DE19622930A1 - Elektrochemische Meßzelle - Google Patents
Elektrochemische MeßzelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Meßzelle mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Eine Vorrichtung zum simultanen Nachweis verschiedener Gaskomponenten
mit einer Vielzahl von Arbeitselektroden, einer gemeinsamen
Gegenelektrode und einer gemeinsamen Bezugselektrode in einem
wäßrigen Elektrolyten ist aus der DE 41 36 779 A1 bekannt geworden. Die
Arbeitselektroden sind segmentartig hinter einer planen Diffusionsmembran
angeordnet und über einzelne, vor der Diffusionsmembran angeordnete
Blenden, die den Gaszutritt begrenzen, den nachzuweisenden
Gaskomponenten ausgesetzt. Die Meßwertbildung erfolgt mit Hilfe einer
potentiostatischen Auswerteschaltung, die auch die Potentiale an den
Arbeitselektroden einregelt und vorgibt.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß alle Gaskomponenten
durch die Diffusionsmembran diffundieren und auf diese Weise an alle
Meßelektroden gelangen können. Dieses führt insbesondere dann zu
Fehlmessungen, wenn der Zutritt zu einer Meßelektrode für eine
Gaskomponente durch eine Diffusionsbarriere, wie z. B. bei der
Sauerstoffmessung, und/oder durch ein Selektivfilter begrenzt werden muß.
Ein weiterer Nachteil ist, daß insbesondere dann, wenn Spurengase
nachzuweisen sind, die gasseitige Projektionsfläche nur unvollständig
ausgenutzt werden kann, da zwischen den Elektroden isolierende
Zwischenräume verbleiben müssen. Nachteilig ist weiterhin, daß die
Fixierung und Isolierung der Kontaktdrähte bei einer koplanaren
Meßelektrodenanordnung aufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßzelle der genannten Art
derart zu verbessern, daß Fehlmessungen durch Querdiffusion verhindert
werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen einer Arbeitselektrode und
zumindestens einer anderen Arbeitselektrode ein stufenartiger Absatz
vorhanden ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch die
Anordnung von Arbeitselektroden auf unterschiedlichen Ebenen, die parallel
zueinander versetzt sind, eine Querdiffusion von nachzuweisenden Gasen
zwischen einzelnen Arbeitselektroden wirksam unterbunden wird. Durch den
Höhenversatz zwischen den Arbeitselektroden kann die für den
Komponentennachweis notwendige Elektrodenoberfläche der
Arbeitselektroden optimal ausgenutzt werden. Würde man nämlich die
Arbeitselektroden auf einer planen Fläche anordnen, müßten entsprechende
Spalte zwischen den Arbeitselektroden vorgesehen werden, um die
Querdiffusion auszuschalten. Hierdurch verringern sich jedoch die
elektrochemisch wirksamen Flächen der Arbeitselektroden. Andererseits
müßte bei gleichbleibenden Elektrodenflächen der Durchmesser der
Meßzelle vergrößert werden, was zu Montageproblemen führen kann. Bei
der erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßzelle wird für die
Spaltbildung die Längserstreckung der Meßzelle ausgenutzt, die im
allgemeinen keinen größeren Beschränkungen unterworfen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
In vorteilhafter Weise ist die Diffusionsmembran in einzelne
Membransegmente unterteilt, die den Arbeitselektroden zugeordnet sind. Es
werden dann die Membransegmente zusammen mit den Arbeitselektroden
parallel zueinander versetzt angeordnet.
In vorteilhafter Weise besitzt ein Elektrodenhalter stufenartig gegeneinander
versetzte Anlageflächen, an welchen die Arbeitselektroden mit den
zugehörigen Membransegmenten befestigt sind. Der Elektrodenhalter besitzt
eine radial verlaufende Querstrebe, an welcher die zu den Arbeitselektroden
verlaufende Kontaktdrähte befestigt werden können.
In vorteilhafter Weise ist eine O₂-Arbeitselektrode als Kreisfläche ausgeführt.
Die übrigen Arbeitselektroden sind Kreisringausschnitte, die auch
konzentrisch auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein können. Sofern
zwischen zwei Arbeitselektroden keine störenden Querdiffusionen zu
erwarten sind, können diese auch auf einer gemeinsamen
Diffusionsmembran angebracht sein.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle zum simultanen
Nachweis von Sauerstoff, Kohlenmonoxid und/oder Schwefelwasserstoff
einsetzbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine elektrochemische Meßzelle im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Elektrodenhalter in Blickrichtung A nach der
Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine elektrochemische Meßzelle 1 im Längsschnitt, bei welcher
ein Meßzellengehäuse 2 einen mit einem wäßrigen Elektrolyten 3 gefüllten
Elektrolytraum 4 umschließt. Die erfindungsgemäße Meßzelle 1 dient zum
simultanen Nachweis von Sauerstoff, Kohlenmonoxid und
Schwefelwasserstoff. An einer ersten Stirnseite 5 des Meßzellengehäuses 2
ist ein Elektrodenhalter 6 angebracht, welcher einen ersten Gaskanal 7 für
den Nachweis von Sauerstoff, einen zweiten Gaskanal 8 für den Nachweis
von Kohlenmonoxid und einen dritten Gaskanal 9 für den Nachweis von
Schwefelwasserstoff aufweist. Die dem Elektrolytraum 4 zugewandte Seite
des Elektrodenhalters 6 ist im Bereich des ersten Gaskanals 7 als eine erste
Anlagefläche 10 zur Befestigung eines ersten Membransegmentes 11 mit
einer O₂-Arbeitselektrode 12 ausgebildet. In entsprechender Weise befindet
sich im Bereich des zweiten Gaskanals 8 eine zweite Anlagefläche 13 für ein
zweites Membransegment 14 mit einer CO-Arbeitselektrode 15 und im
Bereich des dritten Gaskanals 9 ist eine dritte Anlagefläche 16 für ein drittes
Membransegment 17 mit einer H₂S-Arbeitselektrode 18 vorhanden. Die
Gaskanäle 7, 8, 9 sind mit gasselektiven Filtern 19, 20, 21 versehen, die
diejenigen Gase zurückhalten, die an der betreffenden Arbeitselektrode zu
Fehlmessungen führen würden. Die Komponenten gelangen über
Blendenöffnungen 22, 23 zu den entsprechenden Arbeitselektroden 15, 18.
Eine Diffusionskapillare 24 begrenzt den Zutritt von O₂-Molekülen zur
O₂-Arbeitselektrode 12.
Hinter der O₂-Arbeitselektrode 12 befinden sich in sandwichartigem Aufbau
ein elektrolytdurchlässiges erstes Vlies 25, eine O₂-Schutzelektrode 26 und
ein zweites, ebenfalls elektrolytdurchlässiges Vlies 27. Das erste
Membransegment 11, die O₂-Arbeitselektrode 12, die Vliese 25, 27 und die
O₂-Schutzelektrode 26 sind in einer topfförmigen Ausnehmung 28 innerhalb
des Elektrodenhalters 6 befestigt, wobei der Boden der Ausnehmung 28 die
erste Anlagefläche 10 mit der Diffusionskapillaren 24 ist. Eine der ersten
Stirnseite 5 gegenüberliegende zweite Stirnseite 29 des Meßzellengehäuses
2 ist mit einer Halterung 31 für eine Gegenelektrode 30 verschlossen. Die
gasselektiven Filter 19, 20, 21 vor den Arbeitselektroden 12, 15, 18 sind mit
einem Staubfilter 32 abgedeckt. Zur Durchführung der Messung, sind die
Elektroden 12, 15, 18, 26, 30 in bekannter Weise an einen in der Fig. 1
nicht dargestellten Potentiostaten angeschlossen.
Aufgrund des stufenartigen Absatzes 34 zwischen der ersten Anlagefläche
10 und der zweiten Anlagefläche 13, bzw. der dritten Anlagefläche 16, wird
eine Querdiffusion von Sauerstoff zwischen der O₂-Arbeitselektrode 12 und
den Arbeitselektroden 15, 18 unterbunden. Wegen der segmentartigen
Diffusionsmembrane ist auch keine Querdiffusion zwischen den
Membransegmenten 14, 17 möglich. Durch die Unterdrückung der
Querdiffusion wird eine Fehlmessung von Sauerstoff verhindert.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den Elektrodenhalter 6 in Blickrichtung A nach
der Fig. 1. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig.
1 bezeichnet. Die Gaskanäle 8, 9 und die in der Fig. 2 nicht dargestellten
Arbeitselektroden 15, 18 sind sektorförmig ausgeführt und durch eine radial
verlaufende Querstrebe 33 voneinander getrennt. Die Querstrebe 33 dient
zur Befestigung von in der Fig. 2 nicht dargestellten Kontaktdrähten, die zu
den Elektroden 12, 26 führen und der Membransegmente 14, 17.
Claims (6)
1. Elektrochemische Meßzelle zum Nachweis von Gaskomponenten mit
mehreren Arbeitselektroden (12, 15, 18) und einer Gegenelektrode (30)
in einem Elektrolyten (3) und mit einer den Gaszutritt zu den
Arbeitselektroden begrenzenden Diffusionsmembran, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen einer Arbeitselektrode (12) und
zumindestens einer anderen Arbeitselektrode (15, 18) ein stufenartiger
Absatz (34) vorhanden ist.
2. Elektrochemische Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Arbeitselektroden (12, 15, 18) mit Membransegmenten (11, 14,
17) als Diffusionsmembran versehen sind.
3. Elektrochemische Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Elektrodenhalter (6) mit einzelnen,
zumindestens teilweise stufenartig gegeneinander versetzten
Anlageflächen (10, 13, 16) vorgesehen ist, wobei die Anlageflächen
(10, 13, 16) zur Befestigung der jeweiligen Arbeitselektroden (12, 15,
18) mit den zugehörigen Membransegmenten (11, 14, 17) ausgebildet
sind.
4. Elektrochemische Meßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodenhalter (6) zumindestens eine radial verlaufende
Querstrebe (33) zur Aufnahme von Kontaktdrähten aufweist.
5. Elektrochemische Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine O₂-Arbeitselektrode (12) als
Kreisfläche ausgebildet ist, und die anderen Arbeitselektroden (15, 18)
als Kreisringausschnitte ausgeführt sind.
6. Verwendung einer Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum
simultanen Nachweis von Sauerstoff, Kohlenmonoxid und/oder
Schwefelwasserstoff.
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