DE19803703A1

DE19803703A1 - NOx-Sensorelement mit einer Sauerstoffpumpzelle

Info

Publication number: DE19803703A1
Application number: DE19803703A
Authority: DE
Inventors: Tomio Sugiyama; Masahiro Shibata; Syuichi Nakano; Hiromi Sano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1998-08-13
Also published as: JPH10221297A; JP3873351B2; FR2759169A1; FR2759169B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein NO_x-(Stickoxid)-Sensorelement zur Erfassung einer Konzentration eines NO_x-Gases, wie beispiels weise Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und derglei chen, das in einem zu messenden Gas, wie beispielsweise einem Abgas, enthalten ist, das von einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs ausgelassen wird.

Luftverschmutzung durch Abgase von Fahrzeugen und dergleichen verursacht ernsthafte Probleme in der modernen Gesellschaft und die Reinigungsstandardvorschriften bezüglich Schadstoffen, die in den Abgasen enthalten sind, sind Jahr für Jahr streng gemacht worden. Deswegen sind Verfahren unter Verwendung eines katalyti schen Konverters und einer Kraftstoffregelung bezüglich eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors eifrig untersucht worden, um die Schadstoffe in den Abgasen zu verringern.

In den Vereinigten Staaten erfordern die OBD-II-Vorschriften, daß jedes Fahrzeug einen Mechanismus hat, der dazu in der Lage ist, zu bestimmen, ob Katalysatoren geeignet arbeiten, die zur Reinigung des Abgases verwendet werden. In Übereinstimmung mit den Vorschriften wird ein Überwachungssystem eingeführt, das zwei Sauerstoff-(O₂)-Sensoren umfaßt. Dieses System erfaßt jedoch nicht direkt eine Menge an Schadstoffen in dem Abgas. Daher ist es für das System schwierig, genau zu erfassen und zu bestimmen, wie stark die Schadstoffe in dem Abgas abnehmen. Wenn eine Kraftstoffregelüberwachung, eine katalytische Überwachung oder dergleichen direkt die Menge der Schadstoffe in dem Abgas erfas sen würden, könnten die Schadstoffe in dem Abgas wirkungsvoller gereinigt werden.

Angesichts dieses Hintergrunds wurde kürzlich ein NO_x-Sensor vor geschlagen, der an einem Fahrzeug montierbar ist und mit dem ei ne Erfassung einer Konzentration von NO_x-Gas (nachfolgend also NO_x-Konzentration bezeichnet) in dem Abgas erfaßbar ist. Ein der artiger NO_x-Sensor muß mit einer kompakten Größe und mit geringen Kosten hergestellt werden. Weil eine Möglichkeit besteht, daß der NO_x-Sensor dem Abgas mit einer hohen Temperatur in der prak tischen Verwendung ausgesetzt ist, ist es weiterhin notwendig, daß der NO_x-Sensor sich nicht leicht thermisch und chemisch ver schlechtert. Des weiteren ist es notwendig, daß der NO_x-Sensor ununterbrochen die NO_x-Konzentration in dem Abgas unter Fahrzu ständen des Fahrzeugs erfassen kann.

Um den vorstehend erwähnten Anforderungen gerecht zu werden, schlägt die JP-6-18480 A ein NO_x-Sensorelement vor, das ein Fest körperelektrolytelement umfaßt, das aus einem Zirkoniumoxid (ZrO₂) hergestellt ist, das thermisch und chemisch stabil ist und im gewerblichen Bereich bereits verwendet wurde. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat das NO_x-Sensorelement 9 einen Körper 90, der aus dem ZrO₂-Festkörperelektrolytelement hergestellt ist, und drei Kammern 931, 932 und 933, die in dem Körper 90 definiert sind. Der Körper 90 hat des weiteren Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 und eine NO_x-Erfassungszelle 902.

Die Kammer 931 ist zwischen einer Außenwand 921 und einer Unter teilungswand 922 des Körpers 90 vorgesehen, die Kammer 933 ist zwischen einer Außenwand 924 und einer Unterteilungswand 923 vorgesehen und die Kammer 932 ist zwischen den Unterteilungswän den 922 und 923 vorgesehen. Die Unterteilungswände 922 und 923 haben jeweils Verbindungslöcher 942 und 943 zur Herstellung ei ner Verbindung unter den Kammern 931 und 932 sowie 932 und 933. Weiterhin haben die Kammern 931 und 933 jeweils Einleitlöcher 941 und 944, um ein zu messendes Gas (Meßgas) darin einzuleiten.

Die Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 sind jeweils an den Außen wänden 921 und 924 angeordnet und die NO_x-Erfassungszelle 902 ist auf der Unterteilungswand 923 angeordnet. Die Sauerstoffpumpzel le 901 setzt sich aus einem Paar erster und zweiter Elektroden 911 und 912 zusammen, die Platin (Pt) umfassen und auf äußeren und inneren Flächen der Außenwand 921 ausgebildet sind. Die er ste Elektrode 911 ist nämlich der Außenseite des NO_x-Sensorelements 9 ausgesetzt, während die zweite Elektrode 912 der Kammer 931 in dem NO_x-Sensorelement 9 ausgesetzt ist. In ähn licher Weise setzt sich die Sauerstoffpumpzelle 903 aus einem Paar dritter und vierter Elektroden 913 und 914 zusammen, die Pt umfassen und auf inneren und äußeren Flächen der Außenwand 924 ausgebildet sind. Die vierte Elektrode 914 ist der Außenseite des NO_x-Sensorelements 9 ausgesetzt und die dritte Elektrode 913 ist der Kammer 933 ausgesetzt. Die erste und zweite Elektrode 911 und 912 sind mit einer Stromquelle 991 verbunden und die dritte und vierte Elektrode 913 und 914 sind mit einer anderen Stromquelle 993 verbunden.

Die NO_x-Erfassungszelle 902 setzt sich aus einem Paar fünfter und sechster Elektroden 915 und 916 zusammen, die Pt umfassen und auf beiden Flächen der Unterteilungswand 923 angeordnet sind. Insbesondere liegt die fünfte Elektrode 915 der Kammer 932 ge genüber, während die sechste Elektrode 916 der Kammer 933 gegen überliegt. Die fünfte und sechste Elektrode 915 und 916 sind mit einer Vorrichtung 922 zum Messen einer Spannung über den Elek troden 915 und 916 verbunden. Der Körper 90 hat weiterhin Iso lierabschnitte 981 und 982, die verhindern, daß sich Spannungen, die auf die Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 aufgebracht werden, mit einer Ausgangsspannung der NO_x-Erfassungszelle 902 über schneiden.

Bei dem vorstehend erwähnten NO_x-Sensorelement 9 wird eine Erfas sung der NO_x-Konzentration in dem Meßgas in der folgenden Weise durchgeführt. Zuerst wird das Meßgas in die Kammern 931 und 933 durch die Einleitlöcher 941 und 944 eingeleitet. Dann werden die Spannungen jeweils auf die Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 durch die Stromquellen 991 und 993 aufgebracht. Entsprechend be ginnen die Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 zu arbeiten, so daß ein Sauerstoffgas, das in dem Meßgas enthalten ist, innerhalb der Kammern 931 und 933 entfernt wird. Anschließend wird das Meßgas innerhalb der Kammern 931 und 933 in die Kammer 932 durch die Verbindungslöcher 942 und 943 eingeleitet.

Das in dem Meßgas enthaltene NO_x-Gas wird an der fünften und sechsten Elektrode 915 und 916 deoxidiert, um Sauerstoffionen zu erzeugen. Eine Menge der Sauerstoffionen, die an der fünften Elektrode 915 erzeugt wird, unterscheidet sich aufgrund von Un terschieden der Abmessungen zwischen den Kammern 932 und 933, zwischen den Verbindungslöchern 942 und 943 und zwischen den Ga seinleitlöchern 941 und 944 von derjenigen, die an der sechsten Elektrode 916 erzeugt wird. Auf der Grundlage des Unterschieds der Menge der Sauerstoffionen arbeitet die NO_x-Erfassungszelle 932 als eine Sauerstoffkonzentrationszelle. Das heißt, daß die NO_x-Konzentration in dem Meßgas durch die Vorrichtung 992 erfaßt werden kann, indem die Spannung zwischen der fünften und sech sten Elektrode 915 und 916 der NO_x-Erfassungszelle 932 gemessen wird.

Das vorstehend erwähnte NO_x-Sensorelement 9 hat jedoch folgende Probleme. Zuerst wird das Sauerstoffgas von dem durch die Kam mern 931 und 933 tretenden Meßgas entfernt. Daher hindern die Größen der Kammern 931 und 933 die Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 daran, das Sauerstoffgas ausreichend zu entfernen. Das Sau erstoffgas kann nämlich von dem nahe an den Sauerstoffpumpzellen 901 und 903 strömenden Meßgas entfernt werden, aber es kann nicht von dem nahe an den Unterteilungswänden 922 und 923 strö menden Meßgas entfernt werden, woraus eine Verschlechterung der Genauigkeit der NO_x-Konzentration folgt, die durch die NO_x-Erfassungszelle 923 erfaßt wird.

Außerdem erhöhen die Kammern 931, 932 und 933 die Größe des NO_x-Sensorelements 9. Weiterhin machen die drei Kammern 931, 932 und 933 und die zwei Einleitlöcher 941 und 944 den Aufbau des NO_x-Sensorelements 9 kompliziert. Daher ist es schwierig, eine Ab messungsgenauigkeit sicherzustellen, die stark Eigenschaften des NO_x-Sensorelements 9 beeinflußt. Außerdem benötigt das NO_x- Sensorelement 9 sechs Signalleitungen für die Sauerstoffpumpzel len 901 und 903 und für die NO_x-Erfassungszelle 902 (siehe Fig. 1), so daß der Aufbau des NO_x-Sensorelements 9 verstärkt kompli ziert wird.

Die Erfindung wurde angesichts der vorstehend erwähnten Probleme gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein NO_x-Sensorelement zu schaffen, das dazu in der Lage ist, eine NO_x-Konzentration in einem Abgas genau zu erfassen. Die Erfindung soll auch ein NO_x-Sensorelement schaffen, das einen einfachen Aufbau mit einer hohen Genauigkeit der Abmessung hat. Ferner soll die Erfindung ein NO_x-Sensorelement schaffen, das dazu in der Lage ist, bei geringen Kosten einfach hergestellt zu werden.

Kurz ausgedrückt hat das NO_x-Sensorelement der vorliegenden Er findung ein Festkörperelektrolytelement sowie eine NO_x-Aktivierungselektrode und eine auf der entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode, die auf beiden Flächen des Festkörpere lektrolytelements vorgesehen sind, um eine Konzentration eines NO_x-Gases in einem Meßgas zu erfassen. Des weiteren hat das NO_x- Sensorelement eine Gasdiffusionswiderstandsschicht, die auf der NO_x-Aktivierungsschicht angeordnet ist, um das Meßgas in das NO_x- Sensorelement einzuleiten, und eine Sauerstoffpumpzelle, die auf der Gasdiffusionswiderstandsschicht angeordnet ist, um einen Sauerstoff in dem Meßgas zu entfernen. Das derart aufgebaute NO_x- Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann einen einfachen Aufbau und eine hohe Genauigkeit der Abmessung haben.

Vorzugsweise umfaßt die Sauerstoffpumpzelle ein Sauerstoffpump zellenfestkörperelektrolytelement mit einer Sauerstoffionenleit fähigkeit, wobei eine erste und zweite Elektrode auf beiden Flä chen des Sauerstoffpumpzellenfestkörperelektrolytelements vorge sehen sind. Die ersten Elektroden liegen der NO_x- Aktivierungselektrode über die Gasdiffusionswiderstandsschicht gegenüber, wobei eine Gestalt der NO_x-Aktivierungselektrode in nerhalb einer Gestalt der ersten Elektrode der Sauerstoffpump zelle in einem projizierten Zustand umfaßt ist. Vorzugsweise hat die erste Elektrode eine kreisförmige Gestalt, wobei die NO_x- Aktivierungselektrode innerhalb eines inneren Umfangs der ersten Elektrode in einem projizierten Zustand umfaßt ist. Entsprechend erreicht das Meßgas immer die NO_x-Aktivierungselektrode, nachdem es an der ersten Elektrode der Sauerstoffpumpzelle in der Gas diffusionswiderstandsschicht vorbeigetreten ist, und zwar unbe achtlich der Richtung, in der das Meßgas strömt. Sauerstoff in dem Meßgas kann nämlich durch die Sauerstoffpumpzelle entfernt werden, bevor es die NO_x-Aktivierungselektrode erreicht. Folglich kann das NO_x-Sensorelement die Konzentration des NO_x-Gases genau erfassen.

Die Aufgabe sowie Merkmale der vorliegenden Erfindung werden leichter aus einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele offensichtlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben sind.

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht, die ein NO_x-Sensorelement ge mäß dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die ein NO_x- Sensorelement eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die das NO_x- Sensorelement des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 4 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen den Gestalten einer NO_x-Aktivierungselektrode einer NO_x- Erfassungszelle und einer Elektrode einer Sauerstoffpumpzel le des NO_x-Sensorelements des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, die eine Gassensorbaugrup pe zeigt, in der das NO_x-Sensorelement eingebaut ist;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die Gassensorbaugruppe in einem Abgaskanal eines Fahrzeugs eingebaut ist;

Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Kon zentration eines NO-Gases in einem Meßgas und einem Wert ei nes Ausgangsstroms von der NO_x-Erfassungszelle zeigt;

Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Kon zentration eines Sauerstoffgases in einem Meßgas und einem Wert eines Ausgangsstroms von der Sauerstoffpumpzelle zeigt;

Fig. 10A ist eine schematische Ansicht, die eine Gestalt einer Elektrode einer Sauerstoffpumpzelle eines NO_x-Sensorelements eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigt;

Fig. 10B ist eine schematische Ansicht, die eine Gestalt einer NO_x-Aktivierungselektrode einer NO_x-Erfassungszelle des NO_x- Sensorelements des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt; und

Fig. 11 ist eine Querschnittansicht, die ein NO_x-Sensorelement eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wer den im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefüg ten Zeichnungen beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Ein NO_x-Sensorelement 1 eines ersten bevorzugten Ausführungsbei spiels wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 9 erläutert. Das NO_x-Sensorelement 1 ist im allgemeinen in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs angeordnet und wird zur Ver brennungsregelung des Motors verwendet.

Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist, hat das NO_x-Sensorelement 1 eine NO_x-Erfassungszelle 11, eine Gasdiffusionswiderstandsschicht 13, die auf einer oberen Fläche der NO_x-Erfassungszelle 11 ange ordnet ist, und eine Sauerstoffpumpzelle 12, die auf einer obe ren Fläche der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 angeordnet ist. Die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 dient als ein Ein leitkanal für ein zu messendes Gas (ein Meßgas), während die Sauerstoffpumpzelle 12 Sauerstoff (O₂) ausläßt.

Die NO_x-Erfassungszelle 11 umfaßt ein erstes Festkörperelektrolyt element 110 mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf der entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode 112 (siehe Fig. 4), die auf einer Fläche des Elektrolytelements 110 ausge bildet ist, und eine NO_x-Aktivierungselektrode 111, die auf der entgegengesetzten Fläche des Elektrolytelements 110 ausgebildet ist, um der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 gegenüber zu lie gen. Weiterhin sind Elektrodenanschlüsse 119 und 117 an der ent gegengesetzten Fläche des Elektrolytelements 110 angeordnet. Der Elektrodenanschluß 119 ist mit der NO_x-Aktivierungselektrode 111 über einen Leiterabschnitt 118 verbunden, der auf derselben Flä che des Elektrolytelements 110 vorgesehen ist. Der Elektrodenan schluß 111 ist mit der auf der entgegengesetzten Seite angeord neten Elektrode 112 über einen (nicht gezeigten) Leiterab schnitt, der auf der anderen Fläche des Elektrolytelements 110 angeordnet ist, und über ein Durchgangsloch verbunden, das in dem Elektrolytelement 110 ausgebildet ist.

Die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 ist aus Aluminium herge stellt und hat vorzugsweise eine Porösität von 5% und eine Dicke von 200 µm. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Gasdiffusionswi derstandsschicht 13 teilweise zwischen der NO_x-Erfassungszelle 11 und der Sauerstoffpumpzelle 12 angeordnet, wobei eine Keramikla ge 130 in dem anderen Teil zwischen der NO_x-Erfassungszelle 11 und der Sauerstoffpumpzelle 12 angeordnet ist. Die Gasdiffusi onswiderstandsschicht 13 ist nach außen an einer Seitenfläche des NO_x-Sensorelements 1 ausgesetzt. Beim Erfassen der NO_x- Konzentration in dem Meßgas wird das Meßgas von dem ausgesetzten Abschnitt der Gasdiffusionsschicht 13 eingeleitet. Die vorste hend erwähnte Keramiklage 130 muß nicht immer zwischen der NO_x- Erfassungszelle 11 und der Sauerstoffpumpzelle 12 angeordnet sein, wobei nur die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 in dem gesamten Teil zwischen der NO_x-Erfassungszelle 11 und der Sauer stoffpumpzelle 12 angeordnet sein kann.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, hat die Sauerstoffpumpzelle 12 ein zweites Festkörperelektrolytelement 120 und ein Paar Elektroden 121 und 122, die an beiden Flächen des Elektrolytelements 120 ausgebildet sind. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind Elektrodenan schlüsse 125, 127 und 129 an einer der Flächen des Elektrolyte lements 120 ausgebildet. Der Elektrodenanschluß 129 ist mit der Elektrode 121 über einen Leiterabschnitt 128 an der Fläche des Elektrolytelements 120 verbunden. Der Elektrodenanschluß 127 ist mit der Elektrode 122 über einen (nicht gezeigten) Leiterab schnitt, der an der anderen Fläche des Elektrolytelements 120 ausgebildet ist, und durch ein Durchgangsloch verbunden, das in dem Elektrolytelement 120 ausgebildet ist. Zusätzlich steht der Elektrodenanschluß 127 mit dem Elektrodenanschluß 119, der auf dem ersten Festkörperelektrolytelement 110 ausgebildet ist, über ein Durchgangsloch 139 elektrisch in Verbindung, das in der Ke ramiklage 130 ausgebildet ist. Der Elektrodenanschluß 125, der auch auf dem zweiten Festkörperelektrolytelements 120 angeordnet ist, steht mit dem Elektrodenanschluß 117, der auf dem ersten Festkörperelektrolytelement 110 der NO_x-Erfassungszelle 11 ange ordnet ist, durch ein Durchgangsloch 133 elektrisch in Verbin dung, das auch in der Keramiklage 130 ausgebildet ist.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, sind die Elektrode 121, der Leiterabschnitt 128 und dergleichen der Sauerstoffpumpzelle 12 durch eine Schutzlage 16 geschützt. Beim Überziehen mit der Schutzlage 16 bleiben die Elektrodenanschlüsse 125, 127 und 129 zur Außenseite des NO_x-Sensorelements 1 ausgesetzt, wobei Lei tungsdrähte jeweils mit den Elektrodenanschlüssen 125, 127 und 129 verbunden werden. Der Elektrodenanschluß 125 ist zum Abgrei fen eines Ausgangs des NO_x-Sensorelements 1, während der Elektro denanschluß 129 zum Aufbringen einer Spannung auf die Sauer stoffpumpzelle 12 dient. Der Elektrodenanschluß 127 dient des weiteren zum Erden der Sauerstoffpumpzelle 12 und der NO_x- Erfassungszelle 11.

Bei der vorstehend erwähnten NO_x-Erfassungszelle 11 haben die NO_x-Aktivierungselektrode 111 auf einer Meßgasseite und die auf der entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode 112 im wesent lichen untereinander dieselbe Gestalt und dieselbe Größe. In der Sauerstoffpumpzelle 12 haben in ähnlicher Weise die Elektroden 121 und 122 im wesentlichen untereinander dieselbe Gestalt und dieselbe Größe. Die NO_x-Aktivierungselektrode 111 der NO_x- Erfassungszelle 11 ist kleiner als die Elektrode 122 der Sauer stoffpumpzelle 12 und ist dazu angeordnet, in der Elektrode 122 in einem projizierten Zustand bezüglich der Elektrode 122 umfaßt zu sein, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Jede Elektrode der NO_x- Aktivierungselektrode 111 und der auf der entgegengesetzten Sei te angeordneten Elektrode 112 hat vorzugsweise eine Länge von 8,5 mm und eine Breite von 1,2 mm, während jede der Elektroden 121 und 122 vorzugsweise eine Länge von 12,0 mm und eine Breite von 3,6 mm hat.

An der unteren Seite der NO_x-Erfassungszelle 11, ist, wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, ein isolierendes Keramiksubstrat 14 angeordnet. Das Keramiksubstrat 14 hat eine Nut, um einen in Fig. 4 gezeigten Raum 141 mit der auf der entgegengesetzten Sei te angeordneten Elektrode 112 der NO_x-Erfassungszelle 11 auszu bilden, der mit der Umgebung in Verbindung steht. Das NO_x- Sensorelement 1 hat weiterhin einen Heizabschnitt 15. Der Heizabschnitt 15 umfaßt eine Heizlage 150, ein Heizmuster 151, das Platin (Pt) als Hauptmaterial umfaßt und auf der oberen Flä che der Heizlage 150 in den Fig. 2 und 4 ausgebildet ist, und eine Decklage 159 zum Bedecken des Heizmusters 151. Ein Elektro denanschluß ist an der unteren Seite der Heizlage 150 angeordnet und elektrisch mit dem Heizmuster 151 über ein (nicht gezeigtes) Durchgangsloch verbunden. Das Heizmuster 151 ist an einer Posi tion angeordnet, die der NO_x-Aktivierungselektrode 11, der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode 112 und den Elek troden 121 und 122 entspricht. Genauer gesagt ist die Fläche, die durch das Heizmuster 151 bedeckt ist, in ihrer Projektion größer als diejenige der NO_x-Aktivierungselektrode 11, der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode 112 und der Elek troden 121 und 122.

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des NO_x- Sensorelements 1 erläutert. Zunächst werden Prozesse zur Ausbil dung von Zirkonerde-(ZrO₂)-Lagen für das erste und zweite Fest körperelektrolytelement 110 und 120 erläutert.

Ein keramisches Gemisch wird vorbereitet, das aus einem teilwei se stabilisierten Ytterit (Y₂O₃)-(ZrO₂) mit einem mittleren Durch messer von 0,5 µm, α-Aluminium, Poly-Vinylbutyral (PVB), Di butylphthalate (DBP), Ethanol und Toluol zusammengesetzt ist. Das teilweise stabilisierte Y₂O₃-ZrO₂ umfaßt Y₂O₃ mit 6 mol% und ZrO₂ mit 94 mol%. Ein Gewichtsmischverhältnis des keramischen Ge misches ist so, daß, wenn das teilweise stabilisierte Y₂O₃-ZrO₂ 100 entspricht, das α-Aluminium, PVB, DBP, Ethanol und Toluol jeweils 1, 5, 10 und 10 sind. Das keramische Gemisch wird hin reichend in einer Kugelmühle gemischt, wodurch ein Schlamm aus gebildet wird. Der so erhaltene Schlamm wird in eine Elementlage mit einer Dicke von 0,4 mm nach einer Trocknung durch ein Ab streichklingenverfahren umgebildet. Die Elementlage wird in rechteckige Lagen von 5 mm × 70 mm geschnitten.

Dann wird das Durchgangsloch in einer der rechteckigen Lagen ausgebildet. Anschließend wird eine Pt-Paste, die Pt umfaßt, dem Palladium (Pd) mit 1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent zu gefügt ist, auf eine Fläche auf einer der rechteckigen Lagen durch ein Siebdruckverfahren aufgedruckt, um einen gedruckten Abschnitt für die NO_x-Aktivierungselektrode 111 auf der Meß gasseite auszubilden. Die Pt-Paste wird des weiteren auf die an dere Fläche der rechteckigen Lage aufgedruckt, um gedruckte Ab schnitte für die auf der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode 112, den Leiterabschnitt 118 und die Elektrodenan schlüsse 117 und 119 auszubilden (siehe Fig. 2 und 4). Auf diese Weise kann die Zirkonerdelage für die NO_x-Erfassungszelle 11 er halten werden.

Als nächstes werden in der Zirkonerdelage für die NO_x- Erfassungszelle 11 die Durchgangslöcher in einer anderen recht eckigen Lage mit 5 mm × 70 mm ausgebildet. Dann wird eine Pt- Paste, die ein Pt umfaßt, dem Gold (Au) mit 1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent zugefügt ist, auf eine Fläche der recht eckigen Lage durch ein Siebdruckverfahren aufgedruckt, um da durch einen gedruckten Abschnitt für die Elektrode 122 auf der Meßgasseite auszubilden. Die Pt-Paste wird des weiteren auf die andere Fläche der rechteckigen Lage gedruckt, um gedruckte Ab schnitte für die Elektrode 121, den Leiterabschnitt 128 und die Elektrodenanschlüsse 129 und 127 auszubilden (siehe Fig. 2 und 4). Auf diese Weise kann die Zirkonerdelage für die Sauerstoff pumpzelle 12 erhalten werden.

Nachfolgend werden Verfahren zur Ausbildung von Aluminiumlagen für das Keramiksubstrat 14, die Heizlage 15 und die Decklage 159 erläutert. Zuerst wird ein keramisches Gemisch vorbereitet, das sich aus α-Aluminium mit einem mittleren Durchmesser von 0,3 µm, teilweise stabilisiertem Y₂O₃-ZrO₂ mit 6 mol% Y₂O₃, PVB, DBP, Etha nol und Toluol zusammensetzt. Ein Gewichtsmischverhältnis des keramischen Gemisches ist so, daß, wenn das α-Aluminium 98 ent spricht, das teilweise stabilisierte Y₂O₃-ZrO₂, PVB, DBP, Ethanol und Toluol jeweils 3, 10, 10, 30 und 30 sind. Dann werden zwei Arten rechteckiger Aluminiumlagen aus dem keramischen Gemisch durch die im wesentlichen selben Prozesse ausgebildet, die vor stehend erwähnt sind. Eine ist nämlich für das Keramiksubstrat 14 und hat eine Dicke von 0,5 mm nach der Trocknung und die an dere ist für die Heizlage 150 und für die Decklage 159 und hat eine Dicke von 0,3 mm nach der Trocknung. Beide Arten der Lagen haben Flächen von 5 mm × 70 mm.

Dann wird eine Nut mit einer allgemein U-förmigen Gestalt und einer Fläche von 2 mm × 65 mm, deren eines Ende geschlossen ist und deren anderes Ende geöffnet ist, auf der Aluminiumlage für den Keramikkörper 14 ausgebildet, um den Raum 141 zu schaffen. Andererseits wird eine Pt-Paste, die Pt umfaßt, dem Aluminium mit 10 Gewichtsprozent zugefügt ist, auf die Aluminiumlage für die Heizlage 150 durch das Siebdruckverfahren aufgedruckt, wo durch gedruckte Abschnitte für das Heizmuster 151 und den Lei terabschnitt 152 ausgebildet werden.

Als nächstes werden Prozesse zur Ausbildung einer Aluminiumlage für die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 erläutert. In diesem Fall wird ein keramisches Gemisch vorbereitet, das sich aus α-Aluminium mit einem mittleren Durchmesser von 0,4 µm, PVB, DBP, Ethanol und Toluol zusammensetzt. Ein Gewichtsmischverhältnis des keramischen Gemisches ist so, daß, wenn das α-Aluminium 100 entspricht, PVB, DBP, Ethanol und Toluol jeweils 10, 10, 30 und 30 sind. Dann wird eine rechteckige Aluminiumlage mit einer Dicke von 0,25 nach der Trocknung und einer Fläche von 5 mm × 20 mm aus dem keramischen Gemisch durch im wesentlichen dieselben Pro zesse ausgebildet, die vorstehend erwähnt sind.

Eine Aluminiumlage für die Schutzlage 16 wird aus einem kerami schen Gemisch gebildet, das sich auch aus einem α-Aluminium mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm, PVB, DBP, Ethanol und Toluol zusammensetzt. Ein Gewichtsmischverhältnis des kerami schen Gemisches ist so, daß, wenn das α-Aluminium 100 ent spricht, PVB, DBP, Ethanol und Toluol jeweils 10, 10, 30 und 30 sind. Dann wird die Aluminiumlage für die Schutzlage 16 so aus gebildet, daß sie eine Dicke von 0,3 mm nach der Trocknung und eine Fläche von 5 mm × 50 mm hat.

Des weiteren wird eine Aluminiumlage für die Keramiklage 130 aus demselben keramischen Gemisch wie für das Keramiksubstrat 14 ausgebildet, um eine Dicke von 0,25 mm nach der Trocknung und eine Fläche von 5 mm × 50 mm zu haben.

Nach der Ausbildung jeder der Keramiklagen werden die Lagen schichtweise in der in Fig. 2 gezeigten Reihenfolge mit einer Paste zwischen jeweils zwei geschichteten Lagen aufeinander ge schichtet, die eine druckempfindliche Haftfähigkeit bei einer gewöhnlichen Temperatur hat, und dann durch Druck aneinander be festigt. Danach werden die geschichteten Lagen in einer Umgebung bei 1500°C für eine Stunde gebacken. Als Ergebnis kann das NO_x- Sensorelement 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wer den.

Als nächstes wird ein Verfahren zum Einbau des NO_x-Sensorelements in einem Abgaskanal des Fahrzeugs als ein Beispiel erläutert. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein NO_x-Sensorelement 1 an einer Gassensorbaugruppe 4 befestigt und in einem Abgaskanal zusammen mit der Gassensorbaugruppe 4 eingebaut, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Gassensorbaugruppe 4 hat einen Halter 42 zum Halten des NO_x-Sensorelements 1 und eine Abdeckung 41 zum Abdecken des Hal ters 42 an einer Seite, an der der Halter einem Abgas (Meßgas) ausgesetzt ist, um dadurch das NO_x-Sensorelement 1 vor dem Abgas zu schützen. Die Abdeckung 41 hat einige Belüftungslöcher 410 zum Einleiten des Abgases zu dem NO_x-Sensorelement 1.

Hier sind einige Leitungsdrähte mit dem NO_x-Sensorelement 1 ver bunden, wie vorstehend erwähnt ist. Daher hat die Gassensorbau gruppe ein Gehäuse 44, das darin die Leitungsdrähte hält. Die Leitungsdrähte sind gebündelt und umhüllt, wodurch eine umhüllte Leitung 49 ausgebildet wird, wobei die umhüllte Leitung 49 aus dem Gehäuse 44 herausführt. Die Gassensorbaugruppe 44 hat des weiteren einen Flansch 43, um an dem Abgaskanal befestigt zu werden.

Die so aufgebaute Gassensorbaugruppe 4 ist, wie in Fig. 7 ge zeigt ist, in einem Abgasrohr 50 angeordnet, das als ein Teil eines Abgaskanals eines Automotors 51 dient und bezüglich eines 3-Wege-Katalysators 53 an einer stromabwärtigen Seite angeordnet ist. Genauer gesagt ist der Flansch 43 der Gassensorbaugruppe 4 an dem Abgasrohr 50 durch Bolzen über eine (nicht gezeigte) Dichtung befestigt. Des weiteren ist ein Luft-Kraftstoff-(L/K)-Sensor 52 an einer stromaufwärtigen Seite des 3-Wege-Katalysators 53 angeordnet. Auf der Grundlage der Signale, die von dem NO_x-Sensorelement 1 und dem L/K-Sensor 52 ausgegeben wer den, werden eine Magerverbrennungspräzisionsregelung des Motors 51, eine Erfassung einer Verschlechterung des 3-Wege- Katalysators 53 und dergleichen ausgeführt.

Als nächstes wird ein Betrieb des NO_x-Sensorelements 1 erläutert. Zuerst werden jeweils Spannungen auf die NO_x-Erfassungszelle 11 und die Sauerstoffpumpzelle 12 aufgebracht. In diesem Zustand wird das Meßgas von dem ausgesetzten Abschnitt der Gasdiffusi onswiderstandsschicht 13 eingeleitet.

Hier ist, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist und vorstehend be schrieben ist, die NO_x-Aktivierungselektrode 111, die eine Fläche der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 berührt, in einem proji zierten Zustand innerhalb der Elektrode 122 angeordnet, die die andere Fläche der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 berührt. Daher strömt das Meßgas immer auf der Elektrode 122 der Sauer stoffpumpzelle 12, bevor es die NO_x-Aktivierungselektrode 111 er reicht. Weiterhin ionisiert die Elektrode 122 nur das Sauer stoffgas in dem Meßgas, weil das NO_x-Gas im Vergleich zum Sauer stoffgas nicht einfach ionisiert werden kann. Daher wird das Sauerstoffgas in dem Meßgas entfernt, bevor es die NO_x-Aktivierungselektrode 111 erreicht, wobei dann das NO_x-Gas in dem Meßgas auf der NO_x-Aktivierungselektrode 111 deoxidiert wird, um Sauerstoffionen zu erzeugen. Die auf der NO_x- Aktivierungselektrode 111 erzeugten Sauerstoffionen werden in nerhalb des ersten Festkörperelektrolytelements 110 geleitet und nach außen durch den Raum 141 als Sauerstoffgas gebracht. Ent sprechend fließt ein Strom zwischen der NO_x-Aktivierungselektrode 111 und der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektro de 112. Daher kann die NO_x-Konzentration in dem Meßgas auf der Grundlage des Werts des Stroms erfaßt werden. Andererseits wer den die durch die Elektrode 122 in der Sauerstoffpumpzelle 12 erzeugten Sauerstoffionen innerhalb des zweiten Festkörperelek trolytelements 120 geleitet und nach außen gebracht.

Als nächstes werden Eigenschaften des NO_x-Sensorelements 1 auf der Grundlage von Ergebnissen von Versuchen erläutert. Genauer gesagt wurde das NO_x-Sensorelement 1 dem Meßgas ausgesetzt, das Stickoxid (NO) in einem Bereich von 0 bis 5000 ppm und O₂/N₂ mit 5% bei einer Strömungsrate von 1,2 Liter/min umfaßte. Die Tempe ratur des Abgases wurde bei 400°C gehalten und die Temperatur des NO_x-Sensorelements wurde bei 750°C gehalten. Dann wurden die Werte des Ausgangsstroms von dem NO_x-Sensorelement 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt. Wie aus Fig. 8 zu verste hen ist, wurde bestätigt, daß der Ausgangsstromwert des NO_x-Sensorelements 1 proportional zu einer Konzentration von NO ist, das in dem Meßgas enthalten ist. Entsprechend ist bestätigt, daß das NO_x-Sensorelement 1 bei diesem Ausführungsbeispiel die NO_x-Konzentration in dem Meßgas genau messen kann.

Als nächstes wurden Werte eines Ausgangsstroms der Sauerstoff pumpzelle 12 in Übereinstimmung mit Sauerstoffkonzentrationen in dem Meßgas gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, war der Wert des Ausgangsstroms propor tional zur Sauerstoffkonzentration des Meßgases. Dies liegt dar in, weil die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 in dem NO_x-Sensorelement 1 vorgesehen ist und eine Menge des in das NO_x-Sensorelement 1 eingeleiteten Meßgases beschränkt. Entsprechend ist bestätigt, daß, selbst in dem Fall, bei dem die Konzentrati on des Sauerstoffs in dem Meßgas relativ hoch ist, die Sauer stoffpumpzelle 12 sicher das Sauerstoffgas von dem Meßgas ent fernen kann.

Als nächstes werden die anderen Merkmale und Wirkungen der vor liegenden Erfindung detailliert beschrieben. Bei dem Ausfüh rungsbeispiel ist die NO_x-Aktivierungselektrode 11 der NO_x-Erfassungszelle 11 in einem projizierten Zustand innerhalb der Elektrode 122 der Sauerstoffpumpzelle 12 angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Entsprechend erreicht das Meßgas immer die NO_x-Aktivierungselektrode 111, nachdem es an der Elektrode 122 in der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 vorbeigetreten ist, so daß das Sauerstoffgas auf der Elektrode 122 unbeachtlich einer Richtung entfernt wird, in der das Meßgas strömt. Entsprechend erreicht das Meßgas die NO_x-Aktivierungselektrode, ohne daß darin Sauerstoffgas umfaßt ist. Folglich kann die NO_x-Konzentration si cher und genau durch die NO_x-Erfassungszelle 11 erfaßt werden. Die NO_x-Aktivierungselektrode 111 kann Pt, Rh, Pd und dergleichen zum Deoxidieren des NO_x-Gases, d. h. zum Auflösen des NO_x-Gases in Stickstoffionen und Sauerstoffionen umfassen. Die auf der entge gengesetzten Seite angeordnete Elektrode 112 der NO_x-Erfassungszelle 11 muß das NO_x-Gas nicht deoxidieren und kann aus einem auf Pt gestützten Material hergestellt sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel wird das Meßgas durch die Gasdiffu sionswiderstandsschicht 13 eingeleitet. Weiterhin ist die Elek trode 122 der Sauerstoffpumpzelle 12 zum Entfernen des Sauer stoffgases von dem Meßgas so ausgebildet, daß sie direkt die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 berührt. Daher kann das Sau erstoffgas sicher von dem Meßgas entfernt werden. Weil das Meß gas durch die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 eingeleitet wird, kann außerdem eine Menge des in das NO_x-Sensorelement 1 eingeleiteten Meßgases einfach geregelt werden. Weiterhin strömt das Meßgas in der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 langsamer als in einem Raum. Die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 kann nämlich als ein Puffer wirken, selbst wenn eine Strömungsrate des Meßgases sich in dem Abgaskanal verändert. Entsprechend kann das Sauerstoffgas sicherer von dem Meßgas entfernt werden, so daß die NO_x-Konzentration genau erfaßt werden kann.

Die Menge des in das NO_x-Sensorelement 1 eingeleiteten Meßgases kann einfach durch Regeln der Porösität der Gasdiffusionswider standsschicht 13 geregelt werden. Die bevorzugte Porösität der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 ist in einem Bereich von 1% bis 20%. In einem Fall, bei dem die Porösität der Gasdiffusions widerstandsschicht 13 geringer als 1% ist, kann die auf die Sau erstoffpumpzelle 12 aufgebrachte Spannung verringert werden. Dies ist vorteilhaft für das Festkörperelektrolytelement 120 der Sauerstoffpumpzelle 12, um dessen Haltbarkeit zu verbessern. Wenn jedoch die Menge des in das NO_x-Sensorelement 1 eingeleite ten Meßgases verringert wird, kann auch der Wert des Aus gangsstroms des NO_x-Sensorelements 1 verringert sein. Anderer seits ist es in dem Fall, bei dem die Porösität der Gasdiffusi onswiderstandsschicht 13 mehr als 20% ist, notwendig, daß die auf die Sauerstoffpumpzelle 12 aufgebrachte Spannung erhöht wird. Dies kann die Haltbarkeit des Festkörperelektrolytelements 120 verschlechtern. Die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 kann aus einem porösen Keramik, wie beispielsweise Aluminium, Spi nell, Steatite oder dergleichen hergestellt werden.

Weil bei diesem Ausführungsbeispiel die Gasdiffusionswider standsschicht 13 aus der Keramiklage gebildet ist, wie vorste hend erwähnt ist, kann die Genauigkeit der Abmessung einfach verbessert werden. Die Größe der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 beeinflußt die Eigenschaften des NO_x-Sensorelements 1. Daher führt eine hohe Genauigkeit der Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 zu einer Abnahme der Schwankungen der Produkte der NO_x-Sensorelemente 1.

Außerdem besteht keine Notwendigkeit, irgendwelche Räume in dem NO_x-Sensorelement 1 vorzusehen, um das Meßgas darin einzuleiten.

Daher verformt sich die Gestalt des NO_x-Sensorelements 1 weniger wahrscheinlich und hat einfach eine hohe Genauigkeit der Abmes sungen. Es ist offensichtlich, daß die Größe des NO_x-Sensorelements 1 verringert werden kann. Darüber hinaus benötigt das NO_x-Sensorelement 1 nur vier Signalleitungen für die NO_x-Erfassungszelle 11 und die Sauerstoffpumpzelle 12, woraus ein einfacher Aufbau folgt. Folglich kann das NO_x-Sensorelement 1 einfach bei geringen Kosten hergestellt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das isolierende Kera miksubstrat 14 an der unteren Fläche der NO_x-Erfassungszelle 11 angeordnet, um den Raum 14 mit der an der entgegengesetzten Sei te angeordneten Elektrode 112 der NO_x-Erfassungszelle 11 zu defi nieren. Der Raum 141 steht mit der Umgebung in dem NO_x-Sensorelement 1 in Verbindung. Entsprechend vermischt sich das an der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode 112 erzeugte Sauerstoffgas nicht mit dem Meßgas, um einen Meßfehler zu erzeugen. Das isolierende Keramiksubstrat 14 dient auch dazu, die NO_x-Erfassungszelle 11 von dem Heizabschnitt 15 zu isolieren, der zum Heizen der NO_x-Erfassungszelle 11 auf eine Aktivie rungstemperatur dient, bei dem die NO_x-Konzentration erfaßt wer den kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel verbessert der Heizabschnitt 15 Starteigenschaften des NO_x-Sensorelements 1 bei einer geringen Temperatur. In dem Fall, bei dem das NO_x-Sensorelement 1 zum Er fassen der NO_x-Konzentration in dem Abgas von einem Automotor oder dergleichen gerade nach einem Start des Motors verwendet wird, kann das NO_x-Sensorelement 1 die NO_x-Konzentration aufgrund des Heizabschnitts 15 genau erfassen.

Zweites Ausführungsbeispiel

Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel hat eine Elek trode 122a einer Sauerstoffpumpzelle 12a eine kreisförmige oder ringförmige Gestalt, wie in Fig. 10A gezeigt ist. Des weiteren ist eine NO_x-Aktivierungselektrode 111a einer NO_x-Erfassungszelle 11a auf einem Festkörperelektrolytelement 110 ausgebildet, um in einem projizierten Zustand innerhalb eines inneren Umfangsab schnitts 200 der Elektrode 122a umfaßt zu sein. Entsprechend er reicht das durch eine Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 einge leitete Meßgas immer die NO_x-Aktivierungselektrode 11a, nachdem es durch die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 hindurchgetreten ist, die der Elektrode 122a gegenüberliegt. Das heißt, daß das Meßgas immer die NO_x-Aktivierungselektrode 11a erreichen kann, nachdem das Sauerstoffgas in dem Meßgas auf der Elektrode 122a entfernt worden ist, nämlich unbeachtlich einer Richtung, in der das Meßgas strömt. Die anderen Merkmale sind gleich wie diejeni gen des ersten Ausführungsbeispiels. Entsprechend können diesel ben Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhalten wer den.

Drittes Ausführungsbeispiel

Ein NO_x-Sensorelement 3 eines dritten bevorzugten Ausführungsbei spiels ist in Fig. 11 gezeigt. In Fig. 11 sind dieselben Teile und Bauteile wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit denselben Bezugszeichen gezeigt, und ihre detaillierten Beschreibungen werden nicht wiederholt.

Das NO_x-Sensorelement 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht 30 eine an einer entgegengesetzten Seite angeord nete Elektrode 112 einer NO_x-Erfassungszelle 11 überdeckt. Insbe sondere sind ein Keramiksubstrat 34 und ein Heizabschnitt 35 an einer unteren Fläche der NO_x-Erfassungszelle 11 angeordnet, um einen Raum 341 zu definieren, aus dem ein Sauerstoffgas ausge stoßen wird. Der Raum 341 liegt der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode 112 der NO_x-Erfassungszelle 11 ge genüber und ist nach außen ausgesetzt, um mit einem Meßgas ge füllt zu werden. Daher bedeckt die Schutzschicht 30 die an der entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode 112, um sie vor dem Meßgas zu schützen. Der Heizabschnitt 35 setzt sich aus ei ner Heizlage 350 mit einem Heizmuster 351 und einer Decklage 359 zum Bedecken des Heizmusters 351 zusammen. Die anderen Merkmale und Wirkungen sind im wesentlichen dieselben wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf das vor angehende bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute offensichtlich, daß Veränderun gen der Form und Einzelheiten erfolgen können, ohne den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Schutzbereich der Er findung zu verlassen.

Ein NO_x-Sensorelement 1 umfaßt eine NO_x-Erfassungszelle 11, eine Gasdiffusionswiderstandsschicht 13, die an der NO_x-Erfassungszelle 11 angeordnet ist, um ein Meßgas einzuleiten, und eine Sauerstoffpumpzelle 12, die an der Gasdiffusionswider standsschicht 13 angeordnet ist, um ein Sauerstoffgas in dem Meßgas zu entfernen. Die NO_x-Erfassungszelle 11 hat eine NO_x-Aktivierungselektrode 111, die einer Elektrode der Sauerstoff pumpzelle 12 durch die Gasdiffusionswiderstandsschicht 13 gegen überliegt. Eine Gestalt der NO_x-Aktivierungselektrode 111 ist in einem projizierten Zustand innerhalb einer Gestalt der Elektrode der Sauerstoffpumpzelle 12 umfaßt. Entsprechend kann die Sauer stoffpumpzelle 12 sicher das Sauerstoffgas entfernen, so daß die NO_x-Erfassungszelle 11 eine Konzentration eines NO_x-Gases im Meß gas genau erfassen kann.

Claims

1. NO_x-Sensorelement (1, 3) zum Erfassen einer Konzentration eines NO_x-Gases in einem Meßgas mit
einem Festkörperelektrolytelement (110) mit einer Sauerstof fionenleitfähigkeit;
einer NO_x-Aktivierungselektrode (111), die an einer Seite des Elektrolytelements (110) vorgesehen ist;
einer an einer entgegengesetzten Seite angeordneten Elektro de (112), die an der anderen Seite des Elektrolytelements (110) vorgesehen ist;
einer Gasdiffusionswiderstandsschicht (13), die an der NO_x-Aktivierungselektrode (111) vorgesehen ist, um das Meßgas einzu leiten; und
einer Sauerstoffpumpzelle, die an der Gasdiffusionswider standsschicht (13) an einer bezüglich der NO_x-Aktivierungselektrode (111) entgegengesetzten Seite angeordnet ist, um ein Sauerstoffgas von dem Meßgas zu entfernen.

2. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 1, wobei eine Porösität der Gasdiffusionswiderstandsschicht (13) in einem Bereich von 1% bis 20% ist.

3. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoff pumpzelle (12) ein Sauerstoffpumpzellenfestkörperelektrolytele ment (120), das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat, eine er ste Elektrode (122, 122a), die an einer Fläche des Sauerstoff pumpzellenfestkörperelektrolytelements (120) ausgebildet ist, um der Gasdiffusionswiderstandsschicht (13) gegenüberzuliegen, und eine zweite Elektrode (121) umfaßt, die an der anderen Fläche des Sauerstoffpumpzellenfestkörperelektrolytelements (120) aus gebildet ist.

4. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 3, wobei eine Fläche der ersten Elektrode (122) der Sauerstoffpumpzelle (12) größer als die der NO_x-Aktivierungselektrode (111) ist.

5. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 3, wobei eine Gestalt der NO_x-Aktivierungselektrode in einem projizierten Zustand in einer Gestalt der ersten Elektrode (122, 122a) der Sauerstoffpumpzelle (12) umfaßt ist.

6. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 5, wobei die erste Elektrode (122a) der Sauerstoffpumpzelle (12) eine kreisförmige Gestalt hat; und die NO_x-Aktivierungselektrode (111) in einem projizierten Zustand innerhalb eines Innenumfangs der ersten Elektrode (122a) der Sauerstoffpumpzelle umfaßt ist.

7. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 3, wobei das durch die Gasdiffusionswiderstandsschicht (13) eingeleitete Meßgas immer die NO_x-Aktivierungselektrode (111) erreicht, nachdem es durch die Gasdiffusionsschicht durchgetreten ist, die der ersten Elek trode (122, 122a) der Sauerstoffpumpzelle (12) gegenüberliegt.

8. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 1, das des weiteren ein Substrat (14, 34), das auf dem Elektrolytelement (110) an einer Seite der auf der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode (112) angeordnet ist, um einen Raum (141, 341) auszubilden, der der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode (112) gegenüberliegt, wobei der Raum (141, 341) zum Auslassen eines Sauerstoffgases ist, das an der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elektrode (112) erzeugt wird.

9. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 8, wobei das NO_x-Sensorelement (1) einen Innenraum hat, der mit einer Umgebung in Verbindung steht, wobei der durch das Substrat (14) definierte Raum (141) mit dem Innenraum in Verbindung steht.

10. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 8, wobei der Raum (341), der durch das Substrat (14) definiert ist, mit einer Außenseite des NO_x-Sensorelements (3) in Verbindung steht, um mit dem Meßgas gefüllt zu werden.

11. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 10, wobei die an der entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode (112) mit einer Schutzschicht (30) in dem Raum (341) bedeckt ist.

12. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusi onswiderstandsschicht (13) eine Seitenfläche hat, die dem Meßgas auszusetzen ist, und das Meßgas zu der NO_x-Aktivierungselektrode (111) durch seine Seitenfläche einleitet.

13. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 1, das des weiteren ei nen Heizabschnitt (15) umfaßt.

14. NO_x-Sensorelement (1, 3) zum Erfassen einer Konzentrati on eines NO_x-Gases in einem Meßgas mit
einer NO_x-Erfassungszelle (11) zum Erfassen der Konzentrati on des NO_x-Gases, die ein erstes Festkörperelektrolytelement (110) mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine NO_x-Aktivierungselektrode (111), die an einer Fläche des ersten Festkörperelektrolytelements (110) vorgesehen ist, um das NO_x-Gas zur Erzeugung von Sauerstoffionen zu deoxidieren, und eine an einer entgegengesetzten Seite angeordnete Elektrode (112) um faßt, die an der anderen Fläche des ersten Festkörperelektroly telements (110) vorgesehen ist, um die Sauerstoffionen aufzuneh men; und
einer Sauerstoffpumpzelle (12), die in der NO_x- Erfassungszelle (11) angeordnet ist, um Sauerstoff in dem Meßgas zu entfernen, und die ein zweites Festkörperelektrolytelement (120) mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine erste Elek trode (122, 122a), die auf einer Fläche des zweiten Festkörpere lektrolytelements (120) so vorgesehen ist, daß sie der NO_x- Aktivierungselektrode (111) gegenüberliegt, um einen Sauerstoff in dem Meßgas zu ionisieren, und eine zweite Elektrode (121) um faßt, die an der anderen Fläche des zweiten Festkörperelektroly telements (120) vorgesehen ist, um Sauerstoffionen aufzunehmen, die an der ersten Elektrode (122, 122a) erzeugt werden,
wobei eine Gestalt der NO_x-Aktivierungselektrode (111) der NO_x-Erfassungszelle (11) in einem projizierten Zustand innerhalb einer Gestalt der ersten Elektrode (122, 122a) der Sauerstoff pumpzelle (12) umfaßt ist.

15. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 14, das des weiteren ei ne Gasdiffusionswiderstandsschicht (13) umfaßt, die zwischen der NO_x-Erfassungszelle (11) und der Sauerstoffpumpzelle (12) ange ordnet ist, um das Meßgas zu der NO_x-Aktivierungselektrode (111) einzuleiten.

16. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 15, wobei eine Porösität der Gasdiffusionsschicht in einem Bereich von 1% bis 20% ist.

17. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 14, wobei das Meßgas im mer die NO_x-Aktivierungselektrode (111) erreicht, nachdem es an der ersten Elektrode (122, 122a) der Gaspumpzelle in der Gasdif fusionsschicht vorbeigetreten ist.

18. NO-Sensorelement nach Anspruch 14, das des weiteren ein Substrat (14, 34) umfaßt, das an dem ersten Festkörperelektroly telement (110) an einer zur Sauerstoffpumpzelle (12) entgegenge setzten Seite angeordnet ist und einen Raum (141, 341) ausbil det, der der an der entgegengesetzten Seite angeordneten Elek trode (112) gegenüberliegt, wobei der Raum (141, 341) zum Aus lassen eines Sauerstoffgases dient, das an der an der entgegen gesetzten Seite angeordnete Elektrode (112) erzeugt wird.

19. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 18, wobei das NO_x-Sensorelement (1) einen Innenraum hat, der mit einer Umgebung in Verbindung steht, wobei der Raum (141), der durch das Substrat (14) definiert ist, mit dem Innenraum in Verbindung steht.

20. NO_x-Sensorelement nach Anspruch 18, wobei der Raum (341), der durch das Substrat (34) definiert ist, mit einer Au ßenseite des NO_x-Sensorelements (3) in Verbindung steht, um mit dem Meßgas gefüllt zu werden.