DE19533911C1 - Elektrochemische Meßzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Meßzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung zum simultanen Nachweis verschiedener Gaskomponenten mit einer Vielzahl von Arbeitselektroden, einer gemeinsamen Gegenelektrode und einer gemeinsamen Bezugselektrode in einem wäßrigen Elektrolyten ist aus der DE 41 36 779 A1 bekanntgeworden. Die Arbeitselektroden sind hinter einer Diffusionsmembran angeordnet und über einzelne Blenden vor der Diffusionsmembran, die den Gaszutritt begrenzen, den nachzuweisenden Gaskomponenten ausgesetzt. Die Meßwertbildung erfolgt mit Hilfe einer potentiostatischen Auswerteschaltung, die auch die Potentiale an den Arbeitselektroden einregelt und vorgibt.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß durch Diffusion der Gaskomponenten innerhalb der Diffusionsmembran Querempfindlichkeiten auftreten, die die Selektivität der Nachweisreaktion beeinträchtigen. Zwar kann die Querempfindlichkeit durch Auswahl bestimmter Arbeitspotentiale reduziert werden, jedoch wird dann bei bestimmten Anwendungsfällen auch die Empfindlichkeit des Gasnachweises beeinträchtigt. Auf der anderen Seite gibt es Nachweisreaktionen, z. B. die Bestimmung von Kohlenmonoxyd, bei denen eine Querdiffusion zwischen zwei Arbeitselektroden erforderlich ist.

Eine elektrochemische Meßzelle zum Nachweis von Kohlenmonoxyd mit zwei Arbeitselektroden und einem Gaspfad zwischen den Arbeitselektroden ist aus der EP 126 623 B2 bekanntgeworden. Die bekannte Meßzelle besitzt zwei Platin-Arbeitselektroden sowie eine Platin-Bezugselektrode und eine Platin-Gegenelektrode. Die Arbeitselektroden sind hintereinander angeordnet, und zwischen ihnen liegt eine partiell hydrophobe und partiell hydrophile Matrix. Die an der Oberseite der Meßzelle liegende erste Arbeitselektrode ist direkt dem Meßgas ausgesetzt und an ihr wird der gesamte Kohlenmonoxydanteil oxidiert. Der neben Kohlenmonoxyd noch vorhandene Wasserstoff wird teilweise auch an der ersten Arbeitselektrode oxidiert und diffundiert dann durch die hydrophobe Matrix zur zweiten Arbeitselektrode, wo er vollständig umgesetzt wird.

Nachteilig bei der bekannten Meßzelle ist, daß ein Nachweis von weiteren Gasen nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßzelle der genannten Art derart zu verbessern, daß die Selektivität des Nachweises von unterschiedlichen Gaskomponenten verbessert wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Mitteln des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch eine Elektrolytsperre innerhalb der Diffusionsmembran eine Querdiffusion zwischen einzelnen Arbeitselektroden wirksam unterbunden ist. Die Elektrolytsperre kann derart ausgeführt sein, daß die Diffusionsmembran zwischen den Arbeitselektroden unterbrochen ist und an der Trennstelle auf einen Träger aufgeschweißt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In vorteilhafter Weise ist die Diffusionsmembran als eine erste Diffusionsmembran und eine zweite Diffusionsmembran ausgeführt, und die Elektrolytsperre ist ein Spalt zwischen der ersten Diffusionsmembran und der zweiten Diffusionsmembran, welcher mit Elektrolyt gefüllt ist.

In vorteilhafter Weise ist zum Nachweis einer ersten Gaskomponente eine erste Arbeitselektrode mit einer ersten Blende versehen, und zum Nachweis einer zweiten Komponente ist einer zweiten Arbeitselektrode eine zweite Blende vorgeschaltet, welche den Gaszutritt zur zweiten Arbeitselektrode begrenzt. Eine dritte Arbeitselektrode ist über die Diffusionsmembran als Gaspfad mit der zweiten Arbeitselektrode verbunden. Die Elektrolytsperre befindet sich in der Diffusionsmembran zwischen der ersten Arbeitselektrode einerseits und der zweiten und dritten Arbeitselektrode andererseits. Eine derartige Meßzelle eignet sich besonders vorteilhaft zum Nachweis eines Gemisches aus Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Wasserstoff. Der Sauerstoff wird hierbei an der ersten Arbeitselektrode reduziert, Kohlenmonoxyd und ein Teil des Wasserstoffes werden an der zweiten Arbeitselektrode umgesetzt, und der an der zweiten Arbeitselektrode nicht oxidierte Teil des Wasserstoffes gelangt über die Diffusionsmembran zur dritten Arbeitselektrode, wo er vollständig umgesetzt wird. Durch die Elektrolytsperre in der Diffusionsmembran zwischen der ersten Arbeitselektrode einerseits und der zweiten und dritten Arbeitselektrode andererseits wird eine Querdiffusion von Sauerstoff von der zweiten Arbeitselektrode zur ersten Arbeitselektrode unterbunden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Meßzelle 1 mit einem Meßzellengehäuse 2 welches einen mit einem wäßrigen Elektrolyten 3 gefüllten Elektrolytraum 4 umschließt. An der Oberseite des Meßzellengehäuses 2 befinden sich ein erster Durchbruch 5 und ein zweiter Durchbruch 6. Der erste Durchbruch 5 ist mit einer ersten Diffusionsmembran 7 und einer auf die erste Diffusionsmembran 7 vom Elektrolytraum 4 her aufgebrachten ersten Arbeitselektrode 8 verschlossen, und der Gaszutritt zur ersten Diffusionsmembran 7 wird durch eine erste Blende 9 mit einer Kapillaren 10 begrenzt. Der zweite Durchbruch 6 ist mit einer zweiten Diffusionsmembran 11 verschlossen, wobei im Bereich des zweiten Durchbruches 6 auf der dem Elektrolytraum 4 zugewandten Seite eine zweite Arbeitselektrode 12 und außerhalb des Überdeckungsbereiches des zweiten Durchbruches 6 eine dritte Arbeitselektrode 13 angeordnet ist. Die dritte Arbeitselektrode 13 ist über die zweite Diffusionsmembran 11 als Gaspfad mit dem zweiten Durchbruch 6 bzw. der zweiten Arbeitselektrode 12 verbunden. Der Gaszutritt zur zweiten Diffusionsmembran 11 wird durch eine vor dem zweiten Durchbruch 6 befindliche zweite Blende 14 begrenzt. Auf die Arbeitselektroden 8, 12, 13 ist ein mit Elektrolyt 3 getränktes Glasvlies 15 mittels eines Spannbügels 16 aufgedrückt, wobei das Glasvlies 15 über einen porösen Stempel 17 und ein poröses Zwischenstück 18 mit dem wäßrigen Elektrolyten 3 in Verbindung steht. Ein zwischen der ersten Diffusionsmembran 7 und der zweiten Diffusionsmembran 11 befindlicher, mit Elektrolyt 3 gefüllter Spalt 19 dient als eine Elektrolytsperre, welche die Gasdiffusion zwischen den Diffusionsmembranen 7, 11 unterbindet. Innerhalb des Elektrolytraumes 4 sind noch eine Bezugselektrode 20 und eine Gegenelektrode 21 als gemeinsame Elektroden der Arbeitselektroden 8, 12, 13 angeordnet.

Die erfindungsgemäße Meßzelle 1 ist besonders zur Untersuchung eines Gasgemisches, bestehend aus Sauerstoff, Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, geeignet, wie es beispielsweise bei der Rauchgasanalyse anfällt. Die Arbeitselektroden 8, 12, 13, die Bezugselektrode 20 und die Gegenelektrode 21 sind in bekannter Weise an einen in der Figur nicht dargestellten Dreifachpotentiostaten angeschlossen. Das Potential an der ersten Arbeitselektrode 8 ist hierbei so eingestellt, daß an der ersten Arbeitselektrode 8 der gesamte im Durchbruch 5 befindliche Sauerstoff reduziert wird. Die Potentiale der zweiten Arbeitselektrode 12 und der dritten Arbeitselektrode 13 sind auf etwa gleiche Werte in der Weise eingestellt, daß an der zweiten Arbeitselektrode 12 das über die zweite Blende 14 in den zweiten Durchbruch 6 eindiffundierende Kohlenmonoxyd vollständig und teilweise auch der Wasserstoff oxidiert wird und daß der überschüssige Wasserstoff durch die zweite Diffusionsmembran 11 zur dritten Arbeitselektrode 13 gelangt und dort vollständig umgesetzt wird. Durch die Elektrolytsperre 19 zwischen der ersten Diffusionsmembran 7 und der zweiten Diffusionsmembran 11 wird eine direkte Diffusion von Sauerstoff aus dem Bereich der zweiten Arbeitselektrode 12 in den Bereich der ersten Arbeitselektrode 8 unterbunden.

Claims (4)

1. Elektrochemische Meßzelle (1) zum Nachweis verschiedener Gaskomponenten, mit mehreren Arbeitselektroden (8, 12, 13), einer gemeinsamen Gegenelektrode (21) und einer gemeinsamen Bezugselektrode (20) in einem wäßrigen Elektrolyten (3), mit einer die Arbeitselektroden (8, 12, 13) bedeckenden Diffusionsmembran und mit einzelnen, den Gaszutritt zu einzelnen Arbeitselektroden (8, 12) begrenzenden Blenden (9, 14), dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens zwischen einer der Arbeitselektroden (8) und den übrigen Arbeitselektroden (12, 13) eine die Querdiffusion innerhalb der Diffusionsmembran (7, 11) unterbindende Elektrolytsperre (19) vorhanden ist.

2. Elektrochemische Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsmembran als eine erste Diffusionsmembran (7) und eine zweite Diffusionsmembran (11) ausgeführt ist und daß die Elektrolytsperre als ein mit Elektrolyt (3) gefüllter Spalt (19) zwischen der ersten Diffusionsmembran (7) und der zweiten Diffusionsmembran (11) ausgeführt ist.

3. Elektrochemische Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Arbeitselektrode (8) mit einer ersten Blende (9) zum Nachweis einem ersten Komponente, eine zweite Arbeitselektrode (12) mit einer zweiten Blende (14) zum Nachweis einer zweiten Komponente und eine dritte Arbeitselektrode (13) vorgesehen sind, daß die dritte Arbeitselektrode (13) über die Diffusionsmembran (11) als Gaspfad mit der zweiten Arbeitselektrode (12) verbunden ist und daß die Elektrolytsperre (19) zwischen der ersten Arbeitselektrode (8) einerseits und der zweiten Arbeitselektrode (12) und der dritten Arbeitselektrode (13) andererseits vorgesehen ist.

4. Verwendung einer elektrochemischen Meßzelle nach Anspruch 3 zum gleichzeitigen Nachweis von zumindestens Kohlenmonoxyd und Sauerstoff.