CN102812352A - 包括氢气源的独立水检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水检测设备，其中，所述水检测设备包括至少一个燃料电池，所述燃料电池具有第一电极（2）、电解质层（3）、第二电极（4）和电测量设备（5），其特征在于：电池的第一电极与具有Si-H键的由多孔硅制成的衬底（1）的第一面接触，以便在存在水时释放氢气流。有利地，多孔硅衬底合并至可透水外壳（6），燃料电池合并至第二外壳（8），所述第二外壳不透水、但可透过氧气。

Description

包括氢气源的独立水检测设备
技术领域
本发明的领域是能量自治水检测设备，并且更准确地涉及能够估计水量且并不只操作在已知的水检测器中所提供的二进制模式（存在水或不存在水）的水检测设备。
背景技术
多数水检测设备不是能量自治的。由设备内部的来源（动力电池）或配电系统供给能量。为此，现有的设备不是小型化的，并且需要连接装置，其中，连接装置与有限的空间大小相矛盾或难于接入。
然而，在专利申请FR 2 906 037中，已经描述了伏特电池型能量自治水检测器。电解质由多孔材料组成。多孔层具有释放离子物种的涂层。当电解质与水接触时，通过电解质内的离子释放以及由下列反应产生的能量来进行离子传导：
Zn→2e-+Zn2+
2H2O+2e-→2HO-+H2
这种检测器不能估计泄露规模。不存在信号的渐变：存在水时，有信号；而不存在水时无信号。信息是二进制的。而且，一旦锌电极已消耗，系统不再工作。
发明内容
由于这个原因，本发明的主题是包括采用水的存在以触发释放氢气的反应的解决办法，其中该反应本身提供扮演电信号供应者角色的燃料电池。这种设备的重要性在于其提供与水量成比例的信号这一事实。
更准确地，本发明的主题是一种水检测设备，其中，所述水检测设备包括至少一个燃料电池，所述燃料电池包括第一电极、电解质层、第二电极和电测量设备，其特征在于：电池的第一电极与包括Si-H键的多孔硅衬底的第一面接触，以便在存在水时释放氢气流。
根据本发明的一个变体，该设备还包括促进释放氢气流、在硅衬底的小孔内部的催化剂。
根据本发明的一个变体，该催化剂包括能够释放氢氧离子的材料，其中，该材料可以是KOH型。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括可透过水、包括多孔硅衬底的第一外壳。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括第二外壳，其中，第二外壳包括燃料电池，所述第二外壳不透水、可透过氧气。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括基本电池的组合，每个基本电池包括至少一个基本燃料电池和一个基本多孔硅衬底。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括基本电池的组合。其中，基本电池包括其与电极平面垂直的尺寸根据梯度分布以能够检测各种基本水位的多孔硅衬底。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括公共电解质层、在电解质材料层的两侧不连续的第一电极和第二电极，以及公共多孔硅衬底。
根据本发明的一个变体，公共电解质层包括质子不可透过以分隔基本电池的内部的质子的绝缘横向区域。
根据本发明的一个变体，水检测设备包括矩阵结构的基本水检测电池。
本发明的另一个主题是包括根据本发明的水检测设备、配备有矩阵电测量设备的含水区域制图设备。
本发明的又一个主题是指纹辨别设备，其特征在于，其包括根据本发明的含水区域制图设备。
附图说明
通过阅读由非限制性实例并由于附图呈现的下面的描述，将会更好地理解本发明，并且，其他优点将会变得显而易见，其中：
-图1示出本发明中使用的燃料电池原理；
-图2示出根据本发明的水检测设备的第一变体；
-图3示出根据本发明的水检测设备的第二变体；
-图4示出根据本发明的水检测设备的第三变体；
-图5示出图4中示出的变体的改进实施例；
-图6示出根据本发明、包括基本检测电池的水检测设备；
-图7a和图7b示出根据本发明、可以有利地应用在用于识别指纹的设备中的含水区域制图设备。
具体实施方式
图1中以通用方式，示出本发明中使用的燃料电池原理。阳极，可透过氢气，是下列反应的场所：
H2→2H++2e-
电解材料将质子运输到阴极，阴极是通过供给空气中存在的氧气和供给电子而进行的下列反应的场所：
1/2O2+2e-+2H+→H2O
因此，本发明的水检测器的一般操作原理可由下列方块图示出：
Figure BDA00002166523500031
存在给定水体积的情况下，检测器产生与水体积成比例的氢气体积。检测器同时产生与氢气体积成比例的强度信号。
图2示出根据本发明的水检测器的第一变体。检测器包括由多孔硅制成的衬底1。该多孔硅包括Si-H型键。小孔横贯多孔硅。有利地，硅的小孔可以包括由存在水时释放氢氧离子的涂层形成的催化剂（未示出）；典型地，该涂层可以是苛性钾。催化剂也可以包含在待检测的水溶液中。
存在水时，通过下面的化学反应释放氢气：
Si-Si-H+4H2O→Si(OH)4+2H2+Si-H
氢气迁移穿过多孔硅的小孔，并到达电极2。电极2与活性电极对应，活性电极在下列反应下是电子导电和活性的：
H2→2H++2e-
层3是提供电解功能的层；它有利地由质子导电膜组成。
电极4是催化下列反应的电子导电电极：
1/2O2+2e-+2H+→H2O
因此，存在水时，产生氢气并且燃料电池进入活性状态。在电极2和电极4之间存在处于0V和1.1V之间的范围内的电压U。
然后，电池可以给电测量设备5提供动力，其中，电测量设备5可以有利地合并报警器或行动设备。设备5可以包括控制器、报警器（声音或视觉）和/或执行器，其中控制器允许操作电压固定。
为了给报警器或执行器提供动力，也可能在设备5内添加电容性系统或蓄电池，以便存储电池供给的能量。控制器可以首先给蓄电池或电容器充电，然后分析电池产生的作为时间函数的电流强度的变化。因为电流强度和氢气流量相关，因此，这使得可以推导出水流量。
图3示出本发明的第二变体，其中，检测器集成到可透水的第一外壳6中。存在水时，氢气自然地被引向电极2。当水位下降时，形成的氢气经由密封外壳排出。在阴极侧，不透水、但是允许氧气通过的第二疏水外壳8的存在，防止水位超过Z=d的水平时，电极被淹没。外壳8也可以是多孔疏水涂层。外壳6和多孔硅刚性连接。一旦多孔硅已消耗，通过在为该目的提供的紧固元件14处将组合1+6断开并通过在此处将新的组合1+6连接，来为该系统再次充电。
出于安全性原因，在以大于1sccm（对应于cm3/分的标准单位）的流量产生氢气的情况下，外壳6也可以是显示在图4中的第三变体中示出的配备有密封防回流阀7的密封外壳，其中，外壳6允许液体水通过、但不允许氢气通过。
在图5中示出的改进实施例中，防回流阀7也可以通过连接15由执行器5以期望方式控制。
根据本发明的水检测器的第一示例性实施例：
检测设备包括几个基本电池。因此，图6通过实例，显示三个电池C1、C2、C3的组合，其中C1、C2、C3包括通过公共电解质层形成的燃料电池。为了这个目的，与不连续电极41、42、43一起，提供不连续电极21、22、23。这样，检测器可以用于估计例如图6中显示的水位。如果水位处于水平a和水平b之间的范围内，在电池1的两端产生电势差U，并且产生产生动作1（或信号1）的电流I。
如果水位处于水平b和水平c之间的范围内，那么与也被激活的电池C1并行地，电池C2被激活并且产生信号2/动作2。
如果该水平大于水平c，那么与也被激活的电池C1和C2等一直到n个电池（未示出）并行地，电池C3被激活并且产生信号3/动作3。
因此，系统10可以监控水位的动态变化。
根据本发明的水检测设备的第二示例性实施例：
检测系统包括以矩阵形式组织的几个包括燃料电池的基本电池。该系统允许检测水的“图像”：例如，其也用在指纹检测的构架中。
系统根据手指峰谷产生的水的变化，提供指纹形状的图像。图7a显示设备的顶视图，图7b示出突出矩阵结构和处理电路的示意图。
图7a突出在矩阵结构的一行上的、包括离子非导电区域9的公共电解质层3，其中离子非导电区域9使得基本电池彼此密封。电极211，..，21N和电极411,…,41N的组合允许形成检测器的第一行基本电池C11,…,C1N的燃料电池。
在检测器由几个电池的排列组成的该情况下，为了避免与两个电池接近相关的干扰，在区域9内薄膜可以是不连续的或是离子非导电的。
电池的水平尺寸处于10nm和10cm之间的范围内。优选地，电池的大小处于0.1μm和1000μm之间的范围内。优选地，电池之间的空隙处于0.1μm和50μm之间的范围内。
当成像系统与像素化检测器接触时，与水（或含水）区域接触的电池被激活。“激活”理解成意味着电池的两端存在处于0V和1.1V之间范围内、优选地处于0.5V和1.1V之间范围内的电势差U，并且产生电流I。通过矩阵寻址来执行读取激活的电池。电路12允许选择列电极，电路13允许选择行电极。
信息U使得可以知道电池是否与水接触，并且因此定义与检测器接触的目标水的制图。信息I使得可以推导出水量。
电极由电子导电和催化材料制成。它们由铂Pt或包含铂的合金组成，例如如下类型的合金：铂/钌、钯或金、碳或上述元素的组合。
电极2的成分可以与电极4的成分不同或相同。
电极3是质子导电化合物。该化合物可以是通过-COOH,-SO3H或-PO(OH)2型酸性基团功能化的氟碳型聚合物。该化合物也可以是通过上述酸性基团功能化的碳聚合物。优选地，电极3是
Figure BDA00002166523500061
或源于
Figure BDA00002166523500062
的另一聚合物。对于离子交换膜，目前最广泛使用的材料实际是由Dupont of Nemours制造的Nafion。这是具有（Teflon型）全氟化结构、磺酸盐SO3 -基团结合在其上的共聚合物。其厚度大约为50μm到150μm。为了确保质子迁移，由于良好的离子导电性，薄膜必须是水合的。
优选地，将第一电极和第二电极分开的电解质的厚度处于0.1μm和100μm、更特别地1nm到1000nm之间的范围内。
有利地，为了形成氢化多孔硅衬底，氢化可以通过用酸对掺杂硅衬底进行电化学处理来实现。优选地，小孔的大小处于1nm和100nm之间的范围内。
当使用催化剂时，在多孔硅1中混合与水接触时释放氢氧离子的物质。另一个解决办法是使用位于外壳6中的释放氢氧离子的涂层。
因此，根据本发明，存在水时，电池或燃料电池是活性的：电池的电压处于0V和1.1V之间的范围内。
优选地，为了给蓄电池或电容器充电，电压处于1.1V和0.4V之间的范围内。为了研究作为时间函数的强度的变化，电压设定在0V和1.1V之间的范围内，优选地设定在处于0V和0.5V之间范围内的电压。

Claims (12)

1.一种水检测设备，其中，所述水检测设备包括至少一个燃料电池，所述燃料电池包括第一电极（2）、电解质层（3）、第二电极（4）和电测量设备（5），其特征在于：所述电池的所述第一电极与包含Si-H键的多孔硅衬底（1）的第一面接触，以便在存在水时释放氢气流。
2.根据权利要求1所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备还包括促进释放所述氢气流、在硅衬底的小孔内部的催化剂。
3.根据权利要求2所述的水检测设备，其特征在于：所述催化剂包括能够释放氢氧离子的材料，其中，该材料可以是KOH型。
4.根据权利要求1-3中的一项所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括可透过水、包括所述多孔硅衬底的第一外壳（6）。
5.根据权利要求1-4中的一项所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括第二外壳（8），其中，所述第二外壳（8）包括所述燃料电池，所述第二外壳不透水、可透过氧气。
6.根据权利要求1-5中的一项所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括基本电池（C1、C2、C3）的组合，每个基本电池包括至少一个基本燃料电池和一个基本多孔硅衬底。
7.根据权利要求6所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括基本电池的组合，其中，基本电池包括其与电极平面垂直的尺寸根据梯度分布以能够检测各种基本水位的多孔硅衬底。
8.根据权利要求6和7中的任一项所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括公共电解质层、在电解质材料层的两侧不连续的第一电极（211，..,21N）和第二电极（411,…,41N），以及公共多孔硅衬底。
9.根据权利要求8所述的水检测设备，其特征在于：公共电解质层包括质子不可透过以分隔所述基本电池的内部的质子的绝缘横向区域（9）。
10.根据权利要求6-9中的一项所述的水检测设备，其特征在于：所述水检测设备包括矩阵结构的基本水检测电池。
11.一种含水区域制图设备，其特征在于：所述含水区域制图设备包括根据权利要求10所述的水检测设备、配备有矩阵电测量设备（12，13）。
12.一种指纹识别设备，其特征在于，所述指纹识别设备包括根据权利要求11所述的含水区域制图设备。
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