DE19622930A1 - Elektrochemische Meßzelle - Google Patents

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.