KR20060055543A - 수소 가스센서 - Google Patents
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Abstract
제 1 전극과 제 2 전극이 배열되고 전해질이 두 전극 사이에 적어도 부분적으로 개재된 수소 가스 센서가 개시된다. 제 1 전극과 제 2 전극은 각각 수소 가스에 대한 상이한 화학적 포텐셜을 갖는 재료로 제조된다. 특히, 제 1 전극은 상대적으로 높은 화학 포텐셜을 갖는 재료를 포함하고, 반면 제 2 전극은 상대적으로 낮은 화학 포텐셜을 갖는 재료를 포함한다. 제 1 전극이 수소 전극에 대한 검출 전극의 역할을 하도록 하고, 반면 제 2 전극은 수소 가스에 대한 기준 전극의 역할을 하게 함으로써, 수소 가스는 이들 전극 사이에서 발생한 기전력에 따라 검출된다.
수소 가스 센서, 수소 가스 누출 경보 시스템
Description
기술분야
본 발명은, 공기 중에 누출된 수소 가스의 검출 또는 수소 가스의 농도 분석에 적절한 수소 가스센서에 관한 것이다.
배경기술
미래의 수소 에너지 이용 사회에서는 수소 폭발의 위험성이 제거되어 안전성이 높고, 편리한 수소 에너지 이용 시스템의 구축이 요구된다. 수소 가스 센서는 대기중에 누출된 수소량을 한 번에 검출할 수 있고 수소 가스 센서의 구조를 단순화 할 수 있으며, 수소 가스 센서의 신뢰성을 개선하도록 구성되는 것이 요구된다.
종래의 수소 가스 센서는 반도체형, 이온화형 또는 연소형 등의 검출 원리에 기초하여 구성되며, 수소량은 광범위한 물리량으로 정의될 수 있는 캐리어 농도 (반도체형), 이온 농도 (이온화형) 또는 반응열 (수소 가스를 연소시켜서 수증기압을 측정하는 연소형) 을 이용하여 간접적으로 검출하고, 그에 의해 대응하는 전기적인 값으로 변환된다. 따라서, 종래의 수소 가스 센서로는, 수소 가스를 검출하는데 오랜 기간, 예를 들어, 100초 정도가 걸린다. 특히, 수소 누출 알람 시스템에서 사용되는 수소 가스 센서로는 수소 가스 센서가 폭발 한계 밑의 저농도 범위 내에서 수소 가스 농도를 검출하고 수소 검출 시간의 주기를 단축하도록 구성 되는 것이 요구된다.
종래의 (반도체형, 이온화형, 연소형) 수소 가스 센서로는, 수소 가스 농도가 수소 가스 검출 신호로서 캐리어 농도, 이온 농도 또는 반응열을 이용하여 검출되므로, 수소 검출은 큰 검출 영역을 필요로 한다. 이러한 관점에서, 수소 가스의 검출 정확성과 민감성은 수소 가스 센서의 구조, 형상 및 전극 사이즈에 의존하고, 따라서 수소 가스 센서의 크기의 감소가 제한된다. 또한, 종래 (반도체형, 이온화형 또는 연소형) 수소 가스 센서는 환경의 가스의 영향을 받을 수도 있다. 특히, 수소 가스 센서가 수소 원소를 포함하는 가솔린, 하이드로 카본 및 알콜을 포함하는 분위기에서 이용될 경우, 수소 가스 센서는 수소계 가스에 반응하여 수소 가스 검출의 신뢰성을 저하시킬 수도 있다.
이러한 관점으로부터, 상술한 종래 수소 가스 센서 대신에 신규한 전기화학 가스 센서가 개발되고 실용화되었다. 신규한 가스 센서는 기전력 측정형 수소 가스 센서 및 전류 검출형 수소 가스 센서로 분류할 수 있다. 전자의 형태의 수소 가스 센서로는, 특허 공보 제 1 및 2에 개시된 바와 같이, 수소 가스 전극이 수소 기준 가스 압력에서 구성된 기준 전극으로 제조되고, 검출 전극은 검출될 가스 (수소 가스) 를 측정하기 위한 동작 전극으로 제조되며, 수소 전극과 검출 전극 사이의 전위 차는 수소 가스 농도에 대응하는 수소 가스 센서의 출력으로 측정된다.
수소 전극으로, 원자형태의 수소가 전극 표면에 충분히 존재하여 전극의 기준 전위를 형성한다. 그러한 상태 하에서, 수소 가스가 검출 전극과 접촉하여 원자형태의 수소로 분해될 때, 검출 전극은 원자 형태의 수소량에 비례하여 전기적 포텐셜을 나타내고, 수소 가스 전극과 검출 전극 사이의 포텐셜 차이는 수소 가스 농도의 함수로 검출된다. 즉, 신규한 수소 가스 센서로, 검출 수소 가스 압력이 기준 수소 가스 압력에 비교하여 측정되므로, 전극 양자 모두는 기준 수소 가스 분위기와 검출 가스 분위기에서 독립적으로 배치되어야 하며, 따라서 다른 기준 수소 가스 압력실이 검출 가스 압력실에 추가로 제공되어야만 한다. 이 때문에, 수소 가스 센서는 크기가 증가할 필요가 있으며 수소 가스 센서의 사용 조건 등이 제한된다.
전류 검출형 수소 가스 센서로는, 전류값이 광범위한 물리량으로 분류되고, 따라서 수소 가스 센서를 사용하는 매우 정확한 측정을 실현하기 위해서, 수소 가스 센서의 면적 또는 체적이 증가해야만 하고, 외부 전력 공급부가 수소 가스 센서를 위해 제공되어야 한다.
특허 공보 1:일본국 특허 출원 공개공보 2003-270200 호
특허 공보 2:일본국 특허 출원 공보 5-663호
발명의 개시:
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
본 발명의 목적은 구조가 단순화되고 수소 가스가 한 번에 매우 정확하게 검출될 수 있는 전기화학적 원리에 기초한 신규한 기전력 측정형 수소 가스 센서를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극 및 제 2 전극과 접촉하는 전해질을 포함하고, 제 1 전극과 제 2 전극은 수소 가스의 화학적 포텐셜이 상이한 대응하는 재료로 제조되고, 제 1 전극은 더 높은 화학적 포텐셜 재료로 제조되고, 제 2 전극은 더 낮은 화학적 포텐셜 재료로 제조되며, 수소 가스는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 발생되는 기전력에서 검출되는, 수소 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에서, 수소 가스 센서의 전극은 서로 화학적 포텐셜이 상이한 대응하는 재료를 포함하도록 구성되고, 더 높은 화학적 포텐셜 재료를 포함하는 제 1 전극은 검출 전극으로 정의되고 더 낮은 화학적 포텐셜 재료를 포함하는 제 2 전극은 기준 전극으로 정의된다. 따라서, 수소 가스 센서가 수소 가스를 포함하는 동일한 분위기에 배치될 때, 전극들은 화학적 포텐셜이 상이한 재료로 각각 제조되기 때문에 수소 가스 센서의 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 포텐셜 차가 발생된다. 그 결과, 동일한 분위기 하에서 수소 가스는 전극들 사이의 포텐셜 차이로부터 검출될 수 있다.
본 발명의 수소 가스 센서에 따르면, 다른 기준 수소 가스 압력실이 종래의 기전력 측정형 수소 가스 센서와 상이할 필요가 없기 때문에, 수소 가스 센서의 구조가 단순화될 수 있고 수소 가스 센서의 사이즈가 감소될 수 있으며, 또한 수소 가스를 한번에 검출할 수 있다.
여기서, 수소 가스 센서의 전극들 사이의 포텐셜 차이는 하기 관계식으로부터 생성된다.
여기서, 참조 문자 "F" 는 패러데이 상수를 의미하고, 참조 문자 "E" 는 EMF 값을 의미하며, 
는 각각 금속과 수소 가스에 대한 원자 형태의 수소의 화학적 포텐셜과 동일한 전기 화학적 포텐셜이다. 그리고, 단자 [Ⅰ] 및 단자 [Ⅱ]는 동일한 구리 와이어로 제조되기 때문에, 전자의 전기 화학적 포텐셜은 하기식으로 표현된다.
여기서, 정전기 포텐셜과 기전력 (E) 사이의 관계를 나타내는 식 (3) 이 이용된다.
여기서, 
는 제 1 전극의 정전기를 의미하고 
는 제 2 전극의 정전기를 의미한다.
이런 식으로, 본 발명의 수소 가스 센서는 양쪽 전극 모두의 원자형태의 수소 농도로부터 발생한 화학적 포텐셜 차이에 대응하는 기전력을 유발하고, 기전력에 기초하여 수소 가스 농도를 검출한다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서, 제 1 전극은 제 1 전극이 더 높은 화학적 포텐셜 재료를 포함하도록 검출 전극으로 구성되고, 제 2 전극은 제 2 전극이 더 낮은 화학적 포텐셜 재료를 포함하도록 기준 전극으로 구성되고, 따라서 기전력 (E) 은 제 1 전극의 정전기 포텐셜로부터 주로 발생한다.
기전력 (E) 이 화학적 포텐셜에 관련된 전극 재료의 종류에만 의존할 뿐, 전극의 사이즈와 구조에는 의존하지 않기 때문에, 수소 가스 센서는 사이즈가 감소되고 구조가 단순화될 수 있다. 또한, 상술한 반응은 수소 가스가 검출 전극인 제 1 전극과 접촉하자마자 발생하므로, 수소 가스 검출이 한 번에 수행될 수 있다.
여기서, 본 발명의 수소 가스 센서는 비-수소 분위기 하에서 고유 자발 기전력을 가지므로, 수소 가스 센서는 동작성에 관한 자기진단 기능을 가질 수 있다.
수소 가스 센서에서, 화학적 포텐셜은 수소 가스의 흡착-해리 활성도와 관련될 수 있다. 즉, 수소 가스 센서는 전극이 수소 흡착-해리 활성도가 서로 상이한 대응하는 재료를 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제 1 전극이 수소 가스에 대해 더 높은 흡착-해리 활성도를 갖는 재료로 구성되고, 제 2 전극이 수소 가스에 대해 더 낮은 흡착-해리 활성도를 갖는 재료로 구성된다면, 제 1 전극은 더 높은 화학적 포텐셜 재료를 포함할 수 있으며, 제 2 전극은 더 낮은 화학 포텐셜 재료를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제 1 전극은 H2(-)│50 ㏖/㎥ H2SO4│시료(+)의 셀에서 0.8 V 이상의 표준 기전력을 나타내는 제 1 전극 재료를 포함할 수 있으며, 제 2 전극은 동일한 셀 구성에서 0.8 V 미만의 제 2 전극 재료를 포함할 수 있다.
제 1 전극 재료로서 Pt, Pt 합금, Pd, Pd 합금을 예시할 수 있다. 제 1 전극은 상기 예시한 재료 또는 소정 기판상에 상기 예시한 재료의 지지된 재료로 제조될 수 있다. 제 1 전극은 제 1 전극이 수소 가스에 대한 검출 전극으로 기 능할 수만 있다면 본 발명의 범위 내에서 임의의 구성으로 형성될 수 있다.
제 2 전극 재료로서 Ni, Ni 합금, Ti, Ti 합금, Cu, Cu 합금, Fe, Fe 합금, Al, Al 합금 및 유기 도전성 물질을 예로 들 수 있다. 제 2 전극은 상기 예시한 재료들로 제조될 수 있지만, 제 2 전극이 수소 가스에 대한 기준 전극으로서 기능할 수만 있다면 본 발명의 범위 내에서 임의의 구성으로 형성될 수 있다.
수소 가스에 대한 검출 전극이 Pd-H로 제조된 수소 가스 센서는 비특허문헌 1에 개시된다. 이 경우, 수소 가스가 사용 시간에 따라 검출 전극으로부터 부분적으로 증발되기 때문에, 수소 가스 센서는 고유 효과/기능을 나타낼 수 없다. 반대로, 본 발명에서, 그러한 수소 함유 전극이 사용되지 않고, 수소 함유 전극의 사용에 관련된 상술한 문제가 해결될 수 있다.
[비특허문헌 1]
A. Macker 외, ASTM Spec Tech Publ. No. 962(1998/06), 90-97 페이지.
또한, 전해질은 액체 전해질 또는 고체 전해질로 제조될 수 있지만, 고체 전해질로 제조되는 것이 바람직하다. 이 경우, 수소 가스 센서의 관리는 단순화될 수 있고, 실온 (0℃) 내지 120℃의 온도 범위 내에서 정밀하게 작동될 수 있다. 만약, 마이크로 히터 등이 수소 가스 센서에 설치된다면, 수소 가스는 0℃ 이하의 낮은 온도 범위에서 쉽게 검출될 수 있다.
고체 전해질로서 제 1 전극과 제 2 전극에 대한 양호한 접착성을 가지며 수소 가스 센서에 대한 전해질로서 우수한 인 텅스텐산 또는 인 몰리브덴산을 예로 들 수 있다.
인 텅스텐산과 인 몰리브덴산은 분말의 형태로 얻을 수 있으며, 따라서 고체 전해질의 제조시, 분말 인 텅스텐산 또는 인 몰리브덴산은 펠릿 (pellet) 으로 압축되고 몰딩된 후, 고체 전해질로 가공된다. 그러나, 펠릿은 깨지기 쉬워서 그대로 고체 전해질로 사용될 수 없다. 따라서, 사용시에는 소정 용매 (이온 교환수 등) 에서 분말 인 텅스텐산 또는 인 몰리브덴산에 일부 유리 울을 강화 재료로 첨가함으로써, 고상화되어 고체 전해질을 제공한다. 구체적으로, 고체 전해질은 다음의 단계에 의해 제조된다:
(1) 의도한 고체 전해질 (인 텅스텐산 등) 의 분말 원료를 소정 용매에 용해시켜 액상화하고,
(2) 고체 전해질을 형성하기 위해 강화재료를 몰드에 넣고,
(3) 액상화한 원료를 강화 재료를 함유한 몰드로 흘려보내고,
(4) 액상화한 원료를 고상화하여 수소 가스 센서의 원형인 고체 전해질을 형성한다.
여기서, 단계 (2) 대신, 고체 전해질을 용해하고 용해한 전해질에 강화재료를 첨가할 수도 있다.
본 발명의 일 양태에서, 수소 가스 센서는 전압 비교기와 결합하여 수소 가스 누출 알람 시스템을 형성하며, 수소 가스 센서에 의한 수소 가스 검출에 기초하여 생성된 기전력을 전압 비교기의 기준 전압과 비교하고, 기전력이 기준 전압보다 크다면, 소정 알람이 발생한다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 수소 가스 센서가 준비되고, 동일한 기판 상에 배열되어 수소 가스 센서 어레이를 형성한다. 수소 가스 센서 어레이에 따라, 파이프 라인 시리즈로부터의 수소 가스 누출이 검출되어 수소 가스 누출 분포를 형성할 수 있다. 센서가 직렬로 빽빽하게 배열된다면, 센서 출력 전압은 수 배로 강화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 수소 가스 센서는 수소 가스 센서로부터의 기전력을 검출하는 전기 회로와 결합됨으로써, 기전력에 기초하여 수소 가스 농도를 검출하는 수소 가스 분석기를 형성한다.
발명의 효과:
상술한 바와 같이, 본 발명의 수소 가스 센서가 전극이 수소 가스에 대한 화학적 포텐셜이 상이한 대응하는 재료로 제조되고, 수소 가스는 그들 사이의 화학 포텐셜이 상이한 재료들에 대응하는 전극들 사이의 기전력의 차이에 의해 검출되므로, 수소 가스 검출은 한 번에 수행될 수 있고 낮은 수소 가스 농도 하에서 수소 가스의 검출 성능이 강화될 수 있다. 또한, 화학적 포텐셜과 기전력이 광범위한 물리량으로 정의되고 전극의 사이즈에 의존하지 않기 때문에, 본 발명의 수소 가스 센서는 크기가 축소될 수 있다. 또한, 수소 가스 센서는 동일한 분위기에 전극들로 배치될 수 있으므로, 다른 기준 수소 가스 압력실이 필요 없다. 따라서, 수소 가스 센서의 구조가 단순화될 수 있으며, 수소 가스 센서의 크기를 축소할 수 있다. 또한, 수소 가스 센서는 비-수소 분위기 하에서 고유 자발 기전력을 가질 수 있고, 수소 가스 센서는 동작성의 자기 진단 기능을 가질 수 있다.
도면의 간단한 설명:
도 1은 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다.
도 2는 수소 가스 센서가 수소 함유 분위기에 배치될 때, 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 전극들 (11 및 12) 사이의 기전력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 제 1 전극에서 정전기 포텐셜과 수소 가스 농도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이며, 도 4(a) 는 수소 가스 센서의 평면도이고, 도 4(b)는 수소 가스 센서의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 수소 가스 센서가 통합된 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 수소 가스 센서 어레이를 도시한 구성도이다.
도 10은 도 7에 따른 복수의 수소 가스 센서가 서로 직렬로 배열되고 접속된 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 알람 시스템의 블록도이다.
도 12는 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 제어 시스템의 블록도이다.
도 13은 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 정보 송신 시스템의 블록도이다.
도 14는 도 11 내지 도 13에 도시된 시스템들의 전압 비교기의 구성과 동작의 개략 설명도이다.
도 15는 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 분석기의 블록도이다.
도 16은 페일 세이프 기능을 갖는 수소 가스 누출 알람 시스템의 블록도이다.
도 17은 페일 세이프 기능을 갖는 수소 가스 센서 소자의 개략 구성도이다.
발명을 실시하기
위한 바람직한 실시형태:
본 발명의 상세한 설명, 다른 특징 및 이점을 "발명을 실시하기 위한 바람직한 실시형태"를 참고하여 이하에 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다. 동일하거나 유사한 구성요소는 모든 도면에서 동일한 참조 부호로 지정된다.
도 1에 도시된 수소 가스 센서 (10) 는 판형 제 1 전극 (11) 과 판형 제 2 전극 (12), 및 전극들 사이에 개재된 고체 전해질 (13) 을 구비한다. 제 1 전극 (11) 은 수소 가스에 대한 검출 전극으로 기능하고, 제 1 전극 (1) 의 정전기 포텐셜은 수소가스가 제 1 전극 (11) 과 접촉할 때 현저하게 변화한다. 제 2 전극 (12) 은 수소 가스에 대한 기준 전극으로 기능하고, 제 2 전극 (12) 의 정전기 포텐셜은 수소 가스가 제 2 전극 (12) 과 접촉할 때 거의 변하지 않으며, 만약 변한다면, 가변 정도는 매우 작다.
제 1 전극 (11) 은 비교적 높은 흡착-해리 활성도 재료인 Pt, Pt 합금, Pd, Pd 합금과 같은 비교적 높은 화학적 포텐셜의 제 1 전극 재료로 제조된다. 제 1 전극 (11) 은 상기 예시한 재료 또는 소정 기판 상에 상기 예시한 재료의 지지된 재료로 제조될 수 있다. 제 1 전극 (11) 은 제 1 전극 (11) 이 수소 가스에 대한 검출 전극으로서 기능할 수만 있다면 본 발명의 범위 내에서 임의의 구성으로 형성될 수 있다.
제 2 전극 (12) 은 Ni, Ni 합금, Ti, Ti 합금, Cu, Cu 합금, Fe, Fe 합금, Al, Al 합금 및 비교적 낮은 흡착-해리 활성도 재료인 유기 도전 재료로 제조된다. 제 2 전극 (12) 은 상기 예시한 재료로 제조될 수 있지만, 제 2 전극 (12) 이 수소 가스에 대한 기준 전극으로 기능할 수만 있다면, 본 발명의 범위 내에서 임의의 구성으로 형성될 수 있다.
본 실시형태에서, 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 은 플레이트로 형성되지만, 선형, 원통형, 원판형 또는 직사각형 등의 임의의 형상으로 형성될 수도 있다.
고체 전해질 (13) 은 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 에 대해 높은 접착성을 갖는 인 텅스텐산과 같은 전해질로 제조될 수도 있다. 고체 전해질 (13) 은 인 텅스텐산과 같은 전해질 이외에 유리 울과 같은 강화 재료를 함유할 수도 있다. 이 경우, 고체 전해질 (13) 의 강도가 강화될 수 있고, 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 에 대한 고체 전해질 (13)의 접착성이 강화될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 가스 센서가 수소 함유 분위기에 배치될 때, 전극들 (11 및 12) 사이에서 생성된 기전력의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 경우, 제 1 전극 (11) 은 Pt로 제조되고 제 2 전극 (12) 은 Ni로 제조된다. 도 2에서 명백하듯이, 수소 가스 센서에서, 기전력은 수소 가스 센서, 즉 전극들이 수소 가스와 접촉하자마자 1초 미만의 0.수초 내에서 변화 (감소) 한다. 따라서, 도 1에 도시한 수소 가스 센서 (10) 는 수소 가스를 한번에 검출할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 수소 가스 센서 (10) 의 제 1 전극 (11) 에서 정전기 포텐셜과 수소 가스 농도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3으로부터 명백하듯이, 제 1 전극 (11) 의 정전기 포텐셜은 수소 가스 농도에 따라 균일하게 감소한다. 반대로, 수소 가스 센서 (10) 의 제 2 전극 (12) 의 정전기 포텐셜은 수소 가스 농도에 거의 의존하지 않는다. 따라서, 수소 가스 센서 (10) 의 기전력은 수소 가스 농도에 따라 변하고, 수소 가스 농도는 기전력의 변화에 의해 검출될 수 있다. 이 경우, 수소 가스 센서의 기전력은 수소 가스 농도의 증가에 따라 감소한다.
이러한 관점으로부터, 도 1에 도시된 수소 가스 센서 (10) 는 미량의 수소 가스 농도 (0.수 %) 하에서의 수소 가스 검출에 우수하다.
도 1에 도시된 수소 가스 센서 (10) 의 주변 온도가 0 내지 120℃의 온도 범위 내에서 변할 때, 수소 가스 센서 (10) 가 이 온도 범위 내에서 수소 가스 검출시 동작할 수 있다는 것이 확인되었다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다. 도 4에 도시된 수소 가스 센서에서, 와이어형 제 1 전극 (11) 과 와이어형 제 2 전극 (12) 은 서로 대향되도록 절연 기판 (15) 상에 배치된다. 전극들 (11 및 12) 는 스퍼터링 등의 방법에 의해 제조될 수 있다. 고체 전해질 (13) 이 절연 기판 (15) 상의 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 사이에 제공된다. 이 실시형태에서, 수소 가스 센서는 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 이 화학적 포텐셜이 상이한 대응하는 재료로 제조된다면 도 1과 관련된 수소 가스 센서와 동일한 효과/기능을 나타낼 수 있다.
제 1 전극 (11) 은 검출 전극으로서 기능하고 보다 높은 화학적 포텐셜 재료로 제조되며, 제 2 전극 (12) 은 기준 전극으로서 기능하며 보다 낮은 화학적 포텐셜 재료로 제조된다. 구체적으로, 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 은 각각, 도 1과 관련된 수소 가스 센서의 대응하는 전극과 동일한 재료로 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다. 도 5에 도시된 수소 가스 센서에서, 제 1 전극 부재 (11) 와 고체 전해질 (13) 은 스테인레스 스틸 등으로 제조된 원통형 부재 (12) 에 배치된다. 고체 전해질 (13) 은 가스 투과성 필름 (16) 에 의해 거의 중앙에서 분할되고, 후방에서 직경이 감소하여 감소된 프로세싱된 부분 (13A) 을 형성한다. 이 경우, 원통형 부재 (12) 는 수소 가스에 대한 기준 전극에 대응하는 제 2 전극으로도 기능할 수 있다. 한편, 제 1 전극 부재 (11) 는 수소 가스에 대한 검출 전극으로 기능할 수 있으며, Pt와 같은 상대적으로 높은 화학적 포텐셜 재료로 제조된다.
도 5에 도시된 수소 가스 센서 (10) 에서, 제 1 전극 부재 (11) 와 원통형 부재 (12) 사이의 기전력이 전극 재료에 접속된 와이어 (17) 를 통해 측정되고, 따라서 수소 가스가 기전력에 기초하여 검출될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다. 도 6에 도시된 수소 가스 센서 (10) 에서, 제 1 전극 (11) 과 고체 전해질 (13) 은 바늘과 같은 세관 (12) 에 배치된다. 이 경우, 세관 (12) 은 수소 가스에 대한 기준 전극에 대응하는 제 2 전극으로 기능하고, 제 1 전극 부재 (11) 는 수소 가스에 대한 검출 전극으로 기능한다. 제 1 전극 (11) 은 Pt와 같은 보다 높은 화학적 포텐셜 재료로 제조되고, 제 2 전극 부재 (12) 는 Ni와 같은 보다 낮은 화학적 포텐셜 재료로 제조된다.
도 6에 도시된 수소 가스 센서 (10) 에서, 제 1 전극 (11) 과 세관 (12) 사이의 기전력은 전극 재료에 접속된 와이어 (17) 를 통해 측정되고, 따라서 수소 가스는 기전력에 기초하여 검출될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 수소 가스 센서를 도시한 구성도이다. 도 7에 도시된 수소 가스 센서 (10) 에서, 태핑 나사 (12; tapping screw) 는 제 2 전극을 구성하고, 고체 전해질 (13) 은 태핑 나사 (12) 에 충전되고, 제 1 전극 (11) 은 태핑 나사 (12) 로 삽입된다. 이 경우, 수소 가스는 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (12) 사이에 발생한 기전력에 기초하여 검출될 수 있다. 여기서, 제 1 전극 (11) 과 제 2 전극 (태핑 나사, 12) 은 상술한 화학적 포텐셜이 서로 상이한 재료로 제조될 수도 있다. 도 8은 도 7에 도시된 수소 가스 센서를 통합한 상태를 도시한 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 2 전극이 그러한 원통형 부재로 제조될 때, 제 2 전극 (원통형 부재) 은 수소 가스의 투과성의 관점으로부터 다공성 또는 메시 (mesh) 로 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명에 따른 수소 가스 센서 어레이를 도시한 구성도이다. 도 9에 도시한 수소 가스 센서 어레이에서, 도 4에 따른 복수의 수소 가스 센서가 절연 기판 (14) 상에 배열된다. 이 경우, 각 수소 가스 센서가 수소 가스를 검출할 수 있기 때문에, 어레이는 검출 위치에 의존하여 수소 가스를 검출할 수 있다. 따라서, 어레이는 수소 가스 스테이션과 같은 넓은 영역에서의 수소 가스 누출에 적합하다.
수소 가스 센서가 고밀도로 배열되면, 어레이는 각 수소 가스 센서를 프로브로 사용하는 누출 검출기로 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 어레이에서, 도 10에 도시된 바와 같이 수소 가스 센서가 서로 직렬로 접속되면, 수소 가스 센서로부터의 기전력이 합산되어 더 큰 검출 전압을 제공한다.
도 1, 도 4 내지 도 8에 도시된 수소 가스 센서 또는 도 9, 도 10 에 도시된 수소 가스 센서 어레이는 적절한 전기 회로에 설치될 수 있으며, 검출 전압은 전기 회로를 통해 검출된다. 수소 가스 센서가 전기 회로에 설치되면, 수소 가스 센서의 기전력은 비-수소 분위기 하에서 일정해지고, 이것은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 정전기 포텐셜로 정의된다. 따라서, 이 경우, 기전력이 전기 회로를 통해 측정되면, 수소 가스 센서의 동작 신뢰성은 적절하게 확인될 수 있고, 따라서, 수소 가스 센서는 자기 진단 기능을 가질 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 사용하는 수소 가스 누출 알람 시스템, 수소 가스 누출 제어 시스템 및 수소 가스 누출 송신 시스템의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 알람 시스템의 블록도이다. 수소 가스 센서 (10) 로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력 변화는 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (21) 로 입력되고, 임피던스 및 신호 레벨로 변환되고, 전압 비교기 (22) 로 입력된다. 전압 비교기 (22) 에서, 입력 신호는 표준 전력 공급부 (23) 의 기준 전압과 비교되고, 그렇게 얻은 비교 결과를 다음 단계에 제공되는 출력 버퍼 (24) 를 통해 출력하고, 알람 부저 또는 발광 다이오드 패널 (미도시) 로 입력함으로써, 수소 가스 누출 알람 시스템을 구성한다.
도 12는 본 발명의 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 제어 시스템의 블록도이다. 이 시스템에서, 소정 레벨을 초과하는 수소 가스가 수소 가스 센서에 의해 검출될 때, 수소 가스 누출 정보는 발광 다이오드 패널을 통해 알려지고, 동시에 외부 릴레이 또는 자기 밸브가 작동한다.
수소 가스 센서 (10) 로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력 변화가 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (21) 로 입력되고, 임피던스 및 신호 레벨로 변환되어 전압 비교기 (22) 로 입력된다. 전압 비교기 (22) 에서, 입력 신호는 표준 전력 공급부 (23) 의 기준 전압과 비교되고, 그렇게 얻은 비교 결과를 다음 단계에서 제공되는 출력 버퍼 (24) 를 통해 출력하고, 수소 가스 누출을 경고하는 알람 부저, 수소 가스 누출을 표시하는 발광 다이오드 패널 (미도시) 또는 TTL OUT을 통해 외부 릴레이 또는 자기 밸브를 동작시키는 외부 제어 시스템 (Exit Control System) 으로 입력함으로써 수소 가스 누출 알람 시스템을 구성한다.
도 13은 본 발명의 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 누출 정보 송신 시스템의 블록도이다. 이 시스템에서, 소정의 레벨을 초과하는 수소 가스가 수소 가스 센서에 의해 검출될 때, 수소 가스 누출 정보는 컴퓨터를 사용하여 무선 LAN 또는 BBS를 통해 로컬 영역으로 송신된다.
수소 가스 센서 (10) 로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력 변화는 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (21) 로 입력되고, 임피던스 및 신호 레벨로 변환되어, 전압 비교기 (22) 로 입력된다. 전압 비교기 (22) 에서, 입력 신호는 표준 전력 공급부 (23) 의 기준 전압과 비교된다. 그렇게 얻은 비교 결과를 다음 단계에서 제공되는 출력 버퍼 (24) 를 통해 출력하고, 신호 레벨 (웨이브 형태) 로 변환하고, PC의 통상적인 시리얼 통신인 RS232C 포트 등을 통해 호스트 컴퓨터로 송신하고, 무선 LAN 또는 BBS를 통해 로컬 영역으로 송신한다.
도 14는 도 11 내지 도 13에 도시된 시스템에서 전압 비교기의 구조 및 동작의 개략 설명도이다. 전압 비교기 (22) 는 시스템의 모든 컴포넌트 중에서 가장 중요한 컴포넌트이다. 기준 전압을 초과하는 전압이 입력 버퍼 (21) 로부터 출력되고 전압 비교기 (22) 로 입력될 때, 전력 공급 전압과 거의 같은 전압 비교기 (22) 의 출력 전압이 온이고, 기준 전압보다 낮은 전압이 입력 버퍼 (21) 로부터 출력되고 전압 비교기 (22) 로 입력될 때, 전압 비교기 (22) 의 출력 전압은 온으로부터 오프 (거의 0) 가 된다.
종래에는, 전압 비교는 전압 비교기에 설치된 전용 IC를 사용하여 수행하였 다. 반대로, 본 발명에서는 전기 회로 구조를 단순화하고 확실한 전압 비교를 실현하기 위해서, 디지털 IC인 슈미트 인버터 (슈미트 회로) 를 전압 비교기에 설치한다. 따라서, 이 경우, 전압 비교기는 기준 전압 표준으로서 슈미트 회로의 임계 전압을 사용함으로써 아날로그 전압 비교기로 이용된다.
일반적으로, 슈미트 인버터는 노이즈를 갖는 디지털 파형의 파형 쉐이핑과 같은 디지털 기능을 실현하는 디지털 회로에 사용된다. 이 실시형태에서, 슈미트 인버터의 디지털 기능은 전압 비교기 (22) 에서 아날로그 기능으로 사용된다. 이 관점으로부터, 전압 비교기가 온에서 오프가 될 때 및 오프에서 온이 될 때 임계 전압 사이의 차이는 아날로그로 표준 전압을 결정하는데 이용된다. 따라서, 외부 제어 회로는 임계 전압 부근에서 불안정해질 수 없으며, 따라서 안정화된다.
또한, 슈미트 전압의 임계 전압이 전압 비교기 (22) 의 기준 표준 전압에 대응하므로, 전압 비교기 (22) 의 구성이 외부 표준 전압 전력 공급부 없이 단순화될 수 있으며, 전압 비교기 (22) 의 동작이 적절하고 확실하게 수행될 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 수소 가스 센서를 이용하는 수소 가스 분석기의 블록도이다.
도 15에 도시된 수소 가스 분석기에서, 수소 가스 센서 (10) 로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력은 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (21) 에 의해 임피던스 레벨 및 신호 레벨로 변환되고, 다음 단계에서 제공되는 데이터 테이블 기준 회로 (25) 로 입력된다. 데이터 테이블 기준 회로 (25) 에는 수소 가스 농도에 관련된 데이터 테이블 (26) 이 입력되고, 데이터 테이블 (26) 을 데이터 테이블 기준 회로 (25) 에 입력된 기전력과 비교한 수소 가스 센서의 기전력을 디스플레이 드라이버 (27) 를 통해 입력된 기전력에 대응하는 수소 가스 농도로 표시한다.
도 16은 페일 세이프 (Fail-Safe) 기능을 갖는 수소 가스 누출 알람 시스템의 블록도이다. 이 실시형태에서, 페일 세이프 기능 (유닛 2 및 3) 은 수소 가스 누출 알람 시스템 (유닛 1) 등과 결합된다. 유닛 1에서, 수소 가스 센서 (10) 로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력 변화는 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (21) 로 입력되고, 임피던스 및 신호 레벨로 변환되고, 전압 비교기 (22) 로 입력된다. 전압 비교기 (22) 에서, 입력 신호는 표준 전력 공급부 (23) 의 기준 전압과 비교되고, 그렇게 얻은 비교 결과는 다음 단계에서 제공되는 출력 버퍼 (24) 를 통해 논리 동작 회로 (34) 로 출력된다.
유닛 2에서, 페일 세이프 기능은 수소 가스 센서 소자, 입력 버퍼 및 전압 비교기에 적용된다. 광 센서 (29) 는 수소 가스 센서 소자에 설치되고 외부 환경으로부터 수소 가스 센서 소자의 센서 컴포넌트의 오염을 모니터링한다.
광센서 (29) 로부터의 정보는 고 입력 임피던스의 입력 버퍼 (30) 로 입력되고, 임피던스 및 신호 레벨에서 변환되어, 전압 비교기 (31) 로 입력된다. 전압 비교기 (31) 에서, 입력 신호는 표준 전력 공급부 (32) 의 기준 전압과 비교되고, 그렇게 얻은 비교 결과를 다음 단계에서 제공되는 출력 드라이버 (33) 를 통해 논리 동작 회로 (34) 로 출력한다. 논리 동작 회로 (34) 에서, 입력 신호와 기준 전압에 관련한 비교 결과를 계산하고, 수소 가스 누출 정보가 출력 버퍼 (24) 로부터 검출되지 않고 포토 센서 (29) 의 동작이 정상일 때에만, 즉, 출력 버퍼 (24) 와 광 센서 (29) 가 모두 정상 상태일 때, 알람 부저 (35) 를 오프로 바꾼다. 출력 버퍼 (24) 와 광 센서 (29) 의 정상 상태를 제외하고, 예를 들면, 수소 가스 센서 (10) 가 수소 가스 검출 신호를 출력했을 때 및/또는 광센서 (29) 가 외부 환경으로부터 오염을 검출했을 때, 알람 부저 (35) 는 온이 된다.
유닛 3에서, 페일 세이프 기능은 경고를 위한 발광 디스플레이 및 알람 부저에 적용될 수 있다. 발광 디스플레이 및 알람 부저의 동작 상태는 시각적 체크를 위한 스위치 (37) 를 통해서 또는 수소 가스 누출 알람 시스템이 온으로 바뀔 때 시각적으로 체크된다.
도 17은 페일 세이프 기능을 갖는 수소 가스 센서 소자의 개략 구성도이다. 수소 가스 누출 알람 시스템에 관련된 페일 세이프 기능은 유닛 2 및 유닛 3을 통해 논리 동작 회로 (34) 에서 수소 가스 검출부로부터의 신호를 계산함으로써 수소 가스 센서 검출부에 적용될 수 있다. 또한, 페일 세이프 기능은 회로 (34) 와 평행하게 제공되는 다른 회로를 통해서 논리 동작 회로 (34) 에 적용될 수 있다.
도 17에서, 페일 세이프 기능은 수소 가스 검출부에 적용되고, LED (36) 로부터의 LED 신호는 보호 메시 (37) 를 통해 전송되고, 반투명 메시 (38) 를 통해 광센서 (29) 에서 검출된다. 반투명 메시 (38) 가 외부 환경으로부터 오염되고, 그에 따라 닫힐 때, 광센서 (29) 로부터의 신호는 오프가 되고, 따라서, 광센서 (29) 는 오염에 기인하여 수소 가스에 대해 닫힌다. 수소 가스 센서 소자가 비-수소 가스 분위기 하에서 자발적 기전력을 갖는 액티브 소자로 기능하기 때문에, 센서 소자의 동작 상태는 자발적 기전력 전압을 검출함으로써 모니터링될 수 있다.
본 발명을 상기 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 개시에 제한되지 않으며, 모든 종류의 변화 및 변경이 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 만들어질 수 있다.
Claims (20)
- 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과 접촉하는 전해질을 포함하고,상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 수소 가스의 화학적 포텐셜이 상이한 대응하는 재료로 제조되고, 상기 제 1 전극은 더 높은 화학적 포텐셜 재료로 제조되고, 상기 제 2 전극은 더 낮은 화학적 포텐셜 재료로 제조되며,상기 수소 가스는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 발생되는 기전력에서 검출되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 접촉하는 전해질을 포함하고,상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 흡착-해리의 활성도가 상이한 대응하는 재료로 제조되며, 상기 제 1 전극은 더 높은 흡착-해리 재료로 제조되고, 상기 제 2 전극은 더 낮은 흡착-해리 재료로 제조되며,상기 수소 가스는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 발생된 기전력에서 검출되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 전극은 H2(-)│50mol/㎥ H2SO4│시료(+)의 셀에서 0.8 V 이상의 표준 기전력을 나타내는 제 1 전극 재료를 포함하며, 상기 제 2 전극은 상기와 동일한 셀 구조에서 0.8 V 미만의 표준 기전력을 나타내는 제 2 전극 재료를 포함하는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 전극 재료는 Pt, Pt 합금, Pd 및 Pd 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하고, 상기 제 2 전극 재료는 Ni, Ni 합금, Ti, Ti 합금, Cu, Cu 합금, Fe, Fe 합금, Al, Al 합금 및 유기 전도성 재료로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 동일한 분위기에 배치됨으로써, 상기 수소 가스와 동시에 접촉하는, 수소 가스센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 판형상으로 형성되고 서로 대향하도록 배치되며, 상기 전해질은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 막대 또는 선 형상으로 형성되고 서로 격리되도록 절연 기판 상에 배치되며, 상기 전해질은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극이 상기 제 2 전극에 위치하도록 원통형으로 성형되고, 상기 전해질은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 적어도 부분적으로 배치되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전해질은 고체 전해질인, 수소 가스 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 고체 전해질은 고체 전해질 원료 및 유리 울과 같은 강화 재료로 제조되고, 상기 고체 전해질은 상기 강화 재료를 이용한 상기 고체 전해질 원료의 고상화 또는 상기 강화 재료를 다공성 또는 메시 (mesh) 처리된 상기 전해질 원재료로의 침투를 통해 제조되는, 수소 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 가스 센서 및 전압 비교기를 구비하며,상기 수소 가스 센서로부터의 수소 가스 검출 정보인 기전력을 상기 전압 비교기의 기준 전압과 비교하여, 상기 기전력 변화와 상기 기준 전압의 비교에 대한 신호를 출력하는, 수소 가스 누출 알람 시스템.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 가스 센서 및 전압 비교기를 구비하며,상기 수소 가스 센서로부터의 수소 가스 검출 정보인 상기 기전력 변화를 상기 전압 비교기의 기준 전압과 비교하여, 상기 기전력 변화와 상기 기준 전압의 비교에 대한 신호를 출력하는, 수소 가스 누출 제어 시스템.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 가스 센서 및 전압 비교기를 구비하며,상기 수소 가스 센서로부터의 수소 가스 검출 정보인 상기 기전력 변화를 상기 전압 비교기의 기준 전압과 비교하여, 상기 기전력 변화와 상기 기준 전압의 비교에 대한 신호를 출력하는, 수소 가스 누출 정보 송신 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 전압 비교기는 슈미트 인버터의 임계 전압이 상기 기준 전압으로 정의 되고, 상기 수소 가스 검출 정보에 대응하는 입력 전압과 비교되어, 상기 신호를 출력하도록 구성되는, 수소 가스 누출 알람 시스템.
- 제 12 항에 있어서,상기 전압 비교기는 슈미트 인버터의 임계 전압이 상기 기준 전압으로 정의되고, 상기 수소 가스 검출 정보에 대응하는 입력 전압과 비교되어, 상기 신호를 출력하도록 구성되는, 수소 가스 누출 제어 시스템.
- 제 13 항에 있어서,상기 전압 비교기는 슈미트 인버터의 임계 전압이 상기 기준 전압으로 정의되고, 상기 수소 가스 검출 정보에 대응하는 입력 전압과 비교되어, 상기 신호를 출력하도록 구성되는, 수소 가스 누출 정보 송신 시스템.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 수소 가스 센서를 구비하며,상기 수소 가스 센서는 동일한 기판상에 배열되는, 수소 가스 센서 어레이.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 가스 센서 및 상기 수소 가스 센서로부터의 기전력을 검출하는 전기 회로를 구비하며,상기 수소 가스의 농도는 상기 기전력의 강도에 따라 검출되는, 수소 가스 분석기.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 가스 센서 및 외부 LED로부터의 광학 신호의 검출을 통해 외부 환경으로부터의 수소 가스 차폐 오염을 검출하는 포토 센서를 구비하고,수소 가스 검출의 신뢰성을 향상시키기 위한 페일 세이프 (Fail-Safe) 기능이 부가되는, 수소 가스 센서 소자.
- 수소 가스 검출시의 신뢰성을 향상시키기 위한 페일 세이프 기능으로서,외부 환경으로부터의 상기 수소 가스 차폐 오염물은 포토 센서에 의해 외부 LED로부터의 광학 신호의 검출을 통해 검출되는, 페일 세이프 기능.
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