CN1839309A - 氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气传感器，其中布置有第一电极和第二电极，并且将电解质至少部分地插入在电极之间。第一电极和第二电极分别用对氢气具有不同化学电势的材料制成。明确地讲，第一电极含有具有相对高化学电势的材料，而第二电极含有具有相对低化学电势的材料。通过以第一电极作为氢气的传感电极，同时以第二电极作为氢气的参照电极，根据在电极之间产生的电动势对氢气进行检测。

Description

氢气传感器

发明领域：

本发明涉及一种氢气传感器，其适合于检测泄漏在空气中的氢气或分析氢气的浓度。

技术背景

在未来利用氢能的社会中，人们期望构建一种方便的能够消除氢气爆炸这一危险本性的氢能系统，从而完善氢能系统的安全性。这就要求将氢气传感器配置成能够立即检测泄漏在空气中的氢气量，并且要能够简化氢气传感器的结构，同时能够提高氢气传感器的可靠性。

传统的氢气传感器是基于半导体型、电离型或燃烧型的检测原理配置的，其中氢气量是被间接测得的，即通过利用能够定义为广延物理数值(extensive physical value)的载流子浓度(半导体型)、离子浓度(电离型)或反应热(燃烧型，或者燃烧氢气，测量气体压力)，借此转换成相应的电值。因此，使用传统的氢气传感器需要花较长的时间来检测氢气，例如100秒。特别地，对于用于氢气泄漏报警系统的氢气传感器，要求将氢气传感器配置成能够检测处于爆炸极限之下的低浓度范围内的氢气浓度，并且缩短氢气检测的时间。

使用传统的(半导体型、电离型或燃烧型)氢气传感器，因为氢气浓度是通过使用载流子浓度、离子浓度或反应热作为氢气检测信号加以检测的，所以氢气检测需要大的检测面积。在这个观点上，氢气的检测精度和灵敏度取决于氢气传感器的结构、形状和电极尺寸，因此减小氢气传感器的尺寸受到限制。而且，传统的(半导体型、电离型或燃烧型)氢气传感器会受到环境气体的影响。特别地，当在含有含氢元素的汽油、碳氢化合物和乙醇的气氛中使用氢气传感器时，氢气传感器可能会响应基于氢的气体，从而降低氢气检测的可靠性。

在这个观点上，已经开发出了新型的电化学气体传感器，并特别用于替代上述的传统氢气传感器。新型气体传感器能够分为电动势测量型氢气传感器和电流检测型氢气传感器。对于前一类型的氢气传感器，例如专利公开No.1和2中公开的，一个氢气电极作为设置在标准氢气压下的标准电极，一个探测电极作为用于测量被检测气体(氢气)的工作电极，其中测量氢气电极和探测电极之间的电位差作为氢气传感器响应氢气浓度的输出。

对于该氢气电极，在电极表面上存在足够的原子态氢以形成电极的标准电势。在该条件下，当氢气与探测电极接触从而被解离成原子态氢时，探测电极显示的电位与原子态氢的量成比例，检测氢气电极与探测电极之间的电势差作为氢气浓度的函数。换言之，对于该新型氢气传感器，因为要测量检测氢气压并与标准氢气压比较，所以两个电极都必须独立地布置在标准氢气气氛和检测气体气氛中，因此除了检测气压室之外，还需要提供另一个标准氢气压室。在这个观点上，要求氢气传感器具有大的尺寸，并且氢气传感器的使用条件等受到限制。

对于电流检测型氢气传感器，电流值被归类为一个广延物理值，从而为了用氢气传感器实现高精度的测量结果，必须加大氢气传感器的面积或体积，并且要能够为氢气传感器提供外部电力。

[专利公开No.1]

日本待公开专利申请No.2003-270200

[专利公开No.2]

日本已审查专利申请公开No.5-663

发明内容

本发明要解决的问题：

本发明的一个目的是提供一种基于电化学原理的新型电动势型氢气传感器，其中氢气传感器的结构被简化，并且能够立即高精度地检测氢气。

解决问题的方法：

为了获得本目的，本发明涉及一种氢气传感器，其包括第一电极、第二电极和与第一电极和第二电极接触的电解质。

其中第一电极和第二电极用对氢气具有不同化学电势的相应材料制成，并且第一电极用高化学电势的材料制成，而第二电极用低化学电势的材料制成。

其中氢气的检测是基于第一电极和第二电极之间产生的电动势。

在本发明中，氢气传感器的电极被配置成含有相应的彼此化学电势不同的材料，并且含有较高化学电势材料的第一电极定义为探测电极，而含有较低化学电势材料的第二电极定义为标准电极。因此，当氢气传感器布置在相同的含氢气氛中时，因为电极分别用化学电势不同的材料制成，所以在氢气传感器的第一电极和第二电极之间会产生电势差。结果，能够由电极之间的电势差检测相同气氛下的氢气。

根据本发明的氢气传感器，因为与传统电动势测量型氢气传感器不同，不需要另一个标准氢气压室，所以能够简化氢气传感器的结构，减小氢气传感器的尺寸，另外能够立即检测氢气。

这里，氢气传感器电极之间的电势差由下面的关系式得出

${\widetilde{\mathrm{\μ}}}_H^M-{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_H^{H_2}=({\widetilde{\mathrm{\μ}}}_e^{\mathrm{II}}-{\widetilde{\mathrm{\μ}}}_e^I)-f({\mathrm{\φ}}_e^{\mathrm{II}}-{\mathrm{\φ}}_e^I)=-\mathrm{FE}...\left(1\right)$

其中，指代符“F”表示法拉第常数，指代符“E”表示EMF值，

是电化学电势，等于原子态氢分别对金属和氢气的化学电势。那么，因为端子[I]和[II]用相同的铜线制成，所以电子的电化学电势由下面的等式表示：

${\widetilde{\mathrm{\μ}}}_e^{\mathrm{II}}={\widetilde{\mathrm{\μ}}}_e^I...\left(2\right)$

这里，利用等式(3)，其显示静电电势和电动势E之间的关系：

${\mathrm{\φ}}_e^{\mathrm{II}}-{\mathrm{\φ}}_e^I=E...\left(3\right)$

其中φ^I是第一电极的静电，φ^II是第二电极的静电。

这样，本发明的氢气传感器得出的电动势与产生于两个电极原子态氢气浓度的化学电势差一致，并根据该电动势检测氢气的浓度。如上面提到的，在本发明中，第一电极配置作为探测电极，因此第一电极含有较高化学电势的材料，而第二电极配置作为标准电极，因此第二电极含有较低化学电势的材料，从而电动势E主要得自于第一电极的静电势。

因为电动势E只依赖于和化学电势有关的电极材料的种类，而与电极的尺寸和结构无关，所以氢气传感器的尺寸可以降低，结构可以简化。而且，因为上述反应是在氢气与作为探测电极的第一电极一接触时就产生的，所以氢气检测能够立即执行。

这里，因为本发明的氢气传感器在无氢气的气氛下具有固有的自发电动势，所以氢气传感器能够具有与可操作性有关的自我诊断功能。

在氢气传感器中，化学电势能够与氢气的吸附-解离活性等级有关。也就是说，氢气传感器能够配置成使电极含有氢气吸附-解离活性等级彼此不同的材料。这种情况下，如果第一电极用对氢气具有较高吸附-解离活性等级的材料制成，而第二电极用对氢气具有较低吸附-解离活性等级的材料制成，则第一电极能够含有较高化学电势的材料，而第二电极能够含有较低化学电势的材料。

具体地讲，第一电极含有的第一电极材料在H₂(-)|50mol/m³H₂SO₄|样品(+)电池中能够显示出0.8V或者更高的标准电动势，第二电极含有的第二电极材料在相同的电池结构中具有则小于0.8V的电动势。

作为第一电极的材料能够是例如Pt、Pt合金、Pd、Pd合金。第一电极能够用位于给定基片上的上述示例材料或者上述示例材料的支持材料制成。在本发明的范围内，第一电极能够形成任何结构，只要第一电极能够发挥氢气探测电极的功能即可。

作为第二电极的材料能够是例如Ni、Ni合金、Ti、Ti合金、Cu、Cu合金、Fe、Fe合金、Al、Al合金和有机导电材料。第二电极能够用上述示例材料制成，但是在本发明的范围内，它能够形成任何结构，只要第二电极能够发挥氢气的标准电极的功能即可。

在非专利公开No.1中公开了一种氢气传感器，其中氢气的探测电极用Pd-H制成。在该实例中，因为氢气在使用时被部分地从探测电极蒸发，所以该氢气传感器不能显示固有的效果/功能。对比地，在本发明中，不采用这种含氢电极，所以能够消除与使用含氢电极有关的上述问题。

[非专利文献No.1]

A.Macker et al.，ASTM Spec Tech Pub1.No.962(1998/06)，p90-97

而且，电解质可以用液态电解质或固体电解质制成，但是优选地用固体电解质制成。这种情况下，能够简化氢气传感器的持握，并能够在从室温(0℃)到120℃的温度范围内精确地工作。如果在氢气传感器中安装微型加热器或类似物，则能够在0℃或0℃以下的低温范围内容易地检测氢气。

作为固体电解质能够是例如磷钨酸或磷钼酸，其对第一电极和第二电极具有良好的吸附，并可作为氢气传感器的优良电解质。

磷钨酸和磷钼酸能够以粉末的形式获得，所以在固体电解质的制造中，将粉末状的磷钨酸或磷钼酸压紧并塑造成颗粒，然后处理成固体电解质。然而，颗粒本身对于用作固体电解质而言太脆。因此这种情况下，在给定的溶剂中(例如离子交换水)向粉末状磷钨酸或磷钼酸添加一些玻璃丝作为强化材料，借此固化提供固体电解质。具体地讲，固体电解质的制造过程如下：

(1)将用于期望固体电解质(例如磷钨酸)的粉末状原料熔化在给定的溶剂中而加以液化，

(2)在模具中设置强化材料用于形成固体电解质

(3)将液化的原料流入含有强化材料的模具中，

(4)液化的原料固化形成固体电解质，成为氢气传感器的最初形式。

这里，步骤(2)可以替换为，熔化固体电解质，并向熔化的电解质中加入强化材料。

在本发明的一个方案中，氢气传感器与电压比较器组合在一起形成氢气泄漏报警系统，其中将根据氢气传感器的氢气检测结果产生的电动势与电压比较器的参照电压进行比较，如果该电动势大于参照电动势，则发出预定的报警。

在本发明的另一个方案中，制备了多个氢气传感器并将其布置在相同的基片上形成氢气传感器阵列。根据该氢气传感器阵列，能够检测从管线系统泄漏的氢气，产生氢气的泄漏分布。如果传感器密集地串连布置，则传感器输出电压能够提高数倍。

在本发明的再一个方案中，氢气传感器与用于检测氢气传感器电动势的电路组合在一起，借此形成氢气分析仪，其根据电动势检测氢气浓度。

发明效果：

如上所述，因为本发明的氢气传感器被配置成，电极用对氢气的化学电势不同的材料制备而成，并且通过检测彼此化学电势不同的电极之间的电动势差来检测氢气，所以能够立即执行氢气检测，并能够提高低氢气浓度下的氢气检测性能。而且，因为化学电势和电动势被定义为广延物理值且与电极的尺寸无关，所以能够缩小本发明氢气传感器的尺寸。同时，因为氢气传感器能够与电极布置在相同的气氛内，所以不需要另一个标准氢气压力室。因此，能够简化氢气传感器的结构，并缩小氢气传感器的尺寸。此外，氢气传感器在无氢气氛下能够具有固有的自发电动势，所以氢气传感器能够具有与可操作性有关的自诊断功能。

附图说明

图1是图解根据本发明的氢气传感器的结构图，

图2是显示当在含氢气氛中布置该氢气传感器时，图1所示氢气传感器的电极11和12之间的电动势的简图，

图3是显示图1所示氢气传感器第一电极处静电势与氢气浓度的关系的简图，

图4是图解根据本发明的另一个氢气传感器的结构图，图4(a)是氢气传感器的顶视图，图4(b)是氢气传感器的侧视图，

图5是图解根据本发明的另一个氢气传感器的结构图，

图6是图解根据本发明的进一步的氢气传感器的结构图，

图7是图解根据本发明的进一步的氢气传感器的结构图，

图8是图解图7所示氢气传感器的集成状态的简图，

图9是图解根据本发明的氢气传感器阵列的结构图，

图10是图解多个根据图7的氢气传感器彼此串连布置并连接的状态的简图，

图11是利用本发明的氢气传感器的氢气泄漏报警系统的框图，

图12是利用根据本发明的氢气传感器的氢气泄漏控制系统的框图，

图13是利用根据本发明的氢气传感器的氢气泄漏信息发送系统的框图，

图14是图11-13图解的系统中的电压比较器的结构和操作的示意图，

图15是利用根据本发明的氢气传感器的氢气分析仪的框图，

图16是具有失效-安全功能部件的氢气泄漏报警系统的框图，和

图17是具有失效-安全功能部件的氢气传感器元件的框图。

具体实施方式

下文，将参考“执行本发明的优选实施例”对本发明的细节、其它的特征和优点加以说明。

图1是图解根据本发明的氢气传感器的结构图。在所有的附图中，相同或相似的部件用相同的指代数字表示。

图1所述的氢气传感器10包括一个板状第一电极11和板状第二电极12，和一个插在电极之间的固体电解质13。第一电极11起氢气探测电极的作用，并且当氢气与第一电极11接触时，第一电极11的静电势会显著变化。第二电极12起氢气标准电极的作用，并且当氢气与第二电极12接触时，第二电极的静电势几乎不变，或者如果改变，改变的程度很小。

第一电极11用较高化学电势的第一电极材料制成，例如Pt、Pt合金、Pd、Pd合金，它们是较高吸附-解离活性等级的材料。第一电极11能够在给定的基片上用上述的示例材料或者上述示例材料的支持材料形成。在本发明的范围内，第一电极11可以形成任何结构，只要第一电极11能够发挥氢气探测电极即可。

第二电极12用第二电极材料制成，例如Ni、Ni合金、Ti、Ti合金、Cu、Cu合金、Fe、Fe合金、Al、Al合金和有机导电材料，它们是较低吸附-解离活性等级的材料。第二电极12能够用上述示例材料制成，但是在本发明的范围内，它能够形成任何结构，只要第二电极能够发挥氢气的标准电极的功能即可。

在本实施例中，第一电极11和第二电极12形成为板，但是也可以形成任何形状，例如线形、圆柱形、盘形或矩形。

固体电解质13可以用对第一电极11和第二电极12具有较高粘附性的电解质制成，例如磷钨酸。除了电解质如磷钨酸之外，固体电解质13还可以含有强化材料，例如玻璃丝。这种情况下，能够增强固态电解质13的强度，并增强固态电解质13对第一电极11和第二电极12的粘附性。

图2是显示当将图1所示的氢气传感器布置在含氢气氛中时，电极11和电极12之间产生的电动势的差异。这种情况下，第一电极11用Pt制成，第二电极12用Ni制成。从图2显见，在氢气传感器中，当氢气传感器，也就是，电极与氢气一接触时，在不到1秒的时间内，电动势就变化了零点几，但不超过0.5。因此，氢气传感器中的示例氢气传感器10能够立即检测氢气。

图3是显示在图1所示氢气传感器10的第一电极11处静电势与氢气浓度之间关系的简图。如图3显见，第一电极11的静电势随着氢气浓度不均匀降低。对比地，氢气传感器10的第二电极的静电势几乎与氢气浓度无关。因此，氢气传感器10的电动势随着氢气浓度而变化，该氢气浓度能够通过电动势的变化加以检测。这种情况下，氢气传感器的电动势随氢气浓度的增加而降低。

在这个观点上，图1所示的氢气传感器10在微量氢气浓度(百分之零点几)下能够进行优良的氢气检测。

当图1所示的氢气传感器10的环境温度在0-120℃温度范围内变化时，已经证实，氢气传感器10能够在该温度范围内进行氢气检测工作。

图4是图解根据本发明的另一种氢气传感器的结构图。在图4所示的氢气传感器中，导线状的第一电极11和导线状的第二电极12布置在绝缘基片15上并彼此相对。电极11和12能够用溅射或类似方法制成。在绝缘基片15上的第一电极11和第二电极12之间提供固体电解质13。在本实施例中，如果第一电极11和第二电极12用化学电势不同的材料制成，则氢气传感器能够显示出与图1所示氢气传感器相同的效果/功能。

第一电极11起探测电极的功能，并用较高化学电势的材料制成，第二电极12起标准电极的功能，并用较低化学电势的材料制成。具体地讲，第一电极11和第二电极12能够分别用和图1所示氢气传感器的相应电极相同的材料制成。

图5是图解根据本发明的另一个氢气传感器的结构图，第一电极11和固体电解质13布置在用不锈钢或类似物制成的圆柱形元件12内。固体电解质13基本上在中心被透气膜16分割并且后面部分的直径被减小，从而形成缩小处理的部分13A。在这种情况下，圆柱形元件12还起到相应于氢气标准电极的第二电极的作用。另一方面，第一电极元件11起氢气探测电极的功能，并用较高化学电势的材料制成，例如Pt。

在图5所示的氢气传感器10中，通过与电极材料相连的导线17测量第一电极元件11和圆柱形元件12之间的电动势，从而能够根据电动势检测氢气。

图6是图解根据本发明的另外一个氢气传感器的结构图。在图6所示的氢气传感器10中，第一电极11和固体电解质13布置在细管12内，例如注射针头。这种情况下，细管12起相应于氢气标准电极的第二电极的作用，第一电极元件11起氢气探测电极的功能。第一电极11用较高化学电势的材料制成，例如Pt，第二电极元件12用较低化学电势的材料制成，例如Ni。

在图6所示的氢气传感器10中，用与电极材料相连的导线17测量第一电极11与细管12之间的电动势，从而能够根据电动势检测氢气。

图7是图解根据本发明的另一个氢气传感器的结构图。在图7所示的氢气传感器10中，自攻螺丝12构成第二电极，在自攻螺丝12内充入固体电解质13，并将第一电极11插入到自攻螺丝12内。这种情况下，能够根据第一电极11和第二电极12之间产生的电动势检测氢气。这里，第一电极11和第二电极12(自攻螺丝)可以用化学电势彼此不同的材料制成。图8是图解图7所示氢气传感器的集成状态。

如图5所示，当第二电极用这种圆柱形元件制成时，考虑到氢气的可透过性，第二电极(圆柱形元件)可以形成多孔或网筛状。

图9是图解根据本发明的氢气传感器阵列的结构图。在图9所示的氢气传感器阵列中，多个根据图4的氢气传感器布置在绝缘基片14上。这种情况下，因为每一个氢气传感器都能够检测氢气，所以该阵列能够根据检测位置对氢气进行检测。因此，该阵列适合于检测较宽区域内的氢气泄漏，例如氢气站。

如果以高密度布置氢气传感器，那么该阵列能够以每个氢气传感器作为一个探针构成泄漏监测器。

在图9所示的阵列中，当氢气传感器彼此串连连接时，如图10所示，氢气传感器的电动势加和在一起提高更大的检测电压。

图1，4-8所示的氢气传感器或图9，10所示的氢气传感器能够安装在合适的电路中，并通过该电路检测检测电压。如果将氢气传感器安装在电路中，在无氢气氛下，氢气传感器的电动势变得恒定，其被定义为第一电极和第二电极之间的电动势。因此，这种情况下，如果通过电路测量电动势，则能够合适地证实氢气传感器的工作可靠性，从而氢气传感器能够具有自我诊断功能。

图11-13是利用根据本发明的氢气传感器的氢气泄漏报警系统、氢气泄漏控制系统和氢气泄漏信息发送系统的框图。

图11是利用本发明氢气传感器的氢气泄漏报警系统的框图。将作为氢气传感器10的氢气检测信息的电动势变化输入到高输入阻抗的输入缓冲器21中，转变成阻抗和信号水平，并输入到电压比较器22中。在电压比较器22中，输入信号与标准电源23的参照电极进行比较，所获得的比较结果通过安装在下一级的输出缓冲器24输出，并输入到报警蜂鸣器或发光二极管面板(未显示)中，借此构成氢气泄漏报警系统。

图12是利用本发明氢气传感器的氢气泄漏控制系统的框图。在该系统中，当氢气传感器检测到氢气超过预定水平时，通过发光二级管面板得知该氢气泄漏信息，并同时操作外部继电器或磁阀门。

将作为氢气传感器10的氢气检测信息的电动势变化输入到高输入阻抗的输入缓冲器21中，转变成阻抗和信号水平，并输入到电压比较器22中。在电压比较器22中，输入信号与标准电源23的参照电极进行比较，所获得的比较结果通过安装在下一级的输出缓冲器24输出，并输入到报警蜂鸣器用于对氢气泄漏进行报警，或者输入到发光二极管面板(未显示)用于显示氢气泄漏，或者输入到退出控制系统(Exit Control System)，借此构成氢气泄漏报警系统。

图13是利用本发明氢气传感器的氢气泄漏信息发送系统的框图。在该系统中，当氢气传感器检测到氢气超过预定水平时，使用计算机通过无线LAN或BBS将氢气泄漏信息发送到局部区域。

将作为氢气传感器10的氢气检测信息的电动势变化输入到高输入阻抗的输入缓冲器21中，转变成阻抗和信号水平，并输入到电压比较器22中。在电压比较器22中，输入信号与标准电源23的参照电极进行比较，所获得的比较结果通过安装在下一级的输出缓冲器24输出，转变成信号水平(波形)，然后作为典型的PC串连通讯，通过RS232C端口等输入到主机，并通过无线LAN或BBS发送到局部区域。

图14是图11-13所示系统中电压比较器的结构和工作电压的示意图。电压比较器22是该系统的所有部件中最重要的部件。当超过参照电压的电压从输入缓冲器21输出并输入到电压比较器22时，电压比较器22的输出电压开启，其与电源电压几乎相等，并且当小于参照电压的电压从输入缓冲器21输出并输入到电压比较器22时，电压比较器22的输出电压从开启变为关闭(基本上变为零)。

传统上，电压比较通过使用安装在电压比较器中的专用IC加以执行。对比地，在本发明中，为了简化电路结构和实现绝对电压比较，在电压比较器中安装了一个作为数字IC的Shumitt变换器(Shumitt电路)。因此在这种情况下，通过使用Shumitt电路的阈值电压作为参照电压标准将电压比较器作用模拟电压比较器。

一般地，Shumitt变换器用在数字电路中，用于实现数字功能，例如具有噪音的数字波形的波形修整。在本实施例中，使用Shumitt变换器的数字功能作为电压比较器22的模拟功能。在这个观点上，利用电压比较器从开启变为关闭和从关闭变为开启时的阈值电压之间的差模拟地(in analog)确定标准电压。因此，外部控制电路不会在阈值电压附近变得不稳定，借此加以稳定化。

而且，因为Shumitt电路的阈值电压与电压比较器22的参照标准电压一致，所以能够简化电压比较器的结构，而不需要外部标准电源，并能够稳定而绝对地执行电压比较器22的工作。

图15是利用根据本发明的氢气传感器的氢气分析仪的框图。

在图15所示的氢气分析仪中，将作为氢气传感器10的氢气检测信息的电动势通过具有高输入阻抗的输入缓冲器21转变成阻抗水平和信号水平，并输入到安装在下一级上的数据表参照电路25中。数据表参照电路25中的信息被输入到与氢气浓度和氢气传感器的电动势有关的数据表26中，其中数据表26与输入到数据表参照电路25中的电动势进行比较，从而通过显示驱动器27显示相应于输入电动势的氢气浓度。

图16是具有失效-安全功能部件的氢气泄漏报警系统的框图。在该实施例中，失效-安全功能部件(单元2和3)与氢气泄漏报警系统(单元1)等组合在一起。在单元1中，将作为氢气传感器10的氢气检测信息的电动势输入到具有高输入阻抗的输入缓冲器21中，转变成阻抗和信号水平，并输入电压比较器22中。在电压比较器22中，输入信号与标准电源23的参照电压进行比较，如此获得的比较结果通过安装在下一级上的输出缓冲器24输出到逻辑运算电路34。

在单元2中，失效-安全功能部件外加给氢气传感器元件、输出缓冲器和电压比较器。光传感器29安装在氢气传感器元件中并监视氢气传感器元件的传感器部件被外部环境的污染。

来自光传感器29的信息输入到具有高输入阻抗的输入缓冲器30中，转变成阻抗和信号水平，并输入到电压比较器31中。在电压比较器31中，输入信号与标准电源32的参照电压进行比较，所获的比较结果通过安装在下一级上的输出驱动器33输出到逻辑运算电路34。在逻辑运算电路34中，计算与输入信号和参照电压有关的比较结果，只有当没有从输出缓冲器23检测到氢气泄漏信息且光传感器29的工作正常时，也就是说，输出缓冲器24和光传感器29都处于静止状态时，报警蜂鸣器35才关闭。若输出缓冲器24和光传感器29不是处于静止状态，例如当氢气传感器10输出氢气检测信号和/或光传感器29检测到来自外部环境的污染时，报警蜂鸣器35开启。

在单元3中，失效-安全功能部件外加到用于报警的发光显示器和报警蜂鸣器上。发光显示器和报警蜂鸣器的工作条件可以通过视觉检查开关37加以可视检查，或者当氢气泄漏报警系统开启时进行检查。

图17是具有失效-安全功能部件的氢气传感器元件的示意结构图。通过在逻辑运算电路34由单元2和3计算氢气检测部分的信号，能够将与氢气泄漏报警系统有关的失效-安全功能部件外加到氢气传感器检测部分。失效-安全功能部件还能够通过另一个与电路34并联安装的电路施加给逻辑运算电路34。

在图17中，失效-安全功能部件施加给氢气检测部分，LED 36的LED信号通过保护丝网37发送，并在光传感器29处通过半透明丝网38加以检测。当半透明丝网38被外部环境污染时关闭，并且来自光传感器29的信号结束，从而光传感器29由于污染而再次被关闭。因为氢气传感器元件在无氢气氛下发挥具有自发电动势的有源元件的功能，所以能够通过检测该自发电动势监视传感器元件的工作条件。

尽管本文参考上述实例对本发明进行了详细的说明，但是本发明并不仅限于上述的公开，而是包括在不背离本发明范围的前提下进行的各种类型的变化和修改。

Claims (20)

1.一种氢气传感器，包括第一电极、第二电极和与所述第一电极和所述第二电极接触的电解质，

其中所述第一电极和所述第二电极分别用对氢气的化学电势不同的材料制成，并且所述第一电极用较高化学电势的材料制成，所述第二电极用较低化学电势的材料制成，

其中所述氢气根据所述第一电极和所述第二电极之间产生的电动势被检测。

2.一种氢气传感器，包括第一电极、第二电极和与所述第一电极和所述第二电极接触的电解质，

其中所述第一电极和所述第二电极分别用不同吸附-解离活性等级的材料制成，并且所述第一电极用较高吸附-解离活性等级的材料制成，所述第二电极用较低吸附-解离活性等级的材料制成，

其中所述氢气根据所述第一电极和所述第二电极之间产生的电动势被检测。

3.根据权利要求1或2的氢气传感器，其中所述第一电极含有的第一电极材料在H₂(-)|50mol/m³H₂SO₄|样品(+)电池中显示0.8V或者更高的标准电动势，所述第二电极含有的第二电极材料在相同的电池结构中具有小于0.8V的标准电动势。

4.根据权利要求1-3中任何一个的氢气传感器，其中所述第一电极材料包括如下材料的至少一种：Pt、Pt合金、Pd、Pd合金，所述第二电极材料包括如下材料的至少一种：Ni、Ni合金、Ti、Ti合金、Cu、Cu合金、Fe、Fe合金、Al、Al合金和有机导电材料。

5.根据权利要求1-4中任何一个的氢气传感器，其中所述第一电极和所述第二电极处于相同的气氛中，由此同时与所述氢气接触。

6.根据权利要求1-5中任何一个的氢气传感器，其中所述第一电极和所述第二电极成形为板，并布置成彼此相对，并且在所述第一电极和所述第二电极之间布置所述电解质。

7.根据权利要求1-5中任何一个的氢气传感器，其中所述第一电极和所述第二电极成形为棒状或线状，并且布置在绝缘基片上从而彼此分离，在所述第一电极和所述第二电极之间布置所述电解质。

8.根据权利要求1-5中任何一个的氢气传感器，其中所述第二电极成形为圆柱形从而将所述第一电极布置在所述第二电极内，并且所述电解质被至少部分地布置在所述第一电极和所述第二电极之间。

9.根据权利要求1-8中任何一个的氢气传感器，其中所述电解质是固体电解质。

10.根据权利要求9的氢气传感器，其中所述固体电解质用固体电解质原料和强化材料如玻璃丝制成，其中所述固体电解质通过固化所述固体电解质原料与所述强化材料，或者将所述强化材料渗入到处理成多孔或丝网状的所述电解质原料中制成。

11.一种氢气泄漏报警系统，包括根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器和电压比较器，其中作为来自所述氢气传感器的氢气检测信息的电动势变化与所述电压比较器的参照电压进行比较，由此根据所述电动势变化与所述参照电极的比较结果输出信号。

12.一种氢气泄漏控制系统，包括根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器和电压比较器，其中作为来自所述氢气传感器的氢气检测信息的电动势变化与所述电压比较器的参照电压进行比较，由此根据所述电动势变化与所述参照电极的比较结果输出信号。

13.一种氢气泄漏信息发送系统，包括根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器和电压比较器，其中作为来自所述氢气传感器的氢气检测信息的电动势变化与所述电压比较器的参照电压进行比较，由此根据所述电动势变化与所述参照电极的比较结果输出信号。

14.根据权利要求11的氢气泄漏报警系统，其中所述电压比较器被配置成将Shumitt变换器的阈值电压定义为所述参照电压，并与相应于所述氢气检测信息的输入电压进行比较，由此输出所述信号。

15.根据权利要求12的氢气泄漏控制系统，其中所述电压比较器被配置成将Shumitt变换器的阈值电压定义为所述参照电压，并与相应于所述氢气检测信息的输入电压进行比较，由此输出所述信号。

16.根据权利要求13的氢气泄漏信息发送系统，其中所述电压比较器被配置成将Shumitt变换器的阈值电压定义为所述参照电压，并与相应于所述氢气检测信息的输入电压进行比较，由此输出所述信号。

17.一种氢气传感器阵列，包括多个根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器，其中所述氢气传感器布置在相同基片上。

18.一种氢气分析仪，包括根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器和用于检测所述氢气传感器电动势的电路，其中根据所述电动势的强度检测氢气的浓度。

19.一种氢气传感器元件，包括根据权利要求1-10中任何一个的氢气传感器和用于通过探测来自外部LED的光学信号来检测屏蔽来自外部环境的污染的氢气的光传感器，由此向所述氢气传感器元件施加用于提高氢气检测的可靠性的失效-安全功能。

20.一种用于提高氢气检测的可靠性的失效-安全功能，其中通过用光传感器探测来自外部LED的光学信号来检测屏蔽来自外部环境的污染的氢气。

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