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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar.
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Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliciumoxid (SiO2) enthalten können.
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Auf Grund ihres Messprinzips muss die Lambdasonde in der Regel zunächst auf ihre Betriebstemperatur erwärmt werden, da der Festkörperelektrolyt erst bei Temperaturen oberhalb 350 °C für Sauerstoffionen leitend wird. Die Betriebstemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 600 °C bis 900 °C, um eine Nernstspannungsmessung bei Sprungsonden zu erlauben, und kann sogar noch höher liegen, um einen Pumpstrom bei Breitbandsonden zu treiben. Um die hohe Betriebstemperatur zur Verfügung zu stellen, muss entweder ein elektrisches Heizelement in dem Festkörperelektrolyt untergebracht werden oder die Abgastemperatur muss den Festkörperelektrolyt hinreichend aufheizen.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente für Lambdasonden besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial.
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Offenbarung der Erfindung
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So erfordert das elektrische Heizelement eine große Menge an Platin. Ferner muss ein Steuergerät für das Sensorelement auf hohe Heizströme, insbesondere in der Startphase, ausgelegt werden, was die Kosten erhöht. Falls der Festkörperelektrolyt des Sensorelements ausschließlich über das Abgas beheizt wird, muss mitunter lange gewartet werden, bis dieser heiß genug ist, um die Betriebsbereitschaft des Sensorelements sicherzustellen.
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Es werden daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente und Verfahren zum Betreiben zumindest weitgehend vermeiden.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich insbesondere bei einer stromaufwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde durch Aufbringen eines katalytisch aktiven Materials auf Bereichen des Festkörperelektrolyten, die mit dem Messgas beaufschlagbar sind, im Abgas befindliche Komponenten adsorbiert werden und mit dem katalytisch aktiven Material stark exotherm reagieren. Die dabei frei werdende Energie heizt die Keramik des Festkörperelektrolyten auf, so dass trotz noch relativ kalter Abgastemperatur die Betriebsbereitschaft auch ohne Heizelement erreicht werden kann oder der Leistungsbedarf für ein elektrisches Heizelement sinkt.
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Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente, vorzugsweise eines Sauerstoffanteils in dem Messgas, beispielsweise eines Sauerstoffpartialdrucks und/oder eines Sauerstoffprozentsatzes, in dem Messgas oder einer Temperatur des Gases, umfasst mindestens einen Festelektrolyten und mindestens eine Elektrode. Die Elektrode ist auf einer mit dem Messgas beaufschlagbaren Oberfläche des Festelektrolyten angeordnet. Auf der Oberfläche des Festelektrolyten ist zusätzlich mindestens ein katalytisch aktives Material in thermischem Kontakt zu dem Festelektrolyten, beispielsweise unmittelbar, angeordnet. Das katalytisch aktive Material bildet mindestens eine Schicht.
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Das katalytisch aktive Material kann die Elektrode zumindest teilweise umgeben. Das katalytisch aktive Material kann mindestens eine Schicht bilden. Das katalytisch aktive Material kann mit dem Messgas beaufschlagbar sein. Das katalytisch aktive Material kann mindestens einen räumlich begrenzten Bereich bilden, welcher nicht durch eine Zuleitung kontaktiert ist. Das katalytisch aktive Material kann derart auf der Oberfläche angeordnet sein, dass es mindestens 25 %, bevorzugt mindestens 30 % und noch bevorzugter mindestens 50 %, der Oberfläche bedeckt, beispielsweise 60 %. Das katalytische Material kann so auf der Oberfläche angeordnet sein, dass es von der Elektrode elektrisch isoliert ist. Das katalytisch aktive Material kann so auf der Oberfläche angeordnet sein, dass es von dem Festelektrolyten ionisch isoliert ist. Das katalytisch aktive Material kann zusätzlich in der Schutzschicht und/oder zwischen der Schutzschicht und dem Festelektrolyten angeordnet sein. Das Sensorelement kann ferner eine Schutzschicht umfassen, insbesondere eine poröse keramische Schutzschicht, wobei die Schutzschicht zumindest die Elektrode auf der Oberfläche des Festelektrolyten bedeckt, wobei das katalytisch aktive Material auf einer Oberfläche der Schutzschicht angeordnet ist. Das katalytisch aktive Material kann zumindest teilweise auf einer Oberfläche des Festelektrolyten angeordnet sein, die der Oberfläche, auf der die Elektrode angeordnet ist, gegenüberliegt. Die Elektrode kann eine erste Elektrode sein und das Sensorelement kann einen Schichtaufbau mit mindestens der ersten Elektrode, mit mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens dem Festelektrolyten umfassen, wobei der Festelektrolyt die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindet. Die zweite Elektrode kann durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein. Die zweite Elektrode kann über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden sein. Der Gaszutrittsweg kann mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau aufweisen. Auf einer das Gaszutrittsloch begrenzenden Oberfläche des Festelektrolyten kann das katalytisch aktive Material angeordnet sein. Das katalytisch aktive Material kann zumindest Platin umfassen. Das katalytisch aktive Material kann eingerichtet sein, eine derartige chemische exotherme Reaktion mit Bestandteilen des Messgases zu ermöglichen, dass die frei werdende Wärme den Festelektrolyten auf mindestens seine Funktionstemperatur wärmt. Das katalytisch aktive Material kann auf einem Trägermaterial zwischen Sensorelement bzw. dem Festelektrolyten und einem dieses umgebenden Schutzrohr und/oder auf einer Oberfläche dieses Schutzrohres aufgebracht sein.
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Das Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements gemäß den obigen Ausführungen kann derart durchgeführt werden dass mindestens ein Anteil des Messgases an dem katalytisch aktiven Material katalytisch exotherm umgesetzt wird bzw. abreagiert, insbesondere indem Fettgas und Sauerstoff auf dem katalytisch aktiven Material zu Wasser und CO2 abreagieren, wobei der Festelektrolyt im Bereich der mindestens einen Elektrode und vorzugsweise in mindestens einer elektrochemischen Zelle, die die mindestens eine Elektrode, den Festelektrolyten und mindestens eine weitere Elektrode umfasst, durch die katalytische Umsetzung bzw. Abreaktion erwärmt wird, vorzugsweise derart erwärmt wird, dass Ionenleitung auftritt. Eine zusätzliche Erwärmung durch ein Heizelement und/oder Messgas ist dabei möglich.
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Zusätzlich zu der beschriebenen Ausgestaltung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der mindestens eine Anteil des Messgases so angepasst wird, dass die katalytische Erwärmung des Festelektrolyten verstärkt oder abgeschwächt wird. Beispielsweise kann insbesondere in kritischen Betriebszuständen, bei denen eine möglichst große katalytische Selbstheizung des Sensorelements erforderlich ist, etwa bei einem Kaltstart, der Anteil der im Abgas enthaltenen unverbrannten Fett- und Magergaskomponenten erhöht werden. Dies kann dadurch geschehen, dass die Gemischregelung so gesteuert bzw. geregelt wird, dass diese die Amplituden der Lambda-Oszillationen vergrößert, und/oder deren Frequenz vergrößert oder verkleinert. Die Zuschaltung und Dauer einer solchen Gemisch-Einstellung kann sich z. B. an einem betriebsparameter-basierten Temperaturmodell des Sensorelements oder an gemessenen Temperaturwerten am oder im Sensorelement orientieren, letzteres beispielweise über die Messung des Keramikwiderstands oder des Widerstands eines Heizelements.
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Eine Adaption der Gemisch-Einstellung kann auch so durchgeführt werden, dass bei Überschreiten einer bestimmten Sensorelement-Temperatur durch geeignete Wahl der Lambda-Amplituden und Frequenz der Anteil der unverbrannten Fett- und Magergaskomponenten reduziert wird.
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Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Daher kann der Festelektrolyt auch als Festkörperelektrolyt bezeichnet werden. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
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Unter einer Schicht ist im Rahmen der Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
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Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und durch die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfasst die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf die Oberfläche des Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Unter dem Ausdruck „beaufschlagbar“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung eines Materials oder Elements zu verstehen, dass es mit dem Messgas in Kontakt steht und/oder bringbar und/oder diesem ausgesetzt ist.
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Unter einem katalytisch aktiven Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Material zu verstehen, das geeignet ist, brennbare Gase und/oder Dämpfe unter Anwesenheit von Sauerstoff exotherm zu Wasser und Kohlenstoffdioxid reagieren zu lassen.
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Unter einem thermischen Kontakt des katalytisch aktiven Materials zu dem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung des katalytisch aktiven Materials an dem Festelektrolyten zu verstehen, bei der ein direkter Wärmekontakt zwischen diesen besteht, so dass keine weiteren thermisch stark isolierenden Bauteile zwischen dem katalytisch aktiven Material und dem Festelektrolyten angeordnet sind. Dies kann beispielsweise durch eine unmittelbare Anordnung des katalytisch aktiven Materials auf der Oberfläche des Festelektrolyten erreicht werden.
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Unter einer unmittelbaren Anordnung des katalytisch aktiven Materials auf einer Oberfläche des Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der keine weiteren Bauteile zwischen dem katalytisch aktiven Material und dem Festelektrolyten angeordnet sind und bei der das katalytisch aktive Material auch nicht in ein Bauteil eingebettet ist. Dies schließt jedoch nicht aus, dass das katalytisch aktive Material beispielsweise in einer Schutzschicht zusätzlich, aber nicht ausschließlich, eingebettet ist oder auf einer Isolationsschicht liegt.
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Unter der Funktionstemperatur des Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Temperatur zu verstehen, ab der der Elektrolyt für Sauerstoffionen leitend wird. Die Funktionstemperatur liegt bei keramischen Festelektrolyten bei ungefähr 350 °C. Davon zu unterscheiden ist die Betriebstemperatur, unter der im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Temperatur zu verstehen ist, bei der das Sensorelement betrieben wird und die im Bereich von 600 °C bis 950 °C liegt.
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Unter einer Schutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die entweder eingerichtet ist, um eine Elektrode vor Versottung und Vergiftung durch im Abgas enthaltene Substanzen zu schützen oder um für Robustheit gegen Thermoschock durch Wasserschlag während eines Betriebs des Sensorelements zu sorgen. Im ersteren Fall ist die Schutzschicht lokal begrenzt auf den Bereich der Elektrode. Im letzteren Fall umfasst sie typischerweise den gesamten beheizten Bereich des Sensorelements. Der genannte Thermoschock beruht darauf, dass für einen bestimmten Zeitraum nach dem Motorstart die Temperatur im Abgasrohr unterhalb des Taupunktes für Wasser liegt, so dass der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Wasserdampf im Abgasrohr kondensieren kann. Dadurch kommt es im Abgasrohr zur Bildung von Wassertropfen. Die aufgeheizte Keramik der Lambdasonde kann durch Auftreffen von Wassertropfen durch thermische Spannungen oder Brüche in der Sensorkeramik beschädigt oder sogar zerstört werden. Daher wurden Lambdasonden entwickelt, die eine poröse keramische Schutzschicht an ihrer Oberfläche aufweisen, die auch als Thermo-Shock-Protection-Schicht bezeichnet wird. Diese Schutzschicht sorgt dafür, dass auf die Lambdasonde auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche verteilt werden und somit die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in dem Festkörperelektrolyt bzw. der Sondenkeramik verringert werden. Diese Lambdasonden vertragen im beheizten Zustand also eine gewisse Tropfengröße an Kondenswasser, ohne beschädigt zu werden. Die Schutzschicht wird üblicherweise in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf das Sensorelement aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Spinell (MgAl2O4), und Auftragtechniken, wie beispielsweise Sprüh- oder Tauchprozesse, sind hierfür im Einsatz.
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Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Der Schichtaufbau kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einander gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten angeordnet sind, beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Festelektrolytschicht, wie beispielsweise einer Festelektrolytfolie oder einer Festelektrolytpaste. Alternativ oder zusätzlich können die zwei Elektroden jedoch auf gleichen Seiten des Festelektrolyten angeordnet sein. Die Elektroden und der Festelektrolyt bilden vorzugsweise gemeinsam mindestens eine Zelle, insbesondere eine elektrochemische Zelle. Das Sensorelement kann als einzelliges Sensorelement mit lediglich einer einzelnen Zelle, die beispielsweise als Nernstzelle oder auch als Pumpzelle eingesetzt werden kann, ausgestaltet sein. Alternativ kann das Sensorelement jedoch auch als mehrzelliges Sensorelement mit mehreren derartigen Zellen, welche auch unterschiedliche Funktionen verwirklichen können, ausgestattet sein. Beispielsweise können mindestens eine Pumpzelle und mindestens eine Nernstzelle vorgesehen sein.
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Mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche im Folgenden auch als die zweite Elektrode bezeichnet wird, ohne eine Gewichtung oder Reihenfolge dieser Elektroden vorzunehmen, kann im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein. Mit anderen Worten ist die zweite Elektrode durch die mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Schicht um mindestens eine Festelektrolytschicht handeln. Die mindestens eine zweite Elektrode ist so in einer tieferen Schichtebene des Schichtaufbaus angeordnet, also in einer Schichtebene, welche entfernt von einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Festelektrolyten ausgestaltet ist. Die erste Elektrode kann ebenfalls in einer tieferen Schichtebene angeordnet sein, sie kann jedoch auch oben angeordnet sein, also beispielsweise auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus, welche dem Messgasraum zuweist. Beispielsweise kann die erste Elektrode als Außenelektrode ausgestaltet sein und von dem Messgasraum beispielsweise lediglich durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht getrennt sein und ansonsten beispielsweise in einem unmittelbaren Gasaustausch mit dem Messgasraum stehen. Verschiedene Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich.
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Die mindestens eine zweite Elektrode ist dabei über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden. Unter einem Gaszutrittsweg ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, über welches ein Austausch zwischen dem Messgasraum und der zweiten Elektrode stattfinden kann, wobei ein vollständiger Gasaustausch oder auch lediglich ein Austausch einzelner Gaskomponenten gewährleistet sein kann. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg eine oder mehrere Bohrungen, Kanäle, Öffnungen oder Ähnliches umfassen. Der Gaszutrittsweg kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass er ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Messgas zu der zweiten Elektrode von dem Messgasraum oder in umgekehrter Richtung gewährleistet, beispielsweise ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Sauerstoff. Der Gaszutrittsweg weist mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau auf. Unter einem Gaszutrittsloch ist dabei eine Öffnung zu verstehen, welche sich durch den Schichtaufbau, insbesondere den Festelektrolyten, erstreckt, insbesondere durch die mindestens eine Schicht hindurch, welche die mindestens eine zweite Elektrode von dem Messgasraum trennt. Das Gaszutrittsloch kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt. Das Gaszutrittsloch kann insbesondere senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus verlaufen und kann beispielsweise eine zumindest abschnittsweise zylindrische Gestalt aufweisen, beispielsweise eine kreiszylindrische Gestalt. Beispielsweise ist die zweite Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet.
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Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf die Betriebstemperatur dient. Das Heizelement kann einen Heizleiter mit einem Heizbereich umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizleiters des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer Achse des Gaszutrittslochs mit der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode überlappt, damit der Festelektrolyt und die Elektroden auf ihre Funktionstemperatur beheizt werden können. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während eines Betriebs stärker als der übrige Bereich des Heizleiters.
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Beispielsweise kann mindestens eine weitere Elektrode, d.h. eine dritte Elektrode, insbesondere in dem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann in einem Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein und kann beispielsweise als offener Hohlraum ausgestaltet sein. Alternativ kann dieser Elektrodenhohlraum auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material gefüllt sein, beispielsweise mit einem gasdurchlässigen Aluminiumoxid. Der Elektrodenhohlraum kann insbesondere über mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Gaszutrittsloch verbunden sein. In diesem Fall umfasst der Gaszutrittsweg den Pfad zu der mindestens einen dritten Elektrode, also das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere oder einen Kanal, in welchem die Diffusionsbarriere angeordnet ist, sowie den Elektrodenhohlraum. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können mit einer Schicht des Festelektrolyten eine Pumpzelle bilden. In einem Referenzluftkanal kann eine vierte Elektrode angeordnet sein. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode können mit einer Schicht des Festelektrolyten eine Nernstzelle bilden.
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Unter einer Diffusionsbarriere ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches ein unmittelbares Nachströmen von Gas aus dem Gaszutrittsloch in den Elektrodenhohlraum verhindert oder zumindest bremst. Eine Diffusionsbarriere ist also ein Element, welches einen hohen Strömungswiderstand bereitstellt, wohingegen eine Diffusion von Gas oder Gaskomponenten durch die Diffusionsbarriere vergleichsweise einfach möglich ist. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröses keramisches Element umfassen, insbesondere ein feinporiges Aluminiumoxid. Ist eine derartige Diffusionsbarriere vorgesehen, so ist es besonders bevorzugt, wenn die Diffusionsbarriere gegenüber dem Gaszutrittsloch zurückversetzt ausgebildet ist. Unter einer zurückversetzten Diffusionsbarriere ist dabei eine Diffusionsbarriere zu verstehen, welche nicht unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzt, sondern gegenüber diesem zurückversetzt angeordnet ist. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere in einem Kanal oder einer sonstigen Öffnung angeordnet sein, welche Bestandteil des Gaszutrittswegs ist, wobei die Diffusionsbarriere nicht bis unmittelbar an den Übergang zwischen diesem Kanal bzw. dieser Öffnung und dem Gaszutrittsloch heranreicht, sondern von diesem Übergang beabstandet endet. Der Vorteil dieser zurückversetzten oder zurückgezogenen Diffusionsbarriere besteht darin, dass diese beim Herstellen des Gaszutrittslochs nicht beschädigt wird, wodurch eine Verschmutzung der Diffusionsbarriere auftreten könnte oder wodurch Unregelmäßigkeiten bei der Einstellung des Grenzstroms, welcher durch die Breite der Diffusionsbarriere bestimmt wird, auftreten könnten. Zudem verbessert die genannte Ausgestaltung eine Dauerlaufstabilität im Betrieb, insbesondere hinsichtlich einer Versottung, beispielsweise durch Partikel aus Asche, wie beispielsweise Ölasche, und/oder Metalloxide.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement wird auf einer mit dem Messgas beaufschlagbaren Oberfläche des Festelektrolyten des Sensorelements, beispielsweise einer stromaufwärts eines Katalysators angeordneten Lambdasonde, katalytisch aktives Material, vorzugsweise Platin, aufgebracht, wobei dieses vorzugsweise nicht in elektrischem Kontakt mit einer der Signalelektroden steht. Das Abgas besteht vor dem Katalysator zu einem gewissen Anteil aus einem nicht abreagierten Gemisch aus Fettgasen und Luft. Beide Komponenten adsorbieren auf dem zusätzlich aufgebrachten katalytisch aktiven Material und reagieren dort stark exotherm zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die dabei frei werdende Energie heizt den Festelektrolyten auf, so dass trotz noch relativ kalter Abgastemperatur die Betriebsbereitschaft auch ohne Heizelement erreicht werden kann oder der Leistungsbedarf für ein internes Heizelement sinkt. Beispielsweise wird um die außen liegende Elektrode herum, auf und in deren Schutzschicht sowie an den Sensorelementkanten und der Rückseite katalytisch aktives Material aufgebracht, das Kontakt zum Abgas hat. Das Material ist vorzugsweise hochfein verteilt mit möglichst großer Kontaktfläche zum Gas aufgebracht. Das Material kann sich auch in inneren Schichten des Festelektrolyten befinden, sofern Zugangsmöglichkeit für das Abgas besteht, z. B. in einer elektrodennahen Kavität, die nach außen offen ist. Diese Kavität kann sich insbesondere zwischen den beiden Elektroden befinden, sofern sie den ionischen Leitfähigkeitspfad zwischen ihnen nicht gänzlich unterbricht. Bei der Erfindung wird also das katalytisch aktive Material direkt auf einer dem Abgas ausgesetzten Oberfläche des keramischen Sensorelements aufgebracht. Insbesondere wird es an solchen Stellen aufgebracht, wo es außer der Erwärmung keinen weiteren Zweck erfüllt. Damit steht eine sehr große Oberfläche zur Verfügung und die Beheizung des Sensorelements wird effektiv, da auf eine Beheizung durch ein Heizelement teilweise oder ganz verzichtet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Sensorelement 10 zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum 12, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Gases, dargestellt. Beispielsweise kann es sich bei der Gaskomponente um einen Sauerstoffanteil in dem Messgas, wie beispielsweise eines Sauerstoffpartialdrucks und/oder eines Sauerstoffprozentsatzes des Messgases, handeln. Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 14 auf, welcher in einem keramischen Folien- und/oder Dickschichtverfahren hergestellt werden kann. Der Schichtaufbau 14 umfasst eine dem Messgasraum 12 zuweisende Oberfläche 16 eines Festelektrolyten 18. Die Oberfläche 16 ist mit dem Messgas beaufschlagbar. Das Sensorelement 10 weist ferner eine Elektrode 20 auf, die eine erste Elektrode ist und auf der dem Messgasraum 12 zuweisenden Oberfläche 16 angeordnet ist. Die Elektrode 20 ist mittels einer elektrischen Zuleitung 22 mit einem nicht näher gezeigten Steuergerät verbunden. Der Festelektrolyt 18 umfasst einen Referenzluftkanal 24, der im Inneren des Festelektrolyten 18 bzw. des Schichtaufbaus 14 angeordnet ist. Der Referenzluftkanal 24 kann beispielsweise mit einer Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt verbunden sein. Auf einer dem Referenzluftkanal 24 zuweisenden Oberfläche des Festelektrolyten 18 ist eine zweite Elektrode 26 angeordnet. Die zweite Elektrode 26 ist ebenfalls mittels einer elektrischen Zuleitung 28 mit dem Steuergerät verbunden.
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Der Schichtaufbau 14, der die erste Elektrode 20, die zweite Elektrode 26 und den Festelektrolyten 18 umfasst, ist somit derart ausgebildet, dass die zweite Elektrode 26 durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 14 von dem Messgasraum 12 getrennt ausgebildet ist. Die erste Elektrode 20, der Festelektrolyt 18 und die zweite Elektrode 26 bilden eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum 12 insbesondere um einen Abgastrakt einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas in dem Messgasraum 12 insbesondere um ein Abgas. Daher kann die erste Elektrode 20 auch als Nernstelektrode und die zweite Elektrode 26 auch als Referenzelektrode bezeichnet werden. Der Festelektrolyt 18 kann insbesondere aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid hergestellt sein, das die aus dem oben genannten Stand der Technik genannten Zusätze enthalten kann.
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Auf der dem Messgasraum 12 zugewandten Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 ist mindestens ein katalytisch aktives Material 30 unmittelbar angeordnet, d. h. auf die Oberfläche 16 aufgebracht. Das katalytisch aktive Material 30 bildet mindestens eine Schicht. Das katalytisch aktive Material 30 kann zumindest Platin umfassen. Diese Schicht des katalytisch aktiven Materials 30 ist beispielsweise derart unmittelbar auf der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 angeordnet, dass das katalytisch aktive Material 30 die erste Elektrode 20 zumindest teilweise umgibt. Beispielsweise bildet das katalytisch aktive Material mindestens einen räumlich begrenzten Bereich, welcher nicht durch eine Zuleitung 22 der ‚Elektrode 20 kontaktiert ist. Beispielsweise ist das katalytisch aktive Material 30 so auf der Oberfläche 16 angeordnet, dass es von der ersten Elektrode 20 elektrisch isoliert ist. Beispielsweise kann das katalytisch aktive Material 30 derart auf der Oberfläche 16 angeordnet sein, dass es mindestens 25 %, bevorzugt mindestens 30 % und noch bevorzugter mindestens 50 %, der Oberfläche 16 bedeckt, beispielsweise 60 %. Denkbar ist beispielsweise, dass das katalytisch aktive Material fein verteil als dünne Schicht diejenigen Bereiche der Oberfläche 16 bedeckt, die nicht von der Elektrode 20 und der Zuleitung 22 eingenommen sind.
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Das katalytisch aktive Material 30 kann aber auch in elektrisch leitendem Kontakt mit der Elektrode 20 stehen bzw. mit dieser eine Einheit bilden. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn das zur katalytischen Beheizung aufgebrachte Material 30, das nicht Teil der elektrochemischen Zelle aus erster Elektrode 20, Elektrolyt 18 und zweiter Elektrode 26 sein soll, nicht direkt auf den Elektrolyten 18 aufgebracht wird, sondern von diesem durch eine ionisch isolierende Schicht, z. B. aus Aluminiumoxid, getrennt wird.
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Das katalytisch aktive Material 30 kann zusätzlich zumindest teilweise auf einer Oberfläche 32 des Festelektrolyten 18 angeordnet sein, die der Oberfläche 16, auf der die erste Elektrode angeordnet ist, gegenüberliegt, wie in 1 gezeigt ist. Beispielsweise ist der Festelektrolyt 18 in der Form eines Quaders ausgebildet. Dabei kann das katalytisch aktive Material 30 zusätzlich auch auf den Stirn- und Seitenflächen, d.h. denjenigen Flächen, die nicht die Oberflächen 16 und 32 sind, angeordnet sein. Auch eine Anbringung an den Seitenkanten des quaderförmigen Festelektrolyten 18 ist möglich. Insbesondere ist das katalytisch aktive Material 30 eingerichtet, eine derartige chemische exotherme Reaktion mit Bestandteilen des Messgases zu ermöglichen, dass die frei werdende Wärme den Festelektrolyten 18 auf mindestens seine Funktionstemperatur wärmt. Ferner kann das katalytisch aktive Material 30 in einer nicht näher gezeigten Schutzschicht eigebettet und/oder auf dessen Oberfläche angeordnet sein. Die Schutzschicht wird dabei so angeordnet, dass sie zumindest die Elektrode 20 bedeckt oder dass sie den heißen Bereich des Sensorelements 10 vor auftreffenden Wassertropfen schützt. Es ist aber auch denkbar, dass das gesamte katalytisch aktive Material 30 unter einer oder in einer offenporigen Schutzschicht liegt, die dahingehend optimiert ist, dass sie das Material 30 vor Versottung und/oder Vergiftung durch im Abgas enthaltene Substanzen schützt.
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Bei einem Verfahren zum Betrieb des Sensorelements 10 wird mindestens ein Anteil des Messgases an dem katalytisch aktiven Material 30 exotherm zur Umsetzung bzw. Abreaktion gebracht. Beispielsweise kann in dem Messgas ein nicht abreagierter, brennbarer Bestandteil aus dem Kraftstoff enthalten sein, der nicht in einem Brennraum verbrannt wurde. Dieser Bestandteil adsorbiert an dem katalytisch aktiven Material 30 und reagiert dort mit in dem Messgas enthaltenen Sauerstoff exotherm zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Eine exotherme chemische Reaktion ist eine Reaktion unter Freisetzung von Wärme. Durch die katalytische Zersetzung und die dabei freigesetzte Wärme wird der Festelektrolyt 18 im Bereich der mindestens ersten Elektrode 20 auf mindestens seine Funktionstemperatur erwärmt, so dass Ionenleitung, insbesondere Sauerstoffionenleitung, auftritt. Insbesondere wird der Festelektrolyt 18 im Bereich der elektrochemischen Zelle erwärmt. Diese Erwärmung findet auch unmittelbar bei Beginn eines Betriebs des Sensorelements 10 statt, zu dem eine Temperatur des Messgases unterhalb der Funktionstemperatur des Festelektrolyten 18 ist. Auf Grund der exothermen Reaktion an dem katalytisch aktiven Material 30, wird der Festelektrolyt 18 schneller auf die Funktionstemperatur erwärmt als es herkömmlichen Sensorelementen aus dem Stand der Technik ohne die unmittelbare Anordnung des katalytisch aktiven Materials 30 der Fall ist. Entsprechend ist es möglich, ein Heizelement zu verwenden, das eine geringere Leistungsaufnahme hat. In Abhängigkeit von einem Umfang der flächenmäßigen Aufbringung des katalytisch aktiven Materials 30 und der vorgesehenen Verwendung des Sensorelements 10 ist es sogar möglich, das Sensorelement 10 ohne ein Heizelement auszubilden.
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Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 ist nicht auf die in 1 dargestellte Ausbildung beschränkt. Beispielsweise kann das Sensorelement 10 als planare Breitband-Lambdasonde ausgebildet sein. Entsprechend kann in dem Festelektrolyten 18 ein Elektrodenhohlraum, wie beispielsweise ein Referenzluftkanal, vorgesehen sein, in dem eine Referenzelektrode bei konstanter Gasatmosphäre angeordnet ist und mindestens eine weitere in einem weiteren Elektrodenhohlraum, wie beispielsweise einem Diffusionsspalt, angeordnete Messelektrode angeordnet sein, die über mindestens einen nicht gezeigten Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum 12 verbunden sind. Beispielsweise sind in dem Diffusionsspalt zwei Elektroden angeordnet. Der Gaszutrittsweg kann mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau 14 aufweisen. Über eine Pumpzelle können Sauerstoffionen aus dem Abgas in den weiteren Elektrodenhohlraum bzw. Diffusionsspalt hinein oder heraus gepumpt werden. Beispielsweise kann ein Pumpstrom derart eingestellt werden, dass in dem weiteren Elektrodenhohlraum die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Auf einer das Gaszutrittsloch begrenzenden Oberfläche des Festelektrolyten 18 kann dabei das katalytisch aktive Material 30 angeordnet sein. Der Elektrodenhohlraum kann über eine Diffusionsbarriere mit dem Gaszutrittsloch verbunden sein. Auch auf der dem Gaszutrittsloch zuweisenden Oberfläche und/oder innerhalb der Diffusionsbarriere und/oder in dem weiteren Elektrodenhohlraum kann das katalytisch aktive Material angeordnet sein.
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Denkbar ist auch, dass katalytisch aktives Material in das Volumen zwischen Sensorelement und Schutzrohr eingebracht wird, um auf diese Weise das an das Sensorelement strömende Gas zu erwärmen. Zu diesem Zweck kann das katalytisch aktive Material auch auf den inneren und/oder äußeren Oberflächen des Schutzrohrs aufgebracht sein.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung und das Betriebsverfahren kann auch auf andere Sensoren ausgeweitet werden, die sich in einem Messgas befinden, das nicht abgreagierte Fett- und Magergaskomponenten enthält, z. B. NOx-Sensoren und Partikel-Sensoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0002]
