WO2009030547A1 - Method and sensor element for determining the water and/or carbon dioxide concentration in a gas - Google Patents

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WO2009030547A1
WO2009030547A1 PCT/EP2008/058815 EP2008058815W WO2009030547A1 WO 2009030547 A1 WO2009030547 A1 WO 2009030547A1 EP 2008058815 W EP2008058815 W EP 2008058815W WO 2009030547 A1 WO2009030547 A1 WO 2009030547A1
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pumping
cell
electrode
voltage
pump
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PCT/EP2008/058815
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Thomas Wahl
Bernd Schumann
Thomas Classen
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N33/004Specially adapted to detect a particular component for CO, CO2

Definitions

  • the present invention relates to a method and a sensor element for determining the water and / or carbon dioxide concentration in a gas and their use.
  • Modern vehicles with internal combustion engines have an exhaust aftertreatment for exhaust gas purification. While in gasoline engines, the exhaust gas cleaning with the so-called three-way catalyst is considered dominated, the exhaust gas purification in a diesel engine is relatively complex.
  • An alternative to current direct injection diesel engines may in the future be diesel engines that use homogeneous combustion, at least in the partial load range, to significantly reduce emissions or alter the composition of the exhaust gas compared to conventional combustion processes such that the primary emissions of the engine become easier to be eliminated.
  • Such combustion processes are summarized by the term "homogeneously charched combustion ignition" (HCCI) These combustion processes operate with a high exhaust gas recirculation rate, but also react very sensitively to the last mentioned method, for which it is particularly advantageous if the exhaust gas recirculation rate can be measured directly.
  • HCCI homogeneously charched combustion ignition
  • the state of the art is also the determination of water in gaseous media by a capacitive measurement.
  • a polymer membrane whose reversible water absorption correlates with the water content of the surrounding atmosphere, is brought into the electric field between two electrodes. Water absorption increases the dielectric and thus increases the capacitance of the capacitor.
  • sensors are not in the range of. Due to the very limited operating temperature of the polymer material
  • carbon dioxide sensors are known that use high-temperature ionic conductors such as complex phosphates (NASICON) or Na- ⁇ "-aluminate for carbon dioxide determination.
  • high-temperature ionic conductors such as complex phosphates (NASICON) or Na- ⁇ "-aluminate for carbon dioxide determination.
  • NASHCON complex phosphates
  • Na- ⁇ "-aluminate Na- ⁇ "-aluminate
  • the inventive method for determining the concentration of water and / or carbon dioxide in a gas with the characterizing features of the independent claim has the advantage that based on the inventively determined water or carbon dioxide concentration, the exhaust gas recirculation rate of a on a "homogeneous charched combustion ignition" Method-based internal combustion engine can be determined directly, which has an advantageous effect on its operation Sensor elements good resistance in the exhaust gas and condensed water in the parked vehicle and low response times of «1 s and in particular ⁇ 100 ms on. Furthermore, sensor elements according to the invention can advantageously be produced in large numbers.
  • Fig.l shows a longitudinal section of a conventional oxygen broadband probe in
  • FIG. 2 a shows a first embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the electrodes of the two pump cells apart from the
  • FIG. 2b shows the sensor element from FIG. 2a in a longitudinal section parallel to the main faces along the line Al-Al '
  • FIG. 2c shows the sensor element from FIG. 2a in a longitudinal section parallel to the main faces along the line A2-A2 '
  • FIG. Fig. 2d shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
  • FIGS. 2a and 2b show a second embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces;
  • Fig. 3b shows the sensor element of Fig. 3a in longitudinal section parallel to the Hauptfikieen along the line B-B '; 3c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
  • FIG. 4a shows a third embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells and a Nernst cell, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces; - A -
  • Fig. 4b shows the sensor element of Fig. 4a in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line C-C; 4c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
  • 5a shows a fourth embodiment of a sensor according to the invention with two pump cells and two Nernst cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces;
  • Fig. 5b shows the sensor element of Fig. 5a in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line D-D ';
  • Fig. 5c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
  • FIGS. 5a and 5b show I / U characteristics for the cathodic oxygen reduction of 20.9% by volume O 2 in
  • Fig. 7 shows the dependence of the decomposition voltage of 20.9% by volume of O 2 in N 2 against
  • Fig. 8 shows the dependence of the decomposition voltage of 3 vol .-% H 2 O in N 2 against
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a conventional oxygen broadband probe in planar technology, for example a universal lambda probe (LSU).
  • a conventional oxygen broadband probe is based on a ceramic base body 2 with a
  • an inner pump electrode pair IIa, IIb is arranged, which is connected together with the arranged on the outside of the ceramic body 2 outer pumping electrode 8 via terminal contacts 7 to a power source and forms a pumping cell.
  • the inner pumping electrode IIa, IIb forms over
  • the inner pump electrode pair IIa, IIb, the outer pumping electrode 8 and the reference electrode 10 are connected to surfaces for electrical connection contact 7 via separate lines.
  • the outer pumping electrode 8 is covered by a protective layer 9 in order to protect it from abrasion and / or deposits.
  • a conventional oxygen broadband probe has an electrical insulation 6 insulated heating device 5 with two connection contacts 7a, 7b for connection to a power source.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show a first embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the electrodes of the two pump cells are electrically isolated apart from the solid electrolyte body 2, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces, in longitudinal section parallel to the main surfaces along the line Al -Al 'and in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line A2-A2'.
  • FIGS. 2 a and 2 b show that the two electrochemical pumping cells of a sensor element according to the invention are arranged in such a way that the measurement gas is conveyed via a gas inlet opening 10 in a solid electrolyte body 2 and via two, in particular identical, diffusion-limiting porous structures 16, 26, a so-called diffusion barrier a first 11 and a second gas space 21 of the electrochemical pumping cells can penetrate.
  • the gas inlet opening 10 is in the context of this inventive embodiment shape designed in the form of a main surface to the main shaft, which branches in the interior of the solid electrolyte 2 T-shaped and connects to two parallel to the main surface arranged channels, which the diffusion barriers 16, 26 and the inner Gas spaces 11, 21 include.
  • IPE pumping electrode
  • Electrodes 12a, 12b; 22a, 22b in the context of this embodiment according to the invention each consist of a pair of electrodes 12a, 12b placed on the two main surfaces of the respective inner gas space 11, 21; 22a, 22b together, which are connected to each other electrically conductive and low impedance.
  • Gas inlet opening 10 is recessed, a first 13 and a second 23 outer pumping electrode (APE) are arranged, which via a power source with the inner pumping electrodes (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b are connected and together with the associated first and second inner pumping electrode (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b form a first and second electrochemical pumping cells.
  • both the outer 13, 23 and the inner 12 a, 12 b; 22a, 22b pump electrodes of the two pumping cells each have separate lines and connection contacts 32a, 32b, 32c, 32d.
  • at least a relatively high-impedance decoupling of the two measuring cells can be accomplished.
  • this embodiment of the invention further comprises an electrical Isolation 31 insulated heater 30 with two connection contacts 33a, 33b for connection to a power source, which is arranged parallel to the main surface in the solid electrolyte body 2 below the plane of the electrochemical pumping cells.
  • the measurement gas which reaches the pump cells has an excess of oxygen.
  • the first pump cell is operated such that only molecular oxygen is cathodically reduced to O ions on the first inner pump electrode 12a, 12b.
  • the O ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized back to molecular oxygen at the first outer pumping electrode 13 and released to the gas.
  • the second pumping cell for determining the water concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water is split.
  • the O 2 " ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized back to molecular oxygen at the second outer pumping electrode 23 and delivered to the measurement gas, the pumping voltage of the second pumping cell being> 500 mV to ⁇ 800 mV above that of the first pumping cell.
  • the first pump cell for determining the carbon dioxide concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced and water is split at the first inner pump electrode 22a, 22b.
  • the voltage to be applied to the first pump cell must be below the decomposition voltage of carbon dioxide in the limiting current case. In the case of planar pump cells, this voltage to be undershot is approx.> 1200 mV to ⁇ 1800 mV (Ch / FfcO pump voltage in the limiting current case plus the decomposition voltage of carbon dioxide).
  • the second pumping cell for determining the carbon dioxide concentration in a measuring gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water and carbon dioxide are split.
  • the O 2 ⁇ ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2 analogously to the already explained method for determining the water concentration in a measurement gas, oxidized again to molecular oxygen at the second outer pump electrode 23 and delivered to the measurement gas.
  • the pumping voltage of the second pumping cell is> 100 to ⁇ 300 mV above that of the first pumping cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide contributes to the ion current (pumping current).
  • the outer 13, 23 and inner 12 a, 12 b; 22a, 22b pump electrodes, a platinum group metal or a platinum group metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium.
  • a platinum group metal or a platinum group metal alloy in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium.
  • FIG. 2 d shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
  • two current sources provide the electrical pumping currents with the pumping voltages already explained.
  • the operational amplifiers OVl and OV2 amplify the voltage dropped across the measuring resistors and the voltage difference between the two is determined. This voltage difference serves as a measuring signal and is the
  • 3a and 3b show a second embodiment of a sensor element according to the invention with two pumping cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pumping cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces and in
  • FIG. 3a and 3b second embodiment of a sensor element according to the invention has the same elements and a similar element arrangement as the first, already explained in connection with FIGS. 2a to 2d, embodiment of a sensor element according to the invention.
  • the outer pumping electrodes 13, 23 of the two pumping cells each have separate lines and
  • connection contacts 32a, 32b differs from the first embodiment in that the first 12a, 12b and the second 22a, 22b inner pumping electrodes of the first and second pumping cells are connected to each other via an electric line and via a single further electrical line with a single electrical Terminal contact 32e are connected.
  • the mode of operation of the second embodiment of a sensor element according to the invention of the pumping cells corresponds to the mode of operation explained in connection with the first embodiment.
  • FIG. 3c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of an operating electronics for the sensor element from FIGS. 3a and 3b.
  • the operating circuit of the second embodiment of a sensor element according to the invention is similar except that the operational amplifiers OV1, OV2, measuring resistors RM ⁇ SS , I, R ⁇ fess, 2 and internal pumping electrodes IPE1, IPE2 to ground are laid, the operation circuit of the first embodiment.
  • 4a and 4b show a third embodiment of a sensor element according to the invention two pumping cells and a Nernst cell, wherein the inner pumping electrodes of the two pumping cells are electrically conductively connected to each other, in a longitudinal section perpendicular to the
  • the third embodiment of a sensor element according to the invention differs from the second embodiment shown in FIGS. 3a and 3b in that a first reference electrode (RE) 15 is arranged co-planar with the first inner pumping electrode 12a, 12b via an electrical line connected to a terminal contact 32f.
  • RE reference electrode
  • Reference electrode 15 forms a Nernst cell with the first inner pumping electrode 12a, 12b.
  • the reference electrode 15 is exposed to a gas atmosphere of high, constant oxygen content. This can be achieved by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a so-called pumped reference, in which from the first inner pumping electrode 12a, 12b to the reference electrode 15 a smaller
  • Oxygen pump current is driven done. If the first pump cell operated such that the molecular oxygen in the first inner pumping electrode 12a, 12b is cathodically reduced and the resulting O 2 "ions by the heated solid electrolytic body 2 is transported, is oxidized at the first external pump electrode 13 back to molecular oxygen and Due to the oxygen partial pressure difference between the first inner pumping electrode 12a, 12b and the reference electrode 15, a Nernst voltage can be measured in accordance with Nernst's law For example, the pumping voltage of the first pumping cell should be controlled in such a way that the Nernst cell reaches a Nernst voltage of 450 mV.
  • the second pump cell is operated in such a way that the molecular oxygen is cathodically reduced and water is split at the second inner pumping electrode 22a, 22b and the resulting O 2 " ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, then again at the second outer pumping electrode 23 oxidized molecular oxygen and delivered to the sample gas, so the oxygen partial pressure in the inner gas chamber 21 of the second pump cell decreases.
  • the pumping voltage of the second outer pumping electrode 23 should be> 500 mV to ⁇ 800 mV above that of the first pumping cell
  • the difference of the pumping currents of the first and second pumping cell and the voltages generated therefrom is proportional to the water concentration in the measuring gas, so that a measurement of this Pump currents or the voltages generated n can be used to determine the water concentration in the sample gas.
  • the first pumping cell of the third embodiment is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the first inner pumping electrode 22a, 22b and water is split.
  • the pumping voltage of the first pumping cell should be controlled in such a way that the Nernst cell reaches a Nernst voltage of> 950 to ⁇ 1250 mV.
  • the second pumping cell for determining the carbon dioxide concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water and carbon dioxide are split.
  • the O 2 " - ions are then analogous to the already described method for determining the water concentration in a measuring gas transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized at the second outer pumping electrode 23 back to molecular oxygen and delivered to the sample gas.
  • the pumping voltage of the second pumping cell is> 300 to ⁇ 600 mV above that of the first pumping cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide to the ionic current
  • Pulping current contributes. Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the carbon dioxide concentration in the measuring gas, a measurement of these pumping currents or of the voltages generated can be used to determine the carbon dioxide concentration in the measuring gas.
  • FIG. 4c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of an operating electronics for the sensor element from FIGS. 4a and 4b.
  • the operational amplifier OV1 shown in the operating circuit in Fig. 4c is connected as a comparator and sets the voltage at the output so that at the first outer pumping electrode 13, a voltage is applied which leads to such a pumping current that the inverting input the same
  • the amount of voltage in the Nernst cell must be the same as the reference voltage.
  • the Nernstzellenschreib and thus the partial pressure of the gas molecules are adjusted via the driven by the pumping voltage pumping current through the first pump cell.
  • OV2.1 decouples the high-impedance pumping voltage from the subsequent circuit as an impedance converter.
  • OV2.2 is connected together with Rl, R2 and R3 as an inverting adder and adds to the voltage of the first outer pumping electrode 13, the voltage L 1 ReE , wherein the over the ratio of the resistors Rl, R2 and R3 to be set gain factor is one.
  • the pump current is again inverted in the same direction as the pump current from OVl .1 via the inverter OV2.3.
  • U Reß has a value between 500 and 800 mV.
  • the second outer pumping electrode 13 receives a pumping voltage higher by this amount than the first outer pumping electrode 23, whereby a pumping current is driven through the second pumping cell, which is due to the decomposition of oxygen and water.
  • the voltage drops at the measuring resistors R Mess are converted into voltage signals by the operational amplifiers OVl.2 and OV 2.4 and the voltage difference between the two is determined. This voltage difference serves as a measurement signal and is proportional to the water concentration in the sample gas.
  • 5a and 5b show a fourth embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells and two Nernst cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the
  • the Fourth embodiment of a sensor element according to the invention differs from the third, shown in Fig. 4a and 4b embodiment, that co-planar to the second inner pumping electrode 22a, 22b, an additional second reference electrode (RE) 25 is arranged, which via an electrical line connected to a terminal contact 32g. Co-planar with the inner pumping electrodes 12a, 12b; 22a, 22b is therefore one each
  • Reference electrode (RE) 15; 25 arranged.
  • the reference electrode 15 with the first inner pumping electrode 12a, 12b forms a first Nernst cell and the reference electrode 25 with the second inner pumping electrode 22a, 22b forms a second Nernst cell.
  • the first and second reference electrodes 15; 25 are exposed to a gas atmosphere with high, constant oxygen content. This can be achieved by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a so-called pumped reference, in which from the first inner pumping electrode 12a, 12b to the reference electrode 15 and / or from the second inner pumping electrode 22a, 22b to the reference electrode 25, a small oxygen pumping current is done.
  • the reference electrodes 15 and 25 of the third embodiment shown in FIGS. 4a and 4b and the fourth embodiment shown in FIGS. 5a and 5b preferably comprise a platinum group metal or a platinum group metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium.
  • the first pumping cell is operated as in the third embodiment explained in FIGS. 4a and 4b.
  • the oxygen partial pressure in the second inner gas chamber 21 of the second pumping cell is lowered. Due to the oxygen partial pressure difference between the second inner pumping electrode 22a, 22b and the reference electrode 25, a Nernst voltage can be measured according to Nernst's law. This serves as a controlled variable for the regulation of the pumping voltage of the second pumping cell.
  • the second Nernst cell should reach a Nernst voltage, which leads to a second pumping voltage, which is> 500 mV to ⁇ 800 mV above the pumping voltage of the first pump cell.
  • the Nernst voltage of the second Nernst cell is in a range of> 950 mV to ⁇ 1250 mV. This ensures that not only molecular oxygen is reduced, but also water is split and the Ion current (pumping current) contributes.
  • the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the water concentration in the measuring gas, so that a measurement of these pumping currents or of the voltages generated can be used to determine the water concentration in the measuring gas.
  • the first Nernst cell and the first pump cell are operated as in the context of the carbon dioxide concentration measurement explained in FIGS. 4a and 4b with the third embodiment of a sensor element according to the invention.
  • the second Nernst cell is operated in such a way that the second Nernst cell reaches a Nernst voltage which leads to a second pumping voltage which is> 300 to ⁇ 600 mV above the pumping voltage of the first pump cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide contributes to the ion current (pumping current). Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to
  • Carbon dioxide concentration in the sample gas can be used to determine the carbon dioxide concentration in the sample gas.
  • Fig. 5c shows a principle circuit sketch of a possible embodiment of a
  • the operating circuit in Fig. 5c shows two operational amplifiers OVl .1 and OV2.1, which are connected as comparators and at the output adjust the voltage such that at the outer pumping electrode a voltage is applied which leads to such a pumping current that the inverting input has the same voltage as the non-inverting one.
  • the amount of voltage in the Nernst cell must be the same as the reference voltage. The Nernstzellenschreib and thus the partial pressure of the gas molecules are adjusted via the driven by the pumping voltage pumping current through the pumping cell.
  • the reference voltage U ref i and U ref2 differ in such a way that the pumping voltage of the second outer pumping electrode 23,> 500 mV to ⁇ 800 mV, is higher than the pumping voltage of the first outer pumping electrode 13.
  • the voltage drops across the measuring resistors Rjvi ess are detected by the operational amplifiers OVl .2 and OV 2.2 are converted into voltage signals and the voltage difference between them is determined. This voltage difference serves as a measurement signal and is proportional to the water concentration in the sample gas.
  • FIG. 6 shows a family of curves of current / voltage characteristics for the cathodic oxygen reduction of 20.9% by volume O 2 in N 2 at various electrodes comprising platinum and / or gold.
  • a broadband probe was operated in the above-mentioned oxygen / nitrogen gas mixture.
  • the outer pumping electrode was cathodically (negatively) and the inner pumping electrode connected anodically in order to avoid limiting current effects as far as possible. Since the two electrodes were exposed to an identical atmosphere, no significant Nernst voltages had to be considered.
  • Fig. 6 shows that electrodes made of platinum-gold alloys with a gold content of> 1 wt .-%, an overvoltage effect occurs, while electrodes made of a platinum-gold alloy with a gold content of 0.01 wt .-% similar like pure
  • the overvoltages can be read from the traces at the point where the flat region of the current / voltage curve transitions to a steeply sloping area.
  • the minimum of the first derivative of the current / voltage characteristic corresponds to the overvoltage in the context of the present invention.
  • Fig. 7, 8 and 9 show the dependence of the decomposition voltage of 20.9 vol .-% O 2 , 3 VoL% H 2 O and 7 vol .-%, 28 vol .-% and 50 vol .-% CO 2 in N 2 of the gold content of the cathode, each measured against an anode of platinum.
  • the decomposition stresses were determined as explained in connection with FIG. 6.
  • Figures 7 to 9 show that as the gold content of the cathode increases, the decomposition voltage for oxygen and carbon dioxide increases due to overvoltage effects, while the decomposition voltage for water remains almost unaffected.
  • the decomposition voltage of carbon dioxide is significantly increased, so that a larger
  • the present invention is a method for determining the concentration of water or carbon dioxide in a gas with a sensor element comprising a solid electrolyte body, a first electrochemical pumping cell comprising a first inner pumping electrode arranged in a first inner gas space of the solid electrolyte body and one on the
  • the first inner pumping electrode and the first outer pumping electrode are connected to each other via a current source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping electrode arranged in a second inner gas space of the solid electrolyte body and one on the Measuring gas facing side of the solid electrolyte body second outer pumping electrode, wherein the second inner pumping electrode and the second outer pumping electrode are connected to each other via a power source,
  • the first pump cell is operated with a pump voltage, which leads only to the reduction of molecular oxygen to O-ions, and
  • the second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, both for the reduction of molecular oxygen to O-ions and for the splitting of water to
  • the water concentration is determined in the sample gas
  • the first pump cell is operated with a pumping voltage, which leads both to the reduction of molecular oxygen to O 2 ⁇ ions and to the cleavage of water to O 2 " ions, and
  • the second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, both for the reduction of molecular oxygen to O 2 ⁇ ions and for the splitting of water to
  • the carbon dioxide concentration is determined in the sample gas.
  • the method according to the invention is based on the principle that the electrochemical decomposition voltages of molecular oxygen, water and carbon dioxide on electrodes of the electrode materials according to the invention differ by several 100 mV.
  • the electrochemical decomposition voltages for molecular oxygen, water and carbon dioxide shown in the following table were determined. The values given in the following table were corrected by the build-up-related ohmic loss.
  • the inventive method can be carried out with sensor elements whose first and / or second, inner pumping electrode, and / or their first and / or second outer pumping electrode, and / or their first and / or second reference electrode, a platinum metal or a platinum metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium. That is, the method according to the invention can be carried out, for example, with sensor elements which have two inner pump electrodes made of platinum.
  • Pumping electrodes of platinum and an inner pumping electrode made of a platinum-gold alloy according to the invention, or via two inner pumping electrodes of a platinum-gold alloy according to the invention have.
  • a pumping voltage of> 200 mV to ⁇ 700 mV for example, from> 300 mV to ⁇ 650 mV, in particular of
  • a pumping voltage of> 700 mV to ⁇ 1200 mV for example, from> 750 mV to ⁇ 1150 mV, in particular from> 800 mV to ⁇ 1000 mV
  • a pumping voltage which is> 300 mV to ⁇ 600 mV, for example> 35OmV to ⁇ 550 mV, in particular> 375 mV to ⁇ 525 mV higher than the pumping voltage of the first pumping cell
  • the pumping voltage of the pump cell which determines the water concentration with the reference electrode forms a Nernst cell, regulated such that the Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV to ⁇ 550 mV, for example from> 400 mV to ⁇ 500 mV, in particular from> 430 mV to ⁇ 470 mV, and to the pumping cell which does not form a Nernst cell with the reference electrode, a pump voltage is applied which is> 500 mV to ⁇ 800 mV, for example> 550 mV to ⁇ 750 mV, in particular> 600 mV to ⁇ 700 mV higher than the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode; or
  • the pumping voltage of the pumping cell which forms a Nernst cell with the reference electrode, controlled such that the Nernstzelle a Nernst voltage of> 950 mV to ⁇ 1250 mV, for example, from
  • a pump voltage is applied which is> 300 mV to ⁇ 600 mV, for example> 350 mV to
  • ⁇ 550 mV in particular> 400 mV to ⁇ 500 mV, higher than the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode.
  • the sensor element according to the invention used in the determination of the water or carbon dioxide concentration has two reference electrodes, of which in each case a reference electrode with a pump cell forms a Nernst cell,
  • the pumping voltage of the first pumping cell is controlled such that the first Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV to ⁇ 550 mV, for example from> 400 mV to ⁇ 500 mV, in particular from> 430 mV to ⁇ 470 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage that is> 500 V to ⁇ 800 mV, for example> 550 mV to ⁇ 750 mV, in particular> 600 mV to ⁇ 700 mV, higher than the Nernst voltage of the first Nernst cell; or
  • the pumping voltage of the first pumping cell controlled such that the first Nernstzelle a Nernst voltage of> 950 mV to
  • ⁇ 1250 mV for example, from> 1000 mV to ⁇ 1200 mV, in particular from> 1050 mV to ⁇ 1150 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage
  • Another object of the present invention is a sensor element for determining the
  • Water and / or carbon dioxide concentration in a gas for example, while carrying out the inventive method, comprising a solid electrolyte body, a first electrochemical pumping cell comprising a disposed in a first inner gas space of the solid electrolyte body first inner pumping electrode and one on the
  • first inner pumping electrode and the first outer pumping electrode are connected to each other via a power source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping chamber disposed in a second inner gas space of the solid electrolyte body second inner pumping electrode and arranged on the side facing the measuring gas side of the solid electrolyte body second outer
  • the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode comprises a platinum metal-gold alloy.
  • gas in the context of the present invention also gas mixtures, for example, exhaust gases from an internal combustion engine, such as a gasoline or
  • Diesel engine and / or from an incinerator, such as an oil heater.
  • the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode can be formed, for example, from a platinum-gold alloy.
  • the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode is / are made of a platinum metal-gold alloy, in particular platinum-gold alloy, with a gold content of> 0.1% by weight to ⁇ 10% by weight, for example, from> 1 wt .-% to ⁇ 7% by weight, in particular from> 2 wt .-% to ⁇ 4 wt .-%, based on the total weight of the alloy formed.
  • those internal pumping electrodes on which molecular oxygen and water or molecular oxygen, water and carbon dioxide are decomposed, are formed from a platinum-metal-gold alloy according to the invention, in particular platinum-gold alloy.
  • a platinum metal-gold alloy according to the invention has the advantage that, in contrast to conventional
  • the platinum metal-gold alloy according to the invention advantageously also allows a Decomposition of water at very low water concentrations and high carbon dioxide concentrations without decomposing carbon dioxide.
  • the first and / or second inner pumping electrode, and / or the first and / or second outer pumping electrode, and / or the first and / or second reference electrode can be a platinum metal or a platinum metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium.
  • the first and / or second, inner pumping electrode and / or the first and / or second outer pumping electrode, and / or the first and / or second reference electrode platinum.
  • the first and second pumping cells have a common gas inlet opening.
  • the gas inlet opening is configured, for example, in the form of a shaft which is perpendicular to the main surfaces of the sensor element and which branches in a T-shape in the interior of the solid electrolyte and adjoins two channels arranged parallel to the main surfaces, each of which comprises a diffusion barrier and an inner gas space.
  • the first and second inner pumping electrodes (IPE) of the first and second pumping cells are arranged.
  • the first and second inner pumping electrodes (IPE) adjoin the solid state electrolyte body.
  • the first and second pumping cells are configured substantially mirror-symmetrically with respect to the axis of the gas inlet opening.
  • substantially means that deviations from a perfect symmetry of ⁇ 30%, for example of ⁇ 20%, in particular of ⁇ 10%, are possible in the context of this embodiment.
  • the first pumping cell has a first diffusion barrier defining the gas inlet opening and the second pumping cell has a second diffusion barrier defining the gas inlet opening.
  • the diffusion barriers can be configured identically, for example. Via the common gas inlet opening and the diffusion barriers, the inner gas spaces of the first and second pumping cells are in contact with the gas to be measured.
  • the first and / or second diffusion barriers are based on a porous material, for example porous, partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide.
  • partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide for example doped zirconium oxide and / or aluminum oxide, in particular yttrium, Calcium-, magnesium- and / or scandium-doped zirconium oxide and / or alumina, understood.
  • first inner pumping electrode and the second inner pumping electrode can be connected via respective separate electrical lines, each with an electrical connection contact; or the inner pumping electrodes of the first and second pumping cells can be connected to one another via an electrical line and be connected via one, in particular single, further electrical line to one, in particular single, electrical connection contact; or the inner pumping electrodes of the first and second pumping cells can be connected to one another via an electrical line and to an electrical connection contact.
  • the outer pumping electrodes of the two pumping cells each have separate lines and connection contacts.
  • the outer pumping electrodes are covered by a protective layer to prevent them from abrasion and / or
  • Such a protective layer may be formed, for example, of porous, partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide.
  • the sensor element according to the invention may further comprise one or two reference electrodes.
  • a first reference electrode is arranged co-planar with the first inner pumping electrode and forms a first Nernst cell with the first pumping electrode.
  • a second reference electrode is additionally arranged co-planar with the second inner pumping electrode and has a second reference electrode connected to the second pumping electrode
  • the reference electrode / s is / are exposed to a gas atmosphere with a high, constant oxygen content.
  • the reference electrode (s) may be provided by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a pumped one
  • the sample gas reaching the pump cells has an excess of oxygen.
  • the solid electrolyte material of the solid electrolyte body is expediently oxygen-conducting.
  • the solid electrolyte body of partially stabilized or fully stabilized zirconia, in particular yttrium, calcium, magnesium and / or scandium-doped zirconia formed.
  • the use of a ZrC ⁇ technology has proved to be particularly advantageous in the context of the present invention due to the robustness and exhaust gas resistance.
  • the first inner pumping electrode and / or the second pumping electrode are a pair of electrodes made of two electrically conductive electrodes, in particular low-resistance electrically conductive electrodes.
  • the electrodes of an inner pump electrode pair are arranged on opposite major surfaces of the inner gas space.
  • a sensor element according to the invention also has a heating device.
  • the heating device is surrounded by an electrically insulating layer.
  • the heating device is arranged parallel to the main surfaces of the sensor element in the solid electrolyte body, in particular below the plane of the electrochemical pumping cells.
  • Another object of the present invention is the use of a sensor element according to the invention and / or a method according to the invention for monitoring the operation of an internal combustion engine, such as a gasoline or diesel engine, in particular one on a "homogeneous charched combustion ignition" -

Abstract

The present invention relates to a method for determining the water or carbon dioxide concentration in a gas with a sensor element comprising a solid electrolyte body (2), a first electrochemical pump cell comprising a first inner pump electrode (12a, 12b), which is arranged in a first inner gas chamber (11) of the solid electrolyte body (2), and a first outer pump electrode (13) which is arranged on that side of the solid electrolyte body (2) which faces the measurement gas, wherein the first inner pump electrode (12a, 12b) and the first outer pump electrode (13) are connected to one another by means of a current source, and a second electrochemical pump cell comprising a second inner pump electrode (22a, 22b), which is arranged in a second inner gas chamber (21) of the solid electrolyte body (2), and a second outer pump electrode (23) which is arranged on that side of the solid electrolyte body (2) which faces the measurement gas, wherein the second inner pump electrode (22a, 22b) and the second outer pump electrode (23) are connected to one another by means of a current source. In said method: the first pump cell is operated with a pump voltage which only reduces molecular oxygen to O2- ions, and the second pump cell is operated with a higher pump voltage which both reduces molecular oxygen to O2- ions and cleaves water to form O2- ions, and the water concentration in the measurement gas is determined from the difference between the pump currents of the two pump cells and/or from the voltage difference resulting from the pump currents; or the first pump cell is operated with a pump voltage which both reduces molecular oxygen to O2- ions and cleaves water to form O2- ions, and the second pump cell is operated with a higher pump voltage which both reduces molecular oxygen to O2- ions and cleaves water to form O2- ions and cleaves carbon dioxide to form O2- ions, and the carbon dioxide concentration in the measurement gas is determined from the difference between the pump currents of the two pump cells and/or from the voltage difference resulting from the pump currents. The invention also relates to a sensor element for determining the water and/or carbon dioxide concentration in a gas and to the use thereof.

Description

ROBERT BOSCH, 70432 Stuttgart ROBERT BOSCH, 70432 Stuttgart
Titeltitle
Verfahren und Sensorelement zur Bestimmung der Wasser- und/oder Kohlendioxid- Konzentration in einem GasMethod and sensor element for determining the water and / or carbon dioxide concentration in a gas
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Sensorelement zur Bestimmung der Wasser- und/oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas sowie deren Verwendung.The present invention relates to a method and a sensor element for determining the water and / or carbon dioxide concentration in a gas and their use.
Stand der TechnikState of the art
Moderne Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren weisen zur Abgasreinigung eine Abgasnachbehandlung auf. Während in Otto-Motoren die Abgasreinigung mit dem so genannten 3 -Wege-Katalysator als beherrscht gilt, ist die Abgasreinigung in einem Dieselmotor vergleichsweise aufwändig. Eine Alternative zu den derzeit aktuellen direkt einspritzenden Dieselmotoren können in Zukunft Dieselmotoren sein, die eine homogene Verbrennung zumindest im Teillastbereich nutzen, um die Emissionen deutlich zu reduzieren oder die Zusammensetzung des Abgases im Vergleich zu konventionellen Brennverfahren derart zu verändern, dass die Primäremissionen des Motors einfacher zu beseitigen sind. Derartige Brennverfahren werden unter dem Begriff „homogenious charched combustion ignition" (HCCI) zusammengefasst. Diese Brennverfahren arbeiten mit einer hohen Abgasrückführrate, reagieren aber auch sehr empfindlich auf letzt genannte. Für derartige Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abgasrückführrate direkt gemessen werden kann. Dies kann anhand der Leitkomponenten Wasser oder Kohlenstoffdioxid, die ein Maß für die Abgasrückführrate darstellen, erfolgen. Ein Wassersensor (H2θ-Sensor) oder einem Kohlenstoffdioxidsensor (Cθ2-Sensor, Kohlendioxid-Sensor) kann in der Abgasrückführung oder in dem Luftansauftrakt hinter der Vereinigung von Luftzufuhr und Abgasrückführung untergebracht sein. Derartige Sensoren müssen eine gute Beständigkeit im Abgas sowie gegenüber kondensiertem Wasser im abgestellten Fahrzeug und geringe Antwortzeiten im Bereich « 1 s aufweisen.Modern vehicles with internal combustion engines have an exhaust aftertreatment for exhaust gas purification. While in gasoline engines, the exhaust gas cleaning with the so-called three-way catalyst is considered dominated, the exhaust gas purification in a diesel engine is relatively complex. An alternative to current direct injection diesel engines may in the future be diesel engines that use homogeneous combustion, at least in the partial load range, to significantly reduce emissions or alter the composition of the exhaust gas compared to conventional combustion processes such that the primary emissions of the engine become easier to be eliminated. Such combustion processes are summarized by the term "homogeneously charched combustion ignition" (HCCI) These combustion processes operate with a high exhaust gas recirculation rate, but also react very sensitively to the last mentioned method, for which it is particularly advantageous if the exhaust gas recirculation rate can be measured directly. This can be done using the guide components water or carbon dioxide, which represent a measure of the exhaust gas recirculation rate A water sensor (H 2 θ sensor) or a carbon dioxide sensor (CO 2 sensor, carbon dioxide sensor) can be located in the exhaust gas recirculation or in the air intake tract The combination of air supply and exhaust gas recirculation must be accommodated in such sensors towards condensed water in the parked vehicle and have low response times in the range «1 s.
Es ist bekannt, dass eine Kohlenstoffdioxid- oder Wasser-Konzentrationsmessung durch Lichtabsorption im Infrarotbereich erfolgen kann. Bei diesem Prinzip sind jedochIt is known that a carbon dioxide or water concentration measurement can be carried out by light absorption in the infrared range. However, with this principle
Verschmutzungen der optischen Bauteile (z.B. des Lichtfenster) problematisch, die zu einer Empfindlichkeitsabnahme oder Signaldrift über die Betriebszeit führen, weshalb derartige Sensoren nicht im Bereich eines Verbrennungsmotors anwendbar sind.Dirt on the optical components (e.g., the light window) which leads to a decrease in sensitivity or signal drift over the operating time, which is why such sensors are not applicable in the field of an internal combustion engine.
Stand der Technik ist ferner die Bestimmung von Wasser in gasförmigen Medien durch eine kapazitive Messung. Typischerweise wird dabei eine Polymermembran, deren reversible Wasseraufnahme mit dem Wassergehalt der umgebenden Atmosphäre korreliert, in das elektrische Feld zwischen zwei Elektroden gebracht. Durch Wasseraufnahme verstärkt sich das Dielektrikum und erhöht somit die Kapazität des Kondensators. Derartige Sensoren sind jedoch wegen der sehr beschränkten Einsatztemperatur des Polymermaterials nicht im Bereich desThe state of the art is also the determination of water in gaseous media by a capacitive measurement. Typically, a polymer membrane, whose reversible water absorption correlates with the water content of the surrounding atmosphere, is brought into the electric field between two electrodes. Water absorption increases the dielectric and thus increases the capacitance of the capacitor. However, such sensors are not in the range of. Due to the very limited operating temperature of the polymer material
Verbrennungsmotors anwendbar.Internal combustion engine applicable.
Darüber hinaus sind Kohlenstoffdioxidsensoren bekannt, die Hochtemperatur-Ionenleitern wie komplexe Phosphate (NASICON) bzw. Na-ß"-Aluminat zur Kohlenstoffdioxidbestimmung verwenden. Das Grundprinzip derartiger Sensoren beruht auf einer leistungslosenIn addition, carbon dioxide sensors are known that use high-temperature ionic conductors such as complex phosphates (NASICON) or Na-β "-aluminate for carbon dioxide determination. The basic principle of such sensors is based on a powerless
Spannungsmessung an einer galvanischen Zelle mit alkaliionenleitenden Festelektrolyten. Derartige Kohlenstoffdioxidsensoren können jedoch sowohl während des Betriebs als auch im nicht betriebenen Zustand durch Einwirken von flüssigem Wasser und Herauslösen von Alkalioder Erdalkaliionen irreversibel geschädigt werden.Voltage measurement on a galvanic cell with alkaline ion-conducting solid electrolytes. However, such carbon dioxide sensors can be irreversibly damaged both during operation and in the non-operated state by the action of liquid water and leaching of alkali or alkaline earth metal ions.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Wasser- und/oder Kohlendioxid- Konzentration in einem Gas mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass anhand der erfindungsgemäß bestimmten Wasser- oder Kohlenstoffdioxid- Konzentration die Abgasrückführrate eines auf einem „homogenious charched combustion ignition" -Verfahren basierenden Verbrennungsmotors direkt ermittelt werden kann, was sich vorteilhaft auf dessen Betrieb auswirkt. Darüber hinaus weisen erfindungsgemäße Sensorelemente eine gute Beständigkeit im Abgas und gegenüber kondensiertem Wasser im abgestellten Fahrzeug sowie geringe Antwortzeiten von « 1 s und insbesondere von < 100 ms auf. Ferner sind erfindungsgemäße Sensorelemente vorteilhafterweise in großer Stückzahl herstellbar.The inventive method for determining the concentration of water and / or carbon dioxide in a gas with the characterizing features of the independent claim has the advantage that based on the inventively determined water or carbon dioxide concentration, the exhaust gas recirculation rate of a on a "homogeneous charched combustion ignition" Method-based internal combustion engine can be determined directly, which has an advantageous effect on its operation Sensor elements good resistance in the exhaust gas and condensed water in the parked vehicle and low response times of «1 s and in particular <100 ms on. Furthermore, sensor elements according to the invention can advantageously be produced in large numbers.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausffihrungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Ausffihrungsbeispiele the inventions are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Fig.l zeigt einen Längsschnitt einer herkömmlichen Sauerstoff-Breitbandsonde inFig.l shows a longitudinal section of a conventional oxygen broadband probe in
Planartechnik;planar;
Fig. 2a zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen, wobei die Elektroden der beiden Pumpzellen abgesehen vomFIG. 2 a shows a first embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the electrodes of the two pump cells apart from the
Festelektrolyt elektrisch getrennt Anschlusskontaktiert sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptflächen; Fig. 2b zeigt das Sensorelement aus Fig. 2a im Längsschnitt parallel zu den Hauptfiächen entlang der Linie Al-Al'; Fig. 2c zeigt das Sensorelement aus Fig. 2a im Längsschnitt parallel zu den Hauptfiächen entlang der Linie A2-A2'; Fig. 2d zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einerElectrically separated solid electrolyte Connection contacts are in longitudinal section perpendicular to the main surfaces; FIG. 2b shows the sensor element from FIG. 2a in a longitudinal section parallel to the main faces along the line Al-Al '; FIG. 2c shows the sensor element from FIG. 2a in a longitudinal section parallel to the main faces along the line A2-A2 '; FIG. Fig. 2d shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 2a und 2b; Fig. 3a zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptflächen;Operating electronics for the sensor element of FIGS. 2a and 2b; 3a shows a second embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces;
Fig. 3b zeigt das Sensorelement aus Fig. 3 a im Längsschnitt parallel zu den Hauptfiächen entlang der Linie B-B'; Fig. 3c zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einerFig. 3b shows the sensor element of Fig. 3a in longitudinal section parallel to the Hauptfiächen along the line B-B '; 3c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 3a und 3b;Operating electronics for the sensor element from FIGS. 3a and 3b;
Fig. 4a zeigt eine dritte Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen und einer Nernstzelle, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptfiächen; - A -4a shows a third embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells and a Nernst cell, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces; - A -
Fig. 4b zeigt das Sensorelement aus Fig. 4a im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie C-C; Fig. 4c zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einerFig. 4b shows the sensor element of Fig. 4a in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line C-C; 4c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 4a und 4b; Fig. 5a zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor dementes mit zwei Pumpzellen und zwei Nernstzellen, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptflächen;Operating electronics for the sensor element from FIGS. 4a and 4b; 5a shows a fourth embodiment of a sensor according to the invention with two pump cells and two Nernst cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces;
Fig. 5b zeigt das Sensorelement aus Fig. 5a im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie D-D';Fig. 5b shows the sensor element of Fig. 5a in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line D-D ';
Fig. 5c zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einerFig. 5c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 5a und 5b; Fig. 6 zeigt I/U-Kennlinien für die kathodische Sauerstoffreduktion von 20,9 Vol.-% O2 inOperating electronics for the sensor element from FIGS. 5a and 5b; Fig. 6 shows I / U characteristics for the cathodic oxygen reduction of 20.9% by volume O 2 in
N2 gegen Luft an verschiedenen Platin und/oder Gold umfassenden Elektroden; Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der Zersetzungsspannung von 20,9 Vol.- % O2 in N2 gegenN 2 against air at various electrodes comprising platinum and / or gold; Fig. 7 shows the dependence of the decomposition voltage of 20.9% by volume of O 2 in N 2 against
Luft von dem Gold-Gehalt der Kathode; Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der Zersetzungsspannung von 3 Vol.-% H2O in N2 gegenAir from the gold content of the cathode; Fig. 8 shows the dependence of the decomposition voltage of 3 vol .-% H 2 O in N 2 against
Luft von dem Gold-Gehalt der Kathode;Air from the gold content of the cathode;
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Zersetzungsspannung von 7 Vol.-%, 28 Vol.-% und 50 Vol.-% CO2 in N2 gegen Luft von dem Gold-Gehalt der Kathode.9 shows the dependence of the decomposition voltage of 7% by volume, 28% by volume and 50% by volume of CO 2 in N 2 against air on the gold content of the cathode.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt einer herkömmlichen Sauerstoff-Breitbandsonde in Planartechnik, beispielsweise einer universalen Lambdasonde (LSU). Eine herkömmliche Sauerstoff-Breitbandsonde basiert auf einem keramischen Grundkörper 2 mit einerFIG. 1 shows a longitudinal section of a conventional oxygen broadband probe in planar technology, for example a universal lambda probe (LSU). A conventional oxygen broadband probe is based on a ceramic base body 2 with a
Gaszutrittsöffnung 3 und einem durch eine Diffusionsbarriere 4 abgetrennten inneren Gasraum. In dem inneren Gasraum ist ein inneres Pumpelektrodenpaar IIa, IIb angeordnet, welches zusammen mit der auf der Außenseite des keramischen Grundkörpers 2 angeordneten äußeren Pumpelektrode 8 über Anschlusskontakte 7 an eine Stromquelle angeschlossen ist und eine Pumpzelle bildet. Darüber hinaus bildet die innere Pumpelektrode IIa, IIb überGas inlet opening 3 and a separated by a diffusion barrier 4 inner gas space. In the inner gas space an inner pump electrode pair IIa, IIb is arranged, which is connected together with the arranged on the outside of the ceramic body 2 outer pumping electrode 8 via terminal contacts 7 to a power source and forms a pumping cell. In addition, the inner pumping electrode IIa, IIb forms over
Anschlusskontakte 7 mit einer Referenzelektrode 10 eine Nernstzelle. Wie Fig. 1 zeigt, sind das innere Pumpelektrodenpaar IIa, IIb, die äußere Pumpelektrode 8 und die Referenzelektrode 10 über jeweils voneinander getrennt Leitungen an Flächen zur elektrischen Anschlusskontaktierung 7 angeschlossen. Darüber hinaus ist die äußere Pumpelektrode 8 von einer Schutzschicht 9 überzogen, um diese vor Abrasion und/oder Ablagerungen zu schützen.Terminal contacts 7 with a reference electrode 10 a Nernst cell. As shown in FIG. 1, the inner pump electrode pair IIa, IIb, the outer pumping electrode 8 and the reference electrode 10 are connected to surfaces for electrical connection contact 7 via separate lines. In addition, the outer pumping electrode 8 is covered by a protective layer 9 in order to protect it from abrasion and / or deposits.
Ferner weist eine herkömmliche Sauerstoffbreitbandsonde eine durch eine elektrische Isolation 6 isolierte Heizvorrichtung 5 mit zwei Anschlusskontakten 7a, 7b zum Anschluss an eine Stromquelle auf.Further, a conventional oxygen broadband probe has an electrical insulation 6 insulated heating device 5 with two connection contacts 7a, 7b for connection to a power source.
Fig. 2a, 2b und 2c zeigen eine erste Ausfϊihrungsform eines erfmdungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen, wobei die Elektroden der beiden Pumpzellen abgesehen vom Festelektrolytkörper 2 elektrisch getrennt anschlusskontaktiert sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptflächen, im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie Al-Al ' und im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie A2-A2'. Fig. 2a und 2b zeigen, dass die zwei elektrochemischen Pumpzellen eines erfϊndungemäßen Sensorelementes derart angeordnet sind, dass das Messgas über eine Gaszutrittsöffnung 10 in einem Festelektrolytkörper 2 und über zwei, insbesondere identische, diffusionslimitierende poröse Strukturen 16, 26, eine sog. Diffusionsbarriere, in einen ersten 11 und einen zweiten 21 Gasraum der elektrochemischen Pumpzellen eindringen kann. Die Gaszutrittsöffnung 10 ist im Rahmen dieser erfmdungsgemäßen Aus führungs form in Form eines zur Hauptfläche senkrechten Schachtes ausgestaltet, der sich im inneren des Festkörperelektrolyten 2 T-förmig verzweigt und an zwei parallel zur Hauptfläche angeordnete Kanäle anschließt, welche die Diffusionsbarrieren 16, 26 und die inneren Gasräume 11, 21 umfassen. In diesen inneren Gasräumen 11, 21 ist jeweils eine erste 12a, 12b und eine zweite innere 22a, 22b Pumpelektrode (IPE) angeordnet, die an einen Sauerstoffionen-leitenden Festkörperelektrolytkörper 2 grenzt. Wie die Figuren 2a und 2b zeigen setzen sich die inneren2a, 2b and 2c show a first embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells, wherein the electrodes of the two pump cells are electrically isolated apart from the solid electrolyte body 2, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces, in longitudinal section parallel to the main surfaces along the line Al -Al 'and in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line A2-A2'. 2 a and 2 b show that the two electrochemical pumping cells of a sensor element according to the invention are arranged in such a way that the measurement gas is conveyed via a gas inlet opening 10 in a solid electrolyte body 2 and via two, in particular identical, diffusion-limiting porous structures 16, 26, a so-called diffusion barrier a first 11 and a second gas space 21 of the electrochemical pumping cells can penetrate. The gas inlet opening 10 is in the context of this inventive embodiment shape designed in the form of a main surface to the main shaft, which branches in the interior of the solid electrolyte 2 T-shaped and connects to two parallel to the main surface arranged channels, which the diffusion barriers 16, 26 and the inner Gas spaces 11, 21 include. A first 12 a, 12 b and a second inner 22 a, 22 b pumping electrode (IPE), which adjoins an oxygen ion-conducting solid electrolyte body 2, are arranged in each of these inner gas spaces 11, 21. As the figures 2a and 2b show the inner set
Pumpelektroden 12a, 12b; 22a, 22b im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform jeweils aus einem Paar von an den beiden Hauptflächen des jeweiligen inneren Gasraums 11, 21 platziert Elektroden 12a, 12b; 22a, 22b zusammen, die miteinander elektrisch leitend und niederohmig verbunden sind. Auf der dem zu messenden Gas zugewandeten, äußeren Seite des Festelektrolytkörpers 2, insbesondere der äußeren Seite des Festelektrolytkörpers 2 in die diePumping electrodes 12a, 12b; 22a, 22b in the context of this embodiment according to the invention each consist of a pair of electrodes 12a, 12b placed on the two main surfaces of the respective inner gas space 11, 21; 22a, 22b together, which are connected to each other electrically conductive and low impedance. On the gas to be measured facing the outer side of the solid electrolyte body 2, in particular the outer side of the solid electrolyte body 2 in the
Gaszutrittsöffnung 10 eingelassen ist, sind eine erste 13 und eine zweite 23 äußere Pumpelektrode (APE) angeordnet, die über eine Stromquelle mit den inneren Pumpelektroden (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b verbunden sind und zusammen mit der dazugehörigen ersten bzw. zweiten inneren Pumpelektrode (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b eine erste und zweite elektrochemische Pumpzellen bilden. Im Rahmen dieser Aus führungs form weisen sowohl die äußeren 13, 23 als auch die inneren 12a, 12b; 22a, 22b Pumpelektroden der beiden Pumpzellen jeweils voneinander getrennte Leitungen und Anschlusskontakte 32a, 32b, 32c, 32d auf. Somit lässt sich zumindest eine relativ hochohmige Entkopplung beider Messzellen bewerkstelligen. Darüber hinaus sind die äußeren Pumpelektroden 13, 23 im Rahmen dieser Ausführungsform von einer Schutzschicht 14, 24 überzogen, um diese vor Korrosion zu schützen. Wie Fig. 2c zeigt weist diese erfindungsgemäße Ausführungsform ferner eine durch eine elektrische Isolation 31 isolierte Heizvorrichtung 30 mit zwei Anschlusskontakten 33a, 33b zum Anschluss an eine Stromquelle auf, welche parallel zur Hauptfläche in dem Festelektrolytkörper 2 unterhalb der Ebene der elektrochemischen Pumpzellen angeordnet ist. Vorzugsweise weist das Messgas, das zu den Pumpzellen gelangt, einen Sauerstoffüberschuss auf.Gas inlet opening 10 is recessed, a first 13 and a second 23 outer pumping electrode (APE) are arranged, which via a power source with the inner pumping electrodes (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b are connected and together with the associated first and second inner pumping electrode (IPE) 12a, 12b; 22a, 22b form a first and second electrochemical pumping cells. Within the scope of this embodiment, both the outer 13, 23 and the inner 12 a, 12 b; 22a, 22b pump electrodes of the two pumping cells each have separate lines and connection contacts 32a, 32b, 32c, 32d. Thus, at least a relatively high-impedance decoupling of the two measuring cells can be accomplished. In addition, the outer pumping electrodes 13, 23 in the context of this embodiment are covered by a protective layer 14, 24 in order to protect them from corrosion. As shown in Fig. 2c, this embodiment of the invention further comprises an electrical Isolation 31 insulated heater 30 with two connection contacts 33a, 33b for connection to a power source, which is arranged parallel to the main surface in the solid electrolyte body 2 below the plane of the electrochemical pumping cells. Preferably, the measurement gas which reaches the pump cells has an excess of oxygen.
Zur Bestimmung der Wasser-Konzentration in einem Messgas wird die erste Pumpzelle derart betrieben, dass nur molekularer Sauerstoff zu O -Ionen an der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b kathodisch reduziert wird. Die O -Ionen werden dann durch den beheizten Festelektrolytkörper 2 transportiert, an der ersten äußeren Pumpelektrode 13 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Gas abgegeben wird. Die dafür an die ersteTo determine the water concentration in a measurement gas, the first pump cell is operated such that only molecular oxygen is cathodically reduced to O ions on the first inner pump electrode 12a, 12b. The O ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized back to molecular oxygen at the first outer pumping electrode 13 and released to the gas. The one for the first
Pumpzelle anzulegende Spannung muss die Zersetzungsspannung von Wasser im Grenzstromfall unterschreiten. Diese Spannung ist bei planar aufgebauten Pumpzellen ca. 1 V (Ch-Pumpspannung im Grenzstromfall zuzüglich der Zersetzungsspannung von Wasser).Pump cell to be applied voltage must fall below the decomposition voltage of water in the limiting current case. This voltage is approximately 1 V in the case of planar pump cells (Ch pumping voltage in the limiting current case plus the decomposition voltage of water).
Ferner wird die zweite Pumpzelle zur Bestimmung der Wasser-Konzentration in einem Messgas derart betrieben, dass an der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b molekularer Sauerstoff kathodisch reduziert sowie Wasser gespalten wird. Die O2"-Ionen werden dann durch den beheizten Festelektrolytköφer 2 transportiert, an der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben. Die Pumpspannung der zweiten Pumpzelle liegt dabei > 500 mV bis < 800 mV über jener der ersten Pumpzelle.Furthermore, the second pumping cell for determining the water concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water is split. The O 2 " ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized back to molecular oxygen at the second outer pumping electrode 23 and delivered to the measurement gas, the pumping voltage of the second pumping cell being> 500 mV to <800 mV above that of the first pumping cell.
Dadurch wird gewährleistet, dass nicht nur molekularer Sauerstoff, sondern auch Wasser gespalten wird und zum Ionenstrom (Pumpstrom) beiträgt. Da die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen proportional zur Wasser-Konzentration im Messgas ist, kann eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Wasser-Konzentration im Messgas herangezogen werden.This ensures that not only molecular oxygen, but also water is split and contributes to the ion current (pumping current). Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the water concentration in the measuring gas, a measurement of these pumping currents or the voltages generated can be used to determine the water concentration in the measuring gas.
In Analogie zur Bestimmung der Wasser-Konzentration in einem Messgas wird die erste Pumpzelle zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Messgas derart betrieben, dass an der ersten inneren Pumpelektrode 22a, 22b molekularer Sauerstoff kathodisch reduziert und Wasser gespalten wird. Die dafür an die erste Pumpzelle anzulegende Spannung muss die Zersetzungsspannung von Kohlenstoff dioxid im Grenzstromfall unterschreiten. Diese zu unterschreitende Spannung ist bei planar aufgebauten Pumpzellen ca. > 1200 mV bis < 1800 mV (Ch/FfcO-Pumpspannung im Grenzstromfall zuzüglich der Zersetzungsspannung von Kohlenstoffdioxid). Femer wird die zweite Pumpzelle zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Messgas derart betrieben, dass an der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b molekularer Sauerstoff kathodisch reduziert sowie Wasser und Kohlenstoffdioxid gespalten wird. Die O2~-Ionen werden dann analog zum bereits erläuterten Verfahren zur Bestimmung der Wasser-Konzentration in einem Messgas durch den beheizten Festelektrolytkörper 2 transportiert, an der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben. Die Pumpspannung der zweiten Pumpzelle liegt dabei > 100 bis < 300 mV über jener der ersten Pumpzelle. Dadurch wird gewährleistet, dass nicht nur molekularer Sauerstoff reduziert und Wasser gespalten wird, sondern auch die Spaltung von Kohlenstoffdioxid zum Ionenstrom (Pumpstrom) beiträgt. Da die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen proportional zur Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas ist, kann eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas herangezogen werden.In analogy to the determination of the water concentration in a measurement gas, the first pump cell for determining the carbon dioxide concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced and water is split at the first inner pump electrode 22a, 22b. The voltage to be applied to the first pump cell must be below the decomposition voltage of carbon dioxide in the limiting current case. In the case of planar pump cells, this voltage to be undershot is approx.> 1200 mV to <1800 mV (Ch / FfcO pump voltage in the limiting current case plus the decomposition voltage of carbon dioxide). Furthermore, the second pumping cell for determining the carbon dioxide concentration in a measuring gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water and carbon dioxide are split. The O 2 ~ ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2 analogously to the already explained method for determining the water concentration in a measurement gas, oxidized again to molecular oxygen at the second outer pump electrode 23 and delivered to the measurement gas. The pumping voltage of the second pumping cell is> 100 to <300 mV above that of the first pumping cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide contributes to the ion current (pumping current). Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the carbon dioxide concentration in the measuring gas, a measurement of these pumping currents or of the voltages generated can be used to determine the carbon dioxide concentration in the measuring gas.
Sowohl im Rahmen dieser ersten Ausfuhrungsform als auch der im Zusammenhang mit den Figuren 3 a bis 5c erläuterten zweiten, dritten und vierten Ausführungsform umfassen die äußeren 13, 23 und inneren 12a, 12b; 22a, 22b Pumpelektroden ein Platingruppenmetall oder eine Platingruppenmetalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, und/oder Ruthenium. Vorzugsweise ist diejenige innereBoth in the context of this first embodiment and the second, third and fourth embodiment explained in connection with FIGS. 3 a to 5 c, the outer 13, 23 and inner 12 a, 12 b; 22a, 22b pump electrodes, a platinum group metal or a platinum group metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium. Preferably, that is inner
Pumpelektrode an der sowohl Sauerstoff reduziert als auch Wasser gespalten werden soll, aus einer Platingruppenmetall-Gold-Legierung, insbesondere mit einem Goldanteil von > 0,1 Gew.- % bis < 10 Gew.-%, ausgebildet.Pump electrode at the both reduced oxygen and water to be split, from a platinum group metal-gold alloy, in particular with a gold content of> 0.1 wt .-% to <10 wt .-%, formed.
Fig. 2d zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausfuhrungsform einerFIG. 2 d shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 2a, 2b und 2c. Im Rahmen dieser Ausfuhrungsform stellen zwei Stromquellen die elektrischen Pumpströme mit den bereits erläuterten Pumpspannungen zur Verfügung. Die Operationsverstärker OVl und OV2 verstärken die über die Messwiderstände abfallende Spannung und der Spannungsunterschied aus beiden wird ermittelt. Dieser Spannungsunterschied dient als Messsignal und ist derOperating electronics for the sensor element of Fig. 2a, 2b and 2c. Within the scope of this embodiment, two current sources provide the electrical pumping currents with the pumping voltages already explained. The operational amplifiers OVl and OV2 amplify the voltage dropped across the measuring resistors and the voltage difference between the two is determined. This voltage difference serves as a measuring signal and is the
Wasser- oder Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas proportional.Water or carbon dioxide concentration in the sample gas proportional.
Fig. 3a und 3b zeigen eine zweite Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den Hauptflächen und im3a and 3b show a second embodiment of a sensor element according to the invention with two pumping cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pumping cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the main surfaces and in
Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie B-B'. Die in Fig. 3a und 3b gezeigte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes weist die gleichen Elemente und eine ähnlichen Elementanordnung wie die erste, bereits im Zusammenhang mit Fig. 2a bis 2d erläuterte, Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes auf. Wie in der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, weisen die äußeren Pumpelektroden 13, 23 der beiden Pumpzellen jeweils voneinander getrennte Leitungen undLongitudinal section parallel to the main surfaces along the line B-B '. The shown in Fig. 3a and 3b second embodiment of a sensor element according to the invention has the same elements and a similar element arrangement as the first, already explained in connection with FIGS. 2a to 2d, embodiment of a sensor element according to the invention. As in the first embodiment of a sensor element according to the invention, the outer pumping electrodes 13, 23 of the two pumping cells each have separate lines and
Anschlusskontakte 32a, 32b auf. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform jedoch dadurch, dass die erste 12a, 12b und die zweite 22a, 22b innere Pumpelektrode der ersten und der zweiten Pumpzelle miteinander über eine elektrische Leitung verbunden sind und über eine einzige weitere elektrische Leitung mit einem einzigen elektrischen Anschlusskontakt 32e verbunden sind.Connection contacts 32a, 32b. However, the second embodiment differs from the first embodiment in that the first 12a, 12b and the second 22a, 22b inner pumping electrodes of the first and second pumping cells are connected to each other via an electric line and via a single further electrical line with a single electrical Terminal contact 32e are connected.
Die Betriebsweise der zweiten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes der Pumpzellen entspricht der im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläuterten Betriebsweise.The mode of operation of the second embodiment of a sensor element according to the invention of the pumping cells corresponds to the mode of operation explained in connection with the first embodiment.
Fig. 3c zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einer Betriebselektroniken für das Sensorelement aus Fig. 3a und 3b. Wie ein Vergleich von Fig. 3c mit Fig. 2d zeigt, ähnelt die Betriebsschaltung der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, abgesehen davon, dass die Operationsverstärker OVl, OV2, Messwiderstände RMΘSS, I, Rλfess, 2 und inneren Pumpelektroden IPEl, IPE2 auf Masse gelegt sind, der Betriebsschaltung der ersten Ausführungsform.3c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of an operating electronics for the sensor element from FIGS. 3a and 3b. As a comparison of FIG. 3c with FIG. 2d shows, the operating circuit of the second embodiment of a sensor element according to the invention is similar except that the operational amplifiers OV1, OV2, measuring resistors RM ΘSS , I, Rλfess, 2 and internal pumping electrodes IPE1, IPE2 to ground are laid, the operation circuit of the first embodiment.
Fig. 4a und 4b zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes zwei Pumpzellen und einer Nernstzelle, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den4a and 4b show a third embodiment of a sensor element according to the invention two pumping cells and a Nernst cell, wherein the inner pumping electrodes of the two pumping cells are electrically conductively connected to each other, in a longitudinal section perpendicular to the
Hauptflächen und im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie C-C. Die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes unterscheidet sich dadurch von der zweiten, in Fig. 3a und 3b gezeigten, Ausführungsform, dass co-planar zu der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b eine erste Referenzelektrode (RE) 15 angeordnet ist, welche über eine elektrische Leitung an einen Anschlusskontakt 32f angeschlossen ist. DiePrincipal surfaces and in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line C-C. The third embodiment of a sensor element according to the invention differs from the second embodiment shown in FIGS. 3a and 3b in that a first reference electrode (RE) 15 is arranged co-planar with the first inner pumping electrode 12a, 12b via an electrical line connected to a terminal contact 32f. The
Referenzelektrode 15 bildet mit der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b eine Nernstzelle. Die Referenzelektrode 15 wird einer Gasatmosphäre mit hohem, gleich bleibendem Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Dies kann durch eine direkte Zuführung von Luft durch eine entsprechende Kanalstruktur oder über eine so genannte gepumpte Referenz, bei der von der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b zur Referenzelektrode 15 ein kleinerReference electrode 15 forms a Nernst cell with the first inner pumping electrode 12a, 12b. The reference electrode 15 is exposed to a gas atmosphere of high, constant oxygen content. This can be achieved by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a so-called pumped reference, in which from the first inner pumping electrode 12a, 12b to the reference electrode 15 a smaller
Sauerstoffpumpstrom getrieben wird, erfolgen. Wird die erste Pumpzelle derart betrieben, dass der molekulare Sauerstoff an der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b kathodisch reduziert wird und die dadurch entstehenden O2"-Ionen durch den beheizten Festelektrolytkörper 2 transportiert, an der ersten äußeren Pumpelektrode 13 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben werden, so erniedrigt sich der Sauerstoffpartialdruck im ersten inneren Gasraum 11 der ersten Pumpzelle. Aufgrund der Sauerstoffpartialdruckunterschieds zwischen der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b und der Referenzelektrode 15 kann eine Nernstspannung entsprechend dem Nernst'schen Gesetz gemessen werden. Diese Nernstspannung dient als Regelgröße für die Regelung der Pumpspannung der ersten Pumpzelle. Beispielsweise soll die Pumpspannung der ersten Pumpzelle derart geregelt werden, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von 450 mV erreicht.Oxygen pump current is driven done. If the first pump cell operated such that the molecular oxygen in the first inner pumping electrode 12a, 12b is cathodically reduced and the resulting O 2 "ions by the heated solid electrolytic body 2 is transported, is oxidized at the first external pump electrode 13 back to molecular oxygen and Due to the oxygen partial pressure difference between the first inner pumping electrode 12a, 12b and the reference electrode 15, a Nernst voltage can be measured in accordance with Nernst's law For example, the pumping voltage of the first pumping cell should be controlled in such a way that the Nernst cell reaches a Nernst voltage of 450 mV.
Wird ferner die zweite Pumpzelle derart betrieben, dass an der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b der molekulare Sauerstoff kathodisch reduziert und Wasser gespalten wird und die entstehenden O2"-Ionen dann durch den beheizten Festelektrolytkörper 2 transportiert, an der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben werden, so erniedrigt sich der Sauerstoffpartialdruck im inneren Gasraum 21 der zweiten Pumpzelle. Die Pumpspannung der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 soll dabei > 500 mV bis < 800 mV über jener der ersten Pumpzelle liegen. Dadurch wird nicht nur die Reduktion von molekularem Sauerstoff, sondern auch die Spaltung von Wasser gewährleistet welche zu dem Ionenstrom (Pumpstrom) beiträgt. Die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen ist proportional zur Wasser-Konzentration im Messgas, sodass eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Wasser-Konzentration im Messgas herangezogen werden kann.Furthermore, if the second pump cell is operated in such a way that the molecular oxygen is cathodically reduced and water is split at the second inner pumping electrode 22a, 22b and the resulting O 2 " ions are then transported through the heated solid electrolyte body 2, then again at the second outer pumping electrode 23 oxidized molecular oxygen and delivered to the sample gas, so the oxygen partial pressure in the inner gas chamber 21 of the second pump cell decreases.The pumping voltage of the second outer pumping electrode 23 should be> 500 mV to <800 mV above that of the first pumping cell The difference of the pumping currents of the first and second pumping cell and the voltages generated therefrom is proportional to the water concentration in the measuring gas, so that a measurement of this Pump currents or the voltages generated n can be used to determine the water concentration in the sample gas.
Zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Messgas wird die erste Pumpzelle der dritten Ausführungsform derart betrieben, dass an der ersten inneren Pumpelektrode 22a, 22b molekularer Sauerstoff kathodisch reduziert und Wasser gespalten wird. Beispielsweise soll die Pumpspannung der ersten Pumpzelle dazu derart geregelt werden, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von > 950 bis < 1250 mV erreicht. Ferner wird die zweite Pumpzelle zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Messgas derart betrieben, dass an der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b molekularer Sauerstoff kathodisch reduziert sowie Wasser und Kohlenstoffdioxid gespalten wird. Die O2"-Ionen werden dann analog zum bereits erläuterten Verfahren zur Bestimmung der Wasser-Konzentration in einem Messgas durch den beheizten Festelektrolytkörper 2 transportiert, an der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben. Die Pumpspannung der zweiten Pumpzelle liegt dabei > 300 bis < 600 mV über jener der ersten Pumpzelle. Dadurch wird gewährleistet, dass nicht nur molekularer Sauerstoff reduziert und Wasser gespalten wird, sondern auch die Spaltung von Kohlenstoffdioxid zum IonenstromIn order to determine the carbon dioxide concentration in a measuring gas, the first pumping cell of the third embodiment is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the first inner pumping electrode 22a, 22b and water is split. For example, the pumping voltage of the first pumping cell should be controlled in such a way that the Nernst cell reaches a Nernst voltage of> 950 to <1250 mV. Furthermore, the second pumping cell for determining the carbon dioxide concentration in a measurement gas is operated in such a way that molecular oxygen is cathodically reduced at the second inner pumping electrode 22a, 22b and water and carbon dioxide are split. The O 2 " - ions are then analogous to the already described method for determining the water concentration in a measuring gas transported through the heated solid electrolyte body 2, oxidized at the second outer pumping electrode 23 back to molecular oxygen and delivered to the sample gas. The pumping voltage of the second pumping cell is> 300 to <600 mV above that of the first pumping cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide to the ionic current
(Pumpstrom) beiträgt. Da die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen proportional zur Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas ist, kann eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas herangezogen werden.(Pumping current) contributes. Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the carbon dioxide concentration in the measuring gas, a measurement of these pumping currents or of the voltages generated can be used to determine the carbon dioxide concentration in the measuring gas.
Fig. 4c zeigt eine Prinzipschaltskizze einer möglichen Ausführungsform einer Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 4a und 4b. Der in der Betriebsschaltung in Fig. 4c gezeigte Operationsverstärker OVl .1 ist als Komparator beschaltet und stellt am Ausgang die Spannung derart ein, dass an der ersten äußeren Pumpelektrode 13 eine Spannung anliegt die zu einem derartigen Pumpstrom führt, dass der invertierende Eingang die gleiche4c shows a schematic circuit diagram of a possible embodiment of an operating electronics for the sensor element from FIGS. 4a and 4b. The operational amplifier OV1 shown in the operating circuit in Fig. 4c is connected as a comparator and sets the voltage at the output so that at the first outer pumping electrode 13, a voltage is applied which leads to such a pumping current that the inverting input the same
Spannung aufweist, wie der nicht invertierende. Dazu muss in der Nernstzelle betragsmäßig die gleiche Spannung anliegen wie die Referenzspannung. Die Nernstzellenspannung und damit der Partialdruck der Gasmoleküle werden über den durch die Pumpspannung getriebenen Pumpstrom durch die erste Pumpzelle eingestellt. OV2.1 entkoppelt als Impedanzwandler die Pumpspannung hochohmig von der nachfolgenden Schaltung. OV2.2 ist zusammen mit Rl , R2 und R3 als invertierender Addierer beschaltet und addiert auf die Spannung der ersten äußeren Pumpelektrode 13 die Spannung L1 ReE, wobei der über das Verhältnis der Widerstände Rl , R2 und R3 einzustellende Verstärkungsfaktor eins beträgt. Über den Inverter OV2.3 wird der Pumpstrom wieder gleichsinnig zum Pumpstrom aus OVl .1 invertiert. UReß weist einen Wert zwischen 500 und 800 mV auf. Dadurch erhält die zweite äußere Pumpelektrode 13 eine um diesen Betrag höhere Pumpspannung als die erste äußere Pumpelektrode 23, wodurch ein Pumpstrom durch die zweite Pumpzelle getrieben wird, der durch die Zersetzung von Sauerstoff und Wasser bedingt ist. Die Spannungsabfälle an den Messwiderständen RMess werden durch die Operationsverstärker OVl.2 und OV 2.4 in Spannungssignale umgewandelt und der Spannungsunterschied aus beiden ermittelt. Dieser Spannungsunterschied dient als Messsignal und ist der Wasser-Konzentration im Messgas proportional.Has voltage, as the non-inverting. For this purpose, the amount of voltage in the Nernst cell must be the same as the reference voltage. The Nernstzellenspannung and thus the partial pressure of the gas molecules are adjusted via the driven by the pumping voltage pumping current through the first pump cell. OV2.1 decouples the high-impedance pumping voltage from the subsequent circuit as an impedance converter. OV2.2 is connected together with Rl, R2 and R3 as an inverting adder and adds to the voltage of the first outer pumping electrode 13, the voltage L 1 ReE , wherein the over the ratio of the resistors Rl, R2 and R3 to be set gain factor is one. The pump current is again inverted in the same direction as the pump current from OVl .1 via the inverter OV2.3. U Reß has a value between 500 and 800 mV. As a result, the second outer pumping electrode 13 receives a pumping voltage higher by this amount than the first outer pumping electrode 23, whereby a pumping current is driven through the second pumping cell, which is due to the decomposition of oxygen and water. The voltage drops at the measuring resistors R Mess are converted into voltage signals by the operational amplifiers OVl.2 and OV 2.4 and the voltage difference between the two is determined. This voltage difference serves as a measurement signal and is proportional to the water concentration in the sample gas.
Fig. 5a und 5b zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit zwei Pumpzellen und zwei Nernstzellen, wobei die inneren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, im Längsschnitt senkrecht zu den5a and 5b show a fourth embodiment of a sensor element according to the invention with two pump cells and two Nernst cells, wherein the inner pumping electrodes of the two pump cells are electrically conductively connected to one another, in longitudinal section perpendicular to the
Hauptflächen und im Längsschnitt parallel zu den Hauptflächen entlang der Linie D-D'. Die vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes unterscheidet sich dadurch von der dritten, in Fig. 4a und 4b gezeigten, Ausführungsform, dass co-planar zu der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b eine zusätzliche zweite Referenzelektrode (RE) 25 angeordnet ist, welche über eine elektrische Leitung an einen Anschlusskontakt 32g angeschlossen ist. Co- planar zu den inneren Pumpelektroden 12a, 12b; 22a, 22b ist daher jeweils einePrincipal surfaces and in longitudinal section parallel to the major surfaces along the line D-D '. The Fourth embodiment of a sensor element according to the invention differs from the third, shown in Fig. 4a and 4b embodiment, that co-planar to the second inner pumping electrode 22a, 22b, an additional second reference electrode (RE) 25 is arranged, which via an electrical line connected to a terminal contact 32g. Co-planar with the inner pumping electrodes 12a, 12b; 22a, 22b is therefore one each
Referenzelektrode (RE) 15; 25 angeordnet. So bildet die Referenzelektrode 15 mit der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b eine erste Nernstzelle und die Referenzelektrode 25 mit der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b eine zweite Nernstzelle. Die erste und zweite Referenzelektrode 15; 25 werden einer Gasaτmosphäre mit hohem, gleich bleibendem Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Dies kann durch eine direkte Zuführung von Luft durch eine entsprechende Kanalstruktur oder über eine so genannte gepumpte Referenz, bei der von der ersten inneren Pumpelektrode 12a, 12b zur Referenzelektrode 15 und/oder von der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b zur Referenzelektrode 25 ein kleiner Sauerstoffpumpstrom getrieben wird, erfolgen.Reference electrode (RE) 15; 25 arranged. Thus, the reference electrode 15 with the first inner pumping electrode 12a, 12b forms a first Nernst cell and the reference electrode 25 with the second inner pumping electrode 22a, 22b forms a second Nernst cell. The first and second reference electrodes 15; 25 are exposed to a gas atmosphere with high, constant oxygen content. This can be achieved by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a so-called pumped reference, in which from the first inner pumping electrode 12a, 12b to the reference electrode 15 and / or from the second inner pumping electrode 22a, 22b to the reference electrode 25, a small oxygen pumping current is done.
Die Referenzelektroden 15 und 25 der in Fig. 4a und 4b gezeigten dritten und der in Fig. 5a und 5b gezeigten vierten Ausführungsform umfassen vorzugsweise ein Platingruppenmetall oder eine Platingruppenmetalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, und/oder Ruthenium.The reference electrodes 15 and 25 of the third embodiment shown in FIGS. 4a and 4b and the fourth embodiment shown in FIGS. 5a and 5b preferably comprise a platinum group metal or a platinum group metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium.
Die erste Pumpzelle wird wie im Rahmen der in Fig. 4a und 4b erläuterten dritten Ausführungsform betrieben.The first pumping cell is operated as in the third embodiment explained in FIGS. 4a and 4b.
Wird ferner die zweite Pumpzelle derart betrieben, dass der molekulare Sauerstoff und Wassermoleküle an der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b kathodisch reduziert, als O -Furthermore, if the second pump cell is operated in such a way that the molecular oxygen and water molecules at the second inner pumping electrode 22a, 22b are cathodically reduced, as O -
Ionen durch den beheizten Festelektrolyt transportiert, an der zweiten äußeren Pumpelektrode 23 wieder zu molekularem Sauerstoff oxidiert und an das Messgas abgegeben werden, so erniedrigt sich der Sauerstoffpartialdruck im zweiten inneren Gasraum 21 der zweiten Pumpzelle. Aufgrund der Sauerstoffpartialdruckunterschieds zwischen der zweiten inneren Pumpelektrode 22a, 22b und der Referenzelektrode 25 kann eine Nernstspannung entsprechend dem Nernst'schen Gesetz gemessen werden. Diese dient als Regelgröße für die Regelung der Pumpspannung der zweiten Pumpzelle. Die zweite Nernstzelle soll eine Nernstspannung erreichen, die zu einer zweiten Pumpspannung führt, die > 500 mV bis < 800 mV über der Pumpspannung der ersten Pumpzelle liegt. Beispielsweise liegt die Nernstspannung der zweiten Nernstzelle in einem Bereich von > 950 mV bis < 1250 mV. Dadurch wird gewährleistet, dass nicht nur molekularer Sauerstoff reduziert, sondern auch Wasser gespalten wird und zum Ionenstrom (Pumpstrom) beiträgt. Die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen ist proportional zur Wasser-Konzentration im Messgas, sodass eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Wasser-Konzentration im Messgas herangezogen werden kann.Ions transported through the heated solid electrolyte, oxidized to molecular oxygen at the second outer pumping electrode 23 and delivered to the sample gas, the oxygen partial pressure in the second inner gas chamber 21 of the second pumping cell is lowered. Due to the oxygen partial pressure difference between the second inner pumping electrode 22a, 22b and the reference electrode 25, a Nernst voltage can be measured according to Nernst's law. This serves as a controlled variable for the regulation of the pumping voltage of the second pumping cell. The second Nernst cell should reach a Nernst voltage, which leads to a second pumping voltage, which is> 500 mV to <800 mV above the pumping voltage of the first pump cell. For example, the Nernst voltage of the second Nernst cell is in a range of> 950 mV to <1250 mV. This ensures that not only molecular oxygen is reduced, but also water is split and the Ion current (pumping current) contributes. The difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to the water concentration in the measuring gas, so that a measurement of these pumping currents or of the voltages generated can be used to determine the water concentration in the measuring gas.
Zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in einem Messgas werden die erste Nernstzelle und die erste Pumpzelle wie im Rahmen der in Fig. 4a und 4b erläuterten Kohlenstoffdioxid- Konzentrationsmessung mit der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes betrieben. Die zweite Nernstzelle wird im Rahmen der vierten Ausführungsform derart betrieben, dass die zweite Nernstzelle eine Nernstspannung erreicht, die zu einer zweiten Pumpspannung führt, die > 300 bis < 600 mV über der Pumpspannung der ersten Pumpzelle liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass nicht nur molekularer Sauerstoff reduziert und Wasser gespalten wird, sondern auch die Spaltung von Kohlenstoffdioxid zum Ionenstrom (Pumpstrom) beiträgt. Da die Differenz der Pumpströme der ersten und zweiten Pumpzelle bzw. der daraus erzeugten Spannungen proportional zurTo determine the carbon dioxide concentration in a measurement gas, the first Nernst cell and the first pump cell are operated as in the context of the carbon dioxide concentration measurement explained in FIGS. 4a and 4b with the third embodiment of a sensor element according to the invention. In the fourth embodiment, the second Nernst cell is operated in such a way that the second Nernst cell reaches a Nernst voltage which leads to a second pumping voltage which is> 300 to <600 mV above the pumping voltage of the first pump cell. This ensures that not only molecular oxygen is reduced and water is split, but also the cleavage of carbon dioxide contributes to the ion current (pumping current). Since the difference between the pumping currents of the first and second pumping cells and the voltages generated therefrom is proportional to
Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas ist, kann eine Messung dieser Pumpströme bzw. der erzeugten Spannungen zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas herangezogen werden.Carbon dioxide concentration in the sample gas, a measurement of these pumping currents or the voltages generated can be used to determine the carbon dioxide concentration in the sample gas.
Fig. 5c zeigt eine Prinzip schaltskizze einer möglichen Ausführungsform einerFig. 5c shows a principle circuit sketch of a possible embodiment of a
Betriebselektronik für das Sensorelement aus Fig. 5a und 5b;Operating electronics for the sensor element from FIGS. 5a and 5b;
Die Betriebsschaltung in Fig. 5c, zeigt zwei Operationsverstärker OVl .1 und OV2.1, die als Komparatoren beschaltet sind und am Ausgang die Spannung derart einstellen, dass an der äußeren Pumpelektrode eine Spannung anliegt die zu einem derartigen Pumpstrom führt, dass der invertierende Eingang die gleiche Spannung aufweist, wie der nicht invertierende. Dazu muss in der Nernstzelle betragsmäßig die gleiche Spannung anliegen wie die Referenzspannung. Die Nernstzellenspannung und damit der Partialdruck der Gasmolekel werden über den durch die Pumpspannung getriebenen Pumpstrom durch die Pumpzelle eingestellt. Die Referenzspannung Urefi und Uref2 unterscheiden sich derart, dass die Pumpspannung der zweiten äußeren Pumpelektrode 23, > 500 mV bis < 800 mV höher liegt als die Pumpspannung der erstem äußeren Pumpelektrode 13. Die Spannungsabfälle an den Messwiderständen Rjviess werden durch die Operationsverstärker OVl .2 und OV 2.2 in Spannungssignale umgewandelt und der Spannungsunterschied aus beiden ermittelt. Dieser Spannungsunterschied dient als Messsignal und ist der Wasser-Konzentration im Messgas proportional. Fig. 6 zeigt eine Kurvenschar von Strom/Spannungskennlinien für die kathodische Sauerstoffreduktion von 20,9 Vol.- % O2 in N2 an verschiedenen Platin und/oder Gold umfassenden Elektroden. Um die Stom/Spannungskennlinien aufzuzeichnen wurde eine Breitbandsonde in dem oben genannten Sauerstoff/Stickstoff-Gasgemisch betrieben. Dabei wurden die äußere Pumpelektrode kathodisch (negativ) und die innere Pumpelektrode anodisch beschaltet, um Grenzstromeffekte weitestgehend zu vermeiden. Da die beiden Elektroden einer identischen Atmosphäre ausgesetzt wurden, mussten keine nennenswerten Nernstspannungen berücksichtigt werden. Fig. 6 zeigt, dass bei Elektroden aus Platin-Gold-Legierungen mit einem Goldanteil von > 1 Gew.-% ein Überspannungseffekt auftritt, während sich Elektroden aus einer Platin-Gold-Legierung mit einem Goldanteil von 0,01 Gew.-% ähnlich wie reineThe operating circuit in Fig. 5c, shows two operational amplifiers OVl .1 and OV2.1, which are connected as comparators and at the output adjust the voltage such that at the outer pumping electrode a voltage is applied which leads to such a pumping current that the inverting input has the same voltage as the non-inverting one. For this purpose, the amount of voltage in the Nernst cell must be the same as the reference voltage. The Nernstzellenspannung and thus the partial pressure of the gas molecules are adjusted via the driven by the pumping voltage pumping current through the pumping cell. The reference voltage U ref i and U ref2 differ in such a way that the pumping voltage of the second outer pumping electrode 23,> 500 mV to <800 mV, is higher than the pumping voltage of the first outer pumping electrode 13. The voltage drops across the measuring resistors Rjvi ess are detected by the operational amplifiers OVl .2 and OV 2.2 are converted into voltage signals and the voltage difference between them is determined. This voltage difference serves as a measurement signal and is proportional to the water concentration in the sample gas. FIG. 6 shows a family of curves of current / voltage characteristics for the cathodic oxygen reduction of 20.9% by volume O 2 in N 2 at various electrodes comprising platinum and / or gold. To record the current / voltage characteristics, a broadband probe was operated in the above-mentioned oxygen / nitrogen gas mixture. In this case, the outer pumping electrode was cathodically (negatively) and the inner pumping electrode connected anodically in order to avoid limiting current effects as far as possible. Since the two electrodes were exposed to an identical atmosphere, no significant Nernst voltages had to be considered. Fig. 6 shows that electrodes made of platinum-gold alloys with a gold content of> 1 wt .-%, an overvoltage effect occurs, while electrodes made of a platinum-gold alloy with a gold content of 0.01 wt .-% similar like pure
Platinelektroden verhalten. Die Überspannungen können aus den Messkurven an der Stelle abgelesen werden, an der der flache Bereich der Strom/Spannungskurve in einen steil verlaufenden Bereich übergeht. Das Minimum der ersten Ableitung der Strom/Spannungskennlinie entspricht im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Überspannung.Behave platinum electrodes. The overvoltages can be read from the traces at the point where the flat region of the current / voltage curve transitions to a steeply sloping area. The minimum of the first derivative of the current / voltage characteristic corresponds to the overvoltage in the context of the present invention.
Fig. 7, 8 und 9 zeigen die Abhängigkeit der Zersetzungsspannung von 20,9 Vol.-% O2, 3 VoL- % H2O sowie 7 Vol.-%, 28 Vol.-% und 50 Vol.-% CO2 in N2 von dem Gold-Gehalt der Kathode, jeweils gemessen gegen eine Anode aus Platin. Dabei wurden die Zersetzungsspannungen wie im Rahmen von Fig. 6 erläutert bestimmt. Die Figuren 7 bis 9 zeigen, dass mit zunehmendem Goldanteil der Kathode die Zersetzungsspannung für Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid aufgrund von Überspannungseffekten zunimmt, während die Zersetzungsspannung für Wasser nahezu unberührt bleibt. Bei einer Elektrode mit einem Goldanteil von > 0,1 Gew.-% bis < 10 Gew.-%, insbesondere von > 2 Gew.-% bis < 4 Gew.-%, wird die Zersetzungsspannung von Kohlenstoffdioxid deutlich angehoben, sodass ein größererFig. 7, 8 and 9 show the dependence of the decomposition voltage of 20.9 vol .-% O 2 , 3 VoL% H 2 O and 7 vol .-%, 28 vol .-% and 50 vol .-% CO 2 in N 2 of the gold content of the cathode, each measured against an anode of platinum. The decomposition stresses were determined as explained in connection with FIG. 6. Figures 7 to 9 show that as the gold content of the cathode increases, the decomposition voltage for oxygen and carbon dioxide increases due to overvoltage effects, while the decomposition voltage for water remains almost unaffected. For an electrode with a gold content of> 0.1 wt .-% to <10 wt .-%, in particular from> 2 wt .-% to <4 wt .-%, the decomposition voltage of carbon dioxide is significantly increased, so that a larger
Abstand zwischen der Zersetzungsspannung von Kohlenstoffdioxid und Wasser vorliegt, als es bei einer reinen Platinelektrode der Fall wäre. Dabei wird zwar auch die Zersetzungsspannung für Sauerstoff erhöht, jedoch resultiert insbesondere im Fall eines Goldanteils von > 2 Gew.-% bis < 4 Gew.-% eine zur Zersetzungsspannung von Wasser vergleichbare Zersetzungsspannung mit ebenfalls großem Abstand zur Zersetzungsspannung von Kohlenstoffdioxid. In den bereits erläuterten Aus führungs formen eines erfindungsgemäßen Sensorelementes werden daher vorzugsweise diejenigen Elektroden an denen nur Sauerstoff reduziert und Wasser gespalten werden (das heißt an denen keine Kohlenstoffdioxid-Spaltung stattfinden soll) aus einer Platin- Gold-Legierung mit einem erfindungsgemäßen Goldanteil ausgebildet. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas mit einem Sensorelement, umfassend einen Festelektrolytkörper, eine erste elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem ersten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete erste innere Pumpelektrode und eine auf der demThere is a distance between the decomposition voltage of carbon dioxide and water, as would be the case with a pure platinum electrode. Although the decomposition voltage for oxygen is increased, but in particular in the case of a gold content of> 2 wt .-% to <4 wt .-% results comparable to the decomposition voltage of water decomposition voltage at a great distance from the decomposition voltage of carbon dioxide. In the already explained embodiments of a sensor element according to the invention, therefore, preferably those electrodes at which only oxygen is reduced and water split (that is, at which no carbon dioxide cleavage is to take place) are formed from a platinum-gold alloy having a gold content according to the invention. The present invention is a method for determining the concentration of water or carbon dioxide in a gas with a sensor element comprising a solid electrolyte body, a first electrochemical pumping cell comprising a first inner pumping electrode arranged in a first inner gas space of the solid electrolyte body and one on the
Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete erste äußere Pumpelektrode, wobei die erste innere Pumpelektrode und die erste äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, und eine zweite elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem zweiten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite innere Pumpelektrode und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite äußere Pumpelektrode, wobei die zweite innere Pumpelektrode und die zweite äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind,The first inner pumping electrode and the first outer pumping electrode are connected to each other via a current source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping electrode arranged in a second inner gas space of the solid electrolyte body and one on the Measuring gas facing side of the solid electrolyte body second outer pumping electrode, wherein the second inner pumping electrode and the second outer pumping electrode are connected to each other via a power source,
in demby doing
- die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die nur zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O -Ionen führt, und- The first pump cell is operated with a pump voltage, which leads only to the reduction of molecular oxygen to O-ions, and
- die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O -Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu- The second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, both for the reduction of molecular oxygen to O-ions and for the splitting of water to
O2"-Ionen führt, undO 2 " ions leads, and
- aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz, insbesondere unter Anwendung des 1. Fick' sehen Gesetzes, die Wasser-Konzentration im Messgas ermittelt wird; oder- From the difference of the pumping currents of the two pumping cells and / or from the resulting from the pumping currents voltage difference, in particular using the 1st Fick 'see law, the water concentration is determined in the sample gas; or
- die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2~-Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2"-Ionen führt, und- The first pump cell is operated with a pumping voltage, which leads both to the reduction of molecular oxygen to O 2 ~ ions and to the cleavage of water to O 2 " ions, and
- die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2~-Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu- The second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, both for the reduction of molecular oxygen to O 2 ~ ions and for the splitting of water to
O -Ionen und Kohlenstoffdioxid zu O -Ionen führt, undO ions and carbon dioxide leads to O ions, and
- aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz, insbesondere unter Anwendung desfrom the difference of the pumping currents of the two pumping cells and / or from the voltage difference resulting from the pumping currents, in particular by using the
1. Fick' sehen Gesetzes, die Kohlenstoffdioxid- Konzentration im Messgas ermittelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf dem Prinzip, dass sich die elektrochemischen Zersetzungsspannungen von molekularem Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid an Elektroden aus den erfindungsgemäßen Elektrodenmaterialien um mehrere 100 mV unterscheiden. Beispielsweise wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung für eine elektrochemische Pumpzelle mit einem Zirkoniumdioxidfestelektrolytkörper und eine äußeren und inneren Platinpumpelektrode die in der folgenden Tabelle angegebenen elektrochemischen Zersetzungsspannungen für molekularem Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid ermittelt. Dabei wurden die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte um den aufbaubedingten Ohm'sche Verlust korrigiert.1. Fick 'see law, the carbon dioxide concentration is determined in the sample gas. The method according to the invention is based on the principle that the electrochemical decomposition voltages of molecular oxygen, water and carbon dioxide on electrodes of the electrode materials according to the invention differ by several 100 mV. For example, in the present invention, for an electrochemical pumping cell having a zirconia solid electrolyte body and an outer and inner platinum pumping electrode, the electrochemical decomposition voltages for molecular oxygen, water and carbon dioxide shown in the following table were determined. The values given in the following table were corrected by the build-up-related ohmic loss.
Figure imgf000017_0001
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Aus der Tabelle wird deutlich, dass wenn an eine Pumpzelle eine Spannung von wenigen hundertstel Volt angelegt wird, an der Kathode molekularer Sauerstoff zu O -Ionen reduziert wird, wobei keine Zersetzung/Spaltung von Wasser und Kohlenstoffdioxid auftritt. Erhöht man die Spannung auf ca. 0,5 V, erfolgt neben der Zersetzung von molekularem Sauerstoff auch eine Zersetzung von Wasser in O2"-Ionen, wobei noch keine Zersetzung von Kohlenstoffdioxid auftritt. Nach weiterer Erhöhung der Spannung auf über ca. 0,8 Volt erfolgt auch die Zersetzung von Kohlenstoffdioxid zu O -Ionen.It is clear from the table that when a voltage of a few hundredths of a volt is applied to a pumping cell, molecular oxygen is reduced to 0-ions at the cathode, with no decomposition / decomposition of water and carbon dioxide. If the voltage is increased to about 0.5 V, in addition to the decomposition of molecular oxygen, a decomposition of water into O 2 " ions occurs, in which case no decomposition of carbon dioxide occurs. 8 volts is also the decomposition of carbon dioxide to O ions.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Sensorelementen durchgeführt werden deren erste und/oder zweite, innere Pumpelektrode, und/oder deren erste und/oder zweite äußere Pumpelektrode, und/oder deren erste und/oder zweite Referenzelektrode ein Platinmetall oder eine Platinmetalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, und/oder Ruthenium, umfassen. Das heißt, das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Sensorelementen durchgeführt werden, die über zwei innere Pumpelektroden aus Platin verfugen. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn diejenigen inneren Pumpelektroden, an denen molekularer Sauerstoff und Wasser oder molekularer Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid zersetzt wird, aus einer erfindungsgemäßen Platin-Gold-Legierung ausgebildet sind. Das heißt, das erfmdungsgemäße Verfahren kann auch mit Sensorelementen durchgeführt werden, die über eine innereIn principle, the inventive method can be carried out with sensor elements whose first and / or second, inner pumping electrode, and / or their first and / or second outer pumping electrode, and / or their first and / or second reference electrode, a platinum metal or a platinum metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium. That is, the method according to the invention can be carried out, for example, with sensor elements which have two inner pump electrodes made of platinum. In the context of the present invention, however, it has turned out to be advantageous if those inner pumping electrodes, at which molecular oxygen and water or molecular oxygen, water and carbon dioxide are decomposed, are formed from a platinum-gold alloy according to the invention. That is, the erfmdungsgemäße method can also be performed with sensor elements that have an inner
Pumpelektroden aus Platin und über eine innere Pumpelektrode aus einer erfindungsgemäßen Platin-Gold-Legierung, oder über zwei innere Pumpelektroden aus einer erfindungsgemäßen Platin-Gold-Legierung, verfügen.Pumping electrodes of platinum and an inner pumping electrode made of a platinum-gold alloy according to the invention, or via two inner pumping electrodes of a platinum-gold alloy according to the invention have.
Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wenn das bei der Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration verwendete erfindungsgemäße Sensorelement keine Referenzelektroden aufweist,Within the scope of one embodiment of the method according to the invention, if the sensor element according to the invention used in the determination of the water or carbon dioxide concentration has no reference electrodes,
- zur Bestimmung der Wasser-Konzentration an die erste Pumpzelle eine Pumpspannung von > 200 mV bis < 700 mV, beispielsweise von > 300 mV bis < 650 mV, insbesondere von- For determining the water concentration to the first pumping cell, a pumping voltage of> 200 mV to <700 mV, for example, from> 300 mV to <650 mV, in particular of
> 400 mV bis < 650 mV angelegt, und an die zweite Pumpzelle eine Pumpspannung, die> 400 mV to <650 mV applied, and to the second pumping cell, a pump voltage, the
> 500 mV bis < 800 mV, beispielsweise > 550 mV bis < 750 mV, insbesondere > 600 mV bis < 700 mV höher als die Pumpspannung der ersten Pumpzelle ist, angelegt oder> 500 mV to <800 mV, for example> 550 mV to <750 mV, in particular> 600 mV to <700 mV, is higher than the pumping voltage of the first pumping cell, applied or
- zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration an die erste Pumpzelle eine Pumpspannung von > 700 mV bis < 1200 mV, beispielsweise von > 750 mV bis < 1150 mV, insbesondere von > 800 mV bis < 1000 mV angelegt, und an die zweite Pumpzelle eine Pumpspannung, die > 300 mV bis < 600 mV, beispielsweise > 35OmV bis < 550 mV, insbesondere > 375 mV bis < 525 mV höher als die Pumpspannung der ersten Pumpzelle ist, angelegt- For determining the carbon dioxide concentration to the first pumping cell applied a pumping voltage of> 700 mV to <1200 mV, for example, from> 750 mV to <1150 mV, in particular from> 800 mV to <1000 mV, and to the second pumping cell, a pumping voltage , which is> 300 mV to <600 mV, for example> 35OmV to <550 mV, in particular> 375 mV to <525 mV higher than the pumping voltage of the first pumping cell
Im Rahmen einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wenn das bei der Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration verwendete erfindungsgemäße Sensorelement eine Referenzelektroden aufweist, welche mit einer Pumpzelle eine Nernstzelle bildet, - zur Bestimmung der Wasser-Konzentration die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode eine Nernstzelle bildet, derart geregelt, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von > 350 mV bis < 550 mV, beispielsweise von > 400 mV bis < 500 mV, insbesondere von > 430 mV bis < 470 mV, aufweist, und an die Pumpzelle, welche keine Nernstzelle mit der Referenzelektrode bildet, wird eine Pumpspannung angelegt, die > 500 mV bis < 800 mV, beispielsweise > 550 mV bis < 750 mV, insbesondere > 600 mV bis < 700 mV höher als die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode eine Nernstzelle bildet, ist; oderWithin the scope of a further embodiment of the method according to the invention, if the sensor element according to the invention used in the determination of the water or carbon dioxide concentration has a reference electrode which forms a Nernst cell with a pump cell, the pumping voltage of the pump cell, which determines the water concentration with the reference electrode forms a Nernst cell, regulated such that the Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV to <550 mV, for example from> 400 mV to <500 mV, in particular from> 430 mV to <470 mV, and to the pumping cell which does not form a Nernst cell with the reference electrode, a pump voltage is applied which is> 500 mV to <800 mV, for example> 550 mV to <750 mV, in particular> 600 mV to <700 mV higher than the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode; or
- zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode eine Nernstzelle bildet, derart geregelt, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von > 950 mV bis < 1250 mV, beispielsweise von- For determining the carbon dioxide concentration, the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode, controlled such that the Nernstzelle a Nernst voltage of> 950 mV to <1250 mV, for example, from
> 1000 mV bis < 1200 mV, insbesondere von > 1050 mV bis < 1150 mV, aufweist, und an die Pumpzelle, welche keine Nernstzelle mit der Referenzelektrode bildet, wird eine Pumpspannung angelegt, die > 300 mV bis < 600 mV, beispielsweise > 350 mV bis> 1000 mV to <1200 mV, in particular from> 1050 mV to <1150 mV, and to the pump cell, which does not form a Nernst cell with the reference electrode, a pump voltage is applied which is> 300 mV to <600 mV, for example> 350 mV to
< 550 mV, insbesondere > 400 mV bis < 500 mV, höher als die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode eine Nernstzelle bildet, ist.<550 mV, in particular> 400 mV to <500 mV, higher than the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode.
Im Rahmen einer weiteren Ausffihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wenn das bei der Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration verwendete erfindungsgemäße Sensorelement zwei Referenzelektroden aufweist, von denen jeweils eine Referenzelektrode mit einer Pumpzelle eine Nernstzelle bildet,Within the scope of a further embodiment of the method according to the invention, if the sensor element according to the invention used in the determination of the water or carbon dioxide concentration has two reference electrodes, of which in each case a reference electrode with a pump cell forms a Nernst cell,
- zur Bestimmung der Wasser-Konzentration die Pumpspannung der ersten Pumpzelle derart geregelt, dass die erste Nernstzelle eine Nernstspannung von > 350 mV bis < 550 mV, beispielsweise von > 400 mV bis < 500 mV, insbesondere von > 430 mV bis < 470 mV, aufweist, wobei die zweite Nernstzelle eine Nernstspannung aufweist, die > 500 V bis < 800 mV, beispielsweise > 550 mV bis < 750 mV, insbesondere > 600 mV bis < 700 mV höher als die Nernstspannung der ersten Nernstzelle ist; oderfor determining the water concentration, the pumping voltage of the first pumping cell is controlled such that the first Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV to <550 mV, for example from> 400 mV to <500 mV, in particular from> 430 mV to <470 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage that is> 500 V to <800 mV, for example> 550 mV to <750 mV, in particular> 600 mV to <700 mV, higher than the Nernst voltage of the first Nernst cell; or
- zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration die Pumpspannung der ersten Pumpzelle derart geregelt, dass die erste Nernstzelle eine Nernstspannung von > 950 mV bis- For determining the carbon dioxide concentration, the pumping voltage of the first pumping cell controlled such that the first Nernstzelle a Nernst voltage of> 950 mV to
< 1250 mV, beispielsweise von > 1000 mV bis < 1200 mV, insbesondere von > 1050 mV bis < 1150 mV, aufweist, wobei die zweite Nernstzelle eine Nernstspannung aufweist, die<1250 mV, for example, from> 1000 mV to <1200 mV, in particular from> 1050 mV to <1150 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage, the
> 300 V bis < 600 mV, beispielsweise > 350 mV bis < 550 mV, insbesondere > 400 mV bis> 300 V to <600 mV, for example> 350 mV to <550 mV, in particular> 400 mV to
< 500 mV, höher als die Nernstspannung der ersten Nernstzelle ist.<500 mV, higher than the Nernst voltage of the first Nernst cell.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorelement zur Bestimmung derAnother object of the present invention is a sensor element for determining the
Wasser- und/oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas, beispielsweise unter Durchführung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens, umfassend einen Festelektrolytkörper, eine erste elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem ersten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete erste innere Pumpelektrode und eine auf der demWater and / or carbon dioxide concentration in a gas, for example, while carrying out the inventive method, comprising a solid electrolyte body, a first electrochemical pumping cell comprising a disposed in a first inner gas space of the solid electrolyte body first inner pumping electrode and one on the
Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete erste äußere Pumpelektrode, wobei die erste innere Pumpelektrode und die erste äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, und eine zweite elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem zweiten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite innere Pumpelektrode und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite äußereMeasuring gas facing side of the solid electrolyte body arranged first outer Pump electrode, wherein the first inner pumping electrode and the first outer pumping electrode are connected to each other via a power source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping chamber disposed in a second inner gas space of the solid electrolyte body second inner pumping electrode and arranged on the side facing the measuring gas side of the solid electrolyte body second outer
Pumpelektrode, wobei die zweite innere Pumpelektrode und die zweite äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind,Pump electrode, wherein the second inner pumping electrode and the second outer pumping electrode are connected to each other via a power source,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die erste innere Pumpelektrode und/oder die zweite innere Pumpelektrode eine Platinmetall- Gold-Legierung umfasst.the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode comprises a platinum metal-gold alloy.
Dabei umfasst der Begriff „Gas" im Sinn der vorliegenden Erfindung auch Gasgemische, beispielsweise Abgase von einem Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Benzin- oderThe term "gas" in the context of the present invention also gas mixtures, for example, exhaust gases from an internal combustion engine, such as a gasoline or
Dieselmotors, und/oder von einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung.Diesel engine, and / or from an incinerator, such as an oil heater.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die erste innere Pumpelektrode und/oder die zweite innere Pumpelektrode beispielsweise aus einer Platin-Gold-Legierung ausgebildet sein. Vorzugsweise ist/sind die erste innere Pumpelektrode und/oder die zweite innere Pumpelektrode aus einer Platinmetall-Gold-Legierung, insbesondere Platin-Gold-Legierung, mit einem Goldanteil von > 0,1 Gew.-% bis < 10 Gew.-%, beispielsweise von > 1 Gew.-% bis < 7 Gew.- %, insbesondere von > 2 Gew.-% bis < 4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, ausgebildet.In the context of the present invention, the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode can be formed, for example, from a platinum-gold alloy. Preferably, the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode is / are made of a platinum metal-gold alloy, in particular platinum-gold alloy, with a gold content of> 0.1% by weight to <10% by weight, for example, from> 1 wt .-% to <7% by weight, in particular from> 2 wt .-% to <4 wt .-%, based on the total weight of the alloy formed.
Vorteilhafterweise sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenigen inneren Pumpelektroden, an denen molekularer Sauerstoff und Wasser oder molekularer Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid zersetzt wird, aus einer erfindungsgemäßen Platinmetall-Gold- Legierung, insbesondere Platin-Gold-Legierung, ausgebildet. Eine erfindungsgemäße Platinmetall-Gold-Legierung hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu herkömmlichenAdvantageously, in the context of the present invention, those internal pumping electrodes, on which molecular oxygen and water or molecular oxygen, water and carbon dioxide are decomposed, are formed from a platinum-metal-gold alloy according to the invention, in particular platinum-gold alloy. A platinum metal-gold alloy according to the invention has the advantage that, in contrast to conventional
Elektrodenmaterialien, bei denen der Unterschied in der Zersetzungsspannung von Wasser und Kohlenstoffdioxid in einem Bereich von 0,3 V liegt und bei denen die Zersetzungsspannungen darüber hinaus von der Konzentration der Komponenten des Gasgemischs abhängig sind, eine klare Trennung zwischen der Zersetzung von Wasser und Kohlenstoffdioxid möglich ist. Die erfindungsgemäße Platinmetall-Gold-Legierung ermöglicht vorteilhafterweise auch eine Zersetzung von Wasser bei sehr niedrigen Wasser-Konzentrationen und hohen Kohlenstoffdioxid- Konzentrationen, ohne dabei Kohlenstoffdioxid zu zersetzen.Electrode materials in which the difference in the decomposition voltage of water and carbon dioxide is in a range of 0.3 V and in which the decomposition voltages are also dependent on the concentration of the components of the gas mixture, a clear separation between the decomposition of water and carbon dioxide possible is. The platinum metal-gold alloy according to the invention advantageously also allows a Decomposition of water at very low water concentrations and high carbon dioxide concentrations without decomposing carbon dioxide.
Insofern mindestens eine innere Pumpelektrode eine erfmdungsgemäße Platinmetall-Gold- Legierung umfasst, können die erste und/oder zweite, innere Pumpelektrode, und/oder die erste und/oder zweite äußere Pumpelektrode, und/oder die erste und/oder zweite Referenzelektrode, ein Platinmetall oder eine Platinmetalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, und/oder Ruthenium, umfassen. Vorzugsweise umfasst die erste und/oder zweite, innere Pumpelektrode und/oder die erste und/oder zweite äußere Pumpelektrode, und/oder die erste und/oder zweite Referenzelektrode, Platin.Insofar as at least one inner pumping electrode comprises a platinum-metal-gold alloy according to the invention, the first and / or second inner pumping electrode, and / or the first and / or second outer pumping electrode, and / or the first and / or second reference electrode, can be a platinum metal or a platinum metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or ruthenium. Preferably, the first and / or second, inner pumping electrode and / or the first and / or second outer pumping electrode, and / or the first and / or second reference electrode, platinum.
Vorzugsweise verfügen die erste und zweite Pumpzelle über eine gemeinsame Gaszutrittsöffnung. Die Gaszutrittsöffnung ist beispielsweise in Form eines zu den Hauptflächen des Sensorelementes senkrechten Schachtes ausgestaltet, der sich im inneren des Festkörperelektrolyten T-förmig verzweigt und an zwei parallel zu den Hauptflächen angeordnete Kanäle anschließt, welche jeweils eine Diffusionsbarriere und einen inneren Gasraum umfassen. In diesen inneren Gasraum ist jeweils die erste und zweite innere Pumpelektrode (IPE) der ersten und zweiten Pumpzelle angeordnet. Zweckmäßigerweise grenzen die erste und zweite innere Pumpelektrode (IPE) an den Festkörperelektrolytkörper an.Preferably, the first and second pumping cells have a common gas inlet opening. The gas inlet opening is configured, for example, in the form of a shaft which is perpendicular to the main surfaces of the sensor element and which branches in a T-shape in the interior of the solid electrolyte and adjoins two channels arranged parallel to the main surfaces, each of which comprises a diffusion barrier and an inner gas space. In each of these inner gas spaces, the first and second inner pumping electrodes (IPE) of the first and second pumping cells are arranged. Conveniently, the first and second inner pumping electrodes (IPE) adjoin the solid state electrolyte body.
Im Rahmen einer Ausführungsform sind die erste und zweite Pumpzelle im wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich der Achse der Gaszutrittsöffnung ausgestaltet. Dabei bedeutet „im wesentlichen", dass auch Abweichungen von einer vollkommenen Symmetrie von < 30 %, beispielsweise von < 20 %, insbesondere von < 10 %, im Rahmen dieser Ausführungsform möglich sind.In one embodiment, the first and second pumping cells are configured substantially mirror-symmetrically with respect to the axis of the gas inlet opening. In this case, "substantially" means that deviations from a perfect symmetry of <30%, for example of <20%, in particular of <10%, are possible in the context of this embodiment.
Vorzugsweise weist die erste Pumpzelle eine erste die Gaszutrittsöffnung begrenzende Diffusionsbarriere und die zweite Pumpzelle eine zweite die Gaszutrittsöffnung begrenzende Diffusionsbarriere auf. Die Diffusionsbarrieren können dabei beispielsweise identisch ausgestaltet sein Über die gemeinsame Gaszutrittsöffnung und die Diffusionsbarrieren stehen die inneren Gasräume der ersten und zweiten Pumpzelle im Kontakt mit dem zu messenden Gas. Vorzugsweise basieren die erste und/oder zweite Diffusionsbarriere auf einem porösen Material, beispielsweise porösem, teilstabilisiertem oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter „teilstabilisiertem oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid" beispielsweise dotiertes Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid, insbesondere Yttrium-, Calcium-, Magnesium- und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid, verstanden.Preferably, the first pumping cell has a first diffusion barrier defining the gas inlet opening and the second pumping cell has a second diffusion barrier defining the gas inlet opening. In this case, the diffusion barriers can be configured identically, for example. Via the common gas inlet opening and the diffusion barriers, the inner gas spaces of the first and second pumping cells are in contact with the gas to be measured. Preferably, the first and / or second diffusion barriers are based on a porous material, for example porous, partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide. In the context of the present invention, "partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide", for example doped zirconium oxide and / or aluminum oxide, in particular yttrium, Calcium-, magnesium- and / or scandium-doped zirconium oxide and / or alumina, understood.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die erste innere Pumpelektrode und die zweite innere Pumpelektrode über jeweils voneinander getrennte elektrische Leitungen mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt verbunden werden; oder die innere Pumpelektroden der ersten und der zweiten Pumpzelle können miteinander über eine elektrische Leitung verbunden sein und über eine, insbesondere einzige, weitere elektrische Leitung mit einem, insbesondere einzigen, elektrischen Anschlusskontakt verbunden sein; oder die inneren Pumpelektroden der ersten und der zweiten Pumpzelle können über eine elektrische Leitung miteinander und mit einem elektrischen Anschlusskontakt verbunden sein.In the context of the present invention, the first inner pumping electrode and the second inner pumping electrode can be connected via respective separate electrical lines, each with an electrical connection contact; or the inner pumping electrodes of the first and second pumping cells can be connected to one another via an electrical line and be connected via one, in particular single, further electrical line to one, in particular single, electrical connection contact; or the inner pumping electrodes of the first and second pumping cells can be connected to one another via an electrical line and to an electrical connection contact.
Die äußeren Pumpelektroden der beiden Pumpzellen weisen beispielsweise jeweils voneinander getrennte Leitungen und Anschlusskontakte auf. Vorteilhafterweise sind die äußeren Pumpelektroden von einer Schutzschicht überzogen, um diese vor Abrasion und/oderFor example, the outer pumping electrodes of the two pumping cells each have separate lines and connection contacts. Advantageously, the outer pumping electrodes are covered by a protective layer to prevent them from abrasion and / or
Ablagerungen zu schützen. Eine derartige Schutzschicht kann beispielsweise aus porösem, teilstabilisiertem oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid ausgebildet sein.To protect deposits. Such a protective layer may be formed, for example, of porous, partially stabilized or fully stabilized zirconium oxide and / or aluminum oxide.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann weiterhin eine oder zwei Referenzelektroden umfassen. Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist co-planar zu der ersten inneren Pumpelektrode eine erste Referenzelektrode angeordnet, welche mit der ersten Pumpelektrode eine erste Nernstzelle bildet. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich co-planar zu der zweiten inneren Pumpelektrode eine zweite Referenzelektrode angeordnet, welche mit der zweiten Pumpelektrode eine zweiteThe sensor element according to the invention may further comprise one or two reference electrodes. Within the scope of an embodiment of the present invention, a first reference electrode is arranged co-planar with the first inner pumping electrode and forms a first Nernst cell with the first pumping electrode. In the context of a further embodiment of the present invention, a second reference electrode is additionally arranged co-planar with the second inner pumping electrode and has a second reference electrode connected to the second pumping electrode
Nernstzelle bildet.Nernst cell forms.
Die Referenzelektrode/n wird/werden einer Gasatmosphäre mit hohem, gleich bleibendem Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Beispielsweise kann/können die Referenzelektrode/n durch eine direkte Zuführung von Luft durch eine entsprechende Kanalstruktur oder über eine gepumpteThe reference electrode / s is / are exposed to a gas atmosphere with a high, constant oxygen content. For example, the reference electrode (s) may be provided by a direct supply of air through a corresponding channel structure or via a pumped one
Referenz, bei der von der inneren Pumpelektrode zur Referenzelektrode ein kleiner Sauerstoffpumpstrom getrieben wird, einer Gasatmosphäre mit hohem, gleich bleibendem Sauerstoffgehalt ausgesetzt werden.Reference, in which a small oxygen pump current is driven from the inner pumping electrode to the reference electrode, to be exposed to a gas atmosphere with a high, constant oxygen content.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das zu den Pumpzellen gelangende Messgas einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Das Festelektrolytmaterial des Festelektrolytkörpers ist zweckmäßigerweise sauerstoffleitend. Beispielsweise ist der Festelektrolytkörper aus teilstabilisiertem oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid, insbesondere Yttrium-, Calcium-, Magnesium- und/oder Scandium-dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet. Die Nutzung einer ZrC^-Technologie hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung aufgrund der Robustheit und Abgasbeständigkeit als besonders vorteilhaft erwiesen.In the context of the present invention, it is provided that the sample gas reaching the pump cells has an excess of oxygen. The solid electrolyte material of the solid electrolyte body is expediently oxygen-conducting. For example, the solid electrolyte body of partially stabilized or fully stabilized zirconia, in particular yttrium, calcium, magnesium and / or scandium-doped zirconia formed. The use of a ZrC ^ technology has proved to be particularly advantageous in the context of the present invention due to the robustness and exhaust gas resistance.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die erste innere Pumpelektrode und/oder die zweite Pumpelektrode ein Elektrodenpaar aus zwei miteinander elektrisch leitend, insbesondere niedrigohmig elektrisch leitend, verbundenen Elektroden. Beispielsweise sind die Elektroden eines inneren Pumpelektrodenpaares dabei auf gegenüberliegenden Hauptflächen des inneren Gasraumes angeordnet.In the context of a further embodiment, the first inner pumping electrode and / or the second pumping electrode are a pair of electrodes made of two electrically conductive electrodes, in particular low-resistance electrically conductive electrodes. For example, the electrodes of an inner pump electrode pair are arranged on opposite major surfaces of the inner gas space.
Vorteilhafterweise weist ein erfindungsgemäßes Sensorelement weiterhin eine Heizvorrichtung auf. Zweckmäßigerweise ist die Heizvorrichtung von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung parallel zu den Hauptflächen des Sensorelementes in dem Festelektrolytkörper, insbesondere unterhalb der Ebene der elektrochemischen Pumpzellen, angeordnet.Advantageously, a sensor element according to the invention also has a heating device. Conveniently, the heating device is surrounded by an electrically insulating layer. For example, the heating device is arranged parallel to the main surfaces of the sensor element in the solid electrolyte body, in particular below the plane of the electrochemical pumping cells.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Benzin- oder Dieselmotors, insbesondere eines auf einem „homogenious charched combustion ignition"-Another object of the present invention is the use of a sensor element according to the invention and / or a method according to the invention for monitoring the operation of an internal combustion engine, such as a gasoline or diesel engine, in particular one on a "homogeneous charched combustion ignition" -
Verfahren basierenden Verbrennungsmotors, und/oder zur Ermittlung der Abgasrückführrate eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines auf einem „homogenious charched combustion ignition" -Verfahren basierenden Verbrennungsmotors, oder zur Überwachung der Betriebsweise einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung, oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oderMethod based on the internal combustion engine, and / or for determining the exhaust gas recirculation rate of an internal combustion engine, in particular a based on a "homogenious charched combustion ignition" method engine, or for monitoring the operation of an incinerator, such as an oil heater, or for monitoring of chemical manufacturing processes, exhaust air systems and /or
Abluftnachbehandlungsanlagen.Exhaust after-treatment systems.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen. Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are described in the description, the drawings and the claims.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas mit einem Sensorelement umfassend einen Festelektrolytkörper (2), - eine erste elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem ersten inneren1. A method for determining the concentration of water or carbon dioxide in a gas with a sensor element comprising a solid electrolyte body (2), - a first electrochemical pumping cell comprising a in a first inner
Gasraum (11) des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete erste äußere Pumpelektrode (13), wobei die erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und die erste äußere Pumpelektrode (13) über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, und eine zweite elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem zweiten inneren Gasraum (21) des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete zweite innere Pumpelektrode (22a, 22b) und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete zweite äußere Pumpelektrode (23), wobei die zweite innere Pumpelektrode (22a, 22b) und die zweite äußere Pumpelektrode (23) über eineGas chamber (11) of the solid electrolyte body (2) arranged first inner pumping electrode (12a, 12b) and arranged on the side facing the measuring gas of the solid electrolyte body (2) arranged first outer pumping electrode (13), wherein the first inner pumping electrode (12a, 12b) and the first outer pumping electrode (13) are connected to one another via a current source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping electrode (22a, 22b) arranged in a second inner gas space (21) of the solid electrolyte body (2) and one on the measuring gas Side of the solid electrolyte body (2) arranged second outer pumping electrode (23), wherein the second inner pumping electrode (22a, 22b) and the second outer pumping electrode (23) via a
Stromquelle miteinander verbunden sind,Power source are connected to each other,
in demby doing
- die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die nur zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O -Ionen fuhrt, und die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O -Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2"-Ionen führt, und - aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den- The first pump cell is operated with a pumping voltage, which leads only to the reduction of molecular oxygen to O-ions, and the second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, both for the reduction of molecular oxygen to O-ions and for the cleavage of Water leads to O 2 " ions, and - from the difference of the pumping currents of the two pumping cells and / or out of the
Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz, die Wasser-Konzentration im Messgas ermittelt wird; oderPumping currents resulting voltage difference, the water concentration is determined in the sample gas; or
die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2"-Ionen als auch zur Spaltung vonthe first pumping cell is operated with a pumping voltage, which can be used both for the reduction of molecular oxygen to O 2 " ions and for the cleavage of
Wasser zu O2"-Ionen führt, und die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O -Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2"-Ionen und Kohlenstoffdioxid zu O2"-Ionen führt, und aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz, die Kohlenstoffdioxid-Water leads to O 2 " ions, and the second pumping cell is operated at a higher pumping voltage, which leads both to the reduction of molecular oxygen to O-ions and to the splitting of water to O 2 " ions and carbon dioxide to O 2" ions, and from the difference of the pumping currents of the two pumping cells and / or from the resulting from the pumping currents voltage difference, the carbon dioxide
Konzenτration im Messgas ermittelt wird.Concentration in the measured gas is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Wasser-Konzentration an die erste Pumpzelle eine Pumpspannung von > 200 mV bis < 700 mV angelegt wird, und an die zweite2. The method according to claim 1, characterized in that for the determination of the water concentration to the first pumping cell, a pumping voltage of> 200 mV to <700 mV is applied, and to the second
Pumpzelle eine Pumpspannung, die > 500 mV bis < 800 mV höher als die Pumpspannung der ersten Pumpzelle ist, angelegt wird oder zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration an die erste Pumpzelle eine Pumpspannung von > 700 mV bis < 1200 mV angelegt wird, und an die zweite Pumpzelle eine Pumpspannung, die > 300 V bis < 600 mV höher als diePumping a pump voltage that is> 500 mV to <800 mV higher than the pumping voltage of the first pump cell is applied, or applied to determine the carbon dioxide concentration to the first pumping cell, a pumping voltage of> 700 mV to <1200 mV, and to the second pumping cell a pumping voltage, the> 300 V to <600 mV higher than the
Pumpspannung der ersten Pumpzelle ist, angelegt wird.Pumping voltage of the first pump cell is applied.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement zusätzlich eine Referenzelektrode (15) aufweist, welche mit einer Pumpzelle eine Nernstzelle bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Wasser-Konzentration die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode (15) eine Nernstzelle bildet, derart geregelt wird, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von > 350 mV bis < 550 mV aufweist, und an die Pumpzelle, welche keine Nernstzelle mit der Referenzelektrode bildet, eine Pumpspannung angelegt wird, die > 500 V bis < 800 mV höher als die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode eine Nernstzelle bildet, ist; oder zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode (15) eine Nernstzelle bildet, derart geregelt wird, dass die Nernstzelle eine Nernstspannung von > 950 mV bis < 1250 mV aufweist, und an die Pumpzelle, welche keine Nernstzelle mit der Referenzelektrode3. The method of claim 1, wherein the sensor element additionally comprises a reference electrode (15) which forms a Nernst cell with a pump cell, characterized in that for determining the water concentration, the pumping voltage of the pump cell, which with the reference electrode (15) a Nernst cell is controlled so that the Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV to <550 mV, and to the pump cell, which is not Nernstzelle with the reference electrode, a pumping voltage is applied, the> 500 V to <800 mV higher than that Pump voltage of the pump cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode is; or for determining the carbon dioxide concentration, the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode (15), is controlled such that the Nernst cell has a Nernst voltage of> 950 mV to <1250 mV, and to the pumping cell, which is not a Nernst cell with the reference electrode
(15) bildet, eine Pumpspannung angelegt wird, die > 300 mV bis < 600 mV höher als die Pumpspannung der Pumpzelle, welche mit der Referenzelektrode (15) eine Nernstzelle bildet, ist. (15), a pump voltage is applied which is> 300 mV to <600 mV higher than the pumping voltage of the pumping cell, which forms a Nernst cell with the reference electrode (15).
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement zusätzlich zwei Referenzelektroden (15, 25) aufweist, von denen jeweils eine Referenzelektrode mit einer Pumpzelle eine Nernstzelle bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Wasser-Konzentration die Pumpspannung der ersten Pumpzelle derart geregelt, dass die erste Nernstzelle eine Nernstspannung von > 350 mV bis4. The method according to claim 1, wherein the sensor element additionally has two reference electrodes (15, 25), of which in each case a reference electrode forms a Nernst cell with a pump cell, characterized in that the pump voltage of the first pump cell is regulated in such a way to determine the water concentration, that the first Nernst cell has a Nernst voltage of> 350 mV up to
< 550 mV aufweist, wobei die zweite Nernstzelle eine Nernstspannung aufweist, die > 500 V bis < 800 mV höher als die Nernstspannung der ersten Nernstzelle ist; oder zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration die Pumpspannung der ersten Pumpzelle derart geregelt, dass die erste Nernstzelle eine Nernstspannung von > 950 mV bis < 1250 mV aufweist, wobei die zweite Nernstzelle eine Nernstspannung aufweist, die > 300 V bis < 600 mV höher als die Nernstspannung der ersten Nernstzelle ist.<550 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage that is> 500 V to <800 mV higher than the Nernst voltage of the first Nernst cell; or for determining the carbon dioxide concentration, the pumping voltage of the first pumping cell is controlled such that the first Nernst cell has a Nernst voltage of> 950 mV to <1250 mV, wherein the second Nernst cell has a Nernst voltage, which is> 300 V to <600 mV higher than that Nernst voltage of the first Nernst cell is.
5. Sensorelement zur Bestimmung der Wasser- und/oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas, umfassend einen Festelektrolytkörper (2), eine erste elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem ersten inneren Gasraum (11) des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete erste äußere Pumpelektrode (13), wobei die erste innere5. Sensor element for determining the concentration of water and / or carbon dioxide in a gas comprising a solid electrolyte body (2), a first electrochemical pumping cell comprising a first inner pumping electrode (12a) arranged in a first inner gas space (11) of the solid electrolyte body (2) 12b) and a first outer pumping electrode (13) arranged on the side of the solid electrolyte body (2) facing the measurement gas, the first inner pumping electrode (13)
Pumpelektrode (12a, 12b) und die erste äußere Pumpelektrode (13) über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, und eine zweite elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem zweiten inneren Gasraum (21) des Festelektrolytkörpers (2) angeordnete zweite innere Pumpelektrode (22a, 22b) und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des FestelektrolytkörpersA second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping electrode (22a, 22b) arranged in a second inner gas space (21) of the solid electrolyte body (2) and a side of the solid electrolyte body facing the measurement gas
(2) angeordnete zweite äußere Pumpelektrode (23), wobei die zweite innere Pumpelekτrode (22a, 22b) und die zweite äußere Pumpelektrode (23) über eine Stromquelle miteinander verbunden sind,(2) arranged second outer pumping electrode (23), wherein the second inner Pumpelekτrode (22a, 22b) and the second outer pumping electrode (23) are connected to each other via a power source,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und/oder die zweite innere Pumpelektrode (22a, 22b) eine Platinmetall-Gold-Legierung umfasst.the first inner pumping electrode (12a, 12b) and / or the second inner pumping electrode (22a, 22b) comprises a platinum-metal-gold alloy.
6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen inneren6. Sensor element according to claim 5, characterized in that those inner
Pumpelektroden (12a, 12b, 22a, 22b), an denen molekularer Sauerstoff und Wasser oder molekularer Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoffdioxid zersetzt wird, aus einer Platinmetall-Gold-Legierung ausgebildet ist/sind.Pump electrodes (12a, 12b, 22a, 22b), involving molecular oxygen and water or molecular oxygen, water and carbon dioxide is decomposed, is formed from a platinum metal-gold alloy / are.
7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Pumpelektrode und/oder die zweite innere Pumpelektrode (12a, 12b, 22a, 22b) aus einer7. Sensor element according to claim 5 or 6, characterized in that the first inner pumping electrode and / or the second inner pumping electrode (12a, 12b, 22a, 22b) of a
Platinmetall-Gold-Legierung mit einem Goldanteil von > 0,1 Gew.-% bis < 10 Gew.-% ausgebildet ist/sind.Platinum metal-gold alloy is formed with a gold content of> 0.1 wt .-% to <10 wt .-% / are.
8. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und/oder die zweite innere Pumpelektrode (22a,8. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first inner pumping electrode (12a, 12b) and / or the second inner pumping electrode (22a,
22b) aus einer Platin-Gold-Legierung ausgebildet ist/sind.22b) is formed of a platinum-gold alloy / are.
9. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Pumpzelle über eine gemeinsame Gaszutrittsöffnung (10) verfügen.9. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second pumping cell have a common gas inlet opening (10).
10. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpzelle eine erste die Gaszutrittsöffnung (10) begrenzende Diffusionsbarriere (16) und die zweite Pumpzelle eine zweite die Gaszutrittsöffnung (10) begrenzende Diffusionsbarriere (26) aufweist.10. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first pumping cell has a first diffusion barrier (16) delimiting the gas inlet opening (10) and the second pumping cell has a second diffusion barrier (26) delimiting the gas inlet opening (10).
11. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und die zweite innere Pumpelektrode (22a, 22b) über jeweils voneinander getrennte elektrische Leitungen mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt (32c, 32d) verbunden sind; oder - die innere Pumpelektroden (12a, 12b; 22a, 22b) der ersten und der zweiten Pumpzelle über eine elektrische Leitung miteinander und mit einem elektrischen Anschlusskontakt (32e) verbunden sind.11. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first inner pumping electrode (12a, 12b) and the second inner pumping electrode (22a, 22b) via respective separate electrical lines, each having an electrical connection contact (32c, 32d) are connected ; or - the inner pumping electrodes (12a, 12b, 22a, 22b) of the first and second pumping cells are connected to one another via an electrical line and to an electrical connection contact (32e).
12. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - co-planar zu der ersten inneren Pumpelektrode (12a, 12b) eine erste Referenzelektrode12. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that - co-planar with the first inner pumping electrode (12a, 12b), a first reference electrode
(15) angeordnet ist, welche mit der ersten Pumpelektrode (12a, 12b) eine erste Nernstzelle bildet, und/oder co-planar zu der zweiten inneren Pumpelektrode (22a, 22b) eine zweite Referenzelektrode (25) angeordnet ist, welche mit der zweiten Pumpelektrode (22a, 22b) eine zweite Nernstzelle bildet. (15) is arranged, which with the first pumping electrode (12a, 12b) forms a first Nernst cell, and / or co-planar to the second inner pumping electrode (22a, 22b), a second reference electrode (25) is arranged, which with the second Pumping electrode (22a, 22b) forms a second Nernst cell.
13. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite, innere Pumpelektrode (12a, 12b; 22a, 22b), und/oder die erste und/oder zweite äußere Pumpelektrode (13; 23) und/oder die erste und/oder zweite Referenzelektrode (15; 25) ein Platinmetall oder eine Platinmetalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, und/oder13. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or second, inner pumping electrode (12a, 12b, 22a, 22b), and / or the first and / or second outer pumping electrode (13, 23) and / or the first and / or second reference electrode (15; 25) a platinum metal or a platinum metal alloy, in particular selected from the group comprising platinum, palladium, rhodium, iridium, and / or
Ruthenium, umfasst.Ruthenium, includes.
14. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Pumpelektrode (12a, 12b) und/oder die zweite Pumpelektrode (22a, 22b) ein Elektrodenpaar aus zwei miteinander elektrisch leitend verbundenen Elektroden (12a, 12b;14. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the first inner pumping electrode (12a, 12b) and / or the second pumping electrode (22a, 22b) comprises a pair of electrodes comprising two electrically conductively connected electrodes (12a, 12b;
22a, 22b) ist.22a, 22b).
15. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 5 bis 14 zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors und/oder zur Ermittlung der Abgasrückführrate eines15. Use of a method according to any one of claims 1 to 4 and / or a sensor element according to one of claims 5 to 14 for monitoring the operation of an internal combustion engine and / or for determining the exhaust gas recirculation rate of a
Verbrennungsmotors oder zur Überwachung der Betriebsweise einer Verbrennungsanlage oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen. Internal combustion engine or for monitoring the operation of an incinerator or for monitoring of chemical manufacturing processes, exhaust air systems and / or exhaust aftertreatment systems.
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