DE10054828A1

DE10054828A1 - Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen

Info

Publication number: DE10054828A1
Application number: DE2000154828
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schneider; Harald Neumann; Kurt Bayha
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2002-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement (10, 110, 111) zur Bestimmung von Gaskomponenten mit mindestens einer in einem messseitigen Bereich des Sensorelements (10, 110, 111) angeordneten elektrochemischen Zelle (71, 171, 172), die in einer ersten Schichtebene (61, 161) eine erste Elektrode (31, 131, 133) und in einer zweiten Schichtebene (62, 162) eine zweite Elektrode (32, 132, 134) aufweist. Zwischen der ersten Schichtebene (61, 161) und der zweiten Schichtebene (62, 162) ist mindestens eine ionenleitende Festelektrolytschicht (21, 22; 121, 122; 123, 124) angeordnet. Das Sensorelement (10, 110, 111) enthält eine Heizeinrichtung (40, 140), die zwischen der ersten Schichtebene (61, 161) und der zweiten Schichtebene (62, 162) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 197 46 516 A1 zum Einsatz in der Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren bekannt. Derartige schichtförmig aufgebauten Sensorelemente beinhalten eine potentiometrisch betriebene elektrochemische Zelle, die in einem messseitigen Bereich des Sensorelements eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die auf gegenüberliegenden Großflächen einer Festelektrolytschicht angeordnet sind. Die erste Elektrode steht in Kontakt mit einem Messgas, die zweite Elektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet, der in einer zur Festelektrolytschicht benachbarten weiteren Festelektrolytschicht eingebracht ist.

Zum Betreiben des Sensorelements ist es erforderlich, die Festelektrolytschichten sowie die Elektroden der elektrochemischen Zelle auf eine bestimmte Betriebstemperatur zu heizen. Hierzu ist auf der der zweiten Elektrode abgewandten Seite der weiteren Festelektrolytschicht eine Heizeinrichtung vorgesehen. Die Heizeinrichtung weist ein Heizelement, beispielsweise einen Widerstandsheizer auf, der in eine elektrisch isolierende Schicht eingebettet ist.

Aus der DE 198 03 532 A1 ist weiterhin ein Sensorelement bekannt, das als Breitband-Lambdasonde bezeichnet wird und in dem neben einer potentiometrisch betriebenen elektrochemischen Zelle eine amperometrisch betriebene elektrochemische Zelle vorgesehen ist. Zur Beheizung des Sensorelements ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die unterhalb der beiden elektrochemischen Zellen angeordnet ist.

Bei derartigen Sensorelementen ist die Heizeinrichtung außerhalb der elektrochemischen Zellen angeordnet. Dadurch wird die Festelektrolytschicht der elektrochemischen Zelle ungleichmäßig aufgeheizt. Zudem wird eine der beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle stärker aufgeheizt als die andere Elektrode. Da sowohl der Widerstand der Festelektrolytschicht bezüglich Ionenleitung als auch die Reaktionsgeschwindigkeit des Austauschs des Messgases zwischen Gasphase und Festelektrolytschicht an den sogenannten Drei-Phasen-Grenzen der Elektroden temperaturabhängig ist, kann eine inhomogene Verteilung der Heizleistung aufgrund der unsymmetrischen Lage der Heizeinrichtung in Bezug auf die elektrochemische Zelle zu einer Beeinträchtigung der Sensorfunktion führen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße planare Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Heizleistung der Heizeinrichtung gleichmäßiger auf die elektrochemische Zelle verteilt ist. Weiterhin ist eine geringere Heizleistung nötig, um auf die erforderliche Betriebstemperatur der elektrochemischen Zelle zu erreichen. Zudem kann die elektrochemische Zelle schneller aufgeheizt werden, wodurch das Startverhalten der Sonde verbessert ist.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen planaren Sensorelements möglich.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Schichtebene der Heizeinrichtung eine Aussparung vorgesehen, die ein ionenleitendes Material enthält, oder die Heizeinrichtung ist mit einem ein ionenleitendes Material enthaltenden Rahmen umgeben. Hierdurch ist sichergestellt, dass die elektrochemische Zelle auch in der Schichtebene der Heizeinrichtung eine ausreichende Ionenleitfähigkeit aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Abstand des Heizelements zu den Schichtebenen der beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle zumindest annähernd gleich ist. Hierdurch verteilt sich die Heizleistung besonders gleichmäßig innerhalb der Festelektrolytschicht sowie auf die beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle.

Ist das Heizelement zudem zumindest annähernd zentrisch bezüglich des Schichtaufbaus des gesamten Sensorelements angeordnet, so wird vorteilhaft die Thermoschockempfindlichkeit des Sensorelements vermindert und der Wirkungsgrad des Heizelements erhöht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen der Schnittlinie I-I in der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines planaren Sensorelements, Fig. 2 einen der Schnittlinie II-II in der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels des planaren Sensorelements, Fig. 3 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels und Fig. 4 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines planaren Sensorelements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement 10 mit einer ersten, zweiten, dritten und vierten Festelektrolytschicht 21, 22, 23, 24. Auf der ersten Festelektrolytschicht 21 ist in einer ersten Schichtebene 61 eine erste Elektrode 31 angeordnet, die einem Messgas ausgesetzt ist. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen ist die erste Elektrode 31 mit einer porösen; Schutzschicht 30 überdeckt. Auf die zweite Festelektrolytschicht 22 ist in einer zweiten Schichtebene 62 eine zweite Elektrode 32 angeordnet, die einem Referenzgas in einem Referenzgaskanal 35 ausgesetzt ist. Der Referenzgaskanal 35 ist in die dritte Festelektrolytschicht 23 eingebracht und steht mit einem außerhalb des Sensorelements gelegenen Referenzgasraum in Verbindung (nicht dargestellt).

Die erste und die zweite Elektrode 31, 32 und die erste und zweite Festelektrolytschicht 21, 22 bilden eine elektrochemische Zelle 71, die beispielsweise potentiometrisch betrieben wird. Bei unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck im Messgas und im Referenzgas liegt zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 31, 32 die sogenannte Nernstspannung an, mit der der Sauerstoffpartialdruck im Messgas bestimmt werden kann.

Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Heizleistung zu erreichen, ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 31, 32 in einer weiteren Schichtebene 63 eine Heizeinrichtung 40 vorgesehen. Die Heizeinrichtung 40 enthält ein Heizelement 41 mit Zuleitungen 43 sowie mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 42, wobei das Heizelement 41 in die Schicht 42 eingebettet und somit gegen die die Heizeinrichtung 40 umgebenden Festelektrolytschichten 21, 22 elektrisch isoliert ist. Die Heizeinrichtung 40 ist zumindest annähernd im Zentrum der elektrochemischen Zelle 71 angeordnet, so dass der Abstand der Heizeinrichtung 40 von der ersten Schichtebene 61 und der zweiten Schichtebene 62 zumindest annähernd gleich ist.

Die Heizeinrichtung 40 ist in der in Fig. 2 dargestellten Ebene von einem Rahmen 50 aus einem ionenleitenden Material umgeben. Zudem weist die Heizeinrichtung 40 zumindest in einem messseitigen Bereich des Sensorelements 10 eine Aussparung 51 auf, die ein ionenleitendes Material enthält.

Fig. 3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement 110 mit einer ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Festelektrolytschicht 121, 122, 123, 124, 125, 126.

Auf der ersten Festelektrolytschicht 121 ist eine erste, ringförmige Elektrode 131 angeordnet, die einem außerhalb des Sensorelements 110 befindlichen Gas ausgesetzt ist. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen ist die erste Elektrode 131 mit einer porösen Schutzschicht 130 überdeckt. In die erste Festelektrolytschicht 121 ist ein Gaszutrittsloch 145 eingebracht, das den Zutritt des Messgases in einen in die zweite Festelektrolytschicht 122 eingebrachten, ringförmigen Messgasraum 146 ermöglicht. Zwischen Messgasraum 146 und Gaszutrittsloch 145 ist eine ringförmige Diffusionsbarriere 147 vorgesehen.

Im Messgasraum 146 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 121 eine zweite, ringförmige Elektrode 132 und auf der dritten Festelektrolytschicht 123 in einer ersten Schichtebene 161 eine dritte, ringförmige Elektrode 133 angeordnet. Auf der vierten Festelektrolytschicht 124 ist in einer zweiten Schichtebene 162 in einem in die fünfte Festelektrolytschicht 125 eingebrachten Referenzgaskanal 135 eine vierte Elektrode 134 aufgebracht. Der Referenzgaskanal 135 steht mit einem außerhalb des Sensorelements 110 gelegenen Referenzgasraum in Verbindung (nicht dargestellt).

Die erste und die zweite Elektrode 131, 132 und die erste Festelektrolytschicht 121 bilden eine erste elektrochemische Zelle 171. Die dritte und die vierte Elektrode 133, 134 und die dritte und vierte Festelektrolytschicht 123, 124 bilden eine zweite elektrochemische Zelle 172.

Bei einer sogenannten Breitband-Lambdasonde wird die erste elektrochemische Zelle 171 amperometrisch und die zweite elektrochemische Zelle 172 potentiometrisch betrieben: Bei unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck im Messgas und im Referenzgas liegt zwischen der dritten und der vierten Elektrode 133, 134 die sogenannte Nernstspannung an, mit der der Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 146 bestimmt werden kann. Mit der Nernstspannung wird durch eine außerhalb des Sensorelements gelegene, nicht näher beschriebene Auswerteelektronik die erste elektrochemische Zelle 171 so geregelt, dass durch Hinein- oder Herauspumpen von Sauerstoff in den oder aus dem Messgasraum 146 im Messgasraum 146 ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck vorliegt. Aus dem hierbei auftretenden Pumpstrom kann der Sauerstoffpartialdruck im Messgas ermittelt werden.

Für den Betrieb der Breitband-Lambdasonde ist es erforderlich, die elektrochemischen Zellen möglichst gleichmäßig auf eine vorbestimmte Temperatur zu heizen. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird beim zweiten Ausführungsbeispiel eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Heizleistung in der zweiten elektrochemischen Zelle 172 erreicht, indem eine Heizeinrichtung 140 innerhalb der zweiten elektrochemischen Zelle 172, also in einer weiteren Schichtebene 163 zwischen der dritten und der vierten Elektrode 133, 134, vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 140 enthält ein Heizelement 141 sowie mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 142, wobei das Heizelement 141 in die Schicht 142 eingebettet und somit gegen die die Heizeinrichtung 140 umgebenden Festelektrolytschichten 123, 124 elektrisch isoliert ist. Die Heizeinrichtung 140 ist zumindest annähernd im Zentrum der zweiten elektrochemischen Zelle 172 angeordnet, so dass der Abstand der Heizeinrichtung 140 von der ersten Schichtebene 161 und der zweiten Schichtebene 162 zumindest annähernd gleich ist. Die Heizeinrichtung 140 ist zudem zumindest annähernd im Zentrum des Sensorelements 110 angeordnet, so dass eine homogene Verteilung der Heizleistung der Heizeinrichtung 140 über das gesamte Sensorelement 110 vorliegt.

Die Heizeinrichtung 140 ist von einem Rahmen 150 aus einem ionenleitenden Material umgeben. Zudem weist die Heizeinrichtung 140 in einem messseitigen Bereich des Sensorelements 110 eine Aussparung 151 auf, die mit einem ionenleitenden Material gefüllt ist.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da sich das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel nur in der Abfolge der Schichten unterscheiden, wurden dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform eines Sensorelements 111 ist eine Heizeinrichtung 140 innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle 171 angeordnet. Die erste elektrochemische Zelle 171 weist eine in einer ersten Schichtebene 161 angeordnete erste Elektrode 131, eine erste und eine zweite Festelektrolytfolie 121, 122 sowie eine in einer zweiten Schichtebene 162 angeordnete zweite Elektrode 132 auf. Die Heizeinrichtung 140 ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 121, 122 vorgesehen. In einer dritten Festelektrolytfolie 123 ist ein Messgasraum 146 mit Diffusionsbarriere 147 angeordnet. Ein Gaszutrittsloch 145, das durch eine die erste Elektrode 131 abdeckende Schutzschicht 130, die erste Festelektrolytschicht 121, die Heizeinrichtung 140 sowie die zweite Festelektrolytschicht 122 führt, erlaubt den Zutritt des Messgases zum Messgasraum 146. Eine zweite elektrochemische Zelle 172 weist eine dritte Elektrode 133, eine vierte Festelektrolytfolie 124 sowie eine vierte Elektrode 134 auf. Die vierte Elektrode 134 ist in einem in einer fünften Festelektrolytfolie 125 eingebrachten Referenzgaskanal 135 angeordnet. Die weiteren in Fig. 4 dargestellten Elemente entsprechen den mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten, in Fig. 3 dargestellten Elementen.

Um eine gleichmäßig Verteilung der Heizleistung in der ersten elektrochemischen Zelle 171 zu erreichen, ist die Heizeinrichtung 140 innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle 171 angeordnet, wobei der Abstand der Heizeinrichtung 140 von der ersten Schichtebene 161, in der die erste Elektrode 131 liegt, und von der zweiten Schichtebene 162, in der die zweite Elektrode 132 liegt, zumindest annähernd gleich.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist sowohl innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle 171 als auch innerhalb der zweiten elektrochemischen Zelle 172 eine Heizeinrichtung vorgesehen.

Dadurch, dass in der weiteren Schichtebene 63, 163, in der die Heizeinrichtung 40, 140 angeordnet ist, Bereiche mit ionenleitendem Material 50, 51, 150, 151 vorgesehen sind, ist gewährleistet, dass zwischen den beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle 71, 171, 172, in deren Zentrum sich die Heizeinrichtung 40, 140 befindet, durchgehend eine ausreichende Ionenleitfähigkeit vorhanden ist, so dass die Funktion der elektrochemischen Zelle 71, 171, 172 durch die Heizeinrichtung 40, 140 nichtbeeinträchtigt wird.

Eine ausreichende Ionenleitfähigkeit ist auch bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung gegeben, bei denen die Heizeinrichtung 40, 140 keine Aussparung 51, 151 aufweist und nur im Bereich des Rahmens 50, 150 ionenleitendes Material vorhanden ist, oder bei denen die Heizeinrichtung 40, 140 sich beispielsweise bis zur Außenkante des Sensorelements 10, 110, 111 erstreckt und die Ionenleitung in der Ebene der Heizeinrichtung 40, 140 nur über die Aussparung 51, 151 erfolgt. Die Heizeinrichtung 40, 140 kann auch mehr als eine Aussparung aufweist.

In den genannten Ausführungsbeispielen weisen die Festelektrolytschichten 21, 22, 23, 24, 121, 122, 123, 124, 125, 126 sowie der Rahmen 50, 150 und das die Aussparung 51, 151 auffüllende ionenleitende Material mit Y₂O₃ dotiertes ZrO₂ auf. Die elektrisch isolierende Schicht 42, 142 weist Al₂O₃, das Heizelement 41, 141 weist Pt auf. Die Erfindung kann auf andere planare Sensoren übertragen werden, die andere Materialien, wie zum Beispiel Al₂O₃ und/oder Glaskeramik und/oder Piezokeramik, aufweisen.

Bei den genannten Ausführungsbeispielen kann die Festelektrolytschicht 23, 125, in die der Referenzgaskanal 35, 135 eingebracht ist, eingespart werden, indem beim ersten Ausführungsbeispiel zwischen der zweiten und der vierten Festelektrolytschicht 22, 24 beziehungsweise beim zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel zwischen der vierten und der sechsten Festelektrolytschicht 124, 126 ein gedruckter Referenzgaskanal vorgesehen ist. Hierzu wird die dritte beziehungsweise fünfte Festelektrolytschicht 23, 125 durch Siebdruck eines pastösen keramischen Materials auf eine der benachbarten Festelektrolytschichten 22, 24, 124, 126 ausgeführt. Die Realisierung des Referenzgaskanals 35, 135 erfolgt dadurch, dass beim Siebdruck an der Stelle des Referenzgaskanals 35, 135 beispielsweise eine Glaskohlenpaste aufgedruckt wird, die sich beim nachfolgenden Sintern rückstandslos zersetzt und den Referenzgaskanal 35, 135 zurückläßt. In einer weiteren Ausführungsform ist der Referenzgaskanal 35, 135 mit einem porösen Material gefüllt. Hierzu ist beim Siebdruck an der Stelle des Referenzgaskanals 35, 135 eine Mischung aus einer keramischen Paste und einer Glaskohlenpaste aufzudrucken.

Claims

1. Planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten mit mindestens einer in einem messseitigen Bereich des Sensorelements angeordneten elektrochemischen Zelle, die in einer ersten Schichtebene eine erste und in einer zweiten Schichtebene eine zweite Elektrode aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Schichtebene mindestens eine ionenleitende Festelektrolytschicht angeordnet ist, und mit mindestens einer Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) zwischen der ersten Schichtebene (61, 161) und der zweiten Schichtebene (62, 162) angeordnet ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) in einer weiteren Schichtebene (63, 163) des Sensorelements (10, 110, 111) vorgesehen ist.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) ein Heizelement (41, 141) und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (42, 142) aufweist, wobei das Heizelement (41, 141) in die elektrisch isolierende Schicht (42, 142) eingebettet ist.

4. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Schichtebene (63, 163) der Heizeinrichtung (40, 140) zumindest bereichsweise ein ionenleitendes Material vorgesehen ist.

5. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) zumindest bereichsweise von einem Rahmen (50, 150) umgeben ist, der ein ionenleitendes Material aufweist.

6. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) mindestens eine Aussparung (51, 151) aufweist, in der ein ionenleitendes Material vorgesehen ist.

7. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Heizeinrichtung (40, 140) zu der ersten Schichtebene (61, 161) und zu der zweiten Schichtebene (62, 162) zumindest annähernd gleich ist.

8. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40, 140) zumindest annähernd zentrisch bezüglich des Schichtaufbaus des Sensorelements (10, 110, 111) liegt, so dass eine annähernd homogene Verteilung der Heizleistung der Heizeinrichtung (40, 140) über den Querschnitt des Schichtaufbaus vorliegt.

9. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (71) eine potentiometrisch betriebene Zelle ist, dass die erste Elektrode (31) eine auf einer Außenfläche des Sensorelements (10) angeordnete Elektrode ist, und dass die zweite Elektrode (32) eine in einem Referenzgaskanal (35) angeordnete, einem Referenzgas ausgesetzte Elektrode ist.

10. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Sensorelement (110) angeordnete elektrochemische Zelle (172) eine potentiometrisch betriebene Zelle ist, dass die erste Elektrode (133) eine in einem Messgasraum (146) angeordnete, einem Messgas ausgesetzte Elektrode ist und dass die zweite Elektrode (134) eine in einem Referenzgaskanal (135) angeordnete, einem Referenzgas ausgesetzte Elektrode ist.

11. Sensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (171) eine amperometrisch betriebene Zelle ist, dass die erste Elektrode (131) eine auf einer Außenfläche des Sensorelements (111) angeordnete Elektrode ist und dass die zweite Elektrode (132) eine in einem Messgasraum (146) angeordnete, dem Messgas ausgesetzte Elektrode ist.