铝液测氢气仪原理

还有不到1个月，北京冬奥会就要开幕了。1月6日，国内首座站内氢气检测实验室——中国石化西湾子氢气检测实验室今日在河北崇礼正式投运。该实验室能完成燃料电池氢气的13项典型指标检测，将为保障冬奥会氢能质量安全可靠提供有力技术支撑，助力“绿色冬奥”。据了解，车用氢燃料电池对氢气质量要求很高，氢气的质量直接关乎车辆的使用性能和寿命。于2019年7月实施的国家标准GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池车用燃料氢气》要求氢气纯度为99.97% ，且对氢气中的一氧化碳、甲醛等13项杂质含量都有严格的规定和限制，如下表所示：中国石化西湾子氢气检测实验室于2021年9月立项，2021年12月完成验收，占地面积约40平方米，拥有气相色谱仪、光腔衰荡仪等专业检测仪器5台，从站内加氢枪取样到完成典型指标检测，整个过程仅需2小时。目前该实验室已具备燃料氢气中杂质分子的鉴别和检测能力。建设过程中，中国石化集团公司及所属石油化工科学研究院开发出适用于高纯氢气中微量杂质的检测方法，形成了完整的覆盖国家标准严格规定的13项杂质分析方法。中国石化河北崇礼西湾子加氢站是中国石化4座服务冬奥加氢站之一，距离冬奥会张家口赛区仅15公里，是进入赛区的重要交通枢纽。该站日供氢能力1000公斤，设有加氢机两台，可同时满足35兆帕、70兆帕氢燃料电池汽车加注需求。冬奥会期间，该站将为35兆帕氢能公交、70兆帕氢能中巴车等冬奥用车提供服务，同时还可服务物流卡车、氢能清扫车等多种氢能车辆。作为北京冬奥会的官方合作伙伴，中国石化致力于提供洁净能源，助力“绿色冬奥”。2020年3月，建成投产燕山石化北京冬奥会氢气新能源保供项目，已向北京及周边市场供应高纯氢超260吨；2021年9月，投营4座服务冬奥加氢站。2020年11月，推出“爱跑”系列全新一代环保高标准汽油；2021年10月，在冬奥会北京赛区布局30座油品保供站、29座LNG加气站，在河北赛区布局19座油品保供站，保障冬奥会期间油气供应。2021年12月，提前两个月在北京全面供应品质更高的京6B汽柴油，助力首都的天更蓝、水更清，用“洁净能源，为冬奥加油”。此外，中国石化还为北京冬奥会和冬残奥会火炬“飞扬”披上碳纤维“外衣”，冬奥火炬筒身是由中国石化上海石化研发的“黑科技”新材料碳纤维复合材料制成，具有“轻、固、美”的特点，能够实现在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用，助力“绿色冬奥”；冬奥会安保民警防寒衣装的保暖“内芯”70%是采用中国石化仪征化纤研发生产的新材料制成，为冬奥加油“保暖”。

关于氢气生成技术的技术考量为气相色谱和气相色谱/质谱应用提供载气的氢气发生器利用多项技术提供高纯度氢气。本文将探讨各种氢气提纯方法。前 3 种方法结合使用 PEM（质子交换膜）和多种提纯技术，第 4 种方法使用综合钯电解槽。PEM/钯扩散钯薄膜氢气提纯器利用压力驱动跨钯薄膜扩散原理工作。只有氢气能够扩散穿过钯扩散器。钯扩散器款式多样，包括管、螺旋管或薄膜箔阵列。钯扩散器由钯银合金材料制成，该材料在加热到标称 300oC 以上时具有只允许单原子氢穿过其晶格的独特属性。与钯薄膜表面接触的氢分子离解为单原子氢并穿过薄膜。在钯薄膜的另一侧，单原子氢重新组合为双原子氢。 PEM/钯扩散过程特点与优势 超高纯度氢气，几乎无水分或氧气携带。纯度超过 99.99999%。 无需例行维护。 提纯器中钯扩散器的预计正常使用寿命约为 5 年，取决于具体应用以及使用情况（来源： http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html）问题 使用钯银合金时，意外断电会对扩散器造成无法逆转的损害。 钯银合金会吸收氢气，导致体积增加或变形变脆。 如果扩散器因孔洞而破裂，对此进行维修无经济优势。 在氢气存在时保证钯薄膜不冷却对于延长使用寿命至关重要。即使提纯器短时间内在最佳工作温度范围外运行，也会使其耐用性下降。 氢气进入扩散器“提纯”侧后，需定期清理电解槽“未提纯”侧遗留氢气（仍包含氧气和水分等杂质）。这样可以确保有充足数量的氢分子可进行跨钯薄膜传递，以便维持扩散器效率。这一过程非常复杂，如果系统设计不佳，会使扩散器输出压力/流量产生脉冲效应。 反应在超高温度下进行，该过程中出现任何火源都非常危险，由此会引发安全顾虑。用于驱动加热器盒的电流在此温度下非常危险，如果发生任何问题都有可能产生明显电弧。 需要更换提纯器中的钯薄膜，更换间隔约为 5 年。 推荐使用备用电解槽消除停机时间。 碳排放量更大，因为需要用电将钯合金加热至工作温度。 钯电解槽/提纯器综合系统采用金属钯阳极，由于水无法有效传导电流，因此添加强水溶性电解质，通常使用 20% 的氢氧化钠 (NaOH)。钯管束作为阴极，只有氢及其同位素能够穿过阴极，生成超高纯度氢气。钯电解槽/提纯器综合系统特点与优势超高纯度氢气，几乎无水分和氧气携带问题 每 12 个月必须更换电解槽中的电解质溶液。使用的电解质为 NaOH（氢氧化钠），氢氧化钠为腐蚀性物质，必须小心处理。更换过程至少需要 8 个小时的冷却时间和 4 个小时的启动时间。必须事先排空所有之前使用的电解质溶液。 含硫化合物和不饱和碳氢化合物会降低渗透性。 氢氧化钠会腐蚀设备，久而久之会造成损害。 使用质量较差的电解质会损害电解槽的电化学装置。 存在电解质泄漏风险，会灼伤皮肤。 PEM/吸附剂变压吸附变压吸附技术利用改变通过两个充满吸附材料（珠状）柱的流量的原理工作，其中的吸附材料作为分子筛。氢通过一个柱时，少量干燥气体沿另一柱传递。无吸附能力时，吸附材料会强制再生。该动作会在柱中完全再生吸附材料，因此无需更换材料。少量产品氢气冲走废物后，容器为下一生产周期准备就绪。生产的氢气干燥程度极高，水分含量仅为 1ppm。 PEM/吸附 PSA 过程特点与优势 稳定性高，可再生技术。 无高压或与之关联的高电流。 连续氢气流，无压力波动或脉冲效应。 维护要求限于消电离器盒的更换。无需更换干燥剂或危险的腐蚀剂。 启动和停机程序简短方便。 操作简便，运行可靠。 与其他氢气提纯方法相比，能耗较低，因此运行成本更低。 行业研究表明使用钯技术能够生产最干燥的氢气，但根据 Agilent 技术公司的纯度建议，PSA 足以满足气相色谱/质谱的要求。问题电解槽更换成本更高。用于再生分子筛的氢气会排入空气。也可选择市场中将此部分氢气通过催化剂以消除向空气排放氢气的氢气发生器。 PEM/硅胶干燥系统使用硅胶干燥柱是另一常用提纯方法并且因其简便易行而被广泛采用。使用 PEM 技术产生的氢气会流过不锈钢干燥盒去除水分。干燥柱通常由硅胶珠组成，硅胶珠在氢气中作为干燥剂，可产生满足行业纯度要求的高纯度氢气。 PEM/硅胶干燥过程特点与优势干燥器（硅胶）和消离子器盒更换简便。满足气相色谱纯度的一般要求。与其他提纯方法相比，性价比高。问题通常会存在一些水分或氧气携带。干燥剂（硅胶）需要连续监控并定期更换，具体取决于系统使用情况。使用频繁时，干燥盒可能需要每周更换。

&ldquo 氢&rdquo 松解决检测烦恼 　　英福康新一代氢气泄漏检测技术助力汽车业提高生产效率 　　全球汽车行业更新换代速度不断加快，竞争愈发激烈。为了抓住市场脉搏，满足业界客户越来越严格的要求，无论汽车整车制造商还是零部件供应商都在不断对自身进行调整，最大限度提高生产效率。而如何在生产速度快速提高的同时，有效保证产品质量，成为各大厂商急需解决的棘手问题。在质量检测工序中，汽车零部件气密性的检测是众所周知的难点，排除故障所需的时间也较长。为了帮助汽车行业解决这个难题，英福康长期致力于开发新一代泄漏检测技术。如今，氢检测技术经过多年的发展已完善成熟。采用氢气泄漏技术可在提高生产效率的同时，及时有效地检测出气密性不达标的瑕疵品，因而备受华晨宝马等国际整车品牌的青睐。 　　氢气作为检测气体 　　氢气，更准确的说是一种由5%的氢气(H2)和95%的氮气(N2)组成的合成气体，是氢检测技术中的主角。这种合成气体不仅无毒、不易燃烧，而且成分稳定，很难与其它材料表面的惰性气体发生化学反应。在焊接等工序中，它能够有效防止金属表层氧化，通常被作为保护气体使用，并且符合国际ISO10156:2010标准。由于它生产简易、价格低廉(1000升只需机几欧元)、运输和储存方便，在工业上的使用非常广泛。 　　此外，决定它成为检测气体的最重要原因是：氢分子在的大气中含量微乎其微。通常，在一千万个大气分子中，能找到的氢原子大约只有5个，相当于0.5ppm。这意味着如采用氢气作为检测气体，一旦零部件存在漏孔，检测仪就可快速检测出氢分子数量的大幅度增加。正因如此，氢气取代了很多传统检测介质，越来越广泛地在工业界被作为检测气体使用。 　　氢检测技术在汽车行业中的价值 　　传统汽车零部件气密性检测方法有很多种，比如在水槽中水检以及使用喷雾剂检测等方法。和这些传统方法比较，氢气检漏技术的优势显而易见。由于传统检漏方法通常采用液体为检测介质，这就使得零部件在检测后，不得不再经过一道烘干工序。而为了防止表层腐蚀，很多装有敏感电子元件的关键性零部件，比如变速箱，根本不允许和液体发生接触。 　　压低时间成本 　　传统检漏方法不仅工序复杂，也非常耗时。比如在汽车引擎的泄漏测试中，通过水检的方法检测员可以快速检测到一个轻微的5 x 10-2 mbar l/s的泄漏率，但是要找到漏孔的确切所在，则需要耗费多达几个小时的时间。检测的难度是由汽车引擎内部复杂的结构造成的，如果泄漏点在连接部位或狭窄的角落里，它将很难被检测出来。另外，由于水的表面张力，小气泡通常无法形成，导致较小的漏孔很难被发现。如此一来，作为一项纯粹的需要眼力的工作，检测结果完全取决于检测员的经验和关注度。由于生产线不能因为瑕疵品暂停运行，所以一旦检测出泄漏率，工人们就必须把泄漏的发动机搬运到下游的工作站进行漏孔定位检测。这样既需要人工，也浪费时间，对厂家而言，成本将大大增加。使用氢气泄漏检测方法，漏孔通常只需几分钟就能被准确定位。算下来，它比传统方法的速度快了平均10倍左右，能够很快的收回投资成本。MAN集团GE发动机部门的工厂设备组装规划师Peter Tripp先生表示：&ldquo 氢检测法帮助我们节省了五到十倍的时间，使我们的生产效率得到显著提高。过去我们得花费几个小时才找到漏孔，有时甚至无法准确定位漏孔的位置。而现在通过氢气检漏技术，我们只需要10到20分钟就能完成一台发动机的泄漏检测和定位。&rdquo 　　操作简易 　　氢检漏技术的实际运用非常简易。检测员只需将组合气体增压导入测试部件内部，然后通过敏感度高的氢传感器探头在部件表面几厘米处进行检测。一旦出现泄漏情况，氢传感器就会检测出氢分子含量超标，并且发出视听信号警告检测员。氢检测技术不仅能定位漏孔的位置，检测仪器还可以根据氢分子含量的多少，确认漏孔的的大小。稳定的混合气体也不会和被检测的零部件发生化学反应，杜绝表面腐蚀现象的发生。 　　泄漏率量化的重要性 　　氢检测能够根据泄漏率的多少来确定漏孔的大小，这一功能给汽车零部件的检测带来了诸多便利。在检测零部件标准泄漏率已知的情况下，通过量化实际泄漏率，能够判断出泄漏是属于由设计和技术条件导致的正常泄漏，还是属于不合规格的非常规泄漏。通过对泄漏的量化功能，氢检验技术能直接检测出不合格产品，从而加快返工的时间。 　　氢检测与其他检测方法的关键区别 　　决定一个泄漏检测仪器是否成功的关键是传感器的质量和灵敏度。如英福康在Sensistor ISH2000检测仪上采用的先进传感器和创新的软件，就让氢传感器具备了高效选择和快速的准备时间。高效选择功能保证了检漏结果不会受到检测气体以外含氢化合物的影响，例如在工厂车间里通常使用的润滑剂，溶剂等。快速的准备时间是指氢传感器检测到漏孔报警之后，传感器使氢饱和归零所需要的时间。只有在归零之后，传感器才能继续检测。所以说，归零时间越迅速，等待时间越短。集成、坚固的设计，灵活简易的操作和近乎零维修的质量，都是组成氢检测优势的不可或缺的因素。 　　低投资成本+低运营成本=成本高效 　　在实际的工业应用中的氢泄漏检测可以灵活使用在包括燃油和排气系统中的储罐、管道和阀门，机油系统和汽缸的冷却系统，以及变速箱和离合器等各种汽车零部件上。使用氢泄漏检测能够让对厂家在后期加工线(如干燥箱等)的昂贵的投资和运营成本成为过去。此外，检测结果质量的提高也对生产带来了非常积极影响。次品、投诉和保修索赔的现象显著减少，也大大降低了相应的管理成本。来自Grammer AG的Georg Strecker先生是一名质量规划师，他表示：&ldquo 氢泄漏检测设备的使用是一个巨大的成功。我们已经朝着我们交货&lsquo 零瑕疵&rsquo 的方向迈进了一大步。氢检测技术也让我们客户满意程度达到了一个新的高度，并且大幅度的减少了索赔费用。&rdquo 　　展望批量泄漏测试 　　在生产线集成泄漏检测中，现今最常用的方法仍然是压力衰减发(或压降法检测)。检测出的瑕疵部件将被调出并返工。但这种方法通常不够准确。因此，根据不同生产线的的要求，有两种自动化的选配方案，来提高效率，展示测试结果的可再现性。如果厂家只需要检测出零部件是否气密，那么他可以选择在累积室里使用的集成气体测试。这种方法可以在不影响测试结果再现性的情况下，实现对温度高而表面潮湿的零部件进行检测，而采用压力衰减法必须将零部件进行降温和干燥处理。而如果厂家对确定漏孔位置和泄漏性质有要求，那么他应当选择结合了泄漏检测和漏孔定位两个工艺步骤的全自动化泄漏检测系统。行业领军品牌INFICON为汽车行业提供带有氢传感器探头的机器人手臂，通过模式编程对零部件进行全自动检测。氢检测法的种种优点，加上全自动的解决方案，缩短了装配和检测时间，从而进一步提高工作效率。 AP57 w 发动机 英福康产品可用于多处汽车零部件的检测 ISH2000 w 检测仪 　　关于英福康 　　英福康(INFICON)是世界领先的检漏仪器仪表的开发商，制造商与供应商。其检漏仪被广泛应用于生产和质量监控中有较高难度的工业流程中。英福康的主要客户有制冷和空调设备的制造商与服务商，汽车制造商和汽车零部件供应商，半导体行业以及检漏系统集成商。全球几乎所有重要的汽车制造商及零部件供应商是英福康的客户，其中包括安全气囊、空调及元件、油箱、喷油器系统、各种流体容器生产商等。 　　作为英福康控股(总部位于瑞士)的一个分支，检漏业务部门使用了英福康控股的其他下属业务部门的产品，如质谱仪和真空控制设备。在2006年，英福康 &ldquo 智慧科技(Wise Technology)&rdquo 专利的应用，为示踪气体检漏技术带来了革命性的创新。在2011年，英福康收购了Pfeiffer Vacuum(前身为Sensistor的下属部门)公司的氢泄漏检测技术。 　　英福康在检漏领域拥有50多年的经验。它通过在科隆(德国)，查斯(列支敦士登)，林雪平(瑞典)，雪城(美国)和上海(中国)地区的生产据点，在重要工业国家的销售办事处，以及与销售伙伴组成的广泛销售网络来进行产品的全球销售管理和支持。在2011年，在全球范围内，英福康实现了3.15亿美元的收益，拥有员工约950名。INFICON在 SIX 瑞士交易所上市，代号为IFCN。 　　英福康在中国 　　英福康(中国)是英福康集团在中国的全资分公司，于2006年在中国上海投资设立了制造工厂，并在北京、上海、广州、香港分别设有销售办事处。英福康在中国同步提供集团所有系列的创新产品，并响应中国客户的生产要求，确保为综合性的销售、培训、应用支持和维修服务提供本地化的支持。截至2012年年中，英福康在中国的员工人数超出 100人。英福康在中国发展迅猛，并计划伴随中国市场的不断发展进一步扩大。 　　了解更多关于英福康的信息，请浏览：http://www.inficonautomotive.com/zh/index.html