DE4019855A1 - Gas diffusion barrier for electrochemical gas sensors - consists of thin layer of poly-di:methyl-siloxane, pref. applied to working electrode or its supporting film - Google Patents

Gas diffusion barrier for electrochemical gas sensors - consists of thin layer of poly-di:methyl-siloxane, pref. applied to working electrode or its supporting film

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Abstract

Gas diffusion barrier system (I) in which the gas inlet channel of the sensor is fitted with a siloxane and/or polysiloxane solubility membrane which limits the diffusion/flow of gas into the sensor; the membrane in this system consists of polydimethylsiloxanes (II). Process for the prodn. of a solubility membrane-diffusion barrier (I), involving the application of liq. (II) to the supporting substrate material (III) by painting or dip-coating. USE/ADVANTAGE - The method provides very thin membranes with variable thickness (see above) which enable diffusion-limited operation of gas sensors; membranes based on (II) have good transport coeffts, for oxygen, CO, H2S, SO2 etc., combined with high chemical stability and long service life.

Description

Elektrochemische Gassensoren benötigen eine Gasströmungsbarriere, damit die Kinetik der Arbeitselektrode eines derartigen Sensors durch ein physikalisches Gastransportphänomen und nicht durch ihre katalytische Aktivität begrenzt wird. Durch diese Transport­ begrenzung kann erreicht werden, daß die Empfindlichkeit des Sensors einige Jahre aufrechterhalten wird, obwohl die kataly­ tische Aktivität - d. h. die Reaktionsfähigkeit der Arbeits­ elektrode - im Laufe der Zeit auf Grund verschiedener Einflüsse, wie z. B. Vergiftung, nachläßt.Electrochemical gas sensors require a gas flow barrier, thus the kinetics of the working electrode of such a sensor through a physical gas transport phenomenon and not through their catalytic activity is limited. Through this transportation limit can be achieved that the sensitivity of the Sensor is maintained for several years, although the kataly table activity - d. H. the responsiveness of work electrode - over time due to various influences, such as B. poisoning, subsides.

Eine solche Begrenzung wird z. B. durch die Verwendung einer Gas­ diffusionsbarriere von der Firma City Technology im deutschen Patent 27 09 903 vorgeschlagen.Such a limitation is e.g. B. by using a gas diffusion barrier from City Technology in Germany Patent 27 09 903 proposed.

Andere Möglichkeiten der Gaszufuhrbegrenzung sind verschiedene Kunststoffmembranen, wie Polyethylen, Teflon, Silikongummi usw., die über der Arbeitselektrode aufgespannt werden und die Gaszu­ fuhr zu dieser Elektrode begrenzen. Sauerstoffzellen mit solchen Membranen sind aus mehreren Patenten und Veröffentlichungen be­ kannt. Diese Membran-Gaszufuhrbegrenzung hat gegenüber einer Kapillare mehrere Vorteile; z. B. kann die Verdunstung der Elektrolytflüssigkeit verhindert werden oder es können durch selektiven Durchlaß eines Gases (z. B. Sauerstoff) störende Querempfindlichkeiten unterdrückt oder schädliche Gase (Vergif­ tung der Arbeitselektrode) zurückgehalten werden.Other ways of limiting gas supply are different Plastic membranes such as polyethylene, teflon, silicone rubber, etc., which are clamped over the working electrode and the gas drove to this electrode limit. Oxygen cells with such Membranes are from several patents and publications knows. This membrane gas supply restriction has one Capillary several advantages; e.g. B. can the evaporation of Electrolyte fluid can be prevented or it can get through selective passage of a gas (e.g. oxygen) disturbing Cross-sensitivity suppressed or harmful gases (Vergif tion of the working electrode) are retained.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß auf Folien zurückgegrif­ fen werden muß die nur aus bestimmten Materialien mit herstel­ lungstechnisch bedingten minimalen Schichtdicken (meist über 10 µm) gefertigt werden können. Diese Tatsache hat zur Folge, daß wegen der relativ großen Dicke der Membranen nur wenige Gase, nämlich hauptsächlich solche, die in höheren Konzentrationen vorliegen (z. B. Sauerstoff in Luft: ca. 20 Vol.-%), mit aus­ reichender Geschwindigkeit durchdiffundieren können. Aus diesem Grund existieren nur Sauerstoff-Sensoren mit Kunststoffmembran- Diffusionsbegrenzung. Für andere Gase, wie z. B. Kohlenmonoxid oder Schwefelwasserstoff, die in der Regel nur in Konzentratio­ nen von einigen bis einigen zehn ppm in der Umgebungsatmosphäre vorliegen, gibt es keine Möglichkeit, mit diesen Folien eine Transportbegrenzung aufzubauen.A disadvantage of this method is that it uses foils must only be made from certain materials lung-related minimum layer thicknesses (mostly about 10 µm) can be manufactured. This fact means that only a few gases due to the relatively large thickness of the membranes, namely mainly those in higher concentrations are present (e.g. oxygen in air: approx. 20 vol.%), with off diffuse at sufficient speed. For this For this reason, there are only oxygen sensors with plastic membrane Diffusion limitation. For other gases, such as B. carbon monoxide or hydrogen sulfide, which is usually only in concentration from a few to a few tens of ppm in the ambient atmosphere there is no possibility of using these foils To build up transport limits.

Unser Verfahren gestattet es, aus flüssigem Siloxan sehr dünne Polysiloxan-Membranen herzustellen. Das Herstellungsverfahren erlaubt es, die Schichtdicke beliebig zwischen 50 µm und 10 µm zu variieren. Dadurch ist es nunmehr möglich: mit Polysiloxan- Membranen geeigneter Dicke Gasdiffusionsbarrieren aufzubauen und zwar nicht nur für Sauerstoff sondern auch für Komponenten: die in Konzentrationen von nur einigen zehn ppm in dem zu messenden Gasgemisch vorhanden sind, insbesondere Kohlenmonoxid, Schwefel­ wasserstoff: Schwefeldioxid u. a. Our process allows very thin from liquid siloxane To produce polysiloxane membranes. The manufacturing process allows the layer thickness to be between 50 µm and 10 µm vary. It is now possible: with polysiloxane Build membranes of suitable thickness and gas diffusion barriers not only for oxygen but also for components: the in concentrations of only a few tens of ppm in the sample to be measured Gas mixture are present, especially carbon monoxide, sulfur hydrogen: sulfur dioxide and a.  

Da eine weitere Handhabung dieser Membranen nach ihrer Herstellung nicht mehr möglich ist, ist es vorteilhaft, die Polysiloxan-Schicht jeweils sofort auf die Arbeitselektrode aufzubringen.Since further handling of these membranes according to their Manufacturing is no longer possible, it is advantageous to Polysiloxane layer immediately on the working electrode to apply.

Im Hinblick auf das Material ist es von Vorteil, von Dimethyl­ siloxan auszugehen. Im Verlaufe des Vorgangs des Trocknens und Temperns entsteht ein Polydimethylsiloxan-Film, der einerseits chemisch sehr beständig ist, andererseits gute Transportkoeffi­ zienten im Hinblick auf die meisten zu messenden Gaskomponenten (z. B. Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid) aufweist.In terms of material, it is advantageous to use dimethyl going out siloxane. In the course of the drying process and Annealing creates a polydimethylsiloxane film, on the one hand chemically very stable, on the other hand good transport coefficient targeted with most gas components to be measured (e.g. carbon monoxide, hydrogen sulfide and sulfur dioxide) having.

Beispiel 1example 1

Ein elektrochemischer Sensor, aufgebaut aus drei Elektroden (eine Arbeitselektrode, eine Referenzelektrode und eine Gegenelektrode), wobei die Elektroden schichtweise aufeinander gestapelt sind und nur die Arbeitselektrode mit dem zu messenden Medium in Berührung kommt. Die Elektroden des Sensors werden aus poröser Teflon-Folie, beschichtet mit Platin-Katalysator, hergestellt. Nach Herstellung der Arbeitselektrode wird auf dieser noch eine zusätzliche Polydimethylsiloxan-Schicht aufgebracht. Hierzu wird die fertige Elektrode auf einer Zentrifuge befestigt. Dann wird aus einer Dimethylsiloxan-Lösung eine dünne Schicht gleichmäßig auf die äußere Oberfläche der Teflon-Folie aufzentrifugiert. Diese Schicht wird getrocknet und getempert, so daß ein Polydimethylsiloxan-Film entsteht. Die derart hergestellte Arbeitselektrode wird in die elektrochemische Zelle eingebaut. Diese Elektrode hat also folgenden Aufbau: Eine poröse Teflonfolie dient als Träger für die Platinelektroden- Beschichtung auf einer Seite, die dann im Kontakt mit dem Elektrolyten steht. Auf der anderen Seite befindet sich die auf Teflon aufgebrachte sehr dünne Polydimethylsiloxan-Schicht.An electrochemical sensor made up of three electrodes (a working electrode, a reference electrode and a Counterelectrode), the electrodes being layered on top of each other are stacked and only the working electrode with the one to be measured Medium comes into contact. The electrodes of the sensor are off porous Teflon film, coated with platinum catalyst, produced. After manufacturing the working electrode is on this still an additional polydimethylsiloxane layer upset. For this, the finished electrode is placed on a Centrifuge attached. Then a dimethylsiloxane solution apply a thin layer evenly to the outer surface of the Centrifuged Teflon film. This layer is dried and annealed so that a polydimethylsiloxane film is formed. The Working electrode produced in this way is used in the electrochemical Cell installed. So this electrode has the following structure: A porous Teflon foil serves as a carrier for the platinum electrode Coating on one side, which is then in contact with the Electrolyte stands. On the other side is the Teflon applied very thin polydimethylsiloxane layer.

Claims (21)

1. Anordnung einer Gasdiffusionsbarriere bei elektrochemischen Gassensoren dadurch gekennzeichnet, daß im Gaszugangskanal des Gassensors eine aus Siloxanen aller Art (und/oder Poly­ siloxanen) bestehende Löslichkeitsmembrane angebracht wird, die die Gasdiffusion/Gaseinströmung in den Sensor begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Löslichkeitsmembrane aus Polydimethyl Siloxanen besteht.1. Arrangement of a gas diffusion barrier in electrochemical gas sensors, characterized in that a solubility membrane consisting of siloxanes of all kinds (and / or poly siloxanes) is attached in the gas access channel of the gas sensor, which limits the gas diffusion / gas inflow into the sensor, characterized in that these solubility membrane Polydimethyl siloxanes exist. 2. Dadurch gekennzeichnet, daß die Löslichkeitsmembrane in der Luft frei ausgespannt ist oder mit Hilfe eines/r Rahmen/Maske, der/die ein oder mehrere Löcher enthält, ausgespannt ist.2. Characterized in that the solubility membrane in the Air is freely released or with the help of a frame / mask, which contains one or more holes, is stretched out. 3. Dadurch gekennzeichnet, daß die Siloxanschicht auf einen oder mehreren Trägermaterialien verschiedenster Art (wie Filterpa­ pier, Trennpapier, Ultrafiltrationsmembranen, poröse oder kapillarhaltige Kunststoff- und/oder Teflonfolien) aufgetragen ist.3. characterized in that the siloxane layer on one or several different types of carrier materials (such as filter pa pier, release paper, ultrafiltration membranes, porous or capillary-containing plastic and / or Teflon films) applied is. 4. Dadurch gekennzeichnet, daß die Löslichkeitsmembranen zwischen zwei oder mehreren Trägerschichten plaziert ist.4. Characterized in that the solubility membranes between two or more support layers is placed. 5. Dadurch gekennzeichnet: daß die Löslichkeitsmembranschicht aus homogenen oder aus mehreren Schichten aus gleicher oder ver­ schiedenster Art von Polysiloxanen besteht.5. Characterized: that the solubility membrane layer homogeneous or from several layers of the same or ver various types of polysiloxanes. 6. Dadurch gekennzeichnet, daß die Siloxane so gewählt sind, daß die Löslichkeit bestimmter Querkomponenten unterdrückt und dadurch eine größere Selektivität erreicht wird.6. Characterized in that the siloxanes are chosen so that suppresses the solubility of certain transverse components and thereby greater selectivity is achieved. 7. Dadurch gekennzeichnet, daß diese Siloxanschichten nur als dün­ ner Film auf dem Trägermaterial aufgebracht sind.7. Characterized in that these siloxane layers only as thin ner film are applied to the carrier material. 8. Dadurch gekennzeichnet, daß dieses Siloxan, bestimmt durch die Herstellungsverfahren, in die Poren der Trägermaterialien eindringt. Durch bestimmte Verfahren kann sogar die gleiche oder eine ähnliche Dicke erreicht werden wie das Trägermaterial.8. Characterized in that this siloxane, determined by the Manufacturing process, in the pores of the carrier materials penetrates. Through certain procedures, even the same or a similar thickness can be achieved as the carrier material. 9. Dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke von einigen zehntel µ bis zu einigen 10 µ variiert werden kann und dadurch die Empfindlichkeit des Gassensors eingestellt werden kann. 9. Characterized in that the layer thickness of a few tenths of µ can be varied up to a few 10 µ and thereby the Sensitivity of the gas sensor can be adjusted.   10. Dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke quer zum Gaseinlaß­ kanal gleichmäßig ist.10. Characterized in that the layer thickness transverse to the gas inlet channel is even. 11. Dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke quer durch den Gaseinlaßkanal nicht gleichmäßig ist.11. Characterized in that the layer thickness across the Gas inlet channel is not even. 12. Dadurch gekennzeichnet, daß diese Membrane als Gastransport­ barriere über der Arbeitselektrode des elektrochemischen Sensors aufgebracht ist.12. Characterized in that this membrane as gas transport barrier over the working electrode of the electrochemical sensor is applied. 13. Dadurch gekennzeichnet, daß diese Löslichkeitsmembrane direkt auf der Arbeitselektrode des elektrochemischen Sensors aufgebracht ist.13. Characterized in that this solubility membrane directly on applied to the working electrode of the electrochemical sensor is. 14. Dadurch gekennzeichnet,daß diese Löslichkeitsmembrane direkt auf der Trägerfolie der Arbeitselektrode und/oder im/in den Kapillar/en der Trägerfolie eingebracht ist.14. Characterized in that this solubility membrane directly on the carrier film of the working electrode and / or in / in the Capillary / s of the carrier film is introduced. 15. Verfahren zur Herstellung der Loslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial mit dem flüssigphasigen Siloxanmaterial bestrichen oder eingetaucht wird.15. Process for the preparation of the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the carrier material with the liquid phase siloxane material is coated or immersed. 16. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die Polysiloxanschicht durch ein Sprühverfahren auf der Oberfläche des Trägermaterials aufge­ bracht wird.16. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the polysiloxane layer through a spraying process applied to the surface of the carrier material is brought. 17. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die Siloxanschicht durch ein zentrifuges Verfahren auf dem Trägermaterial aufgebracht wird.17. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the siloxane layer by a centrifugal process is applied to the carrier material. 18. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Siloxan­ schichten durch die Auflösung mit verdünnbaren Lösungsmitteln eingestellt ist und dadurch die Schichtdicke der hergestellten Schichten variabel eingestellt werden kann.18. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the viscosity of the siloxane layers by dissolving with dilutable solvents is set and thereby the layer thickness of the manufactured Layers can be set variably. 19. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellte Siloxan­ schicht durch Temperierung (Vakuumtemperierung, Temperierung in Gas- oder Dampfatmosphäre) verbessert wird. 19. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the siloxane produced layer by tempering (vacuum tempering, tempering in Gas or steam atmosphere) is improved.   20. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran- Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die Schichteigenschaften durch Oxidation oder Ausheizen verbessert werden.20. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the layer properties can be improved by oxidation or baking out. 21. Verfahren zur Herstellung der Löslichkeitsmembran-Diffusions­ barriere dadurch gekennzeichnet, daß die Schichteigenschaften durch chemische (Laugen, Säuren, reaktive Gase, Einbau ver­ schiedener Atome oder Funktionsgruppen) oder physikalische (UV-Bestrahlung) Verfahren modifiziert wird.21. Process for making the solubility membrane diffusion barrier characterized in that the layer properties through chemical (alkalis, acids, reactive gases, installation ver different atoms or functional groups) or physical (UV radiation) process is modified.
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