DE3910037A1 - Elektrochemische sauerstoffanordnung - Google Patents
Elektrochemische sauerstoffanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemisch arbeitenden
Sauerstoff-Sensor. Dieser Sensor stellt eine elektrochemische
Zelle dar mit einer Meßelektrode, einer Bezugselektrode und einer
Gegenelektrode, wobei Bezugs- und Gegenelektrode auch eine
gemeinsame Baueinheit bilden können.
Elektrochemische Sauerstoff-Nachweiseinheiten sind bekannt. Ein
derartiger Sensor für Sauerstoff wird im US-Patent 37 67 552
beschrieben. Dieser Sensor arbeitet wie folgt: Der Sauerstoff
gelangt durch eine der Transportbegrenzung dienende Membrane zu
einer Meßelektrode aus Gold, wo er elektrochemisch reduziert
wird. Das zur Reduktion notwendige Elektrodenpotential wird
dadurch erreicht, daß die Meßelektrode über einen Widerstand mit
einer Bleielektrode verbunden ist. Gelangt Sauerstoff an die
Meßelektrode, so wird er dort unter Aufnahme von Elektronen
reduziert (kathodische Reaktion). Die erforderlichen Elektronen
werden durch die gleichzeitig ablaufende oxidative Auflösung der
Bleielektrode (anodische Reaktion) geliefert; sie gelangen als
elektrischer Strom über den o. g. Widerstand zur Meßelektrode. Der
elektrische Strom ist ein Maß für die pro Zeiteinheit umgesetzten
Sauerstoffmoleküle und damit für die Sauerstoffkonzentration.
Gemessen wird die am o. g. Widerstand anliegende
stromproportionale Spannung.
Eine derartige Anordnung hat mehrere Nachteile:
Nach einer gewissen Arbeitszeit des Sensors bilden sich auf der Bleielektrode oxidische oder andere Deckschichten, die die gewünschte elektrochemische Reaktion mehr und mehr hemmen. Die kann sich insbesondere dadurch bemerkbar machen, daß die bei offenem Stromkreis gemessene Zellenspannung der Anordnung absinkt, da sich das Elektrodenpotential der Bleielektrode aus thermodynamischen (Änderung der Art der potentialbestimmenden Elektrodenreaktion) und kinetischen Gründen (zunehmende Hemmung der ablaufenden Elektrodenreaktion) ändert. Da bei geschlossenem Stromkreis das Potential der Meßelektrode unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls am Widerstand durch das Potential der Bleielektrode bestimmt wird, verändert sich im Laufe der Zeit auch das Arbeitspotential der Meßelektrode. Hierdurch verändert sich auch die Geschwindigkeit des elektrochemischen Umsatzes an Sauerstoff. Dies macht sich derart bemerkbar, daß diese Sauerstoffzellen (die in der Regel in Raumluft eingesetzt werden) trotz konstanter Meßgaszusammensetzung ein ständig sinkendes Signal zeigen, was wiederum die Notwendigkeit einer häufigeren Kalibrierung und Eichung des gesamten Meßgerätes zur Folge hat.
Nach einer gewissen Arbeitszeit des Sensors bilden sich auf der Bleielektrode oxidische oder andere Deckschichten, die die gewünschte elektrochemische Reaktion mehr und mehr hemmen. Die kann sich insbesondere dadurch bemerkbar machen, daß die bei offenem Stromkreis gemessene Zellenspannung der Anordnung absinkt, da sich das Elektrodenpotential der Bleielektrode aus thermodynamischen (Änderung der Art der potentialbestimmenden Elektrodenreaktion) und kinetischen Gründen (zunehmende Hemmung der ablaufenden Elektrodenreaktion) ändert. Da bei geschlossenem Stromkreis das Potential der Meßelektrode unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls am Widerstand durch das Potential der Bleielektrode bestimmt wird, verändert sich im Laufe der Zeit auch das Arbeitspotential der Meßelektrode. Hierdurch verändert sich auch die Geschwindigkeit des elektrochemischen Umsatzes an Sauerstoff. Dies macht sich derart bemerkbar, daß diese Sauerstoffzellen (die in der Regel in Raumluft eingesetzt werden) trotz konstanter Meßgaszusammensetzung ein ständig sinkendes Signal zeigen, was wiederum die Notwendigkeit einer häufigeren Kalibrierung und Eichung des gesamten Meßgerätes zur Folge hat.
Die in unserer Erfindung beschriebene elektrochemische Zelle
unterscheidet sich von der o. g. Zelle insbesondere dadurch, daß
der über die Meßelektrode (in Form von OH--Ionen oder H₂O-
Molekülen) in die Zelle gelangte Sauerstoff nicht in Form von
Reaktionsprodukten der Gegenelektrodenreaktion (z. B. Oxiden) in
der Zelle gespeichert wird, sondern aufgrund der Pumpfunktion der
Anordnung an der Gegenelektrode wieder aus der Zelle entfernt
wird.
Im einzelnen sind an der Gesamtreaktion folgende Vorgänge
beteiligt:
An der Meßelektrode wird der ankommende gasförmige Sauerstoff
elektrochemisch reduziert; bei Verwendung eines wäßrigen,
alkalischen Elektrolyten wird dieser Vorgang durch folgende
Reaktionsgleichung beschrieben:
O₂(g) + 2 H₂O + 4 e = 4 OH- (1)
An der Gegenelektrode wird eine entsprechende Menge an OH--Ionen
zu gasförmigem Sauerstoff oxidiert:
4 OH- = O₂(g) + 2 H₂O + 4 e (2)
Durch die Konstruktion der Gegenelektrode ist gewährleistet, daß
der entsprechende Gl. (2) erzeugte Sauerstoff aus der
elektrochemischen Zelle in die Umgebung gelangen kann.
Als Summe der beiden o. g. Reaktionen ergibt sich eine Überführung
von Sauerstoff von einer Seite der Zelle zur anderen. Weder an
der Meßelektrode noch an der Gegenelektrode findet ein Verbrauch
von Elektrodenmaterial statt.
Sowohl an der Meßelektrode wie auch an der Gegenelektrode müssen
geeignete Werte des jeweiligen Elektrodenpotentials eingestellt
werden, um die o. g. Reaktion zu ermöglichen. Diese Einstellung
erfolgt mit Hilfe von einer oder mehreren geeigneten
elektronischen Anordnungen (Potentiostaten), sowie gegebenenfalls
unter Anwendung einer oder mehrerer Bezugselektroden.
Der elektrische Strom, der durch die elektronische Anordnung der
Zelle aufgeprägt wird, ist ein Maß für die pro Zeiteinheit an der
Meßelektrode umgesetzten Sauerstoffmoleküle und damit für die
Sauerstoffkonzentration im Meßgas nahe der Meßelektrode.
Claims (9)
1. Ein Sauerstoffsensor in Form einer elektrochemischen potentiostatisch
betriebenen Zellenanordnung aufgebaut mit zwei, drei oder
mehreren Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff an der Meßelektrode (Arbeitselektrode) reduziert und in Form von Ionen (OH und/oder O und/oder anderen) an den Elektrolyten abgegeben wird, die an der Gegenelektrode möglichst ohne oder mit niedrigem Elektrolytverbrauch wieder zu gasförmigem Sauerstoff oxydiert werden und dadurch eine Pumpfunktion für den Sauerstoff in der Zelle durchgeführt wird.
dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff an der Meßelektrode (Arbeitselektrode) reduziert und in Form von Ionen (OH und/oder O und/oder anderen) an den Elektrolyten abgegeben wird, die an der Gegenelektrode möglichst ohne oder mit niedrigem Elektrolytverbrauch wieder zu gasförmigem Sauerstoff oxydiert werden und dadurch eine Pumpfunktion für den Sauerstoff in der Zelle durchgeführt wird.
2. dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserhaltiger Ionenleiter
verwendet wird.
3. dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitselektrode aus Platin,
Gold, Silber oder anderen Edelmetallen oder Edelmetall-
Legierungen oder Cadmium/Cadmiumoxid, Silber/Silberoxid,
Quecksilber/Quecksilberoxid, Nickeloxid (definiert entladen),
Mangandioxid (definiert entladen), Blei/Bleioxid besteht.
4. dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus Platin
und/oder Gold und/oder Silber oder anderen Edelmetallen oder
Edelmetall-Legierungen oder Cadmium/Cadmiumoxid, Silber/Silberoxid,
Quecksilber/Quecksilberoxid, Nickeloxid (definiert
entladen), Mangandioxid (definiert entladen), Blei/Bleioxid
besteht.
5. dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode aus Platin,
Silber, Gold oder anderen Edelmetallen oder Edelmetall-
Legierungen oder aus Metall/Metalloxidgemisch (Elektrode zweiter
Art) wie z. B. Cadmium/Cadmiumoxid, Silber/Silberoxid,
Quecksilber/Quecksilberoxid und/oder Nickeloxid (definiert
entladen), Mangandioxid (definiert entladen) oder Blei oder
Bleioxid oder Bleioxidgemisch besteht.
6. dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle eine
Auffüllöffnung hat, wodurch der Elektrolyt immer nachgefüllt
werden kann.
7. dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfunktion mit Elektrolytverbrauch
geschieht.
8. dadurch gekennzeichnet, daß Festkörperelektrolyt (Ionenleiter)
verwendet wird.
9. dadurch gekennzeichnet, daß organischer und/oder wasserfreier
Elektrolyt verwendet wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893910037 DE3910037A1 (de) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | Elektrochemische sauerstoffanordnung |
DE19904009747 DE4009747A1 (de) | 1989-03-28 | 1990-03-27 | Elektrochemische sauerstoffanordnung (elektrochemische sauerstoff-messanordnung) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893910037 DE3910037A1 (de) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | Elektrochemische sauerstoffanordnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3910037A1 true DE3910037A1 (de) | 1991-04-25 |
Family
ID=6377314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893910037 Ceased DE3910037A1 (de) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | Elektrochemische sauerstoffanordnung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3910037A1 (de) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
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In: Fresenius Z. Anal.Chem.308,1981, S.445-447 * |
JP-Z: Voltammertic Study of the pH-Behaviour of Acetylacetone at the Lead Dioxide Electrode in Aqueous Solutions * |
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