Sensoren Die neue Generation elektrochemischer Gassensoren Festpolymer elektrochemische Gassensor-Technologie Solid Polymer Electrolyte-Membranen Die elektrochemische Feststoffpolymertechnologie bietet Flexibilität bei Design und Größe Moderne Brennstoffzellen arbeiten nicht mehr mit flüssigen Elektrolyten, sondern enthalten so genannte SPE (Solid Polymer Electrolyte)- Membranen, die den Strom innerhalb der Brennstoffzelle ionisch leitfähig transportieren. Seit mehr als 40 Jahren enthalten die meisten handelsüblichen elektrochemischen Gassensoren immer noch flüssige Elektrolyte wie H 2 SO 4 , H 3 PO 4 oder Salzlösungen. Unser Ziel war es, die Polymerelektrolyttechnologie auf Sensoren anzuwenden. In diesem Beitrag zeigen wir die Vorteile auf, die mit den Polymerelektrolytsensoren von EC Sense GmbH erreicht wurden. EC-Sense GmbH office@ecsense.com www.ecsense.com www.ecnose.de Elektrochemische Sensortechnologien werden immer häufiger für viele verschiedene analytische Gasdetektionsanwendungen eingesetzt, z. B. für die private Gasüberwachung. Ein kostengünstiger Sensor mit einer einfachen Benutzeroberfläche, geringer Größe und minimalem Stromverbrauch ist sehr gefragt. Bei den meisten dieser Sensoren handelt es sich um amperometrische Sensoren, die über Mess- und Gegenreferenzelektroden und flüssige Elektrolyte verfügen. Elektrochemischer Gassensor Ein elektrochemischer Gas sensor funktioniert auf ähnliche Weise wie eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wandelt zum Beispiel Wasser stoff in Wasser um. Dabei werden eine große Energiemenge und Ströme im Amperebereich erzeugt. Beim amperometrischen Gas sensor diffundiert das Zielgas zu einer Messelektrode, wo es oxidiert oder reduziert wird. Aufgrund der geringen Konzentration von ppm oder ppb und der Diffusionsbegrenzung des Sensors ist das Ausgangssignal im nA- oder µA-Bereich jedoch sehr klein, aber dennoch messbar. Bild 1: Aufbau eines flüssigen elektrochemischen Gassensors Bild 2: Die drei Kreise zeigen die Schwachstellen eines Sensors auf Flüssigelektrolytbasis: die Kontaktdichtungen, die Gasdiffusionsmembran und die Abdichtung der Membran. Bild 3: Elektroden des elektrochemischen Gassensors Bild 4: Loch für die Gasdiffusion 26 EinkaufsführerMesstechnik & Sensorik2024
Sensoren Bild 5: Aufbau des Festpolymer-Sensors Flüssige elektrochemische Gassensoren Bild 1 zeigt den Aufbau eines elektrochemischen Flüssiggassensors. Herkömmliche elektrochemische Flüssiggassensoren sind größer, da sie einen Flüssigkeitsbehälter und ein Ausdehnungsgefäß enthalten müssen, um die Feuchtigkeitsaufnahme durch den hygroskopischen Elektrolyten auszugleichen oder als Wasserquelle im Falle einer trockenen Umgebung zu dienen. Grundsätzlich besteht immer die Gefahr des Auslaufens oder Austrocknens, je nach den Umgebungsbedingungen (Bild 2). Vorteile elektrochemischer Gassensoren Bild 7: Die Sensortechnologie wird in den Produktlinien ES1 und ES4 von EC Sense eingesetzt. Darüber hinaus wurde die Größe der ES1- Zelle in allen Dimensionen reduziert, was den Bau von kleineren und kompakteren Gasanalysatoren ermöglicht. EinkaufsführerMesstechnik & Sensorik2024 Elektrochemische Sensoren sind für verschiedene Gasmoleküle wie CO, NH 3 , SO 2 , NO, NO 2 , O 2 , HCN, O 3 , PH 3 , SiH 4 , HF und H 2 empfindlich. Sie bieten einen der energieeffizientesten Ansätze in Verbindung mit einer analytischen Leistung, die Empfindlichkeit und Selektivität bei relativ niedrigen Kosten umfasst. Bild 3 zeigt die Elektroden des elektrochemischen Gassensors. Bild 4 zeigt vergrößert das Loch für die Gasdiffusion. Festpolymer Sensor-Design Die Grundstruktur des Polymerelektrolyt-Sensors von EC Sense ist in Bild 5 dargestellt. Ein Keramikplättchen enthält Löcher neben einer Messelektrode und neben der Gegenelektrode. Auf der Kontaktseite sind eine Mess-, eine Referenzund eine Gegenelektrode in einem bestimmten Design auf den Keramikwafer gedruckt. Je nach Anwendung kann der Aufbau in verschiedenen Varianten gestaltet werden. Herstellungsverfahren Zunächst werden die Elektroden mit einer neuartigen metallhaltigen Aufschlämmung in einem automatischen Siebdruckverfahren auf die Keramik gedruckt (Bild 6). Daraufhin fungieren eine Polymerelektrolytschicht und schließlich eine wasserrückhaltende Schicht, die den internen Wasserhaushalt des Sensors stabilisiert, als Protonentransportmaterial und gleichzeitig als ionenleitende Schicht. Eine abschließende Schicht aus Silikonkautschuk dichtet den Sensor gegen die Umgebung ab. Die automatisierten Druckverfahren ermöglichen die gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Sensoren, so dass die Sensoren in gleichbleibend hoher Qualität und zu niedrigen Kosten hergestellt werden können. Dadurch können die Sensoren in Anwendungen eingesetzt werden, die bisher aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich waren. Kostengünstige Produktion Die verschiedenen elektrochemischen Sensoren von EC Sense werden heute in großen Mengen sowohl in stationären als auch in tragbaren Anwendungen eingesetzt. Polymerelektrolyte in Kombination mit ionischen flüssigen Polymerelektrolyten werden typischerweise für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen und unter feuchten oder trockenen Bedingungen verwendet. Gassensoren mit Polymerelektrolyten sind thermisch noch nicht so robust wie die Geräte, die mit Festkörpermaterialien wie Halbleitersensoren oder Hochtemperatursensoren mit Zirkoniumdioxid- Elektrolyten hergestellt werden können. Allerdings bieten amperometrische und potentiometrische Geräte in der Regel eine höhere Selektivität als Halbleitersensoren und verbrauchen keinen Strom. Bild 6: Waferproduktion Flexibilität bei Design und Größe Die elektrochemische Feststoffpolymertechnologie bietet Flexibilität bei Design und Größe, da der Kern trocken ist und keine flüssigen Elektrolyte enthält. Das Aufmacherbild zeigt die Vorteile. Traditionell werden elektrochemische Sensoren zum Nachweis toxischer Gase in der Industrie eingesetzt. Das Konzept einer trockenen elektrochemischen Zelle auf der Grundlage eines festen Polymerelektrolyten stellt nicht nur die Designbeschränkungen des Gassensors in Frage, sondern auch die traditionellen Anwendungen für elektrochemische Zellen. Diese revolutionäre Technologie ermöglicht neue und innovative mechanische Konstruktionen für die fertige Zelle. ◄ Bild 8: Die EC Sense Sensormodul-Produktlinie kombiniert den hochmodernen elektrochemischen Festpolymer-Gassensor mit einer hochentwickelten Leiterplatte, um eine einfach zu bedienende Gasdetektionslösung zu schaffen. Bild 9: Verschiedene Anwendungslösungen werden auch durch die Gassensorgeräte von EC Sense abgedeckt: ECtox, ECnose, ECgaspoint, Stox, StoxPro, die ebenfalls die innovative Solid Polymer Technologie nutzen. 27
