CN206192943U - 抗震的氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗震的氢气传感器，包括壳体、设置在所述壳体内的气体检测单元以及防水透气的气体隔离膜，所述气体隔离膜位于所述气体检测单元的一侧；所述气体检测单元包括固态或半固态的电解质体以及与所述电解质体接触的电极。本实用新型的抗震的氢气传感器，适用于新能源汽车车内等环境的氢气含量监测，其中气体检测单元的电解质体为固体或半固体，有效防止因震动而发生泄漏等问题，使得传感器具有良好的抗震性。

Description

抗震的氢气传感器

技术领域

本实用新型涉及一种氢气传感器，尤其涉及一种抗震的氢气传感器。

背景技术

随着社会的进步和人们生活水平的提高，汽车在人们的日常生产和生活中扮演着越来越重要的角色。传统汽车都是以石油作为动力能源，石油燃烧后以CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、粉尘颗粒物等作为终产物排放到大气中。随着汽车保有量的逐年增加，世界各国的能源危机和大气污染越来越严重，据统计大气污染50％都是由汽车排放的尾气引起的。虽然各国都在采用限行，收取拥堵费等一系列的措施来改善由汽车尾气引起的大气污染，但是根本解决之道还是在汽车本身，只有解决汽车排放的问题才能根治大气污染。所以世界各国都在大力推广新能源汽车，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

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发的新能源汽车；电动汽车是指以蓄电池为动力行驶的用电机驱动的汽车。二者的工作原理虽然不同，但是都是零排放，适合于大力推广。新能源汽车有别于传统汽车，不光体现在动力源、技术、排放物等方面，在汽车制造过程中也有一些细节需要注意，比如燃料电池车使用纯氢气作为燃料，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。氢气由于无色无味，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。

结合汽车这个特殊的应用场景，要求所使用的氢气传感器除满足对一般安全监测领域所使用气体传感器的通用要求外，还应该适应汽车这个特殊的应用场景，具有较好的抗震性，避免出现因车辆震动大而导致的性能衰减。

目前常用的氢气传感器有电化学式氢气传感器、燃料电池式氢气传感器、催化燃烧式氢气传感器及半导体式氢气传感器。在上述各种原理的氢气传感器中只有燃料电池式氢气传感器具有一定的抗震性，但是由于其使用的是微型燃料电池原理，响应时间非常长，其达到80％跃迁所需要的时间有10分钟之久，完全无法应用于安全监测领域。催化燃烧式传感器和半导体式传感器检测原理基本相同，这种类型的传感器虽然造价比较低，但是由于这两种传感器内部都含有直径约为的铂丝起加热的作用，所以在震动强烈的情况下铂丝会出现断裂的现象从而导致整个传感器失灵。

电化学传感器利用定电位电解法进行气体检测，由工作电极、对电极、参比电极和电解质组成，三个电极与电解质之间呈多层三明治的结构层叠在一起。其中工作电极是待测气体发生化学反应的地方；对电极是氧气发生反应的地方，并且和工作电极上的反应一起形成反应的闭环型；参比电极用来提供稳定的电势零点，防止检测结果受阴极极化以及氧气在对电极上的反应的影响。电解质提供质子传递通道，保证整个反应可以顺利进行，一般选择硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸等酸性物质的水溶液充当电解液。为了提高传感器的信噪比，电化学传感器采用多孔形式的气体隔离膜充当传感器与外界环境的隔离屏障。在增加气体进入量的同时液体电解质中的水分也会很好的与外界环境进行交换。当把传感器用于存在强烈震动的场合时充当电解质的液体酸性溶液会成泡沫状飞出，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，当传感器出现上述现象时一来性能会出现大幅度衰减，二来泄漏出来的酸性物质会引起环境污染，严重的会给使用人员带来烧伤，灼伤等一系列的伤害。

综上所述，由于目前的氢气传感器存在着各种各样的问题，因此需要开发一种适合于新能源汽车车内氢气检测的传感器，满足使用要求外还需具有较好的抗震性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种抗震的氢气传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高稳定性的氢气传感器，包括壳体、设置在所述壳体内的气体检测单元以及防水透气的气体隔离膜，所述气体隔离膜位于所述气体检测单元的一侧；所述气体检测单元包括固态或半固态的电解质体以及与所述电解质体接触的电极。

优选地，所述电极包括工作电极、对电极和参比电极；

所述壳体上设有数个插针，所述工作电极、对电极和参比电极分别通过引线与数个插针一一连接。

优选地，所述工作电极在所述电解质体上朝向所述气体隔离膜，所述对电极和参比电极位于所述工作电极背向所述气体隔离膜的一侧。

优选地，所述工作电极、对电极和参比电极为多孔气体扩散电极。

优选地，所述插针对应所述气体检测单元设置在所述壳体的一侧上。

优选地，所述插针设置在所述壳体的底部。

优选地，所述半固态的电解质体包括多孔基材、以及填充在所述多孔基材内的半流动胶体。

优选地，所述防水透气的气体隔离膜为聚四氟乙烯膜、聚过氟乙烯膜、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物膜、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物膜、聚乙烯/四氟乙烯共聚物膜、聚酰亚胺膜、硅橡胶膜和氟化硅橡胶膜中的一种或多种的组合。

优选地，该氢气传感器还包括设置在所述壳体上的进气孔，所述气体隔离膜于所述壳体内覆盖在所述进气孔一侧。

本实用新型的抗震的氢气传感器，适用于新能源汽车车内等环境的氢气含量监测，其中气体检测单元的电解质体为固体或半固体，有效防止因震动而发生泄漏等问题，使得传感器具有良好的抗震性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一实施例的氢气传感器的剖面结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的氢气传感器中气体检测单元半固态的电解质体制作过程示意图；

图3是本实用新型的氢气传感器与现有的催化燃烧式和传统电化学式氢气传感器的震动检测性能曲线图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型一实施例的氢气传感器，包括壳体10、设置在壳体10内的气体检测单元20以及防水透气的气体隔离膜30；防水透气的气体隔离膜30位于气体检测单元20一侧，对通过气体进行过滤，且防水。

其中，壳体10起到整个传感器的防护支撑作用，且内部具有腔室供气体检测单元20、气体隔离膜30等容置其中。壳体10上(如图1中所示的底部)设有数个插针，插针与气体检测单元20连接，还用于与外界PCB板相连，实时将气体检测单元20产生的电信号传送给外界PCB板。

壳体10的材料可以是PP、PC、ABS、尼龙等有一定强度和韧性的高分子聚合物，抗冲击及震动能力强，且优选适用于酸性电解质的材料。

气体检测单元20对通过气体隔离膜30的气体进行检测。

又如图1所示，气体检测单元20包括电解质体21以及与电解质体21接触的电极。气体检测单元20还包括一外壳以容置电解质体21。其中，电解质体21为固态或半固态，不会因震动发生泄漏等问题。

电极包括设置在电解质体21上的工作电极22、对电极23和参比电极24。其中工作电极22、对电极23、参比电极24分别与电解质体21良好接触，以保证传质的通畅性。工作电极22是待测气体发生电化学反应的场所，对电极23是环境中的氧气发生电化学反应的场所，参比电极23其稳定电势零点的作用，电解质体21起传递质子的作用，三个电极必须分别与电解质体21充分接触才能保持系统传质的通畅性以及反应性能。其中当电解质体21采用固态电解质时，三个电极可以以沉积，热压，浸渍，刻蚀等化学方法牢固的固定在电解质体21上。当电解质体21采用半固态电解质时，通过毛细胶体来实现传感器内部的传质。

参考图2，半固态的电解质体21包括多孔基材以及填充在其内的半流动胶体；多孔基材作为支撑骨架，具有的微孔用以胶体的填充。半固态的电解质体21在制备过程中首先把常用的酸性电解质与特定的吸附物混合成具有半流动性的胶体状，再把多孔基材与具有半流动性的胶体结合在一起，让半流动性的胶体完全填满支撑骨架的微孔，并通过范德华力等分子间作用力与支撑骨架牢固的结合为一体。利用多孔基材的骨架支撑结构，分子间作用力以及微孔所形成的毛细现象来锁湿，即使将传感器应用于存在较强震动的场合电解质也可以牢固的固定在支撑骨架的微孔里，既保证了电极与电解质的接触又可以防止因震动或环境湿度变化引起的电解质泄漏现象。

工作电极22、对电极23和参比电极24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)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；优选对氢气具有选择性活性的催化剂，其微观结构可如图2所示。

优选地，各电极与电解质体21之间以平铺接触模式，以缩短传质距离加快响应速度。进一步地，工作电极22在电解质体21上朝向气体隔离膜30，使得从气体隔离膜30过来的目标气体直接到达工作电极22发生选择性的化学反应。对电极23和参比电极24位于工作电极22背向气体隔离膜30的一侧。

进一步地，工作电极22、对电极23和参比电极24分别通过引线与数个插针一一连接。其中，如图1所示，工作电极22通过引线221与插针101连接，对电极23通过引线231与插针102连接，参比电极24通过引线241与插针103连接，实现电信号的传播。

另外，该氢气传感器还包括设置在壳体10上的进气孔，气体隔离膜30于壳体10内覆盖在进气孔一侧。以图1传感器放置方向为例，进气孔设在壳体10的顶部，供待测气体进入，壳体10的内底部可设有氧气通道供环境中氧气进入壳体10内。氢气从壳体10顶部进入后，通过气体隔离膜30，从气体检测单元20上方进入其中；作为供给的氧气可从气体检测单元20底部进入其中。

气体隔离膜30密实无孔，具有防水透气性。气体分子可以通过吸附-溶解-脱附的程序透过膜进入到传感器中，但是水分子无论是液体形式还是气体形式都无法透过这层膜，从而隔绝了传感器内部湿度或者水分含量和外界环境的交换。由于气体分子大小不同能够透过气体隔离膜30的比例也就不同，极大的提高了传感器的选择性；通过精准控制气体隔离膜30的厚度来控制进入传感器内部的氢气分子的数量，既保证较好的检测精度又避免进入过多气体影响传感器的线性度。

作为选择，气体隔离膜30可以是聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚过氟乙烯(PVDF) 膜、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(PFEP)膜、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)膜、聚乙烯/四氟乙烯共聚物(PETFE)膜、聚酰亚胺(PI)膜、硅橡胶(SR)膜和氟化硅橡胶(FSR)膜中的一种或多种的组合。

将本实用新型的氢气传感器进行震动检测，将现有技术中的催化燃烧式和传统电化学式氢气传感器作为对比。震动前后性能分别如图3中(1)、(2)中曲线所示。其中，曲线A1、A2分别代表本实用新型的氢气传感器震动前后性能曲线，曲线B1、B2分别代表催化燃烧式氢气传感器震动前后性能曲线；C1、C2分别代表传统电化学式氢气传感器震动前后性能曲线。由图中可知，震动后本本实用新型的氢气传感器性能基本不变，而现有技术中的催化燃烧式和传统电化学式氢气传感器震动后性能明显降低。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种抗震的氢气传感器，其特征在于，包括壳体（10）、设置在所述壳体（10）内的气体检测单元（20）以及防水透气的气体隔离膜（30），所述气体隔离膜（30）位于所述气体检测单元（20）的一侧；所述气体检测单元（20）包括固态或半固态的电解质体（21）以及与所述电解质体接触的电极。

2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述电极包括工作电极（22）、对电极（23）和参比电极（24）；

所述壳体（10）上设有数个插针，所述工作电极（22）、对电极（23）和参比电极（24）分别通过引线与数个插针一一连接。

3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述工作电极（22）在所述电解质体（21）上朝向所述气体隔离膜（40），所述对电极（23）和参比电极（24）位于所述工作电极（22）背向所述气体隔离膜（30）的一侧。

4.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述工作电极（22）、对电极（23）和参比电极（24）为多孔气体扩散电极。

5.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述插针对应所述气体检测单元（20）设置在所述壳体（10）的一侧上。

6.根据权利要求5所述的氢气传感器，其特征在于，所述插针设置在所述壳体（10）的底部。

7.根据权利要求1-6任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述半固态的电解质体（21）包括多孔基材、以及填充在所述多孔基材内的半流动胶体。

8.根据权利要求1-6任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述气体隔离膜（30）为聚四氟乙烯膜、聚过氟乙烯膜、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物膜 、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物膜、聚乙烯/四氟乙烯共聚物膜、聚酰亚胺膜、硅橡胶膜和氟化硅橡胶膜中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求1-6任一项所述的氢气传感器，其特征在于，该氢气传感器还包括设置在所述壳体（10）上的进气孔，所述气体隔离膜（30）于所述壳体（10）内覆盖在所述进气孔一侧。