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Working principle and application characteristics of electrochemical gas sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 13:41:13

Earlier electrochemical sensors date back to the 1950s, when they were used for oxygen monitoring. In the mid-1980s, small electrochemical sensors began to be used to detect a variety of different toxic gases in the PEL range, and showed good sensitivity and selectivity. At present, various electrochemical sensors are widely used in static and mobile applications for personal safety.


First, the working principle


An electrochemical sensor works by reacting with the gas under test and producing an electrical signal proportional to the concentration of the gas. A typical electrochemical sensor consists of a sensing electrode (or working electrode) and a reverse electrode, separated by a thin electrolytic layer. The gas first reacts with the sensor through tiny capillary holes, then a hydrophobic barrier, and finally reaches the electrode surface. This method allows the appropriate amount of gas to react with the sensor electrode to form a sufficient electrical signal while preventing electrolyte leakage from the sensor.


The gas diffused through the barrier reacts with the sensing electrode, which may adopt an oxidation or reduction mechanism. These reactions are catalyzed by electrode materials designed for the gas under test. A current proportional to the measured gas concentration flows between the positive and negative electrodes through a resistor connected between the electrodes. The gas concentration can be determined by measuring the current. Because of the current generated in this process, electrochemical sensors are often referred to as current gas sensors or micro-fuel cells.


In practice, due to the continuous electrochemical reaction on the electrode surface, the sensor electrode potential cannot be kept constant, which will lead to the degradation of sensor performance after a long period of time. Reference electrode is introduced to improve the sensor performance. The reference electrode is installed in the electrolyte, adjacent to the sensing electrode. A fixed stable constant potential is applied to the sensing electrode. The reference electrode can maintain this fixed voltage value at the sensing electrode. No current flows between the reference electrodes. The gas molecules react with the sensing electrode, and the reverse electrode is measured at the same time. The measurement results are usually directly related to the gas concentration. The voltage value applied to the sensing electrode enables the sensor to target the gas.


Two, the electrochemical sensor contains the following main components:


A. Breathable membranes (also known as hydrophobic membranes) : Breathable membranes are used to cover sensing (catalytic) electrodes and in some cases to control the molecular weight of gases reaching the electrode surface. Such barriers are usually made of Teflon films with low porosity. Such sensors are called coating sensors. Alternatively, it can be covered with a high-porosity Teflon film, while the capillary controls the molecular weight of the gas reaching the electrode surface. This type of sensor is called capillary sensor. In addition to providing mechanical protection for the sensor, the film also filters out unwanted particles. In order to transfer the correct molecular weight of the gas, it is necessary to select the correct pore size of the film and the capillary. The aperture size should allow sufficient gas molecules to reach the sensing electrode. The aperture size should also prevent liquid electrolyte leakage or rapid dryness.


B. Electrode: The choice of electrode material is very important. The electrode material shall be a catalytic material capable of performing semi-electrolytic reactions over long periods of time. Typically, the electrodes are made of precious metals, such as platinum or gold, which react effectively with gas molecules when catalyzed. Depending on the design of the sensor, the three electrodes can be made of different materials to complete the electrolytic reaction.


C. Electrolyte: The electrolyte must be sufficient to facilitate electrolytic reactions and effectively transfer ionic charges to the electrode. It must also form a stable reference potential with the reference electrode and be compatible with the materials used in the sensor. If the electrolyte evaporates too quickly, the sensor signal will weaken.


D. Filter: Sometimes a wash filter is installed in front of the sensor to remove unwanted gas. The selection of filters is limited, each filter has a different degree of efficiency. Most commonly used filter material is activated carbon, activated carbon can filter out most chemicals, but not carbon monoxide. By selecting the right filter material, the electrochemical sensor can be more selective to its target gas.


Electrochemical sensors can be manufactured in a variety of ways, ultimately depending on the gas to be detected and the manufacturer, however, the main characteristics of the sensors are very similar in nature. Some common characteristics of electrochemical sensors are described as follows:


1. On a three-electrode sensor, a jumper wire is usually used to connect the working electrode to the reference electrode. If it is removed during storage, it takes a long time for the sensor to remain stable and ready for use. Some sensors require bias between the electrodes, and in this case, the sensors are shipped with nine-volt battery-powered electronics. It takes 30 minutes to 24 hours for the sensors to stabilize and up to three weeks for them to remain stable.


2. Most toxic gas sensors require a small amount of oxygen to function properly. The sensor has an air hole on the back for this purpose. It is recommended to perform a recheck with the manufacturer in applications where non-oxygen background gas is used.


3. The electrolyte of the cell in the sensor is a aqueous solvent, which is isolated by a hydrophobic barrier, which prevents the leakage of the aqueous solvent. However, like other gas molecules, water vapor can cross the hydrophobic barrier. Under high humidity conditions, prolonged exposure may cause excess water to build up and lead to leakage. Under low humidity conditions, the sensor may dry out. Sensors designed to monitor high concentrations of gases have a low porosity barrier to limit the molecular weight of the gas passing through, so it is not affected by humidity. Like sensors used to monitor low concentrations of gases, this sensor has a high porosity barrier and allows the free flow of gas molecules.


Three, pressure and temperature


The electrochemical sensor is very little affected by the pressure change. However, because the pressure difference within the sensor can damage the sensor, the same pressure must be maintained throughout the sensor. Electrochemical sensors are also very sensitive to temperature, so internal temperature compensation is usually taken. But it is better to keep the standard temperature as much as possible. In general, the sensor reading is higher when the temperature is above 25°C; Below 25°C, readings are low. The temperature impact is typically 0.5% to 1.0% per degree Celsius, depending on the manufacturer and sensor type.


Iv. Selectivity


Electrochemical sensors are usually highly selective to their target gases. The degree of selectivity depends on the sensor type, the target gas, and the concentration of the gas the sensor is to detect. The best electrochemical sensor is the one that detects oxygen, which has good selectivity, reliability and long life expectancy. Other electrochemical sensors are susceptible to interference from other gases. Interference data are calculated using relatively low gas concentrations. In practical applications, the concentration of interference can be high, resulting in incorrect readings or false alarms.


Life. Expectancy


The life expectancy of an electrochemical sensor depends on several factors, including the gas to be detected and the environmental conditions in which the sensor is used. Generally, the prescribed life expectancy is one to three years. In practice, life expectancy depends mainly on the total amount of gas exposed during sensor use and other environmental conditions such as temperature, pressure and humidity.


Vi. Summary


Electrochemical sensors have very low requirements for working power supply. In fact, of all the sensor types available for gas monitoring, they have the lowest power consumption. Therefore, this sensor is widely used in mobile instruments containing multiple sensors. They are the most used sensors in finite space applications. The life expectancy of the sensor is predicted by its manufacturer based on conditions they consider normal. However, the expected life of a sensor depends heavily on environmental pollution, temperature and the humidity to which it is exposed.


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氢能源技术未来发展趋势分析

氢能源技术未来发展趋势分析

        氢能源,这个曾经被不少人认为是“未来能源”的概念,正在一步步走向现实。随着全球对绿色能源需求的增加,氢能源因其清洁、高效和可持续的特点,逐渐成为能源转型的重要方向。那么,未来氢能源技术会朝着哪些方向发展呢?让我们一起来聊聊。        一、制氢技术:更高效、更清洁        制氢技术是氢能源产业链的起点,也是决定氢能源能否大规模应用的关键。目前,主要的制氢方式有电解水制氢、工业副产氢提纯和甲烷重整制氢等。但这些技术还存在成本高、效率低或碳排放等问题。未来,制氢技术将朝着更高效、更清洁的方向发展。        1.电解水制氢:绿氢的“主力军”        电解水制氢的核心是利用电力将水分解成氢气和氧气。如果用可再生能源(比如风能、太阳能)作为电力来源,就能制取“绿氢”,也就是零碳排放的氢气。随着可再生能源成本的下降和电解水技术的优化,绿氢的生产成本会越来越低,成为未来制氢的“主力军”。想象一下,未来的加氢站可能直接用太阳能发电来制氢,既环保又省钱。        2.工业副产氢:变废为宝        在化工、钢铁等行业中,生产过程中会产生大量副产氢。这些氢气以前大多被浪费掉了,但未来,通过技术升级,这些氢气可以被高效提纯并利用。这样一来,不仅减少了资源浪费,还能降低制氢成本,一举两得。        3.新型制氢技术:光催化和生物制氢        光催化制氢和生物制氢是两种非常有潜力的新型技术。光催化制氢利用太阳光分解水,理论上可以在任何有阳光的地方制氢,完全零排放。而生物制氢则通过微生物或植物代谢产生氢气,这种方式更加环保,也更容易实现可持续发展。虽然这些技术目前还处于实验室阶段,但未来一旦突破,可能会彻底改变制氢的方式。        二、储运技术:更安全、更经济        氢气的储存和运输是氢能源发展的“拦路虎”。氢气不仅易燃易爆,而且储存密度低,运输成本高。未来,储运技术必须突破这些瓶颈,才能让氢能源真正走进千家万户。        1.高压储氢:轻量化、耐高压        高压储氢是目前最常用的方式,但储氢罐的重量和成本一直是问题。未来,通过材料科学的进步,可能会研发出更轻量化、耐高压的储氢材料。比如,用碳纤维复合材料制成的储氢罐,不仅更安全,还能大幅降低重量,提升储氢效率。        2.液氢储运:长距离、大规模        液氢储运技术适用于长距离、大规模的氢气运输。液氢的体积比气态氢小得多,运输效率更高。但液氢的制备需要复杂的冷却技术,成本也比较高。未来,随着液化技术的进步和成本的降低,液氢储运可能会成为重要的运输方式之一。        3.固态储氢:高密度、安全可靠        固态储氢通过金属氢化物或纳米材料储氢,具有储氢密度高、安全性好的优点。未来,如果固态储氢技术能够突破,氢气的储存和运输将变得更加方便和安全。比如,未来的氢气瓶可能像普通水瓶一样轻便,但储存的氢气量却非常大。        三、氢能应用:更多元、更普及        氢能源的应用领域非常广泛,从交通到工业,从建筑到电力,几乎无所不能。未来,氢能的应用将更加多元化和普及化。        1.燃料电池汽车:加氢快、续航长        燃料电池汽车(FCEV)以其零排放、长续航和快速加注的特点,成为氢能交通的重要方向。未来,随着加氢站网络的完善和燃料电池技术的进步,燃料电池汽车的市场占有率可能会进一步提升。也许在不久的将来,氢能汽车会像现在的电动车一样普及。        2.氢能工业和建筑:高效又环保        氢能可以用于工业生产中的高温加热、冶金和水泥制造等过程,同时也可以作为建筑供暖和发电的能源来源。未来,氢能可能会在工业和建筑领域发挥更大的作用。比如,工厂可以用氢能代替传统的化石燃料,减少碳排放;家庭可以用氢能发电,实现能源自给自足。        3.氢能储能:解决可再生能源的“不稳定”        可再生能源(如风能、太阳能)最大的问题是波动性和间歇性。氢能可以作为一种储能介质,把多余的可再生能源转化为氢气储存起来,需要的时候再用。这种方式不仅解决了可再生能源的“不稳定”问题,还提高了能源的利用率。        四、技术创新与智能化管理:氢能的“大脑”和“心脏”        氢能源技术的未来发展离不开技术创新和智能化管理的支持。这两者就像氢能的“大脑”和“心脏”,缺一不可。        1.材料科学:让氢能更高效、更耐用        氢能源技术的核心材料包括催化剂、膜材料和储氢材料等。通过研发新型材料,可以提高氢能源系统的效率和寿命,降低成本。比如,未来的燃料电池可能会用上更高效的催化剂,让发电效率翻倍。        2.智能化管理:让氢能更“聪明”        氢能源系统的智能化管理可以实现氢气的实时监测、优化调度和安全预警。通过物联网、大数据和人工智能技术的应用,氢能源系统将更加高效和可靠。比如,未来的加氢站可能会用智能系统来预测氢气需求,自动调整生产量,避免浪费。        五、政策支持与市场环境:氢能的“推手”        政策支持和市场环境是氢能源技术发展的外部驱动力。未来,随着各国政府对氢能源的重视,相关政策和法规将逐步完善。        1.政府补贴与税收优惠        各国政府通过补贴、税收优惠和采购政策,鼓励氢能源技术的研发和应用。这些政策将加速氢能源技术的商业化进程。比如,有些国家已经对购买燃料电池汽车的消费者提供补贴,刺激市场增长。        2.基础设施建设        加氢站、氢气管道等基础设施的建设是氢能源广泛应用的前提。未来,随着基础设施的完善,氢能源的市场环境将更加成熟。想象一下,未来的城市里,加氢站可能和加油站一样普及,氢能汽车的用户再也不用担心找不到加氢的地方。        六、未来展望:氢能的“黄金时代”        综合来看,氢能源技术的未来发展趋势是高效化、清洁化、多元化和智能化。随着技术的进步和政策的支持,氢能源将在全球能源结构中占据重要地位,为实现碳中和目标提供有力支持。        当然,氢能的发展也面临一些挑战,比如技术突破、成本降低和市场推广等。但只要各方共同努力,通过技术创新和合作,这些挑战都将被克服。未来,氢能可能会成为全球能源转型的重要支柱,为人类创造一个更加清洁、可持续的能源未来。
2025.04.28
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