KR20060107153A - 연료잔량 경보장치 및 이를 채용한 연료 저장장치 및연료전지 시스템 - Google Patents

연료잔량 경보장치 및 이를 채용한 연료 저장장치 및연료전지 시스템 Download PDF

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KR20060107153A
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Abstract

본 발명은 연료잔량 경보장치 및 이를 채용한 연료 저장장치 및 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료잔량 경보장치는 연료 탱크에 저장된 연료의 표면에서 부력을 받는 부표와, 이 부표가 연료 탱크의 바닥에 닿을 때 접속되는 스위칭부, 및 이 스위칭부가 접속될 때, 연료 고갈에 대한 경보 신호를 발생시키는 전기 회로를 포함한다. 연료 저장장치는 연료잔량 경보장치가 결합된 연료 탱크를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템은 수소를 함유한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지와, 수소를 함유한 연료를 저장하며 연료 전지에 결합되는 연료 탱크, 및 이 연료 탱크에 결합되는 연료잔량 경보장치를 포함한다.
연료 전지, 잔량, 경보, 스위치, 부표, 연료 저장장치

Description

연료잔량 경보장치 및 이를 채용한 연료 저장장치 및 연료전지 시스템{Apparatus for warning the lower level of fuel and fuel reservoir and fuel cell system having the warning apparatus}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료잔량 경보장치가 채용된 연료 저장장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료잔량 경보장치가 채용된 연료 저장장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료잔량 경보장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 연료전지에 대한 개념도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 연료 탱크 11: 연료
12: 연료 표면 13: 격벽
15: 캡 장치 16: 유출공
20: 전기회로부 21: 부표
22: 이동 전극 23, 24: 고정 전극
30: 등가회로도
본 발명은 연료 탱크에 저장된 연료의 고갈 상태를 경보하는 연료잔량 경보장치 및 이러한 연료잔량 경보장치를 채용한 연료 저장장치 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이러한 연료 전지는 연료 전지를 구동하기 위한 주변 장치들, 예컨대, 연 료 전지의 애노드측에 소정의 연료를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지의 캐소드측에 공기를 공급하는 공기 압축장치 등과 결합되어 연료전지 시스템을 이룬다.
한편, 고분자 전해질형 연료 전지를 이용하는 연료전지 시스템에서는 애노드측에 공급되는 연료, 예컨대, 액상의 메탄올 연료가 소정 시간 후에 재충전되어야 한다. 만일, 연료가 모두 고갈되어 연료 전지의 애노드측에서 연료 공핍이 발생되면, 애노드측의 촉매층이 캐소드측으로부터 전해질막을 통해 넘어오는 산소와 결합하여 깍여져 나가게 되는 현상이 발생된다. 이러한 현상은 연료 전지의 안정성에 치명적인 손상을 줄 수 있고, 연료 전지의 수명을 크게 단축시킬 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템에서는 연료가 모두 고갈되기 전에 연료 보충 시기를 적절하게 결정하는 것이 중요하다.
또한, 연료전지 시스템을 전원으로 사용하는 어플리케이션, 예컨대, 휴대 단말이나 노트북에서 갑자기 전원이 오프되면, 저장되지 않은 문서나 자료가 지워지게 된다. 이것은 사용자에게 큰 불편을 초래하고, 어플리케이션의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템이 결합된 어플리케이션에서는 연료 고갈 시기를 표시할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 고갈에 의해 연료전지에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있는 간단한 구조의 연료잔량 경보장치 및 이를 채용한 연료 저장장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 연료잔량 경보장치를 이용하여 연료전지가 결합된 어플리케이션에 연료전지의 연료 고갈 상태를 미리 경보할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은, 연료 탱크에 저장된 연료의 표면에서 부력을 받는 부표와, 이 부표가 연료 탱크의 바닥에 닿을 때 접속되는 스위칭부, 및 이 스위칭부가 접속될 때 연료 고갈에 대한 경보 신호를 발생시키는 전기회로부를 포함하는 연료잔량 경보장치를 제공한다.
바람직하게, 스위칭부는 부표의 하부면에 설치되는 이동 전극, 및 연료 탱크의 내부 저면에 설치되는 고정 전극을 포함한다.
또한, 전기회로부는, 제1 저항 및 제2 저항의 직렬회로부와, 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선, 및 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되, 이동 전극 및 고정 전극 중 어느 하나가 제1 저항 및 제2 저항의 접속 노드에 접속되고, 나머지 하나가 그라운드선에 접속되며, 출력 단자가 접속 노드에 접속된다.
또한, 이동 전극 및 고정 전극 중 어느 하나의 전극은 소정 간격을 두고 설치되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 이 경우, 전기회로부는, 제1 저항 및 제2 저항의 직렬회로부와, 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선, 및 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되, 제1 전극 및 제2 전극은 제2 저항의 양단에 접속되고, 제1 및 제2 전극은 이동 전극 및 고정 전극 중 나머지 하나의 전극에 의 해 전기적으로 접속되며, 출력 단자는 제1 저항 및 제2 저항의 접속 노드에 접속된다.
또한, 고정 전극은 부표의 이동 방향에 대하여 소정 간격을 두고 설치되는 제1 고정 전극 및 제2 고정 전극을 포함한다. 이때, 제2 고정 전극은 연료 고갈에 대한 소정의 연료 레벨보다 높은 연료 레벨에서 이동 전극의 돌출부와 탄성적으로 접촉된다. 이 경우, 전기회로부는, 제1 저항 및 제2 저항의 직렬회로부와, 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선, 및 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되, 이동 전극이 제1 저항 및 제2 저항의 접속 노드에 접속되고, 제1 및 제2 고정 전극이 그라운드선에 접속되며, 출력 단자가 접속 노드에 접속된다.
또한, 이동 전극 및 고정 전극 중 적어도 어느 하나는 접촉면에 돌출부가 구비된다. 또한, 연료는 액상의 탄화수소계 연료를 포함한다.
본 발명의 제2 측면은, 소정의 내부 공간을 갖는 연료 탱크, 및 이 연료 탱크에 결합되는 제1 측면에 따른 연료잔량 경보장치를 포함하는 연료 저장장치를 제공한다.
바람직하게, 연료 탱크에 삽입설치되며, 부표의 이동을 가이드하며 연료의 출입을 허용하는 격벽을 포함한다.
본 발명의 제3 측면은, 수소를 함유한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지와, 수소를 함유한 연료를 저장하며 연료 전지에 결합되는 연료 탱크, 및 이 연료 탱크에 결합되는 제1 측면에 따른 연료잔량 경보장치를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직하게, 연료잔량 경보장치는 연료 전지에 결합되는 경보음 발생 장치, 경고등 표시장치, 디스플레이 장치 및 디스플레이 장치가 탑재된 전자기기 중 적어도 어느 하나에 연료 고갈에 대한 경보 신호를 출력한다.
또한, 연료잔량 경보장치는 연료 고갈에 대한 경보 신호의 출력 전에 연료의 다른 레벨에서 연료 고갈에 대한 예비 경보 신호를 출력한다.
또한, 상술한 연료전지 시스템은 연료잔량 경보장치의 연료 고갈에 대한 경보 신호에 따라 연료 탱크에 결합된 펌프를 오프 제어하는 제어부를 추가적으로 포함한다.
이하, 상술한 본 발명의 기술적 특징을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 설명에서 제1 구성요소가 제2 구성요소에 결합되는 경우, 제1 구성요소는 제2 구성요소와 직접 결합되거나 제3의 구성요소를 사이에 두고 결합되는 것을 포함한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료잔량 경보장치가 채용된 연료 저장장치를 나타내는 사시도이다. 본 실시예에서는 설명의 편의상 연료 탱크의 대부분을 투명하게 도시하였다.
도 1을 참조하면, 연료 저장장치(200)는 소정의 내부 공간을 갖는 연료 탱크(10)와, 이 연료 탱크(10)에 결합되어 연료 탱크(10)에 저장된 연료(11)의 소정 레벨에서 연료 고갈에 대한 경보 신호를 발생시키는 연료잔량 경보장치(100)를 포함 한다.
보다 구체적으로, 연료 탱크(10)는 소정의 재료에 의해 내부 공간을 갖는 소정 형상으로 형성된다. 예컨대, 연료 탱크(10)는 대략 박스 모양으로 그 일면에 연료 주입구를 막는 두껑(15)을 포함한다. 두껑(15)에는 연료의 유출을 위한 유출공(16)이 구비된다. 유출공(16)에는 연료의 이송을 위한 이송관(40)이 결합된다. 이송관(40)은 연료 탱크(10)의 외부로부터 유출공(16)을 관통하여 연료 탱크(10)의 내부 바닥면에까지 연장된다.
또한, 연료 탱크(10)에는 격벽(13)이 삽입설치된다. 격벽(13)은 연료 탱크(10)에 삽입설치되는 부표(21)를 가이드하기 위한 공간을 만들기 위해 설치된 것이다. 격벽(13)에는 연료(11)가 자유롭게 통과하는 홀(14)이 구비된다. 상술한 구성의 격벽(13)에 의해, 부표(21)는 가이드 공간 내에서 연료 레벨에 따라 상하로 이동하게 된다. 여기서, 부표(21)는 연료(11)의 표면(12)에서 소정의 부력을 받는 임의의 재료를 포함한다.
부표(21)의 바닥면에는 이동 전극(22)이 설치된다. 이동 전극(22)은 별도의 도전성 부재가 부표(21)의 바닥면에 결합되거나 소정의 도전성 물질이 코팅될 수 있다.
또한, 연료 탱크(10) 내의 격벽(13)에 의해 만들어진 가이드 공간에는 바닥면에 소정의 간격을 두고 설치되는 두 고정 전극(23, 24)이 설치된다. 두 고정 전극(23, 24)은 이동 전극(22)에 의해 접속되는 스위칭부로서 기능한다. 두 고정 전극(23, 24)의 상부면에는 이동 전극(22)와의 용이한 접촉을 위한 돌출부(24a, 24b) 가 설치된다.
연료 탱크(10)에 저장되는 연료(11)는 계속적으로 공급될 수 있는 액상의 탄화수소계 연료, 예컨대, 메탄올을 포함한다.
연료잔량 경보장치(100)는 부표(21)가 연료 탱크(10)의 바닥면에 닿을 때, 소정의 전기 신호를 발생시킨다. 여기서, 전기 신호는 경보 신호이다. 이를 위해, 연료잔량 경보장치(100)는 부표(21)의 바닥면에 설치된 이동 전극(22)과, 이 이동 전극(22)에 의해 접속되는 두 개의 고정 전극(23, 24), 그리고 두 고정 전극(23, 24)의 접속에 의해 소정의 출력 전압(Vout)을 발생시키는 전기회로부(20)를 포함한다. 전기회로부(20)에는 소정 전압(Vin)의 인가를 위한 전원선과 그라운드선이 접속된다. 이 전기회로부(20)에 대하여 아래에서 예를 들어 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도(30)는 소정의 저항값을 갖는 제1 저항(R1; 32)과 제2 저항(R2; 33)의 직렬회로부(31)와, 이 직렬회로부(31)의 양단에 접속되는 전원선 및 그라운드선을 포함한다. 여기서, 전원선 및 그라운드선은 그라운드(GND)에 대한 소정의 전압(Vin)을 직렬회로부(31)에 인가한다.
직렬회로부(31)의 접속 노드, 즉 제1 저항(32)과 제2 저항(33)의 접속점(34)에는 출력 단자(Vout)가 접속된다. 그리고 제2 저항(33)의 양단에는 스위칭부(35) 가 접속된다. 스위칭부(35)의 제1 및 제2 단자(37, 38)와 이들 제1 및 제2 단자(37, 38)를 도통시키는 제3 단자(36)는 도 1에 도시된 연료 탱크(10)의 두 고정 전극(23, 24)과 이동 전극(22)에 대응된다. 상술한 구성에 의하면, 연료 탱크 내의 부표가 하부면에 닿을 때 스위칭부가 접속되고, 이때 출력 단자의 전압 레벨이 변화된다. 따라서, 출력 단자의 전압 레벨 변화를 이용하면, 연료 탱크에 저장된 연료의 고갈 시기를 용이하게 경보할 수 있다.
한편, 상술한 구성에서 이동 전극과 고정 전극은 반대로 설치될 수 있다. 이 경우, 부표의 하부면에는 두 개의 이동 전극이 설치되고, 부표의 상부측에서 이들 이동 전극에 전기회로부가 결합된다. 그리고 하나의 고정 전극이 연료 탱크의 바닥면에 설치된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료잔량 경보장치가 채용된 연료 저장장치를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 연료 저장장치(200a)는 소정의 내부 공간을 갖는 연료 탱크(10a)와, 이 연료 탱크(10a)에 결합되어 연료 탱크(10a)에 저장된 연료(11)의 소정의 제1 레벨에서 연료 고갈에 대한 예비 경보 신호를 발생시키고, 소정의 제2 레벨에서 연료 고갈에 대한 경보 신호를 발생시키는 연료잔량 경보장치(100a)를 포함한다. 연료 탱크(10a)에 저장되는 연료(11)는 계속적으로 공급될 수 있는 액상의 탄화수소계 연료, 예컨대, 메탄올을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료 탱크(10a)는 내부 공간을 갖는 소정 형상으로 만들어 진다. 예컨대, 연료 탱크(10a)는 대략 박스 모양으로 제작되고 그 일면에 연료 주입구를 막는 두껑(18)을 포함한다. 그리고 연료 탱크(10a)의 일측면 하부에는 연료 유출을 위한 유출관(19)이 돌출된다. 유출관(19)에는 소정의 밸브가 결합될 수 있다.
또한, 연료 탱크(10a)에는 격벽(13)이 삽입설치된다. 격벽(13)은 연료 탱크(10a)에 삽입설치되는 부표(21a)를 가이드하기 위한 공간을 만들기 위해 설치된 것이다. 격벽(13)에는 연료(11)가 자유롭게 통과하는 홀(14)이 구비된다. 상술한 구성의 격벽(13)에 의해, 부표(21a)는 가이드 공간 내에서 연료 레벨에 따라 상하로 이동하게 된다. 여기서, 부표(21a)는 연료(11)의 표면(12)에서 소정의 부력을 받는 임의의 재료를 포함한다.
부표(21a)의 바닥면에는 이동 전극(22a)이 설치된다. 이동 전극(22a)은 별도의 도전성 부재가 부표(21a)의 바닥면에 결합되거나 소정의 도전성 물질이 코팅될 수 있다. 또한, 이동 전극(22a)은 그 일측면에서 소정 길이로 돌출되는 연장부(22b)를 구비한다. 또한, 이동 전극(22a)은 소정의 전선(13)에 의해 전기회로부(20a)에 접속된다.
또한, 연료 탱크(10a) 내의 격벽(13)에 의해 만들어진 가이드 공간에는 바닥면과 이 바닥면보다 높은 하부면 부근에 각각 설치되는 제1 고정 전극(23a) 및 제2 고정 전극(25)이 설치된다. 제1 고정 전극(23a)의 상부면에는 이동 전극(22a)과의 용이한 접촉을 위한 소정의 돌출부(23b)가 구비된다. 제2 고정 전극(25)은 소정의 탄성력을 가진 부재로 이루어지며, 이동 전극(22a)이 하강할 때 이동 전극(22a)의 연장부(22b)에 잠시 동안 탄성적으로 접촉된 후 연장부(22b)에서 떨어진다.
연료잔량 경보장치(100a)는 부표(21a)가 연료 탱크(10a)의 하부면 부근에 도달했을 때와 바닥면에 닿을 때, 적어도 두 번의 소정의 전기 신호를 발생시킨다. 여기서, 전기 신호는 예비 경보 신호와 경보 신호이다. 이를 위해, 연료잔량 경보장치(100a)는 부표(21a)의 바닥면에 설치된 이동 전극(22a)과, 이 이동 전극(22a)에 각각 접속되는 두 고정 전극(23a, 25), 그리고 이동 전극(22a)과 두 고정 전극(23a, 25)의 각각의 접속시에 소정의 출력 전압(Vout)을 독립적으로 발생시키는 전기회로부(20a)를 포함한다. 전기회로부(20a)에는 소정 전압(Vin)의 인가를 위한 전원선과 그라운드선이 접속된다. 이 전기회로부(20a)에 대하여 아래에서 예를 들어 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도이다.
도 4를 참조하면, 연료잔량 경보장치에 대한 등가 회로도(30a)는 소정의 저항값을 갖는 제1 저항(R1; 32)과 제2 저항(R2; 33)의 직렬회로부(31)와, 이 직렬회로부(31)의 양단에 접속되는 전원선 및 그라운드선을 포함한다. 여기서, 전원선 및 그라운드선은 소정의 전압(Vin)을 직렬회로부(31)에 인가하기 위한 것이다. 그라운드선은 그라운드(GND)에 접속된다.
직렬회로부(31)의 접속 노드, 즉 제1 저항(32)과 제2 저항(33)의 접속 노드(34)에는 출력 단자(Vout)가 접속된다. 그리고 접속 노드(34)에는 스위칭부(35a)의 제1 단자(37a)가 접속된다. 스위칭부(35a)의 제2 단자(38a) 및 제3 단자(39)는 그라운드에 접속된다. 여기서, 스위칭부(35a)의 제1 단자(37a)는 도 3에 도시된 이동 전극(22a)에 대응되며, 스위칭부(35a)의 제2 및 제3 단자(38a, 39)는 도 3에 도시된 제1 및 제2 고정 전극(23a, 25)에 대응된다. 상술한 구성에 의하면, 연료 탱크 내의 부표가 하부면 근처에 도달했을 때와 바닥면에 닿을 때 스위칭부가 두차례 접속되고, 이때 출력 단자의 전압 레벨이 변화된다. 따라서, 출력 단자의 전압 레벨 변화를 이용하면, 연료 탱크에 저장된 연료의 고갈 시기에 대하여 예비 경보 신호와 경보 신호를 용이하게 발생시킬 수 있다.
한편, 상술한 구성에서 제2 고정 전극을 제거하면, 한차례의 경보 신호만을 발생시키는 연료잔량 경보장치가 될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 연료잔량 경보장치를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(300)은 연료 탱크(10)와 이 연료 탱크(10)에 저장된 연료의 고갈 시기를 경보하는 연료잔량 경보장치(100)로 이루어지는 연료 저장장치(200), 이 연료 저장장치(200)에 저장된 연료를 연료 전지(310)에 공급하는 펌프(320), 수소와 산호의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(310), 연료잔량 경보장치(100)로부터 경보 신호를 받고 펌프(320) 및 경보출력부(340)을 제어하는 제어부(330)를 포함한다. 연료잔량 경보장치(100)와 연료 저장장치(200)는 도 1 내지 도 4를 참조한 위의 설명으로 대체한다. 따라서, 이들에 대한 설명은 중복을 피하기 위해 생략한다. 경보출력부(340)는 스피커와 같은 경고음 발생장치나 LED와 같은 경보등 표시장치, 또는 소정의 디스플레이 장치를 포함하며, 제어부(330)의 제어신호에 따라 연료 고갈에 대한 경보를 출력한다.
또한, 연료전지 시스템(300)에서 제어부(330)는 연료전지(310)를 전원으로 사용하는 어플리케이션(400), 예컨대, 휴대 단말이나 노트북에 경보 신호를 전달하고, 그것에 의해 어플리케이션(400)을 사용하는 사용자가 연료전지(310)에 공급되는 연료가 곧 고갈될 것을 알 수 있도록 한다. 이 경우, 어플리케이션 사용자는 작성중인 문서를 저장하거나 저장되지 않은 자료를 저장하여 문서나 자료를 잃어버리지 않도록 어플리케이션(400)을 조작할 수 있다.
상술한 연료 전지(310)는 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등을 포함한다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 복수의 단위 연료전지가 적층된 구조의 스택(stack)과 개질기(reformer) 등을 구비 하며, 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
또한, 연료 전지(310)는 고분자 전해질형 연료전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)를 포함한다. 직접 메탄올형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
상술한 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고, 스택은 압축 밀봉된다. 이것은 스택 내부의 압력 강하나 산소 감소와 같은 비균일한 작동 조건을 방지하기 위한 것이다. 아래에서 연료 전지의 작동원리를 보다 상세히 설명한다.
도 6은 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지의 작동원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 연료전지(310)의 막-전극 어셈블리(320)는 고분자 전해질막(322), 연료극 촉매층(324) 및 공기극 촉매층(326)을 포함한다. 연료전지(310)에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(324)에 공급되면 연료극 촉매층(324)에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온 H+와 전자 e-로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(324)에서 고분자 전해질막(322)을 통해 공기극 촉매층(326)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(324)에서 외부 전선(328)을 통해 공기극 촉매층(326)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(326)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(326)에 공급되는 산화제 예컨대, 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
상술한 고분자 전해질막이 채용될 수 있는 연료전지 중 고분자 전해질형 연료전지와 직접 메탄올형 연료전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 구성에 의하면, 연료전지에 공급되는 연료의 고갈 전에 경보를 발생시켜 연료 공핍에 의해 연료전지에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템이 결합된 어플리케이션에 연료 고갈 상태를 미리 경보하여 어플리케이션에 대한 신뢰성을 높이면서 사용자 편의를 도모할 수 있다.

Claims (16)

  1. 연료 탱크에 저장된 연료의 표면에서 부력을 받는 부표;
    상기 부표가 상기 연료 탱크의 하부면에 닿을 때 접속되는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부가 접속될 때, 상기 연료 고갈에 대한 경보 신호를 발생시키는 전기회로부를 포함하는 연료잔량 경보장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 부표의 하부면에 설치되는 이동 전극, 및 상기 연료 탱크의 내부 저면에 설치되는 고정 전극을 포함하는 연료잔량 경보장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기회로부는,
    제1 저항 및 제2 저항의 직렬 회로부;
    상기 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선; 및
    상기 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되,
    상기 이동 전극 및 상기 고정 전극 중 어느 하나가 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항의 접속 노드에 접속되고, 나머지 하나가 상기 그라운드선에 접속되며, 상기 접속 노드에 출력 단자가 접속되는 연료잔량 경보장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 이동 전극 및 상기 고정 전극 중 어느 하나의 전극은 소정 간격을 두고 설치되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 연료잔량 경보장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기회로부는,
    제1 저항 및 제2 저항의 직렬 회로부;
    상기 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선; 및
    상기 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제2 저항의 양단에 접속되고, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 이동 전극 및 상기 고정 전극 중 나머지 하나의 전극에 의해 전기적으로 접속되며, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항의 접속 노드에 출력 단자가 접속되는 연료잔량 경보장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 부표의 이동 방향에 대하여 소정 간격을 두고 설치되는 제1 고정 전극 및 제2 고정 전극을 포함하는 연료잔량 경보장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 고정 전극은 상기 연료 고갈에 대한 소정의 연료 레벨보다 높은 연 료 레벨에서 상기 이동 전극의 돌출부와 탄성적으로 접촉되는 연료잔량 경보장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기회로부는,
    제1 저항 및 제2 저항의 직렬 회로부;
    상기 제1 저항의 일단에 접속되는 전원선; 및
    상기 제2 저항의 일단에 접속되는 그라운드선을 포함하되,
    상기 이동 전극이 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항의 접속 노드에 접속되고, 상기 제1 및 제2 고정 전극이 상기 그라운드선에 접속되며, 상기 접속 노드에 출력 단자가 접속되는 연료잔량 경보장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 이동 전극 및 상기 고정 전극 중 적어도 어느 하나는 접촉면에 돌출부가 구비되는 연료잔량 경보장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 액상의 탄화수소계 연료를 포함하는 연료잔량 경보장치.
  11. 소정의 내부 공간을 갖는 연료 탱크; 및
    상기 연료 탱크에 결합되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 연료 잔량 경보장치를 포함하는 연료 저장장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 탱크에 삽입설치되며, 상기 부표의 이동을 가이드하며 상기 연료의 출입을 허용하는 격벽을 포함하는 연료 저장장치.
  13. 수소를 함유한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지;
    상기 수소를 함유한 연료를 저장하며, 상기 연료 전지에 결합되는 연료 탱크; 및
    상기 연료 탱크에 결합되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 연료잔량 경보장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료잔량 경보장치는 상기 연료 전지에 결합되는 경보음 발생 장치, 경고등 표시 장치, 디스플레이 장치 및 상기 디스플레이 장치가 탑재된 전자기기 중 적어도 어느 하나에 연료 고갈에 대한 경보 신호를 출력하는 연료전지 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료잔량 경보장치는 연료 고갈에 대한 경보 신호의 출력 전에 상기 연 료의 다른 레벨에서 상기 연료 고갈에 대한 예비 경보 신호를 출력하는 연료전지 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료잔량 경보장치의 연료 고갈에 대한 경보 신호에 따라 상기 연료 탱크에 결합된 펌프를 오프 제어하는 제어부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
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