DE102014214413A1

DE102014214413A1 - Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Verbesserung der Langzeitstabilität des Gassensors

Info

Publication number: DE102014214413A1
Application number: DE102014214413.2A
Authority: DE
Inventors: Sabine Fischer; Maximilian Fleischer; Erhard Magori; Ralf Moos; Roland Pohle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-28
Also published as: EP3152561A1; WO2016012336A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Detektion von Stickoxiden in einem Gasgemisch mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gassensors mit wenigstens zwei auf einem Sauerstoffionenleiter angeordneten Elektroden aus dem gleichen Material, wobei bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten. Anschließend erfolgt ein Polarisieren der Elektroden derart, dass eine Spannung von einer ersten Spannung zu einer zweiten Spannung verändert wird. Die Depolarisation der Elektroden in Gegenwart des Gasgemischs wird aufgezeichnet. Anschließend werden die Elektroden derart kurzgeschlossen, dass nach dem Kurzschließen die erste Spannung an den Elektroden anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Verbesserung der Langzeitstabilität des Gassensors.
Steigenden Anforderungen bezüglich der Emission von Abgasen und der Effizienz beim Betrieb von Kraftwerken, Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen und Motoren aller Art lassen sich unter anderem damit begegnen, dass die Zusammensetzung von Gasen in den jeweiligen Anlagen im laufenden Betrieb bestimmt und für einen verbesserten Betrieb ausgewertet wird. Darauf resultiert ein Bedarf an Sensoren zur Bestimmung von Komponenten eines Gasgemisches. Ein Beispiel hierfür ist die ständig steigende Zahl an Kraftfahrzeugen, für die gleichzeitig immer strengere Abgasvorschriften einzuhalten sind, um die durch Verbrennungsabgase hervorgerufenen Schäden an Umwelt und Gesundheit zu begrenzen. Neben schädlichen Abgaskomponenten, wie Schwefeloxiden und Kohlendioxid rückt dabei immer mehr die Gruppe der Stickoxide, kurz NOx genannt, in den Vordergrund. Um die Stickoxidemission zu verringern, wird technisch und finanziell enormer Aufwand betrieben. Beispiele hierfür sind die Abgasrückführung und die selektive katalytische Reduktion. Zur Überwachung der Funktion dieser Verfahren und zur Senkung der Betriebskosten ist eine laufende Überwachung der NOx-Konzentration im Abgas des Fahrzeugs notwendig.
Speziell bei Kraftfahrzeuganwendungen ist in bestimmten Ländern vorgeschrieben, dass die Funktionsfähigkeit der Abgasnachbehandlung im Fahrzeug selbst diagnostiziert wird. Der Automobilhersteller muss sicherstellen, dass ein zufällig ausgewähltes Fahrzeug auch noch nach langer Laufzeit die Emissionsvorschriften einhält. Vor allem für Diesel-Fahrzeuge ist die Überwachung von NOx-Speicherkatalysatoren und SCR(selektive katalytische Reduktion)-Katalysatoren zur Verringerung der NOx-Emission eine Aufgabe, an der intensiv gearbeitet wird.
Bekannte Sensoren für die Messung von NOx sind optische oder chemolumineszenzbasierte Systeme. Neben dem hohen Preis besitzen diese Systeme den Nachteil, dass eine extraktive Messung notwendig ist, d.h. eine Gasentnahme nötig ist. Für viele Anwendungen ist dies mit hohem Aufwand verbunden.
Bekannte Sensoren, die diese Nachteile überwinden, basieren auf Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) und ähneln im Aufbau der herkömmlichen Lambdasonde. Es kommen dabei Elektroden gleichen Materials zum Einsatz, beispielsweise aus Platin. Beim klassischen Funktionsprinzip dieses Sensors wird in einem Zweikammersystem eine gleichzeitige Messung von Sauerstoff und NOx durchgeführt. Nachteilig sind bei diesem typischen Sensorprinizip aber immer ein komplexer Aufbau des Sensors und damit ein hoher Preis. Eine zweite, neuere Möglichkeit für ein Funktionsprinzip des Gassensors wird in der deutschen Patentanmeldung 10 2013 222 195.9 offenbart. Dieser Gassensor umfasst ein sauerstoffionenleitendes Material und wenigstens zwei auf dem ionenleitenden Material angeordnete Elektroden. Die Elektroden bestehen bei diesem Gassensor aus dem gleichen Material. Der Gassensor ist weiterhin derart gestaltet, dass bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten. Es ist also in diesem Fall nicht nötig, dass der Gassensor ein Zweikammersystem aufweist. Dies vereinfacht den Aufbau des Gassensors stark. Die Messung dieser Gassensoren basiert auf einer Polarisationsmethode, bei der mittels Spannungspulsen und einer anschließenden Depolarisation die NOx-Konzentration gemessen wird. Nachteiligerweise zeigen diese Sensoren bei längerem Einsatz eine Veränderung sowohl des Polarisationsstromes als auch der Entladekurven. Diese Veränderung hat eine merkliche Degradation des Sensorsignals zur Folge.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet und die Langzeitstabilität des Gassensors verbessert.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Detektion von Stickoxiden in einem Gasgemisch umfasst mehrere Schritte. Es erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines Gassensors mit wenigstens zwei auf einem Sauerstoffionenleiter angeordneten Elektroden aus dem gleichen Material, wobei bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten. Die Elektroden werden derart polarisiert, dass eine Spannung von einer ersten Spannung zu einer zweiten Spannung hin verändert wird. Die Depolarisation der Elektroden in Gegenwart des Gasgemischs wird aufgezeichnet. Anschließend erfolgt ein Kurzschließen der Elektroden derart, dass nach dem Kurzschließen die erste Spannung an den Elektroden anliegt.
Vorteilhafterweise verhindert das Kurzschließen der Elektroden des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass aufgrund der beschleunigten Depolarisation der Elektroden in NO-haltiger Atmosphäre die Spannung nach der Depolarisation in Abhängigkeit der NO-Konzentration unterschiedlich ist. Diese unterschiedlichen Spannungsdifferenzen zwischen der ersten und zweiten Spannung summieren sich ohne das Kurzschließen der Elektroden nachteilig auf, so dass das Sensorsignal bei Langzeitmessungen degradiert. Diese Degradation des Sensorsignals wird vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermindert. Insbesondere beträgt die erste Spannung nach einem Kurzschließen nahe 0V.
In einer Ausgestaltung der Erfindung dauert das Kurzschließen weniger als 20 ms. Die Polarisation dauert typischerweise von 100 ms bis 1 s und die Depolarisation von 1 s–3 s. Vorteilhafterweise verlängert das Kurzschließen die Analysezeit des Gassensors somit kaum.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wiederholt sich das Verfahren zyklisch mit wechselseitiger Polarität.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wiederholt sich das Verfahren zyklisch mit gleicher Polarität. Vorteilhaft ist dann eine erste der zwei Elektroden eine Messelektrode und eine zweite der zwei Elektroden eine Polarisationselektrode. Vorteilhaft lässt sich in diesem Fall Material einsparen, da die zweite Elektrode lediglich zur Polarisation dient und somit deutlich kleiner ausgeführt werden kann. Die erste Elektrode kann als Messelektrode vorteilhaft hinsichtlich Funktionalität, Design und geeigneter Platzierung optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Polarisieren der Elektroden mit einer zeitlich konstanten Spannung. Alternativ kann das Polarisieren auch mit einer zeitlich Variablen Spannung erfolgen.
Die Erfindung soll nun anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen die Figuren exemplarisch:
1 einen Gassensor zum Betrieb mit dem Kurzschluss-Verfahren;
2 ein Verfahren zum Betrieb des Gassensors mit Kurzschluss und wechselseitiger Polarisation;
3 ein Verfahren zum Betrieb des Gassensors mit Kurzschluss und einseitiger Polarisation.
1 zeigt stark schematisiert einen Gassensor 10. Dieser umfasst einen Block 11 aus Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) als Sauerstoffionenleiter. Auf einer ersten Seite dieses Blocks 11 ist eine erste Platin-Elektrode 12 angeordnet, während auf einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüber liegt, eine zweite Platin-Elektrode 13 aufgebracht ist. Die Platin-Elektroden 12, 13 sind elektrisch mit einer Einrichtung 14 zur Erzeugung und Messung von Spannung US verbunden. In 1 nicht dargestellt sind Mittel, mit denen der erste Gassensor 10 in einen mit dem zu vermessenden Gasgemisch gefüllten Raum eingebracht werden kann, beispielsweise einen Flansch zum Einschrauben in eine entsprechend ausgestaltete Öffnung. Diese Mittel und der Gassensor 10 sind so gestaltet, dass nach Anbringen des Gassensors 10 sowohl die erste als auch die zweite Platin-Elektrode 12, 13 direkt mit dem Gasgemisch in Kontakt stehen. Eine Berührung des Blocks 11 mit beispielsweise der Umgebungsluft hingegen wird dabei zweckmäßig vermieden.
Im Betrieb des Gassensors 10 wird abwechselnd mittels der Einrichtung 14 eine Spannung US zwischen den Platin-Elektroden 12, 13 angelegt und der Spannungsverlauf vermessen. Der Gassensor in diesem Beispiel wird bei einer Temperatur von 350°C betrieben.
Ein beispielhafter Verlauf der Spannung US mit dem Einsatz eines Kurzschlusses ist in 2 dargestellt. 2 zeigt den Spannungsverlauf einer typischen NO-Messung des Gassensors aufgetragen über die Zeit der Messung. Im ersten Messzyklus 1 werden die Elektroden des Gassensors für einen Zeitraum t₀ von einer ersten Spannung U_M auf eine zweite Spannung +U₀ gebracht. +U₀ beträgt in diesem Beispiel 1 V, U_M typischerweise nahezu 0V. Die Zeit t₀ beträgt typischerweise zwischen 100 ms und 1 s. In diesem Beispiel beträgt t0 = 0,4 s. Anschließend erfolgt die Depolarisation der Elektroden im NOhaltigen Gasgemisch. Typischerweise wird als Messwert die Spannung U* nach einer Zeit t* aufgezeichnet. T* beträgt typischerweise 1 s. Nach der Zeit t₁ erfolgt der Kurzschluss für eine Zeitdauer t₂. Die Zeit t₁ beträgt typischerweise zwischen 1 und 3 s. Der Kurzschluss selber, also t₂, dauert in diesem Beispiel lediglich 10 ms. Nach diesem Kurzschluss beträgt die Spannung wieder U_M. Danach beginnt der zweite Messzyklus 2, wobei nun die Spannung von U_M auf –U₀ gebracht wird. Die Polarisation dauert wiederum t₀ = 0,4 s. Es schließt sich wiederum die Depolarisation für eine Zeit t₁ und der Kurzschluss für die Zeit t₂ an.
2 zeigt ein alternatives Aneinanderreihen der Messzyklen mit nur einseitiger Polarisation. Der erste Messzyklus 1 erfolgt analog zum in 1 dargestellten ersten Messzyklus 1. Als zweiter Messzyklus 2 schließt sich dann aber ein Messzyklus an, bei dem wiederum die Polarisation von einer Spannung von U_M auf +U₀ erfolgt. Dies ist vorteilhaft dadurch möglich, dass die Spannung U_M durch den Kurzschluss wieder erreicht wurde und keine Restspannung nach der Zeit t₁ mehr vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013222195 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Gassensors zur Detektion von Stickoxiden in einem Gasgemisch mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Gassensors mit wenigstens zwei auf einem Sauerstoffionenleiter angeordneten Elektroden aus dem gleichen Material, wobei bei einem Betrieb des Gassensors beide Elektroden mit dem Gasgemisch in Kontakt treten, – Polarisieren der Elektroden derart, dass eine Spannung von einer ersten Spannung zu einer zweite Spannung verändert wird, – Aufzeichnen der Depolarisation der Elektroden in Gegenwart des Gasgemischs, – Kurzschließen der Elektroden derart, dass nach dem Kurzschließen die erste Spannung an den Elektroden anliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kurzschließen weniger als 20 ms dauert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren sich zyklisch mit wechselseitiger Polarität wiederholt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren sich zyklisch mit gleicher Polarität wiederholt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine erste der zwei Elektroden eine Messelektrode und eine zweite der zwei Elektroden eine Polarisationselektrode ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polarisieren der Elektroden mit einer zeitlich konstanten Spannung erfolgt.