DE29905601U1

DE29905601U1 - Elektrochemisches Sensorelement

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Publication number: DE29905601U1
Application number: DE29905601U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2009-03-27

Description

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R. 35335

24.03.99 Bx/Shi

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Elektrochemisches Sensorelement

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Sensorelement zur Bestimmung der Gaskonzentration in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung des Lambda-Wertes in Abgasen von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Sensorelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind als sogenannte planare Sensorelemente ausgeführt, die auf einem als Keramikträger ausgebildeten Festelektrolyten eine einem Meßgas ausgesetzte Meßelektrode und eine einem Referenzgas ausgesetzte Referenzelektrode aufweisen. Der Keramikträger ist aus mehreren Festelektrolytfolien aufgebaut, die mit den Elektroden versehen, zusammenlaminiert und anschließend gesintert sind. Die zusammenlaminierte und gesinterte Struktur ergibt schließlich das planare Sensorelement. In den Keramikträger ist ferner ein elektrischer Widerstandsheizer eingebettet. Der Referenzelektrode wird ein Referenzgas, das in den meisten Fällen von der Luftatmosphäre gebildet wird, über einen in eine Folie des Trägers integrierten Referenzgaskanal zugeführt. Der Referenzgaskanal bildet im Bereich der Referenzelektrode einen Referenzgasraum aus, der dort eine an die Referenzelektrode angepaßte Grundfläche aufweist, damit genügend Sauerstoff zur Referenzelektrode gelangen kann.

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Zum Betreiben des elektrochemischen Sensorelements wird das Sensorelement mittels des Widerstandheizers auf die notwendige Betriebstemperatur von mindestens 300⁰C gebracht. Kurz nach dem Einschalten des Widerstandsheizelements wird das
Sensorelement von der Heizerfolie aus erwärmt, wobei es aufgrund der Wärmedehnung der Heizerfolie gegenüber der noch
kalten, angrenzenden Sensorfolie zu einer Zugspannung oberhalb des Referenzgaskanals kommt. Die Zugspannung löst häufig Risse in dem Keramikträger aus, die insbesondere an den oberen Kanten des Referenzgasraums auftreten und an der Außenseite des Sensorelements austreten und damit eine Verbindung von Abgas zur Referenzluft schaffen können, wodurch das Sensorelement unbrauchbar wird.

Bei sogenannten Breitbandsonden ist neben den Festelektrolytfolien
zur Ausbildung der Konzentrationszelle noch mindestens eine weitere Festelektrolytfolie für eine elektrochemische Pumpzelle vorgesehen, wobei die Meßelektrode der Konzentrationszelle und eine innere Pumpelektrode der Pumpzelle in einem Meßgasraum angeordnet sind. Bei dieser übereinanderliegenden
Anordnung von Meßgasraum und Referenzgasraum
breiten sich die Risse bis in den Meßgasraum aus, wodurch
das Meßgas in das Referenzgas eindringen und dieses dadurch verfälschen kann.

Es wurde ferner beobachtet, daß die Zugspannung extrem groß wird, wenn eine dem Meßgas ausgesetzte und die Meßelektrode bedeckende Schutzschicht durch Verdampfen von im Abgas mitgeführten Flüssigkeiten gekühlt wird, der Widerstandsheizer so ausgelegt ist, daß die Referenzkanalfolie extrem erwärmt wird, oder der Referenzkanal extrem breit ausgebildet ist.

Um der Ausbildung der Zugspannung entgegenzuwirken, wurde
bereits in der deutschen Patentanmeldung 198 15 700.2 vorge-5 schlagen, der Referenzelektrode an der dem Widerstandheizer

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zugewandten Seite eine poröse Schicht vorzulagern, die gleichzeitig als Referenzgasvolumen wirkt, und lediglich einen sehr schmalen Referenzgaskanal vorzusehen. Die poröse Schicht ist dabei im wesentlichen deckungsgleich mit der flächigen Ausdehnung der Referenzelektrode.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der Auswirkung der auftretenden Zugspannung im Sensorelement entgegenzuwirken, um die aufgrund der auftretenden Zugspannung verursachte Rißbildung in dem Keramikkörper des Sensorelements zu unterbinden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die lokale Konzentration der Zugspannung in den oberen Kanten des Referenzgasraums minimiert wird. Damit wird die Zuverlässigkeit und die Langzeitstabilität des Sensorelements verbessert. Dadurch, daß sich die Referenzelektrode über die Kanten des Referenzgasraums hinaus in die angrenzenden Festelektrolytfolien erstreckt, wirkt die Zugspannung an dieser Stelle auf das plastisch verformbare Platin des Platin-Cermet-Material der Referenzelektrode. Dadurch wird die Zugspannung im Bereich der oberen Kanten des Referenzgasraums im wesentlichen absorbiert. Zumindest jedoch kommt es dort nicht zu der lokalen Konzentration der Zugspannung, die zu offenen Rissen an der Oberfläche der Keramik des Sensorelements führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Sensorelement einem höhe-0 ren Überspannungstest nach der Herstellung unterzogen werden kann, um damit Keramikfehler besser zu selektieren.

Durch die höhere Wärmeleitfähigkeit des Pt (70 W/mK) im Vergleich zu ZrO₂ (1 W/mK) und Al₂O₃ (10W/mK) ergibt sich durch die Anordnung eine schnellere Erwärmung des Keramikträgers

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über dem Referenzgaskanal. Dadurch wird sowohl der Temperaturunterschied also auch der Wärmedehnungsunterschied und folglich die Zugspannung gemindert.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Durch eine an allen vier Seiten sich über die Fläche des Referenzgasraums erstreckende Referenzelektrode kommt es auch zur Minderung der Rißauslösung an der Vorderkante des Referenzgasraums. Damit lassen sich neben den von der Vorderkante ausgehenden Rissen, die in der Schutzschicht austreten, auch die in der Stirnseite des Sensorelements auftretenden Risse, die auf der Heizerseite weiter verlaufen können, verhindern.

Die Erfindung kann mit obigen Vorteilen auch bei Sensorelementen mit einem im Querschnitt schmalen Referenzgaskanal· angewandt werden. Dies ist aber nicht notwendig, da es hier nie zu Rissen kommt, da die Behinderung der Wärmeleitung durch einen schmalen Referenzgaskanal minimal ist und da der größte Wärmeeintrag des Heizers im vorderen breiten Bereich liegt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch ein Sensorelement nach der Linie I-I in Figur 2 und Figur 2 einen Längsschnitt durch das Sensorelement nach der Linie II-II in 0 Figur 1.

Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt ein elektrochemisches Sensorelement 11 im 5 Querschnitt, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine

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elektrochemische Konzentrationszelle ist, die nach dem sogenannten Nernst-Prinzip arbeitet. Das Sensorelement 11 hat übereinanderliegende Festelektrolytfolien 11a, 11b, lic und lld. Die Festelektrolytfolie 11a bildet die Sensorfolie, die Festelektrolytfolie 11b die Referenzgaskanalfolie und die Festelektrolytfolien lic und lld die Heizerfolie. Die Festelektrolytfolie lic kann als Druckschicht oder als Folie ausgebildet sein. Zwischen den Festelektrolytfolien lic und lld ist ein Widerstandsheizelement 14 in eine elektrische Isolation 18 eingebettet. Die Festelektrolytfolien 11a bis lld sind aus einer sauerstoffleitenden Keramik, beispielsweise aus stabilisiertem ZrO₂ ausgeführt.

Auf der äußeren Fläche der Sensorfolie 11a ist dem Meßgas ausgesetzt eine Meßelektrode 12 angeordnet, die mit einer porösen Schutzschicht 13 bedeckt ist. In der Referenzgaskanalfolie 11b ist ein Referenzgasraum 15 ausgebildet, der über einen Referenzgaskanal 16 an die entgegengesetzte Stirnseite des Sensorelements 11 geführt ist und dort an der Stirnseite austritt. Über den Referenzgaskanal 16 wird das Referenzgas, beispielsweise Luft, in den Referenzgasraum 15 geleitet (Figur 2).

Der Meßelektrode 12 gegenüberliegend ist auf der anderen Seite der Sensorfolie 11a im Referenzgasraum 15 eine Referenzelektrode 20 angeordnet. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, daß die flächige Ausdehnung der Referenzelektrode 20 größer ist als flächige Ausdehnung des Referenzgasrauras 15. Dadurch streckt sich die Referenzelektrode 20 über den Referenzgasraum 15 hinaus und liegt außerhalb des Referenzgasraums 15 zwischen der Sensorfolie 11a und der Referenzgaskanalfolie 11b.

Die Referenzelektrode 20 verfügt ferner über eine Elektrodenleiterbahn 21, die an das entgegengesetzte Ende des Sen-

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sorelements 11 geführt ist und dort mit einer nicht näher dargestellten Kontaktfläche an der Oberfläche des Sensorelements kontaktierbar ist, wobei gemäß Figur 2 der Referenzgaskanal 16 breiter als die über dem Referenzgaskanal 16 geführte Elektrodenleiterbahn 21 ausgeführt ist.

Neben dem beschriebenen Sensorelement, das nach dem Nernst-Prinzip arbeitet (Konzentrationszelle), ist die vorliegende Erfindung genauso einsetzbar bei sogenannten Breitbandsonden, bei denen, neben der beschriebenen Konzentrationszelle eine elektrochemische Pumpzelle vorgesehen ist, die mit der Konzentrationszelle zusammenwirkt. Wichtig ist, daß die an den Referenzgasraum angrenzende und benachbart zum Widerstandsheizer befindliche Referenzelektrode sich über den Referenzgasraum hinaus in die angrenzenden Festelektrolytfolien erstreckt.

Claims

1. Elektrochemisches Sensorelement mit einem Festelektrolytkörper, der aus übereinanderliegenden Festelektrolytfolien gebildet ist, sowie mit mindestens einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode, mindestens einer Heizeinrichtung und mindestens einem Referenzgasraum, der mit der Referenzelektrode in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode (20) breiter als der Referenzgasraum (15) ist, so daß sich die Referenzelektrode (20) über den Referenzgasraum (15) hinaus zumindest seitlich neben dem Referenzgasraum (15) zwischen den angrenzenden Festelektrolytfolien (11a, 11b) erstreckt.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode (20) sich über alle vier Seiten über die flächige Ausdehnung des Referenzgasraums (15) erstreckt.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Referenzgasraum (15) zugeführte Referenzgaskanal (16) schmaler ist als der Referenzgasraum (15).

4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode (20) über eine Elektrodenleiterbahn (21) verfügt, die ihrerseits schmaler als der Referenzgaskanal (16) ist und über dem Referenzgaskanal (16) geführt ist.

5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode (20) aus einem Platin-Cermet-Material besteht.