DE102017007558A1

DE102017007558A1 - Gassensor und gaskonzentrationsmessverfahren, bei dem dieser verwendet wird

Info

Publication number: DE102017007558A1
Application number: DE102017007558.1A
Authority: DE
Inventors: Taku Okamoto; Noriko Hirata; Yuki NAKAYAMA; Kosuke MONNA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2018-03-01
Also published as: JP2018031732A; JP6759001B2; CN107782770B; US20180059046A1; US10429338B2; CN107782770A

Abstract

Ein Gassensor, in dem verhindert wird, dass eine Elektrode vergiftet wird, wird bereitgestellt. Ein Gassensor des Mischpotenzialtyps umfasst ein Sensorelement, das aus einem Festelektrolyten zusammengesetzt ist. Das Sensorelement umfasst: einen Messgaseinführungsraum, der ein offenes Ende an einem distalen Ende aufweist und sich in der Längsrichtung erstreckt; eine Erfassungselektrode, die auf einer Innenseite des Messgaseinführungsraums bereitgestellt ist; und eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist. Die Konzentration der Gaskomponente wird auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode und einer Referenzelektrode bestimmt, während die Heizeinrichtung das Sensorelement so erwärmt, dass ein Ort, der eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Temperatur der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt und die Temperatur in der Richtung der Erfassungselektrode abnimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der zum Erfassen einer vorgegebenen Gaskomponente eines Messgases ausgebildet ist, und betrifft insbesondere das Verhindern einer Vergiftung einer Erfassungselektrode davon.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Messung der Konzentration einer vorgegebenen Zielgaskomponente, wie z. B. eines Kohlenwasserstoffgases oder Ammoniak, die in einem Abgas enthalten ist, ist aufgrund einer kürzlichen Verschärfung von Abgasvorschriften mehr und mehr erforderlich. In einigen Gassensoren, die für eine solche Gaskonzentrationsmessung verwendet werden, ist eine Schutzschicht auf der Oberfläche eines Sensorelements bereitgestellt, das vorwiegend aus einem Festelektrolyten ausgebildet ist.
Die für das Sensorelement bereitgestellte Schutzschicht weist Funktionen (1) des Einfangens einer vergiftenden Substanz, die z. B. Phosphor (P) enthält, (2) des Verhinderns eines Verdampfens eines Materials (insbesondere eines Edelmetalls, wie z. B. Pt oder Au) einer Elektrode, die auf der Oberfläche eines Elements bereitgestellt ist, und (3) eines Molekularsiebs auf, das es nur einem Messgas ermöglicht, eine Dreiphasen-Grenzfläche zu erreichen. Einige bekannte Gassensoren weisen einen Aufbau auf, in dem eine Mehrzahl von Schichten, welchen jeweils die Funktionen (1) bis (3) gemeinsam sind, auf der Oberfläche des Sensorelements bereitgestellt ist (vgl. z. B. die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2002-71632 , die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-173147 und die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2006-38496 ).
Die vorstehend beschriebenen Funktionen (1) bis (3) müssen für einen Gassensor erreicht werden, so dass er in der gewünschten Weise arbeitet, und folglich ist es nicht geeignet, die Schutzschicht von dem Sensorelement zu entfernen.
In dem Gassensor, der in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-173147 offenbart ist, sind die Porosität und die Porengröße einer porösen Schutzschicht, die auf einer Elektrodenschutzschicht für eine Funktion als Einfangschicht ausgebildet ist, optimiert, so dass ein zuverlässiges Einfangen einer vergiftenden Substanz und ein Verhindern eines Verstopfens der Schutzschicht erreicht werden. In manchen Fällen ist es jedoch schwierig, diese Effekte abhängig von der Umgebung, in welcher der Gassensor verwendet wird, und von den Betriebsbedingungen (z. B. einer Fahrstrecke und eines Anwendungsorts) zu erhalten. Darüber hinaus erreicht jedwede vergiftende Substanz, die an der porösen Schutzschicht haftet, danach potenziell eine Elektrode durch Diffusion, wodurch eine Elektrodenvergiftung verursacht wird. Mit anderen Worten, das Risiko eines Verstopfens oder dergleichen, das auf eine Veränderung einer Entladungsbedingung und der Eigenschaften der vergiftenden Substanz zurückzuführen ist, die durch eine Veränderung der Anwendungsumgebung und der Betriebsbedingungen verursacht werden, kann nach wie vor vorliegen, obwohl die in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-173147 offenbarte Technologie eingesetzt wird.
Wenn ein Gassensor, bei dem das Konzept eingesetzt wird, dass eine vergiftende Substanz durch eine Schutzschicht eingefangen wird, in einer Umgebung mit einer geringen Menge der vergiftenden Substanz eingesetzt wird, kann kein Verstopfen auftreten, jedoch haftet eine geringe Menge der vergiftenden Substanz an den Oberflächen von Teilchen in der Schutzschicht. Folglich bewegt sich dann, wenn der Gassensor in diesem Zustand kontinuierlich verwendet wird, die vergiftende Substanz, die an der Schutzschicht haftet, durch Diffusion in die Richtung einer Elektrode in der Nähe, was in manchen Fällen gleichzeitig ein Vergiften der Elektrode verursacht. Mit anderen Worten, wenn die Schutzschicht eine vergiftende Komponente einfängt, kann die Elektrodenvergiftung als Ergebnis der Materialbewegung in manchen Fällen nach wie vor auftreten, da die Schutzschicht in der Nähe der Elektrode angeordnet ist.
Dies zeigt, dass das Einfangen der vergiftenden Substanz durch die Schutzschicht in der Nähe der Elektrode selbst das Risiko einer Elektrodenvergiftung beinhaltet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der zum Erfassen einer vorgegebenen Gaskomponente eines Messgases ausgebildet ist, und betrifft insbesondere das Verhindern der Vergiftung einer Erfassungselektrode davon.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gassensor des Mischpotenzialtyps zum Erfassen einer vorgegebenen Gaskomponente in einem Messgas ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten zusammengesetzt ist. Das Sensorelement umfasst: einen Messgaseinführungsraum, der ein offenes Ende an einem distalen Ende des Sensorelements aufweist und sich in einer Längsrichtung des Elements erstreckt; eine Erfassungselektrode, die aus einem Cermet aus einem Edelmetall und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist und auf einer Seite entgegengesetzt zu dem offenen Ende in dem Messgaseinführungsraum bereitgestellt ist; eine Referenzelektrode, die aus einem Cermet aus Pt und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist; und eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist. Der Gassensor ist zum Bestimmen der Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode ausgebildet. Wenn der Gassensor die Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente berechnet, erwärmt die Heizeinrichtung das Sensorelement derart, dass ein Hochtemperaturort mit einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, der im Vorhinein bestimmt oder abgeschätzt wird, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt, und derart, dass die Temperatur zu der Erfassungselektrode zwischen dem Hochtemperaturort und der Erfassungselektrode ausgehend von dem offenen Ende in der Richtung zu der Erfassungselektrode abnimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst in einem Verfahren zur Messung der Konzentration einer vorgegebenen Gaskomponente in einem Messgas durch einen Gassensor des Mischpotenzialtyps der Gassensor ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten zusammengesetzt ist. Das Sensorelement umfasst: einen Messgaseinführungsraum, der ein offenes Ende an einem distalen Ende des Sensorelements aufweist und sich in einer Längsrichtung des Elements erstreckt; eine Erfassungselektrode, die aus einem Cermet aus einem Edelmetall und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist und auf einer Seite entgegengesetzt zu dem offenen Ende in dem Messgaseinführungsraum bereitgestellt ist; eine Referenzelektrode, die aus einem Cermet aus Pt und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist; und eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst die Vorgänge: a) Inkontaktbringen des distalen Endes des Sensorelements mit dem Messgas und Inkontaktbringen der Referenzelektrode mit einem Referenzgas; b) Erwärmen des Sensorelements in einem durch den Vorgang a) erreichten Kontaktzustand durch die Heizeinrichtung, so dass ein Hochtemperaturort mit einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, der im Vorhinein bestimmt oder abgeschätzt wird, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt, und derart, dass die Temperatur zu der Erfassungselektrode zwischen dem Hochtemperaturort und der Erfassungselektrode ausgehend von dem offenen Ende in der Richtung zu der Erfassungselektrode abnimmt; und c) Bestimmen der Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode, während das Sensorelement durch den Vorgang b) erwärmt wird.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung wird dann, wenn die Konzentration einer Messzielgaskomponente durch den Gassensor bestimmt wird, eine vergiftende Substanz, die durch das offene Ende in den Messgaseinführungsraum eintritt, eingefangen, bevor sie eine Position erreicht, bei der die Erfassungselektrode angeordnet ist. Dadurch wird vorzugsweise eine Vergiftung der Erfassungselektrode verhindert. Durch diesen Aufbau findet keine Verschlechterung einer Empfindlichkeitseigenschaft aufgrund der vergiftenden Substanz statt, wenn der Gassensor kontinuierlich verwendet wird.
Folglich soll die vorliegende Erfindung einen Gassensor bereitstellen, in dem vorzugsweise verhindert werden soll, dass eine Elektrode in einem Sensorelement vergiftet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100 zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements 101 zeigt;
3 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil des Sensorelements 101 zeigt;
4 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 200 zeigt, der zum Abschätzen des Schmelzpunkts einer vergiftenden Substanz verwendet wird;
5A und 5B sind jeweils ein Oberflächen-Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bild einer Elektrodenschutzschicht 70 vor und nach einem Vergiftungstest;
6 ist ein ZnO-P₂O₅-Phasendiagramm.
7A und 7B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung einer Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 100 gemäß eines Beispiels zeigt, wenn das Temperaturprofil 1 angewandt wird;
8A und 8B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 100 gemäß des Beispiels zeigt, wenn das Temperaturprofil 2 angewandt wird;
9A und 9B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung einer Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 200 gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt, wenn das Temperaturprofil 1 angewandt wird;
10A und 10B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung einer Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 200 gemäß des Vergleichsbeispiels zeigt, wenn das Temperaturprofil 2 angewandt wird;
11 ist ein Oberflächen-Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bild der Elektrodenschutzschicht 70 des Gassensors 100, dessen Empfindlichkeitseigenschaft nach einem Vergiftungstest bewertet wird; und
12 ist ein Diagramm, das zwei Analysezielpositionen zeigt, die in der Tabelle 2 angegeben sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Aufbau des Gassensors>
1 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100 als beispielhaften Gassensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 und eine Steuereinrichtung 120, die zum Steuern des Betriebs des Gassensors 100 ausgebildet ist, der das Sensorelement 101 umfasst.
Bei dem Gassensor 100 handelt es sich um einen sogenannten Gassensor des Mischpotenzialtyps. Im Wesentlichen bestimmt der Gassensor 100 die Konzentration einer Zielgaskomponente eines Messgases mittels einer Potenzialdifferenz zwischen einer Erfassungselektrode 10 und einer Referenzelektrode 20, die innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt sind, das vorwiegend aus einer Keramik, wie z. B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), als Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist. Die Potenzialdifferenz wird durch eine Differenz zwischen den Konzentrationen des Messzielgases in der Nähe der jeweiligen Elektroden auf der Basis des Prinzips des Mischpotenzials verursacht.
Insbesondere bestimmt der Gassensor 100 vorzugsweise die Konzentration einer vorgegebenen Gaskomponente (Erfassungsgaskomponente) eines Messgases, das ein Abgas ist, das in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, wie z. B. eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors, vorliegt. Wenn die Erfassungsgaskomponente ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in dem Abgas ist, umfasst das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas Kohlenmonoxid (CO) zusätzlich zu typischen Kohlenwasserstoffgasen aus z. B. C₂H₄, C₃H₆ und n-C8 (durch chemische Formeln als Kohlenwasserstoff kategorisiert). Bei dem Messziel kann es sich um andere Arten von Gasen, einschließlich Ammoniak, handeln. In einem solchen Fall wird der Gassensor 100 durch die Steuereinrichtung 120 auf der Basis einer Steueranweisung von einer elektronischen Steuervorrichtung (ECU) 130 gesteuert, die zum Steuern des gesamten Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
Das in der 1 gezeigte Sensorelement 101 weist die Form einer langen Platte oder eines langen Stabs auf. Das Sensorelement 101 umfasst zusätzlich zu der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20, die vorstehend beschrieben worden sind, vorwiegend einen Messgaseinführungsraum 30, einen Referenzgaseinführungsraum 40 und eine Referenzgaseinführungsschicht 50.
Das Sensorelement 101 weist eine Struktur auf, in der sechs Schichten einer ersten Festelektrolytschicht 1, einer zweiten Festelektrolytschicht 2, einer dritten Festelektrolytschicht 3, einer vierten Festelektrolytschicht 4, einer fünften Festelektrolytschicht 5 und einer sechsten Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt sind, in dieser Reihenfolge ausgehend von der Unterseite in der 1 laminiert sind. Das Sensorelement 101 umfasst zusätzlich andere Komponenten vorwiegend zwischen den Schichten oder auf der Außenumfangsoberfläche des Elements. Der Festelektrolyt, der die sechs Schichten bildet, ist sehr gut luftdicht. Das Sensorelement 101 wird z. B. durch Laminieren von Keramikgrünlagen, die einzelnen Schichten entsprechen, die einem vorgegebenen Verfahren und einem Drucken von Elektroden und Schaltkreisstrukturen unterzogen worden sind, und dann durch Integrieren der laminierten Schichten durch Brennen hergestellt.
Es ist jedoch kein essentieller Aspekt für den Gassensor 100, dass er das Sensorelement 101 als einen solchen laminierten Körper aus sechs Schichten umfasst. Das Sensorelement 101 kann ein laminierter Körper aus einer kleineren oder größeren Anzahl von Schichten sein oder er kann keine laminierte Struktur aufweisen.
In der folgenden Beschreibung wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit die Oberfläche, die als die obere Oberfläche der sechsten Festelektrolytschicht 6 in der 1 angeordnet ist, als eine Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 bezeichnet, und die Oberfläche, die als die untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 1 angeordnet ist, wird als eine Rückfläche Sb des Sensorelements 101 bezeichnet. Bei der Bestimmung der Konzentration der Erfassungsgaskomponente in dem Messgas mit dem Gassensor 100 ist ein vorgegebener Bereich beginnend von einem distalen Ende E1, wobei es sich um ein Ende des Sensorelements 101 handelt, das mindestens die Erfassungselektrode 10 umfasst, in einer Atmosphäre des Messgases angeordnet, wohingegen der andere Abschnitt, der ein Basisende E2 entgegengesetzt zu dem distalen Ende E1 umfasst, so angeordnet ist, dass er nicht mit der Atmosphäre des Messgases in Kontakt ist.
Die Erfassungselektrode 10 ist eine Elektrode zum Erfassen des Messgases. Die Erfassungselektrode 10 ist aus einer porösen Cermetelektrode aus Pt, das einen vorgegebenen Anteil von Au enthält, d. h., einer Pt-Au-Legierung, und Zirkoniumoxid ausgebildet. Die Erfassungselektrode 10 ist in der Draufsicht in dem Messgaseinführungsraum 30 in einer im Wesentlichen rechteckigen Form bereitgestellt.
Der Messgaseinführungsraum 30 ist ein Innenraum, der auf einer Seite des distalen Endes E1 des Sensorelements 101 bereitgestellt ist und sich von einem offenen Ende 30e in der Längsrichtung des Elements erstreckt. Das Messgas, das die Messzielgaskomponente enthält, wird durch die Abgasleitung in den Messgaseinführungsraum 30 eingeführt, und zwar in dem Zustand, bei dem der Gassensor 100 an der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors angebracht ist. Die Erfassungselektrode 10 ist bezogen auf das distale Ende E1 an dem innersten Teil des Messgaseinführungsraums 30 bereitgestellt (mit anderen Worten, an einer Position entgegengesetzt zu dem offenen Ende 30e in der Längsrichtung des Elements).
In dem Fall, der beispielhaft in der 1 gezeigt ist, ist der Messgaseinführungsraum 30 so bereitgestellt, dass ein Raum, der mit dem Äußeren in Verbindung steht, in einem Teil der fünften Festelektrolytschicht 5 an dem distalen Ende E1 des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Insbesondere sind ein oberes Ende und ein unteres Ende des Messgaseinführungsraums 30 in der 1 durch die vierte Festelektrolytschicht 4 bzw. die sechste Festelektrolytschicht 6 aufgeteilt und ein Seitenende ist durch die fünfte Festelektrolytschicht 5 aufgeteilt.
Die Länge des Messgaseinführungsraums 30 in der Längsrichtung des Elements kann gemäß der Größe jeder Komponente des Sensorelements 101 in einer geeigneten Weise eingestellt werden.
Die katalytische Aktivität der Erfassungselektrode 10 bezüglich der Erfassungsgaskomponenten ist gemäß jedem vorgegebenen Konzentrationsbereich vorzugsweise durch Festlegen der Zusammensetzung der Pt-Au-Legierung, wobei es sich um deren Bestandteilsmaterial handelt, gehemmt. D. h., eine Zersetzungsreaktion der Erfassungsgaskomponente an der Erfassungselektrode 10 wird verhindert. Demgemäß variiert in dem Gassensor 100 das Potenzial der Erfassungselektrode 10 selektiv bezüglich der Erfassungsgaskomponente gemäß deren Konzentration (weist eine Korrelation damit auf). Mit anderen Worten, die Erfassungselektrode 10 ist so bereitgestellt, dass sie eine starke Abhängigkeit des Potenzials von der Konzentration für die Erfassungsgaskomponenten in jedem vorgegebenen Konzentrationsbereich aufweist, während sie eine geringe Abhängigkeit des Potenzials von der Konzentration für andere Komponenten des Messgases aufweist.
Beispielsweise ist die Erfassungselektrode 10 in dem Fall, bei dem die Erfassungsgaskomponente ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in einem Abgas ist, so ausgebildet, dass sie ein Au-Häufigkeitsverhältnis von 0,3 bis 2,5 aufweist, so dass sie eine signifikante Konzentrationsabhängigkeit von dem Potenzial in einem Konzentrationsbereich von etwa 0 ppmC bis 4000 ppmC des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases aufweist.
In der vorliegenden Beschreibung ist das Au-Häufigkeitsverhältnis ein Flächenverhältnis eines Abschnitts, der mit Au bedeckt ist, zu einem Abschnitt, bei dem Pt in der Oberfläche der Edelmetallteilchen freiliegt, welche die Erfassungselektrode 10 bilden. In der vorliegenden Beschreibung wird das Au-Häufigkeitsverhältnis mittels eines relativen Empfindlichkeitskoeffizientenverfahrens aus den Peakintensitäten von Peaks berechnet, die für Au und Pt erfasst worden sind und mittels einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erhalten worden sind. Das Au-Häufigkeitsverhältnis beträgt eins, wenn die Fläche des Abschnitts, bei dem Pt freiliegt, gleich der Fläche des Abschnitts ist, der mit Au bedeckt ist.
Eine leitfähige Paste, die zur Bildung der Erfassungselektrode 10 durch Drucken verwendet wird, kann unter Verwendung einer Au-Ion-enthaltenden Flüssigkeit als Au-Ausgangsmaterial und Mischen der Au-Ion-enthaltenden Flüssigkeit mit pulverförmigem Pt, pulverförmigem Zirkoniumoxid und einem Bindemittel hergestellt werden. Jedwedes Bindemittel, das jedwedes andere Ausgangsmaterial in einem druckfähigen Ausmaß dispergieren kann und durch Brennen beseitigt wird, kann in einer geeigneten Weise ausgewählt werden.
Die Au-Ion-enthaltende Flüssigkeit wird durch Lösen eines Salzes, das ein Au-Ion enthält, oder eines organometallischen Komplexes, der ein Au-Ion enthält, in einem Lösungsmittel erhalten. Das Au-Ion-enthaltende Salz kann z. B. Tetrachlorogold(III)-säure (HAuCl₄), Natriumchloraurat(III) (NaAuCl₄) oder Kaliumdicyanoaurat(I) (KAu(CN)₂) sein. Der Au-Ion-enthaltende organometallische Komplex kann z. B. Gold(III)-diethylendiamintrichlorid ([Au(en)₂]Cl₃), Gold(III)-dichlor(1,10-phenanthrolin)chlorid ([Au(phen)Cl₂]Cl), Dimethyl(trifluoracetylacetonat)gold oder Dimethyl(hexafluoracetylacetonat)gold sein. Tetrachlorogold(III)-säure oder Gold(III)-diethylendiaminchlorid ([Au(en)₂]Cl₃) wird im Hinblick darauf, dass in der Elektrode kein Fremdatom wie z. B. Na oder K verbleibt, auf eine einfache Handhabung oder die Löslichkeit in dem Lösungsmittel bevorzugt verwendet. Das Lösungsmittel kann Aceton, Acetonitril oder Formamid sowie Alkohole wie Methanol, Ethanol und Propanol sein.
Das Mischen kann mit einem bekannten Mittel, wie z. B. Einträufeln, durchgeführt werden. Obwohl die erhaltene leitfähige Paste Au enthält, das in einem ionischen (komplexen ionischen) Zustand vorliegt, enthalten die Erfassungselektroden 10, die in dem Sensorelement 101 ausgebildet sind, das durch das vorstehend genannte Herstellungsverfahren erhalten wird, Au vorwiegend als elementares Substrat oder als Legierung mit Pt.
Alternativ kann eine leitfähige Paste für eine Erfassungselektrode unter Verwendung eines beschichteten Pulvers hergestellt werden, das durch Beschichten von pulverförmigem Pt mit Au als Ausgangsmaterial anstatt des Herstellens der Paste durch ein Mischen von Au im flüssigen Zustand, wie es vorstehend beschrieben ist, erhalten wird. In einem solchen Fall wird eine leitfähige Paste für eine Erfassungselektrode durch Mischen des beschichteten Pulvers, eines Zirkoniumoxidpulvers und eines Bindemittels hergestellt. Dabei kann das beschichtete Pulver durch Bedecken der Teilchenoberfläche des pulverförmigen Pt mit einem Au-Film oder Aufbringen von Au-Teilchen auf Pt-Pulverteilchen erhalten werden.
Die Referenzelektrode 20 ist eine Elektrode, die in der Draufsicht im Wesentlichen eine Rechteckform aufweist, und die im Inneren des Sensorelements 101 bereitgestellt ist und als Referenz bei der Bestimmung der Konzentration des Messgases dient. Die Referenzelektrode 20 ist als poröse Cermetelektrode aus Pt und Zirkoniumoxid bereitgestellt.
Insbesondere ist die Referenzelektrode 20 in der Referenzgaseinführungsschicht 50, die mit dem Referenzgaseinführungsraum 40 in Verbindung steht, und unterhalb der Erfassungselektrode 10 in der Draufsicht von der Oberfläche Sa in der Dickenrichtung (der Richtung, in der die Festelektrolytschichten laminiert sind) des Sensorelements 101 bereitgestellt.
Die Referenzelektrode 20 kann so ausgebildet sein, dass sie eine Porosität von 10% oder mehr und 30% oder weniger und eine Dicke von 5 μm oder mehr und 15 μm oder weniger aufweist. Die Referenzelektrode 20 kann eine ebene Größe aufweisen, die zu derjenigen der Erfassungselektrode 10 äquivalent ist oder kleiner als diese ist.
Der Referenzgaseinführungsraum 40 ist ein Innenraum, der in der Nähe des Basisendes E2 des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Luft (Sauerstoff), die als Referenzgas bei der Bestimmung der Konzentration der Erfassungsgaskomponente dient, wird von außen in den Referenzgaseinführungsraum 40 eingeführt.
In dem Fall, der beispielhaft in der 1 gezeigt ist, ist der Referenzgaseinführungsraum 40 so bereitgestellt, dass ein Raum, der mit dem Äußeren in Verbindung steht, in einem Teil der vierten Festelektrolytschicht 4 an dem Basisende E2 des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Insbesondere sind das obere Ende und das untere Ende des Referenzgaseinführungsraums 40 in der 1 durch die dritte Festelektrolytschicht 3 bzw. die fünfte Festelektrolytschicht 5 abgeteilt und ein Seitenende ist durch die vierte Festelektrolytschicht 4 abgeteilt.
Die Referenzgaseinführungsschicht 50 ist eine poröse Aluminiumoxidschicht, die mit dem Referenzgaseinführungsraum 40 in Verbindung steht. In dem Fall, der beispielhaft in der 1 gezeigt ist, ist die Referenzgaseinführungsschicht 50 zwischen der dritten Festelektrolytschicht 3 und der vierten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt.
Wenn der Gassensor 100 verwendet wird, ist die Umgebung der Referenzelektrode 20, die in der Referenzgaseinführungsschicht 50 bereitgestellt ist, immer mit Luft (Sauerstoff) gefüllt, die durch den Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 50 eingeführt wird. Durch diesen Aufbau weist die Referenzelektrode 20 immer ein konstantes Potenzial auf, wenn der Gassensor 100 verwendet wird.
Der Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 50 sind aufgrund ihrer umgebenden Festelektrolyten so bereitgestellt, dass sie nicht mit einem Messgas in Kontakt kommen. Dies verhindert selbst dann, wenn die Erfassungselektrode 10 dem Messgas ausgesetzt ist, dass die Referenzelektrode 20 mit dem Messgas in Kontakt kommt.
Obwohl die Referenzelektrode 20 ein konstantes Potenzial aufweist, hängt das Potenzial der Erfassungselektrode 10 von der Konzentration der Erfassungsgaskomponente ab, wie es vorstehend beschrieben ist. Folglich tritt zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 eine Potenzialdifferenz gemäß der Konzentration der Erfassungsgaskomponente auf. Diese Potenzialdifferenz wird durch ein Potentiometer 110 gemessen, das für den Gassensor 100 bereitgestellt ist.
Drähte bzw. Leitungen zwischen dem Potentiometer 110 und jeder der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 sind in den Zeichnungen vereinfacht. In dem tatsächlichen Sensorelement 101 ist jedoch ein Verbindungsanschluss (nicht gezeigt) für jede Elektrode auf der Oberfläche Sa oder der Rückfläche Sb näher an dem Basisende E2 bereitgestellt, und eine Verdrahtungsstruktur (nicht gezeigt), die jede Elektrode und den entsprechenden Verbindungsanschluss verbindet, ist auf der Oberfläche Sa und dem Inneren des Elements ausgebildet. Die Erfassungselektrode 10 und die Referenzelektrode 20 sind jeweils durch die Verdrahtungsstruktur und den Verbindungsanschluss elektrisch mit dem Potentiometer 110 verbunden.
Nachstehend wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20, die durch das Potentiometer 110 gemessen wird, auch als Sensorausgangssignal EMF oder einfach als EMF bezeichnet. Die Erfassungselektrode 10, die Referenzelektrode 20 und der Festelektrolyt zwischen den Elektroden werden auch als Erfassungszelle bezeichnet. Folglich ist die Erfassungszelle eine Mischpotenzialzelle.
Das Sensorelement 101 umfasst auch eine Elektrodenschutzschicht 70. Die Elektrodenschutzschicht 70 ist eine poröse Aluminiumoxidschicht, die mindestens die Erfassungselektrode 10 bedeckt und in dem Messgaseinführungsraum 30 freiliegt. Die Elektrodenschutzschicht 70 verhindert nicht nur ein Verdampfen von Pt und Au, welche die Erfassungselektrode 10 bilden, sondern wirkt auch als Molekularsieb, das so ausgebildet ist, dass es nur dem Messgas ermöglicht, eine Dreiphasen-Grenzfläche zu erreichen. Die Elektrodenschutzschicht 70 ist so bereitgestellt, dass sie einen Aufbau (Porengröße, Porosität und Dicke) aufweist, mit dem die Ausbreitung des Messgases an der Erfassungselektrode 10 praktisch nicht kontrolliert bzw. gesteuert wird.
Die Elektrodenschutzschicht 70 liegt in der Richtung des Messgaseinführungsraums 30 frei und liegt daher zu dem Messgas hin frei, ist jedoch nicht notwendigerweise so ausgebildet, dass ein Verstopfen aufgrund einer vergiftenden Substanz berücksichtigt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Anhaften einer vergiftenden Substanz in dem Messgas an der Elektrodenschutzschicht 70 aus einem Grund der später beschrieben wird, vorzugsweise verhindert wird. Mit anderen Worten, der Gassensor 100 gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform erfordert keine Funktion des Schützens vor einer vergiftenden Substanz und demgemäß ist die Notwendigkeit von deren Bildung verglichen mit einer herkömmlichen Technologie abgeschwächt, bei der eine Schutzschicht zum Schützen einer Elektrode, die auf der Oberfläche eines Sensorelements bereitgestellt ist, vor einer vergiftenden Substanz bereitgestellt ist.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner einen Heizeinrichtungsteil 80. Der Heizeinrichtungsteil 80 umfasst vorwiegend eine Heizeinrichtung 81, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 82, ein Druckverteilungsloch 83, ein Durchgangsloch 84 und eine Heizeinrichtungselektrode 85.
Die Heizeinrichtung 81 ist so ausgebildet, dass sie zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 oberhalb und unterhalb sandwichartig angeordnet wird. Die Heizeinrichtung 81 ist so bereitgestellt, dass sie sich schlängelnd in der Längsrichtung des Elements erstreckt (in einer Mäanderform). Die Heizeinrichtung 81 ist über mindestens einem Bereich angeordnet, der sich in der Nähe des distalen Endes E1 in die Richtung unterhalb der Erfassungszelle in der Längsrichtung des Elements erstreckt.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 82 ist zwischen der Heizeinrichtung 81 und jeder der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 zum elektrischen Isolieren zwischen der Heizeinrichtung 81 und jeder der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 bereitgestellt. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 82 ist z. B. aus Aluminiumoxid hergestellt.
Die Heizeinrichtung 81 erzeugt dadurch Wärme, dass sie durch die Heizeinrichtungselektrode 85, die auf der Rückfläche Sb des Sensorelements 101 (der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 1 in der 1) bereitgestellt ist, extern mit Strom versorgt wird. Die Heizeinrichtungselektrode 85 und die Heizeinrichtung 81 sind durch einen Heizeinrichtungsanschluss, der innerhalb der Heizeinrichtungsisolierschicht 82 und innerhalb des Durchgangslochs 84, das von der Heizeinrichtungsisolierschicht 82 zu der Rückfläche Sb hindurchtritt, angeordnet ist, elektrisch miteinander verbunden. Die Stromzufuhr zu der Heizeinrichtung 81 wird durch die Steuereinrichtung 120 auf der Basis einer Steueranweisung von der ECU 130 gesteuert.
Das Druckverteilungsloch 83 ist ein Teil, der durch die dritte Festelektrolytschicht 3 hindurchtritt und durch den die Heizeinrichtungsisolierschicht 82 und der Referenzgaseinführungsraum 40 miteinander in Verbindung stehen. Das Druckverteilungsloch 83 ist bereitgestellt, um einen Innendruckanstieg, der mit einem Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 82 zusammen mit einem Temperaturanstieg einhergeht, zu vermindern.
In dem Gassensor 100 erzeugt, wenn die Konzentration der Erfassungsgaskomponente bestimmt wird, die Heizeinrichtung 81 Wärme, so dass jede Komponente des Sensorelements 101 erwärmt und bei einer Temperatur gehalten wird, die für einen Betrieb geeignet ist. Insbesondere wird die Erfassungszelle auf eine Temperatur T0 von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger, vorzugsweise 450°C oder höher und 550°C oder niedriger, erwärmt. Eine Seite näher an dem distalen Ende E1 als die Erfassungszelle wird auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als diejenige der Erfassungszelle. In dem Gassensor 100 werden die Position der Erfassungszelle, ein Bereich, in dem sich die Heizeinrichtung 81 erstreckt, eine Positionsbeziehung zwischen der Erfassungszelle und der Heizeinrichtung 81 und ferner die Art und Weise des Erwärmens durch die Heizeinrichtung 81 so eingestellt, dass eine solche Erwärmungstemperatur in einer geeigneten Weise erreicht wird. Dieser spezifische Aufbau ist jedoch nicht auf einen Aufbau beschränkt, sondern weist verschiedene Arten von Variationen auf. Die Temperaturverteilung (Temperaturprofil) in dem Sensorelement 101 wird später beschrieben.
In dem Gassensor 100, der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, wird, während die Erfassungszelle durch die Heizeinrichtung 81 auf die vorgegebene Temperatur T0 erwärmt wird, das Potenzial der Referenzelektrode 20, die in einer Luftatmosphäre (mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration) angeordnet ist, konstant gehalten, jedoch weist das Potenzial der Erfassungselektrode 10 eine Abhängigkeit von der Konzentration der Erfassungsgaskomponente in dem Messgas auf. Demgemäß wird eine Potenzialdifferenz gemäß der Konzentration der Erfassungsgaskomponente zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 erzeugt. Diese Potenzialdifferenz wird als Sensorausgangssignal EMF an die Steuereinrichtung 120 ausgegeben, die zum Steuern des Betriebs des Gassensors 100 ausgebildet ist. Dieser Ausgangswert, der für die Steuereinrichtung 120 bereitgestellt wird, wird ferner für die ECU 130 bereitgestellt und die ECU 130 führt eine arithmetische Verarbeitung auf der Basis des Ausgangswerts durch, worauf die Konzentration der Erfassungsgaskomponente um das Sensorelement 101 erhalten wird. Mit anderen Worten, die ECU 130 wirkt als Konzentrationsbestimmungsmittel, das zum Bestimmen der Konzentration der Erfassungsgaskomponente ausgebildet ist.
Eine bestimmte funktionelle Beziehung (als Empfindlichkeitseigenschaft bezeichnet) gilt zwischen der Konzentration jeder der Erfassungsgaskomponenten und dem Sensorausgangssignal. Folglich wird eine Mehrzahl von verschiedenen Mischgasen, die jeweils eine bekannte Konzentration der Erfassungsgaskomponente aufweisen, im Vorhinein als Messgase hergestellt und das Sensorausgangssignal für jedes Messgas wird gemessen, wodurch die Empfindlichkeitseigenschaft experimentell identifiziert wird. Dann wird diese Empfindlichkeitseigenschaft in der ECU 130 gespeichert. Wenn der Gassensor 100 tatsächlich verwendet wird, wird der Wert des Sensorausgangssignals EMF, der momentan gemäß der Konzentration der Erfassungsgaskomponente in einem Messgas variiert, mit der Empfindlichkeitseigenschaft in der ECU 130 verglichen, was dazu führt, dass die Konzentration der Erfassungsgaskomponente erhalten wird. Demgemäß kann die Konzentration der Erfassungsgaskomponente in dem Messgas nahezu in Echtzeit bestimmt werden.
<Verfahren zur Herstellung des Sensorelements>
Als nächstes wird das Konzept der Herstellung des Sensorelements 101 beschrieben. Allgemein wird das Sensorelement 101 ungeachtet des Unterschieds zwischen dessen spezifischen Aufbaumerkmalen durch Bilden eines laminierten Körpers, der aus Grünlagen ausgebildet ist, die einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z. B. Zirkoniumoxid, als Keramikkomponente enthalten, und durch Schneiden und Brennen des laminierten Körpers hergestellt. Der Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt kann z. B. mit Yttrium teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) sein.
Die 2 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 101 zeigt. Als ersten werden Rohlagen (nicht gezeigt), bei denen es sich um Grünlagen ohne darauf ausgebildete Struktur handelt, hergestellt (Schritt S1). Insbesondere werden sechs Rohlagen hergestellt, die der ersten Festelektrolytschicht 1, der zweiten Festelektrolytschicht 2, der dritten Festelektrolytschicht 3, der vierten Festelektrolytschicht 4, der fünften Festelektrolytschicht 5 und der sechsten Festelektrolytschicht 6 entsprechen. Eine Mehrzahl von Lagenlöchern, die zum Positionieren beim Drucken und Laminieren verwendet werden, ist im Vorhinein in den Rohlagen bereitgestellt. Solche Lagenlöcher werden im Vorhinein z. B. durch Stanzen mit einer Stanzvorrichtung gebildet. Für eine Grünlage, deren entsprechende Schicht den Messgaseinführungsraum 30, den Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 50 bildet, wird ein hindurchtretender Abschnitt, der diesen Innenräumen entspricht, auch im Vorhinein z. B. durch Stanzen bereitgestellt, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Nicht alle der Rohlagen, die den jeweiligen Schichten des Sensorelements 101 entsprechen, müssen die gleiche Dicke aufweisen.
Nach der Herstellung der Rohlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, werden ein Strukturdrucken und ein Trocknen durchgeführt, um verschiedene Strukturen auf den einzelnen Rohlagen zu bilden (Schritt S2). Insbesondere werden durch Drucken Elektrodenstrukturen von z. B. der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20, eine Struktur zur Bildung der Elektrodenschutzschicht 70, die auf der Erfassungselektrode 10 bereitgestellt ist, und Strukturen zur Bildung der Heizeinrichtung 81 und der Heizeinrichtungsisolierschicht 82, sowie Strukturen zur Bildung eines internen Drahts bzw. einer internen Leitung, wie z. B. des Heizeinrichtungsanschlusses (nicht gezeigt), und dergleichen gebildet. Zusätzlich wird in der ersten Festelektrolytschicht 1 eine Schneidmarkierung gedruckt, die als Referenzschneidposition dient, wenn der laminierte Körper in einem nachfolgenden Schritt geschnitten wird.
Jede Struktur wird durch Aufbringen einer Paste zur Strukturbildung (wie z. B. einer leitfähigen Paste), die gemäß den Eigenschaften hergestellt worden ist, die für jedes Bildungsziel erforderlich sind, durch eine bekannte Siebdrucktechnik auf die Rohlage gedruckt. Jedwedes geeignete Trocknungsmittel steht zum Trocknen nach dem Drucken zur Verfügung.
Nach dem Strukturdrucken werden ein Drucken und Trocknen einer Verbindungspaste zum Laminieren und Verbinden der Grünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, durchgeführt (Schritt S3). Zum Drucken einer Verbindungspaste steht jedwede bekannte Siebdrucktechnik zur Verfügung und zum Trocknen nach dem Drucken steht jedwedes bekannte Trocknungsmittel zur Verfügung.
Anschließend wird ein Pressen durchgeführt, bei dem die Grünlagen, auf die ein Haftmittel aufgebracht worden ist, in einer vorgegebenen Reihenfolge laminiert werden, und die laminierten Grünlagen werden bei den vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen gepresst, so dass dadurch ein laminierter Körper gebildet wird (Schritt S4). Insbesondere werden Grünlagen, die Laminierungsziele sind, laminiert, während sie an den Lagenlöchern angeordnet sind, so dass sie in einer vorgegebenen Laminiervorrichtung (nicht gezeigt) gehalten werden, und die Grünlagen werden zusammen mit der Laminiervorrichtung durch eine Laminiermaschine, wie z. B. eine bekannte hydraulische Pressmaschine, erwärmt und mit Druck beaufschlagt. Der Druck, die Temperatur und die Zeit zum Erwärmen und Beaufschlagen mit Druck hängen von der zu verwendenden Laminiermaschine ab, deren entsprechende Bedingungen für eine gute Laminierung in einer geeigneten Weise eingestellt werden können.
Nachdem der laminierte Körper in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten worden ist, wird anschließend eine Mehrzahl von Teilen des laminierten Körpers als einzelne Einheiten (als Elementkörper bezeichnet) des Sensorelements 101 ausgeschnitten (Schritt S5). Die ausgeschnittenen Elementkörper werden bei vorgegebenen Bedingungen gebrannt (Schritt S6). Mit anderen Worten, das Sensorelement 101 wird durch integriertes Brennen der Festelektrolytschichten und der Elektroden hergestellt. Die Brenntemperatur beträgt vorzugsweise 1200°C oder mehr und 1500°C oder weniger (z. B. 1365°C). Das auf diese Weise durchgeführte integrierte Brennen stellt für die jeweiligen Elektroden des Sensorelements 101 eine zufriedenstellende Haftfestigkeit bereit.
Das resultierende Sensorelement 101 wird in einem vorgegebenen Gehäuse aufgenommen und in einen Hauptkörper (nicht gezeigt) des Gassensors 100 einbezogen.
<Temperaturprofil und Einfangen einer vergiftenden Substanz in dem Sensorelement>
Nachstehend wird das Einfangen einer vergiftenden Substanz in dem Sensorelement 101 beschrieben. Schematisch wird in dem Sensorelement 101 die vergiftende Substanz in dem Messgaseinführungsraum 30 durch Festlegen eines Temperaturprofils innerhalb des Elements beschrieben.
Die 3 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil in dem Sensorelement 101 zeigt. Die 3 zeigt das Profil (Temperaturprofil) der Temperatur T des Sensorelements 101 in der X-Achsenrichtung, wobei die Position des offenen Endes 30e des Messgaseinführungsraums 30 an dem distalen Ende E1 als Ursprung festgelegt ist, und die Richtung (Längsrichtung des Elements), in der sich das Sensorelement 101 von der Position des Ursprungs erstreckt, als die X-Achse festgelegt ist. Die Position der Erfassungselektrode 10 ist als X = X0 festgelegt. Die Position der Erfassungselektrode 10 wird durch die Position des Schwerpunkts der Erfassungselektrode 10 dargestellt.
In dem Sensorelement 101 wird, wie es vorstehend beschrieben ist, die Erfassungszelle, welche die Erfassungselektrode 10 umfasst, durch die Heizeinrichtung 81 auf eine Temperatur T0 von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger, vorzugsweise 450°C oder höher und 550°C oder niedriger, erwärmt. Mit anderen Worten, das Sensorelement 101 wird so erwärmt, dass die Temperatur T bei X = X0 T0 ist.
Darüber hinaus wird, wie es in der 3 gezeigt ist, das Sensorelement 101 durch die Heizeinrichtung 81 derart erwärmt, dass ein Ort (X = Xmax), bei dem die Temperatur T bei einer höchsten Temperatur Tmax liegt, im Bereich von 0 ≤ X < X0 vorliegt, d. h., auf der Seite der Erfassungselektrode 10 näher an dem distalen Ende E1, und die Temperatur von X = Xmax monoton auf X = X0 abnimmt. Die Temperatur T = Tmax ist jedwede Temperatur gleich einem Schmelzpunkt (oder einem abgeschätzten Wert des Schmelzpunkts oder der Obergrenze eines abgeschätzten Bereichs davon) T1 (> T0) der vergiftenden Substanz oder höher als diese. Der Schmelzpunkt T1 kann durch ein geeignetes Verfahren bestimmt oder abgeschätzt werden. Die höchste Temperatur Tmax kann T1 sein.
In der 3 gilt die Beziehung T ≥ T1 in einem Bereich ΔX1 von X = X1 in der Richtung des distalen Endes E1, und der Ort, an dem T = Tmax ist, liegt in dem Bereich vor. Die Beziehung T < T0 gilt auf einer Seite der Erfassungselektrode 10, die näher an dem Basisende E2 liegt.
Da die Temperatur T = T1 mindestens gleich dem Schmelzpunkt der vergiftenden Substanz oder höher als diese ist, liegt die vergiftende Substanz in dem Bereich, in dem die Beziehung T ≥ T1 gilt, als Flüssigkeit oder Gas vor. Folglich wird, wenn das Sensorelement 101 durch das Erwärmen mit der Heizeinrichtung 81 mit einem Temperaturprofil versehen wird, wie es vorstehend beschrieben ist, jedwede vergiftende Substanz, die in den Messgaseinführungsraum 30 eingedrungen ist, in einem ersten Bereich von X ≤ X1 einmal auf die Temperatur T ≥ T1 erwärmt, so dass sie eine Flüssigkeit oder ein Gas wird, und dann in einem zweiten Bereich von X > X1, in dem T < T1 gilt, allmählich abgekühlt und kondensiert als Ganzes, bevor sie bei X = X0 ankommt. Demgemäß haftet die vergiftende Substanz an der vierten Festelektrolytschicht 4, der fünften Festelektrolytschicht 5 und der sechsten Festelektrolytschicht 6, die den Messgaseinführungsraum 30 abteilen (als Wandflächen des Messgaseinführungsraums 30 dienen), im Bereich von X1 ≤ X < X0 an. Die 3 zeigt beispielhaft, dass ein Haftbereich RE in einem vorgegebenen Bereich von X = X1 in der Richtung des Basisendes E2 durch die Haftung der vergiftenden Substanz gebildet wird.
Dies zeigt, dass, solange die Distanz von X1–X0 ausreichend ist, jedwede vergiftende Substanz, die in den Messgaseinführungsraum 30 eingetreten ist, weder die Erfassungselektrode 10, noch die Elektrodenschutzschicht 70 erreicht, sondern auf der Hälfte des Wegs eingefangen wird. Auf diese Weise findet keine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund eines Haftens der vergiftenden Substanz an der Erfassungselektrode 10 statt, obwohl der Gassensor 100 kontinuierlich für eine lange Zeit verwendet wird.
In der Realität ist eine Position, bei der T = T1, nicht notwendigerweise genau festgelegt, und folglich ist es vorteilhaft, dass die Distanz von Xmax–X0 zwischen der Position X = Xmax, bei der T = Tmax, und der Position X = X0 der Erfassungselektrode 10 ausreichend sichergestellt ist, so dass die vergiftende Substanz auf halbem Weg durch den Messgaseinführungsraum 30 eingefangen wird.
Der Wert der Distanz von X1–X0 oder Xmax–X0 zum Ermöglichen eines solchen Einfangens der vergiftenden Substanz unterscheidet sich jedoch zwischen Temperaturprofilen, und ist folglich nicht notwendigerweise eindeutig festgelegt, sondern kann experimentell oder empirisch festgelegt werden.
Wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ein Sensorelement eines Gassensors des Mischpotenzialtyps einen Messgaseinführungsraum, der an einem distalen Ende geöffnet ist und sich in der Längsrichtung des Elements erstreckt, und eine Erfassungselektrode, die auf der innersten Seite des Mess-gaseinführungsraums bereitgestellt ist. Wenn der Gassensor die Konzentration einer Messzielgaskomponente bestimmt, wird durch eine Heizeinrichtung, die für das Sensorelement bereitgestellt ist, ein Erwärmen durchgeführt, so dass ein Temperaturprofil erhalten wird, bei dem ein Hochtemperaturort, der eine Temperatur aufweist, die höher ist als diejenige an der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt, und die Temperatur zwischen dem Hochtemperaturort und der Erfassungselektrode ausgehend von dem offenen Ende in der Richtung zu der Erfassungselektrode monoton abnimmt. Durch diesen Aufbau wird jedwede vergiftende Substanz, die durch das offene Ende in den Messgaseinführungsraum eingedrungen ist, eingefangen, bevor sie die Position der Erfassungselektrode erreicht, was in einer bevorzugten Weise eine Vergiftung der Erfassungselektrode verhindert. Demgemäß tritt keine Verschlechterung der Empfindlichkeitseigenschaft aufgrund der vergiftenden Substanz auf, wenn der Gassensor kontinuierlich verwendet wird.
[Beispiel]
(Experimentelles Beispiel: Abschätzung des Schmelzpunkts einer vergiftenden Substanz)
Nachstehend ist beispielhaft die Abschätzung des Schmelzpunkts T1 der vergiftenden Substanz beschrieben. Die 4 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 200 zeigt, der für die Abschätzung verwendet worden ist.
Der Gassensor 200 weist einen Aufbau auf, der mit demjenigen des Gassensors 100 identisch ist, mit der Ausnahme, dass ein Sensorelement 201 die sechste Festelektrolytschicht 6 nicht umfasst, die in das Sensorelement 101 einbezogen ist, und folglich keinen Messgaseinführungsraum 30 umfasst, so dass die Elektrodenschutzschicht 70 direkt außerhalb des Sensorelements 201 freiliegt. Folglich wird jede Komponente des Gassensors 200 durch ein Bezugszeichen bezeichnet, das mit demjenigen der entsprechenden Komponente des Gassensors 100 identisch ist, und eine entsprechende Beschreibung ist weggelassen.
Nachstehend ist ein Fall beschrieben, bei dem P (Phosphor) als Primärkomponente einer vergiftenden Substanz angenommen wird, ein Phosphorvergiftungstest mit dem Gassensor 200 durchgeführt wird, der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, und der Schmelzpunkt der vergiftenden Substanz auf der Basis des Testergebnisses abgeschätzt wird. Da das Sensorelement 201 anders als das Sensorelement 101 die sechste Festelektrolytschicht 6 nicht umfasst, wird erwartet, dass die vergiftende Substanz nahezu sicher mindestens an der Elektrodenschutzschicht 70 haftet, wenn der Vergiftungstest durchgeführt wird.
Der Phosphorvergiftungstest wurde durch Anbauen des Gassensors 200 an eine Abgasleitung eines Benzinmotors (Hubraum: 1,8 Liter) und Betreiben des Motors für 70 Stunden mit einem Kraftstoff durchgeführt, der durch Mischen von 0,25 ml eines Motoröladditivs (Schmiermitteladditivs) als vergiftende Substanz mit 1 Liter Benzin erhalten worden ist.
Die 5A und 5B zeigen Oberflächen-Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bilder der Elektrodenschutzschicht 70 vor und nach dem Vergiftungstest. In dem SEM-Bild vor dem Test in der 5A wird bestätigt, dass eine große Zahl von feinen Poren, die in schwarz erscheinen, verteilt sind. Andererseits werden in dem SEM-Bild nach dem Test in der 5B keine solchen Poren gefunden, sondern der Zustand, bei dem die vergiftende Substanz in grau und weiß einheitlich vorliegt, wird bestätigt. Demgemäß wird nach dem Test festgestellt, dass ein Verstopfen aufgrund der vergiftenden Substanz in der Elektrodenschutzschicht 70 auftritt.
In der 5B ist die vergiftende Substanz überall flach (eingeebnet ohne Welligkeit) verteilt, und folglich wird davon ausgegangen, dass die vergiftende Substanz in einem Glaszustand vorliegt.
Darüber hinaus wurde mit der Oberfläche der Elektrodenschutzschicht 70 nach dem Vergiftungstest eine XPS-Analyse durchgeführt. Die XPS-Analyse wurde unter den nachstehend angegebenen Analysebedingungen durchgeführt.
Gerätebezeichnung: AXIS-HS, hergestellt von SHIMADZU/KRATOS;
Röntgenquelle: Monochromes Al;
Röhrenspannung, Röhrenstrom: 15 kV, 15 mA;
Linsenzustand: HYBRID (Analysebereich: 600 μm × 1000 μm);
Die Messung wurde mit einer Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl durchgeführt.
Die Tabelle 1 gibt die erfassten Hauptelemente in der XPS-Analyse und deren Häufigkeitsverhältnisse (Atom-%) an. [Tabelle 1]
Von den in der Tabelle 1 angegebenen erfassten Elementen ist Al (Aluminium) ein Element, das auf die Elektrodenschutzschicht 70 zurückzuführen ist, und Zr (Zirkonium) ist ein Material, das auf die Erfassungselektrode 10 zurückzuführen ist. Folglich ist mindestens aufgrund des Ergebnisses der XPS-Analyse festgelegt, dass die vergiftende Substanz P (Phosphor), Zn (Zink) und Na (Natrium) in Mengen größer als diese Größenordnung vorliegen. Darüber hinaus wird unter Berücksichtigung des in der 5B gezeigten SEM-Bilds festgestellt, dass jedwede vergiftende Substanz, die an der Elektrodenschutzschicht 70 haftet, vorwiegend ein Glasoxid ist, das Zn in einer P-reichen Phase enthält und geringfügig Na enthält.
Dann wurde der Schmelzpunkt der vergiftenden Substanz, die an der Elektrodenschutzschicht 70 haftete, mittels eines bekannten ZnO-P₂O₅-Phasendiagramms abgeschätzt (F. L. Katnack et al., J. Electrochem. Soc. 1958, Band 105, Nr. 3, Seite 125, 4), das in der 6 gezeigt ist. Zum Vereinfachen der Abschätzung wurde Na aufgrund der geringen enthaltenen Menge nicht berücksichtigt.
Gemäß eines Ergebnisses des Nachweises durch die XPS-Analyse, das in der Tabelle 1 angegeben ist, beträgt das Verhältnis der Anzahl der P- und Zn-Atome in der vergiftenden Substanz P:Zn = 14:4,7. Auf der Basis des vorstehenden Atomzahlverhältnisses wird, wenn angenommen wird, dass P und Zn, von denen erwartet wird, dass sie in der vergiftenden Substanz in einem Glaszustand vorliegen, in Wirklichkeit als stabiles Oxid P₂O₅ bzw. ZnO vorliegen, die in dem Phasendiagramm in der 6 gezeigt sind, deren Molverhältnis als P₂O₅:ZnO = 7:4,7 berechnet.
Zur Anwendung auf das Phasendiagramm in der 6 wird dieses Molverhältnis in ein Massenverhältnis von P₂O₅ zur Gesamtmasse von P₂O₅ und ZnO umgerechnet, das P₂O₅/(P₂O₅ + ZnO) ≒ 70 Gew.-% ist, da das Molekulargewicht von P₂O₅ 141,94 beträgt und das Molekulargewicht von ZnO 81,41 beträgt.
In dem Phasendiagramm in der 6 liegt P₂O₅ bei 70 Gew.-% mindestens in einem Bereich von 600°C oder höher in einer flüssigen Phase vor. Folglich wird, da die vergiftende Substanz in Wirklichkeit in einem Glaszustand vorliegt und der Schmelzpunkt eines einphasigen P₂O₅-Kristalls 360°C beträgt, der Schmelzpunkt Ti der vergiftenden Substanz, die durch den Vergiftungstest an der Elektrodenschutzschicht 70 haftet, als gleich oder höher als 360°C und gleich oder niedriger als 600°C abgeschätzt.
Folglich kann, wenn angenommen wird, dass bei der Verwendung des Gassensors 100 die vergiftende Substanz vorwiegend P enthält, die vergiftende Substanz durch Einstellen der Temperaturen T0 und Tmax, die mindestens Tmax ≥ 600°C > T0 (≥ 400°C) genügen, auf halbem Weg durch den Messgaseinführungsraum 30 eingefangen werden.
(Beispiel und Vergleichsbeispiel)
Als Beispiel wurde die Empfindlichkeitseigenschaft (Abhängigkeit des Sensorausgangssignals EMF von der Konzentration der Messzielgaskomponente) des Gassensors 100 gemäß der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform vor und nach einem Phosphorvergiftungstest bewertet. Darüber hinaus wurde als ein Vergleichsbeispiel die Empfindlichkeitseigenschaft des in dem experimentellen Beispiel verwendeten Gassensors 200 vor und nach einem Phosphorvergiftungstest bewertet. Jeder Phosphorvergiftungstest wurde unter Bedingungen durchgeführt, die mit denjenigen des vorstehend beschriebenen experimentellen Beispiels identisch waren. In dem Gassensor 100 und dem Gassensor 200 betrug X0 8,5 mm.
Die Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft wurde mittels Modellgasen durchgeführt. Insbesondere wurde das Sensorausgangssignal für verschiedene Konzentrationen der Messzielgaskomponente in dem Modellgas erfasst, wobei der Gassensor 100 oder 200 in einem Modellgas angeordnet wurde, dessen Konzentration einer Messzielgaskomponente bekannt ist.
Es wurden zwei Arten von Modellgasen hergestellt: Das Modellgas A, das C₂H₄ als Messzielgaskomponente enthält, und das Modellgas B, das CO als Messzielgaskomponente enthält. Die Komponenten jedes Modellgases waren wie folgt.
[Modellgas A]

C₂H₄: 0 ppm, 50 ppm, 70 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 300 ppm, 500 ppm, 700 ppm oder 1000 ppm;
O₂: 10%;
H₂O: 5%;
N₂: Rest.

[Modellgas B]

CO: 0 ppm, 100 ppm, 300 ppm, 500 ppm, 700 ppm, 1000 ppm oder 2000 ppm;
O₂: 10%;
H₂O: 5%;
N₂: Rest.

In dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel wurde die Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft zweimal für zwei Temperaturprofile mit verschiedenen Kombinationen der Temperaturen T0 und Tmax durchgeführt. Die Kombinationen der Temperaturen T0 und Tmax in den Temperaturprofilen sind wie folgt.
Temperaturprofil 1: T0 = 450°C, Tmax = 600°C;
Temperaturprofil 2: T0 = 500°C, Tmax = 650°C.
Diese Temperaturprofile wurden auf der Basis der Abschätzung von T1 ≤ 600°C aus dem Ergebnis des vorstehend beschriebenen experimentellen Beispiels bestimmt. Bei beiden Temperaturprofilen wurde Xmax auf 3,0 mm festgelegt.
Die 7A und 7B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 100 gemäß des Beispiels zeigt, auf den das Temperaturprofil 1 angewandt worden ist, und die 8A und 8B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 100 zeigt, auf den das Temperaturprofil 2 angewandt worden ist. Die 9A und 9B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 200 gemäß des Vergleichsbeispiels zeigt, auf den das Temperaturprofil 1 angewandt worden ist, und die 10A und 10B sind jeweils ein Diagramm, das ein Ergebnis der Bewertung der Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 200 zeigt, auf den das Temperaturprofil 2 angewandt worden ist. Die 7A, 8A, 9A und 10A zeigen jeweils ein Bewertungsergebnis für das Modellgas A, das C₂H₄ als Messzielgaskomponente enthält, und die 7B, 8B, 9B und 10B zeigen jeweils ein Bewertungsergebnis für das Modellgas B, das CO als Messzielgaskomponente enthält.
Wie es aus den 9A, 9B, 10A und 10B ersichtlich ist, variierte die Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 200 gemäß dem Vergleichsbeispiel zwischen vor und nach dem Vergiftungstest für jedwede Kombination aus einem Modellgas und einem Temperaturprofil.
Wie es jedoch aus den 7A, 7B, 8A und 8B ersichtlich ist, variierte die Empfindlichkeitseigenschaft des Gassensors 100 gemäß dem Beispiel zwischen vor und nach dem Vergiftungstest kaum, und zwar ungeachtet der Art eines Modellgases und eines angewandten Temperaturprofils.
Die 11 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche der Elektrodenschutzschicht 70 des Gassensors 100, auf den das Temperaturprofil 1 angewandt worden ist und dessen Empfindlichkeitseigenschaft unter Verwendung des Modellgases A nach dem Vergiftungstest bewertet worden ist. Dieses SEM-Bild wurde aufgenommen, nachdem die fünfte Festelektrolytschicht 5 und die sechste Festelektrolytschicht 6 von dem Gassensor 100 entfernt worden sind, dessen Empfindlichkeitseigenschaftsbewertung abgeschlossen war, um eine obere Oberfläche der vierten Festelektrolytschicht 4 und der Elektrodenschutzschicht 70 freizulegen. Die Bilder der vergiftenden Substanz, die in dem in der 5B gezeigten SEM-Bild gefunden wurden, werden in der 11 nicht gefunden.
Darüber hinaus wurde mit dem Gassensor 100, mit dem das in der 11 gezeigte SEM-Bild aufgenommen worden ist, und von dem die fünfte Festelektrolytschicht 5 und die sechste Festelektrolytschicht 6 entfernt worden sind, eine XPS-Analyse durchgeführt. Die Tabelle 2 zeigt ein Ergebnis der XPS-Analyse. Die 12 ist ein Diagramm, das zwei Analysezielpositionen (Punkte A und B) zeigt, die in der Tabelle 2 angegeben sind. In der 12 sind die Größen und Verhältnisse von Komponenten von denjenigen in der Wirklichkeit zu Veranschaulichungs- und Verständniszwecken verschieden. Wie es in der 12 gezeigt ist, sind die Punkte A und B Positionen, die von dem offenen Ende 30e (X = 0) des Messgaseinführungsraums 30 um einen Abstand Xa (= 4,1 mm) bzw. einen Abstand Xb (= 7,7 mm) in der X-Achsenrichtung entfernt sind. Der Punkt A ist eine Position in dem Messgaseinführungsraum 30 (dessen ursprüngliche Bildungsposition ist mit einer gestrichelten Linie in der 12 gezeigt) auf einer ausreichend weit innenliegenden Seite von X = Xmax, bei der die Temperatur T des Sensorelements 101 bei der höchsten Temperatur Tmax liegt. Der Punkt A ist auch eine Position, die so abgeschätzt wird, dass sie auf einer ausreichend weit innen liegenden Seite von X = X1 liegt. Der Punkt B ist eine Position auf der Elektrodenschutzschicht 70 in dem Messgaseinführungsraum 30 auf einer weiter innen liegenden Seite bezogen auf den Punkt A. Das Sensorelement 101 wies eine Breite W von 4,0 mm und eine Dicke von 1,2 mm auf und der Messgaseinführungsraum 30 wies eine Öffnungsbreite w von 2,5 mm und eine Höhe (wobei es sich um die Dicke der fünften Festelektrolytschicht 5 handelt) von 0,2 mm auf. Die kürzeste Distanz zwischen dem offenen Ende 30e und der Elektrodenschutzschicht 70 (Distanz zwischen dem offenen Ende 30e und einem linken Endteil der Elektrodenschutzschicht 70 in der 12) betrug 7,5 mm. [Tabelle 2]
Ein Vergleich zwischen den Analyseergebnissen an den Punkten A und B zeigt, dass P, Zn und Na als Komponenten der vergiftenden Substanz am Punkt A nachgewiesen wurden, jedoch am Punkt B keines dieser Elemente nachgewiesen worden ist und nur Komponenten, die in den Festelektrolytschichten und der Elektrodenschutzschicht enthalten waren, nachgewiesen worden sind. Si ist ein Fremdatom, das in der Elektrodenschutzschicht enthalten ist. Diese Ergebnisse bedeuten, dass jedwede vergiftende Substanz, die bei dem Vergiftungstest in den Messgaseinführungsraum 30 eingedrungen ist, die Erfassungselektrode 10 und die Elektrodenschutzschicht 70, die am innersten Teil des Messgaseinführungsraums 30 angeordnet sind, nicht erreichte.
Das vorstehend beschriebene Ergebnis der Beispiele zeigt, dass dann, wenn ein Temperaturprofil, bei dem die Temperatur in die Richtung der Erfassungselektrode 10 zwischen einem Ort, der eine Temperatur aufweist, die höher ist als der Schmelzpunkt der vergiftenden Substanz, und der Erfassungselektrode 10 monoton abnimmt, zwischen dem offenen Ende 30e des Messgaseinführungsraums 30 und der Erfassungselektrode 10 im Betrieb des Gassensors 100 gemäß des Beispiels bereitgestellt ist, jedwede vergiftende Substanz, die in den Messgaseinführungsraum 30 eingetreten ist, die Erfassungselektrode 10 und die Elektrodenschutzschicht 70, die an dem innersten Teil angeordnet sind, nicht erreicht, und folglich keine Haftung der vergiftenden Substanz, welche die Empfindlichkeitseigenschaft beeinträchtigen würde, an der Erfassungselektrode 10 und der Elektrodenschutzschicht 70 auftritt, wenn der Gassensor 100 kontinuierlich verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-71632 [0003]
JP 2012-173147 [0003, 0005, 0005]
JP 2006-38496 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. L. Katnack et al., J. Electrochem. Soc. 1958, Band 105, Nr. 3, Seite 125 [0092]

Claims

Gassensor des Mischpotenzialtyps zum Erfassen einer vorgegebenen Gaskomponente in einem Messgas, wobei der Sensor ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten zusammengesetzt ist, umfasst, wobei das Sensorelement umfasst: einen Messgaseinführungsraum, der ein offenes Ende an einem distalen Ende des Sensorelements aufweist und sich in einer Längsrichtung des Elements erstreckt; eine Erfassungselektrode, die aus einem Cermet aus einem Edelmetall und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist und auf einer Seite entgegengesetzt zu dem offenen Ende in dem Messgaseinführungsraum bereitgestellt ist; eine Referenzelektrode, die aus einem Cermet aus Pt und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist; und eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist, wobei der Gassensor zum Bestimmen der Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode ausgebildet ist, und wenn der Gassensor die Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente berechnet, die Heizeinrichtung das Sensorelement derart erwärmt, dass ein Hochtemperaturort mit einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, der im Vorhinein bestimmt oder abgeschätzt wird, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt, und derart, dass die Temperatur zu der Erfassungselektrode zwischen dem Hochtemperaturort und der Erfassungselektrode ausgehend von dem offenen Ende in der Richtung zu der Erfassungselektrode abnimmt.
Gassensor nach Anspruch 1, der ferner eine Elektrodenschutzschicht als poröse Schicht umfasst, welche die Erfassungselektrode bedeckt.
Verfahren zur Messung der Konzentration einer vorgegebenen Gaskomponente in einem Messgas durch einen Gassensor des Mischpotenzialtyps, der ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten zusammengesetzt ist, umfasst, wobei das Sensorelement umfasst: einen Messgaseinführungsraum, der ein offenes Ende an einem distalen Ende des Sensorelements aufweist und sich in einer Längsrichtung des Elements erstreckt; eine Erfassungselektrode, die aus einem Cermet aus einem Edelmetall und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist und auf einer Seite entgegengesetzt zu dem offenen Ende in dem Messgaseinführungsraum bereitgestellt ist; eine Referenzelektrode, die aus einem Cermet aus Pt und einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist; und eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist, und wobei das Verfahren die Vorgänge umfasst: a) Inkontaktbringen des distalen Endes des Sensorelements mit dem Messgas und Inkontaktbringen der Referenzelektrode mit einem Referenzgas; b) Erwärmen des Sensorelements in einem durch den Vorgang a) erreichten Kontaktzustand durch die Heizeinrichtung, so dass ein Hochtemperaturort mit einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur der Erfassungselektrode und der Schmelzpunkt einer vergiftenden Substanz, der im Vorhinein bestimmt oder abgeschätzt wird, zwischen dem offenen Ende und der Erfassungselektrode vorliegt, und so, dass die Temperatur zu der Erfassungselektrode zwischen dem Hochtemperaturort und der Erfassungselektrode ausgehend von dem offenen Ende in der Richtung zu der Erfassungselektrode abnimmt; und c) Bestimmen der Konzentration der vorgegebenen Gaskomponente auf der Basis einer Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode, während das Sensorelement durch den Vorgang b) erwärmt wird.