чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в воздухе
| Классы МПК: | G01N27/407 для исследования или анализа газов |
| Автор(ы): | Хайретдинов Э.Ф., Уваров Н.Ф., Пономарева В.Г., Лаврова Г.В. |
| Патентообладатель(и): | Акционерное общество "АСЕН", Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО РАН |
| Приоритеты: |
подача заявки:
1992-11-02 публикация патента:
27.06.1995 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2
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 90Сульфат серебра Остальное
а в качестве твердого электролита используют композиты, представляющие собой смесь Sb2O5 и одной из солей цезия с формулой CsHx (ЭО4)2, где Э S или P, а x=3 или 5, взятых в соотношении, мас. Sb2O5 50 90
CsHx (ЭО4)2 Остальное
Описание изобретения к патенту
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 P
в диапазоне 200-104 ррm [1] с быстродействием порядка 10 с. Чувствительный элемент датчика представляет собой таблетку твердого электролита состава Sb2O5
2H2O 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, TiHx или ZrHx, между которыми помещен тонкий слой твердого электролита Zr(HPO4)2
H2O [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 CsHx(ЭО4)2, где Э S или Р; х 3 или 5, взятых в соотношении, мас. Sb2O5 50-90 CsHx(ЭО4)2 остальноеВ 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 120-150оС 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 PH2 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 CsHx(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.
Класс G01N27/407 для исследования или анализа газов
