氢气传感器

必要性

　　氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点 ,与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源 ,氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用;同时,氢气作为一种还原性气体和载气,在化工、电子、医疗、金属冶炼,特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小,在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏,由于氢气不利于呼吸,无色无味,不能被人鼻所发觉,且着火点仅为 585 ℃,空气中含量在 4%～75%范围内 ,遇明火即发生爆炸 ,故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。

分类及原理简述

　　1 半导体型传感器

　　以电阻型半导体传感器为例:

　　主要以 SnO2 , ZnO,WO3 等金属氧化物为气敏材料 ,例如:国产 QM系列氢气传感器就是以 SnO2 作为氢气敏感材料 ,故也称金属氧化物半导体氢气传感器。其工作原理是:当吸附氢气后 ,氢气作为施主释放出电子 ,与化学吸附层中的氧离子结合 ,于是载流子浓度发生变化 ,该变化值与氢气体积分数存在一定的函数关系。

　　2　热电型传感器

　　首先 ,在基片上沉积一层热电材料 ,然后 ,在热电材料表面的某一部分沉积一层催化金属 ,如 , Pt, Pd等 , ,分别在催化金属层、热电薄膜层 (表面上无催化金属 )引出电极 ,即获得最为简单的热电型氢气敏感元件。

　　当此敏感元件暴露在含氢气的环境中 在催化金属的,作用下 ,氢气与氧气反应生成水蒸汽并放出热量 ,于是 ,沉积有催化金属的一端温度高 ,为热端 ,无催化金属的一端温度低 ,为冷端 ,由于热电材料的热电发电效应 (Seebeck效应 ) ,将这种热端与冷端之间的温差转换为温差电势 ,以电信号的形势输出 ,从而实现对氢气的检测。

　　3　光纤传感器

　　由于多种固态氢气传感器使用的都是电信号 ,一个共同的弊端就是可能产生电火花 ,对于氢气体积分数较高的环境来说存在极大的安全隐患。而光纤传感器使用的是光信号 ,所以 ,适用于易爆炸的危险环境 。

发展方向

　　目前 ,氢气传感器的选择性、安全性、稳定性、灵敏度以及输出信号弱等问题 ,已经得到不同程度的解决。实现氢气传感器的常温工作 ,不仅提高了氢气传感器的安全性 ,而且 ,降低能耗 ,将是今后研究工作的重点。

　　可以通过以下 3种途径实现氢气传感器的常温工作:

　　1)发展光纤型氢气传感器 ,但必须解决其输出信号弱、使用寿命短以及高成本等问题;

　　2)制备纳米级的氢敏材料 ,由于氢敏材料对氢气的响应究其根本来说是一种表面作用 ,而纳米材料具有很大的比表面积 ,增加了接触响应的表面积 ,而且 ,纳米材料的粒径小 ,缩短响应时间 ,提高了响应性能;

　　3)积极开发新的氢敏材料。

应用

　　1.钢厂

　　2.电池系统

　　3.变压器维护

　　4.氢气报警器

　　5.氢气的探测领域