DE2341256C3 - Meßzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mcßzelle zur Messung des Saucrstoffparlialdruckes in Gasen, die oxidierbare Komponenten enthalten, mit einer sauerstoffionenleitenden Trennwand, die auf beiden Seiten Elektroden aufweist und außen mit einem porösen und katalytisch unwirksamen Überzug aus hiizcbcständigcm Material versehen ist.

Es sind bereits Meßzellcn bekanntgeworden für die Messung von Sauerstoff in Inertgasen die mittels einer Trennwand, die insbesondere als Tiegel aus dotiertem Zirkonoxid ausgebildet ist, einen Bezugsgasraum (innerhalb des Tiegels) und einen Mcßgasrauin (außerhalb des Tiegels) trennen, wobei die Trennwand auf beiden Seiten mit einer Elektrodcnschicht, insbesondere aus Platin versehen ist (vgl. z. B. BBC-Nachrichten, Band 46 (1964), Seile 479 ff). Bei solchen Meßzellcn ist auch schon das Aufbringen eines porösen, katalytisch unwirksamen Überzugs auf die äußere Schicht beschrieben worden (US-PS 36 45 875).

Derartige Meßzellen sind jedoch nicht für Gase verwendbar, die oxidierbare Komponenten aufweisen, wie z. B. Verbrennungsgase mit Gehalten an Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

Aufgabe der Erfindung ist die Konzeption einer Meßzelle, die bei ökonomischer Herstellbarkeit nicht nur den üblichen Anforderungen an Meßgenauigkeit und Wartungsfreiheit genügt, sondern darüberhinaus bei erhöhter Langzeitslabilitäl keine Empfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gaskomponenten aufzeigt.

Diese Aufgabe ist bei einer Zelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überzug für die oxidierbaren Komponenten im • wesentlichen undurchlässig ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Überzug aus einem oxidischen Mischhalbleiter erwiesen, worunter hier eine gemischte Sauerstoffionen- und Elektronenleitfähigkeit zu verstehen ist. In dieser Gruppe sind insbesondere Mischhalbleiter vom Perovskit-Typ mit Vorteil verwendbar. Von den zahlreichen Perovskit-Typen haben sich u. a. Verbindungen des Typus CaTio,9sMgo,u303-i bewährt, wie sie z. B. in Takahashilwahara Energy Conversion 11 (1971), Seiten 105—111 beschrieben sind.

Grundsätzlich können neben oxidischen Überzügen auch metallische Überzüge infrage kommen, sofern sie die genannten Eigenschaften aufweisen. In jedem Falle sollten diese Überzüge soweit gasdicht sein, daß eine Diffusion der oxidierbaren Gaskomponenten zur Elektrode und damit eine Verfälschung des Ergebnisses vermieden wird.

Im Falle der Verwendung von Platin-Elektroden und ähnlichem Material besteht darüber hinaus der ganz wesentliche Vorteil, daß gasdichte Überzüge, wie sie erfindungsgemäß insbesondere auch mit oxidischen Mischhalbleitern hergestellt werden können, die Verdampfungsverluste des Elektrodenmaterials sehr stark herabsetzen und damit wiederum die Lebensdauer des Elementes in einem ganz entscheidenden Maße verlängern.

Bei Verwendung von Mischhalbleitern der genannten Art kann man darüberhinaus noch den Vorteil wahrnehmen, daß die Meßelektrode im Sinne einer gesondert vorhandenen Metall- insbesondere Platinelektrode entfallen kann, da der erfindungsgemäße Überzug deren Funktion übernehmen kann. Es genügt

dann eine metallische Kontaktierung des Überzuges an geeigneter Stelle, um die Spannung abgreifen zu können.

Die Form üer Meßzelle kann ein offener Tiegel sein, wie z. B. in den BBC-Nachrichten, Band 46 (1964) Seile 480 beschrieben. Es ist auch möglich, die Meßzelle geschlossen, /.. B. als Kapsel aufzubauen, wobei der Innenraum der Kapsel das Bezugsmedium enthält, das in diesem Falle /weckmäßigerweise nicht Gas sondern ein Metall/Metalloxid-Gcmisch mil konstantem Sauersloffpartialdruck ist.

Die Tiegel- bzw. Rohrform eignet sich insbesondere zum Einbau in die Wand von Craeköfen, Brennkesselri u.dgl. Das Bezugsgas wird von der umgebenden Atmosphäre gebildet, der Tiegel ragt fingerarltg in den Meßgasraum des Kessels hinein. Bei dieser Art von Verwendung sind diese Tiegel entsprechend gasdicht einzubauen.

Als weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für die erfindungsgemaße Meßzelle, insbesondere auch in der allseitig geschlossenen gekapselten Form, sei die Überwachung der Funklionsfähigkcit von katalytischer! Nachverbrennungsanlagen genannt, soweit der Sauer stoff stöchiomalisch zudosicrt wird.

Die Anzeige kann im Falle der erfindungsgemäßen Meß/eile in bekannter Weise durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen Meß· und Bezugselektrode erfolgen. Diese Differenz ist gemäß der Nerst'schen Gleichung ein direktes Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases.

Die Überzüge aus oxidischen Mischhalblei lern lassen sich u. a. durch Aufsintern oder Plasmaspritzen leicht herstellen. Geeignete Dicken liegen bei etwa 50 bis 500 μΐη, doch sind andere Dicken in besonderen Anwendungsfallen denkbar. Ein besonderer Vorteil dieser Mischhalbleiter besieht darin, daß sich die Schichtdicke nicht auf die Meßcharakteristik auswirkt.

Das folgende Ausführungsbeispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung.
Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine ticgelförmig ausgebildete Meßzellc. 1 zeigt die Trennwand, die aus einetn Festclektrolyten mit reiner SauefstoffionenleiUing bestehen muß, wofür vorzugsweise dotiertes Zirkondioxid benutzt wird. Die Meß-

Α elektrode ist mit 2, die Bezugselektrode mit 3

I bezeichnet. 4 ist der erfindungsgemäße Oberzug. Der

I Flansch, der Meßgasraum und übrige Atmosphäre

I trennt, ist mit 5 gekennzeichnet. 6 und 7 stellen

" Elektrodenanschlusse dar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Meßzelle zur Messung des Sauerstoffpartialdruekes in Gasen, die oxidierbare Komponenten enthalten, mit einer sauerstoffionenleitenden Trennwand, die auf beiden Seiten Elektroden aufweist und außen mit einem porösen und katalytisch unwirksamen Überzug aus hitzebeständigem Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberzug für die oxidierbaren Komponenten im wesentlichen undurchlässig ist.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem oxidischen Mischhalbleiter besteht.

3. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem Mischha'bleitcrvom Perovskit-Typ besteht.

4. Meßzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine metallische Kontaktierung aufweist.