KR20070048486A - 세미 패시브형 연료전지 시스템 - Google Patents

세미 패시브형 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세미 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 스택에 공기를 공급하는 덕트 내부의 온도변화를 측정하여 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정할 수 유량측정수단을 구비하여 덕트 내부의 공기 유량을 보다 용이하게 측정할 수 있는 세미 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지, 세미 패시브형, 공기유량측정, 온도변화

Description

세미 패시브형 연료전지 시스템{Semi Passive Type Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세미 패시브형 연료전지 시스템의 전체적인 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 사시도이다.
도 3은 도 2의 스택의 분리사시도이다.
도 4는 도 1의 스택과 송풍수단 및 유량측정수단의 결합관계를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단의 사시도이다.
도 6은 도 5의 유량측정수단과 제어부의 연결관계를 나타내는 구성도이다.
도 7은 도 4의 A-A 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단에 의한 공기유량 측정방법의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단을 이용하여 공기유량과 온도차의 상관식을 산출하기 위한 연료전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 10은 공기유량과 온도차의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 - 스택 30 - 연료공급수단
50 - 공기공급수단 51 - 송풍수단
60 - 덕트 61 - 제1덕트
71 - 제2덕트 80 - 유량측정수단
90 - 제어부
본 발명은 세미 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 스택에 공기를 공급하는 덕트 내부의 온도변화를 측정하여 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정할 수 유량측정수단을 구비하여 덕트 내부의 공기 유량을 보다 용이하게 측정할 수 있는 세미 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료전지는 연료 전지 시스템은 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템과 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.
일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이 러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다.
이에 비하여 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
이러한 DMFC 시스템은 스택에 에어 컴프레서(air compressor) 또는 공압펌프(air pump)와 같은 공기 공급수단을 사용하여 강제로 공기를 공급하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 휴대가 가능하여 노트북, 이동통신기기와 같은 이동기기에 대한 적용가능성이 검토되고 있다. 그러나, 이러한 DMFC 시스템에 사용되는 공기 공급수단은 소음이 심하여 사용자에게 소음으로 인한 불편함을 주는 문제가 있다. 따라서, 이러한 DMFC 시스템은 스택에 공급하는 공기가 자연대류 방식에 의하여 공급되는 패시브형 DMFC 시스템 또는 공기가 송풍기와 같은 송풍수단에 의하여 공급되는 세미 패시브형 DMFC 시스템이 개발되고 있다.
상기 패시브형 DMFC 시스템은 공기를 자연대류 방식에 의하여 공급하게 되므로 각 캐소드에 공기가 충분하게 공급되지 못하게 된다. 따라서, 상기 패시브형 DMFC 시스템은 스택을 적층하지 않고 평면상으로 형성하게 되어 스택의 면적이 상 대적으로 넓게 되어야 한다는 제약이 있다.
한편, 상기 세미 패시브형 DMFC 시스템은 송풍기와 같은 송풍수단을 사용하므로 공급되는 공기의 양은 패시브형 DMFC 연료전지 시스템에 비하여 증가하게 된다. 따라서, 상기 세미 패시브형 DMFC 연료전지 시스템은 스택을 적층하여 형성할 수 있게 된다.
그러나, 이러한 세미 패시브형 DMFC 시스템은 송풍기를 사용하더라도 스택의 바이폴라 플레이트에 형성되어 있는 공기통로들에 공기를 균일하게 공급하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 세미 패시브형 DMFC 시스템은 소형으로 형성되므로 유량계나 압력계를 이용한 범용방법으로 공기통로의 위치에 따른 공기의 유량을 측정하는 것이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 스택에 공기를 공급하는 덕트 내부의 온도변화를 측정하여 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정할 수 유량측정수단을 구비하여 덕트 내부의 공기 유량을 보다 용이하게 측정할 수 있는 세미 패시브형 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 안출된 본 발명의 세미 패시브형 연료전지 시스템은 전해질막과 상기 전해질막의 양측에 형성되는 캐소드전극과 애노드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리와 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트를 구비하는 다수의 단위셀이 순차적으로 적층되어 형성되는 스택 과 연료공급수단과 공기공급수단을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택의 바이폴라 플레이트는 상기 캐소드 전극과 접하는 면에 상부에서 하부로 관통되어 형성되는 공기통로를 구비하며, 상기 공기공급수단은 상기 스택의 상부와 하부에 설치되는 덕트와, 상기 덕트에 공기를 공급하는 송풍수단과, 덕트 내부에 설치되어 덕트 내부의 온도변화를 측정하여 공기의 유량을 산출하는 유량측정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 바이폴라 플레이트의 공기통로는 스택의 상부에서 하부로 직선 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 덕트는 상기 스택의 상부에 설치되는 제1덕트와 상기 스택의 하부에 설치되는 제2덕트를 구비하며, 상기 송풍수단은 상기 제1덕트의 일측으로 공기를 공급하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1덕트는 일측의 내부에 상기 송풍수단이 설치되며, 타측이 상기 스택의 상부를 전체적으로 덮도록 형성되며, 상기 제1덕트의 일측의 상면에 상기 송풍수단의 상부에 형성되는 공기흡입구와, 타측의 하면에 상기 스택의 하부 형상에 대응되는 형상으로 형성되며 공기를 스택으로 공급하는 공기공급구를 구비하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1덕트의 타측 상면은 내부 높이가 상기 송풍수단이 설치된 일측으로부터 타단으로 작아지도록 소정의 경사각으로 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1덕트의 일측은 내부 높이가 상기 송풍수단의 높이에 상응하는 높이로 형성되며, 상기 송풍수단은 상기 공기흡입구를 통하여 공기를 흡입하여 상기 제1덕트의 타측으로 공급하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2덕트는 상면에 상기 스택의 하부 형상에 대응되는 형상으로 형성되며 스택을 통과한 공기가 유입되는 공기유입구와, 타단에 형성되어 공기를 외부로 배출하는 공기배출구를 구비하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2덕트의 하면은 상기 제1덕트의 상면과 동일한 경사각으로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유량측정수단은 열선과 상기 열선을 감싸는 열전도성튜브와 상기 열전도성 튜브에 접촉되는 적어도 하나의 열전대를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 유량측정수단은 미리 산출되는 온도차와 공기유량에 대한 상관식이 저장되며, 상기 열선에 대한 전기공급을 제어하며, 상기 열전대의 온도차를 측정하여 공기유량을 산출하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때. 상기 열선은 소정 직경과 길이를 갖는 선형이며, 외면에 절연층이 구비되어 상기 열전도성튜브에 삽입되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 절연층은 열전도성 세라믹 또는 열전도성 필름으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 열전도성튜브는 구리 또는 구리합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 중 어느 하나의 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 유량측정수단은 열전대를 통하여 열전도성튜브의 제1온도를 측정하는 과정과 열선에 소정 전기를 공급하고 송풍수단으로부터 덕트 내부로 공기가 공급되는 과정과 상기 열전도성튜브의 제2온도를 측정하는 과정과, 제1온도와 제2온도의 온도차로부터 상기 상관식을 이용하여 공기유량을 산출하는 과정을 포함하여 덕트내의 공기유량을 산출하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 온도차와 공기유량에 대한 상관식은 상기 덕트를 통하여 일정량의 공기가 공급될 때 측정되는 상기 열전도성튜브의 온도차로부터 산출될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 송풍수단은 블로워 또는 팬을 구비하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템은 직접메탄올 연료전지 시스템 또는 고분자 전해질형 연료전지 시스템으로 이루어질 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면과 실시예들을 통하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세미 패시브형 연료전지 시스템의 전체적인 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택의 사시도이다. 도 3은 도 2의 스택의 분리사시도이다. 도 4는 도 1의 스택과 송풍수단 및 유량측정수단의 결합관계를 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단의 사시도이다. 도 6은 도 5의 유량측정수단과 제어부의 연결관계를 나타내는 구성도이다. 도 7은 도 4의 A-A 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 세미 패시브형 연료전지 시스템은, 도 1 내지 도 7을 참조하면, 스택(10)과 상기 스택(10)에 연료를 공급하는 연료공급수단(30)과 상기 스택(10)에 공기를 공급하는 공기공급수단(50) 및 유량측정수단(80)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 세미 패시브형 연료전지 시스템은 상기 공기공급수단(50)과 유량측정수단(80)을 제어하는 제어부(90)를 포함하여 형성된다. 상기 제어부(90)는 유량측정수단(80)과 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제어부(90)는 세미 패시브형 연료전지 시스템과는 별도의 제어장치로 구비되어 세미 패시브형 연료전지 시스템의 공기유량측정이 필요한 경우에 공기공급수단(50) 및 유량측정수단(80)에 연결 되어 사용되도록 할 수 있음은 물론이다. 여기서는 세미 패시브형 연료전지 시스템은 메탄올을 직접 연료로 사용하여 전기에너지를 발생시키는 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 중심으로 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 세미 패시브형 연료전지 시스템은 연료를 개질하여 발생되는 수소를 연료로 사용하여 전기에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템에 적용될 수 있음은 물론이다. 다만, 이러한 PEMFC 시스템은 액체연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기가 더 포함되어 구성된다.
상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly : 이하 "MEA"라 한다)(12)와 MEA(12)의 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 구성되는 단위셀(10a)이 다수 개로 적층되어 형성된다. 이때, 상기 바이폴라 플레이트(16)는 양면에 MEA(12)가 접촉되어 서로 인접하는 단위셀(10a)에 공유되도록 형성된다. 또한, 상기 스택(10)은 양측의 외곽에 위치하는 바이폴라 플레이트인 엔드 플레이트(End Plate)(16a)를 통하여 외부의 부하에 전기를 공급하게 된다. 상기 스택(10)은 엔드 플레이트(16a)의 외측에 결합되어 바이폴라 플레이트(16)와 MEA(12)를 고정하는 지지판(16b)을 포함한다. 한편, 상기 엔드플레이트(16a)는 지지판의 역할을 동시에 하도록 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 스택(10)은 바이폴라 플레이트(16)의 수직 중심선을 기준으로 좌우에 각각의 단위셀(10a)이 형성된다. 즉, 상기 스택(10)은 정면방향에서 볼 때 좌우에 독립적인 단위셀이 형성된다. 그리고, 상기 스택(10)은 좌우에 형성되는 단위셀 사이의 중앙영역에 연료공급통로인 제1관통로와 제2관통로(17a, 17b)가 형성된다. 따라서, 상기 스택(10)은 측면 방향에서 제1관통로와 제2관통로(17a, 17b)를 통하여 연료가 공급된다. 또한, 상기 스택(10)은 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 상부에서 하부로 형성되는 공기 통로(19)를 통하여 공기가 공급된다. 이하에서 스택(10)을 구성하는 MEA(12)와 바이폴라 플레이트(16)의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 상기 스택(10)은 수직 중심선을 기준으로 좌우에 형성되는 단위셀이 일체로 형성될 수 있음은 물론이다. 따라서 이러한 경우에는 제1관통로와 제2관통로(17a, 17b)가 바이폴라 플레이트(16)의 좌우측에 형성된다.
상기 MEA(12)는 애노드 전극(anode electrode)(13)과 캐소드 전극(cathode electrode)(15) 사이에 전해질막(membrane)(14)이 적층되어 형성된다. 이때, 상기 애노드 전극(13)과 캐소드 전극(15)은 전해질막(14)의 양면에 각각 수직 중심선을 기준으로 좌우에 소정 간격 이격되어 소정 면적으로 애노드 전극(13a, 13b)과 캐소드 전극(15a, 15b)이 형성된다. 따라서, 상기 MEA(12)는 양면에서 중앙에 애노드 전극(anode electrode)(13)과 캐소드 전극(cathode electrode)(15)이 형성되지 않는 미반응 영역이 형성되며, 미반응 영역에는 연료가 흐르는 연료공급통로인 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b)가 형성된다. 또한, 상기 MEA(12)는 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b) 사이에 스택(10)의 체결을 위한 볼트가 관통되는 체결홀(20)이 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극(13)과 캐소드 전극(15)은 연료의 공급 및 확산을 위한 연 료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 애노드 전극(13)은 공급되는 연료로부터 전자와 수소이온을 분리시키며, 전해질막(14)은 수소 이온을 캐소드 전극(15)으로 이동시키게 된다. 상기 캐소드 전극(15)은 애노드 전극(13)으로부터 공급된 전자와 수소 및 산소를 반응시켜 물을 생성하게 된다. 따라서, 상기 스택(10)은 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(16)는 양측에 MEA(12)가 밀착되며, 양면에 각각 연료통로(18)와 공기통로(19)가 형성된다. 보다 상세하게는 상기 바이폴라 플레이트(16)는 수직 중심선을 기준으로 양측의 소정 영역에 연료통로(18)와 공기통로(19)가 형성된다. 따라서, 상기 바이폴라 플레이트(16)는 중앙에 연료통로(18)와 공기통로(19)가 형성되지 않는 미형성 영역(16c, 16d)이 형성된다. 상기 바이폴라 플레이트(16)는 일면에 MEA(12)의 애노드 전극(13)이 밀착되며, 타면에 MEA(12)의 캐소드 전극(15)이 밀착되어 형성된다. 따라서, 상기 바이폴라 플레이트(16)는 애노드 전극(13)이 밀착되는 면에 연료통로(18)가 형성되어 애노드 전극(13)에 연료가 지속적으로 공급되도록 한다. 또한, 상기 바이폴라 플레이트(16)는 캐소드 전극(15)이 밀착되는 면에 공기통로(19)가 형성되어 캐소드 전극(15)에 공기가 지속적으로 공급되도록 한다.
상기 바이폴라 플레이트(16)는 연료통로(18)가 형성되는 영역 사이의 미형성 영역(16d)에 바이폴라 플레이트(16)를 관통하며 연료통로(18)의 일단과 타단에 각각 연결되는 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b)가 상하로 형성된다. 따라서, 상기 바이폴라 플레이트(16)는 제1관통로(17a)를 통하여 공급되는 연료가 연료통로(18)를 흐른 후에 제2관통로(17b)를 통하여 배출되도록 한다. 상기 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b)는 각각의 바이폴라 플레이트(16)와 MEA(12)에서 동일한 위치에 형성되어 스택(10)의 상하부를 전체적으로 관통하는 연료의 통로를 형성된다. 따라서, 상기 스택(10)은 일측에서 제1관통로(17a)를 통하여 연료가 공급되며, 타측에서 제2관통로(17b)를 통하여 미반응 연료와 반응 부산물인 이산화탄소가 배출된다. 상기 바이폴라 플레이트(16)는 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b) 사이에 스택(10)을 체결하는 볼트(도면에 도시하지 않음)가 삽입되는 체결홀(20)이 형성된다.
상기 바이폴라 플레이트(16)는 금속 소재 예를 들면 알루미늄, 구리, 철과 같은 금속 또는 이들의 합금, 그라파이트(graphite) 또는 카본 합성물과 같은 도전성 재료로 형성된다.
상기 연료통로(18)는 바이폴라 플레이트(16)의 일면 즉, MEA(12)의 애노드 전극(13)이 접촉되는 면에 수직 중심선을 기준으로 좌우에 표면을 따라 소정 깊이와 폭으로 형성된다. 따라서, 상기 연료통로(18a, 18b)는 중앙에 형성되는 미형성 영역(16d)의 양측에 각각 형성된다. 또한, 상기 연료통로(18)는 바람직하게는 지그재그 형상으로 형성되어 연료통로(18)의 면적이 증가되도록 한다. 따라서, 상기 연료통로(18)는 MEA(12)의 애노드 전극(13)과 접촉면적이 증가되면서 연료가 직접 접촉되는 애노드 전극(13)의 면적을 증가시키게 된다. 상기 스택(10)은 연료가 연료펌프에 의하여 소정 압력으로 공급되므로 연료통로(18)가 지그재그 형상으로 형성되어도 연료가 원활하게 공급될 수 있다.
상기 공기통로(19)는 바이폴라 플레이트(16)의 타면 즉, MEA(12)의 애노드 전극(15)과 접촉되는 면에 수직 중심선을 기준으로 좌우에 상부에서 하부로 소정 폭 또는 깊이 즉, 소정의 단면적을 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 공기통로(19a, 19b)는 중앙에 형성되는 미형성영역(16c)의 양측에 각각 형성된다. 상기 공기통로(19)는 바람직하게는 상부에서 하부로 직선 형상으로 형성되어 상부 또는 하부에서 공급되는 공기가 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 또한, 상기 공기통로(19)는 송풍수단의 용량, 필요한 공기의 양 등에 따라 소정의 단면적을 갖도록 형성된다. 상기 공기통로(19)는 일면의 연료통로(18)와 달리 제1관통로(17a)와 제2관통로(17b)에 연결되지 않는다.
한편, 상기 MEA와 바이폴라 플레이트는 중앙의 미반응 영역 또는 미형성 영역이 형성되지 않을 수 있다. 즉 상기 MEA는 일면과 타면에 각각 형성되는 애노드 전극과 캐소드 전극이 미반응 영역 없이 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 바이폴라 플레이트는 일면과 타면에 형성되는 연료통로와 공기통로가 각각 중앙의 미형성 영역 없이 일체로 형성될 수 있다. 이러한 경우에 상기 스택은 제1관통로와 제2관통로가 바이폴라 플레이트와 MEA의 좌우측에 형성된다.
상기 연료공급수단(30)은 소정 농도로 희석된 연료를 저장하는 연료탱크(32)와 연료를 스택(10)에 공급하는 연료펌프(34)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료탱크는 별도로 공급되는 연료원액과 물을 혼합하여 소정 농도로 희석하도록 형성 되는 경우에, 연료공급수단(20)은 연료원액을 저장하는 연료원액탱크(도면에 표시하지 않음)와 원액펌프(도면에 표시하지 않음)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 연료탱크(32)는 소정 농도로 희석된 연료가 저장된 카트리지 형식으로 형성될 수 있다. 이러한 경우에 상기 연료탱크(32)에 저장된 연료가 다 소진된 경우에 연료를 재충전하거나 새로운 연료탱크를 장착할 수 있다.
상기 연료탱크(32)는 소정 농도로 희석되어 있는 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상의 연료가 저장된다. 상기 연료펌프(34)는 연료탱크와 연결되며, 연료탱크(32)의 연료를 스택(10)의 애노드 전극으로 공급하게 된다. 또한, 상기 연료탱크가 연료원액을 공급받아 소정 농도로 희석하는 경우에, 연료 탱크(32)는 스택(10)의 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 연료와 스택(10)의 캐소드 전극으로부터 배출되는 물이 회수되도록 별도의 배관에 의하여 스택(10)의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결된다.
상기 공기공급수단(50)은 공기를 흡입하여 분출하는 송풍수단(51)과 송풍수단(51)에서 분출되는 공기를 스택(10)의 상부 또는 하부로 공급하는 덕트(60)를 포함하여 형성된다.
상기 송풍수단(51)은 외부의 공기를 흡입하여 일정한 압력으로 분출하게 되며, 블로워(blower), 또는 팬(fan)으로 형성된다. 다만, 상기 송풍수단(51)은 공기를 소정 압력으로 분출하는 다양한 수단이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 덕트(60)는 스택(10)의 상부에 형성되는 제1덕트(61)와 스택(10)의 하 부에 설치되는 제2덕트(71)를 포함하며, 제1덕트 또는 제2덕트의 내부 또는 외부에 송풍수단(51)이 설치된다. 상기 덕트(60)는 송풍수단(51)에서 공급되는 공기를 스택(10)의 상부로 유도하여 공기통로(18)로 공급하게 된다. 여기서는 상기 제1덕트(61)가 상부에 형성되고, 제2덕트(71)가 하부에 형성되는 것으로 설명하지만, 사용되는 이동통신기기의 사양 또는 사용 방법에 따라 제1덕트가 하부에 형성되고, 제2덕트가 상부에 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 제1덕트(61)는 내부가 중공인 대략 판상의 박스 형상으로 형성되며, 일측의 내부 또는 외부에 송풍수단(51)이 설치되고, 타측이 스택(10)의 상부에 위치되도록 형성된다.(여기서 제1덕트의 일측은 도 5에서 송풍수단이 설치되며 스택의 상부로부터 벗어나 있는 좌측을 의미하며, 타측은 스택의 상부에 설치되는 우측 부분을 의미한다) 상기 제1덕트(61)는 일측이 바람직하게는 송풍수단(51)의 높이에 상응하는 높이로 형성되어 내부에 송풍수단(51)이 설치되며, 상면에 송풍수단의 공기 흡입을 위한 공기흡입구(62)가 형성된다. 상기 공기흡입구(62)는 바람직하게는 송풍수단(51)의 상부 면적에 상응하는 면적으로 형성된다. 이때, 상기 제1덕트(61)의 일측은 전체적으로 균일한 높이로 형성되어 흡입된 공기가 타측으로 원활하게 흐르도록 한다. 또한 상기 제1덕트(61)의 일단(61a)은 폐쇄되어 송풍수단(51)에 의하여 흡입된 공기가 외부로 유출되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 상기 제1덕트(61)는 송풍수단(51)에 의하여 흡입된 공기가 타측으로만 분출되도록 한다.
상기 제1덕트(61)의 타측은 스택(10)의 상부를 전체적으로 덮도록 적어도 스택(10)의 상부 면적에 상응하는 면적과 소정 높이를 갖도록 형성된다. 이때, 상기 제1덕트(61)의 타측은 스택(10)의 상부와 접촉되는 하부 영역이 개방되어 공기공급구(63)가 형성된다. 상기 공기공급구(63)는 바람직하게는 스택의 상부 형상과 면적에 상응하는 형상과 면적으로 형성된다. 따라서, 상기 제1덕트(61)는 송풍수단(51)에 의하여 일측의 공기흡입구(62)를 통하여 흡입된 공기가 타측으로 유도되어 공기공급구(63)를 통하여 스택(10)의 공기통로(18)로 공급된다.
상기 제1덕트(61)의 타측은 바람직하게는 내부의 높이가 스택(10)의 일측에서 타측으로 갈수록 점진적으로 작아지도록 형성된다. 즉, 상기 제1덕트(61)의 타측은 상면(61c)이 스택(10)의 상면에 대하여 소정의 경사각으로 경사지도록 형성된다. 따라서, 상기 제1덕트(61)의 타측은 송풍수단(51)으로부터 멀어질수록 단면적이 감소되어 송풍수단(51)으로부터 분출되는 공기의 속도가 감소되지 않도록 한다. 일반적으로 덕트의 단면적이 일정한 경우에 분출되는 공기는 송풍수단으로부터 멀어질수록 속도가 감소되며 공기의 공급량이 줄어들게 된다. 이러한 현상은 송풍수단에서 분출되는 공기의 양이 작을수록 증가하게 된다. 따라서, 상기 제1덕트(61)의 타측은 상면(61c)의 경사각이 송풍수단(51)으로부터 분출되는 공기의 양에 따라 적정하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 송풍수단(51)에서 분출되는 공기의 양이 많게 되면, 제1덕트(61)의 타측은 상면(61c)이 경사각이 작게 형성될 수 있다. 반대로, 상기 송풍수단(61)에서 분출되는 공기의 양이 작게 되면, 제1덕트(61)의 타측은 상면(61c)의 경사각이 크게 형성될 수 있다.
상기 제2덕트(71)는 제1덕트(61)와 마찬가지로 내부가 중공인 대략 판상의 박스 형상으로 형성된다. 상기 제2덕트(71)는 스택(10)의 하부를 덮도록 스택(10) 의 하부에 설치되며, 상면에 스택(10)의 하부 면적에 상응하는 면적을 갖는 공기유입구(73)가 형성된다. 또한, 상기 제2덕트(71)는 일단(71a)이 폐쇄되고 타단(71b)이 개방되어 공기배출구(72)로 형성된다. 따라서, 상기 제2덕트(71)는 스택(10)을 통과한 공기를 외부로 배출하게 된다.
또한, 상기 제2덕트(71)는 내부의 높이가 점진적으로 높아지도록 하면(71c)이 일단(71a)으로부터 타단(71b)으로 소정의 경사각으로 경사지게 형성된다. 이러한 경우에, 상기 제2덕트(71)로 유입된 공기는 일단(71a)에서의 공기 속도가 타단(71c)보다 상대적으로 빠르게 되어 전체적으로 원활하게 배출될 수 있다. 상기 제2덕트(71)의 하면(71c)은 바람직하게는 제1덕트(61)의 타측 상면(61c)의 경사각도에 상응하는 경사각도로 경사지게 형성된다. 따라서, 상기 연료전지 시스템은 전체적으로 높이가 균일하게 형성되며, 덕트(50)에 의하여 높이가 부분적으로 증가되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이때, 상기 스택(10)은 제1덕트(61)의 상면 또는 제2덕트(71)의 하면의 경사각도에 상응하는 각도로 기울어지게 된다.
한편, 상기 제2덕트는 스택(10)의 캐소드로부터 반응 후에 배출되는 물의 배수통로 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 제2덕트의 타단에는 이러한 물을 회수하기 위한 별도의 배관이 형성될 수 있다.
상기 유량측정수단(80)은 열선(81)과 상기 열선(81)을 감싸는 열전도성튜브(83)와 상기 열전도성튜브(83)에 접촉되는 적어도 하나의 열전대(Thermocouple)(84)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 유량측정수단(80)은 열선 (81)에 대한 전기공급을 제어하며, 상기 열전대(84)의 온도를 측정하여 공기유량을 산출하는 제어부(90)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 유량측정수단(80)은 덕트(60) 내의 소정 위치에 설치되어 덕트 내로 공급되는 공기의 유량을 측정하며, 바람직하게는 스택(10)의 공기통로(19)에 공급되는 공기의 유량을 측정하게 된다. 따라서, 상기 유량측정수단(80)은 스택(10)의 공기통로(19)에 공급되는 공기의 유량이 보다 정확하게 측정될 수 있는 위치인 스택(10)의 공기통로(19) 하부에 설치된다. 즉, 상기 유량측정수단(80)은 제2덕트(71) 내에서 스택(10)의 공기통로(19) 하부에 설치되어 실제로 공기통로(19)에 공급된 공기의 유량을 측정하게 된다. 상기 유량측정수단(80)은 바람직하게는 덕트(60)내의 길이 또는 폭 방향 전체에 대하여 소정 위치별로 공기유량을 측정할 수 있도록 형성된다. 또한, 상기 유량측정수단(80)은 덕트(60) 내의 전체 영역에 대하여 소정 위치별로 공기유량을 측정할 수 있도록 형성될 수 있다.
상기 열선(81)은 소정 길이와 직경을 갖는 선형형상으로 형성되며, 바람직하게는 적어도 덕트 내의 길이방향의 길이 또는 폭 방향의 길이에 상응하는 길이로 형성된다. 또한, 상기 열선(81)은 직경이 너무 크게 되면 덕트(60) 내의 공기 흐름을 방해하게 되므로 덕트(60)의 내부 높이보다 작은 직경을 갖도록 형성된다. 한편, 상기 열선은 선형이 아닌 박막으로 형성될 수 있음은 물론이다. 이러한 경우에 상기 열선은 덕트의 내면에 코팅되는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 열선(81)은 전기가 공급되는 경우에 이에 비례하여 열을 발생시키는 일반적인 저항발열체로 형성되며, 바람직하게는 열 안정성이 우수한 백금 또는 백금 합금으로 이루어진 열선이 사용된다. 상기 열선(81)은 외면에 절연층(82)이 구비된다. 상기 절연층(82)은 열선(81)을 주위로부터 전기적으로 절연시키게 되며, 열선(81)에 공급되는 전기가 외부로 흐르는 것을 방지하게 된다. 따라서, 상기 열선(81)은 공급되는 전기를 손실 없이 효과적으로 열로 방출하게 된다.
상기 절연층(82)은 바람직하게는 전기적으로 절연성을 갖으면서 열전도성이 우수한 열전도성 재질로 형성된다. 상기 절연층(82)이 열전도성을 갖는 경우에 열선(81)에 공급되는 전기에 의하여 발생되는 열이 열전도성튜브(83)로 손실 없이 빠르게 전달될 수 있게 된다. 상기 절연층(82)은 예를 들면, 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride), 보론 나이트라이드(boron nitride), 이산화티타늄(titanium dioxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide) 알루미늄 산화물(aluminum oxide), 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 열전도성 세라믹, 열전도성 플라스틱 필름으로 형성될 수 있다.
상기 열전도성튜브(83)는 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 은 또는 은 합금, 금 또는 금 합금과 같은 금속으로 형성되며, 내다만 여기서 사용되는 금속의 재질을 한정하는 것은 아니며, 열전도성을 갖는 다양한 금속이 사용될 수 있음은 물론이다. 상기 열전도성튜브(83)는 내부로 삽입되는 열선(81)을 전체적으로 감싸게 된다. 상기 열전도성튜브(83)는 열선(81)에서 발열되는 열이 전달되어 소정온도로 상승하게 되며, 공기가 공급되면 다시 소정 온도로 내려가게 된다. 상기 열전도성튜브(83)는 절연층(82)에 의하여 열선과 전기적으로 절연되므로 전기는 흐르지 않게 된다. 한편, 상기 열전도성튜브(83)는 열선 이 박막으로 형성되는 경우에 열선에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 열전대(84)는 열전도성튜브(83)의 외면에 접착되어 열전도성튜브(83)의 소정 위치에 대한 온도를 측정하게 된다. 상기 열전대(84)는 적어도 하나의 열전대를 구비하며, 덕트내의 공기유량을 측정하고자 하는 위치 수에 따라 소정의 개수로 형성된다. 상기 열전대(84)는, 도 5를 참조하면, 4개(84a, 84b, 84c, 84d)가 소정 간격으로 이격되어 열전도성튜브(83)에 고정될 수 있다. 상기 열전대(84)는 바람직하게는 200도 이하의 온도에서 측정 정밀도가 높은 "T type" 열전대로 이루어진다.
상기 제어부(90)는 열선(81)에 대한 전기공급을 제어하며, 열전대(64)의 온도차를 측정하게 된다. 상기 제어부(90)는 미리 산출되는 온도차와 공기유량에 대한 상관식을 저장하게 되며, 열전대에 의하여 측정된 온도차로부터 공기유량을 산출하게 된다. 상기 제어부(90)는 송풍수단(51)을 제어하여 덕트(60)내로 공기를 공급하게 된다. 상기 제어부(90)는 전기공급모듈(91)과 온도측정모듈과(92)와 송풍수단제어모듈(93)과 메모리(94)를 포함하여 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제어부(90)는 부분별로 별도의 모듈로 형성되지 않고 전체적으로 하나의 모듈로 형성될 수 있음은 물론이다. 한편, 상기 제어부(90)는 유량측정수단(80)과 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제어부(90)는 세미 패시브형 연료전지 시스템과는 별도의 제어장치로 구비되어 세미 패시브형 연료전지 시스템의 공기유량측정이 필요한 경우에 공기공급수단(50) 및 유량측정수단(80)에 연결되어 사용되도록 할 수 있음은 물론이다. 이러한 경우에 상기 유량측정수단(80)의 열선과 열전대는 각각 포트를 구 비하게 되어 제어부가 포트를 통하여 열선과 열전대에 전기적으로 연결될 수 있도록 형성된다.
상기 전기공급모듈(91)은 열선(81)과 전기적으로 연결되며, 열선(81)에 대한 전기 공급을 제어하게 된다. 상기 온도측정모듈(92)은 열전대에 전기적으로 연결되며 각 열전대로부터 전기적 신호를 수신하여 해당 위치의 온도를 측정하게 된다. 상기 송풍수단제어모듈(93)은 송풍수단(51)과 전기적으로 연결되며 송풍수단(51)의 구동을 제어하게 된다. 상기 메모리(94)는 온도차와 공기유량에 대한 상관식이 저장되며, 제어부(90)는 온도차가 측정되면 메모리에 저장되어 있는 상관식을 이용하여 공기유량을 산출하게 된다. 여기서, 상기 제어부(90)를 구성하는 각 모듈에 대한 회로는 이 분야에서 통상의 기술을 가진 사람이 용이하게 구성할 수 있으므로 여기서 상세한 회로에 대한 설명은 생략한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 통상적인 작용에 대하여 설명한다.
여기서는 상기 공기공급수단(50)이 스택(10)에 공기를 공급하는 방법을 중심으로 설명한다. 한편, 상기 연료공급수단(30)이 스택(10)에 연료를 공급하는 방법은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 일반적인 방법이 사용될 수 있으므로 여기서 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 덕트(60)는 스택(10)을 중심으로 상부에 제1덕트(61)가 결합되며, 하부 에 제2덕트(71)가 결합된다. 상기 제1덕트(71)는 일측에 송풍수단(51)이 장착되며, 타측이 스택(10)의 상부에 결합된다. 따라서, 상기 송풍수단(51)이 작동되면, 송풍수단(51)은 상부의 공기흡입구(62)를 통하여 공기를 흡입하여 송풍수단(51)의 측부를 통하여 제1덕트(61)의 타측으로 분출하게 된다. 상기 제1덕트(61)는 송풍수단(51)을 통하여 분출되는 공기를 타측으로 흐르게 한다. 상기 제1덕트(61)의 타측은 상면(61c)이 경사지게 형성되어 타단(61b) 부근 영역에서 공기의 속도가 감소되지 않게 되며, 공급되는 공기의 양도 감소하게 않게 된다. 따라서, 상기 제1덕트(61)의 타측에서 바이폴라 플레이트(16)의 공기통로(19)는 송풍수단으로부터의 거리에 관계없이 균일하게 공기를 공급받게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(16)의 공기통로(19)를 통과한 공기는 스택(10)의 하부로 흘러 제2덕트(71)의 공기유입구(73)를 통하여 제2덕트(71)로 유입된다. 상기 바이폴라 플레이트(16)의 공기통로(19)는 수직 방향으로 직선 형상으로 형성되므로 보다 원활하게 공기가 흐르게 된다. 상기 제2덕트(71)는 일측이 스택(10)의 하부에 결합되어 스택(10)으로부터 유입되는 공기를 타측으로 흐르게 한다. 이때, 상기 제2덕트(71)는 내부 높이가 일단(71a)에서 타단(71b)으로 갈수록 증가되므로 스택(10)에서 유입되는 공기가 일단(71a)으로부터 타단(71b)으로 원활하게 흐르게 된다. 상기 제2덕트(71)의 일단으로부터 타단으로 흐르는 공기는 타단에 형성되는 공기배출구(72)를 통하여 외부로 배출된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 공기유량을 산출하는 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단에 의한 유량측정방법의 순서도이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유량측정수단을 이용하여 공기유량과 온도차의 상관식을 산출하기 위한 연료전지 시스템의 개략적인 사시도이다. 도 10은 공기유량과 온도차의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 유량측정방법은 열전도성튜브의 제1온도를 측정하는 과정(S20)과 열선에 전기를 공급하는 과정(S30)과 송풍수단으로부터 소정의 공기가 덕트 내로 공급되는 과정(S40)과 열전도성튜브의 제2온도를 측정하는 과정(S50)과 제1온도와 제2온도의 온도차로부터 공기유량을 산출하는 과정(S60)을 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 유량측정방법은 미리 산출되는 온도차와 공기유량의 상관식을 산출하는 과정(S10)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 온도차와 공기유량의 상관식을 산출하는 과정(S10)은 공기유량을 산출하고자 하는 연료전지 시스템에서 미리 알고 있는 공기유량을 공급할 때 열전도성튜브의 온도차를 측정하여 이로부터 온도차와 공기유량의 상관식을 산출하는 과정이다.
상기 유량측정방법은 일정한 열에 의하여 가열되는 열전도성튜브가 냉각되는 정도가 열전도성튜브를 냉각시키는 공기유량과 일정한 관계가 있는 원리를 이용하게 된다. 일반적으로 열선이 설치되고 소정량의 공기가 공급되는 덕트 내부가 정상상태에 도달하게 되면, 열선의 발열량은 공급되는 공기에 의한 냉각량과 동일하게 된다.
상기 열선의 발열량은 식(1)에 의하여 산출된다.
q1 = I2R ---------------- (1)
(여기서 I는 열선에 흐르는 전류, R은 열선의 저항)
상기 덕트내부로 공급되는 공기에 의한 냉각량은 식(2)에 의하여 산출된다.
q2 = hΔT -------------- (2)
(여기서, h는 열전달계수, ΔT는 열전도성튜브의 온도차)
따라서, 상기 식(1)과 식(2)로부터 열선에 의한 발열량은 공기에 의한 냉각량 즉, 공급되는 공기유량과 일정한 관계를 갖게 된다.
한편, 상기 열전달계수(h)는 누셀트 수(Nusselt Number : Nu)와 레이놀드 수(Reynolds Number : ReD)로부터 공기의 유속과 소정의 관계가 성립된다.
즉, 상기 누셀트 수는 열전달계수 및 레이놀드 수와 식(3)과 같은 관계가 성립된다.
Figure 112005063716743-PAT00001
---------------(3)
(여기서, k는 열전도도, D는 튜브의 외경, C, m은 상수, Pr은 프렌틀 수(Prandtl Number)이다)
또한, 레이놀드 수는 유속과 식(4)와 같은 관계가 성립된다.
Figure 112005063716743-PAT00002
------------------------(4)
(여기서, D는 튜브의 직경, ρ는 유체의 밀도, v는 유속, η는 유체의 점성계수, ν는 동점성계수이다) 알려진 바에 따르면, 상기 상수 m은 레이놀드 수에 따라 정해지며, 레이놀드 수가 40 내지 4000 범위에서 0.466의 값을 갖는다.
따라서, 열전달계수(h)는 유속과 소정의 관계를 갖게 된다. 즉, 상기 열전달계수(h)는 식(3)과 식(4)로부터 이론적으로 v0.466에 비례하게 되며, 실험적으로는 v0.4454된다. 식(3)과 식(4)은 일반적으로 사용되는 식이므로 여기서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 열전달계수(h)와 유속의 관계는 공기가 공급되는 덕트의 형상과 튜브의 형상 등에 따라 식(3)과 식(4)외에도 다양하게 표현될 수 있음은 물론이다.
또한, 덕트 내부의 단면적을 S라 하면, 덕트 내부로 공급되는 공기 유량(Q)은 식(5)와 같이 주어진다.
Figure 112005063716743-PAT00003
-----------------(5)
따라서, 상기 식(3)과 식(4)와 식(5)로부터 공급되는 공기유량은 열전달계수와 소정의 관계를 갖고 있음을 알 수 있다.
또한, 식(1)과 식(2)로부터 덕트 내부로 공급되는 공기유량(Q)은 덕트 내부에서의 열전도성 튜브의 온도변화와 소정의 관계를 갖고 있음을 알 수 있다. 즉, 상기 열전도성튜브로 공급되는 공기유량은 덕트 내부의 온도와 열선의 발열량 및 공기에 의하여 냉각되는 열전도성 튜브의 온도변화와 일정한 관계를 갖고 있음을 알 수 있다.
이러한 관계를 이용하여 소정의 전기를 열선에 공급하면서 미리 알고있는 공기유량을 공급할 때 나타내는 열전도튜브의 온도차를 측정하면, 공기유량과 온도차에 대한 상관식을 구할 수 있으며, 열전달계수도 산출할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 온도차와 공기유량의 상관식을 산출하기 위한 연료전지 시스템은, 도 9를 참조하면, 실제로 사용되는 연료전지시스템과 동일한 사양으로 형성된다. 다만, 상기 연료전지 시스템의 제1덕트(61)에는 외부의 송풍수단(51a)이 연결되며, 송풍수단(51a)의 전단에는 유량계(51b)가 설치된다. 그리고, 상기 유량측정수단(80)은 제2덕트(71)의 내부에 설치된다. 상기 유량측정수단(80)의 열선(81)과 열전도성튜브(83)는 폭 방향과 길이 방향으로 소정 간격으로 설치되며, 열전대(84)는 각 열전도성튜브(83)의 폭 방향을 따라 소정 간격으로 설치된다. 도 9에 도시된 연료전지 시스템은 폭 방향으로 A, B, C, D의 위치와 길이 방향으로 1, 2, 3, 4의 위치에 각각 열전대가 설치되어 온도차를 측정하게 된다. 따라서, 상기 연료전지 시스템은 외부에 설치된 송풍수단(51a)으로부터 공급되는 공기유량을 측정하면서 유량측정수단(80)으로부터 제2덕트(71) 내부에 설치되는 열전도성튜브(83)의 온도차를 측정하게 된다.
상기 온도차를 측정하는 과정을 보면, 먼저 제어부(90)에 의하여 열전도성 튜브(83)의 열전대로부터 열전도튜브가 가열되기 전의 온도인 제1온도가 측정된다. 따라서, 제1온도는 덕트 내부의 주위온도가 된다. 다음으로, 상기 제어부(90)는 상기 열선(81)에 소정의 전기를 인가하여 열전도성튜브(83)를 가열하게 된다. 또한, 상기 제어부(90)는 송풍수단(51a)을 구동하여 제1덕트(61) 내부로 일정량의 공기를 공급하게 된다. 이때, 상기 송풍수단(51a)으로부터 공급되는 공기는 유량계(51b)에 의하여 공기유량이 측정된다. 상기 제1덕트(61) 내부로 일정량의 공기가 공급된 후에 제2덕트 내부의 열전도성튜브(83)의 제2온도를 측정하게 된다. 상기 열전도성튜브(83)의 유량에 따른 온도변화를 소정 간격으로 측정하게 된다. 표 1은 도 9에 도시된 연료전지시스템의 길이 방향으로 3번의 위치에서 공기유량에 따른 열전도성튜브의 온도차를 측정한 결과이다. 표 1에서 A, B, C, D는 제2덕트의 폭 방향으로 온도를 측정한 위치를 의미한다.
공기 유량 [LPM] 2.80 5.00 7.30 10.00 15.20 20.00 25.30 30.20 35.00 40.70 45.50 50.30
온도차 [℃] A 37.29 33.21 27.86 25.36 21.60 18.86 17.61 16.47 15.73 12.82 12.04 10.76
B 36.95 32.79 27.09 24.53 20.85 18.21 17.17 16.19 15.44 12.43 11.66 10.37
C 36.98 33.01 26.75 24.15 20.21 17.61 16.60 15.66 14.99 12.02 11.26 10.01
D 37.08 33.49 26.92 24.44 20.09 17.52 16.27 15.29 14.58 11.82 11.05 9.87
평균온도차 [℃] 37.07 33.12 27.15 24.62 20.68 18.05 16.91 15.90 15.18 12.27 11.50 10.25
상기 온도차와 공기유량에 대한 상관식은, 도 10을 참조하면, 표 1의 데이터로부터 식(5)와 같은 관계식으로 산출된다. 식(5)는 평균온도차로부터 산출된 식이다.
Figure 112005063716743-PAT00004
----------------(6)
따라서, 실제 사용하는 연료전지 시스템에서 공기유량(Q)은 제2덕트 내부에 설치되는 유량측정수단(80)을 이용하여 측정되는 온도차(ΔT)를 식(6)에 대입하여 산출하게 된다.
한편, 상기 상관식은 연료전지 시스템의 덕트 형상, 스택의 공기통로 구조, 송풍수단의 사양 등에 따라 변하게 된다. 따라서, 상기 상관식은 동일한 구조를 갖는 연료전지 시스템에 대하여 적용하게 된다.
상기 열전도성튜브의 제1온도를 측정하는 과정(S20)은 열전도성튜브(83)의 소정 위치에서의 제1온도를 측정하는 과정이다. 상기 제어부(90)는 열전도성튜브(83)에 접착되어 있는 열전대(84)를 통하여 열전도성튜브(83)의 온도를 측정하게 된다.
상기 열선에 전기를 공급하는 과정(S30)은 열선(81)에 소정의 전기가 공급되는 과정이다. 상기 제어부(90)는 열선(81)에 소정의 전기를 공급하게 되며 열선(81)은 상기의 식(1)에 따라 발열을 하게 된다. 상기 열선(81)을 감싸고 있는 열전도성튜브(83)는 열선(81)으로부터 전달되는 열에 의하여 가열되며 온도가 상승된다.
상기 송풍수단으로부터 덕트 내부로 공기를 공급되는 과정(S40)은 송풍수단(51)의 가동에 의하여 덕트(60) 내부로 공기를 공급하는 과정이다. 상기 제어부(90)는 송풍수단(51)을 가동하게 되며 덕트 내부로 공기를 공급하게 된다. 상기 덕트 내부로 공급되는 공기는 제1덕트(61)로부터 스택의 공기통로를 지나 제2덕트(71)로 유입된다. 따라서, 상기 제2덕트(71)의 내부에 설치되어 있는 열전도성튜브(83)로 공기가 공급된다.
상기 열전도성튜브의 제2온도를 측정하는 과정(S50)은 열전도성튜브(83)의 소정 위치에서의 제2온도를 측정하는 과정이다. 상기 제어부(90)는 열전도성튜브(83)에 접착되어 있는 열전대(84)를 통하여 제1온도를 측정한 위치에서 열전도성튜브(83)의 온도를 측정하게 된다. 상기 열전도성튜브(83)는 공급되는 공기에 의하여 일정 온도로 낮아지게 되어 평형상태를 유지하게 된다. 이때, 상기 제2온도는 제1온도보다 높은 온도를 유지하게 된다.
상기 제1온도와 제2온도의 온도차로부터 공기유량을 산출하는 과정(S60)은 열전도성튜브의 일정위치에서 측정된 제1온도와 제2온도의 온도차로부터 공기유량을 산출하는 과정이다. 상기 제어부(90)는 식(6)과 같은 상관식에 측정된 온도차를 대입하여 공급되는 공기유량을 산출하게 된다. 상기 공기유량은 제2덕트 내부에서 열전도성튜브와 열전대가 설치된 위치에서의 공기유량을 의미한다. 따라서, 상기 연료전지 시스템은 공기유량의 측정이 필요한 영역의 제2덕트 내부에 유량측정수단(80)이 설치되며, 온도변화로부터 공기유량을 산출할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면 스택 상부의 일측에 블로워나 팬과 같은 송풍수단이 형성되고 송풍수단과 스택의 상부를 연결하는 덕트를 통하여 공기를 공급하게 되므로 스택의 상부에서 직접 공기를 공급하는 경우보다 스택의 바이폴라 플레이트에 형성되는 공기통로에 위치와 관계없이 공기를 균일하게 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 스택에 공급되는 공기의 유량을 보다 용이하게 측정할 수 있으므로 스택 내부의 이상여부 특히 공기통로의 막힘 여부 등을 확인할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 전해질막과 상기 전해질막의 양측에 형성되는 캐소드전극과 애노드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리와 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트를 구비하는 다수의 단위셀이 순차적으로 적층되어 형성되는 스택과 연료공급수단과 공기공급수단을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 스택의 바이폴라 플레이트는 상기 캐소드 전극과 접하는 면에 상부에서 하부로 관통되어 형성되는 공기통로를 구비하며,
    상기 공기공급수단은 상기 스택의 상부와 하부에 설치되는 덕트와, 상기 덕트에 공기를 공급하는 송풍수단과, 덕트 내부에 설치되어 덕트 내부의 온도변화를 측정하여 공기의 유량을 산출하는 유량측정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트의 공기통로는 스택의 상부에서 하부로 직선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 스택의 상부에 설치되는 제1덕트와 상기 스택의 하부에 설치되는 제2덕트를 구비하며,
    상기 송풍수단은 상기 제1덕트의 일측으로 공기를 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1덕트는 일측의 내부에 상기 송풍수단이 설치되며, 타측이 상기 스택의 상부를 전체적으로 덮도록 형성되며,
    상기 제1덕트의 일측의 상면에 상기 송풍수단의 상부에 형성되는 공기흡입구와, 타측의 하면에 상기 스택의 하부 형상에 대응되는 형상으로 형성되며 공기를 스택으로 공급하는 공기공급구를 구비하는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1덕트의 타측 상면은 내부 높이가 상기 송풍수단이 설치된 일측으로부터 타단으로 작아지도록 소정의 경사각으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1덕트의 일측은 내부 높이가 상기 송풍수단의 높이에 상응하는 높이로 형성되며,
    상기 송풍수단은 상기 공기흡입구를 통하여 공기를 흡입하여 상기 제1덕트의 타측으로 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제2덕트는 상면에 상기 스택의 하부 형상에 대응되는 형상으로 형성되며 스택을 통과한 공기가 유입되는 공기유입구와, 타단에 형성되어 공기를 외부로 배출하는 공기배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2덕트의 하면은 상기 제1덕트의 상면과 동일한 경사각으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유량측정수단은 열선과 상기 열선을 감싸는 열전도성튜브와 상기 열전도성 튜브에 접촉되는 적어도 하나의 열전대를 포함하는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 유량측정수단은 미리 산출되는 온도차와 공기유량에 대한 상관식이 저 장되며, 상기 열선에 대한 전기공급을 제어하며, 상기 열전대의 온도차를 측정하여 공기유량을 산출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  11. 제 9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 열선은 소정 직경과 길이를 갖는 선형이며, 외면에 절연층이 구비되어 상기 열전도성튜브에 삽입되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 절연층은 열전도성 세라믹 또는 열전도성 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 열전도성튜브는 구리 또는 구리합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 유량측정수단은 열전대를 통하여 열전도성튜브의 제1온도를 측정하는 과정과, 열선에 소정 전기를 공급하는 과정과, 송풍수단으로부터 덕트 내부로 공기가 공급되는 과정과, 상기 열전도성튜브의 제2온도를 측정하는 과정과, 제1온도와 제2온도의 온도차로부터 상기 상관식을 이용하여 공기유량을 산출하는 과정을 포함하여 덕트내의 공기유량을 산출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 온도차와 공기유량에 대한 상관식은 상기 덕트를 통하여 일정량의 공기가 공급될 때 측정되는 상기 열전도성튜브의 온도차로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 송풍수단은 블로워 또는 팬을 구비하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 직접메탄올 연료전지 시스템 또는 고분자 전해질형 연료전지 시스템으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세미 패시브형 연료전지 시스템.
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