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氢气传感器在工业和汽车领域的原理与应用

目前,在工业控制领域,利用氢气传感器来监控氢气浓度的历史由来已久。作为一种清洁能源,氢气传感器还被广泛用于汽车行业,特别是氢燃料电池汽车?中。在该领域,近期发生的多起加氢站爆炸事故,也引起了人们对于氢能源汽车在安全监测方面的关注。

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  氢气传感器是一种可通过转换氢气浓度测得可用电信号的转换装置,这一应用的关键在于,氢气的监测必须以不发生爆炸作为前提和保证。毕竟,低于可燃范围的氢浓度测量,对生产过程的监管和安全非常重要。

氢气传感器在工业和汽车领域的原理与应用

氢能源相关科技应用,资料图

  氢气传感器在工业控制领域的应用

  目前,在工业控制领域,利用氢气传感器来监控氢气浓度的历史由来已久,如化石燃料或火箭燃料的处理、氨和甲醇的合成过程等。在核反应堆、发电行业和通讯行业,氢泄漏预警监测,也必不可少。这些应用的关键同样在于,必须将氢气浓度控制在设定的最低可燃浓度值以下。

  举例来说,在电焊、电镀及电池的关键特性参数中,氢气浓度监测是一个非常重要的步骤。早期的氢气传感检测方式,主要基于质谱仪和气相色谱仪。其中,质谱仪监测是通过测量其在磁场中的偏移量。近年来,随着纳米材料和薄膜氢气传感器的出现和发展,该检测办法逐渐被氢气传感器所取代。

  这是因为,相对于早期的传感器,氢气传感器有很多优点,包括低成本、便携性、响应速度快、集成度高等等。氢气传感器的检测方法主要基于电气特征(如电阻、导电性、电压等)、温度、传感器活性元素的光学和机械性质中的变化。而氢气传感器,正是一种可将这些变化,转变为可被接收的电信号的理想转换装置。

氢气传感器在工业和汽车领域的原理与应用

日本大学开发的薄膜式氢传感器,该传感器可利用光能将氢敏感材料印刷在有机薄膜上制作而成,可用于加氢站和氢处理工厂等。

  氢气传感器的应用材料及检测原理

  钯、镍、铂及其合成物,常被用作制造氢气传感器的活性材料。具体来说,这些活性元素,可被看作可与氢元素发生反应的催化材料,且氢元素能与这些元素相容,还可溶于该元素。目前,作为为活性元素,钯、铂、镍元素在氢传感器中得以广泛应用。

  这些活性材料在吸收了氢分子之后,会改变其本身的物理参数。例如,在金属氧化物半导体为基础的电容式氢气传感器中,氢原子在金属栅中扩散,并在钯氧化物表面上形成了一个偶极层,该偶极层导致了活性元素的功函数的改变。

  氢气传感器类型、参数及电化学氢气传感器的原理

  目前,市场上的氢气传感器,基于物理参数的不同,如电阻、热导率、声学函数、机械学函数、光学函数、电化学和催化函数以及功函数,大体可分为八种类型。氢气传感器检测的重要参数包括响应时间、恢复时间、响应百分比(%)、灵敏度、选择性和可靠性等。

某款电化学氢气传感器

某款电化学氢气传感器,资料图

  例如,典型的电化学氢气传感器的检测原理,便是当被测氢气通过扩散栅栏进入传感器,并在感应电极表面处发生氧化反应,与此同时,负电极发生还原反应,从而产生内部电流。将传感器与外部电路接通,因电流大小与被测氢气浓度有关,因此,可通过电流大小来测量气体的浓度。

  氢气传感器在新能源汽车领域的应用和探索

  除上述工业领域的应用外,作为一种清洁能源,氢气低密度、高燃烧温度、无毒性、可燃范围广,目前还被广泛用于汽车行业,特别是氢燃料电池汽车中。由于氢气无色无味,人体无法察觉,因此,在使用过程中,利用氢气传感器对空气中的氢气浓度进行监测,十分必要。而且,还必须要求氢气传感器具备响应速度快、精度高的优点。

挪威发生加氢站爆炸事故

挪威加氢站爆炸事故新闻截图,资料图

  2019年6月10日下午,挪威首都奥斯陆附近一家加氢站发生爆炸事件。虽未造成人员直接伤亡,但导致附近车辆安全气囊爆出,车中2人受轻伤。目前,该公司已暂停当地加氢站及相关服务,相关部门也已介入调查。

  眼下,爆炸原因尚未明确,但针对此次爆炸事件,丰田和现代两家车企均表示,在爆炸原因调查清楚前,暂停氢燃料电池汽车在挪威的销售。据了解,这是近期继韩国、加拿大之后的第三起涉氢爆炸事故。

  由此看来,在汽车领域,一种新能源的推广和应用,其安全性应该是首先被关注的。对此,目前,氢燃料电池汽车的氢气传感器均选用防爆型,而不用触点式传感器。这是因为,触点式传感器在氢气含量达到设定值时,通过触点的动作输出信号,易产生触点火花而引发爆炸事故。

丰田氢燃料电池车为氢储罐装备了氢气传感器进行实时监控

图为丰田氢燃料电池车为氢储罐装备了氢气传感器进行实时监控,泄漏时可自动关闭阀门。资料图

  未来,随着氢能源汽车的推广与应用,像上述这类爆炸事故,应尝试从技术层面予以杜绝。比如,目前,在一些车载氢气安全监控系统中,除了氢气传感器外,还加入更多的传感器监测手段。如加装氢系统压力传感器,可用于判断气瓶中剩余氢气量,保证车辆正常行驶。当压力低于某值时,提示驾驶员加注氢气;加装温度传感器,可在气体温度突然急剧上升时,及时感应到气瓶周围可能有火警发生等。

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