SENSOR DE GAS.

Sensor combinado de gas (30, 40) con un primer y un segundo electrodo (3,

4, 6), en donde: - los electrodos (3, 4, 6) se encuentran unidos mediante un material (2) conductor iónico, - el primer electrodo (4, 6) se encuentra cubierto por un primer material activo catalíticamente (5), al menos, parcialmente, y caracterizado porque - adicionalmente se realiza un sensor de gas resistivo en el cual se proporciona un tercer electrodo (8, 9) que se encuentra en contacto directo con el primer material catalítico (5) y que no se encuentra en contacto directo con el primer electrodo (4)

Sensor de gas La presente invención hace referencia a un sensor de gas electroquímico que presenta un primer y un segundo electrodo. Además, la presente invención hace referencia a un método para la operación del sensor de gas electroquímico.

De la patente DE102006016033 se conoce un sensor de gas de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1.

Actualmente, los sensores de gas se emplean en una pluralidad de áreas técnicas, con el fin de cumplir con las exigencias en aumento en relación con la compatibilidad con el medio ambiente y la seguridad. Una aplicación a modo de ejemplo para los sensores de gas consiste en la detección de amoníaco, NH3, en el sistema de gas de escape de los motores diesel. Esto puede suceder en el caso de una reducción selectiva catalítica, la tecnología denominada SCR, con la cual se reduce la emisión de óxidos de nitrógeno, NOX.

Para la detección de amoníaco en el sistema de gas de escape de un vehículo a motor, se conoce el empleo de los denominados sensores de potencial mixto. En el caso de dichos sensores de gas electroquímicos, un primer y un segundo electrodo, en donde el segundo electrodo se fabrica de un material diferente al del primer electrodo, se encuentran en contacto con el entorno gaseoso que debe ser detectado, por ejemplo, amoníaco. Ambos electrodos se encuentran unidos mediante un material conductor iónico, es decir, un material electrolítico, por ejemplo, YSZ (óxido de circonio estabilizado con itrio) . De acuerdo con la concentración del gas, entre los electrodos se establece una fuerza electromotriz (FEM) , es decir, una tensión. Dicha fuerza se utiliza como una señal de medición. Además, el segundo electrodo se indica, generalmente, como un electrodo pasivo y se compone, por ejemplo, de platino. El primer electrodo se indica generalmente como un electrodo activo, y se compone de una composición compleja de un óxido metálico, por ejemplo, vanadato de bismuto, BiVO4, con una adición de un metal, como por ejemplo, 5% de magnesio. De esta manera, las composiciones de materiales complejas cumplen con una pluralidad de requisitos. Por lo tanto, dichas composiciones deben presentar una conductividad eléctrica suficiente. Además, dichas composiciones deben ser lo suficientemente estables térmica y químicamente para los entornos gaseosos, generalmente calientes y agresivos, en los que se deben emplear. Finalmente, las composiciones complejas de materiales deben ser, en lo posible, catalíticamente selectivas, es decir, que en el entorno gaseoso a medir deben estimular la menor cantidad posible de reacciones químicas, en el caso ideal sólo una. En el caso de los sensores conocidos, resulta una desventaja que su fabricación, particularmente la fabricación de los electrodos complejos restantes, resulte muy costosa.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sensor de gas con el cual se pueda lograr una fabricación simplificada. Además, para un sensor de gas de esta clase se debe proporcionar un método operacional que permita un alcance operacional incrementado.

El objeto en relación con el sensor de gas se resuelve mediante un sensor combinado de gas con las características de la reivindicación 1. En relación con el método operacional, el objeto se resuelve mediante un método para la operación de un sensor de gas electroquímico con las características de la reivindicación 24. Las reivindicaciones relacionadas hacen referencia a los acondicionamientos ventajosos de la solución conforme a la presente invención.

El sensor combinado de gas, conforme a la presente invención, presenta un primer y un segundo electrodo. Ambos electrodos se encuentran unidos mediante un material conductor de iones. El primer electrodo se encuentra cubierto, al menos parcialmente, por un primer material catalíticamente activo. Adicionalmente, se realiza un sensor de gas resistivo. Para ello se proporciona, al menos, un tercer electrodo de manera que se pueda determinar la conductividad del primer material catalítico, o también del segundo u otro material catalítico. Por lo tanto, el tercer electrodo se encuentra, preferentemente, en contacto directo con el primer, el segundo u otro material catalítico. Además, para la medición del primer material catalítico resulta conveniente cuando el tercer electrodo no se encuentra al mismo tiempo directamente en contacto eléctrico con el primer o el segundo electrodo.

Por consiguiente, existe la posibilidad de obtener otra señal independiente además de las señales de medición electroquímicas, que de acuerdo con el material puede corresponder a la de un sensor de gas resistivo. Resulta particularmente ventajoso que los componentes requeridos normalmente para un sensor resistivo, como por ejemplo, el calentador o el diseño eléctrico, se puedan realizar con costes mínimos, o bien se puedan proporcionar previamente.

El sensor electroquímico se basa preferentemente en que ante la presencia de gases catalíticos que se pueden oxidar, de una manera conocida, se establece una fuerza electromotriz (FEM) entre los electrodos, es decir, una tensión eléctrica. Los electrodos se utilizan convencionalmente para tomar dicha tensión. Por lo tanto, resulta conveniente que los electrodos presenten una conductividad suficiente.

Los materiales conductores de iones se indican también como materiales electrolíticos. En el caso del sensor electroquímico conforme a la presente invención, se utiliza preferentemente un material electrolítico resistente. Por ejemplo, se utilizan óxido de circonio estabilizado con itrio, también conocido como YSZ, u óxido de circonio estabilizado con escandio ScSZ.

En el caso de los sensores de gas electroquímicos, convenientemente los electrodos no se encuentran en contacto directo entre sí, sino que se encuentran respectivamente en contacto con los electrolitos, con el fin de permitir la formación de la tensión entre los electrodos como una reacción a los gases.

Por lo tanto, existen una pluralidad de opciones de conformación para el sensor. El sensor es realiza preferentemente con una forma constructiva plana. Por lo tanto, se emplea preferentemente un sustrato. Este puede ser, por ejemplo, una plaquita de óxido de aluminio. Otras opciones consisten, por ejemplo, en sustratos de zafiro, cuarzo o silicio. El sustrato porta directa o indirectamente los demás elementos, es decir, al menos, los electrodos, el material conductor de iones y la capa catalítica. Por otra parte, dichos elementos se realizan como capas dispuestas unas sobre otras. Otra opción de conformación consiste en una conformación no plana. En un ejemplo para una conformación de esta clase, un cuerpo de aluminio con forma de espiral porta los demás elementos. Además, los electrodos se pueden realizar, por ejemplo, como hilos que se utilizan al mismo tiempo como suspensión para el sensor. Tampoco resulta necesario un sustrato para cada caso. De esta manera, los electrodos o el conductor iónico se pueden conformar de manera tal que porten el sensor electroquímico.

El primer electrodo se encuentra cubierto, conforme a la presente invención, al menos, parcialmente por una primera capa activa catalíticamente, o también puede estar cubierto completamente. La cobertura se realiza preferentemente en la zona del material conductor iónico. Preferentemente, aunque no obligatoriamente, la capa activa catalíticamente cubre completamente el primer electrodo en la zona del material conductor iónico.

En el método para la fabricación del sensor de gas conforme a la presente invención, se proporciona un material conductor iónico. El primer y el segundo electrodo se encuentran en contacto con el material conductor iónico. Finalmente, se monta un primer material catalítico sobre el primer electrodo de manera tal que el primer electrodo sea cubierto por dicho material, al menos, parcialmente. Además, no resulta importante el orden de las etapas, en donde la fabricación se realiza preferentemente de manera que existan zonas en el sensor en las que el primer material catalítico y el conductor iónico entran en contacto y, al mismo tiempo, se puede producir una entrada de gas en dichas zonas.

En el método operacional conforme a la presente invención, para el sensor de gas electroquímico conforme a la presente invención, se determina una tensión eléctrica como una señal de medición entre el primer electrodo y el segundo electrodo, y se mide la resistencia eléctrica, al menos, de una de las capas catalíticas.

En la presente invención se ha detectado... [Seguir leyendo]

1. Sensor combinado de gas (30, 40) con un primer y un segundo electrodo (3, 4, 6) , en donde:

- los electrodos (3, 4, 6) se encuentran unidos mediante un material (2) conductor iónico,

- el primer electrodo (4, 6) se encuentra cubierto por un primer material activo catalíticamente (5) , al menos, parcialmente, y caracterizado porque

- adicionalmente se realiza un sensor de gas resistivo en el cual se proporciona un tercer electrodo (8, 9) que se encuentra en contacto directo con el primer material catalítico (5) y que no se encuentra en contacto directo con el primer electrodo (4) .

2. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el primer electrodo (3, 6) está compuesto, al menos, de un 20 % de un metal, particularmente oro o platino.

3. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el cual los electrodos están compuestos del mismo material.

4. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes con, al menos, otro primer electrodo (6) que se encuentra cubierto por, al menos, otro material activo catalíticamente (7) , al menos, parcialmente.

5. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el primer material activo catalíticamente (5) es distinto del otro material activo catalíticamente (7) .

6. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes que sólo presenta un segundo electrodo (3) .

7. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer material activo catalíticamente (5) presenta una resistencia específica de, al menos, 1 !0m ante temperaturas menores a 800 °C.

8. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el segundo electrodo (3) se encuentra cubierto, al menos, parcialmente por un segundo material activo catalíticamente (7) .

9. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual el primer material activo catalíticamente (5) es distinto del segundo material activo catalíticamente (7) .

10. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer, el segundo y/u otro material catalítico (5, 7) presenta un catalizador SCR o un catalizador de almacenamiento NOx.

11. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el primer, el segundo y/u otro material catalítico (5, 7) es poroso.

12. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el segundo electrodo (3) se encuentra cubierto, al menos, parcialmente por un material protector, particularmente un material protector con estructura tipo perovskita, cerámico o catalítico.

13. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes que presenta, al menos, un elemento calentador (12) .

14. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 10, que por cada primer electrodo (3, 6) presenta un elemento calentador (12) .

15. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo la reivindicación 13 ó 14, en el cual el elemento calentador (12) se conforma de manera tal que los electrodos (3, 4, 6) se pueden calentar al mismo tiempo a diferentes temperaturas.

16. Sensor combinado de gas de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 15, que entre el elemento calentador

(12) y los electrodos (3, 4, 6) presenta una capa equipotencial (11) .

17. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes que presenta un sensor de temperatura.

18. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 17 y una de las reivindicaciones 13 a 16, en el cual el sensor de temperatura y el elemento calentador (12) se realizan como un elemento.

19. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes que presenta otro tercer electrodo (8, 9) .

20. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con la reivindicación 19, en donde los terceros electrodos (8, 9) se conforman como electrodos interdigitales.

21. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual los terceros electrodos (8, 9) se encuentran dispuestos, al menos, parcialmente sobre el primer material activo catalíticamente (5) .

22. Sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 20, en el cual uno o una pluralidad de terceros electrodos (8, 9) se encuentran dispuestos sobre el primer electrodo (4) y debajo del primer material activo catalíticamente (5) , en donde además entre dichos terceros electrodos (8, 9) y el primer electrodo (4) se proporciona un material poroso, aislante eléctrico.

23. Sistema de sensores con, al menos, un sensor de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, conformado de manera tal que en, al menos, una parte de los sensores de gas (30, 40) se establezca una presión parcial de oxígeno determinable en la respectiva zona de uno de los electrodos (3, 4, 6) .

24. Método para la operación de un sensor combinado de gas (30, 40) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 22, en el cual entre el primer electrodo (4, 6) y el segundo electrodo (3) se determina una tensión eléctrica como una señal de medición, y en el cual la resistencia eléctrica, al menos, de una de las capas catalíticas (5, 7) se determina como una señal de medición adicional.

25. Método de acuerdo con la reivindicación 24, en el cual se utiliza un sensor de gas (20) con, al menos, dos primeros electrodos (4, 6) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 22, en donde para los primeros electrodos (4, 6) se determina una respectiva tensión eléctrica como una señal de medición, entre un respectivo primer electrodo (4, 6) y el segundo electrodo (3) .

26. Método de acuerdo con la reivindicación 24 ó 25, en el cual en la zona del primer o del segundo electrodo (3) se establece una presión parcial constante de oxígeno.