用于耐压力变化的扩散限制气体传感器的层压膜制造技术

一种具有层压可透气膜的微燃料电池传感器。传感器包括：外壳，相互之间隔开的第一和第二气体扩散电极，含有酸性电解质的燃料电池隔板布置在所述第一和第二电极之间，和两种可透气膜。第一可透气膜包括层压在金属基质上的聚合物，其中，所述基质包含尺寸至少小于聚合物膜厚度一半的孔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种带有层压膜的传感器，其分析溶于介电油中的气体。具体地，本专利技术涉及一种带有层压膜的传感器，其测量溶解的氢，在例如变压器中的传感器的正常使用期间，所述层压膜耐受压力变化。本专利技术还涉及一种包含测量溶解气体的传感器的仪器。
技术介绍
一种用于测量气流中氢含量和氢分压的仪器在Babes-Dornea的美国专利6,506,296中公开。其它测量溶于液体中氢的方法在Belanger的美国专利4,271,474和4,293,399中公开。用微燃料电池传感器测量溶于油中气体的应用在本领域是熟知的。典型地，微燃料电池包括由电解质分开的两个电极。这些装置还包含聚合物膜，其允许溶解气体渗透但不允许溶解该气体的油渗透。包含在这些装置中的聚合物膜是非常敏感的物质，虽然它们的厚度仅仅为约25微米到约250微米(1和10密耳)。如同通常用在工业中的一样，标准微燃料电池传感器连接到含有介电油的装置上，如变压器。在正常操作过程中，这些传感器察看大范围的温度和压力变化。这些温度和压力变化可能引起这些聚合物膜的损坏。为了克服这种高压效应，可以用多孔金属片支撑圆形聚合物膜。带有支撑膜的传感器可以耐受最大约10.3Mpa或1500psi的正压而对膜没有明显的损坏。虽然传感器内部的支撑膜得到保护以抵抗施加的正压，但仍然不耐负压(真空)，这样负压是当传感器外部压力变得小于内部压力时产生的。负压情况在膜上产生应力引起膜的破裂。一旦膜破裂，传感器便被介电油“淹没”，这引起传感器发生故障。这些真空事故通常在变压器维修期间发生，占现场作业期间传感器故障的～80％。另外，在操作过程中，温度变化也引起薄膜的热膨胀和热收缩，这影响膜的渗透性并因此影响传感器的可靠性。面对油一侧的膜不能用多孔圆片(探测器的外部)保护，因为油将浸湿多孔结构，进而阻碍气体向膜的循环。因此，需要一种聚合物膜，其允许传感器在正常操作期间得到维护和使用并且保持传感器的可靠性和防止传感器发生故障。最后，还需要开发包含微燃料电池传感器的仪器，其将测量介电油中溶解的气体。
技术实现思路
因此，正如本专利技术所体现的，一种微燃料电池传感器，其包括外壳；包含相互之间隔开的第一和第二气体扩散电极的感应元件，所述感应元件布置在所述外壳内；酸性电解质的燃料电池隔板，布置在所述第一和第二电极之间；第一可透气膜，其将所述第一电极与含有溶解气体的油分开并使溶解在油中的气体从此扩散通过，与所述第一电极隔开的所述第一膜能使气体扩散通过所述第一膜以便接触所述第一电极；第二可透气膜，其将所述第二电极与空气分开并限定第二膜槽(cavity)，使之与所述第一膜槽隔离。本专利技术的另一方面公开一种层压的可透气膜。所述膜包括层压到金属片上的聚合物并且所述膜是不透油的。气体通过层压膜的渗透速率小于发生在传感器中的电化学气体检测反应的速率。膜中聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)、全氟烷氧基PTFE(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺、聚乙烯(PE)、聚醚酯酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC)和聚氨酯中的至少一种，并且膜的厚度为约1密耳(25微米)～约10密耳(250微米)。可透气膜还包括多孔金属片，其支撑正压和负压下的所述聚合物膜。多孔金属片还包括不锈钢、高镍和镍-铜合金、青铜和钛中的至少一种。多孔金属片还包含孔，其中金属片的孔的大小约小于或等于聚合物厚度的一半。金属片的孔的尺寸远大于传感器要分析的气体分子的尺寸。一种用于测量溶于油的气体的仪器，其包含一个外壳；一个布置在所述外壳中的微燃料电池传感器；一个盖部件；所述传感器包括一个感应元件，其包括相互隔开的第一和第二气体扩散电极，所述感应元件布置在所述外壳内；含有酸性电解质的燃料电池隔板布置在所述第一和第二电极之间；第一可透气膜，其将所述第一电极与含有溶解气体的油分开并能使溶于油中的气体从此扩散通过，所述第一膜与所述第一电极隔开，其能使气体通过所述第一膜扩散以便与第一电极接触；第二可透气膜，其将所述第二电极与空气分开并且以此限定第二膜槽，使之与所述第一膜槽隔离。附图说明图1是一个微燃料电池传感器组件的分解剖面图。图2是微燃料电池传感器主体的剖面图，带有如图3所示的盖组件，用来容纳图1的微燃料电池传感器。图3是图2微燃料电池传感器主体的盖组件的剖面图。图4说明多孔金属基片上的聚合物膜。具体实施例方式参考图1和2，这些图说明根据本专利技术的一个紧凑型燃料电池传感器装置10的实例，其被连接到在含有例如介电流体的容器壁的器壁之一上提供的一个孔。图1说明一个用来测量介电油中氢分压的微燃料电池传感器组件10的详细分解图。图2说明装配好的传感器仪器65的剖面图。本实施方案中传感器的实际组件与公开在Babes-Dornea‘296和‘257中的气体传感器相似。虽然示范性的实施方案是用来测量介电油中溶解的氢，但是，本专利技术还可以用来测量除了本文所介绍之外的流体体系中溶解的其它气体。燃料电池传感器装置65含有包括固定元件11和凸出元件71的空心探针基体11。固定元件11有一个插口用来接收例如燃料电池元件的传感器的其它元件。凸出元件71具有中心通道75和带螺纹的外表面77。正如可以从图1看到的那样，当单独拿出探针基体65(即，除去装配好的传感器装置所看到的)时，插口和中心通道75相互连通。燃料电池传感器装置65具有气体提取膜1，其具有流入液侧和气体侧；气体提取膜1可以具有聚合物材料的性质。因此，气体提取膜1的布置是为了使其一侧与流体(未示出)接触，所述流体含有故障气体如氢气，下文中也称气体提取膜1为层压膜元件或聚合物层压膜。O形密封圈100和101布置在气体提取膜1的各个侧面，以便提供围绕气体提取膜1的不透流体的密封。气体提取膜1因此将中心通道75和插口分开，以便在使用期间，当中心通道75充满流体时，仅仅气体(例如，氢气)可以从气体提取膜1的介电流体侧通过到达其没有气体的对侧。将如上所述的传感器10适合地放置在如图2说明的燃料电池传感器装置65中。燃料电池传感器65具有聚合层压膜元件1和限定中间燃料电池杯2的固定装置。中间燃料电池杯2是可插入插口中的。外部气流通过小孔60限定的插口接收到传感器基体11中。中间燃料电池杯2具有提供了小孔60的底板。聚合物层压膜元件1和O形密封环99和100也可插入到插口中，使得当中间燃料电池杯2在适当的位置固定到插口中时，聚合物层压膜支撑元件1和O形密封环99和100保持在适当的位置，以便提供上述围绕聚合物层压膜1的不透液体的密封。利用任何合适的装置，在适当的位置使中间燃料电池杯2固定到固定元件11上，例如，但不限于，多个沉孔螺钉和锁紧垫圈组合，其未显示。燃料电池传感器装置65也具有限定可插入所示的中间燃料电池杯2中的内燃料电池杯3的装置。内燃料电池杯3也具有提供了小孔61的底板。可以看到，中间和内燃料电池杯的底板中的小孔是沿着燃料电池传感器装置65的纵轴对齐。O形密封环101布置在中间和内燃料电池杯的底板之间。也给内燃料电池杯3提供了一个燃料电池盖9。燃料电池盖9有一个凸出部分，其可插入到所示的内燃料电池杯3中。燃料电池盖9有一个中心孔和一个较小的孔，较小孔布置在较大开孔的一侧；较小孔有利于含氧气体进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在流体流中进行测量的微燃料电池传感器（１０，６５），所述传感器包括：　　　　外壳（３，１１）；　　　　感应元件，其包括相互隔开的第一和第二气体扩散电极（４－１，４－２），所述感应元件布置在所述外壳内；　　　　含有酸性电解质的燃料电池隔板（５），其布置在所述第一和第二电极之间；　　　　可透气膜（１），其将含有溶解气体的油与所述第一电极分开并且使溶解于油中的气体由此扩散通过，与所述第一电极分开的所述第一膜能使气体扩散通过所述第一膜以便与所述第一电极接触；　　　　第二可透气膜（７），其将所述第二电极与大气分开并且限定第二膜槽，使之与所述第一膜槽隔离。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：E巴贝什多尔尼亚，Y格林库尔特，C博谢明，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]