KR100696640B1 - 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치는, 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고 이 전기 에너지를 소정의 전자기기로 출력시키기 위한 것으로서, 상기 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 가지면서 상기 전자기기에 대해 실질적으로 회동 가능하게 설치되는 연료전지 본체를 포함한다.
연료전지, 본체, 전기발생부, 마운트부재, 힌지부, 회동, 전자기기

Description

연료 전지 장치 {FUEL CELL APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 연료전지 본체를 개략적으로 나타내 보인 정면 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시한 전기 발생부를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 연료전지 본체를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 메탄올형 연료 전지 방식(Direct Methanol Fuel Cell)의 연료 전지 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되 어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 메탄올형 연료 전지 방식(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택" 이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 메탄올형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
이 중에서, 직접 메탄올형 연료 전지는 여러 개의 단위 셀들을 평면적으로 배치하여 구성되는 모노폴라 타입을 예로 들 수 있는 바, 이 모노폴라 타입의 연료 전지는 공기가 자연 대류 작용에 의해 연료전지 본체의 한 쪽면을 통해 각각의 단위 셀로 공급되는 구조로 이루어진다.
그런데, 이와 같은 모노폴라 타입의 직접 메탄올형 연료 전지는 연료전지 본 체의 한 쪽면을 통해 공기가 공급되기 때문에, 사용자의 사용 환경에 따라 공기가 단위 셀들로 원활하게 공급되지 못하게 되는 등 단위 셀들의 출력을 극대화시키지 못하는 문제점이 있다. 또한, 모노폴라 타입의 직접 메탄올형 연료 전지는 연료전지 본체의 한 쪽면을 통해 공기가 공급됨에 따라, 단위 셀들에서 발생되는 열이 용이하게 방출되지 못하게 되는 바, 사용자의 안전 및 전지 성능에 대한 신뢰성이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
한편, 최근 들어서는 이동통신 단말기, PMP(Portable Multimedia Player), PSP(Playstation Portable), PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 전자기기들이 경량화, 소형화 및 첨단화로서 급속히 발전되고 있는 가운데 기존의 2차전지가 이들 전자기기의 고전력 소모에 적극 대응하지 못하고 있다는 지적을 받고 있는 바, 전기 에너지의 출력을 극대화시키면서도 전자기기와 함께 휴대 및 사용이 편리한 연료전지 시스템의 개발에 총력을 기울이고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전기 에너지의 출력을 극대화시키면서 전자기기와 함께 휴대 및 사용이 편리한 연료 전지 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 장치는, 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고 이 전기 에너지를 소정의 전자기기로 출력시키기 위한 것으로서, 상기 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 가지면서 상기 전자기기에 대해 실질적으로 회동 가능하게 설치되는 연료전지 본체를 포함한다.
상기 연료 전지 장치는, 상기 전자기기가 탑재되는 마운트부재와, 상기 마운트부재와 상기 연료전지 본체를 힌지 결합하는 힌지부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 장치는, 상기 마운트부재에 설치되어 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 마운트부재는 상기 연료 탱크를 수납하기 위한 수납부를 형성할 수 있다. 그리고 상기 연료 탱크는 상기 수납부에 대해 착탈 가능하게 설치되며, 연료의 충전이 가능한 카트리지 형태로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 장치는, 상기 마운트부재에 설치되어 상기 연료 탱크에 저장된 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 장치는, 상기 연료전지 본체가 평판형으로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 연료전지 본체는 양측면에 복수의 통기공을 가지면서 상기 전기 발생부를 내장시키는 케이스부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 장치에 있어서, 상기 전기 발생부는 상호 대칭하게 배치되는 적어도 한 쌍으로서 구비될 수 있다. 이 경우 상기 각 전기 발생부는, 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 일측에 배치되어 상기 연료를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 애노드부와, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측에 배치되어 상기 공기를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 캐소드부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 장치는, 상기 캐소드부가 상기 케이스부재의 양측면에 대면하여 배치될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면 구성도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치(100)를 설명하면, 이 연료 전지 장치(100)는 PMP(Portable Multimedia Player), PSP(Playstation Portable), PDA(Personal Digital Assistants), 이동통신 단말기 등과 같은 휴대용 전자기기(10)(도면에 가상선으로 표시됨)로 전기 에너지를 출력시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
본 실시예에 의한 연료 전지 장치(100)는 메탄올, 에탄올과 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 액체 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지 방식(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로서 구성될 수 있다.
이와 같은 연료 전지 장치(100)는 직접 메탄올형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(20)와, 전자기기(10)를 탑재하는 마운트부재(40)와, 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)를 힌지 결합하는 힌지부(60)를 포함하여 구성된다.
도 3은 도 1에 도시한 연료전지 본체를 개략적으로 나타내 보인 정면 구성도로서, 이 도면을 참조하면, 연료전지 본체(20)는 대략 사각형 형태의 평판형 본체로서 이루어지며, 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 발생부들(21)을 구비한다.
본 실시예에서, 이들 전기 발생부(21)는 연료전지 본체(20)의 양측면에 대해 평면 방향으로 연속되게 배치되며, 연료전지 본체(20)의 두께 방향으로 한 쌍이 서로 마주하면서 대칭적으로 배치될 수 있다(도 1 참조).
도 4는 도 3에 도시한 전기 발생부를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도로서, 이 도면을 참조하면, 각각의 전기 발생부(21)는 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)로서 구비된다. 이러한 전기 발생부들(21)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA"라고 한다.)(21a)와, MEA(21a)의 일측에 배치되는 애노드부(21b)와, MEA(21a)의 다른 일측에 배치되는 캐소드부(21c)를 포함하여 구성된다.
MEA(21a)는 일면에 제1 전극층을 형성하고, 다른 일면에 제2 전극층을 형성하며, 이들 전극층 사이에 전해질막을 형성하는 통상적인 MEA로서 구비된다. 이 때, 제1 전극층은 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 제2 전극층으로 이동시키고, 제2 전극층은 제1 전극층으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 기능을 하게 된다.
애노드부(21b)는 MEA(21a)의 제1 전극층으로 연료를 분산시키는 기능을 하게 된다. 이러한 애노드부(21b)는 연료의 흐름을 가능하게 하는 연료 통로(도면에 도시하지 않음)를 가지면서 MEA(21a)의 제1 전극층에 밀착되게 배치된다.
그리고 캐소드부(21c)는 MEA(21a)의 제2 전극층으로 공기를 분산시키는 기능을 하게 된다. 이러한 캐소드부(21c)는 대기 중의 공기를 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 이 공기를 MEA(21a)의 제2 전극층으로 공급하는 복수의 구멍들(21d)을 가지면서 제2 전극층에 밀착되게 배치된다. 이에, 캐소드부(21c)는 연료전지 본체(20: 도 1)의 양측면을 통해 외부로 노출되게 된다.
상기에서와 같이 전기 발생부들(21)의 캐소드부(21c)를 연료전지 본체(20)의 양측면을 통해 외부로 노출시키기 위해, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(20)는 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 양측면에 복수의 통기공들(23a)을 가지면서 전기 발생부들(21)을 내장시키는 케이스부재(23)를 구비한다.
이러한 케이스부재(23)는 전기 발생부들(21)을 내장시키기 위한 수용 공간을 형성하는 대략 직육면체 형태로서 이루어지고, 도면에서와 같이 이의 양측면에 통기공들(23a)이 캐소드부(21c)의 구멍들(21d: 도 4)에 대응하여 형성된다. 즉, 전기 발생부들(21)의 캐소드부(21c)는 케이스부재(23)의 내측에서 이 케이스부재(23)의 양측면과 대면하여 배치될 수 있다. 대안으로서, 통기공들(23a)들은 케이스부재(23)의 양측면에 전기 발생부들(21)에 상응하는 크기로서 형성될 수도 있다. 따라서, 대기 중의 공기는 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 케이스부재(23)의 통기공들(23a), 및 캐소드부(21c)의 구멍들(21d: 도 4)을 통해 MEA(21a: 도 4)의 제2 전극층으로 공급된다.
이에 더하여, 애노드부(21b)와 캐소드부(21c)는 연료, 및 공기를 MEA(21a: 도 4)의 제1,2 전극층으로 공급하는 기능 외에, 제1 전극층과 제2 전극층을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능도 하게 된다.
본 실시예에서, 마운트부재(40)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전자기기(10)가 실질적으로 장착되는 부분으로서, 뒤에서 더욱 설명하는 힌지부(60)에 의해 연료전지 본체(20)와 회동 가능하게 결합된다.
이 마운트부재(40)는 통상적인 체결부재를 통해 전자기기(10)의 외관을 이루는 패키지에 일체로서 결합되는 구조일 수 있고, 전자기기(10)의 패키지에 대해 선택적으로 착탈되는 구조일 수도 있으나, 이러한 구조는 당업자의 판단에 의해 적용 전자기기의 기종에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 실시예에서, 마운트부재(40)는 전자기기(10)의 배면과 실질적으로 결합하는 베이스판(41)과, 전자기기(10)의 하단부를 지지하는 지지대(43)로서 구성된다.
이 베이스판(41)은 소정의 내부 공간을 형성하는 케이스 형태로서 이루어지며, 이 내부 공간에는 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21: 도 3)에 연료를 공급하기 위한 파이프 라인 및/또는 전기 발생부들(21)로부터 발생되는 미반응 연료 및 공기, 이산화탄소, 수분, 열 등을 처리하는 각종 구성요소들이 구비될 수 있다.
여기서, 베이스판(41)에는 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21) 또는 전기 발생부들(21)로부터 발생되는 전기 에너지를 처리하는 별도의 전기 처리수단과 전자기기(10)를 전기적으로 접속시키기 위한 접속 단자 등이 구비될 수도 있다.
이에 더하여, 베이스판(41)에는 연료를 저장하는 연료 탱크(30)가 구비되는 바, 이 연료 탱크(30)는 베이스판(41)에 형성된 수납부(45)에 수납 가능하게 설치된다. 이 때, 수납부(45)는 연료 탱크(30)의 외관에 상응하는 형태의 홈으로서 지지대(43)와 직교하는 방향을 따라 형성된다.
본 실시예에서, 연료 탱크(30)는 수납부(45)에 대해 착탈 가능하게 설치되고, 연료의 충전이 가능한 카트리지 형태로서 이루어지며, 수납부(45)에 수납된 상태에서 언급한 바와 같은 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21)과 연결될 수 있다.
그리고 지지대(43)는 소정의 내부 공간을 가지면서 베이스판(41)의 배치 방향과 직교하는 방향을 따라 배치된다. 이 지지대(43)는 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)가 상대적인 회동이 이루어진 경우, 본 장치(100) 및 전자기기(10)의 스탠딩 상태를 안정되게 유지하는 기능을 하게 된다.
이러한 지지대(43)의 내부 공간에는 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21)로부터 출력되는 전력의 전압 레벨을 조절하는 인버터, 컨버터 또는 장치의 전반적인 구동에 필요한 각종 제어 신호를 처리하고 인가하는 컨트롤러(도시하지 않음) 등이 구비될 수 있다.
이에 더하여, 지지대(43)의 내부 공간에는 연료 탱크(30)에 저장된 연료를 소정의 펌핑 압력으로 배출시키고, 이 연료를 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21)로 공급하는 연료 펌프(50)가 구비된다. 이 연료 펌프(50)는 파이프 라인 등에 의해 연료 탱크(30)와 연결되며, 바람직하게는 연료 탱크(30)에 근접하는 위치에 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 힌지부(60)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)의 상대적인 회동을 가능케 하는 것으로서, 연료전지 본체(20)의 상단부와 마운트부재(40)의 상단부가 힌지 결합되어 형성된다.
이 힌지부(60)는 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)가 소정 각도 만큼 회동되도록 하는 힌지점(61)을 형성하는 바, 이 힌지점(61)은 연료전지 본체(20)의 상단부와 마운트부재(40)의 상단부가 동축 상으로 힌지 결합됨으로서 형성된다. 이 때, 힌지부(60)에 의한 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)의 회동 각도(θ)는 대략 45°를 만족하는 것이 바람직하다.
여기서, 힌지부(60)는 연료전지 본체(20)와 연료 탱크(30)를 연결하는 파이프 라인, 및 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21)과 컨트롤러를 전기적으로 연결하는 도선 등이 용이하게 통과할 수 있는 구조로서 이루어질 수 있다. 이에 더하여, 힌지부(60)는 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)가 상대적인 회동이 이루어짐에 따라, 전체 장치(100)의 운전을 선택적으로 온-오프시키기 위한 통상적인 온-오프 스위치를 구비할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 마운트부재(40)에 전자기기(10)가 탑재되고 연료전지 본체(20)와 마운트부재(40)가 폴딩된 상태에서, 연료전지 본체(20) 또는 마운트부재(40)는 힌지부(60)를 중심으로 회동된다. 이 경우, 연료전지 본체(20)는 마운트부재(40)에 대해 대략 45°의 회동 각도를 유지하면서 이의 양측면이 대기 중으로 노출된 상태에 있 다.
이 후, 장치(100)의 정상적인 운전이 이루어지게 되는 바, 연료 펌프(50)는 연료 탱크(30)에 저장된 연료를 배출시키고, 이 연료를 연료전지 본체(20)의 전기 발생부들(21)로 공급한다. 그러면, 전기 발생부들(21)의 애노드부(21b)는 연료를 MEA(21a)의 제1 전극층으로 분산시키게 된다.
이와 동시에, 대기 중의 공기는, 연료전지 본체(20)의 양측면이 대기 중으로 노출됨에 따라, 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 케이스부재(23)의 통기공들(23a)을 통과하여 전기 발생부들(21)로 공급된다. 그러면, 전기 발생부들(21)의 캐소드부(21c)는 공기를 MEA(21a)의 제2 전극층으로 분산시키게 된다.
따라서, 전기 발생부들(21)은 MEA(21a)의 제1 전극층에 의한 연료의 산화 반응, 및 MEA(21a)의 제2 전극층에 의한 산소의 환원 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키고, 이 전기 에너지를 전자기기(10)로 출력시키게 된다.
이로써, 전자기기(10)는 전기 에너지를 제공받아 구동되게 되는 바, 본 장치(100)의 회동 구조에 의해 스탠딩 상태를 안정되게 유지할 수 있게 된다. 즉, 전자기기(10)가 본 장치(100)에 탑재된 상태로 구동되는 바, 사용자는 전자기기(10)를 통해 편안한 자세로서 동영상 등을 시청하거나 각종 정보, 게임 등을 실행할 수 있게 된다.
한편, 이와 같은 상태에서, 연료전지 본체(20)가 힌지부(60)를 중심으로 회동되어 마운트부재(40)와 폴딩되는 경우, 본 장치(100)는 그 구동이 정지되면서 전자기기(10)의 구동을 오프시키게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지 본체의 양측면을 통해 공기를 공급하고 전자기기에 대해 연료전지 본체가 회동 가능한 접이식 구조로서 이루어지므로, 연료전지 본체의 온도 상승에 대한 안전성을 확보하고 전기 에너지의 출력을 극대화시킬 뿐더러, 전자기기의 다양한 사용 환경에 구애받지 않고 전자기기와 함께 휴대 및 사용이 편리한 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 이 전기 에너지를 소정의 전자기기로 출력시키기 위한 연료 전지 장치에 있어서,
    상기 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 가지면서 상기 전자기기에 대해 회동 가능하게 설치되는 연료전지 본체;
    상기 연료전지 본체에 연결 설치되어 상기 전자기기가 탑재되는 마운트부재; 및
    상기 연료전지 본체와 상기 전자기기가 스탠딩 상태를 유지하도록 상기 연료전지 본체와 상기 마운트부재를 힌지 결합하는 힌지부
    를 포함하는 연료 전지 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마운트부재에 설치되어 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 포함하는 연료 전지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 마운트부재는 상기 연료 탱크를 수납하기 위한 수납부를 형성하는 연료 전지 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연료 탱크는 상기 수납부에 대해 착탈 가능하게 설치되며, 연료의 충전이 가능한 카트리지 형태로서 이루어지는 연료 전지 장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 마운트부재에 설치되어 상기 연료 탱크에 저장된 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체가 평판형으로서 이루어지는 연료 전지 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체는 양측면에 복수의 통기공을 가지면서 상기 전기 발생부를 내장시키는 케이스부재를 포함하는 연료 전지 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상호 대칭하게 배치되는 적어도 한 쌍으로서 구비되는 연료 전지 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 각 전기 발생부는,
    막-전극 어셈블리와,
    상기 막-전극 어셈블리의 일측에 배치되어 상기 연료를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 애노드부와,
    상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측에 배치되어 상기 공기를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 캐소드부
    를 포함하는 연료 전지 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 캐소드부가 상기 케이스부재의 양측면에 대면하여 배치되는 연료 전지 장치.
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JP2004227139A (ja) * 2003-01-21 2004-08-12 Toshiba Corp 電子機器及びその動作制御方法
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