DE102007049713A1 - Sensor element for use in lambda oxygen sensor of motor vehicle, has electrode separated from gas chamber by partition that is selectively permeable for gas component i.e. oxygen, to be detected - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere sind Sensorelemente dieser Art unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.The The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic Properties of certain solids based, so the ability this solid to conduct certain ions. such Sensor elements are used in particular in motor vehicles, to measure air-fuel gas mixture compositions. Especially are sensor elements of this type under the name "lambda probe" known and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.
Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.With the so-called air ratio "lambda" (λ) is thereby generally in combustion engineering the relationship between an actually offered air mass and one for the combustion theoretically required (i.e., stoichiometric) Air mass designated. The air ratio is thereby by means of one or more Sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system an internal combustion engine measured. Accordingly, "fat" Gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel surplus) an air ratio λ <1 whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. Next Automotive technology will be such and similar Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology), for example in aviation technology or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.
Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Ausführungsformen
der Sensorelemente bekannt. Eine Ausführungsform ist beispielsweise
die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der
Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer
einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode
und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander
verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften
in der Regel Zirkondioxid oder ähnliche Keramiken als Fest elektrolyt
eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch
und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt
werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung aktiv zu regeln. Verschiedene
Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch
als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise
in
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" (auch „Breitbandsonden" genannt) zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet.alternative or in addition to jump probes also so-called "pump cells" (also called "broadband probes") used in which a electrical "pumping voltage" at two over the solid electrolyte connected electrodes, wherein the "pumping current" is measured by the pumping cell. In contrast to the principle of the jump probes When pumping cells are usually both electrodes with the measured Gas mixture in conjunction. One of the two electrodes (usually over a permeable protective layer) immediately to be measured Exposed to gas mixture. However, the second of the two electrodes is designed such that the gas mixture is not directly to this Electrode can pass, but first penetrate a so-called "diffusion barrier" in order to penetrate into a cavity adjacent to this second electrode to get. As a diffusion barrier is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii used.
Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen (Breitbandsensoren).kick lean exhaust gas through this diffusion barrier into the cavity a, so by the pumping voltage oxygen molecules at the second, negative electrode electrochemically to oxygen ions reduced by the solid electrolyte to the first, positive Electrode transported and released there as free oxygen again. The Sensor elements are usually in the so-called limit current operation operated, that is in an enterprise, in which the Pumping voltage is chosen such that the through the diffusion barrier incoming oxygen is completely pumped to the counter electrode becomes. In this mode, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, see above that such sensor elements often as proportional sensors be designated. In contrast to jump sensors can be such Proportionalsensoren over a comparatively wide Use range for air ratio lambda (broadband sensors).
Ein
Beispiel eines derartigen Breitbandsensors mit zwei Elektroden und
einem Trockenelektrolyt ist in
Neben
dem beschriebenen Prinzip, bei welchem die erste Elektrode über
eine Schutzschicht mit dem zu messenden Gasgemisch verbunden ist,
existieren noch weitere Möglichkeiten, Breitbandsensoren
zu gestalten. So kann beispielsweise die erste Elektrode stattdessen
mit einem vom Gasgemisch getrennten Referenzkanal verbunden sein,
welcher beispielsweise mit der Außenluft in Verbindung
steht (vgl. beispielsweise
In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und
ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen
einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.
Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in
Breitband-Sensorelemente nach dem oben beschriebenen Grenzstromprinzip in Einzeller-Anordnung mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen jedoch verschiedene Probleme auf. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Gasgemisches gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein po-sitiver Pumpstrom gemessen, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 600–700 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen mole-kularen Wasserstoff zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode, also der ersten Elektrode, beeinflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Fest-elektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff auch Wasser gebil-det werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sauerstoff-liefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO. Der Strom ist also im Bereich fetter Gemische (Fettpumpstrom) durch den Wasserstoffgehalt im Bereich der ersten Elektrode (z. B. Anode) und den Wasserdampfgehalt (d. h. insbesondere den Zutritt des Wasserdampfes durch die oben beschriebene Diffusi onsbarriere) im Bereich der zwei-ten Elektrode (z. B. Kathode) begrenzt. Die Problematik besteht nun insbesondere darin, dass der Fettpumpstrom und der Magerpumpstrom elektrisch dieselbe Richtung aufweisen, so dass aus dem Pumpstrom ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches kaum mehr möglich ist. Neben der beschriebenen Problematik im Bereich fetter Gemische ist auch im Bereich leicht magerer Abgase eine Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen, welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven Beitrag zum Pumpstrom liefert.Broadband sensor elements according to the above-described limiting current principle in single cell arrangement with two electrodes exposed to the gas mixture, however, have various problems. Thus, a positive pumping current (lean pumping current) with a clear relationship to the oxygen content of the gas mixture is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture. In the rich gas mixture, however, a positive pumping current is usually measured as well, even if the applied pumping voltage (usually about 600-700 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V). This positive pumping current is essentially attributable to the molecular hydrogen contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, that is to say the first electrode, since the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen now also form on the first electrode Water can be formed. Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO 2 / CO. The current is therefore in the range of rich mixtures (fat pump current) by the hydrogen content in the region of the first electrode (eg anode) and the water vapor content (ie in particular the access of the water vapor through the diffusion barrier described above) in the region of the second electrode (eg cathode). The problem now consists, in particular, in that the fat pumping current and the lean pumping current have the same direction electrically, so that a conclusion on the composition of the gas mixture is scarcely possible from the pumping current. In addition to the problems described in the field of rich mixtures, a falsification of the pumping current by the hydrogen is also to be observed in the area of slightly lean exhaust gases, which is already present in this area and provides a positive contribution to the pumping current.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird dementsprechend ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gasgemischs in einem Gasraum bereitgestellt, welches insbesondere in einer Lambdasonde in einem Kraftfahrzeug oder in anderen Bereichen der Verbrennungstechnik eingesetzt werden kann und welches die oben beschriebenen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet. Insbesondere kann das Sensorelement als Breitbandsensor betrieben werden, mit einer weitgehend eindeutigen Kennlinie. Zu diesem Zweck wird das Stromsignal im Bereich fetter Gasgemische weitgehend unterdrückt.It Accordingly, a sensor element for determining at least a physical property of a gas mixture in a gas space provided, which in particular in a lambda probe in a Motor vehicle or in other areas of combustion technology can be used and which have the disadvantages described above prevents the known from the prior art devices. In particular, the sensor element can be operated as a broadband sensor with a largely unique characteristic. To this end the current signal in the area of rich gas mixtures is largely suppressed.
Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die im Fettgas
an der Anode ablaufenden Reaktionen, wie beispielsweise die Reaktionen
Dementsprechend weist das vorgeschlagene Sensorelement mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode sowie mindestens einen die mindestens zwei Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf, analog zum oben beschriebenen Aufbau üblicher Breitbandsensoren. Dabei ist die mindestens eine erste Elektrode von dem Gasraum durch mindestens eine Membran getrennt, wobei die mindestens eine Membran selektiv durchlässig ist für mindestens eine nachzuweisende Gaskomponente. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Gaskomponente um molekularen Sauerstoff handeln, wohingegen die Durchlässigkeit für die oben beschriebenen oxidierbaren Komponenten erheblich unterdrückt ist. Beispielsweise kann die Durchlässigkeit gegenüber den oxidierbaren Komponenten um mindestens eine Größenordnung geringer sein als die Durchlässigkeit gegenüber Sauerstoff. So kann beispielsweise der Grenzstrom für Sauerstoff ca. 2 mA betragen, wohingegen der Grenzstrom der oxidierbaren Komponenten beispielsweise lediglich ca. 2–20 Mikroampere beträgt. Allgemein ist ein Verhältnis dieser Größen von in einem Verhältnis von 200 bis 500 wünschenswert und bevorzugt. Auf diese Weise wird einerseits gewährleistet, dass die mindestens eine Gaskomponente effizient von der mindestens einen ersten Elektrode abtransportiert werden kann, beispielsweise in Form eines Sauerstoffausstroms. Gleichzeitig wird im Fettgasbetrieb beziehungsweise im Nichtgleichgewichtsabgas nahe bei λ = 1 die Brenngasdiffusion zur mindestens einen ersten Elektrode (Anode) behindert. Dementsprechend werden die oben beschriebenen Brenngasoxidationsreaktionen an der Anode unterbunden, und es wird eine nahezu eindeutige Kennlinie bis λ = 1,0 realisiert.Accordingly, the proposed sensor element has at least one first electrode and at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the at least two electrodes, analogously to the structure of conventional broadband sensors described above. In this case, the at least one first electrode is separated from the gas space by at least one membrane, wherein the at least one membrane is selectively permeable to at least one gas component to be detected. In particular, this at least one gas component may be molecular oxygen, whereas the permeability to the oxidizable components described above is significantly suppressed. For example, the permeability to the oxidizable components may be at least one order of magnitude lower than the permeability to oxygen. For example, the limiting current for oxygen may be about 2 mA, whereas the limiting current The oxidizable components, for example, only about 2-20 microamps. Generally, a ratio of these sizes of in a ratio of 200 to 500 is desirable and preferred. In this way, on the one hand it is ensured that the at least one gas component can be efficiently removed from the at least one first electrode, for example in the form of an oxygen outflow. At the same time, the fuel gas diffusion to the at least one first electrode (anode) is obstructed in the rich gas mode or in the non-equilibrium exhaust gas close to λ = 1. Accordingly, the above-described fuel gas oxidation reactions at the anode are suppressed, and a nearly unique characteristic up to λ = 1.0 is realized.
Der oben verwendete Begriff „Membran" ist dabei im weitesten Sinne zu verstehen. So kann zum einen der Begriff im herkömmlichen Sinne verstanden werden, also auch flexibles Element mit einer Dicke, welche sehr klein ist gegenüber der lateralen Ausdehnung des Elements. Alternativ kann der Begriff „Membran" auch im Sinne von „Schicht" verstanden werden, ohne die vorgehend genannten Dimensions- und/oder Flexibilitätseinschränkungen. Bevorzugte Schichtdicken der mindestens einen Membran liegen im Bereich zwischen 0,05 mm und 3,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm.Of the used above term "membrane" is the furthest Meaning to understand. Thus, on the one hand, the term in the conventional Understood meaning, so also flexible element with a thickness, which is very small compared to the lateral extent of the element. Alternatively, the term "membrane" can also understood in the sense of "layer" without going ahead said dimensional and / or flexibility limitations. Preferred layer thicknesses of the at least one membrane are in the Range between 0.05 mm and 3.0 mm, preferably between 0.1 mm and 1.0 mm.
Als
Membranen mit selektiven Eigenschaften für die verschiedenen
Gaskomponenten können insbesondere gemischte elektronisch/ionische
Leiter eingesetzt werden. Derartige gemischte elektronisch/ionische
Leiter sind aus anderen Bereichen der Werkstofftechnik, wie beispielsweise
aus dem Bereich von Brennstoffzellen, bekannt und werden auch als
MIEC (mixed ionic electronic conductor) bezeichnet. Grundsätzlich
können beispielsweise die Materialien eingesetzt werden,
welche in
Mittels des Einsatzes der beschriebenen Membran lässt sich das Messsignal von Breitbandsensoren im Bereich fetter Gasgemische stark unterdrücken und auf diese Weise eine weitgehend eindeutige Kennlinie realisieren. Dies erleichtert die Auswertung der Messsignale insbesondere im Bereich nahe λ = 1 stark.through the use of the membrane described can be the Measurement signal of broadband sensors in the area of fat gas mixtures strong suppress and in this way a largely unambiguous Realize characteristic. This facilitates the evaluation of the measurement signals especially in the region near λ = 1 strong.
Das beschriebene Sensorelement in einer der dargestellten Ausführungen lässt sich auf verschiedene Weise vorteilhaft weiterbilden. Insbesondere betreffen diese Weiterbildungen die Auswahl des Membran-Werkstoffs. So hat es sich zunächst als günstig erwiesen, wenn Werkstoffe eingesetzt werden, welche kompatibel zum Werkstoff des mindestens einen Festelektrolyten sind. Weiterhin ist es für übliche Sensorelemente, insbesondere für den Einsatz als Lambdasonden im Kraftfahrzeugbereich, von Vorteil, wenn die mindestens eine Membran eine elektronische Leitfähigkeit im Bereich von 1 / 10 1 / Ω bis 1 / 100 1 / Ω aufweist, oder wenn weder die elektronische noch die ionische Leitfähigkeit diese Werte unterschreitet. Auf diese Weise lassen sich bei üblichen Sondengeometrien und Betriebsspannungen optimale Unterdrückungen des Messsignals im Bereich fetter Gasgemische erzielen, wobei der Betrieb der Sonde gewährleistet bleibt. Der Austauschkoeffizient der Membran für Sauerstoff sollte ausreichend sein, um einen Sauerstoffstrom von vorzugsweise 2 mA zuzulassen.The described sensor element in one of the illustrated embodiments can be advantageously developed in various ways. In particular, these developments relate to the selection of the membrane material. So it has proven to be favorable at first, if materials are used which are compatible with the material of the at least one solid electrolyte. Furthermore it is for usual Sensor elements, in particular for use as lambda probes in the automotive field, advantageous if the at least one membrane has an electronic conductivity in the range of 1/10 1 / Ω to 1/100 1 / Ω, or if neither the electronic nor the ionic conductivity these values are below. In this way can be at usual Probe geometries and operating voltages optimal suppression achieve the measurement signal in the range of rich gas mixtures, the Operation of the probe remains ensured. The exchange coefficient the membrane for oxygen should be sufficient to allow an oxygen flow of preferably 2 mA.
Anstatt die mindestens eine Membran unmittelbar auf die mindestens eine erste Elektrode aufzubringen, ist es bevorzugt, einen mit der mindestens einen ersten Elektrode in Verbindung stehenden Hohlraum vorzusehen, welcher durch die mindestens eine Membran von dem mindestens einen Gasraum getrennt ist. Auf diese Weise kann sich in dem mindestens einen Hohlraum ein Partialdruck der mindestens einen Gaskomponente einstellen, welcher höher ist als der Partialdruck im Gasraum. Diese Partialdruckdifferenz ist die „treibende Kraft" für die Diffusion der mindestens einen Gaskomponente, insbesondere des Sauerstoffs, durch die mindestens eine Membran. Auf diese Weise kann einerseits die mindestens eine erste Elektrode gasraumseitig effizient abgeschirmt werden, aber gleichzeitig großflächig ein Diffusionsaustausch der mindestens einen Gaskomponente zwischen Hohlraum und Gasraum gewährleistet sein.Instead of the at least one membrane directly on the at least one it is preferred to apply one with the at least one first electrode to provide associated cavity, which separated from the at least one gas space by the at least one membrane is. In this way, in the at least one cavity can set a partial pressure of the at least one gas component, which is higher than the partial pressure in the gas space. These Partialdruckdifferenz is the "driving force" for the diffusion of the at least one gas component, in particular the Oxygen, through the at least one membrane. In this way On the one hand, the at least one first electrode on the gas chamber side efficiently screened, but at the same time a large area Diffusion exchange of at least one gas component between Cavity and gas space to be guaranteed.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Membran und die mindestens eine erste Elektrode durch mindestens ein Isolatorelement elektrisch gegeneinander isoliert sind. Auch sind vorzugsweise der mindestens eine Festelektrolyt und die mindestens eine Membran durch das mindestens eine Isolatorelement gegeneinander isoliert. Diese Isolierung verhindert, dass eine direkte elektrochemische Anbindung der mindestens einen ersten Elektrode an die Brenngase im Gasraum erfolgt.Furthermore, it is advantageous if the at least one membrane and the at least one first electrode by at least one insulator element are electrically isolated from each other. Also preferably, the at least one solid electrolyte and the at least one membrane are insulated from each other by the at least one insulator element. This isolation prevents a direct electrochemical connection of the at least one first electrode to the fuel gases in the gas space.
Vorteilhafterweise
ist weiterhin die mindestens eine zweite Elektrode von dem Gasraum
durch mindestens eine Diffusionsbarriere getrennt. Insbesondere
kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um ein poröses
keramisches Material hoher Dichte handeln, dessen Porenradien auf
die Anwendung angepasst sind. Insbesondere kann auch ein mit der mindestens
einen zweiten Elektrode in Verbindung stehender zweiter Hohlraum
vorgesehen sein, welcher von dem Gasraum durch die mindestens eine Diffusionsbarriere
getrennt ist. Derartige Diffusionsbarrieren werden beispielsweise
in
Das beschriebene Sensorelement in einer der dargestellten Ausführungen lässt sich beispielsweise in einer Schichttechnologie realisieren, wobei verschiedene Schichtaufbauten eingesetzt werden können. So kann beispielsweise ein Schichtaufbau mit einander gegenüberliegenden Elektroden eingesetzt werden, wobei die erste Elektrode in einer höheren Schichtebene angeordnet ist als die mindestens eine zweite Elektrode. Auch ein Schichtaufbau mit gegenüberliegenden Elektroden in umgekehrter Reihenfolge ist denkbar. Alternativ kann auch ein Schichtaufbau eingesetzt werden, bei welchem die Elektroden auf der gleichen Seite des mindestens einen Festelektrolyten angeordnet sind.The described sensor element in one of the illustrated embodiments can be realized for example in a layer technology, wherein different layer structures can be used. For example, a layer structure with opposite Electrodes are used, wherein the first electrode in a higher layer plane is arranged than the at least a second electrode. Also a layer construction with opposite Electrodes in reverse order is conceivable. Alternatively, you can also be used a layer structure in which the electrodes arranged on the same side of the at least one solid electrolyte are.
Vorteilhafterweise wird das beschriebene Sensorelement derart betrieben, dass die mindestens eine erste Elektrode als Anode betrieben wird, wobei die mindestens eine zweite Elektrode als Kathode eingesetzt wird. Dabei wird bevorzugt eine Pumpspannung zwischen 100 mV und 1,0 V, vorzugsweise zwischen 300 mV und 800 mV, und besonders bevorzugt zwischen 600 mV und 700 mV zwischen die mindestens zwei Elektroden angelegt, wobei der Pumpstrom durch das Sensorelement gemessen wird. Diese derart gewählte Pumpspannung reicht üblicherweise aus, um das Sensorelement im Grenzstrombetrieb zu betreiben, wobei jedoch die Pumpspannung gleichzeitig unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegt, so dass an der zweiten Elektrode keine Zersetzung von Wasser auftreten sollte.advantageously, the sensor element described is operated such that the at least a first electrode is operated as an anode, wherein the at least a second electrode is used as the cathode. It is preferred a pump voltage between 100 mV and 1.0 V, preferably between 300 mV and 800 mV, and more preferably between 600 mV and 700 mV applied between the at least two electrodes, wherein the pumping current is measured by the sensor element. This chosen Pumping voltage is usually sufficient to the sensor element operate in limit current operation, but the pump voltage is simultaneously below the decomposition voltage of water, so that no decomposition of water occur at the second electrode should.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Als
erster Reaktionsschritt findet an der Grenzfläche zwischen
Anodenraum
An
der gegenüberliegenden Grenzfläche
In
Entsprechend
dem Sauerstoff-Partialdruck in dem Kathodenraum
Wie
oben beschrieben, ist es dabei, um die Anode
Das
Sensorelement
Unterhalb
des Schichtaufbaus Kathode
In
Ein
zweiter Unterschied besteht darin, dass in dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Ansonsten
entspricht der Aufbau des Sensorelements
In
Wiederum
ist auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass das Sensorelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102004035826 A1 [0003] DE 102004035826 A1 [0003]
- - DE 19938416 A1 [0003] - DE 19938416 A1 [0003]
- - DE 102005027225 A1 [0003] DE 102005027225 A1 [0003]
- - DE 4343748 [0006] - DE 4343748 [0006]
- - DE 3809154 C1 [0007] - DE 3809154 C1 [0007]
- - EP 0678740 B1 [0008] EP 0678740 B1 [0008]
- - DE 4343748 C2 [0014] - DE 4343748 C2 [0014]
- - US 2004/0183005 A1 [0014] US 2004/0183005 A1 [0014]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seite 116 [0019] - Robert Bosch GmbH: "Sensors in motor vehicles", 2001, page 116 [0019]
Claims (12)
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3809154C1 (en) | 1988-03-18 | 1988-12-08 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart, De | |
DE4343748A1 (en) | 1992-12-25 | 1994-06-30 | Nippon Denso Co | Oxygen sensor |
DE19938416A1 (en) | 1998-08-25 | 2000-03-16 | Denso Corp | Multilayered air:fuel ratio sensor element for vehicle exhaust systems; has measurement and reference gas sensor electrodes on surfaces of fixed electrolyte and contacting chambers for measurement and reference gas |
EP0678740B1 (en) | 1994-04-21 | 2001-06-27 | Ngk Insulators, Ltd. | Method of measuring a gas component and sensing device for measuring the gas component |
US20040183005A1 (en) | 2001-05-25 | 2004-09-23 | Hager James W | Method of mass spectrometry, to enhance separation of ions with different charges |
DE102004035826A1 (en) | 2003-07-25 | 2005-03-17 | Denso Corp., Kariya | Process for producing a ceramic laminate |
DE102005027225A1 (en) | 2004-06-14 | 2006-04-13 | Denso Corp., Kariya | Gas sensor |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5695624A (en) * | 1995-01-30 | 1997-12-09 | The Regents Of The Univeristy Of California | Solid state oxygen sensor |
DE19941051C2 (en) * | 1999-08-28 | 2003-10-23 | Bosch Gmbh Robert | Sensor element for determining the oxygen concentration in gas mixtures and method for producing the same |
-
2007
- 2007-10-17 DE DE102007049713A patent/DE102007049713A1/en not_active Withdrawn
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Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3809154C1 (en) | 1988-03-18 | 1988-12-08 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart, De | |
DE4343748A1 (en) | 1992-12-25 | 1994-06-30 | Nippon Denso Co | Oxygen sensor |
DE4343748C2 (en) | 1992-12-25 | 2003-03-20 | Denso Corp | oxygen sensor |
EP0678740B1 (en) | 1994-04-21 | 2001-06-27 | Ngk Insulators, Ltd. | Method of measuring a gas component and sensing device for measuring the gas component |
DE19938416A1 (en) | 1998-08-25 | 2000-03-16 | Denso Corp | Multilayered air:fuel ratio sensor element for vehicle exhaust systems; has measurement and reference gas sensor electrodes on surfaces of fixed electrolyte and contacting chambers for measurement and reference gas |
US20040183005A1 (en) | 2001-05-25 | 2004-09-23 | Hager James W | Method of mass spectrometry, to enhance separation of ions with different charges |
DE102004035826A1 (en) | 2003-07-25 | 2005-03-17 | Denso Corp., Kariya | Process for producing a ceramic laminate |
DE102005027225A1 (en) | 2004-06-14 | 2006-04-13 | Denso Corp., Kariya | Gas sensor |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Robert Bosch GmbH: "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seite 116 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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