CN107870635A - 氢气使用车间用的安全用氢控制装置 - Google Patents

氢气使用车间用的安全用氢控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，该控制装置包括：电动切断阀以及至少一个的氢气浓度监测仪，每个氢气浓度监测仪分布式放置在用氢车间中，电动切断阀安装在用氢车间中氢气储罐的出口管道的预制安装位上；氢气浓度监测仪包括空气采集器、氢气探测器以及微控制器，空气采集器通过通气管连接氢气探测器，氢气探测器电连接微控制器，微控制器电连接电动切断阀；其中，所述氢气探测器为旁热式结构；所述敏感材料层为一种混合物，其中包括SnO2/MnO2复合空心球和Sn纳米粉体。

Description

氢气使用车间用的安全用氢控制装置
技术领域
本发明涉及安全生产技术领域，尤其涉及一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置。
背景技术
氢气是一种易燃易爆的危险气体，现有氢气的使用中，按照相应法律法规的要求，在氢气使用车间入口及用氢设备的支管设置有切断阀，并考虑经济与生产的连续性，一般会设置手动切断阀，一旦车间用氢设备、管道发生泄露时，手动关闭车间入口或用氢支管的切断阀，避免因氢气的不断输入而造成的火灾爆炸事故。
然而，由于氢气的易燃易爆属性，手动关闭切断阀仍具有极大的安全隐患。
发明内容
本发明旨在提供一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，该控制装置包括：电动切断阀以及至少一个的氢气浓度监测仪，每个氢气浓度监测仪分布式放置在用氢车间中，电动切断阀安装在用氢车间中氢气储罐的出口管道的预制安装位上；氢气浓度监测仪包括空气采集器、氢气探测器以及微控制器，空气采集器通过通气管连接氢气探测器，氢气探测器电连接微控制器，微控制器电连接电动切断阀；其中，所述氢气探测器为旁热式结构；所述敏感材料层为一种混合物，其中包括SnO2/MnO2复合空心球和Sn纳米粉体。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明中该控制装置包括：电动切断阀以及至少一个的氢气浓度监测仪，氢气浓度监测仪包括空气采集器、氢气探测器以及微控制器，该氢气浓度监测仪中的敏感材料基于SnO2/MnO2复合空心球和Sn纳米粉体，SnO2、MnO2和Sn纳米粉体结合发挥作用，其对H2的选择性具有意料不到的技术效果，大大增加了对H2的灵敏度，同时抑制了敏感材料对其它气体的灵敏度，表现为对H2的高选择性，将其用于用氢车间的用氢控制装置中，能够有效检测氢气的泄露，并且，避免了其它气体对其的干扰，安全性高。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的实施例涉及一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，参照图1，该控制装置包括：电动切断阀101以及至少一个的氢气浓度监测仪102，每个氢气浓度监测仪102分布式放置在用氢车间中，电动切断阀101安装在用氢车间中氢气储罐的出口管道的预制安装位上。
氢气浓度监测仪102包括空气采集器1021、氢气探测器1022以及微控制器1023，空气采集器通过通气管连接氢气探测器，氢气探测器电连接微控制器，微控制器电连接电动切断阀。
其中，氢气储罐用于为用氢车间中的用氢设备输送氢气。
工作原理如下：
空气采集器1021采集用氢车间的空气并通过通气管输送至氢气探测器1022，氢气探测器1022探测空气中的氢气浓度并反馈至微控制器1023，微控制器1023将其接收到的氢气浓度与微控制器1023中预先存储的预设浓度阈值做比较，且当其接收到的氢气浓度大于等于预设浓度阈值时，生成控制信号并发送至电动切断阀101，电动切断阀101根据该控制信号切断出口管道对氢气的输送。
其中，氢气浓度具体是采集到的空气中氢气所占的百分比。
其中，该氢气探测器1022为旁热式结构，包括陶瓷管，在陶瓷管外表面设有敏感材料层，在敏感材料层的两边设有一对金电极，在陶瓷管的内部设有加热元件；其中，所述敏感材料层为一种混合物，其中包括SnO2/MnO2复合空心球和Sn纳米粉体。
优选地，该SnO2/MnO2复合空心球的粒径为150nm，SnO2与MnO2的质量比为3:2。
目前，现有技术中，金属氧化物气体传感器得到了很大发展，比如氧化铟、氧化锡、氧化钨等材料被广泛用作气敏材料，其具有低成本、高灵敏性等优点。其中，SnO2纳米材料应用广泛，目前，已经制备了各种形貌的SnO2纳米结构，如零维纳米粒子，一维纳米棒、纳米带、纳米线，二维纳米片及三维分等级结构等。作为一种传统的气敏材料，SnO2纳米材料在不同的气体中都能表现出气敏特性，其电阻在不同的气氛条件下，会形成不同的变化趋势；但是SnO2气敏材料对气体的选择性较差，这限制其应用。
本发明所公开的技术方案中，该氢气探测器1022中敏感材料基于SnO2/MnO2复合空心球结构，该空心球结构是以碳质多糖微球为模板、水热法制备的，其能够保证敏感材料与目标气体充分接触并使得气体能够扩散进敏感材料的更深区域，从而提高了敏感材料的利用效率。同时，在SnO2与MnO2的质量比为3:2时，该氢气探测器1022表现出对氢气良好的选择性，具有意料不到的技术效果，其能够有效避免用氢车间中其它气体对氢气探测的干扰，大大降低了干扰度。
具体到SnO2纳米材料，其在不同的气体中都可表现出气敏特性，其电阻值在不同的气体气氛中会形成不同的变化趋势，因此，SnO2基气体传感器往往对目标气体的选择性较差。本发明所述敏感材料中，该复合空心球基于SnO2与MnO2复合材料，其能够使得还原性气体H2更容易在敏感材料表面发生反应，而抑制其它种类气体与敏感材料的反应，从而实现选择性。
在上述敏感材料层中，所述Sn纳米粉体与SnO2/MnO2复合空心球的质量比为1:9，该Sn纳米粉体的粒径为500nm。
在另一种优选实施方式中，在所述敏感材料层与陶瓷管之间还设有一层锡膜，该锡膜采用冷喷涂的方法制备在所述陶瓷管上，该锡膜厚度为500μm。
所述敏感材料中，还包括Sn纳米粉体，该Sn纳米粉体对于MnO2的氧化性质起到催化作用，从而对传感器选择性的提高起到积极作用。
本发明所公开的氢气探测器，在敏感材料与陶瓷管表面还设有锡膜，该锡膜对于SnO2/MnO2复合空心球结构的选择性起到积极作用。
实施例1
所述氢气探测器的制备过程为：
步骤1、制备碳质多糖微球：
将5g葡萄糖溶于35ml去例子水中形成澄清溶液，然后将其放入水热釜中，将该水热釜在190℃下保持10h，将所得的前驱液用乙醇和去例子水反复清洗5次，之后在80℃烘干13h，得到碳质多糖微球；
步骤2、制备SnO2/MnO2复合空心球：
将0.2mmol MnCl2·4H2O溶于10ml的二甲基甲酰胺中形成0.02mol/L的溶液A；将0.4mmol SnCl4·5H2O溶于10ml的二甲基甲酰胺中形成0.04mol/L的溶液B；将0.3g的碳质多糖微球超声溶于50ml的二甲基甲酰胺中形成溶液C；然后将溶液A、B缓慢滴加到溶液C中，同时不断磁力搅拌；然后超声30min后，将混合溶液在室温下放置1天，然后用乙醇和去离子水交替离心清洗，将固体混合物在70℃烘干10h；
步骤3、制备敏感材料：
将Ni纳米粉体与上述离心干燥后的固体混合物混合、研磨均匀，然后将其高温煅烧；
优选地，所述高温煅烧过程为：分别在240℃下煅烧4h、510℃下煅烧5h；
步骤4、制备氢气探测器：
在陶瓷管的两个相互平行的金电极之间表面冷喷涂锡膜，然后将上述高温煅烧后的产物与去例子水混合均匀并形成浆糊状，将其涂覆在锡膜表面，厚度为500μm，在红外灯下干燥30min后，将该陶瓷管置于马弗炉中400℃烧结2h，然后将Pt加热丝插入到陶瓷管中，用以提供传感器的工作温度，焊接导线后即得到所述氢气探测器。
实施例2
本实施例中，相比实施例1，该空心球为SnO2空心球。
实施例3
本实施例中，相比实施例1，该空心球为MnO2空心球。
实施例4
本实施例中，相比实施例1，所述敏感材料中没有Ni纳米粉体。
优选地，本发明所述氢气探测器的气敏测试是采用静态测试系统在测试箱中，测试过程中，环境温度为25℃；将一定量的待测气体注入到测试箱中，待测气体与腔中的空气混合均匀后将本发明所述气体传感器放入测试箱中。
本发明中灵敏度(S)定义为：S＝Ra/Rg，其中，Ra和Rg分别为氢气探测器在空气中和待测气体中的电阻值；响应时间规定为氢气探测器从进入待测气体开始到响应度变化达到总变化值的90％时所需的时间，恢复时间规定为氢气探测器从脱离待测气体开始到响应度变化达到总变化值的90％时所需的时间。
针对所述氢气探测器的选择性，首先测试了实施例1中所述传感器分别在500ppm的H2、NH3、NO2、CO2中的灵敏度，如下表1：
表1 实施例1中所述传感器分别在500ppm的H2、NH3、NO2、CO2中的灵敏度
实施例 H2 NH3 NO2 CO2
150℃ 19 15 18 12
200℃ 36 4 2 3
250℃ 26 23 20 18
从表中可以看到，当氢气探测器的工作温度为200℃时，其在H2中的灵敏度最高，并且其在其它气体(NH3、NO2、CO2)中灵敏度与在H2中灵敏度相差较大；当氢气探测器工作温度为150℃或250℃时，其在其它气体(NH3、NO2、CO2)中灵敏度与在H2中灵敏度相当，表明其对H2并不具备选择性，实施例1取得了意料不到的技术效果，因此，本发明所述氢气探测器工作温度为200℃。
其次，设定工作温度为200℃，分别测试了实施例2、3、4中所述氢气探测器分别在500ppm的H2、NH3、NO2、CO2中的灵敏度，如下表2：
表2 工作温度为200℃时，实施例2、3、4中所述氢气探测器分别在500ppm的H2、NH3、NO2、CO2中的灵敏度
H2 NH3 NO2 CO2
实施例2 17 10 9 7
实施例3 1 — — —
实施例4 21 5 3 3
可以看到，实施例2、3、4的灵敏度相比实施例1均大幅降低，具体来说，
实施例2中，该敏感材料为SnO2空心球，其仍能保证对H2的响应，但是对不同气体的选择性不高；
实施例3中，该敏感材料为MnO2空心球，单独将MnO2空心球作为敏感材料，其对各种气体的灵敏度几乎可以忽略；
实施例4中，该敏感材料为SnO2/MnO2复合空心球，其能够保证对H2的响应，并且对各种气体保持一定的选择性，然而，相比实施例1，由于缺少Sn纳米粉体，导致MnO2氧化性发挥作用有限，其对目标气体H2的灵敏度有所降低。
通过上述对照，可以看到，实施例1的敏感材料中，SnO2、MnO2和Sn纳米粉体结合发挥作用，其对H2的选择性具有意料不到的技术效果，大大增加了对H2的灵敏度，同时抑制了敏感材料对其它气体的灵敏度，表现为对H2的高选择性，将其用于用氢车间的用氢控制装置中，能够有效检测氢气的泄露，并且，避免了其它气体对其的干扰，安全性高。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，该控制装置包括：电动切断阀以及至少一个的氢气浓度监测仪，每个氢气浓度监测仪分布式放置在用氢车间中，电动切断阀安装在用氢车间中氢气储罐的出口管道的预制安装位上；氢气浓度监测仪包括空气采集器、氢气探测器以及微控制器，空气采集器通过通气管连接氢气探测器，氢气探测器电连接微控制器，微控制器电连接电动切断阀；其中，所述氢气探测器为旁热式结构；所述敏感材料层为一种混合物，其中包括SnO2/MnO2复合空心球和Sn纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，该SnO2/MnO2复合空心球是以碳质多糖微球为模板、水热法制备的，其粒径为150nm，SnO2与MnO2的质量比为3:2。
3.根据权利要求1所述的一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，所述氢气探测器的制备过程为：
步骤1、制备碳质多糖微球：
将5g葡萄糖溶于35ml去例子水中形成澄清溶液，然后将其放入水热釜中，将该水热釜在190℃下保持10h，将所得的前驱液用乙醇和去例子水反复清洗5次，之后在80℃烘干13h，得到碳质多糖微球；
步骤2、制备SnO2/MnO2复合空心球：
将0.2mmol MnCl2·4H2O溶于10ml的二甲基甲酰胺中形成0.02mol/L的溶液A；将0.4mmol SnCl4·5H2O溶于10ml的二甲基甲酰胺中形成0.04mol/L的溶液B；将0.3g的碳质多糖微球超声溶于50ml的二甲基甲酰胺中形成溶液C；然后将溶液A、B缓慢滴加到溶液C中，同时不断磁力搅拌；然后超声30min后，将混合溶液在室温下放置1天，然后用乙醇和去离子水交替离心清洗，将固体混合物在70℃烘干10h；
步骤3、制备敏感材料：
将Ni纳米粉体与上述离心干燥后的固体混合物混合、研磨均匀，然后将其高温煅烧；
优选地，所述高温煅烧过程为：分别在240℃下煅烧4h、510℃下煅烧5h；
步骤4、制备氢气探测器：
在陶瓷管的两个相互平行的金电极之间表面冷喷涂锡膜，然后将上述高温煅烧后的产物与去例子水混合均匀并形成浆糊状，将其涂覆在锡膜表面，厚度为500μm，在红外灯下干燥30min后，将该陶瓷管置于马弗炉中400℃烧结2h，然后将Pt加热丝插入到陶瓷管中，用以提供传感器的工作温度，焊接导线后即得到所述氢气探测器。
4.根据权利要求1所述的一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，所述Sn纳米粉体的粒径为500nm。
5.根据权利要求1所述的一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，所述Sn纳米粉体与SnO2/MnO2复合空心球的质量比为1:9。
6.根据权利要求1所述的一种氢气使用车间用的安全用氢控制装置，其特征在于，所述敏感材料层与陶瓷管之间还设有一层锡膜，该锡膜采用冷喷涂的方法制备在所述陶瓷管上，该锡膜厚度为500μm。
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