DE102006062051A1 - Gas component measuring method for motor vehicle, involves fastening pump fixture in amperemetric measuring condition, such that pumping electricity is detected, and detecting voltage between electrodes in potentiometric measuring condition - Google Patents

Abstract

The method involves utilizing a sensor unit (110) e.g. lambda sensor, with electrodes (116, 118) and a solid electrolyte, where the electrolyte connects the electrodes. One of the electrodes is shielded in relation to gas area (112). A pump fixture is fastened between the electrodes in an amperemetric measuring condition, such that smooth pumping electricity is detected between the electrodes. A voltage between the electrodes is detected in a potentiometric measuring condition. Independent claims are also included for the following: (1) an electronic control device for controlling a sensor unit (2) a system for measuring a gas component of a gas mixture in a gas area.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.The The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic Properties of certain solids based, so the ability this solid to conduct certain ions. such Sensor elements are used in particular in motor vehicles, to measure air-fuel gas mixture compositions. such Sensor elements are also called "lambda probe" known and play a significant role in the reduction of Pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.

Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik 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 einem 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 Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.With the so-called air ratio "lambda" (λ) is thereby generally in combustion engineering the relationship between an actually offered air mass and one for the combustion theoretically required (i.e., stoichiometric) Air mass designated. The air ratio is thereby by means of one or more Sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system an internal combustion engine measured. Accordingly, "fat" Gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel surplus) an air ratio λ <1 whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. Next Automotive technology will be such and similar Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology), for example in aviation technology or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.

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 Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) 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 A1 , DE 199 38 416 A1 und DE 10 2005 027 225 A1 beschrieben.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment is the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured Properties usually doped zirconia (eg yttrium-stabilized ZrO2) or similar ceramics used as solid electrolyte.Theoretically, the potential difference between the electrodes just at the transition between rich gas mixture and lean gas mixture on a characteristic jump, which can be used in order to actively regulate the gas mixture composition around the jump point λ = 1. Various embodiments of such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in US Pat DE 10 2004 035 826 A1 . DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1 described.

Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten 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 derart 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 Sensorelemente 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.alternative or in addition to jump probes also so-called "pump cells" used in which an electrical "pumping voltage" to two electrodes connected over the solid electrolyte is applied, with the "pumping current" through the pumping cell is measured. In contrast to the principle of the jump probes For pump cells usually both electrodes with the measured Gas mixture in conjunction. One of the two electrodes (usually over a permeable protective layer) immediately to be measured Exposed to gas mixture. However, the second of the two electrodes is designed such that the gas mixture is not directly to this Electrode can pass, but first penetrate a so-called "diffusion barrier" in order to penetrate into a cavity adjacent to this second electrode to get. As a diffusion barrier is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii used. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the Cavity, so by means of the pumping voltage to oxygen molecules the second negative electrode electrochemically to oxygen ions reduced by the solid electrolyte to the first, positive Electrode transported and released there as free oxygen again. The Sensor elements are usually in the so-called limit current operation operated, that is in an enterprise, in which the Pumping voltage is chosen such that the through the diffusion barrier incoming oxygen is completely pumped to the counter electrode becomes. In this mode, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, see above that such sensor elements often as proportional sensors be designated. In contrast to jump sensors can be such Proportionalsensoren as so-called broadband sensors on a comparatively wide range for the air ratio lambda deploy.

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 B1 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.In many sensor elements, the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors.For example, the principle described above for a pump cell Extending the principle of working "unicellulars" by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double cell". Such a structure is for example in EP 0 678 740 B1 described. In this case, by means of a Nernst cell, the oxygen partial pressure is measured in the above-described cavity adjoining the second electrode, and the pumping voltage is adjusted by regulation so that the condition λ = 1 always prevails in the cavity.

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 auch Wasser gebildet werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sauerstoffliefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO₂/CO. 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 Nichtgleichgewichts-Abgase eine Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen, welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven Beitrag zum Pumpstrom liefert.However, broadband sensor elements in a single cell arrangement with two electrodes exposed to the gas mixture have various problems. Thus, a positive pumping current (lean pumping current) with a clear relationship to the oxygen content of the gas mixture is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture. In the rich gas mixture, however, a positive pumping current is usually also measured, even if the applied pumping voltage (usually about 600-700 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V). This positive pumping current is essentially attributable to the molecular hydrogen contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, ie the first electrode, since water can now be formed on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen , Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO ₂ / CO. The current is thus in the range of rich mixtures (fat pump current) by the hydrogen content in the region of the first electrode (eg anode) and the water vapor content (ie in particular the access of the water vapor through the above-described diffusion barrier) in the region of the second electrode (z. B. cathode) limited. The problem now consists, in particular, in that the fat pumping current and the lean pumping current have the same direction electrically, so that a conclusion on the composition of the gas mixture is scarcely possible from the pumping current. In addition to the problems described in the field of rich mixtures, a falsification of the pumping current by the hydrogen is also to be observed in the area of slightly lean non-equilibrium exhaust gases, which already exists in this area and provides a positive contribution to the pumping current.

Eine weitere Problematik bekannter Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung besteht darin, dass die Sensorelemente vorteilhafterweise auch zu Diagnosezwecken für die Überwachung von Abgasnachbehandlungskomponenten einsetzbar sein sollten. Verschärfte Gesetzbegebungen, insbesondere in den USA, im Bereich der Diagnose missionsrelevanter Bauteile, fordern im Rahmen einer so genannten „On-Board-Diagnose" (OBD) die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten auf vorgegebene OBD-Grenzwerte, welche meist als Faktor des Emissionsgrenzwertes angegeben werden. Auch beschichtete Katalysatoren (zum Beispiel Oxidationskatalysator und NOx-Speicherkatalysator) müssen dabei auf die Wirksamkeit ihrer Beschichtung bzw. ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Der Oxidationskatalysator ist verantwortlich für die Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und CO. So fordert beispielsweise die OBD-II-Gesetzgebung, dass der Oxidationskatalysator auf Wirksamkeit der katalytischen Beschichtung überprüft und als defekt erkannt wird, wenn die Emission den 1,75-fachen Grenzwert übersteigt.A further problem of known broadband sensor elements in single cell arrangement is that the sensor elements advantageously too Diagnostic purposes for the monitoring of exhaust aftertreatment components used should be. Stricter laws, in particular in the USA, in the area of diagnosis of mission-relevant components, call for a so-called "on-board diagnosis" (OBD) the monitoring of all exhaust aftertreatment components on given OBD limit values, which are usually the factor of the emission limit value be specified. Also coated catalysts (for example Oxidation catalyst and NOx storage catalyst) must checked for the effectiveness of their coating or their functionality become. The oxidation catalyst is responsible for the conversion of unburned hydrocarbons (HC) and CO. For example, the OBD II legislation requires that the oxidation catalyst checked for effectiveness of the catalytic coating and detected as defective if the emission exceeds 1.75 times the limit.

Bisherige Ansätze verwenden die Temperaturen vor und hinter dem Katalysator, um den Umsatz (exotherme Reaktion) im Katalysator abzuschätzen. Dieser Umsatz dient wiederum als Maß für die Funktionsfähigkeit der Beschichtung. Diese Verfahren können aber lediglich eine qualitative Aussage hinsichtlich der Umsatzfähigkeit des Katalysators ergeben und somit keine Grenzwertüberwachung gewährleisten. Die gesetzlichen Anforderungen lassen sich damit in der Regel nur schwer erreichen.Previous Approaches use the temperatures in front of and behind the catalyst, to estimate the conversion (exothermic reaction) in the catalyst. This Turnover, in turn, serves as a measure of functionality the coating. These procedures can only a qualitative statement regarding the turnover ability of the catalyst and thus no limit monitoring guarantee. The legal requirements can be thus usually difficult to achieve.

Herkömmliche Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung sind jedoch lediglich geeignet, um, behaftet mit den obigen Schwierigkeiten der Eindeutigkeit der Kennlinie, um aus Ionenströmen auf eine Sauerstoffkonzentration zurückzuschließen, nicht hingegen, um beispielsweise Brenngaskomponenten zu messen. Zwar wäre prinzipiell auch ein (zumindest vorübergehender) Einsatz derartiger Breitband-Sensorelemente für eine Potentiometrische Messung möglich. Allerdings sind herkömmliche Sensorelemente lediglich auf Sauerstoff sensitiv und weisen als Sprungzellen einen steilen Potentialsprung bei λ = 1 auf. Außerhalb dieses Bereichs verlaufen die Potentialkennlinien nahezu flach, so dass hieraus praktisch keine Information über die Gaszusammensetzung gewonnen werden kann.conventional Broadband sensor elements in a single cell arrangement, however, are only suitable to, fraught with the above difficulties of uniqueness of the characteristic, from ion currents to an oxygen concentration not, however, for example To measure fuel gas components. Although in principle would be synonymous an (at least temporary) use of such broadband sensor elements possible for a potentiometric measurement. Indeed conventional sensor elements are only for oxygen sensitive and point as a jump cells a steep potential jump at λ = 1. Run outside this area the potential characteristics almost flat, so that practically no information about the gas composition won can be.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum vorgeschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Weiterhin wird eine elektronische Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Das Verfahren verwendet mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verbindenden Elektrolyten. Eine Idee der Erfindung besteht dabei darin, einerseits eine eindeutige Pumpstrom-Kennlinie zu erzielen, indem die mindestens eine zweite Elektrode gegenüber dem mindestens einen Gasraum abgeschirmt wird. Auf diese Weise werden Brenngasreaktionen an der mindestens einen zweiten Elektrode vermieden. Eine weitere Idee der Erfindung besteht darin, die mindestens eine erste Elektrode als Brenngas-sensitive Elektrode auszugestalten. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die mindestens eine erste Elektrode derart zu gestalten, dass diese mindestens eine Mischpotential-Elektrode umfasst, welche sensitiv ist gegenüber der Gaszusammensetzung, also insbesondere sensitiv gegenüber Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sein kann.Accordingly, a method is proposed for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space, which avoids the disadvantages described above. Furthermore, an electronic control device for carrying out the method and a system for carrying out the method is proposed. The method uses at least one sensor element with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one electrolyte connecting the at least one first electrode and the at least one second electrode. One idea of the invention consists in achieving, on the one hand, a unique pumping current characteristic in that the at least one second electrode is shielded from the at least one gas chamber. In this way, fuel gas reactions are avoided at the at least one second electrode. Another idea of the invention is to design the at least one first electrode as a fuel gas-sensitive electrode. For this purpose, it is proposed to design the at least one first electrode such that it has at least one mixed potential electro de, which is sensitive to the gas composition, ie in particular may be sensitive to hydrocarbons and carbon monoxide.

Das vorgeschlagene Verfahren umfasst dementsprechend mindestens zwei Betriebszustände: Mindestens einen amperometrischen Messzustand, in welchem zwischen die mindestens zwei Elektroden eine Pumpspannung angelegt wird und ein Pumpstrom erfasst wird, wobei vorzugsweise aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens einer ersten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird. Der Begriff „Konzentration" ist dabei weit auszulegen und umfasst sowohl eine Konzentration im klassischen Sinne als Teilchenzahl pro Volumeneinheit, aber auch andere mit der Konzentration korrelierbare Größen, wie beispielsweise Partialdruck, Massenprozent oder Volumenprozent, Molanteil oder ähnliches oder einfach ein Vohandensein oder Nichtvorhandensein der mindestens einen ersten Gaskomponente. Beispielsweise kann dies eine Sauerstoffkonzentration sein. Als Pumpspannungen werden üblicherweise Spannungen zwischen 300 mV und 800 mV, insbesondere zwischen 600 mV und 700 mV verwendet. Dieser amperometrische Messzustand entspricht somit dem üblichen Betriebszustand einzelliger Breitbandsonden. Weiterhin ist jedoch in dem vorgeschlagenen Verfahren mindestens ein potentiometrischer Messzustand vorgesehen, in welchem mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode erfasst wird. Aus der mindestens einen erfassten Spannung wird vorzugsweise auf eine Konzentration (wobei dieser Begriff wieder weit auszulegen ist, vgl. oben) mindestens einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen, beispielsweise, wie oben beschrieben, auf eine Brenngaskonzentration, insbesondere Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid.The Accordingly, the proposed method comprises at least two Operating states: At least one amperometric measurement state, in which between the at least two electrodes a pumping voltage is applied and a pumping current is detected, preferably from the at least one pumping current to the concentration at least a first gas component in the gas mixture is closed. The term "concentration" is to be interpreted broadly and includes both a concentration in the classical sense as particle number per unit volume, but also other variables that can be correlated with the concentration, such as partial pressure, mass percent or volume percent, Mole fraction or the like or simply a Vohandensein or absence of the at least one first gas component. For example, this may be an oxygen concentration. As pumping voltages are usually voltages between 300 mV and 800 mV, in particular between 600 mV and 700 mV used. This amperometric Measurement state thus corresponds to the usual operating state unicellular broadband probes. Furthermore, however, in the proposed method provided at least one potentiometric measurement state, in which at least one voltage between the at least one mixed potential electrode and the at least one second electrode is detected. From the at least one sensed voltage is preferably at a concentration (which term is again to be interpreted broadly, see above) at least a second gas component in the gas mixture closed, for example, as described above, to a fuel gas concentration, in particular Hydrocarbons and / or carbon monoxide.

Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Platinelektroden ist die Elektrodenfunktion (Elektrodenpotential) von Mischpotentialelektroden (Brenngas-sensitiven Elektroden, Elektroden mit nicht-Nernstschem Verhalten) nicht mehr thermodynamisch, sondern kinetisch bestimmt. Die Elektrodenpotentiale weichen von der Nernst-Gleichung ab, und es entstehen je nach Gasgemisch-Zusammensetzung Mischpotentiale. Diese Mischpotentiale führen zu Sensorsignalen, die in direkter Korrelation zu den Nicht-Gleichgewichtsabgasen, wie CO oder HC, stehen. Die Referenz im potentiometrischen Betrieb bildet die abgeschirmte, mindestens eine zweite Elektrode.in the Contrary to the commonly used platinum electrodes is the electrode function (electrode potential) of mixed potential electrodes (fuel gas-sensitive Electrodes, electrodes with non-Nernstian behavior) is no longer thermodynamically but kinetically determined. The electrode potentials Diverge from the Nernst equation, and arise depending on the gas mixture composition Mixed potentials. These mixed potentials lead to sensor signals, in direct correlation with the non-equilibrium exhaust gases, like CO or HC. The reference in potentiometric operation forms the shielded, at least one second electrode.

Insbesondere kann die mindestens eine Mischpotentialelektrode mindestens ein Elektrodenmaterial aufweisen, welches eine geringere elektrokatalytische Aktivität aufweist als Platin. Weiterhin kann auch eine Platinelektrode verwendet werden, welche eine Beimi schung eines katalytisch inaktiven oder weniger katalytisch aktiven Metalls als Platin aufweist, insbesondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei. Derartige Metallgemische haben sich aus Kompatibilitätsgründen zum Herstellungsprozess (zum Beispiel Sinterbedingungen der Keramik) und zu den Betriebsbedingungen (Temperatur, Atmosphäre, etc.) als besonders geeignet erwiesen. Da sich beispielsweise Gold vorwiegend an einer Platin-Oberfläche anlagert, beeinflussen bereits geringe Mengen an Gold (0,1 bis 1%) die Elektrodenaktivität massiv und führen zu einer messbaren Brenngassensitivität der Elektrode. Da Gold jedoch bei üblichen Betriebstemperaturen der Sensorelemente (zum Beispiel 780°C) einen hohen Dampfdruck besitzt und teilweise abdampft, ist die Goldkonzentration so zu wählen, dass über die Lebenszeit des Sensorelements die Brenngassensitivität gewahrt bleibt. Dementsprechend werden Beimischungen von Gold, Silber, Kupfer oder Blei im Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 Gew.-% und 1,0 Gew.-%, vorgeschlagen.Especially the at least one mixed potential electrode can be at least one Have electrode material which has a lower electrocatalytic Has activity as platinum. Furthermore, a can also Platinum electrode can be used, which is a Beimi Schung a catalytically inactive or less catalytically active metal than Platinum, in particular gold and / or silver and / or copper and / or lead. Such metal mixtures have for compatibility reasons on the manufacturing process (for example sintering conditions of the ceramic) and the operating conditions (temperature, atmosphere, etc.) proved to be particularly suitable. For example, gold predominantly attached to a platinum surface affect even small amounts of gold (0.1 to 1%) the electrode activity massive and lead to a measurable fuel gas sensitivity the electrode. As gold, however, at normal operating temperatures the sensor elements (for example 780 ° C) a high vapor pressure owns and partially evaporated, the gold concentration is so close choose that over the lifetime of the sensor element the fuel gas sensitivity is maintained. Accordingly are admixtures of gold, silver, copper or lead in the range between 0.05% by weight to 5% by weight, in particular between 0.1% by weight and 1.0 wt%, proposed.

Alternativ kann als Mischpotentialelektrode auch eine Oxidelektrode verwendet werden, insbesondere eine Metalloxid-Elektrode, beispielsweise auf Perowskitbasis und/oder Chromitbasis und/oder Gallatbasis. Auch Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe lassen sich einsetzen, sowie Gemische einer Oxidkeramik mit Gold, Silber, Kupfer und/oder Blei.alternative can also be used as a mixed potential electrode, an oxide electrode are, in particular a metal oxide electrode, for example Perovskite base and / or chromite base and / or gallate base. Also Ceramic-metal composites can be used, as well as mixtures an oxide ceramic with gold, silver, copper and / or lead.

Zur Realisierung einer Überwachung mindestens einer Funktion mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (zum Beispiel mindestens eines Filters und/oder mindestens eines Katalysators) kann insbesondere eine der beschriebenen Sonden vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und eine weitere nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt werden. So kann beispielsweise ein Sensorelement nach einem Abgasturbolader und ein weiteres Sensorelement nach einem Oxidationskatalysator und/oder Dieselpartikelfilter und/oder Speicherkatalysator platziert werden. Im amperometrischen Normalbetrieb wird dann die Sauerstoffkonzentration bzw. Lambda gemessen und steht in gewohnter Weise den entsprechenden Softwarefunktionen zur Verfügung. Sollten entsprechende Überwachungsbedingungen vorliegen, so kann der Betriebsmodus der Lambdasonde hin zum potentiometrischen Betrieb geändert werden, so dass beispielsweise Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen vor und nach den Katalysatoren gemessen werden können. Aus diesen Informationen lässt sich das Umsatzverhalten der Katalysatoren qualitativ und/oder quantitativ bestimmen. Die Überwachung kann entweder passiv, zum Beispiel während eines Regenerationsbetriebs (zum Beispiel eines Dieselpartikelfilters und/oder Speicherkatalysators) oder aktiv (zum Beispiel durch Temperaturregelung im Katalysator, zum Beispiel durch eine entsprechende Nacheinspritzung) durchgeführt werden.In order to realize a monitoring of at least one function of at least one exhaust aftertreatment device (for example at least one filter and / or at least one catalytic converter), one of the described probes can be used upstream of the exhaust aftertreatment device and another downstream of the at least one exhaust aftertreatment device. For example, a sensor element after an exhaust gas turbocharger and a further sensor element after an oxidation catalyst and / or diesel particulate filter and / or storage catalyst can be placed. In amperometric normal operation, the oxygen concentration or lambda is then measured and is available in the usual way to the corresponding software functions. If appropriate monitoring conditions are present, the operating mode of the lambda probe can be changed to potentiometric operation, so that, for example, hydrocarbon and carbon monoxide emissions before and after the catalysts can be measured. From this information, the conversion behavior of the catalysts can be determined qualitatively and / or quantitatively. The monitoring may be either passive, for example, during a regeneration operation (for example, a diesel particulate filter and / or Spei cherkatalysators) or actively (for example by temperature control in the catalyst, for example by a corresponding post-injection) are performed.

Zur Erreichung der eindeutigen Pumpstromkennlinie im amperometrischen Betrieb mittels der genannten Abschirmung der mindestens einen zweiten Elektrode kann beispielsweise die mindestens eine erste Elektrode über mindestens einen Strömungswiderstandelement mit dem mindestens einen umgebenen Gasraum verbunden sein, und die mindestens eine zweite Elektrode mittels mindestens eines Diffusionswiderstandselementes. Dabei kann das mindestens eine Strömungswiderstandselement und das mindestens eine Diffusionswiderstandelement derart ausgestaltet sein, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (üblicherweise der Pumpanode) kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode. Besonders bevorzugt werden dabei Grenzströme eingestellt, bei welchen ein Verhältnis kleiner 1/100, insbesondere kleiner 1/1000, vorliegt. Vorzugsweise liegt der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode bei 1 bis 20 μA, besonders bevorzugt bei 10 μA, und der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode bei 500 μA bis 6 mA, vorzugsweise bei 1,5 mA. 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.to Achievement of the unique pumping current characteristic in amperometric Operation by means of said shielding of the at least one second For example, the electrode may transfer the at least one first electrode at least one flow resistance element with the at least be connected to a surrounding gas space, and the at least one second electrode by means of at least one diffusion resistance element. In this case, the at least one flow resistance element and the at least one diffusion resistance element configured in such a way be that the limiting current of the at least one second electrode (usually the pump anode) is smaller than the limiting current of at least one first electrode. Particularly preferred are Limit currents set in which a ratio smaller 1/100, especially smaller 1/1000, is present. Preferably the limiting current of the at least one second electrode is included 1 to 20 μA, more preferably 10 μA, and the Limiting current of the at least one first electrode at 500 μA to 6 mA, preferably at 1.5 mA. The limiting current of an electrode is defined as the saturation pumping current, i. H. the maximum pumping current, which increases with the pumping voltage can be reached between the at least two electrodes. This limit current can, for example, for oxygen and oxygen ion transport be defined by the solid electrolyte as that stream, which is achieved when all oxygen molecules, which reach the electrode operated as a cathode, completely be transported through the solid electrolyte to the anode. Usually the sensor element is operated with this limiting current, i. H. With one (see above) sufficient pumping voltage, so that this complete "removal" incoming gas molecules is achieved. In this operation the pumping current is approximately proportional to the gas molecule concentration. The limiting current of the opposite electrode, previously as Anode is operated accordingly by experimentally Umpolen determined so that now operated the former anode as a cathode becomes.

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 Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Seiten des Elements entgegensetzt und somit eine Diffusion behindert. Für diese Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise dasselbe Diffusionsmedium (zum Beispiel ein poröses Material) für das mindestens eine Diffusionswiderstandselement und das mindestens eine Strömungswiderstandselement eingesetzt werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise vor der mindestens einen zweiten Elektrode eine höhere Schichtdicke verwendet wird als vor der mindestens einen ersten Elektrode. Altnativ oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche der Widerstandselemente erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest nähe rungsweise proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, und umgekehrt proportional mit der Länge bzw. Schichtdicke der Widerstandselemente an.The Setting the condition for the limiting current ratio can be fulfilled in particular by the fact that the at least a diffusion resistance element a larger one Diffusion resistance than the at least one flow resistance element. The diffusion resistance is the resistance which an element a concentration difference between the two sides of the element opposes and thus hinders diffusion. For this Embodiment of the diffusion resistors, for example the same diffusion medium (for example, a porous material) for the at least one diffusion resistance element and the at least one flow resistance element is used be, but in different layer thicknesses, so that, for example before the at least one second electrode, a higher layer thickness is used as before the at least one first electrode. Altnativ or in addition can also be a setting of the area the resistance elements take place. The limiting current increases at least approximately proportional to that available for diffusion standing cross-sectional area, and inversely proportional with the length or layer thickness of the resistance elements at.

Vorzugsweise weist jedoch zusätzlich das mindestens eine Strömungswiderstandselement einen größeren Strömungswiderstand auf als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement. 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 bzw. 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 zweiten Elektrode gegenüber den reduzierenden Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff. Besonders günstig ist es, wenn diese Abschirmung dadurch bewirkt wird, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement einen Diffusionskanal aufweist, welcher die mindestens eine erste Elektrode mit dem mindestens einen Gasraum und/oder mindestens einem 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 bis 800°C). Auf diese Weise lasst 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 Wanden 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 zweite Elektrode 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 im Bereich von 2 L bis 25 L sowie einer Länge im Bereich zwischen 0,5 mm und 20 mm ausgestattet. Dabei ist L die mittlere freie Weglänge der Moleküle des Gasgemischs 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 mindestens einen ersten Elektrode zu verhindern.In addition, however, the at least one flow resistance element preferably has a greater flow resistance than the at least one diffusion resistance element. In this case, the flow resistance is defined as that resistance which an element opposes to a pressure difference between both sides of the element and thus prevents a flow between both sides of the element. The flow resistance can be adjusted, for example, by increasing or decreasing a pore size of a porous medium, and / or by varying a channel cross-section, a channel geometry or a channel length. The above-described advantageous relationship between the limiting currents causes the above-described shielding effect of the at least one second electrode against the reducing gases, such as hydrogen. It is particularly favorable if this shielding is effected by the at least one diffusion resistance element having a diffusion channel which connects the at least one first electrode to the at least one gas space and / or at least one reference space. This diffusion channel should preferably have a large length, ie a length which is large compared to the mean free path of the gas molecules at the corresponding operating temperature of the sensor element (for example 700 to 800 ° C). In this way, the difference between gas-phase diffusion and flow resistance can be maximally utilized in order to bring about a shielding of the at least one first electrode. If gas molecules in the diffusion channel (although of course also several diffusion channels can be used) have no other collision partners except the walls of the diffusion channel, a transport would only occur via Knudsendiffusion with the same behavior for flow and diffusion. By virtue of the design as a diffusion channel, on the other hand, there is only a slight diffusion transport of fatty gas to the at least one second electrode, and thus only a small fat pumping current. Advantageously, the at least a diffusion channel with a height ranging between 2 L to 25 L and a width ranging from 2 L to 25 L and a length ranging between 0.5 mm and 20 mm. Here L is the mean free path of the molecules of the gas mixture at an operating pressure of the sensor element, which is usually in the range of the normal pressure. This dimensioning of the at least one diffusion channel has proved to be particularly favorable in order to prevent the diffusion of fatty gas to at least a first electrode.

Alternativ oder zusätzlich zu dem geschriebenen Abschirmungsverfahren lässt sich die mindestens eine zweite Elektrode auch dadurch abschirmen, dass diese vollständig von dem Gasraum getrennt wird. In diesem Fall kann diese mindestens eine zweite Elektrode beispielsweise mit einem Referenzgasraum verbunden werden, beispielsweise über einen Abluftkanal. Dieser Referenzgasraum ist von dem mindestens einen Gasraum vollständig abgetrennt, wobei es sich beispielsweise um einen Motorrauen handeln kann, welcher vom Abgasstrang getrennt ist. In dem mindestens einen Abluftkanal kann dann beispielsweise wieder ein poröses Element vorgesehen sein, beispielsweise wiederum eine Al₂O₃-Keramik.As an alternative or in addition to the written shielding method, the at least one second electrode can also be shielded in that it is completely separated from the gas space. In this case, this at least one second electrode can be connected, for example, to a reference gas space, for example via an exhaust air duct. This reference gas space is completely separated from the at least one gas space, which may be, for example, a motor gray, which is separated from the exhaust line. In the at least one exhaust duct, for example, a porous element may then again be provided, for example once again an Al ₂ O ₃ ceramic.

Die mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise eine einzelne Elektrode umfassen, wobei zwischen amperometrischem und potentiometrischem Messzustand jeweils umgeschaltet werden sollte. So kann beispielsweise in diesem Fall eine Taktung erfolgen, wobei sich vorzugsweise amperometrische und potentiometrische Taktzyklen nicht überschneiden. Die Taktzyklen können beispielsweise derart gewählt werden, dass während des amperometrischen Messzustandes eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode zu der mindestens einen zweiten Elektrode gepumpt wird, um dort während des anschließenden potentiometrischen Taktzyklus als Referenz zur Verfügung zu stehen.The For example, at least one first electrode may be a single one Electrode, wherein between amperometric and potentiometric Measurement state should be switched in each case. So, for example in this case, a clocking, preferably amperometric and do not overlap potentiometric clock cycles. The Clock cycles can be selected, for example be that during the amperometric measurement state a predetermined amount of the at least one first to be detected Gas component from the at least one first electrode to the at least a second electrode is pumped to there during the subsequent potentiometric clock cycle as a reference to To be available.

Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Ausgestaltung der mindestens einen ersten Elektrode kann auch ein Aufbau verwendet werden, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode neben der mindestens einen Mischpotentialelektrode weiterhin mindestens eine Pumpelektrode umfasst. Die Pumpspannung wird dann zwischen Pumpelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegt und zwischen diesen Elektroden der Pumpstrom gemessen. Im potentiometrischen Messzustand wird hingegen die Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode gemessen. Auf diese Weise lassen sich die potentiometrischen Messungen beispielsweise zumindest zeitweise gleichzeitig zur amperometrischen Messung vornehmen.alternative or in addition to the described embodiment of At least one first electrode may also be used in a construction be in which the at least one first electrode in addition to the at least one mixed potential electrode further at least one Pump electrode comprises. The pumping voltage then becomes between the pumping electrode and the at least one second electrode applied and between These electrodes measured the pump current. In potentiometric Measuring state, however, the voltage between the at least one Mixed potential electrode and the at least one second electrode measured. In this way, the potentiometric measurements can be for example, at least temporarily simultaneously with the amperometric Make a measurement.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit zwei Möglichkeiten der Abschirmung der Pumpanode; 1 a first embodiment of an inventively usable sensor element with two ways of shielding the pump anode;

2 eine Pumpstromkennlinie bei abgeschirmter Anode; 2 a pumping current characteristic with shielded anode;

3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit innen liegender Pumpanode; 3 A second embodiment of an inventively usable sensor element with internal pump anode;

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegenden Elektroden; 4 a further embodiment of a sensor element with external electrodes;

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit innen liegenden Elektroden; 5 a further embodiment of a sensor element with internal electrodes;

6 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegender Kathode, innen liegender Anode und Abluftkanal; 6 an embodiment of a sensor element with the outside cathode, inner anode and exhaust duct;

7 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements, bei welchem Mischpotentialelektrode und Pumpkathode getrennt sind; 7 an embodiment of a sensor element, wherein the mixed potential electrode and the pump cathode are separated;

8A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskomponente; und 8A a first embodiment of a system for measuring a gas component; and

8B ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskomponente. 8B A second embodiment of a system for measuring a gas component.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um ein Sensorelement 110, welches z. B. in einer Lambdasonde oder als Lambdasonde eingesetzt werden kann, um die Gaszusammensetzung (Luftzahl) in einem Gasraum 112 zu bestimmen. Das Sensorelement 110 ist in diesem Beispiel als Radialdesign ausgebildet (wobei auch Lineardesigns möglich sind), mit einem Festelektrolyten 114, auf welchem auf einander gegenüberliegenden Seiten eine innenliegende Pumpkathode 116 als erste Elektrode und eine außen, auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite angeordnete Pumpanode 118 als zweite Elektrode angeordnet sind. Im Betrieb werden zwischen die beiden Pumpelektroden 116, 118 Spannungen im oben beschriebenen Bereich angelegt, und ein Strom wird zwischen den beiden Elektroden 116, 118 gemessen (Pumpstrom I_p). Allgemein sei im Folgenden angenommen, dass die mindestens eine erste Elektrode als Pumpkathode 116 geschaltet wird, und die mindestens eine zweite Elektrode des Sensorelements 110 als Pumpanode 118. Auch eine andere Beschaltung ist jedoch denkbar, oder auch eine Beschaltung, bei welcher, je nach Betriebszustand, die Kathoden- und Anodenfunktion wechseln. Insbesondere wird die Bezeichnung „Pumpkathode" bzw. „Pumpanode" verwendet, unbeschadet der Möglichkeit, diese Elektroden im potentiometrischen (d. h. im Allgemeinen stromlosen) Messzustand als Potentialelektroden einzusetzen, zwischen denen die Spannung gemessen wird.In 1 is a first embodiment of a sensor element 110 which can be used for the method according to the invention. This is a sensor element 110 which z. B. in a lambda probe or as a lambda probe can be used to the gas composition (air ratio) in a gas space 112 to determine. The sensor element 110 is in this example designed as a radial design (whereby linear designs are also possible) with a solid electrolyte 114 on which on opposite sides an internal pumping cathode 116 as the first electrode and an outside, on the gas space 112 facing side pump anode 118 are arranged as a second electrode. In operation, between the two pumping electrodes 116 . 118 Voltages in the range described above placed, and a current is between the two electrodes 116 . 118 measured (pumping current I _p ). In the following it will generally be assumed that the at least one first electrode is used as pumping cathode 116 is switched, and the at least one second electrode of the sensor element 110 as a pump anode 118 , However, another circuit is conceivable, or even a circuit in which, depending on the operating state, change the cathode and anode function. In particular, the term "pump cathode" or "pump anode" is used, without prejudice to the possibility of these electrodes in the potentiometric (ie generally de-energized) measurement state as potential electrodes between which the voltage is measured.

Die Pumpkathode 116 ist hierbei als brenngassensitive Elektrode ausgebildet und weist beispielsweise eine Platinelektrode mit einer Goldbeimischung auf. Auch andere Ausgestaltungen als Mischpotentialelektrode gemäß der obigen Beschreibung sind möglich.The pump cathode 116 is formed here as a fuel gas sensitive electrode and has, for example, a platinum electrode with a gold admixture. Other configurations than mixed potential electrode according to the above description are possible.

Vor der Pumpkathode 116 ist ein Kathodenhohlraum 120 in Form eines rechteckigen Hohlraums ausgebildet. Durch ein Gaszutrittsloch 122 im Sensorelement 110 tritt Gasgemisch aus dem Gasraum 122 in das Sensorelement 110 ein und kann von dort in den Kathodenhohlraum 120 gelangen. Zwischen Gaszutrittsloch 122 und Kathodenhohlraum 120 ist dabei ein Strömungswiderstandselement 124 in Form eines porösen, dichten Materials angeordnet, welches den Grenzstrom der Pumpkathode 116 begrenzt und somit die Steigung der Pumpstromkennlinie wesentlich bestimmt.In front of the pumping cathode 116 is a cathode cavity 120 formed in the form of a rectangular cavity. Through a gas access hole 122 in the sensor element 110 occurs gas mixture from the gas space 122 in the sensor element 110 one and can from there into the cathode cavity 120 reach. Between gas access hole 122 and cathode cavity 120 is a flow resistance element 124 arranged in the form of a porous, dense material, which the limiting current of the pump cathode 116 limited and thus significantly determines the slope of the pumping current characteristic.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Sensorelements 110 sind zwei verschiedene Möglichkeiten dargestellt, Fettgasreaktionen an der Pumpanode 118 zu unterdrücken und somit eine eindeutige Pumpstromkennlinie zu erzielen. Während im rechten Teil der Darstellung (in der 1 mit A bezeichnet) die Pumpanode 118 gegenüber dem Gasraum 112 durch ein Diffusionswiderstandselement in Form einer porösen Schutzschicht 126 abgeschirmt ist, weist die Pumpanode 118 im linken Teil dieser schematischen Darstellung (in 1 mit B bezeichnet) ein geometrisch ausgestaltetes Diffusionswiderstandselement 128 auf. Dabei ist die Pumpanode 118 von einer gasundurchlässigen Deckschicht 130 umgeben, in welcher, über der Pumpanode 118, ein rechteckiger Hohlraum 132 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum 132 ist mit dem Gaszutrittsloch 122 über einen langen Diffusionskanal 134 verbunden, welcher in das Gaszutrittsloch 122 mündet. Für die vorteilhaften Dimensionierungen des Diffusionskanals 134 sei auf die obige Beschreibung verwiesen. An der Mündungsstelle des Diffusionskanals 134 in das Gaszutrittsloch ist eine Aufweitung 136 vorgesehen, um zu verhindern, dass der Diffusionskanal 134 durch aus dem Gasraum 112 eindringende Verschmutzungen zugesetzt wird. Durch den Diffusionskanal 134 ist es einerseits möglich, dass Sauerstoff, welcher sich an der Pumpanode 118 bildet, in den Gasraum 112 abströmen kann. Andererseits wird Brennraumgasen durch den langen Diffusionsweg ein Eindringen in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 er schwert. Der Hohlraum 132 bewirkt zusätzlich eine räumliche Möglichkeit zur Abreaktion von eindringenden Brenngasen, wie beispielsweise Wasserstoff, bevor diese die Pumpanode 118 erreichen und dort unerwünschte Anodenreaktionen auslösen können.At the in 1 illustrated embodiment of the sensor element 110 are presented two different ways, fatty gas reactions at the pump anode 118 to suppress and thus to achieve a unique pumping current characteristic. While in the right part of the representation (in the 1 labeled A) the pump anode 118 opposite the gas space 112 by a diffusion resistance element in the form of a porous protective layer 126 shielded, the pump anode indicates 118 in the left part of this schematic representation (in 1 denoted by B) a geometrically configured diffusion resistance element 128 on. Here is the pump anode 118 from a gas-impermeable cover layer 130 surrounded, in which, above the pump anode 118 , a rectangular cavity 132 is trained. This cavity 132 is with the gas entry hole 122 over a long diffusion channel 134 connected, which in the gas inlet hole 122 empties. For the advantageous dimensions of the diffusion channel 134 Please refer to the above description. At the mouth of the diffusion channel 134 into the gas access hole is an expansion 136 provided to prevent the diffusion channel 134 through from the gas space 112 penetrating contaminants is added. Through the diffusion channel 134 On the one hand it is possible for oxygen, which is attached to the pump anode 118 forms, in the gas space 112 can flow out. On the other hand, combustion chamber gases penetrate into the cavity through the long diffusion path 132 above the pump anode 118 he swears. The cavity 132 additionally causes a spatial possibility for Abreaktion of penetrating fuel gases, such as hydrogen, before this pump anode 118 reach and cause unwanted anodic reactions there.

Das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 lässt sich auf viele Weisen modifizieren. So kann, abweichend von dem hier dargestellten Radialdesign, auch ein lineares Design gewählt werden. Die beiden dargestellten Möglichkeiten A und B lassen sich einzeln oder auch in Kombination realisieren. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass unterhalb der Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und Festelektrolyt 114, welche zusammen eine Pumpzelle 138 bilden, ein Heizelement 140 vorgesehen ist, welches sich aus Isolatorschichten 142 und dazwischen angeordneten Heizwiderständen 144 zusammensetzt. Mittels dieses Heizelements 140, welches als Temperierelement 146 wirkt, lässt sich beispielsweise eine Betriebstemperatur des Sensorelements 110 auf typischerweise 700–800°C einstellen, wobei die Temperatur angepasst wird, um beispielsweise die elektrolytischen Eigenschaften des Festelektrolyten 114 zu optimieren.The sensor element 110 according to the embodiment in 1 can be modified in many ways. Thus, unlike the radial design shown here, a linear design can also be selected. The two options A and B shown can be implemented individually or in combination. Furthermore, in 1 to realize that below the pump anode 118 , Pump cathode 116 and solid electrolyte 114 which together form a pump cell 138 form a heating element 140 is provided, which is made of insulator layers 142 and intermediate heating resistors 144 composed. By means of this heating element 140 , which as a tempering 146 acts, for example, an operating temperature of the sensor element can be 110 typically set at 700-800 ° C, the temperature being adjusted to, for example, the electrolytic properties of the solid electrolyte 114 to optimize.

In 2 ist schematisch die Auswirkung der oben beschriebenen Maßnahmen auf die Kennlinie (Pumpstrom I_p als Funktion der Luftzahl λ) des in 1 dargestellten Sensorelements 110 gezeigt. Der Pumpstrom I_p ist dabei gegen die Luftzahl λ aufgetragen. Theoretisch sollte der Pumpstrom I_p im fetten Bereich 210 bei Null liegen, also auf der λ-Achse. Bei λ = 1 und größeren λ-Werten (magerer Bereich 212) sollte der Pumpstrom I_p dann annähernd linear ansteigen mit der Luftzahl λ, was in 2 durch die theoretische Kennlinie 214 gestrichelt dargestellt ist. Tatsächlich ist in einzelligen Sensorelementen 110 mit dem Gasgemisch ausgesetzten Pumpanoden 118 jedoch die Kennlinie 216 zu beobachten, welche lediglich bei hohen λ-Werten an den theoretischen Verlauf 214 angenähert ist. Im leicht mageren Bereich, ungefähr bei λ = 1, weicht die Kennlinie 216 dann jedoch vom theoretischen Verlauf 214 ab und steigt hin zu kleineren λ-Werten sogar wieder an. Die Kennlinie 220 zeigt die in B in 1 dargestellte Pumpanode 118, bei welcher das Diffusionswiderstandselement 128 realisiert ist. Deutlich ist zu erkennen, dass diese Kennlinie 220 dem theoretischen Verlauf 214 gut angenähert ist. Somit ist auch eine Messung bis hinunter zu kleinen λ-Werten, d. h. λ-Zahlen knapp über 1, möglich.In 2 schematically the effect of the measures described above on the characteristic (pumping current I _p as a function of the air ratio λ) of the in 1 shown sensor element 110 shown. The pumping current I _p is plotted against the air ratio λ. Theoretically, the pumping current I _{p should be} in the rich range 210 are at zero, that is on the λ-axis. At λ = 1 and larger λ values (lean range 212 ), the pump current I _p should increase approximately linearly with the air ratio λ, which is in 2 through the theoretical characteristic 214 is shown in dashed lines. Actually, in single cell sensor elements 110 with the gas mixture exposed pump anodes 118 however, the characteristic 216 to observe which only at high λ values to the theoretical course 214 is approximated. In the slightly lean region, approximately at λ = 1, the characteristic deviates 216 but then from the theoretical course 214 even increases again to smaller λ values. The characteristic 220 shows the in B in 1 illustrated pump anode 118 in which the diffusion resistance element 128 is realized. It can be clearly seen that this characteristic 220 the theoretical course 214 is well approximated. Thus, a measurement down to small λ-values, ie λ-numbers just over 1, is possible.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches wiederum eine Pumpzelle 138 mit einer Pumpkathode 116 und einer Pumpanode 118 und einem dazwischen liegenden Festelektrolyten 114 aufweist. Die Pumpkathode 116 ist wiederum, wie oben beschrieben, ganz oder teilweise aus dem brenngassensitiven Material hergestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Pumpkathode 116 oben liegend auf dem Festelektroly ten 114 angeordnet, und die Pumpanode 118 innen liegend. Über der Pumpkathode 116 ist, zur Abschirmung gegenüber dem Gasraum 112, eine gasundurchlässige Deckschicht 130 angeordnet, so dass sich über der Pumpkathode 116 wiederum ein näherungsweise rechteckförmiger Kathodenhohlraum 120 ausbildet. Dieser Kathodenhohlraum 120 ist gegenüber dem Gasraum 112 durch das Strömungswiderstandselement 124 abgeschirmt, welches beispielsweise ausgestaltet ist wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1.In 3 is another embodiment of a sensor element 110 shown, which in turn is a pumping cell 138 with a pump cathode 116 and a pump anode 118 and an intermediate solid electrolyte 114 having. The pump cathode 116 is in turn, as described above, wholly or partly made of the combustible gas-sensitive material. In contrast to the embodiment according to 1 However, in the embodiment according to 3 the pump cathode 116 lying on top of the Festelektroly th 114 arranged, and the pump anode 118 lying inside. Above the pumping cathode 116 is to shield against the gas space 112 , a gas-impermeable cover layer 130 arranged so that is above the pumping cathode 116 again an approximately rectangular cathode cavity 120 formed. This cathode cavity 120 is opposite the gas space 112 through the flow resistance element 124 shielded, which is configured for example as in the embodiment according to 1 ,

Wiederum ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, welches in diesem Falle jedoch nicht dem Zwecke einer Gaszuführung zur Pumpanode 118 dient (wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 zur Gaszuführung zur Pumpkathode 116), sondern einem Entweichen von Sauerstoff aus einem Hohlraum 132 im Inneren des Sensorelements 110, in welchem die Pumpanode 118 angeordnet ist. Dementsprechend kann das Gaszutrittsloch 122, welches in diesem Falle eben kein „Zutrittsloch" mehr ist, beispielsweise mit geringerem Querschnitt ausgestaltet werden als das Gaszutrittsloch 122 im Ausführungsbeispiel gemäß 1. Damit wird der Diffusionswiderstand zusätzlich erhöht. Das Gaszutrittsloch 122 bildet also im Ausführungsbeispiel gemäß 3 einen Teil eines Diffusionswiderstandselements 128, welches eine Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 112 in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 verhindert beziehungsweise verringert und gleichzeitig ein Abströmen von Sauerstoff aus dem Hohlraum 132 ermöglicht. Zusätzlich ist in 3 der Hohlraum 132 durch ein poröses Element 310, wobei es sich vorteilhafterweise um ein grobporiges, poröses Element handelt, gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt.Again, there is a gas entry hole 122 provided, which in this case, however, not for the purpose of gas supply to the pump anode 118 serves (as in the embodiment according to 1 for gas supply to the pump cathode 116 ), but an escape of oxygen from a cavity 132 inside the sensor element 110 in which the pump anode 118 is arranged. Accordingly, the gas access hole can 122 which in this case is no longer an "access hole", for example designed with a smaller cross section than the gas access hole 122 in the embodiment according to 1 , This additionally increases the diffusion resistance. The gas entry hole 122 thus forms in the embodiment according to 3 a part of a diffusion resistance element 128 , which is a diffusion of fuel gases from the gas space 112 in the cavity 132 above the pump anode 118 prevents or reduces and at the same time an outflow of oxygen from the cavity 132 allows. Additionally is in 3 the cavity 132 through a porous element 310 , which is advantageously a coarse-pored, porous element, compared to the gas space 112 shielded.

In 4 ist schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches einen Schichtaufbau mit auf derselben Seite des Festelektrolyten 114 angeordneter Pumpkathode 116 und Pumpanode 118 realisiert. Wiederum bilden Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und Festelektrolyt 114 eine Pumpzelle 138, wobei der Pumpstrom jedoch nunmehr im Wesentlichen in horizontaler Richtung, parallel zu den Schichtebenen, zwischen den Elektroden 116, 118 fließt. Über der Pumpkathode 116, welche wiederum als Mischpotentialelektrode ausgebildet ist, ist wieder ein Kathodenhohlraum 120 ausgebildet, welcher gegenüber dem Gasraum 122 durch eine gasdichte Deckschicht 130 abgeschirmt ist. Der Kathodenhohlraum 120 ist mit dem Gasraum 122 über ein Strömungswiderstandselement 124 in Form einer dichten, kleinporigen keramischen Schicht getrennt, analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.In 4 is finally a third embodiment of a sensor element 110 which has a layer structure with on the same side of the solid electrolyte 114 arranged pump cathode 116 and pump anode 118 realized. Again form pump anode 118 , Pump cathode 116 and solid electrolyte 114 a pump cell 138 However, the pumping current now substantially in the horizontal direction, parallel to the layer planes, between the electrodes 116 . 118 flows. Above the pumping cathode 116 , which in turn is designed as a mixed potential electrode, is again a cathode cavity 120 formed, which opposite the gas space 122 through a gas-tight cover layer 130 is shielded. The cathode cavity 120 is with the gas space 122 via a flow resistance element 124 separated in the form of a dense, small-pored ceramic layer, analogous to the previous embodiments.

Über der Pumpanode 118 ist wiederum ein Hohlraum 132 ausgebildet, welcher ebenfalls durch die gasdichte Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 122 abgetrennt ist. Der Hohlraum 132 ist durch den einen Diffusionskanal 134 vom Gasraum 122 getrennt, wobei ein poröses Element 310, analog zum Ausführungsbeispiel in 3, in den Diffusionska nal 134 eingebracht ist. Diffusionskanal 134 und poröses Element 310 wirken zusammen als Diffusionswiderstandselement 128, wobei bezüglich der Dimensionierung des Diffusionskanals 134 auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.Above the pump anode 118 is again a cavity 132 formed, which also by the gas-tight cover layer 130 opposite the gas space 122 is separated. The cavity 132 is through the one diffusion channel 134 from the gas space 122 separated, with a porous element 310 , analogous to the embodiment in 3 , in the diffusion channel 134 is introduced. diffusion channel 134 and porous element 310 act together as a diffusion resistance element 128 , wherein with respect to the dimensioning of the diffusion channel 134 Reference may be made to the above description.

Weiterhin ist, wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auch im Ausführungsbeispiel gemäß 4 wiederum ein Heizelement 140 vorgesehen. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei dieser Planaren Anordnung mit nebeneinanderliegenden Elektroden 116, 118 jedoch im Beispiel gemäß 4 eine asymmetrische Heizung realisiert, bei welcher Pumpanode 118 und Diffusionswiderstandselement 128 im räumlichen Durchschnitt mit einer Temperatur beheizt werden, welche ca. 20% unterhalb der mittleren Temperatur von Pumpkathode 116 und Strömungswiderstandselement 124 liegt. Zu diesem Zweck ist das Heizelement 140 derart angeordnet, dass dies lateral die Pumpanode 118 und das Diffusionswiderstandselement 128 nicht vollständig abdeckt, da sich das Heizelement 140 nicht in gleichem Maße zum rechten Rand des Sensorelements 110 erstreckt wie zum linken Rand. Durch diese erhöhte Betriebstemperatur auf Seiten der Pumpkathode 116 wird ein Gaseinlass, welcher in 4 symbolisch mit 410 bezeichnet ist, aus dem Gasraum 122 in den Kathodenhohlraum 120 durch das poröse Strömungswiderstandselement 124 (Diffusionsprozess) begünstigt. Gleichzeitig wird durch die niedrigere Betriebstemperatur auf Seiten der Pumpanode 118 zwar ein Ausströmen von Sauerstoff (Gasausstrom 412) aus dem Hohlraum 132 in den Gasraum 122 ermöglicht, wobei jedoch eine Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 122 in den Hohlraum 132 durch den Diffusionskanal 134 und das poröse Element 310 aufgrund der geringeren Temperatur unterdrückt werden.Furthermore, as in the previous embodiments, also in the embodiment according to 4 again a heating element 140 intended. In contrast to the preceding embodiments is in this planar array with adjacent electrodes 116 . 118 however, in the example according to 4 realized an asymmetric heating, in which pump anode 118 and diffusion resistance element 128 be heated in the spatial average at a temperature which is about 20% below the mean temperature of the pump cathode 116 and flow resistance element 124 lies. For this purpose, the heating element 140 arranged such that this laterally the pump anode 118 and the diffusion resistance element 128 not completely covering, as the heating element 140 not to the same extent to the right edge of the sensor element 110 extends like the left edge. Due to this increased operating temperature on the side of the pump cathode 116 is a gas inlet, which in 4 symbolically with 410 is designated, from the gas space 122 in the cathode cavity 120 through the porous flow resistance element 124 (Diffusion process) favors. At the same time is due to the lower operating temperature on the part of the pump anode 118 Although an outflow of oxygen (gas outflow 412 ) from the cavity 132 in the gas space 122 allows, but with a diffusion of fuel gases from the gas space 122 in the cavity 132 through the diffusion channel 134 and the porous element 310 be suppressed due to the lower temperature.

Bei den Ausführungsbeispielen in den 1, 3 und 4 ist die Pumpanode 118 zwar gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt, ist jedoch dennoch mit diesem (über das Diffusionswiderstandselement 128) verbunden. Im Gegensatz dazu zeigt 5 ein ebenfalls erfindungsgemäß einsetzbares Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110, bei welchem die Pumpanode 118 vollständig vom Gasraum 112 getrennt ist und stattdessen über einen Abluftkanal 510 mit einem Referenzgasraum 512 verbunden ist, beispielsweise ein Motorraum eines Kraftfahrzeugs.In the embodiments in the 1 . 3 and 4 is the pump anode 118 although opposite the gas space 112 shielded, but is still with this (via the diffusion resistance element 128 ) connected. In contrast, shows 5 a likewise usable according to the invention Embodiment of a sensor element 110 in which the pump anode 118 completely from the gas space 112 is separated and instead via an exhaust duct 510 with a reference gas space 512 is connected, for example, an engine compartment of a motor vehicle.

Das Sensorelement 110 weist auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite einen ersten Festelektrolyten 114, beispielsweise wiederum einen Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid-Elektrolyten, auf. Daneben ist ein zweiter, im Inneren des Sensorelements 110 angeordneter Festelektrolyt 514 vorgesehen. Die Festelektrolyten 114, 514 werden kontaktiert durch eine Pumpkathode 116 und eine Pumpanode 118, welche jeweils zweiteilig ausgebildet sind, mit einer oberen, den oberen Festelektrolyten 114 kontaktierenden Teilkathode 516, einer unteren Teilkathode 518, welche den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert einer oberen Teilanode 520, welche den oberen Festelektrolyten 114 kontaktiert und einer unteren Teilanode 522, welche wiederum den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert. Die beiden Teilkathoden 516 und 518 bzw. die beiden Teilanoden 520, 522 sind jeweils miteinander verbunden und bilden somit jeweils zusammen die Pumpkathode 116 bzw. die Pumpanode 118. Die Aufspaltung in mehrere Teilelektroden bewirkt eine vergrößerte Elektrodenoberfläche und somit einen verringerten Innenwiderstand des Sensorelements 110. Zwischen den Teilkathoden 516, 518 ist dabei ein Kathodenhohlraum 120 vorgesehen und zwischen den beiden Teilanoden 520, 522 ein Anodenhohlraum 132.The sensor element 110 points to the gas space 112 facing side a first solid electrolyte 114 , Again, for example, an yttrium-stabilized zirconia electrolyte on. Next to it is a second, inside the sensor element 110 arranged solid electrolyte 514 intended. The solid electrolytes 114 . 514 are contacted by a pump cathode 116 and a pump anode 118 , which are each formed in two parts, with an upper, the upper solid electrolyte 114 contacting partial cathode 516 , a lower part cathode 518 , which is the lower solid electrolyte 514 contacted an upper part anode 520 , which the upper solid electrolyte 114 contacted and a lower sub-anode 522 , which in turn the lower solid electrolyte 514 contacted. The two partial cathodes 516 and 518 or the two partial anodes 520 . 522 are each connected to each other and thus each together form the pump cathode 116 or the pump anode 118 , The splitting into a plurality of sub-electrodes causes an enlarged electrode surface and thus a reduced internal resistance of the sensor element 110 , Between the partial cathodes 516 . 518 is a cathode cavity 120 provided and between the two partial anodes 520 . 522 an anode cavity 132 ,

Analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 steht der Kathodenhohlraum 120 über ein Gaszutrittsloch und ein Strömungswiderstandselement 124 mit dem Gasraum 120 in Verbindung. Die Pumpkathode 116 ist wiederum, wie oben beschrieben, aus Brenngassensitivem Material hergestellt. Die Pumpkathode 218 wird durch eine Kathodenzuleitung 524, welche auf dem unteren Festelektrolyten 514 angeordnet ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Kathodenanschluss 526 auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 und eine elektrische Durchkontaktierung 528 kann die Pumpkathode 116 mit einer entsprechenden elektronischen Steuervorrichtung (vergleiche unten die 8A und 8B) verbunden werden und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.Analogous to the first embodiment according to 1 is the cathode cavity 120 via a gas inlet hole and a flow resistance element 124 with the gas space 120 in connection. The pump cathode 116 is again, as described above, made of fuel gas sensitive material. The pump cathode 218 is through a cathode lead 524 , which on the lower solid electrolyte 514 is arranged, electrically contacted. Via a cathode connection 526 on top of the solid electrolyte 114 and an electrical via 528 can the pump cathode 116 with a corresponding electronic control device (see below the 8A and 8B ) are connected and, for example, be subjected to a voltage.

Der Anodenhohlraum 132 ist über den Abluftkanal 510 mit dem Referenzgasraum 512 verbunden. Anodenhohlraum 132 und Abluftkanal 510 sind dabei entweder ungefüllt oder auch mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen Füllelement 530 auf Al₂O₃-Basis gefüllt. In dem oben beschriebenen mindestens einen amperometrischen Messzustand, in welchem Sauerstoff von der Pumpkathode 116 zur Pumpanode 118 gepumpt wird, dient der Abluftkanal 510 dazu, Sauerstoff unter vergleichsweise geringem Strömungswiderstand zum Referenzgasraum 512 abzuleiten, so dass im Anodenhohlraum 132 kein oder nur ein geringer Überdruck entsteht. Im potentiometrischen Messzustand hingegen dienen, hier wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, der Anodenhohlraum 132 und der Abluftkanal 510, jeweils mit dem porösen Füllelement 530, als Luftreferenz zur potentiometrischen Bestimmung des Potentialunterschieds zwischen den Elektroden 116, 118.The anode cavity 132 is over the exhaust duct 510 with the reference gas space 512 connected. anode cavity 132 and exhaust duct 510 are either unfilled or with an oxygen-permeable porous filler 530 filled on Al ₂ O ₃ basis. In the at least one amperometric measurement state described above, in which oxygen from the pump cathode 116 to the pump anode 118 is pumped, serves the exhaust duct 510 in addition, oxygen with comparatively low flow resistance to the reference gas space 512 dissipate so that in the anode cavity 132 no or only a slight overpressure arises. On the other hand, in the potentiometric measurement state, here, as in the preceding embodiments, the anode cavity is used 132 and the exhaust duct 510 , each with the porous filling element 530 , as an air reference for the potentiometric determination of the potential difference between the electrodes 116 . 118 ,

Die Pumpanode 118 ist über eine Anodenzuleitung 532 elektrisch kontaktiert und über eine weitere elektrische Durchkontaktierung 534 im Festelektrolyten 114 mit einem auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordneten Anodenanschluss 536 verbunden. Über diesen Anodenanschluss 536 kann die Pumpanode 118 beispielsweise mit ebenfalls mit der elektronischen Steuervorrichtung (siehe unten die 8A und 8B) verbunden werden, so dass beispielsweise (im amperometrischen Messzustand) zwischen Pumpanode 118 und Pumpkathode 116 eine Spannung (beispielsweise eine konstante Spannung) angelegt werden kann und/oder ein Pumpstrom gemessen werden kann. Anodenzuleitung 532 und Kathodenzuleitung 524 sind dabei in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 nebeneinander liegend angeordnet und durch den Abluftkanal 510 gegeneinander getrennt. Alternativ kann auch eine übereinander liegende Anordnung der Zuleitung 524, 532 realisiert werden.The pump anode 118 is via an anode lead 532 electrically contacted and via another electrical feedthrough 534 in the solid electrolyte 114 with one on top of the solid electrolyte 114 arranged anode connection 536 connected. About this anode connection 536 can the pump anode 118 for example, also with the electronic control device (see below the 8A and 8B ), so that, for example (in the amperometric measurement state) between the pump anode 118 and pump cathode 116 a voltage (for example a constant voltage) can be applied and / or a pumping current can be measured. anode lead 532 and cathode lead 524 are in the embodiment according to 5 arranged side by side lying and through the exhaust duct 510 separated from each other. Alternatively, a superimposed arrangement of the supply line 524 . 532 will be realized.

Unterhalb des unteren Festelektrolyten 514 ist wiederum ein Heizelement 140 angeordnet, in welchem ein Heizwiderstand 144 zwischen zwei Isolatorschichten 142 eingebettet ist. Der Heizwiderstand 144 kann über Durchkontaktierungen 538 in einem Trägersubstrat 540 und Heizkontakte 542 elektrisch kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann dieser Heizstrom mit einer Regelung geregelt werden, welche beispielsweise einen konstanten Innenwiderstand des Sensorelements 110 einstellt.Below the lower solid electrolyte 514 is again a heating element 140 arranged in which a heating resistor 144 between two insulator layers 142 is embedded. The heating resistor 144 can via vias 538 in a carrier substrate 540 and heating contacts 542 electrically contacted and acted upon by a heating current. For example, this heating current can be regulated with a regulation which, for example, a constant internal resistance of the sensor element 110 established.

Auch mittels der in 5 dargestellten Anordnung des Sensorelements 110 mit vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmter Pumpanode 118 kann die in 2 dargestellte eindeutige Kennlinie 220 realisiert werden. Beim Einsatz als Lambda-Sonde wird dabei im mageren Bereich 212 ein Pumpstrom entsprechend dem Sauerstoffpartialdruck gemessen, im fetten Bereich 210 hingegen kein Strom, da kein freier Sauerstoff vorliegt und da die gewählte Pumpspannung vorteilhafterweise unterhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Somit kann eine Brenngasoxidation an der innen liegenden, abgeschirmten, Brenngas-blinden Pumpanode 118 auftreten. Dadurch lässt sich ein kostengünstiges, als Einzeller aufgebautes Sensorelement 210 realisieren, welches beispielsweise auch für den Einsatz in Dieselfahrzeugen geeignet ist.Also by means of in 5 illustrated arrangement of the sensor element 110 with completely opposite the gas space 112 Shielded pump anode 118 can the in 2 illustrated unique characteristic 220 will be realized. When used as a lambda probe is doing in the lean area 212 a pumping current measured according to the oxygen partial pressure, in the rich range 210 on the other hand no current, since there is no free oxygen and since the selected pumping voltage is advantageously below the decomposition voltage of the water. Thus, a fuel gas oxidation at the inner, shielded, fuel gas-blind pump anode 118 occur. This allows a cost-effective, designed as a single cell sensor element 210 realize, which is suitable, for example, for use in diesel vehicles.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches erfindungsgemäß eingesetzt werde kann. Dieses Sensorelement 110 kombiniert Wesensmerkmale der Ausführungsbeispiele gemäß den 3 und 5. So weist das Sensorelement 110 wiederum einen Festelektrolyten 114 auf, wobei, analog zum Ausführungsbeispiel in 3, auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite des Festelektrolyten 114 eine Pumpkathode 116 angeordnet ist, und auf der dem Gasraum 112 abgewandten, innen liegenden Seite des Festelektrolyten 114 eine Pumpanode 118. Die Pumpkathode 116 ist dabei wiederum als Mischpotentialelektrode ausgebildet, mit in diesem Ausführungsbeispiel einer Cermet-Elektrode 610 und einem Kontaktrahmen 612. Analog zum Ausführungsbeispiel in 3 ist die Kathode durch eine gasundurchlässige Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt, wobei wiederum ein Strömungswiderstandselement 124 vorgesehen ist, welches ein Eindringen von Gasgemisch aus dem Gasraum 112 in den Kathodenhohlraum 120 ermöglicht. Die Pumpkathode 116 wird wiederum durch eine Katho denzuleitung 524, welche auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, sowie einen Kathodenanschluss 526 elektrisch kontaktiert.In 6 is another embodiment of a sensor element 110 represented, which can be used according to the invention. This sensor element 110 combines features of the embodiments according to the 3 and 5 , This is how the sensor element points 110 turn a solid electrolyte 114 auf, wherein, analogous to the embodiment in 3 , on the gas space 112 facing side of the solid electrolyte 114 a pump cathode 116 is arranged, and on the gas space 112 remote, inner side of the solid electrolyte 114 a pump anode 118 , The pump cathode 116 is again designed as a mixed potential electrode, in this embodiment, a cermet electrode 610 and a contact frame 612 , Analogous to the exemplary embodiment in FIG 3 is the cathode through a gas impermeable cover layer 130 opposite the gas space 112 shielded, again with a flow resistance element 124 is provided, which is a penetration of gas mixture from the gas space 112 in the cathode cavity 120 allows. The pump cathode 116 is in turn by a Katho denzuleitung 524 which is on top of the solid electrolyte 114 is arranged, and a cathode connection 526 electrically contacted.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 steht die innen liegende Pumpanode 118 jedoch nicht über ein Gaszutrittsloch 122 mit dem Gasraum 112 in Verbindung, sondern ist, analog zum Ausführungsbeispiel in 5, vollständig vom Gasraum 112 getrennt und steht über einen Abluftkanal 510 mit einem Referenzgasraum 512 in Verbindung. Unterhalb der Pumpkathode 118 ist wiederum ein Anodenhohlraum 132 vorgesehen. Anodenhohlraum 132 und Abluftkanal 510 sind wiederum mit einem porösen Füllelement 530 gefüllt. Analog zur obigen Beschreibung der 5 dient, je nach Messzustand, der Abluftkanal 510 bzw. der Anodenhohlraum 132 zur Abfuhr von Sauerstoff aus dem Anodenbereich bzw. als Referenzgasraum für eine potentiometrische Messung.In contrast to the embodiment according to 3 is the inner pump anode 118 but not over a gas entry hole 122 with the gas space 112 in connection, but is, analogous to the embodiment in 5 completely from the gas room 112 separated and is via an exhaust duct 510 with a reference gas space 512 in connection. Below the pump cathode 118 again is an anode cavity 132 intended. anode cavity 132 and exhaust duct 510 are in turn with a porous filling element 530 filled. Analogous to the above description of 5 is used, depending on the state of measurement, the exhaust duct 510 or the anode cavity 132 for the removal of oxygen from the anode region or as a reference gas space for a potentiometric measurement.

Die Pumpanode 118 wird wiederum über eine Anodenzuleitung 532, eine elektrische Durchkontaktierung 534 und einen Anodenanschluss 536 auf der Oberfläche des Festelektrolyten 114 elektrisch kontaktiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anodenzuleitung 532 und der Abluftkanal 510 teilweise überlappend ausgebildet. Der Aufbau des Sensorelements 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 6 bietet im Wesentlichen dieselben Vorteile wie der Aufbau gemäß 5, wobei jedoch auf eine der technisch aufwendigen Durchkontaktierungen im oberen Festelektrolyten 114 verzichtet werden kann.The pump anode 118 is in turn via an anode lead 532 , an electrical feedthrough 534 and an anode connection 536 on the surface of the solid electrolyte 114 electrically contacted. In this embodiment, the anode lead 532 and the exhaust duct 510 partially overlapping. The structure of the sensor element 110 according to the embodiment in 6 offers essentially the same advantages as the design according to 5 , but with one of the technically complicated plated-through holes in the upper solid electrolyte 114 can be waived.

Die Ausführungsbeispiele des Sensorelements 110 gemäß den 1, 3, 4, 5 und 6 weisen als erste Elektrode lediglich die Pumpkathode 116 auf. Diese Pumpkathode 116 wird somit sowohl im amperometrischen Messzustand eingesetzt (lediglich in diesem Fall handelt es sich um eine echte „Pumpelektrode") als auch im potentiometrischen Messzustand. Da amperometrische Messung und potentiometrische Messung nur schwer gleichzeitig durchführbar sind, wird in der Regel der oben beschriebene getaktete oder zyklische Betrieb eingesetzt, in welchem zwischen den Messzuständen umgeschaltet wird.The embodiments of the sensor element 110 according to the 1 . 3 . 4 . 5 and 6 have only the pump cathode as the first electrode 116 on. This pump cathode 116 is therefore used both in the amperometric measurement state (in this case only being a true "pump electrode") and in the potentiometric measurement state Since amperometric measurement and potentiometric measurement are difficult to carry out simultaneously, the clocked or cyclic one described above is generally used Used operation in which is switched between the measurement states.

In 7 ist demgegenüber ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem Pumpkathode 116 und Mischpotentialelektrode 710 als getrennte Elektroden ausgebildet sind. Dabei entspricht der Aufbau des Sensorelements 110 im Wesentlichen dem Aufbau des Sensorelements 110 gemäß 5, so dass bezüglich der einzelnen Elemente und des Aufbaus weitgehend auf die obige Beschreibung zu dieser Figur verwiesen werden kann. Wiederum sind zweiteilige, nebeneinander liegend, innen liegende Pumpelektroden 116, 118 vorgesehen, wobei die Pumpkathode 116 über ein Gaszutrittsloch 122 und ein Strömungswiderstandselement 124 mit Gasgemisch aus dem Gasraum beaufschlagt werden kann. In diesem Fall ist die Pumpkathode 116 jedoch vorzugsweise aus einem üblichen, d. h. nicht- Brenngas-sensitivem Material, wie beispielsweise Platin (oder ein Platin-Cermet) hergestellt. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Pumpkathode 118 vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt und über einen Abluftkanal 510 mit dem Referenzgasraum 512 verbunden.In 7 In contrast, an embodiment is shown in which pump cathode 116 and mixed potential electrode 710 are formed as separate electrodes. In this case, the structure of the sensor element corresponds 110 essentially the structure of the sensor element 110 according to 5 , so that with respect to the individual elements and the structure can be largely referenced to the above description of this figure. Again, there are two-piece, juxtaposed, internal pumping electrodes 116 . 118 provided, wherein the pump cathode 116 via a gas access hole 122 and a flow resistance element 124 can be acted upon with gas mixture from the gas space. In this case, the pump cathode 116 however, preferably made from a conventional, ie non-fuel gas sensitive, material such as platinum (or a platinum cermet). As in the embodiment according to 5 is the pump cathode 118 completely opposite the gas space 112 shielded and via an exhaust duct 510 with the reference gas space 512 connected.

Zusätzlich zur Pumpkathode 116 weist das Sensorelement 110 gemäß 7 auf der Oberseite des oberen, dem Gasraum 112 zugewandten Festelektrolyten 114 die beschriebene Mischpotentialelektrode 710 auf, welche derart angeordnet ist, dass sich diese in ihrer senkrechten Projektion zumindest teilweise mit der Pumpanode überlappt. Die Mischpotentialelektrode 710 weist eines der oben beschriebenen Brenngas-sensitiven Elektrodenmaterialien auf. Die Mischpotentialelektrode 710 ist über eine Mischpotentialelektrodenzuleitung 712, welche ebenfalls auf der Oberfläche des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, mit einem Potentialkontakt 714 verbunden, so dass das Sensorelement 110 nun auf seiner Oberfläche 3 Elektrodenkontakte 526, 536 und 714 aufweist.In addition to the pump cathode 116 has the sensor element 110 according to 7 on top of the upper, the gas space 112 facing solid electrolyte 114 the described mixed potential electrode 710 which is arranged such that it overlaps in its vertical projection at least partially with the pump anode. The mixed potential electrode 710 has one of the fuel gas-sensitive electrode materials described above. The mixed potential electrode 710 is via a mixed potential electrode lead 712 , which also on the surface of the solid electrolyte 114 is arranged with a potential contact 714 connected so that the sensor element 110 now on its surface 3 electrode contacts 526 . 536 and 714 having.

Während sich in den vorhergehenden Beispielen die Pumpzelle und die Potentialzelle jeweils bauteilidentisch aus den Elektroden 116, 118 und den Festelektrolyten 114, 514 zusammensetzten, sind Pumpzelle und Potentialzelle nunmehr getrennt. Während die Pumpzelle nach wie vor aus den Elektroden 116, 118 und den Festelektrolyten 114, 514 gebildet wird, bilden die Mischpotentialelektrode 710, der obere Festelektrolyt 114 und die Pumpanode 118 nunmehr zusätzlich die Potentialzelle.While in the previous examples, the pumping cell and the potential cell are identical in each case from the electrodes 116 . 118 and the solid electrolyte 114 . 514 composed, pump cell and potential cell are now separated. While the pump cell still from the Elek trodes 116 . 118 and the solid electrolyte 114 . 514 form the mixed potential electrode 710 , the upper solid electrolyte 114 and the pump anode 118 now additionally the potential cell.

In den 8A und 8B sind zwei Ausführungsbeispiele von Systemen 810 dargestellt, mittels derer mit Hilfe der oben beschriebenen Sensorelemente 110 mindestens eine Gaskomponente eines Gasgemischs im Gasraum 112 gemessen werden kann. Das System 810 weist jeweils mindestens ein Sensorelement 110 auf, beispielsweise eines der oben beschriebenen Sensorelemente. Vorzugsweise werden dabei mehrere Sensorelemente 110 eingesetzt, beispielsweise Sensorelemente im Abgasstrang vor und nach entsprechenden Abgasnachbehandlungsvorrichtungen. Zur Vereinfachung ist hier jedoch nur ein Sensorelement 110 dargestellt. Dabei zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 8A ein Beispiel, bei welchem ein Sensorelement 110 verwendet wird, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode 116 einstückig ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8B ist hingegen die erste Elektrode zweistückig ausgebildet, mit einer Mischpotentialelektrode 710, welche von der Pumpkathode 116 getrennt angeordnet ist, analog beispielsweise zum Ausführungsbeispiel gemäß 7.In the 8A and 8B are two embodiments of systems 810 represented by means of which by means of the sensor elements described above 110 at least one gas component of a gas mixture in the gas space 112 can be measured. The system 810 each has at least one sensor element 110 on, for example, one of the sensor elements described above. Preferably, a plurality of sensor elements 110 used, for example, sensor elements in the exhaust system before and after corresponding exhaust aftertreatment devices. For simplicity, however, here is only one sensor element 110 shown. It shows the embodiment according to 8A an example in which a sensor element 110 is used, wherein the at least one first electrode 116 is integrally formed. In the embodiment according to 8B In contrast, the first electrode is formed in two pieces, with a mixed potential electrode 710 , which from the pump cathode 116 is arranged separately, analogously, for example, according to the embodiment according to 7 ,

Das erfindungsgemäße System 810 umfasst, neben den mindestens einen Sensorelement 110, eine elektronisch Steuervorrichtung 812, welche in diesen Figuren lediglich schema tisch und symbolisch dargestellt ist. Die elektronische Steuervorrichtung 812 kann beispielsweise als integraler Bestandteil des Sensorelements 110 ausgebildet sein, als separates Bauteil, oder sie kann dezentralisiert und teilweise in das Sensorelement 110 integriert ausgebildet sein.The system according to the invention 810 includes, in addition to the at least one sensor element 110 , an electronic control device 812 , which is shown only schematically and symbolically in these figures. The electronic control device 812 can, for example, as an integral part of the sensor element 110 be formed as a separate component, or it may be decentralized and partially in the sensor element 110 be formed integrated.

Die elektronische Steuervorrichtung umfasst eine amperometrische Messvorrichtung 814 und eine potentiometrische Messvorrichtung 816. Die amperometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsquelle 818 auf, beispielsweise eine regelbare Spannungsquelle, mittels derer in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand die Pumpelektroden 116, 118 mit einer Pumpspannung beaufschlagt werden können. Weiterhin ist eine Strommessvorrichtung 820 vorgesehen, mittels derer in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand der Pumpstrom I_p gemessen werden kann. Pumpspannungsquelle 818 und Strommessvorrichtung 820 werden von einer zentralen Steuereinheit 822 angesteuert bzw. ausgelesen, welche beispielsweise elektronische Bauteile und/oder einen Mikrocomputer enthalten kann.The electronic control device comprises an amperometric measuring device 814 and a potentiometric measuring device 816 , The amperometric measuring device has a voltage source 818 on, for example, a controllable voltage source, by means of which in the at least one amperometric measurement state, the pumping electrodes 116 . 118 can be acted upon by a pump voltage. Furthermore, a current measuring device 820 provided by means of which in the at least one amperometric measurement state of the pumping current I _p can be measured. Pump voltage source 818 and current measuring device 820 be from a central control unit 822 controlled or read, which may contain, for example, electronic components and / or a microcomputer.

Die potentiometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsmessvorrichtung 824 auf. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8A die Spannungsmessvorrichtung 824 die Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden 116, 118 misst, erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8B eine Messung zwischen der Mischpotentialelektrode 710 und der Pumpanode 118, wobei letztere in diesem Fall nicht als Pumpelektrode fungiert, sondern als Potentialelektrode. Auch die potentiometrische Messvorrichtung 816 wird über die zentrale Steuereinheit 822 angesteuert und ausgelesen. Die zentrale Steuereinheit 822 steht über eine Schnittstelle 826 mit anderen Komponenten in Verbindung, so dass beispielsweise Regelsignale zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors und/oder von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von der elektronischen Steuervorrichtung 812 abgegeben werden können, oder dass die elektronische Steuervorrichtung 812 von außen entsprechend angesteuert werden kann, um beispielsweise in einem Regenerationsbetrieb eines Katalysators den potentiometrischen Messzustand einzustellen, und in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs den amperometrischen Messzustand. Weiterhin kann die elektronische Steuervorrichtung 812 auch eine Einrichtung zum Takten der Messzustände enthalten, beispielsweise um einen regelmäßigen Wechsel zwischen einem amperometrischen und einem potentiometrischen Messzustand einzustellen. Die von der elektronischen Steuervorrichtung 812 gewonnenen Informationen können beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) verwendet werden, von einer zentralen Motorsteuerung zur Steuerung des Verbrennungsmotors eingesetzt werden und/oder über einen Bordcomputer an einen Fahrer übermittelt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Fehlfunktion eines Katalysators, d. h. ein Überschreiten vorgegebener Grenzwerte hinsichtlich zum Bei spiel einer Brenngasemission, unmittelbar erkannt und eine entsprechende Warnung ausgegeben werden.The potentiometric measuring device has a voltage measuring device 824 on. While in the embodiment according to 8A the tension measuring device 824 the voltage between the two pumping electrodes 116 . 118 measures takes place in the embodiment according to 8B a measurement between the mixed potential electrode 710 and the pump anode 118 the latter, in this case, does not function as a pumping electrode but as a potential electrode. Also the potentiometric measuring device 816 is via the central control unit 822 controlled and read. The central control unit 822 is via an interface 826 with other components in connection, so that, for example, control signals for controlling an internal combustion engine and / or exhaust aftertreatment devices of the electronic control device 812 can be issued, or that the electronic control device 812 be controlled accordingly from the outside, for example, to set the potentiometric measurement state in a regeneration operation of a catalyst, and in a normal operation of the motor vehicle, the amperometric measurement state. Furthermore, the electronic control device 812 Also include a means for clocking the measurement states, for example, to set a regular change between an amperometric and a potentiometric measurement state. The from the electronic control device 812 Information obtained can be used for example in the context of an on-board diagnosis (OBD), be used by a central engine control for controlling the internal combustion engine and / or transmitted via an on-board computer to a driver. In this way, for example, a malfunction of a catalyst, ie exceeding predetermined limits with respect to the case of a fuel gas emission, detected immediately and issued a corresponding warning.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 102004035826 A1 [0003] DE 102004035826 A1 [0003]
• - DE 19938416 A1 [0003] - DE 19938416 A1 [0003]
• - DE 102005027225 A1 [0003] DE 102005027225 A1 [0003]
• - EP 0678740 B1 [0005] EP 0678740 B1 [0005]

Claims (19)

Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), wobei mindestens ein Sensorelement (110) mit mindestens einer ersten Elektrode (116), mindestens einer zweiten Elektrode (118) und mindestens einem die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (114, 514) eingesetzt wird, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) umfasst und mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) gegenüber dem Gasraum (112) abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens zwei Betriebszustände umfasst: – mindestens einen amperometrischen Messzustand, wobei zwischen die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) eine Pumpspannung angelegt wird, wobei mindestens ein zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) fließender Pumpstrom erfasst wird; und – mindestens einen potentiometrischen Messzustand, wobei mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) erfasst wird.Method for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space ( 112 ), wherein at least one sensor element ( 110 ) with at least one first electrode ( 116 ), at least one second electrode ( 118 ) and at least one of the at least one first electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) connecting solid electrolyte ( 114 . 514 ), wherein the at least one first electrode ( 116 ) at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) and can be acted upon with the gas mixture, wherein the at least one second electrode ( 118 ) opposite the gas space ( 112 ) is shielded, characterized in that the method comprises at least two operating states: - at least one amperometric measurement state, wherein between the at least one first electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 a pump voltage is applied, at least one between the at least one first electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) is detected flowing pumping current; and - at least one potentiometric measurement state, wherein at least one voltage between the at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) and the at least one second electrode ( 118 ) is detected. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens einer ersten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird und dass aus der mindestens einen erfassten Spannung auf eine Konzentration mindestens einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird.Method according to the preceding Claim, characterized in that from the at least one Pumping current to the concentration of at least a first gas component is closed in the gas mixture and that from the at least one detected voltage to a concentration of at least a second Gas component is closed in the gas mixture. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist mindestens ein Elektrodenmaterial mit einer geringeren elektrokatalytischen Aktivität auf als Platin; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer Beimischung eines katalytisch inaktiven Metalls, insbesondere von Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, insbesondere im Bereich zwischen 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 1,0 Gew.-%; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer zumindest teilweisen Bedeckung durch ein katalytisch inaktives Me tall, insbesondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, wobei die zumindest teilweise Bedeckung vorzugsweise unvollständig ist; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid, auf, insbesondere ein Metalloxid auf Perowskitbasis und/oder Chromitbasis und/oder Gallatbasis; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist einen Keramik-Metall-Verbundwerkstoff auf; – die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Gemisch aus mindestens einer Oxidkeramik und mindestens einem der folgenden Metalle auf: Gold, Silber, Kupfer, Blei.Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has at least one of the following properties: - the at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has at least one electrode material having a lower electrocatalytic activity than platinum; The at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has a platinum electrode, with an admixture of a catalytically inactive metal, in particular of gold and / or silver and / or copper and / or lead, in particular in the range between 0.05 wt .-% to 5 wt .-%, particularly preferably between 0.1% by weight and 1.0% by weight; The at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has a platinum electrode, with at least partial coverage by a catalytically inactive Me tall, in particular gold and / or silver and / or copper and / or lead, wherein the at least partially covering is preferably incomplete; The at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has an oxide, in particular a metal oxide, in particular a perovskite-based and / or chromite-based and / or gallate-based metal oxide; The at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) comprises a ceramic-metal composite material; The at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) has a mixture of at least one oxide ceramic and at least one of the following metals: gold, silver, copper, lead. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (116) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) und/oder mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one first electrode ( 116 ) via at least one flow resistance element ( 124 ) with the at least one gas space ( 112 ), wherein the at least one second electrode ( 118 ) via at least one diffusion resistance element ( 128 ) with the at least one gas space ( 112 ) and / or at least one reference gas space ( 512 ), characterized in that the at least one flow resistance element ( 124 ) and the at least one diffusion resistance element ( 128 ) are configured such that the limiting current of the at least one second electrode ( 118 ) is smaller than the limiting current of the at least one first electrode ( 116 ). Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) einen größeren Strömungswiderstand aufweist als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128).Method according to the preceding claim, characterized in that the at least one flow resistance element ( 124 ) and the at least one diffusion resistance element ( 128 ) are configured such that the at least one flow resistance element ( 124 ) has a greater flow resistance than the at least one diffusion resistance element ( 128 ). Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one diffusion resistance element ( 128 ) has a greater diffusion resistance than the at least one flow resistance element ( 124 ). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als 1/100 des Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116) und vorzugsweise kleiner ist als 1/1000 des Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the limiting current of the at least one second electrode ( 118 ) is less than 1/100 of the limiting current of the at least one first electrode ( 116 ) and preferably less than 1/1000 of the limiting current of the at least one first electrode ( 116 ). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) 1 bis 20 Mikroampere beträgt, vorzugsweise 10 Mikroampere, und dass der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116) 500 Mikroampere bis 6 Milliampere beträgt, vorzugsweise 1,5 Milliampere.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the limiting current of the at least one second electrode ( 118 ) 1 to 20 microamps, preferably 10 microamps, and that the limiting current of mindes at least one first electrode ( 116 ) Is 500 microamps to 6 milliamps, preferably 1.5 milliamperes. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (116) neben der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine Pumpelektrode (116) umfasst, wobei die Pumpspannung in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand zwischen die mindestens eine Pumpelektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) angelegt wird, wobei der mindestens eine Pumpstrom zwischen der mindestens einen Pumpelektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird und wobei in dem mindestens einen potentiometrischen Messzustand die mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one first electrode ( 116 ) next to the at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) at least one pumping electrode ( 116 ), wherein the pumping voltage in the at least one amperometric measuring state between the at least one pumping electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) is applied, wherein the at least one pumping current between the at least one pumping electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) and wherein in the at least one potentiometric measurement state the at least one voltage between the at least one mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) and the at least one second electrode ( 118 ) is measured. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch und einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pumpelektrode (116) von dem mindestens einen Gasraum (112) getrennt ist durch das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).Method according to the preceding claim and one of claims 3-7, characterized in that the at least one pumping electrode ( 116 ) of the at least one gas space ( 112 ) is separated by the at least one flow resistance element ( 124 ). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiometrische Messzustand zumindest zeitweise gleichzeitig verwendet werden.Method according to one of the claims 9 and 10, characterized in that the at least one amperometric Measurement state and the at least one potentiometric measurement state at least temporarily used at the same time. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiometrische Messzustand zumindest zeitweise getaktet eingesetzt werden, wobei die Taktzyklen derart gewählt werden, dass während des amperometrischen Messzustandes eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode (116) zu der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gepumpt wird, um dort während des mindestens einen potentiometrischen Messzustandes als Referenz zu fungieren.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one amperometric measurement state and the at least one potentiometric measurement state are used at least intermittently clocked, wherein the clock cycles are selected such that during the amperometric measurement state, a predetermined amount of at least one first gas component to be detected the at least one first electrode ( 116 ) to the at least one second electrode ( 118 ) is pumped to act as a reference during the at least one potentiometric measurement state. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand verwendet wird, um mindestens eine Information über mindestens eine Funktion mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu generieren, wobei die mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung insbesondere mindestens einen Katalysator und/oder mindestens einen Filter aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the potentiometric measuring state is used is at least one piece of information about at least one function to generate at least one exhaust aftertreatment device, wherein the at least one exhaust aftertreatment device in particular has at least one catalyst and / or at least one filter. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand während eines Regenerationsbetriebes der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird.Method according to the preceding Claim, characterized in that the potentiometric measurement state during a regeneration operation of the at least one Exhaust after-treatment device is used. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Information eingesetzt wird, um die mindestens eine Funktion zu regeln.Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one information is used to at least to regulate a function. Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorelemente (110) eingesetzt werden, wobei mindestens ein erstes Sensorelement (110) im Abgasstrang vor der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird und mindestens ein zweites Sensorelement (110) im Abgasstrang nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.Method according to one of the three preceding claims, characterized in that at least two sensor elements ( 110 ), wherein at least one first sensor element ( 110 ) is used in the exhaust line before the at least one exhaust aftertreatment device and at least one second sensor element ( 110 ) in the exhaust line after the at least one exhaust aftertreatment device. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (110) mindestens einen der nachfolgenden Schichtaufbauten aufweist: – die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswi derstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist; – die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist; – die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) verbunden, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist; – die mindestens eine erste Elektrode (116) umfasst mindestens eine auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnete Mischpotentialelektrode (116; 710) und mindestens eine im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnete Pumpelektrode (116), wobei die mindestens eine Pumpelektrode (116) mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor element ( 110 ) has at least one of the following layer structures: the at least one first electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) are on one of the at least one gas space ( 112 ) facing side of the at least one solid electrolyte ( 114 . 514 ), wherein the at least one first electrode ( 116 ) via at least one flow resistance element ( 124 ) with the at least one gas space ( 112 ), wherein the at least one second electrode ( 118 ) via at least one diffusion resistance element ( 128 ) with the at least one gas space ( 112 ) connected is; The at least one first electrode ( 116 ) is inside the at least one sensor element ( 110 ) and with the at least one gas space ( 112 ) via at least one gas access hole ( 122 ) and at least one flow resistance element ( 124 ), wherein the at least one second electrode ( 118 ) on the at least one gas space ( 112 ) facing side of the at least one solid electrolyte ( 114 . 514 ) is arranged and with the at least one gas space ( 112 ) via at least one diffusion resistance element ( 128 ) connected is; The at least one first electrode ( 116 ) and the at least one second electrode ( 118 ) are inside the at least one sensor element ( 110 ), wherein the at least one first electrode ( 116 ) with the at least one gas space ( 112 ) via at least one gas access hole ( 122 ) and at least one flow resistance element ( 124 ) and wherein the at least one second electrode ( 118 ) of the at least one gas space ( 112 ) and with at least one reference gas space ( 512 ) connected is; The at least one second electrode ( 118 ) is inside the at least one sensor element ( 110 ) arranged and with the at least one gas space ( 112 ) via at least one gas access hole ( 122 ) and at least one diffusion resistance element ( 128 ), wherein the at least one first electrode ( 116 ) on the at least one gas space ( 112 ) facing side of the at least one solid electrolyte ( 114 . 514 ) is arranged and with the at least one gas space ( 112 ) via at least one flow resistance element ( 124 ) connected is; The at least one second electrode ( 118 ) is inside the at least one sensor element ( 110 ) and having at least one reference gas space ( 512 ) via at least one gas access hole ( 122 ), wherein the at least one first electrode ( 116 ) on the at least one gas space ( 112 ) facing side of the at least one solid electrolyte ( 114 . 514 ) is arranged and with the at least one gas space ( 112 ) via at least one flow resistance element ( 124 ) connected is; The at least one first electrode ( 116 ) comprises at least one on at least one gas space ( 112 ) facing side of the at least one solid electrolyte ( 114 . 514 ) arranged mixed potential electrode ( 116 ; 710 ) and at least one inside the at least one sensor element ( 110 ) arranged pump electrode ( 116 ), wherein the at least one pump electrode ( 116 ) with the at least one gas space ( 112 ) via at least one gas access hole ( 122 ) and at least one flow resistance element ( 124 ) and wherein the at least one second electrode ( 118 ) of the at least one gas space ( 112 ) and with at least one reference gas space ( 512 ) connected is. Elektronische Steuervorrichtung (812) zur Steuerung mindestens eines Sensorelementes (110), umfassend Mittel (814, 816, 818, 820, 822, 824, 826) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–17.Electronic control device ( 812 ) for controlling at least one sensor element ( 110 ), comprising means ( 814 . 816 . 818 . 820 . 822 . 824 . 826 ) for carrying out a method according to any one of claims 1-17. System zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), umfassend mindestens eine elektronische Steuervorrichtung (812) gemäß dem vorhergehenden Anspruch und mindestens ein Sensorelement (110).System for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space ( 112 ) comprising at least one electronic control device ( 812 ) according to the preceding claim and at least one sensor element ( 110 ).