Чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в газовых смесях

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к чувствительному элементу электрохимического датчика парциального давления водорода в газовых смесях, состоящему из твердого композитного электролита и двух электродов, один из которых изготовлен из Pt или Pd, а другой из Ag и промежуточного слоя из смеси Ag- Ag₂SO₄, при этом твердый композитный электролит состоит из смеси одной из кислых солей сульфата щелочного металла MeHSO₄ и мелкодисперсного порошка SiO₂, взятых в соотношении, мол.%: MHSO₄ 20-70; SiO₂ остальное. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может применяться в химической, электронной и в других отраслях промышленности и энергетики, а также службами техники безопасности для определения парциального давления H₂ в газовых смесях.

Известен чувствительный элемент электрохимического датчика H₂ потенциометрического типа, работающий в диапазоне температур 20-200^oС, состоящий из 2-х электродов, один из которых изготовлен из Pt, а другой из Ag, Tl, TiHx или ZrHx, между которыми помещен тонкий слой электролита Zr(HPO₄) 2H₂O [1] Значения ЭДС, возникающей между электродами, зависят от давления водорода. Такой чувствительный элемент позволяет измерять парциальные давления водорода в диапазоне 10-10⁵ ppm.

Недостаток данного элемента заключается в том, что измерения можно проводить только в присутствии паров воды, т.е. только во влажной атмосфере. В противном случае происходит быстрая дегидратация электролита и, как следствие, деградация чувствительного элемента.

Наиболее близким техническим решением является чувствительный элемент, представляющий собой твердотельную гальваническую цепь [2] , где в качестве электролита (ТЭ) используют композиты, представляющие собой смесь Sb₂O₅ и одной из солей цезия с общей формулой CsH_x(ЭО₄)₂, где Э s или P, x 3 или 5. Данный элемент работает стабильно при комнатной температуре в реальных газовых смесях с переменной влажностью.

Недостатком данного элемента является узкий диапазон рабочих температур. При Т>60^oC начинается деградация элемента, по-видимому, вследствие протекания химической реакции между компонентами электролита, в результате которой образуется плохопроводящее соединение.

В изобретении решается задача расширения диапазона рабочих температур чувствительного элемента датчика парциального давления водорода в газовых смесях в условиях различной влажности.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в чувствительном элементе типа в качестве твердого электролита используется композит, изготовленный из смеси MeHSO₄, Me Rb, Сs, K и мелкодисперсного порошка SiO₂, взятых в соотношении,мол.): MeHSO₄ 20-70; SiO₂ Остальное Композит, используемый в чувствительном элементе, стабилен в диапазоне температур 20-200^oC, выдерживает многократное термоциклирование без изменения характеристик. Проводимость композита зависит от состава и составляет 10^-2 10^-6 Ом^-1см^-1 в рабочем интервале температур. При содержании MeHSO₄ менее 20 или более 70 мол. композит имеет значительно более низкую проводимость, вследствие чего резко снижается чувствительность и увеличивается время срабатывания датчика.

Изобретение поясняется чертежом.

Чувствительный элемент представляет собой таблетку из твердого электролита 1, к торцевым сторонам которого припрессованы два электрода один 2 из платины или палладия, а второй 3 из серебра с промежуточным слоем 4 из смеси Aq -Aq₂SO₄.

Пример 1. Берут мелкодисперсный порошок SiO₂ и тщательно перемешивают его с RbHSO₄ в соотношении 70 30 мол. Из смеси прессуют таблетку, на одну сторону которой напыляют электрод из смеси Ag-Ag₂SO₄, который покрывают серебряной пастой. Готовую таблетку прогревают при 220^oC в течении 5 мин. Затем полученный таким образом чувствительный элемент помещают в термостатируемый объем с известной концентрацией водорода и измеряют значения ЭДС между электродами.

Пример 2-4. В условиях примера 1 берут другие составы композита RbHSO₄-SiO₂. Результаты испытаний указаны в таблице.

Пример 5. В условиях примера 1 берут композит, содержащий CsHSO₄ и SiO₂ в соотношении 50 50 мол.

Пример 6. В условиях примера 1 берут композит, содержащий KHSO₄ и SiO₂ в соотношении 40 60 мол.

Таким образом, предлагаемый чувствительный элемент работает при температурах 20-200^oC в то время, как прототип [2] только при комнатной.

Значения ЭДС (мв) чувствительных элементов различного состава при различных температурах (принятые сокращения: н/с значения нестабильны во времени) приведены в таблице.

Литература.

1. N.Miura, T.Harada, Y.Shimizu, N.Yamazoe /Cordless Solid State Hydrogen Sensor Using Proton Conductor Thick Film/ Sensors and Actuators, B1 (1990) р.125-129.

2. Патент РФ N 2038592, кл. G 01 N 27/407, 1995.

Формула изобретения

Чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в газовых смесях, состоящий из твердого композитного электролита и двух электродов, один из которых изготовлен из Pt или Pd, а другой из Ag и промежуточного слоя из смеси Ag-Ag₂SO₄, отличающийся тем, что твердый композитный электролит состоит из смеси одной из кислых солей сульфата щелочного металла MeHSO₄ и мелкодисперсного порошка SiO₂, взятых в соотношении, мол.

MeHSO₄ 20 70 SiO₂ Остальноен

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2