Study on Heat Transfer Characteristics by Heater Conditions of Hydrogen Sensor for Fuel Cell Electric Vehicle

Copyright

2013 KSAE / 121-04 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2013.21.1.023 Transactions of KSAE, Vol. 21, No. 1, pp.23-29 (2013)

연료전지 자동차용 수소센서의 히터 조건에 따른 열전달 특성에 관한 연구

서 호 철¹⁾․박 경 석^*2)

세종공업(주) 신제품개발팀¹⁾․경희대학교 기계공학과²⁾

Study on Heat Transfer Characteristics by Heater Conditions of Hydrogen Sensor for Fuel Cell Electric Vehicle

Hocheol Suh¹⁾․Kyoungsuk Park^*2)

1)

Sejong Industrial Co. Ltd,. R&D Center, 800-1 Hyomoon-dong, Buk-gu, Ulsan 683-360, Korea

2)

Department of Mechanical Engineering, Kyunghee University, Gyeonggi 446-701, Korea (Received 22 June 2011 / Revised 6 April 2012 / Accepted 3 July 2012)

Abstract : In recent years, development of energy conversion systems using hydrogen as an energy source has been accelerated globally. Even though hydrogen is an environment-friendly energy source, safety and effectiveness issues in storage, transportation, and usage of hydrogen should be clearly resolved in every application. Therefore, sensors for detecting hydrogen leakage, especially for fuel cell electric vehicles, should be designed to have much higher resolution and accuracy in comparison with conventional gas sensors. In this study, we conducted to determine the design parameters for the semiconductor hydrogen sensor with optimized sensing conditions under the thermal distribution characteristic and thermal transfer characteristic. The heat generation study on power supply voltage was studied for correlation analysis of thermal energy according to the power supply voltage variation from 1.0 voltage to 10.0 voltage every 0.5 voltage. And we studied for the temperature coefficient of resistance with hydrogen sensor.

Key words : Sensor for detecting hydrogen leakage(수소누설검지센서), Catalyst(촉매), Gas sensor(가스센서), Fuel cell electric vehicle(연료전지자동차), Temperature coefficient of resistance(저항온도계수)

Nomenclature ¹⁾ A : area

C

: specific heat e : electron g : gravity H : hydrogen J : joule

Κ : turbulent heat transfer k : turbulent kinetic energy

 : length O : oxygen

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

Pt : platinum p : pressure R : electric residance

 : heat flux T : temperature t : time V : volume v : velocity x : direction

 : turbulent kinetic energy dissipation ρ : density

ρ

: resistivity

서호철․박경석

1. 서 론

최근 저탄소 친환경 에너지의 대표적인 자원인 수소를 이용하는 에너지변환시스템의 개발이 촉진 되고 있다. 수소에너지는 친환경성에 장점을 가지 고 있지만 수소 자체의 확산성이 크기 때문에 저장 및 운송에 있어서 취급상에 어려움을 갖고 있는 단 점이 있다.

따라서 수소누설 감지시스템의 채용 은 필수적이 되고, 보다 높은 감지능력을 갖는 센서 의 개발이 절실히 요구되고 있다.

접촉 연소식 수소센서는 열에너지를 이용하여 수 소의 농도를 검출하는 원리이므로 열전달 메커니즘 규명을 통한 히터의 열 분포 특성을 연구하는 것은 최적의 검출 조건을 도출하는데 가장 중요한 요소 이다. 센싱 칩 내에 형성되어 있는 히터는 고온의 수 소반응 조건을 만드는 역할을 하며, 동시에 센서의 소비전력을 결정짓는 요소이다. 그러므로 센서의 열특성을 분석하여 최적의 히터 제작 조건을 찾아 내는 것은 저전력, 고성능의 센서를 개발하는데 핵 심기술이라고 볼 수 있다.

본 연구에서는 연료전지 자동차용 마이크로 칩 수소센서의 히터 저항에 따른 센서의 열 특성 및 히 터 작동 조건에 따른 열전달 특성을 고찰하였다.

2. 이 론

접촉연소식 수소센서는 수소가스가 센서 칩의 촉 매가 도포된 검지소자의 표면에서 촉매와 접촉하게 되면 산소와 반응하면서 산화열을 발생키시고 이때 발생한 열에 의해 센서 표면의 온도는 증가하게 된 다. 센서의 온도 변화는 센서 내에 형성된 히터의 저 항 변화로 나타나고 이러한 변화를 전기적 신호로 검출하면 수소가스 농도에 따른 전압변화를 볼 수 있다. 수소가스가 센서 표면에 접촉될 때 일어나는

Fig. 1 Reaction schematic diagram of the hydrogen sensor

수소의 산화반응 및 산소의 환원 반응에 대한 개념 도를 Fig. 1에 나타내었다.

수소와 산소를 사용하는 센서 표면의 전체 반응 은 식 (1)에 나타내었다.

     

^ 

→   

   

   

(1)

수소센서의 검지소자와 보상소자에 대한 수치해 석을 진행하기 위하여 센서 칩 내부에 사용된 연속 방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, Standard k-ε 난류방정식은 식 (2)~(6)과 같이 나타낼 수 있다.

연속방정식

 

  ∇⋅       (2)

운동량방정식

 

      ∇⋅       ∇  ∇  ^      (3)

에너지방정식

 

  ^{ }

  _{  }



  ^

 

  _{  }



  _



 

 (4)

Standard    난류 모델 - 난류운동에너지( ^ ) 방정식

 

  ^{ }

  _{  }



  ^

 

  _{  }



  _



 

 (5)

- 난류 운동에너지 소산율(ε) 방정식

 

   

  ^

  _{  }



 



 ^{   }



 ^{ }

 



 

_



  ^

 



 ^{ }



 



(6)

다음은 히터 저항 설계를 위한 단면적 및 저항에 따른 저항체 길이를 산출하는 식을 식 (7)에 나타내 었다.

   

 × 

(7)

히터에서 발생되는 열에너지는 식 (8)과 같이 나 타낼 수 있다.

J = c

× × × ρ V T (8)

연료전지 자동차용 수소센서의 히터 조건에 따른 열전달 특성에 관한 연구

3. 수치 해석

마이크로칩 수소 센서의 히터 전원 공급 시 센서 칩에서의 열전달 특성을 수치해석 하기 위하여 Fig. 2 와 같이 수소센서 칩 형상 중 수소센서 동작에 영향 을 주는 영역만을 모델링하였다. 해석을 위해 구성 한 형상 중 칩의 구조는 실리콘으로 구성된 베이스 위에 SiO

박막층이 덮인 구조로 모델링 하였으며 이 박막층 중간에 백금으로 만들어진 히터가 삽입 되어 있다. 실제 구조에 비하여 다소 간략화된 것은 Fig. 3에 나타내었으며 박막층의 실제 구조는 이 5개 층으로 이루어져 있다. 이에 따라 전체 SiO

층으로 구성하였으며 내부에 Pt(히터)는 층간 경계면으로 설정하였다. 또한 보상소자는 위에서 설명한대로 되어 있지만 검지소자의 경우 촉매층이 한 겹 더 존 재한다.

검지부를 감싸고 있는 영역은 공기층으로 고정면 (원통 하부)과 원통 측면은 플라스틱으로 밀폐된 상 태이며 외부의 공기는 개방된 원통 상부를 통하여 자연대류로 순환된다.

수치해석을 위한 격자는 약 102만개의 정렬격자 를 사용하였다. 해석영역은 반지름 5.4mm, 높이 5mm 의 원통형상의 공간이며, 공간 내부 바닥에 칩이 고 정되어 있고 반대편인 상부는 개방되어 있는 구조 이다. 정상상태로 해석을 진행하였고 퍼스널 컴퓨 터(CPU 2.2GHZ, RAM 4GB)를 사용하여 계산하는 데 약 10시간이 소요되었으며, 각방향 속도,  ,  등 의 Residual 곡선의 기울기가 -0.01 이하가 되었을 경 우 수렴하였다고 판단하였다.

Fig. 2 Grid system of a hydrogen detector system

Fig. 3 Schemetric of the structure of hydrogen sensor chip for numerical analysis

3.2 경계 조건

수소센서의 수소 감지는 촉매에서 수소가 산소와 반응하면서 발생되는 열이 센서 칩 하부의 히터에 전달되어 히터의 열적 변화에 의한 저항변화와 이 로 인한 저항차를 확인하여 수소의 농도를 검출하 게 된다. 수소센서의 히터는 SiO

층 내부에 삽입된 형태로 존재하며 촉매는 알루미나와 백금의 혼합물 이지만, 백금은 미소량이 함유되어 있기 때문에 알 루미나로 가정하여 해석하였다.

수치해석 영역은 원통형상의 상층부는 기체만 통 과 가능한 멤브레인이 장착되어 있기 때문에 열린 공간으로 대기압 조건을 가정하였으며 내부 공간의 공기는 이상기체로 가정하였다.

Table 1은 본 수치해석에 적용된 경계 조건을 나 타낸 것이다.

Table 1 Case hydrogen sensor of numerical analysis Resistance of heater [Ω]

Case 1 40

Case 2 60

Case 3 80

Case 4 100

Case 5 120

4. 실험 장치 및 실험 방법

본 연구에서는 히터 저항별 열 특성과 수소센서

마이크로 칩의 전원 전압 조건 그리고 수소가스 반

응시 수소센서 칩에서의 열전달 특성을 분석하기

위하여 적외선 카메라 및 유량계가 구성되어 평가

장치를 Fig. 4와 같이 구성하였다. 측정 장비 내부에

Hocheol Suh․Kyoungsuk Park

Fig. 4 Experimental set-up for hydrogen sensor thermal characteristics test

적외선 카메라를 내장하여 센서 칩을 카메라 렌즈 부와 근접하게 위치시켜 열 분포를 측정할 수 있도 록 하였다.

4.2 실험 방법

수소센서 마이크로 칩에서의 열적 특성을 분석하 기 위해서 서로 다른 히터 저항을 가진 시제품을 Table 2와 같이 설계하여 제작하였다.

Table 2 Heater design by resistance variation Heater schematic

Resistance (Ω)

A (㎛)

B (㎛)

C (㎛)

D (㎛)

Lengths (㎛)

40 996 600 1,000 3,450 5,007

60 909 600 912.5 3,450 6261.5

80 1,013 600 985 3,450 7,095

100 1,026 600 1,005 3,450 7,304

120 953 600 955 3,450 6887

전원 전압 조건에 따른 히터의 열특성 평가를 위 해 전원전압을 1.0 V에서 10.0 V까지 0.5 V 단위로 변화시키면서 히터에서 발열되는 온도 측정 및 열 에너지 변화를 평가하였다.

또한 수소가스 반응 시 수소센서 칩에서의 열전 달 특성을 분석하기 위해서 수소가스 농도 1% 조건 에서 검지소자에서 발생되는 산화열을 측정하였다.

5. 결 과

Fig. 5는 수소센서 각 저항별 전압 증가에 따른 히 터의 발열 에너지 변화를 나타낸 것이다. 히터에서 발생된 열에너지는 히터의 원재료인 순수 백금의 비열 및 밀도와 저항별 히터의 체적 그리고 히터의 온도 측정값을 이용하여 구할 수 있었다.

각 히터의 온도 분포 특성은 저항의 크기에 반비 례하여 히터의 온도변화가 측정되었다. 히터 저항 40 Ω인 경우 입력 전압이 1V에서는 발열 에너지 121 μ J 이 측정되었으며 입력 전압이 10V에서는 발열 에 너지 289 μJ 이 측정되어 발열 에너지 폭이 가장 크 게 나타났으며, 이것은 히터 저항 120 Ω 인 경우 대 비 최대 2배 이상의 열에너지가 발생된 것으로 분석 되었다. 120 Ω 히터의 경우 100 Ω 히터 대비 최소 74% 수준의 열에너지가 발생되었다.

Fig. 6은 히터 저항의 크기변화에 따른 검지소자 열전달율의 변화 추이를 나타낸 것이다. 열전달율 은 검지소자에서 절연부로의 전도 열전달율과 검지

Fig. 5 Thermal energy characteristics of heater according to input voltage variation

Study on Heat Transfer Characteristics by Heater Conditions of Hydrogen Sensor for Fuel Cell Electric Vehicle

Fig. 6 Chip heat transfer rate characteristic according to heater resistance

소자에서 대기 중으로의 대류 열전달율 및 복사 열 전달율을 고려하였으며 검출소자 내부에서의 열 손 실은 고려하지 않았다. 히터 저항의 크기에 따른 검 지소자 열전달율 측정 결과, 히터 저항의 크기가 증 가함에 따라 검지소자 열전달율은 다소 증가하다가 안정화되는 형태를 보였다. 히터 저항이 40 Ω 인 경 우 검지소자 내부에서의 열 손실이 가장 많이 발생 되었으며 열전달율이 촉매 반응 후 28 ㎽, 촉매 반응 전 25.8 ㎽가 측정되었다. 히터 저항이 80 Ω 인 경우 촉매 반응 후 29.8 ㎽, 촉매 반응 전 26.7 ㎽의 열전달 율이 측정되어 반응 전･후 약 3.1 ㎽의 차이를 나타 내었다. 히터 저항이 120 Ω 인 경우 촉매 반응 전･

후 약 3 ㎽의 차이를 나타내지만 높은 히터 저항을 유지하기 위해서는 센서 칩에서의 전력 소모량이 증가되는 특성이 있었다.

5.2 해석 결과

Fig. 7은 수소센서의 칩에 전원만 인가된 상태에 서의 열 특성을 계산하여 보상소자와 검지소자의 계산 영역 내에서의 온도분포를 나타낸 것이다. 해 석 결과 보상소자와 검지소자의 계산영역에서의 온 도 분포 특성은 촉매의 존재유무만 존재하므로 전 체 공간에서 비교하면 큰 차이는 없는 것으로 보인 다. Fig. 8은 수소센서 칩 단면에서의 온도분포를 나 타낸 것이다. 측정 위치는 소자 상부와 히터의 중간 지점을 확인하였다. 검지소자에서는 평균 430°C이 계산되었으며 보상소자에서는 평균 320°C이 계산

(a) Compensation element

(b) Detection element

되어 약 110°C의 온도차가 발생되는 것을 알 수 있 었다. 이는 각 소자는 상당히 얇은 박막층으로 이루 어져 있고 보상소자에는 촉매가 존재하지 않기 때 문에 촉매가 있는 검지소자보다 주변 환경의 영향 을 더 받는 것으로 판단된다.

5.3 비교 고찰

Fig. 9는 각 저항별로 실험값과 수치해석으로 구

한 결과값을 비교한 그래프 이다. 각 case들에서 나

타낸 것과 같이 40 Ω ~ 120 Ω의 총 5가지 종류의 히

터에 대하여 실험에서 구한 값과 해석으로 계산한

값을 비교평가 하였으며 각 case의 저항의 크기변화

로 인하여 히터에서의 발열량이 달라졌을 경우에

센싱 칩에서의 변화특성을 고찰하였다. 각 case에서

의 온도값은 센싱 칩의 표면에서 측정된 최대 온도

이다. 먼저 40 Ω의 히터를 가진 검지소자의 경우 실

험적으로 240°C인 것이 확인되었으며 수치해석으

로 계산한 결과 약 210°C로 나타났다. 80 Ω의 히터

서호철․박경석

(a) Compensation element

(b) Detection element

Fig. 8 Temperature distribution on power (on chip)

Fig. 9 Temperature distributions of chip according to heater resistance

를 가진 검지소자의 경우 실험적으로 171°C인 것이 확인되었으며 수치해석으로 계산한 결과는 약 153°C 로 나타났다. 마지막 case인 120 Ω을 살펴보면 실험 에서는 140°C인 것으로 확인되었으나 수치해석 결 과 92°C로 나타났다. 실험값과 수치해석값에서 차

Fig. 10 Temperature distributions of chip according to heater resistance

이가 나는 부분은 유체를 자연대류로 해석하게 됨 으로써 생긴 오차로 판단된다. 모든 case에서 실험 값과 수치해석값이 동일하지는 않지만 저항의 크기 가 커짐에 따라 히터의 온도가 낮아지는 경향을 확 인하였다.

Fig. 9의 고찰 결과를 토대로 하여 히터 저항에 따 른 센싱 칩 발열 온도의 실험과 수치해석 결과의 상 관관계를 도출하였다.

Fig. 10은 실험데이터의 평균값과 수치해석 결과 데이터의 평균값 간의 온도 차이를 히터 저항에 따 라 나타낸 것이다.

이를 이용하여 히터 저항에 따른 센싱 칩 발열 온 도의 실험과 수치해석 결과의 상관관계를 식 (9)와 같은 함수로 나타낼 수 있었다.

     (9)

6. 결 론

본 연구에서는 마이크로형 수소센서의 설계를 위 하여 저항의 크기 변화에 따른 칩 및 촉매부와 히터 간의 열 분포 특성을 실험 및 수치해석으로 평가하 여 비교분석하였다. 그로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 수소센서의 칩 평균온도는 검지소자가 보상소 자보다 110°C 높게 확인되었다. 이는 상대적으로 얇은 두께로 인하여 더 쉽게 방열이 되는 것이다.

2) 히터의 온도 분포 특성은 저항의 크기에 반비례

하여 히터가 발열하였지만 저항의 크기가 80 Ω

연료전지 자동차용 수소센서의 히터 조건에 따른 열전달 특성에 관한 연구

이상의 경우 저항의 수치 변화에 따른 발열 온도 변화의 폭이 안정화되는 것으로 확인되었다.

3) 히터 저항에 따른 검지소자 열전달율을 분석한 결과, 히터 저항이 80 Ω 일 때 촉매 반응 전후에 열전달율이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 이 는 40 Ω 대비 촉매 반응 후 열전달율은 약 6.5%

증가되었으며 촉매 반응 전 열전달율은 약 3.5%

증가되는 것을 알 수 있었다.

4) 각 저항 40 Ω ~ 120 Ω의 총 5가지 종류의 히터에 대해 발열량이 달라졌을 경우에 칩에서의 온도 변화에 대해 확인하였다. 히터의 저항이 높아짐 에 따라 히터의 온도는 낮아지는 경향을 보였다.

5) 히터 저항에 따른 센싱 칩 발열 온도의 실험과 수 치해석 결과의 상관관계 식을 구했다. 이를 바탕 으로 수소센서 및 유사 발열 히터 설계 시 수치해 석을 통해 발열히터의 특성을 유추할 수 있을 것 으로 판단된다.

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