泡利斥力都可發生變化。這些化學 機制可改變分子內被吸附物鍵或者表面被吸附物鍵的強度。在一些實施例中電場可產生靜電和化學機制。兩種機制所起作用可能相同，或者 一種可能比另一種占主導。此外，靜電和化學機制都還可改變吸附層中被吸附物之間的橫 向作用。在其它實例中電場可造成裝置或者過程中所包含的材料的費米能級變化，從而改 變一些或者所有材料的吸附和/或催化特性。電場增強后對系統產生的變化可引起若干不同的效果。一種效果為改變反應路 徑。例如，新的反應路徑可由于電場增強而獲得。這一點可共同改進催化速率、副產品濃度 或者新的副產品。反應動力學可改變為開啟新的反應路徑或者降低(或者提高)發生反應 所需要的溫度。另一種效果為改變吸附/解吸或者解離/重組過程。例如，可防止反應抑制劑(或 者“毒物”)的吸附物的累積或者使得其以期望的方法解吸。反應助催化劑(例如增強反應的共吸附物)可通過電場相互吸引或者被特殊的反應位置吸引。此外，期望的反應可加速 或者不期望的反應可減速。電場可影響這些過程發生的溫度并且可穩定這些過程或者使這 些過程不穩定。表面弛豫或者重構可變至較低(或者較高)溫度。可阻止舊的弛豫/重構過程或 者可獲得新的弛豫/重構過程。在實施例中，“電場電極”可用于通過對表面更新例如因為 毒物而損失并在隨后造成新表面相位形成的氧阻止相位重構。電場增強可加速或者減速某些物質的擴散，造成反應變化。如果電場具有大范圍 影響則也可改變氣體分子與氣體相位的碰撞；這一點可改變反應進行的路徑。電場可造成常常在反應如何進行方面起重要作用的系統熱力學發生變化。在反應 依靠各種物質或者絡合物的熱力學的裝置或者應用中，“電場電極”可移動平衡以獲得新的 反應和/或絡合物，或者改變這些反應發生的溫度。此外，可以以改變上面提到的過程的方式影響氣相。因此，可有效“成形”通過“電場電極”產生的電場以在裝置/載體或者裝置/載 體中的具體位置產生期望的電場分布。另外，如果需要所成形電場可隨著時間有源改變。以“電場電極”產生的電場可用于有意地(或者無意地)“強迫”吸附、解吸、或者 特殊反應。以“電場電極”產生的電場可用于倒轉抑制劑中毒的影響。以“電場電極”產生的電場可用于吸引反應助催化劑。以“電場電極”產生的電場可用于增強電化學裝置(例如氣體傳感器和燃料電 池)、非電化學裝置(例如不利用電解質的氣體傳感器)和一般催化反應(例如乙烯氧化) 或者電化學增強(即NEMCA)反應的性能。電場電極可用于改進例如氣體傳感器的靈敏度、選擇性、和響應時間的特征。“電 場電極”可組合進氣體傳感器陣列中，其具有其它性能增強特征例如嵌入發熱器等等。氣體 傳感器陣列可具有多個電極并可用于檢測大量氣體。該氣體傳感器中的測量電極可處于相 同的氣體環境中并且可以但不必包括空氣參比或者其它類型的參比電極。在電化學系統中，局部化電場存在于已知為偶極層的區域周圍。該區域對電化學 反應在該系統中發生的方式是重要的。通過采用以“電場電極”產生的外部電場，可改變這 些“天然”電場。對電場的直接控制可造成系統發生期望的變化。NEMCA對產生于直接偏置 的電場的控制是有限的，這是因為提高的直接偏置可產生焦耳熱和/或電解質或者電極的 分解。但是，以“電場電極”產生的電場極限可能為高許多數量級。“電場電極”可用在氣體傳感器中以改變裝置的靈敏度、選擇性、和響應時間。“電 場電極”還可用于如其對離開裝置的氣體組分和存在于裝置表面的物質的影響所示地改變 催化反應。本發明的某些實施例可涉及電壓測量、阻抗測量(電阻和/或電容)或者電流測 量氣體傳感器。圖1A-1C示出了采用平行于氣體傳感器測量電極的電場電極施加電場的實施例。 參考示出根據本發明實施例的氣體傳感器應用的平行電場實施例的橫截面的圖1A，測量電 極1和2可附接至基底3。基底3可以電解質或者其它材料。在基底3由電解質形成的具 體實施例中，基底可由釔穩定氧化鋯(YSZ)形成。在一個實施例中，測量電極1和2可由相同的材料形成。但是，在其它實施例中，測量電極1和2可由不同的材料形成。例如，在具 體實施例中，第一測量電極1可由La2CuO4B成，而第二測量電極2可由鉬(Pt)形成。當第 一電極1和第二電極2與基底3接觸以及基底3為電解質時形成電化學電池。可在單種氣體環境中設置測量電極1和2。在固體電解質3的與第一和第二測量 電極1和2相反的側可設置電場電極以施加平行電場。可相應于第一測量電極1設置第一 電場電極6和第二電場電極8。可相應于第二測量電極2設置第三電場電極7和第四電場 電極9。在具體實施例中，可在第一和第二電場電極6和8以及固體電解質3下方設置第 一絕緣體4，可在第三和第四電場電極7和9以及固體電解質3之間設置第二絕緣體5。第 一和第二絕緣體4和5可例如由Al2O3形成。電場電極的電極可由導電材料形成。例如，電 極可由金(Au)形成。可在每個電場電極上設置覆層以進行絕緣并改進粘接。覆層例如由 Al2O3形成。絕緣層4和5可使得電場電極6和7的導電層不與基底3接觸。如果基底3選 為電解質，則不認為絕緣層4和5以及導電層6和7是電化學電池的部分。圖IB示出了圖IA的測量電極1和電極2設置在基底3上的圖IA所示出的平行 電場實施例的頂面。金屬導線或者其它金屬化(未示出)可以以許多方式連至測量電極。 對傳感器而言，這些導線可用于向測量裝置發送關于電極上電動勢場(EMF)的信息。圖IC示出了圖IA示出的平行電場實施例的底面，其中絕緣層4和導電層6和8 構成兩個“電場電極”。金屬導線(未示出)可以以多種方式連至電場電極。不同的“充電方案”可用于獲得氣體傳感器靈敏度、選擇性、響應時間等等的變化。 通過經在任意導電層6至9上的施加電壓積累正(+)或者負(-)電荷而實現這一點。如下面的表格1所示，存在多種不同的“充電方案”，每種機制造成裝置中不同的 電場分布，并因此造成傳感器行為的不同更改。表格 1 如這里所討論的，電場電極可用于“成形”裝置中的電場分布。該技術在氣體傳感 器裝置中進行測試并建模以示出在“成形”期間場分布如何改變。圖2A-2C示出了將成形電場施加于平面氣體傳感器的測量電極的實例。參考示出了氣體傳感器應用的成形電場實施例的橫截面的圖2A，測量電極13和 17可附接至基底24。基底24可以為電解質或者其它材料。在其中基底3由電解質形成的 具體實施例中，基底可由YSZ形成。如參考圖1A-1C所描述的實施例所描述，測量電極可由 相同或者不同的材料形成。例如，第一測量電極13可由La2CuO4而第二測量電極17可由Pt 形成。如果基底24為電解質，則第一測量電極13、第二測量電極17、和基底24構成電化學 電池。可在單種氣體環境種設置測量電極13和17。
電場電極可設置在固體電解質24的位置上以施加有源成形電場。第一電場電極 11可以以環形設置在第一測量電極13周圍，而第二電場電極15可以以環形設置在第二測 量電極17周圍。第三電場電極19可設置在固體電解質24的與第一測量電極13相反的 側面上并設置為對應第一電場電極11的環形，而第四電場電極22可設置在固體電解質24 的與第二測量電極17相反的側面上并設置為對應第二電場電極15的環形。在具體實施例 中，第一絕緣體10可以以環形設置在第一電場電極11和固體電解質24之間，第二絕緣體 14可以以環形設置在第二電場電極15和固體電解質24之間，第三絕緣體18可以以環形 設置在第三電場電極19和固體電解質24之間，而第四絕緣體21可以以環形設置在第四電 場電極22和固體電解質24之間。第一、第二、第三和第四絕緣體10、14、18和21可由例如 Al2O3形成。電場電極的電極可由導電材料形成。例如，電極可由金(Au)形成。覆層可設置在每個電場電極上以進行絕緣。在具體實施例中，第一覆層12可設置 在第一電場電極11上，第二覆層16可設置在第二電場電極15上，第三覆層20可設置在第 三電場電極19上，而第四覆層23可設置在第四電場電極22上。覆層可由例如Al2O3形成。 如果需要可省略覆層。金屬導線或者其它金屬化(未示出)可夾在單獨的導電層和覆層之 間。電場電極的導電層不與基底24接觸，盡管如果需要覆層可接觸。如果基底24為電解 質，則層10至12、14至16、18至20和21至23不是電化學電池的一部分。圖2B示出了成形電場實施例的頂面，其中測量電極13和電極17附接至基底24。 金屬導線或者其它金屬化物(未示出)可以以多種方式附接至測量電極。對于傳感器應用 而言這些導線用于向測量裝置發送關于電極上EMF的信息。多個測量電極和“電場電極”也 可組合至該裝置中，使其形成氣體傳感器陣列。圖2C示出了所成形電場實施例的底面，其中絕緣層10、14、18和21以及導電層 11、15、19和22形成四個電場電極。金屬導線(未示出)可以以多種方式附接至“電場電 極”(與導電層接觸)。該電場電極也可具有與環形不同的幾何形狀；實際上測量(或者其 它有源材料)可以和設置在中心的電場電極一起形成環形。不同的“充電方案”可用于獲 得氣體傳感器靈敏度、選擇性、響應時間等等的變換。通過經在任意導電層11、15、19和22 所施加的電壓積累正⑴或者負㈠電荷而實現這一點。如下面的表格2所示，存在多種不同的“充電方案”，每種機制造成裝置中不同的 電場分布，并因此造成傳感器行為的不同更改。采用成形電場實施例測試充電方案1至3。 注意，在充電方案6中，導電層11 (和19)與15(和22)具有不同的電荷值(即施加至每層 的電壓的值不同)。其它方案也可采用但尚未進行測試；這些方案被包括在內以示出“所成 形電場”裝置的優點。表格2
圖3A-3H描述了圖2A-2C示出的所成形電場實施例的結果。測量電極13和17 分別為La2CuO4和Pt。圖3A表示圖2A-2C所示出的所成形電場實施例的(電壓測量)NO傳感器結果。 測量電極為暴露于相同的氣體環境的Pt和La2Cu04(即沒有空氣參比)。該圖比較沒有電 場的狀況與具有采用充電方案1的+IV偏置在450C、500C、550C和600C下的狀況。在該圖 所表示的試驗中，頂部電場電極(圍繞Pt和La2CuO4測量電極)正偏置。基底相反側上相 應的“電場電極”均為負偏置。換言之，在頂部電場電極(高電壓)和底部電場電極(低電 壓)之間施加電壓。圖3B表示圖2A-2C所示出的所成形電場實施例的NO2傳感器結果。測量電極為 Pt和La2Cu04。該圖比較沒有電場的狀況與具有采用充電方案1的+IV偏置的狀況。在該 附圖所表示的試驗中，頂部電場電極(圍繞Pt和La2CuO4測量電極)正偏置。基底相反側 上相應的“電場電極”均為負偏置。圖3C示出了圖2A-2C所示出的所成形電場實施例的穩態傳感器響應。在該種情 形，采用充電方案1(表格2)對頂部“電場電極(圍繞Pt和La2CuO4測量電極)”施加不同 強度的負(_)偏置。基底相反側上相應的“電場電極”均為正偏置。圖3E示出了施加至圖2A-2C所示出實施例的偏置方案2(表格2)的NO和NO2傳 感器響應。在表示為正偏置的情形，對圍繞La2CuOjU量電極的電場電極(導電層11)和與 Pt測量電極對準的基底相反側上的電場電極(導電層22)施加高電壓。同時，對圍繞Pt測 量電極的電場電極(導電層15)和與La2CuO4測量電極對準的基底相反側上的電場電極(導 電層19)施加低電壓。在標記為負㈠偏置的情形，施加至電場電極的高電壓和低電壓相 反。圖3F和3G示出了施加至圖2A-2C所示出的實施例的偏置方案3的NO和NO2靈 敏度結果。在這種情形對圍繞La2CuO4測量電極的電場電極(導電層11)施加負偏置，并 對基底相反側上相應的電場電極(導電層19)施加正偏置。與Pt測量電極對準的其它兩 個電場電極(導電層15和22)無偏置(浮置)。圖3H示出了施加至圖2A-2C所示出實施例的偏置方案4的NO和NO2靈敏度結果。 在這種情形對圍繞Pt測量電極的電場電極(導電層15)施加正(或者負(-))偏置，并對 基底相反側上相應的電場電極(導電層22)施加負(或者正)偏置。與La2CuO4測量電極 對準的其它兩個電場電極(導電層15和22)無偏置(浮置)。對圖2A-2C所示出的實施例使用在表格2的各種充電方案中的電場電極造成氣體 傳感器的不同測量行為(圖3A-3H)。如圖3A所示，對于充電方案1(表格2)，對NO的傳感器響應隨著施加IV的電場偏置而改變。另外，變化幅度隨著環境溫度改變而不同。但是， 當與圖3B比較時，清楚的是電場電極對裝置的NO2響應要大得多。造成傳感器響應的機制 的選擇性增強或者減弱在多種電化學裝置、非電化學裝置和其它相關過程中非常有用。如 圖3C和3D所示充電方案1 (表格2)造成極大(NO靈敏度的 20X增加和NO2靈敏度的 IOX增加)。另外，對NO2的靈敏度開始為負并且在獲得正響應之前趨向于零靈敏度。同時， NO響應僅僅正向增大。因此，可能選擇NO而非NO2。使用圖3E所示出的充電方案2示出了所成形電場進一步增強氣體傳感器的能力。 在這種情形，正的電場偏置使得NO2響應隨著偏置增加而增加，NO靈敏度僅僅稍微增加但隨 著偏置增加不再有其它變化。另一方面，負電場偏置使得降低的NO靈敏度幾乎為零，同時 維持NO的靈敏度。實際上對于電場電極的-0. 5V偏置，NO靈敏度可忽略而NO2靈敏度實際 上增加。如圖3F-3G所示，充電方案3 (表格2)隨著電場偏置改變產生NO和NO2靈敏度相 似的變化。這一點表示該充電方案可用于獲得增強的總-NOx傳感器信號。圖3H進一步示出了各種成形電場以多種方法增強裝置的能力。在這種情形，結 果表明偏置方案可使得選擇N0，這是因為NO2靈敏度趨向于零而NO靈敏度保持相對不變。 另外，對每個所成形電場偏置獲得不同的結果表示相似的增強可用于改進其它電化學裝 置、非電化學裝置和其它相關過程。圖4A表示示出采用充電方案3的圖2A-2C的所成形電場實施例相對電場強度的 電場分布圖25。這里，“電場電極” 26帶正電荷，而“電場電極” 28帶相同值的負電荷。“電 場電極”27和29浮置。附圖中的每個分布25表示從裝置表面離開并且在圍繞裝置的整個 氣體環境中的不同場強。雖然未示出，應當注意的是場強分布也延伸通過基底30和裝置的 其它部分(即電場透過裝置)。圖4B表示和圖4A所表示的充電方案相同的電場向量圖31。附圖中的每個箭頭表 示電場在空間中的方向。電場從正電荷區移至負電荷區。觀看圖4B并參考圖2B，清楚的 是對于該充電方案(在理想情形中)電場在構成“電場電極”26和28的環中心附近是均勻 的。但是，電場在“電場電極” 27和29的環中心附近不均勻。圖4A和4B中的電場分布圖 和電場向量圖將根據若干參數(例如“電場電極”的電壓和/或所使用的充電方案)的值 而改變。盡管未示出，但是應當注意的是場向量也延伸通過基底30和裝置的其它部分(即 電場透過裝置)。而且，注意在理想情形不考慮“電場”電極邊沿附近的邊緣效應。圖4C表示的是圖2A-2C的所成形電場實施例的充電方案1的電場向量圖32。這 里，“電場電極” 33和34帶正電荷，而“電場電極” 35和36帶負電荷。觀看圖4C并參考圖 2C，清楚的是對于該充電方案(在理想情形中)電場在構成“電場電極” 33、34、35和36的 環中心附近均勻。另外，經過環中部的電場向量方向對左對環(33和35)和對右對環(34 和36)相同。這也是和兩對環中間相同的方向(即通過裝置中部，與表面垂直)。還要注意 的是該方案中的電場分布關于裝置和周圍的氣體環境對稱(假定為理想情形并且沒有周 圍物體的干擾)。該電場向量圖將隨著“電場電極”上的電壓值(并且如果充電方案改變) 改變。雖然未示出，但是應當注意的是場向量也延伸通過基底37和裝置的其它部分(即 電場透過裝置)。圖4D表示是圖2A-2C的所成形電場實施例的充電方案2的電場向量圖38。這里，“電場電極” 39和42帶正電荷，而“電場電極” 40和41帶負電荷。觀看圖4D并參考圖2C， 清楚的是對于該充電方案(在理想情形中)電場在構成“電場電極” 39、40、41和42的環 中心附近均勻。另外，經過環中部的電場向量方向對左對環(39和41)和對右對環(40和 42)不相同；其方向相反(并且垂直于表面)。還要注意的是該方案中的電場分布關于裝置 和周圍的氣體環境對稱(假定為理想情形并且沒有周圍物體的干擾)。盡管該后一種實施 映射了圖4C所顯示的情形，但是該兩對環(即恰好在裝置中部)中間的電場不再垂直于表 面；而是該電場現在平行于表面。該電場向量圖將隨著“電場電極”上的電壓值(并且如果 充電方案改變)改變。雖然未示出，但是應當注意的是場向量也延伸通過基底43和裝置的 其它部分(即電場透過裝置)。而且除了充電方案2(圖4D)和1(圖4C)之間場向量圖的 差異，還值得注意的是該兩個實例的分布圖所表示的場強也發生改變(未示出)。圖4A-4D為主要表示不同充電方案(和實施例)可使得電場增強在裝置或者一般 催化過程中(有源)微調的思想的簡單2D模型。該電場分布等在真實的裝置或者過程中 可能不同，這是因為測量電極和其它元件的存在也將對電場起作用，使其不同于所示出的 簡單情形。與該裝置、催化劑、氣體、吸附物等等的靜電和化學相互作用將取決于這些電場 分布和向量圖。因此，可根據指定應用的裝置或者一般催化過程(有源)微調這些相互作 用。圖5A表示利用空氣參比電極51的傳感器實施例。該實施例用于示出如通過改 變所測量氣體組成所示催化反應在使用電場電極期間改變。絕緣層45和48、導電層46和 49、和覆層47和50構成四個“電場電極”。測量電極44和空氣參比電極51連至基底(電 解質或者其它材料)52。圖5B示出了示出具有覆層47的“電場電極”實施例的空氣參比樣品的頂面。金 屬導線或者其它金屬化部件(未示出)可以以多種方式連至測量或者空氣參比電極。對 于傳感器應用而言這些導線用于向測量裝置發送關于電極上EMF的信息。多個測量電極和 “電場電極”也可組合至該裝置中，使其構成氣體傳感器陣列。圖5C示出了“電場電極”實施例的空氣參比樣品的底面。空氣參比電極51連至 基底52，并被該表面上的“電場電極”圍繞。覆層50從該觀察點可見。該傳感器裝置包括電解質一側上的第一、矩形環狀“電場電極”。在該環中部沉積 Pt空氣參比電極。在相反側La2CuO4電極連至電解質。在該電極頂部為第二板形“電場電 極”。La2CuO4電極和第二電場電極暴露于有源氣流，而Pt空氣參比電極和第一場電極仍然 處于恒定的氧氣分壓下(即空氣)。在正(La2CuO4側高壓)和負(Pt側高壓)方向在0、2、5和8V的“電場電極”偏置 下對3% O2中的多個NOx濃度評估傳感器。在450°C、500°C、和550°C下進行該測試并對每 種狀況重復兩次。在每個溫度下將在電場影響下的傳感器與無偏裝置進行比較。傳感器信 號在550C和500C下非常低，這一點造成所施加電場(未示出)的靈敏度很少或者無變化， 除了在500C下NO的-8V定位點。但是，如在圖6A和6B所看出，在所有的溫度下，如質譜 學所檢測，電場偏置的改變造成離開La2CuO4測量電極的氣體組分變化。采用相應氣體步驟 的650ppm NO或者N02給料組成的測量NOx組成形成這些圖。因為保證當施加至手工樣品 時模型化場強精確代表真實性的困難，這些圖關于電場偏置電壓。如從圖4中兩張附圖可 清楚，對NO和N02兩個氣體步驟而言NOx水平發生較大變化。另外，就N02氣體步驟而言，肩/峰在所測量N02曲線上(大約-5V電場偏置)隨著溫度提高而發展。在450°C下，隨著在裝置上形成電場，NO和N02靈敏度都發生大的改變。在圖6C 和6D中可以看到對氣體步驟的靈敏度(mV/10ppm NOx)以及在650ppmN0或者N02給料組 成期間所測量的濃度。對于NO氣體步驟而言，從區域I到II降低的(+)場偏置造成NO 和N02濃度同時增加而靈敏度沒有太大變化。在區域II，伴隨著所測量NO急劇降低和N02 較平穩的降低發生從(+)到(_)的場偏置的轉變。物質濃度變化的該差異看上去導致靈敏 度從區域II到III時降低。隨著現在的(_)場偏置進一步下降，N02水平繼續下降而NO基 本不變。這一點伴隨著裝置的NO靈敏度的顯著提高。最后在從區域III到IV的轉變中， 隨著NO和N02濃度響應于更加(-)的場偏置而下降，靈敏度出現較大下降。現在考慮圖5中對450°C下N02氣體步驟的四個變化區域，測量機制似乎出現了 更復雜的變化。在從區域I至II時，N02濃度明顯上升同時伴隨著NO更大的下降。這一 點造成N02靈敏度向更小的更正的值明顯偏移。在區域II中間，伴隨著N02靈敏度下降存 在NO和N02濃度的重疊。在區域II更加(_)的端部小的升高之后，隨著區域III的開始 N02靈敏度明顯下降。也在該轉變期間，隨著N02量明顯下降和NO更慢上升出現NO和N02 濃度代第二次重疊。在接近于區域IV的區域III，所測量的NO濃度開始變化和減小而N02 繼續下降。因此，N02靈敏度在區域IV稍微提高。如圖6A-6D所示，圖5A-5C中實施例的結果表明采用電場電極可改變材料的催化 性質，這一點可用于電化學裝置、非電化學裝置、或者其它相關(催化)過程。另外，這些結 果可通過使得對各種氣體物質的靈敏度發生大的改變而增強氣體傳感器。圖7A示出的樣品用于圖7B至7E所示出的場輔助解吸測量。這些結果表明，即使 在較小的場強下，間接施加的電場也可影響La2CuO4表面上NOx的行為。以如圖7A所示出 的“電場電極”對樣品進行溫度編程解吸(TPD)實驗。該樣品包括絕緣層54和55 (Al2O3) 和導電層56和57 (Au)連至兩端的多孔La2CuO4條53的截面。盡管沒有示出，但是也可看 到對La2CuO4的高表面區域顆粒樣品的作用。在若干組試驗中，該樣品在導電層56和57以 各種施加的電壓偏置。TPD為其中以較低溫度(例如300C)吸附初始量的氣體然后將其冷氣到室溫的試 驗技術。然后切斷所關注的氣體，而惰性氣體例如氦流過反應器。然后在以質譜儀監視所 解吸物質的變化時，溫度以高線性速率(例如30°C /min)傾斜。隨著電場電壓定位點增多，N0(圖7B)的解吸峰值移動至較高溫度，同時雖然強度 不同但可維持相似的初始峰值形狀。除了向上的溫度峰移動以外，高溫下的NO的延遲解吸 表示為更確定的峰值。該移動伴隨著在和NO解吸相同的溫度下出現大的而2解吸峰值(圖 7C)。峰值強度和面積的變化表明吸附/解吸能和化學吸附機制可能因為電場而改變。在 表格3中可找到從樣品解吸的氣體量。表格3NO 吸附表格3.在NCHO2TPD期間吸附的NOx總量 對N02吸附進行了相同的試驗(圖7D和7E)。在這些結果中，解吸能的變化較不 明顯，但是各峰值強度的明確變化表明了化學吸附機制可能的變化。表格4中可看到解吸 量。
表格 4
NO2 吸附
表格4.在N02+02TPD期間吸附的NOx總量
根據本發明的傳感器實施例可利用電位測量、阻抗測量和/或電流測量。這些傳 感器可在相同的氣體環境中定位所有的電極并且可采用空氣參比電極或者一些其它類型 的參考。在各實施例中，可以交替地以保持“電場電極”上的電荷等于期望值的穩壓器或者 其它裝置提供施加至“電場電極”的電壓。這樣如果氣體環境(或者一些現象)使得電荷 變化，則穩壓器或者其它裝置可起反作用以保證電荷回到期望的值。可以從隨時間變化的 測量電流計算該電荷，這是因為至少在理想情形，由于施加至“電場電極”的電壓，沒有電子 流流經該裝置。在“回路”中測量的該電流是由于在理想情形僅僅為完美絕緣體的絕緣層 上所積累電荷的變化而引起的。圖8A-8H表示其中可利用電場增強的一些其它各種結構。圖8A示出了基底58 (電 解質或者其它材料)的俯視圖，其中每個測量電極59、60和61被若干在測量電極周圍形成 虛線環的多個“電場電極” 62、63和64所圍繞。在圖8A-8H中，電場電極示出為一體，其如 圖2A-2C的實施例所示由至少絕緣層和導電層以及可能的覆層組成。圖8B示出了圖8A的 橫截面，其中測量電極59、60和61和“電場電極” 62、63和64顯示在一個表面上而加熱器 結構65、66和67 (蛇形或者其它圖案)顯示在第二表面上。圖8C示出了圖8A的橫截面，但現在“電場電極” 62、63和64和加熱器結構65、66和67嵌入基底58中。另外，新的層 68 (電解質或者其它材料)處于基底58和測量電極59、60和61之間。圖8D和8E示出了圖8A的橫截面，其中加熱器結構65、66和67嵌入基底中，并且 第二層68介于基底58和測量電極59、60和61之間；電場電極70、71和72現在形成盤狀 而非圖8A中所看到的虛線結構。另外，8D示出了在每個測量電極59、60和61上方形成腔 的結構69 ；電場電極70、71和72連接于該結構的內側。圖8E示出了類似的形成腔的結構 69，但是電場電極70、71和72處于該結構的頂部。圖8F-8H示出了利用電場增強的裝置的若干其它結構。8F示出了在每個都具有至 少兩個測量電極76、77、78和79的基底73 (電解質或者其它材料)頂部存在兩個矩形層80 和81 (電解質或者其它材料)的實施例的俯視圖。層80和81用于將測量電極76、77、78 和79與基底73分開。結構74和75圍繞每個該矩形層并以虛線結構表示若干電場電極。 8G表示8F的橫截面，其示出了矩形層80和81和相應的測量電極76、77、78和79。還示出 了電場電極74和75以及底面上的加熱結構82和83。圖8H示出了另一個具有測量電極 (8F中的76和77)的其中一個矩形層(8F中的80)被與基底73接觸的氣敏材料84(例如 電阻隨著氣體暴露而改變)代替的可能的實施例。在兩個位置對該材料形成電接觸85和 86。該實施例的其余部分與8G相同。在燃料電池(例如S0FC)中氧氣在陰極上解離在陽極上反應，并且燃料在陽極解 離和反應。如這里所討論的，電場的出現可使得表面上的被吸附絡合物穩定/不穩定。這 一點可能造成將改進燃料電池性能(例如增強功率密度輸出)的動力學或者反應機制發生 改變。而且，如所討論的，可通過本發明的采用“電場電極”的實施例去除或者阻止毒物在 燃料電池表面特別是在燃料側的堆積。在SOFC中采用“電場電極”可降低工作溫度并可采 用燃料電池中更廉價的材料。另外，電極可用于更改裝置以當負荷條件改變時增強或者維 持性能。圖9A表示電場增強的電化學電池(例如燃料電池)實施例。這里，可以為電解質 的基底94具有附接的陽極(88或者95)和陰極(95或者88)。在其它實施例中，其它材料 用作其頂上為電解質和其它相應的層的載體或者其它載體材料例如陽極載體。在裝置為陽 極支持且電解質為連至載體的非常薄的層的情況下可采用不同的結構。陰極然后可沉積在 電解質頂部，完成電池。“電場電極”由絕緣層88和91、導電層89和92以及覆層90和93 組成。金屬導線或者其它互聯(未示出)可以以多種不同方法連至電極。該結構還可形成 由多個電池組成的堆疊。圖9B為電化學電池(例如燃料電池)實施例的一個表面。這里，可看到覆層91 和93。電極87可以為陽極或者陰極并連至基底95。圖9C為燃料電池實施例的另一個表 面。這里僅僅能看到電極95。其連至基底94并且可為陽極或者陰極。圖10A-10C示出了平面結構的不同的電場增強電化學裝置(例如燃料電池)實施 例。示出可由任意數量電池組成的堆疊結構。在圖IOA中，存在若干電場電極，其由導電層 97、102和109以及絕緣層96、98、101、103、108和110組成。在該結構中，絕緣層和覆層之 間的差別不明顯。這些層沉積在基底99和111上，其具有各種連接的電極100、104、105和 107(陽極和陰極)。盡管不是必須，在一些情形電場電極具有用作分隔各種電化學電池之 間的氣體的密封物的附加用處。圖IOB示出了具有電場電極的基底99、電極100 (陽極或者陰極)和絕緣層98的圖IOA實施例的頂面。圖IOC示出了具有電場電極的基底111、電極 106 (陽極或者陰極)和絕緣層110的圖IOA實施例的底面。NEMCA可大大增強催化反應的速率。就NEMCA而言，由于增加的電勢(以及因此的 場強)可造成裝置的永久損壞，對電池電極所施加的電壓或者(電子)電流所形成的電場 有限。但是，采用“電場電極”可增強NEMCA電場。另外，“電場電極”由于可位于裝置上的 任何位置因而對吸附和反應的控制比NEMCA更強。如這里所討論的，可借助電場改變催化反應。“電場電極”可組合至催化劑載體中 從而以期望的方法改變反應路徑。改進包括增加的轉換收益和/或反應的較低溫度要求。 這一點可使得催化反應的成本更低和收益率改進。圖IlA示出了用于催化過程的催化劑床實施例的橫截面。金屬芯112嵌入蜂窩結 構114的中部。外部電極113附接至蜂窩結構114的外周。蜂窩結構還可為另一個用于容 納催化劑顆粒115的相關形狀。該實施例為多邊-柱狀，并在金屬芯112和外部電極113 之間施加電壓以在分散于蜂窩結構114中的催化劑顆粒周圍產生電場。反應氣體流經蜂窩 結構114，在那里其可在催化劑顆粒上反應。注意蜂窩結構114也可由電解質材料組成。在 這種情形，絕緣層置于金屬芯112和蜂窩結構114之間。絕緣層也置于外部電極113和蜂 窩結構114結構之間。另外，例如該具有電解質蜂窩結構79的實施例可以以電場增強模式 工作。圖IlB示出了具有金屬芯77和外部電極78的多邊-柱狀的俯視圖。也示出了蜂 窩結構79。圖IlC表示可遍布在圖IlA和IlB所看到的蜂窩結構中的催化劑顆粒團80。在所有所示出的實施例以及任何其它利用電場電極的實施例中，當包含電化學電 池時，如在別處所討論的組合的NEMCA效應(直接偏置)和電場增強(由“電場電極”提供) 可改進催化作用。而且，多個“電場電極”可用于這樣的結構或者相關實施例中。所有相關的或者這里所引用的專利、專利申請、臨時申請和出版物都整體在此引 用作為參考到其不與該說明書明顯的教導不一致的程度，包括所有的附圖和表格。應當理解的是這里所描述的實例和實施例僅僅為描述目的并且本領域技術人員 將聯想到其各種更改或者變化，并且這些更改或變化將包括在該申請的實質和范圍中。
權利要求
一種電化學電池，包括基底，其中該基底包括電解質；至少兩個測量電極，其中所述至少兩個測量電極設置在基底上，其中所述至少兩個測量電極與電解質電接觸；用于在所述至少兩個測量電極的至少一個的附近形成電場的裝置；用于測量一個或多個所述至少兩個測量電極的特征的裝置，其中在該至少兩個測量電極附近產生電場改變所測量的特征。
2.根據權利要求1的電化學電池，其中所述特征為電特征。
3.根據權利要求1的電化學電池，其中所述特征為溫度。
4.根據權利要求2的電化學電池，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個 之間的電壓。
5.根據權利要求2的電化學電池，其中所述電特征為在所述至少兩個測量電極中的兩 個之間流動的電流。
6.根據權利要求2的電化學電池，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個 之間的阻抗。
7.根據權利要求2的電化學電池，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個 之間的電阻。
8.根據權利要求2的電化學電池，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個 之間的電容。
9.根據權利要求2的電化學電池，還包括用于更改所述至少兩個測量電極中至少一個的溫度的裝置，其中更改溫度改變所測量 的電特征。
10.根據權利要求9的電化學電池，還包括用于監視所述至少兩個測量電極中的至少一個的溫度的裝置。
11.根據權利要求1的電化學電池，其中所述電化學電池為氣體傳感器。
12.根據權利要求1的電化學電池，其中所述用于產生電場的裝置設置在基底上。
13.根據權利要求12的電化學電池，其中所述用于產生電場的裝置包括至少一個定位 在基底上的電場電極。
14.根據權利要求13的電化學電池，其中所述至少一個測量電極和所述至少一個電場 電極被設置在基底的相反側上。
15.根據權利要求13的電化學電池，其中所述至少一個測量電極和所述至少一個電場 電極被設置在基底的相同側上。
16.根據權利要求13的電化學電池，其中所述至少一個電場電極的每個都包括導電層 和絕緣層，其中所述絕緣層被設置在基底和導電層之間。
17.根據權利要求2的電化學電池，其中所述用于測量一個或多個所述至少兩個測量 電極的電特征的裝置測量所述一個或多個至少兩個測量電極的電特征的時間相關性。
18.根據權利要求11的電化學電池，其中所述氣體傳感器測量氣體混合物成分的濃度。
19.根據權利要求11的電化學電池，其中所述氣體傳感器測量氣體的存在。
20.根據權利要求18的電化學電池，其中所述至少兩個測量電極的第一測量電極位于 電解質的第一表面上，其中所述至少兩個測量電極的第二測量電極位于電解質的第一表面 上，其中所述用于測量一個或多個所述至少兩個測量電極的特征的裝置包括測量第一測量 電極和第二測量電極之間電壓的裝置。
21.根據權利要求20的電化學電池，其中用于在所述至少兩個測量電極中的至少一個 測量電極附近形成電場的裝置在所述第一測量電極附近形成電場。
22.根據權利要求21的電化學電池，其中所述用于形成電場的裝置在所述第二測量電 極附近形成電場。
23.根據權利要求21的電化學電池，其中所述用于形成電場的裝置包括至少一個電場 電極。
24.根據權利要求23的電化學電池，其中所述至少一個電場電極包括圍繞第一測量電 極的第一環形電極。
25.根據權利要求1的電化學電池，還包括位于基底上的參比電極。
26.根據權利要求18的電化學電池，其中所述成分為NO。
27.根據權利要求18的電化學電池，其中所述成分為N02。
28.根據權利要求18的電化學電池，其中所述成分選自下述的組氨、SO2,SO3、烴、H2, H2O、CO 禾口 CO20
29.根據權利要求18的電化學電池，還包括用于從所測量電特征確定成分濃度的裝置。
30.根據權利要求1的電化學電池，其中用于形成電場的裝置不與基底電接觸。
31.一種設備，包括基底；至少一個測量電極，其中所述至少一個測量電極位于基底上； 用于在所述至少一個測量電極中的一個的附近形成電場的裝置； 用于測量所述至少一個測量電極中的一個的特征的裝置。
32.根據權利要求31的設備，其中所述特征為電特征。
33.根據權利要求32的設備，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的阻抗。
34.根據權利要求32的設備，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的電阻。
35.根據權利要求32的設備，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的電容。
36.根據權利要求32的設備，其中所述用于測量電特征的裝置測量所述至少一個測量 電極中的一個的電特征的時間相關性。
37.根據權利要求32的設備，其中所述基底包括電解質，其中所述至少一個測量電極 中的一個與所述電解質電接觸。
38.根據權利要求32的設備，其中所述電特征為所述至少一個測量電極的兩個之間的 阻抗。
39.根據權利要求31的設備，其中所述特征為溫度。
40.根據權利要求32的設備，還包括用于更改所述至少一個測量電極的至少一個的溫度的裝置，其中更改溫度改變所測量 電特征。
41.根據權利要求40的設備，還包括用于監視所述至少一個測量電極的只是一個的溫度的裝置。
42.一種催化設備，包括基底，其中所述基底包括電解質；至少兩個電極，其中所述至少兩個電極與電解質電接觸；用于將一個或多個所述至少兩個電極的表面暴露在一種或者多種氣體的裝置；用于在表面附近產生電場的裝置，其中所述電場更改所述一種或多種氣體與一個或多 個所述至少兩個電極之間的催化反應。
43.根據權利要求42的催化設備，其中所述電場增強所述一種或者多種氣體與一個或 多個所述至少兩個電極之間的催化反應。
44.根據權利要求42的催化設備，還包括將電解質暴露在所述一種或者多種氣體的裝 置，其中所述電場更改該一種或多種氣體與電解質之間的催化反應。
45.根據權利要求43的催化設備，還包括用于將電解質暴露在所述一種或者多種氣體 的裝置，其中所述電場更改所述一種或多種氣體與電解質之間的催化反應。
46.根據權利要求43的催化設備，還包括用于在所述至少兩個電極的兩個電極之間施加偏置的裝置。
47.根據權利要求46的催化設備，其中所述用于施加偏置的裝置為電壓源。
48.根據權利要求46的催化設備，其中所述用于施加偏置的裝置為電流源。
49.根據權利要求42的催化設備，其中所述基底包括使得所述一種或者多種氣體可通 過其中的多孔結構，其中所述至少兩個電極包括多孔結構中的多個顆粒。
50.一種設備，包括基底，其中該基底包括電解質；至少兩個位于基底上的電極，其中所述至少兩個電極與所述電解質電接觸；和用于在一個或多個所述至少兩個電極附近形成電場的裝置，其中當一個或多個所述至 少兩個電極暴露在一種或多種氣體中時在該至少兩個電極之間產生輸出EMF，其中在一個 或多個所述至少兩個電極附近的電場更改該輸出EMF。
51.根據權利要求50的設備，還包括連至兩個所述至少兩個電極的負載，其中電力輸送至負載。
52.根據權利要求50的設備，其中兩個所述至少兩個電極位于基底的相反側上，其中 第一氣體與該兩個電極的第一電極接觸，其中第一氣體發生反應從而第一氣體成分的離子 和/或第一氣體的離子傳播通過電解質至該兩個電極的第二電極并分別成為第一氣體的 成分和/或第一氣體。
53.根據權利要求52的設備，還包括用于在該兩個該至少兩個電極上施加偏置的裝置。
54.根據權利要求53的設備，其中所述施加偏置的裝置為電壓源。
55.根據權利要求53的設備，其中所述施加偏置的裝置為電流源。
56.一種方法，包括提供基底，其中該基底包括電解質；提供至少兩個測量電極，其中所述至少兩個測量電極設置在基底上，其中所述至少兩 個測量電極與電解質接觸；在所述至少兩個測量電極中的至少一個的附近形成電場；測量一個或多個所述至少兩個測量電極的特征，其中在所述至少兩個測量電極附近產 生電場改變所測量的特征。
57.根據權利要求56的方法，其中所述特征為電特征。
58.根據權利要求56的方法，其中所述特征為溫度。
59.根據權利要求57的方法，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個之間 的電壓。
60.根據權利要求57的方法，其中所述電特征為在所述至少兩個測量電極中的兩個之 間流動的電流。
61.根據權利要求57的方法，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個之間 的阻抗。
62.根據權利要求57的方法，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個之間 的電阻。
63.根據權利要求57的方法，其中所述電特征為所述至少兩個測量電極中的兩個之間 的電容。
64.根據權利要求56的方法，還包括更改所述至少兩個測量電極中的至少一個的溫度，其中更改該溫度改變所測量的電特征。
65.根據權利要求64的方法，還包括監視該至少兩個測量電極中至少一個的溫度。
66.根據權利要求56的方法，其中該方法為測量氣體的方法。
67.根據權利要求56的方法，其中產生電場通過位于基底上的產生電場的裝置完成。
68.根據權利要求67的方法，其中產生電場的裝置包括至少一個定位在基底上的電場 電極。
69.根據權利要求68的方法，其中所述至少一個測量電極和所述至少一個電場電極設 置在基底的相反側上。
70.根據權利要求67的方法，其中所述至少一個測量電極和所述至少一個電場電極設 置在基底的相同側上。
71.根據權利要求68的方法，其中所述至少一個電場電極每個都包括導電層和絕緣 層，其中所述絕緣層設置在基底和導電層之間。
72.根據權利要求57的方法，其中測量一個或多個所述至少兩個測量電極的電特征的 裝置測量一個或多個所述至少兩個測量電極的電特征的時間相關性。
73.根據權利要求66的方法，其中所述氣體傳感器測量氣體混合物成分的濃度。
74.根據權利要求66的方法，其中所述氣體傳感器測量氣體的存在。
75.根據權利要求73的方法，其中所述至少兩個測量電極的第一測量電極位于電解質的第一表面上，其中所述至少兩個測量電極的第二測量電極位于電解質的第一表面上，其 中測量一個或多個所述至少兩個測量電極的特征的裝置包括測量所述第一測量電極和所 述第二測量電極之間電壓的裝置。
76.根據權利要求75的方法，其中所述用于在所述至少兩個測量電極中的至少一個測 量電極附近形成電場的裝置在所述第一測量電極附近形成電場。
77.根據權利要求76的方法，其中所述用于形成電場的裝置在所述第二測量電極附近 形成電場。
78.根據權利要求76的方法，其中用于形成電場的裝置包括至少一個電場電極。
79.根據權利要求78的方法，其中所述至少一個電場電極包括圍繞所述第一測量電極 的第一環形電極。
80.根據權利要求56的方法，還包括位于基底上的參比電極。
81.根據權利要求73的方法，其中所述成分為NO。
82.根據權利要求73的方法，其中所述成分為N02。
83.根據權利要求73的方法，其中所述成分選自下述的組氨、SO2,SO3、烴、H2、H2O, CO 和 CO2。
84.根據權利要求73的方法，還包括用于從所測量電特征確定成分濃度的裝置。
85.根據權利要求56的方法，其中用于形成電場的裝置不與基底電接觸。
86.一種方法，包括 提供基底；提供至少一個測量電極，其中該至少一個測量電極位于基底上； 在所述至少一個測量電極的一個的附近形成電場； 測量所述至少一個測量電極的一個的特征。
87.根據權利要求86的方法，其中所述特征為電特征。
88.根據權利要求87的方法，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的阻抗。
89.根據權利要求87的方法，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的電阻。
90.根據權利要求87的方法，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的一個的電容。
91.根據權利要求87的方法，其中測量電特征包括測量所述至少一個測量電極中的一 個的電特征的時間相關性。
92.根據權利要求87的方法，其中所述基底包括電解質，其中所述至少一個測量電極 中的一個與電解質電接觸。
93.根據權利要求87的方法，其中所述電特征為所述至少一個測量電極中的兩個之間 的阻抗。
94.根據權利要求86的方法，其中該特征為溫度。
95.根據權利要求94的方法，還包括更改所述至少一個測量電極的至少一個的溫度，其中更改溫度改變所測量電特征。
96.根據權利要求95的方法，還包括監視所述至少一個測量電極的至少一個的溫度。
97.一種更改催化反應的方法，包括提供基底，其中所述基底包括電解質；提供至少兩個電極，其中所述至少兩個電極與電解質接觸；將一個或多個所述至少兩個電極的表面暴露在一種或者多種氣體；在表面附近產生電場，其中所述電場更改所述一種或多種氣體與一個或多個所述至少 兩個電極之間的催化反應。
98.根據權利要求97的方法，其中所述電場增強所述一種或者多種氣體與一個或者多 個所述至少兩個電極之間的催化反應。
99.根據權利要求98的方法，還包括將電解質暴露在所述一種或者多種氣體，其中所 述電場更改所述一種或多種氣體與電解質之間的催化反應。
100.根據權利要求97的方法，還包括將電解質暴露在所述一種或者多種氣體，其中該 電場更改該一種或多種氣體與電解質之間的催化反應。
101.根據權利要求98的方法，還包括在所述至少兩個電極中的兩個電極之間施加偏置。
102.根據權利要求101的方法，其中施加偏置包括在所述至少兩個電極中的兩個上施 加電壓。
103.根據權利要求101的方法，其中施加偏置包括在所述至少兩個電極中的兩個上施 加電流。
104.根據權利要求97的方法，其中所述基底包括使得該一種或者多種氣體可通過其 中的多孔結構，其中所述至少兩個電極包括多孔結構中的多個顆粒。
105.—種方法，包括提供基底，其中所述基底包括電解質；提供至少兩個位于基底上的電極，其中所述至少兩個電極與所述電解質電接觸；以及在一個或多個所述至少兩個電極附近形成電場，其中當一個或多個所述至少兩個電極 暴露在一種或多種與一個或多個所述至少兩個電極發生反應的氣體中時，在所述至少兩個 電極中的兩個之間產生輸出EMF，其中在一個或多個該至少兩個電極附近的電場更改該輸 出 EMF。
106.根據權利要求105的方法，還包括將負載連至所述至少兩個電極中的兩個上，其中電力輸送至負載。
107.根據權利要求105的方法，其中所述至少兩個電極中的兩個位于基底的相反側 上，其中第一氣體與該兩個電極的第一電極接觸，其中第一氣體發生反應從而第一氣體成 分的離子和/或第一氣體的離子傳播通過電解質至該兩個電極的第二電極并分別成為第 一氣體的成分和/或第一氣體。
108.根據權利要求107的方法，還包括在所述至少兩個電極中的兩個上施加偏置。
109.根據權利要求108的方法，其中通過電壓源施加所述偏置。
110.根據權利要求108的方法，其中通過電流源施加所述偏置。全文摘要
提供了用于催化的電場增強性能的電極結構及包含氣體的固態裝置。根據實施例，電場電極可組合在例如氣體傳感器和燃料電池的裝置中以相對于氣體傳感器和燃料電池表面的測量電極成形所提供的電場。所成形電場可改變表面動力學、系統熱力學、反應動力學、和吸附/解吸過程。在一個實施例中，可在平面氣體傳感器的測量電極周圍提供環形電場電極。
文檔編號H01M8/04GK101897066SQ200880120515
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月12日 優先權日2007年12月12日
發明者B·M·布萊克本, E·D·瓦奇曼, F·M·范阿斯赫四世 申請人:佛羅里達大學研究基金公司