DE112019006447T5 - Gassensorelement und Gassensor - Google Patents

Abstract

Gewünschte Sensoreigenschaften werden durch die Kombination einer Vielzahl von Edelmetallen erreicht. Außerdem werden Änderungen der katalytischen Eigenschaften aufgrund von Legierungen verhindert, um die Sensoreigenschaften stabil zu halten. Ein Gassensor-Element umfasst einen Festelektrolytkörper, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Schutzschicht. Die Schutzschicht umfasst mindestens eine erste Katalysatorschicht, die ein erstes Katalysatormetall trägt, das kein Metall ist, das eine Reduktionsreaktion von Stickstoffoxid unterstützt, und eine zweite Katalysatorschicht, die nur ein zweites Katalysatormetall trägt, das die Reduktionsreaktion des Stickstoffoxids unterstützt. Die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht sind in einem Pfad angeordnet, durch den ein zu messendes Gas von der Außenseite des Gassensorelements der ersten Elektrode zugeführt wird, und zwar so, dass die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht nicht in direktem Kontakt zueinander stehen.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor.
• HINTERGRUND
• Ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente im Abgas, das z. B. vom Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ausgestoßen wird, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Im Allgemeinen umfasst ein solcher Gassensor eine Festelektrolytschicht und weiterhin eine Referenzelektrode und eine Erfassungselektrode, die auf entsprechenden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind. Ein Referenzgas (z. B. Luft) wird der Referenzelektrode zugeführt, und ein zu messendes Gas (im Folgenden als „zu messendes Gas“ bezeichnet) wird der Erfassungselektrode zugeführt.
• Das Abgas enthält Gemischkomponenten wie Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC) und Wasserstoff (H₂). Wenn die Gemischkomponenten vorhanden sind, unterscheidet sich die Menge des bei der Verbrennung verbrauchten Sauerstoffs von der bei vollständiger Verbrennung, sodass sich die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors verschlechtert. Die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors kann erhöht werden, indem das Abgas mit Katalysatoren in Kontakt gebracht wird, bevor das Abgas die Erfassungselektrode erreicht, um die Gemischkomponenten zu oxidieren oder zu reduzieren und dadurch das Abgas zu reinigen. Im Allgemeinen werden Edelmetalle als Katalysatormetalle verwendet, die in Katalysatorschichten enthalten sind. Unterschiedliche Edelmetalle haben unterschiedliche katalytische Funktionen. Daher wird in einem zuvor vorgeschlagenen Verfahren zur Steuerung der Eigenschaften einer Katalysatorschicht eine Kombination aus einer Vielzahl von Edelmetallen verwendet, um die Katalysatorschicht zu bilden (siehe z. B. Patentdokument 1).
• DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
• PATENTDOKUMENTE
• Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Laid-Open (kokal) Nr. 2010-256112
• Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung Laid-Open (kokal) Nr. 2017-223495
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
• Wenn jedoch eine Vielzahl von Edelmetallen auf einer Katalysatorschicht getragen wird, kann die Vielzahl der in der Katalysatorschicht vorhandenen Edelmetalle während der Herstellung eines Gassensors oder während der Verwendung des Gassensors eine Legierung bilden. Wenn die Edelmetalle eine Legierung bilden, können sich die Eigenschaften der Edelmetalle als Katalysatoren im Vergleich zu denen vor der Legierung ändern, sodass die gewünschten katalytischen Eigenschaften, die durch die Kombination der Vielzahl von Edelmetallen erreicht werden sollen, möglicherweise nicht erreicht werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat Untersuchungen durchgeführt und die folgenden Erkenntnisse gewonnen. Wenn Katalysatormetalle (wie z. B. Pt und Pd), die Oxidationsreaktionen von CO und HC ermöglichen, eine Legierung bilden, sind die Einflüsse auf die katalytischen Eigenschaften relativ gering. Wenn jedoch ein Katalysatormetall (wie Rh, Ru oder Ir), das Reduktionsreaktionen von NOx ermöglicht, eine Legierung mit einem Katalysatormetall wie Pt oder Pd bildet, das die Oxidationsreaktionen ermöglicht, nimmt die NOx-Reduktionswirkung deutlich ab.
• Wenn verschiedene Edelmetalle auf nebeneinander liegenden Katalysatorschichten getragen werden, findet innerhalb jeder Katalysatorschicht keine Legierung statt, aber an der Grenzfläche zwischen den benachbarten Katalysatorschichten kann eine Legierung auftreten.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Legieren von Katalysatoren, die die NOx-Reduktionsreaktionen ermöglichen, zu verhindern, um dadurch die katalytischen Eigenschaften zu erhalten.
• MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
• Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des obigen Problems gemacht und kann in den folgenden Varianten bzw. Bauformen realisiert werden.
• (1) Ein Gassensorelement einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Festelektrolytkörper; eine erste Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, die dem zu messenden Gas ausgesetzt werden soll; eine zweite Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist; und eine Schutzschicht, die eine Keramik als Hauptkomponente enthält und in einem Pfad angeordnet ist, durch den das zu messende Gas von der Außenseite des Gassensorelements zur ersten Elektrode zugeführt wird. Die Schutzschicht umfasst mindestens eine erste Katalysatorschicht, die ein erstes Katalysatormetall trägt, das kein Metall ist, das eine Reduktionsreaktion von Stickstoffoxid erleichtert, und eine zweite Katalysatorschicht, die nur ein zweites Katalysatormetall trägt, das die Reduktionsreaktion des Stickstoffoxids erleichtert. Die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht sind in dem Pfad so angeordnet, dass die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht nicht in direktem Kontakt zueinander stehen.
• In dem Gassensor-Element dieser Ausführungsform trägt die zweite Katalysatorschicht nur das zweite Katalysatormetall, und die erste Katalysatorschicht steht nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Katalysatorschicht. Daher wird eine Legierung des zweiten Katalysatormetalls, die die Reduktionsreaktion des Stickstoffoxids ermöglicht, mit anderen Metallspezies verhindert, sodass die katalytischen Eigenschaften der Schutzschicht stabil beibehalten werden können.
• (2) In dem Gassensor-Element des oben beschriebenen Ausführungsform kann die Schutzschicht ferner eine Zwischenschicht enthalten, die nur aus einer Keramik gebildet ist und zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist, sodass sie in Kontakt mit der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht steht.
• Da in dem Gassensor-Element dieser Ausführungsform die nur aus der Keramik gebildete Zwischenschicht zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht vorhanden ist, kann das Legieren noch besser verhindert werden.
• (3) In dem Gassensorelement der oben beschriebenen Ausführungsform kann der durchschnittliche Porendurchmesser der Zwischenschicht größer sein als der der äußeren der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht. In dem Gassensorelement dieser Ausführungsform ist es unwahrscheinlich, dass Wasser, das von der Außenseite des Gassensorelements in die äußere der ersten und zweiten Katalysatorschicht eindringt, in die Zwischenschicht mit dem größeren durchschnittlichen Porendurchmesser eindringt. Daher wird die Benetzungsbeständigkeit des Gassensor-Elements verbessert.
• (4) In dem Gassensorelement der oben beschriebenen Art kann zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht ein Zwischenraum vorgesehen sein.
• In dem Gassensorelement dieser Ausführungsform ist der Zwischenraum zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht vorhanden, sodass die Legierungsbildung bevorzugt verhindert werden kann.
• (5) In dem Gassensorelement der oben beschriebenen Ausführungsform kann jede der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht nur ein Katalysatormetall tragen.
• In dem Gassensor-Element dieser Ausführungsform kann die Legierungsbildung effektiver verhindert werden, und die katalytischen Eigenschaften der Schutzschicht können stabiler beibehalten werden.
• (6) In dem Gassensor-Element des oben beschriebenen Ausführungsform kann die erste Elektrode eine Erfassungselektrode sein, und die zweite Elektrode kann eine Referenzelektrode sein, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, die einem Referenzgas ausgesetzt werden soll.
• In dem Gassensor-Element dieser Ausführungsform können die katalytischen Eigenschaften der Schutzschicht, die im Pfad zwischen der Außenseite des Gassensor-Elements und der Erfassungselektrode angeordnet ist, stabil gehalten werden, sodass die Genauigkeit der Erfassung weiter verbessert werden kann.
• (7) In dem Gassensorelement der oben beschriebenen Ausführungsform kann eine der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht so ausgebildet sein, dass sie an eine Außenfläche der ersten Elektrode angrenzt bzw. zu dieser benachbart ist, wobei die erste Elektrode ein Metall enthält, das das gleiche ist wie das Katalysatormetall, das auf der einen der ersten und zweiten Katalysatorschicht getragen wird, die an die Außenfläche der ersten Elektrode angrenzt bzw. zu dieser benachbart ist.
• In dem Gassensor-Element dieser Bauart kann eine Legierung des Metalls in der ersten Elektrode mit dem auf der ersten Schutzschicht getragenen Katalysatormetall verhindert werden, sodass die katalytischen Eigenschaften der Schutzschicht stabiler beibehalten werden können.
• Die vorliegende Erfindung kann neben den oben genannten Ausführungsformen beispielsweise als ein Gassensor mit dem Gassensorelement, ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements, ein Verfahren zur Herstellung des Gassensors, eine Schutzschicht für das Gassensorelement, ein Verfahren zur Bildung der Schutzschicht für das Gassensorelement usw. ausgeführt werden.
• Figurenliste
• 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 2 ist eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Gassensor-Elements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 4 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Gassensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
• Erste Ausführungsform:
• Aufbau des Gassensors:
• 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Gassensors 10 zeigt, der als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient. Der Gassensor 10 ist an einem Abgasrohr eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors (Motor) befestigt und misst die Konzentration eines bestimmten Gases, das im Abgas enthalten ist, das ein zu messendes Gas ist. Beispiele für das spezifische Gas sind Sauerstoff und NOx, und der Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform misst die Konzentration von Sauerstoffgas.
• 1 zeigt einen Querschnitt des Gassensors 10 in Richtung einer Axiallinie CA. Die Axiallinie CA erstreckt sich in Längsrichtung des Gassensors 10 in der Mitte des Gassensors 10. In der folgenden Beschreibung wird die untere Seite im Zeichenblatt von 1 als „vordere Endseite“ und die obere Seite als „hintere Endseite“ bezeichnet. Eine Richtung, die durch die Axiallinie CA verläuft und senkrecht zur Axiallinie CA steht, wird als „Radialrichtung“ bezeichnet.
• Der Gassensor 10 umfasst im Wesentlichen ein Sensorelement 100, ein Metallgehäuse 200, einen Protektor 300, eine keramische Heizung 150, ein Außengehäuse 410, eine Heizung 600 und eine Kabeldurchführung 710.
• Das Sensorelement 100 erzeugt ein Signal zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Das Sensorelement 100 ist rohrförmig mit einem geschlossenen vorderen Ende ausgebildet und weist eine am hinteren Ende offene Bohrung 112 auf. Das Sensorelement 100 umfasst im Wesentlichen einen Festelektrolytkörper 110, eine an der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 110 ausgebildete Referenzelektrode 120 und eine an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 110 ausgebildete Erfassungselektrode 130. Die Strukturen dieser Komponenten werden später beschrieben. Das Sensorelement 100 ist innerhalb des Metallgehäuses 200 befestigt. Ein vorderer Endabschnitt des Sensorelements 100 ragt aus dem vorderen Ende des Metallgehäuses 200 heraus, und das Abgas wird dem vorderen Endabschnitt zugeführt. Ein hinterer Endabschnitt des Sensorelements 100 ragt aus dem hinteren Ende des Metallgehäuses 200 heraus, und eine Anschlussklemme 510 ist in die Bohrung 112 des Sensorelements 100 eingesetzt. Etwa in der Mitte des Sensorelements 100 ist ein radial nach außen ragender Flanschabschnitt 170 vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert das Sensorelement 100 als ein „Gassensor-Element.“
• Bei dem Metallgehäuse 200 handelt es sich um ein rohrförmiges Metallgehäuse, das das Sensorelement 100 umfangsseitig umgibt und hält und zur Befestigung des Gassensors 10 an dem Abgasrohr dient. Das Metallgehäuse 200 ist in der vorliegenden Ausführungsform aus SUS430 gebildet.
• Ein vorderer Endabschnitt 240, ein Gewindeabschnitt 210, ein Flanschabschnitt 220, ein hinterer Endabschnitt 230 und ein Crimpabschnitt 252 sind am Außenumfang des Metallgehäuses 200 in der oben genannten Reihenfolge von der vorderen Endseite aus ausgebildet. Der vordere Endabschnitt 240 ist ein Abschnitt, der an der vorderen Endseite des Metallgehäuses 200 ausgebildet ist, sodass das Metallgehäuse 200 einen verringerten Außendurchmesser aufweist. Das Metallgehäuse 200 und der Protektor 300 sind miteinander verbunden, wobei der vordere Endabschnitt 240 des Metallgehäuses 200 in den Protektor 300 eingesetzt ist. Der Gewindeabschnitt 210 ist ein Außengewinde, das zum Einschrauben des Gassensors 10 in das Abgasrohr zur Befestigung des Gassensors 10 ausgebildet ist. Der Flanschabschnitt 220 ist ein Abschnitt, der so geformt ist, dass der Außendurchmesser des Metallgehäuses 200 radial nach außen ragt, sodass er eine polygonale Form bildet. Der Flanschabschnitt 220 dient zum Eingriff mit einem Werkzeug zur Befestigung des Gassensors 10 am Abgasrohr. Daher hat der Flanschabschnitt 220 eine Form (z. B. eine sechseckige Schraubenform), die den Eingriff mit dem Werkzeug ermöglicht. Der hintere Endabschnitt 230 ist ein Abschnitt, der an der hinteren Endseite des Metallgehäuses 200 ausgebildet ist, sodass das Metallgehäuse 200 einen verringerten Außendurchmesser aufweist. Das Metallgehäuse 200 und das Außengehäuse 410 sind miteinander verbunden, wobei der hintere Endabschnitt 230 des Metallgehäuses 200 in das Außengehäuse 410 eingesetzt ist.
• In dem Metallgehäuse 200 ist eine Bohrung 250 vorgesehen. Die Bohrung 250 ist ein Durchgangsloch, das sich durch das Metallgehäuse 200 entlang der Axiallinie CA erstreckt, und das Sensorelement 100 ist in die Bohrung 250 eingesetzt. An der Innenfläche des Metallgehäuses 200, die die Bohrung 250 definiert, ist ein gestufter Abschnitt 260 vorgesehen, sodass der Innendurchmesser des Metallgehäuses 200 reduziert ist. Ein Keramikhalter 161 ist über eine Dichtung 159 mit dem stufenförmigen Abschnitt 260 verbunden. Der Flanschabschnitt 170 des Sensorelements 100 ist über eine Dichtung 160 mit dem Keramikhalter 161 verbunden. Innerhalb der Bohrung 250 des Metallgehäuses 200 sind an der hinteren Endseite des Keramikhalters 161 ein Dichtabschnitt 162, eine Keramikhülse 163 und ein Metallring 164 angeordnet. Der Dichtabschnitt 162 ist eine Talkschicht, die durch Einfüllen von Talkpulver gebildet wird. Der Dichtabschnitt 162 sperrt die Gasströmung zwischen der vorderen Endseite und der hinteren Endseite in Richtung der Axiallinie CA durch einen Spalt zwischen dem Sensorelement 100 und dem Metallgehäuse 200. Die Keramikhülse 163 ist ein rohrförmiges Isolationselement, das den Außenumfang des Sensorelements 100 umgibt. Der Metallring 164 ist eine flache Unterlegscheibe, die aus Edelstahl hergestellt ist und den Außenumfang des Sensorelements 100 umschließt.
• Darüber hinaus ist ein Öffnungsabschnitt des Metallgehäuses 200 an der hinteren Endseite radial nach innen (in Richtung der Bohrung 250) gebogen, wodurch der Crimpabschnitt 252 gebildet wird. Der Crimpabschnitt 252 drückt den Dichtungsabschnitt 162 mittels des Metallrings 164 und der Keramikhülse 163, wodurch das Sensorelement 100 im Inneren des Metallgehäuses 200 fixiert wird.
• Der Protektor 300 ist ein zylindrisches Metallteil mit geschlossenem Ende zum Schutz des Sensorelements 100. Der Protektor 300 ist am vorderen Endabschnitt 240 durch Laserschweißen so befestigt, dass er das Sensorelement 100 umgibt, das aus dem vorderen Ende des Metallgehäuses 200 herausragt. Der Protektor 300 ist ein Doppelprotektor mit einem inneren Protektor 310 und einem äußeren Protektor 320. In dem inneren Protektor 310 und dem äußeren Protektor 320 sind Gaseinlassöffnungen 311 und 312 sowie Gasauslassöffnungen 313 ausgebildet. Die Gaseinlassöffnungen 311 und 312 sind Durchgangslöcher, die zur Einleitung des Abgases in das Innere des Protektors 300 (in das Sensorelement 100) ausgebildet sind. Die Gasauslasslöcher 313 sind Durchgangslöcher, die zum Auslassen des Abgases aus dem Inneren des Protektors 300 nach außen ausgebildet sind.
• Die keramische Heizung 150 erwärmt das Sensorelement 100 auf eine vorgegebene Aktivierungstemperatur, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolytkörpers 110 zu erhöhen und dadurch den Betrieb des Sensorelements 100 zu stabilisieren. Die keramische Heizung 150 ist innerhalb der Bohrung 112 des Sensorelements 100 angeordnet. Die keramische Heizung 150 umfasst einen wärmeerzeugenden Abschnitt 151 und Heizungsverbindungsanschlüsse 152. Der wärmeerzeugende Abschnitt 151 ist ein wärmeerzeugender Widerstand, der aus einem Leiter, wie z. B. Wolfram, gebildet ist und Wärme erzeugt, wenn ihm elektrische Energie zugeführt wird. Die Heizungsverbindungsanschlüsse 152 sind an der hinteren Endseite der keramischen Heizung 150 angeordnet und mit den Heizungsanschlussdrähten 590 verbunden. Die Heizungsverbindungsanschlüsse 152 werden über die Heizungsanschlussdrähte 590 mit elektrischer Energie von außen versorgt. Insbesondere kann der Gassensor 10 ein Gassensor ohne Heizung sein, der keine keramische Heizung 150 aufweist.
• Das Außengehäuse 410 ist ein zylindrisches Metallteil mit einem Durchgangsloch entlang der Axiallinie CA. Der hintere Endabschnitt 230 des Metallgehäuses 200 ist in einen vorderen Endabschnitt 411 des Außengehäuses 410 eingesetzt. Das Außengehäuse 410 und das Metallgehäuse 200 werden durch Laserschweißen miteinander verbunden. Die später beschriebene Kabeldurchführung 710 wird in einen hinteren Endabschnitt 412 des Außengehäuses 410 eingesetzt. Die Kabeldurchführung 710 wird durch Crimpen des hinteren Endabschnitts 412 des Außengehäuses 410 am Außengehäuse 410 befestigt.
• Das Trennelement 600 ist ein aus einem Isolationselement, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestelltes Element, das eine annähernd zylindrische Form aufweist und im Inneren des Außengehäuses 410 angeordnet ist. Ein Trennelement-Körper 610 und ein Flanschabschnitt 620 des Trennelements sind im Trennelement 600 ausgebildet. Einführungslöcher 630 für Anschlussdrähte, die sich durch das Trennelement 600 entlang der Axiallinie CA erstrecken, und ein Halteloch 640 mit einer Öffnung an der vorderen Endseite des Trennelements 600 sind in dem Trennelementkörper 610 ausgebildet. Die später beschriebenen Elementzuleitungsdrähte 570 und 580 und die Heizungsanschlussdrähte 590 werden von ihrer hinteren Endseite her in die Einführungslöcher 630 für Anschlussdrähte eingeführt. Ein hinterer Endabschnitt der keramischen Heizung 150 wird in das Halteloch 640 eingesetzt. Die hintere Endfläche der eingesetzten keramischen Heizung 150 stößt an die Bodenfläche des Aufnahmelochs 640, und die Position der keramischen Heizung 150 in Richtung der Axiallinie CA wird dadurch bestimmt. Der Flanschabschnitt 620 des Trennelements ist ein Abschnitt, der an der hinteren Endseite des Trennelements 600 ausgebildet ist, sodass das Trennelement 600 im Außendurchmesser vergrößert wird. Der Flanschabschnitt 620 des Trennelements wird von einem Halteelement 700 getragen, das im Spalt zwischen dem Außengehäuse 410 und dem Trennelement 600 angeordnet ist, und das Trennelement 600 wird dadurch im Außengehäuse 410 fixiert.
• Die Kabeldurchführung 710 ist z.B. aus Fluorkautschuk mit guter Wärmebeständigkeit hergestellt und in den hinteren Endabschnitt 412 des Außengehäuses 410 eingepasst. In der Kabeldurchführung 710 sind ein Durchgangsloch 730, das sich durch einen zentralen Abschnitt der Kabeldurchführung 710 entlang der Axiallinie CA erstreckt, und vier Einführungslöcher 720 für Anschlussdrähte ausgebildet, die durch die Kabeldurchführung 710 entlang der Axiallinie CA verlaufen, sodass sie das Durchgangsloch 730 umgeben. Eine Filtereinheit 900 (ein Filter und ein Metallrohr), die das Durchgangsloch 730 verschließt, ist in dem Durchgangsloch 730 angeordnet.
• Die Elementzuleitungsdrähte 570 und 580 und die Heizungsanschlussdrähte 590 sind jeweils aus einem Leiter hergestellt, der mit einer Isolationsschicht aus Kunstharz überzogen ist. Hintere Endabschnitte der Leiter der Elementzuleitungsdrähte 570 und 580 und der Heizungszuleitungsdrähte 590 sind elektrisch mit Anschlussklemmen verbunden, die in einem Verbinder vorgesehen sind. Ein vorderer Endabschnitt des Leiters des Elementzuleitungsdrahtes 570 ist gecrimpt und mit einem hinteren Endabschnitt der inneren Anschlussklemme 520 verbunden, die in einen hinteren Endabschnitt des Sensorelements 100 eingesetzt ist. Die innere Anschlussklemme 520 ist ein Leiter, der den Elementzuleitungsdraht 570 elektrisch mit der Referenzelektrode 120 des Sensorelements 100 verbindet. Ein vorderer Endabschnitt des Leiters des Elementzuleitungsdrahts 580 ist gecrimpt und mit einem hinteren Endabschnitt der äußeren Anschlussklemme 530 verbunden, die in den hinteren Endabschnitt des Sensorelements 100 eingesetzt ist. Die äußere Anschlussklemme 530 ist ein Leiter, der den Elementzuleitungsdraht 580 mit der Erfassungselektrode 130 des Sensorelements 100 elektrisch verbindet. Die vorderen Endabschnitte der Leiter der Heizungsanschlussdrähte 590 sind elektrisch mit den Heizungsverbindungsanschlüssen 152 der Keramikheizung 150 verbunden. Die Elementzuleitungsdrähte 570 und 580 und die Heizungsanschlussdrähte 590 werden in die jeweiligen Anschlussdraht-Einführungslöcher 630 des Trennelements 600 und die jeweiligen Anschlussdraht-Einführungslöcher 720 der Kabeldurchführung 710 eingeführt und erstrecken sich von der Innenseite des Außengehäuses 410 nach außen.
• Bei dem oben beschriebenen Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform wird Luft aus dem Durchgangsloch 730 der Kabeldurchführung 710 durch die Filtereinheit 900 in das Innere des Außengehäuses 410 eingeleitet, und die Luft wird dadurch in die Bohrung 112 des Sensorelements 100 eingeleitet. Die in die Bohrung 112 des Sensorelements 100 eingeleitete Luft wird als Referenzgas verwendet, das als Referenz dient, wenn der Gassensor 10 (das Sensorelement 100) Sauerstoff im Abgas erfasst. Der Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass das Abgas (Messgas) durch die Gaseinlassöffnungen 311 und 312 des Protektors 300 in das Innere des Protektors 300 eingeleitet wird, sodass das Sensorelement 100 dem Abgas ausgesetzt ist. Dadurch wird in dem Sensorelement 100 eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Referenzgas und dem Abgas (Messgas) entspricht. Die elektromotorische Kraft des Sensorelements 100 wird über die Elementzuleitungsdrähte 570 und 580 als Sensorausgang zur Außenseite des Gassensors 10 erzeugt.
• Aufbau des Sensorelements:
• 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen vorderen Endabschnitt des Sensorelements 100 zeigt. Das Sensorelement 100 der vorliegenden Ausführungsform umfasst den Festelektrolytkörper 110, die Referenzelektrode 120, die Erfassungselektrode 130 und eine Schutzschicht 180.
• Der Festelektrolytkörper 110 dient zusammen mit der Referenzelektrode 120 und der Erfassungselektrode 130 als Sauerstoffkonzentrationszelle, die die Konzentration von Sauerstoff im Abgas erfasst. Der Festelektrolytkörper 110 ist rohrförmig mit geschlossenem Boden ausgebildet, der sich in Richtung der Axiallinie CA erstreckt und ein geschlossenes vorderes Ende aufweist. Der Festelektrolytkörper 110 besteht aus einem Festelektrolyten mit Oxidionenleitfähigkeit (Sauerstoffionenleitfähigkeit). In der vorliegenden Ausführungsform ist der Festelektrolytkörper 110 aus Zirkoniumoxid (ZrO₂), das Yttriumoxid (Y₂O₃) als Stabilisator enthält, gebildet, d.h. aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ). Alternativ kann der Festelektrolytkörper 110 aus einem anderen Festelektrolyten bestehen, wie z.B. stabilisiertem Zirkoniumdioxid, dem ein Oxid zugesetzt ist, wobei das Oxid ausgewählt ist aus Kalziumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeOz), Scandiumoxid (SC₂O₃), etc.
• Die Referenzelektrode 120 ist auf der inneren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 ausgebildet, dem die Luft (das Referenzgas) zugeführt wird und der dem Referenzgas ausgesetzt ist. Die Erfassungselektrode 130 ist an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 110 ausgebildet, der das Abgas (das zu messende Gas) zugeführt wird und dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Vorzugsweise sind die Referenzelektrode 120 und die Erfassungselektrode 130 aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung wie Platin (Pt) oder einer Platinlegierung gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Referenzelektrode 120 und die Erfassungselektrode 130 aus Pt gebildet, und es ist Zirkoniumoxid zugesetzt.
• Die Schutzschicht 180 umfasst eine erste Katalysatorschicht 181, eine Zwischenschicht 182, eine zweite Katalysatorschicht 183 und eine äußerste Schicht 184, und diese Schichten sind poröse Schichten. Die erste Katalysatorschicht 181 ist auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 so ausgebildet, dass sie die Erfassungselektrode 130 bedeckt. Die erste Katalysatorschicht 181 ist eine Schicht, die durch thermisches Sprühen einer Keramik, wie z. B. Spinell, gebildet wird. Obwohl die Details später beschrieben werden, trägt die erste Katalysatorschicht 181 ein erstes Katalysatormetall und hat die Funktionen der Verbesserung der Haftung an der Zwischenschicht 182, des Schutzes der Erfassungselektrode 130 usw. Die erste Katalysatorschicht 181 dient auch als Widerstand für die Strömung des Abgases, das in die Erfassungselektrode 130 strömt. Dadurch wird die Strömung des Abgases gleichmäßig verteilt, und das verteilte Abgas wird an die Erfassungselektrode 130 abgegeben. Die Zwischenschicht 182 ist ein poröser Körper, der nur aus einer Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid, gebildet ist und kein Katalysatormetall trägt. Die Zwischenschicht 182 ist auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 110 so ausgebildet, dass sie die gesamte erste Katalysatorschicht 181 bedeckt. Die zweite Katalysatorschicht 183 ist ein poröser Körper, der aus einer Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid, gebildet ist. Obwohl die Einzelheiten später beschrieben werden, trägt die zweite Katalysatorschicht 183 ein zweites Katalysatormetall und ist auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 110 so ausgebildet, dass sie die gesamte Zwischenschicht 182 bedeckt. Mit anderen Worten, die erste Katalysatorschicht 181 und die zweite Katalysatorschicht 183 stehen nicht in direktem Kontakt zueinander und sind mit der dazwischen liegenden Zwischenschicht 182 angeordnet. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die zweite Katalysatorschicht 183 die gesamte Zwischenschicht 182 bedeckt. Um jedoch zu verhindern, dass die Gemischkomponenten im Abgas an die Elektrode gelangen, ist es bevorzugt, dass die gesamte Erfassungselektrode 130 mit der Schutzschicht 180 bedeckt ist.
• Auf der ersten Katalysatorschicht 181 und der zweiten Katalysatorschicht 183 sind Edelmetallkatalysatoren aufgebracht. Insbesondere umfasst die erste Katalysatorschicht 181 einen ersten Träger, der aus einer Keramik und einem ersten Katalysatormetall gebildet ist, das ein auf dem Träger getragenes Katalysatormetall ist. Die zweite Katalysatorschicht 183 umfasst einen zweiten Träger, der aus einer Keramik und einem zweiten Katalysatormetall gebildet ist, das ein auf dem Träger getragenes Katalysatormetall ist.
• Der erste und der zweite Träger sind jeweils vorzugsweise ein poröser Körper, der durch Aggregation von oxidischen Primärpartikeln gebildet wird. Unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der spezifischen Oberflächen der Träger ist es bevorzugt, dass die Träger eine hohe Beständigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen, sodass kein Phasenübergang und keine starke Verringerung der spezifischen Oberfläche in einer Hochtemperaturatmosphäre auftritt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Träger aus Spinell gebildet, und der zweite Träger wird aus Aluminiumoxid gebildet.
• Die ersten und zweiten Katalysatormetalle ermöglichen unterschiedliche Reaktionen der Gemischkomponenten (wie HC, CO, NOx und Wasserstoff) im Abgas. In der vorliegenden Ausführungsform ist das erste verwendete Katalysatormetall ein anderes als ein Katalysatormetall, das die Reduktionsreaktionen von NOx erleichtert, und ist Platin (Pt), das als Katalysator dient, der die Oxidationsreaktionen von unverbrannten Komponenten wie HC und CO ermöglicht, und das zweite verwendete Katalysatormetall ist Rhodium (Rh), das als Katalysator dient, der die Reduktionsreaktionen von NOx ermöglicht.
• Der durchschnittliche Porendurchmesser der Zwischenschicht 182 ist größer als der durchschnittliche Porendurchmesser der zweiten Katalysatorschicht 183. Daher ist, selbst wenn Wasser von außen an dem Sensorelement 100 anhaftet, ein Eindringen des Wassers in die Innenseite der Zwischenschicht 182 aufgrund von Kapillarität unwahrscheinlich, und eine Rissbildung des Sensorelements 100 aufgrund von Benetzung kann verhindert werden.
• Die äußerste Schicht 184 ist eine Schicht, die das Sensorelement 100 schützt und die gesamte Erfassungselektrode 130 durch die erste Katalysatorschicht 181, die Zwischenschicht 182 und die zweite Katalysatorschicht 183 abdeckt. Die äußerste Schicht 184 wird beispielsweise aus mindestens einer Keramik gebildet, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Spinell, Zirkonoxid, Mullit, Zirkon und Cordierit als Hauptbestandteil besteht, und auf der äußersten Schicht 184 wird kein Katalysatormetall getragen. Insbesondere kann die äußerste Schicht 184 Glas enthalten und kann weggelassen werden.
• Insbesondere kann die Tatsache, dass die im Sensorelement vorgesehene Schutzschicht 180 die oben beschriebene Struktur einschließlich der ersten Katalysatorschicht- 181 und der zweiten Katalvqatnrqrhirhl- 183 aufweist, beispielsweise durch die Durchführung eines Mappings für die Edelmetalle auf einem Querschnitt einschließlich der Katalysatorschichten im Sensorelement durch Verwendung eines EPMA-WDS (wellenlängendispersives Röntgenspektrometer) oder eines EPMA-EDS (energiedispersives Röntgenspektrometer) bestätigt werden.
• Die Erfassungselektrode 130 in der vorliegenden Ausführungsform entspricht der ersten Elektrode in den Ansprüchen, und die Referenzelektrode 120 entspricht der zweiten Elektrode in den Ansprüchen.
• VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SENSORELEMENTS:
• 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 100 der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Zur Herstellung des Sensorelements 100 wird zunächst der Festelektrolytkörper 110 vorbereitet, und die Referenzelektrode 120 und die Erfassungselektrode 130 werden auf entsprechenden Oberflächen des vorbereiteten Festelektrolytkörpers 110 ausgebildet (Schritt T100). Insbesondere wird das Material des Festelektrolytkörpers 110 (z. B. Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid-Pulver) gepresst und in eine in 2 gezeigte Form (Rohrform) geschnitten, um ein grünes Werkstück (Grünling) zu erhalten, und der Grünling wird gebrannt, um den Festelektrolytkörper 110 zu erhalten. Anschließend werden z. B. durch stromloses Abscheiden die Referenzelektrode 120 und die Erfassungselektrode 130 an vorgegebenen Positionen auf den jeweiligen Oberflächen des Festelektrolytkörpers 110 ausgebildet.
• Dann wird eine Keramik (z.B. Spinell), die als erster Träger verwendet wird, thermisch aufgesprüht, sodass sie die Erfassungselektrode 130 bedeckt, um dadurch eine Schicht des ersten Trägers (T110) zu erhalten. Insbesondere kann auch ein anderes Verfahren als das thermische Aufspritzen zur Bildung der ersten Trägerschicht verwendet werden. Die erste Trägerschicht kann auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 unter Verwendung eines bekannten Verfahrens gebildet werden, das beispielsweise die Herstellung einer Aufschlämmung des ersten Trägers und das Eintauchen des Festelektrolytkörpers 110 in die Aufschlämmung umfasst.
• Dann wird zur Bildung der ersten Katalysatorschicht 181 das erste Katalysatormetall auf dem thermisch aufgesprühten ersten Träger aufgebracht (Schritt T120). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Festelektrolytkörper 110 mit dem thermisch aufgesprühten ersten Träger in eine Lösung getaucht, die Platin (Pt) als erstes Katalysatormetall enthält, nämlich eine wässrige Lösung von z.B. Chlorplatinsäure oder Dinitroaminplatinnitrat. Dann wird der resultierende Festelektrolytkörper 110 getrocknet, um Pt auf dem ersten Träger zu tragen. Das Trägerverfahren ist nicht auf das obige Verfahren beschränkt. Die erste Katalysatorschicht 181 kann z. B. auch durch das folgende Verfahren erhalten werden. Das erste Katalysatormetall wird im Voraus mit einem bekannten Verfahren auf dem ersten Träger aufgebracht, und eine Aufschlämmung des ersten Trägers, der das erste Katalysatormetall trägt, wird hergestellt, dann auf den Festelektrolytkörper in T110 aufgebracht und getrocknet.
• Anschließend wird zur Bildung der Zwischenschicht 182 eine Zwischenschichtaufschlämmung hergestellt und auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 110 (T130) getrocknet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Zwischenschichtaufschlämmung durch Zugabe eines porenbildenden Mittels (wie Kohlenstoff) und eines Bindemittels zu Aluminiumoxidpulver hergestellt. Die hergestellte Zwischenschichtaufschlämmung wird auf die äußere Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 aufgebracht, um die in Schritt T120 gebildete Vorläuferschicht für die erste Katalysatorschicht 181 zu bedecken, und dann getrocknet.
• Um die zweite Katalysatorschicht 183 zu bilden, wird eine zweite Aufschlämmung hergestellt, auf die Vorläuferschicht für die Zwischenschicht 182 auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 aufgebracht und dann getrocknet (Schritt T140). Konkret wird die zweite Aufschlämmung durch Zugabe eines porenbildenden Mittels (wie z. B. Kohlenstoff) und eines Bindemittels zu Aluminiumoxidpulver, das als zweiter Träger dient, hergestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Partikeldurchmesser des porenbildenden Mittels, das der zweiten Aufschlämmung zugesetzt wird, größer als der Partikeldurchmesser des porenbildenden Mittels, das der Aufschlämmung der Zwischenschicht zugesetzt wird. Insbesondere ist der durchschnittliche Porendurchmesser der Zwischenschicht 182 nach der später beschriebenen Wärmebehandlung größer als der durchschnittliche Porendurchmesser der zweiten Katalysatorschicht 183.
• Nach dem Trocknen wird der Festelektrolytkörper 110 mit der gebildeten Vorläuferschicht für die erste Katalysatorschicht 181, der Vorläuferschicht für die Zwischenschicht 182 und der zweiten Aufschlämmungsschicht einer Wärmebehandlung (Schritt T150) unterzogen, um die erste Katalysatorschicht 181, die Zwischenschicht 182 und eine Vorläuferschicht für die zweite Katalysatorschicht 183 zu bilden. Die Wärmebehandlung (Schritt 150) wird durchgeführt, um die Bindemittelkomponenten in den Aufschlämmungen auszubrennen, den getragenen Edelmetallkomplex thermisch zu zersetzen, um das Edelmetall zu erhalten, usw. Bei der Wärmebehandlung wird z.B. ein Erwärmungsofen verwendet, wobei die Temperatur der Atmosphäre im Erwärmungsofen auf 1000°C eingestellt werden kann.
• Eine Lösung, die Rhodium (Rh) enthält, das als zweites Katalysatormetall dient, insbesondere eine Lösung eines wasserlöslichen Salzes wie Rhodiumchlorid, Rhodiumnitrat oder Rhodiumoxidhydrat (d.h. Rhodiumhydroxid), wird hergestellt, und der Festelektrolytkörper 110 wird in die hergestellte Lösung eingetaucht und getrocknet, um zu bewirken, dass das zweite Katalysatormetall auf der Vorläuferschicht für die zweite Katalysatorschicht 183 getragen wird (Schritt T160). In der vorliegenden Ausführungsform wird, da der durchschnittliche Porendurchmesser der Zwischenschicht 182 wie oben beschrieben größer ist als der durchschnittliche Porendurchmesser der zweiten Katalysatorschicht 183, das Eindringen der Rh-haltigen wässrigen Lösung in die Zwischenschicht 182 aufgrund von Kapillarität verhindert. Daher wird die Zwischenschicht 182 auch dann nicht mit Rh imprägniert, wenn die Imprägnierbedingungen wie z. B. die Eintauchzeit nicht genau gesteuert werden, und nur die zweite Katalysatorschicht 183 wird mit Rh imprägniert. Natürlich kann auch dann, wenn das Verhältnis zwischen dem Porendurchmesser der Zwischenschicht 182 und dem Porendurchmesser der zweiten Katalysatorschicht 183 von dem Verhältnis in der vorliegenden Ausführungsform abweicht, nur die zweite Katalysatorschicht 183 mit Rh imprägniert werden, indem die Temperatur der Lösung, ihre Konzentration, die Eintauchzeit usw. entsprechend eingestellt werden.
• Das Trägerverfahren ist nicht auf das obige Verfahren beschränkt. Zum Beispiel kann eine zweite Aufschlämmung, die das zweite Katalysatormetall enthält, hergestellt werden. Dann kann die zweite Aufschlämmung, die das zweite Katalysatormetall enthält, auf den Festelektrolyten 110 aufgebracht und anschließend getrocknet werden.
• Dann wird die äußerste Schicht 184 auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers 110 gebildet, sodass sie die zweite Katalysatorschicht 183 bedeckt (Schritt T170). Dadurch wird die Schutzschicht 180 erhalten und das Sensorelement 100 fertiggestellt. Zur Bildung der äußersten Schicht 184 wird zunächst ein Material für die Schutzschicht, das eine Keramik als Hauptkomponente enthält, auf die zweite Katalysatorschicht 183 aufgebracht und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen.
• Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform:
• In dem Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform, der derart konfiguriert ist, wie oben beschrieben, sind die erste Katalysatorschicht 181 und die zweite Katalysatorschicht 182 so ausgebildet, dass sie die Erfassungselektrode 130 abdecken. Die erste Katalysatorschicht 181 trägt nur Platin (Pt), das ein anderes Katalysatormetall als ein Katalysator ist, der die NOx-Reduktionsreaktionen erleichtert, und die Oxidationsreaktionen von Wasserstoff, HC, etc. erleichtert. Die zweite Katalysatorschicht 183 trägt nur Rhodium (Rh), das die NOx-Reduktionsreaktionen unterstützt. Daher passiert das Abgas, das von der Außenseite des Sensorelements 100 auf die äußere Oberfläche des Sensorelements 100 trifft, die Schutzschicht 180 in der Reihenfolge der äußersten Schicht 184, der zweiten Katalysatorschicht 183, der Zwischenschicht 182 und der ersten Katalysatorschicht 181, wie z. B. durch einen Pfad G in 2 dargestellt, und erreicht dann die Erfassungselektrode 130. Während des Durchgangs des Abgases durch die zweite Katalysatorschicht 183 wird NOx reduziert, wobei die Reduktion durch Rh katalysiert wird. Während des Durchgangs des resultierenden Abgases durch die erste Katalysatorschicht 181 werden unverbrannte Komponenten wie Wasserstoff, HC und CO oxidiert, wobei die Oxidation durch Pt katalysiert wird. Anschließend erreicht das Abgas mit den entfernten Gemischkomponenten die Erfassungselektrode 130. Dadurch wird die Nachweisgenauigkeit des Gassensors erhöht.
• Die erste Katalysatorschicht 181 trägt nur Pt, und die zweite Katalysatorschicht 183 trägt nur Rh. Daher ermöglicht die katalytische Wirkung von Pt die Oxidationsreaktionen der unverbrannten Komponenten im Abgas, und die katalytische Wirkung von Rh ermöglicht die Reduktionsreaktionen von NOx im Abgas. Außerdem wird Rh bei der Herstellung und Verwendung des Gassensors nicht mit dem anderen Edelmetall legiert, und die reinigungskatalytischen Eigenschaften für die Gemischkomponenten im Abgas, insbesondere die katalytischen Eigenschaften für die Reduktionsreaktionen von NOx, bleiben stabil erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zwischenschicht 182 zwischen der ersten Katalysatorschicht 181 und der zweiten Katalysatorschicht 183 ausgebildet, d.h. die erste Katalysatorschicht 181 und die zweite Katalysatorschicht 183 sind so ausgebildet, dass die erste Katalysatorschicht 181 und die zweite Katalysatorschicht 183 nicht miteinander in Kontakt sind. Daher findet an der Grenzfläche zwischen der ersten Katalysatorschicht 181 und der zweiten Katalysatorschicht 183 keine Legierung statt, und die reinigungskatalytischen Eigenschaften für die Gemischkomponenten im Abgas, insbesondere die katalytischen Eigenschaften für die NOx-Reduktionsreaktionen, bleiben vorzugsweise erhalten.
• Im Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform trägt die erste Katalysatorschicht 181 als erstes Katalysatormetall nur Platin (Pt), das die Oxidationsreaktionen von Wasserstoff, HC, etc. ermöglicht, und die zweite Katalysatorschicht 183 trägt als zweites Katalysatormetall nur Rhodium (Rh), das die NOx-Reduktionsreaktionen ermöglicht. Im Einzelnen trägt jede dieser Katalysatorschichten ein Katalysatormetall. Dadurch kann vorzugsweise eine Legierung verhindert werden, und die katalytischen Eigenschaften bleiben erhalten.
• In dem Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform besteht das Edelmetall in der Erfassungselektrode 130 aus Pt, und die erste Katalysatorschicht 181 trägt Pt. Daher kann keine Legierung zwischen der Erfassungselektrode 130 und der ersten Katalysatorschicht 181 auftreten, und die katalytischen Eigenschaften können vorzugsweise beibehalten werden.
• In dem Gassensor 10 der vorliegenden Ausführungsform ist der mittlere Porendurchmesser der Zwischenschicht 182 größer als der mittlere Porendurchmesser der zweiten Katalysatorschicht 183. Daher ist, selbst wenn Wasser von außen an dem Sensorelement 100 anhaftet, ein Eindringen des Wassers in die Innenseite der Zwischenschicht 182 aufgrund von Kapillarität unwahrscheinlich, und eine Rissbildung des Sensorelements 100 aufgrund von Benetzung kann verhindert werden.
• In der vorliegenden Ausführungsform trägt die erste Katalysatorschicht 181 nur Pt, und die zweite Katalysatorschicht 183 trägt nur Rh, aber es kann auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Zum Beispiel kann Pd anstelle von Pt getragen werden. Wenn eine Änderung der Sensoreigenschaften aufgrund von Legierungen zulässig ist, kann eine Vielzahl von Edelmetallen verwendet werden. Da z. B. sowohl Pt als auch Pd Edelmetalle sind, die die Oxidationsreaktionen von unverbrannten Komponenten wie HC und CO erleichtern, ist der Einfluss der Legierung auf die Sensoreigenschaften relativ gering. Daher können, wenn der Einfluss der Legierung zulässig ist, sowohl Pt als auch Pd getragen werden. Anstelle von Rh können z. B. auch Ru oder Ir getragen werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Katalysatorschicht 181 auf der Innenseite und die zweite Katalysatorschicht 183 auf der Außenseite ausgebildet. Es kann jedoch auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Zum Beispiel kann die Lagebeziehung zwischen der ersten Katalysatorschicht 181 und der zweiten Katalysatorschicht 183 umgekehrt sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Erfassungselektrode 130 und das auf der ersten Katalysatorschicht 181 getragene Metall das gleiche Metall sind, aber dies ist keine Einschränkung.
• In der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen der ersten Katalysatorschicht 181 und der zweiten Katalysatorschicht 183 eine Zwischenschicht 182 angeordnet, es kann aber auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Beispielsweise können anstelle der Zwischenschicht 182 auch zwei oder mehr Schichten vorgesehen sein. In diesem Fall ist es erforderlich, dass kein Edelmetallkatalysator auf Schichten, die an die erste Katalysatorschicht 181 und die zweite Katalysatorschicht 183 angrenzen, getragen wird.
• Alternativ kann z. B. anstelle der Zwischenschicht 182 ein Zwischenraum vorgesehen sein. In diesem Fall ist die erste Katalysatorschicht von der zweiten Katalysatorschicht beabstandet, und die äußere der ersten und zweiten Katalysatorschicht ist beispielsweise so ausgebildet, dass sie direkt mit dem Festelektrolytkörper verbunden ist oder mit einem anderen im Gassensor enthaltenen Teil verbunden ist. Der Zwischenraum wird zum Beispiel dadurch gebildet, dass anstelle der Zwischenschichtaufschlämmung eine Paste aus brennbarem Material (wie Kohlenstoff) in Schritt T130 des Auftragens der Zwischenschichtaufschlämmung aufgebracht wird. In diesem Fall brennt das brennbare Material während der Erwärmung aus, und der Zwischenraum wird dadurch gebildet.
• Zweite Ausführungsform
• Aufbau des Gassensors:
• 4 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Gassensors 800 einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie der Gassensor 10 der ersten Ausführungsform ist der Gassensor 800 ein Sensor zur Messung der Konzentration eines bestimmten Gases, das in dem als Messgas verwendeten Abgas enthalten ist. In der vorliegenden Ausführungsform misst der Gassensor 800 die Konzentration von Sauerstoffgas.
• 4 zeigt einen Querschnitt in einer axialen Richtung CD. Die Axialrichtung CD ist eine Richtung parallel zu einer Axiallinie CL des Gassensors 800, d.h. die Längsrichtung des Gassensors 800. In der folgenden Beschreibung wird die untere Seite im Zeichenblatt von 4 auch als vordere Endseite AS des Gassensors 800 bezeichnet, und die obere Seite im Zeichenblatt von 4 wird auch als hintere Endseite BS des Gassensors 800 bezeichnet.
• Der Gassensor 800 umfasst: ein plattenförmiges Sensorelement 807, das sich in der axialen Richtung CD erstreckt; ein Trennelement 866, in das die hintere Endseite BS des Sensorelements 807 eingesetzt ist; Metallanschlussgehäuse 810 in Kontakt mit Elektrodenanschlüssen 830, die auf der hinteren Endseite BS des Sensorelements 807 ausgebildet sind; und ein Metallgehäuse 838, das das Sensorelement 807 an einer Position auf der vorderen Endseite AS des Trennelements 866 umgibt. In der vorliegenden Ausführungsform dient „das Sensorelement 807“ als „Gassensor-Element“. Es sind vier Elektrodenanschlüsse 830 und vier Metallanschlusselemente 810 vorgesehen. In 4 sind nur zwei Elektrodenanschlüsse 830 und zwei metallische Anschlusselemente 810 dargestellt.
• Das Sensorelement 807 erzeugt ein Signal zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Das Sensorelement 807 hat eine erste Plattenfläche 821, die seine Hauptfläche bildet, und eine zweite Plattenfläche 823, die eine der ersten Plattenfläche 821 gegenüberliegende Rückfläche ist. Das Sensorelement 807 wird durch Stapeln einer Vielzahl von plattenförmigen Elementen gebildet, wie später beschrieben. Eine Richtung orthogonal zur axialen Richtung CD und ebenfalls orthogonal zur ersten Plattenfläche 821 und der zweiten Plattenfläche 823 wird als Stapelrichtung FD bezeichnet. Das Sensorelement 807 umfasst: einen Erfassungsabschnitt 808, der sich an der vorderen Endseite AS befindet und dem zu messenden Gas ausgesetzt ist; und die vier Elektrodenanschlüsse 830, die sich an der hinteren Endseite BS befinden und mit den jeweiligen Metallanschlusselementen 810 in Kontakt stehen. Zwei der vier Elektrodenanschlüsse 830 sind auf der ersten Plattenfläche 821 und die beiden anderen auf der zweiten Plattenfläche 823 ausgebildet. Das Sensorelement 807 ist innerhalb des Metallgehäuses 838 befestigt, wobei der Erfassungsabschnitt 808 des Sensorelements 807 aus dem vorderen Ende des Metallgehäuses 838 und die Elektrodenanschlüsse 830 aus dem hinteren Ende des Metallgehäuses 838 herausragen. Die Details des Sensorelements 807 werden später beschrieben.
• Das Trennelement 866 ist aus einem Isolationselement, wie z. B. Aluminiumoxid, gebildet. Das Trennelement 866 hat eine annähernd röhrenförmige Form. Das Trennelement 866 ist so angeordnet, dass es einen hinteren Endabschnitt des Sensorelements 807 umgibt, in dem die Elektrodenanschlüsse 830 angeordnet sind. Das Trennelement 866 hat einen Einführungsabschnitt 865a, in den der hintere Endabschnitt des Sensorelements 807 eingeführt wird, und vier Nuten 865b (in der Abbildung sind nur zwei Nuten dargestellt), die an der Innenwandfläche des Einführungsabschnitts 865a ausgebildet sind. Die vier Nuten 865b erstrecken sich in axialer Richtung CD durch das Trennelement 866 von seiner vorderendseitigen Stirnfläche 868 bis zu seiner rückendseitigen Stirnfläche 862. Jedes der Metallanschlusselemente 810 wird in eine entsprechende der vier Nuten 865b eingesetzt. Das Trennelement 866 hat einen Flanschabschnitt 867, der an der hinteren Endseite BS angeordnet ist und radial nach außen ragt.
• Die in die jeweiligen Nuten 865b eingesetzten Metallanschlusselemente 810 sind so angeordnet, dass sie sich in Stapelrichtung FD zwischen dem Sensorelement 807 und dem Trennelement 866 befinden. Die Metallanschlusselemente 810 sind zwischen dem Sensorelement 807 und dem Trennelement 866 eingebettet. Die Metallanschlusselemente 810 bilden Strompfade zwischen dem Sensorelement 807 und einem externen Gerät zur Berechnung der Sauerstoffkonzentration. Die Metallanschlusselemente 810 sind elektrisch mit Anschlussdrähten 846 verbunden, die so angeordnet sind, dass sie sich von der Außenseite des Gassensors 800 nach innen erstrecken und auch elektrisch mit den Elektrodenanschlüssen 830 des Sensorelements 807 verbunden sind. Es sind vier Anschlussdrähte 846 vorgesehen, die den vier Elektrodenanschlüssen 830 entsprechen und elektrisch mit dem externen Gerät verbunden sind (in der Abbildung sind nur zwei dargestellt).
• Das Metallgehäuse 838 ist ein annähernd rohrförmiges Metallteil. Das Metallgehäuse 838 weist ein Durchgangsloch 854 auf, das es in der Axialrichtung CD durchsetzt, und ein Absatz 852, die in Richtung eines radial innen liegenden Bereichs des Durchgangslochs 854 vorsteht. Das Metallgehäuse 838 hält das Sensorelement 807 innerhalb des Durchgangslochs 854 so, dass der Erfassungsabschnitt 808 an der vorderen Endseite AS des Durchgangslochs 854 und die Elektrodenanschlüsse 830 an der hinteren Endseite BS des Durchgangslochs 854 angeordnet sind. Der Absatz 852 ist als eine sich nach innen verjüngende Fläche ausgebildet, die in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur axialen Richtung CD geneigt ist. An der Außenfläche des Metallgehäuses 838 ist ein Gewindeabschnitt 839 zur Befestigung des Gassensors 800 an einem Abgasrohr ausgebildet.
• Ein ringförmiger Keramikhalter 853, ein Talkumring 856 und eine Keramikhülse 806 sind innerhalb des Durchgangslochs 854 in dieser Reihenfolge von der vorderen Endseite AS zur hinteren Endseite BS gestapelt, sodass sie den Außenumfang des Sensorelements 807 umgeben. Eine Crimpdichtung 857 ist zwischen der Keramikhülse 806 und einem hinteren Endabschnitt 840 des Metallgehäuses 838 angeordnet. Der hintere Endabschnitt 840 des Metallgehäuses 838 ist so gecrimpt, dass die Keramikhülse 806 durch die Crimpdichtung 857 in Richtung der vorderen Endseite AS gedrückt wird.
• Der Gassensor 800 umfasst weiterhin: ein Außengehäuse 844, das am Außenumfang des Metallgehäuses 838 an der hinteren Endseite BS befestigt ist; ein Halteelement 869 zum Halten des Trennelements 866; eine Kabeldurchführung 850, die an der hinteren Endseite BS des Außengehäuses 844 angeordnet ist; und äußere und innere Protektoren 842 und 843, die am Außenumfang des Metallgehäuses 838 an der vorderen Endseite AS befestigt sind.
• Das Außengehäuse 844 ist ein annähernd röhrenförmiges metallisches Element. Der Außenumfang des Außengehäuses 844 ist an seiner vorderen Stirnseite AS mit dem Metallgehäuse 838 verbunden, z.B. durch Laserschweißen. Das Außengehäuse 844 ist an der hinteren Endseite BS im Außendurchmesser reduziert, und die Kabeldurchführung 850 ist in eine Öffnung des durchmesserreduzierten Abschnitts des Außengehäuses 844 eingesetzt. In der Kabeldurchführung 850 sind vier Anschlussdraht-Einführungslöcher 861 (in 4 sind nur zwei dargestellt) zum Einführen der Anschlussdrähte 846 ausgebildet.
• Das Halteelement 869 ist ein annähernd rohrförmiges metallisches Element. Das Halteelement 869 ist an dem Außengehäuse 844 befestigt und innerhalb des Außengehäuses 844 positioniert. Der Flanschabschnitt 867 des Trennelements 866 liegt mit seiner hinteren Endseite BS an dem Halteelement 869 an, und das Trennelement 866 wird dadurch von dem Halteelement 869 gehalten.
• Der äußere Protektor 842 und der innere Protektor 843 sind rohrförmige Metallteile mit geschlossenem Boden und einer Vielzahl von Löchern. Der Außenprotektor 842 und der Innenprotektor 843 sind am Außenumfang des Metallgehäuses 838 an dessen vorderer Stirnseite AS befestigt, z.B. durch Laserschweißen. Der äußere Protektor 842 und der innere Protektor 843 decken den Erfassungsabschnitt 808 ab und schützen so das Sensorelement 807. Das zu messende Gas strömt durch die Vielzahl von Löchern, die in der äußeren Schutzhaube 842 und der inneren Schutzhaube 843 ausgebildet sind, in das Innere der inneren Schutzhaube 843.
• Aufbau des Gassensor-Elements:
• 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Sensorelements 807. Die in 8 dargestellte axiale Richtung CD, die Stapelrichtung FD, die vordere Endseite AS und die hintere Endseite BS entsprechen denen in 7. Das Sensorelement 807 enthält einen Katalysatorabschnitt 872, eine Isolationsschicht 871, eine Erfassungselektrode 873, einen Festelektrolytkörper 874, eine Referenzelektrode 875, eine Isolationsschicht 876, eine Heizung 877 und eine Isolationsschicht 878. Diese Komponenten sind in dieser Reihenfolge in der Stapelrichtung FD gestapelt.
• In 5 sind auch die vier Elektrodenanschlüsse 830 (konkret die Elektrodenanschlüsse 831 bis 834) dargestellt. Die Elektrodenklemmen 830 dienen dem elektrischen Anschluss des Sensorelements 807. Jeder der Elektrodenanschlüsse 830 ist z. B. aus Platin oder Rhodium gebildet und hat eine annähernd rechteckige Oberfläche. Die Elektrodenanschlüsse 830 können z. B. im Siebdruckverfahren mit einer Paste hergestellt werden, die als Hauptbestandteil Platin enthält. Die Elektrodenanschlüsse 831 und 832 sind auf der ersten Plattenfläche 821 der Isolationsschicht 871 so ausgebildet, dass sie in einer Richtung senkrecht zur Achsrichtung CD auf der hinteren Endseite BS des Sensorelements 807 angeordnet sind. Die Elektrodenanschlüsse 833 und 834 sind auf der zweiten Plattenfläche 823 der Isolationsschicht 878 so ausgebildet, dass sie in Richtung senkrecht zur axialen Richtung CD auf der hinteren Endseite BS des Sensorelements 807 angeordnet sind.
• Die Isolationsschichten 871, 876 und 878 isolieren die vorgenannten Schichten elektrisch gegeneinander. Die Isolationsschicht 871 fungiert auch als Schutzschicht zum Schutz der Erfassungselektrode 873. Die Isolationsschichten 871, 876 und 878 sind rechteckige Plattenelemente, die als Hauptbestandteil aus Aluminiumoxid gebildet ist. Ein rechteckiges Loch, das sich in Stapelrichtung FD durch die Isolationsschicht 871 erstreckt, ist an der vorderen Endseite AS der Isolationsschicht 871 ausgebildet, und in diesem Loch ist eine poröse Schicht 879 gebildet. Die poröse Schicht 879 ist vorgesehen, um das zur Erfassungselektrode 873 strömende Abgas zu diffundieren. Die poröse Schicht 879 ist aus einem Katalysator gebildet, in dem Platin (Pt) dispergiert und auf Aluminiumoxid, das als Träger dient, aufgebracht ist. Die poröse Schicht 879 hat die Funktion, die Gemischkomponenten im Abgas zu reinigen, bevor das Abgas die Erfassungselektrode 873 erreicht. Im Sensorelement 807 ist ein Abschnitt, der die poröse Schicht 879 auf der vorderen Endseite AS enthält, im oben beschriebenen Erfassungsabschnitt 808 enthalten. An der hinteren Endseite BS der Isolationsschicht 871 sind zwei Durchgangslöcher 914 und 916 ausgebildet, die sich durch die Isolationsschicht 871 in Stapelrichtung FD erstrecken. In ähnlicher Weise sind zwei Durchgangslöcher 984 und 986, die sich in Stapelrichtung FD durch die Isolationsschicht 878 erstrecken, an der hinteren Endseite BS der Isolationsschicht 878 ausgebildet.
• Der Oberflächenschutzabschnitt 872 ist annähernd rechteckig geformt, auf der ersten Plattenfläche 821 der Isolationsschicht 871 angeordnet, sodass er die gesamte poröse Schicht 879 bedeckt, und hat die Funktion, die Gemischkomponenten im Abgas zu reinigen, bevor das Abgas die Erfassungselektrode 873 erreicht. Der Oberflächenschutzabschnitt 872 umfasst eine Zwischenschicht 872a, die auf der Seite in Kontakt mit der Isolationsschicht 871 angeordnet ist, und eine zweite Katalysatorschicht 872b, die auf der von der Isolationsschicht 871 beabstandeten Seite angeordnet ist. Die Zwischenschicht 872a ist ein poröser Körper, der aus Aluminiumoxid gebildet ist, wie die Zwischenschicht 181 in der ersten Ausführungsform. Die zweite Katalysatorschicht 872b hat die gleiche Struktur wie die zweite Katalysatorschicht 183 in der ersten Ausführungsform. Insbesondere besteht die zweite Katalysatorschicht 872b aus einem Katalysator, in dem Rhodium (Rh), das als zweites Katalysatormetall verwendet wird, in Aluminiumoxidpulver, das als zweiter Träger verwendet wird, dispergiert und von diesem getragen wird.
• Die poröse Schicht 879 kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass ein erstes Katalysatormetall auf einem ersten Träger nach einem bekannten Verfahren aufgebracht wird, um dadurch eine erste Aufschlämmung herzustellen, und dann ein in der Isolationsschicht 871 gebildetes Durchgangsloch mit der ersten Aufschlämmung gefüllt wird. Die Zwischenschicht 872a kann gebildet werden, indem eine Zwischenschichtaufschlämmung hergestellt wird, die Aluminiumoxid und ein porenbildendes Mittel enthält, und die Zwischenschichtaufschlämmung so aufgetragen wird, dass sie die erste Aufschlämmungsschicht bedeckt. Die zweite Katalysatorschicht 872b kann gebildet werden, indem das zweite Katalysatormetall auf den zweiten Träger aufgebracht wird, um dadurch eine zweite Aufschlämmung herzustellen, und dann die zweite Aufschlämmung auf die Schicht der Zwischenschichtpaste aufgebracht wird, wie in der ersten Ausführungsform. Die durch Auftragen der ersten Aufschlämmung, der Zwischenschichtaufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung gebildeten Schichten können in die poröse Schicht 879, die Zwischenschicht 872a bzw. die zweite Katalysatorschicht 872b umgewandelt werden, indem z. B. die Komponenten des Sensorelements 807 einschließlich der Isolationsschichten 871, 876 und 878 gestapelt werden und der gesamte Stapel einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
• Die Verfahren zur Herstellung der porösen Schicht 879 und der zweiten Katalysatorschicht 872b sind nicht auf die obigen Verfahren beschränkt. Die poröse Schicht 879 kann zum Beispiel wie folgt erhalten werden. Nachdem eine nur aus dem ersten Träger bestehende Schicht auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 874 gebildet wurde, wird eine Lösung des ersten Katalysatormetalls auf die erste Trägerschicht aufgebracht, um die erste Trägerschicht mit dem ersten Katalysatormetall zu imprägnieren. Die zweite Katalysatorschicht 872b kann wie folgt erhalten werden. Nachdem eine nur aus dem zweiten Träger bestehende Schicht auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 874 gebildet ist, wird der Festelektrolytkörper 874 in eine Lösung des zweiten Katalysatormetalls eingetaucht, um den zweiten Träger mit der Lösung zu imprägnieren.
• Der Festelektrolytkörper 874 dient zusammen mit der Erfassungselektrode 873 und der Referenzelektrode 875 als Sauerstoffkonzentrationszelle zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Der Festelektrolytkörper 874 ist ein rechteckiges, plattenförmiges Element und besteht aus einem Festelektrolyten, der eine Oxidionenleitfähigkeit (Sauerstoffionenleitfähigkeit) aufweist und derselbe ist wie das konstituierende Material des Festelektrolytkörpers 110 in der ersten Ausführungsform. An der hinteren Endseite BS des Festelektrolytkörpers 874 ist ein Durchgangsloch 946 ausgebildet, das sich in Stapelrichtung FD durch den Festelektrolytkörper 874 erstreckt.
• Die Erfassungselektrode 873 ist z.B. aus Platin oder Rhodium gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Erfassungselektrode 873 aus Platin und Zirkoniumoxid gebildet. Die Erfassungselektrode 873 ist auf der, in Stapelrichtung FD gesehen, einen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 874 (der Oberfläche, auf der die Isolationsschicht 871 angeordnet ist) angeordnet und so ausgebildet, dass sie bei Projektion in Stapelrichtung FD die gesamte poröse Schicht 879 überlappt. Die Erfassungselektrode 873 umfasst einen Erfassungsleitungsabschnitt 932, der sich in Richtung der hinteren Endseite BS erstreckt. Der Erfassungsleitungsabschnitt 932 der Erfassungselektrode 873 ist durch das Durchgangsloch 914 der Isolationsschicht 871 elektrisch mit dem Elektrodenanschluss 831 verbunden.
• Die Referenzelektrode 875 ist z.B. aus Platin oder Rhodium gebildet. Die Referenzelektrode 875 ist auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 874 angeordnet, die sich auf der anderen Seite in Stapelrichtung FD befindet (der Oberfläche, auf der die Isolationsschicht 876 angeordnet ist), und ist so ausgebildet, dass sie die gesamte poröse Schicht 879 überlappt, wenn sie in Stapelrichtung FD projiziert wird. Die Referenzelektrode 875 weist einen Erfassungsleitungsabschnitt 952 auf, der sich in Richtung der hinteren Endseite BS erstreckt. Der Erfassungsleitungsabschnitt 952 der Referenzelektrode 875 ist durch das Durchgangsloch 946 des Festelektrolytkörpers 874 und das Durchgangsloch 916 der Isolationsschicht 871 elektrisch mit dem Elektrodenanschluss 832 verbunden.
• Zwischen der Erfassungselektrode 873 und der Referenzelektrode 875 fließt ein kleiner Strom, und Sauerstoff wird von der Erfassungselektrode 873 zur Referenzelektrode 875 gepumpt. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode 875 auf einem konstanten Niveau zu halten und ein Erfassungssignal zu erzeugen, das in Abhängigkeit von einer Änderung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases in Kontakt mit der Erfassungselektrode 873 variiert, wobei die Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode 875 als Referenz verwendet wird.
• Die Heizung 877 erwärmt das Sensorelement 807 auf eine vorgegebene Aktivierungstemperatur, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolytkörpers 874 zu erhöhen und dadurch den Betrieb des Gassensors 800 zu stabilisieren. Die Heizung 877 ist ein wärmeerzeugender Widerstand, der aus einem Leiter wie z. B. Platin gebildet ist und Wärme erzeugt, wenn ihm elektrische Energie zugeführt wird. Die Heizung 877 befindet sich zwischen der Isolationsschicht 876 und der Isolationsschicht 878. Ein wärmeerzeugender Abschnitt 972 ist an der vorderen Endseite AS der Heizung 877 vorgesehen. Der wärmeerzeugende Abschnitt 972 umfasst einen mäanderförmig angeordneten Wärme-erzeugenden Draht, der bei Erregung Wärme erzeugt. Die Heizung 877 weist an ihrer hinteren Endseite BS Elektrodenanschlüsse 974 und 976 auf. Die Elektrodenanschlüsse 974 und 976 sind durch die Durchgangslöcher 984 und 986 der Isolationsschicht 878 elektrisch mit den Elektrodenanschlüssen 833 und 834 verbunden.
• In dem Gassensor 800 der zweiten Ausführungsform, die derart konfiguriert ist, wie oben beschrieben, strömt das Abgas von der Außenseite des Sensorelements 807 durch einen Pfad, der die zweite Katalysatorschicht 872b, die Zwischenschicht 872a und die poröse Schicht 879 umfasst, und erreicht dann die Erfassungselektrode 873. Die poröse Schicht 879 trägt Platin, und die zweite Katalysatorschicht 872b trägt Rhodium und ist so geformt, dass sie nicht in Kontakt mit der porösen Schicht 879 steht. Daher werden die gleichen Effekte wie beim Gassensor 10 der ersten Ausführungsform erhalten. Die Kombination aus dem ersten Träger und dem ersten Katalysatormetall, das die poröse Schicht 879 bildet, und die Kombination aus dem zweiten Träger und dem zweiten Katalysatormetall, das die zweite Katalysatorschicht 872b bildet, können wie bei der ersten Ausführungsform auf verschiedene Weise modifiziert werden.
• In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Erfassungselektrode 873 der ersten Elektrode in den Ansprüchen, und die Referenzelektrode 875 entspricht der zweiten Elektrode in den Ansprüchen. Die poröse Schicht 879 und der Oberflächenschutzabschnitt 872 entsprechen der Schutzschicht in den Ansprüchen, und die poröse Schicht 879 entspricht der ersten Katalysatorschicht in den Ansprüchen.
• Auch in der vorliegenden Ausführungsform können die gleichen Effekte wie in der ersten Ausführungsform erhalten werden.
• In der vorliegenden Ausführungsform bedecken die poröse Schicht 879 und die zweite Katalysatorschicht 872b, die Trägerschichten für die jeweiligen Katalysatoren sind, nur die Erfassungselektrode 873 und nicht die Referenzelektrode 875. Es kann jedoch auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Schutzschichten, die den gesamten Erfassungsabschnitt 808 bedecken, so vorgesehen werden, dass eine Schicht, die das erste Katalysatormetall trägt, und eine Schicht, die das zweite Katalysatormetall trägt, nicht miteinander in Kontakt sind.
• In der vorliegenden Ausführungsform sind die poröse Schicht 879, die Zwischenschicht 872a und die zweite Katalysatorschicht 872b in dieser Reihenfolge in Stapelrichtung auf der Erfassungselektrode gestapelt, aber dieser Aufbau stellt keine Einschränkung dar. Beispielsweise kann das zweite Katalysatormetall auf der porösen Schicht 879 getragen werden, und eine erste Katalysatorschicht, die das erste Katalysatormetall trägt, kann anstelle der zweiten Katalysatorschicht 872b gebildet werden. Alternativ kann die poröse Schicht 879 beispielsweise kein Katalysatormetall tragen, und der Oberflächenschutzabschnitt 872 kann die erste Katalysatorschicht, die Zwischenschicht und die zweite Katalysatorschicht aufweisen, sodass die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht nicht in direktem Kontakt zueinander stehen.
• In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zwischenschicht 872a zwischen der porösen Schicht 879 und der zweiten Katalysatorschicht 872b ausgebildet. Es kann jedoch auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Beispielsweise kann die Zwischenschicht 872a ganz oder teilweise durch einen Zwischenraum ersetzt werden. In diesem Fall wird z. B. eine Paste aus brennbarem Material (z. B. Kohlenstoff) anstelle der Zwischenschichtaufschlämmung aufgetragen. Das ausbrennbare Material brennt beim Erwärmen aus und der Zwischenraum wird dadurch gebildet.
• In der vorliegenden Ausführungsform ist das Gassensor-Element vom sogenannten Ein-Zellen-Typ, der nur ein Paar von Elektroden enthält, d.h. die Erfassungselektrode 873 und die Referenzelektrode 875. Es kann jedoch auch ein anderer Aufbau verwendet werden. Beispielsweise kann der Gassensor vom sogenannten Zweizellentyp oder vom sogenannten Dreizellentyp sein, der neben der Erfassungselektrode 873 und der Referenzelektrode 875 zusätzliche Elektroden enthält.
• In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Erfassungselektrode 873 und die Referenzelektrode 875 der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode. Es können jedoch auch andere Elektroden verwendet werden, solange mindestens eine der Elektroden dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf ein Gassensorelement angewendet werden, das ein Paar Pumpelektroden zum Pumpen von Sauerstoff zwischen dem außerhalb des Gassensorelements vorhandenen Messgas und einer Messkammer innerhalb des Gassensorelements enthält. In diesem Fall wird das Paar von Pumpelektroden als die erste Elektrode und die zweite Elektrode betrachtet.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Modifikationen beschränkt und kann in verschiedenen anderen Formen ausgeführt werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, Beispielen und Modifikationen, die den technischen Merkmalen in den unter ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einige oder alle der vorgenannten Problemstellungen zu lösen oder um einige oder alle der vorgenannten Effekte zu erzielen. Ein technisches Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung nicht als wesentliches Merkmal beschrieben ist, kann in geeigneter Weise gestrichen werden.
• Bezugszeichenliste

10:

Gassensor

100:

Sensorelement

110:

Festelektrolytkörper

112:

Bohrung

120:

Referenzelektrode

130:

Erfassungselektrode

150:

keramische Heizung

151:

wärmeerzeugender Abschnitt

152:

Heizungsverbindungsanschluss

159, 160:

Dichtung

161:

Keramikhalter

162:

Dichtabschnitt

163:

Keramikhülse

164:

Metallring

170:

Flanschabschnitt

180:

Schutzschicht

181:

erste Katalysatorschicht

182:

Zwischenschicht

183:

zweite Katalysatorschicht

184:

äußerste Schicht

200:

Metallgehäuse

210:

Gewindeabschnitt

220:

Flanschabschnitt

230:

hinterer Endabschnitt

240:

vorderer Endabschnitt

250:

Bohrung

252:

Crimpabschnitt

260:

Stufenabschnitt

300:

Protektor

310:

innerer Protektor

311:

Gaseinlassöffnung

313:

Gasauslassöffnung

320:

äußerer Protektor

410:

Außengehäuse

411:

vorderer Endabschnitt

412:

hinterer Endabschnitt

510:

Anschlussklemme

520:

innere Anschlussklemme

530:

äußere Anschlussklemme

570, 580:

Elementzuleitungsdraht

590:

Heizungsanschlussdraht

600:

Trennelement

610:

Trennelement-Körper

620:

Flanschabschnitt des Trennelements

630:

Anschlussdraht-Einführungsloch

640:

Halteöffnung

700:

Halteelement

710:

Kabeldurchführung

720:

Anschlussdraht-Einführungsloch

730:

Durchgangsloch

800:

Gassensor

806:

Keramikhülse

807:

Sensorelement

808:

Erfassungsabschnitt

810:

Metallanschluss-Element

821:

erste Plattenfläche

823:

zweite Plattenfläche

830 bis 834:

Elektrodenanschluss

838:

Metallgehäuse

839:

Gewindeabschnitt

840:

hinterer Endabschnitt

842:

äußerer Protektor

843:

innerer Protektor

844:

Außengehäuse

846:

Anschlussdraht

850:

Kabeldurchführung

852:

Absatz

853:

Keramikhalter

854:

Durchgangsloch

856:

Talkumring

857:

Crimp-Dichtung

861:

Anschlussdraht-Einführungsloch

862:

rückendseitige Stirnfläche

865a:

Einführungsabschnitt

865b:

Nut

866:

Trennelement

867:

Flanschabschnitt

868:

vorderendseitige Stirnfläche

869:

Halteelement

871:

Isolationsschicht

872:

Oberflächenschutzabschnitt

872a:

Zwischenschicht

872b:

zweite Katalysatorschicht

873:

Erfassungselektrode

874:

Festelektrolytkörper

875:

Referenzelektrode

876:

Isolationsschicht

877:

Heizung

878:

Isolationsschicht

879:

poröse Schicht

900:

Filtereinheit

914, 916:

Durchgangsloch

932:

Erfassungsleitungsabschnitt

946:

Durchgangsloch

952:

Erfassungsleitungsabschnitt

972:

wärmeerzeugender Abschnitt

974:

Elektrodenanschluss

984, 986:

Durchgangsloch

G:

Pfad des zu messenden Gases

• 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 2010256112 [0003]
• JP 2017223495 [0003]

Claims (8)

1. Gassensorelement zur Verwendung, um ein spezifisches Gas in einem zu messenden Gas zu erfassen, wobei das Gassensorelement aufweist: einen Festelektrolytkörper; eine erste Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, die dem zu messenden Gas ausgesetzt werden soll; eine zweite Elektrode, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist; und eine Schutzschicht, die eine Keramik als eine Hauptkomponente enthält und in einem Pfad angeordnet ist, durch den das zu messende Gas von der Außenseite des Gassensorelements zur ersten Elektrode zugeführt wird, wobei die Schutzschicht mindestens eine erste Katalysatorschicht, die ein erstes Katalysatormetall trägt, das kein Metall ist, das eine Reduktionsreaktion von Stickstoffoxid ermöglicht, und eine zweite Katalysatorschicht enthält, die nur ein zweites Katalysatormetall trägt, das die Reduktionsreaktion des Stickstoffoxids ermöglicht, und wobei die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht in dem Pfad so angeordnet sind, dass die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht nicht in direktem Kontakt zueinander stehen.
2. Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht weiterhin eine Zwischenschicht umfasst, die nur aus einer Keramik gebildet ist und zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist, sodass sie mit der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht in Kontakt ist.
3. Gassensorelement nach Anspruch 2, wobei die Zwischenschicht einen durchschnittlichen Porendurchmesser aufweist, der größer ist als der der äußeren der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht.
4. Gassensor-Element nach Anspruch 1, wobei zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht ein Zwischenraum vorgesehen ist.
5. Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sowohl die erste Katalysatorschicht als auch die zweite Katalysatorschicht jeweils nur ein Katalysatormetall trägt.
6. Gassensor-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektrode eine Erfassungselektrode ist und die zweite Elektrode eine Referenzelektrode ist, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, die einem Referenzgas ausgesetzt werden soll.
7. Sensorelement für Gassensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht so ausgebildet ist, dass sie benachbart zu einer Außenfläche der ersten Elektrode ist, und wobei die erste Elektrode ein Metall enthält, das dasselbe ist wie das Katalysatormetall, das von der einen der ersten und zweiten Katalysatorschicht getragen wird, die benachbart zur äußeren Oberfläche der ersten Elektrode ist.
8. Gassensor, der das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisend ist.

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