CN206470228U - 一种高选择性的氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高选择性的氢气传感器，包括壳体，在所述壳体内由上至下依次设置有用于过滤掉干扰气体的选择性透气膜、用于靶向催化干扰气体的催化过滤层和用于检测氢气的气体检测单元，所述选择性透气膜为无孔结构的透气膜。本实用新型的高选择性的氢气传感器通过使用无孔的选择性透气膜将大部分干扰气体抵挡在外，再采用具有催化作用的催化过滤层，使干扰气体在该催化过滤层发生化学反应进一步去除干扰气体，其中催化过滤层只起催化的作用，不消耗，可以保证在氢气传感器的整个生命周期中都具有较好的过滤作用。

Description

一种高选择性的氢气传感器

技术领域

本实用新型涉及氢气传感器的技术领域，更具体地说，涉及一种高选择性的氢气传感器。

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、碳氢化合物、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，还应该具有较好的选择性，避免受其他动力汽车排放的尾气影响产生误动。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，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可以选择性检测氢气，其余原理的氢气传感器都是广谱型的，也就是说对上述提到的汽车尾气基本上都有响应(CO₂和粉尘颗粒物除外)。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，但是这种传感器对碳氢类化合物的活性显著高于氢气，当环境中存在少量碳氢化合物时就会触发报警，不适合应用于汽车行业；电化学式氢气传感器由于采用广谱型的贵金属催化剂，同时作为传感器屏障的气体隔离膜为多孔结构，并且孔径明显大于上述提到的气体分子的尺寸，所以对上述大部分气体分子都可以用电化学式氢气传感器进行检测，如电化学式氢气传感器对CO的活性是氢气的30倍。燃料电池式氢气传感器虽然可以选择性检测氢气，但是由于其使用的是微型燃料电池原理，响应时间非常长，如深安旭公司生产的燃料电池型氢气传感器其达到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。

在电化学传感器中为了获得较好的选择性普遍采用增加过滤层的方法，目前很多商品化的传感器中都添加有过滤层来获取一定的选择性，但是这种过滤层普遍以活性炭等通过纯物理吸附的方法或者消耗型的化学反应来进行，前者的缺点在于活性炭类物质不具有选择性，对大多数气体都具有过滤性，另外，电化学传感器体积小可填充的活性炭少，而活性炭都有一定的饱和吸附量，当吸附达到饱和后也就无法再继续吸附干扰气体；而且活性炭还会吸附空气中的水分，吸附水分后的活性炭会严重影响传感器的响应时间。以消耗性化学反应提供选择性的传感器也存在同样的问题，当发生反应的物质消耗完也就无法过滤干扰气体了。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高选择性的氢气传感器，解决了现有技术中的氢气传感器选择性差的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种高选择性的氢气传感器，包括壳体，在所述壳体内由上至下依次设置有用于过滤掉干扰气体的选择性透气膜、用于靶向催化干扰气体的催化过滤层和用于检测氢气的气体检测单元，所述选择性透气膜为无孔结构的透气膜。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述催化过滤层是由金、铑、铂、钌、钯、铱或银制备的过滤层。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述催化过滤层包括多个导电碳颗粒体，在所述导电碳颗粒体上担载有金属体。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述金属体是由金、铑、铂、钌、钯、铱或银制备的金属体；所述导电碳颗粒体是由碳黑、碳纳米管或活性碳制成的颗粒体。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述选择性透气膜是由聚四氟乙烯、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制成的透气膜。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述气体检测单元包括电解质层以及与所述电解质层结合成一体的工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极设置在所述对电极和参比电极的上方且靠近所述催化过滤层。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述对电极和参比电极并列设置且分别位于所述工作电极的两侧的下方。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，在所述壳体外部的下端设置有用于与PCB板对接的第一插针、第二插针和第三插针，所述工作电极通过工作电极引线与所述第一插针电连接，所述对电极通过对电极引线与所述第二插针电连接，所述参比电极通过参比电极引线与所述第三插针电连接。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述壳体外部的下端还设置有用于固定所述壳体的第四插针。

在本实用新型的高选择性的氢气传感器中，所述电解质层是由液体电解质、半固体电解质或固体电解质制成的电解质层。

实施本实用新型的高选择性的氢气传感器，具有以下有益效果：本实用新型的高选择性的氢气传感器通过使用无孔的选择性透气膜将大部分干扰气体抵挡在外，再采用具有催化作用的催化过滤层，使干扰气体在该催化过滤层发生化学反应进一步去除干扰气体，其中催化过滤层只起催化的作用，不消耗，可以保证在氢气传感器的整个生命周期中都具有较好的过滤作用。

附图说明

图1为本实用新型的高选择性的氢气传感器的结构示意图；

图2为本实用新型的高选择性的氢气传感器与现有技术中的氢气传感器进行响应时间测试结果的对比图；

图3为本实用新型的高选择性的氢气传感器的选择性测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的高选择性的氢气传感器的结构及工作原理作进一步说明：

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，高选择性的氢气传感器包括壳体11，在壳体11内由上至下依次设置有用于过滤掉干扰气体的选择性透气膜14、用于靶向催化干扰气体反应的催化过滤层12和用于检测氢气的气体检测单元13。

在壳体11外部的下端设置有用于与PCB板对接的第一插针111、第二插针112、第三插针113和第四插针114。壳体11起到整个氢气传感器的防护支撑作用，壳体11通过第一插针111、第二插针112、第三插针113和第四插针114固定在PCB板上，并通过位于氢气传感器底部的第一插针111、第二插针112、第三插针113将外界PCB板与内部的气体检测单元13相连，实时将氢气传感器产生的电信号传送给外界PCB板。壳体11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，优选可以适用于酸性电解质的材料。

选择性透气膜14为无孔结构的透气膜。气体分子要想通过该选择性透气膜14必须先吸附在膜的表面，进而溶解进膜里，再从膜里脱附出来，由于气体分子结构和大小不同，其在膜里溶解和脱附的速度以及能力也有很大的区别。氢气分子最小，结构最简单，所以在选择性透气膜14里的溶解脱附能力最强，进入到高选择性的氢气传感器内的氢气分子也就最多。选择性透气膜14可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、(PFEP)、聚四氟乙烯-全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯-四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)或氟化硅橡胶(FSR)制成的透气膜；选择性透气膜14也可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、(PFEP)、聚四氟乙烯-全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯-四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)和氟化硅橡胶(FSR)中任意几种的混合物制成的透气膜。大部分氢气分子都可以顺利的通过选择性透气膜14，以及很小一部分的CO分子可以通过选择性透气膜14，而硫化氢、二氧化硫等分子无法通过。

催化过滤层12可以是由金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)或银(Ag)制备的过滤层，也可以是由金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)和银(Ag)中的任意几种金属的混合物制成的催化过滤层。在其它实施例中，催化过滤层12可以包括多个导电碳颗粒体(图中未标示)，在导电碳颗粒体上担载有用于催化干扰气体的金属体(图中未标示)，其中金属体是由金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)或银(Ag)制备的金属体，金属体也可以是由金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)和银(Ag)中的任意几种金属的混合物制成的金属体。导电碳颗粒体可以是由碳黑、碳纳米管或活性碳制成的颗粒体，导电碳颗粒体也可以是由碳黑、碳纳米管和活性碳中的任意几种的混合物制成的导电颗粒体。催化过滤层12具有催化作用，干扰气体(如CO)在该催化过滤层12上发生化学反应而被过滤掉。其中催化过滤层12只是起催化的作用，不消耗，可以保证在氢气传感器的整个生命周期中都具有较好的过滤作用。该催化过滤层12对氢气不具备反应活性，氢气可以顺利的通过该催化过滤层12到达气体检测单元13；该催化过滤层12对CO等干扰气体具有较高的反应活性，CO到达催化过滤层12后会被催化成CO₂。

气体检测单元13包括电解质层137以及与电解质层137结合成一体的工作电极131、对电极133和参比电极135，工作电极131、对电极133、参比电极135分别与电解质层137良好接触，以保证传质的通畅性。氢气在工作电极131上发生反应，氧气在对电极133上发生反应，参比电极135用于提供稳定的电势零点，防止输出信号受对电极133上的化学反应以及漂移的影响，保证输出的稳定性。其中的工作电极131、对电极133和参比电极135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。电解质层137起到传递质子的作用，电解质层137是由液体电解质、半固体电解质或固体电解质制成的电解质层，其中传递质子的活性成分可以是硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸等。

工作电极131设置在对电极133和参比电极135的上方且靠近催化过滤层12，这样可以缩短氢气至工作电极131的距离，提高检测效率。现有技术中，工作电极131、参比电极135和对电极133由上至下或由下至上依次排列设置，而在本实施例中，对电极133和参比电极135并列设置且分别位于工作电极131的两侧的下方，这样相对于现有技术可以减少工作电极131与对电极133之间传质的距离。

工作电极131通过工作电极引线132与第一插针111电连接，对电极133通过对电极引线134与第二插针112电连接，参比电极135通过参比电极引线136与第三插针113电连接。

本实用新型的高选择性的氢气传感器的工作原理如下：当目标气体分子到达氢气传感器时，首先在选择性透气膜14这里进行选择性的透过，大部分氢气分子进入到氢气传感器中，大部分干扰气体分子留在环境中；之后在催化过滤层12这里进行进一步的过滤，通过干扰气体可以发生化学反应而氢气基本不发生化学反应的催化过滤层12进一步消耗干扰气体；最后气体到达工作电极131上，氢气在工作电极131上发生选择性的反应，实现氢气的高选择性检测。

如图2所示，本实用新型中的高选择性的氢气传感器在测试1％的氢气时T90为14秒，而作为对比的英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器T90在93秒，显然本实用新型的高选择性的氢气传感器反应时间短，效果佳。

如图3所示，是本实用新型的高选择性氢气传感器进行选择性氢气检测的结果优良。

应当理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，但这些改进或变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高选择性的氢气传感器，其特征在于，包括壳体(11)，在所述壳体(11)内由上至下依次设置有用于过滤掉干扰气体的选择性透气膜(14)、用于靶向催化干扰气体的催化过滤层(12)和用于检测氢气的气体检测单元(13)，所述选择性透气膜(14)为无孔结构的透气膜。

2.根据权利要求1所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述催化过滤层(12)是由金、铑、铂、钌、钯、铱或银制备的过滤层。

3.根据权利要求1所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述催化过滤层(12)包括多个导电碳颗粒体，在所述导电碳颗粒体上担载有金属体。

4.根据权利要求3所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述金属体是由金、铑、铂、钌、钯、铱或银制备的金属体；所述导电碳颗粒体是由碳黑、碳纳米管或活性碳制成的颗粒体。

5.根据权利要求1所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述选择性透气膜(14)是由聚四氟乙烯、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制成的透气膜。

6.根据权利要求1所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述气体检测单元(13)包括电解质层(137)以及与所述电解质层(137)结合成一体的工作电极(131)、对电极(133)和参比电极(135)，所述工作电极(131)设置在所述对电极(133)和参比电极(135)的上方且靠近所述催化过滤层(12)。

7.根据权利要求6所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述对电极(133)和参比电极(135)并列设置且分别位于所述工作电极(131)的两侧的下方。

8.根据权利要求6所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，在所述壳体(11)外部的下端设置有用于与PCB板对接的第一插针(111)、第二插针(112)和第三插针(113)，所述工作电极(131)通过工作电极引线(132)与所述第一插针(111)电连接，所述对电极(133)通过对电极引线(134)与所述第二插针(112)电连接，所述参比电极(135)通过参比电极引线(136)与所述第三插针(113)电连接。

9.根据权利要求8所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述壳体(11)外部的下端还设置有用于固定所述壳体(11)的第四插针(114)。

10.根据权利要求6所述的高选择性的氢气传感器，其特征在于，所述电解质层(137)是由液体电解质、半固体电解质或固体电解质制成的电解质层。