KR100714009B1 - 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지에 사용되는 펌프가 방음 및 방진이 가능한 재질로 몰딩되어 환포되는 방음 및 방진구조를 이룬다.

이러한 방음 및 방진구조가 연료탱크의 수소를 함유한 연료가 연료펌프에 의해 공급되는 연료공급부와, 산소 및 공기를 포함하는 산화제가 산화제펌프에 의해 공급되는 산화제공급부와,상기 연료공급부와 공기공급에서 각각 연료와 산소 및 공기가 포함된 산화제를 공급받아 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 유도하여 전기를 발생시키도록 이루어진 스택이 포함되어 이루어지는 연료전지 시스템에 채용된 것이다.

이로 인해, 펌프의 작동으로 발생되는 펌프의 소음 및 진동이 현격히 저하될 수 있다.

연료전지, 공기펌프, 연료펌프, 소음, 진동, 방음, 방진

Description

연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템{Pump structure capable of soundproof and vibrationproof for fuel cell, and fuel cell system having thereof}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이고,

도 2는 도 1에 도시된 방음방진 펌프 구조체가 개략적으로 도시된 구성도이며,

도 3은 도 2에 도시된 방음방진 펌프 구조체의 사용 상태도이고,

도 4는 도 2에 도시된 방음방진 펌프 구조체의 변형 예가 개략적으로 도시된 사시도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방음방진 펌프 구조체를 구비한 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100...연료탱크 400...스택,

300...제1펌프 400...제2펌프(펌프),

430...고정판 440...밴딩체결부재,

500..하우징 510...환포부,

520...체결부.

본 발명은 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화제 또는 연료를 스택에 공급하기 위한 펌프가 내재되어 펌프에서 발생된 소음 및 진동이 감소되도록 이루어진 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등이 포함된 탄화수소 계열의 물질에 함유되어 있는 수소 및 공기 중의 산소를 연료로 발생하는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 시스템이다.

이러한 연료전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 인위적으로 발생되도록 하여 전기 및 그 부산물인 열을 생성할 수 있다.

또한, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 150∼400℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다.

이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 연료의 종류와 운전 온도, 촉매 및 전해질에 의해 구분된다.

상기 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell)는 근래에 개발되고 있고, 이 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성이 있으며, 메탄올과 에탄올 및 천연가스 등을 개질하여 생성된 수소를 사용하므로 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택과 같은 분산형 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다.

상기와 같은 전해질형 연료전지는 스택(stack, 연료전지 본체라고도 함)과 연료탱크 및 이 연료탱크로부터 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료펌프 및 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 공급하기 위한 공기펌프 등이 기본적으로 요구되고, 특히 연료탱크에 저장된 연료가 스택으로 공급되는 과정에서 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이 수소가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 포함된다.

따라서, 고분자 전해질형 연료전지는 연료펌프의 펌핑력에 의해 연료탱크에 저장된 연료가 개질기로 공급되고, 이 개질기가 연료를 개질하여 수소가스를 발생시켜 스택으로 공급하게 되며, 이 수소가스 및 공기펌프에 의한 산소 또는 공기를 동시에 공급받는 스택에서 수소가스와 산소의 전기 화학적 반응이 발생되면서 전기에너지가 생산되도록 구성된다.

또한, 상기 스택은 전극-전해질 조립체(MEA:Membrane Electrode Assembly)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 하나 이상이 적층된 구조이다.

상기 전극-전해질 조립체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조이다.

상기 바이폴라 플레이트는 연료전지의 반응에 필요한 수소가스와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행하게 된다.

따라서, 상기 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 공기펌프등이 이용되어 산소가 공급된다.

이 과정에서 애노드 전극에서는 수소가스의 전기 화학적 산화반응이 발생되고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적 환원반응이 발생되며, 이러한 산화반응 및 환원반응에 의해 전자가 이동하게 되고, 이때 전기와 열 그리고 물이 생성된다.

한편, 연료전지의 종류로는 상기 고분자 전해질형 연료전지에서 개질기가 배제된 구성을 갖는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)도 포함된다.

그러나, 공기 또는 연료펌프에서는 펌프의 구동으로 인한 심각한 소음 및 진동이 발생되었고, 이러한 소음 및 진동에 의해 시스템의 적용 분야가 제한된다는 문제점이 있으며, 궁극적으로는 소음 및 진동이 현격히 감소되거나 제거되어야 하는 요구가 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 본 발명은, 펌프가 몰딩으로 제작되는 하우징에 내재되어 밀착 고정됨으로 인해 펌프에서 발생되는 진동 및 소음이 흡수 및 차단되도록 이루어진 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 방음방진 펌프 구조체는, 수소가 함유된 연료 또는 산화제를 스택으로 공급하기 위한 펌프와, 상기 펌프의 외주면에 몰딩하여 고정된 방음 및 방진이 가능한 하우징을 포함하여 이루어진다.

상기 하우징은 고밀도의 금속재로서 발포 알루미늄 또는 고무, 폴리우레탄, 실리콘 등으로 이루어진다.

또한, 상기 하우징은 펌프를 감싸는 환포부와, 이 환포부와 일체이면서 위치 고정을 위한 체결부가 포함되어 이루어진다.

상기 하우징은 절연코팅되거나 절연재이다.

본 발명에 따라 방음 및 방진이 가능한 펌프 구조체가 채용된 연료전지 시스템은, 연료탱크의 수소를 함유한 연료가 연료펌프에 의해 공급되는 연료공급부와, 산소 및 공기를 포함하는 산화제가 산화제펌프에 의해 공급되는 산화제공급부와, 상기 연료공급부와 공기공급부에서 각각 연료와 산소 및 공기가 포함된 산화제를 공급받아 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 유도하여 전기를 발생시키도록 이루어진 스택이 포함되어 이루어지고, 상기 펌프의 외주면에 방음 및 방진을 위한 하우징이 몰딩되어 이루어진다.

이때, 상기 하우징은 고밀도의 금속재 또는 고무, 폴리우레탄, 실리콘 등의 재질로 이루어진다.

또한, 상기 하우징이 고정판과 밀착되어 고정되도록 하우징의 외면을 감싸면서 양단부가 연료전지의 고정판에 체결되는 밴딩체결부재가 더 포함된다.

상기 하우징은 펌프를 감싸는 환포부와, 이 환포부와 일체이면서 고정판에 밀착되어 체결되는 체결부가 포함되어 이루어진다.

여기서 상기 하우징은 절연코팅되거나 절연재이다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지용 방음방진 펌프 구조체와 이를 채용한 연료전지 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 방음방진 펌프 구조체가 개략적으로 도시된 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소가스와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 스택(200)과, 연료탱크(100)에 저장된 수소를 함유한 연료가 제1펌프(300)에 의해 상기 스택(200)으로 공급되도록 이루어진 연료공급부와, 산소 및 공기를 포함하는 산화제가 제2펌프(400)에 의해 상기 스택(200)으로 공급되도록 이루어진 산화제공급부가 포함되어 이루어진다.

상기 제1펌프(300) 및 제2펌프(400)는 금속재질이면서 몰딩(molding)으로 제작된 하우징(500)에 내재되어 밀착 고정된다.

여기서, 상기 연료전지 시스템은 다양한 종류가 있고, 다양한 종류에 따라 펌프의 기능 및 수량에 상이할 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되어 해석되어서는 안된다.

한편, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 연료가 포함된다.

또한, 상기 연료전지 시스템은 스택(400)으로부터 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변화시키는 직류 교류 변압기 및 제어장치와, 발전 과정에서 생성된 열을 방출하기 위한 배출장치가 더 포함되어 이루어질 수도 있다.

상기 스택(200)은 연료에 함유된 수소 가스와 공기를 제공받아 산화 및 환원 반응을 유도하여 최종적으로 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나 이상의 단위전지(미도시)가 포함되어 이루어진다.

상기 단위전지는 전기를 발생시키는 주요 부분으로서, 엔드플레이트에 의해 외부로부터 보호를 받고, 수소가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 조립체(MEA:Membrane & Electrode Assembly)와 수소가스와 공기를 전극-전해질 조립체에 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 세퍼레이트로 이루어진 하나의 단위 셀을 의미한다.

상기 전극-전해질 조립체는 애노드 전극(미도시) 캐소드 전극(미도시) 사이에 전해질막(미도시)이 개재된 통상적인 MEA의 구조로서, 상기 전해질막은 두께가 통상 50∼400㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 매개체 기능을 한다.

상기 애노드 전극의 촉매층은 수소가스를 전자와 수소이온으로 변환시키는 층으로, 전자와 수소이온의 원활한 이동을 위한 지지층과 더불어 애노드 전극을 구성한다.

또한, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 공기 중의 산소를 전자와 산소이온으로 변환시키는 층으로, 전자와 산소이온의 원활한 이동을 위한 지지층과 더불어 캐소드 전극을 구성한다.

그리고, 상기 세퍼레이트는 전극-전해질 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할과, 전극-전해질 조립체의 산화 및 환원 반응에 필요한 수소가스와 공기를 실질적으로 공급하는 통로의 역할을 동시에 수행하게 되는 사각형상의 카본판을 구비한다.

한편, 상기 스택(200)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.

< 반응식 1 >

양극반응 : H₂ → 2H⁺ + 2e^-

음극반응 : O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

전체반응 : 2H₂+O₂ → 2H₂0 + 전류 + 열

반응식 1을 참고하면, 세퍼레이트를 통해 전극-전해질 조립체의 애노드 전극으로 수소가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다.

상기 수소가스는 애노드 전극을 흐르면서 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해되고, 이 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성하게 된다.

여기서 상기 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다.

도 2를 참조하면, 제1펌프(300) 또는 제2펌프(400)(이하, 편의상 펌프(400)로 통칭한다)가 환포되도록 몰딩되어 하우징(500)을 형성하게 되고, 이 펌프(400)의 외면과 하우징(500)의 내면이 완전 밀착됨으로써 펌프(400)가 하우징(500)에 고정된다.

이때, 펌프(400)와 연결된 전원선(410) 및 하나 이상의 관(420) 등이 외부의 구성요소와 연결되어야 함은 물론이다.

상기 하우징(500)은 펌프(400)가 완전히 환포되도록 몰딩되어 이루어진다.

또한, 하우징(500)은 상부 및 하부로 이분할 별도 제작되고, 펌프(400)가 삽입되면 상ㆍ하부가 상호 체결되도록 이루어질 수도 있다.

도 3은 도 2에 도시된 방음방진 펌프 구조체가 장착된 상태를 도시한 상태도이다.

도 3을 참조하면, 펌프(400)를 수용한 하우징(500)이 고정판(430)에 밴딩체결부재(440)를 통해 고정된다.

상기 밴딩체결부재(440)는 하우징(500)을 감싸면서 양단부가 고정판(430)에 볼팅 체결되도록 이루어진다.

이때, 고정판(430)은 연료전지의 케이스일 수도 있고, 이 케이스에 고착되는 별도의 플레이트일 수도 있다.

도 4는 도 2에 도시된 방음방진 펌프 구조체의 변형 예가 개략적으로 도시된 구성도이다.

도 4를 참조하면, 하우징(500)은 펌프(400)를 수용하는 환포부(510)와, 이 환포부(510)와 일체이면서 고정판(430)과의 체결을 위한 체결부(520)로 이루어진다.

이때, 상기 체결부(520)는 대략 평판 형상으로, 상기 고정판(430)과 밀착되고, 양단부가 고정판(430)과 볼팅체결된다.

한편, 펌프(400)의 방음 및 방진을 위해 몰딩되어 펌프(400)를 수용하는 하우징(500)은 방음 및 방진 효과가 탁월한 고밀도 재질인 금속재가 이용됨이 바람직하고, 이 금속재 중 특히 발포 알루미늄을 적용하는 것이 좋다. 그리고, 고무, 폴리우레탄, 실리콘 등의 재질이 이용될 수 있다.

또한, 상기 하우징(500)은 전기를 발생시키는 연료전지에 사용됨으로, 절연코팅되는 것이 바람직하고, 절연코팅 이외에 절연재가 이용될 수도 있다. 이때, 상 기 절연재는 금속은 물론 비금속을 모두 포괄하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방음방진 펌프 구조체가 구비된 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

본 실시예는 펌프 구조체를 보다 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 명확하고 간결하게 나타내기 위하여 시스템 내의 제어부, 전력 계통 등의 다른 구성요소를 생략하였다.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 방음방진 펌프 구조체가 구비된 연료 전지 시스템은, 하부프레임(110), 제1,2수직고정프레임(120, 122), 상부고정프레임(130), 연료탱크(100), 제1,2유로관(104,106), 밴딩체결부재(440)등이 포함되어 이루어진다.

구체적으로, 제1,2 수직고정프레임(120, 122)은 하부프레임(110) 상에 소정 간격을 두고 고정설치된다. 상부 고정 프레임(130)은 제1,제2 수직고정프레임(120, 122)이 서로 결합되도록 이들 프레임(120, 122) 상단에 볼트 및 너트 등의 결합부재(142)에 의해 결합된다.

연료 탱크(100)는 제1수직고정프레임(120)의 후면측에 배치된다. 연료탱크(100)의 상부에는 연료 주입을 위한 연료 주입구(102)가 형성되어 있다.

공기펌프(400)는 제1수직고정프레임(120)의 측면에 벨트 형상의 밴딩체결부재(440)에 의해 고정 지지된다.

이때, 공기펌프(400)는 하부프레임(110)에 닿지 않도록 소정 높이로 설치된 다.

또한, 상기 공기펌프(400)와 제1수직고정프레임(120) 사이에는 소정의 완충부재나 다공성 연성 부재 또는 탄성 부재가 삽입된다.

이러한 완충부재는 하우징(500)의 형상 변경으로 대체될 수도 있음은 물론이다.

이러한 구성은 공기펌프(400)에 의한 진동이 시스템에 전달되지 못하도록 공기펌프(400)의 진동을 차단한다. 공기 펌프(400)의 상부면에는 공기가 유입되는 유입공이 도시되어 있다.

상술한 구성에 의해, 연료 전지 시스템은 공기 펌프 및 연료 펌프의 진동을 효과적으로 차단한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 연료전지에 사용되는 펌프를 하우징이 감싸도록 이루어짐으로 인해, 펌프의 작동으로 발생되는 소음 및 진동이 하우징에 의해 차단되거나 흡수된다.

또한, 하우징에 방음 및 방진을 위한 홈 또는 공간이 형성되고, 이 홈 또는 공간에서 하우징을 통해 외부로 전달되는 부차적인 펌프의 소음 및 진동이 소거되는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 수소가 함유된 연료 및 산소가 포함된 산화제를 공급받아 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 유도하여 전기를 발생시키도록 이루어진 스택; 및

   방음 방진 펌프 구조체

   를 구비하되,

   상기 방음 방진 펌프 구조체는,

   수소가 함유된 연료 또는 산화제를 상기 스택으로 공급하기 위한 펌프; 및

   상기 펌프의 외주면에 몰딩하여 고정된 방음 및 방진을 위한 하우징

   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하우징은 고밀도의 금속재, 고무, 폴리우레탄 실리콘 중 어느 선택된 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 하우징은 발포 알루미늄인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 수소가 함유된 연료 또는 산화제를 스택으로 공급하기 위한 펌프;

   상기 펌프의 외주면에 몰딩하여 고정된 방음 및 방진을 위한 하우징을 포함하되,

   상기 하우징은 펌프를 감싸는 환포부와, 이 환포부와 일체이면서 위치 고정을 위한 체결부가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 방음방진 펌프 구조체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 하우징은 절연코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지용 방음방진 펌프 구조체.
6. 제4항에 있어서,

   상기 하우징은 절연재인 것을 특징으로하는 연료전지용 방음방진 펌프 구조체.
7. 연료탱크의 수소를 함유한 연료가 연료펌프에 의해 공급되는 연료공급부;

   산소 및 공기를 포함하는 산화제가 산화제펌프에 의해 공급되는 산화제공급부;

   상기 연료공급부와 산화제공급부에서 각각 연료와 산소 및 공기가 포함된 산화제를 공급받아 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 유도하여 전기를 발생시키도록 이루어진 스택;

   이 포함되어 이루어지고,

   상기 펌프의 외주면에 방음 및 방진을 위한 하우징이 몰딩되어 이루어진 연료전지 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 하우징은 고밀도의 금속재인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제7항에 있어서,

   상기 하우징이 고정판과 밀착되어 고정되도록 하우징의 외면을 감싸면서 양단부가 연료전지의 고정판에 체결되는 밴딩체결부재가 더 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서,

    상기 하우징은 펌프를 감싸는 환포부와, 이 환포부와 일체이면서 고정판에 밀착되어 체결되는 체결부가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 제10항에 있어서,

    상기 하우징은 절연코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
12. 제10항에 있어서,

    상기 하우징은 절연재인 것을 특징으로하는 연료전지 시스템.

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