CN110967387A - 一种氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢气传感器，包括壳体、反应体及盖体；所述壳体形成一容纳腔并在表面设置有开口，所述反应体设置于所述容纳腔中，所述盖体设置于所述开口处。本发明具有以下效果：通过管状电极的运用和传感器的组装方式，具有相对较大的氢气感测灵敏度，有利于实现低浓度氢气的监测。
Description
技术领域
本发明涉及氢气传感器技术领域，特别是涉及一种氢气传感器。
背景技术
氢气传感器在常温下对氢气非常敏感且具有很好的选择性，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器，出于生产生活中对安全的要求，快速、灵敏的氢气传感器是十分必要的，能够及时避免爆炸的可能性。
现有技术中，氢气传感器平面的电极设计结构限制了催化层的面积，同时也限制了反应气体的进气流量，使得传感器的响应灵敏度在相同结构尺寸下很难进一步提高，难以进一步提升性能上的空间。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氢气传感器，用于解决现有技术中氢气传感器平面的电极设计结构限制了催化层的面积，同时也限制了反应气体的进气流量，使得传感器的响应灵敏度在相同结构尺寸下很难进一步提高，难以进一步提升性能上的空间的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种氢气传感器，包括壳体、反应体及盖体；
所述壳体形成一容纳腔并在表面设置有开口，所述反应体设置于所述容纳腔中，所述盖体设置于所述开口处。
在本发明所述的氢气传感器中，所述壳体的表面至有透气孔，所述透气孔上依次设置有透气膜及保护层。
在本发明所述的氢气传感器中，所述壳体的底部为密封结构，其顶部设置有所述开口，其侧面设置有所述透气孔。
在本发明所述的氢气传感器中，所述透气膜与壳体之间可通过粘胶或者超声焊接或者热熔密封连接；
所述保护层与所述壳体之间通过黏胶或者超声焊接或者密封连接。
在本发明所述的氢气传感器中，所述反应体包括安装架及电极体；所述电极体通过所述安装架安装于所述容纳腔中。
在本发明所述的氢气传感器中，所述安装架包括上盖、下盖及支撑轴；
所述上盖及所述下盖之间嵌套第一O型圈，所述上盖及所述下盖通过支撑轴连接，所述上盖及所述下盖均设置有灌胶槽，所述电极体设置于所述上盖的灌胶槽内和/或所述下盖的灌胶槽内，所述上盖设置有通孔。
在本发明所述的氢气传感器中，所述电极体包括催化层、质子交换膜、铂金丝及夹子；
催化层通过热压或者涂沉积与所述质子交换膜的内壁及外壁连接，位于所述质子交换膜外壁的催化层为工作电极，位于所述质子交换膜内壁的催化层为对电极及参比电极，对电极和参比电极的面积比范围为1:1～10:1；
铂金丝的数量为3，3根所述铂金丝分别与工作电极、对电极及参比电极电性连接，3根所述铂金丝的上部均穿过所述夹子顶部的铂金丝走线孔，3根所述铂金丝的下部被所述夹子夹紧于催化层；
所述电极体的一端卡入所述下盖的灌胶槽中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴穿过所述电极体；将电极体的另一端放入上盖的灌胶槽以灌入耐酸密封胶。
在本发明所述的氢气传感器中，所述电极体包括催化层、电解质供给单元、铂金丝及夹子；
催化层通过热压或者涂沉积与所述电解质供给单元的内壁及外壁连接；
铂金丝的数量为2，2根所述铂金丝分别与所述电解质供给单元的内壁及外壁电性连接，2根所述铂金丝的上部均穿过所述夹子顶部的铂金丝走线孔，2根所述铂金丝的下部被所述夹子夹紧于催化层；
所述电极体的一端卡入所述下盖的灌胶槽中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴穿过所述电极体；将电极体的另一端放入上盖的灌胶槽以灌入耐酸密封胶。
在本发明所述的氢气传感器中，所述盖体包括本体及贯穿于所述本体的插针。
在本发明所述的氢气传感器中，所述本体的一侧设置有电路板，所述本体的另一侧设置有透氧槽，所述透氧槽中间设置有一贯穿所述本体的微孔，在透氧槽内设置有透气膜，所述透气膜覆盖在所述微孔上，且通过粘胶或热熔与本体密封连接；透气膜上设置有保护环，所述保护环与本体热熔；所述本体嵌套有第二O型圈以与所述本体的内壁密封；
所述盖体通过卡扣或者螺钉或者热熔或者焊接与壳体密封。
如上所述，本发明的一种氢气传感器，具有以下有益效果：通过管状电极的运用和传感器的组装方式，具有相对较大的氢气感测灵敏度，有利于实现低浓度氢气的监测。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种氢气传感器的爆炸图；
图2为本发明一实施例提供的上盖的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的电路板的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的一种氢气传感器的截面剖视图；
图5为本发明一实施例提供的一种氢气传感器的立体图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，图1为本发明一实施例提供的一种氢气传感器的爆炸图。该氢气传感器包括一种氢气传感器，包括壳体1、反应体2及盖体3；所述壳体1形成一容纳腔并在表面设置有开口，所述反应体2设置于所述容纳腔中，所述盖体3设置于所述开口处。所述壳体1的表面至有透气孔11，所述透气孔11上依次设置有透气膜及保护层。所述壳体1的底部为密封结构，其顶部设置有所述开口，其侧面设置有所述透气孔11。所述透气膜与壳体1之间可通过粘胶或者超声焊接或者热熔密封连接；所述保护层与所述壳体1之间通过黏胶或者超声焊接或者密封连接。
本实施例中，壳体1的上面设计有开口，用于电池体2、盖体3的装配；壳体1的下面为密封结构，壳体1的周围四面设计有均布的透气孔11为管状电极22提供反应气供给；透气孔11上覆盖有透气膜，透气膜与壳体1之间可通过粘胶，超声焊接，热熔等方式密封连接在一起。透气膜上覆盖有网格结构的透气膜保护层，透气膜保护层面积略大于透气膜，透气膜保护层与外壳之间通过黏胶、超声焊接，热熔等方式密封连接在一起。壳体1可以设计为长方体，正方体，圆柱体或者其他依据应用场景而变化的体型。
所述反应体2包括安装架21及电极体22；所述电极体22通过所述安装架安装于所述容纳腔中。所述安装架包括上盖211、下盖212及支撑轴213；所述上盖211及所述下盖212之间嵌套第一O型圈214，所述上盖211及所述下盖212通过支撑轴213连接，所述上盖211及所述下盖212均设置有灌胶槽215，所述电极体22设置于所述上盖211的灌胶槽215内和/或所述下盖212的灌胶槽215内，所述上盖211设置有通孔2111。
本实施例中，该电极体22优选为管状电极22，电池体2由安装架和管状电极22组成。安装架由上盖211，下盖212，支撑轴213组成，上盖211和下盖212的嵌套有O型圈214用于与壳体1的内壁通过挤压变形实现气密结构。上盖211和下盖212可通过支撑轴213连接在一起，但安装前，彼此独立。上盖211和下盖213上设计有灌胶槽215，管状电极22可安装与灌胶槽215之内，通过灌封胶灌封固化后与安装架组成电池体2。参见图2，图2为本发明一实施例提供的上盖的结构示意图，上盖211的灌胶槽215内预留有引线孔216，可供管状电极的导电铂金丝223引出。上盖211还设计有通孔2111，为管状电极22提供氧气供给。
关于电极体的构造，本发明提供两种实施例：
实施例一：定电位电解型氢气传感器
所述电极体22包括催化层221、质子交换膜222、铂金丝223及夹子224；催化层221通过热压或者涂沉积与所述质子交换膜222的内壁及外壁连接，位于所述质子交换膜222外壁的催化层221为工作电极，位于所述质子交换膜222内壁的催化层221为对电极及参比电极，对电极和参比电极的面积比范围为1:1～10:1；铂金丝223的数量为3，3根所述铂金丝223分别与工作电极、对电极及参比电极电性连接，3根所述铂金丝223的上部均穿过所述夹子224顶部的铂金丝走线孔，3根所述铂金丝223的下部被所述夹子224夹紧于催化层221；所述电极体22的一端卡入所述下盖的灌胶槽215中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴213穿过所述电极体22；将电极体22的另一端放入上盖的灌胶槽215以灌入耐酸密封胶。
本实施例中，管状电极22由催化层221，质子交换膜222，铂金丝223，铂金丝夹子224组成。质子交换膜222是质子交换膜卷绕粘结成管状；催化层221为贵金属纳米涂层或负载有纳米贵金属催化剂的纳米碳粉组成，贵金属包括但不限于铂、钌、铑、金、铱或他们的组合；催化层221可通过热压，涂沉积等方式和质子交换膜222的内壁和外壁组合在一起，质子交换膜222内壁和外壁的上的催化层221各自独立，催化层221位于外壁的为工作电极，位于内壁为对电极和参比电极，对电极和参比电极各自独立，且对电极和参比电极的面积比为1:1～10:1。铂金丝223由3根独立的铂金丝组成，分别与工作电极、对电极和参比电极相接触，铂金丝223的上部穿分别过铂金丝夹子224顶部的铂金丝走线孔，铂金丝223的下部被铂金丝夹子夹紧于催化层221上。将装配好的管状电极22不带铂金丝架子224的一端，先卡入下盖212的灌胶槽215中，灌入耐酸密封胶；将支撑轴213穿过管状电极22；将管状电极带有铂金丝夹子224的一端放入上盖211的灌胶槽215中，将铂金丝223分别穿过上盖211上的引线孔216后，扶正支撑轴213并确保透气孔2111的畅通，然后对上盖211的灌胶槽215灌入耐酸密封胶。在通风处放置24小时候后进行耐酸密封胶的固化。然后，将电池体2，下盖212先进入壳体1内的方式推入壳体1中。
实施例二：燃料电池型氢气传感器
所述电极体包括催化层221、电解质供给单元222、铂金丝223及夹子224；催化层221通过热压或者涂沉积与所述电解质供给单元222的内壁及外壁连接；铂金丝223的数量为2，2根所述铂金丝223分别与所述电解质供给单元222的内壁及外壁电性连接，2根所述铂金丝223的上部均穿过所述夹子224顶部的铂金丝223走线孔，2根所述铂金丝223的下部被所述夹子224夹紧于催化层221；所述电极体22的一端卡入所述下盖212的灌胶槽215中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴213穿过所述电极体22；将电极体22的另一端放入上盖的灌胶槽215以灌入耐酸密封胶。
本实施例中，管状电极22由催化层221，电解质供给单元222，铂金丝223，铂金丝夹子224组成。电解质供给单元222可以是质子交换膜卷绕粘结成管状，也可以是耐酸多孔绝缘材料加工成管型后通过电解质浸泡吸附形成，所述多孔绝缘材料包括但不限于多孔陶瓷材料，多孔PVC烧结材料；催化层221为贵金属纳米涂层或负载有纳米贵金属催化剂的纳米碳粉碳粉组成，贵金属包括但不限于铂、钌、铑、金、铱或他们的组合；催化层221可通过热压，涂布、沉积等方式和电解质供给单元222的内壁和外壁组合在一起，电解质供给单元222内壁和外壁的上的催化层221各自独立。铂金丝223由2根独立的铂金丝组成，分别与位于电解质供给单元222内壁和外壁的上的催化层221接触，铂金丝223的上部穿分别过铂金丝夹子224顶部的铂金丝走线孔，铂金丝224的下部被铂金丝夹子夹紧于催化层221上。将装配好的管状电极22不带铂金丝架子224的一端，先卡入下盖212的灌胶槽215中，灌入耐酸密封胶；将支撑轴213穿过管状电极22；将管状电极带有铂金丝夹子224的一端放入上盖211的灌胶槽215中，将铂金丝223分别穿过上盖211上的引线孔216后，扶正支撑轴213并确保透气孔2111的畅通，然后对上盖211的灌胶槽215灌入耐酸密封胶。在通风处放置24小时候后进行耐酸密封胶的固化。然后，将电池体2，下盖212先进入壳体1内的方式推入壳体1中。
所述盖体3包括本体30及贯穿于所述本体30的插针31。所述本体30的一侧设置有电路板32，所述本体30的另一侧设置有透氧槽，所述透氧槽中间设置有一贯穿所述本体30的微孔341，在透氧槽内设置有透气膜342，所述透气膜342覆盖在所述微孔341上，且通过粘胶或热熔与本体30密封连接；透气膜342上设置有保护环343，所述保护环343与本体30热熔；所述本体30嵌套有第二O型圈35以与所述本体30的内壁密封；所述盖体3通过卡扣或者螺钉或者热熔或者焊接与壳体1密封。电路板32优选为柔性电路板32.
本实施例中，盖体3上贯穿有插针31，插针31为独立的3根插针311、插针312和插针313。在盖体3的朝向管状电极22的一侧粘接有柔性电路板32，，柔性电路板32的内部电路将插针311和铂金丝223、插针312和铂金丝223以及插针313和铂金丝223分别联通。盖体3朝向大气的一侧设计有透氧槽34，透氧槽34中间有一贯穿盖体3的微孔341，在透氧槽34内放置有透气膜342，透气膜342覆盖在微孔341上，且通过粘胶或热熔与盖体3密封连接在一起；透气膜342上覆盖有保护环343，保护环343与盖体3热熔在一起。盖体3嵌套有O型圈35用实现与壳体1内壁的密封。在整个装配完成后，盖体3可通过卡扣卡死，螺钉上紧，热熔，超声焊接等方式与壳体1密封在一起实现传感器的整体封装。
壳体1，安装架21，盖体3由绝缘材料制成，绝缘材料包括但不限制于PEEK(聚醚醚酮)，PTFE(聚四氟乙烯)，ABS(苯乙烯树脂)，PC(聚碳酸酯)，PP(聚丙烯)材料。
透气膜12、透气膜342的材质包括但不限于聚四氟乙烯、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。
关于定电位电解型氢气传感器，本发明提供如下实施例：
壳体1，安装架21，盖体3由ABS材质注塑而成，插针31在注塑时便被包裹在盖体3上。壳体1外部尺寸，20*20*25mm；透气膜12与壳体1之间通过粘胶，透气膜保护层13与外壳之间通过热熔密封连接在一起；电解质单元供给222为nafion(全氟磺酸)质子交换膜，预先卷绕粘接为管状；催化层221为通过液相沉积法配合沉积工装制备的纳米铂催化层，催化层221与电解质供给单元222的上下边留有0.5mm的空白，左右边留有1mm的空白，对电极2212与参比电极2213的面积比为7:1。透气膜12选用50微米厚的PTFE透气膜，透气膜342选用25微米厚的PTFE透气膜。盖体3通过热熔与壳体1实现封装。封装后接入常规定电位电解式气体传感器测试电路通电老化48小时，测得基线噪音峰值为1.2毫伏，氢气灵敏度为20毫伏/ppm。
关于燃料电池型氢气传感器，本发明提供如下实施例：
实施例1：壳体1，安装架21，本体30由ABS材质注塑而成，插针31在注塑时便被包裹在本体30上。壳体1外部尺寸，20*20*25mm；透气膜12与壳体1之间通过粘胶，透气膜保护层13与外壳之间通过热熔密封连接在一起；催化层221采用负载有90％质量比金纳米催化剂的乙炔碳黑通过涂布的方式与电解质供给单元222结合在一起，催化层221与电解质供给单元222的上下边留有0.5mm的空白。电解质供给单元222选用壁厚0.5mm的多孔陶瓷管，电解质供给单元222中吸附的电解质选用75％wt磷酸溶液。柔性电路板上的电阻为500欧姆。透气膜12选用50微米厚的PTFE透气膜，透气膜342选用25微米厚的PTFE透气膜。盖体3通过热熔与壳体1实现封装。封装后48小时，测得基线噪音峰值为0.7微伏，氢气灵敏度为0.77微伏/ppm。
实施例2：壳体1，安装架21，盖体3由ABS材质注塑而成，插针31在注塑时便被包裹在盖体3上。壳体1外部尺寸，20*20*25mm；透气膜12与壳体1之间通过粘胶，透气膜保护层13与外壳之间通过热熔密封连接在一起；催化层221采用负载有90％质量比金纳米催化剂的乙炔碳黑涂布在导电碳纸上，电解质供给单元222为nafion质子交换膜，催化层221与电解质供给单元222的上下边留有0.5mm的空白，左右边留有1mm的空白，催化层221与电解质供给单元222通过热压粘结在一起，然后整体卷绕粘接为管状。电阻33为500欧姆。透气膜12选用50微米厚的PTFE透气膜，透气膜342选用25微米厚的PTFE透气膜。盖体3通过热熔与壳体1实现封装。封装后48小时，测得基线噪音峰值为0.8微伏，氢气灵敏度为0.67微伏/ppm。
参见图4-图5，实施本发明的氢气传感器，具有以下有益效果：具有较小的体积，和相对较大的氢气灵敏度，有利于实现低浓度氢气的监测。同时参照以上实施例，本发明的氢气传感器具有体积小，噪声低，信号大的优点。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括壳体、反应体及盖体；
所述壳体形成一容纳腔并在表面设置有开口，所述反应体设置于所述容纳腔中，所述盖体设置于所述开口处。
2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述壳体的表面至有透气孔，所述透气孔上依次设置有透气膜及保护层。
3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述壳体的底部为密封结构，其顶部设置有所述开口，其侧面设置有所述透气孔。
4.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述透气膜与壳体之间可通过粘胶或者超声焊接或者热熔密封连接；
所述保护层与所述壳体之间通过黏胶或者超声焊接或者密封连接。
5.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述反应体包括安装架及电极体；所述电极体通过所述安装架安装于所述容纳腔中。
6.根据权利要求5所述的氢气传感器，其特征在于，所述安装架包括上盖、下盖及支撑轴；
所述上盖及所述下盖之间嵌套第一O型圈，所述上盖及所述下盖通过支撑轴连接，所述上盖及所述下盖均设置有灌胶槽，所述电极体设置于所述上盖的灌胶槽内和/或所述下盖的灌胶槽内，所述上盖设置有通孔。
7.根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，所述电极体包括催化层、质子交换膜、铂金丝及夹子；
催化层通过热压或者涂沉积与所述质子交换膜的内壁及外壁连接，位于所述质子交换膜外壁的催化层为工作电极，位于所述质子交换膜内壁的催化层为对电极及参比电极，对电极和参比电极的面积比范围为1:1～10:1；
铂金丝的数量为3，3根所述铂金丝分别与工作电极、对电极及参比电极电性连接，3根所述铂金丝的上部均穿过所述夹子顶部的铂金丝走线孔，3根所述铂金丝的下部被所述夹子夹紧于催化层；
所述电极体的一端卡入所述下盖的灌胶槽中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴穿过所述电极体；将电极体的另一端放入上盖的灌胶槽以灌入耐酸密封胶。
8.根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，所述电极体包括催化层、电解质供给单元、铂金丝及夹子；
催化层通过热压或者涂沉积与所述电解质供给单元的内壁及外壁连接；
铂金丝的数量为2，2根所述铂金丝分别与所述电解质供给单元的内壁及外壁电性连接，2根所述铂金丝的上部均穿过所述夹子顶部的铂金丝走线孔，2根所述铂金丝的下部被所述夹子夹紧于催化层；
所述电极体的一端卡入所述下盖的灌胶槽中以灌入耐酸密封胶；将所述支撑轴穿过所述电极体；将电极体的另一端放入上盖的灌胶槽以灌入耐酸密封胶。
9.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述盖体包括本体及贯穿于所述本体的插针。
10.根据权利要求9所述的氢气传感器，其特征在于，所述本体的一侧设置有电路板，所述本体的另一侧设置有透氧槽，所述透氧槽中间设置有一贯穿所述本体的微孔，在透氧槽内设置有透气膜，所述透气膜覆盖在所述微孔上，且通过粘胶或热熔与本体密封连接；透气膜上设置有保护环，所述保护环与本体热熔；所述本体嵌套有第二O型圈以与所述本体的内壁密封；
所述盖体通过卡扣或者螺钉或者热熔或者焊接与壳体密封。
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