CN101261244B - 一种利用氢传感器测量空气中氢气含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电化学氢传感器测量空气中氢气含量的方法，它属于氢安全利用与氢气检测技术领域。先采用电解水的工艺制备氢气，通过控制电解时所给电流大小以及通电时间来控制产生氢气的量以及待测氢浓度。将电化学氢传感器的阳极端伸入到氢-空混合气室中，阴极端暴露在环境空气中。传感器被接到与计算机相连的数字直流电压表，因此传感器探测到的氢浓度以电压信号被计算机采集，通过绘制氢浓度——电压曲线可直观观察氢浓度与其相应的电位响应值的对应关系。本方法和装置具有测量简单，操作方便，数据可靠，搭建制造成本低廉的优点。

Description

一种利用氢传感器测量空气中氢气含量的方法
技术领域
本发明属于氢安全利用与氢气检测技术领域，特别涉及一种利用电化学燃料电池氢传感器检测空气中氢气含量的测试方法及其装置。
背景技术
近年来由于大量使用石化燃料带来的环境污染、能源紧缺的问题，迫使人们寻找新的替代能源，氢作为一种绿色环保能源引起了人们的广泛关注。但由于氢气是无色无味的可燃性气体，一定浓度下易爆，而且容易进入材料造成损伤，给氢能的利用带来一些隐患，给发展氢能汽车、加氢站等许多氢能经济项目带来诸多安全问题。氢检测是氢安全利用中的关键技术之一，电化学氢传感器是一类重要的氢检测设备。
电化学氢传感器是将待测组分氢气在电极上的电催化反应转换成电信号，从而根据电信号的强弱得出氢气含量的一种测量装置。该装置工作原理即为燃料电池工作原理，其内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)类似三明治结构，中间为一层质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸。在膜与碳纸的两边界面上夹有引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂，催化剂可加入液态粘结剂通过超声等方式混合后以墨水形式均匀分散在碳纸上。通常将质子交换膜与夹在两边的碳纸热压制成膜电极。
在电化学氢传感器中阳极是氢电极，氢气在此被氧化成质子H+，阴极为氧电极，空气中的氧被还原成OH-，然后H+通过电解质膜到达阴极与OH-结合成水从电池中排除，产生的电流则流过负载。可以通过测量膜电极的开路电压或其产生的电流来计算混合气中氢气的含量。
现有常见的利用电化学氢传感器测量氢含量的方法一般分为三个部分：气体配置部分、温度控制或称气体预处理部分、测试部分。其中，气体配置部分的功能是将氢气和氧气发生器产生的或储气罐内的气体分别通过流量计以达到控制流量和混合气浓度的目的，需要用到的仪器包括储气的钢瓶，干燥器、稳压稳流装置及流量计等；温度控制部分是为提供满足测试要求的温度而设计的，有时为了使燃料电池型氢传感器表现出良好的性能会将气体通过水域进行加湿等预处理，涉及到的仪器包括恒温槽、预热器、温度计等；测试部分采用多用仪人工读出。可以看到，目前氢传感器测量方法中的三个部分需要用到的仪器设备较多，搭建该测试系统略显复杂，一定程度上增大了系统误差，而且和实际测试条件有一定差距。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量简单，操作方便，数据可靠，搭建成本低廉，设计科学合理的测量方法和装置，可广泛用于各种电化学氢传感器检测氢含量的性能测试实验。
一种利用氢传感器测量空气中氢气含量的方法，测量方法包括以下步骤：
(1)采用电解水制氢气并输送到定容密闭气室与空气混合，通过控制电解时所给电流大小以及通电时间来控制产生氢气的量，根据产生氢气量与气室容积计算密闭气室内的氢浓度。
(2)将氢传感器的阳极端伸入到氢-空混合气室中，阴极端暴露在周围环境空气中，将传感器与直流数字电压表连接，测试并显示传感器输出电压，电压表示数可直接读取或用计算机采集。
(3)将相同时间下的氢浓度与显示电压相对应，不同氢浓度对应不同电压值。将计算机采集到的电压值按照采集频率换算为时间与相应氢浓度对应，绘制曲线图，便可从图中直观地看到传感器的各项性能指标。例如，测量极限及氢浓度与电压的对应关系。
测量装置包括：直流电源及电解水装置，用于制备实验所需量的氢气；定容密闭气室，用于将氢气和空气混合形成一定体积浓度的氢-空混合气体；微型风扇一个，用于保证气体混合均匀；氢传感器，用于测定混合气体中氢气的浓度；直流数字电压表，与氢传感器相连，显示传感器两极电压；计算机，与直流数字电压表相连，采集电压表数据并制图。
本发明的有益效果是提供了一种利用电化学氢传感器检测空气中氢气含量的测试方法及其装置，该测试方法和装置具有测量简单，操作方便，数据可靠，搭建制造成本低廉的特点，而且测试环境贴近实际测试条件。
附图说明
图1电化学氢传感器膜电极工作原理
图2电化学氢传感器检测氢含量装置
1.YJ92/5型直流稳流电源  2.带孔胶塞  3.铜电极  4.电解液  5.导气管  6.风扇7.密闭定容气室  8.氢传感器  9.直流数字电压表  10.计算机
图3氢浓度与响应电位曲线
具体实施方式
按照附图2搭建检测氢含量的测试装置。先进行氢气的制备，按电解质制氢的方法将金属铂电极和铜电极分别作为阳极和阴极，通过一个带孔的胶塞插入到盛有一定浓度NaOH溶液的容器中，该容器凭借胶塞保持密闭，两电极的另一端分别与直流电源的正负极相连，将产生的氢气通过导气管穿过胶塞引入到密闭混和气室与空气混和。根据法拉第电解定律，每析出1g当量的任何物质，均需96500库仑的电量，即26.8A·h。因此，在阴极析出1mol氢气需要193×106mA·s，采用氢气/空气体积比ppm(即V/V＝10-6)来度量氢气浓度，则混和气体中氢气浓度达到1ppm要X molH2，即需要1.93X·108mA·s电量，以气室体积是1.5L为例计算：
X·22.4L/1.5L＝10-8＝1ppm  则X＝6.70×10-8mol
即1.93×6.70×10-8×108mA·s＝12.93mA·s，得到1ppm需要12.93mA·s电量。利用数字直流电源给定129.3(或130)mA的直流电，则每秒可产生的氢气通入气室与空气混合后，氢气的浓度为10ppm。通过控制直流电源的输入值以及通电时间来控制气室内的氢浓度。将氢传感器的阳极端伸入到氢-空混合气室中，阴极端暴露在周围环境空气中，将传感器与直流数字电压表连接，使用计算机采集电压表示数，即传感器探测到的氢浓度以电压信号被计算机接收，绘制氢浓度——响应电压曲线。直流数字电压表采集频率1次/s，故每个电位响应值对应10ppm氢气的增量，经计算机处理制图可以得到如附图3所示的氢浓度——响应电压曲线，可用于直观检查氢浓度与相应电位响应值的对应关系。

Claims (1)

1.一种利用氢传感器测量空气中氢气含量的方法，其特征在于测量方法包括以下步骤：
(1)采用电解水制氢气并输送到定容密闭气室与空气混合，通过控制电解时所给电流大小以及通电时间来控制产生氢气的量，根据产生氢气量与气室容积计算密闭气室内的氢浓度；
(2)将氢传感器的阳极端伸入到氢-空混合气室中，阴极端暴露在周围环境空气中，将传感器与直流数字电压表连接，测试并显示传感器输出电压，电压表示数能直接读取或用计算机采集；
(3)相同时间下的氢浓度与显示电压相对应，不同氢浓度对应不同电压值；
传感器探测到的氢浓度以电压信号被计算机接收，经计算机处理制图得到氢浓度——响应电压曲线，用于直观检查氢浓度与相应电位响应值的对应关系。
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