밀폐 공간의 온도를 추정하는 방법

밀폐 공간의 온도를 추정하는 방법 {A METHOD FOR INFERRING TEMPERATURE IN AN ENCLOSED VOLUME}

본 발명은 밀폐 공간(enclosed volume)의 온도를 추정하는 방법에 관한 것으로, 특히 연료 전지(fuel cell) 내에 배치된 밀폐 공간의 온도를 추정하는 방법에 관한 것이다.

연료 전지 장치(fuel cell arrangement)는 하나 이상의 연료 전지 모듈을 포함하고, 각 연료 전지 모듈은 하우징 내에 배치된 복수의 연료 전지를 포함하며, 각 연료 전지 모듈의 하우징은 압력 용기(pressure vessel) 내에 배치되어 있다는 것은 알려져 있다. 종래의 압력 용기는, 압력 용기의 완전성(integrity)을 보장하기에 충분히 낮은 온도로 유지하기 위해 압력 용기의 온도를 압력 용기 내의 통로를 사용하는 내부의 절연 및/또는 냉각 유체를 가진다. 예를 들면 700℃ 내지 1,000℃의 고온에서 동작하는 고체 산화물(solid oxide) 연료 전지의 경우에는, 압력 용기에 대한 열 유속(heat flux)을 관리하는 것이 곤란하다. 일반적으로 서모커플 디바이스(thermocouple device)이 그러한 상승되는 온도를 모니터하기 위해 채용된다. 그러나 서모커플 디바이스는 낮은 신호 출력을 가지고 그 응답이 상당히 비선형인 것으로 알려져 있다. 또한 신호는 실제 애플리케이션에 있어 전기 노즈에 취약하여, 접합부 열화(junction degradation)로 인해 신뢰할 수 없게 되는 문제(unreliability issue)를 초래한다. 또, 고온 서모커플 디바이스는 고가이다.

따라서 본 발명은 앞서 언급한 문제점을 감소시키고, 바람직하게는 해결하는 밀폐 공간의 온도를 추정하는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명은 밀폐 공간의 온도를 추정하는 방법을 제공하고, 상기 밀폐 공간은 연료/산화제 혼합물을 포함하거나 상기 밀폐 공간 내에서 연료/산화제 혼합물을 형성하기 위한 연료 및 산화제를 공급 받으며, 상기 방법은, 상기 연료/산화제 혼합물의 자동 점화(auto-ignition) 온도보다 낮은 온도에서의 제1 인식 가능한 상태에서 상기 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서의 제2 인식 가능한 상태로 변화하는 인식 가능한 특성(identifiable property)을 가지는 하나 이상의 와이어를 상기 밀폐 공간 내에 배치하는 단계; 및 상기 하나 이상의 와이어의 인식 가능한 특성이 상기 제1 인식 가능한 상태에서 상기 제2 인식 가능한 상태로 변화하였는지, 따라서 상기 밀폐 공간의 온도가 상기 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은지를 결정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 상기 하나 이상의 와이어의 인식 가능한 특성이 상기 제1 인식 가능한 상태에서 상기 제2 인식 가능한 상태로 변화하였고 따라서 상기 밀폐 공간의 온도가 상기 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높다는 것을 나타내는 단계를 더 포함한다.

상기 밀폐 공간은 상기 하나 이상의 와이어로 둘러싸인 공간일 수 있다.

상기 밀폐 공간은 외부 공간(outer volume)과 내부 공간(inner volume) 사이의 공간일 수 있으며, 상기 외부 공간은 상기 내부 공간을 둘러싼다.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 와이어의 인식 가능한 특성은 전기 저항(electrical resistance)이다.

바람직하게는, 상기 제1 인식 가능한 상태는 전기 저항이고, 상기 제2 인식 가능한 상태는 전기 전도도(electrical conductance)이다.

다르게는, 상기 하나 이상의 와이어의 인식 가능한 특성은 전기화학적 상태(electrochemical state)이다.

다르게는, 상기 제1 인식 가능한 상태는 산화된 상태(oxidised state)이고, 상기 제2 인식 가능한 상태는 환원된 상태(reduced state)이다.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 와이어는 Pt, Pd, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 구성된 그룹에서 선택된다.

더욱 바람직하게는, 상기 하나 이상의 와이어는 실질적으로 Pd이다.

바람직하게는 상기 하나 이상의 와이어 상에는 복수의 스포크(spoke)가 배치된다.

더욱 바람직하게는, 상기 복수의 스포크는 열 전도성(thermally conducting)이다.

더욱 바람직하게는, 상기 복수의 스포크는 Cu, Ni, W, Ag, 이들의 합금 및 다이아몬드 코팅으로 구성된 그룹에서 선택된다.

상기 밀폐 공간은 연료 전지 내에 배치될 수 있다.

상기 밀폐 공간은 고체 산화물 연료 전지 내에 배치될 수 있다.

상기 밀폐 공간은 개질기(reformer) 내에 배치될 수 있다.

상기 밀폐 공간은 탄화수소 개질기 내에 배치될 수 있다.

이하의 첨부도면을 참조하여 본 발명을 예로서 더욱 완전하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예에따른 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예의 사시도이다.
도 4는 연료 전지 장치에서의 본 발명의 사용을 나타낸다.

도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 밀폐 공간(10) 내의 온도를 추정하는 방법이 나타나 있다. 밀폐 공간(10) 내에는, 하나 이상의 와이어(12)를 온도가 추정될 밀폐 공간(10)을 둘러싸는 형상으로 형성함으로써, 하나 이상의 와이어(12)가 배치된다. 특히, 하나 이상의 와이어(12)는 밀폐 공간(10) 안은 그대로 두고 밀폐 공간(10)의 주변을 빙둘러 연장되도록 배치된다. 예를 들면, 하나 이상의 와이어(12)는 원통형의 케이싱 내에서 원주 방향 및 축 방향으로 연장되어 사인 곡선형(sinusoidally shaped)의 와이어를 형성한다. 따라서, 하나 이상의 와이어(12)는 밀폐 공간(10)을 한정하는 케이싱의 내부면 상의 얇은 영역(thin region) 내에 위치된다. 처음에 밀폐 공간(10)에는 자동 점화 온도의 연료/산화제 혼합물이 들어있다. 하나 이상의 와이어(12)는 인식 가능한 특성이 있으며, 이 인식 가능한 특성은 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서의 제1 인식 가능한 상태에서 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서의 제2 인식 가능한 상태로 변화한다. 그리고 하나 이상의 와이어(12)의 인식 가능한 특성은, 인식 가능한 특성이 제1 인식 가능한 상태에서 제2 인식 가능한 상태로 변화하였고 따라서 밀폐 공간(10)의 온도가 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은지를 알기 위해, 하나 이상의 와이어(12)에 연결된 결정 디바이스(12)에 의해 결정된다. 제어 디바이스(16)가, 인식 가능한 특성이 제1 인식 가능한 상태에서 제2 인식 가능한 상태로 변화하였고 따라서 밀폐 공간(10)의 온도가 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높다는 것을 나타내기 위해 제공된다. 제어 디바이스(16)는 알람 시스템, 예를 들면 청각 알람(18) 및/또는 시각 알람(20)을 동작시킨다. 제어 디바이스(16)는 또한 펌프(22)를 동작시켜, 연료/산화제 혼합물을 밀폐 공간(10) 밖으로 내보내 폭발을 방지하고/하거나, 물 또는 다른 소화용 유체(extinguishing fluid)를 밀폐 공간(10) 내로 쏟아내 불을 끈다.

다르게는, 밀폐 공간(10) 내에서 연료/산화제 혼합물을 형성하도록 연료 및 산화제를 밀폐 공간(10)에 공급할 수 있다.

하나 이상의 와이어(12)는 얇고 연속적인 와이어이거나, 또는 연속하여 전기적으로 직렬로 연결된 일련의 와이어로 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 하나 이상의 와이어의 인식 가능한 특성은 전기 저항이며, 하나 이상의 와이어의 제1 인식 가능한 상태는 전기 저항이고, 제2 인식 가능한 상태는 전기 전도도이다. 따라서, 하나 이상의 와이어(12), 예를 들면 백금(Pt) 와이어의 전기 저항은 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서의 전기 저항에서 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서의 전기 저항으로 변화한다. 전기 저항의 변화는 결정 디바이스(14), 예를 들면, 해당 기술분야에 공지된 저항 측정 디바이스에 의해 모니터 및 결정될 수 있다.

다른 실시예에서, 하나 이상의 와이어(12)의 인식 가능한 특성은 전기화학적 상태이며, 하나 이상의 와이어(12)의 제1 인식 가능한 상태는 산화된 상태이고, 제2 인식 가능한 상태는 환원된 상태이다. 따라서, 하나 이상의 와이어(12), 예를 들면 팔라듐(Pd) 와이어의 전기화학적 상태는 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서의 산화된 상태에서 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서의 환원된 상태로 변화한다. 전기화학적 상태의 변화, 예를 들면 하나 이상의 와이어(12)의 색 변화는, 결정 디바이스(14)에 의해 모니터되고 결정될 수 있다.

하나 이상의 와이어(12)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된다. 본 명세서에서 주어진 연료/산화제 혼합물의 임계 온도는 밀폐 공간(10)에서의 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은, 미리 정해진 온도로 규정된다. 본 명세서 하나 이상의 와이어(12)의 전이 온도(transition temperature)는 인식 가능한 특성이 제1 인식 가능한 상태에서 제2 인식 가능한 상태로 변화하는 온도 또는 이에 가까운 온도로 규정된다. 천연 가스 및 공기 혼합물(air mixture)이 공급되는 고체 산화물 연료 전지 시스템의 경우, 고체 산화물 연료 전지 시스템의 임계 온도는 대략 800℃보다 높게 유지되어야 한다. 이 경우에, 하나 이상의 와이어(12)는 실질적으로 Pd인 것이 바람직하다. 하나 이상의 와이어(12)의 전이 온도는 고체 산화물 연료 전지 시스템 내의 산소 분압(partial pressure)에 따라 약간 변화하지만, Pd 와이어와 소량의 금(Au) 또는 Pt의 합금을 사용하여 적당한 임계 온도를 얻을 수 있다. 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도 및 하나 이상의 와이어(12)의 전이 온도에 대한 정보(knowledge)는 하나 이상의 와이어(12)에 대한 정확한 조성(composition)이 사용되도록 보장한다, 즉 하나 이상의 와이어(12)는 조성을 조정할 수 있다(composition-tunable). 또, 밀폐 공간(10)을 하나 이상의 와이어(12)로 둘러쌈으로써, 하나 이상의 와이어(12)의 어떤 부분이 임계 온도보다 낮은 어떤 국부적인 저하는, 하나 이상의 와이어(12)의 나머지 부분이 임계 온도보다 높더라도, 하나 이상의 와이어(12)의 인식 가능한 특성에 있어 급격한 변화를 초래한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내며, 동일한 부분은 동일한 도면부호로 표기한다. 도 2에 나타낸 실시예는 외부 공간(24)이 내부 공간(26)을 둘러싸는 점에서 도 1의 실시예와 다르다. 외부 공간(24)은 하나 이상의 제1 와이어(28)를 구비한다. 내부 공간(26)은 유사한 방식으로 하나 이상의 제2 와이어(30)를 구비한다. 이 경우에, 추정될 밀폐 공간(10)의 온도는 외부 공간(24)과 내부 공간(26) 사이의 공간의 온도이다. 하나 이상의 제1 와이어(28)와 하나 이상의 제2 와이어(30)는 하나의 연속적인 와이어 또는 전기적으로 직렬로 연결된 별개의 와이어로 형성될 수 있다. 내부 공간(26)은 흡열성의 개질 성분(endothermic reforming component)과 같은, 방열(heat sink) 또는 냉각(cooling)하는 소스(source)를 포함하는 영역일 수 있다.

도 3에는 본 발명의 다른 실시예를 나타내며, 동일한 부분은 동일한 도면부호로 표기한다. 도 3에 나타낸 실시예는, 복수의 스포크(32)가 하나 이상의 와이어(12) 상에 메시 형태(mesh configuration)로 배치되어 있다는 점에서 도 1에 나타낸 실시예와 다르다. 복수의 스포크(32)는 열 전도성일 수 있다. 복수의 스포크(32)는 구리(Cu), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 은(Ag), 이들의 합금 및 다이아몬드 코팅으로 구성된 그룹에서 선택된다. 하나 이상의 와이어(12) 상에 복수의 스포크(32)를 가짐으로써, 열의 모니터 및 임계 온도보다 낮은 국부적인 온도의 저하를 검출하기 위한 영역 커버리지(area coverage)가 증대된다. 복수의 열 전도성의 스포크(32)를 제공함에 따른 다른 이점은, 하나 이상의 와이어(12)를 단독으로 사용하는 것에 비해 하나 이상의 와이어(12)에 사용되는 귀금속 또는 합금의 양이 줄어든다는 것이다. 하나 이상의 와이어(12)를 얇게, 그 단면의 형상(cross-sectional geometry)을 평평하게 함으로써, 하나 이상의 와이어(12)의 표면에 가까운 단면의 비율이 증대될 수 있고 응답의 속도(rate)가 향상될 수 있어, 하나 이상의 와이어(12)에 사용되는 재료를 더욱 줄일 수 있다. 응답의 민감도(sensitivity) 및 속도(rate)의 추가적인 개선은, 예를 들면 하나 이상의 와이어(12)의 표면층에 더욱 국한되는(confined) 고주파 AC 신호를 사용하여 하나 이상의 와이어(12)의 전도도를 모니터함으로써 달성될 수 있다.

도 3으로 다시 돌아가서, 민감도를 더욱 증대시키기 위하여, 하나 이상의 와이어(12)를 종래의 후막(thick film) 또는 박막(thin film) 방법에 의한 전기 절연 기판 상에 배치된 소결된 다공성 도체(34)의 층으로 교체될 수 있다. 밀폐 공간(10)의 상부는 복수의 스포크(32) 및 개별 후막 구성요소(discrete thick film component)(36)로 덮이고, 이에 의해 개별 후막 구성요소(36)는 전기적으로 직렬로 연결된다. 복수의 개별 후막 구성요소(36)를 복수의 스포크(32)와 함께 사용함으로써, 넓은 표면 커버리지(surface coverage), 따라서 향상된 민감도를 얻을 수 있다.

본 발명은 PCT 공개번호 WO 2006/106288A2에 기재된 연료 전지 장치에 사용될 수 있으며, 상기 문헌의 내용 전부는 참고를 위해 본 명세서에 포함된다. 도 4에서, 연료 전지 장치(38)는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지 모듈(40), 바람직하게는 복수의 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)을 포함한다. 각 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)은 중공의 다공성 지지 부재(hollow porous support member)(42) 및 복수의 고체 산화물 연료 전지(44)를 포함한다.

중공의 다공성 지지 부재(42)는 그것을 통해 연장되는 하나 이상의 챔버(46)를 가지고, 위에 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)들이 배치되는 평면의, 평행하고, 평탄한 두 개의 표면(48, 50)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 모듈(40) 각각은 밀봉된 조립체이고, 중공의 다공성 지지 부재(42) 내의 하나 이상의 챔버(46)를 통해 연료가 흐를 수 있다. 각 고체 산화물 연료 전지(44)는 애노드 전극(52), 캐소드 전극(54) 및 전해질(56)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지(44)들은, 외표면(outer surface), 평면의 평행하고 평탄한 두 개의 표면(48, 50) 상에 애노드 전극(52)이 배치되고, 애노드 전극(52) 상에 전해질(56)이 배치되며, 전해질(60) 상에 캐소드 전극(54)이 배치되도록, 배치되어 있다. 또한 고체 산화물 연료 전지(44)들은, 하나의 고체 산화물 연료 전지(44)의 애노드 전극(52)이 인접하는 고체 산화물 연료 전지(44)의 캐소드 전극(54)과 전기적으로 직렬로 연결되도록 배치되어 있다. 이 장치에서, 각 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)은 단일의 내부 용기(inner vessel)(58) 내에 배치되어 있고, 이 내부 용기(58)는 외부 압력 용기(60) 내에 배치되어 있다. 이 장치에서, 내부 용기(58)는 공간(62)을 한정하고, 공간(64)은 내부 용기(58)와 외부 압력 용기(60) 사이에 한정된다. 수단(66)은 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)의 고체 산화물 연료 전지(44)의 캐소드 전극(54)에 산화제를 공급하기 위한 것이고, 수단(68)은 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지 모듈(40)의 고체 산화물 연료 전지(44)의 애노드 전극(52)에 연료를 공급하기 위한 것이다. 고체 산화물 연료 전지의 동작 온도는 약 700℃ 내지 1,000℃의 범위에 쉽게 도달하기 때문에, 공급되는 연료와 산화제가 혼합되지 않도록 특별히 주의를 하여야 하며, 그렇지 않으면 그러한 높은 동작 온도에서는 폭발을 초래할 것이다. 예를 들면, 하나 이상의 챔버(46)의 파열(rupture) 또는 애노드 전극(52), 캐소드 전극(54), 또는 전해질(56)에서의 누설로 인해 연료와 산화제의 혼합이 초래될 수 있다. 본 발명의 가르침에 따라 내부 용기(58) 내의 밀폐 공간(10) 내에 하나 이상의 와이어(12)를 배치함으로써, 내부 용기(58) 내의 밀폐 공간(10)이 임계 온도보다 높다는 확증(confirmation)을 높은 정확도(degree of accuracy)로 얻을 수 있다.

본 발명에서는 하나 이상의 와이어(12)의 물리적 및 전기적 형태의 선택을 가능하게 하여, 밀폐 공간(10)이 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은지 또는 단지 어떤 일정한 부분이 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도 이하인 것에 지나지 않는지를 쉽게 추정할 수 있다. 모니터될 공간(10)을 둘러싸는 표면의 내부 상의 얇은 영역에 하나 이상의 와이어(12)의 경로가 놓이도록 선택하고, 하나 이상의 와이어(12)의 전이 온도를 밀폐 공간(10)의 열 전달 체제(heat transfer regime)에 대한 정보를 사용하는 하나 이상의 와이어(12)의 전이 온도를 선택함으로써, 밀폐 공간(10)이 임계 온도보다 높다는 확증을 높은 정확도로 얻을 수 있다.

하나 이상의 와이어(12)는 두 가지 인식 가능한 특성을 가질 수 있으며, 두 가지 인식 가능한 특성 모두는 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서의 제1 인식 가능한 상태에서 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서의 제2 인식 가능한 상태로 변화한다. 앞서 언급한 바와 같이, 하나 이상의 와이어(12)는 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서의 산화된 상태에서 연료/산화제 혼합물의 대략 자동 점화 온도에서의 환원된 상태로 변화한다. 하나 이상의 와이어(12)의 전기화학적 상태의 변화에 더해, 하나 이상의 와이어(12)는 산화된 상태로 있기 때문에 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 낮은 온도에서 전기 저항성인 것에서 환원된 상태이기 때문에 연료/산화제 혼합물의 자동 점화 온도보다 높은 온도에서 전기 전도성인 것으로 변화한다.

본 발명의 이점은 접합부 열화로 인해 신뢰할 수 없는 값비싼 고온 서모커플의 제거를 포함한다. 이전에는 공간 내에 배치된 서모커플마다 전기 서브시스템을 필요로 하였던 대규모의 모니터되는 공간에 대해, 단일의 전기 서브시스템을 채용할 수 있다. 이전보다 훨씬 적은 장비로 밀폐 공간(10)의 자동 점화 온도보다 높은 상태를 모니터할 수 있다. 서모커플 대신에, 더 적은 분석과 테스팅/평가로 더 높은 수준의 안전성을 얻을 수 있도록 해주는 더 간단한 전자 장치(electronics)를 사용할 수 있다.

본 발명은 폭발성의 유체를 포함하는, 고온에서 동작하는 디바이스에 적용 가능하며, 특히 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지 및 탄화수소 개질기와 같은 개질기에 적용 가능하다.