DE19803532A1 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler, insbeson­ dere einen elektrochemischen Meßfühler, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Elektrochemische Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Sie umfassen ein elektrochemisches Element, welches eine elektrochemische Pumpzelle mit einem vorzugsweise planaren ersten Festelektro­ lytkörper und einer ersten und einer zweiten vor­ zugsweise porösen Elektrode aufweist. Diese Meßfüh­ ler umfassen weiterhin eine elektrochemische Sen­ sorzelle mit einem vorzugsweise planaren zweiten Festelektrolytkörper und einer dritten und einer vierten vorzugsweise porösen Elektrode. Der Meßfüh­ ler weist einen eine Gaszutrittsöffnung umfassenden Gaszutrittskanal auf, der einerseits mit einem Meß­ gasraum verbunden ist. Andererseits ist er mit ei­ nem von den beiden Festelektrolytkörpern um­ schlossenen Hohlraum verbunden.

In dem Gasraum ist eine Diffusionswiderstandsein­ richtung angeordnet, welche eine poröse Füllung enthalten kann.

Das Meßgas gelangt über die Gaszutrittsöffnung und den Gaszutrittskanal in den Gasraum, wobei die er­ ste und die zweite Elektrode der Pumpzelle regulie­ rend auf den Zutritt des Meßgases in den Gasraum wirken und somit für einen kontrollierten Partial­ druck der zu messenden Gaskomponente sorgen. Der elektrochemische Potentialunterschied zwischen den Elektroden des zweiten Festelektrolytkörpers stellt sich aufgrund der unterschiedlichen Gaspartial­ drücke in der Diffusionswiderstandseinrichtung so­ wie einem beispielsweise im zweiten Festelektrolyt­ körper angeordneten Referenzgasraum ein. Der Poten­ tialunterschied kann durch eine außerhalb des elek­ trochemischen Elements liegende Spannungsmeßein­ richtung erfaßt werden.

Meßfühler der oben beschriebenen Art haben unter der Fachbezeichnung planare Breitband-Lambdasonden beispielsweise in der Technik der katalytischen Ab­ gasentgiftung von Verbrennungsmotoren Verwendung gefunden. Ein typischer Aufbau der zum Stand der Technik gehörenden elektrochemischen Meßfühler ist in der DE 38 11 713 dargestellt. Nachteilig bei den bekannten Meßfühlern ist, daß diese insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen eine sogenannte Lambda=1-Welligkeit aufweisen. Dies führt bei Re­ gelvorgängen zu Problemen, bei denen der Lambda- Wert die Regelgröße darstellt. Durch die Welligkeit des Lambda-Signals ist in manchen Fällen eine hin­ reichend stabile Ausgangsgröße nicht einstellbar.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung stellt einen elektrochemischen Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration, zum Beispiel einer Sauerstoffkonzentration, eines Meß­ gases mit einem elektrochemischen Element bereit. Der Meßfühler umfaßt einen ersten Festelektrolyt­ körper mit einer elektrochemischen Pumpzelle und einer ersten (Außenpump-) und einer zweiten (Innen­ pump-)Elektrode. Ferner weist der Meßfühler einen Gasraum auf, der über eine Gaszutrittsöffnung und einem Gaszutrittskanal mit dem Meßgasraum verbunden und in dem eine der beiden Elektroden angeordnet ist. Ferner ist ein zweiter Festelektrolytkörper mit einer elektrochemischen Sensorzelle (Nernst- Zelle) vorgesehen, die eine dritte und eine vierte Elektrode umfaßt. Jede Elektrode weist eine Zu­ leitung zum elektrischen Kontaktieren auf.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Zuleitungen der ersten und zweiten Elektrode von der Zuleitung von zumindest der vierten Elektrode durch eine Ein­ richtung kapazitiv voneinander entkoppelt sind. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, daß kapazitive Kopplungen der Elektrodenzuleitungen in bekannten elektrochemischen Meßfühlern zu einer Rückwirkung der Pumpspannung auf die Nernstspannung der Sensorzelle führen können und daß dies wiederum insbesondere bei höheren Temperaturen, eine Ursache für das bekannte, aber unerwünschte Phänomen der Lambda=1-Welligkeit (Gegenschwing- oder Überschwin­ gerscheinungen des Ausgangssignals bei sprunghaftem Gaswechsel) ist.

Durch die erfindungsgemäße kapazitive Entkopplung der Elektrodenzuleitungen wird die Lambda=1-Wellig­ keit in vorteilhafter Weise verringert oder sogar verhindert.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die die Entkopplung bewirkende Einrichtung durch die Zuleitung der zweiten Elek­ trode gebildet ist. Insbesondere kann dabei vorge­ sehen sein, daß die Zuleitung der ersten und zwei­ ten Elektrode in einem Abstand zueinander überein­ anderliegend angeordnet sind. Dadurch wird eine Einkopplung der Pumpspannung in die Sensorzelle vermieden, so daß die Lambda=1-Welligkeit zumindest herabgesetzt ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Zuleitungen der ersten und zweiten Elektrode mittig im elektrochemischen Element ange­ ordnet sind. Dadurch wird auf einfache Weise die zuvor beschriebene Übereinanderlage der beiden Elektrodenzuleitungen erreicht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Zuleitungen aller Elektroden in einem Abstand zueinander übereinanderliegend an­ geordnet sind. Dadurch wird eine Einkopplung einer Spannung in die Sensorzelle vermieden. Insbesondere dann, wenn eine Meßfühler-Heizung vorgesehen ist. Das heißt, daß auch die Zuleitungen für die Heizung unter oder über den Zuleitungen der Elektroden lie­ gen können.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Einrich­ tung zum kapazitiven Entkoppeln durch eine Elektro­ nen leitende Schicht gebildet ist, die -in einer Weiterbildung der Erfindung- eine sogenannte Foli­ enbinderschicht ist. Diese Folienbinderschicht ver­ bindet vorzugsweise den ersten und den zweiten Elektrolytkörper miteinander und ist damit Teil des koppelnden Festelektrolytkörpers.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Schicht elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Alternativ ist es jedoch auch möglich, daß die Schicht eine eigene Zuleitung zum Herausführen eines Kontaktes aus dem elektrochemischen Element aufweist.

In bevorzugter Ausführungsform weist die Folienbin­ derschicht eine Dotierung mit Cerdioxid oder Titan­ dioxid auf.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemi­ schen Meßfühler und ihrer elektrochemischen Ele­ mente erfolgt zweckmäßigerweise, indem man von plättchen- oder folienförmigen sauerstoffleitenden Festelektrolyten, zum Beispiel aus stabilisiertem Zirkondioxid, ausgeht und diese beidseitig mit je einer inneren und äußeren Pumpelektrode mit dazuge­ hörigen Leiterbahnen beschichtet. Die innere Pump­ elektrode befindet sich dabei in vorteilhafter Weise im Randbereich eines Diffusions- oder Gaszu­ trittkanals, durch den das Meßgas zugeführt wird, und der als Gasdiffusionswiderstand dient. Die so erhaltene Pumpzelle kann dann mit einer in ähnli­ cher Weise hergestellten Sensorzelle (Nernstzelle) aus einer zweiten ausgebildeten Festelektrolytfolie zusammenlaminiert werden, zum Beispiel bei 1300 bis 1550 Grad C, gesintert werden.

Für die Herstellung der porösen Füllungen geht man beispielsweise von porös sinternden Folieneinlagen aus keramischem Material mit geeignetem thermischen Ausdehnungsverhalten, das demjenigen der verwende­ ten Festelektrolytfolien entspricht und nahe kommt, aus. Vorzugsweise verwendet man für die Füllung eine Folieneinlage aus dem keramischen Material, aus dem auch die Festelektrolytfolien bestehen, wo­ bei die Porosität der Einlage durch Porenbildner, wie Thermalrußpulver, organische Kunststoffe oder Salze erzeugt werden kann, die beim Sinterprozeß verbrennen sich zersetzen oder verdampfen. Die Ausgangsmaterialien werden in solchen Mengenver­ hältnissen angewandt, daß sich nach dem Sintern Po­ rositäten von 10 bis 50%, vorzugsweise 40% ergeben, wobei der mittlere Porendurchmesser bei etwa 5 bis 50 µm, vorzugsweise 10 µm liegt.

In besonders vorteilhafter Weise betrifft die Er­ findung Breitband-Lambdasonden zur Bestimmung des Larnbda-Wertes von Gasgemischen in Verbrennungsmoto­ ren. Der Lambda-Wert oder die "Luftzahl" ist dabei als das Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoff- Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis definiert. Die Sonden ermitteln den Sauerstoffgehalt des Abgases über eine Grenz­ stromänderung.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrochemischen Meßfühler,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Ein­ richtung zum kapazitiven Entkoppeln der Elektrodenzuleiten, und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum kapazitiven Entkoppeln der Elektrodenzuleitung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt einen elek­ trochemischen Meßfühler 1, der ein elektrochemi­ sches Element 2, eine Spannungsversorgungseinrich­ tung 3. Ferner ist eine Auswerteeinrichtung vorge­ sehen, die die Ausgangsspannung oder den Ausgangs­ strom des elektrochemischen Elements 2 erfaßt.

Das elektrochemische Element 2 weist eine elektro­ chemische Pumpzelle 5 auf, die aus einem ersten planaren Festelektrolytkörper E, einer ersten po­ rösen Elektrode 7 und einer zweiten porösen Elek­ trode 8 aufgebaut ist. Das Element 2 weist weiter­ hin eine elektrochemische Sensorzelle (Nernstzelle) 9 auf, die aus einem zweiten Festelektrolytkörper 10 sowie einer dritten Elektrode 11 und einer vier­ ten Elektrode 12 aufgebaut ist. Die Pumpzelle 5 wird an der ersten und der zweiten Elektrode 7, 8 mittels der externen Spannungsversorgungseinrich­ tung 3 mit Spannung versorgt. Der erste und der zweite Festelektrolytkörper 6, 10 sind miteinander verbunden und umschließen einen auch als Gasraum 13 bezeichneten inneren Hohlraum 14. Dieser ist mit einem porösen Material 15 ganz gefüllt und enthält die zweite und die dritte Elektrode 8,11. Der Gas­ raum 13 steht über einen teilweise mit einer po­ rösen Füllung beschickten Gaszutrittskanal 15 mit dem Meßgasraum 16 in Verbindung. Die dem Meßgasraum 16 zugewandte Fläche des ersten Festelektrolytkör­ pers 6 ist mit einer porösen keramischen Schutz­ schicht 17 bedeckt. Der zweite Festelektrolytkörper 10 weist einen Referenzgasraum 18 auf. In diesem ist die vierte Elektrode 12 angebracht, die einem Vergleichsgas ausgesetzt ist und eine Referenzelek­ trode bildet.

Schließlich umfaßt das elektrochemische Element 2 noch einen dritten Festelektrolytkörper 19, der eine Heizvorrichtung 20 enthält und mit dem zweiten Festelektrolytkörper 10 verbunden ist.

Das Meßgas gelangt über die Gaszutrittsöffnung 21 und den Gaszutrittskanal 15 in den Gasraum 13, wo­ bei mittels einer an die erste und die zweite Elek­ trode 7,8 der Pumpzelle 5 angelegte Pumpspannung durch Zupumpen oder Abpumpen von Sauerstoff ein kontrollierter Partialdruck eingestellt wird.

Aufgrund der unterschiedlichen Gaspartialdrücke in dem Gasraum 13 sowie einem im zweiten Festelektro­ lytkörper 10 angeordneten Referenzgasraum 18 stellt sich ein elektrochemischer Potentialunterschied zwischen der dritten und der vierten Elektrode 11, 12 des zweiten Elektrolytkörpers 10 ein, der durch ein außerhalb des elektrochemischen Elements lie­ gendes Spannungsmeßgerät 4 (Auswerteeinrichtung) erfaßt wird.

Fig. 2 zeigt in stark vereinfachter Darstellung den elektrochemischen Meßfühler 2 der Fig. 1 in einem Querschnitt im Bereich der als Leiterbahnen ausgebildeten Zuleitungen der Elektroden 7, 8, 11 und 12 sowie der Heizung 20. Die Schnittebene in Fig. 2 liegt parallel zur Zeichungs- bzw. Blatt­ ebene der Fig. 1. Eine Zuleitung 22a bildet die Zuleitung für die erste Elektrode 7; eine Zuleitung 22b ermöglicht eine Kontaktierung der Elektroden 8 und 11; eine Zuleitung 22c ist der vierten Elek­ trode 12 zugeordnet und eine Zuleitung 22d kontak­ tiert die Heizung 20.

Zwischen den Zuleitungen 22a und 22b liegt die Pumpspannung U_s vor, die somit auch an den Elektro­ den 7, 8 anliegt. Die Zuleitungen 22b und 22c füh­ ren die sogenannte Nernstspannung (Sensorspannung) U_n, die an den Elektroden 11, 12 anliegt. Ohne wei­ teres wird in Fig. 2 deutlich, daß die Pumpspan­ nung U_s nicht in die Nernstspannung U_n eingekoppelt ist. Die Zuleitung 22b der Elektroden 7, 11 wirkt als Einrichtung 23 zum kapazitiven Entkoppeln der Pumpspannung U_s von der Nernstspannung U_n. Es ist erkennbar, daß die Zuleitungen 22a und 22b überein­ ander in einem Abstand angeordnet sind. Die Zulei­ tung 22b wird quasi - in Draufsicht gesehen - von der Zuleitung 22a abgedeckt. Durch die Einrichtung 23 erfolgt also eine Entkopplung der beiden Spannun­ gen, so daß im Betrieb - insbesondere bei hohen Tem­ peraturen - keine Beeinflussung der auch als Aus­ gangsspannung bezeichneten Nernstspannung U_n vor­ liegt und somit beim elektrochemischen Element 2 eine geringe Lambda=1-Welligkeit auftritt.

Fig. 3 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des elektrochemi­ schen Elements 2 im Schnitt. Gleiche Teile wie in Fig. 2 sind mit denselben Bezugszeichen versehen, insofern kann auf deren Beschreibung verwiesen wer­ den. In Abweichung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 liegen die Elektroden-Zuleitungen 22a und 22b nicht direkt übereinander. Es stellt sich somit innerhalb des ersten Festelektrolytkörpers 6 die Pumpspannung U_s gemäß eingezeichnetem Spannungs­ pfeil ein. Die Nernstspannung U_n liegt zwischen der Zuleitung 22b und 22c vor. Um eine Einkopplung der Pumpspannung U_s in die Nernstspannung U_n zu verhin­ dern, ist eine Einrichtung 23' vorgesehen, die durch eine Schicht 24 gebildet ist. Diese Schicht 24 ist eine elektrisch leitende Folienbinder­ schicht, die den ersten Festelektrolytkörper 6 und den zweiten Festelektrolytkörper 10 miteinander verbinden kann. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Schicht 24 wird eine kapazitive Entkopplung zwischen der Pumpzelle 5 und der Sensorzelle 9 er­ reicht, da die Schicht 24 mit der Zuleitung 22b elektrisch leitend verbunden ist. Es wird hier also eine Abschirmeinrichtung realisiert. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, die Schicht 24 sepa­ rat zu kortaktieren, wobei sie jedoch auf demselben elektrischen Potential zu halten ist, wie die Zu­ leitung 22b. Die Schicht erstreckt sich zwischen den Zuleitungen 22b und 22c, deckt jedoch die zuge­ hörigen vorzugsweise ringförmigen Elektroden nicht ab.

Claims (12)

1. Elektrochemischer Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration eines Meßgases mit einem elektro­ chemischen Element, umfassend einen ersten Festelektrolytkörper mit einer elektrochemischen Pumpzelle und einer ersten (Außenpump-) und einer zweiten (Innenpump-)Elektrode und mit einem Gas­ raum, der über eine Gaszutrittsöffnung mit dem Meß­ gasraum verbunden ist und in dem die zweite Elek­ trode angeordnet ist, und einen zweiten Fest­ elektrolytkörper mit einer elektrochemischen Sen­ sorzelle (Nernstzelle) und einer dritten und einer vierten Elektrode, wobei jede Elektrode eine Zulei­ tung zum elektrischen Kontaktieren aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen der er­ sten und zweiten Elektrode (7, 8) von der Zuleitung von zumindest der vierten Elektrode (12) durch eine Einrichtung (23; 23') kapazitiv voneinander entkop­ pelt sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Entkopplung bewirkende Einrichtung 23; 23') durch die Zuleitung (22b) der zweiten Elek­ trode (8) gebildet ist.

3. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (22a, 22b) der ersten und zweiten Elektrode (7, 8) in einem Abstand zueinander übereinanderliegen.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (22a, 22b) der ersten und zweiten Elektrode (7, 8) mittig im elektrochemischen Element (2) angeordnet sind.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß sämtliche Zuleitungen (22a, 22b, 22c) der Elektroden (7, 8, 11, 12) in einem Abstand zueinander übereinanderliegen.

6. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung (23; 23') durch eine Elek­ tronen leitende Schicht gebildet ist.

7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schicht (24) eine Folienbinderschicht ist.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schicht (24) elek­ trisch leitend mit der zweiten Elektrode (8) ver­ bunden ist.

9. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folienbinderschicht zwischen dem er­ sten und zweiten Festelektrolytkörper (6, 10) liegt.

10. Meßfühler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Folienbinderschicht mit Cerdioxid oder Titandioxid dotiert ist.

11. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemi­ sche Element (2) zusätzlich einen dritten Festelek­ trolytkörper (19), der eine Heizvorrichtung (20) enthält, umfaßt.

12. Verwendung des elektrochemischen Meßfühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen in Verbrennungsmoto­ ren.