KR20080023126A - 일체형 공정 장치를 갖는 모듈식 직접 연료 전지 시스템 - Google Patents

일체형 공정 장치를 갖는 모듈식 직접 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 저부와 상부를 갖는 하우징, 펌프, 연료 전지 스택, 시스템 제어부 및 상기 하우징 내에 통합된 연료 탱크를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템으로서, 상기 하우징에 제공되는 것으로서, 물을 응축하는 장치 및 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 통합하는 일체형 공정 장치; 상기 연료 전지 스택으로부터의 배출 공기 및 배출 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 상기 연료 전지 스택과 상기 일체형 공정 장치 사이의 제1유체 연결 장치; 상기 일체형 공정 장치로부터의 연료 혼합물을 상기 연료 전지 스택으로 되돌려 유도하는 상기 연료 탱크와 상기 일체형 공정 장치 사이의 제2유체 연결 장치; 및 상기 연료 탱크로부터의 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 제3유체 연결 장치를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 개시한다.

Description

일체형 공정 장치를 갖는 모듈식 직접 연료 전지 시스템{Modular direct fuel cell system with integrating processing unit}
본 발명은 일체형 공정 장치를 갖는 모듈식 직접 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 휴대 장치에 적용할 수 있는 모듈식(modular) 직접 메탄올 연료 전지 시스템(direct methanol fuel cell system, DMFC system)에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소의 외부 연료 공급으로부터 전기를 발생시키는 전기화학적 장치이다. 연료 전지에서 사용되는 전형적인 반응물은 애노드 쪽의 수소와 캐소드 쪽의 산소이다. 연료 전지는 고효율성 및 이상적인 무 배기 가스 사용을 위한 현대 기기에 있어서 매우 매력적인 것으로 종종 간주된다. 대체로, 수소 연료 전지의 유일한 부산물은 수증기이다. 연료 전지에는 여러 가지 서로 다른 유형이 있으며, 각각은 서로 다른 화학적 방법을 이용하고 있다. 연료 전지는 대개 사용하는 전해질의 유형에 의해 분류된다. 어떤 유형의 연료 전지는 고정된 발전 설비에 사용하는 데에 유용하다. 다른 유형은 소형의 휴대 장치에 적용하거나 발전용 차량(powering cars)에 유용할 수 있다.
직접 메탄올 연료 전지는 이산화탄소(carbon dioxide)를 형성하기 위하여 촉 매층에서의 메탄올 산화에 의존한다. 물은 애노드에서 소비되고 캐소드에서 발생한다. 수소 이온(H+)은 수소 이온 교환 막(proton exchange membrane)을 거쳐, 산소와 반응하여 물을 발생시키는 캐소드로 이송된다. 전자는 애노드로부터 외부 회로를 경유하여 외부 장치에 전력을 제공하는 캐소드까지 이송된다. 직접 메탄올 연료 전지는 연료로부터 수소를 추출하는 리포머(reformer)의 사용을 요하지 않는 장점을 갖는다. 이는 직접 메탄올 연료 전지가 콤팩트하게 설계되는, 예컨대 모바일 통신 장치용으로 설계되는 것을 가능하게 한다.
상세하게는, 직접 메탄올 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 개재되는 전해질 막으로 구성되어 있다. 메탄올 수용액이 연료로 채용된다. 연료 공급원이 애노드에 연료를 공급하기 위하여 연료 전지에 연결되어 있다. 공기 공급원이 캐소드에 공기를 공급한다. 배기 흐름을 냉각하고 배기 가스로부터 물을 응축하며 그 물을 연료와 혼합되도록 배출하는 캐소드 배기 장치에 열교환기가 연결되어 있다. 응축된 물은 연료 공급 장치로 재순환되어 재활용된다. 연료는 미리 물로 희석될 필요가 없고, 이는 연료 전지의 크기를 추가적으로 감소시킬 수 있게 한다.
직접 메탄올 연료 전지 시스템에서 불가피한 하나의 기능은 스택의 연료 배출구로부터 나오는 배출 가스로부터 CO2를 분리해 내는 것이다. 이러한 배출 가스는 메탄올, 물 및 CO2의 혼합물을 포함한다. 연료 전지의 적절한 기능을 위해서는 배기 가스를 스택으로 다시 재순환시키기 전에 미리 연료 혼합 가스로부터 CO2를 분리하 여야 한다. 이러한 종류의 직접 메탄올 연료 전지 시스템이 미국 등록특허공보 제6110613호 및 미국 공개특허공보 제20040062964호에 기재되어 있다. 후자는 연료 전지의 배기 가스 흐름으로부터 물을 분리하고 그 물을 재순환하며 이를 연료와 혼합하기 위하여 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 열교환기에서 물을 응축하는 내용을 설명하고 있다.
스택 연료 배출구의 하류에 장착되는 CO2/연료 분리기로 구성되는 연료 혼합을 위한 애노드 사이클이 반응 흐름으로부터 CO2를 제거하고 이를 배출구를 통해 주위로 배출시킨다. 혼합기에서는 연료 혼합 가스가 연료 탱크로부터의 농축 연료와 혼합된다. 연료 펌프가 연료 혼합물을 스택의 연료 유입구로 되돌려 주입한다.
이와 같은 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 일반적인 특성은 서로 다른 부품들 사이의 수많은 유체 연결들이다. 이러한 사실은 제조를 함에 있어서 큰 도전에 직면하게 만든다. 유체 연결들의 조립은 부품들의 복잡한 기하학적 형태로 인하여 매우 힘든 작업으로서 자동화에 있어서 문제를 야기한다. 게다가, 이는 연결부의 누설과 혼동으로 인한 품질 문제라는 큰 위험을 야기한다.
이러한 문제들을 해결하기 위한 몇 가지 방법들이 있어 왔다.
WO 99/60644에는 가스 분배 모듈, 연료 전지 및 가스 탱크 모듈을 구비한 모듈식 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
EP 1429407A1에는 생산의 연속을 위한 개념이 나타나 있다. 수많은 서로 다른 모듈(연료 전지, 탱크, 열교환기)이 베이스 모듈에 연결되어 있다. 이러한 개념 을 사용함으로써 서로 다른 파워 및/또는 에너지 범위를 갖는 연료 전지 모듈이 동일한 부품 세트를 사용하여 조립될 수 있다.
이러한 개념들 중 어느 것도 시스템 부품들 사이의 수많은 유체 연결에 관한 문제로 인하여 발생하는 고유한 품질 문제를 해결하는 것은 없다. 오히려, 종래의 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 있어서는 그것의 모듈식 세트로 인하여 수많은 유체 연결이 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 제조시에 문제되는 시스템의 복잡성을 획기적으로 감소시킨 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 이하에서 일체형 공정 장치로 불리는 하나의 장치에 다양한 시스템 기능을 통합함으로써 달성된다. 시스템의 수많은 부품들이 현저하게 감소되고, 이는 서로 분리된 부품들 사이의 단지 제한된 수의 유체 연결만을 갖는 시스템을 단순하고 용이하게 제조할 수 있게 한다.
이러한 일체형 공정 장치는 스택 캐소드 배출 가스로부터 물을 응축시키고, 응축된 물로부터 공기를 분리하며, 연료 혼합물로부터 CO2를 분리하고, 응축된 물을 연료 혼합물과 혼합하며, 선택적으로 혼합 연료에 응축된 연료를 혼합하는 기능을 구비한다.
더 복잡한 실시예에서는 펌프, 팬 및/또는 센서가 일체형 공정 장치에 통합될 수 있다.
본 발명은, 저부와 상부를 갖는 하우징, 펌프, 연료 전지 스택, 시스템 제어부 및 상기 하우징 내에 통합된 연료 탱크를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템으로서, 상기 하우징에 제공되며, 물을 응축하는 장치 및 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 통합하는 일체형 공정 장치; 상기 연료 전지 스 택으로부터의 배출 공기 및 배출 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 상기 연료 전지 스택과 상기 일체형 공정 장치 사이의 제1유체 연결 장치; 상기 일체형 공정 장치로부터의 연료 혼합물을 상기 연료 전지 스택으로 되돌려 유도하는, 상기 연료 전지 스택과 상기 일체형 공정 장치 사이의 제2유체 연결 장치; 및 상기 연료 탱크로부터의 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는, 제3유체 연결 장치를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 일체형 공정 장치는, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 연결하는 수단; 및 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 제1일체 유체 연결을 구비하고, 상기 제1일체 유체 연결들은 상기 연결 수단을 사용하여 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 연결함으로써 밀폐되고 실링될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 펌프, 상기 연료 전지 스택, 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 탱크는 상기 하우징의 저부에 서로 수평적으로 배열될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 시스템 제어부는 상기 하우징의 저부에, 상기 펌프, 상기 연료 전지 스택, 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 탱크가 배열되어 있는 라인 뒤에 배열되어 있고, 상기 시스템 제어부는 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 전지 스택 중 적어도 하나의 센서로부터 입력 신호를 받고 상기 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 제어하는 출력 신호를 계산할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료 전지 스택과 상기 연료 탱크는 상기 일체형 공 정 장치에 대해 서로 반대쪽에 배열될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1유체 연결 장치는 서로 분리되어 있는 제1유체 연결과 제2유체 연결을 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제3유체 연결 장치는 상기 연료 탱크로부터의 연료를 연료 펌프를 거쳐 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 제3유체 연결과 제4유체 연결을 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료 펌프는 상기 일체형 공정 장치에 통합되고, 상기 제3유체 연결 장치는 상기 연료 탱크로부터 상기 일체형 공정 장치의 상기 연료 펌프까지의 단일 유체 연결을 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1유체 연결 장치의 제1유체 연결은 상기 연료 전지 스택으로부터의 공기/물 혼합물을 상기 물을 응축하는 장치에 공급할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1일체 유체 연결들은, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 서로 대립되는 표면 사이에 실링 요소를 제공하고 그 표면에서의 결합 개구들을 통해 구현되며, 상기 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 장치로부터의 냉각된 공기/물 혼합물을 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치로 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 물을 응축하는 장치의 결합 개구들은 유체 유입구 또는 유체 배출구일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치는, 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 물로부터 공기를 분리하는 수단을 구비하고, 이들 사이에 제2일체 유체 연결을 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1유체 연결 장치의 제2유체 연결은 상기 연료 전지 스택으로부터의 연료/기체 혼합물을 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에는 분리된 기체를 주위로 배출하는 배기구가 제공될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제4유체 연결은 상기 연료 탱크로부터의 연료를 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2일체 유체 연결은 상기 물로부터 공기를 분리하는 수단으로부터의 물을 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 의해 분리된 기체는 CO2이고 상기 연료는 메탄올일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 상기 물로부터 공기를 분리하는 수단이 서로 직접 접촉하도록 배열되어 있고, 상기 제2일체 유체 연결은, 응축된 물을 연료 시스템으로 되돌릴 수 있도록, 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 상기 물로부터 기체를 분리하는 수단 사이의 연결벽에 위치한 격막의 개구일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 물을 응축하는 수단은 열교환기를 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 실링 요소는 개스킷, 접착제 또는 납땜 물질로 이루 어진 군 중에서 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연결 수단들은 상기 물을 응축하는 장치에 위치한 제1연결 요소들과 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 제공된 제2연결 요소들 또는 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 위치한 제1연결 요소들과 상기 물을 응축하는 장치에 제공된 제2연결 요소들을 구비하고, 상기 제1연결 요소들은 상기 제2연결 요소들에 맞도록 설계될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연결 수단들은 관련된 나사산을 갖는 나사나 볼트 또는 결합되는 오목부를 갖는 래칫(ratchets)이나 걸쇠(latches)일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 장치 내에 제공된 다양한 열교환 요소들에 유체 접촉할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열교환 요소들은 플레이트들 또는 튜브들일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치는 단일 구획을 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 1 또는 2 이상의 펌프가 상기 1 또는 2 이상의 펌프에 대해 적어도 제5유체 연결을 갖는 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 부착되고, 상기 제5유체 연결은 추가적인 실링 요소에 의해 제공되고 실링될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 1 또는 2 이상의 펌프는 상기 제5유체 연결을 통해 상기 일체형 공정 장치로부터 연료 혼합물을 흡입하고 이를 외부로 펌핑하는 순환 펌프이거나 또는 부착된 상기 연료 탱크로부터 농축된 연료를 흡입하고 이를 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 내에서 연료 혼합물과 혼합하기 위하여 상기 상기 제5유체 연결로 이를 주입할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 수단과 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 수단을 연결하는 유체 안내 장치일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유체 안내 장치는 상기 물을 응축하는 장치의 개구로부터 나오는 물과 공기로 구성되는 응축 흐름을 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 상기 개구로 안내하고, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 역학적 연결을 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 물을 응축하는 장치의 일 측에 팬이 고정 수단들을 통해 부착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유체 안내 장치는 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 상부에 위치해 있을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유체 안내 장치는 사각형의 형상으로 제공될 수 있다.
본 발명은 일체형 공정 장치에 다양한 시스템 기능을 통합함으로써, 연료 전 지 시스템의 수많은 부품들을 현저하게 감소시키고, 연료 전지 시스템이 서로 분리된 부품들 사이의 단지 제한된 수의 유체 연결만을 갖도록 하며, 시스템의 복잡성을 획기적으로 감소시켜 단순한 구조를 갖도록 하고, 시스템의 제조가 용이하게 되는 효과를 갖는다.
본 발명을 첨부된 도면들과 함께 다음 실시예들을 통해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기 조립체를 채용한 연료 전지 공급 시스템의 개략도이다. 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 시스템으로 구현될 수 있다. 연료 전지 스택(10)은 공기 유입구(11)와 공기 배출구(13)을 갖는다. 공기 펌프 또는 팬(12)이 공기 유입구(11)를 통해 스택 캐소드로 반응 공기를 공급한다. 스택 연료 배출구(16)의 하류에 장착된 CO2 분리기(20)로 구성되어 있는 연료를 희석시키기 위한 애노드 사이클이 반응 가스로부터 CO2를 제거하고 이를 배기구(21)를 통해 주위로 배출시킨다. 혼합기(22)에서는 연료 흐름이 연료 탱크(30)로부터의 순수 연료와 혼합된다. 연료 펌프(23)가 희석된 연료를 스택의 연료 유입구(15)로 되돌려 보낸다.
열교환기(50)가 연료 전지 캐소드의 배기 흐름에 장착된다. 환기 장치(55), 예컨대 팬이 열교환기(50)를 냉각하기 위해 사용되고, 이에 의해 배출 흐름의 냉각 및 물의 응축이 이루어진다. 이러한 두 개의 상의 흐름이 배출구(52)에서 열교환기 를 나오게 된다. 환기 장치(55)와 열교환기(50)는 본 발명에 따른 열교환기 조립체를 형성한다. 열교환기의 하류에 물 분리기(60)가 공기 흐름으로부터 액체의 물을 분리해 내기 위하여 장착된다. 분리된 물은 응축 펌프(70)에 의해 연료 전지 시스템의 애노드 사이클로 되돌려 보내지고, 잔류하는 물은 배출구(61)를 통해 주위로 배출된다.
시스템을 위한 제어 장치(76)가 서로 다른 센서들, 예컨대 온도, 레벨, 농도 센서들과 그밖에 다른 것들로부터 입력 신호들(77a)(77b)을 받게 된다. 입력 신호들(77a)(77b)을 이용하여 제어 장치(76)는 공기 펌프(12), 팬(55)과 같은 능동 시스템 부품 또는 그밖에 다른 것을 위한 출력 신호들(78a)(78b)을 계산한다.
도 1로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 시스템 부품들 사이에는 많은 유체 연결들이 필요하다. 이는 시스템 조립의 고비용을 초래하고, 시스템 내에서 상당한 부분의 공간을 필요로 하며, 조립시의 연결의 교체 또는 작동시의 연결의 해체로 인한 품질 문제를 야기할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈식 직접 연료 전지 시스템의 개략도이다. 도시된 시스템의 주요 부품들은 저부(71)와 상부(72)를 구비하는 하우징, 연료 전지 스택(10), 공기 펌프(75), 시스템 제어부(76), 연료 탱크(30) 및 일체형 공정 장치(80)이다. 일체형 공정 장치(80)는 적어도 스택의 공기 배출구(13)로부터의 물을 응축하고, 그 물을 배출구 공기로부터 분리하며, 그 물을 애노드 사이클로 되돌려 보내고, 스택 연료 배출구(16)로부터 CO2를 분리하며, 연료 탱크(30)로부터의 응축 연료를 애노드 사이클에 혼합하는 기능들을 통합한다. 이에 의해 연료 전지 시스템은 단지 제한된 수의 유체 연결들만을 필요로 한다. 왜냐하면, 대부분의 연결들은 일체형 공정 장치(80)에서 그 하위 장치들 사이에 내부적으로 구현되기 때문이다. 도시된 실시예에서는 스택(10)으로부터의 배출구 공기와 배출구 연료를 일체형 공정 장치(80)로 유도하는 두 개의 연결들(100)(100a)과, 일체형 공정 장치(80)으로부터의 연료 혼합물을 스택(10)으로 되돌려지도록 유도하는 하나의 유체 연결(101)을 도시한다. 게다가, 연료 탱크(30)로부터의 농축 연료를 연료 펌프(31)를 거쳐 일체형 공정 장치(80)로 유도하는 유체 연결들(102a)(102)이 있다. 이러한 제한된 수의 유체 연결들에 의해 시스템 조립체는 단순하게 되며, 비용을 절감하고, 유체 연결들의 실패로 인한 품질 문제를 피하게 된다.
도 3에 연료 전지 시스템과 일체형 공정 장치(80)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 여기서는, 연료 펌프(31)와 순환 펌프(23)가 일체형 공정 장치(80)에 추가적으로 통합되어 있다. 이는 연료 전지 시스템 내에서 유체 연결의 수를, 스택(10)으로부터 일체형 공정 장치(80)까지의 두 개의 연결(100)(100a), 일체형 공정 장치(80)로부터 스택까지 한 개의 연결(101) 및 연료 탱크(30)로부터 일체형 공정 장치(80)까지 한 개의 연결(102)로 더욱 감소시킨다.
도 4는 일체형 공정 장치(80)의 설계를 위한 주요 사상을 개시하는 제1실시예에 관한 도 2의 일체형 공정 장치의 개략도이다. 하우징 상부(72) 내부에 장착되는 일체형 공정 장치(80)는 적어도 두 개의 하위 장치인, 콘덴서나 열교환기(50) 및 기체/액체 분리 하위 장치(90)를 구비한다. 후자는 서로 유체 연결을 이루는, 예컨대 격막에서 개구(25)를 이루는 CO2/연료 분리 구획(20) 및 공기/물 분리 구획(60)을 적어도 구비한다. 이러한 실시예에서는 CO2/연료 분리 구획(20)이 또한 혼합기의 기능도 수행한다.
스택 공기 배출구(13)로부터 공기/물 혼합물이 공기 연결(100)을 통해 열교환기(50)로 들어간다. 혼합물은 액체의 물을 응축시키기 위하여 냉각된다. 이러한 냉각된 혼합물은 개구들(53)(63)에 의해 형성되는 연결을 통해 공기/물 분리 구획(60)으로 들어간다. 이 구획(60)에서는 공기로부터 액상 물이 분리된다. 공기는 공기 배출구(61)를 통해 주위로 배출된다.
스택 연료 배출구(16)로부터의 CO2/연료 혼합물이 연결(100a)을 통해 CO2/연료 분리 구획(20)으로 들어간다. 이 구획(20)에서는 CO2가 연료 혼합물로부터 분리되고 배기구(21)를 통해 주위로 배출된다. 연료 탱크(30)로부터의 농축 연료는 연료 연결(102)을 통해 CO2/연료 분리 구획(20)으로 주입되고 공기/물 분리 구획(60)으로부터 응축되어 분리된 물은 연결(25)을 통해 주입된다.
이러한 식으로 재생된 연료 혼합물은 연결(101)을 통해 연료 전지 스택(10)으로 다시 주입된다.
열교환기(50)는 기체/액체 분리 하위 장치에 인접한 표면에서 유체 유입구 또는 유체 배출구일 수 있는 적어도 하나의 유체 개구(53)를 갖는다. 기체/액체 분리 하위 장치는 대립되는 표면에서 오픈된 유체 개구(63)를 갖는다. 개스킷, 접착 제, 납땜 물질 또는 다른 어떤 유형의 실링제일 수 있는 실링 요소(95)가 그 사이에 위치해 있다.
조립체를 위한 연결 요소들(96)(96a)이 그에 대응되는 요소들(97)(97a)에 맞도록 설계되어 있다. 연결 요소들은 관련된 나사산을 갖는 나사 또는 볼트, 결합되는 오목부를 갖는 래칫(ratchets) 또는 걸쇠(latches)일 수 있다.
이러한 기하학적 배열에 의하여 두 개의 하위 장치(50)(90)의 조립이, 연결 요소들을 통한 역학적 연결과 유체 개구(53)(63)와 실링 요소(95)에 의해 형성되는 유체 연결의 실링이, 유체 연결을 위한 추가적인 튜브나 호스를 필요로 하지 않고 하나의 단계로 실행되는 방식으로 달성될 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 일체형 공정 장치의 하위 장치들 사이의 여러 유체 연결들은 서로 연결되는 하위 장치들의 서로 대립하는 표면들에 관련 유체 개구들을 배열함으로써 그리고 조립 공정 중이나 또는 그 이전에 실링 요소들을 그 사이에 적용함으로써 밀폐될 수 있다.
본 발명의 사상의 더 상세한 점에 있어서는, 일체형 공정 장치(80)를 하우징의 저부(71)에 또는 연료 전지 시스템의 다른 어떤 부품에 연결하기 위하여 추가적인 연결 요소들(98)(98a)이 적용될 수 있다.
도 5는 제2실시예에 관한 도 3의 일체형 공정 장치의 개략도이다. 여기서는 열교환기 배출구(52)가 열교환 플레이트나 튜브 또는 그와 같은 것들이 될 수 있는 다양한 열교환 요소들(54)에 대한 유체 관련성에 있다. 열교환기 배출구(52)는 기체/액체 분리 하위 장치(90)의 유체 개구(63)에 직접 연결되어 있다. 조립 중에 실 링 요소(95)가 그 사이에 적용된다.
이러한 실시예에서는 기체/액체 분리 하위 장치(90)가 단일 구획으로 조립되며, 예컨대 물로부터 공기의 분리 및 연료로부터 CO2의 분리는 이러한 단일 구획 내에서 실행된다. 이러한 공정들은 응축된 물과 연료의 혼합을 직접 야기하고 격막과 유체 안내 수단을 위한 공간을 절감한다.
이러한 실시예의 장점은 열교환기 배출구(52)와 공기/물 분리기(60)의 유입구 사이에서 유체 연결 내부의 압력 강하를 감소시키고, 이는 공기 펌프를 위한 전력 소모를 줄인다.
더욱 상세하게는, 1 또는 2 이상의 펌프(23)가 유체 연결(110)에서 일체형 공정 장치(80)에 직접 부착될 수 있다. 그 연결(110)은 또 다른 실링 요소(95)에 의해 실링된다. 이러한 펌프는 유체 연결(110)을 통해 기체/액체 분리 하위 장치(90)로부터 연료 혼합물을 흡입하며 이를 스택의 애노드 유입구(15)로 펌핑하는 순환 펌프일 수 있다. 그것은 또한 연료 탱크(30)로부터 농축 연료를 흡입하고, 이를 기체/액체 분리 하위 장치(90) 내에서 연료 혼합물과 혼합하기 위하여 이를 유체 연결(110)로 주입하는 연료 펌프(31)일 수 있으며 또는 그것은 펌프(23)(31) 양쪽 모두일 수 있다.
제3실시예는 도 6에 도시되어 있다. 일체형 공정 장치(80)의 두 개의 주요 부품인 열교환기(50)와 기체/액체 분리 하위 장치(90)는 유체 안내 장치(91)를 통해 연결되어 있다. 이러한 장치는 두 개의 기능을 갖고 있다. 첫 번째 기능은 열교 환기 배출구(52)로부터 나오는 물과 공기로 구성되는 응축 흐름을 유체 안내 장치(91)의 중공부 내에 형성되어 있는 유체 연결(57)을 거쳐 기체/액체 분리 하위 장치 유입구(63)로 안내하는 것이다. 두 번째 기능은 열교환기(50)와 기체/액체 분리 하위 장치(90) 사이를 역학적으로 연결하는 것이다. 유체 연결과 역학적 조립은 모두 유체 안내 장치(91)를 열교환기(50)와 기체/액체 분리 하위 장치(63)에 부착함으로써 수행된다.
이러한 실시예의 추가적인 상세한 점으로서 팬(55)이 적절한 고정 장치(99)(99a)를 통해 일체형 공정 장치(80)에 부착될 수 있다. 이는 전체 시스템의 조립을 단순화시킨다.
본 발명의 사상에 따르면, 어떠한 구조의 기체/액체 분리 하위 장치(90)와 열 교환/응축 장치에 대해 동시에 역학적 조립 및 유체 연결을 행하는 결합이 가능하다. 본 발명의 추가적인 실시예에서는 시스템의 다른 어떤 부품의 하우징 저부에 대한 연결 요소(98)(98a)가 있을 수 있다. 펌프나 팬과 같은 추가적인 시스템 부품들이 시스템 구조 및 제조를 단순화시키기 위하여 일체형 공정 장치(80)에 부착될 수 있다.
본 발명은 도면에 나타난 실시예들을 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해진다.
본 발명은 일체형 공정 장치를 갖는 모듈식 직접 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 휴대 장치에 적용할 수 있는 모듈식(modular) 직접 메탄올 연료 전지 시스템(direct methanol fuel cell system, DMFC system)에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 공정 장치를 개시하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략적인 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 공정 장치를 개시하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략적인 부분 사시도이다.
도 4는 도 2의 일체형 공정 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 일체형 공정 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 공정 장치의 개략적인 분해 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 연료 전지 스택
11: 연료 전지 스택의 캐소드 (공기) 유입구
12: 공기 펌프
13: 연료 전지 스택의 캐소드 (공기) 배출구
15: 연료 전지 스택의 애노드 (연료) 유입구
16: 연료 전지 스택의 애노드 (연료) 배출구
20: CO2/연료 분리기(또는 분리 구획)
21: CO2 배기구 22: 혼합기
23: 순환 펌프
25: 기체/액체 분리 부품들 사이의 유체 개구
30: 연료 탱크 31: 연료 펌프
50: 열교환기 52: 열교환기 배출구
53: 열교환기의 유체 개구 54: 열교환 요소
55: 팬 57: 유체 연결
60: 공기/물 분리기 61: 공기 배출구
62: 물 피드백 연결 63: 기체/액체 분리 부분의 유체 개구
70: 물 피드백 펌프 71: 하우징 저부
72: 하우징 상부 75: 공기 또는 연료 펌프
76: 제어부 77a, 77b: 제어부로의 센서 입력부
78a, 78b: 제어부로의 제어 출력부
80: 일체형 공정 장치 90: 기체/액체 분리 하위 장치
91: 유체 안내 장치 95: 실링 요소
96, 96a: 기체/액체 분리 부분과 열교환기 사이의 연결 요소
97, 97a: 연결 요소에 대응되는 것
98, 98a: 일체형 공정 장치와 하우징 사이의 연결 요소
99, 99a: 팬을 위한 연결 요소
101, 101a: 일체형 공정 장치와 스택(스택 유입 가스) 사이의 유체 연결
102, 102a: 연료 탱크와 일체형 공정 장치(연료선) 사이의 유체 연결

Claims (32)

  1. 저부와 상부를 갖는 하우징, 펌프, 연료 전지 스택, 시스템 제어부 및 상기 하우징에 통합된 연료 탱크를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템으로서,
    상기 하우징에 제공되며, 물을 응축하는 장치 및 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 통합한 일체형 공정 장치;
    상기 연료 전지 스택으로부터의 배출 공기 및 배출 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는, 상기 연료 전지 스택과 상기 일체형 공정 장치 사이의 제1유체 연결 장치;
    상기 일체형 공정 장치로부터의 연료 혼합물을 상기 연료 전지 스택으로 되돌려 유도하는, 상기 연료 전지 스택과 상기 일체형 공정 장치 사이의 제2유체 연결 장치; 및
    상기 연료 탱크로부터의 연료를 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 제3유체 연결 장치를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일체형 공정 장치는,
    상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 연결하는 연결 수단들; 및
    상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 제1일체 유체 연결들을 구비하고,
    상기 제1일체 유체 연결들은 상기 연결 수단들을 사용하여 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 연결함으로써 밀폐되고 실링되는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프, 상기 연료 전지 스택, 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 탱크는 상기 하우징의 저부에 서로 수평적으로 배열되어 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 상기 하우징의 저부에, 상기 펌프, 상기 연료 전지 스택, 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 탱크가 배열되어 있는 라인 뒤에 배열되어 있고, 상기 시스템 제어부는 상기 일체형 공정 장치 및 상기 연료 전지 스택 중 적어도 하나의 센서로부터 입력 신호를 받고 상기 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 제어하는 출력 신호를 계산하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택과 상기 연료 탱크는 상기 일체형 공정 장치에 대해 서로 반대쪽에 배열되어 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체 연결 장치는 서로 분리되어 있는 제1유체 연결과 제2유체 연결을 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3유체 연결 장치는 상기 연료 탱크로부터의 연료를 연료 펌프를 거쳐 상기 일체형 공정 장치로 유도하는 제3유체 연결과 제4유체 연결을 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 펌프는 상기 일체형 공정 장치에 통합되고,
    상기 제3유체 연결 장치는 상기 연료 탱크로부터 상기 일체형 공정 장치의 상기 연료 펌프까지의 단일 유체 연결을 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체 연결 장치의 제1유체 연결은 상기 연료 전지 스택으로부터의 공기/물 혼합물을 상기 물을 응축하는 장치에 공급하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1일체 유체 연결들은, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 서로 대립되는 표면 사이에 실링 요소를 제공하고 그 표면에서의 결합 개구들을 통해 구현되며, 상기 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 장치로부터의 냉각된 공기/물 혼합물을 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치로 제공하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 물을 응축하는 장치의 결합 개구들은 유체 유입구 또는 유체 배출구인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치는, 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 물로부터 공기를 분리하는 수단을 구비하고, 이들 사이에 제2일체 유체 연결을 가지는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1유체 연결 장치의 제2유체 연결은 상기 연료 전지 스택으로부터의 연료/기체 혼합물을 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공하는 모듈식 직 접 메탄올 연료 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에는 분리된 기체를 주위로 배출하는 배기구가 제공되는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제4유체 연결은 상기 연료 탱크로부터의 연료를 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2일체 유체 연결은 상기 물로부터 공기를 분리하는 수단으로부터의 물을 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 제공하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단에 의해 분리된 기체는 CO2이고 상기 연료는 메탄올인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 상기 물로부터 공기를 분리하는 수단이 서로 직접 접촉하도록 배열되어 있고, 상기 제2일체 유체 연결은, 응축된 물을 연료 시스템으로 되돌릴 수 있도록, 상기 연료로부터 기체를 분리하는 수단과 상기 물로부터 기체를 분리하는 수단 사이의 연결벽에 위치한 격막의 개구인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 물을 응축하는 수단은 열교환기를 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 실링 요소는 개스킷, 접착제 또는 납땜 물질로 이루어진 군 중에서 어느 하나인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 연결 수단들은 상기 물을 응축하는 장치에 위치한 제1연결 요소들과 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 제공된 제2연결 요소들 또는 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 위치한 제1연결 요소들과 상기 물을 응축하는 장치에 제공된 제2연결 요소들을 구비하고,
    상기 제1연결 요소들은 상기 제2연결 요소들에 맞도록 설계되어 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  22. 제2항에 있어서,
    상기 연결 수단들은 관련된 나사산을 갖는 나사나 볼트 또는 결합되는 오목부를 갖는 래칫(ratchets)이나 걸쇠(latches)인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  23. 제2항에 있어서,
    상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 장치 내에 제공된 다양한 열교환 요소들에 유체 접촉하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 열교환 요소들은 플레이트들 또는 튜브들인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치는 단일 구획을 구비하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  26. 제1항에 있어서,
    1 또는 2 이상의 펌프가 상기 1 또는 2 이상의 펌프에 대해 적어도 제5유체 연결을 갖는 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치에 부착되고, 상기 제5유체 연결은 추가적인 실링 요소에 의해 제공되고 실링되는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 1 또는 2 이상의 펌프는 상기 제5유체 연결을 통해 상기 일체형 공정 장치로부터 연료 혼합물을 흡입하고 이를 외부로 펌핑하는 순환 펌프이거나 또는 부착된 상기 연료 탱크로부터 농축된 연료를 흡입하고 이를 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 내에서 연료 혼합물과 혼합하기 위하여 상기 상기 제5유체 연결로 이를 주입하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  28. 제2항에 있어서,
    상기 제1일체 유체 연결들은 상기 물을 응축하는 수단과 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치를 연결하는 유체 안내 장치인 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 유체 안내 장치는 상기 물을 응축하는 장치의 개구로부터 나오는 물과 공기로 구성되는 응축 흐름을 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 상기 개구로 안내하고, 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치 사이의 역학적 연결을 제공하는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 물을 응축하는 장치의 일 측에 팬이 고정 수단들을 통해 부착되어 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 유체 안내 장치는 상기 물을 응축하는 장치와 상기 액체 흐름으로부터 기체 흐름을 분리하는 장치의 상부에 위치해 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 유체 안내 장치는 사각형의 형상으로 제공되어 있는 모듈식 직접 메탄올 연료 전지 시스템.
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