CH698496B1

CH698496B1 - Messfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle.

Info

Publication number: CH698496B1
Application number: CH01326/05A
Authority: CH
Inventors: Elena Babes-Dornea; Yves Grincourt; Claude Beauchemin
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2009-08-31
Also published as: CA2515170A1; US20060032742A1; CA2515170C; GB0515222D0; US7582196B2; GB2417561A; JP2006098393A; CN1737559A; JP4917286B2; CN1737559B; GB2417561B

Abstract

Ein Messfühler (10) mit einer Mikrobrennstoffzelle hat eine laminierte gasdurchlässige Membran (1). Der Messfühler (10) umfasst ein Gehäuse (3), voneinander beabstandete erste und zweite Gasdiffusionselektroden, einen Abstandhalter (5) für die Brennstoffzelle (10) mit einem sauren Elektrolyten, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und zwei gasdurchlässige Membranen (1, 7). Die erste gasdurchlässige Membran (1) umfasst ein Polymer, das auf ein Metallsubstrat laminiert ist, wobei das Substrat Poren umfasst, die eine Grösse von mindestens der Hälfte der Dicke des Polymerfilms aufweisen.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft einen in dielektrischem Öl gelöste Gase analysierenden Messfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen gelösten Wasserstoff messenden Messfühler mit einer laminierten Membran, die gegenüber Druckschwankungen während der normalen Verwendung des Messfühlers z.B. in elektrischen Transformatoren beständig ist.

[0002] Eine Apparatur zum Messen des Wasserstoffgehalts und Wasserstoffpartialdrucks in Gasströmen ist in der US-Patentschrift Nr. 6 506 296 von Babes-Dornea offenbart. Andere Verfahren zum Messen von in Flüssigkeiten gelöstem Wasserstoff sind in der US-Patentschrift Nr. 4 271 474 und in der US-Patentschrift Nr. 4 293 399 von Belanger offenbart. Die Verwendung von Messfühlern mit Mikrobrennstoffzellen zum Messen von gelösten Gasen in Öl ist auf dem Fachgebiet bekannt. Typischerweise umfasst eine Mikrobrennstoffzelle zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Diese Vorrichtungen enthalten auch Polymermembranen, die gewähren, dass sie zwar von gelösten Gasen, jedoch nicht vom Öl, in welchem die Gase gelöst sind, durchdrungen werden.

Die in diesen Vorrichtungen enthaltenen Polymermembranen sind sehr empfindlich, da sie eine Dicke von nur etwa 25 * 10<-6> Meter bis etwa 250 * 10<-6 >Meter (25 bis etwa 250 Mikron, 1 bis 10 Mil) aufweisen.

[0003] Standardmässige Messfühler mit Mikrobrennstoffzellen, die typischerweise in der Industrie verwendet werden, werden an dielektrisches Öl enthaltenden Vorrichtungen wie elektrische Transformatoren angebracht. Während des normalen Betriebsverlaufs erfahren diese Messfühler breite Temperatur- und Druckschwankungen. Diese Temperatur- und Druckschwankungen können diese Polymermembranen beschädigen. Zum Bewältigen der Hochdruckwirkungen kann die kreisförmige Polymermembran durch eine poröse Metallscheibe gestützt werden. Die Messfühler mit gestützten Membranen können ohne nennenswerte Beschädigung der Membran positiven Drücken bis zu etwa 10,3 MPa oder 1500 psi standhalten.

[0004] Die innerhalb des Messfühlers gestützten Membranen werden gegen den ausgeübten positiven Druck geschützt, während sie für negative Drücke (Vakuum), die gebildet werden, wenn der Aussendruck kleiner als der Druck innerhalb des Messfühlers wird, störanfällig bleiben. Die Umstände bei negativem Druck erzeugen Spannungen auf den Membranen, die deren Bruch verursachen. Ist die Membran erst einmal gerissen, wird der Messfühler mit dielektrischem Öl "überflutet", wodurch ein Versagen des Messfühlers verursacht wird. Diese Vakuumereignisse, die während Feldvorgängen ¯80% der Messfühlerversagen ausmachen, treten gewöhnlich während der Transformatorenwartung auf.

Des Weiteren verursachen Temperaturschwankungen während des Betriebs eine Wärmeausdehnung und -kontraktion der dünnen Membrane, wodurch ihre Durchlässigkeit und folglich die Zuverlässigkeit des Messfühlers beeinflusst wird. Die dem Öl zugewandte Membranseite kann mit einer porösen Scheibe (ausserhalb des Messfühlers) nicht geschützt werden, da die poröse Struktur mit Öl getränkt würde, wodurch des Weiteren die Gaszirkulation zu der Membran behindert würde.

[0005] Deshalb besteht Bedarf nach einer Polymermembran, die gewährt, dass der Messfühler während des Normalbetriebs gewartet und verwendet werden kann, und die die Zuverlässigkeit beibehält und ein Versagen verhindert. Schliesslich besteht ein weiterer Bedarf nach der Entwicklung einer Apparatur, die den die gelösten Gase in dielektrischem Öl messenden Messfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle enthält.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0006] Demzufolge umfasst ein wie durch die Erfindung verkörperter Messfühler einer Mikrobrennstoffzelle ein Gehäuse, ein Fühlelement, umfassend eine erste und eine zweite Gasdiffusionselektrode, die voneinander auf Abstand gehalten werden, wobei das Fühlelement im Gehäuse angeordnet ist; einen Abstandhalter für eine Brennstoffzelle mit einem sauren Elektrolyten, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist; eine erste gasdurchlässige Membran, die die erste Elektrode vom Öl mit gelöstem Gas trennt und ermöglicht, dass das im Öl gelöste Gas durch sie diffundiert, wobei die erste Membran, die von der ersten Elektrode auf Abstand gehalten wird, ermöglicht, dass durch die erste Membran diffundierendes Gas mit der ersten Elektrode in Kontakt tritt;

eine zweite gasdurchlässige Membran, die die zweite Elektrode von atmosphärischer Luft abtrennt und damit einen zweiten Hohlraum definiert, der von dem ersten Hohlraum isoliert ist.

[0007] Ein anderer Aspekt der Erfindung offenbart eine laminierte gasdurchlässige Membran. Die Membran umfasst ein auf eine Metallscheibe laminiertes Polymer und ist für Öl undurchlässig. Die Gasdurchlässigkeitsgeschwindigkeit durch die laminierte Membran ist kleiner als die Geschwindigkeit der im Messfühler stattfindenden elektrochemischen Gasfühlreaktion. Das Polymer in der Membran umfasst mindestens eines aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen (PTFE), perfluoriertem Ethylen-Propylen-Copolymer (FEP), Perfluoralkoxy-PTFE (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC), Polyimid, Polyethylen (PE), Polyetheresterketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polyurethan und weist eine Dicke auf, die im Bereich von etwa 25 * 10<-6> Meter 1 Mil, 25 Mikron) bis etwa 250 * 10<-6> Meter (10) Mil, 250 Mikron) liegt.

[0008] Die gasdurchlässige Membran umfasst des Weiteren eine poröse Metallscheibe, die den Polymerfilm unter positivem und negativem Druck stützt. Die poröse Metallscheibe umfasst des Weiteren mindestens eine aus der Gruppe von Edelstahl, Legierungen mit hohem Nickelanteil und Nickel-Kupfer- Legierungen, Bronze und Titan. Die Metallscheibe umfasst auch Poren, wobei die Grösse der Poren der Metallscheibe kleiner oder gleich wie etwa die Hälfte der Polymerdicke ist. Die Grösse der Poren der Metallscheibe ist viel grösser als diejenige der durch den Messfühler zu analysierenden Gasmoleküle.

[0009] Eine Apparatur zum Messen von gelösten Gasen in Öl umfasst ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angeordneten Messfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle; eine Deckmembran; wobei der Messfühler ein Fühlelement, umfassend eine erste und eine zweite Gasdiffusionselektrode, die voneinander auf Abstand gehalten werden, wobei das Fühlelement im Gehäuse angeordnet ist; einen Abstandhalter für eine Brennstoffzelle mit einem sauren Elektrolyten, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist; eine erste gasdurchlässige Membran, die die erste Elektrode vom Öl mit gelöstem Gas trennt und ermöglicht, dass das im Öl gelöste Gas durch sie diffundiert, wobei die erste Membran, die von der ersten Elektrode auf Abstand gehalten wird, ermöglicht, dass durch die erste Membran diffundierendes Gas mit der ersten Elektrode in Kontakt tritt;

eine zweite gasdurchlässige Membran, die die zweite Elektrode von atmosphärischer Luft trennt und damit einen zweiten Hohlraum definiert, der von dem ersten Hohlraum isoliert ist.

[0010]

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine Einzelquerschnittsansicht einer Anordnung eines Messfühlers mit einer Mikrobrennstoffzelle.

<tb>Fig. 2<sep>ist eine Querschnittansicht eines Mikrobrennstoffzellmessfühlerkörpers, mit einer wie in Fig. 3dargestellten Deckanordnung zum Aufnehmen des Messfühlers mit einer Mikrobrennstoffzelle von Fig. 1.

<tb>Fig. 3<sep>ist eine Querschnittansicht einer Deckanordnung des Messfühlerkörpers mit einer Mikrobrennstoffzelle von Fig. 2.

<tb>Fig. 4<sep>veranschaulicht einen Polymerfilm auf einem porösen Metallsubstrat.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0012] In Bezug auf die Fig. 1und 2 veranschaulichen diese Figuren ein Beispiel für eine erfindungsgemässe kompakte Messfühlervorrichtung 10 mit einer Brennstoffzelle zum Anschluss an eine Blende, die in einem der beiden Wände eines z.B. ein dielektrisches Fluid enthaltenden Behälters bereitgestellt ist. In Fig. 1ist eine detaillierte Einzelansicht einer Anordnung eines Messfühlers 10 mit einer Mikrobrennstoffzelle zum Messen des Wasserstoffpartialdrucks in dielektrischem Öl veranschaulicht. Fig. 2 veranschaulicht einen Querschnitt einer zusammengesetzten Messfühlerapparatur 65. Die physikalische Anordnung des Messfühlers in dieser Ausführungsform gleicht den Gasmessfühlern, die in den Patentschriften '296 und '257 von Babes-Dornea offenbart sind.

Obwohl die beispielhafte Ausführungsform zum Messen von gelöstem Wasserstoff in dielektrischem Öl vorgesehen ist, kann diese Erfindung auch zum Messen von anderen gelösten Gasen in anderen Fluidsystemen als dasjenige, das hier dargestellt ist, verwendet werden.

[0013] Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist einen hohlen Sondenbasiskörper 11 auf, der ein Halteelement 11 und ein hervorstehendes Element 71 umfasst. Das Halteelement 11 weist eine Ansatzöffnung zum Aufnehmen von anderen Elementen des Messfühlers wie das Brennstoffzellelement auf. Das hervorstehende Element 71 weist einen mittigen Kanal 75 und eine gewundene Aussenfläche 77 auf. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kommunizieren die Anschlussöffnung und der mittige Kanal 75 miteinander, wenn der Sondenbasiskörper 65 allein betrachtet wird (d.h. nicht in der zusammengesetzten Messfühlervorrichtung betrachtet wird). Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist eine Gasextraktionsmembran 1 auf, die eine Eingangsfluidseite und eine Gasseite aufweist; die Gasextraktionsmembran 1 kann aus einem polymeren Material bestehen.

Die Gasextraktionsmembran 1, hier nachstehend auch als laminiertes Membranelement oder laminierte Polymermembran bezeichnet, ist folglich für den Kontakt einer Seite davon mit Fluid (nicht dargestellt), das gelöste Fehlgase wie Wasserstoff enthalten kann, vorgesehen. O-Ring-Dichtungen 100 und 101 sind auf den jeweiligen Seiten der Gasextraktionsmembran 1 angeordnet, um eine fluiddichte Abdichtung über der Gasextraktionsmembran 1 bereitzustellen. Die Gasextraktionsmembran 1 trennt folglich den mittigen Kanal 75 und die Anschlussöffnung derart voneinander, dass während der Verwendung, wenn der Mittelkanal 75 nur mit Fluid gefüllt wird, ein Gas (wie Wasserstoff) von der dielektrischen Fluidseite der Gasextraktionsmembran 1 zu der anderen entgegengesetzten Fehlgasseite davon geleitet werden kann.

[0014] Der wie vorstehend beschriebene Messfühler 10 ist so angepasst, dass er in der Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle wie in Fig. 2veranschaulicht angeordnet ist. Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist ein laminiertes Polymermembranelement 1 und Halteelemente auf, welche einen Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle definieren. Der Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle ist in die Anschlussöffnung einsetzbar. Ein externer Gasstrom wird im Messfühlerkörper 11 durch die durch die Blenden 60 definierten Öffnungen aufgenommen.

[0015] Der Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle weist einen Boden auf, der mit einer Blende 60 versehen ist. Das laminierte Polymermembranelement 1 und ebenso die O-Ring-Dichtungen 99 und 100 sind in die Anschlussöffnung derart einsetzbar, dass, wenn der Zwischentiegel 2 der Bennstoffzelle in der Anschlussöffnung befestigt wird, das laminierte Polymermembranstützelement 1 und die O-Ring-Dichtungen 99 und 100 positioniert gehalten werden, so dass die vorstehend erwähnte fluiddichte Abdichtung um die laminierte Polymermembran 1 bereitgestellt wird. Der Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle wird an dem Halteelement 11 durch ein beliebiges geeignetes Mittel, wie, jedoch nicht beschränkt auf eine Vielzahl an nicht dargestellten Anschlussschrauben und Federringkombinationen, festgehalten.

[0016] Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist auch Elemente auf, die einen Innentiegel 3 der Brennstoffzelle definieren, der im Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle wie dargestellt einsetzbar ist. Der Innentiegel 3 der Brennstoffzelle weist einen Boden auf, der ebenso mit einer Blende 61 versehen ist. Wie ersichtlich, sind die Blenden im Boden des Zwischen- und des Innentiegels der Brennstoffzelle entlang der Längsachse der Messfühlervorrichtung 65 mit der Brennstoffzelle angeordnet. Eine O-Ring-Dichtung 101 ist zwischen dem Boden des Zwischen- und Innentiegels der Brennstoffzelle angeordnet.

[0017] Eine Abdeckung 9 für die Brennstoffzelle ist ebenso für den Innentiegel 3 der Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Abdeckung 9 der Brennstoffzelle weist ein hervorstehendes Teil auf, das in den Innentiegel 3 der Brennstoffzelle wie dargestellt einsetzbar ist. Die Abdeckung 9 der Brennstoffzelle weist eine mittige Öffnung und eine zur Seite der grösseren Öffnung angebrachte kleinere Öffnung auf, wobei die kleinere Öffnung den Zugang des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle erleichtert.

[0018] Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist ein Brennstoffzellelement auf. Das Brennstoffzellelement weist ein kreisförmiges oder ringförmiges Stützelement 5 auf, das eine mittige Elektrodenkammer definiert, die mit einem geeigneten sauren Gelelektrolyten (z.B. einem Schwefelsäuregel) gefüllt ist.

[0019] Das Elektrodenteil für das Brennstoffzellelement besteht aus einer ersten Elektrode 4-1 und einer zweiten Elektrode 4-2. Das erste Elektrodenteil 4-1 ist durch einen Pt-Metallstreifen oder eine Pt-Metallfolie 6-1 an ein entsprechendes Drahtverbindungselement oder eine entsprechende Drahtverbindungsleitung 8-1 elektrisch angeschlossen; gleichermassen ist das zweite Elektrodenteil 4-2 durch einen Pt-Metallstreifen (oder eine Pt-Metallfolie) 6-2 an ein anderes entsprechendes Drahtverbindungselement oder eine andere entsprechende Drahtverbindungsleitung 8-2 elektrisch angeschlossen; die Drahtverbindungselemente werden gemeinsam mit den Bezugsnummern 8 bezeichnet. Die Drahtverbindungselemente sind elektrisch an einen fixierten Lastwiderstand 37 (z.B. 500 bis 2200 Ohm) angeschlossen.

[0020] Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist eine Zwischenabdeckplatte 13 einer Brennstoffzelle auf, die durch ein geeignetes Teil wie, jedoch nicht beschränkt auf eine Vielzahl an nicht dargestellten Schrauben- und Federringkombinationen an den Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle derart angeschlossen sind, dass das hervorstehende Teil in den Innentiegel 3 der Brennstoffzelle, wie in Fig. 1 dargestellt, gedrängt wird, um die Abdeckung 9 der Brennstoffzelle und den Innentiegel 3 der Brennstoffzelle positioniert zu halten. O-Ring-Dichtungen 99, 101, 102, 103, 104, 105 und 106 sind ebenso bereitgestellt, die eine fluiddichte (d.h. gasdichte) Abdichtung zwischen den jeweils benachbarten Elementen bereitstellen, wenn die Zwischenabdeckplatte 13 an den Zwischentiegel 2 der Brennstoffzelle, wie in Fig. 2dargestellt, angebracht ist.

Eine gasdurchlässige Polymermembran 7 ist ebenso zwischen der Zwischenabdeckplatte 9 der Brennstoffzelle und der mit den O-Ring-Dichtungen 105 und 106 abgedichteten Abdeckplatte 13 der Brennstoffzelle bereitgestellt.

[0021] Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist einen Thermistor 12 auf. Die Messfühlervorrichtung 65 mit einer Brennstoffzelle weist auch Ablassteile zum Ablassen des Fluids aus dem Kanal auf. Das Ablassteil umfasst eine Ablassschraube 29, die derart angepasst ist, dass sie mit einer Ablassöffnung zusammenarbeitet, um zu gewähren, dass ein derartiges Fluid ablassbar ist. Die Ablassschraube wird zum Normalisieren der im Messfühler 65 eingefangenen Luft und des Öls, das während der anfänglichen Installation verdrängt wird, verwendet. Nach der anfänglichen Installation bleibt die Ablassschraube während des Normalbetriebs geschlossen. Die Ablassschraube kann geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass Proben des überwachten Fluidstroms entnommen werden können.

[0022] Wie vorstehend erwähnt, kann eine elektronische Messvorrichtung (nicht dargestellt) an den Lastwiderstand 37 durch das Verbindungselement 38 elektrisch derart angeschlossen werden, dass gewährt wird, dass die Intensität des Stroms, der durch die an den ersten und zweiten Elektrodenteilen stattfindenden Redoxreaktionen gebildet wird, gemessen werden kann. Das elektronische Teil der Messapparatur (nicht dargestellt) kann jede beliebige geeignete (bekannte) Form, d.h. die verschiedenen Mess- und Anzeigevorrichtungen können jede beliebige geeignete Form annehmen. Bei dem durch die elektrochemische Zelle gebildeten Signal handelt es sich im Wesentlichen um Strom mit einer Intensität, die proportional oder in gut definierter Beziehung zu dem Wasserstoffgehalt der Fluidprobe (z.B. aus dem dielektrischen Öl) steht.

[0023] Fig. 3 veranschaulicht ein Abdeckelement 30 zum Abdecken des Messfühlerkörpers 11 in luftdichter Weise. Das Abdeckelement 30 beinhaltet einen Schlitz 31 mit einem oberen Ende 36 und einem unteren Ende 33. Das Abdeckelement 30 deckt den Messfühlerkörper 20, wie in Fig. 2 veranschaulicht, dicht ab. Das Abdeckelement 30 schliesst des Weiteren eine Lüftung 35 zum Gewähren des Eintritts von Sauerstoff aus der atmosphärischen Luft in den zweiten Hohlraum des Messfühlers 10 durch Schlitz 31 ein. Mindestens ein Befestigungsteil kann zum Befestigen des Abdeckelements 30 an dem Messfühlerkörper 11 wie in Fig. 2veranschaulicht verwendet werden. Die dritte gasdurchlässige Membran 34 trennt die Lüftung 35 von der atmosphärischen Luft. Eine perforierte Lüftungsabdeckplatte 40 liegt über der dritten Membran und schützt diese.

Ein Verbindungselement 38 mit einem Endteil 41 ist in luftdichter Weise im oberen Teil 36 von Schlitz 31 angeordnet. Das Verbindungselement 38 schliesst einen Widerstand 37 ein, der in den oberen Teil 36 von Schlitz 31 hineinragt. Messfühlerleitungen 8-1 und 8-2, die auf einer Seite an die erste Elektrode 4-1 bzw. 4-2 angeschlossen sind, enden im Verbindungselement 38. Das Ausgangssignal des Messfühlers 10 ist durch den Potential-Unterschied zwischen den Messfühlerleitungen 8-1 und 8-2 durch den Widerstand 37 gegeben.

[0024] Gasmessfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle können in verschiedenen Fluidsystemen zum Messen von verschiedenen in Flüssigkeiten gelösten oder in einem Gas- oder Dampfstrom kombinierten Gasen verwendet werden. Typischerweise enthalten diese Vorrichtungen dünne Polymermembranen, die empfindlich auf Temperatur- und Druckschwankungen sind. Diese Membranen weisen Gasdurchdringungseigenschaften auf, die selektiv gewähren, dass bestimmte, entweder in einer Flüssigkeit oder in einem Gas- oder Dampfstrom gelöste Gase in die Brennstoffzelle geleitet werden. In einem Beispiel gewährt die Polymermembran, dass die in dielektrischem Öl gelösten Gase zu einer Mikrobrennstoffzelle geleitet werden.

[0025] Diese Membranen verformen sich im Laufe der Zeit mit Temperaturzyklen plastisch. Diese dauerhafte Verformung beeinflusst die Membrandurchlässigkeit, was wiederum die Genauigkeit des Messfühlers beeinflusst. Des Weiteren sind die dünnen Membranen auf Druckschwankungen empfindlich. Diese Membranen sind gegen positiven Druck stabil, sofern die Membranen durch eine Metallscheibe gestützt werden, reissen jedoch unter negativem Druck. So ein Membranbruch führt zum Versagen der Messfühlervorrichtung.

[0026] Der wie durch die Erfindung verkörperte beispielhafte Messfühler 10 wird zum Messen eines in dielektrischem Öl in einem elektrischen Transformator gelösten Wasserstoffgases verwendet. Diese Anwendung des Messfühlers und beliebige der hier bereitgestellten Masse und Werte sind nur für den wie durch die Erfindung veranschaulichten Messfühler beispielhaft und sollen die hier erwähnte Erfindung nicht beschränken. Andere Anwendungen, Masse und Werte liegen im Umfang der Erfindung.

[0027] In der beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Gasmessfühler 10 mit einer Mikrobrennstoffzelle ein Fühlelement, das eine erste und zweite Gasdiffusionselektrode 4-1 und 4-2, die durch einen Abstandhalter 5 für eine Brennstoffzelle mit einem sauren Elektrolyten, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 4-1 und 4-2 angeordnet ist, voneinander in einem Abstand gehalten werden, und eine erste und eine zweite gasdurchlässige Membran 1 und 7.

[0028] Die erste und die zweite Gasdiffusionselektrode 4-1 und 4-2 der beispielhaften Ausführungsform sind identisch und beinhalten Platin auf Kohlenstoff. Andere für ein Elektrodenmaterial geeignete Materialien werden in anderen Ausführungsformen verwendet, um eine für das jeweilige Überwachungsverfahren spezifische elektrochemische Reaktion zu erleichtern. Diese anderen Materialien können z.B. Gold, Palladium, Palladium-Platin, Rhutenium, Iridium, Osmium, Rhodium oder Tantal einschliessen. Die Elektroden werden mit dem Abstandhalter 5 für die Brennstoffzelle zum Überwachen des Gases verwendet.

[0029] Der Abstandhalter 5 für die Brennstoffzelle umfasst einen sauren Elektrolyten, der die erste und die zweite Elektrode 4-1 und 4-2 miteinander verbindet. Dieser Elektrolyt nimmt am Verfahren der elektrochemischen Oxidation eines gelösten Gases an der ersten Elektrode 4-1 und der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff an der zweiten Elektrode 4-2 teil. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Oxidationsreaktion an der ersten Elektrode 4-1 Wasserstoff und die Reduktionsreaktion an der zweiten Elektrode 4-2 Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Obwohl die elektrochemische Oxidation in dieser Ausführungsform Wasserstoffgas umfasst, können andere Gase, einschliesslich mindestens eines Vertreters von Kohlenmonoxid, Acetylen, Ethylen, Methan und Ethan, an der ersten Elektrode 4-1 oxidiert werden.

Wie in dieser Ausführungsform wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft an der zweiten Elektrode reduziert, um den Partialdruck der jeweiligen Gase zu messen.

[0030] Die gasdurchlässige Membran 1 dieser Ausführungsform umfasst ein Polymer 130, das auf eine poröse Metallscheibe 132, wie in Fig. 4 dargestellt, laminiert ist. Die Membran 1 ist für Öl undurchlässig, wodurch gewährt wird, dass zwar ein in dielektrischem Öl gelöstes Gas, jedoch nicht das Öl durch die Membran 1 geleitet wird. Die Gasdurchlassgeschwindigkeit durch die laminierten Membranen 1 ist geringer als die Geschwindigkeit der an der ersten Elektrode 4-1 stattfindenden elektrochemischen Reaktion.

[0031] Das Polymer 130 in der beispielhaften Ausführungsform umfasst mindestens einen Vertreter von Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer (FEP) Perfluoralkoxy-PTFE (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC), Polyimid, Polyethylen (PE), Polyetheresterketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polyurethan. Die Auswahl des Polymers hängt von der Durchlässigkeit des Gases, von welchem die Messung erwünscht ist, und dem Lösungssystem ab. Die Polymerdicke in dieser Ausführungsform liegt im Bereich von etwa 25 * 10<-6> Meter (25 Mikron) bis etwa 250 * 10<-6>Meter (250 Mikron) (etwa 1 Mil bis etwa 10 Mil).

[0032] Die laminierte Membran 1 in dieser Ausführungsform umfasst des Weiteren eine poröse Metallscheibe 132, die den Polymerfilm 130 sowohl unter positivem als auch negativem Druck stützt. Die Metallscheibe 132 umfasst des Weiteren mindestens einen Vertreter von Edelstahl, Legierungen mit hohem Nickelgehalt und Nickel-Kupfer-Legierungen, Bronze und Titan, Legierungen davon und Kombinationen davon.

[0033] In der beispielhaften Ausführungsform wird die Polymermembran auf einer porösen Metallscheibe bei erhöhter Temperatur und bei konstantem Druck aufgebracht. Die poröse Metallscheibe wird durch ein Sinterverfahren hergestellt. Sowohl das Verfahren des Aufbringens des Polymerfilms als auch das Verfahren der Herstellung der Metallscheibe sind derart ausgewählt, dass gewährleistet wird, dass die Gasdurchlässigkeit des Polymerfilms nach der Laminierung gleich derjenigen vor der Laminierung ist. Verfahren zum Aufbringen von Polymerfilmen auf Metall und die Herstellung von porösen Metallscheiben, die sich von denjenigen, die in der beispielhaften Ausführungsform offenbart sind, unterscheiden, können ebenso zur Herstellung der hier offenbarten laminierten Gasmembran verwendet werden.

[0034] Die Grösse der Poren der Metallscheibe 132 beträgt weniger als die oder ist etwa gleich der Hälfte der Dicke des Polymers 130. Ein Verhältnis der Porengrösse zur Dicke des Films 130 in diesem Bereich verhindert die Membranperforation während des Laminierungsverfahrens und gewährt eine gute Haftung des Polymers auf der Metallscheibe 132. Die Poren der Metallscheibe 132 sind viel grösser als die von dem Messfühler zu analysierenden Gasmoleküle, wodurch gewährt wird, dass das Gas durch die Membran mit etwa derselben Diffusionsgeschwindigkeit wie durch eine nur aus einem Polymer bestehende Membran geleitet wird.

[0035] Während verschiedene Ausführungsformen hier beschrieben sind, ist es aus der Beschreibung ersichtlich, dass verschiedene Kombinationen der Elemente, Variationen oder Verbesserungen darin durch den Fachmann durchgeführt werden können, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.

[0036] Messfühler mit einer Mikrobrennstoffzelle
<tb>Bez.-Nr.<sep>Beschreibung

<tb>1<sep>Laminierte gasdurchlässige Membran

<tb>2<sep>Brennstoffzelltiegel

<tb>3<sep>Innentiegel der Brennstoffzelle

<tb>4-1 und 4-2<sep>Erste 4-1 und zweite 4-2 Elektrode

<tb>5<sep>kreisförmiges oder ringförmiges Trägerelement/ Abstandhalter für die Brennstoffzelle

<tb>6-1<sep>Pt-Metallstreifen oder Pt-Metallfolie

<tb>7<sep>Gasdurchlässige Polymermembran

<tb>8, 8-1, 8-2<sep>Drahtverbindungselemente

<tb>9<sep>Abdeckung der Brennstoffzelle

<tb>10<sep>Messfühlervorrichtung der Berennstoffzelle

<tb>11<sep>Hohler Sondenbasiskörper/Halteelement

<tb>12<sep>Thermistor

<tb>13<sep>Abdeckplatte der Brennstoffzelle

<tb>18<sep>Zweiter Hohlraum

<tb>29<sep>Ablassschraube

<tb>30<sep>Abdeckelement

<tb>31<sep>Schlitz

<tb>32<sep>Dritte gasdurchlässige Membran

<tb>33<sep>Unteres Ende

<tb>35<sep>Lüftung

<tb>36<sep>Oberes Ende

<tb>37<sep>Lastwiderstand

<tb>38<sep>Verbindungselement

<tb>40<sep>Perforierte Lüftungsabdeckplatte

<tb>41<sep>Endteil

<tb>60<sep>Blenden

[0037]
<tb>61<sep>Blende

<tb>65<sep>Anordnung von Messfühlerapparatur/Sondenbasiskörper 65/Messfühlervorrichtung 65 für eine Brennstoffzelle

<tb>71<sep>Hervorstehendes Element

<tb>75<sep>Mittiger Kanal

<tb>76<sep>Gewundene Aussenfläche

<tb>99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106<sep>O-Ring-Dichtungen

<tb>130<sep>Polymer

<tb>132<sep>Poröse Metallscheibe

[0038]

Claims

1. Messfühler (10, 65), mit einer Mikrobrennstoffzelle zum Messen in Fluidströmen, wobei der Messfühler Folgendes umfasst:

ein Gehäuse (3, 11);

ein Fühlelement, umfassend voneinander beabstandete erste und zweite Gasdiffusionselektroden (4-1, 4-2), wobei das Fühlelement im Gehäuse angeordnet ist;

einen Abstandhalter (5) für die Mikrobrennstoffzelle, mit einem sauren Elektrolyten, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist;

eine erste gasdurchlässige Membran (1), welche die erste Elektrode von einem Öl mit gelöstem Gas trennt und damit einen ersten Hohlraum definiert, und die ermöglicht, dass das im Öl gelöste Gas durch sie hindurch diffundiert, wobei die erste Elektrode von der ersten Membran beabstandet ist und ermöglicht, dass das durch die erste Membran diffundierte Gas mit der ersten Elektrode in Kontakt tritt;

eine zweite gasdurchlässige Membran (7), welche die zweite Elektrode von atmosphärischer Luft trennt und damit einen zweiten Hohlraum definiert, der von dem ersten Hohlraum isoliert ist.

2. Messfühler nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Elektrode (4-1, 4-2) identisch ausgebildet sind und mindestens einen Vertreter von Platin auf Kohlenstoff, Gold, Palladium, Palladium-Platin, Ruthenium, Iridium, Osmium, Rhodium oder Tantal umfassen.

3. Messfühler nach Anspruch 1, wobei der die erste und die zweite Elektrode miteinander verbindende saure Elektrolyt (5) die elektrochemische Oxidation eines gelösten Gases an der ersten Elektrode und die elektrochemische Reduktion an der zweiten Elektrode erleichtert.

4. Messfühler nach Anspruch 3, wobei die elektrochemische Oxidation an der ersten Elektrode (4-1) ein Gas mit mindestens einem Vertreter von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Acetylen, Ethylen, Methan und Ethan umfasst, und die elektrochemische Reduktion an der zweiten Elektrode Sauerstoff aus der Umgebungsluft umfasst.

5. Messfühler nach Anspruch 1, wobei die erste gasdurchlässige Membran (1) ein Polymer umfasst, das auf eine poröse Metallscheibe laminiert ist.

6. Messfühler nach Anspruch 5, wobei die erste gasdurchlässige Membran (1) für Öl undurchlässig ist.

7. Messfühler nach Anspruch 5, wobei die erste gasdurchlässige Membran (1) vakuumbeständig ist.

8. Messfühler nach Anspruch 5, wobei die Gasdurchlassgeschwindigkeit durch die laminierte Membran (1) geringer ist als die Geschwindigkeit der elektrochemischen Gasfühlreaktion, welche an der ersten Elektrode stattfindet.

9. Messfühler nach Anspruch 5, wobei das Polymer (1) mindestens einen Vertreter von Polytetrafluorethylen, perfluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer, Perfluoralkoxy-Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid; Polyvinylchlorid, Polyimid, Polyethylen, Polyetheresterketon, Polycarbonat und Polyurethan umfasst.

10. Messfühler nach Anspruch 5, wobei das Polymer (1) eine Dicke im Bereich von 25 * 10<-><6> Meter (25 Mikron, 1 Mil) bis 250 * 10<-6> Meter (250 Mikron, 10 Mil) aufweist.