DE4232295A1 - Elektrochemischer Gassensor mit scheibenförmigen Elektroden, die gleichzeitig elektrische Kontaktzuführungen sind - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor zum Nachweis von Gasbestandteilen in einer gasförmigen Umgebung mit Hilfe einer scheibenförmigen Meßelektrode, wobei die nachzuweisenden Bestandteile über eine ebenfalls als Scheibe ausgebildete Diffusionsstrecke Zugang zur Meßelektrode haben, und mit einer Gegenelektrode, die zusammen mit der Meßelektrode in einer mit einem Elektrolyten gefüllten Elektrolytkammer innerhalb eines Sensorgehäuses aufgenommen sind, welches als Gehäusetopf ausgebildet ist, der sich mit der Gegenelektrode in elektrischem Kontakt befindet, und in welchem ein mit Elektrolyt getränkter Docht vorgesehen ist, der mit einer Dochtscheibe an der elektrolytseitigen Oberfläche der Meßelektrode anliegt, die ihrerseits in elektrischen Kontakt mit einer Deckelscheibe gebracht ist, die sich als äußerster Gehäuseabschluß zur Gasseite hin befindet und durch einen Dichtring vom Sensortopf elektrisch getrennt ist.

Ein derartiger elektrochemischer Gassensor ist aus der Britischen Patentanmeldung GB-2 075 197 A bekanntgeworden.

Der bekannte Sensor besitzt einen Gehäusetopf, in dessen Boden die Gegenelektrode aufgenommen ist und sich in elektrischem Kontakt mit dem Gehäusetopf befindet, welcher außerdem mit dem für den Gasnachweis erforderlichen Elektrolyten gefüllt ist. Der offene Rand des Gehäusetopfes ist mit einer umlaufenden, nach innen gedrückten Rille versehen, auf welche ein elektrisch isolierender Dichtring mit L-förmigem Querschnitt aufgesetzt ist. Der nach innen ragende Auflagerand des Dichtringes dient dazu, in der Reihenfolge von dem Elektrolyten ausgehend zunächst eine Dochtscheibe aufzunehmen, über welche die scheibenförmige Meßelektrode gelegt ist, die wiederum mit einer Scheibe aus Polyfluorethylen (PTFE) als Diffusionsstrecke bedeckt ist. Den Abschluß bildet ein scheibenförmiger Deckel mit einer zentralen Bohrung für den Zutritt der nachzuweisenden Gasbestandteile. Zwischen der elektrolytseitigen, reaktionssensitiven Oberfläche der Meßelektrode ist ein metallischer Kontaktstreifen gelegt, dessen Länge weit über den Querschnitt des Dichtringes hinausragt. Nach Vervollständigung des Scheibenpaketes, dessen Abschluß der metallische Deckel bildet, wird der Rand des Gehäusetopfes um das Scheibenpaket gedrückt und klemmt dieses als Ganzes gegen die eingezogene Rille. Dabei wird der Kontaktstreifen zwischen den Scheibenrändern und den Dichtrand nach oben in Richtung des Metalldeckels gedrückt und umgeschlagen, so daß er in Klemmverbindung einerseits mit der Meßelektrodenoberfläche und andererseits mit dem Metalldeckel gebracht ist. Der Gehäusetopf bildet den einen elektrischen Kontakt der Gegenelektrode, die Deckelscheibe bildet den anderen elektrischen Kontakt für die Meßelektrode zum Anschluß an eine Meß- und Auswerteeinheit. Je nach Zusammensetzung des Elektrolyten und der verwendeten Elektrodenmaterialien ist der bekannte Sensor zum Nachweis verschiedener oxidierender oder reduzierender Gase einsetzbar. Es gibt zwei verschiedene Ausführungsformen des bekannten Sensors, nämlich einerseits eine sogenannte Zweielektrodenausführung, die außer der Meßelektrode lediglich die Gegenelektrode aufweist, und eine sogenannte Dreielektrodenausführung, die zusätzlich noch eine Bezugselektrode besitzt, die über einen Potentiostaten auf ein konstantes Bezugspotential zur Meßelektrode hin gehalten ist.

Bei dem bekannten Gassensor hat es sich als nachteilig erwiesen, daß der um das Scheibenpaket gelegte Kontaktstreifen trotz einer engen Anpressung eine kleine Kapillarstrecke freigibt, durch die der Elektrolyt bis zur Abschlußscheibe Vordringen kann, und somit gewissermaßen eine Kurzschlußstrecke bildet, an welcher sich eine Dreiphasengrenze Gas/Elektrolyt/Meßelektrode ausbildet, die in Kontakt zur Gegenelektrode gebracht ist. Dadurch entsteht eine wenn auch geringe aktive Oberfläche, die jedoch das Meßergebnis verfälscht und sich dem gewünschten Sensorsignal überlagert. Dieser Störeinfluß ist um so größer, je kleiner der erwünschte Sensorstrom ist. Bei der heutzutage zunehmenden Miniaturisierung auch der Gassensoren selbst und nicht nur der Auswerteelektronik ist es von besonderer Bedeutung, daß die Sensoren mit einem möglichst niedrigen Meßstrom arbeiten, um auch bei einem kleinen Elektrolytvorrat eines Miniatursensors eine lange Lebensdauer zu erreichen. Dabei wirkt sich jeder Störstrom, auch wenn er noch so klein ist, meßwertverfälschend aus. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Scheibenpaket beim Eindrücken des Randes des Gehäusetopfes auf die Gehäusedeckelscheibe das Sensorpaket in den Hohlraum des Gehäusetopfes gedrückt wird, so daß sich die einzelnen Scheiben mehr oder weniger ausbeulen, weil ihnen die zentrale Stütze fehlt. Dadurch bilden sich unterschiedlich dicke Elektrolytfilme zwischen den einzelnen Scheiben, und insbesondere an der Meßelektrodenoberfläche, so daß unterschiedliche Diffusionswege für das nachzuweisende Gas entstehen, oder daß auch kleinste Luftblasen in den Zwischenräumen festgehalten werden können. Beide Eigenschaften wirken sich nachteilig auf das Sensorverhalten in bezug auf Ansprechzeit und Langzeitstabilität aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Gassensor der genannten Art so zu verbessern, daß auf zusätzliche Kontaktausführungen von den Elektroden zum Außenraum des Sensors verzichtet werden kann, und daß eine noch innigere Verdichtung des Scheibenpaketes im Elektrodenbereich zu einem gleichbleibend stabilen Elektrolytfilm auf der Meßelektrodenoberfläche führt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einem Zweielektrodensensor dadurch, daß der Deckel topfförmig ausgebildet ist und mit seinem Deckelrand den Gehäusetopf von außen überkragt und zumindest die Diffusionsstrecke und die mit einer an der Elektrodenoberfläche befindlichen Kontaktfläche versehene Meßelektrode aufnimmt, und daß der Dichtring um einen den Rand des Gehäusetopfes bildenden Dichtrand derart gelegt ist, daß einerseits beim dichtenden Aufspannen des Deckels auf den Dichtrand die elektrische Isolierung zwischen dem Deckel und dem Gehäusetopf gebildet ist, und andererseits das Scheibenpaket unter Druckwirkung gegen die Dochtscheibe versetzt ist, die ihrerseits gegen das Scheibenpaket durch Anbringen einer sich zwischen der Dochtscheibe und dem Gehäusetopf abstützenden Druckfeder gedrückt ist, und daß der Deckelrand an der Kontaktfläche der Meßelektrode anliegt und somit die Kontaktstelle zur Meß- und Auswerteeinheit bildet.

Bei einem Dreielektrodensensor erfolgt die Lösung der Aufgabe durch die weiteren Merkmale, daß zwischen der Meßelektrode und der Gegenelektrode eine scheibenförmige Bezugselektrode angeordnet ist, die mit einem Kontaktrand versehen ist, der über den Rand des Gehäusetopfes ragt und um diesen dichtend gelegt ist, wobei der Dichtring als elektrische Isolation zwischen der Bezugselektrode und dem Gehäusetopf dient, und daß der Kontaktrand gegenüber dem Deckel mit Hilfe eines Isolierstückes getrennt ist, und daß an dem um den Rand des Gehäusetopfes gelegten Kontaktrand ein Kontaktbereich für den Anschluß der Meß- und Auswerteeinheit freigelassen ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß der Elektrolytraum und die im topfförmigen Deckel aufgenommenen scheibenförmigen Elektroden und die Diffusionsstrecke gegenüber der Umgebung hermetisch abgedichtet sind, ohne daß irgendwelche getrennten Kontaktdurchführungen die Gehäusewand oder den Deckel durchtreten, so daß keine Kriechstrecken für den Elektrolyten entstehen und keine zusätzlichen, in ihrem Erfolg stets ein ungenügendes Ergebnis zeigende Dichtmaßnahmen ergriffen werden müssen. Zum mechanischen Zusammenbau braucht lediglich darauf geachtet zu werden, daß das Scheibenpaket fest gegen die Dochtscheibe gedrückt ist und daß somit ein möglichst inniger Kontakt zwischen Elektrolytfilm und Meßelektrode hergestellt ist, ohne daß es zu Ausbeulungen und Verzug der Scheiben innerhalb des Scheibenpaketes untereinander kommt. Durch die Federkraft einerseits und den von dem topfförmigen Deckel andererseits erzeugten Gegendruck wird das Scheibenpaket regelrecht zusammengequetscht. Die Verbindung zwischen dem topfförmigen Deckel und dem Rand des Gehäusetopfes kann durch eine Schraubverbindung verwirklicht werden, oder im einfachen Fall wird eine Umbördelung des Deckelrandes mit dem Rand des Sensorgehäuses durchgeführt, wobei der Dichtring gleichzeitig gegen den als Bördelrand ausgebildeten Rand des Gehäusetopfes gequetscht wird. Man kann in diesem Falle das gleiche Verfahren zur Abdichtung von Deckel und Gehäuse verwenden, wie es bei der Herstellung von Batterieknopfzellen verwendet wird. Durch das enge Zusammenpressen der einzelnen Scheiben, welche die Elektroden und die Dochtscheibe bilden, zu einem dichten Scheibenpaket, ist es möglich, geringste Sensorströme zum Nachweis der zu untersuchenden Gasbestandteile zu verwirklichen, da die Diffusionsstrecken minimiert sind. Dadurch kommt man auch mit einem geringeren Elektrolytvorrat zu einer gleichlangen Lebensdauer, wie sie mit den bekannten Gassensoren erzielt werden kann. Man kann in dieser Weise sowohl von der Art des Zusammenbaus als auch von den äußeren Abmessungen von einer Art Knopfzelle sprechen.

Durch den innigen Kontakt der Meßelektrode mit der ausgedehnten Oberfläche des topfförmigen Gehäusedeckels findet auch ein guter thermischer Kontakt zwischen beiden Bauteilen statt, da der Gehäusedeckel aus metallisch elektrisch-leitfähigem Material hergestellt sein kann. Da der Sensorstrom temperaturabhängig ist, werden somit Temperaturschwankungen zwischen Elektrolyttemperatur (Elektrodentemperatur) und Umgebungstemperatur (Gastemperatur) schnell ausgeglichen. Dies fördert die Temperaturstabilität des Sensors und trägt zur Meßstabilität bei.

Da auch eine spezifische Kontaktstelle an dem Deckel fehlt, sondern die gesamte Deckeloberfläche einschließlich ihres über den Rand des Gehäusetopfes gezogenen Deckelrandes zur Berührung mit einem elektrischen Kontakt zur Verfügung steht, sind dem Anwender große Freiheiten gesetzt, den Sensor in eine Kapsel einzubringen, in welcher der Ort für die Anbringung der elektrischen Kontakte relativ frei gewählt werden kann. Lediglich bei der Ausführungsform des Dreielektrodensensors ist eine zusätzliche Kontaktfläche an dem Kontaktrand der Bezugselektrode vorgesehen, an welche die Elektrodenspannung angelegt werden muß.

Um die die Meßergebnisse beeinflussende Temperaturschwankung zur Korrektur des Meßsignals zu erfassen, kann an den äußeren Umfang des Sensorgehäuses und des Deckels ein temperaturempfindliches Fühlelement in Wärmekontakt gebracht und der Meß- und Auswerteeinheit als Temperatursignal zur Verfügung gestellt werden. Die Anpassung der Knopfzelle an Temperaturschwankungen erfolgt wegen ihrer Miniaturisierung wesentlich schneller als bei den herkömmlichen bekannten Sensoren.

Die Abdichtung der einzelnen Scheiben im Scheibenpaket erfolgt durch Anbringung eines Schmelzklebers im Randbereich der Scheiben, so daß infolge des Anpreßdruckes, der auf das Scheibenpaket ausgeübt wird, eine elektrolyt- und gasdichte Verbindung zwischen den einzelnen Scheiben einerseits, und dem Deckel sowie den übrigen Dichtelementen andererseits gewährleistet ist. Ein Abdichtverfahren sowie geeignete Klebefolien dazu sind aus der DE-OS 23 11 096 beschrieben und kann für den vorliegenden Sensor verwendet werden. Geeignete Klebefolien aus Hostaflon PFA sind von der Firma Hoechst AG kommerziell erhältlich.

Um eine gute Kontaktfläche zwischen der Meßelektrode und dem Deckelrand zu verwirklichen, ist es zweckmäßig, am äußeren Scheibenumfang einen metallischen Kontaktrand verlaufen zu lassen. Dieser kann so ausgebildet sein, daß die Meßelektrode in Form einer Schale geformt ist, so daß der Schalenrand in engem Kontakt zur Innenwandfläche des Deckels liegt. Durch das Einlegen des Scheibenpaketes in den Deckel und das anschließende Verbinden des Deckels mit dem Rand des Gehäusetopfes wird für ein elastisches Andrücken des Deckels gegen den Kontaktrand gesorgt, was noch weiter begünstigt wird, wenn zum Aufbringen und Befestigen des Deckels auf den Rand des Gehäusetopfes der Deckelrand umgebördelt und während der Umbördelung ein zusätzlicher Druck des Deckelrandes auf den Kontaktrand der Meßelektrode ausgeübt wird.

Um den nachzuweisenden Gasbestandteilen Zutritt in den Elektrolytraum des Sensors zu ermöglichen, ist der Deckel mit Zutrittsöffnungen versehen, die durch eine poröse Andruckscheibe abgeschlossen sind, an die sich die als Diffusionsstrecke dienende Diffusionsmembran anschließt, welche ihrerseits von der Meßelektrode gefolgt ist. Die Andruckscheibe zusammen mit der Diffusionsmembran und der Meßelektrode bilden somit ein stabiles, sich den Konturen des Gehäusedeckels anschmiegende Bedeckung, welche sich den unterschiedlichen mechanischen Druckeinwirkungen anpassen kann.

Eine besonders günstige Ausbildungsform des Dochtes besteht darin, daß er als ein Hohlkörper ausgebildet ist, welcher einerseits mit dem Elektrolyten gefüllt ist, und andererseits die Druckfeder enthält, welche eine Federscheibe besitzt, die gegen die elektrolytseitige Oberfläche der Dochtscheibe anliegt. Auf diese Weise wird der Elektrolyt ausschließlich über die Dochtscheibe an die meßaktive Oberfläche der Meßelektrode gefördert, wodurch ein Elektrolyttransport alleine durch Diffusion des Elektrolyten durch die Poren des saugfähigen Vliesstoffes des Dochtes erfolgt. Der von dem Docht gebildete Hohlkörper kann entweder allseits geschlossen sein, oder er ist gebildet aus einem rechteckig geformten Schale aus einer Vliesbahn, so daß zwei sich gegenüberliegende Seiten offen sind, wobei jedoch eine Vliesfläche der Schale die an der Meßelektrodenoberfläche anliegenden Dochtscheibe bildet.

Um einen ungehinderten Transport und Austausch des verbrauchten Elektrolyten mit dem unverbrauchten des Elektrolytraums zu erleichtern, ist die an der Dochtscheibe anliegende Federscheibe mit mehreren Durchbrüchen versehen.

Um die meßaktive Oberfläche der Meßelektrode genau festzulegen, ist es günstig, die Dochtscheibe zur Meßelektrode hin mit einer Trennscheibe abzudecken, so daß nur ein begrenzter, jedoch genau definierbarer Teilbereich der Dochtscheibe in Elektrolytkontakt mit der Meßelektrode freigelassen wird.

Durch die vollständige Bedeckung der meßaktiven Oberfläche der Meßelektrode durch die Dochtscheibe und durch die Aufrechterhaltung des Druckes auf das gesamte Scheibenpaket ist sichergestellt, daß der Ladungstransport während der Reaktion des nachzuweisenden Gases an der Elektrodenoberfläche sowie der Stofftransport der Reaktionsprodukte ausschließlich über einen Diffusionsvorgang ablaufen, welcher der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Ein konkurrierender Konvektionstransport wird auf diese Weise wirksam verhindert, der ansonsten zu einer Gasblasenbildung in der Elektrolytschicht auf der meßaktiven Elektrodenoberfläche führen und somit das Meßsignal verfälschen würde.

Eine geeignete Meßelektrode besteht darin, daß sie als ein vergoldetes Nickelsieb in Form einer Schale ausgebildet ist, dessen Schalenrand als Kontaktfläche an der Deckelinnenwand anliegt.

Die einzelnen Scheiben des Scheibenpaketes werden untereinander und mit dem Deckel mittels Schmelzkleberscheiben (PFA oder FEP) abgedichtet und aneinandergepreßt.

Änderungen des Umgebungsdruckes, thermische Effekte und Diffusionseffekte von Störgasen dürfen nicht zum Abheben der Diffusionsmembran von der aktiven Meßelektrodenoberfläche und zu keiner Undichtigkeit führen. Es gehört somit zum Stand der Technik, ein Druckausgleichssystem vorzusehen, welches solche Änderungen ausgleicht. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieses System in einfacher Weise dadurch bereitgestellt, daß in dem durch den Docht gebildeten Hohlraum eine Gasblase eingeschlossen ist. Dadurch kann auf im bekannten Stand der Technik vorgesehenen Druckausgleichsmembranen verzichtet werden, die einen zusätzlichen Dichtaufwand im Sensorgehäuse erforderlich machen und somit mögliche Leckagestellen für den Elektrolyten oder Diffusionsstrecken für den Gaseintritt an ungewollter Stelle bilden. Die Gasblase selbst bildet jetzt den kompressiblen Bestandteil der Elektrolytflüssigkeit, welche den auftretenden Druck- und Temperaturschwankungen nachgeben kann.

Eine geeignete Form für die Gegenelektrode wird darin gesehen, diese in Form eines gepreßten Metallgranulates in den Gehäusetopf einzudrücken, wobei von dem Granulat ein Kontaktsieb eingeschlossen ist, welches über einen Kontaktpunkt mit dem Gehäusetopf elektrisch verbunden ist. Das Kontaktsieb soll möglichst großflächig das Metallgranulat durchsetzen und somit die elektrische Leitfähigkeit verbessern, die sonst lediglich über die Berührungspunkte der einzelnen Granulatbestandteile abläuft und somit keine ideale elektrische Leitfähigkeitsverbindung bringen würde. Das Kontaktsieb ist über den Kontaktpunkt, beispielsweise mittels einer Punktschweißung, an das Sensorgehäuse elektrisch leitend verbunden und sorgt somit für eine verbesserte Ableitung des Stromes auf der Gegenelektrode. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Sensors wirkt es sich vorteilhaft aus, daß die Druckfeder zwischen der Dochtscheibe und der Gegenelektrode eingespannt ist und somit nicht nur den Druck auf das Scheibenpaket im Sensordeckel ausübt, sondern noch zusätzlich für einen erhöhten Kontaktdruck der Granulatteilchen untereinander und mit dem Kontaktsieb einerseits und der Innenwand des Gehäusetopfes andererseits sorgt.

Der beschriebene elektrochemische Gassensor ist vorzugsweise für die Messung von Sauerstoff in der Umgebungsluft geeignet, wobei dann die Meßelektrode als Kathode aus einem vergoldeten Nickelsieb, der Elektrolyt aus einer KOH-Lösung und die Anode aus einem Bleigranulatpreßteil besteht. Bei entsprechender Wahl anderer Elektrodenmaterialien und Elektrolyten sind mit demselben Gassensor auch andere Gasbestandteile meßbar.

Für den Fall, daß zur Messung anderer Gase saure bzw. aggressive Elektrolyten benutzt werden müssen, ist es zweckmäßig, die Innenwandung des Gehäusetopfes mit einer Goldauskleidung als einer korrosionsbeständigen Beschichtung zu versehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Darstellung gezeigt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den Schnitt durch einen Zweielektrodensensor,

Fig. 2 den Schnitt durch einen Dreielektrodensensor.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensor dient zum Nachweis von Sauerstoff in der Umgebungsluft, dessen die äußere Gestalt bestimmende Baugruppen zum einen ein Gehäusetopf (1) und zum anderen ein topfförmiger Deckel (2) bilden. In dem Gehäusetopf (1) befindet sich als Gegenelektrode (28) eine Bleianode aus gepreßtem Granulat, in welche ein topfartiges Kontaktsieb (3) eingelegt ist, das durch eine Punktschweißung an einem Kontaktpunkt (4) mit dem Boden des Gehäusetopfes (1) elektrisch verbunden ist. Der Gehäusetopf (1) ist aus einem metallischen Tiefziehteil hergestellt und bildet somit an seiner gesamten äußeren Oberfläche den Anodenkontakt. Der Gehäusetopf (1) ist zylinderförmig gestaltet, so daß ein dem Topfboden (5) gegenüberliegender Dichtrand (6) einen kreisförmigen Umfang besitzt. Der Dichtrand (6) ist nach außen hin von dem übrigen Gehäusetopf (1) abgesetzt und dient als Aufnahme für einen Dichtring (7). Den Dichtring (7) und den Dichtrand (6) umgreifend ist über den Gehäusetopf (1) der Deckel (2) gestülpt, dessen Deckelrand (8) den Dichtring (7) umgreifend um den Dichtrand (6) gebördelt ist. Der Deckel (2) nimmt ein Scheibenpaket auf, welches sich, ausgehend von der Umgebung zugewandten Gaszutrittsöffnungen (9), aus einer Andruckscheibe (10), einer Diffusionsmembran (11), einer Meßelektrode (12) und einer Trennscheibe (13) zusammensetzt. Das kreisförmige Scheibenpaket ist einerseits zu dem metallischen Deckel (2) sowie andererseits zu den einzelnen Scheiben untereinander mittels Schmelzkleberfolien (14) als Versiegelung abgedichtet und zusammengehalten. Die Meßelektrode (12) besitzt an ihrem äußeren Kreisumfang eine Kontaktfläche (15), welche ringsumverlaufend mit dem Deckelrand (8) in elektrischen und thermischen Kontakt gebracht ist. Sowohl die Trennscheibe (13) als auch die als Siegelscheiben dienende Schmelzkleberfolien (14) sind in der Mitte mit einem Durchbruch versehen, der einerseits die meßaktive Oberfläche der Meßelektrode (12) einem in einer Elektrolytkammer (16) befindlichen Elektrolyten (17) aussetzt, und andererseits eine zwischen der Diffusionsmembran (11) und der Meßelektrode (12) entstehende Elektrolytschicht (18) erzeugt. Die Diffusionsmembran (11) ist für Sauerstoff durchlässig, für den Elektrolyten (17) undurchlässig. Die ebenfalls für den Elektrolyten durchlässige Meßelektrode (12) (Kathode) besteht aus einem Lochblech aus vergoldetem Nickel, welches an seinem äußeren Rand schalenförmig zu der Kontaktfläche (15) hochgezogen ist. In der Elektrolytkammer (16) befindet sich ein rechteckig geformter Docht (19), zu einem Hohlkörper geformt, dessen beide Sichtflächen in der Fig. 1 offen sind. Der Docht (19) besteht aus einem vliesartigen Gewirke und besitzt zur Meßelektrode (12) hin gerichtet eine Dochtscheibe (20). Der Hohlkörper (19) ist von einer Druckfeder (21) aufgespannt und drückt mit ihrer Federscheibe (29) die Dochtscheibe (20) fest gegen die Meßelektrode (12), von dieser lediglich in Abstand gehalten durch die Trennscheibe (13) und der dazwischenliegenden Siegelscheibe (14). Die kreisringförmige Trennscheibe (13) läßt eine weitere Elektrolytschicht (22) frei, die mit dem Elektrolyt (17) gefüllt ist. Von dem Hohlkörper (19) eingeschlossen ist eine Gasblase (23).

Die in der Figur dargestellten Einzelteile sind im Abstand zueinander gezeichnet, um sie voneinander unterscheiden zu können, es versteht sich aber, daß im zusammengebauten Zustand infolge der Versiegelung des Scheibenpaketes sowie der Umbördelung des Deckelrandes (8) um den Dichtrand (6) und die daraus resultierende Quetschung des Dichtrings (7) eine innige Verbindung des Scheibenpaketes erfolgt, wobei die Druckwirkung einerseits von dem Deckel (2) und andererseits von der sich zwischen der Dochtscheibe (20) und dem Gehäusetopf (1) abstützenden Druckfeder (21) bewirkt wird. Die gezeigten Abstände verschwinden dabei, und die Elektrolytschichten (18, 22) sind auf einige Mikrometer komprimiert. Die Andruckscheibe (10) sorgt dabei sowohl für ein planes Anliegen der Diffusionsmembran (11) als auch für eine gleichmäßige laterale Verteilung der durch die Gaszutrittsöffnungen (9) eintretenden Gasmenge.

Der in Fig. 2 dargestellte Sensor stimmt in allen Bauteilen mit demjenigen aus Fig. 1 überein, bis auf die Tatsache, daß zwischen der Meßelektrode (12) und der Dochtscheibe (20) eine weitere Bezugselektrode (24) in das Scheibenpaket aufgenommen ist. Gleiche Bauteile, wie sie in Fig. 1 ebenfalls vorhanden sind, werden deshalb mit der gleichen Bezugsziffer gekennzeichnet. Die Bezugselektrode (24) ist ebenfalls scheibenförmig ausgebildet und erstreckt sich im wesentlichen in der gleichen Ausdehnung wie die Meßelektrode (12). Sie ist porös und läßt somit den Durchtritt für den Elektrolyten und die Gasreaktionsprodukte frei. Die Bezugselektrode (24) ist mit einem Kontaktrand (25) versehen, der einerseits durch den Dichtring (7) und andererseits durch ein Isolierstück (26) von dem Gehäusetopf (1) sowie von dem Deckelrand (8) sowohl flüssigkeitsdicht als auch elektrisch getrennt ist. Der Kontaktrand (25) ist über den Dichtrand (6) des Gehäusetopfes (1) gezogen und läßt einen Kontaktbereich (27) frei, welcher als elektrischer Kontaktanschluß für das Anlegen eines konstanten Bezugspotentials aus der nicht dargestellten Meß- und Auswerteeinheit dient. Sowohl das Isolierstück (26) als auch der Deckelrand (8) sind über den Dichtrand (6) des Gehäusetopfes (1) umgebördelt. Dabei ist die Dimensionierung der einzelnen, während der Bördelung umzuklemmenden Bauteile so aufeinander abgestimmt, daß ein gleichmäßig umlaufender Bördelrand entsteht. So ist der Dichtring (7) in Fig. 2 in seinem Querschnitt unterschiedlich zu demjenigen in Fig. 1, wobei auch der Kontaktrand (25) rings um den Dichtrand (6) verläuft, wie auch die übrigen Bauteile bei einem kreissymmetrischen Gehäusetopf (1) und Deckel (2) den gesamten Umfang des Gehäusetopfes (1) umlaufen, wie es bei den Baugruppen nach der Fig. 1 der Fall ist.

Claims (12)

1. Elektrochemischer Gassensor zum Nachweis von Gas­ bestandteilen in einer gasförmigen Umgebung mit Hilfe einer scheibenförmigen Meßelektrode, wobei die nachzuweisenden Bestandteile über eine ebenfalls als Scheibe ausgebildete Diffusionsstrecke Zugang zur Meßelektrode haben, und mit einer Gegenelektrode, die zusammen mit der Meßelektrode in einer mit einem Elektrolyten gefüllten Elektrolytkammer innerhalb eines Sensorgehäuses aufgenommen sind, welches als Gehäusetopf ausgebildet ist, der sich mit der Gegenelektrode in elektrischem Kontakt befindet, und in welchem ein mit Elektrolyt getränkter Docht vorgesehen ist, der mit einer Dochtscheibe an der elektrolytseitigen Oberfläche der Meßelektrode anliegt, die ihrerseits in elektrischem Kontakt mit einer Deckelscheibe gebracht ist, die sich als äußerster Gehäuseabschluß zur Gasseite hin befindet und durch einen Dichtring vom Sensortopf elektrisch getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (2) topfförmig ausgebildet ist und mit seinem Deckelrand (8) den Gehäusetopf (1) von außen her überkragt und zumindest die Diffusionsstrecke (11) und die mit einer an der Elektrodenoberfläche befindlichen Kontaktfläche (15) versehene Meßelektrode (12) aufnimmt, und daß der Dichtring (7) um einen den Rand des Gehäusetopfes (1) bildenden Dichtrand (6) derart gelegt ist, daß einerseits beim dichtenden Aufspannen des Deckels (2) auf den Dichtrand (6) die elektrische Isolierung zwischen dem Deckel (2) und dem Gehäusetopf (1) gebildet ist, und andererseits das Scheibenpaket (10, 11, 12, 14) unter eine Druckwirkung gegen die Dochtscheibe (20) versetzt ist, welche ihrerseits gegen das Scheibenpaket (10, 11, 12, 14) durch Anbringen einer sich zwischen der Dochtscheibe (20) und dem Gehäusetopf (1) abstützenden Druckfeder (21) gedrückt ist, und daß der Deckelrand (8) an der Kontaktfläche (15) der Meßelektrode (12) anliegt und somit die Kontaktstelle zur Meß- und Auswerteeinheit bildet.

2. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßelektrode (12) und der Gegenelektrode (28) eine scheibenförmige Bezugselektrode (24) angeordnet ist, die mit einem Kontaktrand (25) versehen ist, der über den Rand (6) des Gehäusetopfes (1) ragt und um diesen dichtend gelegt ist, wobei der Dichtring (7) als elektrische Isolation zwischen der Bezugselektrode (24) und dem Gehäusetopf (1) dient, und daß der Kontaktrand (25) gegenüber dem Deckel (2) mit Hilfe eines Isolierstückes (26) getrennt ist, und daß an dem um den Rand (6) des Gehäusetopfes (1) gelegten Kontaktrand (25) ein Kontaktbereich (27) für den Anschluß der Meß- und Auswerteeinheit freigelassen ist.

3. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der Meßelektrode (12) als eine am äußeren Scheibenumfang verlaufende metallische Umrandung (15) ausgebildet ist.

4. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (2) mit Zutrittsöffnungen (9) für das nachzuweisende Gas versehen ist, die durch eine poröse Andruckscheibe (10) abgeschlossen sind, an die sich die als Diffusionsstrecke dienende Diffusionsmembran (11) anschließt, welche ihrerseits von der Meßelektrode (12) gefolgt ist.

5. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Docht als ein Hohlkörper (19) ausgebildet ist, der einerseits mit dem Elektrolyten (17) gefüllt ist und andererseits die Druckfeder (21) enthält, welche eine Federscheibe (29) besitzt, die gegen die elektrolytseitige Oberfläche der Dochtscheibe (20) anliegt.

6. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federscheibe (29) mit mehreren Durchbrüchen versehen ist.

7. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dochtscheibe (20) zur Meßelektrode (12) hin mit einer Trennscheibe (13) abgedeckt ist, die lediglich einen Teilbereich (22) der Dochtscheibe (20) in Elektrolytkontakt mit der Meßelektrode (12) frei läßt.

8. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (12) als ein vergoldetes Nickelsieb in Form einer Schale ausgebildet ist, dessen Schalenrand (15) als Kontaktfläche an der Innenwand des Deckels (8) anliegt.

9. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Scheiben (11, 12, 13) untereinander und mit dem Deckel (2) mittels Schmelzkleberscheiben (PFA oder FEP) (14) abgedichtet und aneinandergepreßt sind.

10. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit dem Elektrolyten (17) gefüllten Hohlkörper des Dochtes (19) eine Gasblase (23) eingeschlossen ist.

11. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Boden des Gehäusetopfes (1) die Gegenelektrode (28) in Form eines gepreßten Metallgranulats aufgenommen ist, in der ein Kontaktsieb (3) eingeschlossen ist, das über einen Kontaktpunkt (4) mit dem Gehäusetopf (1) elektrisch verbunden ist.

12. Elektrochemischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Gehäusetopfes (1) mit einer Goldauskleidung versehen ist.