KR100757557B1 - 발전용 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 구동방법 및연료 컨테이너 - Google Patents

발전용 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 구동방법 및연료 컨테이너 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템은, 연료 컨테이너(20)의 발전용 연료로 발전을 실행하는 연료전지(11); 연료 컨테이너(20)부터 추출되고, 연료전지(11)가 발전동작을 실행하기 전에 연료전지(11)에 물을 공급하는 물공급 제어부(15)를 갖는다. 연료전지 몸체내의 전해질 박막의 젖은 상태는 시스템 가동(발전동작의 시작) 동안 충분하게 유지되고 발전동작에 관한 전기 화학 반응은 촉진된다. 이 방식으로, 소정의 전기에너지를 충분하게 추출할 수 있는 연료전지 시스템, 및 연료전지 시스템에 적용 가능한 발전용 연료 컨테이너는 구비될 수 있다.
연료전지 시스템, 연료 컨테이너, 연료, 연료전지, 물공급 제어부, 전해질 박막, 개질부, 연료공급 제어부

Description

발전용 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 구동방법 및 연료 컨테이너{FUEL CELL SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM DRIVE METHOD AND FUEL CONTAINER FOR POWER GENERATION}
이 출원은 2004년 9월 10일에 제출된, 종래 일본 특허출원 제 2004-263318 호에서의 우선권의 이익을 기본으로 하여 청구하며, 본 명세서에 참조에 의해 병합된 완전한 내용이다.
본 발명은 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 구동방법 및 발전용 연료 컨테이너에 관한 것이다. 더 특별한 것은, 본 발명은 발전용 연료에서 생성되고 이 연료전지 시스템에 우호적으로 적용되는 수소가스를 사용하는 발전을 실행하는 연료 개질 공급 형태 연료전지 시스템에 관한 것이다. 게다가, 본 발명은 발전모듈을 포함하는 발전전지 주몸체에 대해 탈착 가능한 구조를 갖는 발전용 연료 컨테이너에 관한 것이다.
최근에 환경적인 문제, 에너지 문제 및 지구 온난화 현상에서 공익이 증가되고 있다. 다음 발생의 주류기술이 되는 전원공급 시스템(또는 전원발전시스템)에서와 같이, 연구 및 개발(R&D)은 연료전지의 풀-스케일 확산으로 급격하게 진보되었다. 연료전지들은 실질적으로 온실 효과 가스들(열잡는 가스들) 및 공기 오염물 질들을 방출하지 않기 때문에, 환경(환경적 부담)에 대한 영향은 극히 낮다. 또한，연료전지들(또는 연료전지를 사용하고 있는 전원공급 시스템)은 보편적인 발전 시스템과 비교함으로서 극히 높은 발생효율(에너지 전환 효율)을 실현할 수 있다
예를 들면，연료전지를 사용하는 전원공급 시스템은 가스 배출 등을 방출함으로 환경의 영향을 크게 끼치는 가솔린 엔진 및 디젤 엔진을 대체한 전기모터 구동장치의 구동전원으로서 모터 차량에 있다. 예를 들면, 다른 예는 전력 내에 있고, 공공 전력 회사의 발전소로부터 전력을 대체하기 위해 손실이 낮은 발전 설비로서 사업소，주거 등에 사용된다．그러므로, 이런 현대 기술들의 실질적인 응용 및 상업 현실이 몇 년 후에 더 퍼지는 것은 기대된다.
게다가，그런 연료전지 시스템들은 근래에 과감하게 소형화되고, 소형 전자장치(휴대용 장치)의 전원공급으로서 새로운 접근방법으로 다가가는 시도들, 예를 들면，노트북형식 개인용 컴퓨터(노트북 PC)，디지털카메라，개인 휴대용정보단말기(PDA)，셀룰라폰 등은 현저하게 소형화되었다
여기에서，고체의 폴리머 전해질 박막 연료전지로서 언급된 넓게 잘 알려진 연료전지의 예를 간단히 설명한다. 일반적으로, 연료전지의 이런 형태의 발전동작은 전해질 박막(이온 교환 박막)으로서 고체 폴리머 전해질 박막(PEM)(폴리머 전해질 연료전지)의 사용을 포함한다. 화학 반응에서，수소이온 및 자유전자들은 양극 전극측(음극 ; 연료 전극) 상에 발전용 연료에서 생성되고, 이러한 수소이온들은 전해질 박막층을 통하여 침투한다. 음극 전극측(양극 ; 산화제 전극) 상에 산소분자들과 결합될 때, 전기에너지(전력)는 양극 전극측에서 음극 전극측까지 이동하는 전자들을 추출함으로서 얻어질 수 있다.
연료전지(양극 전극측)로 공급되는 발전용 연료에 관해서는，수소가스를 직접 공급하는 것이 바람직하다. 그러나，그런 수소가스를 직접적으로 연료전지로 공급하는 시스템에 관해서는, 수소가스의 생성, 저장 및 공급의 기술적 관점 때문에, 다루기 힘든 것에 대한 안전 관점 및 경제적 관점에서의 실질적인 적용은 사업소에서의 발전 설비, 차량 구동 전원 등과 같은 상대적으로 큰-크기인 시스템으로만 달성될 수 있다.
반면에, 전자장치(휴대용 장치) 등을 작게 하는 연료전지 시스템 응용이 연구되고 있다. 장치는 2 개의 주요 형태의 연료에 기반을 둔 액체 탄화수소를 적용시키며, 2 개의 주요 형태의 연료는: 에탄올(곡물부터 생성된 알코올）및 메탄올(목재-또는 셀룰로오스부터 생성된 알코올)이다. 또한，이 2 개의 알코올의 획득 및 취급은 비교적 단순하고, 그것들을 생성하기 위한 필요의 제조비용은 경제적이다.
게다가, 연료전지 시스템의 이런 형태에서의 연료에 기반을 둔 액체 탄화수소를 사용하기 위해 설계된 발전용 연료의 공급 시스템으로서, 직접 연료전지 몸체의 양극으로 발전용 연료(메탄올 등)를 공급하는 연료 직접 공급시스템, 및 이런 발전용 연료를 개질시킴으로 얻어진 수소가스를 양극 전극으로 공급하는 연료 개질 공급시스템은 알려졌다.
도 7는 연료 직접공급시스템을 사용하는 보편적 종래 기술인 고체 폴리머 전해질 박막 형태의 연료전지 구성도를 도시한 것이다. 도 8은 연료 개질 공급시스템을 사용하는 보편적 종래 기술일 고체 폴리머 전해질 박막 형태의 연료전지 구성도 를 도시한 것이다. 여기에, 동등하거나 또는 일치하는 구성에 관하여, 같은 명명법은 추가하게 되고 설명된다.
우선, 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 몸체(110A)는 양극 전극(111)，음극 전극(112) 및 전해질 박막(113)을 갖는다. 양극 전극은 소정의 결정 분자(예를 들면, 백금, 백금-루테륨 등)는 표면 상에 부착되는 탄소 전극으로 구성된다. 음극 전극은 소정의 결정분자(예를 들면, 백금 등)는 표면 상에 부착되는 탄소 전극으로 구성된다. 전해질 박막(113)(이온 교환 박막)의 모양이 있는 필름은 양극 전극( 111)과 음극 전극(112) 간에 삽입된다.
또한, 도 7에서 도시된 연료전지 몸체(110A)구성과 같은 연료 직접 공급시스템에서, 발전용 연료(예를 들면, 메탄올(CH30H)) 및 물(H2O)은 양극 전극(111)측에 직접 공급되고, 반대측에서는 대기(공기)에서의 산소(O2)가 음극 전극(112)에 공급된다.
이런 직접 공급시스템에 대해 연료전지의 발전동작이 포함된 최종 전기화학 반응은 다음의 화학식(11)으로 표현된다. 메탄올(CH30H)이 양극 전극(111)에 직접 공급될 때, 양극 전극(111) 상에 촉매는 음으로 충전된 전자(e-)를 분리시키고, 양으로 충전된 수소이온(양자)(H+)을 생성하기 위해 가스를 전환시킨다. 전해질 박막(113)의 층을 통하여 이러한 수소이온(H+)이 음극 전극(112)으로 이동함으로서, 양 극 전극(111)을 구성하는 탄소 전극에 의해 전자(e-)는 추출되고，로드(LD)는 공급된다.
2CH3OH ＋ 2H2O -> 12H+＋ 12e-＋ 2CO2
또한，이 화학 반응에서，이 반응을 촉진하기 위해서는 메탄올(CH3OH)외에 물(H2O)이 필요하기 때문에, 몇 퍼센트(%)의 메탄올 수용액이 적용된다.
반면에, 다음의 화학식(12)으로 표현된 바와 같이, 공기(산소(O2))를 음극 전극(112)에 공급함으로서, 촉매에 따른 로드(LD)를 통하여 흐르는 전자(e-), 및 전해질 박막(113)층을 통하여 이동하는 수소(H+)이온은 부산물로서 물(H2O)을 생성하기 위해 그 후에 공기내의 산소(O2)와 결합하고 반응한다.
12H+＋ 3O2 ＋ 12e- -> 6H2O
고체 폴리머 전해질 박막으로 구성된 전해질 박막(113)에서의 순차적 촉매 반응(화학 반응)은 비교적 낮은 온도인 섭씨 수십도 정도의 온도 조건으로 일반적인 주변 온도에서 촉진된다. 전기에너지(전력)를 생성하는 것 외에，기본적이면서 유일한 부산물은 물(H2O)이다. 게다가, 그런 화학반응에 의해 추출된 전기에너지는 연료전지몸체(110A)의 양극 전극(111)에 공급되는 발전용 연료(메탄올 및 물)량에 의존한다.
게다가, 도 8에서 도시된 연료전지 몸체(110B)와 같은 연료 개질공급 시스템에서, 개질기(도면에서 생략되었지만, 이후에 설명됨)를 지닌 발전용 연료(예를 들면, 메탄올(CH3OH))를 개질함으로 얻어진 수소가스(H2)는 양극 전극(111)측에 공급되고, 반대측 상에서는, 대기(공기)내의 산소(O2)가 음극 전극(112)에 공급된다.
따라서，이 연료 개질공급 시스템에 대한 연료전지의 발전동작이 포함되는 화학 반응은 다음의 화학식(13)으로 표현된다. 수소가스(H2)가 양극 전극(111)에 공급될 때，촉매 반응은 음으로 충전된 전자(e-)를 분리시키고 양으로 충전된 수소이온(양자)(H+)을 생성하기 위해 가스를 전환시킨다. 전해질 박막(113)의 층을 통하여 이러한 수소이온(H+)이 음극 전극(112)으로 이동함으로서, 양극 전극(111)을 구성하는 탄소 전극에 의해 전자(e-)는 추출되고，로드(LD)는 공급된다.
2H2 -> 4H+＋ 4e-
반면에, 다음 화학식이 표현된 바와 같이, 공기(산소(O2))를 음극 전극(112)에 공급함으로서，촉매에 따른 로드(LD)를 통하여 흐르는 전자(e-), 및 전해질 박막 (113)층을 통하여 이동하는 수소(H+)이온은 부산물로서 물(H2O)을 생성하기 위해 그 후에 공기내의 산소(O2)와 결합하고 반응한다.
4H+ ＋ O2 ＋ 4e- -> 2H2O
그런 순차적 화학반응((13) 및 (14)형태)은 비교적 낮은 온도인 60 oC ~ 80 oC (140 oF ~ 176 oF)의 일반적인 온도조건에서 촉진된다. 전기에너지(전력)를 생성하는 것 외에，기본적이며 유일한 부산물은 물(H2O)이다. 게다가, 그런 화학반응에 의해 추출된 전기에너지는 연료전지 몸체(110B)의 양극 전극(111)에 공급되는 수소가스(H2)량에 의존한다.
별도로, 상술된 각 연료공급 시스템의 연료전지의 발전동작에서, 전해질 박막 층내의 수소이온(H+)의 전도(이동)는 수소이온을 지닌 물(H2O)(습기)을 결합하면서 히드로늄 이온(H3O+)의 형성이 된다. 그러므로, 상술된 전기화학 반응을 촉진하고 발전 효율을 증가시키기 위해서, 전해질 박막에 가까운 대기가 수증기 수화된 상태(젖은/축축한 상태)로 만드는 것이 필요한 것으로 알려졌다. 그런 연료전지의 발전동작은 예를 들면, "연료전지 시스템" 주제인 일본 공개 특허출원 제 2004-178889 호의 설명에 개시된다.
여기에서，상술된 바와 같이. 연료 직접 공급 시스템의 연료전지에서, 전해질 근처의 대기는 발전용 연료(메탄올 등) 및 물을 구성하는 메탄올 수용액을 양극 전극(111)에 직접 공급함으로서 충분한 수증기 수화된 상태로 만들어질 수 있다.
이 관점에서, 상술된 발전동작에 관한 전기 화학반응은 만족스럽게 촉진될 수 있다. 게다가, 이 방법에 대한 연료전지에서 연료전지 시스템의 구성은 간단하게 할 수 있다. 그러나, 이것은 일반적으로 연료개질 공급시스템의 연료전지와 비교해서, 발생효율(에너지 전환효율)이 더 낮다는 것이 문제이다.
반면에, 연료 개질 공급 시스템의 연료전지에서, 주의가 요구된다면 상술된 발전동작에 관한 전기화학 반응만으로 물(H2O)은 필요없다. 따라서, 전해질에 가까운 대기를 충분한 수증기 수화된 상태(젖은 상태)로 만들기 위해서는 가습기 등과 같은 수단이 필요하다. 특히, 발전용 연료(메탄올 등)를 개질하고 수소가스(H2)를 생성하는 개질기를 구비하는 것이 필요하다. 또한 연료전지 시스템의 구성은 복잡하게 된다. 그러나, 일반적으로, 연료 직접 공급 시스템의 연료전지와 비교해서, 이 방법의 연료전지는 발생 효율(에너지 전환효율)이 더 높다는 특징으로 가진다.
그러므로，디스플레이 패널 크기(스크린)도 아니고 노트북(PC)，PDA 등과 같은 입력장치가 사용자에 친숙한 물체도 아니거나 또는 소형화가 그리 중요하지 않는 장치에 따라서, 셀룰라폰 장치，휴대용 오디오 장치 등과 같은 과감한 소형화가 필요하지 않은 휴대 형태의 전자 장치에서 연료전지 시스템이 전원공급 유닛으로 설치될 때는 뛰어난 발생 효율을 가진 연료개질 공급시스템의 연료전지 시스템을 적용하는 것이 더 바람직하다. 비록 소형화가 될 수는 있지만 열악한 발생 효율을 가진 연료 직접공급 시스템의 연료전지 시스템 이상으로 과감한 소형화는 실행될 수 없는 것이 이와 같은 경우이다.
상술한 바와 같이，연료 개질 공급 시스템의 연료전지 시스템에 관하여, 연료전지몸체의 발전동작에 관한 화학 반응을 촉진하게 위해서는 젖은 상태로 전해질 박막(이온 교환 박막)을 유지하는 것이 필요하다. 젖은 상태를 유지하는 것은, 예들 들면, 상술된 보편적 종래기술인 JP 2004-178889에서의 구성은 연료전지몸체(즉，화학식(13) 및 (14))를 구성하고 있는 화학 반응 이온 교환 박막)내의 발전동작에 관한 부산물로서 생성된 물이 재생되고 전해질 박막에 인접하여 공급되는 것으로 나와 있다.
그러나, 연료전지 몸체의 발전동작에 관한 전기화학 반응에 관한 것으로, 부산물로서 생성된 물을 재생시키기 위해, 그리고 연료전지 몸체의 전해질 박막을 공급하기 위해서는 상술된 발전동작이 안전하게 실행될 필요가 있다.
그 관점에서, 화학식 (13) 및 (14)를 구성하는 화학 반응이 발전동작이 가동된 후에 끊임없이 촉진되는 발전동작에 대하여, 연료전지가 부산물로서 생성된 물을 재생하며, 전해질 박막을 공급하고 소정의 젖은 상태로 유지할 수 있음에도 불구하고, 결점이 있다. 특히, 부산물로서 생성된 물이 발전동작의 가동 또는 가동 후(시스템 가동)에 즉시 재생되기 때문에 전해질 박막이 소정의 젖은 상태로 충분히 유지될 수 없다.
그런 문제를 해결하는 방법으로서, 예를 들면 연료전지 시스템 등을 포함하 는 전자장치의 출하 전에 전해질 박막을 미리 수증기 수화된 상태로 축축하게 할 수 있음에도 불구하고 또 다른 관련된 문제가 있다. 특히, 전자장치의 출하 후에, 전해질 박막이 기후 조건 등으로 급속하게 건조해짐으로서 발전동작이 불가능하게 된다. 또한, 전해질 층을 얼리게 함으로서 파괴될 수 있는 결함이 있는 시스템을 생산하여 고장의 가능성을 불러 일으킨다. 그러므로，수송，저장 및 설비 정지의 시점에서 환경의 관리(특히，온도 및 습도 관리)는 엄격하게 실시되어야 한다.
상술된 문제점의 관점에서, 본 발명은 시스템가동(발전가동) 상에 연료전지몸체의 전해질 박막을 젖은 상태로 유리하게 유지하고, 발전동작에 관한 화학반응을 촉진시킨다. 소정의 전기에너지를 유리하게 추출할 수 있는 연료전지 시스템의 발전용 연료 컨테이너를 제공함과 연료전지 시스템에 실질적으로 적용되는 것이 본 발명의 목적이다.
상술된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 연료 컨테이너의 발전용 연료로 발전동작을 실행하는 연료전지; 연료전지가 발전동작을 실행하기 전 연료 컨테이너부터 물을 추출하고 연료전지로 물을 공급하는 물공급 제어부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 연료전지로 공급되는 발전용 연료 및 물을 개별적으로 포함하는 연료 컨테이너부터의 물이 있는 물공급 처리단계: 및 물공급 처리 후에 연료전지를 발생시키는 발전처리단계를 포함하는 연료전지 구동 방법을 제공한다.
본 발명은 개별적 포함부에 포함된 발전용 연료 및 물, 또는 연료전지의 전해질 박막을 공급하고, 소정의 젖은 상태로 유지하는 연료 컨테이너부터의 발전용 연료 및 물을 지닌 연료 컨테이너의 제어를 실행하는 연료전지 시스템 및 그에 관한 구동 방법을 제공한다.
그러므로, 연료전지의 발전동작 후에 발전용 연료컨테이너에 포함된 물의 양이 안정한 상태로 전환시키는 것에 관하여, 발전동작 이후의 부산물로서 생성된 물을 재생시킴으로서, 그리고 전해질 박막을 다시 공급함으로서 소정의 젖은 상태를 유지하는 것도 실행가능하다. 포함된 물의 추가량은 적어도 발전동작이 가동되기 이전에 소정의 젖은 상태로 전해질 박막을 유지하는데 필요한 최소량, 및 발전동작 가동 상에서 발전용 연료부터의 발전동작에서 사용된 수소를 생성하는 개질 반응에 필요량이다.
따라서, 전해질 박막은 소정의 젖은 상태로 빠르게 유지될 수 있기 때문에, 전기는 만족스럽게 발생될 수 있다. 발전용 연료 컨테이너에 포함된 발전동작가동에 사용된 물의 최소량이 필요한 모든 것이다. 또한, 연료전지 컨테이너의 다른 내용물이 발전용 연료를 포함하기 위해 할당되었기 때문에, 상술된 발전동작은 장시간 주기에 걸쳐 이어질 수 있고 배터리 수명도 연장될 수 있다.
본 발명의 상술된 이외의 목적 및 새로운 특징은 첨부된 도면과 관련하여 파악함으로서 다음의 상세한 설명은 보다 완전하게 나타난다. 그러나, 도면은 예증의 목적으로만 있고, 본 발명의 국한의 정의로서는 의미하지 않는 것이 명백히 이해된다.
도 1은 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 1 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 개략적인 블럭도이다;
도 2는 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 적용된 개질부의 일예의 구성을 도시한 개요도이다;
도 3A~3B는 바람직한 실시예에 과한 연료전지 시스템에 적용된 개질부(연료 개질기, CO제거기)의 예를 도시한 개요도이다;
도 4A~4C는 본 발명에 관한 연료전지 시스템에 적용가능한 연료 카트리지의 예를 도시한 개요 구성도이다;
도 5는 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 2 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 개략적인 블럭도이다;
도 6은 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 3 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 개략적인 블럭도이다.
도 7은 연료 직접 공급 시스템을 사용하는 보편적인 종래기술인 고체 폴리머 전해질 박막 형태의 연료전지를 도시한 개요 구성도이다; 및
도 8은 연료 개질 공급 시스템을 사용하는 보편적인 종래기술인 고체 폴리머 전해질 박막 형태의 연료전지를 도시한 개요 구성도이다.
이하에서는, 발명에 관한 발전용 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 가동 방법 및 연료 컨테이너의 바람직한 실시예를 도면들과 관련지어 상세하게 설명한다.
<제 1 바람직한 실시예 >
<연료전지>
우선, 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 완전한 구성을 설명한다.
도 1 은 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 1 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 블럭도이다. 여기에, 상술된 보편적인 종래기술에 지시된 연료전지의 구성의 균등함에 관하여, 동등하거나 균등한 명명법이 첨부되고 간단하게 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은 요약하면, 연료 카트리지(20), 개질부(12), 발전전지부(11), 물재생 제어부(13), 연료 공급 제어부(14) 및 물공급 제어부(15)를 포함하는 구조를 가진다. 연료 카트리지(20)(연료 컨테이너, 발전용 연료 컨테이너)는 메탄올(CH3OH), 및 물(H2O)과 같은 발전용 연료를 기반으로 하는 탄화수소를 개별적으로 포함한다. 개질부(12)(개질부분)는 연료 카트리지(20)에서 공급된 발전(메탄올(CH3OH))용 연료를 개질하고, 수소가스 (H2)를 추출한다. 발전전지부(11)(연료전지몸체)는 수소가스(H2) 및 산소(O2)를 사용하는 전기화학 반응에 따라 전기에너지를 발생시킨다. 물재생 제어부(13)(물재생제어부분)는, 발전전지부(11)에 화학반응으로 인한 부산물로서 생성된 물(H2O)을 재생하면서 적어도 발전전지부(11)에 대한 전해질 박막(이온 교환 박막)으로 물의 공급상태를 제어한다. 연료공급 제어부(14)(연료공급 제어부)는 개질부(12)로 연료 카트리지(20)에 포함된 발전용 연료의 물공급 상태를 제어한다. 물공급 제어부(15)(물공급 제어 부분)는 적어도 연료 카트리지(20)에 포함된 물을 발전전지부 (11)의 전해질 박막으로 물공급 상태를 제어한다.
여기에, 발전전지부(11), 개질부(12), 물공급 제어부(13), 연료공급 제어부(14) 및 물공급 제어부(15)는 발전모듈(10)에 포함된다. 연료 카트리지는 발전모듈(10)에 대해 탈착가능한 구조를 가진다. 따라서, 발전모듈(10)(이후에 설명됨)은, 예를 들면, 전자장치에 내장되어 있는 본 발명에 관한 연료전지 시스템을 포함한다. 발전용 연료 및 물은 건전지, 배터리 등의 경우에서처럼 같은 유용성을 지닌 전자장치에/부터 연료 카트리지를 착/탈만으로 공급된다.
이하에서, 각각의 구성은 상세하게 설명된다.
( 발전전지부 (11))
바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 적용된 발전전지부(11)(연료전지몸체)는 도 8에서 도시된 바와 같이 고체 폴리머 전해질 박막 형태의 연료전지와 동등한 구성을 가지고, 요약하면 양극 전극, 음극 전극 및 전해질 박막을 가진다. 양극전극은 백금, 백금-루테늄 등과 같은 촉매분자가 부착되는 탄소 전극으로 구성된다. 음극전극(대기전극)은 촉매분자 예를 들면, 백금이 부착되는 탄소 전극으로 구성된다. 전해질 박막(이온 교환 박막)은 양극전극과 음극전극 간에 삽입되는 고 폴리머필름으로 구성된다. 개질부(12)(이후에 설명됨)에 의한 발전용 연료(메탄올(CH3OH))를 개질한 결과로 얻어진 수소가스(H2)는 양극전극측에 공급된다. 반대측 상에는, 대기(공기)내의 산소(O2)는 음극전극에 공급된다.
여기에서, 바람직한 실시예에 관한 발전전지부(11)에 대해, 연료 카트리지의 연료 포함부로부터 공급된 메탄올(CH3OH)의 개질은 개질부(12)로 실행된다. 수소가스(H2)만 양극전극에만 공급됨으로서, 연료 카트리지(20)의 물 포함부(22)로부터 추출된 물(H2O)은 곧장 가거나 또는 발전전지부(11)의 발전동작에 따른 부산물로서 생성된 물(H2O)이 재생되고 전해질 박막은 공급된다. 발전전지부(11)에 수소가스(H2) 및 물(H2O)의 공급상태(공급시간 및 공급량)는 연료공급제어부(14), 물공급제어부(15)또는 물재생 제어부(13)에 의한 환경에 따라 제어된다(이후에 설명됨). 또한, 예를들면, 음극전극은 대기(순환 공기)와 이어진다(자유 통로). 이 직접적 대기는 일정하게 공급되는 산소(O2)를 포함한다.
특히, 발전전지부(11)(전해질 박막)로의 물(H2O)공급은 적어도 시스템 가동(발전동작 가동에 따름)에 따라 가동된 후에 즉시 실행된다. 이 상태에서, 연료 카트리지(20)의 물 포함부(22)에 포함된 물(H2O)은 물공급 제어부(15)에 의해 직접적으로 공급되고, 전해질 박막이 소정의 젖은 상태(수증기 수화된 상태)로 유지되도록 제어된다. 발전전지부(11)에서 발전동작이 안정된 상태로 전환된 후에, 물공급 제어부(15)에서의 물(H2O)공급은 불연속되고, 물재생 제어부(13)에 의해 발전전지부(11)에서 발전동작 후에 생성된다. 이 재생된 물(H2O)은 전해질 박막이 소정의 젖은 상태(수증기 수화된 상태)로 유지되도록 공급되고 제어된다. 따라서, 물 포함부(22)에서 발전전지부(11)(전해질 박막)의 물공급이 발전전지부(11)에서 발전동작전 에 실행됨에도 불구하고, 물공급 제어부(15)의 물공급은 연료포함부(21)에서 연료공급제어부(14)까지 발전용 연료의 공급과 동시에 발생될 수 있다; 개질 기간지속이 개질부(12)에서 길어질 때(이 후에 설명됨), 물공급은 연료공급 제어부(14)에 연료를 공급한 후에 있을 수 있으며; 그리고 개질 기간지속이 단축될 때, 물공급은 연료공급 제어부(14)에 연료를 공급하기 전에 있을 수 있다.
( 개질부 (12))
도 2는 바람직한 실시에에 관한 연료전지 시스템에 적용된 개질부의 구성을 일예로 도시한 개념적인 도면이다.
도 3A ~ 3B는 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 적용된 개질부(연료 개질기, CO 제거기)에 화학반응의 예를 도시한 개념적인 도면이다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 적용된 개질부(12)는 연료 기화기(12a), 연료 개질기(12b), CO 제거기(12c), 박막 필름가열기(Ha, Hb), 연소 챔버(12d), 및 연료 기화기(12e)를 포함한다. 연료 기화기(12a)(증발기)는 메탄올(CH3OH) 및 연료 카트리지에서 공급된 소량의 물(H2O)양을 가열시키고 기화시킨다. 연료 개질기(12b)는 기화된 메탄올(메탄올 가스) 및 물(스팀)에서 소정의 촉매 반응에 따라 수소가스(H2)를 생성한다. 수소가스(H2)가 연료 개질기(12b)에서 생성할 때, 부산물로서 생성된 일산화탄소(CO) 및 물(H20)부터의 소정의 촉매 반응에 따라 CO 제거기(12c)는 수소가스(H2) 및 이산화탄소(CO2)를 생성한다. 박막 필름가열기(Ha, Hb) 및 연소챔버(12d)는 적어도 연료 기화기(12a) 및 연료 개질기(12b)에서 화학반응을 촉진시키는 온도 조건을 제어한다. 연료 기화기(12e)(증발기)는 연료 카트리지에서 공급된 메탄올(CH3OH)을 기화시키기 위해 만들어지고 연소챔버(12d)로 제공된다.
박막 필름가열기(Ha, Hb)는 전원(예를 들면, 저장 배터리의 보조 에너지 등)부터 전력으로 개질의 시작단계에서 열을 발생시킬 수 있다(도면에서 생략). 발전전지부(11)는 개질된 수소로 공급으로 인해 전기를 발생시키고, 발생된 열의 발열성 온도는 제어되고 전원으로서의 발전전지부(11)에 발생된 전기에너지를 전환한다. 한편, 연소챔버(12d)는 연료 기화기(12e)에 의해 기화된 메탄올 가스 연소(산화)에서 발열온도를 제어한다.
온도제어 메커니즘에 따라, 발전전지부(11)는 개질된 수소로 공급에 의해 전기를 발생시킴으로서, 수소 연소반응은 발전전지부(11)에서 발전에 사용되지 않고 남아있는 수소로부터 차지된 공기내의 산소를 공급함으로서 연소챔버(12d)에 일어나며, 그리고 발생된 발생 열량을 높일 수 있다.
따라서, 발전 이후에서, 주요 열원을 구성하는 연소 챔버(12d)는 필름 가열기(Ha, Hb)에 의해 보조 가열이 실행되고 온도 조건에 기초하여 미세한 조정(미세한 튜닝)을 실행한다. 또한, 상대적으로 적은 전기에너지(전력)는 바람직한 온도 제어(이후에 설명되는 수백도 정도의 섭씨온도 조건)를 달성하고 생성된 전기에너지의 소비는 제어될 수 있다.
그런 소비를 가진 개질부(12)에 의한 가열 때문에, 연료 기화기(12a)에서의 흡열 기화반응, 연료 개질기(12b)에서의 촉매반응(흡열스팀 개질반응), 및 CO 제거기(12c)에서의 촉매반응(발열 물 이동 반응 및 발열 선택 산화반응)이 실행된다.
특히, 도 3A는 개질부(12)에서 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)로부터 수소가스(H2)를 생성하는 경우를 도시한 것이다. 우선, 연료 기화기(12a)의 기화처리에서, 박막 필름 가열기(Ha) 및 연소챔버(12d)(이후에 설명함)는 제어되고, 연료 기화기(12a)의 가열온도(예를 들면, 보통 100oC(212oF))는 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)의 비등점 정도에서 온도 조건으로 설정된다. 연료 카트리지(20)에서 공급된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)은 개별적으로 가열되거나, 또는 액체 혼합이 집합적으로 가열되고 기화된다.
다음으로, 연료 개질기(12b)의 스팀 개질 반응부 처리에서, 박막 필름 가열기(Hb) 및 연소 챔버(12d)는 제어되고 보통 300oC(572oF)정도의 온도 조건으로 설정된다. 다음의 화학식(1)과 같이, 가열 에너지(49.4kJ/mol)의 흡열은 수소(H2) 및 소량의 이산화탄소(C02)를 생성함으로 발생된다. 이 스팀 개질반응에서, 소량의 일산화탄소(CO)는 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)에 따라 부산물로서 생성된다.
CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2
따라서, 도 3B에서 도시된 바와 같이, 그런 위험한 부산물을 제거하기 위해, 다음의 화학식(2)에 표시된 바와 같이, CO 제거기(12c)의 물 이동 반응처리에서, 물(H2O)(스팀)은 가열 에너지(40.2 kJ/mol)의 흡열을 발생시키기 위해 일산화탄소(CO)와 반응하고, 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)를 생성한다.
CO + H2O -> CO2 + H2
또한, CO 제거기(12c)의 선택적 산화 반응처리로, 물 이동 반응에서의 이산화탄소(CO2), 및 수소(H2)로 변형되지 않는 일산화탄소(CO)에 대한 다음 화학식(3)을 표시된 바와 같이, 반응하는 산소(O2)를 유발시킴으로서 가열 에너지(283.5 kJ/mol)가 발생되고, 이산화탄소(CO2)를 생성한다.
CO + (1/2) O2 -> CO2
또한, 물 이동 화학반응처리 및 CO 제거기(12c)의 선택적 산화반응처리에서, CO 제거기(12c)에 장착된 온도 제어 기계(특히, 가열 싱크, 발열 추출기 등;도면에서는 생략)에 의해서, 윗-상태의 가열에너지(상술된 가열에너지는 흡수됨)의 발생된 열에 부합하는 온도 조건은 설정될 수 있다.
게다가, 연소 챔버(12d)로 공급되는 발전용 연료(메탄올(CH3OH))는 연료 카트리지(이하에서 설명됨)에서 연료 공급 제어부(14)를 통하여 공급될 수 있고, 상술된 발전전지부(11)의 양극 전극에서 화학반응에 기여하지는 않지만, 반응하지 않 고(나머지) 남아있는 수소가스(H2)는 재생되고 공급된다.
(연료공급 제어부(14))
연료공급 제어부(14)는 연료 카트리지(20)(연료 포함부(21))와 발전모듈(10) 간에서 쉽게 탈착가능한 인터페이스로서의 기능을 가지고, 상술된 개질부(12)에 적어도 연료카트리지(20)에 포함된 발전용 연료(메탄올(CH3OH))를 제공하는 공급시간및 공급량을 제어하는 기능도 가진다.
(물공급 제어부(15))
물공급 제어부(15)는 연료 카트리지(20)(연료 포함부(22))와 발전모듈(10) 간에서 쉽게 탈착가능한 인터페이스로서의 기능을 가지고, 상술된 개질부(12) 및 발전전지부(11)에 적어도 연료카트리지(20)에 포함된 물을 제공하는 공급량을 제어하는 기능도 가진다.
특히, 예를 들면, 연료공급 제어부(14) 및 물공급 제어부(15)가 적용될 수 있는 구성 각각은 연료 카트리지(20)와 개질부(12) 간에서, 및 연료 카트리지(20)와 발전전지부(11) 간에서, 액체 펌프 또는 흐름 제어밸브(또는 이런 동등한 기능을 가진 공급 메커니즘)를 지닌 연료공급 통로 및 물공급 통로를 포함할 수 있다.
( 물재생 제어부(13))
발전전지부(11)에서 발전동작에 관한 전기 화학반응에서, 물재생 제어부(13)는 부산물로서 생성된 물(H2O)을 재생시키고 적어도 발전전지부(11)로 물(H2O)을 공급하여 소정의 젖은 상태로 전해질 박막(이온 교환 박막)을 유지한다. 또한, 물재 생 제어부(13)에 의해 재생된 일부의 물은 개질부(12)(연료기화기(12a), CO제거기(12c))로 공급되고, 각 화학반응에 사용될 수도 있다. 특히, 물재생 제어부(13)는 액체 펌프, 흐름 제어밸브, 흐름통로 전환밸브(또는 이런 동등한 기능을 가진 공급 메커니즘)를 포함하는 구성을 적용할 수 있다.
(연료 카트리지(20))
도 4A ~ 도 4C는 본 발명에 관한 연료전지 시스템에 적용가능한 연료 카트리지의 예를 도시하는 개략적인 구성도이다. 게다가 도 4A는 편의를 위해 해치를 포함하는 연료 카트리지 구조를 직접적으로 도시한 것이다.
도 4A에서 본 바와 같이 연료 카트리지(20)에서, 연료포함부(21)는 발전용 연료로서의 메탄올(CH3OH)을 위한 패키지 컨테이너로 구성되고, 물 포함부(22)는 소정의 물(H2O)의 양을 위한 패키지 컨테이너로 구성된다. 예를 들면, 연료 카트리지(20)는, 직사각형 몸체 모양이고 물 포함부(22)용 실린더(튜브모양)를 포함하는 연료 포함부(21)의 한 개의 표면상에서 세로방향으로 형성된 반원주 모양인 단면부를 포함하는 오목부를 지닌 일체화된 구성을 가진다.
여기에, 연료 포함부(21) 및 물 포함부(22)는 각각 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)을 포함한다. 연료 추출부(21a)(연료배출구) 및 물 추출부(22a) 둘 다는 일개의 끝단측 상에 위치되고, 상술된 발전모듈(10)(연료공급제어부(14))에 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)을 추출하는 것(공급하는 것)이 제공된다. 따라서, 개구부들 (21c, 22c) 둘 다는 다른 측 상에 각 포함부의 내부표면 영역 상에 위치되고 대기 (공기)와 이어지는 것이 제공된다.
연료 카트리지(20)가 발전모듈(10)에 부착될 때 그 상태에서만 연료 추출부(21a) 및 물 추출부(22a)는 "열린 상태"가 되며, 내부에 포함된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)이 발전모듈(10) 측에 내부적으로 방출(흐름)되도록 한다. 반면에, 연료 카트리지(20)가 발전모듈(10)에 탈식되었을 때의 상황에서는 "닫힌 상태"로서, 메커니즘은 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)이 외부적으로 방출되지 않도록 체크밸브로서의 기능이 지니게 된다.
게다가, 연료 포함부 및 물 포함부(22)에 포함된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)은 연료 카트리지(20)의 기울기에 의존하지 않고, 상술된 연료 추출부(21a) 및 물 추출부(22a)를 향한 방향으로 일정하게 소정의 압력이 가해진다. 궁극적으로, 방출은 각 추출부(21a, 22a)를 통하여 완전하게 실행된다. 고점성 액채 수행몸체(21b, 22b)는 각 추출부(21a, 22a)의 반대편 측 상에 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)의 각 끝단 인터페이스상으로 삽입된다(발전용 연료 및 물 바로 뒤). 수행몸체(21b, 22b) 둘 다는 각각 개구부들(21c, 22c)부터 발전용 연료 및 물의 증기로 인한 손실을 막는 기능을 가진다.
발전용 연료가 연료 추출부(21a) 외부로 개질부(12)에 흐를 때, 발전용 연료가 외부로 흐르는 수용부의 음압이 수행몸체(21b)에 적용되기 때문에, 수행몸체 (21b)는 발전용 연료 끝단 인터페이스를 지닌 연료 추출부(21a)를 향한 방향으로 움직이게 된다. 또한, 인터페이스내에 공기 갭은 없다. 연료 포함부(21)는, 발전용 연료 및 수행몸체(21b)의 움직임으로 인해 연료 포함부(21)에 형성된 공간에서 생성된 음압 및 대기압의 압력차에 기초로 개구부(21c)를 통하여 흐른 공기(대기)는 내부 공간에서 흐를 수 있고 보통 압력으로 저장된다.
유사하게, 물이 물 추출부(22a) 외부로 개질부(12)에 흐를 때, 물 외부로 흐르는 수용부의 음압이 수행 몸체(22b)로 적용되기 때문에, 수행몸체(22b)는 물 끝단 인터페이스를 지닌 물 추출부(22a)를 향한 방향으로 움직이게 된다. 또한 인터페이스내에 공기 갭은 없다. 물 포함부(22)는, 물 및 수행몸체(22b)의 움직임으로 인해 물 포함부(22)에 형성된 공간에서 생성된 음압 및 대기압의 압력차에 기초로 개구부(22c)를 통하여 흐른 공기(대기)는 내부 공간에서 흐를 수 있고 보통 압력으로 저장된다.
따라서, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템은 장착된 전자장치의 기울기에 의존하지 않는다. 연료전지 시스템이 발전모듈(10)이 공급되도록 제어가능하기 때문에, 연료 카트리지에 포함된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)은 추출부들(21a, 22a)을 향한 방향으로 분포된다. 또한, 다양한 위치에서 사용 및 진동이 있는 휴대용 전자장치에서, 연료전지 시스템은 우선적으로 적용될 수 있다.
게다가, 연료포함부(21)에 포함된 메탄올(CH3OH)양은 발전전지부(11)에서 전원공급동작에 따라 장시간 주기에 걸쳐 안정적으로 전기에너지의 발생을 유지하는 것이 가능하다. 반면에, 발전전지부(11)(이하에서 설명됨)에 발전동작(시스템 가동)의 초기상태에서, 물 포함부에 포함된 물(H2O)양은 소정의 젖은 상태(수증기 수화된 상태)에서 전해질 박막을 유지하는 필요의 최소량을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 관한 연료 카트리지(20)는 상술된 발전모듈(10) 에/부터 착식/탈식이 가능하도록 구성된다. 따라서, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에서, 연료 카트리지(20)는 분리적으로 관리되며, 그리고 통풍도 실행가능하다. 예를 들면, 발전모듈(10)은, 노트북(PC), PDA 등과 같은 전자장치의 주요 몸체에 내장되며, 그리고 상술된 발전전지부(11), 개질부(12), 물재생 제어부(13), 연료공급 제어부(14) 및 물공급 제어부(15)로 구성된다. 연료 카트리지(20)를 발전모듈(10)에 부착시킴으로서, 발전용 연료 및 물은 발전모듈(10)로 공급되고, 발전동작은 실행가능하게 된다. 소정의 전기에너지(구동에너지)는 전자장치 주몸체로 공급된다.
또한, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에서, 발전용 연료를 포함하는 연료 카트리지는 발전모듈에서 고갈되고 제거될 때, 발전용 연료 및 물이 포함된 물질을 재생 소정의 리사이클 수단을 통하여 또다시 재생되는 것을 가능하게 한다. 그러나, 재순환됨 없이 버려지거나 연료 카트리지가 재생된 후에 선반 상에 위치될 때, 중독 물질(염소 유기 화합물, 중금속 등)을 발생시키는 것과 같은 연료 카트리지는 환경 친화적인 물질로 제조되는 것이 바람직하기 때문에 환경에 영향을 끼치지 않는다.
게다가, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 사용된 발전용 연료에 관하여, 상술된 적어도 연료전지로 구성된 발전전지부는 전기에너지를 고에너지 전환효율로 발생시킬 수 있다. 또한, 발전용 연료를 포함하는 상술된 연료 카트리지가 오래 사용되지 않은 후에, 발전용 연료가 자연에 버려지거나 또는 적절하지 못하게 처리될 때조차도, 본래 남아있는 발전용 연료가 대기, 토지 및 물 또는 태워서 방출된 물질로 빠져나갈 때조차도, 본 발명에 사용된 연료는 자연 환경을 오염시키지 않는다. 특히, 예를 들면, 상술된 메탄올, 에탄올 및 부탄올(알코올)외에도 액체 연료에 기반을 둔 탄화수소는 만족스럽게 적용할 수 있다.
여기에서, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 적용가능한 발전용 연료에 관해서, 각 연료는 높은 휘발성 및 연소성을 지닌 수많은 물질을 포함한다. 그런한 관점 및 연료 카트리지를 통하여 침투하는 가스의 현상은, 예를 들면, 상대적으로 간단하고 일반적인 지식으로 가스 또는 증기 장벽 층 포함 방법을 충분히 제어 가능하게 적용될 수 있다. 그런 방법의 한 예는 증기증착 처리에 의해 형성된 알루미늄 층으로 밀봉된 내부 폴리에틸렌 테레프탈염산(PET) 컨테이너를 지닌 연료 카트리지이다.
게다가, 도 4A에서 도시된 바와 같이 바람직한 실시예에서, 연료 카트리지(20)의 모양이 직사각형의 몸체 모양을 갖는 연료 포함부(21) 및 원주 모양을 갖는 물 포함부(22)를 포함하는 일체화된 구성으로서 도시되었지만, 본 발명은 이것에 국한되지 않는다. 예를 들면, 도 4B에서 도시된 바와 같이, 연료 카트리지(20)는 연료 포함부(21) 및 물 포함부(22)가 사각형의 몸체 모양을 부합하게 가지고, 하나 의 특정외부면 상에 함께 부착된 일체화된 구성을 가질 수도 있다. 또한, 도 4C에서 도시된 바와 같이, 연료 카트리지(20)는 연료 포함부(21) 및 물 포함부(22)가 단면 반원 모양을 갖는 원주 몸체를 부합하게 구성하고 완전한 원주 모양을 형성하기 위해 각 평면측 상에 측면으로 함께 부착된 일체화된 구성을 가질 수도 있다.
<연료전지 시스템 동작의 설명>
다음으로, 상술된 구성을 갖는 연료전지 시스템의 발전동작을 설명한다.
바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에서의 발전동작에 관하여, 우선, 발전모듈(10)은 연료 카트리지(20)에 부착되어야 한다. 적당한 물(H2O)의 양은 물공급부(15)에 의한 물 포함부(22)에서 추출되어, 발전전지부(11)의 전해질 박막으로 공급된다. 따라서, 발전전지부(11)에서의 발전동작 이전에, 전해질 박막(이온 교환 박막)은 소정의 젖은 상태에서 유지된다.
그 후, 연료전지 시스템에 내장된 이것을 가진 전자 장치가 가동될 때, 개질부(12)는 필름 가열기(Ha, Hb)에 의해 소정의 온도로 빠르게 가열된다. 또한, 소정량의 발전용 연료(메탄올(CH3OH))는 연료공급 제어부(14)에 의한 연료 포함부(21)에서 추출되어, 개질부(12)(연료 기화기(12a), 연료 기화기(12e)를 통한 연소챔버(12d))로 공급된다. 한편, 적당한 물(H2O)의 양은 물공급제어부(15)에 의해 물 포함부(22)에서 추출되어, 개질부(12)(연료 기화기(12a), CO 제거기(12c))로 공급된다. 따라서, 소정의 스팀 개질 부로서, 개질부(12)에서의 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)을 사용함으로서 물 이동반응 및 선택적 산화반응은 촉진되고, 수소(H2)는 발전전지부(11)의 양극 전극(111)로 공급된다. 한편, 나머지 부산물이 있는 소량의 이산화탄소(CO2)는 시스템에서 외부로 방출된다(대기로 방출).
반면에, 발전전지부(11)의 전해질 박막(113)에서, 수소이온 운반체를 구성하고 있는 물 포함부(22)에서 차지된 물(H2O)은 전해질 박막(113) 층의 두께를 통하여 빠르게 침투하여 양극 전극(111) 측에서 음극 전극(112)으로 공급한다. 발전전지부(11)의 음극 전극(112)은 대기와 일정하게 이어지며, 양극 전극의 소정량의 수소가스(H2)을 공급하는 구조를 가지기 때문에 전자들이 양극 전극(111)과 음극 전극(1120간에서 흐를 때, 전기에너지는 상술된 전기 화학반응식(13) 및 (14)에 기초로 추출된다. 또한, 음극 전극에서, 물(H2O)은 부산물로서 생성된다. 이 물(H2O)은 물재생 제어부(13)에 의해 재생되고, 발전전지부(11) 및 개질부(12)의 전해질 박막으로 공급된다.
또한, 전해질 박막이 물재생 제어부(13)을 통하여 발전전지부(11)로 공급되는 물(H2O)에 의한 소정의 젖은 상태(즉, 재생된 물(H2O)이 발전전지부(11)로 공급되는 순환 사이클을 확립하는 상태)로 유지되는 것이 시작할 때, 발전전지부(11)에서 발전동작은 안정된 상태(전기에너지가 안정되게 출력되는 상태)로 전환한다. 이 상태에서, 발전전지부(11)의 물(H2O)공급 및 물공급 제어부(15)에 의한 연료 카트리지(20)부터의 개질부(12)는 끊기게 된다.
여기에서, 물재생부(13)에 의한 재생된 물(H2O)의 양이 상술된 화학식(13) 및 (14)에서 본 바와 같이, 개질부(12)에서 순차적인 화학반응에서 사용된 물의 양 이상 증가하기 때문에, 개질부(12)는 젖은 상태로 전해질 박막을 유지하기 위해 사용된 적당한 물의 양을 제외하고는 공급될 수 있다.
특히, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에서, 발전전지부(11)에 발전동작(시스템 가동)의 초기상태에서만 소정의 젖은 상태로 발전전지부(11)의 전해질 박막을 유지하는 최소량의 물이 필요하며, 그리고 연료 카트리지(20)(연료포함부(22))부터 공급된다. 발전동작이 안정된 상태로 전환된 후에, 연료 카트리지부터의 물공급은 정지되고, 발전전지부(11)에서 부산물로서 생성된 물은 소정의 젖은 상태로 유지하기 위해 순환된다. 그러므로, 물 포함부(22)에 포함된 물의 양은 발전전지부(11)의 발전동작 초기상태(시스템 가동)에서 소정의 젖은 상태로 전해질 박막을 유지하기에 필요한 최소량에 기초로 설정된다.
그러므로, 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템에 기초로, 발전전지부(연료전지몸체)에서 발전동작가동(시스템 가동)전에, 습기가 발전전지부에 공급될 수 있고 전해질 박막이 소정의 젖은 상태(수증기 수화된 상태)로 유지될 수 있기 때문에, 발전동작은 연료 카트리지로부터 추출된 발전용 연료를 개질시킴으로서, 그리고 발전전지부의 양극 전극으로 수소가스를 공급시킴으로서 빠르게 시작될 수 있다.
발전전지부에서의 발전동작 전 상태 및 발전동작 후 이때에 즉시 발전용 연 료(메탄올 등)로부터 별개로 연료카트리지에 포함된 물을 공급함으로서, 상술된 전해질 박막은 만족스럽게 젖은 상태로 유지된다. 발전동작이 안정된 상태로 전환된 후, 연료 카트리지부터 물의 공급은 중지되고, 발전동작은 발전동작에 이은 생성된 물을 재사용함으로서 연속될 수 있다.
따라서, 바람직한 실시예에 관한 연료전지에 적용되는 연료카트리지에 포함된 물은 소량으로도 효과적이기 때문에, 남아있는 수용량은 발전용 연료를 포함하기 위해 할당될 수 있다. 그러므로, 상술된 발전동작을 촉진하면서, 장시간 주기(연장된 배터리 수명)에 걸친 연속된 발전동작은 실현될 수 있다.
게다가, 연료 카트리지는 발전용 연료와 함께 물을 포함하고 발전모듈(또는 전자장치에 내장된 발전모듈)에 움직일 수 있는 부착가능한 구조를 가진다. 따라서, 발전용 연료의 잔량이 고갈되거나 또는 불충분하게 되어, 전자장치를 사용하게 될 때 대체되는 건전지 또는 배터리의 경우에서와 같이, 연료카트리지만 교환하면 된다(대체됨). 이 방식으로, 발전용 연료의 대체 및 물은 간단하게 실행될 수 있고 사용자의 손쉬운 에너지 공급 시스템은 실현될 수 있다.
또한, 발전동작이 종료되자마자 수증기 수화된 상태로 전해질 박막을 유지하는 것은 항상 바람직하다. 그러나 시스템(전자장치)이 활성화되지 않는 상태일 경우에서, 상대적으로 장시간기간 동안, 전해질 박막은 건조된다. 이것은 다음 시스템이 가동에 의한 발전동작의 조작을 생성하고 시스템은 정상적으로 실행되지 않는다. 그러므로, 상술된 구성에 따라서, 시스템은 전해질 박막의 젖은 상태를 감지하는 감지기를 포함하고, 전해질 박막이 감지결과에 기초로 소정의 젖은 상태로 항상 유지되도록 물공급 제어부에 의해 연료 카트리지로부터 물공급 상태를 제어하는 것이 가능하다. 이 방식으로, 전해질 박막은 발전동작 이전에 소정의 젖은 상태로 일정하게 유지되기 때문에, 연료전지 시스템(또는 전자 장치)은 빠르고 만족스럽게 활성화(가동)될 수 있다.
<제 2 바람직한 실시예 >
도 5는 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 2 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 블럭도이다. 여기에, 상술된 제 1 실시예와 동등한 구성에 관하여, 같거나 또는 동등한 명명법은 추가되고 설명은 간단하게 된다.
상술된 제 1 바람직한 실시예에 관하여, 발전전지부(11)는 음극 전극에 화학반응에 사용된 산소(O2)를 공급하는 구성으로서, 그리고 음극전극이 대기(공기)와 이어지는 구성으로서 설명된다. 또한, 연료 카트리지(20)는 각 추출부(21a, 22a)측부터 각 포함부(21, 22)에 포함되고 발전모듈(10)에 공급되는 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)을 추출하는 구성으로서 설명된다. 또한 수행 몸체(21b, 22b)는 각 포함부(21, 22)에 메탄올(CH3OH) 및 다른 끝단 측의 물(H2O)을 포함하는 구성으로서 설명된다. 게다가, 수행몸체(21b, 22b)는 대기압을 받는다. 개구부들(21c, 22c)은 대기(공기)와 이어지는 각 포함부(21, 22)의 반대 끝단측 상에 구비된다. 바람직한 제 2 실시예는 발전전지부(11)의 음극 전극 측, 및 연료 카트리지(20)의 각 포함부(21, 22)으로 공기(또는 산소)를 활동적으로 제공하는 구성을 가진다.
특히, 도 5에서 도시된 바와 같이 바람직한 제 2 실시예에 관한 연료전지 시 스템은 제 1 바람직한 실시예에 상술된 구조(도 1에 관함)에 첨가된다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 대기가 있고, 연료 포함부(21) 및 물 포함부(22)의 반대 끝단 측 상에 형성된 개구부(21c, 22c)에 연결된 카트리지 측 공급 통로를 통하여 소정의 대기압 공기를 공급하는 공기공급 제어부(16)(공기 공급제어부분)를 더 포함한다. 게다가, 소정의 흐름율의 공기(산소(O2))는 발전전지부(11)의 음극 전극측(공기 전극)에 연결된 전지측 공급 통로를 통하여 공급된다.
여기에서, 공기공급 제어부(16)는, 예를 들면, 공기 펌프, 흐름제어 밸브, 흐름 통로 전환밸브 등(또는 동등한 기능을 가진 메커니즘)을 포함하는 구성을 적용시킬 수 있다. 도 5에서 본 바와 같이, 즉, 연료전지 시스템을 포함하는 전자장치에서, 공기공급 제어부(16)는 발전모듈(10)로 구비될 수 있으며 발전모듈(10)의 외부로 구비될 수도 있다.
따라서, 충분한 산소는 발전전지부의 음극 전극에서 발전동작에 영향을 끼치는 순차적인 화학반응을 촉진시키기 위해 공급된다. 이 방식으로, 연료 카트리지의 각 포함부에 보간된 수행몸체가 압력을 받기 때문에, 발전용 연료뿐만 아니라 물도 발전모듈 측에 소정의 방출율로 추출될 수 있어, 발전전지부에서의 순차적 화학 반응 및 개질부는 촉진될 수 있다. 그러므로, 안전한 발전동작은 달성될 수 있고, 설치된 이 연료전지 시스템을 지닌 전자장치는 연료전지 시스템의 동작환경(대기압, 동작각도, 진동 등)에 상관없이 만족스럽게 구동될 수 있다.
<제 3 바람직한 실시예 >
도 6은 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 제 3 바람직한 실시예의 완전한 구성을 도시한 블럭도이다. 여기에, 상술된 제 1 또는 제 2 실시예와 동등한 구성에 관하여, 같거나 또는 동등한 명명법은 추가되고 설명은 간단하게 된다.
도 6에서 도시된 바와 같이, 상술된 제 2 바람직한 실시예에 도시된 구조(도 5에 관함)를 지닌 바람직한 제 3 실시예에 관한 연료전지 시스템은, 수소가스(H2), 물(H2O) 및 산소(O2)를 발전전지부(11)로 공급하는 모든 통로들에서; 또는 주요 통로 및 발전전지부(11) 또는 개질부(12)에서 생성된 부산물을 방출하는 통로(방출 통로)에서 스위칭 밸브(VL1~VL7)(개폐되는 부분통로)로 적어도 구비된다. 연료전지 시스템의 가동 상에서(발전동작의 가동), 각 전환 밸브(VL1~VL7)는 수소가스(H2) 및 물(H2O)의 대기, 산소(O2)의 공급 및 부산물의 방출통로와 이어질 수 "열린 상태"로 설정된다. 반면에, 연료전지 시스템의 정지 상에서(발전동작 정지), 전원전지 발생부의 수소가스(H2)의 대기, 물(H2O), 산소(O2)의 공급 및 부산물의 방출통로와 끊어지게 되는 "닫힌 상태"로 각 전환 밸브(VL1 ~ VL7)를 설정하기 위해 동작이 제어된다.
따라서, 적어도 연료전지 시스템의 정지에서(발전동작 정지), 각 전환 밸브들은 "닫힌 상태"로서 설정되고, 발전전지부와의 연결은 외부적으로 고립된다. 방출된 전해질이 수소가스, 물, 산소 등을 공급하는 통로를 통하여 기화되는(방출되는) 물 함유 및 부산물의 방출된 통로, 전해질 박막의 건조는 막아질 수 있고 소정 의 젖은 상태(물 함유)는 만족스럽게 유지될 수 있다.
그 결과로서, 제 3 실시예에 관한 연료전지 시스템에 기초로, 발전전지부의 전해질 박막이 소정의 젖은 상태로 설정되면, 이 전해질 박막의 물 함유는 시스템의 정지 상에서 만족스럽게 유지된다. 이 방식에서, 발전동작은 시스템의 정지 후 발전동작 가동 이전(시스템 가동)에 연료 카트리지(물 포함부)에서 발전전지부로 물함유를 공급없이 빠르고 만족스럽게 시작될 수 있다.
게다가, 시스템의 정지 상에서의 연료 카트리지의 물 포함부에서 물의 공급없이 전해질 박막의 젖은 상태는 만족스럽게 유지되기 때문에, 물 포함부에 포함된 물의 양은 감소될 수 있고, 밀봉된 그 부분의 수용량 및 연료 포함부내의 발전용 연료는 증가 될 수 있고, 장시간 주기에 걸친 연속된 발전동작은 실현될 수 있다.
또한, 시스템 가동 및 시스템 정지 상의 시점에서 전환 밸브의 개폐 제어를 실행함으로서, 각 상태에 부합하는 통로를 필요로 하는 발전용 연료, 수소가스 및 물은 흐를 수 있다. 그러므로, 연료전지 시스템의 내부의 각 통로에서 압력 변동이 있는 경우거나 또는 외부 압력 변동이 발생되는 경우조차도, 발전용 연료, 수소가스, 물, 산소 등의 누출(누수)는 제어될 수 있고 시스템 가동은 만족스럽게 달성될 수 있다.
최종으로, 제 3 바람직한 실시예에서, 도 6에 도시된 각 전환 밸브(VL1~VL7) 및 바람직한 실시예에 관한 연료전지 시스템의 구성, 적어도 시스템 정지(발전동작 정지)에 관하여, 발전전지부(11)의 전해질 박막의 건조를 제어하거나 막기 위한 통로로 형성된 예가 있다. 본 발명에 관한 연료전지 시스템은 이것에 국한되지 않는 것 은 명백하다.
본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 설명되는 동시에, 본 발명은 상세한 설명에 의해 국한되지 않고 추가된 청구항의 요점 내의 모든 실시예를 포함하는 것을 의미한다.

Claims (20)

  1. 연료 컨테이너(20)의 발전용 연료로 발전동작을 실행하는 연료전지(11);
    상기 연료 컨테이너(20)부터 추출되고, 상기 연료전지(11)가 상기 발전동작을 실행하기 전에 상기 연료전지(11)에 물을 공급하는 물공급 제어부(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물공급 제어부(15)는 상기 물을 상기 연료전지에 공급하고 상기 연료전지의 상기 발전동작 이전에 적어도 소정의 젖은 상태로 상기 연료전지의 전해질 박막을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지의 연료 전극으로 공급하는 수소를 발생시키기 위해 상기 연료 컨테이너(20)로부터 추출된 상기 발전용 연료를 개질시키는 개질부(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 물공급 제어부(15)는 상기 연료 컨테이너(20)에서 상기 개질부(12)로 추출된 상기 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 발전동작 이후에 발생된 상기 물을 재생하고 상기 연료전지에 적어도 상기 물을 공급하는 물재생 제어부(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물재생 제어부(13)는 상기 연료전지에서 상기 연료전지로 재생된 상기 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 물공급 제어부(16)는 상기 물재생 제어부(13)가 상기 물로 상기 연료전지를 공급하기 시작할 때마다 상기 연료전지에 상기 물의 공급을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 물공급 제어부는 상기 연료 컨테이너(20)에 제거될 수 있고 부착가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 컨테이너(20)는 상기 발전용 연료를 포함하는 연료 포함부(21) 및 상기 물을 포함하는 물 포함부(22)를 가지며;
    상기 연료 포함부(21)는 상기 발전용 연료를 추출하는 연료배출구(21a), 및 가스가 상기 연료 포함부(21)내의 상기 연료배출구(21a)로 향한 방향으로 상기 발전용 연료가 분포되기 위해 흐르는 개구부(21c)로 형성되며; 그리고
    상기 물 포함부(22)는 상기 물을 추출하는 물 배출구(22a) 및 가스가 상기 물 포함부(22)내의 상기 물 배출구(22a)로 향한 방향으로 상기 물이 분포되기 위해 흐르는 개구부(22c)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 컨테이너(20)는 상기 발전용 연료 바로 뒤에 수행몸체(21b)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 발전용 연료 및 연료전지(11)로 공급되는 물을 개별적으로 포함하는 연료 컨테이너(20)부터의 물이 있는 물공급 처리단계; 및
    상기 물공급 처리 후 상기 연료전지를 발생시키는 발전처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 구동방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발전처리 전에 상기 연료전지를 발생시키는 수소를 발생시키기 위한 상 기 발전용 연료를 개질하는 개질 처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 구동방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 발전처리에서 상기 연료전지로 발생된 상기 물이 물재생 제어부에 의해 재생되고, 상기 연료전지의 전해질 박막으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 구동방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 전해질 박막이 젖어 있을 때, 상기 물공급에서 상기 연료전지까지 상기 물의 공급이 차단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 구동방법.
  15. 발전동작을 실행하는 연료전지의 연료를 구비한 연료 컨테이너는;
    발전용 연료를 포함하는 연료 포함부(21);
    상기 연료전지에서 적어도 상기 발전동작 이전에 소정의 젖은 상태로 전해질 박막을 유지하기 위해 사용된 물을 포함하는 물 포함부(22)를 포함하는 것을 특징으로하는 연료 컨테이너.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 물 포함부(22)는 상기 연료전지에서 상기 발전동작을 위해 사용된 수소를 발생시키는 개질 반응에 대해 사용된 물의 양을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 포함부(21)는 상기 발전용 연료를 추출하는 연료배출구(21a), 및 가스가 상기 연료 포함부(21)내의 상기 연료배출구(21a)로 향한 방향으로 상기 발전용 연료가 분포되기 위해 흐르는 개구부(21c)로 형성되며; 그리고
    상기 물 포함부(22)는 상기 물을 추출하는 물 배출구(22a) 및 가스가 물 포함부(22)내의 상기 물 배출구(22a)로 향한 방향으로 상기 물이 분포되기 위해 흐르는 개구부(22c)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 발전용 연료 및 상기 물은 상기 연료 포함부(21) 및 상기 물 포함부(22)로 형성된 각각의 상기 개구부들(21c, 22c)을 통하여 흐르는 대기압에 의한 각각의 상기 배출구들(21a, 22a)로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 포함부(21)는 상기 발전용 연료 바로 뒤에 수행몸체(21b)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 물 포함부(22)는 상기 물 바로 뒤에 수행몸체(22b)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
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