ES2951572T3 - Sensor y método para la prueba de gas - Google Patents

Sensor y método para la prueba de gas Download PDF

Info

Publication number
ES2951572T3
ES2951572T3 ES18727611T ES18727611T ES2951572T3 ES 2951572 T3 ES2951572 T3 ES 2951572T3 ES 18727611 T ES18727611 T ES 18727611T ES 18727611 T ES18727611 T ES 18727611T ES 2951572 T3 ES2951572 T3 ES 2951572T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
gas
electrode
detection electrode
palladium
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES18727611T
Other languages
English (en)
Inventor
Zhiwei Yang
Lei Chen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carrier Corp
Original Assignee
Carrier Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carrier Corp filed Critical Carrier Corp
Application granted granted Critical
Publication of ES2951572T3 publication Critical patent/ES2951572T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/404—Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G01N2027/222—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties for analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Un método para probar un gas incluye proporcionar un sensor que incluye un electrodo sensor que incluye un catalizador que comprende paladio y un contraelectrodo que incluye un catalizador metálico. Se dispone un electrolito entre el electrodo sensor y el contraelectrodo, y un circuito eléctrico externo conecta el electrodo sensor y el contraelectrodo. El gas entra en contacto con el electrodo sensor en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos sensor y contraelectrodo. Se detecta una respuesta capacitiva que se produce mediante la exposición del electrodo sensor al gas en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos sensor y contador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sensor y método para la prueba de gas
Antecedentes
Los sensores de gas para detectar hidrocarburos o hidrocarburos sustituidos se han usado en diversos entornos industriales o de laboratorio para el control de procesos. Como los compuestos también pueden ser inflamables o explosivos, los sensores de detección de gas también se han usado para la detección de fugas cuando se usan o fabrican dichos compuestos. Se han usado o propuesto varios tipos de sensores. Los ejemplos incluyen sensores de semiconductores de óxido de metal (MOS, por sus siglas en inglés), sensores detectores de infrarrojos no dispersivos (NDIR, por sus siglas en inglés), sensores de pellistor (resistor granulado) y potencial mixto utilizando electrolitos sólidos de alta temperatura hechos de cerámica como la perovskita.
Las nuevas aplicaciones para hidrocarburos o hidrocarburos sustituidos han creado y continúan creando nuevos desafíos para sensores de detección de gas sujetos a restricciones de costes y requisitos de selectividad. Una de esas aplicaciones es en el campo del enfriamiento y la calefacción, donde se eliminaron los hidrocarburos clorados (CFC, por sus siglas en inglés) más antiguos debido a su impacto adverso en la capa de ozono de la tierra. Los fluorocarbonos clorados se reemplazaron inicialmente con clorofluorocarbonos R12 (diclorodifluoroetano); sin embargo, las preocupaciones continuas con su potencial de agotamiento del ozono (ODP, por sus siglas en inglés) y las nuevas preocupaciones con el potencial de calentamiento global (GWP) de los compuestos llevaron a su reemplazo con hidrocarburos fluorados como el R32 (GWP=675). Las preocupaciones continuas con ODP y GWP, junto con los requisitos de rendimiento en los sistemas de transferencia de calor por compresión de vapor, han llevado al desarrollo de nuevos refrigerantes como los hidrocarburos insaturados fluorados (es decir, hidrofluoroolefinas) como el trans-1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO R1234ze) con GWP de 6. Se espera que estos refrigerantes no tóxicos se usen a nivel mundial a medida que se vayan reduciendo los refrigerantes con GWP más altos. Se ha reconocido que la inflamabilidad leve requeriría el despliegue de sensores de detección de fugas para eliminar posibles riesgos de incendio y asfixia en espacios interiores de edificios, ya sea ocupados por personas o confinados. En muchas áreas, se están desarrollando códigos de construcción que exigirán dicha capacidad de detección de gas.
Los tipos de sensores anteriores se han usado con diversos grados de éxito en los entornos industriales o de laboratorio en los que se han empleado. Sin embargo, muchos de estos sensores tienen limitaciones que pueden afectar su efectividad en aplicaciones exigentes nuevas y existentes, como aplicaciones comerciales. Por ejemplo, los sensores MOS y pellistor son propensos a generar falsas alarmas debido a la sensibilidad cruzada con otros compuestos orgánicos volátiles, como el alcohol o el vapor de combustible. Adicionalmente, la durabilidad de los sensores MOS para la detección de hidrocarburos fluorados es cuestionable, ya que los sensores MOS pueden desactivarse debido a la exposición a ciertos productos químicos probablemente presentes en entornos comerciales y residenciales. Los sensores NDIR se han diseñado con buena selectividad y sensibilidad, pero son una solución costosa y probablemente requieran una calibración periódica cuando se diseñan y usan para la detección de refrigerantes.
En el documento DE 10 2014 214370 se da a conocer un método operativo para un sensor de gas. En el documento EP 1528613 se da a conocer una película porosa funcional que puede usarse en un sensor de gas. En el documento US 2015/027906 se da a conocer un sensor de amoníaco de electrolito de polímero sólido. En el documento US2017/074747 se describen métodos para la detección de fugas de refrigerante usando tecnologías de detección electroquímica/óptica basadas en componentes de etiquetas en el refrigerante.
En vista de los requisitos exigentes para sensores de gas selectivos y rentables para refrigerantes tales como hidrofluoroolefinas, sigue existiendo la necesidad de nuevas alternativas que puedan ser más apropiadas para diversas aplicaciones.
Breve descripción
Según algunas realizaciones, un método para probar un gas comprende proporcionar un sensor que comprende un electrodo de detección que incluye un catalizador que comprende paladio y un contraelectrodo que comprende un catalizador metálico. Se dispone un electrolito entre el electrodo de detección y el contraelectrodo, y un circuito eléctrico externo conecta el electrodo de detección y el contraelectrodo. Un gas se pone en contacto con el electrodo de detección en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos de detección y contraelectrodo. Se detecta una respuesta capacitiva que se produce por la exposición del electrodo de detección al gas en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos de detección y contraelectrodo. El gas comprende hidrofluoroolefinas.
En cualquiera de las realizaciones anteriores la respuesta detectada en el circuito eléctrico producida por la exposición del electrodo de detección al gas comprende un cambio en la corriente eléctrica.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, la concentración de un componente gaseoso se determina en base a la respuesta.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, la determinación de la concentración de un componente gaseoso comprende medir una carga acumulativa asociada con la adsorción química o la desorción inducida por la carga o descarga del dispositivo capacitivo para determinar la concentración de olefina u olefina sustituida en el gas.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el electrodo de detección comprende al menos un 50 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico y/o el soporte del catalizador y el ionómero.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el electrodo de detección comprende al menos un 10 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico y/o el soporte del catalizador y el ionómero.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el electrodo de detección comprende al menos un 1 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico y/o el soporte del catalizador y el ionómero.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el electrodo de detección comprende un ionómero y nanopartículas que comprenden el paladio.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el electrolito comprende una membrana polimérica conductora de protones.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el sensor comprende además un canal desde una superficie exterior del sensor hasta una cámara interior en el electrodo de detección.
En cualquiera de las realizaciones anteriores o en una combinación de estas, el sensor comprende además un ventilador que dirige el gas al electrodo de detección.
Breve descripción de los dibujos
La materia objeto de esta explicación se señala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al término de la memoria descriptiva. Lo anterior y otras características y ventajas de la presente explicación resultan evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y tomada en conjunto con los dibujos que la acompañan, en los cuales:
la FIG. 1 muestra una representación esquemática de un sensor de gas como se describe en la presente memoria;
la FIG. 2 muestra una representación esquemática de otro sensor de gas como se describe en la presente memoria;
la FIG. 3 representa una ilustración ejemplar de una estructura de electrodo microscópico que comprende un catalizador soportado impregnado con ionómero conductor de protones, que incluye carga/descarga química reversible del sensor;
la FIG. 4 representa la respuesta actual de un sensor como se describe en la presente memoria; y
la FIG. 5 representa la respuesta de carga y descarga de un sensor como se describe en la presente memoria.
Descripción detallada
Con referencia ahora a las Figuras, se muestra esquemáticamente en la FIG. 1, un conjunto 10 de sensor de gas. Como se muestra en la FIG. 1, el sensor 10 de gas incluye un electrolito 12 dispuesto entre un electrodo 14 de detección y un contraelectrodo 16. El electrolito 12, el electrodo 14 de detección y el contraelectrodo 16 se pueden denominar colectivamente conjunto de electrodos de membrana (MEA, por sus siglas en inglés). Los colectores 15 y 17 de corriente están unidos a los electrodos y están conectados al circuito 18, que incluye el dispositivo 19 de medición y/o control. Los colectores 15, 17 de corriente se pueden formar a partir de una malla conductora o fieltro, y se representan con grosor para que también puedan funcionar como medios de difusión de gas para facilitar la difusión de gas en la superficie de los electrodos 14, 16. En otras realizaciones, los colectores 15, 17 de corriente pueden ser pantallas conductoras relativamente delgadas, casi bidimensionales en la superficie de los electrodos 14, 16, en cuyo caso los medios de difusión de gas que no tienen que ser conductores pueden colocarse junto a los electrodos 14, 16. Los medios 15, 17 colectores de corriente/difusión de gas se pueden formar a partir de materiales conductores tales como carbono, carbono grafitado o acero inoxidable. Una carga 18 resistiva externa está conectada con el sensor capacitivo. La caída de tensión transitoria a través de la carga 18 es una manifestación de la carga o descarga de la capacidad electroquímica. Un dispositivo 19 de medición está dispuesto en un circuito 20 eléctrico que conecta el electrodo 14 de detección y el contraelectrodo 16. El dispositivo 19 de medición puede ser un voltímetro o un amperímetro, pero en muchos casos comprende un circuito, microprocesador o dispositivo electrónico similar con funciones integradas de medición de carga y voltaje y/o amperaje. En algunas realizaciones, la carga 18 resistiva y el dispositivo 19 de medición pueden integrarse juntos en una sola unidad.
Se dispone una carcasa 22 alrededor del MEA, que tiene una abertura 24 para permitir que un gas de prueba entre en el sensor con el flujo de gas regulado por el tamaño de la abertura. La abertura 24 se muestra completamente abierta, aunque se entiende que pueden cubrirse con una pantalla o una membrana permeable a los gases o un adsorbente para impedir la entrada de materiales en forma de partículas u otros contaminantes. Además, aunque la abertura 24 se muestra con fines ilustrativos como si condujera directamente al medio 15 de colector de corriente/difusión de gas en la FIG. 1, también se puede introducir un gas de prueba en una o más cámaras interiores o canales 21 que proporcionan acceso al gas de prueba desde una superficie exterior del sensor al electrodo 14 de detección, como se muestra en la FIG. 2 (que usa la misma numeración de la FIG. 1 para describir los mismos componentes). Como se muestra además en la FIG. 2, también se puede integrar un ventilador o soplador 23 opcional con el sensor para dirigir el gas de prueba (representado por las flechas 26) al electrodo 14 de detección. Con referencia a las FIGS. 1 y 2, los sellos 25, 27 y 29 proporcionan aislamiento de las áreas de contacto con el gas en los electrodos de otras áreas del conjunto 10 del sensor. Los sellos se pueden formar a partir de caucho u otros materiales de sellado conocidos. La estructura mostrada en las FIGS. 1 y 2 representan realizaciones de ejemplo específicas, y se pueden usar otras técnicas conocidas en la técnica (p. ej., disponer el MEA en un marco (no mostrado) que está sellado a los bordes de la carcasa). Los electrodos 14, 16 se pueden adherir al electrolito 12 de polímero sólido, pero también se pueden mantener juntos por otros medios, como la fuerza de sujeción mecánica, sin comprometer las funcionalidades del sensor. Las configuraciones ejemplares de sensores de gas y sus variaciones se describen, por ejemplo, en los documentos US 5650054, US 5573648, US 6200443, US 6948352, US 2009/0184005 A1 y US 2010/0012494 A1.
La composición precisa de los electrodos y los materiales usados para fabricarlos dependerán de los hidrocarburos particulares que se están probando y de los parámetros de diseño para el sensor y otros componentes del sistema con los que se usa. Como se mencionó anteriormente, el electrodo de detección comprende paladio, como paladio sobre un soporte conductor como el carbono. El paladio en el electrodo puede estar en forma pura (con el término «puro» se permiten impurezas en concentraciones inferiores al 1 % en peso), o puede estar mezclado o aleado con otros metales como oro, plata, níquel, cobre, rutenio, itrio, platino, iridio. En algunas realizaciones, la composición de metal del electrodo de detección puede variar espacialmente (es decir, diferentes composiciones en diferentes ubicaciones en el electrodo de detección). En algunas realizaciones, el electrodo de detección puede comprender paladio puro, al menos el 50 % en peso de paladio, o al menos el 10 % en peso de paladio, o al menos el 1 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico, soporte del catalizador (p. ej., soporte de carbono, si está presente) e ionómero en el electrodo de detección. En algunas realizaciones, el paladio y las partículas de paladio junto con su soporte conductor o rellenos conductores representan más de aprox. el 30 % del volumen del electrodo para promover la formación de una fase conductora electrónica que forma una red continua para lograr una respuesta capacitiva. En algunas realizaciones, el electrodo de detección puede comprender una aleación de paladio, como una aleación de paladio-platino, al menos un 50 % en peso de aleación de paladio-platio, o al menos un 10 % en peso de aleación de paladio-platio, o al menos un 1 % en peso de aleación de paladioplatino, basada en el peso seco total del catalizador metálico, el soporte del catalizador (p. ej., soporte de carbono, si está presente) y el ionómero, en donde la relación atómica entre paladio y platino puede ser de 99:1 a 1:99, o en más realizaciones específicas de 10:1 a 3:1.
El contraelectrodo puede comprender cualquiera de una variedad de metales nobles catalíticos o metales no preciosos y sus aleaciones (p. ej., iridio, renio, paladio, platino, cobre, indio, rubidio, plata, oro) pueden usarse para formar los electrodos. En algunas realizaciones, el contraelectrodo puede comprender además metales y aleaciones catalíticas soportadas en carbono con los beneficios de un uso reducido del catalizador. En algunas realizaciones ejemplares, el contraelectrodo puede comprender platino o aleaciones de platino binarias o ternarias tales como PtNi, PtFe, PtCo, PtRu, PtRuNi, PtCr, PtCoCr, PtIrCo o PtCuFe, en donde el contenido de Pt en las aleaciones en intervalos de relación atómica del 5 % al 100 %. En algunas realizaciones, el contraelectrodo puede comprender paladio o una mezcla o aleación de platino y paladio. En algunas realizaciones ejemplares, el contraelectrodo puede comprender paladio o una aleación de paladio como PdAg, PdNi, PdCu, PdRu o PdY. La composición del catalizador del contraelectrodo puede ser igual o diferente del metal o metales del catalizador del electrodo de detección.
En algunas realizaciones, los electrodos detectores y contraelectrodos pueden incluir un material eléctricamente conductor además del catalizador de metal noble, que puede proporcionarse disponiendo nanopartículas de catalizador de metal noble en partículas más grandes de conductores como el negro de humo. Dichas estructuras de electrodos se denominan comúnmente catalizadores soportados por carbono. En algunas realizaciones, los sensores descritos en la presente memoria pueden comprender catalizadores sin soporte o catalizadores soportados sobre un soporte resistente a la oxidación que es diferente del negro de humo. Tanto para el catalizador sin soporte como para el catalizador con soporte, el electrodo de detección se puede aplicar sobre el electrolito de polímero sólido formando una tinta que comprende nanopartículas (por nanopartículas se entiende que las partículas tienen un diámetro nominal menor que 20 nm, más específicamente de 2 nm a 10 nm) y un ionómero disperso en una mezcla de disolventes, y depositar una capa de tinta sobre la superficie de la membrana electrolítica de polímero sólido mediante serigrafía, impresión por chorro de tinta o métodos similares. Después de la evaporación del disolvente, el electrodo resultante tiene la forma de una capa que tiene una estructura compuesta que comprende nanopartículas de catalizador en una matriz de ionómero, donde el ionómero funciona como un material de matriz conductor que tiene nanopartículas de catalizador dispersas por todas partes. Un segundo método para fabricar el MEA es depositar la tinta del electrodo sobre un sustrato, es decir, una lámina de Teflon™ o Kapton™, para hacer una calcomanía después de la evaporación del disolvente, seguido de prensado en caliente para transferir la capa de catalizador de la calcomanía a una membrana de electrolito polimérico sólido. En el caso de un catalizador soportado para el electrodo de detección, el catalizador puede estar soportado sobre un soporte conductor resistente a la oxidación, que puede comprender partículas de soporte resistentes a la oxidación que suelen ser más grandes que las nanopartículas del catalizador. En algunas realizaciones ejemplares, las partículas de soporte pueden tener un diámetro nominal de 20 nm a 200 nm. Un catalizador soportado se representa en la FIG. 3, que representa una porción de un aglomerado que tiene partículas 33 de soporte conductoras con partículas 34 de catalizador dispuestas sobre ellas, total o parcialmente cubiertas por una capa delgada de ionómero 36. Los ejemplos de materiales para el soporte del catalizador en el electrodo de detección incluyen, entre otros, carbono, carbono grafitado, nanotubos de carbono (CNT) y óxidos metálicos conductores o semiconductores como TiO2, WO3, SnO2, etc. En otra realización, el catalizador que contiene el metal noble y los óxidos conductores se pueden cocargar en un soporte para lograr una mayor actividad, por ejemplo, Pt-WO3/CNT. Estos óxidos de metales conductores pueden estar sin dopar o pueden estar dopados con metales como Sb, V, Tl, Mn, Co, Fe, etc.
El electrolito puede ser de cualquier tipo, incluido, entre otros, un electrolito de polímero sólido (SPE, por sus siglas en inglés) formado a partir de cualquier ionómero capaz de conducir protones a través de la membrana del electrolito entre el electrodo de detección y el contraelectrodo. Los ejemplos de polímeros iónicos incluyen grupos iónicos unidos a un polímero de modo que el polímero tenga la capacidad de intercambio iónico, incluidos tales grupos, entre otros, ácido sulfónico, ácido fosfónico y ácido de sulfonimida. Los ionómeros ejemplares incluyen polímero de ácido sulfónico perfluorado («PFSA»), como el ionómero Nafion® y el ionómero Solvey Solexis Auqivion™, poliestireno sulfonado, polisulfona sulfonada, copolímeros en bloque de poli(arileno éter sulfona) disulfonada («BPSH»). También se pueden añadir a la matriz polimérica aditivos convencionales, por ejemplo, tensioactivos, disolventes (por ejemplo, polietilenglicol) y partículas finas (como sílice funcionalizada o no funcionalizada, polvos a base de carbono, partículas de óxidos metálicos). Los ionómeros descritos anteriormente para el electrolito de polímero sólido también se pueden usar como ionómero para los electrodos.
En algunas realizaciones, el electrolito de polímero sólido y/o el ionómero en los electrodos se pueden impregnar con un líquido polar como un líquido iónico (p. ej., una sal con su punto de fusión cerca o por debajo de la temperatura ambiente o la temperatura de funcionamiento del sensor) o una sal acuosa o disolución ácida. Se pueden usar otros tipos de electrolitos tales como líquidos iónicos o sales o ácidos acuosos, ya sea impregnados en un soporte poroso no conductor orgánico o inorgánico, o retenidos en una cámara de electrolito cerrada.
Como se mencionó anteriormente, el sensor puede operarse poniendo en contacto el electrodo 14 de detección con un gas. El sensor puede probar el gas en busca de componentes que se adsorban en el electrodo que contiene paladio. El gas comprende hidrofluoroolefina (HFO). Los ejemplos de HFO incluyen hidrocarburos insaturados de 2 a 10 átomos de carbono en donde al menos un átomo de hidrógeno está sustituido con un átomo de flúor y, en algunas realizaciones, en los que todos los átomos de hidrógeno están sustituidos con átomos de flúor. Los ejemplos específicos incluyen tetrafluoropropeno (isómeros R1234), 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (HFO-1233zd) y 1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (Hf O-1336 iti zz-Z ). El electrodo de detección se pone en contacto con el gas en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos de detección y contraelectrodos 14, 16, y se detecta una respuesta en el circuito eléctrico que se produce por la exposición del electrodo de detección al gas en la ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos detectores y contraelectrodos. Se cree que las moléculas de HFO pueden adsorberse en el electrodo 14 de detección que contiene paladio, lo que puede resultar en la acumulación superficial de electrones en exceso en el conductor metálico del electrodo 14 de detección, que se suministran desde el conductor metálico del contraelectrodo 16. La separación de carga correspondiente en el electrolito de polímero sólido se establece para mantener la electroneutralidad en ambas interfaces catalizador (metal)/electrolito. Este fenómeno se ilustra en la FIG. 3 donde la numeración común con la FIG 1 se usa para describir los mismos componentes. Como se muestra en la FIG. 3, las moléculas 37 de olefina sustituida en fase gaseosa (es decir, hidrofluoroolefinas) se adsorben sobre la superficie como moléculas 38 adsorbidas. Durante la adsorción, los protones 40 se mueven a través de la membrana 12 electrolítica desde el contraelectrodo 16 hasta el electrodo 14 de detección, y los electrones 42 fluyen a través del circuito 20 desde el contraelectrodo 16 hasta el electrodo 14 de detección. Durante la adsorción, los protones 44 se mueven a través de la membrana 12 electrolítica desde el electrodo 14 de detección hasta el contraelectrodo 16, y los electrones 46 fluyen a través del circuito 20 desde el electrodo 14 de detección hasta el contraelectrodo 16. Este proceso es similar a la carga de un capacitor convencional, excepto que el dispositivo sensor se carga químicamente debido a la adsorción selectiva de hidrofluoroolefinas. Esta acción capacitiva produce una respuesta detectable en el circuito 20 eléctrico. A medida que se alcanza el equilibrio entre las moléculas adsorbidas y las moléculas en fase gaseosa, la respuesta eléctrica se disipa.
La carga total transferida entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo es proporcional a la concentración de los componentes del gas (es decir, hidrofluoroolefinas) en el gas, siempre que el exceso de superficie del catalizador de Pd permanezca disponible para la adsorción, lo que permite la concentración de las especies objetivo para determinarse comparando la respuesta con datos de calibración predeterminados. En algunas realizaciones, el gas de prueba puede comprender un componente o componentes inflamables en una cantidad, expresada como un porcentaje del límite inferior de inflamabilidad (LFL, por sus siglas en inglés) del componente, en un intervalo que tiene un límite inferior del 1 %, 5 %, 10 % o 25 %, y un límite superior de 100 %, 75 % o 50 % o 25 %. El LFL variará según el compuesto, pero se conoce en la técnica o se determina fácilmente mediante experimentación simple. Por ejemplo, el LFL de la hidrofluoroolefina R1234ze es un 7 % en volumen. Los puntos finales del intervalo anterior se pueden combinar de forma independiente para servir como una explicación de varios intervalos diferentes (excepto los intervalos imposibles en los que el límite inferior informado es mayor o igual que el límite superior informado), que se dan a conocer expresamente en el presente. Debido a que las especies para detectar no implican transferencia de carga en la interfaz metal/electrolito, las especies objetivo permanecen sin cambios y se liberarán nuevamente a la fase gaseosa cuando su concentración de fase gaseosa disminuya o desaparezca en el entorno circundante. Este proceso de desorción permite restaurar la distribución de electrones no polarizados y niega la separación de carga en la fase de electrolito sólido, lo que lleva a que se produzca una corriente inversa en el circuito externo. Este es un proceso reversible, que puede producir un efecto técnico de extraordinaria durabilidad del sensor para superar la desactivación inducida por reacciones en la interfaz, incluidas las reacciones electroquímicas que a menudo afectan a los sensores electroquímicos o MOS convencionales. Por lo tanto, en algunas realizaciones, también se puede determinar una concentración de especies diana mediante la disipación de carga acumulada asociada con la desorción de esas especies. Si la respuesta eléctrica inicial se disipa sin respuestas eléctricas adicionales, se puede deducir que la concentración no ha cambiado desde la concentración inicial medida.
En algunas realizaciones, los métodos y sensores descritos en la presente memoria pueden detectar hidrofluoroolefinas sin la necesidad de una polarización de voltaje aplicada entre los electrodos de detección y los contraelectrodos, como se suele requerir para sensores electroquímicos que oxidan hidrocarburos en el electrodo de detección. Esto puede proporcionar efectos técnicos como un consumo de energía reducido y una vida útil más larga del sensor, como se mencionó anteriormente. Adicionalmente, los rasgos de adsorción y desorción del funcionamiento del sensor pueden proporcionar tiempos de respuesta rápidos con poca histéresis entre los modos de adsorción y desorción. Sin embargo, aunque no se requiere una polarización de voltaje aplicada, y en algunas realizaciones se excluye, en algunas realizaciones no se excluye una polarización de voltaje aplicada y se puede aplicar para alguna parte de la operación del sensor.
Se proporciona una descripción adicional en los siguientes ejemplos.
Ejemplos
Un prototipo de sensor configurado como se muestra en la FIG. 1 con un contraelectrodo expuesto al aire fue expuesto a concentraciones variables del hidrocarburo sustituido R1234ze, intercalado con exposición a aire limpio. La respuesta del sensor se muestra en la FIG. 4. Como se muestra en la FIG. 4, el sensor identificó efectivamente el hidrocarburo sustituido con una respuesta que aumentó al aumentar la concentración. También se observa la disipación de las respuestas cuando se alcanzó el equilibrio, junto con una magnitud de la respuesta inicial (es decir, la altura del pico y/o el área del pico bajo la curva, que puede hacer coincidir la curva con una función matemática con procesamiento integral) que es proporcional a la concentración de R1234ze. La FIG. 5 muestra el área del pico de carga/descarga para las exposiciones a diferentes niveles de R1234ze, que muestra una buena relación lineal entre el área del pico y la concentración de R1234ze, y poca o ninguna histéresis entre los modos de carga y descarga.
Aunque la presente explicación ha sido descrita con detalle respecto a solo un número limitado de realizaciones, debería comprenderse que la presente explicación no está limitada a dichas realizaciones descritas.
Aunque se han descrito varias realizaciones de la presente explicación debe comprenderse que los aspectos de la presente explicación pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. En consecuencia, la presente explicación no debe verse limitada por la anterior descripción, sino que está solo limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un método para probar un gas, que comprende:
proporcionar un sensor (10) que comprende un electrodo (14) de detección que incluye un catalizador que comprende paladio, un contraelectrodo (16) que comprende un catalizador metálico, un electrolito (12) dispuesto entre el electrodo (14) de detección y el contraelectrodo (16), y un circuito eléctrico que conecta el electrodo (14) de detección y el contraelectrodo (16);
poner en contacto el gas con el electrodo (14) de detección en ausencia de una polarización de voltaje aplicada a los electrodos de detección y contraelectrodos; y
detectar una respuesta capacitiva producida por la exposición del electrodo (14) de detección al gas; en donde el gas comprende una hidrofluoroolefina.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la respuesta detectada en el circuito eléctrico producida por la exposición del electrodo (14) de detección al gas comprende un cambio en la corriente eléctrica.
3. El método de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende además determinar una concentración de un componente gaseoso basándose en la respuesta.
4. El método de la reivindicación 3, que comprende medir una carga acumulada asociada con la carga o descarga inducida por adsorción o desorción química del dispositivo capacitivo para determinar la concentración del componente en el gas.
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el electrodo (14) de detección comprende al menos el 50 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico y/o el soporte del catalizador y el ionómero.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el electrodo (14) de detección comprende al menos un 1 % en peso de paladio, basado en el peso seco total del catalizador metálico y/o el soporte del catalizador y el ionómero.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde el electrodo (14) de detección comprende un ionómero y nanopartículas que comprenden paladio.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el electrolito (12) comprende una membrana polimérica conductora de protones.
ES18727611T 2017-05-12 2018-05-10 Sensor y método para la prueba de gas Active ES2951572T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762505648P 2017-05-12 2017-05-12
PCT/US2018/032061 WO2018209082A1 (en) 2017-05-12 2018-05-10 Sensor and method for gas testing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2951572T3 true ES2951572T3 (es) 2023-10-24

Family

ID=62245532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES18727611T Active ES2951572T3 (es) 2017-05-12 2018-05-10 Sensor y método para la prueba de gas

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11846601B2 (es)
EP (2) EP3622279B1 (es)
CN (1) CN110603439B (es)
ES (1) ES2951572T3 (es)
WO (1) WO2018209082A1 (es)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200158683A1 (en) * 2018-11-21 2020-05-21 Doosan Fuel Cell America, Inc. Hydrogen concentration sensor
US11824238B2 (en) 2019-04-30 2023-11-21 Hyaxiom, Inc. System for managing hydrogen utilization in a fuel cell power plant
US11408624B2 (en) 2019-10-15 2022-08-09 Carrier Corporation Refrigerant leak detection
US11768186B2 (en) 2020-12-08 2023-09-26 Hyaxiom, Inc. Hydrogen concentration sensor
US12000794B2 (en) 2020-12-08 2024-06-04 Hyaxiom, Inc. Hydrogen concentration sensor
US20220364926A1 (en) * 2021-05-17 2022-11-17 Rosemount Aerospace Inc. Infrared inspection system for heaters comprised of positive temperature coefficient resistors

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4012291A (en) * 1974-08-29 1977-03-15 Shell Oil Company Electrochemical olefin detector for gaseous streams
DE2913633C2 (de) * 1979-04-05 1986-01-23 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zur Herstellung desselben
US4668473A (en) * 1983-04-25 1987-05-26 The Babcock & Wilcox Company Control system for ethylene polymerization reactor
US4525266A (en) 1983-10-13 1985-06-25 Allied Corporation Electrochemical gas sensor
US4863813A (en) 1988-09-15 1989-09-05 Bell Communications Research, Inc. Primary source of electrical energy using a mixture of fuel and oxidizer
US5173166A (en) 1990-04-16 1992-12-22 Minitech Co. Electrochemical gas sensor cells
US5650054A (en) 1995-01-31 1997-07-22 Atwood Industries, Inc. Low cost room temperature electrochemical carbon monoxide and toxic gas sensor with humidity compensation based on protonic conductive membranes
US5573648A (en) 1995-01-31 1996-11-12 Atwood Systems And Controls Gas sensor based on protonic conductive membranes
AU5561796A (en) 1995-04-21 1996-11-07 Mine Safety Appliances Company Electrochemical gas sensor for the detection of nitrogen dio xide
BR9806177A (pt) * 1997-09-15 1999-10-19 Heraus Electro Nite Internatio Sensor de gás
US6200443B1 (en) 1998-09-29 2001-03-13 Atwood Industries, Inc. Gas sensor with a diagnostic device
GB9919906D0 (en) 1999-08-24 1999-10-27 Central Research Lab Ltd Gas sensor and method of manufacture
US6948352B2 (en) 2002-02-07 2005-09-27 Walter Kidde Portable Equipment, Inc. Self-calibrating carbon monoxide detector and method
US7258773B2 (en) 2003-08-12 2007-08-21 Rae Systems, Inc. Solid polymer electrolyte oxygen sensor
KR20050040714A (ko) * 2003-10-28 2005-05-03 티디케이가부시기가이샤 다공질 기능성막, 센서, 다공질 기능성막의 제조방법,다공질 금속막의 제조방법 및 센서의 제조방법
WO2005047879A1 (ja) * 2003-11-14 2005-05-26 Figaro Engineering Inc. 液体電気化学ガスセンサ
US7413645B2 (en) * 2004-05-05 2008-08-19 Mine Safety Appliances Company Devices, systems and methods for testing gas sensors and correcting gas sensor output
EP1810014A1 (en) 2004-10-25 2007-07-25 World Precision Instruments, Inc. A sensor for measurement of hydrogen sulfide
US7678251B2 (en) 2007-02-06 2010-03-16 Proton Energy Systems, Inc. System and method for detecting gas
US20080317636A1 (en) * 2007-05-04 2008-12-25 Sean Imtiaz Brahim Gas sensor devices comprising organized carbon and non-carbon assembly
DE102008033828B4 (de) 2008-07-19 2015-03-12 Dräger Safety AG & Co. KGaA Elektrochemischer Gassensor
US9518952B2 (en) 2011-10-05 2016-12-13 Utc Fire & Security Corporation Gas sensor
US8840775B2 (en) * 2011-12-16 2014-09-23 Utc Fire & Security Corporation Regenerative gas sensor
KR102168091B1 (ko) 2012-03-08 2020-10-20 넥스테크 머티리얼스, 엘티디. 전류계 전기화학 센서, 센서 시스템 및 검출 방법
WO2014157279A1 (ja) * 2013-03-28 2014-10-02 日本碍子株式会社 ガスセンサ
DE102013205540A1 (de) 2013-03-28 2014-10-02 Robert Bosch Gmbh Sensorelement und Verfahren zum Detektieren eines Gases
US20150027906A1 (en) * 2013-07-24 2015-01-29 Hamilton Sundstrand Corporation Solid polymer electrolyte ammonia sensor
CN103412022B (zh) 2013-08-02 2016-03-16 华瑞科学仪器(上海)有限公司 一种自置偏压电化学传感器
DE102014214399A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Siemens Aktiengesellschaft Betriebsverfahren und Gassensor zur Detektion von Stickoxiden und anderen Gaskomponenten in einem Gasgemisch
DE102014214370A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Siemens Aktiengesellschaft Betriebsverfahren für einen Gassensor
US10697924B2 (en) * 2014-08-20 2020-06-30 Carrier Corporation Gas sensor for detecting hydrocarbons
WO2016029005A1 (en) * 2014-08-20 2016-02-25 Carrier Corporation Detection of refrigerant contaminants
US10488065B2 (en) * 2014-12-17 2019-11-26 Carrier Corporation Leak detection unit for refrigerant system
SG11201706202VA (en) 2015-02-02 2017-08-30 Carrier Corp Refrigerant analyzer and a method of using the same
EP3115774B1 (en) * 2015-07-06 2020-05-06 Stichting IMEC Nederland Gas sensor with frequency measurement of impedance
DK3329264T3 (da) 2015-07-28 2020-03-09 Carrier Corp Kølemiddelanalysator og fremgangsmåde til anvendelse deraf
US10151663B2 (en) * 2015-09-15 2018-12-11 Emerson Climate Technologies, Inc. Leak detector sensor systems using tag-sensitized refrigerants
EP3403081B1 (en) * 2016-01-12 2024-04-17 Honeywell International Inc. Electrochemical sensor
CN112105922A (zh) * 2018-01-04 2020-12-18 利腾股份有限公司 谐振气体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
EP4242649A3 (en) 2023-11-15
EP3622279B1 (en) 2023-07-26
US11846601B2 (en) 2023-12-19
EP4242649A2 (en) 2023-09-13
US20200080958A1 (en) 2020-03-12
WO2018209082A1 (en) 2018-11-15
CN110603439A (zh) 2019-12-20
CN110603439B (zh) 2023-04-04
EP3622279A1 (en) 2020-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2951572T3 (es) Sensor y método para la prueba de gas
US10488065B2 (en) Leak detection unit for refrigerant system
US10697924B2 (en) Gas sensor for detecting hydrocarbons
ES2729608T3 (es) Detección de contaminantes en refrigerantes
EP2791663B1 (en) Regenerative gas sensor
US9518952B2 (en) Gas sensor
US20150014167A1 (en) Electrochemical gas sensor comprising an anion-exchange membrane
JP6774127B2 (ja) ホルムアルデヒド検知センサ、および、それを用いたシステム
WO2019056159A1 (en) IMPROVED ELECTROCHEMICAL SENSOR AND METHOD OF DETECTING FORMALDEHYDE BY VOLTAGE REGULATION TO REDUCE TRANSVERSE SENSITIVITY
GB2518722A (en) Solid polymer electrolyte ammonia sensor
EP3622229B1 (en) Air conditioning system with multi-sensor gas detection and method of operating the same
KR20160063092A (ko) 공존가스 검지센서 모듈 및 공존가스 검출방법
CN104487831A (zh) 湿度传感器和传感器元件
WO2018039984A1 (en) System and method for identifying and cleaning contamination of an electrochemical sensor
WO2022196723A1 (ja) 感応膜及びガスセンサ
JP7313678B2 (ja) アルデヒド検知センサ、および、それを用いたシステム
WO2022196744A1 (ja) 感応膜及びガスセンサ
Homer et al. Polymer-based carbon monoxide sensors
US20080135406A1 (en) Gas Sensor
WO2022196745A1 (ja) 感応膜及びガスセンサ
JPH04286949A (ja) ガスセンサ素子
Korotcenkov et al. ELECTROCHEMICAL GAS SENSORS