DE102004057687A1

DE102004057687A1 - Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102004057687A1
Application number: DE200410057687
Authority: DE
Inventors: Walter Strassner; Lothar Diehl; Jürgen Schwarz; Marcus Scheffel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-01

Abstract

Es wird ein Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle aufweist, die eine erste und eine zweite Elektrode (20, 23) umfasst, wobei die erste Elektrode (20) in einem Messgasraum (13) des Sensorelements angeordnet ist und wobei die Pumpzelle Sauerstoff in den Messgasraum (13) des Sensorelements hinein- oder herauspumpt. Die Flächenausdehnung der zweiten Elektrode (23) ist größer als die der ersten Elektrode (20) und die zweite Elektrode (23) weist eine Diffusionsbarriere (26) gegenüber dem zur zweiten Elektrode (23) diffundierenden Gasgemisch auf, deren Diffusionswiderstand bedingt durch deren Porosität und/oder Schichtdicke so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen, an die erste und zweite Elektrode (20, 23) angelegten Pumpspannung im Wesentlichen der gleiche zwischen den Elektroden (20, 23) fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Elektroden (20, 23) identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Flächenausdehnungen aufweisen würden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Es sind Sensorelemente zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren bekannt, die aus einem planaren Festelektrolytkörper gebildet sind und eine elektrochemische Pumpzelle sowie eine mit dieser zusammenwirkende elektrochemische Nernst- oder Konzentrationszelle aufweisen. Derartige Sauerstoffsensoren werden auch als Breitband-Lambdasonden bezeichnet.
Mit Hilfe der Elektroden der Pumpzelle wird aus einem Messgasraum des Sensors Sauerstoff in den Abgasstrom gepumpt oder vom Abgasstrom in den Messgasraum. Dazu ist eine der Pumpelektroden im Messgasraum und die andere auf einer dem Abgasstrom ausgesetzten Außenfläche des Sensorelements aufgebracht. Die Elektroden der Konzentrationszelle sind so angeordnet, dass eine sich ebenfalls im Messgasraum befindet, die andere dagegen in einem üblicherweise mit Luft gefüllten Referenzgaskanal. Diese Anordnung ermöglicht den direkten Vergleich des Sauerstoffpotentials der Messelektrode im Messgasraum mit dem Referenz-Sauerstoffpotential der Referenzelektrode in Form einer an der Konzentrationszelle anliegenden, messbaren Spannung. Messtechnisch wird die an die Elektroden der Pumpzelle anzulegende Pumpspannung so gewählt, dass an der Konzentrationszelle ein vorbestimmter Spannungswert eingehalten wird. Als ein der Sauerstoffkonzentration proportionales Messsignal des Sensorelements wird der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom herangezogen.
Diese Steuerung bewirkt, dass bei Lambdawerten < 1 im Gasgemisch Sauerstoff von der äußeren, auf einer Großfläche des Sensorelements angeordneten Pumpelektrode zu der inneren, in einem Messgasraum im Inneren des Sensorelements vorgesehenen Pumpelektrode transportiert wird und bei Lambdawerten > 1 Sauerstoff von der inneren zur äußeren Pumpelektrode. Es kommt somit bei Lambda = 1 zu einer Umpolung der Pumpelektroden und zu einer kurzzeitigen Ladungsverschiebung innerhalb des ionenleitenden Festelektrolytmaterials, wodurch eine Spannung an der die Pumpzelle steuernden Konzentrationszelle induziert wird. Neben der Umpolung der extern angelegten Pumpspannung baut sich beim Übergang von Lambdawerten > 1 zu Lambdawerten < 1 ein elektrochemisches Potential bzw. ein Nernstspannung zwischen äußerer und innerer Pumpelektrode auf, die beim Übergang von Lambdawerten < 1 zu Lambdawerten > 1 wieder verschwindet. Diese Vorgänge führen zu einer kurzzeitigen Störung der Steuerung der elektrochemischen Pumpzelle und somit zu einer Gegenschwing- oder Überschwingerscheinung des Messsignals des Sensorelements bei sprunghaften Änderungen der Zusammensetzung des Gasgemischs. Dies wird als sogenannte Lambda = 1-Welligkeit bezeichnet.

Zur Lösung dieses Problems wurde beispielsweise in der DE 198 05 023 A1 vorgeschlagen, die Schutzschicht, die die äußere Pumpelektrode gegenüber dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt, zweischichtig auszuführen, wobei die dabei resultierende Schutzschicht eine größere Schichtdicke und somit einen höheren Diffusionswiderstand gegenüber eindiffundierenden Gasen aufweist. Auf diese Weise tritt die Umpolung an der äußeren Pumpelektrode langsamer ein und es ist eine Dämpfung der Lambda = 1-Welligkeit zu beobachten. Die Verwendung einer dichteren Schutzschicht führt jedoch zu einem erhöhten Pumpspannungsbedarf, der einem Langzeitbetrieb des Sensorelements weiter ansteigen und so die Ansteuerungselektronik des Sensorelements überfordern kann.

Weiterhin ist es aus der DE 101 51 328 A1 bekannt, zur Lösung des Problems der Lambda = 1-Welligkeit die Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode im Vergleich zu der der inneren Pumpelektrode deutlich zu verkleinern und auf diese Weise die Zahl der Ladungsträger im Bereich der äußeren Pumpelektrode zu vermindern. Eine kleinere Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode ist jedoch unerwünscht, da auf diese Weise die Auswirkungen lokaler Korrosionserscheinungen an dieser Elektrode messtechnisch stärker ins Gewicht fallen und ein höherer Pumpspannungsbedarf resultiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement bereitzustellen, das bei dynamischen Veränderungen der Zusammensetzung eines Gasgemischs im wesentlichen keine Lambda = 1-Welligkeit zeigt und dennoch die im Stand der Technik auftretenden Nachteile vermeidet

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement und das erfindungsgemäße Verfahren mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Bestimmung von Gaskomponenten eines Gasgemischs auch bei sich verändernder Zusammensetzung des Gasgemischs unter Vermeidung des Auftretens von Signal-Überschwingern (Lambda = 1-Welligkeit) ermöglicht wird. Gleichzeitig werden exakte Messsignale erhalten und eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Sensorelements erreicht. Dabei ist die Flächenausdehnung einer äußeren Pumpelektrode des Sensorelements größer als die einer inneren Pumpelektrode ausgeführt und die äußere Pumpelektrode mittels einer Diffusionsbarriere gegenüber einem zu der äußeren Pumpelektrode diffundierenden Gasgemisch abgeschirmt, wobei der Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen, an die äußere und die innere Pumpelektrode angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Pumpelektroden fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Pumpelektroden identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Großflächen aufweisen würden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensorelements bzw. Verfahrens möglich.

So ist es von Vorteil, wenn die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der äußeren Pumpelektrode 1,5 bis 6 mal so groß ist wie die der inneren Pumpelektrode.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Diffusionsbarriere als poröse keramische Schicht aus Zirkondioxid ausgeführt ist, da auf diese Weise die Diffusionsbarriere kostengünstig und langzeitstabil ausgeführt werden kann und gleichzeitig einen Beitrag zur ionenleitfähigen Anbindung der äußeren Pumpelektroden an das umgebende Festelektrolytmaterial leistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der äußeren Pumpelektrode eine Ausdehnung von 6 bis 10 mm² auf.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Sensorelement ein messgasseitiges Ende und ein halterungsseitiges Ende, wobei die Ausdehnung der dem Gasgemisch ausgesetzten Großfläche der äußeren Pumpelektrode in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements zunimmt. Auf diese Weise wird bei üblichen Sensorelementen eine möglichst große Distanz zwischen dem Flächenschwerpunkt der äußeren Pumpelektrode und einer in das Sensorelement integrierten Referenzelektrode realisiert.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Längsschnitt durch ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 eine Aufsicht auf die Großfläche des Sensorelements gemäß 1 und 3 eine Aufsicht auf die Großfläche eines Sensorelements gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels.

1 und 2 zeigen einen prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit 10 ist ein planares Sensorelement eines elektrochemischen Gassensors bezeichnet, das beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c, 11d und 11e aufweist. Die Festelektrolytschichten 11a, 11c und 11e werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂.
Die Festelektrolytschichten 11b und 11d wird dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11c und 11d bestehen.
Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit den Festelektrolytschichten 11b, 11d und mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Das Sensorelement 10 beinhaltet einen inneren Gasraum in Form des Messgasraums 13. Dieser ist beispielsweise kreisringförmig ausgeführt und steht über eine Öffnung 25 mit der Gasgemischatmosphäre in Verbindung. Die Öffnung 25 ist vorzugsweise in der Festelektrolytschicht 11a senkrecht zur Oberfläche des Sensorelements 10 angebracht.
Auf der dem Gasgemisch unmittelbar zugewandten Großfläche des Sensorelements 10 ist auf der Festelektrolytschicht 11a eine äußere Pumpelektrode 23 angeordnet, die mit einer porösen Schutzschicht 26 bedeckt ist und die vorzugsweise kreisringförmig um die Öffnung 25 herum angeordnet ist. Auf der dem Messgasraum 13 zugewandten Seite der Festelektrolytschicht 11a befindet sich eine dazugehörige innere Pumpelektrode 20, die angepasst an die kreisringförmige Geometrie des Messgasraums 13 ebenfalls kreisringförmig ausgeführt ist. Beide Pumpelektroden 20, 23 bilden zusammen eine elektrochemische Pumpzelle.
Gegenüber der inneren Pumpelektrode 20 befindet sich im Messgasraum 13 eine Messelektrode 21. Auch diese ist beispielsweise kreisringförmig ausgeführt. Eine dazugehörige Referenzelektrode 22 ist in einem Referenzgaskanal 15 angeordnet. Dieser ist vorzugsweise in die gleiche Festelektrolytschicht 11b integriert wie der Messgasraum 13 und beispielsweise mit einem porösen keramischen Material ausgefüllt. Alternativ kann der Referenzgaskanal 15 auch als mit einer Referenzgasatmosphäre in Kontakt stehender Hohlraum ausgeführt sein. Mess- und Referenzelektrode 21, 22 bilden zusammen eine Nernst- bzw. Konzentrationszelle.
Innerhalb des Messgasraums 13 ist in Diffusionsrichtung des Gasgemischs der inneren Pumpelektrode 20 und der Messelektrode 21 eine poröse Diffusionsbarriere 27 vorgelagert. Die poröse Diffusionsbarriere 27 bildet einen Diffusionswiderstand bezüglich des zu den Elektroden 20, 21 diffundierenden Gasgemischs aus. Im Falle eines mit einem porösen keramischen Materials gefüllten Referenzgaskanals 15 besteht die Diffusionsbarriere 27 und die Füllung des Referenzgaskanals 15 beispielsweise aus dem gleichen Material, um eine rationelle Herstellung in einem Prozessschritt zu ermöglichen.
Die äußere Pumpelektrode 23 wird durch eine in 2 dargestellte Leiterbahn 30 kontaktiert, die auf der Oberfläche der Festelektrolytschicht 11a aufgebracht ist. Zur elektrischen Isolierung befindet sich zwischen der Festelektrolytschicht 11a und der Leiterbahn 30 eine beispielsweise aus Aluminiumoxid ausgeführte Isolierschicht 32. Die Kontaktierung der Messelektrode 21 und der Referenzelektrode 22 erfolgt ebenfalls über Leiterbahnen, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind und die zwischen den Festelektrolytschichten 11b und 11c geführt und über nicht dargestellte Durchkontaktierungen mit der Großfläche des Sensorelements verbunden sind.
Um zu gewährleisten, dass an den Elektroden des Sensorelements eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Gasgemischkomponenten erfolgt, bestehen vorzugsweise alle verwendeten Elektroden aus einem katalytisch aktiven Material, wie beispielsweise Platin, wobei das Elektrodenmaterial für alle Elektroden in an sich bekannter Weise als Cermet eingesetzt wird, um mit den keramischen Folien zu versintern.
Des weiteren ist ein Widerstandsheizer 40 in die Festelektrolytschicht 11d integriert und in eine elektrische Isolation 41, beispielsweise aus Al₂O₃, eingebettet. Mittels des Widerstandsheizers 40 wird das Sensorelement 10 auf eine entsprechende Betriebstemperatur von beispielsweise 750°C erhitzt.
Die innere und die äußere Pumpelektrode 20, 23 bilden zusammen eine Pumpzelle. Diese bewirkt einen Sauerstofftransport aus dem Messgasraum 13 hinaus bzw. hinein. Die Messelektrode 21 und die Referenzelektrode 22 sind als Konzentrationszelle zusammengeschaltet. Diese ermöglicht einen direkten Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im Messgasraum 13 abhängigen Sauerstoffpotentials der Messelektrode 21 mit dem konstanten Sauerstoffpotential der Referenzelektrode 22 in Form einer messbaren elektrischen Spannung. Die Höhe der an die Pumpzelle anzulegenden Pumpspannung wird so gewählt, dass sich an der Konzentrationszelle eine konstante Spannung beispielsweise von 450 mV einstellt. Als ein der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportionales Messsignal wird der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom herangezogen.
Wie bereits eingangs erwähnt erfolgt die Steuerung der elektrochemischen Pumpzelle in einer Weise, dass bei Lambdawerten < 1 im Gasgemisch Sauerstoff von der äußeren zur inneren Pumpelektrode transportiert wird und bei Lambdawerten > 1 Sauerstoff von der inneren zur äußeren Pumpelektrode. Es kommt somit bei Lambda = 1 zu einer Umpolung der Pumpelektroden 20, 23 mit dem unerwünschten Effekt einer Gegenschwing- oder Überschwingerscheinung des Messsignals, die als sogenannte Lambda = 1-Welligkeit bezeichnet wird.
Es wird nun vorgeschlagen, die Schutzschicht 26 mit einem höheren Diffusionswiderstand zu versehen und gleichzeitig die Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode 23 zu vergrößern. Dies geschieht in einem Ausmaß, dass der sich aus dem größeren Diffusionswiderstand der Schutzschicht 26 ergebende Bedarf einer höheren Pumpspannung an der Pumpzelle durch eine entsprechende Vergrößerung der Flächenausdehnung der äußeren Pumpelektrode 23 im wesentlichen eliminiert wird und sich bei Anlegen einer vorgegebenen Pumpspannung der im wesentlichen gleiche Pumpstrom einstellt wie bei einem Sensorelement, bei dem innere und äußere Pumpelektrode vergleichbar dimensioniert sind und die äußere Pumpelektrode mit einer gängigen porösen keramischen Schutzschicht überzogen ist.
Während die Flächenausdehnung der innere Pumpelektrode 20 beispielsweise ca. 2,7 mm² beträgt wird für die äußere Pumpelektrode 23 beispielsweise eine Flächenausdehnung von 6 bis 10 mm² vorgesehen. Das Verhältnis der Fläche der äußeren Pumpelektrode 23 zur Fläche der inneren Pumpelektrode 20 beträgt vorzugsweise 3 bis 6, insbesondere 2 bis 5. Der sich zwischen den Pumpelektroden 20, 23 einstellende Pumpstrom beträgt beispielsweise bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 hPa 180 μA.
Um den Diffusionswiderstand der Schutzschicht 26 zu vergrößern, kann entweder deren Porosität verringert oder deren Schichtdicke vergrößert werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 26 zweischichtig ausgeführt, wobei ein poröser Anteil 26a sowie ein wenig poröser Anteil 26b vorgesehen ist. Die Schutzschicht 26 ist so ausgeführt, dass die äußere Pumpelektrode 23 im wesentlichen bedeckt ist. Die Schutzschicht 26 kann dabei im Bereich der Öffnung 25 eine Durchbrechung aufweisen, es ist jedoch auch möglich, auf diese Durchbrechung zu verzichten.
In 3 ist eine Variante des in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels abgebildet. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren. Die in 3 gezeigte äußere Pumpelektrode 23 zeichnet sich durch ein Flächenschwerpunkt aus, der in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements 10 orientiert ist. Hintergrund dieser Anordnung ist, das dabei ein möglichst großer Abstand des Flächenschwerpunkts der äußeren Pumpelektrode 23 zum Flächenschwerpunkt der Referenzelektrode 22 erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Sensorelement und das Verfahren zu seiner Herstellung sind nicht auf die aufgeführten konkreten Ausgestaltungsmöglichkeiten beschränkt, sondern es sind weitere Ausführungsformen denkbar, die weitere Messelektroden, Festelektrolytschichten etc. beinhalten. Weiterhin kann die beschriebene Ausführung der äußeren Pumpelektrode bzw. ihrer Schutzschicht auch bei Sensorelementen angewandt werden, die der Bestimmung anderer Gase wie beispielsweise Stickoxide, Schwefeloxide, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe dienen.

Claims

Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer Pumpzelle, die eine erste und eine zweite Elektrode (20, 23) umfasst, wobei die erste Elektrode (20) in einem Messgasraum (13) des Sensorelements angeordnet ist, und wobei die Pumpzelle Sauerstoff in den Messgasraum (13) des Sensorelements hinein oder heraus pumpt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausdehnung der zweiten Elektrode (23) größer ist als die der ersten Elektrode (20) und dass die zweite Elektrode (23) eine Diffusionsbarriere (26) gegenüber dem zur zweiten Elektrode (23) diffundierenden Gasgemisch aufweist, deren Diffusionswiderstand bedingt durch deren Porosität und/oder Schichtdicke so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen, an die erste und zweite Elektrode (20, 23) angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Elektroden (20, 23) fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Elektroden (20, 23) identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Flächenausdehnungen aufweisen würden.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (20, 23) auftretende Pumpstrom bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0.5 hPa im Gasgemisch zwischen 150 und 220 μA beträgt.
Sensorelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der zweiten Elektrode (23) 1,5 bis 6 mal so groß ist wie die der ersten Elektrode (20).
Sensorelement nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der zweiten Elektrode (23) 3 bis 5 mal so groß ist wie die der ersten Elektrode (20).
Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein messgasseitiges Ende und ein halterungsseitiges Ende aufweist, und dass die Ausdehnung der dem Gasgemisch ausgesetzten Großfläche der zweiten Elektrode (23) in Richtung des messgasseitigen Endes des Sensorelements zunimmt.
Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (26) als poröse keramische Schicht ausgeführt ist.
Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (26) aus Zirkondioxid ausgeführt ist.
Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gasgemisch ausgesetzte Großfläche der zweiten Elektrode (23) eine Ausdehnung von 6 bis 10 mm² hat.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Festelektrolytschicht (11a) des Sensorelements zwei Elektroden (20, 23) einer elektrochemischen Pumpzelle angeordnet werden, wobei die zweite Elektrode (23) so ausgestaltet ist, dass deren Flächenausdehnung größer ist als die der ersten Elektrode (20) und dass die zweite Elektrode (23) mit einer Diffusionsbarriere (26) gegenüber dem zur zweiten Elektrode (23) diffundierenden Gasgemisch versehen wird, deren Porosität und/oder Schichtdicke so gewählt wird, dass bei einer vorgegebenen, an die erste und zweite Elektrode (20, 23) angelegten Pumpspannung im wesentlichen der gleiche zwischen den Elektroden (20, 23) fließende Pumpstrom resultiert wie er auftreten würde, wenn beide Elektroden (20, 23) identisch große, dem Gasgemisch ausgesetzte Flächenausdehungen aufweisen würden.