[논문]연료전지 자동차용 수소센서의 히터 조건에 따른 열전달 특성에 관한 연구

서호철; 박경석

doi:10.7467/ksae.2013.21.1.023

연료전지 자동차용 수소센서의 히터 조건에 따른 열전달 특성에 관한 연구
Study on Heat Transfer Characteristics by Heater Conditions of Hydrogen Sensor for Fuel Cell Electric Vehicle 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.1, 2013년, pp.23 - 29

서호철 (세종공업(주) 신제품개발팀) , 박경석 (경희대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

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 fuel cell electric vehicles, should be designed to have much higher resolution and accuracy in comparison with conventional gas sensors. In this study, we conducted to determine the design parameters for the semiconductor hydrogen sensor with optimized sensing conditions under the thermal distribution characteristic and thermal transfer characteristic. The heat generation study on power supply voltage was studied for correlation analysis of thermal energy according to the power supply voltage variation from 1.0 voltage to 10.0 voltage every 0.5 voltage. And we studied for the temperature coefficient of resistance with hydrogen sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로형 수소센서의 설계를 위하여 저항의 크기 변화에 따른 칩 및 촉매부와 히터 간의 열 분포 특성을 실험 및 수치해석으로 평가하여 비교분석하였다. 그로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 연료전지 자동차용 마이크로 칩 수소센서의 히터 저항에 따른 센서의 열 특성 및 히터 작동 조건에 따른 열 전달 특성을 고찰하였다.

가설 설정

수소센서의 수소 감지는 촉매에서 수소가 산소와 반응하면서 발생되는 열이 센서 칩 하부의 히터에 전달되어 히터의 열적 변화에 의한 저항변화와 이로 인한 저항차를 확인하여 수소의 농도를 검출하게 된다. 수소센서의 히터는 SiO₂층 내부에 삽입된 형태로 존재하며 촉매는 알루미나와 백금의 혼합물이지만, 백금은 미소량이 함유되어 있기 때문에 알루미나로 가정하여 해석하였다.
수치해석 영역은 원통형상의 상층부는기체만 통과 가능한 멤브레인이 장착되어 있기 때문에 열린 공간으로 대기압 조건을 가정하였으며 내부 공간의 공기는 이상기체로 가정하였다.

제안 방법

4) 각 저항 40 Ω ~ 120 Ω의 총 5가지 종류의 히터에 대해 발열량이 달라졌을 경우에 칩에서의 온도 변화에 대해 확인하였다. 히터의 저항이 높아짐에 따라 히터의 온도는 낮아지는 경향을 보였다.
각 case들에서 나타낸 것과 같이 40 Ω ~ 120 Ω의 총 5가지 종류의 히터에 대하여 실험에서 구한 값과 해석으로 계산한 값을 비교평가 하였으며 각 case의 저항의 크기 변화로 인하여 히터에서의 발열량이 달라졌을 경우에 센싱 칩에서의 변화특성을고찰하였다.
각 히터의 온도 분포 특성은 저항의 크기에 반비례하여 히터의 온도변화가 측정되었다. 히터 저항 40 Ω인 경우 입력 전압이 1V에서는 발열 에너지 121μJ 이 측정되었으며 입력 전압이 10V에서는 발열에너지 289 μJ 이 측정되어 발열 에너지 폭이 가장 크게 나타났으며, 이것은 히터 저항 120 Ω 인 경우 대비 최대 2배 이상의 열에너지가 발생된 것으로 분석되었다.
또한 수소가스 반응 시 수소센서 칩에서의 열전달 특성을 분석하기 위해서 수소가스 농도 1% 조건에서 검지소자에서 발생되는 산화열을 측정하였다.
마이크로칩 수소 센서의 히터 전원 공급 시 센서 칩에서의 열전달 특성을 수치해석 하기 위하여 Fig. 2와 같이 수소센서 칩 형상 중 수소센서 동작에 영향을 주는 영역만을 모델링하였다. 해석을 위해 구성한 형상 중 칩의 구조는 실리콘으로 구성된 베이스 위에 SiO₂ 박막층이 덮인 구조로 모델링 하였으며 이 박막층 중간에 백금으로 만들어진 히터가 삽입 되어 있다.
본 연구에서는 히터 저항별 열 특성과 수소센서 마이크로 칩의 전원 전압 조건 그리고 수소가스 반응시 수소센서 칩에서의 열전달 특성을 분석하기 위하여 적외선 카메라 및 유량계가 구성되어 평가 장치를 Fig. 4와 같이 구성하였다. 측정 장비 내부에 적외선 카메라를 내장하여 센서 칩을 카메라 렌즈부와 근접하게 위치시켜 열 분포를 측정할 수 있도록 하였다.
수소센서 마이크로 칩에서의 열적 특성을 분석하기 위해서 서로 다른 히터 저항을 가진 시제품을 Table 2와같이 설계하여 제작하였다.
열전달율은 검지소자에서 절연부로의 전도 열전달율과 검지소자에서 대기 중으로의 대류 열전달율 및 복사 열전달율을 고려하였으며 검출소자 내부에서의 열손실은 고려하지 않았다.
전원 전압 조건에 따른 히터의 열특성 평가를 위해 전원전압을 1.0 V에서 10.0 V까지 0.5 V 단위로 변화시키면서 히터에서 발열되는 온도 측정 및 열에너지 변화를 평가하였다.
4와 같이 구성하였다. 측정 장비 내부에 적외선 카메라를 내장하여 센서 칩을 카메라 렌즈부와 근접하게 위치시켜 열 분포를 측정할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

수치해석을 위한 격자는 약 102만개의 정렬격자를 사용하였다. 해석영역은 반지름5.
수치해석을 위한 격자는 약 102만개의 정렬격자를 사용하였다. 해석영역은 반지름5.4mm, 높이5mm 의 원통형상의 공간이며, 공간 내부 바닥에 칩이 고정되어 있고 반대편인 상부는 개방되어 있는 구조이다. 정상상태로 해석을 진행하였고 퍼스널 컴퓨터(CPU 2.
2와 같이 수소센서 칩 형상 중 수소센서 동작에 영향을 주는 영역만을 모델링하였다. 해석을 위해 구성한 형상 중 칩의 구조는 실리콘으로 구성된 베이스 위에 SiO₂ 박막층이 덮인 구조로 모델링 하였으며 이 박막층 중간에 백금으로 만들어진 히터가 삽입 되어 있다. 실제 구조에 비하여 다소 간략화된 것은 Fig.

데이터처리

5) 히터 저항에 따른 센싱 칩 발열 온도의 실험과 수치해석 결과의 상관관계 식을 구했다. 이를 바탕으로 수소센서 및 유사 발열 히터 설계 시 수치해석을 통해 발열히터의 특성을 유추할 수 있을 것으로 판단된다.

성능/효과

1) 수소센서의 칩 평균온도는 검지소자가 보상소자보다 110℃ 높게 확인되었다. 이는상대적으로 얇은 두께로 인하여 더 쉽게 방열이 되는 것이다.
2) 히터의 온도 분포 특성은 저항의 크기에 반비례하여 히터가 발열하였지만 저항의 크기가 80 Ω 이상의 경우 저항의 수치 변화에 따른 발열 온도 변화의 폭이 안정화되는 것으로 확인되었다.
3) 히터 저항에 따른 검지소자 열전달율을 분석한결과, 히터 저항이 80 Ω 일 때 촉매 반응 전후에 열전달율이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 이는 40 Ω 대비 촉매 반응 후 열전달율은 약 6.5% 증가되었으며 촉매 반응 전 열전달율은 약 3.5% 증가되는 것을 알 수 있었다.
80 Ω의 히터를 가진 검지소자의 경우 실험적으로 171℃인 것이 확인되었으며 수치 해석으로 계산한 결과는 약153℃로 나타났다.
측정 위치는 소자 상부와 히터의 중간 지점을 확인하였다. 검지소자에서는 평균 430℃이 계산되었으며 보상소자에서는 평균 320℃이 계산되어 약 110℃의 온도차가 발생되는 것을 알 수 있었다. 이는 각 소자는 상당히 얇은 박막층으로 이루어져 있고 보상소자에는 촉매가 존재하지 않기 때문에 촉매가 있는 검지소자보다 주변 환경의 영향을 더 받는 것으로 판단된다.
마지막 case인 120 Ω을 살펴보면 실험에서는 140℃인 것으로 확인되었으나 수치해석 결과 92℃로 나타났다.
먼저 40 Ω의 히터를 가진 검지소자의 경우 실험적으로 240℃인 것이 확인되었으며 수치해석으로 계산한 결과 약 210℃로 나타났다.
실험값과 수치해석값에서 차이가 나는 부분은 유체를 자연대류로 해석하게 됨으로써 생긴 오차로 판단된다. 모든 case에서 실험 값과 수치해석값이 동일하지는 않지만 저항의 크기가 커짐에 따라 히터의 온도가 낮아지는 경향을 확인하였다.
정상상태로 해석을 진행하였고 퍼스널 컴퓨터(CPU 2.2GHZ, RAM 4GB)를 사용하여 계산하는데 약 10시간이 소요되었으며, 각방향 속도, k, ε등의 Residual 곡선의기울기가-0.01 이하가 되었을 경우 수렴하였다고 판단하였다.
7은 수소센서의 칩에 전원만 인가된 상태에서의 열 특성을 계산하여 보상소자와 검지소자의계산 영역 내에서의 온도분포를 나타낸 것이다. 해석 결과 보상소자와 검지소자의 계산 영역에서의 온도 분포 특성은 촉매의 존재유무만 존재하므로 전체 공간에서 비교하면 큰 차이는 없는 것으로 보인다. Fig.
히터 저항 40 Ω인 경우 입력 전압이 1V에서는 발열 에너지 121μJ 이 측정되었으며 입력 전압이 10V에서는 발열에너지 289 μJ 이 측정되어 발열 에너지 폭이 가장 크게 나타났으며, 이것은 히터 저항 120 Ω 인 경우 대비 최대 2배 이상의 열에너지가 발생된 것으로 분석되었다.
열전달율은 검지소자에서 절연부로의 전도 열전달율과 검지소자에서 대기 중으로의 대류 열전달율 및 복사 열전달율을 고려하였으며 검출소자 내부에서의 열손실은 고려하지 않았다. 히터 저항의 크기에 따른 검지소자 열전달율 측정 결과, 히터 저항의 크기가 증가함에 따라 검지소자 열전달율은 다소 증가하다가 안정화되는 형태를 보였다. 히터저항이 40 Ω 인경우 검지소자 내부에서의 열 손실이 가장 많이 발생되었으며열전달율이 촉매 반응 후 28 ㎽, 촉매 반응 전 25.
히터 저항의 크기에 따른 검지소자 열전달율 측정 결과, 히터 저항의 크기가 증가함에 따라 검지소자 열전달율은 다소 증가하다가 안정화되는 형태를 보였다. 히터저항이 40 Ω 인경우 검지소자 내부에서의 열 손실이 가장 많이 발생되었으며열전달율이 촉매 반응 후 28 ㎽, 촉매 반응 전 25.8 ㎽가 측정되었다. 히터 저항이 80 Ω 인 경우 촉매 반응 후29.

후속연구

5) 히터 저항에 따른 센싱 칩 발열 온도의 실험과 수치해석 결과의 상관관계 식을 구했다. 이를 바탕으로 수소센서 및 유사 발열 히터 설계 시 수치해석을 통해 발열히터의 특성을 유추할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소에너지는 어떤 단점이 있는가?	최근 저탄소 친환경 에너지의 대표적인 자원인 수소를 이용하는 에너지변환시스템의 개발이 촉진 되고 있다. 수소에너지는 친환경성에 장점을 가지고 있지만 수소 자체의 확산성이 크기 때문에 저장 및 운송에 있어서 취급상에 어려움을 갖고 있는 단점이 있다.1-4) 따라서 수소누설 감지시스템의 채용은 필수적이 되고, 보다 높은 감지능력을 갖는 센서의 개발이 절실히 요구되고있다.
	접촉 연소식 수소센서에는 어떤 원리가 적용되는가?	접촉 연소식 수소센서는 열에너지를 이용하여 수소의 농도를 검출하는 원리이므로 열전달 메커니즘 규명을 통한 히터의 열 분포 특성을 연구하는 것은 최적의 검출 조건을 도출하는데 가장 중요한 요소이다. 센싱 칩 내에 형성되어 있는 히터는 고온의 수소반응 조건을 만드는 역할을 하며, 동시에 센서의 소비전력을 결정짓는 요소이다.

참고문헌 (8)

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H. J. Ahn, J. H. Jung, N. K. Hur, M. K. Lee and G. J. Yong, "The Numerical Simulation of Hydrogen Diffusion for the Hydrogen Leakage in Tunnel," Transaction of KSCFE, Vol.15, No.2, pp.47-54, 2010.
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P. Tardy, J. Coulon, C. Lucat and F. Menil, "Dynamic Thermal Conductivity Sensor for Gas Detection," Sensors and Actuators, B. Chemical, Vol.98, No.1, pp.63-68, 2004.

상세보기
M. Arndt, "Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications," Proceedings of IEEE, No.2, pp.1571- 1575, 2002.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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