KR100757273B1

KR100757273B1 - 자가 능동형 수소 카트리지

Info

Publication number: KR100757273B1
Application number: KR1020060027564A
Authority: KR
Inventors: 김병관
Original assignee: (주)오선텍
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-09-10

Abstract

본 발명은 자가 능동조절형 수소 카트리지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부의 조건 즉 연료전지의 부하특성(압력조건)에 따라 빠른 응답성과 외부 에너지 공급원 없이 작동하는 수소발생장치와 기존의 수소발생에 필요했던 연료펌프 등을 제거한 연료저장장치를 제조하여 수소엔진, 연료전지 등 수소를 연료로 사용하는 모든 시스템에 적용이 가능하며 특히 노트북, 핸드폰 등과 같은 소형 전자기기에 적용이 가능한 자가 능동조절형 수소 카트리지에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 일정 수용공간이 형성되어 연료용액을 수용하는 연료탱크와; 상기 연료탱크 내에 담수된 연료용액에 일정부분 침수되며 침수되는 일정지점에 형성되는 연료유입홀과 수소가 배출되는 수소배출홀이 각각 형성되는 수소발생체와; 상기 수소발생체 내의 수용되며 유입되는 연료용액과 반응하여 수소를 발생시키는 촉매와; 상기 수소발생체 내의 수소반응을 단속하기 위한 단속수단;을 포함하여 형성된다.

수소 카트리지, 수소연료전지, 수소발생체, 압력차

Description

자가 능동형 수소 카트리지{A Self Control type Hydrogen Cartridge}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 카트리지의 단면도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 카트리지의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 수소 카트리지의 작동상태도.

도 4는 수소배출관의 변형가능한 모습을 나타내는 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료탱크 20 : 수소발생체

21 : 연료유입홀 22 : 수소배출홀

23 : 걸림턱 30 : 촉매

40 : 연료용액 50 : 단속수단

51 : 단속판 52 : 단속실린더

53 : 패킹부재 54 : 연결부재

60 : 수소배출관 70 : 보조발생체

71 : 보조배출관 80 : 무게추

90 : 패킹재

현재 화석연료 중심의 에너지 수급체계는 화석연료 고갈과 환경오염 등의 심각한 문제에 직면하고 있다. 따라서 수소연료전지는 예너지 및 환경문제를 해결할 수 있는 현실적 방안으로 인식되고 있다.

연료전지는 건전지나 축전지와 같은 일반 화학전지와는 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 그러나 자동차 또는 소형 모바일 기기의 경우 한정된 공간에 연료를 저장해야만 함으로 어떠한 방식으로 수소를 저장하느냐 하는 것이 연료전지의 개발과 함께 필수적으로 해결되어야 할 당면과제이다.

연료전지는 연료를 공급하는 방식에 따라 연료전지의 개발과 함께 필수적으로 해결되어야 할 과제이다.

연료전지는 연료를 공급하는 방식에 따라 연료전지의 가격 및 인프라 구축비용이 크게 달라질 수 밖에 없으므로 많은 논의가 진행되어 왔으나, 현재는 수소를 직접 연료로 하는 PEMFC가 성능측면에서 가장 우수함으로 인해 국내/외 대다수의 자동차 회사들이 직접수소공급 방식을 채택하고 있다.

이 경우, 수소 저장량에 의해 주행거리가 정해지므로 수소저장밀도가 높은 저장매체를 개발하는 것이 연료전지 자동차의 상용화에 있어 매우 중요한데, 자동차의 경우 주행거리가 연료탱크의 무게에 상대적으로 큰 영향을 받으므로 대다수의 기업이 단위무게 당 에네지밀도가 높은 700기압 고압수소저장방식을 채택하여 개발하고 있다.

하지만 고압수소저장방식은 휴대용 등에 사용하기는 사실상 불가능하며 상당한 위험요소를 내재하고, 고체수소화합물 수소저장합금 또한 자체 무게로 인하여 상용화에 많은 어려움이 있다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있는 수소저장법 중 하나로 수소화합물 또는 수소저장합금이 용해된 용액과 촉매가 접촉하여 수소를 발생시키는 방식이 있다.

이는 수용액 상태로 저장됨으로 매우 안전하며 또한 물 분자를 분해하여 수소를 발생시키므로 수소저장용량이 매우 커 이동형 기기 또는 중대형 기기에도 적용이 가능하여 이에 대한 개발이 매우 중요하다고 할 수 있다.

하지만 기존의 장치는 촉매와 수소화합물의 수용액을 분리하여 연료전지가 작동 시에 수용액을 연료펌프에 의해 촉매실로 공급하는 방식을 사용하였다.

이러한 방식은 연료펌프를 기동시키는데 많은 에너지 소모가 있으며, 그 부피 또한 증가하여 이동형 연료전지에의 적용은 사실상 곤란한 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 외부의 조건 즉 연료전지의 부하특성(압력조건)에 따라 빠른 응답성과 외부 에너지 공급원 없이 작동하는 수소발생장치와 기존의 수소발생에 필요했던 연료펌프 등을 제거한 연료저장장치를 제조하여 수소엔진, 연료전지 등 수소를 연료로 사용하는 모든 시스템에 적용이 가능하며 특히 노트북, 핸드폰 등과 같은 소형 전자기기에 적용이 가능한 자가 능동조절형 수소 카트리지를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 일정 수용공간이 형성되어 연료용액을 수용하는 연료탱크와; 상기 연료탱크 내에 담수된 연료용액에 일정부분 침수되며 침수되는 일정지점에 형성되는 연료유입홀과 수소가 배출되는 수소배출홀이 각각 형성되는 수소발생체와; 상기 수소발생체 내의 수용되며 유입되는 연료용액과 반응하여 수소를 발생시키는 촉매와; 상기 수소발생체 내의 수소반응을 단속하기 위한 단속수단;을 포함하여 형성된다.

여기서 상기 연료탱크 내에는 발생되는 수소를 배출할 수 있도록 수소배출관이 더 설치되며 상기 수소배출관은 연료탱크 하부를 관통하여 일단이 돌출 형성되며, 상기 수소배출관은 수소발생체에 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 연료탱크 저면부에는 환경 변화에 의해 수소배출관으로 연료용액이 배출됨을 방지하기 위해 상기 수소배출관의 일단을 수용하며 촉매와 보조배출관이 형성되는 보조발생체가 연장 형성됨이 바람직하다.

또한 상기 단속수단은, 수소발생체 내에 상하 이동하는 단속판과, 압력차를 통하여 상기 단속판을 상하 이동시키기 위한 단속실린더와, 상기 단속실린더 내주면과 밀착되어 설치되며 상기 단속판과 일체로 연결되는 패킹부재를 포함하여 이루어지되, 상기 단속판은 단속실린더와 단속실린더 외부의 압력차에 따라 패킹부재에 동반하여 수소배출홀을 중심으로 상하 이동함에 따라 수소배출홀로 배출되는 수소가 단속된다.

또한 상기 수소발생체의 하부에는 연료탱크의 요동에 따라 동반 요동됨을 방지하기 위해 대향되게 설치되는 다수개의 무게추가 더 형성된다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 카트리지의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 카트리지의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 수소 카트리지의 작동상태도이며, 도 4는 수소배출관의 변형가능한 모습을 나타내는 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 크게 일정 수용공간이 형성되어 연료용액(40)을 수용하는 연료탱크(10)와, 상기 연료탱크(10) 내에 담수된 연료용액(40)에 일정부분 침수되며 수소가 배출되는 수소배출홀(22)과 침수되는 일측에 형성되는 연료유입홀(21)이 각각 형성되는 수소발생체(20)와, 상기 수소발생체(20) 내의 수용되며 유입되는 연료용액(40)과 반응하여 수소를 발생시키는 촉매(30)와, 상기 수소발생체(20) 내의 수소반응을 단속하기 위한 단속수단(50)으로 구성된다.

상기 연료탱크(10)는 일정 수용공간이 형성되어 연료용액(40)이 수용되며, 수소배출관(60)이 내입되어 후술될 수소발생체(20) 내에 수소반응 후 발생되는 수소기체를 배출시키게 된다.

또한 상기 연료탱크(10)의 크기는 수소연료전지의 수소요구량에 따라 다양할 수 있으며, 상기 연료탱크(10)로부터 수소배출관(60)을 통해 배출된 수소기체는 솔레노이드밸브 등의 단속에 의해 수소연료전지로 공급되도록 구성된다.

아울러 상기 연료탱크(10)에는 연료용액(40)을 공급 또는 배출시키기 위한 연료용액유입구(미도시)가 형성되어 연료용액(40)을 충진 또는 배출시킬 수 있게 구성할 수 있음은 물론이며, 최초 제작시 일회용으로 제작함에 따라 원료용액유입구를 형성시키지 않을 수도 있다.

본 발명의 실시예에 적용되는 연료용액(40)은 NaBH₄20중량%, KOH 8중량%, H₂O 72중량%의 비율로 혼합되어 구성된 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 상기 촉매(30)와 반응하여 원활하게 수소반응을 일으킬 수 있는 것이면 어느 것이든 해당한다.

또한 상기 촉매(30)는 Raney Ni 등의 연료용액(40)과 반응하여 수소를 발생시키는 물질로 이루어지며, 수소반응을 원활하게 일으키도록 구비되며, 자신은 반응하지 않는다.

한편 상기 수소발생체(20)는 연료탱크(10) 내의 연료용액(40) 상에 부유된 상태로 위치되는데, 이러한 수소발생체(20) 내에는 연료유입홀(21)을 통해 유입되는 연료용액(40)과 수소발생체(20) 내에 수용된 촉매(30) 간에 수소반응 통해 수소 가 발생되게 된다.

또한 상기 수소반응에 의해 발생된 수소기체를 배출하기 위해 수소발생체(20)에는 수소배출홀(22)이 적어도 하나 이상 형성된다.

상기 연료유입홀(21)의 경우 수소발생체(20)의 침수되는 지점에 형성되어야 하며 수소배출홀(22)은 침수되지 않는 지점에 형성됨이 바람직하다.

한편 상기 수소발생체(20)에는 발생되는 수소기체의 양을 압력차를 통해 단속하는 단속수단(50)이 마련되는데, 이러한 단속수단(50)은 수소발생체(20) 내에서 상하 이동하는 단속판(51)과, 압력차를 통하여 상기 단속판(51)을 상하 이동시키기 위한 단속실린더(52)와, 상기 단속실린더(52) 내주면과 밀착되어 설치되며 상기 단속판(51)과 연결부재(54)를 통해 일체로 연결되는 패킹부재(53)로 구성된다.

이에 따라 단속실린더(52)와 단속실린더(52) 외부 간의 압력차에 따라 패킹부재(53)가 상하 이동하며 이와 연결부재(54)를 통해 일체로 연결되어 있는 단속판(51)이 동반하여 수소배출홀을 중심으로 상하 이동함에 따라 수소배출홀(22)로 배출되는 수소가 단속되는 것이다.

예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 P₁ < P₂ 일 경우(P₂는 고정되는 압력이며 P₁은 가변압력) 단속판(51)은 수소배출홀(22)의 상측으로 승강되어 발생된 수소기체가 배출될 수 있도록 구성되며, 수소기체 배출에 의해 연료유입홀(21)로 연료용액(40) 또한 계속 유입되어 이러한 과정이 반복되게 된다.

하지만 수소배출관(60)을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(미도시)를 닫을 경 우 더 이상 수소기체가 외부로 배출되지 못하게 되며 이에 따라 연료탱크 및 수소발생체(20)의 압력 P₁은 P₂보다 크게 되어(P₁ > P₂) 결국에는 단속판(51)이 수소배출홀(22)의 하측으로 하강하게 된다.

이에 따라 수소배출홀(22)이 형성되는 수소발생체(20)의 근접 하부 내주면에 형성되는 걸림턱(23)에 단속판(51)이 안착되며 이에 따라 더 이상 수소기체가 배출되지 않게 된다.

이에 따라 수소기체가 배출되지 않음으로 단속판(51) 하부측의 수소발생체(20)의 압력은 증가하게 되어 연료유입홀(21)로 더이상 연료용액(40)이 유입할 수 없게 되며 수소반응 또한 일어나지 않게 된다.

상기와 같이 구성되는 단속수단(50)에 의해 배출될 수소기체는 단속되며 이는 결국 수소배출관(60)을 단속하는 솔레노이드 밸브에 의해 본 발명의 수소 카트리지가 자가 능동적으로 작동을 수행하게 된다.

물론 상기 단속실린더(52)와 패킹부재(53) 간 및 단속판(51)과 걸림턱(23) 간에는 기밀이 유지되도록 설치되어야 하며 이를 위해 단속판(51)의 걸림턱(23) 접촉부위 및 패킹부재(53)의 재질은 고무 또는 연성이 우수한 플라스틱 재질인 것이 바람직하다.

한편 연료탱크(10)가 외부환경에 따라 요동될 경우가 발생하게 되는데, 이때 수소발생체(20)가 외부 영향에 관계없이 요동되지 않도록 수소발생체(20)의 하부면에는 대향되게 장착되는 무게추(80)가 마련됨이 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 실시예에서는 연료탱크(10)의 전복이나 요동에 의해 수소배출관(60)에 연료용액(40)이 수소기체와 함께 배출되는 것을 방지하기 위해 연료탱크(10) 저면부에 보조발생체(70)가 연장형성된다.

여기서 상기 보조발생체(70)는 수소배출관(60)의 일단 및 촉매(30)가 수용되며 보조배출관(71)이 형성되어 구성된다.

이에 따라 수소배출관(60)의 단부로 배출되는 수소기체 및 이와 함께 배출된 연료용액(40)에 의해 재차 수소반응되어 발생된 수소기체는 보조배출관(71)으로 배출되게 된다.

이러한 구성을 통해 최종적으로 수소연료전지와 연결되는 보조배출관(71)에는 연료용액(40)이 배출되지 않게 된다.

한편 수소배출관(60)은 일실시예에 따라 수소발생체(20)를 관통하여 연료탱크(10)의 하부까지 관통 형성될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 수소발생체(20) 외부로 설치하여 연료탱크(10)의 외측으로 배출될 수 있도록 구성할 수도 있다.

또한 상기 보조발생체(70)의 외주면에는 실리콘 등의 재질을 가지는 패킹재(90)로 패킹함이 바람직하다.

상기에서 기술된 바와 같이 본 발명은 연료전지의 부하특성(압력조건)에 따라 빠른 응답성과 외부 에너지 공급원 없이 작동하는 수소발생장치와 기존의 수소발생에 필요했던 연료펌프 등을 제거한 연료저장장치를 제조하여 제조비용을 낮추 고 간단한 구조를 가짐으로써 부피 및 무게를 최소한으로 줄일 수 있어 연료전지의 단위 부피당 에너지밀도 및 단위 무게당 에너지밀도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한 보조발생체와 무게추를 설치함으로써 연료전지에 장착되는 대상물의 요동에도 이상없이 작동할 수 있다.

Claims

용해된 상태로 저장되는 수소저장물질의 연료용액을 수용하는 연료탱크와;

상기 연료탱크 내에 담수된 상기 연료용액에 부분 침수되며 수소가 배출되는 수소배출홀과 침수되는 일측에 형성되는 연료유입홀이 각각 형성되는 수소발생체와;

상기 수소발생체 내의 수용되며 유입되는 상기 연료용액과 반응하여 수소를 발생시키는 촉매와;

상기 수소발생체 내의 수소반응을 단속하기 위한 단속수단;을 포함하여 형성되되,

상기 연료탱크 내에는 발생되는 수소를 배출할 수 있도록 수소배출관이 더 설치되며 상기 수소배출관은 연료탱크 하부를 관통하여 일단이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 능동형 수소 카트리지.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 수소배출관은 상기 수소발생체에 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 능동형 수소 카트리지.
제 1항에 있어서,

상기 연료탱크 저면부에는 환경 변화에 의해 수소배출관으로 연료용액이 배출됨을 방지하기 위해 상기 수소배출관의 일단을 수용하며 촉매와 보조배출관이 형성되는 보조발생체가 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 능동형 수소 카트리지.
제 1항에 있어서,

상기 단속수단은,

수소발생체 내에 상하 이동하는 단속판과,

압력차를 통하여 상기 단속판을 상하 이동시키기 위한 단속실린더와,

상기 단속실린더 내주면과 밀착되어 설치되며 상기 단속판과 일체로 연결되는 패킹부재를 포함하여 이루어지되,

상기 단속판은 단속실린더와 단속실린더 외부의 압력차에 따라 패킹부재에 동반하여 수소배출홀을 중심으로 상하 이동함에 따라 수소배출홀로 배출되는 수소가 단속되는 것을 특징으로 하는 자가 능동형 수소 카트리지.
제 1항에 있어서,

상기 수소발생체의 하부에는 연료탱크의 요동에 따라 동반 요동됨을 방지하기 위해 대향되게 설치되는 다수개의 무게추가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 능동형 수소 카트리지.