KR20060135388A - 연료레벨 검출장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료레벨 검출장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료전지를 구비하는 전기발생부와, 연료를 저장하며 연료 레벨을 검출하는 감지부가 결합되는 연료저장용기를 구비하고 전기발생부에 연료를 공급하는 연료공급부를 포함하되, 감지부는 연료를 향해 초음파를 방출하는 초음파 센서와, 초음파를 반사하는 반사부를 구비하고, 연료저장용기에는 상기 연료의 표면상에서 상기 연료의 레벨에 따라 상기 반사부를 왕복 운동시키는 가이드관이 삽입설치된다.

연료 전지, 연료 레벨, 검출, 초음파센서

Description

연료레벨 검출장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Fuel level detecting apparatus and fuel cell system using same}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료레벨 검출장치를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 대한 블록도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료레벨 검출장치가 결합되어 있는 연료저장용기의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료레벨 검출장치가 결합되어 있는 연료저장용기의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 연료저장용기 120 : 감지부

122 : 초음파센서 124 : 가이드관

130 : 제어부 140 : 경보발생부

150 : 연료펌프 160 : 연료전지

본 발명은 연료 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 연료레벨 검출장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 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. 그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

수소는 연료 전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어서 가장 반응성이 뛰어나고 산소와 반응한 후, 물을 생성하여 공해물질을 배출하지 않기 때문에 연료전지의 연료로 가장 적합하다. 하지만 수소는 자연 상태에서 거의 존재하지 않기 때문에 다른 원료로부터 얻는다. 예를 들면, 수소는 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등와 같은 탄화수소 계열의 연료로부터 얻을 수 있다.

한편, 고분자 전해질형 연료전지를 이용하는 연료전지 시스템에서는 애노드측에 공급되는 연료가 완전히 소모되기 전에 재충전되어야 한다. 만일, 연료가 모두 고갈되어 연료 전지의 애노드측에서 연료 공핍이 발생되면, 애노드측의 촉매층이 캐소드측으로부터 전해질막을 통해 넘어오는 산소와 결합하여 깍여나가게 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, 상술한 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 적절히 표시할 수 있는 방안이 요구되고 있다. 다시 말해서, 연료전지 시스템이나 이를 이용하는 어플리케이션에서는 안정성과 신뢰성 확보를 위하여 연료 레벨을 보다 정확하게 측정할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 고분자 전해질형 연료전지나 직접 메탄올 연료전지를 이용하는 연료전지 시스템에서 연료저장용기에 저장되는 연료 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 간단한 구조의 연료레벨 검출장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 연료레벨 검출장치를 채용하여 안정성과 신뢰성을 향상시킨 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료전지를 구비하는 전기발생부; 및 연료 레벨을 검출하는 감지부가 결합되는 연료저장용기를 구비하고, 전기발생부에 연료를 공급하는 연료공급부를 포함하되, 감지부는 연료를 향해 초음파를 방출하고 감지하는 초음파 센서와, 초음파를 반사하는 반사부를 구비하고, 연료저장용기에는 연료의 표면상에서 연료의 레벨에 따라 반사부를 왕복 운동시키는 가이드관이 삽입설치되는 연료전지 시스템이 제공된다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 연료저장용기에 저장되어 있는 연료의 레벨을 검출하는 연료레벨 검출장치에 있어서, 연료를 향해 초음파를 방출하고 반사되는 초음파를 검출하는 초음파 센서와, 초음파를 반사하는 반사부, 그리고 연료의 표면상에서 연료의 레벨에 따라 반사부를 왕복 운동시키는 가이드관을 포함하는 연료레벨 검출장치가 제공된다.

바람직하게, 가이드관은 연료저장용기의 개구부로부터 바닥면 부근까지 연장되는 파이프 형상을 구비하며, 연료의 자유로운 출입을 허용하는 홀이 설치된다. 반사부는 상기 연료에 의해 부력을 받는 재료로 이루어진다. 초음파 센서는 연료저장용기의 개구부를 막는 뚜껑의 내부면 또는 외부면에 설치된다.

또한, 상술한 연료레벨 검출장치는 감지부의 전기적 신호에 응답하고 전기적 신호에 상응하는 연료 레벨을 출력하는 제어부를 추가적으로 포함한다. 또한, 상술한 연료레벨 검출장치는 제어부에 결합되며, 제어부의 제어 신호를 받고, 연료의 재충전 또는 연료저장용기의 교체 시기를 알리는 경보 신호를 출력하는 경보발생부를 추가적으로 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료레벨 검출장치를 채용한 연료전지 시스템을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 연료레벨 검출장치를 채용한 연료전지 시스템은, 연료 전지 시스템의 동작 중에 연료 레벨을 검출하여, 연료 고갈이 우려될 시에 경보를 발생하며 연료 펌프의 작동을 적절하게 제어한다.

이를 위해, 연료전지 시스템은, 연료전지(160), 연료저장용기(110), 연료 펌프(150), 공기 펌프(170), 제어부(130) 및 경보발생부(140)을 구비한다. 연료전지(160), 연료저장용기(110), 연료 펌프(150), 공기 펌프(170), 제어부(130) 및 경보발생부(140)는 하부프레임(101) 상에 고정된 고정 프레임(102)이나 고정 프레임 (102)에 고정된 서브프레임(103)에 고정지지된다.

연료 전지(160)는 수소, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등과 같은 연료와 공기나 산소 등과 같은 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 연료전지(160)는 단위 연료전지가 적층된 구조의 스택(stack)으로 형성될 수 있다. 이러한 연료전지(160)는 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부가 된다.

상술한 연료전지(160)로는 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등이 사용될 수 있다. 특히, 상술한 연료전지 중 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지는 고분자 전해질형 연료전지를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 연료전지(160)은 수소와 산소의 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되어 막-전극 어셈블리로 수소를 함유한 연료와 산소 또는 공기를 전달하는 세퍼레이터(separater)로 이루어진다. 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 그 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 연료 전지(100)의 구조에 따라 생략될 수 있다. 상술한 구성에 의해, 연료 전지(160)는 전기 에너지를 발생시키고, 반응 생성물로서 얻어지는 물과 이산화탄소 를 배출한다. 이때, 연료 전지(160)에서 반응하지 않은 미반응 연료 및 공기는 이산화탄소 및 물과 함께 연료 전지(160) 외부로 배출된다. 미반응 연료는 재활용을 위한 순환 경로를 통해 연료 전지(160)로 다시 공급될 수 있다.

연료 펌프(150)는 제1 이송관(116)을 통해 연료저장용기(110)와 연통되고, 제2 이송관(152)을 통해 연료전지(160)의 애노드측과 연통된다. 연료 펌프(150)는 연료저장용기(110)에 저장된 연료, 예컨대, 메탄올 등과 같은 수소 화합물이나 물과 메탄올이 혼합된 혼합 연료를 연료전지(160) 내의 애노드측에 공급한다. 연료 펌프(150)는 연료 전지(160)의 안정적인 동작과 연료 전지(160)의 손상을 방지하기 위하여 연료 전지(160)의 동작 상태에서 충분한 양의 연료를 지속적으로 공급한다.

공기 펌프(170)는 제3 이송관(172)을 통해 연료 전지(160)의 캐소드측과 연통된다. 공기 펌프(170)는 산소나 공기를 연료 전지(160) 내의 캐소드 전극에 공급한다. 공기 펌프(170)는 연료전지(160)의 보다 긴 지속적인 작동을 위하여 압착 밀봉된 구조의 연료전지(160) 내에 필요한 산소량 이상을 함유한 충분한 공기를 공급한다.

제어부(130)는, 제1 도선(132)을 통해 연료저장용기(110) 내부에 설치된 감지부(미도시)와 전기적으로 연결되고, 제2 도선(133)을 통해 연료펌프(150)와 전기적으로 연결된다.

경보발생부(140)는 경보를 시각적으로 표현하는 화면표시기(142) 및 경보를 청각적으로 표현하는 경보음생성기(144)를 포함한다. 이러한 경보발생부(140)는 콤팩트한 구성을 위하여 제어부(130)와 일체로 구성될 수도 있고, 개별적으로 구성될 수도 있다.

상술한 구성을 통해, 연료저장용기(110) 내부에 설치된 감지부(미도시)가 연료전지시스템 운전 중 연료 레벨을 검출하면서 제어부(130)로 신호를 보낸다. 저장된 연료가 일정 수준 이하가 되는 경우에, 제어부(130)는 경보발생부(140)에 경보 신호를 발신하여 화면표시기(142) 및 경보음발생기(144)를 통해 운전자에게 적절하게 알리게 되고, 연료전지 시스템으로 작동하는 어플리케이션(미도시)에 경보신호를 발신하여 어플리케이션 사용자에게 적절하게 알리며, 연료 펌프(150)에 제어신호를 송신하여 연료 펌프(150)의 작동을 적절하게 제어한다.

도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 대한 개략적인 블록도이다. 본 실시예에서는 앞서 언급한 연료전지 시스템의 상세한 설명과 중복되는 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 연료전지 시스템(100)은, 연료 저장용기(110)와, 연료 저장용기(110)에 저장된 연료의 레벨을 검출하는 감지부(120)와, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(160)와, 연료 저장용기(110)에 저장된 연료를 연료전지(160)에 공급하는 연료펌프(150)와, 감지부(120)로부터 연료 레벨 검출 신호를 받아 연료펌프(150) 및 경보발생부(140)를 제어하는 제어부(130)를 포함한다.

제어부(130)는 감지부(120)의 전기적 신호에 응답하고, 입력된 전기적 신호에 상응하는 연료 레벨을 출력하기 위한 일련의 과정을 수행한다. 예를 들면, 제어부(130)는 경보발생부(140)에 경보 신호를 전달하거나, 연료전지(160)를 전원으로 사용하는 어플리케이션(200), 예컨대, 휴대 단말이나 노트북에 경보 신호를 전달한다. 또한, 제어부(130)는 연료 펌프(150)의 작동을 제어하여 연료 전지(160)에 공급되는 연료의 양을 적절하게 조절한다.

경보발생부(140)는 제어부(130)에 결합되며, 제어부(130)의 제어 신호를 받고, 연료의 재충전 또는 연료저장용기(110)의 교체 시기를 알리는 경보 신호를 출력한다.

한편, 연료저장용기(110)와 감지부(120)의 구체적인 설명은 본 발명의 실시예와 함께 후술한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료레벨 검출장치가 결합되어 있는 연료저장용기의 일례에 나타내는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 연료저장용기(110)에 저장된 연료(111)의 레벨을 연료 저장용기(110) 내측에 설치된 초음파 센서(122)로 검출한다. 이를 위하여, 연료저장용기(110)는, 상단에 개구부(113a)가 형성되고, 하단의 일측에는 연료유출구가 형성된 저장용기 본체(112), 가이드관(124), 반사부(128), 초음파센서(122), 뚜껑(114)을 포함한다.

개구부(113a)에는 뚜껑(114)을 체결할 수 있고, 뚜껑(114)의 내부에는 초음파센서(122)가 설치된다. 초음파 센서(122)는 반사부(128)와 최단거리가 되도록 일직선상에 위치하며 초음파 센서(122)의 방출면에서 발신된 초음파가 반사부(128)에 반사되어 되돌아오도록 반사부(128)와 마주보도록 위치한다.

가이드관(124)은 바람직하게는 파이프 형상으로, 저장용기 본체(112)의 내부에 설치되는데, 일단은 개구부(113a)와 접하고, 타단은 베이스(113b)에 인접한다. 가이드관(124)의 표면 상에는 다수의 홀(126)이 타공되어, 이를 통해 저장용기 본체(112)에 저장된 연료(111)의 유체소통이 가능하다. 이에 따라 가이드관(124) 내부와 저장용기 본체(112) 내부의 액면(111a)은 동일하므로, 반사부(128)는 저장용기 본체(112) 내부의 액면(111a)과 동일한 위치에 위치할 수 있다.

가이드관(124)의 내부에 설치되는 반사부(128)는 액면(111a)상에 부유할 수 있도록 적절한 부력을 갖는 재료로 만들어지고, 반사부(128)의 표면은 초음파를 효율적으로 반사할 수 있는 재질과 거칠기로 형성된다. 따라서 반사부(128)는 초음파센서(122)에서 발신된 초음파를 고효율로 반사시켜 초음파센서(122)의 감지능을 향상시킬 수 있다. 반사부(128)의 형상 및 크기는 적절하게는 가이드관(124)의 내부 단면의 형상 및 크기와 유사하여, 액면(111a)의 상하 이동에 따른 반사부(128)의 상하 이동이 가이드관(124)을 따라 타이트하게 일어날 수 있다. 따라서 이동중 연료저장 용기(110)가 진동하여 액면(111a)이 요동하더라도, 초음파센서(122)와 반사부(128)는 일직선상에 위치하여 연료(111)의 레벨을 효율적으로 감지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료레벨 검출장치가 결합되어 있는 연료저장용기의 또다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료저장용기는 초음파센서(122a)를 연료저장용기(110)의 외측에 설치한다는 것을 제외하고 도 3의 연료저장용기(110)의 실시예와 동일하다. 본 실시예에서, 초음파 센서(122a)는 뚜껑(114)의 외측에서 반사부(128)와의 일직선상에 설치하여, 연료(111)로 인한 초음파센서(122a)의 오염을 방지할 수 있다. 설명의 편의상, 전술한 도 3의 연료저장용기(110)의 실시예와 동일한 기타 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 특히 연료(111)의 레벨을 감지하는 작용에 관한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 상술한 실시예에서 연료전지 시스템은 소형화에 적합한 고분자 전해질형 연료전지 방식이나 직접 메탄올 연료전지 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

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, 연료전지 시스템에서 이동중에서와 같이 연료전지가 요동하는 상황에서도 정확하고 효율적으로 연료레벨을 측정할 수 있다. 아울러 연료가 일정 레벨 이하일 때, 경보발생부를 통해 경보를 발생하고 사용중인 어플리케이션에 이를 통보하며 연료펌프를 적절하게 제어함으로써, 연료전지의 안정적인 운용 및 사용자 편의성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료전지를 구비하는 전기발생부; 및

   상기 연료 레벨을 검출하는 감지부가 결합되는 연료저장용기를 구비하고, 상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 연료공급부를 포함하되,

   상기 감지부는 상기 연료를 향해 초음파를 방출하고 반사되는 상기 초음파를 검출하는 초음파 센서와, 상기 초음파를 반사하는 반사부를 구비하고, 상기 연료저장용기에는 상기 연료의 표면상에서 상기 연료의 레벨에 따라 상기 반사부를 왕복 운동시키는 가이드관이 삽입설치되는 연료전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가이드관은 상기 연료저장용기의 개구부로부터 바닥면 부근까지 연장되는 파이프 형상을 구비하며, 상기 연료의 자유로운 출입을 허용하는 홀이 설치되는 연료전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반사부는 상기 연료에 의해 부력을 받는 재료로 이루어지는 연료전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 감지부의 전기적 신호에 응답하고 상기 전기적 신호에 상응하는 연료 레벨을 출력하는 제어부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어부에 결합되며, 상기 제어부의 제어 신호를 받고, 상기 연료의 재충전 또는 상기 연료저장용기의 교체 시기를 알리는 경보 신호를 출력하는 경보발생부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
6. 연료저장용기에 저장되어 있는 연료의 레벨을 검출하는 연료레벨 검출장치에 있어서,

   상기 연료를 향해 초음파를 방출하고 반사되는 상기 초음파를 검출하는 초음파 센서;

   상기 초음파를 반사하는 반사부; 및

   상기 연료저장용기에 삽입설치되며, 상기 연료의 표면상에서 상기 연료의 레벨에 따라 상기 반사부를 왕복 운동시키는 가이드관을 포함하는 연료레벨 검출장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 가이드관은 상기 연료저장용기의 개구부로부터 바닥면 부근까지 연장되 는 파이프 형상을 구비하며, 상기 연료의 자유로운 출입을 허용하는 홀이 설치되는 연료레벨 검출장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 반사부는 상기 연료에 의해 부력을 받는 재료로 이루어지는 연료레벨 검출장치.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 초음파 센서는 상기 연료저장용기의 개구부를 막는 뚜껑의 내부면 또는 외부면에 설치되는 연료레벨 검출장치.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 감지부의 전기적 신호에 응답하고 상기 전기적 신호에 상응하는 연료 레벨을 출력하는 제어부를 추가적으로 포함하는 연료레벨 검출장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제어부에 결합되며, 상기 제어부의 제어 신호를 받고, 상기 연료의 재충전 또는 상기 연료저장용기의 교체 시기를 알리는 경보 신호를 출력하는 경보발생부를 추가적으로 포함하는 연료레벨 검출장치.

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