溫馨提示：關注微信公眾號，回復數字"1"，了解氫燃料電池原理，"2"，電堆生產工藝，回復數字"3"，雙極板生產工藝，回復數字"4"：產業鏈報告分享及下載，回復數字"5"儲氫罐生產

一、背景及定義

氫燃料電池以氫能作為動力源，將化學能直接轉化成電能，能量轉換效率高，相較于純電動車搭載的動力鋰電池，氫燃料電池質量更輕，加氫3~5分鐘，續航里程則可高達600km，真正可實現“輕量化攜帶、高密度快充”。

由于具有綠色無污染、使用噪聲小、發電效率高等諸多優勢，氫燃料電池廣泛應用于無人機、乘用車、物流車、公共交通、重型卡車、城市特種車、倉儲貨運叉車和住宅供電等領域。

氫氣資源非常好，清潔、可再生，但它容易泄漏，且爆炸范圍非常寬，是目前波浪范圍最寬的一種氣體。探查氫氣非常具有挑戰性。此類氣體不可見、無味，但是易揮發，極易燃，空氣中只需含有4%的氫氣就能產生氫氧氣體，有時也稱為氫氧混合氣（knallgas），最小的火花都能將此類氣體點燃。

為了保證未來氫燃料汽車以及相關基礎設施的安全，必須探測空氣中微小含量的氫氣，而且氫氣傳感器的響應速度必須足夠快速，以便在起火發生之前探測到泄漏的氫氣。

氫氣傳感器是一種檢測氫氣濃度并產生響應信號的傳感裝置, 相比傳統的檢測儀器, 具有體積小、成本低、在線測量和響應時間短等優勢。

所以，從制氫站、儲氫站、運輸車、加氫站，到氫燃料電池汽車都需要對氫氣進行檢測，盡早發現泄漏，立馬關掉閥門并發出警報，降低安全隱患。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

圖：煒盛科技自主研發的車規級氫氣傳感器ZC61

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

二、分類及工作原理

1、催化型（Catalytic）

催化燃燒型傳感器的工作原理是可燃氣體與催化傳感器表面的氧反應釋放熱量。利用敏感元件、補償元件及固定電阻構成電橋，可燃氣體催化燃燒所產生的熱量傳導到被包裹的鉑線圈上，使線圈的電阻升高，從而引起傳感信號的橋路中電壓發生變化且與氣體濃度成正比，這一原理可用于檢測包括氫氣在內的任何可燃氣體。

催化燃燒型傳感器的歷史比較悠久，1923年Jones利用裸鉑絲提出了第一個催化燃燒型傳感器，并首次用于礦山中的甲烷檢測。裸鉑絲傳感元件結構簡單，制作容易，抗毒能力強，但是工作溫度較高使得器件升華，使用壽命大大縮小。為了進一步提高催化傳感器的性能，1959年Baker利用鉑絲圈上涂加載體和催化劑制備催化傳感器，首次提出pellistor的概念。這種催化元件，通常采用直徑為10～50μm的金屬Pt嵌在有耐火材料作為載體的金屬Pd催化劑內，隨著催化燃燒的進行，溫度升高導致Pt金屬絲的電阻升高，從而作為信號輸出。盡管隨后許多科研工作者進行了提高傳感性能的研究，但是催化燃燒式傳感器的結構和催化原理并沒有發生明顯改變，一直應用到今天。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用圖：催化燃燒式氫氣傳感器結構示意

1.1催化燃燒型

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

圖：催化燃燒H2傳感器

催化燃燒催化珠氫氣傳感器由兩個珠狀物組成，珠狀物圍繞著一根在高溫（450°C）下工作的電線。一個珠子沒有添加催化劑被鈍化，這樣當它與氫氣分子接觸時就不會發生反應，作為背景參考。另一個珠子被涂上催化劑以促進與氣體的反應。珠子通常放置在惠斯通電橋電路的獨立支腿上。當氫氣存在時，催化珠上的電阻增加，而鈍化珠上的電阻沒有變化。這改變了電橋的平衡，改變了輸出電壓值Vout。

催化燃燒型傳感器包括兩個鉑線圈。鉑線圈嵌入陶瓷珠中。鉑線圈有兩個功能，一是作為發熱器，二是作為阻性量熱計。其中一只瓷珠的表面涂有貴金屬催化劑（如鉑或鈀）。另一只表面沒有催化劑，作為基準元件。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用圖：催化燃燒型傳感器

兩個瓷珠被接入惠斯通電橋，比較線圈電阻。由于環境變化（如溫度，相對濕度等）對兩個瓷珠的影響接近，因此環境變化對測量的沖擊被補償了。傳感器工作時鉑線圈通過電流，被加熱至超過300度。氫分子在高溫下被吸附于催化劑表面并被氧化產生水。催化氧化產生的發熱使涂有催化劑的瓷珠溫度升高，并導致電阻變化。通過惠斯通電橋可以將兩個線圈的不平衡轉化為電學傳感信號。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用圖：催化燃燒型傳感器的測量電路

催化燃燒型氫傳感器是非常成熟的技術，被廣泛用于氫濃度測量（上至4%濃度，即氫氣的LFL）。催化燃燒型氫傳感器的使用環境范圍非常寬，通常可以應用于?20 to +70 ?C環溫，70–130 kPa壓力范圍和5-95%的相對濕度范圍。由于催化燃燒型氫傳感器可能老化（催化劑中毒，信號漂移，線性度下降），需要定期校準。測量不確定度通常小于測量值的5%，最快響應時間(t90)一般在8s左右。壽命通常是3-5年。

催化燃燒型氫傳感器也有一些缺點。一是選擇性差，由于該技術并非氫氣專用，還可以響應碳烴，一氧化碳等氣體。二是可能受到抑制劑的負面影響，如催化劑中毒。三是功耗較大，通常介于0.5W到3W之間。最后由于測量是基于氫氣的氧化反應（燃燒）,需要消耗氧氣，被測氣體中必須含有一定濃度的氧氣（通常最小在10%左右）。

圖：慧聞科技研發生產的SRE1012氫氣傳感器

1.2熱電學型

熱電學型傳感器也是基于氫的催化氧化的發熱產生電學傳感信號，不過電信號是通過熱電效性（Seebeck effect）產生的。熱電效應是指導體或半導體材料兩點之間的溫度差會導致電勢差。傳感材料的一面涂上催化劑，而另一面不涂，就會在傳感材料的兩面產生電學傳感信號。不過目前市面上還沒有應用這一技術的商用氫傳感器。

2、熱傳導型（Thermal conductivity）

圖：TCD熱導原理氫氣傳感器優利威

熱傳導型傳感器（簡稱TC或TCS）是利用不同氣體導熱率的不同來產生電學傳感信號。氫的導熱系數（0.174W/mK @20°C）比空氣的導熱系數（0.026W/mK @20°C）更高，利用這一差異可以測量空氣中的氫濃度。具體的工作原理是通過氣流帶走高溫瓷珠的熱量，測量瓷珠的溫度下降即計算出氫氣濃度。

傳感器的結構有些類似前面介紹的催化傳感型傳感器。兩個瓷珠分別嵌入熱敏電阻。其中一個瓷珠通過被測氣體，另一個通過標準氣體。兩個瓷珠嵌入的熱敏電阻接入惠斯通電橋。傳感器工作時瓷珠被加熱并通過氣體，由于不同瓷珠通過氣體的導熱率不同，因此溫度下降幅度不同，導致熱敏電阻的阻值不平衡，從而使惠斯通電橋產生電信號。類似于催化傳感型傳感器，通過標準氣流的瓷珠對于環境變化具有補償效應。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用圖：熱傳導型傳感器的測量電路

熱傳導型傳感器還有一種更現代的結構。這種結構取消了參考瓷珠，傳感器中有“熱”元件和“冷”元件，熱元件和冷元件保持溫差恒定。被測氣體將熱元件的熱量傳導給冷元件。為了維持熱元件的溫度，需要不斷加熱熱元件，通過測量加熱消耗的功率可以計算出氣體的熱傳導率，進而計算出被測氣體的氫濃度。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

圖：熱傳導型傳感器的新型結構

熱傳導型傳感器的優點是量程較寬，可以覆蓋<1-100%的氫氣濃度。但是這種方法很難測量極低濃度(ppm級)的氫氣。因此很多商用傳感器會將熱傳導型傳感元件與其他類型的傳感元件組合使用。熱傳導型傳感器不會有催化型傳感器的催化劑中毒問題，因此信號漂移較低，使用壽命更長。一般標稱的最小響應速度（t90）小于20s。

其他具有高熱傳導率的氣體，如氦氣，氬氣，甲烷或一氧化碳，會對氫氣測量造成干擾。

3、光學型傳感器

光學型氫氣傳感器利用光學變化來檢測氫氣，根據工作原理的不同，通常分為光纖氫氣傳感器、聲表面波氫氣傳感器、光聲氫氣傳感器3類，其中光纖氫傳感器具有本質安全性、耐腐蝕、適合遙感、抗電磁干擾等突出優勢，已成為研究的熱點。

光纖氫氣傳感器是利用光纖與氫敏材料結合，當氫敏材料與氫氣反應之后，光纖的物理特性改變從而導致光纖中透射光的光學特性發生變化。通過檢測與輸出光相對應的物理量的變化來測量氫氣濃度。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

圖：光纖氫氣傳感器結構示意圖

4、電化學型（Electrochemical）

電化學型氫氣傳感器的工作原理是氫氣與傳感電極發生電化學反應引起電荷傳輸或電學性質的變化，傳感器通過檢測化學信號的變化實現氫氣濃度檢測。

電化學型傳感器可以分為兩大類：電流型和電壓型。

4.1電流計型（Amperometric）

電流計型傳感器有三個電極，電極的材料一般是貴金屬，通常是鉑，充當氫氧反應的催化劑。電極間由恒壓源提供恒壓。電化學電池中容納了固態或液態的電解質，使離子可以在電極間移動。電流計型傳感器通常使用質子導電材料作為電解質。傳感電極的氫氣入口覆蓋了一個限制氫氣擴散的氣體滲透層，用來決定氣體流速。這一氣體滲透層也可以防止電解質泄漏，并防止氫氣以外的其他氣體滲透（改善選擇性）。

滲透進電池的氫氣在感應電極氧化，并導致電子從陽極往陰極流動形成電流，電流大小與氫氣濃度成正比。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

4.2電位計型（Potentiometric）

電位計型傳感器與電流計型傳感器的不同在于前者的工作電流為0，被測量為傳感電極與參考電極之間的電位差或電動勢。電極間的電位差與氫氣濃度相關。

電位差型傳感器的基本結構與電流計型類似，包括兩個接觸電解質的電極。電極材料為貴金屬，如鈀，鉑，金或銀。通常使用固態質子導電電解質。

電位計型傳感器可以測量的氫氣濃度從10ppm（氮氣中）到100%純氫。典型的響應時間為10-100s。與電流計型傳感器不同的是測量信號幾乎與傳感器的尺寸和形狀無關，因此易于小型化。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

5、電阻型（Resistance based）

電阻型氫氣傳感器的感應機理是：當傳感器暴露于氫氣中時，氫氣的吸附和滲透會改變傳感器中氫敏材料的電阻，并且當氫氣從氫敏材料中脫離時，氫敏材料的電阻會再次發生改變。

電阻式氫傳感器主要分為半導體金屬氧化物型和非半導體型（即金屬或合金型）兩種類型。

5.1半導體金屬氧化物（Semiconducting metal-oxide）

半導體金屬氧化物傳感器的原理是金屬氧化物暴露于還原氣體時電氣特性會發生變化。

金屬氧化物薄膜生長于絕緣基片上，兩個電極之間。通常基片材料采用三氧化二鋁，因其高電阻，熱穩定性，以及多種金屬氧化物易于生長于其上的特性。金屬氧化物薄膜通過先印刷再燒結（熱處理）的工藝，或者氣相沉淀工藝固定在基片之上。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

半導體氣體傳感的一個顯著缺點是其選擇性很差。這些傳感器同時對其他還原氣體敏感，如一氧化碳，甲烷，酒精，水分（濕度）等。通過在金屬氧化物中參雜催化金屬（如鉑，鈀，銀，銅等）可以改善選擇性或交叉靈敏度。選擇性也可以通過在金屬氧化物表面涂一層氣體過濾層來改善。

5.2金屬電阻（Metallic resistor）

非半導體型傳感器一般采用金屬納米材料作為氫敏材料，尤其是基于鈀（Pd）的電阻式氫氣傳感器因工藝簡單、成本低、靈敏度高、響應時間短及在室溫下工作等優點而受到廣泛研究，被認為是目前最先進的氫氣傳感系統。室溫下Pd與氫氣進行可逆反應，從而形成電阻率高于Pd的氫化鈀（PdHx）。通過檢測基于Pd傳感器的電阻信號，實現氫氣的定量檢測。

6、表面超聲（SURFACE ACOUSTIC WAVE）

表面聲波（SAW）氫氣傳感器(H2傳感器）可用于多種應用，如氣體、流體和生物傳感。

聲表面波氫氣傳感器的工作原理是在兩個表面上產生聲波，壓電換能器在材料中傳播，然后由第二個壓電換能器接收聲波，并將其轉換回電信號。一個表面涂有一層氫氣反應膜，可以改變其性能。當存在氫氣時，材料的另一個表面未涂層，用作參考。這種特性的變化導致接收到的聲波的頻率或振幅發生變化，與氫的濃度成正比。

SAW氫氣傳感器價格合理，本身堅固耐用，非常敏感，本質可靠。在實驗裝置中，聲表面波氫氣傳感器已成功用于測量氫氣濃度。

三、應用

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

氫氣傳感器是氫燃料電池汽車安全系統不可或缺的必要部件，可監測氫燃料電池汽車內的氫氣濃度，當檢測到氫氣濃度超過安全范圍時，氫氣傳感器會及時發出報警信號，整車系統會立刻做出相應的斷電安全保護措施，確保車內乘客安全。

氫氣濃度：氫燃料電池需要精確的氫氣供應，以維持其正常運行和高效發電。氫氣傳感器被用于氫氣監測濃度，以確保氫氣供應的穩定性和安全性。傳感器會測量氫氣，放置這些信息傳遞給控制系統，以實現動態調整和控制。
氫氣泄漏檢測：氫氣是一種高度可燃燒的氣體，如果發生泄漏，可能導致火災或爆炸。因此，在氫氣燃料電池系統中安裝氫氣傳感器，用于及時檢測和報警氫氣泄漏。一旦傳感器檢測到氫氣泄漏，它會發出警報，以促使采取相應的安全措施。
燃料電池質量監測：流量傳感器用于監測燃料質量，確保供給燃料電池的流量符合要求。傳感器可以檢測氫氣中的雜質和不純物質，以及氫氣的濕度和溫度等參數。這些信息用于燃料電池的流量性能和壽命至關重要。
系統安全性：氫燃料電池系統的安全性是至關重要的。氫氣傳感器可以用于監測系統中的流量濃度，以確保系統的安全性。如果流量濃度超過安全閾值，傳感器會發布警報，隊列潛在的危險。

此外，氫氣傳感器還可檢測汽車排放尾氣中的氫氣濃度，實時分析電堆的性能和反應程度，從而及時調整來實現汽車的安全高效運行。

不同類型氫氣傳感器具有各自的優缺點，仍然存在未開發的領域和關鍵挑戰。新興氫氣傳感器的發明和使用，也進一步推動了氫經濟的發展。新興氫氣傳感器的前景非常廣闊，將大規模應用于氫能源汽車、加氫站等氫產業鏈中。

四、氫氣傳感器發展方向

氫氣傳感器的選擇性、安全性、穩定性、靈敏度以及輸出信號弱等問題 ,已經得到不同程度的解決。實現氫氣傳感器的常溫工作 ,不僅提高了氫氣傳感器的安全性 ,而且 ,降低能耗將是今后研究工作的重點。可以通過以下 3種途徑實現氫氣傳感器的常溫工作：

發展光纖型氫氣傳感器 ,但必須解決其輸出信號弱、使用壽命短以及高成本等問題；
制備納米級的氫敏材料 ,由于氫敏材料對氫氣的響應究其根本來說是一種表面作用 ,而納米材料具有很大的比表面積 ,增加了接觸響應的表面積 ,而且 ,納米材料的粒徑小 ,縮短響應時間 ,提高了響應性能；
積極開發新的氫敏材料。

五、廠商名單

據不完全統計，氫氣傳感器相關的企業有：

蘇州鉭氪電子科技有限公司

湖南鐳目科技有限公司

海卓賽思（蘇州）傳感技術有限公司

鄭州煒盛電子科技有限公司

山西騰星傳感技術有限公司

上海拜安傳感技術有限公司

深圳市普晟傳感技術有限公司

河南省日立信股份有限公司

德克西爾

森薩塔

······

來源：艾邦氫科技網綜合整理

END

艾邦氫科技網主要分享氫燃料電池堆（雙極板，質子膜，擴散層，密封膠，催化劑等），制氫，儲運氫，加氫，氫燃料汽車動力系統等相關的設備，材料，配件，加工工藝的知識，同時分享相關企業信息。歡迎大家識別二維碼，并通過公眾號二維碼加入微信群和通訊錄。

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

會議議程

7月18日（周四）：14:00-18:00簽到

7月19日（周五）：7:30-8:50簽到；8:50-18:00會議；18:00-19:30晚宴

議題方向

序號	議題方向
1	2024電解水制氫技術應用現狀與未來趨勢
2	高性能堿性制氫電解槽的開發與應用
3	PEM制氫電解槽降低成本的方法分析與實踐
4	SOEC電解槽應用場景分析
5	AEM電解槽關鍵技術與部件突破
6	電解槽輕量化發展趨勢與塑料極框的應用挑戰
7	制氫復合隔膜存在不足與解決方案
8	制氫電解槽生產與自動化組裝線
9	質子交換膜在制氫領域的應用
10	極板鍍鎳工藝解析
11	PPS布織造工藝與應用
12	蝕刻雙極板在PEM制氫設備上的應用
13	制氫效率提升與催化劑的開發應用
14	氫氣純化技術及裝置在制氫系統上的應用
15	熱噴涂工藝在制氫電極上的應用
16	制氫電源分析與選型應用

如有展臺、入袋資料等贊助意向，歡迎與周小姐聯系：18320865613（同微信）

報名方式

報名方式一：請加微信并發名片報名

艾盈盈：18617020032（同微信）

郵箱：ab020@aibang.com

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

報名方式二：掃碼報名

報名鏈接：https://www.aibang360.com/m/100185

或者識別二維碼進入報名頁面登記信息

一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

閱讀原文，在線報名

原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：一文讀懂氫氣傳感器分類及應用

大家好，艾邦氫能源技術網(www.84382.cn)的微信公眾號已經開通，主要分享氫燃料電池堆（雙極板，質子膜，擴散層，密封膠，催化劑等），儲氫罐(碳纖維，環氧樹脂，固化劑，纏繞設備，內層塑料及其成型設備，儲氫罐，車載供氫系統，閥門)，制氫，加氫，氫燃料汽車動力系統等相關的設備，材料，配件，加工工藝的知識。同時分享相關企業信息。歡迎大家識別二維碼，并通過公眾號二維碼加入微信群和通訊錄。