KR20130059168A - 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20130059168A
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Abstract

본 발명은 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지는, 연료가 충전되는 음극 조립체, 및 상기 음극 조립체의 양측을 덮도록 형성되며 복수의 공기양극들을 구비하는 양극 조립체를 포함한다. 상기 음극 조립체는, 중공 부분을 구비하는 음극 홀더와, 상기 중공 부분에 배치되는 집전체와, 상기 공기양극들을 마주보도록 상기 음극 홀더의 양면에 장착되는 분리막들, 및 상기 집전체와 분리막들의 사이에 형성되는 공간으로 상기 연료가 주입될 수 있도록, 상기 음극 홀더에 형성되는 연료 주입공과, 상기 연료주입공에 탈착가능하게 장착되는 마개를 구비하는 연료 주입부를 포함한다. 이에 의하여 본 발명은 휴대 중 필요시 연료를 주입하여 전기를 발생시킬 수 있는 연료전지 및 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템{FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 연료의 산화를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다. 연료전지는 일반적인 전지와 달리, 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 연료전지에는, 예를 들어 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하는 수소 연료전지, 금속을 연료로, 공기를 산화제로 이용하는 금속 연료전지 등 여러 종류가 있다.
특히, 아연-공기 연료전지는 금속 연료전지의 일종으로 아연연료의 산화를 통해 전기적 에너지를 얻는다. 이러한 금속 연료전지에 있어서 대한민국 등록특허 제10-0523268호와 같이 연료의 재충전을 위한 방안이 연구되고 있다. 이러한 방안에서는 주로 유동성이 있는 겔형태의 연료를 이용하여 연료전지에 재충전한다. 그러나, 대한민국 등록특허 제10-0523268호에서 나타나듯이 대부분의 재충전 방안은 대규모의 설비를 필요로 한다.
따라서, 재충전이 가능하면서도 간단한 구조로 이루어져서 휴대가 가능한 연료전지가 고려될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 연료의 재충전이 가능한 간단한 구조의 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 연료충전실린지를 휴대하였다가, 필요시 연료전지에 연료를 충전하여 전력을 발생할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지는, 연료가 충전되는 음극 조립체, 및 상기 음극 조립체의 양측을 덮도록 형성되며 복수의 공기양극들을 구비하는 양극 조립체를 포함한다. 상기 음극 조립체는, 중공 부분을 구비하는 음극 홀더와, 상기 중공 부분에 배치되는 집전체와, 상기 공기양극들을 마주보도록 상기 음극 홀더의 양면에 장착되는 분리막들, 및 상기 집전체와 분리막들의 사이에 형성되는 공간으로 상기 연료가 주입될 수 있도록, 상기 음극 홀더에 형성되는 연료 주입공과, 상기 연료주입공에 탈착가능하게 장착되는 마개를 구비하는 연료 주입부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료 주입공은 상기 음극 홀더의 일변에서 상기 집전체를 향하여 상기 음극 홀더를 관통하도록 형성된다. 상기 집전체에는 상기 일변과 멀어지는 방향으로 리세스되는 홈이 형성될 수 있다. 상기 연료 주입공으로 연료를 공급하는 연료충전실린저의 적어도 일부가 상기 홈에 삽입될 수 있도록, 상기 홈은 상기 연료 주입공에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 상기 집전체와 상기 연료 주입공의 사이에는 이격공간이 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 음극 홀더는 상기 중공부분을 한정하는 프레임 형태로 이루어지고, 상기 분리막들은 상기 프레임 형태의 양면을 덮는 제1 및 제2 분리막을 포함하고, 상기 집전체는 그물망 형태로 형성되어 상기 제1 및 제2 분리막의 사이에 배치된다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 양극 조립체는, 상기 음극 홀더의 양면을 덮도록 형성되는 제1 및 제2 케이스와, 상기 제1 및 제2 케이스에 각각 장착되어, 상기 제1 및 제2 분리막을 마주보는 제1 및 제2 공기양극을 포함한다. 상기 제1 및 제2 케이스 중 어느 하나에는 후크가 형성되고, 다른 하나에는 상기 후크가 결합되는 결합공이 형성된다. 상기 제1 및 제2 케이스에는 각각 상기 연료주입부를 외부로 노출시키는 노출부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 연료가 산화되어 전기 에너지를 생성하고, 상기 연료의 주입이 가능하도록 이루어지는 상기 연료전지, 및 상기 연료전지의 연료주입부에 상기 연료를 공급하는 연료충전실린저를 포함하는 연료전지 시스템을 개시한다.
본 발명의 연료전지 시스템과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료충전실린저는, 상기 연료가 저장되는 저장실과 상기 저장실과 연결되는 연료배출구를 구비하는 바디와, 상기 바디에 회전가능하게 장착되는 회전판과, 상기 저장실에 배치되며, 상기 회전판과 연결되는 스크류, 및 상기 저장실에 저장된 연료를 상기 연료배출구로 가압하도록 상기 저장실에서 슬라이딩 가능하게 형성되며, 상기 스크류와 나사 결합하는 이송판을 포함한다. 상기 스크류는 상기 회전판에서 연장되어 상기 연료배출구를 관통하여 외부로 돌출될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 연료전지는 연료 주입부 및 연료충전실린지를 이용하여 연료를 주입하기 용이하다. 따라서 필요한 경우에 필요량만큼의 연료를 주입하여 전지로 사용이 가능하여 불필요한 연료의 낭비를 줄일 수 있으며 신속한 연료의 주입이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지는 분해가 용이한 구조의 단위전지를 고안하여 음극홀더를 교체함으로써 연료의 교환이 신속하게 이루어질 수 있다. 또한 음극홀더 외의 단위전지의 부품들을 재사용하기 때문에 단위전지 재료의 소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 연료충전실린지는 내부에 이송판 및 스크류가 존재하여 연료를 밀어냄과 동시에 이송하기 때문에 점성을 가지는 겔형 연료를 보다 쉽게 주입시킨다. 또한, 실린저 마개를 이용하여 연료충전실린지의 내부에 있는 연료의 산화를 방지하여 연료의 보관이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 시스템을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 연료전지의 분해도.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 음극 조립체의 사시도 및 단면도.
도 4는 도 3의 연료주입부의 확대도.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 연료충전실린저에 실린저 마개가 장착된 개념도들.
도 6은 도 5a의 연료충전실린저의 단면도.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 시스템을 나타내는 개념도이다.
도시에 의하면, 연료전지 시스템(S)은 연료전지(100) 및 연료충전실린저(200)를 포함한다.
연료전지(100)는 연료가 산화되어 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 금속연료를 이용하는 금속 연료전지가 될 수 있다. 이러한 금속 연료전지의 예로서, 연료전지(100)는 아연-공기 연료전지가 될 수 있으며, 아연연료는 아연분말을 전해액 등의 첨가제(KOH, Polyacrylic acid 등)와 혼합하여 겔형태로 사용되며 유동성을 가진다. 연료전지(100)는 연료주입부(110)를 구비하며, 상기 연료주입부(110)와 아연연료의 유동성에 의하여 연료의 주입이 가능하도록 형성된다.
연료충전실린저(200)는 연료전지(100)의 연료주입부(110)에 연료를 공급하도록 이루어진다. 연료충전실린저(200)의 내부에 연료가 밀봉 보관될 수 있다. 연료전지(100) 및 연료충전실린저(200)의 휴대 중에 필요시에 연료충전실린저(200)를 이용하여 연료를 연료전지(100)에 공급함에 의하여, 사용자는 필요시에 간단하게 전원을 발생시키게 된다.
이하, 도 1과 함께 도 2 내지 도 4를 참조하여, 도 1의 연료전지에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 연료전지의 분해도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 음극 조립체의 사시도 및 단면도이며, 도 4는 도 3의 연료주입부의 확대도이다.
본 도면들을 참조하면, 연료전지(100)는 음극 조립체(120) 및 양극 조립체(130)를 포함한다. 음극 조립체(120)는 연료가 충전되도록 형성되며, 양극 조립체(130)는 상기 음극 조립체(120)의 양측을 덮도록 형성된다.
보다 구체적으로, 음극 조립체(120)는 음극 홀더(121), 집전체(122) 및 분리막들(123a, 123b)을 포함하고, 양극 조립체(130)는 복수의 공기양극들(131a, 131b) 및 케이스들(132a, 132b)을 포함한다.
음극 홀더(121)는 중공부분을 구비한다. 예를 들어, 음극 홀더(121)는 상기 중공부분을 한정하는 프레임 형태로 이루어진다.
집전체(122)는 상기 중공 부분에 배치되며, 그물망 형태로 형성된다. 집전체(122)는 음극 홀더의 내면에 장착된다. 보다 구체적으로, 음극 홀더(121)는 사변을 구비하는 폐루프로 형성되며, 집전체(122)는 음극 홀더(121)의 삼변에 대응하는 내면에 장착되며, 나머지 일변에 대하여 이격되도록 형성된다.
분리막들(123a, 123b)은 공기양극들(131a, 131b)을 마주보도록, 상기 음극 홀더(121)의 외측 양면에 각각 장착된다. 보다 구체적으로, 상기 분리막들은 상기 프레임 형태의 양면을 덮는 제1 및 제2 분리막(123a, 123b)을 포함하고, 집전체(122)는 상기 제1 및 제2 분리막(123a, 123b)의 사이에 배치되며, 제1 및 제2 공기양극(131a, 131b)이 제1 및 제2 분리막(123a, 123b)을 각각 덮게 된다. 공기양극들(131a, 131b)과 분리막들(123a, 123b)의 사이에는 사각씰들(125a, 125b)이 배치될 수 있다.
상기 구조에 의하면 사용자는 음극 홀더(121)의 양면에 분리막(123a, 123b)이 접착된 음극 조립체를 연료전지로부터 분리하여, 내부에 남아있는 연료나 연료 폐기물을 용이하게 제거할 수 있다.
케이스들(132a, 132b)은 제1 및 제2 케이스(132a, 132b)로 구비되어, 상기 음극 홀더(121)의 양면을 덮도록 형성된다. 제1 및 제2 공기양극(131a, 131b)은 상기 제1 및 제2 케이스(132a, 132b)에 각각 장착되어, 상기 제1 및 제2 분리막을 마주보게 된다.
제1 및 제2 케이스(132a, 132b) 중 어느 하나에는 후크(133b)가 형성되고, 다른 하나에는 상기 후크(133b)가 결합되는 결합공(133a)이 형성된다. 이러한 후크 조립 구조에 의하여 좌우의 케이스가 서로 간단하게 결합될 수 있다.
또한, 음극전극(124)은 집전체(122)와 분리막들(123a, 123b)의 사이에 형성되는 공간과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 보다 구체적으로, 음극전극(124)으로부터 리드선(124a)이 상기 공간으로 이어진다. 양극전극(134)은 공기양극들과 전기적으로 연결되도록 이루어진다. 음극전극(124) 및 양극전극(134)는 분해 조립이 용이하도록 클립형으로 각각 음극홀더 및 케이스에 장착될 수 있다.
도시에 의하면, 음극 홀더(121)에는 연료주입부(110)가 있어 연료충전실린지(200)를 통하여 필요시 아연연료가 주입될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 케이스(132a, 132b)에는 각각 상기 연료주입부(110)를 외부로 노출시키는 노출부(135a, 135b)가 형성된다.
연료주입부(110)는 집전체(122)와 분리막들(123a, 123b)의 사이에 형성되는 공간으로 연료가 주입될 수 있도록 형성된다. 예를 들어 연료주입부(110)는 연료 주입공(111)와 마개(112)를 구비한다.
연료 주입공(111)은 음극 홀더(121)에 형성되며, 마개(112)는 상기 연료주입공(111)에 탈착가능하게 장착된다. 상기 마개에 의하여 집전체(122)와 분리막들(123a, 123b)의 사이에 형성되는 공간은 밀봉될 수 있다.
예를 들어, 연료주입공(111)은 상기 음극 홀더(121)의 일변에서 상기 집전체(122)를 향하여 상기 음극 홀더(121)를 관통하도록 형성되며, 주입된 연료는 집전체(122)와 연료주입공(111)의 사이의 이격공간을 통하여 용이하게 유동하게 된다.
도시에 의하면, 집전체(122)에는 연료주입공(111)이 배치되는 상기 음극 홀더(121)의 일변과 멀어지는 방향으로 리세스되는 홈(122a)이 형성된다. 홈(122a)은 아연연료 주입시 저항을 줄이기 위하여 V자 형태로 이루어진다. 또한, 상기 연료주입공(111)으로 연료를 공급하는 연료충전실린저(200)의 적어도 일부가 상기 홈(122a)에 삽입될 수 있도록, 상기 홈(122a)은 상기 연료 주입공(111)에 대응하는 위치에 형성된다.
이하, 상기 연료충전실린저(200)의 구조에 대하여 설명한다. 도 5a 및 도 5b는 도 1의 연료충전실린저에 실린저 마개가 장착된 사시도들이며, 도 6은 도 5a의 연료충전실린저의 단면도이다.
도시에 의하면, 연료충전실린저(200)는 바디(210), 회전판(220), 스크류(230) 및 이송판(240)을 포함한다.
바디(210)는 연료가 저장되는 저장실(211)과, 상기 저장실(211)과 연결되는 연료배출구(212)를 구비한다. 연료는 겔 형태로 저장된 상태에서 밀봉된다.
회전판(220)은 상기 바디(210)에 회전가능하게 장착된다. 보다 구체적으로, 상기 바디의 일단에는 회전판(220)이 장착되며, 타단에는 연료배출구(212)가 형성된다.
스크류(230)는 상기 저장실(211)에 배치되며 상기 회전판(220)과 연결되며, 이송판(240)은 상기 스크류(230)와 나사 결합한다. 이송판(240)은 저장실(211)에서 슬라이딩 가능하게 형성되며, 스크류(230)의 회전에 의하여 이동하여 상기 저장실(211)에 저장된 연료를 상기 연료배출구(212)로 가압한다.
도시에 의하면, 스크류(230)는 상기 회전판(220)에서 연장되어 상기 연료배출구(212)를 관통하여 외부로 돌출된다. 연료충전실린저(200)는 상기 저장실(211)을 밀봉시키도록 상기 스크류(230)의 단부와 함께 상기 연료배출구(212)를 수용하는 실린저 마개(250)를 포함한다.
상기 구조에 의하면, 아래와 같은 사용방법이 가능하게 된다.
먼저, 연료전지를 사용하기 위해서 음극 조립체의 연료주입부에 연료충전실린지를 이용하여 아연연료를 주입한다. 그 후 마개를 이용하여 연료주입공을 공기 및 이물질이 유입되거나 아연연료가 새어나가지 않도록 밀봉한다. 음극 조립체를 내부에 두고 좌우의 공기양극이 장착된 케이스를 조립한다. 전극단자를 조립된 단위전지에 끼워 아연-공기 연료전지를 완성한다.
연료충전실린지의 회전판을 회전시키면 스크류 또한 회전되며, 이송판이 아연연료를 밀어낸다. 스크류는 연료주입공 및 집전체의 홈으로 삽입되어, 연료전지내에서도 회전하며 연료주입을 원활하게 한다.
연료를 주입하지 않을 경우에는 연료충전실린지의 배출구에 실린저 마개를 이용해 밀봉하여 연료충전실린지 내부의 아연연료가 공기에 접촉되지 않도록 한다.
연료전지의 사용이 완료된 후에는 조립의 역순으로 전극단자를 분리하고, 좌우의 공기양극이 장착된 케이스를 분리한 후에 사각씰을 분리하고 음극 조립체를 제거한 후 새로운 음극 조립체로 대체하여 연료를 주입하고 조립하여 사용한다.
상기와 같은 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 연료가 산화되어 전기 에너지를 생성하는 연료전지에 있어서,
    상기 연료가 충전되는 음극 조립체; 및
    상기 음극 조립체의 양측을 덮도록 형성되며, 복수의 공기양극들을 구비하는 양극 조립체를 포함하고,
    상기 음극 조립체는,
    중공 부분을 구비하는 음극 홀더;
    상기 중공 부분에 배치되는 집전체;
    상기 공기양극들을 마주보도록, 상기 음극 홀더의 양면에 장착되는 분리막들; 및
    상기 집전체와 분리막들의 사이에 형성되는 공간으로 상기 연료가 주입될 수 있도록, 상기 음극 홀더에 형성되는 연료 주입공과, 상기 연료주입공에 탈착가능하게 장착되는 마개를 구비하는 연료 주입부를 포함하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 주입공은 상기 음극 홀더의 일변에서 상기 집전체를 향하여 상기 음극 홀더를 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 집전체에는 상기 일변과 멀어지는 방향으로 리세스되는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 주입공으로 연료를 공급하는 연료충전실린저의 적어도 일부가 상기 홈에 삽입될 수 있도록, 상기 홈은 상기 연료 주입공에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 집전체와 상기 연료 주입공의 사이에는 이격공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극 홀더는 상기 중공부분을 한정하는 프레임 형태로 이루어지고,
    상기 분리막들은 상기 프레임 형태의 양면을 덮는 제1 및 제2 분리막을 포함하고, 상기 집전체는 그물망 형태로 형성되어 상기 제1 및 제2 분리막의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양극 조립체는,
    상기 음극 홀더의 양면을 덮도록 형성되는 제1 및 제2 케이스와,
    상기 제1 및 제2 케이스에 각각 장착되어, 상기 제1 및 제2 분리막을 마주보는 제1 및 제2 공기양극을 포함하는 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 케이스 중 어느 하나에는 후크가 형성되고, 다른 하나에는 상기 후크가 결합되는 결합공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 케이스에는 각각 상기 연료주입부를 외부로 노출시키는 노출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 연료가 산화되어 전기 에너지를 생성하고, 상기 연료의 주입이 가능하도록 이루어지며, 제1항 및 제9항 중 어느 한 항에 따르는 연료전지; 및
    상기 연료전지의 연료주입부에 상기 연료를 공급하는 연료충전실린저를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료충전실린저는,
    상기 연료가 저장되는 저장실과, 상기 저장실과 연결되는 연료배출구를 구비하는 바디;
    상기 바디에 회전가능하게 장착되는 회전판;
    상기 저장실에 배치되며, 상기 회전판과 연결되는 스크류; 및
    상기 저장실에 저장된 연료를 상기 연료배출구로 가압하도록, 상기 저장실에서 슬라이딩 가능하게 형성되며, 상기 스크류와 나사 결합하는 이송판을 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스크류는 상기 회전판에서 연장되어 상기 연료배출구를 관통하여 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료충전실린저는 상기 저장실을 밀봉시키도록 상기 스크류의 단부와 함께 상기 연료배출구를 수용하는 실린저 마개를 더 포함하는 연료전지 시스템.
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