KR100847230B1 - 휴대용 직접 액체 연료전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 연료전지 스택과 제어부를 포함하는 발전 시스템이 벤트가 형성되어 있는 일측 케이스 내부에 장착되어 있고, 타측 케이스 내부에 연료 카트리지 장착부가 형성되어 있으며, 케이스의 상단에 작동/표시부가 형성되어 있고, 케이스의 측면 또는 하단에 접속부가 형성되어 있으며, 상기 발전 시스템이 특정한 구조로 이루어져 있어서, 각 구성 요소들의 효율적인 배치에 의해 사공간(dead space)을 줄이고, 각 구성 요소들의 연결 방식을 최단 구조로 형성하여 더욱 콤팩트하며 작동 효율이 우수한 휴대용 직접 액체 연료전지 장치를 제공한다.

Description

휴대용 직접 액체 연료전지 장치 {Portable Direct Liquid Fuel Cell Device}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 휴대용 연료전지 장치의 모식도이다;
도 2는 도 1의 연료전지 장치에 내장되어 있는 예시적인 발전 시스템의 모식도이다;
도 3은 도 1의 연료전지 장치에서 작동/표시부의 예시적인 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 휴대용 연료전지 장치 200: 발전 시스템
210: 연료전지 스택 220: 이차전지
230: 제어부 240: 물 조절부
250: 열교환부 260, 270, 280: 펌프
300: 작동/표시부 400: 커넥터
본원발명은 휴대가 가능한 소형 직접 액체 연료전지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료전지 스택과 제어부를 포함하는 발전 시스템이 벤트가 형성되어 있는 일측 케이스 내부에 장착되어 있고, 타측 케이스 내부에 연료 카트리지 장착부가 형성되어 있으며, 케이스의 상단에 작동/표시부가 형성되어 있고, 케이스의 측면 또는 하단에 접속부가 형성되어 있으며, 상기 발전 시스템이 특정한 구조로 이루어져 있어서, 각 구성 요소들의 효율적인 배치에 의해 사공간(dead space)을 줄이고, 각 구성 요소들의 연결방식을 최단 구조로 형성하여 더욱 콤팩트하며 작동 효율이 우수한 연료전지 장치에 관한 것이다.
최근의 모바일 기기의 발전은 더욱 높은 출력과 저장용량의 전원을 필요로 하고 있으며, 그러한 전원으로서 충방전이 가능한 리튬 이차전지의 사용이 보편화되어 있다.
그러나, 리튬 이차전지는 노트북 컴퓨터 등과 같은 모바일 기기들의 높은 성능을 충분히 그리고 장시간에 걸쳐 발휘하기에는 적지않은 문제점들을 가지고 있다. 즉, 대용량의 리튬 이차전지를 제조하기 위해서는, 그것을 구성하는 재료의 특성상 제조비용이 매우 높고, 안전성이 취약하며, 충전에 장시간이 요구되는 등의 한계를 가지고 있다.
따라서, 리튬 이차전지가 가지는 한계를 극복하면서 상기에서와 같은 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 소형 발전 시스템의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 그 중 하나는 높은 성능의 전력을 장시간에 걸쳐 제공할 수 있는 연료 전지이다.
연료 전지는 수소, 메탄올 등의 연료를 전기화학적 반응을 통해 물로 변화시킬 때 전기를 발생시키는 전지로서, 상기 리튬 이차전지의 단점을 해소할 수 있으며 환경 친화적인 에너지원으로서 주목 받고 있다. 이러한 연료전지의 대표적인 예로서, 기상의 연료를 사용하는 수소 연료전지 등과, 액상의 연료를 사용하는 직접 메탄올 연료전지 등에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 이들의 일부는 상용화되어 있다.
예를 들어, 직접 메탄올 연료전지 장치는 전력을 생산하는 스택, 상기 스택에 연료를 공급하기 위한 액체 펌프 및 공기 펌프, 스택에서의 화학반응 후 발생하는 물과 순수 메탄올을 혼합하여 재사용하는 물 조절기, 시스템 내부의 온도 상승을 막고 물 조절기의 기능을 조절하는 열 교환기, 순수 메탄올을 공급하는 연료 펌프, 및 메탄올 카트리지를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
연료전지 시스템을 모바일 기기 등에 장착할 수 있는 휴대용 장치로서 제작하기 위해서는, 효과적인 작동과 콤팩트 한 구조를 위해 그것의 구성 요소들을 효율적으로 배치하는 것이 필요하다.
그러한 예로서, 미국 특허출원공개 제2005-0069738호에는 스택을 중간부위에 배치하고 그것의 양측에 물 조절기와 연료탱크를 위치시키며 장치 제어용 PCB를 하단 측면에 연장시킨 구조의 노트북 컴퓨터용 연료전지 장치가 개시되어 있다. 이러한 구조의 장치는 스택으로부터 발생하는 산성물질 함유 증기로 인해 PCB 등의 전자 부품들이 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과는 있으나, 내부에 많은 사공간(dead space)으로 인한 연료전지 장치 자체의 크기가 상당히 크고, 연료전지의 작 동 효율성이 떨어지며, 노트북 컴퓨터용으로만 사용될 수 있는 구성을 갖는다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 다양한 모바일 기기에 전원으로서 사용될 수 있는 보다 콤팩트하고 우수한 작동 효율성의 휴대용 연료전지 장치에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명의 목적은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 모바일 기기, 와이어리스 기기 등에 사용되는 휴대용 연료전지 장치로서, 다양한 기기에 장착 가능한 콤팩트 한 구조를 가지면서도 작동 효율성이 우수한 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 장치는, 휴대가 가능한 소형 직접 액체 연료전지 장치로서, 연료전지 스택과 제어부를 포함하는 발전 시스템이 벤트가 형성되어 있는 일측 케이스 내부에 장착되어 있고, 타측 케이스 내부에 연료 카트리지 장착부가 형성되어 있으며, 케이스의 상단에 작동/표시부가 형성되어 있고, 케이스의 측면 또는 하단에 접속부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 액체 연료를 사용하는 직접 액체 연료전지 장치라면 특별히 제한이 없으며, 특히 바람직하게는 상기 발전 시스템이 직접 메탄올 연료전지에 기반하고 있는 장치에 적용될 수 있다.
더욱 콤팩트 한 구조와 우수한 작동 효율성은 상기 발전 시스템의 구성에 크게 좌우되는 바, 하나의 바람직한 예에서 직접 메탄올 연료 전지용 발전 시스템은,
화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택이 시스템의 일측 단부에 위치하고;
메탄올/물 혼합용액을 상기 스택에 공급하고 스택으로부터 발생한 기상/액상 물질이 유입되는 물 조절부가 상기 스택에 인접하여 위치하며;
상기 스택에서 발생한 열을 제거를 위한 열교환부와 냉각팬, 및 공기를 스택에 공급하는 공기 펌프와 열교환부에서 응축된 물과 물 조절부의 메탄올 용액을 스택에 공급하는 액체 펌프 및 고순도 메탄올 연료를 물 조절부에 공급하는 연료 펌프가 상기 물 조절부에 인접하여 위치하고;
시스템의 구동에 필요한 예비전력을 제공하는 이차전지와 시스템을 제어하는 제어부가 시스템의 타측 단부에 위치되어 있는 것으로 구성되어 있다.
즉, 전체적으로 스택, 물 조절부, 열교환부 및 펌프, 이차전지 및 제어부의 순서로 연료전지의 구성 요소들이 순차적으로 배열되어 발전 시스템을 구성하고 있다.
이러한 배열 구조로 인해, 이하에서 자세히 설명하는 바와 같이, 본원발명의 발명의 장치는 더욱 콤팩트하고 우수한 효율성으로서 작동될 수 있도록 구성된다.
상기 물 조절부는 스택과 열교환부 사이에 배치되므로, 첫째, 물 조절부와 스택과의 거리를 최소화하여 물 조절부에 있는 메탄올 용액이 스택으로의 이동에 필요한 펌프 압력을 최소화할 수 있고, 둘째, 스택에서 발생하는 열이 물 조절부에 있는 메탄올 용액을 예열하여 냉각된 메탄올 용액이 스택으로 들어가 스택의 운전 효율을 떨어뜨리는 것을 예방할 수 있으며, 셋째, 열교환부를 가열된 스택과 원거리에 배치함으로써 열교환부의 효율을 극대화시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 연료전지 스택과 물 조절부는 서로 인접하여 스택에서의 유체의 출구 및 입구가 물 조절부의 입구 및 출구와 직접 연결되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 연결 구조로 인해 장치의 전체 크기를 더욱 콤팩트 하게 구성할 수 있다.
상기 열교환부와 각종 펌프는 물 조절부와 제어부 사이에 위치하는 바, 바람직하게는 상기 공기 펌프, 액체 펌프 및 연료 펌프가 열교환부의 하단에 위치되어 있으며, 이러한 구성은 다음과 같은 이점이 있다. 첫째, 열교환부가 물 조절부 상단에 인접하여 위치함으로써, 가열된 기체가 물 조절부의 하부로 이동하여 공기 펌프의 압력을 증가시키는 것을 방지할 수 있다. 둘째, 가열된 기체의 이동 거리를 최대한 단축시킬 수 있다. 셋째, 원통 형태의 공기 펌프, 액체 펌프 및 연료 펌프를 사공간을 줄이는 형태로 상호 중첩시켜 배치할 수 있다. 넷째, 소비 전력이 큰 액체 펌프를 물 조절부 아래쪽에 위치시킴으로써, 펌프에 생기는 압력을 줄이고 액체 펌프의 효율을 높일 수 있다.
또한, 이차전지와 제어부는 발전시스템에서 스택의 대향 단부측에 위치하는 바, 상대적으로 높은 온도의 스택 및 메탄올 용액이 모여 있는 물 조절부로부터 원 거리에 위치함으로써 열적/화학적 안정을 보장 할 수 있다. 즉, 이차전지와 제어부는 스택으로부터 가장 원거리에 배치되고 더욱이 스택과의 사이에 열교환부가 위치하므로, 스택으로부터 발생한 열과 산성 성분 함유 증기로 인한 손상 가능성을 최소화할 수 있다. 상기 제어부는 바람직하게는 이차전지의 하단에 위치한다. 이러한 구성은, 가열 기화된 메탄올이 시스템의 상부 쪽으로 이동하여 시스템 밖으로 배출되는 점을 고려할 때, 상기 메탄올에 대해 화학적으로 안정한 위치를 제공한다.
상기와 같은 발전 시스템이 장착되는 케이스의 외면에는 열교환부로부터 발생하는 열이 제거되기 위한 벤트가 형성되어 있다. 연료전지 스택의 효율적인 작동을 위해 물 조절부에서 메탄올/물 혼합용액의 농도를 일정한 수준으로 조절하는 바, 이러한 농도 조절을 위해 상기 벤트를 통해 일부 수증기가 배출되기도 한다.
외부기기와의 연결을 위한 접속부는 앞서의 설명과 같이 케이스의 일 측면 또는 하단에 설치되어 있으며, 바람직하게는 전력의 인출을 위한 커넥터를 포함하고 있다. 경우에 따라서는 상기 접속부에 USB 포트가 더 포함되어 있을 수도 있다.
본 발명의 연료전지 장치에서 상기 작동/표시부는 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 시스템의 동작 스위칭부와 시스템을 상태를 확인하기 위한 디스플레이부를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 디스플레이부는, 예를 들어, 액정 화면과 작동 버튼으로 구성될 수 있다. 이러한 화면은, 이차전지의 용량을 나타내는 전지 용량 바 그래프, 물 조절부 의 용액량을 나타내는 액체 레벨 바 그래프, 시스템의 동작 상태를 나타내는 작동 모드 표시자, 및 시스템으로부터 공급되는 전력량을 나타내는 출력 표시자를 선택적으로 또는 모두 포함하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 연료전지 장치는 노트북 컴퓨터, 휴대폰, DMB 폰, PMP등 더욱 콤팩트 한 구조가 요구되는 모바일 또는 와이어리스 전자기기의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 휴대용 연료전지 장치의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 휴대용 연료전지 장치(100)는 전체적으로 긴 육면체 형태의 케이스(110)의 내부에 연료전지 스택과 제어부를 포함하는 발전 시스템(200)이 장착되어 있으며, 케이스(110)의 일측에 연료 카트리지 프레임(130)이 형성되어 있다. 발전 시스템(200)이 위치하는 케이스(110)의 외면에는 벤트(112)가 형성되어 있다.
연료로서의 메탄올은 별도의 카트리지(도시하지 않음)에 고농도로 저장되어 있어서, 케이스(110)에 형성되어 있는 카트리지 캡(132)을 개봉하고 상기 카트리지를 삽입함으로써 연료 카트리지 프레임(130)에 장착하여 사용하게 된다.
케이스(110)의 상단 중앙에는 디스플레이 화면(310)과 작동 버튼(320)으로 이루어진 작동/표시부(300)가 형성되어 있어서, 연료의 소모량, 전지의 용량 등 장치(100)의 작동 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
또한, 케이스(110)의 측면에는 노트북 컴퓨터 등과 같은 외부 기기에 전력을 공급하기 위해 전기적 연결을 이루는 커넥터(400)와, 기타 모바일 전자기기에 연결할 수 있는 USB 포트(410)가 형성되어 있다.
도 2에는 도 1의 연료전지 장치에 내장되어 있는 발전 시스템의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 발전 시스템(200)은 도 1의 케이스(100)에 높은 밀집도로 장착될 수 있도록 대략 육면체 구조로 이루어져 있다. 육면체의 가장 좌측에는 연료극과 공기극에서의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지 스택(210)이 위치하며, 가장 우측에는 예비전력을 제공하기 위한 이차전지(220)와 전체 시스템을 제어하는 제어부(230)가 위치되어 있다.
스택(210)의 우측에는 그것과 대략 동일한 높이의 물 조절부(240)가 위치되어 있으며, 물 조절부(240)의 측부에는 수위 조절 센서(242)가 설치되어 있어서 물 조절부(240) 내에서 메탄올/물 혼합용액의 수위를 확인하여 제어부(230)로 검출 신호를 송부한다. 물 조절부(240)는 메탄올 카트리지(도시하지 않음)로부터 제공되는 순수 메탄올을 물과 함께 혼합하여 소정의 농도로 스택(210)에 공급하며, 스택(210)으로부터 발생하는 물, 이산화탄소, 미반응 메탄올이 유입된다.
이차전지(220)는 발전 시스템(200)의 초기 작동, 비상시의 작동 등을 위해 전력을 제공하며, 이러한 전력 소모는 발전 시스템(200)의 작동 중에 재충전된다. 제어부(230)는 더욱 콤팩트 한 구조의 실현을 위해 바람직하게는 인쇄회로기판(PCB)의 형태로 이루어져 있다.
물 조절부(240)에 인접하여 열교환부(250)와 냉각팬(도시하지 않음)이 위치하고 그것의 하단에 각종 펌프들이 설치되어 있다. 열교환부(250)는 시스템(200) 내부의 온도 상승을 방지하고, 스택(210)에서 발생한 수증기를 일정량 응축시켜 물 조절부(240)로 재송부하는 역할을 한다. 물 조절부(240) 내 메탄올/물 혼합용액의 농도는 열교환부(250)에서 응축되어 재순환되는 물의 유입량에 의해 결정되며, 상기 혼합용액의 농도가 너무 낮은 경우에는 수증기를 응축하지 않고 벤트(도 1의 112)를 통해 외부로 배출시킨다.
열교환부(250)의 하부에 위치하는 펌프 중, 공기 펌프(260)는 스택(210)의 공기극에 공기를 공급하며, 액체 펌프(270)는 연료극에 상기 메탄올/물 혼합용액을 공급한다. 연료 펌프(280)는 메탄올 카트리지(도시하지 않음)의 메탄올을 물 조절부(240)로 일정량 공급하는 역할을 한다.
도 3에는 도 1의 연료전지 장치에서 작동/표시부의 예시적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 작동/표시부(300)는 액정 디스플레이 화면(310), 작동 버튼(320) 및 모드 변환용 버튼(322)으로 이루어져 있다. 디스플레이 화면(310)에는 시스템의 작동 상태를 표시하는 작동 모드 표시자(311), 시스템으로부터 공급되는 전력량을 나타내는 출력 표시자(312)가 하부에 디스플레이 된다. 또한, 물 조절부의 용액량을 나타내는 액체 레벨 바 그래프(313)와 그것의 표시자(314)가 좌측에, 이차전지의 용량을 나타내는 전지 용량 바 그래프(315)와 그것의 표시자(316)가 우측에 각각 디스플레이 되며, 중앙에 시스템의 전체 작동 효율을 표시하는 표시자(317)가 중앙에 디스플레이 된다.
작동 버튼(310)은 시스템의 개시 및 종료를 위한 스위치로서 사용되며, 모드 변환용 버튼(322)은 디스플레이 화면(310)에 표시되는 콘텐츠를 변환시키기 위한 스위치로 사용된다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 일부 실시예들에 따른 내용을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 휴대용 연료전지 장치는 콤팩트 한 구조와 우수한 작동 효율의 장치로서 노트북 컴퓨터를 포함한 다양한 종류의 모바일 또는 와이어리스 전자기기의 전원으로서 효과적으로 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 휴대가 가능한 소형 직접 액체 연료전지 장치로서, 연료전지 스택과 제어부를 포함하는 발전 시스템이 벤트가 형성되어 있는 일측 케이스 내부에 장착되어 있고, 타측 케이스 내부에 연료 카트리지 장착부가 형성되어 있으며, 케이스의 상단에 작동/표시부가 형성되어 있고, 케이스의 측면 또는 하단에 접속부가 형성되어 있으며,
    상기 발전 시스템은,
    화학반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택이 시스템의 일측 단부에 위치하고;
    메탄올/물 혼합용액을 상기 스택에 공급하고 스택으로부터 발생한 기상/액상 물질이 유입되는 물 조절부가 상기 스택에 인접하여 위치하며;
    상기 스택에서 발생한 열을 제거하기 위한 열교환부와 냉각팬, 및 공기를 스택에 공급하는 공기 펌프와 열교환부에서 응축된 물과 물 조절부의 메탄올 용액을 스택에 공급하는 액체 펌프 및 고순도 메탄올 연료를 물 조절부에 공급하는 연료 펌프가 상기 물 조절부에 인접하여 위치하고;
    시스템의 구동에 필요한 예비전력을 제공하는 이차전지와 시스템을 제어하는 제어부가 시스템의 타측 단부에 위치되어 있는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발전 시스템은 직접 메탄올 연료전지를 기반으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 유체의 출구 및 입구는 상기 물 조절부의 입구 및 출구와 직접 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 펌프, 액체 펌프 및 연료 펌프는 열교환부의 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 이차전지의 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부는 전력의 인출을 위한 커넥터를 포함하고 있고, 선택적으로 USB 포트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 작동/표시부는 시스템의 동작 스위칭부와 시스템의 상태를 확인하기 위한 디스플레이부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 디스플레이부는 화면과 작동 버튼을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 화면은 액정 화면으로서, 이차전지의 용량을 나타내는 전지 용량 바 그래프, 물 조절부의 용액량을 나타내는 액체 레벨 바 그래프, 시스템의 동작 상태를 나타내는 작동 모드 표시자, 및 시스템으로부터 공급되는 전력량을 나타내는 출력 표시자로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 노트북 컴퓨터, 휴대폰, DMB 폰 및 PMP로 이루어진 군에서 선택되는 모바일 전자기기의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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