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WO2005043148A1 - Festelektrolytmaterial und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Festelektrolytmaterial und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2005043148A1
WO2005043148A1 PCT/DE2004/001676 DE2004001676W WO2005043148A1 WO 2005043148 A1 WO2005043148 A1 WO 2005043148A1 DE 2004001676 W DE2004001676 W DE 2004001676W WO 2005043148 A1 WO2005043148 A1 WO 2005043148A1
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WO
WIPO (PCT)
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solid electrolyte
electrolyte material
weight
material according
sensor element
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2004/001676
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Eisele
Bernd Schumann
Thorsten Ochs
Stefan Nufer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a solid electrolyte material and a sensor element containing the same, and to a method for producing a solid electrolyte material according to the preamble of the independent claims.
  • Exhaust gas sensors commonly used today for the detection of gas components in combustion mixtures of motor vehicle engines contain ceramic sensor elements, which are usually produced from zirconium dioxide as a film laminate. In a thick-film process, functional layers are applied to unsintered zirconium dioxide foils by screen printing and then sintered. In order to increase the ionic conductivity, in particular for oxide ions, yttrium oxide is added to the zirconium dioxide, for example, which is incorporated as a defect in the zirconium dioxide crystal structure. Adequate
  • Zirconia foils for example, have an electrical conductivity of more than 1 mS / cm at a temperature of 700 to 800 ° C.
  • the object of the present invention is to provide a solid electrolyte material, in particular for sensor elements of exhaust gas sensors, which avoids the measurement accuracy of the sensor element being impaired by currents occurring in the heating device of the sensor element.
  • the solid electrolyte material according to the invention and a sensor element containing it with the characterizing features of the independent claims has the advantage that it has an extremely low electrical conductivity at the usual operating temperatures of exhaust gas sensors in the range from 400 to 1000 ° C.
  • a sensor element on the one hand, interference from those present in the sensor element
  • the solid electrolyte material contains essentially no compounds of titanium, iron, cobalt, silicon, calcium, the alkali metals or the rare earths.
  • the content of compounds of the further element that the would increase the electrical conductivity of the solid electrolyte material is less than 1% by weight in the solid electrolyte material and is in particular 0.001 to 0.15% by weight.
  • a corresponding sensor element has a layer of the solid electrolyte material according to the invention, in particular between the heating device and the measuring element or elements.
  • FIG. 1 shows the structure of a sensor element in a schematic exploded illustration, the sensor element having a solid electrolyte material according to the invention.
  • FIGS. 2 and 3 show, in the form of diagrams, measurement results in relation to the electrical resistance of the solid electrolyte material or the temperature dependence of a measurement signal of the sensor element.
  • Figure 1 shows a basic structure of a sensor element according to a first embodiment of the present invention.
  • the sensor element is used, for example
  • a first insulation layer 2 is applied to a lower foil referred to as heater foil 1 by screen printing, and the electrical heating device 3 in the form of a meander and supply lines 14 for the power supply to the heating device 3 are also screen printed thereon second insulation layer 4 applied, so that the heating device 3 on both sides in the
  • Insulation layers 2.4 is embedded.
  • the feed lines 14 are connected via vias 12 in the first insulation layer 2 and the heater foil 1 to connection contacts 11 attached to the outer surface of the heater foil 1.
  • the feed lines 14 can be led directly out of the embedding between the insulation layers 2, 4 in order to supply the heating device 3 with current.
  • a further film in the form of a reference gas channel film 5 is arranged on the second insulation layer 4.
  • a reference gas channel 6 preferably extends over almost the entire length of the reference gas channel film 5 and, on the side of the sensor element facing away from the exhaust gas, preferably has an opening for access to a reference gas atmosphere, in particular air.
  • a further sensor film 8 is arranged on the reference gas channel film 5 and has an inner or an outer electrode 7 or 9 on its large surfaces, preferably in the area above the heating device 3.
  • the electrodes 7, 9 have further conductor tracks 15, which are connected to further connection contacts 16, the conductor track 15 of the inner electrode 7 being connected to the associated connection contact 16 via a further plated-through hole 12a.
  • the electrodes 7, 9 form an electrochemical measuring cell, in particular a Nernst or concentration cell.
  • the concentration potential 7, 9 is used to determine the oxygen potential of the outer electrode 9, which is dependent on the oxygen concentration, in comparison to the constant oxygen potential of the inner electrode 7 in the form of a measurable electrical voltage.
  • the electrodes 7, 9 consist of a catalytically active material, such as platinum, the electrode material being known for all electrodes as Cermet is used to sinter with the ceramic foils.
  • the outer electrode 9 is shielded, for example, by a porous protective layer 10 against the measuring gas atmosphere surrounding the sensor element.
  • the first and second insulation layers 2, 4 are made from an electrically insulating, ceramic material, for example from A1 2 0 3 .
  • the film heater 1 and the reference gas channel 5 film and the further film 8 are, for example, made of a preferably oxygen-ion conductive solid electrolyte material having Y 2 0 3 stabilized or partially stabilized Zr0 second
  • other oxides of the elements of the third or fourth main or are also suitable as base material of the films 1, 5, 8
  • the solid electrolyte material is particularly characterized in that it contains no or largely no further elements which enhance the electrical conductivity of the solid electrolyte material.
  • the solid electrolyte material contains in particular one as low as possible a proportion of compounds of iron, titanium, cobalt, magnesium, calcium, alkali metals or rare earth elements and those metals which can occur in at least two stable oxidation states other than 0.
  • a solid electrolyte material based on zirconium dioxide has, for example, the following total composition in mass ppm:
  • Si0 2 0 to 9000 ppm, preferably 0 to 2500 ppm, in particular 0 to 1000 ppm,
  • Iron oxides 0 to 130 ppm, preferably 0 to 120 ppm, in particular 0 to 100 ppm,
  • CaO 0 to 150 ppm, preferably 0 to 120 ppm, in particular 0 to 100 ppm,
  • MgO 0 to 80 ppm, preferably 0 to 60 ppm, in particular 0 to 50 ppm,
  • K 2 0: 0 to 100 ppm, preferably 0 to 60 ppm, in particular 0 to 40 ppm,
  • Rare earths 0 to 100 ppm, preferably 0 to 80 ppm, in particular 0 to 60 ppm,
  • Cobalt oxides 0 to 5000 ppm, preferably 0 to 800 ppm, in particular 0 to 100 ppm,
  • Y 2 0 3 0 to 10% by weight, preferably 0 to 8% by weight, the rest: zirconium dioxide
  • composition 1 corresponding to a solid electrolyte material according to the prior art
  • compositions 2 and 3 representing exemplary embodiments of solid electrolyte materials according to the invention.
  • the content of the individual compounds in the solid electrolyte material is given in ppm.
  • the solid electrolyte material has an extremely low electrical conductivity at the usual operating temperatures of exhaust gas sensors in the range from 400 to 1000 ° C. 2 shows a plot 20 of the impedances of a stabilized zirconia solid electrolyte material according to the prior art and a plot 22 of a stabilized zirconia solid electrolyte material with a significantly reduced content of titanium dioxide over the selected frequency range at a temperature of 750 ° C.
  • the solid electrolyte material with a reduced titanium content shows an impedance that is an order of magnitude greater than that of conventional solid electrolyte materials, especially at low frequencies. In this way, interference in a corresponding sensor element is reduced by a heating device present in the sensor element and at the same time the signal yield of the electrochemical measuring cells of the sensor element is improved.
  • the solid electrolyte material according to the invention is produced either by deliberate mixing of the individual compounds in the proportions mentioned or from commercially available solid electrolyte materials by means of a suitable precipitation process or a suitable recrystallization with removal of undesired elements which increase the electrical conductivity.
  • the solid electrolyte material according to the invention can be used to manufacture sensor elements for
  • All solid electrolyte films 1, 5, 8 are preferably produced from the solid electrolyte material according to the invention. However, it is also possible to use the solid electrolyte material according to the invention only for certain foils or layers of the sensor element and the further solid electrolyte layers of the sensor element from a conventional one
  • the reference gas channel foil is made of the solid electrolyte material according to the invention and the heater foil 1 or the further foil 8 is made of a conventional solid electrolyte material.
  • solid electrolyte material is not limited to sensor elements for determining the oxygen content of combustion exhaust gases, but it can be used in any solid electrolyte-based sensor elements regardless of their intended use or overall structure.
  • the solid electrolyte material according to the invention can be used as an electrolyte in high-temperature fuel cells, for example in the form of solid oxide fuel cells (SOFC). It has the indispensable low electrical conductivity combined with a sufficiently good ionic conductivity for oxide ions.
  • SOFC solid oxide fuel cells

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Abstract

Es wird ein keramisches Festelektrolytmaterial insbesondere für Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen beschrieben, dessen Grundgerüst im wesentlichen aus Oxiden eines ersten Elements besteht. Das Festelektrolytmaterial enthält im wesentlichen kein weiteres Element, das die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials erhöht (wie beispielsweise Fe2O3, TiO2. Cobalt, Kalzium, Alkalimetalle und/oder seltene Erden).

Description

Festelektrolytmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Festelektrolytmaterial und ein Sensorelement dieses enthaltend sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolytmaterials nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Heute üblicherweise zur Detektion von Gasbestandteilen in Verbrennungsgemischen von Kraftfahrzeugmotoren eingesetzte Abgassensoren beinhalten keramische Sensorelemente, die üblicherweise als Folienlaminat aus Zirkondioxid hergestellt sind. Dabei werden in einem Dickschichtverfahren durch Siebdruck Funktionsschichten auf ungesinterte Zirkondioxidfolien aufgebracht und anschließend gesintert. Um die ionische Leitfähigkeit insbesondere für Oxidionen zu erhöhen, wird dem Zirkondioxid beispielsweise Yttriumoxid zugesetzt, das als Fehlstelle in den Kristallverband des Zirkondioxid eingebaut wird. Eine ausreichende
Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials für Oxidionen ist eine Voraussetzung für den Sauerstofftransport, der beispielsweise Grundlage für die Funktionsfähigkeit elektrochemischer Pumpzellen des Sensorelements ist. Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid weist jedoch bei den üblichen Betriebstemperaturen eines Abgassensors auch eine merkliche elektrische Leitfähigkeit auf, die unerwünscht ist. Der DE 199 37 163 AI ist zu entnehmen, dass reine
Zirkondioxidfolien beispielsweise bei einer Temperatur von 700 bis 800°C eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 1 mS/cm aufweisen.
Übliche Sensorelemente von Abgassensoren beinhalten neben dem eigentlichen Messelement eine Vorrichtung zur Aufheizung des Sensorelements, wobei es sich dabei üblicherweise um eine elektrische Widerstandsheizung handelt. Im Betrieb fließen durch den Widerstandsleiter der Heizvorrichtung vergleichsweise große Ströme, die den Betrieb elektrochemischer Messzellen des Sensorelements durch Einkopplung stören.
In der DE 199 37 163 AI wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Heizvorrichtung des Sensorelements mit einer Isolationsschicht versehen wird, die eine geringe elektrische
Leitfähigkeit aufweist. Dennoch ist bei dieser Schicht die Bildung von Rissen möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Festelektrolytmaterial insbesondere für Sensorelemente von Abgassensoren bereitzustellen, das eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit des Sensorelements durch in der Heizvorrichtung des Sensorelements auftretende Ströme vermeidet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Festelektrolytmaterial und ein dieses enthaltendes Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass es bei den üblichen Betriebstemperaturen von Abgassensoren im Bereich von 400 bis 1000 °C eine äußerst geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Somit werden in einem entsprechenden Sensorelement einerseits Störeinflüsse durch eine im Sensorelement vorhandene
Heizvorrichtung vermieden und andererseits die Signalausbeute der elektrochemischen Messzellen des Sensorelement verbessert. Gleichzeitig verringert sich die Temperaturabhängigkeit des Offset-Signals der elektrochemischen Messzellen des Sensorelements.
Dies wird erreicht, indem das Festelektrolytmaterial im wesentlichen von weiteren Elementen befreit ist, die die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials erhöhen. So enthält das Festelektrolytmaterial insbesondere im wesentlichen keine Verbindungen des Titans, Eisens, Cobalts, Siliciums, Kalziums, der Alkalimetalle oder der Seltenen Erden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Festelektrolytmaterials möglich.
So ist es vorteilhaft, wenn der Gehalt an Verbindungen des weiteren Elements, das die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials erhöhen würde, im Festelektrolytmaterial kleiner 1 Gew.% ist und insbesondere 0.001 bis 0.15 Gew.% beträgt.
In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung weist ein entsprechendes Sensorelement insbesondere zwischen der Heizvorrichtung und dem oder den Messelementen eine Schicht des erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterials auf. Auf diese Weise wird eine Einkopplung der in der Heizvorrichtung fließenden Ströme in das Signal der elektrochemischen Messzellen des Sensorelements wirkungsvoll verhindert und es ist dennoch eine kostengünstige Herstellung eines entsprechenden Sensorelements gewährleistet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 den Aufbau eines Sensorelements in einer schematischen Explosionsdarstellung, wobei das Sensorelement ein erfindungsgemäßes Festelektrolytmaterial aufweist. Figur 2 und 3 zeigen in Form von Diagrammen Messergebnisse in Bezug auf elektrischen Widerstand des Festelektrolytmaterials bzw. der Temperaturabhängigkeit eines Messsignals des Sensorelements.
Ausfuhrungsbeispiel
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung. Das Sensorelement dient beispielsweise der
Messung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren Auf einer als Heizerfolie 1 bezeichneten unteren Folie ist durch Siebdruck eine erste Isolationsschicht 2 aufgebracht und auf diese ebenfalls durch Siebdruck die elektrische Heizeinrichtung 3 in Form eines Mäanders sowie Zuleitungen 14 für die Stromversorgung der Heizeinrichtung 3. Darüber wird eine zweite Isolationsschicht 4 aufgebracht, sodass die Heizeinrichtung 3 beidseitig in die
Isolationsschichten 2,4 eingebettet ist. Die Zuleitungen 14 sind über Durchkontaktierungen 12 in der ersten Isolationsschicht 2 und der Heizerfolie 1 mit an der Außenfläche der Heizerfolie 1 angebrachten Anschlusskontakten 11 verbunden. Alternativ können die Zuleitungen 14 direkt aus der Einbettung zwischen den Isolationsschichten 2, 4 herausgeführt sein, um die Heizeinrichtung 3 mit Strom zu versorgen. Auf die zweite Isolationsschicht 4 wird eine weitere Folie in Form einer Referenzgaskanalfolie 5 angeordnet. Ein Referenzgaskanal 6 erstreckt sich vorzugsweise über annähernd die gesamte Länge der Referenzgaskanalfolie 5 und weist auf der dem Abgas abgewandten Seite des Sensorelements vorzugsweise eine Öffnung für den Zutritt eine Referenzgasatmosphäre, insbesondere Luft auf. Auf der Referenzgaskanalfolie 5 ist eine weitere Sensorfolie 8 angeordnet, die auf ihren Großflächen eine innere bzw. eine äußere Elektrode 7 bzw. 9 vorzugsweise im Bereich oberhalb der Heizeinrichtung 3 aufweist. Die Elektroden 7, 9 weisen weitere Leiterbahnen 15 auf, die mit weiteren Anschlusskontakten 16 verbunden sind, wobei die Leiterbahn 15 der inneren Elektrode 7 über eine weitere Durchkontaktierung 12a mit dem zugehörigen Anschlusskontakt 16 verbunden ist. Die Elektroden 7, 9 bilden eine elektrochemische Messzelle, insbesondere eine Nernst- oder Konzentrationszelle. Dabei wird mittels der Konzentrationszelle 7, 9 das von der Sauerstoffkonzentration abhängige Sauerstoffpotenzial der äußeren Elektrode 9 im Vergleich zum konstanten Sauerstoffpotenzial der inneren Elektrode 7 in Form einer messbaren elektrischen Spannung bestimmt.
Um zu gewährleisten, dass an den Elektroden 7, 9 eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Gaskomponenten des Messgasgemischs erfolgt, bestehen die Elektroden 7, 9 aus einem katalytisch aktiven Material, wie beispielsweise Platin, wobei das Elektrodenmaterial für alle Elektroden in an sich bekannter Weise als Cermet eingesetzt wird, um mit den keramischen Folien zu versintern. Die äußere Elektrode 9 ist beispielsweise durch eine poröse Schutzschicht 10 gegen die das Sensorelement umgebende Messgasatmosphäre abgeschirmt.
Die erste bzw. zweite Isolationsschicht 2, 4 sind aus einem elektrisch isolierenden, keramischen Material, beispielsweise aus A1203 ausgeführt. Die Heizerfolie 1 sowie die Referenzgaskanalfolie 5 und die weitere Folie 8 sind aus einem vorzugsweise sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y203 stabilisiertem oder teilstabilisiertem Zr02 ausgeführt. Als Basismaterial der Folien 1, 5, 8 eignen sich jedoch auch andere Oxide der Elemente der dritten oder vierten Haupt- oder
Nebengruppe des Periodensystems.
Das Festelektrolytmaterial ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass es keine oder weitgehend keine weiteren Elemente enthält, die die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials verstärken. Das Festelektrolytmaterial enthält insbesondere einen möglichst geringen Anteil an Verbindungen des Eisens, des Titans, des Cobalts, des Magnesiums, Kalziums, der Alkalimetalle oder der Elemente der Seltenen Erden sowie derjenigen Metalle, die in mindestens zwei stabilen Oxidationsstufen außer 0 auftreten können.
Ein Festelektrolytmaterial auf der Basis von Zirkondioxid weist beispielsweise folgende Gesamtzusammensetzung in Massen-ppm auf:
Si02: 0 bis 9000 ppm, vorzugsweise 0 bis 2500 ppm, insbesondere 0 bis 1000 ppm,
Eisenoxide: 0 bis 130 ppm, vorzugsweise 0 bis 120 ppm, insbesondere 0 bis 100 ppm,
CaO: 0 bis 150 ppm, vorzugsweise 0 bis 120 ppm, insbesondere 0 bis 100 ppm,
MgO: 0 bis 80 ppm, vorzugsweise 0 bis 60 ppm, insbesondere 0 bis 50 ppm,
Ti02 0 bis 1000 ppm, vorzugsweise 0 bis 300 ppm, insbesondere 0 bis 100 ppm,
Na20: 0 bis 160 ppm, vorzugsweise 0 bis 140 ppm, insbesondere 0 bis 120 ppm,
K20: 0 bis 100 ppm, vorzugsweise 0 bis 60 ppm, insbesondere 0 bis 40 ppm,
Seltene Erden: 0 bis 100 ppm, vorzugsweise 0 bis 80 ppm, insbesondere 0 bis 60 ppm,
Cobaltoxide: 0 bis 5000 ppm, vorzugsweise 0 bis 800 ppm, insbesondere 0 bis 100 ppm,
Y203: 0 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 0 bis 8 Gew.%, Rest: Zirkondioxid
Beispielhaft werden folgende Festelektrolytzusammensetzungen genannt, wobei die Zusammensetzung 1 einem Festelektrolytmaterial gemäß dem Stand der Technik entspricht, und die Zusammensetzungen 2 und 3 Ausführungsbeispiele erfϊndungsgemäßer Festelektrolytmaterialien darstellen. Der Gehalt der einzelnen Verbindungen im Festelektrolytmaterial ist in ppm angegeben.
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Figure imgf000008_0001
Das Festelektrolytmaterial weist bei den üblichen Betriebstemperaturen von Abgassensoren im Bereich von 400 bis 1000 °C eine äußerst geringe elektrische Leitfähigkeit auf. So zeigt Figur 2 eine Auftragung 20 der Impedanzen eines stabilisierten Zirkondioxidfestelektrolytmaterials gemäß dem Stand der Technik und eine Auftragung 22 eines stabilisierten Zirkondioxidfestelektrolytmaterials mit deutlich reduziertem Gehalt an Titandioxid über dem gewählten Frequenzbereich bei einer Temperatur von 750°C. Das Festelektrolytmaterial mit reduziertem Titangehalt zeigt insbesondere bei niedrigen Frequenzen eine um eine Größenordnung größere Impedanz im Vergleich zu üblichen Festelektrolytmaterialien. Auf diese Weise werden in einem entsprechenden Sensorelement Störeinflüsse durch eine im Sensorelement vorhandene Heizvorrichtung vermindert und gleichzeitig die Signalausbeute der elektrochemischen Messzellen des Sensorelement verbessert.
Gleichzeitig verringert sich die Temperaturabhängigkeit des Offset-Signals der elektrochemischen Messzellen des Sensorelements. Dies ist in Figur 3 verdeutlicht. Dabei ist das Sensorgrundsignal 24 eines Sensors auf der Basis eines handelsüblichen Zirkondioxid- festelektrolyten und das Sensorgrundsignal 26 eines Sensors auf der Basis eines Zirkondioxidfestelektrolyten mit verringertem Titangehalt über der Sensortemperatur aufgetragen. Dabei zeigt sich eine deutlich geringere Abhängigkeit des Sensorgrundsignals 26 von der Temperatur als im Fall des Sensorgrundsignals 24, wobei die Temperaturabhängigkeit des Sensorsgrundsignals 26 in Form des Diffusionsstromes I zusätzlich eine theoretische Proportionalität gegenüber der Sensortemperatur in Form von I ~ T07 zeigt. Diese theoretisch zu erwartende Abhängigkeit ist schematisch als gestrichelte Kurve 28 eingezeichnet.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterials erfolgt entweder durch gezielte Vermischung der einzelnen Verbindungen in den genannten Mengenverhältnissen oder aus kommerziell verfügbaren Festelektrolytmaterialien durch einen geeigneten Fällungsprozess bzw. eine geeignete Umkristallisation unter Abtrennung unerwünschter Elemente, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen.
Das erfindungsgemäße Festelektrolytmaterial kann zur Herstellung von Sensorelementen für
Gassensoren, wie beispielsweise dem in Figur 1 dargestellten, herangezogen werden. Dabei werden vorzugsweise alle Festelektrolytfolien 1, 5, 8 aus dem erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterial hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Festelektrolytmaterial nur für bestimmte Folien bzw. Schichten des Sensorelements einzusetzen und die weiteren Festelektrolytschichten des Sensorelements aus einem konventionellen
Festelektrolyten auszuführen. So ist es insbesondere von Vorteil, wenn bei dem in Figur 1 dargestellten Sensorelement die Referenzgaskanalfolie aus dem erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterial gefertigt ist und die Heizerfolie 1 bzw. die weitere Folie 8 aus einem konventionellen Festelektrolytmaterial ausgeführt ist.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Festelektrolytmaterials ist nicht auf Sensorelementen zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Verbrennungsabgasen beschränkt, sondern es kann in beliebigen Sensorelementen auf Festelektrolytbasis unabhängig von deren Anwendungszweck bzw. Gesamtaufbau eingesetzt werden.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Festelektrolytmaterial als Elektrolyt bei Hochtemperaturbrennstoffzellen beispielsweise in Form von Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) eingesetzt werden. Es weist die dort unabdingbare geringe elektrische Leitfähigkeit verbunden mit einer ausreichend guten ionischen Leitfähigkeiten für Oxidionen auf.

Claims

Ansprüche
1. Keramisches Festelektrolytmaterial, insbesondere für Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, dessen Grundgerüst im wesentlichen aus Oxiden eines ersten Elements besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelektrolytmaterial im wesentlichen kein weiteres Element enthält, das die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials erhöht.
2. Festelektrolytmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element ein Element der dritten oder vierten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems ist.
3. Festelektrolytmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelektrolytmaterial im wesentlichen keine Oxide, Carbide oder Nitride des weiteren
Elements enthält.
4. Festelektrolytmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelektrolytmaterial im wesentlichen kein Titan, Eisen und/oder Cobalt als weiteres Element enthält.
5. Festelektrolytmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelektrolytmaterial im wesentlichen kein Kalzium, keine Alkalimetalle und/oder seltenen Erden als weiteres Element enthält.
6. Festelektrolytmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festelektrolytmaterial im wesentlichen kein Metall als weiteres Element enthält, das zwei stabile Oxidationsstufen außer 0 aufweist.
7. Festelektrolytmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Verbindungen des weiteren Elements im Festelektrolytmaterial kleiner 1 Gew.%» ist.
8. Festelektrolytmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Verbindungen des weiteren Elements im Festelektrolytmaterial kleiner 0.015 Gew.% ist.
9. Festelektrolytmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Verbindungen des weiteren Elements im
Festelektrolytmaterial 0.001 bis 0.015 Gew.% beträgt.
10. Festelektrolytmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung
0.0001 bis 2.5 Gew.% Si02
0.0001 bis 0.13 Gew.% Eisenoxide
0.0001 bis 0.2 Gew.% CaO
0.0001 bis 0.1 Gew.%o MgO 0.0001 bis 0.4 Gew.% Ti02
0.0001 bis 0.25 Gew.% Na20
0.0001 bis 0.08 Gew.% K20
0.0001 bis 0.1 Gew.%o Verbindungen der Seltenen Erden
0.0001 bis 3.0 Gew.% A1203 0.0001 bis 10 Gew.% Y203
0.0001 bis 0.5 Gew.% Co der Rest Zr02 und/oder HfO .
11. Sensorelement auf Festelektrolytbasis zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Festelektrolytmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält.
12. Sensorelement nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mindestens eine Festelektrolytschicht (1, 5, 8), ein Heizelement (3)und mindestens einem Elektrodenpaar (7, 9), wobei zumindest eine Festelektrolytschicht (1, 5, 8) des Sensorelements, die zwischen dem Heizelement (3) und dem Elektrodenpaar (7, 9) angeordnet ist, eine Festelektrolytschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolytmaterials insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Festelektrolytmaterial von darin enthaltenen Oxiden, Nitriden und/oder Carbiden des Titan, des Eisens, des Cobalts, des Siliciums, des Kalziums, der Alkalimetalle und/oder der seltenen Erden durch Umfällung oder
Umkristallisation zumindest weitgehend befreit wird.
14. Verwendung eines Festelektrolytmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Elektrolytmaterial in Hochtemperaturbremistoffzellen.
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