DE2323105C3 - Elektrochemische Analysenzelle - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Analysenzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine elektrochemische Analysenzelle dieser Art, die zur Sauerstoffanalyse in einem Taucheratemgerät dient, ist aus der US-PS 34 10 778 bekannt. Die gasdurchlässige weitere Schicht dieser bekannten Sauerstoffanalysenzelle besteht aus einem relativ flexiblen Gitter und einem relativ starken, druckfesten Gitter, die den Zweck haben, die sauerstoffdurchlässige Membran gegen den unter Druck stehenden Elektrolyten abzustützen.

Aus der DT-OS 21 24 445 ist ferner eine elektrochemische Analysezelle bekannt, deren Membrane aus einer Siliconkautschukfolie besteht, in die ein zur Erhöhung der Festigkeit der Membrane dienender Nylon-Nadelfilz eingebettet ist.

Elektrolysezellen der hier interessierenden Art liefern im Betrieb einen Strom, der im wesentlichen proportional der Menge der nachzuweisenden Substanz, z. B. Sauerstoff, ist, die durch die Membran hindurch zu der von einer dünnen Elektrolytschicht bedeckten Oberfläche der Meßelektrode gelangt. Für reproduzierbare Ergebnisse ist es daher von ausschlaggebender Bedeutung, daß die geometrischen Parameter des Strömungsund Diffusionsweges zwischen der zu analysierenden Probe und der von einer dünnen Elektrolytschicht bedeckten Elektrodenoberfläche konstant sind.

Bei den bekannten elektrochemischen Analysezellen treten jedoch erhebliche Probleme auf, wenn sie zur Messung der Konzentration eines Gases in einer Atmosphäre, die Wassertröpfchen oder Wasserdampf in hoher Konzentration enthält wie dies beispielsweise in einem Atemgerät mit Luftbefeuchtungsanlage der Fall ist. Bei derartigen Anwendungen verändern Wassertröpfchen, die sich auf der Membranoberfläche absetzen oder dort kondensieren, den Querschnitt des Strömungsweges zwischen der Probe und der Elektrodenoberfläche, so daß die Ansprechdauer und/oder Eichung der Analysezelle beeinträchtigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Analysezelle anzugeben, die auch bei Verwendung in einer Atmosphäre, die Wassertröpfchen enthält oder eine hohe Wasserdampfkonzentration aufweist, einwandfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrochemische Analysezelle mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, einer selektiv durchlässigen Membran, die von einem Oberflächenbereich der einen der Elektroden durch eine dünne Elektrolytschicht getrennt ist und deren der Elektrode abgewandte Oberfläche wesentlich größer ist als der Oberflächenbereich der Elektrode, und mit einer auf der Oberfläche der Membran angeordneten gasdurchlässigen weiteren Schicht gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß diese weitere Schicht aus hydrophobem Material besteht und eine solche Porosität hat, daß Wassertröpfchen in sie nicht eindringen, während sie für Gas sowohl in ihrer Längs- als auch in ihrer Querrichtung im wesentlichen durchlässig ist.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Analysezelle.

Bei der Analysezeile gemäß der Erfindung werden die Eichung und Einstellzeit durch Wassertröpfchen nicht beeinträchtigt, da diese Tröpfchen nur einen relativ kleinen Bereich der aus hydrophobem Material bestehenden weiteren Schicht abdecken können und der Effekt der Abdeckung wegen der Querdurchlässigkeit der weiteren Schicht praktisch wirkungslos ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Teiles einer elektrochemischen Analysenzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 einen in vergrößertem Maßstab gezeichneten Querschnitt eines Teiles der Analysenzelle gemäß Fig. 1.

In den Zeichnungen ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Sauerstoff-Analysenzelle 10 dargestellt, die ein Gehäuse 12 mit einer zylindrischen Wand 14 enthält, welche eine Elektrolytkammer 16 bildet. Im Gehäuse 12 ist eine rohrförmige Anode 18 aus Zinn angeordnet, die eine große Oberfläche in der Elektrolytkammer 16 hat. Vom Inneren der Anode 18 springt eine Hülse 20 aus Epoxyharz vor, in die eine Kathode 22 aus Silber, die einen Durchmesser von etwa 1,5 mm hat, eingeschlossen ist. Die Spitze 24 der Kathode 22 liegt am Ende der Hülse 20 frei und steht dort mit einem Elektrolyten 26 in Verbindung, der sich in der

Elektrolytkammer 16 befindet. Die Wand 14 des Gehäuses 12 hat eine Öffnung 32, über die sich eine etwa 25 μηι dicke, selektiv durchlässige Membran 28 aus Polytetrafluoräthylen oder einem ähnlichen sauerstoffdurchlässigen Material erstreckt. Die Membran ist zwar für O₂, nicht jedoch für Verunreinigungen oder reduzierbare Ionen der zu analysierenden Probe durchlässig. Auf der Membran 2U und in direktem Kontakt mit dieser befindet sich eine poröse Membran 34 aus Fluorkohlenstoffpolymerisat-Fasern, die durch ₍₀ einen O-Ring 30 gehalten wird, mit dem die beiden Membranen am Gehäuse 12 befestigt sind. Die wirksame Fläche der porösen Membran 34 beträgt annähernd das 25fache der der Spitze 24 der Kathode 22 Die Elektroden 18 und 22 sind mit Leitungen 42 bzw. 44 verbunden, die zu einer üblichen Stromversorgungsund Meßeinrichtung (nicht dargestellt) führen.

Wie Fig.2 zeigt, enthä¹*. die poröse Membran 34 zahlreiche verwirrte Fasern 36, die offene Kanäle 38 bilden, welche einem Gas ein freies Strömen sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung gestatten, d. h. sowohl parallel als auch senkrecht zur Grenzfläche zwischen den Membranen 28 und 34. Der Elektrolyt 26 füllt die Elektrolytkammer 16 und einen Kanal 26 aus und bildet eine dünne Schicht 46 zwischen der selektiv durchlässigen Membran 28 und der freiliegenden Spitze 24 der Kathode 22. Die Kathode 22, die Membranen 28 und 34 und die Schicht 46 aus dem Elektrolyten können in vorteilhafter Weise so gewählt werden, daß die Einflüsse der Temperatur, des pH-Wertes, des Druckes, der Viskosität und der Strömung der zu analysierenden Probe so klein wie möglich bleiben. Im Betrieb wird die elektrochemische Zelle in Berührung mit einer zu untersuchenden Probe 48 gebracht. Die in der Probe 48 enthaltenen Sauerstoffmoleküle strömen unbehindert durch die poröse Membran 34 und diffundieren anschließend durch die selektiv durchlässige Membran 28 und die dünne Schicht 46 aus dem Elektrolyten zur Spitze 24 der Kathode 22, wo sie reduziert werden. Dabei fließt ein elektrischer Strom von der Leitung 42 zur Anode 18, durch den Elektrolyten 26 zur Kathode 22 und zurück zur Leitung 44. Die Größe dieses Stromes gibt die Sauerstoffkonzentration in der Probe 48 an. Wassertröpfchen in der Probe, wie das Wassertröpfchen 50 (Fig.2) durchdringen die hydrophobe poröse Membran M nicht. Verunreinigende Gase und Ionen strömen jedoch ungehindert in die, in der und aus der porösen Membran 34, können jedoch die selektiv durchlässige Membran 28 nicht durchdringen. Wenn ein Wassertröpfchen, wie das Tröpfchen 50, sich auf der Oberfläche der porösen Membran 34 direkt übsr der Spitze 24 der Kathode 22 absetzt oder durch Kondensation bildet, können die Sauerstoffmoleküle in die Membran 34 immer noch an Punkten, wie dem Punkt 52, die von dem über der Elektrodenspitze 24 gelegenen Bereich entfernt sind, eindringen und frei in Querrichtung durch die Kanäle 38 in der Membran 34, z. B. längs eines Weges 54, wandern und anschließend direkt über der Spitze 24 der Kathode 22 durch die selektiv durchlässige Membran 28 hindurchdiffundieren. Die Anwesenheit von Wassertröpfchen auf der Oberfläche über der Spitze 24 der Kathode 22 beeinträchtigt also wegen der hydrophoben porösen Membran 34 die Strömung des Sauerstoffes in die selektiv durchlässige Membran 28 nicht wesentlich, solange die Oberfläche der porösen Membran 34 nicht vollständig mit Wasser bedeckt ist. Ferner wird durch die >>Verbundmembran« 34-28 die Neigung zur Schichtbildung auf oder in der Membran verhindert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrochemische Analysenzelle mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, einer selektiv durchlässigen Membran, die von einem Oberflächenbereich der einen der Elektroden durch eine dünne Elektrolytschicht getrennt ist und deren der Elektrode abgewandte Oberfläche wesentlich größer ist als der Oberflächenbereich der Elektrode; und mit einer auf der Oberfläche der Membran angeordneten gasdurchlässigen weiteren Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß diese weitere Schicht (34) aus hydrophobem Material besteht und eine solche Porosität hat, daß Wassertröpfchen in sie nicht eindringen, während sie für Gas sowohl in ihrer Längs- als auch in ihrer Querrichtung im wesentlichen durchlässig ist.

2. Elektrochemische Analysenzelle nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (34) aus einer Vielzahl von verwirrten Fasern besteht

3. Elektrochemische Analysenzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (34) eine effektive Porengröße von mehr als 3 Mikron und ein Porenvolumen von mehr als 50 % besitzt

4. Elektrochemische Analysenzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (34) eine effektive Porengröße im Bereich von 3 bis 60 Mikron und ein Porenvolumen von mehr als 70 % besitzt

5. Elektrochemische Analysenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (34) aus Polyfluorkohlenstoff-Fasern besteht.

6. Elektrochemische Analysenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (34) einen zumindest zehnmal so großen Oberflächenbereich als den Bereich der Oberfläche der einen Elektrode besitzt.