WO2004072634A1 - Sensorelement - Google Patents

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WO2004072634A1
WO2004072634A1 PCT/DE2004/000157 DE2004000157W WO2004072634A1 WO 2004072634 A1 WO2004072634 A1 WO 2004072634A1 DE 2004000157 W DE2004000157 W DE 2004000157W WO 2004072634 A1 WO2004072634 A1 WO 2004072634A1
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sensor element
element according
diffusion barrier
oxygen
section
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Martin Wiedenmann
Lothar Diehl
Thomas Moser
Stefan Rodewald
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Definitions

  • the invention is based on a sensor element according to the preamble of the independent claim.
  • Such a sensor element is known for example from DE 100 13 882 AI.
  • the sensor element has a layered structure using planar technology and contains a measuring gas space in which two ring-shaped electrodes are arranged on opposite sides.
  • the two electrodes are each part of an electrochemical cell, which includes a further electrode and a solid electrolyte arranged between the electrodes.
  • the two electrodes arranged in the measuring gas space are connected to a measuring gas located outside the sensor element via an annular diffusion barrier and a gas access opening.
  • One of the two electrochemical cells is operated as a Nernst cell, in which a voltage (Nernst voltage) is formed between the electrode in the sample gas space and an electrode exposed to a reference gas, which voltage is a measure of the ratio of the oxygen partial pressure at the electrode in the sample gas space and that of the reference gas Electrode.
  • the diffusion barrier is divided into a coarse porous and a fine porous section.
  • the coarse-porous section has a catalytically active material for adjusting the equilibrium in the gas mixture.
  • Such sensor elements are used, for example, to determine the oxygen concentration in exhaust gases from internal combustion engines.
  • Operational So-called pressure pulses i.e. sudden strong pressure increases, can occur in the sample gas. If the sample gas composition is otherwise the same, the pressure pulse also increases the oxygen partial pressure at the electrodes in the sample gas space and thus also the Nernst voltage.
  • the sensor element thus reacts to a change in the oxygen partial pressure with the same sample gas composition, in particular with the same oxygen content.
  • the measurement signal of the sensor element reproduces the oxygen portion of the measurement gas, that is to say the percentage of oxygen in the measurement gas, and not the changes in the oxygen partial pressure caused by pressure fluctuations.
  • the sensor element according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage that the dependence of the measurement signal of the sensor element on pressure fluctuations is reduced with otherwise the same sample gas composition.
  • the sensor element has an electrode which is connected to the measurement gas via a diffusion path in which a diffusion barrier is arranged.
  • the measuring gas or oxygen can reach the electrodes along the diffusion path or can exit the sensor element from the electrodes via the diffusion barrier.
  • the diffusion barrier contains an oxygen-storing agent and can therefore store and release oxygen. If the oxygen partial pressure rises due to a pressure pulse (sudden pressure increase in the sample gas), the diffusion barrier absorbs oxygen, so that the increase in the oxygen partial pressure due to the pressure pulse in the area of the electrode is reduced. After the pressure fluctuation, that is when the pressure of the measurement gas is again at an average value, the diffusion barrier releases oxygen due to the now lower oxygen partial pressure.
  • the oxygen-storing diffusion barrier thus causes sudden peaks in the oxygen partial pressure to be smoothed out. A corresponding smoothing effect also results in the event of a sudden drop in the oxygen partial pressure. This ensures that the dependence of the measurement signal on pressure fluctuations is significantly reduced.
  • the diffusion barrier advantageously contains zirconium oxide and cerium oxide and / or yttrium oxide and / or scandium oxide.
  • the proportion of cerium oxide is advantageously 5 to 50 percent by volume, the proportion of yttrium oxide and / or scandium oxide is 5 to 20 mol percent.
  • the diffusion barrier contains a catalytically active material which favors the exchange of oxygen between the measurement gas and the diffusion barrier.
  • a metal from the group Pt, Ru, Rh, Pd, Ir or a mixture thereof has proven to be suitable as a catalytically active material.
  • the diffusion barrier comprising a high-temperature-resistant metal oxide which reversibly forms at least two oxides and which absorbs or releases oxygen during the transition between two oxidation states. Oxides of iron, chromium, nickel, palladium or a mixture thereof have proven to be particularly suitable. A good oxygen-storing effect has also been obtained with a diffusion barrier containing alkaline earth metal nitrate, in particular barium nitrate.
  • the diffusion barrier has a first section with a higher oxygen-storing effect and a second section with a lower or no oxygen-storing effect, the first section being arranged between the electrode and the second section with respect to the diffusion path.
  • the second section of the diffusion barrier upstream of the first section reduces the influence of contamination by the measurement gas.
  • Figure 1 shows the first embodiment the invention shows a longitudinal section through a sensor element according to the invention along the line I - I in Figure 2
  • Figure 2 shows a section through the first embodiment according to the line II - II in Figure 1
  • Figure 3 shows the sensor element in a sectional view as a second embodiment.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show, as the first exemplary embodiment of the invention, a planar, layered sensor element 10, which is arranged in a gas-tight manner in a housing and serves to detect the oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows the section of sensor element 10 containing the measuring elements.
  • the section of sensor element 10, not shown, contains the supply area and the contact area, the structure of which is known to the person skilled in the art.
  • the sensor element 10 has a first, a second and a third solid electrolyte layer 21, 22, 23.
  • An annular measuring gas space 31 is introduced into the sensor element 10 between the first and the second solid electrolyte layers 21, 22, in the central region of which an equally annular porous diffusion barrier 51 is provided.
  • the measurement gas located outside the sensor element 10 can reach the measurement gas space 31 via a gas access opening 36, which is introduced into the first solid electrolyte layer 21 and opens into the center of the diffusion barrier 51, and through the diffusion barrier 51.
  • the measuring gas space 31 is sealed laterally by a sealing frame 34.
  • a reference gas space 32 is further provided between the first and the second solid electrolyte layer 21, 22, which is separated gas-tight from the measurement gas space 31 by a separating element 33 and which extends in the direction of the longitudinal axis of the sensor element 10.
  • the reference gas space 32 contains a gas with a high oxygen content, for example ambient air, as the reference gas.
  • a heating element 37 is provided which contains a heater conductor track which is separated from the surrounding solid electrolyte layers by insulation (heater conductor track and insulation are not shown).
  • the heating element 37 is laterally surrounded by a heater frame 38 which electrically insulates and seals the heating element 37 in a gas-tight manner.
  • annular first electrode 41 On the outer surface of the first solid electrolyte layer 21, an annular first electrode 41 is provided, in the middle of which the gas access opening 36 lies.
  • annular second electrode 42 is applied to the side of the first solid electrolyte layer 21 opposite the first electrode 41.
  • a likewise ring-shaped third electrode 43 is arranged in the measurement gas space (opposite the second electrode 42).
  • a fourth electrode 44 is provided in the reference gas space 32.
  • the first and the second electrodes 41, 42 and the solid electrolyte 21 lying between the first and the second electrodes 41, 42 form an electrochemical cell which is operated as a pump cell by a circuit arranged outside the sensor element 10.
  • the third and fourth electrodes 43, 44 and the solid electrolyte 22 lying between the third and fourth electrodes 43, 44 form an electrochemical cell operated as a Nernst cell.
  • the Nernst cell measures the oxygen partial pressure in the sample gas space.
  • Such sensor elements are known to the person skilled in the art as broadband lambda probes.
  • the measuring gas or oxygen flows through the gas inlet opening 36 and the diffusion barrier 51 into or out of the measuring gas space 31. If there is a sudden increase in pressure in the measuring gas (pressure pulse), the diffusion barrier 51 can take up oxygen. If the pressure decreases, the diffusion barrier 51 releases the oxygen again.
  • the diffusion barrier 51 is a porous layer with oxygen vacancies, on the surface of which a catalytically active material is applied.
  • the molecular oxygen in the measurement gas reacts with the catalytically active material in such a way that the molecular oxygen is broken down into individual oxygen atoms and ionized.
  • the oxygen ions then occupy the oxygen vacancies. If the oxygen partial pressure decreases, the diffusion barrier 51 releases the oxygen again by the reverse reaction.
  • Platinum is used as the catalytically active material, which is applied to the pore former by grinding or deposition and is thus arranged on the surface of the diffusion barrier 51 after sintering. Based on the diffusion barrier 51, the proportion of platinum is 2 percent by volume.
  • compositions have proven particularly suitable for the diffusion barrier (after sintering, without the proportion of the catalytically active material):
  • FIG. 3 shows, as a second exemplary embodiment, a sensor element which differs from the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 in that the diffusion barrier 51 has two sections. Corresponding elements are identified with the same reference symbols in the first and in the second exemplary embodiment.
  • the diffusion barrier 51 of the second exemplary embodiment has a first section 51a and a second section 51b. Both sections 51a, 51b are annular (hollow cylindrical). The second section 51b of the diffusion barrier 51 lies within the first section 51a. The second section 51b essentially contains zirconium oxide and has little or no storage capacity for oxygen.
  • the composition of the first section 51a corresponds to the composition of the diffusion barrier 51 of the first exemplary embodiment.
  • the invention can also be applied to other arrangements of electrodes and diffusion barriers.
  • an electrode applied to an outer surface of the sensor element could be coated with a porous layer, which acts as a diffusion barrier and has an oxygen-storing effect.
  • the invention can also be applied to other types of sensors in which the oxygen fraction has an influence on the measurement signal.
  • the oxygen-storing diffusion barrier is designed as a layer along which the measurement gas flows.
  • the diffusion barrier has oxygen-storing sections only in certain areas. For example, the inner and the outer jacket surface of a hollow cylindrical, not or only slightly oxygen-storing section could be covered with an oxygen-storing section in each case. Likewise, the oxygen-storing sections could extend radially outwards.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) vorgeschlagen, das der Bestimmung einer physikalischen Größe in einem Messgas, vorzugsweise der Bestimmung der Konzentration eines Gasbestandteils des Messgases, dient. Das Sensorelement (10) enthält einen Festelektrolyten (21, 22), auf den eine Elektrode (42, 43) aufgebracht ist. Die Elektrode (42, 43) ist mit dem Messgas über einen Diffusionsweg verbunden ist, in dem eine Diffusionsbarriere (51) angeordnet ist. Die Diffusionsbarriere (51) weist ein sauerstoffspeicherndes Mittel auf.

Description

Sensorelement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 100 13 882 AI bekannt. Das Sensorelement ist in Planartechnik schichtformig aufgebaut und enthält einen Messgasraum, in dem auf gegenüberliegenden Seiten zwei ringförmige Elektroden angeordnet sind. Die beiden Elektroden sind jeweils Teil einer elektrochemischen Zelle, zu der eine weitere Elektrode sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter Festelektrolyten gehört. Die beiden im Messgasraum angeordneten Elektroden sind über eine ringförmige Diffusionsbarriere und eine Gaszutrittsöffnung mit einem außerhalb des Sensorelements befindlichen Messgas verbunden. Die eine der beiden elektrochemischen Zellen wird als Nernstzelle betrieben, bei der sich zwischen der Elektrode im Messgasraum und einer einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode eine Spannung (Nernstspannung) ausbildet, die ein Maß für das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks an der Elektrode im Messgasraum und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode ist.
Die Diffusionsbarriere ist in einen grobporösen und einen feinporösen Abschnitt unterteilt. Der grobporöse Abschnitt weist ein katalytisch aktives Material zur Einstellung des Gleichgewichtes im Gasgemisch auf.
Derartige Sensorelemente werden beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Brennkraftmaschinen verwendet. Im Betrieb können sogenannte Druckpulse, also plötzliche starke Druckanstiege, im Messgas auftreten. Bei ansonsten gleicher Messgaszusammensetzung erhöht sich durch den Druckpuls auch der Sauerstoffpartialdruck an den Elektroden im Messgasraum und damit auch die Nernstspannung. Das Sensorelement reagiert also bei gleicher Messgaszusammensetzung, insbesondere bei gleichem Sauerstoffanteil, auf eine Änderung des Sauerstoffpartialdrucks. Es ist jedoch gewünscht, dass das Messsignal des Sensorelements den Sauerstoffanteil des Messgases, also der prozentuale Anteil des Sauerstoffs im Messgas wiedergibt, und nicht die durch Druckschwankungen bedingten Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Abhängigkeit des Messsignals des Sensorelements von Druckschwankungen bei ansonsten gleicher Messgaszusammensetzung reduziert wird.
Das Sensorelement weist eine Elektrode auf, die mit dem Messgas über einen Diffusionsweg verbunden ist, in dem eine Diffusionsbarriere angeordnet ist. Entlang des Diffusionsweges kann das Messgas beziehungsweise der Sauerstoff zu den Elektroden gelangen beziehungsweise von den Elektroden über die Diffusionsbarriere aus dem Sensorelement austreten. Die Diffusionsbarriere enthält ein sauerstoffspeicherndes Mittel und kann somit Sauerstoff speichern und abgeben. Bei einem Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks durch einen Druckpuls (plötzlicher Druckanstieg im Messgas) nimmt die Diffusionsbarriere Sauerstoff auf, so dass der Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks aufgrund des Druckpulses im Bereich der Elektrode vermindert wird. Nach der Druckschwankung, also wenn der Druck des Messgases wieder bei einem durchschnittlichen Wert liegt, gibt die Diffusionsbarriere aufgrund des nunmehr wieder niedrigeren Sauerstoffpartialdrucks Sauerstoff ab. Die sauerstoffspeichernde Diffusionsbarriere bewirkt somit, dass plötzliche Spitzen des Sauerstoffpartialdrucks geglättet werden. Eine entsprechend glättende Wirkung ergibt sich auch bei plötzlichem Abfall des Sauerstoffpartialdrucks. Hierdurch wird erreicht, dass die Abhängigkeit des Messsignals von Druckschwankungen deutlich reduziert wird. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.
Ein gute sauerstoffspeichernde Wirkung wurde bei einer Diffusionsbarriere erreicht, die Sauerstoffleerstellen mit einer Dichte von größer oder gleich 5 Molprozent aufweist. Vorteilhaft enthält die Diffusionsbarriere hierzu Zirkonoxid und Ceroxid und/oder Yttriumoxid und/oder Scandiumoxid enthält. Der Anteil an Ceroxid liegt vorteilhaft bei 5 bis 50 Volumenprozent, der Anteil an Yttriumoxid und/oder Scandiumoxid bei 5 bis 20 Molprozent.
Weiterhin hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Diffusionsbarriere ein katalytisch aktives Material enthält, das den Austausch von Sauerstoff zwischen dem Messgas und der Diffusionsbarriere begünstigt. Als katalytisch aktives Material hat sich ein Metall aus der Gruppe Pt, Ru, Rh, Pd, Ir oder eine Mischung davon, als geeignet erwiesen.
Alternativ wurde eine gute sauerstoffspeichernde Wirkung erreicht, indem die Diffusionsbarriere ein hochtemperaturfestes Metalloxid umfasst, das reversibel mindestens zwei Oxide bildet, und dass beim Übergang zwischen zwei Oxidationsstufen Sauerstoff aufnimmt beziehungsweise abgibt. Als besonders geeignet haben sich Oxide des Eisens, des Chroms, des Nickels, des Palladiums oder eine Mischung davon erwiesen. Eine gute sauerstoffspeichernde Wirkung hat sich auch bei einer Erdalkalinitrate, insbesondere Bariumnitrat enthaltenden Diffusionsbarriere ergeben.
Weiterhin hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Diffusionsbarriere einen ersten Abschnitt mit einer höheren sauerstoffspeichernden Wirkung und einen zweiten Abschnitt mit einer niedrigeren oder gar keinen sauerstoffspeichernden Wirkung aufweist, wobei der erste Abschnitt bezüglich des Diffusionsweges zwischen der Elektrode und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Der dem ersten Abschnitt vorgelagerte zweite Abschnitt der Diffusionsbarriere verringert den Einfluss von Verschmutzungen durch das Messgas.
Zeichnung
Zwei Ausfύhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement gemäß der Linie I — I in Figur 2, Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel gemäß der Linie II - II in Figur 1, und Figur 3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel das Sensorelement in Schnittdarstellung.
Beschreibung der Ausfύhrungsbeispiele
Figur 1 und Figur 2 zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement 10, das in einem Gehäuse gasdicht angeordnet ist und dem Nachweis des Sauerstόffanteils in einem Abgas einer Brennkraftmaschine dient. In Figur 1 dargestellt ist der die Messelemente enthaltende Abschnitt des Sensorelements 10. Der nicht dargestellte Abschnitt des Sensorelements 10 enthält den Zuleitungsbereich und den Kontaktierungsbereich, deren Aufbau dem Fachmann bekannt ist.
Das Sensorelement 10 weist eine erste, eine zweite und eine dritte Festelektrolytschicht 21, 22, 23 auf. In das Sensorelement 10 ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21 , 22 ein ringförmiger Messgasraum 31 eingebracht, in dessen mittlerem Bereich eine ebenfalls ringförmige porös ausgebildete Diffusionsbarriere 51 vorgesehen ist. Das außerhalb des Sensorelements 10 befindliche Messgas kann über eine Gaszutrittsöffnung 36, die in die erste Festelektrolytschicht 21 eingebracht ist und in die Mitte der Diffusionsbarriere 51 mündet, und durch die Diffusionsbarriere 51 in den Messgasraum 31 gelangen. Der Messgasraum 31 ist seitlich durch einen Dichtrahmen 34 abgedichtet.
Zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ist weiterhin ein Referenzgasraum 32 vorgesehen, der durch ein Trennelement 33 vom Messgasraum 31 gasdicht getrennt ist und der sich in Richtung der Längsachse des Sensorelements 10 erstreckt. Der Referenzgasraum 32 enthält als Referenzgas ein Gas mit einem hohen Sauerstoffanteil, beispielsweise Umgebungsluft.
Zwischen der zweiten und der dritten Festelektrolytschicht 22, 23 ist ein Heizelement 37 vorgesehen, das eine Heizerleiterbahn enthält, die durch eine Isolierung von den umgebenden Festelektrolytschichten getrennt ist (Heizerleiterbahn und Isolierung sind nicht dargestellt). Das Heizelement 37 ist seitlich von einem Heizerrahmen 38 umgeben, der das Heizelement 37 elektrisch isoliert und gasdicht abdichtet.
Auf der Außenfläche der ersten Festelektrolytschicht 21 ist eine ringförmige erste Elektrode 41 vorgesehen, in deren Mitte die Gaszutrittsöffnung 36 liegt. Im Messgasraum 31 ist auf die der ersten Elektrode 41 gegenüberliegenden Seite der ersten Festelektrolytschicht 21 eine ringförmige zweite Elektrode 42 aufgebracht. Auf der zweiten Festelektrolytschicht 22 ist im Messgasraum (der zweiten Elektrode 42 gegenüberliegend) eine ebenfalls ringförmige dritte Elektrode 43 angeordnet. Eine vierte Elektrode 44 ist im Referenzgasraum 32 vorgesehen.
Die erste und die zweite Elektrode 41, 42 und der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 41, 42 liegende Festelektrolyt 21 bilden eine elektrochemische Zelle, die durch eine außerhalb des Sensorelements 10 angeordnete Beschaltung als Pumpzelle betrieben wird. Die dritte und die vierte Elektrode 43, 44 und der zwischen der dritten und der vierten Elektrode 43, 44 liegende Festelektrolyt 22 bilden eine als Nernstzelle betriebene elektrochemische Zelle. Die Nernstzelle misst den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum. Die Pumpzelle pumpt derart Sauerstoff in den oder aus dem Messgasraum, dass im Messgasraum ein Sauerstoffpartialdruck von Lambda=l vorliegt. Derartige Sensorelemente sind dem Fachmann als Breitband-Lambda-Sonden bekannt.
Das Messgas beziehungsweise der Sauerstoff strömt durch die Gaszutrittsöffnung 36 und die Diffusionsbarriere 51 in den oder aus dem Messgasraum 31. Bei plötzlichem Druckanstieg im Messgas (Druckpuls) kann die Diffusionsbarriere 51 Sauerstoff aufnehmen. Vermindert sich der Druck, gibt die Diffusionsbarriere 51 den Sauerstoff wieder ab.
Die Diffusionsbarriere 51 ist eine poröse Schicht mit Sauerstoffleerstellen, auf deren Oberfläche ein katalytisch aktives Material aufgebracht ist. Bei einem hohen Sauerstoffpartialdruck reagiert der molekulare Sauerstoff im Messgas derart mit dem katalytisch aktiven Material, dass der molekulare Sauerstoff in einzelne Sauerstoffatome aufgebrochen und ionisiert wird. Die Sauerstoffionen besetzen dann die Sauerstoffleerstellen. Vermindert sich der Sauerstoffpartialdruck, gibt die Diffusionsbarriere 51 den Sauerstoff durch die umgekehrte Reaktion wieder ab. Als katalytisch aktives Material wird Platin verwendet, das durch Mahlung oder Abscheidung auf den Porenbildner aufgebracht wird und damit nach dem Sintern auf der Oberfläche der Diffusionsbarriere 51 angeordnet ist. Bezogen auf die Diffusionsbarriere 51 beträgt der Anteil an Platin 2 Volumenprozent.
Folgende Zusammensetzungen haben sich für die Diffusionsbarriere (nach dem Sintern, ohne den Anteil des katalytisch aktiven Materials) als besonders geeignet erwiesen:
1. Beispiel:
80 Volumenprozent Zr02 20 Volumenprozent Ce02
2. Beispiel:
90 Volumenprozent Zr02 10 Volumenprozent Y203
3. Beispiel:
90 Volumenprozent Zr02 10 Volumenprozent Sc203
4. Beispiel:
77 Volumenprozent Zr02 15 Volumenprozent Ce02 8 Volumenprozent Y203
Figur 3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein Sensorelement, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 und 2 darin unterscheidet, dass die Diffusionsbarriere 51 zwei Abschnitte aufweist. Einander entsprechende Elementen sind beim ersten und beim zweiten Ausführungsbeispiel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Diffusionsbarriere 51 des zweiten Ausführungsbeispiels weist einen ersten Abschnitt 51a und einen zweiten Abschnitt 51b auf. Beide Abschnitte 51a, 51b sind ringförmig (hohlzylinderförmig). Der zweite Abschnitt 51b der Diffusionsbarriere 51 liegt innerhalb des ersten Abschnitts 51a. Der zweite Abschnitt 51b enthält im wesentlichen Zirkonoxid und weist keine oder nur eine geringe Speicherfähigkeit für Sauerstoff auf. Die Zusammensetzung des ersten Abschnitts 51a entspricht der Zusammensetzung der Diffusionsbarriere 51 des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Erfindung lässt sich auch auf anderen Anordnungen von Elektrode und Diffusionsbarrieren übertragen. Beispielsweise könnte eine auf einer Außenfläche des Sensorelements aufgebrachte Elektrode (wie die erste Elektrode 41) mit einer porösen Schicht überzogen sein, die als Diffusionsbarriere wirkt und eine sauerstoffspeichernde Wirkung hat. Die Erfindung lässt sich auch auf anderen Sensortypen übertragen, bei denen der Sauerstoffanteil einen Einfluss auf das Messsignal ausübt. Es ist auch denkbar, dass die sauerstoffspeichemde Diffusionsbarriere als Schicht ausgebildet ist, entlang der das Messgas strömt. Ebenso ist eine Anordnung denkbar, in der die Diffusionsbarriere wie im zweiten Ausführungsbeispiel nur in bestimmten Bereichen sauerstoffspeichernde Abschnitte aufweist. Beispielsweise könnte die innere und die äußere Mantelfläche eines hohlzylinderförmigen, nicht oder nur wenig sauerstoffspeichernden Abschnitts, mit jeweils einem sauerstoffspeichernden Abschnitt bedeckt sein. Ebenso könnten sich die sauerstoffspeichernden Abschnitte strahlenförmig nach außen erstrecken.
Weitere Ausführungsbeispiele sind der Beschreibungseinleitung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement ( 10) zur Bestimmung einer physikalischen Größe in einem Messgas, vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration eines Gasbestandteils des Messgases, mit einer auf einem Festelektrolyten (21, 22) aufgebrachten Elektrode (42, 43), die mit dem Messgas über einen Diffusionsweg verbunden ist, in dem eine Diffusionsbarriere (51) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) ein sauerstoffspeicherndes Mittel aufweist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffspeichernde Mittel Ceroxid und/oder Yttriumoxid und/oder Scandiumoxid ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) Zirkonoxid und Ceroxid und/oder Yttriumoxid und/oder Scandiumoxid enthält.
4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) einen Anteil an Ceroxid von 5 bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise 20 Volumenprozent, enthält.
5. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) einen Anteil an Yttriumoxid und/oder Scandiumoxid von 5 bis 20 Molprozent, vorzugsweise 10 Molprozent, enthält.
6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffspeichernde Mittel ein Erdalkalinitrat, insbesondere Bariumnitrat, umfasst.
7. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffspeichernde Mittel ein hochtemperaturfestes Metalloxid umfasst, das reversibel mindestens 2 Oxide bildet.
8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffspeichernde Mittel Oxide des Eisens, des Chroms, des Nickels, des Palladiums oder eine Mischung davon enthält.
9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) Sauerstoffleerstellen aufweist.
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffleerstellendichte größer oder gleich 5 Molprozent ist.
11. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) ein katalytisch aktives Material enthält.
12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Material einen Austausch von Sauerstoff zwischen dem Messgas und der Diffusionsbarriere (51) begünstigt.
13. Sensorelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Material ein Metall aus der Gruppe Pt, Ru, Rh, Pd, Ir oder eine Mischung davon enthält.
14. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des katalytisch aktiven Materials an der Diffusionsbarriere (51) 1 bis 10 Volumenprozent, vorzugsweise 2 Volumenprozent, beträgt.
15. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (51) einen ersten Abschnitt (51a) und einen zweiten Abschnitt (51b) enthält, wobei die Fähigkeit zum Speichern von Sauerstoff beim ersten Abschnitt (51a) höher ist als beim zweiten Abschnitt (51b).
16. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (51a) bezüglich des Diffusionsweges zwischen der Elektrode (42, 43) und dem zweiten Abschnitt (51b) angeordnet ist.
17. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (42, 43) ringförmig gestaltet ist und in der Mitte der Elektrode (42, 43) die ringförmige Diffusionsbarriere (51) vorgesehen ist.
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