氢气传感器在工业和汽车领域的原理与应用

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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。

　　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。

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，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[url=]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。

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。

来源：传感器专家网

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