一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器制造技术

本发明专利技术属于色谱检测传感器领域,尤其涉及一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器和其定量分析方法，主要用于检测分析变压器油中的痕量溶解气体。本发明专利技术实施列提供了一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，包括结构和制备方法、气敏响应机制和定量方法，传感器采用管式结构，固体电解质采用一种掺杂氧化锆粉末，粉末颗粒直径为0.7μm，为摩尔比为8％的氧化钇和3％的氧化钪稳定的氧化锆粉末。定量方法采用N‑S模型，较常规传感器及其定量方法比，在提升检测系统稳定性、准确性和灵敏度的同时简化了系统硬件设计与测试流程并降低了系统成本。

A Chromatographic Detection Sensor for Zirconia Doped Solid Fuel Cells

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器
本专利技术属于色谱检测传感器领域，尤其涉及一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器和其制备方法，主要用于检测变压器油中的痕量溶解气体。
技术介绍
目前电力变压器大多为油浸式，在变压器运行时，变压器油会受电场和温度等的影响，产低分子烃类等气体，通过实时检测分析油中相应气体含量可以确定变压器的运行状态，预防潜在故障，防止故障进一步扩大。因此检测传感器在色谱检测技术中成为了不可或缺的组成部分。目前气敏传感器的种类有很多，但都存在不同程度的局限性，如热导式传感器，灵敏度低，且因其使用氦气作为载气导致成本较高；半导体型气敏传感器，虽然可对多种气体进行检测，但其一般具有较大的体积，易产生气体扩散，导致电磁涡流现象产生，进而产生误差。而燃料电池型检测器则保持了较高的灵敏度的同时还兼顾了检测器的稳定性。但专利技术人发现，传统燃料电池气敏检测器虽然灵敏度高，但普遍先进行已知浓度气体的检测，再检测未知浓度的气体，系统复杂，无法满足变压器故障时油中各个组分气体的单独检测，进而影响故障类型的分析。
技术实现思路
为了解决现有燃料电池气敏检测器系统复杂，无法对各个组分气体单独检测的问题，本申请提出一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，通过选取固体电解质，并测量固体电解质工作时产生的总电动势，解决了该问题。本申请提供的具体方案如下：一种掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，加热炉和传感器主体，其特征在于所述传感器主体包括基座和筒状主体外壳，基座上扣于主体外壳。进一步地，所述基座包括基座主体和陶瓷导管，陶瓷导管贯穿基座主体。优选地，基座主体内存在导气孔。进一步地，所述主体外壳由固体电解质制成，主体外壳内测壳壁区域为阳极电极，壳壁外侧为阴极电极，阳极和阴极电极上各有一根导线引出至传感器外部。优选地，所述加热炉内部空腔内还包括热电偶。优选地，所述加热炉与主体外壳的连接方式为，主体外壳远离基座一端伸入加热炉中且与加热炉一体化铸成。本申请同时提供了该掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器的制备方法，其特征在于首先按图纸制成石膏模以备用，将摩尔比为8％的氧化钇和4％的氧化钪混合为稳定的氧化锆粉末。进一步地，将干料比重为3％至5％的阿拉伯胶与蒸馏水充分混合为粘合剂并在其中加入氧化锆粉末充分混合。进一步地，混合后的材料经过400目筛充分研磨过筛后通过真空脱泡操作，得到细化氧化锆，并将其置入提前准备好的石膏模中。优选地，所述抽真空脱泡是指加入0.05～0.1wt％的正丁醇消泡剂后，在真空度-0.10Mpa条件下进行脱泡处理。进一步地，通过加热烘干将剩余的粘合剂冲石膏模中剔除。接着将盛有氧化锆的石膏模在1200℃至1300℃下结烧，进行修坯后再在1400℃至1700℃下结烧制成基体。进一步地，将氢氟酸与蒸馏水混合为5％至10％的氢氟酸溶液，再将制备好的基体置于其中，浸泡3个小时后将基体取出并干燥洗涤。在得到的基体上反复均匀地涂抹铂电极浆料后进行烘干，烘干后的基体在1100℃至1500℃下进行高温结烧得到电极。本申请提供的技术方案相对于现有技术其产生的有益效果如下：通过提出新的测量方法，实现了对不同种气体组分单独检测的功能，同时在满足准确性和灵敏度等要求的前提下实现了简化色谱装置硬件结构，降低成本的效果。本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。附图说明图1为本专利技术传感器结构示意图；图2为本专利技术传感器石膏模具示意图；图3为本专利技术传感器可燃物气体检测原理示意图；图4为本专利技术传感器检测变压器油中溶解气体结构框图；图5为本专利技术传感器H2浓度检测值与标准值对比图；图6为本专利技术传感器CH4浓度检测值与标准值对比图；图7为本专利技术传感器C2H4浓度检测值与标准值对比图；图8为本专利技术传感器C2H6浓度检测值与标准值对比图；图9为本专利技术传感器C2H2浓度检测值与标准值对比图。具体实施方式下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例一一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，由加热炉5和传感器主体构成，其特征在于所述加热炉5内部空腔内存在热电偶6，所述传感器主体包括基座和主题外壳，所述主体外壳呈筒状，基座上扣于主体外壳且二者间可以一体化铸成；所述基座包括基座主体和陶瓷导管4，陶瓷导管4贯穿基座主体，基座主体内存在导气孔；所述主体外壳由固体电解质3制成，其远离基座一端伸入加热炉中且与加热炉5固定，二者间可以一体化铸成，主体外壳内测壳壁区域为阳极电极3，壳壁外侧为阴极电极2，阳极和阴极电极上各有一根导线引出至如图4所示的传感器外部其他器件。传感器工作时，加热炉5将内部空腔内温度加热，通过热电偶6的反馈，将温度控制在600℃至1000℃，同时陶瓷导管4向传感器主体中通入待测气体。由于所述壳壁内外侧存在氧浓差，在高温和贵金属催的条件下，所述壳壁内外侧会生成氧浓差电动势；与此同时，当待测气体中存在可燃气体时，阳极3处亦会发生如图3所示的电化学反应，生成电化学电动势。所述电化学电动势与氧浓差电动势通过阴极和阳极的导线将氧浓差电动势传输至传感器外部，并以此总电动势作为检测待测气体成分的基础。在本实施例中，主体外壳为圆筒形。在其他实施例中，主体外壳是可以为其他形状，比如下小上大的圆台形。为了更精准的检测待测气体中各组分，色谱检测传感器的工作温度优选为700℃。实施例二一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器制备方法，包括固体电解质的制备和电极的制备首先，按图纸制成石膏模以备用，将摩尔比为8％的氧化钇和4％的氧化钪混合为稳定的氧化锆粉末。将干料比重为3％至5％的阿拉伯胶与蒸馏水充分混合为粘合剂并在其中加入氧化锆粉末充分混合。混合后的材料经过400目筛充分研磨过筛后通过真空脱泡操作，得到细化氧化锆，并将其置入提前准备好的石膏模中。通过加热烘干将剩余的粘合剂冲石膏模中剔除。接着将盛有氧化锆的石膏模在1200℃至1300℃下结烧，进行修坯后再在1400℃至1700℃下结烧制成基体。将氢氟酸与蒸馏水混合为5％至10％的氢氟酸溶液，再将制备好的基体置于其中，浸泡3个小时后将基体取出并干燥洗涤。在得到的基体上反复均匀地涂抹铂电极浆料后进行烘干，烘干后的基体在1100℃至1500℃下进行高温结烧得到电极。为了更好地对氧化锆进行提纯，上述步骤中，抽真空脱泡是指加入0.05～0.1wt％的正丁醇消泡剂后，在真空度-0.10Mpa条件下进行脱泡处理。实施例三本专利技术基于氧浓差电池模型及Nernst方程构建了传感器的定量数学模型(N-S模型)，具体过程如下：依据Nernst方程，可有如下表述式中，R、T、n与F分别代表标准气体常数、检测器的工作温度、电极上的得失电子数及法拉第常数，P0为参考侧氧分压，PX是被测气体中氧分压，假设对应的氧气浓度为Cx，令a＝RT/nF，根据上式假设在很小的时间间隔内，检测系统的流量为L，标准大气压为P，则可以得到dt时间内流走的载气中的氧气量(mol)为：设t1为出峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，包括加热炉(5)和传感器主体，其特征在于所述传感器主体包括基座和筒状主体外壳，基座上扣于主体外壳，所述基座包括基座主体和陶瓷导管(4)，陶瓷导管(4)贯穿基座主体，基座主体内存在导气孔；所述主体外壳由固体电解质(1)制成，主体外壳内侧壳壁区域为阳极电极(3)，壳壁外侧为阴极电极(2)，阳极和阴极电极上各有一根导线引出至传感器外部。

【技术特征摘要】
1.一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器，包括加热炉(5)和传感器主体，其特征在于所述传感器主体包括基座和筒状主体外壳，基座上扣于主体外壳，所述基座包括基座主体和陶瓷导管(4)，陶瓷导管(4)贯穿基座主体，基座主体内存在导气孔；所述主体外壳由固体电解质(1)制成，主体外壳内侧壳壁区域为阳极电极(3)，壳壁外侧为阴极电极(2)，阳极和阴极电极上各有一根导线引出至传感器外部。2.如权利要求1所述的色谱检测传感器，其特征在于所述加热炉内部空腔内还包括热电偶(6)。3.如权利要求1所述的色谱检测传感器，其特征在于所述加热炉(5)与主体外壳的连接方式为：外壳远离基座一端伸入加热炉中且与加热炉一体化铸成。4.一种新型掺杂氧化锆固体燃料电池的色谱检测传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，按图纸制成石膏模以备用，将摩尔比为8％的氧化钇和4％的氧化钪混合为稳定的氧化锆粉末；将干料比重为3％至5％的阿拉伯胶与蒸馏水充分混合为粘合剂并在其中加入氧化锆粉末充分混合。第二步，混合后的材料经过400目筛，充分研磨过筛后通过真空脱泡操作，得到细化氧化锆，并将其置入提前准备好的石膏模中。通过加热烘干...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶佳卓，周朝霞，樊承阳，周宁博，邓双喜，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43