CN101261243A - 一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构 - Google Patents

一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，属于气体传感器领域。本发明中的外壳采用螺旋扣式结构，传感器外壳与集流板分立设计，两集流板夹膜电极的三明治结构放入外壳阳极端的凹槽中，外壳阴极端旋入阳极端内凹槽使外壳壳体闭合，集流板与膜电极随之被夹紧。该结构采用螺旋旋紧闭合，使各点受力均匀，避免膜电极受破坏并减小接触电阻；而且在不使用膜电极两侧密封圈的情况下便可有效防止被测气体的侧漏，简化传感器结构、降低成本并提高测试精度。此外，外壳和集流板采用不同材质避免了短路，采用独立的集流板便于组件的维护与更换。

Description

一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，特别涉及一种用于燃料电池型气体传感器的新型防侧漏、防短路、易维护的外壳结构。
背景技术
电化学氢传感器是将待测组分氢气在电极上的电催化反应转换成电信号，从而根据电信号的强弱得出氢气含量的一种测量装置。该装置工作原理即为燃料电池工作原理，其内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极类似三明治结构，中间为一层质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料如碳纸，碳纸上有均匀分散的引发电化学反应的催化剂。通常将质子交换膜与夹在两边的碳纸热压制成膜电极。
在燃料电池型传感器中阳极是氢电极，氢气在此被氧化成质子H+，阴极为氧电极，空气中的氧被还原成OH-，然后H+通过电解质膜到达阴极与OH-结合成水从电池中排除，产生的电流则流过负载。
传感器的主要组成部件是MEA和外壳。MEA是电化学反应的场所，外壳提供气体导入和收集电流。为使气体有效与MEA接触并完成收集电流的任务，集流板通常需要具有良好的导电性能、良好的导热性能和在电化学环境中的抗腐蚀性能等，壳体需要提供必要的机械力使MEA和集流板充分接触但又不影响MEA本身性能，此外还需要具有良好的抗燃气泄漏、混合作用。集流板可以和外壳壳体集成为一体，也可以是分体结构。在常见的燃料电池型气体传感器中，通常集流板和外壳壳体是一体的，类似燃料电池的流场板与双极板是一体的，双极板主要有石墨双极板、金属双极板、金属与石墨复合双极板和聚合树脂与石墨掺杂注塑成型的双极板等，流场主要有点状、网状、部分蛇型流场板等。
目前在传感器外壳设计中广泛应用的还是类似燃料电池单电池测试用的结构，常见的一类是采用两块对接的矩形金属厚夹板夹刻有流场的双极板，再在中间夹入膜电极，通过旋紧穿过两块金属厚夹板的螺钉来固定各个角，夹紧膜电极。在夹紧膜电极的过程中，若各螺钉旋紧程度不同，则可能造成膜电极局部受力过大，造成扩散层碳纸的碳纤维被压碎甚至破坏电极；受力过小，集流板不能很好地与膜电极接触，造成大的接触电阻甚至收集不到电流。同时，对接式的外夹具需要在膜电极的活化区周围加盖密封圈，起到密封MEA活化区边缘从而防止反应气泄漏或混合的作用。密封圈不但对密封材料的要求很高，良好的密封材料如各种改性的聚四氟乙烯等因属于某些企业的专利技术而成本较高，而且也增加了传感器结构的复杂性。
发明内容
本发明的目的是要解决燃料电池型气体传感器外壳结构存在固定不紧易泄漏或结构复杂、成本高的问题。
一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于外壳结构采用外壳壳体和集流板分体的方式。外壳壳体又分为阳极端和阴极端两部分，阴极端的具有外螺纹的孔道延伸部分螺旋伸入阳极端内具有内螺纹的凹槽使外壳壳体闭合。集流板是两片单独的带孔不锈钢板，两集流板夹膜电极后放入螺旋扣式结构阳极端的凹槽中，随外壳闭合被夹紧。从集流板导出电流的导线引出通道分别位于外壳壳体的阳极端凹槽底和阴极端延伸孔道侧壁，一根从平行于集流板方向由阳极端凹槽底部引出，另一根则从垂直集流板方向由阴极端孔道延伸侧壁通道引出。
外壳壳体材料采用PTFE(聚四氟乙烯塑料)，集流板材料采用316号不锈钢，集流板上进气孔孔隙率为10～80％。
本发明具有如下优点：
1.圆柱状外壳壳体螺旋旋紧闭合，各点受力均匀，避免了因对接式外夹具各点对膜电极各部分施力不同而造成对膜电极结构的破坏或造成大的接触电阻。
2.扣式结构使MEA完全处于阳极端凹槽内壁，无对接接口使密封性大大增强，提高测试精度，省去密封圈，简化了传感器结构，降低了制作成本。
3.集流板与外壳壳体分离，导线从分开的两部分垂直引出，各部件易拆卸，便于更换维护。
4.外壳壳体材料采用PTFE(聚四氟乙烯塑料)，耐热性、耐化学腐蚀性极好，电绝缘性不受环境影响，能在250℃的电气环境下长期工作，力学性能良好。
5.集流板材料具有较低的面电阻和体电阻，是热的良导体，可以保证MEA的温度均匀分布和及时排热；较好的耐腐蚀性和机械强度，易加工，成本低。
6.外壳和集流板采用不同材质避免了短路。
本发明的有益效果是提供了一种适用于燃料电池型气体传感器的螺旋扣式外壳结构，该外壳采用螺旋扣式结构，增强了密封性，提高测试精度，降低接触电阻，从而保证了高灵敏的传感性能，而且该外壳结构简单，部件易加工易维护，成本低，还可以满足器件微型化和简单便携的商业要求。
附图说明
图1为采用螺旋扣式防侧漏外壳的气体传感器的测试系统示意图。1为被测气体进气端，2为空气进气端，3为电流表或电压表。
图2为本发明螺旋扣式外壳壳体阳极端结构剖面示意图。4为内螺纹
图3为本发明螺旋扣式外壳壳体阴极端结构剖面示意图。5为外螺纹
图4为本发明集流板设计示意图。6为不锈钢集流板，7为通孔。
图5为本发明螺旋扣式外壳与膜电极组装示意剖面图。8为膜电极，9为集流板，10为壳体阴极端，11为阴极端导线，12为壳体阴极端外螺纹，13为壳体阳极端内螺纹，14为壳体阳极端，15为阳极端导线。
具体实施方式
实例1
参照附图5，将螺旋扣式氢传感器外壳与膜电极组装成氢传感器，其中膜电极以Nafion 112膜为电解质膜，以Pt/C(质量分数为40％)为催化剂，阴阳极Pt载量分别为1.2mg/cm2、1.0mg/cm2。按图1所示测试系统进行测试，箭头1为阳极端含氢气的混和气体，箭头2为阴极端燃料气空气，采用直流数字电压表检测阳极导线与阴极导线间的电流，电压值对应被测混合气体中的氢浓度。
实例2
参照附图5，将螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳与膜电极组装成氢传感器，膜电极同实例1。图中箭头1为阳极端含氢气的混和气体，箭头2为阴极端燃料气氧气，，采用直流数字电流表检测阳极导线与阴极导线间的电流，电流值对应被测混合气体中的氢浓度。

Claims (5)

1、一种螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于，外壳壳体和集流板分立，外壳壳体由带螺纹的阳极端和阴极端两部分组成，两集流板夹膜电极的三明治结构放入阳极端的凹槽中，阴极端旋入阳极端内凹槽使外壳壳体闭合，集流板与膜电极随之被夹紧，从两集流板导出电流引线。
2、如权利要求1所述的螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于，采用螺旋扣式结构，阳极端端口为燃气入口，内凹槽为放置集流板和膜电极的区域。
3、如权利要求1所述的螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于，阴极端端口为燃气入口，延伸孔道螺旋伸入阳极端内凹槽固定膜电极并防止端口处与空气接触的膜电极部分被污染。
4、如权利要求1所述的螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于，集流板是单独的两片带孔不锈钢板，集流板孔隙率为10-80％。
5、如权利要求1所述的螺旋扣式防侧漏氢传感器外壳结构，其特征在于，导出电流的引线分别从阳极端和阴极端两个分立的部分引出，且阳极端引线平行于壳体截面，阴极端引线垂直于壳体截面。
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