电解水过程中氧中氢测量和氢中氧测量

电解水过程中氧中氢测量和氢中氧测量

电解水制氢是通过直流电分解水制备氢气的技术，目前主要有四种成熟的技术路线，每种技术各有特点和应用场景。

碱性电解水制氢(ALK)：碱性电解水技术是*早发展、目前*为成熟的电解水制氢方法。其工作原理是在充满碱性电解液(通常为20%-30%的KOH或NaOH溶液)的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气（H2）和氧气(O2)。该技术使用镀镍钢板或镍铜铁作为电极材料，运行电压一般在1.9-2.6V之间。碱性电解槽结构简单、成本较低，但存在效率较低(约60-70%)、电流密度受限等问题‌。
质子交换膜电解水制氢(PEM)：PEM电解水技术使用质子交换膜作为电解质，水分子在阳极铱催化剂作用下分解为氧气和氢离子(H⁺)，H⁺通过质子交换膜迁移至阴极，在铂催化剂表面结合电子生成氢气(H2)。这种技术能实现氢氧物理隔离，确保氢气纯度超过99.99%，且具有响应速度快、电流密度高的优点。但PEM电解槽需要使用贵金属催化剂，成本较高‌。 固体氧化物电解水制氢(SOEC)：以固体氧化物为电解质，在高温(700-1000℃)下运行。其工作原理是：阴极将水蒸气分解为氢气（H2）和氧离子，氧离子通过电解质迁移至阳极形成氧气(O2)。高温运行使得SOEC具有较高的能量转换效率(可达85-90%)，但存在启动时间长、材料耐久性等挑战‌。
阴离子交换膜电解水制氢(AEM)：AEM技术使用阴离子交换膜作为电解质，通过电解水产生氢气(H2)。其特点是可采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质，并使用非贵金属催化剂，成本相对较低。水在阴极催化剂作用下接收电子发生析氢反应产生氢气(H2)，氢氧根(OH⁻)穿过AEM回到阳极发生析氧反应‌。AEM技术结合了碱性电解和PEM电解的部分优点，是近年来发展较快的新兴技术。

为什么电解水过程中进行氧中氢测量和氢中氧测量？

电解水过程中进行氧中氢测量和氢中氧测量是确保工艺安 全性和气体纯度的关键措施，主要基于以下原因：

一、氧中氢（H2 in O2）测量的目的

‌安 全风险控制‌：电解水产生的氧气中若混入过量氢气（通常超过4%体积浓度），可能形成爆炸性混合物。实时监测氧气中的氢气浓度可及时触发报警或联锁停机，避免安 全事故‌
‌标准要求‌：根据GB/T19774，氧气中氢气含量应小于4%VOL，氧中氢分析仪量程通常为0-2%VOL，氢气测量分辨率需小于0.01%VOL‌.
膜故障检测‌：电解槽的质子交换膜（PEM）或隔膜若破损，会导致氢气和氧气互窜。氧中氢分析仪可快速识别此类故障，便于及时维修‌。

二、氢中氧(O2 in H2) 测量的目的

根据GB/T19774，氢气中氧气含量应小于4%VOL，氢中氧分析仪量程通常为0-1%VOL，氧气测量分辨率需小于0.01%VOL‌

‌安 全防护‌:氢气侧混入过量氧气同样可能形成爆炸性混合物。氢中氧分析仪通过电化学传感器监测微量氧含量，预防潜在危险‌

‌工艺优化与质量控制‌：确保氢气纯度符合工业应用要求（如化工、电子等领域），避免杂质影响后续工艺‌；通过联锁控制系统实时调整电解参数，提升生产效率和产品一致性‌。

三、氧中氢测量和氢中氧测量综合意义
两种测量共同构成电解水制氢的‌双重安 全保障体系‌，同时满足工艺精度需求。例如，PEM电解槽通过在线分析系统实现氢/氧浓度的闭环控制，兼顾安 全性与经济性‌。

电解水氧中氢和氢中氧分析仪和传感器测量的常用方法
一、氧中氢测量的常用方法
氧中氢测量主要用于监测氧气中混入的氢气含量，是电解水制氢等工业过程中的重要安 全监测手段。以下是几种主要测量方法：

热导式传感器TCD法‌：通过检测气体热导率变化来测量氧中氢含量，利用氢气和氧气热导系数的差异实现测量。这种方法具有响应快(1-2秒)、精度高(可达1%FS)和长期稳定性好的特点‌。
电化学传感器EC法‌：基于电化学反应原理，通过特殊催化剂表面将水分子分解成氢气和氧气，测量生成的氢气量来计算原始气体样品中的氢气浓度。测量精度可达1%FS，但传感器使用寿命有限‌。
气相色谱分析技术‌GC：通过色谱柱分离气体组分，可同时分析多种气体成分，分离效率高但需要专业操作‌。但是缺点是非实时测量，测量时间长。

二、氢中氧传感器和分析仪测量的常用方法
氢中氧测量主要用于确保氢气纯度，防止爆炸风险。主要方法包括：
热导气相色谱法GC：使用热导检测器(TCD)进行定量分析，检测限可达10ppm‌
电化学法‌EC：基于燃料电池型、极谱型等电化学传感器对氧气的响应，操作简便适合现场检测。GB/T 6285规定了电化学法的标准操作‌。
顺磁偏转法：利用氧的顺磁性特性。
超声检测技术：根据声波在不同气体中的传播速度差异‌。
氧中氢测量和氢中氧测量方法比较与选择建议

测量类型	推荐方法	优点	缺点	典型应用场景
氧中氢测量	热导式传感器	响应快、精度高、稳定性好	需要校准	PEM电解槽在线监测
氧中氢测量	电化学法	便携、操作简单	寿命短、需频繁校准	现场快速检测
氢中氧测量	气相色谱法	精度高、可多组分分析	设备昂贵	实验室**分析
氢中氧测量	电化学法	灵敏度高、响应快	易受干扰	工业过程控制

选择氢中氧测量分析仪和传感器方法时应考虑：

测量范围‌：氧中氢通常0-2%，氢中氧通常0-1%‌。
‌精度要求‌：氧中氢误差应小于±0.1%，氢中氧小于±0.05%‌
‌响应时间‌：工业应用通常要求小于60秒‌，对PEM膜研究和质量评估来说，由于流量很小，在100ml/分钟及以下，这就需要T90 响应时间很短大约在1-2秒之内。
‌使用环境‌：在线监测优先选择稳定性好的方法，实验室分析可选择精度更高的技术
这些测量方法共同构成了氢能产业中气体纯度监测的技术基础，对保障工艺安 全和产品质量至关重要。

氧中氢测量和氢中氧测量测量分析仪和传感器

1、FTC320-EX防爆氧中氢分析仪（氢浓度分析仪）

黛尔特（北京）科技有限公司的FTC320-EX氧中氢分析仪采用热导式原理，测试二元组份气体的量程可达到0-100%Vol，分辨率为1ppm,线性可达1%FS，响应时间非常快，可达到1秒（T90）。氧中氢传感器内部热导芯片经过特定的薄膜处理，可以在高湿和腐蚀性气体中测量。它可以在-20°C到+50°C的环境温度下工作，耐压高达20 bar。对于氧中氢测量，氢气Min.测量范围为0至0.5 vol.% H2/O2（5000ppm），氢气Max.测量范围为98% Vol.至100% Vol.。100ppm/周的零点漂移，50ppm的测量噪声，5 ppm/°C的温度依赖性。

与电化学原理比较，黛尔特（北京）科技有限公司的FTC320-EX氧中氢分析仪优势:

• FTC320-EX分析仪采用热导原理，6次方线性化拟合，精度非常高。
• 响应时间（t90）约为1秒，非常适合样气量和流量非常小的场合。而电化学原理的氧中氢分析仪的响应时间一般在30秒左右，不适合流量小的场合。
• FTC320-EX分析仪稳定性好，一般5-6个月标定一次。而电化学原理的的仪器需要频繁标定，一般在7天左右据需要标定，非常麻烦和繁琐。
• FTC320-EX分析仪热导敏感元件采用镀膜处理，可以有效防止冷凝水和微小颗粒污染，从而保护氧中氢分析仪和氢中氧分析仪。
• 通过配置，同一台FTC320分析仪可以测试不同浓度的氧中氢气含量和氢中氧气含量，真正做到一台分析仪测试多量程和多种配对气体组份浓度测量，而不需要花费更多经费购买多台分析仪仪器来测试不同气体浓度。
• FTC320-EX氢中氧分析仪-寿命一般在8-10年；而电化学原理的分析仪寿命一般在1-2年，需要频繁更换传感器和标定，从增加了成本。从整个生命周期来看，FTC320-EX拥有成本还是低的。

2、TCD-HP-H2-O2氧中氢传感器（氢浓度传感器）

黛尔特（北京）科技有限公司的TCD-HP-H2-O2热导式氧中氢传感器是采用MEMS技术设计，通过直接物理方法测量气体热导率方式运行，不需要参考气。氢气传感器没有采用传统的大功率的恒温气室设计，而采用独特温度补偿的算法，可在-40℃~+60℃下保证测量准确度和重复性，且波动性很小。传感器功耗只有1W，是传统的热导原理传感器的1/20。TCD-HP-H2-O2氧中氢传感器同时对被测气体中湿度进行修正，背景噪音在±50ppm，测量达到±1%FS测量精度。

黛尔特公司TCD-HP-H2-O2采用的专有的精密的电路设计， 极快响应时间，T90，只有3秒（@1L/分钟），达到读数稳定的时间T100为8秒，而传统的热导传感器需要30~50秒。传感器无需传统的加热恒温的等待（至少30分钟加热等待时间），从开机到测量工作结束大约需要在10分钟内完成，极大地提高了测量效率。TCD-HP-H2-O2氧中氢传感器采用防爆设计，-40~+60℃温度补偿，无需加热恒温等待，耐压10bar，24VDC供电，4-20mA输出，两端气路接口1/8卡套，带湿度补偿，即使干燥剂逐渐失效，不影响测试精度。上图方向是正面安装，此时传感器芯片朝下。少量冷凝液态水或者其它的重力物颗粒物不会沉积在传感器芯片上，芯片不会被损坏或污染。

黛尔特（北京）科技有限公司的氧中氢传感器产品特点：

l超快速响应，T90约3秒；l*小量程：0-5000 ppm H2/N2或H2/O2；l功耗小，约1W；l温度补偿并输出，无需加热恒温并等待。

l温度补偿并输出，湿度对测量影响小。l流量补偿热导芯片设计，流量对测量影响小；l背景噪音小，约±50ppm； l同时测量氢气浓度、相对湿度和温度三个参数；

l8-10年长寿命，低维护；l长期漂移小，通常只需零点校准，无需量程校准；l*大耐压：10 bar绝压