DE2715285C2 - Elektrochemische Zelle zum Bestimmen von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Reduktionsmitteln - Google Patents

Elektrochemische Zelle zum Bestimmen von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Reduktionsmitteln

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle zum Bestimmen von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Reduktionsmitteln, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Eine Zelle dieser Art ist in der DE-OS 17 73 093 beschrieben. Bei dieser bekannten Zeile arbeitet die Anode als Wasserstoffelektrode, während an der Kathode als Katalysatoren Phthalocyanine zum Einsatz kommen, die heterogene Katalysatoren sind, wobei die Kathoden· seilige Regenerierung mit molekularem Sauerstoff erfolgt. Voraussetzung für ein einwandfreies Funktionieren dieser bekannten Zelle ist daher, daß die zu bestimmende wasserstoffhaltige Atmosphäre frei von Oxydationsmitteln ist.
Aus der DE-OS 23 35 402 ist weiter ein Verfahren zum Bestimmen des Gehaltes von Abgasen an Stickoxiden bekannt, das auf elektrochemischem Wege arbeitet und als Bezugselektrode eine Chinhydron-Elektrode verwendet. Diese Elektrode erfährt jedoch im Rahmen der Stickoxidbestimmung keine Veränderung, sondern sie dient nur zur Lieferung eines bestimmten Bezugspotentials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß sie eine Wasserstoffbestimmung auch in Meßsubstanzen gestattet, die neben dem Wasserstoff sowohl Reduktions- als auch Oxidationsmittel enthalten, ohne daß diese verschiedenen Bestandteile vor der Messung voneinander getrennt werden müßten.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektrochemische Zelle, wie sie im Palentanspruch I gekennzeichnet ist; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransnrüchen.
Im Betriebe einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrochemischen Zelle kommt es im Rahmen der Wasserstonbestimmung zunächst zu einer elektrochemischen Umwandlung innerhalb der Chinonstruktur, während Sauerstoff erst an einem nichtelektrochemischen Vorgang beteiligt ist, mit dem eigentlichen Meßvorgang also nicht zu tun hat. Dementsprechend bedarf es bei einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung auch keines gasundurchlässigen Abschlusses zwischen Kathoden-
to raum und Anodenraum, und es ist auch sonst keine Isolierung der zu bestimmenden wasserstoffhaltigen Meßsubstanz erforderlich.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren einziger Figur der Aufbau und die elektrische Verbindung einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
Die dargestellte Zelle besteht aus einem Gehäuse 1, in dem ein saurer polymerer Elektrolyt 2 in Form einer Membran untergebracht ist. An einer Seite des Elektrolyten 2. ist eine Anode 3 angeordnet, die aus Platinschwarz besteht oder ein Netz darsteiit. Auf der anderen Seite der Membran ist eine Kathode 4 aus mit einem selektiven organischen Katalysator für eine elektrochemische Reduktion von Sauerstoff aktivierter Kohle angeordnet. Als derartige Katalysatoren werden Redoxsysteme auf der Basis organischer Verbindungen mit Chinonstruktur und insbesondere Retfoxpolymere wie Chlorionen oder Kopolymerisate von Formaldehyd und Brenzkatechin verwendet. Die Katalysatoren werden durch Ausfällen aus entsprechenden Lösungen auf das Kohlenpulver aufgebracht.
Die Anode 3 und die Kathode 4 werden durch poröse Graphitstromabnehmer 5 an den Elektrolyten 2 angedrückt.
Der ganze Aufbau wird mit einer Mutter 6 fixiert. Die Stromabführung erfolgt durch metallische Kontakte 7 und 8 mit angelötetem Draht, die an den Eingang eines Vorverstärkers 9 angeschlossen sind, dessen Ausgang an eine Schall-, Licht- oder Digüalanztig^rvorrichtung 10 angeschlossen ist.
Die dargestellte Zelle wird vorzugsweise wie folgt beschrieben.
Beim Auftreten von Wasserstoff in der umgebenden Atmosphäre kommt es zur Sauerstoffadsorption an der Oberfläche der Platinanode nach
H2
^adsorbiert e
Die durch diese Reaktion gebildeten Elektronen gelangen durch den Außenstromkreis an die beispielsweise mit Tetrachlor-p-benzochlnon aktivierte Kathode 4, wo folgende Reaktion abläuft:
OH
OH
Der in der Atmosphäre enthaltene Wasserstoff reagiert mit dem erhaltenen Hydrochinon nach der Reaktion:
OH
Cl
+ O3->2H,0+ O
Die stromerzeugende Bfuttoreaklion ist:
Wenn entsprechend Wasserstoff an die Plalinelektrode gelangt, beginnt die Zelle elektrischen Strom zu erzeugen, dessen Größe der Wasserstoffkonzentration proportional ist. Dieser Strom wird durch den Vorverstärker 9 verstärkt, der die Anzeigevorrichtung 10 steuert.
Ein Vorteil ist es, daß die Zelle, die im Prinzip eine Brennstoffzelle darstellt, in der Lage ist, in einem Gemisch von Luftsauerstoff mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Reduktionsmittel ohne Trennung der Komponenten zu arbeiten.
Dabei zeichnet sich die Zelle durch hohen Zuverlässigkeitsgrad, niedrigen Innenwiderstand (höchstens 50 £2), einfachen Aufbau, kleine Abmessungen und technologiegerechte Herstellung aus.
Die Zelle isi ferner durch die Verwendung eines sauren polymeren Elektrolyten unempfindlich gegen Carbonisierung.
Die Empfindlichkeit für Wasserstoff und wasserstoffhaltige Reduktionsmittel beträgt ICH bis ICH Vo\.-%.
Die Zelie kann zum Nachweis vo;i Hydrazin, Formaldehyd, Propan und anderen Stoffen, die das Potential der Platinelektrode nach der negativen Seite hin verschieben, eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend durch Beispiele erläutert.
Beispiel 1
Eine elektrochemische Zelle zur Bestimmung von Wasserstoff mit einer Kathode 4, die mit Tetrachlor pbenzochlnon (Im Gemisch mit Kohle Im Verhältnis 1:1) aktiviert ist, und einer mit Platlnschwarz (Katalysatormenge entsprechend 10 mg/cm2) aktivierten Anode 3 wird an einen Widerstand R von 100 il angeschlossen. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand wird mit einem hochohmlgen Röhrenvoitmeter gemessen. Die Zelle mit dem Widerstand wird In ein gasdichtes Glasgefäß eingesetzt und schließt über gasdichte Durchführungen das hochohmlge Röhrenvoltmeter an. Bei Abwesenheit von Wasserstoff ist der Spannungsabfall am Wlderstand gleich Null. Anschließend wird durch das gasdichte Glasgefäß ein Gemisch von Luft mit 10"3 Vol.-* Wasserstoff durchgeblasen, wobei der Wasserstoffgehalt in der durchgeblasenen Luft chromatographisch kontrolliert wird. Beim Durchblasen des genannten Luft-Wassersioff-Gemisches durch die Zelle betrug der mit dem Röhrenvoitmeter gemessene Spannungsabfall 70 · 10"6 V.
Beispiel 2
Es wird eine elektrochemische Zelle für Wasserstoff mit einer mit o-Tetrachlorbenzochinon (Gemisch mit Kohle im Verhältnis 1:1) aktivierten Kathode 4 analog der Zeile in Beispiel I verwendet. Der Spannungsabfall beträgt 50- 10"6V.
χ Beispiel 3
Es wird eine elektrochemische Zeile für Wasserstoff mit einer mit einem Redoxpolymeren, einem Copoiymerisat von Formaldehyd und Brenzkathechin, im Gemisch mit Kohle im Verhältnis 1 :1 aktivierten Kathode -1 analog dem Geber in Beispiel 1 verwendet. Der Spannungsabfall beträgt 50 · 10"' V.
Beispiel 4
Die in Beispiel 1 beschriebene elektrochemische Zelle wird in einem Gemisch von Luft mit \0~1 Vol.-% Propan betrieben, die Propankonzentration wurde chromatogRohisch bestimmt.
Der Spannungsabfall am Widersland beträgt 30- ΙΟ"* V.
Beispiel 5
Es wird eine elektrochemische Zelle mit einer mit einem Kopolymerlsat von o-Tetrachlorbenzochlnon und Benzidln Im Gemisch mit Kohle Im Verhältnis 1 :1 aktlvierten Kathode 4 mit einem Gemisch von Luft und Wasserstoff analog zu Beispiel 1 getestet. Der Spannungsabfall am Widerstand beträgt 50 ■ 10"6 V.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Elektrochemische Zelle zum Bestimmen von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Reduktionsmitteln mit einer Anode in Form einer Metalle der Platingruppe enthaltenden Gaselektrode, mit einer Kathode in Form einer mit einem organischen Katalysator für eine elektrochemische Sauerstoffreduktion aktivierten Kohleelektrode und mit einem sauren Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (4) im Anschluß an einem polymeren Elektrolyten (2) als Katalysator ein Redoxsystem auf der Basis einer organischen Verbindung mit Chinonstruktur aufweist.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Redoxsystem des Katalysators aus Redoxpolymeren besteht.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Redoxsystem des Katalysators Chlorchione enthält.
4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Redoxsystem des Katalysators Tetrachlor-pbenzochinon enthält.
5. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Redoxsystem des Katalysators aus einem Kopolymerisat von Formaldehyd und Brenzkatechin besteht.
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