KR20210090702A - 수소 농도 센서 - Google Patents
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Abstract
설명적 예시인 수소 농도 센서에는 수소 챔버 내부 수소를 수소 챔버 외부 가스로부터 격리시키도록 구성된 수소 챔버를 포함한다. 수소 발생 전극은 수소 챔버 내부에서 순수 수소를 생성하도록 구성된다. 기준 전극은 수소 챔버 내부에서 순수 수소에 노출되도록 위치된다. 기준 전극과 연계된 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스에 노출되도록 위치된다. 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공하도록 구성된다.
Description
관련 출원
본 출원은 2018년 11월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/198,044호에 대한 우선권을 주장한다.
배경 기술
다양한 장치들과 공정들은 올바른 작동을 위해 수소에 의존한다. 예를 들어, 연료 전지는 전기를 생성하기 위한 전기화학 공정에서의 반응물 연료로서 일반적으로 수소를 이용한다. 반응물 연료 내부의 수소 농도가 적절하지 못한 경우 연료 전지 성능이 충분치 못하게 된다.
연료 전지용 수소 농도 센서는 공지되어 있다. 그러한 일부 센서는 각각의 전극에서의 수소 농도의 차이에 의해 유발되는 2개의 전극에 사이의 네른스트 전위에 의존한다. 이 유형의 수소 센서의 한 가지 단점은 기준 전극에 전류가 인가될 때 기준 전극이 순수 수소를 생성한다는 것이다. 이러한 방식으로 순수 수소를 발생시키고자 기준 전극을 사용하게 되면, 기준 전극에서 전위 시프트가 유도되는 경향이 있으며, 이는 정확한 수소 농도 측정을 방해한다.
설명적 예시인 수소 농도 센서는 수소 챔버 내부 수소를 수소 챔버 외부 가스로부터 격리시키도록 구성된 수소 챔버를 포함한다. 수소 발생 전극은 수소 챔버 내부에서 순수 수소를 생성하도록 구성된다. 기준 전극은 수소 챔버 내부에서 순수 수소에 노출되도록 위치된다. 기준 전극과 연계된 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스에 노출되도록 위치된다. 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공하도록 구성된다.
이전 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 발생 전극은 수소 챔버 내부에 정압을 유도한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 챔버는 통기구를 포함한다. 수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부의 가스가 통기구를 통해 수소 챔버로 진입하는 것을 방지한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 발생 전극은 제1 전기화학 전지의 일부이고, 기준 전극과 검출 전극은 제2 전기화학 전지의 일부이다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 제1 전기화학 전지는 전해질을 함유하는 제1 매트릭스를 포함한다. 제1 전기화학 전지는 수소 산화 전극을 포함한다. 제1 매트릭스는 수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치된다. 수소 발생 전극과 수소 산화 전극 사이에는 전압이 인가된다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 제1 매트릭스에 함유된 전해질은 인산을 포함한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 제2 전기화학 전지는 기준 전극과 검출 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치되는 제2 매트릭스를 포함한다. 기준 전극과 검출 전극 사이의 전압은 수소 챔버 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 제2 매트릭스는 인산을 함유한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부 가스가 수소 챔버로 유입되는 것을 방지한다.
이전 문단들 중 임의의 문단의 수소 농도 센서의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 기준 전극에는 전류가 흐르지 않는다.
가스의 수소 농도를 판단하는 설명적 예시인 방법은 수소 발생 전극을 사용하여 가스로부터 순수 수소를 발생시키는 단계, 적어도 일시적으로는 발생된 순수 수소를 수소 챔버 내에 함유하는 단계, 기준 전극을 수소 챔버 내부의 순수 수소에 노출시키는 단계, 검출 전극을 가스에 노출시키는 단계 및 가스의 수소 농도 지표로서 기준 전극과 검출 전극 사이의 전압을 판단하는 단계를 포함한다.
이전 문단의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 방법은 수소 산화 전극을 가스에 노출시키는 단계와 수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하며 수소 발생 전극은 수소 산화 전극과 연계된다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 방법은 수소 챔버 내에 정압을 유도하는 단계 및 정압을 사용하여 수소 챔버 내부의 순수 수소를 가스로부터 격리시키는 단계를 포함한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 발생 전극은 수소 챔버 내에 정압을 유도한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 수소 챔버는 통기구를 포함한다. 수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부 가스가 통기구를 통해 수소 챔버로 진입하는 것을 방지한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적 실시예에서, 수소 발생 전극은 제1 전기화학 전지의 일부이다. 제1 전기화학 전지는 전해질을 함유하는 제1 매트릭스를 포함한다. 제1 전기화학 전지는 수소 산화 전극을 포함한다. 제1 매트릭스는 수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치된다. 이 방법은 수소 발생 전극과 수소 산화 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 기준 전극 및 검출 전극은 제2 전기화학 전지의 일부이다. 제2 전기화학 전지는 기준 전극과 검출 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치되는 제2 매트릭스를 포함한다. 제2 매트릭스는 인산을 함유한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 가스는 연료 전지 발전 장치 개질기 내에 있고, 방법은 가스의 판단된 수소 농도에 기초하여 개질기의 작동 상태를 판단하는 단계 및 작동 상태에 기초하여 개질기의 작동을 조절하는 단계를 포함한다.
임의의 이전 문단들의 방법의 하나 이상의 특징을 갖는 예시적인 실시예에서, 작동 상태를 판단하는 단계와 작동을 조절하는 단계는 개질기 내부 온도를 판단하는 단계와는 독립적으로 수행된다.
본 기술분야의 통상의 기술자에게 개시된 예시적 실시예의 다양한 특징 및 이점 중 적어도 하나는 하기의 상세한 설명으로 인해 명확해질 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면은 하기와 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서의 예시를 개략적으로 도시한다.
도 2는 수소 농도 센서의 다른 예시를 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서를 포함하는 연료 전지 발전 장치의 선택된 부분을 개략적으로 도시한다.
도 2는 수소 농도 센서의 다른 예시를 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서를 포함하는 연료 전지 발전 장치의 선택된 부분을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서는 다양한 목적에 유용하다. 연료 전지 발전 장치를 위한 수소 농도를 판단하는 것은 아래에서 논의되는 하나의 구현된 예시이다. 본 발명의 실시예의 하나의 특징은 기준 전극과 구별되는 수소 발생 전극은 기준 전극이 순수 수소에 노출되는 수소 챔버로 순수 수소를 발생시킨다는 것이다. 이는 기준 전극에 어떠한 전류도 인가되는 것을 방지하고 기준 전극에서 일정한 기준 전위를 유지하는 것을 용이하게 하여, 이는 이전의 센서들과 비교하여 향상된 센서 성능을 야기한다.
도 1은 수소 농도 센서(20)의 일례를 도시한다. 수소 발생 전극(22)은 수소 산화 전극(26) 및 매트릭스(28)를 또한 포함하는 제1 전기화학 전지(24)의 일부이다. 이 예에서, 매트릭스(28)는 인산과 같은 액체 전해질을 함유한다. 수소 발생 전극(22)은 수소 산화 전극(26)과 수소 발생 전극(22) 사이에 전압이 인가될 때 순수 수소를 수소 챔버(30) 내로 유도한다. 도시된 예시에서, 인가된 전압은 약 0.3 볼트이다.
기준 전극(32)은 수소 챔버(30) 내부 순수 수소에 노출되도록 위치된다. 기준 전극(32)은 그것과 더불어 검출 전극(36)과 매트릭스(38)를 포함하는 제2 전기화학 전지(34)의 일부이다. 이 예에서 매트릭스(38)는 또한 인산과 같은 액체 전해질을 함유한다.
검출 전극(36)은 수소 챔버(30) 외부의 가스에 노출되며 그 가스의 수소 농도 지표를 제공한다. 도시된 실시예는 수소 챔버(30) 외부의 수소 농도를 판단하기 위한 기반으로 공지된 네른스트 전위 현상을 활용한다. 검출 전극(36)과 기준 전극(32)을 가로지르는 전위차(즉, 전압)는 수소 챔버(30) 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공한다.
도시된 예시에서, 수소 산화 전극(26)과 검출 전극(36)은 동일한 가스에 노출된다. 해당 가스로부터 유래된 수소 중 적어도 일부는 수소 발생 전극(22)에 의해 수소 챔버(30) 내로 유도된다. 제1 전기화학 전지(34)는 수소 챔버(30) 외부의 가스에 노출되는 수소 산화 전극(26)에 기초하여 양성자를 환원시킨다. 수소 산화 전극(26)은 센서(20)에 의해 측정되는 수소 농도의 왜곡을 피하기 위해 검출 전극(36) 부근의 가스의 수소 농도를 변화시키지 않도록 검출 전극(36)애 대해 상대적인 크기 및 위치를 갖는다.
도시된 예에서, 수소 챔버(30) 내부의 순수 수소는 수소 챔버(30) 내부가 정압이기 때문에 수소 챔버(30) 외부 가스와 혼합되지 않는다. 수소 발생 전극(32)은 수소 챔버(30) 내부가 정압이 되도록 유도한다. 수소 챔버(30) 내에 원하는 수준의 정압이 제공될 수 있도록, 수소 발생 전극(32)의 크기, 시간이 흐름에 따라 수소 챔버(30) 내로 유도되는 순수 수소의 양, 혹은 이들 둘 모두를 선택하는 것이 가능하다.
예시적인 수소 챔버(30)에는 순수 수소가 수소 챔버(30)를 빠져나갈 수 있게 하는 통기구(40)가 포함된다. 수소 챔버(30) 내부는 정압이어서 수소 챔버(30) 외부의 임의의 가스가 챔버로 유입되는 것이 방지된다.
도시된 예시의 하나의 특징은 기준 전극(32)이 수소 발생 전극(22)과 구별된다는 것이다. 수소 발생 전극(22)을 사용하여 순수 수소를 제공하고 기준 전극(32)을 원하는 기준 전위로 유지하면 기준 전극에 전류를 인가할 필요가 본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서는 다양한 목적에 유용하다. 연료 전지 발전 장치를 위한 수소 농도를 판단하는 것은 아래에서 논의되는 하나의 구현된 예시이다. 본 발명의 실시예의 하나의 특징은 기준 전극과 구별되는 수소 발생 전극이 수소 챔버 내에 순수 수소를 발생시키고 이 수소 챔버에서 기준 전극이 순수 수소에 노출된다는 것이다. 이는 기준 전극에 어떠한 전류도 인가되지 않게 하고 기준 전극에서 일정한 기준 전위를 유지하는 것을 용이하게 하여, 이는 이전의 센서들과 비교하여 향상된 센서 성능을 야기한다.
또 다른 센서 구성이 도 2에 도시되어 있다. 이 예에서, 수소 발생 전극(26)과 검출 전극(36)은 센서(20)의 대향 측면들에 위치되어 있다. 이 실시예는 도 1에 도시된 것과 동일한 방식으로 작동한다.
본 발명을 구현하는 수소 농도 센서는 다양한 맥락에서 그리고 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 도 3은 센서(20)가 연료 전지 발전 장치(50)에 포함되는 하나의 구현된 예시를 도시한다. 개질기(52)는, 예를 들어 메탄 또는 천연 가스일 수 있는 탄화수소(54)를 수용한다. 개질기(52)는 56에서 연료 전지 스택 조립체(58)에 공급되는 수소 연료를 생산한다. 수소 연료는 연료 전지 스택 조립체(58)에 의해 사용되는 반응물 중 하나이고, 또 다른 반응물로는 공기(60)를 통해 공급될 수 있는 산소가 있다. 개질기(52) 내부에 있는 수소 농도 센서(20)는 개질기(52)의 작동에 관한 정보를 제공한다. 마이크로프로세서 또는 다른 컴퓨팅 장치와 같은 개질기 제어부(62)는, 개질기(52)의 작동을 동적으로 조절 또는 조정하기 위해 센서(20)로부터의 정보를 사용한다. 제어부(62)는 본 예시적인 실시예에서 어떠한 온도 정보도 필요로 하지 않으며, 이는 온도 센서 및 공정 온도 정보를 필요로 하는 시스템에 비해 비용의 절감을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 설계된 수소 농도 센서는 기준 전위를 설정하기 위해 순수 수소에 의존하는 기준 전극을 사용하는 이전의 센서보다 더 안정적이고 따라서 더 신뢰성 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 설계된 센서는 수소 레벨 검출이 바람직한 매우 다양한 상황에 포함될 수 있다.
위의 설명들은 사실상 제한이기 보다는 예시이다. 본 발명의 핵심으로부터 반드시 벗어나지는 않는 개시된 예들에 대한 변형 및 수정이 통상의 기술자에게 명백할 수 있다. 본 발명에 주어지는 법적 보호 범위는 이하의 청구항들의 검토를 통해서만 판단될 수 있다.
Claims (19)
- 수소 농도 센서이며,
수소 챔버 외부 가스로부터 수소 챔버 내부 수소를 격리하도록 구성된, 수소 챔버;
수소 챔버 내부에서 순수 수소를 생성하도록 구성된, 수소 발생 전극;
수소 챔버 내부의 순수 수소에 노출되도록 위치된, 기준 전극; 및
기준 전극과 연계된 검출 전극으로서, 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스에 노출되도록 위치되고, 검출 전극은 수소 챔버 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공하도록 구성되는, 검출 전극;
을 포함하는, 수소 농도 센서. - 제1항에 있어서, 수소 발생 전극은 수소 챔버 내에 정압을 유도하는, 수소 농도 센서.
- 제2항에 있어서,
수소 챔버는 통기구를 포함하고,
수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부 가스가 통기구를 통해 수소 챔버로 유입되는 것을 방지하는, 수소 농도 센서. - 제1항에 있어서,
수소 발생 전극은 제1 전기화학 전지의 일부이며,
기준 전극과 검출 전극은 제2 전기화학 전지의 일부인, 수소 농도 센서. - 제4항에 있어서,
제1 전기화학 전지는 전해질을 함유하는 제1 매트릭스를 포함하고,
제1 전기화학 전지는 수소 산화 전극을 포함하고,
제1 매트릭스는 수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치되고,
수소 발생 전극과 수소 산화 전극 사이에 전압이 인가되는, 수소 농도 센서. - 제5항에 있어서, 제1 매트릭스에 함유된 전해질은 인산을 포함하는, 수소 농도 센서.
- 제4항에 있어서,
제2 전기화학 전지는 기준 전극과 검출 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 제2 매트릭스를 포함하며,
기준 전극과 검출 전극 사이의 전압은 수소 챔버 외부 가스의 수소 농도 지표를 제공하는, 수소 농도 센서. - 제7항에 있어서, 제2 매트릭스는 인산을 함유하는, 수소 농도 센서.
- 제1항에 있어서, 수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부 가스가 수소 챔버로 유입되는 것을 방지하는, 수소 농도 센서.
- 제1항에 있어서, 기준 전극에는 전류가 흐르지 않는, 수소 농도 센서.
- 가스의 수소 농도를 판단하는 방법이며,
수소 발생 전극을 사용하여 가스로부터 순수 수소를 발생시키는 단계;
발생된 순수 수소를 수소 챔버 내에 적어도 일시적으로 함유하는 단계;
기준 전극을 수소 챔버 내의 순수 수소에 노출시키는 단계;
검출 전극을 가스에 노출시키는 단계; 및
가스의 수소 농도 지표로서 기준 전극과 검출 전극 사이의 전압을 판단하는 단계;
를 포함하는, 가스의 수소 농도를 판단하는 방법. - 제11항에 있어서, 수소 발생 전극은 수소 산화 전극과 연계되고, 상기 방법은
수소 산화 전극을 가스에 노출시키는 단계; 및
수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 전압을 인가하는 단계,
를 포함하는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법. - 제11항에 있어서,
수소 챔버 내부에 정압을 유도하는 단계와,
정압을 사용하여 가스로부터 수소 챔버 내부의 순수 수소를 격리하는 단계,
를 포함하는, 가스 내부의 수소 농도를 판단하는 방법. - 제13항에 있어서, 수소 발생 전극은 수소 챔버 내에 정압을 유도하는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법.
- 제13항에 있어서,
수소 챔버는 통기구를 포함하고,
수소 챔버 내부의 정압은 수소 챔버 외부 가스가 통기구를 통해 수소 챔버로 유입되는 것을 방지되는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법. - 제11항에 있어서,
수소 발생 전극은 제1 전기화학 전지의 일부이며,
제1 전기화학 전지가 전해질을 함유하는 제1 매트릭스를 포함하고;
제1 전기화학 전지는 수소 산화 전극을 포함하고,
제1 매트릭스는 수소 산화 전극과 수소 발생 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치되며,
상기 방법은 수소 발생 전극과 수소 산화 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법. - 제16항에 있어서,
기준 전극과 검출 전극은 제2 전기화학 전지의 일부이고,
제2 전기화학 전지는 기준 전극과 검출 전극 사이에 적어도 부분적으로 위치되는 제2 매트릭스를 포함하며,
제2 매트릭스는 인산을 함유하는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법. - 제11항에 있어서, 가스는 연료 전지 발전 장치의 개질기 내에 있고, 상기 방법은
가스 내부 수소의 판단된 농도를 기초로 개질기의 작동 상태를 판단하는 단계; 및
작동 상태에 기초하여 개질기의 작동을 조절하는 단계;
를 포함하는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법. - 제18항에 있어서, 작동 상태를 판단하는 단계 및 작동을 조절하는 단계는 개질기 내부 온도를 판단하는 단계와 독립적으로 수행되는, 가스 내부 수소 농도를 판단하는 방법.
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