(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2010년10월11일 (11) 등록번호 10-0987113 (24) 등록일자 2010년10월05일 (73) 특허권자 (51) Int. Cl. 한국생산기술연구원 H01M 8/04 (2006.01) H02N 2/02 (2006.01) 충청남도천안시서북구입장면홍천리 35-3 (21) 출원번호 10-2008-0129446 (72) 발명자 (22) 출원일자 2008년12월18일황준영심사청구일자 2008년12월18일경기용인시수지구동천동수진마을써니벨리 (65) 공개번호 10-2010-0070757 101-806호 (43) 공개일자 2010년06월28일이상호 (56) 선행기술조사문헌서울특별시관악구봉천9동 635-353 KR1020060102580 A ( 뒷면에계속 ) JP2007207472 A (74) 대리인 KR1020070064584 A 공인복 JP2006269363 A 전체청구항수 : 총 9 항심사관 : 김경민 (54) 연료전지의연료공급장치 (57) 요약 본발명은연료전지의연료공급장치에관한것으로, 연료전지의연료공급장치에있어서, 압전구동기, 일측으로흡입구와배출구가구비되며, 상기압전구동기의구동력을전달받아흡입구와배출구를통해연료를흡입및배출시키는챔버, 상기압전구동기와챔버를고정시키는몸체, 상기챔버의흡입구와배출구에대응하게각각구비되어연료의흡입과배출을결정하는체크밸브모듈및상기압전구동기의구동을제어하는제어부를포함하여구성되는것을특징으로한다. 이와같이구성되는본발명은구동을손쉽게최적화할수있으며, 소음및진동이발생되지않고, 맥동공급에따라연료전지출력성능을향상시킬수있는이점이있다. 대표도 - 도 2-1 -
(72) 발명자 강경태 서울특별시서초구반포본동주공아파트 110-105 강희석 서울강남구대치 1 동 888 아이파크 106 동 802 호 신권용 서울특별시금천구시흥동관악벽산아파트 524 동 1607 호 장재혁서울특별시서초구반포4동미도2차아파트 503-606 정창렬서울특별시강서구방화1동 611-33번지 101호 - 2 -
특허청구의범위청구항 1 연료전지의연료공급장치에있어서, 압전구동기 ; 일측으로흡입구와배출구가구비되며, 상기압전구동기의구동력을전달받아흡입구와배출구를통해연료를흡입및배출시키는챔버 ; 상기압전구동기와챔버를고정시키는몸체 ; 상기챔버의흡입구와배출구에대응하게각각구비되어연료의흡입과배출을결정하는체크밸브모듈 ; 및상기압전구동기의구동을제어하는제어부 ; 를포함하여구성되는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 2 제 1항에있어서, 상기챔버는, 상기흡입구와배출구와연통되는공간부가형성되며, 상기공간부의일측을폐쇄하는탄성막이구비되어상기압전구동기가상기탄성막으로구동력을제공하는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 3 제 1항에있어서, 상기압전구동기는, 선형압전구동기인것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 4 제 1항에있어서, 상기챔버와몸체는, 일체로형성된것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 5 제 1항또는제 3항에있어서, 상기압전구동기는, 펄스개수를조정하여구동시키는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 6 제 1항또는제 3항에있어서, 상기압전구동기는, 가동률을조정하여구동시키는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 7 제 1항또는제 3항에있어서, 상기압전구동기는, 10Hz 이하의주파수로구동시키는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 8 제 1항에있어서, 상기압전구동기는, 고정부재를더구비하여상기몸체에결합되는것을특징으로하는연료전지의연료공급장치. 청구항 9 제 1항에있어서, 상기체크밸브모듈은, 상 / 하면으로구비되는유리판과상기유리판사이에구비되는실리콘멤브레인으로구성되는것을특징으로하 - 3 -
는연료전지의연료공급장치. 명세서 발명의상세한설명 [0001] 기술분야 본발명은연료전지의연료공급장치에관한것으로, 좀더상세하게는구동의최적화용이성과소음및진동이 발생되지않고, 연료전지출력효율을향상시킬수있는연료전지의연료공급장치에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] 배경기술일반적으로, 연료전지는수소와산소의전기화학반응에의해화학에너지를직접전기에너지로변환시키는발전시스템이다. 상기수소는순수한수소를직접연료전지시스템에공급할수도있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스등과같은물질을개질하여수소를공급할수도있다. 상기산소는순수한산소를직접연료전지시스템에공급할수도있고, 공기펌프등을이용하여통상의공기에포함된산소를공급할수도있다. 연료전지는상온또는 100 이하에서작동하는고분자전해질형연료전지및직접메탄올형연료전지, 150 200 부근에서작동하는인산형연료전지, 600 700 의고온에서작동하는용융탄산염형연료전지, 1000 이상의고온에서작동하는고체산화물형연료전지등으로분류된다. 이들각각의연료전지는기본적으로전기를발생하는작동원리는유사하지만사용되는연료의종류, 촉매, 전해질등이서로다르다. 이중에서직접메탄올형연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 는직접메탄올형연료전지는액상의고농도메탄올을물과혼합하여이를유체펌프등을이용하여직접전기발생부에연료로써공급한다. 따라서수소를생성하는개질기가필요치않아초소형화가가능하고, 연료의저장및취급이용이하기때문에이동용전원공급장치등으로각광을받고있다. 이러한연료전지는도 1에도시된바와같이가솔린이나여타의탄화수소 (LNG, LPG, CH 3 OH...) 계열의연료가채워져있는연료탱크 (1) 와, 상기연료탱크 (1) 에연결되어공급되는연료로부터수소를만들어내는개질기 (reformer)(2) 와, 상기개질기 (2) 에연결되어상기개질기 (2) 로부터생성된수소의산화반응및별도로공급되는산소의환원반응이동시에일어나면서전기와열이함께발생되는스택 (stack ; 3) 과, 상기스택 (3) 에연결되어그스택 (3) 에서얻어진직류전기를상용전기인교류전기로변환시키는전력변환기 (4) 등이구비되어이루어진다. 도면중미설명부호인 2a는반응로, 2b는버너, 3a는전해질막, 3b는연료극, 3c는공기극, 6은급수펌프, 7 은가습기이다. 상기와같은종래구조의연료전지를이용하여전기를발생시키는개략적인과정은다음과같다. 제어부 ( 미도시 ) 에의해상기연료탱크 (1) 로부터가솔린이나탄화수소계열의연료가상기개질기 (2) 의반응로 (2a) 로유입되고나면, 그반응로 (2a) 에채워진연료에수증기및산소가공급됨과아울러상기개질기 (2) 의버너 (2b) 가동작하여개질반응이진행되고, 이개질반응을통해생성되는수소가상기스택 (3) 의연료극 (3b) 으로공급됨과아울러다른한쪽의공기극 (3c) 으로는산소 (O 2 ) 가공급되어상기연료극 (3b) 에서는산화반응이또 공기극 (3c) 에서는환원반응이일어나게되며, 이과정에서생성되는전자가상기연료극 (3b) 에서공기극 (3c) 으 로이동하면서전기와열이발생되고, 이전기는상기전력변환기 (4) 를거치면서교류전기로전환되어각종전 기제품을구동시키는데사용된다. [0010] [0011] 또한, 상기연료전지에있어서는상기스택 (3) 의전해질막 (3a) 이건조해지면수소이온 (H+) 의전도도가떨어지게되거나전해질막이수축되면서막과전극사이의접촉저항이증가하게되므로상기스택 (3) 으로의수소공급시항상물을함께공급하도록한다. 하지만이러한종래에기술에서연료를공급하는유체펌프는소음및진동이유발되기때문에사용환경에악 - 4 -
영향을줄수있다. [0012] 또한, 유체펌프를가동하기위해서는별도의많은전력을필요로하기때문에, 별도의전력을공급해주거나연 료전지에서생산되는전력을소모하여연료전지운전의효율성이떨어지게된다. 발명의내용 [0013] [0014] 해결하고자하는과제상기와같은문제점을해결하기위한본발명은소음및진동발생을없애고, 전운전범위에서구동을손쉽게최적화할수있는연료전지의연료공급장치를제공하고자하는데그목적이있다. 또한, 연료를맥동공급하여연료전지출력을향상시키고자하는데그목적이있다. [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] 과제해결수단상기와같은목적을달성하기위한본발명은연료전지의연료공급장치에있어서, 압전구동기, 일측으로흡입구와배출구가구비되며, 상기압전구동기의구동력을전달받아흡입구와배출구를통해연료를흡입및배출시키는챔버, 상기압전구동기와챔버를고정시키는몸체, 상기챔버의흡입구와배출구에대응하게각각구비되어연료의흡입과배출을결정하는체크밸브모듈및상기압전구동기의구동을제어하는제어부를포함하여구성되는것을특징으로한다. 또한, 상기챔버는, 상기흡입구와배출구와연통되는공간부가형성되며, 상기공간부의일측을폐쇄하는탄성막이구비되어상기압전구동기가상기탄성막으로구동력을제공하는것을특징으로한다. 또한, 상기압전구동기는, 선형압전구동기인것을특징으로한다. 또한, 상기챔버와몸체는, 일체로형성된것을특징으로한다. 또한, 상기압전구동기는, 펄스개수를조정하여구동시키는것을특징으로한다. 또한, 상기압전구동기는, 가동률을조정하여구동시키는것을특징으로한다. 또한, 상기압전구동기는, 10Hz 이하의주파수로구동시키는것을특징으로한다. 또한, 상기압전구동기는, 고정부재를더구비하여상기몸체에결합되는것을특징으로한다. 또한, 상기체크밸브모듈은, 상 / 하면으로구비되는유리판과상기유리판사이에구비되는실리콘멤브레인으로구성되는것을특징으로한다. [0024] [0025] [0026] 효과상기와같이구성되고작용되는본발명은압전구동기의구동효율은구동펄스개수로조정하여최적화하고, 연료공급장치의공급유량은가동률로조정하는방식으로독립된제어인자를활용함으로써, 전운전범위에서구동을손쉽게최적화할수있는이점이있다. 또한, 압전구동기의구동주파수와피스톤의왕복주파수를분리함으로써, 가청영역밖의압전구동주파수로운전하여체크밸브모듈의효율을증대시킬수있다. 또한, 연료를저주파로맥동공급하므로, 연료전지연료극에서연료의 2차유동을활성화하여공급특성을개선시킴으로써연료전지출력성능을향상시킬수있는장점이있다. [0027] 발명의실시를위한구체적인내용 이하, 첨부된도면을참조하여본발명에따른연료전지의연료공급장치의바람직한실시예를상세히설명하면 다음과같다. - 5 -
[0028] [0029] 도 2는본발명에따른연료전지의연료공급장치를나타낸사시도, 도 3a는본발명에따른연료전지의연료공급장치를나타낸분해사시도, 도 3b는본발명에따른체크밸브모듈를나타낸상세도, 도 4는본발명에따른연료전지의연료공급장치의챔버동작과정을나타낸단면도, 도 5는본발명에따른챔버와체크밸브모듈을통해연료이송과정을나타낸도면이다. 도 6은본발명에따른연료공급장치를이용한연료전지의개략적인전체구성도, 도 7은본발명에따라동일한소모전력에서스트로크에대한공급유량의결과를나타낸그래프, 도 8은본발명에따라동일한구동펄스수에서가동률에대한공급유량의결과를나타낸그래프이다. [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] [0044] 본발명에따른연료전지의연료공급장치 (10) 는, 로드가선형구동하는압전구동기 (100) 와, 일측으로흡입구와배출구가구비되며상기압전구동기의구동력을전달받아흡입구 (210) 와배출구 (220) 를통해연료를흡입및배출시키는챔버 (200) 와, 상기압전구동기와챔버를고정시키는몸체 (300) 와, 상기챔버의흡입구와배출구를선택적으로차단하는체크밸브모듈 (check valve;400) 및상기압전구동기를제어하는제어부 (500) 를포함하여구성되는것을특징으로한다. 압전구동기 (100) 는압전소자 (PZT) 를이용하여전압인가에따라로드에구동력이생성되는것으로, 본발명에서는선형압전구동기를이용하여연료공급을위한동작력을제공한다. 좀더상세하게설명하면, 상기압전구동기 (100) 는피에조소자 (110) 와여기에연결되는진동로드 (120) 와상기진동로드 (120) 의진동에따라구동력을전달하는슬리브 (130) 및피스톤 (140) 으로구성된다. 따라서상기피에조소자에전압이인가되면이는반복적인변형이일어나게되고상기진동로드 (120) 가진동하게된다. 이때상기피스톤 (140) 과연결된슬리브의관성과진동로드의마찰력에의해진동로드를따라상기피스톤이이동하게되는것이다. 따라서상기피스톤이전진또는후진하게되면이와접하는후술할탄성막을전 / 후로변형시키게된다. 또한, 본발명에서는상기압전구동기 (100) 로동일한전력을소모하여최대의공급유량을실현하기압전구동기의전진및후진펄스의수를조정함으로써피스톤의스트로크를조절한다. 또한, 소모전력을최소화하기위해상기압전구동기 (100) 의가동률을조절함으로써, 연료전지의출력에따라서요구되는최소한의연료량을공급하는방법이다. 이때가동률은전체구동주기에서실제로압전구동기에펄스를공급하여구동하는시간이차지하는비율을말하며, 전체구동주기는구동하지않고대기하는시간과실제구동한시간의합을말한다. 다르게는 10Hz 이하의낮은왕복주파수와큰왕복스트로크로운전하여구동효율을최대화시킨다. 한편, 상기압전구동기 (100) 는추가적으로고정부재 (150) 가구비되어있어, 상기고정부재에압전구동기의진동로드와피스톤이전진 / 후퇴할수있도록결합된다. 챔버 (200) 는액체연료가저장되어있는저장소에서연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 로연료를공급하기위해상기저장소로부터액체연료를공급받아전달하기위해흡입과배출과정이이루어지는곳으로, 일측으로흡입구 (210) 와배출구 (220) 가형성되고이와연통하도록내측으로공간부 (230) 가형성된다. 또한, 상기흡입구와배출구가형성된공간부의반대측으로는개방된상태를이루고있으며, 개방된면으로는탄성소재로이루어진탄성막 (240) 이상기공간부 (230) 를폐쇄하도록구비된다. 이때, 상기탄성막이상기압전구동기 (100) 의피스톤 (140) 과고정되어있어압전구동기의동작에따라전후로탄성되면서상기공간부의체적을변화시킨다. 즉, 공간부에흡입되는연료량을제어하게된다. 따라서압전구동기의로드가후진하면상기탄성막이뒤로늘어나면서공간부의체적을증가시켜흡입구를통해연료가공간부로흡입되며, 압전구동기의로드가전진하면탄성막이공간부내측으로늘어나면서체적을감소시켜배출구를통해연료가배출된다. 후술하겠지만, 흡입구와배출구를통한연료흡입 / 배출을위해체크밸브모듈이구비되어흡입과배출이선택적으로이루어진다. 바람직한일실시예로상기탄성막은라텍스 (LATEX) 재질을사용할수있으며, 작은힘으로도쉽게늘어나는재 - 6 -
질이나구조 ( 주름형식 ) 이되, 내구성이있는다양한재질의탄성소재를사용하여도무관하다. [0045] [0046] [0047] [0048] [0049] [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] [0058] [0059] 몸체 (300) 는상기압전구동기와챔버를지지하기위한것으로, 금속또는합성수지를이용하여적절한크기와형상으로제작한다. 여기서상기몸체 (300) 는상기챔버 (200) 와일체로형성될수도있으며, 별도로형성하여몸체와고정시킬수있다. 또한, 상기압전구동기는나사등의고정수단을통해상기몸체 (300) 에고정되는데상기고정부재 (150) 를통해상기몸체 (300) 가결합된다. 체크밸브모듈 (400) 은상기챔버 (200) 의흡입구와배출구에연통되게 2개의체크밸브가한쌍을이루어결합되는것으로, 연료의흡입 / 배출에따라개폐를결정한다. 상기체크밸브모듈 (400) 은상기챔버의흡입구와배출구에대응하도록흡입 / 배출구가형성되어있어이와결합된다. 본발명에따른체크밸브모듈은 MEMS 공정을통해자체제작된것으로, 상, 하유리판내부에대략 10μm두께를가지는실리콘멤브레인을설치하여유로를수동적으로단속하도록제작된것이다. 또한, 체크밸브모듈의내부에는흡입과배출이이루어지는내부공간은분할구성되어있으며, 여기에각각외부와연결하기위한흡입 / 배출구가구비되고, 중앙의실리콘멤브레인이유동을단속하게된다. 상기챔버 (200) 와연결된체브밸브모듈은연료의유동방향을결정하는것으로, 압전구동기의로드후퇴에따라탄성막이늘어나공간부의체적을증가시키면한쪽밸브가개방되면서챔버의흡입구를통해연료가흡입된다. 이때다른한쪽의밸브는폐쇄된다. 상기압전구동기 (100) 의로드가연료주입을위해전진하면탄성막을가압하게되고개방되어있던한쪽밸브는닫혀지며, 공간부에흡입된연료는배출구를통해배출된다. 이때닫혀있던다른한쪽밸브는개방되면서연료가공급되게되는것이다. 제어부 (500) 는상기압전구동기 (100) 를제어하는것으로, 앞서압전작동기설명에서언급한바와같이펄스수조정, 가동률을제어함으로써최적의효율을달성하기위해압전구동기를제어한다. 상기압전작동기 (100) 의구동효율은고주파인구동주파수최적화하며, 연료공급장치의수력효율은구동펄스의개수에의해스트로크를최적화하며, 연료의공급유량은가동률로제어한다. 즉, 상기제어부는전원공급부에해당하는것으로써, 상기압전구동기의사양에따라적정전압, 전류를공급하여야한다. 수십 khz 이상의초음파주파수를인가하여상기압전구동기를제어하되, 한방향으로다수의구동펄스를인가하여, 수 Hz 정도의낮은주파수로압전구동기의왕복운동이이루어지도록한다. 본발명에따른연료공급장치의커다란장점중하나는 PZT 구동주파수와피스톤구동주파수를서로분리할수있다는점이다. PZT 구동주파수는 PZT 변위효율에최적화된값으로제어하고, 피스톤구동주파수는밸브효율과피스톤속도에최적화된값으로제어한다. 도 7을보면, 일반적으로피스톤의행정길이가길어지면 ( 탄성막의변형의커짐 ) 피스톤의속도가감소됨으로이는유량이감소된다. 반대로피스톤의행정길이가짧아지면체크밸브모듈의정류효율이감소한다. 이역시유량의감소된다. 이두가지의상반된특성으로인해서특정행정길이에최대의유량이나타난다. 따라서본발명에따른연료펌프는펄스의갯수만으로행정길이를조절할수있으므로다른인자에영향을미치지않고손쉽게최적의유량이되는행정길이로운전할수있다. 한편, 연료전지의연료공급장치 ( 마이크로펌프 ) 에있어서최대성능도중요하지만그보다중요한것이넓은운전범위에서의성능유지특성이다. 연료전지출력이작을때도최대성능으로펌프를운전한다면결국불필요한에너지소모를발생시켜시스템효율을떨어뜨리기때문이다. 따라서본발명에서는유량을제어하는가장손쉬운방법으로서구동비를조절하는방식을선택하였다. 구동비는전체시간중펌프가구동하는시간의비로서구동비가 100% 인경우는펌프가연속적으로구동하는경우이고, 구동비가 50% 인경우는피스톤이한주기의운동을마친후한주기에해당하는시간동안동작을하지않는경우에해당한다. 이렇게구동비만으로유량을제어할수있다면이미최적화된구동주파수, 구동변위, 피스톤속도등에영향을미치지않고운전할수있으므로운전조건내에서최고의효율을유지할수있음을의미한다. - 7 -
[0060] [0061] [0062] [0063] 도 8은구동비변화에따른유량특성을나타낸것이다. 구동비가증가할수록거의선형적으로증가하는양상을확인할수있다. 구동비는에너지소비율에비례하므로, 결국에너지소비에대하여유량이선형적으로변하는매우유용한특성을보여주고있다. 이와같이구성되고작용되는본발명은운전범위를용이하게최적화할수있으며, 소음이없고, 연료전지출력성능을향상시킬수있는이점이있다. 이상, 본발명의원리를예시하기위한바람직한실시예와관련하여설명하고도시하였지만, 본발명은그와같이도시되고설명된그대로의구성및작용으로한정되는것이아니다. 오히려, 첨부된청구범위의사상및범주를일탈함이없이본발명에대한다수의변경및수정이가능함을당업자들은잘이해할수있을것이다. 따라서그러한모든적절한변경및수정과균등물들도본발명의범위에속하는것으로간주되어야할것이다. [0064] [0065] [0066] [0067] [0068] [0069] [0070] [0071] [0072] [0073] [0074] [0075] [0076] [0077] [0078] 도면의간단한설명도 1은종래연료전지시스템을나타낸개략적인구성도, 도 2는본발명에따른연료전지의연료공급장치를나타낸사시도, 도 3a는본발명에따른연료전지의연료공급장치를나타낸분해사시도, 도 3b는본발명에따른체크밸브모듈을나타낸상세도, 도 4는본발명에따른연료전지의연료공급장치의챔버동작과정을나타낸단면도, 도 5는본발명에따른챔버와체크밸브모듈을통해연료이송과정을나타낸도면, 도 6은본발명에따른연료공급장치를이용한연료전지의개략적인전체구성도, 도 7은본발명에따라동일한소모전력에서스트로크에대한공급유량의결과를나타낸그래프, 도 8은본발명에따라동일한구동펄스수에서가동률에대한공급유량의결과를나타낸그래프. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > 100 : 압전구동기 200 : 챔버 210 : 흡입구 220 : 배출구 230 : 공간부 240 : 탄성막 300 : 몸체 400 : 체크밸브모듈 500 : 제어부 10 : 연료공급장치 - 8 -
도면 도면 1 도면 2-9 -
도면 3a 도면 3b - 10 -
도면 4 도면 5-11 -
도면 6 도면 7-12 -
도면 8-13 -