KR100709257B1 - Fuel supply apparatus and fuel cell system with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료전지와, 상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하며, 상기 연료 공급장치는 상기 연료를 저장하는 저장 공간을 가지면서 상기 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부가 다공성부재로서 형성되는 연료 저장용기를 구비한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention, at least one fuel cell for generating electrical energy by the reaction of fuel and oxygen, a fuel supply device for supplying the fuel to the fuel cell, and the oxygen And an oxygen supply device for supplying a fuel cell, wherein the fuel supply device includes a fuel storage container having a storage space for storing the fuel and a fuel discharge portion for discharging the fuel as a porous member.
연료전지, 연료공급장치, 산소공급장치, 연료배출부, 다공성부재 Fuel cell, fuel supply device, oxygen supply device, fuel discharge part, porous member
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 연료 공급장치의 예시적인 실시예를 나타내 보인 사시도이다.2 is a perspective view showing an exemplary embodiment of the fuel supply device shown in FIG.
도 3은 도 2의 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다.6 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료를 개질 기 또는 연료전지로 공급하는 연료 공급장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel supply device for supplying fuel to a reformer or a fuel cell.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소의 산화 반응 및, 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.As is known, a fuel cell system is configured as a power generation system that generates electric energy by oxidation reaction of hydrogen contained in hydrocarbon-based fuel and reduction reaction of oxygen.
이러한 연료 전지 시스템은 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식과, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구분될 수 있다. 여기서 고분자 전해질형 연료 전지는 연료를 개질하여 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다. 그리고 직접 산화형 연료 전지는 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.Such a fuel cell system can be broadly classified into a polymer electrolyte fuel cell method and a direct oxidation fuel cell method. Herein, the polymer electrolyte fuel cell receives hydrogen generated by reforming fuel and generates electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen. The direct oxidation fuel cell receives fuel directly and generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel and oxygen supplied separately.
고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지로 공급하는 개질기와, 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하여 구성된다.The polymer electrolyte fuel cell system includes a reformer for generating hydrogen by reforming fuel and supplying the hydrogen to the fuel cell, a fuel supply device for supplying fuel to the reformer, and an oxygen supply device for supplying oxygen to the fuel cell. It is configured to include.
직접 산화형 연료 전지 방식의 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템과 달리 개질기를 필요로 하지 않으며, 연료를 연료전지로 직접 공급하는 연료 공급장치와, 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하여 구성된다.Unlike the polymer electrolyte fuel cell system, the direct oxidation fuel cell system does not require a reformer, and includes a fuel supply unit for supplying fuel directly to the fuel cell and an oxygen supply unit for supplying oxygen to the fuel cell. It is configured to include.
여기서, 직접 산화형 연료 전지는 펌프나 팬에 의존하지 않고 연료와 산소를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 패시브형(Passive Type) 연료 전지, 및 펌프나 팬의 구동력에 의해 연료와 산소를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 액티브형 (Active Type) 연료 전지로서 구분될 수 있다.Here, the direct oxidation type fuel cell is a passive type fuel cell that generates electric energy by receiving fuel and oxygen without depending on a pump or a fan, and receives fuel and oxygen by driving power of the pump or fan. It can be classified as an active type fuel cell that generates energy.
그런데, 직접 산화형 연료 전지 방식 특히, 패시브형 연료 전지 방식으로 구성되는 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 공급장치는 소정의 연료 저장용기에 저장된 연료를 단순히 중력 작용에 의해 연료전지로 공급하는 구조를 가지는 바, 연료전지에 대한 연료의 원활한 공급이 이루어지지 않게 되어 결과적으로는 연료전지의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.By the way, in the conventional fuel cell system constituted by the direct oxidation fuel cell method, in particular the passive fuel cell method, the fuel supply device is a structure for supplying fuel stored in a predetermined fuel storage container to the fuel cell by a simple gravity action. The bar has a problem that the smooth supply of fuel to the fuel cell is not made, and as a result, the efficiency of the fuel cell is lowered.
또한, 직접 산화형 연료 전지 방식 특히, 액티브형 연료 전지 방식 및 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로 구성되는 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 공급장치는 연료를 연료전지 또는 개질기로 공급하기 위한 연료 펌프를 구비하는 바, 이 연료 펌프를 구동시키기 위한 기생전력 및 소음이 증가함에 따라 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.In addition, in a conventional fuel cell system composed of a direct oxidation fuel cell system, particularly an active fuel cell system and a polymer electrolyte fuel cell system, a fuel supply device includes a fuel pump for supplying fuel to a fuel cell or a reformer. In addition, as the parasitic power and noise for driving the fuel pump are increased, there is a problem in that performance and energy efficiency of the entire system are deteriorated.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 패시브형 연료 전지 방식의 경우 연료전지에 대한 연료의 원활한 공급을 도모하고, 액티브형 연료 전지 및 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 경우 연료 펌프의 전력 소모량 및 소음을 줄일 수 있는 연료 공급장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a smooth supply of fuel to a fuel cell in the case of a passive fuel cell method, and to consume power of a fuel pump in the case of an active fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell method. And a fuel supply device capable of reducing noise and a fuel cell system including the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급장치는, 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 또는 상기 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기로 상기 연료를 공 급하기 위한 것으로서, 상기 연료를 저장하기 위한 저장 공간을 가지면서 케이스 형태로 이루어지는 연료 저장용기를 포함하며, 상기 연료 저장용기는 상기 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부를 구비하고 상기 연료 배출부가 상기 연료를 흡수하는 다공성부재로서 구성된다.In order to achieve the above object, a fuel supply device according to an embodiment of the present invention, a fuel cell for generating electrical energy by the reaction of a fuel and oxygen, or to reform the fuel to generate a reforming gas containing hydrogen. A fuel storage container for supplying the fuel to a reformer, the fuel storage container having a storage space for storing the fuel, wherein the fuel storage container has a fuel discharge part for discharging the fuel. The fuel discharge portion is configured as a porous member for absorbing the fuel.
상기 연료 공급장치는, 상기 연료 저장용기의 일측면이 상기 연료 배출부로서 구성될 수 있다. 이 경우 상기 연료 공급장치는, 상기 연료 배출부가 상기 연료전지에 밀착되어 구성될 수 있다.In the fuel supply device, one side of the fuel storage container may be configured as the fuel discharge part. In this case, the fuel supply device may be configured such that the fuel discharge portion is in close contact with the fuel cell.
상기 연료 공급장치는, 상기 다공성부재가 세라믹, 발포성 스폰지 및 메탈 폼으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 매질로서 형성될 수 있다.The fuel supply device, the porous member may be formed as any one porous medium selected from the group consisting of a ceramic, a foam sponge and a metal foam.
상기 연료 공급장치는, 상기 연료 저장용기에 설치되어 상기 연료 배출부로부터 배출되는 상기 연료를 포집하고, 상기 연료를 상기 연료전지 또는 상기 개질기로 공급하는 포집부재를 포함할 수 있다.The fuel supply device may include a collecting member installed in the fuel storage container to collect the fuel discharged from the fuel discharge unit and supply the fuel to the fuel cell or the reformer.
상기 연료 공급장치는, 상기 연료 저장용기에 설치되어 상기 연료 배출부로부터 배출되는 상기 연료를 포집하는 포집부재와, 상기 포집부재에 연결 설치되어 상기 연료를 흡입하고 상기 연료를 상기 연료전지 또는 상기 개질기로 공급하는 연료 펌프를 포함할 수 있다.The fuel supply device may include a collecting member installed in the fuel storage container to collect the fuel discharged from the fuel discharge unit, and connected to the collecting member to suck the fuel and supply the fuel to the fuel cell or the reformer. It may include a fuel pump for supplying.
상기 연료 공급장치는, 상기 연료 저장용기가 카트리지 형태로서 이루어질 수 있다.The fuel supply device, the fuel reservoir may be in the form of a cartridge.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료전지와, 상기 연료 를 상기 연료전지로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하며, 상기 연료 공급장치는 상기 연료를 저장하는 저장 공간을 가지면서 상기 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부가 다공성부재로서 형성되는 연료 저장용기를 구비한다.In addition, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, at least one fuel cell for generating electrical energy by the reaction of fuel and oxygen, a fuel supply device for supplying the fuel to the fuel cell; And an oxygen supply device for supplying the oxygen to the fuel cell, wherein the fuel supply device includes a fuel storage container having a storage space for storing the fuel and a fuel discharge portion for discharging the fuel as a porous member. do.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 저장용기는 카트리지 형태로 이루어지며, 이의 일측면이 상기 연료 배출부로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the fuel reservoir is in the form of a cartridge, one side of which may be configured as the fuel discharge portion.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지는 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell may be configured by placing the separator in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 다공성부재와 상기 일측 세퍼레이터가 서로 밀착되어 구성될 수 있다.The fuel cell system may be configured such that the porous member and the one side separator are in close contact with each other.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 연료 저장용기에 설치되어 상기 연료 배출부로부터 배출되는 상기 연료를 포집하고, 상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 포집부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel supply device may include a collecting member installed in the fuel storage container to collect the fuel discharged from the fuel discharge unit and supply the fuel to the fuel cell.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 연료 저장용기에 설치되어 상기 연료 배출부로부터 배출되는 상기 연료를 포집하는 포집부재와, 상기 포집부재와 상기 연료전지 사이에 배치되어 상기 연료를 흡입하고 상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 연료 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel supply device is installed in the fuel storage container and the collecting member for collecting the fuel discharged from the fuel discharge portion, disposed between the collecting member and the fuel cell to suck the fuel And it may include a fuel pump for supplying the fuel to the fuel cell.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급장치는 다수의 통기공을 가지는 상기 다른 일측 세퍼레이터로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the oxygen supply device may be configured as the other side separator having a plurality of vent holes.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급장치는 다수의 통기공을 가 지는 상기 다른 일측 세퍼레이터로서 구성되며, 상기 다른 일측 세퍼레이터로 공기를 송풍하는 팬을 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the oxygen supply device is configured as the other side separator having a plurality of vent holes, and may include a fan for blowing air to the other side separator.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지가 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system according to the present embodiment configured as described above, the fuel cell may be configured as a direct oxidation fuel cell.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 연료전지와, 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 상기 개질 가스를 상기 연료전지로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하며, 상기 연료 공급장치는 상기 연료를 저장하는 저장 공간을 가진 카트리지 형태로 이루어지며 상기 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부가 다공성부재로서 형성되는 연료 저장용기를 구비한다.In addition, the fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention, at least one fuel cell for generating electrical energy by the reaction of hydrogen and oxygen, and reforming the fuel to generate the reformed gas containing hydrogen And a reformer for supplying the reformed gas to the fuel cell, a fuel supply device for supplying the fuel to the reformer, and an oxygen supply device for supplying the oxygen to the fuel cell. Comprising a cartridge having a storage space for storing the fuel discharge portion for discharging the fuel is provided with a fuel container formed as a porous member.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 연료 저장용기의 일측면이 상기 연료 배출부로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system, one side of the fuel storage container may be configured as the fuel discharge unit.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 연료 저장용기에 설치되어 상기 연료 배출부로부터 배출되는 상기 연료를 포집하는 포집부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel supply device may include a collecting member installed in the fuel storage container to collect the fuel discharged from the fuel discharge unit.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 포집부재와 상기 개질기 사이에 배치되어 상기 연료를 흡입하고, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel supply device may include a fuel pump disposed between the collecting member and the reformer to suck the fuel and supply the fuel to the reformer.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치하여 상기 연료전지의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.The fuel cell system may include a plurality of the fuel cells, and may be continuously arranged to form a stack having an aggregate structure of the fuel cells.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급장치는 공기를 흡입하고, 상기 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.The fuel cell system may include an air pump that sucks air and supplies the air to the stack.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell)로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system according to the present embodiment configured as described above, the fuel cell may be configured as a polymer electrolyte fuel cell.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료와 산소를 이용하여 노트북 PC, PDA, 이동통신 단말기기 등과 같은 휴대용 전자기기 등에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.Referring to the
더욱 구체적으로, 본 시스템(100)은 메탄올과 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 액체 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 제공되는 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다. 특히, 본 시스템(100)은 직접 산화형 연료 전지의 구성별 종류에 따라, 펌프나 팬에 의존하지 않고 연료와 산소를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 패시브형(passive type) 연료 전지 방식으로서 구성될 수 있다.More specifically, the
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 언급한 바 있는 직접 산화형 연료전지(10)와, 이 연료전지(10)로 연료를 공급하는 연료 공급장치(30)와, 연료전지(10)로 산소를 공급하는 산소 공급장치(50)를 포함하여 구성된다.The
이 연료전지(10)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(16a, 16b)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.The
막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분을 생성하는 기능을 하게 된다.The membrane-
세퍼레이터(16a, 16b)는 막-전극 어셈블리(12)로 연료와 산소를 분산 공급하는 기능 외에, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.The
본 실시예에서, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극에 밀착되는 세퍼레이터(16a)(이하에서는 "제1 세퍼레이터"라고 한다)는 연료 공급장치(30)로부터 공급되는 연료를 애노드 전극으로 분산시키기 위한 것으로서, 다수의 구멍(16c)을 형성하고 있는 플레이트 타입으로 이루어진다. 그리고 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극에 밀착되는 세퍼레이터(16b)(이하에서 "제2 세퍼레이터"라고 한다)는 산소를 캐소드 전극으로 분산시키기 위한 것으로서, 다수의 통기공(16d)을 형성하고 있는 플레이트 타입으로 이루어진다.In this embodiment, the
이러한 연료전지(10)의 구성은 통상적인 직접 산화형 연료 전지 특히, 패시브형 연료전지의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.Since the configuration of the
본 실시예에서는 도면에 도시한 바와 같이, 단일의 연료전지(10)를 구비하여 이 연료전지(10)에 의한 연료, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키는 시스템을 구성할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 복수의 연료전지(10)를 구비하고 이들을 전기적으로 연결함으로써 이들 연료전지(10)에 의한 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 시스템을 구성할 수도 있다.In the present embodiment, as shown in the figure, a system having a
본 실시예에서, 연료 공급장치(30)는 연료전지(10)에 밀착되게 배치되어, 종래와 같은 펌프의 구동력에 의존하지 않고 무부하 상태에서 연료를 연료전지(10)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다. 이러한 연료 공급장치(30)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.In this embodiment, the
그리고 연료전지(10)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급장치(50)는 연료전지(10)가 패시브형(Passive Type)으로 구성되는 바, 다수의 통기공(16d)을 형성하고 있는 제2 세퍼레이터(16b) 자체로서 구비되며, 공기의 자연 대류작용을 이용하여 공기를 제2 세퍼레이터(16b)의 통기공(16d)을 통해 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 분산 공급하는 기능을 하게 된다.In addition, the
도 2는 도 1에 도시한 연료 공급장치의 예시적인 실시예를 나타내 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면 구성도이다.2 is a perspective view illustrating an exemplary embodiment of the fuel supply device illustrated in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 2.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료 공급장치(30)는 소정 용량의 연료를 저장하고, 무부하 상태에서 모세관 작용에 의해 연료를 배출시킬 수 있는 구조로 이루어진다.Referring to the drawings, the
이러한 연료 공급장치(30)는 연료를 저장하기 위한 저장 공간(31a)을 가지면서 케이스 형태로 이루어지는 연료 저장용기(31)가 제공되는 바, 이 연료 저장용기(31)는 저장 공간(31a)에 저장된 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부(31b)를 형성하고 있다. 바람직하게, 연료 저장용기(31)는 연료 전지 시스템(100: 도 1)의 외관을 구성하는 전지 케이스(도시하지 않음)에 대해 착탈 가능한 통상적인 카트리지 형태로서 구비된다.The
구체적으로, 본 실시예에 의한 연료 저장용기(31)는 연료전지(10)의 제1 세퍼레이터(16a)에 밀착되는 육면체 형상의 케이스 형태로 이루어진다. 이러한 연료 저장용기(31)는 어느 하나의 면체가 언급한 바 있는 연료 배출부(31b)로서 구성되고, 이 면체를 제외한 나머지 면체들이 케이스부재(32)로서 구성됨에 따라 상기한 저장 공간(31a)을 형성할 수 있다. 여기서, 케이스부재(32)는 육면체 중에서 한 쪽 면이 개방된 상자형으로서 형성되고 있다.Specifically, the
본 실시예에서, 연료 저장용기(31)의 일측면에 해당하는 연료 배출부(31b)는 연료 저장용기(31)의 저장 공간(31a)에 수용된 연료를 흡수하고, 모세관 작용에 의해 이 연료를 배출시키는 다공성부재(33)로서 구성된다. 이 때, 다공성부재(33)는 케이스부재(32)의 개방단에 결합되어 도 1에 도시한 연료전지(10)의 제1 세퍼레이터(16a)에 밀착되게 된다.In this embodiment, the
이러한 다공성부재(33)는 연료 저장용기(31)의 저장 공간(31a)에 저장된 액상의 연료를 모세관 작용에 의해 용이하게 흡수할 수 있는 통상적인 다공성 매질 예컨대, 다수의 기공을 갖는 세라믹, 석회석, 활성탄, 발포성 스폰지 또는 메탈 폼으로 이루어진다. 바람직하게, 본 실시예에 의한 다공성부재(33)는 통상적인 소결 합금 소재로 이루어지는 메탈 폼으로서 형성될 수 있다.The
따라서, 다공성부재(33)가 케이스부재(32)의 개방단에 결합되어 연료 배출부(31b)로서 구성됨에 따라, 연료를 저장할 수 있는 소정 용적의 저장 공간(31a)을 가지면서 이 저장 공간(31a)에 수용된 연료가 다공성부재(33)의 모세관 작용에 의해 배출될 수 있는 본 실시예에 의한 연료 저장용기(31)를 형성할 수 있다.Thus, as the
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 연료 저장용기(31)의 다공성부재(33)는 연료전지(10)의 제1 세퍼레이터(16a)에 밀착되게 배치되고, 연료전지(10)는 연료 저장용기(31)의 아래 쪽에 위치하는 상태에 있다.According to the
이 상태에서, 연료 저장용기(31)의 저장 공간(31a)에 저장된 연료는 다공성부재(33)의 모세관 작용에 의해 연료 배출부(31b)를 통해 배출되게 되고, 제1 세퍼레이터(16a)의 구멍(16c)들을 통해 막-전극 어셈블리(12)로 분산 공급되게 된다. 이 때 다공성부재(33)를 통해 배출되는 연료는, 연료전지(10)가 연료 저장용기(31)의 아래 쪽에 위치하고 있기 때문에, 중력 작용에 의해 제1 세퍼레이터(16a)의 구멍(16c)들로 용이하게 유동될 수 있다.In this state, the fuel stored in the
이러는 과정을 거치는 동안, 대기 중의 공기는 자연 대류 작용에 의해 제2 세퍼레이터(16b)의 통기공(16d)을 통해 막-전극 어셈블리(12)로 분산 공급되게 된다.During this process, air in the atmosphere is distributed and supplied to the membrane-
따라서, 연료전지(10)는 연료 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.Therefore, the
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 연료 저장용기(131)로부터 배출되는 연료를 포집하고, 이 연료를 연료전지(110)로 공급할 수 있는 연료 공급장치(130)를 구성할 수 있다.Referring to the drawings, the
이러한 연료 공급장치(130)는 전기 실시예에서와 같은 연료 저장용기(131)를 가지면서 이 연료 저장용기(131)의 연료 배출부(131b)에 연결되게 설치되는 포집부재(135)를 구비하고 있다. 이 포집부재(135)는 다공성부재(133)를 통해 배출되는 연료를 포집하고, 이 연료를 연료전지(110)로 공급하는 기능을 하게 된다.The
구체적으로, 포집부재(135)는 연료 저장용기(131)의 케이스부재(132)에 연결되게 설치되는 바, 바람직하게는 다공성부재(133)가 설치된 케이스부재(132)의 개방단 가장자리 부분에 연결된다.Specifically, the collecting
이러한 포집부재(135)는 케이스부재(132)에 상응하는 형태의 몸체(135a)를 구비하는 바, 이 몸체(135a)는 다공성부재(133)와 평행하게 배치되는 포집면을 형성하고 있다. 그리고 포집면에는 이 몸체(135a)에 포집된 연료를 배출시키기 위한 적어도 하나의 배출 구멍(135b)을 형성하고 있다. 이 때 배출 구멍(135b)은 몸체(135a)의 대략 중앙 부분에 형성되며, 몸체(135a)의 가장자리 부분에 형성될 수도 있다. 그리고 이 배출 구멍(135b)과 연료전지(110)는 통상적인 파이프 라인에 의해 연결될 수 있다.The collecting
대안으로서, 본 발명에 의한 포집부재(135)는 이와 같은 형태에 한정되지 않고, 다공성부재(133)로부터 멀어질수록 단면적이 점차 작아지는 깔때기 형태 등 다양한 형태로서 변형될 수도 있다.As an alternative, the collecting
본 실시예에서, 연료전지(110)는 전기 실시예에서와 같이, 막-전극 어셈블리(112)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 제1 세퍼레이터(116a), 및 제2 세퍼레이터(116b)로서 구성될 수 있다.In this embodiment, the
여기서, 제1 세퍼레이터(116a)는 연료의 흐름을 가능케 하는 채널(116c)을 가진 통상적인 세퍼레이터로서 구성되며, 파이프 라인에 의해 포집부재(135)의 배출 구멍(135b)과 연결되고, 채널 형성면이 막-전극 어셈블리(112)에 밀착되게 배치된다. 그리고 제2 세퍼레이터(116b)는 전기 실시예에서와 같은 구조로 이루어진다.Here, the
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)에 의하면, 포집부재(135)의 배출 구멍(135b)과 제1 세퍼레이터(116a)의 채널(116c)은 파이프 라인에 의해 연결되고, 연료전지(110)는 포집부재(135)의 아래 쪽에 위치하는 상태에 있다.According to the
이 상태에서, 연료 저장용기(131)의 저장 공간(131a)에 저장된 연료는 다공성부재(133)의 모세관 작용에 의해 연료 배출부(131b)를 통해 배출되고, 포집부재(135)의 몸체(135a)에 포집되게 된다. 그리고 상기한 연료는 포집부재(135)의 배출 구멍(135b)을 통해 배출되면서 제1 세퍼레이터(116a)의 채널(116c)을 통해 막-전극 어셈블리(112)로 분산 공급되게 된다. 이 때 포집부재(135)의 배출 구멍(135b)을 통해 배출되는 연료는, 연료전지(110)가 포집부재(135)의 아래 쪽에 위치하고 있기 때문에, 중력 작용에 의해 제1 세퍼레이터(116a)의 채널(116c)로 용이하게 유동될 수 있다.In this state, the fuel stored in the
이러는 과정을 거치는 동안, 대기 중의 공기는 자연 대류 작용에 의해 제2 세퍼레이터(116b)의 통기공(116d)을 통해 막-전극 어셈블리(112)로 분산 공급되게 된다.During this process, air in the atmosphere is distributed and supplied to the membrane-
따라서, 연료전지(110)는 연료 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.Therefore, the
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(300)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 포집부재(235)와 연료전지(210) 사이에 연료 펌프(237)가 배치되는 연료 공급장치(230)를 구성할 수 있다.Referring to the drawings, the
이러한 연료 전지 시스템(300)은 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell) 방식 특히, 펌프, 및 팬의 구동력에 의해 연료와 산소를 연료전지(210)로 공급하여 이 연료, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 액티브형(Active Type) 연료 전지 방식으로서 구성될 수 있다.The
본 실시예에서, 연료 펌프(237)는 포집부재(235)의 배출 구멍(235b)과 연료전지(210)의 제1 세퍼레이터(216a)를 연결하는 파이프 라인 상에 설치되는 바, 연료 저장용기(231)에 저장된 연료를 소정 펌핑 압력으로 흡입하고, 이 연료를 제1 세퍼레이터(216a)로 공급하는 기능을 하게 된다.In the present embodiment, the
이와 같은 연료 전지 시스템(300)은 전기 실시예에서와 같은 구조의 연료전지(210)를 구비하는 바, 제2 세퍼레이터(216b)의 통기공(216d)으로 공기를 공급하는 산소 공급장치(250)를 더욱 포함한다.The
이 산소 공급장치(250)는 연료전지(210)를 감싸는 하우징(211)에 설치되어 공기를 제2 세퍼레이터(216b)의 통기공(216d)으로 공급하는 팬(251)을 구비하고 있다.The
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(300)에 의하면, 연료 저장용기(231)의 저장 공간(231a)에 저장된 연료는 다공성부재(233)에 흡수된 상태에 있다.According to the
이 상태에서, 연료 펌프(237)는 소정 펌핑 압력에 의해 다공성부재(233)에 흡수된 연료를 흡입하게 된다. 이 때, 연료는 다공성부재(233)를 통해 배출되면서 포집부재(235)의 몸체(235a)에 포집되고, 이 포집부재(235)의 배출 구멍(235b)를 통해 배출되면서 연료전지(210)의 제1 세퍼레이터(216a)로 공급된다.In this state, the
따라서 상기한 연료는 제1 세퍼레이터(216a)의 채널(216c)을 따라 유동하면서 막-전극 어셈블리(212)로 분산 공급되게 된다.Therefore, the fuel flows along the
이와 동시에, 팬(251)은 대기 중의 공기를 흡입하고, 이 공기를 제2 세퍼레이터(216b)의 통기공(216d)으로 분사한다. 그러면, 공기는 제2 세퍼레이터(216b)의 통기공(216d)를 통해 막-전극 어셈블리(212)로 분산 공급된다.At the same time, the
이로써, 연료전지(210)는 연료 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.As a result, the
이와 같은 연료 전지 시스템(300)은 연료 저장용기(231)의 다공성부재(233)에 연료가 흡수된 상태에서 연료 펌프(237)의 펌핑 압력에 의해 다공성부재(233)의 기공을 통해 배출됨에 따라, 종래의 액티브형(Active Type) 연료 전지 방식의 시스템과 달리, 연료 펌프(237)의 펌핑 용량을 줄일 수 있다.The
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다.6 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(400)은, 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지(310)로 공급하여 이 연료전지(310)에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방 식으로서 구성된다.Referring to the drawings, the
이와 같은 연료 전지 시스템(400)은, 언급한 바 있는 고분자 전해질형 연료 전지(310)와, 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지(310)로 공급하는 개질기(320)와, 개질기(320)로 연료를 공급하는 연료 공급장치(330)와, 연료전지(310)로 산소를 공급하는 산소 공급장치(350)를 포함하여 구성된다.The
본 실시예에서, 연료전지(310)는 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 셀(cell)로서 구성되는 바, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(312)를 중심에 두고 이의 일측면에 제1 세퍼레이터(316a)를 밀착되게 배치하고, 막-전극 어셈블리(312)의 다른 일측면에 제2 세퍼레이터(316b)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.In this embodiment, the
여기서, 제1,2 세퍼레이터(316a, 316b)는 개질 가스, 및 산소의 흐름을 가능케 하는 이동 채널(도면에 도시하지 않음)을 가지면서 이 채널을 통해 개질 가스, 및 산소를 막-전극 어셈블리(312)로 공급하는 기능을 하게 된다.Here, the first and
따라서, 본 실시예에서는 이와 같은 연료전지(310)를 복수로 구비하고, 이들 연료전지(310)를 연속적으로 적층함으로써 연료전지(310)의 집합체 구조에 의한 스택(311)을 형성할 수 있다. 이러한 스택(311)은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 스택 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.Therefore, in the present embodiment, a plurality of
본 발명에 적용되는 개질기(320)는 열 에너지에 의한 연료의 개질 반응 예컨 대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지(310)의 제1 세퍼레이터(316a)로 공급하는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다. 이 때 개질기(320)와 스택(311)은 통상적인 파이프 라인에 의해 연결 설치될 수 있다.The
본 실시예에서, 연료 공급장치(330)는 전기 제3 실시예에서와 같이 연료 저장용기(331), 및 포집부재(335)를 포함하는 바, 포집부재(335)와 개질기(320)가 통상적인 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 이 파이프 라인 상에 연료 펌프(337)를 설치하여 구성될 수 있다. 이러한 연료 공급장치(330)의 나머지 구성은 전기 제3 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In this embodiment, the
본 실시예에서, 연료전지(310)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급원(350)은 소정 펌핑 압력에 의해 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지(310)의 제2 세퍼레이터(316b)로 공급하는 공기 펌프(351)를 포함한다. 이 때, 공기 펌프(351)와 스택(311)은 통상적인 파이프 라인에 의해 연결 설치될 수 있다.In this embodiment, the
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(400)에 의하면, 연료 저장용기(331)의 저장 공간(331a)에 저장된 연료는 다공성부재(333)에 흡수된 상태에 있다.According to the
이 상태에서, 연료 펌프(337)는 소정 펌핑 압력에 의해 다공성부재(333)에 흡수된 연료를 흡입하게 된다. 이 때, 연료는 다공성부재(333)를 통해 배출되면서 포집부재(335)의 몸체(335a)에 포집되고, 이 몸체(335a)의 배출 구멍(335b)를 통해 배출되면서 개질기(320)로 공급된다. 따라서 개질기(320)는 연료의 개질 반응을 통 해 이 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지(310)의 제1 세퍼레이터(316a)로 공급하게 된다.In this state, the
이와 동시에, 공기 펌프(351)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지(310)의 제2 세퍼레이터(316b)로 공급한다.At the same time, the
이로써, 연료전지(310)는 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.As a result, the
이와 같은 연료 전지 시스템(400)은 연료 저장용기(331)의 다공성부재(333)에 연료가 흡수된 상태에서 연료 펌프(337)의 펌핑 압력에 의해 다공성부재(333)의 기공을 통해 배출됨에 따라, 종래의 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템과 달리, 연료 펌프(337)의 펌핑 용량을 줄일 수 있게 된다.The
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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 패시브형 연료전지 방식의 시스템인 경우 모세관 작용에 의해 연료를 연료전지로 원활하게 공급할 수 있는 연료 공급장치를 구비함에 따라, 연료전지의 효율 및 전체 시스템의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the present invention as described above, in the case of the passive fuel cell system, the fuel supply device capable of smoothly supplying fuel to the fuel cell by capillary action is provided, thereby improving the efficiency of the fuel cell and the performance of the entire system. It can be further improved.
또한, 액티브형 연료 전지 및 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템인 경우, 연료 펌프의 용량을 줄일 수 있는 연료 공급장치를 구비함에 따라, 전체 시스템의 구동에 소모되는 기생전력 및 소음을 줄여 시스템의 성능 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, in the case of an active fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell type system, a fuel supply device capable of reducing the capacity of the fuel pump is provided, thereby reducing the parasitic power and noise consumed to drive the entire system, thereby reducing the performance of the system. And energy efficiency.
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KR20040074111A (en) * | 2002-02-14 | 2004-08-21 | 히다치 막셀 가부시키가이샤 | Liquid fuel cell |
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