高穩定性的氫氣傳感器的制作方法

本實用新型涉及一種傳感器，尤其涉及一種高穩定性的氫氣傳感器。

背景技術：

隨著社會的進步和人們生活水平的提高，汽車在人們的日常生產和生活中扮演著越來越重要的角色。傳統汽車都是以石油作為動力能源，石油燃燒后以CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、粉塵顆粒物等作為終產物排放到大氣中。隨著汽車保有量的逐年增加，世界各國的能源危機和大氣污染越來越嚴重，據統計大氣污染50％都是由汽車排放的尾氣引起的。雖然各國都在采用限行，收取擁堵費等一系列的措施來改善由汽車尾氣引起的大氣污染，但是根本解決之道還是在汽車本身，只有解決汽車排放的問題才能根治大氣污染。所以世界各國都在大力推廣新能源汽車，新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。

目前的新能源汽車主要包括燃料電池車以及電動汽車。燃料電池車是以純氫氣為能源，結合燃料電池的動力性能開發出發的新能源汽車；電動汽車是指以蓄電池為動力行駛的用電機驅動的汽車。二者的工作原理雖然不同，但是都是零排放，適合于大力推廣。新能源汽車有別于傳統汽車，不光體現在動力源、技術、排放物等方面，在汽車制造過程中也有一些細節需要注意，比如燃料電池車使用純氫氣作為燃料，在車內有儲氫罐，這就對儲氫罐以及管路的密封性提出了要求，一旦發生泄漏后果不堪設想。目前的電動汽車普遍采用鋰離子電池作為動力源，鋰電在過沖或短路時電池內部物質發生分解會產生氫氣，同時作為電池溫度管理主要手段的冷卻液在充電電壓達到一定等級時也會發生分解產生氫氣。

氫氣是一種無色、無味、無毒、易燃易爆的氣體，當空氣中的氫氣含量達到4％時就會發生爆炸。氫氣由于無色無味，燃燒時火焰是透明的，因此其存在不易被感官發現，具有巨大的危險性。所以在新能源汽車上需要安裝氫氣監測單元，以達到實時在線檢測氫氣泄漏或生成情況，為人車安全保駕護航。

結合汽車這個特殊的應用場景，要求所使用的氫氣傳感器除滿足對一般安全監測領域所使用氣體傳感器的通用要求外，還應該具有較高的穩定性。

目前常用的氫氣傳感器有電化學式氫氣傳感器、燃料電池式氫氣傳感器、催化燃燒式氫氣傳感器及半導體式氫氣傳感器。在上述各種原理的氫氣傳感器中只有燃料電池式氫氣傳感器具有較高的穩定性，不受環境溫濕度的影響，在使用周期內衰減可忽略，但是由于其使用的是微型燃料電池原理，響應時間非常長，其達到80％躍遷所需要的時間約10分鐘，完全無法應用于安全監測領域。催化燃燒式傳感器和半導體式傳感器檢測原理基本相同，這種類型的傳感器雖然造價比較低，但是漂移和衰減非常嚴重，需要定期進行校準，半導體式傳感器的檢測性能還會受環境溫濕度的影響，不適合應用于汽車行業。

電化學傳感器利用定電位電解法進行氣體檢測，由工作電極，對電極，參比電極和電解質組成。其中工作電極是待測氣體發生化學反應的地方；對電極是氧氣發生反應的地方，并且和工作電極上的反應一起形成反應的閉環型；參比電極用來提供穩定的電勢零點，防止檢測結果受陰極極化以及氧氣在對電極上的反應的影響。電解質提供質子傳遞通道，保證整個反應可以順利進行，一般選擇硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸等酸性物質的水溶液充當電解液。為了提高傳感器的信噪比，電化學傳感器采用多孔形式的氣體隔離膜充當傳感器與外界環境的隔離屏障。在增加氣體進入量的同時液體電解質中的水分也會很好的與外界環境進行交換。當外界環境發生變化時，傳感器內部作為傳質途徑的電解質也會隨之發生變化，如當外界環境濕度增大時傳感器內部的電解質會熊環境中吸收水分導致電解液不斷增多出現漏液現象，有些甚至撐破傳感器外殼；當外界環境比較干燥時傳感器內部的電解液中的水分會向環境中擴散導致電解液干涸從而失去傳質能力；除此之外，氫氣在電化學傳感器中的反應產物是水，如果傳感器長期工作在高濃度氫氣環境下反應生成的水也會導致傳感器出現水淹或衰減的現象。電解質的傳質能力或者說傳感器的檢測性能與電解質中水分含量或者說外界環境濕度息息相關。除此之外，當檢測環境中存在CO等干擾氣體時容易出現催化劑中毒的現象，導致傳感器的性能出現衰減。

綜上所述，由于目前的氫氣傳感器存在著各種各樣的問題，因此需要開發一種適合于新能源汽車車內氫氣檢測的傳感器，滿足要求外還具有較高的穩定性。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題在于，提供一種高穩定性的氫氣傳感器。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種高穩定性的氫氣傳感器，包括殼體、調節所述殼體內部濕度的水分管理單元、氣體檢測單元以及隔離膜；所述水分管理單元、氣體檢測單元以及隔離膜依次設置在所述殼體內，所述隔離膜包括防水透氣膜；所述殼體內設有貫穿所述殼體以供氧氣進入其中的氧氣通道，所述殼體上設有貫通其內部的進氣孔，所述隔離膜于所述殼體內覆蓋在所述進氣孔一側。

優選地，所述水分管理單元包括內裝有水分以形成濃縮濕度的容置室、以及密封在所述容置室開口上的氣體隔離膜。

優選地，所述體檢測單元位于所述水分管理單元的氣體隔離膜一側。

優選地，所述氣體隔離膜為聚四氟乙烯膜、聚過氟乙烯膜、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、聚酰亞胺膜、硅橡膠膜及氟化硅橡膠膜中的一種或多種的組合。

優選地，所述氣體檢測單元包括電解質體、設置在所述電解質體上的工作電極、對電極和參比電極；

所述殼體上設有數個插針，所述工作電極、對電極和參比電極分別通過引線與數個插針一一連接。

優選地，所述工作電極、對電極和參比電極分別平鋪在所述電解質體的兩側上。

優選地，所述工作電極、對電極和參比電極為以抗干擾氣體中毒的擔載型催化劑為活性成分的多孔氣體擴散電極。

優選地，所述防水透氣膜為聚四氟乙烯膜、聚過氟乙烯膜、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、聚酰亞胺膜、硅橡膠膜和氟化硅橡膠膜中的一種或多種的組合。

優選地，所述氧氣通道位于所述水分管理單元遠離所述氣體檢測單元的一側。

優選地，所述進氣孔開設在所述殼體的頂部，所述氧氣通道貫穿所述殼體的底部。

本實用新型的氫氣傳感器，適用于新能源汽車車內等環境的氫氣含量監測，通過水分管理單元和防水透氣膜、氣體檢測單元的配合，避免檢測性能跟隨環境濕度變化的情況，提高傳感器的穩定性。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中：

圖1是本實用新型一實施例的氫氣傳感器的剖面結構示意圖；

圖2是圖1中水分管理單元的原理圖；

圖3是圖1中氣體檢測單元的結構示意圖；

圖4是本實用新型的氫氣傳感器與現有氫氣傳感器進行氫氣監測時的響應時間測試曲線圖；

圖5為本實用新型的氫氣傳感器進行環境試驗的示意圖；

圖6是本實用新型的氫氣傳感器與現有氫氣傳感器進行環境試驗前后的性能對比圖。

具體實施方式

為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式。

如圖1所示，本實用新型一實施例的氫氣傳感器，包括殼體10、設置在殼體10內的水分管理單元20、設置在殼體10內且依次設置在水分管理單元20上方的氣體檢測單元30以及隔離膜。殼體10內設有貫穿殼體10的氧氣通道11，氧氣通過該氧氣通道11進入殼體10作為供給。殼體10上設有貫通其內部的進氣孔12，隔離膜于殼體10內覆蓋在進氣孔12一側。需要監測氫氣含量的氣體從進氣孔12進入殼體10內，通過隔離膜至氣體檢測單元30。

其中，殼體10起到整個傳感器的防護支撐作用，且內部具有腔室供水分管理單元20、氣體檢測單元30以及防水透氣膜40等容置其中。殼體10上(如圖1中所示的底部)設有數個插針，插針與氣體檢測單元30連接，還用于與外界PCB板相連，實時將氣體檢測單元30產生的電信號傳送給外界PCB板。

殼體10的材料可以是PP、PC、ABS、尼龍等有一定強度和韌性的高分子聚合物，抗沖擊及震動能力強，且優選適用于酸性電解質的材料。

氧氣通道11供氧氣通過進入殼體10內，可以保證反應過程中氧氣的供應，進而保證傳感器的檢測性能。氧氣通道11貫穿殼體10的開口處設有氣體隔離膜(未圖示)；氧氣通道11通過該氣體隔離膜與大氣環境相通，所采用的氣體隔離膜在常壓下可以保證氣體分子通過，但是液體以及粉塵無法通過，所用的氣體隔離膜的材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚過氟乙烯(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)、聚酰亞胺(PI)、硅橡膠(SR)或氟化硅橡膠(FSR)中的一種或多種的組合。

以圖1傳感器放置方向為例，進氣孔12開設在殼體10的頂部，氧氣通道11貫穿殼體10的底部。

水分管理單元20用于調節殼體10內部濕度(水分含量)，使殼體10內電解質免受外界環境影響的作用。水分管理單元20包括內裝有水分以形成濃縮濕度的容置室22、以及密封在容置室22開口上的氣體隔離膜21；氣體隔離膜21可供氣體通過而液體及粉塵不可通過。水分管理單元20采用化學調控法和自擴散平衡法精準控制電解質內部水分含量，使其免受外界環境變化的影響。

當外界環境發生變化時，水分管理單元20會自動調整其內的濃縮濕度，濃縮濕度會通過氣體隔離膜21分別在水分管理單元20及殼體10內部進行自擴散并迅速達到平衡，從而實現傳感器內部的濕度調控，使其免受外界溫濕度變化的影響：當環境濕度變大時水分管理單元20會把可能進入傳感器中的水分子吸收掉；當環境濕度減小時又會釋放自存儲的水分，始終保持傳感器內部與外界濕度之間的平衡。當氫氣濃度增加時反應生成的水分也會被水分管理單元20吸收，從而保證傳感器免受外界溫濕度變化的影響。

如圖2所示，其中的氣體隔離膜21在常壓下可以讓水蒸氣透過，但液體和固體(如粉塵)無法通過。該氣體隔離膜21的材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚過氟乙烯(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)、聚酰亞胺(PI)、硅橡膠(SR)及氟化硅橡膠(FSR)中的一種或多種的組合，為上述材料一種或多種組合制成的膜。

氣體檢測單元30在殼體10內位于氣體隔離膜21的一側，且位于水分管理單元20和隔離膜之間。

如圖1、3所示，氣體檢測單元30包括電解質體31、設置在電解質體31上的工作電極32、對電極33和參比電極34。其中工作電極32、對電極33、參比電極34分別與電解質體31良好接觸，以保證傳質的通暢性。工作電極32、對電極33和參比電極34可以是同樣的多孔氣體擴散電極，也可以是不同的多孔氣體擴散電極，其中的活性成分，即催化劑，可以是金(Au)、銠(Rh)、鉑(Pt)、釕(Ru)、鈀(Pd)、銥(Ir)、銀(Ag)中的一種或幾種金屬的混合物，也可以是擔載于導電碳顆粒上的上述金屬或金屬混合物，其中的導電碳顆粒可以是碳黑、碳納米管或活性碳中的一種或幾種的組合。優選地，活性成分選用具有抗一氧化碳等干擾氣體中毒的擔載型催化劑，抵御環境中的干擾氣體對傳感器檢測性能的影響，避免出現催化劑中毒的現象。

氣體檢測單元30中，電解質體31可以是液體電解質、半固體電解質或固體電解質，其中傳遞質子的活性成分可以是硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸等。優選地，各電極與電解質體31之間以平鋪接觸模式，以縮短傳質距離加快響應速度。本實施例中，工作電極32、對電極33和參比電極34分別平鋪在電解質體31的兩側上。如圖3中所示，工作電極32位于電解質體31的一側上，優選為朝向隔離膜的一側上；對電極33和參比電極34位于電解質體31的相對另一側上，且對電極33和參比電極34相間隔。

工作電極32、對電極33和參比電極34分別通過引線與數個插針一一連接。其中，結合圖1、3，工作電極32通過引線321與插針101連接，對電極33通過引線331與插針102連接，參比電極34通過引線341與插針103連接。

參考圖3，氫氣從進入殼體10后，從氣體檢測單元30上方進入其中。

隔離膜包括防水透氣膜40。防水透氣膜40用于隔絕傳感器與外界環境間的濕度交換，密實無孔，防水性強。通常，氣體分子要通過膜必須先吸附在膜的表面，進而溶解進膜里，再從膜里脫附出來，而由于防水透氣膜40本身具有防水特性，所以水分子是無法溶解在該防水透氣膜40中，因此無法透過該膜，保證了傳感器內部與外界環境的濕度之間基本上是零交換。由于氣體分子大小不同能夠透過防水透氣膜40的比例也就不同，極大的提高了傳感器的選擇性；通過精準控制防水透氣膜40的厚度來控制進入傳感器內部的氫氣分子的數量，既保證較好的檢測精度又避免進入過多氣體影響傳感器的線性度。

作為選擇，防水透氣膜40可以是聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚過氟乙烯(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、聚酰亞胺(PI)膜、硅橡膠(SR)膜和氟化硅橡膠(FSR)膜中的一種或多種的組合。

將本實用新型的氫氣傳感器監測濃度1％氫氣作為測試，以英國城市技術公司型號為7HYT的氫氣傳感器作為對比，響應時間測試的曲線圖如圖4中所示，其中曲線A1為本實用新型的氫氣傳感器的響應曲線，曲線B1為對比氫氣傳感器的響應曲線。

從圖中曲線可知，本實用新型的氫氣傳感器在測試1％的氫氣時T90為14秒，而英國城市技術公司型號為7HYT的氫氣傳感器T90為93秒，可知本實用新型的氫氣傳感器響應迅速、對低含量的氫氣靈敏度高，檢測范圍寬。

將本實用新型的氫氣傳感器進行環境試驗：如圖5所示，將本實用新型的氫氣傳感器密封放置于測試盒1上，測試盒1中部安裝有風扇2保證傳感器內的防水透氣膜40可以和測試盒1的環境空氣進行充分的接觸，同時在實驗前將測試盒1中加入適量水；將上述測試盒1整體放置于環境控制為60℃、90％RH的恒溫恒濕箱3中，在溫度的作用下，測試盒1中的水分開始揮發，在風扇2的作用下在測試盒1內部達到平衡，同時結合外界恒溫恒濕箱3中的濕度，使得傳感器所處環境的相對濕度達到98％以上。

將英國城市技術公司型號為7HYT的氫氣傳感器作為對比，進行為期兩周的環境試驗。環境試驗前后氫氣傳感器的性能對比，如圖6所示，其中(1)為試驗前，(2)為試驗后。其中線A2、A3代表本實用新型的氫氣傳感器，線B2、B3代表對比氫氣傳感器。作為對比的7HYT的氫氣傳感器在試驗進行到第二天的時候就出現了外殼開裂損壞的現象，而本實用新型的氫氣傳感器殼體完好。

以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。