KR100748346B1 - 켄트리버 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동형 켄트리버(cantilever) 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 연료전지 시스템은, 전기 에너지를 생성하는 연료전지; 상기 연료전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한 농도 센싱부; 및 상기 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부로 이루어지는데, 상기 연료전지는 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급 장치와, 상기 연료전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급 장치와, 상기 연료전지 스택의 유출물을 제거 또는 재활용하기 위한 유출물 처리 장치를 구비하며, 상기 농도 센싱부는, 용액 내부에 위치하며 용액 구성 입자들의 충돌을 감지하기 위한 센싱 플레이트와, 상기 센싱 플레이트의 충돌 감지에 따라 저항값이 변하는 가변 저항부와, 상기 가변 저항부의 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부와, 상기 센싱 플레이트를 움직이기 위한 플레이트 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

연료전지, DMFC, cantilever, 농도 센서

Description

켄트리버 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH CANTILEVER DENSITY SENSOR}

도 1은 종래 기술에 따른 초음파형 농도 센서를 도시한 구조도.

도 2는 종래 기술에 따른 저항 측정형 농도 센서를 도시한 구조도.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 능동형 켄트리버 농도 센서를 이용한 센싱부의 일실시예를 도시한 구조도.

도 4는 일반적인 직접 메탄올 연료 전지의 구조를 나타낸 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110 : 연료전지 스택 130 : 산화제 공급부

140 : 연료 공급부 150 : 유출물 처리부

160 : 제어부 210 : 센싱 플레이트

220 : 가변저항부 230 : 압전소자막

240 : 전극 250 : 저항 측정부

260 : 농도 변환부 270 : 펄스 공급부

본 발명은 능동형 켄트리버(cantilever) 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 균형잡힌 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

또한, 연료 전지에는 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 연료에서 수소를 얻기 위한 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.

상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 수소를 함유한 연료와 산소나 공기 등의 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지 같은 연료가 액체 상태로 스택에 공급되는 연료 전지에 있어서는, 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급되는 연료의 몰농도에 따라 그 운전 효율에 큰 차이를 보인다. 예를 들면, 애노드 전극에 공급되는 연료의 몰농도가 높으면, 현재 사용할 수 있는 고분자 전해질막의 한계로 인해 애노드측에서 캐소드측으로 넘어가는 연료의 양이 증가되고, 따라서 캐소드 전극측에서 반응하는 연료로 인해 역기전력이 발생하여 출력이 감소된다. 이것은 연료전지스택이 그 구성 및 특성에 따라 소정의 연료농도에서 최적의 운전 효율을 갖기 때문이다. 따라서, 직접 메탄올 연료전지시스템에서는 안정적인 운전을 위하여 연료의 몰농도를 적절하게 조절하는 방안이 요구되고 있다.

따라서, 직접 메탄올 연료전지 등의 경우, 스택이나 연료 탱크, 리사이클 탱 크 같은 설비에 저장된 용액 또는 상기 설비간 배관 내로 유동하는 용액의 농도를 측정하는 수단을 구비할 수 있다.

상기 연료 전지에 있어서, 연료 수용액 등의 농도를 측정함에 의해, 연료 전지 시스템의 구동 상태를 추정할 수 있으며, 상기 추정 결과에 따라 연료 전지 시스템을 이루는 각 구성요소를 제어함으로써, 연료 전지의 구동 효율을 높일 수 있다.

또한, 고분자 전해질형 연료 전지 등 애노드에 수소가 공급되는 형태의 연료 전지에 있어서도, 캐소드측 배출물질의 응축액과 같은 용액 형태의 물질이 존재할 수 있으며, 목적에 따라 상기 용액에 대한 농도 센싱이 필요할 수 있다.

따라서, 연료 전지에 있어서, 용액의 농도 측정은 그 성능 향상에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있음을 알 수 있다. 그런데, 용액의 농도 측정을 위한 측정 장치를 필요한 부분에 설치하는데 있어서, 상기 농도 측정 장치는 그 크기가 보다 작을 것, 정확한 농도 센싱을 보장할 것, 신속한 농도 센싱을 보장할 것, 비용이 저렴할 것과 같은 많은 요구사항을 최적으로 충족시켜야 한다.

상기 요구사항을 충족하기 위해 고분자 흡착형 농도 센서, 도 1에 도시한 바와 같이 초음파 발생기(310)와 검출기(320)로 이루어진 초음파형 농도 센서, 도 2에 도시한 바와 같이 용액에 의한 전극(410)간 저항을 측정하는 저항 측정형 농도 센서 등 공지된 농도 센서를 연료 전지에 적용시킨 것들이 다수개 제안된 바 있다. 그러나, 현재까지 연료전지에 적용된 농도 센서는 모두 상기 요구사항 모두를 충분하게 만족시키지 못하고 있으며, 이에 따라 저렴한 가격에 고성능의 연료 전지를 구현하기가 곤란하였다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저렴한 가격에 정확한 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 구비한 연료 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 신속하게 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 구비한 연료 전지를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 전기 에너지를 생성하는 연료전지; 상기 연료전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한 농도 센싱부; 및 상기 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부로 이루어진다.

상기 연료전지는 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급 장치와, 상기 연료전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 농도 센싱부는, 용액 내부에 위치하며 용액 구성 입자들의 충돌을 감지하기 위한 충돌 감지부(예 : 센싱 플레이트)와, 상기 충돌 감지부의 충돌 감지에 따라 저항값이 변하는 가변 저항부와, 상기 가변 저항부의 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 농도 센싱부는 상기 충돌 감지부를 움직이기 위한 구동부를 더 구비할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

예컨대, 저항을 측정한다는 것은 오옴등의 저항단위로 표시되는 저항값으로 측정결과물을 산출하는 것을 뜻하는 것 뿐만 아니라, 가변 저항에 일정한 크기의 전류를 흘려주었을때의 가변 저항 양단간의 전압값으로 측정 결과물을 산출하는 것을 뜻할 수도 있고, 가변 저항 양단에 일정한 전압을 가했을때 흐르는 전류값으로 측정 결과물을 산출하는 것을 뜻할 수 있다. 즉, 측정 단위나 형식에 무관하게 가변저항의 저항값에 대응하는 어떤 측정 단위 인자를 사용하더라도, 본 발명에서 언급하는 저항 측정에 포함된다.

(실시예 1)

도 3a에 도시한 능동형 켄트리버 농도 센서는, 센싱하려는 용액에 담궈진 상태가 되는 센싱 플레이트(210')와, 센서가 설치되는 지점에 실장되는 가변 저항부(220')가 일체형으로 형성된 켄트리버 구조를 가지며, 상기 가변 저항부의 저항 에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부를 포함한다.

먼저, 켄트리버 농도 센서의 원리를 설명하면, 충분히 얇은 두께를 가지는 켄트리버가 메탄올 수용액 상에 담궈져 있으면, 불규칙적인 운동을 하는 메탄올 수용액을 구성하는 물 분자 및 메탄올 분자가 켄트리버에 충돌하게 되고, 상기 충돌에 따른 켄트리버의 변형은 켄트리버의 저항값의 변화를 야기한다. 그런데, 물 분자와 메탄올 분자의 분자량에 차이가 있으므로, 메탄올 수용액의 농도에 따라 켄트리버에 가해지는 충격량이 달라져서, 상기 저항값의 변화 정도에 차이가 발생한다. 상기 저항값의 변화 정도를 감지하고 이를 대응하는 농도값으로 변환하여 농도 측정이 수행된다. 본 실시예의 경우 용액에 접촉하여 그 충격량을 인가받는 충돌 감지부를 플레이트 형태의 센싱 플레이트로 구현하였다.

한편, 상기 가변 저항부(220')에 연결된 농도 산출부는, 상기 가변 저항부의 저항을 측정하기 위한 저항 측정부(250'); 및 상기 센싱 플레이트(210')가 설치된 위치에 따라 주어지는 저항-농도 변환 관계에 따라 농도를 산출하는 농도 변환부(260')로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 농도 산출부 전체 또는 상기 농도 변환부(260')는 연료 전지 시스템의 전체 동작을 제어하는 구동 제어부의 일부를 이루는 하드웨어 모듈 또는 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있다.

상기 저항 측정부(250')는 가변 저항부(220')의 저항값에 비례하는 전기적 물리량(예 : 전압 또는 전류)을 출력한다. 상기 농도 변환부(260')는 상기 저항 측정부(250')의 출력값을 입력받아 저항값 진동의 변동량을 산출하고, 상기 저항의 변동량을 센싱 농도로 변환한다.

상기 저항 변동량 - 센싱 농도 변환은 단순히 대응하는 함수를 구현하는 아날로그 회로로 구현할 수도 있지만, 실제적으로는 용액의 온도 같은 다른 인자들의 영향이 변환 과정에 고려되어야 보다 정확한 농도값을 얻을 수 있다.

상기 영향을 주는 인자들의 고려를 단순화한 경우에는 농도 센서가 위치하는 곳에 따라 다른 변환 테이블을 이용할 수 있다. 이는 위치에 따라 온도 및 농도 센싱에 영향을 주는 불순물 농도 등이 일정하다고 간략화한 것이다. 이 경우 상기 농도 변환부(260')는 상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 다른 데이터를 가지는 저항-농도 변환 테이블을 구비하여, 상기 저항 변동량에 대응하는 농도값을 변환 테이블에서 검색하여 변환 농도로 산출한다.

상기 영향을 주는 인자들 중 온도만을 더 고려하는 경우에는, 농도 센서의 부근에 설치된 온도 측정 수단으로부터 센싱된 온도값을 입력받아야 한다. 즉, 상기 농도 산출부는, 상기 농도 센싱부가 설치된 위치의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부를 더 포함하며, 상기 농도 변환부(260')는 상기 측정 저항 및 온도에 따라 농도를 산출한다. 이를 위해, 상기 농도 변환부(260')는 온도/저항-농도 변환 테이블을 구비하여, 상기 저항 변동량에 대응하는 농도값을 상기 변환 테이블에서 검색하여 변환 농도로 산출한다.

본 실시예의 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템의 동작에 대해서는 후술하는 실시예 2의 경우와 동일하므로 설명을 생략하겠다.

(실시예 2)

도 3b에 도시한 능동형 켄트리버 농도 센서는, 센싱하려는 용액에 담궈진 상태가 되는 센싱 플레이트(210)와, 센서가 설치되는 지점에 실장되는 가변 저항부(220)가 일체형으로 형성된 켄트리버 구조를 가지게 된다. 또한, 상기 가변 저항부(220)의 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부와, 상기 센싱 플레이트를 움직이기 위한 플레이트 구동부를 구비한다.

본 실시예의 경우에도 용액에 접촉하여 그 충격량을 인가받는 충돌 감지부를 플레이트 형태의 센싱 플레이트로 구현하였다. 그런데, 메탄올 수용액에 센싱 플레이트를 담궈 놓는 것만으로는 물 분자 및 메탄올 분자로부터의 충격량이 너무 미약하여 농도 센싱의 정밀도가 떨어질 수 있다. 이를 극복하기 위해 본 실시예에서는 센싱 플레이트 자체를 일정하게 운동시키는 플레이트 구동부를 구비하였다.

상기 플레이트 구동부를 전자석 등을 포함하는 기계적인 장치로 구현할 수도 있지만, 센서를 소형화하려는 목적에 부합하기 위해서는 소형화가 용이한 압전소자로 구현하는 것이 바람직하다. 이 경우 플레이트 구동부는, 도 3b에 도시한 바와 같이 센싱 플레이트와 평행하게 접합된 압전소자막(230); 및 상기 압전소자막(230)을 구동시키는 전계를 형성하기 위한 전극부(240)로 이루어진다.

상기 압전소자막(230)은 도시한 바와 같이 센싱 플레이트(210) 외부로 접합될 수도 있고, 센싱 플레이트(210) 내부에 위치할 수도 있다. 상기 전극부(240)는 2개의 전극막으로 이루어지는 것이 일반적이지만, 상기 센싱 플레이트 자체를 도전성 있는 물질로 구성하여 기준 전위(예 : 접지전위)를 부여하는 경우에는 압전소자막에서 센싱 플레이트와 대향하는 면에 하나의 전극막으로 구현할 수도 있다. 2개 의 전극막으로 구현하는 경우에도, 도시한 바와 같이 하나는 상기 센싱 플레이트에 접하도록 구현할 수도 있고, 압전소자막 양면에 접하도록 구현할 수도 있다. 후자의 경우 상기 센싱 플레이트와 압전소자막 사이에 전극막 하나가 위치하게 된다.

상기 전극부(240)에 소정 전압이 가해지면, 상기 압전소자막(210)의 길이에 변화가 오는데, 길이가 변하지 않는 센싱 플레이트(210)와 접합되어 있기 때문에, 상기 압전소자막 - 센싱 플레이트 접합체는 휘어지게 된다. 따라서, 전극부(240)에 압전소자막(230)에 대한 압축 전압이 가해지면 센싱 플레이트(210)는 도면의 (A) 위치로 변형되며, 전극부(240)에 팽창 전압이 가해지면 (B) 위치로 변형된다.

도시한 펄스 공급기(270)는 상기 전극부(240)에 주기적으로 전압이 변경되는 구동 펄스를 인가하는데, 이에 따라 센싱 플레이트(210)는 (A) 위치와 (B) 위치를 반복하는 진동 운동을 수행하게 된다. 결국, 상기 구동 펄스에 따른 진동 운동의 변위량은 센싱 플레이트(210)가 담궈진 메탄올 용액의 농도에 따라 다른 값을 가지게 되며, 이는 진동 운동에 따른 가변 저항부(220)의 저항값 변동량에도 영향을 준다.

한편, 상기 가변 저항부(220)에 연결된 농도 산출부는, 상기 가변 저항부의 저항을 측정하기 위한 저항 측정부(250); 및 상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 주어지는 저항-농도 변환 관계에 따라 농도를 산출하는 농도 변환부(260)로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 농도 산출부 전체 또는 상기 농도 변환부(260)는 연료 전지 시스템의 전체 동작을 제어하는 후술하는 구동 제어부의 일부를 이루는 하드웨어 모듈 또는 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있다.

상기 저항 측정부(250)는 가변 저항부(220)의 저항값에 비례하는 전기적 물리량(예 : 전압 또는 전류)을 출력한다. 상기 농도 변환부(260)는 상기 저항 측정부(250)의 출력값을 입력받아 구동 펄스 주기에 따른 저항의 변동량을 산출하고, 상기 저항의 변동량을 센싱 농도로 변환한다.

상기 저항 변동량 - 센싱 농도 변환은 단순히 대응하는 함수를 구현하는 아날로그 회로로 구현할 수도 있지만, 실제적으로는 용액의 온도 같은 다른 인자들의 영향이 변환 과정에 고려되어야 보다 정확한 농도값을 얻을 수 있다.

상기 영향을 주는 인자들의 고려를 단순화 한 경우에는 농도 센서가 위치하는 곳에 따라 다른 변환 테이블을 이용할 수 있다. 이는 위치에 따라 온도 및 농도 센싱에 영향을 주는 불순물 농도 등이 일정하다고 간략화한 것이다. 이 경우 상기 농도 변환부(260)는 상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 다른 데이터를 가지는 저항-농도 변환 테이블을 구비하여, 상기 저항 변동량에 대응하는 농도값을 변환 테이블에서 검색하여 변환 농도로 산출한다.

상기 영향을 주는 인자들 중 온도만을 더 고려하는 경우에는, 농도 센서의 부근에 설치된 온도 측정 수단으로부터 센싱된 온도값을 입력받아야 한다. 즉, 상기 농도 산출부는, 상기 농도 센싱부가 설치된 위치의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부를 더 포함하며, 상기 농도 변환부(260)는 상기 측정 저항 및 온도에 따라 농도를 산출한다. 이를 위해, 상기 농도 변환부(260)는 온도/저항-농도 변환 테이블을 구비하여, 상기 저항 변동량에 대응하는 농도값을 상기 변환 테이블에서 검색하여 변환 농도로 산출한다.

다음, 상기 켄트리버 농도 센서의 연료 전지 시스템에서의 설치 위치 및 농도 센싱값의 적용 과정에 대하여 살펴보겠다. 하기 설명에서 용어 '미반응 연료'는 연료전지 시스템의 스택으로부터 수소함유연료를 수소가스로 개질하는 동안 생성되는 물(H2O)과 함께 수소가스로 개질되지 못하고 배출되는 연료를 의미하고, 용어 '원료'는 에탄올, 메탄올 및 천연가스로 이루어진 탄화수소계열의 연료그룹으로부터 선택된 고농도의 연료를 의미하고, 용어 '수소함유연료'는 개질기 또는 스택에 공급되는 연료를 의미한다.

도 4는 본 발명의 사상에 따른 농도 센서를 설치할 수 있는 일반적인 직접 메탄올 연료전지 시스템을 도시하고 있다. 그러나, 도시한 구조는 메탄올을 연료로 사용하는 경우에 한정하지 않고, 에탄올이나 아세트산을 연료로 사용하는 연료전지와 같이, 수용액 상태의 연료가 스택으로 공급되는 형식의 연료 전지 시스템의 경우에도 적용될 수 있다.

직접 메탄올형 연료전지는 도시된 바와 같이 수소가스와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(110)과, 스택(110)에 공급하고자 하는 고농도 연료가 저장되어 있는 연료 저장부(120)와, 스택(110)에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급부(130)와, 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하는 열교환기(152)와, 열교환기(152)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료 저장부(120)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 수소함유연료를 스택(110)에 공급하는 혼합 장치(145)를 구비한다. 여기서, 상기 열교환기(152)와 혼합 장치(145)는 스택의 배출물을 처 리하는 배출물 처리부(150)를 구성하며, 상기 연료 저장부(120)와, 혼합 장치(145) 및 펌프(146)는 연료 공급부(140)를 구성한다.

스택(110)에는 고분자막과, 고분자막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위전지가 복수개 제공된다. 애노드 전극은 연료 공급부(140)로부터 공급되는 수소함유연료를 개질시켜 생성된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 캐소드 전극은 산화제 공급부(130)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 산소이온과 전자로 변환시킨다. 그리고, 고분자막 애노드 전극에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극에 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다.

상기 단위전지에서 수소가스와 산소의 화학반응결과 생성되는 전기 에너지는 전력 변환장치(170)를 통해 전류/전압 등이 출력 규격에 맞게 변환되어 외부 부하로 출력된다. 구현에 따라 상기 전력 변환장치(170)의 출력은 별도로 구비되는 2차 전지를 충전시키는 구조를 가질 수 있으며, 구동 제어부(160)를 위한 전원을 공급하는 구조를 가질 수 있다.

이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)이 혼합되어 있는 미반응 연료는 배출부를 통해서 열교환기의 응축부로 이동하며, 상기 응축부에서 응축된 미반응 연료는 혼합 장치(145)로 수집된다. 미반응 연료에 함유된 이산화탄소는 혼합 장치(145)에서 외부로 유출될 수 있다. 혼합 장치(50)에 수집된 미반응 연료와 연료 저장부(120)에서 공급되는 고농도 연료는 혼합된 후에 스택(110)의 애노드 전극으로 공급된다.

산화제 공급부(30)는 산화제로서 공기를 공급하는 공기 공급 수단일 수 있으며, 공기를 스택(110)의 캐소드 전극에 공급하기 위한 능동적인 구동펌프로 구현하거나, 단순히 공기의 흐름이 원할한 구조를 가지는 수동적인 통기공으로 구현할 수 있다.

구동 제어부(160)는 연료 저장부(142)를 위한 구동펌프(148)와, 혼합 연료를 스택에 공급하는 펌프(146)의 동작을 제어하기 위한 것이다. 상기 언급한 펌프들 뿐만 아니라, 캐소드에서 열교환기(152)로의 배관(123), 열교환기(152)에서 혼합 장치(145)로의 배관(124), 에노드에서 혼합 장치(145)로의 배관(122) 및 산화제 공급부(130)에 내부에도 구현에 따라 펌프를 설치할 수 있으며, 상기 구동 제어부(160)는 설치된 각 펌프의 동작을 제어할 수 있다.

상기 구동 제어부(160)는 디지털 프로세서를 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 디지털 프로세서에는 동작을 위한 기준 클럭이 입력되는 구조를 가진다. 구동 제어부(160) 동작을 위한 프로세싱량 및 본 발명의 사상에 따른 농도 센서의 농도 산출부의 프로세싱량은 그리 많은 수준이 아니므로, 하드웨어의 절감을 위해 하나의 프로세서가 상기 구동 제어 및 저항-농도 변환의 역활을 겸하도록 구현할 수 있다. 하드웨어의 절감을 위해 또한, 상기 전극부에 구동 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급기가 상기 기준 클럭을 입력받아 공급 클럭을 생성하도록 구현할 수 있다. 또한, 도 3의 저항 측정부(250)의 역할도 구동 제어부(160)가 겸하도록 구현할 수도 있다.

상기 구동 제어부(160)가 상기 펌프들을 동작을 제어하는데 필요한 입력 데이터로는 연료 전지 각 부분의 농도값 및 전력 변환 장치의 생성 전력 상태(전류, 전압 등), 각 부분의 온도값 등이 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상에 따른 켄트리버 농도 센서는 혼합 장치(145), 펌프(146, 148) 등의 시스템 구성요소 내부에 설치될 수 있으며, 캐소드에서 열교환기(152)로의 배관(123), 열교환기(152)에서 혼합 장치(145)로의 배관(124), 에노드에서 혼합 장치(145)로의 배관(122) 및 연료 저장부(142)에서 혼합 장치(145)로의 배관(127, 128), 펌프(146)의 입력/출력 배관(125, 126) 등의 액체 유동경로에 설치될 수 있다.

상기 구동 제어부(160)의 동작을 산화제 공급부(130), 열교환부(152), 펌프(146)를 제어하며, 혼합 장치(145) 내에만 농도 센서가 구비된 경우로 간략화하여 설명하겠다.

상기 구동 제어부(160)는 전력 변환 장치의 출력 전력이 기준에 미달하면 많은 부하가 걸린 것으로 판단하여 발전량을 늘리기 위해 펌프(146)를 가동시켜 스택으로의 연료 공급을 증가시킨다. 한편, 혼합 장치(145)내의 농도가 소정 기준보다 낮아지면 열교환기(152)의 가동율을 증가시켜 비반응 연료의 응축량을 늘리거나, 펌프(148)를 가동시켜 연료 저장부(142)의 원료 공급을 증가시킨다. 반면, 혼합 장치(145)내의 농도가 소정 기준보다 높아지면 열교환기(152)의 가동율을 감소시켜 비반응 연료의 응축량을 줄이거나, 펌프(148)에 의한 연료 저장부(142)로부터의 원료 공급을 감소시킨다. 이에 따라, 혼합 장치(145)로부터 스택(110)의 애노드 전극에 공급되는 수소함유 연료의 농도를 일정하게 유지하여 연료전지 시스템의 발전효 율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

상기 구성에 따른 켄트리버 농도 센서를 구비한 연료 전지 시스템을 실시함에 의해, 저렴한 가격에 정확한 연료 농도의 측정이 가능한 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 켄트리버 농도 센서는 크기를 소형화 할 수 있어, 소형이면서도 높은 구동 효율을 가지는 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 신속하게 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 효과도 있다.

Claims (13)

1. 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지;

   상기 연료 전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한 농도 센싱부; 및

   상기 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부를 구비하며,

   상기 농도 센싱부는,

   용액 내부에 위치하며 용액 구성 입자들의 충돌을 감지하기 위한 충돌 감지부와,

   상기 충돌 감지부의 충돌 감지에 따라 저항값이 변하는 가변 저항부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 충돌 감지부를 움직이기 위한 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 충돌 감지부와 가변 저항부는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 구동부는,

   상기 플레이트와 평행하게 접합된 압전소자막; 및

   상기 압전소자막을 구동시키는 전계를 형성하기 위한 전극부

   를 포함하는 연료 전지 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 전극부는,

   상기 압전소자막 양면에 위치하는 한쌍의 전극인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
6. 제4항에 있어서,

   상기 전극부에 구동 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 펄스 공급기는,

   상기 구동 제어부의 기준 클럭을 입력받아 공급 클럭을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 가변 저항부의 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 농도 산출부는,

   상기 가변 저항부의 저항을 측정하기 위한 저항 측정부; 및

   상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 주어지는 저항-농도 변환 관계에 따라 농도를 산출하는 농도 변환부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 농도 변환부는,

    상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 다른 데이터를 가지는 저항-농도 변환 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
11. 제8항에 있어서, 상기 농도 산출부는,

    상기 가변 저항부의 저항을 측정하기 위한 저항 측정부;

    상기 농도 센싱부가 설치된 위치의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부; 및

    상기 측정 저항 및 온도에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 변환부

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 농도 변환부는,

    온도 및 저항을 입력 데이터로 하여 대응하는 농도를 검색할 수 있는 온도/저항-농도 변환 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지는,

    상기 연료전지 스택의 유출물을 제거 또는 재활용하기 위한 유출물 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.

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