KR100685343B1 - 연료 전지 장치 - Google Patents

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야노마사야
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Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지 장치의 소형화 또는 경량화를 실현하는 것이다.
연료 전지 시스템(100)에 탑재하여 액체 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치(120)이며, 연료 전지 장치(120)의 정극에 산소를 포함하는 기체를 공급하기 위한 유로가 되는 제1 입구측 매니폴드(123)와, 연료 전지 장치(120)의 부극에 액체 연료를 공급하기 위한 유로가 되는 제2 입구측 매니폴드(124)와, 정극 및 부극으로부터 배출되는 유체의 유로가 되는 출구측 매니폴드(138)를 포함한다.
연료 전지 시스템, 매니폴드, 커넥터, 에어 펌프

Description

연료 전지 장치 {FUEL CELL DEVICE}
도1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템을 탑재한 전자 기기의 일예로서의 노트북형의 퍼스널 컴퓨터의 외관을 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템을 노트북형의 퍼스널 컴퓨터의 배면에 접속한 모습을 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템에 있어서의 각 유닛의 레이아웃을 개략적으로 도시하는 도면.
도5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 외관을 도시하는 도면.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템에 연료 탱크가 접속되는 모습을 도시하는 도면.
도7은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 탱크의 캡에 커넥터가 접속되는 모습을 도시하는 도면.
도8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 장치의 내부 구성의 일부를 개략적으로 도시하는 도면.
도9는 본 발명의 제1 실시예에 관한 보기 유닛의 구성을 도시하는 도면.
도10은 본 발명의 제1 실시예에 관한 보기 유닛의 에어 펌프로부터 연료 탱크의 공기실로 공기가 송입되는 모습을 도시하는 도면.
도11은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 탱크로부터 버퍼 탱크로 고농도의 액체 연료가 공급되는 모습을 도시하는 도면.
도12는 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 장치의 연료극으로 버퍼 탱크에 보유 지지된 저농도의 액체 연료가 공급되는 모습을 도시하는 도면.
도13은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 장치의 공기극으로 공기가 공급되는 모습을 도시하는 도면.
도14는 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템을 탑재한 전자 기기의 일예로서의 노트북형의 퍼스널 컴퓨터의 외관을 도시하는 도면.
도15는 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템에 있어서의 각 유닛의 레이아웃을 개략적으로 도시하는 도면.
도16은 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 외관을 도시하는 도면.
도17은 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템에 연료 탱크가 접속되는 모습을 도시하는 도면.
도18은 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 탱크의 캡에 커넥터가 접속되는 모습을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 퍼스널 컴퓨터
20 : 본체
22 : 덮개
30 : 표시 장치
100, 200 : 연료 전지 시스템
110, 210 : 연료 탱크
111, 211 : 연료실
112, 212 : 공기실
113, 213 : 주머니
114, 214 : 커넥터
115a : 공기용 니들
115b : 연료용 니들
116, 216 : 캡
117a : 공기 접속구
117b, 217 : 연료 접속구
118a, 118b, 218a, 218b : 레일(돌기)
119a, 119b, 219a, 219b : 홈
120, 220 : 연료 전지 장치
121 : 공기극측 세퍼레이터
122 : 연료극측 세퍼레이터
123 : 공기 입구 매니폴드
124 : 연료 입구 매니폴드
125 : 배기구
130, 230 : 보기 유닛
132, 134, 234 : 에어 펌프
136, 236, 237 : 연료 펌프
136a : 모터
136b : 팬
138, 238 : 버퍼 탱크
140, 240 : 제어 유닛
150, 250 : 보조 전원
160 : PC 커넥터
170 : 배관 유닛
172 : 제1 부재
174 : 제2 부재
176 : 제3 부재
201 : 하우징
202 : 냉각 팬
203, 204 : 슬릿
215 : 연료 튜브
217' : 역지 밸브
260 : 전원 출력 커넥터
261 : 전원 출력 케이블
본 발명은, 연료 전지 장치에 관한 것으로, 특히 액체 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
연료 전지의 일형태로서, 최근 직접형 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하,「DMFC」라 표기함)가 주목받고 있다. DMFC는 연료인 메탄올을 개질하지 않고 직접 부극에 공급하여 메탄올과 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전력을 얻는 것이다. 메탄올은 수소에 비해 단위 체적당의 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하고, 예를 들어 폭발과 같은 위험성도 적으므로, 예를 들어 자동차나 휴대 기기와 같은 전원에의 이용이 기대되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 2002-32154호 공보
연료 전지 시스템을 휴대 기기의 전원으로서 이용하기 위해서는 연료 전지 시스템의 한층 소형화 및 경량화가 필요하다. 본 발명자들은 연료 전지 시스템을 가능한 한 소형화 및 경량화하기 위해, 다양한 각도로부터 연료 전지 시스템을 개 량하는 기술을 상도하기에 이르렀다.
본 발명은 이러한 상황에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지 시스템에 탑재하는 연료 전지 장치의 소형화 또는 경량화를 실현하는 기술의 제공에 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 탑재하는 연료 전지 장치에 관한 것이다. 이 연료 전지 장치는 액체 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치이며, 연료 전지 장치의 정극에 산소를 포함하는 기체를 공급하기 위한 유로가 되는 제1 입구측 매니폴드와, 연료 전지 장치의 부극에 액체 연료를 공급하기 위한 유로가 되는 제2 입구측 매니폴드와, 정극 및 부극으로부터 배출되는 유체의 유로가 되는 출구측 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 정극측과 부극측에서 출구 매니폴드를 공통화함으로써 구성을 간략화할 수 있다.
출구측 매니폴드는 정극 및 부극으로부터 배출된 기체와 액체를 분리하는 기액 분리조로서 기능해도 좋다. 출구측 매니폴드에 배출된 미반응의 액체 연료는 다시 연료 전지 장치로 공급되어도 좋다. 액체 연료를 보유 지지하는 연료 탱크로부터 액체 연료가 출구측 매니폴드로 공급되고, 출구측 매니폴드에 있어서 연료 전지 장치로부터 배출된 액체와 혼합되어 연료 전지 장치로 공급되어도 좋다. 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치에서는 정극에서 물이, 부극에서 이산화탄소가 생성되지만, 이들 생성물과, 미반응의 액체 연료 및 공기를 출구측 매니폴드에서 혼합하고, 그곳에서 기액 분리하여 기체 성분을 배기하고, 연료 탱크로부터 고농도의 액체 연료를 추가하여 다시 연료 전지 장치로 순환시킨다. 이에 의해, 효율적으로 액체 연료를 이용할 수 있는 동시에, 순환을 위한 구성을 간략화할 수 있다.
또한, 이상의 구성 요소의 임의의 조합, 본 발명의 표현을 예를 들어 방법, 장치, 시스템, 기록 매체, 컴퓨터 프로그램의 사이에서 변환한 것도 또한, 본 발명의 태양으로서 유효하다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
[연료 전지 시스템의 구성]
도1은 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성을 개략적으로 도시한다. 도1은 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명하기 위한 개략도로, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)의 모든 구성을 도시하고 있는 것은 아니다. 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 장치(120)에 액체 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치의 일예인 연료 탱크(110), 액체 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치(120), 연료 탱크(110) 내의 공기실(112)로 공기를 이송하는 에어 펌프(132), 연료 탱크(110) 내의 액체 연료를 희석하여 보유 지지하는 버퍼 탱크(138), 버퍼 탱크(138) 내에 보유 지지된 저농도의 액체 연료를 연료 전지 장치(120)로 이송하는 연료 펌프(136) 및 연료 전지 장치(120)로 공기를 이송하는 에어 펌프(134)를 구비한다.
연료 전지 장치(120)는 한 쌍의 전극층과, 그들 사이에 삽입된 예를 들어 나피온(등록 상표)과 같은 수소 이온 전도성을 갖는 고체 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : 이하,「MEA」라 표기함)와, MEA를 협지하도록 설치되고, 예를 들어 기체나 액체 연료와 같은 유체를 흐르게 하기 위한 유로가 새겨진 한 쌍의 도전성의 세퍼레이터를 포함하는 셀을 복수 적층시킨 스택을 포함한다. MEA와 세퍼레이터 사이에 가스나 액체 연료를 막 상에 균일하게 확산시키기 위한 확산층이 설치되어도 좋다. 본 발명의 연료 전지 장치(120)에 있어서는 부극(연료극)에는 예를 들어 메탄올, 에탄올과 같은 알코올류나, 에테르류와 같은 액체 연료가 개질하는 일 없이 직접 공급되고, 정극(공기극)에는 산소를 포함하는 공기가 공급된다.
연료 전지 시스템(100)의 동작시에는 에어 펌프(132)에 의해 연료 탱크(110) 내의 공기실(112)로 공기가 이송되고, 공기실(112)이 팽창함으로써 액체 연료가 밀어내어져 버퍼 탱크(138)에 공급된다. 버퍼 탱크(138)에서는 연료 탱크(110)로부터 공급된 고농도의 액체 연료에 연료 전지 장치(120)로부터 배출된 미반응의 저농도의 액체 연료와, 연료 전지 장치(120)에 있어서 생성된 물이 혼합되고, 액체 연료가 희석되어 저장된다. 희석된 액체 연료는 연료 펌프(136)에 의해 연료 전지 장치(120)의 연료극에 공급된다. 또한, 에어 펌프(134)에 의해 공기가 연료 전지 장치(120)의 공기극에 공급된다. 연료 전지 장치(120)에서는 연료극에 있어서 액체 연료와 물이 반응하여 이산화탄소와 수소 이온이 발생하고, 공기극에 있어서 공기 중의 산소와 수소 이온이 반응하여 물이 발생한다. 반응에 의해 생긴 이산화탄소 및 물과, 미반응의 액체 연료 및 공기는 버퍼 탱크(138)로 이송된다. 버퍼 탱크(138)는, 후술하는 바와 같이 기액 분리조로서도 기능하여 이산화탄소 및 공기는 버퍼 탱크(138)에 있어서 분리되어 시스템 밖으로 배출된다.
본 발명에서는 연료 전지 시스템(100)을 예를 들어 퍼스널 컴퓨터(10)와 같은 휴대형 전자 기기의 전원으로서 이용하는 것을 고려하여 각 구성을 인접하여 설치함으로써 배관을 줄이는 동시에, 종래의 연료 전지 시스템(100)에 있어서 설치되어 있던 열교환기나 기액 분리조와 같은 보기류의 수를 최소한으로 억제하고 있다. 이에 의해, 소형이고 경량인 연료 전지 시스템(100)을 실현할 수 있다.
(제1 실시예)
[연료 전지 시스템의 외형 치수]
도2의 (a), (b), (c), (d)는 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템(100)을 탑재한 전자 기기의 일예로서의 노트북형의 퍼스널 컴퓨터(10)의 외관을 도시한다. 퍼스널 컴퓨터(10)는 예를 들어 본체(20)에 표시 장치(30)와 같은 구성이 설치된 덮개(22)가 개폐 가능하게 저어널된 구성을 갖고 있고, 사용시에는 덮개(22)를 전방으로부터 상방으로 개방하여 그 내측에 설치된 표시 장치(30)를 눈으로 확인 가능하게 한다. 연료 전지 시스템(100)은 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)에 접속되어 퍼스널 컴퓨터(10)에 전력을 공급하는 전원 유닛으로서 기능한다. 도2의 (a)는 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)의 배면에 연료 전지 시스템(100)이 접속되는 예를 나타낸다. 또한, 도2의 (b), (c), (d)는 각각 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)의 우측면, 전방면, 좌측면에 연료 전지 시스템(100)이 접속되는 예를 나타낸다. 도2의 (a), (b), (c), (d)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 노트북형의 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)의 형상에 맞추어 설계되는 것이 바람직하다. 즉, 연료 전지 시스템(100)의 길이는 본체(20) 중 연료 전지 시스템(100)을 접속하는 변의 길이와 동일한 길이가 되도록 해도 좋다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 두께는 본체(20)의 두께와 같은 정도라도 좋다.
[연료 전지 시스템의 외형 형상]
도3은 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템(100)을 노트북형의 퍼스널 컴퓨터(10)의 배면에 접속한 모습을 도시한다. 퍼스널 컴퓨터(10)의 사용시에 덮개(22)를 개방하였을 때, 연료 전지 시스템(100)의 두께가 본체(20)의 두께보다도 두꺼운 경우에는 덮개(22)를 개방하는 각도가 제한되어 버려 표시 장치(30)의 시인성을 방해할 우려가 있다. 그로 인해, 연료 전지 시스템(100)의 퍼스널 컴퓨터(10)와의 접속면의 상변에 경사를 지게 함으로써 덮개(22)의 개방을 방해하지 않도록 한다. 이에 의해, 덮개(22)를 충분히 개방하여 표시 장치(30)의 각도를 조정할 수 있으므로, 표시 장치(30)의 시인성을 향상시킬 수 있다.
[연료 전지 시스템 내의 레이아웃]
도4는 제1 실시예의 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 각 유닛의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. 연료 전지 시스템(100)에 있어서, 예를 들어 연료 탱크(110)와, 에어 펌프(132 및 134)나 연료 펌프(136)와 같은 구성을 포함하는 보기 유닛(130)과, 연료 전지 장치(120)는 이 순서로 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)의 접속면에 대해 평행하게 배치되어 있다. 연료 전지 장치(120)로 액체 연료 및 공기를 공급하는 기능을 갖는 보기 유닛(130)을 연료 탱크(110)와 연료 전지 장치(120) 사이에 유닛화하여 배치함으로써 공간 절약화할 수 있고, 장치의 소형화 및 경량화에 기여할 수 있다. 또한, 액체 연료는 연료 탱크(110)로부터 보기 유닛(130)을 경유하여 연료 전지 장치(120)로 공급되지만, 연료 전지 장치(120)의 스택의 적층 방향이 이 연료 공급 라인(도4 중 화살표로 나타내는 방향)과 동일한 방향이 되도록 연료 전지 장치(120)를 배치하는 구성을 채용함으로써 예를 들어 배관이나 매니폴드와 같은 구성을 간략화할 수 있다. 연료 전지 시스템(100)을 통괄적으로 제어하는 제어 유닛(140)은 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)에의 접속면에 따라서 설치된다. 이에 의해, 퍼스널 컴퓨터(10)와의 사이에서 통신을 행하기 위한 배선이나, 연료 탱크(110), 보기 유닛(130) 및 연료 전지 장치(120)와 접속하기 위한 배선을 단순화할 수 있는 것 외에 연료 공급 라인과 제어 유닛(140)을 격리할 수 있고, 예를 들어 수증기가 제어 유닛(140)으로 돌아 들어가는 것을 억제할 수 있다.
도5는 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템(100)의 외관을 도시한다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 연료 탱크(110)와, 보기 유닛(130)과, 연료 전지 장치(120)가 이 순서로 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)의 접속면에 대해 평행하게 배치되어 있다. 보기 유닛(130)은 에어 펌프(132, 134), 연료 펌프(136) 및 배관 유닛(170)을 포함한다. 배관 유닛(170)은 후에 상세하게 서술하는 바와 같이, 액체 연료 및 공기의 유로를 내부에 형성한 판형의 유닛이다. 본 실시예에서는, 이 배관 유닛(170)은 연료 전지 장치(120)의 스택에 소정의 면압을 부여하기 위한 엔드 플레이트로서도 기능하고 있다. 환언하면, 엔드 플레이트의 내부에 예를 들어 액체 연료나 공기의 배관을 형성하고 있고, 엔드 플레이트와 각 보기류를 인접하여 배치하고 있다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 구성을 간략화하여 연료 전지 시스템(100)을 소형화 및 경량화할 수 있다. 배관 유닛(170)의 상면에는 연료 전지 장치(120)로부터 배출된, 예를 들어 공기나 이산화탄소와 같은 기체를 시스템 밖으로 배출하는 배기구(125)가 설치된다.
연료 전지 시스템(100)의, 퍼스널 컴퓨터(10)에의 접속 부분에는 제어 유닛(140)이 설치되어 있다. 제어 유닛(140)은 연료 전지 시스템(100)의 제어 기능을 담당하는 제어 회로와, 연료 전지 장치(120)에 의해 발전된 전력을 퍼스널 컴퓨터(10)가 이용 가능한 형태로 변환하는 변환 회로와, 보조 전원(150)을 포함한다. 연료 전지 장치(120)에 있어서 발생한 전력은 변환 회로에 의해 적절한 전압으로 변환되어 PC 커넥터(160)를 거쳐서 퍼스널 컴퓨터(10)로 공급된다. 또한, 연료 전지 장치(120)에 있어서 발생한 전력의 일부는 보조 전원(150)에도 공급되어 보조 전원(150)을 충전하기 위해 이용된다. 보조 전원(150)은 보기 유닛(130)의 펌프나 모터에 전력을 공급한다.
[연료 탱크의 외형 및 외관]
도6의 (a), (b)는 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템(100)에 연료 탱크(110)가 접속되는 모습을 도시한다. 도6의 (a)는 도5에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 좌측면을 도시하고, 도6의 (b)는 상면을 도시한다. 도6의 (a)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)에는 연료 탱크(110)를 미끄럼 이동 가능하게 지지하기 위한 레일(118a 및 118b)이 설치되어 있다. 연료 탱크(110)를 연료 전지 시스템(100)에 접속할 때에는 연료 탱크(110)에 마련된 홈(119a 및 119b)을 레일(118a 및 118b)에 맞물리게 하여 연료 탱크(110)를 전술한 연료 공급 라인과 평행한 방향으로 미끄럼 이동시키고, 연료 전지 시스템(100)에 설치된 커넥터(114)에 연료 탱크(110)의 캡(116)을 압입한다. 연료 탱크(110)를 연료 전지 시스템(100)으로부터 제거할 때에는 연료 탱크(110)를 접속시와 반대의 방향으로 미끄럼 이동시킨다. 본 실시 형태에서는 연료 탱크(110)의 측면과 바닥면에 레일(118a 및 118b)에 맞물리는 홈(119a 및 119b)을 마련하고 있으므로, 안정성이 우수해 연료 탱크(110)가 어긋나거나 제거되거나 하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템(100)을 예를 들어 퍼스널 컴퓨터(10)와 같은 기기에 접속한 상태에서 연료 탱크(110)를 착탈할 수 있다.
연료 탱크(110)의 연료 전지 시스템(100)과 접촉하는 면 이외의 측면, 즉 홈(119a)이 마련된 측면, 홈(119b)이 마련된 바닥면 및 캡(116)이 설치된 측면을 제외하는 3면은 그들 자신이 연료 전지 시스템(100)의 하우징면을 구성한다. 즉, 연료 전지 시스템(100)의 연료 탱크(110)의 접속 부분에는 하우징면이 설치되어 있지 않고, 연료 탱크(110)를 접속하였을 때에 그 연료 탱크(110)의 측면이 하우징면이 된다. 이 구성에 의해, 연료 전지 시스템을 소형화, 경량화할 수 있는 동시에, 연료 탱크(110)의 착탈을 용이하게 할 수 있다. 연료 탱크(110)의 상면 또는 측면은 내부의 액체 연료의 잔량을 눈으로 확인 가능하게 하기 위해, 투명 또는 반투명으로 해도 좋다. 연료 탱크(110)는 적어도 액체 연료와 접촉하는 내면이 액체 연료에 대한 내성을 갖는, 예를 들어 수지와 같은 재료에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
[연료 탱크의 커넥터]
도7의 (a), (b)는 연료 탱크(110)의 캡(116)에 커넥터(114)가 접속되는 모습을 도시한다. 도7의 (a)에 도시한 바와 같이, 커넥터(114)에는 공기용 니들(115a)과 연료용 니들(115b)이 설치되어 있고, 연료 탱크(110)의 캡(116)에는 공기 접속구(117a)와 연료 접속구(117b)가 설치되어 있다. 공기 접속구(117a) 및 연료 접속구(117b)에는 예를 들어 실리콘 고무나 테플론(등록 상표)과 같은 재료에 의해 구성된 밀봉부가 설치되어 있고, 연료 탱크(110)를 연료 전지 시스템(100)에 접속할 때에는, 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 공기용 니들(115a)을 캡(116)의 공기 접속구(117a)에, 연료용 니들(115b)을 캡(116)의 연료 접속구(117b)에 각각 밀봉부를 관통하도록 꽂음으로써 공기 및 액체 연료의 유통을 가능하게 한다. 밀봉부는 니들이 용이하게 꽂혀 관통하도록 유연성을 갖고 있고, 또한 니들이 빠졌을 때에 니들이 꽂혀 있던 부분의 관통 구멍이 막혀 액체 연료의 누출을 방지하도록 탄성과 점착성을 구비하고 있다.
[연료 탱크 내의 구성]
연료 탱크(110)의 내부는 액체 연료에 대한 내성을 갖는 재료로 만든 주머니(113)가 설치되어 있고, 고농도의 액체 연료를 보유 지지하는 연료실(111)과, 공기로 가득찬 공기실(112)로 구획되어 있다. 액체 연료를 공급할 때에는 에어 펌프(132)에 의해 공기실(112)로 공기를 송입하고, 공기실(112)의 체적을 증가시킴으로써 주머니(113)를 압축하여 연료실(111)의 액체 연료를 밀어낸다. 이 구성에 의해, 어떠한 방향에 연료 탱크(110)를 배치하였다고 해도 동일하게 액체 연료를 공급할 수 있다. 주머니(113) 대신에 미끄럼 이동 가능한 판재에 의해 액체 연료와 공기가 구획된 피스톤 구조를 갖고 있어도 좋다.
[연료 전지 장치 내의 구성]
도8은 연료 전지 장치(120)의 내부 구성의 일부를 개략적으로 도시한다. 연료 전지 장치(120)는 공기 입구 매니폴드(123)와, 연료 입구 매니폴드(124)와, 공기 출구와 연료 출구의 매니폴드를 공통화한 버퍼 탱크(138)가 형성된 부재와, 스택을 포함한다. 공기는 연료 공급 라인과 평행하게 형성된 공기 입구 매니폴드(123)로부터 공급되어 공기극측 세퍼레이터(121)의 유로를 통과하여 버퍼 탱크(138)로 배출된다. 액체 연료는 연료 공급 라인과 평행하게 형성된 연료 입구 매니폴드(124)로부터 공급되어 연료극측 세퍼레이터(122)의 유로를 통과하여 버퍼 탱크(138)로 배출된다. 버퍼 탱크(138)는 기액 분리조로서의 기능도 갖고, L자형의 형상을 갖는 버퍼 탱크(138)의 측면 부분(139a)에 있어서, 예를 들어 기액 분리된 공기나 이산화탄소와 같은 기체는 도13에 있어서 설명한 바와 같이 상면 부분(139b)으로부터 보기 유닛(130)을 거쳐서 시스템 밖으로 배출된다.
또한, 버퍼 탱크(138)는 연료 탱크(110)에 보유 지지된 고농도의 액체 연료를 희석하여 연료 전지 장치(120)에 있어서의 동작에 적합한 농도로 조정하는 기능도 갖고 있고, 도11에 있어서 설명한 바와 같이 버퍼 탱크(138)의 상면 부분(139b)으로 공급된 고농도의 액체 연료는 측면 부분(139a)에 있어서 연료 전지 장치(120)로부터 배출된 물이나 미반응의 저농도의 액체 연료와 혼합되어 희석된다. 버퍼 탱크(138) 내의 액체 연료의 농도를 검지하는 센서가 설치되어도 좋고, 제어 유닛(140)은 센서에 의해 취득된 농도를 기초로 하여 연료 탱크(110)로부터 버퍼 탱크(138)로 공급하는 고농도의 액체 연료의 양을 조정해도 좋다.
[보기 유닛의 구성]
도9는 보기 유닛(130)의 구성을 도시한다. 보기 유닛(130)의 배관 유닛(170)은 제1 부재(172), 제2 부재(174) 및 제3 부재(176)의 3매의 판형의 부재를 포함하고, 각각의 부재에는 액체 연료나 공기를 연료 전지 장치(120)로 공급하기 위한 배관이 형성되어 있다. 에어 펌프(132 및 134)는 제1 부재(172) 및 제2 부재(174)에 설치된 펌프 설치 위치(200)에 배치된다. 연료 펌프(136)의 구동용 모터(136a)의 회전축은 제1 부재(172)에 마련된 관통 구멍(202)을 거쳐서 팬(136b)에 접속되어 있고, 모터(136a)가 팬(136b)을 회전시킴으로써 액체 연료가 순환된다. 이들 펌프를 연료 전지 장치(120)에 직결함으로써 구성을 단순화할 수 있는 동시에, 온도의 영향이 적은 안정된 연료 전지 시스템을 실현할 수 있다. 판형 유닛(170)은 예를 들어 수지와 같은 재료에 의해 형성되어도 좋고, 사출 성형에 의해 제조되어도 좋다. 이에 의해, 부품의 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 배관계를 유닛화함으로써 콤팩트한 패키징이 가능해지는 동시에, 조립시의 작업성을 향상시킬 수 있다.
도10은 에어 펌프(132)로부터 연료 탱크(110)의 공기실(112; 도7 참조)로 공기가 송입되는 모습을 도시한다. 공기는 에어 펌프(132)로부터 제2 부재의 배관(210), 제3 부재의 배관(212), 제2 부재의 배관(214), 제1 부재의 배관(216)을 통과하여 연료 탱크(110)의 공기 접속구(117a; 도7 참조)로부터 공기실(112)로 공급된다.
도11은 연료 탱크(110)로부터 버퍼 탱크(138)로 고농도의 액체 연료가 공급되는 모습을 도시한다. 연료 탱크(110)의 연료 접속구(117b)로부터 연료용 니들(115b)을 거쳐서 송출된 액체 연료는 제1 부재(172)의 배관(220), 제2 부재의 배관(222), 제3 부재의 배관(224)을 통과하여 버퍼 탱크(138)의 상면 부분(139b)으로 공급되고, 측면 부분(139a)에서 희석되어 보유 지지된다.
도12는 버퍼 탱크(138)에 보유 지지된 저농도의 액체 연료가 연료 전지 장치 (120)의 연료극으로 공급되는 모습을 도시한다. 버퍼 탱크(138)에 보유 지지된 액체 연료는 연료 펌프(136)에 의해 흡출되어 제2 부재(174)의 배관(230), 제3 부재(176)의 배관(232)을 통과하여 연료 전지 장치(120)의 연료 입구 매니폴드(124)로 공급된다. 연료 전지 장치(120)의 연료극으로부터 배출된 미반응의 액체 연료 및 생성된 이산화탄소는 버퍼 탱크(138)의 측면 부분(139a)에서 기액 분리된다. 버퍼 탱크(138)에는 상술한 바와 같이 고농도의 액체 연료가 추가되어 다시 연료 펌프(136)에 의해 흡출되어 순환된다.
도13은 공기가 연료 전지 장치(120)의 공기극으로 공급되는 모습을 도시한다. 공기는 에어 펌프(134)로부터 제2 부재(174)의 배관(240), 제3 부재(176)의 배관(242)을 통과하여 연료 전지 장치(120)의 공기 입구 매니폴드(123)로 공급된다. 연료 전지 장치(120)의 공기극으로부터 배출된 미반응의 공기 및 생성된 물은 버퍼 탱크(138)의 측면 부분(139a)에서 기액 분리된다. 예를 들어 공기나 이산화탄소와 같은 기체는 버퍼 탱크(138)의 상면 부분(139b)으로부터 제3 부재의 배관(244), 제2 부재(174)에 설치된 배기구(125)를 거쳐서 시스템 밖으로 배기된다.
(제2 실시예)
[연료 전지 시스템의 외형]
도14는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템(200)을 탑재한 노트북형의 퍼스널 컴퓨터(10)의 외관을 도시한다. 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략하지만, 제2 실시예의 연료 전지 시스템(200)은 퍼스널 컴퓨터(10)의 본체(20)에 전원 출력 커넥터(260) 및 전원 출력 케이블(261)을 거쳐서 접속되어 퍼스널 컴퓨터(10)에 전 력을 공급하는 전원 유닛으로서 기능한다. 제2 실시예의 연료 전지 시스템(200)은 전원 케이블(261)에 의해 전력 공급 대상[예를 들어, 퍼스널 컴퓨터(10)]과의 거리를 임의로 설정할 수 있으므로, 전력 공급 대상의 형상을 고려하여 외형을 설계할 필요가 없고, 범용인 전원 출력 커넥터(260)를 이용함으로써 범용인 전원 유닛으로서 이용이 가능해진다.
[연료 전지 시스템 내의 레이아웃]
도15는 제2 실시예에 연료 전지 시스템(200)에 있어서의 각 유닛의 레이아웃을 개략적으로 도시한다. 연료 전지 시스템(200)에 있어서 예를 들어 연료 탱크(210)와, 에어 펌프(234)나 연료 펌프(236 및 237)와 같은 구성을 포함하는 보기 유닛(230)과, 연료 전지 장치(220)는 이 순서로 배치되어 있다. 그리고, 연료 전지 시스템(200)을 통괄적으로 제어하는 제어 유닛(240)은 연료 전지 시스템(200)의 단부, 특히 연료 전지 장치(220)에 인접한 단부에 설치함으로써 퍼스널 컴퓨터(10)와의 사이에서 통신을 행하기 위한 배선이나, 연료 전지 장치(220)와의 전력 배선을 짧게 할 수 있는 것 외에, 연료 공급 라인과 제어 유닛(240)을 격리할 수 있어 예를 들어 수증기가 제어 유닛(240)으로 돌아 들어가는 것을 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지 장치(220)는 연료 전지 시스템(200) 내의 구성 부품 중에서도 가장 중량이 크기 때문에, 연료 전지 시스템(200)의 기하학상의 중심이 연료 전지 장치(220) 속으로 들어가도록 연료 전지 장치(220)를 배치하면, 연료 전지 시스템(200)의 기하학적 중심과 무게 중심의 위치가 근접하고, 연료가 소비되어 연료 탱크(210)의 중량이 변화되어도 기하학적 중심과 무게 중심의 위치를 가까운 상태로 유지할 수 있어 연료 전지 시스템(200)의 물리적인 안정성이 향상된다.
도16은 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템(200)의 외관을 도시한다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)에 있어서 연료 탱크(210) 및 버퍼 탱크(238)와, 보기 유닛(230)과, 연료 전지 장치(220)는 이 순서로 배치되고, 보기 유닛(230)은 예를 들어 에어 펌프(234), 연료 펌프(236, 237) 및 배관 유닛(270)으로 구성된다. 본 실시예와 같이 연료 탱크(210)와 버퍼 탱크(238)를 인접하여 배치함으로써, 연료 탱크(210)와 버퍼 탱크(238)를 연결하는 배관을 짧게 할 수 있으므로, 고농도의 메탄올 수용액이 배관의 도중에서 휘발하여 기포가 되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예의 연료 전지 시스템(200)의 하우징(201) 측면에는 연료 전지 장치(220)를 냉각하기 위한 냉각 팬(202)이 설치되어 연료 전지 장치(220)를 협지하고, 이 냉각 팬(202)에 대향하는 위치에는 냉각 공기를 취입하기 위한 슬릿(203)이 배치된다. 또한, 하우징(201) 상면에 설치된 슬릿(204)은 버퍼 탱크(238)의 상부에 위치하여 연료 전지 장치(220)로부터 배출되어 예를 들어 버퍼 탱크(238)에서 기액 분리된 공기나 이산화탄소와 같은 기체를 선택적으로 투과하는 필터(239)를 거쳐서 시스템 밖으로 배출하는 배기구의 역할을 발휘하고 있다.
연료 전지 시스템(200)의, 퍼스널 컴퓨터(10)에의 접속 부분에는 제어 유닛(240)이 설치되어 있다. 제어 유닛(240)은 연료 전지 시스템(200)의 제어 기능을 담당하는 제어 회로와, 연료 전지 장치(220)에 의해 발전된 전력을 퍼스널 컴퓨터(10)가 이용 가능한 형태로 변환하는 변환 회로와, 보조 전원(250)을 포함한다. 연료 전지 장치(220)에 있어서 발생한 전력은 변환 회로에 의해 적절한 전압으로 변환되어 전원 출력 커넥터(260) 및 전원 출력 케이블(261)을 거쳐서 퍼스널 컴퓨터(10)로 공급된다. 또한, 연료 전지 장치(220)에 있어서 발생한 전력의 일부는 보조 전원(250)에도 공급되어 보조 전원(250)을 충전하기 위해 이용된다. 보조 전원(250)은 연료 전지 시스템(200)을 기동할 때, 예를 들어 보기 유닛(230)의 펌프, 모터 및 팬에 전력을 공급하거나, 퍼스널 컴퓨터(10)가 급격한 고부하 상태가 되었을 때에 연료 전지 장치(220)와 병행하여 전력을 공급하거나 하는 데 이용된다.
[연료 탱크의 외형 및 외관]
도17의 (a), (b)는 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템(200)에 연료 탱크(210)가 접속되는 모습을 도시한다. 도17의 (a)는 도16에 도시한 연료 전지 시스템(200)의 상면을 도시하고, 도17의 (b)는 전방측면을 도시한다. 도17의 (a)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)에는 연료 탱크(210)를 미끄럼 이동 가능하게 지지하기 위한 레일(돌기)(218a) 및 홈(219b)이 마련되고, 연료 탱크(210)에도 연료 전지 시스템(200)에 대응하는 위치에 홈(219a) 및 레일(돌기)(218b)이 설치되어 있다. 연료 탱크(210)를 연료 전지 시스템(200)에 접속할 때에는 연료 전지 시스템(200)과 연료 탱크(210)에 각각 설치된 돌기(218a 및 218b), 홈(219a 및 219b)을 맞물리게 하여 연료 전지 시스템(200)에 설치된 커넥터(214)에 연료 탱크(210)의 캡(216)을 압입한다. 연료 탱크(210)를 연료 전지 시스템(200)으로부터 제거할 때에는 연료 탱크(210)를 접속시와 반대의 방향으로 미끄럼 이동시킨다.
본 실시예에 있어서도 연료 전지 시스템(200)을 예를 들어 퍼스널 컴퓨터(10)와 같은 기기에 접속한 상태에서 연료 탱크(210)를 용이하게 착탈할 수 있다. 또한, 연료 탱크(210)의 측면 중 2면은 연료 전지 시스템(200)의 하우징면을 구성하고 있으므로, 연료 전지 시스템을 소형화, 경량화할 수 있는 동시에, 연료 탱크(210)의 착탈을 용이하게 할 수 있다. 연료 탱크(210) 중 연료 전지 시스템(200)의 하우징(201)을 구성하는 측면은 내부의 액체 연료의 잔량을 눈으로 확인 가능하게 하기 위해 투명 또는 반투명으로 해도 좋다. 연료 탱크(210)는 적어도 액체 연료와 접촉하는 내면이 액체 연료에 대한 내성을 갖는, 예를 들어 수지와 같은 재료에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
[연료 탱크의 커넥터]
도18의 (a), (b)는 연료 탱크(210)의 캡(216)에 커넥터(214)가 접속되는 모습을 도시한다. 도18의 (a)에 도시한 바와 같이, 커넥터(214)에는 연료 튜브(215)가 설치되어 있고, 연료 탱크(210)의 캡(216)에는 연료 접속구(217)가 설치되어 있다. 연료 접속구(217)에는 예를 들어 실리콘 고무나 테플론(등록 상표)과 같은 재료에 의해 구성된 역지 밸브(217')가 설치되어 있고, 연료 탱크(210)를 연료 전지 시스템(200)에 접속할 때에는, 도17의 (b)에 도시한 바와 같이 연료 튜브(215)를 캡(216)의 연료 접속구(217)에 역지 밸브(217')를 관통하도록 꽂음으로써 액체 연료의 유통을 가능하게 한다.
[연료 탱크 내의 구성]
연료 탱크(210)의 내부는 액체 연료에 대한 내성과, 예를 들어 고무 풍선과 같은 신축성 혹은 테드라백과 같은 유연성을 갖는 재료로 만든 주머니(213)가 설치되어 있고, 고농도의 액체 연료를 보유 지지하는 연료실(211)과, 공기로 가득찬 공기실(212)로 구획되어 있다. 액체 연료를 공급할 때에는 연료 펌프(237)에 의해 연료실(211)로부터 액체 연료를 흡입하고, 공기실(212)에는 연료 탱크(210)의 벽면에 공기 구멍을 마련하여 시스템 밖으로부터 공기를 취입한다. 이 구성에 의해, 어떠한 방향에 연료 탱크(210)를 배치하였다고 해도 동일하게 액체 연료를 공급할 수 있다. 주머니(213) 대신에, 예를 들어 미끄럼 이동 가능한 판재에 의해 액체 연료와 공기가 구획된 피스톤 구조를 갖고 있어도 좋다.
이상, 본 발명을 실시예를 기초로 설명하였다. 본 실시예는 예시이고, 그들 각 구성 요소나 각 처리 공정의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그와 같은 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 장치를 소형화 또는 경량화할 수 있고, 나아가서는 연료 전지 시스템을 소형화 또는 경량화하는 기술을 제공할 수 있다.
본 실시 형태에서는 노트형의 퍼스널 컴퓨터로 전력을 공급하는 연료 전지 시스템에 대해 설명하였지만, 연료 전지 시스템이 전력을 공급하는 부하는 이에 한정되지 않고, 예를 들어 휴대 전화, PDA와 같은 휴대 기기나, 다리미, 드라이어, 면도기, 전동 칫솔과 같은 운반 가능한 기기에의 이용을 고려할 수 있다.

Claims (5)

  1. 액체 연료에 의해 동작하는 연료 전지 장치이며,
    상기 연료 전지 장치의 정극에 산소를 포함하는 기체를 공급하기 위한 유로가 되는 제1 입구측 매니폴드와,
    상기 연료 전지 장치의 부극에 상기 액체 연료를 공급하기 위한 유로가 되는 제2 입구측 매니폴드와,
    상기 정극 및 상기 부극으로부터 배출되는 유체의 유로가 되는 공통의 출구측 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 장치는 한 쌍의 전극층과, 상기 전극층 사이에 삽입된 반응층을 포함하는 셀을 복수 적층한 구조를 갖고,
    상기 셀의 적층 방향은 수평 방향인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출구측 매니폴드는 상기 정극 및 부극으로부터 배출된 기체와 액체를 분리하는 기액 분리조로서 기능하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출구측 매니폴드에 배출된 미반응의 액체 연료는 다시 상기 연료 전지 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 연료를 보유 지지하는 연료 탱크를 구비하고,
    상기 액체 연료는 상기 연료 탱크로부터 상기 출구측 매니폴드로 공급되고, 상기 출구측 매니폴드에 있어서 상기 연료 전지 장치로부터 배출된 액체와 혼합되고,
    상기 액체 연료와 상기 연료 전지 장치로부터 배출된 액체와의 혼합 액체가 상기 연료 전지 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
KR1020040072365A 2003-09-12 2004-09-10 연료 전지 장치 KR100685343B1 (ko)

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JP2003322301 2003-09-12
JPJP-P-2003-00322301 2003-09-12
JPJP-P-2004-00214006 2004-07-22
JP2004214006A JP3989471B2 (ja) 2003-09-12 2004-07-22 燃料電池装置

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