KR20060135387A - 연료전지용 공기공급장치 및 이를 채용한 연료전지 - Google Patents

연료전지용 공기공급장치 및 이를 채용한 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동용 연료전지 시스템에 적합한 공기공급장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급장치는 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징과, 이 하우징에 삽입설치되며 유체가 유입되는 유입관과 유체가 유출되는 유출관을 구비하는 공기 펌프와, 하우징 내에서 유입공과 유입관 사이에 설치되며 유체 내의 미립자 오염물질 및 화학적 오염물질을 여과하는 필터부, 그리고 하우징 내에서 유출관과 유출공 사이에 설치되는 흡음부재를 포함한다. 연료전지 시스템은 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 전기 발생부에 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부, 그리고 전기 발생부에 산화제를 공급하는 상술한 공기공급장치를 포함한다.
공기 필터, 공기 펌프, 연료 전지, 하우징, 흡음부재, 이중벽, 진공, 굴곡부

Description

연료전지용 공기공급장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Air supply system for fuel cell and fuel cell system using same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기공급장치에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기공급장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기공급장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기공급장치에 적용할 수 있는 하우징의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기공급장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 연료 전지의 전기발생부에 대한 개념도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 하우징 12: 유입공
14: 유출공 20: 공기펌프
22: 유입관 24: 유출관
30: 필터부 40: 흡음부재
50: 공기공급장치
본 발명은 공기공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 깨끗한 공기를 공급하면서 소음을 억제할 수 있고 소형화된 구조로 이동용 연료전지 시스템에 적합한 연료전지용 공기공급장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기와 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공 공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등과 같이 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상술한 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
또한, 연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
연료전지 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고, 연료전지 스택은 압축 밀봉된다. 그것은 스택 내부의 압력 강하나 산소 감소와 같은 비균일한 작동 조건을 방지하기 위한 것이다.
이하에서는 이동용 전원이나 수송용 전원으로 사용되는 연료전지 시스템을 통칭하여 이동용 연료전지 시스템으로 언급한다. 이동용 연료전지 시스템에서는 원 하는 에너지 출력을 얻는 데 필요한 양의 산소를 연료 전지에 공급하기 위하여 공기 펌프가 탑재될 수 있다.
하지만, 이동용 연료전지 시스템에서는 사용 장소의 변동에 따라 흡입되는 공기 내의 다양한 오염물질에 의해 전지의 작동에 심각한 부작용이 발생될 수 있다. 그것은 정교하게 균형 조절된 화학 반응에 의존하여 작동하는 연료전지가 대기 중의 오염 물질에 의해 악영향을 받을 수 있기 때문이다. 대기중의 오염 물질은, 예를 들어, 먼지, 스모그, 매연 입자 등과 같이 대기 중에 부유하는 작은 입자들, 그리고 방향족 탄화수소, 메탄올, 부탄, 프로판과 같은 탄화수소 계열 및 암모니아, 오존, 황화수소, 황산화물, 질소화합물, 일산화탄소 등과 같은 휘발성 유기 화합물을 포함한다. 따라서, 대부분의 이동용 연료전지 시스템에서는 공기 내의 여러가지 오염 물질을 제거하기 위한 적절한 여과 시스템이 요구되고 있다.
또한, 이동용 연료전지 시스템에서, 공기 펌프와 여과 시스템 등을 포함하는 공기공급장치는 탑재되는 이동용 연료전지 시스템의 운송 및 휴대가 용이하도록 그것의 무게와 부피를 감소시키는 것이 일반적이다. 이처럼, 종래의 이동용 연료전지 시스템에서는 소형화에 적합합 공기공급장치가 요구되고 있다.
또한, 이동용 연료전지 시스템에 탑재되는 공기 펌프는 공기 유동(air flow stream) 내에 위치하는 팬 또는 압축기와 같은 기류(air movement) 장치를 통해 연료 전지에 공기를 공급한다. 하지만, 이러한 공기 펌프는 불행하게도 상당한 수준의 소음을 발생시킨다. 여기서, 소음은 예컨대, 공기 펌프의 로터, 임펠러, 베인, 피스톤과 같은 이동하는 부품들에서 나는 불쾌한 음파를 말한다. 따라서, 저소음의 노트북과 같은 휴대용 정보통신 단말기 등의 전원으로 연료전지 시스템을 사용하기 위해서는 연료전지 시스템 내의 공기 펌프의 소음을 적정 수준 이하로 감소시켜야 할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 공기 여과 기능 및 소음 억제 기능과 함께 공기 펌프가 탑재되는 단일 하우징 구조를 갖는 소형화된 연료전지용 공기공급장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 공기공급장치를 이용하는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은, 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징과, 이 하우징에 삽입설치되며 유체가 유입되는 유입관과 유체가 유출되는 유출관을 구비하는 공기 펌프와, 하우징 내에서 유입공과 유입관 사이에 설치되며 유체 내의 미립자 오염물질 및 화학적 오염물질을 여과하는 필터부, 그리고 하우징 내에서 유출관과 유출공 사이에 설치되는 흡음부재를 포함하는 연료전지용 공기공급장치를 제공한다.
바람직하게, 필터부는 판 상의 적어도 하나의 미립자 제거 필터, 및 판 모양으로 압축 성형된 적어도 하나의 흡착 필터를 포함한다. 미립자 제거 필터는 미세 섬유층을 갖는, 셀롤로오스 또는 합성 부재 또는 이들의 조합물로 이루어진다. 흡착 필터는 염기성 표면을 갖고 산성 오염물질을 제거할 수 있다. 여기서, 산성 오염물질은 황 산화물, 질소 산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산 및 비휘발성 유기산 중 적어도 어느 하나이다. 또한, 흡착 필터는 산성 표면을 갖고 염기성 오염물질을 제거할 수 있다. 여기서, 염기성 오염물질은 암모니아, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기 및 비휘발성 유기 염기 중 적어도 어느 하나이다. 또한, 흡착 필터는 활성 카본 섬유, 이온 교환 섬유, 이온 교환 수지, 활성 알루미나, 알루미나, 함침된 카본, 분자 체, 실리카 겔 및 실리카 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우, 흡착 필터는 칼륨 과망간산염, 칼륨 카보네이트, 나트륨 카보네이트, 칼슘 카보네이트, 칼슘 황산염, 구연산, 인산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 재료와 화합, 코팅 또는 함침될 수 있다.
또한, 흡음부재는 다공질 재료, 섬유상 재료 및 탄성 다공질 재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어진다. 흡음부재는 서로 다른 재료로 이루어지며 중첩설치되는 복수의 판상 흡음부재를 포함할 수 있다.
또한, 펌프는 유입관 및 유출관이 구비된 펌핑부, 및 프로펠러의 회전력에 의해 펌핑부에 펌핑력을 제공하는 전동부를 포함한다. 이때, 펌핑부에 결합되는 유입관은 소음 억제를 위한 굴곡부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 하우징은 제1 및 제2 개구부가 구비되며 이중벽 구조의 제1 및 제2 금속 하우징 본체를 포함한다. 이때, 이중벽 구조의 내부벽을 형성하는 제1 금속 하 우징 본체는 발포 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 이중벽 구조의 제1 및 제2 금속 하우징 본체 사이의 공간은 진공부로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 하우징은 유입공이 구비되며 제1 개구부에 결합되는 제1 덮개, 및 유출공이 구비되며 제2 개구부에 결합되는 제2 덮개를 포함한다. 제1 덮개 및 제2 덮개는 금속, 플라스틱, 열가소성 중합체 재료 및 열경화성 중합체 재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어진다.
또한, 상술한 공기공급장치는 하우징에 삽입설치되며, 펌프의 유입관이 삽입지지되는 제1 홀이 구비된 제1 지지부재, 및/또는 펌프의 유출관이 삽입지지되는 제2 홀이 구비된 제2 지지부재를 추가적으로 포함한다. 제1 및 제2 지지부재는 우레탄 폼으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 측면은, 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 이 전기 발생부에 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부, 그리고 전기 발생부에 산화제를 공급하는 제1 측면의 공기공급장치를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직하게, 상술한 연료전지 시스템은 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 발생된 수소 가스를 전기 발생부에 공급하는 개질기를 추가적으로 포함할 수 있다. 그리고 개질기는 발생된 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기공급장치에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 하우징(10)으로 유입되는 더러운 공기(2)에서 오염 물질을 제거하고 오염 물질이 제거된 깨끗한 공기(52)를 유출시키면서 공기 펌프(30)의 소음을 억제할 수 있는 소형화된 공기공급장치(50)를 제공한다. 여기서, 더러운 공기(2)는 공기공급장치(50)로 흡입되는 공기를 나타낸다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 공기공급장치(50)는 하우징(10)과, 하우징(10)에 함께 삽입설치되는 필터부(20)와 공기 펌프(30) 및 흡음부재(40)를 포함한다.
보다 구체적으로, 하우징(10)은 공기의 유입과 유출을 위한 유입공(12) 및 유출공(14)이 구비되는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 하우징(10)에 유용한 재료의 예로는 금속, 플라스틱, 중합체 재료 등이 있다. 본 실시예에서 하우징(10)은 금속 부재로 형성되는 것이 바람직하다. 금속 부재는 고무나 플라스틱 등의 다른 부재보다 밀도가 높은 고밀도 부재이다. 따라서, 금속 부재로 이루어진 하우징(10)을 이용하면, 하우징(10) 내부에서 발생되는 소음이 외부로 전달되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 한편, 하우징(10) 제작 후에, 연료전지에 악영향을 줄 수 있는 오염 물질, 예컨대, 실리콘 가스(silicone fumes)를 제거하기 위하여 하우징(10)은 세척 또는 세정될 수 있다.
필터부(20)는 하우징(10)의 유입공(12)을 통해 유입되는 더러운 공기(2) 내의 작은 입자나 원하지 않는 화학 물질을 여과하고 여과된 공기를 공기 펌프(20)에 공급하는 부분을 포함한다. 여기서, 작은 입자는 먼지, 오물, 디젤 분진, 금속 부스러기 등의 물리적 오염 물질을 포함하며, 원하지 않는 화학 물질은 연료 전지에 악영향을 줄 수 있는 화학적 오염물질, 예컨대, 산성 또는 염기성 오염물질을 포함한다. 산성 오염물질에는 황산화물, 질소산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산, 비휘발성 유기산 등이 포함된다. 그리고, 염기성 오염물질에는 암모니아, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기염, 비휘발성 유기염 등이 포함된다.
공기 펌프(30)는 필터부(20)를 통해 여과된 공기를 유입관(32)을 통해 흡입하고, 소정의 압력으로 유입된 공기를 유출관(34)을 통해 방출한다. 본 실시예에서 공기 펌프(30)에는 소형 고출력 진공 펌프가 포함되며, 저소음 특성이 우수한 것이 바람직하다.
흡음부재(40)는 공기 펌프(30)의 유출관(34)을 통해 방출된 공기를 받아 하우징(10)의 유출공(14)측으로 전달한다. 흡음부재(40)는 공기 펌프(30)에서 발생되는 소리 에너지를 감소시킬 수 있는 임의의 재료로 형성된다. 예를 들면, 흡음부재(40)에는 하우징(10) 내부에 꼭맞게 삽입설치되는 형상, 예컨대, 얇은 원판 형상으로 서로 중첩되어 용이하게 설치될 수 있는 다공질 재료, 섬유상 재료, 탄성 다공질 재료 등이 포함된다. 본 실시예에서, 공기 펌프(30)에서 발생되는 소음을 감소 또는 억제시키기 위한 소음 억제 수단으로서 흡음부재(40)를 사용한 것은 필터부 (20)와 공기 펌프(30)를 포함한 공기공급장치(50)의 소음을 감소시키면서 동시에 공기공급장치(50)를 소형화에 유리하기 때문이다. 아래에서 본 발명의 기술적 사상에 의해 제작된 공기공급장치의 몇몇 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기공급장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 공기공급장치(100)는 원통형 모양의 하우징 본체(110)와, 이 하우징 본체(110)에 함께 삽입설치되는 필터부(120), 공기펌프(130), 지지부재(139) 및 흡음부재(140), 그리고 하우징 본체(110)의 양측 개구부(111, 112)를 덮는 제1 및 제2 덮개(101, 105)를 포함한다.
보다 구체적으로, 금속 하우징 본체(110)는 임의의 금속 부재에 의해 만들어진다. 금속 하우징 본체(100)의 상부 및 하부에는 제1 개구부(111)와 제2 개구부(112)가 구비된다. 예를 들면, 금속 하우징 본체(110)는 알루미늄 판을 이용하여 대략 길이 1400㎜, 외경 500㎜, 두께 1.25㎜의 중공 원통 형상으로 제작된다. 금속 하우징 본체(110)를 원통 형상으로 형성하면, 금속 하우징 본체(110)에 대략 원통형의 공기 펌프(130)를 용이하게 삽입설치할 수 있고, 게다가 공기공급장치(100)의 전체적인 부피를 최소화할 수 있다. 물론, 금속 하우징 본체(110)는 다른 형상, 예컨대, 박스(box) 형상으로 변형가능하다.
제1 덮개(101)는 금속 하우징 본체(110)의 제1 개구부(111)에 삽입결합된다. 이를 위해 제1 덮개(110)는 제1 개구부(111)에 삽입되는 원통 형상의 몸체(103)와, 이 몸체(103)로부터 단차부(103a)를 두고 몸체(103)보다 큰 직경을 갖는 머리부(104)를 포함한다. 그리고 제1 덮개(101)에는 대기중의 더러운 공기의 유입을 위한 유입공(102)이 구비된다. 유입공(102)은 제1 덮개(101)의 일면로부터 그 내부를 관통하여 반대쪽면에까지 연장된다.
제2 덮개(105)는 금속 하우징 본체(110)의 제2 개구부(112)에 삽입결합된다. 이를 위해 제2 덮개(105)는 제2 개구부(112)에 삽입되는 원통 형상의 몸체(107)와, 이 몸체(107)로부터 단차부(107a)를 두고 몸체(107)보다 큰 직경을 갖는 머리부(108)를 포함한다. 그리고 제2 덮개(105)에는 필터부(120)에 의해 여과된 깨끗한 공기의 유출을 위한 유출공(106)이 구비된다. 유출공(106)은 제2 덮개(105)의 일면으로부터 그 내부를 관통하여 반대쪽면에까지 연장된다.
필터부(120)는 금속 하우징 본체(110)에 삽입설치된다. 이때, 필터부(120)는 제1 덮개(101)와 공기 펌프(130)의 유입관(131a, 131b) 사이에 삽입설치된다. 필터부(120)는 제1 덮개(101)의 유입공(102)을 통해 유입되는 더러운 공기를 여과하고, 여과된 공기를 공기 펌프(130)의 유입관(131a, 131b)측으로 배출한다. 이를 위해, 필터부(120)는 제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124), 제1 및 제2 흡착 필터(125, 126) 및 두 개의 보조 필터(122, 127)를 구비한다.
제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124)는 셀룰로오스 재료를 포함한 섬유망 또는 웹(web) 재료로 이루어지며, 제1 덮개(101)와 접하도록 설치된다. 이때, 제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124)는 서로 다른 재료로 원판 형상으로 형성되며, 하우징(110)의 폭 방향으로 적층 구조로 삽입설치된다. 제1 및 제2 미립자 제거 필 터(123, 124)는, 미립자 제거 효율을 향상시키기 위하여, 정전기적으로 처리되거나 미세 섬유(nanofiber) 층을 갖는 셀룰로오스 또는 합성 부재로 이루어질 수 있다. 상술한 구성에 의해, 제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124)는 연료전지에 유해한 석회석이나 도로의 타르(tar)로부터 발생되는 중합체 탄화수소 등을 제거한다.
제1 및 제2 흡착 필터(125, 126)는 소정의 흡착 재료에 의해 원판 모양으로 형성되고, 제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124)의 일측에 설치되며, 미립자 제거 필터(123, 124)를 통과해서 나오는 공기 내의 화학적 오염물질을 제거한다. 흡착 재료로는 활성 카본 섬유, 이온 교환 섬유, 이온 교환 수지, 활성 알루니마, 알루미나, 함침된 카본, 분자 체, 실리카 겔, 실리카 등이 포함된다. 이 경우, 필터의 흡착 효과를 향상시키기 위하여, 흡착 재료는 칼륨 과망간산염, 칼륨 카보네이트, 나트륨 카보네이트, 칼슘 카보네이트, 칼슘 황산염, 구연산, 인산 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나로 이루어진 재료와 화합, 코팅 또는 함침될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 흡착 필터(125, 126)는 산성 표면과 염기성 표면을 갖도록 각각 처리될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 흡착 필터(125, 126)는 염기성 오염물질과 산성 오염물질을 보다 효과적으로 흡착할 수 있다. 산성 오염물질로는 황산화물, 질소산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산, 비휘발성 유기산 등이 포함된다. 그리고 염기성 오염물질로는 암모니아, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기, 비휘발성 유기 염기 등이 포함된다.
보조 필터(122, 127)는 제1 및 제2 미립자 제거 필터(123, 124)와 제1 및 제2 흡착 필터(125, 126)를 지지하도록 그것들의 양측에 중첩설치된다. 또한, 보조 필터(122, 127)는 스크린 또는 메쉬 형태의 원판 모양으로 형성되며, 그 중에 제1 덮개(101)측에 설치되는 일측 보조 필터(122)는 미립자보다 큰 오염물질이 하우징 내로 유입되는 것을 차단한다.
공기 펌프(130)는 필터부(120)의 일측에 설치되며, 필터부(120)에 의해 소정 레벨로 여과된 깨끗한 공기를 흡입하여 소정 압력하에서 방출한다. 공기 펌프(130)는 펌핑부(133)와 전동부(134)를 구비한다. 펌핑부(133)는 필터부(120)로부터의 깨끗한 공기가 유입되는 두 유입관(131a, 131b)과 유입된 공기를 방출하는 유출관(132)을 구비한다. 전동부(134)는 예컨대 전기 에너지에 의해 펌핑부(133)에 삽입설치되어 있는 프로펠러(미도시)에 결합되어 펌핑부(133)에 펌핑력을 제공하는 전기 모터(미도시)를 포함한다. 한편, 상술한 펌핑부(133)과 전동부(134)는 하우징 내부에서 공기를 압축하기 위한 공기 펌프의 일례로서, 본 발명의 공기공급장치에서는 상술한 전기 모터와 프로펠러를 이용한 회전형 기계 장치의 응용 구조 이외에 왕복형 기계 장치의 응용, 예컨대, 피스톤 왕복 운동을 이용한 공기 펌프를 이용하여 용이하게 구현가능하다.
또한, 공기 펌프(130)는 공기 펌프(130)로부터 발생되는 소음을 감소시키기 위하여, 그것의 유입관(131a, 131b)이 굴곡부를 갖도록 형성된다. 굴곡부는 대략 N-자 모양 또는 기타 다른 구불구불한 모양을 포함한다.
지지부재(135)는 공기 펌프(130)가 안정적으로 삽입설치되도록 금속 하우징 본체(110) 내에서 공기 펌프(130)을 지지한다. 또한, 지지부재(135)는 공기 펌프(130)에서 발생되는 소음을 억제할 수 있는 소정의 흡음부재, 예컨대, 우레탄 폼 등의 재료로 형성되며, 공기 펌프(130)를 적절하게 둘러싸도록 여러 개의 지지부재 조각(136, 137, 138, 139)으로 나뉘어진다. 제1 지지부재(136)는 필터부(120)와 공기 펌프(130) 사이에 설치된다. 제1 지지부재(136)에는 공기 펌프(130)의 두 유입관(131a, 131b)이 삽입지지되는 제1 홀(135a) 및 제2 홀(135b)과, 공기 펌프(130)의 전동부(134)에서 발생된 열을 적절하게 방출시키기 위한 제3 홀(135c)이 구비된다. 제2 지지부재(137)는 공기 펌프(130)와 흡음부재(140) 사이에 설치된다. 제2 지지부재(137)에는 공기 펌프(130)의 유출관(132)이 삽입지지되는 제4 홀(137a)이 구비된다. 두 보조 지지부재(138, 139)는 금속 하우징 본체(110)의 내주면과 공기 펌프(130)의 측면 사이에 삽입설치된다. 두 보조 지지부재(138, 139)는 공기 펌프(130)의 외주면상에 용이하게 끼워질 수 있도록 소정 두께 및 소정 폭의 링 형상으로 만들어진다.
흡음부재(140)는 금속 하우징 본체(110)에 삽입설치되는 공기 펌프(130)의 동작 소음이나 공기 흐름에 의한 마찰 소음 등을 감소시킨다. 흡음부재(140)는 공기 펌프(130)와 제2 덮개(105) 사이에 삽입설치되며, 그 양면이 공기 펌프(130)의 유출관(132)과 제2 덮개(105)의 유출공(106)에 접하도록 설치된다. 이때, 흡음부재(140)는 공기 펌프(130)로부터 유출되는 공기의 흐름을 크게 방해하지 않도록 적절한 재료와 두께로 설치된다. 이러한 흡음부재(140)의 재료로는 다공질 재료, 섬유상 재료 또는 탄성 다공질 재료 등이 포함된다. 또한, 흡음부재(140)는 소음 억제 효과를 향상시키기 위하여 서로 다른 재료로 원판 모양으로 형성되고 중첩설치되는 복수의 흡음부재(142, 143, 144, 145)를 포함한다. 이 경우, 제1 흡음부재(143)는 탄성 다공질 재료로 이루어지고, 제2 흡음부재(144)는 섬유상 재료로 이루어지며, 두 보조 흡음부재(142, 145)는 메쉬 형태로 제1 및 제2 흡음부재(143, 144)의 양측에서 이들을 지지하도록 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기공급장치를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 공기공급장치(200)는 이중 금속 하우징 본체(210), 제1 및 제2 덮개(201, 205), 필터부(220), 공기 펌프(230), 지지부재(235) 및 흡음부재(240)를 포함한다. 여기서, 이중 금속 하우징 본체(210)와 제1 및 제2 덮개(201, 205)는 공기공급장치(200)의 하우징을 형성한다. 본 실시예의 공기공급장치(200)는 하우징 본체가 이중 금속으로 이루어진 것을 제외하고 제1 실시예에 따른 공기공급장치(100)의 구성과 유사한 구성을 갖는다. 이하에서는 제1 실시예에 따른 공기공급장치의 구성요소에 대한 상세한 설명과 중복되는 설명을 가급적 생략한다.
보다 구체적으로, 이중 금속 하우징(210)은 소음을 억제할 수 있는 구조의 하나로서 제1 금속 하우징 본체(211) 및 제2 금속 하우징 본체(212)를 포함한다.
제1 금속 하우징 본체(211)는 다공성 금속 부재로 이루어지며 원통 형상으로 형성된다. 이 경우, 제1 금속 하우징 본체(211)는 독립 기포의 집합체이며 각 기포를 한정하는 격막에 형성된 미세한 균열을 통해 각 기포가 서로 통하는 구조로 형성된다. 이러한 구조는 격막의 파면과 음파가 마찰되도록 하여 소리 에너지가 열 에너지로 변환되도록 함으로써 우수한 흡음 효과를 나타낸다. 제1 금속 하우징 본 체(211)에 사용하기 적합한 발포 금속에는 예컨대, 초경량성, 불연성, 고강도, 흡음성 및 내습성이 우수한 발포 알루미늄이 포함된다.
제2 금속 하우징 본체(212)는 금속으로 이루어지며 원통 형상으로 형성된다. 그리고 제2 금속 하우징 본체(212)는 외측에서 제1 금속 하우징 본체(211)를 둘러싸도록 설치된다. 이때, 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212)는 격벽(213)에 의해 소정의 공간을 두고 형성된다. 격벽(213)은 돌기나 스트라이프 또는 메쉬 형태로 형성될 수 있다. 이러한 공간 형성은 제1 금속 하우징 본체(211)의 흡음 기능을 향상시켜 소음 억제가 보다 효과적으로 이루어지도록 한다.
상술한 구성에 의하면, 더러운 공기를 여과하기 위한 필터부(220)와 공기 펌프(230)가 삽입설치되는 공기공급장치(200)에 있어서, 공기 펌프(230)의 동작 소음과 필터부(220)와 공기 펌프(230)를 통과하는 공기 흐름 상에서 발생되는 소음이 더욱 효과적으로 감소 및 억제될 수 있다.
상술한 공기공급장치(200)의 조립 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1 직경을 가진 원통 모양의 다공성 제1 금속 하우징 본체(211)를 제1 직경보다 조금 큰 제2 직경을 가진 원통형 모양의 제2 금속 하우징 본체(212) 내에 삽입한다. 이때, 제1 금속 하우징 본체(211)는 제2 금속 하우징 본체(212)의 일측 개구부로 삽입되어 고정되며, 제2 금속 하우징 본체(212)의 타측 개구부 가장자리에 의해 지지된다. 여기서, 제2 금속 하우징 본체(212)의 타측 개구부의 직경은 그것의 일측 개구부의 직경보다 조금 작다. 본 과정에서 소정의 접착제, 예컨대, 알루미늄 구조용 접착제를 제2 금속 하우징 본체(212)의 격벽(213) 상에 소량 도포 하여 제1 금속 하우징 본체(211)와 제2 금속 하우징 본체(212)를 고정적으로 접합시킬 수 있다.
다음, 공기 펌프(230)의 하부 외주면을 보조 지지부재(238, 239)로 둘러싼다. 그리고, 보조 지지부재(238, 239)로 둘러싸인 공기 펌프(230)를 제1 금속 하우징 본체(211)에 끼워넣는다. 이때, 공기 펌프(230)에 접속되어 있는 전원선(234)을 제1 및 제2 금속 하우징 본체(211, 212)의 내부에서 그것들을 관통하여 형성된 홀(234a)을 통해 외부로 빼낸다.
다음, 공기 펌프(230)의 유입관(231a, 231b)측에 제1 지지부재(236)를 설치한다. 이때, 유입관(231a, 231b)은 제1 실시예의 경우와 달리 제1 지지부재(236)의 제1 및 제2 홀(236a, 236b)에 삽입되지 않는다. 그리고, 공기 펌프(230)의 유출관(232)측에 제2 지지부재(237)를 삽입한다. 이때, 유출관(232)는 제2 지지부재(237)의 홀에 삽입지지된다.
다음, 하우징(210)의 유입공(202)측 제1 개구부에 필터부(220)를 삽입한다. 그리고, 제1 개구부를 제1 덮개(201)로 끼워막는다.
다음, 하우징(210)의 유출공(206)측 제2 개구부에 흡음부재(240)을 삽입한다. 그리고, 제2 개구부를 제2 덮개(205)로 끼워막는다. 이로써, 공기 필터 기능과 소음 억제 기능이 구비된 공기 펌프 탑재형의 공기공급장치가 간단하게 조립완성된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기공급장치에 적용할 수 있는 하우징 의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 하우징(310)은 하우징 내부에서 발생되는 소음이 보다 효과적으로 감소되도록 만들어진 진공 하우징 구조를 갖는다. 진공 상태에서는 그 진공도에 따라 소리를 전달하는 매개체가 적게 존재하기 때문에 소리 전달이 잘 되지 않는다. 이처럼, 본 실시예에서는 기본적으로 진공 상태에서 소리가 전달되지 않는 원리를 이용한다.
구체적으로, 하우징(310)은 진공 하우징 본체(311), 제1 덮개(301) 및 제2 덮개(305)를 포함한다. 진공 하우징 본체(211)는 금속, 예컨대, 경량성, 불연성, 고강도, 차음성 및 내습성이 우수한 알루미늄에 의해 대략 중공 원통 모양으로 형성된다. 진공 하우징 본체(211)에는 적어도 두겹의 금속 부재 사이에 형성된 진공부(313)가 구비된다. 또한, 진공 하우징 본체(211)에는 진공부(313) 형성을 위한 배기홀(315)이 구비된다. 이 배기홀(315)은 진공 하우징 본체(211)의 진공부에 대한 배기 공정 후에 소정의 밀봉재(316)에 의해 밀봉된다.
제1 덮개(301)는 진공 하우징 본체(211)의 일측 개구부에 삽입결합된다. 제1 덮개(301)에는 대기중의 더러운 공기의 유입을 위한 유입공(302)이 구비된다. 그리고 제2 덮개(305)는 금속 하우징 본체(110)의 제2 개구부(112)에 삽입결합된다. 제2 덮개(306)에는 필터부에 의해 여과된 깨끗한 공기의 유출을 위한 유출공(306)이 구비된다.
상술한 구성에 의하면, 진공부에 의한 소음 차단 기능이 구비되는 하우징을 이용하여, 저소음의 공기공급장치를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기공급장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 연료 전지 시스템(500)은 연료 전지(510)와 연료 전지(510)에 깨끗한 공기를 공급하는 저소음의 공기공급장치(520)를 포함한다. 여기서, 공기공급장치(520)에는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 공기공급장치가 채용된다.
연료 전지(510)는 연료와 공기를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지(미도시)를 포함한다. 여기서, 단위 연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부를 나타낸다. 연료 전지(510)는 전기 에너지를 발생시키고, 반응 생성물로서 얻어지는 물과 이산화탄소를 배출한다. 이때, 연료 전지(510)에서 반응하지 않은 미반응 연료 및 공기는 이산화탄소 및 물과 함께 연료 전지(510) 외부로 배출된다. 미반응 연료는 재활용을 위한 순환 경로를 통해 연료 전지(510)로 다시 공급될 수 있다.
또한, 연료 전지(510)는 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 통상 압착 밀봉된다. 이 경우, 연료 전지 스택 내의 각 단위 연료 전지에 필요한 양의 공기 그리고 깨끗한 공기를 공급하기 위하여 공기공급장치(520)가 사용된다.
공기공급장치(520)는 연료 전지(510)의 보다 긴 지속적인 작동을 위하여 압착 밀봉된 구조의 연료 전지 스택에 필요한 산소량 이상을 함유한 충분한 공기를 공급한다. 이때, 공기공급장치(520)는 연료 전지(510)에 악영향을 주는 오염물질, 예컨대, 미립자나 원하지 않는 화학물질을 제거하여 깨끗한 공기를 공급한다. 또한, 공기공급장치(520)는 소음 억제 구조를 갖추고 내부에 삽입설치되어 있는 공기 펌프와 공기 흐름상에서 발생되는 소음을 억제 및 감소시킨다.
상술한 구성에 의하면, 대기중의 더러운 공기에 의한 악영향이 차단되므로 연료 전지의 운전 수명이 보장될 수 있다. 또한 공기 펌프와 공기 흐름 상에서 발생되는 소음이 억제되므로 저소음의 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.
도 6은 도 5의 연료 전지의 전기발생부에 대한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 연료 전지(510)는 적어도 하나의 전기발생부를 포함한다. 전기 발생부는 수소와 산소의 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)(512)와, 막-전극 어셈블리(512)의 양면에 밀착되어 막-전극 어셈블리(512)로 수소를 함유한 연료와 산화제, 예컨대, 산소 또는 공기를 전달하는 세퍼레이터(separater)(미도시)로 이루어진다. 막-전극 어셈블리(512)는 고분자 전해질막(514)과 그 양면에 접합되는 애노드 전극(515) 및 캐소드 전극(516)을 포함한다. 세퍼레이터는 연료 전지(510)의 구조에 따라 생략될 수 있다.
막-전극 어셈블리(512)는 고분자 전해질막(514), 연료극 촉매층(515) 및 공기극 촉매층(516)을 포함한다. 여기서, 연료극 촉매층(515)은 애노드 전극에 대응되며, 공기극 촉매층(516)은 캐소드 전극에 대응된다. 연료 전지(510)에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(515)에 공급되면 연료극 촉매층(515) 에서 전기화학적 산화 반응이 일어나면서 수소 이온 H+와 전자 e-로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(515)에서 고분자 전해질막(514)을 통해 공기극 촉매층(516)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(515)에서 외부 전선(518)을 통해 공기극 촉매층(516)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(516)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(516)에 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
상술한 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지에 적용될 수 있다. 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 연료전지의 운전 수명에 악영향을 줄 수 있는 대기중의 오염물질을 흡착하여 깨끗한 공기를 연료전지에 공급할 수 있다. 또한, 소음 억제 구조의 몇몇 금속 하우징 및 공기 펌프의 유출관측에 설치되는 흡음부재를 이용함으로써 연료전지에 필요한 양의 깨끗한 공기를 공급하는 공기 펌프와 공기 흐름 상에서 발생되는 소음을 감소 및 억제시킬 수 있다. 또한, 공기 여과 기능과 소음 억제 기능과 함께 공기 펌프가 단일 하우징 내에 삽입설치되는 구조를 이용함으로써, 이동용 연료전지 시스템에 적합한 소형의 공기공급장치를 제공할 수 있다. 게다가, 대기중의 오염물질에 의해 연료 전지의 운전 수명이 감소되는 것을 방지하면서 저소음과 소형화된 연료전지 시스템의 구현에 기여할 수 있다.

Claims (22)

  1. 유체의 유입 및 유출을 위한 유입공과 유출공을 구비하는 하우징;
    상기 하우징에 삽입설치되며, 상기 유체가 유입되는 유입관과 상기 유체가 유출되는 유출관을 구비하는 공기 펌프;
    상기 하우징 내에서 상기 유입공과 상기 유입관 사이에 설치되며, 상기 유체 내의 미립자 오염물질 및 화학적 오염물질을 여과하는 필터부; 및
    상기 하우징 내에서 상기 유출관과 상기 유출공 사이에 설치되는 흡음부재를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부는 판 모양으로 압축 성형된 적어도 하나의 미립자 제거 필터, 및 적어도 하나의 흡착 필터를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 미립자 제거 필터는 미세섬유층을 갖는, 셀롤로오스 또는 합성 부재 또는 이들의 조합물로 이루어지는 연료전지용 공기공급장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡착 필터는 염기성 표면을 갖고 산성 오염물질을 제거하며,
    상기 산성 오염물질은 황산화물, 질소산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산 및 비휘발성 유기산 중 적어도 어느 하나인 연료전지용 공기공급장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡착 필터는 산성 표면을 갖고 염기성 오염물질을 제거하며,
    상기 염기성 오염물질은 암모니아, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기 및 비휘발성 유기 염기 중 적어도 어느 하나인 연료전지용 공기공급장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡착 필터는 활성 카본 섬유, 이온 교환 섬유, 이온 교환 수지, 활성 알루미나, 알루미나, 함침된 카본, 분자 체, 실리카 겔 및 실리카 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어지는 연료전지용 공기공급장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 흡착 필터는 칼륨 과망간산염, 칼륨 카보네이트, 나트륨 카보네이트, 칼슘 카보네이트, 칼슘 황산염, 구연산, 인산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 재료와 화합, 코팅 또는 함침되는 연료전지용 공기공급장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡음부재는 다공질 재료, 섬유상 재료 및 탄성 다공질 재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어지는 연료전지용 공기공급장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 흡음부재는 서로 다른 재료로 판 모양으로 형성되고 중첩설치되는 복수의 흡음부재를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 유입관 및 상기 유출관이 구비된 펌핑부, 및 프로펠러의 회전력에 의해 상기 펌핑부에 펌핑력을 제공하는 전동부를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유입관은 소음 억제를 위한 굴곡부를 구비하는 연료전지용 공기공급장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 제1 및 제2 개구부가 구비되며 이중벽 구조의 제1 및 제2 금속 하우징 본체를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이중벽 구조의 내부벽을 형성하는 상기 제1 금속 하우징 본체는 발포 알루미늄으로 이루어지는 연료전지용 공기공급장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 이중벽 구조의 상기 제1 및 제2 금속 하우징 본체 사이의 공간은 진공부로 형성되는 연료전지용 공기공급장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 유입공이 구비되며 상기 제1 개구부에 결합되는 제1 덮개, 및 상기 유출공이 구비되며 상기 제2 개구부에 결합되는 제2 덮개를 포함하는 연료전지용 공기공급장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 덮개 및 제2 덮개는 금속, 플라스틱, 열가소성 중합체 재료 및 열경화성 중합체 재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어지는 연료전지용 공기공급장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징에 삽입설치되며, 상기 펌프의 상기 유입관이 삽입지지되는 제1 홀이 구비된 제1 지지부재, 및/또는 상기 펌프의 상기 유출관이 삽입지지되는 제2 홀이 구비된 제2 지지부재를 추가적으로 포함하는 연료지지용 공기공급장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지부재는 우레탄 폼으로 형성되는 연료전지용 공기공급장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하고 수소를 함유한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부에 상기 유체를 공급하는 연료전지용 공기공급장치.
  20. 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    상기 전기 발생부에 상기 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 전기 발생부에 산화제를 공급하는 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 공기공급장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 상기 발생된 수소 가스를 상기 전기 발생부에 공급하는 개질기를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 발생된 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료전지 시스템.
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