KR20070079530A - 무동력 연료 공급 장치 - Google Patents

Abstract

무동력 연료공급장치가 개시된다. 개시된 연료공급장치는 연료를 저장하며 연료 배출을 위한 배출구를 구비하는 연료용기와, 유입구 및 배출구를 구비하며 소정량의 연료를 저장하는 버퍼와, 버퍼에 열을 가하는 히터와, 연료용기의 배출구와 버퍼의 유입구 사이에 결합되는 이송관, 및 버퍼의 배출구에 결합되는 모세관 튜브를 포함한다. 전술한 구성에 의하면, 연료 공급을 위해 펌프를 사용하지 않으므로 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

연료전지, 연료공급장치, 무동력, 모세관, 수축가능한 용기

Description

무동력 연료 공급 장치{Power free fuel supply apparatus}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 나타내는 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무동력 연료공급장치의 연료용기를 나타내는 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 연료공급장치 12: 연료용기

13: 이송관 14: 밸브

16: 버퍼 17: 히터

18: 모세관 튜브

본 발명은 연료공급장치에 관한 것으로, 특히 펌프를 사용하지 않고 연료를 이송함으로써 연료전지 시스템의 출력 성능 향상에 유용한 무동력 연료공급장치에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 얻는다. 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

또한, 고분자 전해질형 연료전지의 일종으로 액상의 메탄올 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.

한편, 일부 연료전지는 고출력에 적합하도록 스택 구조로 제작된다. 여기서, 스택은 하나의 연료전지를 구성하는 막전극 어셈블리와 이 막전극 어셈블리의 전극 들에 연료와 산화제를 공급하는 유로들을 구비한 바이폴라 플레이트를 적층하여 이루어지는 구조체를 말한다.

상기 스택 구조를 갖는 종래의 직접 메탄올 연료전지는 통상 연료 공급을 위한 연료 공급 펌프, 스택에서 배출되는 연료 등을 재활용하기 위한 재활용 장치, 연료탱크와 재활용 장치의 연료를 혼합하기 위한 혼합 탱크, 혼합 탱크로부터 스택으로의 연료 주입을 위한 연료 주입 펌프 등을 구비한다.

그러나, 전술한 스택 구조의 연료전지 시스템에서는 출력을 향상시킬 수 있지만 많은 개수의 펌프와 별도의 장치를 부가해야 하므로 시스템의 부피가 커지고 펌프 등에 의해 소모되는 전력이 증가하는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 펌프를 사용하지 않고 연료용기에 저장된 연료를 이송할 수 있는 무동력 연료공급장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 측면에 의하면, 연료를 저장하며 연료 배출을 위한 배출구를 구비하는 연료용기; 유입구 및 배출구를 구비하며 소정량의 연료를 일시적으로 저장하는 버퍼; 버퍼에 열을 가하는 히터; 연료용기의 배출구와 버퍼의 유입구 사이에 결합되는 이송관; 및 버퍼의 배출구에 결합되는 모세관 튜브를 포함하는 연료공급장치가 제공된다.

바람직하게, 연료용기는 수축가능한 저장부, 및 저장부의 외부에서 저장부에 소정 압력을 가하는 가압 수단을 포함한다. 가압 수단은 탄성 복원력을 갖는 적어도 하나의 고무 부재, 및 고무 부재의 복원력에 상응하는 압력으로 저장부를 압박하는 판 부재를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 연료공급장치는 이송관 중간에 결합되며 연료의 유량을 제어하는 밸브를 추가적으로 포함한다. 밸브는 솔레노이드 밸브인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 연료공급장치는 히터 및 솔레노이브 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함한다. 제어부는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 탑재되는 디지털 신호처리 장치인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 연료공급장치는 모세관 튜브에 결합되며 연료용기로부터 연료를 받는 혼합탱크를 추가적으로 포함한다. 연료는 수소를 함유한 연료인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 연료공급장치(10)는 연료(11)를 저장하는 연료용기(12), 연료용기(12)에 결합되는 이송관(13), 이송관(13) 중간부에 결합되는 밸브(14), 소정량의 연료(15)를 일시적으로 저장하는 버퍼(16), 버퍼(16)에 열을 가하는 히터 (17), 버퍼(16)에 결합되는 모세관 튜브(18), 및 밸브(14)와 히터(17)의 동작을 제어하는 제어부(19)를 포함한다.

연료용기(12)는 연료(11)를 저장하기 위한 것으로서 연료(11)의 유입 및 배출을 위한 적어도 하나의 개구부를 구비한다. 적어도 하나의 개구부는 유입구 또는 배출구가 된다.

이송관(13)은 연료용기(12)에 저장된 연료(11)를 버퍼(16)에 이송한다. 이송관(13)의 일단은 연료용기(12)의 배출구에 결합되며, 그 타단은 버퍼(16)의 유입구에 결합된다. 또한 이송관(13)의 중간부는 밸브(14)와 결합된다.

밸브(14)는 이송관(13)에 결합되며 이송관(13)을 통과하는 연료의 유량을 제어한다. 밸브(14)는 전자석의 힘을 이용하여 플런저(plunger)를 움직여 이송관(13)을 통과하는 연료의 유량을 제어하는 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다. 또한, 밸브(14)는 제어신호 또는 전원 공급에 의해 밸브(14)의 동작을 제어하는 제어부(19)에 결합된다.

버퍼(16)는 연료용기(12)로부터 이송관(13)을 통해 유입되는 연료(15)를 혼합탱크(20)로 이송하기 전에 소정량씩 일시적으로 저장한다. 버퍼(16)는 모세관 튜브(18)에 의해 혼합탱크(20)에 결합된다.

히터(17)는 버퍼(16)에 결합되는 모세관 튜브(18)의 일단부 근방에서 소정의 압력이 발생되도록 버퍼(16)에 열을 가한다. 히터(17)의 열에 의해 버퍼(16)가 가열되면, 버퍼(16)에 저장된 소정량의 연료(15)는 모세관 튜브(18)의 양단에 발생되는 모세관 현상에 의해 혼합탱크(20)에 이송된다.

제어부(19)는 연료공급장치(10)의 동작 모드에 따라 밸브(14)와 히터(17)의 동작 모드를 제어한다. 예컨대, 제어부(19)는 밸브(14)에 소정 전압의 전원을 인가하여 밸브(14)가 소정 비율의 개도로 개방되도록 하는 역할을 하며, 히터(17)에 소정 시간 동안 전원을 인가하여 버퍼(16)에 열을 가하는 하는 역할을 한다.

전술한 연료공급장치(10)에 있어서, 밸브(14)가 개방되면, 연료용기(12)에 저장된 연료(11)가 이송관(13)을 통해 버퍼(16)로 유입되고, 유입된 소정량의 연료(15)는 버퍼(16)에 가해지는 히터(17)의 열에 의해 모세관 튜브(18)에 발생되는 모세관 현상으로 자연적으로 혼합탱크(20)로 유입된다. 따라서, 펌프를 사용하지 않으므로 연료전지 시스템 등의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무동력 연료공급장치의 연료용기를 나타내는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 연료용기(30)는 수축가능한 저장부(32), 및 저장부(32)의 외부에서 저장부(32)에 압력을 가하는 가압 수단으로 이루어진다.

저장부(32)는 연료를 저장할 때 부피가 증가하고, 연료가 배출될 때 부피가 감소한다. 또한, 저장부(32)는 연료의 주입 및 배출을 위한 적어도 하나의 개구부(33)를 구비한다. 개구부(33)는 주입구 및/또는 배출구가 된다. 전술한 저장부(32)는 가죽, 합성수지, 고무, 플라스틱 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 이루어질 수 있지만, 상기 재료로 한정되지는 않는다.

가압 수단은 탄성 복원력을 갖는 세 개의 고무 부재(36a, 36b, 36c), 및 저 장부(32) 양측에 위치하며 고무 부재(36a, 36b, 36c)의 탄성 복원력에 상응하는 압력으로 저장부(32)를 압박하는 판 부재(34a, 34b)로 구현될 수 있다. 물론 고무 부재는 세 개 등과 같이 복수개로 분할 설치되지 않고, 하나의 고무 부재로 구현될 수 있다. 그리고 판 부재는 한 쌍의 평판 부재 이외에 적어도 하나의 판 부재가 저장부와 마주하는 면에 저장부를 약간 감싸는 오목부를 구비하도록 구현될 수 있다.

본 실시예에 따른 무동력 연료공급장치는 전술한 제1 실시예에 따른 무동력 연료공급장치와 유사하다. 다만, 연료용기를 가압하는 탄성 복원력에 의해 연료용기에 저장된 연료를 배출시킴으로써, 연료전지 시스템 등의 출력 성능을 향상시킬뿐 아니라 전술한 제1 실시예의 연료공급장치보다 더욱 힘있게 연료를 이송할 수 있다는 이점이 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.

도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(50)은 연료공급장치, 혼합탱크(57), 산화제공급장치(59), 연료전지 스택(60) 및 제어장치(63)를 포함한다. 여기서, 연료공급장치는 연료용기(51), 이송관(52), 밸브(53), 버퍼(54), 히터(55) 및 모세관 튜브(56)를 포함한다.

연료공급장치는 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 연료공급장치로 구현된다.

혼합탱크(57)는 제1 배관(61)에 의해 연료전지 스택(60)의 애노드 배출구에 결합되며, 애노드 배출구를 통해 배출되는 미반응 연료 등을 받는다. 혼합탱크(57)는 제2 배관(62)에 의해 연료전지 스택(60)의 캐소드 배출구에 결합되며, 캐소드 배출구를 통해 배출되는 수증기 또는 물의 적어도 일부를 받는다. 또한, 혼합탱크(57)는 연료공급장치로부터 고농도의 연료를 받고, 이 고농도의 연료와 연료전지 스택(60)으로부터 받은 미반응 연료와 물을 혼합하며, 혼합된 소정 농도의 연료를 저장한다. 또한, 혼합탱크(57)는 연료주입펌프(58)를 통해 저장된 혼합 연료를 연료전지 스택(60)의 애노드에 공급한다.

산화제공급장치(59)는 연료전지 스택(60)의 캐소드에 산화제를 공급한다. 산화제는 순수 산소나 공기 중의 산소를 포함한다. 산화제공급장치(59)는 공기 펌프 또는 송풍기로 구현될 수 있다.

연료전지 스택(60)은 연료공급장치와 산화제공급장치(59)로부터 공급되는 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 연료전지 스택(60)은 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접 메탄올 연료전지 방식으로 구현되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 연료전지 스택(60)은 전해질막과, 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어지는 막-전극 어셈블리 복수개를 구비한다. 그리고, 연료전지 스택(60)은 각각의 막-전극 어셈블리와 함께 교대로 적층되는 세퍼레이터 또는 바이폴라 플레이트 복수개를 구비한다. 또한, 연료전지 스택(60)은 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터의 적층 구조 양측 단부에서 소정 체결력으로 적층 구조를 지지하기 위한 한 쌍의 엔드 플레이트를 구비한다. 또한, 연료전지 스택(60)은 한 쌍의 엔드 플레이트를 연결하는 복수의 체결봉과, 체결봉의 양단에 결합되는 복수의 너트를 구비한다.

제어장치(63)는 연료공급장치의 밸브(53)에 제어신호(CS1)를 인가하여 밸브(53)에 전원이 투입되도록 함으로써 밸브(53)를 개방 모드로 제어하고, 히터(55)에 제어신호(CS2)를 인가하여 히터(55)에 전원이 투입되도록 함으로써 히터(55)가 가열되도록 제어한다. 또한, 제어장치(63)는 연료전지 스택(60)에 설치된 소정의 센서에서 검출된 신호(DS1)에 기초하여 연료전지 스택(60)의 온도를 감지하거나 출력 전압을 감지하며, 혼합탱크(57)에 설치된 소정의 센서에서 검출된 신호(DS2)에 기초하여 혼합탱크(57)에 저장된 혼합연료의 농도 또는 레벨을 감지한다.

또한, 제어장치(63)는 산화제공급장치(59)에 제어신호(CS3)를 인가하여 연료전지 스택(60)의 캐소드에 공기를 주입하며, 연료주입펌프(58)에 제어신호(CS4)를 인가하여 연료전지 스택(60)의 애노드에 혼합연료를 주입한다. 연료전지 스택(60)에 공급되는 혼합연료 및 공기는 연료전지 스택(60)의 출력 효율을 최적화하기 위하여 화학량론적으로 연료전지 스택(60) 내의 막-전극 어셈블리에서 요구하는 용량보다 많은 적절히 조절된 양이 공급되도록 제어장치(63)에 의해 조절된다.

전술한 연료전지 시스템에서는, 연료공급장치로서 본 발명의 실시예에 따른 무동력 연료공급장치를 이용함으로써, 출력 성능이 향상된다.

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.

전술한 바에 의하면, 본 발명에 따른 무동력 연료공급장치를 이용함으로써, 펌프(모터)가 탑재된 기존의 연료공급장치를 사용하는 것보다 연료전지 시스템의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 연료를 저장하며 연료 배출을 위한 배출구를 구비하는 연료용기;

   유입구 및 배출구를 구비하며 상기 연료의 소정량을 저장하는 버퍼;

   상기 버퍼에 열을 가하는 히터;

   상기 연료용기의 배출구와 상기 버퍼의 유입구 사이에 결합되는 이송관; 및

   상기 버퍼의 배출구에 결합되는 모세관 튜브를 포함하는 연료공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료용기는 수축가능한 저장부, 및 상기 저장부의 외부에서 상기 저장부에 압력을 가하는 가압 수단을 포함하는 연료공급장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 가압 수단은 탄성 복원력을 갖는 적어도 하나의 고무 부재, 및 상기 고무 부재의 복원력에 상응하는 압력으로 상기 저장부를 압박하는 판 부재를 포함하는 연료공급장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이송관 중간에 결합되며 상기 연료의 유량을 제어하는 밸브를 추가적으로 포함하는 연료공급장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 밸브는 솔레노이드 밸브인 연료공급장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 히터 및 상기 솔레노이브 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함하는 연료공급장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제어부는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 탑재되는 디지털 신호처리 장치인 연료공급장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 모세관 튜브에 결합되며 상기 연료용기로부터 상기 연료를 받는 혼합탱크를 추가적으로 포함하는 연료공급장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 연료는 수소를 함유한 연료인 연료공급장치.

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