DE10205675C1

DE10205675C1 - Elektrochemischer Gassensor mit gefaltetem Membranstreifen

Info

Publication number: DE10205675C1
Application number: DE10205675A
Authority: DE
Inventors: Peter Tschuncky
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: GB2386690A; US20030150725A1; GB0303222D0; GB2386690B; US6685808B2

Abstract

Es wird ein kostengünstiger, weil aus wenigen Komponenten und in wenigen Arbeitsschritten montierbarer elektrochemischer Gassensor bereitgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass DOLLAR A a) die Elektroden (1, 2, 3) mit zugeordneten elektrischen Leitungen (8) flächenförmig auf einem für den Elektrolyten undurchlässigen, gaspermeablen Membranstreifen (6) aufgebracht sind, DOLLAR A b) der Membranstreifen (6) zickzackförmig gefaltet im Sensorgehäuse (5, 7) abgelegt ist, so dass DOLLAR A c) der Membranstreifen (6) die Öffnung (9) des Sensorgehäuses (5, 7) für den Eintritt des Messgases begrenzt und DOLLAR A d) die Elektroden (1, 2, 3) durch den zickzackförmig gefaltet abgelegten Membranstreifen (6) im Abstand zueinander im Senorgehäuse (5, 7) gestapelt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Ein gattungsgemäßer elektrochemischer Gassensor geht beispielsweise aus der DE 198 45 318 C2 hervor. In allen derartigen bekannten elektrochemischen Gassensoren werden die verwendeten Elektroden getrennt, einzeln in ein Sensorgehäuse eingebracht und durch geeignete Drähte oder Stifte kontaktiert, wobei die elektrischen Kontakte nach außen durch das Sensorgehäuse geführt werden. Die Elektroden sind im Abstand zueinander gestapelt angeordnet. Hierzu werden Separatoren in Form von beispielsweise porösen, mit Elektrolyt getränkten Glasvliesen eingesetzt, so dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen den Elektroden entstehen kann. Diese bekannten elektrochemischen Gassensoren bedingen einen hohen, überwiegend manuellen Aufwand für deren Zusammenbau, der zudem kompliziert ist und zu Fehlern führen kann.

In der WO 98/25 138 A1 wird der stapelweise Aufbau mehrerer Brennstoffzellen angegeben. Jede einzelne Brennstoffzelle weist dabei separate Zuführungen für zwei unterschiedliche Gase auf, die sich ober- und unterhalb der durch gasdurchlässige Membranen begrenzten, gegebenenfalls gefalteten Elektrodenanordnung befinden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines einfachen, in wenigen Arbeitsschritten zusammenbaubaren elektrochemischen Gassensors. Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich insbesondere dadurch, dass der die Elektroden und deren elektrische Leitungen aufnehmende, elektrolytundurchlässige und gaspermeable Membranstreifen kostengünstig automatisiert hergestellt wird, so dass die bisher übliche, komplizierte und zeitaufwändige Montage der Einzelbauteile entfällt. Die Elektroden und deren elektrische Leitungen werden vorzugsweise in einem dem Zusammenbau des Sensorgehäuses vorgelagerten Arbeitsprozess fortlaufend auf den Membranstreifen aufgedruckt oder -gesintert, -gesputtert oder -gedampft. Der Membranstreifen wird anschließend abschnittsweise separiert, so dass jeder Membranstreifen-Abschnitt die jeweils für einen Gassensor bestimmten Elektroden und elektrischen Leitungen aufweist.

Die Elektroden mit ihren zugeordneten elektrischen Leitungen sind flächenförmig so im Abstand auf einer Seite in Längsrichtung des Membranstreifens und optional zusätzlich seitlich versetzt auf dem Membranstreifen aufgebracht, dass der zickzackförmig gefaltet im Sensorgehäuse abgelegte Membranstreifen eine elektrische Trennung der Elektroden bewirkt.

Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausbildungen der Erfindung an.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen schematisch dargestellten elektrochemischen Gassensor,

Fig. 2 eine dreidimensionale Darstellung des zickzackförmig gefalteten Membranstreifens des Gassensors nach Fig. 1.

Der elektrochemische Gassensor in Fig. 1 weist ein äußeres, zweiteiliges Sensorgehäuse 5, 7 auf, das aus einem gasundurchlässigen Material besteht, insbesondere aus einem Kunststoff wie Polypropylen, PMMA (Polymethylmethacrylat), PSU (Polysulfon), Polyethylen, Polystyrol, oder aus PTFE (Polytetrafluorethylen). Das Sensorgehäuse 5, 7 weist eine Öffnung 9 auf. Im Ausführungsbeispiel besteht das Sensorgehäuse 5, 7 aus zwei zusammengefügten Gehäuseteilen, nämlich einem in Fig. 1 unteren, ersten Gehäuseteil 7 und einem in Fig. 1 oberen, zweiten Gehäuseteil 5. Im ersten Gehäuseteil 7 wird ein zickzackförmig gefalteter, gasdurchlässiger, jedoch flüssigkeitsundurchlässiger Membranstreifen 6 mit Elektroden 1, 2, 3 und zugehörigen elektrischen Leitungen 8 so eingeklebt oder -geschweißt, dass die Öffnung 9 von innen bedeckt und abgeschlossen ist, wodurch der Gassensor zur Messung der Konzentration des zu messenden Gases, das heißt des Messgases, in einem flüssigen Medium oder in einer gasförmigen Umgebung eingesetzt werden kann. Das Messgas, das auch aus mehreren Komponenten bestehen kann, diffundiert kontrolliert im Bereich der Öffnung 9 durch den Membranstreifen 6 in das Sensorgehäuse 5, 7 hinein, und die Messung an den auf dem Membranstreifen 6 aufgedruckten oder aufgesputterten Elektroden 1, 2, 3 führt über an sich bekannte elektrochemische Reaktionen, deren Signale separat außerhalb des Sensorgehäuses 5, 7 ausgewertet werden, zur Bestimmung der Konzentration des Messgases. Die elektrischen Leitungen 8 sind auf dem Membranstreifen 6 in Längsrichtung vorzugsweise als Leiterbahnen mit einer Isolierschicht aufgedruckt, so dass sie über eine Durchgangsöffnung 4 des Sensorgehäuses 5, 7 mit dem Membranstreifen 6 hinausgeführt werden und die Messsignale über Kontakte zur Auswertung an eine an sich bekannte, nicht dargestellte Auswerteeinheit gelangen. Die Durchgangsöffnung 4 dient bei der Verwendung des Gassensors auch dem Druckausgleich mit der Umgebung. Der Membranstreifen 6 ist mit den Elektroden 1, 2, 3 und den zugehörigen elektrischen Leitungen 8 beaufschlagt, zum Beispiel mit einer Messelektrode 1, einer Gegenelektrode 2 und einer Referenzelektrode 3, und zwar in Längsrichtung des Membranstreifens 6 in einem derartigen Abstand, dass durch den zickzackförmig gefaltet im Sensorgehäuse 5, 7 abgelegten Membranstreifen 6 ein direkter elektrischer Kontakt mit der Folge eines Kurzschlusses zwischen je zwei Elektroden 1, 2, 3 und den mit einer Isolierschicht beaufschlagten elektrischen Leitungen 8 verhindert bzw. ausgeschlossen wird. Der Membranstreifen 6 besteht aus einem gasdurchlässigen, insbesondere aus einem porösen PTFE (Polytetrafluorethylen)-Material, wie es im Handel zum Beispiel mit den Bezeichnungen Zitex-, Nucleopore- oder Gore-Membran vertrieben wird. Im Ergebnis wird mit der Erfindung ein einfach herzustellender, kostengünstiger elektrochemischer Gassensor bereitgestellt, der alle bekannten und notwendigen Sensorelemente auf dem zickzackförmig im Sensorgehäuse 5, 7 gefaltet abgelegten Membranstreifen 6 vereinigt. Der Membranstreifen 6 selbst wird in einem vorgelagerten, weitgehend automatisierten Herstellungsprozess mit den Elektroden 1, 2, 3 und elektrischen Leitungen 8 bedruckt, abschnittsweise separiert und anschließend in das erste Gehäuseteil 7 eingeklebt oder eingeschweißt. Bevor die Gehäuseteile des Sensorgehäuses 5, 7 miteinander verbunden werden, wird der Innenraum mit einem Elektrolyten beaufschlagt und der Membranstreifen 6 mit den elektrischen Leitungen 8 durch die Durchgangsöffnung 4 nach außen geführt. Im Vergleich mit den bekannten gestapelten elektrochemischen Gassensoren lassen sich Gassensoren nach der Erfindung wesentlich einfacher herstellen. Das verbundene Sensorgehäuse 5, 7 weist einen Elektrolytraum 10 auf, der mit dem messgasspezifischen Elektrolyten gefüllt ist. Zur besseren Benetzung und Wirkung des Elektrolyten kann auf dem Membranstreifen 6 ein ebenfalls zickzackförmig gefalteter Vliesstreifen angeordnet sein.

Der Vliesstreifen besteht vorzugsweise aus Glasfasern oder aus einem anderen Elektrolyt aufnehmenden, insbesondere porösen, chemisch inerten Material.

Die Elektroden bestehen im Allgemeinen aus einem Edelmetall wie Gold, Platin, Iridium, aus Silber oder aus einem elektrisch leitenden Kohlenstoffmaterial wie Graphit, dotiertem Diamant oder aus einem gesinterten Material enthaltend eine oder mehrere der genannten Komponenten.

Im Ausführungsbeispiel weist der Membranstreifen 6 eine Dicke von etwa 250 Mikrometer auf.

Claims

1. Elektrochemischer Gassensor mit mindestens zwei Elektroden und einem Elektrolyten in einem Sensorgehäuse mit einer Öffnung für den Eintritt des Messgases, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Elektroden (1, 2, 3) mit zugeordneten elektrischen Leitungen (8) flächenförmig auf einem für den Elektrolyten undurchlässigen, gaspermeablen Membranstreifen (6) aufgebracht sind,
b) der Membranstreifen (6) zickzackförmig gefaltet im Sensorgehäuse (5, 7) abgelegt ist, so dass
c) der Membranstreifen (6) die Öffnung (9) des Sensorgehäuses (5, 7) für den Eintritt des Messgases begrenzt und
d) die Elektroden (1, 2, 3) durch den zickzackförmig gefaltet abgelegten Membranstreifen (6) im Abstand zueinander im Sensorgehäuse (5, 7) gestapelt angeordnet sind.

2. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranstreifen (6) mit einem in seinen Faltungen angeordneten, Elektrolyt aufnehmenden Vliesmaterial versehen ist.

3. Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranstreifen (6) aus einem porösen Material besteht, insbesondere aus porösem PTFE (Polytetrafluorethylen) mit den Bezeichnungen Zitex-, Nucleopore- oder Gore-Membran.

4. Elektrochemischer Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehr als eine Messelektrode (1) aufweist für die simultane Messung von mehr als einem Messgas mit je einer messgasspezifischen Messelektrode.

5. Elektrochemischer Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (5, 7) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, insbesondere aus Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, PMMA (Polymethylmethacrylat) PSU (Polysulfon) oder PTFE (Polytetrafluorethylen).

6. Elektrochemischer Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (5, 7) eine Durchgangsöffnung (4) für den Austritt des Membranstreifens (6) mit den Leitungen (8) der Elektroden (1, 2, 3) aufweist.

7. Elektrochemischer Gassensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranstreifen (6) eine Dicke von 10 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweist, insbesondere 200 bis 300 Mikrometer.