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武漢天禹智控科技有限公司
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閱讀：1535發(fā)布時間：2021-11-22
氧含量檢測廣泛應用于熱能、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(tài)，再通過電解質的傳遞最終與陽極發(fā)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(fā)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(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)電解質的性質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)電解質比圖態(tài)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(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(chǎn)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(fā)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(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(fā)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(tài)、堿性、隔膜式燃料電池結構
根據(jù)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(fā)生反應的物質，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(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(wǎng)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*浸潤。陰極本身并不與氧分子發(fā)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(fā)生化學反應生成氫氧根離子，并同時傳導由化學反應所產(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(fā)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(huán)，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(chǎn)生的體積變化，從而保持內部壓力的穩(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。
2.3 堿式燃料電池化學反應過程
當樣氣中的氧分子從底部通過擴散的方式進入電池后，在陰極獲取電子，與電解液中的水一起生成氫氧根離子，發(fā)生如下化學反應∶
（陰極）O2 +2H2O＋4e-→4OH-
當氧在陰極消耗的同時，陽極鉛則與氫氧根離子發(fā)生反應不斷地被氧化，發(fā)生如下化學反應 ∶
（陽極）Pb ＋4OH-→PbO+2H2O＋4e-
因此總反應可以理解為∶ 2Pb ＋O2 →2PbO。
2.4 酸式燃料電池的特點
酸式燃料電池種類也很繁多，其結構形式與堿性燃料電池基本相同，也是由電解質、陰極與陽極組成，例如美國 TELEDYNE 公司生產(chǎn)的 A-2C 型燃料電池式傳感器，其結構組成與圖 1相同，但其陰極使用鍍金材料，電解質使用 5% (體積分數(shù)，下同）的醋酸和5% 的*混合溶液，而陽極仍使用金屬鉛，化學化應過程與堿式燃料電池一致。
3 燃料電池式微量氧氣體分析儀的應用
燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測量微量氧，也可用于測量常量氧(區(qū)別在于滲透膜的厚度）。但在測量常量氧時其測量精度和長期使用的穩(wěn)定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場所。但在測量微量氧時，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優(yōu)勢，測量下限可達 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應用于專業(yè)的高純氣體生產(chǎn)以及對氧含量需精準控制的電子生產(chǎn)廠家等。
（1）堿式燃料電池式氧分析儀不可用于測量含有酸性氣體 例如∶ 二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氨氧化物、）以及會與陰、陽極物質發(fā)生反應的氣體。例如采用銀材質作為陰極，鉛材質作為陽極，就應避免樣氣中含有鹵素、氯和過氧化合物等，這些物質會破壞電池原有的結構和組成成分。
（2）酸式燃料電池可用于測量含有二氧化碳的氣體，但不可用于測量含有堿性氣體的樣氣，以及會與陰、陽極物質發(fā)生反應的氣體。
（3）燃料電池的放電電流與溫度呈正指數(shù)關系，當溫度升高時，電流將顯著增大，只有在恒溫條件下或進行溫度補償方能確保測量的精確性。而由于燃料電池一般都在環(huán)境溫度下工作，因此絕大部分燃料電池均采用溫度補償方式來修正測量數(shù)據(jù)。 當工作溫度低于零度時，為防止電解液凍結而使導電性能降低，必須進行加熱或保溫處理。
（4）相比裸露式燃料電池，隔膜式具有測量量程范圍更寬、抗污染能力更強、對樣氣流量變化不敏感等特點，得到更為廣泛的應用。但隔膜式燃料電池在使用過程中應避免發(fā)生樣氣超壓或壓力突變的現(xiàn)象，這些都將可能造成滲透膜破裂。而滲透膜一旦破裂，電解液就會滲出，傳感器立即失效。
（5）燃料電池的測量信號與樣氣中的氧分壓成正比關系，測量信號不但與樣氣中的氧濃度有關系，還與樣氣的壓力成正比。因此必須使燃料電池盡可能處于穩(wěn)壓狀態(tài)，讀數(shù)才能夠準確。如果大量氧分子進入了燃料電池內部，只有氧化反應完成后方能重新響應到樣氣中的氧分子含量，故此燃料電池具有氧讀數(shù)上升速度較快但下降速度慢的特點。此時可適當增大樣氣流量，加大燃料電池內樣氣的置換速率，使傳感器能更快地響應到樣氣中氧含量的讀數(shù)。
（6）燃料電池式傳感器屬于原電池傳感器，無需外部供電，其電化學反應可自發(fā)進行。因此，當樣氣中含有氧時，燃料電池就會存在消耗。氧含量越大，消耗越大，當超過儀器的設計量程時，需停止分析儀工作。此時應將燃料電池封閉或通入微量氧含量較低的氣體將傳感器保護起來，以防空氣中的氧滲透到傳感器，造成不必要的消耗。
（7）燃料電池的測量必須伴有電化學反應才能進行，因此燃料電池屬消耗型傳感器，具有一定的使用壽命。其使用壽命的長短與被測氣體中的氧含量有很大的關系。即使是短期通入了高氧含量的氣體或是會與陰、陽極材料發(fā)生反應的氣體，都有可能會大大縮短使用壽命或直接使其失效。因此一般生產(chǎn)廠家都會在燃料電池內填充足夠量的陽極材料，以便獲得一個較大的電化學反應容量。但在實際應用過程中，當燃料電池使用壽命的末期到來時，并非是陽極材料*被氧化，而是在陽極生成的氧化物覆蓋在了陽極材料的表面，或是在陰極表面水分散失，使電化學反應無法再繼續(xù)進行。一旦如此，各種廠家生產(chǎn)的燃料電池所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象也各不相同，有些為持續(xù)的讀數(shù)上升，而有些則表現(xiàn)為讀數(shù)下降。這都有賴于燃料電池的設計及使用過程的控制，應嚴格按照廠家的技術說明來判斷，不能一概而論。
4 結束語
燃料電池式氧氣體分析儀由于結構簡單，操作簡便，實用性強，特別適用于氮、氬、氨等高純氣體中微量氧含量的測量。但在實際應用中，應充分考慮樣氣的組成、制取和儀器所處環(huán)境狀態(tài)等可能造成的干擾因素，定期進行校正和比對分析，從而確保儀器的準確性和穩(wěn)定性。
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