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KOH溶液與外界有一層高分子薄膜隔開，樣氣不直接進入傳感器，因而溶液與鉛電極不需定期清洗或更換。樣氣中的氧分子通過高分子薄膜擴散到氧電極中進行電化學反應，電化學反應中產生的電流決定于擴散到氧電極的氧分子數，而氧的擴散速率又正比于樣氣中氧含量，這樣，該傳感器輸出信號大小只與樣氣中的氧含量有關，而與通過傳感器的氣體總量無關，通過外部電路的連接，反應中的電荷轉移即電流的大小與參加反應的氧成正比例關系。
采用此方法進行測氧，可以不受被測氣體中還原性氣體的影響，免去了許多的樣氣處理系統。它比老式的“金網-鉛”原電池測氧更快速，不需要漫長的開機吹除過程，“金網-鉛”原電池樣氣直接進入溶液中，導致儀器的維護量很大，而燃料電池法樣氣不直接進入溶液中，傳感器可以非常穩定可靠的工作很長時間。事實上，燃料電池氧傳感器是完全免維護的。
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