氧含量测量方法：燃料电池法

氧含量检测广泛应用于热能、冶金、化学化工、气体生产和电子工业等众多领域。随着气体分析仪器的不断发展，相比手工分析方法，氧气体分析仪具有准确度高、稳定性好、响应迅速、人为干预少和实时在线监测等特点，在氧含量分析中占主导地位。

测量氧的仪器种类繁多，根据仪器所产生信号方式的不同可分为∶ 化学电池式（原电池、燃料电池、赫兹电池）、浓差电池式（氧化锆电池和变频极限电流池）和气相色谱法等。但在气体的过程分析系统及工业化生产及应用当中，燃料电池式氧气体分析仪由于其测量原理简单、维护操作简便、测量精度高、稳定性好等特点，特别适用于专业的气体生产和电子工业等行业。
1 燃料电池式氧气体分析仪测量原理及分类
1.1 测量原理
  燃料电池式氧气体分析仪的核心部件是传感器。传感器是一种将化学能转换成电能的装置，一般由阴极、阳极和电解质等组成。当样气中的氧进入燃料电池后，将获取电子转换成离子态，再通过电解质的传递最终与阳极发生化学反应。反应物之一是样气中的氧，另一反应物是存储在电池中的阳极，综合反应是样气中的氧分子和阳极发生氧化反应，最终生成阳极材料的氧化物。这种反应类似于燃料电池的反应机理，因此称此类传感器为燃料电池式。在化学反应中，阳、阳极之间发生电子迁移，如用导线将共连接，将会有电流产生，该电流的大小与进入传感器中的氧分子数量成正比关系，因此只要准确测量出阳、阳极之问的电流便可得出样气中的氧含量。

1.2分类及特点
  燃料电池式传感器（以下简称：燃料电池）的种类很多，根据电解质的状态可分为液态和固态（糊状）燃料电池；根据电解质的性质可分为酸性和碱性燃料电池；而根据样气与燃料电池的接触方式可分为裸露式与隔膜式。
  一般而言，液态电解质比图态电解质具有更好的导电特性，碱性比酸性具有更高的安全系数，膜式比裸露式具有更强的抗污染能力及对样气流量稳定性要求更低一些，所以在气体中氧含量分析中，液态残性、隔膜式燃料电池的应用更广泛。
2 燃料电池式传感器的典型结构与反应机理
2.1燃料电池电极及电解质特性
  为了使燃料电池的测量能这到一定精度，一般要求燃料电池对样气中的氧能有一个较高的响应值，即在样气中含有一定程度的氧时，能产生一个较高的电流强度，这就需要电级有一个强的反应效率。燃料电池的反应一般都发生在电极的表西（严格的说是电极、气体和电解质组成的三相界面），影响电极反应效率的两个重要因景是温度和电极的表面积。燃料电池的电极不是简单的固体电极，而是所谓的多孔电级或网状电极。这是因为多孔电被或网状电级的表面是固体电级的102 ~104倍，极大地增强了电极的反应效率。另外，燃料电池产生的电流相对较低，这就要求电极还应具有较好的导电性，且具有较高的耐腐蚀性，以便防范电解质的侵蚀。燃料电池的阴极一般采用对氧有催化还原活性的金属材料，例如铂、银、金、铑等，其中银应用得较多;以不能极化且能与氧发生化学反应的材料为阳极，如铅、铜、镉、碳等，铅应用得较多。
燃料电池的电解质的主要作用是传递电极反应所需的离子，以及能够导电并隔离两极的反应物质。因此，理论上讲燃料电池的电解质并不存在消耗。
2.2 液态、碱性、隔膜式燃料电池结构
根据被测气体的性质与组成采用不同类型的燃料电池式传感器，只要样气中不含有可能会与阴、阳极材料及电解质发生反应的物质，一般均采用液态、碱性、隔膜式燃料电池式传感器。燃料电池式传感器如图 1所示，外观一般设计为圆柱形，内部填充有阴、阳极材料和电解液。

图1 中，燃料电池底部最外层为不锈钢防护网，以防范一定的外力及较大一些的颗粒。防护网上方安装有一层纸浆过滤层，用于防止细小的微粒、杂质进入。过滤层的上方设置一层由聚四氟乙烯材质制成的渗透膜，渗透膜的厚度被精确控制，以便于样气中的氧气分子可扩散进入且又能托住内部的电解液使其不渗出。在渗透膜的上方，便是氧的传感性元件（阴极），它呈圆形网状结构，表面镀有金属银，表面积约为4 cm²，阴极上分布许多小孔，以确保它的表面被电解液完全浸润。阴极本身并不与氧分子发生化学反应，作用是提供一个媒介平台，使样气中的氧分子在此处获取电子并和水发生化学反应生成氢氧根离子，并同时传导由化学反应所产生的电流，其本身并不存在任何消耗。阳极位于阴极之上，由细小颗粒状的金属铅压制而成，内部含有许多细小的空穴，以尽可能地扩展阳极与电解液的接触面积，其内部还嵌有螺旋递进式布局的金属导线，以便于快速地进行电子传递。阳极（铅）属消耗电极，当氧进入电池后最终与铅发生化学反应，并随着电化学反应的深入，反应终将停止，燃料电池寿命终结。在阳极和阴极之间还设置有一个塑料制成的导向环，用于分配电化学反应中的离子传递。在电池的上部，阳极的正上方是一块可以活动的塑料薄膜，用于缓冲燃料电池在使用过程中产生的体积变化，从而保持内部压力的稳定。在电池的渗透膜与活动膜之间充满了10% 的氢氧化钾（KOH）电解液，使阴极和阳极都得到充分的浸渍。在阴极和阳极中还各自有一根导线与燃料电池顶部的正、负极触点盘相连，以便对外输出电流。容－源－电－子－网－为你提供技术支持

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