EMK-Zellspannungsmessungen

Bild eines Versuchsaufbaus.Die Sauerstoffkonzentration φ(O2) (in Vol.-%) in einem Messgas kann durch Messung der Gleichgewichtszellspannung Ueq (= -EMK) von galvanischen Sauerstoffkonzentrationszellen mit festen oxidionenleitenden Elektrolyten bestimmt werden. Als Festelektrolyt finden vorzugsweise keramische Rohre aus  Y2O3-stabilisiertem ZrO2 Verwendung, das eine mit der Temperatur exponentiell ansteigende reine Oxidionenleitfähigkeit besitzt. Werden die gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytrohres mit porösen Schichten elektronischer Leiter, z. B. Pt, versehen, dann stellen sich mit den an den Pt-Elektroden befindlichen Gasen Gleichgewichte ein und man erhält Sauerstoffkonzentrationszellen.

Die galvanischen Zellen liefern beim isothermen (T = const. = TI = TII) stromlosen Betrieb im Bereich von etwa 600 °C bis 1600 °C Gleichgewichtszellspannungen Ueq entsprechend der Nernst-Gleichung mit den Sauerstoffpartialdrücken p(O2) (in bar) bzw. φ(O2) (in Vol.-%) in den Elektrodenräumen der Mess- und Bezugselektrode:

Nernst-Gleichung.

Die Nernst-Gleichung ergibt sich mit einem konstanten Sauerstoff-Bezugsgas, z. B. mit Luft (φI(O2) = 20,69 Vol.-%), bei konstantem Gesamtdruck (p = pI = pII) an den Elektroden in expliziter Form:

Nernst-Gleichung.

Die Sauerstoffkonzentration φII(O2) (in Vol.-%) im Messgas berechnet sich dann zu

Gleichung für die Saustoffkonzentration.

mit:

UeqGleichgewichtszellspannung
R = 8,3145 J·mol-1·K-1universelle Gaskonstante
F = 96485 A·s·mol-1Faradaykonstante
TZelltemperatur
z = 4Zahl der ausgetauschten Elektronen
φI(O2)Sauerstoffpartialdruck der Luft mit etwa 50 % rel. Feuchte
φII(O2)Sauerstoffpartialdruck im Inertgas