KR100516651B1 - 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 연료전지 스택으로부터 산소와 수소와의 반응부산물로 생성되는 고온의 물이 갖는 열에너지를 향기 발산을 위한 에너지로 이용하여 연료전지의 구동시 향기가 발생되도록 구성한 수소이온교환막 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 연료전지의 전기화학 반응의 부산물로 발생되는 수분을 간단하게 제거하여 휴대용 기기를 보호하고 화상 등의 위험으로부터 인체를 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 사용시 소정의 향기가 발산되도록 하여 쾌적한 작업환경을 유지할 수 있는 이점이 있다.

Description

향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지 {Portable non-humidified proton exchange membrane fuel cell emitting fragrance}

본 발명은 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 연료전지 스택으로부터 산소와 수소와의 반응부산물로 생성되는 고온의 물이 갖는 열에너지를 향기 발산을 위한 에너지로 이용하여 연료전지의 구동시 향기가 발산되도록 구성한 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치하고, 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면, 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고, 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH 등) 계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크가 구비된 연료공급부(10)와, 산소가스 공급원으로서 공기를 공급하기 위한 공기공급부(20)와, 상기 연료공급부(10)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 만들어 내는 개질부(30)와, 상기 개질부(30)로부터 생성된 일산화탄소를 감소시키기 위한 일산화탄소 제거수단(40)과, 상기 일산화탄소 제거수단(40)으로부터 배출되는 개질가스를 상기 공기공급부(20)로부터 공급되는 산소가스와 반응시켜 전기와 열이 함께 발생되는 연료전지 스택(50)으로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 제어부(도시되지 않음)에 의해 연료공급부(10)의 연료탱크로부터 가솔린이나 탄화수소(CH) 계열의 연료가 개질부(30)의 반응로로 유입되고 나면, 그 반응로에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 동시에 상기 개질부(30)내의 버너가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 생성되는 개질가스 중의 일산화탄소가 후단의 일산화탄소 제거수단(40)을 통해서 감소되어 연료전지 스택(50)의 연료극으로 공급됨과 동시에 다른 한 쪽의 공기극으로는 공기공급부(20)로부터 산소가 공급되어 상기 연료극에서는 산화반응이, 공기극에서는 환원반응이 일어나며, 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극에서 공기극으로 이동하면서 전기와 열이 발생되고 이 전기는 전력변환기(도시되지 않음)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용된다.

이러한 대부분의 연료전지는 연료로서 수소를 이용하여 발전한다. 그러나, 현재는 개질가스의 기본적 시설이 준비되어 있지 않기 때문에, 발전시스템은 연료전지뿐만 아니라, 천연가스 또는 LPG와 같은 탄화수소 성분, 메탄올과 같은 알코올, 또는 나프타(naphtha) 성분과 같은 원료와 물을 반응시킴으로써 수소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부가 제공된 수소생성장치가 사용되고 있다.

개질부에 의해 생성된 개질가스 중에는 수소뿐만 아니라 이산화탄소 및 일산화탄소가 부성분으로 함유되어 있다. 현재 개발되고 있는 고분자형 전기 연료전지는 100℃ 이하의 저온에서 동작하기 때문에, 전지 전극 촉매의 활성을 유지하기 위해 개질가스 중에 함유된 일산화탄소의 양을 최소화하는 것이 필요하다. 따라서, 수소생성장치는 개질가스를 생성하는 개질부뿐만 아니라 일산화탄소와 물을 시프트 반응시키는 변성부 및 일산화탄소를 산화시키는 정화부로 구성된 일산화탄소 제거수단을 사용하는 구성을 갖는다.

수소생성장치의 효율은 개질부를 개질반응에 필요한 온도까지 가열하기 위한 열량이 증가할수록 저하된다.

수소생성장치에서는 탄화수소와 같은 원료와 수증기를 반응시킨다. 그러나, 물은 증발 잠열(evaporative latent heat)량이 매우 크기 때문에, 개질부는 물을 증발시키기 위해 다량의 열량을 필요로 한다. 그러므로, 수소생성장치의 효율을 일정값 이상으로 상승시키는 것은 곤란하다.

반면, 시프트 반응은 발열평형반응이기 때문에 개질부의 하류 측에 위치되어 시프트 반응을 실행하는 변성부에서는 저온에서 개질가스에 대한 수증기의 비율이 증가할수록 일산화탄소를 더욱 쉽게 감소시키고, 반응에 필요한 공기 공급량은 변성부의 하류 측에 위치하는 정화부에서 감소시킬 수 있다. 따라서, 과도한 수소의 소비가 억제될 수 있고, 안정한 동작이 실행될 수 있다. 수증기의 양을 증가시키고 온도를 상승시킴으로써 시프트 반응 속도가 증가하기 때문에 촉매량을 감소시켜 변성부를 더욱 소형화하는 것이 가능하다.

그러나, 변성부 내의 수증기는 개질부에 의해 얻어지고, 상술한 바와 같이 수증기의 양을 증가시키기 위해서는 다량의 증발 잠열이 필요하기 때문에 개질부의 가열에 필요한 열량이 증가하고, 변성부의 효율을 향상시키고 변성부를 소형화하기 위해 개질부 내의 수증기의 양을 증가시키면 개질부의 효율저하를 초래한다.

한편, 이로부터 개질된 수소와 산소의 반응량에 비례하여 필연적으로 수분이 발생하며, 멤브레인의 종류에 따라 미차가 있지만 셀의 작동온도는 80℃ 이상이므로 발생하는 수분의 온도는 높다. 특히, 무가습 멤브레인의 경우 이러한 수분을 멤브레인 가습에 이용하는 것은 불가능하기 때문에, 연료전지를 노트북 등의 휴대용 기기에 적용하여 사용하는 경우 전기화학 반응의 부산물로 지속적으로 발생하는 수분이 주변 기기를 웨팅시키거나 또는 인체에 고온도에 기인한 불쾌감 및 화상 등의 상해를 입힐 수 있다. 뿐만 아니라, 연료전지가 적용되는 전자제품을 오래 사용하는 경우 발생되는 전자제품 특유의 불쾌한 냄새가 작업환경을 저하시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구를 거듭한 결과, 연료전지 스택으로부터 산소와 수소와의 반응부산물로 생성되는 물이 갖는 열에너지를 향기 발산을 위한 에너지로 이용함으로써 고온의 물을 간단하게 제거하는 동시에 연료전지가 적용되는 전자제품의 사용시 쾌적한 작업환경을 유지시킬 수 있는 연료전지를 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료전지의 전기화학 반응의 부산물로 생성되는 고온의 수분을 간단하게 제거하여 휴대용 기기에 적용시 주변 기기를 보호하고 화상 등의 위험으로부터 인체를 보호할 수 있는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 쾌적한 작업환경을 지속적으로 유지할 수 있는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지를 제공하는데 있다.

상기 목적 및 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지는:

수소가스 공급원으로서 수소함유 화합물을 공급하기 위한 연료공급부;

산소가스 공급원으로서 공기를 공급하기 위한 공기공급부;

상기 연료공급부에서 공급된 수소함유 화합물과 물을 반응시켜 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성시키기 위한 개질부;

상기 개질부에서 생성된 개질가스 중에 함유된 일산화탄소를 시프트 반응을 통해서 감소시키기 위한 적어도 하나의 변성부를 포함하는 일산화탄소 제거수단;

상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 개질가스를 상기 공기공급부에서 공급되는 산소가스와 반응시켜 전기 에너지 및 물을 발생시키기 위한 연료전지 스택; 및

상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 고온의 물의 열에너지를 이용하여 소정의 향기를 발산시키기 위한 향기 발산수단;

을 포함한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지 스택으로부터 산소와 수소와의 반응부산물로 생성되는 고온의 물이 갖는 열에너지를 향기 발산을 위한 에너지로 이용한 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지가 제공된다.

본 발명에 따른 수소이온교환막 연료전지의 구성도를 도 2에 개략적으로 나타내었다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지는 수소가스 공급원으로서 수소함유 화합물을 공급하기 위한 연료공급부(100)와, 산소가스 공급원으로서 공기를 공급하기 위한 공기공급부(200)와, 상기 연료공급부(100)에서 공급된 수소함유 화합물과 물을 반응시켜 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성시키기 위한 개질부(300)와, 상기 개질부(300)에서 생성된 개질가스 중에 함유된 일산화탄소를 시프트 반응을 통해서 감소시키기 위한 적어도 하나의 변성부(401)를 포함하는 일산화탄소 제거수단(400)과, 상기 일산화탄소 제거수단(400)으로부터 배출되는 개질가스를 상기 공기공급부(200)에서 공급되는 산소가스와 반응시켜 전기 에너지 및 물을 발생시키기 위한 연료전지 스택(500)과, 상기 연료전지 스택(500)으로부터 생성되는 고온의 물의 열에너지를 이용하여 소정의 향기를 발산시키기 위한 향기 발산수단(600)을 포함한다.

도 3에 상기 향기 발산수단(600)의 일실시예를 나타내었다.

도 3을 참조하면, 상기 향기 발산수단(600)은 관통하는 물의 열에너지를 이용하여 향기를 발산하는 열감응성 방향제(601)를 가지며, 상기 향기 발산수단(600)의 일측 단부에는 방향제(601)로부터 생성되는 향기를 외부로 발산시키기 위한 적어도 하나의 향기배출 구멍(602)이 형성된다. 바람직하게는, 상기 향기배출 구멍(602)에는 외부로부터 유입되는 이물질을 차단하기 위한 필터(도시되지 않음)가 더욱 형성되는 것이 좋다. 한편, 상기 방향제(601)는 고체형 방향제로서, 바람직하게는 허니컴 구조를 갖는 것이 좋다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 향기 발산수단(600)은 관통하는 물의 열에너지를 이용하여 향기를 발산하는 열감응성 방향제(601) 및 상기 방향제(601)를 함유하는 카트리지를 갖는다. 상기 향기 발산수단(600)의 일측 단부에는 방향제(601)로부터 생성되는 향기를 외부로 발산시키기 위한 적어도 하나의 향기배출 구멍(602)이 형성된다. 아울러, 상기 향기배출 구멍(602)에는 외부로부터 유입되는 이물질을 차단하기 위한 필터가 더욱 형성되는 것이 좋다. 한편, 상기 방향제(601)는 고체형 또는 겔형 방향제일 수 있고, 상기 방향제(601)가 고체형인 경우 바람직하게는 허니컴 구조를 갖는 것이 좋다.

한편, 본 발명에서 사용되는 수소함유 화합물은 에탄올, 메탄올, 디메틸에테르, 프로판 및 천연가스로 이루어진 군으로부터 선택된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 수소이온교환막 연료전지의 구동과정을 도 2∼3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 연료공급부(100)의 연료탱크(101)로부터 연료인 수소함유 화합물이 연료 펌프(102)를 거쳐 예열기(103)에서 가열된 후 개질부(300)의 스팀 개질기(301)로 유입된다.

상기 스팀 개질기(301)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 동시에 상기 개질부(300)내의 버너(도시되지 않음)가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스가 생성된다.

이로부터 생성된 개질가스 중에 존재하는 일산화탄소는 후단의 일산화탄소 제거수단(400)을 통과하면서 감소된다. 좀 더 상세하게는, 상기 개질부(300)에서 배출되는 개질가스는 일산화탄소와 물을 시프트 반응시키는 변성부(401)와, 공기 펌프(403)를 통해서 공급된 산소를 이용하여 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 정화부(402)로 구성된 일산화탄소 제거수단(400)을 통과하면서 일산화탄소의 양이 저감된다.

상기 일산화탄소 제거수단(400)으로부터 배출되는 개질가스는 연료전지 스택(500)의 연료극으로 공급되고, 이와 동시에 다른 한 쪽의 공기극으로는 공기공급부(200)의 공기 펌프(201)로부터 산소가 공급되어 연료극에서는 산화반응이, 공기극에서는 환원반응이 일어나며, 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극에서 공기극으로 이동하면서 전자 기기를 구동시키기 위한 전력이 생산된다.

상기 연료전지 스택(500)에서는 수소와 산소의 반응량에 비례하여 전기화학 반응의 부산물로서 수분이 발생하며, 멤브레인의 종류에 따라 미차가 있지만 셀의 작동온도는 약 80℃ 이상이므로 발생하는 수분의 온도가 높다. 이러한 고온의 수분은 향기 발산수단(600)의 열에너지원으로 사용된다. 즉, 상기 고온의 수분은 상기 향기 발산수단(600)내의 방향제(601)를 통과하며, 이때 상기 열감응성 방향제(601)는 관통하는 고온의 수분으로부터 얻은 열에너지를 이용한 열반응을 통해서 기화되면서 소정의 향기가 수분과 함께 향기배출 구멍(602)을 통해서 외부로 배출된다.

한편, 고온의 수분은 방향제(601)를 관통하면서 그 열에너지가 방향성분의 기화에너지로 전환되어 약 30℃ 내외의 온도로 냉각되어 대부분은 기화된 방향성분과 함께 외부로 배출되며, 나머지 일부는 방향제에 함유되어 있다가 연료전지가 작동되지 않는 동안에 자연스럽게 외부로 배출된다.

즉, 연료전지 스택(500)에서 발생되는 고온의 수분은 향기 발산수단(600)을 통과하면서 그 열에너지를 소모하여 실온에 가까운 온도로 냉각되는 동시에 방향성분과 함께 외부로 배출된다. 따라서, 고온의 수분을 실온으로 냉각시켜 방향성분과 함께 외부로 배출하여 간단하게 제거함으로써 연료전지가 사용되는 휴대용 기기를 보호하고 화상 등의 위험으로부터 인체를 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 사용시 소정의 향기가 발산되도록 하여 쾌적한 작업환경을 유지할 수 있다.

아울러, 연료전지가 적용되는 제품을 사용하는 동안에는 연료전지 스택(500)으로부터 화학반응의 부산물로 생성되는 고온의 물을 구동력으로 하여 향기 발산수단(600)내의 방향제(601)가 기화되어 향기의 농도가 짙어지지만, 제품을 사용하지 않는 동안에는 화학반응의 부산물인 물도 생성되지 않으므로 방향제(601)의 기화가 원활하게 이루어지지 않아 향기의 배출이 억제된다. 즉, 제품의 사용시에만 향기가 발산되어 방향제가 필요 이상으로 소모될 우려가 없다.

한편, 상기 방향제(601) 또는 방향제(601)가 함유된 카트리지는 소모품으로서 방향성분이 다 소모되고 나면 편리하게 교체사용할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 휴대용 연료전지가 적용된 전자제품의 일례로서, 상기 연료전지가 장착된 노트북을 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 노트북(700) 키보드(701)의 모서리 부위에 본 발명에 따른 연료전지의 향기배출 구멍(602)이 외부와 연결되어 있고, 키보드(701)의 후면, 즉 배터리가 장착되는 부분(도시되지 않음)에는 본 발명에 따른 향기나는 연료전지가 장착된다. 이때, 상기 향기배출 구멍(602)이 외부와 연결되는 위치는 특별히 한정되지 않고 필요에 따라 변경할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택으로부터 산소와 수소와의 반응부산물로 생성되는 고온의 물이 갖는 열에너지를 향기 발산을 위한 에너지로 이용함으로써 고온의 수분을 실온으로 간단하게 제거하여 휴대용 기기를 보호하고 화상 등의 위험으로부터 인체를 보호할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 연료전지의 구동시 소정의 향기가 발산되도록 하여 쾌적한 작업환경을 유지할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 연료전지를 노트북, 핸드폰 등 휴대기기에 사용할 경우, 전기화학 반응의 부산물로서 휴대용 기기에 지속적으로 발생하는 수분이 주변 기기를 웨팅시키는 문제점뿐만 아니라 고온의 수분에 의해 인체에 미치는 불쾌감 및 상해 등의 위험성을 간단히 해결할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지의 사용시 전기화학 반응의 부산물로 발생되는 고온의 수분을 간단하게 실온으로 제거하여 휴대용 기기를 보호하고 화상 등의 위험으로부터 인체를 보호하는 동시에 유쾌한 작업환경을 유지할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 기존의 수소이온교환막 연료전지의 적용상에 있어서 고온의 수분처리 문제로 상당한 제한을 받았던 난점을 해결하여 수소이온교환막 연료전지의 개발 단계를 촉진시킬 뿐만 아니라, 화학반응이 수반되는 전자기기에서 부산물로 발생되는 수분의 열에너지를 향기 발산을 위한 구동력으로 전환, 사용하여 전자기기의 수분 제거 및 유쾌한 작업환경을 동시에 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 종래기술에 따른 수소이온교환막 연료전지를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 수소이온교환막 연료전지를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 수소이온교환막 연료전지의 향기 발산수단의 일실시예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 수소이온교환막 연료전지가 노트북에 적용된 예를 나타내는 정면도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10, 100: 연료공급부 20, 200: 공기공급부

30, 300: 개질부 40, 400: 일산화탄소 제거수단

50, 500: 연료전지 스택 600: 향기 발산수단

700: 노트북

101: 연료탱크 102: 연료 펌프

103: 예열기 201: 공기 펌프

301: 개질기 401: 변성부

402: 정화부 403: 공기 펌프

601: 방향제 602: 향기배출 구멍

701: 키보드

Claims (11)

1. 수소가스 공급원으로서 수소함유 화합물을 공급하기 위한 연료공급부;

   산소가스 공급원으로서 공기를 공급하기 위한 공기공급부;

   상기 연료공급부에서 공급된 수소함유 화합물과 물을 반응시켜 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성시키기 위한 개질부;

   상기 개질부에서 생성된 개질가스 중에 함유된 일산화탄소를 시프트 반응을 통해서 감소시키기 위한 적어도 하나의 변성부를 포함하는 일산화탄소 제거수단;

   상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 개질가스를 상기 공기공급부에서 공급되는 산소가스와 반응시켜 전기 에너지 및 물을 발생시키기 위한 연료전지 스택; 및

   상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 고온의 물의 열에너지를 이용하여 소정의 향기를 발산시키기 위한 향기 발산수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 향기 발산수단은 관통하는 물의 열에너지를 이용하여 향기를 발산하는 열감응성 방향제를 갖는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
3. 제2항에 있어서, 상기 방향제는 고체형인 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 방향제는 허니컴 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 향기 발산수단은 관통하는 물의 열에너지를 이용하여 향기를 발산하는 열감응성 방향제 및 상기 방향제를 함유하는 카트리지를 갖는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
6. 제5항에 있어서, 상기 방향제는 고체형인 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
7. 제6항에 있어서, 상기 방향제는 허니컴 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
8. 제5항에 있어서, 상기 방향제는 겔형인 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 향기 발산수단의 일측 단부에는 방향제로부터 생성되는 향기를 외부로 발산시키기 위한 적어도 하나의 향기배출 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 향기배출 구멍에는 외부로부터 유입되는 이물질을 차단하기 위한 필터가 더욱 형성되는 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.
11. 제1항에 있어서, 상기 수소함유 화합물은 에탄올, 메탄올, 디메틸에테르, 프로판 및 천연가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 향기나는 휴대용 무가습 수소이온교환막 연료전지.