一种具有抗震结构的氢气传感器的制作方法

本实用新型涉及氢气传感器的技术领域，更具体地说，涉及一种具有抗震结构的氢气传感器。

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，锂电池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对一般安全监测领域所使用气体传感器的通用要求外，还应该适应汽车这个特殊的应用场景，具有较好的抗震性，避免出现因车辆震动大而导致的性能衰减。

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具有一定的抗震性，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。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，但是由于这两种传感器内部都含有铂丝起加热的作用，所以在震动强烈的情况下铂丝会出现断裂的现象从而导致整个传感器失灵。

电化学传感器利用定电位电解法进行气体检测，由工作电极、对电极、参比电极和电解质层组成，三个电极与电解质层之间呈多层三明治的结构层叠在一起。其中工作电极是待测气体发生化学反应的地方；对电极是氧气发生反应的地方，并且和工作电极上的反应一起形成反应的闭环型；参比电极用来提供稳定的电势零点，防止检测结果受阴极极化以及氧气在对电极上的反应的影响。电解质层提供质子传递通道，保证整个反应可以顺利进行，一般选择液体电解质充当电解液，形成电解质层。为了提高氢气传感器的信噪比，电化学传感器采用多孔形式的气体隔离膜充当氢气传感器与外界环境的隔离屏障，在增加气体进入量的同时液体电解质中的水分也会很好的与外界环境进行交换。当把氢气传感器用于存在强烈震动的场合时充当电解质的液体溶液会成泡沫状飞出，一来导致电极脱离电解质引起传质不畅的问题；二来呈泡沫状飞出的电解质会通过O型圈的边缘溢出导致传感器出现漏液现象。除此之外即使是在正常使用中环境湿度的变化也会影响电解质的浓度，使其出现电解质干涸或者泄漏的现象，当氢气传感器出现上述现象时，性能会出现大幅度衰减，泄漏出来的溶液会引起环境污染，严重的会给使用人员带来烧伤、灼伤等一系列的伤害。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种具有抗震结构的氢气传感器，解决了现有技术中的氢气传感器响应时间长和无法适用于震动环境的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种具有抗震结构的氢气传感器，包括壳体，在所述壳体内安装有气体检测单元，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，在所述壳体内的上端还安装有气体扩散膜，所述气体扩散膜为无孔结构的气体扩散膜，所述电解质层为固态电解质层或半固态电解质层。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，所述电解质层为半固态电解质层，所述半固态电解质层包括多孔基板，所述多孔基板形成有多个孔隙，在所述孔隙内填充有电解液或胶体电解质。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，所述多孔基板为多孔陶瓷板、多孔聚四氟乙烯板或多孔e-PTFE板制成的基板。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，所述电解质层为固态电解质层，所述固态电解质层为酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氯苯乙烯磺酸型膜或全氟磺酸型膜制备的固态电解质层。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，所述气体扩散膜是由聚四氟乙烯、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气体扩散膜。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，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气体扩散膜，所述对电极和参比电极在同一平面内并列设置且分别位于所述工作电极的两侧的下方。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，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。

在本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器中，在所述壳体外部下端还设置有用于固定的第四插针。

实施本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器，具有以下有益效果：本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器通过采用固态或者半固态电解质层的形式并结合密实无孔的气体扩散膜来获得较好的抗震性。

附图说明

图1为本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器的结构示意图；

图2为本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器与现有技术中的氢气传感器在震动前的性能测试的对比图；

图3为本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器与现有技术中的氢气传感器在震动后的性能测试的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具有抗震结构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，具有抗震结构的氢气传感器包括壳体11，在壳体11内安装有气体检测单元12，在壳体11内的上端还安装有气体扩散膜13。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液的材料。

气体检测单元12包括电解质层127，气体检测单元12还包括与电解质层127结合成一体的工作电极121、对电极123和参比电极125，工作电极121设置在对电极123和参比电极125的上方且靠近气体扩散膜13，对电极123和参比电极125在同一平面内并列设置且分别位于工作电极121的两侧的下方。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和第三插针113，工作电极121通过工作电极引线122与第一插针111电连接，对电极123通过对电极引线124与第二插针112电连接，参比电极125通过参比电极引线126与第三插针113电连接。在壳体11外部的下端还设置有第四插针114，整个传感器通过第一插针111、第二插针112、第三插针113和第四插针114固定在PCB板上。工作电极121是待测气体发生电化学反应的场所，对电极123是环境中的氧气发生电化学反应的场所，参比电极125起稳定电势零点的作用，电解质层127起传递质子的作用，工作电极121、对电极123和参比电极125必须分别与电解质层127充分接触才能保持系统传质的通畅性以及反应性能。

在一实施例中，电解质层127为固态电解质层，固态电解质层为酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氯苯乙烯磺酸型膜或全氟磺酸型膜制备的固态电解质层。工作电极121、对电极123和参比电极125可以通过沉积、热压、浸渍、刻蚀等化学方法牢固的固定在电解质层127上，结合成一体结构。

在另一实施例中，电解质层127为半固态电解质层，半固态电解质层包括多孔基板，在多孔基板上形成有多个用于填充电解液或胶体电解质的孔隙，在孔隙内填充有电解液或胶体电解质。多孔基板可以为多孔陶瓷板、多孔PTFE板或多孔e-PTFE板等，该多孔基板具有良好的结构稳定性、支撑力、抗腐蚀性。其中e-PTFE是指以聚四氟乙烯为原料经膨化拉伸形成的多孔隙材料。

电解液可以为硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸中的任意一种或几种的混合液。

胶体电解质包括纳米多孔颗粒和吸附在纳米多孔颗粒上的酸性电解液，纳米多孔颗粒与酸性电解液的体积比为0.1-1.2；优选地，纳米多孔颗粒与酸性电解液的体积比为0.3-1；更优选地，纳米多孔颗粒与酸性电解液的体积比为0.5-0.75。纳米多孔颗粒的粒径为1nm-50nm；优选地，纳米多孔颗粒的粒径为5nm-10nm。纳米多孔颗粒的比表面积为300平方米/克-2000平方米/克；优选地，纳米多孔颗粒的比表面积为1200平方米/克-1500平方米/克。纳米多孔颗粒是具有丰富微孔以及较大比表面积的纳米多孔颗粒，可以为二氧化硅颗粒、陶瓷颗粒、膨体聚四氟乙烯颗粒(e-PTFE颗粒)中的任意一种或几种的混合物；酸性电解液可以为硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸中的任意一种或几种的混合液。

气体扩散膜13为无孔结构的气体扩散膜，气体扩散膜13可以是由聚四氟乙烯、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气体扩散膜。气体扩散膜也可以是由聚四氟乙烯、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、硅橡胶和氟化硅橡胶中的任意几种的混合物制成的气体扩散膜。气体扩散膜13密实无孔，具有防水透气性，气体分子可以通过吸附-溶解-脱附的程序透过气体扩散膜13进入到氢气传感器中，但是水分子无论是液体形式还是气体形式都无法透过该气体扩散膜13，从而隔绝了氢气传感器内部湿度或者水分含量和外界环境的交换，防止氢气传感器发生漏液或干涸的问题，提高了氢气传感器的稳定性，进而适合于震动环境中使用。

如图2-3所示，本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器进行震动实验前后的性能测试，经过震动后本实用新型的具有抗震结构的氢气传感器测试性能基本不变；而作为对比的催化燃烧式和传统电化学式氢气传感器性能都出现了一定的衰减。

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。