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DE10308395A1 - Sensorelement eines Gassensors - Google Patents

Sensorelement eines Gassensors Download PDF

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DE10308395A1
DE10308395A1 DE10308395A DE10308395A DE10308395A1 DE 10308395 A1 DE10308395 A1 DE 10308395A1 DE 10308395 A DE10308395 A DE 10308395A DE 10308395 A DE10308395 A DE 10308395A DE 10308395 A1 DE10308395 A1 DE 10308395A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas mixture
gas
sensor element
electrode
component
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10308395A
Other languages
English (en)
Inventor
Bernd Schumann
Thorsten Ochs
Helge Schichlein
Sabine Thiemann-Handler
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.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to DE50312612T priority patent/DE50312612D1/de
Priority to EP03019972A priority patent/EP1452860B1/de
Priority to AT03019971T priority patent/ATE464557T1/de
Priority to DE50312610T priority patent/DE50312610D1/de
Priority to EP03019971A priority patent/EP1452859B1/de
Priority to AT03019972T priority patent/ATE464558T1/de
Priority to JP2004047880A priority patent/JP4625261B2/ja
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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Abstract

Es wird ein Sensorelement eines Gassensors beschrieben, das der Bestimmung der Konzentration mindestens eines Bestandteils eines Gasgemischs insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren dient. Das Sensorelement weist mindestens eine Hilfselektrode (20, 20a, 24) und eine Messelektrode (26) auf, die in direktem Kontakt mit dem Gasgemisch stehen, wobei ein mittels der Messelektrode (26) generiertes Signal der Bestimmung der Konzentration eines oxidierenden Bestandteils des Gasgemischs dient. An der Hilfselektrode (20, 20a, 24) liegt zumindest zeitweise ein Potential an, bei dem der im Gasgemisch enthaltene Sauerstoff und die darin enthaltenen Stickoxide reduziert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sensorelement eines Gassensors und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandsteils eines Gasgemischs nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Im Zuge sich verschärfender Umweltrichtlinien kommt der Sensorik im Bereich der Abgase von Verbrennungsmotoren eine wachsende Bedeutung zu. Dabei werden insbesondere Gassensoren auf Festelektrolytbasis eingesetzt, die hochselektiv die zu detektierenden gasförmigen Bestandteile im Abgas nachweisen. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Konzentrationsbestimmung von oxidierbaren Abgasbestandteilen dar, vor allen Dingen dann, wem der entsprechende Verbrennungsmotor unter sauerstoffreichen Bedingungen betrieben wird. Dies betrifft insbesondere den Nachweis von Kohlenwasserstoffen, Ammoniak oder Wasserstoff.
  • Aus der EP 678 740 B1 ist ein Gassensor auf Festelektrolytbasis bekannt, der dem Nachweis von Stickoxiden dient. Das Messprinzip des Sensors beruht darauf, dass innerhalb des Gassensors überschüssiger Sauerstoff ohne Beeinträchtigung der Stickoxidkonzentration entfernt wird, und nach Einstellung einer konstant niedrigen Sauerstoffatmosphäre der Gehalt von Stickoxiden amperometrisch ermittelt wird. Dieser Sensor kann unter anderem auch zur Bestimmung von Wasserstoff oder Ammoniak verwendet werden. Dazu muss der Sensor allerdings eine protonenleitende Festelektrolytschicht aufweisen. Der Einbau einer derartigen Schicht ist aufwendig und die Lebensdauer derselben ist beschränkt.
  • Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement für einen Gassensor bereitzustellen, das die Bestimmung mindestens eines oxidierbaren Bestandteils in einem Gasgemisch zuverlässig gewährleistet und dennoch kostengünstig hergestellt werden kann.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement bzw. das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass es die Messung oxidierbarer Bestandteile eines Gasgemischs auch in Gegenwart größerer Mengen an Sauerstoff und Stickoxiden gestattet. Dazu wird in vorteilhafter Weise innerhalb des Sensorelements mittels einer Hilfselektrode ein Großteil des vorhandenen Sauerstoffs bzw. der Stickoxide reduziert und aus dem Gasgemisch entfernt. Auf diese Weise wird eine Bestimmung des zu detektierenden Gases auch bei größeren Konzentrationen an Sauerstoff bzw. Stickoxiden im Gasgemisch ermöglicht.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensorelements bzw. Verfahrens möglich. So ist es beispielsweise von Vorteil, wenn eine erste und eine zweite Hilfselektrode vorgesehen sind, die unterschiedliche Materialien aufweisen, wobei sich die Materialien hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität gegenüber einer Zersetzung des zu messenden Gases unterscheiden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Sensorelement in einem ersten Zeitraum in einem Messmodus betrieben und in einem zweiten Zeitraum in einem Abgleichmodus. Im ersten Zeitraum werden an der ersten und zweiten Hilfselektrode Sauerstoff sowie Stick- und Schwefeloxide entfernt und an einer weiteren Hilfselektrode das zu messende Gas oxidiert. Die Bestimmung des zu detektierenden Gases erfolgt an einer Messelektrode, an die ein Potential angelegt wird, bei dein das an der zweiten Hilfselektrode oxidierte zu messende Gas reduziert wird. Der Vorteil der Bestimmung der oxidierten Form des zu messenden Gases besteht darin, dass auf diese Weise einer unkontrollierten Oxidation des zu messenden Gases vor dessen eigentlicher Detektion vorgebeugt wird. Dies erhöht die Genauigkeit des Sensorsignals.
  • Im zweiten Zeitraum wird an die erste bzw. zweite Hilfselektrode zum Abgleich des Sensorelements ein Potential angelegt, bei dem zusätzlich das zu detektierende Gas oxidiert wird. An der weiteren Hilfselektrode liegt dabei ein Potential an, bei dem der im Gasgemisch enthaltene Sauerstoff, die darin enthaltenen Stick- und Schwefeloxide sowie das zuvor oxidierte zu bestimmende Gas entfernt werden. An die Messelektrode gelangt im zweiten Zeitraum demzufolge ein von dem zu messenden Gas befreites Gasgemisch. Dies ermöglicht ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand einen wirkungsvollen Abgleich des Sensorelements.
  • Zeichnung
  • Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Querschnitt durch einen messgasseitigen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und 2 und 3 Querschnitte durch jeweils messgasseitige Abschnitte von Sensorelementen gemäß zweier weiterer Ausführungsbeispiele.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein planares Sensorelement eines elektrochemischen Gassensors bezeichnet, das der Bestimmung eines Bestandteils eines Gasgemischs dient, insbesondere des Gehaltes an oxidierbaren Gasen wie Ammoniak, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Schwefelmonoxid oder Alkylaminen vorzugsweise in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Das Sensorelement weist eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f und 11g auf, die beispielsweise als keramische Folien ausgeführt sind und einen planaren keramischen Körper bilden. Sie bestehen aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2. Die Festelektrolytschichten 11a–11g können alternativ zumindest an stellen, an denen eine Ionenleitung im Festelektrolyt nicht wichtig oder unerwünscht ist, durch Folien aus Aluminiumoxid ersetzt werden.
  • Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendes Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
  • Das Sensorelement 10 beinhaltet beispielsweise einen inneren Gasraum 12 und einen Referenzgaskanal 18. Der Referenzgaskanal 18 steht durch einen Gaseinlass, der an einem Ende aus dem planaren Körper des Sensorelements 10 herausführt, in Kontakt mit einer Referenzgasatmosphäre, die beispielsweise durch Umgebungsluft gebildet ist.
  • Der innere Gasraum 12 weist eine Öffnung 15 auf die den Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch ermöglicht. Die Öffnung 15 ist in der Festelektrolytschicht 11a senkrecht zur Oberfläche des Sensorelements 10 angebracht, sie kann jedoch auch in der Festelektrolytschicht 11b vorgesehen sein.
  • Im inneren Gasraum 12 ist eine erste Hilfselektrode 20 vorzugsweise in doppelter Ausführung ausgebildet. In Diffusionsrichtung des Gasgemischs nachgeordnet ist eine weitere Hilfselektrode 24 vorzugsweise ebenfalls in doppelter Ausführung angeordnet. An der äußeren, dem Messgas unmittelbar zugewandten Seite der Festelektrolytschicht 11a befindet sich eine äußere Elektrode 22, die mit einer nicht dargestellten porösen Schutzschicht bedeckt sein kann.
  • Die Hilfselektroden 20, 24 bilden jeweils mit der äußeren Elektrode 22 zusammen elektrochemische Pumpzellen. Mittels der Pumpzellen wird ein jeweils konstanter Sauerstoffpartialdruck im inneren Gasraum 12 eingestellt. Zur Kontrolle des eingestellten Sauerstoffpartialdrucks ist mindestens eine der Hilfselektroden 20, 24 zusätzlich mit einer Referenzelektrode 30, die im Referenzgaskanal 18 angeordnet ist, zu sogenannten Nernst- bzw. Konzentrationszellen zusammengeschaltet. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im inneren Gasraum 12 abhängigen Sauerstoffpotentials der Hilfselektroden 20, 24 mit dem konstanten Sauerstoffpotential der Referenzelektrode 30 in Form einer messbaren elektrischen Spannung. Die Höhe der an den Pumpzellen anzulegenden Pumpspannungen wird so gewählt, dass sich zwischen den Elektroden 20, 30 bzw. 24, 30 der Konzentrationszellen eine konstante Spannung einstellt.
  • Darüber hinaus wird das an den ersten Hilfselektroden 20 anliegende Potential so gewählt, dass im Gasgemisch möglicherweise enthaltene Gase wie Stick- oder Schwefeloxide ebenfalls redu ziert und somit aus dein Gasgemisch entfernt werden. Dies verringert die Gefahr einer Reaktion des zu bestimmenden Gases mit oxidierend wirkendenden Gasen innerhalb des Sensorelements.
  • Im inneren Gasraum 12 befindet sich weiterhin in Diffusionsrichtung des Gasgemischs den Hilfselektroden 20, 24 nachgeordnet eine Messelektrode 26, die vorzugsweise zusammen mit der Referenzelektrode 30 bzw. der äußeren Elektrode 22 eine weitere Pumpzelle bildet. Diese Pumpzelle 26, 30 bzw. 26, 22 dient dem Nachweis des zu bestimmenden Gases, wobei das zu bestimmende Gas zunächst an der Oberfläche der weiteren Hilfselektrode 24 elektrochemisch oxidiert und nachfolgend an der Oberfläche der Messelektrode 26 gezielt reduziert und der freiwerdende Sauerstoff abgepumpt wird. Als Maß für die Konzentration des zu bestimmenden Gases wird der zwischen Mess- und Referenzelektrode 26, 30 bzw. zwischen Messelektrode 26 und äußerer Elektrode 22 fließende Pumpstrom herangezogen. Darüber hinaus kann zusätzlich oder alternativ der zwischen weiterer Hilfselektrode 24 und äußerer Elektrode 22 fließende Pumpstrom als Maß für die Konzentration des zu bestimmenden Gases verwendet werden.
  • Um zu gewährleisten, dass an den ersten Hilfselektroden 20 keine Zersetzung des zu bestimmenden Gases auftritt, werden die ersten Hilfselektroden 20 aus einem katalytisch inaktiven Material gefertigt. Dies kann beispielsweise eine Platin-Legierung, vorzugsweise eine Gold/Platinlegierung mit einem Goldgehalt bis 2 Gew.% sein. Das Potential an der ersten Hilfselektrode beträgt dabei vorzugsweise –200 bis –900 mV.
  • Die weitere Hilfselektrode 24 ist vorzugsweise aus demselben Material gefertigt wie die erste Hilfselektrode 20. Die Oxidation des zu bestimmenden Gases erfolgt an der weiteren Hilfselektrode 24 durch die Wahl eines entsprechenden, im Vergleich zum Potential der ersten Hilfselektroden 20 positiveren Potentials im Bereich von –200 bis –700 mV.
  • Die Messelektrode 26 ist dagegen katalytisch aktiv ausgeführt und besteht beispielsweise aus Rhodium, einer Platin/Rhodium-Legierung oder einer sonstigen geeigneten Platinlegierung. Die äußere Elektrode 22 sowie die Referenzelektrode 30 bestehen ebenfalls aus einem katalytisch aktiven Material wie beispielsweise Platin. Das Elektrodenmaterial für alle Elektroden wird dabei in an sich bekannter Weise als Cermet eingesetzt, um mit den keramischen Folien zu versintern.
  • In den keramischen Grundkörper des Sensorelements 10 ist ferner zwischen zwei elektrischen Isolationsschichten 32, 33 ein Widerstandsheizer 35 eingebettet. Der Widerstands heizer 35 dient dem Aufheizen des Sensorelements 10 auf die notwendige Betriebstemperatur von beispielsweise 600 bis 900°C.
  • Innerhalb des inneren Gasraums 12 ist in Diffusionsrichtung des Gasgemischs den ersten Hilfselektroden 20 eine poröse Diffusionsbarriere 19 vorgelagert. Die poröse Diffusionsbarriere 19 bildet einen Diffusionswiderstand bezüglich des zu den ersten Hilfselektroden 20 diffundierenden Gasgemischs aus. Im inneren Gasraum 12 kann zusätzlich eine weitere poröse Diffusionsbarriere zwischen den ersten Hilfselektroden 20 und den weiteren Hilfselektroden 24 vorgesehen sein, um die Einstellung von unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen in verschiedenen Bereichen des inneren Gasraums 12 zu erreichen.
  • Zusätzlich zu der beschriebenen Betriebsweise zur Detektion des zu bestimmenden Gases in einem ersten Zeitaum kann in einem zweiten Zeitraum eine Betriebsweise vorgesehen sein, die gewährleistet, dass das Sensorelement geeicht bzw. abgeglichen werden kann. Dabei wird das an den Elektroden 20 anliegende Potential im zweiten Zeitraum so verändert, dass nicht nur, wie im Messbetrieb, Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxide reduziert werden, sondern zusätzlich das zu bestimmende Gas elektrochemisch oxidiert wird. An den zweiten Hilfselektroden 24 wird im zweiten Zeitraum durch Anlegen eines geeigneten Potentials nicht nur, wie im Messbetrieb, eine konstant niedrige Sauerstoffatmosphäre eingestellt, sondern zusätzlich die oxidierte Form des zu bestimmenden Gases reduziert und aus dem Gasgemisch entfernt. Das von dein zu messenden Gas sowie von Stick- und Schwefeloxiden befreite Gasgemisch gelangt abschließend zur Messelektrode 26. Der dabei zwischen Referenz- und Messelektrode 26, 30 fließende Pumpstrom wird einer Konzentration des zu bestimmenden Gases von 0 gleichgesetzt, da das zu diesem Zeitpunkt zur Messelektrode 26 gelangende Gasgemisch vollständig von dem zu messenden Gas befreit ist. Voraussetzung dafür ist, dass bei der Reduktion der oxidierten Form des zu bestimmenden Gases eine Verbindung entsteht, die nicht dem ursprünglich zu bestimmenden Gas entspricht. Wird beispielsweise das Sensorelement als Ammoniaksensor betrieben, so entstehen an der ersten Hilfselektrode 20 durch Oxidation des Ammoniaks Stickoxide, die an der weiteren Hilfselektrode 24 zu Stickstoff reduziert werden.
  • Der Abgleichmodus wird so lange durchgeführt, bis ein ausreichend genauer Nullabgleich erfolgt ist. Danach wird wieder die Detektion des zu messenden Gases durchgeführt. Der Abgleich kann periodisch erfolgen oder aber immer dann, wenn das Signal des Sensorelements einen vorbestimmten Wert über- bzw. unterschreitet.
  • Um die Oxidation des zu bestimmenden Gases an den ersten Hilfselektroden 20 während des Abgleichsmodus im zweiten Zeitraum zu gewährleisten, können diese Elektroden zusätzlich ein die Oxidation des zuständigen Gases katalysierendes Material aufweisen. So eignen sich beispielsweise zur Oxidation von Ammoniak Zusätze von Silber, Kobalt, Rhodium, Palladium oder Gold.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des vorliegenden Sensorelements dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Komponenten wie in 1. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen, ersten Ausführungsbeispiel weist das in 2 dargestellte Sensorelement zusätzlich zu den ersten Hilfselektroden 20 eine zweite Hilfselektrode 20a beispielsweise in doppelter Ausführung auf. Die Materialien, aus denen die Elektroden 20 bzw. 20a ausgeführt sind, unterscheiden sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität gegenüber einer Oxidation des zu bestimmenden Gases. So weisen beispielsweise die Elektroden 20 keine die Oxidation des zu bestimmenden Gases katalysierenden Zusätze auf, während hingegen im Falle der zweiten Hilfselektroden 20a derartige Zusätze vorgesehen sind. Die Elektroden 20, 20a sind vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, so dass eine gemeinsame Kombinationselektrode entsteht. Während des Messbetriebs im ersten Zeitraum werden sowohl an den Oberflächen der ersten Hilfselektroden 20, wie auch an den Oberflächen der zweiten Hilfselektroden 20a Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxide elektrochemisch reduziert und aus dem Gasgemisch entfernt. Während des Abgleichsmodus im zweiten Zeitraum werden an der Oberfläche der ersten Hilfselektroden 20 weiterhin selektiv Sauerstoff bzw. Stickoxide reduziert, während hingegen an den Oberflächen der zweiten Hilfselektroden 20a zusätzlich das zu bestimmende Gas oxidiert wird. Auf diese Weise stehen während des Abgleichmodus die Hilfselektroden 20 ausschließlich für die Entfernung von Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxiden zur Verfügung, ohne zusätzliche Belastung durch die Oxidation des zu bestimmenden Gases.
  • Werden die ersten Hilfselektroden 20 nicht mit den zweiten Hilfselektroden 20a elektrisch verbunden, so eröffnet dies die Möglichkeit, unterschiedliche Potentiale an die Hilfselektroden 20 bzw. 20a anzulegen. Dies ermöglicht während des Abgleichmodus, dass an die ersten Hilfselektroden 20 ein stark negatives Potential angelegt wird, das effektiv zu einer weitgehenden Entfernung von Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxiden genutzt werden kann, während hingegen an den zweiten Hilfselektroden 20a das Potential so gewählt wird, dass selektiv eine möglichst quantitative Oxidation des zu bestimmenden Gases bewirkt wird. Dies erhöht die Genauigkeit des Nullabgleichs für das Sensorelement. In diesem Fall können die beiden Elektroden 20, 20a auch aus demselben Material aufgebaut sein.
  • Eine weitere Betriebsweise zum Nullabgleich des Sensorelements besteht bei nicht elektrisch miteinander verbundenen ersten und zweiten Hilfselektroden 20, 20a darin, das Potential an den ersten Hilfselektroden 20 so zu wählen, dass Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxide reduziert und das zu bestimmende Gas quantitativ oxidiert wird und an den zweiten Hilfselektroden 20a ein Potential vorzusehen, bei dein das oxidierte zu bestimmende Gas reduziert und somit aus dem Gasgemisch entfernt wird. Dies ermöglicht die Abschaltung der weiteren Hilfselektrode 24.
  • Eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit kann erzielt werden, indem der innere Gasraum 12 durch eine zweite Diffusionsbarriere 21 in einen ersten inneren Gasraum 12a und einen zweiten inneren Gasraum 13 unterteilt wird. Die Diffussionsbarriere 21 befindet sich dabei in der Diffusionsrichtung des Gasgemischs zwischen den zweiten Elektroden 20a und den weiteren Hilfselektroden 24.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 3 abgebildet. Dabei bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Baukomponenten. Hier befindet sich die Diffussionsbarriere 21 zwischen den ersten Hilfselektroden 20 und den zweiten Hilfselektroden 20a. Dies bewirkt zum einen, dass eine Diffusion von Metalldampf beispielsweise durch Erhitzung des Sensorelements während des Herstellungsprozesses, und somit eine Kontamination der Hilfselektroden 20, 20a mit Bestandteilen der jeweils anderen Hilfselektrode vermieden wird. Auch hier besteht die Möglichkeit, entweder die Hilfselektroden 20, 20a elektrisch miteinander zu verbinden, oder dies im Zuge einer besseren Messgenauigkeit zu unterlassen.
  • Alternativ zu einer amperometrischen Bestimmung des zu messenden Gases mittels der Pumpzelle 26, 30 kann auch eine potentiometrische Bestimmung durchgeführt werden. Dabei werden wie bereits beschrieben an den ersten bzw. zweiten Hilfselektroden 20, 20a selektiv Sauerstoff bzw. Stick- und Schwefeloxide entfernt, ohne dass der Gehalt an zu bestimmendem Gas sich verändert. Die weitere Hilfselektrode 24 hat bei dieser Betriebsweise keine Funktion und kann auch weggelassen werden. Wird die Messelektrode 26 katalytisch inaktiv durch geeignete Platin-, Silber- und Palladiumlegierungen ausgeführt, stellt sich an deren Oberfläche ein Ungleichgewichtspotential ein, dessen Höhe direkt vom Gehalt an zu messendem Gas abhängig ist. Diese Betriebsweise eignet sich insbesondere für die Bestimmung von oxidierbaren Gasen. Das an der Messelektrode 26 sich einstellende Potential kann als messbare Spannung gegenüber dem konstanten Potential der Referenzelektrode 30 bestimmt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit der Detektion des zu messenden Gases besteht in der Verwendung eines resistiven Messelements. Dabei ist im inneren Gasraum 13 eine weitere, nicht dargestellte Elektrode angeordnet, die über eine auf das zu messende Gas sensitive Schicht mit der Messelektrode 26 in Kontakt steht. Die Messelektrode 26 und die weitere Elektrode werden mit einer Spannung beaufschlagt und der Widerstand der gassensitiven Schicht zwischen den beiden Elektroden bestimmt.

Claims (14)

  1. Sensorelement eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Bestandteils eines Gasgemischs, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer Hilfselektrode und einer Messelektrode, die in direktem Kontakt mit dem Gasgemisch stehen, wobei ein mittels der Messelektrode generiertes Signal der Bestimmung der Konzentration eines oxidierbaren Bestandteils dient, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hilfselektrode (20, 20a, 24) zumindest zeitweise ein Potential anliegt, bei dem der im Gasgemisch enthaltene Sauerstoff und die darin enthaltenen Stickoxide reduziert werden.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hilfselektrode (20, 20a, 24) zusätzlich der zu messende Bestandteil oxidiert wird.
  3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (20, 20a, 24) in Diffusionsrichtung des Gasgemischs vor der Messelektrode (26) angeordnet ist.
  4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Hilfselektrode (20, 20a) vorgesehen ist, die unterschiedliche Materialien aufweisen, wobei sich die Materialien von erster und zweiter Hilfselektrode (20, 20a) hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität gegenüber einer Zersetzung des zu messenden Bestandteils des Gasgemischs unterscheiden.
  5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hilfselektrode (20, 20a) elektrisch miteinander verbunden sind.
  6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Hilfselektrode (20, 20a) vorgesehen ist, an die verschiedene Potentiale anlegbar sind, so dass sich die erste und die zweite Hilfselektrode (20, 20a) hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität gegenüber einer Zersetzung des zu messenden Bestandteils des Gasgemischs unterscheiden.
  7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten und/oder zweiten Hilfselektrode (20, 20a) ein Potential anliegt, bei dem der im Gasgemisch enthaltene Sauerstoff und die darin enthaltenen Stickoxide reduziert werden und dass an einer weiteren Hilfselektrode (24) zumindest zeitweise ein Potential anliegt, bei dem der zu messende Bestandteil des Gasgemischs oxidiert wird.
  8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der weiteren Hilfselektrode (24) in einem ersten Zeitraum ein Potential anliegt, bei dem der im Gasgemisch enthaltene Sauerstoff und die darin enthaltenen Stickoxide reduziert werden und in einem zweiten Zeitraum ein Potential, bei dem der zu messende Bestandteil des Gasgemischs und/oder der im Gasgemisch enthaltene Wasserstoff oxidiert wird.
  9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Messelektrode (26) ein Potential anliegt, bei dem der oxidierte zu messende Bestandteil reduziert wird.
  10. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu messende Bestandteil Ammoniak und/oder Wasserstoff ist.
  11. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Bestandteils eines Gasgemischs, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelements eines Gassensors, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Sensorelements in einem ersten Schritt im Gasgemisch enthaltene Stickoxide entfernt werden und in dem von Stickoxiden befreiten Gasgemisch in einem weiteren Schritt die Konzentration des Bestandteils ermittelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt der zu messende Bestandteil im Gasgemisch zunächst oxidiert wird, und dass im weiteren Schritt der oxidierte Bestandteil elektrochemisch reduziert wird, wobei ein dabei zwischen einer Messelektrode (26) und einer weiteren Elektrode (30) fließender Strom oder eine zwischen der Messelektrode (26) und der weiteren Elektrode (30) anliegende Spannung zur Bestimmung der Konzentration des Bestandteils herangezogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt der zu messende Bestandteil aus dem Gasgemisch entfernt wird und in einem dritten Schritt ein zwischen der Messelektrode (26) und der weiteren Elektrode (30) fließender Strom oder eine zwischen der Messelektrode (26) und der weiteren Elektrode (30) anliegende Spannung zum Abgleich des Sensorelements herangezogen wird.
  14. Abgasreinigungssystem für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.
DE10308395A 2003-02-27 2003-02-27 Sensorelement eines Gassensors Withdrawn DE10308395A1 (de)

Priority Applications (8)

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DE10308395A DE10308395A1 (de) 2003-02-27 2003-02-27 Sensorelement eines Gassensors
DE50312612T DE50312612D1 (de) 2003-02-27 2003-09-03 Verfahren zur Bestimmung von Ammoniak
EP03019972A EP1452860B1 (de) 2003-02-27 2003-09-03 Verfahren zur Bestimmung von Ammoniak
AT03019971T ATE464557T1 (de) 2003-02-27 2003-09-03 Verfahren und sensorelement zur bestimmung eines gases in einem gasgemisch
DE50312610T DE50312610D1 (de) 2003-02-27 2003-09-03 Verfahren und Sensorelement zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch
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