温度和湿度对Nafion膜氢传感器性能的影响

D0I:10.13374/i.issnl00103x.2010.06.022 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vo132 No 6 2010年6月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Jun 2010 温度和湿度对Na fiong膜氢传感器性能的影响 杜晋峰白洋褚武扬 乔利杰 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要系统研究了以Naf叫12膜为电解质的氢传感器在不同工作环境下的氢敏感性能.结果表明，以Nao四12膜为电解 质的氢传感器对氢具有很好的敏感性，可以实现微量氢气泄漏的快速检测.该传感器在氢气体积分数为(500~3000)×10 时的响应电压与氢气体积分数的对数呈线性关系，为标定不同环境下氢气含量与传感器响应电压的对应关系提供了依据。在 相同湿度条件下，传感器响应电压随温度的升高而下降.湿度对传感器响应电压的影响与温度相关：温度较低时，响应电压随 湿度的增加而下降：温度较高时.响应电压随湿度的增加而升高. 关键词氢传感器：Nafa膜氢泄漏：响应特性 分类号M9114 Effects of temperature and hum idity on the perfomm ance of hydrogen sensors based on the Nafion m embrane DU Jn feng BAI Yang CHWu yang QIAO)Li-jie Sclpol ofMaseris Science and Engineering Universit ofSc ience and Technokgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT The hydrogen sesitivity of a hyd rogn sesorw ith he Nafon 12 mem brane as electrole was studied under different wok ing enviromm ents The results shov hat the hyd rogen sensor has good hyd ogen sensitivity and can quicky detect a tny hydrogen leas The generated electomotive prce increases lneary wih he pgaritlm ofhydrogen voime fracton in he range of(500 t03000) X10 which provdles a basis pr calibrating he relatianshp beween hydrogen content and the sensor's electromotive prce The electromotive prce decreasesw ith the increase n wmperaure under a fixed hum d ity condition The efect of humidity on the sensor's electromotive prce ako reles to tmpenture When the tmm peraure is pw the electmotive prce decreaseswith the ncrase n hu m dit while the temperaure is hgh the electromotive prce ncreases with the increase in humidity KEY WORDS hyd ogen sensor Nafionmen brane hydrogen leakage response characteristic 随着环境和能源问题的日益突出，清洁可再生 生的不同电位差作为检测依据：电压型氢气传感器 的氢能源取代传统化石能源正在成为一种趋势，并 不依赖电极的几何形状，因此具有结构简单、易于小 且将在工业、国防和医药卫生等领域得到广泛应用. 型化、携带操作方便等优点，在氢气泄漏的快速检测 特别是近年来氢燃料电池及其相关产业的迅速发 方面具有广阔的应用前景.近年来以聚合物电 展，使得氢能源的应用前景更为广阔.无色无味的 解质取代液体电解质成为传感器研究的趋势之一， 氢易燃易爆，微量泄漏都会导致危险，因此以氢气检 该方案解决了液体电解质容易泄漏和挥发的问 测为目的的氢气传感器研究受到广泛的重视， 题，使传感器制作更加方便. 电化学氢气传感器是一种重要的氢气检测仪器，它 本文对采用Naon12膜为电解质的电压型氢 的检测范围宽，选择性好，灵敏度高.电化学氢气传 传感器在不同工作条件下的氢敏感性能进行了研 感器分为电压型氢气传感器和电流型氢气传感器两 究，为聚合物电解质氢传感器的设计开发和使用提 种.电压型氢传感器利用不同含量氢气在电极上产 供了有益的参考. 收稿日期：2009-10-09 作者简介：杜晋峰(19刀-).男，博士研究生：乔利杰(1957一)，男，教授，博士生导师，Ema内@ubm

第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.6 Jun.2010 温度和湿度对 Nafion膜氢传感器性能的影响 杜晋峰 白 洋 褚武扬 乔利杰 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 系统研究了以 Nafion112膜为电解质的氢传感器在不同工作环境下的氢敏感性能.结果表明, 以 Nafion112膜为电解 质的氢传感器对氢具有很好的敏感性, 可以实现微量氢气泄漏的快速检测.该传感器在氢气体积分数为 ( 500 ～ 3 000) ×10 -6 时的响应电压与氢气体积分数的对数呈线性关系, 为标定不同环境下氢气含量与传感器响应电压的对应关系提供了依据.在 相同湿度条件下, 传感器响应电压随温度的升高而下降.湿度对传感器响应电压的影响与温度相关:温度较低时, 响应电压随 湿度的增加而下降;温度较高时, 响应电压随湿度的增加而升高. 关键词 氢传感器;Nafion膜;氢泄漏;响应特性 分类号 TM911.4 Effectsoftemperatureandhumidityontheperformanceofhydrogensensors basedontheNafionmembrane DUJin-feng, BAIYang, CHUWu-yang, QIAOLi-jie SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT ThehydrogensensitivityofahydrogensensorwiththeNafion112 membraneaselectrolytewasstudiedunderdifferent workingenvironments.Theresultsshowthatthehydrogensensorhasgoodhydrogensensitivityandcanquicklydetectatinyhydrogen leak.Thegeneratedelectromotiveforceincreaseslinearlywiththelogarithmofhydrogenvolumefractionintherangeof( 500 to3 000) ×10 -6 , whichprovidesabasisforcalibratingtherelationshipbetweenhydrogencontentandthesensorselectromotiveforce.The electromotiveforcedecreaseswiththeincreaseintemperatureunderafixedhumiditycondition.Theeffectofhumidityonthesensors electromotiveforcealsorelatestotemperature.Whenthetemperatureislow, theelectromotiveforcedecreaseswiththeincreaseinhu￾midity;whilethetemperatureishigh, theelectromotiveforceincreaseswiththeincreaseinhumidity. KEYWORDS hydrogensensor;Nafionmembrane;hydrogenleakage;responsecharacteristic 收稿日期:2009--10--09 作者简介:杜晋峰 ( 1977— ), 男, 博士研究生;乔利杰 ( 1957— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:lqiao@ustb.edu.cn 随着环境和能源问题的日益突出, 清洁可再生 的氢能源取代传统化石能源正在成为一种趋势, 并 且将在工业 、国防和医药卫生等领域得到广泛应用 . 特别是近年来氢燃料电池及其相关产业的迅速发 展, 使得氢能源的应用前景更为广阔.无色无味的 氢易燃易爆, 微量泄漏都会导致危险, 因此以氢气检 测为目的的氢气传感器研究受到广泛的重视 [ 1--4] . 电化学氢气传感器是一种重要的氢气检测仪器, 它 的检测范围宽, 选择性好, 灵敏度高.电化学氢气传 感器分为电压型氢气传感器和电流型氢气传感器两 种 .电压型氢传感器利用不同含量氢气在电极上产 生的不同电位差作为检测依据;电压型氢气传感器 不依赖电极的几何形状, 因此具有结构简单 、易于小 型化 、携带操作方便等优点, 在氢气泄漏的快速检测 方面具有广阔的应用前景 [ 5] .近年来, 以聚合物电 解质取代液体电解质成为传感器研究的趋势之一, 该方案解决了液体电解质容易泄漏和挥发的问 题 [ 6] , 使传感器制作更加方便. 本文对采用 Nafion112 膜为电解质的电压型氢 传感器在不同工作条件下的氢敏感性能进行了研 究, 为聚合物电解质氢传感器的设计开发和使用提 供了有益的参考. DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.06.022

·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·

第6期 杜晋峰等：温度和湿度对Nafon膜氢传感器性能的影响 ·789 程计算所得斜率偏离的原因可能是由于P电极氧 感器在30~60℃下的性能.从图中可以明显观察 化造成的8- 到，随温度的上升，传感器的饱和电压逐渐下降.例 2.2温度对传感器性能的影响 如，300时3000×106对应的饱和电压为100mV 图3所示曲线分别为氢传感器在30.50和 左右，而50Q时测试值仅80mV左右，到60℃时测 60℃下不同氢气含量对应电压随时间变化的曲线以 试值降低到60mV左右. 及在不同温度下氢气含量与电压值的曲线关系.图 电化学传感器对温度相当敏感.从能斯特方程 2(b显示室温下氢气体积分数低于500×10时， 可知：随温度升高，传感器的响应电压增加：然而温 该传感器的测量信号有一定波动，因此变温测量时 度升高的同时也会使Na fion12质子交换膜发生失 选取氢气体积分数为(500~3000)×106.从图3 水现象，导致质子交换膜的内阻增大，传感器的响应 (9、(b和(9可知，在相同温度下，氢气体积分数 电压降低.当质子交换膜失水导致内阻增大的效果 增加，相应的饱和电压增加，并且达到饱和电压的时 大于温度升高对响应电压带来的有利影响时，传感 间缩短.图3（对比了相同氢气含量条件下，氢传 器的响应电压随环境温度的升高而下降， 120 b 100F 100 e88880o888888的 80 。&h 物/bew 233a0000000c % 6-3000x10* 0Baaoomom60uuunuuoRcacamc0mam0o o3000x10+ 400 -9-2000x10+ opRrersresrrrrrnesrtnsrnserrned -△-1000x10* 4 7-2000x10 20° △-1000×10 0-700x10* -0-700x10 B-500x10 a-500x106 2000 40006000800010000 4000 8000120001600020000 时间4 时间a e 0-3000x10◆ 7-2000x10◆ 100 80 △-1000x10* -0-700x106 80 a-500x10* 三60-8 40ewy 世60 8244044ea2a 金品鲜 .30℃ 20叶△ ·50℃ 460℃ 200040006000800010000 500 1000 2000 30004000 时间s 氢气体积分数10 图3不同温度下氢气含量对应电压随时间变化的曲线以及电压与氢气含量的关系曲线.（两30℃，(50C,(960℃，(430-60C不 同条件下氢传感器性能对比 Fig 3 Curves of voltage corespond ng to hydrgen con tent vs tie and curves of hydrogen content vs voltge at dif ferent temperatures a)30C: (b 50C;60C;(d perpmance conparison of the hydrogen sensor n the temperaure range of30 60C 2.3湿度对传感器性能的影响 传感器的内阻越大，其响应电压越低.Nafon质子 图4所示分别为氢传感器在40.50.60和80℃ 交换膜的质子传递必须借助一定数量的水分子，因 时不同相对湿度条件下氢气含量与电压值的关系曲 此本身的内阻受湿度影响很大.膜内适中的含水量 线.实验结果表明，当环境温度不同时，湿度对传感 可以降低膜的内阻，使得传感器的性能最佳.温度 器响应电压的影响规律也不相同.在较低的温度下 恒定时，低湿度环境中，电解质薄膜很容易失水导致 (<50℃)，传感器响应电压随湿度的上升而下降： 游离质子含量急剧下降，使传感器的内阻显著增大， 但在较高温度条件下(>60℃)，传感器响应电压随 造成传感器失效：若环境湿度过高，容易导致电解质 湿度的上升而上升. 膜遭水淹，影响质子传递，从而增大传感器的内阻， 传感器的响应电压与传感器本身的内阻相关， 使响应电压下降0-

第 6期 杜晋峰等:温度和湿度对 Nafion膜氢传感器性能的影响 程计算所得斜率偏离的原因可能是由于 Pt电极氧 化造成的 [ 8--9] . 2.2 温度对传感器性能的影响 图 3 所示曲线分别为氢传感器在 30、 50 和 60℃下不同氢气含量对应电压随时间变化的曲线以 及在不同温度下氢气含量与电压值的曲线关系.图 2( b)显示室温下氢气体积分数低于 500 ×10 -6时, 该传感器的测量信号有一定波动, 因此变温测量时 选取氢气体积分数为 ( 500 ～ 3 000) ×10 -6 .从图 3 ( a) 、( b)和 ( c)可知, 在相同温度下, 氢气体积分数 增加, 相应的饱和电压增加, 并且达到饱和电压的时 间缩短 .图 3( d)对比了相同氢气含量条件下, 氢传 感器在 30 ～ 60℃下的性能.从图中可以明显观察 到, 随温度的上升, 传感器的饱和电压逐渐下降 .例 如, 30℃时 3 000 ×10 -6对应的饱和电压为 100 mV 左右, 而 50℃时测试值仅 80 mV左右, 到 60℃时测 试值降低到 60 mV左右 . 电化学传感器对温度相当敏感.从能斯特方程 可知 :随温度升高, 传感器的响应电压增加;然而温 度升高的同时也会使 Nafion112质子交换膜发生失 水现象, 导致质子交换膜的内阻增大, 传感器的响应 电压降低 .当质子交换膜失水导致内阻增大的效果 大于温度升高对响应电压带来的有利影响时, 传感 器的响应电压随环境温度的升高而下降 . 图 3 不同温度下氢气含量对应电压随时间变化的曲线以及电压与氢气含量的关系曲线.( a) 30℃;( b) 50℃;( c) 60℃;( d) 30 ～ 60℃不 同条件下氢传感器性能对比 Fig.3 Curvesofvoltagecorrespondingtohydrogencontentvstimeandcurvesofhydrogencontentvsvoltageatdifferenttemperatures:( a) 30℃; (b) 50℃;( c) 60℃;( d) performancecomparisonofthehydrogensensorinthetemperaturerangeof30 to60℃ 2.3 湿度对传感器性能的影响 图 4所示分别为氢传感器在 40、50、60 和 80℃ 时不同相对湿度条件下氢气含量与电压值的关系曲 线 .实验结果表明, 当环境温度不同时, 湿度对传感 器响应电压的影响规律也不相同.在较低的温度下 ( <50 ℃), 传感器响应电压随湿度的上升而下降 ; 但在较高温度条件下 ( >60 ℃), 传感器响应电压随 湿度的上升而上升. 传感器的响应电压与传感器本身的内阻相关 . 传感器的内阻越大, 其响应电压越低 .Nafion质子 交换膜的质子传递必须借助一定数量的水分子, 因 此本身的内阻受湿度影响很大.膜内适中的含水量 可以降低膜的内阻, 使得传感器的性能最佳 .温度 恒定时, 低湿度环境中, 电解质薄膜很容易失水导致 游离质子含量急剧下降, 使传感器的内阻显著增大, 造成传感器失效;若环境湿度过高, 容易导致电解质 膜遭水淹, 影响质子传递, 从而增大传感器的内阻, 使响应电压下降 [ 10--11] . · 789·

·790 北京科技大学学报 第32卷 100 1 a 80A 260 4 60 ■相对湿度45% 4 。相对湿度75候 ■相对湿度45% ▲相对湿度100% ·相对湿度75% ▲相对湿度100% 20 20 500 000 3000 500 1000 3000 氢气含量10 氢气含量10 100 (c) 80 80 60 4相对湿度100% 4相对湿度100紧 ·相对湿度75% ·相对湿度75% ·相对湿度45% ·相对湿度45% 20 500 1000 3000 1000 3000 氢气含量10 氢气含量10 图4不同湿度条件下氢气含量与电压的关系曲线（号40℃，(50℃，(90℃，（山80C Fi谒4 Curves benween hyd知contentand vog您different hm0 conditins at difernt temperaure(两40℃，(50C,(960C,( 80℃ 在较高的温度时，电解质膜失水较快，高的环境 参考文献 湿度有助于电解质膜保有水分，保证质子传输，传感 【刂KawanoT TsuboiN TsijiiH et al Stabilit test and h血Poe 器的内阻小，可以使响应电压增加：而温度低时，电 mentofhydrogen anayerwith trace reduction detecpr JChroma 解质膜的水分蒸发较慢，若环境湿度过高，很容易导 ogrA20041023(1片：123 致电解质膜遭水淹，传感器的内阻急剧增大，影响质 [2 Hwang B J L Y C Chen Y L Characteristics of PyNa fon e ectodes Prepared by a Takema taTorikai method in sensng hy 子传递，使响应电压下降.因此合适的温度、湿度环 dogen Ma ter Chem Phys 2001 69(1-3):267 境是传感器获得最佳响应的关键。 [31 Sakthivel M W eppner W.Deveppment of a hydrogen sensor based on solid po pmer e lecto ye m embranes Sens AcuatorsB 3结论 20061132片998 [4]LuXB Wu SG WangI,et a]Solidsnte amperme tric hydro 以Nafon 12膜为电解质的氢传感器对氢具有 gen sensor based an polymer electropy tem embmne fuel cell Sens 很好的响应，可以实现微量氢气泄漏的快速检测. Acua0sB205,107(2h812 室温下在(10~3000)×106范围内，传感器信号与 [5 KotoerkovG HanSD Stetter JR Review of ekec trochemical 氢气体积分数的对数呈线性关系，为标定不同环境 h阳ge知sensors Chem Rey20092093:1402 Xu H E Yan X Q A Pron exchangemembrane constant potn 下氢气含量与传感器响应电压的对应关系提供了依 tial ampermety hydrogen sensor Memnbr SciTechnol 2000 20 据.在环境湿度相同的条件下，温度升高使质子交 (6):58 换膜的失水状况趋于严重，传感器的内阻显著增 (徐洪峰，燕希强。质子交换膜恒电位式氢气传感器.膜科学 加，其响应电压下降.湿度对传感器响应电压的影 与技术.200020(6：58) 响与环境温度相关：在温度较低时，湿度增加会使 【7刀Wu SQ Zharg S B Prepamti知d sudy on sulnated polyst仪 rene Proon exchange membrane//China Popmer Acade ic Meet 质子交换膜遭水淹，导致传感器响应电压下降：而 ing n2005 Beijing 2005 477 温度较高时，湿度增加会弥补因温度升高而导致 (吴叔青，张锁波。磺化聚苯质子传输膜的制备及性能研究/ 的膜失水，使传感器的内阻有所降低从而提高传 2005年全国高分了学术会议.北京，2005：477) 感器的响应电压. [8 Sumec Z OpekarE CrinsG JE F Solidsmte hydrgen sensor

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 不同湿度条件下氢气含量与电压的关系曲线.( a) 40℃;( b) 50℃;( c) 60℃;( d) 80℃ Fig.4 Curvesbetweenhydrogencontentandvoltageindifferenthumidityconditionsatdifferenttemperatures:(a) 40℃;(b) 50℃;( c) 60℃;( d) 80℃ 在较高的温度时, 电解质膜失水较快, 高的环境 湿度有助于电解质膜保有水分, 保证质子传输, 传感 器的内阻小, 可以使响应电压增加 ;而温度低时, 电 解质膜的水分蒸发较慢, 若环境湿度过高, 很容易导 致电解质膜遭水淹, 传感器的内阻急剧增大, 影响质 子传递, 使响应电压下降.因此合适的温度、湿度环 境是传感器获得最佳响应的关键. 3 结论 以 Nafion112膜为电解质的氢传感器对氢具有 很好的响应, 可以实现微量氢气泄漏的快速检测 . 室温下在 ( 10 ～ 3 000) ×10 -6范围内, 传感器信号与 氢气体积分数的对数呈线性关系, 为标定不同环境 下氢气含量与传感器响应电压的对应关系提供了依 据 .在环境湿度相同的条件下, 温度升高使质子交 换膜的失水状况趋于严重, 传感器的内阻显著增 加, 其响应电压下降 .湿度对传感器响应电压的影 响与环境温度相关 :在温度较低时, 湿度增加会使 质子交换膜遭水淹, 导致传感器响应电压下降 ;而 温度较高时, 湿度增加会弥补因温度升高而导致 的膜失水, 使传感器的内阻有所降低从而提高传 感器的响应电压 . 参 考 文 献 [ 1] KawanoT, TsuboiN, TsujiiH, etal.Stabilitytestandimprove￾mentofhydrogenanalyzerwithtracereductiondetector.JChroma￾togrA, 2004, 1023( 1) :123 [ 2] HwangBJ, LiuYC, ChenYL.CharacteristicsofPt/Nafion electrodespreparedbyaTakenata-Torikaimethodinsensinghy￾drogen.MaterChemPhys, 2001, 69 ( 1-3 ) :267 [ 3] SakthivelM, WeppnerW.Developmentofahydrogensensor basedonsolidpolymerelectrolytemembranes.SensActuatorsB, 2006, 113( 2 ):998 [ 4] LuXB, WuSG, WangL, etal.Solid-stateamperometrichydro￾gensensorbasedonpolymerelectrolytemembranefuelcell.Sens ActuatorsB, 2005, 107( 2 ):812 [ 5] KorotcenkovG, HanSD, StetterJR.Reviewofelectrochemical hydrogensensors.ChemRev, 2009, 209( 3) :1402 [ 6] XuHF, YanXQ.Aprotonexchangemembraneconstantpoten￾tialamperometryhydrogensensor.MembrSciTechnol, 2000, 20 ( 6 ) :58 (徐洪峰, 燕希强.质子交换膜恒电位式氢气传感器.膜科学 与技术, 2000, 20( 6) :58 ) [ 7] WuSQ, ZhangSB.Preparationandstudyonsulfonatedpolysty￾reneprotonexchangemembrane∥ChinaPolymerAcademicMeet￾ingin2005.Beijing, 2005:477 (吴叔青, 张锁波.磺化聚苯质子传输膜的制备及性能研究 // 2005年全国高分子学术会议.北京, 2005:477) [ 8] SumecZ, OpekarF, CrijnsGJEF.Solid-statehydrogensensor · 790·

第6期 杜晋峰等：温度和湿度对Nafong膜氢传感器性能的影响 。791。 based on a solid-popmer ekectropy Ekctoana psis 1995 7 cells Enegy Res Inf 2003 19(1):39 (11):1054 (王文东，陈实，吴锋.温度、压力和湿度对质子交换膜燃 I9 Opekar F Langmaer J Samec Z hdicapr and eference plti 料电池性能的影响.能源研究与信息，200319(1)：39) nm solid po mer electroyte electrodes for siple solid state am_ 【1刂Dong H P Zhang W.Hao YL Research on hee ekctrales pe rme tric hydogen sensor J ElectroanalChem 1994 379(1/ gaNanic cell hydrogen sensor Chin J gns Acun tors 2007 20 2):301 (4):747 10 WangW D Chen$Wu F Effects of tempemure pesure and (董汉鹏.张威，郝一龙.原电池型高分子电解质三电极氢传 humiity o the peromance of proon exchange membrane fuel 感器的研究.传感技术学报，200720(4)：747 (上接第752页) 7 LeonM ChengE HawboltB etal Modeling ofAN precpimti 1S0mt1994341):24 an in lov carbon stee ls SrptaMater 1999 41(6):673 10 Jack DH Jack K H Imv ited review cabdes and nitrides n 【阁TakamashiN ShibaaM FunnoY et a]Metalure®of contnu steel MaterSciErg 1973 11(1)1 ous annea led sheet steev/Con ference Poced ings of theMeta llurgi 【l】BakerA A Headrilge JB Keown SR et a]Deteminatin of l Societ ofAME Wamendale PA 1982 143 the types of nitrogen in steels con aining alum nim or titanim by 【身Yaushn图N UshpdaK Akamatsu et测Pecpit知bR a extactionmethod wih hydogen Ana lChim Acta 1979 107 havior of sulfides nTi added ultra bw.cabon steel in austenie (6:339

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