LU84328A1 - SOLID FORM OXYGEN DETECTOR - Google Patents

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LU84328A1
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LU
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oxygen
solid form
oxygen detector
oxides
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Fernando Toci
Livio Manes
C M Mari
S Pizzini
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Euratom
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

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Description

La présente invention concerne des dispositifs électro-chimiques à l'état solide pour mesurer l'activité de 1'oxygène ; ces dispositifs comprennent un électrolyte qui est un oxyde solide et des oxydes comme électrodes sensibles à l'oxygène.The present invention relates to solid state electrochemical devices for measuring oxygen activity; these devices include an electrolyte which is a solid oxide and oxides as electrodes sensitive to oxygen.

5 Les cellules électrociiiœiques sont connues dans le domaine pour mesurer la pression.partielle de l'oxygène ; elles sont constituées d'un électrolyte solide (oxyde) ayant comme électrodes des conducteurs électroniques inoxydables, par exemple en un des métaux nobles, en particulier le platine.Electrocellular cells are known in the art for measuring the partial pressure of oxygen; they consist of a solid electrolyte (oxide) having as electrodes stainless stainless conductors, for example in one of the noble metals, in particular platinum.

10 L'électrolyte solide est un oxyde de céramique ou une phase vitreuse à conduction ionique pure, par exemple une solution - 4 solide d'oxydes ayant un déficit en ions oxygène.The solid electrolyte is a ceramic oxide or a glassy phase with pure ionic conduction, for example a solid solution of oxides having a deficit in oxygen ions.

'* Lesdites cellules, dénommées dans la suite "détecteurs d’oxygène", ont divers défauts principalement dus à la nature métal-15 lique du matériau constituant l'électrode (Pt) ce qui limite considérablement leurs possibilités d'utilisation.'* Said cells, hereinafter called "oxygen detectors", have various defects mainly due to the metallic nature of the material constituting the electrode (Pt) which considerably limits their possibilities of use.

En fait, les pressions partielles d'oxygène mesurées sont inférieures aux valeurs réelles lorsque les mélanges gazeux à analyser contiennent des traces de substances oxydables, telles que H?, CO, 20 SO^ et des hydrocarbures.In fact, the measured partial pressures of oxygen are lower than the actual values when the gas mixtures to be analyzed contain traces of oxidizable substances, such as H 2, CO, SO 4 and hydrocarbons.

Quand on mesure l'activité de l'oxygène dans des mélanges C0/C0o, on observe une bonne précision dans la détermination de la proportion des deux gaz mais les temps de réponse sont très élevés pour des variations rapides dans la composition du mélange gazeux.When measuring the activity of oxygen in CO / CO mixtures, good accuracy is observed in determining the proportion of the two gases, but the response times are very high for rapid variations in the composition of the gas mixture.

25 Quand les gaz à analyser contiennent du SO^ (x = 2 ou 3), les temps de réponse sont très élevés.When the gases to be analyzed contain SO ^ (x = 2 or 3), the response times are very high.

's + De nombreux métaux peuvent empoisonner ledit matériau constituant l'électrode (Pt) et l'utilisation du détecteur d'oxygène, pour le contrôle de l'atmosphère réductrice dans des applications 30 métallurgiques, est parfois très critique oc impossible.Many metals can poison said material constituting the electrode (Pt) and the use of the oxygen detector, for monitoring the reducing atmosphere in metallurgical applications, is sometimes very critical or impossible.

L'électrode en Pt est en particulier facilement empoisonnée i par le plomb ; c'est la raison pour laquelle l'utilisation d'un tel dispositif est exclue pour contrôler les gaz d'échappement d'un moteur alimenté avec de l'essence contenant des composés organométallicues ce plume.The Pt electrode is in particular easily poisoned by lead; this is the reason why the use of such a device is excluded to control the exhaust gases of an engine supplied with gasoline containing organometallic compounds this feather.

22

Pour éviter lesdits défauts et pour produire un détecteur d'oxygène électrochimique sous forme solide capable d'être utilisé dans une gamme plus étendue d'applications, la demanderesse propose, selon l'invention, un nouveau dispositif électrochimique solide dans 5 lequel le matériau constituant l'électrode (en général un conducteur électronique inoxydable, tel qu'un métal noble) est constitué d'oxydes ayant une conductivité électrique mixte (ionique et électronique).To avoid said defects and to produce an electrochemical oxygen detector in solid form capable of being used in a wider range of applications, the applicant proposes, according to the invention, a new solid electrochemical device in which the constituent material the electrode (in general a stainless electronic conductor, such as a noble metal) consists of oxides having a mixed electrical conductivity (ionic and electronic).

De tels matériaux sont des oxydes non stoechiométriques (PrO . TbO ou des mélanges desdits oxydes, par exemple TbO + Ce0o ; 10 Pr0„ + Ce0„ ) ou des oxydes mixtes (LaCrO. ; La, Sr CrO ; etc.).Such materials are non-stoichiometric oxides (PrO. TbO or mixtures of said oxides, for example TbO + Ce0o; Pr0 „+ Ce0„) or mixed oxides (LaCrO.; La, Sr CrO; etc.).

2-x 2-x 3 1-x x 32-x 2-x 3 1-x x 3

Le dessin en annexe montre la conception du détecteur selon l'invention (coupe longitudinale) et permet de mieux comprendre d'autres caractéristiques et avantages de l'invention,The appended drawing shows the design of the detector according to the invention (longitudinal section) and allows a better understanding of other characteristics and advantages of the invention,

Le récipient 1 en céramique constitue l'électrolyte solide ; 15 sa paroi interne 2 et/ou sa paroi externe 3 sont en contact avec un oxyde (électrode sensible à l'oxygène).The ceramic container 1 constitutes the solid electrolyte; Its internal wall 2 and / or its external wall 3 are in contact with an oxide (electrode sensitive to oxygen).

Le compartiment de référence interne utilise un système chimique constitué d'un mélange gazeux (par exemple de l'oxygène pur, de l'air,un mélange gazeux d'oxygène, ou des mélanges CO/CO^ ou 20 i^/l^O) ou d'un mélange métal-oxyde, par exemple Ni, KiO, Fe-FeO, etc.The internal reference compartment uses a chemical system made up of a gaseous mixture (for example pure oxygen, air, a gaseous mixture of oxygen, or mixtures CO / CO ^ or 20 i ^ / l ^ O) or a metal-oxide mixture, for example Ni, KiO, Fe-FeO, etc.

pour fixer une pression partielle connue d'oxygène.to set a known partial pressure of oxygen.

Le compartiment de référence interne utilise comme électrode sensible à l'oxygène soit un métal noble, soit un oxyde.The internal reference compartment uses as the oxygen sensitive electrode either a noble metal or an oxide.

L'électrode externe est placée dans l'atmosphère de gaz à 25 analyser et son matériau sensible à l'oxygène est un oxyde ou un mélange d'oxydes.The external electrode is placed in the atmosphere of the gas to be analyzed and its oxygen-sensitive material is an oxide or a mixture of oxides.

- f. Dans les conditions opératoires, on observe une force électromotrice (fem) entre lesdites électrodes 2 et 3. C’est la valeur de cette force électromotrice qui donne la mesure de l'activité de 30 1'oxygène.- f. Under the operating conditions, an electromotive force (emf) is observed between said electrodes 2 and 3. It is the value of this electromotive force which gives the measurement of the activity of oxygen.

Le dispositif, selon l'invention, peut être utilisé dans les domaines suivants : a) contrôle de l'atmosphère dans le traitement thermique des métaux ; 3 b) contrôle de la combustion dans les générateurs de vapeurs, les fours et les chaudières ; c) contrôle des gaz d’échappement des moteurs à combustion interne ; et I 5 d) pour améliorer les économies de combustible et pour lutter j contre la pollution.The device according to the invention can be used in the following fields: a) control of the atmosphere in the heat treatment of metals; 3 b) control of combustion in steam generators, ovens and boilers; c) control of exhaust gases from internal combustion engines; and I 5 d) to improve fuel economy and to fight pollution.

i Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l’art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du 10 cadre de l'invention.Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the devices or methods which have just been described only by way of nonlimiting examples without departing from the scope of the invention.

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Claims (19)

44 1. Détecteur d'oxygène sous forme solide pour la mesure des pressions partielles d'oxygène, caractérisé en ce qu'il est constitué par une cellule d'électrolyte dont les électrodes sensibles à l'oxygène 5 sont des oxydes non stoechiométriques, l'électrolyte étant constitué de céramique à l'état solide.1. Oxygen detector in solid form for measuring the partial pressures of oxygen, characterized in that it is constituted by an electrolyte cell whose electrodes sensitive to oxygen 5 are non-stoichiometric oxides, the electrolyte consisting of ceramic in the solid state. 2. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes sensibles à l'oxygène sont des oxydes ayant une conductivité mixte ionique et électronique. 102. Oxygen detector in solid form according to claim 1, characterized in that the oxygen-sensitive electrodes are oxides having a mixed ionic and electronic conductivity. 10 3. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que les électrodes sensibles à l'oxygène <· sont des oxydes contenant le poison métallique possible présent dans l'atmosphère gazeuse à analyser.3. Oxygen detector in solid form according to claim 1, characterized in that the oxygen-sensitive electrodes <· are oxides containing the possible metal poison present in the gaseous atmosphere to be analyzed. 4. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendica-15 tion 1, caractérisé en ce que les électrodes sensibles à l'oxygène sont des oxydes mixtes contenant deux ou plusieurs cations.4. Oxygen detector in solid form as claimed in claim 1, characterized in that the oxygen-sensitive electrodes are mixed oxides containing two or more cations. 5. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes sensibles à l'oxygène sont des mélanges d'oxydes. 205. Oxygen detector in solid form according to claim 1, characterized in that the oxygen-sensitive electrodes are mixtures of oxides. 20 6. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que la cellule est constituée d'un récipient en céramique sous forme solide dont l'une des parois est en contact avec les oxydes qui constituent l'électrode sensible à l'oxygène.6. Oxygen detector in solid form according to claim 1, characterized in that the cell consists of a ceramic container in solid form, one of the walls of which is in contact with the oxides which constitute the sensitive electrode. oxygen. 7. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon la revendica- " 25 tion 1, caractérisé en ce que la cellule est constituée d'un récipient en céramique sous forme solide dont les deux parois sont en contact y avec les oxydes constituant les électrodes sensibles à l'oxygène.7. Oxygen detector in solid form according to claim 1, characterized in that the cell consists of a ceramic container in solid form, the two walls of which are in contact with the oxides constituting the sensitive electrodes oxygen. 8. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 145, caractérisé en ce que la cellule a une 30 paroi en contact avec les mélanges d'oxydes constituant 1'électrode sensible à l'oxygène.8. Solid state oxygen detector according to any one of claims 145, characterized in that the cell has a wall in contact with the mixtures of oxides constituting the oxygen-sensitive electrode. 9. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que les deux oarois de la cellule sont en contact c les mélanges d!oxydes. 5 *9. oxygen detector in solid form according to any one of claims 1 to 5. characterized in that the two cells of the cell are in contact with the mixtures of oxides. 5 * 10. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface de la paroi extérieure de la cellule est revêtue de PrO. _.10. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the outer wall of the cell is coated with PrO. _. 11. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque 5 des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface de la paroi extérieure de la cellule est revêtue de TbO„ 2-x11. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the external wall of the cell is coated with TbO „2-x 12. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la surface extérieure est revêture de TbCL + et/ou PrCL + CeO„ 2-x 2-x 2-x 1012. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1, 2 or 6, characterized in that the external surface is coated with TbCL + and / or PrCL + CeO „2-x 2-x 2-x 10 13. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que la surface extérieure est revêtue avec des oxydes de lanthanides.13. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1, 2 or 4, characterized in that the outer surface is coated with lanthanide oxides. ; ,, 14. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la surface exté-15 rieure est revêtue avec des oxydes mixtes de lanthanides et/ou de ! métaux de transition. i; ,, 14. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1, 2 or 6, characterized in that the external surface is coated with mixed oxides of lanthanides and / or! transition metals. i 15. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la surface extérieure de l'électrolyte solide est revêtue avec des oxydes mixtes dont 20 au moins un oxyde de lanthanides, de métaux de transition et de métaux t \ alcalins.15. Oxygen detector in solid form according to any one of claims 1, 2 or 6, characterized in that the external surface of the solid electrolyte is coated with mixed oxides including at least one lanthanide oxide, transition metals and t \ alkali metals. 16. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque | des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la surface exté rieure est revêtue avec des oxydes mixtes dont au moins un oxyde de 25 lanthanides, de métaux de transition et de métaux alcalino-terreux.16. Solid state oxygen detector according to any one | of claims 1, 2 or 6, characterized in that the outer surface is coated with mixed oxides including at least one oxide of lanthanides, transition metals and alkaline earth metals. [ 17. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque b V ! ^ des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la surface exté rieure de l'électrolyte solide est revêtue avec des oxydes mixtes i dont au moins un oxyde de lanthanides, de métaux alcalino-terreux et \ 30 de transition.[17. Solid state oxygen detector according to any one b V! ^ of claims 1, 2 or 6, characterized in that the outer surface of the solid electrolyte is coated with mixed oxides i including at least one oxide of lanthanides, alkaline earth and transition metals. 18. Détecteur d'oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la cellule est } i formée d'un récipient de céramique solide dont l'une des parois est en contact avec un métal noble et l'autre paroi est en contact avec 35 les cxvées selon l'une quelconque des revendications précédentes. > 618. oxygen detector in solid form according to any one of claims 1, 2 or 6, characterized in that the cell is} i formed of a solid ceramic container one of the walls of which is in contact with a noble metal and the other wall is in contact with the cables according to any one of the preceding claims. > 6 19. Détecteur d’oxygène sous forme solide selon l'une quelconque des revendications 1^ 2 ou 6, caractérisé en ce que l'une ou les deux parois sont en contact avec des mélanges simples ou complexes d'un produit selon l'une quelconque des revendications précédentes. * //£ [ | if ?|-ixextl.ourg, le C£ aoûi 19' 1 ; £ T._____ n ^ βτ* ! V juT it19. oxygen detector in solid form according to any one of claims 1 ^ 2 or 6, characterized in that one or both walls are in contact with simple or complex mixtures of a product according to one any of the preceding claims. * // £ [| if? | -ixextl.ourg, C £ Aug 19 '1; £ T ._____ n ^ βτ *! V juT it
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