DE4009747A1 - Elektrochemische sauerstoffanordnung (elektrochemische sauerstoff-messanordnung) - Google Patents
Elektrochemische sauerstoffanordnung (elektrochemische sauerstoff-messanordnung)Info
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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 potenialbestimmenden
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
Andordnung 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:
An der Meßelektrode wird der ankommende gasförmige Sauerstoff elektrochemisch reduziert; bei Verwendung eines wäßrigen, alkalischen Elektrolyten wird dieser Vorgang durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben:
02 (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 entsprechend 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 gegenenfalls
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 (15)
1. Ein Sauerstoffsensor in Form einer elektrochemischen potentiosta
tisch betriebenen Zellenanordnung aufgebaut mit zwei, drei oder
mehreren Elektroden dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff an
der Meßelektrode (Arbeitselektrode) (Sensorelektrode) reduziert
und in Form von Ionen (aus dem Elektrolyten) (OH und/oder O
und/oder andere) (in Form von H2O-Molekülen) 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
(Elektrolyt) verwendet wird.
3. Dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitselektrode (Meßelektrode)
aus Platin, Gold, Silber oder anderen Edelmetallen oder
Edelmetall-Legierungen oder Cadmium/Cadmiumoxid (Mischungen),
Silber/Silberoxid (Mischungen), Quecksilber/Quecksilberoxid
(Mischungen), Nickeloxid (definiert entladen) (partiell
reduziert), Mangandioxid (definiert entladen) (partiell
reduziert), Blei/Bleioxid besteht.
4. Dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus Platin
und/oder Gold und/oder Silber oder anderen Edelmetallen oder
Edelmetalllegierungen oder Cadmium/Cadmiumoxid (Mischungen),
Silber/Silberoxid (Mischungen), Quecksilber/Quecksilberoxid
(Mischungen), Nickeloxid (definiert entladen), Mangandioxid
(definiert entladen) (partiell reduziert), (partiell reduziertem
Nickeloxid), Blei/Bleioxid (Mischungen) besteht.
5. Dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode
(Bezugselektrode, die eine eigene Baueinheit oder zusammen mit
der Gegenelektrode eine gemeinsame Baueinheit bilden kann), aus
Platin, Silber, Gold oder anderen Edelmetallen oder Edelmetall-
Legierungen oder aus Metall/Metalloxidgemisch (Elektrode zweiter
Art) wie z. B. Cadmium/Cadmiumoxid (Mischungen),
Silber/Silberoxid (Mischungen), Quecksilber/Quecksilberoxid
(Mischungen) und/oder (parteill reduziertem) Nickeloxid
(definiert entladen), (partiell reduziertem) Mangandioxid
(definiert entladen) oder Blei oder Bleioxid oder Bleioxidgemisch
besteht.
6. Dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle
(Zellenanordnung) eine Auffüllöffnung hat, wodurch der Elektrolyt
immer nachgefüllt werden kann.
7. Dadurch gekennzeichnet, daß die (Sauerstoff) Pumpfunktion mit
Elektrolytverbrauch geschieht (verbunden ist).
8. Dadurch gekennzeichnet, daß Festkörperelektrolyt (Ionenleiter)
verwendet wird (z. B. ein fester Ionenleiter oder ein fester
Ionenaustauscher).
9. Dadurch gekennzeichnet, daß organischer und/oder wasserfreier
Elektrolyt verwendet wird.
10. Dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Vorrichtung zur
Begrenzung der Gaszufuhr zur Meßelektrode in Form einer
Transportbegrenzung (z. B. Diffusionssperre oder
Permeationssperre o. ä.) beinhaltet.
11. Dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Vorrichtung
beinhaltet, die den Transport von im Elektrolyten gelöstem
Sauerstoff von der Gegenelektrode zur Bezugselektrode und/oder
Meßelektrode vollständig oder teilweise unterbindet, den
Transport von Ionen (insbesondere H+ -Ionen und OH- -Ionen)
und/oder Wassermolekülen aber zuläßt.
12. Dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 11 genannte
Vorrichtung darin besteht, daß der Elektrolytraum durch eine oder
mehrere trennende Wände in zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt
wird, wobei die Transportgrößen der verschiedenen in Anspruch 11
genannten Ionen und Moleküle durch diese Wand/Wände derartige
Werte haben, daß der in Anspruch 11 beschriebene Effekt erreicht
wird.
13. Ddadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 11 genannte
Vorrichtung darin besteht, daß der Elektrolytraum durch eine oder
mehrere zusätzliche Elektroden in zwei oder mehr Bereiche
aufgeteilt wird, wobei einerseits das Potential dieser Elektroden
mit Hilfe einer elektronischen Anordnung (Potentiostat) auf einen
solchen Wert eingestellt wird, daß jedes Sauerstoffmolekül, das
diese Elektroden erreicht, elektrochemisch reduziert wird,
andererseits die Elektroden jedoch derart strukturiert sind, daß
ein Transport von Ionen und/oder Wassermolekülen durch sie
hindurch stattfinden kann.
14. Dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 11 genannte
Vorrichtung darin besteht, daß der Elektrolytraum durch eine oder
mehrere Wände in zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt wird, wobei
die Wände einerseits aus einem solchen Material bestehen, daß
jedes Sauerstoffmolekül, daß diese Wände erreicht, stromlos
reduziert wird, andererseits die Wände aber derart strukturiert
sind, daß ein Transport von Ionen und/oder Wasserstoffmolekülen
durch sie hindurch stattfinden kann.
15. Dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 11 genannte
Vorrichtung darin besteht, daß mehrere der in den Ansprüchen 12
bis 15 beschriebenen Wände und/oder Elektroden miteinander
kombiniert werden.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19904009747 DE4009747A1 (de) | 1989-03-28 | 1990-03-27 | Elektrochemische sauerstoffanordnung (elektrochemische sauerstoff-messanordnung) |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| DE19893910037 DE3910037A1 (de) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | Elektrochemische sauerstoffanordnung |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4009747A1 true DE4009747A1 (de) | 1991-10-02 |
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ID=25879272
Family Applications (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE4009747A1 (de) |
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| Fresenius Z. Anal.Chem. 308, 1981, S.445-447 * |
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