DE102017130705A1

DE102017130705A1 - Gassensorelement und Gassensoreinheit

Info

Publication number: DE102017130705A1
Application number: DE102017130705.2A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ichikawa; Yusuke Todo; Takashi Araki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US10732143B2; JP6720851B2; JP2018100937A; US20180172625A1

Abstract

Ein Gassensorelement (100) der vorliegenden Offenbarung weist eine Messgaskammer (10), eine Pumpzelle (40), eine Sensorzelle (20), welche eine Sensorelektrode (21) aufweist und eine Pumpzellsteuerung (50) auf. Wenn das Gassensorelement (100) aktiviert wird bevor eine Konzentration von Gas erfasst wird, legt, um Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode (21) okkludiert ist, zu entfernen, die Pumpzellsteuerung (50) eine Entfernungsspannung an die Pumpzelle (40) an, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird. Die Sensorelektrode (21) hat eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen, welche aus Edelmetall gefertigt sind, und Elektrolytbereiche, welche verteilt sind, sodass eine Grenzfläche zwischen einem Teil des Festelektrolytkörpers und der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erzeugt wird. Die Sensorelektrode (21) hat eine offene Pore, welche sich von einer Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode (21) erstreckt und wenigstens einen der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erreicht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist basiert auf und beansprucht den Vorteil der Priorität der japanischen Patentanmeldung 2016-248147 , welche am 21. Dezember 2016 eingereicht wurde, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme miteingebunden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gassensorelement, welches eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas erfasst, und eine Gassensoreinheit, welche konfiguriert ist, das Gassensorelement aufzuweisen.
[Stand der Technik]
Ein Gassensorelement, welches konfiguriert ist, um einen Festelektrolytkörper und eine Elektrode aufzuweisen, welche auf dem Festelektrolytkörper vorgesehen ist und elektrisch eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas durch ein Ionisieren des gemessenen Gases erfasst, ist bekannt. Um solch ein Gassensorelement so schnell wie möglich nutzbar zu machen, müssen der Festelektrolytkörper und die Elektrode früh in einem aktivierten Zustand sein.
Der aktivierte Zustand weist beispielsweise einen Zustand auf, in dem der Festelektrolytkörper und die Elektrode auf angemessen Temperaturen zur Reaktion des spezifischen Gases sind und einen Zustand, in dem eine Oberfläche der Elektrode in einem angemessenen Zustand zur Reaktion des spezifischen Gases ist. Insbesondere offenbart, um eine Oberfläche in dem angemessenen Zustand zu erreichen, Patentliteratur 1 eine Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung, welche eine Sensorelektrode und eine Pumpelektrode als Elektroden aufweist. Ein spezifisches Gas, welches zu messen ist, wird in der Sensorelektrode ionisiert und eine Konzentration des spezifischen Gases wird basierend auf einem elektrischen Strom (Sensorstrom) erfasst, welcher eine Menge von ionisiertem spezifischem Gas entspricht. Die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung ist konfiguriert derart, dass, wenn ein Gassensorelement aktiviert ist, eine Entfernungsspannung zum Entfernen von Sauerstoff an die Pumpelektrode angelegt wird, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, und Sauerstoff, welcher an der Sensorelektrode adsorbiert ist, mit dem reduzierenden Gas reagiert und entfernt wird. Dies erlaubt es der Sensorelektrode in einem Zustand zu sein, in dem Rauschen, welches auf einem Sensorstrom überlagert ist, welches durch einen Sauerstoffion erzeugt wird, verringert ist.
[Liste der Zitate]
[Patentliteratur]
[PTL 1] JP 2016-70922A
KURZFASSUNG
[Technisches Problem]
Es wird berücksichtigt, dass nicht alles des oben beschriebenen reduzierenden Gases mit dem Sauerstoff auf der Sensorelektrode reagiert und das reduzierende Gas auf einer Oberfläche der Sensorelektrode verbleibt. Obwohl das reduzierende Gas schrittweise von der Oberfläche der Sensorelektrode entfernt wird, und ein Sensorstrom, welcher durch das reduzierende Gas verursacht wird, bei einem Null-Pegel stabilisiert wird, ist es notwendig, dass die Entfernung des reduzierenden Gases früher durch eine frühe Aktivierung der Sensorelektrode erreicht wird.
In Hinsicht auf diese Anforderung ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen früheren aktivierten Zustand eines Gassensorelements zu erreichen und eine Gassensoreinheit, in welcher Sauerstoff, welcher in einer Sensorelektrode verschlossen bzw. okkludiert ist, durch Verwenden eines reduzierenden Gases reduziert wird.
[Lösung des Problems]
Um die Aufgabe zu erreichen, ist ein Gassensorelement der vorliegenden Offenbarung ein Gassensorelement, welches einen Festelektrolytkörper aufweist, welcher eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, und eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessen Gas basierend auf einer Menge von Sauerstoffionen erfasst, welche in dem Elektrolytkörper geleitet werden, wobei das Gassensorelement Folgendes aufweist: eine Messgaskammer, in welche das Messgas eingeführt wird; eine Pumpzelle, welche eine Pumpelektrode aufweist, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist; eine Sensorzelle, welche eine Sensorelektrode aufweist und stromabwärts der Pumpzelle in einer Richtung platziert ist, in welcher das gemessene Gas eingeführt wird, wobei die Sensorelektrode Edelmetall enthält und die Pumpelektrode auf derselben Oberfläche der Messgaskammer platziert ist und das spezifische Gas reduziert, um die Konzentration des spezifischen Gases zu erfassen; und eine Pumpzellsteuerung, welche eine Konzentration von Sauerstoff in dem gemessenen Gas in der Messkammer durch eine Anlegen einer Spannung an der Pumpzelle anpasst, wenn das Gassensorelement aktiviert ist vor dem Erfassen der Konzentration des Gases, um Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode okkludiert ist, zu entfernen, wobei die Pumpzellsteuerung eine Substanz zersetzt, welche in der Messgaskammer gegenwärtig ist, und zwar durch ein Anlegen einer Entfernungsspannung an der Pumpzelle, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen hat, welche aus dem Edelmetall gefertigt sind, und Elektrolytbereiche, welche verteilt sind, sodass eine Grenzfläche zwischen jedem des Elektrolytbereichs und jedem der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode offene Poren hat, welche sich von einer Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode erstrecken und wenigstens einen der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erreichen.
Gemäß der obigen Konfiguration sind die Poren, welche offen auf der Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode sind, das heißt die offenen Poren gegenwärtig. Dies macht es möglich, zu verhindern, dass das reduzierende Gas auf der Oberfläche der Sensorelektrode verbleibt und eine frühe Diffusion und Entfernung des reduzierenden Gases zu fördern. Insbesondere ist es, da die offenen Poren gebildet sind, um den Edelmetallbereich zu erreichen, möglich, die Diffusion und die Entfernung des reduzierenden Gases in der Nähe des Edelmetalls, welche zu einer Ionisation des spezifischen Gases beiträgt, effizienter zu fördern. Das heißt, dass ein früher Übergang der Sensorelektrode in einen aktivierten Zustand möglich ist.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen:

1 ist eine Seitenquerschnittsansicht, welche eine schematische Struktur einer Gassensoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, welche eine detaillierte Konfiguration eines Gassensorelements zeigt;
3 ist ein Konzeptdiagramm, welches veranschaulicht, wie ein reduzierendes Gas durch eine Pumpzelle erzeugt wird und eine Reduktion in einer Sensorelektrode durch ein Nutzen des reduzierenden Gases durchgeführt wird;
4 ist ein Graph, welcher Änderungen über der Zeit in der Spannung zeigt, welche an eine Pumpelektrode angelegt ist, und im Sensorstrom;
5 zeigt ein Ergebnis der Beobachtung einer detaillierten Konfiguration in der Nähe der Sensorelektrode unter einem Rasterelektronenmikroskop;
6 ist eine Querschnittsansicht der Sensorelektrode;
7 ist ein Graph, welcher eine Aktivierungszeit hinsichtlich eines Porenverhältnisses zeigt; und
8 ist eine Querschnittsansicht, welche eine detaillierte Konfiguration des Gassensorelements gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Folgende beschreibt Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In jeder der Ausführungsformen sind Abschnitten, welche Gegenständen entsprechen, welche in einer vorangehenden Ausführungsform beschrieben sind, dieselben Bezugszeichen gegeben und duplizierte Beschreibungen können ausgelassen werden. In jeder der Ausführungsformen ist, in einem Fall, in dem nur Teil einer Konfiguration beschrieben ist, eine andere Ausführungsform, welche voranstehend beschrieben ist, anwendbar auf andere Teile der Konfiguration. Außerdem sind mögliche Kombinationen von Abschnitten, welche spezifisch und explizit in jeder der Ausführungsformen genannt sind, teilweise Kombinationen der Ausführungsformen, welche nicht explizit genannt sind ebenso möglich, wenn solche Kombinationen kein bestimmtes Problem haben.
(Erste Ausführungsform)
Zuerst beschreibt das Folgende unter Bezugnahme auf 1 bis 4 eine schematische Struktur eines Gassensorelements und eine Gassensoreinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Gassensorelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise ein NOx-Sensor, welcher eine Menge von Stickoxid (NOx) erfasst. Solch ein Gassensorelement ist angeordnet und wird verwendet beispielsweise in einer Abgasleitung, durch welche ein Abgas in einer Maschine mit interner Verbrennung strömt. Ein gemessenes Gas ist das Abgas und ein spezifisches Gas, dessen Konzentration zu erfassen ist, ist NOx.
Die Gassensoreinheit ist ein Modul, welches das Gassensorelement aufweist. Beispielsweise ist in der Abgasleitung die Gassensoreinheit als eine Einheit montiert.
Die folgende Beschreibung ist auf der Voraussetzung basiert, dass das spezifische Gas in dem gemessenen Gas NOx ist. Es sei jedoch festgehalten, dass das spezifische Gas, welches zu erfassen ist, nicht auf NOx beschränkt ist, und das Gassensorelement kann als ein Sensor implementiert sein, welcher beispielsweise Ammoniak oder andere Arten von Gas erfasst, abhängig von konstituierenden Materialien eines Festelektrolytkörpers und einer Elektrode.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Gassensoreinheit 1 in einer Abgaspassage 2 einer Maschine mit interner Verbrennung eines Fahrzeuges angeordnet. Ein Abgas, welches durch die Abgaspassage 2 strömt, wird als das gemessene Gas in die Gassensoreinheit 1 eingeführt. Dann misst die Gassensoreinheit 1 eine NOx-Konzentration in dem gemessenen Gas mit einem Gassensorelement 100, welches in der Gassensoreinheit 1 enthalten ist. Insbesondere ist zusätzlich zu dem Gassensorelement 100 die Gassensoreinheit 1 konfiguriert, um ein Sensorgehäuse 101, einen Isolator 102, Elementabdeckungen 103 und 104, eine Mehrzahl von Sensorkabelsträngen beziehungsweise Sensorkabelbäumen 105 und eine Sensorsteuerschaltung 106 aufzuweisen. Es sei angemerkt, dass F in 1 eine Gasströmungsrichtung anzeigt, in welcher das gemessene Gas innerhalb des Gassensorelements 100 strömt.
Das Sensorgehäuse 101 hält innerhalb das Gassensorelement 100 über den Isolator 102. Die Abdeckungen 103 und 104 sind an dem Sensorgehäuse 101 befestigt. Ein stromaufwärtiger Abschnitt des Gassensorelements 100 ist ein erstes Elementende 100a und ein stromabwärtiger Abschnitt des Gassensorelements 100 ist ein zweites Elementende 100b in der Abgasströmungsrichtung. Das zweite Elementende 100b ist der Sensorsteuerschaltung zugewandt, und das erste Elementende 100a ist entgegengesetzt dem zweiten Elementende 100b platziert. Die Elementabdeckung 103 bedeckt eine Außenumfangsseite des ersten Elementendes 100a. Die Elementabdeckung 103 hat ein Gaseinführloch 103a zum Einführen, als dem gemessenen Gas, des Abgases von der Abgasleitung in das erste Elementende 100a, welches innerhalb eingehaust ist. Die Abdeckung 104 bedeckt eine Außenumfangsseite des zweiten Elementendes 100b. Die Abdeckung 104 hat ein Lufteinführloch 104a zum Einführen atmosphärischer Luft in das zweite Elementende 100b, welches innerhalb der Gassensoreinheit 1 eingehaust ist. Die Mehrzahl von Sensorkabelsträngen 105 ist vorgesehen, um sich über Innenseite und Außenseite der Abdeckung 104 zu erstrecken. Die Sensorsteuerschaltung 106 ist mit dem Gassensorelement 100 über die Mehrzahl von Sensorkabelsträngen 105 außerhalb des Sensorgehäuses 101 und der Elementabdeckung 103 verbunden. Die Sensorsteuerschaltung 106 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wist eine Pumpzellsteuerung 50 (später beschrieben) zum Zuführen einer Spannung zu einer Pumpzelle 40 auf und steuert eine Spannungsversorgung zu einer Sensorzelle 20.
Das Folgende beschreibt eine detaillierte Konfiguration des Gassensorelements 100 unter Bezugnahme auf 2. Das Gassensorelement 100 weist eine Messgaskammer 10, eine Referenzgaskammer 11, die Sensorzelle 20, die Überwachungszelle 30, die Pumpzelle 40, die Pumpzellsteuerung 50 und einen Heizer 60 auf. Das Gassensorelement 100 ist konfiguriert derart, dass der Heizer 60 und ein Festelektrolytkörper 70 und eine Isolierschicht 90 (später beschrieben) geschichtet sind. Die Messgaskammer 10 ist als ein Raum gebildet, welcher durch den Festelektrolytkörper 70 und die Isolierschicht 90 umgeben ist. Die Referenzgaskammer 11 ist als ein Raum gebildet, welcher durch den Heizer 60 und den Festelektrolytkörper 70 umgeben ist. Das Folgende beschreibt Komponenten des Gassensorelements 100 im Detail.
Die Messgaskammer 10 ist ein Raum, in welchen das Abgas, welches das gemessene Gas ist, eingeführt wird. Die Messgaskammer 10 ist als ein Raum gebildet, welcher zwischen dem Festelektrolytkörper 70 und der Isolierschicht 90 eingelegt ist. Die Isolierschicht 90 hat eine Plattenform und ist über einen ersten Abstandshalter 91 auf den Festelektrolytkörper 70, welcher eine Plattenform hat, geschichtet. Wenn der Festelektrolytkörper 70 von der Vorderseite betrachtet ist, bildet der erste Abstandshalter 91 eine C-Form, deren eine Seite offen ist, und demnach hat die Messgaskammer 10 eine Schachtelform mit einem Teil, welcher offen ist. Der offene Teil ist ein Einführanschluss 10a für das Abgas. In dem Einführanschluss 10a gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Diffusionswiderstandskörper 93 angeordnet, und das Abgas wird von dem Einführanschluss 10a in die Messgaskammer 10 durch den Diffusionswiderstandskörper 93 hindurchtretend eingeführt. Das heißt, dass das Abgas in die Messgaskammer 10 unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den Diffusionswiderstandskörper 93 eingeführt wird.
Als der Festelektrolytkörper 70 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ = Yttria Stabilized Zirconia = Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid) verwendet werden. Unter einer Temperatur von nicht weniger als ungefähr 600 °C zeigt YSZ eine Funktion als ein Festelektrolyt. Der Festelektrolytkörper 70 wird durch den Heizer 60 (später beschrieben) erwärmt, sodass die Funktion als der Festelektrolyt aufrechterhalten wird. Als der Festelektrolytkörper 70 kann ebenso ein Material wie beispielsweise Kalziumoxid stabilisiertes Zirkonoxid oder Aluminiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid verwendet werden. Als die Isolierschicht 90 und der erste Abstandshalter 91 können Aluminiumoxid oder andere gemeinhin bekannte isolierende Materialien verwendet werden.
Die Referenzgaskammer 11 ist ein Raum, in welchen ein Referenzgas eingeführt wird. Das Referenzgas wird zum Erzeugen eines Referenzpotenzials zum Berechnen einer Konzentration von NOx verwendet, welches das spezifische Gas ist. Als das Referenzgas wird beispielsweise atmosphärische Luft in die Referenzgaskammer 11 eingeführt. Die Referenzgaskammer 11 ist als ein Raum gebildet, welcher zwischen dem Heizer 60 und dem Festelektrolytkörper 70 eingelegt ist. Der Festelektrolytkörper 70 ist über einen zweiten Abstandshalter 92 auf dem Heizer 60, welcher in einer Plattenform gebildet ist, geschichtet. Wenn der Festelektrolytkörper 70 von der Vorderseite betrachtet wird, ist der zweite Abstandshalter 92 auf einer Seite näher zu dem Diffusionswiderstandskörper 93 gebildet. In der Referenzgaskammer 11 ist ein Einführanschluss für die atmosphärische Luft (nicht gezeigt) offen in Richtung einer Seite entgegengesetzt zu dem zweiten Abstandshalter 92.
Demnach ist der Elektrolytkörper 70 geformt, um zwischen der Messgaskammer 10 und der Referenzgaskammer 11 platziert zu sein und ist zu beiden der Messgaskammer 10 und der Referenzgaskammer 11 exponiert. Dies erlaubt es Ionen, sich in dem Festelektrolytkörper 70 in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen einer NOx-Konzentration in dem Abgas und einer NOx-Konzentration in der atmosphärischen Luft zu bewegen, sodass ein Sensorstrom erzeugt wird.
Die Sensorzelle 20 weist eine Sensorelektrode 21, den Festelektrolytkörper 70 und eine Referenzelektrode 80 auf. Die Sensorelektrode 21 ist auf dem Festelektrolytkörper 70 gebildet, um zu der Messgaskammer 10 exponiert zu sein. Indes ist die Referenzelektrode 80 auf dem Festelektrolytkörper 70 gebildet, um zu der Referenzgaskammer 11 exponiert zu sein. Das heißt, dass der Festelektrolytkörper 70 zwischen der Sensorelektrode 21 und der Referenzelektrode 80 eingelegt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwenden die Sensorzelle 20, die Überwachungszelle 30 und die Pumpzelle 40 den Festelektrolytkörper 70 und die Referenzelektrode 80 gemeinsam.
Die Sensorelektrode 21 ist ein Edelmetallkatalysator, welcher Platin (Pt) und Rhodium (Rh) enthält. Ferner enthält die Sensorelektrode 21 einen Festelektrolyten, welcher aus YSZ gefertigt ist, identisch in der Komposition zu YSZ des Festelektrolytkörpers 70. Das heißt, die Sensorelektrode 21 ist eine Elektrode, welche aus Platin und Rhodium gefertigt ist, welche als Katalysatoren agieren, und dem Festelektrolyten, welcher Ionenleitfähigkeit hat. Der Festelektrolyt, welcher in der Sensorelektrode 21 enthalten ist, ist integral mit dem Festelektrolytkörper 70 kombiniert, welcher die Sensorzelle 20 bildet, sodass Ionenleitung zwischen dem Festelektrolyten und dem Festelektrolytkörper 70 möglich ist.
NOx, welches in dem Abgas enthalten ist, welches in die Messgaskammer 10 eingeführt wurde, wird an einer exponierten Oberfläche von Edelmetall adsorbiert und wird in Stickstoffionen und Sauerstoffionen durch die Katalysatortätigkeit ionisiert. Unter diesen werden Sauerstoffionen in dem Festelektrolyten, welcher die Sensorelektrode 21 bildet, geleitet. Die Sauerstoffionen werden ferner zu dem Festelektrolytkörper 70 geleitet und werden als der Sensorstrom erfasst. Basierend auf einem Betrag des Sensorstroms wird eine Konzentration von NOx erfasst. Eine detaillierte Konfiguration der Sensorelektrode 21 wird im Detail später beschrieben werden.
Die Überwachungszelle 30 weist eine Überwachungselektrode 31, den Festelektrolytkörper 70 und die Referenzelektrode 80 auf. Wie obenstehend beschrieben ist, verwendet die Überwachungszelle 30 den Festelektrolytkörper 70 und die Referenzelektrode 80 mit der Sensorzelle 20 gemeinsam. Die Überwachungselektrode 31 ist auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers70 gebildet, um zu der Messgaskammer 10 exponiert zu sein. Die Überwachungselektrode 31 ist eine Elektrode, welche beispielsweise Platin (Pt) und Gold (Au) enthält. Obwohl die Überwachungselektrode 31 nicht in der Lage ist, NOx zu zersetzen, zersetzt die Überwachungselektrode 31 Sauerstoffmoleküle, sodass ein elektrischer Strom, welcher durch Sauerstoffionen verursacht ist, fließt.
Die Überwachungselektrode 31 ist neben der Sensorelektrode 21 in einer Richtung ungefähr orthogonal zu einer Strömungsrichtung des Abgases, welches von dem Einführanschluss 10a zu der Sensorzelle 20 strömt, gebildet. Das heißt, dass die Sensorelektrode 21 und die Überwachungselektrode 31 in derselben Art und Weise zu dem Abgas exponiert sind, welches ungefähr einheitlich in die Messgaskammer 10 eingeführt wird. Die Überwachungszelle 30 erfasst eine Konzentration von Restsauerstoff, welcher in dem Abgas enthalten ist, in welchem eine Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle 40 angepasst wurde. Insbesondere erfasst die Überwachungszelle 30 einen elektrischen Strom, welcher durch den Restsauerstoff verursacht wird und in den Festelektrolytkörper 70 strömt. Durch ein Subtrahieren eines elektrischen Stroms, welcher durch die Sauerstoffionen verursacht wird und von der Überwachungszelle 30 ausgegeben wird, von einem elektrischen Strom, welcher durch die Sauerstoffionen verursacht wird und von der Sensorzelle 20 ausgegeben wird, ist das Gassensorelement 100 in der Lage, eine Konzentration von NOx durch ein Beseitigen eines Offset beziehungsweise Versatzes eines elektrischen Stromes zu erfassen, welcher durch die Sauerstoffionen verursacht wird und von der Sensorzelle 20 ausgegeben wird, wobei der elektrische Strom durch den Restsauerstoff verursacht wird.
Die Pumpzelle 40 ist an einer Seite näher zu dem Einführanschluss 10a platziert als es die Sensorzelle 20 und die Überwachungszelle 30 sind. Die Pumpzelle 40 weist eine Pumpelektrode 41, den Festelektrolytkörper 70 und die Referenzelektrode 80 auf. Die Pumpelektrode 41 ist auf dem Festelektrolytkörper 70 gebildet, um zu der Messgaskammer 10 exponiert zu sein. Die Pumpelektrode 41 ist eine Elektrode, welche Platin (Pt) und Gold (Au) enthält wie bei der Überwachungselektrode 31. Die Pumpelektrode 41 reduziert Sauerstoff, sodass Sauerstoffionen erzeugt werden. Die Sauerstoffionen werden in den Festelektrolytkörper 70 geleitet, um sich zu der Seite der Referenzelektrode 80 zu bewegen und werden in die Referenzgaskammer 11 abgeführt. Demnach ist die Pumpzelle 40 eine Zelle, welche die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 10 durch ihre Pumptätigkeit anpasst. Das heißt, dass auf der Seite des Einführanschlusses 10a die Pumpzelle 40 die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas anpasst. Hinsichtlich des Abgases, in welchem die Sauerstoffkonzentration angepasst wurde, geben die Sensorzelle 20 und die Überwachungszelle 30 jeweils einen elektrischen Strom aus, welcher durch NOx verursacht wird, und einen elektrischen Strom, welcher durch den Restsauerstoff verursacht wird.
Zusätzlich hat die Pumpzelle 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Funktion zum Zersetzen einer Substanz, welche in dem Abgas enthalten ist, sodass ein reduzierendes Gas (Wasserstoff) erzeugt wird. Insbesondere zersetzt die Pumpzelle 40 Wassermoleküle, welche in dem Abgas enthalten sind, sodass Wasserstoffgas erzeugt wird. Wasserstoff ist reduziert, und demnach wird Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode 21 okkludiert ist, reduziert und durch den Wasserstoff entfernt.
Die Pumpzellsteuerung 50 ist eine Sektion zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die Pumpzelle 40 zu einer vorbestimmten Zeitwahl. Die Pumpzellsteuerung 50 bildet einen Teil der Sensorsteuerschaltung 106, welche in 1 gezeigt ist. Das Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle 40 bedeutet, dass eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 80 und der Pumpelektrode 41 erzeugt wird. In der Pumpzellsteuerung 50 kann eine normale Spannung V1 an die Pumpzelle 40 angelegt werden, sodass die Pumpzelle 40 die Pumptätigkeit zum Anpassen einer Sauerstoffkonzentration zeigt. Ferner kann eine Entfernungsspannung V2 an die Pumpelektrode 41 angelegt werden, sodass Wasserstoff, welcher das reduzierende Gas ist, durch eine Zersetzung von Wassermolekülen erzeugt wird. Die Entfernungsspannung V2 hinsichtlich eines elektrischen Potenzials der Referenzelektrode 80 ist eingestellt, um ungefähr 0,5 V bis 2,0 V zu sein, was höher ist als 0,3 V bis 0,4 V für die normale Spannung V1.
Wie in 3 gezeigt ist, werden, während die Entfernungsspannung V2 an die Pumpelektrode 41 angelegt ist, Wassermoleküle zersetzt, sodass Wasserstoff erzeugt wird. Wasserstoff, welcher reduzierend ist, erzeugt Wassermoleküle durch ein Reduzieren von Sauerstoffionen, welche mit einem Rhodiumatom kombiniert sind, welches die Sensorelektrode 21 bildet, um Rhodiumoxid (III) oder Sauerstoffionen zu bilden, welche an einer Oberfläche der Sensorelektrode 21 adsorbiert werden.
Wie in 4 gezeigt ist, legt, wenn das Gassensorelement 100 aktiviert wird (Zeit t0) die Pumpzellsteuerung 50 die Entfernungsspannung V2 an die Pumpzellelektrode 41 bis zu einer Zeit t1 an, bei welcher die Anwendung der normalen Spannung V1 gestartet wird. Während die Entfernungsspannung V2 an die Pumpelektrode 41 angelegt wird, erreicht Wasserstoff, welcher in der Pumpzelle 40 erzeugt worden ist, die Sensorzelle 20 und ein Sensorstrom ändert sich. Insbesondere hat der Sensorstrom einen kleineren Stromwert verglichen mit einem Normalzustand, in dem die normale Spannung V1 an die Pumpzelle 40 angelegt wird, und die Pumpzelle 40 wird in einem normalen Zustand betrieben. Der Sensorstrom, welcher einen kleineren Stromwert hat, verglichen mit dem Normalzustand, zeigt an, dass der Wasserstoff mit der Sensorelektrode 21 interagiert beziehungsweise wechselwirkt.
Zu der Zeit t1 ändert die Pumpzellsteuerung 50 eine Spannung, welche an die Pumpzelle 40 angelegt wird, von der Entfernungsspannung V2 zu der Normalspannung V1. Demnach wird der Sensorstrom erhöht und die Pumpzelle 40 geht zu dem Normalzustand über. Nach dem Übergang zu dem Normalzustand, das heißt nach einer Zeit t2, ändert sich der Sensorstrom abhängig von einer Menge von Restsauerstoff oder einer Konzentration von NOx und ist demnach aktuell nicht konstant. In 4 jedoch ist ein Wert des Sensorstroms als ein konstanter Wert für eine einfache Erklärung gezeigt.
Der Heizer 60 erhält eine Temperatur des Festelektrolytkörpers 70 bei nicht weniger als ungefähr 600 °C aufrecht, sodass YSZ als der Festelektrolyt fungiert. Der Heizer 60 ist gebildet derart, dass eine Leiterschicht 62, welche Wärme durch eine Versorgung mit Leistung erzeugt, zwischen Keramiksubstraten 61 vorgesehen ist. Die Leiterschicht 62 ist gebildet, sodass, wenn Oberflächen, auf welchen die Elektroden 21, 31, 41 und 80 gebildet sind, von der Vorderseite betrachtet werden, die Leiterschicht 62 den Festelektrolytkörper 70 überlappt, und demnach Temperaturen wenigstens in und nahe von Abschnitten, in welchen die Elektroden 21, 31, 41 und 80 gebildet sind, bei Aktivierungstemperaturen aufrechterhalten werden können. Eine Temperaturverteilung in dem Festelektrolytkörper 70, welche durch den Heizer 60 erreicht wird, muss wie angemessen abhängig von der benötigten Leistungsfähigkeit eingestellt sein. Die Anordnung der Leiterschicht 62 kann in Übereinstimmung mit einer benötigten Temperaturverteilung eingestellt sein.
Das Folgende beschreibt eine detaillierte Konfiguration der Sensorelektrode 21 unter Bezugnahme auf die 5 und 6.
5 zeigt ein Ergebnis der Beobachtung unter einem Rasterelektronenmikroskop (SEM = Scanning Electron Microskope = Rasterelektronenmikroskop) eines Querschnitts der Sensorelektrode 21 und des Festelektrolytkörpers 70, welcher ein Substrat der Sensorelektrode 21 ist, in derselben Richtung wie in der Seitenansicht, welche in 2 gezeigt ist. Der Querschnitt in 5 zeigt ein Ergebnis, welches erhalten wird, wenn ein Querschnitt, welcher orthogonal zu einer Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode 21 ist und eine Größe von ungefähr 30 µm in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche hat, geschnitten und beobachtet wird.
Die Sensorelektrode 21 ist auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 70 gebildet, welche Oberfläche der Messgaskammer 10 exponiert ist. Wie obenstehend beschrieben ist, ist die Sensorelektrode 21 eine Elektrode, welche als der Edelmetallkatalysator fungiert, welcher Pt und Rh enthält, und die Sensorelektrode 21 enthält YSZ zur Ionenleitung.
In 5 sind Bereiche, welche beobachtet werden, um eine leicht graue Farbe zu haben, Edelmetallbereiche PM, welche Pt und Rh enthalten, und die Bereiche bilden eine Mehrzahl von Clustern und bilden die Sensorelektrode 21. Indes ist ein Bereich, welcher beobachtet wird, um eine dunkelgraue Farbe zu haben, ein Festelektrolytbereich SE. Der Festelektrolytbereich SE tritt in Spalte zwischen den Edelmetallbereichen PM ein, welche verstreut sind, und bildet einen Pfad für eine ionische Leitung. Abschnitte, welche beobachtet werden, um eine schwarze Farbe zu haben, sind Räume, welche keines von Pt, Rh und YSZ enthalten. Einige der Abschnitte kommunizieren mit einem externen Raum und andere sind innerhalb der Sensorelektrode 21 oder dem Festelektrolytkörper 70 vergraben.
In 5 ist ein Bereich, welcher durch Abschnitte gebildet wird, welche kein Edelmetall enthalten und welche beobachtet werden, um eine dunkelgraue oder schwarze Farbe als ein leerer Raum zu haben, der Festelektrolytkörper 70, welcher das Substrat ist. Der Festelektrolytbereich SE der Sensorelektrode 21 ist aus demselben Material gefertigt wie dasjenige des Festelektrolytkörpers 70, welcher das Substrat ist. Nachdem die Sensorelektrode 21 gebildet ist, werden der Festelektrolytbereich SE und der Festelektrolytkörper 70 integral miteinander verbunden, sodass es keinen Unterschied zwischen dem Festelektrolytbereich SE und dem Festelektrolytkörper 70 gibt.
Ein Bereich, welcher an einer Seite entgegengesetzt zu dem Festelektrolytkörper 70 hinsichtlich der Sensorelektrode 21 platziert ist und beobachtet wird, um eine schwarze Farbe zu haben, ist der Raum der Messgaskammer 10. Das heißt, dass eine Grenze zwischen der Sensorelektrode 21 und dem Raum der Messgaskammer 10 eine Elektrodenoberfläche S der Sensorelektrode 21 ist.
Die Sensorelektrode 21 hat eine Mehrzahl von Poren als Abschnitte, welche beobachtet werden, um eine schwarze Farbe in der Beobachtung unter dem Rasterelektronenmikroskop zu haben. Insbesondere wird unter der Mehrzahl von Poren auf eine Pore, welche sich von der Elektrodenoberfläche S erstreckt und eine Edelmetallbereich PM erreicht, Bezug genommen als eine offene Pore H. Die offene Pore H hat einige Strukturen. Wie in einer Pore H1 in 6 gezeigt ist, gibt es eine Pore, welche gebildet wird, wenn eine einzelne Pore, welche auf der Elektrodenoberfläche S offen ist, einen einzelnen Edelmetallbereich PM erreicht, sodass der Edelmetallbereich PM freiliegend beziehungsweise exponiert ist. Als Poren H2 und H3 gibt es Poren, welche gebildet werden, wenn eine Mehrzahl von Poren, welche auf der Elektrodenoberfläche S offen sind, einen einzelnen Edelmetallbereich PM erreichen, sodass der Edelmetallbereich PM exponiert ist. Als eine Pore H4 gibt es eine Pore, welche gebildet wird, wenn eine einzelne Pore, welche auf der Elektrodenoberfläche S offen ist, eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen PM erreicht, sodass die Edelmetallbereiche PM exponiert sind. In einem breiten Sinne umfasst die offene Pore H auch eine Form in welcher ein Edelmetallbereich PM zu der Elektrodenoberfläche S exponiert ist. Solch einer offenen Pore ist eine Bezeichnung H5 in 6 gegeben. Indes weist die offene Pore H keine Pore auf, welche auf der Elektrodenoberfläche S offen ist, jedoch einen Edelmetallbereich PM nicht erreicht. Das heißt, dass die offene Pore H die Poren H1 bis H5 aufweist, jedoch eine Pore H6 in 6 nicht aufweist.
Es sei angenommen, dass die offene Pore H wie obenstehend definiert ist, und ein Querschnitt, welcher orthogonal zu der Elektrodenoberfläche S der Sensorelektrode 21 ist und eine Größe von wenigstens nicht weniger als 30 µm in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche S hat, geschnitten wird. In solch einem Fall ist, wenn auf eine Proportion einer Fläche (Querschnittsfläche) der offenen Pore H zu einer Gesamtfläche der Sensorelektrode 21 Bezug genommen wird als ein Porenverhältnis, das Porenverhältnis vorzugsweise nicht weniger als 2 % und nicht mehr als 15 %. Beispielsweise ist in dem Beispiel, welches in 5 gezeigt ist, das Porenverhältnis ungefähr 10 %.
Obwohl die offene Pore H wie die Pore H5 in 6 eine offene Pore in einem breiten Sinne ist, ist ein Prozentsatz einer Fläche solch einer offenen Pore zu Gesamtfläche der Sensorelektrode 21 Null.
Das Folgende beschreibt kurz ein Verfahren zum Bilden der Sensorelektrode, welche wie obenstehend beschrieben konfiguriert ist.
Zuerst wird YSZ in einer Pastenform, welche Edelmetallpulver enthält, welches vorbereitet wurde, sodass ein Massenprozentsatz von Rh zu einer Gesamtmasse von Pt und Rh ungefähr 40 % ist, auf dem Festelektrolytkörper 70, welcher das Substrat ist, platziert. Dann werden die Komponenten des Gassensorelements 100 in einer angemessenen Art und Weise zusammengebaut. Das Gassensorelements 100, welches demnach zusammengebaut ist, wird unter einer reduzierenden Atmosphäre platziert und ein Energiezufuhrprozess wird zwischen der Sensorelektrode 21 und der Referenzelektrode 80 durchgeführt. Zu der Zeit wird in der Sensorelektrode 21 eine Pt-Rh-Legierung zu dem Festelektrolytkörper 70 verteilt, und Poren, in welche das gemessene Gas strömt, werden gebildet. Die Poren weisen die offene Pore H auf. In der Referenzelektrode 80 wird Pt zu dem Festelektrolytkörper 70 verteilt, und eine Pore, in welche das Referenzgas (Atmosphärenluft gemäß der vorliegenden Ausführungsform) strömt, wird gebildet.
Das Porenverhältnis wird abhängig von Zwischenbeziehungen zwischen verschiedenen Parametern zur Energieversorgung wie beispielhaften einer Spannung, einem elektrischen Strom, einer Zeit, einer Temperatur und einem Zusammensetzungsverhältnis von Pt zu Rh bestimmt. Das Porenverhältnis für die offene Pore H, welche durch den Energieversorgungsprozess erzeugt wird, ist vorzugsweise nicht mehr als 15 %. Dies ist der Fall, da das Porenverhältnis, welches 15 % überschreitet, eine Zunahme im Kontaktwiderstand zwischen der Elektrodenoberfläche S und einer Leitung verursachen kann, welche für eine Verbindung der Sensorelektrode 21 mit einer anderen externen Vorrichtung vorgesehen ist, beispielsweise eine Verbindung mit der Sensorsteuerschaltung 106, und dies kann eine Leitungsfehlfunktion verursachen.
Der Energieversorgungsprozess wird unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, welche eine Umgebung ist, welche hypoxisch ist und es demnach RhO2 erlaubt, leicht reduziert zu werden. Demzufolge wird eine kleine Menge von offenen Poren H erzeugt, wenn Sauerstoff, welches RhO₂ bildet, entfernt wird, und dies erlaubt es der offenen Pore H bei dem Porenverhältnis von ungefähr 2 %, immer gegenwärtig zu sein.
Wenn der Energieversorgungsprozess durchgeführt wird, wird ein Teil von Rh₂O₃, welches in der Nähe der Oberfläche der Sensorelektrode 21 gebildet wird, reduziert. Ein Phänomen, jedoch in welchem Sauerstoff von dem Festelektrolytkörper 70 entfernt wird, tritt ebenso auf. Demnach wird, um Sauerstoff zu dem Festelektrolytkörper 70 hinzuzufügen, ein Reoxidationsprozess durchgeführt. Wenn der Reoxidationsprozess durchgeführt wird, ist die Messgaskammer 10 unter einer reduzierenden Gasatmosphäre, in welcher Wasserstoff als das reduzierende Gas ein vorbestimmter Volumenprozentsatz ist, und Stickstoff der verbleibende Volumenprozentsatz ist. Anstelle von Wasserstoff kann die reduzierende Gasatmosphäre Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff oder dergleichen enthalten. Die Referenzgaskammer 11 ist unter einer atmosphärischen Luft.
Dann wird das Gassensorelement 100 für eine vorbestimmte Zeitdauer stehen gelassen, während der Heizer 60 mit Energie versorgt wird, sodass der Festelektrolytkörper 70 auf eine angemessene Temperatur erwärmt wird, bei welcher der Festelektrolytkörper 70 eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat. Zu der Zeit werden aufgrund einer Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der atmosphärischen Luft und der reduzierenden Gasatmosphäre Sauerstoffionen von der Referenzgaskammer 11 zu der Messgaskammer 10 über den Festelektrolytkörper 70 geleitet. Dies erlaubt es Sauerstoff, zu dem Festelektrolytkörper 70 hinzugefügt zu werden.
Da die Referenzgaskammer 11 in dem Gassensorelement 100 gebildet ist, wird der Referenzelektrode 80 in dem Reoxidationsprozess genug Sauerstoff zugeführt. Dies macht es für die Sauerstoffionen leichter, von der Referenzelektrode 80 zu der Sensorelektrode 21 geleitet zu werden.
Das Folgende beschreibt unter Bezugnahme auf 7 Effekte, welche durch ein Einsetzen des Gassensorelements 100 und der Gassensoreinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform erreicht werden.
Das Gassensorelement 100 hat das Porenverhältnis von ungefähr 10 % für die offene Pore H auf der Sensorelektrode 21, welche die Sensorzelle 20 bildet.
Dies macht es möglich, zu verhindern, dass ein reduzierendes Gas (Wasserstoff), welches durch ein Anlegen der Entfernungsspannung an die Pumpzelle 40 erzeugt wird, auf der Oberfläche der Sensorelektrode 21 verbleibt, und erlaubt eine frühe Diffusion und Entfernung des reduzierenden Gases von einer Öffnung der Pore. Das heißt, dass eine frühe Diffusion des reduzierenden Gases gefördert werden kann. Insbesondere ist es, da die offene Pore H gebildet ist, um den Edelmetallbereich PM zu erreichen, möglich, effizienter die Diffusion und die Entfernung des reduzierenden Gases in der Nähe des Edelmetalls zu fördern, welches zur Ionisierung des spezifischen Gases beiträgt. Da heißt, dass ein früher Übergang der Sensorelektrode 21 in einen aktivierten Zustand möglich ist.
Insbesondere hat der Erfinder durch ein Experiment die Aktivierungszeit untersucht, welche benötigt wird, bis die Sensorelektrode 21 den aktivierten Zustand hinsichtlich des Porenverhältnisses für die offene Pore H erreicht. 7 zeigt ein Ergebnis der Untersuchung. Die Aktivierungszeit zeigt eine Tendenz, abzunehmen, wenn das Porenverhältnis zunimmt. Unter Bezugnahme auf 7 kann vermutet werden, dass, wie obenstehend beschrieben ist, wenn das Porenverhältnis höher ist, Wasserstoff, welcher das reduzierende Gas ist, weniger wahrscheinlich auf der Oberfläche der Sensorelektrode 21 verbleibt, und dies fördert die Aktivierung der Sensorelektrode 21.
In einem Bereich, in welchem das Porenverhältnis für die offene Pore H nicht geringer als 10 % ist, ist die Aktivierungszeit nahezu gesättigt und ändert sich nicht in großem Maße. Das übermäßig hohe Porenverhältnis kann eine Zunahme im Kontaktwiderstand zwischen der Sensorelektrode 21 und einem anderen Element (beispielsweise Leitung) verursachen. Demnach ist das Porenverhältnis vorzugsweise ungefähr 10 % und innerhalb eines optimalen Bereiches für das Porenverhältnis von 2 % bis 15 %.
(Andere Ausführungsformen)
Obwohl in der vorstehend erwähnten Ausführungsform das Gassensorelement 100 einschließlich der Überwachungszelle 30 beschrieben wurde, ist die Überwachungszelle 30 keine essenzielle Komponente hinsichtlich des Erfassens einer Konzentration des spezifischen Gases in dem gemessenen Gas. Es sei jedoch festgehalten, dass das Gassensorelement 100, welches die Überwachungszelle 30 aufweist, hinsichtlich des genauen Erfassens einer Sauerstoffkonzentration in dem Gas, in welchem die Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle 40 angepasst wurde, und eines Korrigierens des Hintergrunds für die Ausgabe der Sensorzelle 20 zu bevorzugen ist.
Ferner können, obwohl in der vorstehenden Ausführungsform das Edelmetall, welches Pt und Rh enthält, als das Edelmetall beschrieben wurde, welches die Sensorelektrode 21 bildet, Pt oder Rh durch Palladium (Pd) oder Ruthenium (Ru) substituiert werden, oder diese Elemente können zu Pt und Rh hinzugefügt werden.
Die Messgaskammer 10 kann derart konfiguriert werden, dass ein Raum, in welchem die Sensorzelle 20 gebildet ist, und ein Raum, in welchem die Pumpzelle 40 gebildet ist, voneinander getrennt sind, sodass das gemessene Gas zwischen diesen Räumen bewegbar ist. Insbesondere ist beispielsweise in dem Gassensorelement 200, welches in 8 gezeigt ist, ein Diffusionsratenbestimmungskörper 94 zwischen dem Raum, in welchem die Sensorzelle 20 gebildet ist, und dem Raum, in welchem die Pumpzelle 40 gebildet ist, gebildet. Der Diffusionsratenbestimmungskörper 94 unterteilt die Sensorzelle 20 von der Pumpzelle 40, um den Raum der Messgaskammer 10 zu unterteilen. In diesem Fall erlaubt es, während er den Diffusionswiderstand anpasst, der Diffusionsratenbestimmungskörper 94 dem gemessenen Gas hindurchzupassieren.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird das Ergebnis der Beobachtung unter dem Rasterelektronenmikroskop, welches in 5 gezeigt ist, zur Berechnung des Porenverhältnisses genutzt. 5 zeigt das Ergebnis, welches erlangt wird, wenn der Querschnitt, welcher orthogonal zu der Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode 21 ist und die Größe von ungefähr 30 µm hat, in der Richtung entlang der Elektrodenoberfläche geschnitten wird und unter dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet wird. Die Größe des Querschnitts jedoch ist nicht auf 30 µm beschränkt. Für die Berechnung des Porenverhältnisses ist der Querschnitt vorzugsweise geschnitten, sodass der Querschnitt eine Größe von 30 µm oder mehr in der Richtung entlang der Elektrodenoberfläche hat.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann, obwohl das Porenverhältnis als der Prozentsatz der Fläche der offenen Pore zu der Gesamtfläche der Sensorelektrode definiert ist, das Porenverhältnis unterschiedlich definiert werden. Beispielsweise kann das Porenverhältnis als eine Proportion bzw. ein Verhältnis einer Kurvenlänge eines Abschnitts, welcher die offene Pore bildet zu einer Kurvenlänge entlang der Elektrodenoberfläche, welche konvexe und konkave Teile einschließlich der offenen Pore H hat, definiert werden, wenn der Querschnitt rechtwinklig zu der Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode 21 betrachtet wird. Alternativ kann das Porenverhältnis als eine Proportion der offenen Pore zu der gesamten Elektrodenoberfläche S der Sensorelektrode 21 definiert werden, wenn die Elektrodenoberfläche S der Sensorelektrode 21 von der Vorderseite betrachtet wird.
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 Patentliteratur

JP 2016248147 [0001]
JP 2016070922 A [0005]

Claims

Gassensorelement (100), welches einen Festelektrolytkörper (70) aufweist, welcher Sauerstoffionenleitfähigkeit hat und eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas basierend auf einer Menge von Sauerstoffionen erfasst, welche in dem Festelektrolytkörper (70) geleitet werden, wobei das Gassensorelement (100) Folgendes aufweist: eine Messgaskammer (10), in welche das gemessene Gas eingeführt wird; eine Pumpzelle (40), welche eine Pumpelektrode (41) aufweist, welche auf dem Festelektrolytkörper (70) vorgesehen ist; eine Sensorzelle (20), welche eine Sensorelektrode (21) aufweist und stromabwärts der Pumpzelle (40) in einer Richtung angeordnet ist, in welcher das gemessene Gas eingeführt wird, wobei die Sensorelektrode (21) Edelmetall enthält, und die Pumpelektrode (41) auf derselben Oberfläche der Messgaskammer (10) platziert ist und das spezifische Gas reduziert, um die Konzentration des spezifischen Gases zu erfassen; und eine Pumpzellsteuerung (50), welche eine Konzentration von Sauerstoff in dem gemessenen Gas in der Messgaskammer (10) durch ein Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle (40) einstellt, wobei wenn das Gassensorelement (100) vor dem Erfassen der Konzentration des Gases aktiviert ist, um Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode (21) okkludiert ist, zu entfernen, die Pumpzellsteuerung (50) eine Substanz, welche in der Messgaskammer (10) gegenwärtig ist, durch ein Anlegen einer Entfernungsspannung an der Pumpzelle (40) zersetzt, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen hat, welche aus dem Edelmetall gefertigt sind, und Elektrolytbereiche, welche verteilt sind, sodass eine Grenzfläche zwischen jedem der Elektrolytbereiche und jedem der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine offene Pore hat, welche sich von einer Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode (21) erstreckt und wenigstens einen der Mehrzahl von Edelmetallbereichen erreicht.
Gassensorelement (100) nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt orthogonal zu der Elektrodenoberfläche der Sensorelektrode (21) ein Porenverhältnis von nicht weniger als 2 % und nicht mehr als 15 % hat, wenn ein Schnitt wenigstens 30 µm lang in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche geschnitten wird.
Gassensorelement (100) nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall wenigstens Platin und Rhodium enthält.
Gassensorelement (100) nach Anspruch 3, wobei ein Massenprozentsatz von Rhodium, welcher in dem Edelmetall enthalten ist, zu einer Gesamtmasse von Platin und Rhodium nicht weniger als 30 % und nicht mehr als 80 % ist.
Gassensoreinheit, die Folgendes aufweist: Das Gassensorelement (100), welches in Anspruch 1 rezitiert ist; ein Sensorgehäuse (101), welches das Gassensorelement (100) innerhalb hält; eine Elementabdeckung (103, 104), welche an dem Sensorgehäuse (101) befestigt ist, um ein erstes Elementende (100a) des Gassensorelements (100) zu bedecken und das gemessene Gas in das erste Elementende (100a) einführt, wobei das erste Element einem Strom des gemessenen Gases zugewandt ist; und eine Sensorsteuerschaltung (106), welche eine Spannung steuert, welche an die Pumpelektrode (41) und die Sensorelektrode (21) angelegt wird.