[发明专利]一种耐高温、辐照和振动的测氢电极组及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐高温、辐照和振动的测氢电极组及其制备方法，解决了现有技术中核领域的电化学氢气浓度传感器的测氢电极对寿命相对较短、响应时间慢，而常规的电极并不能有效适用于核领域中电化学氢气浓度传感器使用的问题。本发明包括工作电极和对电极；所述工作电极包括通过喷砂工艺处理后的基材和烧结在基材上的铂黑涂层，基材包括支撑骨架，与支撑骨架连通的引出导线，固定在支撑骨架相对两侧的铂网；所述铂黑涂层中铂黑粒径为50nm～200nm；所述对电极包括基材和烧结在基材上的二氧化铂涂层，所述二氧化铂涂层中二氧化铂粒径为100nm～200nm。本发明具有使用寿命长、响应时间短、适用于核电厂严重事故工况下高温和振动环境等优点。

技术领域

本发明涉及核领域用氢测量领域，具体涉及一种耐高温、辐照和振动的测氢电极组及其制备方法。

背景技术

根据我国核安全法规的规定和核电厂的设计要求，在核电厂安全壳内必须配备氢浓度测量装置。对于氢气浓度监测系统特殊要求为：1)采用直接测量的方式；2)传感器及其信号传输设备在安全壳内，要求耐核电站严重事故下的高温、高湿、高辐照、等恶劣环境条件；3)响应时间快；4)使用维护方便，寿命长。

已经应用于三代核电站中的氢气浓度监测装置采用原理的主要为以下三种：

1)热导法测氢装置在应用中需设置样气处理系统，结构复杂，伴热系统受严重事故温度影响较大，水蒸气和氢气爆炸冲击会导致传感器损坏，在严重事故下测氢应用受到一定局限性。

2)催化反应温度变化法测氢装置结构简单，无需样气处理，传感器耐高温、耐辐照，但是精度较差、测氢范围小，电极寿命短，使用维护成本高，在三代核电站中发展和应用受到限制。

3)电化学反应法原理测氢装置可以实现在线监测，安全壳内无电子部件，对氢气选择性强，结构简单，无需对气体进行预处理，但是技术新，氢电极对制备工艺复杂，传感器材料选择难。

电化学反应测量原理是利用电化学传感器监测气体中的氢气浓度分压，利用压力传感器监测气体的总压，结合了分压和总压力信号，从而表示出所需体积百分数测量值。

氢气浓度计算公式为：

式中：c_H待测气体中氢气的体积浓度，vol％；p_part氢气在待测气体中的分压，atm；p_total待测气体环境总压力，atm；

电化学氢气浓度传感器是本测量方法的核心。传感器是一种自供电化学装置，它可产生与大气中氢分压成正比电信号。氢气浓度传感器为电化学测试设备，传感器包括工作电极对电极及电解质溶液以及气体透过膜等。

电化学反应如下：

2H⁺+2e^-+PtO₂→PtO+H₂O

工作电极上涂覆使氢气发生电离的高效活化型铂黑催化剂，对电极表面涂覆氧化铂，电极浸在酸性电解质H₂SO₄中，电解质提供了离子导电通路，气体渗透膜将电池电解质与环境大气中分离。氢浓度传感器用于输出与氢气浓度相关的电信号。

目前，现有技术中以铂黑电极和二氧化铂电极作为测氢电极对的电化学氢气浓度传感器，其仅能适用于60℃以下，且寿命较短(测氢条件下6个月)，并且电极基材表面的催化剂容易脱落，不满足核电厂严重事故工况下氢气浓度的连续监测和使用维护要求。

而根据相关文献，发明专利201510229047.X中提出的一种铂网担载氧化铂电极材料及其制备方法，该方法制备的二氧化铂电极在高温和振动条件下，二氧化铂涂层易脱落，寿命相对较短，且存在响应时间慢的问题，其并不能有效适用于核电厂严重事故工况下氢气浓度的连续监测和使用维护要求。