DE69414260T2 - Brennstoffzellen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich solche Zellen, die als Sensoren für oxidierbare Komponenten in Gasen wirken.
• Brennstoffzellen wurden zuerst von Sir William Grove im Jahre 1839 erfunden und sind in den letzten Jahren in vielen Anordnungen zur Entdeckung von oxidierbaren Komponenten von Gasen oder Dämpfen verwendet worden, z. B. in Atem-Testgeräten. Die Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einer Arbeitselektrode oder Anode und einer Gegenelektrode oder Kathode, die durch einen Elektrolyt, normalerweise eine poröse, mit einem sauren Elektrolyt, imprägnierte Scheibe, voneinander getrennt sind. Durch die elektrochemische Oxidation der Brennstoff-Komponente in dem Gas entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, die einen Elektronenfluß von der Anode zu der Kathode zur Folge hat. Dieser Strom und/oder die Potentialdifferenz kann entdeckt werden. Eine derartige Brennstoffzelle wird von der Lions Laboratories plc. hergestellt.
• Obgleich diese Brennstoffzellen auf einem begrenzten Gebiet erfolgreich waren, ergaben sich beträchtliche Probleme sowohl hinsichtlich der Zeit, die die Brennstoffzelle braucht, um die oxidierbare Komponente in der Probe zu verzehren, als auch bezüglich der Zeit, die die Zelle braucht, um wieder frei und zum Abfragen einer weiteren Probe bereit zu sein
• EP-A-0361692 beschreibt einen Sensor zum Bestimmen der relativen Quantität von Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Gasgemisch, der zwei Pumpzellen aufweist.
• EP-A-0293541 beschreibt eine amperometrische Vorrichtung mit zwei separaten, von Membranen umschlossenen amperometrischen Zellen in einander gegenüberliegender Anordnung.
• EP-A-0239296 zeigt einen elektrochemischen Sensor mit zwei separaten Arbeitselektroden auf einer einzigen Membran.
• EP-A-0033188 beschreibt einen elektrochemischen Detektor mit einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren.
• EP-A-0356434 (WO 88 08131) zeigt einen elektrochemischen Sensor mit einer rohrförmigen Elektrode.
• Von einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle zum Entdecken oxidierbarer Brennstoffkomponenten in einem Gas oder Dampf vorgeschlagen, die eine erste und eine zweite Arbeitselektrode aufweist, welche einander gegenüberliegen und zwischen sich einen Raum zur Aufnahme einer Probe definieren, sowie eine Gegenelektrode für jede Arbeitselektrode, wobei die erste Arbeitselektrode mit der zweiten Arbeitselektrode oder ihrer zugehörigen Gegenelektrode elektrisch verbunden ist.
• Diese Anordnung von einander gegenüberliegenden Arbeitselektroden vergrößert die Oberfläche der Arbeitselektrode bei einem gegebenen Querschnitt beträchtlich und verkürzt damit erheblich die Zeit, die eine Brennstoffkomponente braucht, um mit der Arbeitselektrode in Kontakt zu kommen und zu reagieren. Sie ermöglicht es, daß die Arbeitselektroden einander sehr nahe angeordnet werden können, wodurch die Länge der mittleren freien Strecke, die jedem in den Probenraum injizierten Molekül der Brennstoffkomponente zur Verfügung steht, bevor es auf eine Arbeitselektrode auftrifft, verringert wird. In traditionellen Geräten kann ein beträchtlicher Totraum oberhalb der einzigen Arbeitselektrode vorhanden sein.
• Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode eines Paares durch einen elektrolytisch imprägnierten Körper voneinander getrennt. Wenn die Elektroden parallel geschaltet sind, könnten sie als eine einzige Zelle in gebogener Form angesehen werden, und eine solche Anordnung ist in die Erfindung eingeschlossen. Tatsächlich sind auch andere gewickelte Anordnungen möglich, obgleich diese eine konstruktive Komplexität zur Folge haben könnten, die verhindert, daß die beiden Arbeitselektroden sehr nahe nebeneinander angeordnet werden können.
• Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Arbeitselektroden 0,5 mm bis 5 mm. Ein Abstand zwischen 1 mm und 2 mm hat sich als guter Kompromiß zwischen Zellen-Wirkungsgrad und konstruktiver Einfachheit erwiesen.
• Die Geschwindigkeit des Freiwerdens der Zelle kann eine Funktion der Nutzlast sein, und es hat sich eine Nutzlast von 10 Ohm als brauchbar erwiesen. Demzufolge kann der Sensor über seinen Ausgang einen Lastwiderstand haben, der etwa gleich seiner Impedanz ist.
• Für mindestens eine Elektrode kann ein elektrischer Kontakt in Form einer geschlossenen Schleife vorgesehen sein, der die Arbeitfläche der Elektrode im wesentlichen umgibt.
• Traditionell wurden einzelne Drahtkontakte verwendet, die lokale Widerstandsprobleme und Herstellungsschwierigkeiten hervorriefen. Die Verwendung einer geschlossenen, vorzugsweise ringförmigen Schleife stellt sicher, daß eine elektrische Verbindung zwischen der Elektrode und dem Kontakt zumindest an einigen Teilen des Kontaktes stattfindet, wodurch viele lokale Fehler vermieden werden.
• Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden, und ein spezifisches Ausführungsbeispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
• Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Version eines erfindungsgemäßen Sensors,
• Fig. 2 ist ein schematischer senkrechter Schnitt der Elektroden der Brennstoffzelle mit ihren elektrischen Verbindungen, und
• Fig. 3 ist der gleiche Schnitt wie Fig. 2, jedoch mit einer alternativen Anordnung der elektrischen Verbindungen.
• Ein Brennstoffzellen-Sensor 10 weist einen Hauptkörper 11 auf, in dem Arbeitselektroden 12, Gegenelektroden 13 und Kontakte 14 bis 17 angeordnet sind. Der Hauptkörper ist durch einen Deckel 18 und einen Boden 19 abgeschlossen und durch O-Ringe 20 und 21 abgedichtet.
• Die Arbeitselektroden 12 sind einander gegenüberliegend angeordnet und begrenzen zwischen sich einen Probenraum 22, in den ein Proben-Einlaß 23 mündet und an den ein Auslaß 24 angeschlossen ist. Jede der Elektroden 12, 13 weist eine schwarze Platinschicht auf einem mikroporösen PVC-Körper auf, und jeder Körper 25 in einem Paar aus Arbeitselektrode und Gegenelektrode enthält einen sauren Elektrolyt wie z. B. H&sub2;SO&sub4;.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die beiden Arbeitselekroden 12 elektrisch parallel geschaltet, ebenso auch die beiden Gegenelektroden 13. Diese Verbindungen erfolgen durch die entsprechenden Kontakte 14 bis 17, die jeweils aus einem gold-beschichteten Ring aus rostfreiem Stahl bestehen, der sich um den Umfangsrand der betreffenden Elektrode erstreckt.
• Wie vorher beschrieben, können durch diese Ausbildung die Arbeitselektroden 12 in sehr geringem Abstand voneinander angeordnet werden, so daß der Probenraum 22 ein sehr kleines Volumen, jedoch eine sehr große Oberfläche der Arbeitselektroden hat. Dies hat zur Folge, daß der Sensor extrem empfindlich ist, schnell reragiert und auch wieder schnell frei wird.
• Diese Eigenschaften bedeuten nicht nur, daß eine höchst empfindliche Brennstoffzelle für die traditionell bestehenden Verwendungszwecke verfügbar ist, sondern daß er auch für andere weniger bekannte Zwecke verwendet werden kann, z. B. in der Gaschromatographie (wie z. B. in Fig. 2 angedeutet). In diesem Fall wird die Zelle am besten mit einem Trägergas betrieben, das durch die Zelle geführt wird, wobei das Probengas in diese Strömung eingebracht wird.
• Vorzugsweise hat das Trägergas, das z. B. Stickstoff sein kann, eine relative Feuchtigkeit von 50-60%, um zu verhindern, daß die Zelle austrocknet.
• Wie vorher erwähnt, sind die Elektrodenpaare parallel geschaltet, und diese Konfiguration maximiert den erzeugten Strom.
• Eine alternative Ausführung ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Ausführung minimiert den Strom, maximiert jedoch das elektrische Potential der Zelle. Die gewählte Konfiguration hängt dann davon ab, ob die Zelle in einem Spannungs- oder in einem Strom-Messgerät verwendet werden soll.

Claims (7)

1. Brennstoffzelle (10) zum Entdecken von oxidierbaren Brennstoff-Komponenten in einem Gas oder Dampf, mit einer ersten und einer zweiten Arbeitselektrode (12) die einander gegenüberliegen und zwischen sich einen Raum (22) zur Aufnahme einer Probe definieren, und mit einer Gegenelektrode (13) für jede Arbeitselektrode, wobei die erste Arbeitselektrode (12) mit der zweiten Arbeitselektrode (12) oder ihrer zugehörigen Gegenelektrode (13) elektrisch verbunden ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12, 13) jedes Paares von Arbeits- und Gegenelektroden (12, 13) voneinander durch einen elektrolytisch imprägnierten Körper (25) getrennt sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Arbeitselektroden (12) 0,5 mm bis 5 mm beträgt.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen 1 mm und 2 mm beträgt.

5. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast für die Brennstoffzelle etwa 10 Ohm beträgt.

6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (10) über ihren Ausgang einen Lastwiderstand aufweist, der etwa gleich ihrer Impedanz ist.

7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für mindestens eine ihrer Elektroden (12, 13) einen elektrischen Kontakt (15-17) in Form einer geschlossenen Schleife aufweist, die die Arbeitsfläche der Elektrode (12, 13) im wesentlichen umgibt.