CN106596684A - 一种氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢气传感器，包括传感器壳体、设置在所述传感器壳体内的气体反应中心，所述气体反应中心包括工作电极、对电极、参比电极以及电解质，所述电解质为固体电解质，所述工作电极、对电极、参比电极均固定在所述电解质上。本发明的氢气传感器采用固体电解质，由于电解质本身呈固态，同时将所使用的工作电极、对电极和参比电极固定在电解质上，能与电解质充分接触，增加电极与电解质的接触面积，使得整个电极都可以进行质子的传递，可避免出现电解质与电极接触不良的现象以及传感器漏液或电解质干涸的现象，极大地提高了氢气传感器的响应速度。

Description

一种氢气传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地说，涉及一种氢气传感器。
背景技术
目前的新能源汽车主要包括燃料电池车以及电动汽车，燃料电池车是以纯氢气为能源，结合燃料电池的动力性能开发出的新能源汽车，在车内有储氢罐，这就对储氢罐以及管路的密封性提出了要求，一旦发生泄漏后果不堪设想；目前的电动汽车普遍采用锂离子电池作为动力源，锂电在过冲或短路时电池内部物质发生分解会产生氢气，同时作为电池温度管理主要手段的冷却液在充电电压达到一定等级时也会发生分解产生氢气。
氢气是一种无色、无味、无毒、易燃易爆的气体，当空气中的氢气含量达到4％时就会发生爆炸。由于氢气无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现，具有巨大的危险性。所以在新能源汽车上需要安装氢气监测单元，以达到实时在线检测氢气泄漏或生成情况，为人车安全保驾护航。
电化学式氢气传感器是目前广泛采用的氢气检测方法，但该类传感器的响应时间比较长，主要由传感器本身的结构引起：1)在传统电化学传感器中普遍采用的是液体电解质充当传质途径。当传感器所使用的环境中存在强烈冲击及震动时液体电解质会成泡沫状飞出，一来导致电极脱离电解质引起传质不畅的问题；二来呈泡沫状飞出的电解质颗粒会通过O型圈的边缘溢出导致传感器出现漏液现象；除此之外即使是在正常使用中环境湿度的变化也会影响电解质的浓度，使其出现电解质干涸或者泄漏的现象；2)上述液体电解质与工作电极、对电极和参比电极之间呈层叠状接触，由于工作电极和对电极之间的传质距离较长导致工作电极上产生的氢离子和对电极上产生的氧离子要经过较长的路径才能结合成水分子，同时反应生成的电子也要经过较长的距离才能完成与外电路的传输，这就直接导致了传感器响应时间较长的现象；3)在传统电化学传感器中的催化剂以平铺的形式靠自身粘结力固定在催化剂基材上，以这种形式分布的催化剂实际上可以参与化学反应的只有最表面的一层，内层的催化剂由于被表面层的催化剂所掩盖接触不到气体，从而无法发挥作用；反应生成的质子还需要穿过内层催化剂墙才可以到达电解质部分，这样也就在一定程度上延长了传感器的响应时间。
因此，现有技术尚有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种响应迅速的氢气传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种氢气传感器，包括传感器壳体、设置在所述传感器壳体内的气体反应中心，所述气体反应中心包括工作电极、对电极、参比电极以及电解质，所述电解质为固体电解质，所述工作电极、对电极、参比电极均固定在所述电解质上。
在本发明所述的氢气传感器中，所述工作电极、对电极、参比电极均为多孔气体扩散电极，所述工作电极固定在所述电解质的一面，所述对电极和参比电极固定在所述电解质的另一面。
在本发明所述的氢气传感器中，所述气体反应中心还包括工作电极引线、对电极引线、以及参比电极引线。
在本发明所述的氢气传感器中，所述传感器壳体的底部设有与外界PCB板相连、用于将所述传感器产生的电信号传送至所述外界PCB板的工作电极插针、对电极插针、参比电极插针、以及空位插针。
在本发明所述的氢气传感器中，所述工作电极通过所述工作电极引线与所述工作电极插针相连；所述对电极通过所述对电极引线与所述对电极插针相连；所述参比电极通过所述参比电极引线与所述参比电极插针相连。
在本发明所述的氢气传感器中，还包括无孔气体隔离膜，所述无孔气体隔离膜位于所述气体反应中心的上方。
在本发明所述的氢气传感器中，所述无孔气体隔离膜的材料为聚四氟乙烯、聚过氟乙烯、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物、聚乙烯/四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、硅橡胶或氟化硅橡胶中的一种或多种的组合。
在本发明所述的氢气传感器中，还包括设置在所述气体反应中心下方的湿度调控单元，所述湿度调控单元包括壳体、封存在所述壳体中的湿度调节剂、以及覆盖在所述壳体开口上方的气体隔离膜。
在本发明所述的氢气传感器中，还包括位于所述湿度调控单元下方的氧气通道，所述氧气通道的下端设有气体隔离膜。
实施本发明的氢气传感器，具有以下有益效果：采用固体电解质，由于电解质本身呈固态，同时将所使用的工作电极、对电极和参比电极固定在电解质上，能与电解质充分接触，增加电极与电解质的接触面积，使得整个电极都可以进行质子的传递，上述结构可避免出现电解质与电极接触不良的现象以及传感器漏液或电解质干涸的现象，从而极大地提高了传感器的响应速度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明氢气传感器的结构示意图；
图2A是本发明氢气传感器的气体反应中心示意图；
图2B是传统电化学传感器的气体反应中心示意图；
图3A是本发明氢气传感器的多孔气体扩散电极上催化剂分布示意图以及氢气分子在其上发生反应的示意图；
图3B是传统电化学传感器的电极上催化剂分布示意图及进入传感器内部的氢气分子在其上发生反应的示意图；
图4A是本发明氢气传感器采用的无孔气体隔离膜以及氢气分子通过该无孔气体隔离膜到达气体反应中心的示意图；
图4B是传统电化学传感器采用的多孔状气体隔离膜以及氢气分子通过该气体隔离膜到达气体反应中心的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本发明的氢气传感器中，包括传感器壳体11、设置在传感器壳体11内的气体反应中心13，气体反应中心13包括工作电极131、对电极133、参比电极135以及电解质137，电解质137为固体电解质，工作电极131、对电极133、参比电极135均固定在电解质137上。
其中的传感器壳体11起到整个传感器的防护支撑作用，并通过位于传感器底部的插针111、112、113与外界PCB板及内部的气体反应中心13相连，实时将传感器产生的电信号传送给外界PCB板。传感器壳体11的材料可以是PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、尼龙等有一定强度和韧性的高分子聚合物，优选可以适用于酸性电解质的材料。
工作电极131、对电极133、参比电极135均为多孔气体扩散电极。如图2A所示，工作电极131固定在所述电解质137的一面，对电极133和参比电极135固定在所述电解质137的另一面。
其中，工作电极131、对电极133和参比电极135可以是同样的多孔气体扩散电极，也可以是不同的多孔气体扩散电极，其中的活性成分，即催化剂，可以是金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)、银(Ag)、碳中的一种或几种金属的混合物，也可以是担载于导电碳颗粒上的上述金属或金属混合物，其中的导电碳颗粒可以是碳黑、碳纳米管或活性碳中的一种或几种的组合，在本发明中优选担载型催化剂。多孔气体扩散电极基材上的纳米微孔以及担载有贵金属催化剂的形状不规则的碳颗粒之间形成的空隙以及碳颗粒本身的空隙都为氢气提供了良好的传导途径，使得氢气可以快速到达电极的内外层以使所有催化剂都能发挥作用。
气体反应中心13还包括工作电极引线132、对电极引线134、以及参比电极引线136。传感器壳体11的外壳底部设有与外界PCB板相连、用于将传感器产生的电信号传送至外界PCB板的工作电极插针111、对电极插针112、参比电极插针113、以及空位插针114。工作电极131通过工作电极引线132与工作电极插针111相连；对电极133通过对电极引线134与对电极插针112相连；参比电极135通过参比电极引线136与参比电极插针113相连，以实现电信号的传播。
如图1所示，本发明的氢气传感器还包括位于气体反应中心13上方的无孔气体隔离膜14，无孔气体隔离膜14的材料可为聚四氟乙烯、聚过氟乙烯、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物、聚乙烯/四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、硅橡胶或氟化硅橡胶中的一种或多种的组合。
本发明实施例中优选采用的无孔气体隔离膜的微观示意图以及氢气分子通过该气体隔离膜到达反应中心的示意图见图4A，当环境中的氢气分子接触到无孔气体隔离膜14后，氢气分子先溶解在无孔气体隔离膜14中再从隔离膜中脱附出来到达工作电极发生化学反应，一来限制了进入传感器内部的气体分子的数量，从而避免出现大量氢气分子在工作电极处排队发生化学反应的现象；二来溶解-脱附的动态过程使得通过隔离膜进入到传感器内部的氢气分子立刻在工作电极上发生反应，有助于加速反应的平衡，缩短响应时间。所采用的气体隔离膜在常压下可以保证氢气分子通过，但是液体、粉尘以及尺寸较大的气体分子无法通过，以此保证了传感器具有优良的选择性免受环境中其他共存气体分子的干扰。
传统电化学传感器中所使用的多孔状气体隔离膜微观示意图以及氢气分子通过该气体隔离膜到达反应中心的示意图见图4B，由图4B和图4A分别可以看出传统多孔状气体隔离膜14'上有很多纳米级的微孔，微小的气体分子通过这些纳米小孔后垂直到达反应中心的工作电极上，并在电极最外层的催化剂1311'上发生化学反应；而本发明中的无孔气体隔离膜14由于没有微孔存在，氢气分子先溶解在无孔气体隔离膜14中，再在对侧溶出顺利进入传感器内部，以喷洒及包裹式到达气体反应中心13的工作电极上及工作电极内部，使得所有催化剂1311都起到催化作用。
如图1所示，本发明的氢气传感器还包括设置在气体反应中心13下方的湿度调控单元，湿度调控单元包括壳体12、封存在壳体12中的湿度调节剂122、以及覆盖在壳体12开口上方的气体隔离膜121。
湿度调节剂为具有特定浓缩湿度的物质，优选由饱和金属盐溶液和金属盐固体按一定比例混合而成，金属盐可为氯化锂、醋酸钾、氯化镁、碳酸钾、硝酸镁或氯化钠中的一种或几种的混合物组成。当环境中的湿度变大时，湿度调节剂会从环境中吸收水分；当环境中的湿度变小时，湿度调节剂会向环境中释放水分，由此达到固定氢气传感器内部湿度的目的，使得氢气传感器的检测性能免受环境湿度变化的影响，进而保证了氢气传感器可以应用于各种湿度条件下。
本发明还通过具有防水透气作用的气体隔离膜121来实现氢气传感器内部的湿度调控，其具体工作原理如图1所示，当外界环境湿度发生变化时，湿度调控单元12内的湿度调节剂122会通过气体隔离膜121分别在湿度调控单元12及传感器内部进行自扩散并迅速达到平衡，从而实现氢气传感器内部的湿度调控，使其免受外界湿度变化的影响。气体隔离膜121在常压下可以让水蒸气透过，但不能让液体和粉尘通过，该气体隔离膜121的材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(PFEP)、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯/四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)或氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种的组合。
如图1所示，本发明的氢气传感器还包括位于湿度调控单元下方的氧气通道15，氧气通道15设有气体隔离膜151。氧气通道15可以保证反应过程中氧气的供应，进而保证氢气传感器的检测性能。氧气通道15通过气体隔离膜151与大气环境相通，所采用的气体隔离膜151在常压下可以保证气体分子通过，但是液体以及粉尘无法通过，该气体隔离膜151的材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(PFEP)、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯/四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)或氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种的组合。
本发明氢气传感器的气体反应中心示意图见图2A，传统电化学传感器的气体反应中心示意图见图2B。在图2B中工作电极131'、对电极133'和参比电极135'与电解质137'成层叠分布结构，并且反应产生的电信号分别通过工作电极引线132'、对电极引线134'和参比电极引线136'输出。比较图2A和图2B可以看出本发明中所用的平铺式接触模式质子传递距离短，各电极与电解质接触面积大；而作为对比的传统电化学中的层叠式接触模式，质子传导距离长，并且工作电极与对电极之间直接传质的面积小。
传统电化学传感器中电极上催化剂分布示意图及进入传感器内部的氢气分子在其上发生反应的示意图见图3B；本发明中优选的多孔气体扩散电极的示意图以及氢气分子在其上发生反应的示意图见图3A。比较图3A和3B可以看出在传统平板式电极131'上只有外层催化剂1311'可以接触到氢气分子发生化学反应，并且大量的氢气分子需要在此排队依次进行化学反应；而在多孔气体扩散电极131上氢气分子可以到达电极中存在的微孔里，使得所有催化剂1311都可以发生催化作用。
在本发明的氢气传感器中，气体反应中心13中的工作电极131面对无孔气体隔离膜14，使得从无孔气体隔离膜14进来的氢气分子直接到达工作电极131发生电化学反应；对电极133和参比电极135面对环境调控单元12中的气体隔离膜121。环境中的氧气通过氧气通道15进入传感器内部，在对电极133上发生化学反应，与工作电极131上的化学反应一起形成反应的闭环性，保证化学反应的持续性；参比电极135用于提供稳定的电势零点，防止输出信号受对电极133上的化学反应以及漂移的影响，保证输出的稳定性。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种氢气传感器，包括传感器壳体(11)、设置在所述传感器壳体(11)内的气体反应中心(13)，其特征在于，所述气体反应中心(13)包括工作电极(131)、对电极(133)、参比电极(135)以及电解质(137)，所述电解质(137)为固体电解质，所述工作电极(131)、对电极(133)、参比电极(135)均固定在所述电解质(137)上。
2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述工作电极(131)、对电极(133)、参比电极(135)均为多孔气体扩散电极，所述工作电极(131)固定在所述电解质(137)的一面，所述对电极(133)和参比电极(135)固定在所述电解质(137)的另一面。
3.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述气体反应中心(13)还包括工作电极引线(132)、对电极引线(134)、以及参比电极引线(136)。
4.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述传感器壳体(11)的底部设有与外界PCB板相连、用于将所述传感器产生的电信号传送至所述外界PCB板的工作电极插针(111)、对电极插针(112)、参比电极插针(113)、以及空位插针(114)。
5.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，所述工作电极(131)通过所述工作电极引线(132)与所述工作电极插针(111)相连；所述对电极(133)通过所述对电极引线(134)与所述对电极插针(112)相连；所述参比电极(135)通过所述参比电极引线(136)与所述参比电极插针(113)相连。
6.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，还包括无孔气体隔离膜(14)，所述无孔气体隔离膜(14)位于所述气体反应中心(13)的上方。
7.根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，所述无孔气体隔离膜(14)的材料为聚四氟乙烯、聚过氟乙烯、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物、聚乙烯/四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、硅橡胶或氟化硅橡胶中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，还包括设置在所述气体反应中心(13)下方的湿度调控单元，所述湿度调控单元包括壳体(12)、封存在所述壳体(12)中的湿度调节剂(122)、以及覆盖在所述壳体(12)开口上方的气体隔离膜(121)。
9.根据权利要求8所述的氢气传感器，其特征在于，还包括位于所述湿度调控单元下方的氧气通道(15)，所述氧气通道(15)的下端设有气体隔离膜(151)。
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