KR101024663B1 - 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리는 아연이 주입될 수 있는 주입구와 산화아연이 배출될 수 있는 배출구를 가지고 상기 주입구를 통해 유입되는 아연이 저장되는 몸체부와, 상기 몸체부의 양측 가장자리로부터 각각 외측으로 연장되고 사이사이에 상기 아연과의 반응을 위한 공기가 유입될 수 있게 배치되는 복수의 공기접촉부를 가지는 연료전지블럭; 및 상기 몸체부와 복수의 공기접촉부에 골고루 아연이 주입될 수 있도록, 상기 주입구를 통해 상기 연료전지블럭의 내부에 유입된 아연을 상기 몸체부와 복수의 공기접촉부들 중 어느 일측에 선택적으로 분산하여 유입시키기 위한 분산장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

연료전지블럭, 분산장치

Description

아연-공기 연료전지 스택 어셈블리{Zinc-Air fuel cell stack assembly}

본 발명은 전기자동차에 채용되는 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아연이 저장되는 셀을 교체하지 않고도 지속적으로 아연을 공급하여 줄 수 있고 아연을 복수의 셀에 골고로 분산하여 공급하여 줄 수 있도록 구조가 개선된 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리에 관한 것이다.

환경오염물을 전혀 배출하지 않는 수소/연료전지는 차세대 에너지 자원으로 가장 각광을 받고 있다. 널리 알려진 자동차용 연료전지를 비롯하여 노트북 등의 소형 가전, 1메가와트 이상의 고정형발전 등에 이르기까지 많은 분야에서 진행되고 있으나 아직까지는 기술/경제적으로 해결해야 할 장애물들이 남아 있는 상태이다. 산업/상업적으로 상용화된 일부의 연료전지들은 고농도의 수소를 연료로 이용하나 불순물로 들어오는 일산화탄소 등에 의해서 효율이 떨어진다. 또한 연료전지에서 이용되는 연료인 수수는 에너지 밀도가 낮아 수송, 저장 등에 있어 기존의 에너지 자원들보다 이용하기 어렵다. 이에 다른 연료를 이용하는 연료전지가 개발되고 있는 실정이다.

이러한 연료전지들 중 하나인 아연/공기 연료전지(ZAFC : Zinc Air Fuel Cell)에서 사용되는 아연 연료는 일산화탄소 피독의 위험이 없어 수소를 대체할 수 있는 연료이다. 아연/공기 연료전지에 이용되는 기본 반응은 양극에서 산소와 물이 반응하고 음극에서 아연이 산화아연으로 변하면서 전기를 발생시키는 구조이다.

도 1은 아연-공기 연료전지(ZAFC)가 채용되는 일반적인 전기자동차의 개념을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 2는 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리의 개략적인 구성을 보인 사시도이다.

도 1은 아연-공기 연료전지(ZAFC)가 채용되는 일반적인 전기자동차의 개념을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 2는 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리의 개략적인 구성을 보인 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 아연-공기 연료전지가 채용되는 일반적인 전기자동차는 아연-공기(A) 연료전지에 의해 발생되는 전기를 배터리에 저장하고 그 배터리에 저장된 전기로 모터를 구동시켜서 자동차의 휠을 회전시킨다. 여기서, 상기 모터와 배터리는 콘트롤러에 의해 제어된다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리는 아연이 저장되는 복수의 셀블럭(101)과 상기 각 셀블럭(101)이 지지되는 프레임블럭(100)을 구비한다.

상기 각 셀블럭(101)은, 인접한 셀블럭(101)들 사이사이에 공기(A)가 유입될 수 있도록 서로 이격되게 배치된다. 상기 셀블럭(101)들 사이사이에 유입되는 공기(A)는, 상기 셀블럭(101)에 저장되어 있는 아연과 반응을 하여 그 아연을 산화아연으로 변화시키면서 전기가 발생되게 한다.

그러나, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리에는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 상기 각 셀블럭(101)에 저장되어 있는 아연이 공기(A)와 반응을 하여 산화아연이 됨으로써 각 셀블럭(101)에 잔류하는 아연이 적어지게 되면, 상기 각 셀블럭(101)을 교체해 주어야 한다. 따라서, 종래기술에 의하면, 각 셀블럭(101)의 교체작업을 반복적으로 수행하여야 하는 번거로움이 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 아연이 저장되는 셀을 교체하지 않고 지속적으로 아연의 공급을 가능하게 하고 동시에 복수의 셀에 저장되는 아연을 골고루 분산하여 공급시켜 줄 수 있는 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아연이 주입될 수 있는 주입구와 산화아연이 배출될 수 있는 배출구를 가지고 상기 주입구를 통해 유입되는 아연이 저장되는 몸체부와, 상기 몸체부의 양측 가장자리로부터 각각 외측으로 연장되고 사이사이에 상기 아연과의 반응을 위한 공기가 유입될 수 있게 배치되는 복수의 공기접촉부를 가지는 연료전지블럭; 및 상기 몸체부와 복수의 공기접촉부에 골고루 아연이 주입될 수 있도록, 상기 주입구를 통해 상기 연료전지블럭의 내부에 유입된 아연을 상기 몸체부와 복수의 공기접촉부들 중 어느 일측에 선택적으로 분산하여 유입시키기 위한 분산장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 분산장치는: 상기 몸체부 측으로 아연유입을 안내하기 위한 것으로, 각각 상기 케이스에 회전가능하게 결합되고, 일측 가장자리가 서로 마주하게 배치되는 한 쌍의 제1안내리브; 및 상기 각 공기접촉부 측으로 아연유입을 안내하기 위한 것으로, 상기 각 공기접촉부에 대응되는 개수를 가지고, 상기 각 제1안내리브의 타측 가장자리로부터 연장형성된 복수의 제2안내리브;를 구비하여서, 상기 각 제1안 내리브의 마주하는 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 낮게 배치되고 아연이 통과될 수 없는 간격으로 배치되어 있는 상태에서, 상기 주입구를 통해 유입된 아연이 상기 한 쌍의 제1안내리브 사이에 아연이 놓이게 되고, 상기 각 제1안내리브의 일측 가장자리가 상기 제1안내리브들 사이에 놓인 아연이 통과될 수 있는 간격으로 배치되도록 회전된 상태에서, 상기 몸체부 측으로 아연이 유입되며, 상기 각 제1안내리브의 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 높은 위치에배치되도록 회전된 상태에서, 아연이 상기 각 제2안내리브를 경유하여 상기 각 공기접촉부 측으로 유입되도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 몸체부 내에 배치되고, 상기 아연과 산화아연을 분리시키고 상기 산화아연이 상기 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있도록, 상기 산화아연이 통과되고 상기 배출구와 소통되는 복수의 구멍을 가지는 걸름망블럭; 및 상기 걸름망블럭을 통과하여 상기 연료전지블럭의 외부로 배출되는 산화아연을 필터링시키기 위한 산화아연용 필터;를 구비하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리는 아연이 주입되는 주입구를 가지는 몸체부와 그 몸체부로부터 외측으로 연장되어 공기와 아연과 반응을 가능하게 하는 공기접촉부를 가지는 연료전지블럭을 구비하여, 아연이 저장되어 있는 셀 자체를 교체하지 않고 지속적인 아연의 공급이 가능하게 이루어짐으로써 제품의 사후관리의 효율을 높일 수 있는 효과와, 몸체부와 공기접촉부들에 골고루 아연을 주입시킬 수 있게 하는 분산장치를 구비하 여, 아연과 공기 간의 화학적 반응 효율을 높여 전기 생성효율을 극대화시킬 수 있는 효과를 가진다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리의 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이고, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 단면도이며, 도 6은 본 발명 일실시예에 채용되는 분산장치의 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리는 연료전지블럭(1)과 분산장치를 포함하여 이루어진다.

상기 연료전지블럭(1)은 몸체부(11)와 복수의 공기접촉부(12)를 구비한다. 상기 몸체부(11)는 아연(Z1)이 주입될 수 있는 주입구(13)와 상기 아연(Z1)과 공기(A)와의 반응에 의해 생성되는 산화아연(Z2)이 배출될 수 있는 배출구(14)를 가진다. 상기 몸체부(11)에는 상기 주입구(13)를 통해 아연(Z1)이 저장된다. 본 실시예에서 상기 아연(Z1)은 구 형상을 가진다.

상기 각 공기접촉부(12)는 상기 몸체부(11)의 양측 가장자리로부터 외측으로 연장된다. 상기 각 공기접촉부(12)는 일정간격 이격되게 배치되어서 인접한 공기접촉부(12)들 사이사이에 공기(A)가 유입될 수 있게 한다. 상기 공기접촉부(12)들 사이사이에 유입되는 공기(A)는 상기 몸체부(11)의 아연(Z1)과 반응을 하여 산화아연(Z2)으로 변하면서 전기를 발생시킨다.

상기 분산장치(8)는, 상기 주입구(13)를 통해 상기 연료전지블럭(1)의 내부에 유입된 아연을, 상기 몸체부(11)와 복수의 공기접촉부들(12) 중 어느 일측에 선택적으로 분산하여 유입시켜서, 상기 몸체부(11)와 복수의 공기접촉부들(12)에 골고루 아연이 주입되게 한다.

본 실시예에서는 이러한 기능을 발휘하기 위한 분산장치(8)의 구성으로, 한 쌍의 제1안내리브(81)와 복수의 제2안내리브(82)를 포함하여 이루어진다.

상기 각 제1안내리브(81)는, 상기 몸체부(11) 측으로 아연유입을 안내하기 위한 것으로, 상기 연료전지블럭(1)에 힌지축(83)을 통해 회전가능하게 결합되고, 아연이 놓일 수 있는 판 형상을 가지며, 일측 가장자리가 서로 마주하게 배치된다.

상기 각 제2안내리브(82)는, 상기 각 공기접촉부(12)에 대응되는 개수를 가지고, 상기 각 제1안내리브(81)의 타측 가장자리로부터 연장형성되어서, 상기 각 공기접촉부(12) 측으로 아연유입을 안내하는 역할을 한다.

상기 제1안내리브(81)와 제2안내리브(82)는, 상기 힌지축(83)에 동력적으로 연결되는 동력원(미도시)에 의해 회전된다. 즉, 상기 동력원에 의해 상기 힌지축(83)이 회전되는 경우에만 상기 제1안내리브(81)와 제2안내리브(82)의 회전이 가능하게 이루어지고, 상기 동력원에 의한 동력이 상기 힌지축(83)에 전달되지 않는 경우에는 상기 제1안내리브(81)와 제2안내리브(82)의 회전이 방지된다.

이러한 구성을 가지는 분산장치(8)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 각 제1안내리브(81)의 마주하는 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 낮게 배치되고 아연이 통과될 수 없는 간격으로 배치되어 있는 상태에서, 상기 주입구(13)를 통해 유입된 아연이 상기 한 쌍의 제1안내리브(81) 사이에 아연이 놓이게 된다. 즉, 상기 연료전지블럭(1)의 주입구(13)를 통해 내부로 유입된 아연은 먼저 상기 한 쌍의 제1안내리브(81) 사이에 위치된다. 그리고, 제어부는 상기 몸체부와 공기접촉부에 저장되어 있는 아연의 양을 센서부로 하여금 센싱하게 하고, 그 센싱결과에 기초하여 상기 한 쌍의 제1안내리브(81) 사이에 위치되어 있는 아연이 상기 몸체부(11)와 공기접촉부들(12) 중 어느 일측에 유입될 수 있도록 상기 동력원을 작동시키게 된다.

여기서, 상기 몸체부(11) 측의 아연이 소모되어 아연공급이 요구되는 경우에 상기 제어부는 상기 동력원을 작동시켜 상기 한 쌍의 제1안내리브(81)가 도 8과 같이 회전되도록 제어신호를 인가하게 된다. 이와 같이 되면, 상기 한 쌍의 제1안내리브(81) 사이가 아연이 통과될 수 있는 간격으로 배치됨으로써, 그 간격을 통해 아연이 상기 몸체부(11) 측으로 유입되게 된다.

그리고, 상기 공기접촉부들(12) 측의 아연이 소모되어 아연공급이 요구되는 경우에 상기 제어부는 상기 동력원을 작동시켜 상기 한 쌍의 제1안내리브(81)가 도 9와 같이 회전되도록 제어신호를 인가하게 된다. 이와 같이 되면, 상기 각 제1안내리브(81)의 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 높은 위치에 배치됨으로서, 상기 아연이 상기 각 제2안내리브(82)를 경유하여 상기 각 공기접촉부(12) 측으로 유입되게 된다.

이와 같이, 본 발명은 아연을 상기 몸체부(11)와 공기접촉부들(12)에 골고루 유입시킬 수 있도록 구성되어서, 아연과 공기 간의 접촉효율을 높여 전기의 생성효 율을 높일 수 있는 장점을 가진다.

한편, 상기 걸름망블럭(2)은 상기 몸체부(11) 내에 배치되어서, 상기 아연(Z1)과 산화아연(Z2)을 분리시키는 역할을 한다. 즉, 상기 걸름망블럭(2)은 상기 공기(A)와 반응하여 생성된 산화아연(Z2)이 통과되는 복수의 구멍(21)을 구비하여서, 상기 아연(Z1)과 산화아연(Z2)을 구획시킨다. 상기 복수의 구멍(21)을 통과한 산화아연(Z2)은 상기 배출구(14)를 통해 외부로 배출된다.

이와 같이, 산화아연(Z2)의 발생으로 아연(Z1)의 양이 부족하게 되면, 아연(Z1)의 양을 감지하는 센서부의 신호에 기초하여 부족분에 해당하는 양만큼의 아연(Z1)을 상기 몸체부(11)의 주입구(13)를 통해 주입시켜 주면 된다.

따라서, 아연(Z1)을 공급하여 주기 위해 아연(Z1)이 저장되어 있는 셀(이하 '아연저장셀'이라 한다) 자체를 교체하지 않고도 아연(Z1)의 지속적인 공급이 가능해 짐으로써, 복수의 아연저장셀 교체에 소요되는 시간 및 비용을 줄일 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에서는 산화아연용 필터(7)와 케이스(3)와 공기정화용 필터(4)와 제1개폐부재(51)와 제2개폐부재(52)와 흡입팬(6)이 구비되어 있다.

상기 산화아연(Z2)용 필터(7)는, 상기 걸름망블럭(2)을 통과하여 상기 연료전지블럭(1)의 외부로 배출되는 산화아연(Z2)을 필터링시켜서 환경오염물질을 최소화시키기 위한 것이다.

상기 케이스(3)는 상기 연료전지블럭(1)을 폐쇄시킬 수 있도록 그 연료전지블럭(1)을 에워싸는 형태로 배치되고 통 형상을 가진다. 이러한 케이스(3)에는 공 기유입관(31)과 공기배출관(32)이 각각 접속된다. 상기 공기유입관(31)은 외부의 공기(A)가 상기 연료전지블럭(1)의 공기접촉부(12) 측으로 유입될 수 있게 하고, 상기 공기배출관(32)은 상기 공기접촉부(12)를 경유한 공기(A)가 외부로 배출될 수 있게 한다.

상기 공기정화용 필터(4)는 상기 공기유입관(31)의 공기유동경로 상에 배치되어 외부에서 유입되는 공기(A)를 정화시키는 역할을 한다.

상기 제1개폐부재(51)와 제2개폐부재(52)는, 자동차의 주차 및 정차시에 상기 아연(Z1)과 공기(A)의 반응이 요구되지 않는 상태(예컨대 전기의 생성이 요구되지 않는 경우)에서 각각 상기 공기(A)의 유입 및 공기(A)의 배출을 불가능하게 한다.

즉, 상기 제1개폐부재(51)는 상기 공기유입관(31)의 공기유동경로 상에 설치되어서 외부에서의 공기(A)가 상기 케이스(3) 내부로 유입되는 것을 선택적으로 차단시키는 역할을 하고, 상기 제2개폐부재(52)는 상기 케이스(3) 내부에 머무는 공기(A)가 상기 외부로 배출되는 것을 선택적으로 차단시키는 역할을 한다.

상기 흡입팬(6)은 상기 공기배출관(32)에 설치되어서, 외부에서의 공기를 상기 공기유입관(31)의 내부로 강제 흡입시키는 역할을 한다. 이러한 흡입팬(6)은 상기 케이스(3) 내부로의 공기(A)의 유입을 원활하게 하여 공기(A)와 아연(Z1) 간의 반응을 활성화시킨다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

도 1은 아연-공기 연료전지(ZAFC)가 채용되는 일반적인 전기자동차의 개념을 설명하기 위한 블럭도.

도 2는 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리의 개략적인 구성을 보인 사시도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리의 사시도.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.

도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 단면도.

도 6은 본 발명 일실시예에 채용되는 분산장치의 사시도.

도 7 내지 9는 본 발명 일실시예에 채용되는 분산장치의 동작상태도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:연료전지블럭 11:몸체부

12:공기접촉부 13:주입구

14:배출구 2:걸름망블럭

21:구멍 3:케이스

31:공기유입관 32:공기배출관

4:공기정화용 필터 51:제1개폐부재

52:제2개폐부재 6:흡입팬

7:산화아연용 필터 A:공기

8:분산장치 81:제1안내리브

82:제2안내리브 83:힌지축

Z1:아연 Z2:산화아연

Claims (3)

1. 아연이 주입될 수 있는 주입구와 산화아연이 배출될 수 있는 배출구를 가지고 상기 주입구를 통해 유입되는 아연이 저장되는 몸체부와, 상기 몸체부의 양측 가장자리로부터 각각 외측으로 연장되고 사이사이에 상기 아연과의 반응을 위한 공기가 유입될 수 있게 배치되는 복수의 공기접촉부를 가지는 연료전지블럭; 및

   상기 몸체부와 복수의 공기접촉부에 골고루 아연이 주입될 수 있도록, 상기 주입구를 통해 상기 연료전지블럭의 내부에 유입된 아연을 상기 몸체부와 복수의 공기접촉부들 중 어느 일측에 선택적으로 분산하여 유입시키기 위한 분산장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분산장치는:

   상기 몸체부 측으로 아연유입을 안내하기 위한 것으로, 각각 상기 연료전지블럭에 회전가능하게 결합되고, 일측 가장자리가 서로 마주하게 배치되는 한 쌍의 제1안내리브; 및

   상기 각 공기접촉부 측으로 아연유입을 안내하기 위한 것으로, 상기 각 공기접촉부에 대응되는 개수를 가지고, 상기 각 제1안내리브의 타측 가장자리로부터 연장형성된 복수의 제2안내리브;를 구비하여서,

   상기 각 제1안내리브의 마주하는 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 낮 게 배치되고 아연이 통과될 수 없는 간격으로 배치되어 있는 상태에서, 상기 주입구를 통해 유입된 아연이 상기 한 쌍의 제1안내리브 사이에 아연이 놓이게 되고,

   상기 각 제1안내리브의 일측 가장자리가 상기 제1안내리브들 사이에 놓인 아연이 통과될 수 있는 간격으로 배치되도록 회전된 상태에서, 상기 몸체부 측으로 아연이 유입되며,

   상기 각 제1안내리브의 일측 가장자리가 타측 가장자리에 비해 높은 위치에배치되도록 회전된 상태에서, 아연이 상기 각 제2안내리브를 경유하여 상기 각 공기접촉부 측으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,

   상기 몸체부 내에 배치되고, 상기 아연과 산화아연을 분리시키고 상기 산화아연이 상기 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있도록, 상기 산화아연이 통과되고 상기 배출구와 소통되는 복수의 구멍을 가지는 걸름망블럭; 및

   상기 걸름망블럭을 통과하여 상기 연료전지블럭의 외부로 배출되는 산화아연을 필터링시키기 위한 산화아연용 필터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 스택 어셈블리.

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