KR100519773B1 - 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치 - Google Patents

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Abstract

직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치가 개시된다. 본 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치는 액체 연료가 저장되는 연료탱크, 상기 연료탱크로부터 이동된 액체 연료가 저장되는 캐비티판, 상기 캐비티판의 하부에 접합 되고 상기 캐비티판에 운동을 일으키는 박막형 능동 펌프 및 상기 캐비티판의 상부에 위치되며 연료를 분사하는 노즐판을 포함한다. 본 발명에 따르면, 전자 장치의 사용 상태에 따라서 필요한 분량의 액체 연료를 능동적으로 조절하여 연료전지로 공급할 수 있고, 또한, 연료전지의 반응 부산물을 효과적으로 제거하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치{Fuel supply device for direct methanol fuel cells}
본 발명은 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 공급장치가 외부 회로의 신호를 수신하여 능동적으로 일정 분량의 액체 연료를 연료전지에 공급할 수 있도록 캐비티와 박막형 능동펌프 및 노즐을 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치에 대한 것이다.
최근 노트북, PDA, 모바일 폰 등과 같은 휴대용 전자 장치의 사용이 일반화됨에 따라 이러한 휴대용 전자 장치에 사용되는 에너지원으로서의 전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 휴대용 전자 장치에 사용되는 전지는 사용되는 전자 장치의 소형화에 대응하여 소형일 것이 요구되고, 또한 일 회의 공급으로 전지 사용 시간이 장시간이 될 것이 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 다양한 종류의 전지들이 개발되고 있다.
개발 중인 전지 가운데서 특히 연료전지는 종래의 2차 전지와 비교하여 단위 면적당 에너지 밀도가 높아서 소형화에 유리하고 또한 한 번의 충전으로 기존 전지보다 오래 사용할 수 있는 장점이 있어서 연료전지에 대한 기대가 높다. 또한, 충전 방법 또한 이동성을 최대한 살릴 수 있는 장점이 있고, 반영구적으로 사용할 수 있어서 최근의 전자 장치의 휴대화 경향, 슬림화 및 경량화에 크게 기여할 것으로 기대되는 환경친화적 에너지원이다.
연료전지는 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질에 따라서 구분되며, 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PCMFC), 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells,DMFC) 등이 있다.
직접 메탄올 연료전지는 상온에서 에너지를 발생시키는 화학반응이 일어날 수 있는 특징이 있다. 또한, 액체 연료로부터 수소를 공급하므로 고성능의 수소 저장장치가 별도로 필요하지 않는 장점이 있다.
연료의 재충전은 메탄올 캡슐을 휴대하고 장착하는 방법이어서 간편하기 때문에 이동성을 강화할 수 있다.
직접 메탄올 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 고분자 전해질 막(멤브레인, membrane)(1)과 그 양쪽에 위치하는 애노드(2)와 캐소드(3)를 구비한다. 애노드(2)에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성하며 그 반응식은 다음 [반응식 1]과 같다.
CH3OH + H2O = CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드(3)에서는 애노드(1)에서 생성된 수소 이온이 멤브레인을 통해 이동하여 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성되며 그 반응식은 다음 [반응식 2]와 같다.
1.5 O2 + 6H+ + 6e- = 3 H2O
연료전지에서의 총 화학 반응은 다음 [반응식 3]과 같다.
CH3OH + 1.5O2 = CO2 + 2H2O, E0= 1.18V
상술한 바와 같이 직접 메탄올 연료전지는 전체 화학 반응에서 생성된 에너지를 전기 에너지로 전환하여 전자장치에 공급하게 된다.
에너지의 발생은 상기 반응식과 같이 메탄올의 적절한 공급을 통해서 얻어지는 수소 이온과 공기 중의 산소 이온 간의 화학반응에 의해 일어나는데, 필요한 양의 수소를 얻기 위해서는 물과 혼합된 메탄올을 사용한다. 이 경우, 고농도의 메탄올 혼합물이 과다하게 공급되면 여분의 메탄올 혼합물이 반응하지 않은 채 연료전지의 멤브레인을 통과하게 되어(메탄올 크로스오버 현상) 연료전지의 효율이 급격히 떨어지게 된다.
또한, 소형 전자 장치의 작동 상태, 예를 들면 온모드, 오프모드, 및 스탠바이모드 등에 따라서 에너지 발생을 조절해야 하는데 이를 위해선 공급되는 액체 연료의 양을 조절할 필요가 있다.
따라서, 직접 메탄올 연료전지를 소형 휴대용 전자 장치에 적용하기 위해서는 액체 메탄올을 전자 장치 사용 조건과 환경에 맞게 능동적으로 제어할 수 있는 지능화된 공급 시스템이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지가 공급되는 전자장치의 모드에 따라서 능동적으로 적정 분량의 액체 연료를 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따른 본 발명에 의한 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치는 액체 연료가 저장되는 연료탱크, 상기 연료탱크로부터 이동된 액체 연료가 저장되는 캐비티판, 상기 캐비티판의 하부에 접합 되고 상기 캐비티판에 운동을 일으키는 박막형 능동 펌프 및 상기 캐비티판의 상부에 위치되며 연료를 분사하는 노즐판을 포함한다.
상기 연료탱크는 연료탱크 본체 및 액체 연료를 흡수하여 이동시키는 다공성 매질을 포함한다.
상기 연료탱크는 상기 캐비티판과 탈착 및 부착이 가능한 것이 바람직하다.
상기 캐비티판은 연료가 공급되는 연료 공급구, 상기 연료 공급구에 연결되고 상기 연료 공급구로부터 유입된 연료가 이동되는 복수개의 마이크로 채널 및 상기 마이크로 채널과 연결되고, 상기 마이크로 채널을 통해서 유입된 연료가 저장되는 적어도 1 이상의 캐비티를 포함한다.
상기 캐비티와 상기 마이크로 채널은 그 하부면이 밀폐되고 그 상부면이 개방되어 있다.
상기 연료 공급구는 상기 다공성 매질이 삽입되어 결합되도록 형성된다.
상기 캐비티가 2 이상이고 상기 연료 공급구에 평행하게 형성되며 상기 캐비티 사이에 연료 이동 통로인 복수개의 마이크로 채널이 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 캐비티의 내부압은 부압으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 박막형 능동 펌프는 상기 캐비티에 대응하는 위치에 접합되어 형성되어 있다.
상기 박막형 능동 펌프는 횡 방향 또는 종 방향으로 운동을 하고, 상기 캐비티판은 상기 박막형 능동 펌프의 횡 방향 운동에 대응하여 종 방향으로 운동을 하거나 박막형 능동 펌프의 종 방향 운동과 일치하는 종 방향 운동을 하도록 형성되어 있다.
상기 노즐판은 소정 영역에 코팅된 적어도 1 이상의 집전부, 연료를 상부로 분사하는 복수의 노즐 및 상부로부터 이동된 이산화탄소와 수증기를 배출하는 복수의 채널을 포함하며, 상기 노즐과 상기 채널은 상기 집전부상에 형성된다.
상기 복수의 노즐은 상기 캐비티에 대응하는 위치에 형성되어 있다.
상기 채널은 일단이 이산화탄소와 수증기를 배출하도록 상기 노즐판의 일측면으로 개방되어 있고, 타단은 폐쇄되어 있다.
상기 복수의 채널은 서로 평행하며, 서로 인접하는 채널에 대해서 반대 방향으로 개방되어 있다.
상기 복수의 노즐은 적어도 1 이상의 열을 지어 형성되고, 상기 복수의 채널은 상기 노즐의 열과 평행한 방향으로 형성되어 있다.
상기 일련의 노즐의 열이 3 이상 형성되고, 상기 일련의 노즐의 열 사이에 상기 반대 방향으로 개방된 2 이상의 채널이 인접하여 형성된 것이 바람직하다.
상기 집전부는 상기 노즐판에 금속 코팅으로 형성된 것이다.
상기 집전부는 상기 노즐판에 Au 또는 Au합금으로 코팅하여 형성된 것이 바람직하다.
상기 캐비티판의 상부 및 노즐판의 하부 사이에 캐비티에 대응하는 부분이 개방된 보조판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
각 도면에 있어서, 동일한 구성요소를 나타내는 것은 동일한 부호를 사용하여 나타내었다.
도 2a는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 액체 연료 공급장치의 일실시예를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a의 II-II' 선의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에서, 본 발명의 연료 공급장치는 연료탱크(100), 캐비티판(200), 박막형 능동 펌프(300), 및 노즐판(400)을 포함한다. 연료탱크(100)의 상부에는 캐비티판(200)이 형성되고, 캐비티판(200)의 하부에는 박막형 능동 펌프(300)가 접합되어 형성되어 있다. 캐비피판(200)의 상부로 노즐판(400)이 형성되어 있다.
연료탱크(100)는 연료탱크 본체(미도시)와 그 내부에 위치하는 다공성 매질(110)을 포함한다. 다공성 매질(110)은 연료탱크(100) 안에 저장되어 있는 액체 연료를 흡수하여 상부로 끌어올린다. 다공성 매질(110)의 양단은 캐비티판(200)과 결합하는데, 이 다공성 매질(110)로 흡수되어 상부로 이동된 액체 연료는 다공성 매질(110)이 결합하고 있는 캐비티판(200)으로 이동되어 저장된다.
캐비티판(200)은 그 하부에 접합되어 있는 박막형 능동 펌프(300)의 운동에 영향을 받아 상하 운동을 일으킨다. 캐비티판(200)의 상하 운동에 따라서 캐비티판(200)에 저장되어 있는 액체 연료가 상부로 분사된다.
캐비티판(200)의 상부에는 노즐판(400)이 위치하고 있다. 이 노즐판(400)을 통해서 캐비티판(200)에서 상부로 이동된 액체 연료가 노즐판(400)의 상부로 분사된다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 2a의 연료탱크의 서로 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 연료탱크(100)는 연료탱크 본체(120)와 다공성 매질(110)을 포함하여 형성된다. 다공성 매질(110)은 도 3a와 같이 연료탱크 본체(120)의 내벽과 하부면을 따라서 형성될 수도 있고, 도 3b와 같이 연료탱크 본체(120)의 마주하는 내벽을 따라서 두 개의 판으로 형성될 수도 있으며, 도 3c와 같이 연료탱크 본체(120) 내부를 모두 채우는 구조로 형성될 수도 있다. 그 외에도 다양한 모양으로 형성하는 것이 가능하다.
특히 본 발명의 연료탱크(100)는 캐비티판(200)과 탈착이 가능한 구조로 구성될 수 있다. 다공성 매질(110)의 양단은 캐비티판(200)의 연료 공급구(미도시)에 삽입되어 연결되고, 이를 통해서 연료탱크(100)와 캐비티판(200)의 탈착 및 부착이 가능하도록 형성할 수 있다.
연료탱크(100)는 연료탱크 본체(120)의 일부에 외부로부터 액체 연료를 주입받을 수 있는 연료 주입구를 형성하여 사용할 수 있다. 연료탱크(100) 내의 저장된 액체 연료가 모두 소진된 경우, 연료탱크(100)를 캐비티판(200)으로부터 이탈시켜서 외부의 액체 연료를 연료탱크(100)로 재충전시킨 다음 다시 캐비티판(200)으로 부착해서 사용할 수 있다. 이에 의해 연료의 재공급이 가능하고, 연료 공급장치를 반영구적으로 사용할 수 있다.
상기 다공성 매질(110)은 발포체, 다발화 섬유, 매트화 섬유, 직조 섬유, 부직 섬유 또는 무기질 다공성 재료 등을 사용할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 다공성 매질(110)의 수많은 미세한 구멍에서 모세관력이 작용하므로, 이 모세관력에 의해서 다공성 매질에 연료탱크 내에 저장된 액체 연료가 흡수된다. 다공성 매질은 연료탱크의 상부로 확장되어 연료 공급구를 통해서 캐비티판으로 연결되고, 이 다공성 매질을 이동 통로로 하여 액체 연료가 이동된다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a의 캐비티판의 서로 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 캐비티판(200)은 액체 연료가 저장되는 캐비티(210), 연료탱크의 다공성 매질이 삽입되어 다공성 매질로부터 액체 연료가 공급되는 연료 공급구(230), 및 이 연료 공급구(230)에서 모세관력으로 액체 연료를 흡입하여 캐비티(210)로 이동시키는 마이크로 채널(220)을 포함한다. 도면에 표시된 화살표는 마이크로 채널(220)을 통해서 연료가 이동되는 방향을 나타내고 있다.
연료 공급구(230)는 다공성 매질이 삽입되어 액체 연료가 공급될 수 있도록 위, 아래가 개방된 형태로 형성되어 있다. 도 4a의 A-A'선의 확대 단면 및 도 4b의 C-C'선의 확대 단면을 통해서 연료 공급구(230)와 캐비티(210)를 나타내었다. 연료탱크 내부로부터 확장된 다공성 매질을 통해서 이동된 액체 연료는 연료 공급구(230)를 통해서 캐비티판(200)으로 흘러 들어온다.
연료 공급구(230)는 마이크로 채널(220)과 연결되어 있다. 도 4a의 B-B'선의 확대 단면 및 도 4b의 D-D'선의 확대 단면을 통해서 연료 공급구(230)와 마이크로 채널(220) 및 캐비티(210)의 연결 관계를 나타내었다. 마이크로 채널(220)은 미세한 통로로 형성되어 연료 공급로의 역할을 한다. 마이크로 채널(220)의 내부 입경이 매우 미세하기 때문에 다공성 매질과 마찬가지로 모세관력에 의해서 연료 공급구(230)로 이동된 액체 연료를 흡입한다. 마이크로 채널(220)은 캐비티(210)와 연결되어 있으므로 마이크로 채널(220)을 통해서 흡입된 액체 연료는 캐비티(210)에 저장된다. 한편, 마이크로 채널(220)은 이를 통해서 캐비티(210)로 저장된 액체 연료가 다시 연료 공급구(230)로 흐르지 못하도록 역류를 방지하는 역할도 한다.
상기 캐비티(210)의 내부는 외부압에 대해서 부압으로 형성되는 것이 바람직하다. 캐비티(210)의 내부가 부압으로 형성될 경우, 캐비티(210) 내부에 저장된 액체 연료가 다시 연료 공급구(230)로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
연료 공급장치가 제공될 연료전지 시스템의 멤브레인 배열에 따라서 캐비티(210)의 형태와 수가 결정된다. 각 멤브레인에 대응하는 위치에 멤브레인 배열과 동일한 형태로 캐비티(210)를 형성하여 연료전지로 액체 연료를 용이하게 공급하는 것이 바람직하며, 이를 통해서 액체 연료의 누수를 방지할 수 있다. 따라서, 연료 공급장치가 제공될 멤브레인 배열의 형태에 따라 캐비티(210)의 다양한 실시의 형태가 가능하다.
또 4a에 도시된 캐비티판(200)은 나란한 캐비티(210) 사이에 벽(wall)이 형성되어 있는 실시예를 도시한 것이고, 도 4b에 도시된 캐비티판(200)은 나란히 인접한 캐비티(210)들 사이에 마이크로 채널(220)이 복수개 구비되어 형성된 실시예를 나타내고 있다. 이 마이크로 채널(220)은 연료 공급부(230)와 연결된 마이크로 채널과 동일하게 형성되며, 가장자리의 캐비티(210)에 저장된 액체 연료를 모세관력으로 흡입하여 안쪽의 캐비티로 이동시킨다.
상술한 캐비티(210)는 제조의 용이성, 제공될 전자장치 등에 따라 필요한 변형을 가하여 제조하는 것이 가능하다.
상술한 캐비티판의 하부에 박막형 능동 펌프가 접합되어 형성되어 있다. 이 박막형 능동 펌프는 연료 공급장치가 제공되는 전자 장치의 회로에 연결되어 있다. 전자 장치는 사용 상태에 따라서 온(on), 오프(off) 또는 대기(standby) 모드 등으로 구분되며, 모드 상태에 따라서 전자 장치로 공급되는 연료의 양이 조절될 필요가 있다.
전자 장치가 온 모드일 경우에는 연료의 공급이 원활히 이루어져야 하므로 캐비티로부터 노즐을 통해서 연료전지로 공급되는 연료의 공급 속도가 빨라야 한다. 반면 전자 장치가 오프 모드일 경우에는 연료의 공급이 절제되어야 하고, 전자 장치가 대기 모드일 경우에는 오프 모드일 때보다는 많지만 온 모드일 때보다는 적은 연료가 공급되어야 한다.
전자 장치의 모드 신호는 박막형 능동 펌프로 수신된다. 박막형 능동 펌프는 전자 장치의 모드 신호에 따라서 그 운동량이 미리 세팅되어 형성된다. 펌프로 수신된 전자 장치의 모드 신호가 온 모드일 경우에는, 펌프가 온 모드의 운동으로 세팅되어 있는 횡방향 또는 종방향으로 진동하는 운동을 한다. 반면, 수신된 신호가 대기 모드일 경우에는 대기 모드의 운동으로 세팅되어 있는 횡방향 또는 종방향으로 진동하는 운동을 한다.
박막형 능동 펌프가 횡방향 또는 종방향 운동을 함에 따라서 이 펌프가 접합되어 있는 캐비티판은 종방향운동, 즉 상하 방향으로 진동하는 운동을 하게 된다. 캐비티판의 종방향운동에 의해 캐비티에 저장된 액체 연료가 노즐을 통해서 노즐판의 상부에 있는 연료전지로 분사된다.
캐비티판의 종방향운동시 캐비티로부터 분사되는 액체 연료의 일정한 분량을 미리 세팅함으로써 전자 장치의 모드에 따른 적정 액체 연료를 공급하는 것이 가능하다. 즉, 전자 장치의 모드 신호를 수신한 박막형 능동 펌프가 그 모드 신호에 세팅된 횡방향운동 또는 종방향 운동을 하고, 박막형 능동 펌프의 횡방향운동 또는 종방향 운동에 따라서 캐비티판의 종방향운동이 야기되며, 캐비티판의 종방향운동에 따라서 캐비티에 저장되어 있던 액체 연료가 분사되므로, 전자 장치의 모드 신호에 따라서 액체 연료의 분사량을 조절하는 것이 가능하게 된다.
캐비티로부터 일정 분량의 액체 연료가 분사되고 나면 캐비티 내부의 압력이 낮아지게 되고, 또한 다공성 매질 및 연료 공급구와 연결된 마이크로 채널은 계속해서 액체 연료를 흡입하여 이동시키므로, 이동된 액체 연료가 다시 캐비티로 재공급된다.
한편, 전자 장치가 오프 모드일 경우에는 박막형 능동 펌프가 운동하지 않고 따라서 캐비티판도 운동을 하지 않는다. 그러나, 다공성 매질과 마이크로 채널은 계속해서 액체 연료를 흡입하여 캐비티로 이동시키므로 캐비티는 항상 일정한 양의 액체 연료가 저장되어 있다. 이 캐비티 내부에 저장된 액체 연료는 노즐을 통해서 느린 속도로 계속해서 분사되어 연료전지로 공급되므로 전자 장치가 오프 모드일 경우라도 액체 연료의 공급은 중단되지 않는다. 연료의 공급이 중단될 경우에는 연료전지의 멤브레인이 건조해지고, 이에 따라 연료전지 내부에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 연료 공급장치는 상시 연료전지로 연료를 공급할 필요가 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a의 노즐판의 서로 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 노즐판(400)은 집전부(430)와 집전부 상에 형성된 복수의 노즐(410) 및 복수의 채널(420)을 포함한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 집전부(430)는 노즐판(400)의 상부에 위치할 연료전지의 위치와 노즐판(400)의 하부에 위치하는 캐비티판의 캐비티의 위치에 대응하는 위치에 형성된다. 집전부(430)는 노즐판(400) 상부의 연료전지에서 화학반응으로 발생하는 전류를 집진한다. 따라서, 집전부(430)는 전도성이 있는 금속을 코팅하여 형성된다.
노즐판(400)의 소정 위치에 집전부(430)를 먼저 형성하고 난 다음, 노즐판 하부에 있는 캐비티의 위치에 대응하는 소정의 위치에 노즐(410)을 형성한다. 노즐(410)의 형성은 에칭, 식각 등의 알려진 방법을 이용할 수 있다. 캐비티판의 연료 공급구의 길이 방향을 따라서 복수의 노즐(410)을 형성하며, 각 노즐(410)의 열이 평행하도록 형성한다.
노즐(410)은 그 하부에 있는 캐비티에서 이동된 액체 연료를 상부의 연료전지로 이동하는 통로이다. 노즐(410) 구조로 인하여 액체 연료는 일정한 속도 및 분량으로 균일하게 연료전지로 공급된다. 노즐(410)은 상하부의 지름이 동일한 형태를 갖게 되지만, 구성상 하부의 지름이 크고 상부로 갈수록 지름이 좁아지는 형태를 통해서 역류를 방지할 수 있다. 따라서 일단 분사된 액체 연료는 다시 노즐(410)을 통해서 캐비티로 이동하지 않고 모두 연료전지로 이동된다.
상술한 노즐(410)의 열과 평행하도록 집전부(430) 상에 채널(420)을 형성한다. 채널은(420)은 위, 아래 및 그 일단이 개방된 홈으로 형성된다. 채널(420)은 노즐판(400)의 상부에 있는 연료전지에서 화학반응의 반응 부산물인 이산화탄소와 수증기가 이동되는 곳이다. 연료전지에서 화학 반응이 일어난 후 그 반응 부산물인 이산화탄소와 수증기의 발생 즉시 제거하여야 연료전지에서의 반응을 원활하게 할 수 있고, 따라서 연료전지의 효율을 개선할 수 있다. 이산화탄소와 증기가 일단 노즐판(400)으로 이동하면 노즐(410)의 구조적 특징 때문에 노즐(410)로는 흡입되지 않고 채널(420)로 이동하게 된다.
채널(420)은 유입된 이산화탄소와 수증기가 노즐판(400)의 측면을 통해서 배출될 수 있도록 그 일단은 노즐판(400)의 측면으로 개방되어 있고, 그 타단은 집전부(430)의 연결을 위해서 폐쇄되어 있다. 채널(420)은 적어도 2이상 형성되며, 인접하는 채널은 서로 반대편으로 개방된 단을 갖도록 형성된다.
도 5a의 E-E'선의 확대 단면 및 도 5b의 G-G'선의 확대 단면은 노즐판의 측단면을 통해서 노즐과 채널을 나타낸 것이고, 도 5a의 F-F'선의 확대 단면 및 도 5b의 H-H'선의 확대 단면은 노즐판의 일부 단면을 통해서 노즐과 채널을 나타낸 것이다. 가시화되는 부분은 실선으로, 가시화되지 않는 부분은 점선으로 나타내었다. E-E'선의 확대 단면 및 G-G'선의 확대 단면과 같이, 인접하는 채널(420)은 개방된 것과 그렇지 않은 것이 반복해서 형성되어 있다.
하나의 집전부(430) 상에는 일련의 적어도 1열 이상이 형성된 노즐(410)이 적어도 3 개 이상 형성된다. 일련의 노즐(410)과 이웃하는 일련의 노즐(410) 사이에는 각각 채널(420)이 형성되며, 이웃하는 채널(420)은 서로 반대방향으로 개방된 일단을 형성하고 있다. 따라서, 집전부(430)의 평면상의 형상은 노즐(410)의 열과 채널(420)이 일정한 패턴을 형성하여 "ㄹ"자 또는 연속된 "ㄹ"자 형상을 이룬다. 이는, 집전부(430)는 상부의 연료전지에서 발생하는 전류를 모으는 곳인데, 연료전지의 전류 발생이 직류식이므로 집전부(430)도 직류식으로 형성되어야 하기 때문이다.
도 5a를 참조하면, 복수의 노즐(410)은 1개의 열을 지어 형성되고 노즐(410)의 열과 이웃하여 채널(420)이 형성되어 있다. 도 5b를 참조하면, 복수의 노즐(410)이 3개의 열을 지어서 형성되고 노즐(410)의 열과 이웃하여 채널(420)이 형성되어 있다. 이러한 집전부(430)의 패턴은 제작의 용이성, 공급하는 액체 연료의 점도 등에 따라서 달리 제작될 수 있으며, 도면에 도시한 이외에도 다양한 변형 실시가 가능하다.
노즐판(400)의 노즐(410)은 하부에 있는 액체 연료를 상부의 연료전지로 공급하는 역할을 하고, 노즐판(400)의 채널(420)은 상부에서 유입된 이산화탄소와 수증기를 제거하는 역할을 한다.
노즐판(400)으로 사용될 수 있는 재질은 제한되지 않는다. 노즐판(400)에서 금속으로 코팅되어 집전부(430)를 형성하지 않는 부분은 벽(wall)으로 형성되어, 그 하부에 있는 캐비티판의 마이크로 채널과 대응하는 위치의 노즐판(400)이 막혀 있으므로 마이크로 채널에 대해서 덮개 역할을 할 수 있다. 따라서, 상부가 개방된 마이크로 채널을 통해서 액체 연료가 누수하는 것을 노즐판(400)이 방지할 수 있다.
노즐판(400)의 마이크로 채널에 대한 덮개 역할에도 불구하고, 마이크로 채널의 개방된 상부로 액체 연료가 흘러서 캐비티판과 노즐판이 접하는 부위로 누수될 염려가 있다. 이를 방지하기 위해서 연료 공급장치는 캐비티판과 노즐판의 사이에 보조판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 보조판(500)은 대응하는 캐비티 부분만이 개방부(510)로 되어 있고 나머지는 전부 막힌 벽(wall) 구조로 형성되어 있다. 개방부를 통해서 캐비티에 저장된 액체 연료가 상부로 이동되는 것 외에는 액체 연료가 상부로 이동되는 것을 방지하여 마이크로 채널을 통한 액체 연료의 누수를 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치가 연료전지와 함께 사용되는 것을 나타낸 참고도이다.
도 7을 참조하면, 노즐판(400)의 상부에 연료전지(500)가 부착되어 형성된다. 다공성 매질(110)은 연료탱크(100)에 저장된 액체 연료를 흡수하고, 캐비티판(200)의 연료 공급구에 삽입되어 결합되어 있다. 이 연료 공급구로 액체 연료가 다공성 매질(110)을 통해서 이동되고, 연료 공급구와 연결된 마이크로 채널을 통해서 캐비티판(200)의 캐비티로 액체 연료가 이동된다.
캐비티판(200)은 하부에 접합되고 전자 장치의 모드 신호를 받아서 진동하는 박막형 능동 펌프(300)의 횡방향운동 또는 종방향 운동에 따라서 종방향운동을 한다. 캐비티판(200)의 종방향운동에 의해 캐비티에 저장된 액체 연료가 캐비티로부터 상부로 분사된다.
캐비티에서 분사된 액체 연료는 노즐판(400)의 노즐을 통해서 연료전지(600)로 공급된다. 액체 연료를 공급 받은 연료전지(600)에서는 상술한 반응식3과 같은 화학 반응이 일어나게 된다. 이 화학반응에 의해서 발생한 전류는 노즐판(400)의 집전부로 모아져서 전자 장치로 공급되고, 화학반응의 반응 부산물인 이산화탄소와 수증기는 노즐판(400)의 채널을 통해서 외부로 배출된다.
이에 의해서 액체 연료가 필요에 따라서 능동적으로 공급되는 것이 가능하고, 또한 연료전지에서 발생하는 반응 부산물을 즉시 제거하여 연료전지의 효율을 상승시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 일정량의 액체 연료를 저장하는 캐비티판과 이 캐비티판에 접합되고 전자 장치의 모드 신호를 수신하는 박막형 능동 펌프와 제공함으로써 전자 장치의 모드에 따라서 필요한 분량의 액체 연료를 능동적으로 조절하여 연료전지로 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 연료 공급장치는 노즐판을 포함하여 연료전지에서 발생하는 반응 부산물을 효율적으로 제거하는 것을 가능하게 하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 직접 메탄올 연료전지의 개략도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치의 개략도,
도 2b는 도 2a의 II-II'선의 단면도,
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 2a의 연료탱크의 서로 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 4a 및 도 4b는 도 2a의 캐비티판의 서로 다른 실시예를 나타낸 평면도,
도 5a 및 도 5b는 도 2a의 노즐판의 서로 다른 실시예를 나타낸 평면도,
도 6a 및 도 6b는 캐비티의 보조판의 서로 다른 실시예를 나타낸 평면도, 및
도 7은 도 2b에 도시된 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치의 상부에 연료전지가 부착된 것을 도시한 참고도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100...연료탱크 110...다공성 매질
120...연료탱크 본체 200...캐비티판
210...캐비티 220...마이크로 채널
230...연료 공급구 300...박막형 능동 펌프
400...노즐판 410...노즐
420...채널 430...집전부
500...보조판 600...연료전지

Claims (20)

  1. 액체 연료가 저장되는 연료탱크;
    상기 연료탱크로부터 이동된 액체 연료가 저장되는 캐비티판;
    상기 캐비티판의 하부에 접합되고 상기 캐비티판에 운동을 일으키는 박막형 능동 펌프; 및
    상기 캐비티판의 상부에 위치되며 연료를 분사하는 노즐판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료탱크는 연료탱크 본체 및 액체 연료가 흡수되어 이동되는 다공성 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 매탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료탱크는 상기 캐비티판과 탈착 및 부착이 가능한 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캐비티판은
    상기 캐비티판의 양 가장자리에 형성되어 상기 연료탱크로부터 공급된 연료의 이동 통로가 되는 연료 공급구;
    상기 연료 공급구에 연결되고 상기 연료 공급구로부터 유입된 연료가 이동되는 복수개의 마이크로 채널; 및
    상기 마이크로 채널과 연결되고, 상기 마이크로 채널을 통해서 유입된 연료가 저장되는 적어도 1의 캐비티;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐비티와 상기 마이크로 채널은 그 하부면이 밀폐되고 그 상부면이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 공급구는 상기 다공성 매질이 삽입되어 결합되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐비티가 2 이상이고, 상기 연료 공급구에 평행하게 형성되며 상기 캐비티 사이에 연료 이동 통로인 복수개의 마이크로 채널이 더 구비된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티의 내부압은 부압인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막형 능동 펌프는 상기 캐비티에 대응하는 위치에 접합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막형 능동 펌프는 횡방향 또는 종방향으로 운동을 하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 캐비티판은 상기 박막형 능동 펌프의 횡방향 운동에 대응하여 종방향으로 운동하거나 상기 박막형 능동 펌프의 종방향 운동과 일치하는 종방향 운동을 하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐판은,
    소정 영역에 코팅된 적어도 1 이상의 집전부;
    연료를 상부로 분사하는 복수의 노즐; 및
    상부로부터 이동된 이산화탄소와 수증기를 배출하는 복수의 채널;을 포함하며,
    상기 노즐과 상기 채널은 상기 집전부상에 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐은 상기 캐비티에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 채널은 일단이 이산화탄소와 수증기를 배출하도록 상기 노즐판의 일측면으로 개방되어 있고, 타단이 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  15. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 채널은 서로 평행하며, 서로 인접하는 채널에 대해서 반대 방향으로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 노즐은 적어도 1 이상의 열을 지어 형성되고, 상기 복수의 채널은 상기 노즐의 열과 평행한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  17. 제 12 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 일련의 노즐의 열이 3 이상 형성되고, 상기 일련의 노즐의 열 사이에 상기 반대 방향으로 개방된 2 이상의 채널이 인접하여 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 노즐판에 금속 코팅으로 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  19. 제 12 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 노즐판에 Au 또는 Au합금 코팅으로 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티판의 상부 및 상기 노즐판의 하부 사이에 상기 캐비티에 대응하는 부분이 개방된 보조판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 연료 공급장치.
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