在一种气体混合物中测量某种气体浓度的方法和用于测量气体浓度的一种电化学传感器技术

本发明专利技术涉及一种借助于一个上面有第１和第２电极的电解质在一种气体混合物中测量至少一种特定气体浓度的方法和一种电化学传感器，电解质和与电源连接的电极一起置于气体混合物中，其中，电源提供流过电极和电解质的电流，此电流与离子浓度相关，并且作为气体浓度的信号加以测量。为了能够放弃使用参考测量方法以及扩散孔或扩散层，气体分子在第１催化活性电极和电解质区域吸附，然后分解为原子并且接下来或者转变为离子或者参予化学反应，其中，在两种情况下产生的离子浓度与至少一个电极的催化作用和待测气体浓度相关。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在一种气体混合物中测量某种特定气体浓度的方法，此方法借助于一种配置有第一个和第两个电极的电解液，此电解质与连接在一个电源上的电极一起置于气体混合物之外，其中，此电源提供流过电极和电解质的电流，此电流与离子浓度相关并且作为气体浓度的信号加以测量。本专利技术还涉及一种电化学传感器。在专利US-PS4,190,499中公开了一种在氧气过剩的混合气体中确定燃烧物质的方法，其中，彼此相对放置的第一电极和第二电极的混合气体送入通导氧离子的固态电解物质。其中，这两个电极在某特定温度下相对于气体混合物具有不同催化活性的不同的材料构成，由在每个电极上作为不同催化活性的结果而产生的氧电势的区别形成在固态电解槽中氧离子的导电性，它将产生一个电信号，其大小标志着在气体混合物中瞬时燃烧物质，即甲烷、氧以及碳的成分。由于不同电极材料而发展起来的热电动势应从电压角度或者电流的角度加以分析。如果在气体混合物中没有燃烧物质或可燃材料，则不形成电势差。此专利技术方法的缺点在于用于产生热电动势的装置比较昂贵并且调节温度比较困难。此外，在专利EP-OS0019731中公开了一种用于确定在气体中、特别是在内燃发动机的废气中氧含量的极谱测量传感器，此传感器具有一个通导氧离子的固态电解物质和一个阳极以及一个阴极，在阳极与阴极之间加上恒定的电压，此阴极由作为扩散垫叠的一个带有许多微孔或沟道的薄层覆盖并且采用一种在热力学气体平衡的调整方面具有催化活性的材料，而阳极是由不具催化活性的材料构成的，两个电极在按照扩散临界电流原理工作的测量传感器上与待测气体接触。此专利技术的缺点特别在于由于扩散势垒而使限流比较困难并且因此而限制了测量范围。此外，在US-PS5,344,549中公开了一种用于确定氧快速压力的方法以及一种氧快速压力传感器；具有可变电子导电性的一种固态电解物质配置两个电极，这两个电极中只有一个电极上有许多微孔并与待测气体接触，而另一个电极作为所谓封闭电极而不与待测废气接触。氧离子在固态电解质中不能流动。由于特殊的固态电解质的密封措施致使此传感器的构成比较昂贵。在专利US-PS4,199,425中公开了一种具有两个白金电极的固态电解质废气传感器，是为测量在废气中的氧和一氧化氮而研制的；外面的电极上有一个含铑的陶瓷保护层(氧化铝)，其中，应通过填加铑保持化学平衡并且进行一氧化氮的测量。在专利DE-OS3737215中公开了一种用于确定在气体中、特别是在内燃发动机的废气中的氧含量的电化学传感器，其中具有一种固态电解质和至少一个作为测量传感器的电极，此电极安置在固态电解质接触待气体的一侧，其中，此测量传感器包括一层由氧化铝构成的多微孔的陶瓷保护层和/或镁尖晶石方阵，其中填充二氧化锆微粒。作为催化活性材料在保护层的方阵中填加白金或白金合金粒子，其中一个电极接触待测气体混合物，而另一个电极与附加的参考气体接触。在专利US-PS4,221,650中公开了一种监视内燃发动机的废气中的氧含量的氧气传感器。此传感器具有一个通导氧离子的二氧化锆固态电解质，在氧化铝中有15％至50％的体积色散氧化物复合，其中，固态电解质与相互之间有一定距离的两个电极接触；此传感器由一侧封闭的圆管构成，其中，在倒圆角的密封的终端的二氧化锆采用氧化钇进行稳定。电极位于电解质的两侧，其中传感器的外表面上有一个多孔的绝缘层，例如镁尖晶石。此外，在专利US-PS3,960,693中阐述了一种在废气中，特别是内燃发动机的废气中确定氧浓度的电化学装置，其中一个管状固态电解质带有一个由两个相距一段距离的开口终端构成的通道。在两个终端之间安装有内部环绕的凸肩；由通导离子的固态电解质构成的管状部分具有一个密封的第一部分，它是由开口终端中的一个形成的，以及第二部分，它是由通道延伸的并且具有一个外部环绕的凸缘；无论是在其外面还是在其内表面，管状部分均具有一个通导电子的催化层，此层例如可由白金构成，外部与环境气氛接触的那一层作为测量电板。在专利US-PS4,152,234中公开了一个具有管形固态电解质的氧传感器，其一端密封，在此终端部分具有一个白金的内电极和一个催化活性的通导电子的外电极，此外电极同样含有白金并且通过蒸发、阴极溅射，火焰喷涂或厚膜工艺涂敷在烧结二氧化铣的外表面上。在专利EP0 294 085 B1中公开了一种具有固态电解质的电化学元件，电解质由一个厚的固态电解质体和一个多微孔的固态电解质层构成，其中，在密封终端的外部涂敷的金属陶瓷电极优选白金族金属的粉末混合物、例如白金，铑，铱，钌或锇或由一种金属的粉末例如金或镍与陶瓷粉末如氧化锆或氧化铝，而且金属粉末所占体积不少于40％。在密封终端的内侧同样作上一个电极作为参考电极，它是选用空气作为参考气体的。这样就可以将在待测气体中的氧势压借助在第一电极和第二电极之间产生的电动力测定。其缺点在于采用了扩散孔或扩散层，它们在废气中的应用可能被沾污。此外借助于参考气体或参考电极的参考测量方法使得测量装置或测量方法本身造价较高。本专利技术的任务在于借助于带有电压的电极的一个电化学元件在气体混合物中测定一种气体的浓度，其中应放弃使用参考测量方法，例如参考气体或参考电极。同样也应放弃使用在内燃发动机的废气中可能被污染的扩散孔或扩散层。此外，应通过所加电压和/或其极性的改变以及通过应用不同的电极材料使不同气体浓度的测定成为可能。此项任务在测量浓度的方法方面是通过权利权利要求1所述特征加以解决的。本专利技术有利的优点在于可以以简单的方法在一次测量中测出一种气体的浓度而在若干次测量中测量若干种气体的浓度。本专利技术方法的优选实施方案在权利要求2至5中作了阐述。此项任务在一种气体混合物中测定一种气体浓度的电化学传感器方面是通过权利要求6所述特征加以解决的。本专利技术的有利之处在于生产简单和用简单方法测量不同气体浓度的可能性。电化学传感器的几种优选实施方案在权利要求7至22中作了阐述。本专利技术的一个有利的优点在于一种平面型传感器的比较简单的制造方法。这样一种平面型结构可以在唯一的一道工序中生产出若干个传感器。另一个优点是借助于此传感器的温度调节可以分析气体浓度与温度的关系。此外，铼的应用因其在探测碳氢化合物方面的特殊催化活性而特别有利。下面借助附附图说明图1至7对本
技术实现思路
进一步加以阐述。图1示出本专利技术物理工作方式的基本原理，图2示出通过作上电极而具有电解质接触的传感器的一种实际的实施形式，图3示出根据本专利技术以平面结构的传感器的可能实施方案，图4a示出图3所示传感器的传感器外壳的纵断面，图4b示出在图4a中沿线AB的截面，图5示出了在900℃温度下对于不同的氧浓度电流作为所加电压的函数的特性曲线，其中，采用了氧化钇稳定的二氧化锆作为电解质，图6示出在一种用氧化钇稳定的二氧化锆电解质情况下对于不同的电压值差动电流作为氧浓度的函数的特性曲线，其中差动电流是通过一对由平面金和白金电极构成的电极对的极性变换而获得的，温度为900℃，图7示出本专利技术基础上具有2个电极以上的传感器实施方案。按照图1所示，本专利技术传感器2置于气相1中；此传感器具有一个电解质3，优先以固态电解质构成。电解质3与第1电极4以及第2电极5电接触，其中第1电极作为催化活性元件构成。第1电极4至少在其表面是由白金或白本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种气体混合物中借助于具有第１和第２电极的电解质测量至少一种特定气体浓度的方法，此电解质与连接在电源上的电极一起置于气体混合物中，其中，电源提供流过电极和电解质的电流，此电流与离子浓度相关并且作为气体浓度的信号加以测量，其特征在于， 气体分子在第１个催化活性电极区和电解质区被吸附，然后分解成原子并且接下来或者转变为离子或者最后参予化学反应，其中，在这两种情况下产生的离子浓度与至少一个电极的催化作用和待测气体浓度相关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PM范格洛芬，
申请(专利权)人：赫罗伊斯电气夜间有限公司，
类型：发明
国别省市：BE[比利时]