專(zhuān)利名稱(chēng)：設(shè)有用于測(cè)量對(duì)反應(yīng)器操作特定的氣體參數(shù)的裝置的諸如燃料電池或電解器等電化學(xué)反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如燃料電池組或電解器等電化學(xué)反應(yīng)器。更具體地，本發(fā)明涉及出于監(jiān)控這種設(shè)備的狀況及其操作控制的目的而進(jìn)行測(cè)量的裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)反應(yīng)器是當(dāng)前力求限制環(huán)境污染的背景下(特別是在交通領(lǐng)域中)的諸多研究的主題。使用空氣或純氧氣作為氧化劑的電解氫氣燃料發(fā)生器無(wú)疑是當(dāng)前研究最多的系統(tǒng)中的一種。水浸漬聚合物膜形式的固態(tài)電解質(zhì)的使用已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)大的進(jìn)步。特別是用于以化學(xué)能形式存儲(chǔ)電能的電解器也有相當(dāng)大的發(fā)展。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)使得可以設(shè)想以良好效率并且在極其安全情況下操作燃料電池組和電解器。然而，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，仍需進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)槟承┍匦璧牟牧?例如催化劑)的成本高并且為實(shí)現(xiàn)最佳操作情況同時(shí)隨著時(shí)間的推移保持這些最佳操作情況存在困難。這些困難之一在于這一事實(shí)由于不進(jìn)行除了在任何情況下均精確地執(zhí)行的氣體溫度和壓力測(cè)量以外的可以證明是必須的或有用的全部測(cè)量，所以當(dāng)前系統(tǒng)不允許對(duì)反應(yīng)器的內(nèi)部操作情況進(jìn)行全面的了解。因此，對(duì)于燃料電池組而言，通常需要事先確保用于供給燃料電池組的氫氣的高質(zhì)量(特別是就純度而言)。盡管采取了這些預(yù)防措施，然而對(duì)于由電池組實(shí)際使用的氫氣的純度而言，仍需要在“盲目”的狀況下操作電池組。此外，燃料電池組當(dāng)前仍然主要是試驗(yàn)階段的裝置。許多研究仍在進(jìn)行中，它們可以受益于一種(如果可以，實(shí)時(shí)地且在不干擾所研究系統(tǒng)的操作的情況下)更好地確定和理解反應(yīng)器及其各種部件的操作的裝置。在大多數(shù)工業(yè)電解廠或?qū)嶒?yàn)室中，氣體分析器繼續(xù)用于在電化學(xué)反應(yīng)器操作期間傳送與電化學(xué)反應(yīng)器中存在的氣體的成分有關(guān)的信息。實(shí)際上，這些分析器通過(guò)間歇地或連續(xù)地獲得由電解器產(chǎn)生的或由燃料電池組消耗的氣體樣本而操作。所獲得的樣本被送到傳送關(guān)于由電解器產(chǎn)生的一種或多種氣體的濃度的期望信息的分析器。由此從反應(yīng)器獲得的樣本而后被丟棄，這表明效率的損失。近年來(lái)，已經(jīng)提出了使用(特別是出于監(jiān)控的目的)用于測(cè)量燃料電池組環(huán)境氣體中的氣體(特別是氫氣)的濃度的傳感器的建議，所述傳感器是以使用具有電阻加熱元件的敏感單元而測(cè)量熱導(dǎo)率為基礎(chǔ)的，電阻加熱元件的加熱或耗散冷卻依賴(lài)于周?chē)諝獾臒釋?dǎo)率并且因此通常依賴(lài)于其成分。由于氫氣與其可能混合的主要常見(jiàn)氣體相比具有非常高的熱導(dǎo)率，所以相對(duì)緊湊并且操作簡(jiǎn)單的這些傳感器特別適于測(cè)量氣體的氫氣含量。因此，公開(kāi)號(hào)為US2005/0228596的專(zhuān)利申請(qǐng)也描述了通過(guò)測(cè)量所考慮的氣體介質(zhì)(可以包含除了氫氣之外的來(lái)自空氣的各種雜質(zhì)或可能具有相對(duì)高的水分含量)的傳導(dǎo)率，而應(yīng)用對(duì)用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境中的氫氣濃度敏感的傳感器。以上文獻(xiàn)描述了適于進(jìn)行無(wú)誤差(誤差可能由所監(jiān)控的氣體混合物中的水分或其它雜質(zhì)的存在所導(dǎo)致)的測(cè)量的技術(shù)，盡管在某種情況下影響基于氫氣的混合物的傳導(dǎo)率的各種參數(shù)之間的關(guān)系是非線性的。在所采取的測(cè)量中，該文獻(xiàn)具體描述了一種裝置的使用，該裝置例如通過(guò)提供蜿蜒路徑或形成待監(jiān)控氣體與敏感單元之間連通的擋板，或通過(guò)以保護(hù)涂層(例如基于二氧化硅的涂層)覆蓋敏感元件，防止氣體傳感器的敏感元件受潮。在燃料電池系統(tǒng)中的不同敏感點(diǎn)并且甚至另外在裝配這種燃料電池的車(chē)輛中，優(yōu)選地執(zhí)行所述測(cè)量。當(dāng)測(cè)量值表示存在安全性危險(xiǎn)時(shí)觸發(fā)警報(bào)，則可以中斷對(duì)燃料電池的氫氣供給。然而，所描述的系統(tǒng)不包括適于有效地監(jiān)控或控制燃料電池的操作情況的布置。公開(kāi)號(hào)為JP2008191019的日本專(zhuān)利申請(qǐng)解釋了怎樣可以通過(guò)將傳感器遠(yuǎn)離其中待監(jiān)控氣體流動(dòng)的管線設(shè)置、沿著該管線與敏感元件之間的連通路徑而設(shè)置若干外殼以阻止易于導(dǎo)致測(cè)量值錯(cuò)誤并且損壞傳感器的雜質(zhì)(特別是水蒸汽)的傳輸，從而根據(jù)傳導(dǎo)率測(cè)量值來(lái)操作氣體濃度傳感器。傳感器安裝在燃料電池組的氫氣排放管線上(未示出)。 提出了用于防止所排放的氫氣中必然包含的水蒸汽與傳感器的敏感元件接觸的布置，特別是通過(guò)使用由四氟乙烯制造的防水過(guò)濾器以及通過(guò)機(jī)動(dòng)化蝸桿(該機(jī)動(dòng)化蝸桿使設(shè)置傳感器的室與待監(jiān)控氣體流入的管線隔離成為可能)控制的截止閥。該布置通過(guò)限制水分對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，無(wú)疑地允許獲得關(guān)于在排放管路中的氫氣混合物的含量的某些信息。然而，所描述的布置看起來(lái)不適于精確并且快速地監(jiān)控或控制這種燃料電池的操作情況。更近地，所公開(kāi)的專(zhuān)利申請(qǐng)US2009/00611261例如描述了用于檢測(cè)在管線中流動(dòng)的氣體的物理參數(shù)的裝置的使用，其中通過(guò)由防止沉積物或液態(tài)水膜形成在檢測(cè)元件上的纖維狀材料制成的過(guò)濾器，將設(shè)置在室中的檢測(cè)元件與所述管線內(nèi)部隔離。過(guò)濾器與對(duì)室壁的處理防止在管線中流動(dòng)的氣體中的液態(tài)水或水蒸汽的存在導(dǎo)致來(lái)自在所述室中的該元件的指示(indication)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在考慮的一個(gè)示例中，檢測(cè)元件包括電阻加熱元件， 該電阻加熱元件的加熱溫度可以根據(jù)在其環(huán)境中的氣體的濃度而改變。當(dāng)氫氣濃度較高時(shí)或在水蒸汽存在的情況下，檢測(cè)裝置可以用于檢測(cè)待監(jiān)控氣體的氫氣濃度。在一個(gè)示例中，文獻(xiàn)描述了用于將動(dòng)力能量傳送到車(chē)輛的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一方面供以氫氣并且另一方面供以富氧氣體(例如空氣)的一組電化學(xué)電池。在電池組的出口處，氫氣管路 (circuit)包括用于排放未在電池組中消耗的氫氣的管線(line)。泵用于將在所述排放管線中回收的氫氣流再循環(huán)到電池組的氫氣入口。該流增加到來(lái)自加壓罐的新鮮氫氣流并且其組合被注入到電池組的入口。氫氣排放管線也經(jīng)由排氣閥選擇性地連接到系統(tǒng)外部，該排氣閥通過(guò)開(kāi)-關(guān)動(dòng)作使排放在電池組出口處回收的一些氫氣成為可能。根據(jù)文獻(xiàn)，如以上描述的這種氫氣濃度監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)選地設(shè)置在電池組外部的氫氣排放管線中，以便根據(jù)所檢測(cè)的濃度來(lái)控制閥，從而調(diào)節(jié)來(lái)自氫氣罐以及排氣閥的氣體供給的壓力。根據(jù)文獻(xiàn)，檢測(cè)裝置也可以設(shè)置在再循環(huán)泵的下游或者甚至壓力調(diào)節(jié)閥的下游。然而，根據(jù)該文獻(xiàn)，優(yōu)選所提及的第一布置，即再循環(huán)泵的上游，因?yàn)闈舛葴y(cè)量值在該點(diǎn)不易出現(xiàn)誤差。也以在氫氣或氧氣管路中的一個(gè)或多個(gè)氣體濃度檢測(cè)裝置的各種布置描述了其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在以上示例中所描述的燃料電池系統(tǒng)具有如下益處在不需要將樣本從電池組管路中的氣體混合物拿出以便將樣本發(fā)送到系統(tǒng)外部以對(duì)它們進(jìn)行分析的情況下，提供關(guān)于燃料電池組的運(yùn)行情況或操作的信息。該信息可以用于作用于控制構(gòu)件，從而控制其操作， 諸如在電池組入口以及排氣閥開(kāi)口處的新鮮氫氣的進(jìn)氣壓力，以便修改該運(yùn)行情況或操作特性。因此，提供了控制系統(tǒng)的操作性能的裝置?？赡芟Ｍ麚?jù)此推斷出根據(jù)其使之成為可能的(關(guān)于內(nèi)部氫氣濃度的)實(shí)時(shí)信息控制電池組本身，以便永久地將電池組的操作最優(yōu)化。然而，實(shí)踐表明不是這種情況，因?yàn)榭梢岳们笆霾贾毛@得的信息具有仍然非常近似的屬性。申請(qǐng)人實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了以該方式將電化學(xué)反應(yīng)器的控制最優(yōu)化，必須以不在以上提出的系統(tǒng)能力范圍內(nèi)的靈敏度、精確性與響應(yīng)時(shí)間情況來(lái)測(cè)量必要的特性參數(shù)。實(shí)際上，將期望能夠更充分地使用由氫氣傳感器傳送的信息，以便將電化學(xué)反應(yīng)器的運(yùn)行與監(jiān)控最優(yōu)化。因此，仍需要進(jìn)行改進(jìn)，以便通過(guò)測(cè)量值來(lái)提高對(duì)諸如燃料電池組和電解器等電化學(xué)反應(yīng)器的操作的理解，所述測(cè)量值能夠簡(jiǎn)單地、頻繁地、快速地并且準(zhǔn)確地通知操作者關(guān)于電化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)操作的關(guān)鍵因素的信息，使他能夠有效地并且優(yōu)選自動(dòng)地行動(dòng)，以便保持這些系統(tǒng)的產(chǎn)量、效率、安全性和壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足這些要求，本發(fā)明旨在提供一種新穎的特別是用于燃料電池組或電解器的電化學(xué)反應(yīng)器，該電化學(xué)反應(yīng)器適于傳送關(guān)于所述反應(yīng)器的內(nèi)部操作特性的信息，并且具體用于監(jiān)控和控制該操作。本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種諸如燃料電池組或電解器等的電化學(xué)反應(yīng)器，包括一組電化學(xué)電池，所述一組電化學(xué)電池中的每個(gè)都包括具有與電解質(zhì)電接觸的一個(gè)材面(face)的至少一個(gè)電極板；至少一個(gè)歧管，所述至少一個(gè)歧管連接到交換電路中的電池中的每個(gè)的所述材面，用于與電池組的外部交換氣體；傳感器，所述傳感器對(duì)電路中的所述氣體的成分敏感；以及用于監(jiān)控反應(yīng)器操作情況的至少一個(gè)裝置，例如用于根據(jù)由所述傳感器傳送的信息來(lái)控制氣體濃度。根據(jù)本發(fā)明，該反應(yīng)器的特征在于電池組和所述歧管形成包括集成到與所述歧管連通的該主體中的至少一個(gè)室的一體式反應(yīng)器主體，并且在于所述氣體成分傳感器安裝在所述一體式主體中并且包括直接暴露于在所述室中的所述氣體成分的現(xiàn)場(chǎng)濃度的敏感單元。借助于該布置，用于測(cè)量在反應(yīng)器的電化學(xué)電池中使用的氣體濃度的傳感器，特別是用于測(cè)量連接到燃料電池組中的反應(yīng)器的電化學(xué)電池陽(yáng)極或連接到電解器中的電化學(xué)電池陰極的管路中的氫氣濃度的傳感器，與所述電化學(xué)電池的反應(yīng)情況(例如在反應(yīng)電池組中所涉及的氣體的溫度、濕度情況和成分方面)緊密地關(guān)聯(lián)。而且，因?yàn)槠浒惭b在室中，所述室直接集成到由電池組和確保這些電池與所述室之間的氣體交換的導(dǎo)管形成的主體中，所以形成測(cè)量目標(biāo)的氣體流速相對(duì)較低并且接近在電池中采用的流速。這有益于測(cè)量精確性。傳感器接近其中發(fā)生反應(yīng)的電池組也是縮短響應(yīng)時(shí)間的有益因素。根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述室形成在具有第一材面和第二材面的系統(tǒng)板中，所述第一材面與所述電池組的端部電池并置，穿過(guò)所述電池組的所述歧管在離開(kāi)所述電池組時(shí)通向所述材面，所述第二材面與所述第一材面相對(duì)，所述第二材面形成支座以便將所述氣體管路的一個(gè)或多個(gè)元件固定到所述主體的外部。因此，一體式主體外部的氣體管路的那些部分可以通過(guò)系統(tǒng)板的該第二材面而連接到集成室，用于確保和控制所述氣體流動(dòng)的控制構(gòu)件也固定到系統(tǒng)板的該第二材面上。組件因此形成緊湊的組件，在該緊湊的組件的核心中集成氣體成分傳感器，該緊湊的組件的溫度保持與電池組內(nèi)的溫度相同。這構(gòu)成其本身減小直接圍繞傳感器敏感單元的空氣中水分冷凝的風(fēng)險(xiǎn)的因素；稍后將看到這種冷凝在各種情況下可能是有害的。該因素使至少部分地以在引用的現(xiàn)有技術(shù)中提及的復(fù)雜的布置進(jìn)行分配以消除冷凝成為可能。而且，通過(guò)由電池提供的管路外部與歧管之間的集成室的氣體流速低于氣體管路的其它部分。該因素有助于傳感器的測(cè)量精確性。直接的接近也有助于縮短其對(duì)混合物中的成分改變的響應(yīng)時(shí)間。在該實(shí)施例中，也可以適當(dāng)?shù)貙⑺鰵怏w成分傳感器安裝在所述第一和第二材面之間的所述系統(tǒng)板的壁(特別是側(cè)壁)中。可以有利地提供該傳感器，以便在所述壁的內(nèi)側(cè)上具有圍繞腔的中空端件，所述腔與所述室的氣氛(atmosphere)連通，并且在所述腔中容納對(duì)室中的氣體成分的現(xiàn)場(chǎng)濃度敏感的所述單元。根據(jù)有利的實(shí)施例，所述中空端件中容納所述敏感單元的所述腔通過(guò)氣密和液密隔離物而與傳感器的部分中形成的另一室隔開(kāi)， 所述部分安裝在所述壁的相對(duì)于所述室的外側(cè)上，在所述室中安裝用于處理由敏感單元傳送的信號(hào)的單元的電路。根據(jù)該布置，可以對(duì)所述隔離物進(jìn)行設(shè)置，以使其被來(lái)自敏感單元的導(dǎo)體密封地穿過(guò)并且使其能夠承受所述傳感器的腔與其它室之間的壓力差。因此，通過(guò)傳感器的布置并且具體地在收集傳感器的電連接的區(qū)域中消除氫氣泄漏到一體式反應(yīng)器外部的任何風(fēng)險(xiǎn)。而且，處理單元可以因此緊密接近安裝在一體式主體中的敏感單元設(shè)置。 將理解由于這兩個(gè)單元接近，由前一單元輸出的信號(hào)干擾可以因此大大地減少。系統(tǒng)的精確性因此進(jìn)一步提高。根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述管路中的氣體濃度傳感器是適于傳送信號(hào)的傳感器，所述信號(hào)取決于傳感器所浸入的氣體混合物的熱導(dǎo)率的變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上該類(lèi)型的傳感器很適于在反應(yīng)器內(nèi)部直接使用并且特別地示出以良好的時(shí)間響應(yīng)傳送在該類(lèi)型反應(yīng)器中頻繁發(fā)現(xiàn)的混合物中的氣體濃度測(cè)量值。根據(jù)一種技術(shù)，對(duì)氣體熱導(dǎo)率變化敏感的傳感器包括支座，該支座具體設(shè)置有控制情況下的加熱裝置以及用于監(jiān)控該支座溫度的裝置。在穩(wěn)定狀況下，該溫度取決于來(lái)自加熱裝置的熱量流入和支座向其環(huán)境介質(zhì)中的熱耗散。一方面熱耗散本身取決于支座溫度與環(huán)境介質(zhì)溫度之間的差異，而另一方面，取決于環(huán)境氣體混合物的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率本身取決于存在的每種氣體的屬性和它們?cè)诨旌衔镏械臐舛?。由這些討論開(kāi)始，本發(fā)明也涉及測(cè)量在根據(jù)以上所述原理設(shè)計(jì)的電化學(xué)反應(yīng)器中的氣體(特別是氫氣)的現(xiàn)場(chǎng)濃度，這不僅是出于科學(xué)目的而了解電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，而且作為根據(jù)反應(yīng)器自身的內(nèi)部情況而規(guī)律地監(jiān)控其操作和其性能的手段。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供將由該反應(yīng)器的各種操作控制使用的這些測(cè)量值，以便警告、檢查、優(yōu)化和/或保證其操作安全性。從以上內(nèi)容可以看出許多電化學(xué)反應(yīng)器的操作均伴隨有液體(特別是水)的使用和/或形成，這可能會(huì)帶來(lái)根據(jù)對(duì)所研究的氣體混合物的熱導(dǎo)率的測(cè)量而在一定時(shí)間內(nèi)保持氣體濃度傳感器的完整性的問(wèn)題。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方面，在如以上限定的反應(yīng)器內(nèi)部的氣體管路中，使用具有對(duì)環(huán)境氣體的傳導(dǎo)率的變化敏感的單元的氣體濃度傳感器，其中在例如利用防水屏防止其敏感單元與液體接觸的位置中設(shè)置所述傳感器。例如，出于該目的，可以使用多微孔膜，以便在集成到一體式主體的室的氣氛與敏感單元表面之間形成透氣防水屏。為了精確測(cè)量傳感器所浸入的氣體的現(xiàn)場(chǎng)氫氣濃度，可以利用這一事實(shí)該傳感器(這樣設(shè)置并且可選地受保護(hù)的)對(duì)其所浸入的氣體的熱導(dǎo)率的變化敏感，這不僅取決于相應(yīng)氣體管路中的氫氣濃度而且取決于所述管路中的水蒸汽濃度。利用適于根據(jù)不同加熱溫度控制敏感單元環(huán)境中的傳導(dǎo)率的若干測(cè)量值的控制裝置，可以確定根據(jù)其水蒸氣含量而校正的該傳感器周?chē)臍怏w中的氫氣濃度。也可以使用用于測(cè)量被監(jiān)控的氣體的水分含量的已知裝置。傳感器的信號(hào)處理單元也易于從濕度傳感器接收信號(hào)以便根據(jù)在混合物中檢測(cè)的水分含量而校正由敏感單元傳送的濃度測(cè)量值。在實(shí)踐中，系統(tǒng)不僅在具有傳感器(其對(duì)所述管路中的氫氣濃度敏感)的氫氣管路中應(yīng)用，而且在電化學(xué)反應(yīng)器(其包括用于純凈狀態(tài)或者混合物形式、尤其是空氣形式的基于氧氣的氣體混合物的管路)中應(yīng)用，以便傳送取決于傳感器的環(huán)境中的該氣體混合物的氫氣含量的信息。根據(jù)有利的應(yīng)用，根據(jù)本發(fā)明的氣體濃度測(cè)量裝置包括用于測(cè)量反應(yīng)器中氣體混合物的傳導(dǎo)率的裝置，以便適當(dāng)?shù)卮_定二氧化碳的存在及其濃度，這些有時(shí)表明了對(duì)于反應(yīng)器的某些部分的良好狀況或者完整性的重要指示，這將在稍后看到。剛剛已經(jīng)描述的反應(yīng)器有利地適用于改進(jìn)的燃料電池組或改進(jìn)的電解器的結(jié)構(gòu)。 因此，例如通過(guò)監(jiān)控燃料電池組的氫氣管路中的氫氣濃度，可以在操作期間檢查注入燃料電池組的電化學(xué)電池入口的氣體的氫氣濃度。取決于氫氣濃度的傳感器的輸出可以例如由控制裝置使用，以便間歇地啟動(dòng)放氣閥，從而從氫氣管路去除混合雜質(zhì)的一定量氣體以便將所述管路中的氫氣濃度保持在預(yù)定水平以上。此外，有利地在停用(shut down)電池組階段期間，使用來(lái)自關(guān)于氫氣管路中的氫氣濃度的這種傳感器的指示，以防止氧化敏感元件的環(huán)境處于氫氣短缺的模式。而且，隨后，在電池組暫停工作，即不產(chǎn)生能量的時(shí)間段期間，傳感器有利地保持在備用(standby) 模式以便檢查氫氣管路中的氫氣濃度是否已經(jīng)降低到相對(duì)較低的閾值之下，該相對(duì)較低的閾值表示氧化敏感元件的環(huán)境導(dǎo)致進(jìn)入氫氣短缺模式的風(fēng)險(xiǎn)。如果是這種情況，則控制單元將額外量的氫氣注入氫氣管路，以便將氫氣濃度重建到所述相對(duì)較低的閾值之上。實(shí)踐中，該閾值對(duì)應(yīng)于使燃料電池組的電解電池的陽(yáng)極電勢(shì)保持在零電位所必需的氫氣濃度。例如，氫氣濃度傳感器也可以有利地用于檢測(cè)由兩個(gè)管路之間的諸如在用作電解質(zhì)的聚合物膜中的孔等滲透性缺陷所導(dǎo)致的氧氣向氫氣中的擴(kuò)散。如果氧氣管路裝配這種傳感器，則也可以檢測(cè)氫氣向氧氣中的擴(kuò)散，以便提高系統(tǒng)的安全性。最后，我們已經(jīng)看到根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器可以裝配適于測(cè)量不包含氫氣的混合物中的二氧化碳(CO2)的水平的傳感器。該布置可以用在燃料電池組中，在該燃料電池組中出于實(shí)驗(yàn)的原因或?yàn)榱颂峁┬畔⑷哂喽?，目的是檢查對(duì)燃料電池組的調(diào)節(jié)是正確的并且檢查未產(chǎn)生任何將導(dǎo)致(可以由碳構(gòu)成的)電池組的部分的不適當(dāng)?shù)难趸那闆r。這可以例如應(yīng)用到催化劑支座，該催化劑支座基于松軟的粉末狀石墨生產(chǎn)。本發(fā)明也涉及用于電解器結(jié)構(gòu)的以上限定的電化學(xué)反應(yīng)器的應(yīng)用，在該電解器中氫氣管路包括收集一組電解電池的基本元件的每個(gè)陰極的氣體出口的集成室。氫氣濃度傳感器安裝在氫氣管路中，以便將取決于在該管路中產(chǎn)生的氫氣濃度的至少一個(gè)信號(hào)傳送到控制單元，從而控制電解器的操作。當(dāng)然，同樣的應(yīng)用有利地實(shí)施在氧氣產(chǎn)生管路中。此時(shí)接收的指示用于永久性地監(jiān)控所產(chǎn)生的氣體的純度并且用于確保電解器在良好的安全情況下操作?？梢岳鐧z測(cè)由于兩個(gè)管路之間的較差的不滲透性所導(dǎo)致的氫氣向氧氣中的擴(kuò)散，反之亦然。


根據(jù)參考通過(guò)非限定性示例示出本發(fā)明主題的實(shí)施例的附圖而給出的以下說(shuō)明書(shū)，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。圖1是裝配兩個(gè)氫氣濃度傳感器的燃料電池組的整體透視圖。圖2是圖1的傳感器之一的嵌入(implantation)情況的橫截面示圖，該傳感器穿過(guò)電化學(xué)反應(yīng)器的端板的壁而進(jìn)入電池組的外殼。圖3是示出根據(jù)由安裝在氫氣供給入口上的傳感器的測(cè)量值而控制電池組的裝置的示例的功能組織的框圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量氣體混合物的氫氣濃度的傳感器及其用于電化學(xué)反應(yīng)器的處理電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)的高度簡(jiǎn)化示圖。圖5是在燃料電池組中的電化學(xué)電池的一個(gè)實(shí)施例的示圖。圖6是裝配有根據(jù)本發(fā)明原理的控制裝置的電解器的簡(jiǎn)化示圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出燃料電池組10的外部。其包括特別由一組電化學(xué)電池形成的平行六面體的一般形狀的一體式主體15，所述一組電化學(xué)電池一起保持在兩個(gè)端板17與18之間，一個(gè)端板(17)稱(chēng)為系統(tǒng)板。該圖示出在電池組頂部的由電池組內(nèi)的對(duì)齊開(kāi)口形成的兩個(gè)歧管對(duì)和M’的圓頂形狀13-1和13-2，用于向它們分別供給氫氣和氧氣，這將在稍后解釋。 在該示例中的燃料電池組10的組織具有在申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)W02007/045416中示出和描述的類(lèi)型。系統(tǒng)板17具有外材面19，在該外材面19中形成開(kāi)口以便與諸如泵、閥、傳感器等各種功能構(gòu)件連通。這些構(gòu)件(其中的一些在圖1中清楚地看到)可以直接固定在該材面 19上并且旨在使流體在電池組內(nèi)循環(huán)并與外部交換。在材面19的相對(duì)側(cè)上，系統(tǒng)板17具有與構(gòu)成系統(tǒng)核心的一組電化學(xué)電池的端電池直接并置的內(nèi)材面四。將管道(channel)連接在一起的歧管穿過(guò)電池組，所述管道確保需用于電池組或電池組內(nèi)的反應(yīng)器的操作的流體的流動(dòng)。電池組的歧管進(jìn)入設(shè)置在系統(tǒng)板17的端材面四中的諸如在圖2中的沈等開(kāi)口。通過(guò)將電池組22的歧管連接至與系統(tǒng)板17的外材面19并置的功能構(gòu)件的通道、室或歧管(其可以由板的材料切割而成)經(jīng)由其厚度而穿過(guò)該系統(tǒng)板17。板17因此有利于生產(chǎn)緊湊且魯棒的組件，以便至少形成反應(yīng)器的運(yùn)行流體之間的大部分功能連接。更具體地，系統(tǒng)板17收納燃料氣體管路的兩個(gè)歧管M和44 (圖2和3)的入口和出口，該燃料氣體管路運(yùn)送通過(guò)電池組的混合物以便向一側(cè)04)供給氫氣并且在每個(gè)電池的出口處排出G4)未消耗的氫氣。同樣地，系統(tǒng)板17容納氧化劑混合管路的將氧氣傳送到電池的歧管的氧氣入口和出口管線(未示出)。容納在該板中的管線系統(tǒng)(未示出) 設(shè)置為使對(duì)燃料電池的電池組進(jìn)行冷卻的冷卻劑循環(huán)。設(shè)置在端板中的空間也使在其中容納，尤其是圖3的框圖中示出的電連接構(gòu)件和流動(dòng)命令與控制構(gòu)件成為可能，這將在稍后詳細(xì)地描述。如以上所述，系統(tǒng)板17也用于固定和連接例如用于測(cè)量氣體的壓力和溫度以及測(cè)量冷卻劑的溫度的測(cè)量構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，能夠提供關(guān)于存在于燃料電池組10內(nèi)部的至少一種氣體混合物的成分信息的裝置也設(shè)置在系統(tǒng)板17中。出于該目的， 氫氣濃度傳感器11包括敏感單元30 (在圖2中可見(jiàn))和處理單元12，該敏感單元30的頭部通向構(gòu)成設(shè)置在該板17內(nèi)部的氫氣管路的一部分的室20中，該處理單元12容納在朝向板17的外部伸出的套筒C40內(nèi)部。接收來(lái)自敏感單元30的信號(hào)的處理單元12設(shè)計(jì)為將測(cè)量值傳送到系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體依賴(lài)于在反應(yīng)器的一種或多種操作氣體混合物中的現(xiàn)場(chǎng)氫氣濃度。除了向操作者提供直接信息的作用之外，這些測(cè)量值使監(jiān)控反應(yīng)器的運(yùn)行并且優(yōu)選地自動(dòng)控制其操作成為可能，這將在稍后解釋。在以下的說(shuō)明中，將具體解釋產(chǎn)生的測(cè)量值怎樣用于最優(yōu)地控制氫氣管路的間歇凈化以保持高純度水平。測(cè)量氫氣濃度的潛在優(yōu)點(diǎn)也在于良好地用于(但非限制性地)防止在燃料電池組停用的情況下(也就是說(shuō)在備用狀態(tài))的電化學(xué)電池的氣氛的臨界氫氣消耗。圖2示出以上提及的系統(tǒng)板17的內(nèi)部空間的一部分，其包括用于吸入來(lái)自罐 50 (其在圖3中可以看到)的氫氣的室20。在板17的外端材面19的相對(duì)側(cè)上，該室由在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的一組電池25限制。相鄰的電池由氫氣供給歧管M來(lái)穿通，該氫氣供給歧管M經(jīng)由入口沈?qū)⑵鋪?lái)源引導(dǎo)到室20中。鉆孔28設(shè)置在系統(tǒng)板17的上側(cè)材面27中，中空端件31利用合適的氣密加壓密封圈49而通過(guò)鉆孔觀，在鉆孔28內(nèi)部，在氫氣濃度傳感器主體11 (也在圖1中可見(jiàn))的一個(gè)端部上容納并保護(hù)敏感單元30的端件，即頭部。敏感單元30的頭部包括構(gòu)成敏感單元的電路晶片32，該電路晶片32安裝在設(shè)置在端件31下部中的室36中。室36經(jīng)由在中空端件31的端壁中鉆的管道34而與反應(yīng)器中的室20連通。敏感單元的晶片32經(jīng)由管道 34與室20的氣氛直接接觸，該敏感單元的晶片32的一個(gè)材面轉(zhuǎn)向室36中的管道34的出口。根據(jù)重要的方面，過(guò)濾器37設(shè)置在室36的管道34的入口上，以便隔離晶片32，從而避免與可能與室20的氣體混合的液態(tài)水的任何接觸，其原因?qū)⒃谏院箨U明。過(guò)濾器37由能透過(guò)氣體但是不能透過(guò)液態(tài)水的材料制成。商標(biāo)名稱(chēng)為“G0RE-TEX”(注冊(cè)商標(biāo))的市場(chǎng)上能買(mǎi)到的編織材料是已知的具有用于這種用法的能力的例子。材料主要由Teflon (注冊(cè)商標(biāo))紗線的合成纖維構(gòu)成。在中空端件31的相對(duì)側(cè)上，氫氣濃度傳感器11的主體具有從板17的外側(cè)壁27、 從固定到該壁27的中空止推凸法蘭35伸出的圓柱形套筒48。處理單元12由安裝在印刷電路板42上的電路形成，在端部71處的印刷電路板42的接觸針插入連接器72中，該連接器72在安裝在圓柱形套筒48的內(nèi)部空間中的支座73上的連接外殼78中。一系列連接在連接外殼78中的一個(gè)端部的電導(dǎo)體46通過(guò)圓柱形套筒48的內(nèi)部以及法蘭35的中空內(nèi)部，以便終止在關(guān)閉傳感器31的端件的端部處的室36的上部的絕緣分割塞75。在獲知其在其上材面承受安裝燃料電池組的空間中的環(huán)境壓力的情況下，塞75密封地固定到中空端件31內(nèi)部的套筒76的內(nèi)部以便能夠經(jīng)受室36中的氣體壓力。此外，每個(gè)導(dǎo)體46通過(guò)該分割塞75而電連接到在室34中的塞75的下材面上形成的相應(yīng)接觸焊盤(pán)77上。通過(guò)使其敏感材面轉(zhuǎn)向室34，傳感器的敏感單元30的晶片32也接合到該下材面。敏感電路的晶片32的每個(gè)輸出焊盤(pán)經(jīng)由也稱(chēng)為接合導(dǎo)線的電連接導(dǎo)線(太細(xì)小因此在圖2中看不到)而連接到相應(yīng)的接觸焊盤(pán)77，以便經(jīng)由電導(dǎo)體46在敏感單元30與處理單元12之間建立電鏈接。產(chǎn)生電連接或電接合，以便經(jīng)受反應(yīng)器內(nèi)存在的氣氛的腐蝕作用。金導(dǎo)體對(duì)于通常用于在工業(yè)傳感器中的電接合導(dǎo)體的鋁導(dǎo)體是優(yōu)選的?；蛘撸Ｗo(hù)層覆蓋導(dǎo)電部分。該限制是由于在氧化還原反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)器中遇到的氣氛的屬性導(dǎo)致的。 電導(dǎo)體46通過(guò)玻璃微珠中的塞75，以避免損害其密封性，使得包含在室20中的氣體不泄漏O設(shè)置全部這些預(yù)防措施，具有其敏感單元30、32的氫氣濃度傳感器11和處理單元 12可操作用于現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行具有包含在室20中的氣體的屬性特征并且特別是具有其氫氣含量特征的物理參數(shù)的測(cè)量，其氫氣的含量是對(duì)于燃料電池組的操作最重要的參數(shù)。其結(jié)果是通過(guò)將傳感器集成到反應(yīng)器中，使得在電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)部連續(xù)地或幾乎連續(xù)地執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量在操作上是可行的，所述傳感器對(duì)氣體(敏感單元30、32浸入其中)的熱導(dǎo)率敏感。對(duì)該參數(shù)測(cè)量被證明特別適于檢測(cè)在諸如燃料電池組等電化學(xué)反應(yīng)器的氣氛中的氫氣含量。 已知實(shí)際上氫氣的熱導(dǎo)率作為氣體在本質(zhì)上是最高的。該屬性使得在其它氣體(特別是易于在特定環(huán)境中與氧氣和氮?dú)饣旌系钠渌鼩怏w)中檢測(cè)氫氣更容易。將回憶為了獲得該類(lèi)型的測(cè)量值，傳感器包括例如通過(guò)電流流過(guò)的電阻器而被加熱的材料的晶片。通過(guò)測(cè)量專(zhuān)用于保持限定溫度的電功率，可以確定由晶片浸入其中的氣氛中的熱量損失而耗散的功率并且由此推斷出周?chē)鷼怏w的熱導(dǎo)率。如在圖4中非常示意性示出地，氫氣濃度傳感器11的敏感電路的晶片32由板或膜形式的基板，例如硅基板構(gòu)成?；甯采w有集成的或沉積的電阻加熱元件132，由處理單元12控制的電流源通過(guò)供電端子133和134為該元件供電。晶片32的一個(gè)材面具有例如由稱(chēng)為PT100熱阻層形成的溫度傳感器135，該傳感器經(jīng)由一系列導(dǎo)體136連接到處理單元 12以便傳送對(duì)應(yīng)于通過(guò)環(huán)境氣體中的加熱和熱耗散的組合動(dòng)作的敏感單元32的晶片的即時(shí)溫度的信號(hào)。而且，氫氣濃度傳感器11結(jié)合了溫度探針138，例如PT100探針，以便確定環(huán)境氣體的溫度。例如在1988年5月11日的專(zhuān)利文獻(xiàn)EP(^91462B1和1991年2月25日的專(zhuān)利文獻(xiàn)EP0501089A1中描述了這種傳感器的物理部分。在圖4中可以看出氫氣濃度傳感器11的處理單元12包括經(jīng)由四根信號(hào)線連接到敏感單元32的數(shù)字模塊82。在圖4中示意性示出的數(shù)字模塊82是安裝在微控制器中的算法功能的簡(jiǎn)化表示，并且包括用于計(jì)算從氫氣濃度傳感器11傳送到燃料電池組的控制單元80的輸出量的模塊81，如在圖3中示意性示出的那樣。攜帶處理單元12的輸出的第一信號(hào)線301經(jīng)由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器而控制施加到晶片32的傳感器的加熱電阻元件132。通過(guò)使用控制單元80中的加熱功率調(diào)節(jié)器311來(lái)控制電壓。第二信號(hào)線303接收電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)是流過(guò)加熱電阻元件132的電流的圖像。該信息由在處理單元12的輸入處的A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，以由控制電路313 用于控制在氫氣濃度傳感器11的電阻元件132中實(shí)際耗散的加熱功率。如在示圖中可見(jiàn)， 發(fā)送到數(shù)字模塊82中的比較器的該信息與作為計(jì)算模塊81的輸出322而產(chǎn)生的定位點(diǎn)值進(jìn)行比較。在數(shù)字模塊82中，這兩個(gè)量之間的比較結(jié)果控制加熱功率調(diào)節(jié)器311的輸入 321。由此根據(jù)在數(shù)字模塊82的輸出322處的每個(gè)瞬時(shí)顯示的加熱功率定位點(diǎn)，而經(jīng)由數(shù)字反饋回路產(chǎn)生對(duì)敏感單元30的晶片32的加熱。利用恒定加熱功率獲得更好的測(cè)量精確度。第三信號(hào)線305使由晶片32的溫度傳感器135輸出的模擬信號(hào)能夠在處理單元 12的輸入處被接收。在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，該信號(hào)由數(shù)字模塊82中的溫度計(jì)算單元315使用，該數(shù)字模塊82又將該信息供給計(jì)算模塊81。最后，第四信號(hào)線307對(duì)應(yīng)于處理單元12的輸入，該處理單元12從溫度探針138 (環(huán)境溫度)接收輸出電壓，并且在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，將信息傳輸?shù)綌?shù)字模塊中的溫度計(jì)算單元317，以便將其顯示在計(jì)算模塊81的輸入處。由此在其輸入314、316和318上接收關(guān)于有效傳感器加熱功率、晶片32的溫度和溫度探針138的環(huán)境溫度的信息的計(jì)算模塊81使其可以以如下順序確定測(cè)量值測(cè)量的氫氣含量、環(huán)境溫度、水蒸汽百分比含量(如由以下描述的技術(shù)或由未示出的特定濕度傳感器所獲得)和在四個(gè)輸出342、344、346和348處的二氧化碳(CO2)含量，這將在以下解釋。在某些情況下，可以根據(jù)氣體介質(zhì)的氫氣濃度而直接校正傳感器。當(dāng)另一個(gè)部件存在于氣體混合物中時(shí)，可以證明第二測(cè)量是必要的。因此，在存在的水蒸汽時(shí)，可以使用其中以導(dǎo)致不同平衡溫度的不同加熱功率來(lái)執(zhí)行第二測(cè)量的技術(shù)。由于水蒸汽的傳導(dǎo)率具有與氫氣不同的溫度相關(guān)性，所以在不同溫度下的兩次測(cè)量的組合使與潮濕氣體的實(shí)際氫氣含量同時(shí)計(jì)算水蒸汽百分比成為可能。如之前所述地，另一方案在于使用由已知類(lèi)型傳感器進(jìn)行的對(duì)水蒸汽含量的直接具體測(cè)量，例如結(jié)合到敏感單元30中的一個(gè)對(duì)電容測(cè)量原則的操作。應(yīng)該注意到，如果在混合物中存在額外的氣體，則利用所提及的技術(shù)，不容易確定這些濃度。很幸運(yùn)地，結(jié)果是在有問(wèn)題的應(yīng)用中，氫氣和二氧化碳不易于共存。這是因?yàn)樵谏婕把趸€原反應(yīng)的當(dāng)前技術(shù)的電化學(xué)反應(yīng)器中，確切地是在導(dǎo)致二氧化碳產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象初期缺乏氫氣，二氧化碳的熱導(dǎo)率顯著地低于空氣的熱導(dǎo)率，即25°C時(shí)為16. 4mW/Km。因此可以采用代替氫氣而測(cè)量二氧化碳的存在的類(lèi)似技術(shù)。返回到實(shí)際的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，圖3示意性地示出由歧管M交叉的一組22電池25，歧管M的入口沈從室20接收由入口管線40傳送的加壓氫氣。歧管44也與該電池組22交叉以便在已經(jīng)與在陽(yáng)極側(cè)上的每個(gè)電池的部件進(jìn)行反應(yīng)接觸后將在每個(gè)電化學(xué)電池25的出口處收集的滿含水分的氫氣混合物排出?，F(xiàn)在參考圖5，該圖示出諸如圖1的燃料電池組10的用于反應(yīng)器的電化學(xué)電池等用于反應(yīng)器的電化學(xué)電池的分解圖。根據(jù)例如命名為Nafion 由DuPont公司研發(fā)和銷(xiāo)售的聚合材料構(gòu)成的固態(tài)電解質(zhì)膜104而形成電池組22的每個(gè)電解電池25。該膜由經(jīng)由氣體運(yùn)送的水并且也由在電池中的反應(yīng)產(chǎn)生的水永久性地潤(rùn)濕。該膜的每個(gè)材面104-f與由例如薄浸注鉬石墨層(未示出)構(gòu)成的催化劑密切接觸。在每側(cè)上，由此涂覆的膜與氣體擴(kuò)散層，106-1和106-2分別緊密接觸。在兩個(gè)稱(chēng)為雙極板的金屬板108-1和108-2之間分別壓縮所述組件，每個(gè)金屬板負(fù)責(zé)使反應(yīng)氣體中的一種分別經(jīng)由管道110-1和110-2的系統(tǒng)而與氣體擴(kuò)散層接觸。這些管道在每個(gè)板的材面之一中蝕刻出來(lái)以迫使氣體沿著很長(zhǎng)的蜿蜒路徑?jīng)_洗催化劑。應(yīng)該在這里回憶到也蝕刻每個(gè)板的其它材面，以便形成用于每個(gè)電池中的冷卻劑循環(huán)的管道網(wǎng)絡(luò)。在電化學(xué)電池的陽(yáng)極側(cè)上，氫氣管路的所述一條管道或多條管道通向具有以壓力供給的歧管M的側(cè)面上的入口，并且在歧管44中的出口終止，因此在它們?cè)陔姵刂型ㄟ^(guò)期間， 運(yùn)送由與膜104接觸反應(yīng)而不被吸收的氣體(用于其它氣體即氧氣的歧管24’和44’情況類(lèi)似)。每個(gè)金屬板108-1也電學(xué)上構(gòu)成陽(yáng)極，該陽(yáng)極收集來(lái)自電化學(xué)反應(yīng)的電子，電子經(jīng)由合適的導(dǎo)體被傳導(dǎo)至燃料電池組出口以及適當(dāng)時(shí)傳導(dǎo)至外部用戶(hù)負(fù)載。電池的每個(gè)陽(yáng)極板靠著相鄰電池的陰極板108-2施加，因此串聯(lián)地將這兩個(gè)電池電連接以便在電池組的出口處獲得足夠的電壓。因此，在每個(gè)陽(yáng)極板108-1的另一側(cè)上，電化學(xué)電池包括金屬陰極板108-2，以便將氧化劑氣體提供到與催化劑密切接觸設(shè)置的電池。該陰極板電連接到電池組的陰極出口。返回圖3，純加壓氫氣燃料或幾乎純加壓氫氣燃料的罐50包括開(kāi)/關(guān)輸出閥51。 氫氣輸出壓力由閥51之后的比例電磁閥52控制，以便使氣體膨脹為精細(xì)控制的壓力水平。 該閥經(jīng)由文氏管M連接到管線40。膨脹氣體被傳送到電池組的電化學(xué)電池中，在該處其經(jīng)受較大壓降。應(yīng)該注意到氫氣流速不由系統(tǒng)控制。在操作中，燃料電池組準(zhǔn)確地“獲得”產(chǎn)生所描繪氣流所需要的氫氣量。然而，需要確保以足夠壓力傳送氣體。比例電磁閥52的作用是執(zhí)行該壓力調(diào)節(jié)。作為變量，可以確保根據(jù)由氫氣濃度傳感器11測(cè)量的氫氣濃度信息來(lái)調(diào)節(jié)壓力。由歧管44接收未在每個(gè)電池25中消耗的氫氣以及在進(jìn)入電池的輸入處存在的非氫氣雜質(zhì)，以便收集到輸出管線62中。該管線通向冷凝器60，在該處包含在這些氣體中的水蒸汽中的一些液化。水可以經(jīng)由電磁閥114控制的輸出管線64而在冷凝器60的底部抽出并且在氫氣管路內(nèi)的壓力作用下排出燃料電池，該電磁閥114由處于指定用于控制燃料電池的計(jì)算機(jī)控制單元80控制下的致動(dòng)器118啟動(dòng)。在已經(jīng)在冷凝器60中除濕之后，經(jīng)由管線66從冷凝器60恢復(fù)來(lái)自歧管44的氣體，該管線66將氣體引入到返回或再循環(huán)泵74。后者連接到文氏管M的次級(jí)入口 56，接收的氣體通過(guò)該次級(jí)入口 56可以再注入管線40，以便與來(lái)自罐50的新鮮氣體流混合。循環(huán)持續(xù)，直到電磁閥114觸發(fā)凈化階段的時(shí)候，該凈化階段導(dǎo)致來(lái)自冷凝器60 的氣體的一部分被排出而不是被再循環(huán)，以減少因下述原因而趨于累積的非氫氣雜質(zhì)的量到由管線40、輸出管線62、管線66、次級(jí)入口 56、歧管M和44以及用于在電池組22的每個(gè)電池中供給電解質(zhì)膜104的管道形成的氫氣管路中存在的氣體混合物中的再循環(huán)。關(guān)于氧氣管路(未示出)，當(dāng)燃料電池使用氧化劑管路中的空氣時(shí)，通常不存在再循環(huán)。如果以純氧氣供給氧氣管路，則可以通過(guò)再循環(huán)和自動(dòng)凈化系統(tǒng)而設(shè)置與在圖3中示出的用于氫氣的管路相似的管路，但是沒(méi)有根據(jù)熱導(dǎo)率而使用氣體濃度傳感器的可能性，這是因?yàn)橐子谠跉怏w混合物中存在的氣體的熱導(dǎo)率很接近。為了完成對(duì)圖3示出的系統(tǒng)的描述，氫氣濃度傳感器11經(jīng)由圖3中的控制線路 120示意性地聚集到一起的圖4的輸出342、344、346和348而連接到控制單元80。出于高精確性目的，如圖2中所示，電子處理單元12設(shè)置為很接近傳感器的敏感單元并且安裝在固定在室20的壁中的同一傳感器主體中。由設(shè)置在歧管M的外壁中的氫氣濃度傳感器11 旁邊的壓力傳感器125傳送的在歧管M內(nèi)部的氣壓測(cè)量值，經(jīng)由另一控制線路122而發(fā)送到控制單元80。來(lái)自控制單元80的控制線路IM用于控制致動(dòng)器58以便啟動(dòng)比例壓力調(diào)節(jié)電磁閥52。最后，控制單元也控制連接到泵74的馬達(dá)的控制線路126，以便在特別由傳感器11和125傳送的測(cè)量值的控制下控制所述泵的旋轉(zhuǎn)速度。在電化學(xué)反應(yīng)器工業(yè)中，特別是在燃料電池工業(yè)中，至少在氫氣氧化劑的情況下， 通常采用非常純的氣體。然而，由于利用新鮮氣體的供給而再循環(huán)到燃料電池組的元件中， 所以包含氣體的罐50中的微量雜質(zhì)積累。因此，例如，在燃料電池組消耗中，在正常的溫度和壓力情況下，每分鐘100升最初包含由另一種氣體構(gòu)成的0. 5%雜質(zhì)(每分鐘通常半升的非氫氣雜質(zhì))的氫氣進(jìn)入燃料電池組的燃料供給管路。雜質(zhì)可以快速地積累。因此必須通過(guò)以在相對(duì)頻繁的固定時(shí)序時(shí)間的一定間隔來(lái)凈化氫氣輸出管路并且因此通過(guò)提取可能大于由要求嚴(yán)格證明的氣體量的氣體量，而將純度水平保持在高閾值之上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，有利的是技術(shù)是可獲得的，該技術(shù)用于測(cè)量適于電化學(xué)反應(yīng)器氣氛的氫氣含量，以便根據(jù)由氫氣管路中的氫氣濃度傳感器11執(zhí)行的純氫氣濃度的測(cè)量來(lái)控制氫氣管路的凈化。當(dāng)操作期間，監(jiān)控的濃度達(dá)到預(yù)定水平，則控制單元80對(duì)凈化電磁閥114進(jìn)行控制115以便修改管路的凈化情況，預(yù)定水平表示在氫氣管路中的％ 氫氣含量下降到預(yù)定閾值以下。該示例中的控制單元80被可操作地編程，以監(jiān)控相對(duì)于較低閾值的歧管M的氫氣濃度，該較低閾值對(duì)應(yīng)于被視為燃料電池的適當(dāng)操作的限制的非氫氣雜質(zhì)含量。因此，遵循當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，如果氫氣濃度大于99%，則以最小頻率并且以最小持續(xù)時(shí)間打開(kāi)凈化電磁閥114，以便在不浪費(fèi)氫氣的情況下去除任何過(guò)剩的水。然而，當(dāng)控制單元根據(jù)由氫氣濃度傳感器11傳送的信息而檢測(cè)到該氫氣含量下降到99%以下時(shí)，則增大打開(kāi)在冷凝器 60的提取輸出管線64上的凈化電磁閥114的頻率。一旦由傳感器檢測(cè)到兩次凈化之間的氫氣濃度升高，由于包含在管路中的氣體的補(bǔ)給，所以控制單元再次減小打開(kāi)凈化電磁閥 114的頻率。當(dāng)然，可以使用氫氣濃度傳感器11來(lái)區(qū)分地控制凈化功能，例如通過(guò)以規(guī)則間隔觸發(fā)凈化并且通過(guò)改變打開(kāi)的持續(xù)時(shí)間。在這里已經(jīng)描述了系統(tǒng)的有利的實(shí)施例，該系統(tǒng)根據(jù)連續(xù)地或幾乎連續(xù)地由氫氣濃度傳感器11基于熱導(dǎo)率(結(jié)合圖2描述了氫氣濃度傳感器11的嵌入)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行(取決于要求)的測(cè)量來(lái)控制管路凈化程序，從而凈化燃料電池中的主要?dú)怏w管路，以保持其操作接近最優(yōu)化。將理解根據(jù)存儲(chǔ)在罐中或者反應(yīng)器本身的氣氛中的氧化劑氣體的實(shí)際污染程度，該布置使對(duì)燃料電池組的入口處的純氫氣消耗進(jìn)行最優(yōu)化成為可能。實(shí)際上，與通常所推薦的相反，該布置最終提供了對(duì)燃料電池組提供低純度氫氣而沒(méi)有對(duì)其損害的風(fēng)險(xiǎn)的可能性。由于產(chǎn)生氣體的成本隨著期望的純度變化很大，所以可以使用較低純度氫氣的事實(shí)具有相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)燃料電池組發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)另一方面，在可能附隨具有剛剛已經(jīng)描述的凈化控制功能的燃料電池中使用諸如以上描述的11等氣體濃度傳感器，以便保持停用和暫停(rest)或隨后的存儲(chǔ)周期期間的系統(tǒng)的完整性。特別地，將控制單元80編程為根據(jù)由氫氣濃度傳感器11的控制周期性測(cè)量來(lái)持續(xù)監(jiān)控燃料氣體管路的氫氣含量并且檢查氫氣總是存在。關(guān)于以這里描述的模型操作的燃料電池組的經(jīng)驗(yàn)實(shí)際上表明諸如基于石墨的催化劑支座等電池組的某些元件 (具體為包含碳的元件)必須保持為接近或等于零的電勢(shì)。只要以氫氣環(huán)繞這些元件就滿足該條件，其中氫氣的電化學(xué)電勢(shì)為零。否則，由于氧氣緩慢地(但不能補(bǔ)救地)進(jìn)入存儲(chǔ)在空氣中的燃料電池的電化學(xué)電池的環(huán)境，所以電化學(xué)電勢(shì)升高到大約1伏。該存在易于建立有助于石墨元件的氧化的電學(xué)環(huán)境并且由此破壞對(duì)系統(tǒng)操作關(guān)系重大的部分。申請(qǐng)人:已經(jīng)能夠確定諸如11等熱導(dǎo)率傳感器本身也非常有助于檢測(cè)在燃料電池的氫氣管路中要遵守的相對(duì)低濃度(百分之幾)的閾值，以防止氧化敏感元件的環(huán)境在燃料電池停用階段的持續(xù)時(shí)間內(nèi)或隨后的暫停周期期間進(jìn)入氫氣不足狀態(tài)。為了防止該情況，可以根據(jù)由氫氣濃度傳感器11傳送的氫氣濃度信息來(lái)有利地執(zhí)行停用程序。在停用之后的暫停階段期間，周期性地激活氫氣濃度傳感器11以便執(zhí)行測(cè)量。例如當(dāng)控制單元在由氫氣濃度傳感器11傳送的信息中檢測(cè)到這種情況迫近時(shí)，其經(jīng)由控制線路IM觸發(fā)純氫氣進(jìn)氣閥的打開(kāi)以便根據(jù)停用或存儲(chǔ)狀態(tài)而以所編程的水平來(lái)重建反應(yīng)器的燃料管路中的氫氣含量。
根據(jù)可替代的實(shí)施例，離開(kāi)冷凝器60的輸出管線64連接到小緩沖罐170，該小緩沖罐170通常保持在凈化期間從燃料電池排出的燃料氣體的壓力。當(dāng)燃料電池處于停用模式或備用狀態(tài)時(shí)，氫氣管路中的內(nèi)壓降低到通常接近大氣壓的壓力。當(dāng)控制單元80驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器115以便暫時(shí)打開(kāi)電磁閥114時(shí)，壓力差使來(lái)自小緩沖罐170的一定量的氣體能夠通過(guò)冷凝器60而進(jìn)入氫氣管路，以便將氫氣含量重建為合適的水平。申請(qǐng)人甚至已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出管線64延伸到離電磁閥114足夠遠(yuǎn)時(shí)，其本身能夠構(gòu)成足以在打開(kāi)電磁閥114時(shí)重建期望的最小氫氣含量的緩沖儲(chǔ)備器(reserve)。根據(jù)使用諸如11等傳感器的燃料電池的控制的一個(gè)可能的方面，控制單元在該實(shí)例中編程為產(chǎn)生進(jìn)入氫氣管路的歧管M的氣體的水蒸汽含量的測(cè)量值。將回憶到經(jīng)由輸入管線40而進(jìn)入該管路的氣體是由來(lái)自罐50的純干燥氫氣與經(jīng)由文氏管(可能由泵71 輔助)再循環(huán)的氣體的混合物而產(chǎn)生的。已知水是在燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物之一，離開(kāi)管線66中冷凝器的氣體水分飽和。進(jìn)入歧管M入口沈的氣體的水分含量可以因此由混合物的測(cè)定來(lái)調(diào)節(jié)。由于作為電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)的固態(tài)膜電解質(zhì)必須保持潮濕以便能夠最優(yōu)地操作，所以該參數(shù)對(duì)于燃料電池的操作是重要的。因此，在處理單元12的控制下， 氫氣濃度傳感器11以相對(duì)于環(huán)境溫度的溫度差Tl和T2來(lái)執(zhí)行第一和第二傳導(dǎo)率測(cè)量，根據(jù)該測(cè)量，可以由控制單元確定純氫氣傳導(dǎo)率和水蒸汽含量?；蛘?，可以看到水蒸汽含量可以由另一特定的傳感器(例如電容傳感器)來(lái)傳送。在每種情況下，控制單元80調(diào)節(jié)再循環(huán)泵的速度，以便將水分含量保持在預(yù)定范圍內(nèi)，該預(yù)定范圍有助于在仍將進(jìn)入歧管M的氣體的氫氣含量保持在合適的水平的同時(shí)校正固態(tài)電解質(zhì)膜的操作?？梢杂欣厥褂脙蓚€(gè)諸如在燃料電池組10中的11等氣體濃度傳感器。圖1示出， 除了在氫氣燃料管路的入口處的氫氣濃度傳感器11之外的，在傳送氧氣(或加壓空氣)的氧化劑管路入口處的第二氫氣濃度傳感器11’，該第二氫氣濃度傳感器11’可以與氫氣濃度傳感器11相同。對(duì)于傳送到陰極的氣體的水分含量的測(cè)量而言，可以存在從使用氫氣濃度傳感器11’的氧氣管路進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)氣體在氧氣管路(陰極管路)側(cè)而不是氫氣管路(陽(yáng)極管路)側(cè)上獲得更多的水。最后，根據(jù)受歡迎的應(yīng)用，諸如11等氫氣濃度傳感器使適當(dāng)?shù)赜裳鯕夤苈分械亩趸嫉拇嬖趤?lái)檢測(cè)腐蝕的開(kāi)始成為可能。已知與許多普通氣體(特別是氮?dú)夂脱鯕?，氮?dú)夂脱鯕獾膫鲗?dǎo)率是非常相似的)的熱導(dǎo)率相比，二氧化碳的熱導(dǎo)率較低，并且當(dāng)然甚至低于氫氣的熱導(dǎo)率?？梢杂欣厥褂脙蓚€(gè)諸如燃料電池組10中的11等氣體濃度傳感器。 圖1示出除了在氫氣燃料管路的入口處的氫氣濃度傳感器11之外的，在傳送氧氣(或加壓空氣)的氧化劑管路的入口處的第二氫氣濃度傳感器11’，該第二氫氣濃度傳感器11’可以與氫氣濃度傳感器11相同。例如，為了檢測(cè)諸如在膜中的孔等兩個(gè)管路之間的滲透性的缺陷，傳感器11使得能夠檢測(cè)到氫氣中氧氣的存在，而傳感器11’使得能夠檢測(cè)到氧氣中氫氣的存在。由于一種氣體擴(kuò)散到另一種氣體中易于危害安全性，有利地提供該信息冗余度。最后，根據(jù)受歡迎的應(yīng)用，諸如11等氫氣濃度傳感器使適當(dāng)?shù)赜裳鯕夤苈分械亩趸嫉拇嬖趤?lái)檢測(cè)腐蝕的開(kāi)始成為可能。已知與許多普通氣體(特別是氮?dú)夂脱鯕?，氮?dú)夂脱鯕獾膫鲗?dǎo)率是非常相似的)的熱導(dǎo)率相比，二氧化碳的熱導(dǎo)率較低，并且當(dāng)然與氫氣的熱導(dǎo)率相比較低。已知這些氣體的熱導(dǎo)率，容易對(duì)氫氣濃度傳感器11或11’進(jìn)行編程以計(jì)算氣體混合物的二氧化碳含量并且由此根據(jù)由氫氣濃度傳感器進(jìn)行的測(cè)量而檢測(cè)甚至小量的(X)2的存在。在陽(yáng)極側(cè)上，具有高氫氣濃度的氣體流動(dòng)表明接觸部分的零電勢(shì)并且只要存在足夠的氫氣就避免腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)將燃料電池停用時(shí)，如果采取前述的預(yù)防措施，則腐蝕風(fēng)險(xiǎn)處于適當(dāng)?shù)目刂浦隆Ｒ虼?，由氫氣濃度傳感?1或11’提供的額外能力在該情況下尤其最適用于對(duì)燃料電池系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)階段。然而，這表明了可評(píng)估的安全性輔助作用。圖6非常示意性地示出可以用于利用電源制造氫氣和氧氣的工業(yè)電解裝置。對(duì)于該類(lèi)型的應(yīng)用，重要的是確保產(chǎn)生的氣體的質(zhì)量良好。不僅對(duì)于產(chǎn)生的氣體就期望的應(yīng)用而言盡可能純是重要的，而且由于這些氣體的特有的性質(zhì)，這種混合物可能對(duì)于性能的安全性和操作者是高危險(xiǎn)的。在這種安裝的類(lèi)型中，氫氣管路包括歧管，該歧管連接陰極板的小型氣體管道的全部出口，以便將它們連接到電池組的氫氣出口。同樣地，氧氣歧管將電池組的基本電池的板的氧氣出口連接到安裝體之外的出口。在每個(gè)管路中，當(dāng)這些產(chǎn)生的氣體的一部分在被收集之前通過(guò)電解質(zhì)擴(kuò)散時(shí)，產(chǎn)生的氣體可以有較高或較低的純度。而且， 泄漏的存在可以引起可能(如果不及時(shí)檢測(cè)到)導(dǎo)致氫氣/氧氣混合物爆炸的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)的管路之間的氫氣和氧氣交換。根據(jù)本發(fā)明的該方面(圖6)，使用兩個(gè)根據(jù)熱導(dǎo)率的氫氣濃度傳感器，一個(gè)氫氣濃度傳感器211在系統(tǒng)端板215內(nèi)的室217中，該系統(tǒng)端板215集成到由一組電池形成的反應(yīng)器主體內(nèi)，氧氣輸出歧管(在圖中不可見(jiàn))在陽(yáng)極側(cè)上，陰極側(cè)上的另一個(gè)氫氣濃度傳感器212在系統(tǒng)端板216內(nèi)的室237中，系統(tǒng)端板216在氫氣歧管的輸出處與所述主體(不可見(jiàn))集成。因此，這些傳感器中的一個(gè)測(cè)量小的氫氣濃度，而另一個(gè)傳感器測(cè)量高濃度。 這里的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量在電解器中直接產(chǎn)生的氣體質(zhì)量的可能性，而不必間歇地或連續(xù)地取出氣體樣本。在圖6中，電解器200包括一組220基本電化學(xué)電池225。它們被供以水，水在存在催化劑的情況下，通過(guò)流過(guò)其中的電流的作用，而被分解為氫氣和氧氣。電池組220被夾置在兩個(gè)系統(tǒng)端板之間，兩個(gè)系統(tǒng)端板中的一個(gè)215隔離分離外殼，該分離外殼的上部分形成接收來(lái)自電池組225的氧氣的室217。另一個(gè)板216隔離分離外殼，該分離外殼的上部分形成接收來(lái)自電池225中的反應(yīng)的氫氣的室237。在每個(gè)板中，分離外殼的底部分分別通向歧管(不可見(jiàn))的入口 2 和227，以便對(duì)電池組220內(nèi)部的電池225供給水。在分離板215中收集的來(lái)自導(dǎo)管218的氧氣與包含在管路中的水分離，在分離外殼217的底部收集水，以便再循環(huán)到入口 2 處的電解器中。分離外殼217的上部分中的室217包含用于排出所產(chǎn)生的氧氣的龍頭220。通向該室217上部分的是氫氣濃度傳感器 211的敏感單元223，該氫氣濃度傳感器211用于檢查產(chǎn)生的氧氣的純度并且預(yù)先檢測(cè)其中％氫氣含量增加到安全閾值之上的任何潛在危害情況。同樣地，由電池產(chǎn)生的氫氣經(jīng)由來(lái)自電池組220的導(dǎo)管2 而傳送到在系統(tǒng)板216內(nèi)部形成的分離外殼中。在板216的分離外殼底部中累積的水再循環(huán)到歧管(未示出)的入口 227，以便對(duì)電池組的電池225供給水。引入板216中的氫氣聚集到系統(tǒng)板216的上部分中的室237中。通向該室237的是氫氣濃度傳感器212的敏感單元233，該氫氣濃度傳感器212用于檢查可以經(jīng)由收回龍頭230 而排出的所產(chǎn)生的氫氣的純度。反應(yīng)由發(fā)電機(jī)來(lái)供給電能，陽(yáng)極電路側(cè)235上的電流收集板和陰極電路側(cè)236上的電流收集板被連接到發(fā)電機(jī)。
由此已經(jīng)描述的是針對(duì)電化學(xué)反應(yīng)器、燃料電池組或電解器的操作控制系統(tǒng)，該操作控制系統(tǒng)在不需要將樣本拿到集成到反應(yīng)器的主體中的室外或者不需要甚至必須停止其操作的情況下而很好地適于該裝置的連續(xù)操作。熱導(dǎo)率傳感器的多功能性、操作靈活性、寬靈敏度范圍和出色的響應(yīng)時(shí)間使得在電化學(xué)反應(yīng)器并且特別是其中涉及氫氣的氧化還原反應(yīng)器的具體環(huán)境中該類(lèi)型傳感器成為寶貴的工具。更有效地用于測(cè)量受監(jiān)控介質(zhì)中的氫氣濃度(并且可以測(cè)量其它氣體，特別是二氧化碳CO2的濃度)并且用于以簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的方式管理電化學(xué)反應(yīng)器的操作情況和參數(shù)。在如下情況下，情況尤其如此不滿足于將這種測(cè)量應(yīng)用于傳感器的單一功能性的管理，而是旨在在將其保持在備用狀態(tài)以及當(dāng)連續(xù)操作時(shí)保持其性能的情況下，使得由此有益于同時(shí)或附隨地控制易于影響電池組運(yùn)行的幾個(gè)參數(shù)。通過(guò)使用基于測(cè)量熱導(dǎo)率的氣體濃度傳感器，可以執(zhí)行大量的功能以控制這種電化學(xué)過(guò)程。系統(tǒng)也使在電解器情況下傳送的氣體質(zhì)量被監(jiān)控并且其操作安全性被永久檢查都成為可能。當(dāng)然，本發(fā)明不限于描述并且舉例說(shuō)明的示例，而在不脫離由隨附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改型。
權(quán)利要求
1.一種諸如燃料電池組或電解器等的電化學(xué)反應(yīng)器，包括一組02)電化學(xué)電池(25)，所述一組02)電化學(xué)電池05)中的每個(gè)電化學(xué)電池05) 都包括具有與電解質(zhì)電接觸的一個(gè)材面的至少一個(gè)電極板(108-1)；至少一個(gè)歧管(M)，所述至少一個(gè)歧管04)連接到交換管路中的每個(gè)電池的所述材面，以用于使氣體與電池組的外部進(jìn)行交換；傳感器(11)，所述傳感器(11)對(duì)所述管路中的所述氣體的成分敏感；以及用于特別在所述傳感器的控制下監(jiān)控反應(yīng)器的情況的至少一個(gè)裝置，該反應(yīng)器的特征在于所述電池組和所述導(dǎo)管形成一體式反應(yīng)器主體(15)，并且在于所述氣體成分傳感器 (11)安裝在所述一體式主體中并且包括直接暴露于在室00)中的所述氣體的成分的現(xiàn)場(chǎng)濃度的敏感單元(30)，其中所述一體式反應(yīng)器主體(1 包括集成到與所述歧管連通的該主體中的至少一個(gè)所述室00)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述室形成在具有第一材面09) 和第二材面(19)的系統(tǒng)板(17)中，所述第一材面09)與所述電池組的端部電池并置，所述歧管04)在離開(kāi)其所穿過(guò)的所述電池組時(shí)通向所述第一材面(四)，所述第二材面(19) 與所述第一材面09)相對(duì)，所述第二材面(19)形成支座，以便將所述氣體管路的一個(gè)或多個(gè)元件固定到所述主體(1 的外部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述氣體成分傳感器(11)安裝在所述支座板(17)的壁(XT)中，并且在于其在所述壁(XT)的內(nèi)側(cè)上包括圍繞腔(36)的中空端件(31)，所述腔(36)與所述室00)的氣氛連通，并且在所述腔(36)中容納對(duì)室OO) 中的氣體的成分的現(xiàn)場(chǎng)濃度敏感的所述單元(30、32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于氣密和液密隔離物(75)將所述中空端件(31)中容納所述敏感單元(30、32)的所述腔(36)與傳感器的部分08)中形成的另一室隔開(kāi)，所述部分(48)安裝在所述壁(XT)的相對(duì)于所述室OO)的外側(cè)上，在所述室 (20)中安裝用于處理來(lái)自所述敏感單元的信號(hào)的處理單元(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于來(lái)自所述敏感單元(30、32)的導(dǎo)體G6)密封地穿過(guò)所述隔離物(75)，并且所述隔離物(7 能夠承受所述腔(36)與所述傳感器(11)的所述另一室之間的壓差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于透氣但不透水的過(guò)濾器(37)將所述敏感單元(30、3幻與所述室OO)的氣氛隔開(kāi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述氣體成分傳感器(11)對(duì)其敏感單元(30、3幻所浸入的氣體的熱導(dǎo)率的變化敏感，以便傳送取決于所述室中的所述氣體混合物的氫氣含量的測(cè)量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述一體式主體 (15)包括第二歧管04’)和第二氣體成分傳感器(11’)，所述第二歧管04’)將所述電池組中的電池連接到集成到第二氣體管路中的所述主體中的第二室，所述第二氣體成分傳感器(11’)安裝在所述一體式主體(1 中并且設(shè)置有敏感單元，所述敏感單元直接暴露到所述第二室中的所述氣體成分的所述現(xiàn)場(chǎng)濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1和2中之一所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述處理單元(12)緊密接近所述敏感單元(30)設(shè)置，所述敏感單元(30)適于固定到所述主體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述氣體成分傳感器適于檢測(cè)所述敏感單元(30、32)的環(huán)境中的二氧化碳濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述傳感器對(duì)其所浸入的氣體的熱導(dǎo)率的變化敏感，這取決于相應(yīng)的氣體管路中的所述氫氣濃度并且取決于所述管路中的水蒸汽濃度，并且特征在于所述傳感器包括控制裝置，該控制裝置適于控制不同的加熱溫度下的所述敏感單元的環(huán)境中的所述傳導(dǎo)率的若干測(cè)量值，以便確定在該環(huán)境中的水蒸汽濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于所述氣體成分傳感器(11)對(duì)其所浸入的氣體的熱導(dǎo)率的變化敏感，這取決于相應(yīng)的氣體管路中的氫氣濃度并且取決于所述管路中的水蒸汽濃度，并且特征在于該反應(yīng)器還包括第二傳感器和處理裝置，所述第二傳感器對(duì)所述集成室中的所述氣體的濕度直接敏感，所述處理裝置適于在所述氣體成分傳感器和所述濕度傳感器的控制下傳送所述室中的所述氫氣濃度的測(cè)量值。
13.—種包括根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電化學(xué)反應(yīng)器的燃料電池組，其特征在于所述傳感器(11)安裝在氫氣管路中，所述氫氣管路包括所述集成室、在電化學(xué)電池中的反應(yīng)后所述電池組的出口處的氫氣吸收管線、注入裝置和在控制單元的作用下的吸收管線的放氣閥(114)，所述集成室允許至少部分來(lái)自氫氣來(lái)源的氫氣進(jìn)入所述燃料電池組的進(jìn)入導(dǎo)管，所述注入裝置用于將來(lái)自所述吸收管線的至少一些氫氣注入到所述集成室中，所述放氣閥(114)由所述氣體成分傳感器(11)控制，以便將所述集成室中的氫氣濃度保持在預(yù)定純度水平之上。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器的燃料電池組，其特征在于所述燃料電池組包括報(bào)警或監(jiān)控裝置，所述報(bào)警或監(jiān)控裝置用于響應(yīng)于所述氫氣管路中的所述氫氣濃度傳感器(11)而在停用階段期間和/或在其間不產(chǎn)生能量的備用狀態(tài)中將氫氣濃度保持在預(yù)定閾值之上。
15.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的電化學(xué)反應(yīng)器的燃料電池組，其特征在于所述燃料電池組包括安裝在所述氧氣管路中的第二氣體濃度傳感器(11’)，以便能夠檢測(cè)氧氣中的氫氣的存在。
16.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器構(gòu)成的電解器000)，其中氫氣管路包括氫氣分離器037)，所述氫氣分離器(237)包括集成到所述傳感器本體中并且連接到一組電化學(xué)電池025)的基本電池的陰極的氣體出口的室，其特征在于所述氣體成分傳感器(212)安裝在所述室中，以便將取決于在該管路中產(chǎn)生的氫氣的濃度的至少一個(gè)信號(hào)傳送至所述控制單元(80)。
17.—種包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器的電解器，其中氧氣管路包括氧氣分離器017)，所述氧氣分離器(217)包括集成到所述反應(yīng)器本體中并且連接到一組電解電池的基本電池的陽(yáng)極的氣體出口的室，其特征在于氫氣成分傳感器011)安裝在所述室中，以便將取決于該管路中存在的氫氣的濃度的至少一個(gè)信號(hào)傳送至所述控制單元(80)。
全文摘要
一種諸如燃料電池組或電解器等的電化學(xué)反應(yīng)器，包括一組(22)電化學(xué)電池(25)，所述一組(22)電化學(xué)電池(25)中的每個(gè)都包括具有與電解質(zhì)電接觸的一個(gè)材面的至少一個(gè)電極板(108-1)；至少一個(gè)歧管(24)，所述至少一個(gè)歧管(24)連接到交換管路中的電池中的每個(gè)的所述材面，以用于使氣體與電池組的外部進(jìn)行交換；傳感器(11)，所述傳感器(11)對(duì)管路中的所述氣體的成分敏感；以及響應(yīng)于所述傳感器的測(cè)量而監(jiān)控或控制該反應(yīng)器的操作情況的至少一個(gè)構(gòu)件。該組(22)電池和歧管(24)形成一體式反應(yīng)器主體(15)，該一體式反應(yīng)器主體(15)包括集成到與所述歧管連通的該主體中的至少一個(gè)室(20)。該氣體成分傳感器(11)安裝在所述一體式主體中并且包括直接暴露于在所述室(20)中的所述氣體成分的現(xiàn)場(chǎng)濃度的敏感單元(30)。
文檔編號(hào)G01N25/18GK102576887SQ201080042565
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者G·帕加內(nèi)利 申請(qǐng)人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份公司