DE4412540C2 - Reference electrode for galvanic cells with a cation-conducting solid electrolyte - Google Patents

Reference electrode for galvanic cells with a cation-conducting solid electrolyte

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Referenzelektrode mit einem kationenleitenden Festelektrolyten, Sensoren, die eine erfindungsgemäße Referenzelektrode umfassen und die Verwendung derartiger Sensoren zur Bestimmung von Gasen.The present invention relates to a reference electrode a cation-conducting solid electrolyte, sensors, the one include reference electrode according to the invention and the use such sensors for the determination of gases.

Die Verwendung von galvanischen Festelektrolytzellen als Gas­ sensoren, insbesondere als Sauerstoffsensoren, ist seit langem bekannt. Sensoren für andere Gase sind jedoch bisher kaum kom­ merziell erhältlich. Dies liegt insbesondere daran, daß es vergleichsweise schwieriger ist, praktisch einsetzbare Refe­ renzelektroden zu realisieren. Beim Einsatz von kationenlei­ tenden Festelektrolyten, beispielsweise eines Natriumionenlei­ ters, bedeutet das die Aufrechterhaltung eines definierten Natriumpotentials über große Zeiträume hinweg. Gemäß dem Stand der Technik gelingt das nach wie vor am besten mit Hilfe von metallischem Natrium, das bei den Betriebstemperaturen des Sensors von häufig über 500°C flüssig ist und eine sehr hohe Reaktivität aufweist. Daher ergeben sich bei der Konstruktion einer solchen Elektrode erhebliche Schwierigkeiten, die Elek­ trodenräume hermetisch voneinander und von der Umgebung zu isolieren. Durch Reaktionen der Natriumschmelze mit dem Dich­ tungsmaterial oder anderen Komponenten der galvanischen Zelle wird die Stabilität des Sensorsignals beeinträchtigt, oder der Sensor wird mit der Zeit gänzlich zerstört.The use of galvanic solid electrolyte cells as a gas sensors, especially as oxygen sensors, has been around for a long time known. However, sensors for other gases have so far hardly been used commercially available. This is particularly because it is comparatively more difficult, practical Refe to realize reference electrodes. When using cationic solid electrolytes, for example a sodium ion conductor ters, it means maintaining a defined Sodium potential over long periods. According to the state technology still works best with the help of metallic sodium, which at the operating temperatures of the Sensor is often liquid above 500 ° C and a very high Has reactivity. Therefore arise in the construction such an electrode considerable difficulties, the Elek tode spaces hermetically from each other and from the environment isolate. Through reactions of the sodium melt with you tion material or other components of the galvanic cell the stability of the sensor signal is impaired, or the The sensor is completely destroyed over time.

Als Alternative wurde in der DE 41 12 301 A1 vorgeschlagen, Referenzelektroden zu verwenden, die eine Alkalimetallverbin­ dung, insbesondere eine Natriumverbindung in einem multinären Mehrphasengleichgewicht (z. B. binäre Na/Metall-Verbindungen oder ternäre Na/Metall/Oxid-Verbindungen), enthält. Beispiele derartiger Referenzelektroden mit binären Natrium/Metall-Ver­ bindungen sind Na-Sb oder Na-Bi, Beispiele derartiger Referenz­ elektroden mit ternären Natrium/Metall/Oxid-Verbindungen sind Na-Co-Oxid oder Na-Ni-Oxid. Aufgrund der Giftigkeit der zum Einsatz gelangenden Schwermetallverbindungen erweist sich je­ doch die Herstellung dieser Referenzelektrodensysteme als pro­ blematisch.As an alternative, DE 41 12 301 A1 proposed Use reference electrodes that have an alkali metal compound tion, especially a sodium compound in a multinary Multi-phase balance (e.g. binary Na / metal compounds or ternary Na / metal / oxide compounds). Examples such reference electrodes with binary sodium / metal Ver Bonds are Na-Sb or Na-Bi, examples of such reference electrodes with ternary sodium / metal / oxide compounds  Na-Co-Oxide or Na-Ni-Oxide. Due to the toxicity of the Heavy metal compounds that have been used have always been proven but the manufacture of these reference electrode systems as per blemish.

Weiterhin ist bekannt, daß die an der Phasengrenze zwischen dem Festelektrolyten und einem darauf haftenden Edelmetall sich einstellende Metallaktivität die Rolle eines Referenzsy­ stems erfüllt (vgl. Saito und Maruyama, Solid State Ionics 28-30 (1988), 1644). Dabei besteht jedoch leicht die Gefahr, daß wegen der naturgemäß unvollkommenen Trennung von Referenz- und Meßelektrode die Referenz mit dem Meßmedium, beispiels­ weise CO₂ und O₂, reagiert. Es ist dann nur eine Frage der Zeit, daß die Zellspannung eines solchen Sensors gegen 0 geht und die Referenzelektrode ihre Funktionalität verliert (vgl. Maruyama et al., Solid State Ionics 23 (1987), 107).It is also known that the at the phase boundary between the solid electrolyte and a noble metal adhering to it emerging metal activity the role of a reference sy stems fulfilled (see Saito and Maruyama, Solid State Ionics 28-30 (1988), 1644). However, there is a slight risk that that because of the naturally imperfect separation of reference and measuring electrode the reference with the measuring medium, for example as CO₂ and O₂, reacts. Then it's just a matter of Time for the cell voltage of such a sensor to approach zero and the reference electrode loses its functionality (cf. Maruyama et al., Solid State Ionics 23 (1987) 107).

In der oben genannten Literaturstelle Maruyama et al. (Solid State Ionics 23 (1987), 107) wird auch ein CO₂-Sensor vorge­ schlagen, bei dem eine Kombination eines sauerstoffleitenden Festelektrolyten (YSZ) und eines natriumionenleitenden Fest­ elektrolyten (Nasicon) verwendet wird. Referenzelektrode ist dabei das nach dem Aneinandersintern der beiden Festelektro­ lyte an der Phasengrenzfläche zwischen diesen gebildete Na₂O. Nachgewiesenermaßen reagiert das Potential dieser Referenzel­ ektrode mehr als erwartet auf Änderungen des Sauerstoffparti­ aldrucks in der umgebenden Atmosphäre. Folglich ist die Zell­ spannung des resultierenden Sensors zeitlich nicht stabil und keine eindeutige Funktion des CO₂-Partialdrucks.In the above-mentioned literature Maruyama et al. (Solid State Ionics 23 (1987), 107) is also featured a CO₂ sensor propose a combination of an oxygen-conducting Solid electrolyte (YSZ) and a sodium ion-conducting solid electrolyte (Nasicon) is used. Is reference electrode doing so after the sintering together of the two festival electrons lyte at the phase interface between these formed Na₂O. The potential of these references has been shown to react Electrode more than expected due to changes in the oxygen part aldrucks in the surrounding atmosphere. Hence the cell voltage of the resulting sensor is not stable over time and no clear function of the CO₂ partial pressure.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Referenzelektrode, bei der die oben genannten Nachteile des Standes der Technik mindestens teilweise vermieden werden, die insbesondere eine dauerhafte Isolierung des Referenzelek­ trodenraums gegenüber der Umgebung gewährleistet und somit eine im Vergleich zu bekannten Systemen höhere Langzeitstabi­ lität besitzt sowie wesentlich einfacher herzustellen ist. An object of the present invention is to provide a reference electrode in which the disadvantages mentioned above of the prior art are at least partially avoided, which in particular permanent insulation of the reference elec guaranteed to the environment and thus a higher long-term stability compared to known systems lity and is much easier to manufacture.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Bereitstellung einer Referenzelektrode für galvanische Zellen mit einem kat­ ionenleitenden Festelektrolyten, umfassendAccording to the invention, this object is achieved by provision a reference electrode for galvanic cells with a cat ion-conducting solid electrolytes, comprising

  • a) einen gasdicht von der Umgebung abgeschlossenen Referenzelektrodenraum,a) a gas-tight seal from the environment Reference electrode space,
  • b) einen für Kationen eines ersten Metalls leitfähigen Festelektrolyten, der mit der Umgebung und dem Refe­ renzelektrodenraum in Kontakt steht,b) one conductive for cations of a first metal Solid electrolyte, which with the environment and the Refe contact electrode space is in contact,
  • c) eine im Referenzelektrodenraum auf der Oberfläche des Festelektrolyten aufgebrachte gassensitive Schicht des Carbonats des ersten Metalls undc) one in the reference electrode space on the surface of the solid electrolyte applied gas sensitive Layer of carbonate of the first metal and
  • d) ein im Referenzelektrodenraum befindliches Gemisch aus Kohlenstoff in feinverteilter Form, dem Carbonat eines zweiten Metalls und dem Oxid des zweiten Me­ talls, wobei das erste und das zweite Metall derart ausge­ wählt sind, daß das als gassensitive Schicht die­ nende Carbonat des ersten Metalls als eigenständige Phase im Gleichgewicht mit den übrigen Stoffen der Referenzelektrode dauerhaft existent bleibt, und an der Phasengrenze Festelektrolyt/gassensitive Schicht eine definierte Aktivität für das erste Metall vorliegt, die das elektrische Potential der Referenzelektrode bestimmt.d) a mixture located in the reference electrode space made of carbon in finely divided form, the carbonate of a second metal and the oxide of the second Me talls, the first and the second metal being so are chosen that as the gas sensitive layer carbonate of the first metal as an independent Phase in equilibrium with the other substances of the Reference electrode remains permanently in existence, and on the phase boundary solid electrolyte / gas sensitive Layer a defined activity for the first Metal is present, which is the electrical potential of the Determined reference electrode.

Der Referenzelektrodenraum der erfindungsgemäßen Referenz­ elektrode ist gasdicht von der Umgebung abgeschlossen, so daß sich das thermodynamische Gleichgewicht zwischen den darin befindlichen Substanzen über die Gasphase einstellen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Referenzelektrodenraum von einem Metallkörper um­ schlossen, in den der kationenleitende Festelektrolyt einge­ fügt ist. Der Metallkörper besteht vorzugsweise aus einem un­ ter den Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Referenz­ elektrode im wesentlichen oxidationsbeständigen Metall, ins­ besondere aus zunderbeständigem Stahl. Die Verbindung zwischen Festelektrolyt und Metallkörper kann beispielsweise durch ein Glaslot hergestellt werden.The reference electrode space of the reference according to the invention Electrode is sealed gas-tight from the environment, so that the thermodynamic balance between those in it substances can be adjusted via the gas phase. At a preferred embodiment of the present invention is the reference electrode space around a metal body closed, in which the cation-conducting solid electrolyte  adds. The metal body preferably consists of an un ter the operating conditions of the reference according to the invention electrode essentially oxidation-resistant metal, ins special made of scale-resistant steel. The connection between Solid electrolyte and metal body can, for example, by a Glass solder can be made.

Der in der erfindungsgemäßen Referenzelektrode enthaltene Koh­ lenstoff weist vorzugsweise eine BET-Oberfläche im Bereich von 10 bis 200 m²/g, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 100 m²/g auf.The Koh contained in the reference electrode according to the invention Lenstoff preferably has a BET surface area in the range of 10 to 200 m² / g, particularly preferably in the range from 50 to 100 m² / g.

Vorzugsweise ist der kationenleitende Festelektrolyt ein Alka­ limetallionenleiter und das erste Metall ein Alkalimetall. In diesem Fall entspricht das Carbonat des ersten Metalls der Formel Me(1)₂(CO₃).The cation-conducting solid electrolyte is preferably an alkali metal ion conductor and the first metal is an alkali metal. In this case, the carbonate of the first metal corresponds to the formula Me (1) ₂ (CO₃).

Wenn das erste Metall ein Alkalimetall, z. B. Natrium, Kalium, Lithium, Rubidium oder Cäsium ist, kann der Festelektrolyt beispielsweise ein Material auf der Basis von beta-Al₂O₃, Nasi­ con oder Lisicon sein. Besonders bevorzugt als alkalimetall­ ionenleitender Festelektrolyt ist Na-beta-Al₂O₃. Das erste Me­ tall ist dann Natrium.If the first metal is an alkali metal, e.g. B. sodium, potassium, The solid electrolyte can be lithium, rubidium or cesium for example, a material based on beta-Al₂O₃, Nasi con or Lisicon. Particularly preferred as an alkali metal ion-conducting solid electrolyte is Na-beta-Al₂O₃. The first me tall is then sodium.

Das zweite Metall kann jedes beliebige Metall sein, welches in Kombination mit einem gegebenen ersten Metall die oben angege­ bene Bedingung für die freien Standardbildungsenthalpien er­ füllt. Wenn das erste Metall ein Alkalimetall und insbesondere Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium ist, wird das zweite Metall vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus Li, Ca, Mg, Sr und Ba ausgewählt. Ist das erste Metall Lithium, wird das zweite Metall vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus Ca und Mg, ausgewählt. Besonders bevorzugt ist als zweites Metall Ca. In diesem Fall ist das Carbonat des zweiten Metalls CaCO₃ und das Oxid des zweiten Metalls CaO. The second metal can be any metal that is in Combination with a given first metal given above level condition for the free standard enthalpies of education fills. If the first metal is an alkali metal and in particular If sodium, potassium, rubidium or cesium is the second Metal preferably from the group consisting of Li, Ca, Mg, Sr and Ba selected. If the first metal is lithium, it will second metal preferably from the group consisting of Ca. and Mg. The second metal is particularly preferred Approx. In this case the carbonate of the second metal is CaCO₃ and the oxide of the second metal CaO.  

Im Referenzelektrodenraum wird über die thermische Dissozia­ tion des Carbonats des zweiten Metalls und das Boudouard- Gleichgewicht nur von der Temperatur abhängiger Partialdruck für CO₂ und CO eingestellt. Das Gleichgewicht der beiden Gase mit dem Carbonat des ersten Metalls, Me(1) m (CO₃)n, das als gas­ sensitive Schicht mit dem Me(1)-Ionenleiter in Kontakt steht, liefert an der Phasengrenze Festelektrolyt/gassensitive Schicht eine definierte Aktivität für das erste Metall, die das elektrische Potential der Referenzelektrode bestimmt.In the reference electrode area, the thermal dissociation of the carbonate of the second metal and the Boudouard equilibrium only set the temperature-dependent partial pressure for CO₂ and CO. The equilibrium of the two gases with the carbonate of the first metal, Me (1) m (CO₃) n , which is in contact with the Me (1) ion conductor as a gas-sensitive layer, provides a defined activity at the solid electrolyte / gas-sensitive layer phase boundary for the first metal, which determines the electrical potential of the reference electrode.

Im einzelnen sind folgende Gleichgewichte relevant:The following equilibria are relevant:

Unter der Bedingung, daß alle zur Referenzelektrode gehörigen reinen festen Stoffe sich nicht ineinander lösen, ist deren Raoultsche Aktivität a (Standardzustand *) gleich 1. Es gilt:Provided that all belong to the reference electrode pure solid substances do not dissolve into one another is theirs Raoult's activity a (standard state *) is 1. The following applies:

a[Me(1) m(CO₃)n] = 1, a[Me(2) y(CO₃)z] = 1, a[Me(2) yOz] = 1 und ac = 1.a [Me (1) m (CO₃) n ] = 1, a [Me (2) y (CO₃) z ] = 1, a [Me (2) y O z ] = 1 and a c = 1.

Die restlichen Aktivitäten und Partialdrücke ergeben sich aus den folgenden Gleichgewichtsbedingungen:The remaining activities and partial pressures result from the following equilibrium conditions:

Gleichung (2a) legt die Größe des CO₂-Partialdrucks im Refe­ renzelektrodenraum fest:Equation (2a) sets the size of the CO₂ partial pressure in the ref Reference electrode room fixed:

Setzt man (5) in (3a) ein, so erhält man für pco:If we insert (5) in (3a), we get for p co :

Mit (5) und (6) folgt für pO₂ aus (4a):With (5) and (6) for pO₂ it follows from (4a):

Die Partialdrücke pCO₂ und pO₂ bestimmen nun über (1a) die Ak­ tivität a[Me(1)] und damit die Aktivität jener Metallionen, für die der Festelektrolyt leitend ist. Aus (1a) folgt mit (5) und (7):The partial pressures pCO₂ and pO₂ now determine (1a) the activity a [Me (1) ] and thus the activity of those metal ions for which the solid electrolyte is conductive. From (1a) it follows with (5) and (7):

Die durch die Gleichungen (5) und (7) festgelegten Bedingungen hinsichtlich der Größe des CO₂- und O₂-Partialdrucks im Refe­ renzelektrodenraum müssen gewährleisten, daß das als gassensi­ tive Schicht dienende Carbonat des ersten Metalls als eigen­ ständige Phase im Gleichgewicht mit den übrigen Stoffen der Referenzelektrode existent bleibt. Das ist nur dann der Fall, wenn die Standardbildungsenthalpien der Carbonate und Oxide beider Metalle in einem bestimmten Größenverhältnis zueinander stehen. Die Randbedingungen, denen diese Werte genügen müssen, richten sich nach der Größe des jeweils herrschenden Sauer­ stoffpartialdrucks. Im pO₂-Gebiet unterhalb des Dissoziations­ partialdruckes des Oxides Me(1) mOn, das heißtThe conditions defined by equations (5) and (7) with regard to the size of the CO₂ and O₂ partial pressure in the reference electrode space must ensure that the carbonate of the first metal serving as a gas-sensitive layer acts as an independent phase in equilibrium with the other substances the reference electrode remains in place. This is only the case if the standard enthalpies of formation of the carbonates and oxides of both metals are in a certain size ratio to one another. The boundary conditions that these values have to meet depend on the size of the prevailing oxygen partial pressure. In the pO₂ area below the partial pressure dissociation of the oxide Me (1) m O n , that is

muß die Metallaktivität aMe(1) die Bedingung:the metal activity a Me (1) must meet the condition:

erfüllen und im PO2-Gebiet:and in the P O2 area:

die Metalloxidaktivitätthe metal oxide activity

die Bedingung:the condition:

Im letzteren Fall folgt aus (12) mit (7) für die Metallaktivi­ tät aMe(1):In the latter case, it follows from (12) with (7) for the metal activity a Me (1):

Setzt man (10) bzw. (13) in (8) ein, so ergeben sich die ge­ suchten Größenverhältnisse für die Standardbildungsenthalpien der Carbonate und Oxide beider Metalle:If one uses (10) or (13) in (8), the ge looked for proportions for the standard enthalpies of education the carbonates and oxides of both metals:

fallsif

bzw.respectively.

fallsif

Dabei ist pO₂ der Sauerstoffgleichgewichtspartialdruck im Refe­ renzelektrodenraum, ΔB* die freie Standardbildungsenthalpie der jeweiligen Verbindungen aus den Elementen, Me(1) das erste Metall und Me(2) das zweite Metall und m, n, y, z charakteri­ sieren die Stöchiometrieverhältnisse in den jeweiligen Ver­ bindungen charakterisieren.Here pO₂ is the oxygen equilibrium partial pressure in the reference electrode space, Δ B G ° * the free standard enthalpy of formation of the respective compounds from the elements, Me (1) the first metal and Me (2) the second metal and m, n, y, z characterize the Characterize stoichiometric relationships in the respective compounds.

Daten der freien Standardbildungsenthalpien von Metallcarbona­ ten und Metalloxiden finden sich in den Literaturstellen JANAF, Thermochemical Tables, 3rd edition, National Bureau of Standards, Washington, (1985) und Knacke et al., Thermochemi­ cal Properties of Inorganic Substances, Springer Verlag, Ber­ lin-Heidelberg-New York-bondon-Paris-Tokyo-Hongkong-Barcelona- Budapest, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf (1991). Durch die­ se Bezugnahme sind die in diesen Literaturstellen enthaltenen Daten Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.Data of the free standard enthalpies of formation of metal carbon ten and metal oxides can be found in the literature references JANAF, Thermochemical Tables, 3rd edition, National Bureau of Standards, Washington, (1985) and Knacke et al., Thermochemi cal Properties of Inorganic Substances, Springer Verlag, Ber lin-Heidelberg-New York-bondon-Paris-Tokyo-Hong Kong-Barcelona- Budapest, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf (1991). Through the Reference is made to those contained in these references Data part of the present application.

Die Erfindung wird weiterhin in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert.The invention is further explained in connection with FIGS. 1 and 2.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Referenzelektrode mit einem natriumionenleitenden Fest­ elektrolyten und Fig. 1 shows a first embodiment of the reference electrode according to the invention with a sodium ion-conducting solid electrolyte and

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor aus einer Kombi­ nation eines natriumionenleitenden und eines sauerstoffionen­ leitenden Festelektrolyten. Fig. 2 shows a sensor according to the invention from a combi nation of a sodium ion-conducting and an oxygen ion-conducting solid electrolyte.

Die Meßelektrode des erfindungsgemäßen Sensors umfaßt ein elektronisch leitendes Material, vorzugsweise eine Au-Schicht, auf der dem Meßmedium zugewandten Oberfläche des Festelektro­ lyten. Das elektronisch leitende Material hat Kontakt zu einer die Festelektrolytoberfläche bedeckenden Schicht einer Verbin­ dung, z. B. Na₂CO₃, deren Kation mit dem Ion identisch ist, für das der Festelektrolyt leitend ist und die mit dem zu messen­ den Gas in einem thermodynamischen Gleichgewicht steht. Ent­ sprechend werden zur Messung von NOx (N₂O, NO) Nitrate, zur Messung von SOx (SO₂, SO₃) Sulfate und zur Messung von CO₂ Car­ bonate als gassensitive Schicht verwendet.The measuring electrode of the sensor according to the invention comprises an electronically conductive material, preferably an Au layer, on the surface of the solid electrolyte facing the measuring medium. The electronically conductive material is in contact with a layer covering the solid electrolyte surface of a connection, for. B. Na₂CO₃, the cation of which is identical to the ion, for which the solid electrolyte is conductive and which is to be measured with the gas in a thermodynamic equilibrium. Accordingly, are used for measuring NO x (N₂O, NO) nitrates, for measuring SO x (SO₂, SO₃) sulfates and for measuring CO₂ car bonate as a gas-sensitive layer.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Referenzelektrode enthält einen natriumionenleitenden Festelektrolyten (10), z. B. ein Pellet aus Na-beta-Al₂O₃, das in einen entsprechend gestalteten Metallkörper (12), z. B. aus zunderbeständigem Stahl (z. B. X10CrA113), eingefügt ist. Der Elektrodenraum wird von Metallkörper und Festelektrolyt hermetisch umschlossen. Beide Materialien werden durch Löten mittels eines glasartigen Oxidgemisches (14) miteinander verbunden.The reference electrode according to the invention shown in Fig. 1 contains a sodium ion-conducting solid electrolyte ( 10 ), for. B. a pellet of Na-beta-Al₂O₃, which in a correspondingly designed metal body ( 12 ), for. B. made of scale-resistant steel (z. B. X10CrA113) is inserted. The electrode space is hermetically enclosed by the metal body and solid electrolyte. Both materials are joined together by soldering using a glass-like oxide mixture ( 14 ).

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besitzt der Me­ tallkörper (12) einen Stutzen (16). Die Herstellung der Refe­ renzelektrode kann dadurch erfolgen, daß nach dem Einlöten des Festelektrolyten in den Metallkörper einige Tropfen einer Na₂CO₃-Lösung durch den Stutzen hindurch auf der inneren Ober­ fläche des Festelektrolyten abgeschieden werden. Die gebildete Na₂CO₃-Schicht (18) wird vorzugsweise durch Erhitzen fixiert. Anschließend wird ein Gemisch aus Kohlenstoff und dem Carbonat und Oxid eines zweiten Metalls (z. B. CaCO₃ und CaO) in einem Zylinder aus feinmaschiger Stahlgaze (20) durch die Öffnung des Stutzens in den Elektrodenraum eingeführt und das übrige Volumen des Elektrodenraums mit feinverteiltem Kohlenstoff (22) aufgefüllt. Der Stutzen wird nach vorheriger Evakuierung des Elektrodenraums mit Hilfe eines Stopfens (24) verschlossen und hermetisch abgedichtet (z. B. durch Elektronenstrahl­ schweißen), wobei für eine ausreichende Wärmeableitung zu sor­ gen ist, so daß sich das Elektrodensystem nicht übermäßig er­ hitzt.In the embodiment shown in Fig. 1, the tall tall Me ( 12 ) has a nozzle ( 16 ). The production of the reference electrode can be carried out by depositing a few drops of a Na₂CO₃ solution through the nozzle on the inner surface of the solid electrolyte after soldering the solid electrolyte into the metal body. The Na₂CO₃ layer ( 18 ) formed is preferably fixed by heating. Subsequently, a mixture of carbon and the carbonate and oxide of a second metal (z. B. CaCO₃ and CaO) in a cylinder made of fine-meshed steel gauze ( 20 ) is introduced through the opening of the nozzle into the electrode space and the remaining volume of the electrode space with finely divided carbon ( 22 ) filled up. After prior evacuation of the electrode space, the nozzle is closed with a stopper ( 24 ) and hermetically sealed (e.g. by welding with an electron beam), sufficient heat dissipation being necessary so that the electrode system does not overheat.

Die Meßelektrode wird durch Aufsputtern einer Au-Schicht (26) und Abscheiden einer Na₂CO₃-Schicht (28) aus einer Lösung her­ gestellt. Die Na₂CO₃-Schicht bedeckt nahezu die gesamte Oberfläche des Festelektrolyten. The measuring electrode is made by sputtering an Au layer ( 26 ) and depositing a Na₂CO₃ layer ( 28 ) from a solution. The Na₂CO₃ layer covers almost the entire surface of the solid electrolyte.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine galvanische Zelle zur Verwendung als Sensor, insbesondere zur Messung von Gasen, die mindestens eine erfindungsgemäße Refe­ renzelektrode und mindestens eine für die jeweilige Sensor­ funktion geeignete Meßelektrode umfaßt. Das Meßsignal des Sensors entsteht durch den Potentialunterschied zwischen Referenz- und Meßelektrode, der dem Partialdruck des zu mes­ senden Gases, insbesondere NOx, SOx oder CO₂ proportional ist.Another object of the present invention is a galvanic cell for use as a sensor, in particular for measuring gases, which comprises at least one reference electrode according to the invention and at least one measuring electrode suitable for the respective sensor function. The measuring signal of the sensor is created by the potential difference between the reference and measuring electrodes, which is proportional to the partial pressure of the gas to be measured, in particular NO x , SO x or CO₂.

Vorzugsweise enthält der erfindungsgemäße Sensor eine Kombina­ tion von zwei unterschiedlichen Referenzelektrode/Festelektro­ lyt/Meßelektrode-Anordnungen. Weiter ist es bevorzugt, daß die zwei Referenzelektroden einen mindestens teilweise gemeinsamen Referenzelektrodenraum bilden, der die beiden Festelektrolyte des Sensors elektrisch miteinander verbindet. Ein Beispiel für einen solchen Sensor umfaßt eine Kombination aus einem sauer­ stoffionenleitenden und einem kationenleitenden, vorzugsweise einem alkalimetallionenleitenden Festelektrolyten mit den ent­ sprechend geeigneten Meßelektroden, wobei der kationenleitende Festelektrolyt mit dem Carbonat des ersten Metalls in Kontakt steht und der gemeinsame Referenzelektrodenraum den feinver­ teilten Kohlenstoff sowie das Carbonat und das Oxid des zwei­ ten Metalls enthält.The sensor according to the invention preferably contains a combination tion of two different reference electrodes / fixed electrodes lyt / measuring electrode arrangements. It is further preferred that the two reference electrodes at least partially common Form the reference electrode space of the two solid electrolytes of the sensor electrically connects to each other. An example for such a sensor comprises a combination of an acid ionic and a cationic, preferably an alkali metal ion conducting solid electrolyte with the ent speaking suitable measuring electrodes, the cation-conducting Solid electrolyte in contact with the carbonate of the first metal stands and the common reference electrode space the feinver shared carbon as well as the carbonate and oxide of the two contains metal.

Wenn eine dieser Referenzelektroden einen sauerstoffionenlei­ tenden Festelektrolyten enthält, liefert der resultierende Sensor ein vom Sauerstoffpartialdruck des Meßmediums unabhän­ giges Meßsignal, vorausgesetzt, die beiden Meßelektroden wer­ den Meßmedien ausgesetzt, in denen ein im wesentlichen glei­ cher Sauerstoffpartialdruck herrscht. Besonders bevorzugt ste­ hen die beiden Meßelektroden in Kontakt mit dem gleichen Meß­ medium. Sensoren dieser Art sind insbesondere zum CO₂-, NOx- oder SOx-Nachweis sowohl im Spurenbereich als auch in größeren Konzentrationen von Interesse.If one of these reference electrodes contains an oxygen-ion-solid electrolyte, the resulting sensor delivers a measurement signal that is independent of the oxygen partial pressure of the measuring medium, provided that the two measuring electrodes are exposed to the measuring media in which there is a substantially equal oxygen partial pressure. The two measuring electrodes are particularly preferably in contact with the same measuring medium. Sensors of this type are of particular interest for CO₂, NO x or SO x detection both in the trace range and in larger concentrations.

Der sauerstoffionenleitende Festelektrolyt kann beispielsweise ein Material auf der Basis von ZrO₂, ThO₂, CeO₂, HfO₂ oder Bi₂O₃ sein. Besonders bevorzugt ist der sauerstoffionenleitende Fes­ telektrolyt ein Material auf der Basis von kubisch, tetragonal oder partiell stabilisiertem ZrO₂. Die Meßelektrode für den sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wird durch einen elektronisch leitenden Überzug, z. B. Pt, realisiert.The oxygen-ion-conducting solid electrolyte can, for example a material based on ZrO₂, ThO₂, CeO₂, HfO₂ or Bi₂O₃  his. The oxygen ion-conducting Fes is particularly preferred telektrolyt a material based on cubic, tetragonal or partially stabilized ZrO₂. The measuring electrode for the oxygen ion-conducting solid electrolyte is replaced by a electronically conductive coating, e.g. B. Pt realized.

Der prinzipielle Aufbau einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Sensors mit zwei Referenzelektroden ist in Fig. 2 exemplarisch dargestellt. Die beiden Festelektrolyte, ein Pel­ let aus Na-beta-Al₂O₃ (30) sowie ein Pellet aus YO1,5-stabili­ siertem ZrO₂ (32), sind in einen entsprechend gestalteten Me­ tallkörper (34), z. B. aus zunderbeständigem Stahl, durch Löten mittels eines glasartigen Oxidgemisches (36) eingefügt. Me­ tallkörper und Festelektrolyte umschließen ein Volumen, das über einen Stutzen (38) mit der Umgebung verbunden ist. Nach dem Einfügen der Festelektrolyten in den Metallkörper werden einige Tropfen einer Metallcarbonatlösung, beispielsweise Na₂CO₃, durch den Stutzen hindurch auf der inneren Oberfläche des Na-beta-Al₂O-Festelektrolyten abgeschieden. Die so ent­ standene Na₂CO₃-Schicht (40) wird durch Erhitzen fixiert. Dann wird ein Gemisch aus Kohle und einem Metallcarbonat/Oxid (z. B. CaCO₃/CaO) in einem Zylinder aus feinmaschiger Stahlgaze (42) durch die Öffnung des Stutzens in den Elektrodenraum einge­ führt und das übrige Volumen des Elektrodenraums mit feinver­ teiltem Kohlenstoff (44) aufgefüllt. Der Stutzen wird nach vorheriger Evakuierung des Elektrodenraums mit Hilfe eines Metallstopfens (46) verschlossen und hermetisch gegen die Um­ gebung abgedichtet, z. B. durch Elektronenstrahlschweißen.The basic structure of an embodiment of the sensor according to the invention with two reference electrodes is shown as an example in FIG. 2. The two solid electrolytes, a pel let from Na beta Al₂O₃ ( 30 ) and a pellet from YO 1.5 stabilized ZrO₂ ( 32 ) are tall body in a correspondingly designed Me ( 34 ), z. B. made of scale-resistant steel, inserted by soldering using a glass-like oxide mixture ( 36 ). Me tallkörper and solid electrolytes enclose a volume that is connected to the environment via a nozzle ( 38 ). After inserting the solid electrolyte into the metal body, a few drops of a metal carbonate solution, for example Na₂CO₃, are deposited through the nozzle on the inner surface of the Na-beta-Al₂O solid electrolyte. The resulting Na₂CO₃ layer ( 40 ) is fixed by heating. Then a mixture of coal and a metal carbonate / oxide (z. B. CaCO₃ / CaO) in a cylinder made of fine-mesh steel gauze ( 42 ) through the opening of the nozzle in the electrode space and the remaining volume of the electrode space with finely divided carbon ( 44 ) filled up. The nozzle is closed after prior evacuation of the electrode space with the help of a metal plug ( 46 ) and hermetically sealed against the environment, z. B. by electron beam welding.

Als Teil der Meßelektrode wird auf der dem Meßmedium zugewand­ ten Oberfläche des sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten als elektronisch leitende Phase z. B. eine Pt-Schicht (48) und auf der Oberfläche des alkalimetallionenleitenden Festelektro­ lyten eine Au-Schicht (50) aufgesputtert. Auf derselben Fläche wird danach eine dünne Schicht (52) eines Alkalimetallsalzes (z. B. NaNO₃, Na₂CO₃ oder Na₂SO₄) abgeschieden. As part of the measuring electrode on the surface facing the measuring medium th surface of the oxygen ion-conducting solid electrolyte as an electronically conductive phase z. B. a Pt layer ( 48 ) and an Au layer ( 50 ) sputtered onto the surface of the alkali metal ion-conducting solid electrolyte. Then a thin layer ( 52 ) of an alkali metal salt (eg NaNO₃, Na₂CO₃ or Na₂SO₄) is deposited on the same surface.

Das erfindungsgemäße Metallcarbonat/Metalloxidsystem kann ne­ ben einem pulverförmigen Gemisch der Metallverbindungen auch auf festen Lösungen der entsprechenden Carbonate und Oxide beruhen.The metal carbonate / metal oxide system according to the invention can ne ben also a powdery mixture of the metal compounds on solid solutions of the corresponding carbonates and oxides are based.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zur Bestimmung von Gasen, insbeson­ dere zur Bestimmung von CO₂, NOx, SO₂, SO₃ und O₂.Another object of the invention is the use of a sensor according to the invention for the determination of gases, in particular for the determination of CO₂, NO x , SO₂, SO₃ and O₂.

Claims (17)

1. Referenzelektrode für galvanische Zellen mit einem kationenleitenden Festelektrolyten, umfassend
  • a) einen gasdicht von der Umgebung abgeschlossenen Referenzelektrodenraum,
  • b) einen für Kationen eines ersten Metalls leitfähigen Festelektrolyten, der mit der Umgebung und dem Referenzelektrodenraum in Kontakt steht,
  • c) eine im Referenzelektrodenraum auf der Oberfläche des Festelektrolyten aufgebrachte gassensitive Schicht des Carbonats des ersten Metalls und
  • d) ein im Referenzelektrodenraum befindliches Gemisch aus Kohlenstoff in feinverteilter Form, dem Carbonat eines zweiten Metalls und dem Oxid des zweiten Metalls, wobei das erste und das zweite Metall derart ausgewählt sind, daß das als gassensitive Schicht dienende Carbonat des ersten Metalls als eigenständige Phase im Gleichgewicht mit den übrigen Stoffen der Referenzelektrode dauerhaft existent bleibt, und an der Phasengrenze Festelektrolyt/gassensitive Schicht eine definierte Aktivität für das erste Metall vorliegt, die das elektrische Potential der Referenzelektrode bestimmt.
1. Reference electrode for galvanic cells with a cation-conducting solid electrolyte, comprising
  • a) a reference electrode space sealed gastight from the surroundings,
  • b) a solid electrolyte which is conductive for cations of a first metal and which is in contact with the surroundings and the reference electrode space,
  • c) a gas-sensitive layer of the carbonate of the first metal applied in the reference electrode space on the surface of the solid electrolyte and
  • d) a mixture of carbon in finely divided form, the carbonate of a second metal and the oxide of the second metal located in the reference electrode space, the first and the second metal being selected such that the carbonate of the first metal serving as a gas-sensitive layer as an independent phase in the Equilibrium with the other substances of the reference electrode remains permanently present, and at the solid electrolyte / gas-sensitive layer phase boundary there is a defined activity for the first metal, which determines the electrical potential of the reference electrode.
2. Referenzelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzelektrodenraum von einem Metallkörper um­ schlossen ist, in den der Festelektrolyt eingefügt ist.2. reference electrode according to claim 1, characterized, that the reference electrode space from a metal body around is closed, in which the solid electrolyte is inserted. 3. Referenzelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper aus zunderbeständigem Stahl besteht.3. reference electrode according to claim 2, characterized, that the metal body is made of scale-resistant steel. 4. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff eine BET-Oberfläche im Bereich von 10-200 m²/g, vorzugsweise 50-100 m²/g aufweist.4. reference electrode according to one of claims 1 to 3, characterized, that the carbon has a BET surface area in the range of 10-200 m² / g, preferably 50-100 m² / g. 5. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kationenleitende Festelektrolyt ein Alkalimetall­ ionenleiter ist.5. reference electrode according to one of claims 1 to 4, characterized, that the cation-conducting solid electrolyte is an alkali metal is ionic conductor. 6. Referenzelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der alkalimetallionenleitende Festelektrolyt ein Ma­ terial auf der Basis von beta-Al₂O₃, Nasicon oder Lisicon ist.6. reference electrode according to claim 5, characterized, that the alkali metal ion-conducting solid electrolyte a Ma material based on beta-Al₂O₃, Nasicon or Lisicon is. 7. Referenzelektrode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall Natrium, Kalium, Rubidium oder Cä­ sium und der alkalimetallionenleitende Festelektrolyt ein Natrium-, Kalium-, Rubidium- oder Cäsiumionenleiter ist. 7. reference electrode according to claim 5 or 6, characterized, that the first metal was sodium, potassium, rubidium or ca sium and the alkali metal ion conductive solid electrolyte Sodium, potassium, rubidium or cesium ion conductor.   8. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metall aus der Gruppe, bestehend aus Li, Ca, Mg, Sr und Ba, ausgewählt ist.8. reference electrode according to one of claims 1 to 7, characterized, that the second metal from the group consisting of Li, Ca, Mg, Sr and Ba is selected. 9. Referenzelektrode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall Lithium und der alkalimetallionen­ leitende Festelektrolyt ein Lithiumionenleiter ist.9. reference electrode according to claim 5 or 6, characterized, that the first metal is lithium and the alkali metal ions conductive solid electrolyte is a lithium ion conductor. 10. Referenzelektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metall aus der Gruppe, bestehend aus Ca und Mg, ausgewählt ist.10. reference electrode according to claim 9, characterized, that the second metal from the group consisting of Ca and Mg is selected. 11. Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metall Ca ist.11. Reference electrode according to one of claims 5 to 10, characterized, that the second metal is Ca. 12. Galvanische Zelle zur Verwendung als Sensor, insbesondere zur Messung von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Referenzelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und mindestens eine für die jeweilige Sensorfunktion geeignete Meßelektrode enthält.12. Galvanic cell for use as a sensor, in particular for measuring gases, characterized, that they have at least one reference electrode according to one of the Claims 1 to 11 and at least one for each Sensor function suitable measuring electrode contains. 13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kombination von zwei unterschiedlichen Refe­ renzelektrode/Festelektrolyt/Meßelektrode-Anordnungen um­ faßt und die zwei Meßelektroden in Kontakt mit dem glei­ chen Meßmedium stehen.13. Cell according to claim 12, characterized, that they are a combination of two different Refe reference electrode / solid electrolyte / measuring electrode arrangements summarizes and the two measuring electrodes in contact with the same Chen measuring medium. 14. Zelle nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kombination aus einem sauerstoffionenleiten­ den und einem kationenleitenden Festelektrolyten mit den entsprechend geeigneten Meßelektroden umfaßt, der kat­ ionenleitende Festelektrolyt mit dem Carbonat des ersten Metalls in Kontakt steht und der gemeinsame Referenzelek­ trodenraum den feinverteilten Kohlenstoff sowie das Car­ bonat und das Oxid des zweiten Metalls enthält.14. Cell according to one of claims 12 or 13, characterized,  that they conduct a combination of an oxygen ion the and a cation-conducting solid electrolyte with the correspondingly suitable measuring electrodes, the cat ion-conducting solid electrolyte with the carbonate of the first Metal is in contact and the common reference elec the finely divided carbon and the car bonat and contains the oxide of the second metal. 15. Zelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffionenleitende Festelektrolyt ein Mate­ rial auf der Basis von ZrO₂, ThO₂, CeO₂, HfO₂ oder Bi₂O₃ ist.15. Cell according to claim 14, characterized, that the oxygen ion-conducting solid electrolyte is a mate rial based on ZrO₂, ThO₂, CeO₂, HfO₂ or Bi₂O₃ is. 16. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zur Messung von Gasen, der ein vom Sauerstoffpartial­ druck des Meßmediums unabhängiges Signal liefert.16. Use of a sensor according to one of claims 12 to 15 for measuring gases, one of the oxygen partial pressure of the measuring medium delivers independent signal. 17. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 12-15 zur Messung von CO₂, NOx oder SOx.17. Use of a sensor according to any one of claims 12-15 for measuring CO₂, NO x or SO x .
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