DE10116530B4

DE10116530B4 - Einrichtung und Verfahren zum Nachweis von Gasen

Info

Publication number: DE10116530B4
Application number: DE2001116530
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Teller; Robert Goldner
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - Power For 21st Century 85649 Brunn GmbH
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2021-04-04
Also published as: DE10116530A1

Abstract

Einrichtung zum Nachweis von Gasen, mit wenigstens einem Sensorelement (11) aus einem gassensitiven Material und mit Mitteln zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (10) eine Schaltungsanordnung (20) aufweist, in der wenigstens eine Spannungsquelle (21; 22) zum Erzeugen von Spannungen mit veränderlicher Frequenz vorgesehen ist,
daß die Schaltungsanordnung (20) Mittel zum Anlegen der Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das wenigstens eine Sensorelement (11) aufweist und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements (11) bei den angelegten Spannungen mit veränderlicher Frequenz ausgebildet sind, und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung der elektrischen Volumenleitfähigkeit sowie der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements (11) ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachweis von Gasen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Nachweis von Gasen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Gase werden üblicherweise mit Hilfe von Gassensoren nachgewiesen. Gassensoren sind im Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt und dienen sowohl zum quantitativen als auch zum qualitativen Nachweis von Gasen, beispielsweise in einem Gasstrom.
Gassensoren werden beispielsweise als Schutz für Komponenten eingesetzt, die einem Gasstrom ausgesetzt sind, in dem sich einzelne Gase befinden können, die ab einer bestimmten Konzentration zu einer Beschädigung der Komponenten führen würden. In dieser Funktion werden Gassensoren beispielsweise auch in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff aus der Luft, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, wie beispielsweise Wasser, umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, beziehungsweise Wasserstoffionen, erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff, wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen, betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei wird dieses im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt. Weiterhin entsteht ebenfalls Kohlenmonoxid, das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt, da es den Katalysator auf der Anodenseite unwirksam macht und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden muß.
In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Kohlenmonoxidgehalt des Brennstoffs vor Eintritt in die Brennstoffzelle genau zu kennen, um bei zu hoher Konzentration frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Die Bestimmung de Kohlenmonoxidgehalts im Brennstoff erfolgt beispielsweise über entsprechende Gassensoren.
Gassensoren der bekannten Art bestehen beispielsweise aus einem gassensitiven Material. Es sind Anordnungen bekannt, bei denen ein solcher Gassensor in einen zu untersuchenden Gasstrom eingebracht wird. Dabei wird von der bekannten Tatsache ausgegangen, daß sich bei Vorhandensein eines Gases, auf das das gassensitive Material anspricht, die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials ändert und daß der Nachweis der Gase über die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials erfolgen kann. Dazu wird die elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise der elektrische Widerstand des gassensitiven Materials des Gassensors gemessen. Eine Änderung der Leitfähigkeit gibt dann Aufschluß über die Änderung der Menge eines bestimmten Gases in dem Gasstrom, für welches das Sensorelement sensitiv ist.
In der EP-A-0 157 246 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von reduzierenden Gasen in einem Gasgemisch beschrieben. Dabei werden die Gase mittels eines bestimmten Gasdetektors nachgewiesen. Dieser weist einen in einer Meßkammer angeordneten Gassensor auf, wobei das zu untersuchende Gasgemisch in der Meßkammer periodisch gegen reines Referenzgas aus einer Referenzkammer ausgetauscht wird. Während einer Vielzahl von Gasaustauschperioden wird das auf der veränderten elektrischen Leitfähigkeit des Gassensors beruhende Ausgangssignal des Gasdetektors gemessen. Dieses Ausgangssignal setzt sich aus einem Gleichspannungssignal und einem bei der Frequenz der Gasaustauschperiode liegenden Wechselspannungssignal zusammen. Unter Zuhilfenahme von Kenngrößen des Gassensors wird aus der Amplitude des Wechselspannungssignals und dem Gleichspannungssignal die Anwesenheit eines bestimmten reduzierenden Gases, vorzugsweise dessen genaue Konzentration, in Gegenwart von anderen reduzierenden Gases bestimmt.
In der DE 41 39 721 C1 sind eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Nachweis von Gasen beschrieben, bei denen zum selektiven Nachweis mindestens eines in einem Gasgemisch enthaltenen Gases ein Gassensor mit einer Sensorschicht aus einem halbleitenden Metalloxid verwendet wird, dessen elektrische Leitfähigkeit durch Chemiesorbtion von Gasen mit einer gasspezifischen Reaktionszeit beeinflußbar ist. Bei dieser bekannten Lösung wird die Betriebstemperatur des Gassensors variiert. Es wird der Zeitverlauf eines von der elektrischen Leitfähigkeit der Sensorschicht abhängigen Signals ausgewertet.
In der DE 39 17 853 A1 ist ein gasempfindlicher Halbleitersensor mit frequenzabhängig veränderter Selektivität beschrieben. Diese ältere Druckschrift beschreibt das Phänomen, daß ein mit verschiedenen Frequenzen ermittelter Sensorwiderstand nicht konstant ist, sondern sich mit der Frequenz erheblich ändert. Dabei stellen die Änderungen nicht nur eine Funktion des jeweiligen Sensortyps dar. Insbesondere sind sie auch abhängig von dem jeweiligen Gas, das mit der Sensoroberfläche reagiert. Die bei der bekannten Lehre beschriebene Schaltungsanordnung weist eine Wechselstrom-Spannungsquelle auf, mittels derer Spannungen veränderlicher Frequenzen erzeugt werden. Dabei wird der Sensor mit nur einer Spannung, nämlich einer Wechselspannung, durchflossen.
Viele der bekannten Gassensoren haben jedoch den Nachteil, daß mit einem Gassensor immer nur ein bestimmtes Gas nachgewiesen werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Nachweis von Gasen bereitzustellen, bei dem mittels eines einzigen Gassensors mehr als eine Gasart und/oder eine Gaskonzentration, insbesondere in einem Gasstrom, gemessen beziehungsweise nachgewiesen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Einrichtung zum Nachweis von Gasen gemäß Patentanspruch 1, das Verfahren zum Nachweis von Gasen gemäß Patentanspruch 12 sowie das Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 21. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren, und umgekehrt. Analoges gilt für das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nun auf überraschende Weise herausgefunden, daß durch unterschiedliche Frequenzen einer Spannung, die an ein Sensorelement angelegt wird, die Sensitivität des Sensors für verschiedene Gase beeinflußt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Erkenntnis zu Grunde, daß sich eine einstellbare Gasselektivität des Sensorelements durch Frequenzvariationen einer dem Sensorelement aufgeprägten Spannung erzielen läßt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Nachweis von Gasen bereitgestellt, mit wenigstens einem Sensorelement aus einem gassensitiven Material und mit Mitteln zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials. Die Einrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltungsanordnung aufweist, in der wenigstens eine Spannungsquelle zum Erzeugen von Spannungen mit veränderlicher Frequenz vorgesehen ist, daß die Schaltungsanordnung Mittel zum Anlegen der Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das wenigstens eine Sensorelement aufweist und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei den angelegten Spannungen mit veränderlicher Frequenz ausgebildet sind und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung der elektrischen Volumenleitfähigkeit sowie der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements ausgebildet sind.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung ist es nunmehr möglich, daß mittels eines einzigen Sensorelements viele unterschiedliche Gasarten und/oder Gaskonzentrationen, insbesondere in einem Gasstrom, gemessen beziehungsweise nachgewiesen werden können. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Sensorelement nunmehr mit einer bestimmten Schaltungsanordnung verbunden ist, über die Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugt und an das Sensorelement angelegt werden können.
Dabei ist die Einrichtung insbesondere zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von Gasen, insbesondere in einem Gasstrom, geeignet. Ebenso kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Bestimmung der Wärmekapazität eines Gasstroms eingesetzt werden, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird der Erkenntnis Rechnung getragen, daß durch unterschiedliche Frequenzen die Selektivität des Sensorelements beeinflußt werden kann, so daß durch Frequenzvariationen eine Gasselektivität im Sensorelement eingestellt werden kann. Durch die Tatsache, daß von der wenigstens einen Spannungsquelle Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugt werden können und daß Spannungen mit unterschiedlicher Frequenz anschließend auf das Sensorelement aufgeprägt werden können, ist es zudem möglich, daß gleichzeitig mehrere, in einem Gasstrom befindliche Gase nachgewiesen werden können.
Durch die besondere elektrische Schaltung zur Frequenzvariation wird ein einziges Sensorelement nunmehr sensitiv für viele Gase.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders geeignet zum Nachweis von Gasen in einem Gasstrom, bei dem die Einzelkomponenten des Gasstroms und/oder möglicherweise in einem Gasstrom befindliche Gaskomponenten zwar bekannt sind, nicht jedoch deren (Konzentrations-)Verhältnis zueinander. Dabei kann der Nachweis insbesondere quantitativ und/oder qualitativ erfolgen.
Wenn ein Spannungssignal an das Sensorelement angelegt worden ist, wird die Leitfähigkeit des Sensorelements gemessen. Da die Leitfähigkeit abhängig vom Mengenanteil eines bestimmten Gases im Gasstrom ist, läßt sich aus den Leitfähigkeitswerten der Anteil dieses im Gasstrom befindlichen Gases ermitteln. Wie dies im einzelnen geschehen kann, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.
Wenn nun gleichzeitig mehrere Gaskomponenten in einem Gasstrom gemessen beziehungsweise nachgewiesen werden sollen, wird elektrisch zwischen Spannungen verschiedener Frequenzen „umgeschaltet", was bedeutet, daß Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen an das Sensorelement angelegt werden. Dadurch wird die Selektivität des Sensorelements für jeweils unterschiedliche Gase hergestellt. Sobald die Selektivität für ein bestimmtes Gas eingestellt worden ist, wird wiederum die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements gemessen, wodurch Rückschlüsse auf die Menge des jeweils vorhandenen Gases im Gasstrom möglich sind.
Die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit können beispielsweise als entsprechende Sensorelemente, Meßgeräte und dergleichen ausgebildet sein und sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann der das gassensitive Sensorelement durchfließende Strom gemessen werden, aus dem dann der elektrische Widerstand beziehungsweise die elektrische Leitfähigkeit ermittelt werden kann. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit beschränkt.
Vorteilhaft können die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung elektrischer Leitfähigkeiten des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei angelegten Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet sein. Als „gleichzeitig" werden dabei auch solche Zustände verstanden, bei denen Spannungen unterschiedlicher Frequenzen zeitlich gesehen zwar nacheinander, jedoch in äußerst kurzen Zeitabständen an das Sensorelement angelegt werden. Die Umschaltung zwischen verschiedenen Spannungen unterschiedlicher Frequenzen erfolgt vorteilhaft in Zeitabständen, die sich im Millisekundenbereich bewegen, so daß im Vergleich zu der Trägheit der übrigen Komponenten der Einrichtung zum Nachweis von Gasen diese extrem kurzen Umschaltperioden im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als gleichzeitig ablaufend betrachtet werden können.
Erfindungsgemäß sind die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung der elektrischen Volumenleitfähigkeit sowie der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements ausgebildet.
Die Volumenleitfähigkeit (auch Bulkleitfähigkeit genannt) kann beispielsweise nach Anlegen einer Gleichspannung an das Sensorelement gemessen werden. Zur Messung der Volumenleitfähigkeit wird somit die Gleichstromleitfähigkeit, beziehungsweise der Gleichstromwiderstand, des Sensorelements gemessen.
Die Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials wird vorteilhaft nach Anlegen einer Wechselspannung an das Sensorelement meßbar. Durch Anlegen einer Wechselspannung tritt der sogenannte Skin-Effekt auf, der bewirkt, daß die im gassensitiven Material des Sensorelements befindlichen Elektronen eher oberflächennah fließen. Je höher die Frequenz der angelegten Wechselspannung ist, desto ausgeprägter ist der Effekt, desto oberflächennäher fließen also die Elektronen. Die Oberflächenleitfähigkeit wird somit über Messung des komplexen Wechselstromwiderstands, beziehungsweise der komplexen Wechselstrom-Leitfähigkeit, ermittelt.
In der vorstehend geschilderten Ausführungsform werden folglich zwei unterschiedliche physikalische Effekte gleichzeitig zur Messung von Gaskonzentrationen genutzt.
In weiterer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung wenigstens eine Spannungsquelle zum Erzeugen von Spannungen mit einer Frequenz von größer/gleich 0 Hz aufweisen. Mit einer solchen Spannungsquelle ist es möglich, sowohl eine Gleichspannung (bei 0 Hz) als auch Wechselspannungen mit verschiedensten Frequenzen zu erzeugen. Zum Anlegen von Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen an das Sensorelement ist in einem solchen Fall nur eine einzige Spannungsquelle erforderlich.
In weiterer Ausgestaltung kann die Schaltungsanordnung eine Gleichspannungsquelle und eine Wechselspannungsquelle, insbesondere eine Wechselspannungsquelle zum Erzeugen von in der Frequenz variierbaren Wechselspannungen, aufweisen. In diesem Fall ist mehr als eine Spannungsquelle innerhalb der Schaltungsanordnung vorgesehen. Die eine Spannungsquelle ist als Gleichspannungsquelle ausgebildet, so daß bei Anlegen einer Gleichspannung an das Sensorelement die elektrische Volumenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des Sensorelements gemessen werden kann. Die andere Spannungsquelle ist eine Wechselspannungsquelle, über die eine Wechselspannung an das Sensorelement angelegt und damit die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen wird.
Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung Mittel zum Umschalten zwischen Spannungen verschiedener Frequenzen aufweisen, die an das wenigstens eine Sensorelement angelegt werden oder anlegbar sind. Vorteilhaft können die Umschaltmittel als wenigstens ein Schalterelement ausgebildet sein. Ein solches Schalterelement ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn in der Schaltungsanordnung mehr als eine Spannungsquelle vorhanden ist und zwischen den einzelnen Spannungsquellen hin- und hergeschaltet werden soll. Wenn jedoch nur eine einzige Spannungsquelle vorgesehen ist, über die Spannungen mit verschiedensten Frequenzen erzeugt werden können, kann das Umschaltmittel auch als geeignetes Reglerelement ausgebildet sein, über das Spannungen mit verschiedenen Frequenzen eingeregelt und anschließend an das Sensorelement angelegt werden können.
Vorteilhaft kann weiterhin eine Steuereinrichtung vorgesehen sein. Diese Steuereinrichtung kann zum einen dazu dienen, die Erzeugung von Spannungen mit veränderlicher Frequenz zu steuern. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.
Ebenso kann in der Einrichtung zum Nachweis von Gasen auch eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein. Über eine solche Auswerteeinrichtung werden vorteilhaft die gemessenen Leitfähigkeitswerte des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements ausgewertet. Eine solche Auswertung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die gemessenen Leitfähigkeitswerte, beziehungsweise entsprechende Meßsignale, direkt weiterverarbeitet werden. Ebenso ist es möglich, daß die Auswerteeinrichtung in einer Weise ausgestaltet ist, daß die gemessenen Leitfähigkeitswerte zunächst digitalisiert und anschließend in entsprechender Weise weiterverarbeitet werden. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise als separate Einrichtung, oder aber in mit der Steuereinrichtung gekoppelter Form vorliegen.
Darüber hinaus kann die Einrichtung zum Nachweis von Gasen auch eine Anzeigeeinrichtung aufweisen, über die einzelne Werte, sei es im Zusammenhang mit der Erzeugung von Spannungssignalen oder im Zusammenhang mit der Messung der elektrischen Leitfähigkeit, angezeigt werden können. Bei der Anzeigeeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Display, einen Bildschirm, einen Drucker oder dergleichen handeln.
Vorteilhaft kann die Steuereinrichtung wenigstens eine Rechnereinheit aufweisen, wobei in der Rechnereinheit Programmittel zum Durchführen der Erzeugung von Spannungen unterschiedlicher Frequenzen und/oder der Messung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen sind. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung noch eine Speichereinheit aufweisen, in der aktuelle Werte abgespeichert werden (etwa zu Kontrollzwecken), Referenzwerte zu einzelnen Werten abgespeichert sind und dergleichen.
Die Programmittel können in Form von geeigneten Computerprogrammen beziehungsweise Software vorliegen.
Über derartige Programmittel kann beispielsweise die Erzeugung von Spannungen unterschiedlicher Frequenzen gesteuert beziehungsweise unterstützt werden. Dies soll an Hand eines konkreten, nicht ausschließlichen Beispiels erläutert werden. In der Speichereinheit können beispielsweise verschiedene Kenngrößen für unterschiedliche Spannungsfrequenzen als Referenzwerte abgespeichert sein. Diese Referenzwerte geben an, bei welchen Frequenzen das gassensitive Material des Sensorelements für welche Gase selektiv ist. Wenn nun beispielsweise die Verhältnisse von an sich bekannten Gaskomponenten in einem Gasstrom ermittelt werden sollen, oder aber wenn geprüft werden soll, ob möglicherweise bestimmte Gaskomponenten in einem Gasstrom vorhanden sind (beispielsweise, ob unerwünschtes Kohlenmonoxid im Brennstoff für eine Brennstoffzelle enthalten ist, wie dies im Zusammenhang mit der Beschreibungseinleitung dargestellt wurde), kann über die Rechnereinheit zunächst ermittelt werden, welche Gaskomponenten sich im Gasstrom befinden, beziehungsweise auf welche Gaskomponenten der Gasstrom untersucht werden soll. Die entsprechenden Frequenzwerte werden dann aus der Speichereinheit ausgelesen. Anschließend kann über die Rechnereinheit die wenigstens eine Spannungsquelle derart gesteuert werden, daß die entsprechenden Spannungswerte unterschiedlicher Frequenzen erzeugt werden können. Diese Spannungswerte können anschließend in der weiter oben bereits ausführlich beschriebenen Art und Weise an das Sensorelement angelegt werden.
Wenn die Schaltungsanordnung über entsprechende Umschaltmittel verfügt, können diese Umschaltmittel ebenfalls über die Rechnereinheit beziehungsweise die Steuereinrichtung gesteuert werden. Ebenso können über die Rechnereinheit auch die gemessenen Leitfähigkeitswerte ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
Vorteilhaft kann das Sensorelement aus wenigstens einem gasselektiven Keramikmaterial gebildet sein. Bei der Keramik kann es sich beispielsweise um eine dotierte Halbleiterkeramik handeln. Vorteilhaft kann auf Titandioxid basierendes keramisches Material für das Sensorelement verwendet werden. Titandioxid ist insbesondere zum Nachweis von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Schwefeldioxid-Anteilen und dergleichen in Luft, Abgasen oder dergleichen geeignet. Beispielsweise kann das Keramikmaterial auch auf Zinndioxid-Basis ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine Heizeinrichtung zum Beheizen des wenigstens einen Sensorelements vorgesehen sein. Eine solche Heizeinrichtung ist deshalb von Vorteil, weil der elektrische Widerstand, beziehungsweise die elektrische Leitfähigkeit, des gassensitiven Materials des Sensorelements temperaturabhängig ist. Weiterhin beeinflußt die Temperatur die Empfindlichkeit des Sensorelements. Deshalb muß daß das gassensitive Material zur Lieferung vergleichbarer Ergebnisse stets auf der gleichen Temperatur gehalten werden. Mit Hilfe der Heizeinrichtung werden erforderliche Beheizvorgänge, die zur Konstanthaltung der Sensorelement-Temperatur erforderlich sind, realisiert. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten beziehungsweise Anordnungsvarianten der Heizeinrichtung am oder im Umfeld des Sensorelements beschränkt.
Beispielsweise kann die Heizeinrichtung als Widerstandsheizung ausgebildet sein. Bei einer Widerstandsheizung fließt über einen Draht, beispielsweise einen Platindraht, ein elektrischer Strom, wodurch sich dieser aufgrund seines elektrischen Widerstands erwärmt. Die zur Erwärmung des Drahts erforderliche Heizleistung läßt sich beispielsweise aus dem fließenden Strom und dem Widerstand berechnen.
Vorzugsweise kann wenigstens ein Detektor zur Erfassung der von der Heizeinrichtung verbrauchten Heizleistung vorgesehen sein. Dabei kann der Detektor beispielsweise als eigenständiges Bauelement ausgebildet sein. Genauso ist es auch denkbar, daß die verbrauchte Heizleistung aus anderen Werten, wie beispielsweise vorstehend beschrieben, berechnet wird. In diesem Fall ist kein eigenständiger Detektor erforderlich. Der Detektor kann dann Bestandteil eines Programmittels, Bestandteil der Steuereinrichtung und dergleichen sein.
Über die Kenntnis der verbrauchten Heizleistung wird es möglich, die Einrichtung zum Nachweis von Gasen auch zur Bestimmung der Wärmekapazität des Gasstroms heranzuziehen. Über die Menge der verbrauchten Heizleistung, die dazu benötigt wird, um die Temperatur des Sensorelements aus gassensitivem Material auf der erforderlichen Temperatur zu halten, kann auf die Wärmekapazität des Gasstroms geschlossen werden, da das am Sensorelement vorbeiströmende Gas Wärme mit sich nimmt.
Wenn sich die Gaszusammensetzung des Gasstroms und auch der herrschende Druck nicht ändern, dann ist die Wärmekapazität direkt proportional zum Massenstrom des Gasstroms. In diesem Fall kann über die Wärmekapazität der Massenstrom des am Sensorelement vorbeiströmenden Gastroms ermittelt werden. Wenn sich hingegen die Gaszusammensetzung des Gasstroms sowie dessen Massenstrom nicht ändern, dann ist die Wärmekapazität direkt proportional zum herrschenden Druck. In diesem Fall kann über die Wärmekapazität der Druck ermittelt werden.
Je größer die Wärmekapazität ist, desto mehr Heizleistung wird folglich für die Heizeinrichtung benötigt. Eine Änderung der Heizleistung kann somit Informationen über die Änderung der Wärmekapazität, und damit beispielsweise Informationen über die Änderung des Massenstroms oder des Drucks geben. Hierfür bisher erforderliche spezielle Sensoren können nunmehr entfallen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Nachweis von Gasen in einem Gasgemisch bereitgestellt, bei dem das zu untersuchende Gasgemisch auf wenigstens ein Sensorelement aus einem gasselektiven Material trifft und zum Nachweis eines oder mehrerer Gase die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials gemessen wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Sensorelement mit einer Schaltungsanordnung mit wenigstens einer Spannungsquelle verbunden ist, in der Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugt werden, daß die Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das wenigstens eine Sensorelement angelegt werden daß die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei den angelegten Spannungen mit veränderlicher Frequenz gemessen wird und daß gleichzeitig die elektrische Volumenleitfähigkeit sowie die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf einfache Weise möglich, durch Anlegen von Spannungen mit verschiedenen Frequenzen an das Sensorelement mit ein und demselben Sensorelement unterschiedliche Gase nachweisen zu können. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten sowie der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehend beschriebenen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Einrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und zur Vermeidung von Wiederholungen hiermit verwiesen.
Vorteilhaft können gleichzeitig elektrische Leitfähigkeiten des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei angelegten Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen gemessen werden.
Erfindungsgemäß werden gleichzeitig die elektrische Volumenleitfähigkeit sowie die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen.
In weiterer Ausgestaltung können in der wenigstens einen Spannungsquelle der Schaltungsanordnung Spannungen mit einer veränderlichen Frequenz von größer/gleich 0 Hz erzeugt werden.
Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung eine Gleichspannungsquelle und eine Wechselspannungsquelle, insbesondere eine Wechselspannungsquelle zum Erzeugen von in der Frequenz variierbaren Wechselspannungen aufweisen, wobei gleichzeitig bei einer angelegten Gleichspannung die elektrische Volumenleitfähigkeit und bei einer angelegten Wechselspannung die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen wird.
In weiterer Ausgestaltung kann zur gleichzeitigen Messung von mehr als einer elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements zwischen Spannungen unterschiedlicher Frequenzen umgeschaltet werden, die an das Sensorelement angelegt werden.
Vorteilhaft kann wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, über die die Frequenzen der verschiedenen Spannungen eingestellt werden.
Vorteilhaft kann wenigstens eine, dem wenigstens einen Sensorelement zugeordnete Heizeinrichtung vorgesehen sein, wobei das Sensorelement über die Heizeinrichtung auf einer definierten Betriebstemperatur gehalten wird. Vorteilhaft kann die zum Beheizen des wenigstens einen Sensorelements verbrauchte Heizleistung erfaßt werden, wobei aus dem Heizleistungsverbrauch die Wärmekapazität des Gasstroms berechnet werden kann.
Besonders vorteilhaft kann das wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in beziehungsweise mit einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung durchgeführt werden. Die Einrichtung weist dazu vorteilhaft Mittel zur Durchführung des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Bei diesen Mitteln kann es sich beispielsweise um elektronische Bauteile, Komponenten, Schaltungen, Schaltungsteile, um geeignete Programmittel beziehungsweise Software und dergleichen handeln.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, mit einem von einem Computer lesbaren Programmedium, das, wenn das Programm geladen ist, Programmittel zur Durchführung des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Ein solches Computerprogrammprodukt kann beispielsweise von einer Speichereinheit, aus dem Internet oder dergleichen auf beziehungsweise in einen Computer beziehungsweise die weiter oben beschriebene Rechnereinheit geladen werden. Eine geeignete Speichereinheit kann sich beispielsweise dadurch auszeichnen, daß die Verfahrensschritte des wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in in der Speichereinheit gespeicherten Programmitteln integriert sind. Als Speichereinheit können zum Beispiel herkömmliche Speichermedien dienen, die jedoch durch die Programmittel, beziehungsweise durch die Software, eine besondere Funktionalität verkörpern, durch die sie sich von bekannten Speichermedien in der besonderen Weise der vorliegenden Erfindung unterscheiden.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schaltungsansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Nachweis von Gasen;
2 in schematischer Darstellung ein Sensorelement, das Bestandteil der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Nachweis von Gasen ist; und
3 in schematischer Darstellung ein Brennstoffzellensystem, in dem eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Nachweis von Gasen integriert ist.
In 1 ist eine Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen dargestellt, die zunächst ein Sensorelement 11 aus einem gassensitiven Material aufweist. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um gassensitives Keramikmaterial.
Das Sensorelement 11 ist einem Gasstrom ausgesetzt, in dem sich verschiedene, nachzuweisende Gase befinden. Dabei sollen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Einzelbestandteile des Gasstroms bekannt sein. Mit dem Sensorelement 11 sollen die Zusammensetzungsverhältnisse des Gasstroms bestimmt werden.
Dazu ist das Sensorelement 11 mit einer Schaltungsanordnung 20 verbunden, in der sowohl eine Spannungsquelle 21 zur Erzeugung einer Gleichspannung, als auch eine Spannungsquelle 22 zur Erzeugung einer Wechselspannung vorgesehen ist. Darüber hinaus verfügt die Schaltungsanordnung 20 über Umschaltmittel 23, die im vorliegenden Beispiel als Schalterelement ausgebildet sind. Über das Schalterelement 23 kann zwischen den Spannungsquellen 21 und 22 hin- und hergeschaltet werden, so daß an das Sensorelement 11 entweder eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung angelegt werden kann.
Die Wechselspannungsquelle 22 ist dabei derart ausgebildet, daß über diese Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugt werden können.
Weiterhin verfügt die Einrichtung 10 über eine Steuereinrichtung 30, die wiederum über eine Rechnereinheit 31 sowie eine Speichereinheit 32 verfügt. Die Steuereinrichtung 30 ist sowohl mit dem Schalterelement 23, als auch mit der Wechselspannungsquelle 22 verbunden.
Darüber hinaus ist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 33 vorgesehen, die mit dem Sensorelement 11 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Auswerteeinrichtung 33 Bestandteil der Steuereinrichtung 30. Ebenso kann die Auswerteeinrichtung 33 jedoch auch als separates Bauteil vorgesehen sein.
Die Steuereinrichtung 30 ist schließlich noch mit einer Anzeigeeinrichtung 34 verbunden, bei der es sich beispielsweise um ein Display, einen Bildschirm, einen Drucker oder dergleichen handeln kann.
Zum Nachweis der Verhältnisse der verschiedenen Gaskomponenten im Gasstrom wird von dem an sich bekannten Ansatz ausgegangen, daß sich bei Vorhandensein von Gasen, für welche das Material des Sensorelements 11 sensitiv ist, die frequenzabhängige Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des Sensorelements 11 ändert. Die elektrische Leitfähigkeit des Sensorelements 11 kann gemessen werden, wobei die gemessenen Leitfähigkeitswerte in Konzentrationswerte der Gaskomponente umgerechnet werden können.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen wird es nunmehr möglich, mit ein und demselben Sensorelement 11 verschiedene Gase im Gasstrom nachweisen zu können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß gleichzeitig die Volumenleitfähigkeit des Sensorelements 11 als auch dessen Oberflächenleitfähigkeit gemessen wird. Die Volumenleitfähigkeit wird dabei nach Anlegen einer Gleichspannung, die Oberflächenleitfähigkeit nach Anlegen einer Wechselspannung gemessen. Durch Anlegen einer Wechselspannung wird nämlich der sogenannte Skin-Effekt ausgelöst, der bewirkt, daß sich die Elektronen innerhalb des Sensorelements 11 eher oberflächennah befinden. Je höher die Frequenz der angelegten Wechselspannung ist, desto ausgeprägter ist der Effekt.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen wird dem erfindungsgemäßen Grundgedanken Rechnung getragen, daß sich die Gasselektivität des Sensorelements 11 durch Frequenzvariationen verändert. Das bedeutet, daß die Selektivität des Sensorelements 11 durch Anlegen von Spannungen unterschiedlicher Frequenzen beeinflußt wird. Aus diesem Grund wird es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 nunmehr möglich, daß mit ein und demselben Sensorelement 11 bei mit verschiedenen Frequenzen angelegten Spannungen verschiedene Gase gemessen beziehungsweise nachgewiesen werden können.
Wie dies im einzelnen erfolgen kann, wird nachfolgend näher erläutert.
Welche Spannungsfrequenzen eine Selektivität des Sensorelements 11 für welche Gase erzeugen, kann beispielsweise zunächst in Form von Referenzwerten in der Speichereinheit 32 abgespeichert werden. Auf diese Speichereinheit 32 kann die Rechnereinheit 31 der Steuereinrichtung 30 Zugriff nehmen. Wenn nun bekannt ist, welche Gaskomponenten sich in einem Gasgemisch befinden und folglich die verhältnismäßige Zusammensetzung des Gasgemischs bestimmt werden soll, ruft die Rechnereinheit 31 zunächst die entsprechenden Spannungsfrequenzen für die zu untersuchenden Gaskomponenten aus der Speichereinheit 32 ab. Anschließend können über diese Werte die Umschaltmittel 23 beziehungsweise die Wechselspannungsquelle 22 von der Steuereinrichtung 30 angesteuert werden. Wenn beispielsweise die Volumenleitfähigkeit des Sensorelements 11 gemessen werden soll, wird über die Steuereinrichtung 30 das Schalterelement 23 derart gestellt, daß eine von der Spannungsquelle 21 erzeugte Gleichspannung an das Sensorelement 11 angelegt wird. Wenn eine Wechselspannung an das Sensorelement 11 angelegt werden soll, wird das Schalterelement 23 über die Steuereinrichtung 30 in entsprechender Weise umgestellt. Über die Steuereinrichtung 30 ist es weiterhin möglich, die Spannungsquelle 22 derart zu steuern, daß diese Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugen kann.
Die einzelnen Spannungswerte mit veränderlicher Frequenz werden derart an das Sensorelement 11 angelegt, daß die elektrische Leitfähigkeiten des gassensitiven Materials des Sensorelements 11 gleichzeitig bei verschiedenen angelegten Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen gemessen werden können. Wenn beispielsweise über das Schalterelement 23 zwischen der Gleichspannungsquelle 21 und der Wechselspannungsquelle 22 hin- und hergeschaltet wird, erfolgt dies im Millisekundentakt, so daß auch dieses Umschalten im Lichte der vorliegenden Erfindung auf Grund der Kürze der Zeitabstände noch als gleichzeitig angesehen werden kann.
Die beim Anlegen der entsprechenden Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das Sensorelement 11 in diesem auftretenden elektrischen Leitfähigkeiten werden in an sich bekannter, herkömmlicher Weise am Sensorelement 11 abgegriffen und der Auswerteeinrichtung 33 zugeführt. Dort werden die Meßergebnisse ausgewertet, weiterverarbeitet und beispielsweise in eine darstellbare Form gebracht, so daß die Ergebnisse anschließend über die Anzeigeeinrichtung 34 visualisiert werden können.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen wird eine einfache Möglichkeit geschaffen, über ein aus einem einzigen Material bestehendes Sensorelement 11 verschiedene Gasarten und/oder Gaskonzentrationen in einem Gasstrom messen beziehungsweise nachweisen zu können.
Das Sensorelement 11 kann jedoch nicht nur zum Nachweis von Gasen, sondern auch zur Bestimmung des Volumenstroms des Gasstroms herangezogen werden, wie im Zusammenhang mit der 2 näher beschrieben wird.
In 2 ist wiederum ein aus einem gassensitiven Material bestehendes Sensorelement 11 dargestellt, das auf einer Grundplatte 12 befestigt ist, die beispielsweise aus Al₂O₃ oder dergleichen hergestellt sein kann. Die Befestigung des Sensorelements kann beispielsweise mittels Siebdruck oder dergleichen erfolgen. Damit die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Messung der elektrischen Leitfähigkeiten über das Sensorelement 11 erfolgen kann, ist es erforderlich, daß das Sensorelement 11 stets auf der gleichen Temperatur gehalten wird, da der elektrische Widerstand, beziehungsweise die elektrische Leitfähigkeit, des Sensorelements 11 temperaturabhängig ist. Um zu gewährleisten, daß die über das Sensorelement 11 ermittelten Werte für die elektrische Leitfähigkeit vergleichbar und repräsentativ sind, ist es daher notwendig, daß das Sensorelement 11 auf einer definierten, konstanten Temperatur gehalten wird, die beispielsweise im Bereich von ungefähr 300°C liegen kann.
Für die Beheizung des Sensorelements 11 ist dazu eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel auf der Unterseite der Grundplatte 12 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 13 verfügt über verschiedene elektrische Verbindungen 14, 15, über die diese beispielsweise mit elektrischer Energie versorgt wird und über die beispielsweise die Menge der verbrauchten Heizleistung erfaßt werden kann. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 13 als Widerstandsheizung ausgebildet sein. Bei einer Widerstandsheizung fließt über einen Draht, beispielsweise einen Platindraht, ein elektrischer Strom, wodurch sich dieser aufgrund seines elektrischen Widerstands erwärmt. Die zur Erwärmung des Drahts erforderliche Heizleistung läßt sich beispielsweise aus dem fließenden Strom und dem Widerstand berechnen.
Über den Verbrauch an Heizleistung können nämlich Rückschlüsse auf die Wärmekapazität des Gasstroms gezogen werden. Wenn sich die Gaszusammensetzung des Gasstroms und der herrschende Druck nicht ändern, ist die Wärmekapazität proportional zum Massenstrom 16 des Gasstroms. Somit können über die verbrauchte Heizleistung Rückschlüsse auf den Massenstrom 16 des Gasstroms gezogen werden. Je größer nämlich der Massenstrom 16 ist, desto mehr Heizleistung wird für die Heizeinrichtung 13 benötigt, da der am Sensorelement 11 vorbeiströmende Gasstrom von der Heizeinrichtung 13 erzeugte Wärme mitnimmt. Wenn also der Massenstrom 16 des Gasstroms zunimmt, ändert sich auch die Menge der erforderlichen Heizleistung für die Heizeinrichtung. In einem solchen Fall wird auch die Menge der benötigten Heizleistung zunehmen. Die Änderung der Heizleistung gibt somit Informationen über Änderungen des Massenstroms 16. Dabei kann aus der Menge der verbrauchten Heizleistung innerhalb der Steuereinrichtung 30 (siehe 1) über geeignete Programmittel die Größe des Massenstroms 16 berechnet werden.
Durch die besondere Ausgestaltung des Sensorelements 11 kann somit nunmehr auf einen bisher erforderlichen, separaten Massenstromsensor verzichtet werden. Aus der Wärmekapazität kann bei konstanter Gaszusammensetzung und konstantem Massenstrom 16 beispielsweise auch der herrschende Druck ermittelt werden, so daß in einem solchen Fall beispielsweise auch auf einen separaten Drucksensor verzichtet werden kann.
In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 40 für ein Fahrzeug dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 40 weist eine Vielzahl von Brennstoffzellen 41 auf, die zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßt sind. Der besseren Übersicht halber ist in 3 jedoch nur eine der Brennstoffzellen 41 dargestellt.
Die Brennstoffzelle 41 weist eine Anode 42, eine Kathode 44 sowie eine dazwischen befindliche Membran 43 auf. Die Kathode 44 ist mit einer Oxidationsmittelzuleitung 45 und einer Oxidationsmittelableitung 46 verbunden. Hierüber wird der Brennstoffzelle 41 ein geeignetes Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft entnommen wird, zugeführt beziehungsweise aus dieser abgeführt. Weiterhin ist die Anode 42 der Brennstoffzelle 41 mit einer Brennstoffzuleitung 47 und einer Brennstoffableitung 48 verbunden. Über die Brennstoffzuleitung 47 wird der Brennstoffzelle 41 ein Brennstoff, im vorliegenden Fall aus einem Kohlenwasserstoff reformierter Wasserstoff, zugeführt.
Der Wasserstoff wird in einer Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs, die über die Brennstoffzuleitung 47 mit der Brennstoffzelle 41 verbunden ist, aus einem Kohlenwasserstoff wie Methanol, Benzin, Erdgas oder dergleichen hergestellt. Der Kohlenwasserstoff ist dazu zunächst in einem Kraftstofftank 49 gespeichert, der ebenfalls mit der Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff verbunden ist.
Die Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs weist einen Verdampfer 51, einen Reformer 52, einen Shift-Reaktor 53, und einen Reaktor zur partiellen Oxidation 54 auf. Da sowohl der Reformer 52, als auch der Verdampfer 51 zu ihrem Betrieb Wärme benötigen, sind diese weiterhin mit einer als katalytischer Brenner ausgebildeten Heizeinrichtung verbunden. Über die Heizeinrichtung werden die beiden Reaktorelemente jeweils auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt.
Der in der Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs hergestellte Wasserstoff wird über die Brennstoffzuleitung 47 in die Brennstoffzelle 41 hineingeleitet.
In der Brennstoffzuleitung 47 sowie zwischen Reformer 52, Shift-Reaktor 53 und Reaktor für die partielle Oxidation 54 sind weiterhin Sensorelemente 11 aus gassentitivem Material vorgesehen, die wiederum Bestandteil einer Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen sind, wie sie in den 1 und 2 ausführlich beschrieben ist. Im vorliegenden Beispiel sind insgesamt drei Sensorelemente 11 dargestellt. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Sensorelementen 11 beschränkt. Wichtig ist, daß wenigstens ein Sensorelement 11 vorhanden ist, das dann vorteilhafterweise möglichst nah am Brennstoffzelleneintritt angeordnet ist.
Schließlich ist in der Brennstoffzuleitung 47 noch ein Ventil 55 vorgesehen, über das eine Bypass-Leitung 59 mit der Brennstoffzuleitung 47 verbunden ist. Die Bypass-Leitung 59 ist weiterhin ebenfalls mit der Brennstoffableitung 48 verbunden. Ein weiteres Ventil 56 ist in der Bypass-Leitung 59 angeordnet, das darüber hinaus mit einer in die Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs führenden Rückleitung 60 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 mündet die Rückleitung 60 vor dem Shift-Reaktor 53 in die Einrichtung 50 ein.
Die Ventile 55, 56 können über das wenigstens eine Sensorelement 11 gesteuert werden, was durch gestrichelt dargestellte Steuerleitungen 57, 58 verdeutlicht ist.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 40 beschrieben.
Wenn das Brennstoffzellensystem 40 mit aus einem anderen Energieträger reformiertem Wasserstoff betrieben wird, kann es während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 40 geschehen, daß der aus der Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs austretende Wasserstoff eine zu hohe Konzentration an Kohlenmonoxid aufweist, wodurch, wenn der Wasserstoff in die Brennstoffzelle 41 eintreten würde, diese vergiftet würde. Eine Vergiftung der Brennstoffzelle 41 mit Kohlenmonoxid führt aber zu einem Leistungsabfall der Brennstoffzelle 41 und im schlimmsten Fall zu einer irreversiblen Beschädigung. Aus diesem Grund muß ein Eintritt von Wasserstoff mit zu hohem Kohlenmonoxidgehalt in die Brennstoffzelle 41 verhindert werden.
Dazu sind die Sensorelemente 11 vorgesehen. Wenn die Sensorelemente 11 der Einrichtung 10 zum Nachweis von Gasen in der im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Weise betrieben werden, läßt sich hierüber die im Brennstoffstrom herrschende Konzentration an Kohlenmonoxid nachweisen. Überschreitet die Kohlenmonoxidkonzentration dabei einen zuvor festgelegten Grenzwert, so wird dies vom Sensorelement 11 erfaßt. Auf Grund der Meßergebnisse kann das Ventil 55 entsprechend eingestellt werden, so daß der Wasserstoffstrom nicht in die Brennstoffzelle 41 hinein, sondern über die Bypass-Leitung 59 an dieser vorbeigeleitet wird. Die Einstellung des Ventils 55 wird solange beibehalten, bis der Konzentrationsgehalt des Kohlenmonoxids im Wasserstoff den zugelassenen Grenzwert unterschreitet. Erst dann wird das Ventil 55 wieder umgeschaltet, so daß der Wasserstoff in die Brennstoffzelle 41 hineinströmen kann.
Damit der Wasserstoff während des Zeitraums, in dem er über die Bypass-Leitung 59 an der Brennstoffzelle 41 vorbeigeführt wird, für das Brennstoffzellensystem 40 nicht ungenutzt verloren geht, kann er bei einer entsprechenden Stellung des Ventils 56 aus der Bypassleitung 59 und über die Rückleitung 60 der Einrichtung 50 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erneut zugeführt werden. Dabei kann der Wasserstoff zum einen genutzt werden, um die Brenner für den Reformer 52 und den Verdampfer 51 der Einrichtung 50 zu betreiben. Andererseits kann der Wasserstoff auch erneut in die Einrichtung 50 – vorzugsweise vor dem Shift-Reaktor 53 – eingespeist und in dieser aufbereitet werden. In diesem Fall kann die schädliche Konzentration an Kohlenmonoxid innerhalb des Wasserstoffs beim zweiten Durchlauf der Einrichtung 50 derart abgesenkt werden, daß der Wasserstoff in einem zweiten Umlaufzyklus nunmehr in die Brennstoffzelle 41 eingeleitet werden kann.

10: Einrichtung zum Nachweis von Gasen
11: Sensorelement
12: Grundplatte
13: Heizeinrichtung
14: elektrische Verbindung
15: elektrische Verbindung
16: Massenstrom des Gasstroms
20: Schaltungsanordnung
21: Spannungsquelle (Gleichspannungsquelle)
22: Spannungsquelle (Wechselspannungsquelle)
23: Umschaltmittel (Schalterelement)
30: Steuereinrichtung
31: Rechnereinheit
32: Speichereinheit
33: Auswerteeinrichtung
34: Anzeigeeinrichtung
40: Brennstoffzellensystem
41: Brennstoffzelle
42: Anode
43: Membran
44: Kathode
45: Oxidationsmittelzuleitung
46: Oxidationsmittelableitung
47: Brennstoffzuleitung
48: Brennstoffableitung
49: Kraftstofftank
50: Einrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff
51: Verdampfer
52: Reformer
53: Shift-Reaktor
54: Reaktor zur partiellen Oxidation
55: Ventil
56: Ventil
57: Steuerleitung
58: Steuerleitung
59: Bypass-Leitung
60: Rückleitung

Claims

Einrichtung zum Nachweis von Gasen, mit wenigstens einem Sensorelement (11) aus einem gassensitiven Material und mit Mitteln zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) eine Schaltungsanordnung (20) aufweist, in der wenigstens eine Spannungsquelle (21; 22) zum Erzeugen von Spannungen mit veränderlicher Frequenz vorgesehen ist, daß die Schaltungsanordnung (20) Mittel zum Anlegen der Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das wenigstens eine Sensorelement (11) aufweist und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements (11) bei den angelegten Spannungen mit veränderlicher Frequenz ausgebildet sind, und daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung der elektrischen Volumenleitfähigkeit sowie der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements (11) ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit als Mittel zur gleichzeitigen Messung elektrischer Leitfähigkeiten des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements (11) bei angelegten Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (20) wenigstens eine Spannungsquelle (22) zum Erzeugen von Spannungen mit einer Frequenz von größer/gleich 0 Hz aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (20) eine Gleichspannungsquelle (21) und eine Wechselspannungsquelle (22), insbesondere eine Wechselspannungsquelle zum Erzeugen von in der Frequenz variierbaren Wechselspannungen, aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (20) Mittel (23) zum Umschalten zwischen Spannungen verschiedener Frequenzen aufweist, die an das wenigstens eine Sensorelement angelegt werden oder anlegbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltmittel (23) als wenigstens ein Schalterelement ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Steuereinrichtung (30) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) wenigstens eine Rechnereinheit (31) aufweist und daß in der Rechnereinheit Programmittel zum Durchführen der Erzeugung von Spannungen unterschiedlicher Frequenzen und/oder der Messung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (11) aus wenigstens einem gasselektiven Keramikmaterial gebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Heizeinrichtung (13) zum Beheizen des wenigstens einen Sensorelements (11) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Detektor zur Erfassung der von der Heizeinrichtung (11) verbrauchten Heizleistung vorgesehen ist.
Verfahren zum Nachweis von Gasen in einem Gasgemisch, bei dem das zu untersuchende Gasgemisch auf wenigstens ein Sensorelement aus einem gasselektiven Material trifft und zum Nachweis eines oder mehrerer Gase die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Sensorelement mit einer Schaltungsanordnung mit wenigstens einer Spannungsquelle verbunden ist, in der Spannungen mit veränderlicher Frequenz erzeugt werden, daß die Spannungen mit veränderlicher Frequenz an das wenigstens eine Sensorelement angelegt werden, daß die elektrische Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei den angelegten Spannungen mit veränderlicher Frequenz gemessen wird, und daß gleichzeitig die elektrische Volumenleitfähigkeit sowie die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig elektrische Leitfähigkeiten des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements bei angelegten Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der wenigstens einen Spannungsquelle der Schaltungsanordnung Spannungen mit einer veränderlichen Frequenz von größer/gleich 0 Hz erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Gleichspannungsquelle und eine Wechselspannungsquelle, insbesondere eine Wechselspannungsquelle zum Erzeugen von in der Frequenz variierbaren Wechselspannungen, aufweist, und daß gleichzeitig bei einer angelegten Gleichspannung die elektrische Volumenleitfähigkeit und bei einer angelegten Wechselspannung die elektrische Oberflächenleitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Messung von mehr als einer elektrischen Leitfähigkeit des gassensitiven Materials des wenigstens einen Sensorelements zwischen Spannungen unterschiedlicher Frequenzen umgeschaltet wird, die an das Sensorelement angelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist und daß die Frequenzen der verschiedenen Spannungen über die Steuereinrichtung eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dem wenigstens einen Sensorelement zugeordnete Heizeinrichtung vorgesehen ist und daß das Sensorelement über die Heizeinrichtung auf einer definierten Betriebstemperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Beheizen des wenigstens einen Sensorelements verbrauchte Heizleistung erfaßt wird und daß aus dem Heizleistungsverbrauch die Wärmekapazität des Gasstroms berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es in oder mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit einem von einem Computer lesbaren Programmedium, das, wenn das Programm geladen ist, Programmittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 20 aufweist.