WO2014075837A1 - Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

Sensorelement zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum Download PDF

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WO2014075837A1
WO2014075837A1 PCT/EP2013/069611 EP2013069611W WO2014075837A1 WO 2014075837 A1 WO2014075837 A1 WO 2014075837A1 EP 2013069611 W EP2013069611 W EP 2013069611W WO 2014075837 A1 WO2014075837 A1 WO 2014075837A1
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WO
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gas
sensor element
solid electrolyte
electrode
electrolyte layer
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Application number
PCT/EP2013/069611
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hartwig Lehle
Christoph Peters
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Classifications

    • 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
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte

Definitions

  • Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space
  • a large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these may be any desired physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more of these
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas part.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measurement gas part.
  • Measuring gas detected such as the temperature.
  • such sensor elements may be configured as so-called lambda probes, as they are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in
  • broadband lambda probes in particular with planar broadband lambda probes, for example, the
  • the air ratio ⁇ describes this air-fuel ratio.
  • the temperature gradient between a hotspot and a sensor element edge must not exceed a limit in order to ensure a high thermo-mechanical robustness, since mechanical tensile stresses occur in the ceramic during heating. Therefore, in addition to the actual Measuring cell of the sensor element and the gas inlet hole, the diffusion barrier and the sensor element edges heated. This heat output is then no longer available for heating the measuring cell and worsens the so-called fast light-off.
  • a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known sensor elements and in which a small thermal mass is created which includes both the measurement cell and the edges of the sensor element head.
  • the sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas comprises at least one solid electrolyte layer, at least two electrodes and a
  • the electrochemical cell is located between the end face and the gas access path.
  • the gas access path may be realized as a gas access hole or may include a gas access hole.
  • the gas inlet hole may be located along a longitudinal axis in the
  • the sensor element may further comprise a heating element for generating heat, wherein the electrochemical cell and the heating element form a layer structure, wherein the heating element for generating a substantial portion of the heat in a region viewed in a direction parallel to the layer structure with the electrochemical cell overlapped with the gas access path out of range.
  • the sensor element may be a
  • the sensor element may define a longitudinal extension direction, wherein the longitudinal extension direction is perpendicular to a longitudinal axis of the gas inlet hole.
  • One of the electrodes can be exposed on a surface of the measuring gas space which can be exposed Solid electrolyte layer may be arranged, wherein the surface is perpendicular to the end face.
  • the sensor element may further comprise a reference electrode, wherein the
  • Reference electrode is disposed within the solid electrolyte layer, wherein the
  • the sensor element may further comprise an electrode cavity, wherein the electrode cavity is disposed within the solid electrolyte layer, wherein the electrode to be acted upon by the gas inlet path with the measurement gas is arranged in the electrode cavity.
  • a diffusion barrier may be disposed between the electrode in the electrode cavity and the gas access path.
  • Sensor element may be surrounded by a protective tube, wherein the protective tube has at least one opening, wherein the opening allows access of the sample gas to the sensor element, wherein the opening substantially at the same axial height with respect to an axis of extension of the sensor element as the end face and / or Gas access path is located.
  • a layer structure is generally to be understood as meaning an element which has at least two layers and / or layer planes arranged one above the other.
  • the layers can be made conditionally distinguishable by the production of the layer structure and / or from different materials and / or starting materials.
  • the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure.
  • a solid electrolyte layer is a body or article having electrolytic properties, that is, ion-conducting
  • it may be a ceramic
  • Solid electrolyte This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brown, which only becomes a solid electrolyte after sintering.
  • Solid electrolyte layer or formed of several solid electrolyte layers.
  • a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.
  • an electrode is generally to be understood as meaning an element which is capable of contacting the solid electrolyte layer such that through the solid electrolyte layer and the electrode, a current can be maintained.
  • the electrode may comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte layer and / or removed from the solid electrolyte layer.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte layer as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte layer.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
  • a heating element is to be understood as meaning an element which serves to heat the solid electrolyte layer and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature.
  • the functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte layer becomes conductive to ions and is about 350 ° C.
  • the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature.
  • the operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C.
  • the heating element may comprise a heating area and at least one feed track.
  • a heating region is to be understood as meaning the region of the heating element which is in the
  • the heating area usually heats up more during operation than the supply track.
  • the heating area and / or the supply line are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage.
  • the heating element may for example be made of a platinum cermet.
  • a thickness of a component or element is to be understood as meaning a dimension in the direction of the layer structure and thus perpendicular to the individual layer planes of the layer structure.
  • a gas-access hole is to be understood as meaning a channel-shaped opening with an arbitrary cross-section, such as rectangular, square or circular, which is suitable for transferring a sample gas from the sample gas space into an actual measurement space arranged in the interior of the sensor element or the solid electrolyte layer to let in.
  • an end face facing the measuring gas space is to be understood as that area of a solid electrolyte layer which is arranged furthest within the measuring gas space.
  • the position of the end face is seen in an extension direction of the sensor element, so that the end face is that surface of the sensor element which, viewed in the extension direction, is arranged furthest within the measurement gas space.
  • the sensor element defines an extension direction, which is a direction in which the
  • Sensor element extends into the measuring gas chamber into it, wherein the end face extends perpendicular to this extension direction. Since the extension direction is usually parallel to the largest surface of the sensor element, this is also called
  • An arrangement of an electrochemical cell between the end face and the gas access hole is understood to mean an arrangement that is inverted with a gas access hole compared with conventional sensor elements.
  • Sensor elements is the gas inlet hole between the end face and the electrochemical cell.
  • the gas inlet hole be displaced in the direction of the connection contacts of the electrodes, so that the electrochemical cell is located between the end face and the gas inlet hole, ie. H. the gas inlet hole is located farther from the end surface than the gas inlet hole
  • electrochemical cell The arrangement is seen in the direction of extension of the sensor element.
  • the invention will be described below in particular with reference to so-called broadband lambda probes.
  • the flowing measuring current is proportional to the oxygen or fat gas content in the exhaust gas.
  • Limiting is the available heating power of the power amplifiers, which is usually a maximum of 8 A for a short time. However, it is desirable that the available To couple heat output in the smallest possible thermal mass, which includes at least the electrochemical cell with the electrodes.
  • a basic idea of the invention is to provide an inverted sensor element design in which, compared to the sensor elements of the above-mentioned prior art, the gas access hole and the diffusion barrier are displaced in the direction of the connection contacts of the electrodes. Thereby, the pumping electrodes can be arranged to lie between the end surface and the gas inlet hole.
  • the inventive design of the sensor element results in the advantage of a low thermal mass, both the measuring cell and the edges of the
  • Sensor element head contains. Since the hotspot is close to the front face, the thermo-mechanical stresses during heating can be kept low. As a result, the robustness of the sensor is high even during fast-light-off operation.
  • End edges which must lie close to the hotspot for reasons of robustness, are close to each other in this design, is also the thermal mass, which must be heated at Fast Light-Off, low. This allows much of the available heating power to be coupled into the electrochemical cell. This creates a fast
  • the diffusion barrier Since the diffusion barrier is outside the hotspot, it is colder, which leads to a change in the diffusion processes in the diffusion barrier. As a result, the pumping current decreases, for example by 4% per 100 K. Since the
  • Diffusion barrier is always located just outside the hotspot and thus always experiences the same temperature difference compared to the electrochemical cell, the lowering is not only low, but also constant. As a result, the sensitivity of the characteristic curve changes, in particular, the characteristic becomes somewhat flatter. This effect can be compensated by a slightly increased porosity of the diffusion barrier.
  • the invention can be realized in particular in broadband lambda probes.
  • the lead of the outer pumping electrode can be guided around the gas inlet hole. Due to the changed positioning of the gas inlet hole to the protective tube, the flow of the sensor element may need to be changed. That can through a design adaptation of the protective tube or by a change in Vorstehnieses, ie the positioning of the sensor element in the sealing pack done.
  • at least one opening of the protective tube in the case of several protective tubes of the innermost of the protective tubes, can extend axially (ie in the direction of the longitudinal extension of the protective tube)
  • Sensor element at the height of the end face facing the exhaust gas sensor element and / or at the height of the gas inlet hole of the sensor element.
  • a certain offset is still possible, for example not more than 3 mm, in particular not more than 2 mm and particularly preferably not more than 1 mm.
  • the sensor element can be arranged further outside the sample gas space.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of a sensor element according to the invention.
  • the sensor element 10 shown in FIG. 1 can be used to detect physical and / or chemical properties of a measurement gas, wherein one or more properties can be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage.
  • other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen.
  • other properties of the measuring gas can also be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage.
  • other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides
  • the measuring gas chamber may be an exhaust gas tract of an internal combustion engine, with the measuring gas in particular being an exhaust gas.
  • the sensor element 10 has a layer structure 12, which has a
  • Solid electrolyte layer 14 and at least two electrodes 16, 18 includes.
  • Solid electrolyte layer 14 may be composed of a plurality of solid electrolyte layers or may include a plurality of solid electrolyte layers.
  • the solid electrolyte layer 14 has an end face 19 facing the measuring gas chamber.
  • the electrodes 16, 18 are hereinafter also referred to as the first electrode 16 and the second electrode 18, but without indicating a weighting of their meaning, but merely to distinguish them conceptually.
  • the first electrode 16 and the second electrode 18 are through the
  • Solid electrolyte layer connected together, in particular electrically connected.
  • the sensor element 10 also has a gas inlet path 20.
  • the gas inlet path 20 has a gas inlet hole 22 extending from a surface 23 of FIG.
  • Solid electrolyte layer 14 extends into the interior of the layer structure 12.
  • the gas access path 22 may extend perpendicular to the plane of view of FIG. 1, i.
  • an electrode cavity 24 may be provided which surrounds the gas inlet hole 22, for example, rectangular.
  • Electrode cavity 24 is part of the gas access path 20 and may communicate with the sample gas space via the gas inlet hole 22.
  • the gas inlet hole 22 extends as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 23 of the solid electrolyte layer 14 in the interior of the layer structure 12.
  • the electrode cavity 24 is formed substantially rectangular and bounded from the solid electrolyte layer 14 from three sides.
  • a diffusion barrier 28 is arranged, which reduces a subsequent flow of gas from the sample gas space into the electrode cavity 24 or even prevented and only allows diffusion.
  • a limiting current of an electrochemical cell in the form of a pumping cell 30 can be set via this diffusion barrier 28.
  • the pumping cell 30 comprises a third electrode 32 arranged on the surface 23 of the solid electrolyte layer 14, the connection lines of which are guided around the gas inlet hole 22, for example annularly, and can be separated from the measuring gas space, for example by a gas-permeable protective layer 34.
  • the pumping cell 30 includes a fourth electrode 36, which in the Electrode cavity 24 is arranged.
  • the fourth electrode 36 may be rectangular
  • the third electrode 32 and the fourth electrode 36 are arranged in parallel to the gas inlet hole 22.
  • the above-mentioned limiting current thus represents a current flow between the third electrode 32 and the fourth electrode 36 via the solid electrolyte layer 14.
  • a heating element 38 is arranged in the layer structure 12.
  • the layer structure 12 includes an insulation layer 40.
  • the insulation layer 40 extends perpendicular to an extending direction of the gas access hole 22 into the inside of the solid electrolyte layer 14.
  • the gas access hole 22 is formed cylindrically such that the extending direction of the gas access hole 22 is parallel to a longitudinal axis 41, which is identical to the cylinder axis of the gas inlet hole 22, runs.
  • the longitudinal axis 41 extends parallel to the end face 19.
  • the insulation layer 40 extends perpendicular to the longitudinal axis 41 of the gas access hole 22.
  • the insulation layer 40 may extend, for example, parallel to the channel 26. Seen in the direction of the longitudinal axis 41 of the gas inlet hole 22, the insulating layer 40 is substantially at the same axial height as the end of the
  • Solid electrolyte layer 14 may be arranged.
  • the first electrode 16 is disposed in the electrode cavity 24.
  • the first electrode 16 faces the fourth electrode 36.
  • the fourth electrode 36 can be acted upon by the measurement gas.
  • the first electrode 16 can also be acted upon by the gas to be measured by means of the gas inlet hole 22.
  • the second electrode 18 is disposed on the insulating layer 40. Accordingly, in the embodiment shown in Fig. 1, no macroscopic reference gas channel in the
  • Solid electrolyte layer 14 is provided, but a so-called pumped reference, ie an artificial reference.
  • the first electrode 16, the second electrode 18 and the part of the solid electrolyte layer 14 between the first electrode 16 and the second electrode 18 form an electrochemical cell, such as a Nernst cell 42.
  • Electrode 16 and the second electrode 18 is measured. Since there is an excess of oxygen in or on the second electrode 18, which serves as a reference electrode, it can be determined from the measured voltage on the composition in the
  • Electrode cavity 24 are closed.
  • the pumping cell 30 and the heating element 38 are arranged one above the other and thus form the layer structure 12.
  • the sensor element 10 defines a longitudinal extension direction 44, which is perpendicular to the end face 19.
  • the surface 23 is also perpendicular to the end face 19. Die
  • Longitudinal direction 44 is perpendicular to the longitudinal axis 41 of the gas inlet hole 22.
  • the gas inlet hole 22 is seen between the pumping cell 30 and the insulating layer 40 in the direction of the longitudinal extension direction 44.
  • the gas inlet hole 22 is in the one shown in FIG.
  • the pump cell is located between the
  • Sensor element 10 can be spoken by an inverted arrangement of the gas inlet hole 22. Since the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the third electrode 32 and the fourth electrode 36, which are the
  • the hotspot of the heating element 38 is arranged in the region of the pumping cell 30 and a second hotspot, which heats the gas ingress hole 22 in the case of conventional sensor elements, is omitted or coincides with the first hotspot.
  • the sensor element 10 may further be surrounded by a protective tube not shown in detail.
  • the protective tube has at least one opening for allowing an access of the measuring gas to the sensor element 10.
  • the opening is located, for example, substantially at the same axial height with respect to an axis of extension, with the Longitudinal direction 44 coincides, the sensor element 10 as the end face 19 and / or the gas inlet hole 22nd
  • the sensor element 10 according to the invention can be detected by an optical inspection, such as a light microscopy of a cross section.
  • the special arrangement of the gas inlet hole 22 can achieve a fast light-off of less than 5 seconds.
  • the realization of the gas inlet hole 22 is possible displaced both in the height of the measuring cell and in the direction of the connection contacts of the third electrode 32.
  • the gas access can be done on one side or on both sides, d. H. the gas inlet hole 22 may be formed continuously.
  • the diffusion barrier 28 is in the height of the electrode cavity 24
  • the gas inlet hole 22 can be arranged so that it is not directly flowed, so that the water load is significantly lower. There are no expected losses in terms of dynamics.

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Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement umfasstmindestens eine Festelektrolytschicht (14), mindestens zwei Elektroden (32, 36) und einen Gaszutrittsweg (20).Die Festelektrolytschicht (14) und die zwei Elektroden (32, 36) bilden eine elektrochemische Zelle (30). Eine der Elektroden (32, 36) ist mittels des Gaszutrittswegs (20) mit dem Messgas beaufschlagbar. Die Festelektrolytschicht (14) weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (19) auf. Die elektrochemische Zelle (30) befindet sichzwischen der Stirnfläche (19) und dem Gaszutrittsweg (20).

Description

Beschreibung
Titel
Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere
Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im
Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die
Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So darf der Temperaturgradient zwischen einem Hotspot und einer Sensorelementkante einen Grenzwert nicht überschreiten, um eine hohe thermo-mechanische Robustheit zu gewährleisten, da beim Aufheizen mechanische Zugspannungen in der Keramik entstehen. Deshalb werden neben der eigentlichen Messzelle des Sensorelements auch das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere und die Sensorelementkanten beheizt. Diese Heizleistung steht dann nicht mehr dem Heizen der Messzelle zur Verfügung und verschlechtert das so genannte Fast-Light-Off.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine kleine thermische Masse geschaffen wird, die sowohl die Messzelle als auch die Kanten des Sensorelementkopfes umfasst.
Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens zwei Elektroden und einen
Gaszutrittsweg. Die Festelektrolytschicht und die zwei Elektroden bilden eine
elektrochemische Zelle. Eine der Elektroden ist mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbar. Die Festelektrolytschicht weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche auf. Die elektrochemische Zelle befindet sich zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsweg.
Der Gaszutrittsweg kann als Gaszutrittsloch realisiert sein oder ein Gaszutrittsloch umfassen. Das Gaszutrittsloch kann sich entlang einer Längsachse in die
Festelektrolytschicht erstrecken, wobei sich die Längsachse parallel zu der Stirnfläche erstreckt. Das Sensorelement kann ferner ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme umfassen, wobei die elektrochemische Zelle und das Heizelement einen Schichtaufbau bilden, wobei das Heizelement zum Erzeugen eines wesentlichen Anteils der Wärme in einem Bereich, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen mit der elektrochemischen Zelle überlappt, eingerichtet ist, wobei sich der Gaszutrittsweg außerhalb des Bereichs befindet. Das Sensorelement kann eine
Längserstreckungsrichtung definieren, wobei die Längserstreckungsrichtung senkrecht zu der Stirnfläche ist. Das Sensorelement kann eine Längserstreckungsrichtung definieren, wobei die Längserstreckungsrichtung senkrecht zu einer Längsachse des Gaszutrittslochs ist. Eine der Elektroden kann auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet sein, wobei die Oberfläche senkrecht zu der Stirnfläche ist. Das Sensorelement kann ferner eine Referenzelektrode umfassen, wobei die
Referenzelektrode innerhalb der Festelektrolytschicht angeordnet ist, wobei der
Gaszutrittsweg zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Referenzelektrode angeordnet ist. Das Sensorelement kann ferner einen Elektrodenhohlraum umfassen, wobei der Elektrodenhohlraum innerhalb der Festelektrolytschicht angeordnet ist, wobei die mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbare Elektrode in dem Elektrodenhohlraum angeordnet ist. Zwischen der Elektrode in dem Elektrodenhohlraum und dem Gaszutrittsweg kann eine Diffusionsbarriere angeordnet sein. Das
Sensorelement kann von einem Schutzrohr umgeben sein, wobei das Schutzrohr mindestens eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung einen Zutritt des Messgases zu dem Sensorelement ermöglicht, wobei sich die Öffnung im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe bezüglich einer Erstreckungsachse des Sensorelements wie die Stirnfläche und/oder der Gaszutrittsweg befindet.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden
Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen
Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als
Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem
Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten
Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.
Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.
Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kanalförmige Öffnung mit einem beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig, zu verstehen, die geeignet ist, ein Messgas aus dem Messgasraum in einen im Inneren des Sensorelements bzw. der Festelektrolytschicht angeordneten eigentlichen Messraum eindringen zu lassen. Unter einer dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Fläche einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Die Position der Stirnfläche wird dabei in einer Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen, so dass die Stirnfläche diejenige Fläche des Sensorelements ist, die in der Erstreckungsrichtung gesehen am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Beispielsweise definiert das Sensorelement eine Erstreckungsrichtung, die eine Richtung ist, in der sich das
Sensorelement in den Messgasraum hinein erstreckt, wobei sich die Stirnfläche senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung erstreckt. Da die Erstreckungsrichtung üblicherweise parallel zu der größten Oberfläche des Sensorelements ist, wird diese auch als
Längserstreckungsrichtung bezeichnet.
Unter einer Anordnung einer elektrochemischen Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch ist eine Anordnung zu verstehen, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen mit einem Gaszutrittsloch invertiert ist. Bei herkömmlichen
Sensorelementen befindet sich das Gaszutrittsloch zwischen der Stirnfläche und der elektrochemischen Zelle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das Gaszutrittsloch in Richtung der Anschlusskontakte der Elektroden verschoben anzuordnen, so dass sich die elektrochemische Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch befindet, d. h. das Gaszutrittsloch ist weiter von der Stirnfläche entfernt angeordnet als die
elektrochemische Zelle. Die Anordnung wird dabei in der Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Breitband-Lambdasonden beschrieben. Bei derartigen Breitband-Lambdasonden wird die in den Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff oder Fettgas entweder anhand eines Grenzstroms oder anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas.
Für die elektrochemische Reaktion der Elektroden und die Sauerstoffionenleitung des Festelektrolyten sind hohe Temperaturen notwendig, die üblicherweise während des Betriebs oberhalb von 650 °C sind. Bei einem Schnellstart, d. h. einem Fast-Light-Off, wird möglichst viel Heizleistung in den Messzellenbereich des Sensors geleitet.
Begrenzend ist dabei die verfügbare Heizleistung der Endstufen, die üblicherweise kurzzeitig maximal 8 A ist. Hierbei ist es jedoch wünschenswert, die verfügbare Heizleistung in eine möglichst kleine thermische Masse einzukoppeln, die mindestens die elektrochemische Zelle mit den Elektroden umfasst.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, ein invertiertes Sensorelementdesign zu schaffen, bei dem gegenüber den Sensorelementen aus dem oben genannten Stand der Technik das Gaszutrittsloch und die Diffusionsbarriere in Richtung der Anschlusskontakte der Elektroden verschoben sind. Dadurch können die Pumpelektroden so angeordnet werden, dass sie zwischen Stirnfläche und Gaszutrittsloch liegen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Sensorelements ergibt sich der Vorteil einer geringen thermischen Masse, die sowohl die Messzelle als auch die Kanten des
Sensorelementkopfes enthält. Da sich der Hotspot nahe an der vorderen Stirnfläche befindet, können die thermomechanischen Spannungen während des Aufheizens gering gehalten werden. Dadurch ist die Robustheit des Sensors auch während eines Fast-Light- Off-Betriebs hoch.
Da die Pumpelektroden, die aus Funktionsgründen im Hotspot liegen, und die
Stirnkanten, die aus Robustheitsgründen dicht am Hotspot liegen müssen, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die beim Fast- Light-Off beheizt werden muss, gering. Dadurch kann viel der verfügbaren Heizleistung in die elektrochemische Zelle eingekoppelt werden. Dadurch entsteht schnell ein
Sondensignal. Dadurch kann die Betriebsbereitschaft auf kleine Werte gesenkt werden.
Da sich die Diffusionsbarriere außerhalb des Hotspots befindet, ist sie kälter, Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Diffusionsprozesse in der Diffusionsbarriere. Dadurch nimmt der Pumpstrom ab, beispielsweise um 4 % pro 100 K. Da sich die
Diffusionsbarriere immer gleich weit außerhalb des Hotspots befindet und damit immer die gleiche Temperaturdifferenz gegenüber der elektrochemischen Zelle erfährt, ist auch die Absenkung nicht nur gering, sondern auch konstant. Dadurch ändert sich die Sensitivität der Kennlinie, insbesondere wird die Kennlinie etwas flacher. Dieser Effekt kann durch eine leicht erhöhte Porosität der Diffusionsbarriere wieder ausgeglichen werden.
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei Breitband-Lambdasonden realisieren. Die Zuleitung der äußeren Pumpelektrode lässt sich um das Gaszutrittsloch herum führen. Aufgrund der veränderten Positionierung des Gaszutrittslochs zum Schutzrohr muss die Anströmung des Sensorelements unter Umständen verändert werden. Das kann durch eine Designanpassung des Schutzrohrs oder durch eine Änderung des Vorstehmaßes, d. h. der Positionierung des Sensorelements in der Dichtpackung erfolgen. Beispielsweise kann sich zumindest eine Öffnung des Schutzrohrs, bei mehreren Schutzrohren des innersten der Schutzrohre, axial (also in Richtung der Längserstreckung des
Sensorelements) auf der Höhe der dem Abgas zugewandten Stirnfläche Sensorelements und/oder auf der Höhe des Gaszutrittslochs des Sensorelements befinden. Alternativ kommt noch ein gewisser Versatz in Frage, beispielsweise um nicht mehr als 3 mm, insbesondere um nicht mehr als 2 mm und besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 mm. Alternativ kann wie genannt das Sensorelement weiter außerhalb des Messgasraums angeordnet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in Fig. 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die
Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher eine
Festelektrolytschicht 14 und mindestens zwei Elektroden 16, 18 umfasst. Die
Festelektrolytschicht 14 kann aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Die Festelektrolytschicht 14 weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche 19 auf. Die Elektroden 16, 18 werden nachfolgend auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich zu unterscheiden. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch die
Festelektrolytschicht miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.
Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von einer Oberfläche 23 der
Festelektrolytschicht 14 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. Alternativ kann sich der Gaszutrittsweg 22 senkrecht zu der Ansichtsebene der Fig. 1 erstrecken, d.h.
senkrecht zu einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht 14 und parallel zu der
Oberfläche 23. In der Festelektrolytschicht 14 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt, beispielsweise rechteckig. Der
Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 23 der Festelektrolytschicht 14 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 24 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem
Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 26 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 26 ist eine Diffusionsbarriere 28 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 28 lässt sich ein Grenzstrom einer elektrochemischen Zelle in Form einer Pumpzelle 30 einstellen. Die Pumpzelle 30 umfasst eine auf der Oberfläche 23 der Festelektrolytschicht 14 angeordnete dritte Elektrode 32, deren Anschlussleitungen um das Gaszutrittsloch 22 herumgeführt sind, beispielsweise ringförmig, und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 34 getrennt sein kann. Ferner umfasst die Pumpzelle 30 eine vierte Elektrode 36, die in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet ist. Die vierte Elektrode 36 kann rechteckig
ausgebildet sein. Beispielsweise sind die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36 parallel zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der dritten Elektrode 32 und der vierten Elektrode 36 über die Festelektrolytschicht 14 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs ist ein Heizelement 38 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet.
Ferner umfasst der Schichtaufbau 12 eine Isolationsschicht 40. Die Isolationsschicht 40 erstreckt sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 in das Innere der Festelektrolytschicht 14. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 22 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 parallel zu einer Längsachse 41 , die mit der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 identisch ist, verläuft. Die Längsachse 41 verläuft parallel zu der Stirnfläche 19. In diesem Fall erstreckt sich ferner die Isolationsschicht 40 senkrecht zu der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22. Die Isolationsschicht 40 kann sich beispielsweise parallel zu dem Kanal 26 erstrecken. In der Richtung der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22 gesehen befindet sich die Isolationsschicht 40 im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe wie das Ende des
Gaszutrittslochs 22 im Inneren der Festelektrolytschicht 14. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass alternativ zu der Isolationsschicht 40 ein Referenzgaskanal vorgesehen sein kann, der beispielsweise an der gleichen Stelle wie die Isolationsschicht 40 oder in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 und somit weiter im Inneren der
Festelektrolytschicht 14 angeordnet sein kann.
Die erste Elektrode 16 ist in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet. Beispielsweise liegt die erste Elektrode 16 der vierten Elektrode 36 gegenüber. Mittels des Gaszutrittslochs 22 ist die vierte Elektrode 36 mit dem Messgas beaufschlagbar. Die erste Elektrode 16 ist mittels des Gaszutrittslochs 22 ebenfalls mit dem Messgas beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 18 ist auf der Isolationsschicht 40 angeordnet. Entsprechend ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform kein makroskopischer Referenzgaskanal in der
Festelektrolytschicht 14 vorgesehen, sondern eine so genannte gepumpte Referenz, d. h. eine künstliche Referenz. Die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18 und der Teil der Festelektrolytschicht 14 zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 bilden eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle 42. Mittels der Pumpzelle 30 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 30 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 42 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten
Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 gemessen wird. Da in dem oder an der zweiten Elektrode 18, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem
Elektrodenhohlraum 24 geschlossen werden.
Gemäß den obigen Ausführungsformen sind die Pumpzelle 30 und das Heizelement 38 übereinander angeordnet und bilden so den Schichtaufbau 12. Das Sensorelement 10 definiert eine Längserstreckungsrichtung 44, die senkrecht zu der Stirnfläche 19 ist. Die Oberfläche 23 ist ebenfalls senkrecht zu der Stirnfläche 19. Die
Längserstreckungsrichtung 44 ist senkrecht zu der Längsachse 41 des Gaszutrittslochs 22. Wie in Figur 1 gezeigt, befindet sich das Gaszutrittsloch 22 zwischen der Pumpzelle 30 und der Isolationsschicht 40 in der Richtung der Längserstreckungsrichtung 44 gesehen. Das Gaszutrittsloch 22 befindet sich bei der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform zwischen der Pumpzelle 30 und der Isolationsschicht 40 bzw.
umgekehrt in der Richtung der Längserstreckungsrichtung 44 gesehen. Bei
herkömmlichen Sensorelementen befindet sich die Pumpzelle zwischen dem
Gaszutrittsloch und der Isolationsschicht, weshalb bei dem erfindungsgemäßen
Sensorelement 10 von einer invertierten Anordnung des Gaszutrittslochs 22 gesprochen werden kann. Da die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36, die die
Pumpelektroden bilden, und die Stirnkanten, die den Übergang von der Stirnfläche 19 in die angrenzenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 14, wie beispielsweise die Oberseite 23, bilden, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die bei einem Fast-Light-Off durch das Heizelement 38 beheizt werden muss, gering. Der wesentliche Anteil der von dem Heizelement 38 erzeugten Wärme wird in einem Bereich 46 eingebracht, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 12 gesehen, mit der Pumpzelle 30 überlappt. Das Gaszutrittsloch 22 befindet sich außerhalb des Bereichs 46, wie in Figur 1 gut zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird der Hotspot des Heizelements 38 im Bereich der Pumpzelle 30 angeordnet und ein zweiter Hotspot, der bei herkömmlichen Sensorelementen das Gaszutrittsloch 22 erwärmt, entfällt oder fällt mit dem ersten Hotspot zusammen.
Das Sensorelement 10 kann ferner von einem nicht näher gezeigten Schutzrohr umgeben sein. Das Schutzrohr weist mindestens eine Öffnung zum Erlauben eines Zutritts des Messgases zu dem Sensorelement 10 auf. Die Öffnung befindet sich dabei beispielsweise im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe bezüglich einer Erstreckungsachse, die mit der Längserstreckungsrichtung 44 zusammenfällt, des Sensorelements 10 wie die Stirnfläche 19 und/oder das Gaszutrittsloch 22.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 kann durch eine optische Begutachtung, wie beispielsweise eine Lichtmikroskopie eines Querschliffs, nachgewiesen werden.
Insbesondere lässt sich durch die besondere Anordnung des Gaszutrittslochs 22 ein Fast- Light-Off von weniger als 5 Sekunden erzielen. Die Realisierung des Gaszutrittslochs 22 ist sowohl in Höhe der Messzelle als auch in Richtung der Anschlusskontakte der dritten Elektrode 32 verschoben möglich. Der Gaszutritt kann sowohl einseitig als auch auf beiden Seiten erfolgen, d. h. das Gaszutrittsloch 22 kann durchgehend ausgebildet werden. Die Diffusionsbarriere 28 ist in der Höhe des Elektrodenhohlraums 24
angeordnet. Das Gaszutrittsloch 22 kann dabei so angeordnet werden, dass es nicht direkt angeströmt wird, so dass die Wasserbelastung deutlich geringer ist. Dabei sind Einbußen bezüglich der Dynamik nicht zu erwarten.

Claims

Ansprüche 1 . Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer
Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (14), mindestens zwei Elektroden (32, 36) und einen Gaszutrittsweg (20), wobei die Festelektrolytschicht (14) und die zwei
Elektroden (32, 36) eine elektrochemische Zelle (30) bilden, wobei eine der Elektroden (32, 36) mittels des Gaszutrittswegs (20) mit dem Messgas beaufschlagbar ist, wobei die Festelektrolytschicht (14) eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche (19) aufweist, wobei sich die elektrochemische Zelle (30) zwischen der Stirnfläche (19) und dem Gaszutrittsweg (20) befindet.
2. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gaszutrittsweg (20) ein Gaszutrittsloch (22) umfasst, wobei sich das Gaszutrittsloch (22) entlang einer Längsachse (41 ) in die Festelektrolytschicht (14) erstreckt, wobei sich die Längsachse (41 ) parallel zu der Stirnfläche (19) erstreckt.
3. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Heizelement (38) zum Erzeugen von Wärme, wobei die elektrochemische Zelle (30) und das Heizelement (38) einen Schichtaufbau (12) bilden, wobei das
Heizelement (38) zum Erzeugen eines wesentlichen Anteils der Wärme in einem Bereich (46), der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau (12) gesehen mit der elektrochemischen Zelle (30) überlappt, eingerichtet ist, wobei sich der
Gaszutrittsweg (20) außerhalb des Bereichs (46) befindet.
4. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (10) eine Längserstreckungsrichtung (44) definiert, wobei die
Längserstreckungsrichtung (44) senkrecht zu der Stirnfläche (19) ist.
5. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Gaszutrittsweg (20) ein Gaszutrittsloch (22) umfasst, wobei das Sensorelement (10) eine
Längserstreckungsrichtung (44) definiert, wobei die Längserstreckungsrichtung (44) senkrecht zu einer Längsachse (41 ) des Gaszutrittslochs (22) ist.
6. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der Elektroden (32, 36) auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Oberfläche (23) der Festelektrolytschicht (14) angeordnet ist, wobei die Oberfläche (23) senkrecht zu der Stirnfläche (19) ist.
7. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Referenzelektrode (18), wobei die Referenzelektrode (18) innerhalb der Festelektrolytschicht (14) angeordnet ist, wobei der Gaszutrittsweg (20) zwischen der elektrochemischen Zelle (30) und der Referenzelektrode (18) angeordnet ist.
8. Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Elektrodenhohlraum (24), wobei der Elektrodenhohlraum (24) innerhalb der Festelektrolytschicht (14) angeordnet ist, wobei die mittels des Gaszutrittswegs (20) mit dem Messgas beaufschlagbare Elektrode (36) in dem Elektrodenhohlraum (24) angeordnet ist.
9. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen der Elektrode (36) in dem Elektrodenhohlraum (24) und dem Gaszutrittsweg (20) eine Diffusionsbarriere (28) angeordnet ist.
10. Sensor mit einem Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Schutzrohr, wobei das Sensorelement (10) von dem Schutzrohr umgeben ist, wobei das Schutzrohr mindestens eine Öffnung zum Erlauben eines Zutritts des Messgases zu dem Sensorelement (10) aufweist, wobei sich die Öffnung im Wesentlichen auf gleicher axialer Höhe bezüglich einer Erstreckungsachse des Sensorelements (10) wie die Stirnfläche (19) und/oder der Gaszutrittsweg (20) befindet.
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"Sensoren im Kraftfahrzeug", 2010, pages: 160 - 165

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