RU2767005C1 - High temperature electrochemical cell - Google Patents

High temperature electrochemical cell Download PDF

Info

Publication number
RU2767005C1
RU2767005C1 RU2021120313A RU2021120313A RU2767005C1 RU 2767005 C1 RU2767005 C1 RU 2767005C1 RU 2021120313 A RU2021120313 A RU 2021120313A RU 2021120313 A RU2021120313 A RU 2021120313A RU 2767005 C1 RU2767005 C1 RU 2767005C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
plate
ceramic
cell
electrode
Prior art date
Application number
RU2021120313A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ефим Ильич Чернов
Михаил Ефимович Чернов
Юрий Михайлович Сысоев
Original Assignee
Акционерное Общество "Экон"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Экон" filed Critical Акционерное Общество "Экон"
Priority to RU2021120313A priority Critical patent/RU2767005C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2767005C1 publication Critical patent/RU2767005C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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
    • G01N27/409Oxygen concentration cells

Abstract

FIELD: gas analysis means.
SUBSTANCE: invention relates to means of analyzing gases at high temperatures and can be used in boilers and furnaces for various purposes. Planar type high-temperature electrochemical cell comprises an upper ceramic plate made of a zirconium dioxide-based solid electrolyte material, electrodes deposited on the plate, a heating element, wherein the cell comprises a U-shaped middle ceramic plate made from a ceramics based on an magnesium aluminate spinel, lower ceramic plate made from ceramics based on magnesium aluminate spinel, with possibility of tight connection of upper, middle and lower ceramic plates into a single package, wherein one electrode is a reference and is applied to the lower plane of the upper plate, the second electrode is a measuring electrode and is applied to the upper plane of the upper plate, and the heating element is applied on the upper plane of the lower plate.
EFFECT: high accuracy and reliability of determining oxygen concentration.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к средствам для исследования или анализа газов в условиях высоких температур и может быть использовано в котлоагрегатах и печах различного назначения на предприятиях энергетической, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности, керамическом и стекольном производстве, строительной отрасли. Предложена высокотемпературная электрохимическая ячейка планарного типа, предназначенная для использования в составе универсального стационарного промышленного газоанализатора кислорода в газовых средах, и являющаяся его основным конструктивным элементом.The invention relates to tools for the study or analysis of gases at high temperatures and can be used in boilers and furnaces for various purposes at enterprises in the energy, oil refining, chemical and metallurgical industries, ceramic and glass production, and the construction industry. A planar-type high-temperature electrochemical cell is proposed for use as part of a universal stationary industrial oxygen gas analyzer in gaseous media, and which is its main structural element.

Современным требованиям по надежности, безотказности, сроку службы, точности, ремонтопригодности в условиях высоких температур дымовых газов удовлетворяют только газоанализаторы кислорода с твердоэлектролитным керамическим сенсором на основе диоксида циркония.Modern requirements for reliability, non-failure operation, service life, accuracy, maintainability at high flue gas temperatures are met only by oxygen gas analyzers with a solid electrolyte ceramic sensor based on zirconium dioxide.

Сегодня на рынке существуют отечественные твердоэлектролитные стационарные газоанализаторы кислорода, например: ТДК-ЗМ (ООО «НПФ ЦИРКОН»), АКВТ-01 (ФГУП «СПО Аналитприбор»), ЭКОН (АО ЭКОН), ИКТС-11 (АО Проманалитприбор), и некоторые другие.Today, there are domestic solid electrolyte stationary oxygen gas analyzers on the market, for example: TDK-ZM (NPF ZIRCON LLC), AKVT-01 (FGUP SPO Analitpribor), EKON (EKON JSC), IKTS-11 (Promanalitpribor JSC), and some other.

Однако, в связи с увеличивающимися экологическими и техническими требованиями, требуется существенное улучшение основных характеристик применяемых в промышленности стационарных газоанализаторов. В частности, необходимо: повышение быстродействия, уменьшение времени выхода на режим при включении, уменьшение потребляемой мощности, снижение массы датчика, уменьшение габаритного диаметра датчика, увеличение максимальной длины кабеля, уменьшение габаритов и массы электронного блока газоанализатора, снижение себестоимости в производстве. Принципиальное улучшение всех вышеперечисленных характеристик газоанализатора возможно при конструктивном изменении твердоэлектролитного керамического сенсора, а именно, изготовление его с использованием пленочных технологий (планарный сенсор).However, due to increasing environmental and technical requirements, a significant improvement in the main characteristics of stationary gas analyzers used in industry is required. In particular, it is necessary: to increase the speed, reduce the time to enter the mode when turned on, reduce the power consumption, reduce the mass of the sensor, reduce the overall diameter of the sensor, increase the maximum cable length, reduce the dimensions and weight of the electronic unit of the gas analyzer, reduce production costs. A fundamental improvement in all of the above characteristics of the gas analyzer is possible with a constructive change in the solid electrolyte ceramic sensor, namely, its manufacture using film technologies (planar sensor).

Это позволит создать на базе такого сенсора газоанализатор с принципиально улучшенными техническими характеристиками в целях применения его в действующих и перспективных автоматизированных системах управления топливосжигающих установок (котлов, печей и др.).This will make it possible to create a gas analyzer based on such a sensor with fundamentally improved technical characteristics in order to use it in existing and future automated control systems of fuel-burning installations (boilers, furnaces, etc.).

Из уровня техники известен Быстродействующий плоский датчик кислорода широкого диапазона планарного типа по патенту CN 1029676420 с приоритетом от 02.11.2012, собранный из нескольких пластин из диоксида циркония, имеющий электрический нагревательный провод и чувствительные электроды.Known from the prior art is a planar-type high-speed flat wide-range oxygen sensor according to patent CN 1029676420 with priority dated 02.11.2012, assembled from several plates of zirconium dioxide, having an electric heating wire and sensitive electrodes.

Известен Датчик кислорода и способ изготовления датчика кислорода по патенту US 2009044598 с приоритетом от 15.08.2007, включающий в себя слой диоксида циркония, два электрода, расположенные по разные стороны слоя диоксида циркония, и пористый канал для направления воздуха к первому электроду, предотвращая протекание через него углеводородов и соприкосновение с первым электродом.An oxygen sensor and a method for manufacturing an oxygen sensor according to US patent 2009044598 with priority dated 08/15/2007, including a layer of zirconium dioxide, two electrodes located on opposite sides of the zirconium dioxide layer, and a porous channel for directing air to the first electrode, preventing flow through hydrocarbons and contact with the first electrode.

Известно Устройство для определения характеристик газа по международной заявке WO 2006005332 с конвенционным приоритетом от 01.10.2004, имеющее плоскую конструкцию и состоящее из несущей подложки, содержащей тонкие слои, по крайней мере, для одного нагревательного элемента, твердого электролита из оксида алюминия, стеклокерамики или оксида циркония-оксида алюминия и электродов.A device for determining the characteristics of gas according to the international application WO 2006005332 with conventional priority dated 01.10.2004, having a flat design and consisting of a carrier substrate containing thin layers for at least one heating element, a solid electrolyte of aluminum oxide, glass ceramics or oxide zirconium-aluminum oxide and electrodes.

Известен Чувствительный элемент по патенту US 2005067283 с приоритетом от 13.08.2004, имеющий несколько слоев твердого электролита различного состава на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и два электрода.Known Sensing element according to US patent 2005067283 with priority dated 13.08.2004, having several layers of solid electrolyte of different composition based on zirconium oxide stabilized with yttrium oxide, and two electrodes.

Недостатком перечисленных устройств является то, что, несмотря на свою планарную конструкцию, они не предназначены для применения в агрессивных средах при высоких температурах, и применяются в основном для определения концентрации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания.The disadvantage of these devices is that, despite their planar design, they are not intended for use in aggressive environments at high temperatures, and are mainly used to determine the oxygen concentration in the exhaust gases of internal combustion engines.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является высокотемпературная электрохимическая ячейка-сенсор (патент RU 2433394 с приоритетом от 05.04.2010). Ячейка-сенсор содержит пластину-подложку, выполненную из термостойкого изоляционного материала. На одной стороне пластины сформирован тонкий 2-20 мкм слой твердого электролита, на которую нанесены каталитический и инертный электроды с выводами в холодную зону, покрытые для исключения абразивного износа исследуемым газом, пористым слоем керамики. На другой стороне пластины нанесен плоский нагреватель, покрытый непористым слоем керамики. Ячейка-сенсор может быть использована в газоанализаторах, предназначенных для контроля отходящих газов котлоагрегатов и других топливосжигающих установок, а также для лямбда зондов, используемых в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания в системе подготовки топливной смеси, для более полного ее сгорания и снижения вредных выбросов в атмосферу. К недостаткам выбранного аналога можно отнести отсутствие контроля температуры, что не предусмотрено конструкцией данного сенсора. Без контроля температуры нельзя точно определить концентрацию кислорода. В связи с этим, ячейка-сенсор в силу своей конструкции не является самодостаточным средством контроля концентрации кислорода.The closest analogue in technical essence is a high-temperature electrochemical cell-sensor (patent RU 2433394 with priority dated 04/05/2010). The cell-sensor contains a substrate plate made of a heat-resistant insulating material. On one side of the plate, a thin 2–20 µm layer of solid electrolyte is formed, on which catalytic and inert electrodes are applied with leads to the cold zone, coated with a porous layer of ceramics to prevent abrasive wear by the gas under study. On the other side of the plate, a flat heater is applied, covered with a non-porous ceramic layer. The sensor cell can be used in gas analyzers designed to control the exhaust gases of boilers and other fuel-burning installations, as well as for lambda probes used in cars with internal combustion engines in the fuel mixture preparation system, for more complete combustion and reduction of harmful emissions into the atmosphere . The disadvantages of the selected analogue include the lack of temperature control, which is not provided for by the design of this sensor. Without temperature control, it is impossible to accurately determine the oxygen concentration. In this regard, the cell-sensor, due to its design, is not a self-sufficient means of monitoring the oxygen concentration.

Известно, что ЭДС ячейки с концентрацией кислорода и температурой связывает формула Нернста:It is known that the cell EMF with oxygen concentration and temperature is related by the Nernst formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеwhere

R - это универсальная газовая постоянная,R is the universal gas constant,

Т - температура, К,T - temperature, K,

F - число Фарадея,F - Faraday number,

n - количество электронов, участвующих в реакции,n is the number of electrons involved in the reaction,

с - концентрация кислорода в исследуемой среде,c is the concentration of oxygen in the medium under study,

с0 - концентрация кислорода на электроде сравнения.c 0 - oxygen concentration at the reference electrode.

Таким образом, концентрация кислорода является функцией двух параметров: ЭДС и температуры ячейки. Поэтому контроль температуры ячейки очень важен для точного измерения концентрации кислорода.Thus, the oxygen concentration is a function of two parameters: EMF and cell temperature. Therefore, cell temperature control is very important for accurate measurement of oxygen concentration.

Предлагаемое изобретение решает техническую проблему по устранению указанных недостатков, а именно обеспечивает энергоэкономичные, быстродействующие и высокоточные измерения концентрации кислорода непосредственно в потоке дымовых газов при помощи газоанализатора с высокотемпературной электрохимической ячейкой планарного типа.The present invention solves the technical problem of eliminating these disadvantages, namely, it provides energy-efficient, fast and high-precision measurements of the oxygen concentration directly in the flue gas flow using a gas analyzer with a high-temperature planar-type electrochemical cell.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности и достоверности определения концентрации кислорода, благодаря возможности контроля сразу двух параметров: ЭДС ячейки и температуры ячейки, а также в повышении энергоэффективности и быстродействии за счет многослойной планарной структуры высокотемпературной электрохимической ячейки, уменьшения толщины слоя твердого электролита, размещения нагревателя максимально близко к электродам, возможности контроля температуры ячейки посредством контроля параметров нагревателя: тока и напряжения. Кроме этого, упрощается конструкция газоанализатора кислорода, снижается трудоемкость, повышается надежность устройства.The technical result of the invention is to increase the accuracy and reliability of determining the oxygen concentration, due to the ability to control two parameters at once: the cell EMF and the cell temperature, as well as to increase energy efficiency and speed due to the multilayer planar structure of the high-temperature electrochemical cell, to reduce the thickness of the solid electrolyte layer, to place the heater as close as possible to the electrodes, the ability to control the cell temperature by controlling the parameters of the heater: current and voltage. In addition, the design of the oxygen gas analyzer is simplified, labor intensity is reduced, and the reliability of the device is increased.

Технический результат реализуется за счет следующих конструктивных особенностей.The technical result is realized due to the following design features.

Высокотемпературная электрохимическая ячейка (Ячейка) планарного типа состоитHigh-temperature electrochemical cell (Cell) of planar type consists of

- из верхней керамической пластины, изготовленной из твердоэлектролитного материала на основе диоксида циркония,- from the upper ceramic plate made of solid electrolyte material based on zirconium dioxide,

- из измерительного электрода, нанесенного на верхнюю плоскость верхней пластины,- from a measuring electrode deposited on the upper plane of the upper plate,

- из эталонного электрода, нанесенного на нижнюю плоскость верхней пластины,- from a reference electrode deposited on the lower plane of the upper plate,

- из средней керамической пластины П-образной формы, изготовленной из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели,- from a medium U-shaped ceramic plate made of ceramic based on alumina-magnesia spinel,

- из нижней керамической пластины, изготовленной из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели,- from the lower ceramic plate made of ceramic based on alumina-magnesia spinel,

- из нагревательного элемента, нанесенного на верхнюю плоскость нижней пластины,- from a heating element deposited on the upper plane of the lower plate,

- при этом электроды и нагревательный элемент выполнены из платины Pt, а также возможно из золота или серебра, или вольфрама, или молибдена, или никеля,- in this case, the electrodes and the heating element are made of platinum Pt, and also possibly of gold or silver, or tungsten, or molybdenum, or nickel,

- все три керамические пластины герметично соединены в пакет.- all three ceramic plates are tightly connected in a package.

Следует сказать, что габаритные размеры Ячейки следующие: длина от 30 до 40 мм, ширина от 4 до 6 мм, толщина от 1 до 1,5 мм. Она состоит из трех герметично соединенных керамических пластин, толщина каждой пластины - около 0,4 мм. Размеры минимальны и способствуют уменьшению толщины слоя твердого электролита. Что дает снижение инерционности и повышение быстродействия, повышение термостойкости, снижение потребляемой мощности.It should be said that the overall dimensions of the Cell are as follows: length from 30 to 40 mm, width from 4 to 6 mm, thickness from 1 to 1.5 mm. It consists of three hermetically connected ceramic plates, the thickness of each plate is about 0.4 mm. The dimensions are minimal and help to reduce the thickness of the solid electrolyte layer. That gives a decrease in inertia and an increase in speed, an increase in thermal stability, and a decrease in power consumption.

Верхняя керамическая пластина выполнена из твердого электролита - керамического материала на основе диоксида циркония, стабилизированная оксидом иттрия (ZrO2⋅Y2O3). По назначению верхняя керамическая пластина является кислородопроводящей мембраной, герметично разделяющей два газовых объема: объем исследуемой газовой среды (верхняя плоскость) и объем эталонного воздуха с постоянной концентрацией кислорода (нижняя плоскость). На верхнюю и нижнюю плоскость нанесены электроды.The upper ceramic plate is made of a solid electrolyte - a ceramic material based on zirconium dioxide, stabilized with yttrium oxide (ZrO 2 ⋅Y 2 O 3 ). According to its purpose, the upper ceramic plate is an oxygen-conducting membrane that hermetically separates two gas volumes: the volume of the studied gaseous medium (upper plane) and the volume of reference air with a constant oxygen concentration (lower plane). Electrodes are applied to the upper and lower planes.

Электроды в конструкции выполняют несколько функций: на них происходит электрохимическое превращение вещества, они являются токоподводами. Материал электрода должен иметь хорошую электропроводность и адгезию к керамике, химическую инертность, пористость для подвода газа к электролиту. По совокупности свойств, в качестве материала электродов, наилучшим образом подходит и выбрана платина Pt.The electrodes in the structure perform several functions: electrochemical transformation of matter takes place on them, they are current leads. The electrode material must have good electrical conductivity and adhesion to ceramics, chemical inertness, and porosity for gas supply to the electrolyte. According to the totality of properties, platinum Pt is the best suited and chosen as the electrode material.

Средняя керамическая пластина своей П-образной формой формирует канал для подвода эталонного воздуха к эталонному электроду, а также служит электроизолятором.The middle ceramic plate with its U-shaped form forms a channel for supplying the reference air to the reference electrode, and also serves as an electrical insulator.

Нижняя керамическая пластина является несущей частью нагревательного элемента в виде металлизированной дорожки, нанесенной на ее верхнюю плоскость. Таким образом, нагревательный элемент расположен максимально близко к электродам, что позволяет быстро нагреть до требуемой рабочей температуры (500…700°С), точно поддерживать эту температуру, существенно уменьшить потребляемую мощность.The lower ceramic plate is the bearing part of the heating element in the form of a metallized track deposited on its upper plane. Thus, the heating element is located as close as possible to the electrodes, which allows you to quickly heat up to the required operating temperature (500 ... 700 ° C), accurately maintain this temperature, and significantly reduce power consumption.

Возможность определения температуры нагревателя, следовательно всей Ячейки, обусловлена зависимостью электросопротивления металла от его температуры.The possibility of determining the temperature of the heater, hence the entire Cell, is due to the dependence of the electrical resistance of the metal on its temperature.

Некоторые металлы обладают выраженным положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), зависящим от свойств металла. Величина электросопротивления металлического проводника зависит от его ТКС а, и изменения его температуры (Ж. Аш. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 480 с). Изменение сопротивления из-за нагрева:Some metals have a pronounced positive temperature coefficient of resistance (TCR), which depends on the properties of the metal. The value of the electrical resistance of a metal conductor depends on its TCS a, and changes in its temperature (J. Ash. Sensors of measuring systems: In 2 books. Book 1. Translated from French - M .: Mir, 1992. - 480 s) . Change in resistance due to heating:

Figure 00000002
Figure 00000002

R0 - начальное сопротивление;R 0 - initial resistance;

ΔR - изменение сопротивления, позволяет определить изменение температуры, выраженное:ΔR - change in resistance, allows you to determine the change in temperature, expressed:

Figure 00000003
Figure 00000003

В свою очередь, электросопротивление нагревателя определяется параметрами тока и напряжения нагревателя:In turn, the electrical resistance of the heater is determined by the parameters of the current and voltage of the heater:

Figure 00000004
Figure 00000004

Таким образом, возможно контролировать температуру электронагревателя посредством измерения напряжения на нагревателе, и потребляемого им тока.Thus, it is possible to control the temperature of the electric heater by measuring the voltage across the heater and the current drawn by it.

Это позволяет совмещение функций «нагреватель» и «измеритель температуры» в одном устройстве, что существенно упрощает конструкцию газоанализатора кислорода, снижает трудоемкость, повышает надежность.This allows combining the functions of "heater" and "temperature meter" in one device, which greatly simplifies the design of the oxygen gas analyzer, reduces labor intensity, and increases reliability.

Данное решение можно применить к газоанализатору кислорода в дымовых газах, а также использовать в конструкции других сенсоров и измерителей, имеющих собственный нагревательный элемент, например: полупроводниковых, термокаталитических, твердоэлектролитных, и др.This solution can be applied to an oxygen gas analyzer in flue gases, as well as used in the design of other sensors and meters that have their own heating element, for example: semiconductor, thermal catalytic, solid electrolyte, etc.

В качестве материала нагревательного элемента предлагается использовать платину, что обусловлено технологическими преимуществами (в дальнейшем общий процесс вжигания, благодаря близким температурам), существенным положительным термическим коэффициентом сопротивления (3,9*10-3С-1), характеризующим зависимость электрического сопротивления от температуры (Ж. Аш. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - 480 с). Кроме того, химическая пассивность платины и отсутствие кристаллических изменений обеспечивают стабильность электрических свойств в процессе работы в агрессивных средах при высоких температурах.It is proposed to use platinum as the material of the heating element, which is due to technological advantages (in the future, the general process of firing, due to close temperatures), a significant positive thermal resistance coefficient (3.9 * 10 -3 C -1 ), characterizing the dependence of electrical resistance on temperature ( J. Ash. Sensors of measuring systems: In 2 books. Book 1. Translated from French - M.: Mir, 1992. - 480 p.). In addition, the chemical passivity of platinum and the absence of crystalline changes ensure the stability of electrical properties during operation in aggressive environments at high temperatures.

Средняя и нижняя пластины изготовлены из керамического материала на основе оксида магния - алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) с избытком MgO (АМШ). Этот материал обладает высокими диэлектрическими свойствами и коэффициентом термического линейного расширения (КТЛР) близким к диоксиду циркония.The middle and bottom plates are made of magnesium oxide-based ceramic material - alumina-magnesia spinel (MgAl 2 O 4 ) with an excess of MgO (AMS). This material has high dielectric properties and thermal linear expansion coefficient (CTEC) close to that of zirconium dioxide.

Материал керамических пластин обладает необходимой механической прочностью и химической стойкостью при использовании в среде дымовых газов в диапазоне высоких рабочих температур.The ceramic plate material has the necessary mechanical strength and chemical resistance when used in flue gas environments in the high operating temperature range.

Все три керамические пластины герметично соединены в пакет и образуют Ячейку планарного типа.All three ceramic plates are hermetically connected in a package and form a planar cell.

Таким образом, всей совокупностью приведенных признаков высокотемпературной электрохимической ячейки достигается технический результат по повышению энергоэффективности, точности и достоверности определения концентрации кислорода, благодаря возможности контроля сразу двух параметров: ЭДС и температуры ячейки. Благодаря чему решается проблема по обеспечению энергоэкономичного, быстродействующего и высокоточного измерения концентрации кислорода непосредственно в потоке дымовых газов. Кроме этого, упрощается конструкция газоанализатора кислорода, снижается трудоемкость изготовления, повышается надежность устройства.Thus, the totality of the above features of a high-temperature electrochemical cell achieves the technical result of improving energy efficiency, accuracy and reliability of determining the oxygen concentration, due to the ability to control two parameters at once: EMF and cell temperature. This solves the problem of providing energy-efficient, fast and highly accurate measurement of the oxygen concentration directly in the flue gas stream. In addition, the design of the oxygen gas analyzer is simplified, the complexity of manufacturing is reduced, and the reliability of the device is increased.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 схематично показана высокотемпературная электрохимическая ячейка в разрезе, гдеOn FIG. 1 and FIG. 2 schematically shows a high-temperature electrochemical cell in section, where

1 - верхняя керамическая пластина,1 - upper ceramic plate,

2 - нижняя керамическая пластина,2 - lower ceramic plate,

3 - измерительный электрод,3 - measuring electrode,

4 - эталонный электрод,4 - reference electrode,

5 - нагревательный элемент,5 - heating element,

6 - средняя керамическая пластина,6 - medium ceramic plate,

7 - канал,7 - channel,

8 - верхняя плоскость верхней пластины,8 - the upper plane of the upper plate,

9 - нижняя плоскость верхней пластины,9 - the lower plane of the upper plate,

10 - верхняя плоскость нижней пластины.10 - upper plane of the lower plate.

Высокотемпературная электрохимическая ячейка состоит из верхней (1) и нижней (2) керамических пластин. Верхняя керамическая пластина (1) из твердоэлектролитного материала на основе диоксида циркония с нанесенными на ее верхнюю плоскость (8) измерительным электродом (3) и не ее нижнюю плоскость (9) эталонным электродом (4) герметично соединена с нижней керамической пластиной (2), несущей нагревательный элемент (5). Между верхней и нижней пластинами размещена средняя керамическая пластина (6) П-образной формы, в результате чего при соединении всех пластин вместе в один пакет образуется внутри канал (7) с открытой частью для подвода эталонного воздуха к эталонному электроду (4). Таким образом, ячейка разделяет два газовых объема, и анализируемый газ поступает на измерительный электрод (3), а эталонный газ - на эталонный электрод (4). В результате возникающей разницы в парциальных давлениях кислорода и протекания электрохимической реакции на электродах, КЧЭ генерирует ЭДС Е, которая при заданном содержании кислорода (воздух) на эталонном электроде и контролируемой температуре Ячейки, определяет содержание кислорода в исследуемой среде. Температура ячейки определяется текущим значением электросопротивления нагревателя, Т;, которое контролируется по параметрам напряжения и потребляемого тока.The high-temperature electrochemical cell consists of upper (1) and lower (2) ceramic plates. The upper ceramic plate (1) made of a solid electrolyte material based on zirconium dioxide with a measuring electrode (3) deposited on its upper plane (8) and a reference electrode (4) on its lower plane (9) is hermetically connected to the lower ceramic plate (2), carrier heating element (5). Between the upper and lower plates there is a middle U-shaped ceramic plate (6), as a result of which, when all the plates are connected together in one package, a channel (7) is formed inside with an open part for supplying reference air to the reference electrode (4). Thus, the cell separates the two gas volumes, and the analyzed gas goes to the measuring electrode (3), and the reference gas goes to the reference electrode (4). As a result of the resulting difference in partial pressures of oxygen and the occurrence of an electrochemical reaction on the electrodes, the EMF generates EMF E, which, at a given oxygen content (air) on the reference electrode and a controlled cell temperature, determines the oxygen content in the medium under study. The cell temperature is determined by the current value of the electrical resistance of the heater, T;, which is controlled by the voltage and current consumption parameters.

Figure 00000005
Figure 00000005

Т0 - комнатная температура,T 0 - room temperature,

ΔT - разница температур, которую определяет сопротивление нагревателя при комнатной температуре R0, изменение сопротивления ΔR и ТКС α:ΔT - temperature difference, which determines the resistance of the heater at room temperature R 0 , the change in resistance ΔR and TCR α:

Figure 00000006
Figure 00000006

Зная начальное сопротивление нагревателя при комнатной температуре R0, а таже, определяя по напряжению U и току I текущее значение сопротивления Ri, можно определить изменение сопротивления ΔR.Knowing the initial resistance of the heater at room temperature R 0 , and also, by determining the current value of resistance Ri from the voltage U and current I, one can determine the change in resistance ΔR.

Figure 00000007
Figure 00000007

Таким образом, текущая температура ячейки может быть представлена выражениемThus, the current cell temperature can be represented by the expression

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Пример 1.Example 1

Изготовлен образец высокотемпературной электрохимической ячейки. Для получения принципиально улучшенных технические характеристик, предлагаемая ячейка имеет миниатюрные размеры и минимальную толщину керамических слоев, а также интегрированный в конструкцию нагреватель. Электроды и нагреватель выполнены из платины.A sample of a high-temperature electrochemical cell was made. To obtain fundamentally improved technical characteristics, the proposed cell has miniature dimensions and a minimum thickness of ceramic layers, as well as a heater integrated into the design. The electrodes and heater are made of platinum.

Габаритные размеры образца высокотемпературной электрохимической ячейки, следующие:The overall dimensions of the high-temperature electrochemical cell sample are as follows:

- длина 40 мм,- length 40 mm,

- ширина 5 мм,- width 5 mm,

- толщина 1,5 мм.- thickness 1.5 mm.

Произведено практическое измерение температуры ячейки и электросопротивления нагревателя. Результаты представлены на Фиг. 3A practical measurement of the cell temperature and the electrical resistance of the heater was made. The results are presented in Fig. 3

Корреляция этих двух значений показывает принципиальную возможность реализации предлагаемого метода контроля температуры по сопротивлению нагревателя ячейки.The correlation of these two values shows the fundamental possibility of implementing the proposed method of temperature control by the resistance of the cell heater.

Практическая зависимость сопротивления от температуры для данного образца высокотемпературной электрохимической ячейки в координатах Т(°С) / R(Om) представлена на Фиг. 4.The practical dependence of resistance on temperature for a given sample of a high-temperature electrochemical cell in the coordinates T(°C) / R(Om) is shown in Fig. 4.

Данная экспериментальная зависимость сопротивления нагревателя ячейки от температуры близка к линейной. Программная аппроксимация экспериментальных данных средствами Excel позволяет составить зависимость:This experimental temperature dependence of the cell heater resistance is close to linear. Software approximation of experimental data using Excel allows you to make the dependence:

Ri=0,012Ti+5,798Ri=0.012Ti+5.798

Такая индивидуальная характеристика зависимости электросопротивления от температуры данного образца нагревателя высокотемпературной электрохимической ячейки позволяет рассчитать температуру по значению электросопротивления данного образца электрохимической ячейки в процессе работы, включая этапы нагрева и охлаждения:Such an individual characteristic of the dependence of the electrical resistance on the temperature of a given sample of the heater of a high-temperature electrochemical cell makes it possible to calculate the temperature from the value of the electrical resistance of a given sample of an electrochemical cell during operation, including the stages of heating and cooling:

Ti=(Ri-5,798)/0,012Ti=(Ri-5.798)/0.012

Концентрация кислорода С (% об.), выраженная из вышеприведенной формулы Нернста, для электрода сравнения воздух (С0=20,9%об.), можно рассчитать, зная Е (мВ) и Т (°С):The oxygen concentration C (% vol.), expressed from the above Nernst formula, for an air reference electrode (C 0 \u003d 20.9% vol.), can be calculated, knowing E (mV) and T (°C):

С=100 ехр(-46418,11(E/Ti)-l,5612),C=100 exp(-46418.11(E/Ti)-l.5612),

гдеwhere

Е - ЭДС, генерируемая керамическим чувствительным элементом;E - EMF generated by a ceramic sensitive element;

Ti - температура на керамическом чувствительном элементе.Ti is the temperature at the ceramic sensing element.

Значение ЭДС Е (мВ) фиксируется на электродах ячейки. Значение температуры Ti (°С) определяется эмпирической зависимостью Ti=(Ri-5,798)/0,012, где Ri=U/I.The value of EMF E (mV) is fixed on the electrodes of the cell. The temperature value Ti (°C) is determined by the empirical dependence Ti=(Ri-5.798)/0.012, where Ri=U/I.

Так, например, при значениях напряжения и потребляемого тока соответственно: U=11,9B, I=0,8А, значение сопротивления нагревателя составляет 13,8 Ом. Из графически представленной зависимости сопротивления нагревателя Ячейки от температуры при параметрах Ячейки, указанных выше, температура ячейки будет равна Ti=670°С.So, for example, at the values of voltage and current consumption, respectively: U=11.9V, I=0.8A, the resistance value of the heater is 13.8 Ohm. From the graphically presented dependence of the Cell heater resistance on temperature at the Cell parameters indicated above, the cell temperature will be equal to Ti=670°C.

На Фиг. 5 представлены измеренные значения ЭДС ячейки Е, и соответствующие им расчетные значения концентрации кислорода С при постоянной температуре Ti=670°С.On FIG. 5 shows the measured values of the EMF of cell E, and the corresponding calculated values of the oxygen concentration C at a constant temperature Ti=670°C.

Таким образом, благодаря возможности контроля сразу двух параметров высокотемпературной электрохимической ячейки: ЭДС и температуры ячейки, достигается основной технический результат: точность и достоверность определения концентрации кислорода. Это позволит использовать предлагаемую ячейку в качестве сенсора для высокоточного средства измерения - высокотемпературного газоанализатора кислорода.Thus, due to the ability to control two parameters of a high-temperature electrochemical cell at once: EMF and cell temperature, the main technical result is achieved: the accuracy and reliability of determining the oxygen concentration. This will make it possible to use the proposed cell as a sensor for a high-precision measuring instrument - a high-temperature oxygen gas analyzer.

Кроме этого, функциональное и конструктивное совмещение двух разных функций: нагревателя и средства контроля собственной температуры в одном изделии упрощает конструкцию сенсора в целом, исключая необходимость использования дополнительных устройств. Следовательно, снижается трудоемкость, повышается надежность газоанализатора в целом.In addition, the functional and constructive combination of two different functions: a heater and a means of controlling its own temperature in one product simplifies the design of the sensor as a whole, eliminating the need for additional devices. Consequently, labor intensity is reduced, and the reliability of the gas analyzer as a whole is increased.

При использовании предлагаемой высокотемпературной электрохимической ячейки в составе газоанализатора кислорода возможно в 3…10 раз снизить время установления стабильных показаний при изменении концентрации кислорода в исследуемой среде, сократить в 6…20 раз время выхода на режим при включении и потребляемую мощность. Кроме того, уменьшить в 1,5…3 раза массу газоанализатора и габаритный диаметр газоанализатора. Снижение потребляемой мощности, следовательно, силы тока, потребляемого нагревателем газоанализатора позволит увеличить длину кабеля между электронным блоком и датчиком в 3-5 раз, до 200 метров.When using the proposed high-temperature electrochemical cell as part of an oxygen gas analyzer, it is possible to reduce the time to establish stable readings by a factor of 3 ... In addition, reduce the mass of the gas analyzer and the overall diameter of the gas analyzer by 1.5...3 times. Reducing the power consumption, and therefore the current strength consumed by the heater of the gas analyzer, will increase the cable length between the electronic unit and the sensor by 3-5 times, up to 200 meters.

Claims (3)

1. Высокотемпературная электрохимическая ячейка планарного типа, содержащая верхнюю керамическую пластину, изготовленную из твёрдоэлектролитного материала на основе диоксида циркония, электроды, нанесенные на пластину, нагревательный элемент, отличающаяся тем, что содержит среднюю керамическую пластину П-образной формы, изготовленную из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели, нижнюю керамическую пластину, изготовленную из керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели, с возможностью герметичного соединения верхней, средней и нижней керамических пластин в единый пакет, при этом один электрод является эталонным и нанесен на нижнюю плоскость верхней пластины, второй электрод является измерительным и нанесен на верхнюю плоскость верхней пластины, а нагревательный элемент нанесен на верхнюю плоскость нижней пластины.1. A high-temperature electrochemical cell of a planar type, containing an upper ceramic plate made of a solid electrolyte material based on zirconium dioxide, electrodes deposited on the plate, a heating element, characterized in that it contains a middle U-shaped ceramic plate made of ceramic based on alumina-magnesium spinels, a lower ceramic plate made of ceramic based on alumina-magnesium spinel, with the possibility of hermetically connecting the upper, middle and lower ceramic plates into a single package, while one electrode is a reference and is deposited on the lower plane of the upper plate, the second electrode is measuring and deposited on the upper plane of the upper plate, and the heating element is applied to the upper plane of the lower plate. 2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что электроды выполнены из платины Pt.2. Cell according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of platinum Pt. 3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент выполнен из платины Pt.3. Cell according to claim 1, characterized in that the heating element is made of platinum Pt.
RU2021120313A 2021-07-09 2021-07-09 High temperature electrochemical cell RU2767005C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021120313A RU2767005C1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 High temperature electrochemical cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021120313A RU2767005C1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 High temperature electrochemical cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2767005C1 true RU2767005C1 (en) 2022-03-16

Family

ID=80736928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021120313A RU2767005C1 (en) 2021-07-09 2021-07-09 High temperature electrochemical cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2767005C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050067283A1 (en) * 2003-08-14 2005-03-31 Lothar Diehl Sensor element
WO2006005332A2 (en) * 2004-07-06 2006-01-19 Aceos Gmbh Device for determining the characteristics of a gas
US20090044598A1 (en) * 2007-08-15 2009-02-19 Kuisell Richard C Oxygen sensor and method for manufacturing the oxygen sensor
RU2433394C1 (en) * 2010-04-05 2011-11-10 Закрытое акционерное общество "ЭКОН" (ЗАО "ЭКОН") Hugh-temperature electrochemical sensor cell and method of its production

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050067283A1 (en) * 2003-08-14 2005-03-31 Lothar Diehl Sensor element
WO2006005332A2 (en) * 2004-07-06 2006-01-19 Aceos Gmbh Device for determining the characteristics of a gas
US20090044598A1 (en) * 2007-08-15 2009-02-19 Kuisell Richard C Oxygen sensor and method for manufacturing the oxygen sensor
RU2433394C1 (en) * 2010-04-05 2011-11-10 Закрытое акционерное общество "ЭКОН" (ЗАО "ЭКОН") Hugh-temperature electrochemical sensor cell and method of its production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4264425A (en) Device for detection of air/fuel ratio from oxygen partial pressure in exhaust gas
US4207159A (en) Apparatus for measurement of oxygen concentration
US4224113A (en) Method of detecting air/fuel ratio in combustor by detecting oxygen in combustion gas
US4770760A (en) Electrochemical NOx sensor
US4755274A (en) Electrochemical sensing element and device incorporating the same
US4728411A (en) Electrochemical device
US4861456A (en) Electrochemical device
JP4812831B2 (en) NOx sensor output correction method
US20030205078A1 (en) Gas-detecting element and gas-detecting device comprising same
JPH0664009B2 (en) Gas sensor element
JP2002116172A (en) Humidity sensor
GB2052758A (en) Device for Detection of Air/Fuel Ratio From Oxygen Partial Pressure in Exhaust Gas
JP2019082418A (en) Gas sensor
EP0743431B1 (en) Method and system for detecting deterioration of exhaust gas catalyst
US6085575A (en) Process for the determination of the exhaust gas temperature and of the air/fuel ratio lambda and a sensor arrangement for execution of the process
RU2767005C1 (en) High temperature electrochemical cell
US10690621B2 (en) Sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber
KR19990037001A (en) Methods for determining exhaust gas temperature and air-fuel ratio lambda and sensor arrangements for implementing such methods
JP3587282B2 (en) Nitrogen oxide concentration detector
JPH0414302B2 (en)
JP2006133039A (en) Nitrogen oxide sensor
US6368868B1 (en) Method and apparatus for detecting the oxygen content of a gas
JPH1019843A (en) Apparatus and method for detecting concentration of combustible material
JPH09264872A (en) Gas sensor
JPH02190758A (en) Electrochemical element