KR20080100773A - Capacive liquid level detector for direct methanol fuel cell systems - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 커패시티브 액체 레벨 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a direct methanol fuel cell system, and more particularly to a capacitive liquid level detector for a direct methanol fuel cell system.
연료 전지는 연속적으로 주입된 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바니 전지이다. 일반적으로 연료 전지는 막(membrane) 또는 전해질에 의해 분리된 두 개의 전극들로 구성되어 있다. 애노드는 이곳에서 산화되는 수소, 메탄 또는 메탄올과 같은 연료의 흐름에 의해 둘러싸여 있다. 캐소오드는 이곳에서 환원되는 산소 또는 과산화수소(hydrogen peroxide)와 같은 산화제의 흐름에 의해 둘러싸여 있다. 연료 전지의 유형에 따라, 하나의 성분을 구현하기 위해 사용되는 물질은 서로 다르게 선택된다.A fuel cell is a galvanic cell that converts chemical reaction energy of a continuously injected fuel and oxidant into electrical energy. In general, a fuel cell consists of two electrodes separated by a membrane or electrolyte. The anode is surrounded by a flow of fuel, such as hydrogen, methane or methanol, which is oxidized here. The cathode is surrounded by a stream of oxidant such as oxygen or hydrogen peroxide, which is reduced here. Depending on the type of fuel cell, the materials used to implement one component are chosen differently.
소형 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 현재 많은 전자 회사들에 있어서 개발의 초점이 되고 있다. 소형 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 더 긴 작동 시간과 더 빠른 충전이 가능해서 모바일 전자 장치들의 전력원을 대체하거나 수정할 것으로 기대되고 있다. 직접 메탄올 연료 전지는 약 60℃-120℃ 정도의 낮은 온도 범위에 서 작동하는 저온 연료 전지이다. 이러한 유형의 연료 전지는 전해질로서 폴리머 막을 사용한다. 사전에 개질(reforming)되지 않은 메탄올(CH3OH)이 애노드에서 산화될 물과 함께 애노드에 직접 공급된다. 이산화탄소(CO2)가 폐가스로 애노드에서 형성된다. 산화제로서 캐소오드에 공급되는 대기 산소(atmospheric oxygen)는 수소 이온(H+)들 및 전자들과 반응하여 물을 형성한다. 직접 메탄올 연료 전지의 장점은, 예컨대, 플라스틱 카트리지에 배분될 수 있는 저장하기 쉽고 매우 값싼 에너지원인 액체를 사용한다는 데에 있다. 더욱이 메탄올을 위한 거대하게 확장된 기반 시설이 이미 많은 분야, 예컨대 차량의 전면 유리 와셔 용액에 부동액 첨가제로 사용되는 것과 같이 이미 많은 분야에서 존재하고 있다. 설계에 따라, 이러한 유형의 연료 전지는 몇 mW에서 수 100 kW까지의 전력 범위를 제공할 수 있다. 구체적으로, 직접 메탄올 연료 전지는 전기 장치에 있어서 종래의 축전지에 대한 대체재 또는 보충재로서 휴대용으로 사용하는데 적합하다. 직접 메탄올 연료 전지의 전형적인 사용 분야는 통신과 노트북의 전력 공급에서이다.Small direct methanol fuel cell systems are currently the focus of development for many electronics companies. Smaller direct methanol fuel cell systems are expected to replace or modify the power source of mobile electronics with longer operating times and faster charging. Direct methanol fuel cells are low temperature fuel cells that operate in the low temperature range of about 60 ° C to 120 ° C. This type of fuel cell uses a polymer membrane as the electrolyte. Methanol (CH 3 OH), which has not been previously reformed, is fed directly to the anode with water to be oxidized at the anode. Carbon dioxide (CO 2 ) is formed at the anode as waste gas. Atmospheric oxygen, supplied to the cathode as an oxidant, reacts with hydrogen ions (H + ) and electrons to form water. An advantage of direct methanol fuel cells is the use of liquids, which are easy to store and very cheap energy sources, for example, which can be distributed to plastic cartridges. Moreover, massively expanded infrastructures for methanol already exist in many fields, such as those used as antifreeze additives in the windshield washer solutions of vehicles. Depending on the design, this type of fuel cell can provide a power range from several mW to several 100 kW. In particular, direct methanol fuel cells are suitable for portable use as an alternative or supplement to conventional storage batteries in electrical devices. Typical fields of use for direct methanol fuel cells are in communication and power supply of notebooks.
애노드의 촉매로 메탄올의 산화는 단계적으로 진행되는데, 다양한 중간 생성물을 갖는 여러 반응 경로들이 논의되고 있다. 연료 전지의 고효율을 유지하기 위해서는 애노드의 주변 영역에서 반응물을 신속히 제거할 필요가 있다. 온도 및 기본을 이루는 화학 반응의 결과로서, 이산화탄소(CO2), 물, 수증기 및 비반응 메탄올(non-reacted methanol)의 액체/기체 혼합물이 형성된다. 가능한 한 오랫동안 연료 전지의 자기 효율을 유지하기 위해서는 이러한 액체/기체 혼합물로부터 물과 메 탄올이 제거되어야 한다. 나아가, 이산화탄소는 이러한 혼합물 평형(equilibrium)으로부터 제거되어야 하며, 이는 이산화탄소 분리기에 의해 이루어진다. 이산화탄소를 이러한 액체/기체 혼합물로부터 제거하는 것은 메탄올 농도를 제어한 후에 그 액체 연료 혼합물을 애노드에 재 공급하기 위해서이다. 기체들의 분리는 이산화탄소 분리기 수단에 의하는 것이 효과적이다.The oxidation of methanol with the catalyst of the anode proceeds step by step, with various reaction routes having various intermediate products being discussed. In order to maintain the high efficiency of the fuel cell, it is necessary to quickly remove the reactants in the peripheral region of the anode. As a result of the temperature and the underlying chemical reaction, a liquid / gas mixture of carbon dioxide (CO 2 ), water, water vapor and non-reacted methanol is formed. To maintain the fuel cell's self-efficiency for as long as possible, water and methanol must be removed from this liquid / gas mixture. Furthermore, carbon dioxide must be removed from this mixture equilibrium, which is done by a carbon dioxide separator. The removal of carbon dioxide from this liquid / gas mixture is for refeeding the liquid fuel mixture to the anode after controlling the methanol concentration. Separation of gases is effective by means of carbon dioxide separator.
유사하게, 비소비 공기(non-consumed air), 물 및 수증기로 이루어진 액체/기체 혼합물이 캐소오드에서 형성된다. 연료 전지의 오래 지속되는 자기 효율을 달성하기 위해서는 가능한 한 많은 물이 그 혼합물로부터 분리되어야 하며, 이와 같이 물이 분리된 혼합물이 캐소오드 사이클에 재 공급되어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 열 교환기(heat exchanger)가 그 혼합물의 냉각 및 수증기의 농축을 목적으로 연료 전지의 캐소오드 출구의 하류에 배열된다.Similarly, a liquid / gas mixture consisting of non-consumed air, water and water vapor is formed in the cathode. In order to achieve the long lasting magnetic efficiency of the fuel cell, as much water as possible must be separated from the mixture, and this water separated mixture must be fed back to the cathode cycle. To achieve this purpose, a heat exchanger is arranged downstream of the cathode outlet of the fuel cell for the purpose of cooling the mixture and concentrating the water vapor.
열 교환기의 하류에는 애노드 사이클에 물을 재 공급하기 위하여 액상의 물로부터 공기 흐름을 분리하는 공기 분리기가 배열된다. 따라서 다양한 분리기들이 물 관리에 있어서 그리고 이산화탄소를 제거하기 위하여 주로 사용된다. 종래의 분리기들은 액체와 기체나 증기 성분들의 상 혼합물로부터 기체나 증기 성분들을 분리하여 이들을 주변 환경으로 배출한다.Downstream of the heat exchanger is an air separator arranged to separate the air flow from the liquid water in order to replenish the anode cycle with water. Therefore, various separators are mainly used in water management and to remove carbon dioxide. Conventional separators separate gas or vapor components from a phase mixture of liquid and gas or vapor components and discharge them to the environment.
무엇보다도 안정적인 시스템 작동을 위해서는 액체 저장 탱크가 필요하다. 이러한 탱크 내부의 액체 레벨은 리사이클되는 물의 양을 제어하기 위하여 시스템에 알려져야 한다.Above all, a liquid storage tank is required for stable system operation. The liquid level inside such tanks should be known to the system to control the amount of water recycled.
연속적인 레벨 측정이 시스템 제어에 매우 유익하다. 왜냐하면, 이러한 레벨 측정이 시스템 변화에 더 빠르고 더 나은 제어된 반응을 가능하게 하는 제어 소프트웨어에 통상의 비례 적분 미분(PID; proportional-integral-derivative) 제어 알고리즘을 보충하는 것을 가능하게 하기 때문이다.Continuous level measurement is very beneficial for system control. This is because such level measurement makes it possible to supplement the control proportional-integral-derivative (PID) control algorithm with the control software which enables a faster and better controlled response to system changes.
작은 저장소들(recepatacles)에서 액체 레벨을 측정하는 것은 어려운 문제이다. 통상적인 문제점들은 측정된 신호의 안정성 및 정확성이다. 대부분의 확립된 측정 원리들은 다소 큰 탱크에서만 이용될 수 있을 뿐이다.Measuring liquid levels in small recepatacles is a difficult problem. Common problems are the stability and accuracy of the measured signal. Most established measurement principles can only be used in rather large tanks.
통상의 커패시티브(capacitive) 측정 원리들은 커패시터 플레이트들 사이의 유전체로서 액체를 사용한다. 어떤 발명들은 액체에 침전되는 일련의 플레이트들을 포함하고, 다른 발명에서는 그 플레이트들이 저장소들의 외부에 배열되어 있다. Conventional capacitive measurement principles use liquid as the dielectric between capacitor plates. Some inventions include a series of plates that precipitate in a liquid, while in others the plates are arranged outside of the reservoirs.
액체 레벨 센서의 하나가 미국 등록특허공보 제5182545호에 개시되어 있다. 액체가 컨테이너에서 상승 및 하강함에 따라, 그 액체의 유전체 효과가 액체 레벨 센서에 결합된 전자 회로에 의해 감지되는 센싱 커패시터의 실효 커패시턴스(effective capacitance)를 변화시킨다. 센싱 커패시터의 하나의 플레이트는 저장소 내부에 배치된 하나의 탐침(probe)이 되는 반면에, 저장소의 접지된 도전성 부분은 센싱 커패시터의 제2플레이트가 된다.One of the liquid level sensors is disclosed in US Pat. No. 5522545. As the liquid rises and falls in the container, the dielectric effect of the liquid changes the effective capacitance of the sensing capacitor sensed by the electronic circuitry coupled to the liquid level sensor. One plate of sensing capacitor becomes one probe disposed inside the reservoir, while the grounded conductive portion of the reservoir becomes the second plate of the sensing capacitor.
저장소의 외부 표면에 장착되는 단일점(single point) 커패시티브 센서를 포함하는 비침전성(non-intrusive) 유체 레벨 감지기가 미국 등록특허공보 제5017909호에 개시되어 있다. 비도전성 컨테이너 또는 도전성 컨테이너의 비도전성 윈도우(window)가 액체와 직접 접촉하지 않는 절연 플레이트를 갖는 센서를 위치시키기 위하여 사용된다. 센서 조립체는 저장소의 외부벽에 배치되어 있다.A non-intrusive fluid level sensor is disclosed in US Patent No. 5017909 that includes a single point capacitive sensor mounted to an outer surface of the reservoir. A nonconductive container or a nonconductive window of a conductive container is used to position a sensor having an insulating plate that is not in direct contact with the liquid. The sensor assembly is disposed on the outer wall of the reservoir.
미국 등록특허공보 제5182545호와 미국 등록특허공보 제5017909호는 모두 커패시터의 유전체로서 유체를 사용한다. 그러나, 플레이트 커패시터의 커패시턴스는 플레이트들 사이의 거리에 반비례하므로, 유전체로서 유체를 사용하거나 플레이트의 외부에 플레이트를 위치시키는 것은 큰 플레이트간 거리를 초래하게 된다. 따라서 이러한 센서들은 측정되는 커패시턴스 및 커패시턴스 변화가 매우 작은 경우에는 단점을 나타내게 된다. 작은 커패시턴스는 작은 플레이트 면적과 플레이트들 사이의 비교적 큰 거리로부터 비롯된다. 이러한 종래 기술에서는 비교적 비싼 측정 전자 장치들이 요구되며 측정된 신호는 비교적 부정확하고 또한 외부 전기 장치들에 의해 영향을 받게 되는 문제점이 있다.US Patent No. 5152545 and US Patent No. 5017909 both use fluid as the dielectric of the capacitor. However, the capacitance of the plate capacitor is inversely proportional to the distance between the plates, so using a fluid as a dielectric or placing the plate outside of the plate results in a large plate-to-plate distance. Therefore, these sensors exhibit disadvantages when the capacitance and capacitance variation measured are very small. Small capacitances result from small plate areas and relatively large distances between the plates. This prior art requires relatively expensive measuring electronics and the measured signal is relatively inaccurate and also affected by external electrical devices.
컨테이너 벽에 적용되거나 컨테이너에 통합된 센서가 미국 등록특허공보 제6943566호에 개시되어 있다. 플라스틱 또는 유리 섬유로 이루어진 컨테이터 벽은 유전체를 구성하며 도전성 유체 자체는 제2플레이트를 구성한다. 즉, 커패시터는 센서 플레이트와 컨테이너의 내용물로 이루어져 있다. 그러나, 이러한 종래 기술에서는 플라스틱 또는 유리 섬유로 이루어진 벽이 유전체를 형성하고 그 벽은 내부의 액체를 포함하기에 충분한 두께, 즉, 적어도 수 밀리미터를 갖고 있어야 하므로, 플레이트를 사이의 거리는 여전히 심각하며 커패시턴스 및 커패시턴스 변화에 대한 민감도는 떨어지게 된다. 나아가 센서 플레이트와 유체 사이에는 어떠한 금속 부분들도 존재하는 것이 허용되지 않게 되는데, 왜냐하면 이러한 금속 부분들이 존재하게 된다면 시스템의 커패시턴스는 이들 금속 부분들에 의해 결정되기 때문이다. 측정치의 정확성과 선형성은 두께 및 센서 플레이트의 전체 면적에 대한 벽 물질의 유전체 상수의 균일성에 달려 있다. 후자는 통상의 플라스틱 제조 방법으로는 달성하기 어렵다.Sensors applied to or integrated into a container wall are disclosed in US Pat. No. 6,397,566. Container walls made of plastic or glass fibers constitute a dielectric and the conductive fluid itself constitutes a second plate. That is, the capacitor consists of the contents of the sensor plate and the container. However, in this prior art, the distance between the plates is still severe and the capacitance, since the walls of plastic or glass fibers form a dielectric and the walls must have a thickness sufficient to contain the liquid therein, i.e. at least several millimeters. And sensitivity to capacitance changes is reduced. Furthermore, no metal parts are allowed to exist between the sensor plate and the fluid, because if such metal parts are present, the capacitance of the system is determined by these metal parts. The accuracy and linearity of the measurements depend on the thickness and uniformity of the dielectric constant of the wall material over the entire area of the sensor plate. The latter is difficult to achieve with conventional plastic production methods.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정확성이 향상된 액체 레벨 측정이 가능한 커패시티브 액체 레벨 검출기를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a capacitive liquid level detector capable of measuring liquid level with improved accuracy, which is to solve the above-mentioned problems of the prior art.
본 발명의 다른 목적은 측정되는 커패시턴스가 향상된 커패시티브 액체 레벨 검출기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a capacitive liquid level detector having an improved capacitance measured.
본 발명의 또 다른 목적은 더 싼 검출 회로를 사용할 수 있는 커패시티브 액체 레벨 검출기를 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a capacitive liquid level detector that can use cheaper detection circuits.
본 발명은, 저장소의 액체 레벨을 검출하는 커패시티브 액체 레벨 검출기로서, 상기 액체는 도전성이고, 상기 커패시티브 액체 레벨 검출기는 커패시터를 구비하며, 상기 커패시터는 고정된 크기를 가지며 상기 액체와 절연되는 제1플레이트와, 상기 액체 자체에 의해 형성되며 크기가 상기 저장소 내부의 액체 레벨에 따라 가변될 수 있는 제2플레이트를 갖고, 박막 유전체 층이 제1플레이트의 표면에 형성되고 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 위치하며, 표면에 박막 유전체 층이 형성되어 있는 제1플레이트는 그것이 상기 저장소의 외부 벽의 오픈된 부분을 커버하도록 배열되어 있고, 표면에 박막 유전체 층이 형성되어 있는 제1플레이트는 액체 누 설을 방지하도록 저장소를 실링하기 위하여 실링 수단에 의해 저장소에 부착되는 커패시티브 액체 레벨 검출기를 개시한다.The present invention provides a capacitive liquid level detector for detecting a liquid level in a reservoir, wherein the liquid is conductive, the capacitive liquid level detector has a capacitor, the capacitor has a fixed size and is insulated from the liquid. And a second plate formed by the liquid itself, the size of which may vary depending on the liquid level inside the reservoir, and a thin film dielectric layer is formed on the surface of the first plate and the first plate and the first plate. Located between two plates, the first plate having a thin film dielectric layer formed thereon is arranged such that it covers an open portion of the outer wall of the reservoir, and the first plate having a thin film dielectric layer formed thereon Capacitive liquid level attached to the reservoir by the sealing means to seal the reservoir to prevent liquid leakage. Start the bell detector.
위와 같이 제1플레이트에 박막 유전체 층을 형성함으로써, 커패시터 플레이트들 사이의 거리가 제1플레이트에 형성된 박막 유전체 층의 두께에 해당되는 수 마이크로미터까지 현저하게 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 커패시턴스와 커패시턴스 변화는 커패시터 플레이트들 사이의 거리가 감소함에 따라 선형적으로 상승한다. 예컨대, 종래의 측정 장치에 비하여 103 배만큼 더 큰 커패시턴스에 도달됨으로써 측정 신호를 훨씬 더 안정적이고 정확하며 외부 전계에 영향을 받지 않도록 할 수 있다.By forming the thin film dielectric layer on the first plate as described above, the distance between the capacitor plates can be remarkably reduced to several micrometers corresponding to the thickness of the thin film dielectric layer formed on the first plate. Capacitance and capacitance change rise linearly as the distance between capacitor plates decreases. For example, the capacitance reached by 10 3 times larger than that of a conventional measuring device can make the measuring signal much more stable, accurate and free from external electric fields.
바람직하게는, 본 발명에 있어서 상기 박막 유전체 층으로 상기 액체가 침투하거나 상기 박막 유전체 층을 상기 액체가 관통하는 것을 방지하기 위하여 상기 박막 유전체 층과 상기 제2플레이트 사이에 제공되는 박막 패시베이션 층을 더 구비할 수 있다. Preferably, in the present invention, a thin film passivation layer is provided between the thin film dielectric layer and the second plate to prevent the liquid from penetrating into the thin film dielectric layer or penetrating the thin film dielectric layer. It can be provided.
상기 박막 유전체 층과 상기 패시베이션 층은 모두 상기 액체에 대하여 상기 제1플레이트가 절연되도록 한다.Both the thin film dielectric layer and the passivation layer allow the first plate to be insulated from the liquid.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 박막 패시베이션 층은 소수성일 수 있다. 이는 상기 박막 패시베이션 층의 표면에 상기 액체가 부착됨으로 인해 액체 레벨이 감소하게 되는 측정 오류가 발생하는 것을 방지하게 된다.Preferably, in the present invention, the thin film passivation layer may be hydrophobic. This prevents the measurement error from occurring that the liquid level decreases due to the adhesion of the liquid to the surface of the thin film passivation layer.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 박막 유전체 층과 접촉하는 상기 액 체의 표면이 상기 제2플레이트를 이룰 수 있다.Preferably, in the present invention, the surface of the liquid in contact with the thin film dielectric layer may form the second plate.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 실링 수단은 상기 제1플레이트에 형성된 박막 유전체 층의 에지들을 커버하고 상기 제1플레이트가 상기 액체와 접촉하지 않도록 상기 박막 유전체 층을 상기 저장소에 부착시킬 수 있다. 또한 상기 실링 수단은 상기 박막 유전체 층에 형성된 박막 패시베이션 층의 에지들을 커버하고 상기 제1플레이트가 상기 액체와 접촉하지 않도록 상기 박막 패시베이션 층 을 상기 저장소에 부착시킬 수 있다.Preferably, in the present invention, the sealing means may cover the edges of the thin film dielectric layer formed on the first plate and attach the thin film dielectric layer to the reservoir such that the first plate does not contact the liquid. . The sealing means may also cover the edges of the thin film passivation layer formed in the thin film dielectric layer and attach the thin film passivation layer to the reservoir so that the first plate does not contact the liquid.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 저장소의 외부 벽의 오픈된 부분은 상기 저장소의 측벽에 형성된 홀(hole)일 수 있다. 상기 홀의 상단은 상기 저장소의 최대 액체 레벨에 대응되고 상기 홀의 하단은 상기 저장소의 최소 액체 레벨에 대응될 수 있다. 상기 실링 수단은 표면에 박막 유전체 층이 형성된 상기 제1플레이트를 상기 저장소의 오픈된 부분인 상기 홀의 상단 에지 및 상기 홀의 하단 에지에 부착시킬 수 있다.Preferably, in the present invention, the opened portion of the outer wall of the reservoir may be a hole formed in the side wall of the reservoir. The top of the hole may correspond to the maximum liquid level of the reservoir and the bottom of the hole may correspond to the minimum liquid level of the reservoir. The sealing means may attach the first plate having a thin film dielectric layer formed on a surface to the top edge of the hole and the bottom edge of the hole, which are open portions of the reservoir.
더 바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 저장소의 외부 벽의 오픈된 부분은 상기 저장소의 측벽 전체일 수 있다. 상기 실링 수단은 표면에 상기 박막 유전체 층이 형성된 상기 제1플레이트를 상기 저장소의 외부 벽의 오픈된 부분의 에지에 부착시킬 수 있다. More preferably, in the present invention, the opened portion of the outer wall of the reservoir may be the entire sidewall of the reservoir. The sealing means may attach the first plate having the thin film dielectric layer formed on a surface to an edge of an open portion of the outer wall of the reservoir.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 실링 수단은 실란트 또는 접착제일 수 있다. Preferably, in the present invention, the sealing means may be a sealant or an adhesive.
상기 박막 유전체 층의 유전 상수는 상기 제1플레이트의 전체 표면에 대한 상수인 것이 바람직하다.The dielectric constant of the thin film dielectric layer is preferably a constant over the entire surface of the first plate.
본 발명에 있어서, 상기 제1플레이트에는 제1접촉이 제공되고 상기 제2플레이트에는 제2접촉이 제공될 수 있다. 상기 제2접촉은 상기 액체에 영구적으로 접촉되는 형상을 갖는 접촉 전극에 의해 제공될 수 있다. 상기 제2접촉은 상기 저장소의 바닥에 제공될 수 있다. 상기 제2접촉은 상기 저장소의 내부 바닥에 배열된 와이어 의해 구현될 수 있다. 대안으로는, 상기 제2접촉은 상기 저장소의 내부 바닥에 제공되는 금속 플레이트에 의해 구현될 수 있다. 또한 상기 제2접촉은 상기 저장소의 내부 에지들에 제공된 와이어 프레임에 의해 구현될 수 있으며 상기 와이어 프레임은 상기 저장소의 어떤 방향에서도 상기 액체와 접촉하도록 배열될 수 있다. 상기 제2접촉은 또한 상기 저장소의 바닥 또는 일 측의 윈도우(window)에 삽입되는 금속 플레이트로 구현될 수 있다. 상기 제2접촉은 상기 저장소의 어떤 방향에서도 상기 액체와 접촉하도록 배열된 다중 금속 플레이트들로 구현될 수 있다. 상기 제2접촉은 상기 저장소의 유입구에 제공될 수 있다.In the present invention, a first contact may be provided to the first plate and a second contact may be provided to the second plate. The second contact may be provided by a contact electrode having a shape that is in permanent contact with the liquid. The second contact may be provided at the bottom of the reservoir. The second contact may be implemented by a wire arranged on the inner bottom of the reservoir. Alternatively, the second contact can be realized by a metal plate provided on the inner bottom of the reservoir. The second contact may also be implemented by a wire frame provided at the inner edges of the reservoir and the wire frame may be arranged to contact the liquid in any direction of the reservoir. The second contact can also be implemented with a metal plate inserted into a bottom or one side window of the reservoir. The second contact may be implemented with multiple metal plates arranged to contact the liquid in any direction of the reservoir. The second contact may be provided at the inlet of the reservoir.
본 발명에 있어서, 상기 제1플레이트는 폴리싱된 스테인리스 스틸 시트(polished stainless steel sheet)인 것이 바람직하다. In the present invention, the first plate is preferably a polished stainless steel sheet.
본 발명에 있어서, 상기 박막 유전체 층은 TiO2의 큰 유전 상수에 의해 고커패시턴스를 달성하기 위하여 스퍼터링된 TiO2 층인 것이 바람직하다.In the present invention, the thin dielectric layer is preferably a layer of sputtered TiO 2 to achieve a high capacitance, by a large dielectric constant of the TiO 2.
본 발명에 있어서, 상기 박막 패시베이션 층은 스퍼터링된 SiO2 층, Si3N4 층, SiOxNy 층 및 내화학성(chemical resistant) 포토 리소그래피 래커(lacquer)를 사용하는 스핀코팅된(spincoated) 래커 층으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 층일 수 있다. 이는 장기간의 화학적 안정성을 확보하고 상기 박막 유전체 층으로 상기 액체가 침투하는 것을 억제한다.In the present invention, the thin film passivation layer consists of a sputtered SiO 2 layer, a Si 3 N 4 layer, a SiOxNy layer, and a spincoated lacquer layer using a chemical resistant photolithography lacquer. It may be any one layer selected from the group. This ensures long term chemical stability and inhibits the penetration of the liquid into the thin film dielectric layer.
본 발명에 있어서, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트 사이의 거리는 70㎛ 보다 작은 것이 바람직하며, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트 사이의 거리는 1㎛ 내지 10㎛인 것이 훨씬 더 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the distance between the first plate and the second plate is smaller than 70 μm, and the distance between the first plate and the second plate is even more preferably 1 μm to 10 μm.
본 발명에 있어서, 상기 박막 유전체 층의 두께는 50㎛ 보다 작은 것이 바람직하며, 상기 박막 유전체 층의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛인 것이 훨씬 더 바람직하다.In the present invention, the thickness of the thin film dielectric layer is preferably smaller than 50 mu m, and even more preferably, the thickness of the thin film dielectric layer is 0.5 mu m to 5 mu m.
본 발명에 있어서, 상기 박막 패시베이션 층의 두께는 20㎛ 보다 작은 것이 바람직하며, 상기 박막 패시베이션 층의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛인 것이 훨씬 더 바람직하다.In the present invention, the thickness of the thin film passivation layer is preferably smaller than 20 μm, and even more preferably, the thickness of the thin film passivation layer is 0.5 μm to 5 μm.
본 발명에 있어서, 상기 박막 유전체 층은 적어도 20의 유전 상수를 갖는 것이 바람직하며, 상기 박막 유전체 층은 적어도 80의 유전 상수를 갖는 것이 훨씬 더 바람직하다.In the present invention, the thin film dielectric layer preferably has a dielectric constant of at least 20, and even more preferably the thin film dielectric layer has a dielectric constant of at least 80.
본 발명에 있어서, 상기 저장소는 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 액체 저장 탱크 또는 혼합기인 것이 바람직하다. In the present invention, the reservoir is preferably a liquid storage tank or mixer of the direct methanol fuel cell system.
본 발명의 추가적인 다른 실시예들은 개별적으로 또는 결합하여 보충될 수 있는 종속항들에 관한 것일 수 있다.Further alternative embodiments of the invention may relate to dependent claims which may be supplemented individually or in combination.
본 발명은 저장소의 액체 레벨을 검출하는 커패시티브 액체 레벨 검출기로서, 제1플레이트에 박막 유전체 층을 형성함으로써, 커패시터 플레이트들 사이의 거리가 제1플레이트에 형성된 박막 유전체 층의 두께에 해당되는 수 마이크로미터까지 현저하게 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 커패시터 플레이트들 사이의 거리가 감소함에 따라 커패시턴스와 커패시턴스 변화는 선형적으로 상승함으로써 측정 신호가 훨씬 더 안정적이고 정확하며 외부 전계에 의해 영향을 받지 않도록 할 수 있다. The present invention provides a capacitive liquid level detector for detecting a liquid level in a reservoir, by forming a thin film dielectric layer on a first plate, whereby the distance between capacitor plates corresponds to the thickness of the thin film dielectric layer formed on the first plate. A significant reduction in micrometers can be obtained. As the distance between capacitor plates decreases, the capacitance and capacitance change rise linearly, making the measurement signal much more stable, accurate, and unaffected by external electric fields.
본 발명을 첨부된 도면들과 함께 다음 실시예들을 통해 더욱 상세히 설명한다.The invention is explained in more detail by the following examples in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에서 이용되는 기본적인 측정 원리에 따르는 센서의 기본 구조를 나타낸다.1 shows the basic structure of a sensor according to the basic measuring principle used in the present invention.
본 발명의 기본 아이디어는 잘 정의된 층 침적 방법을 이용하여 센서 전극에 해당하는 제1플레이트(7)에 잘 정의된 고립된 박막 유전체 층(8)을 침적시키는 것이다. 박막 유전체 층(8)의 얇은 두께, 바람직하게는 0.5 마이크로미터 내지 5 마이크로미터의 두께에 의해 커패시터의 고커패시턴스가 달성된다. 박막 유전체 층(8)의 사용은, 예컨대, TiO2와 같은 고유전상수를 갖는 물질들을 사용할 수 있게 하며, 이는 다시 커패시턴스 및 측정 정확도를 향상시킨다.The basic idea of the present invention is to deposit the well defined isolated thin
플레이트 커패시터의 커패시턴스는 The capacitance of the plate capacitor is
C = ε0εr(A/d),C = ε 0 ε r (A / d),
여기서, here,
ε0 = 진공 유전 상수ε 0 = vacuum dielectric constant
εr = 유전체의 유전 상수ε r = dielectric constant of the dielectric
A = 면적A = area
d = 커패시터 플레이트들의 거리d = distance of capacitor plates
이다.to be.
박막 유전체 층(8)에는 유전체 층 물질의 침식을 방지하기 위하여 박막 패시베이션(passivation) 층(9)이 침적될 수 있다.A thin
본 발명에서는 커패시터 플레이트들 사이의 거리가 하나의 "액체 플레이트"로서 액체 자체를 이용하고 유전체로서 박막 층 구조를 이용함으로써 줄어들게 된다.In the present invention, the distance between the capacitor plates is reduced by using the liquid itself as one "liquid plate" and using the thin film layer structure as the dielectric.
전해질 커패시터는 측정 장치로서 박막 유전체 층(8)에 의해, 바람직하게는, 박막 패시베이션 층(9)에 의해 액체로부터 절연되는 불변 면적을 갖는 제1플레이트(7)에 해당하는 하나의 불변 플레이트(7)와, 액체 레벨(10)에 따라 변하는 가변 면적을 가지며 액체(6) 자체로 이루어진 제2플레이트(14)에 해당하는 액체 플레이트(14)로 이루어진다. 접촉 전극(5)은 액체(6)와 접촉한다. 액체(6)는 도전성일 필요가 있다. 따라서 전해질 커패시터의 커패시턴스(capacity)는 액체 플레이트(14)의 면적과 이에 따른 액체 레벨(10)에 달려 있다. 불변 플레이트(7)와 액체 플레이 트(14)에 대해 전압을 인가할 때에 액체 레벨(10) 아래의 액체 플레이트(14)의 면적에서 전계가 형성된다. 커패시턴스를 측정하기 위해서는 불변 플레이트(7)와 액체 플레이트(11)가 전원에 접촉되어야 한다. 불변 플레이트(7)는 전원에 직접 접촉될 수 있다. 액체 플레이트(14)는 액체(6)와 접촉하도록 형상화된 접촉 전극(5)을 이용하여 전원에 접촉된다. The electrolyte capacitor is one
위와 같이 전해질 커패시터를 이루는 불변 플레이트(7)와 액체 플레이트(14) 사이의 거리를 불변 플레이트(7)에 형성된 박막 유전체 층(8)의 두께 또는 박막 유전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)의 두께에 해당하는 수 마이크로미터까지 줄임으로써, 커패시턴스 및 커패시턴스 변화는 플레이트들 사이의 축소된 거리에 비례하여 증가된다. 예컨대, 미국 등록특허공보 제6943566호에 나타나 있는 바와 같은 종래의 측정 원리에 비하여 본 발명에서는 103배만큼 더 높은 커패시턴스에 도달할 수 있고, 측정된 신호는 훨씬 더 안정적이며 정확하고 외부 전계에 의해 영향을 받지 않는다. 위와 같은 종래의 측정 원리에 비하여 100배 더 높은 커패시턴스는 1mm의 탱크 벽 두께에 대하여 10㎛의 매우 작은 유전체 두께로부터 달성된다. 나아가 10배 더 높은 커패시턴스는, 예컨대, ABS 4.3, PVC 3.4와 같은 플라스틱 유전 상수에 비하여 86의 TiO2 유전 상수로부터 달성되며, 여기서 층 구조의 실효 유전 상수는 순수 TiO2의 유전 상수보다 더 작다. 따라서 저가의 커패시턴스 측정 회로들과 값싼 멀티미터들(multimeters)이 사용될 수 있다. 불변 플레이트(7)에 형성된 박막 유전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)은 다음 기능들을 수행한다. 첫째로 박막 유 전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)은 고유전상수를 구현함으로써 고커패시턴스를 달성하고 둘째로 박막 패시베이션 층(9)은 액체(6)가 박막 유전체 층(8) 속으로 침투하거나 박막 유전체 층(8)을 투과하는 것을 방지한다.The distance between the
밀도가 높고 결함이 없는 박막 층을 달성하기 위하여 기판에 해당되는 불변 플레이트(7)는 매우 낮은 거칠기를 갖는 폴리싱된(polished) 표면을 갖도록 하는 것이 바람직하며 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 고에너지 코팅 공정을 사용하는 것이 적절하다.In order to achieve a dense, defect free thin film layer, the
박막 유전체 층(8)의 최소 두께는 침적법(doposition method), 즉, 침공들(pinholes)이 형성되는 방법의 균등성에 의해 결정된다. 박막 유전체 층(8)의 최대 두께는 50㎛인 것이 바람직하다. 이때에 박막 유전체 층(8)으로서 TiO2 층을 갖는 센서는 1cm2의 면적에 대한 커패시턴스가 1nF와 같다. 박막 유전체 층(8)의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛의 범위에 있는 것이 바람직하며, 이 경우 센서는 1cm2의 면적에 대하여 14nF 내지 140nF의 커패시턴스를 도출한다. The minimum thickness of the thin
박막 패시베이션 층(9)의 두께는 20㎛보다 작은 것이 바람직하며 0.5㎛ 내지 5㎛의 범위에 있는 것이 훨씬 더 바람직하다.The thickness of the thin
따라서 불변 플레이트(7)인 제1플레이트(7)와 액체 플레이트(14)인 제2플레이트(14) 사이의 거리는 70㎛보다 작은 것이 바람직하며, 1㎛ 내지 10㎛의 범위에 있는 것이 훨씬 더 바람직하다. 간단한 방법으로 커패시턴스를 측정하기 위하여 완벽하게 측정을 셋-업하는 것은 주파수 f에서 전압 V를 공급하는 AC 전원(17)을 구 비하는 것이 필요하며 이는 도 2에 나타나 있다. AC 전원(17)의 두 단자는 제1플레이트(7)와 접촉 전극(5)에 각각 연결되어 있다. AC 전류 미터(16)가 회로에 장착된다.The distance between the
접촉 전극(5)에서 양전압을 갖고 제1플레이트(7)에서 음전압을 갖는 AC 전원(17)의 양의 사인파에 대하여 양전하가 제1플레이트(7)와 박막 유전체 층(8) 사이의 경계면에 유도되고 음전하가 제2플레이트(14)와 박막 패시베이션 층(9) 사이의 경계면에 유도된다. 결과적인 쌍극자 전계(11)가 도 1에서 화살표로 나타나 있다. For positive sine waves of the
AC 전압이 역전되면, 전류는 제1플레이트(7)에서 제2플레이트(14)로 흐르며 쌍극자 전계(11)는 반대로 된다. 흐르는 전류는 AC 전류 미터(16)에 의해 측정된다. 측정된 전류 I는 AC 전압 V, 주파수 f 및 센서의 커패시턴스 C에 비례한다. When the AC voltage is reversed, current flows from the
I = V * 2Πf * CI = V * 2Πf * C
센서의 기하학적 조건을 알게 되면, 커패시터의 젖은 면적, 즉, 충전 레벨을 계산할 수 있다.Knowing the geometrical conditions of the sensor, one can calculate the wetted area of the capacitor, ie the charge level.
대안으로 커패시턴스를 계산하는 다른 어떤 방법도 적용될 수 있다.Alternatively, any other method of calculating capacitance can be applied.
도 2에 나타나 있는 저장소(1)는 공기 배출구(2)와 유체 유입구(3)를 갖는 직접 메탄올 연료 전지 혼합 탱크이다. 저장소(1)는 오픈된 구조를 가지며 단지 세 개의 측벽으로만 구성되어 있으며, 공기 배출구(2)와 유체 유입구(3)를 갖는 벽에 마주하는 벽은 생략되어 있다. 제1플레이트(7), 박막 유전체 층(8) 및 박막 패시베이션 층(9)을 갖는 층 구조가 이러한 오픈된 구조 및 상부 벽과 바닥 벽의 오픈된 에지에 접착된다. 실란트(sealant)나 접착제(4)가 저장소(1)로부터 액체(6)가 누설되는 것을 방지하며 제1플레이트(7)가 액체(6)와 접촉하지 않도록 한다. 접촉 전극(5)이 바닥 벽에 형성되며 바닥 벽을 통과하여 주변 환경과의 접촉을 형성한다. 바람직하게는, 박막 유전체 층(8)은 액체(6)를 향하는 제1플레이트(7)의 일 측을 완전히 커버하며, 박막 패시베이션 층(9)이 형성된다면, 그것은 박막 유전체 층(8)을 완전히 커버하는 것이 바람직하다. 그러나 박막 유전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)은 모두 제1플레이트(7)의 에지들을 오픈된 상태가 되게 한다. 그 다음 실링 수단(4)이 제1플레이트(7)가 액체(6)와 접촉되는 것을 방지하도록 배열될 필요가 있다. The
센서의 크기를 줄이기 위하여 도 3에 나타나 있는 바와 같이 저장소(1)의 일면의 단지 일부만이 제1플레이트(7)에 의해 커버되게 할 수 있다. 이를 위하여 저장소(1)의 일면에 있는 윈도우(18)가 오픈된 상태로 되어 있다. 윈도우(18)의 상부 및 하부 에지는 각각 저장소(1) 내부의 허용된 최소 및 최대 액체 레벨과 대략 같은 것이 바람직하다. 즉, 센서의 측정 범위는 윈도우(18)에 의해 규정된다. In order to reduce the size of the sensor, only part of one side of the
박막 유전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)으로 커버된 제1플레이트(7)는 실란트나 접착제(4)를 사용하여 저장소(1)의 외부 표면에 부착된다. 이러한 배열의 장점은 실란트나 접착제(4)가 제1플레이트(7)와 접촉할 수 있다는 것이며, 이는 센서 전극에 해당하는 제1플레이트(7)의 양호한 역학적 부착이 확립되게 한다. 또한 박막 유전체 층(8)과 박막 패시베이션 층(9)으로 제1플레이트(7)를 커버하는 것은 제1플레이트(7)와 액체(6)의 접촉(쇼트 회로)을 방지하며 박막 유전체 층(8)과 제1 플레이트(7)의 물질이 액체(6)에 의해 침식 손상되는 것을 방지할 수 있다. The
액체(6)와 접촉하는 접촉 전극으로서 와이어 프레임(13)이 저장소(1) 내부에 배열될 수 있다. 이러한 와이어 프레임(13)은 저장소(13)가 관찰자를 향하는 쪽으로 경사지거나 관찰자에서 멀어지는 쪽으로 경사질 때에도 여전히 와이어 프레임(13)의 적어도 일부가 액체(6)와 접촉한 상태를 유지하는 방식으로 배열되어 있다. 따라서 센서는 서로 다른 방향에 대하여도 작동한다. As a contact electrode in contact with the
센서가 서로 다른 방향에 대하여도 작동할 수 있도록 하기 위하여, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 다중 금속 플레이트들(5a, 5b, 5c)로 이루어진 접촉 전극을 채용할 수도 있다. 도 4에서는 박막 유전체 층과 박막 패시베이션 층으로 커버된 제1플레이트는 저장소(1)의 후면 측에 부착되어 있다. 도 4에는 단지 박막 패시베시션 층(9)만이 나타나 있다. 다중 금속 플레이트들(5a, 5b, 5c)이 저장소(1)의 좌측, 바닥 및 우측 벽에 배열될 때에, 후자는 화살표로 표시된 바와 같이 경사질 수 있다. 이와 같은 다중 금속 플레이트들(5a, 5b, 5c)로 이루어진 접촉 전극을 채용함으로써, 센서는 +/-90˚이하의 모든 방향에서 레벨 측정을 할 수 있다. In order to be able to operate the sensor also in different directions, as shown in Fig. 4, a contact electrode made of
저장소(1)는 한편으로는 오픈된 구조 다른 한편으로는 접착제에 의해 저장소(1)에 부착된 제1플레이트(7)와 박막 유전체 층(8), 그리고 선택적으로는 박막 패시베이션 층(9)으로 구성된 층 구조를 갖는데, 이러한 구조는 서로 다른 두 단계로 검출기의 제조를 가능하게 하며 이에 의해 제조의 유연성을 향상시킬 수 있다.The
박막 패시베이션 층(9)의 물질은 액체 레벨 측정치의 보정을 초래하는 액체 레벨의 상승 및 하강 과정에서 박막 패시베이션 층(9)에 대한 액체(6)의 부착을 감 소시키기 위하여 약간 소수성인 것이 바람직하다.The material of the thin
제1플레이트(7)는 저장소(1)의 일 측 전체 또는 저장소의 일 측에 있는 윈도우에 삽입된 부분으로 설계될 수 있다.The
저장소(1)는 직접 메탄올 연료 전지의 탱크 또는 혼합 탱크일 수 있다. 이 탱크는 폴리싱된 스테인리스 스틸 시트(polished stainless steel sheet)로 이루어질 수 있다.The
접촉 전극(5)은 저장소(1)의 내부 바닥에 배열된 와이어나 금속 플레이트, 어떠한 방향에서든 액체와 접촉하는 저장소(1)의 내부 에지들에 배열된 와이어 프레임(13), 저장소(1)의 바닥 또는 일 측의 윈도우(18)에 삽입되는 금속 플레이트 또는 어떤 방향에서든 액체와 접촉하는 다중 금속 플레이트들(5a, 5b, 5c)로 설계될 수 있다.The
박막 유전체 층(8)은 TiO2의 고유전상수에 의해 고커패시턴스를 얻기 위하여 스퍼터링된 TiO2 층일 수 있다.A thin
박막 패시베이션 층(9)은 장기간의 화학적 안정성을 확보하고 박막 유전체 층(8)으로의 액체(6)의 침투를 억제하기 위하여 스퍼터링된 SiO2, Si3N4 또는 SiOxNy 층이거나 또는 내화학성(chemical resistant) 포토 리소그래피 래커(lacquer)를 사용하는 스핀코팅된(spincoated) 래커 층일 수 있다.The thin
본 발명은, 특히 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 커패시티브 액체 레벨 검 출기에 관한 것으로서, 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 이용할 수 있다.The present invention relates, in particular, to a capacitive liquid level detector for direct methanol fuel cell systems, which can be used in direct methanol fuel cell systems.
도 1은 본 발명에서 이용되는 기본적인 측정 원리에 따르는 센서의 기본 구조를 나타낸다.1 shows the basic structure of a sensor according to the basic measuring principle used in the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 것으로서 커패시터로 저장소의 전체 측벽을 갖는 것을 나타낸다.Figure 2 relates to one embodiment of the present invention, having a full sidewall of the reservoir as a capacitor.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 관한 것으로서 저장소에서 윈도우와 접촉 전극으로서 와이어 프레임을 갖는 것을 나타낸다.3 illustrates another embodiment of the present invention having a wire frame as a contact electrode with a window in a reservoir.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 것으로서 다중 금속 플레이트들로 형성된 접촉 전극을 갖는 것을 나타낸다.Figure 4 shows yet another embodiment of the present invention having a contact electrode formed of multiple metal plates.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *Brief description of symbols for the main parts of the drawings
1: 저장소 2: 공기 유입구 및 배출구1: reservoir 2: air inlet and outlet
3: 유체 유입구 및 배출구 4: 실링 수단(실란트나 접착제)3: fluid inlet and outlet 4: sealing means (sealant or adhesive)
5: 접촉 전극 6: 유체5: contact electrode 6: fluid
7: 제1플레이트(불변 플레이트) 8: 박막 유전체 층7: first plate (constant plate) 8: thin film dielectric layer
9: 박막 패시베이션 층 10: 액체 레벨9: thin film passivation layer 10: liquid level
11: 액체 레벨 이하의 쌍극자 전계 12: 액체 레벨 위의 면적11: dipole field below liquid level 12: area above liquid level
13: 와이어 프레임 14: 제2플레이트(액체 플레이트)13: wire frame 14: second plate (liquid plate)
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