KR100645692B1 - 연료 전지용 펌프 장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 펌프 장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방음 구조를 구비한 연료 전지용 펌프 장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지용 펌프장치는 내부에서 발생된 소음을 흡수하는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 이 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 소음을 차단하는 제2 금속 하우징 본체의 2중 구조로 이루어지며 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징, 그리고 이 하우징에 삽입설치되며 유체가 유입되는 유입관과, 유출공을 관통하며 유입된 유체가 소정 압력으로 유출되는 유출관을 포함하여 이루어진다.
연료 전지, 공기 펌프, 소음, 진동, 금속 하우징, 이중 구조, 진공, 흡음재

Description

연료 전지용 펌프 장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템{Pump apparatus for fuel cell and Fuel cell system using same}
도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료 전지의 동작원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지용 펌프 장치가 채용된 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치에 채용가능한 금속 하우징 본체를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 이 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료 전지 200: 공기 펌프
210: 하우징 220: 펌핑부
230: 전동부 240: 흡음재
250: 필터 300: 연료 펌프
400: 제어부
본 발명은 연료 전지용 펌프 장치 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소음 방지 효과가 우수한 다공성 금속 하우징 구조를 이용하여 시스템의 소음 및 진동을 크게 감소시킬 수 있는 연료 전지용 펌프 장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료 전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상술한 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
또한, 연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
연료 전지 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료 전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고, 연료 전 지 스택은 압축 밀봉된다. 이것은 스택 내부의 압력 강하나 산소 감소와 같은 비균일한 작동 조건을 방지하기 위한 것이다.
도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료전지의 동작원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지(10)의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질막(12), 연료극 촉매층(14) 및 공기극 촉매층(16)을 포함한다. 연료전지(10)에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(14)에 공급되면 연료극 촉매층(14)에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온 H+와 전자 e-로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(14)에서 고분자 전해질막(12)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(14)에서 외부 전선(18)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(16)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(16)에 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
상술한 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
한편, 연료 전지 시스템은 연료 펌프나 공기 펌프 등을 이용하여 연료 전지 스택에 수소를 함유한 연료와 공기를 공급하는 액티브형(active) 연료 전지 시스템과, 펌프를 사용하지 않고 연료 또는 공기를 공급하는 패시브형(passive) 연료 전지 시스템으로 구분할 수 있다.
그 가운데, 액티브형 연료 전지 시스템은 패시브형 연료 전지 시스템보다 높은 출력을 얻을 수 있지만, 통상 다수의 연료 전지가 적층된 구조로 압축 밀봉되기 때문에 그러한 구조의 연료 전지 스택은 소정의 내부 압력을 갖는다. 따라서 소정의 내부 압력을 갖는 연료 전지 스택에 산소 공핍을 고려한 충분한 양의 공기를 공급하기 위해서는 고출력의 공기 펌프를 사용해야 한다. 이처럼, 종래의 액티브형 연료 전지 시스템에서는 고출력의 공기 펌프를 사용해야 하고, 그로 인해 비교적 큰 소음과 함께 진동이 발생하게 된다는 단점이 있다.
또한, 종래의 액티브형 연료 전지 시스템은 통상 공기 펌프 이외에 적어도 하나의 연료 펌프가 구비된다. 이 경우, 종래의 액티브형 연료 전지 시스템에서는 연료 펌프에 의한 소음과 진동이 추가적으로 발생된다는 단점이 있다.
이러한 펌프들의 소음과 진동은 연료 전지의 보다 긴 계속적인 작동을 방해 한다.
게다가, 액티브형 연료 전지 시스템을 노트북 컴퓨터, PMP(portable multimedia player), 휴대용 DVD(digital video disc) 플레이어, PDA(personal digital assistant), 휴대용 전화, 캠코더 등의 전자기기의 전원 공급 장치로서 사용하는 경우, 연료 전지 시스템의 소음과 진동은 전자기기 사용자에게 불편을 초래하기 때문에 사용자의 편의를 도모하고 전자기기의 원활한 이용을 위해서도 연료 전지의 소음 발생은 방지되어야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 시스템에 탑재되는 펌프 장치의 하우징을 다공성 금속 하우징 본체와 이 다공성 금속 하우징 본체를 둘러싸는 또 다른 금속 하우징 본체의 이중 구조로 설치함으로써 소음 및 진동 방지 효과를 크게 향상시킬 수 있는 연료 전지용 펌프 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 연료 전지용 펌프 장치를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 의하면, 내부에서 발생된 소음을 흡수하는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 이 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 소음을 차단하는 제2 금속 하우징 본체의 2중 구조로 이루어지며 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징; 그리고 이 하우징에 삽입설치되며, 유체가 유입되는 유입관, 및 유출공을 관통하며 유입된 유체가 소정 압력으로 유출되는 유출관을 구비하는 펌프를 포함하는 연료 전지용 펌프 장치를 제공한다.
바람직하게, 다공성 제1 금속 하우징 본체는 소리 에너지를 열에너지로 변환하여 소음을 흡수하며, 제2 금속 하우징 본체는 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 소리 에너지가 외부로 전달되는 것을 차단한다. 제1 금속 하우징 본체는 발포 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 금속 하우징 본체는 제2 금속 하우징 본체 상에 형성된 격벽에 의해 제2 금속 하우징 본체와 소정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 제2 금속 하우징 본체는 제1 금속 하우징 본체보다 고밀도의 금속 부재로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 금속 하우징 본체는 제1 금속 하우징 본체 및 상기 제1 금속 하우징 본체를 수용하는 제2 금속 하우징 본체를 구비하며, 이들 제1 및 제2 금속 하우징 본체 사이의 공간은 진공부로 형성될 수 있다.
또한, 하우징은 금속 하우징 본체의 개구부를 덮는 덮개를 구비하며, 덮개에는 유입공과 유출공이 구비된다. 덮개는 합성수지, 합성섬유, 합성고무와 같은 합성고분자물질로 이루어지거나 이 합성고분자물질보다 밀도가 높아 소음 차단 효과가 우수한 금속 부재로 이루어진다.
또한, 하우징은 유입공을 구비하며 금속 하우징 본체의 일측 개구부를 덮는 제1 덮개, 및 유출공을 구비하며 금속 하우징 본체의 타측 개구부를 덮는 제2 덮개를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 소음 방지 구조가 구비된 연료 전지용 펌프는 하우징에 삽입설치된 펌프를 둘러싸는 흡음재를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 의하면, 전해질막과 이 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며, 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 공급되는 수소를 포함한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및 전기 발생부에 산화제를 공급하는 펌프 장치를 포함하되, 상기 펌프 장치가 내부에서 발생된 소음을 흡수하는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 이 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 소음을 차단하는 제2 금속 하우징 본체의 2중 구조로 이루어지며 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징; 및 이 하우징에 삽입설치되며, 유체가 유입되는 유입관, 및 유출공을 관통하며 유입된 유체가 소정 압력으로 유출되는 유출관을 구비하는 펌프를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
바람직하게, 상술한 연료 전지 시스템은 펌프의 동작을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지용 펌프 장치가 채용된 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 연료 전지 시스템은, 연료 전지(100), 제1 펌프(200), 제2 펌프(300) 및 제어부(400)를 포함하며, 노트북 컴퓨터나 캠코더와 같은 휴대용 전자기기의 전원 공급 장치로서 사용하기에 적합하도록, 제1 펌프(200) 또는 제2 펌프(300)에 의해 발생하는 소음 및 진동을 감소시킬 수 있는 펌프 장치 구조를 구비하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 연료 전지(100)는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지(미도시)를 포함한다. 여기서, 단위 연료 전지는 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부를 나타낸다. 연료 전지(100)는 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 포함한다. 이 경우, 연료 전지 스택은 공기 펌프에 의한 원활한 산소 공급을 위하여 통상 압착 밀봉된다.
상술한 전기 발생부는 수소와 산소의 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되어 막-전극 어셈블리로 수소를 함유한 연료와 산화제, 예컨대, 산소 또는 공기를 전달하는 세퍼레이터(separater)로 이루어진다. 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 그 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 연료 전지(100)의 구조에 따라 생략될 수 있다. 상술한 구성에 의해, 연료 전지(100)는 전기 에너지를 발생시키고, 반응 생성물로서 얻어지는 물과 이산화탄소를 유출한다. 이때, 연료 전지(100)에서 반응하지 않은 미반응 연료 및 공기는 이산화탄소 및 물과 함께 연료 전지(100) 외부로 유출된다. 미반응 연료는 재활용을 위한 순환 경로를 통해 연료 전지(100)로 다시 공급될 수 있다.
또한, 연료 전지(100)는 직렬 및/또는 병렬 접속된 복수의 단위 연료 전지를 통해 소정 전압, 예컨대, 12V를 외부 부하에 인가한다. 이때, 연료 전지(100)로부터 외부 부하에 인가되는 전압은 DC-DC 변환기 등의 전력 변환부에 의해 소정 레벨로 변환된 후 상술한 소정 전압으로 인가될 수 있다. 여기서, 외부 부하는 노트북 컴퓨터, PMP, 휴대용 DVD 플레이어, PDA, 캠코더 등과 같은 전자기기를 포함한다.
제1 펌프(200)는 연료 전지(100)의 캐소드측에 결합되며, 산소나 공기를 연료 전지(100) 내의 캐소드 전극에 공급한다. 제1 펌프(200)는 공기 펌프 또는 송풍기를 포함한다.
또한, 제1 펌프(200)는 연료 전지(100)의 보다 긴 지속적인 작동을 위하여 압착 밀봉된 구조의 연료 전지(100) 내에 필요한 산소량 이상을 함유한 충분한 공기를 공급한다. 이때, 종래의 액티브형 연료 전지 시스템에서는 공기 펌프에 의해 비교적 큰 소음이 발생되지만, 본 실시에에 따른 연료 전지 시스템에서는 공기 펌프의 소음을 방지하는 구조를 채용함으로써 종래의 경우에 비해 소음 및 진동을 상당히 감소시킨다. 여기서, 소음은 주로 공기 펌프 내의 모터회전이나 압력에 의해 발생되며, 연료 전지 사용자가 불쾌하게 느끼는 소리를 나타낸다. 진동은 공기 펌프 내의 모터회전 및 압력에 의해 펌프로부터 발생되는 상하 또는 좌우 반복 운동을 나타낸다. 그리고 진동은 소음을 발생시킨다.
제2 펌프(300)는 연료 전지(100)의 애노드측에 결합되며, 연료 탱크(미도시)에 저장된 수소 또는 수소를 함유한 연료 예컨대, 메탄올 등과 같은 수소 화합물이나 물과 메탄올이 혼합된 혼합 연료를 연료 전지(100) 내의 애노드 전극에 공급한다. 여기서, 제2 펌프(300)는 연료 펌프이다. 이때, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서는 연료 펌프의 소음 및 진동을 방지하기 위하여 제1 펌프(200)의 경우와 유사하게 연료 펌프를 금속 하우징에 삽입설치할 수 있다. 이 경우, 종래의 시스템에 비해 소음 및 진동이 더욱 크게 감소될 수 있다.
제어부(400)는 제1 펌프(200) 및 제2 펌프(300)의 동작을 제어한다. 제어부(400)는 연료 전지(100)의 작동을 요구하는 신호에 응답하여 제1 펌프(200) 및 제2 펌프(300)의 온 오프를 위한 제어 신호를 인가한다. 다른 한편으로, 제어부(400)는 제1 펌프(200) 및 제2 펌프(300)에 필요한 전력을 공급하기 위하여 배터리, 캐패시터, 상용 전원, 연료 전지 등의 다양한 전원 공급 장치 중 적어도 어느 하나가 제1 펌프(200) 및 제2 펌프(300)에 전기적으로 결합되도록 제어한다. 이 경우, 제어부(400)는 연료 전지(100)의 초기 구동시 배터리, 캐패시터, 상용 전원 중 어느 하나의 전원을 제1 및 제2 펌프(200, 300)에 접속시키고 연료 전지(100)의 정상 구동시 연료 전지를 전원으로서 제1 및 제2 펌프(200, 300)에 접속시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 연료 전지용 공기 펌프 장치(200)는 금속 하우징 본체의 외부면을 형성하는 실린더형 금속 하우징 본체(212)와 그 양단 개구부에 대괄호 모양으로 끼워지는 제1 및 제2 덮개(216, 218)로 이루어지는 하우징(210)을 포함한다. 제1 덮개(216)측에 형성되어 있는 두 유입공(217a, 217b) 및 필터(250)를 통해 외부의 공기가 펌프(200) 내부로 유입된다. 그리고, 펌프의 전원선(234)은 펌프(200) 내부로부터 하우징(210)을 관통하여 외부로 인출된다.
소정의 금속 부재로 이루어진 하우징 본체(212)에 공기 펌프를 삽입설치하 면, 공기 펌프의 소음을 보다 효과적으로 차단할 수 있다. 그것은 금속 부재가 고밀도 부재이므로 고무나 플라스틱과 같은 다른 부재에 비해 소음이 더욱 잘 차단되기 때문이다.
또한, 금속 부재로 이루어진 하우징 본체(212)를 실린더 형상으로 형성한 것은 대략 원통형의 공기 펌프가 용이하게 삽입설치될 수 있기 때문이다. 따라서, 금속 하우징 본체(212)는 공기 펌프의 형상에 따라 공기 펌프를 수용하기에 적합한 형상, 예컨대, 박스(box) 형상으로 변형가능하다.
제1 및 제2 덮개(216, 218)는 금속 하우징 본체(212)의 개구부를 기밀하게 덮기에 적합한 재료로 형성된다. 예컨대, 덮개(216, 218)는 하우징(210) 내부의 소음을 적절하게 차단할 수 있도록 적어도 그 일부가 금속 부재로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치에 채용가능한 금속 하우징 본체를 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 금속 하우징 본체는 이중 구조의 금속 하우징 본체로 이루어진다. 다시 말해서, 금속 하우징 본체는 제1 금속 하우징 본체(211) 및 제1 금속 하우징 본체(211)가 삽입설치되는 제2 금속 하우징 본체(212)로 이루어진다.
구체적으로, 제1 금속 하우징 본체(211)는 금속 다공체 즉, 발포 금속으로 양면이 개방된 구조의 원통 모양으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 금속 하우징 본체(211)는 독립 기포의 집합체이며, 각 기포를 한정하는 격막에 형성된 미세한 균열을 통해 각 기포가 서로 통하는 구조로 형성된다. 이러한 구조는 격막의 파면과 음파가 마찰되도록 하여 소리 에너지가 열 에너지로 변환되도록 함으로써 우수한 흡음 효과를 나타낸다. 제1 금속 하우징 본체(211)에 사용하기 적합한 발포 금속으로는 예컨대, 초경량성, 불연성, 고강도, 흡음성 및 내습성이 우수한 발포 알루미늄을 들 수 있다.
제2 금속 하우징 본체(212)는 제1 금속 하우징 본체(211)를 내부에 수용하며 양면이 개방된 구조의 원통 모양으로 형성된다. 또한, 제2 금속 하우징 본체(212)는 고밀도 부재로서 고무나 플라스틱보다 소음 차단 효과가 우수한 금속 부재로 형성된다. 제2 금속 하우징 본체(212)에 사용하기 적합한 금속으로는, 예컨대, 경량성, 불연성, 고강도, 차음성 및 내습성이 우수한 알루미늄을 들 수 있다.
또한, 제2 금속 하우징 본체(212)는 제1 금속 하우징 본체(211)의 흡음 효과를 높이기 위하여 제1 금속 하우징 본체(211)와 소정 간격을 두고 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 금속 하우징 본체(212)의 내표면에는 소정 간격에 상응하는 높이를 가진 격벽(213)이 형성된다. 이러한 격벽(213)은 돌기 형태나 스트라이프 형태 또는 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
다른 한편으로, 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212)는 그 사이에 진공부가 구비된 진공 하우징 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 및/또는 제2 금속 하우징 본체(211, 212)에는 진공부 형성을 위한 배기홀(미도시)이 구비된다. 그리고 배기홀은 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212) 사이의 공간을 진공부로 형성하 는 배기 공정 후에 밀봉된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 단면도이다. 도 5는 도 3의 공기 펌프 장치를 길이 방향으로 절단한 단면에 대응된다. 본 실시예는 금속 하우징 본체가 이중 금속 하우징 구조인 경우에 적합하다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치(200)는, 산소 또는 공기를 유입하여 유출할 때, 하우징(210) 내부에 설치된 펌프의 동작 소음과, 이것들을 통해 유입 및 유출되는 공기에 의한 소음이 외부로 전달되지 못하도록 소리 에너지를 흡수하고 차단한다. 이를 위해, 공기 펌프 장치(200)는 하우징(210), 펌핑부(220), 전동부(230), 흡음재(240) 및 필터(250)를 포함한다. 여기서, 펌핑부(220) 및 전동부(230)는 공기 펌프를 형성한다.
구체적으로, 하우징(210)은 실린더 모양의 이중 금속 하우징 본체(211, 212)와 이 이중 금속 하우징 본체(211, 212)의 양측 개구부를 덮는 제1 및 제2 덮개(216, 218)를 구비하고, 챔버(chamber) 형태로 형성되며, 내부(214)의 소리 에너지를 흡수하고 차단하여 펌프 소음을 최소화한다. 이중 금속 하우징 본체(211, 212)는 소리 에너지에 대한 흡수 및 차단 특성이 우수한 하우징 구조를 형성한다. 다시 말해서, 본 실시예에 따른 실린더형 이중 금속 하우징 본체(211, 212)는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 이 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸는 제2 금속 하우징 본체로 이루어진 2중 구조의 하우징(210)을 형성한다.
제1 금속 하우징 본체(211)와 제2 금속 하우징 본체(212)는 직접 접합되거나 그 사이에 소정의 공간, 예컨대, 공기층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 금속 하우징 본체(211)와 제2 금속 하우징 본체(212) 사이에 소정의 흡음재 조각이 채워질 수 있다.
제1 덮개(216)는 펌프(200) 내부의 소음을 차단할 수 있도록 적절한 두께의 고무나 플라스틱 부재 또는 금속 부재로 형성되며, 유입공이 배치되는 하우징(210)의 일측 개구부를 기밀하게 덮는다. 다시 말해서, 제1 덮개(216)는 하우징(210)의 일측 개구부 형상에 대응하여 원판 모양으로 형성되며, 펌핑부(220)의 유입관(222, 223)으로 산소 또는 공기가 유입되도록 개방된 두 유입공(217a, 217b)을 구비하고, 단면에서 볼 때 하우징(210)의 일측 개구부를 대괄호(square bracket) 형태로 덮고 하우징(210)의 일측 개구부를 지지한다.
제2 덮개(218)는 제1 덮개(216)와 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 하우징(210)의 타측 개구부를 기밀하게 덮는다. 다시 말해서, 제2 덮개(218)는 하우징(210)의 타측 개구부 형상에 대응하여 원판 모양으로 형성되며, 펌핑부(220)의 유출관(224)이 관통하는 유출공(219)을 구비하고, 단면에서 볼 때 하우징(210)의 타측 개구부를 대괄호 형태로 덮고 하우징(210)의 타측을 지지한다.
펌핑부(220)는 유입관(222, 223) 및 유출관(224)을 구비한 챔버 형태로 하우징(210) 내에 설치된다. 펌핑부(220)는 외부 공기를 유입관(222, 223)으로 유입하여 유출관(224)으로 유출한다. 이를 위해, 펌핑부(220)는 회전력 또는 펌핑력을 발생시키는 프로펠러(propeller, 226)가 구비된다. 여기서, 프로펠러(226)는 회전력 또는 펌핑력을 얻기 위한 수단의 일례를 나타낸다. 프로펠러(226)는 그 중심부에서 전동부(230)의 회전축(232)에 결합된다.
전동부(230)는 펌프(200) 외부의 전원 공급 장치, 예컨대, 배터리, 캐패시터, 상용 전원이나 연료 전지로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 구동된다. 전동부(230)는 전기 모터 및 전원 공급 장치에 접속되는 전원선(234)을 포함한다. 또한, 전동부(230)는 회전축(232)을 구비하며, 이 회전축(232)은 프로펠러(226)에 전동부(230)의 회전력을 전달한다. 전원선(234)은 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212)에 형성된 홀을 통해 외부로 인출된다. 물론, 전원선(234)은 제1 덮개(216)을 통해 외부로 인출될 수 있다.
한편, 상술한 펌핑부(220)과 전동부(230)는 하우징(210) 내부에서 공기를 압축하기 위한 공기 펌프의 일례로서, 본 발명의 소음 방지 구조가 구비된 공기 펌프는 상술한 모터와 프로펠러를 이용한 회전형 기계적 장치의 응용 구조 이외에 왕복형 기계적 장치의 응용, 예컨대, 피스톤 왕복 운동을 이용한 공기 펌프를 이용하여 용이하게 구현가능하다.
흡음재(240)는 하우징(210) 내부에서 펌핑부(220) 및 전동부(230)를 둘러싼다. 하우징(210) 내에서의 효과적인 배치를 위하여, 흡음재(240)는 소정의 조각(242, 244, 246, 248)으로 나뉘어져 설치된다. 제1 및 제2 흡음재 조각(242, 244)은 펌핑부(220)의 원형 측면을 둘러싸도록 설치되고, 제3 흡음재 조각(246)은 펌핑부(220)의 유출관(224)에 대응하는 홀(247)을 구비하고 펌핑부(220)와 제2 덮개(218) 사이에 설치되며, 제4 흡음재 조각(248)은 제1 덮개(216)의 두 개의 유입공 (217a, 217b)에 대응되는 두 개의 홀(249a, 249b)을 구비하고 전동부(230)와 제1 덮개(216) 사이에 설치된다.
또한, 흡음재(240)는 소리 에너지의 흡수율이 우수한 섬유상 재료나 탄성 재료 또는 탄성 다공질 재료에 의해 형성된다. 이러한 흡음재(240)는 하우징(210) 내부의 소음을 흡수할 뿐만 아니라 하우징(210)에 삽입설치된 펌프를 안정적으로 고정 지지한다.
이처럼, 본 발명에 따른 공기 펌프 장치에서는 하우징(210)에 삽입설치된 펌프를 둘러싸는 흡음재(240)를 추가설치함으로써, 공기 펌프 장치(200)에 대한 소음 및 진동이 더욱더 감소될 수 있다.
필터(250)는 하우징(210) 내부(214)로 유입되는 공기를 정화한다. 다시 말해서, 필터(250)는 공기에 포함된 미세 먼지, 분진, 염분, 이산화탄소 등과 같이 연료 전지에 악영향을 주는 원하지 않는 성분이나 가스를 제거한다. 이를 위해, 필터(250)는 하우징(210)의 일측 개구부에서 제4 흡음재(248)와 제1 덮개(216) 사이에 설치되며, 이것들에 의해 지지 고정된다. 이러한 필터(250)는 원형 시트상으로 형성되며, 복수개가 겹쳐서 사용될 수 있다. 물론, 필터(250)는 공기 정화 기능을 가진다면, 기존의 적절한 다른 형태의 필터로 대체 사용하는 것이 가능하다.
상술한 연료 전지용 펌프 장치의 조립 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 직경을 가진 원통형 모양의 다공성 제1 금속 하우징 본체(211)를 제1 직경보다 조금 큰 제2 직경을 가진 원통형 모양의 제2 금속 하우징 본체(212) 내에 삽입한다. 이때, 제1 금속 하우징 본체(211)는 제2 금속 하우징 본체(212)의 일측 개구부로 삽입되어 고정되며, 제2 금속 하우징 본체(212)의 타측 개구부 가장자리에 의해 지지된다. 여기서, 제2 금속 하우징 본체(212)의 타측 개구부의 직경은 그것의 일측 개구부의 직경보다 조금 작다. 본 과정에서 소정의 접착제, 예컨대, 알루미늄 구조용 접착제를 제2 금속 하우징 본체(212)의 격벽(213) 상에 소량 도포하여 제1 금속 하우징 본체(211)와 제2 금속 하우징 본체(212)를 고정적으로 접합시킬 수 있다.
다음, 전동부(230)와 결합되어 있는 펌핑부(220)의 원통형 챔버 주위를 제1 및 제2 흡음재(242, 244)로 둘러싼다. 이때, 제1 및 제2 흡음재(242, 244)는 펌핑부(220)의 챔버 주위를 둘러싸기에 적합하게 직경과 소정 폭을 가진 링 모양으로 각각 형성된다.
다음, 제1 및 제2 흡음재(242, 244)로 둘러싸인 펌핑부(220)와 함께 전동부(230)을 제1 금속 하우징 본체(211) 내부에 끼워넣는다. 그리고, 전동부(230)에 결합되어 있는 전원선(234)을 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212)의 내부에서 그것들을 관통하여 형성된 홀을 통해 외부로 빼낸다.
다음, 펌핑부(220)의 유입관(222, 223)과 마주하는 하우징(210)의 일측 개구부 내에서 전동부(230)에 접하도록 제4 흡음재(248)를 삽입한다. 그리고, 펌핑부(220)의 유출관(224)과 마주하는 하우징(210)의 타측 개구부 내에서 펌핑부(220)에 접하도록 제3 흡음재(246)를 삽입한다.
다음, 하우징(210)의 일측 개구부 내에 제4 흡음재(248)에 접하도록 공기 정화를 위한 필터(250)를 삽입한다. 그리고, 제1 덮개(216)를 덮어 공기 유입을 위한 유입공(217a, 217b)을 제외하고 하우징 본체(211, 212)의 일측 개구부를 막고, 제2 덮개(218)을 덮어 펌핑부(220)의 유출관(224)이 유출공(219)을 관통하여 노출되도록 하면서 하우징 본체(211, 212)의 타측 개구부를 막는다. 이로써, 소음 방지 구조가 구비된 연료 전지용 공기 펌프가 간단하게 조립완성된다.
도 6은 본 발명의 이 실시예에 따른 연료 전지용 공기 펌프 장치를 나타내는 사시도이다. 본 실시예는 금속 하우징 본체가 이중 금속 하우징 구조 또는 진공 구조의 금속 하우징으로 이루어진 경우 모두에 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 연료 전지용 공기 펌프 장치는 금속 하우징 본체의 외부면을 형성하는 실린더형 금속 하우징 본체(212)와 그 일단의 개구부에 대괄호 모양으로 끼워지는 하나의 덮개(216)로 이루어지는 하우징(210)을 포함한다. 여기서, 금속 하우징 본체(212)는 이중 금속 하우징 구조 또는 진공 금속 하우징 구조로 이루어진다.
덮개(216)에는 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공(217a)과 유출공(217c)이 구비된다. 유출관(224)은 하우징(210)의 내부로부터 덮개(216)의 유출공(217c)을 관통하여 하우징(210)의 외부로 연장된다. 덮개(216)에 형성되어 있는 유입공(217a) 및 필터(250)를 통해 외부의 공기가 하우징(210) 내부로 유입된다. 또한, 덮개(216)는 소음 차단 효과를 높이기 위해 적어도 일부가 금속 부재로 이루어진다.
전원선(234)은 하우징(210) 내부로부터 덮개의 유출공(217c)을 통해 외부로 연장된다.
이처럼, 본 발명에 따른 펌프 장치는 금속 하우징 본체와 그것의 일측에 형성된 개구부를 막는 하나의 덮개로 이루어진 구조를 포함한다.
한편, 상술한 실시예에서는 금속 하우징 본체의 개구부가 덮개로 덮혀지는 펌프 구조를 설명하였다. 하지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 금속 하우징 본체의 개구부를 덮는 덮개를 이중 금속 하우징 구조와 유사한 구조 또는 진공 하우징 구조와 유사한 구조의 덮개로 별도로 형성한 후, 소정의 접착수단을 통해 금속 하우징 본체의 개구부에 접합시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 공기 펌프 장치를 예를 들어 설명하였다. 하지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 유체를 공급하는 다른 펌프 장치 또는 연료 펌프 장치를 이용하여 용이하게 구현될 수 있다. 다시 말해서, 상술한 금속 하우징 본체로 이루어진 하우징에 연료 펌프를 삽입설치하여 연료 전지 시스템에 용이하게 적용할 수 있다. 이 경우, 상술한 실시예의 펌프 구조에 있어서 펌핑부의 유입관이 덮개의 유입공을 관통하여 하우징 외부로 연장되는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 실시예에서는 실린더 형상의 하우징을 예를 들어 설명하였다. 하지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 중공 사각 박스 형상이나 또는 실린더 형상과 중공 사각 박스 형상이 조합된 형상의 하우징으로 용이하게 구현될 수 있다.
또한, 상술한 실시예의 연료 전지 시스템은 소형화에 적합한 고분자 전해질형 연료 전지 방식 또는 직접 메탄올형 연료 전지 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명의 이중 구조의 금속 하우징을 구비한 펌프 장치를 이용함으로써, 펌프에 의한 소음 및 진동을 효과적으로 흡수 및 차단할 수 있다. 또한, 상술한 펌프 장치를 이용함으로써, 종래의 연료 전지 시스템에 비해 소음과 진동을 크게 감소시킨 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템이 탑재된 노트북 컴퓨터 등의 어플리케이션에서 저소음 및 무진동 특성을 크게 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (20)

  1. 내부에서 발생된 소음을 흡수하는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 상기 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 상기 소음을 차단하는 제2 금속 하우징 본체의 2중 구조로 이루어지며, 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징; 및
    상기 하우징에 삽입설치되며, 상기 유체가 유입되는 유입관, 및 상기 유출공을 관통하며 상기 유입된 유체가 소정 압력으로 유출되는 유출관을 구비하는 펌프를 포함하는 연료 전지용 펌프 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 하우징 본체는 발포 알루미늄으로 형성되는 연료 전지용 펌프 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 하우징 본체는 상기 제2 금속 하우징 본체 상에 형성된 격벽에 의해 상기 제2 금속 하우징 본체와 소정 간격을 두고 배치되는 연료 전지용 펌프 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 금속 하우징 본체는 상기 제1 금속 하우징 본체보다 고밀도의 금속 부재로 형성되는 연료 전지용 펌프 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1 및 제2 금속 하우징 본체의 개구부를 덮는 덮개를 포함하며, 상기 덮개는 상기 유입공 및 상기 유출공을 구비하는 연료 전지용 펌프 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 덮개는 합성고분자물질로 이루어지는 연료 전지용 펌프 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 덮개는 금속 부재로 이루어지는 연료 전지용 펌프 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 유입공을 구비하며 상기 제1 및 제2 금속 하우징 본체의 일측 개구부를 덮는 제1 덮개, 및 상기 유출공을 구비하며 상기 제1 및 제2 금속 하우징 본체의 타측 개구부를 덮는 제2 덮개를 포함하는 연료 전지용 펌프 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징에 삽입설치되며, 상기 펌프를 둘러싸는 흡음재를 추가적으로 포함하는 연료 전지용 펌프 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 유체를 유입하는 유입관 및 상기 유체를 소정 압력으로 유출하며 상기 유출공을 관통하는 유출관을 구비한 펌핑부, 및 프로펠러의 회전력에 의해 상기 펌핑부에 펌핑력을 제공하는 전동부를 포함하는 연료 전지용 펌프 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 펌핑부는 그 내부에 삽입설치되고 상기 전동부의 회전축에 결합되는 상기 프로펠러를 둘러싸는 챔버인 연료 전지용 펌프 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전동부는 그 내부에 설치되고 상기 회전축에 결합되는 회전자, 및 상기 회전자를 둘러싸며 상기 회전자에 대하여 회전 운동을 유도하는 고정자를 포함하는 연료 전지용 펌프 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하고 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부에 상기 유체를 공급하는 연료 전지용 펌프 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 전기 발생부에 상기 산화제를 공급하는 공기 펌프인 연료 전지용 펌프 장치.
  17. 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에 각각 공급되는 수소를 포함한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및
    상기 전기 발생부에 상기 산화제를 공급하는 펌프 장치를 포함하되,
    상기 펌프 장치가, 내부에서 발생된 소음을 흡수하는 다공성 제1 금속 하우징 본체와 상기 제1 금속 하우징 본체를 둘러싸며 상기 소음을 차단하는 제2 금속 하우징 본체의 2중 구조로 이루어지며, 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징; 및 상기 하우징에 삽입설치되며, 상기 유체가 유입되는 유입관, 및 상기 유출공을 관통하며 상기 유입된 유체가 소정 압력으로 유출되는 유출관을 구비한 펌프를 포함하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 펌프의 동작을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 고분자 전해질형 연료 전지인 연료 전지 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 직접 메탄올형 연료 전지인 연료 전지 시스템.
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