ES2373197T3

ES2373197T3 - Sensor de gas.

Info

Publication number: ES2373197T3
Application number: ES08860480T
Authority: ES
Inventors: Diana Biskupski; Maximilian Fleischer; Ralf Moos; Daniela SCHÖNAUER; Kerstin Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: US9068924B2; US20100301871A1; WO2009074471A1; DE102007059653A1; RU2485491C2; CN101918824A; EP2220483B1; ATE529736T1; US20130285682A1; CN101918824B; EP2220483A1; RU2010128564A

Abstract

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).

Description

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 que un problema de los sensores electroquímicos conocidos con dos electrodos, consiste en que en dichos sensores además de un electrodo convencional indicado como pasivo, se utiliza un electrodo activo que se compone de un compuesto de material complejo. Además, por una parte, dicho compuesto de material debe presentar una conductividad suficiente para cumplir con la función del electrodo y, por otra parte, debe ser lo suficientemente estable tanto química como térmicamente en el entorno de medición. La fabricación de dichos electrodos resulta costosa y los electrodos que están compuestos, por ejemplo, de un compuesto de un óxido metálico como BiVO4 con, por ejemplo, 5% mg, no presentan una conductividad óptima.

En cambio, resulta ventajosa una conformación esencialmente más simple y, de esta manera, una fabricación más simple y ventajosa, cuando se separan las funciones mencionadas del electrodo. Por lo tanto, conforme a la presente invención, el primer electrodo se proporciona conectado con el primer material activo catalíticamente.

De manera ventajosa, en un sistema de sensores se pueden coordinar una pluralidad de sensores conformes a la presente invención, en donde dicho sistema puede presentar una pluralidad de primeros y segundos electrodos. En este caso, los elementos redundantes se pueden suprimir de manera ventajosa, de manera que ante una conformación plana sólo se utilice un sustrato o, por ejemplo, sólo una capa conductora de iones para una pluralidad de electrodos. El sistema se puede utilizar, por ejemplo, para obtener más información en relación con la composición del gas, o para detectar de manera redundante la misma información.

De esta manera, también se realiza un primer electrodo que de acuerdo con el acondicionamiento del sensor también se puede indicar como un electrodo activo que presenta preferentemente una conductividad mayor a lo largo de su extensión completa, que un electrodo activo conocido. Al mismo tiempo, en relación con el primer material activo catalíticamente se puede remitir de manera ventajosa a un material que se conoce, por ejemplo, del área de la depuración de gases de escape de vehículos a motor o de las instalaciones de combustión. Además, la resistencia eléctrica específica del material no resulta de importancia, dado que el material no debe conducir eléctricamente, es decir, que puede ser elevada o reducida. Los materiales conocidos se pueden proporcionar generalmente más ligeros, y su estabilidad química y térmica resulta conocida y/o optimizada.

De acuerdo con un acondicionamiento ventajoso de la presente invención, el primer electrodo está compuesto de un metal en, al menos, un 20%. En otras variantes de acondicionamiento, el electrodo se compone de un metal en, al menos, un 50% o, al menos, un 95%. También se puede realizar una conformación de un 20%, 50% ó 95% de un compuesto de metal o de una aleación. En un acondicionamiento particularmente ventajoso, el electrodo se compone, dentro de lo posible, completamente del metal o del compuesto de metal o de la aleación. De esta manera, se logra una fabricación particularmente simple y una conformación simple y económica, en donde de manera óptima la conductividad eléctrica del electrodo resulta muy elevada. Por ejemplo, entre los metales posibles se encuentran el oro o el platino que resultan particularmente apropiados para las aplicaciones en las que existen temperaturas elevadas. Sin embargo, de acuerdo con la aplicación se pueden utilizar también otros metales, como por ejemplo, aluminio o una aleación de titanio y tungsteno.

De acuerdo con un acondicionamiento, el compuesto de metal también puede no ser homogéneo, en tanto que, por ejemplo, se aplique un metal sobre otro metal para garantizar, por ejemplo, una adherencia mejorada del electrodo completo. Otra opción para la conformación en capas consiste en proporcionar una capa de material en el primer electrodo que dificulte una difusión del material ajeno, por ejemplo, de los electrolitos.

Resulta particularmente ventajoso cuando, de acuerdo con otro acondicionamiento de la presente invención, los electrodos se componen del mismo material. Esto permite una fabricación más simple, dado que ambos electrodos se puede fabricar, por ejemplo, en una etapa de trabajo.

Alternativamente, también se pueden utilizar diferentes materiales para ambos electrodos. Esto puede resultar ventajoso, por ejemplo, cuando para el primer electrodo se utiliza un material que dificulta la difusión del material ajeno, como por ejemplo, del primer material activo catalíticamente. En este caso, el segundo electrodo se puede fabricar de un material más simple o más económico.

Otro acondicionamiento ventajoso del sensor de gas electroquímico consiste en que dicho sensor presenta, al menos, otro primer electrodo. Por lo tanto, dicho electrodo se encuentra cubierto, al menos, parcialmente por otro material activo catalíticamente. Como en el primer electrodo, en este caso se pueden proporcionar uno o una pluralidad de materiales catalíticos. De esta manera, se pueden determinar y evaluar comparativamente las tensiones relativas de una pluralidad de electrodos. Mediante dicho procedimiento se pueden obtener señales redundantes y, por lo tanto, seguras, o un contenido de información adicional.

Para ello, se determina preferentemente la tensión entre cada primer electrodo y el segundo electrodo, y se utiliza como una señal de medición.

De acuerdo con un acondicionamiento preferido, el primer material activo catalíticamente se selecciona distinto del otro material activo catalíticamente. Esto significa que ambos o una pluralidad de primeros electrodos se encuentran en contacto con materiales catalíticos respectivamente diferentes. Esto permite la obtención de señales de medición independientes adicionales que permiten, por ejemplo, la obtención de información precisa en relación con la composición del gas. Por ejemplo, a partir de las señales de dos electrodos se pueden deducir las concentraciones de dos gases, aún cuando uno o ambos electrodos reaccionen en cierta medida a ambos gases. De esta manera, con dos o más primeros electrodos se puede realizar una red de sensores, es decir, un sistema de múltiples sensores. La ventaja conforme a la presente invención que consiste en una fabricación y una conformación comparativamente más simple, en este caso también se mantiene en tanto que también las funciones de la conducción eléctrica y la actividad catalítica se distribuyen entre los electrodos y el respectivo material activo catalíticamente.

Se puede conformar un sensor en el cual para cada primer electrodo se proporciona un segundo electrodo, convencionalmente indicado como electrodo de referencia. Sin embargo, el sensor presenta preferentemente un segundo electrodo, dado que de esta manera se puede lograr un ahorro de espacio y una conformación más simple.

Se utiliza preferentemente un primer material activo catalíticamente que presenta una resistencia específica de, al menos, 1 !0m ante temperaturas menores a 800°C. En otras altern ativas, ante temperaturas menores a 800°C el material presenta una resistencia eléctrica específica de, al menos, 1 m0m; o ante temperaturas menores a 400°C presenta una resistencia eléctrica específica de, al menos, 1 !0m ó 1 m0m.

Otro acondicionamiento de la presente invención consiste en que el segundo electrodo se encuentra cubierto, al menos parcialmente, por un segundo material activo catalíticamente. Finalmente, esto significa que, al menos, el primer y el segundo electrodo se conforman de manera similar o igual. En este caso, no se puede lograr una distribución particular de los electrodos en un electrodo activo y uno pasivo, más bien los electrodos son equivalentes. Por lo tanto, el primer material activo catalíticamente es preferentemente distinto del segundo material activo catalíticamente. De esta manera, se permite obtener una señal de gas cuando ambos electrodos se encuentran en el entorno gaseoso, es decir, que detectan esencialmente el mismo compuesto de gas.

Sin embargo, alternativamente se puede utilizar también el mismo material catalítico. Por consiguiente, resulta conveniente cuando los electrodos se someten a diferentes entornos gaseosos, en tanto que, por ejemplo, uno de los electrodos sea sometido al aire del ambiente, y los demás al entorno del gas de medición.

De acuerdo con otra alternativa, el segundo electrodo se encuentra cubierto, al menos, parcialmente por un material protector, particularmente un material protector con estructura tipo perovskita, cerámico o catalítico. De esta manera, se puede garantizar una estabilidad química elevada.

En un acondicionamiento ventajoso de la presente invención, el primer, el segundo y/u otro material catalítico presenta un catalizador SCR, por ejemplo, una zeolita o un óxido metálico como óxido de titanio u óxido de vanadio,

o un catalizador de almacenamiento NOX, como por ejemplo, platino con bario. En el caso de los catalizadores SCR se trata de materiales de por sí conocidos, que se emplean para la reducción catalítica selectiva (=SCR). Dichos materiales se conocen como estables química y térmicamente y, por lo tanto, se pueden emplear de manera ideal. Además, dichos materiales resultan simples de fabricar.

En el caso que de acuerdo con otro acondicionamiento ventajoso, el primer, el segundo y/u otro material catalítico sean porosos, dicho material presenta una mejor penetración del gas y, por lo tanto, se obtiene una señal del sensor mejorada.

El sensor de gas electroquímico presenta preferentemente un elemento calentador. De esta manera, en el caso de una conformación plana del sensor, se puede realizar un elemento calentador, por ejemplo, en forma de meandro, es decir, como un calentador eléctrico por resistencia. Una alternativa consiste en un hilo en espiral calentador, en la que el sensor se realiza, por ejemplo, sobre un revestimiento cerámico. También se puede proporcionar más de un elemento calentador. Por ejemplo, se puede utilizar un elemento calentador por cada primer electrodo. Otro ejemplo consiste en que el sensor presenta un primer y un segundo electrodo, y para cada uno de los electrodos presenta un elemento calentador.

El o los elementos calentadores se utilizan para el calentamiento del sensor, particularmente para conducir a los materiales activos catalíticamente a una temperatura de funcionamiento óptima. Además, la temperatura óptima depende de la clase de material y del gas a detectar. De esta manera, de acuerdo con otro acondicionamiento de la presente invención, resulta ventajoso diseñar y utilizar el o los calentadores de manera tal que, al menos, una parte de los electrodos se puedan calentar a diferentes temperaturas de manera constante durante el funcionamiento. De esta manera, se puede mantener a una temperatura propia óptima, por ejemplo, a cada electrodo independientemente, hecho que permite una gran flexibilidad para el empleo del sensor. Las temperaturas para los electrodos se diferencian entre sí preferentemente en, al menos, 20°C, particularmente en, al menos, 1 00°C.

Para evitar una influencia negativa en la medición debido a la caída de tensión en el calentador, entre el calentador y los electrodos se puede proporcionar una protección, por ejemplo, en forma de una capa equipotencial entre el elemento calentador y los electrodos.

El sensor de gas electroquímico presenta, preferentemente, un sensor de temperatura, en donde dicho sensor se puede realizar, por ejemplo, también en un elemento con un calentador posiblemente existente, por ejemplo, como un calentador en forma de meandro de platino.

En un acondicionamiento de la presente invención, también se pueden utilizar dos terceros electrodos propios para el diseño de la resistencia eléctrica. Dichos electrodos se pueden realizar, por ejemplo, como los denominados contactos interdigitales, es decir, como contactos dentados en forma de puntas o de peine. Esto resulta particularmente ventajoso cuando el material catalítico presenta una resistencia eléctrica elevada, dado que mediante los contactos interdigitales se mide una resistencia reducida.

En un acondicionamiento de la presente invención, se pueden realizar también una pluralidad de sensores de gas resistivos, en el caso que exista una pluralidad de materiales activos catalíticamente. Además, mediante el material del electrodo en cuestión, por ejemplo, oro y platino, también puede existir una diferencia en las propiedades sensitivas de los materiales activos catalíticamente iguales. Por lo tanto, para cada material activo catalíticamente se proporciona convenientemente, al menos, un tercer electrodo.

Otra alternativa u opción de acondicionamiento adicional consiste en realizar un sistema de medición de 4 puntos para la determinación de la resistencia eléctrica de las capas catalíticas mediante un acondicionamiento correspondiente de los terceros electrodos.

Los terceros electrodos se disponen preferentemente, al menos, parcialmente sobre el primer, el segundo u otro material activo catalíticamente. Alternativamente, uno o una pluralidad de terceros electrodos se encuentran dispuestos sobre el primer u otro electrodo y debajo del primer material activo catalíticamente, del segundo u otro,

en donde además entre dichos terceros electrodos y el primer electrodo se proporciona un material poroso, aislante eléctrico.

Los sensores descritos se pueden emplear de manera ventajosa en un sistema de sensores. Además, en un acondicionamiento también se puede establecer una presión parcial de oxígeno determinable en, al menos, una parte de los sensores de gas en la respectiva zona de, al menos, uno de los electrodos, por ejemplo, en tanto que el respectivo electrodo se encuentre en contacto con el aire del ambiente, y los demás electrodos se encuentren en contacto con el gas de medición.

Las aplicaciones ventajosas para el sistema o para el sensor consisten en:

-: en el sistema de gas de escape de un vehículo a motor o de un vehículo de carga, particularmente para vehículos diesel, por ejemplo, para la detección de amoníaco en la reducción catalítica selectiva, aunque también para la detección de otros gases de escape relevantes,

-: en las instalaciones de combustión, centrales eléctricas o turbinas de gas, para la detección de gases de escape,

-: en contacto con los catalizadores, cuyo estado se puede controlar mediante los resultados de medición del sensor

o del sistema de sensores,

-: en el caso de los vehículos de carga, para la detección de amoníaco, y mediante su sobredosificación se puede establecer si existe urea o si resulta suficiente para la reducción catalítica selectiva,

-: para la detección de amoníaco en la fabricación de fertilizantes.

-: para la detección de fugas en las instalaciones de refrigeración que utilizan amoníaco.

En los ejemplos se mencionan como principales las aplicaciones en la detección de amoníaco, sin embargo, el sensor no se encuentra limitado por dicha función. Los gases que se pueden detectar se pueden montar de una manera muy flexible, de manera ventajosa, mediante una selección apropiada de los materiales activos catalíticamente.

Otros detalles y ventajas de la presente invención se explican de acuerdo con las opciones de ejecución representadas a modo de ejemplo en los dibujos. Las figuras 1 y 2 muestran un sensor de gas electroquímico con dos electrodos en una vista superior y en una vista lateral. Las figuras 3 y 4 muestran un sensor de gas electroquímico con tres electrodos, nuevamente en una vista superior y en una vista lateral. Las figuras 5 y 6 muestran un sensor de gas combinado electroquímico y resistivo, en una vista superior y en una vista lateral. Finalmente, las figuras 7 y 8 muestran un sensor de gas combinado electroquímico y resistivo, en una vista superior y en una vista lateral. La figura 9 muestra esquemáticamente la dependencia de la señal de medición de dos materiales activos catalíticamente, de la concentración de NO y de NH3. La figuras 10 y 11 muestran esquemáticamente la evolución cronológica de las reacciones de los sensores electroquímicos y combinados, ante diferentes concentraciones de NO y de NH3.

La figura 1 muestra una vista superior sobre una sección de un primer sensor de gas electroquímico 10, y la figura 2 muestra el mismo sensor 10 en una vista superior desde el frente del sensor. El primer sensor electroquímico 10 se realiza como un sensor plano, de la misma manera que en las variantes de sensores 20, 30, 40 a modo de ejemplo. Esto significa que los elementos esenciales del sensor se montan en forma de capas sobre un sustrato de cerámica 1, en donde las capas en su mayoría son delgadas en comparación con sus extensiones laterales. Dichos sensores también se pueden fabricar mediante una conformación que no sea plana. Por ejemplo, los sensores de gas también se pueden fabricar sobre pequeños tubos de óxido de aluminio.

La primera variante del sensor 10, de acuerdo con las figuras 1 y 2, se encuentra montado sobre un sustrato de cerámica 1. Dicho sustrato se compone, por ejemplo, de óxido de aluminio Al2O3. Un lado del sustrato, que en la figura 2 representa el lado inferior, presenta un calentador en forma de meandro 12, en este caso de platino. El otro lado del sustrato de cerámica 1 presenta una capa electrolítica 2, por ejemplo, de óxido de circonio estabilizado con itrio, convencionalmente indicado como YSZ. Sobre dicha capa electrolítica 2 se proporcionan un primer electrodo de platino 4 y un segundo electrodo de platino 3 uno al lado de otro. Dichos electrodos sobresalen sobre la capa electrolítica 2, y se utilizan para la medición eléctrica del sensor de gas 10 no representada en las figuras. El primer electrodo de platino 4 se encuentra cubierto en la zona de la capa electrolítica 2 con una capa catalítica 5.

La primera variante del sensor 10 se realiza de manera ventajosa mediante una conformación simple de fabricar, en tanto que se utilizan, por ejemplo, dos electrodos de platino 3, 4 completamente iguales. Una reacción diferente ante diferentes gases se logra mediante la capa catalítica 5 sobre el primer electrodo de platino 4.

Una segunda variante del sensor 20 se muestra esquemáticamente en las figuras 3 y 4. La segunda variante del sensor 20 se conforma parcialmente análoga a la primera variante del sensor 10, y a continuación se explican las diferencias. En comparación con la primera variante del sensor 10, la segunda variante del sensor 20 presenta otro tercer electrodo de platino 6, en donde el tercer electrodo de platino 6 se encuentra cubierto por otra capa catalítica

7. Resulta conveniente cuando la otra capa catalítica 7 se compone de un material diferente al de la capa catalítica

5. De esta manera, se establecen de manera ventajosa diferentes sensibilidades ante el gas del tercer electrodo de platino 6 y del primer electrodo de platino 4, con lo cual la segunda variante del sensor 20 puede proporcionar más información que la primera variante del sensor 10.

En un ejemplo se utiliza un primer catalizador que presenta una sensibilidad ante NH3 y NO. El otro primer electrodo presenta un segundo catalizador que reacciona sólo ante la presencia de NH3. A partir de los electrodos se pueden obtener señales que se representan esquemáticamente en la figura 9. Allí se observa que el segundo catalizador no reacciona ante la presencia de NO. Mediante una comparación apropiada de las señales de medición, por ejemplo, una combinación lineal, se pueden determinar las concentraciones de NO y de NH3 a partir de las señales de medición. La figura 10 muestra esquemáticamente la reacción, es decir, la señal de medición que se puede medir para ambos catalizadores en los electrodos, ante la adición de diferentes concentraciones de NO y de NH3 en el entorno de un sensor de gas de esta clase.

Las figuras 5 y 6 muestran esquemáticamente un primer sensor combinado 30 conforme a la presente invención. Para una mayor claridad visual del conjunto, en la figura 5 no se representa el sustrato de cerámica 1.

El primer sensor combinado 30, por analogía con la primera variante del sensor 10, presenta un primer y un segundo electrodo de platino 3, 4, en donde el primer electrodo de platino 4 se encuentra cubierto nuevamente por una capa catalítica 5. Sin embargo, en comparación con el primer sensor 10, el primer sensor combinado 30 presenta un primer electrodo adicional 8 que se encuentra dispuesto por partes sobre la capa catalítica 5. De esta manera, además del primer electrodo de platino 4, mediante el primer electrodo adicional 8 se crea otro contacto eléctrico para la capa catalítica 5. Mediante el primer electrodo de platino 4 y el primer electrodo adicional 8, se pueden detectar y medir las variaciones de la conductividad eléctrica de la capa catalítica 5. Dichas variaciones de la conductividad se pueden utilizar como señales de medición, además de la señal de medición electroquímica que se mide a través del primer y del segundo electrodo de platino 3, 4. La capa catalítica 5 en contacto con el primer electrodo adicional 8 y el primer electrodo de platino 4, funciona como un sensor de gas resistivo. En el caso que la capa catalítica 5 sea una capa de óxido metálico, entonces se trata de un sensor resistivo de óxido metálico. Por consiguiente, el primer sensor combinado 30 presenta una combinación de un sensor de gas electroquímico y un sensor de gas resistivo.

Otra alternativa para la conformación conforme a la presente invención en forma de un segundo sensor combinado 40, se representa esquemáticamente en las figuras 7 y 8. Por otra parte, el segundo sensor combinado 40 presenta sobre la capa electrolítica 2 el primer electrodo de platino 4 con la capa catalítica 5. Además, en este caso se proporciona otra capa catalítica 7 sobre el segundo electrodo de platino 3. Además, resulta conveniente cuando la otra capa catalítica 7 y la capa catalítica 5 se componen de diferentes materiales. Para realizar nuevamente un sensor de gas resistivo en el caso del segundo sensor combinado 40, se proporciona un primer electrodo adicional 8 y un segundo electrodo adicional 9. Dichos electrodos se encuentran dispuestos por partes sobre la capa catalítica 5, y se realizan en la zona de la capa catalítica 5 como los denominados contactos interdigitales. En el caso del segundo sensor combinado 40, se determina la conductividad de la capa catalítica 5 con el primer y el segundo electrodo adicional 8, 9. El primer electrodo de platino 4 no participa en dicho proceso.

Resulta ventajoso cuando la capa catalítica adicional 7 presenta una resistencia eléctrica específica elevada, o cuando en lugar de la capa catalítica adicional 7 se aplica una capa protectora aislante sobre el segundo electrodo de platino 3. En este caso, como se representa en la figura 7 en dicha alternativa de acondicionamiento, el segundo electrodo adicional 9 puede pasar por encima del segundo electrodo de platino 3 con la otra capa catalítica 7 o con la capa protectora, sin provocar una adulteración esencial de las señales de medición.

En la figura 11 se muestra una evolución esquemática de la señal para un sensor de gas combinado de esta clase. Por una parte, se muestra la reacción de la tensión entre los electrodos, es decir, la señal electroquímica y, por otra parte, la reacción de la conductividad del catalizador, es decir, la señal resistiva que es análoga a la de un sensor de gas de óxido metálico. También en este caso se pueden determinar las concentraciones de los gases a medir, en este caso a modo de ejemplo NO y NH3, mediante una combinación apropiada de las señales de medición, por ejemplo, una combinación lineal.

En las opciones de ejecución que se proporcionan mediante el segundo sensor combinado 40, una opción de acondicionamiento particularmente ventajosa consiste en diseñar el calentador en forma de meandro 12 de manera que dicho calentador caliente el sustrato de cerámica 1 y, de esta manera, el respectivo sensor 20, 40 en diferentes puntos a diferentes temperaturas. De esta manera, se puede lograr que las diferentes capas catalíticas 5, 7 sobre el sensor se encuentren respectivamente a diferentes temperaturas en lo posible óptimas. Una alternativa consiste en utilizar una pluralidad de calentadores en forma de meandro que se puedan accionar separadamente unos de otros.

Otra opción de acondicionamiento ventajosa que se muestra en este ejemplo en las figuras 6 y 8, consiste en el empleo de una denominada capa equipotencial 11. Dicha capa 11 que conduce convenientemente eléctricamente, se integra convenientemente de manera plana en el sustrato de cerámica 1, y evita una influencia de la tensión que cae a través del calentador en forma de meandro 12, en la tensión que se puede medir entre los electrodos 3, 4, 6. Además, resulta conveniente utilizar el calentador 12 simultáneamente como un sensor de temperatura.

Claims

REIVINDICACIONES

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).

5 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).

10 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

15 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

20 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).

25 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.