DE10053107A1 - Elektrochemisches Sensorelement - Google Patents
Elektrochemisches SensorelementInfo
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Abstract
Es wird ein Sensorelement (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) beinhaltet mindestens eine Pumpzelle, die mindestens eine in einem Messgasraum (13) angeordnete erste Pumpelektrode (20) und mindestens eine auf einer dem Gasgemisch zugewandten Fläche des Sensorelements (10) angeordnete zweite Pumpelektrode (23) aufweist, sowie mindestens eine Konzentrationszelle, die mindestens eine in einem Referenzgasraum (15) angeordnete Referenzelektrode (22, 22a) und mindestens eine im Messgasraum (13) angeordnete, mit der Referenzelektrode (22, 22a) zusammenwirkende Messelektrode (21) aufweist. Messgasraum und Referenzgasraum befinden sich im wesentlichen in derselben Schichtebene des schichtförmig aufgebauten Sensorelements. Es ist mindestens eine Sperrschicht (24) vorgesehen, die eine Ionenleitung zwischen mindestens einer Elektrode (20, 23) der Pumpzelle und mindestens einer Elektrode (21, 22, 22a) der Konzentrationszelle zumindest weitgehend verhindert.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Sensorelement
zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in
einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges elektrochemisches Sensorelement ist
beispielsweise in der DE 199 41 051 beschrieben. Derartige
Sensorelemente werden in dem Fachmann als Breitband-
Lambdasonden bekannten Gasmeßfühlern eingesetzt und dienen
der Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses von
Verbrennungsgemischen in Kraftfahrzeugmotoren. In diesen
Sensorelementen wird eine Konzentrationszelle mit einer
elektrochemischen Pumpzelle kombiniert. Die
Konzentrationszelle weist eine in einem Messgasraum
angeordnete Messelektrode und eine in einem Referenzgasraum
angeordnete Referenzelektrode auf und misst den
Sauerstoffpartialdruck des Abgases, das über eine
Diffusionsbarriere in den Messgasraum gelangt, gegenüber dem
Sauerstoffpartialdruck eines Referenzgases im
Referenzgasraum. Messgasraum und Referenzgasraum sind in
derselben Schichtebene des Sensorelements angeordnet.
Die Pumpzelle weist eine erste, im Messgasraum angeordnet
Pumpelektrode und eine zweite, auf einer dem Abgas
zugewandten Fläche des Sensorelements angeordnete
Pumpelektrode auf und pumpt Sauerstoffionen aus dem Abgas in
den Messgasraum oder umgekehrt aus dem Messgasraum in das
Abgas. Durch eine äußere Beschaltung wird der durch die
Pumpzelle fließende Pumpstrom so eingestellt, dass ein
vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum
eingestellt wird. Aus dem hierzu notwendigen Pumpstrom lässt
sich der Sauerstoffpartialdruck des Abgases ermitteln.
Bei dem bekannten Sensorelement ist nachteilig, dass es
zwischen den Elektroden der Pumpzelle und den Elektroden der
Konzentrationszelle zu einem unerwünschten Austausch von
Sauerstoffionen kommen kann, wodurch die bestimmungsgemäße
Funktion des Sensors gestört wird. So kann durch den
Austausch von Sauerstoff zwischen der zweiten Pumpelektrode
und der Referenzelektrode der Sauerstoffpartialdruck des
Referenzgases verändert werden. Da die Konzentrationszelle
das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks in Messgasraum
und des Sauerstoffpartialdrucks im Referenzgasraum misst,
wird im Messgasraum ein falscher Sauerstoffpartialdruck
eingestellt und dadurch ein falscher Wert für den
Sauerstoffpartialdruck des Abgases ermittelt.
Das erfindungsgemäße elektrochemische Sensorelement mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat
gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch eine
Sperrschicht der Austausch von Ionen der Gaskomponente
zwischen den Elektroden der Pumpzelle und den Elektroden der
Konzentrationszelle verhindert wird.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch
angegebenen Sensorelements möglich.
Durch die zwischen der Referenzelektrode und der zweiten
Pumpelektrode angeordnete Sperrschicht wird verhindert, dass
die Konzentration der Gaskomponente im Referenzgas durch den
Austausch von Sauerstoffionen zwischen der Referenzelektrode
und der Pumpelektrode verfälscht wird. Die Sperrschicht ist
so gestaltet, dass die Funktion der Konzentrationszelle und
der Pumpzelle nicht gestört wird. Hierzu ist eine Aussparung
im Bereich der Elektroden der Konzentrationszelle und/oder
der Pumpzelle vorgesehen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen
Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Sensorelements und Fig. 2 einen der
Schnittlinie II-II in der Fig. 1 entsprechenden
Querschnitt des Ausführungsbeispiels.
Die Fig. 1 und die Fig. 2 zeigen als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Sensorelement 10 einer Breitband-
Lambdasonde, das als Schichtsystem aufgebaut ist und bei dem
ein Referenzgasraum 15 und ein Messgasraum 13 in derselben
Schichtebene des Sensorelements 10 angeordnet sind. Das
Sensorelement 10 weist eine erste, zweite, dritte und vierte
Festelektrolytschicht 51, 52, 53, 54 auf. In die erste
Festelektrolytschicht 51 und die zweite
Festelektrolytschicht 52 ist ein Gaszutrittsloch 25
eingebracht. Die zweite Festelektrolytschicht 52 enthält den
Referenzgasraum 15 und den Messgasraum 13 sowie eine
zwischen dem Gaszutrittsloch 25 und dem Messgasraum 13
angeordnete Diffusionsbarriere 27. Der Messgasraum 13 und
der Referenzgasraum 15 sind durch eine Trennwand 12, die
einen Teilbereich der zweiten Festelektrolytschicht 52
bildet, gasdicht getrennt. Das Gasgemisch kann über das
Gaszutrittsloch 25 und die Diffusionsbarriere 27 in den
Messgasraum 13 gelangen. Der Referenzgasraum 15 steht mit
der Luftatmosphäre in Verbindung und enthält ein poröses
Material. Zwischen der dritten Festelektrolytschicht 53 und
der vierten Festelektrolytschicht 54 ist ein in eine
Heizerisolation 41 eingebetteter Heizer 40 vorgesehen.
Auf der ersten Festelektrolytschicht 51 ist im Messgasraum
13 eine erste, ringförmige Pumpelektrode 20 mit einer
Zuleitung 19 angeordnet. Die erste Pumpelektrode 20 bildet
zusammen mit einer zweiten, ebenfalls ringförmigen
Pumpelektrode 23, die ebenfalls auf der ersten
Festelektrolytschicht 51 auf der der ersten Pumpelektrode 20
gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, eine Pumpzelle. Die
zweite Pumpelektrode 23 ist durch eine poröse Schicht 26
abgedeckt. Auf der dritten Festelektrolytschicht 53 ist im
Messgasraum 13 eine ringförmige Messelektrode 21 sowie im
Referenzgasraum 15 eine Referenzelektrode 22 angeordnet.
Eine weitere Referenzelektrode 22a mit einer Zuleitung 28
ist auf der ersten Festelektrolytschicht 51 im
Referenzgasraum 15 gegenüberliegend zur Referenzelektrode 22
vorgesehen. Die Messelektrode 21 und die Referenzelektroden
22, 22a bilden eine Konzentrationszelle.
In der Schichtebene zwischen der ersten und der zweiten
Festelektrolytschicht 51, 52 ist im Bereich der weiteren
Referenzelektrode 22a und im Bereich zwischen der weiteren
Referenzelektrode 22a und der ersten Pumpelektrode 20 eine
Sperrschicht 24 vorgesehen. Die Sperrschicht 24 erstreckt
sich bis zum Rand des Sensorelements 10 und besteht
beispielsweise aus Al2O3. Das Material der Sperrschicht 24
ist dabei so gewählt, dass es zumindest weitgehend weder
Ionenleitung noch Elektronenleitung zulässt.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der
Erfindung erstreckt sich die Sperrschicht 24 auch in den
Bereich zwischen der Zuleitung 28 der weiteren
Referenzelektrode 22a und der ersten Festelektrolytschicht
51. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Sperrschicht in der
Schichtebene zwischen der ersten und der zweiten
Festelektrolytschicht 51, 52 die gesamte Großfläche des
Sensorelements 10 abdeckt, wobei eine Aussparung im Bereich
der ersten Pumpelektrode 20 vorzusehen ist.
Es ist eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform der
Erfindung denkbar, in der die weitere Referenzelektrode 22a
weggelassen wird. In diesem Fall kann die Sperrschicht 24
auch in der Schichtebene zwischen der zweiten und der
dritten Festelektrolytschicht 52, 53, insbesondere zwischen
der Trennwand 12 und der dritten Festelektrolytschicht 53,
angeordnet sein.
Claims (10)
1. Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer
Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere zur
Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von
Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer Pumpzelle, die
mindestens eine in einem Messgasraum angeordnete erste
Pumpelektrode und mindestens eine auf einer dem
Gasgemisch zugewandten Fläche des Sensorelements
angeordnete zweite Pumpelektrode sowie zwischen der
ersten und der zweiten Pumpelektrode eine erste
Festelektrolytschicht aufweist, sowie mit mindestens
einer Konzentrationszelle, die mindestens eine in einem
Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode und
mindestens eine im Messgasraum angeordnete, mit der
Referenzelektrode zusammenwirkende Messelektrode
aufweist, wobei das schichtförmig aufgebaute
Sensorelement benachbart zur ersten Festelektrolytschicht
eine zweite Festelektrolytschicht aufweist, in der der
Referenzgasraum und der Messgasraum vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sperrschicht
(24) vorgesehen ist, die eine Ionenleitung zwischen
mindestens einer Elektrode (20, 23) der Pumpzelle und
mindestens einer Elektrode (21, 22) der
Konzentrationszelle zumindest weitgehend verhindert.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sperrschicht (24) die Ionenleitung zwischen der
Referenzelektrode (22) und der zweiten Pumpelektrode (23)
zumindest weitgehend verhindert.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (24) zumindest
bereichsweise in einer zwischen der Referenzelektrode
(22) und der zweiten Pumpelektrode (23) befindlichen
Schichtebene des Sensorelements (10) angeordnet ist.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sperrschicht (24) im Bereich zwischen der ersten
Pumpelektrode (20) und der zweiten Pumpelektrode (23)
und/oder der Messelektrode (21) und der Referenzelektrode
(22) eine Aussparung aufweist.
5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Referenzgasraum (15) mit einem außerhalb des
Sensorelements (10) liegenden Referenzgasreservoir,
insbesondere mit der Luftatmosphäre, in Verbindung steht.
6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sperrschicht (24) zumindest bereichsweise in der
Schichtebene zwischen der ersten und der zweiten
Festelektrolytschicht (51, 52) angeordnet ist, wobei die
Sperrschicht (24) im Bereich der ersten Pumpelektrode
(20) eine Aussparung aufweist.
7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensorelement im Referenzgaskanal eine der
Referenzelektrode (22) gegenüberliegende weitere
Referenzelektrode (22a) aufweist, die von der ersten
Festelektrolytschicht (51) durch die Sperrschicht (24)
getrennt ist.
8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sperrschicht (24) auch zwischen einer Zuleitung
(28) der weiteren Referenzelektrode (22a) und der ersten
Festelektrolytschicht (51) vorgesehen ist.
9. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sperrschicht zumindest bereichsweise zwischen
der zweiten und einer dritten Festelektrolytschicht (52,
53) angeordnet ist, wobei die Sperrschicht im Bereich der
Messelektrode (21) und der Referenzelektrode (22) eine
Aussparung aufweist.
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sperrschicht (24) auch zwischen einer Zuleitung
der Referenzelektrode (22) und der dritten
Festelektrolytschicht (53) vorgesehen ist.
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