Амперометрический способ измерения концентрации водорода в воздухе

Авторы патента:

G01N27/4072 - Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 3/00-G01N 25/00 имеют преимущество; измерение переменных электрических или магнитных величин и исследование электрических или магнитных свойств материалов G01R)

G01N27/407 - для исследования или анализа газов

Владельцы патента RU 2788154:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к анализу газовых сред и может быть использовано для измерения концентрации водорода в воздухе и других кислородсодержащих средах. Поток анализируемого воздуха очищают от паров воды и восстановителей, пропуская его через цеолит, в поток очищенного, содержащего водород воздуха помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя газополотно соединенными между собой дисками из твердого протонпроводящего твердого электролита состава CaZrO₃, между которыми имеется капилляр, на электроды из каталитически активного электронопроводящего материала, нанесенные на противоположные поверхности одного из дисков, подают напряжение, посредством чего осуществляют откачку из полости ячейки через твердый электролит ионов водорода, образовавшихся в результате электролиза влаги, образовавшейся в процессе окисления водорода кислородом воздуха, в поток воздуха, омывающий ячейку, и при достижении стационарного состояния измеряют предельный диффузионный ток, по величине которого определяют концентрацию водорода в анализируемом воздухе по формуле:

где: F - константа Фарадея, Кл/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅K; D_(H2O) - коэффициент диффузии водорода в воздухе, см²/с; X_(Н2) - мольная доля водорода в воздухе; S - площадь сечения капилляра, мм²; Р - общее давление газовой смеси, атм; Т - температура анализа, °С; L - длина капилляра, (мм); Icm - предельный ток, А. Технический результат - способ позволяет измерять содержание водорода в воздухе даже в случае присутствия в нем влаги и восстановителей. 4 ил.

Изобретение относится к анализу газовых сред и может быть использовано для измерения концентрации водорода в воздухе и других кислородсодержащих средах.

Известен способ измерения концентрации метана и/или водорода (RU 2250455, опубл. 02.03.2004) [1]. Способ включает измерение сигнала на каталитическом активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации метана и/или водорода по величине сигнала выходного напряжения. Предварительно в режиме калибровки при напряжении питания Um, обеспечивающем нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления метана, на чувствительный элемент поочередно подают поверочные газовые смеси «водород-воздух» и «метан-воздух» с содержанием водорода и метана в смесях Св_пов и См_пов соответственно, производят измерения текущих напряжений Uв_тек и Uм_тек и рассчитывают коэффициенты калибровки по водороду Кв и по метану Км соответственно по формулам Кв=Uв_тек/Св_пов и Км=Uм_тек/См_пов.

Затем в режиме измерения запитывают чувствительный элемент поочередно напряжением Uв, обеспечивающим нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления водорода, и напряжением Uм, перед снятием которых производят измерение величин напряжения Uв_изм и Uм_изм, и при отношении Uм_изм/Uв_изм, большем заранее установленной величины коэффициента разделения по газу Е, определяют измеряемую концентрацию метана по формуле См_изм=Uм_изм/Км, а при отношении Uм_изм/Uв_изм, меньшем или равном величине коэффициента Е, определяют измеряемую концентрацию водорода по формуле Cв_изм=Uв_изм/Kв.

Таким образом, с использованием данного газового сенсора можно измерять концентрацию водорода в воздухе и в кислородосодержащнх газовых средах, однако он проявляет низкую селективность измерений при наличии в анализируемом газе других восстановителей, кроме водорода, а именно, углеводородов и СО.

Известен амперометрический способ измерения концентрации водорода в газовых смесях с помощью твердоэлектролнтного датчика простой конструкции, содержащего два электрода, нанесенных на противоположные поверхности одного из герметично соединенных между собой дисков из твердого протонпроводящего электролита состава CaZrO₃ (RU 2483299, опубл. 27.02.2013) [2].

Под действием напряжения, приложенного от внешнего источника питания к электродам, слои из твердого электролита «плюс источника - к внутреннему электроду», водород, про диффундировавший из анализируемого газа во внутренний объем датчика, откачивается в анализируемый газовый поток. При этом вследствие высокой текучести водород из анализируемого газа непрерывно поступает из окружающей среды внутрь датчика. Ток, протекающий через второй слой из твердого электролита, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током - Icm. Б общем виде объемная доля водорода в анализируемом газе связана с предельным диффузионным токомгст.соотношением:

C=100[1-exe(-K*Icm)],

где С - объемная доля водорода в анализируемом газе, %;

Icm. - предельный ток, А;

K - коэффициент, зависящий от пористости твердого электролита, от рабочих условий и коэффициента диффузии.

Таким образом, измерив величину предельного тока Icm., характерную для данной концентрации водорода, по вышеприведенному уравнению можно однозначно определить и концентрацию водорода в анализируемой среде. При этом заявленный датчик обладает высокой селективностью по водороду, но только в инертных средах.

При использовании данного датчика в кислородсодержащих средах при рабочей температуре 600°С происходит взаимодействие анализируемого водорода и кислорода воздуха с образованием влаги. Наличие в воздухе влаги в значительных количествах приведет к значительной ошибке измерений концентрации водорода в воздухе, поскольку полученные с использованием данного датчика результаты будут свидетельствовать лишь о суммарном влагосодержании анализируемого воздуха.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, способного измерять содержание водорода в воздухе даже в случае присутствия в нем влаги и восстановителей.

Для этого используют электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя газополотно соединенными между собой дисками из твердого протонпроводящего твердого электролита состава CaZrO₃, между которыми имеется капилляр, на противоположные поверхности одного из дисков, нанесены электроды из каталитически активного электронопроводящего материала. Анализируемый воздух очищают от паров воды и восстановителей, пропуская его через цеолит, и в поток очищенного, содержащего водород воздуха, помещают электрохимическую ячейку, на электроды которой подают напряжение и осуществляют откачку из полости ячейки через твердый электролит ионов водорода, образовавшихся в результате электролиза влаги, образовавшейся в процессе окисления водорода кислородом воздуха. Эти ионы водорода откачивают в поток воздуха, омывающий ячейку и при достижении стационарного состояния, измеряют предельный диффузионный ток, по величине которого определяют концентрацию водорода в анализируемом воздухе по известной формуле.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в расширении сферы применения твердоэлектролитных датчиков.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена твердоэлектролитная электрохимическая ячейка для реализации заявленного способа (сенсор); на фиг. 2 - схема прохождения анализируемого газа; на фиг. 3-зависимость токов сенсора от напряжения; на фиг. 4 - зависимость предельного тока сенсора от концентрации водорода для 650 и 700°С.

Электрохимическая ячейка для заявленного способа (сенсор) содержит два диска из протонпроводящего твердого электролита 1, наружный платиновый электрод 2, внутренний платиновый электрод 3, герметик 4, полость 5, капилляр 6. Ячейку помещают термостат 8, нагретый до 600°С, где ее термостатируют в равномерном температурном поле. Термостат 8 имеет трубку 9 подачи газа в термостат 8, пробки 10 и 11, и трубку 12 сброса газа. Анализируемый газ пропускают через слой цеолита 7, например цеолита типа «Синтетический целлит СаА - У (улучшенный) (5А)». Могут быть использованы цеолиты других марок, удовлетворяющие требованиям очистки газовой смеси от влаги, углеводородов и СО до уровня содержания H₂O<0.1%. Толщина слоя цеолита должна быть достаточной для поглощения влаги, но не менее 10 см. При прохождении анализируемой газовой смеси через слой цеолита 7 происходит очистка анализируемой газовой смеси от влаги, углеводородов и СО до уровня содержания H₂O<0.1%. Смесь, содержащая только воздух и водород, поступает в термостат 8, нагретый до 600°С, и омывает находящуюся в нем электрохимическую ячейку. При температуре нагретого термостата, учитывая наличие платинового катализатора (платиновые электроды сенсора 2 и 3), водород окисляется кислородом воздуха с образованием воды. Анализируемый воздух с образовавшейся влагой, эквивалентной содержанию водорода, через капилляр 6 попадает в полость 5 сенсора. На внутреннем электроде 3 сенсора происходит электролиз влаги с образованием ионов водорода и кислорода по реакции:

H₂O=2Н^+е+О^-2e

Образовавшиеся ионы водорода под действием приложенного напряжения откачиваются из полости сенсора через твердый электролит, обладающий протонной проводимостью, в газовый поток, омывающий сенсор. Ток, протекающий через слой из твердого электролита, изменяется, достигая при установлении стационарного состояния постоянного значения, называемого предельным диффузионным током - Icm. Величина предельного тока сенсоралимитируется диффузионным барьером -(капилляром) и концентрацией водорода. В общем виде объемная доля водорода в анализируемом газе связана с предельным диффузионным током Icm соотношением:

где: F - константа Фарадея, Кл/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅К;

D_(H2O) - коэффициент диффузии водорода в воздухе, см²/сек;

X_(Н2) - мольная доля водорода в воздухе;

S - площадь сечения капилляра, мм²;

Р - общее давление газовой смеси, атм.;

Т - температура анализа, °С;

L - длина капилляра, (мм);

Icm - предельный ток, А.

Таким образом, заявленный способ позволяет измерять содержание водорода в воздухе даже в случае присутствия в нем влаги и восстановителей.

Амперометрический способ измерения концентрации водорода в воздухе, заключающийся в том, что поток анализируемого воздуха очищают от паров воды и восстановителей, пропуская его через цеолит, в поток очищенного, содержащего водород воздуха помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя газополотно соединенными между собой дисками из твердого протонпроводящего твердого электролита состава CaZrO₃, между которыми имеется капилляр, на электроды из каталитически активного электронопроводящего материала, нанесенные на противоположные поверхности одного из дисков, подают напряжение, посредством чего осуществляют откачку из полости ячейки через твердый электролит ионов водорода, образовавшихся в результате электролиза влаги, образовавшейся в процессе окисления водорода кислородом воздуха, в поток воздуха, омывающий ячейку, и при достижении стационарного состояния измеряют предельный диффузионный ток, по величине которого определяют концентрацию водорода в анализируемом воздухе по формуле:

где: F - константа Фарадея, Кл/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль⋅K;

D_(H2O) - коэффициент диффузии водорода в воздухе, см²/с;

X_(Н2) - мольная доля водорода в воздухе;

S - площадь сечения капилляра, мм²;

Р - общее давление газовой смеси, атм;

Т - температура анализа, °С;

L - длина капилляра, (мм);

Icm - предельный ток, А.

Похожие патенты:

Проточные ячейки // 2785680

Группа изобретений относится к области биологических и химических исследований. Раскрыта проточная ячейка, включающая основу; расположенную на основе селективно удаляемую самособранную пористую молекулярную сетку, определяющую паттерн открытых участков основы; и наноструктуру, расположенную по меньшей мере на некоторых из открытых участков, и полимеразу, присоединенную к наноструктуре, и наноструктура представляет собой электропроводный канал, включающий материал, выбранный из группы, состоящей из проводника и полупроводника, и имеет геометрическую форму, выбранную из группы, состоящей из трубки, проволоки и полосы, где селективно удаляемая самособранная пористая молекулярная сетка представляет собой планарную надмолекулярную сетку из амина и диимида.

Датчик влажности и газоаналитический мультисенсорный чип на основе двумерного карбида молибдена (максена) и способ их изготовления // 2784601

Изобретение относится к области газового анализа, а именно к устройствам детектирования газовых смесей и способам их изготовления. Способ изготовления датчика влажности и мультисенсорного чипа включает синтез предложенным согласно изобретению способом двумерных структур карбида молибдена Мо2СТх (максена), где Тх=О-, ОН-, F-, и нанесение их в виде слоя на диэлектрическую подложку, оборудованную компланарными измерительными электродами.

Устройство для проведения анализа // 2783853

Настоящее изобретение предлагает устройство для проведения анализа в микрофлюидной системе. Устройство для проведения анализа в микрофлюидной системе, содержащей магнитные частицы, причем указанное устройство содержит: платформу, на которую может быть установлена микрофлюидная система, причем платформа содержит вращающийся столик, выполненный с возможностью размещения и регулируемого вращения аналитического диска, содержащего микрофлюидную систему, причем вращающийся столик дополнительно содержит один или более нагревательных модулей для теплового воздействия на одну или более определенных частей установленной микрофлюидной системы в ходе вращения; один или более исполнительных механизмов, имеющих магнит, выполненный с возможностью непосредственного воздействия на движение магнитных частиц, содержащихся в микрофлюидной системе, когда микрофлюидная система установлена на указанной платформе, и регулирующее приспособление, выполненное с возможностью регулирования относительного движения одного или более магнитов и микрофлюидной системы, когда она установлена, чтобы позволить магниту проходить желательный путь по установленной микрофлюидной системе, причем указанный магнит выполнен с возможностью расположения на любых координатах х и у установленной микрофлюидной системы, и при этом указанное устройство дополнительно содержит: a) по меньшей мере один вращательный исполнительный механизм, выполненный с возможностью обеспечения движения магнита вдоль оси х, и/или b) приспособление для движения установленной микрофлюидной системы в поэтапном режиме.

Способ создания сенсора для детектирования водорода // 2783070

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к датчикам измерения состава окружающей среды при высоких температурах и может быть использовано для обнаружения утечек водорода и предотвращения создания взрывоопасной воздушно-водородной смеси при использовании в водородной энергетике.

Способ оценки качества рогового слоя клеточных моделей кожи человека // 2782891

Изобретение относится к медицине, в частности к способу оценки качества рогового слоя клеточных моделей кожи человека (КМКЧ). Способ по настоящему изобретению включает экспериментальное определение диапазона нормативных значений величины электрического сопротивления для данного типа КМКЧ (конкретного вида продукции), измеренного методом TEER, и последующую тотальную оценку всех КМКЧ в составе производственных партий этого диапазона.

Устройство измерения окислительно-восстановительного потенциала расплавленных солей // 2782179

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к средствам измерения окислительно-восстановительного потенциала расплавов солей на основе LiF-BeF2 жидко-солевого реактора (ЖСР), и может быть использовано для исследования коррозионной стойкости конструкционных материалов кого типа реакторов. Устройство измерения окислительно-восстановительного потенциала расплавленных солей содержит электрически изолированные друг от друга с помощью нитрида бора молибденовую подложку динамического бериллиевого электрода и молибденовый индикаторный электрод, представляющие собой молибденовые стержни, а также противоэлектрод, при этом противоэлектрод выполнен в виде трубы из плотного графита, молибденовые стержни размещены в двухканальной алундовой соломке, которая помещена в стальную трубку, соединенную с противоэлектродом для обеспечения токоподвода к нему, при этом площадь поверхности противоэлектрода, предназначенной для погружения в расплав, не менее чем в 5 раз превышает площадь погружаемой в расплав поверхности молибденовой подложки динамического бериллиевого электрода, при том что бериллиевый электрод сравнения расположен внутри противоэлектрода, а молибденовый индикаторный электрод выступает наружу из противоэлектрода на глубину, зафиксированную таким образом, чтобы расстояние от его торца до торца противоэлектрода было не менее одного диаметра противоэлектрода.

Меченые нуклеотиды и их применения // 2782056

Изобретение относится к меченому нуклеотиду для секвенирования нуклеиновых кислот, к способу секвенирования нуклеиновых кислот с его использованием и к набору для секвенирования нуклеиновых кислот. Предлагаемый меченый нуклеотид содержит нуклеотид, связывающую группу, присоединенную к фосфатной группе указанного нуклеотида, и редокс-активную зарядную метку, присоединенную к связывающей группе, причем указанная редокс-активная зарядная метка подлежит окислению или восстановлению посредством токопроводящего канала при удерживании вблизи чувствительной зоны токопроводящего канала.

Присоединение полимеразы к проводящему каналу // 2781299

Группа изобретений относится к биотехнологии. Представлено устройство для обнаружения нуклеотидов, содержащее проводящий канал и от одной до пяти молекул полимеразы, присоединенных к проводящему каналу.

Вихретоковый проходной преобразователь для неразрушающего контроля стрендовых канатов // 2781153

Изобретение относится к измерительной технике и служит для неразрушающего контроля обрывов внешних и внутренних стрендов в мультистрендовых канатах и протяженных шихтованных структурах. Технический результат заключается в повышении соотношения сигнал/помеха за счет сужения зоны контроля, выравнивании порога чувствительности к дефектам во внешнем и внутренних слоях стрендовых канатов.

Мульти-графеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления // 2780953

Группа изобретений относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к изготовлению газовых сенсоров и газоаналитических мультисенсорных линеек хеморезистивного типа. Конструкция газового сенсора включает диэлектрическую подложку, расположенные на подложке компланарные полосковые электроды, терморезисторы, нагреватели, и газочувствительный слой, разделенный на два или более сегмента, каждый из которых сформирован на основе отличных по своему химическому составу графеновых материалов, у которых при комнатной или повышенной температуре изменяется сопротивление под воздействием примесей органических паров или паров воды в окружающем воздухе.

Способ создания сенсора для детектирования водорода // 2783070