KR101314921B1

KR101314921B1 - Density Sensing Device with Protecting Chamber and Fuel Cell System possessing it

Info

Publication number: KR101314921B1
Application number: KR1020060076786A
Authority: KR
Inventors: 장원혁; 김도영; 정상민; 이종기; 전상민
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2013-10-04
Also published as: KR20080015280A

Abstract

본 발명은 보호 챔버를 구비한 운동량 측정 방식의 농도 센싱 장치 및 이를 장착한 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 켄트리버(cantilever) 농도 센서를 적용하며 보호 챔버를 구비하는 농도 센싱 장치 및 이를 장착한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a concentration sensing device of a momentum measurement type having a protective chamber and a fuel cell system having the same. In particular, a concentration sensing device applying a cantilever concentration sensor and having a protective chamber and a fuel having the same are provided. It relates to a battery system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농도 센싱 장치는, 용액 분자의 운동량 측정 방식의 농도 센서; 및 불순물 입자가 상기 농도 센싱 장치에 충돌하는 것을 방지하기 위한 보호챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.Concentration sensing device of the present invention for achieving the above object, the concentration sensor of the momentum measurement method of the solution molecule; And a protective chamber for preventing impurity particles from colliding with the concentration sensing device.

켄트리버 농도 센서의 경우, 측정하려는 용액에 고체상태의 불순물 입자가 포함되어 있는 경우, 센싱 정밀도를 떨어뜨릴뿐만 아니라 센서의 수명도 저하시키니다. 그러나, 본 발명에서는 보호 챔버를 구비함으로서 불순물 입자가 켄트리버 농도 센서와 충돌하는 것을 사전에 차단하므로 상기와 같은 문제점을 방지할 수 있다.In the case of entiver concentration sensors, if the solution to be measured contains impurity particles in the solid state, not only will the sensing accuracy be reduced, but also the life of the sensor will be reduced. However, the present invention prevents impurity particles from colliding with the entiver concentration sensor in advance by providing a protection chamber, thereby preventing the above problems.

보호 챔버, 연료전지, DMFC, cantilever, 농도 센서 Protection chamber, fuel cell, DMFC, cantilever, concentration sensor

Description

보호 챔버를 가지는 농도 센싱 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템{Density Sensing Device with Protecting Chamber and Fuel Cell System possessing it}Density Sensing Device with Protecting Chamber and Fuel Cell System possessing it

도 1a는 종래 기술에 따른 초음파형 농도 센서를 도시한 구조도.Figure 1a is a structural diagram showing an ultrasonic concentration sensor according to the prior art.

도 1b는 종래 기술에 따른 저항 측정형 농도 센서를 도시한 구조도.Figure 1b is a structural diagram showing a resistance measuring type concentration sensor according to the prior art.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보호 챔버를 구비한 농도 센싱 장치를 도시한 사시도.Figure 2 is a perspective view showing a concentration sensing device having a protective chamber according to an embodiment of the present invention.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 능동형 켄트리버 농도 센서를 이용한 센싱부의 일실시예를 도시한 구조도.3A and 3B are structural diagrams showing an embodiment of a sensing unit using an active entiver concentration sensor according to the present invention;

도 4는 일반적인 직접 메탄올 연료 전지의 구조를 나타낸 블록도.4 is a block diagram showing the structure of a typical direct methanol fuel cell.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

110 : 연료전지 스택 130 : 산화제 공급부110: fuel cell stack 130: oxidant supply unit

140 : 연료 공급부 150 : 유출물 처리부 140: fuel supply unit 150: effluent treatment unit

160 : 제어부 200 : 켄트리버 농도 센서160 control unit 200 centriber concentration sensor

202 : 보호 챔버 210 : 센싱 플레이트202: protective chamber 210: sensing plate

220 : 가변저항부 230 : 압전소자막220: variable resistance unit 230: piezoelectric element film

240 : 전극 250 : 저항 측정부240: electrode 250: resistance measurement unit

260 : 농도 변환부 270 : 펄스 공급부260: concentration conversion unit 270: pulse supply unit

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.A fuel cell is a power generation system that generates electrical energy by a balanced electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol and natural gas and oxygen in the air.

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.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkaline fuel cells, and the like, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

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.Among them, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has much higher output characteristics, lower operating temperature, and faster start-up and response characteristics than other fuel cells. It has a wide range of applications such as transportation power sources such as power sources and automotive power sources, as well as distributed power sources such as stationary power plants in houses and public buildings.

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.In addition, the fuel cell includes a direct methanol fuel cell (DMFC), which is similar to a polymer electrolyte fuel cell but can supply liquid methanol fuel directly to a stack. Direct methanol fuel cells, unlike polymer electrolyte fuel cells, are more advantageous for miniaturization because they do not use a reformer to obtain hydrogen from the fuel.

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.The above-described direct methanol fuel cell includes, for example, a stack, a fuel tank and a fuel pump. The stack generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel containing hydrogen with an oxidant such as oxygen or air. Such a stack typically has a structure in which several to tens of unit fuel cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. Here, the membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Has

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 애노드측에 서 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.On the other hand, in a fuel cell in which a fuel such as a direct methanol fuel cell is supplied to the stack in a liquid state, the operation efficiency is significantly different depending on the molar concentration of the fuel supplied to the anode electrode and the cathode electrode. For example, if the molar concentration of the fuel supplied to the anode electrode is high, the amount of fuel that passes from the anode side to the cathode side is increased due to the limitations of the currently available polymer electrolyte membrane, and thus as the fuel reacting at the cathode electrode side. This results in back EMF, which reduces the output. This is because the fuel cell stack has an optimum operating efficiency at a predetermined fuel concentration in accordance with its configuration and characteristics. Therefore, in the direct methanol fuel cell system, a method for appropriately controlling the molar concentration of fuel is required for stable operation.

따라서, 직접 메탄올 연료전지 등의 경우, 스택이나 연료 탱크, 리사이클 탱크 같은 설비에 저장된 용액 또는 상기 설비간 배관 내로 유동하는 용액의 농도를 측정하는 수단을 구비할 수 있다.Therefore, in the case of a direct methanol fuel cell or the like, a means for measuring the concentration of a solution stored in a stack, a fuel tank, a recycling tank, or a solution flowing into the pipe between the facilities may be provided.

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. In the fuel cell, the driving state of the fuel cell system can be estimated by measuring the concentration of the fuel aqueous solution or the like, and the driving efficiency of the fuel cell is controlled by controlling each component constituting the fuel cell system according to the estimation result. Can increase.

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. In addition, even in a fuel cell in which hydrogen is supplied to an anode such as a polymer electrolyte fuel cell, a material in the form of a solution, such as a condensate of a cathode-side discharge material, may exist, and concentration sensing of the solution may be necessary depending on the purpose. have.

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.Therefore, in the fuel cell, it can be seen that the measurement of the concentration of the solution plays a very important role in improving the performance. By the way, in installing the measuring device for measuring the concentration of the solution in the necessary part, the concentration measuring device should be smaller in size, to ensure accurate concentration sensing, to ensure the rapid concentration sensing, the cost and Many of the same requirements must be met optimally.

상기 요구사항을 충족하기 위해 고분자 흡착형 농도 센서, 도 1a에 도시한 바와 같이 초음파 발생기(310)와 검출기(320)로 이루어진 초음파형 농도 센서, 도 1b에 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.Polymer adsorption type concentration sensor, ultrasonic type concentration sensor consisting of an ultrasonic generator 310 and a detector 320 as shown in Figure 1a to meet the above requirements, the electrode 410 by a solution as shown in Figure 1b A number of proposals have been made for applying a known concentration sensor to a fuel cell, such as a resistance-measuring concentration sensor for measuring the resistance between terminals. However, to date, all of the concentration sensors applied to fuel cells do not sufficiently satisfy all of the above requirements, and thus, it is difficult to implement high-performance fuel cells at low cost.

한편, 저렴한 가격에 고성능의 소형 농도 센서로서는 켄트리버 농도 센서와 같은 충돌량 감지 방식의 농도 센서가 있다. 그러나, 센싱하려는 용액에 고체 상태의 불순물이 들어 있는 경우, 상기 불순물에 의한 충격에 의해 농도 센싱에 오류가 발생할 가능성이 크다. 그런데, DMFC 연료 전지 시스템의 경우, 특히 연료 혼합기 내의 연료에는 이와 같은 불순물이 포함되기 쉬워, 이에 대한 대책이 요망되었다. On the other hand, there is a high-capacity, high-density concentration sensor at a low price, such as a concentration sensor of a collision detection method such as a centriber concentration sensor. However, when the solution to be sensed contains impurities in the solid state, it is likely that errors in concentration sensing occur due to the impact caused by the impurities. By the way, in the case of a DMFC fuel cell system, especially the fuel in a fuel mixer tends to contain such an impurity, and the countermeasure against this was desired.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용액내 불순물에 의한 센싱 오류를 방지할 수 있는 보호 챔버를 구비한 농도 센싱 장치 및 이를 장착한 연료 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a concentration sensing device having a protection chamber capable of preventing a sensing error caused by impurities in a solution, and a fuel cell system having the same.

또한, 본 발명은 저렴한 가격에 정확한 연료 용액의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 구비한 연료 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a concentration sensor capable of measuring the concentration of the fuel solution accurately at a low price.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 신속하게 연료 용액의 농도를 측정할 수 있 는 농도 센서를 구비한 연료 전지를 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell having a concentration sensor capable of measuring the concentration of a fuel solution quickly with a simple structure.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농도 센싱 장치는, 용액 분자의 운동량 측정 방식의 농도 센서; 및 불순물 입자가 상기 농도 센싱 장치에 충돌하는 것을 방지하기 위한 보호챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.Concentration sensing device of the present invention for achieving the above object, the concentration sensor of the method of measuring the momentum of the solution molecules; And a protective chamber for preventing impurity particles from colliding with the concentration sensing device.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 시스템은, 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, 보호 챔버를 구비하는 운동랑 측정 방식의 농도 센싱부; 및 상기 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell system of the present invention for achieving the above object is a fuel cell stack for generating electrical energy by the electrochemical reaction of a hydrogen-containing fuel and an oxidant, and a fuel for supplying hydrogen-containing fuel to the fuel cell stack A fuel cell including a supply unit and an oxidant supply unit supplying an oxidant to the fuel cell stack; A concentration sensing unit of a motion measuring method including a protective chamber for measuring a concentration of a solution state substance present in the fuel cell; And a driving control unit for controlling the driving of the fuel cell according to the sensing result of the concentration sensing unit.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

(실시예 1)(Example 1)

도 2에 도시한 보호 챔버를 구비한 농도 센싱 장치는, 용액 내부에 위치하며 용액 구성 입자들의 충돌을 감지하기 위한 충돌 감지부와 상기 충돌 감지부의 충돌 감지에 따라 저항값이 변하는 가변 저항부를 구비하는 농도 센서(200); 및 불순물 입자가 상기 농도 센서에 충돌하는 것을 방지하기 위한 보호챔버(202)로 이루어진다.The concentration sensing device having the protection chamber shown in FIG. 2 includes a collision detector configured to be located inside the solution and detect a collision between the particles of the solution, and a variable resistor configured to change a resistance value according to collision detection of the collision detector. A concentration sensor 200; And a protection chamber 202 for preventing impurity particles from colliding with the concentration sensor.

상기 보호 챔버(202)는 일정 크기 이상의 불순물 입자가 상기 농도 센서에 충돌하여 농도 센싱에 오류가 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 일정한 크기의 눈을 가지는 망 형태로 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 눈의 크기는 농도를 측정하려는 용액 입자의 크기보다 큰 한도 내에서 최대한 작게하는 것이 농도 센싱의 정밀도를 위해 바람직하겠지만, 너무 눈이 작으면 용액의 챔버 내외 유동을 방해하여 용액의 농도변화를 센싱하는 속도가 느려지므로 적당한 크기를 가져야 한다.The protective chamber 202 is for preventing impurity particles from a predetermined size or more collide with the concentration sensor to prevent an error in concentration sensing. The protection chamber 202 may be formed in a network shape having a predetermined size of eyes. In this case, it is preferable that the size of the eye be as small as possible within the limit larger than the size of the solution particle to measure the concentration. However, if the size of the eye is too small, the concentration of the solution may be impeded by preventing the flow of the solution in and out of the chamber. Sensing speed is slowed down so it should have a proper size.

상기 보호 챔버(202)는 측정하려는 용액에 따라 챔버 자체가 부식 또는 용해되지 않도록 적당한 재질로 구현해야 한다. 예컨대, 연료 전지 시스템에서 사용되는 메탄올 농도 측정용 센서로 적용되는 경우, 그라파이트 같은 탄소 섬유계 재질, 스테인리스 강 같은 메탄올 및 물과 반응성이 작은 금속 재질, PET 같은 합성 수지 재질 등의 하나 또는 2 이상의 조합으로 구현할 수 있다. The protective chamber 202 should be made of a suitable material so that the chamber itself does not corrode or dissolve depending on the solution to be measured. For example, when applied as a sensor for measuring the concentration of methanol used in a fuel cell system, a combination of one or two or more of carbon fiber-based materials such as graphite, methanol and stainless steel, metal materials that are less reactive with water, and synthetic resin materials such as PET Can be implemented.

상기 농도 센서(200)는 충돌 감지 방식으로 동작하는 것으로서, 크기와 성능면에서 켄트리버형 농도 센서로 구현하는 것이 바람직하다.The concentration sensor 200 operates in a collision detection method, and may be implemented as a entiver type concentration sensor in terms of size and performance.

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 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부를 포함한다.The active centrifuge concentration sensor shown in FIG. 3A includes a sensing plate 210 'that is in a state to be immersed in a solution to be sensed and a variable resistor unit 220' that is mounted at a point where the sensor is installed. It has a structure, and includes a concentration calculator for calculating the concentration in accordance with the resistance of the variable resistor.

하기에서 저항을 측정한다는 것은 오옴 등의 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 하기에서 언급하는 저항 측정에 포함된다.Measuring resistance in the following not only means calculating a measurement result with a resistance value expressed in resistance units such as ohms, but also measuring the voltage value between both ends of the variable resistance when a constant current is supplied to the variable resistor. It may mean to calculate the result, or it may mean to calculate the measurement result by the current flowing when a constant voltage is applied across the variable resistor. That is, whatever measurement unit factor corresponding to the resistance value of the variable resistance is used regardless of the measurement unit or type, it is included in the resistance measurement mentioned below.

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. First, the principle of the centriber concentration sensor is explained. When a centriber having a sufficiently thin thickness is immersed in the aqueous methanol solution, the water molecules and the methanol molecules constituting the methanol solution having irregular motions collide with the entiver. The deformation of the centriber due to the collision causes a change in the resistance value of the centriber. By the way, since there exists a difference in the molecular weight of a water molecule and a methanol molecule, the impact amount applied to a entiver changes with the density | concentration of methanol aqueous solution, and a difference arises in the change degree of the said resistance value. Concentration measurement is performed by detecting the degree of change in the resistance value and converting it to a corresponding concentration value. In the present embodiment, the collision detection unit that contacts the solution and receives the impact amount is implemented as a sensing plate in the form of a plate.

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.Meanwhile, the concentration calculator connected to the variable resistor unit 220 'includes a resistance measurer 250' for measuring the resistance of the variable resistor unit; And a concentration converter 260 'that calculates a concentration according to a resistance-concentration conversion relationship given according to a position where the sensing plate 210' is installed. Here, the entirety of the concentration calculator or the concentration converter 260 ′ may be implemented as a hardware module or a software module that forms part of a driving controller for controlling the overall operation of the fuel cell system.

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. The resistance measuring unit 250 ′ outputs an electrical physical quantity (for example, voltage or current) proportional to the resistance of the variable resistance unit 220 ′. The concentration converter 260 ′ receives the output value of the resistance measuring unit 250 ′, calculates a variation in resistance vibration, and converts the variation in resistance into a sensing concentration.

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.The resistance fluctuation-sensing concentration conversion may be implemented simply by an analog circuit that implements a corresponding function, but in reality, the influence of other factors such as the temperature of a solution may be considered in the conversion process to obtain a more accurate concentration value.

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.If the consideration of the influencing factors is simplified, different conversion tables can be used depending on where the concentration sensor is located. This is simplified by the fact that the impurity concentration affecting the temperature and concentration sensing is constant according to the position. In this case, the concentration converter 260 ′ includes a resistance-concentration conversion table having different data according to the position where the concentration sensing unit is installed, and searches for a concentration value corresponding to the resistance variation amount in the conversion table to calculate the conversion concentration. do.

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. In the case of considering only the temperature among the factors influencing the above, it is necessary to receive the sensed temperature value from the temperature measuring means installed in the vicinity of the concentration sensor. That is, the concentration calculator further includes a temperature measuring unit for measuring the temperature of the location where the concentration sensing unit is installed, and the concentration converting unit 260 'calculates the concentration according to the measurement resistance and the temperature. To this end, the concentration converter 260 ′ includes a temperature / resistance-concentration conversion table, and searches for a concentration value corresponding to the resistance variation amount in the conversion table to calculate the conversion concentration.

상기 켄트리버 농도 센서의 센싱 정밀도를 높이기 위해서, 켄트리버 농도 센서를 일정하게 구동시키는 방식으로 구현할 수 있다.In order to increase the sensing accuracy of the centrifugal concentration sensor, the centrifugal concentration sensor may be implemented in a manner of constantly driving.

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.The active centrifuge concentration sensor shown in FIG. 3B has a centriber structure in which a sensing plate 210 in a state to be immersed in a solution to be sensed and a variable resistor unit 220 mounted at a point where the sensor is installed are integrally formed. To have. In addition, a concentration calculation unit for calculating the concentration in accordance with the resistance of the variable resistor unit 220 and a plate driving unit for moving the sensing plate.

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. In the present embodiment, the collision detection unit that is in contact with the solution and receives the impact amount is implemented as a sensing plate in the form of a plate. However, only by dipping the sensing plate in the aqueous methanol solution, the amount of impact from the water molecules and the methanol molecules may be so weak that the accuracy of concentration sensing may be reduced. In order to overcome this problem, the present embodiment includes a plate driving unit which constantly moves the sensing plate itself.

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.Although the plate driving unit may be implemented as a mechanical device including an electromagnet or the like, in order to meet the purpose of miniaturizing the sensor, it is preferable to implement the plate driving unit as a piezoelectric element that can be easily miniaturized. In this case, the plate driving unit includes a piezoelectric element film 230 bonded in parallel with the sensing plate as shown in FIG. 3B; And an electrode part 240 for forming an electric field for driving the piezoelectric element film 230.

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. 2개의 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.The piezoelectric element film 230 may be bonded to the outside of the sensing plate 210 as shown, or may be located inside the sensing plate 210. The electrode unit 240 is generally formed of two electrode films. However, when the sensing plate itself is made of a conductive material to impart a reference potential (eg, ground potential), the electrode plate 240 faces the sensing plate in the piezoelectric element film. It may be implemented by one electrode film on the surface. Even when implemented with two electrode films, one may be implemented to be in contact with the sensing plate as shown, or may be implemented to be in contact with both surfaces of the piezoelectric element film. In the latter case, one electrode film is positioned between the sensing plate and the piezoelectric element film.

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. When a predetermined voltage is applied to the electrode portion 240, a change in the length of the piezoelectric element film 210 occurs, but since the piezoelectric element film-sensing plate assembly is joined to the sensing plate 210 which does not change length. Will bend. Therefore, when the compression voltage of the piezoelectric element film 230 is applied to the electrode portion 240, the sensing plate 210 is deformed to the position (A) of the drawing, and when the expansion voltage is applied to the electrode portion 240 (B). ) Into position.

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. The illustrated pulse supplier 270 applies a driving pulse whose voltage is periodically changed to the electrode unit 240. As a result, the sensing plate 210 performs a vibrating motion of repeating positions (A) and (B). Will perform. As a result, the displacement amount of the vibration motion according to the driving pulse has a different value depending on the concentration of the methanol solution in which the sensing plate 210 is immersed, which also affects the variation of the resistance value of the variable resistor unit 220 according to the vibration motion. give.

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.On the other hand, the concentration calculation unit connected to the variable resistor unit 220, the resistance measuring unit 250 for measuring the resistance of the variable resistor unit; And a concentration converter 260 that calculates a concentration according to a resistance-concentration conversion relationship given according to a location where the concentration sensing unit is installed. Here, the entirety of the concentration calculator or the concentration converter 260 may be implemented as a hardware module or a software module that forms part of a drive controller to be described later to control the overall operation of the fuel cell system.

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.The resistance measuring unit 250 outputs an electrical physical quantity (eg, voltage or current) proportional to the resistance value of the variable resistor unit 220. The concentration converter 260 receives the output value of the resistance measuring unit 250, calculates a change amount of the resistance according to a driving pulse period, and converts the change amount of the resistance into a sensing concentration.

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. The resistance fluctuation-sensing concentration conversion may be implemented simply by an analog circuit that implements a corresponding function, but in reality, the influence of other factors such as the temperature of a solution may be considered in the conversion process to obtain a more accurate concentration value. If the consideration of the influencing factors is simplified, different conversion tables can be used depending on where the concentration sensor is located.

다음, 본 발명에 따른 보호 챔버를 구비한 농도 센서의 연료 전지 시스템에 서의 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.Next, the application process of the installation position and the concentration sensing value in the fuel cell system of the concentration sensor with the protection chamber according to the present invention will be described. In the following description, the term 'unreacted fuel' refers to a fuel that is not reformed into hydrogen gas and discharged along with water (H 2 O) generated during reforming of the hydrogen-containing fuel into hydrogen gas from the stack of the fuel cell system, and the term 'raw material' 'Means a high concentration of fuel selected from the hydrocarbon-based fuel group consisting of ethanol, methanol and natural gas, the term' hydrogen containing fuel 'refers to the fuel supplied to the reformer or stack.

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.4 illustrates a general direct methanol fuel cell system in which a concentration sensor according to the spirit of the present invention can be installed. However, the illustrated structure is not limited to the case of using methanol as a fuel, but also applicable to a fuel cell system of a type in which an aqueous fuel is supplied to the stack, such as a fuel cell using ethanol or acetic acid as a fuel. have.

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 유출물을 처리하는 유출물 처리부(150)를 구성하며, 상기 연료 저장부(120)와, 혼합 장치(145) 및 펌프(146)는 연료 공급부(140)를 구성한다. The direct methanol fuel cell includes a stack 110 for generating electricity by a chemical reaction between hydrogen gas and oxygen, and a fuel storage unit 120 for storing a high concentration fuel to be supplied to the stack 110, as shown. And an oxidant supply unit 130 for supplying an oxidant to the stack 110, a heat exchanger 152 for recovering unreacted fuel discharged from the stack 10, an unreacted fuel discharged from the heat exchanger 152, and A mixing device 145 is provided to supply the stack 110 with hydrogen-containing fuel mixed with the high concentration fuel discharged from the fuel storage unit 120. Here, the heat exchanger 152 and the mixing device 145 constitute an effluent treatment unit 150 for treating the effluent of the stack, the fuel storage unit 120, the mixing device 145 and the pump 146. ) Constitutes a fuel supply unit 140.

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.The stack 110 is provided with a plurality of unit cells including a polymer membrane and an electrode membrane assembly (MEA) including a cathode electrode and an anode electrode provided on both sides of the polymer membrane. The anode electrode oxidizes the hydrogen gas generated by reforming the hydrogen-containing fuel supplied from the fuel supply unit 140 to generate hydrogen ions (H +) and electrons (e−). The cathode electrode converts oxygen in the air supplied from the oxidant supply unit 130 into oxygen ions and electrons. Hydrogen ions generated at the polymer membrane anode electrode are ion-exchanged to the cathode electrode and have a thickness of about 50 to 200 μm as a conductive polymer electrolyte membrane having a function of preventing permeation of hydrogen-containing fuel.

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.The electrical energy generated as a result of the chemical reaction of hydrogen gas and oxygen in the unit cell is converted to current / voltage and the like through the power converter 170 and output to an external load. According to the implementation, the output of the power converter 170 may have a structure for charging a secondary battery that is separately provided, and may have a structure for supplying power for the driving controller 160.

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.The unreacted fuel in which carbon dioxide (CO ₂ ) and water (H ₂ O) are mixed is moved to the condenser of the heat exchanger through the discharge unit, and the unreacted fuel condensed in the condenser is collected by the mixing device 145. Carbon dioxide contained in the unreacted fuel may flow out from the mixing device 145. The unreacted fuel collected in the mixing device 50 and the high concentration fuel supplied from the fuel storage unit 120 are mixed and then supplied to the anode electrode of the stack 110.

산화제 공급부(30)는 산화제로서 공기를 공급하는 공기 공급 수단일 수 있으 며, 공기를 스택(110)의 캐소드 전극에 공급하기 위한 능동적인 구동펌프로 구현하거나, 단순히 공기의 흐름이 원할한 구조를 가지는 수동적인 통기공으로 구현할 수 있다.The oxidant supply unit 30 may be an air supply means for supplying air as an oxidant, and may be implemented as an active driving pump for supplying air to the cathode electrode of the stack 110 or may simply have a structure in which air flow is desired. Eggplant can be implemented as a passive vent.

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. The driving control unit 160 is for controlling the operation of the driving pump 148 for the fuel storage unit 142 and the pump 146 for supplying the mixed fuel to the stack. In addition to the pumps mentioned above, piping 123 from the cathode to the heat exchanger 152, piping 124 from the heat exchanger 152 to the mixing device 145, and piping 122 from the anode to the mixing device 145. ) And the oxidant supply unit 130 may be installed in the pump according to the implementation, the drive control unit 160 may control the operation of each installed pump.

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. The driving controller 160 preferably includes a digital processor. In this case, the digital processor has a structure in which a reference clock for operation is input. Since the processing amount for the operation of the driving control unit 160 and the processing amount of the concentration calculating unit of the concentration sensor according to the spirit of the present invention are not so high, one processor controls the driving control and resistance-concentration conversion to reduce hardware. It can be implemented to play the role of. In order to reduce hardware, a pulse supply for applying a driving pulse to the electrode unit may be configured to receive the reference clock and generate a supply clock. In addition, the role of the resistance measurer 250 of FIG. 3 may also be implemented to serve as the driving controller 160.

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.The input data necessary for the driving controller 160 to control the operation of the pumps may be concentration values of each part of the fuel cell, generated power state (current, voltage, etc.) of the power converter, temperature values of each part, and the like. have. Accordingly, the centriber concentration sensor according to the spirit of the present invention may be installed inside a system component such as the mixing device 145, the pumps 146, 148, the pipe 123 from the cathode to the heat exchanger 152, Piping 124 from the heat exchanger 152 to the mixing device 145, piping 122 from the anode to the mixing device 145 and piping 127, 128 from the fuel reservoir 142 to the mixing device 145. In addition, the pump 146 may be installed in a liquid flow path such as the input / output pipes 125 and 126.

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.The operation of the driving control unit 160 will be briefly described as controlling the oxidant supply unit 130, the heat exchange unit 152, and the pump 146, and the concentration sensor is provided only in the mixing device 145.

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 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.When the output power of the power converter does not meet the standard, the driving controller 160 determines that a large load is applied, and operates the pump 146 to increase the amount of power generation, thereby increasing the fuel supply to the stack. On the other hand, when the concentration in the mixing device 145 is lower than a predetermined reference, the operating rate of the heat exchanger 152 is increased to increase the amount of condensation of unreacted fuel, or the pump 148 is operated to feed the raw material of the fuel storage unit 142. Increase supply. On the other hand, when the concentration in the mixing device 145 is higher than a predetermined reference, the operation rate of the heat exchanger 152 is reduced to reduce the amount of condensation of unreacted fuel, or the raw material from the fuel storage unit 142 by the pump 148. Reduce supply. Accordingly, the concentration of the hydrogen-containing fuel supplied from the mixing device 145 to the anode electrode of the stack 110 can be kept constant so that the power generation efficiency of the fuel cell system can be stably maintained.

상기 구성에 따른 보호 챔버를 구비한 운동량 측정 방식의 농도 센서 장치를 실시하는 것은 다음과 같은 효과를 가져온다.Implementing the concentration sensor apparatus of the momentum measurement method provided with the protection chamber according to the above configuration brings the following effects.

우선, 켄트리버 농도 센서 같은 농도 센서는 크기를 작게 형성하는 것이 용이하고 소형화되어도 센싱 능력을 저하시키지 않으므로 소형화에 유리하다. 비록 보호 챔버로 인한 부피의 증대 요인이 있지만, 보호 챔버도 그물망 형태로 구현하는 경우 소형화가 어렵지 않다.First, a density sensor such as a centriber concentration sensor is advantageous in miniaturization because it is easy to form a small size and does not reduce the sensing capability even if it is miniaturized. Although there is an increase in volume due to the protection chamber, miniaturization is not difficult when the protection chamber is also implemented in the form of a mesh.

상기 보호 챔버를 구비한 운동량 측정 방식의 농도 센서 장치를 구비한 연료 전지 시스템을 실시함하는 것은 다음과 같은 효과를 가져온다.Implementing the fuel cell system including the concentration sensor device of the momentum measurement method provided with the protective chamber has the following effects.

연료 전지 시스템 중 특히, DMFC 방식의 연료 전지 시스템은 소형화의 요청이 크지만, 효율적인 시스템 동작을 위해서는 연료의 농도 측정이 요구된다. 앞서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 농도 센싱 장치는 이와 같은 소형화 요청에 적합한 특성을 가진다. Among the fuel cell systems, in particular, the DMFC type fuel cell system requires a small size, but the concentration of fuel is required for efficient system operation. As described above, the concentration sensing device according to the present invention has characteristics suitable for such a miniaturization request.

또한, 저렴한 가격에 정확한 연료 농도의 측정이 가능한 연료 전지 시스템을 구성할 수 있다.In addition, a fuel cell system capable of accurately measuring fuel concentration at an inexpensive price can be configured.

Claims

용액 분자의 운동량 측정 방식의 농도 센서; 및A concentration sensor for measuring the momentum of the solution molecule; And

불순물 입자가 상기 농도 센싱 장치에 충돌하는 것을 방지하기 위한 보호챔버Protective chamber to prevent impurity particles from colliding with the concentration sensing device

를 포함하되, 상기 농도 센서는 용액 내부에 위치하며 용액 구성 입자들의 충돌을 감지하기 위한 충돌 감지부; 상기 충돌 감지부의 충돌 감지에 따라 저항값이 변하는 가변 저항부; 및 상기 충돌 감지부를 움직이기 위한 구동부를 포함하는 농도 센싱 장치. Including, wherein the concentration sensor is located inside the solution collision detection unit for detecting the collision of the solution component particles; A variable resistor unit having a resistance value changed according to collision detection of the collision detector; And a driving unit for moving the collision detecting unit.

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제1항에 있어서, 상기 구동부는,The method of claim 1, wherein the driving unit,

상기 충돌 감지부와 평행하게 접합된 압전소자막; 및A piezoelectric element film bonded in parallel with the collision detector; And

상기 압전소자막을 구동시키는 전계를 형성하기 위한 전극부Electrode portion for forming an electric field for driving the piezoelectric element film

를 포함하는 농도 센싱 장치.Concentration sensing device comprising a.

제4항에 있어서, 상기 전극부는,The method of claim 4, wherein the electrode unit,

상기 압전소자막 양면에 위치하는 한쌍의 전극인 것을 특징으로 하는 농도 센싱 장치.And a pair of electrodes positioned on both surfaces of the piezoelectric element film.

제4항에 있어서, 5. The method of claim 4,

상기 전극부에 구동 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급기를 더 포함하는 농도 센싱 장치.And a pulse supplier for applying a driving pulse to the electrode unit.

제1항에 있어서, 상기 보호 챔버는,The method of claim 1, wherein the protective chamber,

소정 크기의 눈을 가진 망 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 농도 센싱 장치.A concentration sensing device, characterized in that it has a net form having an eye of a predetermined size.

제7항에 있어서, 상기 보호 챔버는,The method of claim 7, wherein the protective chamber,

탄소 섬유계 재질, 메탄올 및 물과 반응성이 작은 금속 재질 및 합성 수지 재질 중 하나 이상의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 농도 센싱 장치.A concentration sensing device, comprising at least one of a carbon fiber-based material, a metal material and a synthetic resin material that are less reactive with methanol and water.

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; A fuel cell stack that generates electrical energy by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel and an oxidant, a fuel supply unit for supplying hydrogen-containing fuel to the fuel cell stack, and an oxidant supply for supplying an oxidant to the fuel cell stack. A fuel cell comprising a portion;

상기 연료 전지 내에 존재하는 용액 상태 물질의 농도를 측정하기 위한, 보호 챔버를 구비하는 운동랑 측정 방식의 농도 센싱부; 및A concentration sensing unit of a motion measuring method including a protective chamber for measuring a concentration of a solution state substance present in the fuel cell; And

상기 농도 센싱부의 센싱 결과에 따라 상기 연료 전지의 구동을 제어하기 위한 구동 제어부를 구비하되,A driving control unit for controlling the driving of the fuel cell according to the sensing result of the concentration sensing unit,

상기 농도 센싱부는 제1항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항의 농도 센싱 장치인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.9. The fuel cell system as claimed in claim 1, wherein the concentration sensing unit is a concentration sensing device according to claim 1.

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제9항에 있어서, 10. The method of claim 9,

상기 가변 저항부의 저항에 따라 농도를 산출하기 위한 농도 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And a concentration calculator configured to calculate a concentration according to the resistance of the variable resistor unit.

제11항에 있어서, 상기 농도 산출부는,The method of claim 11, wherein the concentration calculation unit,

상기 가변 저항부의 저항을 측정하기 위한 저항 측정부; 및A resistance measuring unit for measuring resistance of the variable resistance unit; And

상기 농도 센싱부가 설치된 위치에 따라 주어지는 저항-농도 변환 관계에 따라 농도를 산출하는 농도 변환부Concentration converter for calculating the concentration in accordance with the resistance-concentration conversion relationship given in accordance with the position where the concentration sensing unit is installed

를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising a.

제9항에 있어서, 상기 연료전지는, The method of claim 9, wherein the fuel cell,

상기 연료전지 스택의 유출물을 제거 또는 재활용하기 위한 유출물 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.And a effluent treatment unit for removing or recycling the effluent of the fuel cell stack.