DE102004047797A1 - Sensorelement - Google Patents

Sensorelement Download PDF

Info

Publication number
DE102004047797A1
DE102004047797A1 DE102004047797A DE102004047797A DE102004047797A1 DE 102004047797 A1 DE102004047797 A1 DE 102004047797A1 DE 102004047797 A DE102004047797 A DE 102004047797A DE 102004047797 A DE102004047797 A DE 102004047797A DE 102004047797 A1 DE102004047797 A1 DE 102004047797A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
diffusion
gas
sensor element
solid electrolyte
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102004047797A
Other languages
English (en)
Inventor
Berndt Cramer
Bernd Schumann
Jörg Ziegler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102004047797A priority Critical patent/DE102004047797A1/de
Publication of DE102004047797A1 publication Critical patent/DE102004047797A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • G01N27/4072Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) vorgeschlagen, das insbesondere dem Nachweis einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, vorzugsweise der Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, dient. Das Sensorelement (10) enthält mindestens eine elektronische Messzelle, die eine erste Elektrode (31, 131) und eine zweite Elektrode (32, 132) umfasst, die durch einen Festelektrolyten (21, 121, 122, 125) elektrisch verbunden sind. Die zweite Elektrode (32, 132) ist in einem Gasraum (41, 141), der mit dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Messgas über ein erstes Element (61, 161) mit einem katalytisch aktiven Material und ein zweites diffusionsbegrenzendes Element (62, 162) verbunden ist. Das erste Element (61, 161) weist in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge von mindestens 1 mm auf.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
  • Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus Automotive Electronics Handbook, Editor: Ronald Jurgen, Kapitel 6, McGraw-Hill, 1995, bekannt. Das planare Sensorelement weist eine erste und eine zweite Festelektrolytfolie auf, zwischen denen ein Messgasraum eingebracht ist. Dem Messgasraum vorgeschaltet ist eine Diffusionsbarriere. Das außerhalb des Sensorelements befindliche Messgas kann über eine in die erste Festelektrolytfolie eingebrachte Messgasöffnung und über die Diffusionsbarriere in den Messgasraum gelangen.
  • Im Messgasraum ist eine Innenpumpelektrode und eine Nernstelektrode angeordnet. Die Innenpumpelektrode bildet zusammen mit einer auf einer Außenfläche des Sensorelements aufgebrachte Außenpumpelektrode und dem zwischen der Innenpumpelektrode und der Außenpumpelektrode liegenden Bereich der ersten Festelektrolytfolie eine elektrochemische Pumpzelle. Die Nernstelektrode wirkt mit einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und mit dem zwischen der Nernstelektrode und der Referenzelektrode angeordneten Festelektrolyten zusammen; die genannten Elemente bilden eine elektrochemische Nernstzelle, mit der der Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum bestimmt wird. Durch die Pumpzelle wird durch Anlegen einer Pumpspannung derart Sauerstoff in den oder aus dem Messgasraum gepumpt, dass im Messgasraum ein Sauerstoffpartialdruck von ungefähr Lambda = 1 vorliegt. Hierzu wird die Pumpspannung mittels einer Auswerteelektronik so geregelt, dass die an der Nernstzelle anliegende Nernstspannung einem Sollwert von beispielsweise 450 mV entspricht. Bei magerem Abgas wird aufgrund dieser Regelung der gesamte durch die Diffusionsbarriere strömende Sauerstoff durch die Pumpzelle abgepumpt. Da die Menge des durch die Diffusionsbarriere strömenden Sauerstoffs ein Maß für den Sauerstoffpartialdruck des Messgases ist, kann anhand des Pumpstroms auf den Sauerstoffpartialdruck im Messgas geschlossen werden. Bei fettem Abgas diffundieren oxidierbare Bestandteile des Messgases (beispielsweise Kohlenwasserstoffe, H2, CO) durch die Diffusionsbarriere in den Messgasraum. Die oxidierbaren Bestandteile des Messgases reagieren mit dem durch die Pumpzelle in den Messgasraum gepumpten Sauerstoff. Wiederum kann aufgrund des Pumpstroms auf den Sauerstoffpartialdruck im Abgas geschlossen werden.
  • Die beschriebene Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks setzt voraus, dass das Messgas sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Ist dies nicht der Fall, liegen also oxidierbare und reduzierbare Gaskomponenten nebeneinander vor, so wird das Messergebnis verfälscht, da die oxidierbaren und die reduzierbaren Gaskomponenten unterschiedliche Diffusionskonstanten aufweisen und damit unterschiedlich schnell durch die Diffusionsbarriere in den Messgasraum diffundieren. Ein ähnlicher Effekt tritt bei fettem Abgas auf, bei dem neben den Fettgaskomponenten H2, CO und Kohlenwasserstoffen noch Restsauerstoff vorliegt (Mehrkomponentenmessgas). Die Anteile der verschiedenen Komponenten können jedoch variieren. Da die verschiedenen Komponenten unterschiedliche Diffusionskoeffizienten aufweisen, wird das Messergebnis verfälscht. Derartige Ungleichgewichtsmessgase oder Mehrkomponentenmessgase treten insbesondere während der Regenerierungsphase von Dieselpartikelfiltern oder im Fettabgas, beispielsweise während der Regenerierung eines NOx-Speicherkatalysators, auf.
  • Aus der DE 100 13 882 A1 ist bekannt, einen Bereich der Diffusionsbarriere mit einem katalytisch aktiven Material zu beschichten. Durch das katalytisch aktive Material wird die Reaktion der oxidierbaren mit den reduzierbaren Komponenten des Ungleichgewichtsmessgases beschleunigt, so dass das Messgas nach Durchströmen des Bereichs der Diffusionsbarriere mit dem katalytisch aktiven Material im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegt. Das katalytisch aktive Material ist dabei als dünne Schicht auf der Diffusionsbarriere angeordnet, oder das katalytisch aktive Material ist innerhalb der sogenannten Gaszutrittsöffnung vorgesehen. Die Gaszutrittsöffnung ist in eine Festelektrolytfolie eingebracht, auf der auf gegenüberliegenden Seiten die Innenpumpelektrode und die Außenpumpelektrode angeordnet sind. Hierbei ist nachteilig, dass der Diffusionsweg des Messgases durch das katalytisch aktive Material sehr kurz ist und höchstens im Bereich von 0,5 mm liegt. Aufgrund des kurzen Diffusionsweges kann das Messgas nicht vollständig in das thermodynamische Gleichgewicht überführt werden, wodurch das Messsignal verfälscht wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass das Sensorelement den Sauerstoffpartialdruck des Messgases mit einer ausgezeichneten Ansprechgeschwindigkeit messen kann, und dass gleichzeitig eine genaue Messung des Sauerstoffpartialdrucks auch bei sogenanntem Ungleichgewichtsmessgas oder Mehrkomponentenmessgas möglich ist, wenn also das Messgas nicht im thermodynamischen Gleichgewicht und damit in einer weitgehend definierten Zusammensetzung vorliegt.
  • Hierzu ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine erste und eine zweite Elektrode umfasst, die durch einen Festelektrolyten elektrisch verbunden sind und eine elektrochemische Zelle bilden. Die zweite Elektrode ist in einem Gasraum angeordnet, der mit dem außerhalb des Sensorelements befindlichen Messgas über ein erstes Element, das ein katalytisch aktives Material aufweist, und ein zweites diffusionsbegrenzendes Element (Diffusionsbarriere) verbunden ist. Um zu gewährleisten, dass das Messgas beim Eintritt in das zweite Element und in den Gasraum im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegt, weist das erste Element in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge von mindestens 1 mm auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Messgas derart mit dem katalytisch aktiven Material des ersten Bereichs in Wechselwirkung tritt, dass das Messgas ins thermodynamische Gleichgewicht überführt wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch genannten Sensorelements möglich.
  • Das erste Element kann als Hohlraum ausgestaltet sein, dessen Innenwände mit dem katalytisch aktiven Material beschichtet sind. Besonders bevorzugt ist das erste Element porös ausgebildet, wobei das Messgas durch die Poren des porösen ersten Elements diffundiert und dabei mit dem katalytisch aktiven Material in Kontakt kommt. Hierbei ist vorteilhaft, dass das katalytisch aktive Material auf eine kurze Diffusionsstrecke besonders häufig mit dem Messgas in Wechselwirkung treten kann, so dass das Messgas besonders zuverlässig ins thermodynamische Gleichgewicht gebracht wird.
  • Die Beeinträchtigung des Messsignals durch ein Messgas, das nicht vollständig im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegt, konnte besonders wirkungsvoll bei einem Sensorelement vermieden werden, bei dem das erste Element in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge im Bereich von 1,5 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 5 mm, aufweist, oder bei dem das mit einem porösen Material gefüllte Volumen des ersten Elements im Bereich von 1 mm3 bis 20 mm3, insbesondere bei 2 mm3 bis 10 mm3, beispielsweise bei 6 mm3 liegt, oder bei dem das erste Element ein mit einem porösen Material gefüllter Kanal ist, wobei die Höhe des ersten Elements im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere bei 0,3 mm, liegt, und/oder wobei die Breite des ersten Elements im Bereich von 1 mm bis 4 mm, insbesondere bei 3 mm, liegt. Bei einem ersten Element, dessen Längserstreckung parallel zur Schichtebene des Sensorelements liegt, wird unter der Höhe des ersten Elements im Rahmen dieser Schrift die Ausdehnung senkrecht zur Schichtebene des Sensorelements und unter der Breite des ersten Elements die Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Diffusionsrichtung und senkrecht zur Höhe verstanden.
  • Um den Diffusionswiderstand des ersten Elements gering zu halten, ist der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements mindestens doppelt so groß wie der Diffusionsquerschnitt des zweiten Elements. Unter dem Diffusionsquerschnitt wird in dieser Schrift die offene Fläche (also die Fläche, durch die das Gas diffundieren kann) in der Ebene senkrecht zur Diffusionsrichtung verstanden. Bei einem porösen Material entspricht der Diffusionsquerschnitt der Fläche der durch die Poren gebildeten Hohlräume.
  • Besonders bevorzugt ist auf der Seite des ersten Elements, das dem außerhalb des Sensorelements befindlichen Messgas zugewandt ist, eine Verengung vorgesehen, deren Diffusionsquerschnitt kleiner als der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements ist. Das außerhalb des Sensorelements befindliche Messgas weist häufig hohe Strömungsgeschwindigkeiten sowie Pulsationen (Druckstöße) auf, die starke Druckänderungen im Gasraum hervorrufen können. Durch die Verengung werden vorteilhaft diese Strömungen und Pulsationen des Messgases gedämpft und damit die Druckänderungen im Gasraum vermindert. Die Verengung kann beispielsweise durch ein poröses Material mit einem entsprechend niedrigen Porenanteil oder durch einen Kanal mit entsprechend verringertem Querschnitt realisiert werden. Vorzugsweise liegt der Diffusionsquerschnitt der Verengung 10 bis 80 Prozent, insbesondere 20 bis 40 Prozent, des Diffusionsquerschnitts des ersten Elements, oder die Länge der Verengung in Diffusionsrichtung beträgt 10 bis 100 Prozent der Länge des ersten Elements, oder im Bereich der Verengung ist ein poröses Material vorgesehen, dessen mittlere Porendurchmesser im Bereich von 5 bis 20 Prozent des größten Querschnitts der Verengung liegt.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements, 2 einen Schnitt gemäß der Linie II – II in 1, 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements, 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV – IV in 3, 5 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements, und 6 einen Schnitt in der Ebene der 2 und 4 durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die 1 und 2 zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sensorelement 10 mit einer ersten Festelektrolytschicht 21, einer zweiten Festelektrolytschicht 22, einer dritten Festelektrolytschicht 23 und einer vierten Festelektrolytschicht 24. Auf der Seite der ersten Festelektrolytschicht 21, die eine Außenseite des Sensorelements 10 bildet, ist eine dem Messgas ausgesetzte erste Elektrode 31 vorgesehen, die mit einer Schutzschicht (nicht dargestellt) überzogen ist. Der ersten Elektrode 31 gegenüberliegend ist auf der ersten Festelektrolytschicht 21 in einem Gasraum 41 eine zweite Elektrode 32 angeordnet. Der Gasraum 41 ist innerhalb des Sensorelements 10 zwischen der ersten Festelektrolytschicht 21 und der zweiten Festelektrolytschicht 22 angeordnet. Im Gasraum 41 ist – der zweiten Elektrode 32 gegenüberliegend – auf der zweiten Festelektrolytschicht 22 eine dritte Elektrode 33 angeordnet. Der dritten Elektrode 33 gegenüberliegend ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 22 in einem Referenzgasraum 42 eine vierte Elektrode 34 angeordnet. Der Referenzgasraum 42 ist zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 22 und der dritten Festelektrolytschicht 23 vorgesehen und enthält ein Referenzgas, insbesondere mit einem hohen Sauerstoffanteil. Zwischen der dritten und der vierten Festelektrolytschicht 23, 24 ist ein Heizelement 51 angeordnet, mit dem das Sensorelement 10 auf die erforderliche Betriebstemperatur erwärmt werden kann.
  • Der Gasraum 41 ist mit dem außerhalb des Sensorelements 10 befindlichen Messgas über ein erstes Element 61 und ein zweites Element 62 verbunden, wobei das zweite Element 62 zwischen dem ersten Element 61 und dem Gasraum 41 angeordnet ist. Das erste Element 61, das zweite Element 62 und der Gasraum 41 sind in einem sich entlang der Längsachse des Sensorelements 10 und zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 erstreckenden Kanal angeordnet, der durch einen Dichtrahmen 29 seitlich abgedichtet ist.
  • Die Funktionsweise des Sensorelements 10 ist in Automotive Electronics Handbook, Editor: Ronald Jurgen, Kapitel 6, McGraw-Hill, 1995, beschrieben.
  • Das in den 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass sich sich das erste Element 61 ausgehend vom zweiten Element 62 zunächst entlang der Längsachse des Sensorelements 10 und zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 erstreckt und anschließend durch eine Öffnung in der ersten Festelektrolytschicht 21 bis zur Außenseite des Sensorelements 10 verläuft.
  • Das in der 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel unter anderem dadurch, dass die Elektroden und die Diffusionsbarriere ringförmig ausgestaltet sind.
  • Das Sensorelement 110 gemäß dem in 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel weist eine erste Festelektrolytschicht 121, eine zweite Festelektrolytschicht 122, eine dritte Festelektrolytschicht 123 und eine vierte Festelektrolytschicht 124 sowie eine Zwischenschicht 125 aus einem Festelektrolyten auf. Auf der Außenfläche der ersten Festelektrolytschicht 121 ist die ringförmige erste Elektrode 131 angeordnet. Zwischen der zweiten und der dritten Festelektrolytschicht 122, 123 ist ein Gasraum 141 vorgesehen. Im Gasraum 141 ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 122 eine ringförmige zweite Elektrode 132 angeordnet. In der Schichtebene des Gasraums 141 ist weiterhin eine Referenzgasraum 142 vorgesehen, in dem auf der zweiten Festelektrolytschicht 122 eine dritte Elektrode 133 angeordnet ist, die einem Referenzgas mit einem hohen Sauerstoffanteil ausgesetzt ist.
  • Das außerhalb des Sensorelements befindliche Gas kann über ein erstes Element 161 und ein zweites Element 162 in den Gasraum 141 gelangen. Das erste Element 161 erstreckt sich in einem ersten Abschnitt in der Schichtebene zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 121, 122 parallel zur Längsachse des Sensorelements 10 und verläuft anschließend durch eine Öffnung in der zweiten Festelektrolytschicht 122 bis in die Mitte des ringförmigen zweiten Elements 162. Das zweite Element 162 ist innerhalb des ringförmigen Gasraums 141 zwischen der zweiten und der dritten Festelektrolytschicht 122, 123 angeordnet. Der Gasraum 141 ist somit über das zweite Element 162 und das erste Element 161 mit dem außerhalb des Sensorelements 10 befindlichen Gas verbunden.
  • Das erste Element 161 ist im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 121, 122 seitlich von der Zwischenschicht 125 umgeben.
  • Die erste und die zweite Elektrode 131, 132 sind durch die erste Festelektrolytschicht 121, die Zwischenschicht 125 und die zweite Festelektrolytschicht 122 elektrisch verbunden.
  • Zwischen der dritten und der vierten Festelektrolytschicht ist weiterhin ein Heizelement 151 vorgesehen, das einen Heizleiter 152 umfasst, der durch eine Heizerisolation 153 von den umgebenden Schichten 123, 124 isoliert ist. Der Heizleiter 152 und die Heizerisolation 153 sind seitlich von einem Heizerdichtrahmen 154 umgeben. Der Aufbau des Heizelements 51 des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem Heizelement 151 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Das erste Element 61, 161 ist ein mit einem porösen Material gefüllter Kanal, der sich zumindest bereichsweise in einer Schichtebene, also parallel zu den Großflächen der Festelektrolytfolien 21, 22, 23, 24, 121, 122, 123, 124 erstreckt. Das poröse Material enthält als katalytisch aktives Material ein Edelmetall beziehungsweise eine Edelmetall enthaltende Mischung oder Legierung. Als Edelmetalle werden beispielsweise Platin, Rhodium oder Palladium oder eine Mischung oder Legierung der genannten Elemente verwendet. Als Stützgerüst für das katalytisch aktive Material kann eine poröse Keramik, die beispielsweise Aluminiumoxid enthält, vorgesehen sein, wobei das katalytisch aktive Material in den Poren der porösen Stützkeramik vorgesehen ist.
  • Das außerhalb des Sensorelements befindliche Messgas diffundiert durch das erste Element 61, 161 zum zweiten Element 62, 162 und dann in den Gasraum 41, 141. Die Diffusionsstrecke durch das erste Element 61, 161 liegt bei 3 mm. Der Kanal, in dem das erste Element 61, 161 angeordnet ist, weist eine Querschnittsfläche (also die von der Innenbegrenzung eingeschlossene Fläche senkrecht zur Längserstreckung) von ungefähr 0,4 mm2 auf, wobei die Höhe bei ungefähr 0,2 mm und die Breite bei ungefähr 2 mm liegt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 und dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der 5 weist das erste Element 61, 161 einen Abschnitt mit einer Längserstreckung senkrecht zur Schichtebene des Sensorelements 10 auf, der sich durch eine Öffnung in einer der Festelektrolytschichten erstreckt. In diesem Abschnitt, der bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, liegt die Querschnittsfläche ebenfalls ungefähr bei 0,4 mm2.
  • Das zweite diffusionsbegrenzende Element 62, 162 ist eine Diffusionsbarriere, deren Diffusionsquerschnitt deutlich geringer als der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements 61, 161 ist. Der Diffusionsquerschnitt des zweiten Elements 62, 162 liegt beispielsweise bei ungefähr 0.1 mm2, während der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements 61, 161 bei 0,35 mm2 liegt. Der Diffusionswiderstand, der die Diffusion des Gases in den Gasraum 41, 141 begrenzt, ist daher im wesentlichen durch den Diffusionswiderstand des zweiten Elements 62, 162 gegeben.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben, das sich auf die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5 übertragen lässt. Die Schnittebene der 6 entspricht der Schnittebene der 2 und 4. Auf der dem zweiten Element 62 abgewandten Seite des ersten Element 61 ist eine Verengung 71 vorgesehen. Die Verengung 71 weist einen geringeren Diffusionsquerschnitt als das erste Element 61 auf. Hierzu weist die Verengung 71 einen geringere Querschnittsfläche als der Kanal auf, in dem das erste Element 61 angeordnet ist. Die Länge (entlang der Diffusionsrichtung) der Verengung 71 beträgt 50 Prozent der Länge des ersten Elements 61, und die Querschnittsfläche der Verengung 71 beträgt 30 Prozent der Querschnittsfläche des ersten Elements 61.
  • Alternativ kann die Verengung mit einem porösen Material gefüllt sein, dessen Porenanteil geringer ist als der Porenanteil des ersten Elements.
  • Der Kanal, in dem das erste Element angeordnet ist, kann auch, insbesondere in der Schichtebene der Festelektrolytfolien, schlangenförmig oder mäanderförmig ausgebildet sein, um so den Diffusionsweg innerhalb des ersten Elements zu verlängern.
  • Die Erfindung lässt sich auch auf ein Sensorelement übertragen, das zwei parallel geschaltete elektrochemische Zellen aufweist, wobei die eine elektrochemische Zelle ein erfindungsgemäßes erstes Element aufweist, das dem zweiten Element (Diffusionsbarriere) vorgeschaltet ist, und wobei bei der anderen elektrochemischen Zelle ein derartiges katalytisch aktives erstes Element nicht vorgesehen ist.

Claims (12)

  1. Sensorelement (10), insbesondere zum Nachweis einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, vorzugsweise zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer elektrochemischen Messzelle, die eine erste Elektrode (31, 131) und eine zweite Elektrode (32, 132) umfasst, die durch einen Festelektrolyten (21, 121, 122, 125) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Elektrode (32, 132) in einem Gasraum (41, 141) angeordnet ist, der mit dem außerhalb des Sensorelements (10, 110) befindlichen Messgas über ein erstes, ein katalytisch aktives Material aufweisendes Element (61, 161) und ein zweites diffusionsbegrenzendes Element (62, 162) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (61, 161) in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge von mindestens 1 mm aufweist.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (61, 161) und/oder das zweite Element (62, 162) zumindest bereichsweise porös ausgebildet ist.
  3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (61, 161) in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge im Bereich von 1,5 mm bis 20 mm, insbesondere im Bereich von 2 mm bis 5 mm, aufweist.
  4. Sensorelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil des ersten Elements (61, 161) mindestens doppelt so groß ist wie der Porenanteil des zweiten Elements (62, 162).
  5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einem porösen Material gefüllte Volumen des ersten Elements (61, 161) im Bereich von 1 mm3 bis 20 mm3, insbesondere im Bereich von 2 mm3 bis 10 mm3, liegt.
  6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements (61, 161) mindestens doppelt so groß wie der Diffusionsquerschnitt des zweiten Elements (62, 162) ist.
  7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (61, 161) ein mit einem porösen Material gefüllter Kanal ist, und dass die Höhe des ersten Elements (61, 161) im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere bei 0,3 mm, liegt, und/oder dass die Breite des ersten Elements (61, 161) im Bereich von 1 mm bis 4 mm, insbesondere bei 3 mm, liegt.
  8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (62, 162) zwischen dem ersten Element (61, 161) und dem Gasraum (41, 141) angeordnet ist.
  9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Messgas zugewandten Seite des ersten Elements (61, 161) eine Verengung (71) vorgesehen ist, deren Diffusionsquerschnitt kleiner ist als der Diffusionsquerschnitt des ersten Elements (61, 161).
  10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsquerschnitt der Verengung (71) 10 bis 80 Prozent, insbesondere 20 bis 40 Prozent, des Diffusionsquerschnitts des ersten Elements (61, 161) beträgt, und/oder dass die Länge der Verengung (71) in Diffusionsrichtung 10 bis 100 Prozent der Länge des ersten Elements (61, 161) beträgt.
  11. Sensorelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verengung (71) ein poröses Material vorgesehen ist, dessen mittlere Porendurchmesser im Bereich von 5 bis 20 Prozent des größten Querschnitts der Verengung (71) liegt.
  12. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (61, 161) und/oder das zweite Element (62, 162) zumindest bereichsweise in der Schichtebene des Messgasraum (41, 141) vorgesehen ist.
DE102004047797A 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement Withdrawn DE102004047797A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004047797A DE102004047797A1 (de) 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10345142.0 2003-09-29
DE10345142 2003-09-29
DE102004047797A DE102004047797A1 (de) 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004047797A1 true DE102004047797A1 (de) 2005-04-14

Family

ID=34306137

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004047796A Withdrawn DE102004047796A1 (de) 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement
DE102004047797A Withdrawn DE102004047797A1 (de) 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004047796A Withdrawn DE102004047796A1 (de) 2003-09-29 2004-09-29 Sensorelement

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20050067282A1 (de)
EP (1) EP1673618A1 (de)
JP (2) JP4739716B2 (de)
DE (2) DE102004047796A1 (de)
WO (1) WO2005033690A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008001697A1 (de) 2008-05-09 2009-11-12 Robert Bosch Gmbh Auswerte- und Steuereinheit für eine Breitband-Lambdasonde
WO2011054577A1 (de) * 2009-11-03 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Sensor zum detektieren einer komponente eines gasgemischs

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7611612B2 (en) * 2005-07-14 2009-11-03 Ceramatec, Inc. Multilayer ceramic NOx gas sensor device
DE102006062060A1 (de) * 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit innen liegender Anode
DE102006062056A1 (de) * 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit unterdrückter Fettgasreaktion
DE102007053425A1 (de) 2007-11-09 2009-05-14 Robert Bosch Gmbh Gassensor mit verringerten Alterungseffekten
DE102009029415A1 (de) * 2009-09-14 2011-03-24 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit mehrteiliger Diffusionsbarriere
DE102011005516A1 (de) 2011-03-14 2012-09-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases
JP6731283B2 (ja) * 2016-05-11 2020-07-29 株式会社Soken ガスセンサ
JP7303617B2 (ja) * 2018-09-18 2023-07-05 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング ガスセンサ

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4199425A (en) * 1978-11-30 1980-04-22 General Motors Corporation Solid electrolyte exhaust gas sensor with increased NOx sensitivity
JPS55155859A (en) * 1979-05-25 1980-12-04 Towa Kogyo Kk Method of waterproofing
JPS61194345A (ja) * 1985-02-23 1986-08-28 Ngk Insulators Ltd ガス濃度検出方法
JPH0672861B2 (ja) * 1986-08-04 1994-09-14 日本碍子株式会社 NOxセンサ
US5538612A (en) * 1987-12-09 1996-07-23 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Oxygen sensor element
JPH05264501A (ja) * 1992-03-23 1993-10-12 Nissan Motor Co Ltd 炭化水素濃度の計測装置
US5672811A (en) * 1994-04-21 1997-09-30 Ngk Insulators, Ltd. Method of measuring a gas component and sensing device for measuring the gas component
JP3511468B2 (ja) * 1994-04-21 2004-03-29 日本碍子株式会社 被測定ガス中のNOx濃度の測定方法
US5709787A (en) * 1994-09-30 1998-01-20 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Wide-range air fuel ratio oxygen sensor
JP3450084B2 (ja) * 1995-03-09 2003-09-22 日本碍子株式会社 可燃ガス成分の測定方法及び測定装置
JP3481344B2 (ja) * 1995-04-19 2003-12-22 日本碍子株式会社 排ガス浄化用触媒の劣化検知方法及びそのためのシステム
JP3610182B2 (ja) * 1997-03-27 2005-01-12 日本碍子株式会社 ガスセンサ
JP3841513B2 (ja) * 1997-04-23 2006-11-01 松下電器産業株式会社 炭化水素センサ
EP0938666A1 (de) * 1997-09-15 1999-09-01 Heraeus Electro-Nite International N.V. Gassensor
US6153071A (en) * 1998-06-03 2000-11-28 Ford Global Technologies, Inc. Exhaust oxygen sensing
DE19851949C5 (de) * 1998-11-11 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Sensor für die Untersuchung von Abgasen und Untersuchungsverfahren
DE19941051C2 (de) * 1999-08-28 2003-10-23 Bosch Gmbh Robert Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben
DE10013881B4 (de) * 2000-03-21 2007-01-11 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit katalytisch aktiver Schicht und Verfahren zur Herstellung desselben
DE10013882A1 (de) * 2000-03-21 2001-10-04 Bosch Gmbh Robert Sensorelement mit Vorkatalyse
US6773565B2 (en) * 2000-06-22 2004-08-10 Kabushiki Kaisha Riken NOx sensor
JP2002005883A (ja) * 2000-06-22 2002-01-09 Riken Corp 窒素酸化物ガスセンサ
US6579436B2 (en) * 2000-12-18 2003-06-17 Delphi Technologies, Inc. Gas sensor and method of producing the same
DE10121889C2 (de) * 2001-05-05 2003-07-24 Bosch Gmbh Robert Sensorelement
US7153412B2 (en) * 2001-12-28 2006-12-26 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Electrodes, electrochemical elements, gas sensors, and gas measurement methods

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008001697A1 (de) 2008-05-09 2009-11-12 Robert Bosch Gmbh Auswerte- und Steuereinheit für eine Breitband-Lambdasonde
EP2277035B1 (de) 2008-05-09 2016-11-30 Robert Bosch GmbH Eine auswerte- und steuereinheit für eine breitband-lamdasonde
WO2011054577A1 (de) * 2009-11-03 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Sensor zum detektieren einer komponente eines gasgemischs
US8785985B2 (en) 2009-11-03 2014-07-22 Robert Bosch Gmbh Sensor for detecting a component of a gas mixture

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004047796A1 (de) 2005-04-14
EP1673618A1 (de) 2006-06-28
WO2005033690A1 (de) 2005-04-14
JP4739716B2 (ja) 2011-08-03
JP2005106817A (ja) 2005-04-21
US20050067282A1 (en) 2005-03-31
JP2007506948A (ja) 2007-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69535008T2 (de) Messverfahren zur Bestimmung der NOx Konzentration in einem Gas
DE19941051C2 (de) Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben
DE4311849C2 (de) Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen von Gasgemischen
EP1166096B1 (de) Elektrochemischer gassensor
DE19938416A1 (de) Mehrlagiges Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Fühlerelement
DE112008003323B4 (de) Luftbrennstoffverhältnissensor und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor
DE10121771C2 (de) Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements
DE102004047797A1 (de) Sensorelement
EP1240506B1 (de) Gassensor zur bestimmung der konzentration von gaskomponenten in gasgemischen und dessen verwendung
DE19930636A1 (de) Elektrochemischer Gassensor und Verfahren zur Bestimmung von Gaskomponenten
DE19652968C2 (de) Meßanordnung zur Bestimmung von Gasbestandteilen in Gasgemischen
EP0738386A1 (de) Elektrochemischer messfühler zur bestimmung von stickoxiden in gasgemischen
DE3624217C2 (de)
DE10035036C1 (de) Elektrochemisches Sensorelement
EP1342078A2 (de) Sensorelement eines gassensors
DE10151328B4 (de) Gasmessfühler
DE3615960A1 (de) Fuehler zur ermittlung eines luft-kraftstoff-verhaeltnisses
EP1747452B1 (de) Festelektrolyt-sensorelement mit diffusionsbarriere
DE102004049874A1 (de) Gasmessfühler
WO2011029671A1 (de) Sensorelement mit mehrteiliger diffusionsbarriere
DE10308395A1 (de) Sensorelement eines Gassensors
WO2001071332A1 (de) Sensorelement mit katalytisch aktiver schicht und verfahren zur herstellung desselben
DE10346858B3 (de) Sensorelement für einen Messfühler
DE10232355B4 (de) Elektrochemischer Messfühler zur Messung der Konzentration von Stickoxiden
DE102005056522A1 (de) Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20110808

R084 Declaration of willingness to licence
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee