DE102009028755A1

DE102009028755A1 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Cermet-Elektrode

Info

Publication number: DE102009028755A1
Application number: DE102009028755A
Authority: DE
Inventors: Margret Schuele; Gudrun Oehler; Sabine Thiemann-Handler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Cermet-Elektrode mit einem metallischen und einem keramischen Materialanteil, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(a) Beschichten von Porenbildner-Partikeln mit dem metallischen Elektrodenmaterial oder dessen Bestandteilen,
(b) Herstellung einer Elektrodenpaste mit metallischem und keramischem Elektrodenmaterial und den beschichteten Porenbildner-Partikeln,
(c) Ausbilden der Elektrodenform mit der in Schritt (b) erzeugten Elektrodenmaterialmischung und
(d) Sintern der in Schritt (b) hergestellten und in Schritt (c) geformten Elektrodenmaterialmischung.
Die Erfindung betrifft weiterhin poröse Cermet-Elektroden, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurden, sowie ein Sensorelement enthaltend eine erfindungsgemäße poröse Cermet-Elektrode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Cermet-Elektrode, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte poröse Cermet-Elektrode.
Stand der Technik
Sensorelemente auf Festelektrolytbasis, die elektrochemisch die Bestimmung einer Gaskomponente in einem Gasgemisch ermöglichen, sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften EP 0 797 095 A2 und der EP 0 798 555 A2 beschrieben. Die hieraus bekannten NOx-Sensoren arbeiten nach dem sogenannten Doppelkammerprinzip. Hierbei wird in einer ersten Kammer der Sauerstoffpartialdruck elektrochemisch bis auf einen bestimmten Wert reduziert. In einer zweiten Kammer erfolgt dann die weitere Reduktion auf einen noch kleineren Wert und die Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks, sowie die Reduktion der Stickoxide. Das Sensorelement enthält dazu mehrere elektrochemische Zellen. Die Elektroden dieser elektrochemischen Zellen sind auf innenleitenden Festelektrolyten, beispielsweise aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid, angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden. Die elektrochemische Reduktion der Stickoxide an der NOx-Messelektrode, die zusammen mit einer Referenzelektrode die signalgebende Messzelle bildet, liefert das eigentliche Messsignal, welches unter geeigneten Voraussetzungen der Konzentration der Stickoxide im Gasgemisch proportional ist. Die Größe des Messsignals bewegt sich dabei in der Regel in der Größenordnung von einigen Nanoampere bis hin zu einigen Mikroampere.
Für die NOx-detektierende Elektrode wird in den vorstehend genannten Offenlegungsschriften ein poröses Mehrkomponentensystem aus Rhodium als Metall und Yttrium-Zirkoniumoxid als Keramik, ein so genanntes Rhodium-Cermet verwendet.
Rhodium kann in sauerstoffreicher Messgasatmosphäre selbst oxidiert werden. Dies kann bei der Messung von Gaskomponenten zu zeitlich nicht stabilen Sensorsignalen und zu einer schlechten Haftung der Elektroden auf dem Festelektrolytsubstrat führen. In der Offenlegungsschrift EP 1 006 352 A2 wird zur Vermeidung dieser Problematik eine Legierung aus Platin und Rhodium als Metallkomponente der Cermet-Elektrode eingesetzt.
Der Anteil an keramischem Yttrium-Zirkoniumoxid als Festelektrolytmaterial innerhalb der Cermet-Elektrode führt in einem Gas-Sensorelement zur Ausdehnung der so genannten Dreiphasengrenze, also der Grenzfläche zwischen Gas, Elektrode und Festelektrolyt, in Bereiche innerhalb der Elektrode. Geeignete Elektroden müssen daher eine gewisse Porosität aufweisen, damit das Messgas möglichst ungehindert in das Innere der Elektrode gelangen kann. Diese Porosität wird in der EP 1 006 352 A2 durch den Zusatz und die Einstellung des keramischen Anteils erzielt. Bei der Herstellung solcher Cermet-Elektroden kann es bei den bekannten Verfahren durch den involvierten Sintervorgang bei hohen Temperaturen und dadurch verursachtes Versintern des keramischen, aber vor allem auch des metallischen Anteiles der Elektrode zu einer ungünstig hohen Abnahme der Porosität kommen.
Zur Einstellung einer bestimmten Porosität ist es bekannt, Porenbildner einzusetzen. In der Offenlegungsschrift US 5,096,560 A ist beispielsweise eine Elektrode für einen elektrochemischen Detektor aus poröser Graphitkohle beschrieben, welche mit Porenbildnern, wie Stärke, Cellulose, Polyethylen-Oxid oder Polyvinylalkohol hergestellt wurde.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Cermet-Elektrode mit einem metallischen und einem keramischen Elektrodenmaterialanteil bereitzustellen, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) Beschichten von Porenbildner-Partikeln mit dem metallischen Elektrodenmaterial oder dessen Bestandteilen,
(b) Herstellung einer Elektrodenpaste mit dem metallischen und dem keramischen Elektrodenmaterial und den beschichteten Porenbildner-Partikeln,
(c) Ausbilden der Elektrodenform mit der in Schritt (b) erzeugten Elektrodenmaterialmischung und
(d) Sintern der in Schritt (b) hergestellten und in Schritt (c) geformten Elektrodenmaterialmischung.

Die Beschichtung der Porenbildner-Partikel mit dem metallischen Elektrodenmaterial oder, im Falle einer Legierungselektrode, dessen Bestandteilen in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise stromlos durch Fällung aus entsprechenden Metallsalzlösungen mit einem Reduktionsmittel erfolgen.
Unter Herstellung einer Elektrodenpaste in Schritt (b) wird erfindungsgemäß verstanden, dass eine Paste enthaltend die metallischen und keramischen Elektrodenmaterialanteile und die beschichteten Porenbildnerpartikel sowie Lösungsmittel und gegebenenfalls übliche Bestandteile, wie Binder und Weichmacher, hergestellt wird. Die Porenbildner-Partikel sollen möglichst gleichmäßig in der pastösen Mischung mit dem metallischen und keramischen Elektrodenmaterial dispergiert sein. Sie bilden zusammen mit dem eigentlichen metallischen und keramischen Elektrodenmaterial den Feststoffanteil der pastösen Elektrodenmaterialmischung.
In Schritt (c) wird die gewünschte und für den jeweiligen Anwendungszweck geeignete Gestalt der Elektroden geformt. Die Ausbildung der Elektrodenform kann erfindungsgemäß beispielsweise bedeuten, dass die Elektrodenmaterialmischung, also die Elektrodenpaste mit den darin gleichmäßig verteilten Porenbildner-Partikeln, auf ein Substrat aufgebracht wird. Dies kann zum Beispiel mittels Siebdruck erfolgen. Das Substrat kann beispielsweise eine Folie oder ein Blatt aus einem keramischen Festelektrolytmaterial sein.
Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise die Morphologie einer Cermet-Elektrode, insbesondere deren Porosität optimal eingestellt werden. Mit der erfindungsgemäßen Herstellung kann die Aktivität der Elektroden sowie deren elektrische Leitfähigkeit gewährleistet werden. Im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Elektroden kann ihre Aktivität sogar deutlich gesteigert werden. Dies liegt daran, dass die erfindungsgemäß eingesetzten metall-beschichteten Porenbildner den metallischen Anteil in der hergestellten porösen Elektrode nicht verringern oder zumindest weniger verringern, als dies bei Zusatz von zusätzlicher Keramik oder herkömmlichen Porenbildnern der Fall wäre. Somit kann vorteilhafterweise der metallische Kontakt innerhalb der Elektroden bei erhöhter Porosität sichergestellt werden. Idealerweise kann erfindungsgemäß der Kontakt zwischen den Metallpartikeln über das Netzwerk der nach dem Sintern in Schritt (d) zurückgebliebenen Porenwände hergestellt sein, während der Porenbildner selbst rückstandslos während des Sinterns oxidiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das metallische Elektrodenmaterial ausgewählt sein aus Platin, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Gold, Silber und Kupfer oder einer Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente. Mit diesen Metallen oder Metalllegierungen können Elektroden mit guten Aktivitäten hergestellt werden. Der Volumenanteil an metallischer Phase bezogen auf den Feststoffanteil des Cermets in der Elektrode kann dabei bevorzugt zwischen > 0 und ≤ 80 Vol.-% liegen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das keramische Elektrodenmaterial ausgewählt sein aus dotiertem Zirkoniumoxid oder dotiertem Ceroxid. Das Zirkoniumoxid kann beispielsweise mit Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid oder Erbiumoxid dotiert sein. Das Ceroxid kann beispielsweise mit Gadoliniumoxid, Samariumoxid, Yttriumoxid oder Calciumoxid dotiert sein. Diese keramischen Materialzusammensetzungen sind zur Herstellung von oxidionenleitenden Cermet-Elektroden, insbesondere für Elektroden zur Messung von sauerstoffhaltigen Gasen und Gasbestandteilen, besonders geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können als Porenbildner Glaskohlenstoff, Kohlenfasern und/oder Flammruß eingesetzt werden. Grundsätzlich können als Porenbildner erfindungsgemäß jedoch alle Materialien eingesetzt werden, die als Partikel mit dem metallischen Elektrodenmaterial oder seinen Bestandteilen auf ihrer Oberfläche beschichtet und der Elektrodenpaste zugesetzt werden können und weiterhin während des Sinterprozesses rückstandsfrei oxidiert oder auf andere Art entfernt werden können, um die entsprechenden Poren zu hinterlassen. Die Poren sind bevorzugt gleichmäßig in der Elektrode verteilt und stellen vorteilhafterweise sicher, dass ein Gaszutritt zur Elektrode und ein Gastransport ungehindert erfolgen können.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der beschichtete Porenbildner in Schritt (b) in Anteilen > 0 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-% bezogen auf den gesamten Feststoffanteil der Elektrodenpaste zugesetzt werden kann. Die Feststoffanteile von metallischem, keramischen Elektrodenmaterialanteil und beschichtetem Porenbildner ergänzen sich erfindungsgemäß jeweils zu 100 Gew.-%. Grundsätzlich kann über den Anteil des Porenbildners der spätere Volumenanteil der Poren in der Cermet-Elektrode optimal auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Grundsätzlich sind daher gegebenenfalls auch größere Gew.-%-Anteile an zugesetztem Porenbildner erfindungsgemäß umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin poröse Cermet-Elektroden mit einem metallischen und einem keramischen Elektrodenmaterialanteil, wobei diese Cermet-Elektroden Poren enthalten, deren Porenwände aus dem metallischen Elektrodenmaterial gebildet sind. Das metallische Elektrodenmaterial kann ein Metall oder eine Metalllegierung zum Beispiel Platin, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Gold, Silber und Kupfer oder eine Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente sein. Diese porösen Cermet-Elektroden können insbesondere nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren und seinen verschiedenen Varianten hergestellt sein. Solchermaßen erfindungsgemäß hergestellte oxidionenleitende Cermet-Elektroden sind insbesondere als Gaselektroden zur Messung von sauerstoffhaltigen Gasen und Gasbestandteilen geeignet.
Die erfindungsgemäßen porösen Cermet-Elektroden können bevorzugt einen Porenanteil ≤ 60 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Elektrode aufweisen.
Weiter bevorzugt können die Poren einen Durchmesser von ≥ 0,1 μm bis ≤ 10 μm aufweisen. Vorteilhafterweise können der Volumenanteil der Poren sowie deren Form und Dimensionierung durch die Auswahl des Porenbildners und dessen eingesetzten Anteil in der Elektrodenmaterialmischung eingestellt werden. Somit kann eine optimale auf die gewünschte Anwendung abgestimmte Porosität der Elektroden erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Cermet-Elektroden ist vorgesehen, dass das metallische Elektrodenmaterial eine Rhodium/Platin-Legierung und das keramische Elektrodenmaterial ein dotiertes Yttrium-Zirkoniumoxid ist. Vorteilhafterweise kann mit diesen porösen Platin/Rhodium-Cermet-Elektroden eine besonders exakte und zeitlich stabile Messung der Konzentration der Gaskomponente NOx in einem Gasgemisch erfolgen.
Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen porösen Cermet-Elektrode wird hiermit außerdem auf die vorstehende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Figuren näher erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement,
2 einen beschichteten Porenbildner-Partikel und die
3 eine schematische Schnittansicht auf eine Ebene einer erfindungsgemäßen porösen Cermet-Elektrode.
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines Sensorelements 10 eines elektrochemischen Gassensors dargestellt, welches mehrere Elektroden 15, 16 17, 18 und 19 aufweist, wobei eine oder mehrere dieser Elektroden, insbesondere die Gaskomponenten-Messelektrode 17, als erfindungsgemäße poröse Cermet-Elektroden ausgeführt sein können. Diese erfindungsgemäßen Cermet-Elektroden weisen eine verbesserte Morphologie auf und können eine exakte und zeitlich stabile Messung der jeweiligen Gaskomponenten durch das erfindungsgemäße Sensorelement 10 ermöglichen. Ein elektrochemischer Gassensor kann beispielsweise der Bestimmung sauerstoffhaltiger Gase, insbesondere der Bestimmung des Stickoxidgehaltes von Abgasen dienen. Das planare Sensorelement 10 weist dabei eine Mehrzahl an Festelektrolytschichten 11a, 11b und 11c auf, die beispielsweise als keramische Folien ausgeführt sind. Diese Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c können beispielsweise aus Yttriumoxid-stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid gebildet sein. Das Sensorelement 10 umfasst einen inneren Gasraum 12, der eine Gaseintrittsöffnung 13 aufweist, die den Kontakt mit dem Gasgemisch ermöglicht. In Richtung des Pfeils A kann das Gasgemisch in das Sensorelement eintreten. Innerhalb der Gaseintrittsöffnung befindet sich dem inneren Gasraum vorgelagert eine poröse Diffusionsbarriere 14a. Durch eine zweite poröse Diffusionsbarriere 14b ist der innere Gasraum 12 in eine erste Kammer 12a und eine zweite Kammer 12b unterteilt. In der ersten Kammer 12a befindet sich eine erste Elektrode 15. In der zweiten Kammer 12b befinden sich eine zweite Elektrode 16 und eine dritte Elektrode 17, die Gaskomponenten-Messelektrode 17. An der äußeren, dem Messgasgemisch zugewandten Seite der Festelektrolytschicht befindet sich eine äußere Elektrode 18, die mit einer nicht dargestellten porösen Schutzschicht bedeckt sein kann. Die Elektroden 15 und 16 können mit der äußeren Elektrode 18 zusammen jeweils eine elektrochemische Pumpzelle bilden. Mittels der Pumpzellen kann in der ersten Kammer 12a der Sauerstoffpartialdruck im inneren Gasraum des Sensorelements 10 deutlich reduziert und in der zweiten Kammer 12b weiter verringert werden. Zur Kontrolle des eingestellten Sauerstoffpartialdrucks können die Elektroden 15 und 16 mit einer Referenzelektrode 19, die in einem Referenzgaskanal 20 angeordnet ist, zu so genannten Nernst- oder Konzentrationszellen zusammengeschaltet sein. So wird ein direkter Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im inneren Gasraum 12 abhängigen Sauerstoffpotentials der inneren Elektroden 15 und 16 mit dem konstanten Sauerstoffpotential der Referenzelektrode 19 in Form einer messbaren elektrischen Spannung ermöglicht. Auf der der Gaseintrittsöffnung 13 abgewandten Seite befindet sich im inneren Gasraum eine weitere innere Elektrode 17, die zusammen mit der Referenzelektrode 19 eine weitere Pumpzelle bildet, die dem Nachweis der zu bestimmenden Gaskomponente, beispielsweise von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, dient. Die zu bestimmende Gaskomponente wird an der inneren Elektrode 17 zersetzt und reduziert. Der dabei freiwerdende Sauerstoff wird abgepumpt. Als Maß für die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente wird der zwischen den Elektroden 17 und 19 fließende Pumpstrom herangezogen.
In 2 ist ein beschichteter Porenbildner-Partikel 1 gezeigt, der erfindungsgemäß zur Erzeugung der Poren in den erfindungsgemäßen Cermet-Elektroden eingesetzt werden kann. Als Porenbildner 1 können beispielsweise Glaskohlenstoff, Kohlenfasern, Flammruß als Partikel 2 eingesetzt werden. Die Beschichtung 3 der Oberfläche dieser Partikel 2 mit einer Metall-, bevorzugt einer Edelmetallschicht 3, kann beispielsweise stromlos durch Fällung aus der entsprechenden Metallsalzlösung mit einem Reduktionsmittel erfolgen. Die Edelmetallbeschichtung 3 kann zum Beispiel aus Platin, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Gold, Silber und Kupfer oder einer Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente gebildet sein. Mit den genannten Metallen oder Metalllegierungen als Elektrodenmaterial können Elektroden mit guten Aktivitäten hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann über den Anteil und die Verteilung der beschichteten Porenbildner-Partikel 1 der spätere Volumenanteil der Poren und ihre Verteilung in der Cermet-Elektrode optimal auf die jeweilige Anwendung angepasst werden Die Poren können erfindungsgemäß bevorzugt gleichmäßig in der Elektrode verteilt sein und sicherstellen, dass ein Gaszutritt zur Elektrode und ein Gastransport ungehindert erfolgen können. Der beschichtete Porenbildner 1 kann in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise in Anteilen von > 0 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-% bezogen auf den gesamten Feststoffanteil der Elektrodenpaste zugesetzt werden, wobei sich dabei die Feststoffanteile von metallischem, keramischen Elektrodenmaterialanteil und beschichtetem Porenbildner jeweils zu 100 Gew.-% ergänzen.
In 3 ist eine schematische Ansicht einer Ebene in einer erfindungsgemäßen porösen Cermet-Elektrode mit metallischem Elektrodenmaterial 4 und keramischem Elektrodenmaterial 5 gezeigt. Die erfindungsgemäßen Cermet-Elektroden sind insbesondere als Gaselektroden zur Messung von Gasen und Gasbestandteilen geeignet, da deren Porosität und gesamte Morphologie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optimal eingestellt werden kann. Die Poren 6 mit den verbleibenden Porenwänden 7, die aus der Beschichtung 2 gebildet werden, können bevorzugt einen Durchmesser von ≥ 0,1 μm bis ≤ 10 μm aufweisen. Die Porenwände 7 bestehen mit anderen Worten aus dem metallischen Elektrodenmaterial. Besonders bevorzugt kann das metallische Elektrodenmaterial 4 eine Rhodium/Platin-Legierung und das keramische Elektrodenmaterial 5 ein dotiertes Yttrium-Zirkoniumoxid sein. Mit diesen porösen Platin/Rhodium-Cermet-Elektroden eine besonders exakte und zeitlich stabile Messung der Konzentration einer Gaskomponente, vorzugsweise NOx, in einem Gasgemisch erfolgen.
Beispiel 1
Stromlose Beschichtung von Porenbildner-Partikeln
Die Beschichtung von Glaskohlenstoffpartikeln mit dem Edelmetall erfolgte stromlos, d. h. durch Fällung aus der entsprechenden Edelmetallsalzlösung mit einem Reduktionsmittel. Zunächst wurde hierzu die Edelmetallsalzlösung durch Lösen der entsprechenden Menge H₂PtC1₆·6H₂O oder RhCl₃·3H₂O in Reinstwasser hergestellt. Es entstand eine orange bis dunkelrot gefärbte Lösung. Die chemisch sehr inerte Oberfläche der Kohlenstoffpartikel wurde durch Oxidation mit HNO₃/H₂SO₄ funktionalisiert (hydrophiliert), um eine Dispersion in Wasser zu ermöglichen. Die Glaskohlenstoff-Suspension wurde dann durch Dispergieren der hydrophilierten Glaskohlenstoffpartikel in Wasser hergestellt. Dann wurde die Edelmetallsalzlösung zu der Glaskohlenstoff-Suspension gegeben und beides gut unter Rühren mit einem Magnetrührer gemischt und dispergiert. Nun wurde das Reduktionsmittel Formaldehyd tropfenweise und unter ständigem Rühren zu der Suspension gegeben. Nach vollständiger Reduktion der Edelmetallionen in der Lösung hatte sich diese vollständig entfärbt. Nach dem Reduktionsvorgang ließ man das metallisierte Pulver absetzen und die überstehende Lösung wurde dekantiert. Das Pulver wurde dreimal mit Wasser und dann mit Aceton gewaschen und bei Raumtemperatur getrocknet.
Beispiel 2
Beschichtung der Porenbildner-Partikel mit beiden Bestandteilen des metallischen Elektrodenmaterials
Alternativ zu der in Beispiel 1 beschriebenen Beschichtungsmethode, kann die Oberfläche der Glaskohlenstoffpartikel auch mit beiden Bestandteilen der Elektrodenmetalllegierung beschichtet werden.
Zu diesem Zweck wurde sukzessive sowohl das Platin- als auch das Rhodiumsalz im entsprechenden Verhältnis in Wasser aufgelöst und der Beschichtungsvorgang analog zu Beispiel 1 durchgeführt. Dabei wurde zweckmäßigerweise so vorgegangen, dass zunächst das edlere Metall, also Platin, auf den hydrophilierten Glaskohlenstoffpartikeln abgeschieden wurde. Das Platin konnte dann für die nachfolgende Abscheidung des unedleren Metalls Rhodium als Reduktionskeim dienen.
Das gemäß Beispiel 1 oder 2 Edelmetall-beschichtete Glaskohlenstoffpulver wurde in Anteilen bis zu 10 Gew.-% bezogen auf den Feststoffanteil bei der Präparation der Elektrodenpaste zugesetzt und durchläuft den herkömmlichen Präparations- und Sinterprozess.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Schwefeloxiden und/oder Stickoxiden in einem Gasgemisch enthaltend eine erfindungsgemäße Cermet-Elektrode. Das Gasgemisch kann beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gassensor enthaltend ein vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Sensorelement.
Zusammenfassend wird erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt, mit dem poröse Cermet-Elektroden mit optimierter Morphologie hergestellt werden können, die eine hervorragende Aktivität und elektrische Leitfähigkeit aufweisen Mit den erfindungsgemäßen porösen Cermet-Elektroden kann vorteilhafterweise außerdem eine exakte Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch erfolgen. Die erfindungsgemäß hergestellten Elektroden sind daher besonders zur Herstellung von Gassensorelementen geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0797095 A2 [0002]
EP 0798555 A2 [0002]
EP 1006352 A2 [0004, 0005]
US 5096560 A [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer porösen Cermet-Elektrode mit einem metallischen und einem keramischen Elektrodenmaterialanteil, umfassend die folgenden Schritte: (a) Beschichten von Porenbildner-Partikeln mit dem metallischen Elektrodenmaterial oder dessen Bestandteilen, (b) Herstellung einer Elektrodenpaste mit metallischem und keramischem Elektrodenmaterial und den beschichteten Porenbildner-Partikeln, (c) Ausbilden der Elektrodenform mit der in Schritt (b) erzeugten Elektrodenmaterialmischung und (d) Sintern der in Schritt (b) hergestellten und in Schritt (c) geformten Elektrodenmaterialmischung.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Elektrodenmaterial ausgewählt ist aus Platin, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Gold, Silber, Kupfer oder einer Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Elektrodenmaterial ausgewählt ist aus dotiertem Zirkoniumoxid oder dotiertem Ceroxid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Porenbildner Glaskohlenstoff, Kohlenfasern und/oder Flammruß eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Porenbildner in Schritt (b) in Anteilen > 0 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-% der Elektrodenpaste zugesetzt wird.
Poröse Cermet-Elektrode mit einem metallischen und einem keramischen Elektrodenmaterialanteil, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie Poren enthält, deren Porenwände aus dem metallischen Elektrodenmaterial gebildet sind.
Poröse Cermet-Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Porenanteil ≤ 60 Vol.-% aufweist.
Poröse Cermet-Elektrode nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen Durchmesser von ≥ 0,1 μm bis ≤ 10 μm aufweisen.
Poröse Cermet-Elektrode nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Elektrodenmaterial eine Rhodium/Platin-Legierung und das keramische Elektrodenmaterial ein dotiertes Yttrium-Zirkoniumoxid ist.
Sensorelement enthaltend eine oder mehrere poröse Cermet-Elektroden nach einem der Ansprüche 6 bis 9.