DE3127472A1

DE3127472A1 - Electrochemical measuring cell

Info

Publication number: DE3127472A1
Application number: DE19813127472
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. 6941 Abtsteinach Rohr
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1981-07-11
Filing date: 1981-07-11
Publication date: 1983-01-20

Abstract

In an electrochemical measuring cell, which has a solid electrolyte (11) and an electrode (12), the heating element required for heating is arranged directly on the solid electrolyte (11) in the form of a conductor track (30). As a result, the heat transfer from the heating element to the solid electrolyte is improved and the heat output (heater rating) required is reduced. <IMAGE>

Description

Elektrochemische MeßzelleElectrochemical measuring cell

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Meßzelle, insbesondere für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, mit einem Elektronen nichtleitenden und mit mindestens einer Elektrode versehenen Festelekc'rolyten, sowie mit wenigstens einem elektrischen Heizleiter.The invention relates to an electrochemical measuring cell, in particular for the determination of the oxygen content in gases, with an electron non-conductive and solid electrolytes provided with at least one electrode, as well as with at least an electrical heating conductor.

Meßzellen dieser Art müssen während des Betriebes auf erhöhten Temperaturen gehalten werden, um ausreichende Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen. Hierzu ist ein elektrischer Heizleiter in Form eines Widerstandsdrahtes vorgesehen, der bei bekannten Meßzellen auf einen Keramikkörper gewickelt und in der Nähe des Festelektrolyten angeordnet ist (De-AS 19 54 663).Measuring cells of this type must be at elevated temperatures during operation be held in order to achieve sufficient ion conductivity of the solid electrolyte. For this purpose, an electrical heating conductor in the form of a resistance wire is provided, wound in known measuring cells on a ceramic body and in the vicinity of the Solid electrolyte is arranged (De-AS 19 54 663).

Eine rasche Aufheizung der bekannten Meßzelle kann nur mit hohen fIeizlcistunn erreicht werden und Temperaturschwankungen der aufgeheizten Meßzelle lassen sich nicht genügend schnell auseleichen. Zudem fällt der Aufwand für den Heizkörper insbesondere bei der Herstellung in großen Stückzahlen stark ins Gewicht.A rapid heating of the known measuring cell can only be done with high fIeizlcistunn can be achieved and temperature fluctuations of the heated measuring cell cannot be leveled out quickly enough. In addition, the effort for the Radiators are particularly important when they are manufactured in large numbers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Meßzelle der eingangs genannten Art anzugeben, deren Beheizung wirkungsvoll verbessert ist und somit rasche Aufheizung mit geringer Heizleistung verbindet und die in der Lage ist, Temperaturschwankungen des Festelektrolyten durch entsprechende Beheizungsänderungen rasch auszugleichen.The invention is therefore based on the object of an electrochemical Specify measuring cell of the type mentioned, the heating of which improves effectively is and thus combines rapid heating with low heating power and the in the Is able to temperature fluctuations of the solid electrolyte due to corresponding changes in heating to compensate quickly.

Darüber hinaus soll die Meßzelle einfach im Aufbau, kostengünstig herzustellen und den im Betrieb auftretenden Belastungen voll gewachsen sein.In addition, the measuring cell should be simple in construction and inexpensive and be able to fully cope with the loads occurring in operation.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß der Heizleiter die Form einer Leiterbahn aufweist und unmittelbar auf dem Festelektrolyten angeordnet ist. Die Ausbildung des Heizleiters in Form einer Leiterbahn, wie sie z. B. bei gedruckten elektrischen Schaltungen üblich ist, ermöglicht eine einfache Herstellung des Heizleiters selbst in komplizierten geometrischen Formen. Hierbei wird durch die direkte Anordnung des Heizleiters auf dem Festelektrolyten eine sehr rasche Aufheizung der Meßzelle bei verminderter Heizleistung bewirkt und Temperaturänderungen der Meßzelle können durch änderungen der Heizleistung sehr rasch und wirkungsvoll ausgeglichen werden. Hierbei ist vorteilhaft die Leiterbahn möglichst nahe jenem Bereich des Festelektrolyten angeordnet, der von der Elektrode bedeckt ist.The solution to this problem is now according to the invention that the Heating conductor has the shape of a conductor track and is directly on the solid electrolyte is arranged. The formation of the heating conductor in the form of a conductor track, like them z. B. is common in printed electrical circuits, allows a simple Manufacture of the heating conductor itself in complicated geometric shapes. Here the direct arrangement of the heating conductor on the solid electrolyte becomes a very causes rapid heating of the measuring cell with reduced heating power and temperature changes of the measuring cell can be changed very quickly and effectively by changing the heating power be balanced. Here, the conductor track is advantageous as close as possible to that Arranged area of the solid electrolyte which is covered by the electrode.

Da bei elektrochemischen Meßzellen wenigstens zwei Elektroden vorhanden sind, ist es empfehlenswert, den Heizleiter bzw.Since there are at least two electrodes in electrochemical measuring cells it is recommended that the heating element or

die Leiterbahn neben jener Elektrode anzuor(lnen die nicht unmittelbar vom Meßgas beaufschlagt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Meßgas auf das Material des Heizleiters korrosiv wirkt.the conductor track next to that electrode (they cannot be placed directly is acted upon by the measuring gas. This is especially true when the gas to be measured reaches the The material of the heating conductor has a corrosive effect.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Leiterbahn ungefähr die Form eines Mäanders aufweist. hierdurch lassen sich selbst auf kleinen Flächen ausreichende Längen der Leiterbahn unterbringen.An advantageous further development of the invention can consist in that the conductor track has approximately the shape of a meander. this allows accommodate sufficient lengths of the conductor track even on small areas.

Um auch Festelektrolyte, die von großflächigen Elektroden bedeckt sind, möglichst gleichmäßig auflleizen zu können, kann eine andere Weiterbildung der Erfin\rriR darin bestehen, daß die Leiterbnhri in die Lücken der kammartig ausgebildeten Elektrode eingreift.To also solid electrolytes, which are covered by large-area electrodes are to be able to pick up as evenly as possible, another training can According to the invention, the ladder thread should be inserted into the gaps of the comb-like shape Electrode engages.

Weist die Meßzelle einen ringzylindrischen Festelektrolyten mit einer ringzylindrischen Elektrode auf, so ist zum gleichen Zwecke empfehlenswert, die Leiterbahn in einem schraubenförmig gewundenen, streifenförmigen Spalt der Elektrode anzuordnen. Die Leiterbahn und die Elektrode sind somit schraubenförmig nebeneinander verlaufend auf dem Festelektrolyten angeordnet.If the measuring cell has a ring-cylindrical solid electrolyte with a ring cylindrical electrode, it is recommended for the same purpose that the Conductor track in a helically wound, strip-shaped gap in the electrode to arrange. The conductor track and the electrode are thus helically next to one another arranged running on the solid electrolyte.

Eine besonders, einfache Ausgestaltu der Erfindung ist dann gegeben, wenn die Leiterbahn von der Elektrode mitgebildet ist. Die Elektrode wird hierbei direkt vom elektrischen Heizstrom durchflossen und heizt den Festelektrolyten besonders gleichmäßig auf. Die von der Meßzelle abgegebene elektrische Signalspannung wird durch diese Anordnung nicht beeinflußt oder gestört.A particularly simple embodiment of the invention is then given if the conductor path is also formed by the electrode. The electrode is here The electric heating current flows through it directly and heats the solid electrolyte in a special way evenly on. The electrical signal voltage emitted by the measuring cell is not influenced or disturbed by this arrangement.

Um auch beim Einsatz der Elektrode 2 Leiterbahn eine gewisse Anpassung an die geforderte Heizleistung zu erreichen, kann es günstig sein, wenn zur Bildung der Leiterbahn die Elektrode in wenigstens zwei Schenkeln unterteilt ist, deren einer Endbereich miteinander verbunden ist, wogegen der andere Endbereich unverbunden bleibt und jeweils für die Zufuhr des elektrischen Heizstromes und für die Abnahme der Zellspannung ausgebildet ist.In order to also have a conductor track when using the electrode 2 certain To achieve adaptation to the required heating output, it can be beneficial if to form the conductor path, the electrode is divided into at least two legs one end of which is connected to one another, while the other end is remains unconnected and each for the supply of electrical heating current and for the decrease in cell voltage is established.

Sind hierbei der Festelektrolyt und die Elektrode ringzylindrisch und vorzugsweise einseitig kuppenförmig verschlossen ausgebildet, so ist es empfehlenswert, daß die Schenkel in axialer Richtung verlaufen, diametral gegenüberliegen und halbringförmig ausgebildet sind. Die Verbindung der beiden Schenkel erfolgt im Bereich der Kuppe.In this case, the solid electrolyte and the electrode are ring-cylindrical and preferably dome-shaped closed on one side, it is recommended that the legs run in the axial direction, diametrically opposite and semi-circular are trained. The connection of the two legs takes place in the area of the dome.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor.Further advantages and features of the invention are evident from the following Description of exemplary embodiments in connection with the schematic drawings emerged.

Hierbei zeigen: Fig. 1 die Ansicht einer Meßzelle gemäß der Erfindung mit einem in einer Ebene verlaufenden Festelektrolyten, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II - II in vergrößerter Darstellung, Fig. 3 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 1 in Ansicht, Fig. 4 den Ausschnitt IV der Fig. 3 in vergrößerter Darstellung, Fig. 5 eine Meßzelle mit einem ebenen Festelektrolyten und einer kammartig ausgebildeten ebenen Elektrode, Fig. 6 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 5 mit einem ringzylindrischen Festelektrolyten und einer kammartig geschlitzten, ringzylindrischen Elektrode in perspektivischer Darstellung, Fig. 7 die Seitenansicht einer Meßzelle, deren Festelektrolyt und Elektrode ringzylindrisch ausgebildet sind und einen schraubenförmig gewundenen streifenförmigen Spalt für die Aufnahme der Leiterbahn aufweist, Fig. 8 die Ansicht einer Meßzelle mit einem ebenen Festelektrolyten und einer Elektrode die U-förmig mit zwei Schenkeln ausgebildet ist und als Heizleiter mitbenutzt wird, Fig. 9 eine Meßzelle mit ringzylindrischen Festelektrolyten und ringzylindrischer Elektrode, die in zwei diametral gegenüberliegende Schenkel aufgeteilt ist, wobei die Schenkel an einem Ende miteinander verbunden sind und Fig. 10 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 9 mit einem einseitig kuppenförmig geschlossenen Festelektrolyten und sich darüber ausdehnender Elektrode.1 shows a view of a measuring cell according to the invention with a solid electrolyte running in one plane, FIG. 2 shows a cross section through the object of FIG. 1 along the section line II - II in an enlarged view, 3 shows an embodiment variant of the object of FIG. 1 in view, FIG. 4 shows the Detail IV of FIG. 3 in an enlarged view, FIG. 5 shows a measuring cell with a flat solid electrolyte and a comb-like flat electrode, Fig. 6 shows an embodiment variant of the object of FIG. 5 with an annular cylindrical one Solid electrolyte and a comb-like slotted, ring-cylindrical electrode in perspective view, FIG. 7 the side view of a measuring cell, its solid electrolyte and electrodes are formed annularly cylindrical and one helically wound Has strip-shaped gap for receiving the conductor track, Fig. 8 the view a measuring cell with a flat solid electrolyte and an electrode which is U-shaped is designed with two legs and is also used as a heating conductor, FIG. 9 shows a Measuring cell with ring-cylindrical solid electrolyte and ring-cylindrical electrode, which is divided into two diametrically opposed legs, the legs are connected to one another at one end and FIG. 10 shows an embodiment variant of the The object of FIG. 9 with a solid electrolyte closed on one side in the shape of a dome and electrode expanding above it.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner sind in den einzelnen Figuren wiederkehrende Einzelteile nur in soweit mit Bezugszeichen versehen, als dies für das Verständnis erforderlich ist.The same parts are given the same reference symbols in the individual figures Mistake. Furthermore, recurring items in the individual figures are only shown in provided with reference numbers as far as this is necessary for understanding.

Desweiteren sind sämtliche Elektroden, die in Ansicht dargestellt sind, zur besseren Übersicht mit einer doppelten Straffur versehen.Furthermore, all electrodes are shown in the view are provided with a double tightening for a better overview.

In Fig. 1 ist eine elektrochemische Meßzelle mit einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten 11 dargestellt, der die Form einer rechteckigen, in einer Ebene verlaufende Platte aufweist. Auf dieser ist die ebene Elektrode 12 in Form einer diinnen Schicht angeordnet, deren Umriss dem Umriss des Festelektrolyten entspricht und mit Abstand zu dessen Rand 14 verläuft. Eine Ausnahme hiervon macht der obere mittlere Bereich der Elektrode 12, an der die elektrische Potentialableitung 16 in Form einer schmalen, bis zum Rand 14 führenden chicht vorgesehen ist.In Fig. 1 is an electrochemical measuring cell with an oxygen ion conductive solid electrolyte 11 shown, which has the shape of a rectangular, in a Has flat plate. The flat electrode 12 is in shape on this arranged in a thin layer, the outline of which corresponds to the outline of the solid electrolyte and extends at a distance from the edge 14 thereof. The above makes an exception to this middle area of the electrode 12, on which the electrical potential conductor 16 in the form of a narrow layer leading to the edge 14 is provided.

Im elektrodenfreien Zwischenraum 18, der zwischen der Elektrode 12 und dem Rand 14 verbleibt, verläuft der elektrische Heizleiter, der die Form einer Leiterbahn 20 aufweist. Die Form und die Herstellung solcher Leiterbahnen ist in der Elektrotechnik im Zusammenhang mit gedruckten Schaltungen bekannt. Im vorliegenden Fall sind im Zwischenraum 18 drei nebeneinander verlaufende Leiterbahnen derart angeordnet, daß sie die Elektrode 12 weitgehend umgeben, wobei die einzelnen Leiterbahnen im Bereich der Potentialableitung 16 derart miteinander verbunden sind, daß eine einzige zusammenhängende Leiterbahn entsteht, deren Enden elektische Anschlüsse 22 aufweisen, die bis zum Rand 14 des Festelektrolyten geführt sind. Die Leiterbahnen 20 sind hierbei möglichst nahe jenem Bereich des Festelektrolyten 11 angeordnet, der von der Elekrode 12 bedeckt ist. Diese Anordnung ist sehr deutlich aus der Ansicht der Fig. 1 zu erkennen, auf die hier aus drücklich Bezug genommen wird.In the electrode-free space 18 between the electrode 12 and the edge 14 remains, the electrical heating conductor, which has the shape of a Has conductor track 20. The shape and manufacture of such conductor tracks is in known in electrical engineering in connection with printed circuits. In the present In the case of the intermediate space 18, three strip conductors running next to one another are of this type arranged that they largely surround the electrode 12, the individual conductor tracks are connected to each other in the area of the potential lead 16 that one only coherent conductor track is created, the ends of which have electrical connections 22, which are led to the edge 14 of the solid electrolyte. The conductor tracks 20 are arranged as close as possible to that area of the solid electrolyte 11, which is covered by the electrode 12. This arrangement is very evident from the view of Fig. 1, to which express reference is made here.

Der Aufbau und die Anordnung der Leiterbahnen 20 neben der Elektrode 12 ist sehr deutlich im Schnitt II - II durch Fig.The structure and arrangement of the conductor tracks 20 next to the electrode 12 is very clear in section II - II through Fig.

1 zu erkennen, der in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt ist. Hier ist der Festelektrolyt 11 mit der schichtförmigen Elektrode 12 zu erkennen. Neben dieser sind die Leiterbahnen 20 angeordnet, die möglichst nahe der Elektrode 12 auf dem Festelektrolyten 11 aufgebracht sind.1 can be seen, which is shown in Fig. 2 on a larger scale. Here is the solid electrolyte 11 with the layered one electrode 12 to recognize. In addition to this, the conductor tracks 20 are arranged, if possible are applied near the electrode 12 on the solid electrolyte 11.

Der Querschnitt dieser Leiterbahnen 20 und ihre Gesamtlänge ist auf die elektrische iieizspannung abgestimmt, welche über die elektrischen Anschlüsse 22 -zugeführt wird. Meistens wird als Heizspannung eine Kleinspannung von höchstens ungefähr 60 Volt benutzt. Die geforderte Heizleistung bekannter elektrochemischer Meßzellen liegt ungefähr bei 20 bis 60 Watt. Dementsprechend ist der spezifische Widerstand, der Querschnitt und die Gesamtlänge der Leiterbahn 20 auszuwählen.The cross section of these conductor tracks 20 and their total length is the electrical heating voltage matched via the electrical connections 22 - is supplied. A low voltage of at most is used as the heating voltage used about 60 volts. The required heating power of known electrochemical Measuring cells is approximately 20 to 60 watts. Accordingly, the specific one Resistance, the cross section and the total length of the conductor track 20 to select.

In den Figuren ist jeweils eine Meßzelle dargestellt, die auf einer einzigen Fläche eine Elektrode und mindestens eine Leiterbahn aufweist. Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, auf der Gegenfläche 24 wenigstens eine weitere Leiterbahn anzuordnen. Ist auf der Gegenfläche 24, wie in den meisten Fällen, eine weitere Elektrode angeordnet, so kann diese weitere Leiterbahn entsprechend der dargestellten Leiterbahn 20 vorgesehen werden.In the figures, a measuring cell is shown, which on one single surface has an electrode and at least one conductor track. Of course it is also within the scope of the invention to have at least one further surface on the opposite surface 24 Arrange conductor track. Is on the mating surface 24, as in most cases, a arranged further electrode, this further conductor track can according to the conductor track 20 shown are provided.

Für die Beheizung des Festelektrolyten wird an die elektrischen Anschlüsse 22 eine elektrische Spannung gelegt, sodaß ein elektrischer Strom durch die Leiterbahn zu fließt und die dabei entstehende Joule'sche Wärme den Festelektrolyten 11 auf die geforderte Betriebstemperatur von beispielsweise mindestens 350 Grad Celsius erhitzt. Da diese Leiterbahn 20 nach dem gleichen Prinzip wie gedruckte Schaltungen hergestellt wird, ist diese selbst in komplizierten Formen einfach zu fertigen. Durch das direkte Aufbringen auf den Festelektrolyten 11 ist ein guter Wärmeübergang gesichert und eine Überhitzung der als Heizleiter dienenden Leiterbahn 20 vermieden.The electrical connections are used to heat the solid electrolyte 22 an electrical voltage is applied, so that an electrical current through the conductor track to flows and the resulting Joule heat on the solid electrolyte 11 the required operating temperature of, for example, at least 350 degrees Celsius heated. Since this conductor track 20 on the same principle as printed circuits is produced, it is easy to manufacture even in complicated shapes. As a result of the direct application to the solid electrolyte 11, there is good heat transfer secured and overheating of the conductor track 20 serving as a heating conductor avoided.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante der Meßzelle gemäß Fig. 1 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist die Leiterbahn 30 in Form eines Mäanders 32 ausgebildet. Dieser verläuft zickzackförmig im streifenförmigen Zwischenraum 18, der sich zwischen dem Rand 14 und der Elektrode 12 erstreckt. Die elektrischen Anschlüsse 22 sind hierbei neben der Potentialableitung 16 angeordnet, wie dies auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Fall ist.In Fig. 3 a variant of the measuring cell according to FIG. 1 is shown. In the present case, the conductor track 30 is designed in the form of a meander 32. This runs zigzag in the strip-shaped space 18, which is between the edge 14 and the electrode 12 extends. The electrical connections 22 are in this case arranged next to the potential derivation 16, as is also the case in the exemplary embodiment according to Fig. 1 is the case.

Fig. 4 zeigt die Einzelheit IV der Fig. 3 in einer vergrößerten Darstellung. Deutlich ist hier die Leiterbahn 30 zu erkennen, welche die Form des Mäanders 32 aufweist und die auf dem Festelektrolyten 11 angeordnet ist.FIG. 4 shows the detail IV of FIG. 3 in an enlarged illustration. The conductor track 30, which has the shape of the meander 32, can be clearly seen here and which is arranged on the solid electrolyte 11.

Die Schenkellänge und der Schenkelabstand der einzelnen Faltungen des Mäanders 32 sind so ausgewählt, daß die Länge der Leiterbahn 30 die für die geforderte Heizleistung erforderlich ist, im Zwischenraum 18 untergebracht werden kann.The leg length and the leg spacing of the individual folds of the meander 32 are selected so that the length of the conductor track 30 for the Required heating power is required, be accommodated in the space 18 can.

Zu bemerken ist hier noch, daß in den Figuren 1, 3, 5, 6 und 7 die Leiterbahnen der Einfachheit wegen als Striche dargestellt sind, obwohl sie gegebenenfalls eine größere Breite haben können, wie dies z. B. aus den vergrößerten Darstellungen der Figuren 2 und 4 zu erkennen ist.It should be noted here that in Figures 1, 3, 5, 6 and 7 the Conductor tracks are shown as dashes for the sake of simplicity, although they may can have a greater width, as z. B. from the enlarged views Figures 2 and 4 can be seen.

Fig. 5 zeigt eine elektrochemische Meßzelle mit einem rechteckförmigen, ebenen Festelektrolyten 11, der von einer ebenen, ungefähr ebenfalls rechteckförmigen Elektrode 52 bedeckt ist. Diese Elektrode 52 ist kammartig ausgebildet und weist daher zwei streifenförmige Lücken 54 auf, die von einer Kante 56 der Elektrode ausgehen und sich bis in die Nähe der gegenüberliegenden Kante 58 erstrecken. Die Breite dieser Lücken 54 ist hierbei so gewählt, daß die als Heizleiter dienende Leiterbahn 50 im wesentlichen in diesen Lücken 5 auf dem Festelektrolyten 11 untergebracht werden kann. Zur Serien- oder Parallelschaltung jener Bereiche der Leiterbahn 50, die in den Lücken 511 angeordnet sind, ist die Leiterbahn 50 im Zwischenraum 18 von Lücke'zu Lücke geführt, wie dies deutlich aus Fig. 5 zu ersehen ist. Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird eine gleichmäßige Aufheizung des Festelektrolyten 11 auf seiner gesamten Ausdehnung erzielt.Fig. 5 shows an electrochemical measuring cell with a rectangular, flat solid electrolyte 11, which is of a flat, approximately also rectangular Electrode 52 is covered. This electrode 52 is designed like a comb and has therefore two strip-shaped gaps 54 which extend from an edge 56 of the electrode and get up close to the opposite edge 58 extend. The width of these gaps 54 is chosen so that that serving as a heating conductor Conductor 50 is essentially housed in these gaps 5 on the solid electrolyte 11 can be. For series or parallel connection of those areas of the conductor track 50, which are arranged in the gaps 511, the conductor track 50 is in the intermediate space 18 from gap 'to gap, as can be clearly seen from FIG. With the Embodiment according to FIG. 5 is a uniform heating of the solid electrolyte 11 achieved on its entire extent.

Fig. 6 zeigt die Anwendung des eben beschriebenen Prinzips auf eine ringzylindrische Elektrode 62, die auf einem rohrförmigen Festelektrolyten 61 angeordnet ist. Die Elektrode 62 weist hier streifenförmige Lücken 66 auf, die sich in axialer Richtung von einem Ende bis in die Nähe des anderen Endes der Elektrode 62 erstrecken. In diese Lücken 66 greift hier entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 5 die Leiterbahn 60 ein, wobei zur Verbindung der Leiterbahnen der einzelnen Lücken 66 diese im Zwischenraum 68 zwischen dem axialen Ende der Elektrode 62 und des Festelektrolyten 61 auf dem Festelektrolyten in peripherer Richtung verläuft, wie dies deutlich aus Fig. 6 zu ersehen ist.Fig. 6 shows the application of the principle just described to a ring-cylindrical electrode 62, which is arranged on a tubular solid electrolyte 61 is. The electrode 62 has here strip-shaped gaps 66, which are in the axial Direction from one end to the vicinity of the other end of the electrode 62 extend. The conductor track engages in these gaps 66 in accordance with the illustration in FIG. 5 60 a, whereby to connect the conductor tracks of the individual gaps 66 these in the space 68 between the axial end of the electrode 62 and the solid electrolyte 61 on the Solid electrolyte runs in the peripheral direction, as can be clearly seen from FIG is seen.

Fig. 7 zeigt in Seitenansicht einen ringzylindrischen, rohrförmigen Festelektrolyten 71, der von einer ringzylindrischen Elektrode 72 weitgehend bedeckt ist. In dieser Elektrode 72 ist ein schraubenförmig gewundener streifenförmiger Spalt 74 vorgesehen, der sich weitgehend über die gesamte axiale Länge der Elektrode 72 ausdehnt. In diesem Spalt, der frei ist von Elektrodenmaterial, ist die als Heizleiter dienende Leiterbahn 70 auf dem Festelektrolyten angeordnet. Die Elektrode 72 und die Leiterbahn 70 verlaufen somit schraubenförmig nebeneinander und es ergibt sich daher eine gleichmäßige Aufheizung der Meßzelle.Fig. 7 shows a side view of a ring-cylindrical, tubular Solid electrolyte 71, which is largely covered by an annular cylindrical electrode 72 is. In this electrode 72 there is a helically wound strip-shaped one Gap 74 is provided, which extends largely over the entire axial length of the electrode 72 expands. This gap, which is free of electrode material, is used as a heating conductor serving conductor track 70 arranged on the solid electrolyte. The electrode 72 and the conductor track 70 run thus helically next to each other and there is therefore a uniform heating of the measuring cell.

Während in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 7 der Heizleiter aus einer separaten Leiterbahn bestand, ist in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 8 bis 10 die Leiterbahn von wenigstens einer Elektrode der Meßzelle mitgebildet. So weist die Meßzelle gemäß Fig. 8 einen ebenen, rechteckigen Festelektrolyten 11 auf, der von einer Elektrode 82 bedeckt ist, die im wesentlichen einen rechteckigen Umriss aufweist. Die Elektrode 82 ist jedoch mit einem streifenförmigen Schlitz 84 versehen1 der von der Kante 83 der Elektrode ausgehend sich bis in die Nähe der gegenüberliegenden Kante erstreckt, sodaß die Elektrode 82 in zwei vorzugsweise gleiche Schenkel 85 aufgeteilt ist, die an ihrem einen Endbereich 86 miteinander verbunden sind; Die Verbindung weist hierbei etwa den gleichen Querschnitt auf wie ein Schenkel. Die freien Enden der Schenkel 85 weisen jeweils einen elektrischen Anschluß 87 für die Zufuhr des Heizstromes auf. AuRerdem ist an einem Schenkel die Potentialableitung 88 vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse 87 sowie die Potentialableitung 88 sind als schmale Streifen ausgebildet und in Richtung der Schenkel verlaufend bis ungefähr zum Rand 89 des Festelektrolyten geführt. Gegebenenfalls kann auch auf eine gesonderte Potentialableitung 88 verzichtet und einer der elektrischen Anschlüsse 87 für die Abnahme der elektrischen Meßspannung mitbenutzt werden.While in the embodiments according to Figures 1 to 7 of The heating conductor consisted of a separate conductor track is in the exemplary embodiments according to FIGS. 8 to 10, the conductor track of at least one electrode of the measuring cell educated. The measuring cell according to FIG. 8 thus has a flat, rectangular solid electrolyte 11, which is covered by an electrode 82 which is substantially rectangular Has outline. The electrode 82, however, is provided with a strip-shaped slot 84 provided1 which, starting from the edge 83 of the electrode, extends up to the vicinity of the opposite edge extends so that the electrode 82 is preferably in two the same leg 85 is divided, which at one end area 86 with one another are connected; The connection here has approximately the same cross section as a thigh. The free ends of the legs 85 each have an electrical one Connection 87 for the supply of the heating current. Also on one thigh is the Potential derivation 88 is provided. The electrical connections 87 and the potential dissipation 88 are designed as narrow strips and run in the direction of the legs led to approximately the edge 89 of the solid electrolyte. If necessary, can also dispensed with a separate potential derivation 88 and one of the electrical Connections 87 can also be used for the decrease of the electrical measuring voltage.

Während des Betriebs wird über die elektrischen Anschlüsse 87 der-elektrische Heizstrom durch die Schenkel 85 und den Endbereich 86 der Elektrode geleitet, sodaß sich diese großflächig erhitzt und den Festelektrolyten 11 auf die für die Messung erforderliche Temperatur aufheizt. Neben einem geringen Aufwand ist hierbei insbesondere eine besonders gleichmäßige Beheizung des Festelektrolyten erreicht.During operation, the electrical connections 87 are used to connect the electrical Heating current passed through the legs 85 and the end region 86 of the electrode, so that This is heated over a large area and the solid electrolyte 11 is used for the measurement required temperature. Next to one little effort is in particular a particularly uniform heating of the solid electrolyte achieved.

Fig. 9 zeigt die Anwendung des vorbeschriebenen Beheizungsprinzips auf eine rohrförmige elektrochemische Meßzelle. Der ringzylindrische Festelektrolyt 91 ist hier mit einer ebenfalls ringzylindrischen Elektrode 92 versehen, die zwei etwa diametral gegenüberliegende und-in axialer Richtung verlaufende Schlitze 94 aufweist. Diese Schlitze 94 erstrecken sich nicht bis zum Ende der Elektrode, sodaß die Elektrode 92 in zwei diametral gegenüberliegende Schenkel 95 unterteilt ist, die jeweils einen halbringförmigen Querschnitt aufweisen und die im Endbereich 96 miteinander verbunden sind. Am freien Ende der Schenkel 95 sind jeweils elektrische Anschlüsse 97 und die Potentialableitung 98 entsprechend Fig. 8 angeordnet.Fig. 9 shows the application of the heating principle described above on a tubular electrochemical measuring cell. The ring-cylindrical solid electrolyte 91 is provided here with a likewise ring-cylindrical electrode 92, the two Slits 94 that are approximately diametrically opposite and run in the axial direction having. These slots 94 do not extend to the end of the electrode, so that the electrode 92 is divided into two diametrically opposite legs 95, each of which has a semicircular cross-section and which in the end region 96 are connected to each other. At the free end of the legs 95 are each electrical Connections 97 and the potential derivation 98 are arranged in accordance with FIG. 8.

Der Betrieb der Meßzelle gemäß Fig. 9 wird ebenfalls entsprechend der Meßzelle gemäß Fig. 8 durchgeführt.The operation of the measuring cell according to FIG. 9 is also corresponding the measuring cell according to FIG. 8 carried out.

Fig. 10 zeigt schließlich eine Ausführungsvariante der Meßzelle nach Fig. 9. Hier ist das rechte Ende des rohrförmigen Festelektrolyten 101 zu einer Kuppe 103 geformt und mit dieser verschlossen. Die Elektrode 102 erstreckt sich ebenfalls über diese Kuppe 103 und verbindet die beiden Schenkel 105 der Elektrode. Die Schenkel sind hierbei durch axial verlaufende Schlitze 104 voneinander getrennt, die sic ungefähr bis zur Kuppe 103 erstrecken. Ansonsten entspricht der Aufbau der Meßzelle dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9.Finally, FIG. 10 shows a variant embodiment of the measuring cell according to FIG Fig. 9. Here is the right end of the tubular solid electrolyte 101 to one Dome 103 formed and closed with this. The electrode 102 extends also over this dome 103 and connects the two legs 105 of the electrode. The legs are separated from one another by axially extending slots 104, which extend approximately to the summit 103. Otherwise the structure corresponds to Measuring cell according to the embodiment according to FIG. 9.

Bei den Meßzellen gemäß den Figuren 8, 9 und 10 sind die elektrischen Anschlüsse, über welche die elektrische Heizspannung zugeführt wird, selbstverständlich so an den Elektroden anzuordnen, daß eine möglichst gleichmäßige und großflächige Beaufschlagung dieser Elektroden durch den elektrischen l-ieizstrom erfolgt. Gegebenenfalls können auch mehrere verteilt angeordnete elektrische Anschlüsse vorgesehen sein.In the measuring cells according to FIGS. 8, 9 and 10, the electrical Connections through which the electrical heating voltage is supplied, of course to be arranged on the electrodes in such a way that a surface area that is as uniform as possible and as large as possible Application of these electrodes by the electrical heating current he follows. If necessary, several electrical connections arranged in a distributed manner can also be used be provided.

Für die separaten Leiterbahnen, deren Breite höchstens 3 mm beträgt, kann ein Material Verwendung finden, wie es auch für elektrische Widerstands-Heizdrähte benutzt wird. Verwendet man jedoch das gleiche Material wie für die Elektroden, so können Elektroden und Leiterbahnen in einem Arbeitsgang aufgebracht werden, wodurch Kostenvorteile erreicht werden.For the separate conductor tracks, the width of which does not exceed 3 mm, a material can be used as it is for electrical resistance heating wires is used. However, if the same material is used as for the electrodes, so electrodes and conductor tracks can be applied in one operation, whereby Cost advantages can be achieved.

Insbesondere empfiehlt es sich, für die Leiterbahnen und Elektroden ein keramisches Material zu verwenden, wie es in der DE-PS 27 38'75 beschrieben ist. Der Festelektrolyt enthält für Sauerstoffmessungen ein sauerstoffionenleitendes Material, z. B. mit Kalziumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid.In particular, it is recommended for the conductor tracks and electrodes to use a ceramic material, as described in DE-PS 27 38'75 is. The solid electrolyte contains an oxygen ion-conductive one for oxygen measurements Material, e.g. B. Calcium Stabilized Zirconia.

Claims

Anspiüohe Electrochemical measuring cell, especially for determination the oxygen content in gases, with an electron non-conductive and at least with an electrode (12, 52, 62, 72, 82, 92, 102) provided solid electrolyte (11, 61, 71, 91, 101), as well as with at least one electrical heating conductor, characterized in that that the heating conductor has the shape of a conductor track (20, 30, 50, 60, 70, 80, 90, 100) and is arranged directly on the solid electrolyte (11, 61, 71, 91, 101).

2. Measuring cell according to claim 1, characterized in that the conductor track (20, 30, 50, 60, 70, 80, 90, 100) as close as possible to that area of the solid electrolyte is arranged, which is covered by the electrode (12, 52, 62, 72, 82, 92, 102).

3. Measuring cell according to claim 1 or 2, characterized in that the Conductor track (30) has approximately the shape of a meander (32).

4. Measuring cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the conductor track (50, 60) in the gaps (54) of the comb-like electrode (52, 62) engages (Fig. 5 and 6).

5. Measuring cell according to one of claims 1 to 3 with a ring cylindrical Electrode, characterized in that the conductor track (70) in a helical shape winding strip-shaped gap (74) of the electrode (72) is arranged (Fig. 7).

6. Measuring cell according to one of claims 1 to 3, characterized gekennzeichnct, that the conductor track (80, 90, 100) is also formed by the electrode (Fig. 8 to 10).

7. Measuring cell according to claim 6, characterized in that for the formation of the conductor track (80, 90, 100) the electrode in at least two legs (85, 95, 105) is subdivided, one end region (86, 96, 106) of which is connected to one another is, while the other free end area for the supply of the electrical heating current and is designed to decrease the cell voltage (FIGS. 8 to 10).

8. Measuring cell according to claim 7 with an annular cylindrical, preferably Electrode closed at one end in the shape of a dome, characterized in that the Legs (95, 105) are diametrically opposed and have a semicircular cross-section (Figures 9 and 10).