DE3203362C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft elektro-chemische Gassensoren,
insbesondere Gassensoren, in denen das nachzuweisende Gas oder
der nachzuweisende Dampf veranlaßt wird, an einer Elektrode einer
elektro-chemischen Zelle zu reagieren, welche auch eine Gegenelektrode
und einen dazwischenliegenden Elektrolyten-Körper umfaßt
und der auch eine dritte Referenzelektrode umfassen kann,
derart, daß der Strom durch die Zelle oder ein charakteristisches
Potential der Zelle eine Funktion des nachzuweisenden Gases oder
des nachzuweisenden Dampfes ist.
Es besteht eine wachsende Nachfrage nach Gas-nachweisenden Instrumenten,
insbesondere zum Zwecke der Sicherheitsüberwachung,
der Verschmutzungskontrolle, der Feueranzeige und der Abgasanalyse.
Es besteht eine spezielle Nachfrage nach tragbaren,
relativ billigen Instrumenten und, um diese den Anwendungserfordernissen
anzupassen, werden kompakte, leichtgewichtige,
robuste, zuverlässige und relativ billige Sensoren benötigt.
Ein besonderes Problem, welches bei Instrumenten dieser Art
auftritt, besteht darin, eine angemessene elektrolytische Verbindung
zwischen den Elektroden sicherzustellen, ohne die die
grundlegende Arbeitsweise der Zelle nachteilig beeinflußt
wird. Diese Verbindung muß dauerhaft aufrechterhalten werden,
ungeachtet von Änderungen in der Lage und von beachtlichen
Volumenänderungen im Elektrolyten, die sich aus Änderungen
in der Umgebungsfeuchtigkeit ergeben können.
Dabei ist es aus der US-PS 38 86 058 bereits bekannt, daß
bei elektrochemischen Gassensoren mit nichtporösen Elektroden,
ein hydrophiler Docht über der Oberfläche der Fühlelektrode
angeordnet ist, so daß dieser Docht einen Pfad für
den ohmschen Kontakt des Elektrolyts über die Fühlfläche
der Elektrode darstellt. Diese Anordnung ist jedoch
ausschließlich für potentiometrische Sensoren geeignet, da
der Innenwiderstand einer solchen Anordnung relativ hoch
ist.
Ein weiterer, ähnlicher Gassensor ist aus dem US-Patent
41 32 616 bekannt. Dabei handelt es sich um einen elektrochemischen
Gassensor mit einer ersten ebenen Meßelektrode
und einer zweiten ebenen Gegenelektrode und einem zwischen
diesen angeordneten, einen Elektrolyten tragenden, porösen
Separator.
Weiterhin ist es aus dem US-Patent 38 24 167 bekannt, bei
einem elektrochemischen Gassensor eine Referenzelektrode
vorzusehen, die im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt
wie die Gegenelektrode, und die zusammen mit der Gegenelektrode
auf einem gemeinsamen ebenen Träger getragen wird,
wobei diese jedoch gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Insbesondere bei potentiostatischen elektrochemischen Meßzellen
der oben beschriebenen Art muß der Innenwiderstand
der Meßzelle möglichst konstant gehalten werden, da der
Strom durch die Zelle zur Bestimmung der Gaskonzentration
ausgewertet werden soll.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
kleinen, kompakten, elektrochemischen Gassensor zu schaffen,
der einfach im Aufbau ist und ein hohes Maß an Betriebssicherheit
aufweist und gleichzeitig auch bei stark
schwankender Feuchtigkeit einen konstanten Elektrolytfilm
zwischen den Elektroden aufrechterhält.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen
Gassensor durch die kennzeichnenden Merkmale des
Hauptanspruchs gelöst.
Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Gassensors.
Obwohl der Docht mit dem Separator einstückig ausgebildet
sein kann, stellen sie der einfacheren Herstellung halber
vorzugsweise zwei getrennte Gegenstände desselben Materials
dar. In einer Sensoranordnung, die vorzugsweise zylindrische
Form
aufweist, ist der Docht vorzugsweise zentral angeordnet, und er
kann durch die Gegenelektrode aufgrund eines Loches oder eines
Schlitzes hindurchgeführt sein, und er kann in gleicher Weise
durch eine Referenzelektrode hindurchgeführt sein. Die Dochtanordnung
gemäß der Erfindung stellt eine ausreichende Versorgung
des Raumes zwischen den Elektroden mit Elektrolytmaterial
unabhängig von jeder Volumenänderung des Elektrolyten (möglicherweise
verursacht durch Änderungen in der Umgebungsfeuchtigkeit
und Temperatur) oder von der Lage der Zelle sicher
und erlaubt eine sehr nahe Anordnung der Elektroden mit hieraus
sich ergebender Verringerung der Größe des Sensors. So kann ein
auf unübliche Weise kompakter Sensor gebaut werden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf den Nachweis von
oxydierbaren Gasen und Dämpfen wie z. B. Kohlenmonoxyd, Hydrogensulphid,
Äthylalkohol, Schwefeldioxyd, Stickoxyd usw., sie kann
jedoch auch Anwendung finden auf den Nachweis von reduzierbaren
Gasen.
Das Prinzip wird unter Verwendung des Nachweises von Kohlenmonoxyd
beispielsweise beschrieben, aber, wie bereits erwähnt,
ist dies einfach nur ein Anwendungsbeispiel aus einem weiten
Bereich von Gasen. Es wird also an einer Elektrode (Anode)
des Sensors Kohlenmonoxyd auf elektro-chemischem Wege oxydiert,
wie es durch die folgende Gleichung beschrieben ist:
CO+H₂O=CO₂+2 H⁺+2e
An der Gegenelektrode muß ein Reduktionsprozeß stattfinden, beispielsweise
die Reduktion von Sauerstoff
1/2 O₂+2 H⁺+2e=H₂O
Die gesamte Sensorzellenreaktion ist die Summe dieser beiden
Elektrodenreaktionen, nämlich
CO+1/2 O₂=CO₂
Nach den faradayischen Gesetzen ist der Fluß von Kohlenmonoxyd,
welches an der Anode reagiert, proportional zu dem Strom.
Wenn der Fluß von Kohlenmonoxyd zu der Anode in hohem Maße
durch eine geeignete Diffusionsbarriere beschränkt wird, dann
kann im wesentlichen das gesamte, die Anode erreichende Kohlenmonoxyd
reagieren wodurch dessen Konzentration an diesem Punkt
im wesentlichen auf Null reduziert wird, so daß der Fluß von
Kohlenmonoxyd bestimmt ist, durch den Diffusionswiderstand der
Diffusionsbarriere und die Konzentration des Kohlenmonoxyds
außerhalb der Diffusionsbarriere. Es besteht daher ein direkter
Zusammenhang zwischen der Konzentration von Kohlenmonoxyd und
dem Strom, der durch die Meßzelle geliefert wird.
Die Diffusionsbarriere kann die Form eines dünnen, nicht porösen
Kunststoffilmes aufweisen, durch den das nachzuweisende Gas aufgrund
eines Prozesses der Lösungsdiffusion hindurchdringt.
Hieraus jedoch resultiert ein Sensor mit einem sehr hohen Temperaturkoeffizient
und eine bevorzugtere zu gebrauchende Barriere
stellt die Gasphasendiffusionsbarriere, welche im britischen
Patent Nr. 15 71 282 beschrieben ist, dar, wodurch ein niedriger
Temperaturkoeffizient und eine ausgezeichnete Stabilität
erreicht werden. Alternativ kann eine Knudsensche Diffusionsbarriere
verwendet werden, wie sie in der britischen Patentanmeldung
Nr. 20 49 952 beschrieben ist.
Um die Reaktion des nachzuweisenden Gases, beispielsweise
Kohlenmonoxyd, an der Meßelektrode zu fördern, ist es erforderlich,
daß die Elektrode einen passenden Katalysator umfaßt,
vorzugsweise in Form eines hohen Oberflächenbereiches.
Edelmetalle wie Platin, Gold, Palladium, ihre Gemische oder Legierungen
werden in der Regel benutzt, manchmal mit anderen Zusätzen,
um die Reaktion fördern zu helfen. Das gewählte Elektrodenmaterial
muß auch ein vernünftiger elektronischer Leiter sein.
Andere bevorzugte Elektrodenmaterialien schließen Iridium,
Osmium, Silber und Kohlenstoff und Mischungen oder Legierungen
hiervon ein.
Damit das Gas den Elektrodenkatalysator erreichen kann, ohne
daß der Elektrolyt aus der Zelle über den gleichen Durchgangspfad
herauslecken kann, kann ein dünner, nichtporöser Plastikfilm
verwendet werden, jedoch stellt eine bevorzugte Form der
Elektrode die sogenannte hydrophobische Elektrode dar, wie sie
in der Technologie der Brennstoffelemente Verwendung findet.
Bei diesem Typus von Elektrode ist die feingeteilte aktive
Elektrode innig vermischt mit feinen Teilchen von Polytetrafluoräthylen
(PTFE), die als Bindemittel wirken und die, nachdem
sie hydrophobisch sind, durch wäßrige Elektrolyten nicht
angefeuchtet werden und so Pfade für die Gasdurchdringung durch
die gesamte Elektrode hindurch aufrechterhalten. Diese Katalysatormischung
kann in einem passenden Leitungsraster enthalten
sein, welches dann schließlich mit einer Schicht von
porösem PTFE auf der Gasseite "wasserdicht" gemacht wird. In
alternativer Weise kann die Katalysatormischung auf das PTFE-Band
durch Pressung aufgebracht werden.
Wenn das nachzuweisende Gas ein reduzierendes Mittel wie z. B.
Kohlenmonoxyd oder Hydrogensulfid ist, welches an der Meßelektrode
(Anode) oxydiert wird, muß die Gegenelektrode (Kathode)
fähig sein, einen (kathodischen) Reduktionsprozeß zu unterstützen.
Beispiele für solche Elektroden sind Bleidioxyd-Elektroden
und Sauerstoff-Reduktions-Elektroden. Eine dritte, nämlich eine
Referenzelektrode, kann ebenfalls vorgesehen sein, um die Nachweiselektrode
zu überwachen oder zu beeinflussen.
Normalerweise wird ein saurer Elektrolyt gewählt, nachdem mit
alkalischen Elektrolyten Probleme mit Kohlendioxyd-Interferenz
bestehen, wenn Gase in der Umgebungsluft oder in Abgasen kontrolliert
werden. Die verwendete Säure kann beispielsweise
Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Perchlorsäure sein.
Es müssen natürlich alle Komponenten des Sensors, die mit dem
Elektrolyten in Kontakt sein werden, wie z. B. Elektroden,
Strom-Kollektoren und das Gehäuse der Sensorzelle aus Materialien
sein, die mit dem Elektrolyten kompatibel sind. Aus diesem Grunde
wurden Kunststoffe wie z. B. Acryle, Polyäthylene, Polypropylene,
PTFE und ABS zum Bau des Gehäuses der Zelle verwendet.
Zum Nachweis von oxydierbaren Gasen ist die Gegenelektrode
zweckmäßigerweise von der gleichen Art wie die Nachweiselektrode,
die als eine Sauerstoff-Reduktions-Elektrode arbeitet und
ihre Sauerstoffversorgung von der Umgebungsluft durch radiale,
nach innen gerichtete Diffusion durch das poröse PTFE-Band vom
Umkreis des Bandes erhält.
Im Falle, daß eine Referenzelektrode vorgesehen ist, kann diese
wiederum von ähnlicher Art sein und eine Sauerstoff-Wasser-kuppelnde
Elektrode bilden und ihren Sauerstoff in der gleichen
Weise wie weiter oben im Falle der Gegenelektrode beschrieben
erhalten. Die Referenzelektrode kann zwischen der Nachweiselektrode
und der Gegenelektrode angeordnet sein oder aber an der
der Nachweiselektrode abgewandten Seite der Gegenelektrode. In
beiden Fällen kann die dritte Elektrode eine Öffnung aufweisen,
um den Durchgang des Dochtes zu ermöglichen, sowie einen zusätzlichen
porösen Separator in Kontakt mit dem Docht und der
Referenzelektrode zum Sicherstellen einer elektrolytischen Verbindung.
In alternativer Weise kann die dritte Elektrode auf
dem gleichen PTFE-Band vorgesehen sein, welches die Gegenelektrode
trägt, aber hiervon getrennt und mit einem separaten
elektrischen Anschluß.
Die dritte Elektrode kann in der weiter unten beschriebenen
Weise benutzt werden, um das Potential der Nachweiselektrode
zu kontrollieren oder zu beeinflussen oder um die Basis des
Sensor-Ausganges zu beeinflussen.
In den beigefügten Zeichnungen sind Beispiele von Konstruktionen
beschrieben, welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
beinhalten. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der
Erfindung in Explosionsdarstellung,
Fig. 1a und 1b Aufsichten auf Deck- und Bodenplatten gemäß Fig. 1,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Anordnung der Elektroden und des
Stromkollektors,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in Explosionsdarstellung,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Teil für eine Elektrolyten-Kammer
und
Fig. 5 die Schaltung für einen Sensor nach der Erfindung.
Die Zeichnungen stellen keine maßstabsgetreue Darstellung dar,
die Dicke einiger der Komponenten, beispielsweise des PTFE-Bandes
und der Stromkollektoren sind zum Zwecke der Klarheit
überbetont.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 eine
Meßelektrode bezeichnet, die ein poröses PTFE-Band umfaßt, mit
dem eine Katalysator/PTFE-Mischung verbunden ist, wobei die
letztere einen Bereich von geringerem Durchmesser als das Band
bedeckt. Eine Gegenelektrode 2 weist einen ähnlichen Aufbau
auf, umfaßt jedoch ein Loch 3, durch welches hindurch sich ein
Docht 4 in eine Vorrats- bzw. Expansionskammer 5 für den Elektrolyten
erstreckt. Streifenartige Stromkollektoren 6, 7 kontaktieren
die Meß- bzw. die Gegenelektrode (siehe auch Fig. 2) und
führen nach außen zu Anschlußklemmen 8 (nur eine gezeigt). Der
Docht 4 erstreckt sich von einem Separator 9, welcher, zusammen
mit einem weiteren Separator 10 und einer ringförmigen Scheibe
11, welche zweckmäßigerweise aus einem porösen PTFE-Band herausgeschnitten
sein kann, ein innenliegendes Sandwich zwischen den
Elektroden bildet.
Oberhalb der Meßelektrode 1 befindet sich ein O-Ring 12 mit
einem starren Rückhaltering 13 von geringerer Höhe als der O-Ring,
wobei dessen Unterseite (nicht dargestellte) Schlitze aufweist,
welche den Austritt der Stromkollektoren 6 und 7 erlauben.
Eine Deckplatte 14 trägt kapillare Löcher 15, welche
eine poröse Wand bilden, zum Beschränken des Zugangs von nachzuweisendem
Gas, und die Deckplatte weist weiterhin eine Vertiefung
16 auf, um eine Diffusion über die Meßelektrode zu ermöglichen.
Eine Bodenplatte 17 trägt eine Vorrats- bzw. Expansionskammer
5 für den Elektrolyten, wobei der Docht 4 durch ein
Loch 18 hindurch in diese Kammer ragt, und so angeordnet ist,
daß ein guter Kontakt mit der Dochterweiterung 4a zustande kommt,
welche sich um den Umfang der Kammer 5 herumerstreckt,
um einen Kontakt mit dem Elektrolyten in jeder Lage des Sensors
sicherzustellen. In den Aufsichten gemäß Fig. 1a und 1b dienen
die Bohrungen 19 für die Anschlußklemmen 8, die anderen Bohrungen
dienen für Schraubbolzen der Vorrichtung.
Nach dem Zusammenbau wird das Ganze zusammengespannt mit (nicht
dargestellten) Schraubbolzen und Muttern durch die Deckplatte
14 und die Bodenplatte 17. Die Muttern und Schraubbolzen werden
genügend stark angezogen, um in geeigneter Weise den O-Ring zusammenzupressen.
Die äußeren ringförmigen Bereiche des PTFE-Bandes
in den Elektroden 1 und 2, die nicht mit dem Katalysator
bedeckt sind, werden auf diese Weise in innigen Druckkontakt mit
der PTFE-Scheibe 11 gebracht. Das PTFE formt sich um die von den
Elektroden aus der Zelle herausführenden Stromkollektoren herum.
Auf diese Weise wird eine Dichtung von sehr hoher Güte aufgrund
der hohen Beständigkeit des hydrophobischen porösen PTFE gegen
Wasserdurchdringung erreicht. Die Höhe des Ringes 13 ist so gewählt,
daß der gewünschte Grad an Kompression durch einfaches
festes Anschrauben erreicht wird. O-Ring-Kompressionen zwischen
15% und 50% wurden erfolgreich angewendet.
Mit der auf dem Kopf stehenden Anordnung kann nun der Elektrolyt
eingefüllt werden, um den Vorratsbehälter 5 teilweise zu
füllen, und die Deckplatte 20 gibt in ihrer Funktionsstellung
in der Bodenplatte 17 einen dichtenden Verschluß. Der Elektrolyt
befeuchtet die Separatoren 9 und 10 über den Docht 4, um die
elektrolytische Verbindung zwischen den Elektroden herzustellen.
Die Menge an Elektrolyt wird so gewählt, daß die Vorrats- bzw.
Expansionskammer 5 nur teilweise gefüllt ist, so daß Volumenänderungen,
die sich aus dem Hinzugewinn oder dem Verlust von
Wasserdampf während des Betriebes des Sensors ergeben, ausgeglichen
werden können.
In Fig. 2 stellen die schraffierten Bereiche die PTFE-verklebten
Katalysator-Bereiche dar. A zeigt die Meßelektrode 1 und B die
Gegenelektrode 2. C zeigt eine Anordnung für ein System mit drei
Elektroden, wobei ein Segment als Gegenelektrode und das andere
Segment als dritte oder Referenzelektrode wirkt. Obwohl die
jeweiligen Flächen der Gegenelektrode und der Referenzelektrode
gleich groß dargestellt sind, können sie je nach Wunsch variiert
werden.
In alternativer Weise kann die dritte Elektrode eine separate
Komponente bilden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die in
Explosionsdarstellung die sandwichartige Anordnung Elektroden-
Separatoren-Docht zeigt, wobei die anderen Sensorkomponenten
so sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Meßelektrode 1, Stromkollektor 7, Separator 10, Scheibe 11 und
Separator 9 sind ähnlich angeordnet wie in Fig. 1 dargestellt.
Die anderen beiden Elektroden 29 und 30 haben beide Öffnungen
zum Durchgang des Dochtes 4 und ein zusätzlicher Separator
31 ist zwischen den Elektroden 29 und 30 angeordnet. Der Docht
ist so angeordnet, daß er sich mit beiden Separatoren 10 und
31 in Berührung befindet. Mit 32 und 33 sind die Stromkollektoren
für die Elektroden 29 bzw. 30 bezeichnet. Die Elektrode
20 kann als Gegenelektrode benutzt werden, wobei die Elektrode
30 die dritte oder Referenzelektrode darstellt. In alternativer
Weise kann die Elektrode 30 als die Gegenelektrode benutzt werden,
wobei die Elektrode 29 die dritte bzw. Referenzelektrode
bildet.
Der Zugang von Sauerstoff zum Umkreis der Gegenelektrode vollzieht
sich über den Zwischenraum zwischen den Stromkollektoren
6, 7 und den Schlitzen in dem Rückhaltering 13 für den O-Ring.
Um eine gute Verteilung über den Umkreis der Gegenelektrode
sicherzustellen, kann ein enger, flacher, ringförmiger Kanal
in die Deckplatte eingeschnitten sein mit einem Außenumfang
ebenso groß wie der Innenumfang von 13. Der Sauerstoff diffundiert
vom Umkreis radial nach innen durch das poröse PTFE-Band
der Gegenelektrode 2, um den Gegenelektroden-Katalysator zu erreichen,
wobei das PTFE-Band für diesen Zweck ausreichend Diffusionsvermögen
zurückbehält, selbst wenn es durch den O-Ring 12
zusammengepreßt ist. Die Anforderungen bezüglich Diffusionsvermögen
sind im einzelnen weiter unten diskutiert. Falls eine
dritte, Sauerstoff-Reduktions-Referenzelektrode vorgesehen ist,
dann erhält diese ihre Sauerstoffversorgung auf einem ähnlichen
Weg.
Bei einer anderen Anordnung ist der O-Ring 12 zwischen den
Elektroden 1 und 2 angeordnet und auf die Scheibe ist verzichtet.
Jedoch wird der Anordnung gemäß Fig. 1 der Vorzug gegeben,
nachdem sie eine zuverlässigere Abdichtung ergibt und einen
Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem O-Ring vermeidet.
Geeignete Materialien für eine Anzahl von Komponenten wurden
weiter oben diskutiert. Die Stromkollektoren 6 und 7 müssen aus
einem geeigneten inerten leitenden Material gefertigt sein und
ein Platinband ist hierzu sehr geeignet. Das Material des Dochtes
und des Separators müssen gegenüber dem Elektrolyten ebenfalls
inert, d. h. neutral bzw. reaktionsträge sein. Eine Glasfiber-Filtermatte
aus Borsilikat oder eine Matte aus Polyesterfiber
stellen geeignete Materialien dar.
Die Elektrolyten-Konzentration ist vorzugsweise so gewählt, daß
sie annähernd im Gleichgewicht ist mit der mittleren Feuchtigkeit,
der beim Betrieb begegnet werden wird, um die auf einem
Verlust oder einer Aufnahme von Wasser beruhenden Gesamtvolumenveränderungen
auf einem Minimum zu halten. Beispielsweise ist
10-N Schwefelsäure oder 50%ige Phosphorsäure geeignet für
mittlere relative Feuchtigkeiten von ungefähr 65%.
Obwohl die Anordnung als zusammengeschraubt beschrieben worden
ist, können auch andere Methoden verwendet werden. Beispielsweise
kann anstelle von Schrauben auch Verkleben, Ultraschall-Schmelzen,
Hitzeschmelzen oder Federklammern Verwendung finden.
In alternativer Weise kann die Anordnung in eine äußere Metallhülse
eingeschlossen werden und, nach geeigneter Kompression
des O-Ringes, können die Enden der Metallhülse umgefalzt werden,
um die Anordnung unter Druck zu sichern und zu halten. Bei dieser
Anordnung sind die Schraubenbohrungen durch 14 und 17 ersichtlich
unnötig und die Stromkollektoren 6 und 7 werden nach
außen durch die Bohrungen 19 geführt. Für ein System mit drei
Elektroden wird eine zusätzliche Bohrung notwendig. Es können andere Konstruktionsvarianten
verwendet werden, ohne vom grundsätzlichen
erfinderischen Konzept abzuweichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die
Kapillaren unter Verwendung von Kunststoffhülsen in vergrößerten
Bohrungen 15 gebildet, wobei das Hülsenmaterial so gewählt ist,
daß es einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist
als das Material, aus dem 14 gemacht ist. Bei einem Ansteigen
der Temperatur wird dann das Loch der resultierenden
Kapillare verengt als Ergebnis unterschiedlicher thermischer
Ausdehnung und durch geeignete Wahl von Material und Abmessungen
kann der innewohnende niedrige Temperaturkoeffizient des Gasphasendiffusionsbarrierensensors
weiterhin reduziert werden
auf einen Wert nahe Null. Die Empfindlichkeit des Sensors kann
leicht variiert werden durch Variation der Anzahl und der Größe
der Kapillaren, in Anpassung an jeden erforderlichen Meßbereich.
Die bisher beschriebenen Sensoren sind für den Betrieb in der
Diffusionsarbeitsweise geeignet. Es kann jedoch auch ein geeignetes
Gehäuse der Deckplatte 18 angepaßt werden, um zu ermöglichen,
daß ein Gasstrom in einem kontinuierlichen Fluß über den
Sensor streicht. Beim Betrieb in der Duffusions-Arbeitsweise
ist es klar, daß der Zugang von dem zu überwachenden Gas zu
der Gegenelektrode viel kleiner sein muß als der Zugang zu der
Meßelektrode, so daß eine Reaktion des Gases an der Gegenelektrode
sich nicht signifikant auf das Signal auswirkt. Gleichzeitig
muß der Zugang von Sauerstoff zu der Sauerstoff-Reduktions-
Gegenelektrode ausreichend sein, um die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion
aufrechtzuerhalten.
Die Situation kann im Falle eines Kohlenmonoxyd-Sensors wie
folgt analysiert werden:
Wenn das Sensorsignal gleich ist fx µA, wobei x die Konzentration
des Kohlenmonoxydes in ppm ist und f die Empfindlichkeit
in µA per ppm, dann kann, nachdem der Sensor diffusionsbegrenzt
ist, das Signal als ein Maß des Gasflusses zu der Anode (Meßelektrode)
genommen werden.
Der Fluß von Kohlenmonoxyd zu der Kathode (Gegenelektrode) muß
sehr viel geringer sein als derjenige zu der Anode, und zwar um
einen Faktor b, und die erste Bedingung hierfür ist folgende:
Der Fluß von Sauerstoff zu der Kathode wird um das Verhältnis
der Konzentrationen proportional höher sein unter der Annahme,
daß die Diffusionskonstanten die gleichen für Sauerstoff und
Kohlenmonoxyd sind. Ein zusätzlicher Faktor 2 muß ebenfalls mit
fluß eingeschlossen werden, da Stromeinheiten als ein Maß für den
Fluß benutzt werden und da ein Mol von Sauerstoff unter elektrochemischen
Gesichtspunkten gleichwertig ist mit 2 Mol von
Kohlenmonoxyd. Demnach ist der Fluß von Sauerstoff zur
von Umgebungsluft mit 21% (2,1×10⁵ ppm) Sauerstoff.
Die zweite Bedingung ist diejenige, daß dieser Fluß mehr als
ausreichend sein sollte, um den Sensorstrom (fx) zu unterhalten,
und zwar um einen Faktor a. Dies kann daher folgendermaßen dargestellt
werden:
oder
Damit das Einwirken von Kohlenmonoxyd an der Kathode unsignifikant
bleibt, muß der Wert von b in der Größenordnung von 50 bis
100 liegen. Eine unzureichende Versorgung von Sauerstoff liegt
bei einem Grenzwert von a=1 vor, so daß die Grenzwerte der
Konzentration von Kohlenmonoxyd 8,400 ppm für b=50 und
4,200 ppm für b=100 sind. Man sieht, daß ein weiter Spielraum
für die meisten Überwachungsanwendungen vorliegt, wo die
interessierenden Konzentrationen sehr viel tiefer liegen als
diese Grenzwerte.
Ein Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in hohem Maße
geeignet, diese Anforderungen zu erfüllen, nachdem in der Praxis
herausgefunden wurde, daß die Flüsse beim Gebrauch von ohne weiteres
verfügbaren, porösen PTFE-Bändern für die Kathode in natürlicher
Weise in die erforderliche Größenordnung fallen. Falls erforderlich,
kann eine zusätzliche Beeinflussung erreicht werden
durch geeignete Wahl von Banddicke, Durchlässigkeit, Gesamtdurchmesser
und/oder Grad der Kompression des O-Ringes.
Wenn der Sensor in der Durchströmungs-Betriebsweise verwendet
wird, wo die Gasprobe nur von der Anode gesehen wird, dann ist
es lediglich notwendig, sicherzustellen, daß der Sauerstoff
fluß zur Kathode für den Sensorstrom ausreichend ist.
Ein Problem, das bei elektro-chemischen Gassensoren vorkommen
kann, liegt darin, daß sich ein interner Druck aufbauen kann,
wenn die Sensoren einem raschen Temperaturanstieg unterworfen
werden, der ausreichend sein kann, um den Elektrolyten durch
die Abdichtung zu drücken. Wenn kein Entlüftungs- oder Druckentlastungsmechanismus
vorgesehen ist, dann wird der Druck des
internen Gases proportional zur absoluten Temperatur ansteigen.
Es wurden Versuche unternommen, dieses Problem durch komplizierte
Mittel einschließlich flexibler Membranen zu mildern,
welche sich in Anpassung an die Druckänderungen verformen.
Eine neue Lösung dieses Problems besteht in der Form einer
Gas-Druckausgleichsöffnung. Das Prinzip kann unter Bezugnahme
auf Fig. 4 leicht verstanden werden. Eine Deckplatte 20a wird
verwendet, um den Elektrolyten-Vorratsbehälter 5 der Fig. 1
(welche äquivalent zu 20 in Fig. 1, aber in der im folgenden beschriebenen
Weise modifiziert ist) abzuschließen. Ein enges
(kapillares) Loch 34 führt durch die Deckplatte hindurch. Ein
gasdurchlässiger Abstandshalter 35 wird durch eine Schicht aus
porösem PTFE-Band, welches an der äußeren Umfangsfläche der Platte
20a festgeklebt ist, über dem Loch gehalten. Nachdem der Sensor
in der weiter oben beschriebenen Weise mit Elektrolyt-Flüssigkeit
gefüllt wurde, wird diese Deckplattenanordnung
in die Platte 17 dichtend eingefügt in der weiter oben im Zusammenhang
mit Deckplatte 20 beschriebenen Weise. Das poröse
PTFE erlaubt den Durchgang von Gas, jedoch nicht den Durchgang
des Elektrolyt. Eine interne Gasexpansion beim Aufwärmen des
Sensors kann nun durch das poröse PTFE 36 und das kapillare
Loch 34 hindurch entlüftet werden. Ein enges kapillares Loch
stellt eine ernste Begrenzung der Diffusion dar, jedoch eine
sehr viel geringere Begrenzung des großräumigen Flusses. Für
einen Sensor in der Diffusionsbetriebsweise, wo die unter Test
befindliche Atmosphäre den Sensor vollständig umgibt, kann die
Größe des kapillaren Loches leicht so gewählt werden, daß die
Diffusionsrate des nachzuweisenden Gases durch das Loch und
im Anschluß daran über die Elektrolyten-Expansionskammer zu
den Elektroden langsam genug ist, um auf das Signal einen vernachlässigbaren
Einfluß zu haben, jedoch immer noch mehr als
ausreichendes Belüften erlaubt. Die gewählte Größe ist abhängig
vom internen Gasvolumen innerhalb des Sensors, von der
Sensitivität des Sensors und von der Dicke der Platte 20a und
kann auf einfache Weise empirisch ausgewählt werden. Als Richtlinie
haben wir herausgefunden, daß bei einer 1 mm dicken
Platte Lochgrößen in der Größenordnung von 0,05 mm bis 0,5 mm
Durchmesser geeignet waren. Für eine 2 mm dicke Platte würden
diese Größen um einen Faktor 2 erhöht werden, um einen anteiligen
Effekt zu erzielen. Während die Druckausgleichsöffnung
vorzugsweise in der Deckplatte in der beschriebenen Weise vorgesehen
ist, ist es ersichtlich, daß sie ebenso an einem anderen
Ort der Vorrats- bzw. Expansionskammer des Elektrolyten angeordnet
sein könnte. Die Druckausgleichsöffnung kann auch bei
Sensoren Anwendung finden, die anders ausgestaltet sind als
die, welche die Hauptprinzipien der vorliegenden Erfindung
umfassen.
Es wurden viele Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
und getestet. Die Mehrzahl hiervon hatten in etwa
einen Außendurchmesser von 40 mm und eine Dicke von 15 mm, was
zeigt, welch kleine Baugröße und Kompaktheit möglich gemacht
wurde. Sie haben ausgezeichnete Leistungen bezüglich Orientierungsstabilität,
Fehlen von Lecken, niedriger Temperaturkoeffizient
und Signalstabilität über lange Zeitperioden in
sich über 17 Monate erstreckenden Versuchsreihen gezeigt.
Wenn die Zelle nur zwei Elektroden umfaßt, kann sie mit einem
einfachen Belastungswiderstand zwischen der Anode und der
Kathode betrieben werden und die elektrische Spannung, die
hierüber durch den Signalstrom erzeugt wird, kann in angemessener
Weise verstärkt werden. In alternativer Weise kann
ein Stromkreis nach Art einer Gitterbasisschaltung oder eines
Strom-Spannungs-Konverters Verwendung finden. Das Vorsehen
einer dritten Elektrode kann benutzt werden für eine konventionelle
potentiostatische Steuerung, in der die Meßelektrode
auf einem festen Potential gehalten wird unabhängig von der
Konzentration des nachzuweisenden Gases. Es kann auch angewendet
werden für die beiden Arbeitsweisen, die im folgenden
beschrieben werden.
Ein Problem, welches sich im Zusammenhang mit einfachen Sensoren
mit zwei Elektroden mit einer Kathode zur Reduktion der
Luft dann ergibt, wenn sie in reiner Luft betrieben werden, besteht
in der verbleibenden Grundlinie, welche sich aus den
Unterschieden in der Aktivität der Sauerstoffreduktion zwischen
Anode und Kathode ergibt. Nach einem Merkmal der Erfindung
werden diese verbleibenden Grundlinien durch Gegenkopplung ausgeglichen
unter Verwendung einer dritten Elektrode innerhalb
des Systems und dadurch, daß ein konstanter galvanostatischer
Strom zwischen dieser dritten Elektrode und der Gegenelektrode
geleitet wird, welche normalerweise die Kathode ist. Der notwendige
Wert dieses galvanostatischen Stromes, der erforderlich
ist, um die Basislinie zu kompensieren, kann auf einfache Weise
mit jedem beliebigen speziellen Sensor empirisch ausgewählt werden.
Vorzugsweise ist die Kathode so gewählt, daß sie eine höhere
Sauerstoffreduktionsaktivität aufweist als die Anode, was sich
in einem höheren Leerlaufpotential in reiner Luft auswirkt und
in diesem Falle wird das Ergebnis eine positive (anodische bei
der Anode) Grundlinie sein. In einem solchen Fall wird der
galvanostatische Strom, der notwendig ist, um die Grundlinie zu
reduzieren oder zu eliminieren, ein kathodischer Strom zu der
Kathode von der dritten Elektrode sein. Zum Vorteil der reduzierten
Grundlinie kommen in der Folge eine Anzahl von anderen
Vorteilen hinzu, insbesondere eine viel schärfere Ansprechempfindlichkeit
und größere Stabilität während ausgedehnter
Aussetzung des Sensors gegenüber den Testgasen. Der galvanostatische
Strom und seine erzeugende Schaltanordnung sind ziemlich
unabhängig vom Sensorsignal und dessen Schaltanordnung.
Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Sensoranordnung
mit drei Elektroden Teil eines elektronischen Stromkreises,
wie er in Fig. 5 gezeigt ist, der so ausgelegt ist,
daß das Potential der Meßelektrode, also z. B. die Anode im Falle
des Nachweises eines oxydierbaren Gases, mit der Konzentration
des nachzuweisenden Gases variiert und die angesprochene Änderung
im Anodenpotential kann dann als Maß für die Konzentration
des nachzuweisenden Gases verwendet werden.
In Fig. 5 ist die Meßzelle innerhalb des gestrichelten Kreises
dargestellt, und umfaßt die Anode 1, die Kathode 2 und die
Referenzelektrode 21. Eine Referenzspannungsschiene 22 kann
durch eine elektronische Einrichtung oder durch eine geeignete
Batterie, z. B. eine Quecksilber-Zink-Quelle versorgt werden.
Eine ausgewählte Spannung, welche zwischen die Referenzelektrode
21 und den Punkt 23 gelegt wird, kann durch einen variablen
Widerstand 24 erreicht werden. Der Operationsverstärker 25 wird
dann diese Spannung konstant halten. Der Wert dieser Spannung
sollte so gewählt werden, daß ungewünschte Seitenreaktionen in
der Meßzelle minimalisiert werden und wird normalerweise so gewählt
werden, daß sich die Anode in der Gegend ihres Ruhepotentials
in reiner Luft befindet.
Wenn die Anode nun der Atmosphäre ausgesetzt wird, welches ein
anzuzeigendes, reduzierendes Gas enthält, z. B. Kohlenmonoxid,
so wird sich das Potential der Anode ändern und es wird ein Strom
erzeugt werden, wie dies weiter oben beschrieben ist. Es kann
leicht gesehen werden, daß die Änderung im Anodenpotential ΔV gegeben
ist durch die Formel ΔV=iR, wobei i den durch den Sensor
zwischen Anode und Kathode fließenden Strom und R den Wert des
Belastungswiderstandes 26 bedeuten. Die Änderung des Anodenpotentials
wird daher eine Funktion der Konzentration des Kohlenmonoxids
sein und dieses Signal ΔV kann von den Punkten 23, 27 abgegriffen
werden und, wenn nötig, verstärkt werden zur Anzeige oder
zu anderen Zwecken.
Es wurde festgestellt, daß diese Betriebsweise, mit einem Belastungswiderstand
und dem als eine Funktion des nachzuweisenden
Gases variierenden Anodenpotential signifikante praktische Vorteile
aufweist verglichen mit einer bekannten Methode mit potentiostatischer
Betriebsweise, wo die Meßelektrode auf einem festen
Potential in diesem Stromkreis gehalten wird; das Rauschen wird
hier in signifikanter Weise reduziert.
Im folgenden sind einige Beispiele von Sensoren gemäß der Erfindung
wiedergegeben:
Es wurde ein Sensor gemäß Fig. 1 gebaut, in dem die Gehäuseteile
13, 14 und 17 aus Acrylkunststoff bestanden; die Anode war eine
Mixtur aus Platinmohr (platinum black) und PTFE-Teilchen, durch
Druck mit einem porösen PTFE-Band mit 0,1 mm Dicke und einer Porosität
von ungefähr 25%, hergestellt durch Dodge Industries,
verbunden; die Kathode war von ähnlichem Aufbau, aber mit einem
Loch von 3 mm Durchmesser durch ihre Mitte. Der Separator und
der Docht waren aus Whatman GF/C-Glasfiberpapier. Die Stromkollektoren
waren aus Platinband. Der Elektrolyt war 10 N Schwefelsäure,
die Vorratskammer mit einem Volumen von 3 cm³ war in etwa
zu einem Drittel gefüllt. In die Deckplatte waren 5 Kapillaren
ausgebildet durch Einfügen von Silikon-Gummihülsen mit einer
Wandstärke von 1,5 mm und mit Kapillardimensionen von 1 mm
Innendurchmesser und 4 mm Länge. Dieser Sensor hatte eine Empfindlichkeit
auf Kohlenmonoxid von 0,11 µA/ppm, und einen Temperaturkoeffizienten
von weniger als 0,05% des Signals pro °C.
Der Sensor arbeitete gut ohne Leck in vielen unterschiedlichen
Lagen und während vieler Monate.
Ein Sensor war gebaut wie in Beispiel I aber mit nur einer
einzigen zentralen Überwachungskapillare von gleichartiger Konstruktion
und Abmessung. Dieser Sensor hatte eine Sensitivität
bezüglich Kohlenmonoxid von 0,011 µA/ppm über dem Bereich
0-1000 ppm.
Ein Sensor war aufgebaut wie in Beispiel I, aber unter Verwendung
von feingeteiltem Gold als Anodenkatalysator anstelle von Platinmohr,
unter Verwendung einer Mixtur von Platinmohr und feingeteiltem
Gold als Kathodenkatalysator, und 50% Phosphorsäure anstelle
von 10 N Schwefelsäure. Beim Testen des Sensors mit Mischungen von
Hydrogensulfid und Luft zeigte der Sensor eine Sensitivität von
0,39 µA/ppm für Hydrogensulfid. Der Sensor war zuverlässig, mit
nur sehr geringen Variationen des Ausgangssignals bei Temperaturänderungen,
und zeigte Unversehrtheit und keinerlei Lecks.
Ein Sensor mit drei Elektroden war, wie in Fig. 3 dargestellt,
aufgebaut. Alle Elektroden umfaßten Platinmohr und PTFE-Teilchen,
die mit dem porösen PTFE-Band verbunden waren, wie in Beispiel I beschrieben,
ausgebildet. In der Deckplatte aus Acryl war eine einzige
Kapillare ausgebildet durch Einfügen einer Silikon-Gummihülse mit
Wanddicke von 3 mm und hieraus resultieren Kapillardimensionen
von 0,875 mm Lochdurchdurchmesser und 2,5 mm Länge.
Der Sensor wurde unter Verwendung des in Fig. 5 dargestellten
Stromkreises getestet, mit der Elektrode 29 (Fig. 3) als Gegenelektrode
wirkend (gleichwirkend zu 2 in Fig. 5) und mit Elektrode
30 (Fig. 3) als Referenzelektrode (äquivalent zu 21 in Fig. 5).
Der Belastungswiderstand 26 wies 100 Ohm auf. Das Potential zwischen
21 und 23 war auf Null gesetzt. Die Signalsensitivität,
über den Belastungswiderstand 26 zwischen den Punkten 27 und 23
abgenommen, war 3 µV pro ppm Kohlenmonoxid. Tests mit Konzentrationen
bis zu 4000 ppm Kohlenmonoxid in Luft oder Stickstoff zeigten
ein lineares Verhalten und stabile Signale. Über den Bereich
von 10°C bis 30°C variierte das Signal nicht mehr als ±1,5%
seines Mittelwertes.
Claims (11)
1. Elektrochemischer Gassensor mit mehreren Elektroden, mit
einer ersten ebenen Meßelektrode und einer zweiten ebenen
Gegenelektrode und einem zwischen diesen angeordneten,
einen Elektrolyten tragenden, porösen Separator, dadurch
gekennzeichnet, daß dieser Separator (9) durch einen sich
durch eine Öffnung in der Ebene der Gegenelektrode hindurch
erstreckenden Docht (4) mit dem Elektrolyten in einer Elektrolytkammer
(5) in Verbindung steht.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Referenzelektrode in einer anderen Ebene wie die Gegenelektrode
angeordnet ist, und daß sie hiervon durch einen weiteren
ebenen, nicht leitenden, porösen Separator getrennt
ist, welcher mit dem Docht in Kontakt ist, wobei der Docht
durch eine Öffnung in der Ebene des weiteren Separators
hindurchgeht.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß einer oder mehrere der Elektroden einen Katalysator
beinhalten, der mit PTFE-Teilchen vermischt ist, die mit
einem ebenen Träger aus porösem, ungesintertem PTFE-Band
verbunden sind.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser Katalysator aus Platin, Iridium, Ruthenium,
Osmium, Palladium, Gold, Silber und Gemischen oder
Legierungen hiervon oder Gemischen hiervon mit Kohlenstoff
besteht.
5. Sensor nach Anspruch 2 oder einem hiervon abhängenden
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode
eine Sauerstoff-Wasser-Kopplungs-Elektrode ist, die ihren
Sauerstoff von der Umgebungsluft erhält.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Diffusionswand ein Kapillarkörper
Verwendung findet, der durch einen kapillarartigen Einsatz
in die Sensoranordnung gebildet wird, wobei das Material
des Einsatzes einen höheren Koeffizienten der thermischen
Ausdehnung aufweist als das Material, in das er eingesetzt
ist.
7. Sensor nach Anspruch 1 oder einem hiervon abhängigen Anspruch
mit einer Referenzelektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Strom zwischen
der Meßelektrode und der Referenzelektrode aufrechtzuerhalten
sowie eine weitere Einrichtung zum Einstellen des Stromes
zum Zwecke des Einstellens der Grundlinie des Sensors.
8. Sensor nach Anspruch 1 oder einem hiervon abhängigen Anspruch
mit einer Referenzelektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Widerstand vorgesehen ist, dessen erste Seite mit
der Meßelektrode verbunden ist und eine Einrichtung zum
Kontrollieren und Aufrechterhalten eines konstanten Potentials
zwischen der zweiten Seite des Widerstands und der
Referenzelektrode, wobei über diesen Widerstand ein Signal
erzeugt wird, welches gleich ist der Änderung des Potentials
der Meßelektrode bei Beaufschlagung mit dem nachzuweisenden
Gas und ein Maß für dessen Konzentration gibt.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Referenzelektrode als Sauerstoff-Wasser-Kopplungs-Elektrode
arbeitet, und daß das konstante Potential bei 0 Volt aufrechterhalten
wird.
10. Elektrochemische Gassensoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytkammer (5) über
eine Druckausgleichsöffnung mit der Umgebungsluft in Verbindung
steht.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckausgleichsöffnung (34) eine Kapillare
ist, welche durch eine hydrophobische, poröse Membrane (36)
zum Elektrolyten abgedeckt ist.
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