CN110114665B - 电解质浓度测量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“电解质浓度测量的方法和设备”。本发明公开了一些实施方案，该实施方案整体涉及用于识别电解质的浓度的系统和方法。一种方法可包括：使用多个电解质浓度的循环伏安法扫描电化学传感器的工作电极；使用多个电解质浓度中的每个电解质浓度的氢吸附峰与氧化铂还原峰之间的电位差，来从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。在一些实施方案中，该方法可包括：使用循环伏安法扫描第二电化学传感器的工作电极，其中已经采用了第二电化学传感器；生成第二读数组；以及通过将所确定的相关性应用于第二读数组来确定第二电化学传感器的电解质的电解质浓度。

Description

电解质浓度测量的方法和设备
相关申请的交叉引用
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关于联邦赞助
研究或开发的声明
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对微缩胶片附录的参考
不适用。
背景技术
电化学传感器传统上包括气体扩散工作电极，经常基于分散在聚四氟乙烯(PTFE)带上的铂(Pt)或石墨/铂催化剂。目标气体在该电极处进行反应，同时平衡反应在反电极处发生。电极容纳在外部壳体内，该外部壳体容纳液体电解质，诸如硫酸。气体通常通过受控扩散入口进入壳体，该受控扩散入口调节目标气体进入电池。气体在电极处进行反应并影响传感器的电输出。
发明内容
在实施方案中，用于识别电解质的浓度的方法可包括：使用循环伏安法(CV)扫描电化学传感器的工作电极，其中已经采用了电化学传感器；生成一读数组；识别一读数组中的一个或多个峰；以及通过应用与所识别的一个或多个峰的相关性来确定电化学传感器的电解质的电解质浓度。
在实施方案中，电化学传感器可包括：壳体；电解质，该电解质设置在壳体内；和多个电极，该多个电极与壳体内的电解质接触，其中多个电极包括工作电极和反电极；控制电路，该控制电路被配置为：使用多个电解质浓度的循环伏安法扫描电化学传感器的电极，其中该电极包括工作电极或反电极中的一者；使用一个或多个氧化铂形成和还原峰的扫描从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。
在实施方案中，用于识别电解质的浓度的方法可包括：使用多个电解质浓度的第一循环伏安扫描来扫描电化学传感器的电极，其中电极包括工作电极或反电极中的一者；使用一个或多个氧化铂还原峰的扫描从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。
附图说明
为了更全面地理解本公开，现在参照以下结合附图和详细说明所作的简要说明，在附图中相似的附图标号代表相似的部件。
图1示出了根据实施方案的气体传感器的分解图。
图2示意性地示出了根据实施方案的电化学传感器的横截面图。
图3示出了根据实施方案的一系列电解质浓度的电流与电位差的图表。
图4A示出了根据实施方案的电解质的电位差与pH的图表。
图4B示出了根据实施方案的电解质的电位差与pH的另一个图表。
图5示意性地示出了根据实施方案的电路板上的传感器。
具体实施方式
首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术，无论是当前己知的还是尚不存在的，来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同物的全部范围内进行修改。
以下简短术语定义应适用于整个申请专利：
术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的多于一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定是指相同实施方案)；
如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；
术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且
如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。
本公开的实施方案包括用于确定电化学传感器中的电解质的特性的系统和方法。基于含水电解质(诸如硫酸)操作的电化学气体传感器可能由于周围环境中的吸水或失水而表现出电解质浓度的变化。所得浓度变化会影响传感器的性能，例如，导致气体灵敏度的变化和/或由传感器产生的输出信号值，或者在极端情况下，由于电解质变得太干或太浓，可以导致传感器爆裂(吸水过多)或失效。因此，可能希望能够测量电解质浓度，使得可以采取合适的补救措施，例如补偿灵敏度损失或标记即将发生的失效。
本文公开的实施方案可以允许电解质浓度的直接电化学测量。确定电解质浓度的典型方法可涉及阻抗测量。然而，阻抗测量不会给出唯一的结果，并且对于任何给定的阻抗存在两种可能的电解质浓度(如本领域技术人员已知的)。电解质的阻抗还受到传感器内电解质的几何因素和物理位置的影响。本发明所公开的方法和系统可以允许传感器在更宽的环境范围内被操作，减少再校准的需要。
本文公开的方法和系统可以涉及在位于传感器内的电极上执行循环伏安法。在一些实施方案中，可以在工作电极上执行CV。这涉及在电解质的电解开始之间的电位范围内将斜坡波形施加到电极。由于吸附的氢的生成和去除并且还由于在电极表面上氧化铂的生成和去除，所得测量的电流与电压迹线显示出峰。令人惊奇的是，本发明所公开的实施方案示出氢峰中的一个氢峰与氧化铂去除(汽提)峰之间的电位差是电解质浓度或pH的函数。
浓度测定可能存在许多最终目的。所得电解质浓度测量结果可用于校正来自信号的输出值，以提供对一种或多种气体的浓度的更准确的读数，其中将补偿施加到传感器输出。这将与偏置和放大一起施加。另外，可能会标记错误，因为浓度已达到无法再准确施加补偿但传感器可以恢复的水平。其他用途是识别异常浓度，即浓度太高或太低，可以导致传感器的错误和/或永久性失效。当电解质已经如此浓缩以致传感器中的部件已经不可逆地退化或者体积已经增加到传感器可能已经泄漏或爆裂的程度时，可以认为传感器已经完全失效且不可恢复。
现在参见图1，电化学传感器通常可以具有所示元件中的一些或全部元件。图1示出了示例性电化学传感器10的分解图。传感器10可以包括壳体26、靠近工作电极20的隔板12-1、以及位于参考电极22与反电极24之间的隔板14-1。电极20、22和24连同电解质E一起被承载在壳体26中。如本领域技术人员所理解的，壳体26可包括通气孔30。传感器10可由气体检测器10a承载在外部壳体10b中。电解质E包含在壳体26中。
由壳体26承载的以26-1表示的电连接元件耦接到壳体26中的各个电极。可实现为可充电电池的电源26-2可承载在外部壳体10b中以激活气体检测器10a。
外部壳体10b还可以承载控制电路10c，这些控制电路耦接到连接器元件26-1以从电极20、22、24接收信号并将信号耦接到这些电极，以便感测传感器10中的状况，或控制一个或多个电极20、22、24的操作以执行本文描述的操作和诊断方法。
气体检测器10a可经由接口电路10d与移位的监测系统进行通信，该接口电路经由介质M(可以是有线的或无线的)耦接到控制电路10c。控制电路10c可至少部分地用可编程处理器10e实现，该可编程处理器执行预先存储的控制指令10f。图1中所示的传感器10的其他元件是常规的，并且是本领域技术人员已知的。
在一些实施方案中，可以在电极20、22、24中的一个或多个电极上完成循环伏安法，以提供一个或多个诊断扫描。循环伏安法是一种电化学技术，其测量在电压超过能斯特方程预测的电压条件下在电化学电池中产生的电流。通过循环电极的电位并测量所得电流来执行CV。在循环伏安法中，电极电位可以在循环阶段中相对于时间线性地斜变。在一些实施方案中，可以使用其他波形来完成循环伏安法。在这些阶段的每个阶段期间，电压随时间的变化率被称为实验的扫描速率(V/s)。在电极20、22、24中的一个或多个电极上的CV扫描的结果可以生成关于传感器10的诊断信息。在一些实施方案中，可以在工作电极20上完成CV扫描。
图2示出了电化学传感器210的横截面图。传感器210通常包括壳体212，该壳体限定设计用于容纳电解质溶液的腔体或贮存器214。可将工作电极224放置在开口228与贮存器214之间。反电极216和参考电极220可定位在贮存器214内。当气体在工作电极224与隔板222中的电解质之间的界面处反应时，可在电极之间产生电流和/或电位，以提供气体的浓度的指示。参考电极220也可以定位在贮存器214内以为在工作电极224与反电极216之间的电位提供参考。
壳体212限定内部贮存器214，并且一个或多个开口228可设置在壳体212中，以允许将被检测的气体通过壳体212进入气体空间226。壳体212通常可由对电解质和被测气体基本上为惰性的任何材料形成。在一个实施方案中，壳体212可由聚合物材料、金属或陶瓷形成。例如，壳体可由以下材料形成，包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯醚(PPO)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)(例如，高密度聚乙烯(HDPE))、聚苯醚(PPE)，或其任何组合或共混物。
一个或多个开口228可穿过壳体212形成，以允许环境气体进入气体空间226并且/或者允许在壳体内生成的任何气体逸出。在实施方案中，电化学传感器210可以包括至少一个入口开口228，以允许环境气体进入壳体212。开口228可设置在壳体212的壁中，和/或当盖存在时，其可设置在盖中。在一些实施方案中，开口228可包括扩散阻隔件以限制气体(例如，一氧化碳、硫化氢、氧气等)流向工作电极224。可通过将开口228形成为毛细管来形成扩散阻隔件，并且/或者可使用薄膜或者膜来控制通过该一个或多个开口228的质量流率。
在实施方案中，开口228可用作毛细管开口，以提供在壳体212的内部与外部之间速率受限的气体交换。在实施方案中，开口228可具有可介于约200μm和约1.5mm之间的直径，其中可使用常规钻头以获得较大开口和使用激光钻头以获得较小开口来形成开口228。开口228可具有介于约0.5mm与约5mm之间的长度，取决于盖或壳体212的厚度。在一些实施方案中，对于入口气体而言可以存在两个或更多个开口228。当使用膜控制流入和/或流出壳体212的气流时，开口直径可以大于上面列出的尺寸，因为薄膜可有助于和/或可负责控制流入和流出壳体212的气体的流率。
贮存器214包括反电极216、参考电极220和工作电极224。在一些实施方案中，电解质可包含在贮存器214内，反电极216、参考电极220和工作电极224可通过电解质进行电接触。在一些实施方案中，可使用一个或多个多孔隔板218、222或其他多孔结构来保持电解质与电极216、220、224接触。隔板218、222可包括用作芯的多孔构件，其用于在贮存器214与电极216、220、224之间保持和输送电解质，同时这些隔板是电绝缘的，以防止由于任意两个电极之间的直接接触而造成的短路。多孔隔板218、222中的一个或多个多孔隔板可延伸到贮存器214中以为电解质提供通向电极216、220、224的路径。在实施方案中，隔板218可设置在反电极216与参考电极220之间，并且隔板222可设置在参考电极220与工作电极224之间。
隔板218、222中的一个或多个隔板可包括非织造多孔材料(例如多孔毡构件)、织造多孔材料、多孔聚合物(例如开孔泡沫、固体多孔塑料等)等，并且通常相对于电解质和形成电极216、220、224的材料是化学惰性的。在实施方案中，隔板218、222可由对电解质是基本上化学惰性的各种材料形成，包括但不限于玻璃(例如玻璃垫)、聚合物(塑料盘)、陶瓷等。
电解质可为任何常规含水酸性电解质诸如硫酸、磷酸，或中性离子溶液诸如盐溶液(例如锂盐诸如氯化锂等)或它们的任何组合。例如，电解质可包含摩尔浓度介于约3M至约12M之间的硫酸。由于硫酸是吸湿的，因此在约3％至约95％的环境相对湿度(RH)范围内，浓度可在约10重量％至约70重量％(1摩尔至11.5摩尔)间变化。在实施方案中，电解质可包含具有介于约30重量％至约60重量％H3PO4之间的水溶液中的浓度的磷酸。又如，电解质可包含具有约30重量％至约60重量％LiCl的氯化锂盐，余量是水溶液。
在一些实施方案中，电解质可呈固体聚合物电解质形式，其包含离子交换膜。在一些实施方案中，电解质可呈游离液体形式，设置在基质或浆液中，诸如玻璃纤维(例如，隔板218、隔板222等)，或者以半固体或固体凝胶的形式设置。
工作电极224可设置在壳体212内。进入传感器210的气体可接触工作电极224的一侧，并且穿过工作电极224以到达工作电极224与电解质之间的界面。然后气体可进行反应以生成指示气体浓度的电流。如本文所讨论，工作电极224可包括多个层。基层或衬底层可包含疏水性材料或经疏水处理的材料。催化材料可在工作电极224的一侧上形成为电极，并被放置成与电解质接触。
在实施方案中，工作电极224可包括多孔衬底或膜作为基层。衬底可透过所关注的气体，在一些实施方案中，这些气体可包括硫化氢、一氧化碳或氧气。在实施方案中，衬底可包括由碳纤维或石墨纤维形成的碳纸。在一些实施方案中，可通过添加导电材料诸如碳将衬底制成为导电性的。碳的使用可以提供足够程度的导电性，以允许通过耦接到工作电极224的引线检测由工作电极224的表面处的气体与电解质的反应产生的电流。也可以使用其他导电衬底，诸如碳毡、多孔碳板和/或导电聚合物(诸如聚乙炔)，这些导电衬底中的每个导电衬底均可如下所述的那样被制成为疏水性的。另选地，导电引线可耦合到催化层以将催化材料电耦合到外部电路，如本文更详细描述。在实施方案中，衬底在一些实施方案中可为约5密耳至约20密耳厚。
多孔衬底可为疏水性的以防止电解质穿过工作电极224。可由疏水性材料形成衬底，或可用疏水性材料处理衬底。在实施方案中，可通过用疏水性材料诸如氟化聚合物(例如PTFE等)浸渍衬底，从而将衬底制成为疏水性的。在一些实施方案中，衬底或膜可包含GEFC-IES(例如，全氟磺酸与PTFE的共聚物，其可从金能燃料电池有限公司(Golden EnergyFuel Cell Co.,Ltd.)商购获得)、
Figure BDA0002012136740000071
(聚四氟乙烯与全氟-3,6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯-磺酸的共聚物，其可从杜邦公司(DupontTM)商购获得)或者纯的或几乎纯的聚四氟乙烯(PTFE)。浸渍工艺可包括使用浸涂、涂布或轧制工艺将含疏水性材料的溶液或浆料设置在衬底上。另选地，可将干燥组合物诸如粉末施加到衬底。在一些实施方案中，可使用任选的烧结工艺将疏水性材料注入到衬底中以形成工作电极224的疏水性基层，其中疏水性基层的两个侧面都是疏水性的。烧结工艺可引起疏水性聚合物与衬底的碳粘结或熔合，以将疏水性材料牢固地粘结到衬底。
所得基底可包含约30重量％至约50重量％的疏水性聚合物。添加到衬底中的疏水性材料的量可影响衬底的导电性，其中导电性趋于随着疏水性材料的量的增加而降低。与衬底一起使用的疏水性聚合物的量可取决于所需的疏水性程度、对目标气体的孔隙度以及工作电极的所得导电性。
可通过将所需催化剂与粘结剂混合并将混合物沉积在衬底材料上来形成催化层。粘结剂可包括全氟化离子电解质溶液(例如，GEFC-IES、
Figure BDA0002012136740000081
等)、疏水性材料(诸如PTFE)、它们的混合物等。当用作粘结剂时，GEFC-IES、
Figure BDA0002012136740000082
和/或PTFE可影响气体扩散参数，同时负载电催化剂并将发生电化学过程处的催化剂、气体和电解质之间的界面最大化。乙二醇或其他类似化学品可用作稀释剂以形成催化剂浆液、配方或催化剂体系，其可通过打印机打印在衬底上。
催化层可以被沉积到衬底上，通过例如丝网印刷、在选定区域从放置在衬底上的悬液中过滤，通过喷涂，或适合产生固体材料的图案化沉积的任何其他方法。沉积可以是单个材料的沉积或者多于一种材料在层中顺序的沉积，以便例如通过其厚度使电极材料的特性变化，或者在为气体反应的主要位置的层的上面或下面添加具有增加导电性的第二层。一旦沉积，印刷元件可任选地在高温下烧结以形成电极。
在工作电极224中，催化层可包含碳(例如石墨)和/或一种或多种金属或金属氧化物，诸如铜、银、金、镍、钯、铂、钌、铱和/或这些金属的氧化物。所用催化剂可以是纯金属粉末、与碳混合的金属粉末，或者负载在导电介质(诸如碳)上的金属粉末，或者作为共混物或作为合金的两种或更多种金属粉末的组合。用于各个电极的材料可相同或者不同。在实施方案中，工作电极224包括铂电极。催化材料的每平方厘米(cm2)工作电极224表面积的负重可介于约0.1mg/cm2和约5mg/cm2之间，或者介于约0.5mg/cm2和约2mg/cm2之间，或者约1mg/cm2。
反电极216可设置在壳体212内。反电极216可包括其上设置有催化材料的衬底或膜，诸如PTFE膜、GEFC-IES膜、
Figure BDA0002012136740000083
膜等。在实施方案中，可将催化材料混合并使用任何合适的工艺将其设置在膜上，所述任何合适的工艺诸如为轧制、涂布、丝网印刷等以将催化材料施加到膜上，如本文更详细描述的。然后，可通过如本文所述的烧结工艺将催化剂层粘结到膜上。
在实施方案中，用于反电极的催化材料可包括贵金属，诸如金(Au)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、它们的氧化物或它们的任何组合。在实施方案中，催化材料包括丝网印刷在膜上的铂钌(Pt-Ru)混合物，其中膜可为GEFC-IES膜。反电极216的催化剂负载量可在本文针对工作电极224描述的任何范围内。在实施方案中，反电极216的催化剂负载量可与工作电极224的催化剂负载量相同或基本上相同，该催化剂负载量也可大于或小于工作电极224的催化剂负载量。
类似地，参考电极220可设置在壳体212内。参考电极220可包括其上设置有催化材料的衬底或膜，诸如PTFE膜、GEFC-IES膜、
Figure BDA0002012136740000091
膜等。在实施方案中，催化材料可与疏水性材料(例如PTFE等)混合并设置在PTFE膜上。用于形成工作电极224或反电极216的方法中的任何方法也可用于制备参考电极220。在一个实施方案中，与参考电极220一起使用的催化材料可包括贵金属，诸如金(Au)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、它们的氧化物或它们的任何组合。在实施方案中，用于形成参考电极220的催化材料可包括丝网印刷在膜上的Pt-Ru混合物，其中膜可为GEFC-IES膜。参考电极220的催化剂负载量可在本文针对工作电极224描述的任何范围内。在实施方案中，参考电极220的催化剂负载量可与工作电极224的催化剂负载量相同或基本上相同，该催化剂负载量也可大于或小于工作电极224的催化剂负载量。虽然在图1中示出为具有参考电极220，但是电化学传感器210的一些实施方案可不包括参考电极220。
为了检测响应于目标气体的存在而产生的跨电极216、220、224的电流和/或电位差，可将一条或多条引线或电接触件电耦合到工作电极224、参考电极220和/或反电极216。接触工作电极224的引线可接触工作电极224的任一侧，因为衬底包括导电材料。为了避免电解质的腐蚀作用，接触工作电极224的引线可接触工作电极224不与电解质接触的一侧。另选地，电极材料可包括耐腐蚀材料，诸如铂，并且该电极材料与电解质接触。引线可类似地电耦合到反电极216和参考电极220。引线可电耦合到外部连接销，以提供与外部处理电路的电连接。外部电路可检测电极216、220、224之间的电流和/或电位差，并且将电流转换成对应的目标气体浓度。
在使用中，传感器210可检测目标气体浓度。在使用中，环境气体通过开口228扩散到传感器210中，该开口用作传感器210的进气端口。环境气体可包括一定浓度的目标气体，该环境气体可包括硫化氢、氧气和/或一氧化碳。气体可接触工作电极并穿过多孔衬底层的细孔，以到达用催化剂层处理过的工作电极224的表面。电解质可与工作电极224的表面接触，并且目标气体可进行反应并导致在工作电极224与反电极216之间形成的电解电流，该电解电流对应于目标气体在环境气体中的浓度。通过测量电流，可使用例如外部检测电路来确定目标气体的浓度。
在本公开的一些实施方案中，可以使用循环伏安法扫描传感器的一个或多个元件(如上文在图1和图2中所述)，以观察电解质中浓度的变化的影响(上文E)。
可以使用一个或多个电极扫描电化学传感器。在一些实施方案中，可以在工作电极上进行扫描。该扫描可以生成包含由于某些元素的吸附、脱吸、形成和/或还原而产生的多个峰的图表。扫描可以在多个电解质浓度下完成，其中可以比较每种浓度的图表。在一些实施方案中，该图表可以显示与每种浓度一致的一个或多个峰，该一个或多个峰可以被认为是参考峰。另外，该图表可以显示随浓度变化的一个或多个峰。浓度依赖峰与参考峰之间的电压差可以为电解质浓度提供相关性。在一些实施方案中，该相关性可以是近似线性的，其中轴可以是电解质浓度和两个峰之间的电压差。在其他实施方案中，相关性可以包括非线性图表。
一旦建立了相关性，就可以通过在传感器上完成CV扫描，然后识别相关性的相关峰来确定类似电化学传感器的电解质浓度。一旦识别出峰之间的电压差，就可以确定电解质浓度。所确定的电解质浓度可用于校正传感器读数，和/或用于识别传感器的任何其他错误。
已对本公开进行了一般性描述，以下示例作为本公开的具体实施方案给出，并且展示了实践及其优点。应当理解，这些示例以举例说明的方式给出，并不意图以任何方式限制说明书或权利要求书。
图3示出了示例性电极的循环伏安图。为了研究传感器电池中酸的浓度的变化的影响，可以在一系列N2吹扫的H2SO4溶液(0.1M、0.2M、0.5M、1M、2M、3M、5M、6M、8M、10M和12M)中执行循环伏安法，并且结果显示在图3中。使用相同的电极，酸浓度在pH 1和-1之间变化(0.1M-12M)。
图3中所示的循环伏安图示出了由具有PTFE背衬和PTFE粘结剂的示例性电极产生的曲线图，其以0.05伏特/秒(V/s)的扫描速率测量。用N2吹扫电化学电池(大约15分钟)。参考可包括饱和硫酸亚汞电极(SMSE)，并且反电极可包括铂(Pt)丝网。在另一个实施方案中，可以在组装的气体传感器上完成校准。在每种情况下，电极在新溶液中进行调理，在测量之前以20mV/s的相同极限进行20次扫描，显示的每个CV是5mV/s的3次扫描中的第3次扫描。
CV曲线的截面在负方向上(或左侧)比-0.3V与SMSE更大，其中氢吸附和脱吸(Hads)发生的情况相对类似，并且只是变化很少。因此，它已被用作基准点。氧化铂的形成和还原在正方向上(或右侧)都比0.1V与SMSE更大，变化很大。
图4A显示了强Hads峰与氧化铂还原峰之间的电位差对电解质的pH的曲线图，其中电解质已经用N2进行了吹扫。图4A显示了在两个峰(Hads和氧化铂还原)之间的电位差与电解质的pH之间存在强相关性。因此，该测量结果因此可用作电解质pH的指示剂。
图4B显示了强Hads峰与氧化铂还原峰之间的电位差对电解质的pH的曲线图，其中电解质已经用O2进行了吹扫。氧饱和电解质可以指示传感器的工作状况。图4B显示了在两个峰之间的电位差(Hads和氧化铂还原)与电解质的pH之间存在强相关性。因此，该测量结果因此可用作电解质pH的指示剂。
图5示出了在较大电路的上下文中的传感器10。电路可包括电路板501，该电路板可包括与传感器10分离的部件、壳体的一部分，或者在一些实施方案中，还包括衬底的延伸部分使得传感器10形成在其他部件也设置在其上的单个衬底上。在该实施方案中，引线30可以延伸穿过壳体的壁，并且接触各种外部电路，诸如各种感测电路506(例如传感器、测量仪等)、稳压器502、操作和控制电路504、通信电路508等。传感器10和测量仪可包括附加传感器，诸如温度传感器和/或压力传感器，其可允许补偿传感器10的输出，使得在传感器10自身处或在该传感器附近进行补偿测量。此外，感测电路506在传感器10处或在该传感器附近的定位可以允许检测较小电流而不干预较长电导体中的电阻、电流损耗或电噪声。控制电路504可以包括处理器510和存储器512，以用于执行各种计算和控制功能，这些计算和控制功能可以在软件或硬件中执行。通信电路508可以允许将全部传感器结果或读数传送至外部源，并且可包括使用例如板上触点的有线通信或者使用在各种通信协议(例如WiFi、蓝牙等)下操作的收发器的无线通信。在一些实施方案中，传感器10可为电耦合到外部操作电路的单独部件。
传感器10的控制电路504能够可操作为控制稳压器502以完成传感器10的CV扫描。控制电路504还可以接收来自传感器10的在CV扫描期间生成的读数，并且可被配置为分析读数，如上所述。
本文已描述了装置和方法，各种实施方案可包括但不限于：
在第一实施方案中，用于识别电解质的浓度的方法可包括：使用循环伏安法扫描电化学传感器的工作电极，其中已经采用了电化学传感器；生成一读数组；识别读数组中的一个或多个峰；以及通过应用与所识别的一个或多个峰的相关性来确定电化学传感器的电解质的电解质浓度。
第二实施方案可包括根据第一实施方案所述的方法，还包括：使用多个电解质浓度的循环伏安法扫描电化学传感器的工作电极；使用一个或多个氢吸附峰和一个或多个氧化物形成和还原峰的扫描，从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。
第三实施方案可包括根据第一实施方案或第二实施方案所述的方法，还包括使用一个或多个氢吸附峰的扫描从循环伏安扫描生成参考读数组。
第四实施方案可包括根据第三实施方案所述的方法，其中可变读数组包括氢吸附峰与氧化还原峰之间的电位差。
第五实施方案可包括根据第一实施方案至第四实施方案中任一项所述的方法，其中多个电解质浓度的范围为从0.1M到12M。
第六实施方案可包括根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的方法，其中多个电解质浓度的pH范围1至-1。
第七实施方案可包括根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的方法，其中电解质包含硫酸(H2SO4)。
第八实施方案可包括根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的方法，还包括基于所确定的电解质浓度校正来自电化学传感器的输出值，以提供一种或多种气体的浓度的更准确的读数。
第九实施方案可包括根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的方法，还包括当浓度达到无法再准确施加校正但传感器可以恢复的水平时，利用传感器识别错误。
第十实施方案可包括根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的方法，还包括识别所确定的浓度是异常的，即太高或太低，因此可以导致传感器中的错误。
在第十一实施方案中，电化学传感器可包括：壳体；电解质，该电解质设置在壳体内；和多个电极，该多个电极与壳体内的电解质接触，其中多个电极包括工作电极和反电极；控制电路，该控制电路被配置为：使用多个电解质浓度的循环伏安法扫描电化学传感器的电极，其中电极包括工作电极或反电极中的一者；使用一个或多个氧化铂形成和还原峰的扫描从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。
第十二实施方案可包括第十一实施方案所述的传感器，其中控制电路被进一步配置为：使用循环伏安法扫描已经采用的电化学传感器；生成第二读数组；以及通过将确定的相关性应用于第二读数组来确定电化学传感器的电解质的当前浓度。
第十三实施方案可包括根据第十一实施方案或第十二实施方案所述的传感器，其中控制电路被进一步配置为使用一个或多个氢吸附和脱吸峰的扫描来从第一循环伏安扫描生成参考读数组。
第十四实施方案可包括根据第十三实施方案所述的传感器，其中可变读数组包括氢吸附峰与氧化铂还原峰之间的电位差。
第十五实施方案可包括根据第十一实施方案至第十四实施方案中任一项所述的传感器，其中多个电解质浓度范围从0.1M到12M。
第十六实施方案可包括根据第十一实施方案至第十五实施方案中任一项所述的传感器，其中电解质包含硫酸(H2SO4)。
第十七实施方案可包括根据第十一实施方案至第十六实施方案中任一项所述的传感器，其中循环伏安法在电化学传感器的工作电极上执行。
在第十八实施方案中，用于识别电解质的浓度的方法可包括：使用多个电解质浓度的第一循环伏安扫描来扫描电化学传感器的电极，其中电极包括工作电极或反电极中的一者；使用一个或多个氧化铂还原峰的扫描从第一循环伏安扫描生成可变读数组；以及通过绘制可变读数组和多个电解质浓度来确定相关性。
第十九实施方案可包括根据第十八实施方案所述的方法，还包括：使用循环伏安法扫描已经采用的第二电化学传感器；生成第二读数组；以及通过将确定的相关性应用于第二读数组来确定第二电化学传感器的电解质的当前浓度。
第二十实施方案可包括根据第十八实施方案或第十九实施方案所述的方法，其中多种电解质浓度的范围为从0.1M到12M。
尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其作出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而引起的另选的实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。
另外，本文所使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。
应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或者另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。
尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦接或通信的其他项可以通过一些接口、装置或中间部件间接耦接或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦接或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以作出变化、替换和变更的其他示例。

Claims (11)

1.一种用于识别电化学传感器中的电解质的浓度的方法，所述方法包括：
使用循环伏安法在多个电解质浓度下扫描所述电化学传感器的工作电极，其中，所述工作电极与所述电解质接触并且包括铂，并且其中，所述循环伏安法涉及在所述电解质的电解开始之间的电位范围内将斜坡波形施加到所述工作电极；
从所述循环伏安法生成一读数组；
识别所述读数组中的至少两个峰，其中，一个峰是对应于氢的吸附或脱吸的参考峰，并且另一个峰是由于氧化铂还原而引起的；以及
通过将相关性应用于识别的至少两个峰之间的电压差来确定所述电化学传感器的所述电解质的所述电解质浓度，其中，浓度依赖峰与参考峰之间的电压差为所述电解质浓度提供所述相关性。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过如下步骤确定所述相关性：
使用多个电解质浓度的循环伏安法扫描所述电化学传感器的所述工作电极；
识别每个电解质浓度的所述至少两个峰；
从循环伏安扫描生成可变读数组包括相应的峰之间的所述差；以及
通过绘制所述可变读数组和所述多个电解质浓度来确定所述相关性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个电解质浓度的范围为从0.1M到12M。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个电解质浓度的pH范围为1至-1。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质包含硫酸(H2SO4)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所确定的电解质浓度校正来自所述电化学传感器的输出值，以提供一种或多种气体的浓度的更准确的读数。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括当浓度达到无法再准确施加校正但所述传感器可以恢复的水平时，利用所述传感器识别错误。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括识别所确定的浓度是异常的，即太高或太低，并且因此可以导致所述传感器中的错误。
9.一种电化学传感器（10），包括：
壳体（26）；
电解质，所述电解质设置在所述壳体（26）内；
多个电极，所述多个电极与所述壳体（26）内的所述电解质接触，其中所述多个电极包括工作电极（20）和反电极（24），其中，所述工作电极包括铂；和
控制电路(504)，所述控制电路被配置为：
使用循环伏安法在多个电解质浓度下扫描所述电化学传感器（10）的所述工作电极；
从循环伏安扫描生成可变读数组包括针对每个电解质浓度的对应于氢的吸附或脱吸的识别的参考峰和对应于氧化铂还原的识别的峰之间的差；以及
通过绘制所述可变读数组和所述多个电解质浓度来确定相关性。
10.根据权利要求9所述的电化学传感器（10），其中所述控制电路被进一步配置为：
从每次循环伏安扫描生成第二读数组；以及
通过将预先确定的相关性应用于所述第二读数组来确定所述电化学传感器（10）的所述电解质的当前浓度。
11.根据权利要求9所述的电化学传感器（10），其中所述可变读数组包括对应于氢的吸附或脱吸的所述识别的参考峰和对应于氧化铂还原的所述识别的峰之间的电位差。
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