CN104914145A - 一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，包括压力平衡膜、内层壳体、对电极、工作电极、浓硫酸电解质、氢气半透膜及信号接头，内层壳体上下两端均开口，压力平衡膜和氢气半透膜分别封闭内层壳体上下两端的开口，压力平衡膜、内层壳体及氢气半透膜三者之间的区域构成电解质容腔，浓硫酸电解质填充于电解质容腔内。对电极、工作电极及信号接头三者均有一端嵌入电解质容腔内，对电极、信号接头均与工作电极连接。对电极的基材表面涂覆有二氧化铂层，工作电极的基材表面镀有铂黑层。本发明应用时测量准确性高，选择性强，具备在220℃、辐照、高浓度水蒸气等苛刻条件下连续稳定工作能力。

Description

一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器

技术领域

    本发明涉及氢气浓度测量技术领域，具体是一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器。

背景技术

    在日本福岛核电站事故后，国家核安全局要求在氢气控制系统中增加严重事故条件下氢气浓度在线监测系统，用于严重事故下氢气浓度连续在线监测。目前核电站中的氢气浓度主要采用离线监测的技术。AP1000和CAP1400第三代核电站的安全壳氢控制系统要求以在线监测的氢气浓度值作为控制氢气点火器启动的条件，这就要求实现氢气浓度在线实时监测的功能。目前国内外的氢气浓度传感器普遍基于热导法工作原理实现，这些传感器主要适用于取样式测量，测量高温、复杂组分的气体时测量精度低，且无法对环境中氢气实现在线连续监测。显然，现有的氢气浓度传感在AP1000和CAP1400第三代核电站的安全壳氢控制系统中不适用，设计出一种能对环境中氢气实现在线连续监测的传感器，这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现今没有相应的器件，也未见相关的报道。

发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其能实现环境中氢气浓度的在线连续监测，进而能满足AP1000和CAP1400第三代核电站的安全壳氢控制系统的需求。

    本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，包括压力平衡膜、内层壳体、对电极、工作电极、浓硫酸电解质、氢气半透膜及信号接头，所述内层壳体上下两端均开口，所述压力平衡膜和氢气半透膜分别固定于内层壳体上下两端且封闭内层壳体上下两端的开口，压力平衡膜、内层壳体及氢气半透膜三者之间的区域构成电解质容腔，所述浓硫酸电解质填充于电解质容腔内；所述对电极、工作电极及信号接头三者均有一端穿过内层壳体且嵌入电解质容腔内，对电极和工作电极两者位于内层壳体外的一端通过输电线连接，信号接头位于电解质容腔内的一端与工作电极连接；所述对电极的基材表面涂覆有二氧化铂层，工作电极的基材表面镀有铂黑层。本发明中连接对电极和工作电极的输电线上串接有电阻或负载，本发明产生的电流信号由信号接头输出。本发明的压力平衡膜主要用于平衡外界大气的压力和电解质容腔中压力，使得大气和电解质容腔中的压力保持一致，消除压力对测量结果的影响，以保证氢气通过氢气半透膜的动力主要来源于氢气浓度差，氢气半透膜主要作用为隔离电解质容腔和测量气体，并使得测量气体中的氢气经过氢气半透膜进入电解质容腔。

本发明应用时基于催化反应电化学分析原理，利用氢气在涂有催化剂的工作电极上的化学反应以及电解质作用下产生的电流测量氢气的分压。测量样气经氢气半透膜进入电解池，并在与工作电极接触时立即发生电离反应①，工作电极表面的铂黑层作为使氢气发生电离的催化剂。对电极含有PtO₂（反应②），对电极浸在酸性浓硫酸电解质中，此电解质在210℃高温条件下不沸腾，且具备导电功能。浓硫酸电解质提供了离子导电通路，连接两个电极间的电阻或负载提供了电子导电通路。氢气半透膜将浓硫酸电解质与环境大气中分离。氢气进入电解质容腔后，使电解质容腔分压为零。因此，氢气半透膜大气一侧的氢分压是传输氢气使其通过氢气半透膜的驱动力。外部电阻或负载电压为可将感测大气氢分压转换为电流信号，与驱动力成正比。

    工作电极反应①

   对电极反应②

电流——分压比为特定电极配置常数和恒温常数，就温度变换而言，氢气半透膜对氢气的透气率不相同，从而使得传感器的感应电流也随之发生变化。透气率的变化，之后转化为电流的变化随着温度升高而增加。

进一步的，所述对电极和工作电极均采用贵金属为基材。

进一步的，所述对电极和工作电极均采用铂片或铂网为基材。

进一步的，一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，还包括测温元件，所述测温元件穿过内层壳体且其感温端与浓硫酸电解质接触。本发明应用时通过测温元件对电解质容腔内的温度进行监测，便于对电解质容腔内的氢气浓度进行校准。因本发明产生的信号与温度有关，设置温度校准可满足不同温度下氢气浓度监测的要求。

进一步的，所述压力平衡膜采用聚四氟乙烯薄膜，所述氢气半透膜采用PET半透膜。如此，本发明的压力平衡膜和氢气半透膜具有耐硫酸腐蚀、耐220℃高温、耐辐照等特性，压力平衡膜在大气压力变化时，能平衡电解质容腔与外界压力，而氢气半透膜具备氢分子透过功能。

进一步的，一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，还包括圆环状的上密封盖板和下密封盖板，所述内层壳体为圆筒状，内层壳体上下两端均外凸构成有环形的定位平台，所述压力平衡膜周向边缘均与内层壳体上端定位平台的上端面接触且由上密封盖板下压固定，所述氢气半透膜周向边缘与内层壳体下端定位平台的下端面接触且由下密封盖板上压固定。如此，本发明在上密封盖板的作用下能将压力平衡膜牢固定位，并在下密封盖板的作用下对氢气半透膜进行牢固定位。

因聚四氟乙烯具有耐高温、耐腐蚀的性能，为了满足内层壳体耐高温条件下的浓硫酸的腐蚀及绝缘要求，进一步的，所述内层壳体的材质为聚四氟乙烯。

进一步的，一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，还包括外层壳体，所述内层壳体设于外层壳体内。本发明应用时内层壳体为浓硫酸电解质提供压力边界，外层壳体提供校准时的压力边界。

进一步的，所述外层壳体的材质为铜或316L不锈钢。

综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）本发明的传感器是一种自供电化学装置，可产生与大气中氢分压成正比的电流信号，本发明应用时选择性强，测量误差受背景气体组分影响较小，可以消除水蒸气对测量结果的影响，测量时无须对样气进行预处理，可实现连续在线测量，进而能满足AP1000和CAP1400第三代核电站的安全壳氢控制系统的需求。

（2）本发明具备在220℃、辐照、高浓度水蒸气等苛刻条件下连续稳定工作能力。

（3）本发明的应用时响应时间快，小于180s。

附图说明

    图1为本发明一个具体实施例的剖视结构示意图。

    附图中附图标记所对应的名称为：1、外层壳体，2、上密封盖板，3、压力平衡膜，4、内层壳体，5、对电极，6、安装底座，7、测温元件，8、工作电极，9、浓硫酸电解质，10、氢气半透膜，11、下密封盖板，12、信号接头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，包括压力平衡膜3、内层壳体4、对电极5、工作电极8、浓硫酸电解质9、氢气半透膜10及信号接头12，其中，内层壳体4的材质为聚四氟乙烯，内层壳体4上下两端均开口，压力平衡膜3固定于内层壳体4上两端且封闭内层壳体4上端的开口，氢气半透膜10固定于内层壳体4下两端且封闭内层壳体4下端的开口。本实施例中的压力平衡膜3、内层壳体4及氢气半透膜10三者之间的区域构成电解质容腔，浓硫酸电解质9填充于电解质容腔内。本实施例的对电极5、工作电极8及信号接头12三者均有一端穿过内层壳体4且嵌入电解质容腔内，对电极5和工作电极8两者位于内层壳体4外的一端通过输电线连接，该输电线上串接有电阻或负载，信号接头12位于电解质容腔内的一端与工作电极8连接。本实施例中的对电极5和工作电极8均采用贵金属为基材，优选采用铂片或铂网为基材，对电极5的基材表面涂覆有二氧化铂层，工作电极8的基材表面镀有铂黑层。本实施例中的压力平衡膜3采用聚四氟乙烯薄膜，氢气半透膜10采用PET半透膜。

本实施例中内层壳体4穿过对电极5的部位与对电极5之间、内层壳体4穿过工作电极8的部位与工作电极8之间均设置有密封绝缘垫片，其中，密封绝缘垫片的材质为聚四氟乙烯。本实施例在密封绝缘垫片的作用下，能保证工作电极8、对电极5两者与内层壳体4绝缘以及工作电极8与对电极5之间绝缘，密封绝缘垫片对工作电极8和与对电极5起固定支撑的作用，并将内层壳体4内的浓硫酸电解质9密封在内层壳体4内。

本实施例应用时环境中氢气通过氢气半透膜10进入电解质容腔，在电解电极上发生催化反应产生电流，该电流与进入电解质容腔的氢气量成正比。本实施例应用时配备数据处理装置，数据处理装置结合总压力信号和本实施例的传感器发出的信号，通过计算得出测量环境中氢气体积百分数。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括测温元件7，其中，测温元件7穿过内层壳体4且其感温端与浓硫酸电解质9接触。

实施例3：

本实施例在实施例1或实施例2的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括上密封盖板2和下密封盖板11，上密封盖板2和下密封盖板11均为圆环状。本实施例的内层壳体4为圆筒状，内层壳体4上下两端均外凸构成有环形的定位平台，压力平衡膜3周向边缘均与内层壳体4上端定位平台的上端面接触且由上密封盖板2下压固定，氢气半透膜10周向边缘与内层壳体4下端定位平台的下端面接触且由下密封盖板11上压固定。本实施例在对压力平衡膜3和氢气半透膜10进行固定时，先将两者平铺且使两者的周向边缘与内层壳体4的定位平台接触，再通过上密封盖板2和下密封盖板11下压固定。为了使压力平衡膜3和氢气半透膜10固定牢固，本实施例再通过多颗穿过上密封盖板2、压力平衡膜3及内层壳体4上端定位平台的螺栓及套设在螺栓上的螺母对压力平衡膜3加强固定，并通过多颗穿过下密封盖板11、氢气半透膜10及内层壳体4下端定位平台的螺栓及套设在螺栓上的螺母对氢气半透膜10加强固定。

实施例4：

本实施例在实施例1～实施例3中任意一个实施例的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括外层壳体1，其中，外层壳体1的材质为铜或316L不锈钢，内层壳体4及其上连接的部件均设于外层壳体1内。为了便于对外层壳体1进行定位，本实施例还设置有安装底座6，外层壳体1固定在安装底座6上。

如上所述，可较好的实现本发明。

Claims (9)

1.一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，包括压力平衡膜（3）、内层壳体（4）、对电极（5）、工作电极（8）、浓硫酸电解质（9）、氢气半透膜（10）及信号接头（12），所述内层壳体（4）上下两端均开口，所述压力平衡膜（3）和氢气半透膜（10）分别固定于内层壳体（4）上下两端且封闭内层壳体（4）上下两端的开口，压力平衡膜（3）、内层壳体（4）及氢气半透膜（10）三者之间的区域构成电解质容腔，所述浓硫酸电解质（9）填充于电解质容腔内；所述对电极（5）、工作电极（8）及信号接头（12）三者均有一端穿过内层壳体（4）且嵌入电解质容腔内，对电极（5）和工作电极（8）两者位于内层壳体（4）外的一端通过输电线连接，信号接头（12）位于电解质容腔内的一端与工作电极（8）连接；所述对电极（5）的基材表面涂覆有二氧化铂层，工作电极（8）的基材表面镀有铂黑层。

2.根据权利要求1所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，所述对电极（5）和工作电极（8）均采用贵金属为基材。

3.根据权利要求2所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，所述对电极（5）和工作电极（8）均采用铂片或铂网为基材。

4.根据权利要求1所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，还包括测温元件（7），所述测温元件（7）穿过内层壳体（4）且其感温端与浓硫酸电解质（9）接触。

5.根据权利要求1所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，所述压力平衡膜（3）采用聚四氟乙烯薄膜，所述氢气半透膜（10）采用PET半透膜。

6.根据权利要求1所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，还包括圆环状的上密封盖板（2）和圆环状的下密封盖板（11），所述内层壳体（4）为圆筒状，内层壳体（4）上下两端均外凸构成有环形的定位平台，所述压力平衡膜（3）周向边缘均与内层壳体（4）上端定位平台的上端面接触且由上密封盖板（2）下压固定，所述氢气半透膜（10）周向边缘与内层壳体（4）下端定位平台的下端面接触且由下密封盖板（11）上压固定。

7.根据权利要求1所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，所述内层壳体（4）的材质为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，还包括外层壳体（1），所述内层壳体（4）设于外层壳体（1）内。

9.根据权利要求8所述的一种基于催化反应电化学原理的氢气浓度传感器，其特征在于，所述外层壳体（1）的材质为铜或316L不锈钢。