碱性液体燃料电池氧传感器优化方案

碱性液体燃料电池由银阴极+铅阳极+KOH碱性电解液组成，适用于一般场合，既可测微量氧也可测常量氧。当被测气体中含有酸性成分（如CO2、H2 S、Cl2、SO2、NOx等）时，会与碱性电解液起中和反应并对银电极有腐蚀作用，造成电解池性能的衰变，出现响应时间变慢、灵敏度降低等现象，因此它不适用于含酸性成分的气体测量。

图7.9　碱性液体燃料电池氧传感器的原理结构图

（1）结构和工作原理

图7.9所示是一种碱性液体燃料电池氧传感器的原理结构图。它由银阴极、铅阳极和KOH碱性电解液组成，图7.9中的接触金属片作为电极引线分别与阴极和阳极相连，电解液通过上表面阴极的众多圆孔外溢形成薄薄的一层电解质，电解质薄层的上面覆盖了一张可以渗透气体的聚四氟乙烯（PTFE）膜。

被测气体经过渗透膜进入薄层电解质，气样中的氧在电池中进行下述电化学反应：

银阴极：

铅阳极：

电池的综合反应：

此反应是不可逆的，OH-离子流产生的电流与气样中氧的浓度成比例。在没有氧存在时不会发生反应，也不会产生电流，传感器具有绝对零点。阳极的铅（Pb）在反应中不断地变成氧化铅，直至铅电极耗尽为止。

（2）特性分析

碱性溶液中氧在银电极还原为OH-的过程，可用式（7.4）概括地表达为：

式中　I——通过原电池电极的电流；

K——常数；

[O2]——被测气样中氧的浓度；

[OH-]——电解液中OH-的活度（有效浓度）；

e——自然对数的底；

φ——银电极的极化反应电位；(www.xing528.com)

F——法拉第常数；

R——气体常数；

T——热力学温度。

式（7.4）并不包括碱性原电池的全部反应，但在解释原电池的特性时，可作定性指导，下面从式（7.4）出发，对碱性原电池的主要特性进行讨论。

图7.10　氧浓度与输出信号的关系

①线性特性：从图7.10中可以看出，当氧浓度升高时，即出现非线性关系。

②温度特性：原电池的放电电流与热力学温度T呈指数关系，当温度升高时，它的放电电流将显著增加。由此可见，要保证其测量精度，可采用保持恒温或进行温度补偿两种办法，目前的燃料电池中，均装有热敏电阻进行温度补偿。

③KOH溶液对原电池性能的影响：从式（7.4）可以看出，[OH-]与原电池的放电电流I为负指数关系，溶液中OH-活度的变化会对I造成较大影响，从而对原电池的灵敏度造成影响。

溶液中OH-的活度与KOH溶液的浓度有关，并受温度的影响，当溶液的浓度或温度发生变化时，OH-的活度也将相应发生变化。研究表明，当KOH溶液的浓度在6 mol/L（质量百分浓度26.8%）左右时，电导率有一极大值，亦即该点OH-的活度有极大值。如使KOH溶液的浓度保持在5.5~6.9 mol/L（质量百分浓度24.8%~30.2%），则由溶液浓度、温度变化而引起的电导率变化最小，亦即该点OH-的活度变化最小，对原电池灵敏度的影响也最小，这样就可以改善原电池的稳定性。原电池中KOH溶液的配制就是依据上述原理进行的。

④气样流量的影响：气样流量的变化对原电池的放电电流一般无显著影响，因为隔膜式原电池的测量结果直接与被测气体成分的分压有关，当气样中氧的浓度未发生变化时，氧的分压也未发生变化，电极的化学反应也不会发生变化。

（3）使用注意事项

使用碱性液体燃料电池氧传感器的使用注意事项：

①燃料电池的寿命与所测氧的浓度有关，浓度越大阳极消耗越多，电池寿命越短。一旦电池达到寿命，读数锐减至零，此时必须换上备用电池。

②此种分析器日常维护量很小，一般3个月用纯氮及量程上限气标定一次，接近电池寿命时多关注读数，检查电池是否耗尽，并及时更换。

③应备用一块燃料电池，当电池失效时使用，但不宜多备。

④燃料电池储存时，放在充氮的保护袋内，并用短路环将端子短路。储存时不应损坏保护袋，只有更换电池时打开保护袋，取下短路环后，要立即将电池装入分析器。

⑤生产装置停工检修、分析仪停用期间，应像零点校验一样给分析仪燃料电池充入氮气并将样气的进、出分析器的两个截止阀关严，否则进入燃料电池的是环境空气，浓度高达20.6%，燃料电池会很快耗尽。