DE3229931C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feststoff-
Sauerstoffsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein
solcher Sauerstoff-Sensor ist z. B. aus der US-PS 39 14 169
bekannt. Bei derartigen Sensoren ist der keramische Elektrolyt
becherförmig und besitzt auf der Innen- wie auf der Außenseite
eine Elektrodenbeschichtung aus einem Edelmetall, insbesondere
aus Platin. Diese Sauerstoff-Sensoren haben
verschiedene Nachteile, die hauptsächlich auf das metallische
Elektrodenmaterial (Pt) zurückzuführen sind, was ihre Verwendungsmöglichkeiten
beträchtlich einschränkt.
Tatsächlich sind die gemessenen Sauerstoff-Partialdrücke
den wirklichen Werten unterlegen, wenn in den zu analysierenden
Gasgemischen Spuren von oxidierbaren Substanzen wie H₂, CO, SO₂
und Kohlenwasserstoffen vorhanden sind.
Beim Messen der Sauerstoffaktivität in CO/CO₂-Gemischen läßt
sich eine gute Präzision bei der Bestimmung des Verhältnisses
der beiden Gase beobachten, aber die Ansprechzeiten sind für
schnelle Veränderungen in der Gasgemischzusammensetzung sehr
hoch.
Wenn SOx (x=2 oder 3) in den zu analysierenden Gasen
vorliegt, sind die Ansprechzeiten sehr hoch.
Viele Metalle können das Elektrodenmaterial (Pt) vergiften,
und die Verwendung des Sauerstoffsensors bei der Überwachung
der Reduzierungsatmosphäre bei einer metallurgischen
Anwendung ist manchmal sehr kritisch oder unmöglich.
Das Elektrodenmaterial (Pt) wird besonders leicht von Pb
vergiftet; aus diesem Grund wird die Verwendung eines
solchen Gerätes für die Überwachung von Abgasemission aus
einer mit Benzin gespeisten Maschine, wobei das Benzin
organometallische Pb-Verbindungen enthält, ausgeschlossen.
Um diese Mängel zu überwinden und einen elektrochemischen
Feststoff-Sauerstoffsensor herzustellen, der in Verbindung
mit einer breiteren Palette von Anwendungsmöglichkeiten
verwendet werden kann, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Sauerstoff-Sensor vorgeschlagen, bei dem das
Elektrodenmaterial nicht-stöchiometrische Oxide enthält.
Solche Materialien sind entweder nicht-stöchiometrische Oxide
wie PrO2-x, TbO2-x oder Gemische dieser Oxide wie TbO2-x+
CeO2-x; PrO2-x+CeO2-x oder Gemische dieser Oxide mit anderen
Oxiden (La1-xSrxCrO₃; LaCrO₃).
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr beispielsweise und
mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die
ein Ausführungsbeispiel des Sensors der vorliegenden Erfindung
im Längsschnitt zeigt.
Der in der Zeichnung dargestellte Behälter 1 ist aus einem
keramischen Material hergestellt, das den festen Elektrolyten
bildet, wobei seine Außenwand mit einem der genannten
Oxide beschichtet ist.
Das innere Bezugsabteil verwendet ein chemisches System,
das entweder aus einem gasförmigen Gemisch (z. B. reinem O₂,
Luft, einem Sauerstoffgasgemisch, CO/CO₂- oder H₂/H₂O-Gemischen)
oder einem Metalloxidgemisch, z. B.: Ni, NiO, Fe-FeO
usw., zum Festlegen eines bekannten Sauerstoff-Partialdrucks
besteht.
Das innere Bezugsabteil benutzt als eine sauerstoffempfindliche
Elektrode entweder ein Edelmetall oder ein Oxid.
Die äußere Elektrode liegt in der zu analysierenden Gasatmosphäre,
und ihr sauerstoffempfindliches Material ist entweder
ein Oxid oder ein Oxidgemisch der obengenannten Art.
Unter Betriebsbedingungen wird zwischen den Elektroden 2
und 3 eine elektromotorische Kraft (EMK) beobachtet, wie
dies schematisch angedeutet ist. Es ist der Wert dieser EMK,
der das Maß der Sauerstoffaktivität gibt.
Das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann industriell
auf den folgenden Gebieten angewendet werden:
- a) Atmosphärenüberwachung bei der Wärmebehandlung von Metallen;
- b) Verbrennungsüberwachung bei Dampferzeugern, Feuerungen und Dampfkesseln;
- c) Überwachung der Abgase aus Verbrennungsmotoren und
- d) Verbesserung der Brennstoffwirtschaftlichkeit und Antipollutionsgerät.
Claims (11)
1. Feststoff-Sauerstoffsensor zum Messen des Sauerstoff-
Partialdrucks, bestehend aus einer elektrolytischen Zelle mit
sauerstoffempfindlichen Elektroden und einem Elektrolyten in
Form einer Feststoffkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest die in der Meßatmosphäre liegende Elektrode nichtstöchiometrische
Oxide enthält.
2. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Oxide sowohl ionische wie
elektronische Leitfähigkeit besitzen.
3. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Elektrode Oxide enthält, die das
potentielle Vergiftungsmetall enthalten, das in der
Meßatmosphäre vorliegt.
4. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Elektrode Mischungen aus
stöchiometrischen und nicht-stöchiometrischen Oxiden
aufweist, die zwei oder mehr Kationen enthalten.
5. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Elektrode Gemische aus nicht-
stöchiometrischen Oxiden enthält.
6. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der keramische Elektrolyt Behälterform
besitzt und an seiner Außenwand, die in der Meßatmosphäre
liegt, mit einer solchen Elektrode beschichtet ist.
7. Feststoff-Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der keramische Elektrolyt Behälterform
besitzt und auf Innen- und Außenseite je mit einer solchen
Elektrode beschichtet ist.
8. Feststoff-Sauerstoffsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Meßatmosphäre
weisende Elektrode aus PrO2-x besteht.
9. Feststoff-Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Meßatmosphäre weisende
Elektrode aus TbO2-x besteht.
10. Feststoff-Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Meßatmosphäre weisende
Elektrode aus PrO2-x+CeO2-x besteht.
11. Feststoff-Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßatmosphäre
abweisende Wand des Elektrolyten mit einer Edelmetallelektrode
beschichtet ist.
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