-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung 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 eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. 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 Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
-
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 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.
-
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So darf der Temperaturgradient zwischen einem Hotspot und einer Sensorelementkante einen Grenzwert nicht überschreiten, um eine hohe thermo-mechanische Robustheit zu gewährleisten, da beim Aufheizen mechanische Zugspannungen in der Keramik entstehen. Deshalb werden neben der eigentlichen Messzelle des Sensorelements auch das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere und die Sensorelementkanten beheizt. Diese Heizleistung steht dann nicht mehr dem Heizen der Messzelle zur Verfügung und verschlechtert das so genannte Fast-Light-Off.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine kleine thermische Masse geschaffen wird, die sowohl die Messzelle als auch die Kanten des Sensorelementkopfes umfasst.
-
Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens zwei Elektroden und einen Gaszutrittsweg. Die Festelektrolytschicht und die zwei Elektroden bilden eine elektrochemische Zelle. Eine der Elektroden ist mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbar. Die Festelektrolytschicht weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche auf. Die elektrochemische Zelle befindet sich zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsweg.
-
Der Gaszutrittsweg kann als Gaszutrittsloch realisiert sein oder ein Gaszutrittsloch umfassen. Das Gaszutrittsloch kann sich entlang einer Längsachse in die Festelektrolytschicht erstrecken, wobei sich die Längsachse parallel zu der Stirnfläche erstreckt. Das Sensorelement kann ferner ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme umfassen, wobei die elektrochemische Zelle und das Heizelement einen Schichtaufbau bilden, wobei das Heizelement zum Erzeugen eines wesentlichen Anteils der Wärme in einem Bereich, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen mit der elektrochemischen Zelle überlappt, eingerichtet ist, wobei sich der Gaszutrittsweg außerhalb des Bereichs befindet. Das Sensorelement kann eine Längserstreckungsrichtung definieren, wobei die Längserstreckungsrichtung senkrecht zu der Stirnfläche ist. Das Sensorelement kann eine Längserstreckungsrichtung definieren, wobei die Längserstreckungsrichtung senkrecht zu einer Längsachse des Gaszutrittslochs ist. Eine der Elektroden kann auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet sein, wobei die Oberfläche senkrecht zu der Stirnfläche ist. Das Sensorelement kann ferner eine Referenzelektrode umfassen, wobei die Referenzelektrode innerhalb der Festelektrolytschicht angeordnet ist, wobei der Gaszutrittsweg zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Referenzelektrode angeordnet ist. Das Sensorelement kann ferner einen Elektrodenhohlraum umfassen, wobei der Elektrodenhohlraum innerhalb der Festelektrolytschicht angeordnet ist, wobei die mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbare Elektrode in dem Elektrodenhohlraum angeordnet ist. Zwischen der Elektrode in dem Elektrodenhohlraum und dem Gaszutrittsweg kann eine Diffusionsbarriere angeordnet sein. Das Sensorelement kann von einem Schutzrohr umgeben sein, wobei das Schutzrohr mindestens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Zutritt des Messgases zu dem Sensorelement ermöglicht, wobei sich die Öffnung im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe bezüglich einer Erstreckungsachse des Sensorelements wie die Stirnfläche und/oder der Gaszutrittsweg befindet.
-
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.
-
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. 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 wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei.
-
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
-
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
-
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.
-
Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.
-
Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kanalförmige Öffnung mit einem beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig, zu verstehen, die geeignet ist, ein Messgas aus dem Messgasraum in einen im Inneren des Sensorelements bzw. der Festelektrolytschicht angeordneten eigentlichen Messraum eindringen zu lassen.
-
Unter einer dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Fläche einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Die Position der Stirnfläche wird dabei in einer Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen, so dass die Stirnfläche diejenige Fläche des Sensorelements ist, die in der Erstreckungsrichtung gesehen am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Beispielsweise definiert das Sensorelement eine Erstreckungsrichtung, die eine Richtung ist, in der sich das Sensorelement in den Messgasraum hinein erstreckt, wobei sich die Stirnfläche senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung erstreckt. Da die Erstreckungsrichtung üblicherweise parallel zu der größten Oberfläche des Sensorelements ist, wird diese auch als Längserstreckungsrichtung bezeichnet.
-
Unter einer Anordnung einer elektrochemischen Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch ist eine Anordnung zu verstehen, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen mit einem Gaszutrittsloch invertiert ist. Bei herkömmlichen Sensorelementen befindet sich das Gaszutrittsloch zwischen der Stirnfläche und der elektrochemischen Zelle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das Gaszutrittsloch in Richtung der Anschlusskontakte der Elektroden verschoben anzuordnen, so dass sich die elektrochemische Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch befindet, d. h. das Gaszutrittsloch ist weiter von der Stirnfläche entfernt angeordnet als die elektrochemische Zelle. Die Anordnung wird dabei in der Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Breitband-Lambdasonden beschrieben. Bei derartigen Breitband-Lambdasonden wird die in den Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff oder Fettgas entweder anhand eines Grenzstroms oder anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas.
-
Für die elektrochemische Reaktion der Elektroden und die Sauerstoffionenleitung des Festelektrolyten sind hohe Temperaturen notwendig, die üblicherweise während des Betriebs oberhalb von 650 °C sind. Bei einem Schnellstart, d. h. einem Fast-Light-Off, wird möglichst viel Heizleistung in den Messzellenbereich des Sensors geleitet. Begrenzend ist dabei die verfügbare Heizleistung der Endstufen, die üblicherweise kurzzeitig maximal 8 A ist. Hierbei ist es jedoch wünschenswert, die verfügbare Heizleistung in eine möglichst kleine thermische Masse einzukoppeln, die mindestens die elektrochemische Zelle mit den Elektroden umfasst.
-
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, ein invertiertes Sensorelementdesign zu schaffen, bei dem gegenüber den Sensorelementen aus dem oben genannten Stand der Technik das Gaszutrittsloch und die Diffusionsbarriere in Richtung der Anschlusskontakte der Elektroden verschoben sind. Dadurch können die Pumpelektroden so angeordnet werden, dass sie zwischen Stirnfläche und Gaszutrittsloch liegen.
-
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Sensorelements ergibt sich der Vorteil einer geringen thermischen Masse, die sowohl die Messzelle als auch die Kanten des Sensorelementkopfes enthält. Da sich der Hotspot nahe an der vorderen Stirnfläche befindet, können die thermomechanischen Spannungen während des Aufheizens gering gehalten werden. Dadurch ist die Robustheit des Sensors auch während eines Fast-Light-Off-Betriebs hoch.
-
Da die Pumpelektroden, die aus Funktionsgründen im Hotspot liegen, und die Stirnkanten, die aus Robustheitsgründen dicht am Hotspot liegen müssen, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die beim Fast-Light-Off beheizt werden muss, gering. Dadurch kann viel der verfügbaren Heizleistung in die elektrochemische Zelle eingekoppelt werden. Dadurch entsteht schnell ein Sondensignal. Dadurch kann die Betriebsbereitschaft auf kleine Werte gesenkt werden.
-
Da sich die Diffusionsbarriere außerhalb des Hotspots befindet, ist sie kälter, Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Diffusionsprozesse in der Diffusionsbarriere. Dadurch nimmt der Pumpstrom ab, beispielsweise um 4 % pro 100 K. Da sich die Diffusionsbarriere immer gleich weit außerhalb des Hotspots befindet und damit immer die gleiche Temperaturdifferenz gegenüber der elektrochemischen Zelle erfährt, ist auch die Absenkung nicht nur gering, sondern auch konstant. Dadurch ändert sich die Sensitivität der Kennlinie, insbesondere wird die Kennlinie etwas flacher. Dieser Effekt kann durch eine leicht erhöhte Porosität der Diffusionsbarriere wieder ausgeglichen werden.
-
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei Breitband-Lambdasonden realisieren. Die Zuleitung der äußeren Pumpelektrode lässt sich um das Gaszutrittsloch herum führen. Aufgrund der veränderten Positionierung des Gaszutrittslochs zum Schutzrohr muss die Anströmung des Sensorelements unter Umständen verändert werden. Das kann durch eine Designanpassung des Schutzrohrs oder durch eine Änderung des Vorstehmaßes, d. h. der Positionierung des Sensorelements in der Dichtpackung erfolgen. Beispielsweise kann sich zumindest eine Öffnung des Schutzrohrs, bei mehreren Schutzrohren des innersten der Schutzrohre, axial (also in Richtung der Längserstreckung des Sensorelements) auf der Höhe der dem Abgas zugewandten Stirnfläche Sensorelements und/oder auf der Höhe des Gaszutrittslochs des Sensorelements befinden. Alternativ kommt noch ein gewisser Versatz in Frage, beispielsweise um nicht mehr als 3 mm, insbesondere um nicht mehr als 2 mm und besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 mm. Alternativ kann wie genannt das Sensorelement weiter außerhalb des Messgasraums angeordnet sein.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.
-
Es zeigt:
-
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, 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. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
-
Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher eine Festelektrolytschicht 14 und mindestens zwei Elektroden 16, 18 umfasst. Die Festelektrolytschicht 14 kann aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Die Festelektrolytschicht 14 weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche 19 auf. Die Elektroden 16, 18 werden nachfolgend auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich zu unterscheiden. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch die Festelektrolytschicht miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.
-
Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von einer Oberfläche 23 der Festelektrolytschicht 14 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. Alternativ kann sich der Gaszutrittsweg 22 senkrecht zu der Ansichtsebene der 1 erstrecken, d.h. senkrecht zu einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht 14 und parallel zu der Oberfläche 23. In der Festelektrolytschicht 14 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt, beispielsweise rechteckig. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 23 der Festelektrolytschicht 14 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 24 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 26 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 26 ist eine Diffusionsbarriere 28 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 28 lässt sich ein Grenzstrom einer elektrochemischen Zelle in Form einer Pumpzelle 30 einstellen. Die Pumpzelle 30 umfasst eine auf der Oberfläche 23 der Festelektrolytschicht 14 angeordnete dritte Elektrode 32, deren Anschlussleitungen um das Gaszutrittsloch 22 herumgeführt sind, beispielsweise ringförmig, und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 34 getrennt sein kann. Ferner umfasst die Pumpzelle 30 eine vierte Elektrode 36, die in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet ist. Die vierte Elektrode 36 kann rechteckig ausgebildet sein. Beispielsweise sind die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36 parallel zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der dritten Elektrode 32 und der vierten Elektrode 36 über die Festelektrolytschicht 14 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs ist ein Heizelement 38 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet.
-
Ferner umfasst der Schichtaufbau 12 eine Isolationsschicht 40. Die Isolationsschicht 40 erstreckt sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 in das Innere der Festelektrolytschicht 14. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 22 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 parallel zu einer Längsachse 41, die mit der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 identisch ist, verläuft. Die Längsachse 41 verläuft parallel zu der Stirnfläche 19. In diesem Fall erstreckt sich ferner die Isolationsschicht 40 senkrecht zu der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22. Die Isolationsschicht 40 kann sich beispielsweise parallel zu dem Kanal 26 erstrecken. In der Richtung der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22 gesehen befindet sich die Isolationsschicht 40 im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe wie das Ende des Gaszutrittslochs 22 im Inneren der Festelektrolytschicht 14. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass alternativ zu der Isolationsschicht 40 ein Referenzgaskanal vorgesehen sein kann, der beispielsweise an der gleichen Stelle wie die Isolationsschicht 40 oder in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 und somit weiter im Inneren der Festelektrolytschicht 14 angeordnet sein kann.
-
Die erste Elektrode 16 ist in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet. Beispielsweise liegt die erste Elektrode 16 der vierten Elektrode 36 gegenüber. Mittels des Gaszutrittslochs 22 ist die vierte Elektrode 36 mit dem Messgas beaufschlagbar. Die erste Elektrode 16 ist mittels des Gaszutrittslochs 22 ebenfalls mit dem Messgas beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 18 ist auf der Isolationsschicht 40 angeordnet. Entsprechend ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform kein makroskopischer Referenzgaskanal in der Festelektrolytschicht 14 vorgesehen, sondern eine so genannte gepumpte Referenz, d. h. eine künstliche Referenz. Die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18 und der Teil der Festelektrolytschicht 14 zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 bilden eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle 42. Mittels der Pumpzelle 30 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 30 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 42 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 gemessen wird. Da in dem oder an der zweiten Elektrode 18, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 24 geschlossen werden.
-
Gemäß den obigen Ausführungsformen sind die Pumpzelle 30 und das Heizelement 38 übereinander angeordnet und bilden so den Schichtaufbau 12. Das Sensorelement 10 definiert eine Längserstreckungsrichtung 44, die senkrecht zu der Stirnfläche 19 ist. Die Oberfläche 23 ist ebenfalls senkrecht zu der Stirnfläche 19. Die Längserstreckungsrichtung 44 ist senkrecht zu der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22. Wie in 1 gezeigt, befindet sich das Gaszutrittsloch 22 zwischen der Pumpzelle 30 und der Isolationsschicht 40 in der Richtung der Längserstreckungsrichtung 44 gesehen. Das Gaszutrittsloch 22 befindet sich bei der in 1 gezeigten Ausführungsform zwischen der Pumpzelle 30 und der Isolationsschicht 40 bzw. umgekehrt in der Richtung der Längserstreckungsrichtung 44 gesehen. Bei herkömmlichen Sensorelementen befindet sich die Pumpzelle zwischen dem Gaszutrittsloch und der Isolationsschicht, weshalb bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement 10 von einer invertierten Anordnung des Gaszutrittslochs 22 gesprochen werden kann. Da die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36, die die Pumpelektroden bilden, und die Stirnkanten, die den Übergang von der Stirnfläche 19 in die angrenzenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 14, wie beispielsweise die Oberseite 23, bilden, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die bei einem Fast-Light-Off durch das Heizelement 38 beheizt werden muss, gering. Der wesentliche Anteil der von dem Heizelement 38 erzeugten Wärme wird in einem Bereich 46 eingebracht, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 12 gesehen, mit der Pumpzelle 30 überlappt. Das Gaszutrittsloch 22 befindet sich außerhalb des Bereichs 46, wie in 1 gut zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird der Hotspot des Heizelements 38 im Bereich der Pumpzelle 30 angeordnet und ein zweiter Hotspot, der bei herkömmlichen Sensorelementen das Gaszutrittsloch 22 erwärmt, entfällt oder fällt mit dem ersten Hotspot zusammen.
-
Das Sensorelement 10 kann ferner von einem nicht näher gezeigten Schutzrohr umgeben sein. Das Schutzrohr weist mindestens eine Öffnung zum Erlauben eines Zutritts des Messgases zu dem Sensorelement 10 auf. Die Öffnung befindet sich dabei beispielsweise im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe bezüglich einer Erstreckungsachse, die mit der Längserstreckungsrichtung 44 zusammenfällt, des Sensorelements 10 wie die Stirnfläche 19 und/oder das Gaszutrittsloch 22.
-
Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 kann durch eine optische Begutachtung, wie beispielsweise eine Lichtmikroskopie eines Querschliffs, nachgewiesen werden. Insbesondere lässt sich durch die besondere Anordnung des Gaszutrittslochs 22 ein Fast-Light-Off von weniger als 5 Sekunden erzielen. Die Realisierung des Gaszutrittslochs 22 ist sowohl in Höhe der Messzelle als auch in Richtung der Anschlusskontakte der dritten Elektrode 32 verschoben möglich. Der Gaszutritt kann sowohl einseitig als auch auf beiden Seiten erfolgen, d. h. das Gaszutrittsloch 22 kann durchgehend ausgebildet werden. Die Diffusionsbarriere 28 ist in der Höhe des Elektrodenhohlraums 24 angeordnet. Das Gaszutrittsloch 22 kann dabei so angeordnet werden, dass es nicht direkt angeströmt wird, so dass die Wasserbelastung deutlich geringer ist. Dabei sind Einbußen bezüglich der Dynamik nicht zu erwarten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]
