CZ2001750A3

CZ2001750A3 - Elektrochemické čidlo plynu a způsob určení plynových komponent

Info

Publication number: CZ2001750A3
Application number: CZ2001750A
Authority: CZ
Inventors: Roland Stahl; Thomas Brinz; Sabine Thiemann-Handler
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2001-08-15
Also published as: EP1110079A1; DE19930636A1; JP4532046B2; JP2003503734A; WO2001002845A1; EP1110079B1; US6495027B1; DE50015719D1; CZ302189B6

Description

Elektrochemické čidlo plynu a způsob určení plynových komponent Oblast techniky

Vynález se týká elektrochemického čidla plynu pro určení koncentrace plynových komponent ve směsích plynů, zejména NO_Xv odpadních plynech spalovacích motorů, s čerpacím článkem a se dvěma dalšími elektrochemickými články, přičemž čerpací Článek ovlivňuje transport kyslíku do prvního prostoru měření plynu respektive z něho a přičemž se získá měřicí signál alespoň jednoho z obou dalších elektrochemických článků pro určení koncentrace plynové komponenty, a dále způsobu pro určení plynových komponent ve směsích plynů prostřednictvím elektrochemického čidla plynu.

Dosavadní stav techniky

Z EP 678 740 AI je znám druh čidla plynu pro určení koncentrace NO_X ve směsi plynů, u něhož jsou za sebou uspořádány dva prostory měření plynu s čerpacími Články ve vrstvě planárního, kyslíkový ion vodícího, keramického nosiče. Měřený plyn proudí přes první difuzní otvor do prvního prostoru měření plynu, ve kterém je uspořádána první vnitřní čerpací elektroda. Vnější čerpací elektroda je umístěna přímo v prostoru odpadního plynu. První vnitřní čerpací elektroda a vnější čerpací elektroda tvoří první čerpací článek. Prostřednictvím prvního čerpacího Článku se v prvním prostoru měření plynu načerpáváním a vyčerpáváním kyslíku nastaví předem určený kyslíkový parciální tlak. Koncentrační článek (Nernstův článek) má měřicí elektrodu a referenční elektrodu spojenou vzduchovou atmosférou, přičemž měřicí elektroda je uspořádána v prvním prostoru měření plynu. Pro nastavení konstantního kyslíkového parciálního tlaku v prvním prostoru měření plynu se ··· • φφ · φ φφφ φ ·

Π · · · Φ ♦ Φ φφφ · * φ φ · · φ φ φ φ φφφφ φφ ·« φφφ φφ nareguluje elektrické napětí (elektromotorická sila) koncentračního Článku prostřednictvím čerpacího napětí prvního čerpacího Článku na konstantní hodnotu. První a druhý prostor měření plynu je spojen spojovacím kanálem, který představuje další difuzní otvor, přičemž přes spojovací kanál difunduje atmosféra nastavená na konstantní kyslíkový parciální tlak do druhého prostoru měření plynu. V druhém prostoru měření plynu je uspořádána další vnitřní Čerpací elektroda, která spolupůsobí s referenční elektrodou uspořádanou v kanálu referenčního vzduchu, a tvoří druhý čerpací Článek. Další vnitřní čerpací elektroda je provedena z materiálu, například rhodia, který realizuje rozklad NO na N₂ a O₂. Redukovaný kyslík vznikající na další vnitřní čerpací elektrodě se v iontové formě čerpá přes přiložené čerpací napětí k referenční elektrodě a tam vypouští do atmosféry. Poněvadž atmosféra v prvním prostoru měření plynu se udržuje na konstantním kyslíkovém parciálním tlaku, je čerpací proud pro odčerpání redukovaného kyslíku z druhého prostoru měření plynu proporcionální ke koncentraci NO_X,

Konstrukce tělesa čidla je relativně komplikovaná a přesnost měření je závislá na mnoha faktorech, jako například na přesném nastavení teploty měření a kyslíkovém parciálním tlaku.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje elektrochemické čidlo plynu pro určení koncentrace plynových komponent ve směsích plynů, zejména NO_X v odpadních plynech spalovacích motorů, s čerpacím článkem a se dvěma dalšími elektrochemickými články, přičemž čerpací článek ovlivňuje transport kyslíku do prvního prostoru měření plynu respektive z něho a přičemž se získá měřící signál alespoň jednoho z obou dalších elektrochemických článků pro určení koncentrace plynové komponenty podle vynálezu, jehož podstatou je, že oba další elektrochemické články jsou měřicími Články proudu,

plynových komponent.

Uvedený úkol dále splňuje způsob pro určení plynových komponent ve směsích plynů prostřednictvím elektrochemického čidla plynu podle vynálezu, jehož podstatou je, že oba další elektrochemické články se provozují jako měřicí články proudu a že jeden z obou dalších měřicích článků slouží pro měření koncentrace kyslíku směsi plynů a druhý z obou dalších měřicích Článků proudu pro měření součtu z koncentrace kyslíku a koncentrace měřené plynové komponenty ve směsi plynů.

Výše uvedené čidlo plynu podle vynálezu a způsob pro určení plynových komponent ve směsích plynů prostřednictvím tohoto čidla mají tu výhodu, že na základě stavby čidla a použitého způsobu měření se získá koncentrace měřených komponent plynu velmi jednoduše a přesto dostatečně přesně. Čidlo plynu podle vynálezu sestává v podstatě z prvního čerpacího článku a dvou dalších měřicích článků, pracujících taktéž na principu měření proudu. Poněvadž oba měřicí články proudu se provozují podle stejného měřicího principu, sestává zvláštní výhoda vynálezu v tom, že se s vysokou přesnosti získá měřicí signál, proporcionální koncentraci určité komponenty plynu, prostřednictvím jednoduchého vytvoření diference čerpacích proudů obou měřicích článků proudu.

Opatření uvedená ve vedlejších nárocích umožňují další výhodné úpravy a vylepšení tělesa čidla uvedeného v hlavním nároku. Tak například prostorově těsné uspořádání obou elektrochemických měřicích článků umožňuje jednoduché a teplotně kompenzované • *♦ ·

měření. Dále se může společná vnější čerpací elektroda měřících článků uspořádat v přímém kontaktu s okolním vzduchem, k tomu je ale nutná integrace kanálu referenčního vzduchu do systému vrstev tělesa čidla. Měření založené na určování čerpacích proudů ale také umožňuje uspořádat vnější čerpací elektrody v prostoru měření plynu a tím se zříci kanálu referenčního vzduchu. To podstatně zjednoduší stavbu tělesa čidla a představuje velkou úsporu nákladů.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na obrázku a blíže vysvětlen v následujícím popisu. Dále znázorňují :

obr, 1 příčný řez velkou plochou tělesa čidla podle vynálezu, obr. 2 podélný řez tělesem Čidla podle čáry II-II v obr. 1, obr. 3 podélný řez tělesem čidla podle čáry III-III v obr. 1 a obr. 4 podélný řez tělesem čidla podle dalšího příkladu provedení.

Příklady provedení vynálezu

Obrázky 1,2 a 3 znázorňují principiální konstrukci první formy provedení předkládaného vynálezu. Číslem 10 je označeno planární těleso čidla elektrochemického čidla plynu, které má například několik, kyslíkové ionty vodících, vrstev 11a, 11b. 11c, lid. Ile a 1 lf pevného elektrolytu . Vrstvy 11 a - 1 lf pevného elektrolytu se provedou jako keramické fólie a tvoří planární keramické tělo. Integrovaná forma planárního keramického těla tělesa 10 čidla se vyrobí známým způsobem slaminováním keramických fólií potištěných funkčními vrstvami a připojených aglomerátů laminované struktury. Každá z vrstev 11a- 1 lf pevného elektrolytu je provedena z materiálu pevného elektrolytu vodícího kyslíkové ionty, jako například ze stabilizovaného ZrCh.

*	·»	•	•		* ·
	• *	•	•	•	·
• ·		• ·	• f·	• ·	•

Těleso 10 čidla obsahuje první prostor 13 měření plynu a dva další prostory 15 a 17 měření plynu, přičemž všechny tři prostory měření plynu jsou vytvořeny v té samé vrstvě. Oba další prostory měření plynu 15, 17 leží například rovnoběžně vedle sebe a rozprostírají se od prvního prostoru 13 měření plynu ve formě kanálu. Nezávisle na prostorech 13, 15 a 17 měření plynu je například v další vrstvě uspořádán kanál 19 referenčního vzduchu, který na jednom konci vychází z planárního těla tělesa 10 čidla a je spojen s atmosférou.

Těleso 10 čidla má dále otvor 21 vstupu plynu, který vede měřený plyn do prvního prostoru 13 měření plynu. Otvor 21 vstupu plynu je například uspořádán ve stejné vrstvě jako prostory 13, 15 a 17 měření plynu. Na vstupu do prvního prostoru 13 měření plynu je za otvorem 21 vstupu plynu ve směru difúze měřeného plynu první difuzní bariéra 23 vytvořená například z porézního keramického materiálu. Mezi prostory 13 a 15 měření plynu jakož i mezi prostory 13 a 17 měření plynu se nalézá ve směru difúze měřeného plynu vždy po jedné další difuzní bariéře 25 a 27.

V prvním prostoru 13 měřeni plynu je uspořádána první vnitřní elektroda 28. Na vnější, měřenému plynu bezprostředně přivrácené straně vrstvy 11a pevného elektrolytu se nachází vnější elektroda 29., která může být pokryta neznázorněnou porézní ochrannou vrstvou. Ve druhém a třetím prostoru 15 a 17 měření plynu se nachází další vnitřní elektrody 3 1 a 33. Jim příslušná společná vnější elektroda 35 se nachází v kanálu 19 referenčního vzduchu.

Aby se zajistilo, že na elektrodách v prostorech 13 a 15 měření plynu nedojde k rozkladu plynových komponent, jsou elektrody 28 a 31 tam umístěné například ze slitiny zlata a platiny. V prostoru 17 měření plynu se naproti tomu jako elektrody 33 použije materiál, který může například způsobit katalytický rozklad NO_X v kyslíku a dusíku. Pro to se hodí například rhodium nebo slitina platiny a rhodia. Vnější elektrody 29, 35 sestávají z katalyticky aktivního materiálu, například z platiny. Materiál pro všechny elektrody se přitom používá známým způsobem jako cermet, aby seslinoval s keramickými fóliemi.

Do keramického základního těla tělesa 10 čidla je dále mezi dvě zde neznázorněné elektrické izolační vrstvy uložen odporový ohřívač 39. Odporový ohřívač slouží pro ohřátí tělesa 10 čidla na nezbytnou provozní teplotu. Přitom je na všech prostorově úzce sousedících elektrodách 28. 29, 31. 33 a 35 k dispozici v podstatě stejná teplota.

Způsob provozu jako Čidlo NO_X

Při použití tělesa 10 čidla jako čidla NO_X se provozují vnější elektroda 29 a první vnitřní elektroda 28 jako čerpací elektrody prvního čerpacího článku. Na těchto elektrodách se vytváří čerpací proud, prostřednictvím kterého se v prvním prostoru 13 měření plynu nastaví přičerpáváním nebo odčerpáváním kyslíku konstantní kyslíkový parciální tlak (například 1000 ppm). Měřená atmosféra v prostoru 13 měření plynu, nastavená na konstantní kyslíkový parciální tlak, se nyní dostane přes difuzni bariéry 25 a 27 do prostorů 15 a 17 měření plynu. V druhém prostoru 15 měření plynu se nachází druhá vnitřní elektroda 31, která se provozuje společně s referenční elektrodou 35 jako druhý Čerpací článek. Tento čerpací článek slouží pro kontrolu kyslíkového parciálního tlaku nastaveného v prostoru 13 měření plynu. Přitom se čerpací napětí přiložené na elektrodách 28 a 29 reguluje tak, že na druhém čerpacím článku vystupuje konstantní čerpací proud. Při slabém měřeném plynu (lambda > 1) se prvním čerpacím článkem kyslík z prvního prostoru

-- v · « * « · · · • ♦· · · ··· · » ······ · · · · « '«·»*» · · · · ···· *· «« ··· ♦· ··· měření plynu vyčerpává, při silném měřeném plynu (lambda < 1) se naproti tomu kyslík do prvního prostoru měření plynu Čerpá. Volbou odpovídajícího kyslíkového parciálního tlaku respektive materiálu elektrod se zajistí, že se na elektrodách 28 a 31 neodčerpá žádný kyslík vzniklý při katalytickém rozkladu NO_X.

V prostoru 17 měření plynuje uspořádána třetí vnitřní elektroda 33, která se spolu s referenční elektrodou 35 rovněž provozuje jako čerpací článek. Přitom třetí vnitřní elektroda působí na základě katalytického materiálu jako elektroda NO_X senzitivní, na které se NOx rozkládá se podle reakce NO_X —> Vi N2 + x/2 O2. Čerpací proud který při tom vzniká představuje míru pro součet kyslíku volného a odčerpaného katatalytickým rozkladem NO_X. Vytvořením jednoduché diference hraničních proudů měřitelných v prostorech 15 a 17 měření plynu na čerpacích článcích se získá měřicí signál proporcionální koncentraci NO_X.

Kdyby se u výše popsaného Čidla plynu vyskytly vyrovnávací proudy mezi vnějšími elektrodami 29, 35. musely by se odpovídající vrstvy pevného elektrolytu elektricky přerušit zapracováním odpovídajících izolujících mezivrstev. V tomto případě se mohou vnitřní elektrody 28. 3 1 a 33 sloučit do jedné průběžné elektrody, to znamená provozovat prostřednictvím jednoho společného připojovacího kontaktu.

Další forma provedení vynálezu sestává v tom, že vnější elektroda 35 není uspořádána v kanálu 19 referenčního vzduchu, jak je to znázorněno na obrázcích 2 a 3, nýbrž přímo na vrstvě pevného elektrolytu 11 a tělesa Čidla podle obr. 4, takže elektroda 35 je rovněž vystavena měřenému plynu. Tím se ušetří zapracování kanálu 19 referenčního vzduchu do systému vrstev a stavba tělesa čidla se podstatně zjednoduší.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrochemické čidlo plynu pro určení koncentrace plynových komponent ve směsích plynů, zejména NO_X v odpadních plynech spalovacích motorů, s čerpacím článkem a se dvěma dalšími elektrochemickými články, přičemž čerpací Článek ovlivňuje transport kyslíku do prvního prostoru měření plynu respektive z něho a přičemž se získá měřicí signál alespoň jednoho z obou dalších elektrochemických článků pro určení koncentrace plynové komponenty, vyznačující se tím, že oba další elektrochemické články jsou měřicími články proudu, přičemž jeden z obou měřicích Článků čerpá jen volný kyslík a druhý měřicí článek volný kyslík jakož i kyslík vznikající z rozkladu plynových komponent.
2. Čidlo plynu podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba měřicí články proudu jsou vzdáleně uspořádány v jedné vrstvě tělesa (10) čidla v podstatě stejnou difuzní vzdáleností od prvního prostoru (13) měření plynu a že každému měřicímu článku proudu je přiřazen další prostor (15, 17) měření plynu.
3. Čidlo plynu podle nároku 2, vyznačující se tím, že další prostory (15, 17) měření plynu jsou uspořádány v jedné vrstvě rovnoběžně vedle sebe.

v
4. Čidlo plynu podle nároku 2, vyznačující se tím, že první prostor (13) měření plynu je spojen s oběma dalšími prostory (15, 17) měření plynu alespoň jednou difuzní bariérou (25, 27), kterou difunduje směs plynů z prvního prostoru (13) měření plynu do obou dalších prostorů (15, 17) měření plynu.
5. Čidlo plynu podle nároku 4, vyznačující se tím, že první prostor (13) měření plynu je spojen s vnější atmosférou měření plynu

4 4 4 ’ - * ·

4 4· · ·444

Q · · · 4 4· ^444 4 4 ·444

4444 44 44 444 44>44 alespoň jednou difuzní bariérou (23), kterou difunduje směs plynů atmosféry měřeného plynu do prvního prostoru (13) měření plynu.
6. Čidlo plynu podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba další měřicí články proudu mají vnitřní a vnější čerpací elektrody (31, 33, 35) uspořádané na pevném elektrolytu, a že vnitřní čerpací elektrody (31, 33) jsou uspořádány v příslušném prostoru (15,17) měření plynu.
7. Čidlo plynu podle nároku 6, vyznačující se tím, Že vnější čerpací elektroda (35) dalších měřicích Článků (15, 17) proudu je prostřednictvím kanálu (19) referenčního vzduchu v přímém kontaktu se vzduchovou atmosférou.
8. Čidlo plynu podle nároku 6, vyznačující se tím, že vnější Čerpací elektroda (35) dalších měřicích článků (15, 17) proudu je v přímém kontaktu s atmosférou měřeného plynu.
9. Čidlo plynu podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba další měřicí Články proudu jsou prostorově uspořádány tak, že v obou jsou srovnatelné teplotní podmínky.
10. Způsob určení plynových komponent ve směsích plynů prostřednictvím elektrochemického čidla plynu podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že oba další elektrochemické články se provozují jako měřicí články proudu a že jeden z obou dalších měřicích článků slouží pro měření koncentrace kyslíku směsi plynů a druhý z obou dalších měřicích článků proudu pro měření součtu z koncentrace kyslíku a koncentrace měřené plynové komponenty ve směsi plynů.

• ·· ♦ · ·♦·

1Λ ······ · · ^1V · · · ♦ · ···♦ ·· ·· ··· ·♦·
11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že měřicí signál se vytvoří diferencí signálů obou dalších měřicích článků proudu.
12. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že oba další měřicí články proudu získají mezní proud jako měřicí signál.