DE-102017130705-B4 - Gassensorelement und Gassensoreinheit

Abstract

Gassensorelement (100), welches einen Festelektrolytkörper (70) aufweist, welcher Sauerstoffionenleitfähigkeit hat und eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas basierend auf einer Menge von Sauerstoffionen erfasst, welche in dem Festelektrolytkörper (70) geleitet werden, wobei das Gassensorelement (100) Folgendes aufweist: eine Messgaskammer (10), in welche das gemessene Gas eingeführt wird; eine Pumpzelle (40), welche eine Pumpelektrode (41) aufweist, welche auf dem Festelektrolytkörper (70) vorgesehen ist; eine Sensorzelle (20), welche eine Sensorelektrode (21) aufweist und stromabwärts der Pumpzelle (40) in einer Richtung angeordnet ist, in welcher das gemessene Gas eingeführt wird, wobei die Sensorelektrode (21) Edelmetall enthält, und die Pumpelektrode (41) auf derselben Oberfläche der Messgaskammer (10) platziert ist und das spezifische Gas reduziert, um die Konzentration des spezifischen Gases zu erfassen; und eine Pumpzellsteuerung (50), welche eine Konzentration von Sauerstoff in dem gemessenen Gas in der Messgaskammer (10) durch ein Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle (40) einstellt, wobei wenn das Gassensorelement (100) vor dem Erfassen der Konzentration des Gases aktiviert ist, um Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode (21) okkludiert ist, zu entfernen, die Pumpzellsteuerung (50) eine Substanz, welche in der Messgaskammer (10) gegenwärtig ist, durch ein Anlegen einer Entfernungsspannung an der Pumpzelle (40) zersetzt, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen (PM) hat, welche aus dem Edelmetall gefertigt sind, und Elektrolytbereiche, welche verteilt sind, so-dass eine Grenzfläche zwischen jedem der Elektrolytbereiche und jedem der Mehrzahl von Edelmetallbereichen (PM) erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine offene Pore hat, welche sich von einer Elektrodenoberfläche (S) der Sensorelektrode (21) erstreckt und wenigstens einen der Mehr-zahl von Edelmetallbereichen (PM) erreicht, und wobei ein Querschnitt orthogonal zu der Elektrodenoberfläche (S) der Sensorelektrode (21) ein Porenverhältnis von nicht weniger als 2 % und nicht mehr als 15 % hat, wenn ein Schnitt wenigstens 30 µm lang in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche (S) geschnitten wird.

Inventors

• Hiroki Ichikawa
• Yusuke Todo
• Takashi Araki

Assignees

• DENSO CORPORATION

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20171220

Priority Date

20161221

Claims (4)

1. Gassensorelement (100), welches einen Festelektrolytkörper (70) aufweist, welcher Sauerstoffionenleitfähigkeit hat und eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas basierend auf einer Menge von Sauerstoffionen erfasst, welche in dem Festelektrolytkörper (70) geleitet werden, wobei das Gassensorelement (100) Folgendes aufweist: eine Messgaskammer (10), in welche das gemessene Gas eingeführt wird; eine Pumpzelle (40), welche eine Pumpelektrode (41) aufweist, welche auf dem Festelektrolytkörper (70) vorgesehen ist; eine Sensorzelle (20), welche eine Sensorelektrode (21) aufweist und stromabwärts der Pumpzelle (40) in einer Richtung angeordnet ist, in welcher das gemessene Gas eingeführt wird, wobei die Sensorelektrode (21) Edelmetall enthält, und die Pumpelektrode (41) auf derselben Oberfläche der Messgaskammer (10) platziert ist und das spezifische Gas reduziert, um die Konzentration des spezifischen Gases zu erfassen; und eine Pumpzellsteuerung (50), welche eine Konzentration von Sauerstoff in dem gemessenen Gas in der Messgaskammer (10) durch ein Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle (40) einstellt, wobei wenn das Gassensorelement (100) vor dem Erfassen der Konzentration des Gases aktiviert ist, um Sauerstoff, welcher in der Sensorelektrode (21) okkludiert ist, zu entfernen, die Pumpzellsteuerung (50) eine Substanz, welche in der Messgaskammer (10) gegenwärtig ist, durch ein Anlegen einer Entfernungsspannung an der Pumpzelle (40) zersetzt, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine Mehrzahl von Edelmetallbereichen (PM) hat, welche aus dem Edelmetall gefertigt sind, und Elektrolytbereiche, welche verteilt sind, so-dass eine Grenzfläche zwischen jedem der Elektrolytbereiche und jedem der Mehrzahl von Edelmetallbereichen (PM) erzeugt wird, wobei die Sensorelektrode (21) eine offene Pore hat, welche sich von einer Elektrodenoberfläche (S) der Sensorelektrode (21) erstreckt und wenigstens einen der Mehr-zahl von Edelmetallbereichen (PM) erreicht, und wobei ein Querschnitt orthogonal zu der Elektrodenoberfläche (S) der Sensorelektrode (21) ein Porenverhältnis von nicht weniger als 2 % und nicht mehr als 15 % hat, wenn ein Schnitt wenigstens 30 µm lang in einer Richtung entlang der Elektrodenoberfläche (S) geschnitten wird.
2. Gassensorelement (100) nach Anspruch 1 , wobei das Edelmetall wenigstens Platin und Rhodium enthält.
3. Gassensorelement (100) nach Anspruch 2 , wobei ein Massenprozentsatz von Rhodium, welcher in dem Edelmetall enthalten ist, zu einer Gesamtmasse von Platin und Rhodium nicht weniger als 30 % und nicht mehr als 80% ist.
4. Gassensoreinheit (1), die Folgendes aufweist: das Gassensorelement (100), welches in den Ansprüchen 1 bis 3 rezitiert ist; ein Sensorgehäuse (101), welches das Gassensorelement (100) innerhalb hält; eine Elementabdeckung (103, 104), welche an dem Sensorgehäuse (101) befestigt ist, um ein erstes Elementende (100a) des Gassensorelements (100) zu bedecken und das gemessene Gas in das erste Elementende (100a) einführt, wobei das erste Element einem Strom des gemessenen Gases zugewandt ist; und eine Sensorsteuerschaltung (106), welche eine Spannung steuert, welche an die Pumpelektrode (41) und die Sensorelektrode (21) angelegt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN Diese Anmeldung ist basiert auf und beansprucht den Vorteil der Priorität der japanischen Patentanmeldung 2016-248147, welche am 21. Dezember 2016 eingereicht wurde. HINTERGRUND DER ERFINDUNG [Technisches Gebiet] Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gassensorelement, welches eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas erfasst, und eine Gassensoreinheit, welche konfiguriert ist, das Gassensorelement aufzuweisen. [Stand der Technik] Ein Gassensorelement, welches konfiguriert ist, um einen Festelektrolytkörper und eine Elektrode aufzuweisen, welche auf dem Festelektrolytkörper vorgesehen ist und elektrisch eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem gemessenen Gas durch ein Ionisieren des gemessenen Gases erfasst, ist bekannt. Um solch ein Gassensorelement so schnell wie möglich nutzbar zu machen, müssen der Festelektrolytkörper und die Elektrode früh in einem aktivierten Zustand sein. Der aktivierte Zustand weist beispielsweise einen Zustand auf, in dem der Festelektrolytkörper und die Elektrode auf angemessen Temperaturen zur Reaktion des spezifischen Gases sind und einen Zustand, in dem eine Oberfläche der Elektrode in einem angemessenenZustand zur Reaktion des spezifischen Gases ist. Insbesondere offenbart, um eine Oberfläche in dem angemessenen Zustand zu erreichen, Patentliteratur 1 eine Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung, welche eine Sensorelektrode und eine Pumpelektrode als Elektroden aufweist. Ein spezifisches Gas, welches zu messen ist, wird in der Sensorelektrode ionisiert und eine Konzentration des spezifischen Gases wird basierend auf einem elektrischen Strom (Sensorstrom) erfasst, welcher eine Menge von ionisiertem spezifischem Gas entspricht. Die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung ist konfiguriert derart, dass, wenn ein Gassensorelement aktiviert ist, eine Entfernungsspannung zum Entfernen von Sauerstoff an die Pumpelektrode angelegt wird, sodass ein reduzierendes Gas erzeugt wird, und Sauerstoff, welcher an der Sensorelektrode adsorbiert ist, mit dem reduzierenden Gas reagiert und entfernt wird. Dies erlaubt es der Sensorelektrode in einem Zustand zu sein, in dem Rauschen, welches auf einem Sensorstrom überlagert ist, welches durch einen Sauerstoffion erzeugt wird, verringert ist. [Liste der Zitate] [Patentliteratur] [PTL 1] JP 2016-70922A DE 10 2010 063 520 A1 offenbart ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Diagnose eines Sensorelements. Es wird das Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum, insbesondere eines Sensorelements zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Das Sensorelement umfasst mindestens einen Festkörperelektrolyten und weiterhin mindestens zwei Elektroden. Die Elektroden umfassen mindestens zwei Diagnoseelektroden und mindestens zwei Antwortelektroden. An den Diagnoseelektroden wird mindestens eine definierte Signalsequenz beaufschlagt. An den Antwortelektroden wird mindestens ein Antwortsignal erfasst. DE 11 2013 005 603 T5 offenbart eine Elektrode zur Verwendung in einem Gassensor und einem Gassensorelement. In dem Gassensorelement, das dazu imstande ist, die Konzentration eines bestimmten Gases zu erfassen, das in einem Messzielgas enthalten ist, besteht die Elektrode, die auf einem Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolytkörper ausgebildet ist, aus Edelmetall und Festelektrolyt. Wenn eine Querschnittsfläche der Elektrode betrachtet wird, hat die Elektrode einen aus dem Edelmetall bestehenden Edelmetallteil, einen aus dem Festelektrolyt bestehenden Festelektrolytteil und einen aus dem Edelmetall und dem Festelektrolyt bestehenden Mischteil. Der Mischteil ist entlang eines Grenzflächenteils zwischen dem Edelmetallteil und dem Festelektrolytteil ausgebildet. JP 2016 - 130 724 A offenbart einen NOx-Erfassungssensor. Der NOx-Erfassungssensor umfasst: einen Festelektrolytkörper; eine Pumpelektrode zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases; und eine Sensorelektrode zum Erfassen einer NOx-Konzentration des zu messenden Gases. Eine metallische Komponente der Sensorelektrode umfasst eine Pt-Rh-Legierung. Das Massenverhältnis Pt:Rh in der gesamten Sensorelektrode beträgt Pt:Rh = 70:30 bis 35:65. Das Verhältnis von Rh zur Pt-Rh-Legierung in einer Oberflächenschicht der Sensorelektrode ist um 4 bis 10 Atom-% höher als das Verhältnis von Rh zur Pt-Rh-Legierung in der gesamten Sensorelektrode. KURZFASSUNG [Technisches Problem] Es wird berücksichtigt, dass nicht alles des oben beschriebenen reduzierenden Gases mit dem Sauerstoff auf der Sensorelektrode reagiert und das reduzierende Gas auf einer Oberfläche der Sensorelektrode verbleibt. Obwohl das reduzierende Gas schrittweise von der Oberfläche der Sensorelektrode entfernt wird, und ein Sensorstrom, welcher durch das reduzierende Gas verursacht wird, bei einem Null-Pegel stab