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燃料电池发动机之传感器
2019-12-03

氢气在空气中浓度达到4%,电火花或者高温就会导致氢气爆炸。对氢浓度的检测是氢燃料电池汽车安全的重中之中。一般来说, 燃料电池汽车总共要求安装 4 个 氢气传感器,而所有传感器信号需直接传送到仪表盘的醒目位置。

对氢气传感器有几个基本要求:

(1)测量范围1ppm-40000ppm

(2)启动时间(<2s)

(3)响应时间(<1s)

(4)精度

(5)抗干扰(氢气选择性、湿度影响)

(6)寿命

氢气检测机理主要有四种,分别是电化学、电学、热学、光学。

目前在氢燃料电池汽车上*常见的是催化燃烧型(热学型),优点是计量准确,响应快速,寿命较长,缺点是需要加热,高浓度氢容易被点燃。

1、热学型

具有代表性的是“催化燃烧型”的传感器,氢气与氧气在催化剂条件下比较容易发生燃烧,导致测试元件发热,根据换热量可以计算出氢气浓度。催化剂的作用是使起燃温度低,但是对可燃性气体选择性差,H2S、CH4等发生燃烧影响精度,属于暗火工作,有引燃爆炸危险,另外,湿度、CO等都可能造成催化剂中毒。

另外一种热学型氢气传感器,不使用催化剂,但是在测试时将MEMS测试元件的温度设定在几百℃。在这个状态下,氢气一旦接触元件,高导热率的氢气将夺走元件的热量,元件的温度降低。元件的温度降低后,使用微加热器进行加热,恢复到设定的温度。根据温度消耗的电流量,就可检测出氢气的泄漏量。

NGK/NTK 设计了一款不带催化剂的热学型氢气传感器,该传感器工作的温度范围为-30℃~100℃,能高精度检测出空气中的氢气。从空气中的氢气浓度为0%和1.0%时的启动特性来看,从通入空气开始计算,1秒内即可完成氢气检测。氢气浓度在0~4.0%之间浮动时传感器的输出特性来看,可以得到与氢气浓度成正比的线性输出。

2、电化学型

电化学型传感器类似一个氢燃料单电池, 当发生电化学反应时,电极上电势将发生变化。

(1)电流型氢气传感器

在使用溅射镀膜法制备的铂催化电极时,可以 在0至104ppm的范围内实现氢气浓度的快速检测,传感器响应时间为 30s, 灵敏度为 4μA /100ppm。电流型传感器的正常工作温度范围为-20℃ 至80℃。

与氢燃料电池类似,温度、压强和湿度变化都对测量结果影响较大。电流型氢气传感器在氢气浓度较低时具有更高的灵敏度,但是响应时间太长。

(2)电势型氢气传感器

可以检测常温或高温下气体、水溶液、溶态金属中的氢气含量。 电势型氢气传感器与氢气浓度成对数关系。 范围宽,低氢浓度检测不适合。

3、电学型

主要分为电阻和场效应管型两类,结构简单,缺点是工作所需温度较高, 并且其工作时易产生电火花,稳定性较差,受环境影响较大。

(1)电阻型氢气传感器

在半导体金属氧化物吸附氧气时, 电阻率会显著增加,当氢气等还原性气体将金属氧化物化学吸附层中的氧气还原时, 电阻率会降低。

氧化锡作为敏感材料, 其平均响应时间在 4s 至 20s,可测氢气浓度范围为 10ppm至 20ppm。采用单一的金属氧化物对于氢气的选择性不高,易受甲烷、一氧化碳、醇类物质等干扰,为了提高选择性, 可以掺杂钯、铂等。

(2)非电阻型氢气传感器

在半导体上沉积一层非常薄的金属就形成“肖特基结”,氢气接触到肖特基结时被吸附在具有催化性能的金属表面, 催化分解为 H, 经金属晶格间隙扩散至金属半导体界面, 然后加偏置电压, 由于 H 的存在半导体二极管特征曲线发生漂移, 传感器通过检测电压或电容的变化来检测氢气浓度。

4、光学型

主要有光纤布拉格光栅( FBG) 氢气传感器, FBG 氢气传感器具有抗光源扰动, 稳定性高, 易于实现多路复用等优点。但是其钯膜易起泡脱落, 寿命有限,且信号解调难度较高。

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