KR-20260061889-A - Hybrid hydrogen sensor and control method therefor

Abstract

본 발명은 하이브리드 수소 센서 및 그것의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 제어 방법은 전원 인가 시 제1 내지 2 센서를 구동하는 단계와 상기 제1 내지 2 센서로부터 각각 저항변화식 출력 값 및 열전도식 출력 값을 획득하는 단계와 상기 저항변화식 출력 값과 소정 포화 출력 값을 비교하는 단계와 상기 비교 결과에 따라 상기 열전도식 출력 값 및 저항변화식 출력 값 중 적어도 하나에 기반하여 수소 농도 및 습도 중 적어도 하나를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

Inventors

• 정진교

Assignees

• 현대자동차주식회사
• 기아 주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (20)

1. 하이브리드 수소 센서의 제어 방법에 있어서, 전원 인가 시 제1 내지 2 센서를 구동하는 단계; 상기 제1 내지 2 센서로부터 각각 저항변화식 출력 값 및 열전도식 출력 값을 획득하는 단계; 상기 저항변화식 출력 값과 소정 포화 출력 값을 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 열전도식 출력 값 및 저항변화식 출력 값 중 적어도 하나에 기반하여 수소 농도 및 습도 중 적어도 하나를 추정하는 단계 를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 수소 감지 물질 기반의 저항변화식 수소 센서인 상기 제1 센서와 마이크로 히터 플랫폼 기반의 열전도식 수소 센서인 상기 제2 센서가 단일 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 비교 결과, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값을 초과하는 경우, 상기 열전도식 출력 값에 기반하여 상기 수소 농도를 추정하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 비교 결과, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값 이하인 경우, 상기 저항변화식 출력 값 및 상기 열전도식 출력 값에 기반하여 상기 습도를 추정하고, 상기 추정된 습도에 기반하여 상기 수소 농도를 추정하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 하이브리드 수소 센서는 마이크로 히터 플랫폼을 포함하고, 상기 방법은, 상기 마이크로 히터 플랫폼에 형성된 온도 센서 패턴의 저항 값에 기반하여 환경 온도를 감지하는 단계를 더 포함하고, 상기 환경 온도에 더 기반하여 상기 습도가 추정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 환경 온도 감지 후 상기 마이크로 히터 플랫폼에 형성된 히터 패턴에 전류를 인가하여 정온 제어를 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 정온 제어가 완료된 것에 기반하여 상기 저항변화식 출력 값 및 상기 열전도식 출력 값을 획득하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값 이하인 저농도 상태인 것에 기반하여 환경 온도, 상기 습도 및 상기 수소 농도를 출력하는 단계; 및 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값 초과인 고농도 상태인 것에 기반하여 상기 환경 온도 및 상기 수소 농도를 출력하는 단계 를 더 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 출력 후 소정 타이머를 구동하는 단계를 더 포함하고, 상기 타이머가 만료된 것에 기반하여 상기 환경 온도를 감지하는 단계로 재진입하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 수소 센서는 수소 감지 물질 및 마이크로 히터 플랫폼을 포함하고, 상기 마이크로 히터 플랫폼에 온도 센서 패턴이 포함되지 않은 경우, 히터 OFF 상태에서 상기 마이크로 히터 플랫폼에 형성된 히터 패턴의 저항 값을 측정하여 환경 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 센서는 수소 감지 물질을 포함하고, 상기 수소 감지 물질의 수소 반응 특성에 기반하여 상기 포화 출력 값이 결정되는 방법.
11. 내부에 마이크로 히터 플랫폼이 형성된 절연층; 상기 절연층의 일면에 배치되는 기판; 상기 절연층의 타면에 배치되는 수소 감지 물질층; 및 상기 기판의 일측에 배치되는 프로세서 를 포함하고, 상기 프로세서가 상기 수소 감지 물질층 기반의 저항변화식 출력 값을 소정 포화 출력 값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 저항변화식 출력 값 및 상기 마이크로 히터 플랫폼 기반의 열전도식 출력 값 중 적어도 하나에 기반하여 수소 농도 및 습도 중 적어도 하나를 추정하는 하이브리드 수소 센서.
12. 제11항에 있어서, 상기 마이크로 히터 플랫폼은 동일 평면에 형성된 히터 패턴 및 온도 센서 패턴을 포함하는 하이브리드 수소 센서.
13. 제12항에 있어서, 상기 비교 결과, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값을 초과하는 경우, 상기 프로세서가 상기 열전도식 출력 값에 기반하여 상기 수소 농도를 추정하는 하이브리드 수소 센서.
14. 제13항에 있어서, 상기 비교 결과, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값 이하인 경우, 상기 프로세서가 상기 저항변화식 출력 값 및 상기 열전도식 출력 값에 기반하여 상기 습도를 추정하고, 상기 추정된 습도에 기반하여 상기 수소 농도를 추정하는 하이브리드 수소 센서.
15. 제14항에 있어서, 상기 프로세서가 상기 온도 센서 패턴의 저항 값에 기반하여 환경 온도를 감지하고, 상기 환경 온도에 더 기반하여 상기 습도를 추정하는 하이브리드 수소 센서.
16. 제15항에 있어서, 상기 프로세서가 상기 환경 온도 감지 후 상기 히터 패턴에 전류를 인가하여 정온 제어를 수행하고, 상기 정온 제어가 완료된 것에 기반하여 상기 저항변화식 출력 값 및 상기 열전도식 출력 값을 획득하는 하이브리드 수소 센서.
17. 제15항에 있어서, 상기 프로세서가 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값을 초과하는 고농도 상태인 것에 기반하여 상기 환경 온도 및 상기 수소 농도를 출력하고, 상기 저항변화식 출력 값이 상기 포화 출력 값 이하인 저농도 상태인 것에 기반하여 상기 환경 온도, 상기 수소 농도 및 상기 습도를 출력하는 하이브리드 수소 센서.
18. 제17항에 있어서, 상기 프로세서가 상기 출력 후 소정 타이머를 구동하고, 상기 타이머가 만료된 것에 기반하여 상기 환경 온도 감지부터 다시 수행되도록 제어하는 하이브리드 수소 센서.
19. 제11항에 있어서, 상기 마이크로 히터 플랫폼에 온도 센서 패턴이 포함되지 않은 경우, 상기 프로세서가 히터 OFF 상태에서 상기 마이크로 히터 플랫폼에 형성된 히터 패턴의 저항 값을 측정하여 환경 온도를 추정하는 하이브리드 수소 센서.
20. 제11항에 있어서, 상기 포화 출력 값은 상기 수소 감지 물질층을 형성하는 수소 감지 물질의 수소 반응 특성에 기반하여 결정되고, 상기 수소 감지 물질은 팔라듐(Palladium)을 포함하는 하이브리드 수소 센서.

Description

하이브리드 수소 센서 및 그것의 제어 방법{Hybrid hydrogen sensor and control method therefor} 본 발명은 수소 센서에 관한 것으로서, 상세하게, 수소 감지 물질 기반 저항변화식 수소 센서와 미세전자기계시스템(Micro Electro-Mechanical System, 이하, ‘MEMS’) 히터(또는 마이크로 히터(Micro Heater)) 기반 열전도도(Thermal Conductivity) 방식의 수소 센서를 단일 소자로 결합한 하이브리드 감지 방식으로 광범위한 수소 농도를 보다 정확하게 측정하는 것이 가능한 수소 센서 및 그것의 제어 기술에 관한 것이다. 현재 전세계적으로 탄소중립이 화두이다. 주요 경제국은 전통적 화석 에너지 대신 재생에너지를 이용한 전력 생산 확대 방안을 모색하고 있다. 그린 에너지 시스템은 풍력, 수력, 조력, 태양광과 같은 재생에너지를 통해 얻은 에너지를 전기 에너지와 수소 에너지로 사용하는 시스템이다. 그 중에서도 그린수소는 생산단계부터 온실 가스가 전혀 배출되지 않아 궁극적인 친환경 에너지로 평가받고 있으며, 지구 차원의 대체 에너지로서 부상하고 있는 수소는 생산방식에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 대별된다. 최근에는 전기차가 활성화됨에 따라 친환경 수소 연료 전지가 탑재된 전기차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소 연료 기반의 전치차는 일반 고전압 배터리 기반의 전기차와 비교하여 높은 에너지 밀도로 인해 빠른 충전 시간과 한번의 수소 충전으로 긴 주행 거리를 제공할 수 있는 장점이 있다. 연료 전지 시스템은 스택 내 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성한다. 하지만 수소는 폭발범위가 4~75%로 매우 넓고, 대기상에서 0.02mJ만의 에너지로도 점화가 되기 때문에, 연료 전지를 사용하는데 있어 폭발 위험은 매우 큰 문제가 되고 있다. 또한, 수소는 확산 계수가 매우 높아(공기중에서 0.61 cm2/s) 대부분의 소재를 통하여 쉽게 확산되어 특정 용기에 가둬 두는 것이 매우 어렵다. 그 결과 수소와 관련 장치나 관련 부속물들은 수소 누설에 대한 각별한 주의가 요구된다. 따라서 연료전지를 이용하기 위해서는 대략 1000ppm~4%의 수소농도를 감지할 수 있는 수소 누설 센서가 반드시 구비되어야 한다. 또한 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 농도를 파악할 수 있는 수소 센서도 필요하다. 연료전지 시스템 설계에 따라 수소의 농도가 40~99.9%까지 변할 수 있어 이를 효율적으로 감지할 수 있는 수소 센서의 개발이 절실히 요구되고 있다. 하지만, 종래의 수소 관련 장치나 부속물들은 낮은 수소 농도 측정이 가능한 저항변화식 수소 센서 또는 높은 수소 농도 측정이 가능한 열전도식 수소 센서를 선택적으로 적용하고 있다. 따라서, 해당 수소 센서의 감지 범위를 벗어나는 경우 시스템이 오작동하거나 심각한 안전 사고를 야기할 수 있는 문제점이 있었다. 도 1은 연료 전지 스택에서의 전기 화학 반응을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서에 적용되는 수소 센싱 방법들의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 6은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 저항변화식 수소 센서와 열전도식 수소 센서의 출력 예이다. 도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서의 출력 예이다. 도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 컴퓨팅 장치의 구조이다. 이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 1은 연료 전지 스택에서의 전기 화학 반응을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(100)은 크게 음극인 연료극(Anode), 양극인 공기극(Cathode) 및 연료극과 공기극 사이에 배치되는는 전해질막(Membrane)을 포함하여 구성될 수 있다. 연료 전지 스택(100)의 연료극에 주입된 수소와 공기극에 주입된 산소가 전기 화학 반응을 하며 끊임없이 물-즉, 생성수(H2O)-이 생성된다. 전해질막의 앞뒤에는 연료 전지 스택 내 화학 반응이 일어날 수 있도록 형성된 촉매층을 포함할 수 있다. 일 예로, 촉매층은 백금(Pt) 촉매를 입힌 카본 분말을 사용하여 형성될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며 당업자의 설계에 따라 다른 촉매 물질이 사용될 수 있다. 촉매층은 촉매를 이용한 가스 확산층(Gas diffusion layer with Catalyst)을 형성한다. 스택의 좌우로 각각 주입된 수소와 산소는 산화와 환원 과정을 통해 이온화된다. 연료극의 일측에 형성된 수소 주입구(110)를 통해 수소(H2) 가스가 주입되면 수소는 촉매와 반응하여 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 여기서, 화학반응식은 2H2->4H+ + 4e-이다. 수소 이온은 전해질막을 통과하여 공기극으로 이동하며, 연료극에서 발생된 전자는 외부 회로를 거치며 전류를 발생시킨다. 이때, 발생된 전류를 이용하여 전기차의 모터가 구동될 수 있다. 연료 전지 스택에서 발생된 전류는 전기차에 구비된 배터리를 충전하기 위해 사용될 수도 있다. 공기극의 일측에 형성된 공기 주입구(120)를 통해 산소(O2)가 주입되면 촉매에 의해 산소(O2)와 전자들(4e-)가 반응하여 산소이온(2O2-)이 생성되며, 이때, 생성된 산소이온(2O2-)과 전해질막을 통과한 수소 이온들(4H-)이 반응하여 물(2H2O)이 생성된다. 이때, 생성된 물은 셀 내 화학 반응 시 발생된 열(heat)과 함께 공기극의 타측에 형성된 물 배출구(130)를 통해 외부로 배출된다. 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서는 연료 전지 스택(100)의 수소 주입구(110)에 배치되어 연료 전지 스택(100)에 공급되는 수소의 농도를 측정할 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 당업자의 설계에 따라 연료 전지 시스템 내부 또는 연료 전지 차량 시스템 내 특정 위치, 스택 또는 수소 탱크 주변 등 수소 누출 위험이 존재하는 차량 내 다양한 위치에 배치되어 수소 누출 감지 센서의 용도로서 활용될 수도 있다. 도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 하이브리드 수소 센서에 적용되는 수소 센싱 방법들의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 하이브리드 수소 센서는 수소 감지 물질 기반의 저항변화식 수소 센서와 MEMS 히터 기반의 열전도식 수소 센서가 단일 소자로 결합되어 구현될 수 있다. 저항변화식 수소 센서는 수소 선택적 반응성이 우수한 감지 물질을 활용한 물질 저항 변화량을 기반으로 주변 대기 내 수소 유무(또는 농도)를 감지 방식의 수소 센서이다. 일반적으로 저항변화식 수소 센서는 건조 공기와 습한 공기에 대해 큰 저항 변화를 보이지는 않지만 건조 공기와 습한 공기에 대해 동일 수소 농도 반응 시 공기 중 수증기의 방해로 인해 습한 공기에서 미세한 반응성 저하 특성을 보이는 특징이 있다. 이로 인해, 반응 성능 확보-예를 들면, 반응속도 등-뿐만 아니라 습도 영향 제거 등을 위해 구동 조건 최적화-예를 들면, 최적 구동 온도- 또는 물질 개선-예를 들면, 표면 소수성 처리, 나노 구조 최적화-이 요구된다. 현재 관련 연구개발 등이 국내외 연구기관을 중심으로 활발히 이뤄지고 있으며, 일반적으로 최적 온도로의 가열을 위한 히터 복합 구조가 적용될 수 있다. 또한, 저항변화식 수소 센서의 경우 감지 물질의 화학 반응 포화 특성에 따라 특정 수소 농도 이상의 환경에서 포화된 변화량을 나타낸다. 본 개시의 실시 예에 따른 수소 감지 물질은 팔라듐(Palladium, 이하, ‘Pd’)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Pd는 수소가스에 노출되면 수소가스가 Pd 표면에서 해리되어 Pd 내로 흡수된다. Pd는 부피 비로 수소를 600배까지 녹일 수 있으며, 흡수된 수소는 Pd와 반응하여 PdHx의 수소화합물을 형성한다. 여기서, x는 수소의 분압에 따라 결정되며, 이에 수소의 분압에 따라 PdHx의 기계적, 광학적 및 전기적 특성이 변한다. 따라서 PdHx의 전기적/기계적/광학적 특성의 변화를 측정하여 수소의 농도를 측정할 수 있다. 또한 Pd는 다른 가스의 영향을 받지 않으면서 수소만의 농도를 측정할 수 있고, 진공이나 산소가 없는 환