KR100758243B1 - 휴대용 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR100758243B1
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Abstract

본 발명은 휴대용 연료전지에 관련된 것이며, 특히, 크기, 성능 및 가격의 개선을 위하여 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질을 이용한 일체화된 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 휴대용 연료전지는 애노드와 캐소드 역할을 하는 두 개의 전극 사이에 수소 이온인 양자만을 도전하는 고분자전해질막(PEM;polymer electrolyte membrane, proton exchange membrane)으로 이루어진 박막전극조립체(MEA;Membrane Electrode Assembly)와 이를 둘러싸며 분리판의 역할 및 액체 및 기체 전달로를 갖춘 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질로 이루어진 분리판과/또는 말단판으로 이루어진 연료전지스택, 연료와 이를 저장하는 연료통, 그리고 연료를 개질하고 공급하는 연료 처리 장치, 연료와 공기 그리고, 반응 부산물들이 원활한 순환을 위해 구비되는 유체조작기구 및 센서를 포함한 검출 회로와 제어 회로, 전압 변환회로를 포함한 회로부등을 소형화하고 일체화하여 초소형 휴대용 연료전지에 이용하는 것이다.
연료전지, 인쇄 회로 기판, 연료전지스택

Description

휴대용 연료전지 시스템{Portable Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택의 분리판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택의 분리판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위연료전지스택의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판에 센서, 펌프 및 밸브가 일체화된 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 연료전지 시스템의 사시도이다.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
6 : 공기의 흐름 7 : 연료의 흐름
100 : 연료전지스택 101 : 박막전극조립체
102 : 분리판 103 : 말단판
201 : 연료 공급용 미세 유로 형성판
202 : 공기 공급용 미세 유로 형성판
203 : 중앙분리판 301 : 초소형 센서
302,303 : 초소형 펌프 304 : 펌프 구조물
305 : 센서 구조물 307 : 밸브 구조물
401~404 : 유량조절장치 404 : 연료 개질기
410, 411 : 회로배선 412 : 회로부
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질 및 가공 기술을 이용하여 제조된 일체화된 휴대용 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 결합을 이용한 전기 화학적인 방법을 통하여 전기를 발생시킨다. 이 전기 화학적인 방법은 앞서 서술한 박막전극조립체를 통하여 이루어지며, 수소와 산소를 포함한 연료 물질을 공급하고 반응 부산물과 과잉연료 및 공기를 배출하기 위한 유로를 포함하며, 발생한 전기의 채집을 위한 다수의 분리판 및 말단판이 연료전지스택에 포함된다. 통상적으로 연료전지는 연료인 수소와 산소가 공급되는 한 영구적으로 전기를 발생할 수 있으며, 연료로 사용 되는 물질은 수소 및 수소를 포함한 탄화 수소류 및 금속-수소화물(Metal hydride)등이 이용될 수 있다.
연료전지스택을 구성하고 있는 부분품들은 여러 기능들을 만족시켜야 하며, 이것은 전지의 전기적인 연결뿐만이 아니라 전기를 발생시키기 위한 전기 화학적인 반응이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성됨을 의미한다. 그러므로, 연료전지스택을 구성하고 있는 부분품들은 산화/환원 반응에서의 화학적 저항성을 가져야 하며, 연료전지스택 및 전류 채집기로써의 역할 수행을 위하여 전기 전도도가 높고 접촉 저항이 낮도록 구성되어야 한다. 그리고, 다양한 형상 및 미세 구조물의 제작이 가능하도록 가공성 및 조립성이 뛰어나야 하며, 하중 하에서의 기계적 안정성 및 저렴한 생산비용, 그리고, 경량화 등의 조건이 만족되어야 우수한 연료전지 부품으로써 널리 사용될 수 있다. 또한, 보다 소형의 연료전지 시스템을 제조하기 위해서는 연료전지스택 자체가 연료 개질기(reformer), 연료 펌프 및 각종 센서들을 일체화하는 것이 중요하다.
현재, 연료전지스택의 부분품으로 사용되고 있는 재료는 크게 흑연계 및 금속계로 나누어지며, 앞서 전술한 이상적인 연료전지스택의 부분품 재료 특징을 만족시키기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 금속계 부분품은 가공성, 기밀성 및 전기 전도성은 뛰어나지만, 내식성 및 내화학성이 요구 사항을 만족시키기 힘들며, 흑연계는 가공성이 뛰어나고 내화학성 및 낮은 접촉 저항을 그 특징으로 하나 요구하는 기계적 강도에 부합하지 않는다. 그러므로, 금속계 및 흑연계 부분품은 휴대용 연료전지스택의 제작을 위한 저가의 초소형 연료전지의 부분품으로는 적합 하지 않다.
상기 연료 개질기는 연료 장치와 결합하여 연료전지스택에 연료를 공급하기 위하여 사용되며, 종래의 가스배관과 함께 연결된 다수의 설비는 매우 복잡한 장치이다. 일반적인 연료전지에 사용되는 연료 개질기는 연료에서 수소를 얻어내기 위한 장치로써 내부에 고온반응을 위한 가열기(Heater)와 촉매 반응을 위한 촉매를 포함하여, 연료를 공급받고 수소를 배출하기 위한 유체 통로가 형성된다. 또한, 연료 개질기 주변에는 연료를 공급하기 위한 펌프와 연료 및 수소량의 검출을 위한 센서가 부가되는 것이 일반적이다.
종래의 연료 개질기 기술은 개질기의 소형화가 성취될 수 있는 기술로 세라믹을 이용하여 개발된 예가 있으나, 가열기와 촉매, 유체 통로 등과 함께 연료전지스택의 제작에 사용되는 동일한 기술로 소형화하여 제작된 예가 없으며, 특히, 펌프와 센서 등 연료전지 주변 부품을 일체화할 수 있는 기능을 제공하지 않았다.
이외에도 종래의 연료전지 시스템은 소형화가 가능한 세라믹 및 인쇄회로 기판재질의 가공 기술과 같이 연료전지스택, 연료 개질기 뿐만 아니라 유체의 공급, 배출용 펌프와 유체 통로, 부가적인 가열기 및 냉각기(cooler)등을 일체화할 수 있는 기술을 제공하지 않았다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 적층 세라믹 기술을 이용하거나 인쇄 회로 기판용 재질을 가진 인쇄 회로 기판 제작 기술 을 이용한 연료전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 미세 가공 기술을 이용하여 크기 및 성능이 향상된 연료전지스택 및 연료전지 부품을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 연료전지에 비하여 그 크기가 작고 저가이며 고성능인 일체형 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 휴대용 연료전지 시스템은 연료전지스택과 연료전지 부품을 포함한다.
본 발명에서 상기 연료전지스택은 금속 촉매가 표면에 고르게 분포된 애노드와 캐소드 역할을 하는 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자전해질막으로 이루어진 박막전극조립체와, 상기 박막전극조립체의 양면에 형성되는 말단판을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막전극조립체와 상기 말단판의 사이에는 분리판이 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판의 표면에는 연료 및 공기를 공급하고 과잉연료 및 공기와 반응 부산물을 배출하기 위한 유로를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판은 연료 및 공기, 불순물, 반응 부산물의 온도 및 농도를 측정할 수 있는 센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 센서는 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 이루어지고, 상기 분리판의 제작시 동시에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 센서는 반도체 적층 기술을 이용하여 상기 분리판 표면에 부착되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판은 연료 및 공기, 불순물, 반응 부산물을 강제적으로 순환하기 위한 펌프 및 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 펌프 및 밸브는 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 이루어지고, 상기 분리판의 제작시 동시에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 펌프 및 밸브는 반도체 적층 기술을 이용하여 상기 분리판 표면에 부착되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 연료전지 부품은 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 구현되는 연료 개질기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 연료전지스택 및 연료전지 부품은 적층 및 소결방법, 압착 및 접착방법 중 선택되는 1종 이상의 방법에 의해서 제조되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
상기 실시예에서, 연료전지 시스템은 연료 및 연료통(1), 연료전지스택(2), 연료처리장치(3), 유체조작기구(4), 제어회로 및 검출회로(5)를 포함한다.
상기 실시예는, 연료전지 시스템 내에서 공기 및 연료 등의 물질이 이동하는 방법과 내부 상호간의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지는 연료와 이를 저장하는 연료통(1), 애노드와 캐소드 역할을 하는 두 개의 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자 전해질 박막으로 이루어진 박막 전극 조립체와 이를 둘러싸며 분리판의 역할 및 액체 및 기체 전달 통로를 갖춘 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질로 이루어진 분리판 및 말단판으로 이루어진 연료전지스택(2), 그리고 연료를 개질하고 공급하는 연료 처리 장치(3), 연료와 공기 그리고, 반응 부산물들이 원활한 순환을 위해 구비되는 유체조작기구(4) 및 센서를 포함한 검출 회로와 제어 회로, 전압 변환회로를 포함한 회로부(5) 등을 포함한다.
상기 연료전지는 연료(1)에서 얻어지는 수소(7)와 공기에서 얻어지는 산소(6)의 결합을 이용한 전기 화학적인 방법을 통하여 전기를 발생시키며, 이는 연료전지스택내부(2)에 위치한 박막 전극 조립체를 통하여 이루어진다. 통상적으로 연료전지는 연료인 수소와 산소가 공급되는 한 영구적으로 전기를 발생할 수 있으며, 연료로 사용되는 물질은 수소 및 수소를 포함한 탄화 수소류 및 금속-수소화물등이 이용될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판의 사시도 및 평면도이다.
상기 실시예에서, 분리판(102)은 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 공기 공급용 미세유로 형성판(202) 및 중앙분리판(203)을 포함한다.
상기 실시예는, 각각의 판을 세라믹 및 인쇄회로 기판 재질을 이용하여 세라믹 적층 방법 또는 인쇄 회로 기판 제작 방법으로 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 연료 전지 스택의 분리판(102)은 상부에 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 하부에 공기 공급용 미세유로 형성판(202), 그리고 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 공기 공급용 미세유로 형성판(202)의 사이에 연료와 공기의 혼합을 방지하기 위한 중앙분리판(203)의 세 층으로 구성된다. 상기 세 층은 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질로 형성되며, 상기 재질은 적층 및 소결 또는 압착 및 접착 기술을 이용 가능하게 하여 상기의 방법으로 분리판(102)의 조립을 완료할 수 있다. 적층 및 소결 기술은 일반적인 적층 세라믹의 제조 방법과 동일하여 당업자가 용이하게 구현할 수 있는 공지의 내용이므로 본 발명에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 각 판의 양 꼭지점 부근에는 원형의 홈이 형성되는데, 이는 후술하겠지 만 연료와 공기가 투입되고 배출되는 곳이다. 각 대각선으로 마주보고 있는 홈이 하나의 쌍을 이루어 공기 또는 연료가 입력된 후 배출되는데, 상기 양 꼭지점 중 하나를 입력부라 하고 다른 하나를 출력부라 하면, 입력부로 들어온 공기 또는 연료는 상부 또는 하부판에 형성된 미세유로를 통하여 판 전체를 통하여 이동하고, 상기 이동된 공기 또는 연료는 소정의 반응이 진행된 뒤 출력부로 빠져나간다.
상기 유로에 입력된 공기 또는 연료가 반대판에 유입된 공기 또는 연료와 반응하는 것을 방지하기 위하여 중앙에 중앙분리판(203)이 형성된다. 상기 중앙 분리판(203)은 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 공기 공급용 미세유로 형성판(202) 중 하나에 몰딩되는 것도 바람직하다.
상기 연료 공급용 미세유로나 공기 공급용 미세유로는 적어도 하나 이상의 유로가 평행하게 직선형으로 형성되거나 'ㄹ'자의 형상으로 하나의 유로로 연결되어 입력부와 출력부가 연결되는 것이 바람직하다. 상기 유로의 형상은 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(202)에 유입된 연료 또는 공기가 최대의 면적을 지나갈 수 있게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 미세유로는 에칭, 엠보싱, 툴링의 방법을 이용하여 그 단면의 형상이 10㎛~1000㎛ 의 폭과 10㎛~1000㎛깊이 범위의 미세 채널로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 유로의 일부는 유로 표면에 액체가 고착되지 않도록 발수처리를 하거나, 액체 연료 사용시 액체의 효율적인 분산 또는 확산을 위하여 친수화처리를 하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 이동시 표면 거칠기에 따른 압력 손실을 줄이기 위하여 표면의 거칠기가 1㎛이하로 연마되는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지 스택의 분리판(102)은 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질로 형성되므로, 기본적으로 비전도성 물질이나, 내부 비아 및 표면에 금속막을 증착하여 전기적으로 연결되어 각각 전류 채집의 역할을 동시에 수행한다. 특히, 본 발명에 의한 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질을 이용한 연료 전지 스택은 세라믹 및 인쇄회로 기판 등을 제작하는 대량 생산 기법을 이용하여 제작하므로, 저가의 분리판을 제공할 수 있고, 미세 가공기술을 이용하여 연료 및 공기를 공급하기 위한 유로를 형성하여, 기존의 연료전지에 비해 그 크기 및 성능 개선을 용이하게 구현할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해도 및 결합도이다.
상기 실시예에서, 연료 전지 스택은 말단판(103)과 복수개의 분리판(102) 및 복수개의 박막전극조립체(101)를 포함한다.
상기 실시예는, 연료 전지 스택을 이루는 각각의 판이 적층되는 순서 및 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질의 분리판(102)과 말단판(103), 그리고 박막전극조립체(101)를 이용하여 구성된 5개의 단위연료전지가 직렬로 연결되어 있는 연료 전지 스택의 분해도이다. 마찬가지로 모든 판재의 조립은 전술한 적층 및 소결 기술이나 압착 및 접착 기술을 이용하여 완성된다.
상기 연료 전지 스택의 최외각에는 말단판(103)이 적층된다. 상기 말단판(103)은 좌, 우 양측에 2개가 적층되는데 일측의 말단판에는 공기 및 연료의 유입구가 형성되고 타측에 적층되는 말단판에는 어떠한 구멍도 형성되지 않는 것이 바람직하다. 상기 공기 및 연료의 유, 출입구는 상기 일측 말단판의 양 꼭지점 부근에 총 4개가 형성되는 데 각각 대각선으로 마주보는 한 쌍이 공기(7) 및 연료(6)의 유, 출입을 담당한다.
상기 말단판(103)을 최외각으로 하여, 이후 분리판(102)과 박막전극조립체(101)가 교대로 적층된다. 상기 적층방법은 다음과 같다. 말단판(103)을 적층한 후 분리판(102)을 적층한다. 상기 분리판(102) 상부에 박막전극조립체(101)를 적층하고, 상기 박막전극조립체(101)의 상부에 분리판(102)을 적층하는데, 적층되는 면은 상기 박막전극조립체(101)의 하부면에 형성된 미세유로 형성판과 다른 유로 형성판이 맞닿도록 적층한다. 즉, 연료 공급용 미세유로 형성판(201) - 박막전극조립체(101) - 공기 공급용 미세유로 형성판(202)의 순서 또는 공기 공급용 미세유로 형성판(202) - 박막전극조립체(101) - 연료 공급용 미세유로 형성판(201)의 순서로 적층하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 소정의 단위연료전지를 적층한 후에는 적층 및 소결 기술이나 압착 및 접착 기술을 이용하여 일체화시킨다.
상기 말단판의 일 면에는 유로가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 말단판에 형성되는 유로의 종류는 맞닿는 분리판에 형성된 유로의 종류와 상이한 것이 바람직하다. 상기 말단판에 형성되는 유로는 반드시 필요한 것은 아니다. 어떠한 유로도 형성하지 않고 상기 복수개의 박막전극조립체 및 분리판을 감싸는 것도 가능하 다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택이 일체화된 사시도이다.
도 6을 참조하면, 연료(6)와 공기(7)는 분리판의 양면에 형성된 공기 및 연료 공급용 미세유로로 공급되게 되고, 각각 공급된 연료(6)와 공기(7)는 상기 박막전극조립체(101)에서 반응 후 전력을 생성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질을 이용한 연료전지를 포함한 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다.
전술한 바와 같이 연료전지 시스템은 본 발명에 의한 연료전지스택(100)과 함께 탄화수소, 압축 수소, 금속 수소화물 등의 연료(1)와 이를 처리하여 연료전지에 바람직한 형태의 연료(7)로 공급하는 연료 개질기를 포함하는 연료처리장치, 연료(7)와 공기(6) 그리고, 물을 포함한 반응 부산물들(8)이 원활한 순환을 위해 구비되는 유체조작기구 및 센서를 포함한 검출 회로와 제어 회로, 전압 변환회로를 포함한 회로부등으로 이루어져 있다. 본 발명에 의한 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질의 연료전지는 동일한 기술을 이용하여 연료개질부를 포함한 연료전지 주변장치에 응용될 수 있으며, 또한, 반도체 기술로 제작된 연료전지 주변장치등과 함께 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성에 이용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판에 센서, 펌프 및 밸브 가 일체화된 사시도이다.
상기 실시예에서, 분리판은 초소형 센서(301)와 초소형 펌프(302) 및 센서 구조물(306)과 펌프(304) 및 밸프구조물(307)을 포함한다.
상기 실시예는, 상기 센서, 펌프 및 밸브가 유로에 형성되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명에 의한 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질을 이용한 연료전지스택용 분리판(102)이며, 표면에 미세한 연료 및 공기 공급 또는 배출을 위한 유로(201)가 형성된다. 본 발명에 의한 일체형 연료전지스택은 이러한 유로 또는 분리판상에 연료 및 공기의 농도와 온도, 불순물 및 반응 부산물의 농도를 측정할 수 있는 초소형 센서(301)를 조립한다. 상기 초소형 센서는(301) 분리판 제작시 동시에 제작되어 일체화되며, 연료 및 공기의 공급을 원활히 하고 반응 부산물의 배출을 도와주는 초소형 펌프(302) 역시 분리판 표면 또는 유로의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.
도 8a에 도시된 평행한 전극 모양의 펌프(302)는 전기역학펌프 및 EHD 펌프(electrohydrodynamic pump)를 분리판(102)표면에 일체화한 것이다. 상기 펌프(302)는 반도체 공정 및 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 초소형으로 제작되는 것이 바람직하다.
도 8b는 본 발명에 의한 분리판(102) 구조물의 유로 내에 조립된 초소형 펌프(303), 또는, 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질을 이용한 연료전지스택용 분리판 구조물 제작시 형성된 초소형 펌프 구조물(304)과 초소형 센서 구조물(306) 또는 분리판 및 말단판 제작후 유로 내부에 조립된 센서 구조물(305)을 도시하였다. 또한, 미세 유로 내에는 유체의 일관된 흐름을 위하여 펌프와 함께 유체량의 조절을 담당하는 초소형 밸브 구조물(307)이 존재할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 연료전지 시스템의 사시도이다.
상기 실시예에서, 일체형 연료전지 시스템은 연료전지스택(100), 유량조절장치(401~404), 연료 개질기(405), 회로배선(410, 411), 회로부(412)를 포함한다.
상기 실시예는, 연료전지스택(100)과 연료전지부품이 일체화되어 적층된 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 9를 참조하면, 상기 일체형 연료전지 시스템은 연료 개질기(405)와 연료전지스택(100), 연료 및 공기의 공급과 배출을 담당하는 유량조절장치(401~405)와 농도, 온도 센서, 그리고 제어를 위한 회로부(412)를 포함한다.
연료통(미도시)에 보관되어 있는 연료(7)는 연료 개질기(405)를 거쳐 연료전지스택(100)에 적절한 형태로 바뀌며, 이는 연료전지스택(100) 외부에 조립된 연료 공급용 펌프 및 밸브, 센서를 포함한 유량조절장치(401)를 통하여 연료전지스택(100)에 공급된다. 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)의 경우 연료 개질기(405)는 생략될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 연료전지스택 내부의 분리판 및 말단판(103)에 일체화된 초소형 센서 및 펌프, 밸브는 미세 유로 내부의 유량을 조절하며, 연료전지스택(100)을 통과한 과잉연료는 마찬가지로 외부 유량 조절장치(402)를 통하여 연료전지 외부로 배출되거나 연료통으로 재충전된다. 공기의 공급에 있어서도 마찬가지로 연료전지스택 외부의 유량 조절장치(404)를 통하여 공기가 공급되며, 연료전지내부의 미세유로를 거친 후 유량조절장치(403)를 통해 배출된다.
연료전지에서 발생한 전력을 실제 응용에 적합한 전압으로 변환하기 위한 직류-직류 변환기 또는 직류-교류 변환기가 연료전지에 일체화될 수 있으며, 또한, 내부의 밸브와 펌프, 센서등을 제어하기 위한 회로부(412)가 일체화된 연료전지에 포함된다. 회로부(412)는 세라믹 및 인쇄회로기판으로 제작된 말단판 및 분리판의 외부 배선(410)을 통하여 외부 유량 조절장치(401~405)에 전기적으로 연결되며, 세라믹 및 인쇄회로기판의 내부배선(via)(410, 411)을 통하여 분리판 및 말단판 내부에 위치한 펌프 및 센서, 밸브 등에 전기적으로 연결된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질을 이용한 연료전지스택 제조 기술을 적용하여 연료 개질기 및, 반도체형 센서와 초소형 유체 조작 기구 등을 적층형 세라믹 기판 또는 인쇄회로 기판에 일체화가 가능하므 로, 기존의 연료전지에 비하여 그 크기가 월등히 작고 효율이 높은 연료전지 시스템을 개발할 수 있으며, 조립에 있어서도, 적층과 소결 또는 압축 및 접착 기술을 이용하여 완성할 수 있으므로, 대량생산에 의한 저가의 연료전지 생산에 유리하다.

Claims (12)

  1. 적층 세라믹 기술 또는 인쇄 회로 기판 제작 기술을 이용하여 제작된 연료전지스택과, 적층 세라믹 기술 또는 인쇄 회로 기판 제작 기술 또는 반도체 제작공정을 이용하여 제작된 연료전지 부품을 포함하는 휴대용 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택은 금속 촉매가 표면에 고르게 분포된 애노드와 캐소드 역할을 하는 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자전해질막으로 이루어진 박막전극조립체와, 상기 박막전극조립체의 양면에 형성되는 말단판을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 박막전극조립체와 상기 말단판의 사이에는 분리판이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 분리판 또는 말단판의 표면에는 연료 및 공기를 공급하고 과잉연료 및 공기와 반응 부산물을 배출하기 위한 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 분리판 또는 말단판은 온도 및 농도, 유량을 측정할 수 있는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 센서는 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 이루어지고, 상기 분리판의 제작시 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 센서는 반도체 적층 기술을 이용하여 상기 분리판 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  8. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 분리판 또는 말단판은 연료 및 공기, 불순물, 반응 부산물을 강제적으로 순환하기 위한 펌프 및 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 펌프 및 밸브는 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 이루어지고, 상기 분리판의 제작시 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 펌프 및 밸브는 반도체 적층 기술을 이용하여 상기 분리판 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 부품은 세라믹 또는 인쇄회로 기판 재질로 구현되는 연료 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택 및 연료전지 부품은 적층 및 소결방법, 압착 및 접착방법 중 선택되는 1종 이상의 방법에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료전지 시스템.
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