KR102329873B1 - High-concentration nafion-based hydrogen sensor for fuel-cell electric vehicles - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서에 관한 것으로, 기판과, 상기 기판에 접촉되어 구비되는 상대전극과, 상기 상대전극의 상부에 구비되는 나피온막과, 상기 나피온막의 상부에 구비되어 수소가스와 접촉하는 작업전극과, 상기 작업전극이 상기 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상기 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함함으로써, 넓은 검출 범위에서 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있다.The present invention relates to a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell, comprising a substrate, a counter electrode provided in contact with the substrate, a Nafion membrane provided on the counter electrode, and an upper portion of the Nafion membrane By including a working electrode in contact with hydrogen gas, and a sealing film for sealing the counter electrode, Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with the hydrogen gas, high-concentration hydrogen gas can be accurately detected in a wide detection range. can be detected.

Description

연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서{HIGH-CONCENTRATION NAFION-BASED HYDROGEN SENSOR FOR FUEL-CELL ELECTRIC VEHICLES}HIGH-CONCENTRATION NAFION-BASED HYDROGEN SENSOR FOR FUEL-CELL ELECTRIC VEHICLES for fuel cell

본 발명은 나피온막의 상하부에 작업전극과 상대전극이 부착된 막전극 접합체(MEA : membrane electrode assemblies)를 기판에 형성함으로써, 넓은 검출 범위에서 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서에 관한 것이다.The present invention provides high-concentration or high-concentration hydrogen gas for fuel cells that can precisely detect high-concentration hydrogen gas in a wide detection range by forming membrane electrode assemblies (MEA) with working electrodes and counter electrodes attached to the upper and lower portions of the Nafion membrane on a substrate. It relates to a pion-based hydrogen sensor.

잘 알려진 바와 같이, 자동차 산업의 센서 기술 수요는 신차 시장의 확대와 함께 증가하고 있는데, 연료 전지 전기 자동차는 일반적인 연소 엔진 차량에 사용되는 기존의 센서 외에도 고농도 수소센서와 같은 다양한 유형의 센서가 요구되고 있다.As is well known, the demand for sensor technology in the automotive industry is increasing with the expansion of the new car market, and fuel cell electric vehicles require various types of sensors, such as high-concentration hydrogen sensors, in addition to the conventional sensors used in general combustion engine vehicles. have.

여기에서, 수소는 깨끗한 연료, 즉 연소 중에 환경오염 물질을 생성하지 않지만, 산소와의 폭발적인 반응 때문에 생산, 저장 및 분포에 대해 신중한 고려가 필요한 것으로 알려져 있는데, 수소의 존재와 누설을 감지하는 수소센서는 연료전지 전기 자동차의 개발에 핵심 요소로 간주되고 있다.Here, it is known that hydrogen is a clean fuel, that is, does not generate environmental pollutants during combustion, but requires careful consideration for production, storage and distribution because of its explosive reaction with oxygen. A hydrogen sensor that detects the presence and leakage of hydrogen is considered a key factor in the development of fuel cell electric vehicles.

또한, 안전 측면 외에도, 수소센서는 연료 전지 스택으로 공급되고 재순환되는 수소 가스의 농도를 정밀하게 모니터링함으로써 연비를 개선하는데 도움이 될 수 있는데, 수소 가스의 누설 검출을 위한 다양한 종류의 수소센서는 예를 들어 촉매, 열전도도 기반, 전기화학, 저항 기반, 일 함수 기반, 광학, 음향 등과 같이 다양하게 개발되고 있다.In addition to safety aspects, hydrogen sensors can help to improve fuel efficiency by precisely monitoring the concentration of hydrogen gas supplied and recycled to the fuel cell stack. For example, catalysts, thermal conductivity-based, electrochemical, resistance-based, work function-based, optics, and acoustics are being developed in various ways.

하지만, 종래의 수소센서 대부분은 최대 4vol.%(폭약 한도)의 검출 범위를 가지고 있기 때문에, 연료 전지 전기 자동차에 사용되는 고농도 수소 가스를 모니터링하고 제어하는데 적합하지 않으므로 더 넓은 검출 범위를 갖는 수소센서의 개발이 시급한 실정이다.However, since most of the conventional hydrogen sensors have a detection range of up to 4 vol.% (explosive limit), they are not suitable for monitoring and controlling high concentration hydrogen gas used in fuel cell electric vehicles. development is urgently needed.

1. 한국공개특허 제10-2008-0072850호(2008.08.07.공개)1. Korea Patent Publication No. 10-2008-0072850 (published on August 7, 2008)

본 발명은 나피온막의 상하부에 작업전극과 상대전극이 부착된 막전극 접합체(MEA)를 기판에 형성함으로써, 넓은 검출 범위에서 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서를 제공하고자 한다.The present invention provides a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells that can precisely detect high-concentration hydrogen gas in a wide detection range by forming a membrane electrode assembly (MEA) with a working electrode and a counter electrode attached to the upper and lower portions of the Nafion membrane on a substrate. would like to provide

또한, 본 발명은 기판, 상대전극, 나피온막 및 작업전극과, 작업전극이 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함함으로써, 수소 가스에 노출된 고농도의 작업전극과 외부 대기로부터 격리된 저농도의 상대전극을 포함하는 농도 셀에 기초로 하는 수소의 분압에 따른 양성자 활동의 차이로 발생하는 두 전극 사이의 기전력을 이용하여 넓은 검출 범위의 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 짧은 응답 시간을 확보할 수 있는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서를 제공하고자 한다.In addition, the present invention includes a substrate, a counter electrode, a Nafion film and a working electrode, and a sealing film for sealing the counter electrode, Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with hydrogen gas. Based on a concentration cell containing an exposed high-concentration working electrode and a low-concentration counter electrode isolated from the external atmosphere, using the electromotive force between the two electrodes generated by the difference in proton activity according to the partial pressure of hydrogen, high concentration in a wide detection range An object of the present invention is to provide a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells that can precisely detect hydrogen gas and secure a very short response time.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The purpose of the embodiments of the present invention is not limited to the above-mentioned purpose, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. .

본 발명의 실시예에 따르면, 기판과, 상기 기판에 접촉되어 구비되는 상대전극과, 상기 상대전극의 상부에 구비되는 나피온막과, 상기 나피온막의 상부에 구비되어 수소가스와 접촉하는 작업전극과, 상기 작업전극이 상기 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상기 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함하는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a substrate, a counter electrode provided in contact with the substrate, a Nafion film provided on the counter electrode, and a working electrode provided on the Nafion film and in contact with hydrogen gas And, a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell including a sealing film for sealing the counter electrode, the Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with the hydrogen gas may be provided.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 기판은, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 소수성 고분자로 이루어지고, 카본 블랙, 카본나노튜브 및 그래핀 중에서 선택된 카본류 소재로 이루어진 전도성 입자가 내부에 분산되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the substrate may include polypropylene, polyester, thermoplastic polyurethane, polyethylene, polybutylene terephthalate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, Teflon and polyether ether ketone. A high concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells in which conductive particles made of at least one or more hydrophobic polymers selected from among carbon black, carbon nanotubes, and carbon materials selected from graphene are dispersed therein may be provided.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 상대전극 및 작업전극은, 카본류 소재 및 금속 나노입자를 포함하며, 상기 금속 나노입자는, Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the counter electrode and the working electrode include a carbon material and metal nanoparticles, and the metal nanoparticles include Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg and V A high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell comprising at least one selected from the group consisting of may be provided.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나피온막은, 친수성 고분자인 나피온(Nafion)으로 이루어진 막을 산처리하여 표면 또는 내부에 수산화기(OH-)를 갖도록 제조되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the Nafion membrane is a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells manufactured to have hydroxyl groups (OH-) on the surface or inside by acid-treating a membrane made of Nafion, which is a hydrophilic polymer. may be provided.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 밀봉막은, 에폭시 또는 테플론으로 이루어지는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the sealing film may be provided with a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells made of epoxy or Teflon.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 상대전극, 나피온막 및 작업전극은, 핫프레싱 방식으로 제조되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서가 제공될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the counter electrode, the Nafion membrane and the working electrode may be provided with a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell manufactured by a hot pressing method.

본 발명은 나피온막의 상하부에 작업전극과 상대전극이 부착된 막전극 접합체(MEA)를 기판에 형성함으로써, 넓은 검출 범위에서 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있다.According to the present invention, a high concentration hydrogen gas can be precisely detected in a wide detection range by forming a membrane electrode assembly (MEA) having a working electrode and a counter electrode attached to the upper and lower portions of the Nafion film on a substrate.

또한, 본 발명은 기판, 상대전극, 나피온막 및 작업전극과, 작업전극이 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함함으로써, 수소 가스에 노출된 고농도의 작업전극과 외부 대기로부터 격리된 저농도의 상대전극을 포함하는 농도 셀에 기초로 하는 수소의 분압에 따른 양성자 활동의 차이로 발생하는 두 전극 사이의 기전력을 이용하여 넓은 검출 범위의 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 짧은 응답 시간을 확보할 수 있다.In addition, the present invention includes a substrate, a counter electrode, a Nafion film and a working electrode, and a sealing film for sealing the counter electrode, Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with hydrogen gas. Based on a concentration cell containing an exposed high-concentration working electrode and a low-concentration counter electrode isolated from the external atmosphere, using the electromotive force between the two electrodes generated by the difference in proton activity according to the partial pressure of hydrogen, high concentration in a wide detection range Not only can hydrogen gas be detected accurately, but also a very short response time can be ensured.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서를 예시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서의 센서 측정 시스템을 예시한 도면이며,
도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서의 제조 및 특성 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram illustrating a sensor measurement system of a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention;
3 to 9 are views for explaining a result of manufacturing and characteristic analysis of a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of embodiments of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서는 기판(110), 상대전극(120), 나피온막(130), 작업전극(140), 밀봉막(150) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention has a substrate 110 , a counter electrode 120 , a Nafion film 130 , a working electrode 140 , and a sealing film 150 . ) and the like.

기판(110)은 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 소수성 고분자로 이루어질 수 있으며, 카본 블랙, 카본나노튜브 및 그래핀 중에서 선택된 카본류 소재로 이루어진 전도성 입자가 내부에 분산될 수 있다.The substrate 110 is, for example, at least one selected from polypropylene, polyester, thermoplastic polyurethane, polyethylene, polybutylene terephthalate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, Teflon, and polyether ether ketone. It may be made of a hydrophobic polymer, and conductive particles made of a carbon material selected from carbon black, carbon nanotubes, and graphene may be dispersed therein.

이러한 기판(110)은 의사 기준 전극(pseudo reference electrode)의 역할을 하면서 내부에 소수성 기공을 포함함으로써, 수소 검지 시에 상대전극(120)에서 생성되는 수분을 작업전극(140) 방향으로 밀어내는 역할을 하는데, 상대전극(120)에서 배출된 수분은 나피온막(130)을 통해 외부로 배출될 수 있으며, 나피온막(130)에 수분을 연속적으로 공급할 수 있어 수소센서의 전도성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 장시간 사용에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다.The substrate 110 serves as a pseudo reference electrode and includes hydrophobic pores therein, thereby pushing moisture generated from the counter electrode 120 in the direction of the working electrode 140 when hydrogen is detected. In this case, the moisture discharged from the counter electrode 120 can be discharged to the outside through the Nafion membrane 130 , and moisture can be continuously supplied to the Nafion membrane 130 , so that the conductivity of the hydrogen sensor can be improved. In addition, it is possible to prevent performance degradation due to long-term use.

여기에서, 기판(110)은 5 내지 15%의 기공율을 가질 수 있으며, 소수성 기공은 대략 5 내지 150㎛의 크기를 가질 수 있다.Here, the substrate 110 may have a porosity of 5 to 15%, and the hydrophobic pores may have a size of about 5 to 150 μm.

예를 들면, 테플론 등과 같은 소수성 고분자와 카본 블랙을 알코올류 용매와 혼합한 후 열처리함으로써, 내부에 소수성 기공이 형성되면서 전도성 입자인 카본 블랙이 분산된 기판(110)을 제조할 수 있다.For example, by mixing a hydrophobic polymer such as Teflon and carbon black with an alcohol solvent and heat-treating, hydrophobic pores are formed therein, and the substrate 110 in which conductive particles, carbon black, are dispersed can be manufactured.

상대전극(120)은 기판(110)에 접촉되어 구비되며, 카본류 소재 및 금속 나노입자를 포함하되, 카본류 소재는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 그래핀 중에서 선택될 수 있고, 금속 나노입자는, Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The counter electrode 120 is provided in contact with the substrate 110, and includes a carbon material and metal nanoparticles, the carbon material may be selected from carbon black, carbon nanotubes, and graphene, and the metal nanoparticles are , Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, may include at least one selected from the group consisting of Mg and V.

이러한 금속 나노입자는 수소를 흡착하여 전기적 특성이 변화하는 것을 통해 수소를 검지할 수 있으며, 수소를 상대적으로 많이 흡수할 수 있는데, 다공질인 탄소 분말 담체 표면에 분산된 입자 형태로 담지될 수 있고, 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔 증착법, 전기도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 방식, 수용액 상에서 Pd 및 Pt를 나노 와이어로 성장하는 방식 등으로 증착할 수 있다.These metal nanoparticles can detect hydrogen through the change of electrical properties by adsorbing hydrogen, and can absorb a relatively large amount of hydrogen, and can be supported in the form of dispersed particles on the surface of a porous carbon powder carrier, It can be deposited by sputtering, thermal evaporation, electron beam deposition, electroplating, a method of spraying an aqueous metal solution on the sample surface, or a method of growing Pd and Pt into nanowires in an aqueous solution.

나피온막(130)은 상대전극(120)의 상부에 구비되며, 친수성 고분자인 나피온(Nafion)으로 이루어진 막을 산처리하여 표면 또는 내부에 수산화기(OH-)를 갖도록 제조될 수 있다.The Nafion film 130 is provided on the counter electrode 120 and may be manufactured to have hydroxyl groups (OH-) on the surface or inside by acid-treating a film made of Nafion, which is a hydrophilic polymer.

이러한 나피온막(130)은 나피온으로 이루어진 막을 10% 황산에 침지하는 방식으로 전처리함으로써, 막의 이온전도도를 향상시킬 수 있다.The Nafion membrane 130 may be pretreated by immersing the Nafion membrane in 10% sulfuric acid, thereby improving the ionic conductivity of the membrane.

작업전극(140)은 나피온막(130)의 상부에 구비되어 수소가스와 접촉하며, 카본류 소재 및 금속 나노입자를 포함하되, 카본류 소재는 카본 블랙, 카본나노튜브 및 그래핀 중에서 선택될 수 있고, 수소에 대한 흡착 및 반응특성을 향상시키기 위해 수소 가스의 검지 물질로 사용되는 금속 나노입자는, Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The working electrode 140 is provided on the Nafion film 130 and is in contact with hydrogen gas, and includes a carbon material and metal nanoparticles, wherein the carbon material is selected from carbon black, carbon nanotubes, and graphene. The metal nanoparticles used as a detection material for hydrogen gas to improve adsorption and reaction properties for hydrogen include at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg, and V. may include

이러한 금속 나노입자는 수소를 흡착하여 전기적 특성이 변화하는 것을 통해 수소를 검지할 수 있으며, 수소를 상대적으로 많이 흡수할 수 있는데, 다공질인 탄소 분말 담체 표면에 분산된 입자 형태로 담지될 수 있고, 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔 증착법, 전기도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 방식, 수용액 상에서 Pd 및 Pt를 나노 와이어로 성장하는 방식 등으로 증착할 수 있다.These metal nanoparticles can detect hydrogen through the change of electrical properties by adsorbing hydrogen, and can absorb a relatively large amount of hydrogen, and can be supported in the form of dispersed particles on the surface of a porous carbon powder carrier, It can be deposited by sputtering, thermal evaporation, electron beam deposition, electroplating, a method of spraying an aqueous metal solution on the sample surface, or a method of growing Pd and Pt into nanowires in an aqueous solution.

밀봉막(150)은 작업전극(140)이 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상대전극(120), 나피온막(130) 및 작업전극(140)을 밀봉시키며, 에폭시 또는 테플론으로 이루어질 수 있다. 즉, 밀봉막(150)은 기판(110)의 상부에서 상대전극(120), 나피온막(130) 및 작업전극(140)의 측면을 감싸도록 연장된 후 작업전극(140)의 상부 가장자리 일부분을 감싸도록 형성될 수 있다.The sealing film 150 seals the counter electrode 120 , the Nafion film 130 , and the working electrode 140 except for a contact region where the working electrode 140 comes into contact with hydrogen gas, and may be made of epoxy or Teflon. . That is, the sealing film 150 extends from the upper portion of the substrate 110 to cover the side surfaces of the counter electrode 120 , the Nafion film 130 , and the working electrode 140 , and then a portion of the upper edge of the working electrode 140 . It may be formed to surround.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서는 수소 가스에 노출된 고농도의 작업전극(140)과 외부 대기로부터 격리된 저농도의 상대전극(120)을 포함하는 농도 셀에 기초로 하는 수소의 분압에 따른 양성자 활동의 차이로 발생하는 두 전극 사이의 기전력을 이용하여 넓은 검출 범위의 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 짧은 응답 시간(예를 들어 5초 미만)을 확보할 수 있다.As described above, the high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a concentration cell including a high concentration working electrode 140 exposed to hydrogen gas and a low concentration counter electrode 120 isolated from the external atmosphere. By using the electromotive force between the two electrodes generated by the difference in proton activity according to the partial pressure of hydrogen based on seconds) can be obtained.

여기에서, 상대전극(120), 나피온막(130) 및 작업전극(140)을 포함하는 막전극 접합체(MEA)는, 핫프레싱 방식으로 제조될 수 있는데, 상대전극(120), 나피온막(130) 및 작업전극(140)을 순차적으로 배치한 후에 가열부재(예를 들면, 핫플레이트 등)와 가압부재(예를 들면, 무게추, 프레스기 등)를 통해 가열 및 가압하는 방식으로 제조됨으로써, 이러한 막전극 접합체(MEA)는 접촉저항 등의 문제를 개선하여 수소센서의 이온전도도를 향상시킬 수 있다.Here, the membrane electrode assembly (MEA) including the counter electrode 120 , the Nafion film 130 , and the working electrode 140 may be manufactured by a hot pressing method. By sequentially arranging the 130 and the working electrode 140, heating and pressing through a heating member (eg, a hot plate, etc.) and a pressing member (eg, a weight, a press machine, etc.) , this membrane electrode assembly (MEA) can improve the ionic conductivity of the hydrogen sensor by improving problems such as contact resistance.

이러한 핫프레싱(hot pressing)은 약 140 내지 200℃의 온도로 가열하면서 1 내지 20 MPa로 가압하는 방식으로 수행될 수 있는데, 해당 압력 범위에서 140℃ 미만으로 핫프레싱이 수행될 경우 접합이 완전히 이루어지지 않아 접촉저항이 증가하는 문제가 있고, 200℃를 초과하여 핫프레싱이 수행될 경우 고분자로 이루어진 나피온막(130)의 열화(변형)을 야기할 수 있다. 바람직하게는 핫프레싱을 180℃ 미만의 온도에서 수행하는 것이 좋고, 140 내지 160℃의 온도에서 수행하는 것이 특히 바람직하다.Such hot pressing may be performed by pressing at 1 to 20 MPa while heating to a temperature of about 140 to 200°C. There is a problem in that contact resistance increases because it does not lose strength, and when hot pressing is performed in excess of 200° C., deterioration (deformation) of the Nafion film 130 made of polymer may be caused. Preferably, the hot pressing is carried out at a temperature of less than 180° C., particularly preferably at a temperature of 140 to 160° C.

핫프레싱 온도가 높으면 기계적인 접착성은 우수하지만, 나피온이 탈수(dehydration)되어 전기적 특성이 나쁘고, 핫프레싱 온도가 낮으면 기계적 접착성을 확보하기 위해 핫프레싱 압력을 높여야 하는데 이 경우에 나피온 두께가 감소하고 센서 동작 시 수분이 많이 흡수되어 팽창이 발생하게 되고 결국 나피온막과 전극이 분리된다.When the hot pressing temperature is high, the mechanical adhesion is excellent, but the Nafion is dehydrated and the electrical properties are poor. decreases and a lot of moisture is absorbed during sensor operation, causing expansion, and eventually the Nafion membrane and the electrode are separated.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서를 제조하여 온도, 상대습도, 압력, 수소농도 등이 수소센서에 미치는 영향에 대해 설명하기로 한다.On the other hand, the effect of temperature, relative humidity, pressure, hydrogen concentration, etc. on the hydrogen sensor by manufacturing a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to the embodiment of the present invention as described above will be described.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서의 센서 측정 시스템을 예시한 도면이며, 도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서의 제조 및 특성 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram illustrating a sensor measurement system of a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 9 are a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. It is a drawing for explaining the manufacturing and characteristic analysis result.

도 2 내지 도 9를 참조하면, 177㎛의 두께를 갖는 나피온 멤브레인을 소정의 전처리를 수행하여 풍부한 양성자가 존재하는 이온 전도체로 변환시켰다.2 to 9 , the Nafion membrane having a thickness of 177 μm was converted into an ion conductor having abundant protons by performing a predetermined pretreatment.

이와 같이 전처리된 나피온막의 양성자 전도체 필름은 2.0*2.0㎠ 조각으로 절단되었고, 전도성은 4-프로브(probe) 기법을 이용하여 측정되었는데, 도 3에 도시한 바와 같이 전기전도도는 평균 전기전도도 0.429S/cm에서 표준편차 0.021S/cm에서 전처리 후 1.353±0.129S/cm로 증가하였다.The proton conductor film of the Nafion membrane pretreated in this way was cut into 2.0*2.0cm2 pieces, and the conductivity was measured using a 4-probe technique. The standard deviation at /cm increased from 0.021S/cm to 1.353±0.129S/cm after pretreatment.

이것은 10% 황산으로 전처리할 경우 나피온막의 이온 전도도가 크게 증가함을 보여주는데, 나피온의 전도성 성질은 막의 술폰산(SO3H) 그룹에 양성자의 호핑(hopping)에서 비롯되며, 황산 및 질산과 같은 강산은 해리된 술폰산 부위(-SO3-)에 정전기적으로 결합된 다른 양이온을 대체하는 양성자를 제공하기 때문에, 황산 전처리에 의해 막의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.This shows that pretreatment with 10% sulfuric acid significantly increases the ionic conductivity of the Nafion membrane, which results from the hopping of protons to the sulfonic acid (SO 3 H) groups of the membrane, such as sulfuric acid and nitric acid. Since the strong acid provides protons to replace other cations electrostatically bound to the dissociated sulfonic acid site (-SO3-), the ionic conductivity of the membrane can be improved by pretreatment with sulfuric acid.

다음에, 막전극 접합체(MEA)는 수화된 나피온막에 양극과 음극을 부착하여 핫프레싱 방식으로 제조하였는데, 고온압축 조건의 최적화로 인해 우수한 기계적 안정성과 평면 인터페이스가 달성되었고, 고온압축온도는 MEAs의 기계적 및 전기적 특성 사이의 트레이드오프를 기준으로 150℃로 결정되었다.Next, a membrane electrode assembly (MEA) was prepared by hot pressing by attaching an anode and a cathode to a hydrated Nafion membrane. Based on the trade-off between the mechanical and electrical properties of MEAs, 150 °C was determined.

그리고, 높은 온도는 좋은 기계적 접착을 초래했지만, 탈수로 인해 전기 분해가 관찰되었고, 낮은 온도는 고온압축 압력의 증가를 요구하여, 고온압축 후 막 두께를 실질적으로 감소시킨다는 점을 알 수 있었다.And, it was found that high temperature resulted in good mechanical adhesion, but electrolysis was observed due to dehydration, and low temperature required an increase in high temperature compression pressure, which substantially reduced the film thickness after high temperature compression.

한편, 나피온막에 물이 더 많이 흡수될수록 막의 팽창이 더 크고 얇은 샘플의 물 흡수가 더 빠르게 일어나는데, 잔여 산소와의 음극 반응을 통해 물이 생성되기 때문에, 막은 센서 작동 중에 우선적으로 팽창할 수 있고, 응력은 막과 전극 사이의 이러한 팽창 불일치로 인해 발생하며, 이는 막과 전극의 분리를 유도하고, 이것은 산소와의 음극 반응을 통해 물이 생성됨에 따라 우선적으로 팽창하기 때문에 센서 작동 중에 막과 전극의 분리를 야기함을 알 수 있다. On the other hand, the more water absorbed by the Nafion membrane, the greater the expansion of the membrane and the faster the water absorption of the thin sample. The stress is caused by this expansion mismatch between the membrane and the electrode, which leads to the separation of the membrane and the electrode, which preferentially expands as water is produced through cathodic reaction with oxygen during sensor operation. It can be seen that the electrode is separated.

상술한 바와 같이 제조된 수소센서는 Pt-C 전극/나피온막/Pt-C 전극/테프론 기판의 다층 구조를 가질 수 있으며, 막전극 접합체(MEA)는 상부 Pt-C 전극의 표면 일부를 제외한 에폭시 수지로 밀봉되었다.The hydrogen sensor manufactured as described above may have a multilayer structure of Pt-C electrode / Nafion film / Pt-C electrode / Teflon substrate, and the membrane electrode assembly (MEA) except for a part of the surface of the upper Pt-C electrode sealed with epoxy resin.

이러한 수소센서는 수소 가스에 노출된 고농도 작업전극 및 외부 대기로부터 격리된 저농도 상대전극을 포함하는 농도 셀에 기초하고, 수소의 분압에 따라 양성자 활동의 차이로 인해 두 전극 사이에 기전력이 발생하게 되는데, 글러브박스는 산소 투과를 방지하기 위해 질소 가스로 퍼지되었으며, 고순도의 수소 및 질소 가스가 각 공급구를 통해 도 2에 도시한 바와 같은 센서 측정 시스템에 공급되었다.This hydrogen sensor is based on a concentration cell including a high concentration working electrode exposed to hydrogen gas and a low concentration counter electrode isolated from the external atmosphere, and an electromotive force is generated between the two electrodes due to the difference in proton activity depending on the partial pressure of hydrogen. , the glove box was purged with nitrogen gas to prevent oxygen permeation, and high-purity hydrogen and nitrogen gas were supplied to the sensor measurement system as shown in FIG. 2 through each supply port.

여기에서, 가스 혼합 시스템은 질소에 희석된 수소 가스의 농도가 다른 가스 혼합물을 얻기 위해 사용되었으며, 고농도 수소 가스(20-99.99%)가 시험실에 주입되었고, 방전 가스는 글로브박스 밖으로 배출되었다.Here, the gas mixing system was used to obtain a gas mixture with different concentrations of hydrogen gas diluted in nitrogen, high concentration hydrogen gas (20-99.99%) was injected into the test room, and the discharge gas was discharged out of the glove box.

상술한 바와 같은 도 2의 센서 측정 시스템을 통해 센서 기전력(EMF : electromotive force)이 수소 농도에 미치는 영향을 조사하였는데, 수소와 질소의 혼합기체는 가스 혼합기를 이용하여 수소 농도를 유지하는 동안 분당 300sccm의 총 유량으로 2분동안 주입되었고, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 센서의 출력전압은 수소 농도에 따라 달라짐을 알 수 있으며, 전압은 수소 농도가 20에서 99.99%로 증가함에 따라 62.80에서 80.87 mV로 증가함을 알 수 있다.As described above, the effect of sensor electromotive force (EMF) on hydrogen concentration was investigated through the sensor measurement system of FIG. was injected for 2 minutes at a total flow of It can be seen that it increases to 80.87 mV.

여기에서, 기전력(EMF)의 이론적 값은 아래의 수학식 1과 같은 Nernst 방정식에서 계산할 수 있다.Here, the theoretical value of the electromotive force (EMF) can be calculated from the Nernst equation as in Equation 1 below.

Figure 112019121818511-pat00001
Figure 112019121818511-pat00001

여기에서, R은 가스 상수, F는 패러데이 상수, T는 온도(K), Ps는 샘플 가스 혼합물의 부분 가스 압력(수소 농도에 비례), Pc는 기준 분압, n은 센서의 기본 전기화학적 반응에 관여하는 전자의 수(n=2 수소)를 의미하고, 일반적으로 감지 전극 전위는 공기 중 수소 농도의 대수 함수를 나타낸다.where R is the gas constant, F is the Faraday constant, T is the temperature (K), Ps is the partial gas pressure of the sample gas mixture (proportional to the hydrogen concentration), Pc is the reference partial pressure, and n is the basic electrochemical reaction of the sensor. It means the number of electrons involved (n=2 hydrogen), and in general, the sensing electrode potential represents a logarithmic function of the hydrogen concentration in air.

그리고, 도 5에 도시한 바와 같이 수소 농도 20%와 99.99% 사이에서 계산된 EMF 차이는 20.76mV로 실제 측정(18.07mV)에서 얻은 것과 거의 일치함을 알 수 있으며, 마찬가지로, 20과 60%의 두 농도에 대한 기전력(EMF) 차이의 이론적 및 실험적 값은 양호한 일치를 보인다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이론 및 실험 기전력(EMF) 값 사이의 작은 불일치는 가스 혼합 시스템에 의해 결정된 수소 농도의 부정확성에 기인할 수 있다.And, as shown in FIG. 5, it can be seen that the calculated EMF difference between 20% and 99.99% of hydrogen concentration is 20.76mV, which is almost identical to that obtained in the actual measurement (18.07mV), and similarly, 20 and 60% of It was found that the theoretical and experimental values of the difference in electromotive force (EMF) for the two concentrations showed good agreement. The small discrepancy between these theoretical and experimental electromotive force (EMF) values can be attributed to the inaccuracy of the hydrogen concentration determined by the gas mixing system.

도 4의 (b)는 각 단계에서 20% 증가와 함께 농도가 증가하는 수소 가스에 대한 센서 반응을 나타내는데, 이 결과는 제작된 수소센서가 0-99.99%의 전체 범위에서 적절하게 작동한다는 것을 분명히 보여줌을 알 수 있었고, 3가지 반복측정을 통해 출력전압의 변화를 1% 이하로 추정할 수 있었다.4(b) shows the sensor response to hydrogen gas, which increases in concentration with 20% increase in each step, and this result clearly shows that the manufactured hydrogen sensor operates properly in the entire range of 0-99.99%. The change in output voltage could be estimated to be less than 1% through three repeated measurements.

그리고, 수소센서의 응답시간은 순수 질소가스에 2분 동안 노출시킨 후 수소가스를 주입한 후 측정하였는데, 도 6에 도시한 바와 같이 도 4의 (a)에서는 수소 농도와 상관없이 수소 가스가 도입된 후 1초 후에 기전력(EMF)이 발생되었음을 나타내고 있고(측정 장비의 한계로 인해 출력 전압이 1s 간격으로 획득되었음), 센서가 수소 가스에 노출되면 전기 화학적 반응이 1초 이내에 시작되는 것이 분명함을 알 수 있었다.And, the response time of the hydrogen sensor was measured after exposure to pure nitrogen gas for 2 minutes and then injection of hydrogen gas. indicates that an electromotive force (EMF) was generated 1 second after the Could know.

여기에서, 반응 시간은 정상 상태 전압의 90%에 도달하는 데 필요한 시간으로 결정되었는데, 제작된 수소센서는 그림에서 보듯이 반응시간이 5초 미만으로 매우 짧은 것을 확인할 수 있었고, 반응 시간은 수소 농도가 20에서 99.99%로 증가함에 따라 3.77에서 2.73초로 감소함을 확인할 수 있었다.Here, the reaction time was determined as the time required to reach 90% of the steady-state voltage. It can be confirmed that as α increases from 20 to 99.99%, it decreases from 3.77 to 2.73 seconds.

한편, 본 발명에서는 연료전지 전기자동차에서 수소농도를 모니터링하기 위한 수소센서의 적용 가능성을 확인하기 위해 습도, 압력, 온도가 센서의 신뢰성에 미치는 영향을 조사하였는데, 실험 챔버에 수소와 순수 질소 가스를 각각 2분씩 교대로 주입하도록 신뢰성 실험을 수행하였다.Meanwhile, in the present invention, the effect of humidity, pressure, and temperature on the reliability of the sensor was investigated in order to confirm the applicability of the hydrogen sensor for monitoring the hydrogen concentration in a fuel cell electric vehicle. Reliability tests were performed to alternately inject each for 2 minutes.

이러한 실험을 통해, 온도와 습도가 일정한 챔버에 2시간 동안 20% RH 또는 90% RH로 침지한 후 센서의 출력 특성 변화를 조사하였는데, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이 20% RH에서 센서의 출력 전압 특성은 침지 전후에 거의 일정하게 나타남을 알 수 있고, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이 90% RH의 경우 비교적 큰 변화가 나타남을 알 수 있다. 하지만, 전체적으로 출력 전압 변동은 6% 이내로 제한되면서 반복적인 센싱 동작이 잘 유지된다는 것을 알 수 있었다.Through these experiments, changes in the output characteristics of the sensor were investigated after being immersed in a chamber with constant temperature and humidity at 20% RH or 90% RH for 2 hours. It can be seen that the output voltage characteristic of the sensor appears almost constant before and after immersion, and it can be seen that a relatively large change occurs at 90% RH as shown in FIG. 7B. However, it was found that the repetitive sensing operation was well maintained while the overall output voltage fluctuation was limited to within 6%.

상술한 바와 같이 막 팽창은 물 흡수로 인한 것이고, 이것은 센서의 스트레스를 증가시킬 수 있기 때문에, 고습 환경은 나피온막의 기계적 불안정성으로 인해 센서 성능을 저하시킬 수 있고, 상대습도가 증가함에 따라 나피온의 양성자 전도도가 증가하므로, 높은 습도 자체는 양성자 전도에 해롭지 않을 것이며, 습도가 센서 성능에 미치는 영향은 한계로 간주될 수 있다.As described above, membrane expansion is due to water absorption, which can increase the stress of the sensor, so a high-humidity environment can degrade the sensor performance due to the mechanical instability of the Nafion membrane, and as the relative humidity increases, Nafion As the proton conductance of , high humidity itself will not be detrimental to proton conduction, and the effect of humidity on sensor performance can be considered as a limiting factor.

그리고, 진공챔버에 투입한 후 센서의 출력특성 변화를 2시간 동안 100kPa 또는 30kPa로 측정하였는데, 나피온막은 진공 상태에서 탈수되기 쉽다는 것은 잘 알려져 있기 때문에, 저압 환경은 나피온막의 탈수를 유발하고 센서 성능의 저하를 초래할 것으로 예상되었지만, 도 8에 도시한 바와 같이 압력이 감소하더라도 센서 안정성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타남을 알 수 있었고, 탈수는 온도가 증가함에 따라 촉진되는 반면, 실온에서의 실험은 수행될 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이러한 실험결과를 통해 상온에서 압력이 30 kPa로 감소하는 것은 센서의 막탈수에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.And, the change in the output characteristic of the sensor was measured at 100 kPa or 30 kPa for 2 hours after being put into the vacuum chamber. Although it was expected to lead to a decrease in sensor performance, as shown in Fig. 8, it was found that decreasing the pressure did not appear to affect the sensor stability, and dehydration was accelerated with increasing temperature, whereas the experiment at room temperature can be performed, and through these experimental results, it was found that reducing the pressure to 30 kPa at room temperature did not affect the membrane dehydration of the sensor.

마지막으로, -10℃ 또는 80℃에서 2시간동안 일정한 온도 및 습도 챔버에 투입한 후 센서의 출력 특성 변화를 조사하였는데, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 -10℃에서 투입된 센서의 응답 곡선은 원시 센서의 응답 곡선과 거의 동일하게 나타나는 것을 알 수 있었고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이 센서 응답은 80℃에서 젖을 때 급격히 변하는 것을 확인할 수 있었으며, 센서는 질소 주입 중에 완전히 회복되지 않음을 알 수 있었다.Finally, the change in the output characteristics of the sensor was investigated after being put in a constant temperature and humidity chamber at -10°C or 80°C for 2 hours. It can be seen that the curve appears almost identical to the response curve of the raw sensor, and it can be seen that the sensor response changes rapidly when wet at 80°C, as shown in FIG. knew it wasn't.

이 결과는 80℃ 이상에서 나피온막의 탈수에 기인하기 때문에, 제작된 수소센서를 80℃ 이상의 고온환경에 적용하기 위해서는 가스유동을 위한 개구부가 작은 열밀봉 구조를 설계하여 나피온막을 가습하도록 해야 함을 알 수 있었고, 무기 나노입자를 나피온막에 도입하는 것은 센서의 작동 온도를 증가시키는 또 다른 효과적인 방법으로 간주될 수 있다.Since this result is due to the dehydration of the Nafion membrane at 80°C or higher, in order to apply the manufactured hydrogen sensor to a high-temperature environment above 80°C, a heat-sealing structure with a small opening for gas flow must be designed to humidify the Nafion membrane. was found, and the introduction of inorganic nanoparticles into the Nafion membrane can be considered as another effective way to increase the operating temperature of the sensor.

상술한 바와 같이 제작된 수소센서는 수소 농도 범위 20-99.99%에서 작동하며 매우 짧은 응답 시간(5초 미만)을 나타낸다는 것을 알 수 있었고, 상대습도와 압력의 환경적 변화는 센서의 안정성에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었으며, -10℃에서 젖은 센서의 반응 곡선은 원시 센서의 반응 곡선과 거의 동일하지만, 80℃에서 젖을 때 센서 반응이 급격히 변경되었음을 알 수 있었는데, 고온에서의 이러한 열화는 나피온막의 탈수에 기인한다는 것을 확인할 수 있었고, 이것은 센서를 위한 밀봉 구조를 사용함으로써 방지할 수 있음을 알 수 있었고, 이러한 전체 실험 결과를 통해 나피온 기반의 전위차 수소센서가 연료전지 전기자동차에서 고농도 수소 가스를 모니터링 할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.It was found that the hydrogen sensor manufactured as described above operates in the hydrogen concentration range of 20-99.99% and exhibits a very short response time (less than 5 seconds), and environmental changes in relative humidity and pressure affect the stability of the sensor. It can be seen that the response curve of the wet sensor at -10℃ is almost the same as that of the raw sensor, but the sensor response is drastically changed when wet at 80℃. It was confirmed that it was caused by dehydration of the Pion membrane, and it was found that this could be prevented by using a sealing structure for the sensor. It can be seen that the gas can be monitored.

따라서, 본 발명은 나피온막의 상하부에 작업전극과 상대전극이 부착된 막전극 접합체(MEA)를 기판에 형성함으로써, 넓은 검출 범위에서 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있다.Therefore, the present invention can precisely detect high concentration hydrogen gas in a wide detection range by forming a membrane electrode assembly (MEA) having a working electrode and a counter electrode attached to the upper and lower portions of the Nafion film on a substrate.

또한, 본 발명은 기판, 상대전극, 나피온막 및 작업전극과, 작업전극이 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함함으로써, 수소 가스에 노출된 고농도의 작업전극과 외부 대기로부터 격리된 저농도의 상대전극을 포함하는 농도 셀에 기초로 하는 수소의 분압에 따른 양성자 활동의 차이로 발생하는 두 전극 사이의 기전력을 이용하여 넓은 검출 범위의 고농도 수소 가스를 정밀하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 짧은 응답 시간을 확보할 수 있다.In addition, the present invention includes a substrate, a counter electrode, a Nafion film and a working electrode, and a sealing film for sealing the counter electrode, Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with hydrogen gas. Based on a concentration cell containing an exposed high-concentration working electrode and a low-concentration counter electrode isolated from the external atmosphere, using the electromotive force between the two electrodes generated by the difference in proton activity according to the partial pressure of hydrogen, high concentration in a wide detection range Not only can hydrogen gas be detected accurately, but also a very short response time can be ensured.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.In the above description, various embodiments of the present invention have been presented and described, but the present invention is not necessarily limited thereto. It will be readily appreciated that branch substitutions, transformations and alterations are possible.

110 : 기판
120 : 상대전극
130 : 나피온막
140 : 작업전극
150 : 밀봉막
110: substrate
120: counter electrode
130: Nafion membrane
140: working electrode
150: sealing film

Claims (6)

기판과,
상기 기판에 접촉되어 구비되는 상대전극과,
상기 상대전극의 상부에 구비되는 나피온막과,
상기 나피온막의 상부에 구비되어 수소가스와 접촉하는 작업전극과,
상기 작업전극이 상기 수소가스와 접촉하는 접촉영역을 제외한 상기 상대전극, 나피온막 및 작업전극을 밀봉시키는 밀봉막을 포함하며,
상기 상대전극 및 작업전극은, 카본류 소재 및 금속 나노입자를 포함하며,
상기 금속 나노입자는, Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
수소 가스에 노출된 고농도의 상기 작업전극과 외부 대기로부터 격리된 저농도의 상기 상대전극을 포함하는 농도 셀에 기초로 하는 수소의 분압에 따른 양성자 활동의 차이로 발생하는 두 전극 사이의 기전력을 이용하여 수소 가스를 검출하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서.
board and
a counter electrode provided in contact with the substrate;
a Nafion film provided on the counter electrode;
a working electrode provided on the Nafion membrane and in contact with hydrogen gas;
and a sealing film for sealing the counter electrode, the Nafion film, and the working electrode except for a contact region in which the working electrode is in contact with the hydrogen gas,
The counter electrode and the working electrode include carbon materials and metal nanoparticles,
The metal nanoparticles include at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Al, Ni, Mn, Mo, Mg and V,
Using the electromotive force between the two electrodes generated by the difference in proton activity according to the partial pressure of hydrogen based on a concentration cell including the working electrode of high concentration exposed to hydrogen gas and the counter electrode of low concentration isolated from the external atmosphere A high concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells, characterized in that it detects hydrogen gas.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 테프론 및 폴리에테르 에테르 케톤 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 소수성 고분자로 이루어지고, 카본 블랙, 카본나노튜브 및 그래핀 중에서 선택된 카본류 소재로 이루어진 전도성 입자가 내부에 분산되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서.
The method of claim 1,
The substrate is made of at least one hydrophobic polymer selected from polypropylene, polyester, thermoplastic polyurethane, polyethylene, polybutylene terephthalate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, Teflon and polyether ether ketone, , a high-concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells in which conductive particles made of carbon materials selected from carbon black, carbon nanotubes, and graphene are dispersed therein.
삭제delete 제 2 항에 있어서,
상기 나피온막은, 친수성 고분자인 나피온(Nafion)으로 이루어진 막을 산처리하여 표면 또는 내부에 수산화기(OH-)를 갖도록 제조되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서.
3. The method of claim 2,
The Nafion membrane is a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells manufactured to have hydroxyl groups (OH-) on the surface or inside by acid-treating a membrane made of Nafion, a hydrophilic polymer.
제 4 항에 있어서,
상기 밀봉막은, 에폭시 또는 테플론으로 이루어지는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서.
5. The method of claim 4,
The sealing film is a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for fuel cells made of epoxy or Teflon.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 상대전극, 나피온막 및 작업전극은, 핫프레싱 방식으로 제조되는 연료 전지용 고농도 나피온 기반 수소센서.
6. The method of any one of claims 1, 2, 4 and 5, wherein
The counter electrode, the Nafion membrane and the working electrode are a high concentration Nafion-based hydrogen sensor for a fuel cell manufactured by a hot pressing method.
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