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氧含量測量方法：燃料電池法

時間:2022-03-17 14:04:51來源: 作者: 點擊:次

氧含量檢測廣泛應(yīng)用于熱能、冶金、化學化工、氣體生產(chǎn)和電子工業(yè)等眾多領(lǐng)域。隨著氣體分析儀器的不斷發(fā)展，相比手工分析方法，氧氣體分析儀具有準確度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)

氧含量檢測廣泛應(yīng)用于熱能、冶金、化學化工、氣體生產(chǎn)和電子工業(yè)等眾多領(lǐng)域。隨著氣體分析儀器的不斷發(fā)展，相比手工分析方法，氧氣體分析儀具有準確度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)迅速、人為干預少和實時在線監(jiān)測等特點，在氧含量分析中占主導地位。

測量氧的儀器種類繁多，根據(jù)儀器所產(chǎn)生信號方式的不同可分為∶ 化學電池式（原電池、燃料電池、赫茲電池）、濃差電池式（氧化鋯電池和變頻極限電流池）和氣相色譜法等。但在氣體的過程分析系統(tǒng)及工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用當中，燃料電池式氧氣體分析儀由于其測量原理簡單、維護操作簡便、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，特別適用于專業(yè)的氣體生產(chǎn)和電子工業(yè)等行業(yè)。
1 燃料電池式氧氣體分析儀測量原理及分類
1.1 測量原理
  燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，一般由陰極、陽極和電解質(zhì)等組成。當樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉(zhuǎn)換成離子態(tài)，再通過電解質(zhì)的傳遞最終與陽極發(fā)生化學反應(yīng)。反應(yīng)物之一是樣氣中的氧，另一反應(yīng)物是存儲在電池中的陽極，綜合反應(yīng)是樣氣中的氧分子和陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應(yīng)類似于燃料電池的反應(yīng)機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學反應(yīng)中，陽、陽極之間發(fā)生電子遷移，如用導線將共連接，將會有電流產(chǎn)生，該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數(shù)量成正比關(guān)系，因此只要準確測量出陽、陽極之問的電流便可得出樣氣中的氧含量。

1.2分類及特點
  燃料電池式傳感器（以下簡稱：燃料電池）的種類很多，根據(jù)電解質(zhì)的狀態(tài)可分為液態(tài)和固態(tài)（糊狀）燃料電池；根據(jù)電解質(zhì)的性質(zhì)可分為酸性和堿性燃料電池；而根據(jù)樣氣與燃料電池的接觸方式可分為裸露式與隔膜式。
  一般而言，液態(tài)電解質(zhì)比圖態(tài)電解質(zhì)具有更好的導電特性，堿性比酸性具有更高的安全系數(shù)，膜式比裸露式具有更強的抗污染能力及對樣氣流量穩(wěn)定性要求更低一些，所以在氣體中氧含量分析中，液態(tài)殘性、隔膜式燃料電池的應(yīng)用更廣泛。
2 燃料電池式傳感器的典型結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機理
2.1燃料電池電極及電解質(zhì)特性
  為了使燃料電池的測量能這到一定精度，一般要求燃料電池對樣氣中的氧能有一個較高的響應(yīng)值，即在樣氣中含有一定程度的氧時，能產(chǎn)生一個較高的電流強度，這就需要電級有一個強的反應(yīng)效率。燃料電池的反應(yīng)一般都發(fā)生在電極的表西（嚴格的說是電極、氣體和電解質(zhì)組成的三相界面），影響電極反應(yīng)效率的兩個重要因景是溫度和電極的表面積。燃料電池的電極不是簡單的固體電極，而是所謂的多孔電級或網(wǎng)狀電極。這是因為多孔電被或網(wǎng)狀電級的表面是固體電級的102 ~104倍，極大地增強了電極的反應(yīng)效率。另外，燃料電池產(chǎn)生的電流相對較低，這就要求電極還應(yīng)具有較好的導電性，且具有較高的耐腐蝕性，以便防范電解質(zhì)的侵蝕。燃料電池的陰極一般采用對氧有催化還原活性的金屬材料，例如鉑、銀、金、銠等，其中銀應(yīng)用得較多;以不能極化且能與氧發(fā)生化學反應(yīng)的材料為陽極，如鉛、銅、鎘、碳等，鉛應(yīng)用得較多。
燃料電池的電解質(zhì)的主要作用是傳遞電極反應(yīng)所需的離子，以及能夠?qū)щ姴⒏綦x兩極的反應(yīng)物質(zhì)。因此，理論上講燃料電池的電解質(zhì)并不存在消耗。
2.2 液態(tài)、堿性、隔膜式燃料電池結(jié)構(gòu)
根據(jù)被測氣體的性質(zhì)與組成采用不同類型的燃料電池式傳感器，只要樣氣中不含有可能會與陰、陽極材料及電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，一般均采用液態(tài)、堿性、隔膜式燃料電池式傳感器。燃料電池式傳感器如圖 1所示，外觀一般設(shè)計為圓柱形，內(nèi)部填充有陰、陽極材料和電解液。

圖1 中，燃料電池底部最外層為不銹鋼防護網(wǎng)，以防范一定的外力及較大一些的顆粒。防護網(wǎng)上方安裝有一層紙漿過濾層，用于防止細小的微粒、雜質(zhì)進入。過濾層的上方設(shè)置一層由聚四氟乙烯材質(zhì)制成的滲透膜，滲透膜的厚度被精確控制，以便于樣氣中的氧氣分子可擴散進入且又能托住內(nèi)部的電解液使其不滲出。在滲透膜的上方，便是氧的傳感性元件（陰極），它呈圓形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面鍍有金屬銀，表面積約為4 cm²，陰極上分布許多小孔，以確保它的表面被電解液完全浸潤。陰極本身并不與氧分子發(fā)生化學反應(yīng)，作用是提供一個媒介平臺，使樣氣中的氧分子在此處獲取電子并和水發(fā)生化學反應(yīng)生成氫氧根離子，并同時傳導由化學反應(yīng)所產(chǎn)生的電流，其本身并不存在任何消耗。陽極位于陰極之上，由細小顆粒狀的金屬鉛壓制而成，內(nèi)部含有許多細小的空穴，以盡可能地擴展陽極與電解液的接觸面積，其內(nèi)部還嵌有螺旋遞進式布局的金屬導線，以便于快速地進行電子傳遞。陽極（鉛）屬消耗電極，當氧進入電池后最終與鉛發(fā)生化學反應(yīng)，并隨著電化學反應(yīng)的深入，反應(yīng)終將停止，燃料電池壽命終結(jié)。在陽極和陰極之間還設(shè)置有一個塑料制成的導向環(huán)，用于分配電化學反應(yīng)中的離子傳遞。在電池的上部，陽極的正上方是一塊可以活動的塑料薄膜，用于緩沖燃料電池在使用過程中產(chǎn)生的體積變化，從而保持內(nèi)部壓力的穩(wěn)定。在電池的滲透膜與活動膜之間充滿了10% 的氫氧化鉀（KOH）電解液，使陰極和陽極都得到充分的浸漬。在陰極和陽極中還各自有一根導線與燃料電池頂部的正、負極觸點盤相連，以便對外輸出電流。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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