DE19854394A1 - Sauerstoffgeneratoren auf Metalloxidkeramik-Basis mit Sensor - Google Patents

Abstract

Der Sauerstoffgenerator auf elektrochemischer Basis mit Hochtemperatursauerstoffionenleitender Keramikmembran zur Anreicherung von Sauerstoff aus einem Gas wird mit einem Gassensor gesteuert. Der Gassensor erfaßt direkt oder indirekt Kohlenwasserstoffe in dem Gas. DOLLAR A Vorteilhaft wird ein Kohlendioxidsensor als Gassensor eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft Sauerstoffgeneratoren, ein Verfahren zum Betrieb von Sauer­ stoffgeneratoren und die Verwendung von Sensoren bei Sauerstoffgeneratoren.

US 5,205,990 beschreibt einen Sauerstoffgenerator auf Basis einer elektrochemi­ schen Zelle mit einer sauerstoffionenleitenden Metalloxidkeramik-Membran, die ge­ wöhnlich bei Temperaturen im Bereich von 580 bis 670°C arbeitet. Als Metalloxid­ keramik wird ein Material wie Bi₂O₃ : Nb₂O₅ verwendet. Aus der Metalloxidkeramik wird als wabenförmiger Block, z. B. ein Würfel mit Kanälen von quadratischem Quer­ schnitt, gebildet, wobei die Wände der Kanäle mit porösen Metallschichten als Elek­ troden beschichtet sind. Als Elektrodenmetall wird beispielsweise Platin eingesetzt. Die Kanäle werden beispielsweise schichtweise alternierend als Kathode und Anode geschaltet, so daß über die dazwischenliegenden Membranwände die Spannungs­ differenz anliegt. Die Membranwände haben z. B. eine Dicke von 0,0254 cm. Beim Betrieb des Sauerstoffgenerators, z. B. bei 580°C, gelangt Sauerstoff aus der um­ gebenden Luft in die als Kathode geschalteten Kanäle. An der Kathode wird Sauer­ stoff zu Sauerstoffionen reduziert, Sauerstoffionen wandern durch die Membran und werden an der Anode zu Sauerstoff oxidiert, wodurch reines Sauerstoffgas in den als Anode geschalteten Kanälen gebildet wird. Der Stromverbrauch für die Erzeugung von reinem Sauerstoffgas kann nach dem Coulomb'schen Gesetz berechnet werden. Diese elektrochemischen Hochtemperatur-Sauerstoffgeneratoren werden im folgen­ den als Sauerstoffgenerator bezeichnet.

Es blieb bisher unerkannt, daß organische Gase oder Dämpfe in der Umgebungsluft eine Gefahrenquelle darstellen und zu einer Schädigung des Sauerstoffgenerators führen können. Die hohe Betriebstemperatur und in der Regel katalytisch aktive Elektrodenbeschichtungen führen dazu, daß die organischen Stoffe im Sauerstoffge­ nerator verbrannt werden. Dabei können je nach Konzentration der organischen Stoffe in der Luft hohe Energiemengen freigesetzt werden. Diese Energie kann zur Überhitzung und zur Zerstörung des Sauerstoffgenerators führen oder sogar explo­ sionsartige Reaktionen im Gerät auslösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb von Sauerstoffgeneratoren sicherer zu machen.

Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Sauerstoffgeneratur mit Gassensor, insbe­ sondere Kohlendioxidgassensor, der den Betrieb des Sauerstoffgenerators steuert.

Der Sauerstoffgenerator arbeitet mit einem Betriebsgas. Als Betriebsgas für den Sauerstoffgenerator dient ein sauerstoffhaltiges Gas, im allgemeinen Luft, z. B. Um­ gebungsluft.

Der Gassensor erfaßt direkt oder indirekt gasförmige organische Stoffe, das heißt organische Gase oder Dämpfe, beispielsweise im Betriebsgas des Sauerstoffgene­ rators. Gasförmige organische Stoffe sind in der Regel brennbare Stoffe, beispiels­ weise Dämpfe von organischen Lösemitteln oder Treibstoffen. Gasförmige organi­ sche Stoffe sind insbesondere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzindämpfe), Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol), Ether (z. B. Diethylether, tert.-Butylmethylether, Tetrahydrofuran), Ester (z. B. Essigsäureethylester), Aldehyde (z. B. Formaledehyd), Ketone (z. B. Aceton, Isobutylmethylketon) oder flüchtige aromatische Verbindungen (z. B. Benzol, Toluol, Xylol, Naphthalin, Tetralin).

Kohlenwasserstoffe im engeren Sinne sind lineare oder verzweigte Kohlenwasser­ stoffe und gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Gesättigte Kohlenwas­ serstoffe sind z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, etc.

Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel von Kohlenwasserstoffen als gasförmi­ gen organischen Stoffen erläutert.

Der Gassensor wird vorteilhaft zur Steuerung des Sauerstoffgenerators eingesetzt, die z. B. zu einer vom Kohlenwasserstoffgehalt der Umgebungsluft abhängigen Be­ triebsleistung des Sauerstoffgenerators führt. Das heißt bei Erhöhung der Kohlen­ wasserstoffkonzentration wird der Betrieb des Sauerstoffgenerators gedrosselt oder unterbrochen.

Die Steuerung erfolgt in der Regel mit einer Steuereinheit, die z. B. eine Mikropro­ zessorsteuerung oder Computersteuerung enthält.

Der Gassensor kann Bestandteil einer Grenzwertüberwachungseinheit für Kohlen­ wasserstoffe in der Umgebungs- oder Betriebsluft sein. Bei Erreichen eines vorgege­ benen Kohlenwasserstoff-Grenzwertes wird der Sauerstoffgenerator abgeschaltet. Vorzugsweise wird das Abschalten des Sauerstoffgenerators durch Auslösen eines Alarms begleitet.

Der Gassensor arbeitet direkt durch Messung oder Detektion von Kohlenwasser­ stoffen oder indirekt durch Messen oder Detektion von Abbauprodukten von Kohlen­ wasserstoffen wie Kohlendioxid.

Der Gassensor arbeitet vorzugsweise aufgrund physikalischer Prozesse, die zur Messung genutzt werden. Die Messung kann qualitativ oder quantitativ erfolgen. Die Gassensoren arbeiten kontinuierlich oder diskontinuierlich.

Die Gassensoren werden zur Messung in der Umgebungsluft, z. B. in unmittelbarer Nähe zum Sauerstoffgenerator oder am Eingang eines oder mehrerer (kathodisch geschalteten) Kanäle, im Sauerstoffgenerator in einem oder mehreren (kathodisch geschalteten) Kanälen oder am Ausgang eines oder mehrerer (kathodisch geschal­ teten) Kanäle.

Die Gassensoren können direkt im Gasstrom des Sauerstoffgenerators eingesetzt werden oder mit einer Gaspumpe zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Pro­ benahme kombiniert sein.

Geeignete Gassensoren für brennbare Gase sind beispielsweise Reaktionswär­ me- oder Wärmetönungssensoren, auch als Pellistoren bekannt. Pellistoren werden be­ schrieben in "G. W. Schanz: Sensoren - Fühler der Meßtechnik: e. Handbuch d. Meßwertaufnahme für d. Praktiker, 2. Auflage, Hüthig, Heidelberg 1988; S. 126-129", worauf hiermit Bezug genommen wird. Als Gassensoren für brennbare Gase werden auch Flammenionisationsdetektoren eingesetzt.

Art und Funktion geeigneter Sauerstoffgeneratoren sind in US 5,205,990 beschrie­ ben, worauf hiermit Bezug genommen wird.

Die Überwachung des Kohlenwasserstoffgehaltes der Umgebungs- oder Be­ triebsluft erfolgt besonders vorteilhaft durch Messung von Kohlendioxid. Bei­ spielsweise zeigt der Kohlendioxidgehalt im kathodischen Gasraum (in Gas­ raum eines kathodisch geschalteten Kanals) oder in der stickstoffangerei­ cherten Abluft des Sauerstoffgenerators den Anstieg der Kohlenwasserstoff­ konzentration in der Umgebungs- oder Betriebsluft an. Eine direkte Kontrolle von Kohlenwasserstoffen in der Umgebungs- oder Betriebsluft ist teuer und erfordert einen größeren Geräteaufwand. Kohlendioxidmeßzeilen sind dage­ gen einfach in der Handhabung, z. B. erfordern sie keine Betriebsgase, sind stabil in ihrem Meßverhalten, erlauben eine einfache Meßauswertung und sind preisgünstig.

Kohlendioxidsensoren arbeiten z. B. mittels Infrarotmessung. Solche Infrarot­ sensoren (Hersteller: z. B. Hartmann & Braun, Frankfurt/M.) werden z. B. bei Rauchgasmessungen in Kraftwerken eingesetzt.

Zum Betrieb der Sauerstoffgeneratoren werden sehr vorteilhaft Gassensoren und Gasfilter zur Betriebsgasreinigung kombiniert eingesetzt. Als Gasfilter werden z. B. Molekularsiebe und Aktivkohlefilter verwendet.

Claims (10)

1. Sauerstoffgenerator auf elektrochemischer Basis mit Hochtemperatur­ sauerstoffionenleitender Keramikmembran zur Anreicherung von Sauerstoff aus einem Gas, gesteuert mit einem Gassensor.

2. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor direkt oder indirekt Kohlenwasserstoffe in dem Gas erfaßt.

3. Sauerstoffgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor Kohlendioxid als Indikator oder Maß für Kohlenwasserstoffe in dem Gas erfaßt.

4. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas Luft, sauerstoffabgereicherte Luft oder aus Luft gebil­ detes Gas ist.

5. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gassensor zur Steuerung oder Regelung des Sauerstoffge­ nerators dient.

6. Sauerstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gassensor Teil einer Grenzwertüberwachungseinheit und/oder Alarmeinheit ist.

7. Verfahren zum Betrieb von Sauerstoffgeneratoren zur elektrochemischen Anreicherung oder Gewinnung von Sauerstoff im Hochtemperaturbereich, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Gassensor Kohlenwasserstoffe in einem Gas oder der Umgebungsluft erfaßt und ein elektrisches Signal an eine Steuerein­ heit, Regeleinheit oder Alarmeinheit des Sauerstoffgenerators leitet, wodurch der Betrieb des Sauerstoffgenerators geändert wird.

8. Verwendung eines Gassensors bei Hochtemperatur-Sauerstoffgeneratoren.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassen­ sor direkt oder indirekt Kohlenwasserstoffe in einem Gas erfaßt.

10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlendioxidsensor als Gassensor eingesetzt wird.