DE102008044048A1 - Sensorelement zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung - Google Patents

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Marcus Scheffel
Goetz Reinhardt
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Thomas Moser
Harald Guenschel
Lothar Diehl
Marco Niemitz
Berndt Cramer
Thomas Seiler
Astrid Netsch
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (110) zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Dabei wird ein Sensorelement (110) mit mindestens einer Pumpzelle (128) verwendet, wobei die Pumpzelle (128) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (124) aufweist. Die zweite Elektrode (118) ist in einem Elektrodenhohlraum (120) angeordnet, welcher über mindestens eine einen Gasstrom begrenzende Diffusionsbarriere (122) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist. Die zweite Elektrode (118) wird beheizt, wobei die Beheizung inhomogen erfolgt, wobei mindestens ein erster Bereich (130) der zweiten Elektrode (118) auf eine höhere Temperatur geheizt wird als mindestens ein zweiter Bereich (132) der zweiten Elektrode (118).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von bekannten keramischen Sensorelementen, insbesondere Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel von keramischen Sensorelementen in Kraftfahrzeugen sind Sensorelemente zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, welche auch als „Lambdasonden” bezeichnet werden und eine wesentliche Rolle spielen bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie. Auch auf andere Arten von keramischen Sensorelementen ist die Erfindung jedoch anwendbar, beispielsweise auf Partikelsensoren oder ähnliche Arten von Sensoren mit Festelektrolyten, insbesondere in der Abgassensorik. Ohne Beschränkung des Schutzumfangs wird die Erfindung im Folgenden am Beispiel von Lambdasonden erläutert, wobei jedoch, im Lichte der obigen Ausführungen, auch andere Arten von Sensorelementen hergestellt werden können.
  • Mit der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette” Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere” Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunerschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
  • Lambdasonden sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine erste Ausführungsform stellt die so genannte „Sprungsonde” dar, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potenzialdifferenz zwischen einem Referenzgas und dem zu messenden Gasgemisch beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden. Als Festelektrolyt werden aufgrund ihrer guten Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, YSZ) oder ähnliche Keramiken eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden, kommen auch so genannte „Pumpzellen” zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung” an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom” durch die Pumpzelle gemessen wird. Die beschriebenen Sensorprinzipien von Sprungzellen und Pumpzellen lassen sich vorteilhaft auch kombiniert einsetzen in so genannten „Mehrzellern”, insbesondere in Breitband-Lambdasonden. Verschiedene Ausführungsbeispiele von Lambdasonden, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden können, sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Ausgabe, April 2007, S. 154–159 beschrieben. Ein weiteres Beispiel einer Breitband-Lambdasonde, welches ebenfalls erfindungsgemäß modifiziert und/oder erfindungsgemäß betrieben werden kann, ist in DE 199 41 051 A1 beschrieben.
  • Eine Problematik bekannter Sensorelemente, insbesondere eine Problematik von Sensorelementen mit Pumpzellen, beispielsweise in Breitbandsonden, besteht in einer Veränderung der Elektrodeneigenschaften im Betrieb. Insbesondere eine oder mehrere Elektroden, welche in einem Elektrodenhohlraum eingesetzt werden und welche im Betrieb dauerhaft einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt sind, können einer Veränderung unterworfen sein, welche zu einer Veränderung der Elektrodeneigenschaften und sogar zu einer Schädigung der Elektrode führen können. So kann es beispielsweise an Stellen mit hoher Strombelastung zu einer Schädigung der Elektrode kommen. Hierdurch sinkt lokal der Gaszutritt zur Elektrode und/oder die Pumpfähigkeit der Elektrode, und ein anderer Punkt der Elektrode übernimmt die Pumpfunktion. Bei einer lateralen Anordnung der Diffusionsbarriere und des Pumphohlraums, beispielsweise in der in DE 199 41 051 A1 beschriebenen Anordnung, kann dann der Diffusionsweg ansteigen, wodurch der Gesamtwiderstand um den Widerstand des Hohlraums zunimmt und der Grenzstrom des Sensorelements abnimmt. Außerdem kann die notwendige Pumpspannung zunehmen, sobald keine Elektrodenfläche mehr zur Verfügung steht. Insbesondere sind von derartigen Veränderungen Bereiche in der Tiefe der Elektrode betroffen, in denen beim Pumpbetrieb eine reduzierende Atmosphäre herrscht.
  • Eine weitere Problematik besteht darin, dass es durch den üblicherweise eingesetzten dauerhaften Betrieb des Elektrodenhohlraums in reduzierender Atmosphäre auf der in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Elektrode, wobei es sich üblicherweise um eine Platin-Cermet-Elektrode handelt, zur Reduktion der von außen kommenden Abgasbestandteile kommen kann. Dadurch können sich auf dieser Elektrode beispielsweise Kohlenstoff und/oder Übergangsmetalle, wie beispielsweise Eisen, Chrom, Kobalt, Alkalimetalle, insbesondere Natrium und/oder Kalium und/oder Silizium ablagern. Dadurch wird die freie Elektrodenoberfläche, beispielsweise die Platin-Fläche, an der sich der Sauerstoff anlagern soll, belegt. Hierdurch wiederum wird die Wirksamkeit der vorhandenen 3-Phasen-Punkte, an denen die Reduktion des molekularen Sauerstoffs zu O2–-Ionen erfolgt, gestört. So sinkt lokal die Pumpfähigkeit der Elektrode ab und ein anderer Punkt der Elektrode übernimmt die Pumpfunktion. Wiederum steigt hierdurch, wie auch im oben beschriebenen Fall, der Diffusionsweg an, der Grenzstrom der Sonde nimmt ab und die Pumpspannung kann zunehmen, sobald keine freie Elektrodenfläche mehr zur Verfügung steht. Wiederum sind hierbei unterschiedliche Bereiche in der Tiefe der Elektrode unterschiedlich betroffen, auf Grund der Konzentrationsunterschiede der Atmosphäre innerhalb des Elektrodenhohlraums.
  • Eine weitere, ebenfalls auch in Kombination mit den oben beschriebenen Problemen auftretende Problematik besteht in der Reduktion des Festelektrolytmaterials. So kann es beispielsweise durch einen dauernden Betrieb des Elektrodenhohlraums in reduzierender Atmosphäre in der Cermet-Elektrode, beispielsweise wiederum einer Platin-Cermet-Elektrode, zur Reduktion des in Kontakt mit dem Edelmetall der Elektrode, beispielsweise Platin, stehenden Festelektrolytmaterials, beispielsweise Zirkondioxid, kommen. Beispielsweise kann sich das verbleibende Zirkon im Platin lösen und damit eine intermetallische Phase Pt3Zr bilden. Damit wird der Verbund des Pt mit dem ZrO2 gelöst und die vorhandenen 3-Phasen-Punkte, an denen die Reduktion des molekularen Sauerstoffs zu O2-Ionen erfolgt, gestört. Dadurch kann wiederum lokal die Pumpfähigkeit der Elektrode absinken, der Grenzstrom kann abnehmen und die Pumpspannung kann ansteigen, sobald keine Elektrodenfläche mehr zur Verfügung steht. Wie derum sind hier in der Regel unterschiedliche Bereiche der Elektrode auf unterschiedliche Weise betroffen.
  • Sämtliche der oben beschriebenen Effekte können also im Betrieb dazu führen, dass sich unterschiedliche Bereiche der in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Elektrode im Betrieb unterschiedlich verändern können, wodurch die Eigenschaften des Sensorelements einer Veränderung unterworfen sein können. Wünschenswert wären daher ein Sensorelement und/oder ein Verfahren zum Betrieb des Sensorelements, welche die oben beschriebenen Problematiken vermeiden und welche Veränderungen der Eigenschaften der Sensorelemente, insbesondere Alterungsprozesse, welche auf die oben beschriebenen Effekte zurückzuführen sind, zumindest teilweise vermindern und/oder vermeiden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es werden daher Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements vorgeschlagen, welche insgesamt den oben beschriebenen Effekten entgegenwirken können. Die im Folgenden vorgeschlagenen Lösungsansätze können dabei einzeln oder auch in Kombination realisiert werden. Der gemeinsame Grundgedanke der im Folgenden beschriebenen Lösungsansätze beruht in der Erkenntnis der oben dargestellten Problematik und im Bereitstellen entsprechender Gegenmaßnahmen. Neben den Verfahren in den einzelnen Ausgestaltungen wird weiterhin ein Sensorelement vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der vorgeschlagenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Zu diesem Zweck kann das Sensorelement beispielsweise über eine oder mehrere entsprechende Vorrichtungen verfügen, welche eingerichtet sind, um die Verfahrensmerkmale der Verfahren einzeln oder in Kombination durchzuführen. Beispielsweise kann, zur Durchführung dieser Verfahrensmerkmale, mindestens eine Steuerung vorgesehen sein, welche die Verfahrensschritte der Verfahrensmerkmale steuern kann. Eine derartige Steuerung kann beispielsweise mindestens ein Datenverarbeitungsgerät umfassen.
  • Die vorgeschlagenen Verfahrensvarianten dienen dem Betrieb eines Sensorelements zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Dabei kann beispielsweise auf die oben beschriebenen Sensorelemente verwiesen werden. Grundsätzlich lassen sich dabei eine Vielzahl physikalischer und/oder chemi scher Eigenschaften des Gases in dem Messgasraum messen. Der Messgasraum kann insbesondere einen Ansaugtrakt und/oder einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine umfassen. Als physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases kann insbesondere ein Sauerstoffanteil, beispielsweise in Form eines Sauerstoff-Partialdrucks und/oder eines absoluten Drucks und/oder eines Prozentsatzes, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere physikalische und/oder chemische Eigenschaften messbar, beispielsweise Anteile anderer Arten von Gaskomponenten in dem Gas und/oder Partikelkonzentrationen. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen der Erfindung wird die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf Lambdasonden, beispielsweise unter Bezugnahme auf eine oder mehrere der oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten und erfindungsgemäß modifizierbaren Ausführungsformen, dargestellt.
  • Das Sensorelement umfasst dabei mindestens eine Pumpzelle, welche mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist. Die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode können dabei insbesondere als Cermet-Elektrode ausgestaltet sein, insbesondere als Cermet-Elektrode mit einer Edelmetallkomponente, vorzugsweise Platin, und einer Keramikkomponente, vorzugsweise Zirkondioxid. Der Festelektrolyt, welcher beispielsweise eine oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen kann, kann insbesondere Zirkondioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) umfassen.
  • Dabei ist die zweite Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet. Dieser Elektrodenhohlraum ist über mindestens eine, einen Gasstrom begrenzende Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum verbunden. Derartige Diffusionsbarrieren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der oben genannten DE 199 41 051 A1 , so dass beispielsweise bezüglich der Materialien der Diffusionsbarriere auf diese Druckschrift verwiesen werden kann. Beispielsweise lassen sich für die Diffusionsbarriere poröse Materialien einsetzen, beispielsweise keramische Materialien, beispielsweise Al2O3 oder andere Materialien. Auf diese Weise kann insbesondere ein Sauerstoffstrom in den Elektrodenhohlraum hinein und/oder aus dem Elektrodenhohlraum heraus begrenzt werden, wodurch sich beispielsweise ein Grenzstrom der Pumpzelle einstellen lässt.
  • Dabei können die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf verschiedene Weisen zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einander gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten angeordnet sein, beispielsweise im Rahmen eines Schichtaufbaus. So kann die erste Elektrode beispielsweise als Außenelektrode ausgestaltet sein und kann direkt oder über eine Schutzschicht, beispielsweise eine hochporöse Schutzschicht, dem Gas aus dem Messgasraum ausgesetzt sein. Die zweite Elektrode kann dann als Innenelektrode ausgestaltet sein und kann beispielsweise in einer tiefer gelegenen Schichtebene eines Schichtaufbaus angeordnet sein. Der Gaszutritt zu dem Elektrodenhohlraum kann dann beispielsweise durch ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau erfolgen, welches beispielsweise mit der Diffusionsbarriere in Verbindung steht. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Schichtaufbau können jedoch auch andere Aufbauten verwendet werden. Beispielsweise kann ein planarer Aufbau eingesetzt werden, bei welchem die erste Elektrode und die zweite Elektrode in derselben Schichtebene angeordnet sind, beispielsweise auf derselben Seite des Festelektrolyten. In diesem Fall kann der Elektrodenhohlraum im Bereich der zweiten Elektrode beispielsweise durch eine gasdichte Abdeckung zum Messgasraum hin erzeugt werden, wobei zwischen der gasdichten Abdeckung und dem Messgasraum an mindestens einem Punkt die Diffusionsbarriere vorgesehen ist. Auch Kombinationen der genannten Aufbauten und/oder andere Aufbauten sind möglich.
  • Zur Lösung der oben beschriebenen Problematiken, insbesondere zur Lösung der Problematik, dass es an Stellen der zweiten Elektrode, in denen im Betrieb eine hohe Strombelastung unter reduzierender Atmosphäre auftritt, zur Schädigung der Elektrode kommen kann, wird in einem ersten Aspekt der Erfindung eine inhomogene Beheizung der zweiten Elektrode vorgeschlagen. So kann die zweite Elektrode mittels mindestens eines Heizelements beheizt werden, wobei die Beheizung inhomogen erfolgt, indem mindestens ein erster Bereich der zweiten Elektrode auf eine höhere Temperatur geheizt wird als mindestens ein zweiter Bereich der zweiten Elektrode. Der erste und der zweite Bereich sollen dabei verschieden oder zumindest nicht deckungsgleich sein. Unter der bereichsweisen Inhomogenität ist dabei eine Inhomogenität in lateraler Richtung, dass heißt parallel zu einer Längserstreckung der zweiten Elektrode zu verstehen. Die inhomogene Beheizung gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann dabei eine stufenweise inhomogene Beheizung umfassen und/oder auch eine graduell inhomogene Beheizung unter Verwendung eines Temperaturgradienten.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der erste Bereich, welcher mit einer höheren Temperatur beaufschlagt wird, näher an der Diffusionsbarriere angeordnet ist als der zweite Bereich. Hierdurch lassen sich insbesondere die Bereiche hoher Strombelastung, welche in der Nähe der Diffusionsbarriere angeordnet sind, gezielt regenerieren.
  • Die inhomogene Beheizung kann dabei permanent während des Betriebes des Sensorelements erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn das Verfahren mindestens eine Betriebsphase umfasst, während derer die mindestens eine Eigenschaft des Gases bestimmt wird. Während dieser Betriebsphase kann beispielsweise eine homogene Beheizung der mindestens einen zweiten Elektrode erfolgen. Die Bestimmung der Eigenschaft des Gases kann insbesondere dadurch erfolgen, dass mindestens ein Pumpstrom durch die Pumpzelle erfasst wird. Weiterhin kann das Verfahren mindestens eine Regenerationsphase umfassen, welche beispielsweise ganz oder teilweise von der mindestens einen Betriebsphase verschieden sein kann und in welcher die inhomogene Beheizung gemäß der obigen Beschreibung erfolgen kann.
  • Insgesamt lässt sich durch diesen ersten Aspekt der Erfindung eine Regenerierung der belasteten zweiten Elektrode herbeiführen. Die zweite Elektrode, welche als Pumpelektrode eingesetzt wird, beispielsweise als innere Pumpelektrode, kann mit einem Temperaturgradienten versehen werden, welcher beispielsweise bei ausgeschaltetem Pumpstrom (d. h. außerhalb der Betriebsphase) zu einem Elektronenstrom innerhalb der unterschiedlichen Bereiche der zweiten Elektrode führen kann. So kann beispielsweise ein Elektrodenstrom von heißeren Stellen in dem ersten Bereich der zweiten Elektrode zu den kälteren Stellen in dem zweiten Bereich der zweiten Elektrode erfolgen. Hierdurch kann ein Sauerstoff-Ionentransport zu den heißeren Stellen auftreten, der dann als Sauerstoff an der Elektrodenoberfläche erscheint und diese Elektrodenoberfläche regenerieren kann. Daher sollte der am stärksten vom Pumpstrom belastete Teil der zweiten Elektrode auch der bei der inhomogenen Beheizung am stärksten beheizte beziehungsweise heißeste Teil dieser zweiten Elektrode sein. Durch diese Regeneration können beispielsweise verschiedene blockierende Schichten, wie abgelagerte Kohlenstoffreste, angelagertes Silizium oder auch metallische Platinverbindungen, wie beispielsweise Pt3Zr, abgebaut werden.
  • In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ebenfalls eine, vorübergehende und/oder zeitweise, Regeneration der zweiten Elektrode vorgeschlagen. Dieser Aspekt der oben dargestellten Erfindung kann alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen ersten Aspekt in einer oder mehreren der oben beschriebenen Varianten realisiert werden. Dieser zweite Aspekt der Erfindung ist insbesondere zur Lösung der oben beschriebenen Problematik geeignet, bei der sich im Lauf des Betriebs die freie Edelmetall-Fläche in der zweiten Elektrode vermindert, beispielsweise durch Anlagerung von Abgasbestandteilen, Kohlenstoff, Metallen oder Silizium.
  • In diesem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements mit den oben beschriebenen Eigenschaften vorgeschlagen, welches zumindest eine Bedampfungsphase umfasst. Diese zumindest eine Bedampfungsphase kann beispielsweise teilweise identisch mit der oben dargestellten Betriebsphase, in der die mindestens eine Eigenschaft des Gases bestimmt wird, sein, beispielsweise Teile dieser Betriebsphase umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Bedampfungsphase jedoch auch zeitlich von dieser Betriebsphase verschieden sein, beispielsweise alternierend mit dieser Betriebsphase durchgeführt werden. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich und Beispiele werden unten beschrieben. In dieser mindestens einen Bedampfungsphase wird mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin, in dem Elektrodenhohlraum verdampft und auf der zweiten Elektrode abgeschieden. Beispielsweise kann es sich bei diesem mindestens einen Edelmetall um ein Edelmetall handeln, welches auch in der mindestens einen zweiten Elektrode vorhanden ist, beispielsweise in einem Edelmetall-Cermet der mindestens einen zweiten Elektrode. Besonders bevorzugt ist es, wenn dieses mindestens eine Edelmetall Platin ist oder Platin umfasst. Auch andere Arten von Edelmetallen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
  • Zur Verdampfung des mindestens einen Edelmetalls kann in dem Elektrodenhohlraum beispielsweise mindestens eine Edelmetallquelle angeordnet sein. Die Edelmetallquelle kann dabei zumindest zeitweise beheizt werden, beispielsweise während der gesamten Bedampfungsphase und/oder während einer Heizphase. So kann dabei die Bedampfungsphase beispielsweise mindestens eine Heizphase umfassen, wobei in der Heizphase kurzfristig eine Temperatur der Edelmetallquelle erhöht wird. Nach Beendigung der Heizphase kann dann die Temperatur der Edelmetallquelle wieder erniedrigt werden. Diese Phase nach Beendigung der Heizphase, welche noch Bestandteil der Bedampfungsphase sein kann, kann beispielsweise eine Niederschlagsphase umfassen, in welcher sich verdampftes Edelmetall auf der zweiten Elektrode niederschlägt.
  • Die Edelmetallquelle kann dabei auf unterschiedliche Weisen ausgestaltet sein, welche auch kombiniert werden können. So kann die Edelmetallquelle beispielsweise mindestens einen Reservoirbereich der zweiten Elektrode umfassen. Dieser Reservoirbereich kann insbesondere einen weiter von der Diffusionsbarriere entfernt angeordneten Bereich der zweiten Elektrode umfassen, beispielsweise den oben beschriebenen zweiten Bereich. Auf diese Weise kann eine Umverteilung des Edelmetalls innerhalb der zweiten Elektrode erfolgen, bei welcher beispielsweise Edelmetall von einem weiter von der Diffusionsbarriere entfernt liegenden Bereich und damit von einem weniger belasteten Bereich verdampft und in einem näher an der Diffusionsbarriere angeordneten Bereich, welcher im Betrieb stärker belastet ist, niedergeschlagen wird. Auf diese Weise kann durch Umverteilung des Edelmetalls innerhalb der zweiten Elektrode eine Regeneration erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Edelmetallquelle auch mindestens ein in dem Elektrodenhohlraum angeordnetes Edelmetallreservoir umfassen. Dieses Edelmetallreservoir kann beispielsweise eine Edelmetallschicht umfassen, welche beispielsweise an einer oder mehreren Stellen an der Wand des Elektrodenhohlraums angeordnet ist. Dieses zusätzliche Edelmetallreservoir kann beispielsweise eine Platin-Schicht umfassen, welche vorzugsweise elektrisch nicht kontaktiert ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise mindestens ein Platinreservoir bereitstellen. Wiederum alternativ oder zusätzlich zu den beiden genannten Möglichkeiten kann die mindestens eine Edelmetallquelle auch mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete dritte Elektrode, welche von der zweiten Elektrode ganz oder teilweise verschieden ist, umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um eine Nernstelektrode handeln, beispielsweise eine Nernstelektrode mindestens einer von der Pumpzelle zumindest teilweise verschiedenen Nernstzelle. Beispielsweise können dabei Nernstelektroden in Breitband-Lambdasonden eingesetzt werden, wobei die Nernstzelle beispielsweise weiterhin mindestens eine Referenzelektrode in einem Referenzgasraum umfasst, beispielsweise einem Referenzluftkanal. Die Nernstelektrode kann dabei auf übliche Weise ausgestaltet sein, kann jedoch auch mit einem erhöhten Platinanteil versehen werden, um gezielt ein erhöhtes Reservoir an Platin beziehungsweise einem anderen Edelmetall bereitstellen zu können.
  • Wie oben dargestellt, kann die Edelmetallquelle also auf unterschiedliche Weisen ausgestaltet sein. Insbesondere kann diese Edelmetallquelle Platin umfassen. Um die Abdampfrate zu erhöhen, kann dabei das mindestens eine Edelmetall in reiner, metallischer Form vorliegen, wobei jedoch zur Erhöhung der Abdampfrate auch Legierungen eingesetzt werden können. So kann beispielsweise die Edelmetallquelle mindestens eine Legierung umfassen, wobei diese Legierung vorzugsweise mindestens ein Metall der Platingruppe umfasst. Beispielsweise kann die abdampfende Elektrode, beispielsweise die zweite Elektrode und/oder eine Nernstelektrode, und/oder das Edelmetallreservoir, ganz oder teilweise aus einer derartigen Legierung mit mindestens einem Metall der Platingruppe hergestellt werden, um eine erhöhte Abdampfrate zu erzielen.
  • Wie oben ausgeführt, kann die Bedampfungsphase auch in mehrere Phasen unterteilt werden, insbesondere in mehrere Phasen unterschiedlicher Funktion. So kann die Bedampfungsphase beispielsweise mindestens eine Verdampfungsphase und mindestens eine Niederschlagsphase umfassen. In der Verdampfungsphase kann dabei, zur Begünstigung der Verdampfung des Edelmetalls, ein höherer Sauerstoffpartialdruck eingestellt werden als in der Niederschlagsphase. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Einstellung des Pumpstroms durch die Pumpzelle erfolgen, wodurch der Sauerstoffpartialdruck gezielt eingestellt werden kann, und/oder auf andere Weise. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Bereitstellung einer separaten Pumpzelle zur Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Elektrodenhohlraum grundsätzlich realisierbar. Durch Bereitstellung eines erhöhten Sauerstoffpartialdrucks, also beispielsweise durch Einstellung eines mageren Gasgemischs in dem Elektrodenhohlraum, kann die Bildung von Edelmetalloxiden in der Gasphase in dem Elektrodenhohlraum begünstigt werden. In der Niederschlagsphase kann dann ein niedrigerer Sauerstoffpartialdruck als in der Verdampfungsphase eingestellt werden, was wiederum die Bildung elementaren bzw. metallischen Edelmetalls in Form eines Niederschlags begünstigt, insbesondere in den stärker belasteten Bereichen der zweiten Elektrode. Auf diese Weise lassen sich die Verdampfung und der Niederschlag durch Einstellung der Atmosphäre in dem Elektrodenhohlraum gezielt beeinflussen und die oben beschriebene Regeneration begünstigen. Zwischen der Verdampfungsphase und der Niederschlagsphase kann dabei auch mehrfach umgeschaltet werden.
  • Durch diesen zweiten Aspekt der Erfindung kann der Betrieb des Sensorelements also derart eingerichtet werden, dass beispielsweise ständig Platin und/oder eine andere Art von Edelmetall aus einer internen Edelmetallquelle, beispielsweise einer Platinquelle, gasförmig zur Verfügung gestellt wird. Dieses Platin bzw. diese andere Art von Edelmetall kann dann auf der zweiten Elektrode wieder in den festen Zustand übergehen, beispielsweise auskristallisieren, und damit beispielsweise die eingetragenen Vergiftungsbestandteile auf dieser zweiten Elektrode abdecken. Dabei kann es bei einer über die Lebensdauer auftretenden Erhöhung des Innenwiderstands der Nernstzelle, auf denen das Sensorgerät geregelt werden kann, zu einem erhöhten Platin-Transport kommen, welcher die Elektrodenbelegung der zweiten Elektrode in jedem Fall überwiegen sollte und die zweite Elektrode somit regenerieren kann.
  • Der oben dargestellte optionale Betrieb, bei welchem zwischen einer Bedampfungsphase und einer Niederschlagsphase mit jeweils unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck umgeschaltet wird, kann genutzt werden, um optional die Edelmetallverdampfung gezielt zu beeinflussen. So kann der Betrieb des Sensorelements derart eingerichtet werden, dass durch den erhöhten Sauerstoffpartialdruck im Elektrodenhohlraum eine Platinverdampfung durch Bildung von PtO2 beschleunigt wird. Durch einen abgesenkten Sauerstoffpartialdruck in der Niederschlagsphase kann dann das Platin gezielt wieder abgelagert werden.
  • Diese Umschaltung zwischen der Verdampfungsphase und der Niederschlagsphase kann, wie oben dargestellt, auch mehrfach erfolgen. Vorzugsweise erfolgt diese Umschaltung mit einer angepassten Frequenz, bei welcher gerade das abgedampfte Platin die zu bedampfenden Elektrodenbereiche der zweiten Elektrode erreicht hat. Die Frequenz kann also auf die relative Position zwischen Edelmetallquelle und besonders zu regenerierenden Bereiche der zweiten Elektrode angepasst werden. Beispielsweise kann das Edelmetallreservoir auf einer der zweiten Elektrode, insbesondere dem der Diffusionsbarriere benachbarten Bereich der zweiten Elektrode, gegenüberliegenden Seite des Elektrodenhohlraums angeordnet sein. Die Frequenz der Umschaltung kann dann derart angepasst werden, dass das abgedampfte Edelmetall, beispielsweise Platin, gerade die gegenüberliegende, zu bedampfende zweite Elektrode bzw. den dort zu regenerierenden Bereich erreicht hat. Beispielsweise kann ein unsymetrisches Tastverhältnis gewählt werden, wobei vorzugsweise die langsamere Platinverdampfung berücksichtigt werden kann. Beispielsweise kann die Verdampfungsphase zeitlich länger ausgestaltet sein als die Niederschlagsphase. Insbesondere kann die Frequenz auch so angepasst werden, dass es zu einer Platinumordnung auf derselben Platinoberfläche kommt. Beispielsweise kann es dabei, wie oben in einer Option beschrieben, zu einer Umordnung des Edelmetalls auf der Elektrodenoberfläche der zweiten Elektrode kommen, beispielsweise zu einer Platinumordnung auf derselben Platinoberfläche. Auf diese Weise können zur Regeneration die stärker belasteten Bereiche der zweiten Elektrode durch Umordnung des Edelmetalls auf der zweiten Elektrode regeneriert werden.
  • Vorzugsweise kann die Bedampfung mit Edelmetall auch an neu hergestellten Sensorelementen vorgenommen werden. Dadurch kann beispielsweise eine durch die üblicherweise bei der Herstellung eingesetzte Sinterung bei hoher Temperatur geschädigte Elektrodenoberfläche, beispielsweise eine Platinoberfläche, katalytisch aktiv neu hergestellt werden. Vorzugsweise kann bei der Herstellung der Sensorelemente ein erhöhter Sauerstoffpartialdruck von beispielsweise 0,6 bar eingestellt werden, um die Platinabdampfrate zu erhöhen und eine kurze Fertigungsdauer sicherzustellen.
  • In einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches aus den oben beschriebenen Problematiken insbesondere der Lösung der Problematik der Reduktion des in Kontakt mit dem Edelmetall, beispielsweise Platin, stehenden Festelektrolytmaterials, beispielsweise des Zirkondioxids, dienen kann. Wie oben beschrieben, kann insbesondere bei dauerndem Betrieb des Elektrodenhohlraums in reduzierender Atmosphäre beispielsweise eine Reduktionsreaktion des in Kontakt mit Platin stehenden Zirkondioxids ablaufen, wobei sich das verbleibende Zirkon in Platin löst und bei höheren Konzentrationen eine intermetallische Phase Pt5Zr bzw. Pt3Zr bilden kann. In dem dritten Aspekt, welcher auch mit einem oder beiden der oben beschriebenen anderen Aspekte in einer oder mehreren der beschriebenen Varianten kombiniert werden kann, wird daher vorgeschlagen, in dem Elektrodenhohlraum eine magere Gasgemischzusammensetzung einzustellen. Diese Einstellung einer mageren Gasgemischzusammenstellung kann beispielsweise wiederum permanent erfolgen oder kann auch lediglich in einer Regenerationsphase durchgeführt werden. Im Unterschied zu üblichen Breitband-Lambdasonden, in welchen üblicherweise über eine Nernstzelle ein Gasgemisch mit λ = 1 in dem Elektrodenhohlraum eingesetzt wird, wird also in diesem dritten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, in dem Elektrodenhohlraum eine höhere Sauerstoffkonzentration einzustellen, welche nicht so leicht zur Reduktion des Festelektrolytmaterials, beispielsweise des ZrO2, führen kann.
  • Beispielsweise kann das Sensorelement, zusätzlich zu der oben dargestellten mindestens einen Pumpzelle, weiterhin mindestens eine Nernstzelle umfassen, welche mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Nernstelektrode und mindestens eine in einem Referenzgasraum, insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordnete Referenzelektrode umfasst. Der Referenzgasraum ist dabei von dem Messgasraum verschieden. Beispielsweise kann es sich um einen Referenzluftkanal handeln, welcher mit einem Motorraum und/oder der Umgebung eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Wird eine derartige Nernstzelle eingesetzt, so kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle derart eingestellt werden, dass sich in der Nernstzelle eine Nernstspannung von weniger als 450 mV einstellt, bzw. eine Nernstspannung von 50 mV bis 440 mV, insbesondere eine Nernstspannung von ca. 200 mV. Das Sensorelement kann also zeitweise oder dauerhaft mit einer niedrigeren Sollspannung als 450 mV betrieben werden, wodurch sich in dem Elektrodenhohlraum eine höhere Sauerstoffkonzentration einstellen kann, welche die Reduktion des Festelektrolytmaterials verhindert oder zumindest vermindert.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zum Einstellen der Gasgemischzusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum auch eine Nernstspannung verwendet werden, welche nicht an der oben genannten Nernstzelle abgegriffen wird, sondern welche zwischen der ersten Elektrode und mindestens einer in einem Referenzgasraum, insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordneten Referenzelektrode gemessen wird. Auf diese Weise kann das Sensorelement beispielsweise über eine derartige Nernstspannungsmessung zwischen der ersten Elektrode und der Referenzelektrode anstelle einer Nernstspannungsmessung zwischen der zweiten Elektrode und der Referenzelektrode betrieben werden, wie es bei Breitband-Lambdasonden üblich ist. Beispielsweise kann die Nernstspannungsmessung zwischen der äußeren Potentialelektrode (APE) und der Referenzelektrode (RE) erfolgen anstelle zwischen der inneren Potentialelektrode (IPE) und der Referenzelektrode (RE). Beispielsweise lässt sich eine feste Pumpspannung einstellen, welche sicher in den Grenzstrombetrieb führen kann. Dadurch lässt sich beispielsweise der Einfluss einer Polarisation der zweiten Elektrode, beispielsweise der inneren Potentialelektrode, aus einer Regelungsschleife beseitigen. Außerdem kann das frühere Startverhalten der gemessenen Nernstspannung, insbesondere im FLO (fast light-off, schnelles Starten des Sensorelements nach dem Einschalten), leichter ausgewertet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen drei Aspekten in einer oder mehreren der genannten Varianten lassen sich weitere Maßnahmen ergreifen, welche ebenfalls der Lösung einer oder mehrerer der beschriebenen Probleme der belasteten zweiten Elektrode dienen. So kann insgesamt beispielsweise die Höhe der reaktiven Schicht der zweiten Elektrode niedrig gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode mit einem guten Gaszutritt, insbesondere einer hohen Porosität, ausgestattet werden, damit keine reduzierende Atmosphäre in der Tiefe der zweiten Elektrode entstehen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode auch derart ausgestaltet werden, dass diese eine inhomogene Schichtdicke und/oder eine inhomogene Porosität aufweist, wobei vorzugsweise mindestens ein erster Bereich eine geringere Schichtdicke und/oder höhere Porosität als mindestens ein zweiter Bereich, wobei der zweite Bereich weiter von der Diffusionsbarriere entfernt angeordnet ist als der erste Bereich. Auf diese Weise können beispielsweise besonders belastete, nahe der Diffusionsbarriere angeordnete Bereiche der zweiten Elektrode besonders geschützt werden, so dass dort keine reduzierende Atmosphäre in tiefer gelegenen Schichten der zweiten Elektrode entstehen kann.
  • Weiterhin kann, ebenfalls alternativ oder zusätzlich, die zweite Elektrode im Elektrodenhohlraum insgesamt möglichst frei zugänglich gestaltet und unbedeckt ausgestaltet sein. Auch auf diese Weise kann keine reduzierende Atmosphäre entstehen bzw. eine derartige reduzierende Atmosphäre kann vermieden werden.
  • Ein weiterer Gedanke, welcher ebenfalls alternativ oder zusätzlich realisierbar ist, kann darin bestehen, die Elektrodenfläche der zweiten Elektrode relativ zum Elektrodenhohlraum-seitigen Ausgang der Diffusionsbarriere zu optimieren. So können beispielsweise Stromkonzentration an einzelnen Punkten der zweiten Elektrode vermieden bzw. reduziert werden, indem insgesamt eine höhere Homogenität der Belastung der zweiten Elektrode erzielt wird. So kann beispielsweise, im Gegensatz zu derzeit üblicherweise verwendeten, parallel zur Diffusionsbarriere angeordneten Elektrodenflächen, die Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Elektrode auch senkrecht zum Ausgang der Diffusionsbarriere angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Stromkonzentrationen an einzelnen Punkten der Diffusionsbarriere vermeiden, so dass keine Elektrodenüberlastung einzelner Bereiche der zweiten Elektrode stattfindet bzw. eine höhere Homogenität in der Belastung der zweiten Elektrode erfolgen kann. Eine weitere, alternativ oder zusätzlich einsetzbare Möglichkeit, um eine höhere Homogenität der Belastung der zweiten Elektrode zu erzielen, besteht darin, die Geometrie des Elektrodenhohlraums zu verbessern oder sogar zu optimieren. Beispielsweise kann ein vergleichsweise großer Querschnitt, beispielsweise eine große Höhe, des Elektrodenhohlraums von Vorteil sein. Ein derartiger großer Querschnitt, welcher beispielsweise größer ist als der Querschnitt der Diffusionsbarriere, resultiert in der Regel in einem verringerten Diffusionswiderstand des Elektrodenhohlraums. Dieser verringerte Diffusionswiderstand wiederum führt zu einer homogeneren Belastung der zweiten Elektrode, beispielsweise da sich Konzentrationsunterschiede innerhalb des Elektrodenhohlraums schneller ausgleichen. Somit lassen sich Belastungskonzentrationen der zweiten Elektrode zusätzlich vermeiden oder zumindest vermindern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1A und 1B eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit inhomogener Heizung einer inneren Elektrode;
  • 2A bis 2C eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Platin-Verdampfung in einem Elektrodenhohlraum; und
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit erhöhtem Sauerstoffpartialdruck in einem Elektrodenhohlraum.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den 1A und 1B ist ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110 in zwei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt, anhand derer eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden soll. Das Sensorelement dient zur Messung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum 112, beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement 110 weist eine erste Elektrode 114 auf, welche über eine poröse Schutzschicht 116 unmittelbar mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlaggbar ist. Weiterhin umfasst das Sensorelement 110 eine zweite Elektrode 118, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer tiefer gelegenen Schichtebene des Sensorelements 110 innerhalb eines Elektrodenhohlraums 120 angeordnet ist. Der Elektrodenhohlraum 120 steht, beispielsweise über ein in den 1A und 1B nicht dargestelltes Gaszutrittsloch, sowie über eine Diffusionsbarriere 122 mit dem Messgasraum 112 in Verbindung. Die Diffusionsbarriere 122 ist dabei eingerichtet, um einen Nachstrom von Messgas in den Elektrodenhohlraum 120 bzw. ein Ausströmen von Messgas aus dem Elektrodenhohlraum 120 zu begrenzen und so einen Grenzstrom des Sensorelements 110 einzustellen.
  • Die erste Elektrode 114 und die zweite Elektrode 118 stehen über mindestens einen Festelektrolyten 124 miteinander in Verbindung. Beispielsweise kann als Material für den Festelektrolyten 124 Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) verwendet werden. Als Material für die Elektroden 114 und 118 kann beispielsweise ein Platin-Cermet verwendet werden, beispielsweise ein Cermet mit einem Zirkondioxid-Gitter.
  • Weiterhin kann das Sensorelement 110 zusätzliche Schichtebenen umfassen sowie ein in den 1A und 1B lediglich angedeutetes Heizelement 126. Die erste Elektrode 114, die zweite Elektrode 118 sowie der die beiden Elektroden 114, 118 verbindende Festelektrolyt 124 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 128. Dabei ist bei der Darstellung gemäß den 1A und 1B die zweite Elektrode 118 in zwei Bereiche 130, 132 unterteilt. Der erste Bereich 130 ist dabei näher an der Diffusionsbarriere 122 angeordnet als der zweite Bereich 132. Die beiden Bereich 130, 132 sind dabei elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Unterteilung kann auch eine rein virtuelle Unterteilung sein, beispielsweise in Bereiche ein und derselben Elektrodenfläche der zweiten Elektrode 118. Allgemein soll die Unterteilung in die Bereiche 130, 132, welche auch eine Unterteilung in mehr als zwei Bereiche umfassen kann, andeuten, dass in Bereichen 130, welche näher an der Diffusionsbarriere 122 angeordnet sind, andere Belastungen auftreten können und andere Prozesse ablaufen können als in weiter von der Diffusionsbarriere 122 entfernten Bereichen 132. Insofern dient diese Unterteilung, welche insbesondere virtueller Natur sein kann, lediglich der Verdeutlichung der ablaufenden Prozesse.
  • Weiterhin kann das Sensorelement 110 mindestens eine Steuerung 134 umfassen, welche in den 1A und 1B lediglich angedeutet ist. Diese Steuerung 134 kann beispielsweise ganz oder teilweise Bestandteil eines Messfingers des Sensorelements 110 sein, welcher auch die Pumpzelle 128 umfassen kann, kann jedoch auch ganz oder teilweise extern angeordnet sein und beispielsweise über eine in den 1A und 1B angeordnete Schnittstelle 136 mit dem Messfinger verbunden sein. Die Schnittstelle 136 kann beispielsweise durch entsprechende Vorrichtungen eingerichtet sein, um die Pumpzelle 128 mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom zu beaufschlagen und/oder eine Pumpspannung und/oder einen Pumpstrom zu messen. Weiterhin kann die Steuerung 134 eingerichtet sein, um das Heizelement 126 anzusteuern. Weiterhin kann das Sensorelement 110 weitere Elemente umfassen, beispielsweise eine oder mehrere in dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnete Nernstelektroden sowie eine oder mehrere außerhalb des Elektrodenhohlraums 120 ange ordnete Referenzelektroden, beispielsweise Referenzelektroden in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzluftkanal. Diesbezüglich kann beispielsweise auf den oben zitierten Stand der Technik verwiesen werden.
  • In dem in den 1A und 1B ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches einen ersten Aspekt der Erfindung zeigt, sind unterschiedliche Betriebszustände des Sensorelements 110 dargestellt. 1 zeigt dabei eine Betriebsphase des Sensorelements 110, bei welcher die Pumpzelle 128 mit einem Pumpstrom bzw. einer Pumpspannung beaufschlagt wird, beispielsweise um aus der Pumpspannung bzw. aus dem Pumpstrom auf einen Sauerstoffgehalt im Messgasraum 112 zu schließen. 1B zeigt hingegen eine Regenerationsphase des Verfahrens, in welchem die zweite Elektrode 118 asymmetrisch, d. h. inhomogen, beheizt wird. Diese inhomogene bzw. asymmetrische Beheizung kann beispielsweise durch eine asymmetrische Ausgestaltung des Heizelements 126 und/oder durch eine asymmetrische Beschaltung einzelner Bestandteile des Heizelements 126 erfolgen.
  • In der in 1A dargestellten Betriebsphase ist ein Magerbetrieb gezeigt, also ein Betrieb mit stöchometrischem Sauerstoffüberschuss im Gas im Messgasraum 112. Dabei werden an der zweiten Elektrode 118 Sauerstoffionen in den Festelektrolyten 124 eingebaut und zur ersten Elektrode 114 gepumpt. Beispielsweise kann die erste Elektrode 114 dabei mit einem Elektrodenpotential von 0 mV betrieben werden, wohingegen die zweite Elektrode 118 mit einem Elektrodenpotential von –1000 mV betrieben werden kann. Bei eingeschaltetem Pumpstrom wird, wie in 1A durch die Pfeile innerhalb des Festelektrolyten 124 angedeutet, ein lokal unterschiedlicher Pumpstrom innerhalb des Festelektrolyten 124 auftreten. Es kommt zu einer Elektrodenpolarisation, bei welcher der erste Bereich 130 der zweiten Elektrode 118 stärker belastet wird als der zweite Bereich 132. Bereits in diesem Betriebszustand kann eine asymmetrische Beheizung der beiden Bereich 130, 132 erfolgen oder es kann, optional, auch eine symmetrische Beheizung erfolgen. Bei einer asymmetrischen Beheizung wird der erste Bereich 130, welcher näher an der Diffusionsbarriere 122 angeordnet ist, vom Heizelement 126 stärker beheizt. Auf diese Weise wird die stark belastete Vorderkante der zweiten Elektrode 118 stärker beheizt.
  • In 1B ist eine Renerationsphase dargestellt, während derer die Pumpzelle 128 nicht mit einem Pumpstrom bzw. einer Pumpspannung beaufschlagt wird. Diese Regenerationsphase kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn von einem zentralen Steuergerät, beispielsweise einer Motorsteuerung, kein Lambdasignal benötigt wird. Beispielsweise kann im Schubbetrieb über eine SDI-Schnittstelle eine Auftrennung der Ansteuerung erfolgen, in dem die Pumpzelle 128 vom Betrieb des Heizelements 126 abgekoppelt wird. Es kann dann weiterhin eine Beheizung über das Heizelement 126 erfolgen, während kein Pumpstrom durch die Pumpzelle 128 fließt. Beispielsweise kann weiterhin eine Beheizung des Heizelements 126 mit einem Tastverhältnis erfolgen, welches beispielsweise dem Tastverhältnis in der in 1A dargestellten Betriebsphase entsprechen kann.
  • Nun fließt kein Pumpstrom mehr durch die Pumpzelle 128. Auf Grund der unterschiedlichen Beheizung kann sich jedoch nun zwischen den unterschiedlichen Bereichen 130, 132 ein Potentialunterschied einstellen. Beispielsweise kann die Beheizung derart erfolgen, dass der erste Bereich 130, welcher auf einer höheren Temperatur liegt, ein Elektrodenpotential von –750 mV aufweist, wohingegen der zweite Bereich 132, welcher kälter ist, ein Elektrodenpotential von –700 mV aufweist. Durch diesen Potentialunterschied kann ein Kreisstrom innerhalb der zweiten Elektrode 118 auftreten. Durch die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich 130 und dem zweiten Bereich 132 kann ein Elektronenstrom (in 1B angedeutet durch e) vom ersten Bereich 130 hin zum zweiten Bereich 132 erfolgen. Gleichzeitig kann an dem ersten Bereich 130 ein Ausbau von Sauerstoffionen erfolgen, was durch den Übergang O2– → O2 angedeutet ist. Bei diesem Ausbau können die für den Elektronenstrom zwischen dem ersten Bereich 130 und dem zweiten Bereich 132 erforderlichen Elektronen bereitgestellt werden. Entsprechend strömt Sauerstoff im Inneren des Elektrodenhohlraums 120 aus Richtung des ersten Bereichs 130 hin zum zweiten Bereich 132, im Gegensatz zur Strömung in der Betriebsphase gemäß 1A, in welcher auf Grund des stärkeren Einbaus von Sauerstoffionen im ersten Bereich 130 ein Sauerstoffstrom in umgekehrter Richtung stattfindet. Gleichzeitig erfolgt im Inneren des Festelektrolyten 124 ein Sauerstoffionenstrom vom Bereich um den zweiten Bereich 132 hin zum Bereich um den ersten Bereich 130, um die ausgebauten Sauerstoffionen bereit zu stellen.
  • Der Sauerstoffionentransport hin zum heißeren ersten Bereich 130 innerhalb des Festelektrolyten 124 und der in dem ersten Bereich 130 erfolgende Ausbau von Sauerstoff führen zu einer Regeneration dieses ersten Bereichs 130. Dabei können beispielsweise verschiedene blockierende Schichten, wie beispielsweise abgelagerte Kohlenstoffreste, angelagertes Silizium oder auch metallische Verbindungen, wie beispielsweise Pt3Zr, abgebaut werden. Der interne Kreisstrom an der zweiten Elektrode 118 kann also die Regeneration dieser zweiten Elektrode 118 bewirken.
  • Zur Einleitung der Regenerationsphase gemäß 1B kann beispielsweise in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen, beispielsweise nach einer Stunde Fahrzeit, der von der Steuerung 134 eingeprägte Pumpstrom ausgeschaltet werden und damit eine Regenerationsphase eingeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch im Schubbetrieb erfolgen, beispielsweise nach dem Schubabgleich. Unter einem Schubbetrieb ist dabei ein Betrieb zu verstehen, in welchem das Sensorelement 110 auf einen Wert relativ zu Luft rekalibriert wird, was als der Schubabgleich bezeichnet wird. Vorzugsweise kann der Regenerationsbetrieb auch im Nachlauf der Steuerung 134 und/oder eines mit der Steuerung 134 ganz oder teilweise bauteilidentischen Steuergeräts durchgeführt werden, da dann auch genügend Sauerstoff im Abgas vorhanden ist, um für den in 1B beschriebenen Kreisstrom zur Verfügung zu stehen.
  • In den 2A bis 2C ist ein zweiter Aspekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 verdeutlicht. Dieser Aspekt ist mit dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Aspektkombinierbar, ist jedoch auch unabhängig von diesem realisierbar. Das Sensorelement 110 umfasst wiederum eine erste Elektrode 114, mindestens einen Festelektrolyten 124 und mindestens einen in einem Elektrodenhohlraum 120 angeordnete zweite Elektrode 118. Der Elektrodenhohlraum 120 ist wiederum über eine Diffusionsbarriere 122 mit dem Messgasraum 112 verbunden, wohingegen die erste Elektrode 114, vorzugsweise unmittelbar, über eine Schutzschicht 116, mit dem Messgasraum 112 in Verbindung steht.
  • Weiterhin kann das Sensorelement 110 wiederum ein Heizelement 126 und eine Steuerung 134 umfassen, welche auch wiederum, wie auch in den 1A oder 1B, ganz oder teilweise identisch sein kann mit einem Steuergerät, beispielsweise einem zentralen Motorsteuergerät einer Brennkraftmaschine. Für weitere mögliche Ausgestaltungen und die Funktion der einzelnen Elemente kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
  • Weiterhin umfasst das Sensorelement 110 der in den 2A bis 2C dargestellten Ausführungsform mindestens eine Edelmetallquelle 138, welche eingesetzt werden kann, um ein Edelmetalldampf in den Elektrodenhohlraum 120 zu erzeugen, beispielsweise einen Platindampf. Diese Edelmetallquelle 138 kann dabei auf unterschiedliche Weisen ausgestaltet sein, wobei diese Ausgestaltungen, wie in den 2A bis 2C dargestellt, auch kombinierbar sein können. So kann die Edelmetallquelle 138 beispielsweise ein separates Edelmetallreservoir 140 umfassen, welches getrennt von den übrigen Elektroden ausgestaltet sein kann und beispielsweise unkontaktiert ist. Dieses Edelmetallreservoir 140 kann beispielsweise eine Schicht eines Edelmetalls und/oder einer Edelmetalllegierung umfassen. Das Edelmetallreservoir 140 kann beispielsweise in der Nähe eines ersten Bereichs 130 der zweiten Elektrode 118 angeordnet sein, welcher nahe der Diffusionsbarriere 122 angeordnet ist und welcher dementsprechend, wie oben dargestellt, im Betrieb einer höheren Belastung unterworfen ist. In dem in den 2A bis 2C dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Edelmetallreservoir 140 beispielsweise eine auf der dem ersten Bereich 130 gegenüberliegenden Wandseite des Elektrodenhohlraums 120 angeordnete Platin-Schicht oder eine Schicht einer Platin-Legierung.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem Edelmetallreservoir 140 kann die Edelmetallquelle 138 jedoch auch eine oder mehrere weitere Elektroden umfassen. So kann beispielsweise die erste Elektrode 118 selbst, zumindest bereichsweise, beispielsweise als Edelmetallquelle 138 dienen. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine weitere Elektrode in dem Elektrodenhohlraum 120 vorgesehen sein, welche als Edelmetallquelle 138 oder als Bestandteil dieser Edelmetallquelle 138 dienen kann. So ist beispielsweise in den 2A bis 2C eine Nernstelektrode 142 in dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnet. Diese Nernstelektrode 142 kann beispielsweise Bestandteil einer Nernstzelle sein, welche neben der Nernstelektrode 142 und dem Festelektrolyten 124 beispielsweise weiterhin eine Referenzelektrode umfassen kann, welche in den 2A bis 2C nicht dargestellt ist und welche beispielsweise in einem Referenzgasraum, beispielsweise in einem Referenzluftkanal, angeordnet sein kann. Auch diese Nernstelektrode 142 kann als Edelmetallquelle 138 bzw. als Bestandteil dieser Edelmetallquelle 138 fungieren.
  • In 2A ist das allgemeine Prinzip eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben, nach welchem eine Regeneration der zweiten Elektrode 118 durch ein Verdampfen von Edelmetall im Elektrodenhohlraum 120 erfolgt. Dieses Verdampfen von Edelmetall ist symbolisch durch die Bezugsziffer 140 angedeutet. Wie in 2A durch den Sauerstoffstrom 144, welcher die Diffusionsbarriere 122 durchdringt, angedeutet ist, ist der erste Bereich 130 der zweiten Elektrode 118 im Betrieb des Sensorelements 110 besonders stark belastet. Hier kann es auf der zweiten Elekt rode 118, beispielsweise einer Platin-Cermet-Elektrode, beispielsweise zu einer Reduktion der von außen kommenden Abgasbestandteile kommen. Hierdurch können sich insbesondere in diesem ersten Bereich 130 der zweiten Elektrode 118 Kohlenstoff, Übergangsmetalle (z. B. Eisen, Chrom, Kobalt), Alkalimetalle (Natrium, Kalium, etc.) und außerdem Silizium ablagern. Vorgeschlagen in der Verfahrensvariante gem. 2A wird dem entsprochen, dass der Betrieb des Sensorelements 110 so eingerichtet wird, das ständig Edelmetall, beispielsweise Platin, aus der Edelmetallquelle 138 gasförmig zur Verfügung gestellt wird und auf der relevanten zweiten Elektrode 118, insbesondere im ersten Bereich 130, wieder auskristallisiert. Dadurch lassen sich die eingetragenen Vergiftungsbestandteile auf der zweiten Elektrode 118 abdecken.
  • Dieses Prinzip lässt sich über verschiedene Maßnahmen am Sensorelement 110 realisieren. So kann beispielsweise die Nernstelektrode 142 mit einem Platinanteil von über 80 vol.% ausgestattet werden, um die Platin-Verdampfung zu erleichtern. Die Anfangsbetriebstemperatur kann beispielsweise über das Heizelement 126 derart gewählt, dass eine ausreichende Platinverdampfung sichergestellt wird. Weiterhin kann die relevante Pumpelektrode, in diesem Fall die zweite Elektrode 118, kälter eingestellt werden, damit die Kondensation nur an dieser zweiten Elektrode 118 erfolgt. Insbesondere können die stärker belasteten Bereiche, wie in diesem Fall der erste Bereich 130, durch eine entsprechende Ansteuerung und/oder Ausgestaltung des Heizelements 126 kälter ausgestaltet werden, damit die Kondensation insbesondere dort erfolgen kann. Weiterhin kann der Elektrodenhohlraum 120, welcher zwischen der Nernstelektrode 142 und der zweiten Elektrode 118 liegt, vom Volumen her derart groß gewählt werden, dass auch die nicht dieser Nernstelektrode 142 gegenüberliegenden Bereiche der zweiten Elektrode 118 mit Edelmetall bedampft werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel auf das zusätzliche Edelmetallreservoir 140 verzichtet werden. Dieses Edelmetallreservoir 140 kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein, beispielsweise insbesondere in dem ersten Bereich 130 gegenüberliegenden Bereich der Wand des Elektrodenhohlraums 120. Weiterhin kann das Sensorelement zeitweise, vorzugsweise wenn keine starke Kühlung durch das Abgas vorliegt, stark beheizt werden, um die Verdampfung auszulösen. Weiterhin kann die Edelmetallquelle 138, beispielsweise die Nernstelektrode 142, über den Heizelement 126 und/oder nahe an diesem Heizelement 126 angeordnet werden, damit auch bei geringer Beheizung des ganzen Sensorelements 110 die Platin-Bedampfung bzw. die Bedampfung mit Edelmetall stattfindet. Wiederum alternativ oder zusätzlich zu den obigen Ausgestaltungen der Edelmetallquelle 138 kann auch das Heizelement 126 selbst Bestandteil dieser Edelmetallquelle 138 sein, so dass auch dieses Heizelement 126 direkt zur Platin-Lieferung verwendet werden kann. Weiterhin kann auch die Pumpelektrode selbst, also die zweite Elektrode 118, beheizt werden und anschließend so abgekühlt werden, dass eine Rückkondensation des eigenen Edelmetalls, insbesondere Platins, auf dieser zweiten Elektrode stattfinden kann. Auch dabei werden die abgelagerten Elemente überdeckt. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann beim Einschalten des Sensorelements 110 ein kurzer Überhitzungspuls vorgegeben werden, welcher die Elektrodenoberfläche der zweiten Elektrode 118 neu bedampft, um die Ablagerungen unschädlich zu machen, die während der Lagerung des Sensorelements 110 erfolgt sind. Weiterhin kann, wie oben dargestellt, ein zusätzliches Edelmetallreservoir 140 verwendet werden, beispielsweise ein Platinreservoir, welches beispielsweise auch gleichzeitig mit der Nernstelektrode 144 hergestellt werden kann, beispielsweise gedruckt werden kann. Auch dieses Edelmetallreservoir 140 kann besonders beheizt werden, beispielsweise durch besondere Ansteuerung des Heizelements 126 und/oder durch Vorsehen eines separaten Heizelements 126. Weiterhin kann gezielt eine Überhitzung in Anblasphasen durchgeführt werden, in welchen eine einseitige Auskühlung der zweiten Elektrode 118 erfolgt. Dadurch kommt es innerhalb der zweiten Elektrode zu einem Platin-Transport bzw. Edelmetall-Transport an die ausgekühlten und besonders polarisationsgefährdeten Stellen, beispielsweise im ersten Bereich 130. Weiterhin kann eine Überhitzung gezielt im Schub durchgeführt werden. Tritt bei Überhitzung kein Signalanstieg auf, so wird vorzugsweise die Überhitzung abgebrochen, insbesondere um Edelmetall, beispielsweise Platin, zu sparen.
  • Diese beschriebenen möglichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2A können einzeln oder auch in Kombination angewandt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verdampfungsprinzip können gleichermaßen alle gängigen Elektrodenvergiftungen der zweiten Elektrode 118 wie Vergiftungen mit Siloxan, Phosphor oder durch Kohlenstoff-Ablagerungen, robust abgemildert werden. Trotz dieser Ablagerungen kann die zweite Elektrode 118 wieder aktiv werden und/oder aktiviert werden.
  • In den 2B und 2C ist eine weitere Verfahrensvariante des zweiten Aspekts der Erfindung dargestellt, welche auch mit den oben ebenfalls anhand von 2A beschriebenen Varianten kombinierbar ist und/oder auch mit den anhand der 1A und 1B dargestellten Verfahrensvarianten. Der Aufbau des Sensorelements 110 kann dabei grundsätzlich analog zu dem Aufbau gern. 2A erfolgen. Allerdings ist in diesem Fall die Heizphase, bei welchem die Edelmetallquelle 138 beheizt wird und welche auch ganz oder teilweise zeitlich identisch oder zeitlich überlappend mit einer Betriebsphase des Sensorelements 110 sein kann, unterteilt in eine in 2B dargestellte Verdampfungsphase und eine in 2C dargestellte Niederschlagsphase. Diese Aufteilung in die Verdampfungsphase und die Niederschlagsphase, wobei auch weitere Phasen vorgesehen sein können und/oder wobei die Verdampfungsphase und/oder die Niederschlagsphase auch jeweils einzeln oder beide wiederum in Teil-Phasen unterteilt sein können, lässt sich vorzugsweise ohne Eingriff am Sensorelement 110 realisieren, beispielsweise durch eine entsprechende Einrichtung der Steuerung 134. Dabei zeigen die 2B und 2C ein Verfahren, bei welchem zusätzlich in den beiden Phasen unterschiedliche Partialdrücke pO2' und pO2'' innerhalb des Elektrodenhohlraums 120 eingestellt werden. So kann beispielsweise zur Begünstigung einer Edelmetallverdampfung 140 in der Verdampfungsphase gemäß 2B ein hoher Sauerstoff-Partialdruck eingestellt werden, beispielsweise ein Partialdruck von 10–4 bar oder mehr. In der Niederschlagsphase gemäß 2C kann ein niedriger Sauerstoff-Partialdruck pO2'' eingestellt werden, beispielsweise ein Partialdruck von 10–13 bar oder weniger. Das Sensorelement 110 kann ansonsten beispielsweise ausgestaltet sein wie anhand der 2A beschrieben. Durch den erhöhten Sauerstoff-Partialdruck pO2'' im Elektrodenhohlraum 120 kann in der Verdampfungsphase gemäß 2B die Platinverdampfung bzw. Edelmetallverdampfung durch Bildung von Edelmetalloxiden, beispielsweise PtO2 beschleunigt werden, wohingegen in der Niederschlagsphase gem. 2C durch einen abgesenkten Partialdruck pO2'' das Edelmetall bzw. Platin gezielt wieder abgelagert werden kann.
  • Beispielsweise kann in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Intervallen, beispielsweise in Intervallen von 1 Stunde bis 1.000 Stunden Betriebsdauer der Partialdruck pO2 im Elektrodenhohlraum 120 von 10–9 bar auf 0,2 bar angehoben werden, beispielsweise durch Änderung der Sollvorgabe einer Nernstspannung in einer oben beschriebenen Nernstzelle, beispielsweise von 450 mV auf 0 mV. Vorzugsweise wird lediglich auf 10–4 bar angehoben, also auf eine Nernstspannung UN von 200 mV, welche zwischen der Nernstelektrode 142 und einem Referenzgasraum, beispielsweise Luft, gemessen wird. Damit kann ein unverändertes Sondensignal zumindest bei Betrieb im Magerbereich beispielsweise eines Dieselmotors vorliegen. Da die Partialdruckdifferenz den Diffusionsstrom bestimmt, ändert sich der Strom durch diese kleine Partialdruckerhöhung nicht. Anschließend kann der Partialdruck im Hohlraum auf beispielsweise 10–13 bar abgesenkt werden, um die Rückoxidation des Platins in der Niederschlagsphase gem. 2C einzuleiten. Zu diesem Zweck kann die vorgegebene Nernstspannung erhöht werden, beispielsweise auf mehr als 450 mV, vorzugsweise auf 700 mV.
  • Auch bei einer Herstellung des Sensorelements 110 kann eine Verdampfung analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2A bis 2C erfolgen. So kann beispielsweise eine erhöhte Temperatur, beispielsweise eine erhöhte Elektrodentemperatur und/oder eine erhöhte Temperatur im Bereich der mindestens einen Edelmetallquelle 138, durch eine äußere Erwärmung des Sensorelements 110 erfolgen. Beispielsweise kann hierzu eine einseitige Infrarotbestrahlung und/oder eine Laserbestrahlung verwendet werden. Dabei wird durch eine vorzugsweise lange Wellenlänge, bei welcher die Keramik des Sensorelements 110 transparent ist, nur die zweite Elektrode 118 und/oder die Edelmetallquelle 138 ganz oder teilweise gezielt von außen erwärmt. Vorzugsweise können hierzu Mikrowellen verwendet werden.
  • Der in 2B erhöhte Sauerstoffpartialdruck pO2', welcher vorzugsweise 0,6 bar (Sauerstoffpartialdruck) beträgt und welcher vorzugsweise nicht mehr als 2 bar (Sauerstoffpartialdruck) beträgt, kann auch durch Begasen der Sensorelemente 110 mit höherem Sauerstoffanteil und/oder mit höherem Gesamtdruck erfolgen und/oder durch Vorgabe einer negativen Nernstspannung bei geregeltem Betrieb. Eine andere Art der Realisierung ist eine gepumpte Referenz, die beispielsweise durch einen dauernden kathodischen Pumpbetrieb der Elektroden zu einer verstärkten Platin-Ablagerung bzw. Edelmetall-Ablagerung am hinteren Elektrodenrand führen kann.
  • Insgesamt lässt sich mit den in dem 2A bis 2C dargestellten Verfahren, bei welchem eine Edelmetallverdampfung 140 erfolgt, gleichermaßen eine Elektrodenvergiftung auf verschiedene Weisen abmildern. So lassen sich alle gängigen Elektrodenvergiftungen, wie beispielsweise durch Siloxane, Phosphore, Kohlenstoff-Ablagerungen oder ähnliches robust abmildern, da die Elektroden, insbesondere die zweite Elektrode 118, trotz Ablagerungen wieder aktiv werden können bzw. aktiviert werden können.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung des Sauerstoff-Partialdrucks im Elektrodenhohlraum 120 kann weiterhin wiederum auch die Heiztemperatur des Heizelements 126 entsprechend zwischen der Verdampfungsphase und der Niederschlagsphase verändert werden. Beispielsweise können in der Verdampfungsphase Temperaturen von über 800°C verwendet werden, insbesondere im Heizelement 126 in der Nähe der Nernstelektrode 142. In der Niederschlagsphase gemäß 2C hingegen können niedrigere Temperaturen verwendet werden, beispielsweise Temperaturen von 700°C im Heizelement 126 nahe der Nernstelektrode 142.
  • In 3 ist schließlich ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt, welcher mit dem Aspekt gemäß den 1A und 1B und/oder dem Aspekt gemäß den 2A bis 2C auch in Kombination einsetzbar ist oder welcher auch einzeln realisierbar ist. Wiederum wird ein Sensorelement 110 mit einer Pumpzelle 128 mit einer ersten Elektrode 114, einer zweiten Elektrode 118 und einem die erste Elektrode 114 und die zweite Elektrode 118 verbindenden Festelektrolyten 124 verwendet. Dabei ist wiederum in 3 optional ein Aufbau dargestellt, bei welchem die erste Elektrode 114 über eine Schutzschicht 116 unmittelbar dem Gas in einem Messgasraum ausgesetzt ist, wohingegen die zweite Elektrode 118 in einem Elektrodenhohlraum 120 in einer tiefer gelegenen Schichtebene eines Schichtaufbaus angeordnet ist. Wie oben beschrieben, sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Der Elektrodenhohlraum 120 ist dabei bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum über eine Diffusionsbarriere 122 und ein optionales Gaszutrittsloch 146 mit dem Messgasraum 112 verbunden. Weiterhin kann das Sensorelement 110 optional wiederum eine Steuerung 134, eine Schnittstelle 136 sowie ein Heizelement 126 umfassen. Für den weiteren Aufbau und die Funktionsweise kann beispielsweise auf die obigen Ausführungsbeispiele verwiesen werden.
  • Weiterhin kann das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 eine Nernstzelle 148 umfassen. Diese Nernstzelle 148 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine in dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnete Nernstelektrode 142, eine in einem Referenzgasraum 150, beispielsweise in einem Referenzluftkanal, angeordnete Referenzelektrode 152 sowie eine die Nernstelektrode 142 und die Referenzelektrode 152 verbindende Festelektrolytbrücke 154. Es sei darauf hingewiesen, dass die Nernstzelle 148 auch auf andere Weise ausgestaltet sein kann, beispielsweise in dem die Referenzelektrode 152 und/oder der Referenzgasraum 150 in einer tiefer gelegenen Schichtebene angelegt sind, beispielsweise unterhalb des Elektrodenhohlraums 120, wie dies beispielsweise auch aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt ist. Verschiedene Ausgestaltungen sind denkbar.
  • Bei dem in 3 dargestellten dritten Aspekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist wiederum ein erster Bereich 130 der zweiten Elektrode 118 besonders stark be lastet, insbesondere durch den in einem Magerdauerlauf erfolgenden dauernden Betrieb des Elektrodenhohlraums 120 in reduzierender Atmosphäre. Hierdurch kann es, wie oben dargestellt, in der zweiten Elektrode 118, beispielsweise einer Platin-Cermet-Elektrode, zu einer Reduktion des in Kontakt mit Platin stehenden Zirkondioxids kommen. Dabei löst sich das verbleibende Zr im Pt und erzeugt eine intermetallische Phase Pt3Zr bzw. Pt5Zr.
  • Zur Lösung dieser Problematik wird gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, das Sensorelement 110 zeitweise oder dauerhaft mit einer niedrigeren Sollspannung der Nernstzelle 148 als 450 mV zu betreiben. Hierdurch stellt sich im Elektrodenhohlraum 120 eine höhere Sauerstoffkonzentration ein, welche nicht so leicht zu einer Reduktion des Zirkondioxids führt. So kann die vorgegebene Nernstspannung UN in der Nernstzelle 149 beispielsweise statt auf 450 mV auf eine niedrigere Sollspannung von beispielsweise 50 mV bis 440 mV, insbesondere 200 mV, eingestellt werden. Dabei liegt der Sauerstoff-Partialdruck im Elektrodenhohlraum 120 nun nicht mehr bei 10–9 mbar, sondern bei 10–4 mbar. Dies reicht immer noch aus, damit die den Diffusionseintransport bestimmende Partialdruckdifferenz noch bis zu niedrigen Partialdrücken im Abgas proportional zum äußeren Partialdruck bleibt und damit die Kennlinie des Sensorelements 110 nicht gekrümmt ist.
  • Vorzugsweise wird die strombelastete Vorderkante der zweiten Elektrode 118, beispielsweise im Bereich 130, dünn und porös ausgestaltet, damit keine reduzierende Atmosphäre in der Tiefe der zweiten Elektrode 118 auftreten kann. Dazu kann beispielsweise eine Schichtdicke von 2 μm bis 10 μm, vorzugsweise 5 μm für die zweite Elektrode 118 gewählt werden. Ein niedriger Stützgerüstanteil in der zweiten Elektrode 118 kann dabei dazu führen, dass die O2-Reduktion in einer definierten Grenzfläche zwischen Pt und ZrO2 stattfindet, in welcher der Gaszutritt noch möglich ist.
  • Weiterhin kann bei dem in 3 beschriebenen Verfahren eine Nernstspannungsmessung auch zwischen der ersten Elektrode 114, beispielsweise der äußeren Potentialelektrode (APE), und der Referenzelektrode 152 (RE) erfolgen, anstelle des beschriebenen Betriebes einer Messung in der Nernstzelle 148 bzw. zwischen der Referenzelektrode 152 und der zweiten Elektrode 118. Dabei kann eine feste Pumpspannung eingestellt werden, welche sicher in den Grenzstrom führt. Hierdurch lässt sich der Einfluss von Polarisation der zweiten Elektrode 118 aus einer Regelungsschleife beseitigen. Bei einem derartigen Betrieb, in welchem eine Nernstspannung der ersten Elektrode 114 und der Referenzelektrode 152 gemessen wird, wird vorzugsweise bei einem kleinen Strom, beispielsweise einem Strom von weniger als 0,5 mA, eine Pumpspannung in der Pumpzelle 128 von 0,8 V eingestellt, bei einem höheren Strom eine Pumpspannung von 1,8 V. Insgesamt lässt sich hierdurch durch den vorgeschlagenen Betrieb bei einer höheren Sauerstoffkonzentration zumindest weitgehend vermeiden, dass sich in der zweiten Elektrode 118 die beschriebene Zone der Reduktion des Zirkondioxids einstellt, beispielsweise in dem besonders belasteten ersten Bereich 130.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19941051 A1 [0003, 0004, 0011]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2. Ausgabe, April 2007, S. 154–159 [0003]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (110) zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in dem Gas, wobei ein Sensorelement (110) mit mindestens einer Pumpzelle (128) verwendet wird, wobei die Pumpzelle (128) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (124) aufweist, wobei die zweite Elektrode (118) in einem Elektrodenhohlraum (120) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (120) über mindestens eine einen Gasstrom begrenzende Diffusionsbarriere (122) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist, wobei die zweite Elektrode (118) beheizt wird, wobei die Beheizung inhomogen erfolgt, wobei mindestens ein erster Bereich (130) der zweiten Elektrode (118) auf eine höhere Temperatur geheizt wird als mindestens ein zweiter Bereich (132) der zweiten Elektrode (118).
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (130) näher an der Diffusionsbarriere (122) angeordnet ist als der zweite Bereich (132).
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens eine Betriebsphase umfasst, wobei während der Betriebsphase die mindestens eine Eigenschaft des Gases bestimmt wird, wobei das Verfahren weiterhin mindestens eine Regenerationsphase umfasst, wobei in der Regenerationsphase die inhomogene Beheizung erfolgt.
  4. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (110) zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in dem Gas, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei ein Sensorelement (110) mit mindestens einer Pumpzelle (128) verwendet wird, wobei die Pumpzelle (128) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (118) verbin denden Festelektrolyten (124) aufweist, wobei die zweite Elektrode (118) in einem Elektrodenhohlraum (120) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (120) über mindestens eine einen Gasstrom begrenzende Diffusionsbarriere (122) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist, wobei das Verfahren zumindest eine Bedampfungsphase umfasst, wobei in der Bedampfungsphase mindestens ein Edelmetall, insbesondere Platin, in dem Elektrodenhohlraum (120) verdampft und auf der zweiten Elektrode (118) abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum (120) angeordnete Edelmetallquelle (138) verwendet wird, wobei die Edelmetallquelle (138) zumindest zeitweise beheizt wird.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bedampfungsphase mindestens eine Heizphase umfasst, wobei in der Heizphase kurzfristig eine Temperatur der Edelmetallquelle (138) erhöht wird und wobei nach Beendigung der Heizphase die Temperatur der Edelmetallquelle (138) wieder erniedrigt wird.
  7. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Edelmetallquelle (138) mindestens einen Reservoirbereich der zweiten Elektrode (118) und/oder mindestens ein in dem Elektrodenhohlraum (120) angeordnetes Edelmetallreservoir (140), insbesondere mindestens ein Platinreservoir, und/oder mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum (120) angeordnete dritte Elektrode, insbesondere eine Nernstelektrode (142) mindestens einer von der Pumpzelle (128) zumindest teilweise verschiedenen Nernstzelle (148), umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bedampfungsphase mindestens eine Verdampfungsphase und mindestens eine Niederschlagsphase umfasst, wobei in der Verdampfungsphase in dem Elektrodenhohlraum (120) ein höherer Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird als in der Niederschlagsphase.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mehrfach zwischen der Verdampfungsphase und der Niederschlagsphase umgeschaltet wird.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (110) zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in dem Gas, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei ein Sensorelement (110) mit mindestens einer Pumpzelle (128) verwendet wird, wobei die Pumpzelle (128) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (124) aufweist, wobei die zweite Elektrode (118) in einem Elektrodenhohlraum (120) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (120) über mindestens eine einen Gasstrom begrenzende Diffusionsbarriere (122) mit dem Messgasraum (112) verbunden ist, wobei in dem Elektrodenhohlraum (120) eine magere Gasgemischzusammensetzung eingestellt wird.
  11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (110) weiterhin mindestens eine Nernstzelle (148) umfasst, wobei die Nernstzelle (148) mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum (120) angeordnete Nernstelektrode (142) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (150), insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordnete Referenzelektrode (152) umfasst, wobei ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (128) derart eingestellt wird, dass sich in der Nernstzelle (148) eine Nernstspannung von weniger als 450 mV einstellt, vorzugsweise eine Nernstspannung zwischen 50 mV und 440 mV, insbesondere eine Nernstspannung von 200 mV.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Einstellen der Gasgemischzusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum (120) eine Nernstspannung verwendet wird, welche zwischen der ersten Elektrode (114) und mindestens einer in einem Referenzgasraum (150), insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordneten Referenzelektrode (152) gemessen wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (118) derart ausgestaltet ist, dass diese eine inhomogene Schichtdicke und/oder eine inhomogene Porosität aufweist, wobei mindestens ein erster Bereich (130) eine geringere Schichtdicke und/oder eine höhere Porosität aufweist als mindestens ein zweiter Bereich (132), wobei der zweite Bereich (132) weiter von der Diffusionsbarriere (122) entfernt angeordnet ist als der erste Bereich (130).
  14. Sensorelement (110) zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffan teils in dem Gas, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine Pumpzelle (128) aufweist, wobei die Pumpzelle (128) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (118) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (124) aufweist, wobei die zweite Elektrode (118) in einem Elektrodenhohlraum (120) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (110) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche durchzuführen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102013212288A1 (de) 2013-06-26 2014-12-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und Sensorvorrichtung

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19941051A1 (de) 1999-08-28 2001-03-22 Bosch Gmbh Robert Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19941051A1 (de) 1999-08-28 2001-03-22 Bosch Gmbh Robert Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Robert Bosch GmbH: "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Ausgabe, April 2007, S. 154-159

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011007332A1 (de) 2011-04-13 2012-10-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum
DE102013212288A1 (de) 2013-06-26 2014-12-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und Sensorvorrichtung

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