KR101338154B1 - Fuel cartridge and unit cell for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료의 산화를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 및 이에 이용되는 연료 카트리지와 단위 셀에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 카트리지는, 중공 부분을 구비하는 프레임; 상기 중공 부분을 덮도록 상기 프레임의 일면에 장착되는 집전체; 및 상기 집전체를 마주보도록 상기 프레임의 타면에 장착되는 분리막을 포함한다. 그리고, 상기 집전체와 상기 분리막 사이에 전해질과 혼합된 상태의 연료가 저장될 수 있도록 저장 공간이 형성된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell that generates electrical energy using oxidation of fuel, and a fuel cartridge and unit cell used therein. Fuel cartridge according to an embodiment of the present invention, the frame having a hollow portion; A current collector mounted on one surface of the frame to cover the hollow portion; And a separator mounted on the other surface of the frame to face the current collector. A storage space is formed between the current collector and the separator so that fuel mixed with an electrolyte can be stored.

Description

연료 전지용 연료 카트리지 및 단위 셀, 및 연료 전지{FUEL CARTRIDGE AND UNIT CELL FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL}FUEL CARTRIDGE AND UNIT CELL FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 연료의 산화를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to fuel cells, and more particularly, to a fuel cell that generates electrical energy using oxidation of a fuel.

연료 전지는 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치를 말한다. 연료 전지는 일반적인 전지와 달리, 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 연료 전지에는, 예를 들어, 연료와 산화제로 각각 수소와 산소를 이용하는 수소 연료 전지, 연료와 산화제로 각각 금속과 공기를 이용하는 금속 연료 전지 등 여러 종류가 있다.A fuel cell refers to a device that generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel and an oxidant. Fuel cells, unlike conventional cells, consume fuel to produce power. There are various kinds of fuel cells, for example, hydrogen fuel cells using hydrogen and oxygen as fuels and oxidants, and metal fuel cells using metal and air as fuels and oxidants, respectively.

일반적인 전지는 비교적 낮은 밀도의 에너지를 저장하므로, 성능이 급속하게 향상되고 있는 휴대형 전자 기기들의 전원으로 사용되기에는 미흡한 면이 있다. 리튬 계열 전지는 비교적 높은 밀도의 에너지를 저장하지만 화재나 폭발의 위험을 야기할 수 있다. 수소 연료 전지는 아주 높은 밀도의 에너지를 저장하지만 비싼 가격으로 인해 대중에게 보급되기까지 상당한 시일이 걸릴 수 있다.Since a typical battery stores relatively low energy, it is insufficient to be used as a power source for portable electronic devices whose performance is rapidly improving. Lithium-based batteries store a relatively high density of energy, but they can pose a risk of fire or explosion. Hydrogen fuel cells store very high densities of energy, but they can take considerable time to reach the public due to their high cost.

금속 연료 전지는 리튬 계열 전지에 비해 높은 밀도의 에너지를 저장하고, 화재나 폭발의 위험을 야기하지 않는다. 따라서, 수소 연료 전지와 함께 차세대 친환경 탈석유 에너지원으로 각광받고 있다.Metal fuel cells store a higher density of energy than lithium-based cells and do not pose a fire or explosion hazard. Therefore, it is being spotlighted as a next generation eco-friendly petroleum energy source along with hydrogen fuel cell.

본 발명의 목적은 반복적으로 사용할 수 있는 친환경적인 연료 전지를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide an environmentally friendly fuel cell that can be used repeatedly.

본 발명의 다른 목적은 상술한 연료 전지에 이용되는 연료 카트리지 및 단위 셀을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cartridge and a unit cell used in the above-described fuel cell.

본 발명의 일 실시 예는 연료를 산화시켜 전기 에너지를 생성하는 연료 전지에 이용되는 연료 카트리지에 관한 것이다. 상기 연료 카트리지는, 중공 부분을 구비하는 프레임; 상기 중공 부분을 덮도록 상기 프레임의 일면에 장착되는 집전체; 및 상기 집전체를 마주보도록 상기 프레임의 타면에 장착되는 분리막을 포함한다. 그리고, 상기 집전체와 상기 분리막 사이에 전해질과 혼합된 상태의 연료가 저장될 수 있도록 저장 공간이 형성된다.One embodiment of the present invention relates to a fuel cartridge used in a fuel cell for oxidizing fuel to generate electrical energy. The fuel cartridge includes a frame having a hollow portion; A current collector mounted on one surface of the frame to cover the hollow portion; And a separator mounted on the other surface of the frame to face the current collector. A storage space is formed between the current collector and the separator so that fuel mixed with an electrolyte can be stored.

실시 예에 있어서, 상기 연료는 분말 형태의 금속 재료와 상기 전해질이 혼합되어 형성되는 겔 형태의 금속 연료일 수 있다.In an embodiment, the fuel may be a metal fuel in a gel form formed by mixing a metal material in powder form and the electrolyte.

실시 예에 있어서, 상기 연료 카트리지는 상기 분리막의 외측에 탈착 가능하게 부착되는 폴리머 재질의 보호 필름을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the fuel cartridge may further include a protective film made of a polymer material detachably attached to an outer side of the separator.

실시 예에 있어서, 상기 분리막은, 상기 보호 필름이 제거된 상태에서 상기 연료 전지의 공기 전극과 접촉하여 상기 연료와 상기 공기 전극 사이에서 이온을 통과시키도록 형성될 수 있다.In some embodiments, the separator may be formed to contact the air electrode of the fuel cell while the protective film is removed to allow ions to pass between the fuel and the air electrode.

본 발명의 일 실시 예는 연료를 산화시켜 전기 에너지를 생성하는 연료 전지의 단위 셀에 관한 것이다. 상기 단위 셀은, 프레임, 상기 프레임의 양면에 각각 장착되는 집전체와 분리막, 및 상기 집전체와 상기 분리막 사이에 전해질과 혼합된 형태의 연료가 저장될 수 있도록 형성되는 저장 공간을 구비하는 연료 카트리지; 상기 연료 카트리지가 탈착 가능하게 장착되도록 장착 공간을 구비하는 하우징; 및 상기 연료 카트리지의 장착 시에 상기 분리막과 연결되도록 상기 장착 공간에 배치되는 공기 전극을 포함한다.One embodiment of the present invention relates to a unit cell of a fuel cell that oxidizes fuel to generate electrical energy. The unit cell may include a fuel cartridge including a frame, a current collector and a separator installed on both surfaces of the frame, and a storage space formed between the current collector and the separator to store fuel mixed with an electrolyte. ; A housing having a mounting space to detachably mount the fuel cartridge; And an air electrode disposed in the mounting space to be connected to the separator when the fuel cartridge is mounted.

실시 예에 있어서, 상기 단위 셀은, 상기 장착 공간에서 상기 공기 전극과 연결되도록 상기 하우징에 배치되는 양극 도전체; 및 상기 연료 카트리지의 장착 시에 상기 장착 공간에서 상기 집전체와 연결되도록 상기 하우징에 배치되는 음극 도전체를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the unit cell may include a positive electrode conductor disposed in the housing to be connected to the air electrode in the mounting space; And a negative electrode conductor disposed in the housing to be connected to the current collector in the mounting space when the fuel cartridge is mounted.

실시 예에 있어서, 상기 연료 카트리지는 제 1 및 제 2 연료 카트리지를 포함하고, 상기 공기 전극은 상기 장착 공간에 배치되는 제 1 및 제 2 공기 전극을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 연료 카트리지의 장착 시에, 상기 제 1 및 제 2 연료 카트리지의 집전체들은 서로 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 연료 카트리지의 분리막들은 각각 상기 제 1 및 제 2 공기 전극에 연결될 수 있다.In example embodiments, the fuel cartridge may include first and second fuel cartridges, and the air electrode may include first and second air electrodes disposed in the mounting space. In addition, when the first and second fuel cartridges are mounted, current collectors of the first and second fuel cartridges are connected to each other, and separators of the first and second fuel cartridges are respectively connected to the first and second air. It can be connected to the electrode.

실시 예에 있어서, 상기 단위 셀은, 상기 장착 공간에서 상기 제 1 제 2 공기 전극과 연결되도록 상기 하우징에 배치되는 양극 도전체; 및 상기 제 1 및 제 2 연료 카트리지의 장착 시에 상기 제 1 및 제 2 연료 카트리지의 집전체들과 연결되도록 상기 하우징에 배치되는 음극 도전체를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the unit cell may include a positive electrode conductor disposed in the housing to be connected to the first second air electrode in the mounting space; And a negative electrode conductor disposed in the housing so as to be connected to current collectors of the first and second fuel cartridges when the first and second fuel cartridges are mounted.

본 발명의 일 실시 예는 연료를 산화시켜 전기 에너지를 생성하는 연료 전지에 관한 것이다. 상기 연료 전지는, 상술한 바와 같은 단위 셀; 상기 단위 셀을 수용하는 케이스; 상기 단위 셀의 양극 도전체와 연결되는 양극 단자; 및 상기 단위 셀의 음극 도전체와 연결되는 음극 단자를 포함한다.One embodiment of the present invention relates to a fuel cell that generates electrical energy by oxidizing a fuel. The fuel cell includes a unit cell as described above; A case housing the unit cell; A positive electrode terminal connected to the positive electrode conductor of the unit cell; And a negative electrode terminal connected to the negative electrode conductor of the unit cell.

실시 예에 있어서, 상기 단위 셀은 복수의 단위 셀을 포함하고, 상기 복수의 단위 셀은 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에서 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다.In example embodiments, the unit cell may include a plurality of unit cells, and the plurality of unit cells may be connected in series or in parallel between the positive terminal and the negative terminal.

실시 예에 있어서, 상기 연료 전지는, 상기 단위 셀의 잔량을 측정하는 제어부; 및 상기 케이스의 일면에 배치되고, 상기 측정된 잔량을 표시하도록 형성되는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the fuel cell may include a controller configured to measure a residual amount of the unit cell; And a display unit disposed on one surface of the case and configured to display the measured residual amount.

실시 예에 있어서, 상기 연료 전지는, 상기 케이스의 일 영역에 형성되는 공기 흡입구; 및 상기 공기 흡입구를 통해 상기 케이스의 내부 공간으로 공기가 흡입되도록 작동하는 팬(Fan)을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the fuel cell may include an air inlet formed in one region of the case; And a fan operative to suck air into the inner space of the case through the air inlet.

실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 단위 셀의 출력 전력을 측정하고, 상기 측정된 출력 전력에 근거하여 상기 팬의 작동을 제어할 수 있다.In an embodiment, the controller may measure the output power of the unit cell and control the operation of the fan based on the measured output power.

실시 예에 있어서, 상기 연료 전지는, 상기 케이스의 외부 공간으로 공기가 배출되도록 상기 케이스의 타 영역에 형성되는 공기 배출구를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 연료 전지는, 상기 공기 흡입구 및 상기 공기 배출구를 각각 개폐하도록 형성되는 개폐 부재들을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the fuel cell may further include an air outlet formed in another area of the case so that air is discharged to the outer space of the case. The fuel cell may further include opening and closing members configured to open and close the air inlet and the air outlet, respectively.

본 발명에 의하면, 연료 카트리지에 금속 재료와 전해질이 혼합된 겔 형태의 금속 연료가 저장됨으로써, 금속 시트 형태의 연료가 저장되는 것에 비해 음극 활용률이 증가하고, 전해액의 누설이 최소화될 수 있다.According to the present invention, by storing the metal fuel in the form of a gel in which the metal material and the electrolyte are mixed in the fuel cartridge, the utilization rate of the cathode can be increased and the leakage of the electrolyte can be minimized as compared with the storage of the fuel in the form of a metal sheet.

또한, 공기 전극이 소모성 연료 카트리지에 구비되지 않고, 반영구적인 연료 전지의 단위 셀에 구비됨으로써, 연료 카트리지의 가격을 낮추고, 폐 연료 카트리지로 인한 환경 오염을 줄일 수 있다.In addition, the air electrode is not provided in the consumable fuel cartridge, but is provided in the unit cell of the semi-permanent fuel cell, thereby lowering the price of the fuel cartridge and reducing environmental pollution due to the waste fuel cartridge.

또한, 하나의 단위 셀에 복수의 연료 카트리지가 장착될 수 있는 구조를 이용하여 연료 전지의 출력 전력을 높이면서 연료 전지의 부피를 줄일 수 있다.In addition, by using a structure in which a plurality of fuel cartridges may be mounted in one unit cell, the volume of the fuel cell may be reduced while increasing the output power of the fuel cell.

또한, 연료 전지의 잔량이 표시됨으로써, 사용자는 연료 카트리지의 교환 시기를 예측할 수 있다. 따라서, 전력 공급 중단으로 인한 피해가 예방될 수 있다.In addition, by displaying the remaining amount of the fuel cell, the user can predict when to replace the fuel cartridge. Therefore, damage due to interruption of power supply can be prevented.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 카트리지를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 카트리지가 장착되는 장착부의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2의 장착부에 도 1의 연료 카트리지가 장착되어 형성되는 연료 전지의 단위 셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 복수의 연료 카트리지가 장착되는 장착부의 다른 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 4의 장착부에 도 1의 연료 카트리지 복수 개가 장착되어 형성되는 연료 전지의 단위 셀의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지를 보여주는 개념도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료 전지를 보여주는 개념도이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a fuel cartridge according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual view illustrating an embodiment of a mounting unit in which a fuel cartridge according to the present invention is mounted.
3 is a cross-sectional view of a unit cell of a fuel cell in which the fuel cartridge of FIG. 1 is mounted to a mounting portion of FIG. 2.
4 is a conceptual view illustrating another embodiment of a mounting unit in which a plurality of fuel cartridges according to the present invention is mounted.
5 is a cross-sectional view of a unit cell of a fuel cell formed by mounting a plurality of fuel cartridges of FIG. 1 to a mounting portion of FIG. 4.
6A and 6B are conceptual views illustrating a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
7A and 7B are conceptual views illustrating a fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 카트리지(100)를 보여주는 개념도이다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 도시된 라인 Ⅰ-Ⅰ를 따라 취한 단면도이고, 도 1의 (c)는 도 1의 (a)에 도시된 라인 Ⅰ'-Ⅰ'를 따라 취한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 연료 카트리지(100)는 프레임(110), 분리막(120), 보호 필름(130) 및 집전체(140)를 포함한다.1 is a conceptual diagram illustrating a fuel cartridge 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line I-I shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is along the line I'-I 'shown in FIG. 1A. It is a section taken. Referring to FIG. 1, the fuel cartridge 100 includes a frame 110, a separator 120, a protective film 130, and a current collector 140.

프레임(110)은 중공 부분을 구비할 수 있다. 집전체(140)는 중공 부분을 덮도록 프레임(110)의 일면에 장착되고, 분리막(120)은 집전체(140)를 마주보도록 프레임(110)의 타면에 장착될 수 있다. 집전체(140)와 분리막(120) 사이에는 연료가 저장될 수 있도록 저장 공간(150)이 형성될 수 있다.The frame 110 may have a hollow portion. The current collector 140 may be mounted on one surface of the frame 110 to cover the hollow portion, and the separator 120 may be mounted on the other surface of the frame 110 to face the current collector 140. A storage space 150 may be formed between the current collector 140 and the separator 120 to store fuel.

본 발명의 실시 예에 있어서, 연료는 전해질과 혼합된 상태로 저장 공간(150)에 저장될 수 있다. 좀더 상세하게, 연료는 분말 형태의 금속 재료와 전해질이 혼합되어 형성되는 겔(gel) 형태의 금속 연료일 수 있다. 금속 재료의 예로는, 아연, 알루미늄, 마그네슘 등이 있다.In an embodiment of the present invention, the fuel may be stored in the storage space 150 while being mixed with the electrolyte. More specifically, the fuel may be a metal fuel in a gel form formed by mixing a metal material in powder form and an electrolyte. Examples of the metal material include zinc, aluminum, magnesium, and the like.

분리막(120)은 연료와 외부(예: 공기 전극) 사이에서 이온을 통과시키도록 형성되고, 전기적으로 연료의 절연 상태를 유지시킬 수 있다.The separator 120 is formed to allow ions to pass between the fuel and the outside (eg, an air electrode) and may electrically maintain an insulation state of the fuel.

보호 필름(130)은 폴리머 재질로 형성되고, 분리막(120)의 외측에 탈착 가능하게 부착될 수 있다. 이로써, 분리막(120)이 보호되고, 연료 중 수분 증발이 방지하도록 연료 카트리지(100)가 밀봉될 수 있다. 따라서, 보호 필름(130)에 의해 연료 카트리지(100)가 장기 보관될 수 있다. 연료 카트리지(100)를 사용하기 위해서는, 보호 필름(130)이 제거될 수 있다.The protective film 130 may be formed of a polymer material and may be detachably attached to an outer side of the separator 120. As a result, the separation membrane 120 may be protected, and the fuel cartridge 100 may be sealed to prevent evaporation of water in the fuel. Therefore, the fuel cartridge 100 may be stored for a long time by the protective film 130. In order to use the fuel cartridge 100, the protective film 130 may be removed.

집전체(140)는 연료 전지(100)의 작동 시에 저장 공간(150)에 저장된 연료와 접촉하여 전류를 모으도록 형성될 수 있다.The current collector 140 may be formed to collect current by contacting fuel stored in the storage space 150 when the fuel cell 100 is operated.

도 2는 본 발명에 따른 연료 카트리지가 장착되는 장착부(200)의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다. 도 2의 (b)는 도 2의 (a)에 도시된 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 단면도이고, 도 2의 (c)는 도 2의 (a)에 도시된 라인 Ⅱ'-Ⅱ'를 따라 취한 단면도이다. 도 3은 도 2의 장착부(200)에 도 1의 연료 카트리지(100)가 장착되어 형성되는 연료 전지의 단위 셀의 단면도이다. 이하에서, 연료 카트리지(100)에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.2 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of a mounting unit 200 in which a fuel cartridge according to the present invention is mounted. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG. 2A, and FIG. 2C is along the line II'-II 'shown in FIG. 2A. It is a section taken. 3 is a cross-sectional view of a unit cell of a fuel cell in which the fuel cartridge 100 of FIG. 1 is mounted on the mounting unit 200 of FIG. 2. In the following, redundant description of the fuel cartridge 100 will be omitted.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 장착부(200)는 하우징(210), 양극 도전체(220), 음극 도전체(230) 및 공기 전극(240)을 포함한다. 하우징(210)은 연료 카트리지(100)가 탈착 가능하게 장착되도록 장착 공간(250)을 구비할 수 있다.2 and 3 together, the mounting part 200 includes a housing 210, a positive electrode conductor 220, a negative electrode conductor 230, and an air electrode 240. The housing 210 may include a mounting space 250 to detachably mount the fuel cartridge 100.

양극 도전체(220)는 장착 공간(250)에서 공기 전극(240)과 연결되도록 하우징(210)에 배치될 수 있다. 연료 카트리지(100)가 장착된 상태에서 양극 도전체(220)와 공기 전극(240)은 서로 연결되어 단위 셀의 양극을 형성한다.The anode conductor 220 may be disposed in the housing 210 to be connected to the air electrode 240 in the mounting space 250. In the state where the fuel cartridge 100 is mounted, the anode conductor 220 and the air electrode 240 are connected to each other to form an anode of a unit cell.

음극 도전체(230)는 연료 카트리지(100)의 장착 시에 장착 공간(250)에서 집전체(140)와 연결되도록 하우징(210)에 배치될 수 있다. 연료 카트리지(100)가 장착된 상태에서 음극 도전체(230)와 집전체(140)는 서로 연결되어 단위 셀의 음극을 형성한다.The negative electrode 230 may be disposed in the housing 210 to be connected to the current collector 140 in the mounting space 250 when the fuel cartridge 100 is mounted. In the state where the fuel cartridge 100 is mounted, the negative electrode 230 and the current collector 140 are connected to each other to form a negative electrode of the unit cell.

공기 전극(240)은 환원극으로도 칭할 수 있으며, 연료 카트리지(100)의 장착 시에 분리막(120)과 연결되도록 장착 공간(250)에 배치될 수 있다. 공기 전극(240)에서는, 외부로부터 유입되는 산소, 양극 도전체(220)를 통해 전달되는 전자 및 분리막(120)을 통해 침투되는 물이 화학 반응하여 수산기(OH-)가 발생한다.The air electrode 240 may also be referred to as a cathode, and may be disposed in the mounting space 250 to be connected to the separator 120 when the fuel cartridge 100 is mounted. In the air electrode 240, oxygen introduced from the outside, electrons transferred through the anode conductor 220, and water penetrated through the separator 120 react with each other to generate a hydroxyl group (OH—).

도 4는 본 발명에 따른 복수의 연료 카트리지(100, 100')가 장착되는 장착부(300)의 다른 실시 예를 보여주는 개념도이다. 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 도시된 라인 Ⅲ-Ⅲ를 따라 취한 단면도이고, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)에 도시된 라인 Ⅲ'-Ⅲ'를 따라 취한 단면도이다. 도 5는 도 4의 장착부(300)에 도 1의 연료 카트리지 복수 개(100, 100')가 장착되어 형성되는 연료 전지의 단위 셀의 단면도이다.4 is a conceptual view illustrating another embodiment of a mounting unit 300 in which a plurality of fuel cartridges 100 and 100 'according to the present invention are mounted. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG. 4A, and FIG. 4C is taken along line III'-III 'shown in FIG. 4A. It is a section taken. 5 is a cross-sectional view of a unit cell of a fuel cell formed by mounting a plurality of fuel cartridges 100 and 100 ′ of FIG. 1 to the mounting unit 300 of FIG. 4.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 장착부(300)는 하우징(310), 양극 도전체(320), 음극 도전체(330) 및 복수의 공기 전극(340, 340')을 포함한다. 하우징(310)은 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')가 탈착 가능하게 장착되도록 장착 공간(350)을 구비할 수 있다.4 and 5, the mounting unit 300 includes a housing 310, a positive electrode conductor 320, a negative electrode conductor 330, and a plurality of air electrodes 340 and 340 ′. The housing 310 may include a mounting space 350 to detachably mount the first and second fuel cartridges 100 and 100 ′.

제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')의 장착 시에, 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')의 집전체들(140, 140')은 서로 연결되고, 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')의 분리막들(120, 120')은 각각 제 1 및 제 2 공기 전극(340, 340')에 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 공기 전극(340, 340')은 서로 마주보고 이격되게 장착 공간(350)에 배치될 수 있다.Upon mounting the first and second fuel cartridges 100, 100 ′, the current collectors 140, 140 ′ of the first and second fuel cartridges 100, 100 ′ are connected to each other, and the first and second fuel cartridges 100, 100 ′ are connected to each other. The separators 120 and 120 'of the second fuel cartridge 100 and 100' may be connected to the first and second air electrodes 340 and 340 ', respectively. The first and second air electrodes 340 and 340 ′ may be disposed in the mounting space 350 to face each other and to be spaced apart from each other.

양극 도전체(320)는 장착 공간(350)에서 제 1 및 제 2 공기 전극(340, 340')과 연결되도록 하우징(310)에 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')가 장착된 상태에서 양극 도전체(320)와 공기 전극들(340, 340')은 서로 연결되어 단위 셀의 양극을 형성한다.The anode conductor 320 may be disposed in the housing 310 to be connected to the first and second air electrodes 340 and 340 ′ in the mounting space 350. In a state where the first and second fuel cartridges 100 and 100 'are mounted, the anode conductor 320 and the air electrodes 340 and 340' are connected to each other to form an anode of a unit cell.

음극 도전체(330)는 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')의 장착 시에 장착 공간(350)에서 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')의 집전체들(140, 140')과 연결되도록 하우징(310)에 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 연료 카트리지(100, 100')가 장착된 상태에서 음극 도전체(330)와 집전체들(140, 140')은 서로 연결되어 단위 셀의 음극을 형성한다.The negative electrode conductor 330 includes the current collectors 140 of the first and second fuel cartridges 100 and 100 ′ in the mounting space 350 when the first and second fuel cartridges 100 and 100 ′ are mounted. 140 'may be disposed in the housing 310 to be connected to the housing 310'. In the state where the first and second fuel cartridges 100 and 100 'are mounted, the negative electrode conductor 330 and the current collectors 140 and 140' are connected to each other to form a negative electrode of the unit cell.

이와 같은 단위 셀에 의하면, 하나의 연료 카트리지(100)를 사용하는 것에 비해 두 배의 전류를 생성할 수 있으므로 연료 전지의 출력이 보완될 수 있다.According to such a unit cell, since the current can be generated twice as compared to using one fuel cartridge 100, the output of the fuel cell can be complemented.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지(400)를 보여주는 개념도이다. 여기서는, 도 3의 단위 셀(410) 복수 개를 포함하는 연료 전지(400)가 도시된다. 비록 도면에는 복수의 단위 셀(410)이 도시되나, 본 발명의 실시 예에 있어서, 연료 전지(400)는 하나의 단위 셀(410)을 포함할 수 있다.6A and 6B are conceptual views illustrating a fuel cell 400 according to an embodiment of the present invention. Here, a fuel cell 400 including a plurality of unit cells 410 of FIG. 3 is illustrated. Although a plurality of unit cells 410 are shown in the drawing, in an embodiment of the present invention, the fuel cell 400 may include one unit cell 410.

도 6a 및 도 6b를 함께 참조하면, 연료 전지(400)는 복수의 단위 셀(410), 케이스(420), 양극 단자(430), 음극 단자(440), 팬(Fan, 450), 공기 흡입구(460), 공기 배출구(470), 디스플레이부(480) 및 제어부(미도시됨)를 포함한다.6A and 6B, the fuel cell 400 includes a plurality of unit cells 410, a case 420, a positive terminal 430, a negative terminal 440, a fan Fan 450, and an air intake port. 460, an air outlet 470, a display unit 480, and a controller (not shown).

복수의 단위 셀(410)은 도 6a에 도시된 바와 같이 양극 단자(430)와 음극 단자(440) 사이에서 전기적으로 직렬 연결되거나 도 6b에 도시된 바와 같이 병렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 1V의 기전력을 갖는 단위 셀(410) 12개가 직렬 연결되는 경우에는, 연료 전지(400)는 12V의 기전력을 가질 수 있다.The plurality of unit cells 410 may be electrically connected in series between the positive electrode terminal 430 and the negative electrode terminal 440 as shown in FIG. 6A, or may be connected in parallel as shown in FIG. 6B. For example, when 12 unit cells 410 having an electromotive force of 1V are connected in series, the fuel cell 400 may have an electromotive force of 12V.

양극 단자(430) 및 음극 단자(440)는 케이스(420)에 배치되고, 각각 적어도 하나의 단위 셀(410)의 양극 도전체(220, 도 3 참조) 및 음극 도전체(230, 도 3 참조)와 연결된다.The positive electrode terminal 430 and the negative electrode terminal 440 are disposed in the case 420, and the positive electrode conductor 220 (see FIG. 3) and the negative electrode conductor 230 (see FIG. 3) of the at least one unit cell 410 are respectively. ).

팬(450)은 케이스(420)의 일 영역에 장착된다. 예를 들어, 팬(450)은 케이스(420)에 형성된 공기 흡입구(460)에 대응하는 영역에 장착될 수 있다. 팬(450)은 공기 흡입구(460)를 통해 케이스(420)의 내부 공간으로 공기가 흡입되도록 작동할 수 있다. 케이스(450)의 타 영역에는 외부 공간으로 공기가 배출되도록 공기 배출구(470)가 형성될 수 있다.The fan 450 is mounted to one region of the case 420. For example, the fan 450 may be mounted in an area corresponding to the air intake 460 formed in the case 420. The fan 450 may operate to suck air into the inner space of the case 420 through the air inlet 460. An air outlet 470 may be formed in another area of the case 450 so that air is discharged to the external space.

비록 도면에는 도시되지 않았으나, 연료 전지(400)는 공기 흡입구(460) 및 공기 배출구(470)를 각각 개폐하도록 형성되는 개폐 부재들을 더 포함할 수 있다. 이러한 개폐 부재들에 의해 공기 흡입구(460) 및 공기 배출구(470)가 폐쇄되는 경우에는, 외부로부터 공기 공급이 중단되므로 연료 전지(400)에서 화학 반응이 억제될 수 있다. 따라서, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있고, 연료 전지(400)를 장기 보관할 수 있다.Although not shown, the fuel cell 400 may further include opening and closing members configured to open and close the air inlet 460 and the air outlet 470, respectively. When the air inlet 460 and the air outlet 470 are closed by the opening / closing members, since the air supply is stopped from the outside, the chemical reaction may be suppressed in the fuel cell 400. Therefore, unnecessary power consumption can be reduced, and the fuel cell 400 can be stored for a long time.

제어부는 연료 전지(400)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부는 단위 셀들(410)의 출력 전력을 측정하고, 측정된 출력 전력에 근거하여 팬(450)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 단위 셀들(410)의 출력 전력이 기준 전력과 같거나 그보다 크면, 팬(450)을 작동시키고, 반면, 단위 셀들(410)의 출력 전력이 기준 전력보다 작으면, 팬(450)을 정지시킬 수 있다.The controller controls the overall operation of the fuel cell 400. The controller may measure output power of the unit cells 410 and control the operation of the fan 450 based on the measured output power. For example, the controller operates the fan 450 when the output power of the unit cells 410 is equal to or greater than the reference power, while the output power of the unit cells 410 is less than the reference power. 450 can be stopped.

또한, 제어부는 단위 셀들의 잔량, 다시 말해, 연료 전지(400)의 잔량을 측정하고, 측정된 잔량을 표시하도록 디스플레이부(480)를 제어할 수 있다. 따라서, 사용자는 디스플레이부(480)에 표시되는 연료 전지(400)의 잔량을 확인하여 연료 카트리지(100, 도 1 참조)의 교체 시기를 판단할 수 있게 된다.In addition, the controller may measure the remaining amount of the unit cells, that is, the remaining amount of the fuel cell 400, and control the display unit 480 to display the measured remaining amount. Therefore, the user can determine the replacement time of the fuel cartridge 100 (see FIG. 1) by checking the remaining amount of the fuel cell 400 displayed on the display unit 480.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료 전지(500)를 보여주는 개념도이다. 도 7a 및 도 7b를 함께 참조하면, 도 5의 단위 셀(510) 복수 개를 포함하는 연료 전지(500)가 도시된다. 복수의 단위 셀(510)은 도 7a에 도시된 바와 같이 양극 단자(530)와 음극 단자(540) 사이에서 전기적으로 직렬 연결되거나 도 7b에 도시된 바와 같이 병렬 연결될 수 있다. 그 외 다른 구성은 앞서 설명한 실시 예와 동일 또는 유사하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.7A and 7B are conceptual views illustrating a fuel cell 500 according to another embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 7A and 7B, a fuel cell 500 including a plurality of unit cells 510 of FIG. 5 is illustrated. The plurality of unit cells 510 may be electrically connected in series between the positive electrode terminal 530 and the negative electrode terminal 540 as shown in FIG. 7A, or may be connected in parallel as shown in FIG. 7B. Other configurations are the same as or similar to the above-described embodiment, and a description thereof will be omitted.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료 카트리지에 금속 재료와 전해질이 혼합된 겔 형태의 금속 연료가 저장됨으로써, 금속 시트 형태의 연료가 저장되는 것에 비해 음극 활용률이 증가하고, 전해액의 누설이 최소화될 수 있다.As described above, according to the present invention, by storing the metal fuel in a gel form in which the metal material and the electrolyte are mixed in the fuel cartridge, the utilization rate of the cathode is increased and the leakage of the electrolyte is minimized as compared with the storage of the metal sheet fuel. Can be.

또한, 공기 전극이 소모성 연료 카트리지에 구비되지 않고, 반영구적인 연료 전지의 단위 셀에 구비됨으로써, 연료 카트리지의 가격을 낮추고, 폐 연료 카트리지로 인한 환경 오염을 줄일 수 있다.In addition, the air electrode is not provided in the consumable fuel cartridge, but is provided in the unit cell of the semi-permanent fuel cell, thereby lowering the price of the fuel cartridge and reducing environmental pollution due to the waste fuel cartridge.

또한, 하나의 단위 셀에 복수의 연료 카트리지가 장착될 수 있는 구조를 이용하여 연료 전지의 출력 전력을 높이면서 연료 전지의 부피를 줄일 수 있다.In addition, by using a structure in which a plurality of fuel cartridges may be mounted in one unit cell, the volume of the fuel cell may be reduced while increasing the output power of the fuel cell.

또한, 연료 전지의 잔량이 표시됨으로써, 사용자는 연료 카트리지의 교환 시기를 예측할 수 있다. 따라서, 전력 공급 중단으로 인한 피해가 예방될 수 있다.In addition, by displaying the remaining amount of the fuel cell, the user can predict when to replace the fuel cartridge. Therefore, damage due to interruption of power supply can be prevented.

본 명세서에 개시된 실시 예들의 구성과 방법은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The configuration and method of the embodiments disclosed herein may not be limitedly applied, but all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.

Claims (15)

연료를 산화시켜 전기 에너지를 생성하는 연료 전지에 이용되는 연료 카트리지에 있어서:
중공 부분을 구비하는 프레임;
상기 중공 부분을 덮도록 상기 프레임의 일면에 장착되는 집전체;
상기 집전체를 마주보도록 상기 프레임의 타면에 장착되는 분리막; 및
상기 분리막의 외측에 탈착 가능하게 부착되는 폴리머 재질의 보호 필름을 포함하고,
상기 집전체와 상기 분리막 사이에 전해질과 혼합된 상태의 연료가 저장될 수 있도록 저장 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 카트리지.
A fuel cartridge used in a fuel cell that oxidizes fuel to produce electrical energy:
A frame having a hollow portion;
A current collector mounted on one surface of the frame to cover the hollow portion;
A separation membrane mounted on the other surface of the frame to face the current collector; And
It includes a protective film of a polymer material detachably attached to the outside of the separator,
A fuel cartridge, characterized in that the storage space is formed between the current collector and the separator to store the fuel mixed with the electrolyte.
제 1 항에 있어서,
상기 연료는 분말 형태의 금속 재료와 상기 전해질이 혼합되어 형성되는 겔 형태의 금속 연료인 것을 특징으로 하는 연료 카트리지.
The method of claim 1,
The fuel cartridge is a fuel cartridge, characterized in that the metal fuel in the form of a gel formed by mixing the metal material and the electrolyte in powder form.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 분리막은,
상기 보호 필름이 제거된 상태에서 상기 연료 전지의 공기 전극과 접촉하여 상기 연료와 상기 공기 전극 사이에서 이온을 통과시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 카트리지.
The method of claim 1,
The separator,
And a fuel cartridge formed in contact with an air electrode of the fuel cell while the protective film is removed to allow ions to pass between the fuel and the air electrode.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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