KR100709246B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 충,방전이 가능한 배터리를 내장하고 이 배터리와 전기적으로 연결되는 배터리 접속단자를 가진 전자기기에 대하여 상기 배터리와 전기적인 접속이 가능한 연료 전지 시스템에 관한 것으로서,

연료와 산화제 가스의 반응에 의해 상기 전기 에너지를 발생시키는 연료전지유닛과, 상기 연료전지유닛과 전기적으로 연결 설치되어 상기 배터리 접속단자와 실질적으로 접속하는 컨넥터를 포함하며,

상기 배터리 접속단자에 대한 상기 컨넥터의 접속을 통해 상기 연료전지유닛으로부터 발생되는 상기 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 구조로 되어 있다.

연료전지, 연료전지유닛, 스택, 배터리, 2차전지, 충전, 전자기기, 배터리접속단자, 컨넥터

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전자기기 연결 구조를 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2의 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전자기기 연결 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기기의 외부에 장착되는 연료 전지 시스템의 연결 구조에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지에 있어 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지는 바, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

상기와 같은 PEMFC 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 다수의 단위 셀로 이루어진 전기 발생 집합체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 본 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기한 수소 가스를 스택으로 공급하고, 별도의 펌프 등을 통해 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

한편, PEMFC와 다른 방식의 연료 전지 시스템은 연료를 직접 스택으로 공급하여 이 연료에 함유된 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 시스템과 달리, 개질기를 필요로 하지 않으며, 펌프나 팬 등의 구동에 의하여 연료와 공기를 스택으로 공급하지 않고 자연 대류 작용이나 모세관 작용 등에 의하여 연료와 공기 를 스택으로 공급할 수도 있다.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템은 노트북 PC, PDA 또는 이동통신 단말기와 같은 전자기기의 외부에 장착되는 경우, 별도의 연결수단을 통해 전자기기와 전기신호의 인터페이스(interface)를 구성하게 된다.

한편, 상기한 전자기기를 휴대하여 사용하는 경우, 전자기기에 장착된 배터리를 통해 전원을 인가받아 사용하게 된다. 그러나 배터리의 전원이 방전된 경우, 배터리에 외부 전원을 충전해야 하는 바, 부득이하게 충전을 하지 못하는 상황이 발생할 수도 있다.

이에, 언급한 바와 같은 종래의 연료 전지 시스템을 상기한 연결수단을 통해 전자기기에 장착하여 연료 전지 시스템의 스택으로부터 발생되는 전기 에너지를 배터리와는 별도로 전자기기에 제공할 수 있다. 그러나 이러한 경우, 전자기기에 대한 연료 전지 시스템의 장착 구조가 복잡해지고, 시스템과 전자기기의 인터페이스를 구현하기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전자기기에 장착되는 배터리에 전기 에너지를 충전시킬 수 있는 구조의 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 충,방전이 가능한 배터리를 내장하고 이 배터리와 전기적으로 연결되는 배터리 접속단자를 가진 전자기기에 대하여 상기 배터리와 전기적인 접속이 가능한 연료 전지 시스템에 관한 것으로서,

연료와 산화제 가스의 반응에 의해 상기 전기 에너지를 발생시키는 연료전지유닛과, 상기 연료전지유닛과 전기적으로 연결 설치되어 상기 배터리 접속단자와 실질적으로 접속하는 컨넥터를 포함하며,

상기 배터리 접속단자에 대한 상기 컨넥터의 접속을 통해 상기 연료전지유닛으로부터 발생되는 상기 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 구조로 되어 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 컨넥터가 상기 배터리 접속단자와 암수 결합하는 접속단자 형태로 이루어짐이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지유닛은 케이스 형태로서 외관을 형성하는 패키지부를 포함하며, 상기 컨넥터가 상기 패키지부에 설치되어 상기 배터리 접속단자와 상기 연료전지유닛을 전기적으로 연결하는 구조로 되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지유닛은 케이스 형태로서 외관을 형성하는 패키지부를 포함하며, 상기 컨넥터는 상기 패키지부를 관통하여 인출되는 케이블에 설치되어 상기 배터리 접속단자와 상기 연료전지유닛을 전기적으로 연결하는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지유닛은 상기 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료가 수소 가스이거나 액상의 연료인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 공기를 통해 상기 산화제 가스를 얻도록 되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지유닛이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)로 구성될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구성될 수도 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 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 노트북 PC, PDA, 이동통신 단말기기 등과 같은 휴대용 전자기기의 외부에 장착되어 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 상기 전자기기에 전기 에너지를 제공하는 외부 독립형 연료 전지로서 구성된다.

본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키 는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.

대안으로서, 본 시스템(100)은 상기한 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 방식으로 구성될 수도 있다. 특히, 상기한 직접 메탄올형 연료 전지는 펌프나 팬에 의하여 연료와 산화제 가스를 공급받아 상기한 전기 에너지를 발생시키는 액티브형(Active Type) 연료 전지 또는 대류 작용이나 모세관 작용 등에 의하여 연료와 산화제 가스를 공급받아 상기 전기 에너지를 발생시키는 패시브형(Passive Type) 연료 전지로 구성될 수 있다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.

그리고 본 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지유닛(110)을 구비하는 바, 이 연료전지유닛(110)은 기본적으로 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 이 스택(10)을 내장시키는 패키지부(40)를 포함한다.

상기 스택(10)은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치하여 이들 전기 발생부(11)들의 집합체 구조로 이루어지는 바, 이러한 전기 발생부(11)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(13)를 밀착 배치하여 구성된다. 이 때 상기 일측 세퍼레이터(13)는 수소 가스 또는 연료를 막-전극 어셈블리(12)로 공급하는 기능을 하게 되며, 상기 다른 일측 세퍼레이터(13)는 공기를 막-전극 어셈블리(12)로 공급하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 MEA(12)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 전해질막(Membrane)이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 수소 가스 또는 연료 중에 함유된 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소를 환원 반응시켜 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.

한편, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 상기한 스택(10)이 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 경우, 도면에 가상선으로 도시한 바와 같이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(20)과, 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 공기 공급원(30)을 포함할 수 있다.

이 연료 공급원(20)은 연료를 저장하는 연료 탱크(21)와, 상기 연료 탱크(21)에 연결 설치되어 연료를 배출시키는 연료 펌프(23)와, 상기 연료 탱크(21)와 스택(10) 사이에 배치되어 연료 탱크(23)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(25)를 포함한다. 이러한 연료 공급원(20)에 있어 상기 개질기(25)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 그리고 상기 개질기(25)는 예컨대 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다.

그리고 공기 공급원(30)은 도면에 가상선으로 도시한 바와 같이, 공기를 흡입하고 이 공기를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(31)를 포함한다.

다른 한편으로, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 상기한 스택(10)이 직접 메탄올형 연료 전지 특히, 액티브형(Active Type) 연료 전지로 구성되는 경우, 전술한 바와 같은 연료 공급원(20)에 있어 개질기(25)를 제외한 연료 탱크(21) 및 연료 펌프(23)를 구비하고, 전술한 바와 같은 공기 공급원(30)을 구비할 수 있다. 그리고 상기한 스택(10)이 패시브형(Passive Type) 연료 전지로 구성되는 경우, 상기 연료 공급원(20)과 공기 공급원(30)은 필요로 하지 않으며, 대류 작용이나 모세관 작용 등에 의하여 연료와 공기를 공급받아 연료 중에 함유된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이상에서와 같은 스택(10) 및/또는 연료 공급원(20), 공기 공급원(30)을 내장시키는 패키지부(40)는 하우징 형태로서 구비되며, 바람직하게는 육면체 형상으로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전자기기 연결 구조를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 구조를 개략적으로 도시한 블록도로서, 상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)에, 본 발명에 따른 컨넥터(60)가 제공되는 바, 이 컨넥터(60)는 전자기기(90)의 배터리 접속단자(91)를 통해 연료전지유닛(110)의 스택(10)과 상기 전자기기(90)에 장착되는 배터리(99)를 전기적으로 연결시키는 기능을 하게 된다.

여기서 상기 배터리(99)는 전자기기(90)의 본체(92) 내부 또는 외부 바람직하게는 상기 본체(92)의 내부에 장착되는 바, 전원의 충,방전이 가능한 통상적인 2차 전지로서, 전자기기(90)를 실질적으로 구동시키는 구동 회로부(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 상기 전자기기(90)의 휴대시 이 전자기기(90)의 구동 회로부로 전원을 인가하여 전자기기(90)를 구동시킨다. 그리고 상기 배터리 접속단자(91)는 전자기기(90)의 본체(92)에 단자핀 형태로 구비되어 언급한 바 있는 배터리(99)와 전기적으로 연결 설치된다.

본 실시예에 따르면, 상기한 컨넥터(60)는 패키지부(40)에 설치되어 전자기기(90)의 배터리 접속단자(91)와 전기적으로 접속하는 접속단자로서 구성된다. 이러한 컨넥터(60)는 패키지부(40)를 관통하여 이 패키지부(40)의 내부에서 표면 외측으로 돌출된 구조로 이루어지는 바, 연료전지유닛(110)의 스택(10)과 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 접속단자(91)와 암수식으로 접속되는 형태를 취하고 있다.

따라서, 노트북 PC와 같은 전자기기(90)를 휴대하여 사용하는 경우, 상기한 배터리(99)는 전자기기(90)의 구동 회로부로 전원을 인가하여 전자기기(90)를 구동시킨다.

한편, 전자기기(90)를 사용하는 도중 배터리(99)의 전원이 방전된 경우, 본 실시예에 의한 컨넥터(60)를 전자기기(90)의 배터리 접속단자(91)에 접속시킨다. 그러면 연료전지유닛(110)의 스택(10)과 배터리 접속단자(91)는 컨넥터(60)를 통해 전기적으로 연결된 상태에 있다.

이러한 상태에서 연료전지유닛(110)을 가동시키게 되면, 연료전지유닛(110)의 스택(10)은 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 바, 스택(10)과 전자기기(90)의 배터리 접속단자(91)가 컨넥터(60)를 통해 전기적으로 연결되고 있기 때문에, 상기한 전기 에너지를 컨넥터(60)와 배터리 접속단자(91)를 통해 배터리(99)에 충전시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전자기기 연결 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 컨넥터(60A)가 케이블(65)을 통해 연료전지유닛(110: 도 1)의 스택(10: 도 1)과 전기적으로 연결되며, 이 컨넥터(60A)가 전자기기(90)의 배터리 접속단자(91)에 전기적으로 접속되는 구조로 이루어진다.

상기에서, 케이블(65)은 일측 단부가 상기 스택(10: 도 1)과 전기적으로 연 결된 상태에서 패키지부(40)를 관통하여 이 패키지부(40)의 내부에서 외부로 인출되며, 다른 일측 단부에는 상기한 컨넥터(60A)를 설치하고 있다.

본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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, 전자기기에 장착된 배터리의 전원이 방전된 경우, 전자기기의 배터리 접속단자에 컨넥터를 접속시켜 스택으로부터 발생되는 전기 에너지를 배터리에 충전시킬 수 있다. 따라서 종래와 달리, 시스템과 전자기기의 인터페이스를 별도로 구성하지 않아도 되므로 전체 시스템의 구조를 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 충,방전이 가능한 배터리를 내장하고 이 배터리와 전기적으로 연결되는 배터리 접속단자를 가진 전자기기에 대하여 상기 배터리와 전기적인 접속이 가능한 연료 전지 시스템에 관한 것으로서,

   연료와 산화제 가스의 반응에 의해 상기 전기 에너지를 발생시키는 연료전지유닛; 및

   상기 연료전지유닛과 전기적으로 연결 설치되어 상기 배터리 접속단자와 접속하는 컨넥터

   를 포함하며,

   상기 배터리 접속단자에 대한 상기 컨넥터의 접속을 통해 상기 연료전지유닛으로부터 발생되는 상기 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 구조의 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 컨넥터가 상기 배터리 접속단자와 암수 결합하는 접속단자 형태로 이루어지는 연료 전지 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연료전지유닛은 케이스 형태로서 외관을 형성하는 패키지부를 포함하 며,

   상기 컨넥터가 상기 패키지부에 설치되어 상기 배터리 접속단자와 상기 연료전지유닛을 전기적으로 연결하는 연료 전지 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연료전지유닛은 케이스 형태로서 외관을 형성하는 패키지부를 포함하며,

   상기 컨넥터는, 상기 패키지부를 관통하여 인출되는 케이블에 설치되어 상기 배터리 접속단자와 상기 연료전지유닛을 전기적으로 연결하는 연료 전지 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료전지유닛은 상기 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료가 수소 가스인 연료 전지 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료가 액상의 연료인 연료 전지 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   공기를 통해 상기 산화제 가스를 얻도록 된 연료 전지 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료전지유닛이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)로 구성되는 연료 전지 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 연료전지유닛이 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구성되는 연료 전지 시스템.

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