최근, 친환경 에너지의 대표적인 자원이면서 미래 청정 연료이고 주요 공업 원료로 각광받고 있는 수소를 이용하는 에너지 변환시스템의 개발이 촉진되고 있다. 수소에너지는 친환경성에 장점을 가지고 있지만 수소 가스의 특수한 물성 및 확산성 때문에 저장 및 운송 그리고 사용에 있어서 안전을 고려하여야 하는 취급상의 어려움을 갖고 있는 단점이 있다. 따라서 수소누설 감지시스템은 일반적인 가연성 가스 감지센서에 비해 보다 정밀하고 엄격한 센서특성과 기능이 요구되는데, 특히 수소를 연료로 사용하는 ...
최근, 친환경 에너지의 대표적인 자원이면서 미래 청정 연료이고 주요 공업 원료로 각광받고 있는 수소를 이용하는 에너지 변환시스템의 개발이 촉진되고 있다. 수소에너지는 친환경성에 장점을 가지고 있지만 수소 가스의 특수한 물성 및 확산성 때문에 저장 및 운송 그리고 사용에 있어서 안전을 고려하여야 하는 취급상의 어려움을 갖고 있는 단점이 있다. 따라서 수소누설 감지시스템은 일반적인 가연성 가스 감지센서에 비해 보다 정밀하고 엄격한 센서특성과 기능이 요구되는데, 특히 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차의 운전 및 승객보호를 위한 중요 안전장치로써 필수적용 품목으로써 보다 정밀한 감지능력과 높은 안정성을 갖는 센서의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 연구에서는 연료전지 자동차에 사용되는 접촉 연소식 마이크로 칩수소센서의 최적 감지조건을 도출하기 위해, 마이크로 센서 칩의 히터 저항 변화를 통한 전원인가 상태에서의 각 저항별 히터 열 분포 특성과 열전달 메커니즘을 연구하였고, 마이크로 칩 수소센서가 수소가스에 반응할 때 촉매가 도포되어 있는 검지소자와 촉매가 도포되어 있지 않는 보상소자에서 발생하는 열 특성에 대한 연구와 수소 가스의 유량 변화에 따른 마이크로 칩 수소센서의 수소 반응에 대한 센서 감도 및 열 분포 특성 등을 연구하였다. 또한, 마이크로 칩 주변 환경의 온도 및 습도 변화에 따른 마이크로 칩 수소센서의 검지소자 및 보상소자에서의 열 분포 특성을 연구하였으며, 연료전지 자동차용에 적용되어 짐을 고려하여 차량에 수소센서가 장착되는 각종 장착자세에 따른 열 특성 평가도 수행하였다.
본 연구에 사용된 시제품은 초정밀 가공 공정을 이용하여 40, 60, 80, 100, 120 등 히터의 열 특성 변화를 연구하기 위해 5가지 종류의 서로 다른 히터 저항을 가지도록 설계하고 제작하여 촉매가 적용된 검지소자와 촉매가 적용되지 않은 보상소자로 각각 구성하여 다양한 측면에서 열 특성을 분석하였다.
본 연구에서 사용된 실험 장치는 마이크로 칩 수소센서의 열 특성을 평가하기 위하여 특별히 고안한 적외선 카메라를 적용할 수 있는 전용 실험 장치를 사용하였으며, 또한 수소가스에 대한 반응 열 특성 및 수소가스 유량 변화에 대한 센서 감지 성능 등을 평가하기 위하여 수소가스를 사용한 수소센서 전용 성능 평가 장치를 사용하였다. 환경변화인 온도 및 습도에 대한 열 특성 변화를 평가하기 위하여 복합 환경 시험기 내부에 마이크로 칩 수소센서를 장착할 수 있도록 고안한 시험용 지그를 이용하여 열 특성 변화를 평가하였다.
또한, 본 연구에서는 마이크로 칩 수소센서의 열 특성에 관한 분석을 위해 수치해석과 실험을 함께 수행하고 수치해석을 통해 계산되어진 결과와 실험을 통해 얻어진 결과를 비교분석하여 그 결과에 대한 타당성과 신뢰성을 높였으며, 이를 통해 향후 마이크로 칩 수소센서 및 각종 마이크로 칩 규모의 가연성 가스 센서를 연구개발 하는데 많은 실험적 오차와 에러를 줄일 수 있도록 설계 근거를 제시하였다.
본 연구에서 얻어진 수치해석 결과와 실험 결과는 마이크로 칩 수소센서의 여러 가지 측면에서의 열 특성 평가에서 동일한 경향을 나타냈으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 히터 저항변화를 통한 전원전압에 따른 각 저항 별 히터 발열 관계 연구는 전원전압 1.0∼10.0 범위에서 0.5 단위로 전원을 인가하여 저항별 전류 및 소비전력, 히터온도 등의 상관관계와 열 특성 분석을 실시하였다. 전원전압 변화에 따른 히터 발열 특성 측정 결과, 동일한 전압을 인가한 상태에서 히터의 저항이 커질수록 전류가 작아지고 히터의 발열 온도는 낮아지는 결과를 확인하였으며, 인가하는 전압의 증가에 따라 히터의 발열 온도는 전류에 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 마이크로 칩 수소센서의 히터 재질로 사용되는 백금 저항의 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance) 특성은 열 특성 평가로부터 계산한 결과, 일반적으로 사용되는 백금의 저항 온도계수에 비해 낮은 특성을 보였다.
둘째, 수소가스에 반응하기 위한 마이크로 칩 수소센서의 최적 히터 발열온도는 센서의 히터 온도 변화에 따른 수소가스 반응 열 특성 및 센서 감지 특성을 평가한 결과, 히터 저항이 증가하면 할수록 센서 감도는 우수하게 나타나는 특성을 보였으나, 어느 일정한 인가전압 이상에서는 출력 감도가 포화점에 이르는 것을 확인하였다. 각 저항별 수소센서들의 센서출력 감도가 가장 우수한 히터 저항에서의 최적 온도 조건을 평가한 결과, 모든 수소센서들에서 촉매가 도포된 검지소자의 온도가 약 200 부근에서 수소가스와의 반응이 가장 활발하게 이루어지는 것을 확인하였다. 이를 근거로 하여 각 저항별 최적의 히터 발열 온도를 도출하고 그에 따른 전원전압 및 소비전력을 분석하였다.
셋째, 수소가스 유량 변화에 따른 센서 감도 및 열 분포 특성에 대한 평가 결과, 시험 조건인 3.3∼16.5 유량 조건에서는 검지소자 및 보상소자의 온도 변화는 거의 없었으며, 또한 수소가스의 유량 변화에 따른 센서 감지특성도 영향이 없다는 것을 확인 하였다.
넷째, 마이크로 칩 수소센서의 주변 환경 온도 변화에 따른 센서 히터 열 분포 특성 연구 및 주변 환경 습도 변화에 따른 센서 히터 열 분포 특성 연구결과, 외부 온도 변화에 따른 히터 열 특성은 주변 외부 온도가 저온일 때, 히터의 열이 주변 환경으로 방출되어 검지소자의 온도가 낮아지고, 주변 외부 온도가 고온일 경우에는 외부 열의 간섭으로 인해 검지소자의 온도가 높아지는 것을 확인하였으며, 이러한 열 특성 변화는 검지소자가 보상소자 보다 변화 폭이 더 작게 나타남을 확인하였다. 또한, 환경 온도 변화에 따른 수소 반응 특성을 평가한 결과, 상온에서의 센서출력 감도보다 고온 및 저온 환경에서의 센서 출력 감도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 외부 습도 변화에 따른 히터의 열 특성 평가결과, 습도 변화에 따른 히터 열 변화 및 센서 출력 특성은 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
본 연구를 통해 수소센서 설계 시 고려되어야 할 열 특성 및 설계 인자를 파악할 수 있었다. 마이크로 칩 구조로 제작된 백금 히터의 저항온도계수를 도출하고 그에 따른 전원전압 선택 및 히터 저항체의 저항을 설계할 수 있었으며, 수소가스 반응 시 최적의 온도조건을 도출함으로써 소비전력을 고려한 설계를 진행 할 수 있었다. 그리고 연료전지 자동차용으로 직접적인 사용을 위해서 고찰한 수소가스 유량에 대한 수소센서 감지 성능 영향 평가 결과를 바탕으로 수소센서 어셈블리 설계 시 필요한 필터 및 가스 입구 형상 등을 고려할 수 있고, 주변 환경 온도 및 습도에 따른 센서 발열온도 및 반응감도 차이를 바탕으로 신호 처리 및 교정을 통해 온도보상 및 출력 오차율을 개선할 수 있다.
본 논문에서 연구한 접촉 연소식 마이크로 칩 수소센서의 히터저항 변화 및 수소반응, 수소유량 변화, 주변 온･습도의 변화, 장착자세의 변화 등 다양한 측면에서의 열 특성 연구 결과는, 향후 연료전지 자동차뿐만 아니라 각종 산업계 및 계측 평가 장치 부문에도 사용이 가능한 보다 정밀하고 엄격한 수소센서 및 접촉연소 방식을 채택하는 가연성 가스검출 센서의 연구개발을 위한 연구자료 제공 및 제품설계, 개발을 위한 연구개발 방향을 제시하였다.
최근, 친환경 에너지의 대표적인 자원이면서 미래 청정 연료이고 주요 공업 원료로 각광받고 있는 수소를 이용하는 에너지 변환시스템의 개발이 촉진되고 있다. 수소에너지는 친환경성에 장점을 가지고 있지만 수소 가스의 특수한 물성 및 확산성 때문에 저장 및 운송 그리고 사용에 있어서 안전을 고려하여야 하는 취급상의 어려움을 갖고 있는 단점이 있다. 따라서 수소누설 감지시스템은 일반적인 가연성 가스 감지센서에 비해 보다 정밀하고 엄격한 센서특성과 기능이 요구되는데, 특히 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차의 운전 및 승객보호를 위한 중요 안전장치로써 필수적용 품목으로써 보다 정밀한 감지능력과 높은 안정성을 갖는 센서의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 연구에서는 연료전지 자동차에 사용되는 접촉 연소식 마이크로 칩 수소센서의 최적 감지조건을 도출하기 위해, 마이크로 센서 칩의 히터 저항 변화를 통한 전원인가 상태에서의 각 저항별 히터 열 분포 특성과 열전달 메커니즘을 연구하였고, 마이크로 칩 수소센서가 수소가스에 반응할 때 촉매가 도포되어 있는 검지소자와 촉매가 도포되어 있지 않는 보상소자에서 발생하는 열 특성에 대한 연구와 수소 가스의 유량 변화에 따른 마이크로 칩 수소센서의 수소 반응에 대한 센서 감도 및 열 분포 특성 등을 연구하였다. 또한, 마이크로 칩 주변 환경의 온도 및 습도 변화에 따른 마이크로 칩 수소센서의 검지소자 및 보상소자에서의 열 분포 특성을 연구하였으며, 연료전지 자동차용에 적용되어 짐을 고려하여 차량에 수소센서가 장착되는 각종 장착자세에 따른 열 특성 평가도 수행하였다.
본 연구에 사용된 시제품은 초정밀 가공 공정을 이용하여 40, 60, 80, 100, 120 등 히터의 열 특성 변화를 연구하기 위해 5가지 종류의 서로 다른 히터 저항을 가지도록 설계하고 제작하여 촉매가 적용된 검지소자와 촉매가 적용되지 않은 보상소자로 각각 구성하여 다양한 측면에서 열 특성을 분석하였다.
본 연구에서 사용된 실험 장치는 마이크로 칩 수소센서의 열 특성을 평가하기 위하여 특별히 고안한 적외선 카메라를 적용할 수 있는 전용 실험 장치를 사용하였으며, 또한 수소가스에 대한 반응 열 특성 및 수소가스 유량 변화에 대한 센서 감지 성능 등을 평가하기 위하여 수소가스를 사용한 수소센서 전용 성능 평가 장치를 사용하였다. 환경변화인 온도 및 습도에 대한 열 특성 변화를 평가하기 위하여 복합 환경 시험기 내부에 마이크로 칩 수소센서를 장착할 수 있도록 고안한 시험용 지그를 이용하여 열 특성 변화를 평가하였다.
또한, 본 연구에서는 마이크로 칩 수소센서의 열 특성에 관한 분석을 위해 수치해석과 실험을 함께 수행하고 수치해석을 통해 계산되어진 결과와 실험을 통해 얻어진 결과를 비교분석하여 그 결과에 대한 타당성과 신뢰성을 높였으며, 이를 통해 향후 마이크로 칩 수소센서 및 각종 마이크로 칩 규모의 가연성 가스 센서를 연구개발 하는데 많은 실험적 오차와 에러를 줄일 수 있도록 설계 근거를 제시하였다.
본 연구에서 얻어진 수치해석 결과와 실험 결과는 마이크로 칩 수소센서의 여러 가지 측면에서의 열 특성 평가에서 동일한 경향을 나타냈으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 히터 저항변화를 통한 전원전압에 따른 각 저항 별 히터 발열 관계 연구는 전원전압 1.0∼10.0 범위에서 0.5 단위로 전원을 인가하여 저항별 전류 및 소비전력, 히터온도 등의 상관관계와 열 특성 분석을 실시하였다. 전원전압 변화에 따른 히터 발열 특성 측정 결과, 동일한 전압을 인가한 상태에서 히터의 저항이 커질수록 전류가 작아지고 히터의 발열 온도는 낮아지는 결과를 확인하였으며, 인가하는 전압의 증가에 따라 히터의 발열 온도는 전류에 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 마이크로 칩 수소센서의 히터 재질로 사용되는 백금 저항의 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance) 특성은 열 특성 평가로부터 계산한 결과, 일반적으로 사용되는 백금의 저항 온도계수에 비해 낮은 특성을 보였다.
둘째, 수소가스에 반응하기 위한 마이크로 칩 수소센서의 최적 히터 발열온도는 센서의 히터 온도 변화에 따른 수소가스 반응 열 특성 및 센서 감지 특성을 평가한 결과, 히터 저항이 증가하면 할수록 센서 감도는 우수하게 나타나는 특성을 보였으나, 어느 일정한 인가전압 이상에서는 출력 감도가 포화점에 이르는 것을 확인하였다. 각 저항별 수소센서들의 센서출력 감도가 가장 우수한 히터 저항에서의 최적 온도 조건을 평가한 결과, 모든 수소센서들에서 촉매가 도포된 검지소자의 온도가 약 200 부근에서 수소가스와의 반응이 가장 활발하게 이루어지는 것을 확인하였다. 이를 근거로 하여 각 저항별 최적의 히터 발열 온도를 도출하고 그에 따른 전원전압 및 소비전력을 분석하였다.
셋째, 수소가스 유량 변화에 따른 센서 감도 및 열 분포 특성에 대한 평가 결과, 시험 조건인 3.3∼16.5 유량 조건에서는 검지소자 및 보상소자의 온도 변화는 거의 없었으며, 또한 수소가스의 유량 변화에 따른 센서 감지특성도 영향이 없다는 것을 확인 하였다.
넷째, 마이크로 칩 수소센서의 주변 환경 온도 변화에 따른 센서 히터 열 분포 특성 연구 및 주변 환경 습도 변화에 따른 센서 히터 열 분포 특성 연구결과, 외부 온도 변화에 따른 히터 열 특성은 주변 외부 온도가 저온일 때, 히터의 열이 주변 환경으로 방출되어 검지소자의 온도가 낮아지고, 주변 외부 온도가 고온일 경우에는 외부 열의 간섭으로 인해 검지소자의 온도가 높아지는 것을 확인하였으며, 이러한 열 특성 변화는 검지소자가 보상소자 보다 변화 폭이 더 작게 나타남을 확인하였다. 또한, 환경 온도 변화에 따른 수소 반응 특성을 평가한 결과, 상온에서의 센서출력 감도보다 고온 및 저온 환경에서의 센서 출력 감도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 외부 습도 변화에 따른 히터의 열 특성 평가결과, 습도 변화에 따른 히터 열 변화 및 센서 출력 특성은 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
본 연구를 통해 수소센서 설계 시 고려되어야 할 열 특성 및 설계 인자를 파악할 수 있었다. 마이크로 칩 구조로 제작된 백금 히터의 저항온도계수를 도출하고 그에 따른 전원전압 선택 및 히터 저항체의 저항을 설계할 수 있었으며, 수소가스 반응 시 최적의 온도조건을 도출함으로써 소비전력을 고려한 설계를 진행 할 수 있었다. 그리고 연료전지 자동차용으로 직접적인 사용을 위해서 고찰한 수소가스 유량에 대한 수소센서 감지 성능 영향 평가 결과를 바탕으로 수소센서 어셈블리 설계 시 필요한 필터 및 가스 입구 형상 등을 고려할 수 있고, 주변 환경 온도 및 습도에 따른 센서 발열온도 및 반응감도 차이를 바탕으로 신호 처리 및 교정을 통해 온도보상 및 출력 오차율을 개선할 수 있다.
본 논문에서 연구한 접촉 연소식 마이크로 칩 수소센서의 히터저항 변화 및 수소반응, 수소유량 변화, 주변 온･습도의 변화, 장착자세의 변화 등 다양한 측면에서의 열 특성 연구 결과는, 향후 연료전지 자동차뿐만 아니라 각종 산업계 및 계측 평가 장치 부문에도 사용이 가능한 보다 정밀하고 엄격한 수소센서 및 접촉연소 방식을 채택하는 가연성 가스검출 센서의 연구개발을 위한 연구자료 제공 및 제품설계, 개발을 위한 연구개발 방향을 제시하였다.
In recent years, development of energy conversion systems using hydrogen as an energy source has been accelerated globally. Even though hydrogen is an environment-friendly energy source, safety and effectiveness issues in storage, transportation, and usage of hydrogen should be clearly resolved in e...
In recent years, development of energy conversion systems using hydrogen as an energy source has been accelerated globally. Even though hydrogen is an environment-friendly energy source, safety and effectiveness issues in storage, transportation, and usage of hydrogen should be clearly resolved in every application. Therefore, sensors for detecting hydrogen leakage, especially for automotive hydrogen fuel cell systems, should be designed to have much higher resolution and accuracy in comparison with conventional gas sensors.
In the present study, the performance of a combustion type micro chip hydrogen sensor for fuel cell electric vehicle is optimized by investigating the effect of thermal resistance of the sensor chip on the temperature distribution and heat transfer mechanism of the activated sensor. Also, the thermal characteristics of detection element and the compensation element, while the micro chip hydrogen sensor reacts to hydrogen, is investigated. In addition, the effect of flow rate of hydrogen on the resolution and temperature distribution of the micro chip hydrogen sensor is investigated. Finally, the application of the hydrogen sensor in a prototypic fuel cell vehicle is considered.
Prototypic sensors with detection element and compensation element were fabricated to have five different resistances of heaters. Custom-made experimental set-ups were used to evaluate the thermal characteristic of the micro chip hydrogen sensor. Also a numerical model of the thermal characteristic of the micro chip hydrogen sensor was suggested and the numerical result was validated using the experimental result.
The result of the numerical analysis and the experimental result show a good agreement with each other. Based on the result of the present study we may conclude
･ At the same applied voltage, as the resistance of heaters increases, the current and the temperature of the sensor decrease.
･ As the applied voltage increases, the temperature of the sensor increases.
･ As the resistance of heater increases, the sensitivity of the sensor improves. However, above a certain applied voltage, the improvement of sensor sensitivity is reach the saturation point.
･ For all sensors tests in the present study, the optimal temperature of the detection element for the most active reaction with hydrogen is approximately 200 °C.
･ At the given hydrogen flow rates 3.3 ~ 16.5 cm3/s, the effect of the hydrogen flow rate on the temperature change of detection and compensation elements, and the sensitivity of the sensor is insignificant.
The result of the present study suggests the essential thermal characteristic and parameters for design of hydrogen sensors. The result of this work may contribute in the development of high-resolution hydrogen sensors for automotive fuel cell systems while the application of the result of this work can be expanded to other commercial application with ease.
In recent years, development of energy conversion systems using hydrogen as an energy source has been accelerated globally. Even though hydrogen is an environment-friendly energy source, safety and effectiveness issues in storage, transportation, and usage of hydrogen should be clearly resolved in every application. Therefore, sensors for detecting hydrogen leakage, especially for automotive hydrogen fuel cell systems, should be designed to have much higher resolution and accuracy in comparison with conventional gas sensors.
In the present study, the performance of a combustion type micro chip hydrogen sensor for fuel cell electric vehicle is optimized by investigating the effect of thermal resistance of the sensor chip on the temperature distribution and heat transfer mechanism of the activated sensor. Also, the thermal characteristics of detection element and the compensation element, while the micro chip hydrogen sensor reacts to hydrogen, is investigated. In addition, the effect of flow rate of hydrogen on the resolution and temperature distribution of the micro chip hydrogen sensor is investigated. Finally, the application of the hydrogen sensor in a prototypic fuel cell vehicle is considered.
Prototypic sensors with detection element and compensation element were fabricated to have five different resistances of heaters. Custom-made experimental set-ups were used to evaluate the thermal characteristic of the micro chip hydrogen sensor. Also a numerical model of the thermal characteristic of the micro chip hydrogen sensor was suggested and the numerical result was validated using the experimental result.
The result of the numerical analysis and the experimental result show a good agreement with each other. Based on the result of the present study we may conclude
･ At the same applied voltage, as the resistance of heaters increases, the current and the temperature of the sensor decrease.
･ As the applied voltage increases, the temperature of the sensor increases.
･ As the resistance of heater increases, the sensitivity of the sensor improves. However, above a certain applied voltage, the improvement of sensor sensitivity is reach the saturation point.
･ For all sensors tests in the present study, the optimal temperature of the detection element for the most active reaction with hydrogen is approximately 200 °C.
･ At the given hydrogen flow rates 3.3 ~ 16.5 cm3/s, the effect of the hydrogen flow rate on the temperature change of detection and compensation elements, and the sensitivity of the sensor is insignificant.
The result of the present study suggests the essential thermal characteristic and parameters for design of hydrogen sensors. The result of this work may contribute in the development of high-resolution hydrogen sensors for automotive fuel cell systems while the application of the result of this work can be expanded to other commercial application with ease.
주제어
#마이크로 칩 수소센서
#마이크로 열 전달
#수소반응 열 특성
#히터 발열 특성
#센서 칩 열 특성
#검지소자
#보상소자
#가연성 가스센서
학위논문 정보
저자
서호철
학위수여기관
경희대학교
학위구분
국내석사
학과
기계공학과
지도교수
박경석
발행연도
2011
총페이지
127 p.
키워드
마이크로 칩 수소센서,
마이크로 열 전달,
수소반응 열 특성,
히터 발열 특성,
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검지소자,
보상소자,
가연성 가스센서
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