KR100767535B1 - Fiber optic hydrogen sensor for fuel cell - Google Patents

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Abstract

An optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell is provided to simplify the structure of a sensor system by omitting a reference fiber and an optical coupler and to improve confidence. An optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell comprises an optical fiber cable(13) where a sensing element(11) coated with Pd is adhered by an optical adhesive layer(12), wherein two dielectric mirrors(20) are installed at a certain interval in the pathway of the optical fiber cable to allow laser to be reflected or transmitted. Preferably the dielectric mirrors comprise a first mirror which is located in front of the optical fiber cable and is installed in the pathway part; and a second mirror which is installed in an end part of the optical fiber cable.

Description

연료전지용 광섬유 수소센서{Fiber optic hydrogen sensor for fuel cell}Fiber optic hydrogen sensor for fuel cell

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 광섬유 수소센서를 나타내는 계통도,1 is a schematic diagram showing an optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 광섬유 수소센서의 센서부에 적용된 유도체 미러를 나타내는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a derivative mirror applied to the sensor unit of the optical fiber hydrogen sensor for fuel cell according to the present invention;

도 3은 종래의 연료전지용 광섬유 수소센서를 나타내는 계통도,3 is a system diagram showing a conventional optical fiber hydrogen sensor for fuel cells;

도 4는 종래의 연료전지용 광섬유 수소센서의 센서부를 나타내는 확대 단면도,4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a sensor unit of a conventional optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell;

도 5는 종래의 Mach-Zehnder 간섭계 구조로 이루어진 연료전지용 수소센서를 나타내는 구성도이다. 5 is a block diagram illustrating a hydrogen sensor for a fuel cell having a conventional Mach-Zehnder interferometer structure.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 센서부 11 : 센싱 엘리먼트10 sensor unit 11 sensing element

12 : 광접착층 13 : 광섬유 케이블12 optical bonding layer 13 optical fiber cable

20 : 유도체 미러(Dielecric mirror)20: derivative mirror

본 발명은 연료전지용 광섬유 수소센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유를 통과하는 동안 외부 물리량에 의하여 광의 특성이 변형되는 정도를, 검출되는 위상성분을 근거로 측정할 수 있도록 되어 있는 연료전지용 광섬유 수소센서에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber hydrogen sensor for fuel cells, and more particularly, to an optical fiber hydrogen for fuel cell, which is capable of measuring the degree of deformation of light due to an external physical quantity while passing through an optical fiber, based on a detected phase component. Relates to a sensor.

일반적으로, 최근 화석연료 사용에 따른 지구온난화를 포함한 환경오염 문제와 화석연료 고갈에 따른 에너지수급 문제를 극복할 수 있는 대안으로서 수소에너지의 개발이 가속화되고 있으며, 현재 수소에너지를 범용화하기 위한 많은 기술이 성공 단계에 다다르고 있다. In general, the development of hydrogen energy has been accelerated as an alternative to overcome the environmental pollution problem including global warming caused by the use of fossil fuel and the energy supply and demand caused by the depletion of fossil fuel, and there are many technologies for generalizing hydrogen energy. This success stage is approaching.

그러나, 수소에너지를 지금의 화석연료와 같이 쉽게 사용하기 위해서는 미량의 수소를 감지할 수 있는 수소 감지기술 역시 필수적으로 뒷받침되어야 한다.However, in order to use hydrogen energy as easily as current fossil fuels, hydrogen sensing technology capable of detecting trace amounts of hydrogen must also be supported.

따라서, 수소센서의 개발은 가까운 미래에 개발될 수소자동차 등 수소에너지를 사용하게 되는 모든 기계장치에 반드시 필요한 기술이며, 미래 연료에 대한 안전 대책 및 그 실효성을 보증할 수 있는 원천 기술로 각광을 받고 있다.Therefore, the development of the hydrogen sensor is an essential technology for all machinery that uses hydrogen energy, such as a hydrogen car, which will be developed in the near future, and has been spotlighted as a source technology that can guarantee safety measures and effectiveness for future fuels. have.

현재 센서용 수소감지기술로는 후막이나 박막형 재료를 이용하는 기술과 반도체식 가스센서와 고체 전해질식 센서를 이용하는 기술 등이 보고되고 있다. Currently, hydrogen sensing technology for sensors has been reported using a thick film or a thin film material, and a technology using a semiconductor gas sensor and a solid electrolyte sensor.

그러나, 이들 기술이 보유한 각각의 장점에도 불구하고, 수소센서의 핵심이라 할 수 있는 감지할 수 있는 최소 수소농도, 반응 시간, 감지 온도, 구동 소비 전력 등의 측면에서 보면 수소 센서의 성능은 아직 미미한 수준에 머물러 있다.However, despite their respective advantages, the performance of the hydrogen sensor is still insignificant in terms of the minimum detectable hydrogen concentration, reaction time, sensing temperature, and driving power consumption. Stay on level.

즉, 초기 검출된 수소량이 0.01%로 매우 좋지만, 100℃ 이상의 고온에서 동 작하므로 구동 소모전력이 크고, 반응 시간이 길뿐만 아니라 비용이 높아 대중화되기에는 아직 부족한 면이 있다. In other words, the amount of hydrogen detected initially is very good at 0.01%, but it operates at a high temperature of 100 ° C. or higher, so the driving power consumption is large, the reaction time is long, and the cost is high.

최근 이에 대한 대안으로서 Pd(팔라듐)을 이용한 수소센서의 연구 개발이 진행되고 있다. Recently, as an alternative to this, research and development of a hydrogen sensor using Pd (palladium) is in progress.

상기 Pd가 수소가스에 노출되면 수소 가스가 Pd 표면에서 해리되어 Pd 내로 흡수된다. When Pd is exposed to hydrogen gas, hydrogen gas dissociates from the surface of Pd and is absorbed into Pd.

상기 Pd는 부피 비로 수소를 600배까지 녹일 수 있으며, 흡수된 수소는 Pd와 반응하여 PdHx의 수소화합물을 형성한다. The Pd can dissolve hydrogen up to 600 times in volume ratio, and the absorbed hydrogen reacts with Pd to form a hydrogen compound of PdHx.

여기서, x는 수소의 분압에 따라 결정되며, 수소의 분압에 따라 PdHx의 전기적 특성 및 기계적 특성 그리고 광학적 특성이 변하게 된다. Here, x is determined according to the partial pressure of hydrogen, and electrical, mechanical and optical properties of PdHx are changed according to the partial pressure of hydrogen.

따라서, Pd 수소화합물의 전기적, 기계적, 광학적 특성의 변화를 측정하여 수소의 농도를 측정할 수 있으며, 이러한 수소센서는 다른 가스의 영향을 받지 않으면서 수소만의 농도를 측정할 수 있고, 진공이나 산소가 없는 분위기에서도 사용할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the concentration of hydrogen can be measured by measuring the change in the electrical, mechanical and optical properties of the Pd hydrogen compound, and the hydrogen sensor can measure the concentration of hydrogen alone without being affected by other gases. There is an advantage that can be used in the atmosphere without oxygen.

한편, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 미국특허 제6,519,041호에 개시되어 있는 종래의 Mach-Zehnder 간섭계 구조로 이루어진 연료전지용 수소센서는 Pd 코팅되어 있으며, 센싱 엘리먼트(101)가 광접착층(102)에 의해 부착된 센서부(100)의 끝단이 수소에 노출되면 PdHx라는 수소 화합물이 형성되면서 광섬유 케이블(103)에서 반사되어 오는 레이저의 위상이 일정하게 변화하게 된다.On the other hand, as shown in Figures 3 to 5, the hydrogen sensor for a fuel cell made of a conventional Mach-Zehnder interferometer structure disclosed in US Patent No. 6,519,041 is coated with Pd, the sensing element 101 is a photo-adhesive layer ( When the end of the sensor unit 100 attached by the 102 is exposed to hydrogen, a hydrogen compound called PdHx is formed, and the phase of the laser reflected from the optical fiber cable 103 is constantly changed.

여기서, 상기 레이저는 광소스로부터 멀티플렉스(130)를 거쳐 각각의 센서 부(100)로 이송되고, 광파이버 라인을 통해 광검지기(150)로 돌아오는 반사광은 상기 멀티플렉스(130)를 통과하여 유도된다.Here, the laser is transferred from the light source to each sensor unit 100 via the multiplex 130, and the reflected light returning to the photodetector 150 through the optical fiber line is guided through the multiplex 130. do.

이러한 광 신호는 출력 전기라인을 통해 콘트롤러(170)로 유도되는 센서부(100)에 대응하는 신호와 함께 결합되며, 상기 콘트롤러(170)에 의해 콘트롤밸브(190)가 제어되는 것이다. The optical signal is coupled with a signal corresponding to the sensor unit 100 guided to the controller 170 through the output electric line, the control valve 190 is controlled by the controller 170.

즉, 일정한 기준 파형을 갖는 참조파이버(110)와, 센서부(100)로부터 반사되어 파이버(120)를 통해 유도되는 레이저 파형 간의 위상차로 인한 간섭으로 인해 도 5에 도시되어 있는 줄무늬로 이루어진 간섭무늬(fringe pattern)가 나타나게 되며, 광검지기(150)에서 이를 전기적 신호로 변환 출력하게 되는바, 일정값을 갖는 수소가 존재시에 나타나는 간섭무늬에 의한 전기적 신호와 비교하여 25% LEL을 벗어나는 농도로 판정될 경우, 알람(alarm)(180)과 함께 콘트롤러(170)에 의해 콘트롤밸브(190)를 차단하는 시스템으로 되어 있다.That is, an interference fringe made of stripes shown in FIG. 5 due to interference due to a phase difference between a reference fiber 110 having a predetermined reference waveform and a laser waveform reflected from the sensor unit 100 and guided through the fiber 120. (fringe pattern) appears, and the photodetector 150 converts it into an electrical signal and outputs it to a concentration beyond 25% LEL compared to an electrical signal due to an interference fringe which appears when hydrogen having a predetermined value is present. When it is determined, the control valve 190 is shut off by the controller 170 together with the alarm 180.

그런데, 이와 같은 광섬유 수소센서는 간섭계의 기준으로 일정한 광경로를 제공하는 참조파이버(110)의 길이가 각각의 센싱용 파이버(120)의 길이와 거의 정확히 일치해야 센서로서의 신뢰성을 유지할 수 있으나, 상기한 길이를 일치시켜 유지하는데 어려움이 있으며, 상기 파이버(120)에서 유도되는 레이저 파형을 한 곳으로 결합시키는 광커플러(140) 및 간섭무늬를 얻기 위하여 센싱용 파이버(120) 이외의 파이버인 참조파이버(110) 등과 같은 요소를 사용하여 구성장치가 매우 복잡한 문제점이 있다. By the way, the optical fiber hydrogen sensor as described above can maintain the reliability as the sensor when the length of the reference fiber 110 that provides a constant optical path as the reference of the interferometer almost exactly matches the length of each sensing fiber 120, It is difficult to maintain the same length, and the reference fiber which is a fiber other than the sensing fiber 120 to obtain the optical coupler 140 and the interference fringe to combine the laser waveform induced in the fiber 120 into one place. There is a problem in that the configuration device is very complicated using elements such as 110.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 광섬유 케이블로 유도되어 팔라듐(Pd)이 코팅된 센싱 엘리먼트에서 반사되는 레이저의 광파형이 위상차를 통해 간섭무늬를 얻을 수 있도록 상기 광섬유 케이블에 일정한 간격을 두고 2개의 유도체 미러(Dielectric mirror)를 삽입하여 그 2개의 미러면에서 반사되는 서로 다른 위상을 갖는 레이저 파형에 의한 간섭 현상을 이용함으로써, 종래의 간섭현상을 위해 센싱용 파이버 이외에 별도로 적용된 참조파이버와, 광커플러의 설치를 배제 가능하므로 센서 시스템의 구조를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 일정한 광경로의 제공에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 광섬유 수소센서를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is invented to solve the above problems, the optical wave form of the laser is guided by the optical fiber cable and reflected from the sensing element coated with palladium (Pd) to obtain the interference fringe through the phase difference By inserting two derivative mirrors at regular intervals into the cable and using interference phenomena by laser waves having different phases reflected from the two mirror planes, in addition to the sensing fibers for conventional interference phenomena, Since the installation of the reference fiber and the optocoupler applied separately can be eliminated, the structure of the sensor system can be simplified and the optical fiber hydrogen sensor for fuel cell can be improved to improve the reliability of providing a constant optical path. have.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지용 광섬유 수소센서에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides an optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell,

Pd가 코팅된 센싱 엘리먼트가 광접착층을 통해 부착된 광섬유 케이블은 그 통로에 레이저 광이 반사 또는 통과되도록 하는 2개의 유도체 미러(Dielectric mirror)가 각각 일정한 간격을 두고 설치된 것을 특징으로 한다. The optical fiber cable, to which the Pd-coated sensing element is attached through the optical adhesive layer, is characterized in that two dielectric mirrors are installed at regular intervals to allow laser light to be reflected or passed through the passage.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the configuration of the present invention with reference to the accompanying drawings in detail.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 광섬유 수소센서를 나타내는 계통 도이며, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 광섬유 수소센서의 센서부에 적용된 유도체 미러를 나타내는 단면도이다. 1 is a schematic diagram illustrating an optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a derivative mirror applied to a sensor unit of the optical fiber hydrogen sensor for a fuel cell according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지용 광섬유 수소센서는 외부 물리량에 의해 광의 특성이 변형되는 정도를 단일 광에 의한 간섭을 구현하는 Fabry-Perot 간섭계 구조의 검출 방법을 이용하여 위상성분에 따라 측정할 수 있도록 된 광섬유에 관한 것이다.As shown in FIG. 1, the optical fiber hydrogen sensor for fuel cell may measure the degree of deformation of light characteristics by external physical quantity according to phase components using a detection method of a Fabry-Perot interferometer structure that implements interference by a single light. It is about an optical fiber made possible.

여기서, 종래의 광섬유 수소센서에 있어 기술적 구성의 동일한 부분인 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.Here, in the conventional optical fiber hydrogen sensor, a description of overlapping portions that are the same parts of the technical configuration will be omitted.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구성을 통해 더욱 상세하게 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 센싱 엘리먼트(11), 광접착층(12), 광섬유 케이블(13)을 구비하는 센서부(10)는 광섬유 케이블(13) 내에 레이저 광이 반사 또는 통과되도록 하는 2개의 유도체 미러(Dielectric mirror)(20)가 각각 일정한 간격을 두고 설치되어 있다.In more detail through the configuration of the present invention in order to achieve the above object, as shown in Figure 2, the sensor element having a sensing element 11, the optical adhesive layer 12, the optical fiber cable 13 In the optical fiber cable 13, two dielectric mirrors 20 are provided at regular intervals, each of which allows laser light to be reflected or passed through.

여기서, 상기 센서부(10)에 구성된 상기 광섬유 케이블(13)과 센싱 엘리먼트(11) 사이에는 광접착층(12)이 구비되어 있는바, 상기 광접착층(12)은 10㎛ 두께의 티타늄층이 스퍼터링에 의해 증착하게 되며, 투명한 상태로 이루어져 있다.Here, an optical adhesive layer 12 is provided between the optical fiber cable 13 and the sensing element 11 configured in the sensor unit 10, and the optical adhesive layer 12 is formed by sputtering a titanium layer having a thickness of 10 μm. It is deposited by, and is made in a transparent state.

이러한 센서부(10)에 구성되는 상기 유도체 미러(20)에 있어서, 전방의 제1미러는 광섬유 케이블(13)의 일정 부분에 설치하게 되며, 후방에 위치하는 제2미러는 상기 광섬유 케이블(13)의 끝단에 설치하게 된다. In the derivative mirror 20 configured in the sensor unit 10, the front first mirror is installed at a portion of the optical fiber cable 13, and the second mirror located at the rear is the optical fiber cable 13. Will be installed at the end.

이와 같이 상기 유도체 미러(20)를 설치한 본 발명의 바람직한 구현예에 따 른 센서부(10)는 상기 Pd가 일정한 두께(10㎛)로 코팅되어 있는 센싱 엘리먼트(11)의 물리적인 특성을 활용하게 되는바, Pd 코팅된 센싱 엘리먼트(11)에서 수소가 검출되지 않게 되면, 위상 성분이 변하지 않게 되므로 반사율은 상기 제1 및 제2미러에서 동일하게 되어 간섭현상이 발생하지 않게 된다.As described above, the sensor unit 10 according to the preferred embodiment of the present invention, in which the derivative mirror 20 is installed, utilizes the physical characteristics of the sensing element 11 in which the Pd is coated with a constant thickness (10 μm). If the hydrogen is not detected in the Pd-coated sensing element 11, the phase component is not changed, so that the reflectance is the same in the first and second mirrors, so that no interference occurs.

반면에, 상기 Pd 코팅된 센싱 엘리먼트(11)에 수소가 존재하게 될 경우, PdHx라는 수소화합물의 영향으로 제1 및 제2미러에서 레이저의 경로차이에 따른 위상차를 검출하게 될 경우 위상이 일정하게 변하게 되는바, 상기 제1 및 제2미러를 통해 반사된 레이저 광 파형의 위상차가 발생하게 되므로 간섭 현상이 일어나게 된다.On the other hand, when hydrogen is present in the Pd-coated sensing element 11, the phase is constant when the phase difference due to the path difference of the laser is detected in the first and second mirrors under the influence of a hydrogen compound called PdHx. Since the phase difference of the laser light waveform reflected through the first and second mirrors is generated, an interference phenomenon occurs.

즉, 종래의 광섬유 수소센서에 있어서, 일정한 기준 파형을 갖는 참조파이버(110)와, 센서부(100)로부터 반사되어 파이버(120)를 통해 유도되는 레이저 파형 간의 위상차로 인한 간섭 현상이 일어나는 원리와 상기 본 발명의 바람직한 구현예에서의 원리가 동일하게 이루어진 것이다. That is, in the conventional optical fiber hydrogen sensor, the interference phenomenon due to the phase difference between the reference fiber 110 having a constant reference waveform and the laser waveform reflected from the sensor unit 100 and guided through the fiber 120 occurs and The principle in the preferred embodiment of the present invention is the same.

이때, 상기 광섬유 케이블(13)을 통과한 레이저 광은 센싱 엘리먼트(11)에 코팅되어 있는 Pd에서 반사되어 되돌아 오는데, 이때 반사되는 양과 투과되는 양의 비율은 감지되는 수소 가스의 분압에 의해 결정된다. At this time, the laser light passing through the optical fiber cable 13 is reflected back from the Pd coated on the sensing element 11, wherein the ratio of the reflected amount and the transmitted amount is determined by the partial pressure of the detected hydrogen gas. .

따라서, 상기와 같은 간섭 현상으로 인하여 원형의 간섭무늬를 얻게 되며, 이를 광검지기(150)에서 전기적 신호로 변환시켜 출력하게 된다.Therefore, a circular interference pattern is obtained due to the interference phenomenon as described above, and is converted into an electrical signal by the photodetector 150 and output.

이때, 콘디셔너/프로세서(160)에서는 일정 농도값(25% LEL)을 갖는 수소가 존재시에 나타나는 간섭무늬(reference fringe)를 통해 기 설정된 전기적 신호와 비교하게 되며, 허용 범위를 벗어나는 수소 농도일 경우, 전기적 신호에 의해 1차적으로 알람(180)을 통해 경고신호를 전송하고, 다음 단계에서 콘트롤러(170)는 콘트롤 밸브(190)를 차단하여 수소라인을 통해 연료전지(200)로 제공되는 수소의 공급을 차단하게 된다. In this case, the conditioner / processor 160 compares the electrical signal with a predetermined electrical signal through a reference fringe that appears when hydrogen having a predetermined concentration value (25% LEL) exists, and when the hydrogen concentration is outside the allowable range. In the next step, the controller 170 transmits a warning signal through the alarm 180 by an electrical signal, and in the next step, the controller 170 blocks the control valve 190 to provide the hydrogen to the fuel cell 200 through the hydrogen line. The supply will be cut off.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 광섬유 수소센서에 의하면, 센싱용 파이버에 2개의 유도체 미러를 설치하여 각각의 미러에서 반사되는 레이저의 광파형에 의한 간섭현상을 이용함으로써, 기존의 참조파이버에서 유도되는 레이저의 기준 파형을 삭제할 수 있는 동시에, 레이저 파형을 결합시키는 광커플러의 설치를 배제 가능하므로 센서 시스템의 구조를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 일정한 광경로의 제공에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the optical fiber hydrogen sensor for fuel cell according to the present invention, two derivative mirrors are provided in the sensing fiber to use the interference phenomenon caused by the optical wave form of the laser reflected from each mirror. In addition to eliminating the reference waveform of the laser induced in the fiber, it is possible to eliminate the installation of an optocoupler to combine the laser waveform, which not only simplifies the structure of the sensor system, but also improves the reliability of providing a constant optical path. It can be effective.

Claims (2)

연료전지용 광섬유 수소센서에 있어서,In the optical fiber hydrogen sensor for fuel cell, Pd가 코팅된 센싱 엘리먼트(11)가 광접착층(12)을 통해 부착된 광섬유 케이블(13)은 그 통로에 레이저 광이 반사 또는 통과되도록 하는 2개의 유도체 미러(Dielectric mirror)(20)가 각각 일정한 간격을 두고 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 광섬유 수소센서.The optical fiber cable 13 to which the Pd-coated sensing element 11 is attached through the optical adhesive layer 12 has two dielectric mirrors 20 each having a laser beam reflected or passed through the passage. Optical fiber hydrogen sensor for fuel cells, characterized in that installed at intervals. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 유도체 미러(20)는 광섬유 케이블(13)의 통로 부위에 설치되는 전방에 위치한 제1미러와;The derivative mirror 20 includes a first mirror located in front of the optical fiber cable 13 at a passage portion; 상기 광섬유 케이블(13)의 끝단에 설치되는 후방에 위치하는 제2미러로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 광섬유 수소센서.The optical fiber hydrogen sensor for fuel cell, characterized in that consisting of a second mirror located in the rear installed at the end of the optical fiber cable (13).
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