[发明专利]一种氢气传感器及其应用

说明书

本发明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‑三甲基‑N‑磺丁基硫酸氢铵为电解液，以铂黑为催化剂。本发明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；本发明传感器克服了电化学气体传感器不能应用于高湿的问题，该传感器在高温、高湿的船舶上具有良好的潜在应用前景；本发明传感器无需内支架和储液槽，结构更加简化，体积更小，内加抗振层，具有更佳牢固的抗振动性能。

技术领域

本发明属于氢气浓度检测和监控技术领域，具体涉及一种氢气传感器及其应用。

背景技术

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%。

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。

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。

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。