DE2934637A1 - MANUFACTURING METHOD FOR AN ACTIVATED OXYGEN PROBE - Google Patents
MANUFACTURING METHOD FOR AN ACTIVATED OXYGEN PROBEInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für einen aktivierten Sauerstoffmeßfühler.The invention relates to a manufacturing method for an activated Oxygen sensor.
Wie in unserer früheren Anmeldung erläutert wurde, dienen Sauerstoffmeßfühler mit als Trockenfüllung ausgeführten Sauerstoffmeßfühlerelementen zur Messung des Sauerstoffgehaltes eines Kraftfahrzeugauspuffgases zum Zwecke der Regelung des Wirkungsgrades des Motors durch die Überwachung oder Steuerung des Mischungsverhältnisses von Luft zu Brennstoff. Diese im allgemeinen fingerhutförmigen Meßfühlerelemente besitzen auf der Innenseite des Fingerhutes eine innere leitende Katalysatorelektrode sowie an der Außenseite des Fingerhutes eine äußere leitende Katalysatorelektrode, die zu einer Überwachungs- und Betätigungseinrichtung zusammengeschaltet sind, um das Luft-Brennstoffmischungsverhältnis nachzustellen. As explained in our earlier application, oxygen sensors are used with dry-filled oxygen sensor elements for measuring the oxygen content of a motor vehicle exhaust gas for the purpose of regulating the efficiency of the engine by monitoring or controlling the mixing ratio from air to fuel. These generally thimble-shaped sensor elements have on the inside of the thimble an inner conductive catalyst electrode and an outer conductive catalyst electrode on the outside of the thimble, which are interconnected to form a monitoring and actuation device to adjust the air-fuel mixture ratio.
Nach unserer früheren Anmeldung wurde die Innenelektrode mit einer anorganischen Säure oder einem sauren Salz in Berührung gebracht, was eine chemische Behandlung der Innenelektrode bewirkte und eine erhöhte positive Ausgangsspannung des Meßfühlerelementes ergab und auch den Innenwiderstand des Trockenfüllungsmeßfühlerelementes herabsetzte; beide Merkmale waren für die Arbeitsweise des Meßfühlers vorteilhaft. Wie ferner in dieser Anmeldung erläutert wurde, wurden die erwähnten Eigenschaften noch weiter dadurch verbessert, daß chemisch aktivierte Meßfühlerelemente auch einem Gleichstrom ausgesetzt wurden, wobei die äußere Katalysatorelektrode bei hoher Temperatur und in Anwesenheit eines Reduktionsgases als Kathode wirkte, und außerdem wurde die Ansprechzeit für das Umstellen der Meßwerte für ein fettes auf ein mageres Gasgemisch verkürzt.According to our earlier registration, the inner electrode was provided with a inorganic acid or an acid salt brought into contact, which caused a chemical treatment of the inner electrode and a increased the positive output voltage of the sensing element and also decreased the internal resistance of the dry fill sensing element; both features were beneficial to the operation of the probe. As further explained in this application, were the properties mentioned are further improved by the fact that Chemically activated sensor elements were also exposed to a direct current, with the outer catalyst electrode at high Temperature and in the presence of a reducing gas acted as the cathode, and also the response time for switching the Measured values for a rich to a lean gas mixture shortened.
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Bei der Verwendung der kombinierten chemischen und Stromaktivierungsbehandlung war jedoch die Notwendigkeit für die Anwesenheit eines Reduktionsgases während der Stromaktivierung an der Außenelektrode gegeben sowie auch die Notwendigkeit für eine Erholungsperiode, in welcher der Meßfühler auf der hohen Temperatur gehalten wurde, um in der Trockenfüllung einen stabilen Zustand zu schaffen.When using the combined chemical and current activation treatment however, there was a need for the presence of a reducing gas during current activation on the outer electrode as well as the need for a recovery period in which the probe was held at the high temperature to create a stable state in the dry filling.
Nach den neuesten Erkenntnissen braucht nur ein nichtoxidierendes Gas anwesend zu sein, wenn die Stromaktivierung des Meßfühlers mit der chemischen Aktivierung kombiniert wird, wobei die Stromaktivierung durch Anlegen eines Gleichstroms am Meßfühler durchgeführt wird, und die Außenelektrode als Anode wirkt; außerdem bedarf es keiner Erholungsperiode mehr, wenn der Strom nur während kurzfristiger Periode angelegt wird.According to the latest findings, a non-oxidizing gas only needs to be present when the current activation of the sensor is activated the chemical activation is combined, the current activation being carried out by applying a direct current to the sensor is, and the outer electrode acts as an anode; In addition, there is no longer any need for a recovery period if the electricity is only available for short periods Period is created.
Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für ein aktiviertes Sauerstoffmeßfühlerelement, das bei fetten Mischungsverhältnissen eine erhöhte Ausgangsspannung abgibt, eine kürzere Umstell- oder Umschaltansprechzeit sowie einen verringerten Innenwiderstand aufweist, das ferner eine Trockenfüllung wie Zirkondioxid mit einer leitenden Innenkatalysatorelektrode an der Innenfläche und einer leitenden Außenkatalysatorelektrode an der Außenfläche umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Innenkatalysatorelektrode mit einer anorganischen Säure oder einem sauren Salz in Berührung gebracht wird und daß ein Gleichstrom an das Meßfühlerelement angelegt wird, wobei die Außenelektrode als Anode arbeitet, ferner dadurch, daß der Strom angelegt wird, solange sich die Außenelektrode in Anwesenheit von einer nichtoxidierenden Atmosphäre und auf einer Temperatur von über 450 C befindet, und schließlich da-The invention relates to a manufacturing method for an activated Oxygen sensor element, which gives an increased output voltage with rich mixing ratios, a shorter changeover or Switching response time and a reduced internal resistance, which also has a dry filling such as zirconium dioxide with a conductive inner catalyst electrode on the inner surface and a conductive outer catalyst electrode on the outer surface, thereby characterized in that the conductive inner catalyst electrode is in contact with an inorganic acid or an acidic salt is brought and that a direct current is applied to the sensor element, the outer electrode working as an anode, further in that the current is applied as long as the outer electrode is in the presence of a non-oxidizing atmosphere and is at a temperature of over 450 C, and finally that
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5 mA/cm de ebenen Oberfläche der leitenden Außenkatalysatorelektrode beträgt.5 mA / cm of the flat surface of the conductive outer catalyst electrode.
durch, daß die Dichte des angelegten Stroms mindestens 5 mA/cm derby that the density of the applied current is at least 5 mA / cm of the
Erfindungsgemäß hergestellte Gasmeßfühlerelemente zur Verbesserung ihrer Eigenschaften besitzen im allgemeinen die Form eines geschlossenen röhrenförmigen fingerhutähnlichen Körpers, der aus einem Festkörperelektrolyten oder einer Trockenfüllung wie stabilisiertem Zirkondioxid gebildet ist. Diese allgemeine Form der Trockenfüllung sowie der verwendete Festkörperelektrolyt sind allgemein bekannt. Die Fingerhutform des Meßfühlerelements mit einem Ansatz an seinem offenen Ende ist im US-Patent 3 978 006 und anderen Veröffentlichungen dargestellt, die sich auch mit den verschiedenen Trockenfüllungsstoffen befassen, die zur Ausformung solcher Meßfühlerelemente dienen. Die bevorzugte Zusammensetzung zur Ausbildung der Trockenfüllung ist ein Gemisch aus Zirkondioxid und stabilisierenden Stoffen wie Ätzkalk oder Yttriumoxid.Gas sensor elements manufactured according to the invention for improvement their properties are generally in the form of a closed tubular thimble-like body made from a solid electrolyte or a dry fill such as stabilized Zirconia is formed. This general form of dry fill as well as the solid electrolyte used are general known. The thimble shape of the sensor element with a Approach at its open end is shown in U.S. Patent 3,978,006 and others Publications shown that also deal with the various dry fillers that are used to form such Serve sensor elements. The preferred composition for forming the dry filling is a mixture of zirconium dioxide and stabilizing substances such as quick lime or yttrium oxide.
Auf die Innenfläche der Trockenfüllung ist eine Innenelektrode aus einem leitenden Katalysatorstoff aufgebracht, beispielsweise durch Bestreichen der Oberfläche mit einer Platinpaste mit oder ohne Glasfritte oder einem anderen hochtemperaturfesten Kleber. Dieser pastöse Belag bedeckt im allgemeinen die Innenfläche der geschlossenen Anschlußseite und erstreckt sich bis zum Ansatz der Trockenfüllung oder des Elektrolytkörpers. Dieses Gemisch wird dann bei einer Temperatur von 600-10OO C oder höher für eine genügende Zeitspanne gebrannt, um die Platinpaste in eine elektrisch-leitende Innenelektrode umzuwandeln.An inner electrode is made on the inner surface of the dry filling applied to a conductive catalyst material, for example by Coat the surface with a platinum paste with or without glass frit or another high-temperature-resistant adhesive. This pasty coating generally covers the inner surface of the closed connection side and extends to the approach of the dry filling or the electrolyte body. This mixture is then kept at a temperature of 600-10OO C or higher for a sufficient period of time Fired to convert the platinum paste into an electrically conductive inner electrode.
Obwohl eine Glasfritte oder ein anderer Kleber eine ausgezeichneteAlthough a glass frit or other glue is an excellent one
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Haftung der Katalysatorelektrode an der Innenfläche der Trockenfüllung bietet, bewirkt sie eine Erhöhung des elektrischen Innenwiderstandes des Meßfühlers, wodurch die positive Ausgangsspannung des Meßfühlers herabgesetzt wird, wenn seine Außenfläche einer angereicherten Atmosphäre oder einem fetten Gemisch ausgesetzt wird, und auch eine negative Ausgangsspannung erzeugt wird, wenn seine Außenfläche einer mageren Atmosphäre oder einem mageren Mischungsverhältnis ausgesetzt wird.Adhesion of the catalyst electrode to the inner surface of the dry filling offers, it causes an increase in the electrical internal resistance of the sensor, which increases the positive output voltage of the Sensor is degraded when its outer surface is exposed to an enriched atmosphere or a rich mixture, and also a negative output voltage is generated when its External surface of a lean atmosphere or a lean mixture ratio is exposed.
Nach einer früheren Anmeldung der gleichen Anmelderin wird die leitende Katalysatorelektrode an der Innenfläche der Trockenfüllung einer chemischen Aktivierungsbehandlung unterworfen, um die Ausgangsspannung zu erhöhen und den Innenwiderstand des Meßfühlers herabzusetzen. Die Behandlung der leitenden Katalysatorinnenelektrode erfolgt durch Berührung ihrer Oberfläche mit einer Lösung einer anorganischen Säure oder eines sauren Salzes. Lösungen einer anorganischen Säure wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Flußsäure und Chlorplatinwasserstoffsäure werden vorgezogen, wobei jedoch saure Salze wie Salmiak, Hydroxylaminchlorhydrat, Platinsalmiak od.dgl. ebenso verwendet werden können.After an earlier registration by the same applicant, the senior Catalyst electrode on the inner surface of the dry filling is subjected to a chemical activation treatment to increase the output voltage to increase and decrease the internal resistance of the sensor. Treatment of the conductive inner catalyst electrode takes place by touching its surface with a solution of an inorganic acid or an acidic salt. Solutions of an inorganic Acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid and hydrochloroplatinic acid are preferred, however, acid salts such as ammonia, hydroxylamine chlorohydrate, platinum almiac or the like. can also be used.
Bei der Behandlung der leitenden Katalysatorelektrode mit einer Säure- oder sauren Salzlösung kann die Elektrode mit der Lösung für eine Zeitspanne in Berührung gebracht werden, bevor die Lösung entfernt und ausgespült wird; die in Berührung mit der Lösung stehenden Elektrode kann aber auch erwärmt werden, um das Lösungsmittel aus der Lösung zu verdampfen.und dann weiter auf hohe Temperaturen im Bereich von etwa 1200°C erhitzt werden.When treating the conductive catalyst electrode with an acid or acid salt solution, the electrode can with the solution contacted for a period of time before removing and rinsing the solution; those in contact with the solution However, the electrode can also be heated to evaporate the solvent from the solution and then further to high temperatures be heated in the range of about 1200 ° C.
Außer der vorstehend beschriebenen chemischen Aktivierung der In-In addition to the chemical activation of the in-
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nenelektrode des Meßfühlerelementes wird die Außenelektrode einer Aktivierung durch Strombehandlung unterzogen.In the inner electrode of the sensor element, the outer electrode is subjected to activation by means of a current treatment.
Beide leitenden Katalysatorelektroden können Platin oder Katalysatoren aus der Platinfamilie wie Palladium, Rhodium oder Legierungen davon umfassen, wobei der bevorzugte Werkstoff Platin ist.Both conductive catalyst electrodes can be platinum or catalysts from the platinum family such as palladium, rhodium or alloys thereof, the preferred material being platinum.
Bei der erfindungsgemäßen Strombehandlung zur Aktivierung wird ein Gleichstrom an den Meßfühler angelegt, wobei die leitende Katalysatoraußenelektrode in Anwesenheit eines nichtoxidierenden Gases und bei einer hohen Temperatur als Anode wirkt. Diese Stromaktivierung wird näher in der Anmeldung: Process for Producing a Solid Electrolyte Oxygen Gas Sensing Element (Fertigungsverfahren für ein Trockenfüllungs-Sauerstoffmeßfühlerelement) beschrieben, die hier als Bezug mit eingeschlossen ist. Nach dieser mitanhängigen Patentanmeldung wird die Außenfläche des Trockenfüllungskörpers, auf welche die äußere leitende Katalysatorelektrode aufgebracht ist, einer nichtoxidierenden Atmosphäre ausgesetzt, und während die Außenfläche eine Temperatur von über 45O°C aufweist, wird ein Gleichstrom an das Meßfühlerelement angelegt, wobei die Außenelek-In the current treatment according to the invention for activation, a Direct current is applied to the sensor, the conductive catalyst outer electrode acts as an anode in the presence of a non-oxidizing gas and at a high temperature. This current activation will be more detailed in the application: Process for Producing a Solid Electrolyte Oxygen Gas Sensing Element a dry fill oxygen sensing element) which is incorporated herein by reference. According to this co-pending Patent application is the outer surface of the dry filling body on which the outer conductive catalyst electrode is applied is exposed to a non-oxidizing atmosphere, and while the outer surface is above 450 ° C, a DC current is applied to the sensing element, with the outer elec-
trode als Anode wirkt, deren Stromdichte mindestens 5 itiA/cm dertrode acts as an anode, the current density of which is at least 5 itiA / cm of the
ebenen Fläche der leitenden Außenkatalysatorelektrode beträgt.flat surface of the conductive outer catalyst electrode.
Die nichtoxidierende Atmosphäre, welcher die Außenelektrode während der Stromaktivierung ausgesetzt wird, kann eine Reduktions-, eine neutrale oder eine inaktive Atmosphäre sein, vorausgesetzt, daß sie nichtoxidierend ist. Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder fette Auspuffgasgemische sind Beispiele für Reduktionsatmosphären, Stickstoff ist das bevorzugte neutrale Gas und Argon ein Beispiel fürThe non-oxidizing atmosphere that the outer electrode during exposed to current activation may be a reducing, neutral or inactive atmosphere, provided that it is non-oxidizing. Carbon monoxide, hydrogen or rich exhaust gas mixtures are examples of reducing atmospheres, nitrogen is the preferred neutral gas and argon is an example of
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~ 9 " 2934B3?~ 9 "2934B3?
ein inaktives oder Edelgas. Natürlich können auch Gemische aus einem Reduktionsgas und einem neutralen oder einem Edelgas verwendet werden, und eine geringe Menge von Wasserdampf kann auch im Gasgemisch anwesend sein.an inactive or noble gas. Of course, mixtures of a reducing gas and a neutral or a noble gas can also be used and a small amount of water vapor may also be present in the gas mixture.
Vor dem Anlegen des Gleichstroms wird die Außenfläche auf eine Temperatur von etwa 45O°C erwärmt, die jedoch in Abhängigkeit von der verwendeten Trockenfüllung und anderen Verarbeitungsbedingungen bis zu 1100 C betragen kann. Ein bevorzugter Temperaturbereich von 6OO-9OO°C stellt einen wirtschaftlichen und wirksamen Temperaturbereich für die Stromaktivierung dar.Before the direct current is applied, the outer surface is heated to a temperature of around 450 ° C, which, however, depends on the dry filling used and other processing conditions can be up to 1100 C. A preferred temperature range from 600-9OO ° C represents an economical and effective Temperature range for power activation.
Der Gleichstrom wird am Meßfühlerelement so angelegt, daß die leitende Außenkatalysatorelektrode bei hoher Temperatur und in Anwesenheit eines nichtoxidierenden Gases als Anode und die leitende Innenkatalysatorelektrode als Kathode dient. Eine Gleichspannungsquelle wird daher so angeschlossen, daß die Außenelektrode an die positive und die Innenelektrode an die negative Klemme der Spannungsquelle angeschlossen wird.The direct current is applied to the sensor element so that the conductive Outer catalyst electrode at high temperature and in the presence of a non-oxidizing gas as the anode and the conductive one Inner catalyst electrode serves as a cathode. A DC voltage source is therefore connected in such a way that the outer electrode is connected to the positive and the inner electrode is connected to the negative terminal of the voltage source.
Die Stromladung für die Stromaktivierung besitzt eine StromdichteThe current charge for current activation has a current density
von mindestens 5 mA/cm der ebenen Oberfläche der leitenden Außenkatalysatorelektrode. Der Ausdruck "Stromdichte", wie er in dieser Beschreibung gilt, ergibt sich aus der Division des Stromes in' Milliampere durch die ebene Oberfläche in cm der leitenden Außenkatalysatorelektrode an der Außenfläche der Trockenfüllung, während der Ausdruck "ebene Oberfläche der Außenelektrode" zur Bezeichnung der Oberfläche dient, die vorhanden wäre, wenn die leitende Katalysatorelektrode ein glatter Belag ohne Poren wäre. Der bevorzugteof at least 5 mA / cm of the flat surface of the conductive outer catalyst electrode. The term "current density", as it applies in this description, results from the division of the current in ' Milliamps through the flat surface in cm of the conductive outer catalyst electrode on the outer surface of the dry filling, while the expression "flat surface of the outer electrode" is used to denote serves the surface that would be present if the conductive catalyst electrode would be a smooth surface without pores. The preferred one
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Bereich der Stromdichte liegt zwischen 20 und 150 mA/cm der Oberfläche der leitenden Außenkatalysatorelektrode. Stromdichten unterThe current density range is between 20 and 150 mA / cm of the surface the conductive outer catalyst electrode. Current densities below
5 mA/cm ergeben keine merklichen Wirkungen, obwohl höhere Stromdichten verwendet werden können, und Stromdichten weit über dem bevorzugten Bereich können durch Stoßwirkung zum Zerbrechen des E lerne η te s f üh r en.5 mA / cm gives no noticeable effects, although higher current densities can be used, and current densities well in excess of the preferred range can be impacted to break the E learn η te s to guide.
Legt man den Gleichstrom nach der vorstehenden Beschreibung für eine Zeitspanne von nur etwa 2 see an, so erhält man die gewünschten Eigenschaften, wobei jedoch eine Periode zwischen 6 see und etwa 10 min für das Anstehen des Gleichstromes vorgezogen wird. Die längeren Wirkzeiten des Stromes können jedoch eine Erholungsperiode für die Stabilisierung der Trockenfüllung erfordern. Diese Erholungsperiode erhält man dadurch, daß die Außenfläche des Meßfühlerelements eine gewisse Zeit nach Abschalten des Stromes in nichtoxidierendem Gas und bei erhöhter Temperatur verbleibt.If the direct current is applied for a period of only about 2 seconds as described above, the desired values are obtained Properties, however, a period between 6 see and about 10 minutes is preferred for the direct current to be applied. However, the longer acting times of the current may require a recovery period for the dry fill to stabilize. These Recovery period is obtained by leaving the outer surface of the sensing element in non-oxidizing for a period of time after the power is turned off Gas and at elevated temperature remains.
Die nachstehenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung. In diesen Beispielen wurden Fingerhüte als Meßfühlerelemente geprüft, um ihre Leistung anhand der Ausgangsspannung bei fettem und magerem Mischungsverhältnis, das ümschalt- oder Umstellverhalten auf eine Gasveränderung und ihren Innenwiderstand zu ermitteln, wobei die Prüfungen so ausgeführt wurden, daß die Fingerhüte in Schutzgehäuse eingesetzt wurden, wobei Leitungen an die Innen- und Außenelektroden angeschlossen wurden, um so Meßfühler zu ergeben. Die Messungen wurden bei 35O°C und bei 8000C durchgeführt, wobei die Messung bei 800 C zuerst erfolgte.The following examples serve to further illustrate the invention. In these examples, thimbles were tested as sensor elements in order to determine their performance based on the output voltage with a rich and lean mixture ratio, the switchover or changeover behavior to a gas change and their internal resistance, the tests being carried out in such a way that the thimbles were inserted in protective housings, leads were connected to the inner and outer electrodes so as to give probes. The measurements were carried out at 35O ° C and at 800 0 C, the measurement at 800 C was carried out first.
Die Leistungsprüfungen für Meßfühler wurden durchgeführt, indem manThe performance tests for sensors were carried out by
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die Meßfühler in ein zylinderförmiges Metallrohr einsetzte und sie dann im Rohr einer oxidierenden sowie einer reduzierenden Gasatmosphäre mit Hilfe eines Gasbrenners aussetzte, der solche Atmosphären durch Einstellung erzeugen kann. Die in den gewünschten Lagen im Rohr angeordneten Meßfühler wurden auf die Meßtermperatur erwärmt, und mit Hilfe eines Voltmeters wurde die Ausgangsspannung gemessen. Der Ausgang wurde auch an einen Oszillographen geführt, um die Reaktionsgeschwindgkeit des Meßfühlers zu messen, wenn die Brennerflamme von einem fetten auf ein mageres und von einem mageren auf ein fettes Gemisch umgestellt wird. Eine Routineprüfung bestand darin, die Flamme auf ein fettes Gemisch einzustellen, die Ausgangsspannung des Meßfühlers zu messen, die Flamme plötzlich auf ein mageres Gemisch umzustellen und die Oszillographenabtastung gleichzeitig auszulösen, um die Umstellung oder Umschaltung des Meßfühlers vom fetten auf ein mageres Gemisch aufzuzeichnen, dann die Flamme plötzlich zurück auf ein fettes Gemisch zu schalten, wieder den Oszillographen auszulösen, um die Änderung der Ausgangsspannung des Meßfühlers aufzuzeichnen und schließlich die Flamme auf ein mageres Gemisch einzustellen und die Ausgangsspannung des Meßfühlers zu messen. Die Umstellzeit gilt als die Zeitspanne, welche die Ausgangsspannung nach der Aufzeichnung am Oszillographen braucht, um den Bereich zwischen 600 und 300 mV zu durchlaufen. Wenn die Ausgangsspannung des Meßfühlers bei fettem Mischungsverhältnis kleiner ist als 600 mV, kann die Umstellreaktionszeit nicht nach den Maßstäben für diese Umstellreaktionsmessung bestimmt werden. Ausgangsspannungsmessungen für fette Gemische wurden dann mit verschiedenen bekannten Werten für den ohmschen Shunt an den Meßfühlerklemmen durchgeführt. Diese Messungen ergaben Daten zur Berechnung des Innenwiderstandes der Meßfühler.the sensors inserted into a cylindrical metal tube and they then exposed in the tube to an oxidizing and a reducing gas atmosphere with the aid of a gas burner, which such atmospheres can generate by setting. The measuring sensors arranged in the desired positions in the pipe were heated to the measuring temperature, and the output voltage was measured with the aid of a voltmeter. The output was also fed to an oscilloscope, to measure the reaction rate of the sensor when the burner flame changes from a rich to a lean one and from a lean one is switched to a rich mixture. A routine test consisted of setting the flame to a rich mixture, the To measure the output voltage of the sensor, to suddenly switch the flame to a lean mixture and to scan the oscilloscope at the same time to record the changeover or switchover of the sensor from a rich to a lean mixture, then suddenly switch the flame back to a rich mixture, trigger the oscilloscope again to see the change in output voltage of the probe and finally adjust the flame to a lean mixture and the output voltage of the To measure the probe. The changeover time is the time that the output voltage takes after recording on the oscilloscope needs to go through the range between 600 and 300 mV. When the output voltage of the sensor with a rich mixture ratio is less than 600 mV, the changeover reaction time cannot be determined according to the standards for this changeover reaction measurement will. Output voltage measurements for rich mixtures were then connected to various known values for the ohmic shunt Sensor terminals carried out. These measurements provided data for calculating the internal resistance of the sensors.
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Eine Reihe von fingerhutformigen Gasmeßfühler-Trockenfüllungen wurde für die folgenden Beispiele aus kugelig gedrehter Zirkonerde, Yttererde und Tonerde im Verhältnis vom 80%, 14% und 6% Gew.-Anteilen dadurch vorbereitet, daß sie isostatisch in die gleiche fingerhutartige Säulenform gepreßt und bei hoher Temperatur gebrannt wurde.A number of thimble-shaped dry gas probe fills have been made for the following examples of spherically twisted zirconia, ytter earth and alumina in proportions of 80%, 14% and 6% by weight prepared by isostatically pressed into the same thimble-like columnar shape and fired at a high temperature.
Bei drei Reihen von Trockenfüllungsfingerhüten (AEN-1, AEN-2 und AEN-3) wurde die Innenelektrode auf die Innenfläche durch Beschichtung mit einer Platinsuspension aufgetragen, die als Kleber eine Glasfritte enthielt. Dann wurde der Fingerhut mit seiner Innenelektrode in einer oxidierenden Atmosphäre erwärmt, um die organischen Bestandteile der Suspension auszubrennen und das Platin an die Oberfläche aus Zirkonerde anzukitten. Dann wurde die äußere Platinkatalysatorelektrode auf die Außenfläche des Fingerhuts in bekannter Weise aufgedampft. Zum Schutz wurde die äußere Katalysatorschicht mit einem porösen cheramischen Belag bezogen. Dann wurden die Fingerhüte zu Meßfühlern ausgeformt und auf ihre Ausgangsspannung, ihre Umstellreaktion und ihren Innenwiderstand nach vorstehender Beschreibung geprüft. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle I unter der Bezeichnung "keine Behandlung" aufgeführt.With three rows of dry filling thimbles (AEN-1, AEN-2 and AEN-3), the inner electrode was applied to the inner surface by coating with a platinum suspension, which acts as an adhesive Contained glass frit. Then the thimble with its inner electrode heated in an oxidizing atmosphere to burn off the organic components of the suspension and the platinum to the Zirconia surface to be cemented. Then became the outer platinum catalyst electrode vapor-deposited onto the outer surface of the thimble in a known manner. The outer catalyst layer was used for protection covered with a porous ceramic covering. Then the thimbles were shaped into measuring sensors and checked for their output voltage, their changeover reaction and their internal resistance are checked as described above. The results of the measurements are in Table I listed under the heading "no treatment".
Dann wurden die Fingerhüte der chemischen Behandlung dadurch unterworfen, daß auf ihre Innenfläche eine wässrige Lösung einer normalen Salzsäure aufgebracht wurde, indem der Innenteil der Fingerhüte mit der Säure gefüllt wurde. Die Meßfühler wurden für eine Zeit von 30 min auf einer Temperatur von 50°C gehalten und die Säurelösung wurde entfernt, worauf der Innenraum des Meßfühlerelements mit destilliertem Wasser ausgewaschen und für mindestensThen the thimbles were subjected to chemical treatment by that on their inner surface an aqueous solution of normal hydrochloric acid was applied by the inner part of the thimbles was filled with the acid. The sensors were kept at a temperature of 50 ° C. for a period of 30 minutes and the Acid solution was removed, whereupon the interior of the probe element was washed out with distilled water and held for at least
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1 Stunde bei 1OO°C getrocknet wurde. Dann wurde wieder die Ausgangsspannung,
das Umsteliverna1ten und der Innenwiderstand dieser Meßfühlerelemente
gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in
Tabelle I unter der Überschrift "nach chemischer Behandlung" aufgeführt. Nach Durchführung dieser Messungen wurden die Meßfühlerelemente
wie folgt der Stromaktivierung unterworfen. Die Meßfühlerelemente wurden als Meßfühler in einem Schutzgehäuse und mit Anschlußleitungen
in einen Ansaugstutzen oder einen Kanal eingesetzt, wobei die Außenfläche des Meßfühlerelements, die bereits mit
dem leitenden Außenkatalysatorbelag beschichtet war, dem StromWas dried at 100 ° C for 1 hour. Then the output voltage, the reversed connection and the internal resistance of these sensor elements were measured again. The results of these measurements are in
Table I listed under the heading "After Chemical Treatment". After making these measurements, the sensing elements were subjected to current activation as follows. The sensor elements were used as sensors in a protective housing and with connection lines in an intake port or a duct, the outer surface of the sensor element, which was already coated with the conductive outer catalyst coating, the current
eines Reduktionsgases von 0,5% Kohlenmonoxid in Stickstoff (mita reducing gas of 0.5% carbon monoxide in nitrogen (with
3 33 3
0,01 mg/cm Wasserdampf) bei einem Durchsatz von 710 cm /min ausgesetzt.
Während einer Zeitspanne von 10 min wurden die Elemente
auf etwa 7000C vorerwärmt. Die leitende Innenkatalysatorelektorde
stand mit Luft in Berührung, und die Temperatur des Meßfühlers
wurde am Boden des Innenbereiches des Meßfühlerelementes abgegriffen. Die Meßfühler wurden dann für eine 10-Minuten-Spanne einem0.01 mg / cm water vapor) at a throughput of 710 cm / min. During a 10 minute period the elements were
preheated to about 700 0 C. The internal catalyst conductive electrode was in contact with air and the temperature of the probe
was tapped at the bottom of the interior of the sensor element. The probes were then one for a 10 minute period
Gleichstrom ausgesetzt, wobei die Außenelektrode als Anode für dieExposed to direct current, with the outer electrode acting as the anode for the
Gleichstromladung bei einer Stromdichte von etwa 167 mA/cm derDC charging at a current density of about 167 mA / cm of the
ebenen Fläche der Außenelektrode oder fortgesetztem Gasstrom wirkte. Der Gleichstrom wurde dann abgeschaltet, worauf eine Erholungsperiode von 10 min bei der vorstehend erwähnten Temperatur zwischengeschaltet wurde, und die Außenelektrode noch weiter dem Gasstrom ausgesetzt war.flat surface of the outer electrode or continued gas flow. The direct current was then switched off, followed by a recovery period of 10 minutes at the temperature mentioned above and the outer electrode was still further exposed to the gas flow.
Daraufhin wurde wieder die Ausgangsspannung, das ümstellverhalten und der Innenwiderstand dieser Meßfühlerelemente geprüft. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle I unter der Überschrift "nach chemischer Behandlung und Stromaktivierung" aufgeführt.Thereupon the output voltage, the changeover behavior, became again and the internal resistance of these sensor elements is checked. The results of these measurements are in Table I under the heading "after chemical treatment and current activation" listed.
030013/0662030013/0662
O CO O OO CO O O
O CD CO IS}O CD CO IS}
spannungStarting
tension
(mV)skinny
(mV)
haltenUmstellver
keep
spannungStarting
tension
haltenUmstellver
keep
AEN-1
AEN-2
AEN-3AEN-1
AEN-2
AEN-3
Gl.-Strom 858 - 16 Gl.-Strom 947 13 Gl.-Strom 884 - 13Gl.-stream 858 - 16 Gl.-stream 947 13 Gl.-stream 884 - 13
NJ CD CO .P--CD U)NJ CD CO .P - CD U)
Die Meßergebnisse der Tabelle I zeigen die Wirkung der chemischen Behandlung auf die Ausgangsspannung und den Innenwiderstand des Meßfühlerelements und auch die Wirkung der kombinierten chemischen Behandlung und Stromaktivierung auf das Element mit entsprechend hoher Ausgangsspannung, niedrigem Innenwiderstand und erheblich verkürzter ümstellzeit.The measurement results in Table I show the effect of the chemical treatment on the output voltage and the internal resistance of the Sensor element and also the effect of the combined chemical treatment and current activation on the element with accordingly high output voltage, low internal resistance and significantly shortened changeover time.
drei anderai Fingerhütenaus der Serie der Trockenfüllungsfingerhüte (AP7-11, AP7-12 und AP7-13) wurden wie in Beispiel I Außenelektroden aufgebracht. Dann wurden die drei Meßfühlerelemente chemisch dadurch behandelt, daß eine wässrige Lösung 2N von Salzsäure (2g je Liter Lösung) auf die Innenfläche aufgetragen wurde. Der Innenteil des Fingerhutes wurde mit Säure so weit gefüllt, daß diese die Innenelektrode bedeckte, der Meßfühler für eine halbe Stunde auf 50°C erwärmt und nach Ausgießen der Säure wurde der Innenteil zwei Mal mit Methanol gespült. Dann wurde die Ausgangsspannung, das Umstellverhalten und der Innenwiderstand dieser drei Elemente gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle II unter der Bezeichnung "chemisch behandelt" aufgeführt. Dann wurden diese drei Meßfühlerelemente der Stromaktivierung durch Einsatz in einen Ansaugstutzen unterzogen, wobei die leitende Außenkatalysatorbeschichtung dem Strom einer Stickstoffatmosphäre (710 cm /min) ausgesetzt waren, während die Elemente 10 min lang auf 75O°C erhitzt wurden. Bei einer Temperatur von 75O°C und der von der Stickstoffatmosphäre umspülten Außenelektrode wurde den Meßfühlerelementen 10 min lang ein Gleichstrom angelegt, dessen Stromdichte in Tabelle II aufgeführt ist, wobei die Außenelektrode als Anode diente. Dann wurde der Gleichstrom abgeschaltet, die Meßfühler konnten sich 10 minthree other thimbles from the series of dry filling thimbles External electrodes (AP7-11, AP7-12 and AP7-13) were applied as in Example I. Then the three sensor elements became chemical treated by applying a 2N aqueous solution of hydrochloric acid (2g per liter of solution) to the inner surface. The inner part the thimble was filled with acid to the point where it covered the inner electrode, and the probe for half an hour heated to 50 ° C and after pouring out the acid, the inner part was rinsed twice with methanol. Then the output voltage, the changeover behavior and the internal resistance of these three elements were measured. The measurement results are given in Table II under the heading "chemically treated" listed. Then these three sensing elements became the current activation by inserting them into an intake manifold subjected to the conductive outer catalyst coating being exposed to the flow of a nitrogen atmosphere (710 cm / min), while the elements were heated to 750 ° C for 10 minutes. At a temperature of 750 ° C and the nitrogen atmosphere A direct current was applied to the outer electrode for 10 minutes, the current density of which is listed in Table II with the outer electrode serving as an anode. Then the direct current was switched off, the sensors were allowed to stay for 10 minutes
030013/0662030013/0662
Lang erholen, wobei die leitende Außenkatalysatorelektrode dem Stickstoffstrom bei der hohen Temperatur verblieb. Dann wurden die 4eßfühlerelemente wieder gemessen. Die Meßergebnisse sind in Ta-Delle II unter dem Kopf "nach chemischer Behandlung und Stromakti-/ierung" aufgeführt.Rest long with the conductive outer catalyst electrode remaining at the high temperature to the nitrogen flow. Then the 4 sensor elements measured again. The measurement results are in Ta-Delle II under the head "after chemical treatment and current activation" listed.
- 17 -- 17 -
030013/0662030013/0662
IIII
spannungStarting
tension
spannungStarting
tension
( Onrn)R.
(Onrn)
haltenConversions
keep
haltenConversions
keep
O
cn·> *
O
cn
mA/cmCurrent density
mA / cm
NJCT)
NJ
- is - '-U837- is - '-U837
Wie die Meßergebnisse der Tabelle II zeigen, bewirkt bereits eineAs the measurement results in Table II show, already causes one
Stromdichte von nur 8mA/cm während einer 10-Minuten-Periode bei 750 C eine Verkürzung der Reaktionszeit des Meßfühlerelements nachCurrent density of only 8mA / cm during a 10 minute period 750 C a shortening of the response time of the sensor element after
dem erfindungsgemäßen Verfahren, obwohl mit Stromdichten von 20the method according to the invention, although with current densities of 20
2
oder 100 mA/cm größere Verbesserungen erzielt werden.2
or 100 mA / cm greater improvements can be achieved.
Bei vier weiteren Reihen von Trockenfüllungsfingerhüten (AP7-10, AP7-21, AP7-22 und AP7-23) wurde die Innen- und Außenelektrode nach dem Muster des Beispiels I aufgetragen. Diese vier Meßfühlerelemente wurden dann nach dem Verfahren des Beispiels II chemisch behandelt. Anschließend wurden sie gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle III unter der Bezeichnung "chemisch behandelt" aufgeführt. Anschließend wurden die vier Meßfühlerelemente nach dem VerfahrenWith four more rows of dry filling thimbles (AP7-10, AP7-21, AP7-22 and AP7-23) the inner and outer electrodes were applied according to the pattern of Example I. These four sensor elements were then chemically treated according to the procedure of Example II. They were then measured. The measurement results are in Table III listed under the heading "chemically treated". Then the four probe elements were made according to the procedure
des Beispiels II der Stromaktivierung unterworfen, mit Ausnahme,of Example II subjected to current activation, with the exception of
daß die Stromdichte jetzt für jedes Element 100 mA/cm betrug. Bei AP7-23 war die Temperatur 6000C. Die Wirkzeit des Gleichstroms sowohl als auch die Erholungszeit wurden für die vier Meßfühler variiert, und diese Werte sind in Tabelle III aufgeführt. Dann wurde wieder die Ausgangsspannung, das Umstellverhalten und der Innenwiderstand der vier Meßfühlerelemente gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle III unter dem Tabellenkopf "nach chemischer Behandlung und Stromaktivierung" aufgeführt.that the current density was now 100 mA / cm for each element. In AP7-23 the temperature was 600 0 C. The casting time of the direct current as well as the recovery time probe were varied for the four, and these values are listed in Table III. The output voltage, the changeover behavior and the internal resistance of the four sensor elements were then measured again. The measurement results are listed in Table III under the heading "After chemical treatment and current activation".
- 19 -- 19 -
030013/0662 original inspected030013/0662 originally inspected
IIIIII
spannungStarting
tension
haltenConversions
keep
(kohm)R.
(kohm)
spannungStarting
tension
haltenConversions
keep
269186
269
12070
120
8683
86
5545
55
79 7789
79 7
7,3003,900
7.300
106107
106
806801
806
4043
40
AP7-23AP7-22
AP7-23
ehem.beh.formerly
formerly
3020th
30th
er.σ
he.
+) Einschaltzeit des Stromes (min) ++) Erholungszeit (min)+) Switch-on time of the current (min) ++) Recovery time (min)
Ca) CDCa) CD
Wie die Meßergebnisse zeigen, entfällt die Notwendigkeit für eine Erholungsperiode, wenn der Strom nur kurzfristig angelegt wird, beispielsweise 0,1 oder 0,03 min, und die Meßfühlerelemente brauchen anscheinend nach dieser Behandlung keine Stabilisierung, um Meßfühlerelemente mit erheblich verbesserten Eigenschaften zu ergeben. As the measurement results show, there is no need for a recovery period if the electricity is only applied for a short time, for example 0.1 or 0.03 minutes, and the sensor elements do not seem to need stabilization after this treatment To give sensor elements with significantly improved properties.
Die Innen- und Außenelektroden von sieben weiteren Fingerhüten aus der Reihe der Trockenfüllungsfingerhüte (AP7-15, AP7-14, AP7-16, AP7-17, AP7-19, AP7-18 und AP7-2O) wurden nach Beispiel I aufgebracht und chemisch nach dem Verfahren des Beispiels II behandelt. Dann wurde die Ausgangsspannung, das Umstellverhalten und der Innenwiderstand dieser sieben Meßfühlerelemente gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle IV unter der Bezeichnung "chemisch behandelt" aufgeführt. Dann wurden die sieben Meßfühlerelemente nach dem Verfahren des Beispiels II stromaktiviert, mit Ausnahme, daß die Aktivierungstemperatur, die Stromdichte und die Wirkzeit des Gleichstroms bei bestimmten Meßfühlerelementen variiert wurden (siehe Tabelle IV). In jedem Fall wurde eine Vorwärmzeit und eine Erholungszeit von 10 min eingehalten. Die sieben Meßfühlerelemente wurden dann noch einmal durchgemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle IV unter der Überschrift "nach chemischer Behandlung und Stromaktivierung" aufgelistet.The inner and outer electrodes of seven other thimbles the range of dry filling thimbles (AP7-15, AP7-14, AP7-16, AP7-17, AP7-19, AP7-18 and AP7-2O) were applied according to Example I. and chemically treated according to the procedure of Example II. Then the output voltage, the changeover behavior and the internal resistance of these seven sensor elements. The measurement results are shown in Table IV under the heading "chemically treated" listed. The seven sensor elements were then current activated according to the procedure of Example II, except that the Activation temperature, the current density and the active time of the direct current were varied for certain sensor elements (see Table IV). In each case there was a warm-up time and a recovery time adhered to for 10 minutes. The seven sensor elements were then measured again. The measurement results are in Listed in Table IV under the heading "After Chemical Treatment and Current Activation".
- 21 -- 21 -
030013/0662030013/0662
IVIV
(mV)skinny
(mV)
haltenConversions
keep
(ms) SE
(ms)
(köhm)R.
(köhm)
spannungStarting
tension
(mV)skinny
(mV)
(ms) MF
(ms)
( OÄm)R.
(OÄm)
spannungStarting
tension
(ms) üä
(ms)
(mV)fat
(mV)
haltenConversions
keep
>to
>
(mV)fat
(mV)
Temp.Dichte ZeitTemp. Density time
(mA/cm )2
(mA / cm)
CD CJ ■£-·CD CJ ■ £ - ·
Die Meßergebnisse der Tabelle IV zeigen den Einfluß verschiedener Temperaturen, Stromdichten und Wirkzeiten des Stromes auf die Meßfühlereigenschaften. Obwohl die bei der Messung aufgezeichnete Temperatur von 450 C keine betriebsfähig annehmbaren Meßfühler ergab, sei bemerkt, daß diese Meßfühler mit Innenelektroden aus geschmolzenem Platin bestückt waren, das ein Glas oder ein anderes Bindemittel enthielt,und, daß eine Temperatur, bei welcher kein Flußmittel bei der Innenelektrode verwendet wird, die gewünschte Verkürzung der Umsetzzeit vergeben würde.The measurement results in Table IV show the influence of different temperatures, current densities and times of action of the current on the sensor properties. Although the temperature of 450 C recorded during the measurement did not result in any serviceable sensors, it should be noted that these probes were equipped with internal electrodes made of molten platinum, which is a glass or other binder and that a temperature at which no flux is used in the inner electrode produces the desired shortening the conversion time would be allocated.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine kombinierte chemische und Strombehandlung von Trockenfüllungs-Meßelementen, welche Meßelemente mit verbesserten Eigenschaften der hohen Ausgangsspannung bei fetten Mischungsverhältnissen, einer schnellen Ansprechzeit und eines niedrigen Innenwiderstandes bietet, wobei diese Eigenschaften zu einem wirkungsvollen, wirtschaftlichen und stabilen Betrieb von Sauerstoffmeßfühlern führen, die solche Elemente enthalten. The inventive method offers a combined chemical and current treatment of dry fill gauges, which gauges have improved high output voltage properties with rich mixing ratios, a fast response time and a low internal resistance, with these properties result in the efficient, economical and stable operation of oxygen sensors containing such elements.
030013/0662030013/0662
Claims (9)
Trockenfüllungskörper mit einer leitenden Innenkatalysatorelektrode auf der Innenfläche und einer leitenden Außenkatalysatorelektrode auf seiner Außenfläche besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Arbeitsgänge umfaßt:1. Manufacturing process for an activated oxygen sensor element with an increased output voltage in the case of a rich gas mixture, with a shortened response time for the conversion and a reduced internal resistance, wherein the sensor element has a
Has a dry filling body with a conductive inner catalyst electrode on the inner surface and a conductive outer catalyst electrode on its outer surface, characterized in that it comprises two operations:
die leitende Außenkatalysatorelektrode als Anode wirkt,b) applying a direct current to the sensing element, wherein
the conductive outer catalyst electrode acts as an anode,
daß das nichtoxidierende Gas aus einer Gruppe aus Reduktionsgasen, neutralen Gasen und Edelgasen sowie Gemischen dieser Gase ausgewählt ist.2. Manufacturing method according to claim 1, characterized in that
that the non-oxidizing gas is selected from a group of reducing gases, neutral gases and noble gases and mixtures of these gases.
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