KR20060135379A - 오리엔테이션 프리 연료탱크 및 이를 구비한 연료전지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오리엔테이션 프리 연료탱크에 관한 것으로서, 수소함유연료가 저장되어 있는 하우징과, 상기 하우징의 일측에 형성된 개구에 유체소통이 가능하게 연결된 공급관과, 상기 개구를 통해 상기 공급관에 유체소통가능하게 연결되어 상기 하우징의 내부에 위치된 가요성 도관과, 상기 가요성 도관의 자유단부에 고정설치된 중량추로 구성된 것을 특징으로 하므로, 설치상태에 무관하게 수소함유연료를 안정적으로 원활하게 공급하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있다.

하우징, 공급관, 가요성 도관, 중량추

Description

오리엔테이션 프리 연료탱크 및 이를 구비한 연료전지 시스템{ORIENTATION FREE FUEL TANK AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 오리엔테이션 프리 연료탱크를 갖는 연료전지 시스템의 개략도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오리엔테이션 프리 연료탱크의 개략도;

도 3은 부표이 설치되어 있는 오리엔테이션 프리 연료탱크의 개략도;

도 4는 다른 구조의 하우징을 갖는 오리엔테이션 프리 연료탱크의 개략도;

도 5는 다른 구조의 중량추를 갖는 도 4의 오리엔테이션 프리 연료탱크의 개략도;

도 6은 또 다른 구조의 중량추의 도면;

도 7은 도 6의 중량추를 갖는 도 4의 오리엔테이션 프리 연료탱크의 개략도;

도 8은 도 2의 연료탱크의 역전된 상태를 나타낸 도면;

도 9는 도 3의 연료탱크의 역전된 상태를 나타낸 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 연료 공급부

11, 11' : 하우징

12 : 공급관

14 : 가요성 도관

16, 16', 116 : 중량추

18 : 부표

[특허문헌 1] 대한민국 특허공개번호 제2004-556호

[특허문헌 2] 대한민국 특허공개번호 제2005-3791호

[특허문헌 3] 일본 특허공개번호 제2003-109633호

본 발명은 수소와 산소와 같은 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료탱크에 관한 것이고, 더 상세하게 설치상태의 배향에 무관하게 수소함유연료를 스택에 안정적으로 공급할 수 있는 오리엔테이션 프리 연료탱크 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 수소를 화학적인 반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 발전장치로서, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가되는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 연구개발되고 있다. 연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 또한, 연료전지 시스템은 그 종류에 따라서 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

상술된 연료전지 시스템들은 기본적으로 수소함유연료를 저장하고 공급하기 위한 연료탱크를 구비하고 있다. 연료탱크에 저장되어 있는 수소함유연료는 펌프의 작동 또는 질소, 아르곤 또는 헬륨 등과 같은 불활성 기체의 충진압력에 의해서 연료전지 시스템을 구성하고 있는 스택 또는 개질기에 공급된다. 이때, 공급되는 수소함유연료의 유량은 유량계(mass flow meter) 등을 통해서 제어된다.

한편, 연료탱크와 관련하여, 대한민국 특허공개번호 제2004-556호, 대한민국 특허공개번호 제2005-3791호 및 일본 특허공개번호 제2003-109633호 등의 특허문헌이 개시되어 있다.

대한민국 특허공개번호 제2004-556호에 있어서, B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크는 탱크본체의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO₂에 비하여 낮은 BH₄ ^-의 수면에 띄워지는 플로트와, 플로트에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관에 연결되는 플렉시블 튜브로 구성된 구성이 개시되어 있습니다.

대한민국 특허공개번호 제2005-3791호에는 연료공급 제어 어셈블리를 제어하는 연료전지 차량의 연료공급 제어장치가 개시되어 있습니다.

일본 특허공개번호 제2003-109633호에는 연료 수용조가 배향에 관계없이 액체연료를 전달할 수 있도록, 액체 연료를 수용하기 위한 공동을 한정하는 용기, 상기 공동 내에 위치하고 액체 연료의 적어도 일부를 흡상하여 상기 액체연료를 후속적으로 예를 들어 펌핑 또는 흡상에 의해 배출 또는 전달할 수 있는 흡상 구조물을 포함하는 액체연료 전지용 연료 수용조가 개시되어 있습니다.

그러나, 종래의 연료전지 시스템에 있어서, 그 설치상태가 정상적이지 못한 경우에, 예를 들어 연료전지 시스템이 경사진 상태로 유지되거나 또는 역전된 상태로 유지된 경우에 연료탱크로부터 수소함유연료가 스택 또는 개질기에 안정적으로 원활하게 공급될 수 있도록 가요성 도관을 수소함유연료에 항상 침적된 상태로 유지할 수 있는 구성은 개시되어 있지 않습니다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지 시스템이 경사진 상태 또는 역전된 상태와 같이 비정상적인 상태로 위치되어도 수소함유연료를 스택 또는 개질기에 원활하게 공급할 수 있는 오리엔테이션 프리 연료탱크를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 설치상태에 무관하게 연료탱크로부터 수소함유연료가 스택 또는 개질기에 안정적으로 공급되어 발전효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 오리엔테이션 프리 연료탱크는 수소함유연료가 저장되어 있는 하우징과, 상기 하우징의 일측에 형성된 개구에 유체소통이 가능하게 연결된 공급관과, 상기 개구를 통해 상기 공급관에 유체소통가능하게 연결되어 상기 하우징의 내부에 위치된 가요성 도관과, 상기 가요성 도관의 자유단부에 고정설치된 중량추로 구성된다.

바람직하게, 상기 자유단부와 상기 공급관에 대한 연결부위 사이에 부표가 제공된다.

상기 하우징은 타원형체이고, 더 바람직하게 상기 중량추의 외형은 원형 또는 반원형이다.

또한, 상기 중량추의 하부에는 상기 가요성 도관의 자유단부와 유체소통이 가능한 관통구가 형성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하고자 하는 연료 공급부를 갖고, 상기 연료 공급부는 수소함유연료가 저장되어 있는 하우징과; 상기 하우징의 일측에 형성된 개구와 상기 발전부를 유체소통이 가능하게 연결시키는 공급관과; 상기 개구를 통해 상기 공급관에 유체소통가능하게 연결 되어 상기 하우징의 내부에 위치된 가요성 도관과; 상기 가요성 도관의 자유단부에 고정설치된 중량추로 구성된 연료탱크를 포함한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것으로서 본 명세서에서 사용되는 용어는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수도 있지만 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.

먼저, 하기 설명은 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 수소함유연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 대하여 이루어지고 있지만 이에 한정되지 않고 수소함유연료를 개질하여 수소가스를 얻는 개질기를 포함한 고분자 전해질형 연료전지 등에도 채택될 수 있다.

직접 메탄올형 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지(미도시)가 적층되어 있는 스택(20; stack)과, 스택(20)에 수소함유연료를 공급하고자 하는 연료 공급부(10)와, 스택(20)에 공기중의 산소와 같은 산화제를 공급하기 위한 공기 공급부(30)를 갖는다.

스택(20)에는 고분자막(미도시)과, 상기 고분자막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 포함하는 단위전지가 복수개 제공된다. 수소함유연료는 연료 공급부(10)로부터 스택(20)의 애노드 전극으 로 공급되고, 대기중의 산소함유공기는 공기 공급부(30)를 통해서 캐소드 전극으로 공급된다. 스택(20)에 있어서, 수소가스와 산소의 전기화학반응에 의해서 발생되는 전기는 집전체(미도시)를 통해서 외부회로로 흐른다. 그리고, 상술된 전기화학반응의 부산물로서 생성되는 CO₂는 대기중으로 방출되는 반면에 물은 재사용을 위해서 순환처리되거나 또는 외부로 배출된다.

도 2를 참조하면, 연료 공급부(10)에는 수소함유연료가 저장되는 내부공간을 갖는 하우징(11)과, 수소함유연료를 스택(20)에 공급하기 위하여 하우징(11)의 일측에 형성된 개구를 통해서 유체소통이 가능하게 연결된 공급관(12)과, 공급관(12)을 통해서 수소함유연료를 스택(20)에 공급하기 위한 공급수단(미도시)을 갖는다. 상기 공급수단은 모터와 같은 구동수단이거나 또는 질소, 아르곤 또는 헬륨 등과 같은 불활성 기체를 하우징(11)의 내부공간에 공급하기 위한 유압장치 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 공급부(10)의 내부공간에는 하우징(11)의 개구를 통해서 공급관(12)에 유체소통이 가능하게 연결된 가요성 도관(14)이 제공되고, 가요성 도관(14)의 자유단부, 즉 도 2에서 가요성 도관(14)의 하단부에는 중량추(16)가 제공된다. 중량추(16)에는 관통홀이 형성되어 있고, 가요성 도관(14)의 자유단부는 상기 관통홀을 관통하여 고정된다. 따라서, 가요성 도관(14)의 자유단부는 하우징(11)의 내부공간에서 항상 중력이 작용하는 방향으로 가장 낮게 위치하여 수소함유연료에 침적된 상태를 유지한다. 이에 의해서, 상기 공급수단의 작용에 의하 여 하우징(11)의 내부공간에 저장되어 있는 수소함유연료는 가요성 도관(14)의 자유단부에 형성된 유입홀로 유입된 후 가요성 도관(14)과 공급관(12)을 통해서 안정적이면서 원활하게 스택(20)으로 공급된다.

도 3을 참조하면, 가요성 도관(14)에 있어서, 상기 자유단부와 하우징(11)의 개구에 대한 연결부위 사이에는 부표(18)가 제공된다. 부표(18)는 수소함유연료의 비중보다 상대적으로 작은 비중을 갖는다. 따라서, 부표(18)는 하우징(11)의 내부공간에서 수소함유연료의 수면에 항상 떠있게 되는 반면에 가요성 도관(14)의 자유단부는 중량추(16)에 의해서 수소함유연료에 침적된 상태로 유지되므로, 상기 공급수단의 작용에 의하여 하우징(11)의 내부공간에 저장되어 있는 수소함유연료는 가요성 도관(14)의 자유단부에 형성된 유입홀로 유입된 후 가요성 도관(14)과 공급관(12)을 통해서 안정적이면서 원활하게 스택(20)으로 공급된다.

마찬가지로, 도 8과 도 9를 참조하면, 하우징(11)이 역전된 상태로 유지된 경우에, 가요성 도관(14)의 자유단부는 중량추(16)에 의해서 수소함유연료에 침적된 상태로 유지된다. 따라서, 상기 공급수단의 작용에 의하여 하우징(11)의 내부공간에 저장되어 있는 수소함유연료는 가요성 도관(14)의 자유단부에 형성된 유입홀로 유입된 후 가요성 도관(14)과 공급관(12)을 통해서 안정적이면서 원활하게 스택(20)으로 공급된다.

도 4를 참조하면, 연료 공급부(10)는 수소함유연료가 저장되는 내부공간을 갖고 타원형의 외관을 갖는 하우징(11')을 포함할 수 있다. 하우징(11')의 외관이 타원형인 것은 상기 공급수단에 의한 수소함유연료의 공급을 방해할 수 있는 중량 추(16)와 하우징 내부면 사이의 간섭현상을 감소시키기 위함이다.

더 바람직하게, 연료 공급부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이 원형체 또는 반원형체의 외형을 갖는 중량추(16')를 포함할 수 있다. 이는 타원형의 외관을 갖는 하우징(11')의 내부면과 중량추(16)의 외형 사이의 간섭현상을 감소시켜서 수소함유연료를 원활하면서 안정적으로 공급하기 위함이다.

특히, 연료 공급부(10)에는 도 6에 도시된 바와 같이 가요성 도관(14)의 자유단부에 유체소통이 가능하게 연결되는 관통구(116a)가 형성된 중량추(116)가 제공될 수 있다. 이는 가요성 도관(14)의 자유단부가 하우징(11')의 하부 내측면에 접촉하여도 수소함유연료가 원활하면서도 안정적으로 공급될 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 상기 공급수단에 의해서 수소함유연료는 중량추(116)의 관통구(116a)를 통해서 가요성 도관(14)으로 유입된 후에 공급관(12)을 통해서 스택(20)에 안정적으로 공급된다.

도 1을 다시 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

공급수단의 동작에 의해서, 하우징(11)의 내부공간에 저장되어 있는 수소함유연료는 중량추(116)의 관통구(116a) 및/또는 가요성 도관(14)의 자유단부를 통해서 가요성 도관으로 유입된 후에 공급관(12)을 통해서 스택(20)에 공급된다.

스택(20)의 애노드 전극과 캐소드 전극에 수소함유연료와 공기가 각각 공급되면, 수소산화반응에 의해서 생성되는 전기는 집전체를 통해서 외부회로에 통전된 다.

본 발명에 따르면, 설치상태에 무관하게 수소함유연료를 안정적으로 원활하게 공급할 수 있는 오리엔테이션 프리 연료탱크를 제공함으로써, 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있다.

Claims (12)

1. 수소함유연료가 저장되어 있는 하우징과;

   상기 하우징의 일측에 형성된 개구에 유체소통이 가능하게 연결된 공급관과;

   상기 개구를 통해 상기 공급관에 유체소통가능하게 연결되어 상기 하우징의 내부에 위치된 가요성 도관과;

   상기 가요성 도관의 자유단부에 고정설치된 중량추로 구성된 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자유단부와 상기 공급관에 대한 연결부위 사이에 제공된 부표를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하우징은 타원형체인 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 중량추의 외형은 원형 또는 반원형인 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
5. 제4항에 있어서,

   상기 중량추의 하부에는 상기 가요성 도관의 자유단부와 유체소통이 가능한 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
6. 제2항에 있어서,

   상기 수소함유연료는 메탄올, 에탄올의 알코올계 연료; 메탄, 프로판 또는 부탄의 탄화수소계 연료 및 액화천연가스의 천연가스계 연료로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 연료인 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 프리 연료탱크.
7. 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하고자 하는 연료 공급부를 갖는 연료전지 시스템에 있어서,

   상기 연료 공급부는 수소함유연료가 저장되어 있는 하우징과; 상기 하우징의 일측에 형성된 개구와 상기 발전부를 유체소통이 가능하게 연결시키는 공급관과; 상기 개구를 통해 상기 공급관에 유체소통가능하게 연결되어 상기 하우징의 내부에 위치된 가요성 도관과; 상기 가요성 도관의 자유단부에 고정설치된 중량추로 구성된 연료탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 자유단부와 상기 공급관에 대한 연결부위 사이에 제공된 부표를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제7항에 있어서,

   상기 하우징은 타원형체인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제7항 또는 제9항에 있어서,

    상기 중량추의 외형은 원형 또는 반원형인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 제7항에 있어서,

    상기 중량추의 하부에는 상기 가요성 도관의 자유단부와 유체소통이 가능한 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
12. 제8항에 있어서,

    상기 수소함유연료는 메탄올, 에탄올의 알코올계 연료; 메탄, 프로판 또는 부탄의 탄화수소계 연료 및 액화천연가스의 천연가스계 연료로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 연료인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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