CN115436441A - 一种柔性薄膜式氢敏传感器及氢泄漏监测防护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢安全防护技术领域，公开一种柔性薄膜式氢敏传感器及氢泄漏监测防护系统，柔性薄膜式氢敏传感器包括质子交换膜和若干设置在质子交换膜上呈阵列排布的氢敏传感元件，各氢敏传感元件由对应设置在质子交换膜两侧的对电极和传感电极组成，在质子交换膜上涂有催化层。氢泄漏监测防护系统包括上述柔性薄膜式氢敏传感器。柔性薄膜式氢敏传感器为电化学氢敏传感元件阵列，根据需求的定位精度确定氢敏传感元件间隔及数量。当氢气发生泄漏时，根据传感元件电压数据和电压产生的时间数据实现氢泄漏的快速精准定位。本发明利用电化学反应原理，催化待检测的氢气产生电信号，电信号测量响应时间在毫秒级以下，实现低浓度下的氢气泄漏快速响应。
Description
技术领域
本发明属于氢安全防护技术领域，涉及到一种柔性薄膜式氢敏传感器氢泄漏监测防护系统。
背景技术
氢气作为一种无色无味的气体，由于其分子体积很小，渗透能力强，容易引起泄漏，甚至发生爆炸。为保障大功率涉氢系统的运行，需要建立完善的氢安全防护系统，保证系统具有较高测量精度和响应速度。
涉氢系统泄漏初期，若氢敏传感器无法及时捕获有效信息则可能会引发大规模泄漏，因此提高传感器的响应速度是氢安全防护的关键一环。现有氢敏传感器类型很多，随着电解堆系统及其安全防护系统的复杂，对传感器响应速度要求也随之提高。
传统的氢气泄漏检测系统往往只能检测出氢气浓度而无法准确定位氢气泄漏点，这对于大功率涉氢系统的泄漏检测和维护是十分不利的。一篇公开号为CN 114152650 A的中国发明专利申请公开一种阵列氢气探测器及其检测方法，包括基板，在基板任意一面加工制作的TFT器件层，TFT器件层包括多个成阵列分布的探测点；在基板的另一面加工制作有电阻变化感应层，电阻变化感应层被刻蚀成多个电阻变化感应模块，在每个电阻变化感应模块下方基板上均开设有通孔，通孔内填充有金属，每个电阻变化感应模块通过通孔内的金属与对应的探测点实现电性连接；在所述电阻变化感应层的上方加工制作有氢气分离薄膜层。该发明通过对氢敏器件的电阻值的变化虽然能够实现对氢气泄露的检测，还能具体计算得到泄露的氢气浓度，并且通过设置多个探测点形成阵列式氢气探测，能够对氢气泄露的具体位置进行定位，及时探测到氢气泄露源头；但是，上述发明基于金属电阻式氢敏传感器实现氢泄漏监测，电阻式的传感器在使用中存在着稳定性和选择性差、响应时间和回复时间长、敏感机理复杂、寿命短、工作温度高等缺点，这也是该类传感器急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应速度快、灵敏度更高的氢泄漏监测防护系统，为解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种柔性薄膜式氢敏传感器，其包括质子交换膜和若干设置在所述质子交换膜上呈阵列排布的氢敏传感元件，各所述氢敏传感元件由对应设置在所述质子交换膜两侧的对电极和传感电极组成，在所述质子交换膜上涂有催化层。
更为优选的是，所述质子交换膜选自全氟磺酸型质子交换膜、杜邦质子交换膜N-117、美国DuPont（杜邦）公司生产的Nafion212膜或Nafion211膜。
更为优选的是，所述催化剂层的催化剂为铂炭，所述铂炭包括炭载体和附着在所述炭载体上的铂粒子。
更为优选的是，对电极和所述传感电极选自铂电极、银电极。
更为优选的是，对应所述质子交换膜设有加湿装置和保湿装置。
更为优选的是，所述加湿装置为设置在所述质子交换膜的四周、并与所述质子交换膜接触的水槽，所述保湿装置为覆盖在所述柔性薄膜式氢敏传感器表面的保湿网。
作为本发明的另一方面，提供一种氢泄漏监测防护系统，其包括，柔性薄膜式氢敏传感器、信号采集系统、程控电源、分级预警系统等部件。
所述柔性薄膜式氢敏传感器如上所述。
所述信号采集系统用于采集各所述氢敏传感元件产生的电信号数据。
所述程控电源用于给各所述氢敏传感元件施加电信号。
更为优选的是，上述氢泄漏监测防护系统还包括分级预警系统，所述分级预警系统用于针对不同的氢泄漏情况采取不同的处置措施。
更为优选的是，上述氢泄露监测防护系统运行时，启动信号采集系统，实时监测各所述氢敏传感元件的电信号；当采集到某区域的所述氢敏传感元件产生电信号时，即代表着该区域存在着氢泄漏。
当氢气发生泄漏时，各所述氢敏传感元件处测量到的电信号数据的时间不同，根据电信号产生的时间数据定位氢泄漏点，最先产生电信号的所述氢敏传感元件所在位置即为氢泄漏位置。
更为优选的是，确定氢泄露位置后，给氢泄露位置处的所述氢敏传感元件接通程控电源，利用极限电流法测量氢气泄漏量。
更为优选的是，根据预先设定好的风险等级标准，评估氢泄漏严重程度，分级预警，采取不同等级的后续处理措施。
更为优选的是，确定氢泄露位置后，给氢泄露位置周围的所述氢敏传感元件接通程控电源，根据泄露位置与泄露信号强弱分析确定氢气在整个检测空间内的分布信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
（1）本发明利用电化学反应原理，基于电化学氢敏传感器来测量氢泄露，工作时，催化待检测的氢气产生电信号，电信号测量响应时间在毫秒级以下，测量精度高，可实现低浓度下的氢气泄漏快速响应。同时，该类传感器检测范围广、选择性好、灵敏度高、无需加热，能对泄露做出快速反应，而且可以通过电化学的工作原理对微泄露的氢气进行定量检测。又由于不存在可移动部件，不会存在机械故障。
（2）本发明中，传感器阵列排布间隔可在按需求在厘米范围内设定，根据每个传感器的电信号数据和响应时间数据，可实现氢泄漏位置的精准定位。
（3）本发明中，传感器阵列数量可根据需求增加，满足大规模物体氢泄漏监测的需求。
（4）本发明中，柔性薄膜式传感器以柔性质子交换膜为主要材料，可适应各形状，与被监测对象紧密贴合。
（5）本发明中，可精确测量氢气泄漏量，基于监测结果采取相应的处理措施，实现氢气泄漏的分级处置；可确定氢气在整个检测空间内的分布信息，为后续的泄露处置提供辅助。
附图说明
图1为本发明提供的氢泄漏监测防护系统的结构示意图。
图2所示为图1的侧视图。
图3为本发明中单个氢敏传感元件原理的示意图。
附图标记说明。
1：柔性薄膜式氢敏传感器，2：信号采集系统，3：程控电源，4：分级预警系统。
1-1：质子交换膜，1-2：氢敏传感元件，1-3：水槽。
1-2-1：对电极，1-2-2：传感电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。
如图1、图2所示，一种氢泄漏监测防护系统包括：柔性薄膜式氢敏传感器1、信号采集系统2、程控电源3和分级预警系统4。
其中，所述柔性薄膜式氢敏传感器1包括质子交换膜1-1和若干设置在所述质子交换膜1-1上呈阵列排布的氢敏传感元件1-2，在质子交换膜1-1的四周设置有水槽1-3，水槽1-3用于给质子交换膜1-1加湿，且柔性薄膜式氢敏传感器1的表面覆盖有致密的保湿网，用于维持质子交换膜1-1湿度。柔性薄膜式氢敏传感器1的大小、氢敏传感元件1-2数量可根据被监测对象来确定，且柔性薄膜式氢敏传感器1可与被测对象紧密贴合。在一些实施方式中，水槽1-3可以用其他加湿装置代替，只要能够给质子交换膜1-1加湿即可；不限于本实施例。
结合图3所示，每个氢敏传感元件1-2由对应设置在质子交换膜1-1两侧的对电极1-2-1和传感电极1-2-2组成，质子交换膜1-3上涂有催化层。对电极1-2-1和传感电极1-2-2可以选用导电率高的铂金电极、银电极等，催化剂层的催化剂优选为为铂炭，所述铂炭包括炭载体和附着在所述炭载体上的铂粒子；当然，催化剂还可以选用一些现有已知的或将来能够实现的其他催化剂，不限于本实施例。
根据实际需要的不同，所述质子交换膜1-1可以选自全氟磺酸型质子交换膜、杜邦质子交换膜N-117、美国DuPont（杜邦）公司生产的Nafion212膜或Nafion211膜。
工作时，对电极1-2-1以空气作为参考气体，与空气中的氧气反应。传感电极1-2-2靠近被测系统所在一侧，当被测系统存在氢气泄漏时，氢气在传感电极1-2-2处发生反应。氢敏传感元件1-2上发生的电催化反应产生电信号，根据电信号的强弱来实现氢泄漏的快速响应。
信号采集系统2用于采集各个氢敏传感元件1-2产生的电信号数据及时间数据。
程控电源3用于给氢敏传感元件1-2的电极施加电信号，以便使用极限电流法检测氢气泄漏量。
分级预警系统4用于根据不同的氢泄漏情况采取不同的处置措施。
实施例1。
以监测电解堆氢泄漏为例，将上述柔性薄膜式氢敏传感器1布置贴于电解堆四周，柔性薄膜式氢敏传感器1能很好适应被测装置的形状，与电解堆紧密贴合。一共有m行n列氢敏传感元件1-2阵列构成了柔性薄膜式氢敏传感器1，每个传感元件1-2的距离在1厘米以内（距离的具体值可根据实际需要不同而适当调整），实现氢泄漏位置的准确定位。
上述级氢泄漏监测防护系统运行时，其工作流程如下。
启动信号采集系统2，实时监测各氢敏传感元件1-2的电信号。当未发生氢气泄漏时，采集到的各个氢敏传感元件1-2电信号为零，即Vi,j=0，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n；m、n为自然数，m、n≥3。
当采集到某区域氢敏传感元件1-2处存在电信号时，即代表着该区域存在着氢泄漏。如当系统监测到有以下电信号，Va-1,b-1,Va-1,b,Va-1,b+1,Va,b-1,Va,b,Va,b+1,Va+1,b-1,Va+1,b,Va+1,b+1,即可以确认氢泄漏位置在点(a，b)附近，根据采集到以上信号的时间数据，即Ta-1,b-1,Ta-1,b,Ta-1,b+1,Ta,b-1,Ta,b,Ta,b+1,Ta+1,b-1,Ta+1,b,Ta+1,b+1，最早产生电信号的氢敏传感元件1-2位置即为氢泄漏位置，如点（a，b）产生电信号的时间早于其他点，即Ta,b<Ti,j，i=1,2,…,m且i≠a，j=1,2,…,n且j≠b，即可确认氢泄露位置为点（a，b）处。由于氢敏传感元件1-2的排列间隔在厘米级范围内，故可以实现厘米级范围内的氢泄漏位置快速精准定位。
当监测到氢气泄漏位置为点（a，b）处氢敏传感元件1-2位置时，将程控电源3导通到该氢敏传感元件1-2处，利用极限电流法测量氢气泄漏量。根据预先设定好的风险等级标准，评估氢泄漏严重程度，分级预警，以便采取不同等级的后续处理措施。
需要说明的是，信号采集系统2的信号采集器型号选择及电路设计为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，极限电流法检测氢气泄漏量、以及根据泄漏量如何分级和对应不同分级如何设置不同预警也为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，这里不再详细赘述。
显然，本发明提供的氢泄漏监测防护系统除了可以监测电解堆氢泄漏，还可以应用到其他氢气存储装置或氢气运输装置上，只要将柔性薄膜式氢敏传感器1贴合到相应的装置上即可。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，包括质子交换膜和若干设置在所述质子交换膜上呈阵列排布的氢敏传感元件，各所述氢敏传感元件由对应设置在所述质子交换膜两侧的对电极和传感电极组成，在所述质子交换膜上涂有催化层。
2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，所述质子交换膜选自全氟磺酸型质子交换膜、杜邦质子交换膜N-117、美国DuPont（杜邦）公司生产的Nafion212膜或Nafion211膜。
3.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，所述催化剂层的催化剂为铂炭，所述铂炭包括炭载体和附着在所述炭载体上的铂粒子。
4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，对电极和所述传感电极选自铂电极、银电极。
5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，对应所述质子交换膜设有加湿装置和保湿装置。
6.根据权利要求5所述的一种柔性薄膜式氢敏传感器，其特征在于，所述加湿装置为设置在所述质子交换膜的四周、并与所述质子交换膜接触的水槽，所述保湿装置为覆盖在所述柔性薄膜式氢敏传感器表面的保湿网。
7.一种氢泄漏监测防护系统，其特征在于，包括，柔性薄膜式氢敏传感器、信号采集系统、程控电源、分级预警系统等部件；
所述柔性薄膜式氢敏传感器如权利要求1-6中任意一项所述；
所述信号采集系统用于采集各所述氢敏传感元件产生的电信号数据；
所述程控电源用于给各所述氢敏传感元件施加电信号。
8.根据权利要求7所述的一种氢泄漏监测防护系统，其特征在于，还包括分级预警系统，所述分级预警系统用于针对不同的氢泄漏情况采取不同的处置措施。
9.根据权利要求7所述的一种氢泄漏监测防护系统，其特征在于，监测防护系统运行时，启动信号采集系统，实时监测各所述氢敏传感元件的电信号；当采集到某区域的所述氢敏传感元件产生电信号时，即代表着该区域存在着氢泄漏；
当氢气发生泄漏时，各所述氢敏传感元件处测量到的电信号数据的时间不同，根据电信号产生的时间数据定位氢泄漏点，最先产生电信号的所述氢敏传感元件所在位置即为氢泄漏位置。
10.根据权利要求7所述的一种氢泄漏监测防护系统，其特征在于，确定氢泄露位置后，给氢泄露位置处的所述氢敏传感元件接通程控电源，利用极限电流法测量氢气泄漏量；根据预先设定好的风险等级标准及测量出的氢气泄漏量，评估氢泄漏严重程度，分级预警，进而采取不同等级的后续处理措施。
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