KR20120115822A - 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템 - Google Patents

액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20120115822A
KR20120115822A KR1020110033374A KR20110033374A KR20120115822A KR 20120115822 A KR20120115822 A KR 20120115822A KR 1020110033374 A KR1020110033374 A KR 1020110033374A KR 20110033374 A KR20110033374 A KR 20110033374A KR 20120115822 A KR20120115822 A KR 20120115822A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liquid
capacitance
metal plates
reservoir
fuel
Prior art date
Application number
KR1020110033374A
Other languages
English (en)
Inventor
후레이
조혜정
김영재
나영승
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020110033374A priority Critical patent/KR20120115822A/ko
Priority to JP2012088103A priority patent/JP2012220498A/ja
Priority to EP12163611A priority patent/EP2511675A1/en
Priority to US13/443,208 priority patent/US20120258385A1/en
Priority to CN2012101051425A priority patent/CN102735307A/zh
Publication of KR20120115822A publication Critical patent/KR20120115822A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

액체 저장소의 여러 대응 면들 각각에 부착된 여러 쌍의 금속판들간의 정전 용량들을 측정하고, 액체 저장소의 현재 자세에 기초하여 이 정전용량들에 대응하는 액체 용량들의 조합함으로써 액체 저장소에 잔류하는 액체의 용량을 계산한다. 이와 같은 액체 용량 측정 방법은 연료 전지 시스템의 연료 잔량 측정에 적용될 수 있다.

Description

액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템 {Method and apparatus for measuring volume of liquid and fuel cell system}
액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템에서의 연료의 잔량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 수소 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 친환경적 대체 에너지 기술로서 태양 전지(solar cell) 등과 함께 각광을 받고 있다. 연료 전지의 전력 생산을 위해서는 연료 전지에 연료, 물, 공기 등이 공급되어야 하는데, 이와 같은 물질들의 공급량이 적정하지 않을 경우에 연료 전지가 정상적으로 동작하지 않을 수 있다. 특히, 연료 전지로 공급될 연료가 고갈(exhaust)된 경우에는 연료 전지의 반응이 정상적으로 이루어질 수 없기 때문에 연료 전지 시스템의 동작은 연료의 고갈 전에 정지되어야 한다. 이와 같은 이유 등으로 인해 연료 전지 시스템 내부에 남아 있는 연료의 잔량 측정에 관한 연구가 이루어지고 있다.
액체 저장소의 어떤 자세에서도 액체 저장소 내부의 버블에 상관없이 액체 저장소에 저장된 액체의 용량을 정확히 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 이와 같은 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다. 또한, 이와 같은 측정 방법 또는 장치가 적용된 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 본 명세서로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 액체 용량 측정 방법은 액체 저장소에 부착된 금속판들간의 제 1 정전 용량과 상기 액체 저장소에 부착된 다른 금속판들간의 제 2 정전 용량을 입력받는 단계, 상기 제 1 정전용량에 대응하는 제 1 액체 용량과 상기 제 2 정전용량에 대응하는 제 2 액체 용량을 획득하는 단계, 및 상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량을 포함하는 복수 개의 액체 용량들을 조합함으로써 상기 액체 저장소에 잔류하는 액체의 용량을 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 상기된 액체 용량 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 액체 용량 측정 장치는 제 1 정전 용량의 측정을 위해 액체 저장소에 부착되어 있는 한 쌍의 금속판들, 제 2 정전 용량의 측정을 위해 상기 액체 저장소에 부착되어 있는 다른 한 쌍의 금속판들, 및 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 1 정전 용량을 기초하여 상기 액체 저장소에 잔류하는 액체의 용량을 계산하는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 시스템은 제 1 정전 용량의 측정을 위해 연료 저장소에 부착되어 있는 한 쌍의 금속판들, 제 2 정전 용량의 측정을 위해 상기 연료 저장소에 부착되어 있는 다른 한 쌍의 금속판들, 및 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 1 정전 용량을 기초하여 연료 저장소에 잔류하는 연료의 용량을 계산하는 제어기를 포함한다.
액체 저장소의 현재 자세에 기초하여 액체 저장소에 부착된 여러 쌍의 금속판들간의 복수 개의 정전용량들을 이용하여 액체 저장소에 저장된 액체의 용량을 계산함으로써 액체 저장소의 어떤 자세에서도 액체 저장소 내부의 버블에 상관없이 액체 저장소에 저장된 액체의 용량을 정확히 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 용량 측정 장치의 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 액체 저장소(200) 내에서의 파우치의 설치 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 액체 저장소(200)의 여러 가지 자세들을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 액체의 용량 변화에 따른 채널 A의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 액체 용량 변화에 따른 채널 B의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 버블을 갖는 액체의 용량 변화에 따른 채널 A의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 버블을 갖는 액체의 용량 변화에 따른 채널 B의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 용량 측정 방법의 흐름도이다.
도 10은 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치의 다른 실시예들을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 실시예들의 특징은 어떤 액체 저장소 내에 남아 있는 액체에 대한 새로운 잔량 측정 방식에 관련되어 있다. 이하의 실시예들에서 제시되는 액체의 새로운 잔량 측정 방식은 주로 연료 전지 시스템에서의 연료의 잔량을 측정하기 위한 수단으로 응용될 수 있기 때문에, 액체의 새로운 잔량 측정 방식의 효용성 및 역할 등을 설명하기 위해 먼저 연료 전지 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
연료 전지 시스템은 일반적으로 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지, 연료 전지에 연료, 물, 공기 등을 공급하기 위한 연료 전지의 주변 기기들(peripheral devices)인 BOP(Balance Of Plants), 및 연료 전지로부터 출력된 전력을 변환하여 부하에 공급하는 컨버터(converter) 등으로 구성된다. 이하의 실시예들의 특징은 연료의 잔량 검출에 관련되어 있기 때문에 그 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 BOP 이외에 연료 전지를 구성하는 스택(stack), 컨버터 등에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 일반적으로, 연료 전지는 부하에서 요구하는 전력에 대응하여 복수 개의 셀들이 직렬 또는 병렬로 조합된 스택(stack) 형태로 설계된다. 이하에서는 하나의 셀 및 복수 개의 셀들이 결합된 스택 모두를 포괄하여, 간단히 연료 전지라고 호칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(10), 연료 저장소(fuel storage)(20), 제어기(30), 공기 펌프(air pump)(41), 회수 펌프(water recovery pump)(42), 순환 펌프(recycle pump)(43), 공급 펌프(feed pump)(44), 제 1 분리기(first separator)(51), 제 2 분리기(second separator)(52), 열교환기(heat exchanger)(60), 밸브 모듈(valve module)(70), 및 혼합기(mixer)(80)로 구성된다. 상술한 바와 같이, 연료 전지(10)에 연료 전지(10)의 전력 생산에 요구되는 물질들, 즉 연료, 물, 공기 등을 공급하기 위한 상기된 바와 같은 구성 요소들을 BOP라고 부른다. 도 1에 도시된 바와 같이, BOP의 구성 요소들간에는 이것들을 연결하는 여러 배관(pipe)들이 장착되어 있다.
또한, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에는 도 1에 도시된 구성 요소들 이외에 다른 장치들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 열교환기(60) 이외에 다른 열교환기가 연료 전지 시스템 내부에서 발생된 열을 회수하기 위하여 열교환기(60)가 설치된 지점과는 다른 지점, 예를 들어 순환 펌프(43)와 혼합기(80) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 연료 전지(10)와 혼합기(80) 사이의 배관 측에는 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 측정하기 위한 농도 센서가 설치될 수 있고, 연료 전지(10)의 표면에는 연료 전지(10)의 반응열을 측정하기 위한 서미스터(thermistor)가 설치될 수 있다.
연료 전지(10)는 연료 저장소(20)에 저장된 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 발전 장치이다. 이와 같은 연료 전지의 예로는 고체 산화물 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 실시예는 직접 메탄올 연료 전지를 운전하기 위한 BOP가 적용된 연료 전지 시스템이다. 다만, 이하에서 기술될 기술적 수단은 다른 종류의 연료 전지에도 적용될 수 있다.
한편, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 수소 농도가 높아지도록 개질하는 간접 메탄올 연료 전지(indirect methanol fuel cell)와는 달리, 메탄올을 개질하는 과정 없이 연료 전지(10)의 애노드(anode)에서 메탄올과 물이 직접 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 이와 같이, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 개질하는 과정이 필요 없기 때문에 소형화가 가능하다. 또한, 메탄올은 상온(room temperature)에서 액체 상태에 있기 때문에 연료의 저장과 이동이 용이하다. 이에 따라, 직접 메탄올 연료 전지는 휴대용 연료 전지 시스템에 적용되고 있다.
일반적으로 직접 메탄올 연료 전지의 애노드에서는 CH3OH + H2O -> 6H+ + 6e- + CO2의 반응(reaction)이 일어나고, 캐소드(cathode)에서는 3/2O2 + 6H+ + 6e- -> 3H2O의 반응이 일어난다. 양자(H+)는 연료 전지 내부의 양자 교환 막(proton exchange membrane)을 통하여 전송되고, 전자는 애노드로부터 캐소드로 외부 회로를 통하여 전송된다. 이와 같은 과정에 의해 전력이 생산된다. 그리고, 직접 메탄올 연료 전지에서는 직접 메탄올 연료 전지에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 촉매(catalyst)가 존재한다. 일반적으로, 촉매는 백금으로 제조되며, 상기된 반응 과정에서의 온도가 너무 높을 경우에 열화될 수 있다. 이에 따라, 순수한 메탄올은 연료 전지(10)에 공급되지 않으며, 적당량의 물로 희석된 메탄올, 즉 적정 농도의 메탄올 수용액이 연료 전지(10)에 공급되어야 한다. 이하에서는 연료 전지(10)의 애노드로 공급되는 메탄올 수용액과 연료 저장소(20)에 저장된 메탄올을 모두 통틀어 간단히 연료로 호칭하기로 한다.
이와 같이, 연료 전지(10)의 열화를 방지하면서, 연료 전지(10)에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위해서는 연료 전지(10)에 적정량의 메탄올, 물, 공기가 공급되어야 한다. 제어기(30)는 연료 전지(10)에 공급되는 연료, 물, 공기의 양을 조절하기 위해 공기 펌프(41), 공급 펌프(44), 순환 펌프(43), 및 회수 펌프(42)를 제어한다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에서 보는 바와 같이, 제어기(30)는 연료 저장소(20)의 내부에 부착된 적어도 두 쌍의 금속판들(metal plates)간의 정전용량들(capacitances)을 이용하여 연료 저장소(20) 내의 연료의 잔량을 측정할 수 있으며, 이와 같이 측정된 연료의 잔량에 따라 공기 펌프(41), 공급 펌프(44), 순환 펌프(43), 및 회수 펌프(42)를 제어할 수 있다. 연료의 잔량 측정에 대해서는 이하에서 보다 상세히 살펴보기로 한다. 연료 전지(10)는 혼합기(80)로부터 공기 펌프(41)의 애노드로 공급된 적정 농도의 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 연료 전지(10)의 전력 생산 과정에서, 연료 전지(10)의 애노드로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 이산화탄소, 미 반응된 연료 등이 배출될 수 있고, 연료 전지(10)의 캐소드로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 물 등이 배출될 수 있다.
일반적으로 제 1 분리기(51)는 연료 전지(10)의 애노드로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리해 냄으로써 메탄올과 물을 회수한다. 연료 전지(10)의 캐소드로부터 배출된 부산물은 연료 전지(10)에서의 반응열 등으로 인한 고온의 유체로서 증기 형태의 수분을 포함하고 있다. 이것은 열교환기(60)를 통과하면서 열교환기(60)의 열 교환 과정(heat exchange process)에 의해 냉각되며, 이 과정에서 일부의 물이 회수된다. 제 2 분리기(52)는 이와 같이 냉각된 부산물로부터 물을 분리해 냄으로써 물을 회수하고, 이와 같은 회수 과정 이후의 나머지 부산물인 이산화탄소 등을 외부로 배출한다. 제 1 분리기(51)와 제 2 분리기(52)는 원심 분리 등을 이용하여 연료 전지(10)로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리할 수 있다. 회수 펌프(42)는 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물을 흡입하여 제 1 분리기(51)에 배출한다. 이에 따라, 제 1 분리기(51)로부터 제 1 분리기(51)에 의해 회수된 메탄올과 제 1 분리기(51) 및 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물이 섞인 저농도의 연료가 배출되게 된다.
연료 저장소(20)는 연료가 저장되는 용기로서 원통형, 박스형 등 여러 가지 모양의 용기로 제조될 수 있다. 연료 저장소(20)는 연료가 리필(refill)될 수 형태로 제조될 수 있다. 또한, 연료 저장소(20)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 탈부착이 가능한 형태로 제조될 수 있으며, 일반적으로 탈부착이 가능한 형태의 연료 저장소는 카트리지(cartridge)로 호칭되기도 한다. 연료 저장소(20)에는 희석되지 않은 고농도의 연료, 예를 들어 100%의 메탄올이 저장될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에서 보는 바와 같이, 연료 저장소(20)의 내부에는 연료 저장소(20) 내의 연료 잔량 측정을 위한 정전용량들의 측정이 가능하도록 하기 위해 적어도 두 쌍의 금속판들이 부착될 수 있다.
일반적으로 밸브 모듈(70)은 연료 순환 라인(91)과 연료 공급 라인(92)이 연결되는 지점에 삽입되어, 연료 순환 라인(91)을 통해 연료 전지(10)로부터 연료 전지(10)로 순환되는 저농도 연료의 흐름과 연료 공급 라인(91)을 통해 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 공급되는 고농도 연료의 흐름을 제어한다. 여기에서, 연료 순환 라인(91)은 연료 전지(10)로부터 배출된 미반응 연료가 다시 연료 전지(10)로 흘러 들어가는 경로에 있는 배관들을 나타내고, 연료 공급 라인(92)은 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 새로이 공급되는 연료가 흐르는 경로에 있는 배관들을 나타낸다.
순환 펌프(43)는 밸브 모듈(70)의 연료 흐름 제어에 따라 밸브 모듈(70)로부터 연료 순환 라인(91)을 통해 수송된 저농도 연료와 연료 공급 라인(92)을 통해 수송된 고농도 연료 중 적어도 하나를 흡입하여 혼합기(80)로 배출한다. 혼합기(80)는 순환 펌프(43)로부터 배출된 저농도 연료와 고농도 연료를 혼합하고, 이와 같은 혼합 과정을 거쳐 생성된 적정 농도의 연료를 연료 전지(10)에 공급할 수 있다.
일반적으로, 연료 전지(10)는 일정한 온도 이상에서 정상적인 반응이 일어나며, 정상적으로 전력을 생산한다. 이에 따라, 연료 전지 시스템이 시동되고 난 후에 연료 전지(10)의 온도가 일정 수준 이상이 될 때에 연료 전지(10)로부터 출력된 전력이 부하에 공급되는 정상 운전이 이루어지게 된다. 연료 전지(10)의 온도가 일정 수준 이상이 될 때까지 연료 전지(10)에 연료가 계속적으로 공급되어야 한다. 연료 저장소(20)에 저장된 연료의 잔량이 연료 전지(10)의 온도를 일정 수준 이상으로 올릴 만큼 충분하지 않은 경우에는 연료 전지 시스템을 시동할 필요가 없을 수도 있다. 또한, 연료 저장소(20)에 저장된 연료가 고갈(exhaust)된 경우에는 연료 전지(10)의 반응이 정상적으로 이루어질 수 없기 때문에 연료 전지 시스템의 동작은 연료의 고갈 전에 정지되어야 한다.
상기된 바와 같은 이유들로 인해, 연료 전지 시스템은 연료 저장소(20)에 저장된 연료의 잔량을 측정할 수 있는 수단을 구비하고 있어야 하며, 그 측정값에 따라 공기 펌프(41), 공급 펌프(44), 순환 펌프(43), 및 회수 펌프(42)를 제어함으로써 연료 전지 시스템이 시동되거나 정지될 수 있어야 한다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에서는 제어기(30)와 연료 저장소(20)에 연료 저장소(20)에 저장된 연료의 잔량을 측정하기 위한 요소들이 탑재될 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템은 이와 같이 측정된 연료의 잔량에 기초하여 사용자에게 연료의 잔량에 따른 연료 전지 시스템의 남은 동작 시간을 알려줄 수도 있고, 연료 저장소(20)에 연료를 리필하거나 연료 카트리지를 교환하라는 메시지를 출력할 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 소형화가 가능한 직접 메탄올 연료 전지는 주로 휴대용 연료 전지 시스템에 적용되고 있다. 휴대용 연료 전지 시스템에서는 사용자의 휴대에 따른 이동성으로 인해 연료 저장소(20)의 자세(position)가 일정하게 유지되지 않을 수도 있다. 또한, 사용자가 연료 저장소(20)에 연료를 리필하거나 연료 카트리지를 교환할 때에 사용자의 부주의나 사용자의 사용 환경에 따라 연료 저장소(20) 내부로 공기가 유입될 수도 있고, 연료 저장소(20) 내부로 유입된 공기로 인해 연료 저장소(20)의 내부에는 버블(bubble)이 발생하게 될 수 있다. 이하에서는, 연료 저장소(20)의 자세 변동이나 연료 저장소(20)의 내부의 버블에 상관없이 연료 저장소(20)에 저장된 연료의 잔량을 정확하게 측정할 수 있는 기술적 수단들을 살펴보기로 한다.
한편, 이하에서 설명될 기술적 수단들은 연료 전지 시스템의 연료 공급 환경으로부터 그 필요성이 제기되었으나, 연료 전지 시스템 이외에 연료를 포함하는 임의의 액체의 잔량 검출이 요구되는 다양한 장치들에 적용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 연료를 액체로 일반화하여 액체의 잔량을 측정하기 위한 장치와 방법에 대해서 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 용량 측정 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 액체 용량 측정 장치는 액체 저장소(200), 측정 회로(310), 자세 센서(position sensor)(230), 프로세서(320), 및 메모리(330)로 구성된다. 이하에서 설명될 액체 용량 측정 장치가 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 적용되면, 상기된 바와 같은 구성 요소들은 연료 저장소(20)와 제어기(30)에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 연료 저장소(20)에는 이하에서 설명될 액체 저장소(200)와 자세 센서(230)가 탑재될 수 있고, 제어기(30)에는 측정 회로(310), 프로세서(320), 및 메모리(330)가 탑재될 수 있다.
액체 저장소(200)는 액체가 저장되는 용기로서 박스형, 원통형 등 여러 가지 모양의 용기로 제조될 수 있다. 도 2에 도시된 일 실시예에서 보듯이, 액체 저장소(200)는 적어도 두 쌍의 도전성 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222)이 부착될 수 있도록 적어도 네 개의 내부 면들을 갖는 용기일 수 있다. 도 2를 참조하면, 액체 저장소(200)는 절연성의 하우징(housing)(210)과 이 하우징의 내부 면들 중 서로 평행하게 대면하고 있는 어느 대응 면들에 부착된 한 쌍의 금속판들(2211, 2212), 서로 평행하게 대면하고 있는 다른 대응 면들에 부착된 다른 한 쌍의 금속판들(2221, 2222)로 구성된다. 각 쌍의 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)은 이것들간의 정전용량이 액체 저장소(200)의 자세에 상관없이 일정한 정전용량을 갖도록 서로 동일 내지 유사한 크기를 가질 수 있다. 즉, 서로 동일 내지 유사한 사이즈를 갖는 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)간의 정전용량은 이것들 사이에 존재하는 매질에 의해서 결정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)의 면적은 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222)간의 절연을 위하여 하우징(210)의 부착 면의 면적보다 작을 수 있지만, 필요에 따라 부착 면의 면적과 같은 크기를 가질 수도 있다. 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)간의 정전용량은 하우징(210) 내부에서 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)의 면적이 넓을수록 정확히 측정될 수 있다. 따라서, 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222) 각각은 그 면적이 이웃해 있는 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222)끼리 절연될 수 있는 한도에서 최대한 넓도록 제조된다.
측정 회로(310)는 한 쌍의 금속판들(2211, 2212)과 연결된 전선들을 통하여 이 금속판들(2211, 2212)을 대전시킴으로써 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량을 측정한다. 이하에서는 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량을 채널 A의 정전용량으로 호칭하기로 한다. 또한, 측정 회로(310)는 다른 한 쌍의 금속판들(2221, 2222)과 연결된 전선들을 통하여 금속판들(2221, 2222)을 대전시킴으로써 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량을 측정한다. 이하에서는 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량을 채널 B의 정전용량으로 호칭하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같은 평행 금속판들간의 정전용량을 측정하는 방식들로는 여러 가지가 있으며, 이미 공지되어 있는 사항이므로 자세한 설명을 생략하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같은 평행 금속판들간의 정전용량은 다음 수학식 1에 의해 계산될 수 있다. 수학식 1에서 ∈는 금속판들 사이에 존재하는 매질, 즉 액체의 유전율(permittivity)을 나타내고, S는 각 금속판의 면적을 나타내고, d는 금속판들간의 거리를 나타낸다.
Figure pat00001
도 2에 도시된 각 쌍의 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)은 이것들의 면적과 금속판들간의 거리가 고정되어 있기 때문에 금속판들 사이에 존재하는 매질, 예를 들어 액체와 공기의 유전율에 의해서만 정전용량이 변하게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 액체 저장소(200)가 휴대용 연료 전지 시스템 등과 같은 휴대용 장치 내에 탑재되는 경우, 액체 저장소(200)의 자세는 사용자에 의한 휴대용 장치의 사용 방식, 사용 환경 등에 따라 변동될 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 각 쌍의 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222) 사이에 존재하는 매질의 유전율은 이것들 사이에 존재하는 액체의 양과 기울기에 의해서 변동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 액체 저장소(200) 내에서의 파우치(pouch)의 설치 모습을 도시한 도면이다. 액체 저장소(200)의 하우징(210)은 그 내부의 물질 보호를 위해 강성의 플라스틱(plastic) 등과 같이 쉽게 변형되지 않는(non-flexible) 절연성 물질로 제조될 수 있다. 일반적으로, 액체 저장소(200)의 내부 저장 공간은 액체의 유출을 막기 위한 구조를 가질 수 있다 (일 예로, 밀봉된 상태일 수 있다). 액체 저장소(200)의 내부 저장 공간이 액체의 유출을 막기 위한 구조를 가질 경우에 액체 저장소(200)로부터 액체를 흡입하거나 액체 저장소(200)로 액체를 주입할 때에, 액체 저장소(200) 내부의 액체 용량 변화에 따라 액체 저장소(200)의 내부의 저장 공간이 수축하거나 팽창할 수 있어야 한다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서와 같이, 액체 저장소(200)의 하우징(210)이 강성의 물질로 제조될 경우에 액체 용량 변화에 따라 하우징(210) 자체의 변형이 어려울 수 있다. 따라서, 하우징(210)의 내부에는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 파우치(241)가 위치하거나, 하우징(210)은 그 내부의 액체 용량 변화에 따라 기체(예를 들어, 공기, 비활성 기체 등)의 출입을 가능하게 할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 파우치(241)가 하우징(210)의 내부에 위치하는 경우, 파우치(241)는 신축성 소재로 제조될 수 있으며, 파우치(241)의 크기는 하우징(210)의 내부 크기와 같거나, 또는 하우징(210)의 내부 크기보다 클 수도 있으며, 이 파우치(241)에 액체가 저장되게 된다. 또한, 파우치(241)는 하우징(210)의 내부 크기보다 큰 면적을 갖는 박막 형태의 비신축성 소재로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 파우치(241)는 액체가 없는 상태에서 버블이 존재하지 않도록 파우치(241)의 모든 면들이 서로 밀착될 수 있는 크기의 면적을 갖는 박막 형태의 비신축성 소재로 제조될 수 있다.
파우치(241)는 하우징(210)의 내부 공간의 모양과 유사한 형태로 비닐, 고무 등과 같은 신축성의 방수(waterproofing) 물질로 제조될 수 있다. 파우치(241)의 개구부(242)를 통하여 파우치(241)에 액체가 주입되거나 파우치(241)로부터 액체가 배출되며, 이에 따라 파우치(241)는 팽창 또는 수축하게 된다. 하우징(210)에는 파우치(241)의 원활한 팽창, 수축을 위해 공기가 출입할 수 있는 틈 또는 구멍이 존재할 수 있다. 하우징(210)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 하나의 개구부(242)를 가질 수도 있고, 다수의 개구부들(미 도시)을 가질 수도 있다. 한편, 액체 저장소(200)의 내부 저장 공간이 수축하거나 팽창하지 않도록 액체 저장소(200) 내부의 액체 용량 변화에 따라 공기가 출입된다면 이와 같은 파우치(241)가 필요 없을 수도 있다. 예를 들어, 하우징(210)이 공기 투과성이면서 액체 불투과성인 물질로 제조된다면 이와 같은 파우치(241)가 필요 없을 수도 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명의 일 실시예를 참조하면, 파우치(241)의 표면 중 일 부분은 하우징(210) 내의 네 개의 금속판들 중 세 개의 금속판들(2211, 2221, 2222)에 접하여 고정되어 있을 수 있고, 파우치(241)의 표면 중 나머지 부분은 고정되어 있지 않을 수 있다. 파우치(241)는 신축성 소재로 되어 있는 경우에 이것의 형태를 고정하기 위해서 세 개의 금속판들(2211, 2221, 2222)에 부착되나, 파우치(241)의 팽창, 수축이 용이하도록 하기 위해서 나머지 하나의 금속판(2212)에는 부착되지 않을 수 있다. 파우치(241) 내부의 액체가 고갈(exhaust)되는 경우에 파우치(241)가 완전히 수축되어 세 개의 금속판들(2211, 2221, 2222)의 표면에 압착된 형태가 되고, 파우치(241) 내부로 액체가 유입되어 파우치(241)가 완전히 팽창한 경우에는 액체 저장소(200)의 내부 공간 형태를 가지게 된다. 일 예로, 파우치(241)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 사각 박스 모양의 내부 공간 형태를 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예에 따르면, 채널 B에 해당하는 한 쌍의 금속판들(2221, 2222) 각각은 하우징(210)의 양쪽의 전체 면이 항상 파우치(241)와 접하여 있으며, 각각의 한 면 전체는 항상 파우치(241)와 부착되어 있게 된다. 반면에, 채널 A에 해당하는 다른 한 쌍의 금속판들(2211, 2212) 각각은 하나의 금속판(2211)의 일 면 전체만이 항상 파우치(241)의 일 부분과 부착되어 있고, 다른 금속판(2212)의 일 면은 파우치(241) 내부의 액체의 용량에 따라 파우치(241)의 일 부분과의 접촉면이 결정되게 된다. 파우치(241)에 액체가 완전히 채워진 상태에서는 파우치(241)와 금속판(2212)의 전체 면이 접하게 될 수 있으나, 파우치(241)에 채워진 액체의 용량이 감소함에 따라 파우치(241)와 금속판(2212)의 접촉 면적은 점점 감소하게 된다. 파우치(241)에 채워진 액체의 용량이 어떤 임계값 이하로 감소하면, 파우치(241)와 금속판(2212)은 완전히 떨어지게 될 수 있다. 이와 같은 채널 A와 채널 B의 구조적인 차이는 채널 A와 채널 B의 정전용량의 특성 차이로 나타난다.
자세 센서(230)는 액체 저장소(200)의 현재 자세를 검출한다. 일 예로, 자세 센서(230)는 어떤 기준면에 대한 자세 센서(230)가 부착된 면의 기울기를 검출함으로써 액체 저장소(200)의 현재 자세를 검출할 수 있다. 이와 같은 자세 센서(230)는 가속도 센서(acceleration sensor) 등으로 구현될 수도 있다. 도 2에 도시된 실시예에서는 자세 센서(230)가 금속판(2212)이 부착된 쪽의 하우징(210)의 외면에 부착될 수 있음을 보여주고 있다. 자세 센서(230)의 위치는 하우징(210)의 외면에 제한되지 않고, 필요에 따라 여러 다른 위치에 부착될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 액체 저장소(200)의 여러 가지 자세들을 도시한 도면이다. 도 4의 (a)는 네 개의 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222) 모두가 서 있는 스탠드 자세(stand position)를 나타낸다. 도 4의 (b)는 네 개의 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222) 중 채널 A에 해당하는 한 쌍의 금속판들(2211, 2212)은 누워 있고, 채널 B에 해당하는 다른 한 쌍의 금속판들(2221, 2222)은 서 있는 페이스 자세(face position)를 나타낸다. 도 4의 (c)는 네 개의 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222) 중 채널 A에 해당하는 한 쌍의 금속판들(2211, 2212)은 서 있고, 채널 B에 해당하는 다른 한 쌍의 금속판들(2221, 2222)은 누워 있는 사이드 자세(side position)를 나타낸다. 한편, 각 채널에 해당하는 한 쌍의 금속판들(2211, 2212, 또는 2221, 2222)은 서로 대칭되기 때문에 어느 쪽이 위쪽 또는 밑쪽으로 위치하는가는 이것들간의 정전용량 값에 영향을 주지 않는다.
일반적으로, 자세 센서(230)에 대해서 어떤 기준면이 설정되면, 자세 센서(230)는 이 기준면에 위치할 때에 0도에 해당하는 값을 출력한다. 이와 같은 자세 센서(230)의 기준면은 자세 센서(230)를 제조하는 공장에서 설정될 수도 있고, 사용자에 의해 자세 센서(230)에 입력될 수도 있다. 한편, 자세 센서(230)의 기준면이 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세에서의 자세 센서(230)가 부착된 면, 즉 지구 중력 방향으로 설정되면, 이 스탠드 자세에서 자세 센서(230)에 의해 검출된 값은 0도가 될 것이다. 페이스 자세에서는 자세 센서(230)가 부착된 면의 방향이 지구 중력 방향과 90도를 이루므로 자세 센서(230)에 의해 검출된 값은 90도가 될 것이고, 사이드 자세에서는 자세 센서(230)가 부착된 면의 방향이 지구 중력 방향이므로 자세 센서(230)에 의해 검출된 값은 0도가 될 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 액체의 용량 변화에 따른 채널 A의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 그래프는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 각각에서 액체 저장소(200) 내부에 잔존하는 메탄올의 용량, 즉 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량을 일정 간격으로 변화시키면서 채널 A의 정전용량을 측정한 후에 메탄올의 용량에 대한 정전용량 측정값들을 xy 평면에 표시하고, 이것들을 연결한 것이다. 다만, 도 5에 도시된 측정값들은 어떤 특정 실험 환경에서의 정전용량의 측정값들의 예시에 불과하며, 정전용량의 측정 환경의 변화에 따라 다른 값들이 측정될 수 있음을 도 2에 도시된 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 2에 도시된 각 쌍의 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)간의 정전용량은 이 금속판들 사이에 존재하는 매질에 의해서만 정전용량이 변하게 된다. 일반적으로, 공기의 유전율은 약 1로 알려져 있으며, 메탄올의 유전율은 약 30으로 알려져 있다. 수학식 1에 따르면, 이 금속판들 사이에 공기만 존재하는 경우에 비해 메탄올만 존재하는 경우에 정전용량은 30배 정도 높게 된다. 따라서, 각 쌍의 금속판들(2211, 2212 또는 2221, 2222)의 어느 한 쪽에만 메탄올이 접해 있고, 다른 쪽에는 공기가 접해 있다면, 이 공기의 차단 효과에 의해 이 금속판들간의 전하의 저장 능력이 크게 떨어지게 된다.
파우치(241)에 메탄올이 남아 있지 않거나 아주 적은 메탄올만이 남아 있는 경우에 파우치(241)는 완전히 수축되게 되어, 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 될 수 있다. 파우치(241)에 메탄올이 가득 찬 경우에 파우치(241)는 완전히 팽창하게 되어, 마찬가지로 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 될 수 있다. 상기된 경우들에서는 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 금속판들(2211, 2212)간에 존재하는 매질의 형태가 변동되지 않는다. 도 5를 참조하면, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 하한 값 미만이거나 어느 상한 값 이상이면 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 모두에서의 채널 A의 정전용량이 거의 동일하게 검출됨을 알 수 있다.
도 5의 오른 편에는 액체 저장소(200)의 전체 저장 용량의 반 정도로 파우치(241)에 메탄올이 주입된 경우에 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간에 존재하는 매질의 단면 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 파우치(241)는 완전히 수축된 경우와 완전히 팽창된 경우의 중간 정도 형태를 가질 수 있다. 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세와 사이드 자세에서는 액체 저장소(200)에서의 메탄올 용량 변화에 대해 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 되어, 파우치(241)에 잔존하는 메탄올의 용량 변화에 대해 전 구간에서 거의 선형적(linear)으로 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다. 그러나, 페이스 자세에서는 파우치(241)와 금속판(2212)은 떨어지게 되어, 금속판(2211)에만 메탄올이 접해 있고, 금속판(2212)에는 공기가 접해 있게 된다. 즉, 페이스 자세의 중간 구간에서는 이 금속판들간의 전하의 저장 능력이 크게 떨어진다. 따라서, 페이스 자세에서는 파우치(241)에 잔존하는 메탄올의 용량 변화에 대해 중간 구간에서 비선형적(non-linear)으로 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 액체 용량 변화에 따른 채널 B의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다. 특히, 도 6에 도시된 그래프는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 각각에서 액체 저장소(200) 내부에 잔존하는 메탄올의 용량, 즉 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량을 일정 간격으로 변화시키면서 채널 B의 정전용량을 측정한 후에 메탄올의 용량에 대한 정전용량 측정값들을 xy 평면에 표시하고, 이것들을 연결한 것이다. 다만, 도 6에 도시된 측정값들은 어떤 특정 실험 환경에서의 정전용량의 측정값들의 예시에 불과하며, 정전용량의 측정 환경의 변화에 따라 다른 값들이 측정될 수 있음을 도 2에 도시된 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
파우치(241)에 메탄올이 남아 있지 않거나 아주 적은 양의 메탄올만이 남아 있는 경우에 파우치(241)는 완전히 수축되게 되어, 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 된다. 파우치(241)에 메탄올이 가득 찬 경우에 파우치(241)는 완전히 팽창하게 되어, 마찬가지로 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 된다. 상기된 경우들에서는 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 금속판들(2211, 2212)간에 존재하는 매질의 형태가 변동되지 않는다. 도 5를 참조하면, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 하한 값 미만이거나 어느 상한 값 이상이면 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 모두에서의 채널 B의 정전용량이 거의 동일하게 검출됨을 알 수 있다.
도 6의 오른 편에는 액체 저장소(200)의 전체 저장 용량의 반 정도로 파우치(241)에 메탄올이 주입된 경우에 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간에 존재하는 매질의 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 파우치(241)는 완전히 수축된 경우와 완전히 팽창된 경우의 중간 정도 형태를 갖는다. 도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 모두에서 액체 저장소(200)에서의 메탄올 용량 변화에 대해 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 되어, 파우치(241)에 잔존하는 액체의 용량 변화에 대해 전 구간에서 거의 선형적으로 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다. 파우치(241)가 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222) 모두에 접하여 고정되어 있기 때문에 액체 저장소(200)의 자세 변화에 상관없이 항상 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있을 수 있게 된다.
한편, 도 6에 도시된 사이드 자세에서의 매질의 첫 번째 A1 측 단면 형태는 금속판(2211)에 근접하여 절단된 모습으로서 금속판들(2221, 2222) 양쪽 모두에 메탄올이 접해 있음을 나타낸다. 또한, 도 6에 도시된 사이드 자세에서의 매질의 두 번째 A2 측 단면 형태는 금속판(2212)에 근접하여 절단된 모습으로서 금속판들(2221, 2222) 양쪽 모두에 공기가 접해 있음을 나타낸다. 이와 같이, 파우치(241)와 금속판(2212)은 떨어진 상태에 있기 때문에 사이드 자세에서의 매질의 단면 형태는 금속판(2211)으로부터 금속판(2212)으로 갈수록 메탄올이 줄어들면서 공기의 비율이 높아지게 된다. 금속판(2211) 측에서 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 되어, 거의 선형적으로 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 변화하게 되나, 다른 자세에 비해 공기의 차단 효과가 높아 선형적 특성이 약간 낮게 도시되었음을 관찰할 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 버블을 갖는 액체의 용량 변화에 따른 채널 A의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다. 특히, 도 7에 도시된 그래프는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 각각에서 액체 저장소(200) 내부, 즉 파우치(241)에 일정량의 공기를 주입하고, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량을 일정 간격으로 변화시키면서 채널 A의 정전용량을 측정한 후에 메탄올의 용량에 대한 정전용량 측정값들을 xy 평면에 표시하고, 이것들을 연결한 것이다. 다만, 도 7에 도시된 측정값들은 어떤 특정 실험 환경에서의 정전용량의 측정값들의 예시에 불과하며, 정전용량의 측정 환경의 변화에 따라 다른 값들이 측정될 수 있음을 도 2에 도시된 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
파우치(241)에 메탄올이 남아 있지 않거나 아주 적은 메탄올만이 남아 있는 경우에 파우치(241)는 완전히 수축되게 되어, 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212) 사이에는 약간의 메탄올과 공기 또는 공기만이 존재하게 된다. 이 경우에는 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 금속판들(2211, 2212)간에 존재하는 매질의 형태가 변동되지 않는다. 도 7을 참조하면, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 하한 값 미만이면 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 모두에서의 채널 A의 정전용량이 거의 동일하게 검출됨을 알 수 있다. 한편, 파우치(241)가 완전히 팽창할 때까지 파우치(241)에 메탄올을 주입하면, 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 된다. 그러나, 도 5에 도시된 바와는 달리, 파우치(241)에는 미리 주입된 공기와 메탄올이 동시에 존재하기 때문에 액체 저장소(200)의 자세 변화에 따라 파우치(241) 내부에서 가벼운 공기와 무거운 메탄올간의 이동이 일어날 수 있게 된다. 도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 그래프에 비해 메탄올이 미리 주입된 공기의 용량만큼 덜 주입될 수 있음을 알 수 있고, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 상한 값 이상인 경우에도 도 5에 도시된 그래프와는 달리 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서 채널 A의 정전용량이 유사하게 검출되지 않음을 알 수 있다.
도 7의 오른 편에는 액체 저장소(200)의 전체 저장 용량의 반 정도로 파우치(241)에 공기와 메탄올이 주입된 경우에 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간에 존재하는 매질의 단면 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 파우치(241)는 완전히 수축된 경우와 완전히 팽창된 경우의 중간 정도 형태를 갖는다. 도 7을 참조하면, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세와 사이드 자세에서는 액체 저장소(200)에서의 메탄올 용량 변화에 대해 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 되어, 파우치(241)에 잔존하는 메탄올의 용량 변화에 대해 전 구간에서 거의 선형적으로 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다. 그러나, 페이스 자세에서는 파우치(241)와 금속판(2212)은 떨어지게 되어, 금속판(2211)에만 메탄올이 접해 있고, 금속판(2212)에는 공기가 접해 있게 된다. 즉, 페이스 자세의 중간 구간에서는 이 금속판들간의 전하의 저장 능력이 크게 떨어진다. 따라서, 페이스 자세에서는 파우치(241)에 잔존하는 메탄올의 용량 변화에 대해 중간 구간에서 비선형적으로 이 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다.
도 8은 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 버블을 갖는 액체의 용량 변화에 따른 채널 B의 정전용량의 측정값 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 그래프는 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 각각에서 액체 저장소(200) 내부, 즉 파우치(241)에 일정량의 공기를 주입하고, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량을 일정 간격으로 변화시키면서 채널 B의 정전용량을 측정한 후에 메탄올의 용량에 대한 정전용량 측정값들을 xy 평면에 표시하고, 이것들을 연결한 것이다. 다만, 도 8에 도시된 측정값들은 어떤 특정 실험 환경에서의 정전용량의 측정값들의 예시에 불과하며, 정전용량의 측정 환경의 변화에 따라 다른 값들이 측정될 수 있음을 도 2에 도시된 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
파우치(241)에 메탄올이 남아 있지 않거나 아주 적은 양의 메탄올만이 남아 있는 경우에 파우치(241)는 완전히 수축되게 되어, 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222) 사이에는 약간의 메탄올과 공기 또는 공기만이 존재하게 될 수 있다. 이 경우에는 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 금속판들(2221, 2222)간에 존재하는 매질의 형태가 변동되지 않는다. 도 8을 참조하면, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 하한 값 미만이면 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 모두에서의 채널 B의 정전용량이 거의 동일하게 검출됨을 알 수 있다. 한편, 파우치(241)가 완전히 팽창할 때까지 파우치(241)에 메탄올을 주입하면, 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 된다. 그러나, 도 6에 도시된 바와는 달리, 파우치(241)에는 미리 주입된 공기와 메탄올이 동시에 존재하기 때문에 액체 저장소(200)의 자세 변화에 따라 파우치(241) 내부에서 가벼운 공기와 무거운 메탄올간의 이동이 일어나게 될 수 있다. 도 8을 참조하면, 도 6에 도시된 그래프에 비해 메탄올이 미리 주입된 공기의 용량만큼 덜 주입될 수 있음을 알 수 있고, 파우치(241)에 저장된 메탄올의 용량이 어느 상한 값 이상인 경우에도 도 6에 도시된 그래프와는 달리 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서 채널 B의 정전용량이 유사하게 검출되지 않음을 알 수 있다.
도 8의 오른 편에는 액체 저장소(200)의 전체 저장 용량의 반 정도로 파우치(241)에 공기와 메탄올이 주입된 경우에 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들에서의 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간에 존재하는 매질의 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 파우치(241)는 완전히 수축된 경우와 완전히 팽창된 경우의 중간 정도 형태를 갖는다. 도 8을 참조하면, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세와 페이스 자세에서는 액체 저장소(200)에서의 메탄올 용량 변화에 대해 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 되어, 파우치(241)에 잔존하는 액체의 용량 변화에 대해 전 구간에서 거의 선형적으로 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다. 파우치(241)가 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222) 모두에 접하여 고정되어 있기 때문에 액체 저장소(200)의 자세 변화에 상관없이 항상 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 양 쪽 모두에 메탄올이 접해 있게 된다.
한편, 도 8에 도시된 사이드 자세에서의 매질의 첫 번째 단면 형태는 금속판(2211)에 근접하여 절단된 모습으로서 금속판(2222)에만 메탄올이 접해 있고, 금속판(2221)에는 공기가 접해 있음을 나타낸다. 도 6에 도시된 사이드 자세에서의 매질의 첫 번째 단면 형태와는 달리, 미리 주입된 공기로 인해 금속판(2221)에 공기가 접해 있게 된다. 또한, 도 8에 도시된 페이스 자세에서의 매질의 두 번째 단면 형태는 금속판(2212)에 근접하여 절단된 모습으로서 금속판들(2221, 2222)의 양쪽 모두가 공기가 접해 있음을 나타낸다. 이와 같이, 파우치(241)와 금속판(2212)은 떨어져 있을 수 있고, 일정량의 공기가 주입된 상태에 있기 때문에 금속판(2221)에는 항상 공기가 접해 있음을 알 수 있다. 따라서, 사이드 자세에서는 파우치(241)에 잔존하는 메탄올의 용량 변화에 대해 파우치(241)는 완전히 수축된 구간을 제외하고는 거의 모든 구간에서 비선형적으로 이 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 변화됨을 관찰할 수 있다.
도 5부터 도 8까지 도시된 액체의 용량 변화에 따른 각 채널의 정전용량의 측정값 변화들의 관찰 결과를 정리하면 다음과 같다. 먼저, 파우치(241)에 메탄올이 남아 있지 않거나 아주 적은 메탄올만이 남아 있는 경우에는 파우치(241)는 완전히 수축되게 되어, 액체 저장소(200)의 자세가 변하더라도 파우치(241)의 형태가 변하지 않게 된다. 이 경우, 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량과 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 모두 정확하게 측정된다. 일반적으로, 액체의 잔량 측정은 액체 저장소(200)에 남아 있는 액체의 용량이 얼마 되지 않은 경우에 보다 중요하다.
다음으로, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세에서는 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량과 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 전 구간에 걸쳐 모두 정확하게 측정됨을 알 수 있다. 다음으로, 페이스 자세에서는 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량보다 더 선형에 가까운 특성을 갖는다 것을 알 수 있다. 마지막으로, 사이드 자세에서는 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량보다 액체 저장소(200)에 주입된 공기 등의 버블 영향을 덜 받음을 알 수 있다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 이와 같은 채널 A와 채널 B의 특성 차이는 액체 저장소(200)의 자세 변화에 따라 액체 저장소(200) 내부의 액체, 공기가 이동하면서 발생되는 금속판들 사이의 매질 변화에 기인된다고 볼 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에서는 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 액체 저장소(200)에 저장된 연료의 용량이 정확히 측정될 수 있도록 하기 위하여, 프로세서(320)는 자세 센서(230)에 의해 검출된 액체 저장소(200)의 현재 자세에 기초하여 액체 저장소(200)의 현재 자세에 가장 적합한 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량들의 조합을 찾아서 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 계산한다. 예를 들어, 프로세서(320)는 액체 저장소(200)의 현재 자세에서 보다 정확한 정전 용량 값을 제공하는 채널의 정전 용량에 대응하는 액체 용량의 가중치를 높일 수 있다. 프로세서(320)의 구체적인 동작에 대해서는 도 9를 참조하면서 이하에서 살펴보기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 용량 측정 방법의 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 액체 용량 측정 방법은 프로세서(320)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 액체 용량 측정 방법에도 적용될 수 있다. 이하에서 설명될 액체 용량 측정 방법이 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 적용되면, 이하의 단계들은 연료 전지 시스템의 제어기(30)에 의해 수행될 수 있다. 제어기(30)는 도 2에 도시된 프로세서(320)의 기능을 포함하며, 이하의 단계들 이외에 BOP를 제어하기 위한 동작들을 함께 수행할 수도 있다.
91 단계에서 프로세서(320)는 측정 회로(310)로부터 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전 용량과 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전 용량을 입력받는다. 92 단계에서 프로세서(320)는 자세 센서(230)로부터 액체 저장소(200)의 현재 자세를 나타내는 값을 입력받는다. 예를 들어, 액체 저장소(200)의 현재 자세를 나타내는 값은 지구 중력 방향을 기준으로 하는 채널 A에 해당하는 평행 금속판들(2211, 2212)의 기울기, 즉 이 평행 금속판들(2211, 2212)이 부착된 하우징(210)의 면의 기울기가 될 수 있다.
93 단계에서 프로세서(320)는 액체 저장소(200)의 액체 잔량 변화에 따른 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량의 변화에 기초하여 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량에 대응하는 액체 용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량을 획득한다. 예를 들어, 프로세서(320)는 액체 저장소(200)의 액체 잔량 변화에 따른 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량의 변화 값들로 구축된 데이터베이스로부터 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량에 대응하는 액체 용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량을 읽어냄으로써 채널 A의 정전용량에 대응하는 액체 용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량을 획득할 수 있다. 아니면, 프로세서(320)는 액체 저장소(200)의 액체 잔량 변화에 따른 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량의 변화를 나타내는 함수에 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량을 대입함으로써 채널 A의 정전용량에 대응하는 액체 용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량을 획득할 수도 있다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 여러 가지 자세들에서 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 일정 단위로 변화시키면서 그 액체의 용량 별로 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량을 측정한다. 이와 같이 측정된 정전용량 값들은 일정 단위로 변화되는 액체의 용량 별로 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량이 매핑(mapping)된 테이블 형태의 데이터베이스로 구축될 수 있다. 이와 같은 데이터베이스에 저장된 값들은 이산적인 값들이기 때문에 프로세서(320)는 데이터베이스로부터 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량이 발견되지 않는 경우에 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량과 가장 유사한 정전용량들에 대응하는 액체 용량들로부터 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량에 대응하는 액체 용량들을 예측해 낼 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(320)는 91 단계에서 입력받은 채널 A의 정전용량을 중간에 두고 있는 두 개의 정전 용량들에 대응하는 액체 용량들의 평균 값으로부터 채널 A의 정전용량에 대응하는 액체 용량을 계산해 낼 수 있다.
아니면, 이와 같이 측정된 정전용량 값들은 액체 저장소(200)의 액체 잔량 변화에 따른 채널 A의 정전용량의 변화를 나타내는 함수와 채널 B의 정전용량의 변화를 나타내는 함수로 표현될 수도 있다. 도 7과 도 8에 도시된 측정값들은 액체 저장소(200)에 버블이 존재하는 상태에서 측정된 값들이다. 이와 같은 버블은 대부분 사용자 부주의나 사용 환경의 특성에 의해 발생되기 때문에 그 용량이 예측될 수 없다. 따라서, 도 7과 도 8에 도시된 측정값들은 액체 저장소(200)에 존재하는 버블의 용량에 따라 가변될 수 있는 유동적인 값들이다. 본 실시예에서는 버블이 없는 최적의 상태에서 측정된 값들을 이용하여 데이터베이스를 구축하거나 함수를 결정할 수 있다.
94 단계에서 프로세서(320)는 자세 센서(230)에 의해 검출된 액체 저장소(200)의 현재 자세에 기초하여 93 단계에서 획득된 채널 A의 액체 용량과 채널 B의 액체 용량을 조합함으로써 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산한다. 보다 상세하게 설명하면, 프로세서(320)는 자세 센서(230)에 의해 검출된 액체 저장소(200)의 현재 자세에 기초하여 채널 A의 액체 용량의 가중치와 채널 B의 액체 용량의 가중치를 계산하고, 이와 같이 계산된 가중치가 적용된 채널 A의 액체 용량과 채널 B의 액체 용량을 조합함으로써 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산할 수 있다. 채널 A의 액체 용량과 채널 B의 액체 용량 각각의 가중치는 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)의 기울기와 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 기울기로부터 계산될 수 있다.
예를 들어, 프로세서(320)는 다음 수학식 2에 따라 채널 A의 액체 용량 V1에 가중치 k1을 곱하고, 채널 B의 액체 용량 V2에 가중치 k2를 곱하고, 가중치 k1이 곱해진 채널 A의 액체 용량 V1과 가중치 k2가 곱해진 채널 B의 액체 용량 V2를 합산함으로써 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산할 수 있다. 수학식 2에서 θ1은 수직면에 대한 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)의 기울기를 나타내고, θ2는 수직면에 대한 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)의 기울기를 나타낸다.
Figure pat00002
도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 스탠드 자세에서 θ1과 θ2는 모두 0도가 된다. 즉, 스탠드 자세에서는 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1이 0.5가 되고, 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2가 0.5가 되어, 프로세서(320)는 동일한 가중치가 적용된 곱해진 채널 A의 액체 용량과 채널 B의 액체 용량을 합산함으로써 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산할 수 있다. 이것은 스탠드 자세에서 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량과 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 전 구간에 걸쳐 모두 정확하게 측정됨을 반영한 것이다.
도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 페이스 자세에서 θ1은 90도가 되고, θ2는 0도가 된다. 즉, 페이스 자세에서는 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1이 0이 되고, 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2가 1이 되어, 프로세서(320)는 채널 B의 액체 용량만으로 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산할 수 있다. 이것은 페이스 자세에서 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량이 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량보다 더 선형에 가까운 특성을 갖는다 것을 반영한 것이다.
도 4에 도시된 액체 저장소(200)의 세 가지 자세들 중 사이드 자세에서 θ1은 0도가 되고, θ2는 90도가 된다. 즉, 사이드 자세에서는 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1이 1이 되고, 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2가 0이 되어, 프로세서(320)는 채널 A의 액체 용량만으로 액체 저장소에 현재 잔류하는 액체의 용량을 계산할 수 있다. 이것은 사이드 자세에서 채널 A에 해당하는 금속판들(2211, 2212)간의 정전용량이 채널 B에 해당하는 금속판들(2221, 2222)간의 정전용량보다 액체 저장소(200)에 주입된 공기 등의 버블 영향을 덜 받음을 반영한 것이다.
수학식 2에 따르면, 프로세서(320)는 액체 저장소(200)의 자세가 어떤 자세로부터 다른 자세로 변화함에 따라 연속적으로 변화되는 금속판들(2211, 2212)의 기울기 θ1과 금속판들(2221, 2222)의 기울기 θ2의 변화에 따라 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1을 증가시키거나 감소시키고, 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2를 반대로 감소시키거나 증가시킨다. 예를 들어, 액체 저장소(200)의 자세가 페이스 자세로부터 사이드 자세로 변화함에 따라 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1이 증가하게 되고, 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2는 반대로 감소하게 될 수 있다. 이와 같이, 프로세서(320)는 연속적으로 변화되는 채널 A의 금속판들(2211, 2212)의 기울기 θ1과 채널 B의 금속판들(2221, 2222)의 기울기 θ2를 고려하여 채널 A의 액체 용량 V1의 가중치 k1과 채널 B의 액체 용량 V2의 가중치 k2를 조절하기 때문에 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 액체 저장소(200)에 잔류하는 액체의 용량을 정확하게 계산해 낼 수 있다.
도 10은 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치의 다른 실시예들을 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이, 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치는 두 쌍의 금속판들(2211, 2212, 2221, 2222)로부터 측정된 두 채널의 정전용량들을 이용하여 액체 저장소(200)에 잔류하는 액체의 용량을 측정할 수 있다. 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치는 두 채널의 정전용량들 중 액체 저장소(200)의 현재 자세에 보다 정확한 액체 잔량 값을 제공하는 채널의 정전용량에 보다 높은 가중치를 부여함으로써 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 액체의 잔량이 정확히 측정될 수 있도록 한다. 따라서, 액체 저장소(200)로부터 보다 많은 채널의 정전용량들이 획득될 수 있다면, 액체 저장소(200)의 현재 자세에 보다 정확한 액체 잔량 값이 계산될 수 있다. 도 10의 (a)는 도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치의 채널 A의 정전용량과 채널 B의 정전용량에 채널 C의 정전용량, 즉 제 3 정전용량을 추가하기 위하여 액체 저장소의 상면과 하면 각각에 새로운 한 쌍의 금속판들(2231, 2232)이 부착된 실시예이다.
도 2에 도시된 액체 용량 측정 장치의 액체 저장소(200)의 형태는 직육각형이고, 제 1 정전 용량 측정을 위한 금속판들이 부착된 제 1 대응 면들과 제 2 정전 용량 측정을 위한 다른 한 쌍의 금속판들이 부착된 제 2 대응 면들은 도 2에 도시된 바와 같이 수직으로 위치하고 있다. 그러나, 복수 채널의 정전용량들을 이용하여 액체 저장소(200)에 잔류하는 액체의 용량을 측정하기 위해서 반드시 이와 같은 형태가 요구되는 것이 아니다. 도 2에 도시된 액체 저장소(200)의 내부 면들에 부착된 한 쌍의 금속판들은 평행판 커패시터(parallel plate capacitor)에 해당한다. 도 2에 도시된 평행판 커패시터 이외에 다양한 형태의 커패시터들이 존재한다. 예를 들어, 도 10의 (b)에 도시된 원통 형태의 액체 저장소의 내부 곡면들에 부착된 금속판(2241)과 이 액체 저장소 내부의 원기둥의 외부 곡면들에 부착된 금속판(2242)은 채널 D에 해당하는 원통형 커패시터를 구성한다. 도 10의 (b)에 도시된 원통 형태의 액체 저장소의 상면과 하면 각각에 부착된 금속판들(2251, 2252)은 채널 E에 해당하는 평행판 커패시터를 구성한다.
이상에서 살펴본 실시예들로부터 도 2 내지 도 10에 도시된 커패시터 형태 이외에 보다 다양한 형태의 커패시터를 이용하여 액체 저장소(200)에 잔류하는 액체의 용량을 측정하는 장치를 설계할 수 있음을 이상의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
이상에서 살펴본 실시예들에 따르면, 액체 저장소(200)의 현재 자세에 기초하여 액체 저장소(200)에 부착된 여러 쌍의 금속판들간의 복수 개의 정전용량들을 이용하여 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 계산함으로써 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 정확히 측정할 수 있다. 액체 저장소(200)의 현재 자세에 가장 적합한 복수 개의 정전용량들에 대응하는 액체 용량들의 조합을 찾아서 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 계산함으로써 하나의 정전용량을 이용하는 경우에 비해 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 보다 정확히 측정할 수 있다. 더욱이, 액체 저장소(200) 내의 액체의 잔량이 얼마 되지 않은 경우에 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 용량을 보다 정확히 측정할 수 있다. 또한, 복수 개의 정전용량들 중 액체 저장소(200)의 현재 자세에서 액체 저장소(200)의 내부의 버블 등에 영향을 받지 않거나 덜 받는 정전용량에 대응하는 액체 용량의 가중치를 높임으로써 액체 저장소(200)의 내부에 존재할 수 있는 버블의 영향 없이 또는 최소한의 영향으로 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 잔량을 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 이상의 실시예들은 액체 저장소(200)의 어떤 자세에서도 액체 저장소(200)의 내부의 버블 등에 영향을 받지 않거나 덜 받고 액체 저장소(200)에 저장된 액체의 잔량을 정확하게 측정할 수 있기 때문에 사용자에 의한 자세 변동과 연료 카트리지 교환 등에 따른 버블 발생이 심한 휴대용 연료 전지 시스템에서의 연료 잔량 측정에 매우 적합하다.
한편, 프로세서(320)에 의해 실행되는 액체 용량 측정 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 ... 액체 저장소
310 ... 측정 회로
230 ... 자세 센서
320 ... 프로세서
330 ... 메모리

Claims (25)

  1. 액체 저장소에 부착된 금속판들간의 제 1 정전 용량과 상기 액체 저장소에 부착된 다른 금속판들간의 제 2 정전 용량을 입력받는 단계;
    상기 제 1 정전용량에 대응하는 제 1 액체 용량과 상기 제 2 정전용량에 대응하는 제 2 액체 용량을 획득하는 단계; 및
    상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량을 포함하는 복수 개의 액체 용량들을 조합함으로써 상기 액체 저장소에 잔류하는 액체의 용량을 계산하는 단계를 포함하는 액체 용량 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는
    상기 저장소의 현재 자세에 기초하여 상기 복수 개의 액체 용량들 각각의 가중치를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 가중치가 적용된 복수 개의 액체 용량들을 조합함으로써 상기 액체의 용량을 계산하는 단계를 포함하는 액체 용량 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는 상기 계산된 가중치가 곱해진 복수 개의 액체 용량들을 합산함으로써 상기 액체의 용량을 계산하는 액체 용량 측정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는 상기 제 1 정전 용량의 금속판들의 기울기와 상기 제 2 정전 용량의 다른 금속판들의 기울기로부터 상기 저장소의 현재 자세를 계산하는 액체 용량 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정전 용량의 금속 판들은 상기 저장소의 제 1 대응 면들 각각에 부착되어 있고,
    상기 제 2 정전 용량의 다른 금속판들은 상기 저장소의 제 2 대응 면들 각각에 부착되어 있는 액체 용량 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는 상기 제 1 대응 면들 각각에 부착된 금속판들의 기울기와 상기 제 2 대응 면들 각각에 부착된 금속판들의 기울기로부터 상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량 각각의 가중치를 계산하는 액체 용량 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는 상기 액체 저장소의 액체 잔량 변화에 따른 제 1 정전용량과 제 2 정전용량의 변화에 기초하여 상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량을 획득하는 액체 용량 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는 상기 액체 저장소의 액체 잔량 변화에 따른 제 1 정전용량과 제 2 정전용량의 변화 값들로 구축된 데이터베이스로부터 상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량을 획득하는 액체 용량 측정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는 상기 액체 저장소의 액체 잔량 변화에 따른 제 1 정전용량과 제 2 정전용량의 변화를 나타내는 함수로부터 상기 제 1 액체 용량과 상기 제 2 액체 용량을 획득하는 액체 용량 측정 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. 제 1 정전 용량의 측정을 위해 액체 저장소에 부착되어 있는 한 쌍의 금속판들;
    제 2 정전 용량의 측정을 위해 상기 액체 저장소에 부착되어 있는 다른 한 쌍의 금속판들; 및
    상기 제 1 정전 용량과 상기 제 1 정전 용량을 기초하여 상기 액체 저장소에 잔류하는 액체의 용량을 계산하는 프로세서를 포함하는 액체 용량 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 액체 저장소는 절연성의 하우징을 포함 하고,
    상기 제 1 정전 용량의 한 쌍의 금속판들은 상기 하우징의 내부 면들 중 제 1 대응 면들에 부착되어 있고,
    상기 제 2 정전 용량의 다른 한 쌍의 금속판들은 상기 하우징의 내부 면들 중 제 2 대응 면들에 부착되어 있는 액체 용량 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 대응 면들과 상기 제 2 대응 면들은 수직으로 위치하고 있는 액체 용량 측정 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 대응 면들과 상기 제 2 대응 면들 중 적어도 한 면은 곡면인 액체 용량 측정 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    제 3 정전 용량의 측정을 위해 다른 한 쌍의 금속판들을 상기 액체 저장소에 더 부착한 액체 용량 측정 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 액체 저장소는 절연성의 하우징, 및
    상기 하우징의 내부에 위치하여 액체가 저장되는 신축성의 파우치를 더 포함하는 액체 용량 측정 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 파우치의 표면 중 일 부분은 상기 금속판들 중 일부 금속판들에 접하여 고정되어 있고, 상기 파우치의 표면 중 나머지 부분은 고정되어 있지 않은 액체 용량 측정 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 파우치는 상기 하우징의 내부 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 액체 용량 측정 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 액체 저장소의 현재 자세를 검출하는 자세 센서를 더 포함하는 액체 용량 측정 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 자세 센서는 상기 액체 저장소의 면들 중 일면에 부착되어, 기준면에 대한 상기 부착된 면의 기울기를 검출함으로써 상기 액체 저장소의 현재 자세를 검출하는 액체 용량 측정 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 액체 저장소의 현재 자세에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 정전 용량들에 대응하는 액체 용량들을 포함하는 복수 개의 액체용량들을 조합함으로써 상기 액체 저장소 내의 액체 잔량을 측정하는 액체 용량 측정 장치.
  22. 제 1 정전 용량의 측정을 위해 연료 저장소에 부착되어 있는 한 쌍의 금속판들;
    제 2 정전 용량의 측정을 위해 상기 연료 저장소에 부착되어 있는 다른 한 쌍의 금속판들; 및
    상기 제 1 정전 용량과 상기 제 1 정전 용량을 기초하여 연료 저장소에 잔류하는 연료의 용량을 계산하는 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 절연성의 하우징을 포함하고,
    상기 제 1 정전 용량의 한 쌍의 금속판들은 상기 하우징의 내부 면들 중 제 1 대응 면들에 부착되어 있고,
    상기 제 2 정전 용량의 다른 한 쌍의 금속판들은 상기 하우징의 내부 면들 중 제 2 대응 면들에 부착되어 있는 연료 전지 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 절연성의 하우징, 및
    상기 하우징의 내부에 위치하여 연료가 저장되는 신축성의 파우치를 더 포함하고,
    상기 파우치의 표면 중 일 부분은 상기 금속판들 중 일부 금속판들에 접하여 고정되어 있는 연료 전지 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 액체 저장소의 현재 자세를 검출하는 자세 센서를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 연료 저장소의 현재 자세에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 정전 용량들에 대응하는 액체 용량들을 포함하는 복수 개의 연료용량들을 조합함으로써 상기 연료 저장소 내의 연료 잔량을 측정하는 연료 전지 시스템.
KR1020110033374A 2011-04-11 2011-04-11 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템 KR20120115822A (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110033374A KR20120115822A (ko) 2011-04-11 2011-04-11 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템
JP2012088103A JP2012220498A (ja) 2011-04-11 2012-04-09 液体の容量を測定する方法及びその装置並びに燃料電池システム
EP12163611A EP2511675A1 (en) 2011-04-11 2012-04-10 Method and apparatus for measuring volume of liquid and fuel cell system
US13/443,208 US20120258385A1 (en) 2011-04-11 2012-04-10 Method and apparatus for measuring volume of liquid and fuel cell system
CN2012101051425A CN102735307A (zh) 2011-04-11 2012-04-11 测量液体体积的方法和装置以及燃料电池系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110033374A KR20120115822A (ko) 2011-04-11 2011-04-11 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120115822A true KR20120115822A (ko) 2012-10-19

Family

ID=46026641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110033374A KR20120115822A (ko) 2011-04-11 2011-04-11 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20120258385A1 (ko)
EP (1) EP2511675A1 (ko)
JP (1) JP2012220498A (ko)
KR (1) KR20120115822A (ko)
CN (1) CN102735307A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9583775B2 (en) 2012-10-24 2017-02-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Fuel cell system and electronic device controlling the same

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104034384A (zh) * 2014-05-27 2014-09-10 同济大学 一种测定质子交换膜燃料电池阳极体积的装置及使用方法
GB2531291B (en) * 2014-10-14 2019-12-04 Aspen Pumps Ltd Liquid level detector
CN107894535A (zh) * 2017-11-23 2018-04-10 曹雨晴 定量探究平行板电容容量的方法
JP7097735B2 (ja) * 2018-03-30 2022-07-08 大阪瓦斯株式会社 金属板、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および金属板の製造方法
CN110823317B (zh) * 2019-11-22 2021-04-20 浙江大学宁波理工学院 联合收割机的粮箱谷物堆积高度测量装置
CN113483844B (zh) * 2021-06-16 2023-02-24 东风柳州汽车有限公司 一种尿素传感器容积测试装置及测试方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1211347B (it) * 1987-07-31 1989-10-18 Fiat Auto Spa Dispositivo di misura del quantitativo di liquido contenuto all interno di un serbatoio
US5495745A (en) * 1994-05-31 1996-03-05 Simmonds Precision Products, Inc. Apparatus and method for improving liquid gaging system using error compensation data
US5635962A (en) * 1995-07-24 1997-06-03 Hewlett-Packard Company Capacitive ink level detection sensor
DE19645970C2 (de) * 1996-11-07 2000-03-16 Heinz Ploechinger Kapazitiver Füllstandsensor zum Erfassen des Füllstandes eines innerhalb eines Behälters befindlichen Fluids
DE102005022933A1 (de) * 2005-05-13 2006-11-16 Joma-Polytec Kunststofftechnik Gmbh Messsystem zur Messung des Füllstandes einer sich in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit und Fahrzeugflüssigkeitsbehälter
TWM307199U (en) * 2006-05-29 2007-03-01 Syspotek Corp Fuel metering device for capacitive fuel battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9583775B2 (en) 2012-10-24 2017-02-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Fuel cell system and electronic device controlling the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012220498A (ja) 2012-11-12
EP2511675A1 (en) 2012-10-17
CN102735307A (zh) 2012-10-17
US20120258385A1 (en) 2012-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20120115822A (ko) 액체의 용량을 측정하는 방법 및 장치와 연료 전지 시스템
CN100578846C (zh) 用于燃料电池系统的控制装置及相关方法
US20080070076A1 (en) Fuel cell and fuel cell system, and electronic device
JP2008243383A (ja) 燃料電池システム
US20130130141A1 (en) Direct oxidation fuel cell system
TW201140907A (en) Fuel cell system
US8663861B2 (en) Fuel cell system and control method therefor
US20070141410A1 (en) Direct oxidation fuel cell system
EP2306571B1 (en) Fuel cell system and control method therefor
KR101322680B1 (ko) 캐스캐이드 타입 연료전지용 기액분리기
CN101310405A (zh) 直接甲醇燃料电池的水控制器系统
US7820338B2 (en) Liquid fuel cartridge and direct liquid feed fuel cell having the same
US8637199B2 (en) Fuel cell using organic fuel
US20070281191A1 (en) Fuel cell apparatus
US8088521B2 (en) Fuel cell system for computing fuel level
JP2009070664A (ja) 燃料電池及び燃料電池システム
CN101420039B (zh) 燃料电池系统和计算燃料量的方法
KR20170030252A (ko) 레독스 흐름 전지용 전해액 탱크
JP2010097740A (ja) 燃料電池システム
KR101040838B1 (ko) 연료전지 시스템 및 이를 위한 유체 센싱 장치
JP2005293894A (ja) 燃料電池用燃料容器、それを用いた携帯電気機器用燃料電池、および携帯電気機器
JP2012014888A (ja) 燃料電池システム
JP2011113912A (ja) 燃料電池
JP2009123443A (ja) 燃料電池
JP4204526B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid