CN105203608B - 氢钯电极电化学氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学氧传感器，具体涉及一种氢钯电极电化学氧传感器，包括中空的壳体，壳体上端面密封安装有电极基座，壳体下端面覆盖有透氧膜，电极基座与透氧膜之间设置有同轴的圆柱双电极体，该圆柱双电极体外层是作为阳极的氢钯电极，中间层是作为绝缘层的玻璃，内层是作为阴极的铂电极；圆柱双电极体的工作端面与透氧膜接触；壳体与圆柱双电极体之间且位于电极基座与透氧膜之间的电解腔内填充有胶状电解液，胶状电解液包括以下比例重量份的组合：氯化钾70‑79重量份，琼脂4‑5重量份，水1000重量份。该传感器金属电极不参加电化学反映，反映产物为水，无金属析出，无镀层脱落，电极电势长期稳定，氧传感器寿命更长，长期稳定性能更为优越。

Description

氢钯电极电化学氧传感器

技术领域

本发明涉及电化学氧传感器，具体涉及一种基于氢钯电极的电化学氧传感器。

背景技术

氧传感器具有结构简单、灵敏度高、使用方便，是一种使用较广的环境氧浓度监测方法，在一些密闭空间和工业场合均有应用，如航天飞行器、舰船舱室、矿井等，测量的准确度与生命安全息息相关；目前已达到实用化水平的氧传感器主要有三大类，分别是氧化物半导体氧传感器、固体电解质氧传感器和电化学氧传感器。其中氧化物半导体型氧传感器是基于外界大气中氧分压的变化会引起氧化物半导体电阻的变化，能用于制造氧化物半导体型氧传感器的材料很多，氧化钛(TiO₂)是一种典型材料，该类型传感器具有体积小、结构简单等优点，但灵敏度相对低，同时对气体的选择性差，多种气体共存干扰很大，限制了其应用。固体电解质氧传感器是利用固体电解质在一定温度以上具有离子导电性,氧离子可以穿过固体电解质表面移动，固体电解质两边氧分压的差异产生浓差电势实现对氧的检测，主要包含浓差电池型固体电解质氧传感器和极限型固体电解质氧传感器，氧化锆(ZrO₂)是目前研究和开发应用得最普遍的一种固体电解质，已被广泛应用于许多领域，特别是汽车发动机的空燃比控制方面，该类型传感器适合低浓度范围测量，在高温环境中使用，同时也存在结构大，工艺复杂，功耗高，需要基准气体，并受可燃性气体影响等特点。

电化学氧传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用方便、可实现连续自动测量等优点。电化学氧传感器是根据与氧气有关的催化电极的反应来测定待测气氛中氧浓度，其工作原理是利用对氧有催化还原活性的金属(如Pt、Ag、Au等)作为阴极，利用具有稳定电极电势的Ag/AgCl、Hg/Hg₂Cl₂等作为参比电极和阳极。电化学氧传感器的工作电流非常小，短期工作过程中，不会引起参比电极状态的明显变化，能够保证电极电势的稳定。但长期工作过程中，阳极金属参与反应导致状态明显变化，导致电极的电极电势发生漂移，进而导致氧浓度信号偏差；同时Ag/AgCl、Hg/Hg₂Cl₂作为参比电极和阳极，长期工作过程中，析出金属颗粒使得阴阳极绝缘特性下降，导致传感器失效，使得目前电化学氧传感器的寿命问题一直无法得到有效解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的基于氢钯电极的电化学氧传感器，氢钯参比电极具有电极电势长期稳定、无金属析出、无镀层脱落等突出优点，可以有效解决长期工作过程中参比电极电极电势漂移、金属颗粒析出等难题，使氧传感器寿命更长，性能更为优越。

为实现上述目的本发明所采用的具体技术方案：

一种氢钯电极电化学氧传感器，包括中空的壳体，所述壳体上端面密封安装有电极基座，所述壳体下端面覆盖有透氧膜，所述的壳体侧壁有压力平衡孔及压力平衡膜；所述电极基座与透氧膜之间设置有圆柱双电极体；所述圆柱双电极体为三层同轴结构，外层是作为阳极的氢钯电极、中间层是作为绝缘层、内层是作为阴极的铂电极；所述圆柱双电极体的工作端面与透氧膜接触；所述氢钯电极和铂电极分别通过第一导线和第二导线与位于电极基座内的电路板连接；所述壳体与圆柱双电极体之间且位于电极基座与透氧膜之间的电解腔内填充有胶状电解液；所述胶状电解液包括以下重量份的组分：氯化钾70-79重量份，琼脂4-5重量份，水1000重量份。

进一步的，所述压力平衡膜为既不透气又不透液体的弹性膜材料，可有效进行壳体内外压力平衡，又不使得壳体内胶状电解液漏出。

进一步的，所述圆柱双电极体的工作端面为外凸形弧面，可使得圆柱双电极体的工作端面与透氧膜更加紧密的接触，使得电化学反应更加稳定。

进一步的，所述阳极的氢钯电极同时也作为参比电极，所述阳极的氢钯电极的表面积的远大于阴极的铂电极的表面积，可使氢钯电极作为参比电极长期工作中电势稳定，不发生变化。

进一步的，所述阳极的氢钯电极是储满氢的钯金属电极。

进一步的，所述绝缘层材料为玻璃，通过烧结工艺与阴极结合。

进一步的，所述壳体与电极基座之间通过内螺纹与外螺纹旋转连接。

进一步的，所述电路板中设有温度补充电路。

进一步的，当环境温度或压力变化时，引起壳体内外压力变化存在压差时，所述压力平衡孔和压力平衡膜用来平衡壳体的内外压差。

本发明氢钯电极电化学氧传感器，作为阳极的氢钯电极和作为阴极的铂电极构成双电极系统，透氧膜隔离电解液和被测物质，氢钯电极和铂电极之间提供一个恒定的电压，当氧分子通过附着在圆柱双电极体的工作端面的透氧膜，进入电极的电解质溶液时，在阴极铂电极上将会发生还原反应，形成氢氧根离子OH^-，在阳极氢钯电极上存储的氢原子发生氧化反应，形成氢离子H⁺，阴阳极的反应使得电子发生转移，形成电流，氢钯电极和铂电极之间的响应电流大小与通过透氧膜的氧气量成正比，进而获得氧浓度数据。整个电化学反应的产物是水，其他金属未参与反应。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.由于采用了储氢钯电极(Pd/H)代替传统Ag/AgCl的阳极和参比电极制作电化学氧传感器，无金属参加电化学反映，电极电势长期稳定，传感器长期性能更加稳定。

2.传感器电化学反应产物仅为H₂0,无金属析出，无镀层脱落，解决了传统极谱式电化学传感器有金属析出导致传感器失效、寿命短的难题。

3.传感器电解液不参与反应，不改变电解液的PH值，解决了极谱式电化学传感器工作过程电解液PH值变化，电解液性能下降需要定期更换的瓶颈。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的一种氢钯电极电化学氧传感器的内部结构示意图；

图2是本发明壳体压力平衡孔及压力平衡膜的布置示意图；

图3是圆柱双电极体的剖面图。

图中：1-壳体；2-压力平衡孔；3-压力平衡膜；4-电极基座；5-透氧膜；6-圆柱双电极体；61-工作端面；7-氢钯电极；8-绝缘层；9-铂电极；10-电路板；11-电解腔；12-胶状电解液；13-第一导线；14-第二导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1、图2和图3，本发明的氢钯电极电化学氧传感器，包括中空的壳体1，壳体1侧壁上开有压力平衡孔2，并覆盖有压力平衡膜3，当环境温度或压力变化时，引起壳体内外压力变化存在压差时，可通过压力平衡孔2和压力平衡膜3平衡壳体1内外压差，避免压力环境温度及压力变化时对传感器的影响；壳体1上端面密封安装有电极基座4，壳体1与电极基座4之间通过内螺纹与外螺纹旋转连接；壳体1下端面覆盖有透氧膜5，所述电极基座4与透氧膜5之间设置有同轴的圆柱双电极体6，圆柱双电极体6为三层同轴结构，外层是作为阳极的氢钯电极7，中间层是作为绝缘层8，内层是作为阴极的铂电极9；所述圆柱双电极体6的工作端面61与透氧膜5接触；氢钯电极7和铂电极8分别通过第一导线13和第二导线14与位于电极基座4的电路板10连接，电路板10中设有温度补充电路；壳体1与圆柱双电极体6之间且位于电极基座与透氧膜之间的电解腔11内填充有胶状电解液12。

胶状电解液12包括以下重量份的组分：氯化钾70重量份，琼脂4重量份，水1000重量份；

或氯化钾74.5重量份，琼脂4.5重量份，水1000重量份；

或氯化钾79重量份，琼脂5重量份，水1000重量份。

在上述实施例中：

压力平衡膜3为不透气不透液体的弹性膜材料，可有效进行壳体1内外压力平衡，又不使得壳体1内胶状电解液12漏出；

工作端面61为外凸形弧面，可使得圆柱双电极体6的工作端面61与透氧膜5更加紧密的接触，使得电化学反应更加稳定；

阳极的氢钯电极7的表面积的远大于阴极的铂电极9的表面积，可使氢钯电极作为参比电极长期工作中电势稳定，不发生变化；

阳极的氢钯电极7是储大量氢原子的氢钯金属电极，氢钯电极的氢含量很高，其储氢密度是标态下氢气的1000倍以上；

阴极与阳极间有玻璃作为绝缘层8，玻璃与作为阴极的铂电极9通过烧结工艺结合在一起。

本发明氢钯电极电化学氧传感器，作为阳极的氢钯电极和作为阴极的铂电极构成双电极系统，透氧膜隔离电解液和被测物质，氢钯电极和铂电极之间提供一个恒定的电压，当氧分子通过附着在圆柱双电极体的工作端面的透氧膜，进入电极的电解质溶液时，在阴极铂电极上将会发生还原反应，形成氢氧根离子OH^-，在阳极氢钯电极上存储的氢原子发生氧化反应，形成氢离子H⁺，阴阳极的反应使得电子发生转移，形成电流，氢钯电极和铂电极之间的响应电流大小与通过透氧膜的氧气量成正比，进而获得氧浓度数据；整个电化学反应的产物是水，其他金属未参与反应。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.氢钯电极电化学氧传感器，包括中空的壳体(1)，所述壳体(1)上端面密封安装有电极基座(4)，所述壳体(1)下端面覆盖有透氧膜(5)，其特征在于：所述的壳体(1)侧壁有压力平衡孔(2)及压力平衡膜(3)；所述电极基座(4)与透氧膜(5)之间设置有圆柱双电极体(6)；所述圆柱双电极体(6)为三层同轴结构，外层是作为阳极的氢钯电极(7)、中间层是作为绝缘层(8)、内层是作为阴极的铂电极(9)；所述圆柱双电极体(6)的工作端面与透氧膜(5)接触；所述氢钯电极(7)和铂电极(9)分别通过第一导线(13)和第二导线(14)与位于电极基座(4)内的电路板(10)连接；所述壳体(1)与圆柱双电极体(6)之间且位于电极基座(4)与透氧膜(5)之间的电解腔(11)内填充有胶状电解液(12)；所述胶状电解液(12)包括以下重量份的组分：氯化钾70-79重量份，琼脂4-5重量份，水1000重量份；

所述压力平衡膜(3)为既不透气又不透液体的弹性膜材料；

所述圆柱双电极体(6)的工作端面(61)为外凸形弧面；

所述阳极的氢钯电极(7)同时也作为参比电极，所述阳极的氢钯电极(7)的表面积远大于阴极的铂电极(9)的表面积；

所述阳极的氢钯电极(7)是储满氢的钯金属电极；

所述壳体(1)与电极基座(4)之间通过内螺纹与外螺纹连接；

当环境温度或压力变化时，所述压力平衡孔(2)和所述压力平衡膜(3)用来平衡壳体(1)的内外压差。

2.根据权利要求1所述的氢钯电极电化学氧传感器，其特征在于：所述绝缘层(8)材料为玻璃，通过烧结工艺与阴极结合。

3.根据权利要求1所述的氢钯电极电化学氧传感器，其特征在于：所述电路板(10)中设有温度补充电路。