KR101938752B1 - 연료전지용 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템의 작동을 위한 연료 및 기체 유량의 계측 및 제어를 동시에 수행할 수 있는 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 유체를 공급하는 펌프와, 상기 펌프로부터 출력되는 유체를 공급받는 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 유동채널과 연결되며, 상기 유동채널을 이동하는 상기 유체 중 일부가 분기되어 이동하는 바이패스관과, 상기 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 바이패스관을 통해 이동하는 상기 유체의 유량을 측정하는 멤스 질량유량센서와, 상기 멤스 질량유량센서로부터 측정되는 유량을 바탕으로 상기 펌프의 출력을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지용 질량유량 측정장치를 제공한다.
이를 위하여 본 발명은 유체를 공급하는 펌프와, 상기 펌프로부터 출력되는 유체를 공급받는 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 유동채널과 연결되며, 상기 유동채널을 이동하는 상기 유체 중 일부가 분기되어 이동하는 바이패스관과, 상기 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 바이패스관을 통해 이동하는 상기 유체의 유량을 측정하는 멤스 질량유량센서와, 상기 멤스 질량유량센서로부터 측정되는 유량을 바탕으로 상기 펌프의 출력을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지용 질량유량 측정장치를 제공한다.
Description
본 발명은 연료전지용 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 작동을 위한 연료 및 기체 유량의 계측 및 제어를 동시에 수행할 수 있는 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 시스템은 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하며, 수소를 함유한 연료가스와 공기 또는 산소를 함유한 산화제가스를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시키는 장치이다.
따라서, 원리상 열기관이 가지는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 비교적 적게 발생한다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 연료전지 시스템을 구동시키기 위하여 먼저 개질기(130)에 연료 및 공기를 공급하며, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 연료를 개질기(130)로 공급하는 연료블로워(111), 공기를 개질기(130)로 공급하는 공기블로워(121), 상기 연료블로워(111)로부터 상기 개질기(130)로 공급되는 연료의 유량을 측정하는 연료유량계(112), 상기 공기블로워(112)로부터 상기 개질기(130)로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 공기유량계(122) 및 상기 유량계에서 측정된 연료 또는 공기의 유량을 기준으로 상기 개질기(130)에 공급되는 연료 및 공기의 유량을 제어하기 위한 연료제어밸브(113) 및 공기제어밸브(123)로 구성된다.
이러한 경우, 상기 스택에 연료 또는 공기의 유량을 공급하기 위하여 일정한 압력이 끊임없이 유지되어야 하고, 이는 연료전지 시스템의 전체적인 전력 사용량이 상승되어 경제적인 문제가 발생될 수 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연료전지 시스템의 작동을 위한 연료 및 기체 유량의 계측 및 제어를 동시에 수행할 수 있는 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유체를 공급하는 펌프와, 상기 펌프로부터 출력되는 유체를 공급받는 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 유동채널과 연결되며, 상기 유동채널을 이동하는 상기 유체 중 일부가 분기되어 이동하는 바이패스관과, 상기 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 바이패스관을 통해 이동하는 상기 유체의 유량을 측정하는 멤스 질량유량센서와, 상기 멤스 질량유량센서로부터 측정되는 유량을 바탕으로 상기 펌프의 출력을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지용 질량유량 측정장치를 제공한다.
여기서, 상기 펌프는 다이어프램 펌프로 구성되며, 상기 유체는 연료 또는 공기이고, 상기 연료는 액체천연가스일 수 있다.
여기서, 상기 제어기는 PID 제어기로 구성되며, 맥동류를 안정시키는 디지털 신호처리 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 질량유량 측정장치.
또한, 본 발명은 연료를 개질기로 공급하는 연료펌프와, 상기 연료펌프로부터 공급되는 연료의 유량을 측정 및 제어하여 개질기로 상기 연료를 공급하는 연료 질량유량 측정장치와, 제1기체를 상기 개질기로 공급하는 제1기체펌프와, 상기 제1기체펌프로부터 공급되는 제1기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 개질기로 상기 제1기체를 공급하는 제1기체 질량유량 측정장치와, 제2기체를 연료전지 스택으로 공급하는 제2기체펌프와, 상기 제2기체펌프로부터 공급되는 제2기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 연료전지 스택으로 상기 제2기체를 공급하는 제2기체 질량유량 측정장치와, 냉각수를 상기 스택으로 공급하는 냉각수 펌프와, 상기 냉각수 펌프로부터 공급되는 냉각수의 유량을 측정 및 제어하는 냉각수 제어부를 포함하며, 상기 연료 질량유량 측정장치는, 상기 연료펌프로부터 출력되는 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 연료 유동채널과 연결되며, 상기 연료 유동채널을 이동하는 상기 연료 중 일부가 분기되어 이동하는 연료 바이패스관과, 상기 연료 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 연료 바이패스관을 통해 이동하는 상기 연료의 유량을 측정하는 제1멤스 질량유량센서와, 상기 제1멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 연료의 유량을 바탕으로 상기 연료펌프의 출력을 제어하는 제1제어기를 포함하고, 상기 제1기체 질량유량 측정장치는, 상기 제1기체펌프로부터 출력되는 상기 제1기체를 상기 개질기로 공급하는 제1기체 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 제1기체 유동채널과 연결되며, 상기 제1기체 유동채널을 이동하는 상기 제1기체 중 일부가 분기되어 이동하는 제1기체 바이패스관과, 상기 제1기체 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 제1기체 바이패스관을 통해 이동하는 상기 제1기체의 유량을 측정하는 제2멤스 질량유량센서와, 상기 제2멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 제1기체의 유량을 바탕으로 상기 제1기체펌프의 출력을 제어하는 제2제어기를 포함하며, 상기 제2기체 질량유량 측정장치는, 상기 제2기체펌프로부터 출력되는 상기 제2기체를 상기 개질기로 공급하는 제2기체 유동채널과, 입구단과 출구단이 상기 제2기체 유동채널과 연결되며, 상기 제2기체 유동채널을 이동하는 상기 제2기체 중 일부가 분기되어 이동하는 제2기체 바이패스관과, 상기 제2기체 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 제2기체 바이패스관을 통해 이동하는 상기 제2기체의 유량을 측정하는 제3멤스 질량유량센서와, 상기 제3멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 제2기체의 유량을 바탕으로 상기 제2기체펌프의 출력을 제어하는 제3제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 병렬로 연결되며, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 선택적으로 구동될 수 있다.
여기서, 상기 연료펌프, 상기 제1기체펌프, 상기 제2기체펌프 및 상기 냉각수 펌프는 다이어프램 펌프로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 PID 제어기로 구성되며, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 맥동류를 안정시키는 디지털 신호처리 과정을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지 시스템의 작동을 위한 연료 및 기체의 유량의 계측 및 제어를 동시에 수행할 수 있게 됨으로써 연료 및 기체의 유량을 제어하는 제어밸브가 별도로 구비되지 않아도 되는 이점이 있다.
둘째, 연료 및 기체의 유량을 제어하는 제어밸브가 생략됨으로써 스택에 연료 또는 공기의 유량을 공급하기 위하여 일정한 압력이 끊임없이 유지되어야 하는 과정을 생략할 수 있어 연료전지 시스템의 전체적인 전력 사용량이 감소하므로 경제적인 이익을 얻을 수 있는 이점이 있다.
셋째, 제1제어기, 제2제어기 및 제3제어기는 병렬로 연결되어 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 선택적으로 구동될 수 있으며, 마스터 모드로 구동되는 제어기는 외부의 마스터 제어장치로부터 구동명령을 받으며, 마스터 모드로 구동되는 이외의 제어기는 슬레이브 모드로 구동되어 상기 마스터 모드로 구동되는 제어기의 명령을 전달받아 구동됨으로써 병력확장이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 종래의 유량제어기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 연료전지용 질량유량 측정장치의 개략도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 연료전지용 질량유량 측정장치의 계측부에서 측정한 유량데이터와, 계측부에서 측정한 유량을 신호처리부에서 디지털 신호처리하여 보정한 유량데이터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 연료전지 시스템에서 제1제어기, 제2제어기 및 제3제어기가 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 구동될 때의 제어명령 전달을 도시하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 연료전지용 질량유량 측정장치의 개략도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 연료전지용 질량유량 측정장치의 계측부에서 측정한 유량데이터와, 계측부에서 측정한 유량을 신호처리부에서 디지털 신호처리하여 보정한 유량데이터를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 연료전지 시스템에서 제1제어기, 제2제어기 및 제3제어기가 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 구동될 때의 제어명령 전달을 도시하기 위한 도면이다.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
도 2 내지 도 4을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치를 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치는 펌프(210), 질량유량 측정본체(220), 멤스 질량유량센서(230), 제어기(250) 및 커버(270)를 포함한다.
먼저, 상기 펌프(210)는 상기 질량유량 측정본체(220)를 통하여 개질기(240)로 유체를 공급한다.
상기 유체는 연료 또는 공기이고, 상기 연료는 액체천연가스일 수 있다.
상기 질량유량 측정본체(220)에는 유동채널(221)과 바이패스관(222)이 형성되어 있으며, 상기 유동채널(221)의 입구단과 출구단에는 퀵파스너(260)가 결합되어 있다.
상기 퀵파스너(260)와 상기 질량유량 측정본체(220)는 PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cells)에서 사용하는 연료 중 하나인 액체천연가스(LNG)에 대한 내화학성을 가지는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 퀵파스너(260)와 상기 질량유량 측정본체(220)는 내화학성을 가지는 플라스틱의 한 종류이며, 250℃에 달하는 내열성과 높은 강도를 가지는PPS(Poly Phenylene Sulfide)재질로 구성될 수 있다. 또는 상기 퀵파스너(260)와 상기 질량유량 측정본체(220)는 POM(Poly Oxy Methylene) 수지 재질로 구성될 수 있으며, POM 수지 재질은 PPS 재질보다 비교적 제작 비용이 저렴하고 제작 시간이 짧으므로, 상기 질량유량 측정본체(220)를 제작하는 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 유동채널(221)은 상기 질량유량 측정본체(220)를 관통하는 형상으로 형성되어 있으며, 상기 펌프(210)로부터 출력되는 유체, 즉 연료 또는 공기를 상기 개질기(240)로 공급한다.
상기 바이패스관(222)은 입구단과 출구단이 상기 유동채널(221)과 연결되어 있으며, 상기 유동채널(221)을 이동하는 상기 유체 중 일부가 분기되어 이동하며, 상기 바이패스관(222)은 상기 유체의 유량을 측정하기 위하여 형성되어 있다.
상기 멤스 질량유량센서(230)는 상기 바이패스관(222) 내부에 위치하며, MEMS 기술로 제작된 박막형 Hot film 센서이며, Hot film 센서는 기존의 열선식 질량유량센서(Hot wire)의 높은 생산 비용 및 바이패스관(222)에 노출된 열선이 오염되어 계측 정밀도가 손상되는 단점을 보완함으로써 보다 정밀한 계측이 가능하게 한다.
즉, 상기 멤스 질량유량센서(230)는 상기 바이패스관(222)을 통해 이동하는 상기 유체의 유량을 측정함으로써 전체적으로 유동채널(221)에 공급되는 유체의 양을 판단할 수 있도록 한다.
상기 제어기(250)는 상기 멤스 질량유량센서(230)로부터 측정되는 상기 유체의 유량을 바탕으로 상기 펌프(210)의 출력을 제어하며, 구체적으로 상기 제어기(250)는 전원부(미도시), 계측부(254), 신호처리부(252), 통신부(251) 및 제어부(253)를 포함한다.
상기 전원부는 본 발명에 따른 연료전지용 질량유량 측정장치 전체의 전원을 관리하며, 일반적인 산업현장에서 주로 사용되는 15~24 VDC 의 전원 입력을 제공 받는다.
상기 전원부로부터 공급되는 전원은 별도의 필터를 거쳐 외부 전원 환경에서 발생된 노이즈를 차단하고, 각 소자들이 요구하는 전압 레벨로 변환함으로써 깨끗한 전원을 공급한다.
상기 계측부(254)는 상기 바이패스관(222)을 이동하는 상기 유체의 유량을 측정하는 상기 멤스 질량유량센서(230)의 아날로그 계측신호를 상기 신호처리부(252)로 전달한다.
상기 신호처리부(252)는 MCU를 중심으로 하여 ADC, DAC, EEPROM, RS 485 등의 주요 소자와 주변 회로를 포함한다.
또한, 상기 신호처리부(252)는 상기 계측부(254)로부터 전달받은 상기 유체의 아날로그 계측신호를 디지털로 처리하고, 디지털로 처리된 계측신호를 저장된 교정값에 따라 신호를 가공한다.
이는 상기 계측부(254)로 들어온 데이터의 노이즈를 제거하고, 맥동류를 안정시킴으로써 데이터의 동적인 변화를 보다 정확하게 나타낼 수 있기 위함으로, 상기 신호처리부(252)에서 고속으로 처리하기 위하여 수치해석적 기법을 사용하여 C언어로 적용함으로써 상기 교정값을 이용하여 가공을 진행하며, 상기 신호처리부(252)에 저장된 교정값은 다음과 같다.
상기 수학식 1에서 x[i]는 입력 신호, y[j]는 출력 신호, M은 이동평균개수 즉, 데이터 중 이동평균 할 포인트 수이다.
예를 들어, 이동평균갯수 M이 5 라고 할 때, 시간에 따라 RawData x[i]가 취득된다고 한다면, 이동평균한 데이터 y[i]는 아래와 같이 주어진다.
상술한 바와 같이, 상기 교정값을 이용하여 신호처리를 수행함으로써 상기 계측부(254)로부터 전달되어 디지털화된 데이터의 노이즈를 제거하고, 맥동류를 안정시킬 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이 상술한 과정과 유사한 방법으로 맥동류를 안정시키는 방법을 통하여, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 계측부(254)로 전달받은 디지털화된 데이터를 신호처리하기 위한 상기 교정값의 이동평균갯수 M이 11일 경우, 도 4의 (b)와 같이 신호처리되고, 상기 교정값의 이동평균갯수 M이 51일 경우, 도 4의 (c)와 같이 신호처리 된다.
상기 제어부(253)는 상기 멤스 질량유량센서(230)로부터 측정되는 상기 유체의 유량을 바탕으로 상기 유동채널(221)을 흐르는 상기 유체의 유량을 제어할 수 있도록 상기 펌프(210)의 출력을 제어하며, 상기 제어부(253)는 PID 제어기로 구성될 수 있다.
상기 통신부(251)는 상기 제어부(253)로부터 전달되는 상기 유체의 유량제어 명령을 상기 펌프(210)로부터 전달하며, 상기 통신부(251)는 유선으로 상기 펌프(210)와 연결될 수도 있고, GPS, LAN 등과 같은 무선으로 연결될 수도 있다.
도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료펌프(310), 연료 질량유량 측정장치, 제1기체펌프(410), 제1기체 질량유량 측정장치, 제2기체펌프(510), 제2기체 질량유량 측정장치, 냉각수 저장부(610), 냉각수 펌프(620), 개질기(700) 및 스택(800)을 포함한다.
상기 연료펌프(310)는 상기 연료 질량유량 측정장치를 통해 상기 개질기(700)로 연료를 공급하며, 본 발명에서 상기 연료펌프(310)는 다이어프램 펌프일 수 있고, 상기 연료는 액체천연가스일 수 있다.
상기 연료 질량유량 측정장치는 상기 연료펌프(310)로부터 공급되는 상기 연료의 유량을 측정 및 제어하여 상기 개질기(700)로 공급하며, 구체적으로 상기 연료 질량유량 측정장치는 연료 질량유량 측정본체, 제1멤스 질량유량센서(330), 제1제어기(340)를 포함한다.
상기 연료 질량유량 측정본체에는 연료 유동채널(321)과 연료 바이패스관(322)이 형성되어 있으며, 상기 연료 유동채널(321)의 입구단과 출구단에는 제1퀵파스너가 결합되어 있다.
상기 제1퀵파스너와 상기 연료 질량유량 측정본체는 PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cells)에서 사용하는 연료인 액체천연가스(LNG)에 대한 내화학성을 가지는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제1퀵파스너와 상기 연료 질량유량 측정본체는 내화학성을 가지는 플라스틱의 한 종류인 PPS(Poly Phenylene Sulfide)재질로 구성될 수 있으며, PPS재질은 250℃에 달하는 내열성과 높은 강도를 가진다. 또는 상기 제1퀵파스너와 상기 연료 질량유량 측정본체는 POM(Poly Oxy Methylene) 수지 재질로 구성될 수 있으며, POM 수지 재질은 PPS 재질보다 비교적 제작 비용이 저렴하고 제작 시간이 짧아 보다 빠른 제작 과정을 가지게 된다.
상기 연료 유동채널(321)은 상기 연료 질량유량 측정본체를 관통하여 형성되어 있으며, 상기 연료펌프(310)로부터 출력되는 연료를 개질기(700)로 공급한다.
상기 연료 바이패스관(322)은 입구단과 출구단이 상기 연료 유동채널(321)과 연결되어 있으며, 상기 연료 유동채널(321)을 이동하는 상기 연료 중 일부가 분기되어 이동하며, 상기 연료 바이패스관(322)은 상기 연료의 유량을 측정하기 위하여 형성되어 있다.
상기 제1멤스 질량유량센서(330)는 상기 연료 바이패스관(322) 내부에 위치하며, MEMS 기술로 제작된 박막형 Hot film 센서이며, Hot film 센서는 기존의 열선식 질량유량센서(Hot wire)의 높은 생산 비용 및 연료 바이패스관(322)에 노출된 열선이 오염되어 계측 정밀도가 손상되는 단점을 보완함으로써 보다 정밀한 계측이 가능하게 된다.
즉, 상기 제1멤스 질량유량센서(330)는 상기 연료 바이패스관(322)을 통해 이동하는 상기 연료의 유량을 측정함으로써 전체적으로 상기 연료 유동채널(321)에 공급되는 연료의 양을 판단할 수 있도록 한다.
상기 제1제어기(340)는 상기 제1멤스 질량유량센서(330)로부터 측정되는 상기 연료의 유량을 바탕으로 상기 연료펌프(310)의 출력을 제어하며, 구체적으로 상기 제1제어기(340)는 제1전원부(미도시), 제1계측부(344), 제1신호처리부(342), 제1통신부(341) 및 제1제어부(343)를 포함하며, 상기 제1전원부, 상기 제1계측부(344), 상기 제1신호처리부(342), 상기 제1통신부(341) 및 상기 제1제어부(343)는 상술한 전원부, 계측부(254), 신호처리부(252), 통신부(251) 및 제어부(253)와 대응되므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 제1기체펌프(410)는 상기 제1기체 질량유량 측정장치를 통해 제1기체를 상기 개질기(700)로 공급하며, 상기 제1기체펌프(410)는 다이어프램 펌프로 구성될 수 있고, 상기 제1기체는 공기일 수 있다.
상기 제1기체 질량유량 측정장치는 상기 제1기체펌프(410)로부터 공급되는 상기 제1기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 개질기(700)로 공급하며, 구체적으로 상기 제1기체 질량유량 측정장치는 제1기체 유동채널(421) 및 제1기체 바이패스관(422)을 포함하는 제1기체 질량유량 측정본체, 제2멤스 질량유량센서(430) 및 제2제어기(440)를 포함하며, 상기 제1기체 질량유량 측정본체, 상기 제2멤스 질량유량센서(430) 및 상기 제2제어기(440)는 상술한 상기 연료 질량유량 측정본체, 상기 제1멤스 질량유량센서(330) 및 상기 제1제어기(340)와 대응되므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 개질기(700)에는 상기 연료와 상기 제1기체가 공급되어 상기 개질기(700)가 상기 연료와 상기 제1기체의 반응으로 수소를 생성시키고, 생성된 수소를 상기 스택(800)으로 공급한다.
상기 제2기체펌프(510)는 상기 제2기체 질량유량 측정장치를 통해 제2기체를 상기 스택(800)으로 공급하며, 상기 제2기체펌프(510)는 다이어프램 펌프로 구성될 수 있고, 상기 제2기체는 공기일 수 있다.
상기 제2기체 질량유량 측정장치는 상기 제2기체펌프(510)로부터 공급되는 상기 제2기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 스택(800)으로 공급하며, 구체적으로 상기 제2기체 질량유량 측정장치는 제2기체 유동채널(521) 및 제2기체 바이패스관(522)을 포함하는 제2기체 질량유량 측정본체, 제3멤스 질량유량센서(530) 및 제3제어기(540)를 포함하며, 상기 제2기체 질량유량 측정본체, 상기 제3멤스 질량유량센서(530) 및 상기 제3제어기(540)는 상술한 상기 연료 질량유량 측정본체, 상기 제1멤스 질량유량센서(330) 및 상기 제1제어기(340)와 대응되므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 냉각수 저장부(610)는 상기 스택(800)으로 공급되는 냉각수가 저장되어 있으며, 상기 냉각수는 상기 냉각수 제어부(630)로 제어되는 상기 냉각수 펌프(620)에 의하여 상기 스택(800)으로 공급되고, 상기 수소와 상기 제2기체의 화학반응으로 인하여 상기 스택(800)에서 발생되는 열을 냉각시킨다.
상술한 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 상기 제1제어기(340) 상기 제2제어기(440) 및 상기 제3제어기(540)는 병렬로 연결되며, 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 선택적으로 구동될 수 있어 병렬확장이 가능하다.
예를 들어, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 제1제어기(340)가 마스터 모드로 구동되어, PC 또는 외부제어수단으로 구성된 외부 마스터 제어장치(900)와 연결되고, 상기 외부 마스터 제어장치(900)로부터 제어명령을 받게 된 후, 상기 제1제어기(340)는 슬레이브 모드로 구동되는 상기 제2제어기(440)와 상기 제3제어기(540)로 상기 외부 마스터 제어장치(900)로부터 받은 제어명령을 전달함으로써 상기 제2제어기(440)와 상기 제3제어기(540)를 각각 제어한다.
또는, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 제2제어기(440)가 마스터 모드로 구동되어 상기 외부 마스터 제어장치(900)와 연결되어 제어명령을 전달받고, 이때 상기 제어명령을 슬레이브 모드로 구동되는 상기 제1제어기(340)와 상기 제3제어기(540)로 전달함으로써 마스터 모드로 구동되는 제2제어기(440)가 슬레이브 모드로 구동되는 상기 제1제어기(340) 및 상기 제3제어기(540)를 제어한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
210: 펌프
220: 질량유량 측정본체
221: 유동채널
222: 바이패스관
230: 멤스 질량유량센서
240, 700: 개질기
250: 제어기
251: 통신부
252: 신호처리부
253: 제어부
254: 계측부
260: 퀵파스너
270: 커버
310: 연료펌프
321: 연료 유동채널
322: 연료 바이패스관
330: 제1멤스 질량유량센서
340: 제1제어기
341: 제1통신부
342: 제1신호처리부
343: 제1제어부
344: 제1계측부
410: 제1기체펌프
421: 제1기체 유동채널
422: 제1기체 바이패스관
430: 제2멤스 질량유량센서
440: 제2제어기
441: 제2통신부
442: 제2신호처리부
443: 제2제어부
444: 제2계측부
510: 제2기체펌프
521: 제2기체 유동채널
522: 제2기체 바이패스관
530: 제3멤스 질량유량센서
540: 제3제어기
541: 제3통신부
542: 제3신호처리부
543: 제3제어부
544: 제3계측부
610: 냉각수 저장부
620: 냉각수 펌프
630: 냉각수 제어부
800: 스택
900: 외부 마스터 제어장치
220: 질량유량 측정본체
221: 유동채널
222: 바이패스관
230: 멤스 질량유량센서
240, 700: 개질기
250: 제어기
251: 통신부
252: 신호처리부
253: 제어부
254: 계측부
260: 퀵파스너
270: 커버
310: 연료펌프
321: 연료 유동채널
322: 연료 바이패스관
330: 제1멤스 질량유량센서
340: 제1제어기
341: 제1통신부
342: 제1신호처리부
343: 제1제어부
344: 제1계측부
410: 제1기체펌프
421: 제1기체 유동채널
422: 제1기체 바이패스관
430: 제2멤스 질량유량센서
440: 제2제어기
441: 제2통신부
442: 제2신호처리부
443: 제2제어부
444: 제2계측부
510: 제2기체펌프
521: 제2기체 유동채널
522: 제2기체 바이패스관
530: 제3멤스 질량유량센서
540: 제3제어기
541: 제3통신부
542: 제3신호처리부
543: 제3제어부
544: 제3계측부
610: 냉각수 저장부
620: 냉각수 펌프
630: 냉각수 제어부
800: 스택
900: 외부 마스터 제어장치
Claims (7)
- 유체를 공급하는 펌프;
상기 펌프로부터 출력되는 유체를 공급받는 유동채널;
입구단과 출구단이 상기 유동채널과 연결되며, 상기 유동채널을 이동하는 상기 유체 중 일부가 분기되어 이동하는 바이패스관;
상기 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 바이패스관을 통해 이동하는 상기 유체의 유량을 측정하는 멤스 질량유량센서; 및
상기 멤스 질량유량센서로부터 측정되는 유량을 바탕으로 상기 펌프의 출력을 제어하는 제어기;를 포함하되,
상기 제어기는,
상기 멤스 질량유량센서에서 측정한 신호를 저장된 교정값에 따라 가공하는 신호처리부;
상기 멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 유체의 유량을 바탕으로 상기 유동채널을 흐르는 유체의 유량을 제어할 수 있도록 상기 펌프의 출력을 제어하는 제어부;
상기 제어부로부터 전달되는 상기 유체의 유량제어 명령을 상기 펌프로 전달하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 질량유량 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 펌프는 다이어프램 펌프로 구성되며, 상기 유체는 연료 또는 공기이고,
상기 연료는 액체천연가스인 것을 특징으로 하는 연료전지용 질량유량 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어기는 PID 제어기로 구성되며, 맥동류를 안정시키는 디지털 신호처리 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 질량유량 측정장치. - 연료를 개질기로 공급하는 연료펌프;
상기 연료펌프로부터 공급되는 연료의 유량을 측정 및 제어하여 개질기로 상기 연료를 공급하는 연료 질량유량 측정장치;
제1기체를 상기 개질기로 공급하는 제1기체펌프;
상기 제1기체펌프로부터 공급되는 제1기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 개질기로 상기 제1기체를 공급하는 제1기체 질량유량 측정장치;
제2기체를 연료전지 스택으로 공급하는 제2기체펌프;
상기 제2기체펌프로부터 공급되는 제2기체의 유량을 측정 및 제어하여 상기 연료전지 스택으로 상기 제2기체를 공급하는 제2기체 질량유량 측정장치;
냉각수를 상기 스택으로 공급하는 냉각수 펌프; 및
상기 냉각수 펌프로부터 공급되는 냉각수의 유량을 측정 및 제어하는 냉각수 제어부;를 포함하며,
상기 연료 질량유량 측정장치는,
상기 연료펌프로부터 출력되는 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 유동채널;
입구단과 출구단이 상기 연료 유동채널과 연결되며, 상기 연료 유동채널을 이동하는 상기 연료 중 일부가 분기되어 이동하는 연료 바이패스관;
상기 연료 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 연료 바이패스관을 통해 이동하는 상기 연료의 유량을 측정하는 제1멤스 질량유량센서; 및
상기 제1멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 연료의 유량을 바탕으로 상기 연료펌프의 출력을 제어하는 제1제어기;를 포함하고,
상기 제1기체 질량유량 측정장치는,
상기 제1기체펌프로부터 출력되는 상기 제1기체를 상기 개질기로 공급하는 제1기체 유동채널;
입구단과 출구단이 상기 제1기체 유동채널과 연결되며, 상기 제1기체 유동채널을 이동하는 상기 제1기체 중 일부가 분기되어 이동하는 제1기체 바이패스관;
상기 제1기체 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 제1기체 바이패스관을 통해 이동하는 상기 제1기체의 유량을 측정하는 제2멤스 질량유량센서; 및
상기 제2멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 제1기체의 유량을 바탕으로 상기 제1기체펌프의 출력을 제어하는 제2제어기;를 포함하며,
상기 제2기체 질량유량 측정장치는,
상기 제2기체펌프로부터 출력되는 상기 제2기체를 상기 개질기로 공급하는 제2기체 유동채널;
입구단과 출구단이 상기 제2기체 유동채널과 연결되며, 상기 제2기체 유동채널을 이동하는 상기 제2기체 중 일부가 분기되어 이동하는 제2기체 바이패스관;
상기 제2기체 바이패스관 내부에 위치하여, 상기 제2기체 바이패스관을 통해 이동하는 상기 제2기체의 유량을 측정하는 제3멤스 질량유량센서; 및
상기 제3멤스 질량유량센서로부터 측정되는 상기 제2기체의 유량을 바탕으로 상기 제2기체펌프의 출력을 제어하는 제3제어기;를 포함하고,
상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 병렬로 연결되며, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 각각 마스터 모드 또는 슬레이브 모드로 선택적으로 구동되며,
상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기 중 하나가 마스터 모드로 구동되며, 나머지는 슬레이브 모드로 구동되어, 마스터 모드로 구동되는 제어기가 슬레이브 모드로 구동되는 제어기에 제어명령을 전달함으로써 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 연료펌프, 상기 제1기체펌프, 상기 제2기체펌프 및 상기 냉각수 펌프는 다이어프램 펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 PID 제어기로 구성되며, 상기 제1제어기, 상기 제2제어기 및 상기 제3제어기는 맥동류를 안정시키는 디지털 신호처리 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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