Чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в воздухе

 

Использование: в аналитических целях в различных отраслях промышленности, энергетики, в технике безопасности при работе с газовыми водородсодержащими смесями. Сущность изобретения: чувствительный элемент датчика содержит твердый электролит из смеси оксида сурьмы с солями цезия и два электрода. Один электрод изготовлен из металла платиновой группы, а другой - из серебра. Между электролитом и серебряным электродом расположен слой из смеси серебра с сульфатом серебра. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может применяться в различных отраслях промышленности и энергетики для определения содержания водорода в газовых смесях, а также в службе техники безопасности при работе с водородсодержащими газовыми смесями. Для предотвращения возможного взрыва анализируемой гремучей смеси требуется, чтобы рабочая температура датчика была минимальной.

Известен электрохимический датчик парциального давления водорода, работающий при комнатной температуре и позволяющий измерять величину Pв диапазоне 200-10⁴ ррm [1] с быстродействием порядка 10 с. Чувствительный элемент датчика представляет собой таблетку твердого электролита состава Sb₂O₅2H₂O c двумя электродами, один из которых изготовлен из платины, а другой из золота.

Недостатки данного чувствительного элемента: узкий диапазон измеряемых концентраций; зависимость показаний датчика от влажности исследуемого газа.

Наиболее хорошими характеристиками при комнатной температуре обладает чувствительный элемент, состоящий из двух электродов, один из которых изготовлен из пластины, а другой является электродом сравнения из Ag, Tl, TiH_x или ZrH_x, между которыми помещен тонкий слой твердого электролита Zr(HPO₄)₂H₂O [2] Значение ЭДС, возникающей между электродами, зависит от давления водорода. Такой чувствительный элемент позволяет измерять парциальные давления водорода в диапазоне 10^-5 10^-1атм. (10-10⁵ ррm) с хорошим быстродействием 10 с.

Недостатки данного элемента: измерения можно проводить только в присутствии паров воды, т.е. во влажной атмосфере. В противном случае происходит быстрое высыхание твердого электролита и деградация чувствительного элемента; значения ЭДС нестабильны, т.е. медленно изменяются со временем (за 1 ч) вследствие реакции материала электрода сравнения с парами воды и с водородом; при этом ухудшается чувствительность элемента. Это затрудняет использование данного элемента для длительных измерений.

Цель настоящего изобретения повышение стабильности работы элемента в условиях различной влажности анализируемой газовой среды.

Поставленная цель достигается тем, что в чувствительном элементе датчика между серебряным электродом и твердым электролитом предусмотрен промежуточный слой, состоящий из смеси серебра и сульфата серебра, взятых в соотношении, мас. серебро 90-40 сульфат серебра остальное, а в качестве твердого электролита используются композиты, представляющие собой смесь Sb₂O₅ и одной из солей цезия с формулой CsH_x(ЭО₄)₂, где Э S или Р; х 3 или 5, взятых в соотношении, мас. Sb₂O₅ 50-90 CsH_x(ЭО₄)₂ остальное В качестве чувствительных к водороду электродов берут металлы платиновой группы платину или палладий.

Новый чувствительный элемент содержит (чертеж): таблетку 1 твердого электролита, два электрода 2 и 3 и промежуточный слой 4. Проводимость используемого электролита при комнатной температуре составляет 10^-3-10²Ом^-1 см^-1, в зависимости от соотношения компонентов и слабо зависит от влажности, что позволяет создать чувствительный элемент со стабильными характеристиками, работающий в атмосферах с различной влажностью.

Проводимость чистых компонентов в сухой атмосфере низка. Этим и объясняется нестабильность работы элементов при малых (менее 60 и 50 мас.) и больших (более 90 и 80 мас.) содержаниях окиси сурьмы в электролитах, содержащих CsH₂(SO₄)₂ и CsH₅(PO₄)₂ соответственно. В заявляемой области составов проводимость электролитов осуществляется за счет проводимости межфазных контактов, которая значительно выше электропроводности чистых компонентов.

Способ приготовления чувствительных элементов и их рабочие характеристики показаны на следующем примере.

П р и м е р 1. Берут порошок окиси сурьмы Sb₂O₅ и тщательно перемешивают его при температуре 120-150^оС с расплавом соли CsH₃(SO₄)₂ в соотношении 90: 10 мас. Из полученного композита прессуют таблетку, на одну сторону которой напыляют электрод платины, а к другой припрессовывают слой, достаточный для полного покрытия этой стороны таблетки, состоящий из смеси Ag и Ag₂SO₄, который покрывают сверху серебряным пастовым электродом. Полученный таким образом чувствительный элемент помещают в объем с известной концентрацией водорода и измеряют значения ЭДС между электродами. В таблице представлены значения ЭДС элемента при различных P_H2 и содержаниях компонентов Sb₂O₅ и CsH₃(SO₄), полученные в потоке влажного и осушенного воздуха.

П р и м е р ы 2-12. В условиях примера 1 берут соли CsH₃(SO₄)₂ и CsH₅(PO₄)₂. Значения ЭДС при различных содержаниях компонентов Sb₂O₃ и CsH_x(ЭО₄)₂ также приведены в таблице.

Из таблицы видно, что в отличие от прототипа, значения ЭДС данных чувствительных элементов практически не зависят от влажности анализируемого газа, т. е. датчики с этими элементами могут надежно работать в реальных газовых средах с переменной влажностью, в инертной атмосфере или в вакууме, т. е. в условиях, в которых элемент по прототипу будет давать нестабильные значения или деградировать (примеры 1-3, 6 и 8-10).

Из таблицы видно, что стабильность работы элемента при введении указанного промежуточного слоя заметно возрастает (примеры 6 и 3). Вероятно, это связано с более высокой по сравнению с серебром химической стойкостью сульфата серебра по отношению к твердому электролиту. При содержании серебра менее 40 мас. сопротивление промежуточного слоя резко возрастает, что приводит к ухудшению стабильности работы элемента. Таким образом, данный чувствительный элемент имеет большие времена стабильной работы по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОДОРОДА В ВОЗДУХЕ, включающий таблетку твердого протонпроводящего электролита с электродом сравнения из серебра и измерительным электродом из металла платиновой группы, отличающийся тем, что элемент дополнительно содержит между твердым электролитом и серебряным электродом промежуточный слой, состоящий из смеси серебра и сульфата серебра в соотношении, мас.

Серебро 40 90 Сульфат серебра Остальное а в качестве твердого электролита используют композиты, представляющие собой смесь Sb₂O₅ и одной из солей цезия с формулой CsH_x (ЭО₄)₂, где Э S или P, а x=3 или 5, взятых в соотношении, мас.

Sb₂O₅ 50 90 CsH_x (ЭО₄)₂ Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2