一种氢气传感器及其应用制造技术

本发明专利技术属于氢气浓度检测和监控技术领域，公开了一种氢气传感器及其应用。所述传感器以室温离子液体N,N,N

【技术实现步骤摘要】
一种氢气传感器及其应用


[0001]本专利技术属于氢气浓度检测和监控
，具体涉及一种氢气传感器及其应用。

技术介绍

[0002]国际航运运输占全球贸易的80%以上。由于拥有成本优势，经济但污染严重的柴油发动机和廉价的重型燃料已成为海上发电的默认选择。尽管技术进步，航运仍然是全球温室气体(GHGs)、挥发性有机化合物(VOCs)、颗粒物(PM)、有害空气污染物（NO
X
和SO
X
）排放的重要贡献者。据估计，航运活动占全球二氧化碳(CO2)排放量的3
‑
5%，占全球SO
X
排放量的5%以上。2018年4月，国际海事组织(IMO)通过了强制性的技术和运营能效措施，以减少国际航运的室温气体的排放。按照IMO要求，到2050年海洋部门的温室气体排放总量应比2008年至少减少50%。
[0003]因此，人们对清洁高效的内燃机替代品的需求很高。在可能的替代品中，燃料电池被认为是最有前途的未来技术之一。由于氢燃料电池的环保、高能效和卓越的可靠性等优点，逐渐引起了航运业的广泛关注。与其他清洁能源(如太阳能、风能)不同的是，氢燃料电池具有能量密度高、稳定性高、不易受环境因素影响的特点。与传统的船用推进装置相比，氢燃料电池还具有低排放、静音操作、良好的低负载性能以及较低的操作和维护成本等优点，因此在舰船上具有很大的应用潜力。
[0004]氢气具有易燃范围宽(4
‑
75%)、扩散系数大（0.61 m2/s）、燃烧速度快和点火温度低(560 ℃)的特点。而且氢气是一种无色、无味的可燃气体，人的感官无法检测到它。为防止爆炸的风险，快速和准确地测量氢气浓度是必要的。实现在线监控氢气浓度的最有效手段是气体传感器方法。对氢燃料电池船上氢气泄露的数值模拟结果显示：在氢燃料电池舱的适当位置安装H2传感器，H2泄露时能及时开启电池仓的机械排风系统，使H2浓度降低至4%以下。
[0005]船舶长期处在高温、高湿、强振动的恶劣环境下。因此，氢燃料电池船对H2传感器有更高要求。市场上成熟的气体传感器可分为催化燃烧型传感器、半导体金属氧化物型传感器、热导型传感器和电化学传感器。文献对各类气体传感器的优缺点有了较多比较。例如，催化燃烧型传感器和半导体金属氧化物型传感器需要在高温下工作，半导体金属氧化物型传感器在高浓度气体中信号容易饱和，催化燃烧型传感器选择性差、易中毒等；热导型传感器稳定性好、抗中毒，工作环境不需要氧气存在，是最有希望用于燃料电池安全监控的氢气传感器。然而，热导型传感器选择性较差，而且不能探测低浓度H2。尤其是这三种传感器均采用悬挂式结构，这种结构在强烈振动过程中容易造成敏感元件坍塌和敏感材料脱落，从而造成传感器失效。电化学传感器内部部件接触紧密，结构稳定，经过改进后，强振动不会破坏传感器结构。同时电化学气体传感器还有常温下工作，具有信号线性好、测量精度高等优点，是用于准确定量监测的主要传感器之一。但是现有电化学氢气传感器以硫酸水溶液作为电解液，在高湿情况下容易吸湿导致泄漏，造成传感器失效。因此，目前电化学传感器还不能满足氢燃料电池船的应用要求。研究一种适合船舶H2监测的传感器是十分必要
的。
[0006]为满足船舶对H2传感器的要求，寻找替代电解液成为电化学传感器研究的一个重要方面。室温离子液体（RTILs）具有低的挥发性、高的电导率、高的化学和物理稳定性、宽的电化学窗口和良好的溶剂化性能。离子液体作为一类非水导电介质有望成为电化学传感器的替代电解液。尤其是其不挥发性和憎水性，有望克服传统水溶液电解液干枯和漏液的缺点，使电化学传感器能应用于高温、高湿和强振动等较为极端的条件下，从而满足氢燃料电池船的应用要求。
[0007]H2在RTILs中的电化学行为和氧化机理已有较多研究，少量文献也报道了离子液体H2传感器用于低浓度H2（0.05
–
1.25%）和高浓度H2（10
‑
100%）的探测。这些报道中多采用[Bmpy][NTf2]、[C4mim][NTf2]、[C2mim][NTf2]作为电解液，也有铵盐类离子液体（Ammonium）作为电解液的报道。其中以[Bmpy][NTf2]为电解液的传感器对H2的灵敏度最高。而针对氢燃料电池船舶上H2的检测的传感器还未见报道。

技术实现思路

[0008]为克服现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种氢气传感器及其应用。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种氢气传感器，所述传感器以离子液体N, N, N
‑
三甲基
‑
N
‑
磺丁基硫酸氢铵为电解液，以铂黑为催化剂。
[0010]本专利技术传感器既可以采用现有的两电极体系，也可以采用现有的三电极体系，只要保证以离子液体N, N, N
‑
三甲基
‑
N
‑
磺丁基硫酸氢铵为电解液，以铂黑为催化剂就可行。但是作为优先，本专利技术主张所述传感器包括壳体、上盖、工作电极、对电极、参比电极、工作电极引脚、对电极引脚、参比电极引脚、防尘透气膜、抗振层、吸液材料层，所述工作电极、对电极、参比电极均由防水透气膜及涂覆在其一侧面的铂黑组成；上盖和壳体扣合形成内部空腔结构；上盖顶部设有扩散孔，防尘透气膜设置在上盖顶部并覆盖住扩散孔；工作电极引脚、对电极引脚和参比电极引脚间隔设置在壳体底部；壳体内部空腔由下至上依次为抗振层、对电极、参比电极、吸液材料层、工作电极，并且对电极、参比电极在同一平面上并且两者不相接触，吸液材料层浸渍吸附有电解液，工作电极的铂黑面、对电极的铂黑面、参比电极的铂黑面与吸液材料层相接触；工作电极、对电极、参比电极分别通过引线连接至对应的工作电极引脚、对电极引脚、参比电极引脚。
[0011]较好地，抗振层、吸液材料层均为玻璃棉垫，每块厚度0.5
‑
1.0 mm、半径0.4
‑
0.6 cm的吸液材料层吸附100
‑
300μL的电解液。
[0012]较好地，上盖和工作电极的防水透气膜面之间设有密封圈。
[0013]较好地，壳体内部空腔设有内支架，抗振层、对电极、参比电极、吸液材料层、工作电极由下至上设置在内支架上。本专利技术传感器实质上并不需要内支架和储液槽，但是市场上购买的传感器多数有内支架和储液槽，为了方便改造，可以直接购买带有内支架的传感器，然后直接在内支架上叠加抗振层、对电极、参比电极、吸液材料层、工作电极即可。
[0014]所述的氢气传感器在检测H2浓度方面的应用。
[0015]较好地，氢气传感器用于在氢燃料电池船或氢燃料电池车上检测H2浓度。
[0016]本专利技术的有益效果：本专利技术传感器的响应电流与H2浓度呈线性关系，该传感器不仅具有高的灵敏度、好的选择性、快的响应恢复，而且在高湿环境中性能稳定，抗振性能好；本专利技术传感器克服了电化学气体传感器不能应用于高湿的问题，该传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气传感器，其特征在于：以离子液体N, N, N
‑
三甲基
‑
N
‑
磺丁基硫酸氢铵为电解液，以铂黑为催化剂。2.如权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于：所述传感器为两电极体系或三电极体系。3.如权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于：所述传感器为三电极体系，其结构包括壳体、上盖、工作电极、对电极、参比电极、工作电极引脚、对电极引脚、参比电极引脚、防尘透气膜、抗振层、吸液材料层，所述工作电极、对电极、参比电极均由防水透气膜及涂覆在其一侧面的铂黑组成；上盖和壳体扣合形成内部空腔结构；上盖顶部设有扩散孔，防尘透气膜设置在上盖顶部并覆盖住扩散孔；工作电极引脚、对电极引脚和参比电极引脚间隔设置在壳体底部；壳体内部空腔由下至上依次为抗振层、对电极、参比电极、吸液材料层、工作电极，并且对电极、参比电极在同一平面上并且两者不相接触，吸液材料层吸附有电解液，工作电极的铂黑面...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹志鹏，卢骏风，龚雨饶，周瑞平，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：