DE10115842B4

DE10115842B4 - Vielschichtiges Gassensorelement zur Verwendung bei einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10115842B4
Application number: DE10115842A
Authority: DE
Inventors: Akira Kariya Miyashita; Akio Kariya Tanaka; Toshitaka Kariya Saito; Keigo Nishio Mizutani
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: DE10115842A1; US20010025789A1; JP2001343358A; JP4563606B2; US6589409B2

Abstract

Vielschichtiges Gassensorelement mit:
einer ersten und einer zweiten Kammer (11, 12), in die ein zu messendes Objektgas eingeführt wird;
einer ersten Diffusionswiderstandspassage (110), die die erste Kammer mit der Außenumgebung des Gassensorelementes verbindet;
einer zweiten Diffusionswiderstandspassage (120), die die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet;
einer ersten elektrochemischen Zelle (2) mit einem in der ersten Kammer (11) angeordneten einen Ende (21) und einem in einer Referenzgaskammer (14) bereitgestellten anderen Ende (22), um Sauerstoff gemäß einer angelegten Spannung hinein- und herauszupumpen; und
einer zweiten elektrochemischen Zelle (3) mit einem in der zweiten Kammer (12) angeordneten einen Ende (32) und einem in der Referenzgaskammer (13) angeordneten anderen Ende (31), die auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zur Erzeugung eines eine spezifische Gaskonzentration in dem Objektgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht,
wobei die Referenzgaskammer (13) für die zweite elektrochemische Zelle (3) getrennt von der Referenzgaskammer (14) für die...

Description

Die Erfindung betrifft ein vielschichtiges Gassensorelement, das zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration (wie der von NOx) befähigt ist, und vorzugsweise in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors von einem Fahrzeug verwendbar ist.
Hierzu offenbart Die US-Patentschrift 5,879,525 ein Gerät zum Messen eines verbrennbaren Gasbestandteils durch Verbrennen des Bestandteils. Das Gerät umfasst eine erste Verarbeitungszone in Verbindung mit einem externen Messgasraum und eine zweite Verarbeitungszone in Verbindung mit der ersten Verarbeitungszone. Eine erste und eine zweite Pumpzelle sind der ersten bzw. zweiten Verarbeitungszone ausgesetzt und enthalten jeweils eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht und ein Elektrodenpaar, wobei jeweils eine Elektrode der ersten oder der zweiten Verarbeitungszone ausgesetzt ist.
Ferner offenbart dazu die US-Patentschrift 5,763,763 ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zum messen eines vorbestimmten Gasbestandteils in einem Messgas. Dabei wird das Messgas in eine erste Verarbeitungszone eingeführt. Eine erste elektrochemische Pumpzelle wird zur Verringerung des Partialdrucks von Sauerstoff bis zu einem Grad verwendet, der die Steuerung des Sauerstoffpartialdrucks in einer nachfolgenden zweiten Verarbeitungszone erlaubt.
Die moderne Gesellschaft sieht sich einer schweren Luftverschmutzung ausgesetzt, die durch von Automobilverbrennungsmotoren emittierte Schadstoffgase verursacht wird. Verschiedene Gesetze und Regulierungen verlangen von den Automobilherstellern die Erfüllung von erschwerten Standards zur Förderung der Reinheit der Emissionsgase. Im Zusammenhang mit diesen Umständen ist bekannt, dass die Reinigung der Emissionsgase durch eine unmittelbare Erfassung der Konzentration von NOx für eine Rückkoppelungssteuerung der Motorverbrennung sowie zur Überwachung der Katalysebedingungen auf der Grundlage des erfassten NOx-Wertes wirksam durchgeführt werden kann.
17 zeigt ein bekanntes vielschichtiges Gassensorelement 9, das in dem Abgassystem eines Automobilverbrennungsmotors einbaubar ist, und das zur Erfassung der NOx-Konzentration in dem Abgas befähigt ist.
Das vielschichtige Gassensorelement 9 umfasst Festkörperelektrolytschichten 963 und 965 und isolierende Schichten 964 und 966, die zur Ausbildung einer ersten Kammer 911 und einer zweiten Kammer 912 gestapelt sind, in die ein zu messendes Objektgas eingeführt wird.
Eine erste Diffusionswiderstandspassage 910 verbindet die erste Kammer 911 mit einer Außenumgebung des Gassensorelementes 9. Eine zweite Diffusionswiderstandspassage 920 verbindet die erste Kammer 911 mit der zweiten Kammer 912. Zudem umfasst das vielschichtige Gassensorelement 9 eine Referenzgaskammer 914, in die ein Referenzgas eingeführt wird.
Eine in der ersten Kammer 911 angeordnete oder bereitgestellte erste elektrochemische Zelle 902 pumpt gemäß einer angelegten Spannung Sauerstoff ein und aus. Eine in der zweiten Kammer 912 angeordnete oder bereitgestellte zweite elektrochemische Zelle 903 reagiert auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zur Erzeugung eines die NOx-Konzentration in dem Objektgas repräsentierenden Sensorstroms.
Die zweite elektrochemische Zelle 903 umfasst eine Elektrode, auf der NOx reduzierbar ist. Demzufolge kann die NOx-Konzentration auf der Grundlage eines durch die Reduktion von NOx verursachten Ionenstroms gemessen werden.
Demzufolge erzeugt die zweite elektrochemische Zelle 903 eine Sensorausgabe entsprechend einer Summe der NOx-Konzentration und einer schwankenden Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 912, wenn übermäßiger Sauerstoff in der zweiten Kammer 912 vorhanden ist und die Sauerstoffkonzentration schwankt. Somit ist die durch die zweite elektrochemische Zelle 903 erfasste NOx-Konzentration ungenau.
Zur Lösung dieses Problems wird die erste elektrochemische Zelle 902 auf der Oberfläche der ersten Kammer 911 bereitgestellt. Die erste elektrochemische Zelle 902 entlädt Sauerstoff aus der ersten Kammer 911 an die Außenumgebung des vielschichtigen Gassensorelements 9, sodass die Sauerstoffkonzentration in der ersten und der zweiten Kammer 911 bzw. 912 auf einem konstanten Pegel aufrechterhalten wird.
Wenn jedoch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des zu messenden Abgases zur fetten Seite verschoben wird, ist es gemäß dem vorstehend beschriebenen bekannten vielschichtigen Gassensorelement nötig, Sauerstoff in die erste Kammer 911 zur Oxidation des reduzierbaren Gases wie etwa Propan einzuführen, das in dem gemessenen Abgas enthalten ist. Eine der Elektroden der ersten elektrochemischen Zelle 902 wird jedoch nicht mit dem Referenzgas in der Referenzgaskammer 914 in Kontakt gebracht. Dies macht eine Erfassung des zur fetten Seite umgeschalteten Luft/Brennstoff-Verhältnisses jedoch unmöglich. Somit kann die erste elektrochemische Zelle 902 auf der fetten Seite des Luft/Brennstoff-Verhältnisses nicht sauber arbeiten.
Ferner wird dabei die Innenseite der zweiten Kammer 912 mit einem fetten Milieu gefüllt. Eine inverse elektromotorische Kraft wird an die zweite elektrochemische Zelle 903 angelegt. Dies macht eine Erfassung der NOx-Konzentration unmöglich.
Ähnliche Probleme treten bei allgemeinen vielschichtigen Sensorelementen mit einem Sensormechanismus zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration auf der Grundlage eines in Reaktion auf Sauerstoffionen verursachten Ionenstroms auf, der erzeugt wird, wenn das spezifische Gas auf der Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle zersetzt wird.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vielschichtiges Gassensorelement für die genaue Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration eines von einem Automotor emittierten Abgases bereitzustellen, selbst wenn sich dabei die Verbrennungsbedingungen so weit verändern, dass sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem breiten Bereich von einer mageren Seite zu einer fetten Seite verändert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein vielschichtiges Gassensorelement bereitgestellt, wie dies in dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch definiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen davon sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße vielschichtige Gassensorelement arbeitet auf die nachstehend angeführte Weise.
Die erste elektrochemische Zelle ist sowohl der ersten Kammer als auch der Referenzgaskammer zugewandt.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur fetten Seite verschoben wird, kann ein derartiges Umschalten des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfasst werden, da das eine Ende der ersten elektrochemischen Zelle in der Referenzgaskammer angeordnet ist. Demzufolge kann die erste elektrochemische Zelle Sauerstoff in die erste Kammer pumpen.
Zudem ermöglicht der Pumpbetrieb der ersten elektrochemischen Zelle ein Aufrechterhalten der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer auf einem konstanten Pegel. Demzufolge wird keine inverse elektromotorische Kraft an die zweite elektrochemische Zelle angelegt. Dies ermöglicht die Messung einer spezifischen Gaskonzentration des gemessenen Gases in einem breiten Bereich von der mageren Seite zur fetten Seite.
Wie aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist, wird erfindungsgemäß ein vielschichtiges Gassensorelement bereitgestellt, dass zur genauen Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in einem von einer Verbrennungsmaschine ausgestoßenen gemessenen Gas selbst dann befähigt ist, wenn die Verbrennungsbedingungen so gesteuert werden, dass das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem breiten Bereich von der mageren Seite zur fetten Seite variiert.
Ferner verursacht gemäß dem erfindungsgemäßen vielschichtigen Gassensorelement der Sauerstoffpumpbetrieb einen Sauerstoffionenstromfluss in eine elektrische Schaltung der ersten elektrochemischen Zelle.
Der Sauerstoffionenstrom umfasst einen das Luft/Brennstoff-Verhältnis repräsentierenden Stromwert. Daher kann die erste elektrochemische Zelle als Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle verwendet werden.
Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße vielschichtige Gassensorelement kann sowohl die spezifische Gaskonzentration als auch das Luft/Brennstoff-Verhältnis gleichzeitig messen.
Anwendungen des erfindungsgemäßen vielschichtigen Gassensorelementes sind nicht auf die Messung einer NOx-Konzentration beschränkt. Folglich ist das erfindungsgemäße vielschichtige Gassensorelement auf andere Bauarten von Gassensoren wie etwa einen CO-Sensor und einen HO-Sensor anwendbar.
Erfindungsgemäß ist das andere Ende der zweiten elektrochemischen Zelle in der Referenzgaskammer angeordnet ist.
Diese Anordnung ist zur Stabilisierung eines elektrischen Potentials der positiven Elektrodenseite der zweiten elektrochemischen Zelle wirkungsvoll. Somit ist die spezifische Gaskonzentration genau erfassbar.
Zudem ist erfindungsgemäß die Referenzgaskammer für die zweite elektrochemische Zelle getrennt von der Referenzgaskammer für die erste elektrochemische Zelle ausgebildet.
Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration in der Referenzgaskammer der ersten elektrochemischen Zelle aufgrund der Pumparbeit wahlweise variiert, wird gemäß einer derartigen Anordnung diese Variation nicht auf die Referenzgaskammer der zweiten elektrochemischen Zelle übertragen. Somit ist die spezifische Gaskonzentration genau erfassbar.
Zudem ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass das vielschichtige Gassensorelement zudem mit einem Heizelement versehen ist, in das ein zur Erzeugung von Wärme in Reaktion auf einen ihm zugeführten Strom befähigtes Wärmeerzeugungselement eingebaut ist, wobei ein Ionenstrompfad zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement länger als ein Ionenstrompfad zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement ist.
Allgemein ist zur Sicherstellung einer genauen Messung einer spezifischen Gaskonzentration durch das vielschichtige Gassensorelement ein rasches und ausreichendes Aufwärmen der zweiten elektrochemischen Zelle auf ihre Arbeitstemperatur notwendig. Insoweit ist das vielschichtige Gassensorelement allgemein mit einem elektrisch betreibbaren Heizelement mit einem eingebauten Wärmeerzeugungselement ausgerüstet.
Eine dem Wärmeerzeugungselement zugeführte elektrische Energie ist im Vergleich mit dem Sensorausgabepegel der zweiten elektrochemischen Zelle sehr groß und wird daher zur Rauschquelle, welche einen widrigen Einfluss auf das Sensorausgabesignal ausübt.
An die erste elektrochemische Zelle wird ebenso elektrische Energie zugeführt. Selbst falls der durch die erste elektrochemische Zelle fließende Strom ein signifikantes Rauschen aufgrund des Einflusses der Energiezufuhr an das Wärmeerzeugungselement enthält, wird jedoch die Ausgabe der ersten elektrochemischen Zelle nicht so schlimm beeinflusst, weil die erste elektrochemische Zelle zur Durchführung eines Sauerstoffpumpvorgangs angeordnet ist, und das Pumpverhalten durch den hindurch fließenden Strom nicht so beeinflusst wird.
Demzufolge wird zur Sicherstellung einer genauen Messung der spezifischen Gaskonzentration der Ionenstrompfad zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement länger als der Ionenstrompfad zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement eingestellt.
Der erfindungsgemäß definierte Ionenstrompfad repräsentiert einen Strompfad, entlang dem der Sauerstoffionenstrom fließen kann. Üblicherweise ist der Ionenstrompfad ein entlang einer elektrisch leitenden Route wie etwa einer Festkörperelektrolytschicht entwickelter kürzester Pfad bei dem vielschichtigen Gassensorelement.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass das Heizelement einen Basiswerkstoff aus Aluminiumoxid aufweist.
Aluminiumoxid ist ein isolierender Werkstoff. Der dem Wärmeerzeugungselement zugeführte Leistungsstrom kann wirksam daran gehindert werden, in einen anderen Abschnitt des vielschichtigen Sensorelements zu fließen. Somit wird die erste und die zweite elektrochemische Zelle durch den Leistungsstrom an das Wärmeerzeugungselement nicht widrig beeinflusst. Bei der Sensorausgabe tritt kein Rauschen auf.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass ein isolierender Widerstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement größer als ein isolierender Widerstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement ist, und ein minimaler Abstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement länger als ein minimaler Abstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement ist.
Eine dem Wärmeerzeugungselement zugeführte elektrische Energie ist im Vergleich mit dem Sensorausgabepegel der zweiten elektrochemischen Zelle sehr groß und wird daher zu einer Rauschquelle, die einen widrigen Einfluss auf das Sensorausgabesignal ausübt. Selbst falls der durch die erste elektrochemische Zelle fließende Strom einen signifikanten Rauschanteil aufgrund des Einflusses der dem Wärmeerzeugungselement zugeführten Energie enthält, wird andererseits die Ausgabe der ersten elektrochemischen Zelle aus demselben vorstehend beschriebenen Grunde nicht so schlimm beeinflusst.
Demzufolge wird zur Unterdrückung des widrigen Einflusses des Wärmeerzeugungselementes der isolierende Widerstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement größer als der isolierende Widerstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement eingestellt, wodurch eine genaue Messung der spezifischen Gaskonzentration sichergestellt wird.
Aus demselben Grunde wird der minimale Abstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement länger als der minimale Abstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement eingestellt, wodurch eine genaue Messung der spezifischen Gaskonzentration sichergestellt wird.
Ferner ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass der isolierende Widerstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement gleich oder größer als 1·10¹² Ω, der Leckstrom zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement gleich oder kleiner als 2·10^–11 A ist sowie der minimale Abstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle und dem Wärmeerzeugungselement gleich oder größer als 0,4 mm ist.
Die Erfüllung von allen vorstehend beschriebenen Bedingungen stellt die genaue Messung der spezifischen Gaskonzentration sicher.
Falls der isolierende Widerstand kleiner 1·10¹² Ω ist, wird ein signifikanter Leckstrom von dem Wärmeerzeugungselement zu der zweiten elektrochemischen Zelle fließen, und daher wird das Ausgangssignal der zweiten elektrochemischen Zelle einen Rauschanteil enthalten. Somit wird die Sensorausgabe ungenau werden.
Der Leckstrom ist ein von dem Wärmeerzeugungselement zu der zweiten elektrochemischen Zelle fließender Strom. Falls der Leckstrom 2·10^–11 A überschreitet, wird das Ausgabesignal der zweiten elektrochemischen Zelle einen Rauschanteil enthalten. Somit wird die Sensorausgabe ungenau werden.
Wenn der minimale Abstand kleiner als 0,4 mm beträgt, wird das Ausgabesignal der zweiten elektrochemischen Zelle einen Rauschanteil enthalten. Somit wird die Sensorausgabe ungenau werden.
Bevorzugt beträgt eine obere Grenze des minimalen Abstandes 10 mm. Falls der minimale Abstand 10 mm überschreitet, wird die thermische Kapazität des Sensorelementes so groß werden, dass das Erreichen der Betriebstemperatur nach Aktivierung des Heizelementes bei jeder elektrochemischen Zelle eine lange Zeit in Anspruch nehmen wird.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass die erste elektrochemische Zelle ein auf gegenüberliegenden Oberflächen einer ersten Festkörperelektrolytschicht bereitgestelltes Elektrodenpaar aufweist, und die zweite elektrochemische Zelle ein auf gegenüberliegenden Oberflächen einer von der ersten Festkörperelektrolytschicht verschiedenen zweiten Festkörperelektrolytschicht bereitgestelltes Elektrodenpaar aufweist.
Die an die erste elektrochemische Zelle angelegte Spannung ist größer als der Ausgabepegel der zweiten elektrochemischen Zelle. Somit wird zur Reduktion oder Beseitigung eines widrigen Einflusses der an die erste elektrochemische Zelle angelegten Spannung die zweite elektrochemische Zelle auf der von der Festkörperelektrolytschicht der ersten elektrochemischen Zelle verschiedenen und von dieser beabstandeten Festkörperelektrolytschicht bereitgestellt, wodurch eine genaue Messung der spezifischen Gaskonzentration sichergestellt wird.
Ferner ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass eine Aluminiumoxidschicht zwischen der ersten elektrochemischen Zelle und der zweiten elektrochemischen Zelle angeordnet ist. Diese Anordnung verhindert wirkungsvoll, dass der Leckstrom von der ersten elektrochemischen Zelle zu der zweiten elektrochemischen Zelle oder umgekehrt fließt, wodurch eine genaue Erfassung der spezifischen Gaskonzentration sichergestellt wird.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, dass eine dritte elektrochemische Zelle für die Messung einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer oder der zweiten Kammer bereitgestellt ist.
Dabei wird zusätzlich zu der Messung der spezifischen Gaskonzentration (beispielsweise der NOx-Konzentration) die Sauerstoffkonzentration in entweder der ersten Kammer oder der zweiten Kammer gemessen. Somit wird die Aufrechterhaltung der Sauerstoffkonzentration in zumindest der ersten oder der zweiten Kammer auf einem konstanten Pegel möglich. Daher kann die Messgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration durch die zweite elektrochemische Zelle noch weiter sichergestellt werden.
Die vorstehend beschriebenen sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden näheren Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung weiter ersichtlich. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Draufsicht einer isolierenden Schicht zur Definition einer ersten und einer zweiten Kammer für die Einfuhr eines gemessenen Objektgases, die einen Teil des vielschichtigen Gassensorelementes gemäß 1 bildet;
3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der NOx-Konzentration und dem Strom der zweiten elektrochemischen Zelle, der bei dem vielschichtigen Gassensorelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird;
4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem Strom der ersten elektrochemischen Zelle, der bei dem vielschichtigen Gassensorelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird;
5 eine graphische Darstellung der Sensorgenauigkeit des vielschichtigen Gassensorelementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zu der eines bekannten Gassensorelementes;
6 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
16 eine Schnittansicht eines vielschichtigen Gassensorelementes gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
17 eine Schnittansicht eines bekannten vielschichtigen Gassensorelementes.
Bei der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung sind identische Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein vielschichtiges Gassensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Ein vielschichtiges Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst zwei Kammern, d. h. eine erste Kammer 11 und eine zweite Kammer 12, in die ein zu messendes Objektgas eingeführt wird. Eine erste Diffusionswiderstandspassage 110 verbindet die erste Kammer 11 mit einer Außenumgebung des Gassensorelementes 1. Eine zweite Diffusionswiderstandspassage 120 verbindet die erste Kammer 11 mit der zweiten Kammer 12. Zudem umfasst das vielschichtige Gassensorelement eine erste Referenzgaskammer 14 und eine zweite Referenzgaskammer 13, in die ein Referenzgas eingeführt wird.
Eine auf einer die erste Kammer 11 definierenden Oberfläche angeordnete oder bereitgestellte erste elektrochemische Zelle 2 pumpt Sauerstoff gemäß einer angelegten Spannung hinein und heraus. Eine auf einer die zweite Kammer 12 definierenden Oberfläche angeordnete oder bereitgestellte zweite elektrochemische Zelle 3 reagiert auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zur Erzeugung eines die NOx-Konzentration in dem Objektgas repräsentierenden Sensorstroms.
Die erste elektrochemische Zelle 2 ist zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 bereitgestellt, sodass ein Betrieb zum hinein- und herauspumpen von Sauerstoff zwischen der ersten Kammer 11 und der Referenzgaskammer 14 durchgeführt werden kann.
Das vielschichtige Gassensorelement 1 ist in einem (nicht gezeigten) Gassensor eingebaut, der in einem (nicht gezeigten) Abgasrohr eines (nicht gezeigten) Automobilmotors zur Messung der NOx-Konzentration in dem Abgas installiert ist, damit die Motorverbrennung gesteuert und eine Abgasreinigungskatalyse überwacht werden kann.
Gemäß 1 umfasst das vielschichtige Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine erste Festkörperelektrolytschicht 63, eine erste isolierende Schicht 64, eine zweite Festkörperelektrolytschicht 65, eine zweite isolierende Schicht 66 sowie ein keramisches Heizelement 5, die in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend gestapelt sind, sodass sie einen integrierten Körper des vielschichtigen Gassensorelementes 1 bilden.
Zudem umfasst das vielschichtige Gassensorelement 1 eine poröse Schicht 61 und ein isolierendes Abstandselement 62, welche beide eine äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 63 bedecken. Die poröse Schicht 61 bedeckt einen Einlass der ersten Diffusionswiderstandspassage 110. Das in dem Abgasrohr fließende Objektgas wird geeignet abgebremst und in die poröse Schicht 61 diffundiert sowie sodann in die erste Kammer 11 über die erste Diffusionswiderstandspassage 110 eingeführt.
Gemäß 2 sind die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 in der zwischen der ersten Festkörperelektrolytschicht 63 und der zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 zwischengelagerten ersten isolierenden Schicht 64 definiert. Die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 sind über die zweite Diffusionswiderstandspassage 120 verbunden, welche eine schmale Passage für eine adäquate Abbremsung des Gasflusses zwischen der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 ist.
Die zweite Referenzgaskammer 13 ist durch einen inneren Vorsprung des isolierenden Abstandselementes 62 definiert, das durch die äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht geschlossen wird. Die erste Referenzgaskammer 14 ist bei der zweiten isolierenden Schicht 66 definiert, die zwischen der zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 und dem keramischen Heizelement 5 zwischengelagert ist.
Das Heizelement 5 umfasst ein Heizelementsubstrat 51, ein Wärmeerzeugungselement 50, welches in Reaktion auf die Zufuhr elektrischer Leistung Wärme erzeugt, sowie ein Beschichtungssubstrat 52. Sowohl das Heizelementsubstrat 51 als auch das Beschichtungssubstrat 52 sind isolierende Elemente.
Die erste Festkörperelektrolytschicht 63 und die zweite Festkörperelektrolytschicht 65 sind Sauerstoffionen leitende Zirkoniasubstrate. Der Rest, d. h. das isolierende Abstandselement 62, die erste isolierende Schicht 64, die zweite isolierende Schicht 66, sowie das Heizelementsubstrat 51, sind alle Aluminiumoxidsubstrate. Die poröse Schicht 61 ist ein Aluminiumoxidsubstrat mit einer höheren Porosität.
Die erste elektrochemische Zelle 2 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 zwischengelagerten zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar 21 und 22.
Die zweite elektrochemische Zelle 3 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der ersten Kammer 11 und der zweiten Referenzkammer 13 zwischengelagerten ersten Festkörperelektrolytschicht 63 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar 31 und 32.
Die Elektrode 21 ist gegenüber NOx inaktiv und ist daher zur Zersetzung von NOx nicht in der Lage. Die Elektrode 32 ist demgegenüber aktiv gegenüber NOx und zersetzt daher NOx in Sauerstoffionen und Stickstoffionen.
Die erste elektrochemische Zelle 2 ist mit einem Amperemeter 25 und einer Energieversorgungsquelle 252 verbunden, sodass eine Pumpschaltung 25 gebildet wird. Eine Rückkoppelungsschaltung 255 ist zwischen dem Amperemeter 251 und der Energieversorgungsquelle 252 bereitgestellt. Die Rückkoppelungsschaltung 255 steuert die Spannung der Energieversorgungsquelle 252 auf der Grundlage eines Stromwertes des Amperemeters 251, wodurch die Durchführung eines Betriebes des Herein- und Herauspumpens von Sauerstoff der ersten elektrochemischen Zelle 2 verursacht wird.
Ferner ist die zweite elektrochemische Zelle 3 mit einem Amperemeter 351 und einer Energieversorgungsquelle 352 verbunden, sodass eine Sensorschaltung 35 gebildet wird. Das Amperemeter 351 misst einen durch die zweite elektrochemische Zelle 3 fließenden Sauerstoffionenstrom. Der Sauerstoffionenstrom ist proportional zu einer NOx-Konzentration. Somit kann die NOx-Konzentration von dem gemessenen Stromwert des Amperemeters 351 bekannt sein. Ein negativer Anschluss der Energieversorgungsquelle 252 in der Pumpschaltung 25 sowie ein negativer Anschluss der Energieversorgungsquelle 352 in der Sensorschaltung 35 sind beide geerdet.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Leistungsfähigkeitsbewertung des vielschichtigen Gassensorelementes 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Für den Bewertungstest wurde das vielschichtige Gassensorelement 1 bei einem Automotor in der Praxis eingebaut, damit das vielschichtige Gassensorelement 1 einer tatsächlichen Abgasumgebung ausgesetzt wird. Durch das Amperemeter 351 wurde der Strom der zweiten elektrochemischen Zelle gemessen.
Gemäß dem Testergebnis war die Ausgabecharakteristik des vielschichtigen Gassensorelementes 1 ungeachtet von Veränderungen bei dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases stabil, d. h. fett (A/F < 14,5), stöchiometrisch (A/F = 14,5) sowie mager (A/F > 14,5).
4 zeigt das Messergebnis des durch das Amperemeter 251 gemessenen Stromes der ersten elektrochemischen Zelle. Wie aus 4 ersichtlich ist, kann das Luft/Brennstoff-Verhältnis (A/F) des Objektgases von dem durch das Amperemeter 251 gemessenen Strom der ersten elektrochemischen Zelle abgelesen werden.
3 zeigt das Messergebnis des durch das Amperemeter 351 gemessenen Stroms der zweiten elektrochemischen Zelle, wenn der getestete Motor mit einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis (A/F = 12) angesteuert wurde, während die NOx-Konzentration in dem Abgas von 0 auf 1,000 ppm verändert wurde. Wie aus 3 ersichtlich ist, kann die NOx- Konzentration des Objektgases von dem durch das Amperemeter 351 gemessenen Strom der zweiten elektrochemischen Zelle abgelesen werden. Somit kann das vielschichtige Gassensorelement 1 die NOx-Konzentration des Objektgases erfassen.
Das in 17 gezeigte bekannte vielschichtige Gassensorelement 9 unterscheidet sich von dem vielschichtigen Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass die erste elektrochemische Zelle 902 zwischen der ersten Kammer 911 und der Außenumgebung des Gassensorelementes 9 angeordnet ist, während die zweite elektrochemische Zelle 902 zwischen der zweiten Kammer 912 und der Referenzgaskammer 914 angeordnet ist.
Das bekannte vielschichtige Gassensorelement 9 wurde ebenfalls unter derselben Bedingung getestet. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur vierten Seite verschoben wurde, wurde das innere der zweiten Kammer 912 durch ein fettes Milieu gefüllt. Somit wurde eine inverse elektromotorische Kraft an die zweite elektrochemische Zelle 903 angelegt. Als Folge konnte die NOx-Konzentration nicht gemessen werden.
5 zeigt das erhaltene Messergebnis der NOx-Konzentration, wenn das vielschichtige Gassensorelement 1 gemäß 1 und das in 17 gezeigte bekannte vielschichtige Gassensorelement 9 einem Modellgas ausgesetzt wurden, das 1-20% Sauerstoff (O2) und 1,000 ppm Stickstoffsauerstoff (NO) enthielt.
Wie aus 5 ersichtlich ist, zeigte das vielschichtige Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich zu dem bekannten vielschichtigen Gassensorelement 9 eine ausgezeichnete Messgenauigkeit.
Das vielschichtige Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel arbeitet auf die nachstehend angeführte Weise.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die erste elektrochemische Zelle 2 zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 angeordnet, sodass ein Betrieb zum Hinein- und Herauspumpen von Sauerstoff zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 durchgeführt werden kann.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Objektgases zur fetten Seite verschoben wird, wird gemäß einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 eine elektromotorische Kraft erzeugt. In Anbetracht der somit erzeugten elektromotorischen Kraft kann die an die erste elektrochemische Zelle 2 angelegte Spannung zum Herein- und Herauspumpen des Sauerstoffs zwischen der ersten Referenzkammer 14 und der ersten Kammer 11 gesteuert werden. Der Betrieb des Herein- und Herauspumpens von Sauerstoff wird somit kontinuierlich durchgeführt, selbst wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht mager ist.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis fett ist, kann folglich die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 auf einem konstanten Pegel aufrechterhalten bleiben. An die zweite elektrochemische Zelle 3 wird keine inverse elektromotorische Kraft angelegt. Somit wird eine genaue Erfassung der NOx-Konzentration des Abgases in einem breiten Bereich des von der mageren Seite zu der fetten Seite variierenden Luft/Brennstoff-Verhältnisses möglich.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das vielschichtige Gassensorelement 1 das mit der ersten elektrochemischen Zelle 2 integriert ausgebildete Heizelement 5 und die zweite elektrochemische Zelle 3. Ein Ionenstrompfad zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle 3 und dem Wärmeerzeugungselement 50 des Heizelementes 5 ist länger als ein Ionenstrompfad zwischen der ersten elektrochemischen Zelle 2 und dem Wärmeerzeugungselement 50.
Diese Anordnung ist dahingehend vorteilhaft, dass die zweite elektrochemische Zelle 3 durch die elektrische Energieversorgung des Wärmeerzeugungselementes 50 nicht widrig beeinflusst wird. Somit stellt das erste Ausführungsbeispiel ein ausgezeichnetes vielschichtiges Gassensorelement bereit, das das spezifische Gas (beispielsweise NOx) in seiner Konzentration genau messen kann.
Ferner sind gemäß dem in 1 gezeigten vielschichtigen Gassensorelement die zweite elektrochemische Zelle 3 und die erste elektrochemische Zelle 2 auf verschiedenen Festkörperelektrolytschichten ausgebildet oder bereitgestellt.
Diese Anordnung ist dahingehend vorteilhaft, dass die zweite elektrochemische Zelle 3 durch einen durch die an die erste elektrochemische Zelle 2 angelegte Spannung verursachten Leckstrom nicht widrig beeinflusst wird. Somit kann das vielschichtige Gassensorelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine genaue Messung der Konzentration des spezifischen Gases (beispielsweise NOx) sicherstellen.
Zweites Ausführungsbeispiel
6 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement mit einer dritten elektrochemischen Zelle.
Gemäß 6 umfasst ein vielschichtiges Gassensorelement 18 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine dritte elektrochemische Zelle 4, die zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 angeordnet oder bereitgestellt ist. Genauer umfasst die dritte elektrochemische Zelle 4 ein Elektrodenpaar 41 und 42, das auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 zwischengelagerten zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 angeordnet oder bereitgestellt ist.
Die Elektrode 41 ist mit der Elektrode 21 der ersten elektrochemischen Zelle 2 integriert ausgebildet.
Die dritte elektrochemische Zelle 4 ist mit einem Voltmeter 451 verbunden, sodass eine Überwachungsschaltung 45 gebildet wird. Eine Rückkoppelungsschaltung 455 ist zur Steuerung der Energieversorgungsquelle 252 auf der Grundlage einer Ausgabe des Voltmeters 451 bereitgestellt.
Die dritte elektrochemische Zelle 4 arbeitet als Sauerstoffsensorelement, das zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft in Reaktion auf eine Sauerstoffkonzentration befähigt ist. Somit erzeugt die dritte elektrochemische Zelle 4 eine Ausgabespannung, welche die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 11 repräsentiert.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 18 ist im wesentlichen identisch mit dem des vielschichtigen Gaselementes 1 gemäß 1, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und erzeugt die gleichen Wirkungen.
Drittes Ausführungsbeispiel
7 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 19 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich von dem vielschichtigen Gassensorelement 1 gemäß 1 dahingehend unterscheidet, dass das Objektgas von einem unterschiedlichen Abschnitt (d. h. Seite) in die erste Kammer 11 eingeführt wird.
Gemäß 7 wird ein poröses Element 640 als Teil der isolierenden Schicht 64 zwischen die erste Festkörperelektrolytschicht 63 und die zweite Festkörperelektrolytschicht 65 gekoppelt, sodass eine Seitenwand der ersten Kammer 11 ausgebildet wird. Das zu messende Objektgas wird in die erste Kammer 11 über das poröse Element 640 eingeführt. Diesbezüglich ist das poröse Element 640 in seiner Funktion äquivalent zu der in 1 gezeigten ersten Diffusionswiderstandspassage 110.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 19 ist im wesentlichen identisch zu dem des vielschichtigen Gassensorelementes 1 gemäß 1, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und erzeugt die gleichen Wirkungen.
Viertes Ausführungsbeispiel
8 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 7 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Kammer, die zweite Kammer, die Referenzgaskammer sowie die zweite Referenzkammer allesamt in der Dickenrichtung (d. h. in Richtung senkrecht zu dem Vielschichtaufbau) des Gassensorelementes 7 geradlinig angeordnet sind.
Gemäß 8 umfasst das vielschichtige Gassensorelement 7 des vierten Ausführungsbeispiels eine erste Festkörperelektrolytschicht 72, isolierende Schichten 73 und 74, eine ein poröses Element 750 aufweisende isolierende Schicht 75, eine zweite Festkörperelektrolytschicht 76, eine isolierende Schicht 77 sowie ein Heizelement 5, welche in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend gestapelt sind. Ein isolierendes Abstandselement 71 bedeckt eine äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 72.
Eine zweite Referenzgaskammer 13 ist zwischen dem isolierenden Abstandselement 71 und der ersten Festkörperelektrolytschicht 72 ausgebildet. Genauer ist die zweite Referenzgaskammer 13 durch einen inneren Vorsprung des isolierenden Abstandselementes 71 definiert, die durch die äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 72 geschlossen wird. Eine erste Referenzgaskammer 14 ist in der zwischen der zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 und dem Heizelement 5 zwischengelagerten isolierenden Schicht 77 definiert.
Eine erste Kammer 11 ist in der zwischen der isolierenden Schicht 74 und der zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 zwischengelagerten isolierenden Schicht 75 definiert. Eine zweite Kammer 12 ist in der zwischen der ersten Festkörperelektrolytschicht 72 und der isolierenden Schicht 74 zwischengelagerten isolierenden Schicht 73 definiert.
Eine zweite Diffusionswiderstandspassage 120 ist eine in der isolierenden Schicht 74 geöffnete Durchverbindung, welche die erste Kammer 11 mit der zweiten Kammer 12 verbindet. Ein zu messendes Objektgas wird in die erste Kammer 11 durch das poröse Element 750 eingeführt. Diesbezüglich ist das poröse Element 750 in seiner Funktion äquivalent zu der ersten Diffusionswiderstandspassage 110 gemäß 1.
Eine erste elektrochemische Zelle 2 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der ersten Kammer 11 und der Referenzgaskammer 14 zwischengelagerten zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar.
Eine zweite elektrochemische Zelle 3 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der zweiten Kammer 12 und der zweiten Referenzgaskammer 13 zwischengelagerten ersten Festkörperelektrolytschicht 72 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 7 ist im wesentlichen mit dem des in 1 gezeigten vielschichtigen Gassensorelementes 1 identisch, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Insbesondere die Sensoranordnung des vierten Ausführungsbeispieles ist dahingehend vorteilhaft, dass die zweite elektrochemische Zelle 3 von der ersten elektrochemischen Zelle 2 und dem Heizelement 5 entfernt angeordnet werden kann. Somit ist die Sensorausgabe genau.
Fünftes Ausführungsbeispiel
9 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 1a gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, welches die erste elektrochemische Zelle 2 und die zweite elektrochemische Zelle 3 umfasst. Das eine Ende (d. h. die Elektrode 21) der ersten elektrochemischen Zelle 2 ist in der ersten Kammer 11 bereitgestellt, und das andere Ende (d. h. die Elektrode 22) ist in der ersten Referenzgaskammer 14 bereitgestellt. Das eine Ende (d. h. die Elektrode 32) der zweiten elektrochemischen Zelle 32 ist in der zweiten Kammer 12 bereitgestellt und das andere Ende (d. h. die Elektrode 31) ist in der zweiten Referenzgaskammer 13 bereitgestellt. Die erste elektrochemische Zelle 2 und die zweite elektrochemische Zelle 3 sind auf den Festkörperelektrolytschichten 65 und 63 bereitgestellt, die getrennt angeordnet sind.
Die erste elektrochemische Zelle 2 ist mit dem Amperemeter 251 und der Energieversorgungsquelle 252 verbunden, sodass die Pumpschaltung 25 gebildet wird. Die zwischen dem Amperemeter 251 und der Energieversorgungsquelle 252 bereitgestellte Rückkoppelungsschaltung 255 steuert die Spannung der Energieversorgungsquelle 252 auf der Grundlage eines Stromwertes des Amperemeters 251, wodurch das Durchführen des Betriebes des Herein- und Herauspumpens von Sauerstoff durch die erste elektrochemische Zelle 2 verursacht wird.
Weiterhin ist die zweite elektrochemische Zelle 3 mit dem Amperemeter 351 und der Energieversorgungsquelle 352 verbunden, sodass die Sensorschaltung 35 gebildet wird. Das Amperemeter 351 misst den durch die zweite elektrochemische Zelle fließenden Sauerstoffionenstrom.
Die Elektrode 21 ist gegenüber NOx inaktiv, und ist daher zur Zersetzung von NOx nicht in der Lage. Die Elektrode 32 ist andererseits aktiv gegenüber NOx und zersetzt daher NOx in Sauerstoffionen und Stickstoffionen. Demzufolge ist der von der zweiten elektrochemischen Zelle 3 erhaltene Sauerstoffionenstrom proportional zu der NOx-Konzentration. Somit kann die NOx-Konzentration von dem gemessenen Stromwert des Amperemeters 351 abgelesen werden.
Gemäß dem vielschichtigen Gassensorelement 1a des fünften Ausführungsbeispiels wird die Pumpschaltung 25 unabhängig von der Sensorschaltung 35 bereitgestellt. Zwischen der ersten elektrochemischen Zelle 2 und der zweiten elektrochemischen Zelle 3 fließt kein Leckstrom. Somit wird die Sicherstellung einer genauen Messung der spezifischen Gaskonzentration möglich.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 1a ist im wesentlichen identisch mit dem des vielschichtigen Gassensorelementes 1 gemäß 1, wodurch es auf die gleiche Weise arbeitet und dieselben Wirkungen mit sich bringt.
Sechstes Ausführungsbeispiel
10 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dieselbe Referenzgaskammer 14 für die erste elektrochemische Zelle 2 und die zweite elektrochemische Zelle 3 verwendet wird. Die Elektrode 22 der ersten elektrochemischen Zelle 2 und die Elektrode 32 der zweiten elektrochemischen Zelle 3 sind nämlich in derselben Referenzgaskammer 14 bereitgestellt. Die andere Referenzgaskammer 13 ist weggelassen.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 1b ist im Wesentlichen identisch mit dem des in 1 gezeigten vielschichtigen Gassensorelementes 1, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Siebtes Ausführungsbeispiel
11 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 7a des siebten Ausführungsbeispiels, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Kammer, die zweite Kammer, die erste Referenzgaskammer und die zweite Referenzgaskammer allesamt in der dicken Richtung (d. h. in Richtung senkrecht zu dem mehrschichtigen Aufbau) des Gassensorelementes 7a geradeaus gerichtet sind.
Gemäß 11 umfasst das vielschichtige Gassensorelement 7a des siebten Ausführungsbeispiels die erste Festkörperelektrolytschicht 72, die isolierenden Schichten 73 und 74, die das poröse Element 750 aufweisende isolierende Schicht 75, die zweite Festkörperelektrolytschicht 76, die isolierende Schicht 77 und das Heizelement 5, welche in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend gestapelt sind. Das isolierende Abstandselement 71 bedeckt eine äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 72.
Die zweite Referenzgaskammer 13 ist zwischen dem isolierenden Abstandselement 71 und der ersten Festkörperelektrolytschicht 72 ausgebildet. Die erste Referenzgaskammer 14 ist in der zwischen der zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 und dem Heizelement 75 zwischengelagerten isolierenden Schicht 77 definiert.
Die erste Kammer 11 ist in der zwischen der isolierenden Schicht 74 und der zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 zwischengelagerten isolierenden Schicht 75 definiert. Die zweite Kammer 12 ist in der zwischen der ersten Festkörperelektrolytschicht 72 und der isolierenden Schicht 74 zwischengelagerten isolierenden Schicht 73 definiert.
Die zweite Diffusionswiderstandspassage 120 ist eine in der isolierenden Schicht 74 geöffnete Durchverbindung, welche die erste Kammer 11 mit der zweiten Kammer 12 verbindet. Das zu messende Objektgas wird in die erste Kammer 11 über das poröse Element 750 eingeführt. Diesbezüglich ist das poröse Element 750 in seiner Funktion äquivalent zu der in 1 gezeigten ersten Diffusionswiderstandspassage 110.
Die erste elektrochemische Zelle 2 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der ersten Kammer 11 und der ersten Referenzgaskammer 14 zwischengelagerten zweiten Festkörperelektrolytschicht 76 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar.
Die zweite elektrochemische Zelle 3 umfasst ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der zweiten Kammer 12 und der zweiten Referenzgaskammer 13 zwischengelagerten ersten Festkörperelektrolytschicht 72 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar.
Gemäß dem vielschichtigen Gassensor 7a des siebten Ausführungsbeispiels wird die Pumpschaltung 25 unabhängig von der Sensorschaltung 35 bereitgestellt. Zwischen der ersten elektrochemischen Zelle 2 und der zweiten elektrochemischen Zelle 3 fließt kein Leckstrom. Somit wird die Sicherstellung einer genauen Messung der spezifischen Gaskonzentration möglich.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 7a ist im wesentlichen identisch mit dem des vielschichtigen Gassensorelementes 7 gemäß 8, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Die Sensoranordnung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass die zweite elektrochemische Zelle 3 von der ersten elektrochemischen Zelle 2 und dem Heizelement 5 entfernt angeordnet werden kann. Somit ist die Sensorausgabe genau.
Achtes Ausführungsbeispiel
12 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 19a gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung welches sich von dem vielschichtigen Gassensorelement 19 gemäß 7 dahingehend unterscheidet, dass die Pumpschaltung 25 unabhängig von der Sensorschaltung 35 bereitgestellt wird. Zwischen der ersten elektrochemischen Zelle 2 und der zweiten elektrochemischen Zelle 3 fließt kein Leckstrom. Somit wird die Sicherstellung einer genauen Messung der spezifischen Gaskonzentration möglich.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 19a ist im wesentlichen identisch mit dem des vielschichtigen Gassensorelementes 19 gemäß 7, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Neuntes Ausführungsbeispiel
13 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 1c gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Referenzgaskammer 13 wie auch die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 in der zwischen der ersten Festkörperelektrolytschicht 63 und der zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 zwischengelagerten ersten isolierenden Schicht 64 definiert ist. Somit sind die erste Kammer 11, die zweite Kammer 12 und die zweite Referenzgaskammer 13 allesamt in Richtung parallel zu der Längsrichtung des Multischichtaufbaus geradeaus gerichtet.
Die Elektroden 31 und 32 der zweiten elektrochemischen Zelle 3 sind auf derselben Oberfläche der zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 angeordnet.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 1c ist im wesentlichen identisch mit dem des in 1 gezeigten vielschichtigen Sensorelementes, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Zehntes Ausführungsbeispiel
10 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 18a gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dritte elektrochemische Zelle 4 zwischen der zweiten Kammer 12 und der zweiten Referenzgaskammer 13 angeordnet oder bereitgestellt ist. Genauer umfasst die dritte elektrochemische Zelle 4 ein auf gegenüberliegenden (d. h. oberen und unteren) Oberflächen der zwischen der zweiten Kammer 12 und der zweiten Referenzgaskammer 13 zwischengelagerten ersten Festkörperelektrolytschicht 63 angeordnetes oder bereitgestelltes Elektrodenpaar 41 und 42.
Die Elektrode 41 ist mit der Elektrode 31 der zweiten elektrochemischen Zelle 3 integriert ausgebildet.
Die dritte elektrochemische Zelle 4 ist mit einem Amperemeter 452 verbunden, sodass eine Überwachungsschaltung 45 gebildet wird. Eine Rückkoppelungsschaltung 455 ist zur Steuerung der Energieversorgungsquelle 252 auf der Grundlage eines durch das Amperemeter 452 gemessenen Stromwertes bereitgestellt.
Während des Betriebes des vielschichtigen Gassensorelementes 18a kann die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 12 auf der Grundlage des durch die dritte elektrochemische Zelle 4 fließenden Stromes gemessen werden. Auf der Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration kann die an die erste elektrochemische Zelle 2 angelegte Spannung gesteuert werden. Somit wird die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 12 stabilisiert. Eine stabile Sensorausgabe wird erhalten.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 18a ist im Wesentlichen identisch mit dem des in 1 gezeigten vielschichtigen Gassensorelementes 1, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Elftes Ausführungsbeispiel
15 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 1d gemäß einem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vielschichtige Gassensorelement 1d umfasst die erste Festkörperelektrolytschicht 63, die isolierende Schicht 64, die zweite Festkörperelektrolytschicht 65, die isolierende Schicht 66 und das keramische Heizelement 5, die aufeinanderfolgend gestapelt sind. Die poröse Schicht 61 und das isolierende Abstandselement 62 bedecken die äußere Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 63. Das Heizelement 5 umfasst das Heizelementsubstrat 51 und das Beschichtungssubstrat 52.
Alle Schichten des Vielschichtaufbaus sind aus ZrO2 ausgebildet.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 1d ist im Wesentlichen identisch zu dem des in 9 gezeigten vielschichtigen Gassensorelementes 1a, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Zwölftes Ausführungsbeispiel
16 zeigt ein vielschichtiges Gassensorelement 1e gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass wie auch die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12, die zweite Referenzgaskammer 13 in der zwischen der ersten Festkörperelektrolytschicht 63 und der zweiten Festkörperelektrolytschicht 65 zwischengelagerten ersten isolierenden Schicht 64 definiert ist. Somit sind die erste Kammer 11, die zweite Kammer 12 und die zweite Referenzgaskammer 13 allesamt in Richtung parallel zu der Längsrichtung des Vielschichtaufbaus geradeaus gerichtet.
Die Elektroden 31 und 32 der zweiten elektrochemischen Zelle 3 sind auf derselben Oberfläche der ersten Festkörperelektrolytschicht 63 ausgebildet.
Der Rest des vielschichtigen Gassensorelementes 1e ist im Wesentlichen identisch zu dem des in 1 gezeigten vielschichtigen Gassensorelementes 1, und arbeitet daher auf die gleiche Weise und bringt dieselben Wirkungen mit sich.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgestaltet werden, ohne von dessen wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiele sind daher lediglich darstellend und nicht beschränkend gedacht, da der Erfindungsbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird und nicht durch die vorhergehende Beschreibung.
Gemäß vorstehender Beschreibung wird nämlich ein zu messendes Objektgas in eine erste und eine zweite Kammer 11, 12 eingeführt, die über eine Diffusionswiderstandspassage 120 verbunden sind. Eine erste elektrochemische Zelle 2 ist in der ersten Kammer 11 bereitgestellt, damit Sauerstoff gemäß einer angelegten Spannung hinein- und herausgepumpt wird. Eine zweite elektrochemische Zelle 3 ist in der zweiten Kammer 12 bereitgestellt, und reagiert auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zur Erzeugung eines eine spezifische Gaskonzentration in dem Objektgas repräsentierenden Sensorstroms. Die erste elektrochemische Zelle 2 ist zwischen der ersten Kammer 11 und einer Referenzgaskammer 14 angeordnet, sodass der Betrieb des Hinein- und Herauspumpens von Sauerstoff zwischen der ersten Kammer und der Referenzgaskammer durchgeführt werden kann.

Claims

Vielschichtiges Gassensorelement mit: einer ersten und einer zweiten Kammer (11, 12), in die ein zu messendes Objektgas eingeführt wird; einer ersten Diffusionswiderstandspassage (110), die die erste Kammer mit der Außenumgebung des Gassensorelementes verbindet; einer zweiten Diffusionswiderstandspassage (120), die die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet; einer ersten elektrochemischen Zelle (2) mit einem in der ersten Kammer (11) angeordneten einen Ende (21) und einem in einer Referenzgaskammer (14) bereitgestellten anderen Ende (22), um Sauerstoff gemäß einer angelegten Spannung hinein- und herauszupumpen; und einer zweiten elektrochemischen Zelle (3) mit einem in der zweiten Kammer (12) angeordneten einen Ende (32) und einem in der Referenzgaskammer (13) angeordneten anderen Ende (31), die auf das Anlegen einer vorbestimmten Spannung zur Erzeugung eines eine spezifische Gaskonzentration in dem Objektgas repräsentierenden Sensorstroms anspricht, wobei die Referenzgaskammer (13) für die zweite elektrochemische Zelle (3) getrennt von der Referenzgaskammer (14) für die erste elektrochemische Zelle (2) ausgebildet ist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach Anspruch 1, zudem mit einem Heizelement (5), in das ein zur Erzeugung von Wärme in Reaktion auf einen ihm zugeführten Strom befähigtes Wärmeerzeugungselement (50) eingebaut ist, wobei ein Ionenstrompfad zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) länger als ein Ionenstrompfad zwischen der ersten elektrochemischen Zelle (2) und dem Wärmeerzeugungselement (50) ist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach Anspruch 2, wobei das Heizelement einen Basiswerkstoff aus Aluminiumoxid aufweist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein isolierender Widerstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) größer als ein isolierender Widerstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle (2) und dem Wärmeerzeugungselement (50) ist, und ein minimaler Anstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) länger als ein minimaler Abstand zwischen der ersten elektrochemischen Zelle (2) und dem Wärmeerzeugungselement (50) ist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der isolierende Widerstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) gleich oder größer als 1·10¹² Ω ist, der Leckstrom zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) gleich oder kleiner als 2·10^–11 A ist sowie der minimale Abstand zwischen der zweiten elektrochemischen Zelle (3) und dem Wärmeerzeugungselement (50) gleich oder größer als 0,4 mm ist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste elektrochemische Zelle (2) ein auf gegenüberliegenden Oberflächen einer ersten Festkörperelektrolytschicht (65) bereitgestelltes Elektrodenpaar (21, 22) aufweist, und die zweite elektrochemische Zelle (3) ein auf gegenüberliegenden Oberflächen einer von der ersten Festkörperelektrolytschicht (65) verschiedenen zweiten Festkörperelektrolytschicht (63) bereitgestelltes Elektrodenpaar (31, 32) aufweist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Aluminiumoxidschicht zwischen der ersten elektrochemischen Zelle (2) und der zweiten elektrochemischen Zelle (3) angeordnet ist.
Vielschichtiges Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine dritte elektrochemische Zelle (4) für die Messung einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer (11) oder der zweiten Kammer (12) bereitgestellt ist.