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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:
    氧含量檢測廣泛應用于熱能、冶金、化學化工、氣體生產和電子工業等眾多領域。隨著氣體分析儀器的不斷發展,相比手工分析方法,氧氣體分析儀具有準確度高、穩定性好、響應
       氧含量檢測廣泛應用于熱能、冶金、化學化工、氣體生產和電子工業等眾多領域。隨著氣體分析儀器的不斷發展,相比手工分析方法,氧氣體分析儀具有準確度高、穩定性好、響應迅速、人為干預少和實時在線監測等特點,在氧含量分析中占主導地位。

          測量氧的儀器種類繁多,根據儀器所產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及工業化生產及應用當中,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、穩定性好等特點,特別適用于專業的氣體生產和電子工業等行業。
    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換成電能的裝置,一般由陰極、陽極和電解質等組成。 當樣氣中的氧進入燃料電池后,將獲取電子轉換成離子態,再通過電解質的傳遞最終與陽極發生化學反應。反應物之一是樣氣中的氧,另一反應物是存儲在電池中的陽極,綜合反應是樣氣中的氧分子和陽極發生氧化反應,最終生成陽極材料的氧化物。這種反應類似于燃料電池的反應機理,因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學反應中,陽、陽極之間發生電子遷移,如用導線將共連接,將會有電流產生,該電流的大小與進入傳感器中的氧分子數量成正比關系,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,根據電解質的狀態可分為液態和固態(糊狀)燃料電池;根據電解質的性質可分為酸性和堿性燃料電池;而根據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,液態電解質比圖態電解質具有更好的導電特性,堿性比酸性具有更高的安全系數,膜式比裸露式具有更強的抗污染能力及對樣氣流量穩定性要求更低一些,所以在氣體中氧含量分析中,液態殘性、隔膜式燃料電池的應用更廣泛。
    2 燃料電池式傳感器的典型結構與反應機理
    2.1燃料電池電極及電解質特性
          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值,即在樣氣中含有一定程度的氧時,能產生一個較高的電流強度,這就需要電級有一個強的反應效率。燃料電池的反應一般都發生在電極的表西(嚴格的說是電極、氣體和電解質組成的三相界面),影響電極反應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狀電極。這是因為多孔電被或網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效率。另外,燃料電池產生的電流相對較低,這就要求電極還應具有較好的導電性,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,其中銀應用得較多;以不能極化且能與氧發生化學反應的材料為陽極,如鉛、銅、鎘、碳等,鉛應用得較多。
           燃料電池的電解質的主要作用是傳遞電極反應所需的離子,以及能夠導電并隔離兩極的反應物質。因此,理論上講燃料電池的電解質并不存在消耗。
    2.2 液態、堿性、隔膜式燃料電池結構
           根據被測氣體的性質與組成采用 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、陽極材料及電解質發生反應的物質,一般均采用液態、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,外觀一般設計為圓柱形,內部填充有陰、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,以防范一定的外力及較大一些的顆粒。防護網上方安裝有一層紙漿過濾層,用于防止細小的微粒、雜質進入。過濾層的上方設置一層由聚四氟乙烯材質制成的滲透膜,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),它呈圓形網狀結構,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生化學反應,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生化學反應生成氫氧根離子,并同時傳導由化學反應所產生的電流,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生化學反應,并隨著電化學反應的深入,反應終將停止,燃料電池壽命終結。在陽極和陰極之間還設置有一個塑料制成的導向環,用于分配電化學反應中的離子傳遞。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生的體積變化,從而保持內部壓力的穩定。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。容源電子網為你提供技術支持,本站網址:www.xtgm888.com

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