本案例采用热传导式原理的TCA-5000氢气分析仪及专用配套采样系统测试宽电流密度下PEM电解水氧中氢浓度。实验表明，在50–300 mL/min流量下标气测试结果稳定（0.494%–0.505%），且在不同电流密度下对单片电堆的实测数据与气相色谱仪偏差<10%，验证了其测量的精准性与稳定性。
在全球低碳转型背景下，PEM电解水制氢因高电流密度、快响应和结构紧凑，适合与可再生能源直接耦合。但风电、光伏的功率波动使电解槽在宽电流密度下运行，氢气经膜向阳极扩散导致氧中氢浓度升高，尤其低电密时更易超标，产生爆燃风险。按国标《压力型水电解制氢系统技术条件》（GB/T 37562-2019）规定，氧中氢体积分数须低于4%，因此需对不同工况下氧中氢浓度进行连续监测，保障系统安全稳定。
为何采用TCA-5000氢气分析仪测量氧中氢浓度？
当前氧中氢浓度检测分为在线直测和离线间接测试。在线方案虽便于实时监控，但在低电流密度下产气量小、流速不足，现有传感器难以稳定准确测量。针对这一难题，HORIBA推出可适应不同流量的TCA-5000氢气分析仪，并配套样气采样系统，能实现稳定可靠的实时安全监测。
TCA-5000氢气分析仪
实 验 过 程
基于TCA-5000及配套采样系统，首先采用标气在流量为200mL/min下对传感器进行标定，后在不同流量下进行性能测试。完成该项测试后，在客户的单池测试台上，对多种PEM单池在不同电流密度下的氧中氢浓度进行了测试。
TCA-5000的性能测试数据
使用标气对TCA-5000进行性能测试，测试结果如下：
如上述数据所示，在不同的流量下，该传感器测得的氧中氢浓度数据高度一致，说明传感器能在不同流量下准确测试氧中氢数据，可以用于检测电堆在不同电密下的氧中氢数据。
单片PEM电堆电流密度测试
完成氧中氢浓度测试系统的性能测试后，继续在单池测试台上进行测试，采样口分为测试台后端以及电堆后端两个位置，详见下图：
蓝色圆圈为采样口位置
通过管路将采样系统安装在电堆出口与测试台出口，经手阀的开关来选择采样位置，控制测试台对电堆进行气密等测试。确认电堆无问题后，开始测试电堆在不同电密下的氧中氢浓度。测试结果如下所示：
根据上述测试结果，可以直观得到该单片PEM电堆在不同电流密度下的氧中氢浓度数据。客户可依据这些数据制定PEM电解水系统的运行控制要求，同时为后续系统改进提供数据基础。
为验证结果的准确度，接下来又利用气相色谱仪对结果进行比对测试，结果显示：在相同工况下，两者浓度数值差异在10%以内。
结 论
综上所述，针对PEM电解水系统在宽电流密度运行，尤其是低电流密度下氧中氢浓度难以精准监测的工程难题，本案例提出的基于TCA-5000氢气分析仪及配套采样系统的测试方案，通过实验验证了其在20~500 mL/min宽流量范围内无需反复校准、测试结果稳定可靠（与气相色谱偏差<10%）。
实 验 仪 器
TCA-5000
氢气分析仪
TCA-5000 通用型氢气分析仪适用于催化剂研发、水电解电解槽及中小型固定式燃料电池开发，也可用于钢铁生产等工业场景的氢气监测。设备重量轻、结构紧凑、便于安装，配备彩色触摸屏、趋势图显示和 USB 数据输出，并在样气进出口设有阻火器，测量安全可靠。
方 案 优 势
变流量下精准测试
传统浓度传感器通常仅能在校准时设定的恒定流量下准确测量，一旦测试流量发生变化便需重新校准。TCA-5000无需反复校准，可在其测试流量范围内直接进行精确浓度测试。
测试流量范围宽
TCA-5000支持20~500 mL/min的流量范围，能够全面覆盖PEM电解单池在不同电流密度下的产气流量区间，适应从低电密到高电密的全部工况。
缩短浓度测试时间
TCA-5000与采样系统协同工作，可直接从电堆后端快速采样，大幅缩短浓度参数的获取时间，显著提升测试效率与响应速度（在某测试工况下，测试时间从2小时缩短到30分钟）。
参 考 文 献
1.《压力型水电解制氢系统技术条件》（GB/T 37562-2019）
