设有用于测量对反应器操作特定的气体参数的装置的诸如燃料电池或电解器等电化学反应器

摘要

一种诸如燃料电池组或电解器等的电化学反应器，包括：一组(22)电化学电池(25)，所述一组(22)电化学电池(25)中的每个都包括：具有与电解质电接触的一个材面的至少一个电极板(108-1)；至少一个歧管(24)，所述至少一个歧管(24)连接到交换管路中的电池中的每个的所述材面，以用于使气体与电池组的外部进行交换；传感器(11)，所述传感器(11)对管路中的所述气体的成分敏感；以及响应于所述传感器的测量而监控或控制该反应器的操作情况的至少一个构件。该组(22)电池和歧管(24)形成一体式反应器主体(15)，该一体式反应器主体(15)包括集成到与所述歧管连通的该主体中的至少一个室(20)。该气体成分传感器(11)安装在所述一体式主体中并且包括直接暴露于在所述室(20)中的所述气体成分的现场浓度的敏感单元(30)。

说明书

技术领域

本发明涉及诸如燃料电池组或电解器等电化学反应器。更具体地，本 发明涉及出于监控这种设备的状况及其操作控制的目的而进行测量的装 置。

背景技术

电化学反应器是当前力求限制环境污染的背景下(特别是在交通领域 中)的诸多研究的主题。使用空气或纯氧气作为氧化剂的电解氢气燃料发 生器无疑是当前研究最多的系统中的一种。水浸渍聚合物膜形式的固态电 解质的使用已经能够实现相当大的进步。特别是用于以化学能形式存储电 能的电解器也有相当大的发展。当前的结构使得可以设想以良好效率并且 在极其安全情况下操作燃料电池组和电解器。

然而，从经济的角度考虑，仍需进行改进，因为某些必需的材料(例 如催化剂)的成本高并且为实现最佳操作情况同时随着时间的推移保持这 些最佳操作情况存在困难。这些困难之一在于这一事实：由于不进行除了 在任何情况下均精确地执行的气体温度和压力测量以外的可以证明是必须 的或有用的全部测量，所以当前系统不允许对反应器的内部操作情况进行 全面的了解。因此，对于燃料电池组而言，通常需要事先确保用于供给燃 料电池组的氢气的高质量(特别是就纯度而言)。尽管采取了这些预防措施， 然而对于由电池组实际使用的氢气的纯度而言，仍需要在“盲目”的状况 下操作电池组。

此外，燃料电池组当前仍然主要是试验阶段的装置。许多研究仍在进 行中，它们可以受益于一种(如果可以，实时地且在不干扰所研究系统的 操作的情况下)更好地确定和理解反应器及其各种部件的操作的装置。在 大多数工业电解厂或实验室中，气体分析器继续用于在电化学反应器操作 期间传送与电化学反应器中存在的气体的成分有关的信息。实际上，这些 分析器通过间歇地或连续地获得由电解器产生的或由燃料电池组消耗的气 体样本而操作。所获得的样本被送到传送关于由电解器产生的一种或多种 气体的浓度的期望信息的分析器。由此从反应器获得的样本而后被丢弃， 这表明效率的损失。

近年来，已经提出了使用(特别是出于监控的目的)用于测量燃料电 池组环境气体中的气体(特别是氢气)的浓度的传感器的建议，所述传感 器是以使用具有电阻加热元件的敏感单元而测量热导率为基础的，电阻加 热元件的加热或耗散冷却依赖于周围空气的热导率并且因此通常依赖于其 成分。由于氢气与其可能混合的主要常见气体相比具有非常高的热导率， 所以相对紧凑并且操作简单的这些传感器特别适于测量气体的氢气含量。

因此，公开号为US2005/0228596的专利申请也描述了通过测量所考 虑的气体介质(可以包含除了氢气之外的来自空气的各种杂质或可能具有 相对高的水分含量)的传导率，而应用对用于机动车辆的燃料电池系统的 环境中的氢气浓度敏感的传感器。以上文献描述了适于进行无误差(误差 可能由所监控的气体混合物中的水分或其它杂质的存在所导致)的测量的 技术，尽管在某种情况下影响基于氢气的混合物的传导率的各种参数之间 的关系是非线性的。在所采取的测量中，该文献具体描述了一种装置的使 用，该装置例如通过提供蜿蜒路径或形成待监控气体与敏感单元之间连通 的挡板，或通过以保护涂层(例如基于二氧化硅的涂层)覆盖敏感元件， 防止气体传感器的敏感元件受潮。在燃料电池系统中的不同敏感点并且甚 至另外在装配这种燃料电池的车辆中，优选地执行所述测量。当测量值表 示存在安全性危险时触发警报，则可以中断对燃料电池的氢气供给。然而， 所描述的系统不包括适于有效地监控或控制燃料电池的操作情况的布置。

公开号为JP2008191019的日本专利申请解释了怎样可以通过将传感 器远离其中待监控气体流动的管线设置、沿着该管线与敏感元件之间的连 通路径而设置若干外壳以阻止易于导致测量值错误并且损坏传感器的杂质 (特别是水蒸汽)的传输，从而根据传导率测量值来操作气体浓度传感器。 传感器安装在燃料电池组的氢气排放管线上(未示出)。提出了用于防止所 排放的氢气中必然包含的水蒸汽与传感器的敏感元件接触的布置，特别是 通过使用由四氟乙烯制造的防水过滤器以及通过机动化蜗杆(该机动化蜗 杆使设置传感器的室与待监控气体流入的管线隔离成为可能)控制的截止 阀。该布置通过限制水分对测量结果的影响，无疑地允许获得关于在排放 管路中的氢气混合物的含量的某些信息。然而，所描述的布置看起来不适 于精确并且快速地监控或控制这种燃料电池的操作情况。

更近地，所公开的专利申请US2009/00611261例如描述了用于检测在 管线中流动的气体的物理参数的装置的使用，其中通过由防止沉积物或液 态水膜形成在检测元件上的纤维状材料制成的过滤器，将设置在室中的检 测元件与所述管线内部隔离。过滤器与对室壁的处理防止在管线中流动的 气体中的液态水或水蒸汽的存在导致来自在所述室中的该元件的指示 (indication)出现错误。在考虑的一个示例中，检测元件包括电阻加热元 件，该电阻加热元件的加热温度可以根据在其环境中的气体的浓度而改变。 当氢气浓度较高时或在水蒸汽存在的情况下，检测装置可以用于检测待监 控气体的氢气浓度。在一个示例中，文献描述了用于将动力能量传送到车 辆的燃料电池系统，该系统包括一方面供以氢气并且另一方面供以富氧气 体(例如空气)的一组电化学电池。在电池组的出口处，氢气管路(circuit) 包括用于排放未在电池组中消耗的氢气的管线(line)。泵用于将在所述排 放管线中回收的氢气流再循环到电池组的氢气入口。该流增加到来自加压 罐的新鲜氢气流并且其组合被注入到电池组的入口。氢气排放管线也经由 排气阀选择性地连接到系统外部，该排气阀通过开-关动作使排放在电池组 出口处回收的一些氢气成为可能。根据文献，如以上描述的这种氢气浓度 监测装置优选地设置在电池组外部的氢气排放管线中，以便根据所检测的 浓度来控制阀，从而调节来自氢气罐以及排气阀的气体供给的压力。根据 文献，检测装置也可以设置在再循环泵的下游或者甚至压力调节阀的下游。 然而，根据该文献，优选所提及的第一布置，即再循环泵的上游，因为浓 度测量值在该点不易出现误差。也以在氢气或氧气管路中的一个或多个气 体浓度检测装置的各种布置描述了其它燃料电池系统的结构。

在以上示例中所描述的燃料电池系统具有如下益处：在不需要将样本 从电池组管路中的气体混合物拿出以便将样本发送到系统外部以对它们进 行分析的情况下，提供关于燃料电池组的运行情况或操作的信息。该信息 可以用于作用于控制构件，从而控制其操作，诸如在电池组入口以及排气 阀开口处的新鲜氢气的进气压力，以便修改该运行情况或操作特性。因此， 提供了控制系统的操作性能的装置。

可能希望据此推断出根据其使之成为可能的(关于内部氢气浓度的) 实时信息控制电池组本身，以便永久地将电池组的操作最优化。然而，实 践表明不是这种情况，因为可以利用前述布置获得的信息具有仍然非常近 似的属性。申请人实际上已经发现，为了以该方式将电化学反应器的控制 最优化，必须以不在以上提出的系统能力范围内的灵敏度、精确性与响应 时间情况来测量必要的特性参数。实际上，将期望能够更充分地使用由氢 气传感器传送的信息，以便将电化学反应器的运行与监控最优化。

因此，仍需要进行改进，以便通过测量值来提高对诸如燃料电池组和 电解器等电化学反应器的操作的理解，所述测量值能够简单地、频繁地、 快速地并且准确地通知操作者关于电化学反应器系统操作的关键因素的信 息，使他能够有效地并且优选自动地行动，以便保持这些系统的产量、效 率、安全性和寿命。

发明内容

为了满足这些要求，本发明旨在提供一种新颖的特别是用于燃料电池 组或电解器的电化学反应器，该电化学反应器适于传送关于所述反应器的 内部操作特性的信息，并且具体用于监控和控制该操作。

本发明的一个方面是提供一种诸如燃料电池组或电解器等的电化学反 应器，包括：一组电化学电池，所述一组电化学电池中的每个都包括具有 与电解质电接触的一个材面(face)的至少一个电极板；至少一个歧管， 所述至少一个歧管连接到交换电路中的电池中的每个的所述材面，用于与 电池组的外部交换气体；传感器，所述传感器对电路中的所述气体的成分 敏感；以及用于监控反应器操作情况的至少一个装置，例如用于根据由所 述传感器传送的信息来控制气体浓度。根据本发明，该反应器的特征在于 电池组和所述歧管形成包括集成到与所述歧管连通的该主体中的至少一个 室的一体式反应器主体，并且在于所述气体成分传感器安装在所述一体式 主体中并且包括直接暴露于在所述室中的所述气体成分的现场浓度的敏感 单元。

借助于该布置，用于测量在反应器的电化学电池中使用的气体浓度的 传感器，特别是用于测量连接到燃料电池组中的反应器的电化学电池阳极 或连接到电解器中的电化学电池阴极的管路中的氢气浓度的传感器，与所 述电化学电池的反应情况(例如在反应电池组中所涉及的气体的温度、湿 度情况和成分方面)紧密地关联。而且，因为其安装在室中，所述室直接 集成到由电池组和确保这些电池与所述室之间的气体交换的导管形成的主 体中，所以形成测量目标的气体流速相对较低并且接近在电池中采用的流 速。这有益于测量精确性。传感器接近其中发生反应的电池组也是缩短响 应时间的有益因素。

根据用于实现本发明的优选实施例，所述室形成在具有第一材面和第 二材面的系统板中，所述第一材面与所述电池组的端部电池并置，穿过所 述电池组的所述歧管在离开所述电池组时通向所述材面，所述第二材面与 所述第一材面相对，所述第二材面形成支座以便将所述气体管路的一个或 多个元件固定到所述主体的外部。因此，一体式主体外部的气体管路的那 些部分可以通过系统板的该第二材面而连接到集成室，用于确保和控制所 述气体流动的控制构件也固定到系统板的该第二材面上。

组件因此形成紧凑的组件，在该紧凑的组件的核心中集成气体成分传 感器，该紧凑的组件的温度保持与电池组内的温度相同。这构成其本身减 小直接围绕传感器敏感单元的空气中水分冷凝的风险的因素；稍后将看到 这种冷凝在各种情况下可能是有害的。该因素使至少部分地以在引用的现 有技术中提及的复杂的布置进行分配以消除冷凝成为可能。而且，通过由 电池提供的管路外部与歧管之间的集成室的气体流速低于气体管路的其它 部分。该因素有助于传感器的测量精确性。直接的接近也有助于缩短其对 混合物中的成分改变的响应时间。

在该实施例中，也可以适当地将所述气体成分传感器安装在所述第一 和第二材面之间的所述系统板的壁(特别是侧壁)中。可以有利地提供该 传感器，以便在所述壁的内侧上具有围绕腔的中空端件，所述腔与所述室 的气氛(atmosphere)连通，并且在所述腔中容纳对室中的气体成分的现 场浓度敏感的所述单元。根据有利的实施例，所述中空端件中容纳所述敏 感单元的所述腔通过气密和液密隔离物而与传感器的部分中形成的另一室 隔开，所述部分安装在所述壁的相对于所述室的外侧上，在所述室中安装 用于处理由敏感单元传送的信号的单元的电路。根据该布置，可以对所述 隔离物进行设置，以使其被来自敏感单元的导体密封地穿过并且使其能够 承受所述传感器的腔与其它室之间的压力差。因此，通过传感器的布置并 且具体地在收集传感器的电连接的区域中消除氢气泄漏到一体式反应器外 部的任何风险。而且，处理单元可以因此紧密接近安装在一体式主体中的 敏感单元设置。将理解由于这两个单元接近，由前一单元输出的信号干扰 可以因此大大地减少。系统的精确性因此进一步提高。

根据用于实现本发明的优选方面，所述管路中的气体浓度传感器是适 于传送信号的传感器，所述信号取决于传感器所浸入的气体混合物的热导 率的变化。已经发现实际上该类型的传感器很适于在反应器内部直接使用 并且特别地示出以良好的时间响应传送在该类型反应器中频繁发现的混合 物中的气体浓度测量值。

根据一种技术，对气体热导率变化敏感的传感器包括支座，该支座具 体设置有控制情况下的加热装置以及用于监控该支座温度的装置。在稳定 状况下，该温度取决于来自加热装置的热量流入和支座向其环境介质中的 热耗散。一方面热耗散本身取决于支座温度与环境介质温度之间的差异， 而另一方面，取决于环境气体混合物的热导率。热导率本身取决于存在的 每种气体的属性和它们在混合物中的浓度。

由这些讨论开始，本发明也涉及测量在根据以上所述原理设计的电化 学反应器中的气体(特别是氢气)的现场浓度，这不仅是出于科学目的而 了解电化学反应器内发生的现象，而且作为根据反应器自身的内部情况而 规律地监控其操作和其性能的手段。根据另一方面，本发明提供将由该反 应器的各种操作控制使用的这些测量值，以便警告、检查、优化和/或保证 其操作安全性。

从以上内容可以看出许多电化学反应器的操作均伴随有液体(特别是 水)的使用和/或形成，这可能会带来根据对所研究的气体混合物的热导率 的测量而在一定时间内保持气体浓度传感器的完整性的问题。

因此，根据一个实施方面，在如以上限定的反应器内部的气体管路中， 使用具有对环境气体的传导率的变化敏感的单元的气体浓度传感器，其中 在例如利用防水屏防止其敏感单元与液体接触的位置中设置所述传感器。 例如，出于该目的，可以使用多微孔膜，以便在集成到一体式主体的室的 气氛与敏感单元表面之间形成透气防水屏。

为了精确测量传感器所浸入的气体的现场氢气浓度，可以利用这一事 实：该传感器(这样设置并且可选地受保护的)对其所浸入的气体的热导 率的变化敏感，这不仅取决于相应气体管路中的氢气浓度而且取决于所述 管路中的水蒸汽浓度。利用适于根据不同加热温度控制敏感单元环境中的 传导率的若干测量值的控制装置，可以确定根据其水蒸气含量而校正的该 传感器周围的气体中的氢气浓度。

也可以使用用于测量被监控的气体的水分含量的已知装置。传感器的 信号处理单元也易于从湿度传感器接收信号以便根据在混合物中检测的水 分含量而校正由敏感单元传送的浓度测量值。在实践中，系统不仅在具有 传感器(其对所述管路中的氢气浓度敏感)的氢气管路中应用，而且在电 化学反应器(其包括用于纯净状态或者混合物形式、尤其是空气形式的基 于氧气的气体混合物的管路)中应用，以便传送取决于传感器的环境中的 该气体混合物的氢气含量的信息。

根据有利的应用，根据本发明的气体浓度测量装置包括用于测量反应 器中气体混合物的传导率的装置，以便适当地确定二氧化碳的存在及其浓 度，这些有时表明了对于反应器的某些部分的良好状况或者完整性的重要 指示，这将在稍后看到。

刚刚已经描述的反应器有利地适用于改进的燃料电池组或改进的电解 器的结构。因此，例如通过监控燃料电池组的氢气管路中的氢气浓度，可 以在操作期间检查注入燃料电池组的电化学电池入口的气体的氢气浓度。 取决于氢气浓度的传感器的输出可以例如由控制装置使用，以便间歇地启 动放气阀，从而从氢气管路去除混合杂质的一定量气体以便将所述管路中 的氢气浓度保持在预定水平以上。

此外，有利地在停用(shut down)电池组阶段期间，使用来自关于氢 气管路中的氢气浓度的这种传感器的指示，以防止氧化敏感元件的环境处 于氢气短缺的模式。而且，随后，在电池组暂停工作，即不产生能量的时 间段期间，传感器有利地保持在备用(standby)模式以便检查氢气管路中 的氢气浓度是否已经降低到相对较低的阈值之下，该相对较低的阈值表示 氧化敏感元件的环境导致进入氢气短缺模式的风险。如果是这种情况，则 控制单元将额外量的氢气注入氢气管路，以便将氢气浓度重建到所述相对 较低的阈值之上。实践中，该阈值对应于使燃料电池组的电解电池的阳极 电势保持在零电位所必需的氢气浓度。

例如，氢气浓度传感器也可以有利地用于检测由两个管路之间的诸如 在用作电解质的聚合物膜中的孔等渗透性缺陷所导致的氧气向氢气中的扩 散。如果氧气管路装配这种传感器，则也可以检测氢气向氧气中的扩散， 以便提高系统的安全性。

最后，我们已经看到根据本发明的反应器可以装配适于测量不包含氢 气的混合物中的二氧化碳(CO₂)的水平的传感器。该布置可以用在燃料 电池组中，在该燃料电池组中出于实验的原因或为了提供信息冗余度，目 的是检查对燃料电池组的调节是正确的并且检查未产生任何将导致(可以 由碳构成的)电池组的部分的不适当的氧化的情况。这可以例如应用到催 化剂支座，该催化剂支座基于松软的粉末状石墨生产。

本发明也涉及用于电解器结构的以上限定的电化学反应器的应用，在 该电解器中氢气管路包括收集一组电解电池的基本元件的每个阴极的气体 出口的集成室。氢气浓度传感器安装在氢气管路中，以便将取决于在该管 路中产生的氢气浓度的至少一个信号传送到控制单元，从而控制电解器的 操作。当然，同样的应用有利地实施在氧气产生管路中。此时接收的指示 用于永久性地监控所产生的气体的纯度并且用于确保电解器在良好的安全 情况下操作。可以例如检测由于两个管路之间的较差的不渗透性所导致的 氢气向氧气中的扩散，反之亦然。

附图说明

根据参考通过非限定性示例示出本发明主题的实施例的附图而给出的 以下说明书，本发明的其它特征和优点将变得明显。

图1是装配两个氢气浓度传感器的燃料电池组的整体透视图。

图2是图1的传感器之一的嵌入(implantation)情况的横截面示图， 该传感器穿过电化学反应器的端板的壁而进入电池组的外壳。

图3是示出根据由安装在氢气供给入口上的传感器的测量值而控制电 池组的装置的示例的功能组织的框图。

图4是根据本发明的用于测量气体混合物的氢气浓度的传感器及其用 于电化学反应器的处理电子设备的结构的高度简化示图。

图5是在燃料电池组中的电化学电池的一个实施例的示图。

图6是装配有根据本发明原理的控制装置的电解器的简化示图。

具体实施方式

图1示出燃料电池组10的外部。其包括特别由一组电化学电池形成的 平行六面体的一般形状的一体式主体15，所述一组电化学电池一起保持在 两个端板17与18之间，一个端板(17)称为系统板。该图示出在电池组 顶部的由电池组内的对齐开口形成的两个歧管24和24’的圆顶形状13-1 和13-2，用于向它们分别供给氢气和氧气，这将在稍后解释。在该示例中 的燃料电池组10的组织具有在申请人的专利申请WO2007/045416中示出 和描述的类型。

系统板17具有外材面19，在该外材面19中形成开口以便与诸如泵、 阀、传感器等各种功能构件连通。这些构件(其中的一些在图1中清楚地 看到)可以直接固定在该材面19上并且旨在使流体在电池组内循环并与外 部交换。在材面19的相对侧上，系统板17具有与构成系统核心的一组电 化学电池的端电池直接并置的内材面29。将管道(channel)连接在一起的 歧管穿过电池组，所述管道确保需用于电池组或电池组内的反应器的操作 的流体的流动。电池组的歧管进入设置在系统板17的端材面29中的诸如 在图2中的26等开口。通过将电池组22的歧管连接至与系统板17的外材 面19并置的功能构件的通道、室或歧管(其可以由板的材料切割而成)经 由其厚度而穿过该系统板17。板17因此有利于生产紧凑且鲁棒的组件， 以便至少形成反应器的运行流体之间的大部分功能连接。

更具体地，系统板17收纳燃料气体管路的两个歧管24和44(图2和 3)的入口和出口，该燃料气体管路运送通过电池组的混合物以便向一侧 (24)供给氢气并且在每个电池的出口处排出(44)未消耗的氢气。同样 地，系统板17容纳氧化剂混合管路的将氧气传送到电池的歧管的氧气入口 和出口管线(未示出)。容纳在该板中的管线系统(未示出)设置为使对燃 料电池的电池组进行冷却的冷却剂循环。设置在端板中的空间也使在其中 容纳，尤其是图3的框图中示出的电连接构件和流动命令与控制构件成为 可能，这将在稍后详细地描述。如以上所述，系统板17也用于固定和连接 例如用于测量气体的压力和温度以及测量冷却剂的温度的测量构件。根据 本发明的一个特征，能够提供关于存在于燃料电池组10内部的至少一种气 体混合物的成分信息的装置也设置在系统板17中。出于该目的，氢气浓度 传感器11包括敏感单元30(在图2中可见)和处理单元12，该敏感单元 30的头部通向构成设置在该板17内部的氢气管路的一部分的室20中，该 处理单元12容纳在朝向板17的外部伸出的套筒C40内部。接收来自敏感 单元30的信号的处理单元12设计为将测量值传送到系统，该系统具体依 赖于在反应器的一种或多种操作气体混合物中的现场氢气浓度。除了向操 作者提供直接信息的作用之外，这些测量值使监控反应器的运行并且优选 地自动控制其操作成为可能，这将在稍后解释。在以下的说明中，将具体 解释产生的测量值怎样用于最优地控制氢气管路的间歇净化以保持高纯度 水平。测量氢气浓度的潜在优点也在于良好地用于(但非限制性地)防止 在燃料电池组停用的情况下(也就是说在备用状态)的电化学电池的气氛 的临界氢气消耗。

图2示出以上提及的系统板17的内部空间的一部分，其包括用于吸入 来自罐50(其在图3中可以看到)的氢气的室20。在板17的外端材面19 的相对侧上，该室由在其中发生电化学反应的一组电池25限制。相邻的电 池由氢气供给歧管24来穿通，该氢气供给歧管24经由入口26将其来源引 导到室20中。

钻孔28设置在系统板17的上侧材面27中，中空端件31利用合适的 气密加压密封圈49而通过钻孔28，在钻孔28内部，在氢气浓度传感器主 体11(也在图1中可见)的一个端部上容纳并保护敏感单元30的端件， 即头部。敏感单元30的头部包括构成敏感单元的电路晶片32，该电路晶 片32安装在设置在端件31下部中的室36中。室36经由在中空端件31 的端壁中钻的管道34而与反应器中的室20连通。敏感单元的晶片32经由 管道34与室20的气氛直接接触，该敏感单元的晶片32的一个材面转向室 36中的管道34的出口。根据重要的方面，过滤器37设置在室36的管道 34的入口上，以便隔离晶片32，从而避免与可能与室20的气体混合的液 态水的任何接触，其原因将在稍后阐明。过滤器37由能透过气体但是不能 透过液态水的材料制成。商标名称为“GORE-TEX”(注册商标)的市场上 能买到的编织材料是已知的具有用于这种用法的能力的例子。材料主要由 Teflon(注册商标)纱线的合成纤维构成。

在中空端件31的相对侧上，氢气浓度传感器11的主体具有从板17 的外侧壁27、从固定到该壁27的中空止推凸法兰35伸出的圆柱形套筒48。 处理单元12由安装在印刷电路板42上的电路形成，在端部71处的印刷电 路板42的接触针插入连接器72中，该连接器72在安装在圆柱形套筒48 的内部空间中的支座73上的连接外壳78中。一系列连接在连接外壳78 中的一个端部的电导体46通过圆柱形套筒48的内部以及法兰35的中空内 部，以便终止在关闭传感器31的端件的端部处的室36的上部的绝缘分割 塞75。在获知其在其上材面承受安装燃料电池组的空间中的环境压力的情 况下，塞75密封地固定到中空端件31内部的套筒76的内部以便能够经受 室36中的气体压力。此外，每个导体46通过该分割塞75而电连接到在室 34中的塞75的下材面上形成的相应接触焊盘77上。通过使其敏感材面转 向室34，传感器的敏感单元30的晶片32也接合到该下材面。

敏感电路的晶片32的每个输出焊盘经由也称为接合导线的电连接导 线(太细小因此在图2中看不到)而连接到相应的接触焊盘77，以便经由 电导体46在敏感单元30与处理单元12之间建立电链接。产生电连接或电 接合，以便经受反应器内存在的气氛的腐蚀作用。金导体对于通常用于在 工业传感器中的电接合导体的铝导体是优选的。或者，保护层覆盖导电部 分。该限制是由于在氧化还原反应电化学反应器中遇到的气氛的属性导致 的。电导体46通过玻璃微珠中的塞75，以避免损害其密封性，使得包含 在室20中的气体不泄漏。

设置全部这些预防措施，具有其敏感单元30、32的氢气浓度传感器 11和处理单元12可操作用于现场执行具有包含在室20中的气体的属性特 征并且特别是具有其氢气含量特征的物理参数的测量，其氢气的含量是对 于燃料电池组的操作最重要的参数。其结果是通过将传感器集成到反应器 中，使得在电化学反应器内部连续地或几乎连续地执行现场测量在操作上 是可行的，所述传感器对气体(敏感单元30、32浸入其中)的热导率敏感。 对该参数测量被证明特别适于检测在诸如燃料电池组等电化学反应器的气 氛中的氢气含量。已知实际上氢气的热导率作为气体在本质上是最高的。 该属性使得在其它气体(特别是易于在特定环境中与氧气和氮气混合的其 它气体)中检测氢气更容易。将回忆为了获得该类型的测量值，传感器包 括例如通过电流流过的电阻器而被加热的材料的晶片。通过测量专用于保 持限定温度的电功率，可以确定由晶片浸入其中的气氛中的热量损失而耗 散的功率并且由此推断出周围气体的热导率。

如在图4中非常示意性示出地，氢气浓度传感器11的敏感电路的晶片 32由板或膜形式的基板，例如硅基板构成。基板覆盖有集成的或沉积的电 阻加热元件132，由处理单元12控制的电流源通过供电端子133和134为 该元件供电。晶片32的一个材面具有例如由称为PT100热阻层形成的温 度传感器135，该传感器经由一系列导体136连接到处理单元12以便传送 对应于通过环境气体中的加热和热耗散的组合动作的敏感单元32的晶片 的即时温度的信号。而且，氢气浓度传感器11结合了温度探针138，例如 PT100探针，以便确定环境气体的温度。例如在1988年5月11日的专利 文献EP0291462B1和1991年2月25日的专利文献EP0501089A1中描述 了这种传感器的物理部分。

在图4中可以看出氢气浓度传感器11的处理单元12包括经由四根信 号线连接到敏感单元32的数字模块82。在图4中示意性示出的数字模块 82是安装在微控制器中的算法功能的简化表示，并且包括用于计算从氢气 浓度传感器11传送到燃料电池组的控制单元80的输出量的模块81，如在 图3中示意性示出的那样。

携带处理单元12的输出的第一信号线301经由数字/模拟转换器而控 制施加到晶片32的传感器的加热电阻元件132。通过使用控制单元80中 的加热功率调节器311来控制电压。

第二信号线303接收电压信号，该电压信号是流过加热电阻元件132 的电流的图像。该信息由在处理单元12的输入处的A/D(模拟/数字)转 换器转换，以由控制电路313用于控制在氢气浓度传感器11的电阻元件 132中实际耗散的加热功率。如在示图中可见，发送到数字模块82中的比 较器的该信息与作为计算模块81的输出322而产生的定位点值进行比较。 在数字模块82中，这两个量之间的比较结果控制加热功率调节器311的输 入321。由此根据在数字模块82的输出322处的每个瞬时显示的加热功率 定位点，而经由数字反馈回路产生对敏感单元30的晶片32的加热。利用 恒定加热功率获得更好的测量精确度。

第三信号线305使由晶片32的温度传感器135输出的模拟信号能够在 处理单元12的输入处被接收。在模拟/数字转换后，该信号由数字模块82 中的温度计算单元315使用，该数字模块82又将该信息供给计算模块81。

最后，第四信号线307对应于处理单元12的输入，该处理单元12从 温度探针138(环境温度)接收输出电压，并且在模拟/数字转换后，将信 息传输到数字模块中的温度计算单元317，以便将其显示在计算模块81的 输入处。

由此在其输入314、316和318上接收关于有效传感器加热功率、晶片 32的温度和温度探针138的环境温度的信息的计算模块81使其可以以如 下顺序确定测量值：测量的氢气含量、环境温度、水蒸汽百分比含量(如 由以下描述的技术或由未示出的特定湿度传感器所获得)和在四个输出 342、344、346和348处的二氧化碳(CO₂)含量，这将在以下解释。

在某些情况下，可以根据气体介质的氢气浓度而直接校正传感器。当 另一个部件存在于气体混合物中时，可以证明第二测量是必要的。因此， 在存在的水蒸汽时，可以使用其中以导致不同平衡温度的不同加热功率来 执行第二测量的技术。由于水蒸汽的传导率具有与氢气不同的温度相关性， 所以在不同温度下的两次测量的组合使与潮湿气体的实际氢气含量同时计 算水蒸汽百分比成为可能。如之前所述地，另一方案在于使用由已知类型 传感器进行的对水蒸汽含量的直接具体测量，例如结合到敏感单元30中的 一个对电容测量原则的操作。

应该注意到，如果在混合物中存在额外的气体，则利用所提及的技术， 不容易确定这些浓度。很幸运地，结果是在有问题的应用中，氢气和二氧 化碳不易于共存。这是因为在涉及氧化还原反应的当前技术的电化学反应 器中，确切地是在导致二氧化碳产生的腐蚀现象初期缺乏氢气，二氧化碳 的热导率显著地低于空气的热导率，即25℃时为16.4mW/Km。因此可以 采用代替氢气而测量二氧化碳的存在的类似技术。

返回到实际的反应器结构，图3示意性地示出由歧管24交叉的一组 22电池25，歧管24的入口26从室20接收由入口管线40传送的加压氢气。 歧管44也与该电池组22交叉以便在已经与在阳极侧上的每个电池的部件 进行反应接触后将在每个电化学电池25的出口处收集的满含水分的氢气 混合物排出。

现在参考图5，该图示出诸如图1的燃料电池组10的用于反应器的电 化学电池等用于反应器的电化学电池的分解图。根据例如命名为Nafion由DuPont公司研发和销售的聚合材料构成的固态电解质膜104而形成电 池组22的每个电解电池25。该膜由经由气体运送的水并且也由在电池中 的反应产生的水永久性地润湿。该膜的每个材面104-f与由例如薄浸注铂 石墨层(未示出)构成的催化剂密切接触。在每侧上，由此涂覆的膜与气 体扩散层，106-1和106-2分别紧密接触。

在两个称为双极板的金属板108-1和108-2之间分别压缩所述组件， 每个金属板负责使反应气体中的一种分别经由管道110-1和110-2的系统 而与气体扩散层接触。这些管道在每个板的材面之一中蚀刻出来以迫使气 体沿着很长的蜿蜒路径冲洗催化剂。应该在这里回忆到也蚀刻每个板的其 它材面，以便形成用于每个电池中的冷却剂循环的管道网络。在电化学电 池的阳极侧上，氢气管路的所述一条管道或多条管道通向具有以压力供给 的歧管24的侧面上的入口，并且在歧管44中的出口终止，因此在它们在 电池中通过期间，运送由与膜104接触反应而不被吸收的气体(用于其它 气体即氧气的歧管24’和44’情况类似)。每个金属板108-1也电学上构 成阳极，该阳极收集来自电化学反应的电子，电子经由合适的导体被传导 至燃料电池组出口以及适当时传导至外部用户负载。电池的每个阳极板靠 着相邻电池的阴极板108-2施加，因此串联地将这两个电池电连接以便在 电池组的出口处获得足够的电压。因此，在每个阳极板108-1的另一侧上， 电化学电池包括金属阴极板108-2，以便将氧化剂气体提供到与催化剂密 切接触设置的电池。该阴极板电连接到电池组的阴极出口。

返回图3，纯加压氢气燃料或几乎纯加压氢气燃料的罐50包括开/关 输出阀51。氢气输出压力由阀51之后的比例电磁阀52控制，以便使气体 膨胀为精细控制的压力水平。该阀经由文氏管54连接到管线40。膨胀气 体被传送到电池组的电化学电池中，在该处其经受较大压降。应该注意到 氢气流速不由系统控制。在操作中，燃料电池组准确地“获得”产生所描 绘气流所需要的氢气量。然而，需要确保以足够压力传送气体。比例电磁 阀52的作用是执行该压力调节。作为变量，可以确保根据由氢气浓度传感 器11测量的氢气浓度信息来调节压力。由歧管44接收未在每个电池25 中消耗的氢气以及在进入电池的输入处存在的非氢气杂质，以便收集到输 出管线62中。该管线通向冷凝器60，在该处包含在这些气体中的水蒸汽 中的一些液化。水可以经由电磁阀114控制的输出管线64而在冷凝器60 的底部抽出并且在氢气管路内的压力作用下排出燃料电池，该电磁阀114 由处于指定用于控制燃料电池的计算机控制单元80控制下的致动器118 启动。

在已经在冷凝器60中除湿之后，经由管线66从冷凝器60恢复来自歧 管44的气体，该管线66将气体引入到返回或再循环泵74。后者连接到文 氏管54的次级入口56，接收的气体通过该次级入口56可以再注入管线40， 以便与来自罐50的新鲜气体流混合。

循环持续，直到电磁阀114触发净化阶段的时候，该净化阶段导致来 自冷凝器60的气体的一部分被排出而不是被再循环，以减少因下述原因而 趋于累积的非氢气杂质的量：到由管线40、输出管线62、管线66、次级 入口56、歧管24和44以及用于在电池组22的每个电池中供给电解质膜 104的管道形成的氢气管路中存在的气体混合物中的再循环。关于氧气管 路(未示出)，当燃料电池使用氧化剂管路中的空气时，通常不存在再循环。 如果以纯氧气供给氧气管路，则可以通过再循环和自动净化系统而设置与 在图3中示出的用于氢气的管路相似的管路，但是没有根据热导率而使用 气体浓度传感器的可能性，这是因为易于在气体混合物中存在的气体的热 导率很接近。

为了完成对图3示出的系统的描述，氢气浓度传感器11经由图3中的 控制线路120示意性地聚集到一起的图4的输出342、344、346和348而 连接到控制单元80。出于高精确性目的，如图2中所示，电子处理单元12 设置为很接近传感器的敏感单元并且安装在固定在室20的壁中的同一传 感器主体中。由设置在歧管24的外壁中的氢气浓度传感器11旁边的压力 传感器125传送的在歧管24内部的气压测量值，经由另一控制线路122 而发送到控制单元80。来自控制单元80的控制线路124用于控制致动器 58以便启动比例压力调节电磁阀52。最后，控制单元也控制连接到泵74 的马达的控制线路126，以便在特别由传感器11和125传送的测量值的控 制下控制所述泵的旋转速度。

在电化学反应器工业中，特别是在燃料电池工业中，至少在氢气氧化 剂的情况下，通常采用非常纯的气体。然而，由于利用新鲜气体的供给而 再循环到燃料电池组的元件中，所以包含气体的罐50中的微量杂质积累。 因此，例如，在燃料电池组消耗中，在正常的温度和压力情况下，每分钟 100升最初包含由另一种气体构成的0.5％杂质(每分钟通常半升的非氢气 杂质)的氢气进入燃料电池组的燃料供给管路。杂质可以快速地积累。因 此必须通过以在相对频繁的固定时序时间的一定间隔来净化氢气输出管路 并且因此通过提取可能大于由要求严格证明的气体量的气体量，而将纯度 水平保持在高阈值之上。

根据本发明的一个方面，有利的是技术是可获得的，该技术用于测量 适于电化学反应器气氛的氢气含量，以便根据由氢气管路中的氢气浓度传 感器11执行的纯氢气浓度的测量来控制氢气管路的净化。当操作期间，监 控的浓度达到预定水平，则控制单元80对净化电磁阀114进行控制115 以便修改管路的净化情况，预定水平表示在氢气管路中的％氢气含量下降 到预定阈值以下。

该示例中的控制单元80被可操作地编程，以监控相对于较低阈值的歧 管24的氢气浓度，该较低阈值对应于被视为燃料电池的适当操作的限制的 非氢气杂质含量。因此，遵循当前的标准实践，如果氢气浓度大于99％， 则以最小频率并且以最小持续时间打开净化电磁阀114，以便在不浪费氢 气的情况下去除任何过剩的水。然而，当控制单元根据由氢气浓度传感器 11传送的信息而检测到该氢气含量下降到99％以下时，则增大打开在冷凝 器60的提取输出管线64上的净化电磁阀114的频率。一旦由传感器检测 到两次净化之间的氢气浓度升高，由于包含在管路中的气体的补给，所以 控制单元再次减小打开净化电磁阀114的频率。当然，可以使用氢气浓度 传感器11来区分地控制净化功能，例如通过以规则间隔触发净化并且通过 改变打开的持续时间。

在这里已经描述了系统的有利的实施例，该系统根据连续地或几乎连 续地由氢气浓度传感器11基于热导率(结合图2描述了氢气浓度传感器 11的嵌入)现场执行(取决于要求)的测量来控制管路净化程序，从而净 化燃料电池中的主要气体管路，以保持其操作接近最优化。将理解根据存 储在罐中或者反应器本身的气氛中的氧化剂气体的实际污染程度，该布置 使对燃料电池组的入口处的纯氢气消耗进行最优化成为可能。实际上，与 通常所推荐的相反，该布置最终提供了对燃料电池组提供低纯度氢气而没 有对其损害的风险的可能性。由于产生气体的成本随着期望的纯度变化很 大，所以可以使用较低纯度氢气的事实具有相当经济的促进燃料电池组发 展的优点。

根据另一方面，在可能附随具有刚刚已经描述的净化控制功能的燃料 电池中使用诸如以上描述的11等气体浓度传感器，以便保持停用和暂停 (rest)或随后的存储周期期间的系统的完整性。特别地，将控制单元80 编程为根据由氢气浓度传感器11的控制周期性测量来持续监控燃料气体 管路的氢气含量并且检查氢气总是存在。关于以这里描述的模型操作的燃 料电池组的经验实际上表明诸如基于石墨的催化剂支座等电池组的某些元 件(具体为包含碳的元件)必须保持为接近或等于零的电势。只要以氢气 环绕这些元件就满足该条件，其中氢气的电化学电势为零。否则，由于氧 气缓慢地(但不能补救地)进入存储在空气中的燃料电池的电化学电池的 环境，所以电化学电势升高到大约1伏。该存在易于建立有助于石墨元件 的氧化的电学环境并且由此破坏对系统操作关系重大的部分。

申请人已经能够确定诸如11等热导率传感器本身也非常有助于检测 在燃料电池的氢气管路中要遵守的相对低浓度(百分之几)的阈值，以防 止氧化敏感元件的环境在燃料电池停用阶段的持续时间内或随后的暂停周 期期间进入氢气不足状态。为了防止该情况，可以根据由氢气浓度传感器 11传送的氢气浓度信息来有利地执行停用程序。在停用之后的暂停阶段期 间，周期性地激活氢气浓度传感器11以便执行测量。例如当控制单元在由 氢气浓度传感器11传送的信息中检测到这种情况迫近时，其经由控制线路 124触发纯氢气进气阀的打开以便根据停用或存储状态而以所编程的水平 来重建反应器的燃料管路中的氢气含量。

根据可替代的实施例，离开冷凝器60的输出管线64连接到小缓冲罐 170，该小缓冲罐170通常保持在净化期间从燃料电池排出的燃料气体的压 力。当燃料电池处于停用模式或备用状态时，氢气管路中的内压降低到通 常接近大气压的压力。当控制单元80驱动致动器115以便暂时打开电磁阀 114时，压力差使来自小缓冲罐170的一定量的气体能够通过冷凝器60而 进入氢气管路，以便将氢气含量重建为合适的水平。申请人甚至已经发现 当输出管线64延伸到离电磁阀114足够远时，其本身能够构成足以在打开 电磁阀114时重建期望的最小氢气含量的缓冲储备器(reserve)。

根据使用诸如11等传感器的燃料电池的控制的一个可能的方面，控制 单元在该实例中编程为产生进入氢气管路的歧管24的气体的水蒸汽含量 的测量值。将回忆到经由输入管线40而进入该管路的气体是由来自罐50 的纯干燥氢气与经由文氏管(可能由泵71辅助)再循环的气体的混合物而 产生的。已知水是在燃料电池中的电化学反应的产物之一，离开管线66 中冷凝器的气体水分饱和。进入歧管24入口26的气体的水分含量可以因 此由混合物的测定来调节。由于作为电化学反应位点的固态膜电解质必须 保持潮湿以便能够最优地操作，所以该参数对于燃料电池的操作是重要的。 因此，在处理单元12的控制下，氢气浓度传感器11以相对于环境温度的 温度差T1和T2来执行第一和第二传导率测量，根据该测量，可以由控制 单元确定纯氢气传导率和水蒸汽含量。或者，可以看到水蒸汽含量可以由 另一特定的传感器(例如电容传感器)来传送。在每种情况下，控制单元 80调节再循环泵的速度，以便将水分含量保持在预定范围内，该预定范围 有助于在仍将进入歧管24的气体的氢气含量保持在合适的水平的同时校 正固态电解质膜的操作。

可以有利地使用两个诸如在燃料电池组10中的11等气体浓度传感器。 图1示出，除了在氢气燃料管路的入口处的氢气浓度传感器11之外的，在 传送氧气(或加压空气)的氧化剂管路入口处的第二氢气浓度传感器11’， 该第二氢气浓度传感器11’可以与氢气浓度传感器11相同。对于传送到 阴极的气体的水分含量的测量而言，可以存在从使用氢气浓度传感器11’ 的氧气管路进行测量的优点。循环气体在氧气管路(阴极管路)侧而不是 氢气管路(阳极管路)侧上获得更多的水。

最后，根据受欢迎的应用，诸如11等氢气浓度传感器使适当地由氧气 管路中的二氧化碳的存在来检测腐蚀的开始成为可能。已知与许多普通气 体(特别是氮气和氧气，氮气和氧气的传导率是非常相似的)的热导率相 比，二氧化碳的热导率较低，并且当然甚至低于氢气的热导率。可以有利 地使用两个诸如燃料电池组10中的11等气体浓度传感器。图1示出除了 在氢气燃料管路的入口处的氢气浓度传感器11之外的，在传送氧气(或加 压空气)的氧化剂管路的入口处的第二氢气浓度传感器11’，该第二氢气 浓度传感器11’可以与氢气浓度传感器11相同。例如，为了检测诸如在 膜中的孔等两个管路之间的渗透性的缺陷，传感器11使得能够检测到氢气 中氧气的存在，而传感器11’使得能够检测到氧气中氢气的存在。由于一 种气体扩散到另一种气体中易于危害安全性，有利地提供该信息冗余度。

最后，根据受欢迎的应用，诸如11等氢气浓度传感器使适当地由氧气 管路中的二氧化碳的存在来检测腐蚀的开始成为可能。已知与许多普通气 体(特别是氮气和氧气，氮气和氧气的传导率是非常相似的)的热导率相 比，二氧化碳的热导率较低，并且当然与氢气的热导率相比较低。已知这 些气体的热导率，容易对氢气浓度传感器11或11’进行编程以计算气体 混合物的二氧化碳含量并且由此根据由氢气浓度传感器进行的测量而检测 甚至小量的CO₂的存在。

在阳极侧上，具有高氢气浓度的气体流动表明接触部分的零电势并且 只要存在足够的氢气就避免腐蚀的风险。因此，当将燃料电池停用时，如 果采取前述的预防措施，则腐蚀风险处于适当的控制之下。因此，由氢气 浓度传感器11或11’提供的额外能力在该情况下尤其最适用于对燃料电 池系统的研究和开发阶段。然而，这表明了可评估的安全性辅助作用。

图6非常示意性地示出可以用于利用电源制造氢气和氧气的工业电解 装置。对于该类型的应用，重要的是确保产生的气体的质量良好。不仅对 于产生的气体就期望的应用而言尽可能纯是重要的，而且由于这些气体的 特有的性质，这种混合物可能对于性能的安全性和操作者是高危险的。在 这种安装的类型中，氢气管路包括歧管，该歧管连接阴极板的小型气体管 道的全部出口，以便将它们连接到电池组的氢气出口。同样地，氧气歧管 将电池组的基本电池的板的氧气出口连接到安装体之外的出口。在每个管 路中，当这些产生的气体的一部分在被收集之前通过电解质扩散时，产生 的气体可以有较高或较低的纯度。而且，泄漏的存在可以引起可能(如果 不及时检测到)导致氢气/氧气混合物爆炸的严重风险的管路之间的氢气和 氧气交换。

根据本发明的该方面(图6)，使用两个根据热导率的氢气浓度传感器， 一个氢气浓度传感器211在系统端板215内的室217中，该系统端板215 集成到由一组电池形成的反应器主体内，氧气输出歧管(在图中不可见) 在阳极侧上，阴极侧上的另一个氢气浓度传感器212在系统端板216内的 室237中，系统端板216在氢气歧管的输出处与所述主体(不可见)集成。 因此，这些传感器中的一个测量小的氢气浓度，而另一个传感器测量高浓 度。这里的一个优点在于测量在电解器中直接产生的气体质量的可能性， 而不必间歇地或连续地取出气体样本。

在图6中，电解器200包括一组220基本电化学电池225。它们被供 以水，水在存在催化剂的情况下，通过流过其中的电流的作用，而被分解 为氢气和氧气。电池组220被夹置在两个系统端板之间，两个系统端板中 的一个215隔离分离外壳，该分离外壳的上部分形成接收来自电池组225 的氧气的室217。另一个板216隔离分离外壳，该分离外壳的上部分形成 接收来自电池225中的反应的氢气的室237。在每个板中，分离外壳的底 部分分别通向歧管(不可见)的入口226和227，以便对电池组220内部 的电池225供给水。

在分离板215中收集的来自导管218的氧气与包含在管路中的水分离， 在分离外壳217的底部收集水，以便再循环到入口226处的电解器中。分 离外壳217的上部分中的室217包含用于排出所产生的氧气的龙头220。 通向该室217上部分的是氢气浓度传感器211的敏感单元223，该氢气浓 度传感器211用于检查产生的氧气的纯度并且预先检测其中％氢气含量增 加到安全阈值之上的任何潜在危害情况。同样地，由电池产生的氢气经由 来自电池组220的导管228而传送到在系统板216内部形成的分离外壳中。 在板216的分离外壳底部中累积的水再循环到歧管(未示出)的入口227， 以便对电池组的电池225供给水。引入板216中的氢气聚集到系统板216 的上部分中的室237中。通向该室237的是氢气浓度传感器212的敏感单 元233，该氢气浓度传感器212用于检查可以经由收回龙头230而排出的 所产生的氢气的纯度。反应由发电机来供给电能，阳极电路侧235上的电 流收集板和阴极电路侧236上的电流收集板被连接到发电机。

由此已经描述的是针对电化学反应器、燃料电池组或电解器的操作控 制系统，该操作控制系统在不需要将样本拿到集成到反应器的主体中的室 外或者不需要甚至必须停止其操作的情况下而很好地适于该装置的连续操 作。热导率传感器的多功能性、操作灵活性、宽灵敏度范围和出色的响应 时间使得在电化学反应器并且特别是其中涉及氢气的氧化还原反应器的具 体环境中该类型传感器成为宝贵的工具。更有效地用于测量受监控介质中 的氢气浓度(并且可以测量其它气体，特别是二氧化碳CO₂的浓度)并且 用于以简单且经济的方式管理电化学反应器的操作情况和参数。在如下情 况下，情况尤其如此：不满足于将这种测量应用于传感器的单一功能性的 管理，而是旨在在将其保持在备用状态以及当连续操作时保持其性能的情 况下，使得由此有益于同时或附随地控制易于影响电池组运行的几个参数。 通过使用基于测量热导率的气体浓度传感器，可以执行大量的功能以控制 这种电化学过程。系统也使在电解器情况下传送的气体质量被监控并且其 操作安全性被永久检查都成为可能。

当然，本发明不限于描述并且举例说明的示例，而在不脱离由随附权 利要求限定的本发明范围的情况下，可以进行各种改型。