WO2008012127A1 - Gassensor zur bestimmung von wasserstoffhaltigen gaskomponenten in verbrennungsgasgemischen - Google Patents

Gassensor zur bestimmung von wasserstoffhaltigen gaskomponenten in verbrennungsgasgemischen Download PDF

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Bernd Schumann
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Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor for the determination of hydrogen-containing gas components in combustion gas mixtures, in particular for the determination of NH 3 .
  • Sensors for gas analysis often work according to the mixed potential principle.
  • Both electrodes are separated by a solid electrolytic material having a conductivity for oxygen ions.
  • the measuring electrode is designed so that it is oxidation-catalytically inactive or electrocatalytically active. This means that it promotes the reaction of hydrogen with oxygen ions from the solid electrolyte.
  • the measuring electrode is made of a binary alloy containing, in addition to platinum, gold, nickel, copper, rhodium, ruthenium, palladium or titanium. This ensures that the necessary connection between the solid electrolyte and the measuring electrode for potential formation and long-term stable functioning is given.
  • mixing potentials are formed by the kinetically inhibited reaction of oxygen with other gases such as H 2 , hydrocarbon gases, NH 3 , CO, NO and NO 2 , ie the sensor is sensitive to these gases. Since the oxygen concentration in the exhaust gas stream can vary greatly, the intrinsically high oxygen interference is particularly critical, ie the measured values obtained for the gas of interest vary greatly with the oxygen concentration in the exhaust gas stream.
  • internal combustion engines emit exhaust gases with strongly fluctuating oxygen contents. For this reason, the said sensors for the exhaust gas analysis of internal combustion engines are only conditionally applicable.
  • Object of the present invention is therefore to provide a gas sensor for the determination of hydrogen-containing, oxidizable or reducible gas components in combustion gas mixtures, which provides stable readings even in strongly fluctuating oxygen levels in the combustion gas mixture.
  • a gas sensor for the determination of hydrogen-containing, oxidizable or reducible gas components in combustion gas mixtures, in particular for the determination of NH 3 which has a arranged in an air reference space reference electrode and a conductively connected thereto, arranged in a measuring space mixed potential electrode.
  • the sensor is characterized in that the measuring space is separated from the gas space, which is acted upon by the gas or gas mixture to be analyzed, via at least one diffusion barrier, and also in that a constant oxygen partial pressure can be set in the measuring space.
  • the diffusion barrier is designed so that the combustion gases to be analyzed can diffuse into the measuring space. Moreover, the diffusion barrier creates the conditions for a constant oxygen partial pressure to be set via a suitable device in the measuring space. In this way, it is ensured that the gas sensor according to the invention provides stable measured values even in the case of strongly fluctuating oxygen contents in the combustion gas mixture.
  • the mixed potential electrode is preferably a Pt-Au electrode.
  • the oxygen partial pressure is preferably either in the range of 10 "2 - 10 bar 15, preferably from 10" 9 adjustable, or in the range of 10 "2 bar - 10 bar adjustable ⁇
  • the sensor is in one of a Lambdason- de (LSU.
  • LSU Lambdason- de
  • the air reference space may be an air reference channel accessible to the outside air, in which the reference electrode is arranged. Since the oxygen partial pressure in the outside air is known and very constant, a stable reference potential is guaranteed.
  • the air reference can also be realized as a pumped reference. The prerequisite here too is the use of a material permeable to oxygen ions.
  • the sensor in a preferred embodiment, provision is made for the sensor to have a solid-electrolyte material permeable to oxygen ions at least in the region between the measuring space and an outer area.
  • an inner pumping electrode is arranged in the region of the gas sensor separated by the diffusion barrier from the gas space, and an outer pumping electrode in the outer area, by means of which oxygen ions can be pumped through the solid-state electrolytic material into or out of the measuring space. In this way, supported by the diffusion barrier, a constant oxygen partial pressure can be set in the measuring space.
  • Inner and outer pumping electrode form a so-called pumping cell.
  • This term is understood to mean an amperometrically operated electrolyte contacted via two electrodes. At the two electrodes, a potential difference is applied, due to which an ion current is caused by the electrolyte. The The direction and quantification of the ion current is calculated according to Ohm's law.
  • the application of an electrical voltage between the two pumping electrodes therefore leads to an inflow or outflow of oxygen ions through the solid-state electrolytic material into or out of the measuring space.
  • the oxygen ions are thereby oxidized on leaving the measuring room or the outside area to O 2 .
  • the Nernst voltage between the inner pump electrode and the air reference electrode can be measured and used as a measure of the oxygen partial pressure in the
  • Measuring room can be used. It can therefore be used to regulate a constant oxygen partial pressure within the chamber. Accordingly, the operating voltage of the two pumping electrodes can be regulated by means of electronics, and thus the oxygen ion current can be directed and quantified by the solid-state electrolytic material.
  • the measuring or mixing potential electrode is advantageously arranged on the side of the measuring space opposite the inner pumping electrode in order to reduce any electrical coupling of the leads of both electrodes. If an air reference channel is present, the outer pumping electrode may preferably be in this
  • Air reference channel be arranged.
  • the solid-state material which is permeable to oxygen ions is zirconium oxide. Since zirconium oxide has a permeability to oxygen ions only at elevated temperatures, a heating element is additionally required in this embodiment. This can e.g. a heating resistor or a Peltier element.
  • the zirconium oxide is particularly preferably stabilized by doping with yttrium, scandium or ytterbium oxide.
  • the measuring space is separated from the gas space in which the combustion gas mixture to be analyzed is present, via two diffusion barriers, the inner pumping electrode being arranged between the two diffusion barriers.
  • This type of arrangement ensures an even more constant oxygen partial pressure in the measuring space, and thus largely excludes measuring artifacts due to changing proportions of oxygen in the combustion gas mixture to be analyzed.
  • the mixed potential electrode is a NH 3 -sensitive mixed potential electrode.
  • the sensor in addition to the NH 3 -sensitive mixed potential electrode, can have further mixed potential electrodes in order to determine further gases.
  • Air reference electrode measured. This is because the oxygen partial pressure is constant and known, a measure of the NH 3 - concentration. In order to improve the dynamic properties, a resistance between air reference electrode and NH 3 electrode can be switched, which causes an electrochemical NH 3 conversion by a current between the air reference electrode and NH 3 - electrode.
  • the NH 3 electrode is operated anodically, that is to say positive for the oxidation potential of ammonia in an oxygen-containing gas, whereby NH 3 at the NH 3 electrode is oxidized.
  • a potentiostatic regulator By means of a potentiostatic regulator, the potential of the
  • Ammonia electrode with the aid of the inner pumping electrode and the outer pumping electrode set to a desired value relative to the air reference electrode. It forms a stream that is uniquely correlated with the ammonia concentration.
  • Fig. 1 schematically shows the structure of the described gas sensor 10.
  • the sensor is composed of a zirconia element 11 having solid electrolytic properties and a heater 12 provided for this purpose, e.g. a heating resistor or a heating foil.
  • the sensor has an air reference electrode 13, which, as indicated in the description, is realized as a pumped reference, but may also be arranged in an air reference space, e.g. in an air reference channel accessible to outside air.
  • the sensor further has a pumping cell of an outer pumping electrode 14 arranged on the outside of the sensor with contact to the outside air and an inner pumping electrode 16 arranged in a measuring chamber 15.
  • the application of an electrical voltage between the two pumping electrodes leads to a Eintial. Outflow of oxygen as ions through the solid electrolytic material into or out of the measuring space 15.
  • the Nernst voltage between the inner pumping electrode 16 and the air reference electrode 13 can be measured and used as a measure of the oxygen partial pressure in the measuring space.
  • a constant oxygen partial pressure can be regulated within the chamber.
  • the operating voltage of the two pumping electrodes can be regulated via an electronic unit, not shown, and so on the oxygen ion current can be directed and quantified by the solid electrolytic material.
  • the NH 3 -sensitive mixed potential electrode 18 is arranged in the measuring space 15, which is separated by a diffusion barrier 17 from the exhaust gas space, which is represented by the curved arrow.
  • the NH 3 electrode 18 is advantageously arranged on the side of the measuring chamber 15 opposite the inner pumping electrode 16, as a result of which the electrical
  • the diffusion barrier 17 is designed so that the combustion gases to be analyzed can diffuse into the measuring space 15. Moreover, the diffusion barrier creates the conditions for a constant oxygen partial pressure to be set via the pumping cell in the measuring space.
  • additional mixed potential electrodes can also be installed in the gas sensor 10.
  • a further mixed potential electrode can also be attached, the position of which can also be interchanged with the outer pumping electrode 14. If an air reference channel is present, the outer pumping electrode 14 can also be located in the air reference channel, and additionally one to two mixed potential electrodes can be provided on the exhaust-gas-side surface of the element.
  • the present sensor has two diffusion barriers 21, 22.
  • the inner pumping electrode 24 of the pumping cell is arranged, while in the space 25, the NH 3 -sensitive mixed potential electrode 26 is arranged.
  • the opening to the gas space can also be made in the amount of the diffusion barrier 22, so that the diffusion barrier 21 can be omitted.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor (10) zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen, oxidierbaren oder reduzierbaren Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen, insbesondere zur Bestimmung von NH<SUB>3</SUB>. Der Sensor weist eine in einem Luftreferenzraum angeordnete Referenzelektrode (13) sowie eine mit dieser leitend verbundene, in einem Messraum (15) angeordnete Mischpotentialelektrode (18) auf, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (15) von dem Gasraum, welcher mit dem zu analysierenden Gas oder Gasgemisch beaufschlagt ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere (17) getrennt ist, und in dem Messraum en konstanter Sauerstoffpartialdruck einstellbar ist (11 , 14, 16).

Description

Beschreibung
Titel
Gassensor zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestimmung von wasser- stoffhaltigen Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen, insbesondere zur Bestimmung von NH3.
Stand der Technik
Sensoren für die Gasanalyse arbeiten häufig nach dem Mischpotenzialprinzip. Da- bei wird die Spannung zwischen einer Referenzelektrode in einem Luftreferenzraum und einer in einem Messgas, z.B. in einem Abgasstrom, angeordneten Messelektrode als Signal ausgewertet. Beide Elektroden sind durch ein festkörperelektrolytisches Material voneinander getrennt, das eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist.
Ein solcher Sensor ist z.B. aus der DE 4021929 bekannt. Dabei ist die Messelektrode so ausgebildet, dass sie oxidationskatalytisch inaktiv bzw. elektrokatalytisch aktiv ist. Das bedeutet, dass sie die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoffionen aus dem Festkörperelektrolyten begünstigt. Zu diesem Zweck wird die Messelektrode aus einer binären Legierung gefertigt, die neben Platin, Gold, Nickel, Kupfer, Rhodium, Ruthenium, Palladium oder Titan enthält. Dadurch wird erreicht, dass die für die Potenzialbildung und langzeitstabile Funktionstüchtigkeit notwendige Verbindung zwischen dem Festelektrolyten und der Messelektrode gegeben ist.
An der Mess- oder Mischpotenzialelektrode bilden sich Mischpotenziale durch die kinetisch gehemmte Reaktion von Sauerstoff mit anderen Gasen wie H2, Kohlenwasserstoffgasen, NH3, CO, NO und NO2 aus, d.h. der Sensor ist gegenüber diesen Gasen empfindlich. Da die Sauerstoffkonzentration im Abgasstrom stark schwanken kann, ist die intrinsisch hohe Sauerstoffquerempfindlichkeit besonders kritisch, d.h. die für das interessierende Gas erhaltenen Messwerte schwanken stark mit der Sauerstoffkonzentration im Abgasstrom. Gerade Verbrennungsmotoren stoßen jedoch Abgase mit stark schwankenden Sauerstoffgehalten aus. Aus diesem Grunde sind die genannten Sensoren für die Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren nur bedingt einsetzbar.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Gassensor zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen, oxidierbaren oder reduzierbaren Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen bereitzustellen, der auch bei stark schwankenden Sauerstoffgehalten in dem Verbrennungsgasgemisch stabile Messwerte liefert.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Demnach ist ein Gassensor zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen, oxidierbaren oder reduzierbaren Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen, insbesondere zur Bestimmung von NH3, vorgesehen, der eine in einem Luftreferenzraum angeordnete Referenzelektrode sowie eine mit dieser leitend verbundene, in einem Messraum angeordnete Mischpotenzialelektrode aufweist. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von dem Gasraum, welcher mit dem zu analy- sierenden Gas oder Gasgemisch beaufschlagt ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere getrennt ist, und außerdem dadurch, dass in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck einstellbar ist.
Die Diffusionsbarriere ist so ausgestaltet, dass die zu analysierenden Verbren- nungsgase in den Messraum diffundieren können. Die Diffusionsbarriere schafft ü- berdies die Voraussetzungen dafür, dass über eine geeignete Einrichtung in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der erfindungsgemäße Gassensor auch bei stark schwankenden Sauerstoffgehalten in dem Verbrennungsgasgemisch stabile Messwerte liefert.
Bei der Mischpotenzialelektrode handelt es sich bevorzugt um eine Pt-Au-
Mischpotenzialelektrode. Der Sauerstoffpartialdruck ist bevorzugt entweder im Bereich von 10"2 - 1015 bar, vorzugsweise 10"9 einstellbar, oder im Bereich von 10"2 bar - 10 Λ bar einstellbar. Im ersten Fall wird der Sensor in einem einer Lambdason- de (LSU) ähnlichen Grenzstrombetrieb betrieben. Bei der letzteren Betriebsweise steht mehr Sauerstoff für die Mischpotenzialbildung zur Verfügung. Eine Änderung der Sauerstoffkonzentration im Abgas wirkt sich dadurch nicht mehr auf die Ausbildung des Mischpotenzials auf der Messelektrode aus.
Der Luftreferenzraum kann ein für die Außenluft zugänglicher Luftreferenzkanal sein, in welchem die Referenzelektrode angeordnet ist. Da der Sauerstoffpartialdruck in der Außenluft bekannt und sehr konstant ist, wird so ein stabiles Referenzpotenzial gewährleistet. Die Luftreferenz kann aber auch als eine gepumpte Referenz realisiert werden. Voraussetzung ist auch hier die Verwendung eines für Sauerstoffionen permeablen Materials.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist vorgesehen, dass der Sensor mindestens im Bereich zwischen dem Messraum und einem Außenbereich ein für Sauerstoffionen permeables festkörperelektrolytisches Material aufweist. Gleichzeitig sind in dem durch die Diffusionsbarriere vom Gas- räum abgetrennten Bereich des Gassensors eine innere Pumpelektrode sowie in dem Außenbereich eine äußere Pumpelektrode angeordnet, mittels derer Sauerstoffionen durch das festkörperelektrolytische Material in den oder aus dem Messraum pumpbar sind. Auf diese Weise lässt sich, unterstützt durch die Diffusions barriere, in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck einstellen.
Innere und äußere Pumpelektrode bilden eine sogenannte Pumpzelle. Unter diesem Begriff wird ein über zwei Elektroden kontaktierter, amperometrisch betriebener E- lektrolyt verstanden. An den beiden Elektroden wird eine Potenzialdifferenz angelegt, aufgrund derer ein lonenstrom durch den Elektrolyten hervorgerufen wird. Die Richtung und Quantifizierung des lonenstroms berechnet sich dabei nach dem Ohmschen Gesetz.
Das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden führt daher zu einem Ein- bzw. Ausstrom von Sauerstoffionen durch das festkörper- elektrolytische Material in den oder aus dem Messraum. Die Sauerstoffionen werden dabei beim Austritt in den Messraum bzw. den Außenbereich zu O2 oxidiert.
Gleichzeitig kann die die Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode und der Luftreferenz- Elektrode gemessen und als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im
Messraum verwendet werden. Sie kann folglich dazu genutzt werden, einen konstanten Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Kammer einzuregeln. Über eine Elektronik kann demgemäß die Betriebsspannung der beiden Pumpelektroden geregelt und so der Sauerstoffionenstrom durch das festkörperelektrolytische Material ge- richtet und quantifiziert werden.
Die Mess- oder Mischpotenzialelektrode wird vorteilhafter Weise auf der der inneren Pumpelektrode gegenüberliegenden Seite des Messraums angeordnet, um eine etwaige elektrische Kopplung der Zuleitungen beider Elektroden zu verringern. Ist ein Luftreferenzkanal vorhanden, kann die äußere Pumpelektrode bevorzugt in diesem
Luftreferenzkanal angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist vorgesehen, dass es sich bei dem für Sauerstoffionen permeablen festkörperelektrolyti- sehen Material um Zirkoniumoxid handelt. Da Zirkoniumoxid erst bei erhöhten Temperaturen eine Permeabilität für Sauerstoffionen aufweist, ist in dieser Ausgestaltung zusätzlich ein Heizelement erforderlich. Dies kann z.B. ein Heizwiderstand oder ein Peltierelement sein. Besonders bevorzugt ist das Zirkoniumoxid durch Dotierung mit Yttrium-, Scandium- oder Ytterbiumoxid stabilisiert.
Besonders bevorzugt ist überdies, dass der Messraum von dem Gasraum, in welchem das zu analysierende Verbrennungsgasgemisch, vorliegt, über zwei Diffusionsbarrieren getrennt ist, wobei die innere Pumpelektrode zwischen den beiden Diffusionsbarrieren angeordnet ist. Durch diese Art der Anordnung wird ein noch konstanterer Sauerstoffpartialdruck im Messraum gewährleistet, und damit Messartefakte durch sich ändernde Sauerstoffanteile in dem zu analysierenden Verbrennungsgasgemisch weitestgehend ausgeschlossen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist vorgesehen, dass die Mischpotenzialelektrode eine NH3-sensitive Mischpotenzialelektrode ist. Gleichzeitig kann der Sensor neben der NH3-sensitiven Mischpotenzialelektrode weitere Mischpotenzialelektroden aufweisen, um weitere Gase zu bestimmen.
Grundsätzlich sind zur Bestimmung der N H3- Konzentration verschiedene Betriebsmodi des Sensorelements denkbar:
1) Reines Mischpotenzial: In diesem Betriebsmodus wird die Spannung zwischen der NH3-Elektrode und der
Luftreferenzelektrode gemessen. Diese ist, da der Sauerstoffpartialdruck konstant und bekannt ist, ein Maß für die N H3- Konzentration. Um die dynamischen Eigenschaften zu verbessern, kann ein Widerstand zwischen Luftreferenzelektrode und NH3-Elektrode geschaltet werden, der einen elektrochemischen NH3-Umsatz durch einen Strom zwischen Luftreferenzelektrode und N H3- Elektrode bewirkt.
2) Pumpbetrieb:
Die N H3- Elektrode wird anodisch betrieben, also positiv gegenüber dem Oxidations- potenzial von Ammoniak in einem sauerstoffhaltigen Gas, wodurch NH3 an der NH3- Elektrode oxidiert wird. Mittels eines potentiostatischen Reglers wird das Potenzial der
Ammoniakelektrode unter Zuhilfenahme der Inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode auf einen gewünschten Wert relativ zur Luftreferenzelektrode eingestellt. Es bildet sich ein Strom aus, der in eindeutiger Weise mit der Ammoniakkonzentration korreliert ist.
3) Konstantstrombetrieb:
Es wird ein fester Strom zwischen der N H3- Elektrode und einer weiteren oder mehrerer weiterer Elektroden des Sensors mittels eines Schaltkreises eingeprägt. Die Spannung zwischen der NH3-Elektrode und der Luftreferenzelektrode ist durch die Strom- Spannungskurve des Mischpotenzials gegeben und damit ein Maß für die NH3- Konzentration.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des beschriebenen Gassensors 10. Der Sen- sor besteht aus einem Zirkoniumoxidelement 11, das festkörperelektrolytische Eigenschaften aufweist, und einer für diesen Zweck vorgesehenen Heizeinrichtung 12, z.B. einem Heizwiderstand oder einer Heizfolie.
Der Sensor weist eine Luftreferenzelektrode 13 auf, die wie in der Beschreibung an- gedeutet als eine gepumpte Referenz realisiert ist, aber auch in einem Luftreferenzraum angeordnet sein kann, z.B. in einem für die Außenluft zugänglichen Luftreferenzkanal.
Der Sensor weist ferner eine Pumpzelle aus einer auf der Außenseite des Sensors mit Kontakt zur Außenluft angeordneten äußeren Pumpelektrode 14 und einer in einem Messraum 15 angeordneten inneren Pumpelektrode 16 auf. Das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden führt zu einem Einbzw. Ausstrom von Sauerstoff als Ionen durch das festkörperelektrolytische Material in den oder aus dem Messraum 15.
Gleichzeitig kann die Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 16 und der Luftreferenzelektrode 13 gemessen und als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messraum verwendet werden. Auf diese Weise kann ein konstanter Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Kammer eingeregelt werden. Über eine nicht dargestellte E- lektronik kann die Betriebsspannung der beiden Pumpelektroden geregelt und so der Sauerstoffionenstrom durch das festkörperelektrolytische Material gerichtet und quantifiziert werden.
Im Messraum 15, der durch eine Diffusionsbarriere 17 von dem Abgasraum, der durch den gekrümmten Pfeil dargestellt ist, getrennt ist, ist die NH3-sensitive Mischpotenzialelektrode 18 angeordnet.
Die N H3- Elektrode 18 ist vorteilhafter Weise auf der der inneren Pumpelektrode 16 gegenüberliegenden Seite des Messraums 15 angeordnet, wodurch die elektrische
Kopplung der Zuleitungen und/oder der Elektroden verringert wird.
Die Diffusionsbarriere 17 ist so ausgestaltet, dass die zu analysierenden Verbrennungsgase in den Messraum 15 diffundieren können. Die Diffusionsbarriere schafft überdies die Voraussetzungen dafür, dass über die Pumpzelle in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt werden kann.
Neben der N H3- Elektrode 18 können noch zusätzliche Mischpotenzialelektroden in den Gassensor 10 eingebaut werden. Auf der Sensorrückseite (unterhalb der Heiz- einrichtung 12) kann ebenfalls eine weitere Mischpotenzialelektrode angebracht werden, deren Lage auch mit der äußeren Pumpelektrode 14 vertauscht sein kann. Ist ein Luftreferenzkanal vorhanden, kann die äußere Pumpelektrode 14 auch im Luftreferenzkanal liegen, und es können zusätzlich ein bis zwei Mischpotenzialelektroden auf der abgasseitigen Oberfläche des Elements vorgesehen werden.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer alternativen Ausgestaltung des beschriebenen Gassensors 20. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung weist der vorliegende Sensor zwei Diffusionsbarrieren 21, 22 auf. In dem Raum 23 zwischen den beiden Diffusionsbarrieren ist die innere Pumpelektrode 24 der Pumpzelle angeordnet, während in dem Raum 25 die NH3-sensitive Mischpotenzialelektrode 26 angeordnet ist.
Die Öffnung zum Gasraum kann auch in Höhe der Diffusionsbarriere 22 erfolgen, so dass die Diffusionsbarriere 21 wegfallen kann.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen, oxidierbaren oder reduzierbaren Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen, insbesondere zur Bestimmung von NH3, aufweisend eine in einem Luftreferenzraum angeordnete Referenzelektrode sowie eine mit dieser leitend verbundene, in einem Messraum angeordnete Mischpotenzialelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von dem Gasraum, welcher mit dem zu analysierenden Gas oder Gasgemisch beaufschlagt ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere getrennt ist, und in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck einstellbar ist.
2. Gassensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens im Bereich zwischen dem Messraum und einem Außenbereich ein für Sauerstoffionen permeables festkörperelektrolytisches Material aufweist, wobei in dem durch eine Diffusionsbarriere vom Gasraum abgetrennten Bereich eine innere Pumpelektrode sowie in dem Außenbereich eine äußere Pumpelektrode angeordnet ist, mittels derer Sauerstoffionen durch das festkörperelektrolytische Material in den oder aus dem Messraum pumpbar sind, dergestalt, dass in dem Messraum ein konstanter Sauerstoffpartialdruck einstellbar ist.
3. Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem für Sauerstoffionen permeablen festkörperelektrolytischen Material um Zirkoniumoxid handelt.
4. Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von dem Gasraum, in welchem das zu analysierende Gas oder Gasgemisch, vorliegt, über zwei Diffusionsbarrieren getrennt ist, wobei die innere Pumpelektrode zwischen den beiden Diffusionsbarrieren angeordnet ist.
5. Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischpotenzialelektrode eine NH3-sensitive Mischpotenzialelektrode ist.
6. Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor neben der NH3-sensitiven Mischpotenzialelektrode weitere Mischpotenzialelektroden aufweist.
7. Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einem Mischpotenzial- Modus, in einem Pumpbetrieb-Modus oder in einem Konstantstrom betrieb- Modus betreibbar ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107941885A (zh) * 2016-10-12 2018-04-20 日本碍子株式会社 气体传感器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5204160B2 (ja) 2009-09-03 2013-06-05 日本特殊陶業株式会社 マルチガスセンサの制御方法及びマルチガスセンサの制御装置
DE102010040194A1 (de) 2010-09-03 2012-03-08 Robert Bosch Gmbh Sensorelement zur Erfassung von Gaseigenschaften

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000057168A1 (de) * 1999-03-18 2000-09-28 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer gassensor
WO2000057169A2 (de) * 1999-03-18 2000-09-28 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer gassensor
US6471840B1 (en) * 1998-12-21 2002-10-29 Kabushiki Kaisha Riken Composite sensor
US20030121801A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-03 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Electrodes, electrochemical elements, gas sensors, and gas measurement methods
EP1452860A1 (de) * 2003-02-27 2004-09-01 Robert Bosch Gmbh Sensorelement und Verfahren zur Bestimmung von Ammoniak

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6471840B1 (en) * 1998-12-21 2002-10-29 Kabushiki Kaisha Riken Composite sensor
WO2000057168A1 (de) * 1999-03-18 2000-09-28 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer gassensor
WO2000057169A2 (de) * 1999-03-18 2000-09-28 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer gassensor
US20030121801A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-03 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Electrodes, electrochemical elements, gas sensors, and gas measurement methods
EP1452860A1 (de) * 2003-02-27 2004-09-01 Robert Bosch Gmbh Sensorelement und Verfahren zur Bestimmung von Ammoniak

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107941885A (zh) * 2016-10-12 2018-04-20 日本碍子株式会社 气体传感器

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