DE10053107C2

DE10053107C2 - Elektrochemisches Sensorelement

Info

Publication number: DE10053107C2
Application number: DE10053107A
Authority: DE
Inventors: Martin Lenfers; Harry Braun; Walter Strassner; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: US20020166765A1; JP4157290B2; JP2002181780A; US6811664B2; DE10053107A1

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.

Stand der Technik

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.

Aus der DE 198 27 253 A1 ist ein Sensorelement mit einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten bekannt. Das Sensorelement umfasst eine Pumpzelle und eine Nernstzelle mit jeweils zwei Elektroden, wobei in einer Schichtebene des Sensorelements jeweils nur eine Elektrode angeordnet ist. Weiterhin sind in das Sensorelement in unterschiedlichen Schichtebenen ein Referenzgasraum und ein Messgasraum eingebracht. Zwischen den Festelektrolytschichten ist (in den Bereichen neben den Elektroden) jeweils eine elektrisch isolierende, nicht ionenleitende Schicht vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung 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. Eine Referenzelektrode 22a mit einer Zuleitung 28 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 51 im Referenzgasraum 15 vorgesehen. Auf der dritten Festelektrolytschicht 53 ist im Messgasraum 13 eine ringförmige Messelektrode 21 sowie im Referenzgasraum 15 gegenüberliegend zur Referenzelektrode 22a eine zweite Referenzelektrode 22 angeordnet. 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 Referenzelektrode 22a und im Bereich zwischen der 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 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.

Claims

1. Sensorelement (10) 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 (13) angeordnete erste Pumpelektrode (20) und mindestens eine auf einer dem Gasgemisch zugewandten Fläche des Sensorelements (10) angeordnete zweite Pumpelektrode (23) sowie zwischen der ersten und der zweiten Pumpelektrode (20, 23) eine erste Festelektrolytschicht (51) aufweist, sowie mit mindestens einer 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, wobei das schichtförmig aufgebaute Sensorelement (10) benachbart zur ersten Festelektrolytschicht (51) eine zweite Festelektrolytschicht (52) aufweist, in der der Referenzgasraum (15) und der Messgasraum (13) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (22a) zwischen dem Referenzgasraum (15) und der ersten Festelektrolytschicht (51) angeordnet ist, dass mindestens eine Sperrschicht (24) vorgesehen ist, die eine Ionenleitung zwischen mindestens einer Elektrode (20, 23) der Pumpzelle und mindestens einer Elektrode (21, 22, 22a) der Konzentrationszelle zumindest weitgehend verhindert und dass die Sperrschicht (24) zwischen der Referenzelektrode (22a) und der ersten Festelektrolytschicht (51) vorgesehen ist.

2. 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.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement im Referenzgaskanal eine der Referenzelektrode (22a) gegenüberliegende zweite Referenzelektrode (22) aufweist.

4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (24) die Ionenleitung zwischen der Referenzelektrode (22, 22a) und der zweiten Pumpelektrode (23) zumindest weitgehend verhindert.

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 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (24) auch zwischen einer Zuleitung (28) der Referenzelektrode (22a) und der ersten Festelektrolytschicht (51) vorgesehen ist.

7. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sperrschicht zumindest bereichsweise zwischen der zweiten und einer dritten Festelektrolytschicht (52, 53) angeordnet ist, wobei die weitere Sperrschicht im Bereich der Messelektrode (21) und der zweiten Referenzelektrode (22) eine Aussparung aufweist.

8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Sperrschicht auch zwischen einer Zuleitung der zweiten Referenzelektrode (22) und der dritten Festelektrolytschicht (53) vorgesehen ist.