·788 北京科技大学学报 第32卷 1实验 E 1.1实验条件 本实验使用的是以Nafion]12膜为电解质、PyC (质量分数为30%)为催化剂的膜电极.由于Na fm12膜是一种有机膜，其耐温程度有限刀，通常 传感器的工作温度在室温至100℃范围内，因此本 实验的最高测试温度为80℃.实验条件见表1. 表1实验条件 Tab le I Expermental conditions 实验参数 实验值 一空气和氢气混合气体：B-空气：C一集流板：D一膜电极组件： E-☑58AB电压电流表 实验温度沁 30-80 图】氢气传感器的测试系统示意图 相对湿度% 45-100 Fg 1 Schema tic diagram of the measuring system of a hydogen sen 氢气体积分数/106 500-3000 sor 1.2实验测量 气具有明显的响应，随时间延长，响应电压逐渐升 将热压成型的膜电极放入两块直径为2m孔 高，最终达到稳定值.响应电压稳定值随氢气含量 隙率为50%的不锈钢圆片（两块不锈钢圆片既作为 的上升而单调上升.响应电压为燃料电池型传感器 气体流场，又是收集膜电极电流的集流板)之间，然 的电动势，即氢电极和空气电极之间的电势差，可由 后将其置于自行设计的传感器外壳中，组装成氢传 下式来表示： 感器.氢传感器阳极端伸入到氢气和空气的混合气 △E=E,-E-2303TgR 室中探测氢气，阴极端反应物为空气.氢传感器产 2nF (1) 生的电压使用P☑58AB直流数字电压电流表进行 式中，△E为传感器的响应电压值，？R为摩尔气体 测量，并且仪表与计算机相连，可实时采集并显示电 常量，8.3143JmoT·K;T为热力学温度：为电 压值.氢气传感器测试装置如图1所示.为保证实 化学反应过程中涉及的电子数；F为法拉第常量， 验结果可靠，在每一个实验条件下均重复测试至少 96487CmoT;,为工作电极表面的氢气分压.由 三组时间电压曲线 此可知，传感器的电势差与氢气的分压有关，通过式 (1)可以计算任何氢气含量对应的饱和电压值，从 2结果与讨论 而进行标定.通过式(1)的计算，得到30℃下能斯 2.1响应电压与氢气含量之间的关系 特斜率为15.03mV 图2(3所示为氢传感器在30℃时不同氢气含 图2(b显示30℃时饱和电压与氢气含量的对 量（体积分数为(10~3000）×106)对应的电压随 数呈线性关系，采用非线性最小二乘法拟合得到该 时间变化的曲线.从图中可以看到，该传感器对氢 直线的斜率为33.13mV实验拟合结果与能斯特方 120 120 ( (b) -×-3000×106 100H 2000x10 100 -o-100x104 80 u中mm-700x10- 80 eicceeccccceecccecc-500x10- "60 --300x10 60 o-50x10* 40 C-0-10x10 208 20 20004000600080001000012000 10 100 10003000 时间s 氢气体积分数/10 图230℃时电压与时间(3和氢气含量（的关系曲线 F2 Curves of wolwge o tme(a and hydrogen content(b at30C北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 1 实验 1.1 实验条件 本实验使用的是以 Nafion112膜为电解质、Pt/C (质量分数为 30%)为催化剂的膜电极.由于 Na￾fion112膜是一种有机膜, 其耐温程度有限 [ 7] , 通常 传感器的工作温度在室温至 100℃范围内, 因此本 实验的最高测试温度为 80℃.实验条件见表 1. 表 1 实验条件 Table1 Experimentalconditions 实验参数 实验值 实验温度 /℃ 30 ～ 80 相对湿度 /% 45 ～ 100 氢气体积分数 /10 -6 500 ～ 3 000 图 2 30℃时电压与时间 ( a)和氢气含量 (b)的关系曲线 Fig.2 Curvesofvoltagetotime( a) andhydrogencontent( b) at30℃ 1.2 实验测量 将热压成型的膜电极放入两块直径为 2 cm、孔 隙率为 50%的不锈钢圆片 (两块不锈钢圆片既作为 气体流场, 又是收集膜电极电流的集流板 )之间, 然 后将其置于自行设计的传感器外壳中, 组装成氢传 感器.氢传感器阳极端伸入到氢气和空气的混合气 室中探测氢气, 阴极端反应物为空气.氢传感器产 生的电压使用 PZ158AB直流数字电压电流表进行 测量, 并且仪表与计算机相连, 可实时采集并显示电 压值.氢气传感器测试装置如图 1所示 .为保证实 验结果可靠, 在每一个实验条件下均重复测试至少 三组时间--电压曲线 . 2 结果与讨论 2.1 响应电压与氢气含量之间的关系 图 2( a)所示为氢传感器在 30℃时不同氢气含 量 (体积分数为 ( 10 ～ 3 000) ×10 -6 )对应的电压随 时间变化的曲线.从图中可以看到, 该传感器对氢 A—空气和氢气混合气体;B—空气;C—集流板;D—膜电极组件; E— PZ158AB电压电流表 图 1 氢气传感器的测试系统示意图 Fig.1 Schematicdiagramofthemeasuringsystemofahydrogensen￾sor 气具有明显的响应, 随时间延长, 响应电压逐渐升 高, 最终达到稳定值 .响应电压稳定值随氢气含量 的上升而单调上升 .响应电压为燃料电池型传感器 的电动势, 即氢电极和空气电极之间的电势差, 可由 下式来表示: ΔE=EH2 -Eair = 2.303RT 2nF lgpH2 ( 1) 式中, ΔE为传感器的响应电压值, V;R为摩尔气体 常量, 8.314 3J·mol -1 ·K -1;T为热力学温度;n为电 化学反应过程中涉及的电子数 ;F为法拉第常量, 96 487 C·mol -1 ;pH2为工作电极表面的氢气分压 .由 此可知, 传感器的电势差与氢气的分压有关, 通过式 ( 1)可以计算任何氢气含量对应的饱和电压值, 从 而进行标定.通过式 ( 1)的计算, 得到 30℃下能斯 特斜率为 15.03 mV. 图 2( b)显示 30℃时饱和电压与氢气含量的对 数呈线性关系, 采用非线性最小二乘法拟合得到该 直线的斜率为 33.13mV.实验拟合结果与能斯特方 · 788·