KR102194938B1 - Hydrogen sensor comprising proton conductor and method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 막-전극 접합체;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체는 상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 프로톤 전도체 막; 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지 전극인 제2 전극;을 포함하며, 수소검지시 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체가 분리되지 않고 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. Hydrogen sensor comprising a proton conductor according to the present invention, the substrate; And a film-electrode assembly formed on the substrate, wherein the film-electrode assembly includes a first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate; A proton conductor film formed on the first electrode; And a second electrode formed on the proton conductor film, which is a detection electrode in contact with hydrogen gas, wherein the substrate and the membrane-electrode assembly are not separated and are coupled to each other when hydrogen is detected.
Description
본 발명은 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도의 수소를 감지하도록 고분자 프로톤 전도체를 기판상에 기능화시켜 구현되는 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen sensor including a proton conductor and a method for manufacturing the same, and more particularly, a hydrogen sensor including a proton conductor implemented by functionalizing a polymer proton conductor on a substrate to detect high concentration of hydrogen, and a method for manufacturing the same It is about.
최근 화석연료 사용에 따른 지구온난화를 포함한 환경오염 문제와 화석연료 고갈에 따른 에너지 수급 문제를 극복할 수 있는 대안으로서 수소에너지의 개발이 가속화되고 있으며, 현재 수소에너지를 범용화하기 위한 많은 기술이 성공 단계에 다다르고 있다.The development of hydrogen energy is accelerating as an alternative to overcome the problems of environmental pollution including global warming caused by the use of fossil fuels and the energy supply and demand problems caused by the depletion of fossil fuels. Is approaching.
그러나, 수소 에너지는 미래청정연료나 주요 공업의 원료로 각광을 받고 있지만, 수소가스가 누출 시, 수소가스는 산소와의 급격한 반응에 의해서 쉽게 폭발할 수 있으며, 비점이 -253℃로 낮아서 상온·대기압에서는 기체로 존재하여 낮은 착화열에도 쉽게 폭발하고 화염속도가 빠른편에 속한다. 더욱이 수소는 무색무취로 인간이 감지할 수 없기 때문에 수소에너지의 사용 및 관리를 위해서 수소에너지에 대한 안전 확보가 중요하며, 이로인해 미량의 수소를 검지할 수 있는 수소센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, hydrogen energy is in the spotlight as a future clean fuel or raw material for major industries. However, when hydrogen gas leaks, hydrogen gas can easily explode due to a rapid reaction with oxygen, and its boiling point is as low as -253℃, so it is at room temperature and At atmospheric pressure, it exists as a gas, so it easily explode even at low ignition heat, and it belongs to the high flame speed. Moreover, since hydrogen is colorless and odorless and cannot be detected by humans, it is important to secure the safety of hydrogen energy for the use and management of hydrogen energy, and for this reason, research on a hydrogen sensor that can detect trace amounts of hydrogen is actively progressing. have.
구체적으로, 기존의 Si를 기반으로 제조된 수소센서는 낮은 밴드갭에 의해 고온에서의 사용이 어렵기 대문에 광대역 반도체를 기반으로 한 수소센서가 제작되고 있으며, 다양한 나노 구조체를 기반으로 응답속도 및 감도 향상을 위한 연구가 진행되고 있다. 검지물질로는 주로 수소와의 반응성이 높은 Pd 및 Pt를 이용한 센서가 연구되고 있지만, 수소와의 반복적인 반응에 의한 취성으로 인해 검지물질을 적층 및 나노 구조화하여 사용되고 있다. 그러나, 이러한 접촉식 센서는 검지부에 전류가 흐르기 때문에 과전류 등에 의한 전기방전의 문제를 내포하고 있으므로 폭발 하한선인 4% 이상의 고농도 수소측정에는 적합하지 않다.Specifically, since it is difficult to use the existing Si-based hydrogen sensor at high temperatures due to its low bandgap, a broadband semiconductor-based hydrogen sensor is being manufactured. Research is underway to improve sensitivity. Sensors using Pd and Pt, which are highly reactive with hydrogen, are mainly studied as detection materials, but due to brittleness caused by repeated reactions with hydrogen, detection materials are stacked and nanostructured. However, since such a contact sensor has a problem of electric discharge due to overcurrent or the like because current flows into the detection unit, it is not suitable for high concentration hydrogen measurement of 4% or more, which is the lower explosion limit.
또한, 대부분의 상용화된 수소센서는 금속산화물을 기반으로 하며, 가스 검지를 위해 약 400℃의 온도가 요구된다. 이러한 온도는 가스센서의 응용분야에 대한 제한과 높은 전력소모, 생산비용의 증가 등의 단점을 가진다.In addition, most commercially available hydrogen sensors are based on metal oxides, and a temperature of about 400°C is required for gas detection. This temperature has disadvantages such as limitations on the application field of the gas sensor, high power consumption, and an increase in production cost.
상기의 문제점의 해결을 위하여 고체전해질을 이용한 전기화학식 수소 가스센서가 개발된 바 있다. 한국공개특허 제10-2008-0072850호에는 프로톤도전재료가 탑재된 수소센서를 개시하고 있으나, 고체전해질을 이용한 전기화학식 수소 가스센서는 수소 이온전도체로 이루어진 고체전해질 양면에 각각 기준전극 및 검지전극을 배치하고, 기준전극과 검지전극 사이의 기전력을 측정하여 수소 가스의 농도를 측정하는 방식인데, 이를 위해서는 기준전극 측 수소의 화학 포텐셜을 고정시켜야 하므로 기준전극을 일정 수소농도를 가진 기준가스에 노출시켜야 한다. 따라서 제작이 용이하지 않으며, 구조가 복잡한 문제점이 있다.In order to solve the above problems, an electrochemical hydrogen gas sensor using a solid electrolyte has been developed. Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0072850 discloses a hydrogen sensor equipped with a proton conductive material, but the electrochemical hydrogen gas sensor using a solid electrolyte has a reference electrode and a detection electrode on both sides of a solid electrolyte made of a hydrogen ion conductor. It is a method of measuring the concentration of hydrogen gas by measuring the electromotive force between the reference electrode and the detection electrode.To this end, the chemical potential of hydrogen on the reference electrode side must be fixed, so the reference electrode must be exposed to a reference gas having a certain hydrogen concentration. do. Therefore, it is not easy to manufacture, and the structure is complicated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 구조가 단순하고 제작이 용이한, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a hydrogen sensor including a proton conductor and a method of manufacturing the same, which has been derived to solve the above problems and has a simple structure and is easy to manufacture.
또한 본 발명은 종래의 수소센서에 비해 응답계수, 반응속도 및 회복속도가 향상되고, 상온에서 수소의 검지가 가능하여 고농도의 수소센서에 이용가능한, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a hydrogen sensor including a proton conductor, which can be used for a high concentration hydrogen sensor because the response coefficient, reaction speed and recovery speed are improved compared to the conventional hydrogen sensor, and hydrogen can be detected at room temperature. To do.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other objects not specified of the present invention will be additionally considered within a range that can be easily inferred from the detailed description and effects thereof below.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 막-전극 접합체;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체는 상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 프로톤 전도체 막; 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지 전극인 제2 전극;을 포함하며, 수소검지시 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체가 분리되지 않고 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, a hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention includes a substrate; And a film-electrode assembly formed on the substrate, wherein the film-electrode assembly includes a first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate; A proton conductor film formed on the first electrode; And a second electrode formed on the proton conductor film, which is a detection electrode in contact with hydrogen gas, wherein the substrate and the membrane-electrode assembly are not separated and are coupled to each other when hydrogen is detected.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 프로톤 전도체 막은 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조되는 것일 수 있다. In the hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention, the proton conductor membrane may be manufactured by acid-treating a membrane made of a hydrophilic polymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 기판은 수소 검지시 상기 제1 전극에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극 방향으로 밀어내는 것일 수 있다. In the hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention, the substrate may be configured to push moisture generated from the first electrode toward the second electrode when hydrogen is detected.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 제2 전극 방향으로 밀어내지는 상기 수분이 프로톤 전도체 막에 공급되는 것일 수 있다. In the hydrogen sensor including the proton conductor according to an embodiment of the present invention, the moisture pushed in the direction of the second electrode may be supplied to the proton conductor membrane.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 기판은 소수성 고분자로 이루어지는 것일 수 있다. In the hydrogen sensor including the proton conductor according to an embodiment of the present invention, the substrate may be made of a hydrophobic polymer.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 기판은 상기 제1 전극에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극 방향으로 밀어내는 소수성 기공을 더 포함할 수 있다. In the hydrogen sensor including the proton conductor according to an embodiment of the present invention, the substrate may further include hydrophobic pores that push moisture generated from the first electrode toward the second electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 제2 전극은 금속 나노입자를 포함하며, 상기 금속 나노입자는 Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg, 및 V로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. In the hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention, the second electrode includes metal nanoparticles, and the metal nanoparticles are Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg, and It may be one or more selected from the group consisting of V.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 친수성 고분자는 나피온(Nafion)일 수 있다. In the hydrogen sensor including the proton conductor according to an embodiment of the present invention, the hydrophilic polymer may be Nafion.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 소수성 고분자는, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 1종 이상의 열가소성 고분자일 수 있다. In the hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention, the hydrophobic polymer is polypropylene, polyester, thermoplastic polyurethane, polyethylene, polybutylene terephthalate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenyl It may be at least one thermoplastic polymer selected from ene sulfide, Teflon, and polyether ether ketone.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서에 있어, 상기 기판을 수용하며, 일면이 개방된 밀폐부를 더 포함할 수 있다. In the hydrogen sensor including the proton conductor according to an embodiment of the present invention, the substrate may be accommodated, and a sealing portion having an open surface may be further included.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극, 상기 제1 전극상에 형성되는 프로톤 전도체 막, 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지전극인 제2 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 제조하는 단계; 상기 기판 상에 상기 막-전극 접합체를 위치시키는 단계; 및 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체를 본딩하는 단계;를 포함하며, 수소검지시 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체가 분리되지 않고 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. In addition, a method of manufacturing a hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention comprises: preparing a substrate; A film-electrode comprising a first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate, a proton conductor film formed on the first electrode, and a second electrode that is a detection electrode formed on the proton conductor film and in contact with hydrogen gas Preparing a conjugate; Positioning the membrane-electrode assembly on the substrate; And bonding the substrate and the membrane-electrode assembly, and when hydrogen is detected, the substrate and the membrane-electrode assembly are not separated and are coupled to each other.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서의 제조방법에 있어, 상기 막-전극 접합체를 위치시키는 단계 이전에, 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 프로톤 전도체를 제조하는 산처리 단계; 및 상기 프로톤 전도체의 양면에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 마련한 후 핫프레싱하여 막-전극 접합체를 제조하는 핫프레싱 단계;를 더 포함할 수 있다. In the method of manufacturing a hydrogen sensor including a proton conductor according to an embodiment of the present invention, prior to the step of positioning the membrane-electrode assembly, an acid treatment step of acid treating a membrane made of a hydrophilic polymer to produce a proton conductor; And a hot pressing step of providing a first electrode and a second electrode on both surfaces of the proton conductor and then hot pressing to prepare a membrane-electrode assembly.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 기준전극 측에 일정 수소농도를 가진 기준가스를 노출시키지 않아도 되므로, 제작이 용이하고, 구조가 간소화되는 장점이 있다. As described above, since the hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention does not need to expose a reference gas having a predetermined hydrogen concentration on the reference electrode side, it is easy to manufacture and has the advantage of simplifying the structure.
본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 농도가 매우 높은 수소에 대해서도 빠르고 정확한 검지가 가능하고, 수소에만 반응하도록 함으로써, 가스 종류에 대한 선택성을 부여할 수 있다.The hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention enables fast and accurate detection of hydrogen having a very high concentration, and reacts only with hydrogen, thereby imparting selectivity to the gas type.
본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는 적어도 핫프레싱 단계를 통해 형성된 막-전극 접합체를 포함함으로써, 이온전도도가 향상된 전기화학식 고체전해질 수소센서를 제공할 수 있다. The hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention includes at least a membrane-electrode assembly formed through a hot pressing step, thereby providing an electrochemical solid electrolyte hydrogen sensor having improved ionic conductivity.
본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 이온전도도의 향상 뿐 아니라, 장시간 사용에 따른 성능저하를 방지할 수 있다. The hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention not only improves ionic conductivity, but also prevents performance degradation due to long-term use.
본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 보다 짧은 기동시간과 응답시간을 나타내므로 센서 측정민감도를 향상시키는 효과가 있다. The hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention has an effect of improving sensor measurement sensitivity because it exhibits a shorter starting time and response time.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if it is an effect not explicitly mentioned herein, it is added that the effect described in the following specification and its provisional effect expected by the technical features of the present invention are treated as described in the specification of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 단면모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 단면모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 단면모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 SEM 사진 및 EDS 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 프로톤 전도체 막의 FTIR 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 프로톤 전도체 막의 FTIR 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 프로톤 전도체 막의 이온전도도를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 수소센서의 반복 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수소센서의 기동시간을 측정한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수소센서의 응답시간을 측정한 그래프이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
7 is an SEM photograph and an EDS spectrum of an electrode according to an embodiment of the present invention.
8 is an FTIR graph of a proton conductor membrane according to an embodiment of the present invention.
9 is an FTIR graph of a proton conductor membrane according to a comparative example of the present invention.
10 is a graph showing the ionic conductivity of the proton conductor membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
11 is a graph showing repetition characteristics of a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph measuring the starting time of the hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph measuring the response time of a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The following embodiments and drawings are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In addition, unless there are other definitions in the technical and scientific terms used in the present invention, the present invention has the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of are omitted.
종래 고체전해질을 이용한 전기화학식 수소 가스센서는 수소 이온전도체로 이루어진 고체전해질 양면에 각각 기준전극 및 검지전극을 배치하고, 기준전극과 검지전극 사이의 기전력을 측정하여 수소 가스의 농도를 측정하는 방식인데, 이를 위해서는 기준전극 측 수소의 화학 포텐셜을 고정시켜야 하므로 기준전극을 일정 수소농도를 가진 기준가스에 노출시켜야 한다. 따라서 제작이 용이하지 않으며, 구조가 복잡한 문제점이 있다.In the conventional electrochemical hydrogen gas sensor using a solid electrolyte, a reference electrode and a detection electrode are placed on both sides of a solid electrolyte made of a hydrogen ion conductor, and the electromotive force between the reference electrode and the detection electrode is measured to measure the concentration of hydrogen gas. In this case, since the chemical potential of hydrogen on the reference electrode side must be fixed, the reference electrode must be exposed to a reference gas having a certain hydrogen concentration. Therefore, it is not easy to manufacture, and the structure is complicated.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기판; 및 상기 기판 상에 형성되는 막-전극 접합체;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체는 상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 프로톤 전도체 막; 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지 전극인 제2 전극;을 포함하며, 수소검지시 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체가 분리되지 않고 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서를 포함한다. In order to solve this problem, the present invention includes a substrate; And a film-electrode assembly formed on the substrate, wherein the film-electrode assembly includes a first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate; A proton conductor film formed on the first electrode; And a second electrode formed on the proton conductor film and being a detection electrode in contact with hydrogen gas, wherein the substrate and the membrane-electrode assembly are not separated and are mutually bonded when hydrogen is detected. It includes a hydrogen sensor including a conductor.
이에 따라, 본 발명은 기판 상에 결합된 상태에서 상기 제2 전극에만 수소가스를 접촉시켜 측정할 수 있어서 수소 농도의 측정이 간소화되고, 상기 제1 전극에 기준 가스를 공급할 필요가 없어서 수소검지시 수소센서의 구조적 간소화에 기여한다. 상술한 바와 같이, 종래에는 수소센서의 일측에 측정 대상 가스를 공급하기 위한 공간 및 구조가 필요함과 동시에, 타측에는 수소검지시 기준이 되는 기준 가스를 공급하기 위한 공간 및 구조가 요구된다. Accordingly, the present invention simplifies the measurement of the hydrogen concentration by contacting the hydrogen gas only with the second electrode in the state of being bonded on the substrate, and there is no need to supply the reference gas to the first electrode, It contributes to the structural simplification of the hydrogen sensor. As described above, in the related art, a space and a structure for supplying a measurement target gas to one side of a hydrogen sensor are required, and a space and a structure for supplying a reference gas used as a reference when hydrogen is detected are required on the other side.
즉, 본 발명은 상대전극인 상기 제1 전극에 기준 가스를 공급하지 않아도 수소가스의 농도를 측정할 수 있다. 또한 상대전극인 상기 제1 전극이 외부에 노출되지 않는 특징이 있다. That is, in the present invention, the concentration of hydrogen gas can be measured without supplying a reference gas to the first electrode, which is a counter electrode. In addition, the first electrode, which is a counter electrode, is not exposed to the outside.
또한, 본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는, 수소검지시 상기 프로톤 전도체를 통과하여 이동한 수소 이온이 상기 기판 표면 또는 내부에 잔류하는 산소 이온과 반응하여 수분을 형성할 수 있다. In addition, in the hydrogen sensor including the proton conductor according to the present invention, when hydrogen is detected, hydrogen ions that have moved through the proton conductor may react with oxygen ions remaining on the surface or inside the substrate to form moisture.
이하 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서('수소센서'라고 약칭함)를 설명한다. Hereinafter, a hydrogen sensor (abbreviated as'hydrogen sensor') including a proton conductor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서(1000)의 단면모식도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서(1000)는 기재(100); 및 상기 기재(100) 상에 형성되되, 핫프레싱 단계를 포함하여 형성되는 막-전극 접합체(200);를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a
상세하게, 도 1의 우측의 점선으로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(200)는 제1 전극(210), 프로톤 전도체 막(220), 및 제2 전극(230)을 순차로 배치한 후 가열부재(10) 및 가압부재(20)를 통해 가열 및 가압 하는 핫프레싱 단계를 통해 제조될 수 있다. 상기 핫프레싱 단계를 통해 형성된 막-전극 접합체(200)는 접촉저항 등의 문제점을 개선하여 본 발명에 따른 수소센서(1000)의 이온전도도를 향상시킬 수 있다. In detail, as shown by the dotted line on the right side of FIG. 1, the membrane-
이에 따라, 도 1의 좌측에 모식적인 단면도로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소센서(1000)는 기판(100); 및 상기 기판(100) 상에 순차로 형성된 제1 전극(210), 프로톤 전도체 막(220), 제2 전극(230)이 포함된 막-전극 접합체(200);를 포함하게 된다.Accordingly, as shown in a schematic cross-sectional view on the left side of Fig. 1, the
여기서, 가열부재(10)는 핫프레싱을 위해 열을 가할 수 있는 어떤 것이든 족하고, 예로서 핫플레이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 가압부재(20)는 핫프레싱을 위해 힘 또는 압력을 가할 수 있는 어떤 것이든 족하며, 예로서 무게추, 프레스기 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Here, the
한편, 상기 기판(100)은 수소 검지시 상기 제1 전극(210)에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극(230) 측으로 밀어내는 역할을 하는 것이면 족하다. 생성된 수분은 상기 프로톤 전도체 막(220)을 통해 외부로 배출되는데, 상기 프로톤 전도체 막(220)에 수분을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 수소센서(1000)의 전도성 향상에 기여하고, 이와 더불어 장시간 사용에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다. Meanwhile, the
바람직한 일 예로, 상기 기판(100)에 사용되는 것으로 소수성 고분자를 들 수 있다. 소수성 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 이것으로 한정되는 것은 아니다. As a preferred example, a hydrophobic polymer may be used as the
또한, 상기 기판(100)을 사용하는 본 발명에 따른 수소센서(1000)의 구조는 수소가스의 검지를 위해 상기 제1 전극(210) 면에 공기 또는 산소를 따로 공급해야 할 필요가 없으므로 제조 공정이 간편해지는 장점을 갖는다. In addition, the structure of the
한편, 본 발명에 따른 수소센서(1000)의 입출력을 위한 전극이 상기 프로톤 전도체 막(220)의 양면에 형성될 수 있는 바(도면 기준으로는 상면 및 하면이다), 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(230)에 사용되는 소재로는 각각 카본블랙, Au, Ti, Pt 등을 이용할 수 있으며, 이것으로 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, electrodes for input/output of the
또한, 수소에 대한 흡착 및 반응특성을 향상시키기 위한 검지물질이 필요한 바, 본 발명은 상기 제2 전극(230)에 포함되는 검지물질로서 금속 나노입자를 포함할 수 있다. In addition, a detection material for improving adsorption and reaction properties for hydrogen is required, and the present invention may include metal nanoparticles as a detection material included in the
상기 금속 나노입자는 Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg, 및 V로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 Pt 일 수 있다.The metal nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg, and V, and preferably Pt.
구체적으로, 상기 금속 나노입자은 수소를 흡착하여 전기적 특성이 변화하는 것을 통해 수소를 검지할 수 있으며, 수소를 상대적으로 많이 흡수할 수 있다. 또한, 종래에는 박막 형태의 수소 검지 금속이 사용되었을 경우 검지 온도의 범위가 100 내지 300 ℃로 다소 높았지만, 나노 구조 형태의 나노입자는 150 ℃ 이하의 범위에서도 검지가 가능할 수 있다.Specifically, the metal nanoparticles may detect hydrogen through changes in electrical properties by adsorbing hydrogen, and may absorb a relatively large amount of hydrogen. In addition, conventionally, when the hydrogen detecting metal in the form of a thin film was used, the detection temperature range was somewhat high, from 100 to 300°C, but the nanoparticles in the form of nanostructures may be detected even in the range of 150°C or less.
이와 같이, 본 발명은 전도성을 띈 금속 나노입자들을 상기 제2 전극(230) 상에 형성시킴으로써, 상기 제2 전극(230)은 수소 가스를 검지하는 센싱층 역할을 할 수 있다. As described above, in the present invention, by forming conductive metal nanoparticles on the
상기 금속 나노입자는 다공질인 탄소 분말 담체 표면에 분산된 입자형태로 담지될 수 있다. 상기 금속 나노입자의 담지는 물리적 또는 화학적 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔 증착법, 전기도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 형식, 수용액 상에서 Pd 및 Pt를 Nano wire로 성장하는 방법 등으로 증착할 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.The metal nanoparticles may be supported in the form of particles dispersed on the surface of a porous carbon powder carrier. The metal nanoparticles may be supported by physical or chemical methods, preferably sputtering method, thermal evaporation method, electron beam deposition method, electroplating method, a method of spraying a metal aqueous solution onto the sample surface, and Pd and Pt in the aqueous solution as a nano wire. The vapor deposition can be performed by a growing method or the like, but is not limited thereto.
예컨대, 상기 금속 나노입자의 평균 크기는 1 내지 100 nm일 수 있는 바, 금속 나노입자의 평균 크기가 1 nm보다 작은 경우에는 다공질인 탄소 분말 담체 표면에 고루 분산되지 않아서 서로 응집되는 문제점을 가지며, 반대로 그 평균크기가 100 nm보다 큰 경우에는 수소에 대한 흡착 및 반응 특성이 저하될 수 있으므로, 바람직하지 않다. For example, the average size of the metal nanoparticles may be 1 to 100 nm, and when the average size of the metal nanoparticles is less than 1 nm, the metal nanoparticles are not evenly dispersed on the surface of the porous carbon powder carrier and thus aggregate with each other, Conversely, if the average size is larger than 100 nm, the adsorption and reaction characteristics for hydrogen may be deteriorated, and thus it is not preferable.
따라서, 상기 전도성을 띤 금속 나노입자들을 탄소 분말 담체 상에 담지시킴으로써, 전극에 전원을 공급한 상태에서 수소에 노출될 경우, 수소 이온이 형성되어 금속 나노입자가 담지된 제2 전극(230)이 수소를 검지하여 수소를 흡착할 수 있다. Accordingly, when the conductive metal nanoparticles are supported on a carbon powder carrier, when the electrode is exposed to hydrogen while power is supplied, hydrogen ions are formed to form the
한편, 상술한 핫프레싱 단계는 약 150 내지 200 ℃의 온도로 가열하면서 1 내지 20 MPa로 가압하는 것일 수 있다. 상기 압력 범주 내에서 150 ℃ 미만으로 핫프레싱 하게 되면, 접합이 완전히 이루어지지 않아서 접촉저항이 증가하는 문제가 있고, 200 ℃ 초과하여 핫프레싱 하면 고분자로 이루어진 프로톤 전도체 막(220)의 열화(변형)를 야기할 수 있다. On the other hand, the hot pressing step described above may be pressurized to 1 to 20 MPa while heating to a temperature of about 150 to 200 ℃. When hot-pressing below 150°C within the pressure range, there is a problem that the contact resistance increases because bonding is not completed, and when hot-pressing exceeding 200°C, deterioration (deformation) of the
또한, 상기 핫프레싱 단계를 포함하여 형성되는 막-전극 접합체(200)는 수소 이온의 이동을 허용하고 기타 다른 음이온의 이동을 억제할 수 있다. 이때, 상기 막-전극 접합체(200)는 0.05 내지 0.3 mm의 평균두께를 가지는 프로톤 전도체 막(220)을 포함할 수 있으나, 이것에 한정되는 것은 아니다.In addition, the membrane-
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소센서는 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조된 프로톤 전도체 막(220)을 상기 핫프레싱 단계를 포함하여 형성되는 막-전극 접합체(200)을 포함할 수 있다. On the other hand, the hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention includes a membrane-
상세하게, 상기 프로톤 전도체 막(220)은 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조되며, 표면 또는 내부에 수산화기(OH-)를 가지는 것을 특징으로 한다. In detail, the
보다 상세하게, 상기 프로톤 전도체 막(220)은 친수성 고분자로 이루어진 막을 제1 산성용액에 침지하여 60 내지 80 ℃에서 제1 산처리하는 단계; 제1 산처리된 막을 제2 산성용액에 침지하여 30 내지 120 ℃에서 제2 산처리하는 단계; 및 제2 산처리된 막을 수용액에 침지하여 80 내지 120 ℃에서 열수처리하는 단계;를 포함하는 산처리 단계를 통해 제조된 것일 수 있다. In more detail, the
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 프로톤 전도체 막(220)에 사용되는 친수성 고분자는 나피온(Nafion)인 것을 사용할 수 있다. The hydrophilic polymer used in the
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 프로톤 전도체 막(220)을 포함하는 수소센서(1000)는 고농도의 수소를 감지하도록 친수성 고분자 즉, 나피온으로 이루어진 막을 산처리하여 제조된 프로톤 전도체 막(220)을 포함함으로써, 낮은 응답계수, 빠른 반응속도 및 회복속도를 나타내 민감도 향상을 도모할 수 있다. 구체적인 일 예로, 산처리된 상기 프로톤 전도체 막(220)을 포함하는 수소센서(1000)는 상온에서 측정한 이온전도도가 1 내지 2 S/cm 평균값을 가질 수 있고, 바람직하게는 1.2 내지 1.7 S/cm 평균값을 가질 수 있다. 본 발명을 상술함에 있어, 용어 "상온"이란 가온되거나 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 예를 들면, 약 10 내지 30 ℃, 약 15 내지 30℃, 약 20 내지 30℃, 25℃? 또는 23℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.As described above, the
뿐만 아니라, 종래와 비교하여 농도가 매우 높은 수소에 대해서도 빠르고 정확한 검지가 가능하고, 수소에만 반응하도록 함으로써, 가스 종류에 대한 선택성을 부여할 수 있다.In addition, it is possible to quickly and accurately detect hydrogen having a very high concentration compared to the prior art, and by reacting only with hydrogen, selectivity for gas types can be imparted.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서(1001)는, 상기 기판(100)을 수용하며, 일면이 개방된 밀폐부(300)를 더 포함할 수 있다. In addition, the
도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서(1001)의 단면모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수소센서(1001)는 상술한 기판(100) 상에 형성된 막-전극 접합체(200)를 포함하되, 상기 기판(100)을 수용하는 밀폐부(300)를 더 포함할 수 있다. 2 is a schematic cross-sectional view of a
상세하게, 상기 밀폐부(300)는 일면이 개방된 형상을 가지며, 상기 기판(100) 및 상기 막-전극 접합체(200)로 이루어진 구조물의 외주면(s)을 밀폐시키는 역할을 한다. 이에 따라, 상기 막-전극 접합체(200)에 포함된 제1 전극(210) 및 프로톤 전도체(220)와, 상기 기판(100)은 수소가스와 접촉하지 않게 된다. 한편, 상기 막-전극 접합체(200)에 포함된 제2 전극(230)은 상기 수소가스와 접촉함으로써 상기 제1 전극(210) 사이에 기전력을 발생시켜 수소가스의 농도를 측정하도록 한다. In detail, the sealing
상기 밀폐부(300)에 사용되는 소재의 예로는 에폭시, 테플론 등을 들 수 있는데, 에폭시 및 테플론은 각각 센서 소자를 보호하고 상술한 제1 전극(210)에 반응물질이 흡착되는 것을 방지할 수 있어서 바람직하나, 이것에 한정되는 것은 아니다. Examples of the material used for the sealing
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서(1002)는, 상기 기판(100)에 형성되며, 상기 제1 전극(210)에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극(230) 방향으로 밀어내는 소수성 기공(110)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서는 상기 제1 전극(210)에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극(230) 방향으로 밀어내고, 상기 제1 전극(210)의 상부에 형성된 프로톤 전도체 막(220)은 상기 제1 전극(210)에서 배출된 수분을 일부 흡수하거나 외부로 방출할 수 있다. Referring to FIG. 3, the
즉, 상기 수소센서(1002)는 상기 소수성 기공(110)을 포함함으로써, 상기 프로톤 전도체 막(220)에 수분을 연속적으로 공급할 수 있는 특징이 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수소센서(1002)의 전도성 향상에 기여하고, 이와 더불어 장시간 사용에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다. 이때, 상기 기판(100)은 5 내지 15%의 기공율을 가질 수 있다. 또한 상기 소수성 기공은 약 5 내지 150 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. That is, the
한편, 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는, 상술한 기판(100)은 수소 검지시 상기 제1 전극(210)에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극(230) 측으로 밀어내는 역할과 함께, 의사 기준 전극(pseudo reference electrode)로 역할을 할 수 있다. On the other hand, although not specifically shown in the drawings, in the hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention, the above-described
상세하게, 상기 기판(100)은 그 내부에 분산된 전도성 입자를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때 전도성 입자는 탄소류 소재일 수 있다. 탄소류 소재는 카본 블랙, 카본나노튜브, 그라핀 등을 포함할 수 있다. In detail, the
구체적이고 비한정적인 일 예로, 상기 기판(100)의 제조방법은 테플론 등과 같은 소수성 고분자와 카본 블랙을 알코올류 용매와 혼합한 후 열처리함으로써, 내부에 소수성 기공이 형성되고 전도성 입자인 카본 블랙이 분산되어 형성된 것일 수 있다. As a specific and non-limiting example, the method of manufacturing the
한편, 본 발명에 따른 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서(미도시)는 소수성 기공(110) 및 전도성 입자가 포함된 기판(100)을 포함함으로써, 의사 기준 전극(pseudo reference electrode)로 작용하여 넓은 수소농도 범위에서 예측가능한 전위변화거동을 보여주고, 본 발명에 따른 수소센서가 20 내지 100 vol.%의 고농도범위에서 수소를 검출하는데 기여할 수 있다. Meanwhile, a hydrogen sensor (not shown) including a proton conductor according to the present invention includes a
또한, 본 발명은 상술한 수소센서(1000, 1001, 1002)의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method of manufacturing the above-described hydrogen sensor (1000, 1001, 1002).
이하, 수소센서의 제조방법은 상술한 수소센서(1000, 1001, 1002)의 구성요소와 동일할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법에 있어, 친수성 고분자, 소수성 고분자, 기판, 막-전극접합체, 제1 전극, 제2 전극, 프로톤 전도체 등의 구성요소는 상술한 바와 동일할 수 있다. Hereinafter, the method of manufacturing the hydrogen sensor may be the same as the components of the above-described
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법은 소수성 고분자로 이루어지는 기판을 준비하는 단계(S10); 상기 기판 상에 막-전극 접합체를 위치시키는 단계(S20); 및 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체를 본딩하는 단계(S30);를 포함한다. Referring to Figure 4, the method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a substrate made of a hydrophobic polymer (S10); Positioning a film-electrode assembly on the substrate (S20); And bonding the substrate and the film-electrode assembly (S30).
상기 막-전극 접합체는, 프로톤 전도체 막의 양면에 제1 전극(210) 및 제2 전극(230)을 각각 마련한 후 핫프레싱하는 단계(S15)를 포함하여 형성되는 것일 수 있다. 여기서, 핫프레싱하는 단계(S15)는 기판을 준비하는 단계(S10) 및 막-전극 접합체를 위치시키는 단계(S20) 사이에 수행할 수도 있고, 또는 기판을 준비하는 단계(S10) 이전에 수행할 수도 있다. The membrane-electrode assembly may be formed including a step (S15) of hot pressing after each of the
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소센서는 고농도의 수소를 감지하도록 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조된 프로톤 전도체 막을 포함함으로써, 낮은 응답계수, 빠른 반응속도 및 회복속도를 나타내 민감도 향상을 도모할 수 있다. As described above, the hydrogen sensor according to the present invention includes a proton conductor membrane manufactured by acid treatment of a membrane made of a hydrophilic polymer to detect high concentration of hydrogen, thereby improving sensitivity by showing a low response coefficient, a fast reaction rate, and a recovery rate. can do.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다. Meanwhile, FIG. 5 is a flowchart of a method for manufacturing a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법은, 상기 막-전극 접합체를 위치시키는 단계(S20) 이전에, 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 프로톤 전도체를 제조하는 산처리 단계(S13); 및 상기 프로톤 전도체의 양면에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 마련한 후 핫프레싱하여 막-전극 접합체를 제조하는 핫프레싱 단계(S15);를 더 포함할 수 있다. Referring to Figure 5, the method of manufacturing a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention, prior to the step (S20) of positioning the membrane-electrode assembly, by acid-treating a membrane made of a hydrophilic polymer to produce a proton conductor. Acid treatment step (S13); And a hot pressing step (S15) of preparing a membrane-electrode assembly by providing a first electrode and a second electrode respectively on both sides of the proton conductor and then hot pressing.
구체적인 일 예로, 상기 산처리 단계(S13)는 상기 친수성 고분자로 이루어진 막을 제1 산성용액에 침지하여 60 내지 80 ℃에서 제1 산처리하는 단계; 제1 산처리된 막을 제2 산성용액에 침지하여 30 내지 120 ℃에서 제2 산처리하는 단계; 및 제2 산처리된 막을 수용액에 침지하여 80 내지 120 ℃에서 열수처리하는 단계;를 포함할 수 있다. As a specific example, the acid treatment step (S13) includes the steps of immersing the membrane made of the hydrophilic polymer in a first acid solution to perform a first acid treatment at 60 to 80°C; Immersing the first acid-treated membrane in a second acid solution and performing a second acid treatment at 30 to 120°C; And hydrothermal treatment at 80 to 120° C. by immersing the second acid-treated membrane in an aqueous solution.
상기 산처리 단계(S13)에서, 제1 산성용액은 과산화수소 1 내지 20 중량% 및 물 80 내지 99 중량%를 포함할 수 있다. 제2 산성용액은 0.1 내지 2 M의 황산이 포함된 황산 수용액일 수 있다. 본 발명에 상술함에 있어, 물 또는 수용액은 이온 교환수, 증류수 등의 정제수를 이용하는 것이 바람직하고, 물의 함유량은 특별히 한정되지 않으며, 산 성분들을 충분히 용해 또는 분산할 수 있는 양이면 무방하다. In the acid treatment step (S13), the first acidic solution may contain 1 to 20% by weight of hydrogen peroxide and 80 to 99% by weight of water. The second acidic solution may be an aqueous sulfuric acid solution containing 0.1 to 2 M sulfuric acid. In the above description of the present invention, it is preferable to use purified water such as ion-exchanged water or distilled water as water or aqueous solution, and the content of water is not particularly limited, and any amount capable of sufficiently dissolving or dispersing acid components may be used.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법의 공정순서도이다. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrogen sensor according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조방법은, 상기 본딩하는 단계(S30) 이후에, 상기 제2 전극을 수소가스와 접촉하도록 상기 기판 및 상기-전극 접합체의 외주면을 밀폐시키는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 6, the method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention is, after the bonding step (S30), the outer peripheral surface of the substrate and the-electrode assembly so as to contact the second electrode with hydrogen gas. It may further include the step of sealing (S40).
상세하게, 상기 밀폐시키는 단계(S40)는 상기 기판 및 상기 막-전극 접합체의 외주면을 밀폐시켜 상술한 밀폐부을 형성하는 단계로서, 상기 막-전극 접합체에 포함된 제1 전극 및 프로톤 전도체는 외부 환경 즉, 수소가스와 접촉하지 않도록 하게 한다. 또한 상기 막-전극 접합체에 포함된 제2 전극은 상기 수소가스와 접촉함으로써 상기 제1 전극(210) 사이에 기전력을 발생시켜 수소가스의 농도를 측정할 수 있다. In detail, the sealing step (S40) is a step of forming the above-described sealing portion by sealing the outer circumferential surface of the substrate and the membrane-electrode assembly, wherein the first electrode and the proton conductor included in the membrane-electrode assembly are In other words, it is made to avoid contact with hydrogen gas. In addition, the second electrode included in the membrane-electrode assembly may generate an electromotive force between the
이하 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예는 당 업계의 통상의 기술자에게 본 발명이 쉽게 이해되도록 하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. The examples described below are intended to make the present invention easily understood by those skilled in the art, and the present invention is not limited by the examples.
[실시예][Example]
프로톤 전도체 막 제조Proton conductor membrane manufacturing
프로톤 전도체 막은 나피온 막(제품명: Nafion 117)을 5 wt%의 과산화수소가 첨가된 증류수에 넣고 65 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열한 후, 1M 황산 수용액에 넣고 40℃에서 1시간 동안 가열한 다음, 100℃의 물에 1시간 동안 담지함으로써, 산처리하여 제조된 프로톤 전도체 막을 제조하였다. For the proton conductor membrane, Nafion membrane (product name: Nafion 117) was added to distilled water to which 5 wt% of hydrogen peroxide was added, heated at 65° C. for 1 hour, added to 1M sulfuric acid aqueous solution, and heated at 40° C. for 1 hour. , By immersing in water at 100° C. for 1 hour, a proton conductor membrane prepared by acid treatment was prepared.
막-전극 접합체 제조Membrane-electrode assembly manufacturing
이후 상기 프로톤 전도체 막의 양면에 전극을 각각 마련한 후 180℃에서 3분동안 핫프레싱하는 단계를 수행하여, 막-전극 접합체를 제조하였다. 이때, 전극은 Pt 금속 나노입자가 함유된 그라파이트 전극을 각각 사용하였다. Thereafter, electrodes were provided on both sides of the proton conductor membrane, and then hot-pressed at 180° C. for 3 minutes to prepare a membrane-electrode assembly. At this time, as the electrodes, graphite electrodes containing Pt metal nanoparticles were used, respectively.
한편, 상기 실시예에 사용된 전극의 SEM 사진 및 EDS 스펙트럼을 도 7에 도시하였다. 도 7에 보이는 바와 같이, 표면적이 크고 다공질인 탄소 분말 담체의 표면에 약 100 nm 의 Pt 입자가 분산되어 형성된 것을 확인하였다. Meanwhile, an SEM photograph and an EDS spectrum of the electrode used in the Example are shown in FIG. As shown in FIG. 7, it was confirmed that Pt particles of about 100 nm were dispersed on the surface of a carbon powder carrier having a large surface area and a porous carbon powder.
수소센서 제작Hydrogen sensor production
우선, 제조된 막-전극 접합체의 각 전극에 Pt 와이어를 본딩하였다. Pt 와이어에 도선을 연결함으로써 Potentiostat을 이용하여 전압 인가 시 전류를 측정하거나 기전력을 직접 측정하여 수소 농도를 모니터링할 수 있다. First, a Pt wire was bonded to each electrode of the prepared membrane-electrode assembly. By connecting the lead wire to the Pt wire, the hydrogen concentration can be monitored by measuring the current when voltage is applied using the Potentiostat or by directly measuring the electromotive force.
다음으로, 제조된 막-전극 접합체를 일면이 개방된 테프론 몰드 내부에 놓고, 에폭시를 이용하여 막전극-전합체와 테프론 몰드를 본딩하였다. 이에 따라, 막-전극 접합체의 제2 전극(검지 전극)이 수소가스와 접촉하는 수소센서가 제작되며, 단, 프로톤 전도체 막, 제1 전극, 기판은 테프론 몰드 내부에 내장되면서 밀폐되는 구조를 가진다. Next, the prepared membrane-electrode assembly was placed inside a Teflon mold with one open surface, and the membrane electrode-assembly and the Teflon mold were bonded using epoxy. Accordingly, a hydrogen sensor in which the second electrode (detection electrode) of the membrane-electrode assembly contacts hydrogen gas is manufactured, provided that the proton conductor membrane, the first electrode, and the substrate are embedded in the Teflon mold and are sealed. .
[비교예][Comparative Example]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 산처리하지 않은 프로톤 전도체 막을 사용하여 수소센서를 제작하였다. A hydrogen sensor was manufactured using a proton conductor membrane prepared in the same manner as in Example 1, but not acid-treated.
[FTIR 측정][FTIR measurement]
실시예 및 비교예에서 제조된 프로톤 전도체 막의 FTIR 측정을 수행하였다. 도 8은 상기 실시예에 따른 프로톤 전도체 막의 FTIR 그래프이다. 도 9는 상기 비교예에 따른 프로톤 전도체 막의 FTIR 그래프이다. FTIR measurements of the proton conductor membranes prepared in Examples and Comparative Examples were performed. 8 is an FTIR graph of the proton conductor membrane according to the embodiment. 9 is an FTIR graph of a proton conductor membrane according to the comparative example.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 프로톤 전도체는 약 980 cm-1에서 나타나는 C-F 스트레칭 피크, 약 1150 cm-1에서 나타나는 O=S=O 스트레칭 피크, 약 3400 cm-1에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크 등을 포함할 수 있다. 8 and 9, wherein the proton conductor according to an embodiment of the present invention O = CF appear in stretching peak, about 1150 cm -1 appears at about 980 cm -1 S = O stretch peak, about 3400 cm- The OH stretching peak shown in 1 may be included.
도 9에 도시된 상기 비교예의 FTIR 그래프와 비교하면, 도 8에 도시된 상기 실시예의 FTIR 그래프는 O-H 스트페칭 피크의 세기가 크게 상승한 것을 알 수 있다. 이는 상기 실시예에 따른 산처리 공정에 의한 것으로 판단된다. Compared with the FTIR graph of the comparative example shown in FIG. 9, the FTIR graph of the example shown in FIG. 8 shows that the intensity of the O-H stretching peak is greatly increased. It is determined that this is due to the acid treatment process according to the above embodiment.
다만, 비교예인 도 9에 도시된 약 3400 cm-1에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크는 FTIR 측정시 프로톤 전도체의 표면에 존재하는 수분에 의해 일부 나타난 것으로 보이며, 수소센서의 이온전도도 향상에 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. However, the OH stretching peak appearing at about 3400 cm -1 shown in FIG. 9, which is a comparative example, appears to be partially exhibited by moisture present on the surface of the proton conductor during FTIR measurement, and does not affect the improvement of the ionic conductivity of the hydrogen sensor. Is judged.
[이온 전도도 측정][Ion conductivity measurement]
실시예 및 비교예에서 제조된 프로톤 전도체 막의 이온전도도를 측정하였다. 이온전도도 측정은 프로톤 전도체 막을 가로 1cm 및 세로 1cm 크기의 직사각형 형태로 가공한 후 직류 4단자법을 이용하여 상온(약 20 내지 30℃)에서 측정하였다.The ionic conductivity of the proton conductor membranes prepared in Examples and Comparative Examples was measured. Ion conductivity was measured at room temperature (about 20 to 30°C) using a direct current 4 terminal method after processing the proton conductor membrane into a rectangular shape having a size of 1 cm and 1 cm in length.
도 10은 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 프로톤 전도체 막의 이온전도도를 도시한 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 산처리 공정이 도입된 본 발명의 실시예는 산처리 공정이 도입되지 않은 비교예 보다 3 배 이상 향상된 이온전도도를 보여주었다. 10 is a graph showing the ionic conductivity of the proton conductor membranes prepared in Examples and Comparative Examples. As shown in FIG. 10, the embodiment of the present invention to which the acid treatment process was introduced showed an ionic conductivity that was improved three times or more compared to the comparative example in which the acid treatment process was not introduced.
구체적으로 상기 비교예에 따른 프로톤 전도체 막의 이온전도도는 0.429 S/cm 평균값을 가지고 표준편차는 0.021 S/cm 이었다. 상기 실시예에 따른 프로톤 전도체 막의 이온전도도는 1.353 S/cm 평균값을 가지고 표준편차는 0.129 S/cm 인 것을 확인하였다. Specifically, the ionic conductivity of the proton conductor membrane according to the comparative example was 0.429 S/cm and the standard deviation was 0.021 S/cm. It was confirmed that the ionic conductivity of the proton conductor membrane according to the above example had an average value of 1.353 S/cm and a standard deviation of 0.129 S/cm.
[수소센서 성능 평가][Hydrogen sensor performance evaluation]
상기 실시예에 따라 제조된 수소센서를 수소 농도를 변화시킬 수 있는 전용 챔버에 위치시키고 하기 가), 나), 다)의 각 평가 조건으로 평가하였다. 구체적으로, 제조된 수소센서는 대기압(100 kPa) 상태, 상대습도 45 RH% 분위기하 상온에서 평가하였다. The hydrogen sensor manufactured according to the above example was placed in a dedicated chamber capable of changing the hydrogen concentration and evaluated under each of the following evaluation conditions a), b), and c). Specifically, the manufactured hydrogen sensor was evaluated at room temperature under atmospheric pressure (100 kPa) and a relative humidity of 45 RH%.
가) 정확도 평가A) Accuracy evaluation
상기 실시예에 따라 제조된 수소센서를 수소농도 3.9%와 99.95%에서 수소가스와 질소가스를 반복 노출시키면서 반복 특성을 평가하여, 가스노출 시 측정되는 센서의 출력신호와 기준신호 간의 오차율을 확인함으로써 정확도를 측정하였다. The hydrogen sensor manufactured according to the above embodiment was repeatedly exposed to hydrogen gas and nitrogen gas at a hydrogen concentration of 3.9% and 99.95%, and the repetitive characteristics were evaluated, and the error rate between the output signal of the sensor measured during gas exposure and the reference signal was checked. The accuracy was measured.
도 11은 상기 실시예에서 제조된 수소센서의 반복 특성을 나타낸 그래프이다. 상세하게 도 11의 (a)는 상기 수소센서에 수소농도 3.9%의 수소가스 및 질소농도 100%의 질소가스를 각각 노출시키면서 수소센서에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다. 도 11의 (b)는 상기 수소센서에 수소농도 99.95%의 수소가스 및 질소농도 100%의 질소가스를 각각 노출시키면서 수소센서에 걸리는 전압을 측정한 그래프이다. 11 is a graph showing the repetition characteristics of the hydrogen sensor manufactured in the above embodiment. In detail, (a) of FIG. 11 is a graph measuring the voltage applied to the hydrogen sensor while exposing hydrogen gas having a hydrogen concentration of 3.9% and nitrogen gas having a nitrogen concentration of 100% to the hydrogen sensor. (B) of FIG. 11 is a graph measuring a voltage applied to the hydrogen sensor while exposing hydrogen gas having a hydrogen concentration of 99.95% and nitrogen gas having a nitrogen concentration of 100% to the hydrogen sensor.
상세하게, 도 11에 보이는 바와 같이, 상기 실시예에 따른 수소센서에 약 200 초 주기로 수소가스 및 질소가스를 순차로 노출시켰음에도 불구하고, 센서 성능이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 노출 시간을 500 초 이상 경과하여도 수소센서의 정확도가 4% 이내로 유지되는 것을 알 수 있었다. 여기서 수소센서의 정확도는 하기 식 1로부터 계산되었다. In detail, as shown in FIG. 11, it was confirmed that the sensor performance was maintained constant despite the sequential exposure of hydrogen gas and nitrogen gas to the hydrogen sensor according to the embodiment at a cycle of about 200 seconds. In addition, it was found that the accuracy of the hydrogen sensor was maintained within 4% even when the exposure time elapsed for 500 seconds or more. Here, the accuracy of the hydrogen sensor was calculated from
[식 1][Equation 1]
((기준신호)-(출력신호)/(기준신호))×100((Reference signal)-(output signal)/(reference signal))×100
(상기 식 1에서, 기준신호는 첫번째 사이클에서 질소가스 또는 수소가스를 공급했을 때 수소센서에서 측정되는 전압의 크기이며, 출력신호는 두번째 사이클 이후부터 질소가스 또는 수소가스를 공급했을 때 수소센서에서 측정되는 전압의 크기이다.)(In
표 1에 상기 실시예에 따른 수소센서의 정확도 측정결과를 수록하였다. Table 1 shows the results of measuring the accuracy of the hydrogen sensor according to the embodiment.
측정
(사이클)repeat
Measure
(cycle)
나) 수소센서의 기동시간 측정B) Measurement of hydrogen sensor startup time
상기 실시예에 따라 제조된 수소센서의 기동시간을 확인하기 위하여, 수소농도 3.9%와 99.95%에서 수소센서의 기동시간을 측정하였다. In order to confirm the starting time of the hydrogen sensor manufactured according to the above example, the starting time of the hydrogen sensor was measured at 3.9% and 99.95% of hydrogen concentration.
도 12는 상기 실시예에 따라 제조된 수소센서의 기동시간을 측정한 그래프이다. 도 12의 (a)는 수소농도 3.9%에서 수소센서의 기동시간을 측정한 그래프이며, 도 12의 (b)는 수소농도 99.95%에서 수소센서의 기동시간을 측정한 그래프이다. 12 is a graph measuring the starting time of the hydrogen sensor manufactured according to the above embodiment. Figure 12 (a) is a graph measuring the starting time of the hydrogen sensor at 3.9% hydrogen concentration, Figure 12 (b) is a graph measuring the starting time of the hydrogen sensor at 99.95% hydrogen concentration.
도 12에 보이는 바와 같이, 기동시간이 약 20초 이내인 것을 확인할 수 있으므로, 본 발명에 따른 수소센서는 즉각적인 수소 검지가 가능한 장점을 가진다. As shown in FIG. 12, since it can be confirmed that the starting time is within about 20 seconds, the hydrogen sensor according to the present invention has the advantage of enabling immediate hydrogen detection.
다) 수소센서의 응답시간 측정C) Measurement of response time of hydrogen sensor
상기 실시예에 따라 제조된 수소센서의 응답시간을 확인하기 위하여, 수소농도 3.9%와 99.95%에서 수소센서의 응답시간을 측정하였다. 수소센서의 응답시간은 하기 식 2로부터 계산된다. In order to check the response time of the hydrogen sensor manufactured according to the above example, the response time of the hydrogen sensor was measured at 3.9% and 99.95% of hydrogen concentration. The response time of the hydrogen sensor is calculated from
[식 2][Equation 2]
응답시간 = (T90) - (T10)Response time = (T90)-(T10)
(상기 식 2에서, T90은 수소 농도의 변화에 따른 수소센서의 반응 곡선에서 한 주기 내 최고 전압값의 90%에 이르는 시간(초)이며, T90은 상기 반응 곡선에서 한주기 내 최고 전압값의 10%에 이르는 시간(초)이다.)(In
도 13은 상기 실시예에 따라 제조된 수소센서의 응답시간을 측정한 그래프이다. 도 13에 보이는 바와 같이, 응답시간이 약 150초 이내로 확인되므로, 본 발명에 따른 수소센서는 빠른 반응속도 및 회복속도를 나타내는 장점을 가진다. 13 is a graph measuring the response time of the hydrogen sensor manufactured according to the above embodiment. As shown in FIG. 13, since the response time is confirmed within about 150 seconds, the hydrogen sensor according to the present invention has the advantage of showing a fast reaction rate and recovery rate.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소센서는 고농도의 수소를 감지하도록 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조된 프로톤 전도체 막을 제조하고, 상기 프로톤 전도체 막 양면에 상대전극인 제1 전극, 수소가스와 접촉하는 검지 전극인 제2 전극을 각각 마련한 후 핫프레싱 하여 제조함으로써, 낮은 응답계수, 빠른 반응속도 및 회복속도를 나타내는 것을 확인하였다. As described above, the hydrogen sensor according to the present invention manufactures a proton conductor membrane prepared by acid-treating a membrane made of a hydrophilic polymer to detect high concentration of hydrogen, and a first electrode as a counter electrode on both sides of the proton conductor membrane, hydrogen gas, and It was confirmed that each second electrode, which is a contacting detection electrode, was prepared and then hot-pressed to produce a low response coefficient, a fast response rate, and a recovery rate.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by the specific matters and limited embodiments and drawings, but this is provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is Those of ordinary skill in the relevant field can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and all things that are equivalent or equivalent to the claims as well as the claims to be described later fall within the scope of the spirit of the present invention. .
1000, 1001, 1002 : 수소센서 100 : 기재
110 : 소수성 기공 200 : 막-전극 접합체
210 : 제1 전극 220 : 프로톤 전도체 막
230 : 제2 전극 300 : 밀폐부
S10 : 기판을 준비하는 단계 S13 : 산처리 단계
S15 : 핫프레싱하는 단계 S20 : 막-전극 접합체를 위치시키는 단계
S30 : 본딩하는 단계 S40 : 밀폐시키는 단계1000, 1001, 1002: hydrogen sensor 100: description
110: hydrophobic pore 200: membrane-electrode assembly
210: first electrode 220: proton conductor membrane
230: second electrode 300: sealing portion
S10: step of preparing the substrate S13: acid treatment step
S15: step of hot pressing S20: step of positioning the membrane-electrode assembly
S30: bonding step S40: sealing step
Claims (12)
상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 프로톤 전도체 막; 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지 전극인 제2 전극;을 포함하는 막-전극 접합체; 및
상기 기판 및 막-전극 접합체로 이루어진 구조물의 외주면은 밀폐시키되, 상기 제2 전극의 일면은 개방되는 밀폐부;를 포함하고, 상기 밀폐부에 의해 제1 전극, 프로톤 전도체 및 기판이 수소가스와 접촉하지 않으며,
상기 제1 전극 및 제2 전극은 카본블랙, Au, Ti 또는 Pt를 포함하는 동일 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
A substrate made of a hydrophobic polymer;
A first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate; A proton conductor film formed on the first electrode; And a second electrode formed on the proton conductor film and serving as a detection electrode in contact with hydrogen gas; And
The outer circumferential surface of the structure consisting of the substrate and the membrane-electrode assembly is sealed, but one surface of the second electrode is opened, and the first electrode, the proton conductor, and the substrate are in contact with hydrogen gas by the sealing portion. Does not,
The hydrogen sensor comprising a proton conductor, characterized in that the first electrode and the second electrode are made of the same material including carbon black, Au, Ti, or Pt.
상기 프로톤 전도체 막은 친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 1,
The proton conductor membrane is a hydrogen sensor comprising a proton conductor, characterized in that produced by acid treatment of a membrane made of a hydrophilic polymer.
상기 기판은 수소 검지시 상기 제1 전극에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극 방향으로 밀어내는 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 1,
The hydrogen sensor comprising a proton conductor, characterized in that the substrate pushes moisture generated from the first electrode toward the second electrode when hydrogen is detected.
상기 제2 전극 방향으로 밀어내지는 상기 수분이 프로톤 전도체 막에 공급되는 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 3,
Hydrogen sensor comprising a proton conductor, characterized in that the moisture pushed in the direction of the second electrode is supplied to the proton conductor membrane.
상기 기판은 상기 제1 전극에서 생성되는 수분을 상기 제2 전극 방향으로 밀어내는 소수성 기공을 더 포함하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 3,
The substrate further comprises hydrophobic pores for pushing moisture generated in the first electrode toward the second electrode, a hydrogen sensor including a proton conductor.
상기 친수성 고분자는 나피온(Nafion)인 것에 특징이 있는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 2,
The hydrophilic polymer is characterized in that Nafion (Nafion), a hydrogen sensor comprising a proton conductor.
상기 소수성 고분자는,
폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 1종 이상의 열가소성 고분자인 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서.
The method of claim 1,
The hydrophobic polymer,
Polypropylene, polyester, thermoplastic polyurethane, polyethylene, polybutylene terephthalate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, Teflon, and at least one thermoplastic polymer selected from polyether ether ketone, characterized in that the proton Hydrogen sensor containing a conductor.
상기 기판에 접촉하는 상대 전극인 제1 전극, 상기 제1 전극상에 형성되는 프로톤 전도체 막, 및 상기 프로톤 전도체 막 상에 형성되어 수소가스와 접촉하는 검지전극인 제2 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 제조하는 단계;
상기 기판 상에 상기 막-전극 접합체를 위치시키는 단계;
상기 기판 및 상기 막-전극 접합체를 본딩하는 단계; 및
상기 기판 및 막-전극 접합체로 이루어진 구조물의 외주면은 밀폐시키되, 상기 제2 전극의 일면은 개방되는 밀폐부를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 밀폐부에 의해 제1 전극, 프로톤 전도체 및 기판이 수소가스와 접촉하지 않으며,
상기 제1 전극 및 제2 전극은 카본블랙, Au, Ti 또는 Pt를 포함하는 동일 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서의 제조방법.
Preparing a substrate made of a hydrophobic polymer;
A film-electrode comprising a first electrode that is a counter electrode in contact with the substrate, a proton conductor film formed on the first electrode, and a second electrode that is a detection electrode formed on the proton conductor film and in contact with hydrogen gas Preparing a conjugate;
Positioning the membrane-electrode assembly on the substrate;
Bonding the substrate and the membrane-electrode assembly; And
Forming a sealing portion in which an outer peripheral surface of the structure consisting of the substrate and the film-electrode assembly is sealed, and one surface of the second electrode is opened; and
The first electrode, the proton conductor, and the substrate do not contact hydrogen gas by the sealing portion,
The first electrode and the second electrode are made of the same material containing carbon black, Au, Ti, or Pt, characterized in that the method of manufacturing a hydrogen sensor including a proton conductor.
상기 막-전극 접합체를 위치시키는 단계 이전에,
친수성 고분자로 이루어진 막을 산처리하여 프로톤 전도체를 제조하는 산처리 단계; 및
상기 프로톤 전도체의 양면에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 마련한 후 핫프레싱하여 막-전극 접합체를 제조하는 핫프레싱 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 프로톤 전도체를 포함하는 수소센서의 제조방법.
The method of claim 11,
Prior to the step of positioning the membrane-electrode assembly,
An acid treatment step of acid treating a membrane made of a hydrophilic polymer to prepare a proton conductor; And
A method of manufacturing a hydrogen sensor comprising a proton conductor, further comprising a; a hot pressing step of preparing a membrane-electrode assembly by providing a first electrode and a second electrode respectively on both sides of the proton conductor and then hot pressing .
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100319947B1 (en) | 1998-04-06 | 2002-01-09 | 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 | Hydrocarbon sensor |
| JP2010197074A (en) * | 2009-02-23 | 2010-09-09 | Gunze Ltd | Hydrogen gas sensor |
| JP2013068567A (en) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Gunze Ltd | Signal processing method of hydrogen gas sensor, and signal processor |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100892122B1 (en) * | 2007-06-01 | 2009-04-09 | (주)센코 | Carbon monoxide gas sensor and method of manufacturing the same |
| KR20080072850A (en) | 2008-05-16 | 2008-08-07 | 닛폰 이타가라스 가부시키가이샤 | Proton conductive material, process for producing the same, hydrogen concentration cell, hydrogen sensor and fuel cell |
| KR20120008208A (en) * | 2010-07-16 | 2012-01-30 | 한양대학교 산학협력단 | Electrochemical gas sensor and method for fabricating the same |
-
2018
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100319947B1 (en) | 1998-04-06 | 2002-01-09 | 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 | Hydrocarbon sensor |
| JP2010197074A (en) * | 2009-02-23 | 2010-09-09 | Gunze Ltd | Hydrogen gas sensor |
| JP2013068567A (en) * | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Gunze Ltd | Signal processing method of hydrogen gas sensor, and signal processor |
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