KR100993929B1 - 연료전지용 공기공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 공기공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 연료전지의 하우징에 일측에 외부와의 공기 배출 및 흡입이 가능하도록 하는 공기입출구; 및 상기 공기입출구로부터 충분히 떨어져 있는 일측에 마련되는 공기공급기를 포함하며, 상기 공기공급기는 탄성막과 상기 탄성막에 부착되어 있는 선형이동체와 상기 선형이동체를 선형이동시키기 위한 구동기를 포함한다. 따라서, 본 발명의 연료공급장치는 유로가 좁고 유속이 빠른 유로의 압력손실이 큰 경우에도 적용가능한 효과를 제공한다.

연료전지, 공기공급

Description

연료전지용 공기공급장치{Apparatus of air-supplying for fuel cell}

본 발명은 연료전지에 공기를 공급하기 위한 연료전지용 공기공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC 이하 DMFC)는 연료인 메탄올과 산화제인 산소와의 반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 연료개질기 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.

또한 모노폴라형 DMFC의 경우 상온, 상압에서 작동이 가능하고, 소형화가 가능하므로 휴대폰, PDA, 노트북컴퓨터 등 휴대용 전자기기, 의료 기기, 군사용장비 등의 전원으로 사용이 가능하다.

DMFC는 전술한 바와 같이, 메탄올과 산소의 전기화학적 반응으로부터 전기를 생성하는 발전 시스템으로서, 애노드와 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되 어 있는 구조를 가진다.

애노드와 캐소드 전극은 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층과 전극 반응 즉 산화/환원반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체등을 구성요소로서 포함한다. 산화/환원 반응을 위한 촉매는 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속이 사용이 되며, 반응 부생성물인 일산화탄소에 의한 촉매피독현상을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈등과 같은 전이금속의 합금도 사용된다.

전극 지지체로는 탄소종이, 탄소직물등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 방수처리(wetproofed)된다. 전해질은 두께가 50-200㎛ 인 고분자막으로서 수분을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온교환막이 사용된다.

DMFC 단위 셀의 발생전압은 이론적으로는 1.2V 정도이지만 상온, 상압 조건에서 개회로 전압(open circuit voltage)은 1V 이하가 되며, 실제 작동전압은 활성화 과전압 및 저항 과전압에 의해 전압강하가 일어나기 때문에 0.3 ~ 0.5 V 정도가 된다.

따라서 원하는 용량의 전압을 얻기 위해서는 여러 장의 셀을 직렬로 연결하여야 한다. 셀을 직렬로 연결하는 방식에는 적층방식에 따라 크게 바이폴라형(bipolar type)과 모노폴라형(monopolar type)이 있다.

바이폴라형은 하나의 극판이 '+' 와 '-' 극성을 모두 갖는 적층방식으로서 주로 큰 용량의 스택에 사용되며, 모노폴라형은 하나의 극판이 '+' 또는 '-' 극성 만을 갖는 적층방식으로 주로 저용량의 스택에 적합한 방식이다.

모노폴라형 적층방식은 한 장의 전해질막 위에 여러 장의 셀을 배열한 후 각 셀을 직렬로 연결함으로써 회로를 구성하는방식으로 두께와 부피를 크게 줄일 수 있어서 박형의 소형 DMFC 제작이 가능한 방식이다. 모노폴라형 셀팩에서는 전해질막 위의 전극이 모두 같은 극성을 가지므로 연료를 모든 전극에 동시에 전달하는 것이 가능하여 모든 전극에서 연료농도를 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 모노폴라형 셀팩구조에서는 집전체(current collector) 역할을 하며 연료공급통로인 유로(fuel flow)가 새겨진 흑연블럭(graphite block)이 연속적으로 적층되어 있기 때문에, 연료공급과 전기적 연결이 동시에 이루어지는 바이폴라형구조와는 달리, 연료공급과 전기집전을 동시에 하는 것이 용이하지 않아, 집전판과 전극과의 접촉상태가 좋지 않으면 접촉면이 넓지 않아 저항에 의한 전류손실이 발생이 된다.

또한 반응 부생성물인 이산화탄소의 효율적 배출이 어려워 액체연료층 내로 이들 기포가 들어가 연료의 공급을 방해하게 되며, 전극표면에 생긴 기포는 전극표면의 연료가 촉매로 이동하는 것을 방해함으로써 전극성능을 현저히 낮추게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 연료공급과 전류집전이 동시에 가능한 집전판이 있어야 하며 이러한 집전판의 구조는 전극과의 접촉면이 최대가 되어 접촉저항에 의한 전류손실을 방지해야 한다. 또한 셀팩 내에 반응부생성물인 이산화탄소의 배출통로를 설치함으로써 전극표면위의 이산화탄소를 신속하게 배출시켜 전극촉매로의 원활한 연료공급이 이루어지도록 해야 한다.

DMFC는 산소를 반응물로 사용하기 때문에 DMFC 셀팩의 구조는 환원반응이 일어나는 캐소드 전극이 외부공기와 직접적으로 접촉하는 구조를 가져야 한다.

그러나 DMFC 셀팩을 휴대용 전자기기의 전원으로 응용하기 위해 전자기기에 탑재할 경우, 전자기기와 접속되는 면에서 공기흡입구가 설치된 셀팩 외면의 일부가 가려지게 되고, 사용자의 신체부위나 전자기기가 놓여진 환경에 따라 셀팩 외면의 공기흡입구가 가려지므로 그 부분에서는 공기흡입구를 통한 산소공급이 되지 않아 전극반응이 일어나지 않게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 셀팩과 전자기기와의 접속위치, 사용자의 사용환경 등에 관계없이 외부공기가 셀팩으로 충분히 유입되어 전극표면으로 고르게 공급될 수 있는 구조를 가져야 하며 외부로부터 이물질이나 수분의 침투를 막을 수 있는 공기공급장치를 가져야 한다.

따라서 종래에 연료전지용 공기공급장치로 프로펠라 방식이나 냉각팬방식이 사용되었으나 유로 압력손실이 낮은 시스템에 적용이 제한되고 압력손실 변동에 따른 성능 변화가 심한 문제점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 유로가 좁고 유속이 빠른 방식의 연료전지에서도 공기공급이 원활하며 물배출이 용이하도록 선형압전구동기를 이용한 연료전지용 공기공급장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기공급장치는 연료전지에 공기의 배출 및 흡입을 유도하기 위한 공기공급장치에 있어서, 상기 연료전지의 하우징에 일측에 외부와의 공기 배출 및 흡입이 가능하도록 하는 공기입출구; 및 상기 공기입출구로부터 충분히 떨어져 있는 일측에 마련되는 공기공급기를 포함하며, 상기 공기공급기는 탄성막과 상기 탄성막에 부착되어 있는 선형이동체와 상기 선형이동체를 선형이동시키기 위한 구동기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 구동기는 구동기의 본체하우징과 상기 본체하우징에 평행하게 마련된 한 개 이상의 가이드봉과, 및 상기 가이드봉을 따라 선형이동하는 선형구동체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 공기입출구는 상기 구동기가 전진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 내부의 공기를 배출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 공기입출구는 상기 구동기가 후진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 외부의 공기를 흡입하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 공기공급장치는 연료전지에 공기의 배출 및 흡입을 유도하기 위한 공기공급장치에 있어서, 상기 연료전지의 하우징에 일측에 외부와의 공기 배출 및 흡입이 가능하도록 하는 공기입출구; 및 상기 공기입출구로부터 충분히 떨어져 있는 일측에 마련되는 공기공급기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 공기공급기는 탄성막과 상기 탄성막에 부착되어 있는 선형이동체와 상기 선형이동체를 선형이동시키기 위한 구동기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 구동기는 구동기의 본체하우징과 상기 본체하우징에 평행하게 마련된 한 개 이상의 가이드봉과, 및 상기 가이드봉을 따라 선형이동하는 선형구동체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 공기입출구는 상기 구동기가 전진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 내부의 공기를 배출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 공기입출구는 상기 구동기가 후진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 외부의 공기를 흡입하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 연료공급장치는 연료전지의 발전성능을 향상시킴은 물론 선형압전구동기를 이용함으로 구동 속도 및 구동 대기시간을 조정하여 에너지 효율을 증대할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 연료공급장치는 선형압전구동기와 얇은 막으로 구성되므로 별도의 요소기계가 필요하지 않아 모듈의 간소화를 달성할 수 있다.

또한, 본 발명의 연료공급장치는 유로가 좁고 유속이 빠른 유로의 압력손실이 큰 경우에도 적용가능한 효과를 제공한다.

이하, 첨부한 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

본 발명에 따른 연료전지용 공기공급장치는 DMFC에 공기를 공급하기 위한 장치로, 탄성막에 부착되어 있는 선형이동체를 구비하고 그 선형이동체를 선형이동시키기 위한 구동기를 설치한다. 구동기는 선형이동체를 선형이동시키므로 선형이동체가 선형이동하면서 마주보는 면에 마련된 공기입출구를 통해 공기가 배출되거나 흡입된다. 이때, 선형이동체가 전진운동을 수행하면 공기입출구의 공기가 배출되며 반대로 선형이동체가 후진운동을 수행하면 공기입출구의 공기가 흡입된다.

이러한 과정을 하기의 도 1 내지 도 4를 참고하여 좀 더 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 제조 순서를 도시한 도면이다.

도 1a를 참고하면, DMFC(미도시)를 내장하고 있는 DMFC하우징(11)의 공기입출구에 마주보는 일측에 고무막이나 실리콘막 등의 탄성막(12)을 접착한다.

탄성막(12)의 접착이 완료되면, 도 1b에 도시된바 대로, 피스톤 형상의 선형이동체(13)를 탄성막(12)에 부착한다.

또한, 선형이동체(13)의 부착이 완료되면, 선형이동체(13)를 선형이동시키기 위한 구동기(14)를 부착한다.

이렇게 하여 DMFC하우징(11) 일측에 마련된 공기공급장치의 작동상태를 도 2 및 도 3을 참고하여 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a를 참고하면, 내부에 DMFC(15)를 구비한 DMFC하우징(11)의 일측에 공기입출구(16)가 마련된다. 공기입출구(16)와 마주보는 일측에 공기를 배출 또는 흡입하기 위해 선형이동하는 선형이동체(13)를 구비하며 선형이동체(13)의 사이에 탄성막(12)이 마련된다. 그리고 앞서 제작과정에서 설명한 바와 같이 선형이동체(13)를 선형이동시키기 위한 구동기(14)가 마련되어 있다. 여기서 구동기(14)가 전진운동을 수행하는 경우, DMFC하우징(11) 내부의 공기가 공기입출구(16)를 통해 배출하게 된다. 즉, 구동기(14)가 전진운동을 하면, 선형이동체(13)가 탄성막(12) 과 함께 도 2a에 도시된 화살표방향으로 이동하여 DMFC하우징(11) 내부의 공기를 배출시킨다.

한편 도 2b를 참고하면, 공기배출과 반대로 구동기(14)가 후진운동을 수행하는 경우, DMFC하우징(11)의 공기입출구(16)를 통해 외부의 공기가 DMFC하우징(11)내부로 흡입된다. 즉, 구동기(14)가 후진운동을 하면, 선형이동체(13)가 탄성막(12)과 함께 도 2b에 도시된 화살표방향으로 이동하여 DMFC하우징(11)의 내부로 외부의 공기를 흡입시킨다.

이렇게 선형이동체(13)를 선형이동시키는 구동기(14)에 대해 도 3을 참고하여 좀 더 상세히 살펴본다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 사용된 구동기를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a는 구동기(14)의 평면도를 보여준다.

도 3a를 참고하면, 구동기(14)의 본체하우징(141)에 두 개의 가이드봉(142)이 평행하게 마련되어 있으며, 가이드봉(142)을 따라 선형이동하는 선형구동체(143)를 구비한다.

도 3b는 구동기(14)의 사시도를 보여준다.

도 3b를 참고하면, 선형구동체(143)는 가이드봉(142)을 따라 전진운동과 후진운동을 수행하도록 한다. 따라서 선형구동체(143)가 왕복운동을 수행함에 따라 선형이동체(13)가 선형이동이 가능하다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 공기공급장치가 적용된 연료전지의 공기흐름을 보여주는 도면이다.

도 4a 및 도 4b 및 도 4c를 보면, 공통적으로 유로가 좁고 유속이 빠른 방식에서도 공기의 배출과 흡입이 화살표방향을 따라 가능함을 보여주기 위한 것이다. 즉, 도시된 것처럼, 공기배출화살표를 따라 공기가 배출되고 공기흡입화살표를 따라 공기가 흡입된다.

따라서 본 발명의 공기공급장치는 유로의 압력손실이 커도 공기의 공급이 가능하며, 다양한 유로에 모두 적용이 가능하다.

따라서, DMFC의 발전 성능(반응률)이 향상되고, 물생성에 따른 유로 막힘 등의 문제가 발생하지 않는다.

또한, 본 발명의 공기공급장치는 선형구동기를 이용하여 컴팩트한 이점이 있으며, 운전방식에서도 구동기의 구동주기와 구동간격을 최적화하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있음은 자명하다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 제조 순서를 도시한 도면,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 사용된 구동기를 설명하기 위한 도면,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 공기공급장치가 적용된 연료전지의 공기흐름을 보여주는 도면,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : DMFC하우징 12 : 탄성막

13 : 선형이동체 14 : 구동기

15 : DMFC 16 : 공기입출구

Claims (9)

1. 연료전지에 공기의 배출 및 흡입을 유도하기 위한 공기공급장치에 있어서,

   상기 연료전지의 하우징에 일측에 외부와의 공기 배출 및 흡입이 가능하도록 하는 공기입출구; 및

   상기 공기입출구로부터 충분히 떨어져 있는 일측에 마련되는 공기공급기를 포함하며,

   상기 공기공급기는 탄성막과 상기 탄성막에 부착되어 있는 선형이동체와 상기 선형이동체를 선형이동시키기 위한 선형압전구동기를 포함하고,

   상기 선형압전구동기는,

   구동기의 본체하우징과 상기 본체하우징에 평행하게 마련된 한 개 이상의 가이드봉과, 및 상기 가이드봉을 따라 선형이동하는 선형구동체를 포함하고,

   상기 공기입출구는,

   상기 선형압전구동기가 전진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 내부의 공기를 배출하고, 상기 선형압전구동기가 후진운동을 하면, 상기 선형이동체가 상기 탄성막과 함께 동일 방향으로 이동하여 외부의 공기를 흡입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.
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