DE10148855A1 - Sensor zur Ermittlung einer Kohlenmonoxidkonzentration eines Gasgemisches - Google Patents

Sensor zur Ermittlung einer Kohlenmonoxidkonzentration eines Gasgemisches

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Abstract

Es wird ein Sensor (1) zur Ermittlung einer Kohlenmonoxid-Konzentration eines Gasgemisches (2) mit einem zwischen wenigstens zwei elektrochemisch aktiven Elektroden (5, 6), insbesondere katalytisch aktiven Elektroden (5, 6), von denen mindestens eine Elektrode CO sensitiv ist, angeordneten, protonenleitenden Elektrolyt (4), wobei eine Messeinheit (8) zur Messung wenigstens eines ersten elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) an wenigstens einer Elektrode (5, 6) des Sensors (1) vorgesehen ist, vorgeschlagen, mit dem Kalibrierintervalle deutlich vergrößert und Querempfindlichkeiten minimiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Auswerteeinheit (8) zur Auswertung einer zeitlichen Änderung des ersten elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) in Abhängigkeit einer bekannten, zeitlichen Änderung wenigstens eines zweiten Betriebsparameters vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ermittlung einer Kohlenmonoxidkonzentration eines Gasgemisches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Derzeit sind verschiedene Sensortypen zum Nachweis von Kohlenmonoxid gebräuchlich, wie zum Beispiel Schwingquarze, resistive oder farbselektive Sensoren. Darüber hinaus werden bereits als Prototypen sogenannte SPE-Sensoren (Solid- Polymer-Elektrolyt-Sensoren) getestet. Entsprechende SPE-Sensoren weisen im Allgemeinen zwei Elektroden, ein Elektrolyt sowie ein Zellgehäuse auf. Eine dieser Elektroden dient als Kathode, an der ein Stoff elektrochemisch reduziert wird, während die andere entsprechend die Anode darstellt, wobei diese eine zweite Verbindung elektrochemisch oxidiert.
  • Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt beziehungsweise eine Membran, der beziehungsweise die ein elektrischer Isolator ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden, zugleich aber eine Ionen-(Protonen-)Leitung ermöglicht. Das Zellgehäuse dient neben der Abdichtung des Sensors auch zur Stromleitung sowie als Verteilerstruktur für die entsprechenden Gase.
  • Beispielsweise offenbart die Druckschrift EP 911 898 A1 einen SPE-Sensor zur Bestimmung der Kohlenmonoxidkonzentration in Reformatgasen von Brennstoffzelleneinheiten, wobei in Abhängigkeit von der jeweiligen Kohlenmonoxidkonzentration der Oxidationsstrom an der Anode abnimmt. Über eine vorherige Kalibrierung wird dem jeweiligen gemessenen Strom eine Kohlenmonoxidkonzentration zugewiesen.
  • Darüber hinaus sind vergleichbare SPE-Sensoren bekannt, die beispielsweise in Abwesenheit von Wasserstoff direkt die Oxidation von Kohlenmonoxid oder anderen Prozessgasen potentiostatisch ermitteln. Hierbei wird unter anderem ein Festelektrolyt sowie zwei beziehungsweise drei Elektroden, bei Integration einer Referenzelektrode, verwendet.
  • Entsprechende CO-Sensoren werden vor allem als Luftgütesensoren in Innenräumen, zum Beispiel in Flugzeugen, Wohnungen oder dergleichen, sowie zur Ermittlung der CO-Konzentration des wasserstoffhaltigen Anodengases einer Brennstoffzelle verwendet.
  • Derzeit gebräuchliche Brennstoffzellen zeigen Vergiftungserscheinungen des Anodenkatalysators beim Vorhandensein von Kohlenmonoxid im wasserstoffreichen Anodengas. Typische Grenzwerte für Kohlenmonoxid zur Vermeidung dieser Vergiftung liegen hierbei beispielsweise je nach Elektroden-Katalysator bei cirka 10 ppm (Platin- Katalysatoren) bis 100 ppm (Platin-Ruthenium-Katalysatoren).
  • Vor allem bei der Erzeugung des Anodengases aus flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Edukten durch Reformierung entsteht eine nicht unerhebliche Menge an Kohlenmonoxid im Reformat, dessen Konzentration durch Nachreinigung auf die zuvor beschriebenen Grenzwerte abgesenkt werden muss. Eine exakte Überwachung beziehungsweise Regelung des Kohlenmonoxidanteils im Anodengasstrom ist zur störungsfreien Betriebsweise entsprechender Brennstoffzellen mit Hilfe geeigneter CO- Sensoren unerlässlich.
  • Vor allem für die zuvor aufgeführten Anwendungsfälle sind bei bisher gebräuchlichen CO-Sensoren die vergleichsweise kurzen Kalibrierintervalle sowie relativ stark ausgeprägten Querempfindlichkeiten von Nachteil.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Sensor zur Ermittlung einer Kohlenmonoxidkonzentration eines Gasgemisches mit einem zwischen wenigstens zwei elektrochemisch aktiven Elektroden angeordneten, protonenleitenden Elektrolyt, wobei eine der Elektroden Kohlenmonoxid sensitiv ist, vorzuschlagen, mit dem Kalibrierintervalle deutlich vergrößert und Querempfindlichkeiten minimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art, durch gekennzeichnete Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Sensor dadurch aus, dass eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer zeitlichen Änderung des ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors in Abhängigkeit einer bekannten, zeitlichen Änderung wenigstens eines zweiten Betriebsparameters, insbesondere des Sensors und/oder einer die Kohlenmonoxid-Konzentration des Gasgemisches verändernde Vorrichtung, vorgesehen ist.
  • So werden erfindungsgemäß vorzugsweise mittels eines Modells des elektrochemischen Sensorsystems, das heißt, z. B. mittels eines sogenannten elektrotechnischen Ersatzschaltbildes, die entsprechenden elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren, die mit elektrochemischen Prozessen im elektrochemischen Gesamtsystem korrelieren, bestimmbar, so dass vor allem auch der innere Zustand des Sensors ermittelt werden kann. Hiermit wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass Änderungen wie beispielsweise des Elektrolytwiderstandes, der Katalysatorbeziehungsweise Elektrodenaktivität oder des Stofftransports unabhängig voneinander auswertbar sind.
  • Vorteilhafterweise ergeben sich hierbei über ein als sogenanntes Nullpunkt dienendes Kennlinienfeld für die einzelnen Elemente des Ersatzschaltbildes bei Standardbedingungen charakteristische Werte, das bedeutet im Allgemeinen in Abwesenheit von Kohlenmonoxid. Eine Abweichung von diesen Werten kann hierbei verschiedenen Ursachen zugeordnet werden, so dass sowohl eine Identifizierung der Kohlenmonoxidkonzentration des Gasgemisches realisierbar ist als auch in vorteilhafter Weise wie zuvor dargelegt, der innere Zustand des Sensors und somit Alterungseffekte und/oder andersartige Funktionsstörungen des Sensors mittels der Auswerteeinheit gemäß der Erfindung identifiziert werden können. Generell kann eine quantitative Bestimmung des Kohlenmonoxidgehalts bzw. des entsprechenden Betriesparameters über eine vorherige Kalibrierung des Sensors erfolgen.
  • Vorzugsweise wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Reformers beziehungsweise der Kohlenmonoxidquelle zur Ermittlung bzw. Messung der bekannten, zeitlichen Änderung des zweiten Betriebsparameters die Änderung des ersten Betriebsparameters des Sensors ausgewertet. Hierbei wird beispielsweise zwischen Phasen unterschieden, die vergleichsweise viel oder wenig Kohlenmonoxid beziehungsweise wasserstoffhaltiges Reformat oder dergleichen erzeugen. Diese Phasen können gegebenenfalls mittels direkter Messung eines entsprechenden Betriebsparameters der Kohlenmonoxidquelle beziehungsweise des Reformers oder mittels einem entsprechenden Modell gestützt ermittelt werden. Bei Letzterem werden entsprechende Messungen gegebenenfalls durch numerische Berechnungen ergänzt.
  • Grundsätzlich gewährleistet der Kohlenmonoxidsensor gemäß der Erfindung eine deutlich erhöhte Messgenauigkeit, da hierbei die Informationsbreite wesentlich detaillierter ist als bei einer alleinigen Detektion von Sensorstrom oder -spannung gemäß dem Stand der Technik. Vor allem Messungenauigkeiten, die durch eine Veränderung des Sensors, wie zum Beispiel Alterung, Vergiftung oder dergleichen, hervorgerufen werden, sowie die Häufigkeit regelmäßiger Kalibrierintervalle können entscheidend verringert werden. Die Standzeit des Sensors gemäß der Erfindung wird zugleich deutlich verlängert.
  • Gegebenenfalls bei Brennstoffzellenanlagen mit wenigstens einem Reformer zur Erzeugung des Gasgemisches bzw. Reformats, einer oder mehrerer Reinigungsstufen zur Reinigung des Gasgemisches und einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, die insbesondere häufigen Lastwechseln unterliegen, wie beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen oder dergleichen, wird vorteilhafterweise bei einem Lastwechsel ein zweiter Betriebsparameter der Brennstoffzellenanlage, z. B. der sogenannte Lastwiderstand und/oder der Betriebszustand des Reformers oder dergleichen, mittels der Auswerteeinheit überwacht bzw. bestimmt und die Änderung des ersten Betriebsparameters des Sensors vorteilhaft ausgewertet. Hierbei ist der Wert bzw. Verlauf der zeitlichen Änderung des zweiten Betriebsparameters, beispielsweise die Veränderung des Lastwiderstandes, vergleichsweise einfach ermittelbar. Eine entsprechende Änderung ist gegebenenfalls durch ein Betätigen eines Betätigungselementes beispielsweise in Form eines "Gaspedals" bei einem Fahrzeug oder dergleichen realisierbar.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Generator zur Erzeugung einer bekannten, zeitlichen Änderung des zweiten Betriebsparameters, insbesondere des Sensors und/oder der Kohlenmonoxid-Quelle, vorgesehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei allen Betriebszuständen des Sensors, das heißt auch bei statischem Einsatz, die inneren Betriebsparameter des Sensors überprüfbar sind. Hierbei ist in vorteilhafter Weise sowohl eine vergleichsweise geringe und/oder kontinuierliche bzw. lang andauernde als auch vergleichsweise starke und/oder impulsartige Änderung des zweiten Betriebsparameters, insbesondere des Sensors und/oder der Kohlenmonoxid-Quelle, realisierbar.
  • Vorteilhafterweise ist der zweite Betriebsparameter des Sensors und/oder der Kohlenmonoxid-Quelle, ebenfalls ein elektrischer Betriebsparameter, wie beispielsweise der Betriebsspannung, des Betriebsstroms oder dergleichen. Die vorzugsweise durch den Generator hervorgerufene Änderung ist hierbei vergleichsweise gering, so dass der Betrieb des Sensors nicht nachteilig beeinflusst wird. Mit dieser Maßnahme ist in vorteilhafter Weise eine elektrische Überwachung des Gasgemisches bezüglich dessen CO- Konzentration mittels dem erfindungsgemäßen Sensor gewährleistet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Betriebsparameter, insbesondere des Sensors und/oder des Reformers beziehungsweise entsprechender Reinigungsstufen zur CO-Reinigung des Reformatgases einer Brennstoffzelleneinheit, ein nichtelektrischer Betriebsparameter, wie beispielsweise der Druck, die Temperatur, die Feuchtigkeit oder die Zusammensetzung des Gasgemisches und/oder des Reformers beziehungsweise entsprechender Reinigungsstufen zur CO-Reinigung des Reformatgases.
  • Vorzugsweise erfolgt die bekannte, zeitliche Änderung wenigstens des zweiten Betriebsparameters des Sensors und/oder der CO-Quelle zeitlich versetzt zu einer daran anschließenden Messphase des ersten Betriebsparameters des Sensors oder alternativ hierzu gleichzeitig. Letzteres bedeutet, dass die bekannte, zeitliche Änderung eines Betriebsparameters, beispielsweise eine Wechselspannung mit einer bekannten Frequenz, gegebenenfalls auf den entsprechenden Betriebsparameter, beispielsweise die Betriebsspannung, moduliert wird.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zum Vergleich der zeitlichen Änderung des ersten elektrischen Betriebsparameters des Sensors mit einer Soll-Änderung des ersten Betriebsparameters des Sensors ausgebildet. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise eine Diagnose des inneren Betriebszustands des Sensors umsetzbar.
  • Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinheit wenigstens eine elektrische Filtervorrichtung zur Trennung der durch die Änderung des zweiten Betriebsparameters, insbesondere des Sensors und/oder der CO-Quelle, hervorgerufene Änderung des ersten Betriebsparameters des Sensors von Änderungen anderer Betriebsparametern. Bei periodischen Änderungen kann dieser Filter beispielsweise als Lock-in-Verstärker ausgebildet werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die Änderung des ersten Betriebsparameters, die durch die bekannte, zeitliche Änderung des zweiten Betriebsparameters, insbesondere des Sensors hervorgerufen wird, ermittelt werden kann. So ist insbesondere durch die Filtervorrichtung die Unterscheidung zwischen Signal- und Rauschverhalten deutlicher verbessert.
  • Erfindungsgemäß ist zum Beispiel eine Druckoszillation eines Eduktstromes mit einem definierten Frequenzspektrum gegebenenfalls mittels einer Lock-in-Verstärkung aus dem Strom- oder Spannungssignal des Sensors heraus filtrierbar, wobei für die weitere Auswertung vorteilhafterweise ausschließlich die Frequenzen des Messsignals, z. B. der Druckoszillation, verwendet werden.
  • Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinheit eine Aufzeichnungseinheit zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs wenigstens eines Betriebsparameters, so dass beispielsweise mittels eines abgespeicherten Kennlinienfeldes, eines integrierten Expertensystems oder dergleichen eine vorteilhafte Überwachung beziehungsweise Diagnose des Sensors realisierbar ist.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Auswerteeinheit eine Vorrichtung zur externen Darstellung des Betriebszustands des Sensors, beispielsweise zur Visualisierung des Betriebszustandes für den Benutzer oder für das technische Überwachungspersonal. So ist unter anderem die Wartung und Reparatur eines erfindungsgemäßen Sensors in vorteilhafter Weise verbessert, da diese den Verlauf der Betriebsparameter für diesen Verwendungszweck protokollieren bzw. aufzeichnen kann.
  • Gegebenenfalls ist aus dem zeitlichen Verlauf der Betriebsparameter bzw. des Betriebszustands auf mögliche schadhafte oder verschlissene Komponenten des Sensors beziehungsweise den Gaserzeugungskomponenten rückzuschließen, wie zum Beispiel des Reformers beziehungsweise Reinigungsstufen und/oder entsprechende Be- beziehungsweise Entlüftungsvorrichtungen von Innenräumen.
  • Generell wird der Katalysator der Anodenseite beziehungsweise die katalytisch aktive Anode zur Gewährleistung einer störungsfreien Funktionsfähigkeit des Sensors über eine relativ lange Zeit in bestimmten beziehungsweise regelmäßigen Abständen gereinigt. Dies kann insbesondere durch eine kurzfristige Änderung von Sensorstrom oder -spannung erfolgen. In Folge dieser Änderung wird insbesondere Kohlenmonoxid auf dem Katalysator beziehungsweise der Anode oxidiert und vom Katalysator desorbiert, wodurch der Sensor wieder quasi "unvergiftet" vorliegt. Gemäß der Erfindung ist eine Ermittlung des Vergiftungsgrades der Anode und die hierdurch gegebenenfalls notwendige Entgiftung mittels einer entsprechenden Auswerteeinheit möglich.
  • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
  • Im einzelnen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors ohne Auswerteeinheit und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors mit Auswerteeinheit.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Aufbau eines CO-Sensors 1gemäß der Erfindung dargestellt. Der Sensor 1 wird von einem zu untersuchenden Gasgemischstrom 2 sowie einem Betriebsgasstrom 3 durchströmt. Der zu untersuchende Gasgemischstrom 2 durchströmt den Sensor 1 auf der Seite einer katalytisch aktiven Anode 5. Der Betriebsgasstrom 3, insbesondere Sauerstoff- bzw. Luftstrom, durchströmt den Sensor 1 auf der Seite einer Kathode 6.
  • Die Kathode 6 bzw. Anode 5 kann gegebenenfalls als katalytisch aktive Beschichtung einer Membran 4 ausgebildet werden. Generell sind die Elektroden, das heißt die Anode 5 und die Kathode 6, aus jeweils einem elektrochemisch aktiven Material gefertigt, wobei die Anode 5 Kohlenmonoxid sensitiv ist. Hierbei wird das Elektrodenmaterial so Kohlenmonoxid unempfindlich wie möglich ausgewählt, so dass auch bei vergleichsweise geringer Änderung der Kohlenmonoxidmengen bzw. -konzentrationen im Gasgemischstrom 2, diese in der Elektrodenantwort erkennbar wird. Vorzugsweise werden hierbei verschiedenste Metalle bzw. Legierungen, insbesondere Elemente der 8. Nebengruppe wie Platin oder dergleichen verwendet.
  • Der Sensor 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 7, dass neben der Abdichtung des Sensors 1 zugleich zur Stromleitung sowie als Verteilerstruktur für die Gase 2, 3 vorgesehen ist.
  • In Fig. 2 ist ein Sensor 1 mit einem Generator 8 dargestellt. Hierbei durchströmt der Gasgemischstrom 2 sowie der Betriebsgasstrom 3 den Sensor 1, wobei eine protonenleitende Membran 4 zwischen einer Anode 5 sowie einer Kathode 6 angeordnet ist.
  • Der Generator 8 ist sowohl als Frequenzgenerator als auch Frequenzanalysator bzw. als Auswerteeinheit gemäß der Erfindung ausgebildet. Der Generator 8 weist vorzugsweise drei Anschlüsse 9 auf, so dass mittels einem Anschluss eine Referenzmessung des Stromes bzw. der Spannung ermöglicht wird.
  • Generell ist der Generator 8 derart ausgebildet, dass dieser Sinus-, Rechteck- oder vergleichbare Messsignale gegebenenfalls auf das Betriebssignal des Sensors 1 überlagern kann. Darüber hinaus kann der Generator 8 in einer besonderen Variante auch zur sogenannten Fouriertransformation ausgebildet werden.
  • Die Ermittlung der Kohlenmonoxidkonzentration des Gasgemischstromes 2 erfolgt beispielsweise durch Messung des Stromes bzw. der Spannung des Sensors 1. Hierbei wird über eine vorherige Kalibrierung dem jeweiligen gemessenen Strom bzw. der jeweiligen gemessenen Spannung eine bestimmte Kohlenmonoxidkonzentration zugewiesen. Aufgrund der Sensorsignalauswertung gemäß der Erfindung können Querempfindlichkeiten minimiert und Kalibrierintervalle deutlich vergrößert werden.
  • Beispielsweise kann eine Impedanzspektroskopie als erfindungsgemäßes Messverfahren sowohl mittels einer kapazitiven Ankopplung als auch einer induktiven Ankopplung einer Impedanzmessvorrichtung realisiert werden. Es ist bekannt, dass sich die frequenzabhängige Impedanz von SPE- Sensoren 1 über elektrotechnische Ersatzschaltbilder modellieren lässt. Das Ersatzschaltbild besteht aus einem Netzwerk von ohmschen, kapazitiven und induktiven Widerständen sowie weiteren komplexwertigen Widerständen, die beispielsweise den Stofftransport oder die Katalysatordesaktivierung beschreiben. Häufig werden die Werte des Widerstandnetzwerks über Messdaten des Impedanzspektrums angepasst, wobei die hierdurch ermittelten Werte den inneren Betriebszustand des Sensors 1 modellhaft repräsentieren.
  • Erfindungsgemäß wird beispielsweise für mehrere, z. B. zehn verschiedene Frequenzen eine Wechselspannung auf die Spannung des Sensors 1 überlagert bzw. aufgeprägt. Die entsprechende Stromantwort wird mittels einer Strommessvorrichtung bzw. dem Generator 8 aufgezeichnet. Hierbei kann der Messvorgang entweder sequenziell, das heißt nacheinander, oder bei Verwendung eines entsprechenden Filters, beispielsweise eines Lock-in-Verstärkers, durch Überlagerung der Messsignale mit dem Betriebssignal auch gleichzeitig erfolgen.
  • Aus dem Verhältnis der Stromantwort zum Anregungsspannungssignal lässt sich die komplexwertige Impedanz für die gewählten Frequenzen ermitteln. Durch den so gewonnenen Datensatz werden die Werte des Widerstaridnetzwerkes des Sensors 1 berechnet. Anschließend werden diese Werte interpretiert, das heißt, dass in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Sensors 1 sich die Widerstandswerte in eng begrenzten Parameterintervallen befinden und ein Überschreiten der Parametergrenzen auf einen nicht optimalen oder fehlerhaften Betriebszustand des Sensors 1 hinweist, der hierdurch identifiziert werden kann.
  • Gegebenenfalls mit Hilfe einer zu definierenden Maßnahmenmatrix können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Überschreitet beispielsweise der Wert, der im Widerstandsnetzwerk dem ohmschem Elektrolytwiderstand entspricht, einen gewissen Schwellenwert, dann kann dies ein Hinweis auf eine mangelhafte Membranbefeuchtung darstellen. Entsprechend würde gegebenenfalls ein nicht dargestellter Befeuchter die Feuchtigkeit der Eduktströme des Sensors 1 verändern. Ein System, das mit einer entsprechenden Maßnahmenmatrix arbeitet kann auch als sogenanntes "Expertensystem" bezeichnet werden, wobei dies beispielsweise einen Impedanzwertesatz als "gut" definiert und beim Vorliegen einer Überschreitung vorgegebener Werte der Betriebsparameter entsprechende Gegenmaßnahmen veranlasst.
  • Grundsätzlich lässt sich die zeitliche Veränderung eines elektrochemischen Betriebsparameters über eine Fouriertransformation in eine frequenzabhängige Darstellung überführen. Da gleichzeitig auch der Strom bzw. die Spannung des Systems auf die Änderung des elektrochemischen Parameters reagiert, lässt sich über eine zweite Fouriertransformation die Reaktion des Systems in Analogie zu den obigen Ausführungen im Frequenzraum analysieren und bewerten, wodurch die CO-Konzentration des Gasgemisches 2 ermittelt werden kann.
  • Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, das Zeitverhalten des beobachtenden Betriebsparameters direkt in eine funktionale Beschreibung zu überführen und die aus der Anpassung der Werte des Ersatzschaltbildes erhaltenen funktionalen Betriebsparameter als Ausgangspunkt für eine Betriebszustandsanalyse des Sensors 1 zu verwenden. So ist beispielsweise bekannt, dass bei einem potentiostatischen Spannungssprung die Stromantwort in den ersten Millisekunden durch die Änderung der Doppelschichtkapazität des Sensors 1 bestimmt wird. Über längere Zeiten wird das Zeitverhalten durch Diffusionsprozesse bestimmt. Wird zum Beispiel bei einem Spannungssprung in anwachsender Richtung im Zeitbereich von 50 Millisekunden bis 1 Sekunde eine geringe Änderungsrate der Stromstärke festgestellt, dann ist dies ein Hinweis auf einen behinderten Stofftransport, was beispielsweise mit einer Kohlenstoffmonoxid-Belegung korreliert werden kann, im Sensor 1.
  • Erfindungsgemäß kann der Sensor 1 unter verschiedenen Lastzuständen bezüglich seines Zeitverhaltens charakterisiert werden, wobei die so gewonnenen Parametersätze in einer Datenbank abgespeichert werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass während des Betriebs Abweichungen vom Idealzustand über die Beobachtung des Lastwechselverhaltens selektiert werden.
  • Das ermittelte Lastwechselverhalten wird mit den abgespeicherten Werten verglichen. Beispielsweise über einen Vergleich mit bekannten Mustern, das heißt mittels eines sogenannten "Pattern-Matching", oder mittels einer funktionalen Analyse ist feststellbar, ob das ermittelte Verhalten einem ordnungsgemäßen Zustand des Sensors 1 entspricht oder in welche Richtung sich der Betriebszustand vom Soll-Zustand entfernt hat. Diese Vorgehensweise ist besonders bei hochdynamischen Systemen, bei denen Lastwechsel häufig auftreten, wie zum Beispiel bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen in einem Fahrzeug, besonders vorteilhaft.

Claims (8)

1. Sensor (1) zur Ermittlung einer Kohlenmonoxid- Konzentration eines Gasgemisches (2) mit einem zwischen wenigstens zwei elektrochemisch aktiven Elektroden (5, 6), insbesondere katalytisch aktiven Elektroden (5, 6), angeordneten, protonenleitenden Elektrolyt (4), wobei eine der Elektroden (5, 6) Kohlenmonoxid sensitiv ist und eine Messeinheit (8) zur Messung wenigstens eines ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) an wenigstens einer Elektrode (5, 6) des Sensors (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (8) zur Auswertung einer zeitlichen Änderung des ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) in Abhängigkeit einer bekannten, zeitlichen Änderung wenigstens eines zweiten Betriebsparameters vorgesehen ist.
2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (8) zur Erzeugung einer bekannten, zeitlichen Änderung des zweiten Betriebsparameters vorgesehen ist.
3. Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsparameter ein nichtelektrischer Betriebsparameter ist.
4. Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsparameter ebenfalls ein elektrischer Betriebsparameter ist.
5. Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) zum Vergleich der zeitlichen Änderung des ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) mit einer Soll-Änderung des ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) ausgebildet ist.
6. Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) wenigstens eine elektrische Filtervorrichtung (8) zur Trennung der durch die Änderung des zweiten Betriebsparameters hervorgerufene Änderung des ersten, elektrischen Betriebsparameters des Sensors (1) von Änderungen anderer Betriebsparameter umfasst.
7. Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) eine Aufzeichnungseinheit zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs wenigstens eines Betriebsparameters umfasst.
8. Brennstoffzellenanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Sensor (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche vorgesehen ist.
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