電解水過程中氧中氫測量和氫中氧測量
電解水制氫是通過直流電分解水制備氫氣的技術(shù)，目前主要有四種成熟的技術(shù)路線，每種技術(shù)各有特點(diǎn)和應(yīng)用場景。
堿性電解水制氫(ALK)：堿性電解水技術(shù)是*早發(fā)展、目前*為成熟的電解水制氫方法。其工作原理是在充滿堿性電解液(通常為20%-30%的KOH或NaOH溶液)的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣（H2）和氧氣(O2)。該技術(shù)使用鍍鎳鋼板或鎳銅鐵作為電極材料，運(yùn)行電壓一般在1.9-2.6V之間。堿性電解槽結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但存在效率較低(約60-70%)、電流密度受限等問題?。
質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)：PEM電解水技術(shù)使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，水分子在陽極銥催化劑作用下分解為氧氣和氫離子(H?)，H?通過質(zhì)子交換膜遷移至陰極，在鉑催化劑表面結(jié)合電子生成氫氣(H2)。這種技術(shù)能實現(xiàn)氫氧物理隔離，確保氫氣純度超過99.99%，且具有響應(yīng)速度快、電流密度高的優(yōu)點(diǎn)。但PEM電解槽需要使用貴金屬催化劑，成本較高?。
固體氧化物電解水制氫(SOEC)：以固體氧化物為電解質(zhì)，在高溫(700-1000℃)下運(yùn)行。其工作原理是：陰極將水蒸氣分解為氫氣（H2）和氧離子，氧離子通過電解質(zhì)遷移至陽極形成氧氣(O2)。高溫運(yùn)行使得SOEC具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率(可達(dá)85-90%)，但存在啟動時間長、材料耐久性等挑戰(zhàn)?。
陰離子交換膜電解水制氫(AEM)：AEM技術(shù)使用陰離子交換膜作為電解質(zhì)，通過電解水產(chǎn)生氫氣(H2)。其特點(diǎn)是可采用純水或低濃度堿性溶液作為電解質(zhì)，并使用非貴金屬催化劑，成本相對較低。水在陰極催化劑作用下接收電子發(fā)生析氫反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(H2)，氫氧根(OH?)穿過AEM回到陽極發(fā)生析氧反應(yīng)?。AEM技術(shù)結(jié)合了堿性電解和PEM電解的部分優(yōu)點(diǎn)，是近年來發(fā)展較快的新興技術(shù)。
為什么電解水過程中進(jìn)行氧中氫測量和氫中氧測量？
電解水過程中進(jìn)行氧中氫測量和氫中氧測量是確保工藝安 全性和氣體純度的關(guān)鍵措施，主要基于以下原因：
一、氧中氫（H2 in O2）測量的目的
?安 全風(fēng)險控制?：電解水產(chǎn)生的氧氣中若混入過量氫氣（通常超過4%體積濃度），可能形成爆炸性混合物。實時監(jiān)測氧氣中的氫氣濃度可及時觸發(fā)報警或聯(lián)鎖停機(jī)，避免安 全事故?
?標(biāo)準(zhǔn)要求?：根據(jù)GB/T19774，氧氣中氫氣含量應(yīng)小于4%VOL，氧中氫分析儀量程通常為0-2%VOL，氫氣測量分辨率需小于0.01%VOL?.
膜故障檢測?：電解槽的質(zhì)子交換膜（PEM）或隔膜若破損，會導(dǎo)致氫氣和氧氣互竄。氧中氫分析儀可快速識別此類故障，便于及時維修?。
二、氫中氧(O2 in H2) 測量的目的
根據(jù)GB/T19774，氫氣中氧氣含量應(yīng)小于4%VOL，氫中氧分析儀量程通常為0-1%VOL，氧氣測量分辨率需小于0.01%VOL?
?安 全防護(hù)?:氫氣側(cè)混入過量氧氣同樣可能形成爆炸性混合物。氫中氧分析儀通過電化學(xué)傳感器監(jiān)測微量氧含量，預(yù)防潛在危險?
?工藝優(yōu)化與質(zhì)量控制?：確保氫氣純度符合工業(yè)應(yīng)用要求（如化工、電子等領(lǐng)域），避免雜質(zhì)影響后續(xù)工藝?；通過聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實時調(diào)整電解參數(shù)，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性?。
三、氧中氫測量和氫中氧測量綜合意義
兩種測量共同構(gòu)成電解水制氫的?雙重安 全保障體系?，同時滿足工藝精度需求。例如，PEM電解槽通過在線分析系統(tǒng)實現(xiàn)氫/氧濃度的閉環(huán)控制，兼顧安 全性與經(jīng)濟(jì)性?。
電解水氧中氫和氫中氧分析儀和傳感器測量的常用方法
一、氧中氫測量的常用方法
氧中氫測量主要用于監(jiān)測氧氣中混入的氫氣含量，是電解水制氫等工業(yè)過程中的重要安 全監(jiān)測手段。以下是幾種主要測量方法：
熱導(dǎo)式傳感器TCD法?：通過檢測氣體熱導(dǎo)率變化來測量氧中氫含量，利用氫氣和氧氣熱導(dǎo)系數(shù)的差異實現(xiàn)測量。這種方法具有響應(yīng)快(1-2秒)、精度高(可達(dá)1%FS)和長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)?。
電化學(xué)傳感器EC法?：基于電化學(xué)反應(yīng)原理，通過特殊催化劑表面將水分子分解成氫氣和氧氣，測量生成的氫氣量來計算原始?xì)怏w樣品中的氫氣濃度。測量精度可達(dá)1%FS，但傳感器使用壽命有限?。
氣相色譜分析技術(shù)?GC：通過色譜柱分離氣體組分，可同時分析多種氣體成分，分離效率高但需要專業(yè)操作?。但是缺點(diǎn)是非實時測量，測量時間長。
二、氫中氧傳感器和分析儀測量的常用方法
氫中氧測量主要用于確保氫氣純度，防止爆炸風(fēng)險。主要方法包括：
熱導(dǎo)氣相色譜法GC：使用熱導(dǎo)檢測器(TCD)進(jìn)行定量分析，檢測限可達(dá)10ppm?
電化學(xué)法?EC：基于燃料電池型、極譜型等電化學(xué)傳感器對氧氣的響應(yīng)，操作簡便適合現(xiàn)場檢測。GB/T 6285規(guī)定了電化學(xué)法的標(biāo)準(zhǔn)操作?。
順磁偏轉(zhuǎn)法：利用氧的順磁性特性。
超聲檢測技術(shù)：根據(jù)聲波在不同氣體中的傳播速度差異?。
氧中氫測量和氫中氧測量方法比較與選擇建議
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測量類型
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推薦方法
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優(yōu)點(diǎn)
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缺點(diǎn)
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典型應(yīng)用場景
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氧中氫測量
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熱導(dǎo)式傳感器
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響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好
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需要校準(zhǔn)
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PEM電解槽在線監(jiān)測
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氧中氫測量
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電化學(xué)法
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便攜、操作簡單
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壽命短、需頻繁校準(zhǔn)
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現(xiàn)場快速檢測
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氫中氧測量
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氣相色譜法
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精度高、可多組分分析
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設(shè)備昂貴
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實驗室**分析
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氫中氧測量
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電化學(xué)法
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靈敏度高、響應(yīng)快
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易受干擾
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工業(yè)過程控制
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選擇氫中氧測量分析儀和傳感器方法時應(yīng)考慮：
測量范圍?：氧中氫通常0-2%，氫中氧通常0-1%?。
?精度要求?：氧中氫誤差應(yīng)小于±0.1%，氫中氧小于±0.05%?
?響應(yīng)時間?：工業(yè)應(yīng)用通常要求小于60秒?，對PEM膜研究和質(zhì)量評估來說，由于流量很小，在100ml/分鐘及以下，這就需要T90 響應(yīng)時間很短大約在1-2秒之內(nèi)。
?使用環(huán)境?：在線監(jiān)測優(yōu)先選擇穩(wěn)定性好的方法，實驗室分析可選擇精度更高的技術(shù)
這些測量方法共同構(gòu)成了氫能產(chǎn)業(yè)中氣體純度監(jiān)測的技術(shù)基礎(chǔ)，對保障工藝安 全和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。
氧中氫測量和氫中氧測量測量分析儀和傳感器
1、FTC320-EX防爆氧中氫分析儀（氫濃度分析儀）
黛爾特（北京）科技有限公司的FTC320-EX氧中氫分析儀采用熱導(dǎo)式原理，測試二元組份氣體的量程可達(dá)到0-100%Vol，分辨率為1ppm,線性可達(dá)1%FS，響應(yīng)時間非常快，可達(dá)到1秒（T90）。氧中氫傳感器內(nèi)部熱導(dǎo)芯片經(jīng)過特定的薄膜處理，可以在高濕和腐蝕性氣體中測量。它可以在-20°C到+50°C的環(huán)境溫度下工作，耐壓高達(dá)20 bar。對于氧中氫測量，氫氣Min.測量范圍為0至0.5 vol.% H2/O2（5000ppm），氫氣Max.測量范圍為98% Vol.至100% Vol.。100ppm/周的零點(diǎn)漂移，50ppm的測量噪聲，5 ppm/°C的溫度依賴性。
與電化學(xué)原理比較，黛爾特（北京）科技有限公司的FTC320-EX氧中氫分析儀優(yōu)勢:
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FTC320-EX分析儀采用熱導(dǎo)原理，6次方線性化擬合，精度非常高。
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響應(yīng)時間（t90）約為1秒，非常適合樣氣量和流量非常小的場合。而電化學(xué)原理的氧中氫分析儀的響應(yīng)時間一般在30秒左右，不適合流量小的場合。
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FTC320-EX分析儀穩(wěn)定性好，一般5-6個月標(biāo)定一次。而電化學(xué)原理的的儀器需要頻繁標(biāo)定，一般在7天左右據(jù)需要標(biāo)定，非常麻煩和繁瑣。
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FTC320-EX分析儀熱導(dǎo)敏感元件采用鍍膜處理，可以有效防止冷凝水和微小顆粒污染，從而保護(hù)氧中氫分析儀和氫中氧分析儀。
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通過配置，同一臺FTC320分析儀可以測試不同濃度的氧中氫氣含量和氫中氧氣含量，真正做到一臺分析儀測試多量程和多種配對氣體組份濃度測量，而不需要花費(fèi)更多經(jīng)費(fèi)購買多臺分析儀儀器來測試不同氣體濃度。
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FTC320-EX氫中氧分析儀-壽命一般在8-10年；而電化學(xué)原理的分析儀壽命一般在1-2年，需要頻繁更換傳感器和標(biāo)定，從增加了成本。從整個生命周期來看，F(xiàn)TC320-EX擁有成本還是低的。
2、TCD-HP-H2-O2氧中氫傳感器（氫濃度傳感器）
黛爾特（北京）科技有限公司的TCD-HP-H2-O2熱導(dǎo)式氧中氫傳感器是采用MEMS技術(shù)設(shè)計，通過直接物理方法測量氣體熱導(dǎo)率方式運(yùn)行，不需要參考?xì)?。氫氣傳感器沒有采用傳統(tǒng)的大功率的恒溫氣室設(shè)計，而采用獨(dú)特溫度補(bǔ)償?shù)乃惴?，可?/span>-40℃~+60℃下保證測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性，且波動性很小。傳感器功耗只有1W，是傳統(tǒng)的熱導(dǎo)原理傳感器的1/20。TCD-HP-H2-O2氧中氫傳感器同時對被測氣體中濕度進(jìn)行修正，背景噪音在±50ppm，測量達(dá)到±1%FS測量精度。
黛爾特公司TCD-HP-H2-O2采用的專有的精密的電路設(shè)計， 極快響應(yīng)時間，T90，只有3秒（@1L/分鐘），達(dá)到讀數(shù)穩(wěn)定的時間T100為8秒，而傳統(tǒng)的熱導(dǎo)傳感器需要30~50秒。傳感器無需傳統(tǒng)的加熱恒溫的等待（至少30分鐘加熱等待時間），從開機(jī)到測量工作結(jié)束大約需要在10分鐘內(nèi)完成，極大地提高了測量效率。TCD-HP-H2-O2氧中氫傳感器采用防爆設(shè)計，-40~+60℃溫度補(bǔ)償，無需加熱恒溫等待，耐壓10bar，24VDC供電，4-20mA輸出，兩端氣路接口1/8卡套，帶濕度補(bǔ)償，即使干燥劑逐漸失效，不影響測試精度。上圖方向是正面安裝，此時傳感器芯片朝下。少量冷凝液態(tài)水或者其它的重力物顆粒物不會沉積在傳感器芯片上，芯片不會被損壞或污染。
黛爾特（北京）科技有限公司的氧中氫傳感器產(chǎn)品特點(diǎn)：
l超快速響應(yīng)，T90約3秒；l*小量程：0-5000 ppm H2/N2或H2/O2；l功耗小，約1W；l溫度補(bǔ)償并輸出，無需加熱恒溫并等待。
l溫度補(bǔ)償并輸出，濕度對測量影響小。l流量補(bǔ)償熱導(dǎo)芯片設(shè)計，流量對測量影響?。?/span>l背景噪音小，約±50ppm； l同時測量氫氣濃度、相對濕度和溫度三個參數(shù)；
l8-10年長壽命，低維護(hù)；l長期漂移小，通常只需零點(diǎn)校準(zhǔn)，無需量程校準(zhǔn)；l*大耐壓：10 bar絕壓
