DE19547150C2 - Gassensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Gassensor mit einer Meßelektrode, einer Gegenelektrode und einem zwischen der Meßelektrode und der Gegenelektrode liegenden Elektrolyten, ist aus der EP 310 063 A2 bekannt geworden. Die zu analysierenden Gasmoleküle diffundieren durch eine vor der Meßelektrode liegende Diffusionssperre und werden beim Eintritt in die Elektrolytschicht an der Dreiphasengrenze elektrochemisch umgesetzt. Die Bezugselektrode ist der Umgebungsatmosphäre als Referenzgas unmittelbar ausgesetzt. Bei dem vorliegenden Sensoraufbau kann es vorkommen, daß die zu analysierenden Gasmoleküle nicht vollständig an der Meßelektrode umgesetzt werden und in die Elektrolytschicht eindiffundieren. Durch Rückdiffusion zur Meßelektrode können Drift- und Memoryeffekte auftreten, die das Sensorsignal ungünstig beeinflussen.

Aus der DE 27 18 907 A1 geht ein Gassensor mit einer Meßelektrode, einer Gegenelektrode und einem die Elektroden miteinander verbindenden Elektrolyten hervor, mit dem der Sauerstoffgehalt in Abgasen bestimmt werden kann. Zwar enthält der bekannte Gassensor einzelne Meßfelder, die auf einem Trägerkörper angeordnet sind, jedoch dienen diese dazu, eine Serienschaltung mehrerer Meßzellen zu realisieren, damit eine höhere Ausgangsspannung erzielt wird.

In der DE 41 28 997 A1 ist ein Gassensor zur Abgasmessung angegeben, der so ausgebildet ist, daß verschiedene Abgasanteile einzeln oder gemeinsam gemessen werden können. Einzelheiten über den Aufbau des Gassensors sind der Druckschrift jedoch nicht entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor hinsichtlich der elektrochemischen Reaktion der nachzuweisenden Gasmoleküle an der Meßelektrode zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Meßelektrode als eine erste Doppelmeßelektrode ausgeführt ist mit einer mehrseitigen Bedeckung des Elektrolyten durch die Teilelektroden der ersten Doppelmeßelektrode. Hierdurch wird die elektrochemische Umsetzung der nachzuweisenden Gasmoleküle verbessert, da die an einer der Teilelektroden nicht oxidierten Gasmoleküle an der benachbart liegenden Teilelektrode elektrochemisch reagieren und daher nicht mehr flächenmäßig in die Elektrolytschicht eindringen können. Eine besonders gute elektrochemische Umsetzung der Gasmoleküle wird erreicht, wenn die Teilelektroden der ersten Doppelmeßelektrode zumindestens teilweise überlappend angeordnet sind oder winklig zueinander stehen und den Elektrolyten sandwichartig bedecken.

Die erste Doppel-Meßelektrode ist hierbei zweckmäßigerweise zweiseitig, d. h. von jeder der Teilelektroden aus, begasbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist zweckmäßig, die Teilelektroden der ersten Doppelmeßelektrode so auszurichten, daß sie parallel zueinander stehen.

In vorteilhafter Weise ist eine zweite, die Elektrolytschicht bedeckende Doppel-Meßelektrode zum Nachweis einer weiteren Gaskomponente vorgesehen, und es ist eine Bezugselektrode vorhanden, die als Doppel- Bezugselektrode ausgeführt ist.

Zweckmäßigerweise ist die Gegenelektrode als Doppel-Gegenelektrode ausgeführt, welche sandwichartig die Elektrolytschicht umschließt.

In vorteilhafter Weise sind die Meßelektroden, die Gegenelektrode und eine Bezugselektrode auf einer gaspermeablen Membran angebracht, welche die Elektrolytschicht folienartig umschließt. Bei sandwichartigem Aufbau mit ersten Teilelektroden an der Oberseite der Elektrolytschicht und zweiten Teilelektroden an der Unterseite der Elektrolytschicht sind die ersten Teilelektroden der Meßelektroden der Bezugs- und der Gegenelektrode auf einer ersten Membranfläche und die zweiten Teilelektroden der Meßelektroden der Bezugs- und der Gegenelektrode auf einer zweiten Membranfläche angebracht. Die Membranflächen bedecken jeweils die Ober- und Unterseite der Elektrolytschicht, so daß die Elektroden in Kontakt mit dem Elektrolyten stehen. Die beiden Membranflächen können mittels eines an den Außenseiten der Elektrolytschicht umlaufenden, festen Rahmens miteinander verbunden sein. Der Rahmen gibt hierbei dem Gassensor die nötige Stabilität. Die Membranflächen sind zweckmäßigerweise aus PTFE hergestellt.

In zweckmäßiger Weise ist die Elektrolytschicht als ein mit flüssigem Elektrolyt getränktes Vlies oder als eine Gel-Elektrolytschicht ausgeführt. Der Elektrolytträger kann auch aus porösem Glas, Keramik oder Kunststoff bestehen. Weiter kann als Elektrolytschicht ein Polymerelektrolyt verwendet werden.

In vorteilhafter Weise besteht die Meßelektrode aus einem mit Elektrolyt getränkten, porösen, leitfähigen Körper, welcher unmittelbar der zu untersuchenden Gasprobe ausgesetzt ist. Die Elektrolytschicht füllt hierbei die Poren des Körpers aus, wobei der Körper allseitig dem Meßgas ausgesetzt wird. Der leitfähige Körper kann z. B. aus Sintermetall, Metallschaum oder porösem Kohlenstoff bestehen.

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

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen ersten Gassensor,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Gassensors nach der Fig. 1 im Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A,

Fig. 3 den Ausschnitt B nach der Fig. 2,

Fig. 4 einen zweiten Gassensor mit einem Sintermetallkörper als Meßelektrode.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Sensoroberteil 2a eines ersten Gassensors 1. Das Sensoroberteil 2a besitzt Fenster 3, 4, 5, 6, durch welche in der Figur nicht dargestellte Gasmoleküle zu innerhalb des ersten Gassensors befindlichen, in der Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Elektroden diffundieren können. Am Sensoroberteil 2a sind Kontaktpunkte 7, 8, 9, 10 vorgesehen, die jeweils mit einer der in der Figur nicht dargestellten Elektroden verbunden sind.

Fig. 2 zeigt den ersten Gassensor 1 im Längsschnitt längs der Schnittlinie A-A, Fig. 1. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 bezeichnet. Die Rückseite des ersten Gassensors 1 ist mit einem Sensorunterteil 2b verschlossen, welches ebenfalls Fenster 3a, 4a, 5a, 6a, besitzt, die gegenüberliegend zu den Fenstern 3, 4, 5, 6 angeordnet sind. Das Sensoroberteil 2a und das Sensorunterteil 2b bilden zusammen ein Sensorgehäuse 2. Mittig innerhalb des Sensorgehäuses 2 befindet sich ein mit einem Elektrolyt 11 getränktes dünnes Vlies 12, welches sandwichartig zwischen einer ersten gaspermeablen PTFE-Membran 13a und einer zweiten, gaspermeablen PTFE-Membran 13b angeordnet ist.

Auf den dem Elektrolyten 11 zugewandten Innenseiten der Membranen 13a, 13b sind eine erste Doppel-Meßelektrode 14 in Höhe der Fenster 6, 6a, eine zweite Doppel-Meßelektrode 15 in Höhe der Fenster 5, 5a, eine Doppel- Bezugselektrode 16 in Höhe der Fenster 4, 4a und eine Doppel- Gegenelektrode 17 in Höhe der Fenster 3, 3a vorgesehen. Die Elektroden 14, 15, 16, 17 sind jeweils sandwichartig zum mit Elektrolyt 11 getränkten Vlies 12 angeordnet und gegenüberliegende Elektrodenteile sind miteinander verbunden, wie in der Fig. 3 gezeigt. Die Meßelektroden 14, 15 sind gaspermeabel.

Fig. 3 veranschaulicht den Ausschnitt B der Fig. 2. Die Doppel- Meßelektrode 14 besteht aus zwei Meßfeldern, einer ersten Teilelektrode 14a und einer zweiten Teilelektrode 14b, welche über einen gemeinsamen Kontaktdraht 18 mit dem Kontaktpunkt 7 verbunden sind. In gleicher Weise sind die zweite Doppel-Meßelektrode 15 mit dem Kontaktpunkt 8, die Doppel-Bezugselektrode 16 mit dem Kontaktpunkt 9 und die Doppel- Gegenelektrode 17 mit dem Kontaktpunkt 10 verbunden. Die Elektroden 14, 15, 16, 17 sind in bekannter Weise an einen Potentiostaten angeschlossen.

Der Betrieb des erfindungsgemäßen Gassensors 1 kann einmal so erfolgen, daß der Potentiostat ständig an die Elektroden 14, 15, 16, 17 angeschlossen ist und die an den Meßelektroden 14, 15 eindringenden Gaskomponenten unmittelbar umgesetzt werden oder es werden während einer sogenannten "Sammelphase" zumindestens die Meßelektroden 14, 15 vom Potentiostaten abgetrennt und die nachzuweisende Komponente sammelt sich im Zwischenraum zwischen den Meßelektroden 14, 15. Zu Beginn der sog. "Meßphase" wird die Verbindung zwischen den Meßelektroden 14, 15 und dem Potentiostaten wieder hergestellt und ein konstantes Potential an die Meßelektroden 14, 15 gelegt. Die im Elektrolyten 11 gesammelten Komponenten werden nun an jeder der Meßelektroden 14, 15 je nach vorgegebenen Potential oxidiert oder reduziert. Dabei dient die während einer festgelegten Zeit nach Einschalten der Meßelektrode gemessene Ladung als Maß für die Gaskonzentration.

Die Arbeitsweise des ersten Gassensors 1 ist folgendermaßen:

Der erste Gassensor 1 gestattet den Nachweis von zwei Gaskomponenten, in der Gasprobe, wobei eine erste Komponente an der ersten Doppel- Meßelektrode 14, und die zweite Komponente an der zweiten Doppel- Meßelektrode 15 umgesetzt wird. Aufgrund des doppelseitigen Gaszutritts über die Fenster 6, 6a, 5, 5a ist die Meßeelektrodenoberfläche gegenüber bekannten Bauformen verdoppelt und aufgrund der sandwichartig gegenüberliegenden Teilelektroden der Elektroden 14, 15 werden Gaskomponenten, die z. B. an der Teilelektrode 14a nicht umgesetzt worden sind, an der gegenüberliegenden Elektrode 14b oxidiert. Entsprechendes gilt für Gaskomponenten, die über Teilelektrode 14b zur Teilelektrode 14a diffundieren. Die Stärke der Elektrolytschicht, d. h. die Stärke des Vlieses 12, richtet sich nach dem vorliegenden Anwendungsfall. Für coulometrische Messungen mit diskontinuierlichem Betrieb ist eine Vliesstärke von kleiner 0,5 mm zweckmäßig; für amperometrischen Betrieb kann das Vlies eine Stärke von größer 1 mm haben.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten Gassensor 20, mit einer in einem Meßzellengehäuse 21 befestigten Meßelektrode 22 und einer Gegenelektrode 23, welche über einen Elektrolyten 11 miteinander verbunden sind. Die Meßelektrode besteht aus einem porösen Sintermetallkörper 22, welcher mit dem Elektrolyten 11 getränkt ist. Die Elektroden 22, 23 sind über Kontaktdrähte 24 mit einer in der Fig. 4 nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden. Die nachzuweisenden Gasmoleküle diffundieren längs der Pfeile 25 in den Sintermetallkörper 22 ein und reagieren dort zusammen mit dem Elektrolyten 11. Aufgrund der Porosität des Sintermetallkörpers 22 und der damit verbundenen großen Oberfläche, können die über den Sintermetallkörper 22 eindiffundierten Gasmoleküle dort vollständig oxidert werden.

Claims (10)

1. Gassensor mit zumindestens einer gaspermeablen Meßelektrode, einer Gegenelektrode und einem die Meßelektrode mit der Gegenelektrode verbindenden Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode als eine erste Doppelmeßelektrode (14) ausgeführt ist, welche aus zwei gaspermeablen Teilelektroden (14a, 14b) besteht, die als einander zumindestens teilweise überlappend ausgerichtet sind und den Elektrolyten (11, 12) sandwichartig bedecken.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektroden (14a, 14b) der ersten Doppelmeßelektrode (14) parallel beabstandet zueinander ausgerichtet sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zweite, die Elektrolytschicht sandwichartig bedeckende Doppel-Meßelektrode (15) zum Nachweise einer weiteren Gaskomponen­ te vorgesehen ist.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode als sandwichartig den Elektrolyten (11, 12) bedec­ kende Doppel-Gegenelektrode (17) ausgeführt ist.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Meßelek­ troden (14, 15) und der Gegenelektrode (17) eine sandwichartig zwischen dem Elektrolyten (11, 12) liegende Doppel-Bezugselektrode (16) vorgesehen ist.

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, (14, 15, 16, 17) auf einer gaspermeablen Membran (13a, 13b) angebracht sind, welche die Elektrolytschicht (11, 12) folienartig umschließt.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (11, 12) als ein mit flüssigem Elektrolyt (11) getränktes Vlies (12) oder eine Gel-Elektrolytschicht ausgeführt ist.

8. Gassensor mit zumindestens einer gaspermeablen Meßelektrode, einer Gegenelektrode und einem die Meßelektrode mit der Gegenelektrode verbindenden, in einem Meßzellengehäuse befindlichen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode als leitfähiger, mit Elektrolyt getränkter, poröser Körper (22) ausgeführt ist, welcher unmittelbar der zu untersuchenden Gasprobe ausgesetzt ist.

9. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper ein Sintermetallkörper (22) ist.

10. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper aus Metallschaum oder porösem Kohlenstoff besteht.