燃料電池是指原電池中的一種類型。原電池式氧分析儀中的電化學(xué)反應(yīng)可以自發(fā)地進(jìn)行,不需要外部供電,其綜合反應(yīng)是氣樣中的氧和陽極發(fā)生氧化反應(yīng),反應(yīng)的結(jié)果生成陽極氧化物,這種反應(yīng)類似于氧的燃料反應(yīng),所以這類原電池也稱為“燃料電池”,以便與其他類型的原電池相區(qū)別,安裝有這類原電池的分析儀,我們稱之為燃料電池分析儀。由于陽極在反應(yīng)中不斷消耗,因而電池需要定期更換。
常見的化學(xué)燃料電池結(jié)構(gòu)圖(酸性)
1—FEP制成的氧擴(kuò)散膜;2—電解液(乙酸);3—用于溫度補(bǔ)償?shù)臒崦綦娮韬拓?fù)載電阻;4—外電路信號(hào)輸出;5—石墨陽極;6—金陽極
燃料電池式氧分析儀,既可以測(cè)量微量氧,也可以測(cè)量常量氧。若需要測(cè)量常量氧,其測(cè)量測(cè)量精度和長期使用的穩(wěn)定性肯定不如順磁氧效果好,且電池的壽命因與氧濃度有關(guān),所以測(cè)量常量氧,其壽命也較短。因此,它測(cè)量常量只適合一般要求不高的場(chǎng)合。而測(cè)量微量氧,則是這類儀器的優(yōu)勢(shì)所在,它測(cè)量微量氧的下限為PPM級(jí),而順磁氧為:0.1%(1000PPM)O2,精度高的順磁氧也只能達(dá)到0.01%(100PPM)O2。
過去,燃料電池的電解質(zhì)均采用電解液,近20年來,由于固體(糊狀)電解質(zhì)應(yīng)用于燃料電池,為了便于區(qū)分,我們將前者稱之為液體燃料電池,后者稱之為固體燃料電池。兩者相比,固體燃料電池比液體燃料電池有一定的*性,但固體能否取代液體,尚難預(yù)料!
在液體燃料電池中,我們根據(jù)燃料電池的性質(zhì),又將液體燃料電池分為堿性燃料電池和酸性燃料電池。
5.1堿性液體燃料電池氧傳感器
堿性液體燃料電池由銀電極+鉛電極+KOH堿性電解液組成,適合于一般場(chǎng)合,既可測(cè)微量氧,也可測(cè)常量氧。當(dāng)樣品氣中含有酸性成分(如CO2、H2S、CL2、SO2、NOX等)時(shí),會(huì)與堿性電解液起中和反應(yīng)并對(duì)銀電極有腐蝕作用,造成電解池性能的衰變,出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間變慢、靈敏度降低等現(xiàn)象,因此它不適合酸性成分的氣體測(cè)量。
堿性液體燃料電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖
上圖為一款Teledyne公司的堿性液體燃料電池氧傳感器的原理結(jié)構(gòu)。它是由銀電極+鉛電極+KOH堿性電解液組成,接觸金屬片作為電極引線分別與陰極和陽極相連,電解液通過上表面陰極的眾多圓孔外溢形成薄薄的一層電解質(zhì),電解質(zhì)薄層的上面覆蓋了一張可以滲透氣體的聚四氟乙烯(PTFE)膜。
樣品氣經(jīng)過滲透膜進(jìn)入薄層電解質(zhì),氣樣中的氧在電池中進(jìn)行下述電化學(xué)反應(yīng):
銀陰極:O2+2H2O+4e-→4OH-
鉛陽極:2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-
電池綜合反應(yīng):O2+2Pb→2PbO
此反應(yīng)是不可逆的,OH-離子流產(chǎn)生的電流與樣品氣中的氧的濃度成比例。在沒有氧存在時(shí),不會(huì)發(fā)生反應(yīng),也不會(huì)產(chǎn)生電流,傳感器優(yōu)良零點(diǎn)。陽極的鉛(Pb)在反應(yīng)中不斷變成氧化鉛,直到鉛電極耗盡為止,就象某些燃料被氧化燒盡一樣。