KR20070010988A - 연료방출량 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 - Google Patents

연료방출량 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20070010988A
KR20070010988A KR1020050066023A KR20050066023A KR20070010988A KR 20070010988 A KR20070010988 A KR 20070010988A KR 1020050066023 A KR1020050066023 A KR 1020050066023A KR 20050066023 A KR20050066023 A KR 20050066023A KR 20070010988 A KR20070010988 A KR 20070010988A
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Abstract

연료방출량 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명은 개질 연료를 저장하는 연료저장장치에 결합되어 연료저장장치로부터 방출되는 연료의 방출량을 측정하기 위해 연료저장장치로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부, 및 이 기화부를 통과하는 기체 상태의 연료량을 측정하는 측정부를 포함하는 연료방출량 측정장치와 이 연료방출량 측정장치가 채용된 연료전지 시스템을 제공한다. 본 발명에 의하면, 연료저장장치로부터 방출되는 연료에 액상 및 기상의 연료가 혼재되어 있는 경우에도 방출되는 연료량을 정확하게 측정할 수 있고 적절한 시기에 연료를 보충할 수 있어 연료전지 시스템의 지속적이고 안정적인 운전에 기여할 수 있다.
연료 전지, 연료, 액상, 기상, 방출량, 측정

Description

연료방출량 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Apparatus to measure amount of released fuel and fuel cell system having same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료방출량 측정장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료방출량 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료방출량 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료방출량 측정장치가 채용된 연료전지 시스템의 변형예를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료전지 시스템
110 : 연료저장장치
120 : 연료방출량 측정장치
130 : 출력장치
120 : 개질장치
110 : 연료전지
130 : 공기공급장치
본 발명은 연료캔과 같은 연료저장장치로부터 방출되는 연료의 방출량을 비교적 정확하게 측정할 수 있는 연료방출량 측정장치 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 가진 다.
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 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등와 같은 연료로부터 얻을 수 있다.
한편, 연료전지의 연료 공급원으로서 현재 시중에 판매되고 있는 부탄캔을 이용한다면, 연료의 휴대와 공급이 용이해질 수 있다. 따라서, 최근에서는 부탄캔 등과 같이 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 연료캔을 이용하는 연료전지 시스템이 개발되고 있다.
전술한 연료캔을 이용한 연료전지 시스템에서는 지속적이고 안정적인 운전을 위해 연료캔에 남은 연료의 양을 가스 측정기(gas meter) 등을 이용하여 측정해야 한다. 하지만, 종래의 가스 측정기만을 이용하여 연료캔에 남은 연료 잔량을 측정하는 것은 쉽지 않다. 그것은 연료캔에 저장되는 연료는 그 부피를 작게 하기 위하여 액상으로 저장되는데, 이때 주변 온도 등의 특정 환경 하에서 연료캔으로부터 방출되는 연료는 기체 상태뿐 아니라 액체 상태로 방출될 수 있기 때문이다.
따라서, 종래의 연료캔을 이용한 연료전지 시스템에서는 연료저장장치로부터 방출되는 연료 방출량을 정확하게 측정할 수 없고, 따라서 연료전지 시스템의 지속적이고 안정적인 운전을 보장할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 연료캔과 같은 연료저장장치로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시켜 연료 방출량을 상당히 정확하게 측정할 수 있는 연료방출량 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 연료저장장치와 개질 장치를 연결하는 연료이송관에 결합 설치되며 연료저장장치로부터 방출되고 연료이송관을 통과하는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부, 및 연료이송관을 통과하는 기상의 연료량을 측정하는 측정부를 포함하는 연료방출량 측정장치가 제공된다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 수소가 함유된 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지와, 이 연료전지에 연료를 공급하는 개질장치와, 연료를 저장하고 개질장치에 공급하는 연료저장장치, 및 이 연료저장장치로부터 방출되는 연료량을 측정하는 연료방출량 측정장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다. 여기서, 연료방출량 측정장치는 연료저장장치와 개질 장치를 연결하는 연료이송관에 결합 설치되며 연료저장장치로부터 방출되고 연료이송관을 통과하는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부, 및 연료이송관을 통과하는 기상의 연료량을 측정하는 측정부를 구비한다.
바람직하게, 연료는 상온에서 기체 상태인 연료 예컨대 부탄을 함유한 연료이며, 연료저장장치에 일정 압력하에서 압축 저장된다.
또한, 기화부는 연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 한 곳에 설치 되는 가열장치를 구비한다. 가열장치는 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함한다.
또한, 기화부는 고전도성 금속 부재로 이루어지며, 연료이송관 중간에 설치되고, 연료이송관의 단면적/직경보다 작은 단면적/직경을 갖는 보조연료이송관을 구비한다. 가열장치는 보조연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 어느 한 곳에 설치되며, 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함한다.
또한, 측정부는 차압식 유량계, 면적식 유량계, 초음파식 유량계, 용적식 유량계 중 적어도 어느 하나의 유량계를 포함한다.
또한, 개질장치는 연소 촉매 반응에 의해 연소연료를 연소시켜 열을 공급하는 열원부와, 열원부의 열을 이용한 개질 촉매 반응에 의해 연료를 수증기 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부, 및 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 저감시키는 일산화탄소 저감부를 구비한다.
또한, 연료전지는 고분자 전해질막을 이용하는 단위 연료전지 복수개가 적층되는 고분자 전해질형 연료전지 스택이다.
또한, 상술한 연료전지 시스템은 연료전지에 수소 가스를 공급하는 수소연료 공급장치와, 이 수소연료 공급장치로부터 방출되는 수소 가스량을 측정하는 가스측정장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 이 경우, 고출력의 연료전지를 구현하면서 연료의 보충시기를 적절히 파악하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에 서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 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 연료방출량 측정장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 주로 기상 연료를 방출하는 연료저장장치(110)로부터 액상의 연료가 방출되는 경우, 방출된 액상의 연료를 기화시킨 후에 연료 방출량을 측정함으로써 연료저장장치(110)으로부터 방출되는 연료의 방출량을 적은 오차 범위에서 정확하게 측정한다. 이를 위해, 연료전지 시스템(100)은 연료저장장치(110), 연료방출량 측정장치(120), 출력장치(130), 개질장치(140), 연료전지(150) 및 공기공급장치(160)를 구비한다.
구체적으로, 연료저장장치(110)는 연료를 일정 압력으로 압축 저장하는 압력용기를 포함한다. 여기서, 연료는 개질 처리에 의해 수소가 풍부한 연료를 발생시킬 수 있는 연료, 예컨대, 부탄을 함유한 연료를 포함한다. 이 경우, 부탄을 함유한 연료가 저장된 연료저장장치(110)에는 연료의 적절한 방출을 위한 방출 밸브(미도시)가 삽입 설치되는 것이 바람직하다.
일례로써, 연료저장장치(110)로는 현재 시중에 판매되고 있는 부탄캔을 간편하게 사용할 수 있다. 현재 시중에 판매되고 있는 가장 일반적인 형태의 부탄캔은 얇은 주석도금강판을 붙여 만들어지고, 그 무게는 대략 220g이며, 520㎖의 액상의 혼합 연료(프로판과 부탄이 혼합된 혼합 연료)가 저장되고, 그 내부 압력은 대략 15㎏/㎠이다.
전술한 구조의 연료저장장치(110)로부터 방출되는 연료 대부분은 기체 상태이지만, 연료전지(150)를 한대 지방과 같은 추운 환경에서 사용하거나 연료전지 시스템(100)에 연료저장장치(110)를 거꾸로 설치하여 사용하는 경우, 그 사용 환경에 따라 연료저장장치(110)로부터 소정량의 액체 상태의 연료가 방출될 수 있다.
연료방출량 측정장치(120)는 연료저장장치(110)로부터 방출되는 연료의 방출량을 유량계 자체의 오차 정도의 낮은 오차로 측정하기 위하여, 연료저장장치(110)로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 수단과, 상기 수단을 통과하여 흐르는 기상 연료의 양을 측정하는 측정 수단을 구비한다.
측정 수단으로는 연료저장장치(110)와 개질장치(140)을 연결하는 연료이송관에 결합되며 연료이송관을 통과하는 유량을 측정할 수 있는 기존의 유량계를 이용할 수 있다. 예를 들면, 차압식 유량계, 면적식 유량계, 초음파식 유량계, 용적식 유량계 등을 이용할 수 있다. 차압식 유량계는 연료이송관의 전후단에 생성되는 압력차를 측정하는 유량계이다. 면적식 유량계는 원통형 관내부에 플로트(float)를 넣고 측정 유량을 아래에서 위로 흐르게 하면 플로트는 위쪽으로 변위하게 되는데, 유량과 유체의 밀도와의 비례 관계를 토대로 측정된 변위량을 이용하여 유량을 측정하는 유량계이다. 초음파식 유량계는 유체 내에서 초음파의 전파속도와 유체의 평균 속도와의 일정 관계를 토대로 초음파의 전파속도를 검출하여 유량을 측정하는 유량계이다. 그리고, 용적식 유량계는 치차(gear)나 루트(root)를 두 개 조합하여 치차나 루트가 회전하는 회수로 유량을 측정하는 유량계이다.
전술한 연료방출량 측정장치(120)의 바람직한 실시예는 아래의 설명에서 상세히 언급될 것이다.
출력장치(130)는 연료방출량 측정장치(120)에서 측정된 측정값을 토대로 연료 방출량이나, 연료저장장치(110)에 저장된 연료의 초기 연료량에서 연료 방출량을 뺀 연료 잔량에 대한 신호를 소리나 글자 또는 이미지로 적절히 출력하는 장치를 포함한다. 예를 들면, 출력장치(130)는 스피커나 디스플레이 장치 등을 포함한다. 물론, 출력장치(130)는 휴대 전화 등에 무선으로 연료 방출량 또는 연료 잔량에 대한 정보를 전달하는 무선 송수신 장치와 결합될 수 있다.
개질장치(140)는 연료저장장치(110)으로부터 공급되는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 연료를 발생시킨다. 예를 들면, 개질장치(140)는 소정 연료를 연소시켜 열을 공급하는 열원부와, 개질 촉매가 삽입 설치되며 열원부의 열을 이용한 수증기 개질 반응을 통해 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 개질부를 구비할 수 있다. 또한, 개질장치(140)는 개질 가스에 함유된 유해물질, 예컨대, 일산화탄소를 일정 농도 이하로 저감시키기 위한 일산화탄소 저감부를 구비할 수 있다. 또한, 개질장치(140)는 연료에 함유된 유해물질, 예컨대, 유기 황화합물을 제거하기 위한 탈황장치를 구비할 수 있다.
연료전지(150)는 수소를 함유한 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 연료전지(150)는 단위 연료전지 복수개가 적 층된 구조의 스택(stack)으로 형성될 수 있다. 수소를 함유한 연료는 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등으로부터 연료 처리 과정을 통해 얻어질 수 있다. 그리고 산화제로는 공기 중의 산소나 산소 가스가 이용될 수 있다.
또한, 연료전지(150)로는 고분자 전해질형 연료전지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 연료전지(150)는 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 접합되어 있는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다.
공기공급장치(160)는 연료전지(150)의 캐소드에 산화제로서 공기를 공급하는 장치이다. 공기공급장치(160)로는 공기 펌프나 송풍 장치가 사용될 수 있다. 공기공급장치(160)로서 공기 펌프를 사용하면, 스택 구조의 연료전지(160)에 충분한 공기를 용이하게 공급할 수 있다.
상술한 구성에 의하면, 연료의 특정 상태, 예컨대, 기체 상태의 연료 방출량을 측정하기 위해 설치된 유량계를 이용하는 종래 기술에서는 방출된 연료 중에 소정량의 액체 상태의 연료가 포함되는 경우, 방출된 연료량을 제대로 측정할 수 없었다. 따라서, 종래 기술에서는 부탄캔과 같은 연료저장장치로부터 방출되는 연료 방출량을 제대로 측정하지 못하여 연료전지 시스템의 지속적이고 안정적인 운전을 방해할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 연료저장장치로부터 방출되는 액상의 연료 를 기화시켜 연료 방출량을 측정함으로써, 연료저장장치로부터 방출되는 연료의 방출량을 정확하게 측정할 수 있고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 지속적이고 안정적인 운전에 효과적으로 기여할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료방출량 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료방출량 측정장치(120a)는 연료저장장치와 개질장치를 연결하는 연료이송관(113)에 삽입 설치되며 연료저장장치로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부와, 연료이송관을 통과하는 연료의 방출량을 측정하는 측정부를 포함한다.
구체적으로, 기화부는 연료저장장치로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시킬뿐 아니라 연료이송관(113), 연료이송관(113)의 내부 공간(114), 그리고 연료이송관(113)에 흐르는 유체의 온도가 일정 온도, 예컨대, 상온 이상이 되도록 유지한다. 이것은 연료가 부탄을 함유한 탄화수소계 연료이면, 상온에서 쉽게 기화되기 때문이다.
기화부는 연료이송관(113)에 삽입 설치된 가열수단, 예컨대, 열선(121)으로 이루어진다. 열선(121)의 양단부는 연료이송관(113) 외부로 연장되며, 외부의 전원공급장치(미도시)에 의해 일정 전압이 인가된다. 따라서, 연료저장장치로부터 방출된 연료 중 액상의 연료(111a)는 연료이송관(113)의 내부 공간(114)을 통과하면서 열선(121)에 의해 가열되고 기화된다. 또한, 연료저장장치로부터 방출된 연료 중 기상 연료(111)는 연료이송관(113)의 내부를 통과하면서 열선(121)에 의해 예열된 다. 열선(121)의 온도는 연료의 비등점 또는 증기압을 고려하여 적절한 온도로 설정된다. 예컨대, 열선(121)의 온도로는 프로판이나 부탄의 비등점이 상온(20℃)보다 낮으므로, 이 온도보다 높은 온도 대략 20℃~50℃에서 적절히 조절된다.
또한, 연료이송관(113)을 통과하는 액상의 연료(111a)를 효과적으로 기화시키기 위해, 열선(121)은 연료이송관(113)의 내부 공간(114)에 나선형 모양으로 분산 배치될 수 있다.
측정부로는 연료이송관(113)을 통과하는 기상의 연료량을 측정하기 위해 연료이송관(113)에 결합 설치한 초음파 센서(122, 123)를 이용한다. 초음파 센서(122, 123)는 사람의 귀에 들리지 않는 20㎑ 이상의 높은 주파수의 음파(122a)를 이용한 센서이다. 초음파 센서(122, 123)로는 연료이송관(113)의 외벽에서 초음파를 발사하는 가는빔 방식의 외벽부착식 초음파 유량계(shear-mode ultrasonic flowmeter)를 사용한다. 여기서, 참조부호 122는 초음파 발사부가 되고, 참조부호 123은 초음파 수신부가 된다. 물론, 위에 기술한 초음파 센서로는 센서에서 초음파를 발사하지 않고 연료이송관(113)의 일부에서 초음파가 발사되도록 유도하는 와이드빔(wide-beam) 방식의 외벽부착식 초음파 유량계 등이 사용될 수 있다.
상술한 구성에 의하면, 기체 상태의 연료를 측정하도록 설치된 하나의 유량계(측정장치)를 이용하여 연료저장장치로부터 방출되는 연료의 방출량을 유량계의 측정 오차 범위 내에서 비교적 정확하게 측정할 수 있다. 아울러, 액상의 연료가 개질장치에 공급되지 않도록 함으로써, 개질장치의 손상을 방지할 수 있다는 효과도 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료방출량 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료방출량 측정장치(120b)는 연료저장장치와 개질장치를 연결하는 제1 및 제2 연료이송관(113a, 113b) 사이에 설치되며 연료저장장치로부터 방출되는 연료(111, 111a) 중 액상의 연료(111a)를 기화시키는 기화부와, 제2 연료이송관(113b)을 통과하는 연료(111)의 방출량을 측정하는 측정부를 포함한다.
구체적으로, 기화부는 제1 및 제2 연료이송관(113a, 113b) 사이에 설치된 보조연료이송관(124)과, 보조연료이송과(124)의 외표면에 설치되는 가열장치(125), 예컨대, 열선으로 이루어진다. 열선의 양단부는 외부의 전원공급장치(미도시)에 의해 일정 전압이 인가된다.
연료저장장치로부터 방출된 연료(111, 111a) 중 액상의 연료(111a)는 연료이송관(113)의 내부 공간(114)을 통과하면서 가열장치(125)에 의해 가열되고 기화된다. 또한, 연료저장장치로부터 방출된 연료(111, 111a) 중 기체 상태의 연료(111)는 보조연료이송관(124)을 통과하면서 가열장치(125)에 의해 예열된다. 가열장치(125)의 온도는 연료의 비등점 또는 증기압을 고려하여 적절한 온도로 설정된다. 예컨대, 가열장치(125)의 온도는 프로판이나 부탄의 비등점이 상온(20℃)보다 낮으므로, 이 온도보다 높은 온도로 적절히 설정된다.
측정부로는 보조연료이송관(125)을 통과하여 제2 연료이송관(113b)에 흐르는 기상의 연료량을 측정하기 위해 제2 연료이송관(113b)에 결합 설치한 초음파 센서(122, 123)를 이용한다. 본 실시예에서, 초음파 센서로는 초음파(122a)를 발사하는 초음파 발사부(122)와 발사된 초음파(122a)를 받는 초음파 수신부(123)을 구비한 가는빔 방식의 외벽부착식 초음파 센서를 사용한다.
상술한 구성에 의하면, 연료이송관에 고전도성 금속 부재로 이루어지고 폭이 좁아지는 보조연료이송관을 삽입 설치하고, 보조연료이송관을 열선 등의 가열수단을 통해 가열하도록 구성함으로서 효과적으로 액상의 연료를 기화시킬 수 있다. 특히, 연료전지 시스템이 한대 지방과 같이 저온의 환경에서 운전되는 경우에도 연료이송관 내의 기상의 연료 일부가 액화되는 경우에도 이 액상의 연료를 효과적으로 기화시킬 수 있다. 아울러, 초기 구동시 연료를 소정 온도로 예열하는 효과를 기대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100a)은 연료저장장치(110), 연료 펌프(112), 연료방출량 측정장치(120), 출력장치(130a), 개질장치(140), 연료전지(150), 수소연료 공급장치(170) 및 가스측정장치(180)를 구비한다. 연료저장장치(110), 연료방출량 측정장치(120), 개질장치(140) 및 연료전지(150)는 위에 기술한 연료전지 시스템(100)의 각 장치들과 실질적으로 동일하다.
연료 펌프(112)는 연료저장장치(110)에 결합되며, 연료저장장치(110)로부터 방출되거나 연료저장장치(110)에 저장되어 있는 연료를 개질장치(140)의 애노드에 공급한다. 또한, 연료저장장치(110)에서 충분한 압력으로 연료를 방출하여 개질장치(140)에 공급하는 경우, 연료 펌프(112)는 생략될 수 있다.
연료방출량 측정장치(120)로는 위에 기술한 두 실시예의 연료방출량 측정장치(120a, 120b) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
수소연료 공급장치(170)는 연료전지의 출력을 향상시키기 위해 보조 연료로서 순수소 또는 수소 가스를 추가적으로 연료전지(150)의 애노드에 공급하기 위한 장치이다. 수소를 저장하는 것은 에너지 밀도에 비해 용적이나 무게가 크고 많은 비용이 소요된다. 따라서, 전술한 수소연료 공급장치(170)는 연료전지(150)에 필요한 연료 대부분을 공급하기 위한 연료저장장치(110)에 더하여 연료전지 시스템에 보조적으로 사용되는 것이 바람직하다.
가스측정장치(180)는 수소연료 공급장치(170)로부터 방출되는 수소 가스의 양을 측정하는 장치이다. 가스측정장치(180)는 기존의 다양한 가스 미터(gas-meter)가 사용될 수 있다.
한편, 전술한 수소연료 공급장치(170)가 연료캔과 같은 연료저장장치로 설치되고 수소연료 공급장치(170)로부터 액상의 수소 연료가 방출되어 개질장치(140)가 손상될 우려가 있는 경우, 가스측정장치(180)는 앞서 기술한 연료방출량 측정장치(120)의 구성과 같이 기화부와 측정부를 구비하도록 설치될 수 있다.
출력장치(130a)는 연료방출량 측정장치(120)와 가스측정장치(180)로부터 측정된 연료 방출량에 대한 데이터(DS1,DS2)를 받고, 이를 적절한 형태, 예컨대, 소리나 문자 또는 이미지로 출력한다. 또한, 출력장치(130a)는 연료 보충 시기나 연료 고갈을 알리는 경보를 출력할 수 있다.
상술한 구성에 의하면, 이종의 연료를 이용하는 고효율 전료전지 시스템에 서, 연료캔과 같은 연료저장장치 및 수소연료 공급장치로부터 방출되는 연료의 방출량을 비교적 정확하게 측정함으로써, 연료 고갈로 인해 운전 정지나 연료전지 손상 등과 같은 악영향이 연료전지 시스템에 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 출력장치를 통해 연료의 잔량이나 연료 고갈 시기를 적절히 표시함으로써, 연료전지 시스템을 전원으로 이용하는 어플리케이션의 사용성 및 안정성에 기여할 수 있다는 이점이 있다.
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 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료캔과 같은 연료저장장치로부터 방출되는 연료 중 액상의 연료를 기화시켜 연료 방출량을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 연료 방출량의 정확한 측정을 위한 장치에 의해 연료가 예열되고, 액상의 연료가 개질 장치에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 연료의 안정된 공급을 통해 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전을 도모할 수 있다.

Claims (17)

  1. 연료저장장치와 개질 장치를 연결하는 연료이송관에 결합 설치되며 상기 연료저장장치로부터 방출되고 상기 연료이송관을 통과하는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부; 및
    상기 연료이송관을 통과하는 기상의 연료량을 측정하는 측정부를 포함하는 연료방출량 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 부탄을 함유한 연료이며, 상기 연료저장장치에 일정 압력으로 압축 저장되는 연료방출량 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기화부는 상기 연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 한 곳에 설치되는 가열장치를 구비하는 연료방출량 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가열장치는 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함하는 연료방출량 측정장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기화부는 고전도성 금속 부재로 이루어지며, 상기 연료이송관 중간에 설치되고, 상기 연료이송관의 단면적/직경보다 작은 단면적/직경을 갖는 보조연료이송관을 구비하는 연료방출량 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 보조연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 어느 한 곳에 설치되며, 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함하는 연료방출량 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부는 차압식 유량계, 면적식 유량계, 초음파식 유량계, 용적식 유량계 중 적어도 어느 하나의 유량계를 포함하는 연료방출량 측정장치.
  8. 수소가 함유된 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지에 상기 연료를 공급하는 개질장치;
    상기 연료를 저장하고 상기 개질장치에 공급하는 연료저장장치; 및
    상기 연료저장장치로부터 방출되는 연료량을 측정하는 연료방출량 측정장치를 포함하되,
    상기 연료방출량 측정장치는, 상기 연료저장장치와 상기 개질 장치를 연결하는 연료이송관에 결합 설치되며 상기 연료저장장치로부터 방출되고 상기 연료이송관을 통과하는 연료 중 액상의 연료를 기화시키는 기화부, 및 상기 연료이송관을 통과하는 기상의 연료량을 측정하는 측정부를 구비하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료는 상온에서 기체 상태인 연료이며, 상기 연료저장장치에 일정 압력하에서 압축 저장되는 연료전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기화부는 상기 연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 한 곳에 설치되는 가열장치를 구비하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가열장치는 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 기화부는 고전도성 금속 부재로 이루어지며, 상기 연료이송관 중간에 설치되고, 상기 연료이송관의 단면적/직경보다 작은 단면적/직경을 갖는 보조연료 이송관을 구비하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 보조연료이송관의 외주면 및 내부 공간 중 적어도 어느 한 곳에 설치되며, 그 양단부에 인가되는 전압에 의해 가열되는 열선을 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 측정부는 차압식 유량계, 면적식 유량계, 초음파식 유량계, 용적식 유량계 중 적어도 어느 하나의 유량계를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질장치는 연소 촉매 반응에 의해 연소연료를 연소시켜 열을 공급하는 열원부와, 상기 열원부의 열을 이용한 개질 촉매 반응에 의해 상기 연료를 수증기 개질하여 상기 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부, 및 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 저감시키는 일산화탄소 저감부를 구비하는 연료전지 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질막을 이용하는 단위 연료전지 복수개가 적층 되는 고분자 전해질형 연료전지 스택인 연료전지 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지에 수소 가스를 공급하는 수소연료 공급장치; 및
    상기 수소연료 공급장치로부터 방출되는 수소 가스의 양을 측정하는 가스측정장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
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