具有燃料电池的气体分析仪制造技术

本发明专利技术涉及一种气体分析仪和操作气体分析仪的方法，尤其是在大气压力下工作以检测危险物质的移动式离子迁移谱仪或移动式质谱仪。本发明专利技术使用燃料电池来产生气体分析仪的工作电功率，并且利用燃料电池的废热来调节气体分析仪的模块的温度。

【技术实现步骤摘要】
具有燃料电池的气体分析仪
本专利技术涉及一种气体分析仪，尤其是针对移动应用的气体分析仪，该气体分析仪具有用于产生工作电能的燃料电池。
技术介绍
离子迁移谱仪(IMS)和质谱仪(MS)(在本文中也被统称为气体分析仪)在民用和军用领域中用于检测表面上或环境空气中的危险或违禁的目标物质。在此气体分析仪中使用的离子迁移率分析仪和质量分析仪可以与气相色谱装置或其他分析仪(例如红外光谱仪)耦合。对于上述应用而言，离子迁移谱仪通常在环境压力下工作，其独有特点为设计简单紧凑，这意味着它们可以大量使用并且可以作为移动式检测装置使用。在离子迁移谱仪中，通常通过化学电离(大气压力化学电离，APCI)将待检测物质(目标物质)以及干扰物质和背景物质离子化。然后，电场使离子在漂浮气体中移动，其中，根据离子迁移率或取决于离子迁移率的场强度来分离离子，并且在离子检测器中检测离子。与之不同，在质谱仪(例如2D或3D保罗离子阱或四极过滤器)中，待检测物质的离子转移到真空中，并且在此根据离子的质荷比对离子进行分析。随着恐怖主义威胁日益增多，爆炸物和化学战剂的检测不仅在军用领域中变得非常重要而且对于国土安全领域(民防领域)同样重要。一方面，我们的任务在于防止爆炸物和化学战剂的非法进口以及这些危险物品对诸如飞机或船舶等交通工具的攻击。另一方面，国土安全也日益扩展到公共建筑物和家用交通工具。除由爆炸物质和化学战剂造成的威胁以外，我们的任务还在于检测跨国境走私的毒品。这特别地导致机场、港口和边境管制站对检测装置的需求日益大量增加，非法或危险的目标物质以行李物品和工业容器的形式被运送到这些地点。更多的民用用途在于监测工业用地和建筑物是否有泄漏的化学污染物以及使用消防设施来检测交通事故、船舶碰撞或火灾中是否存在有害化学品。检测运输容器(例如机场的箱包、港口的货运集装箱或车辆抽查期间的车辆)中的毒品和爆炸物是特殊的挑战。由于现在的爆炸物和毒品具有非常低的蒸汽压力并经常密封在运输容器中的事实，所以对这些物质的检测也会受到阻碍。在大多数情况下，这意味着只有在取得大量样本以及样本中富含目标物质的情况下才能够在环境空气中进行直接检测。然而，当目标物质被封装起来时，极小痕量的物质都会污染行李物品的表面、运输容器以及对物质进行封装的人员的衣服和皮肤。目标物质本身作为物质表面上或附着于物质表面的任何颗粒上的冷凝蒸汽而存在，但是它们演变(转变)的蒸汽压力过低以至于无法在环境空气中进行直接检测。由于蒸汽压力低，所以通常用取样器(例如，由纸或涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物制成)擦拭待检查表面，这样从该表面抹掉冷凝目标物质和带有目标物质的任何颗粒，并使目标物质和颗粒附着到取样器上。将带有目标物质的取样器转移到气体分析仪的解吸装置，并且在解吸装置中加热取样器以使目标物质达到足以进行检测的蒸汽压力。还可以将受热的探针直接按压到待检查表面上，并且将在这一过程中释放的蒸汽送入气体分析仪。因解吸或适当的蒸汽压力而以气相形式存在的物质(目标物质以及干扰物质和背景物质)可能在气体分析仪的内部冷凝并且影响后续测量。使吸附效应和记忆(复原)效应降至最低的简单却有效的方式是加热与物质接触的所有表面。对于这种操作而言，优选将具有此类表面的模块加热至高于环境温度的温度。工作温度为50摄氏度(℃)～200摄氏度(℃)。例如，通常将用于检测爆炸物的质谱仪的入口区加热到120℃～200℃，并且离子迁移谱仪的相应模块在50℃～100℃的温度下工作。凭借多个气体分析仪，以气相形式存在的物质首先经由渗透隔膜进入气体分析仪的内部，包含物质的样本气体从外部冲刷隔膜。使用由诸如硅酮橡胶等有机聚合物制成的隔膜的优点在于：大部分的待检测有机物质比干扰物或水更好地透过隔膜，特别是在使用离子迁移谱仪时，减少了不利的水分进入。经验表明：隔膜入口需要加热才能将隔膜材料中的延迟效应和记忆效应降至最低。在通向离子源的气体通道中和离子源本身中也会发生延迟效应和记忆效应，因此具有直接进气口而不是隔膜入口的气体分析仪也会受到影响。此外，通常需要保护所使用的气体分析仪以免灰尘、雨水和其他异物进入。由金属丝布或多孔材料制成的滤尘器通常用于这一用途。这些材料具有较大的与气体接触的表面，因此挥发性较低的物质被吸附在此处或者冷凝至相当大程度，尤其在低环境温度下更是如此。能够加热气体分析仪中的模块的进一步原因在于使模块保持在恒定的工作温度以便将与温度相关的参数变量(例如入口隔膜的渗透率)减至最少。恒定的工作温度需要在加热和冷却之间进行切换的手段，这就要求配备技术复杂性极高的设备，或者恒定的工作温度需要模块必须在高于最高环境温度的温度下持久地工作因而要持久地受热。在可能的情况下，通过将静止的气体分析仪连接至固定电源来给气体分析仪提供电能。针对移动应用的气体分析仪由电化学电池(一次性电池或可充电电池)提供电力，特别是由诸如锂锰电池或锂离子电池等具有高能量密度的电化学电池提供电力。对在高于环境温度的温度下工作的模块进行电加热，因此在这种情况下用于供给电力的电化学电池构成移动式气体分析仪的相当大比例的体积和重量。功率达几十瓦(W)的更小燃料电池(FC)的技术发展要先进得多，这些燃料电池在移动计算机和通信设备中使用。这些种类的燃料电池还可以用于移动式气体分析仪。公开文献US2004/0120857Al(专利技术人为Smith等)披露了一种由传感器组成的网络，传感器检测不同位置的目标物质并将测量数据发送到控制单元。例如，上述传感器可以是质谱仪和离子迁移谱仪，并且传感器的能量供给来自于电化学电池或燃料电池。为了在小型移动装置中使用，必须提及直接甲醇燃料电池(DMFC)，其具有超过商用电化学电池的能量密度几倍的能量密度。直接甲醇燃料电池在60℃～130℃的工作温度下工作，并且具有达40％的效率。除DMFC以外，还有其他类型的燃料电池。含有熔融盐电解质的燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，MCFC)在约650℃的工作温度下与氢气、甲烷或煤气一起工作，其效率为48％。对于玩具和科学套件而言，在市面上可获得在55℃的工作温度下与作为燃料的镁一起工作的镁空气燃料电池(MAFC)，其效率达90％。为了与氢气和氧气(亦即空气中的氧气)一起工作，特别地提出了聚合物电解质燃料电池，这种电池也称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其具有聚合物膜，工作效率为35％～60％，工作温度为90℃～120℃。磷酸燃料电池(PAFC，效率38％，工作温度200℃)同样具有聚合物膜并与氢气和空气一起工作，但是不需要纯净气体。碱性燃料电池(AFC，效率超过60％，工作温度<80℃)同样与氢气和空气一起工作，但是空气中不得含有任何CO2。固体氧化物燃料电池(SOFC)利用碳和氧气工作，工作温度为800℃～1000℃，效率为47％。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种气体分析仪，该气体分析仪在没有固定电源时或在移动应用中能够尽可能长时间工作并且同时具有紧凑尺寸。本专利技术所提供的气体分析仪具有燃料电池和在高于环境温度的温度下工作的至少一个模块，其中，燃料电池与至少一个模块热耦合，并且燃料电池的废热显著地有助于加热至少一个模块。在根据本专利技术的气体分析仪中，优选由燃料电池的废热提供大于一个或多个模块所需加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体分析仪，所述气体分析仪具有燃料电池和在高于环境温度的温度下工作的至少一个模块，其中，所述燃料电池与所述至少一个模块热耦合，并且所述燃料电池的废热用于加热所述至少一个模块。

【技术特征摘要】
2015.01.15 EP 15151254.81.一种气体分析仪，所述气体分析仪具有用于产生所述气体分析仪的工作电功率的燃料电池和在高于环境温度的温度下工作的至少一个模块，其中，所述燃料电池与所述至少一个模块热耦合，并且所述燃料电池的废热用于加热所述至少一个模块。2.根据权利要求1所述的气体分析仪，其中，大于所述模块所需加热功率的20％的功率由所述燃料电池的废热提供。3.根据权利要求1所述的气体分析仪，其中，所述模块是入口系统隔膜、解吸装置、过滤器、离子源和/或离子分析仪。4.根据权利要求1所述的气体分析仪，其中，所述模块的工作温度为40℃～250℃。5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体分析仪，其中，所述燃料电池经由热管或液体循环系统与所述模块热耦合。6.根据权利要求1至4中任一项所述的气体分析仪，其中，所述气体分析仪具有与所述燃料电池和所述模块热耦合的珀尔帖元件。7.根据权利要求1所述的气体分析仪，其中，所述气体分析仪具有用于调节所述燃料电池和所述模块之间的热耦合的装置。8.根据权利要求7所述的气体分析仪，其中，所述用于调节热耦合的装置切换或连续改变所述燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：于尔根·兰德格拉夫，
申请(专利权)人：布鲁克道尔顿有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE