KR0170035B1 - 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소, 유기성분 및 저알콜 검출장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 장치 또는 방법은 수소로 충만한 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 고정밀도로 측정하며, 반응 가스에 내포된 저알콜 또는 다른 유기 성분도 측정한다. 일산화탄소 센서(1)는 전해질 막(10)과, 샌드위치 구조를 형성하기 위해 전해질 막(10)을 가로질러 배열된 한쌍의 전극(12, 14)과, 샌드위치 구조뿐만 아니라 한쌍의 금속판(16, 18)을 지지하기 위한 한쌍의 홀더(20, 22)와, 홀더(20, 22)와 서로 접속시키기 위한 절연 부재(24)를 포함한다. 가스 유출관(28)은 하나의 홀더(20)와 결합되며, 가스 연료는 가스 유출관(28)을 통해서 전극(12)에 제공된다. 다른 홀더(22)로 지지된 전극(14)은 대기에 노출된다. 저항(34)은 홀더(20, 22)의 검출 단자(20T, 22T)에 접속되며, 저항(34)의 두 단자간의 전위차는 전압계(32)로 측정된다. 전압계(32)는 측정된 전위차를 나타내는 신호를 외부 제어 시스템에 출력한다. 제어 시스템은 측정된 전위차를 나타내는 신호를 근거로 중독의 정도 및 일산화탄소의 농도를 결정한다.

Description

수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소, 유기성분 및 저알콜 검출 장치 및 방법
제1도는 본 발명에 따른 제1실시예로서 일산화탄소 센서(1)를 체계적으로 도시한 종단면도.
제2도는 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도와 전압계(32)로 측정된 전위차간의 상호관계를 나타낸 그래프.
제3도는 본 발명에 따른 제2실시예로서 다른 일산화탄소 센서(101)를 체계적으로 도시한 종단면도.
제4도는 일산화탄소 센서(101)에 배치된 상부 홀더(122)를 도시한 투시도.
제5도는 비정상적으로 높아진 압력의 조건하에서 일산화탄소 센서(101)내의 가스 흐름을 도시한 확대 단면도.
제6도는 본 발명에 따른 제3실시예로서 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)를 갖춘 연료 전지 제너레이터 시스템(200)의 구조를 체계적으로 도시한 블록도.
제7도는 연료 전지의 스택(210)내에 있는 유닛 전지 구조를 도시한 단면도.
제8도는 제3실시예에서 전자 제어 유닛(230)의 CPU(232)에 의해 실행되는 제어 루틴을 나타낸 플로챠트.
제9도는 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)의 온도와 전위차간의 관계를 나타낸 그래프.
제10도는 본 발명에 따른 제4실시예로서 일산화탄소 센서(301)를 체계적으로 도시한 종단면도.
제11도는 본 발명에 따른 제6실시예로서 메탄올 센서(505) 메탄올 센서(505)를 갖춘 메탄올 농도 측정 장치(501)의 구조도.
제12도는 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도의 전극(12, 14)간에 발생된 개방 회로 전압(OCV)간의 관계를 나타낸 그래프.
제13도는 전압계(532)로 측정된 개방 회로 전압(OCV)과 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도간의 관계를 나타낸 그래프.
제14도는 제11도의 전지 제어 유닛(540) 대신에 응용가능한 결정 회로(550)를 나타낸 회로도.
제15도는 본 발명에 따른 제7실시예로서 다른 메탄올 농도-측정 장치(501B)내에 결합된 메탄올 센서(505B)의 체계적인 구조도.
제16도는 본 발명에 따른 제8실시예로서 또 다른 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 체계적인 구조도.
제17도는 본 발명에 따른 제9실시예로서 다른 메탄올 농도-측정장치(605)에 결합된 메탄올 센서(605)의 체계적인 구조도.
제18도는 본 발명에 따른 제10실시예로서 메탄올 농도-측정장치(701)를 갖춘 연료 전지 제너레이터 시스템(700)의 구조를 체계적으로 도시한 블록도.
제19도는 연료 전지의 스택(710)의 일반적인 구조도.
제20도는 제10실시예에서 전자 제어 유닛(730)의 CPU(732)로 실행된 메탄올 검출 루틴을 나타낸 플로챠트.
제21도는 선행 기술로서 정전위 전기 분해를 근거로 한 일산화탄소 센서의 체계적인 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 101, 301 : 일산화탄소 센서 200 : 연료 전지 제너레이터 시스템
210 : 연료 전지 스택 230 : 전자 제어 유닛
501 : 메탄올 농도-측정 장치 505 : 메탄올 센서
601 : 메탄올 농도-측정장치 605 : 메탄올 센서
700 : 연료 전지 제너레이터 시스템 701 : 메탄올 농도-측정 장치
710 : 연료 전지의 스택 730 : 전자 제어 유닛
본 발명은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치, 반응 가스에 내포된 유기성분(organic compound)을 검출하기 위한 장치 및 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 일산화탄소, 유기성분 및 저알콜을 검출하는 각각의 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료의 화학 에너지를 바로 전기 에너지로 변환시키는 장치로 알려져 있다. 일반적으로, 연료 전지는 전해질을 가로질러 배열된 한쌍의 전극을 갖는데, 하나의 전극의 표면을 다른 전극의 표면이 산소를 포함하는 산화가스에 노출되는 동안에 반응 가스 수소 또는 가스 연료에 노출된다. 전기 에너지는 노출로 일어나는 전기화학 반응을 통해서 전극들간에 발생된다. 그러한 연료 전지에 공급된 가스 연료는 재편성기에 의해 발생되는데, 여기서 메탄올은 아래의 반응식에 따라 발산-재편성된다.
식(1)으로 표현된 반응을 통해서 발생된 일산화탄소(CO)는 반응식(2)에 의해서 이산화탄소(CO2)로 변환된 후, 식(3)으로 표현된 재편성 반응에는 관련되지 않는다. 식(1)으로 표현된 반응비는 온도 및 압력과 같은 반응조건에 따라서 식(2)로 표현된 반응비와 다르다. 따라서, 반응식(1)로 생성된 일산화탄소(CO)는 남게 되어, 연료 전극상의 플라티나 촉매 또는 플라티나를 함유하는 합금 촉매에 의해 흡착되고, 플라티나의 촉매활동을 방해한다. 이는 일반적으로 촉매의 중독으로 간주된다. 따라서, 그러한 연료 전지를 이용하는 제너레이터는 재편성기로부터 제공된 가스 연료내의 일산화탄소의 존재를 허용하는 구조를 요구한다.
다양한 일산화탄소 센서는 연료 전지에 제공된 가스 연료의 공급에 내포된 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있도록 발전되어 왔다.
전형적인 예로 정전위 전기분해(potentiostatic electrolysis)를 근거로 한 일산화탄소 센서가 있는데, 이는 분해법으로 전기 화학 분석으로 제공된 정전위 전기 분해를 이용한다. 제21도는 종래의 정전위 전기 분해를 근거로 한 일산화탄소 센서를 체계적으로 도시한 것으로, 이는 세개의 전극 즉, 기준 전극(P1), 카운터 전극(P2), 및 동작 전극(P3)을 포함한다.
이들 전극(P1, P2, P3)은 전해질액의 상태 및 가스상태에 노출된다. 일산화탄소가 동작 전극(P3)과 접촉하게 될 때, 아래 표시된 애노드 반응이 진행되며
반면에, 공기중에 포함된 산소에 노출된 카운터 전극(P2) 상에서는 아래 표시된 캐소드 반응이 진행된다.
따라서, 전체 반응은 다음과 같이 표시된다.
이때, 일산화탄소의 농도는 전류계(P4)를 가지고 일산화탄소의 산화를 통해 발생된 전기 전류를 측정함에 의해서 결정된다.
이러한 종래의 일산화탄소 센서는 공기중에 포함된 일산화탄소의 농도를 고정밀도를 검출할 수는 있지만 측정 원리로 인하여 수소의 존재에 의한 상당한 영향을 받는다. 따라서, 종래의 정전위 전기 분해를 근거로 한 센서는 매우 많은 양의 수소중에 단지 아주 소량의 일산화탄소만을 포함하는 수소로 충만한 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정하는데 적합하지 않다. 자연적으로 상기 센서는 수소에 대한 저감도의 검출을 행하게 되는데, 이는 일산화탄소에 대해 약 1/80의 검출 감도를 갖는다. 연료 전지에 제공된 가스 연료 공급이 매우 많은 양의 수소를 포함하므로 상기 센서는 수소와 일산화탄소를 동시에 검출하며 일산화탄소의 측정시에 낮은 정밀도의 문제로 영향을 받는다.
상술된 정전위 전기 분해를 근거로한 센서처럼, 촉매 연소를 근거로 한 다른 공지된 이산화탄소 센서는 원래 공기중에 내포된 일산화탄소를 측정하도록 발전되어 왔다. 따라서, 나쁜 정밀도의 문제점이 수소로 충분한 가스 연료에 포함된 일산화탄소를 측정하는 과정에서 일어난다.
유기 성분을 검출하며 저알콜을 검출하기 위한 장치가 또 제안되었고 이용되어졌다.
유기성분-검출 장치 및 저알콜-검출 장치에 대응하는 공지된 메탄올-검출 장치는 가솔린에 내포된 메탄올을 검출하는데 이용된다(예, 일본 특허 공개 번호 제H-3-48533호). 이러한 장치는 이온 교환막을 포함하는 전지와 이온교환막을 가로질러 배열된 두전극으로 구성되는데, 여기서 가솔린은 하나의 전극에 공급되고, 전해질 용액 즉, 물을 함유하는 황산의 무게에 대한 10퍼센트로 다른 전극에 공급된다. 가솔린에 노출된 전극상에서 아래의 식(4)으로 표현된 반응이 진행되어 가솔린에 내포된 메탄올 및 물로부터 이산화탄소, 수소 이온 및 전자를 발생시킨다. 전해질 용액에 노출된 전극상에서 아래의 식(5)로 표현된 반응이 진행되어 전해질 용액에 내포된 산소와 전자 및 이온 교환막을 통해 투과된 수소이온으로부터 물을 생성한다.
이들 전기화학 반응으로 전극간에 발생된 기전력을 가솔린에 내포된 메탄올의 농도 상승에 따라 증가한다. 따라서, 상기 장치는 전극간에 생성된 기전력을 근거로 가솔린에 내포된 메탄올의 농도를 검출한다. 가솔린 즉 액체에 내포된 메탄올을 검출하는데 사용되는 상기 종래의 메탄올-검출 장치는 가스 특히, 수소로 충만한 가스에 내포된 메탄올을 측정할 수 없다. 수소를 충만한 가스에 내포된 메탄올의 정확한 측정은 물과 메탄올의 반응을 통해 수소로 충만한 가스를 생성하기 위한 메탄올 재편성기의 유효한 동작 또는 연료 전지의 유효 동작을 이끌어내거나 메탄올 재편성기에 의해 발생된 수소로 충만한 가스를 연료로 사용하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 다른 메카니즘을 이끌어낸다.
상기 문제점은 메탄올-검출 장치의 특징은 아니지만, 메탄올 대신에 석유가 재편성 재료로 사용될 때 메탄올과 다른 저알콜을 검출하기 위한 장치 또는 다른 유기 성분을 검출하기 위한 장치에도 유사한 문제점이 발견된다.
[발명의 요약]
따라서, 본 발명의 일 목적은 수소로 충만한 가스에 내포된 일산화탄소를 고정밀도로 검출하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수소로 충만한 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수소로 충만한 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 및 다른 관련 목적은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치에 의해 실현된다. 상기 일산화탄소 검출 장치는 전해질 막(electrolyte membrance)과, 전해질 막을 가로질러 배열되며 전달된 촉매를 갖는 제1 및 제2전극과, 반응 가스를 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 산소를 포함하는 가스를 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 소정 로드가 제1 및 제2전극에 접속되는 동안 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함한다.
상기 구조의 일산화탄소-검출 장치는 연료 전지의 원리 즉, 화학 에너지의 전기 에너지로의 변환을 이용한다. 반응 가스의 공급은 반응 가스 공급관을 통해서 제1전극에 제공되는 반면에 산소를 포함하는 가스의 공급은 산소 가스 공급관을 통해서 제2전극에 제공된다. 반응 가스의 화학 에너지는 전기 화학 반응에 의해서 전기 에너지로 변환되고, 기전력 또는 전위차는 전해질 막을 가로질러 제1 및 제2전극간에 발생된다. 본 발명의 일산화탄소-검출 장치에 있어서, 소정 로드는 전기화학 반응을 연속적으로 진행시키기 위해서 제1 및 제2전극에 접속된다. 그때, 전위차 측정 수단은 두 전극간의 전위차를 측정한다. 공지된 연료 전지처럼, 본 발명에 의해 측정된 전위차는 일산화탄소를 갖는 촉매의 중독에 의해 낮아진다. 따라서, 측정된 전위차는 촉매의 중독 정도를 표시하며 그에 의해서 일산화탄소의 농도를 나타낸다.
상기 원리에 의한 일산화탄소의 측정은 수소의 존재에 의한 영향을 받지 않는다. 따라서, 본 발명의 장치는 연료 전지에 제공된 가스 연료처럼, 매우 많은 양의 수소에 단지 소량의 일산화탄소를 포함하는 수소로 충만한 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 고정밀도를 결정한다.
양호한 구조에 따르면, 산소 가스 공급관은 제2전극을 대기에 노출시키기 위한 공기 개구부(air opening)를 포함한다.
상기 구조에 있어서, 제2전극은 공기 개구부를 통해 대기에 노출됨에 따라서 전체 일산화탄소-검출 장치의 크기를 효과적으로 감소시키는 어떤 특정한 산소 가스 공급관을 요구하지는 않는다. 상기 전극간에 흐르는 중요한 미세 전기 전류가 산소를 포함하는 가스의 제2전극으로의 계속적인 공급을 요구하지는 않지만 대기에 대한 노출은 상기 목적을 위해 충분하다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 일산화탄소-검출 장치는 반응 가스 공급관을 대기에 연결시키기 위한 연결 통로(connection passage) 및, 상기 연결 통로에 배치된 밸브 수단(valve means)을 더 포함하는데, 상기 밸브 수단은 반응 가스 공급관에서의 압력이 소정 레벨(predetermined level)보다 크게 될 때 개방위치로 구동된다.
상기 구조에서, 연결 통로에 배치된 밸브 수단은 반응 가스 공급관에서의 압력이 소정 레벨을 초과할 때 개방되어 반응 가스 공급관을 연결 통로를 통해 대기와 연결시킨다. 따라서, 고압가스는 연결 통로를 통해 대기중에 방출된다. 상기 구조는 반응 가스 공급관 내에서 가스압이 비정상적으로 상승하는 것을 효과적으로 막는다.
상기 구조의 일산화탄소-검출 장치는 개방 위치에 있는 밸브 수단을 검출하기 위한 밸브 상태 검출 수단을 더 포함한다.
상기 양호한 구조에 있어서, 상기 밸브 상태 검출 수단은 상기 밸브 수단이 개방 위치에 있는지를 검출하여 고압 밸브 가스를 대중에 방출하도록 상기 동작의 유져(user)에게 통보한다.
또한, 일산화탄소-검출 장치는 제1전극의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단을 더 포함한다.
상기 온도 제어 수단은 반응 가스의 공급을 받아들이므로해서 일산화탄소의 검출 감도를 조정하는 제1전극의 온도를 제어한다. 이 특징으로 인하여, 본 발명의 일산화탄소-검출 장치는 일반적으로 한정된 범위의 일산화탄소 농도만을 측정하는데 응용할 수 있다. 그러나, 온도 제어 절차는 저향 대 촉매 중독을 강화시키므로해서 일산화탄소 농도의 검출가능한 범위를 변화되게 한다.
다른 양호한 구조에 따르면, 상기 일산화탄소-검출 장치는 제1전극상의 촉매에 의해 흡착된 일산화탄소를 제거하도록 제1전극을 가열하기 위한 수단을 더 포함한다.
상기 구조는 상기 제1전극의 가열로 편리하게 방출되도록 방출시킨다. 반응 가스에 노출된 제1전극상에서 촉매에 의해 흡착된 일산화탄소를 반응 가스에 노출된 전극 표면상의 촉매는 일반적으로 예기치 않은 고농도의 일산화탄소의 영향으로 인해 촉매 활동을 저하시킨다. 저하된 촉매 활동은 바람직하지 않게도 일산화탄소-검출 장치의 기능을 떨어뜨린다. 그러나, 상기 구조의 수단은 제1전극의 온도를 보다 높게 증가시키고, 일산화탄소가 제1전극상의 촉매로부터 방출되게 하므로서 촉매활동을 회복시켜 일산화탄소-검출 장치의 기능 저하를 막는다.
일산화탄소-검출 장치는 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하기 위한 농도 계산 수단을 갖추고 있다.
상기 구조에 있어서, 농도 계산 수단은 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 효과적으로 계산한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 일산화탄소-검출 장치는 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값(preset value)보다 크지 않을 때 적어도 소정 농도의 일산화탄소가 반응 가스에 존재하는지를 결정하기 위한 결정 수단을 더 포함한다.
상기 구조에 있어서, 상기 결정 수단은 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값 이하일 때 반응 가스에 존재하는 일산화탄소가 소정 농도를 초과하는지를 효과적으로 결정한다.
또한, 본 발명은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치를 향하게 된다. 유기 성분-검출 장치는 전해질 막과, 전달된 촉매를 가지며, 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극과, 반응 가스를 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 산소를 포함하는 가스를 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함한다.
상기 구조의 유기 성분-검출 장치에 있어서, 반응 가스의 공급은 반응 가스 공급관을 통해서 제1전극에 제공되는데 반해서 산소를 포함하는 가스의 공급은 산소 가스 공급관을 통해서 제2전극에 제공된다. 그때, 전위차 측정 수단은 전해질 막을 가로지른 제1 및 제2전극간에 발생된 전위차를 측정한다. 반응 가스내의 유기 성분의 존재가 두 전극간의 전위차를 감소시키므로, 전위차의 측정치는 반응 가스에 내포된 유기성분의 농도를 부여한다. 따라서, 본 발명의 유기 성분-검출 장치는 연료 전지에 제공된 가스 연료처럼 매우 많은 양의 수소중에 단지 소량의 유기 성분만을 포함하는 수소로 충만한 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 결정할 수 있다.
상기 유기 성분-검출 장치의 산소 가스 공급관이 제2전극에 대기에 노출시키기 위한 공기 개구부를 더 포함하는 것은 바람직하다.
상기 구조에 있어서, 제2전극은 공기 개구부를 통해서 대기에 노출되며, 따라서, 전체 유기 성분-검출 장치의 크기를 효과적으로 감소시키는 어떤 특정 산소 공급관을 요구하지는 않는다. 전극간에 흐르는 중요한 미세 전류는 산소를 포함하는 가스의 제2전극으로의 계속적인 공급을 요구하지는 않지만 대기에 대한 노출은 상기 목적에 상당한다.
양호한 응용에 따르면, 유기 성분-검출 장치는 반응 가스 공급관을 대기에 연결시키기 위한 연결 통로 및 상기 연결 통로에 배치된 밸브 수단을 더 포함하는데, 상기 밸브 수단은 반응 가스 공급관에서의 압력의 소정 레벨보다 크게 될 때 개방 위치로 구동된다.
상기 구조에 있어서, 반응 가스 공급관내의 압력이 소정 레벨을 초과할 때, 연결 통로에 배치된 밸브 수단은 개방되어 반응 가스 공급관이 연결 통로를 통해 대기와 연결되게 한다. 따라서, 고압 가스는 연결 통로를 통해서 대기에 방출된다. 상기 구조는 반응 가스 공급관내의 가스압이 비정상적으로 높아지게 되는 것을 효과적으로 막는다.
상기 구조에 있어서, 유기 성분-검출장치는 바람직하게도 개방 위치에 있는 밸브 수단을 검출하기 위한 밸브 상태 검출 수단을 갖게 된다.
상기 양호한 구조에 있어서, 밸브 상태 검출 수단은 상기 밸브 수단이 개방 위치에 있는지를 검출하여 고압의 반응 가스를 대기에 방출하기 위해 상기 동작의 유져에게 통보한다. 이는 가스압의 비정상적인 증가에 대한 빠른 응답을 허용한다.
유기 성분-검출 장치는 제1전극의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
온도 제어 수단은 반응 가스의 공급을 받아들이므로해서 유기 성분의 검출 감도를 조정하여 제1전극의 온도를 제어한다. 온도 제어 장치는 제1전극의 온도가 고감도의 검출을 실현하므로서 측정의 정밀도를 증가시키는 바람직한 레벨로 설정되게 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 유기 성분-검출 장치는 로드가 제1 및 제2전극에 접속되는 제1위치와, 소정 로드가 제1 및 제2전극으로부터 분리되는 제2위차간을 움직이기 위한 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단이 제1위치에 있는 동안 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하기 위한 수단과, 상기 스위칭 수단이 제2위치에 있는 동안 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산하기 위한 수단을 더 포함한다.
상기 구조에 있어서, 스위칭 수단은 소정 로드가 제1 및 제2전극에 전송되는 제1위치인지 소정 로드가 두 전극으로부터 분리되는 제2위치인지를 선택한다. 일산화탄소 농도의 계산 수단은 스위칭 수단이 제1위치를 선택하는 동안 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산한다. 유기 성분 농도의 계산 수단은 스위칭 수단이 제2위치를 선택하는 동안 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산한다. 상기 구조의 장치는 두 전극에 대한 소정 로드의 접속 및 두 전극과 소정 로드의 분리간을 스위칭함에 의해서 일산화탄소의 농도와 수소로 충분한 반응가스에 내포된 유기 성분의 농도를 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 유기 성분-검출 장치는 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산하기 위한 수단을 포함한다.
상기 구조에 있어서, 상기 수단은 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 효과적으로 계산한다.
양호한 일실시예에 있어서, 유기 성분-검출 장치는 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값보다 크지 않을 때, 적어도 소정 농도의 유기 성분이 반응 가스에 존재하는지를 결정하기 위한 결정 수단을 더 포함한다.
상기 구조에 있어서, 상기 결정 수단은 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값 이하일 때, 반응 가스에 존재하는 유기 성분이 소정 농도를 초과하는지를 효과적으로 결정한다.
또한, 본 발명은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 측정하기 위한 장치를 지향한다. 유기 성분-검출 장치는 겹쳐 놓인 다수의 층 유닛을 포함하는데 각각의 층유닛 전해질막과 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극을 포함하는 다층으로 된 구조물(multi-layered structure)가, 상기 다층 구조물의 각 층 유닛에서 반응 가스를 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 상기 다층 구조물의 각 층 유닛에서 산소를 포함하는 가스를 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 상기 다층 구조물의 제1단부에 인접한 제1전극 및 상기 제1단부 맞은편에 있는 다층 구조물의 제2단부에 인접한 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함한다.
상기 구조의 유기 성분-검출 장치에 있어서, 반응 가스의 공급은 반응 가스 공급관을 통해 다층 구조물의 층 유닛 각각에서 제1전극에 제공되는 반면에, 산소를 포함하는 가스의 공급은 산소 가스 공급관을 통해 다층 구조물의 각 층 유닛에 제2전극에 제공된다. 그때, 전위차 측정 수단은 다층 구조물의 제1단부에 인접한 제1전극과, 다층 구조물의 제2단부에 인접한 제2전극간에 발생된 전위차를 측정한다. 따라서, 본 발명의 유기 성분-검출 장치는 수소로 충만한 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 결정한다.
본 발명의 양호한 구조에 따르면, 다층 구조물은 겹쳐 놓인 다수의 연료 전지를 구성하는 연료 전지의 스택(stack)을 포함하며, 상기 장치는 프리셋 시주기동안 소정 로드를 갖는 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택의 접속을 컷 오프(cut-off) 시키기 위한 컷-오프 수단과, 소정 로드가 컷-오프 수단에 의해 연료 전지의 스택으로부터 분리될 때 프리셋 시주기에서 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산하기 위한 농도 계산 수단을 더 포함한다.
농도 계산 수단은 컷-오프 수단에 의해서 소정 로드가 연료 전지의 스택으로부터 분리되며 프리셋 주기에서 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 반응 가스에 내포된 유기 성분 예를 들어 메탄올(mathanol)의 농도를 계산한다. 상기 구조는 수소를 충만한 반응 가스의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 수소를 충만한 반응 가스에 내포된 유기 성분이 연료 전지의 스택을 이용하여 검출되게 한다. 컷-오프 수단은 프리셋 시주기동안 소정 로드를 갖는 연료 전지 스택의 접속을 컷 오프시킨다. 무로드 조건(no-load condition)하에서, 전극간의 전위차를 측정하기 위해 요구된 프리셋 시간은 일반적으로 수 밀리초에서 십여밀리초 사이에서 움직인다. 소정 로드가 모터와 같은 비교적 낮은 응답을 갖는 구동 장치일 때, 일시적인 단시간 차단은 구동 장치에 영향을 미치지는 않지만 구동 자치의 계속적인 작동을 허용한다.
본 발명은 또한 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 측정하기 위한 장치를 지향한다. 저알콜-검출 장치는 전해질 막과, 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극과, 반응가스를 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 산소를 포함하는 가스를 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 제1전극 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함한다. 여기서 검출된 저알콜은 메탄올일 수 있다.
상기 구조의 저알콜 검출 장치에 있어서, 반응 가스의 공급은 반응 가스 공급관을 통해 제1전극에 제공되는데 반하여 산소를 포함하는 가스 공급관은 산소 가스 공급관을 통해 제2전극에 공급된다. 그때, 전위차 측정 수단은 전해질 막을 가로지른 제1 및 제2전극간에 발생된 전위차를 측정한다. 반응 가스내에서 저알콜의 존재가 두 전극간의 전위차를 감소시키므로, 전위차의 측정은 반응 가스에 내포된 저알콜의 농도를 부여한다. 따라서, 본 발명의 저알콜-검출 장치는 연료 전지에 제공된 가스 연료처럼, 매우 많은 양의 수소에 단지 소량의 저알콜만을 포함하는 수소로 충만한 가스에 내포된 저알콜의 농도를 결정할 수 있다.
또한, 상기 목적은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법에 의해 실현된다. 상기 방법은
(a) 전달된 촉매를 갖는 두 전극중 한 전극인 제1전극에 반응 가스를 공급하는 단계와,
(b) 두 전극중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와,
(c) 소정 로드가 제1 및 제2전극에 접속되는 동안 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법을 지향한다. 상기 방법은
(g) 전달된 촉매를 갖는 두 전극 중 한 전극이며 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1전극에 반응 가스를 공급하는 단계와,
(h) 두 전극 중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와,
(i) 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 다른 양상에 따르면, 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 측정하는 방법은
(n) 겹쳐놓인 다수의 층 유닛을 포함하는데, 각각의 층 유닛이 전해질 막과, 전달된 촉매를 가지며 전해질 막에 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극을 포함하는 다층으로 된 구조물의 각 층 유닛에서 반응 가스를 제1전극에 공급하는 단계와,
(o) 다층으로 된 구조물의 각층 유닛에서 산소를 포함하는 가스를 제2전극에 공급하는 단계와,
(p) 다층으로 된 구조물의 제1단부에 인접한 제1전극 및 상기 제1단부 맞은편에 있는 다층으로 된 구조물의 제2단부에 인접한 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 방법에 있어서, 다층으로 된 구조물은 통상적으로 겹쳐놓인 다수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지의 스택(stack)이다. 상기 방법은 바람직하게도
(q) 프리셋 시주기동안 소정 로드를 갖는 연료 전지의 스택의 접속을 컷 오프시키는 단계와,
(r) 상기 소정 로드가 상기 단계(p)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 단계(q)에서의 연료 전지의 스택으로부터 분리될 때 프리셋 시주기에서 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명은 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하는 방법을 향하게 된다. 본 발명의 방법은
(s) 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 두 전극중 한 전극인 제1전극에 반응 가스를 공급하는 단계와,
(t) 두 전극중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와,
(u) 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 양상 및 장점은 첨부된 도면과 아래의 양호한 실시예의 상세한 설명으로 보다 분명해질 것이다.
[양호한 실시예의 설명]
이하 기술된 본 발명에 따른 제1 내지 제5실시예는 일산화탄소를 측정하는 장치에 관한 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 제1실시예로서 일산한화탄소 센서(1)를 도시한 종단면도이다. 일산화탄소 센서(1)는 전해질 막(10)과, 샌드위치 구조를 형성하기 위해 전해질 막(10)에 가로질러 배열된 한쌍의 전극(12, 14)과, 샌드위치 구조의 편향을 막기 위해 샌드위치 구조를 가로질러 배치된 한쌍의 메쉬형 금속판(meshed metal plate; 16, 18)과, 샌드위치 구조뿐만 아니라 메쉬형 금속판(16, 18)을 지지하기 위한 한쌍의 홀더(20, 22)와, 전기적인 절연 조건하에서 홀더(20, 22)를 서로 접속시키기 위한 절연 부재(24)를 포함한다.
전해질 막(10)은 양성자 전도성이 있는 형광 수지와 같은 고체 중합체 물질(solid polymer material)로 이루어진다. 전극(12, 14)은 탄소 섬유로 짜여진 탄소 직물로 만들어지며, 여기서 전달된 플라티나 촉매를 가진 탄소분말이 탄소직물의 모공에 삽입된다.
전해질 막(10)과 한쌍의 전극(12, 14)은 다음의 방법중 한 방법에 의해서 함께 결합된다.
(1) 탄소 분말의 표면상에 전달된 플라티나를 만듦으로서 미리 준비된 촉매 분말이 전극 베이스의 표면(탄소직물 또는 탄소 종이)에 적용된다. 그때, 전해질 막(10)과 전극 베이스는 가열 프레스에 의해 집적된다.
(2) 탄소 분말의 표면상에 전달된 플라티나를 만듦으로서 미리 준비된 촉매 분말이 전극 베이스의 표면에 적용된다. 그후, 전해질 막(10)과 전극 베이스는 양성자 전도성이 있는 고체의 중합체 용액으로 인하여 함께 결합된다.
(3) 탄소 분말의 표면상에 전달된 플라티나를 만듦으로서 미리 준비된 촉매 분말은 페이스트(paste)를 형성하기 위해 적당한 유기용매에 살포된다. 페이스트는 스크린 프린팅(screen printing)처럼 공지된 기술로 전해질 막(10)의 표면상에 적용된다. 그후, 전해질 막(10)과 전극 베이스는 가열 프레스에 의해 집적된다.
(4) 플라티나는 스퍼터링(sputtering), 증기 증착(vapor deposition), CVD, PVD 또는 다른 박막 형성 방법으로 전해질 막(10)의 표면상에 전달된다. 그후, 전해질 막(10)과 전극 베이스는 가열 프레스에 의해 집적된다.
전달된 플라티나 촉매를 갖는 탄소 분말은 다음의 방법으로 마련된다. 크로로플라티닉산 수용액(aqueous solution of chloroplatinic acid)이 플라티나 아황산염 합성물의 수용액을 생성하기 위해 나트륨 티오황산염과 합성된다. 과산화수소는 스터링(stirring)으로 플라티나 아황산염 합성물의 수용액에 방울 모양으로 가산되므로, 플라티나 콜로이드 입자들이 수용액에 침착된다. 그때, 캐리어(carrier)로서 활약하는 탄소 블랙(carbon black)은 스터링으로 수용액에 가산되므로, 플라티나 콜로이드 입자들이 탄소블랙의 표면에 밀착된다. 응용가능한 탄소 블랙의 예들이 Vulcan XC-72(미국의 케벗 코포레이션 상호명) 및 덴카 블랙(Denka Black)(DENKI KAGAKU KOGYO K.K의 상호명)을 포함한다. 밀착된 플라티나 입자를 갖는 탄소 블랙은 감소된 압력하에서의 여과 또는 수용액의 가압 여과로 분리되며, 탈이온화된 물로 반복해서 세척되어 상온에서 충분히 건조된다. 건조된 탄소 블랙 집합체는 그라인더(grinder)로 분쇄되고, 탄소 블랙상의 플라티나 감소 및 잔류 염소의 완전한 제거를 위해 약 2 시간 동안 250℃내지 350℃에서 감소하는 수소 분위기로 가열된다.
이와 같이 마련된 결과의 플라티나 촉매 분말에서 플라티나 대 탄소 블랙의 전달 밀도 즉, 탄소 표면상에 전달된 플라티나의 무게 대 탄소의 무게비는 클로로플라티닉산의 분량 대 탄소블랙의 분량비를 변화시킴으로 해서 조정된다. 플라티나 촉매 분말의 조제는 상기 방법에 한정되지는 않지만 충분한 촉매 활동을 확실하게 하는 한 어떤 다른 방법이 응용가능하다.
명료한 설명을 위해서, 상기 마련된 촉매 분말은 단지 촉매 성분으로서 플라티나를 포함한다. 그러나, 제1성분으로서 플라티나, 제2성분으로서 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 코발트, 바나듐, 팔라듐, 인듐, 철, 크롬 및 망간을 포함하는 그룹중 선택된 하나 또는 둘 이상을 포함하는 합금 촉매가 플라티나 촉매를 대신해서 사용된다.
플라티나-루테늄 촉매 분말의 조제 즉, 전달된 플라티나-루테늄 합금 촉매를 갖는 탄소 블랙은 합금 촉매의 예로서 설명된다. 상기 방법으로 조제된 플라티나 촉매 분말(전달된 플라티나 촉매를 갖는 탄소 블랙)은 스터링으로 탈이온화된 물에 살포된다. 한정된 양의 루테늄 염소 수용액이 스터링에 따른 살포에 가산되고, 한정된양의 탄산 나트륨 수용액이 스터링에 따른 살포에 더 가산되므로 루테늄 입자는 플라티나 촉매를 전달하는 탄소 블랙상에 침착된다. 루테늄 입자가 밀착된 플라티나 촉매를 전달하는 탄소 블랙은 감소된 압력하에서의 여과 도는 용액 혼합물의 가압 여과로 분리되어 탈이온화된 물로 반복 세척되며 상온에서 충분히 건조된다. 건조된 탄소 블랙 집합체는 글라인더로 분쇄되고 탄소 블랙상의 플라티나 또는 루테늄의 감소 및 루테늄의 침착동안 흡수된 잔류 염소의 완전한 제거를 위해 약 2시간 동안 250℃내지 350℃에서 감소하는 수소 분위기로 가열된다. 전달된 플라티나 및 루테늄을 갖는 탄소 블랙은 약 1시간 동안 800℃내지 900℃에서 불활성 가스(질소 또는 아르곤)의 증기로 가열된다. 상기 가열 과정은 탄소 블랙상의 플라티나 및 루테늄 합금을 만들며 플라티나-루테늄 촉매 분말 즉, 전달된 플라티나-루테늄 합금 촉매를 갖는 탄소 블랙을 완성한다.
탄소 블랙상에 전달된 플라틴 및 루테늄의 양은 플라티나를 전달하는 탄소 블랙의 양 및 루테늄 염소의 양을 변화시킴으로 해서 조정된다. 플라티나-루테늄 촉매 분말의 조제는 상기 방법에 한정되지는 않지만 충분한 촉매 활동을 확실하게 하는 한 다른 어떤 방법이 응용가능하다.
전극(12, 14)의 양호한 영역은 0.1 내지 1.0㎠의 범위에 있다.
메쉬형 금속판(16, 18)은 가스가 전극(12, 14)에 흐르게 하는 구조를 갖는다. 메쉬형 금속판(16, 18)에 대한 양호한 재료는 탁월한 전기 전도성과 훌륭한 녹방지 특성을 가지며 수소 약화를 야기시키지 않는다. 예를 들어, 티탄 및 스테인레스 강철 대안으로, 금속판(16, 18)은 금, 플라티나 또는 티탄과 같은 금속으로 덮여진(예, 도금된) 표면을 갖는 구리판을 메쉬되게 할 수 있다. 탁월한 전기 전도성을 포함하는 요구된 특성이 만족되는 한, 침투성의 탄소판, 거품형 니켈판 및 금, 플라티나 또는 티탄과 같은 금속으로 덮여진(예, 도금된) 표면을 갖는 산업용 수지는 또한 금속판(16, 18)으로서 응용가능할 수 있다.
홀더(20, 22)는 각각 원통형 홀더 구조로부터 안쪽으로 돌출된 플랜지(20a, 22a)를 갖는다. 전해질 막(10) 및 한쌍의 전극(12, 14), 메쉬형 금속판(16, 18)은 홀더(20, 22)의 플랜지(20a, 22a)로 지지된다. 홀더(20, 22)에 대한 양호한 재료는 탁월한 전기 전도성과 훌륭한 녹방지 특성을 가지며, 수소 약화를 야기시키지 않는다. 예를 들어, 티탄 및 스테인레스 강철, 탁월한 전기 전도성을 포함하는 요구된 특성이 만족되는 한, 구리판 및 금, 플리티나 또는 티탄과 같은 금속으로 덮여진(예, 도금된) 표면을 갖는 조밀한 탄소판 또는 산업용 수지가 홀더(20, 22)로서 또한 응용가능할 수 있다.
홀더(22)는 전해질 막(10)과 접촉 상태가 되어 한 전극의 분위기에서 다른 전극으로의 누출을 막는 0자형 링(2b)으로 제공된다. 봉인 특성을 보증하는 다른 구조가 0자형 링(2b) 대신에 또한 응용가능할 수 있다. 예를 들어, 전해질 막(10)의 단부는 접착물을 통해서 또는 열 접착 본딩에 의해서 직접 홀더(22)에 적용된다.
홀더(20, 22)는 그 둘레에서 절연 부재(24)의 내부에 형성된 내부의 나사선(24a, 24b)과 합치하고 맞물리는 외부의 나사선(20b, 22b)을 갖는다. 합치하는 나사선(20b, 22b 및 24a, 24b)의 맞물림은 홀더(20, 22)와 서로 접속되는데, 여기서 홀더(20, 22)는 그 사이에 배치된 전극(12)-전해질 막(10)-전극(14)의 샌드위치 구조를 안전하게 지지한다. 절연 부재(24)에 대한 양호한 재료는 예를 들어 테플론(Teflon)이 있다.
일산화탄소 센서(1)는 합치하는 나사선의 맞물림을 통해서 하나의 홀더(20)와 접합하는 가스 유출관(28)을 더 포함한다. 가스 유출관(28)은 가스 연료 또는 목적가스를 이끌어 전극(12)에 검출되게 하며, 절연 재료로 구성되어 있다. 다른 홀더(22)는 어떤 특정 가스관과 접속되지는 않지만 전극(14)은 대기에 노출된다.
또한, 일산화탄소 센서(1)는 회로(30)를 갖추고 있는데, 이 회로는 홀더(20, 22)의 검출 단지(20T, 22T)와 서로 전기적으로 접속한다. 회로(30)는 로드 전류를 조정하기 위해 검출 단자(20T, 22T) 사이에 병렬로 배열된 전압계(32)의 저항(34)을 포함한다. 전압계(32)의 접속은 가스 연료에 노출된 전극(12)의 측에서 홀더(20)의 검출 단자(20T)에 음극을 부여하고, 대기에 노출된 전극(14)의 측에서 홀더(22)의 검출 단자(22T)에 양극을 부여하도록 결정한다. 전압계(32)의 신호는 외부의 제어 시스템으로 출력한다.
이와 같이 구성된 일산화탄소 센서(1)는 합치하는 나사선과, 연료 전지 제너레이터(도시안됨)에 내포된 가스 연료관(40)의 분기된 개구부(40a)와의 맞물림을 통해 링크(link)된다. 일산화탄소 센서(1)는 연료 전지(도시안됨)에 제공된 가스 연료의 공급에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정하기 위해 사용된다.
다음의 설명은 일산화탄소 센서(1)에 의해서 수소로 충만한 가스 연료에 내포된 일산화탄소(검출된 목적 가스)를 검출하는 과정을 고찰한다. 대기에 내포된 산소의 공급이 전극(14)에 제공되는 동안 수소를 충만한 가스연료에 내포된 가스 수소의 공급은 일산화탄소 센서(1)의 전극(12)에 제공된다. 따라서 아래의 식(6, 7)으로 표현된 반응이 전해질 막(10)을 가로기른 전극(12, 14)의 표면상에서 진행한다.
상기 반응은 연료 전지에서의 반응과 동일하고, 이 반응은 전기 에너지를 발생시키기 위해 연료로서 수소와 산소를 사용한다. 그후, 기전력이 전극(12, 14)간에 발생된다. 상기 실시예에서 저항(34)의 전극(12, 14)에 접속되므로, 전압계(32)는 소정 로드가 전극(12, 14)간에 배치되어 어떤 전기 전류가 상기 회로를 통해 흐르게 될 때 발생되는 전극(12, 14) 간의 전위차를 측정한다. 전위차는 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도 증가로 감소한다. 상기 현상은 다음의 이유에 귀속된다.
상기 주어진 식(6)으로 표현된 반응은 전극(12)상에서 진행하는데, 전달된 플라티나 촉매를 갖는 탄소 분말이 상기 전극에 삽입된다. 가스 연료에 존재하는 일산화탄소는 촉매에 의해 흡착되어 촉매활동을 방해한다. 즉, 촉매를 중독시킨다. 중독의 정도는 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 고농도에 대해서는 크게, 일산화탄소의 저농도에 대해서는 작아진다. 식(6, 7)으로 표현된 반응이 전극(12, 14)상에서 계속 진행하는 동안, 검출 단자(20T, 22T)간의 전위차가 측정된다. 전위차가 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도를 반영하므로, 전위차의 측정은 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정한다. 검출 단자(20T, 22T)간의 전위차가 측정되는 동안, 일 검출 단자(20T)와 다른 검출 단자(22T)를 접속시키는 저항(34)은 식(6, 7)의 반응이 전극(12, 14)상에서 계속 진행하도록 허용한다.
일산화탄소의 농도와 전압계(32)의 측정치간의 상호 관계는 일산화탄소의 공지된 농도를 포함하는 가스를 이용하여 미리 결정된다. 그때, 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도는 상기 상호관계에 따라 결정된다. 실제 구조에 따르면, 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도와 전압계(32)로 측정된 전위차간의 상호 관계를 나타내는 맵(map)(예, 제2도에 도시된 바와 같은 맵)은 전자 제어 유닛의 롬(ROM)에 미리 저장된다. 전자 제어 유닛은 상기 맵을 참조하여 논리 동작으로 하여금 일산화탄소의 농도를 결정하도록 실행한다. 검출의 감도는 일산화탄소의 농도를 결정하는 상기 과정에서 수소의 존재에 영향을 받지 않는다. 연료 전지에 제공된 가스 연료의 공급과 같은 수소로 충만한 반응 가스에 조차 내포된 일산화탄소의 농도가 이와 같이 고정밀도로 결정될 수 있다.
일산화탄소 센서(1)에 있어서, 하나의 전극(12)이 가스 연료의 공급을 받는 동안, 다른 전극(14)은 대기에 노출된다. 이는 전극(14)상의 어떤 특정 가스 공급관을 요구하지 않음에 의해서 전체 일산화탄소 센서(1)의 크기를 감소시킨다.
제1실시예에 있어서, 전자 제어 유닛은 일산화탄소 센서(1)의 전압계(32)로 측정된 전압을 판독하여 제2도에 도시된 바와 같은 맵을 참조로 함으로서 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정한다. 다른 가능한 구조는 전압계(32)로 측정된 전압이 소정 값보다 크지 않을 때 가스 연료가 적어도 소정 농도의 일산화탄소를 포함하는지를 나타내는 소정 신호를 출력한다. 실제 응용에 따르면, 전자 제어 유닛은 전압계(32)로 측정된 전압과 전자 제어 유닛의 롬에 미리 저장된 소정값을 비교하여 소정값보다 큰 전압에 대해서는 L 레벨 신호를, 소정 값보다 크지 않은 전압에 대해서는 H 레벨 신호를 출력한다.
일산화탄소 센서(1)는 온도 의존성을 갖는다. 즉, 고정된 농도의 일산화탄소에 대한 출력 전압이 일산화탄소 센서(1)의 온도에 따라 변화된다. 일산화탄소 센서(1)의 온도는 전지의 상대적인 위치에 의해 연료 전지의 온도와 달라질 수 있다. 따라서, 양호한 구조는 온도-출력 전압과 일산화탄소 농도-출력 전압 특성을 미리 결정하며, 더 향상된 정밀도로 일산화탄소의 농도를 결정하기 위해 일산화탄소 센서(1)의 온도를 근거로 출력 전압을 수정한다.
제3도는 본 발명에 따른 제2실시예로서 다른 일산화탄소 센서(101)를 도시한 종단면도이다. 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)처럼, 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)는 전해질 막(110)과, 샌드위치 구조를 형성하기 위해 전해질 막(10)을 가로질러 배열되는 한쌍의 전극(112, 114)과, 상기 샌드위치 구조를 가로질러 배치되는 한쌍의 메쉬형 금속판(116, 118)과, 샌드위치 구조뿐만 아니라 한쌍의 메쉬형 금속판(116, 118)을 지지하기 위한 하부 및 상부 홀더(120, 122)와, 전기적인 절연 조건하에서 하부 홀더(120)와 상부 홀더(122)를 접속시키기 위한 절연 부재(124)를 포함한다.
제1실시예의 홀더(22)와는 상이한 대기에 노출된 상부 홀더(122)는 그 둘레선상에 나사선을 가지지는 않지만 절연 부재(124)에 맞춰 끼워진다. 절연 부재(124)는 제1실시예의 절연 부재(124)보다 높게 형성된다.
제3홀더(150)는 그 둘레에서 절연 부재(124)의 안쪽에 형성된 합치하는 나사선(124c)과 맞물리는 나사선(150a)을 갖는다. 합치하는 나사선(150a 및 124c)의 맞물림은 제3홀더(150)로 하여금 절연 부재(124)를 안쪽에서 안전하게 유지하게 한다. 플랜지(150b)는 제3홀더(150)의 상단에서 내부로 돌출되며, 스프링(152)은 플랜지(150b)의 바닥면과 접촉하는 일단부를 갖도록 배열된다. 스프링(152)의 다른 단부는 상부 홀더(122)와 접촉하게 되며, 상부 홀더(122)를 통해 간접적으로 전극(114)-전해질 막(110)-전극(112)의 샌드위치 구조를 내리누른다.
제3홀더(150)는 하부 및 상부 홀더(120, 122)와 같은 재료로 만들어지는데 반하여 스프링(152)은 탁월한 전기 전도성을 갖는 철재로 만들어진다. 그래서, 제3홀더(150)는 스프링(152)을 통해서 상부 홀더(122)에 전기적으로 접속된다. 제3홀더(150)는 회로(130)에 의해서 하부 홀더(120)의 검출 단자(120T)와 접속되는 검출 단자(150T)를 더 갖추게 된다. 회로(130)는 제1실시예의 회로(30)처럼 로드 전류를 조정하기 위해서 전압계(132) 및 저항(134)을 포함한다.
상부 홀더(122)는 제4도에 명료하게 도시된 바와 같이 그 상부 둘레선상에 톱니 모양의 홈(160)을 갖는 반면에 절연 부재(124)는 제3도에 도시된 바와 같이 그 내벽에 형성된 수직홈(162)을 갖는다. 수직 홈(162)은 제3홀더(150)의 하단에서부터 최하 위치에 놓인 상부 홀더(122)의 하단으로 뻗어 있다. 수직 홈(162)은 상부 홀더(122)상에 형성된 톱니 모양의 홈(160)과 접속한다. 톱니 모양의 홈(160) 및 수직 홈(162)은 비정상적으로 높아진 가스 연료의 압력을 정감시키기 위한 안전 밸브로서의 역할을 한다. 안전 밸브 기능의 동작은 보다 상세히 기술된다.
제3도는 상부 홀더(122)가 스프링(152)의 누르는 힘에 의해 최하 위치로 내리눌리는 상태를 나타낸다. 제3도의 상기 상태(이하, 정상 상태로 언급됨)에 있어서, 전극(112)을 통해 공급된 가스 연료는 하부 홀더(120) 및 전극(112)간의 공간을 통해서 하부 홀더(120) 및 전해질 막(110)간의 공간으로 점차 누출되어 전해질 막(110)의 측면과 절연 부재(124)의 내벽 사이의 공간을 통해 나아가는 반면에 0자형 링(126)은 가스 연료가 전극(114)으로 누출되는 것을 효과적으로 막는다.
가스 연료의 압력이 정상 상태에서 비정상적으로 높아질 때, 전극(112)-전해질 막(110)-전극(114)의 샌드위치 구조 및 상부 홀더(122)는 비정상적으로 높아진 압력을 받아들여 스프링(152)을 위로 누른다. 위를 향한 힘이 스프링(152)의 누르는 힘을 초과할 때, 샌드위치 구조 및 상부 홀더(122)는 제5도의 확대된 단면도에 도시된 바와 같이 상부 홀더(122)의 상단부가 제3홀더(150)의 하단부와 접촉하게 될 때까지 수직 방향에서 위로 이동한다. 상기 상태에서 가스 연료의 흐름은 제5도에 일점쇄선으로 도시된다. 전해질 막(110)의 측면이 제5도에 도시된 바와 같이 수직홈(162)의 하단부 위에 놓이므로, 가스 연료는 전해질 막(110)의 측면을 따라 수직홈(162)으로 흐르게 되고, 상부 홀더(122)상에 형성된 톱니 모양의 홈(160)을 통해서 대기에 노출된 전극(14)쪽으로 나아간다. 비정상적으로 높아진 압력을 갖는 가스 연료는 결과적으로 대기로 방출된다.
가스 연료의 압력이 가스 연료의 방출로 정상 레벨로 감소될 때, 스프링(152)의 누르는 힘은 가스 연료의 위를 향한 힘을 다시 이긴다. 이 상태에서 가스 연료는 대기로 방출되지는 않지만 전극(112)의 측면상에 봉인된다.
제1실시예의 일산화탄소 센서(1)처럼, 이와 같이 구성된 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)는 회로(130)의 전압계(132)로 전극(112, 114)간에 발생된 기전력을 측정함으로서 일산화탄소의 농도를 결정할 수 있다. 검출 감도는 수소의 존재에 의한 영향을 받지는 않으며, 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도는 이와 같이 제1실시예처럼 고정밀도로 결정될 수 있다.
가스 연료 또는 목적 가스의 압력이 비정상적으로 증가할 때, 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)는 수직 홈(162) 및 톱니 모양의 홈(160)을 통해서 높아진 압력을 대기로 방출함에 의해서 어떤 장애나 문제를 야기시킬 수 있는 가스압의 비정상적인 증가를 효과적으로 제거할 수 있다.
제2실시예의 일산화탄소 센서(101)에 있어서, 전극(112)은 제5도에 도시된 바와 같이 비정상적으로 높아진 압력 조건하에서 하부 홀더(120)로부터 전기적으로 분리된다. 따라서, 전압계(132)로 측정된 전압 = 0[V]는 비정상적으로 높아진 가스압을 대기에 방출하기 위한 안전 밸브 기능의 작동을 의미한다.
전기 신호로 안전 밸브 기능의 작동을 검출하는 구조는 이하에서처럼 제2효과를 부여한다. 일반적인 가스 파이핑부로서 사용되는 상업적으로 이용가능한 안전 밸브의 작동은 전기적으로 검출될 수 없지만 가스 콕(gas cock)으로부터 방전된 가스의 존재음 또는 비존재 음으로 확인된다. 단지 유져가 가스콕 가까이에 있을 때, 그는 안전 밸브의 작동을 인지하여 요구된 측정을 취한다. 그러나, 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)는 안전 밸브 기능의 작동을 전기적으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 그러한 일산화탄소 센서를 갖는 연료 전지 제너레이터 시스템은 안전 밸브 기능의 작동을 나타내는 전기 신호를 수신하여 메탄올 재편성기로의 연료 (메탄올 및 물)의 공급을 중단하거나 제한함에 의해서 가스 연료 압력의 증가를 자동적으로 검사한다.
다른 가능한 실시예에 따라서, 하부 홀더(120)의 검출 단자(120T) 및 제3홀더(150)의 검출 단자(150T)간의 임피던스가 측정된다. 상기 변형된 구조에 있어서, 무한 임피던스는 안전 밸브 기능의 작동을 내포하며, 안전 밸브 기능의 작동을 나타내는 신호는 제어 시스템에 출력된다.
상기 기술된 일산화탄소 센서는 연료 전지 제너레이터 시스템과 일체가 되어 있다. 제6도는 본 발명에 따른 제3실시예로서, 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)와 연료 전지 제너레이터 시스템(200)의 구조를 예시하는 블록도이다.
연료 전지 제너레이터 시스템(200)은 전기 에너지를 발생시키기 위해서 중합체 전해질 연료 전지의 스택(210)과, 메탄올 저장소(212)에 저장된 수소로 충만한 가스 및 물 저장소(214)에 저장된 물을 발생시키기 위한 재형성단(216)과, 가스 연료로서 재형성단(216)에 의해 발생된 수소로 충만한 가스를 연료 전지의 스택(210)에 제공하기 위한 가스 연료 공급관(218)과, 연료 전지의 스택(210)으로부터 잔류 가스를 방전시키기 위한 가스 연료 방전관(220)을 포함한다.
연료 전지 제너레이터 시스템(200)은 가스 연료 공급관(218)의 한가운데에 상기 기술된 일산화탄소 센서(1)를 더 갖추게 된다. 전자 제어 유닛(230)은 일산화탄소 센서(1)의 출력 신호를 수신하여 제어 과정의 변화를 실행한다.
연료 전지의 스택(210)은 다수의 중합체 전해질 연료 전지를 포함하며, 그 유닛 전지 구조가 제7도에 도시된다. 각각의 유닛 연료 전지는 전해질 막(241)과, 샌드위치 구조를 형성하여 가스 확산 전극으로서 작용하도록 상기 전해질 막(241)을 가로질러 배열된 애노드(242) 및 캐소드(243)와, 가스형 연료 및 산소를 포함하는 가스의 유출 경로를 구성하기 위해 상기 샌드위치 구조를 가로질러 배열되고 애노드(242) 및 캐소드(243)와 결합되는 제1 및 제2세퍼레이터(244 및 245)와, 애노드(242) 및 캐소드(243)의 전류-축적 전극으로서 작용하도록 제1 및 제2세퍼레이터(244 및 245)의 외부에 각각 배치된 제1 및 제2전류 콜렉터(246 및 247)를 포함한다.
전해질 막(241)은 양성자(proton) 전도 조건이 되도록 불소수지와 같은 고체 중합체물로 이루어지며 습식 조건하에서 유리한 전기 전도성을 나타낸다. 애노드(242) 및 캐소드(243)는 탄소섬유로 짜여진 탄소 직물로 이루어지는데, 여기서 전달된 플라티나 촉매 또는 플라티나를 포함하는 합금 촉매를 갖는 탄소 분말이 전해질 막(241)으로 폐쇄된 탄소 직물이 표면과 탄소 직물의 모공에 삽입된다. 전해질 막(241), 애노드(242) 및 캐소드(243)는 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)에서의 전해질 막(10) 및 두 전극(12, 14)과 같은 방법으로 애노드(242)-전해질 막(241)-캐소드(243)의 샌드위치 구조를 형성하기위해 함께 결합된다.
제1세퍼레이터(244)는 애노드(242)의 표면과 접촉하여 가스 연료의 흐름을 허용하는 다수의 제1채널(244p)을 구성하는 다수의 리브(a plurality of ribs)를 갖는다. 제2세퍼레이터(245)는 또한 캐소드(243)의 표면과 접촉하여 산소를 포함하는 가스의 흐름을 허용하는 다수의 제2채널(245p)을 구성하는 다수의 리브를 갖는다.
연료 전지의 스택(210)에서의 각 유닛 연료 전지는 상술된 구조를 갖는다. 연료 전지의 스택(210)의 실제 형태에 있어서, 제1세퍼레이터(244)/애노드(242)/전해질 막(241)/캐소드(243)/제2세퍼레이터(245)의 복수 세트는 겹쳐 놓이게 되고, 제1 및 제2전류 콜렉터(246 및 247)는 복수의 세트 외부에 배치된다.
가스형 연료 공급관(218)은 재편성기(216)와 연료 전지 스택(210)의 애노드측 가스 투입구(210a)와 접속한다. 구체적인 구조에 따르면, 애노드측 가스 투입구(210a)는 다기관(manifold; 도시안됨)에 접속되고 상기 다기관을 통한 연료 전지의 스택에서의 가스 연료의 흐름을 위해 다수의 제1채널(244p)에 추가 접속된다. 연료 전지 스택의 애노드측 가스 배출구(210b)는 또한 다른 다기관(도시안됨)에 접속되고 상기 다기관을 통해 연료 전지의 스택(210)에서 다수의 제1채널(244p)에 추가 접속된다. 가스 배출구(210b)의 접속 방향은 가스 연료 공급관(218)의 접속 방향에 반대다.
재편성기(216)는 메탄올을 일산화탄소 및 수소로 분해하는 (상기 식(1)로 표현된) 반응과 상기 분해 반응으로 생성된 물과 일산화탄소로부터 이산화탄소와 수소를 생성하는 (상기 식(2)로 표현된) 반응을 허용하는 재편성 유닛(216a)과, 상기 재편성 유닛(216a)에서 남겨진 무반응 일산화탄소를 물과 추가 반응시키기 위한 쉬프트 반응 유닛(216b)과, 쉬프트 반응 유닛(216b)에서 남겨진 무반응 일산화탄소를 산화시키기 위한 (선택적 산화 유닛으로도 불리워지는) 부분적인 산화 유닛(216c)을 포함한다. 재편성기(216)의 유닛(216a 내지 216c)은 전자 제어 유닛(230)에 각각 접속된다.
전자 제어 유닛(230)은 논리 회로와 마이크로컴퓨터로 구성된다. 구체적인 구조에 다르면, 전자 제어 유닛(230)은 프리셋 제어 프로그램에 따라서 동작 변화를 실행하기 위한 CPU(323)와, CPU(232)에 의해 여러 동작의 실행을 위해 요구된 제어 프로그램 및 제어 데이터가 미리 기억된 롬(ROM; 234)과, CPU(232)에 의해 여러 동작의 실행을 위해 요구된 여러 데이터가 일시적으로 기록되고 판독되는 램(RAM; 236)과, 일산화탄소 센서(1)로부터 출력 신호를 수신하여 재편성기(216)의 재편성 유닛(216a), 쉬프트 반응 유닛(216b) 및 부분적인 산화 유닛(216c)에 제어 신호를 출력하기 위한 입력/출력(238)를 포함한다.
제6도에 있어서, 애노드 측상의 가스 시스템만이 도시되며 캐소드측상의 가스 시스템은 생략된다.
이와 같이 구성된 전자 제어 회로(230)의 CPU(232)는 일산화탄소 센서(1)로부터 출력 신호를 수신하며, 가스 연료로서 사용된 수소가 충만한 가스의 양을 재편성하기 위해서 상기 출력 신호에 따라 재편성기(216)의 재편성 유닛(216a), 쉬프트 반응 유닛(216b) 및 부분적인 산화 유닛(216c)을 제어한다.
제8도는 수소로 충만한 가스를 재편성하는 제어 루틴을 도시한 플로챠트이다. 제어 루틴은 소정시간 간격으로 반복해서 실행된다. 프로그램이 루틴에 들어갈 때, 단계(S250)에서 CPU(232)는 일산화탄소의 측정된 농도(D)와 같은 일산화탄소 센서(1)의 전압계(32)로부터의 출력 전압을 램(236)에 기억시킨다. 일산화탄소 측정된 농도(D)는 단계 S260에서 소정 레벨(D0)가 비교된다. 상기 실시예에서, 소정 레벨(D0)은 애노드측의 가스 소모율이 80[%]인 동작 조건하에서 20[ppm]으로 설정된다.
일산화탄소의 측정된 농도(D)가 단계 S260에서 소정 레벨(D0)보다 클 경우, CPU(232)는 재편성기(216)로부터의 일산화탄소 농도가 너무 큰지를 결정하고 요구된 과정을 수행하여 재편성기(216)로부터 방전된 일산화탄소의 농도를 낮춘다.
단계 S260에서의 긍정적 대답은 프로그램을 단계 S270으로 이끌며, 이 단계에서는 CPU(232)가 재편성기(216)의 부분적인 산화 유닛(216c)에 제어 신호를 전송하여 부분적인 산화 유닛(216c)에 제공된 공기의 흐름을 증가시킨다. 부분적인 산화 유닛(216c)은 100℃내지 200℃의 온도에서 구동된다. 재편성된 가스로 제공된 공기흐름의 증가는 재편성된 가스에 내포된 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 반응을 가속시킨다. 이는 부분적인 산화 유닛(216c)에서 방전된 재편성 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 낮게한 결과이다. 그후, 프로그램을 복귀로 향하며 제어 루틴으로부터 벗어난다.
다른 한편, 일산화탄소의 측정된 농도(D)가 단계 S260에서 소정의 레벨(D0)보다 작을 경우, CPU(232)는 재평성기(216)로부터 일산화탄소 농도가 적절한 레벨인지를 결정한다. 그후, 프로그램은 복귀로 향하며, 상기 제어 루틴으로부터 벗어난다.
제3실시예의 연료 전지 제너레이터 시스템(200)에 있어서, 일산화탄소 센서(1)는 연료 전지의 스택(210)에 공급된 수소로 충만한 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정한다. 일산화탄소의 측정된 농도(D)가 소정 레벨(D0)보다 클 경우, CPU(232)는 재편성기(216)의 부분적인 유닛(216c)에 제공된 공기 흐름을 증가시킨다. 이는 연료 전지의 스택(210)에 제공된 수소로 충만한 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 효과적으로 낮추게 되고, 따라서 연료 전지의 스택(210)에서의 촉매 중독을 제거한다.
부분적 산화 유닛(216c)에서 재편성된 가스로 공급된 공기 흐름의 증가는 아래에 나타낸 산화작용을 가속시킨다.
그러한 산화 작용은 재편성된 가스에 내포된 수소의 부분 압력을 상대적으로 감소시킨다. 부분 압력에서의 상대적 감소는 연료 전지의 스택(210)으로부터 출력 전압을 감소시킨다. 양호한 구조에 있어서, 일산화탄소의 측정된 농도(D)는 소정 레벨(D0) 보다 작게 저장될 때, 부분적인 산화 유닛(216c)으로의 공기 흐름이 정지 레벨로 복귀된다.
제3실시예의 구조에 있어서, 재편성된 가스에 내포된 일산화탄소의 농도는 부분적인 산화 유닛(216c)에 제공된 공기 흐름을 제어함으로서 낮아진다. 그러나, 다른 방법이 재편성된 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 낮추기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 부분적인 산화 유닛(216c)내의 반응 온도를 높이는 것, 재편성 유닛(216a)내의 반응 온도를 높이는 것, 또는 쉬프트 반응 유닛(216b)내의 반응 온도를 제어하는 것이다.
단계 S260에서 비교를 위해 사용된 소정 레벨(D0)은 중합체 전해질의 연료 전지의 규정(동작 온도, 촉매 형태, 가스 소모율)에 의존한다. 소정 레벨(D0)은 연료 전지의 스택(210) 상에서 공지된 농도의 일산화탄소를 포함하며 연료 전지 발생기 시스템에 주입된 가스 연료(예, 공지된 농도의 일산화탄소를 포함하는 탱크 가스)의 효과를 검사함에 의해서 설정된다.
제1 및 제2실시예에 기술된 일산화탄소 센서(1, 101)는 일산화탄소를 검출하는 소정 감도를 갖는다. 검출 감도는 일산화탄소 농도의 검출가능한 한계를 참조한다. 높은 검출 감도를 갖는 센서는 농도의 보다 낮은 검출가능한 한계를 갖는데 반해서, 낮은 검출 감도를 갖는 것들은 농도에 대한 보다 높은 검출가능한 한계를 갖는다. 검출 감도는 출력 전압 특성 또는 일산화탄소가 센서가 촉매의 형태에 의존한다는 사실을 이용함으로서 조정될 수 있다. 전극의 촉매로서 플라티나를 이용하는 일산화탄소 센서와 비교하면, 전극의 촉매로 플라티나-루테늄 합금을 사용하는 것들은 일반적으로 더 낮은 검출 감도를 갖는다.
대안으로, 검출 감도는 일산화탄소 센서의 온도가 검출 감도를 변화시킨다는 사실을 이용함으로서 조정될 수 있다. 상기 실시예의 일산화탄소 센서가 상술된 바와 같이 온도 의존성을 가지기 때문에, 검출 감도는 일산화탄소를 가열하거나 냉각시킴으로서 조정될 수 있다. 제9도는 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)의 온도와 출력 전압(전위차)간의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 전위차가 일산화탄소 센서(1)의 온도에 의해 상당히 변화된다는 것을 명확히 나타낸다. 일산화탄소 센서의 온도에 따른 검출 감도를 조정하는 실제 구조는 아래에 주어진다.
제10도는 본 발명에 따른 제4실시예로서 일산화탄소 센서(301)를 나타내는 종단면도이다. 일산화탄소 센서(301)는 히터(303)가 가스 유출관(28)내에 배치된다는 것만 제외하면, 제1실시에의 일산화탄소 센서(1)와 유사한 구조를 갖는다. 히터(303)는 제2전지(305) 및 스위치(307)를 포함하는 회로에 접속된다. 제어 시스템(도시안됨)은 스위치(307)를 온 또는 오프시켜서 일산화탄소 센서(301) 또는 적어도 전해질 막(10) 및 전극(12, 14)의 온도를 프리셋 레벨(예, 80℃)로 제어하도록 명령을 부여한다.
비록 니크롬 선 및 탄소 저항물 가열 소자와 같은 어떤 다른 가열 소자가 또한 응용가능하다고 하더라도, 원통형 PCT 히터가 상기 실시예에서 히터(303)로 사용된다.
이와 같이 구성된 일산화탄소 센서(301)에 있어서, 히터(303)는 일산화탄소 센서(301)의 온도를 증가시키므로해서 플라티나 촉매의 항중독 특성(anti-poisoning property)을 강화시킨다. 히터(303)를 포함하는 상기 구조는 검출의 감도가 어떤 히터도 없는 구조의 감도보다 낮게 설정되게 한다.
히터가 없는 일산화탄소 센서의 온도는 실질적으로 대략 80℃인 동작 온도와 동일하다. 따라서, 히터의 온-오프(on-off) 동작을 통해 제어된 프리셋 레벨의 온도는 보다 낮은 검출 감도에 의해서 80℃보다 높게 설정된다.
상기 제4실시예의 일산화탄소 센서(301)에 있어서, 전극(12)-전해질 막(10)-전극(14) 구조의 온도에서의 과도한 증가는 전해질 막(10)을 과도하게 건조시켜 내부 저항을 바람직하지 않게 높인다. 따라서, 프리셋 레벨의 온도는 100℃보다 높지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 애노드의 측에서 목적 가스 또는 가스 연료는 고압 상태로 되어 충분하게 젖어 있게 되는 조건하에서, 전해질 막(10)은 100℃보다 높은 온도에서 조차 과도하게 건조되지 않는다. 이와 같이 히터(303)의 온-오프 동작으로 제어된 프리셋 레벨의 온도는 일산화탄소 센서(301)에서 설정된다.
비록 히터(303)가 상기 실시예에서 전해질 막(10)과 관련하여 가스 연료에 노출된 측에 배치된다 하더라도, 히터는 대기중에 노출된 측에 설치될 수 있다. 대기의 온도가 일반적으로 가스 연료 또는 목적 가스의 온도보다 높기 때문에, 대기에 노출된 전극(14) 측상에 배열된 히터는 일산화탄소 센서를 소정 온도로 유지시키기 위해서 보다 큰 에너지를 요구한다.
제4실시예의 구조에 있어서, 일산화탄소 센서(301)의 검출 감도는 일산화탄소 센서(301)와 히터(303)의 온도를 증가시킴에 의해서 떨어지게 된다. 역으로, 일산화탄소 센서의 검출 감도는 일산화탄소 센서의 둘레를 흐르는 연료 전지 스택(210)에서의 냉각제 부분으로 하여금 일산화탄소 센서의 온도를 낮추게 함으로해서 높아질 수 있게 된다. 실제 구조(예시안됨)에 따르면, 유출 경로는 절연부재(24)에 설정되고, 연료 전지의 스택(210)에서의 냉각제 부분이 유출 경로로 안내된다.
변형된 구조(도시안됨)를 갖는 다른 일산화탄소 센서가 본 발명에 따른 제5실시예로서 주어진다. 제5실시예의 구조는 가스 연료 또는 목적 가스에 노출된 전극(12)의 촉매 성분이 예기치 않은 고농도의 일산화탄소에 의해 중독되는 것을 막는다. 이는 일산화탄소 센서의 실행을 효과적으로 유지한다. 제5실시예의 구조는 제5실시예의 일산화탄소 센서가 140℃내지 160℃의 보다 높은 온도에 설정된다는 것을 제외하고 제4실시예의 일산화탄소 센서(301)의 구조와 유사하다.
140℃내지 160℃로 증가된 온도의 일산화탄소 센서는 전극(12)에서 플라티나 촉매의 표면에서부터 흡착된 일산화탄소를 방출하고 이에 의해서 촉매 활동을 회복한다. 히터(303)에 의한 가열은 일산화탄소 센서의 온도가 140℃내지 160℃로 증가된 후 약 1분동안 계속될 수 있다.
그러한 일산화탄소 센서를 포함하는 연료 전지 제너레이터 시스템에서, 히터(303)는 아래의 타이밍중 하나 또는 조합으로 활성화된다.
(1) 연료 전지 제너레이터 시스템의 동작동안 소정 기간에서
(2) 연료 전지 제너레이터 시스템의 활성화시에
(3) 연료 전지 제너레이터 시스템의 매 중단시에
(4) 일산화탄소 센서가 소정 레벨보다 큰 과도한 고농도의 일산화탄소를 검출하는 매시간에서 제5실시예의 구조는 히터(303)를 활성화시켜 일산화탄소 센서를 고온에 설정한다. 이는 전극(12)에서 촉매에 의해 흡착된 일산화탄소가 방출되게 함으로서 촉매 활동을 회복하게 되어 일산화탄소 센서의 실행이 저하되는 것을 막는다.
일산화탄소 센서(1, 101 또는 301)는 상기 제3실시예에 기술된 바와 같이 가스 연료 공급관(218)의 중앙에 배열되지만 대신에 가스 연료 방전관(220)의 중앙에 배열될 수도 있다. 후자의 구조는 연료 전지의 스택(210)으로부터의 방전 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 측정할 수 있다. 상기 실시예에서 일산화탄소 센서(1, 101 또는 301)는 연료 전지에 제공된 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도를 측정하는데 사용될 뿐만 아니라, 수소를 포함하는 어떤 반응 가스를 응용할 수 있다.
이하 기술된 본 발명에 따른 제6 내지 제10실시예는 유기 성분을 검출하기 위한 장치 및 저알콜을 검출하기 위한 장치에 관련된다.
제11도는 본 발명에 따른 제6실시예로서 메탄올 센서(505)로 메탄올 농도를 측정하기 위한 장치(501)의 구조를 개략적으로 도시한다. 메탄올 농도-측정 장치(501)는 본 발명에 따라 저 알콜을 검출하기 위한 장치 및 유기 성분을 검출하기 위한 장치에 대응하는 메탄올 센서(505)를 포함한다.
메탄올 센서(505)의 주요 부분은 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)의 부분과 동일하다. 제6실시예의 메탄올 센서(505)의 구조에 있어서, 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)와 동일한 소자는 동일한 부호로 나타내며 그 설명은 여기서 생략된다.
제11도를 언급하면, 메탄올 센서(505)는 전압계(532)를 갖추고 있는데, 이 전압계는 홀더(20 및 22)의 검출단자(20T 및 22T)에 전기적으로 접속되며, 전극(12 및 14)간의 기전력 또는 전위차를 측정한다. 전압계(532)는 전자 제어 유닛(540)에 접속되며, 상기 유닛은 전압계(532)로부터 출력 신호를 수신한다. 전압계(532)의 접속은 가스 연료에 노출된 전극(12)측 홀더(20)의 검출 단자(20T)에 음극이, 대기에 노출된 전극(14)측 홀더(22)의 검출 단자(22T)에 양극이 부여되도록 결정된다.
전자 제어 유닛(540)은 논리 회로와 마이크로컴퓨터로 구성된다. 실제 구조에 따르면, 전자 제어 유닛(540)은 프리셋 제어 프로그램에 따라서 다양한 동작을 실행하기 위한 CPU(542)와, CPU(52)에 의한 다양한 동작의 실행을 위해 요구된 제어 프로그램 및 제어 데이터가 미리 기억되는 롬(ROM; 544)과, CPU(542)에 의한 다양한 동작의 실행을 위해 요구된 다양한 데이터가 일시적으로 기록되고 판독되는 램(RAM; 546)과, 메탄올 센서(505)의 전압계(532)로부터 출력 신호를 수신하기 위한 입력 회로(548)와, CPU(542)에 의한 동작의 결과를 근거로 가스형 연료에 내포된 메탄올 농도를 선형 신호로 출력하기 위한 출력 단자(549)를 포함한다.
다음의 설명은 이와 같이 구성된 메탄올 농도-측정 장치(501)로 수소가 충만한 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도를 결정하는 과정에 관한 것이다. 수소가 충만한 가스 연료에 내포된 가스 수소의 공급이 메탄올 센서(505)의 전극(12)에 제공되는 반면에, 대기에 내포된 산소의 공급은 전극(14)에 제공된다. 따라서, 상기 식(6 및 7)로 표현된 반응은 전해질 막(10)을 가로지른 전극(12 및 14)의 표면에서 진행한다.
이들 반응은 전기 에너지를 생성하기 위해 연료로서 수소 및 산소를 사용하는 연료 전지에서의 반응과 동일하다. 그래서, 기전력은 전극(12 및 14)간에 발생된다. 전극(12 및 14)간에 어떤 로드도 배치되지 않은 조건하에서 발생된 기전력은 개방 회로 전압(open circuit voltage; OCV) 또는 무-로드 전압(no-load voltage)으로서 언급된다. 메탄올이 가스 연료에 존재하는 경우에, 전극(12, 14)간에 발생된 개방 횔 전압(OVC)은 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도 증가로 감소한다. 상기 현상은 가스 연료에 내포된 메탄올이 전해질 막(10)을 통과하여 전해질 막(10)과의 접촉으로 전극(14)의 표면상의 산소와 반응함으로해서 전극(14)상의 전위를 저하시킨다는 사실에 속하는 것으로 생각된다.
제12도는 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도와 전극(12 및 14)간에 발생된 개방 회로 전압(OVC)간의 상호 관계를 나타낸 도면이다. 도면에서 해칭되지 않은 막대와 세개의 해칭된 막대는 1.5atm.(152 kPa)의 가스 연료에 대해서 1.0atm.(101 kPa), 1.5atm.(152 kPa), 2.0atm.(203 kPa), or 2.5atm.(253 kPa)의 공기를 포함하는 산소를 포함하는 가스에 전극(14)이 노출되는 조건하에서 각각의 메탄올 농도에서의 개방 회로 전압(OVC)를 각각 나타낸다. 상기 조건은 제12도 하부의 오른쪽 박스에도 도시된다. 제12도의 그래프는 개방 회로 전압(OVC)이 상기 네가지 조건중 어느 조건하에서 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도 증가로 점차 감소한다는 것을 명확하게 나타낸다.
제6실시에의 메탄올 농도-측정 장치(501)에 있어서, 전압계(532)는 개방 회로 전압(OVC)를 측정하는 입력 회로(548)를 통해서 개방 회로 전압(OVC)을 나타내는 검출 신호를 전자 제어 유닛(540)에 전달한다. 전자 제어 유닛(540)의 CPU(542)는 롬(544)에 미리 기억되고 가스 연료에 내포된 메탄올 농도와 전압계(532)로 측정된 개방 회로 전압(OVC)간의 상호관계를 나타내는 맵(map) 예를 들어, 제13도에 도시된 바와 같은 맵을 참조하여 입력 개방 회로 전압(OVC)에 대응하는 메탄올의 농도를 결정하며 출력 회로(549)를 통해 메탄올의 농도를 출력한다.
상기 실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)는 고정밀도로 수소가 충만한 가스에 내포된 메탄올의 농도를 결정할 수 있다.
메탄올 센서(505)에 있어서, 하나의 전극(12)이 가스 연료의 공급을 받아들이는 동안 다른 전극(14)은 대기에 노출된다. 이는 전극(14)상에 어떤 특정 가스 공급관을 요구하지 않으므로 해서 전체 메탄올 센서(505)의 크기를 감소시킨다.
제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)에 있어서, CPU(542)는 입력 회로(548)를 통해서 전압계(532)로 측정된 개방 회로 전압(OVC)을 판독하여, 롬(544)에 미리 기억된 맵(예, 제13도에 도시된 맵)을 참조함으로서 가스 연료에 내포된 메탄올의농도를 결정하며, 출력 회로(549)를 통해서 메탄올의 농도를 출력한다. 다른 가능한 구조에 따르면, 전압계(532)로 측정된 개방 회로 전압(OVC)은 프리셋 값과 비교된다. 측정된 개방 회로(OVC)의 프리셋 값보다 작을 때, CPU(542)는 가스 연료가 적어도 소정 농도의 메탄올을 포함함을 나타내는 소정 신호를 출력한다. 예를 들어, 전압계(532)로 측정된 개방 회로 전압(OVC)은 전자 제어 유닛(540)의 롬(544)에 미리 기억된 프리셋 값과 비교된다. 출력 회로(549)는 프리셋 값보다 큰 개방 회로 전압(OVC)에 대해서는 L-레벨 신호를, 프리셋 값보다 크지 않은 개방 회로 전압(OVC)에 대해서는 H-레벨 신호를 발생시킨다. 프리셋 값은 메탄올 농도-측정 장치(501)가 부착된 장비의 특징에 의존하며, 검출된 메탄올의 최소 농도에 대응하여 설정된다. 전압계(532)가 개방 회로 전압(OVC)에 영향을 미치지 않는 충분히 높은 내부 임피던스를 갖는다는 것은 바람직하다.
다른 양호한 구조에 따르면, 전자 제어 유닛(540)은 제14도에 도시된 결정 회로(550)로 대치될 수 있다. 결정 회로(550)는 비교기(552)와, 소정의 일정한 전압을 비교기(552)의 플러스 입력 단자에 공급하기 위한 전원(554)과, 제1 및 제2저항(556, 558)을 포함한다. 비교기(552)의 마이너스 입력 단자는 전압계(532)에 접속되어 전압계(532)로부터 출력 신호를 수신한다. 전압계(532)의 출력 전압은 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도 증가를 감소한다. 따라서, 제1 및 제2저항(556 및 558)은 가스 연료에서의 메탄올 농도가 프리셋 값(예, 3mol%)과 동일할 때 비교기(552)의 플러스 입력 단자에 공급된 소정의 일정한 전압이 전압계(532)로부터의 출력 신호 전압과 동일하게 되도록 설정된다. 이러한 설정은 가스 연료에서의 메탄올 농도가 프리셋 값보다 큰지 적은지에 따라서 비교기(552)의 출력이 변화되게 한다. 메탄올의 농도가 프리셋 값보다 적을 때, 기준 전압보다 높은 전압이 비교기(552)의 마이너스 입력 단자에 입력되고 그로 인해서 L-레벨 신호가 비교기(552)의 출력 단자로부터 출력된다. 역으로, 메탄올의 농도가 프리셋 값보다 클 때, 기준 전압보다 작은 전압이 비교기(552)의 마이너스 입력 단자에 입력되고 그에 의해서 H-레벨 신호가 비교기(552)의 출력 단자로부터 출력된다.
전자 제어 유닛(540) 대신에 결정 회로(550)를 포함하는 메탄올 농도-측정 장치가 보다 간단한 구조를 가지지만 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도가 적어도 프리셋 값인 유져에게 효과적으로 중지한다.
메탄올 농도-측정 장치(501)는 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)처럼 온도 의존성을 갖는다. 즉, 고정된 농도의 메탄올에 대한 출력 전압은 메탄올 센서(505)의 온도에 따라 변화된다. 따라서, 양호한 구조는 온도-출력 전압 및 메탄올 농도-출력 전압 특성을 미리 결정하고, 보다 향상된 정밀도로 메탄올의 농도를 결정하기 위해서 메탄올 센서(505)의 온도에 근거하여 출력 전압을 수정한다.
온도 의존성을 고려하여 보다 높은 정밀도로 메탄올의 농도를 결정하기 위해 개발된 다른 메탄올 농도-측정 장치(501B)가 본 발명에 따른 제7실시예로서 주어진다. 제15도는 제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501B)에 결합된 메탄올 센서(505B)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501B)는 메탄올 농도-측정 장치(501B)가 메탄올 센서(505B)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 메카니즘(560)을 더 포함한다는 것을 제외하고 제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)의 것과 유사한 구조를 갖는다. 제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)와 동일한 소자는 동일한 부호로 나타내며, 그 설명은 여기서 생략된다. 제7실시예의 메탄올 센서(505B)는 제10도에 도시된 제4실시예의 일산화탄소 센서(301)의 구조에 대응하는 구조도 갖는다.
메탄올 센서(505B)에 결합된 온도 제어 메카니즘(560)은 가스 유출관(28)에 배열된 히터(562)에 접속된 제어 회로(566)를 더 포함한다. 제어 회로(563)는 전원(564) 및 스위치(566)를 더 포함한다. 온도 제어 메카니즘(560)은 제어 시스템(도시안됨)으로부터 명령을 수신하여 스위치(566)를 온 및 오프 시켜 메탄올 센서(505B)의 온도 또는 적어도 전해질 막(10) 및 전극(12 및 14)의 온도를 프리셋 레벨(예, 80℃)로 조절한다. 전극(12)-전해질 막(10)-전극(14) 구조의 온도에서 과도한 증가는 전해질 막(10)을 건조시켜 바람직하지 않게도 내부 저항을 상승시킨다. 따라서, 프리셋 레벨은 100℃보다 높지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 애노드의 측에 목적 가스 또는 가스 연료가 고압 상태로 되고 충분하게 습기를 머금게 되는 조건하에서, 전해질 막(10)은 100℃보다 높은 온도에서 조차도 과도하게 건조되지 않는다.
비록 니크롬선 및 탄소-저항 가열 소자와 같은 어떤 다른 가열 소자가 또한 응용가능하게 될 수 있다 하더라도, 상기 실시예에서는 원통형 PTC 히터가 히터(562)로 사용된다.
제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501B)에 있어서, 메탄올 센서(505B)의 온도는 히터(562)에 의해서 프리셋 레벨로 조절된다. 상기 구조는 상기 주어진 식(6 및 7)으로 표현된 반응이 전극(12 및 14)상에서 일정한 상태에 이르게 하며, 가스 연료에 내포되고 전해질 막(10)을 통과한 메탄올이 전극(14)상의 일정한 상태에 반응하게 한다. 그래서, 제7실시예의 구조는 고정밀도로 가스 연료에 내포된 메탄올이 농도를 결정한다.
제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)처럼, 제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501B)는 전자 제어 유닛(540) 대신에 결정 회로(550)를 포함한다.
비록 온도 제어 메카니즘(560)이 제7실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501B)에서 가스 연료의 가스 유출관(28)에 배치된다 하더라도, 온도 제어 메카니즘(560)은 전해질 막(10)에 대해서 대기에 노출된 반대측상에 배치될 수 있다.
제16도는 본 발명에 따른 제8실시예로서 또 다른 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)는 메탄올 농도-측정 장치(501C)가 스위칭 메카니즘(570)을 더 포함한다는 것을 제외하고 제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)의 것과 유사한 구조를 갖는다. 제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 구조에 있어서, 제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)와 동일한 소자는 동일한 부호로 나타내며, 그 설명은 여기서 생략된다.
스위칭 메카니즘(570)은 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 메탄올 센서(505C)에 결합되며, 릴레이(relay; 572)와, 릴레이(572)의 접촉부(574)와, 저항(576)을 포함한다. 스위칭 메카니즘(570)은 검출 단자(20T 및 22T)간에 전압계(532)와 병렬로 배열되는데 반해서, 릴레이(572)의 접촉부(574)와 저항(576)은 직렬로 배치된다.
릴레이(572)가 오프일동안, 릴레이(572)의 접촉부(574)는 검출 단자(20T 및 22T)로부터 저항(576)을 분리시키기 위해서 개방 위치에 있다. 그러한 조건하에서 전압계(532)에 의해 측정된 전위차는 전극(12 및 14)간에 개방 회로 전압(OVC)에 대응한다. 다른 한편, 릴레이(572)가 온일동안, 릴레이(572)의 접촉부(574)는 저항(576)과 검출 단자(20T 및 22T)를 접속시키기 위해서 폐쇄된 위치에 있다. 그러한 조건하에서 전압계(532)에 의해 측정된 전위차는 저항(576)의 두 단자간에 전위차에 대응한다. 릴레이(572)는 전자 제어 유닛(540C)의 출로 회로(549C)에 추가 접속되며, 전자 제어 유닛(540C)에 의해 구동되고 제어된다. 전자 제어 유닛(540C)은 제6실시예의 전자 제어 유닛(540)의 것과 동일한 하드웨어를 갖는다.
제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 동작이 이하 기술된다. 메탄올 농도-측정 장치(501C)의 전자 제어 유닛(540C)은 인터럽트 신호의 매 입력마다 또는 소정 기간(예, 매 20msec)에서 출력 회로(549C)를 통해서 온 또는 오프 신호를 릴레이(572)에 출력한다.
릴레이(572)가 오프이고 릴레이(572)의 접촉부(574)가 개방 위치에 있는 동안, 저항(576)은 검출 단자(20T 및 22T)로부터 분리되고, 전압계(532)로 측정된 전위차는 전극(12 및 14)간의 개방 회로 전압(OCV)을 나타낸다. 이 조건하에서, 메탄올 농도-측정 장치(501C)는 제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501)와 같은 방법으로 가스 유출관(28)에 제공된 가스 연료 또는 목적 가스에 내포된 메탄올의 농도를 결정할 수 있다. 역으로 릴레이(572)가 온이고 릴레이(572)의 접촉부(574)가 폐쇄된 위치에 있는 동안, 저항(576)은 검출 단자(20T 및 22T)에 접속되고, 전압계(532)로 측정된 전위차는 저항(576)의 두 단자 간의 전위차를 나타낸다. 이 조건하에서, 메탄올 농도-측정 장치(501C)는 제1실시예의 일산화탄소 센서(1)와 같은 방법으로 가스 유출관(28)에 제공된 가스 연료 또는 목적 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 결정할 수 있다.
제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)에 있어서, 전압계(532)는 릴레이(572)가 온되어 가스 연료에 내포된 일산화탄소를 측정하기 위해 접촉부(574)를 닫게되는 그러한 상태에서 검출 단자(20T 및 22T)간에 전위차 즉, 저항(576)의 두 단자간의 전위차를 측정한다. 측정된 전위차를 나타내는 신호는 입력 회로(548C)를 통해서 전자 제어 유닛(540C)에 입력된다. 전자 제어 유닛(540C)의 CPU(542C)는 롬(544C)에 미리 기억되고 가스 연료에 내포된 일산화탄소의 농도 및 전압계(532)로 측정된 전위차간의 상호 관계를 나타내는 맵(map) 예를 들어, 제2도에 도시된 바와 같은 맵을 참조하여 입력 전위차에 대응하는 일산화탄소의 농도를 결정하고 출력 회로(549C)를 통해 일산화탄소의 농도를 출력한다.
제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(401C)는 단순한 구조의 스위치 메카니즘(570)을 갖는데, 상기 스위칭 메카니즘은 일산화탄소의 측정 또는 메칸을 측정을 선택한다. 스위칭 메카니즘(570)은 가스 연료 또는 목적 가스에 내포된 일산화탄소 및 메탄올 둘다가 스위칭 메카니즘(570)에 포함된 릴레이(572)의 단순한 온-오프 동작으로만 고정밀도로 검출되게 한다.
가스 연료에 내포된 일산화탄소의 효과에 의한 전극(12)에서의 촉매 중독성은 사전에 기술된 바와 같이 온도 의존적이다. 가스 연료 또는 목적 가스의 온도가 과도하게 변화될 때, 제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)를 제15도에 도시된 제7실시예의 온도 제어 메카니즘(560)을 포함한다.
제6실시예의 메탄올 농도-측정 장치처럼, 제8실시예의 메탄올 농도-측정 장치(501C)에서 전자 제어 유닛(540C)은 전압계(532)로 측정된 전위차를 판독하고, 롬(544C)에 미리 기억된 맵(예, 제13도 또는 제2도에 도시된 맵)을 참조하여 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도 또는 일산화탄소의 농도를 결정하여 출력 회로(549C)를 통해 메탄올의 농도 또는 일산화탄소의 농도를 출력한다. 다른 양호한 구조에 따르면, 전압계(532)로 측정된 전위차는 메탄올의 결정에 대한 프리셋 제1전위차 또는 일산화탄소의 결정에 대한 프리셋 제2전위차와 비교된다. 측정된 전위가 프리셋 제1 또는 제2전위차보다 작을 때, 전자 제어 유닛(540C)은 가스 연료가 적어도 소정의 제1농도의 메탄올을 포함함을 나타내는 소정의 제1신호 또는 가스 연료가 적어도 소정의 제2농도의 일산화탄소를 포함함을 나타내는 소정의 제2신호를 출력한다. 예를 들어, 전압계(532)로 측정된 전위차는 전자 제어 유닛(540C)의 홈(544C)에 미리 기억된 메탄올의 결정에 대한 프리셋 제1값 또는 일산화탄소 결정에 대한 프리셋 제2값과 비교된다. 출력 회로(549C)는 프리셋 제1 또는 제2값보다 큰 전위차에 대해서는 L-레벨 신호를, 프리셋 제1 또는 제2값보다 크지 않은 전위차에 대해서는 H-레벨 신호를 발생한다. 다른 양호한 구조는 전자 제어 유닛(540C) 대신에 메탄올의 결정을 위한 한 회로 및 일산화탄소의 결정을 위한 다른 회로의 제14도에 도시된 두 결정 회로(550)를 포함한다. 각각의 결정 회로에 사용된 기준 전압은 각각의 전위차의 특징에 따라 설정된다.
제17도는 본 발명에 따른 제9실시예로서 다른 메탄올 농도-측정 장치(60)에 결합된 메탄올 센서(605)의 주요 부분은 제3도에 도시된 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)의 것과 동일하다. 제9실시예의 메탄올 센서(605)의 구조에 있어서, 제2실시예의 일산화탄소 센서(101)와 동일한 소자는 동일한 부호로 나타내며, 그 설명은 여기서 생략된다.
제17도를 언급하면, 메탄올 센서(605)는 전압계(632)를 갖추고 있는데, 이 전압계는 홀더(120 및 150)의 검출 단자(102T 및 150T)에 전기적으로 접속되어 전극(112 및 114)간의 기전력 또는 전위차를 측정한다. 전압계(632)의 접속은 가스 연료에 노출된 전극(112)측상의 하부 홀더(120)의 검출 단자(120T)에 음극을 부여하고 대기에 노출된 전극(114)측상의 제3홀더(150)의 검출 단자(150T)에 양극을 부여하도록 결정된다. 전압계(632)의 상기 형태는 제6실시예의 메탄올 센서(505)에서의 전압계(532)의 것과 유사하다. 전압계(632)는 전극(112 및 114)간에 발생된 개방 회로 전압(OVC)을 측정한다.
제2실시예의 일산화탄소 센서(101)처럼, 가스 연료 또는 목적 가스의 압력이 비정상적으로 증가할 때, 제9실시예의 메탄올 센서(605)는 높아진 압력을 대기로 방출하고 따라서 어떤 장애나 문제를 야기시킬 수 있는 가스압의 비정상적인 증가를 효과적으로 제거한다. 메탄올 센서(605)는 전압계(632)로 전극(12 및 14)간에 발생된 개방 회로 전압(OCV)을 측정하고, 이에 의해서 제6실시예의 메탄올 센서(505)와 같은 방법으로 고정밀도로 목적 가스에 내포된 메탄올의 농도를 결정한다.
제2실시예의 일산화탄소 센서(101)처럼, 제9실시예의 메탄올 농도-측정 장치(601)에 있어서, 전압계(132)로 측정된 전압 = 0[V]은 비정상적으로 높아진 가스압을 대기로 방출시키는 안전 밸브 기능의 작동을 의미한다.
다른 양호한 구조에 따라서, 하부 홀더(120)의 검출 단자(120T) 및 제3홀더(150)의 검출 단자(150T)간의 임피던스가 측정된다. 상기 변형된 구조에 있어서, 무한대의 임피던스는 안전 밸브 기능의 작동을 의미하며, 안전 밸브 기능의 작동을 나타내는 신호가 제어 시스템에 출력된다.
제18도는 본 발명에 따른 제10실시예로서 메탄올 농도-측정 장치(701)를 갖는 연료 전지 제너레이터 시스템(700)이 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다. 연료 전지 제너레이터 시스템(700)은 전기 에너지를 발생시키기 위한 중합체 전해질 연료 전지의 스택(710)과, 메탄올 저장소(712)에 저장된 메탄올과 물저장소(714)에 저장된 물로부터 수소가 충만한 가스를 발생시키기 위한 재편성기(716)와, 재편성기(716)로 발생된 수소가 충만한 가스를 가스 연료로서 연료 전지의 스택(710)에 공급하기 위한 가스 연료 공급관(718)과, 연료 전지의 스택(720)을 포함한다. 연료 전지 제너레이터 시스템(700)은 연료 전지의 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)간의 전위차를 측정하기 위한 전압계(724)와, 전도선(722)중에 배치된 컷-오프 메카니즘(726)과, 가스 연료 공급관(718) 중앙에 배열된 일산화탄소 센서(719)를 더 포함한다. 전도선(722)은 연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)를 연료 전지 제너레이터 시스템(700)으로부터의 출력에 의해 구동된 구동 장치(도시안됨)와 접속시킨다.
연료 전지의 스택(710)은 제3실시예의 연료 전지 제너레이터 시스템(200)에 결합된 연료 전지 스택(210)의 것과 유사한 구조를 갖는다. 제19도는 연료 전지 스택(710)의 전형적인 구조를 개략적으로 도시한 것이며, 연료 전지의 스택은 다수의 층 유닛(248)을 포함하는데, 이 층 유닛은 세퍼레이터(249a)를 통해서 겹쳐 놓인다. 각각의 층 유닛(248)은 제7도에 도시된 바와 같이 애노드(242), 전해질 막(241), 및 캐소드(243)를 포함한다. 세퍼레이터(249a)는 제7도에 도시된 유닛 연료 전지의 제1세퍼레이터(244) 및 제2세퍼레이터와 같은 재료로 이루어진다. 세퍼레이터(249a)는 하나의 인접 층 유닛(248)의 애노드(242)(제19도의 도면에서 좌측)의 표면과 결합되어 가스 연료에 대한 유출 경로(244p)를 구성하는데 반해서 다른 인접 층 유닛(248)의 캐소드(243)(제19도의 도면에서 우측)의 표면과 결합되어 산소를 포함하는 가스에 대한 유출 경로(245p)를 구성한다. 제1세퍼레이터(244)는 도면에서 최우측 층 유닛(248R)의 외부에 바로 접하여 배치되어 가스형 연료에 대한 유출 경로(244p)만을 구성한다. 다른 한편, 제2세퍼레이터(245)는 도면에서 최좌측 층 유닛(248L)의 외부에 바로 접하여 배치되어 산소를 포함하는 가스에 대한 유출 경로(245p)만을 구성한다.
중합체 전해질 연료 전지(10)는 제1 및 제2세퍼레이터(244 및 245)의 외부에 각각 배열된 한쌍의 냉각제 유출 경로(249b 및 249c)와, 냉각제 유출 경로(249b 및 249c)의 외부에 각각 배치된 한쌍의 전류 콜렉터(249d 및 249e)와, 상기 구조의 소자를 모두 지지하도록 최외부층으로 절연판(249f 및 249g)을 통해 배열된 한쌍의 종단판(249h 및 249i)과, 종단판(249h 및 249i)을 클램핑하고 락킹(locking)하기 위한 클램핑 볼트(249i)를 더 포함한다.
출력 단자(711a 및 711b)는 이와 같이 구성된 연료 전지 스택(710)의 전류 콜렉터(249d 및 249e)에 부착된다.
제18도를 다시 언급하면, 가스 연료 공급관(718)은 재편성기(71b)를 연료 전지 스택(710)의 애노드-측 가스 투입구(710a)와 접속한다. 실재 구조에 따르면, 애노드-측 가스 투입구(710a)는 다기관(manifold; 도시안됨)에 접속되고, 다기관을 통해서 연료 전지의 스택(710)에서 가스 연료의 흐름을 위해 형성된 다수의 제1채널(244p)에 추가 접속된다(제7도 참조). 연료 전지 스택(710)의 애노드-측 가스 배출구(710b)는 또한 다른 다기관(도시안됨)에 접속되며 다기관을 통해 연료 전지의 스택(710)의 다수의 제1채널(244p)에 추가 접속된다. 가스 배출구(710b)의 접속방향은 가스 연료 공급관(718)의 접촉 방향에 반대이다.
제3실시예의 연료 전지 제너레이터 시스템(200)에서의 재편성기(21b)처럼, 재편성기(71b)는 재편성 유닛(716a), 쉬프트 반응 유닛(716b) 및 부분적인 산화 유닛(716c)을 포함한다.
재편성기(716)의 유닛(716a 내지 716c)은 전자 제어 유닛(730)에 각각 접속된다.
컷-오프 메카니즘(726)은 릴레이(727) 및 릴레이(727)의 접촉부(728)를 포함한다. 릴레이(727)가 오프일 동안, 릴레이(727)의 접촉부(728)는 닫혀진 위치에 있게 되어 연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)를 구동 장치와 접속시키고 연료 전지의 스택(710)으로부터의 출력을 구동 장치에 전송한다. 역으로, 릴레이(727)가 온일동안, 릴레이(727)의 접촉부는 개방 위치에 있게 되어 구동 장치로부터 출력 단자(711a 및 711b)를 분리시킨다. 컷-오프 메카니즘(726)의 릴레이(727)는 전도선을 통해서 전자 제어 유닛(730)에 추가 접속되고 전자 제어 유닛(730)으로부터의 구동 신호 출력에 의해 활성화된다.
전자 제어 유닛(730)은 제3실시예의 연료 전지 제너레이터 시스템(200)에 전자 제어 유닛(230)의 것과 유사한 구조를 갖는다. 전자 제어 유닛(730)은 CPU(732), 롬(734), 램(736), 및 입력/출력부(738)를 포함한다.
제18도의 도면에서, 애노드 확장 가스 시스템만이 도시되며 캐소드 측상의 가스 시스템은 생략된다.
메틸알콜 농도-측정 장치(701)는 연료 전지의 스택(710), 전압계(724), 컷-오프 메카니즘(726), 및 전자 제어 유닛(730)을 포함한다. 제6 내지 제9실시예에서 미리 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 메탄올 센서의 필수 구조는 중합체 전해질 연료 전지의 스택과 동일하다. 따라서, 연료 전지의 스택(710)은 가스 연료에 내포된 메탄올을 측정하기 위한 메탄올 센서로서 사용된다. 메탄올 센서로서의 역할을 하는 연료 전지의 스택(710)으로 가스 연료에 내포된 메탄올을 측정하는 과정은 이하 기술된다.
제20도는 제10실시예에서 전자 제어 유닛(730)의 CPU(732)로 실행된 메탄올 검출 루틴을 나타내는 플로챠트이다. 메탄올 검출 루틴은 다른 제어 루틴의 서브 루틴으로서 또는 소정의 기간에서(예, 매 100msec 에서) 실행된다.
프로그램이 메탄올 검출 루틴에 들어갈 때, CPU(732)는 먼저 입력/출력부(738)를 통해서 구동 신호를 출력시켜서 컷-오프 메카니즘(726)의 릴레이(727)를 턴온시키고 릴레이(727)의 접촉부(728)를 개방시킴으로해서 단계 S800에서 구동 장치로부터 연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)를 분리시킨다. 그후 프로그램은 단계 S810으로 진행하며, 여기서 CPU(732)는 입력/출력부(738)를 통해 전압계(724)로부터의 신호로서 무-로드 조건하에서 연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)간의 전위차(즉, 개방 회로 전압(OCV))를 판독한다. 그후 CPU(732)는 구동 신호를 출력하여 컷-오프 메카니즘의 릴레이(727)를 턴오프시키고 릴레이(727)의 접촉부(728)를 닫으므로 해서 단계 S820에서 연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)와 구동 장치를 접속시킨다. 프로그램은 그후 단계 S830으로 진행하는데, 여기에서 CPU(732)는 롬(734)에 미리 기억되고 가스 연료에 내포된 메탄올의 농도 및 전압계(724)로 측정된 개방 회로 전압(OCV)간의 상호 관계를 나타내는 맵(예, 제13도에 도시된 맵)을 참조하여 입력 개방 회로 전압(OCV)에 대응하는 메탄올의 농도를 결정한다. 결정후 프로그램은 복귀로 향하고 루틴에서 벗어난다.
연료 전지 스택(710)의 출력 단자(711a 및 711b)와 구동 장치의 접속은 단계 S800의 실행 및 단계 S820의 실행간의 시주기동안 차단된다. 시주기는 연료 전지의 스택(710)과 전압계(724)의 특징에 따라 변화되나 일반적으로 수 밀리초에서 십여 밀리초의 범위에 있다. 구동 장치가 비교적 느린 응답을 가지므로, 일시적인 단시간 차단은 구동 장치에 영향을 미치지는 않지만 구동 장치의 계속적인 동작을 허용한다.
따라서, 메탄올 농도-측정 장치(701)로 결정된 가스 연료에서의 메탄올 농도 뿐만아니라 일산화탄소 센서(719)로 결정된 가스 연료에서의 일산화탄소 농도는 재편성기(716)의 동작을 제어하기 위해 사용된다. 비록 제어 과정이 상세히 기술되지 않는다 하더라도, 그러한 제어의 몇가지 예가 아래에 주어진다. 한 구조에 따르면, 가스 연료에서 메탄올의 농도가 적어도 소정 레벨(예, 1%)일 때, 재편성기(716)의 동작은 가스 연료에서의 메탄올을 감소시키기 위해 제어된다. 예를 들면, 재편성 유닛(716a)의 온도가 증가되어 메탄올의 반응을 향상시킨다. 가스 연료에서 일산화탄소의 농도가 적어도 소정 레벨(예, 10ppm)일 때, 재편성기(716)의 동작은 가스 연료에서의 일산화탄소를 감소시키도록 제어된다. 예를 들면, 부분적인 산화 유닛(716c)에 제공된 공기 유출이 증가된다.
제10실시예의 메탄올 농도-측정 장치(701)는 어떤 특정한 하드웨어를 연료 전지 제너레이터 시스템(700)에 가산하지 않고 고정밀도로 가스 연료 또는 목적 가스에 내포된 메탄올의 농도를 결정할 수 있다. 이는 전체 연료 전지 제너레이터 시스템(700)의 크기를 효과적으로 감소시킨다. 재편성기(716)는 측정과 결과, 즉, 메탄올의 농도 및 일산화탄소의 농도에 따라 효과적으로 구동되고 제어된다.
상술된 제6 내지 제10실시예는 메탄올을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 실시예의 상기 구조는 메탄올을 포함하는 특정 유기 성분을 측정하기 위한 장치로 응용가능하다. 메탄올 메틸알콜을 재편성함에 의해서 발생된 수소가 충만한 가스 연료로부터 검출될 수 있는 유일한 유기 성분이다. 메탄올과 다른 유기 성분은 석유 또는 그와 같은 종류를 재편성함에 의해서 발생된 수소가 충만한 가스로부터의 검출될 수 있다. 제6 내지 제10실시예의 구조는 다음의 세가지 조건: 전해질 막을 통과하며, 침투후 산소에 노출된 애노드상에서 산화를 야기시키며, 전해질 막 특성 또는 용해의 변화와 같은 손상을 입히지 않는 것을 만족시키는 물질을 측정하는데 응용 가능하다.
제6 내지 제10실시예의 것과 상당히 유사한 구조에 의해 검출가능한 유기 성분은 메탄올, 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 옥탄올(octanol) 및 벤질 알콜(benzyl alcohol)과 같은 알콜과, 아세톤(acetone), 메틸 알콜 케톤(methy ethyl ketone), 메틸 프로필 케톤, 메틸 부틸 케톤, 디에틸 케톤 및 디프로필 케톤 같은 케톤과, 프로필아민(propylamine)과 같은 아민과, 메틸 아세테이트(methyl acetate)와 같은 에스테르와, 디에틸 에테르와 같은 에테르와, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 및 글리세롤과 같은 글리세롤을 포함한다.
상기 유기 성분중 어느 하나를 측정하는 구조에 있어서, 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 흥미있는 유기 성분의 농도 및 전압계(532 또는 632)로 측정된 개방 회로 전압(OCV)간의 상호 관계를 나타내는 맵이 미리 준비된다. 상기 구조는 상기 맵을 참조로 함에 의해서 개방 회로 전압(OCV)에 대응하여 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 흥미있는 유기 성분의 농도를 결정한다.
제6 내지 제10실시예의 구조는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 및 펜탄올과 같은 저알콜을 측정하는데도 응용가능하다. 이 저알콜은 제6 내지 제10실시예의 구조와 실질적으로 같은 구조에 의해 검출될 수 있다. 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 흥미있는 저알콜의 농도 및 전압계(532 또는 632)로 측정된 개방 회로 전압(OCV)간의 상호 관계를 나타내는 맵이 미리 준비된다. 상기 구조는 상기 맵을 참조로 함에 의해서 개방 회로 전압(OCV)에 대응하여 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 흥미있는 저알콜의 농도를 결정한다. 상기 실시예는 단지 예시적인 것이고 어떤 의미로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위 및 사상은 첨부된 청구범위의 항에 의해서만 제한된다.

Claims (30)

  1. 전해질 막과, 상기 전해질 막을 가로질러 배열되며, 전달된 촉매를 갖는 제1 및 제2전극과, 반응 가스를 상기 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관가, 산소를 포함하는 가스를 상기 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 소정 로드가 상기 제1 및 제2전극에 접속되는 동안 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소 가스 공급관이 상기 제2전극을 대기에 노출시키기 위한 공기 개구부를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 가스 공급관을 대기에 연결시키기 위한 연결 통로와, 상기 반응 가스 공급관에서의 압력이 소정 레벨보다 크게 될 때 개방 위치로 구동되는 상기 연결 통로에 배치된 밸브 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 밸브 수단을 개방 위치에서 검출하기 위한 밸브 상태 검출 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1전극의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1전극상에서 촉매에 의해 흡착된 일산화탄소를 제거하기 위해 상기 제1전극을 가열하기 위한 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하기 위한 농도 계산 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값보다 크지 않을 때 적어도 소정 농도의 일산화탄소가 상기 반응 가스에 존재하는지를 결정하기 위한 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하기 위한 장치.
  9. 전해질 막과, 상기 전해질 막을 가로질러 배열되며, 전달된 촉매를 갖는 제1 및 제2전극과, 상기 반응 가스를 상기 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 산소를 포함하는 가스를 상기 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산소 가스 공급관이 상기 제2전극을 대기에 노출시키기 위한 공기 개구부를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 반응 가스 공급관을 대기에 연결시키기 위한 연결 통로와, 상기 반응 가스 공급관에서의 압력이 소정 레벨보다 크게 될 때 개방 위치로 구동되는 상기 연결 통로에 배치된 밸브 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 밸브 수단을 개방 위치에서 검출하기 위한 밸브 상태 검출 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제1전극의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  14. 제9항에 있어서, 소정 로드가 상기 제1 및 제2전극에 접속되는 제1위치 및 상기 소정 로드가 상기 제1 및 제2전극으로부터 분리되는 제2위치 사이를 움직이기 위한 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단이 상기 제1위치에 있는 동안 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하기 위한 수단과, 상기 스위칭 수단이 제2위치에 있는 동안 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 상기 유기 성분의 농도를 계산하기 위한 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 유기 성분의 농도를 계산하기 위한 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차가 프리셋 값보다 크지 않을 때 적어도 소정 농도의 상기 유기 성분이 상기 반응 가스에 존재하는지를 결정하기 위한 결정 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  17. 겹쳐 놓인 다수의 층 유닛을 포함하는데, 각각의 상기 층 유닛이 전해질 막과, 전달된 촉매를 가지며 상기 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극을 포함하는 다층으로된 구조들과, 상기 각각의 층 유닛에서 상기 반응 가스를 상기 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 상기 각각의 층 유닛에서 산소를 포함하는 가스를 상기 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 상기 다층으로된 구조물의 제1단부에 인접한 상기 제1전극 및 상기 제1단부 맞은편에 있는 상기 다층으로된 구조물의 제2단부에 인접한 상기 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다층으로된 구조물은 겹쳐 놓인 다수의 연료 전지를 구성하는 연료 전지의 스택(stack)을 포함하며, 프리셋 시주기동안 소정 로드를 가진 상기 연료 전지 스택의 접속을 컷 오프(cut off)시키기 위한 컷-오프 수단과, 상기 소정 로드가 컷-오프 수단에 의해 상기 연료 전지 스택으로부터 분리될 때 상기 프리셋 시주기에서 상기 전위차 측정 수단으로 측정된 전위차 근거로 상기 반응 가스에 내포된 상기 유기 성분의 농도를 계산한기 위한 농도 계산 수단을 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하기 위한 장치.
  19. 전해질 막과, 상기 전해질 막을 가로질러 배열되며 전달된 촉매를 갖는 제1 및 제2전극과 상기 반응 가스를 상기 제1전극에 공급하기 위한 반응 가스 공급관과, 산소를 포함하는 가스를 상기 제2전극에 공급하기 위한 산소 가스 공급관과, 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하기 위한 전위차 측정 수단을 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하기 위한 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 검출된 저알콜이 메탄올인 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하기 위한 장치.
  21. 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법에 있어서, (a) 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 두 전극중 한 전극인 제1전극에 반응 가스를 공급하는 단계와, (b) 상기 두전극중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와, (c) 소정 로드가 제1 및 제2전극에 접속되는 동안 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, (d) 상기 제1전극의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, (e) 상기 단계(c)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, (f) 상기 단계(c)에서 측정된 전위차가 프리셋 값보다 크지 않을 때 적어도 소정 농도의 일산화탄소가 상기 반응 가스에 존재하는지를 결정하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 일산화탄소를 검출하는 방법.
  25. 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법에 있어서, (g) 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 두 전극중 한 전극이 제1전극에 상기 반응 가스를 공급하는 단계와, (h) 상기 두 전극중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와, (i) 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, (j) 소정 로드가 상기 제1 및 제2전극에 접속되는 제1상태와 상기 소정 로드가 상기 제1 및 제2전극으로부터 분리되는 제2상태 사이를 스위치하는 단계와, (k) 상기 단계(j)에서 스위치된 상기 제1상태에서, 상기 단계(i)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 일산화탄소의 농도를 계산하는 단계와, (l) 상기 단계(j)에서 스위치된 상기 제2상태에서, 상기 단계(i)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 상기 유기 성분의 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, (m) 단계(i)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 상기 유기 성분의 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법.
  28. 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법에 있어서, (n) 겹쳐 놓인 다수의 층 유닛을 포함하는데, 각각의 상기 층 유닛이 전해질 막과, 전달된 촉매를 가지며 상기 전해질 막을 가로질러 배열되는 제1 및 제2전극을 구성하는 다층으로된 구조물의 각각의 층 유닛에서 반응 가스를 제1전극에 공급하는 단계와, (o) 상기 각각의 층 유닛에서 산소를 포함하는 가스를 상기 제2전극에 공급하는 단계와, (p) 상기 다층으로된 구조물의 제1단부에 인접한 상기 제1전극과, 상기 제1단부 맞은 편에 있는 상기 다층으로된 구조물의 제2단부에 인접한 상기 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 다층으로된 구조물은 겹쳐 놓인 다수의 연료 전지를 구성하는 연료 전지의 스택을 포함하며, (q) 프리셋 시주기동안 소정 로드를 갖는 상기 연료 전지 스택의 접속을 컷오프시키는 단계와, (r) 상기 소정 로드가 상기 단계(q)에서 상기 연료 전지의 스택으로부터 분리될 대 상기 프리셋 시주기에서, 상기 단계(p)에서 측정된 전위차를 근거로 상기 반응 가스에 내포된 상기 유기 성분의 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 유기 성분을 검출하는 방법.
  30. 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하는 방법에 있어서, (s) 전달된 촉매를 가지며 전해질 막을 가로질러 배열되는 두 전극중 한 전극인 제1전극에 반응 가스를 공급하는 단계와, (t) 상기 두 전극중 다른 전극인 제2전극에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 단계와, (u) 상기 제1 및 제2전극간의 전위차를 측정하는 단계를 포함하는 수소를 포함하는 반응 가스에 내포된 저알콜을 검출하는 방법.
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