Beschreibung
Titel
Sensorelement mit unterdrückter Fettgasreaktion
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Derartige Sensorelemente sind auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungs- technik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit ei- nem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrt- technik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem
Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffϊonen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z.B. Yttrium- stabilisiertes ZrC^) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst- Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 Al, DE 199 38 416 Al und DE 10 2005 027 225 Al beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektroly- ten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung der- art gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sen-
sorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen. Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in DE 38 09 154 Cl und in DE 199 38 416 Al beschrieben.
In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen- Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller" erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 Bl beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
Breitband-Sensorelemente in Einzeller- Anordnung mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen jedoch verschiedene Probleme auf. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Gasgemisches gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom gemessen, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 600-700 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1 ,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen molekularen Wasserstoff zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode, also der ersten Elektrode, beeinflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sau- erstoff-liefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise C(VCO. Der Strom ist also im Bereich fetter Gemische (Fettpumpstrom) durch den Wasserstoffgehalt im Bereich der ersten Elektrode (z. B. Anode) und den Wasserdampfgehalt (d. h. insbesondere den
Zutritt des Wasserdampfes durch die oben beschriebene Diffusionsbarriere) im Bereich der zweiten Elektrode (z. B. Kathode) begrenzt. Die Problematik besteht nun insbesondere darin, dass der Fettpumpstrom und der Magerpumpstrom elektrisch dieselbe Richtung aufweisen, so dass aus dem Pumpstrom ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des Gasgemisches kaum mehr möglich ist. Neben der beschriebenen Problematik im Bereich fetter Gemische ist auch im Bereich leicht magerer Abgase eine Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen, welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven Beitrag zum Pumpstrom liefert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung baut auf den oben beschriebenen Erkenntnissen auf, dass der Fettpumpstrom und der Pumpstrom im Bereich leicht magerer Abgase im Wesentlichen durch das Angebot an Wasserstoff und/oder anderen reduzierenden Gasen im Bereich der Anode einer Pumpzelle bestimmt wird. Dementsprechend liegt ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, die Anode von Wasserstoff und/oder anderen reduzierenden Gasen abzuschirmen, ohne dabei den Magerbetrieb zu beeinträchtigen.
Dementsprechend wird ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer physikali- sehen Eigenschaft eines Gasgemischs in mindestens einem Gasraum vorgeschlagen, welches mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode sowie mindestens einen die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist. Insbesondere kann dieses Sensorelement derart betrieben werden, dass die mindestens eine erste Elektrode als Anode betrieben wird und die mindestens eine zweite Elektrode als Kathode. Zwischen diese mindestens zwei Elektroden wird eine Pumpspannung angelegt, welche vorzugsweise zwischen 100 mV und 1,0 V, besonders bevorzugt zwischen 300 mV und 800 mV und optimalerweise im Bereich zwischen 600 mV und 700 mV liegt. Dabei kann dann ein Pumpstrom durch das Sensorelement gemessen werden.
Die mindestens eine erste Elektrode ist über mindestens ein Diffusionswiderstandselement mit dem mindestens einen umgebenden Gasraum (beispielsweise einem das Sensor-
dement umgebenden Gasraum), in welchem die Gasgemischzusammensetzung ermittelt werden soll, und/oder einem Referenzraum mit bekannter Gasgemischzusammensetzung verbunden. Die mindestens eine zweite Elektrode ist über mindestens ein Strömungswiderstandselement mit dem mindestens einen Gasraum verbunden. Das mindestens eine Strömungswiderstandselement und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement sind dabei derart ausgestaltet, dass der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode. Bevorzugt werden dabei Grenzströme eingestellt, bei welchen ein Verhältnis < 1/100, insbesondere < 1/1000 vorliegt. Vorzugsweise liegt der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elekt- rode bei 1 bis 20 Mikroampere, besonders bevorzugt bei 10 Mikroampere, und der
Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode bei 500 Mikroampere bis 3 Milliampere, besonders bevorzugt bei 1,5 Milliampere. Der Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom, d. h. der maximale Pumpstrom, welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom, welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise wird das Sensorelement mit diesem Grenzstrom betrieben, d. h. mit einer (siehe oben) ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport" ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration. Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben wird.
Die Einstellung der Bedingung für das Grenzstromverhältnis kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement. Der Diffusionswiderstand ist derjenige Widerstand, welchen ein Element einem Konzent- rationsunterschied Δc zwischen beiden Seiten des Elements der Länge 1 entgegensetzt und der somit eine Diffusion (Strom j) behindert:
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Der Diffusionskoeffϊzient D setzt sich (invers additiv) aus den Diffusionskoeffizienten für die Gasphasendiffusion und für die Knudsendiffusion zusammen, welche beide unter- schiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen. Die Temperaturabhängigkeit des Flusses hängt somit von den Anteilen der einzelnen Diffusionsarten ab. Typischerweise ändert sich der Fluss bei einer Temperaturänderung um 100 0C um ca. 4 %. Für die Einstellung eines gewünschten Grenzstromes kann also auf die Geometrie der Widerstandselemente (Querschnitt, Länge) oder auch auf die Materialeigenschaften und die Temperatur eingewirkt werden.
Für diese Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise dasselbe Diffusionsmedium (z. B. ein poröses Material) für das mindestens eine Diffusionswiderstandselement und das mindestens eine Strömungswiderstandselement eingesetzt werden, je- doch in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise vor der mindestens einen ersten Elektrode eine höhere Schichtdicke verwendet wird als vor der mindestens einen zweiten Elektrode. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche der Widerstandselemente erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest näherungsweise proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, und um- gekehrt proportional mit der Länge beziehungsweise Schichtdicke der Widerstandselemente an.
Vorzugsweise weist jedoch zusätzlich das mindestens eine Strömungswiderstandselement einen größeren Strömungswiderstand auf als das mindestens eine Diffusionswider- Standselement. Dabei ist der Strömungswiderstand als derjenige Widerstand definiert, welchen ein Element einer Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Elements entgegensetzt und damit eine Strömung zwischen beiden Seiten des Elements verhindert. Der Strömungswiderstand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass eine Porengröße eines porösen Mediums erhöht beziehungsweise erniedrigt wird, und/oder dass ein Kanalquerschnitt, eine Kanalgeometrie oder eine Kanallänge variiert wird.
Der oben beschriebene vorteilhafte Zusammenhang zwischen den Grenzströmen bewirkt den oben beschriebenen Abschirmeffekt der mindestens einen ersten Elektrode gegenüber reduzierenden Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff. Besonders günstig ist es, wenn diese Abschirmung dadurch bewirkt wird, dass das mindestens eine Diffusionswi- derstandselement einen Diffusionskanal aufweist, welcher die mindestens eine erste E- lektrode mit dem mindestens einen Gasraum und/oder dem mindestens einen Referenzraum verbindet. Dieser Diffusionskanal sollte vorzugsweise eine große Länge aufweisen, d. h. eine Länge, welche groß ist gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle bei der entsprechenden Betriebstemperatur des Sensorelements (beispielsweise 700- 800 0C). Auf diese Weise lässt sich der Unterschied zwischen Gasphasendiffusion und Strömungswiderstand maximal nutzen, um eine Abschirmung der mindestens einen ersten Elektrode herbeizuführen. Hätten nämlich Gasmoleküle in dem Diffusionskanal (wobei natürlich auch mehrere Diffusionskanäle verwendet werden können) keine anderen Stoßpartner außer den Wänden des Diffusionskanals, so würde ein Transport lediglich über eine Knudsendiffusion mit gleichem Verhalten für Strömung und Diffusion auftreten. Durch die Ausgestaltung als Diffusionskanal ergibt sich hingegen ein lediglich geringer Diffusionstransport von Fettgas an die mindestens eine erste Elektrode (üblicherweise Anode) und somit nur ein geringer Fettpumpstrom. Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Diffusionskanal mit einer Höhe im Bereich zwischen 2 L bis 25 L und einer Breite in einem Bereich von 2 L bis 25 L sowie einer Länge im Bereich von zwischen 0,5 mm und 20 mm ausgestattet. Dabei ist L die mittlere freie Weglänge der Moleküle des Gasgemisches bei einem Betriebsdruck des Sensorelements, welcher üblicherweise im Bereich des Normaldrucks liegt. Diese Dimensionierung des mindestens einen Diffusionskanals hat sich als besonders günstig erwiesen, um die Diffusion von Fettgas zur min- destens einen ersten Elektrode zu verhindern.
Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Sensorelements gemäß einer der obigen Ausführungsformen gegenüber dem Stand der Technik durch äußerst geringe Fettpumpströme aus. Eine Interpretation des Pumpstroms, auch im mage- ren Bereich, kann bis hinunter zu sehr kleinen Werten für λ erfolgen. Durch das mindestens eine Diffusionswiderstandselement im Bereich vor der mindestens einen ersten E- lektrode, welches diese mindestens eine erste Elektrode gegenüber Diffusion abschirmt,
-o-
wird (bei Auftragung des Pumpstroms gegen λ) die Steigung des „Fettastes" gezielt verringert.
Gleichzeitig wird durch die Ausgestaltung des mindestens einen Diffusionswiderstands- elements mit geringem Strömungswiderstand die Gefahr eines Überdrucks im Bereich der mindestens einen ersten Elektrode (üblicherweise Anode) durch mangelnden Gasabtransport verhindert, da Gasmoleküle, welche sich an der mindestens einen ersten Elektrode bilden, unmittelbar abströmen können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorelements besteht darin, dass nicht notwendigerweise ein Refe- renzkanal erforderlich ist, welcher aufwändig gegenüber dem Gasraum abgeschirmt werden müsste. Auf diese Weise sinken beispielsweise Anforderungen an ein Sondengehäuse, welches das mindestens eine Sensorelement umgibt.
Das erfindungsgemäße Sensorelement lässt sich durch verschiedene vorteilhafte Ausges- taltungen weiterentwickeln. So kann beispielsweise, wenn mindestens ein Diffusionskanal gemäß der obigen Beschreibung verwendet wird, dieser mindestens eine Diffusionskanal an mindestens einer Mündungsstelle zum Gasraum und/oder zum Referenzraum eine Aufweitung aufweisen. Diese Aufweitung kann beispielsweise durch eine Senkung und/oder eine Bohrungserweiterung erfolgen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise im Abgastrakt verhindern, dass der mindestens eine Diffusionskanal durch flüssige oder feste Verunreinigungen zugesetzt wird, wodurch die Funktionalität des Sensorelements beeinträchtigt würde.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mindestens einen mit der mindestens einen ersten Elektrode in Verbindung stehenden Hohlraum vorzusehen. Dieser Hohlraum ist vorteilhafterweise über den mindestens einen Diffusionskanal mit dem mindestens einen Gasraum und/oder dem mindestens einen Referenzraum verbunden. Beispielsweise kann dieser mindestens eine Hohlraum eine Aufweitung des mindestens einen Diffusionskanals umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Hohlraum auch einen un- mittelbar an die mindestens eine erste Elektrode angrenzenden Reaktionsraum umfassen, welcher beispielsweise die gesamte mindestens eine erste Elektrode auf einer Seite umschließt. Dieser mindestens eine Hohlraum dient dem Zweck, dass beispielsweise Was-
serstoff oder andere reduzierende Gase abreagieren können (beispielsweise durch Wasserbildung), bevor diese zur mindestens einen ersten Elektrode gelangen und dort das Elektrodenpotenzial beeinflussen. In diesem mindestens einen Hohlraum könnte beispielsweise auch zusätzlich ein Katalysator vorgesehen sein, um diese Abreaktion redu- zierender Gase zu beschleunigen.
Das mindestens eine Strömungswiderstandselement weist vorteilhafterweise mindestens ein poröses Element auf. Damit entspricht dieses mindestens eine Diffusionswiderstandselement der üblicherweise in Breitbandsonden vor der Kathode eingesetzten „Diffusions- barriere", wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seite 116 ff. beschrieben ist. Vorteilhafterweise wird dieses poröse Element des mindestens einen Strömungswiderstandselements als poröse, extrem dichte Schicht ausgestaltet, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Vorteilhafterweise wird dabei eine statische Druckabhängigkeit k eingesetzt, welche für den Einsatz Benzin-betriebener Verbrennungsmaschinen mindestens 1 bar beträgt, vorzugsweise jedoch höher ist (beispielsweise 3-4 bar). Für Dieselfahrzeuge werden k- Werte im Bereich > 0,1 bar, vorzugsweise > 0,3 bar, beispielsweise im Bereich k = 0,45±012 bar eingesetzt. Die statische Druckabhängigkeit k bezeichnet dabei den Druck, bei welchem beiden Diffusionsarten (Rnudsendiffusion und Gasphasendiffusion) zu gleichem Anteil vorliegen. Bei höhe- ren k- Werten dominiert somit die Rnudsendiffusion.
Auch das mindestens eine Diffusionswiderstandselement vor der mindestens einen ersten Elektrode kann ein poröses Element aufweisen, beispielsweise um eine Verschmutzung der mindestens einen ersten Elektrode zu verhindern. In diesem Sinne ist bereits der oben beschriebene mindestens eine Diffusionskanal ein „poröses" Element, mit einer einzelnen großen Pore. Das mindestens eine poröse Element im Bereich der mindestens einen ersten Elektrode ist jedoch vorzugsweise großporig ausgestaltet, d. h. mit einem kleinen k- Wert, um möglichst geringen Strömungswiderstand zu bilden.
Durch diese Ausgestaltung des Sensorelements lässt sich insbesondere eine extrem geringe Empfindlichkeit des Magerpumpstroms für schnelle Gesamtdruckänderungen (dynamische Druckabhängigkeit, DDA) erzielen. Lediglich der extrem kleine Fettpump-
ström zeigt eine hohe dynamische Druckabhängigkeit. Über die statische Druckabhängigkeit des Magerpumpstroms, welche größer ist als diejenige des Fettpumpstroms, lassen sich vorzugsweise sogar Signalanteile dieser beiden Ströme trennen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Sensorelements besteht darin, dass die Diffusion reduzierender Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, zur mindestens einen ersten Elektrode durch entsprechende lokale Anpassung der Temperatur unterdrückt wird. So kann insbesondere die mindestens eine erste Elektrode bei einer niedrigeren Betriebstemperatur betrieben werden als die mindestens eine zweite Elektrode. Zu diesem Zweck kann beispielsweise mindestens ein Temperierelement (beispielsweise ein Heizwiderstand, ein Pelletierelement oder ein ähnliches Temperierelement) vorgesehen sein, welches die mindestens zwei Elektroden beziehungsweise die zugehörigen Widerstandselemente unterschiedlich temperiert. Durch Temperaturerhöhung lässt sich eine Strömung durch ein Widerstandselement behindern, wohingegen eine Diffusion begünstigt wird.
Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass ein planarer Aufbau gewählt wird, bei welchem die mindestens zwei Elektroden in einer Ebene liegen und unterschiedlich temperiert werden. Beispielsweise kann diese unterschiedliche Temperierung dadurch herbeigeführt werden, dass ein Heizelement eingesetzt wird, wobei der mittlere Abstand des mindestens einen Heizelements zu der mindestens einen ersten Elektrode größer ist, vorzugsweise um mindestens 10 %, besonders bevorzugt um mindestens 20 %, als der mittlere Abstand des mindestens einen Heizelements zu der mindestens einen zweiten Elektrode. Unter dem mittleren Abstand kann dabei beispielsweise der Abstand der Flächenmittelpunkte oder ein Kantenabstand verstanden werden. Durch diese asymmetrische Temperierung wird im Bereich der mindestens einen zweiten Elektrode die Diffusion durch das mindestens eine Strömungswiderstandselement begünstigt, wohingegen im Bereich der mit niedriger Temperatur betriebenen mindestens einen ersten Elektrode die Diffusion unterdrückt wird.
Das Sensorelement gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen kann insbesondere in einem Schichtaufbau erzeugt werden. So können beispielsweise die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode auf gegenüberliegenden
Seiten des mindestens einen Festelektrolyten angeordnet sein, wobei die mindestens eine erste Elektrode als dem Gasraum zugewandte Elektrode ausgestaltet ist (äußere Pump- Elektrode, APE) und wobei die mindestens eine zweite Elektrode als dem mindestens einen Gasraum abgewandte Elektrode (innere Pump-Elektrode) ausgestaltet ist. Damit Gasgemisch aus dem mindestens einen Gasraum zur mindestens einen zweiten Elektrode gelangen kann, muss dann ein entsprechender Kanal, eine Bohrung oder ein Gaszutrittsloch oder eine ähnliche Öffnung vorgesehen sein, wie dies beispielsweise bei Breitband- Sonden gemäß dem Stand der Technik (siehe das oben genannte Zitat) der Fall ist.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung besteht darin, dass die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode wiederum auf gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Festelektrolyten angeordnet sind, wobei jedoch die mindestens eine erste Elektrode eine dem Gasraum abgewandte Elektrode (IPE) aufweist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode eine dem mindestens einen Gasraum zugewandte E- lektrode (APE) zuweist. Dieser Aufbau ist somit ein „inverser" Aufbau gegenüber dem zuvor genannten Aufbau.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode auf gleichen Seiten des mindestens einen Festelektrolyten anzuordnen, wobei die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode jeweils mindestens eine dem Gasraum zugewandte Elektrode aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur IA ein dem Stand der Technik entsprechendes Sensorelement;
Figur IB einen Pumpstrom des Sensorelements gemäß Figur IA, aufgetragen gegen die schematisch linearisierte Luftzahl λ;
Figur 2A ein erfindungsgemäßes Sensorelement in einer ersten Ausführungsform; Figur 2B einen Pumpstrom als Funktion der schematisch liniearisierten Luftzahl λ des
Sensorelements gemäß Figur 2A;
Figur 3 eine Ausgestaltung des Sensorelements mit einem Hohlraum; Figur 4 eine Ausgestaltung des Sensorelements mit einem Hohlraum und einer Verbindung zu einem Referenzkanal; Figur 5 A ein Sensorelement mit asymmetrischer Elektrodebeheizung in Draufsicht; und Figur 5B das Sensorelement gemäß Figur 5A im Querschnitt.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur IA ist ein dem Stand der Technik entsprechender Aufbau eines Sensorelements 110 dargestellt. Dieses Sensorelement 110 ist hier, wie auch in den folgenden Ausführungen, als Pumpzelle, also als Breitbandsensor, ausgestaltet. Das Sensorelement 110 umfasst einen Festelektrolyten 112, bei welchem es sich üblicherweise um ein Zirkonoxid handelt. Je nach Art der zu detektierenden Gase lassen sich jedoch auch andere Ionen- leitende Festelektrolyte einsetzen oder Gemische derartiger Festelektrolyte. Der Festelektrolyt 112 ist hierbei Bestandteil eines Sensorkörpers 114. Auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten 112 sind erste Elektroden 116 und zweite Elektroden 118 angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dabei die erste Elektrode 116 als äußere Pump-Elektrode (APE) ausgestaltet, und die zweite Elektrode 118 als innere Pump-Elektrode (IPE). Die erste Elektrode 116 ist dabei durch eine poröse Schutzschicht 120 vom umgebenden Gasraum 122 getrennt, wobei die poröse Schutzschicht 120 derart ausgestaltet ist, dass Gase von den ersten Elektroden 116 durch die poröse
Schutzschicht 120 ohne nennenswerten Strömungswiderstand abströmen können. Die poröse Schutzschicht 120 dient im Wesentlichen dem Schutz der ersten Elektrode 116 gegenüber Verschmutzungen.
Im Gegensatz dazu ist die zweite Elektrode 118 in dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur IA in einem innenliegenden Messraum 124 angeordnet. Um aus dem Gasraum 122 zur zweiten Elektrode 118 zu gelangen, muss Gasgemisch durch ein Gaszutrittsloch 126 hindurchtreten. Vom Gaszutrittsloch 126 gelangt das Gasgemisch dann durch Diffusion und Strömung (idealerweise nur Diffusion) durch ein poröses Element 128 (welches im Stand der Technik häufig als „Diffusionsbarriere" bezeichnet wird, tatsächlich aber als Strömungsbarriere dient) in den Messraum 124.
Zwischen die beiden Elektroden 116 und 118 wird im üblichen Betrieb des Sensorelements 110 gemäß Figur IA eine so genannte „Pumpspannung" Up angelegt, dergestalt, dass die zweite Elektrode 118 als Kathode betrieben wird (negative Elektrode), und die erste Elektrode 116 als Anode. Dabei bilden sich an der zweiten Elektrode 118 Sauerstoffionen (O2-), welche, getrieben durch das elektrische Feld zwischen den beiden E- lektroden 116, 118, zur ersten Elektrode 116 wandern. Dort bildet sich wieder elementarer Sauerstoff, welcher als Gas durch die poröse Schutzschicht 120 abströmen kann. Üblicherweise wird das als Breitband-Sonde ausgebildete Sensorelement 110 gemäß
Figur IA in einem Pumpspannungs-Bereich bei ca. 600 mV betrieben. Diese Pumpspannung reicht aus, um das Sensorelement im Grenzstrombetrieb zu betreiben, wobei jedoch die Pumpspannung gleichzeitig unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegt, so dass an der zweiten Elektrode 118 keine Zersetzung von Wasser auftreten sollte.
Weiterhin weist das Sensorelement 110 gemäß Figur IA ein Heizelement 136 auf, welches beispielsweise als mäanderförmiges Heizelement (beispielsweise als Platin- Heizelement) ausgestaltet sein kann. Dieses Heizelement, welches typischerweise bei einer λ-Sonde bei ca. 780 0C geheizt wird, erhöht die Ionenleitfähigkeit des Festelektro- lyten 112 und sorgt somit für höhere Grenzströme.
In Figur IB ist der Pumpstrom Ip dargestellt, welcher in der Anordnung gemäß Figur IA mit einer Strommessvorrichtung 130 gemessen wird. Dieser Pumpstrom Ip ist hier als Funktion der Luftzahl λ schematisch dargestellt, wobei λ = 1 der stöchiometrischen Gasgemischzusammensetzung im Gasraum 122 entspricht. Dementsprechend wird der Be- reich für λ > 1, welcher in Figur IB symbolisch mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet ist, als „magerer" Bereich bezeichnet, wohingegen der Bereich λ < 1 als „fetter" Bereich bezeichnet wird und in Figur IB symbolisch mit Bezugsziffer 134 bezeichnet ist. Wie aus der Kurve des Pumpstroms Ip in Figur IB hervorgeht, weist das Sensorelement 110 gemäß dem in Figur IA dargestellten Stand der Technik im fetten Bereich 134 einen erheb- liehen Strom auf. Aufgrund dieser hohen (betragsmäßigen) Steigung des Pumpstroms im fetten Bereich 134 ist allein aus der Messung des Pumpstroms Ip eine Zuordnung zu einer Luftzahl λ nur schwer möglich. Dieser erhebliche Pumpstrom im fetten Bereich 134 ist, wie oben beschrieben, insbesondere durch reduzierende Gase im Bereich der als Anode betriebenen ersten Elektrode 116 bedingt.
Ein weiterer Effekt, welcher in Figur IB nicht dargestellt ist, ist der oben beschriebene Effekt, dass auch im mageren Bereich 132 in der Nähe von λ = 1 eine Abweichung des Pumpstroms von der Proportionalität zur Luftzahl λ auftritt. Diese Abweichung ist ebenfalls durch die Anwesenheit reduzierender Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, im Be- reich der ersten Elektrode 116 bedingt. Insbesondere werden häufig im leicht mageren Bereich höhere Pumpströme gemessen als dies der Proportionalität entsprechen würde.
Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß Figur IA ist in Figur 2 A ein erfindungsgemäßes Sensorelement 110 dargestellt.
Das Sensorelement 110 gemäß Figur 2A weist prinzipiell große Ähnlichkeit mit dem Sensorelement 110 gemäß dem Stand der Technik in Figur IA auf. Wiederum ist ein Festelektrolyt 112 vorgesehen, welcher von zwei gegenüberliegenden Elektroden 116, 118 kontaktiert wird. Analog zu Figur IA ist wiederum die zweite Elektrode 118 als innere Pump-Elektrode ausgestaltet und ist in einem Messraum 124 angeordnet. Gasgemisch kann vom umgebenden Gasraum 122 über ein Gaszutrittsloch 126 in den Messraum 124 gelangen. Zwischen dem Gaszutrittsloch 126 und dem Messraum 124 ist ein
Strömungswiderstandselement 310 angeordnet, welches wiederum, analog zu Figur IA, als poröses Element 128 ausgestaltet ist und durch welches Gasgemisch diffundieren kann (in Figur 2A symbolisch durch den Pfeil 322 angedeutet). Typische Porengrößen liegen dabei bei ca. 0,1 bis 3,0 Mikrometer.
Insoweit entspricht das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 A im Wesentlichen dem Stand der Technik gemäß Figur IA. Im Unterschied zum Sensorelement 110 gemäß Figur IA weist das Sensorelement 110 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A jedoch erhebliche Unterschiede im Bereich der ersten Elektrode 116, wel- che wiederum als äußere Pump-Elektrode ausgestaltet ist, auf. So ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A keine poröse Schutzschicht 120 vorgesehen, durch welche an der ersten Elektrode 116 entstehendes Gas unmittelbar in den Gasraum 122 entweichen könnte. Stattdessen ist die erste Elektrode 116 durch ein Deckelelement 312 gegenüber dem Gasraum 122 abgeschirmt. Dadurch bildet sich zwischen der ersten Elektrode 116 beziehungsweise dem Festelektrolyten 112 und dem Deckelelement 312 ein Diffusionswiderstandselement 314 in Form eines Diffusionskanals 316. Dieser Diffusionskanal 316 führt von der ersten Elektrode 116 weg und mündet im Gaszutrittsloch 126. Bei einer Betriebstemperatur von ca. 1000 0C und einem Druck von 1 bar beträgt die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle typischerweise ca. 0,25 μm. Dement- sprechend werden vorzugsweise für den Diffusionskanal 316 Querabmessungen (Breite, Höhe) im Bereich von einigen μm gewählt und eine Länge von einigen mm. Diese Abmessungen bewirken, dass Sauerstoff, welcher sich an der ersten Elektrode 116 bildet, unter geringem Strömungswiderstand von der ersten Elektrode 116 zum Gaszutrittsloch 126 abströmen kann (in Figur 2A dargestellt durch den dicken Pfeil 318). Demgegenüber kann Wasserstoff aus dem Gasraum 122 aufgrund des hohen Diffusionswiderstands des langen Diffusionskanals 316 nur erschwert vom Gasraum 122 zur ersten Elektrode 116 gelangen und dort das Elektrodenpotenzial verändern beziehungsweise beeinflussen. Diese Diffusionsbewegung ist in Figur 2A symbolisch mit dem dünnen Pfeil 320 dargestellt.
Wiederum wird das Sensorelement 110 gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in Figur 2A mit einer Pumpspannung Up von typischerweise ca. 600 mV betrieben, und der Pumpstrom Ip wird gemessen. Wiederum ist außerdem ein Heizelement 136 vor-
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gesehen, mittels dessen das Sensorelement 110 bei einer Betriebstemperatur von typischerweise einigen 100 0C bis ca. 1000 0C betrieben wird.
In Figur 2B ist, analog zu Figur IB, ein Pumpstrom (Grenzstrom) durch das Sensorele- ment 110 gemäß Figur 2 A als Funktion der Luftzahl λ dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass der Fettast des Pumpstroms Ip aufgrund des Einsatzes des Diffusionswiderstandselements 314 mit hohem Diffusionswiderstand vor der ersten Elektrode 116 und des Strömungswiderstandselements 310 mit hohem Strömungswiderstand (aber geringem Diffusionswiderstand) vor der zweiten Elektrode 118 in seiner Steigung (siehe Bereich 134) wesentlich kleiner ist als der Pumpstrom im mageren Bereich 132. Dieser Effekt ist hauptsächlich auf die Abschirmung der ersten Elektrode 116 gegenüber Wasserstoff und/oder anderen reduzierenden Gasen zurückzuführen. Auch (in Figur 2B nicht dargestellt) im leicht mageren Bereich (d. h. im Bereich 132 in der Nähe von λ = 1) ist die Verfälschung (z. B. Nicht-Linearitäten) durch Anwesenheit von Wasserstoff und/oder anderen reduzierenden Gasen stark unterdrückt, so dass das Sensorelement 110 gemäß Figur 2A bis hinunter in den Bereich nahe bei λ = 1 eingesetzt werden kann.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt, welches wiederum als Breitband-Sensor-Lambdasonde zum Einsatz kommen kann. Der Aufbau des Sensorelements 110 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Sensorelements 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2A, so dass für die Funktion und Zusammensetzung der einzelnen Elemente auf diese Figur verwiesen werden kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A weist das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 jedoch zwei wesentliche Modifi- kationen auf, welche Verbesserungen der Funktionalität gegenüber dem Aufbau in Figur 2A bewirken und welche einzeln oder in Kombination realisiert sein können. So ist zum einen unmittelbar über der ersten Elektrode 116 ein im Querschnitt rechteckiger Hohlraum 324 vorgesehen. Dieser Hohlraum 324 weist vorzugsweise eine Höhe und eine Breite auf, welche jeweils erheblich größer sind als die mittlere freie Weglänge der Gas- moleküle. Wiederum bei einer Betriebstemperatur von beispielsweise 1000 0C und somit einer mittleren freien Weglänge von ca. 0,25 μm liegt somit die Höhe des Hohlraums 324 vorzugsweise bei einigen 10, besonders bevorzugt bei einigen 100 μm, bis hin in den
Bereich von ca. 1 mm. Die Breite des Hohlraums 324, d. h. seine Horizontalerstreckung, liegt vorzugsweise im Bereich von einigen 100 μm bis hin zu einigen mm. Vorzugsweise erstreckt sich der Hohlraum 324 über die gesamte Elektrodenfläche der ersten Elektrode 116. Über den Diffusionskanal 316 steht der Hohlraum 324 in Verbindung mit dem Gas- zutrittsloch 126. Wiederum ist der Diffusionskanal 316 vorzugsweise mit einer Länge von mehr als 0,5 mm ausgestattet. Wie oben beschrieben, dient der Hohlraum 324 dazu, eine Abreaktion reduzierender Gase (beispielsweise Wasserstoff) zu ermöglichen, bevor diese Gase die erste Elektrode 116 erreichen können. Als alternative Ausgestaltung kann der Hohlraum 324 auch in den Diffusionskanal 316 „zwischengeschaltet" werden, so dass das Gaszutrittsloch 126 durch ein erstes Teilstück des Diffusionskanals 316 mit dem Hohlraum 324 in Verbindung steht, welcher wiederum durch einen zweiten Abschnitt des Diffusionskanals 316 mit der ersten Elektrode 116 in Verbindung steht. Auf diese Weise ist die Abreaktion der reduzierenden Gase im Hohlraum 324 räumlich vollständig von der ersten Elektrode 116 getrennt.
Als zweite Modifikation weist das Sensorelement 110 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 an einer Mündungsstelle 326 des Diffusionskanals 316 in das Gaszutrittsloch 126 eine Aufweitung 328 auf. Diese Aufweitung 328 dient dazu, ein Verschmutzen des Diffusionskanals 316 und ein Zusetzen durch feste oder flüssige Verunreinigungen in dem Gasgemisch zu vermeiden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist die Aufweitung 328 in Form einer Senkung ausgestaltet. Auch gestufte Aufweitungen oder andere Formen von Aufweitungen sind denkbar.
Für den Betrieb des Sensorelements 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 wird wiederum, analog zu Figur 2A, eine Pumpspannung zwischen die Elektroden 116, 118 angelegt, wobei vorzugsweise wiederum die erste Elektrode 116 als Anode und die zweite Elektrode 118 als Kathode betrieben wird.
In Figur 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt. Das Sensorelement 110 gemäß dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist Ähnlichkeiten mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 auf. Dementsprechend kann bezüglich der Funktion und Bezeichnung der einzelnen Elemente
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weitgehend auf dieses Ausführungsbeispiel verwiesen werden. Wiederum ist über der ersten Elektrode 116 (typischerweise Anode) ein Hohlraum 324 vorgesehen, welcher von der Dimensionierung her analog zum Hohlraum 324 in Figur 3 ausgestaltet sein kann. Wiederum ist zudem ein Diffusionskanal 316 vorgesehen, über welchen Sauerstoff von der ersten Elektrode 116 abströmen kann (Bezugsziffer 318), welcher jedoch eine Wasserstoffdiffusion (Bezugsziffer 320) zur ersten Elektrode 116 hin weitgehend verhindert.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 3 mündet der Diffusionskanal 316 je- doch nicht im Gaszutrittsloch 126 (und damit mittelbar im Gasraum 122), sondern in einem Referenzraum 330. Dieser Referenzraum 330, bei welchem es sich beispielsweise um eine Motorumgebung eines Verbrennungsmotors handeln kann, ist getrennt vom Gasraum 122, so dass Gasgemisch nicht in den Referenzraum 330 gelangen kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass Wasserstoff und/oder andere reduzierende Gase nicht zur ersten Elektrode 116 gelangen können, da üblicherweise im Referenzraum (z. B.
Umgebungsluft) nur verschwindend geringe Mengen derartiger reduzierender Gase vorhanden sind. Dementsprechend könnte auch vollständig auf den Diffusionskanal 316 verzichtet werden. Somit ähnelt das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 dem Aufbau bekannter Sprungsonden, bei welchen typischerweise eine Elektrode mit einem Referenzgas beaufschlagt wird. Im Gegensatz zu derartigen Sprungsonden wird jedoch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 das Sensorelement 110 als Breitbandsensor betrieben, da eine (in der Regel konstante) Pumpspannung (die Kontaktierungen sind in Figur 4 nicht dargestellt) zwischen die beiden Elektroden 116, 118 angelegt wird und der Pumpstrom gemessen wird.
In den Figuren 5A und 5B ist schematisch in Draufsicht (Figur 5A) und in Schnittdarstellung in Seitenansicht (Figur 5B) ein viertes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine asymmetrische Heizung der beiden Elektroden 116, 118 durch ein Heizelement 136 eingesetzt, derart, dass die erste Elektrode 116 bei geringerer Betriebstemperatur betrieben wird als die zweite Elektrode 118. Dies kann insbesondere durch asymmetrische Anordnung des Heizelements 136 erfolgen, derart, dass eine Heizzone, welche in Figur 5A und in Figur 5B symbolisch mit
Bezugsziffer 510 bezeichnet ist, sich in stärkerem Maße auf die zweite Elektrode 118 erstreckt als auf die erste Elektrode 116.
Das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 5 A und 5B ist ein Beispiel für eine Ausführung, bei welcher beide Elektroden 116, 118 auf derselben Seite eines Festelektrolyten 112 angeordnet sind. Dementsprechend erfolgt der Sau- erstoffionen-Strom in Oberflächennähe durch den Festelektrolyten 112 in näherungsweise horizontaler Richtung. Es handelt sich somit, im Gegensatz zu den „gestapelten" oder vertikalen Aufbauten gemäß den Figuren 2A, 3 und 4, in den Figuren 5A und 5B um einen planaren Aufbau.
Wiederum ist ein Deckelelement 312 vorgesehen, welches in diesem Ausführungsbeispiel jedoch sowohl die erste Elektrode 116 als auch die zweite Elektrode 118 abdeckt. Im Bereich der ersten Elektrode 116 ist wiederum, analog zu beispielsweise dem Ausfüh- rungsbeispiel in Figur 2A, ein Diffusionswiderstandselement 314 mit einem Diffusionskanal 316 vorgesehen. Für die Dimensionierung kann weitgehend auf Figur 2A verwiesen werden. Über den Diffusionskanal 316 steht die erste Elektrode 116 mit dem Gasraum 122 in Strömungsverbindung, so dass Sauerstoff abströmen kann (Bezugsziffer 318), wohingegen eine Diffusion von Wasserstoff zur ersten Elektrode 116 (Bezugsziffer 320) durch den Diffusionskanal 316 erschwert ist. Wiederum weist der Diffusionskanal 316 vorzugsweise eine Länge (d. h. von der Kante zum Gasraum 122 bis hin zur nächstlie- genden Kante der ersten Elektrode 116) von vorzugsweise mehr als 0,5 mm und von vorzugsweise weniger als 20 mm auf, um einerseits einen hohen Diffusionswiderstand und andererseits einen geringen Strömungswiderstand zu gewährleisten.
Durch das Deckelelement 312 ist weiterhin oberhalb der zweiten Elektrode 118 ein Messraum 124 ausgebildet, welcher typischerweise wiederum eine Höhe von mindestens einigen 10, vorzugsweise einigen 100 μm und bis zu einigen mm aufweist. Dieser Messraum 124 ist zum Gasraum 122 hin abgeschlossen durch das Strömungswiderstandsele- ment 310 in Form eines porösen Elements 128, analog zum Ausführungsbeispiel in Figur 2A.
Die planare Ausführungsform gemäß den Figuren 5A und 5B ermöglicht eine besonders einfache elektrische Kontaktierung der Elektroden 116, 118 über Elektrodenkontakte 332, 334 auf der Oberfläche des Festelektrolyten 112, ohne dass Durchkontaktierungen erforderlich wären. Typischerweise wird die erste Elektrode 116 über den Elektroden- kontakt 332 wiederum als Anode betrieben, wohingegen die zweite Elektrode 118 über den Elektrodenkontakt 334 als Kathode betrieben wird. Die elektrische Schaltung und Beaufschlagung mit der konstanten Pumpspannung Up erfolgt analog zum Ausführungs- beispiel in Figur 2A.
Mittels des Heizelements 136 wird das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 A und 5B typischerweise wiederum bei einigen 100 0C bis ca. 1000 0C betrieben. Auf diese Weise wird, wie oben beschrieben, die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 112 erhöht. Dabei ist das Heizelement 136 (bei welchem es sich allgemein auch um ein Temperierelement 336, also beispielsweise auch ein Kühlelement, handeln kann) gegenüber den Elektroden 116, 118 asymmetrisch angeordnet. Beispielsweise kann diese Asymmetrie dadurch herbeigeführt werden, dass die äußere Kante der ersten Elektrode in Draufsicht (Figur 5A) um einen Abstand D (siehe Figur 5B) über das Heizelement 136 hinausragt, welcher beispielsweise einige mm betragen kann, wohingegen die zweite Elektrode 118 horizontal vollständig vom Heizelement 136 abgedeckt ist. Auf diese Weise kann beispielsweise im Bereich des Diffusionskanals 316 (oder auch zusätzlich im Bereich der ersten Elektrode 116) eine Betriebstemperatur eingestellt werden, welche beispielsweise um ca. 20 % (auf der Kelvin-Temperaturskala) niedriger ist als die Betriebstemperatur im Bereich der zweiten Elektrode 118, des Messraums 124 und/oder des Strömungswiderstandselements 310. Auf diese Weise kann, da die Diffusion von Wasserstoff (Bezugsziffer 320) durch den Diffusionskanal 316 mit steigender Temperatur zunimmt, diese Diffusion zusätzlich unterdrückt werden, wohingegen eine Diffusion durch das poröse Element 128 des Strömungswiderstandselements 310 durch die erhöhte Temperatur begünstigt ist.
Als Variante der Ausführungsform in Figur 5B könnte das Diffusionswiderstandselement 316 auch einen oder mehrere (z.B. mittels eines Lasers im Wesentlichen senkrecht gebohrte) Kanäle in dem Deckelement 312 aufweisen, welche den Gasraum 122 mit dem
Raum über der ersten Elektrode 116 verbinden. Auch eine Ausgestaltung des Diffusions- kanals 316 in Schichttechnologie, beispielsweise als lamellenförmiger Diffusionskanal mit mehreren benachbarten Kanalebenen, oder eine Ausgestaltung mittels mehrerer benachbarter, paralleler Diffusionsröhrchen ist denkbar. Derartige parallele Diffusionsröhrchen sind beispielsweise durch Herstellverfahren realisierbar, bei denen ein Laserbohrverfahren eingesetzt wird.