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The principle classification and function of hydrogen sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 12:06:18

At present, the most common hydrogen sensors include catalytic type, electrochemical type, electrical type (metal oxide semiconductor, Schottky diode, etc.) and thermal conductivity type sensors, etc. In addition, because of the advantages of no spark, anti-electromagnetic interference ability, optical sensors are increasingly favored. Next, the author will introduce the basic working principle and main advantages and disadvantages of the above five types of hydrogen sensors one by one.


(1) Catalytic hydrogen sensor


Catalytic hydrogen sensors use the oxidation of gas on the surface of the electric heating catalytic element to detect combustible gas. This oxidation requires the use of oxygen in the air and releases heat causing the temperature of the sensing element to rise, depending on the concentration of the gas. The most common type of catalytic sensor is the "rheostatic type," which consists of two ceramic beads embedded with platinum wires. One of the ceramic beads is coated with a catalytic material that oxidizes when it encounters hydrogen, causing the temperature on the bead to rise, which changes the resistance of the platinum wire. At the same time, the platinum wire also acts as a heater, requiring the ceramic beads to be heated to a specified temperature beforehand. A Wheatstone bridge is needed to accurately measure resistance changes caused by temperature changes.

Element scheme of "rheostat type" catalytic sensor

Element scheme of "rheostat type" catalytic sensor


Another common type of catalytic sensor is the thermoelectric sensor, which also takes advantage of the principle that hydrogen gas is oxidized to release heat, but uses the thermoelectric effect in the step of converting the heat signal to an electrical signal, rather than using the Wyeth bridge to measure the change in resistance caused by temperature rise. The catalytic hydrogen sensor has the advantages of mature technology, compact structure, small volume and very wide test range, but it also has obvious disadvantages. First, the catalytic hydrogen sensor is sensitive to any other combustible gas and cannot distinguish hydrogen from other combustible gas. Second, the oxidation reaction requires oxygen in the air, the explosion-proof performance of the sensor itself is poor; Third, catalysts can be poisoned by trace gases, such as silicone (i.e., polysiloxane) and hydrogen sulfide, and require regular calibration and replacement.

Measurement principle of "rheostat type" catalytic sensor
Measurement principle of "rheostat type" catalytic sensor


(2) electrochemical hydrogen sensor


Electrochemical hydrogen sensors can be divided into two categories: current type and potential type. The current type sensor detects hydrogen concentration by measuring the current generated by an electrochemical reaction, which occurs on the surface of the sensor electrode coated with a catalyst (such as platinum). In general, electrochemical hydrogen sensors have the metal anode and cathode immersed in an electrolyte (e.g., H2 SO4) to allow ions to transfer charge between the two electrodes. Because the current is proportional to the hydrogen concentration, the hydrogen concentration can be determined by measuring the current. Advanced electrochemical hydrogen sensors use a solid polymer electrolyte, which eliminates the risk of leakage when using liquid electrolytes.

Measurement Principle of electrochemical Hydrogen Sensor (current type)

Measurement Principle of electrochemical Hydrogen Sensor (current type)


The difference between potential type sensor and current type sensor is that: current type sensor is working under constant voltage, sensor signal is current; The potential sensor works under zero current (open circuit), and the sensor signal is the potential difference between the test electrode and the reference electrode. Electrochemical hydrogen sensor has high sensitivity and accuracy, compact structure, and very small power consumption in the operation process, so it has preliminarily met the conditions for commercialization. At present, the main problem to be solved is the longevity problem -- electrode catalysts are easily poisoned by other gases in engineering applications, resulting in the accuracy of electrochemical hydrogen sensors will decrease over time. In addition, the narrow operating temperature is also the disadvantage of some electrochemical hydrogen sensors.


(3) Electrical hydrogen sensor


Electrical hydrogen sensors can be divided into resistive and non-resistive types. The former is typically represented by metal oxide semiconductor sensors, while the latter mainly uses Schottky diodes or MosFETs for measurement. Among them, the metal oxide semiconductor sensor is more common. The sensor has two electrodes. The substrate material between the electrodes is coated with a metal oxide film (such as tin oxide). The film acts as a hydrogen-sensitive material and its conductivity changes when it interacts with hydrogen gas (Figure 9-4). Thus, the change in semiconductor conductivity can be used as a measure of hydrogen concentration. The electric hydrogen sensor has the advantages of low cost, long life, low power consumption and miniaturization, so it has the potential of large-scale application. However, it is not selective to hydrogen, easy to be interfered by common gases such as water vapor, and has problems such as high operating temperature, slow start-up, non-linear, easy to be polluted.

Diagram of a metal oxide semiconductor sensor

Diagram of a metal oxide semiconductor sensor


(4) thermal conductivity hydrogen sensor


The thermal conductivity hydrogen sensor relies on the high thermal conductivity of hydrogen for detection. Thermal conductivity is a unique property of each gas. Among all known gases, hydrogen has the highest thermal conductivity under normal conditions (around 273K and 101325Pa). Therefore, using air as a reference gas, hydrogen concentration can be determined according to the change of thermal conductivity. A schematic diagram of a heat-conductive hydrogen sensor is shown below. By measuring the thermal conductivity of the gas under test and comparing it with the reference gas, the concentration of hydrogen in the binary mixture can be determined. Two identical thermistors are used to convert the thermal conductivity signal into an electrical signal. One resistor is in contact with the gas to be measured and the other with the reference gas. The temperature (resistance) of a thermistor depends on the thermal conductivity of the surrounding gas, which is proportional to the concentration of hydrogen in the gas mix.

Schematic diagram of a thermal conductivity hydrogen sensor

Schematic diagram of a thermal conductivity hydrogen sensor


Because there are no chemical reactions, the thermoconductive hydrogen sensor is relatively stable and has a long service life, and is particularly suitable for detecting high concentrations of hydrogen. However, at the same time, it is difficult to detect very low hydrogen concentration. It is usually necessary to use with other types of hydrogen sensors, or through sensor miniaturization technology to improve the above shortcomings.


(5) Optical hydrogen sensor


There are many types of optical hydrogen sensor, among which optical fiber hydrogen sensor is the most common. Fiber optic hydrogen sensor can be divided into microlens type, interference type, disappearing field type, fiber Bragg grating type and other types, but the basic principle is to combine fiber with hydrogen sensitive material, hydrogen sensitive material and hydrogen contact interaction, cause the change of physical properties of the fiber, and then change the optical characteristics of the transmitted light in the fiber. Finally, the hydrogen concentration is determined by detecting the change of a characteristic physical quantity of the output light. The most commonly used hydrogen sensor in fiber optic hydrogen sensor is palladium film. Different types of sensors take advantage of different physical quantity changes. For example, interferometric fiber hydrogen sensor takes advantage of the principle of volume expansion after palladium film interacts with hydrogen gas, stretching fiber, increasing optical path and then changing phase. The fiber Bragg grating hydrogen sensor also uses the principle of volume expansion after the interaction between palladium film and hydrogen, but it determines the hydrogen concentration by measuring the change of grating distance. The microlens fiber hydrogen sensor takes advantage of the principle that the reflectivity and refractive index of palladium change after the adsorption of hydrogen into palladium hydride.


Optical hydrogen sensor transmission signal is optical signal, there is no risk of becoming ignition source, so it is particularly suitable for use in flammable and explosive environment. At the same time, it also has the advantages of wide monitoring area, operating in anaerobic environment, anti-electromagnetic interference and so on. However, optical sensors are also susceptible to ambient light interference and are too sensitive to temperature changes.


summary


Hydrogen sensor is one of the key components in the field of hydrogen energy, which can quantify and detect hydrogen leakage. It is the core and foundation of hydrogen alarm device, and has great significance for improving hydrogen safety. At present, Drksir researchers have successfully developed a variety of hydrogen sensors based on different working principles, and many more promising and attractive hydrogen sensors are in the laboratory stage. However, at present, almost all types of hydrogen sensors have high cost, short life, anti-interference is not strong enough problems, there is still a certain gap from mass production, "into the thousands of households" requirements, such as Dexil's research and development strength of the team is not much. On the one hand, it is necessary to continue to optimize the existing sensor types. On the other hand, innovation should also be persisted to find new scientific principles that can be used for hydrogen sensor, so as to realize the breakthrough of hydrogen sensor as soon as possible.



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量子电导型传感器市场前景与技术应用分析

量子电导型传感器市场前景与技术应用分析

        量子电导型传感器(QuantumTunnelingConductanceSensors,简称QTC传感器)是一种基于量子隧穿效应的新型传感器技术,近年来因其独特的性能优势(如高灵敏度、快速响应、低能耗等)而受到广泛关注。尤其是在氢气检测领域,量子电导型传感器被认为是下一代氢气传感器的重要发展方向之一。以下是对量子电导型传感器未来市场前景的分析:        1.氢能行业的快速发展推动需求        随着全球能源转型和“双碳”目标的推进,氢能在交通、工业和能源储存领域的应用正在迅速增长。例如:        •燃料电池汽车:氢燃料电池汽车(FCEV)的推广需要高精度、可靠的氢气传感器来检测氢气泄漏、纯度等关键参数。        •工业应用:氢气在工业生产中的使用(如炼钢、化工等)也需要传感器来监测氢气浓度。        •氢能储存与运输:氢气储存和运输的安全性要求极高,量子电导型传感器的高灵敏度和快速响应特性非常适合这一领域。        市场潜力:        •氢能行业的快速发展将直接推动氢气传感器的需求增长。        •量子电导型传感器作为更先进的技术,未来有望成为市场主流。        2.技术优势明显,应用场景广泛        量子电导型传感器的核心优势在于:        •高灵敏度:能够检测极低浓度的氢气(甚至ppm级别)。        •快速响应:响应时间短,适合实时监测。        •低能耗:功耗极低,适合电池供电设备。        •小型化:传感器体积小,便于集成到各种设备中。        这些特性不仅使其在氢气检测领域具有竞争力,还可能拓展到其他气体检测领域(如一氧化碳、甲烷等),甚至在医疗诊断、环境监测等领域发挥作用。        应用场景:        •工业安全:氢气泄漏检测。        •燃料电池系统:氢气纯度和浓度监测。        •环境监测:检测有害气体(如甲烷、一氧化碳等)。        •医疗领域:用于呼吸气体分析或生物标志物检测。        •智能家居:气体泄漏检测和环境监测。        3.产业化进程逐步推进        目前,量子电导型传感器技术仍处于实验室研究向产业化过渡的阶段。部分企业(如国外的Quspin、Dexerials等)已经开始尝试小批量生产,但大规模商业化仍需时间。        未来趋势:        •随着技术的成熟和制造成本的下降,量子电导型传感器的产业化进程将加速。        •德克西尔(Dexerials)或其他企业能够实现量产,可能会带动整个行业的技术进步和市场普及。        4.政策支持与投资热潮        •政策支持:各国政府都在积极推动氢能产业发展,例如中国“十四五”规划中明确提出要发展氢能技术,这为氢气传感器市场提供了政策保障。        •投资热潮:随着量子传感器技术的热度上升,越来越多的资金开始流向这一领域,尤其是在氢能和物联网(IoT)相关的传感器技术上。        市场规模预测:        •根据行业研究机构的预测,全球氢气传感器市场规模在未来几年内将保持快速增长,年复合增长率(CAGR)可能在10%-15%之间。        •量子电导型传感器作为更先进的技术,预计将成为高端传感器市场的主流产品,市场占比逐步提升。        5.挑战与机遇        •挑战:        •技术复杂性高,制造工艺要求严格。        •当前成本较高,限制了大规模应用。        •市场认知度低,需要时间和资源进行推广。        •机遇:        •氢能行业的巨大需求为传感器技术提供了广阔的应用场景。        •传感器技术的升级换代趋势,为量子电导型传感器的市场推广创造了机会。        •政策支持和资本投入加速了技术的产业化进程。        总结        量子电导型传感器的未来市场前景非常广阔,尤其是在氢能行业的快速发展和政策支持的背景下。其高灵敏度、快速响应和低能耗的优势使其成为下一代气体传感器的重要候选技术。然而,目前技术仍处于产业化初期,大规模商业化还需要克服成本和技术瓶颈。不过德克西尔(DrKsir)已基本实现了量产,产品也受到了市场的一致好评,相信在未来几年可能会成为高端传感器市场的主流产品之一。
2025.05.13
氢能源技术未来发展趋势分析

氢能源技术未来发展趋势分析

        氢能源,这个曾经被不少人认为是“未来能源”的概念,正在一步步走向现实。随着全球对绿色能源需求的增加,氢能源因其清洁、高效和可持续的特点,逐渐成为能源转型的重要方向。那么,未来氢能源技术会朝着哪些方向发展呢?让我们一起来聊聊。        一、制氢技术:更高效、更清洁        制氢技术是氢能源产业链的起点,也是决定氢能源能否大规模应用的关键。目前,主要的制氢方式有电解水制氢、工业副产氢提纯和甲烷重整制氢等。但这些技术还存在成本高、效率低或碳排放等问题。未来,制氢技术将朝着更高效、更清洁的方向发展。        1.电解水制氢:绿氢的“主力军”        电解水制氢的核心是利用电力将水分解成氢气和氧气。如果用可再生能源(比如风能、太阳能)作为电力来源,就能制取“绿氢”,也就是零碳排放的氢气。随着可再生能源成本的下降和电解水技术的优化,绿氢的生产成本会越来越低,成为未来制氢的“主力军”。想象一下,未来的加氢站可能直接用太阳能发电来制氢,既环保又省钱。        2.工业副产氢:变废为宝        在化工、钢铁等行业中,生产过程中会产生大量副产氢。这些氢气以前大多被浪费掉了,但未来,通过技术升级,这些氢气可以被高效提纯并利用。这样一来,不仅减少了资源浪费,还能降低制氢成本,一举两得。        3.新型制氢技术:光催化和生物制氢        光催化制氢和生物制氢是两种非常有潜力的新型技术。光催化制氢利用太阳光分解水,理论上可以在任何有阳光的地方制氢,完全零排放。而生物制氢则通过微生物或植物代谢产生氢气,这种方式更加环保,也更容易实现可持续发展。虽然这些技术目前还处于实验室阶段,但未来一旦突破,可能会彻底改变制氢的方式。        二、储运技术:更安全、更经济        氢气的储存和运输是氢能源发展的“拦路虎”。氢气不仅易燃易爆,而且储存密度低,运输成本高。未来,储运技术必须突破这些瓶颈,才能让氢能源真正走进千家万户。        1.高压储氢:轻量化、耐高压        高压储氢是目前最常用的方式,但储氢罐的重量和成本一直是问题。未来,通过材料科学的进步,可能会研发出更轻量化、耐高压的储氢材料。比如,用碳纤维复合材料制成的储氢罐,不仅更安全,还能大幅降低重量,提升储氢效率。        2.液氢储运:长距离、大规模        液氢储运技术适用于长距离、大规模的氢气运输。液氢的体积比气态氢小得多,运输效率更高。但液氢的制备需要复杂的冷却技术,成本也比较高。未来,随着液化技术的进步和成本的降低,液氢储运可能会成为重要的运输方式之一。        3.固态储氢:高密度、安全可靠        固态储氢通过金属氢化物或纳米材料储氢,具有储氢密度高、安全性好的优点。未来,如果固态储氢技术能够突破,氢气的储存和运输将变得更加方便和安全。比如,未来的氢气瓶可能像普通水瓶一样轻便,但储存的氢气量却非常大。        三、氢能应用:更多元、更普及        氢能源的应用领域非常广泛,从交通到工业,从建筑到电力,几乎无所不能。未来,氢能的应用将更加多元化和普及化。        1.燃料电池汽车:加氢快、续航长        燃料电池汽车(FCEV)以其零排放、长续航和快速加注的特点,成为氢能交通的重要方向。未来,随着加氢站网络的完善和燃料电池技术的进步,燃料电池汽车的市场占有率可能会进一步提升。也许在不久的将来,氢能汽车会像现在的电动车一样普及。        2.氢能工业和建筑:高效又环保        氢能可以用于工业生产中的高温加热、冶金和水泥制造等过程,同时也可以作为建筑供暖和发电的能源来源。未来,氢能可能会在工业和建筑领域发挥更大的作用。比如,工厂可以用氢能代替传统的化石燃料,减少碳排放;家庭可以用氢能发电,实现能源自给自足。        3.氢能储能:解决可再生能源的“不稳定”        可再生能源(如风能、太阳能)最大的问题是波动性和间歇性。氢能可以作为一种储能介质,把多余的可再生能源转化为氢气储存起来,需要的时候再用。这种方式不仅解决了可再生能源的“不稳定”问题,还提高了能源的利用率。        四、技术创新与智能化管理:氢能的“大脑”和“心脏”        氢能源技术的未来发展离不开技术创新和智能化管理的支持。这两者就像氢能的“大脑”和“心脏”,缺一不可。        1.材料科学:让氢能更高效、更耐用        氢能源技术的核心材料包括催化剂、膜材料和储氢材料等。通过研发新型材料,可以提高氢能源系统的效率和寿命,降低成本。比如,未来的燃料电池可能会用上更高效的催化剂,让发电效率翻倍。        2.智能化管理:让氢能更“聪明”        氢能源系统的智能化管理可以实现氢气的实时监测、优化调度和安全预警。通过物联网、大数据和人工智能技术的应用,氢能源系统将更加高效和可靠。比如,未来的加氢站可能会用智能系统来预测氢气需求,自动调整生产量,避免浪费。        五、政策支持与市场环境:氢能的“推手”        政策支持和市场环境是氢能源技术发展的外部驱动力。未来,随着各国政府对氢能源的重视,相关政策和法规将逐步完善。        1.政府补贴与税收优惠        各国政府通过补贴、税收优惠和采购政策,鼓励氢能源技术的研发和应用。这些政策将加速氢能源技术的商业化进程。比如,有些国家已经对购买燃料电池汽车的消费者提供补贴,刺激市场增长。        2.基础设施建设        加氢站、氢气管道等基础设施的建设是氢能源广泛应用的前提。未来,随着基础设施的完善,氢能源的市场环境将更加成熟。想象一下,未来的城市里,加氢站可能和加油站一样普及,氢能汽车的用户再也不用担心找不到加氢的地方。        六、未来展望:氢能的“黄金时代”        综合来看,氢能源技术的未来发展趋势是高效化、清洁化、多元化和智能化。随着技术的进步和政策的支持,氢能源将在全球能源结构中占据重要地位,为实现碳中和目标提供有力支持。        当然,氢能的发展也面临一些挑战,比如技术突破、成本降低和市场推广等。但只要各方共同努力,通过技术创新和合作,这些挑战都将被克服。未来,氢能可能会成为全球能源转型的重要支柱,为人类创造一个更加清洁、可持续的能源未来。
2025.04.28
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