KR100898693B1

KR100898693B1 - 연료 전지

Info

Publication number: KR100898693B1
Application number: KR1020070097036A
Authority: KR
Inventors: 홍명자
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-05-22
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: US20090081506A1; KR20090031160A

Abstract

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전이 완료된 후에 케이스에 형성된 공기유입구를 차폐하여 외부로부터 전기생성유닛으로 공기가 공급되지 않도록 함으로써 전기 생성 유닛의 성능을 유지할 수 있도록 하며, 취급과 보관이 용이한 연료 전지에 관한 것이다.

본 발명의 연료전지는 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부 및 캐소드부가 배치되어 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기생성유닛을 포함하는 연료전지 본체와, 상기 연료전지 본체로 공급되는 공기가 통과하는 공기홀이 형성되며, 상기 캐소드부가 상기 공기홀에 대향하도록 상기 연료전지 본체가 내장되는 케이스 및 상기 케이스의 공기홀을 차폐하는 차폐수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

연료전지, 세미 패시브형, 케이스, 공기차단

Description

연료 전지 {FUEL CELL}

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템과 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.

일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다.

이에 비하여 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.

이러한 DMFC 시스템에 있어서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: 이하 "MEA"라 한다)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위셀이 한 개 또는 한 개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 각 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다.

이러한 DMFC 시스템은 단위셀의 배치구조와 공기의 공급방식에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 그 중에 하나의 형태가 여러 개의 단위셀들이 평면적으로 배치되는 모노폴라(monopolar) 타입이다. 이러한 모노폴라 타입의 연료 전지는 여러 개의 단위셀이 평면적으로 배치되어 캐소드 전극이 공기 중에 노출되며, 공기가 자 연 확산 또는 대류 작용에 의해 각의 단위셀의 캐소드로 공급되는 구조로서 이루어진다. 이러한 모노폴라 타입은 공기를 공급하는데 펌프를 사용하지 않으므로 패시브 또는 세미패시브형으로 불리기도 한다.

상기 모노폴라 타입의 연료 전지는 연료 전지의 케이스에 형성되는 공기공급구를 통해 자연 대류 방식에 의하여 공급되는 공기를 사용하게 된다.

한편, 연료 전지는 운전이 완료된 후에 스택으로 공급되는 공기가 차단되어야 한다. 만약, 연료 전지의 운전이 완료된 후에도 스택으로 공기가 공급되면, 스택 내부의 습도가 감소하게 되어 스택의 성능이 저하되며, 공기의 지속적인 공급에 의한 스택 내부에서의 불필요한 반응이 진행되는 문제가 발생된다. 액티브형 연료 전지는 공기를 공기 펌프 또는 블로워를 통하여 공급하게 되므로 공기 펌프 또는 블로워의 작동을 중지시켜 공기가 스택으로 공급되지 않도록 할 수 있으나, 패시브형 또는 세미 패시브형 연료전지는 자연 대류 방식에 의하여 공기를 공급하게 되므로 공기의 공급을 강제로 중단하는 것이 어렵게 된다.

따라서, 종래의 연료 전지는 운전이 종료된 후에 스택을 연료 전지로부터 분리하여 밀봉하여 보관하고 재사용시 연료 전지로 다시 장착하여야 하는 번거로움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 운전이 완료된 후에 케이스에 형성된 공기유입구를 차폐하여 외부로부터 전기생성유닛으로 공기가 공급되지 않도록 함으로써 전기 생성 유닛의 성능을 유지할 수 있도록 하며, 취급과 보관이 용이한 연료 전지를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지는 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부 및 캐소드부가 배치되어 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기생성유닛을 포함하는 연료전지 본체와, 상기 연료전지 본체로 공급되는 공기가 통과하는 공기홀이 형성되며, 상기 캐소드부가 상기 공기홀에 대향하도록 상기 연료전지 본체가 내장되는 케이스 및 상기 케이스의 공기홀을 차폐하는 차폐수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 연료전지본체는 제1면과 제2면을 구비하며, 상기 전기생성유닛은 상기 케이스의 장측변 방향으로 상기 제1면과 제2면에 각각 배치되고, 상기 케이스는 상기 연료전지본체의 제1면을 감싸도록 배치되는 제1케이스와 상기 연료전지본체의 제2면을 감싸도록 배치되는 제2케이스를 포함하며, 상기 차폐수단은 상기 제1케이스와 제2케이스에 각각 형성될 수 있다. 이때, 상기 공기홀은 상기 케이스의 영역에서 상기 전기생성유닛이 배치되는 영역에 대응되는 영역에 다수 개로 형성되며, 상기 케이스의 장측변 방향에 대하여 적어도 상기 공기홀의 지름 또는 폭에 대응되는 배치간격으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 차폐수단은 판상으로 형성되어 적어도 상기 공기홀의 배치간격으로 형성되는 차폐홀을 구비하는 차폐판과, 상기 차폐판의 상부와 하부에 형성되는 지지블록과, 상기 지지블록에 결합되어 상기 차폐판을 상기 케이스 의 내측면에 이동 가능하게 지지하는 지지바와, 상기 지지블록에 결합되어 지지바를 따라 상기 차폐판을 이동시키는 이동바를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 차폐판은 각각 상기 제1면과 제2면과 대향하는 제1케이스와 제2케이스의 내측면에 지지되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 차폐판은 상기 전기생성유닛의 수량에 대응되는 수량으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 지지블록은 상기 지지바가 삽입되는 결합홀을 구비하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 케이스는 상판에 상판홀이 형성되며, 상기 이동바는 일측에서 상부로 돌출되는 블록형상으로 형성되어 상기 상판홀을 통하여 상면으로 돌출되는 작동바를 더 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 상판홀은 상기 작동바의 폭과 상기 공기홀의 직경의 합에 상응하는 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 상판홀은 상기 공기홀이 차폐수단에 의하여 차폐될 때 작동바가 일측에 접촉되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 작동바는 적어도 일측에 형성되는 작동단자를 구비하며, 상기 케이스는 상기 상판홀의 적어도 일측에 케이스단자를 구비하여 상기 작동바가 상판홀의 일측에 접촉되었을 때 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 이동바는 상기 공기홀이 상기 차폐수단에 의하여 차폐되었을 때 상기 케이스의 일측 내면에 접촉되도록 일측으로 연장되는 연장부가 형성되며, 상기 연장부에 연결되어 상기 이동바를 일측과 타측 방향으로 이동시키는 이동수단을 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 이동바의 연장부에는 종동기어가 형성되며, 상기 이 동수단은 작동모터와 상기 작동모터에 연결되는 모터축 및 상기 모터 축의 단부에 형성되어 종동기어를 구동하는 구동기어를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 연장부는 끝단에 작동단자가 구비되며, 상기 케이스는 상기 연장부의 끝단과 접촉되는 영역에 형성되는 케이스단자를 구비하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 연료전지본체는 상기 전기생성유닛이 결합되는 다수의 단위영역을 포함하는 중간판을 구비하며, 상기 전기생성유닛은 상기 단위영역에 밀착되어 형성되며 연료유로가 형성되는 애노드부와, 상기 애노드부에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리 및 공기를 유통시키기 위한 공기유로가 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 캐소드부를 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 중간판은 내부의 하측에 형성되어 미반응 연료가 공급되는 공급통로와 상부에 형성되어 반응연료가 외부로 배출되는 배출통로를 포함하며, 상기 단위영역은 상기 전기생성유닛이 결합되는 결합홈과 상기 결합홈의 내부에서 하부에 형성되어 상기 공급통로와 연결되는 유입구와 상부에 형성되어 상기 배출통로와 연결되는 유출구를 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 애노드부는 전기전도성을 갖는 금속판으로 형성되어 상기 단위영역에 결합되며 상기 유입구 및 유출구와 연결되는 연료유로가 구비되는 애노드집전판과, 상기 애노드집전판으로부터 상부 또는 하부로 연장되어 형성되는 애노드전극단자를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료유로는 다수의 경로가 임의의 간격을 두고 서로 평행하게 배치되며, 전체적으로 사행(meander)의 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 캐소드부는 전기전도성을 갖는 금속판으로 형성되며 다수의 공기유로가 구비되는 캐소드집전판과 상기 캐소드집전판으로부터 상부 또는 하부로 연장되어 형성되는 캐소드전극단자를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 공기유로는 다수의 구멍으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 연료전지본체는 판상으로 형성되며, 상기 전기생성 유닛이 형성되는 영역에 대응되는 영역에서 형성되는 개구부와 상기 개구부의 상부 또는 하부에 홈 형상으로 형성되어 애노드전극단자 또는 캐소드 전극단자가 결합되는 단자홈을 구비하는 지지판을 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 연료전지는 상기 연료전지본체에 연료를 공급하는 연료펌프와 상기 연료펌프에 연결되며 연료를 저장하는 연료탱크를 더 포함하여 형성될 수 있다.

본 발명의 연료전지에 따르면 연료전지의 운전이 완료된 후에 케이스에 형성된 공기유입구를 차폐하여 외부로부터 전기생성유닛으로 공기가 공급되지 않도록 함으로써 전기생성유닛에서 추가적인 반응이 진행되지 않도록 하여 전기 생성 유닛의 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 전기생성유닛이 외부와 차단되어 외부로 습기가 유출되는 것을 방지하여 막-전극어셈블리가 건조되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 연료전지가 운전의 종료 후에 별도로 밀폐된 상태 로 보관할 필요가 없으므로 취급과 보관이 용이하게 되는 효과가 있다.

이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1의 연료전지를 구성하는 연료전지 본체와 케이스의 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 A에 대한 상세 단면도이다. 도 4는 도 2의 연료전지 본체가 내장된 케이스의 사시도이다. 도 5는 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 중간판의 정면도이다. 도 6은 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 애노드의 정면도이다. 도 7은 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 캐소드의 정면도이다. 도 8은 도 2의 케이스와 차폐수단에 대한 정면도이다. 도 9는 도 8에서 B-B단면도이다. 도 10은 도 8의 C에 대한 확대 상세도이다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지(100)는, 도 1 내지 도 10을 참조하면, 연료전지 본체(110)와 케이스(140) 및 차폐수단(150)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지(100)는 연료전지 본체(110)에 연료를 공급하는 연료탱크(180)와 연료펌프(190)를 더 포함하여 형성될 수 있다.

상기 연료전지(100)는 케이블을 통해 소정의 전자기기와 연결되거나 전자기기에 일체로서 장착되며, 연료와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 발생되는 전기 에너지를 전자기기로 출력시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

상기 연료전지(100)는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 연료와 공기를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(1Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성될 수 있다.

상기 연료전지(100)는 연료탱크(180)와 연료펌프(190)에 의해 연료를 공급받고, 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 모노폴라 플레이트 타입으로 이루어진다. 또한, 상기 연료전지(100)는 대기중의 공기를 자연확산 또는 대류작용에 의해 공급하게되므로 패시브 타입 또는 세미 패시브타입으로 이루어진다. 상기 세미패시브 타입의 연료전지는 연료펌프에 의하여 연료가 공급되며, 패시브타입의 연료전지는 별도의 연료펌프가 구비되지 않으며 애노드전극에 연료를 접촉시켜 공급하게 된다. 이하에서는 먼저 세미패시브 타입의 연료전지를 중심으로 설명한다.

상기 연료전지 본체(110)는 중간판(120)과 중간판(120)을 중심에 두고 양측에 서로 대응하게 형성되는 복수의 전기생성유닛(130)들을 포함하여 형성된다. 상기 연료전지 본체(110)는 외부로부터 공급되는 연료와 공기에 의하여 전기생성 유닛에서 전기 에너지 생성 반응이 진행된다.

상기 중간판(120)은 복수의 단위영역(121)과 매니폴드(122)와 연료통로(123)를 포함하여 형성된다. 상기 중간판(120)은 전기가 통하지 않는 절연성을 갖는 재질에 의하여 대략 판상으로 형성된다. 상기 중간판(120)은 전기생성유닛(130)의 수 에 따라 그 형상이 결정되며, 장변 방향의 길이가 단변 방향의 길이 보다 긴 대략 직사각형의 형상으로 이루어진다. 상기 중간판(120)은 제1면(120a)과 제2면(120b)을 구비하며, 제1면(120a)과 제2면(120b)에 배치되는 전기생성유닛(130)을 지지하면서 전기적으로 분리시키는 이른바 세퍼레이터로서의 기능을 동시에 하게 된다. 또한, 상기 중간판(120)은 제1면(120a)과 제2면(120b)에 배치되는 전기생성유닛(130)에 연료를 공급하는 기능을 하게 된다.

상기 단위영역(121)은 중간판(120)의 장변방향을 따라 양면에 일정 간격으로 구획되어 형성되며, 중간판(120)의 표면에 홈 형상의 결합홈(121a)으로 형성된다. 상기 단위영역(121)은 전기생성유닛(30)의 면적에 상응하는 면적으로 형성되어 결합홈(121a)에 전기생성유닛(130)이 결합된다. 따라서, 상기 단위영역(121)은 전기생성유닛(130)으로 공급되는 연료와 공기의 반응에 의하여 실질적으로 반응이 일어나는 활성영역으로 형성된다. 상기 단위영역(121)은 결합홈(121a)의 주위 영역에 돌출되는 돌출부(121b)에 의하여 다른 단위영역들과 구분되어 형성된다.

상기 결합홈(121a)은 중간판(120)의 양면으로부터 소정 깊이로 형성되며, 바람직하게는 결합홈(121a)의 상면에 배치되는 전기생성유닛(130)의 애노드부의 높이에 상응하는 깊이로 형성된다. 또한, 상기 결합홈(121a)은 단자홈(121c)이 중간판(120)의 상부 또는 하부에 형성된다.

상기 매니폴드(122)는 단위영역(121)의 결합홈(121a)내에 형성되며, 미반응 연료가 공급되는 유입구(122a)와 반응 연료가 배출되는 배출구(122b)를 포함하여 형성된다. 상기 유입구(122a)와 유출구(122b)는 단위영역(121)내로 공급되는 연료 가 전기생성유닛(130)에 전체적으로 공급될 수 있도록 서로 이격되어 위치된다. 상기 유입구(122a)와 유출구(122b)는 바람직하게는 결합홈(121a)내에서 서로 대각선 방향으로 위치하도록 형성된다.

상기 유입구(122a)는 바람직하게는 연료전지(100)가 실제로 사용되는 조건에서 결합홈(121a)의 하부에 위치하게 되며, 유출구(122b)는 결합홈(121a)의 상부에 위치하게 된다. 따라서, 상기 유입구(122a)로 유입되는 미반응 연료는 전기생성유닛(130)을 전체적으로 통과하면서 반응한 후에 유출구(122b)를 통하여 배출되므로 연료의 사용효율을 증가시키게 된다.

상기 연료통로(123)는 중간판(120)의 하부에 형성되는 공급통로(123a)와 상부에 형성되는 배출통로(123b)를 포함하며, 각각 단위영역(121)의 상부와 하부를 따라 형성된다. 상기 연료통로(123)는 연료통로(123)의 절반 부분에 상응하는 홈이 형성된 두 개의 독립된 판상이 중간판(120)으로 결합되면서 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료통로(123)는 일체로 형성된 중간판(120)의 각 측면으로부터 내부로 홈을 가공하여 형성할 수 있다. 따라서, 상기 연료통로(123)는 상기와 같은 방법 외에도 다양한 방법으로 중간판(120)의 내부에 형성될 수 있음은 물론이다. 상기 연료통로(123)는 외부의 연료펌프로부터 공급되는 연료를 각 단위영역(121)의 결합홈(121a)으로 공급하며, 전기생성유닛(130)을 통과한 연료를 외부로 배출하게 된다.

상기 공급통로(123a)는 타측이 중간판(120)의 타측면으로 개방되어 공급구(123c)가 형성되며, 일측이 폐쇄되도록 형성된다. 상기 공급통로(123a)는 단위영 역(121)의 하부에 형성되는 유입구(122a)들과 전체적으로 연결되도록 형성된다. 따라서, 상기 공급통로(123a)는 외부로부터 공급되는 미반응 연료를 유입구(122a)를 통하여 결합홈(121a)의 하부로 순차적으로 공급하게 된다.

상기 배출통로(123b)는 일측이 중간판(120)의 일측면으로 개방되어 배출구(123d)가 형성되며, 타측이 폐쇄되도록 형성된다. 상기 배출통로(123b)는 단위영역(121)의 상부에 형성되는 유출구(122b)와 전체적으로 연결되도록 형성된다. 따라서, 상기 공급통로(123b)는 결합홈(121a)에 공급되었던 반응 연료를 유출구(122b)틀 통하여 순차적으로 배출하도록 하게 된다.

상기 전기생성유닛(130)은 중간판 양면(120a, 120b)의 각 단위영역(121)에 배치되는 애노드부(131)와 애노드부(131)에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)(135)와 MEA(135)에 각각 밀착되게 배치되는 캐소드부(137)를 포함하여 구성된다. 상기 전기생성유닛(130)은 공급되는 연료와 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위셀로서 구비된다.

상기 애노드부(131)는 애노드집전판(131a)과 애노드전극단자(131b)를 포함하여 형성된다. 상기 애노드부(131)는 공급되는 미반응 연료가 결합홈(121a)의 내부에서 전체적으로 흐를 수 있도록 가이드 역할을 하게 된다. 즉, 상기 애노드부(131)는 결합홈(121a)내에서 미반응 연료가 MEA(135)의 제1전극층(135a)으로 분산 공급시키는 기능을 하게 된다 또한, 상기 애노드부(131)는 제1전극층(135a)에 의해 연료에 함유된 수소로부터 분리된 전자를 이웃하는 전기 생성 유닛(130)의 캐소드부(137)로 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 된다.

상기 애노드집전판(131a)은 전기 전도성을 지닌 금속 플레이트 형태로 이루어지며, 연료를 유통시키기 위한 연료유로(132)를 구비하여 형성된다. 상기 애노드집전판(131a)은 MEA(135)의 제1 전극층(135a)과 상호 밀착되는 것으로서, 중간판(120)의 양측면에서 단위 영역(121)의 결합홈(121a)에 결합되어 장착된다.

상기 연료유로(132)는 애노드집전판(131a)의 플레이트를 관통하는 구멍으로서 형성되며, 유입구(122a)와 유출구(122b)를 연결하는 복수의 경로로서 형성된다. 상기 연료유로(132)는 다수의 경로가 임의의 간격을 두고 서로 평행하게 배치되며, 전체적으로 사행(蛇行: meander)의 형상으로 형성된다. 다만, 상기 연료유로(132)는 전체적으로 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 상기 연료유로(132)는 중간판(120)의 공급통로(123a)와 유입구(122a)를 통하여 공급되는 연료를 MEA(135)의 제1 전극층(135a)으로 유통시키게된다.

상기 애노드전극단자(131b)는 애노드집전판(131a)과 일체로 형성되며, 중간판(120)의 단자홈(121c)에 삽입되어 지지되면서 중간판(120)의 상부측면 또는 하부 측면방향으로 돌출되도록 형성된다. 상기 애노드전극단자(131b)는 별도의 연결단자(도면에 도시하지 않음)에 의하여 캐소드전극단자(137b)와 전기적으로 연결된다.

상기 MEA(135)는 일면에 제1전극층(135a)이 형성되고, 다른 일면에 제2전극층(135b)이 형성되며, 제1전극층(135a)과 제2전극층(135b) 사이에 전해질막(135c)을 형성하는 통상적인 MEA로서 구비된다. 상기 제1전극층(135a)은 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키는 애노드전극층으로 형성될 수 있으며, 전해질막(135c)은 수소 이온을 제2전극층(135b)으로 이동시키고, 제2전극층(135b)은 제1전극층(135a)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 캐소드전극층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 MEA(135)는 애노드부(131), 및 캐소드부(137)에 상응하는 크기로서 형성되며, 이의 가장자리 부분에 통상적인 가스켓(도면에 도시되지 않음)을 구비할 수도 있다. 상기 MEA(135)는 제1전극층(135a)이 애노드부(131)에 밀착되도록 중간판의 단위영역(121)에 배치된다. 상기 MEA(135)는 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 일반적인 구조로 형성될 수 있으며 여기서 상세한 설명은 생략한다.

상기 캐소드부(137)는 캐소드집전판(137a)과 캐소드전극단자(137b)를 포함하여 형성된다. 상기 캐소드부(137)는 MEA(135)의 제2전극층(135b)과 상호 밀착되게 배치되며, 공기의 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 유통시켜, MEA(135)로 분산 공급하게된다. 상기 캐소드부(137)는 애노드부(131) 또는 MEA(135)에 상응하는 크기로서 형성된다. 또한, 상기 캐소드부(137)는 중간판(120)의 동일 면에서 서로 이웃하는 전기생성유닛(130)의 애노드부(131)와 전기적으로 연결되어 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 된다.

상기 캐소드집전판(137a)은 전기 전도성을 지닌 금속 플레이트 형태의 이루어지며, 공기를 유통시키기 위한 공기유로(138)를 구비하여 형성된다. 상기 캐소드집전판(137a)은 전기전도성이 우수한 금, 은, 구리와 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 일반 금속의 표면에 전기전도성이 우수한 금, 은, 구리와 같은 금속이 도금 되어 형성될 수 있다.

상기 공기유로(138)는 공기의 효과적인 분산 공급과 캐소드집전판의 강도유지를 위하여 캐소드집전판(137a)의 플레이트를 관통하는 원형 또는 다각형 형상의 홀로 형성된다.

상기 캐소드전극단자(137b)는 캐소드집전판(137a)과 일체로서 형성되며, 중간판(120)의 단자홈(121c)에 삽입되면서 중간판(120)의 상부측면 또는 하부 측면방향으로 돌출되도록 형성된다. 상기 캐소드전극단자(137b)는 별도의 연결단자에 의하여 애노드전극단자(131b)와 전기적으로 연결된다.

상기 지지판(139)은 판상으로 형성되며, 캐소드부(137)와 접촉되면서 전기생성 유닛(130)을 중간판(120)측으로 밀착시키게 된다. 상기 지지판(138)은 개구부(139a)와 단자홈(139b)을 포함하여 형성된다. 상기 개구부(139a)는 전기생성 유닛(130)이 형성되는 영역에 대응되는 영역에서 형성되며, 캐소드집전판(173a)에서 공기유로(138)가 형성되는 영역의 면적에 상응하는 면적을 갖도록 형성된다. 상기 단자홈(139b)은 애노드전극단자(131b)와 캐소드 전극단자(137b)의 폭에 상응하는 크기로 형성되며, 애노드전극단자(131b)와 캐소드 전극단자(137b)가 결합된다.

상기 케이스(140)는 제1케이스(140a)와 제2케이스(140b)를 포함하며, 대략 박스 형상으로 형성된다. 또한, 상기 케이스(140)는 공기홀(143a, 143b)과 지지돌기(144a)를 포함하여 형성된다. 상기 케이스(140)는 연료전지 본체(110)를 내부에 수용하게된다. 또한, 상기 케이스(140)는 이하에서 설명하는 차폐수단(150)의 작동 바(162a, 162b)가 삽입되어 이동하는 상판홀(145a, 145b)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스(140)는 중간판(120)과 전기생성유닛(130)의 밀착을 위하여 연료전지 본체(110)와의 사이에 별도의 밀착부재(도면에 도시하지 않음)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 도 8은 케이스(140)를 구성하는 제1케이스(140a)를 중심으로 도시하였지만, 제2케이스(140b)도 동일하게 형성되고 있음은 물론이다. 따라서, 도 8에서 도면부호에 'a'가 부가되어 있는 구성요소의 일부가 비록 도 8에 대응되는 제2케이스(140b)에 대한 정면도가 도시되지 않았지만 제2케이스(140b)에도 동일하게 형성되는 구성요소이다.

상기 제1케이스(140a)는 각각 내부가 중공이며 일측 또는 타측이 개방된 박스 형상으로 형성된다. 상기 제1케이스(140a)는 제2케이스(140b)와 상호 결착되어 내부에 공간을 형성하며, 연료전지 본체(110)와 차폐수단(150)을 수용하게 된다. 이때, 상기 제1케이스(140a)는 가장 넓은 면인 제1평판(141a)이 내부에 수용되는 연료전지 본체(110)에 대향하게 된다. 또한, 상기 케이스(140)는 연료전지 본체(110)의 상부에 차폐수단(150)이 장착되므로 연료전지 본체(110)와 차폐수단(150)이 수용될 수 있는 공간이 내부에 형성된다.

상기 공기홀(143a)은 제1케이스(140a)에서 연료전지 본체(110)와 대향하는 면인 제1평판(141a)에 형성된다. 상기 공기홀(143a)은 내부에 연료전지 본체(110)가 수용될 때 제1평판(141a)에서 전기생성유닛(130)이 위치하는 영역에 대응되는 영역에 형성된다. 상기 공기홀(143a)은 대기중의 공기가 내부로 유입되어 전기생성유닛(130)으로 공급될 수 있도록 한다. 상기 공기홀(143a)은 제1평판(141a)을 관통 하여 형성되며, 원형, 사각형 또는 육각형과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 공기홀(143a)은 복수 개로 형성되며, 각 공기홀(143a)은 서로 이격되어 형성된다. 특히, 상기 공기홀(143a)은 원형의 지름 또는 사각형의 폭보다 큰 거리로 이격되어 형성된다. 따라서, 상기 공기홀(143a)은 이하에서 설명되는 차폐수단(150)에 의하여 일시적으로 차폐될 수 있게 된다.

상기 지지돌기(144a)는 제1평판(141a)에서 공기홀(143a)이 형성된 영역을 제외한 영역에서 수직 방향으로 돌출되는 바 또는 반구 형상으로 형성된다. 또한, 상기 지지돌기(144a)는 케이스(140)와 연료전지 본체(110)사이의 거리에 상응하는 높이로 형성된다. 상기 지지돌기(144a)는 연료전지 본체(110)를 지지하는데 필요한 적정한 수로 형성되어 연료전지 본체(110)를 지지하게 된다. 보다 상세하게는 상기 지지돌기(144a, 144b)는 중간판(120)의 결합홈(121a) 주위에 형성되는 돌출부(121b)에 접촉되어 연료전지 본체(110)를 지지하게 된다.

상기 상판홀(145a)은 제1케이스(140a)의 상판(142a)에서 작동바(162a)가 형성되는 영역에 대응되는 영역에 형성된다. 상기 상판홀(145a)은 작동바(162a)의 이동거리에 상응하는 폭으로 형성된다. 따라서, 상기 상판홀(145a)은 작동바(162a)의 이동거리를 제한하여 이하에서 설명하는 바와 같이 공기홀(143a)이 완전히 개방되는 위치와 차폐수단(150)에 의하여 완전히 차폐되는 위치를 한정하게 된다.

상기 차폐수단(150)은 차폐판(151a)과 지지블록(153a)과 지지바(157a)와 이동바(160a)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 차폐수단(150)은 작동바(162a)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 차폐수단(150)은 차폐판(151a)을 이동시켜 연료전지가 작동하지 않은 동안에 케이스(140)에 형성되어 있는 공기홀(143a)을 차폐하게 된다. 상기에서도 언급한 바와 같이 도 8에서 도면부호에 'a'가 부가되어 있는 차폐수단(150)의 구성요소는 비록 도 8에 대응되는 제2케이스(140b)에 대한 정면도가 도시되지 않았지만 제2케이스(140b)에서도 동일하게 형성되는 구성요소이다.

상기 차폐판(151a)은 대략 판상으로 형성되며, 단위영역에 대응하는 형상으로 형성된다. 따라서, 상기 차폐판(151a)은 연료전지 본체(110)의 일면에 형성되는 전기생성유닛(130)에 대응되는 수와 형상으로 형성되며, 전기생성유닛(130)의 형성간격으로 배치된다. 또한, 상기 차폐판(151a)은 제1케이스(140a)의 내측면에서 지지블록(153a)에 의하여 이동 가능하게 지지된다. 상기 차폐판(151a)은 케이스(140)에 형성되는 공기홀(143a)에 대응되는 형상과 간격으로 다수의 차폐홀(152a)이 형성된다. 따라서, 상기 차폐판(151a)은 공기홀(143a)의 지름 또는 폭에 상응하는 거리만큼 이동되면서 공기홀(143a)을 완전하게 개방하거나 차폐하게 된다.

상기 지지블록(153a)은 사각기둥, 반원기둥과 같은 형상의 블록으로 형성되며 차폐판(151a)의 상단과 하단에 각각 결합된다. 상기 지지블록(153a)은 이동방향 즉. 제1케이스(140a)의 장측변 방향으로 형성되는 결합홀(155a)이 형성되며, 결합홀(155a)에 지지바(157a)가 삽입된다. 또한, 상기 지지블록(153a)은 제1케이스(140)의 내측면에 지지된다. 따라서, 상기 지지블록(153a)은 차폐판(151a)이 제1평판(141a)의 내면에 밀착된 상태에서 이동될 수 있도록 지지바(157a)에 이동 가능하게 결합된다.

상기 지지바(157a)는 사각 바 또는 원형 바와 같이 바 형상으로 형성되며, 제1케이스(140a)의 내측면에서 상부와 하부에 장측변 방향으로 배치되어 결합된다. 상기 지지바(157a)는 제1케이스(140a)의 좌측면과 우측면에 각각 지지되어 결합될 수 있다. 또한, 상기 지지바(157a)는 지지블록(153a)의 형상과 결합홀(155a)의 위치 및 결합 방식에 따라 제1평판(141a)의 내면에 밀착되거나, 제1평판(141a)의 내면에서 이격되어 결합될 수 있다. 상기 지지바(157a)는 지지블록(153a)의 결합홀(155a)에 삽입되어 지지블록(153a)이 제1케이스(140a)의 장측변 방향으로 이동할 수 있도록 지지하게 된다.

상기 이동바(160a)는 사각 바 또는 원형 바와 같은 바 형상으로 형성되며, 다수의 차폐판(151a)의 상부에 결합된 지지블록(153a)과 전체적으로 결합된다. 상기 이동바(160a)는 다수의 차폐판(151a)을 동시에 이동시키게 된다.

상기 작동바(162a)는 블록형상으로 형성되며, 제1케이스(140a) 상판(142a)의 상판홀(145a)을 통하여 제1케이스(140)의 외부로 돌출되도록 이동바(160a)의 일측(도 8을 기준으로 제1케이스의 우측)에 결합되어 형성된다. 상기 작동바(162a)는 연료전지를 사용하는 사람이 손가락으로 움직이는 것이 가능한 정도의 높이로 케이스(140)의 상면으로부터 돌출되도록 형성된다. 상기 작동바(162a)는 이동바(160a)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 작동바(162a)는 상판홀(145a)의 폭에서 공기홀(143a)의 지름 또는 폭에 해당하는 길이를 제외한 길이에 해당하는 폭으로 형성된다. 또한, 상기 작동바(162a)는 공기홀(143a)이 차폐되었을 때 상판홀(145a)의 일측 내면에 접촉될 수 있도록 이동바(160a)에 결합된다. 따라서, 상기 작동 바(162a)가 일측에 위치할 때 차폐판(151a)은 공기홀(143a)을 완전하게 차폐하게 된다. 또한, 상기 작동바(162a)가 좌측에 위치할 때, 차폐판(151a)은 차폐홀(152a)이 공기홀(143a)과 일치하게 되어 공기홀(143a)을 개방하게 된다. 특히, 상기 작동바(162a)는 상판홀(145a)의 폭에 의하여 공기홀(143a)을 완전히 차폐하거나, 완전히 개방할 수 있는 위치로 제한적으로 이동하게 된다.

상기 작동단자(164a)는 작동바(162a)의 일측 또는/및 타측면에 형성되며, 별도의 도선을 통하여 연료전지의 제어장치(도면에 도시하지 않음)로 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 작동단자(164a)는 제1케이스(140a)의 상판홀(145a)의 일측 또는/및 타측 내면에 형성되는 케이스단자(146a)와 전기적으로 접촉될 수 있도록 형성된다. 상기 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 각각 작동바(162a)와 상판홀(145a)의 일측에 형성되면, 제어장치는 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 전기적으로 접촉되는 경우에 차폐수단(150)이 공기홀(143a)을 완전히 차폐한 것으로 인식하게 된다. 또한, 상기 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 각각 작동바(162a)와 상판홀(145a)의 타측에 형성되면, 제어장치는 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 전기적으로 접촉되는 경우에 차폐수단(150)이 공기홀(143a)을 완전히 개방한 것으로 인식하게 되어 연료전지를 정상적으로 작동시키게 된다. 또한, 상기 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 일측과 타측에 동시에 형성되는 경우에, 제어장치는 공기홀(143a)의 완전한 차폐와 개방 여부를 함께 인식할 수 있게 된다. 상기 연료전지의 제어장치는 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 전기적으로 접촉되지 않은 상태이면 공기홀(143a)이 완전히 차폐되지 않거나, 개방되지 않은 것 으로 인식하게 되어 점광등의 점멸, 연료전지가 장착되는 해당기기의 모니터 게시 등과 같은 경보수단(도면에 도시하지 않음)을 통하여 이를 사용자에게 인식시킬 수 있다.

한편, 상기 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)는 상기에서 기재한 방법 외에도 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 작동단자(164a)는 작동바(162a)의 다른 위치 또는 이동바(160a), 지지블록(153a), 차폐판(151a)의 어느 한 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 작동단자(164a)는 작동바(162a), 이동바(160a), 지지블록(153a) 또는 차폐판(151a)으로부터 연장되어 형성되는 연장부분(도면에 도시하지 않음)에 형성될 수 있음은 물론이다. 이러한 경우에 상기 케이스단자(146a)는 공기홀(143a)이 완전 개방 또는 차폐되는 위치를 나타낼 수 있도록 제1케이스(140a)의 작동단자(164a)가 형성되는 위치에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지에 대하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 케이스와 차폐수단에 대한 정면도이다. 도 12는 도 11의 D에 대한 확대 상세도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지에 대한 이하의 설명에서는 도 1 내지 도 10에 따른 실시예와 다른 부분을 중심으로 설명한다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지에서 도 1 내지 도 10의 실시예와 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 여기서 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지는, 도 11과 도 12를 참조하면, 연료전지 본체(110, 도 2 참조)와 케이스(240) 및 차폐수단(250)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지는 연료전지 본체(110)에 연료를 공급하는 연료탱크(180, 도 1참조)와 연료펌프(190, 도 1참조)를 더 포함하여 형성될 수 있다.

상기 연료전지 본체(110)는 상기에서 설명한 바와 같으므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.

상기 케이스(240)는 제1케이스(240a)와 제2케이스(도면에 도시하지 않음, 도 2와 도 3참조)를 포함하여 형성된다. 상기 제1케이스(240a)는 공기홀(143a)과 지지돌기(144a)를 포함하여 형성된다. 상기에서 설명한 바와 마찬가지로, 도 11은 케이스(240)를 구성하는 제1케이스(240a)를 중심으로 도시하였지만, 제2케이스도 동일하게 형성되고 있음은 물론이다. 따라서, 도 11에서 도면부호에 'a'가 부가되어 있는 구성요소는 비록 도 11에 대응되는 제2케이스에 대한 정면도가 도시되지 않았지만 제2케이스에도 동일하게 형성되는 구성요소이다.

상기 제1케이스(240a)는 본 발명의 실시예에 따른 제1케이스(140a)와 대부분이 동일하게 형성된다. 다만, 상기 제1케이스(240a)는 상판(242a)에 상판홀이 형성되지 않는다. 또한, 상기 제1케이스(240a)는 케이스단자(246a)가 제1케이스(240a)의 일측의 내측면에 형성된다. 상기 케이스단자(246a)는 이하에서 설명하는 작동단자(264a)와 전기적으로 접촉되어 연료전지의 제어장치로 하여금 공기홀(143a)이 차폐되었는지 여부를 판단할 수 있도록 한다.

상기 차폐수단(250)은, 도 11을 참조하면, 차폐판(151a)과 지지블록(153a)과 지지바(157a)와 이동바(260a) 및 작동모터(265a)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 차폐수단(250)은 이동바(260a)의 끝단에 형성되는 작동단자(264a)를 더 포함하여 형성된다.

상기 이동바(260a)는 사각 바 또는 원형 바와 같은 바 형상으로 형성되며, 다수의 차폐판(151a)의 상부에 결합된 지지블록(153a)과 전체적으로 결합된다. 상기 이동바(260a)는 다수의 차폐판(151a)을 동시에 이동시키게 된다.

상기 이동바(260a)는, 도 12를 참조하면, 연장부(261a)와 종동기어(262a) 및 작동단자(264a)를 포함하여 형성된다.

상기 연장부(261a)는 가장 우측에 위치하는 차폐판(151a)의 지지블록(153a)을 기준으로 이동바(260a)부터 우측으로 연장되어 형성된다. 또한, 상기 연장부(261a)는 차폐판(151a)이 공기홀(143a)을 완전히 차폐할 때, 연장부(261)는 끝단이 제1케이스(240a) 우측의 내측면에 접촉되도록 연장되어 형성된다. 따라서, 상기 연장부(261a)는 차폐판(151a)의 이동거리를 제한하여 공기홀(143a)이 차폐판(151a)에 의하여 완전하게 차폐될 수 있도록 한다.

상기 종동기어(262a)는 연장부(261a)에서 연료전지 본체(110)에 대향하는 면에 형성된다. 따라서, 상기 종동기어(262a)는 작동모터(265a)의 구동기어(267a)와 결합되어 이동바(260a)를 좌우측 방향으로 이동시키게 된다. 상기 종동기어(262a)는 연장부(261a)에 형성되거나 별도의 기어로 형성되어 결합될 수 있다.

상기 작동단자(264a)는 연장부(261a)의 끝단에 형성되어 연장부(261a)가 제1케이스(240) 일측의 내측면에 접촉될 때 제1케이스(240)의 내측면에 형성된 케이스단자(246a)와 전기적으로 접촉하게 된다. 따라서, 연료전지의 제어장치는 작동단자(264a)와 케이스단자(246a)가 전기적으로 연결되는 것을 감지하여 공기홀(143a)이 완전히 차폐된 것으로 판단하게 된다.

상기 작동모터(265a)는 모터축(266a)에 형성되는 구동기어(267a)를 포함하여 형성되며, 제1케이스(240a)의 내측에서 연료전지 본체(110)와 제1케이스(240a)의 측면 사이에 고정되어 형성된다. 또한, 상기 모터축(266a)은 제1케이스(240a)의 상판(242a)에 결합되어 지지된다. 상기 작동모터(265a)는 구동기어(267a)가 연장부(261a)의 종동기어(262a)와 결합되어, 이동바(260a)를 이동시키게 된다. 상기 작동모터(265a)는 연료전지의 제어장치에 의하여 이동바(260a)의 이동거리에 필요한 회전량만큼 구동되면서 제어된다. 따라서, 상기 작동모터(265a)는 연료전지가 운전될 때 차폐판(151a)을 이동시켜 공기홀(143a)을 개방하게 되며, 구동기어(267a)의 회전량을 제어하여 차폐판(151a)의 이동바(260a)의 이동 거리를 제어하게 된다. 또한, 상기 작동모터는 연료전지의 운전이 정지되면 다시 차폐판(151a)을 이동시켜 공기홀(143a)을 완전하게 차폐하여 연료전지 본체(110)로 공기가 공급되지 않도록 한다. 상기 작동모터(265a)는 구동기어(267a)의 회전량을 제어하여 차폐판(151a)의 이동 거리를 제어하게 된다. 이때, 상기 이동바(260a)는 차폐판(151a)의 이동 거리를 제한하여 리미트 스위치(limit switch) 역할을 하게 된다. 상기 이동바(260a)의 이동 거리는 구동기어(267a)의 기어 사양과 이동바(260a)의 연장부(261a)에 형성된 종동기어(262a)의 기어 사양에 따라 결정되며 여기서 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 차폐수단(250)을 구성하는 이동바(260a)의 연장부(261a)와 종동기어(262a) 및 작동단자(264a)는 케이스와 연료전지본체의 구성에 따라 다른 위치에 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 작동모터(265a)도 케이스와 연료전지본체의 구성에 따라 다른 위치에 형성될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 케이스(140)에 형성되는 차폐수단(150)은 연료전지가 수용되는 별도의 외부케이스(도면에 도시하지 않음)에도 동일하게 형성될 수 있음은 물론이다. 즉, 상기 케이스(140)가 다시 외부케이스에 수용되는 경우에 , 외부케이스에 차폐수단(150)이 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 경우에 케이스(140)에는 차폐수단(150)이 형성되지 않고 외부케이스에만 차폐수단(150)이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기의 실시예들은 연료가 연료펌프에 의하여 공급되는 세미 패시브 타입의 연료전지를 중심으로 설명하였으나. 본 발명에 따른 차폐수단(150)은 패시브 타입의 연료전지에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다. 상기 패시브 타입의 연료전지는 전기생성유닛(130)의 애노드전극(131)측에 연료가 공급되는 연료공간이 형성된다. 상기 패시브 타입의 연료전지는 연료공간에 공급된 연료가 단지 애노드전극(131)을 통하여 MEA(135)의 제1전극(135a)에 접촉된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 상기 패시브 타입의 연료전지는 세미 패시브타입의 연료전지와 달리 미반응 연료가 계속적으로 MEA(135)의 제1전극(135a)에 공급되지 않는 다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 작용에 대하여 설명한다. 도 13은 도 8의 케이스에서 차폐수단이 공기홀을 차폐한 상태를 나타내는 정면도이다. 도 14는 도 13에서 E-E의 단면도이다. 이하의 연료전지의 작용에 대한 설명에서는 도 1 내지 도 10에 따른 연료전지를 중심으로 설명한다. 다만, 필요한 경우에 도 11내지 도 12에 대한 다른 실시예에 따른 연료전지에 대하여 부가적으로 설명한다.

상기 연료전지(100)는 케이블을 통해 소정의 전자기기에 연결되거나 전자기기에 일체로서 장착된다. 상기 연료전지(100)는 운전이 종료되면 공기홀(143a)이 차폐수단(150)에 의하여 차폐된다. 상기 연료전지(100)는 이동바(160a)가 이동되면서 다수의 차폐판(151a)을 동시에 이동시켜 공기홀(143a)을 차폐하게 된다. 이때, 상기 이동바(160a)는 도 8에 도시된 바와 같이 작동바(162a)에 의하여 수동으로 이동될 수 있다. 또한, 상기 이동바(260a)는 도 11에 도시된 바와 같이 작동모터(265a)에 의하여 자동으로 이동될 수 있다. 상기 연료전지(100)는 일측에 형성되는 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 접촉되었는지 여부를 통하여 공기홀(143a)이 차폐판(151a)에 의하여 완전히 차폐되었는지 여부를 확인하게 된다. 따라서, 상기 연료전지(100)는 운전이 종료되면서 공기의 유입이 차단되어 연료전지 본체(110)에서 추가적인 반응이 진행되는 것을 최소화하게 된다.

상기 연료전지(100)는 운전이 필요한 경우에, 먼저 이동바(160a)와 차폐판(151a)을 이동시켜 공기홀(143a)을 개방하게 된다. 상기 연료전지는 공기 홀(143a)이 차폐되는 과정과 반대로 이동바(160a)가 이동되어 공기홀(143a)을 개방하게 된다. 이때도, 상기 연료전지(100)는 타측에 형성되는 작동단자(164a)와 케이스단자(146a)가 접촉되었는지 여부를 통하여 공기홀(143a, 143b)이 완전히 개방되었는지 여부를 확인하게 된다.

상기 연료전지(100)는 운전이 개시되면, 공기홀(143a, 143b)이 개방되면서 전기 생성 유닛들(130)의 캐소드부(137)가 대기 중으로 노출된다. 상기 연료전지(100)는 연료전지 본체(110)가 연료 탱크(180)와 연료펌프(190)에 연결되어 연료가 공급된다. 상기 중간판(120)은 내부의 하측에 형성된 공급통로(123a)와 유입구(122a)를 통하여 단위영역(121)으로 공급하게 된다. 상기 전기생성유닛(130)의 애노드부(131)는 단위 영역으로 공급되는 연료를 연료유로(132)를 통하여 MEA(135)의 제1전극층(135a)으로 분산 공급하게 된다. 상기 제1전극층(135a)으로 공급된 연료는 중간판(120)의 상부에 형성되어 있는 유출구(122b)와 배출통로(123b)를 통하여 단위영역(121)의 외부로 배출된다. 즉, 상기 단위영역(121)으로 공급된 연료는 하측에서 상측으로 연료통로(132)를 따라 상승하면서 전기생성유닛(130)의 전기 생성 반응에 사용된다. 한편, 상기 중간판(120)에 결합되어 있는 다수의 전기생성유닛(130)은 공급통로(123a)와 각각 연결되는 유입구(122a)를 통하여 연료를 공급받게 된다. 또한, 상기 전기생성유닛(130)은 배출통로(123b)에 각각 연결되는 유출구(122b)를 통하여 반응에 사용된 연료를 중간판(120)의 외부로 배출된다.

한편, 상기 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)는 대기 중으로 노출되어 자연 확산 또는 대류 작용 등에 의해 외부로부터 공기를 공급받게 된다. 따라서, 상 기 캐소드부(137)는 공급되는 공기를 공기유로(138)를 통하여 MEA(135)의 제2전극층(135b)으로 분산 공급하게 된다.

따라서, 상기 MEA(135)의 제1전극층(135a)에서는 연료의 산화 반응을 통해 연료 중에 함유된 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 이 때, 수소 이온은 MEA(135)의 전해질막(135c)을 통해 제2전극층(135b)으로 이동된다. 그리고, 전자는 전해질막(135c)을 통과하지 못하고, 제1전극층(135a)과 접촉되어 있는 애노드부(131)를 통해 애노드부(131)와 전기적으로 연결되어 있는 이웃하는 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)로 이동된다. 즉, 상기 애노드부(131)는 이웃하는 단위영역(121)의 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)와 별도의 연결단자 또는 도선 등을 통해 전기적으로 연결되고 있기 때문에, 전자는 애노드부(131)를 통해 이웃하는 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)로 이동하게 된다.

또한, 상기 MEA(135)의 제1전극층(135a)으로부터 전해질막(135c)을 통해 제2전극층(135b)으로 이동된 수소 이온, 애노드부(131)를 통해 캐소드부(137)로 이동된 전자, 및 캐소드부(137)의 공기유로(138)를 통해 MEA(135)의 제2전극층(135b)으로 공급된 공기는 제2전극층(135b)에 의해 환원 반응을 일으키게 된다. 따라서, 상기 전기생성유닛(130)의 캐소드부(137)에서는 환원 반응에 의해 열과 수분을 발생시키게 된다.

상기와 같은 과정을 통하여, 상기 연료전지(100)는 전자의 이동으로 인해 전류를 발생시키게 되고, 각 전기생성유닛(130)의 애노드부(131) 및 캐소드부(137)들이 전류를 집전하는 집전판의 기능을 수행하여 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 전자기기로 출력시킬 수 있게 된다.

상기 연료전지(100)는 운전이 종료되면 다시 상기에서 설명한 과정에 의하여 공기홀(143a, 143b)이 차폐되어 외부로부터 공기가 유입되지 않도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지의 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1의 연료전지를 구성하는 연료전지 본체와 케이스의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 A에 대한 상세 단면도이다.

도 4는 도 2의 연료전지 본체가 내장된 케이스의 사시도이다.

도 5는 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 중간판의 정면도이다.

도 6은 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 애노드의 정면도이다.

도 7은 도 2의 연료전지 본체를 구성하는 캐소드의 정면도이다.

도 8은 도 2의 케이스와 차폐수단에 대한 정면도이다.

도 9는 도 8에서 B-B단면도이다.

도 10은 도 8의 C에 대한 확대 상세도이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 케이스와 차폐수단에 대 한 정면도이다.

도 12는 도 11의 D에 대한 확대 상세도이다.

도 13은 도 8의 케이스에서 차폐수단이 공기홀을 차폐한 상태를 나타내는 정면도이다.

도 14는 도 13에서 E-E의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 - 연료전지 110 - 연료전지 본체

120 - 중간판 130 - 막-전극어셈블리(MEA)

140 - 케이스 150 - 차폐수단

180 - 연료탱크 190 - 연료펌프

Claims

삭제
막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부 및 캐소드부가 배치되어 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기생성유닛을 포함하는 연료전지 본체;

상기 연료전지 본체로 공급되는 공기가 통과하는 공기홀이 형성되며, 상기 캐소드부가 상기 공기홀에 대향하도록 상기 연료전지 본체가 내장되는 케이스; 및

상기 케이스의 공기홀을 차폐하는 차폐수단을 포함하며,

상기 연료전지본체는 제1면과 제2면을 구비하며, 상기 전기생성유닛은 상기 케이스의 장측변 방향으로 상기 제1면과 제2면에 각각 배치되고,

상기 케이스는 상기 연료전지본체의 제1면을 감싸도록 배치되는 제1케이스와 상기 연료전지본체의 제2면을 감싸도록 배치되는 제2케이스를 포함하며,

상기 차폐수단은 상기 제1케이스와 제2케이스에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 2항에 있어서,

상기 공기홀은 상기 케이스의 영역에서 상기 전기생성유닛이 배치되는 영역 에 대응되는 영역에 다수 개로 형성되며, 상기 케이스의 장측변 방향에 대하여 적어도 상기 공기홀의 지름 또는 폭에 대응되는 배치간격으로 형성되는 특징으로 하는 연료전지.
제 2항에 있어서,

상기 차폐수단은

판상으로 형성되어 적어도 상기 공기홀의 배치간격으로 형성되는 차폐홀을 구비하는 차폐판과,

상기 차폐판의 상부와 하부에 형성되는 지지블록과,

상기 지지블록에 결합되어 상기 차폐판을 상기 케이스의 내측면에 이동 가능하게 지지하는 지지바와,

상기 지지블록에 결합되어 지지바를 따라 상기 차폐판을 이동시키는 이동바를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 4항에 있어서,

상기 차폐판은 각각 상기 제1면과 제2면과 대향하는 제1케이스와 제2케이스의 내측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 4항에 있어서,

상기 차폐판은 상기 전기생성유닛의 수량에 대응되는 수량으로 형성되는 것 을 특징으로 하는 연료전지.
제 4항에 있어서,

상기 지지블록은 상기 지지바가 삽입되는 결합홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 4항에 있어서,

상기 케이스는 상판에 상판홀이 형성되며

상기 이동바는 일측에서 상부로 돌출되는 블록형상으로 형성되며, 상판홀을 통하여 상면으로 돌출되는 작동바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 8항에 있어서,

상기 상판홀은 상기 작동바의 폭과 상기 공기홀의 직경의 합에 상응하는 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 8항에 있어서,

상기 상판홀은 상기 공기홀이 상기 차폐수단에 의하여 차폐될 때 상기 작동바가 상기 상판홀의 일측에 접촉될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 8항에 있어서,

상기 작동바는 적어도 일측에 형성되는 작동단자를 구비하며,

상기 케이스는 상기 상판홀의 적어도 일측에 케이스단자를 구비하여 상기 작동바가 상기 상판홀의 일측에 접촉되었을 때 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 4항에 있어서,

상기 이동바는 상기 공기홀이 차폐수단에 의하여 차폐되었을 때 케이스의 일측 내면에 접촉되도록 상기 작동바의 일측으로부터 연장되는 연장부가 형성되며,

상기 연장부에 연결되어 상기 이동바를 일측과 타측 방향으로 이동시키는 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 12항에 있어서,

상기 이동바의 연장부에는 종동기어가 형성되며,

상기 이동수단은 작동모터와 상기 작동모터에 연결되는 모터축 및 상기 모터 축의 단부에 형성되어 종동기어를 구동하는 구동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 12항에 있어서,

상기 연장부는 끝단에 작동단자가 구비되며,

상기 케이스는 상기 연장부의 끝단과 접촉되는 영역에 형성되는 케이스단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 2항에 있어서,

상기 연료전지본체는 상기 전기생성유닛이 결합되는 다수의 단위영역을 포함하는 중간판을 구비하며,

상기 전기생성유닛은

상기 단위영역에 밀착되어 형성되며 연료유로가 형성되는 애노드부;

상기 애노드부에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리; 및

공기를 유통시키기 위한 공기유로가 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 캐소드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 15항에 있어서,

상기 중간판은 내부의 하측에 형성되어 미반응 연료가 공급되는 공급통로와 상부에 형성되어 반응연료가 외부로 배출되는 배출통로를 포함하며,

상기 단위영역은 상기 전기생성유닛이 결합되는 결합홈과 상기 결합홈의 내부에서 하부에 형성되어 상기 공급통로와 연결되는 유입구와 상부에 형성되어 상기 배출통로와 연결되는 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 16항에 있어서,

상기 애노드부는 전기전도성을 갖는 금속판으로 형성되어 상기 단위영역에 결합되며 상기 유입구 및 유출구와 연결되는 연료유로가 구비되는 애노드집전판과, 상기 애노드집전판으로부터 상부 또는 하부로 연장되어 형성되는 애노드전극단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 17항에 있어서,

상기 연료유로는 다수의 경로가 임의의 간격을 두고 서로 평행하게 배치되며, 전체적으로 사행(meander)의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 15항에 있어서,

상기 캐소드부는 전기전도성을 갖는 금속판으로 형성되며 다수의 공기유로가 구비되는 캐소드집전판과 상기 캐소드집전판으로부터 상부 또는 하부로 연장되어 형성되는 캐소드전극단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 19항에 있어서,

상기 공기유로는 다수의 구멍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 15항에 있어서,

상기 연료전지본체는 판상으로 형성되며, 상기 전기생성 유닛이 형성되는 영역에 대응되는 영역에서 형성되는 개구부와 상기 개구부의 상부 또는 하부에 홈 형 상으로 형성되어 애노드전극단자 또는 캐소드 전극단자가 결합되는 단자홈을 구비하는 지지판을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 2항에 있어서,

상기 연료전지본체에 연료를 공급하는 연료펌프와

상기 연료펌프에 연결되며 연료를 저장하는 연료탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.