一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣濃度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氫氣濃度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣 濃度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日本福島核電站事故后，國(guó)家核安全局要求在氫氣控制系統(tǒng)中增加嚴(yán)重事故條 件下氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于嚴(yán)重事故下氫氣濃度連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。目前核電站中的氫 氣濃度主要采用離線監(jiān)測(cè)的技術(shù)。AP1000和CAP1400第三代核電站的安全殼氫控制系統(tǒng)要 求以在線監(jiān)測(cè)的氫氣濃度值作為控制氫氣點(diǎn)火器啟動(dòng)的條件，這就要求實(shí)現(xiàn)氫氣濃度在線 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。目前國(guó)內(nèi)外的氫氣濃度傳感器普遍基于熱導(dǎo)法工作原理實(shí)現(xiàn)，這些傳感 器主要適用于取樣式測(cè)量，測(cè)量高溫、復(fù)雜組分的氣體時(shí)測(cè)量精度低，且無法對(duì)環(huán)境中氫氣 實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。顯然，現(xiàn)有的氫氣濃度傳感在AP1000和CAP1400第三代核電站的安全 殼氫控制系統(tǒng)中不適用，設(shè)計(jì)出一種能對(duì)環(huán)境中氫氣實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的傳感器，這成為 目前人們普遍關(guān)注的問題，然而，現(xiàn)今沒有相應(yīng)的器件，也未見相關(guān)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理 的氫氣濃度傳感器，其能實(shí)現(xiàn)環(huán)境中氫氣濃度的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能滿足AP1000和 CAP 1400第三代核電站的安全殼氫控制系統(tǒng)的需求。
[0004] 本發(fā)明解決上述問題主要通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理 的氫氣濃度傳感器，包括壓力平衡膜、內(nèi)層殼體、對(duì)電極、工作電極、濃硫酸電解質(zhì)、氫氣半 透膜及信號(hào)接頭，所述內(nèi)層殼體上下兩端均開口，所述壓力平衡膜和氫氣半透膜分別固定 于內(nèi)層殼體上下兩端且封閉內(nèi)層殼體上下兩端的開口，壓力平衡膜、內(nèi)層殼體及氫氣半透 膜三者之間的區(qū)域構(gòu)成電解質(zhì)容腔，所述濃硫酸電解質(zhì)填充于電解質(zhì)容腔內(nèi)；所述對(duì)電極、 工作電極及信號(hào)接頭三者均有一端穿過內(nèi)層殼體且嵌入電解質(zhì)容腔內(nèi)，對(duì)電極和工作電極 兩者位于內(nèi)層殼體外的一端通過輸電線連接，信號(hào)接頭位于電解質(zhì)容腔內(nèi)的一端與工作電 極連接；所述對(duì)電極的基材表面涂覆有二氧化鉑層，工作電極的基材表面鍍有鉑黑層。本 發(fā)明中連接對(duì)電極和工作電極的輸電線上串接有電阻或負(fù)載，本發(fā)明產(chǎn)生的電流信號(hào)由信 號(hào)接頭輸出。本發(fā)明的壓力平衡膜主要用于平衡外界大氣的壓力和電解質(zhì)容腔中壓力，使 得大氣和電解質(zhì)容腔中的壓力保持一致，消除壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以保證氫氣通過氫 氣半透膜的動(dòng)力主要來源于氫氣濃度差，氫氣半透膜主要作用為隔離電解質(zhì)容腔和測(cè)量氣 體，并使得測(cè)量氣體中的氫氣經(jīng)過氫氣半透膜進(jìn)入電解質(zhì)容腔。
[0005] 本發(fā)明應(yīng)用時(shí)基于催化反應(yīng)電化學(xué)分析原理，利用氫氣在涂有催化劑的工作電極 上的化學(xué)反應(yīng)以及電解質(zhì)作用下產(chǎn)生的電流測(cè)量氫氣的分壓。測(cè)量樣氣經(jīng)氫氣半透膜進(jìn)入 電解池，并在與工作電極接觸時(shí)立即發(fā)生電離反應(yīng)①，工作電極表面的鉑黑層作為使氫氣 發(fā)生電離的催化劑。對(duì)電極含有Pto2 (反應(yīng)②)，對(duì)電極浸在酸性濃硫酸電解質(zhì)中，此電解 質(zhì)在210°C高溫條件下不沸騰，且具備導(dǎo)電功能。濃硫酸電解質(zhì)提供了離子導(dǎo)電通路，連接 兩個(gè)電極間的電阻或負(fù)載提供了電子導(dǎo)電通路。氫氣半透膜將濃硫酸電解質(zhì)與環(huán)境大氣中 分離。氫氣進(jìn)入電解質(zhì)容腔后，使電解質(zhì)容腔分壓為零。因此，氫氣半透膜大氣一側(cè)的氫分 壓是傳輸氫氣使其通過氫氣半透膜的驅(qū)動(dòng)力。外部電阻或負(fù)載電壓為可將感測(cè)大氣氫分壓 轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)力成正比。
[0006] H2 -> 2H+ + 2e- 工作電極反應(yīng)① 2H+ + 2e-+Pt02 ~? PtO+ H2O 對(duì)電極反應(yīng)② 電流一一分壓比為特定電極配置常數(shù)和恒溫常數(shù)，就溫度變換而言，氫氣半透膜對(duì)氫 氣的透氣率不相同，從而使得傳感器的感應(yīng)電流也隨之發(fā)生變化。透氣率的變化，之后轉(zhuǎn)化 為電流的變化隨著溫度升高而增加。
[0007] 進(jìn)一步的，所述對(duì)電極和工作電極均采用貴金屬為基材。
[0008] 進(jìn)一步的，所述對(duì)電極和工作電極均采用鉑片或鉑網(wǎng)為基材。
[0009] 進(jìn)一步的，一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣濃度傳感器，還包括測(cè)溫元件，所 述測(cè)溫元件穿過內(nèi)層殼體且其感溫端與濃硫酸電解質(zhì)接觸。本發(fā)明應(yīng)用時(shí)通過測(cè)溫元件對(duì) 電解質(zhì)容腔內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便于對(duì)電解質(zhì)容腔內(nèi)的氫氣濃度進(jìn)行校準(zhǔn)。因本發(fā)明產(chǎn)生 的信號(hào)與溫度有關(guān)，設(shè)置溫度校準(zhǔn)可滿足不同溫度下氫氣濃度監(jiān)測(cè)的要求。
[0010] 進(jìn)一步的，所述壓力平衡膜采用聚四氟乙烯薄膜，所述氫氣半透膜采用PET半透 膜。如此，本發(fā)明的壓力平衡膜和氫氣半透膜具有耐硫酸腐蝕、耐220°C高溫、耐輻照等特 性，壓力平衡膜在大氣壓力變化時(shí)，能平衡電解質(zhì)容腔與外界壓力，而氫氣半透膜具備氫分 子透過功能。
[0011] 進(jìn)一步的，一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣濃度傳感器，還包括圓環(huán)狀的上 密封蓋板和下密封蓋板，所述內(nèi)層殼體為圓筒狀，內(nèi)層殼體上下兩端均外凸構(gòu)成有環(huán)形的 定位平臺(tái)，所述壓力平衡膜周向邊緣均與內(nèi)層殼體上端定位平臺(tái)的上端面接觸且由上密封 蓋板下壓固定，所述氫氣半透膜周向邊緣與內(nèi)層殼體下端定位平臺(tái)的下端面接觸且由下密 封蓋板上壓固定。如此，本發(fā)明在上密封蓋板的作用下能將壓力平衡膜牢固定位，并在下密 封蓋板的作用下對(duì)氫氣半透膜進(jìn)行牢固定位。
[0012] 因聚四氟乙烯具有耐高溫、耐腐蝕的性能，為了滿足內(nèi)層殼體耐高溫條件下的濃 硫酸的腐蝕及絕緣要求，進(jìn)一步的，所述內(nèi)層殼體的材質(zhì)為聚四氟乙烯。
[0013] 進(jìn)一步的，一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣濃度傳感器，還包括外層殼體，所 述內(nèi)層殼體設(shè)于外層殼體內(nèi)。本發(fā)明應(yīng)用時(shí)內(nèi)層殼體為濃硫酸電解質(zhì)提供壓力邊界，外層 殼體提供校準(zhǔn)時(shí)的壓力邊界。
[0014] 進(jìn)一步的，所述外層殼體的材質(zhì)為銅或316L不銹鋼。
[0015] 綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：（1)本發(fā)明的傳感器是一種自供電化學(xué)裝 置，可產(chǎn)生與大氣中氫分壓成正比的電流信號(hào)，本發(fā)明應(yīng)用時(shí)選擇性強(qiáng)，測(cè)量誤差受背景氣 體組分影響較小，可以消除水蒸氣對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量時(shí)無須對(duì)樣氣進(jìn)行預(yù)處理，可實(shí) 現(xiàn)連續(xù)在線測(cè)量，進(jìn)而能滿足APlOOO和CAP1400第三代核電站的安全殼氫控制系統(tǒng)的需 求。
[0016] (2)本發(fā)明具備在220°C、輻照、高濃度水蒸氣等苛刻條件下連續(xù)穩(wěn)定工作能力。
[0017] (3)本發(fā)明的應(yīng)用時(shí)響應(yīng)時(shí)間快，小于180s。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 附圖中附圖標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱為：1、外層殼體，2、上密封蓋板，3、壓力平衡膜，4、 內(nèi)層殼體，5、對(duì)電極，6、安裝底座，7、測(cè)溫元件，8、工作電極，9、濃硫酸電解質(zhì)，10、氫氣半透 膜，11、下密封蓋板，12、信號(hào)接頭。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式 不限于此。
[0021] 實(shí)施例1 : 如圖1所示，一種基于催化反應(yīng)電化學(xué)原理的氫氣濃度傳感器，包括壓力平衡膜3、內(nèi) 層殼體4、對(duì)電極5、工作電極8、濃硫酸電解質(zhì)9、氫氣半透膜10及信號(hào)接