JP2002504235A - 多孔性基準ガスリザーバを有する電気化学的センサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 殊にガス混合物中の酸素含有率を測定するための電気化学的センサ素子を提案しており、これは測定ガスに曝される第１の電極少なくとも１つ、基準ガスに曝される第２の電極少なくとも１つ、加熱装置少なくとも１つ及び基準電極に基準ガスをそれを介して供給することができる基準ガス通路を有する。基準電極（１７）は空孔を備えた体積内容物を介して基準ガス通路（２１）と結合している。体積内容物は成層中、基準ガス通路（２１）と基準電極（１７）との間に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 多孔性基準ガスリザーバを有する電気化学的センサ素子 本発明は請求項１の上位概念に記載の、殊にガス混合物中の酸素濃度を測定す るための電気化学的センサ素子に関する。 背景技術 この種の技術のセンサ素子は公知である。これらはいわゆるプレーナ型センサ 素子として実施されており、担体として形成された固体電解質上に、測定ガスに 曝される第１電極と基準ガスに曝される第２電極を有する。担体には更に抵抗加 熱ヒーターが埋め込まれている。基準電極には、担体に組み込まれた基準ガス通 路を介して多くの場合、空気からなる基準ガスが供給される。基準ガス通路は基 準電極の範囲に同時にガス室を形成し、そのガス室はそこで基準電極に適合する 底面を有し、従って酸素は十分に基準電極に達しうる。加えてＥＰ１２５０６９ Ｂ１号から、基準ガス通路幅を電極幅の長方伸張全体に適合させるか、又は２つ の基準ガス通路を成層面中に相互に平行に設置し、それらにそれぞれ電極を設置 し、その両方の電極を一緒に接続させて基準電極とすることが公知である。広い 基準ガス通路もしくは２つの部分からなる並置された 基準ガス通路の欠点は、抵抗加熱素子のメアンダ状加熱部の一部が常に基準ガス 通路の正射影の範囲にあることである。これにより基準ガス通路の範囲の固体電 解質は過熱される。更に広い基準ガス通路は抵抗加熱素子と電極との間の劣悪な 熱結合をもたらす。困難を除くための１つの可能性をＤＥ１９６０９３２３Ａ１ 号の提案は示しており、その場合、基準ガス通路を加熱装置の範囲で分枝させて 設置している。しかしこの場合、基準電極も分枝させて設置しなければならない 。 発明の利点 請求項１に記載の特徴を有する本発明のセンサ素子は、均一な熱分布で電極と 抵抗加熱素子との間の熱結合の改善が可能であるという利点を示す。基準ガス通 路の縁部の所で隣接する固体電解質層に対して生じ、かつセラミック担体に応力 裂をもたらしうる高められた機械的応力が多孔性層により同時に低減する。広い 基準通路が過剰に応力を受けると、固体電解質層がたわむ。このことは付加的な 機械的応力ももたらす。狭い基準ガス通路により、隣接する固体電解質層のたわ みが回避される。更に基準電極と隣接する多孔性層及びそれに接続する固体電解 質層との広い面積の接触により、それ自体のより良好な付着が達成される。それ というのも基準電極がこれにより、固体電解質シートのラミネート化により隣接 するシートの間に押し込ま れて含まれるためである。このことはその導線にも当てはまり、その際、これに より抵抗も低下する。 本発明の有利な実施態様は残りの従属請求項に記載の特徴を有する。基準ガス 通路は基準電極の範囲で僅かに拡がって亜鈴形を有してよいことを強調しておく 。このことにより、殊に僅かな空孔容量で酸素交換を改善することができる。基 準大気の効果は更に、多孔性層に酸素貯蔵性材料、例えばＣｅＯ₂を添加するこ とにより強められる。このことは例えば、多孔性層又は多孔性電極を含浸させる ことにより行うことができる。 図面の簡単な説明 本発明を次いで実施例で添付の図面を基に詳述する。 図１：本発明のセンサ素子の感知部分の断面図を示している。 図２：第１の実施例による、図１中のＩＩ−ＩＩ線によるセンサ素子の縦断面 を示している。 図３：第２の実施例による、図１中のＩＩ−ＩＩ線によるセンサ素子の縦断面 を示している。 実施例の記載 図１にはセンサ素子の測定ガス側区分の断面図を示している。センサ素子は図 示されていないガスセンサの部材であり、かつセンサのケーシングに固定され、 感知区分で測定ガスに曝される。センサ素子は重なり あった例えば第１の固体電解質層１１、第２の固体電解質層１２及び第３の固体 電解質層１３を有するプレーナ型層構造を有するセラミック担体１０からなる。 第１の固体電解質層１１は外側の広い面積の所にセンサ電極１５を、かつ内側の 広い面積の所に基準電極１７を備えている。センサ電極１５は多孔性保護層１９ で覆われている。第１の固体電解質層１１に隣接して、第２の固体電解質層１２ が存在し、その中央には狭い空洞が走っていて、その空洞が基準ガス通路２１で ある。第２の固体電解質層１２と第３の固体電解質層１３との間には、電気抵抗 加熱素子２３が２つの電気絶縁層２５の間に設置されている。電気絶縁層２５は 使用材料の異なる熱膨張率の故の機械的応力を吸収するために多孔性に形成され ているので、絶縁層２５の回りには気密な固体電解質枠２７が存在する。抵抗加 熱素子２３はセンサ素子の感知区分の所にメアンダー状加熱部として設置されて いる。 基準ガス通路２１はセラミック担体１０の狭い側面に基準ガス開口部２９を有 し、かつセラミック担体１０の反対側のほぼ表面の所まで達し、そこで基準ガス 通路２１は閉じられる。図２に記載の実施例では基準ガス通路２１はその伸張全 体に渡り均一な、例えば四角な断面を有する。例えば、基準ガス通路２１の幅は か焼された状態で０．４〜０．８ｍｍ、有利に０．６ｍｍである。基準ガス通路 ２１の高さはか焼調製され た固体電解質層１２の厚さに相応して、例えば０．４ｍｍである。図３による実 施例では、基準ガス通路２１は基準電極１７の範囲に僅かに拡げられた区分３１ を有して、基準ガス通路２１は展望図では概ね亜鈴形を有する。基準電極１７の 範囲では基準通路２１の分枝も可能である。 セラミック担体１０の成層面中に連続する平面形態を有する基準電極１７は第 １の実施例では多孔性層３３で覆われている。図２及び３で点が書き込まれてい る多孔性層３３は基準電極１７と隣接する第２の固体電極層１２との間に埋め込 まれている。例えばその場合、第１の固体電解層１１中に窪みを設け、その底面 に基準電極１７を位置させ、その際、基準電極１７上に位置する多孔性層で窪み を埋める。これにより多孔性層３３は層１１、１２、１３のラミネート化の後に 基準ガス通路２１をこの範囲で覆う。従って基準ガス開口部２９を介して侵入す る基準ガスは多孔性層３３全体に拡散してその上に位置する基準電極１７に至る 。多孔性層の厚さは５〜２００マイクロメーター、有利に２０〜５０マイクロメ ーターである。 基準ガスとのガス交換を実現するためのもう１つの実施例は基準電極１７自体 を多孔性にすることにある。更に多孔性層及び多孔性基準電極を使用する実施例 が可能である。相応する基準ガス室を形成するために、相応する空孔容量が必要 である。これは多孔性層３ ３の厚み及び／又は多孔性基準電極１７の厚みを介して実現される。 多孔性層３３及び／又は多孔性基準電極１７に酸素貯蔵性材料、例えばＣｅＯ₂ を添加すると、基準電極１７での良好な酸素交換を達成することができる。酸 素貯蔵性材料の添加は例えば、多孔性層３３及び／又は多孔性基準電極１７の含 浸により行うことができる。 センサ素子を濃淡電池として使用する場合には、センサ電極１５及び基準電極 １７に電圧を印加することにより基準電極１７への十分な酸素雰囲気の供給を達 成することもできる。酸素をセンサ電極１５から基準電極１７にポンプ導入する ことにより、酸素ポンプ効果が生じる。これにより基準電極１７の所に付加的に ポンプ導入された内部酸素基準が生じる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 測定ガスに曝される第１の電極少なくとも１つ、基準ガスに曝される第２の 電極少なくとも１つ、加熱装置少なくとも１つ及び基準電極に基準ガスをそれを 介して供給することができる基準ガス通路を有する、殊にはガス混合物の酸素含 有率を測定するための電気化学的センサ素子において、基準電極（１７）が空孔 を備えた体積内容物を介して基準ガス通路（２１）と結合していることを特徴と する、電気化学的センサ素子。 2. 空孔を備えた体積内容物が基準ガス通路（２１）と基準電極（１７）との間 の成層面に形成されている、請求項１に記載のセンサ素子。 3. 基準電極（１７）に隣接して、基準ガス通路（２１）と結合する多孔性層（ ３３）が形成されている、請求項１又は２に記載のセンサ素子。 4. 体積内容物が多孔性に製造された基準電極（１７）の空孔から形成されてい る、請求項１又は２に記載のセンサ素子。 5. 多孔性層（３３）及び／又は多孔性基準電極（１７）に酸素貯蔵性材料が添 加されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載のセンサ素子。 6. 酸素貯蔵性材料がＣｅＯ₂である、請求項５に記載のセンサ素子。 7. センサ電極（１５）及び基準電極（１７）が濃淡電池として接続されており 、かつ付加的に電圧が印加され、センサ電極（１５）から基準電極（１７）への 酸素ポンプ作用が生じて、空孔から形成された体積内容物中にポンプ導入された 内部酸素基準が生じる、請求項１から６までのいずれか１項に記載のセンサ素子 。