氢气传感器的制作方法

本实用新型涉及一种传感器，尤其涉及一种氢气传感器。

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具有响应迅速，选择性好，稳定性高，检测范围宽，使用寿命长，抗冲击及震动能力强等特点。

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和半导体式氢气传感器。上述氢气传感器各有其不适合在汽车行业应用的缺点：

催化燃烧式传感器和半导体式传感器属广谱型传感器，对很多气体都有选择性，当检测环境中存在燃油汽车排放的尾气时会极大的干扰氢气的检测；另外该类传感器适合于高浓度氢气的检测，无法实现早期预警的作用；第三这类传感器抗震性能差，在汽车遮阳存在强震动的场合应用时会出现性能衰减甚至是失灵的现象。

燃料电池式氢气传感器属无源器件，需自动触发氢气和氧气在其上的反应，相应时间长，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。

电化学式氢气传感器采用定电位电解法来进行氢气检测，由工作电极、对电极、参比电极及电解质组成，并且通过气体隔离膜与外界环境相隔离。电化学氢气传感器由于采用液体电解质并且其所使用的气体隔离膜为多孔材料，所以电解质中的水分会频繁与大气环境进行交换，从而出现易受环境变化影响，使用寿命短，抗震能力差等缺陷；由于其没有预留氧气供应通道，在测量的氢气含量较高时会出现因为缺氧而导致的传感器失灵的问题；第三电化学氢气传感器中由于采用了广谱型催化剂，对环境中大多数气体都有响应，无法实现氢气的选择性检测。

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，解决上述存在的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种改进的氢气传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种氢气传感器，包括壳体、调节所述壳体内部湿度的水分管理单元、气体检测单元、化学过滤层以及无孔的防水透气膜；所述水分管理单元、气体检测单元、化学过滤层以及防水透气膜依次设置在所述壳体内；所述壳体内设有贯穿所述壳体以供氧气进入其中的的氧气通道，所述壳体上设有贯通其内部的进气孔，所述防水透气膜于所述壳体内覆盖在所述进气孔一侧。

优选地，所述水分管理单元包括包括内装有水分以形成浓缩湿度的容置室、以及密封在所述容置室开口上的气体隔离膜。

优选地，所述气体检测单元包括电解质体、设置在所述电解质体上的工作电极、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、对电极和参比电极分别平铺在所述电解质体的两侧上。

优选地，所述工作电极、对电极和参比电极为以抗中毒选择性担载型贵金属催化剂为活性成分的多孔气体扩散电极。

优选地，所述防水透气膜为聚四氟乙烯膜、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，所述氧气通道位于所述水分管理单元远离所述气体检测单元的一侧。

优选地，所述进气孔开设在所述壳体的顶部，所述氧气通道贯穿所述壳体的底部。

本实用新型的氢气传感器，适用于新能源汽车车内等环境的氢气含量监测，具有响应迅速、选择性好、稳定性高、检测范围宽、使用寿命长、抗冲击及震动能力强等突出优点。

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是图1中水分管理单元的原理图；

图3是图1中气体检测单元的结构示意图；

图4是本实用新型的氢气传感器与现有氢气传感器进行氢气监测时的响应时间测试曲线图；

图5为本实用新型的氢气传感器进行环境试验的示意图；

图6是本实用新型的氢气传感器与现有氢气传感器进行环境试验前后的性能对比图；

图7是本实用新型的氢气传感器与现有氢气传感器的选择性测试响应曲线图；

图8是本实用新型的氢气传感器在不同氢气浓度下测试响应曲线图；

图9是本实用新型的氢气传感器与现有氢气传感器的持续检测性能曲线图。

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内的水分管理单元20、设置在壳体10内且依次设置在水分管理单元20上方的气体检测单元30、化学过滤层40以及无孔的防水透气膜50。壳体10内设有贯穿壳体10的氧气通道11，氧气通过该氧气通道11进入壳体10作为供给。壳体10上设有贯通其内部的进气孔12，防水透气膜50于壳体10内覆盖在进气孔12一侧。需要监测氢气含量的气体从进气孔12进入壳体10内，通过防水透气膜50至气体检测单元30。

其中，壳体10起到整个传感器的防护支撑作用，且内部具有腔室供水分管理单元20、气体检测单元30、化学过滤层40以及防水透气膜50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30连接，还用于与外界PCB板相连，实时将气体检测单元30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，优选适用于酸性电解质的材料。

氧气通道11供氧气通过进入壳体10内，可以保证反应过程中氧气的供应，进而保证传感器的检测性能。氧气通道11通过气体隔离膜与大气环境相通，所采用的气体隔离膜在常压下可以保证气体分子通过，但是液体以及粉尘无法通过，所用的气体隔离膜的材料可以是聚四氟乙烯(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)中的一种或多种的组合。

以图1传感器放置方向为例，进气孔12开设在壳体10的顶部，氧气通道11贯穿壳体10的底部。

水分管理单元20用于调节壳体10内部湿度(水分含量)，使壳体10内电解质免受外界环境影响的作用。水分管理单元20包括内装有水分以形成浓缩湿度的容置室22、以及密封在容置室22开口上的气体隔离膜21；气体隔离膜21可供气体通过而液体及粉尘不可通过。水分管理单元20采用化学调控法和自扩散平衡法精准控制电解质内部水分含量，使其免受外界环境变化的影响。

当外界环境发生变化时，水分管理单元20会自动调整其内的浓缩湿度，浓缩湿度会通过气体隔离膜21分别在水分管理单元20及壳体10内部进行自扩散并迅速达到平衡，从而实现传感器内部的湿度调控，使其免受外界温湿度变化的影响：当环境湿度变大时水分管理单元20会把可能进入传感器中的水分子吸收掉；当环境湿度减小时又会释放自存储的水分，始终保持传感器内部与外界湿度之间的平衡。当氢气浓度增加时反应生成的水分也会被水分管理单元20吸收，从而保证传感器免受外界温湿度变化的影响。

如图2所示，其中的气体隔离膜21在常压下可以让水蒸气透过，但液体和固体(如粉尘)无法通过。该气体隔离膜21的材料可以是聚四氟乙烯(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)及氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种的组合，为上述材料一种或多种组合制成的膜。

气体检测单元30在壳体10内位于气体隔离膜21的一侧，且位于水分管理单元20和防水透气膜50之间。

如图1、3所示，气体检测单元30包括电解质体31、设置在电解质体31上的工作电极32、对电极33和参比电极34；电解质体31容置在一外壳内。其中工作电极32、对电极33、参比电极34分别与电解质体31良好接触，以保证传质的通畅性。工作电极32、对电极33和参比电极34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。优选地，活性成分选用既对氢气具有一定的选择性又对环境中CO等干扰气体具有抗中毒能力的担载型贵金属催化剂；一来可以抵御环境中的干扰气体对传感器检测性能的影响，使传感器具有较好的选择性；二来避免出现催化剂中毒的现象；三来通过碳颗粒本身的孔径和由不规则形状的担载型的催化剂层叠引起的空隙来增加催化剂的利用率及比表面，增大传感器的检测范围。

气体检测单元30中，电解质体31可以是液体电解质、半固体电解质或固体电解质。优选地，各电极与电解质体31之间摒弃常用的层叠接触模式而改用平铺接触模式，以缩短传质距离加快响应速度。本实施例中，工作电极32、对电极33和参比电极34分别平铺在电解质体31的两侧上。如图3中所示，工作电极32位于电解质体31的一侧上，优选为电解质体31朝向防水透气膜50的一侧上；对电极33和参比电极34位于电解质体31的相对另一侧上，且对电极33和参比电极34相间隔。

工作电极32、对电极33和参比电极34分别通过引线与数个插针一一连接。其中，结合图1、3，工作电极32通过引线321与插针101连接，对电极33通过引线331与插针102连接，参比电极34通过引线341与插针103连接。

参考图3，氢气从进入壳体10后，从气体检测单元30上方进入其中。

化学过滤层40设置在气体检测单元30和防水透气膜50之间，对进入壳体10的气体进行过滤。化学过滤层40为具有催化作用的选择性过滤层，通过干扰气体在该化学过滤层40上发生化学反应的方式来提高选择性。化学过滤层40中的活性成分只是起催化的作用，不消耗，可以保证在传感器的整个生命周期中都具有较好的过滤作用。化学过滤层40优选使用对干扰气体具有靶向催化作用的催化剂，其活性成分可以是金(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。

防水透气膜50用于隔绝传感器与外界环境间的湿度交换，密实无孔，防水性强。通常，气体分子要通过膜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，而由于防水透气膜50本身具有防水特性，所以水分子是无法溶解在该防水透气膜50中，因此无法透过该膜，保证了传感器内部与外界环境的湿度之间基本上是零交换。由于气体分子大小不同能够透过防水透气膜50的比例也就不同，极大的提高了传感器的选择性；通过精准控制防水透气膜50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，防水透气膜50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监测浓度1％氢气作为测试，以英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器作为对比，响应时间测试的曲线图如图4中所示，其中曲线A1为本实用新型的氢气传感器的响应曲线，曲线B1为对比氢气传感器的响应曲线。

从图中曲线可知，本实用新型的氢气传感器在测试1％的氢气时T90为14秒，而英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器T90为93秒，可知本实用新型的氢气传感器响应迅速、对低含量的氢气灵敏度高，检测范围宽。

将本实用新型的氢气传感器进行环境试验：如图5所示，将本实用新型的氢气传感器密封放置于测试盒1上，测试盒1中部安装有风扇2保证传感器内的防水透气膜50可以和测试盒1的环境空气进行充分的接触，同时在实验前将测试盒1中加入适量水；将上述测试盒1整体放置于环境控制为60℃、90％RH的恒温恒湿箱3中，在温度的作用下，测试盒1中的水分开始挥发，在风扇2的作用下在测试盒1内部达到平衡，同时结合外界恒温恒湿箱3中的湿度，使得传感器所处环境的相对湿度达到98％以上。

将英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器作为对比，进行为期两周的环境试验，作为对比的7HYT的氢气传感器在试验进行到第二天的时候就出现了外壳开裂损坏的现象，而本实用新型的氢气传感器壳体完好。

环境试验前后氢气传感器的性能对比，如图6所示，其中(1)为试验前，(2)为试验后。其中线A2、A3代表本实用新型的氢气传感器，线B2、B3代表对比氢气传感器。

将本实用新型的氢气传感器进行选择性测试，以英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器作为对比。以CO为例，响应曲线如图7所示，其中(1)代表本实用新型的氢气传感器的相应情况，(2)代表对比氢气传感器的相应情况。

将本实用新型的氢气传感器在不同氢气浓度下进行测试，其响应曲线如图8所示。从图中可以看出传感器在0.02-18％的氢气范围内具有很好的线性响应，相关系数达0.9997。

图9是本实用新型的氢气传感器在氢气浓度为18％时的持续检测性能，其中线A4代表本实用新型的氢气传感器，线B4代表英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器。由图中可以看出，在为期两周的实验过程中氢气传感器一直输出比较稳定，而作为对比的英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器在实验开始5分钟后就出现了衰减，到31分钟时衰减完全，输出信号回到没有氢气时的值。

综上所述，本实用新型的氢气传感器，具有响应迅速、选择性好、稳定性高、检测范围宽、使用寿命长、抗冲击及震动能力强等突出优点。

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。