KR101206784B1 - 아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 아연-공기 연료전지 시스템은, 아연-공기 연료전지 시스템으로, 상기 시스템은 케이스(26); 상기 케이스(26) 내에 구비되어 아연볼(10)과 전해질이 수용되는 수용공간(12)을 가지는 음극 주머니(14); 상기 음극 주머니(14) 내부에 배치되어 상기 전해질 내에서의 아연볼(10)과 외부공기 중 산소와의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하는 집전체(16); 및 상기 케이스(26)에 연결되어 상기 시스템의 충전율에 따라 상기 시스템의 충전율이 소정 수준을 초과하는 경우, 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시키는 공기 배출라인(32)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법 {Zinc-air fuel cell system, and control method for the same}
본 발명은 아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 충전율에 따라 시스템 내의 공기 등을 제거하여, 진공상태를 형성시킴으로써 공기와 아연볼 사이의 과충전을 방지하는 아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근에 자연을 보존하고자 하는 환경정책과 그린 에너지 정책에 부합하여 매연이 발생되지 않는 전기자동차, 모터바이크, 전기버스 등이 화제가 되고 있는 실정이다.
아연-공기 연료전지는 전해질 내에서 아연과 공기 중의 산소가 반응하여 생성되는 전자를 집전하여 전기를 생성하는 것으로, 근자에 연료에서 생성되는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 전통적인 연료전지를 대체하는 연료전지로서 개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.
이러한 아연-공기 연료전지는 전자 생성을 위한 반응계의 구조가 간소하여 경량화 및 전력소비 절감을 통해 고용량 배터리의 구현을 통해 사용효율을 높이고자 하는 전기자동차의 개발추세에 부합하는 것으로 부각되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 일요부를 보인 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 아연-공기 연료전지 시스템은 예컨대 전기자동차, 모터바이크 및 전기버스와 같은 전기구동 장치의 동력원인 모터를 구동시키기 위한 전기를 생성하기 위한 것으로, 음극 주머니(14)와 집전체(16)와 커버블럭(18)과 개폐블럭(20)을 포함하여 이루어진다. 상기 단위 셀 유니트의 구성을 이루는 음극 주머니(14)는, 내부에 아연볼(10)과 전해질이 수용되는 수용공간(12)을 가진다. 여기서, 상기 아연볼(10)은 구 형상을 가진다. 이러한 금속볼(10)은 상기 전해질 내에서 외부로부터 유입되는 산소와 산화환원 반응을 함으로써, 전자를 내어 놓고 산화아연을 생성하게 된다. 이후 상기 집전체(16)는 상기 반응에 의해 생성된 전자를 집전하여 전기를 생성하게 되고, 그 생성된 전기는 배터리(미도시)에 저장된다.
이와 같이 아연-공기 연료전지에서는 단위 셀 유니트에 구비된 아연볼의 표면에 충분한 공기를 접촉시키는 것이 중요하다. 이를 위하여, 종래 기술에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 도 1 및 2에서 표시된 바와 같이 연료전지 시스템의 케이스(26) 내로 공기를 유입, 배출하기 위한 송풍팬(30)을 구비한다. 즉, 상기 송풍팬(30)의 회전에 따라 외부공기가 연료전지 시스템 내로 유입되어, 공기 중 산소가 아연 볼과 반응하고, 잔류 공기는 다시 또 다른 송풍팬(30)에 의하여 외부로 배출된다. 하지만, 충분한 충전이 이루어졌음에도 시스템 내에 잔류하거나 또는 송풍팬에 의하여 시스템 내로 유입되는 공기는 결국 아연볼(10)의 과도한 산화를 촉진시켜, 과충전의 문제를 발생시킨다. 더 나아가, 이러한 과충전으로 인하여, 시스템의 가동수명이 짧아지는 문제 또한 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 과충전을 효과적으로 방지할 수 있는 아연-공기 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제품의 과충전을 효과적으로 방지하지 할 수 있는 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아연-공기 연료전지 시스템은 케이스(26); 상기 케이스(26) 내에 구비되어 아연볼(10)과 전해질이 수용되는 수용공간(12)을 가지는 음극 주머니(14); 상기 음극 주머니(14) 내부에 배치되어 상기 전해질 내에서의 아연볼(10)과 외부공기 중 산소와의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하는 집전체(16); 및 상기 케이스(26)에 연결되어 상기 시스템의 충전율에 따라 상기 시스템의 충전율이 소정 수준을 초과하는 경우, 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시키는 공기 배출라인(32)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 공기 배출라인(32)은 진공발생부(33)에 연결되며, 상기 진공라인(33)으로부터 발생한 진공에 의하여 상기 시스템 내의 공기는 외부로 배출된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 공기 배출라인(32)에는 제 1 차단 밸브(35)가 구비되어, 상기 시스템과 진공발생부(33)를 선택적으로 유체연통시킨다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 시스템은 시스템 내의 공기를 외부로 배출시키기 전, 상기 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키기 위한 전해질 배출라인(40)을 더 포함하며, 상기 전해질 배출라인(40)을 통하여 배출된 전해질은 외부의 전해질 저장소(41)로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전해질 배출라인(40)에는 제 2 차단 밸브(42)가 구비되어, 상기 시스템과 전해질 배출라인(40)을 선택적으로 유체연통시킨다.
본 발명은 또한 연료전지 시스템의 충전율을 측정하는 단계; 상기 측정된 충전율이 소정 수준 이상인 경우, 시스템 내로의 외부공기 유입을 차단하고, 상기 시스템에 연결된 공기 배출라인을 통하여 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시켜, 상기 시스템 내에 진공을 인가하는 단계; 및 상기 시스템을 외부공기와 차단시켜, 상기 시스템 내의 진공을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출하는 단계 이전, 상기 연료전지 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 연료전지 시스템의 충전율이 소정 수준 미만인 경우, 상기 시스템 내로 외부 공기를 유입시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 외부 공기 유입 단계 이전, 상기 시스템 내로 전해질이 주입되는 단계를 더 포함한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 아연-공기 연료전지 시스템 및 그 제어방법은 연료전지의 충전율에 따라 선택적으로 시스템 내의 공기를 외부로 배출하고, 시스템을 외부 공기와 차단시켜 진공상태를 유지하므로, 외부공기와 아연볼과의 산화반응에 따른 시스템 과충전 및 자가방전을 방지한다. 또한, 과도한 아연볼 산화, 전해질 소모 등을 방지하여, 보다 긴 유효 가동 시간의 아연-공기 연료전지 시스템을 가능하게 하며, 불필요한 산화반응에 의한 부품 내구성 감소 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 일요부를 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 사시도, 도 4는 아연-공기 연료전지 시스템의 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 단면도.
도 6 내지 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 단계별 동작 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템 제어방법의 단계도.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 단면도이다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 도 1 및 2에서 설명한 바와 같이 시스템의 단위 유니트들이 내부에 수용되는 케이스(26)를 포함하며, 상기 케이스(26) 내에는 아연볼(10)과 전해질이 수용되는 수용공간(12)을 가지는 음극 주머니(14), 상기 음극 주머니(14) 내부에 배치되어 상기 전해질 내에서의 아연볼(10)과 외부공기 중 산소와의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하는 집전체(16)를 포함한다. 더 나아가, 본 발명에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 상기 케이스(26)에 연결되어, 시스템 경계면에 해당하는 케이스(26) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 공기 배출라인(32)을 포함한다. 즉, 본 발명은 연료전지의 충전율이 소정 수준 이상인 경우에도 시스템 내에 산소를 포함하는 공기가 잔존하는 경우, 아연볼의 산화가 계속 진행되어, 과충전이 발생하는 점을 개선하고자, 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시키는 기술구성을 제공한다.
상기 공기 배출라인(32)에는 진공펌프 등과 같은 진공발생부(33)가 연결되며, 상기 진공발생부(33)로부터 발생한 진공과 시스템 냉의 공기압 차이에 따라 시스템 내의 공기가 시스템 외부로 배출된다. 여기에서 시스템 경계는 도 3에서 도시된 바와 같이 연료전지의 각 구성요소가 내부에 집속되는 케이스(26)가 되며, 상기 시스템 외부로의 공기 배출은 결국 케이스(26) 외부로의 공기 배출에 해당한다.
도 3 및 4를 다시 참조하면, 공기 배출라인(32)에 의하여 공기가 외부로 배출되는 경우, 시스템이 외부 공기와 유체연통하는 경우라면, 시스템 내로 공기가 지속적으로 유입되어, 사실상 시스템 내 공기 배출은 어려워진다. 따라서, 본 발명은 공기 배출라인(32)으로 공기가 배출됨에 따라 공기 배출라인(32)을 제외한 나머지 모든 개방부(예를 들면 송풍팬(32, 31))를 폐쇄하여, 시스템을 외부로부터 차단시킨다. 이로써 공기 배출라인(32)으로 공기가 배출됨에 따라 시스템 내는 진공 상태가 된다.
본 발명에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 더 나아가, 외부에 진공이 인가되는 경우 시스템 내를 채우는 전해질이 공기 배출라인(32)을 통하여 배출될 수 있다는 점에 주목하였다. 이를 방지하고자, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 아연-공기 연료전지 시스템 내의 전해질을 공기 배출 전 외부로 미리 배출시키는 구성을 제공한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 상기 시스템의 케이스(26)에 연결되어, 상기 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키는 전해질 배출라인(40)을 더 포함하며, 상기 전해질 배출라인(40)을 통하여 배출된 전해질은 외부의 전해질 저장소(41)로 유입된다. 여기에서 상기 전해질 배출라인(40)은 케이스 내로 보다 깊이 삽입되어, 전해질이 수용되는 음극주머니에 연결될 수 있다. 하지만, 어떠한 경우에도 케이스(26) 외부로 전해질을 배출시키므로, 이는 "케이스(26)에 전해질 배출라인(40)이 연결된다"라는 설명된 방식으로 설명된다.
케이스(26)에 연결된 상기 전해질 배출라인(40) 및 공기 배출라인(32)에는 각각 제 1 차단 밸브(35) 및 제 2 차단 밸브(42)가 구비되는데, 각 배출라인에 구비된 차단 밸브를 모두 폐쇄함에 따라 시스템 내부로는 공기가 더 이상 유입되지 않으며, 시스템은 정적인 진공상태를 유지할 수 있다. 하지만, 외부 공기 배출시에는 제 1 차단 밸브(35)는 개방, 제 2 차단 밸브(42)는 폐쇄되며, 이로써 시스템은 진공 상태가 되어, 아연볼의 과산화 등과 자가방전이 방지된다.
본 발명에 따른 아연-공기 연료전지 시스템에 대한 보다 용이한 이해를 위하여, 이하 도면을 이용하여 각 단계별 시스템 동작을 설명한다.
도 6 내지 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 단계별 동작 단면도이다.
도 6을 참조하면, 충전율이 소정 수준 이상인 경우, 공기 배출라인(32)을 통하여 연료전지 시스템은 진공발생부(33)와 연결된다. 이에 따라 시스템 내, 즉, 케이스(26) 내부의 공기는 시스템 외부로 배출되는데, 이는 공기 배출라인(26)을 통하여 인가되는 진공과 내부 공기의 압력차에 기인한다. 이때, 공기 흐름을 촉진시키고자 시스템의 케이스(26)에 구비되는 송풍팬(30, 31) 또한 상기 송풍팬(30, 31)에 구비되는 차단밸브(미도시)의 폐쇄에 의하여 상기 케이스(26)를 외부 공기로부터 차단시킨다. 하지만, 도 6에 도시된 공기배출 단계 이전, 상기 케이스(26)에 연결된 전해질 배출라인(40)을 통하여 전해질이 배출되는데, 이때에는 제 2 차단밸브(42)는 개방되고, 제 1 차단 밸브(35)는 폐쇄된다. 이로써 시스템 내의 전해질은 전해질 저장소(41)로 유입된다.
도 7을 참조하면, 소정 시간 이상으로 케이스(26) 내의 공기가 외부로 배출되면, 상기 케이스(26)는 소정 수준의 진공이 된다. 이후 상기 제 1 차단밸브(35)를 폐쇄하며, 이에 따라 시스템의 케이스(26)은 외부 공기와 완전히 차단된 상태가 되며, 이로써 시스템 내의 아연볼에는 산화반응이 더 이상 진행되지 않게 되며, 그 결과 과충전 방지 및 아연볼 수명 연장 등의 효과를 달성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 소정 수준 미만으로 충전율이 떨어지는 경우, 먼저 전해질이 시스템 내로 유입된다. 이를 위하여 상기 시스템에 연결된 제 2 차단밸브(42)는 개방된다. 이와 같이 본 발명에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 각 배출라인에 구비된 제 1 차단밸브(35)와 제 2 차단밸브(42)의 선택적인 개폐를 통하여, 연료전지 시스템을 외부공기 또는 전해질에 선택적으로 유체연통시킨다.
도 9를 참조하면, 충분한 수준으로 전해질이 시스템 내로 유입되면, 다시 송풍팬(30, 31)에 구비된 차단밸브(미도시)가 개방되고, 송풍팬(30, 31)의 송풍에 따라 아연볼 산화에 따른 충전이 진행된다.
본 발명에 따른 아연-공기 연료전지 시스템은 전기로 구동되는 임의의 모든 구동장치(예를 들면 전기자동차, 버스, 펌프 등)와 전력 생산 시스템(예를 들면 발전 시스템)에 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 더 나아가, 상술한 구성의 아연-공기 연료전지 시스템에 대한 새로운 제어방법을 제공한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예예 따른 아연-공기 연료전지 시스템 제어방법의 단계도이다.
도 10을 참조하면, 먼저 연료전지 시스템의 충전율을 측정한다(S110). 상기 충전율 측정은 연료전지의 출력전압을 측정하는 방식이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 측정된 충전율이 소정 수준 미만인 경우에는 외부공기가 유입되어 충전이 진행된다(S140). 하지만, 충전율이 소정 수준 이상인 경우, 즉, 과충전의 우려가 있는 경우, 상기 외부공기 유입은 차단되고, 시스템에 연결된 공기 배출라인을 통하여 진공이 인가된다(S130). 여기에서 진공 인가는 외부 진공을 상기 시스템 내로 연결하여, 시스템 내의 공기를 외부로 배출시켜, 상기 시스템 내를 진공으로 만드는 일련의 단계를 모두 포함한다.
이후 충전율이 소정수준 이상인 경우(S150), 시스템 내의 진공을 계속 유지하여 과충전을 방지한다(S170). 하지만, 충전율이 소정수준 미만이면, 다시 외부공기를 유입하여, 충전을 진행한다(S160).
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법은 시스템 내의 공기를 외부로 배출하는 단계 (S130) 이전에 연료전지 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 시스템에 연결된 별도의 전해질 배출라인을 통하여 수행될 수 있으며, 이는 상술한 바와 같다. 또한, 상기 외부 공기가 다시 시스템 내로 유입되는 단계(S160) 이전에 상기 시스템 내로 전해질이 주입될 수 있으며, 이는 전해질 배출라인에 연결된 밸브의 개방에 따라 수행될 수 있다.
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.
10:아연볼 12:수용공간
14:음극 주머니 16:집전체
16a:구획판 16b:리브
18:커버블럭 18a:슬릿
18b:접속구 18c:기공부
20:개폐블럭 20a:폐쇄부
20b:개방부 22:스프라켓
24:체인 26:케이스
28:연료공급블럭 30, 31:송풍팬(제 2 송풍팬)
32:공기배출라인 33: 진공발생부
35:제 1 차단밸브 40: 전해질배출라인
41:전해질 저장소 42: 제 2 차단밸브

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 아연-공기 연료전지 시스템으로, 상기 시스템은,
    케이스(26);
    상기 케이스(26) 내에 구비되어 아연볼(10)과 전해질이 수용되는 수용공간(12)을 가지는 음극 주머니(14);
    상기 음극 주머니(14) 내부에 배치되어 상기 전해질 내에서의 아연볼(10)과 외부공기 중 산소와의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하는 집전체(16);
    상기 케이스(26)에 연결되어 상기 시스템의 충전율에 따라 상기 시스템의 충전율이 소정 수준을 초과하는 경우, 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시키는 공기 배출라인(32); 및
    시스템 내의 공기를 외부로 배출시키기 전, 상기 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키기 위한 전해질 배출라인(40);을 포함하며,
    상기 전해질 배출라인(40)을 통하여 배출된 전해질은 외부의 전해질 저장소(41)로 유입되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전해질 배출라인(40)에는 제 2 차단 밸브(42)가 구비되어, 상기 시스템과 전해질 배출라인(40)을 선택적으로 유체연통시키는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템.
  6. 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 포함하는 전기 구동장치.
  7. 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 포함하는 전력 생산 시스템.
  8. 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법으로, 상기 방법은
    연료전지 시스템의 충전율을 측정하는 단계;
    상기 측정된 충전율이 소정 수준 이상인 경우, 시스템 내로의 외부공기 유입을 차단하고, 상기 시스템에 연결된 공기 배출라인을 통하여 상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출시켜, 상기 시스템 내에 진공을 인가하는 단계;
    상기 시스템을 외부공기와 차단시켜, 상기 시스템 내의 진공을 유지하는 단계; 및
    상기 시스템 내의 공기를 외부로 배출하는 단계 이전, 상기 연료전지 시스템 내의 전해질을 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 방법은
    상기 연료전지 시스템의 충전율이 소정 수준 미만인 경우, 상기 시스템 내로 외부 공기를 유입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 방법은
    시스템 내로 외부 공기를 유입시키는 단계 이전, 상기 시스템 내로 전해질이 주입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지 시스템의 제어방법.
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