[发明专利]测量装置

说明书

技术领域

燃料电池是使用含碳气体燃料的装置的示例。燃料电池是提供有用于产生电能的反应物的电化学装置。

背景技术

图2示出了一种燃料电池，该燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及在该阳极侧100与该阴极侧102之间的电解质104。馈送至燃料电池装置的反应物经历其中作为放热反应的结果而生成电能和水的过程。在固体氧化物燃料电池(SOFC：solidoxide fuel cell)中，馈送至阴极侧的氧106接收来自阴极的电子，也就是说，氧被还原成负氧离子，该负氧离子通过电解质行进至阳极，并在该阳极处与所使用的燃料108化合，生成水和二氧化碳。该阳极与该阴极之间是外部电路117，电子e-通过该外部电路117被传送至该阴极。该外部电路117包括负载110。

诸如甲烷和含高碳化合物的气体的天然气通常被用作SOFC中的燃料，然而，必须在馈送至燃料电池之前对这些气体进行预处理，以防止形成有害碳化合物，例如，焦炭、飞尘(fly dust)、焦油、碳酸盐和碳化物的化合物。这些不同形式的碳在这种情形下可以被统称为有害碳化合物。碳氢化合物在形成有害碳化合物时经热分解或催化分解。所生成的化合物可以粘附到燃料电池装置的表面，并且吸附在(adsorb on)诸如镍粒子的催化剂上。在焦化(coking)时生成的有害碳化合物覆盖燃料电池装置的一些活性表面，因而使燃料电池过程的反应性显著下降。这些有害碳化合物甚至可能完全阻塞燃料通道。

因此，防止形成有害碳化合物对于确保燃料电池的长使用寿命而言很重要。防止形成有害碳化合物还节省了催化剂，即，在燃料电池中用于加速化学反应的物质(镍、铂等)。气体预处理需要提供给燃料电池装置的水。在使氧离子与燃料(即，阳极上的气体)化合时生成的水还可以用于该气体的预处理。

气体预处理的目的是从燃料电池的输入(inlet)气体中去除比CH化合物更高级的碳氢化合物，因为碳氢化合物CxHyX(其中，x和y是数字值，并且x＞1)可以通过高温分解或裂化来反应成碳或碳化物部分。

在现有技术的气体预处理中，为了成功地防止形成有害碳化合物，必须以足够的正确度获知通过反馈装置(arrangement)中的阳极再循环的气体的组成。在该预处理中，气体可以为气态形式和/或液态形式。尤其是，必须控制氧/碳(O/C)比，并且在某种程度上还必须控制氢/碳(H/C)比，以避免针对碳形成的最危险的反应环境。

现有技术的问题在于气体的预处理需要使用诸如气相色谱仪的复杂且昂贵的在线测量装置，以确定要再循环的气体的成分，以能够确保按照对于该处理合适的方式来执行气体的预处理。

诸如碳素溶解损失反应(Boudouard-reaction)(2CO＝C+CO2)和裂化反应(例如，C2H4+3Ni＝Ni3C+CH4)的碳的形成反应在反应由于诸如压力、温度、电压或电流的典型过程特征而变得显著之前具有从几秒钟到几分钟的典型时间间隔。

有害碳化合物的形成反应不可逆或者仅部分可逆。因而，燃料电池装置需要保养(service)操作或者甚至需要新的燃料电池组(stack)，以在太多的碳的形成反应以后替换有缺陷的燃料电池组。

发明内容

本发明的目的是实现一种测量装置，该测量装置能够足够早地检测并监视使用含碳燃料的装置中的有害碳化合物的形成。在一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的测量装置中实现本发明的目的。该测量装置包括：至少两个电极，所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，并且所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；用于在所述至少两个电极之间激发电势的电路；用于在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值(yieldvalue)时检测该电流的装置，该屈服值是所激发的电势的特征；以及控制装置，其用于在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。

本发明的目的还在于一种用于检测使用含碳燃料的装置中的固体形式的碳和固体碳化合物的方法。该方法包括以下步骤：设置至少两个电极，使得所述至少两个电极之间具有基本接近的距离，燃料被设置为在所述至少两个电极之间流动，所述至少两个电极中的至少一个电极主要包括用于碳和/或碳化合物的形成的活性材料；在所述至少两个电极之间激发电势；在所述至少两个电极之间存在电流并且碳和/或碳化合物的量达到该电流的屈服值时检测该电流，该屈服值是所激发的电势的特征；以及在需要时根据所述至少两个电极之间的所检测的电流来调节所述使用含碳燃料的装置的操作。