KR101040838B1 - 연료전지 시스템 및 이를 위한 유체 센싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 QCM 농도센서를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이며, 특히 연료전지 시스템에 QCM 농도센서를 장착하는데 사용될 수 있는 센서 설치를 위한 바이패스 채널 구조에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택 및 이 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급부를 구비한 연료 전지와, 내장된 QCM 농도 센서로 연료 전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한 QCM 농도 센싱부와, QCM 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부를 포함한다.
연료전지, QCM, DMFC, 농도 센서, 바이패스 채널

Description

연료전지 시스템 및 이를 위한 유체 센싱 장치{FUEL CELL SYSTEM and FLUID-SENSING DEVICE therefor}
본 발명은 QCM 농도센서를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이며, 특히 연료전지 시스템에 QCM 농도센서를 장착하는데 사용될 수 있는 센서 설치를 위한 바이패스 채널 구조 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 수소 분자나 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 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 이동 용(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. 이와 같이 연료전지 스택은 그 구성 및 특성에 따라 소정의 연료농도에서 최적의 운전 효율을 갖는다. 따라서, 직접 메탄올 연료전지시스템에서는 안정적인 운전을 위하여 연료의 몰농도를 적절하게 조절하는 방안이 요구되고 있다.
예를 들면, 직접 메탄올 연료전지의 경우, 스택이나 연료 탱크, 리사이클 탱크 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.
전술한 바와 같이, 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, 초음파 발생기와 검출기로 이루어진 초음파형 농도 센서, 용액에 의한 전극들간 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.
또한, 소형의 농도 센서는 측정하려는 액체의 유속에 민감하게 반응하므로, 연료전지 시스템에서 농도 측정이 가장 필요한 연료 공급관 등에, 소형의 농도 센서를 설치하는데 실질적인 장애가 되었다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저렴한 가격에 정확한 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소형의 구조로 신속하게 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유속이 불균일하게 흐르는 도관에서, 소형 농도센서로 액체의 농도를 정확하게 측정할 수 있게 하는 바이패스 채널 구조를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치는, 센싱하려는 용액이 유동하는 주 전달 경로; 주 전달 경로에 유체 소통가능하게 결합하는 바이패스 채널; 및 바이패스 채널 내부에 장착되는 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주 전달 경로로부터 상기 바이패스 채널로 액체가 유입되는 유입구; 상기 바이패스 채널 내부 액체가 상기 주 전달 경로로 복귀하는 유출구; 및 상기 바이패스 채널과 상기 주 전달 경로 사이에 위치한 구획벽을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게 상기 바이패스 채널은 중간 영역의 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면적이 유입구 및 유출구 보다 넓게 형성할 수도 있다.
바람직하게, 상기 바이패스 채널은, 상기 주 전달 경로와 평행하게, 용액이 유동하는 방향의 축을 포함하는 평면 형상으로 형성되거나, 그 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면이 좁은 직사각형 형태나 좁은 타원형 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 센서는 QCM 센서일 수 있으며, 본 발명의 센싱 도관은 상기 바이패스 경로의 일부 영역과 연통되며, 상기 일부 영역의 폭이 보다 넓어진 공간의 형태를 가지는 센서 배치 채널을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급부를 포함하는 연료 전지; 내장된 QCM 농도 센서로 상기 연료 전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한 QCM 농도 센싱부; 및 상기 QCM 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부를 포함한다.
상기 QCM 농도 센싱부는, QCM 농도 센서를 내장하며, 상술한 구조를 가지는 센싱 도관일 수 있다.
상기 연료 공급부는, 고농도 메탄올을 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료전지 스택의 반응후 잔여물과 상기 고농도 메탄올을 혼합하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 혼합 탱크를 포함할 수 있다.
상기 센싱 도관을 QCM 농도 센싱부로서 구현한 경우, 센싱 도관의 주 전달 경로는 혼합 탱크와 연료전지 스택의 애노드 사이에 위치한 도관의 일부가 될 수 있다.
상기 연료 공급부는, 상기 연료 탱크로부터 상기 혼합 탱크로의 고농도 메탄올의 유동을 제어하는 제1 유량 제어기; 상기 혼합 탱크로부터 상기 연료전지 스택의 애노드로의 혼합된 용액의 유동을 제어하는 제2 유량 제어기; 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 혼합 탱크로의 반응후 부산물의 유동을 제어하는 제3 유량 제어기를 더 포함하며, 상기 구동 제어부는, 상기 QCM 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 제1 내지 제3 유량 제어기 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
상기 구성에 따른 QCM 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 QCM 농도 센서는 크기를 소형화할 수 있어, 본 발명은 소형이면서도 높은 구동 효율을 가지는 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 유속이 불균일하게 흐르는 도관에서, 소형 농도센서로 액체의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 부가적인 효과도 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.
예컨데, 하기 설명에서는 본 발명의 사상을 직접 메탄올형 연료전지 시스템 에 적용한 경우로 구체화하여 설명하지만, 용액의 농도를 측정하는 구현이라면 아세트산 연료전지 시스템, 에탄올 연료전지 시스템 또는 수소저장합금용액(예 : NaBH4 용액) 연료전지 시스템 등에도 적용이 가능함은 물론이며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 본 발명의 설명에서는 연료 전지 스택이라는 용어를 사용하였지만, 이는 용어 사용의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 설명에 사용된 연료 전지 스택은 적층형 단위전지들로 이루어진 스택, 평판형 단위전지들로 이루어진 스택, 단일 단위전지만을 포함하는 단위 스택을 모두 포함하는 개념이다.
( 실시예 )
도 1에 도시한 연료전지 시스템은, 고농도 메탄올이 저장된 연료 탱크(142); 메탄올과 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(110); 상기 연료전지 스택(110)의 반응 부산물과 상기 고농도 메탄올을 혼합하여 상기 연료전지 스택(110)의 애노드로 공급하는 혼합 탱크(145); 상기 혼합 탱크(145)에서 상기 연료전지 스택(110)으로 공급되는 메탄올 용액의 농도를 측정하기 위한 QCM 농도 센싱부(200); 및 상기 QCM 농도 센싱부(200)의 센싱 결과에 따라 연료전지 시스템의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부(160)로 이루어진다.
여기서 상기 QCM 농도 센싱부(200)는, QCM(Quartz Crystal Microbalance)를 이용한 용액의 농도 센서를 구비한다. QCM 농도 센싱부(200)는 1쌍의 전극 사이에 일정 두께의 수정 결정판이 위치한 형태를 구비한다. QCM을 용액의 농도 센싱에 이용하기 위해서는, 한쪽 전극을 농도를 측정하려는 용액에 담그고, 이 전극에 가해지는 미묘한 힘에 의해 틀어지는 기계적 공진점을 측정하여야 한다. 이에 따라 이 장치가 출력하는 주파수를 측정하면 얼마만큼의 힘이 가해지는 지로부터 용액의 밀도가 얻어지며, 얻어진 밀도값을 농도값으로 환산하여 용액의 농도를 산출할 수 있다. 본 실시예의 QCM 농도 센싱부(200)는 연료전지 시스템에 장착된 유체 센싱 장치를 가리키며 전술한 농도 센싱 도관에 대응한다.
이러한 QCM 농도 센서는 기체나 액체의 농도 측정 분야에 적용되고 있지만, 특히 연료전지 시스템의 메탄올 농도 측정에 특히 유용한데, 이는 메탄올의 농도 변화에 점도가 거의 비례하여 변하기 때문이다.
본 실시예의 상기 QCM 농도 센싱부(200)는, 보다 정확히 연료전지 스택(110)에 공급되는 메탄올 수용액의 농도를 측정하기 위해, 연료전지 스택(110)의 애노드에 가장 가까운 위치인 혼합 탱크(145)와 연료전지 스택(110)의 애노드 사이에 위치한 도관(126) 상에 설치하였다.
그런데, 연료전지 스택(110)으로의 연료 공급은 간헐적으로 이루어지는 것이 일반적이므로, 상기 혼합 탱크(145)와 연료전지 스택(110)의 애노드 사이에 위치한 도관(120) 내를 흐르는 메탄올 수용액의 유속은 일정하지 않고 항상 변동하는 상태로 존재한다.
한편, QCM 농도 센서는 액체의 밀도 변화로 인한 물리적 상태로부터 농도를 추정하므로, 상기 유속의 변화와 같은 물리적 환경 변화는 QCM 농도 센싱에 오차 및/또는 편차를 가중시키게 된다.
본 실시예의 경우 상기 혼합 탱크(145)와 연료전지 스택(110)의 애노드 사이에 위치한 도관(126)의 일부를 이루면서 그 내부에 QCM 농도 센서가 장착된 농도 센싱 도관을 적용하여 스택의 애노드에 공급되는 메탄올 수용액의 농도를 측정하는데, 상기 농도 센싱 도관은 상기 유속의 불안정으로 인한 CM 농도 센싱에 오차 및/또는 편차를 방지하기 위한 구조를 가질 것을 제안한다.
본 발명에서는 연료전지 시스템 내부에 장착되는 센서의 안정적인 구동을 위해 바이패스 채널을 사용하는데, 이는 유체의 유속 및 유량의 급격한 변화에 대해 완충 역할을 해주기 위한 것이다.
즉, 도 2a 내지 2d에 도시한 바와 같은 본 실시예의 농도 센싱 도관(201)은, 센싱하려는 용액이 유동하는 주 전달 경로(20); 및 상기 주 전달 경로(20)와 평행하게, 용액이 유동하는 방향의 축을 포함하는 평면 형상으로 형성되며, 내부에 QCM 센서가 장착되는 바이패스 채널(30)로 이루어진다. 본 실시예의 농도 센싱 도관은 유체 센싱 장치를 가리킨다.
상기 주 전달 경로(20)는 혼합 탱크(145)와 연료전지 스택(110)의 애노드 사이에 위치한 도관의 일부가 될 수 있다. 본 실시예의 농도 센싱 도관(201)이 독립된 형태로 제작된다면, 혼합 탱크와 연료전지 스택의 애노드 사이를 상기 농도 센싱 도관만으로 연결하거나, 도 2d에 도시한 바와 같이 혼합 탱크(145)와 연결된 연료 공급용 도관과 연료전지 스택(110)의 연료 공급구 사이에 상기 농도 센싱 도관을 배치시키는 구조로 구현할 수 있다.
상기 바이패스 채널(30)은 상기 주 전달 경로(20)내 액체의 유속의 영향을 최소화한 채, 채널 내부로 흐르는 액체의 유속을 항상 일정하게 만들기 위한 구조이다. 이를 위해 본 실시예에서 제안하는 구조는, 농도를 센싱하려는 용액의 대부분이 통과하는 주 전달 경로(20)에 평행하게 바이패스 채널(30)을 형성하고, 그 바 이패스 채널(30) 중 유속이 일정해지는 부분에 농도 센서를 구비토록 하는 형태이다.
도 2d에 도시한 바와 같이 상기 바이패스 채널(30)은 상기 주 전달 경로로부터 액체가 유입되는 유입구(40)과, 내부 액체가 상기 주 전달 경로로 복귀하는 유출구(50)가, 바이패스 채널(30)과 주 전달 경로(20) 사이에 위치한 구획벽(60)에 의해 명확히 분리될 수 있다.
상기 바이패스 경로(30)는 주 전달 경로(20)를 통해 흐르는 액체의 일부가 이동하여 일정한 유속으로 흐르도록, 중간 영역의 - 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 - 단면적이 유입구(40) 및 유출구(50) 보다 넓은 형상을 가진다.
또한, 상기 바이패스 경로(30)는 그 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면이 좁은 직사각형 형태나 좁은 타원형 형태를 가지록 구현함으로써, 유속을 일정하게 하는 효과를 더욱 증진하고, 동전 형태의 QCM 센서의 설치 공간을 확보할 수 있다. 농도 센싱 도관(201)은, 도 2b 및 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 바이패스 경로(30)의 일부 영역과 연통되도록, 상기 일부 영역의 폭이 보다 넓어진(A만큼) 형태로, QCM 센서가 배치될 센서 배치 채널(70)을 더 구비한다. 이때, 농도 센싱 도관(201)은 치수 L1이 대략 8㎜, L2가 대략 6㎜, 그리고 주 전달 경로(20)의 직경(2R)이 4㎜가 되도록 설계될 수 있다.
본 실시예의 농도 센싱 도관에서는 도 2c에 도시한 A 및/또는 B 와 같은 다양한 치수 변경을 통해 바이패스 채널의 유체 흐름 저항(flow resistance)를 변화시킬 수 있는데, 결과적으로 바이패스 채널로 흐르는 유체의 양을 조절할 수 있게 된다.
도 3은 도 2b 및 2c의 농도 센싱 도관의 B의 치수를 0.5 ~ 2mm로 변화시키면서 유체의 흐름 변화를 도시하고 있다.
도 3에 도시한 화살표는 유체의 이동 방향을, 색은 속도 분포를 나타낸다. 각 세부 도면의 스케일은 같으며 붉은 색에 가까울수록 속도가 빠름을 의미한다. 그리고 단위는 A.U.이다. 즉, 단위는 주 전달 경로의 최고 유속을 100이라고 보고, 상대 유속을 계산한 것이다.
전술한 실험 결과를 표로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112007078062161-pat00001
도 3과 표 1에서 알 수 있듯이 바이패스 채널에서 역류 발생 없이 유체가 일정한 방향으로 흐르는 것을 확인할 수 있다. 유체가 흐르는 전반적인 유형이 크게 변하지는 않지만 셀(cell)의 두께(B)가 증가할수록 바이패스 채널의 유입구와 유출구 부분의 유량이 증가함을 알 수 있다.
이와 같이 바이패스 채널의 디자인과 세부 치수 항목을 조절함으로서, 유량 요동(fluctuation)에 안정적이고 기포(bubble)의 영향을 받지 않는 농도 센싱 도관을 구현할 수 있다.
본 실시예의 농도 센싱 도관은 QCM 센서 뿐만 아니라 유속에 민감한 센서를 도관상에 설치하여 센싱하는 다른 구조에도 적용이 가능함은 물론이다.
이제, 본 발명의 사상에 따른 QCM 농도 센서를 설치하여 구현한 직접 메탄올 연료전지 시스템의 동작을 설명하겠다. 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.
다시 도 1을 참조하면, 직접 메탄올형 연료전지는 수소가스와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(110)과, 스택(110)에 공급하고자 하는 고농도 연료가 저장되어 있는 연료 탱크(142)와, 스택(110)에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급부(130)와, 스택(110)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하는 응축기(152)와, 응축기(152)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료 저장부(120)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 수소함유연료를 스택(110)에 공급하는 혼합 탱크(145)를 구비한다. 여기서, 상기 응축기(152)와 혼합 탱크(145)는 스택의 배출물을 처리하는 배출물 처리부를 구성하며, 상기 연료 탱크(142)와, 혼합 탱크(145) 및 펌프(146)는 연료 저장부(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 저장부(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, 고분자막은 애노드 전극에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극에 전달하는 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)는 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 스택(110)의 배출부를 통해서 응축기(152)로 이동하며, 상기 응축기(152)에서 응축된 미반응 연료는 혼합 탱크(145)로 수집된다. 미반응 연료에 함유된 이산화탄소는 혼합 탱크(145)에서 외부로 유출될 수 있다. 혼합 탱크(50)에 수집된 미반응 연료와 연료 탱크(142)에서 공급되는 고농도 연료는 혼합된 후에 스택(110)의 애노드 전극으로 공급된다.
산화제 공급부(130)는 산화제로서 공기를 공급하는 공기 공급 수단일 수 있으며, 공기를 스택(110)의 캐소드 전극에 공급하기 위한 능동적인 공기 펌프로 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 응축기(152)로의 배관(123), 응축기(152)에서 혼합 탱크(145)로의 배관(124), 애노드에서 혼합 탱크(145)로의 배관(122) 및 산화제 공급부(130)에 내부에도 필요에 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 QCM 농도 센서의 센싱값 산정의 역활을 겸하도록 구현할 수 있다.
즉, 상기 구동 제어부(160)는, 상기 연료 탱크로부터 상기 혼합 탱크로의 고농도 메탄올의 유동을 제어하는 제1 유량 제어기로서 제1 펌프(148), 상기 혼합 탱크로부터 상기 연료전지 스택의 애노드로의 혼합된 용액의 유동을 제어하는 제2 유량 제어기로서 제2 펌프(146), 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 혼합 탱크로의 반응후 부산물의 유동을 제어하는 제3 유량 제어기로서 응축기(152)를 제어한다.
상기 구동 제어부(160)가 상기 펌프들(146, 148) 및 응축기(152)의 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 QCM 농도 센싱부(200)는 도시한 지점외에도 필요에 따라, 혼합 탱크(145), 펌프(146, 148) 등의 시스템 구성요소 내부나, 캐소드에서 응축기(152)로의 배관(123), 응축기(152)에서 혼합 탱크(145)로의 배관(124), 애노드에서 혼합 탱크(145)로의 배관(122) 및 연료 탱크(142)에서 혼합 탱크(145)로의 배관(127, 128), 펌프(146)의 입력/출력 배관(125, 126) 등의 액체 유동 경로상 다른 지점에도 설치될 수 있다.
상기 구동 제어부(160)의 동작을 산화제 공급부(130)로서의 공기 펌프, 응축기(152), 펌프(146)를 제어하며, 혼합 탱크(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 탱크(145)내의 농도가 소정 기준보다 낮아지면, 펌프(148)를 가동시켜 연료 저장부(142)의 원료 공급을 증가시킨다. 반면, 혼합 탱크(145)내의 농도가 소정 기준보다 높아지면 응축기(152)의 가동율을 증가시켜 스택(110)에서 나오는 수증기의 응축량을 늘리거나, 펌프(148)에 의한 연료 탱크(142)로부터의 원료 공급을 감소시킨다. 이에 따라, 혼합 탱크(145)로부터 스택(110)의 애노드 전극에 공급되는 수소함유 연료의 농도를 일정하게 유지하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명 일실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구조도.
도 2a 내지 2d는 본 발명 일실시예에 따른 연료전지 시스템용 센싱 도관의 구조들 도시한 도면들.
도 3은 도 2c의 A 치수 변화에 따른 내부 유체 흐름을 도시한 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 주 전달 경로 30 : 바이패스 채널
40 : 유입구 50 : 유출구
60 : 구획벽 70 : 센서 배치 채널
110 : 연료전지 스택 130 : 산화제 공급부
140 : 연료 저장부 150 : 유출물 처리부
160 : 제어부 201 : 센싱 도관

Claims (20)

  1. 센싱하려는 용액이 유동하는 주 전달 경로;
    상기 주 전달 경로에 유체 소통가능하게 결합하는 바이패스 채널;
    상기 주 전달 경로로부터 상기 바이패스 채널로 액체가 유입되는 유입구;
    상기 바이패스 채널 내부 액체가 상기 주 전달 경로로 복귀하는 유출구;
    상기 바이패스 채널과 상기 주 전달 경로 사이에 위치한 구획벽; 및
    상기 바이패스 채널 내부에 장착되는 센서를 포함하고,
    상기 바이패스 채널은 중간 영역의 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면적이 유입구 및 유출구 보다 넓은 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 채널은, 상기 주 전달 경로와 평행하게, 용액이 유동하는 방향의 축을 포함하는 평면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 QCM 센서인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 채널은 그 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면이 직사각형 형태나 타원형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 채널의 일부 영역과 연통되며, 상기 바이패스 채널과 연통된 영역의 폭을 확장시키는 센서 배치 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 유체 센싱 장치
  8. 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 수소 함유 연료를 공급하는 연료 공급부를 포함하는 연료 전지;
    센싱하려는 용액이 유동하는 주 전달 경로와, 상기 주 전달 경로에 유체 소통가능하게 결합하는 바이패스 채널과, 상기 바이패스 채널 내부에 장착되는 QCM 농도 센서를 구비하는 QCM 농도 센싱부;
    상기 주 전달 경로로부터 상기 바이패스 채널로 액체가 유입되는 유입구;
    상기 바이패스 채널 내부 액체가 상기 주 전달 경로로 복귀하는 유출구;
    상기 바이패스 채널과 상기 주 전달 경로 사이에 위치한 구획벽; 및
    상기 QCM 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부;를 포함하고,
    상기 바이패스 채널은 중간 영역의 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면적이 유입구 및 유출구 보다 넓은 연료전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 바이패스 채널은,
    상기 주 전달 경로와 평행하게, 용액이 유동하는 방향의 축을 포함하는 평면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서, 상기 바이패스 채널은,
    그 유체 흐름 방향에 대한 수직 방향 단면이 직사각형 형태나 타원형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 바이패스 채널의 일부 영역과 연통되며, 상기 바이패스 채널과 연통된 영역의 폭을 확장시키는 센서 배치 채널
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    고농도 메탄올을 저장하는 연료 탱크; 및
    상기 연료전지 스택의 반응후 잔여물과 상기 고농도 메탄올을 혼합하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 혼합 탱크
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주 전달 경로는 혼합 탱크와 연료전지 스택의 애노드 사이에 위치한 도관의 일부가 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 연료 탱크로부터 상기 혼합 탱크로의 고농도 메탄올의 유동을 제어하는 제1 유량 제어기;
    상기 혼합 탱크로부터 상기 연료전지 스택의 애노드로의 혼합된 용액의 유동을 제어하는 제2 유량 제어기; 및
    상기 연료전지 스택으로부터 상기 혼합 탱크로의 반응후 부산물의 유동을 제어하는 제3 유량 제어기를 더 포함하며,
    상기 구동 제어부는, 상기 QCM 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 제1 내지 제3 유량 제어기 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제3 유량 제어기는,
    상기 연료전지 스택의 캐소드에서 배출되는 유체를 응축하는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하기 위한 공기 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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