JP4157290B2 - ガス成分の濃度を求めるセンサ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス混合気中のガス成分の濃度を求めるセンサ素子たとえば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を求めるセンサ素子に関する。この場合、少なくとも１つのポンプセルと少なくとも１つの濃度セルが設けられており、前記ポンプセルは、測定ガス室内に配置された少なくとも１つの第１のポンプ電極と、センサ素子においてガス混合気の方に向けられた面上に配置された少なくとも１つの第２のポンプ電極と、これら第１のポンプ電極と第２のポンプ電極との間に設けられた第１の固体電解質層を有しており、前記濃度セルは、参照ガス室内に配置された少なくとも１つの参照電極と、測定ガス室内に配置されていて該参照電極と共働する少なくとも１つの測定電極を有しており、層状に構成されたセンサ素子は第１の固体電解質層と隣り合って第２の固体電解質層を有しており、該第２の固体電解質層に参照ガス室と測定ガス室が設けられている。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電気化学センサ素子は DE 199 41 051 に記載されている。この種のセンサ素子は、当業者には広帯域ラムダセンサとして知られているガスセンサに組み込まれ、自動車における燃焼混合気の空燃比制御に用いられる。このセンサ素子の場合、濃度セルが電気化学的ポンプセルと組み合わせられる。濃度セルは、測定ガス室内に配置された測定電極と参照ガス室内に配置された参照電極を有しており、参照ガス室内の参照ガスの酸素酸素分圧に対し、拡散バリアを経て測定ガス室内に到達した排気ガスの酸素分圧が測定される。測定ガス室と参照ガス室はセンサ素子における同じ層平面に配置されている。
【０００３】
ポンプセルは、測定ガス室内に配置された第１のポンプ電極と、センサ素子において排気ガスの方に向いた平面に配置された第２のポンプ電極を有しており、酸素イオンを排気ガスから測定ガス室へポンピングするかまたはその逆に、測定ガス室から排気ガスへポンピングする。外部の回路によりポンプセルを通って流れるポンプ電流が、まえもって定められた酸素分圧が測定ガス室内に生じるように設定される。そのために必要とされるポンプ電流から、排気ガスの酸素分圧を求めることができる。
【０００４】
公知のセンサ素子における欠点は、ポンプセルの電極と濃度セルの電極との間で望ましくない酸素イオンの交換が発生するかもしれないことであり、それによりセンサの規定どおりの機能が妨害されてしまう。したがって第２のポンプ電極と参照電極との間の交換により、参照ガスの酸素分圧が変わってしまう可能性がある。濃度セルは測定ガス室内の酸素分圧と参照ガス室内の酸素分圧の比を測定するので、測定ガス室内に誤った酸素分圧が発生し、それによって排気ガスの酸素分圧について誤った値が求められてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の電気化学センサ素子において、阻止層によってポンプセルの電極と濃度セルの電極との間のガス成分のイオン交換が回避されるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、少なくとも１つの阻止層が設けられており、該阻止層は前記参照電極と前記第２のポンプ電極との間に配置されており、前記阻止層は、前記ポンプセルにおける少なくとも１つの電極と前記濃度セルにおける少なくとも１つの電極との間のイオン伝導を少なくとも実質的に阻止することにより解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【０００８】
参照電極と第２のポンプ電極との間に阻止層を配置することで、参照電極とポンプ電極との間の酸素イオン交換によって参照ガス中の成分の濃度が誤ったものになってしまうことが回避される。阻止層は、濃度セルとポンプセルの機能が妨害を受けないように構成されている。この目的で、濃度セルおよび／またはポンプセルの電極領域に切り欠きが設けられている。
【０００９】
次に、図面を参照しながら本発明について説明する。
【００１０】
【実施例】
図１および図２には、本発明の実施例として広帯域ラムダセンサにおけるセンサ素子１０が示されている。これは層システムとしてつくられており、この場合、参照ガス室１５および測定ガス室１３はセンサ素子１０の同じ層平面内に配置されている。センサ素子１０は第１、第２、第３ならびに第４の固体電解質層５１，５２，５２３，５４を有している。第１の固体電解質層５１および第２の固体電解質層５２にはガス入口孔２５がつくられている。第２の固体電解質層５２には、参照ガス室１５および測定ガス室１３ならびにガス入口孔２５と測定ガス室１３との間に配置された拡散バリア２７が含まれている。測定ガス室１３と参照ガス室１５は、第２の固体電解質層５２の部分領域を成す分離壁１２によりガス密に分離されている。ガス混合気は、ガス入口孔２５および拡散バリア２７を経て測定ガス室１３に到達することができる。参照ガス室１５は空気雰囲気と連通しており、多孔質材料を有している。第３の固体電解質層５３と第４の固体電解質層５４との間には、ヒータアイソレーション４１に埋め込まれたヒータ４０が設けられている。
【００１１】
第１の固体電解質層５１において、測定ガス室１３内に第１のリング状のポンプ電極２０が導線１９とともに配置されている。第１のポンプ電極２０は、同様にリング状である第２のポンプ電極２３ととともにポンプセルを成しており、このポンプ電極２３はやはり第１の固体電解質層５１上に配置されていて、第１のポンプ電極２０とは反対側の面に設けられている。その際、第２のポンプ電極２３は多孔質層２６によって覆われている。第３の固体電解質層５３において、測定ガス室１３内にはリング状の測定電極２１が配置されており、参照ガス室１５内には参照電極２２が配置されている。さらに第１の固体電解質層５１において参照ガス室１５内に、参照電極２２に対向して別の参照電極２２ａが導線２８とともに設けられている。測定電極２１と参照電極２２，２２ａによって濃度セルが形成されている。
【００１２】
第１の固体電解質層５１と第２の固体電解質層５２との間の層平面において別の参照電極２２ａの領域およびこの別の参照電極２２ａと第１のポンプ電極２０との間の領域に、阻止層２４が設けられている。この阻止層２４はセンサ素子１０の周縁部まで延在しており、この層はたとえばＡｌ_２Ｏ_３ から成る。この場合、阻止層２４の材料は、イオン伝導も電子伝導も少なくとも実質的に生じさせないように選定されている。
【００１３】
本発明の別の図示されていない実施形態によれば、別の参照電極２２ａの導線２８と第１の固体電解質層５１との間の領域にも阻止層２４が延在している。さらに考えられるのは、第１の固体電解質層５１と第２の固体電解質層５２との間の層平面において阻止層がセンサ素子１０の広い平面全体を覆うように構成ことであり、その際、第１のポンプ電極２０の領域に切り欠きを設けるようにする。
【００１４】
本発明のさらに別の図示されていない実施形態によれば、別の参照電極２２ａを省略することも考えられる。この場合、阻止層２４を第２の固体電解質層５２と第３の固体電解質層５３と間の層平面に配置することもでき、たとえば分離壁１２と第３の固体電解質層５３との間に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサ素子の実施例の縦断面図である。
【図２】図１のカットラインＩＩ−ＩＩに沿ってみた上記実施例の横断面図である。
【符号の説明】
１０ センサ素子
１３ 測定ガス室
１５ 参照ガス室
２０ 第１のポンプ電極
２１ 測定電極
２２ 参照電極
２２ａ 別の参照電極
２３ 第２のポンプ電極
２４ 阻止層
２５ ガス入口孔
２６ 多孔質層
２７ 拡散バリア
５１ 第１の固体電解質層
５２ 第２の固体電解質層
５３ 第３の固体電解質層

Claims (10)

1. ガス混合気中のガス成分の濃度を求めるセンサ素子であって、少なくとも１つのポンプセルと少なくとも１つの濃度セルが設けられており、
   前記ポンプセルは、測定ガス室内に配置された少なくとも１つの第１のポンプ電極と、センサ素子においてガス混合気の方に向けられた面上に配置された少なくとも１つの第２のポンプ電極と、これら第１のポンプ電極と第２のポンプ電極との間に設けられた第１の固体電解質層を有しており、
   前記濃度セルは、参照ガス室内に配置された少なくとも１つの参照電極と、測定ガス室内に配置されていて該参照電極と共働する少なくとも１つの測定電極を有しており、
   層状に構成されたセンサ素子は第１の固体電解質層と隣り合って第２の固体電解質層を有しており、該第２の固体電解質層に参照ガス室と測定ガス室が設けられている形式の、
   ガス成分の濃度を求めるセンサ素子において、
   少なくとも１つの阻止層（２４）が設けられており、該阻止層（２４）は前記参照電極（２２）と前記第２のポンプ電極（２３）との間に配置されており、
   前記阻止層（２４）は、前記ポンプセルにおける少なくとも１つの電極（２０，２３）と前記濃度セルにおける少なくとも１つの電極（２１，２２）との間のイオン伝導を少なくとも実質的に阻止することを特徴とするセンサ素子。
2. 前記阻止層（２４）は、参照電極（２２）と第２のポンプ電極（２３）との間のイオン伝導を少なくとも実質的に阻止する、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記阻止層（２４）は少なくとも部分的に、参照電極（２２）と第２のポンプ電極（２３）との間に存在するセンサ素子（１０）の層平面内に配置されている、請求項１または２記載のセンサ素子。
4. 前記阻止層（２４）は、第１のポンプ電極（２０）と第２のポンプ電極（２３）および／または測定電極（２１）と参照電極（２２）の間の領域に切り欠きを有している、請求項１記載のセンサ素子。
5. 前記参照ガス室（１５）は、センサ素子（１０）外部にある参照ガス貯蔵器と連通しておりたとえば空気雰囲気と連通している、請求項１記載のセンサ素子。
6. 前記阻止層（２４）は少なくとも部分的に第１の固体電解質層（５１）と第２の固体電解質層（５２）との間の層平面に配置されており、該阻止層（２４）は第１のポンプ電極（２０）の領域に切り欠きを有している、請求項１記載のセンサ素子。
7. 参照ガス室内で前記参照電極（２２）に対向して別の参照電極（２２ａ）が設けられており、該別の参照電極（２２ａ）は前記阻止層（２４）により第１の固体電解質層（５１）から分離されている、請求項６記載のセンサ素子。
8. 前記阻止層（２４）は前記別の参照電極（２２ａ）の導線（２８）と第１の固体電解質層（５１）との間にも設けられている、請求項７記載のセンサ素子。
9. 前記阻止層は少なくとも部分的に第２の固体電解質層（５２）と第３の固体電解質層（５３）との間に配置されており、前記阻止層は測定電極（２１）と参照電極（２２）の領域に切り欠きを有している、請求項１記載のセンサ素子。
10. 前記阻止層（２４）は参照電極（２２）の導線と第３の固体電解質層（５３）との間にも設けられている、請求項９記載のセンサ素子。

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