KR100725238B1 - 열처리 장치 및 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
기판(41)상에 구비되는 열처리장치는, 발열층(47a), 상기 발열층에 의해 생성된 열이 확산되는 것을 방지하기 위하여 상기 발열층의 일면에 접촉되는 확산방지층(47b), 및 상기 기판(41)과 상기 확산방지층(47b) 사이에 위치하는 결합층(47c)으로 구성되는 발열부를 포함한다.
연료전지, 수소, 개질, 발열, 저항, 확산, 기판, 결합, 방지, 금
Description
본 발명은 로에서 열처리를 수행하기 위한 열처리 장치에 관한 것이다.
최근에, 연료로 수소를 이용하는 연료전지는, 높은 에너지 전환 효율을 가지는 청정 전력 공급원으로서 예를 들면 자동차 또는 휴대용 장치에 적용되기 시작하였다.
연료전지는 화학 에너지로부터 전기 에너지를 직접 추출하기 위하여 대기 중의 산소와 연료를 전기화학적으로 반응시키는 장치이다. 연료전지에 사용되는 연료는 수소를 포함하지만, 실온에서 기체 상태이기 때문에 사용 및 저장에 대한 문제가 있다. 알코올 및 휘발유와 같은 액체 연료가 사용되는 경우, 액체 연료는 고온의 증기와 반응하고, 전력 생산을 위하여 수소를 추출하기 위하여 개질기를 필요로 한다. 일반적으로, 개질기는 고온 상태에서 연료를 개질할 필요가 있다.
일본 특허출원 공개공보 제 2003-117409호는 금속과 같은 가열부재를 사용하는, 마이크로 화학 반응로로서의, 열처리 장치(온도 조절수단)를 기술한다.
도 13은 이러한 가열부재를 포함하는 마이크로 개질기(100)를 도시한다. 챔버(101)는 개질기(100) 내에 형성되며, 가열부재(102)는 챔버(101)에 장치된다. 가 열부재(102)는 전원부(105)로부터 도선(103, 104)에 의하여 전도된다. 저항부재 온도 센서(108)는 챔버(101)에 배치되고, 저항부재 온도 센서(108)의 배선(109, 110)은 챔버(101) 내의 온도를 측정하기 위하여 열 기전력이 측정되는 온도 측정부(111)에 연결된다.
전력은 전원부(105)로부터 가열부재(102)로 도선(103, 104)을 통하여 공급되고, 가열부재(102)가 열을 생성할 때, 공급 파이프(106)를 통하여 챔버로 공급되는 물 및 연료는 가열부재(102)에 의하여 가열되며, 그래서 물 및 연료는 수소를 생산하는 반응을 일으키게 된다. 이러한 연결에서, 최적의 온도 범위는 일반적으로 물과 연료 사이의 화학 반응에 존재한다. 그러므로, 온도 측정부(111)에 의하여 측정된 온도를 나타내는 신호는 제어부(112)로 입력되고, 제어부(112)는 입력된 신호에 따라 전원부(105)의 전기력을 제어하며, 그리하여 가열부재(102)의 온도뿐만 아니라 최적의 온도 범위 내의 챔버(101)에서 온도 또한 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 가열부재(102) 및 저항부재 온도 센서(108)가 챔버(101)에 배치된 구성에서, 도선(103, 104) 및 배선(109, 110)은 외부로부터 챔버 내부로 통하게 되고, 이는 배선의 수의 증가에 의한 복잡한 연결 구조의 문제를 수반하며, 따라서 개질기가 감압 용기에 저장될 필요가 있을 때 특히 이러한 문제가 방해가 된다.
또한, 가열부재(102)에 의해 생성된 모든 열 에너지는 물 및 연료 간의 반응에 사용되는 것이 바람직하지만, 도선(103, 104) 및 배선(109, 110)은 낮은 저항 도체이고 따라서 적어도 부분적으로는 금속을 함유하며, 금속은 높은 열-전도체이 고 챔버(101) 내의 열을 개질기(100) 외부로 전도시키므로 이는 챔버(101) 내의 열 에너지가 손실되는 문제를 가지고, 또한 온도 측정 정밀성의 감소 문제를 가진다.
본 발명의 하나의 장점은, 구성을 단순하게 할 수 있고 개질기의 로에서 열 손실이 감소되게 할 수 있으며 그리하여 온도 측정 정밀성을 증가시키는 온도 측정 장치 및 전력 생성 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 열처리 장치는, 기판에 장치되어 있으며,
발열층;
발열층의 발열에 기인한 열 확산을 방지하기 위하여 발열층의 일면에 접하는 확산 방지층; 및
기판 및 확산 방지층 사이에 장치된 결합층;을 포함하는 발열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명의 다른 특징에 따른 전력 생산 모듈은,
발열층, 발열층의 발열에 기인한 열 확산을 방지하기 위하여 발열층의 일면에 접하는 확산 방지층, 및 기판 및 확산 방지층 사이에 장치된 결합층을 포함하는 발열부;
발열부의 발열에 의하여 연료를 수소로 개질하는 개질기;
개질기에서 형성된 수소로 전기력을 생산하는 연료전지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 전력 생산 모듈은,
온도 변화에 따라 저항을 변화시키는 저항층, 저항층의 열 확산을 방지하기 위하여 저항층의 한 면에 접하는 확산 방지층, 및 기판 및 확산 방지층 사이에 장치된 결합층을 포함하는 발열부;
발열부의 발열에 의하여 연료를 수소로 개질하는 개질기;
개질기에서 형성된 수소로 전기력을 생산하는 연료전지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 의한 열처리 장치 및 발열 모듈에 의하면, 확산 방지층은 발열층(또는 저항층)이 열을 생성할 때 확산 방지층은 발열층이 열적으로 확산되는 것을 방지하고, 따라서 발열층의 저항치가 온도 변화에 따라 거의 변하지 않게 하며, 예를 들면 소정의 전압이 인가되는 경우, 발열층은 언제나 원하는 온도로 가열될 수 있다. 또한, 이러한 확산 방지층 및 기판 사이의 더 좋은 결합 특성을 가지기 위하여, 발열부가 기판으로부터 분리되는 것을 방지하기 위하여 그 사이에 결합층이 장치될 수 있다.
그러므로, 발열부에서, 저항치 및 온도 변화는 서로 종속적이므로, 발열부의 저항 또는 예를 들면 전류치와 같은 저항에 원인이 되는 물리량은 특정한 경우에 발열부의 온도를 측정하기 위하여 측정될 수 있고, 그리하여 발열부는 또한 온도 센서로 사용될 수 있다. 따라서 열처리 장치에 발열부로부터 분리된 온도 측정부를 제공하는 것이 불필요하며, 그러므로 온도 측정부를 위하여 배타적으로 제공되는 배선이 요구되지 않는다. 그러므로, 이전보다 적은 배선이 요구되며, 따라서 열처리로로부터의 열손실 감소 및 온도 측정 정확성이 높아지게 하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 발열부가 적용되는 동력 생산 시스템의 기본 구성을 도시하는 블럭도;
도 2는 동력 생산 시스템(1)의 개략적인 내부 구성을 도시하는 투시도;
도 3은 동력 생산 시스템에 장치되는 증발기, 증기 개질 반응기, 수용성 전이 반응기 및 선택적 산화 반응기를 도시하는 투시도;
도 4는 증발기, 증기 개질 반응기, 수용성 전이 반응기 및 선택적 산화 반응기를 도시하는 단면도;
도 5는 발열 저항막의 구성을 도시하는 단면도;
도 6은 전기 저항 및 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 7은 전기 저항 및 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 8은 전기 저항 및 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 9는 전기 저항 및 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 10은 전기 저항 및 층의 두께 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 11은 전기 저항 및 온도 변화 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 12는 본 실시예에서 발열부를 도시하는 블럭도; 및
도 13은 통상적인 개질기를 도시하는 도이다.
본 발명을 실행하기 위한 실시예가 도면을 참조하여 이하에서 서술될 것이다. 그러나, 본 발명의 범위는 도면에서 도시되는 예에 제한되지 않는다.
도 1은, 본 발명에 의한 발열부 또는 가열원(80)이 적용되는 동력 생산 시스템(1)의 기본적인 구성을 도시하는 블럭도이고, 도 2는 동력 생산 시스템(1)을 일부 분해하여 내부 구성을 개략적으로 도시하는 투시도이다.
동력 생산 시스템(1)은 연료 용기(2) 및 연료 용기(2)에 탈착 가능한 동력 생산 모듈(5)을 포함한다. 동력 생산 모듈(5)은, 화학 연료(열-처리될 연료)를 개질하는 개질수단 또는 개질부(3)(개질기), 개질수단(3)에 의하여 개질된 연료로 전기력을 생산하는 연료전지(4), 및 연료전지(4)에 의하여 생산된 전기력을 저장하고 원하는 만큼 출력하는 저장부(6)를 가진다. 전원부(60)는 저장부(6)로부터 공급되는 전기력을 전체 동력 생산 모듈(5)로 분배한다. 제어부(70)는 개질수단(3), 연료전지(4), 저장부(6) 및 전원부(60)를 전기적으로 제어한다. 발열부(80)는 개질수단(3)을 적당한 온도로 가열한다.
연료 용기(2)는 화학 연료 및 물의 혼합물인 연료(9)(도 2)를 저장한다. 화학 연료는 메탄올(CH3OH) 및 에탄올(C2H5OH)과 같은 알코올 및 성분의 일부는 수소를 가지는 휘발유와 같은 수소 합성물을 포함한다. 본 실시예에서는, 연료 용기(2)에 저장된 연료(9)는 메탄올 및 물이 같은 몰수로 균일하게 혼합된 혼합물이다.
도 2에서 도시되는 것과 같이, 동력 생산 모듈(5)은 또한 상부에 저장부(6)에서 외부로 전기 출력을 전송하는 단자(14)를 포함한다. 모듈(5)은 또한, 연료 용기(2)의 맞은편 위치에, 연료 용기(2)와 물을 교환하는 파이프(37)와 결합하기 위한 돌출부(7) 및 연료 용기(2)의 연료(9)를 공급하는 공급 파이프(11)를 받아들이 기 위한 돌출부(8)를 더 포함한다. 돌출부(7) 및 돌출부(8)는 동력 생산 모듈(5)을 연료 용기(2)로 결합시키기 위하여 연료 용기(2)에 맞물린다. 연료 용기(2)가 동력 생산 모듈(5)에 결합하였을 때, 돌출부(8)는 공급 파이프(11)의 말단에 밀봉막(12)을 찢고, 연료(9)는 공급 파이프(11)에서 모세관 현상에 기인하여 동력 생산 모듈(5)로 공급될 수 있다.
개질수단(3)은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)를 포함한다. 이러한 능동부품들(31, 32, 33 및 34) 각자는, 유리, 실리콘, 알루미늄 합금 등으로 만들어진 다수의 작은 기판이 함께 첨부된 구조를 가지고 있고, 또한 발열부(80)를 가진다. 능동 부품들(31, 32, 33 및 34)은, 연료 및 연료를 개질하여 생산된 유체가 첨부된 기판 사이에 제공된 유동로로서의 홈을 통하여 흐를 때, 연료를 증발시키거나 유체의 적어도 일부에 대해 화학 반응을 일으키기 위하여 발열부(80)가 유체를 가열하기 위한 마이크로 반응기로서 기능을 한다.
증발기(31)는 연료 용기(2)로부터 공급되는 연료(9)가 열-처리되는 로이다. 그러므로, 증발기(31)는 발열부(80)가 연료 용기(2)로부터 공급되는 연료(9)를 80℃ 내지 130℃로 가열하게 하고, 그리하여 연료(9)를 증발시킨다. 증발기(31)에 의하여 증발된 공기-연료 혼합물은 증기 개질 반응기(32)로 공급된다.
반응기(32)는 증발기(31)로부터 공급되는 공기-연료 혼합물이 열-처리되는 반응로이다. 발열부(80)는 증기 개질 반응기(32)에서 온도를 250℃ 내지 300℃로 증가시키고, 그리하여 증발기(31)로부터 공급되는 공기-연료 혼합물은 [화학식 1] 에서와 같이 개질 촉매에 의하여 수소 가스 및 이산화탄소 가스로 개질된다.
증발기(31)로부터 공급되는 공기-연료 혼합물은 특정한 경우 수소 가스 및 이산화탄소 가스로 완전히 개질되지 않을 수 있고, 작은 양의 일산화탄소가 [화학식 2]에서와 같이 증기 개질 반응기(32)에서 생산될 수 있다.
수소 가스 외에, 증기 개질 반응기(32)에서 생산된 이산화탄소 가스 및 일산화탄소 가스, 반응하지 않은 증기가 수용성 전이 반응기(33)로 공급된다. 증기 개질 반응기(32)의 상세는 후술될 것이다.
수용성 전이 반응기(33)는 증기 개질 반응기(32)로부터 공급되는 공기-연료 혼합물(수소 가스, 이산화탄소 가스, 증기 및 일산화탄소 가스를 포함)이 열-처리되는 반응로이다. 그러므로, 수용성 전이 반응기(33)가 [화학식 3]에서와 같이 촉매의 사용에 의하여 증기 개질 반응기(32)로부터 공급되는 공기-연료 혼합물에서 일산화탄소를 제거하는 수용성 전이 반응을 일으키게 하기 위하여, 발열부(80)는 수용성 전이 반응기(33)의 내부를 160℃ 내지 200℃로 가열한다.
증기 개질 반응기(32)에서 반응하지 않은 증기가 수용성 전이 반응에서 사용되고, 혼합물에서 증기 및 일산화탄소의 농도는 상당히 낮아진다. 혼합 가스(수소 가스, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스 등을 포함)는 수용성 전이 반응기(33)로부터 선택적 산화 반응기(34)로 공급된다.
전술한 [화학식 1] 및 [화학식 2]의 좌변의 물은 연료 용기(2)의 병(39)에 밀봉된 연료(9)에 미리 함유되었지만, 연료(9)에 함유되고 [화학식 2]에서 반응하지 않은 물이 [화학식 3]의 좌변의 물로 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 후술될 연료전지(4)에서 생성된 물이 밸브(36)에 의하여 제어되는 물 투입 파이프(38)를 거쳐 수용성 전이 반응기(33)로 투입될 수 있고, 또는 병(39)으로부터 분리되어 연료 용기(2)에 축적된 물이 물을 얻기 위한 모세관 현상의 사용에 의하여 파이프(37)로부터 물 투입 파이프(38)로 투입될 수 있다.
연료(9)에 함유된 화학 연료의 농도를 증가시키기 위하여 연료전지(4)에서 생성된 물이 [화학식 2]의 좌변의 물로서 밸브(36)에 의하여 제어되는 물 투입 파이프(38)를 통해 증기 개질 반응기(32)로 투입될 수 있고, 병(39)으로부터 분리되어 연료 용기(2)에 축적된 물이 물을 얻기 위한 모세관 현상의 사용에 의하여 파이프(37)로부터 물 투입 파이프(38)로 투입될 수 있다는 것에 주목하여야 한다.
선택적 산화 반응기(34)는 수용성 전이 반응기(33)로부터 공급되는 혼합 가스 또는 공기-연료 혼합물(수소 가스, 이산화탄소 가스, 증기 및 일산화탄소 가스)가 열-처리되는 반응로이다. 그러므로, 선택적 산화 반응기(34)가 촉매의 사용에 의하여 수용성 전이 반응기(33)로부터 공급되는 혼합물에서부터 일산화탄소 가스를 선택하고, 그리하여 [화학식 4]에서와 같이 일산화탄소 가스를 산화시키기 위하여, 발열부(80)는 선택적 산화 반응기(34) 내부를 160℃ 내지 200℃로 가열시킨다.
[화학식 4]의 좌변의 산소는 전력 생산 모듈(5)의 공기 구멍(35)을 통하여 선택적 산화 반응기(34)로 공급되는 대기로부터 얻어진다. 또한, 촉매가 [화학식 4]의 화학 반응을 선택적으로 촉진시키기 위하여 선택적 산화 반응기(34) 내에 형성되어 있기 때문에, 공기-연료 혼합물에 함유된 수소는 거의 산화되지 않는다. 공기-연료 혼합물은 선택적 산화 반응기(34)로부터 연료전지(4)로 공급되지만, 공기-연료 혼합물은 거의 일산화탄소 가스를 포함하지 않고, 수소 가스 및 이산화탄소 가스의 순도는 매우 높다. 시스템이 다른 유해한 부산물로부터 수소를 분리할 수 있는 선택적 산화 반응기(34)가 장치된 경우, 부산물은 공기 구멍(35)으로부터 방출될 수 있다.
연료전지(4)는 전력 생산 모듈(5)의 외부 표면에 장치될 수 있다. 연료전지(4)는, 촉매 미세 입자가 관통된 연료 전극(음극), 촉매 미세 입자가 관통된 공기 전극(양극), 및 연료 전극 및 공기 전극 사이에 위치한 막-유사 이온 전도막을 포함한다. 선택적 산화 반응기(34)로부터의 공기-연료 혼합물은 공기 전극으로 공급되고, 동시에 대기 중의 산소 가스는 전력 생산 모듈(5)의 외부 표면에 장치된 슬릿(13)을 거쳐 공기 전극으로 공급된다.
수소 가스가 [전자화학식 5]에서 도시되는 것처럼 연료 전극으로 공급될 때, 전자가 분리된 수소 이온이 연료 전극에 관통하는 촉매에 의하여 생산되고, 수소 이온은 이온 전도막을 통하여 공기 전극으로 전도되며, 그리고 전자는 연료 전극에 의하여 외부로 추출된다. 선택적 산화 반응기(34)로부터 공급되는 연료-공기 혼합물의 일산화탄소 가스는 어떠한 반응도 없이 외부로 방출되는 것에 주목하여야 한다.
[전자화학식 6]에서 보이는 것과 같이, 산소 가스가 공기 전극으로 공급될 때, 수소 전도막을 통과한 수소 이온, 산소 가스 및 전자는 물을 생성하는 반응을 유발한다.
전술한 전자화학적 반응은 전기 에너지를 생산하기 위하여 연료전지(4)에서 발생한다.
다음으로, 발열부(80)가 상세히 서술될 것이다.
발열부(80)는, 소정의 전압이 사용될 때 열을 생성하기 위한 가열부재이면서 또한 온도 변화에 따른 저항률의 변화를 이용하는 온도 센서로서 작동하는, 발열 저항막(47)(발열 저항부재(도 4 참조))을 가진다. 전원부(60)는 열을 생성하기 위하여 발열 저항막(47)으로 전압을 공급하는데 사용이 된다. 제어부(70)는 발열 저항막(47)의 저항치를 계산하기 위하여 이 전압치 및 발열 저항막(47)을 통하여 흐르는 전류치를 읽고, 저항치로부터 발열 저항막(47)의 온도를 얻는다.
제어부(70)는 발열 저항막(47)의 계산된 온도에 기초하여 발열 저항막(47)의 온도를 제어하고, 그러므로 발열 저항막(47)으로부터 열전달에 의하여 각각 가열되는 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 온도를 제어한다.
보다 상세하게는, 발열 저항막(47)의 온도가 소정의 범위보다 낮을 때, 그러므로 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 온도가 소정의 범위보다 낮을 때, 제어부(70)로부터의 명령 신호는 온도를 증가시키기 위하여 전원부(60)가 발열 저항막(47)으로 높은 전압을 인가시키도록 한다. 대조적으로, 발열 저항막(47)의 온도가 소정의 범위보다 높을 때, 그러므로 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 온도가 소정의 범위보다 높을 때, 제어부(70)로부터의 명령 신호는 온도를 감소시키기 위하여 전원부(60)가 발열 저항막(47)으로 낮은 전압을 인가시키도록 하거나 전압의 인가를 중지시킨다. 그리하여, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 각각의 반응에 알맞은 온도 범위 내로 조절된다.
도 3은 각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 (IV)-(IV)선을 따라 화살표 방향으로 절개한 부분 단면도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 2장의 기판(41, 42)이 중첩되어 함께 접착된 구조이고, 지그재그형 미세유동로(43)(유동 경로)는 기판(41 또는 42)의 접착된 표면내에 형성된다. 미세유동로(43)는 일면에 지그재그 홈이 형성된 유리나 실리콘 기판 같은 기판(41)을 유리나 기판 같은 기판(42)에 붙여서 접착하는 방식으로 형성되어진다. 홈은 포토리소그래피 방법, 에칭방법 등을 기판(41)의 일면에 적절히 응용함으로서 형성된다. 기판(41)은 일예로, 15 ~ 35 mm의 길이, 10 ~ 25 mm의 폭 및 0.4 ~ 1 mm의 두께의 적당한 크기를 갖고, 기판(41)의 한쪽면에 구비된 지그재그형 홈의 크기는 일예로서, 약 0.05 ~ 0.8 mm의 폭, 약 0.05 ~ 0.6 mm의 깊이, 및 약 10 ~ 1000 mm의 전체 길이를 갖는다.
공급 파이프(44)의 일단은 각 장치(31 ~ 34)의 미세유동로(43)의 일단과 연결되고, 배출 파이프(45)의 일단은 미세유동로(43)의 타단과 연결된다. 여기서, 증발기(31)의 공급 파이프(44)는 연료 용기(2)와 연통하고, 증발기(31)의 배출 파이프(45)는 증기 개질 반응기(32)의 공급 파이프(44)와 연통한다. 더욱이, 증기 개질 반응기(32)의 배출 파이프(45)는 수용성 전이 반응기(33)의 공급 파이프(44)와 연통한다. 수용성 전이 반응기(33)의 배출 파이프(45)는 선택적 산화 반응기(34)의 공급 파이프(44)와 연통한다. 선택적 산화 반응기(34)의 배출 파이프(45)는 연료 전지(4)의 연료 전극과 연통한다.
개질촉매막(46)은 측벽의 내벽상에 형성되고, 미세유동로(43)의 입구측 또는 일단으로부터 전체 미세유동로(43)를 따라 출구 또는 타단까지 미세유동로(43)의 천정을 형성하고, 발열저항막(47)은 미세유동로(43)의 일단에서부터 미세유동로(43)를 따라 타단까지 미세유동로(43)의 바닥(기판(41, 42)의 표면)상에 형성된다. 개질 촉매막(46)은 수소의 생산을 촉진하기 위하여 화학적 연료를 개질한다. 여기서, 증기 개질 반응기(32)용으로는 전술한 화학식(1)에 도시된 화학반응이 촉매막(46)에 의해 촉진되고, 수용성 전이 반응기(33)용으로는 전술한 화학식(3)에 도시된 화학반응이 촉매막(46)에 의해 촉진되고, 선택적 산화 반응기(34)용으로는 전술한 화학식(4)에 도시된 화학반응이 촉매막(46)에 의해 촉진된다. 개질 촉매막(46)의 성분, 종류 등과 같은 것은 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)와 다르거나 같을 수 있다. 덧붙여, 증발기(31)의 경우 개질 촉매막(46)이 형성되지 않는다.
도 5는 발열저항막(47)의 개략적인 구성을 도시하는 길이방향 단면도이다.
발열저항막(47)은 발열층(47a), 발열층(47a)의 발열에 기인한 확산 현상을 방지하기 위한 확산방지막(47b) 및 확산방지막(47b)과 기판(41) 표면 사이의 결합강도를 강화하기 위한 결합층(47c)의 층구조를 갖는다.
각각의 발열층(47a)은 온도의 변화에 따라 저항이 크게 변하는 물질로 이루어져 있고, 결합층(47c), 확산방지층(47b), 및 발열층(47a)중 가장 낮은 저항으로 인하여 발열저항막(47)으로 전압이 인가되어 전류가 통과할 때 열이 발생한다.
각각의 발열층(47a)은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응 기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)를 적절히 가열함으로서, 필요한 만큼 화학반응을 일으키게 하고 그들의 저항 변화로부터 온도 변화를 읽을 수 있는 온도 센서로서의 구실을 한다. 발열저항막(47)의 가열은 온도 센서에 의해 얻어진 온도 정보에 따라 조정되고, 이로서 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 소정의 온도 범위내에 놓이게 된다. 확산방지층(47b)은 고온에서 밀착된 접착상태를 유지할 수 있는 물질로 만들어지고, 이로서 발열층(47a)은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)에서 화학반응이 유발되는 온도범위내에서 열적 확산을 일으키지 않는다. 결합층(47c)은 확산방지층(47b)보다 기판(41)을 더 잘 결합시키고, 발열저항막(47)이 기판(41)으로부터 박리되는 것을 방지하도록 하기 위하여 기판(41)과 확산방지층(47b) 사이에 위치한다.
도 6은 일반적인 금속(A, B)의 전기 저항과 온도 변화 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 도면의 수평축은 금속의 온도를 나타내고, 수직축은 온도(T℃)에서 금속의 전기저항 R(T)을 나타낸다.
일반적인 금속의 경우, 예를 들어 금속내의 불순물과 격자 결함에 기인하여 온도 변화(0℃ 포함)에 따라 전기 저항이 변하지 않는 영역(D1)이 있고, 금속 원자의 열적 진동 등에 기인하여 온도에 따라 전기저항이 선형함수적으로 변화하는 영역(D2)이 있다. 이하의 설명에서, 영역(D1)내의 0℃에서 전기저항을 잔류저항(R(0))이라 칭한다.
영역(D1)에서, R(0) 및 R(T)는 실질적으로 같은 값을 갖고, 그리고 영역(D2) 에서는 다음과 같은 [화학식 7]이 성립한다.
여기서, α는 온도변화에 따른 전기 저항의 변화율이고, 각 금속에 대한 고유값이다.
따라서, 금속의 잔류저항(R(0))과 온도변화에 따른 전기저항의 변화율(α)은 미리 얻어지고, R(T)는 영역(D2)에서 온도 측정부에 의해 측정됨으로서 미세유동로의 온도(T)가 산출될 수 있다.
여기서, 금(Au)은 발열층(47a)을 구성하는 주된 물질으로서 사용되는 것이 바람직하다. Au는 온도변화에 대한 전기저항의 변화율(α)이 높은 것으로 특징지워지기 때문에, 온도(T)의 측정 오류를 줄일 수 있다.
확산방지층(47b)을 구성하는 주된 물질은 발열층(47a)을 구성하는 물질의 일부가 확산방지층(47b) 내로 열적 확산되는 것을 방지하는 물질이며, 그리고 견고하고 상대적으로 높은 용융점을 가짐으로서 확산방지층(47b)내의 주된 물질이 발열층(47a)과 결합층(47c)내로 열적 확산되지 않는 물질인 것이 바람직하다. 낮은 반응성을 가짐으로서 가열에 의해 산화되지 않는 물질인 것도 바람직하다. 이와 같은 조건을 만족하는 물질은 예를 들어 텅스텐(W)이다. 여기서, W로 만들어진 확산방지층(47b)은 유리와 같은 산화물을 가진 기판(41)에 잘 결합되지 않으므로, 결합층(47c)이 확산방지층(47b)과 기판(41) 사이에 구비되는 것이 바람직하다.
도 7은 제 1 비교예로서, 50 nm의 두께를 가지고 Ti로 만들어진 확산방지층 (47b)이 기판(41)상의 표면에 형성되고 200 nm의 두께를 가지고 Au로 만들어진 발열층(47a)이 그 위에 형성될 때의 그래프이다. 도 8은 제 2 비교예로서, 100 nm의 두께를 가지고 Ta로 만들어진 확산방지층(47b)이 기판(41)에 형성되고 200 nm의 두께를 가지고 Au로 만들어진 발열층(47a)이 그 위에 형성될 때의 그래프이다. 도 9는 본 발명의 일실시예로서, 50 nm의 두께를 가지고 Ti로 만들어진 베이스층(47c)이 기판상의 표면에 형성되고, 50 nm의 두께를 가지고 W로 만들어진 확산방지층(47b)이 그 위에 형성되고, 그 다음 200 nm의 두께를 가지고 Au로 만들어진 발열층(47a)이 그 위에 형성될 때의 그래프이다. 도 7 내지 9의 수평축은 온도를 나타내고, 수직축은 영역(D2)내의 전기저항(R(T))이 잔류저항(R(0))에 의해 감산되는 저항비(R(T)/R(0))를 나타낸다.
도 7 및 8에서, 화살표로 지시된 바와 같이, 온도가 상온으로부터 증가하여 다시 상온으로 되돌아올 때, 전기저항(R(T))은 온도(T)가 250℃ 를 초과하는 영역에서 전술한 [화학식 7]이 성립되지 않음을 증명하는, 날카롭게 증가하는 현상을 볼 수 있다. 추측해 볼 때, 이것은 확산방지층(47b)내에서 사용된 Ti와 Ta내의 원자들이 열에너지를 통해 발열층(47a)의 측면으로 이동하고 그리고 발열층(47a)내의 원자들이 확산방지층(47b)으로 이동하는 확산현상에 기인한 것이다. 따라서, 발열저항막(47)의 각 층들의 성분은 변하고, 이로서 발열저항막(47)의 저항으로부터 정확한 온도를 측정하는 것이 어렵다. 왜냐하면, 저항비(R(T)/R(0))는 원래값을 다시 얻을 수 없고, 온도가 다시 상온으로 되돌아간다고 하더라도 다시 만들 수 없기 때문이다. 이에 반해, 비록 소정치의 전압이 인가된다고 하더라도, 전압이 인가되는 매시간마다 가열온도는 변하기 때문에 정확한 온도로 다시 가열하는 것은 가능하지 않다.
한편, 도 9는 전술한 [화학식 7]이 거의 성립하고, 전기저항(R(T))의 급속한 변화가 없는 것을 보여준다. 더욱이, 온도가 상온으로부터 증가하여 다시 상온으로 되돌아올지라도 저항비(R(T)/R(0))는 원래값으로 되돌아오고, 이로서 발열저항막(47)의 정확한 온도는 발열저항막(47)에 인가되는 전압과 전류를 판독함으로서 산출되는 저항값으로부터 항상 유도될 수 있다. 이로서, 발열저항막(47)은 온도 센서로서의 기능도 한다.
W는 앞서 언급한 물질들중 가장 높은 용융점을 가지고 있고, 용융점은 Ta, Mo, Ti, Cr의 순서로 낮아지는 것으로 주어지기 때문에, Mo 또는 Cr이 확산방지층(47b)으로서 사용될지라도 전기 저항 R(T)가 특정 온도를 넘어 급속히 증가하는 현상은 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 볼 수 있는 것이 아닌가 추측할 수 있다.
확산방지층(47b)의 물질로서 W를 사용하는 것은 확산 현상을 줄이는데 가장 효과적임을 보여준다.
Ta, Mo, Ti, Cr 및 TiN중 적어도 하나가 결합층(47c)을 구성하는 메인 물질로서 포함되는 것이 바람직하다. 확산방지층(47b)의 메인 물질로서의 W가 기판(41)으로 사용되는 산화막에 대한 낮은 결합 특성으로 인해 분리될 수 있음을 고려할 때, 기판(41)과 같은 산화물에 잘 결합하고, 그리고 W와 같은 금속에 잘 결합하는 물질로서 Ta, Mo, Ti 및 Cr 중 적어도 하나가 결합층(47c)을 구성하는 물질로서 사용된다.
발열층(47a)은 소정의 온도로 가열되기 위하여 적당한 저항을 가져야 할 필요가 있기 때문에, 그 두께는 100 nm ~ 700 nm 범위가 바람직하다.
도 10은 Au가 항온 조건하에서 발열층(47a)으로 사용될 때, 전기 저항 R(T)와 발열층(47a)의 두께 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
발열층(47a)의 두께가 50 nm 이고, 전기저항 R(T)가 5.7 μΩcm일 때, 그리고 두께가 100 nm 이고, 전기저항 R(T)가 5.2 μΩcm일 때, 그리고 두께가 300 nm 이고, 전기저항 R(T)가 4.7 μΩcm일 때, 그리고 두께가 300 nm 을 초과하고, 전기저항 R(T)가 실질적으로 일정한 값일 때이다.
여기서, 전기저항 R(T)이 단위량(1.0 μΩcm)으로 변화할 때 전기저항 R(T)의 값이 낮아질 수록, 전기저항 R(T)의 변화율은 더 높아진다. 예를 들어, 전기저항 R(T)이 10 μΩcm 부터 11 μΩcm까지 1 μΩcm만큼 변할 때, 변화율은 11/10 = 1.1 이 될 것이나, 전기저항 R(T)이 3 μΩcm 부터 4 μΩcm까지 1 μΩcm만큼 변할 때, 변화율은 4/3 = 1.33 이 될 것이다.
따라서, 만약 가능한 한 낮은 전기저항 R(T)를 갖고, 그리고 온도변화(T)에 기인하는 전기저항 R(T)의 가능한 한 큰 변화를 갖는 재질이 사용된다면, 전기저항 R(T)의 변화율은 더 쉽게 검출될 수 있고, 이 경우, 온도(T)의 측정 정밀도는 높아질 수 있다.
층의 두께가 100 nm 보다 얇다면, 전기 저항 R(T)는 너무 높고 온도(T)의 측정 정밀도는 낮다는 것을 실험 결과가 나타내고 있다. 층의 두께가 700 nm을 초과할 때 발열층(47a)과 확산방지층(47b) 사이의 결합강도는 충분히 보장될 수 없고, 발열층(47a)에 대해 균열과 같은 문제점이 유발될 수 있다는 것도 발견할 수 있었다. 따라서, 발열층(47a)의 두께는 100 nm 내지 700 nm 범위내인 것이 바람직하다.
도 11은 순금 덩어리(벌크 Au)내의 전기저항 R(T)의 온도 의존성과 100 nm의 두께를 갖는 Au로 만들어진 발열층(47a)과 W로 만들어진 확산방지막(47b)으로 구성된 발열 저항막(47)내의 전기저항 R(T)의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.
둘 다 온도 변화에 기인한 전기 저항 R(T)의 변화율에 있어서 커다란 변화가 없다는 것을 도 11에서 나타내고 있고, 변화율은 충분한 기울기의 각도를 가진 선형이고, 이로서 앞서 설명한 바와 같이 100 nm 내지 700 nm 범위내에서 발열층(47a)의 두께를 갖고, 발열저항막(47)은 실제로 충분한 정밀도를 갖는 것을 얻을 수 있다.
확산 방지층(47b)의 두께는 50 nm 내지 100 nm 범위가 바람직하다. 층의 두께가 50 nm 미만일 때 진공증착법, 스터링법, 또는 CVD 공법 등과 같은 기상 방법에 의해 각 층을 성형하기가 어렵기 때문이다. 그리고 층의 두께가 100 nm를 초과하더라도 확산 방지 특성에 주목할 만한 변화가 없기 때문이다. 더욱이, 100 nm 이상의 두께는 결합 특성에 영향을 미치지 않기 때문에 50 nm 내지 100 nm가 결합층(47c)의 두께로 충분하다.
앞서 설명한 바와 같은 특성을 갖는 발열저항막(47)에 전력을 공급하기 위해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 도선(48)이 미세유동로(43)의 일단에서 발열저항막(47)에 연결되고, 그리고 도선(49)이 미세유동로(43)의 타단에서 발열저항막(47)에 연결된다. 도선(48, 49)은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기 (33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 밖으로 연장된다. 도선(48, 49)은 발열저항막(47)과 비교하여 무시할 수 있을 정도로 매우 낮은 전기 저항을 갖는 것이 바람직하다.
각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 코너 지지부(50b)의 지지와 함께 상자(50)의 내부 공간(50a)내에 개별적으로 수용된다. 방사차폐막(51)은 상자(50)의 내면상에 형성되어 전자기파를 매우 잘 반사시킨다. 방사차폐막(52)은 상자(50)의 외면상에도 형성되어 있다. 2개의 방사 차폐막(51, 52)이 상자(50)에 형성되어 있으므로, 각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)에 의해 유발되는 전자기파는 상자(50)의 외부로 전파되어 나오기가 거의 힘들고, 각 장치(31, 32, 33, 34)로 반사됨으로서 열 복사를 줄인다.
도 4중, 상자(50)의 공간(50a)내에서 공기 압력은 1 스페이스의 진공 또는 그 이하일 정도로 매우 낮다. 공간(50a)의 내부가 1 토르 또는 그 이하이기 때문에, 공간(50a)의 내부로 열을 전파하는 몇몇의 매체가 있고, 이로서 열은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)로부터 상자(50)의 외부로 방출되어지는 것이 방지된다. 더욱이, 공간(50a)내에 열매체가 일부 있으므로, 열 매체의 대류는 공간(50a)내에서 매우 심하게 유발되지 않고, 이로서 열은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)로부터 외부로 전달되는 것이 차단된다.
각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택 적 산화 반응기(34)로부터 연장된 도선(48, 49)들은 상자(50)를 꿰뚫고, 상자(50)의 외부로 연장된다. 더욱이, 파이프(44, 45)도 또한 상자(50)를 꿰뚫어 상자(50)의 외부로 연장된다. 도 4에서, 각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 지지부(50b)에 의해 지지되고, 상자(50)의 내면으로부터 분리된다. 상자(50)의 내벽이 각각의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)로부터 이격되어 있으므로, 열이 각 장치(31, 32, 33, 34)로부터 하우징(50)으로 전도되는 것이 차단된다.
다음으로, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)를 구동하기 위한 전기 시스템이 도 12를 참조하여 설명되어질 것이다.
직류전원부(60)는 상자(50)의 외측에 구비되고, 도선(48, 49)은 전원부(60)의 단자에 연결됨으로서, 전원부(60)는 도선(48, 49)을 통해 발열 저항막(47)에 전력을 공급한다.
전원부(60)는 제어부(70)로부터의 제어신호에 따라 발열저항막(47)에 공급되는 전력을 변화시킬 수 있는 기능을 갖는다. 예를 들어, 만약 전원부(60)에 의해 공급되는 전압이 일정하다면, 전원부(60)는 도선(48, 49)을 통과하는 전류를 변화시킬 수 있고, 만약 전원부(60)에 의해 통과되는 전류가 일정하다면, 전원부(60)는 도선(48, 49)으로 인가하는 전압을 바꿀 수 있다.
선택적으로는, 전원부(60)는 전압과 전류 양쪽다 변화시킬 수 있다.
만약 전원부(60)에 의해 발열저항막(47)으로 인가되는 전압이 일정하다면, 전원부(60)는 발열저항막(47)을 통과하는 전류를 측정하고, 그리고 만약 전원부(60)에 의해 통과하는 전류가 일정하다면, 전원부(60)는 발열저항막(47)에 인가되는 전압을 측정한다. 자연적으로, 발전부(60)는 발열저항막(47)의 저항값을 얻기 위해 전압과 함께 전류를 측정한다.
전원부(60)로부터 발열저항막(47)에 인가되는 전압과 발열저항막(47)을 통과하는 전류가 측정될 때, 발열저항막(47)의 전기저항은 전원부(60)에서 검출될 수 있다. 발열저항막(47)의 전기저항이 온도에 종속적이기 때문에, 발열저항막(47)의 온도는 전원부(60)에 의해 측정된 전압과 전류로부터 산출될 수 있고, 이로서, 미세 유동로(43)의 온도 산출이 허용될 수 있다.
전원부(60)의 전력은 제어부(70)에 의해 제어되나, 만약 전원부(60)를 통과하는 전류가 일정하다면, 제어부(70)는 전원부(60)의 전압만을 제어하고, 그리고 만약 전원부(60)에 의해 인가되는 전압이 일정하다면, 제어부(70)는 저항을 측정하기 위하여 전원부(60)의 전류만을 제어한다.
전원부(60)에서 검출된 전기저항은 제어부(70)로 피드백되나, 만약 전원부(60)을 통과하는 전류가 일정하다면, 측정된 전압만이 제어부(70)로 피드백되고, 그리고 만약 전원부(60)에 의해 인가된 전압이 일정하다면, 측정된 전류만이 제어부(70)로 피드백된다. 전압만이 피드백될 때, 전원부(60)의 일정 전류의 레벨이 제어부(70)에 저장되고, 그리고 전류만이 피드백될 때, 전원부(60)의 일전 전압의 레벨이 제어부(70)에 저장된다. 따라서, 발열저항막(47)의 전기저항은 제어부(70)내 에 인식되어지고, 결과적으로 발열저항막(47)의 온도가 인식되어진다. 앞서 언급한 바와 같이, 전원부(60)와 제어부(70)의 결합은 본 발명에 따른 온도측정부를 구성한다.
제어부(70)는 기본적으로 전원부(60)에 의해 측정된 전류와 전압을 나타내는 신호들에 기초하여 전원부(60)의 전력을 조정하나, 다목적 CPU(중앙 처리 유닛) 또는 전용 논리 회로로 구성된 연산 처리유닛을 갖고, 전원부(60)를 제어하기 위하여 전원부(60)로부터의 신호들을 처리한다. 더욱이, 제어부(70)는 피드백되어진 전류와 전압으로부터 오옴의 법칙에 의해 발열저항막(47)의 전기저항을 산출하는 과정을 처리할 수 있고, 발열저항막(47)의 전기 저항으로부터 발열저항막(47)의 온도를 산출하는 과정을 처리할 수 있다. 만약, 발열저항막(47)과 미세 유동로(43)가 열정으로 균형을 이룬다면, 발열저항막(47)의 온도는 미세 유동로(43)의 온도와 같다.
다음으로, 동력 생성 시스템(1)의 동작의 일예가 설명되어질 것이다.
첫번째로, 개질수단(3)을 구동하기 위한 제어신호가 제어부(70)로부터 전원부(60)로 입력될 때, 가열을 위한 전력은 전원부(60)로부터 각각의 도선(48, 49)을 통해 증발기(31)의 발열저항막(47), 증기 개질 반응기(32)의 발열저항막(47), 수용성 전이 반응기(33)의 발열저항막(47) 및 선택적 산화 반응기(34)의 발열저항막(47)에 공급되고, 각 발열저항막(47)은 소정의 온도에 다다르기 위해 발열한다. 전원부(60)에서, 모든 발열저항막(47)에 인가된 전압과 발열저항막947)을 통해 흐르는 전류는 항상 측정되고(그러나, 만약 전원부(60)가 일정한 전압을 갖는다면 전류만이 측정되고, 그리고 만약 전원부(60)가 일정한 전류를 갖는다면 전압만이 측정 된다), 측정된 전류와 전압을 대표하는 신호들은 전원부(60)로부터 제어부(70)로 항상 입력된다.
이러한 시점에서, 연료(9)는 연료 용기(2)로부터 증발기(31)로 공급되고, 연료(9)는 증발기(31)내에서 기화하고, 그리고 증발기(31)내의 공기 압력은 대류를 일으킬 정도로 증가한다. 따라서, 메탄올과 물의 공기-연료 혼합물은 증발기(31)로부터 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34) 및 연료전지(4)의 순서로 흐른다.
증기 개질 반응기(32)에서, 공기-연료 혼합물은 미세 유동로(43)를 통해 공급 파이프(44)로부터 배출 파이프(45)로 흐른다. 공기-연료 혼합물이 미세 유동로(43)를 통해 흐르는 동안, 공기-연료 혼합물은 발열저항막(47)에 의해 가열된다. 공기-연료 혼합물은 앞서의 화학식 (1)과 (2)와 같은 반응을 일으키기 위하여 개질 촉매막(46)에 의해 촉진된다. 앞서의 화학식 (1)이 흡열반응을 나타내므로, 공기-연료 혼합물은 매우 높은 반응 속도를 달성하기 위해 발열저항막(47)에 의해 가열된다.
수용성 전이 반응기(33)에서, 공기-연료 혼합물은 앞서의 화학식 (3)과 같은 반응을 일으키기 위하여 발열저항막(47)에 의해 가열되고, 이와 유사하게 선택적 산화 반응기(34)에서, 공기-연료 혼합물은 앞서의 화학식 (4)와 같은 반응을 일으키기 위하여 발열저항막(47)에 의해 가열된다. 따라서, 개질수단(3)에 의해 개질되어 얻어진 수소가 공급되어지는 연료전지(4)내에서 전기화학적 반응이 일어나고, 이로서 전기 에너지가 생성된다.
전원부(60)는 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)에 대해 개별적으로 온도제어를 수행한다.
특히, 발열저항막(47)의 전압과 전류를 나타내는 신호들은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)에서 모두 요구됨으로서 전원부(60)로부터 제어부(70)로 입력되고, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 발열저항막(47)의 전기 저항은 각각의 발열저항막(47)의 온도가 제어부(70)에서 인식되는 결과와 함께 제어부(70)에서 산출된다. 즉, 증발기(31)의 발열저항막(47)의 저항을 포함하는 정보는 도선(48, 49)을 통해 전원부(60)와 통신하고, 측정 신호로서 제어부(70)에 입력된다. 증기 개질 반응기(32)의 발열저항막(47)의 저항을 포함하는 정보는 도선(48, 49)을 통해 전원부(60)와 통신하고, 측정 신호로서 제어부(70)에 입력된다. 수용성 전이 반응기(33)의 발열저항막(47)의 저항을 포함하는 정보는 도선(48, 49)을 통해 전원부(60)와 통신하고, 측정 신호로서 제어부(70)에 입력된다. 선택적 산화 반응기(34)의 발열저항막(47)의 저항을 포함하는 정보는 도선(48, 49)을 통해 전원부(60)와 통신하고, 측정 신호로서 제어부(70)에 입력된다. 따라서, 측정신호는 적절히 피드백됨으로서 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 각각 소정의 온도에서 안정화된다.
더욱이, 제어부(70)는 발열저항막(47)의 온도를 조절하는 과정을 수행한다. 예를 들어, 만약 발열저항막(47)의 온도가 상한 임계값 온도 보다 더 높다면, 제어부(70)는 전원부(60)를 제어하고, 이로서 전원부(60)로부터 발열저항막(47)으로 공 급되는 전력은 현재의 전력보다 더 낮아지고, 만약 발열저항막(47)의 온도가 하한 임계값 온도 보다 더 낮다면, 제어부(70)는 전원부(60)를 제어하고, 이로서 전원부(60)로부터 발열저항막(47)으로 공급되는 전력은 현재의 전력보다 더 높아진다. 전원부(60)로부터 발열저항막(47)으로 공급되는 전력은 제어부(70)에 의해 조정됨으로서, 발열저항막(47)의 온도는 하한 임계값 온도와 상한 임계값 온도 사이에서 유지된다. 제어부(70)는 이와 같은 제어를 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34) 각각에 대해 수행한다. 즉, 증기 개질 반응기(32)의 경우, 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도가 제어부(70)에 의해 설정되고, 이로서 앞서의 화학식 (1)의 반응속도가 가장 빠른 온도는 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도 사이가 된다. 수용성 전이 반응기(32)의 경우, 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도가 제어부(70)에 의해 설정되고, 이로서 앞서의 화학식 (3)의 반응속도가 가장 빠른 온도는 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도 사이가 된다. 선택적 산화 반응기(34)의 경우, 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도가 제어부(70)에 의해 설정되고, 이로서 앞서의 화학식 (4)의 반응속도가 가장 빠른 온도는 상한 임계값 온도와 하한 임계값 온도 사이가 된다. 발열저항막(47)의 온도는 발열저항막(47)을 통과하는 전류로부터 변환될 수 있거나(전원부(60)가 일정한 전압을 가짐을 알아야 한다), 발열저항막(47)에 인가되는 전압으로부터 변환될 수 있거나(전원부(60)가 일정한 전류를 가짐을 알아야 한다), 또는 전압과 전류 양쪽으로부터 변환될 수 있음을 알아야 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 발열층(47a)의 발열에 기인한 확산을 방지하는 확산방지층(47b) 및 상기 확산방지층(47b)과 기판(41)사이의 결합력을 강화하기 위한 결합층(47c)이 발열저항막(47)의 발열층(47a)과 기판(41) 사이에 구비되고, 이로서 발열부(80)의 온도 측정 정밀도를 높이는 것이 가능하게 된다.
더욱이, 발열저항막(47)의 전기 저항 및 전기 저항에 의해 유일하게 정의되는 온도와 원하는 적정 온도 사이의 차이를 산출하기 위해 발열저항막(47)의 온도 상태에 대응하는 전류와 전압이 측정될 때, 동작은 도선(48, 49)이 발열저항막(47)에 노출됨으로서 도선(48, 49)만으로 수행되어질 수 있다. 왜냐하면, 발열저항막(47)은 가열수단과 최적의 온도 범위를 위해 발열저항막(47)을 통과하여 흐르는 전류와 발열저항막(47)에 인가되는 전압을 제어하고 변화시키기 위한 온도센서의 역할을 모두 다 해내기 때문이다. 다시 말해, 전력은 전원부(60)로부터 도선(48, 49)을 통해 발열저항막(47)으로 인가되고, 발열저항막(47)에 인가되는 전압과 발열저항막(47)을 통해 흐르는 전류는 도선(48, 49)을 통해 측정된다. 도선(48, 49)이 전원을 공급하는 배선과 발열저항막(47)의 온도를 측정하는 배선의 역할을 동시에 수행하기 때문에, 미세유동로(43)내에서 온도를 측정하기 위하여 별도로 배선 또는 배선들을 구비할 필요가 없고, 미세유동로(43)의 내부로부터 상자(50)의 외부로 배선을 연장할 필요도 없다. 따라서, 본 실시예는 이전에 비해 좋은 전도를 가지고, 배선을 통한 열손실의 감소를 이끌어내며 더 적은 배선으로 달성될 수 있다.
증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)가 더 작아질 수록 배선을 통한 열손실율은 증가하나, 본 실시에에서 도 선(48, 49)은 미세유동로(43)로부터 상자(50)의 외부로 연결되는 유일한 배선이기 때문에, 비록 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)가 크기면에서 작어지더라도 도선(48, 49)을 통한 열손실율은 중대하게 증가하지 않는다. 따라서, 연손실의 기간동안, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 크기 감소에 적당하다.
증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 발열저항막(47)은 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 미세유동로(43)내에 있는 공기-연료 혼합물을 가열할 뿐만 아니라 미세유동로(43)내의 온도를 측정하는데 이바지하고, 이로서 미세유동로(43)내에 온도 측정을 위한 어떠한 부재도 구비할 필요가 없다. 따라서, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)의 제조과정이 단순해진다.
더욱이, 써모커플이 두 접촉점 사이의 온도차를 측정하므로, 반대 접촉점에서는 영점 조정이 반드시 수행되어야 한다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같은 종래의 온도측정 회로는 복잡하나, 본 실시예에서는 미세유동로(43)내의 온도를 영점조정없이 측정할 수 있고, 이로서 전압 또는 전류 측정을 위한 전원부(60)내의 회로는 온도측정부(111)의 회로보다 더 단순하다.
본 발명은 앞서 설명한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 수정과 설계 대체 가 본 발명의 요지로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 개질수단(3)내에서 열적으로 처리되고 반응되어지는 공기-연료 혼합물은 메탄올과 증기를 포함하나, 수소성분을 포함할 수도 있고, 다른 알콜과 증기의 공기-연료 혼합물일 수도 있으며, 휘발유와 물의 공기-연료 혼합물일 수도 있다. 그러나, 공기-연료 혼합물의 종류에 따라 개질 촉매막(46)의 종류를 변경하는 것이 바람직하다.
더욱이, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)내에 형성된 내부 공간들은 앞서의 실시예에서 미세 유동로(43)가 되어졌으나, 단순히 중공 챔버가 될 수도 있다.
더욱이 또한, 앞서의 실시예들에서 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 상자(50)내에 밀봉되어 적층됨으로서, 공급파이프(44)와 배출 파이프(45)를 포함하는 전체 8개의 파이프들은 외부로 노출되어 열이 누출된다. 그러나, 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)가 모두 하나의 기판(41, 42) 셋트 위에 구비되고, 한 상자(50) 내에 밀봉된다면 공급파이프(44)와 배출 파이프(45)를 포함하는 전체 2개의 파이프가 전체 개질수단(3) 내에서 상자(50)로부터 노출되어질 것이다. 더욱이, 적층된 상태의 증발기(31), 증기 개질 반응기(32), 수용성 전이 반응기(33) 및 선택적 산화 반응기(34)는 하나의 상자(50) 내에 밀봉된다.
더욱이, 수용성 전이 반응기(33)와 선택적 산화 반응기(34) 둘다는 앞서의 실시예에서 부산물인 일산화탄소를 제거하기 위해 일산화탄소 제거기로 응용되나, 일산화탄소의 밀도를 충분히 덜 유독한 정도로 만들 수 있는 한 이들중 오직 하나만이 응용된다.
더욱이, 전술한 실시예에서 기판(41)의 어느 한면에만 홈이 형성되어 있었으나, 기판(42)의 오직 한면에만 형성될 수 있고, 유동로를 형성하기 위하여 홈이 형성되어 있지 않은 기판(41)의 면으로 홈을 덮을 수도 있다. 선택적으로는, 홈이 기판(41)과 기판(42)의 반대면에 형성될 수도 있고, 상호 반대되는 홈들은 유동로를 형성하기 위해 중첩될 수 있다. 홈들이 기판(41)과 기판(42) 양쪽 모두에 구비될 때, 홈의 주행 방향과 수직인 홈의 단면적은 증가될 수 있고, 따라서 반응을 더 빨리 가능하게 한다. 반대로, 만약 단면적이 오직 한쪽면에만 형성된 홈을 위한 단면적과 같도록 설정된다면, 기판(41)과 기판(42)내의 홈들의 깊이는 절반이 될 것이고, 이로서 홈들의 아래에 있는 부분들은 더 큰 두께를 가질 것이며, 기판의 얇은 부분인 홈으로 인해 유발되어지는 균열을 방지할 수 있다.
더욱이, 발열저항막(47)은 기판(41)의 외면에만 구비될 수 있거나, 기판(42)의 외면에만 구비될 수 있거나, 또는 기판(41)과 기판(42)이 하나의 발열저항막(47)을 갖도록 구비될 수도 있다.
Claims (21)
- Au를 포함하고, 온도에 따라 저항이 변화하는 발열층과, 상기 발열층의 한쪽 면에 접하고 상기 발열층의 발열에 수반한 상기 발열층의 확산을 방지하는 확산방지층과, 기판과 상기 확산방지층 사이에 배치된 결합층을 갖는 발열부;상기 발열부에 전압을 인가하거나 또는 전류를 흘려서 상기 발열부를 가열하는 전원부; 및상기 발열부에 인가된 전압 또는 전류로부터 상기 발열부의 저항을 판독하고, 상기 저항으로부터 상기 발열부의 온도를 판독하는 동시에 상기 발열부의 온도가 250℃를 넘도록 상기 전원부를 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 기판상에 구비되는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산방지층은 W를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 결합층은 Ta, Mo, Ti, Cr 및 TiN중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 발열층의 층두께는 100 nm ~ 700 nm 범위내인 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산방지층의 층두께가 50 nm ~ 100 nm 범위내인 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 결합층의 층두께가 50 nm ~ 100 nm 범위내인 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 발열부는 연료를 개질하고 수소를 생성하는 개질기 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 1 항에 있어서,연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기와,상기 개질기에 의해서 생성된 수소에 의해 발전하는 연료전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 전원부는 상기 연료전지에 의해 발전된 전력을 이용해서 상기 발열부를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리장치.
- Au를 포함하고 온도의 변화에 따라 저항이 변화하는 발열층과, 상기 발열층의 한쪽 면에 접하고 상기 발열층의 발열에 수반한 상기 발열층의 확산을 방지하는 확산방지층과, 기판과 상기 확산방지층 사이에 배치된 결합층을 갖는 발열부;상기 발열부에 전압을 인가하거나 또는 전류를 흘려서 상기 발열부를 가열하는 전원부;상기 발열부에 인가된 전압 또는 전류로부터 상기 발열부의 저항을 판독하고, 상기 저항으로부터 상기 발열부의 온도를 판독하는 동시에 상기 발열부의 온도가 250 ℃를 넘도록 상기 전원부를 제어하는 제어부;상기 발열부에서의 발열에 의해서 연료를 수소로 개질하는 개질기; 및상기 개질기에 의해서 생성된 수소에 의해 발전하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 확산방지층은 W를 포함하고, 상기 결합층은 Ta, Mo, Ti, Cr 및 TiN중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전장치.
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