测量装置的制作方法

专利名称：测量装置的制作方法
技术领域：
燃料电池是使用含碳气体燃料的装置的示例。燃料电池是提供有用于产生电能的反应物的电化学装置。
背景技术：
图2示出了一种燃料电池，该燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及在该阳极侧100与该阴极侧102之间的电解质104。馈送至燃料电池装置的反应物经历其中作为放热反应的结果而生成电能和水的过程。在固体氧化物燃料电池(SOFC :S0lid0Xide fuel cell)中，馈送至阴极侧的氧106接收来自阴极的电子，也就是说，氧被还原成负氧离子，该负氧离子通过电解质行进至阳极，并在该阳极处与所使用的燃料108化合，生成水和二氧化碳。该阳极与该阴极之间是外部电路117，电子e-通过该外部电路117被传送至该阴极。 该外部电路117包括负载110。诸如甲烷和含高碳化合物的气体的天然气通常被用作SOFC中的燃料，然而，必须在馈送至燃料电池之前对这些气体进行预处理，以防止形成有害碳化合物，例如，焦炭、飞尘(fly dust)、焦油、碳酸盐和碳化物的化合物。这些不同形式的碳在这种情形下可以被统称为有害碳化合物。碳氢化合物在形成有害碳化合物时经热分解或催化分解。所生成的化合物可以粘附到燃料电池装置的表面，并且吸附在(adsorb on)诸如镍粒子的催化剂上。 在焦化(coking)时生成的有害碳化合物覆盖燃料电池装置的一些活性表面，因而使燃料电池过程的反应性显著下降。这些有害碳化合物甚至可能完全阻塞燃料通道。因此，防止形成有害碳化合物对于确保燃料电池的长使用寿命而言很重要。防止形成有害碳化合物还节省了催化剂，即，在燃料电池中用于加速化学反应的物质(镍、钼等)。气体预处理需要提供给燃料电池装置的水。在使氧离子与燃料(即，阳极上的气体) 化合时生成的水还可以用于该气体的预处理。气体预处理的目的是从燃料电池的输入(inlet)气体中去除比CH化合物更高级的碳氢化合物，因为碳氢化合物CxHyX(其中，χ和y是数字值，并且x> 1)可以通过高温分解或裂化来反应成碳或碳化物部分。在现有技术的气体预处理中，为了成功地防止形成有害碳化合物，必须以足够的正确度获知通过反馈装置(arrangement)中的阳极再循环的气体的组成。在该预处理中， 气体可以为气态形式和/或液态形式。尤其是，必须控制氧/碳(0/C)比，并且在某种程度上还必须控制氢/碳(H/C)比，以避免针对碳形成的最危险的反应环境。现有技术的问题在于气体的预处理需要使用诸如气相色谱仪的复杂且昂贵的在线测量装置，以确定要再循环的气体的成分，以能够确保按照对于该处理合适的方式来执行气体的预处理。诸如碳素溶解损失反应(Boudouard-reaction) (2C0 = C+C02)和裂化反应(例如，C2H4+3Ni = Ni3C+CH4)的碳的形成反应在反应由于诸如压力、温度、电压或电流的典型过程特征而变得显著之前具有从几秒钟到几分钟的典型时间间隔。
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有害碳化合物的形成反应不可逆或者仅部分可逆。因而，燃料电池装置需要保养 (service)操作或者甚至需要新的燃料电池组(stack)，以在太多的碳的形成反应以后替换有缺陷的燃料电池组。

发明内容
本发明的目的是实现一种测量装置，该测量装置能够足够早地检测并监视使用含碳燃料的装置中的有害碳化合物的形成。在一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的测量装置中实现本发明的目的。该测量装置包括至少两个电极，所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，并且所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；用于在所述至少两个电极之间激发电势的电路；用于在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值(yieldvalue)时检测该电流的装置，该屈服值是所激发的电势的特征；以及控制装置，其用于在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。本发明的目的还在于一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的方法。该方法包括以下步骤设置至少两个电极，使得所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；在所述至少两个电极之间激发电势；在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流，该屈服值是所激发的电势的特征；以及在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。本发明基于在使用含碳燃料的装置中设置至少两个电极，使得所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于有害碳化合物的形成的活性材料；在所述至少两个电极之间激发电势；在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流，该屈服值是所激发的电势的特征；以及在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。在本发明中所利用的是，所述电极的表面上的有害碳化合物的形成改变了所述电极之间的电流特征。因而，基于检测所述电极之间的电流来确定已经在所述使用含碳燃料的装置中形成的有害碳化合物的量。本发明的益处在于，在使用含碳燃料的装置中可以足够早地注意到有害碳化合物的形成，因而成功地避免由于有害碳化合物所导致的问题。


图1示出燃料电池装置的结构。图2示出单个燃料电池的结构。图3示出根据本发明的测量装置。
具体实施例方式燃料电池是可以用于以高能率比(duty ratio)并按环境友好的方式产生电能的电化学装置。燃料电池技术被视为未来最有希望的多个发电方式中的一个。本发明的优选实施方式涉及SOFC装置，即，固体氧化物燃料电池装置。图1示出了根据本发明的优选实施方式的SOFC装置，该SOFC装置例如可以利用天然气、沼气或甲醇或者其它含碳氢的化合物作为它的燃料。图1所示的燃料电池装置包括多个板状燃料电池， 如图2所示，每一个燃料电池都包括阳极100和阴极102，并且在图1中，这些燃料电池被按照组(stack)形式103(S0FC组)装配。燃料通过阳极在反馈装置中再循环。燃料电池的阳极与阴极之间具有电解质104。向阴极侧102提供从阴极接收电子而被还原为负氧离子的氧，该负氧离子通过电解质行进至阳极，该负氧离子在该阳极处与所使用的燃料化合，并生成水和二氧化碳。该阳极与该阴极之间具有分离通道117，该分离通道117是电子(即， 电流)通过负载110行进至阴极的外部电路。图1所示的燃料电池装置包括燃料热交换器105和重整器(reformer) 107。热交换器被用于控制燃料电池过程的热平衡，并且在燃料电池装置中的不同位置处可以存在多个热交换器。再循环的气体中的富余热能在热交换器中被回收，以在燃料电池中的其它地方使用或在外部热回收单元中使用。用于回收热量的热交换器因而可以在与图1所示的位置不同的位置处。该重整器是将诸如天然气的燃料转换为适合于燃料电池的形式(例如， 转换为包含一半的氢以及其余的甲烷、二氧化碳和惰性气体的气体混合物)的装置。然而， 该重整器在所有燃料电池实现中不是必须的，而是也可以将未经处理的燃料直接馈送到燃料电池103中。测量装置115(例如，燃料流量计、电流计以及温度计)被用于阳极再循环燃料测量，该阳极再循环燃料测量对于燃料电池装置操作而言是必需的。在燃料电池103的阳极 100(图2)上燃烧的燃料中的仅一部分在反馈装置中通过阳极被再循环，因此，图1图示了来自阳极100的燃料的剩余部分的排出114。SOFC中的主要问题是固态碳、诸如焦油的高级碳氢化合物和/或含碳的碳化物氧化物(carbide oxide)和/或含碳的碳酸盐在燃料电池的阳极侧的形成。固态碳、诸如焦油的高级碳氢化合物和/或含碳的碳化物氧化物和/或含碳的碳酸盐在这种情形下可以被统称为有害碳化合物。图3示出了根据本发明的用于在早期阶段检测使用含碳的气体燃料的装置中的有害碳化合物的测量装置。根据本发明，实现了一种针对有害碳化合物的灵敏的传感器，该传感器在短的响应时间内作出反应，并且如下实现该传感器为阳极侧设置燃料流；至少两个电极112与114之间具有接近的距离，并且将燃料设置为在所述至少两个电极之间流动。为清楚起见，图3中放大了所述电极之间的相对距离。电极112、114(或者这两个电极112、114中的至少一个)由对于有害碳化合物的形成反应为活性的材料制成。电极材料还必须导电。以彼此接近的距离设置这些电极，使得在这些电极的表面基本洁净时这些电极之间没有电接触。这些电极例如可以具有平板状 (图3)形状或管状形状。被设计为具有平板状形状的电极可以是被设置为层叠(stack)的电极，这些层叠的电极之间具有接近的距离，而被设计为具有管状形状的电极被设置为使得第一电极以靠近第二电极的距离设置在该第二电极(即，最上部电极)内部。如图3所示，根据本发明的电路被形成为使得电极112、114经由电线116连接至外部电源118，以在所述电极之间形成电势差。当这些电极的表面上没有形成碳和/或碳化
5物时，这些电极之间的电流为零或者仅可检测到小的损耗电流。当在电极的表面上形成有害碳化合物时，这些有害碳化合物的量120在特定的点达到电流的屈服值，并且在这些电极之间检测到由于击穿(breakthrough) 122(即，由于已经在这些电极的表面上形成的有害碳化合物所导致的短路12 而引起的电流的突然增加。在下一个阶段，可以通过监控这些电极之间的电流的行为来测量电极表面上的有害碳化合物的量。当有害碳化合物的量增加时，这些电极之间的电流也增加。例如使用电流计IM来作为用于检测和监控电流的装置。发射器126向控制装置 111发送基于所检测到的电流的信号。如果该控制装置111基于所接收的信号注意到在燃料电池装置的操作中应当考虑的量的有害碳化合物，则该控制装置例如向重整器107提供控制信号，该重整器107根据所检测到的有害碳化合物的量来对阳极燃料进行预处理。控制装置111还可以控制燃料电池装置的其它部件的操作，例如，控制热交换器105和/或反馈装置109(图1)的操作。这种实施方式还可以更复杂，诸如按照以下方式实现集成有电流计的自动控制电子器件包括发射器126，该发射器1 用于总是在需要时向燃料电池过程的控制装置111 发送信号，以在燃料电池装置的操作中考虑有害碳化合物的量。例如，还可以利用电压计来监控击穿时所出现的电流的突然增加，该电压计监控这些电极之间的电势，因为在击穿期间检测到这些电极之间的电势的突然增加，这意味着这些电极之间出现了电流的击穿。还可以通过为电子电路设置开关来实现根据本发明的实施方式。可以利用一个或更多个开关晶体管、保险丝或断路器来实现该开关。当检测到这些电极之间的经增加的电流时，该开关被打开至开路位置(不导电的位置)。接着，发射器向燃料电池装置的控制装置发送例如二进制信号，以使得这些控制装置根据需要对该情形作出反应。根据本发明的测量装置还可以包括用于控制由于有害碳化合物所导致的这些电极之间的击穿的屈服值的装置(即，用于控制电流通路的屈服值的装置)。这些装置包括一些选项，诸如改变电极112与电极114之间的距离，或者通过根据电压源118设置电势来改变这些电极之间的电势。可以一起使用这些选项或者独立地使用这些选项。通过将这些电极移动至更接近的距离，在更少量的有害碳化合物的情况下已经出现击穿。类似地，通过保持这些电极之间的相同距离并通过增加这些电极之间的电势，在更少量的有害碳化合物的情况下已经出现击穿。根据本发明的测量装置可以包括用于通过利用电流计监控这些电极之间的电流的变化来测量击穿以后的有害碳化合物的量的装置。例如，针对集成有电流计124的自动控制电子器件，可以计算与各个所使用的电极距离相对应的模型计算值。通过与这些模型计算值相比较，得到电流的每一个变化，实际上，意味着得到燃料电池装置中的有害碳化合物的形成量的每一个变化，此后，发射器126向控制装置111发送所需要的信号，该控制装置111控制燃料电池装置的操作，以使得忽略由于有害碳化合物的过度形成所导致的问题。所述控制电子器件和控制装置可以包括例如计算机实现，并且还可以在同一个计算机中实现所述控制电子器件和控制装置这两者。对于有害碳化合物的形成敏感的上述传感器装置提供了一种实现比根据诸如压力、温度、电压、和/或电流的典型过程特征来尝试进行检测快得多的响应时间的可能性。 这些快速响应时间使得可以在发生过多的有害化合物的不可逆的形成以前改变燃料电池装置的操作，从而将该燃料电池装置保持在安全操作条件下。尽管以上已经参照附图示出了根据本发明的测量装置在SOFC燃料电池装置中的使用，但是应当注意到，根据本发明的实施方式旨在有利于其中有害碳化合物的形成会导致问题的所有其它装置和平台。尽管已经参照附图和说明书示出了本发明，但是本发明决不限于这些附图和说明书，本发明仅被权利要求书所准许的范围内的变型所限制。
权利要求
1.一种测量装置，该测量装置用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物，该测量装置的特征在于，该测量装置包括至少两个电极(112、114)，所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；用于在所述至少两个电极之间激发电势的电路(116、118)；用于在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流的装置(IM)，该屈服值是所激发的电势的特征；以及控制装置(111)，其用于在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。
2.根据权利要求1所述的测量装置，该测量装置的特征在于，该测量装置包括用于通过改变所述至少两个电极(112、114)之间的所述距离来控制所述电流的所述屈服值的装置。
3.根据权利要求1所述的测量装置，该测量装置的特征在于，该测量装置包括用于通过改变所述至少两个电极(112、114)之间的所述电势来控制所述电流的所述屈服值的装置(118)。
4.根据权利要求1所述的测量装置，该测量装置的特征在于，该测量装置包括用于通过检测所述至少两个电极(112、114)之间的所述电流的变化来测量固态碳和固体碳化合物的量的装置。
5.根据权利要求1所述的测量装置，该测量装置的特征在于，该测量装置包括开关，该开关在检测到所述至少两个电极(112、114)之间的电流的显著增加时接通。
6.一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的方法，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤设置至少两个电极(112、114)，以使得所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，并且所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；在所述至少两个电极之间激发电势；在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流，该屈服值是所激发的电势的特征；以及在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。
7.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，通过改变所述至少两个电极(112、 114)之间的所述距离来控制所述电流的所述屈服值。
8.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，通过改变所述至少两个电极(112、 114)之间的所述电势来控制所述电流的所述屈服值。
9.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，通过检测所述至少两个电极(112、 114)之间的所述电流的变化来测量固态碳和固体碳化合物的量。
10.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于，在检测到所述至少两个电极 (112,114)之间的电流的显著增加时接通开关。
全文摘要
本发明的目的是提供一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的测量装置。该测量装置包括至少两个电极112、114，所述至少两个电极112与114之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，并且所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料。所述测量装置包括用于在所述至少两个电极之间激发电势的电路116、118；用于在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流的装置124，该屈服值是所激发的电势的特征；以及控制装置111，该控制装置111用于在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。
文档编号H01M8/04GK102197528SQ200980142816
公开日2011年9月21日 申请日期2009年10月28日 优先权日2008年10月30日
发明者埃尔考·方泰尔, 马蒂·诺庞恩 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司