DE4439286C2 - Mehrlagiger und randseitig gelagerter Membrankörper für die elektrochemische Meßzelle und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrlagigen und randseitig ge­ lagerten Membrankörper für eine elektrochemische Meßzelle und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbe­ griff der Patentansprüche 1 und 11.

Membrankörper für elektrochemische Meßzellen sind bekannt. Die Membrankörper besitzen nur eine begrenzte Lebensdauer und müssen deshalb regelmäßig gewechselt werden. Als Ver­ brauchsteil wird daher eine einfache Herstellung gewünscht.

Aus der DE 37 24 040 A1 ist ein Membrankörper bekannt, der aus einer Membranfolie besteht, die mit einer Lochblende abgedeckt ist und so ein mehrlagiges Teil bildet. Der bekannte Membrankörper wird randseitig gelagert in einer Meßzelle befestigt. Zur Verbesserung der Geometrie des Meßraumes der Meßzelle besitzt der Membrankörper eine ka­ lottenförmige Form. Jedoch hat sich der bekannte Membran­ körper hinsichtlich der Meßgenauigkeit und der Handhabung sowie der Fertigung als weniger geeignet erwiesen.

Zusätzlich ist aus der DE 40 19 855 A1 ein Gassensor mit einer Polysiloxan - Membrane bekannt, die von einem poröses Trägermaterial getragen wird. Die mit dem Trägermaterial verbundene Polysiloxan - Membrane muss sofort auf die Arbeitselektrode aufgebracht werden, was sich als nachteilig erweisen kann.

Aus der DE 40 18 597 A1 ist eine weitere elektrochemische Gasmesszelle mit einer Membrane bekannt, die mittels eines Haftverbinders mit einem Stützkörper verbunden ist. Der Stützkörper weist eine Dicke von ca. 2 mm auf. Die verhältnismäßig große Dicke kann die Messgenauigkeit für bestimmte Anwendungsbereiche einschränken.

Die DE 38 31 879 A1 zeigt einen potentiostatischen Sensor, bei dem die Membrane durch Kleben mit dem Gehäuse verbunden ist, das die Membrane trägt. Es hat sich gezeigt, dass ein faltenfreies Verkleben der Membrane mit dem Gehäuse schwierig ist. Die Verklebungsschwierigkeiten der Membrane mit dem Gehäuse können nachteilige Auswirkungen auf die Messgenauigkeit des bekannten Sensors haben.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung einen mehrlagigen und randseitig gelagerten Membrankörper für eine elektrochemi­ sche Meßzelle zu schaffen und dessen Verfahren zur Herstel­ lung anzugeben, der wesentlich einfacher herzustellen ist und aufgrund seiner Bauweise eine höhere Meßgenauigkeit ge­ währleistet.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und 11 gelöst.

Erfindungsgemäß besteht der Membrankörper aus einer planen Kreisscheibe, die einen randseitigen Versteifungs- und Be­ festigungsring aufweist, der die Membranfolie plan auf­ spannt. Erfindungswesentlich ist, daß der Versteifungs- und Befestigungsring für die Membranfolie aus einer aushärtba­ ren Klebeschicht besteht. Im Rahmen der Erfindung sind aus­ härtbare Lacke mit aushärtbaren Klebematerialien gleich­ zusetzen.

Aufgrund der plan aufgespannten Membranfolie nimmt diese eine definierte Lage zu der planen Stirnseite der Meßelek­ trode der Meßzelle ein, was die Meßgenauigkeit erhöht. Auf­ grund des ausgehärteten Klebstoffringes, der eine Verstei­ fungs- und Befestigungsfunktion übernimmt, werden Falten in der Membranfolie vermieden, weil die Befestigungskräfte nur an dem ausgehärteten steifen Klebstoffring angreifen. Das Vermeiden von Falten erhöht das Meßsignal wesentlich. Ebenso verteilen sich die randseitigen Befestigungskräfte gleichmäßig, was Mikrorisse in der Membranfolie vermeidet.

Da der Membrankörper für sich eine plane Kreisscheibe bil­ det, die trotz des Klebstoffringauftrages äußerst flach ausgestaltbar ist, läßt sich der Membrankörper in einfacher Weise in Tüten versenden, verpacken oder in eine Vertiefung einer Schraubkappe einlegen. Der flache Membrankörper wird dann zusammen mit der Kappe auf die Meßzelle aufgeschraubt. Ein Austauschen ist umgekehrt in einfacher Weise möglich.

Die flache Gestalt des Membrankörpers erweist sich somit in der Handhabung als besonders vorteilhaft. Das heißt, auf­ grund der Versteifung durch den Klebstoffring kann der Mem­ brankörper auch von ungeschultem Personal problemlos ge­ handhabt werden.

Ebenso vereinfacht sich die Herstellung, da der Klebstoff­ ring im Siebdruckverfahren auf eine Membranfolienbahn auf­ gedruckt werden kann. Nach dem Aushärten wird der Kleb­ stoffring ausgestanzt, der im Inneren die wirksame Membran­ fläche faltenfrei aufspannt. Als besonders vorteilhaft er­ weist sich, daß die vollkommen planen Menbrankörper in großer Stückzahl und bei hochwertiger Qualität im Mehrfach­ nutzen aus einer größeren Membranfolienbahn fertigbar sind. Infolge des ausgehärteten Klebstoffringes wird eine Beschä­ digung der wirksamen Membranfläche vermieden, da sich die außen angreifenden Scherkräfte nicht bis zu der wirksamen Membranfläche fortpflanzen können. Die Scherkräfte werden durch den ausgehärteten Klebstoffring abgefangen. Am Ende des Herstellungsverfahrens liegt eine planebene und mecha­ nisch stabilisierte Membranscheibe mit einer faltenfreien wirksamen Membranfläche vor.

Zusätzlich bietet der ausgehärtete Klebstoffring eine Dif­ fusionssperre für Reaktanten. Folglich kann der Klebstoff­ ring in einfacher Weise bei geeigneter Dimensionierung die Funktion der beschriebenen Lochblende übernehmen, die aus der DE OS 37 24 040 bekannt ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Membrankörper nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Membrankörper aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie AA; und

Fig. 3 in Schnittdarstellung eine weitere Ausführungs­ form des Membrankörpers nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Membrankörper 1, der eine plane Kreis­ scheibe bildet in der Draufsicht. Die Kreisscheibe besteht aus einem Kreisring, der eine kreisförmige Durchtrittsflä­ che 2 einfaßt. Bei dem Kreisring handelt es sich um einen Klebstoffring, der zur Unterscheidung von Innen- und Außen­ seite des Membrankörpers 1 als Farbring 3 ausgebildet ist.

Zur besseren Verdeutlichung wird auf den Schnitt entlang der Schnittlinie AA verwiesen, der in Fig. 2 dargestellt ist. Die Außenseite des Membrankörpers 1 trägt das Bezugs­ zeichen 10. Mit Innenseite 11 wird die Seite bezeichnet, die auf die Spitze einer Meßelektrode der Meßzelle gerich­ tet ist (in Fig. 2 nicht dargestellt). Der Meßkörper 1 be­ steht aus einer dünnen Membranfolie 6, der nach der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform auf der Unterseite ein Kleb­ stoffring 7 und auf der Oberseite der Farbring aufgetragen ist. Der Farbring 3 und der Klebstoffring 7 bilden einen Versteifungs- und Befestigungskreisring. Je nach dem Öff­ nungsdurchmesser der Kreisringe, die aus dem ausgehärteten Klebstoff oder einem ausgehärteten Lack bestehen, bildet sich eine wirksame Membranfläche 9 aus. Innerer und äußerer Kreisring weisen einen unterschiedlichen Durchmesser auf, weshalb sich die Durchtrittsfläche 2 in Fig. 2 auf die kleinere wirksamere Membranfläche 9 reduziert. Unterhalb des Klebstoffringes 7 ist in Fig. 2 ein feines Kunststoff­ gewebe 8 vorgesehen, das einen Abstandshalter für die Mem­ branfolie 6 zu der anliegenden Meßelektrode bildet.

Je nach Anwendungsfall kann auch nur ein Klebstoffring 7 auf der Innenseite 11 oder der Außenseite 10 vorgesehen sein.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform, bei der beidseitig Klebstoffringe 7 vorgesehen sind, wobei an der Außenseite 10 zusätzlich ein Metall- oder Kunststoff­ ring mit aufgeklebt ist. Der Ring 12 wirkt als Diffusions­ sperre. Die Durchtrittsfläche 2 beziehungsweise die wirk­ same Membranfläche 9 ist hierbei so bemessen, daß sie klei­ ner ist als die plane Stirnseite der Meßelektrode 13 (gestrichelt dargestellt).

Neben dem feinen Kunststoffgewebes 8, was eine Gaze sein kann, kann auf der Außenseite 10 und der Innenseite 11 auch zusätzlich ein Grobfilter ausgebildet sein.

Weiter zeigt Fig. 3 ein Tragteil 14, das im Bereich der Elektrode 13 einen Durchbruch aufweist. Das Tragteil 14 ist einstückig mit dem zuvor beschriebenen mehrlagigen Schich­ ten verklebt und erhöht die mechanische Stabilität des Mem­ brankörpers 1. Zusätzlich können an dem Tragteil 14 radiale Streben 5 ausgebildet sein, die in Fig. 1 in der Draufsicht gestrichelt dargestellt sind. Nach Fig. 1 münden diese Streben 5 beispielsweise in ein Mittelteil 4, so daß sich vier sektorartige Durchtrittsflächen 2 ergeben.

In anderen Ausführungsformen können die Streben auch als radiale Finger 15 gestaltet sein (Fig. 3), die auf den Mit­ telpunkt der Kreisscheibe zeigen, die den Membrankörper 1 bildet. Das Mittelteil 4, die radialen Streben 5 oder die Finger 15 wirken in gleicher Weise wie das abstandbildende Kunststoffgewebe 8.

Zusätzlich können an dem Tragteil 14 stabförmige Haltestege 16 ausgebildet sein, so daß der Menbrankörper 1 auf die Meßelektrode 13 aufsteckbar ist.

Zur Herstellung werden die Kreisringe 3, 7 bevorzugt im Siebdruckverfahren auf die Membranfolie 6 aufgebracht, die plan gestreckt auf einer flachen Unterlage liegt. Zuerst wird auf der einen Seite ein Klebstoffring 7 aufgedruckt und aushärten gelassen, wenn auf der anderen Seite ein ge­ genüberliegender Ring zusätzlich ausgebildet werden soll. Hierzu wird dann die Membranfolie 6 nach dem Aushärten des zuerst aufgebrachten Kreisringes 7 gewendet.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß auf einer groß­ flächigen Membranfolienbahn zahlreiche Klebstoffringe 7 aufdruckbar sind, die nach dem Aushärten ausgestanzt wer­ den.

Claims (13)

1. Mehrlagiger und randseitig gelagerter Membrankörper für eine elektrochemische Meßzelle, mit einer Membranfolie, die eine wirksame Membranfläche aufweist, und mindestens einer deckseitigen Schicht, die fest mit der Membrane verbunden ist und die die wirksame Membranfläche randseitig begrenzt, dadurch gekennzeichnet,
daß die deckseitige Schicht einen Versteifungs- und Befe­ stigungsring bildet, der die Membranfolie (6) plan auf­ spannt,
daß der Versteifungs- und Befestigungsring zusammen mit der aufgespannten Membranfolie eine plane Kreisscheibe bildet, und
daß der Versteifungs- und Befestigungsring aus einer aus­ härtbaren Klebeschicht (7) besteht.

2. Membrankörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite (11) und/oder der Außenseite (10) ein engmaschiges Kunststoffgewebe aufgeklebt ist.

3. Membrankörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Innenseite (11) und/oder Außenseite (10) eine Grobfilter-Membrane aufgeklebt ist.

4. Membrankörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Innenseite (11) und/oder der Außen­ seite (10) ein Kunststoff- oder Metallring (12) aufgeklebt ist.

5. Membrankörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Innenseite (11) und/oder der Außen­ seite (10) eine Farbmarkierung angebracht ist.

6. Membrankörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Innenseite (11) ein planes, kreis­ ringförmiges Tragteil (14) angeklebt ist, das Abstandshal­ ter (15) aufweist, die auf der planen Stirnseite der Meß­ elektrode (13) der Meßzelle aufliegen.

7. Membrankörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (15) radiale Streben (5) sind.

8. Membrankörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Streben (5) Finger (17) sind.

9. Membrankörper nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem Tragteil (14) Haltestege (16) ausge­ bildet sind, die seitlich auf die Meßelektrode (13) auf­ schiebbar sind.

10. Membrankörper nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Membrankörper (1) einen Durchmesser von 5 mm bis 15 mm, insbesondere 10 mm und eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm, insbesondere 0,3 mm aufweist.

11. Verfahren zum Herstellen der Membrankörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungs- und Befestigungsringe in Form von Klebestof­ fringen (7) auf eine flachliegende Membranfolienbahn aufge­ bracht werden, und daß die Membrankörper (1) nach dem Aushärten der Klebestof­ fringe (7) aus der Membranfolienbahn ausgestanzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aushärten der Klebestoffringe (7) eine Kunst­ stoffgewebe-, eine Grobfilter-, Kunststoffolien- und/oder Metallfolienbahn aufgepreßt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klebstoffringe (7) im Siebdruckverfahren aufgedruckt werden.