KR100717759B1

KR100717759B1 - 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치

Info

Publication number: KR100717759B1
Application number: KR1020060040677A
Authority: KR
Inventors: 장원혁; 조웅호; 최상현; 이종기; 이형근
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2007-05-11
Anticipated expiration: 2026-05-04
Also published as: US7836912B2; EP1852932B1; EP1852932A1; DE602007000500D1; US20070259246A1

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치는, 연료를 저장하고 있는 카트리지 몸체를 연료 전지 시스템에 장착하기 위한 것으로서, 상기 카트리지 몸체에 설치되는 제1 결합부재와, 상기 연료 전지 시스템에 설치되어 상기 제1 결합부재와 암수 결합하는 제2 결합부재와, 상기 카트리지 몸체에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1 유로를 가지면서 상기 제1 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제2 결합부재에 의해 바이어스되면서 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 노즐 어셈블리와, 상기 제1 유로를 통과하는 상기 연료를 상기 연료 전지 시스템으로 주입시키기 위한 제2 유로를 가지면서 상기 제2 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되면서 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 노즐 어셈블리를 포함한다.

연료전지시스템, 카트리지, 결합부재, 노즐어셈블리, 노즐몸체, 탄성부재

Description

연료 전지용 연료 카트리지 결합장치 {FUEL CARTRIDGE COUPLING APPARATUS FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치의 작용을 설명하기 위한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 카트리지를 연료 전지 시스템에 용이하게 장착시키기 위한 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 별도로 공급되는 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템은 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 방식과, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.) 방식으로서 구성될 수 있다.

상기에서, 고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체로서 구성되는 바, 개질기로부터 공급되는 개질 가스와, 펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료 공급원으로부터 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체 연료를 제공받아 이 액체 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지 본체로 공급하는 기능을 하게 된다.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 연료 공급원으로부터 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로서 구성된다.

이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 공급원은 액체 연료를 저장하는 연료 탱크를 구비하는 바, 이 연료 탱크는 시스템의 외관을 이루는 케이스 내부에 설치되어 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체로 연료를 공급하게 된다.

그러나, 종래의 연료 탱크는 연료 전지 시스템의 케이스 내부에 설치되기 때문에, 교환하기가 쉽지 않고 연료의 재충전이 어려운 문제점이 있었다. 따라서, 연료 전지 시스템이 상업적으로 유용해지기 위해서는 상술한 바와 같은 문제점을 감안하여 연료 전지 시스템에 쉽게 장착함은 물론 교환이 용이한 연료 카트리지의 개 발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 카트리지를 연료 전지 시스템에 용이하게 장착할 수 있는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치는, 연료를 저장하고 있는 카트리지 몸체를 연료 전지 시스템에 장착하기 위한 것으로서, 상기 카트리지 몸체에 설치되는 제1 결합부재와, 상기 연료 전지 시스템에 설치되어 상기 제1 결합부재와 암수 결합하는 제2 결합부재와, 상기 카트리지 몸체에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1 유로를 가지면서 상기 제1 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제2 결합부재에 의해 바이어스되면서 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 노즐 어셈블리와, 상기 제1 유로를 통과하는 상기 연료를 상기 연료 전지 시스템으로 주입시키기 위한 제2 유로를 가지면서 상기 제2 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되면서 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 노즐 어셈블리를 포함한다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 결합부재는 상기 제1 노즐 어셈블리를 지지하는 제1 요홈부와, 상기 제2 결합부재를 지지하는 제2 요홈부로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 결합부재는 상기 제1 요홈부에 형성되어 상기 제1 노즐 어셈블리가 관통하는 제1 결합공을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 결합부재는 원통 형상으로서 이루어지며, 상기 제2 요홈부의 내경이 상기 제1 요홈부의 내경 보다 크게 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치는, 상기 제1 요홈부의 내경이 상기 제1 결합공의 내경 보다 크게 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 결합부재는 상기 제1 요홈부와 상기 제2 요홈부를 구획하는 걸림턱을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 노즐 어셈블리는 상기 제1 결합부재에 삽입되면서 상기 제1 결합부재를 관통하여 설치되는 제1 노즐 몸체와, 상기 제1 결합부재와 상기 제1 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제1 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제1 탄성부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1 노즐 몸체는 상기 제1 요홈부에 배치되고, 상기 제1 결합공을 관통하여 설치될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 노즐 몸체는 상기 제1 결합공의 내경 보다 큰 외경을 가진 제1 부분과, 상기 제1 부분에 일체로서 형성되어 상기 제1 결합공을 관통하는 제2 부분으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 유로는 상기 제1 노즐 몸체의 내부에 형성되며, 상기 제2 부분에 형성되는 적어도 하나의 제1 구멍, 및 상기 제1 부분에 형성되는 제2 구멍과 상호 연통되는 통로로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치는, 상기 제2 구멍의 내경이 상기 제1 구멍의 내경 보다 크게 형성될 수 있다. 이 경우 상기 제1 구멍은 상기 제1 노즐 몸체가 상기 제2 결합부재에 의해 바이어스되면서 선택적으로 개폐될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제1 노즐 어셈블리는 상기 제1 노즐 몸체에 설치되어 상기 제1 결합부재에 대하여 상기 제1 노즐 몸체가 이탈되는 것을 저지하기 위한 스토퍼를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 스토퍼는 상기 제1 노즐 몸체의 상기 제2 부분에 설치되어 상기 제1 노즐 몸체가 상기 제1 결합공을 통해 이탈되는 것을 저지하기 위한 오-링으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 결합부재는 상기 제2 노즐 어셈블리를 지지하는 제3 요홈부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 결합부재는 상기 제3 요홈부에 형성되어 상기 제2 노즐 어셈블리가 관통하는 제2 결합공을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 결합부재는 원통 형상으로서 이루어지며, 상기 제3 요홈부의 내경이 상기 제2 결합공의 내경 보다 크게 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 결합부재는 상기 제1 결합부재의 상기 제2 요홈부에 삽입되게 설치되어 상기 제1 노즐 어셈블 리를 바이어스시키는 구조로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 결합부재는 이의 외주면에 설치되는 적어도 하나의 오-링을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 노즐 어셈블리는 상기 제2 결합부재에 삽입되면서 상기 제2 결합부재를 관통하여 설치되는 제2 노즐 몸체와, 상기 제2 결합부재와 상기 제2 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제2 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제2 탄성부재는 상기 제1 탄성부재 보다 탄성력이 작은 스프링으로서 구성될 수 있다. 그리고 상기 제2 노즐 몸체는 상기 제3 요홈부에 배치되고, 상기 제2 결합공을 관통하여 설치될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 노즐 몸체는 상기 제2 결합공의 내경 보다 큰 외경을 가진 제1 부분과, 상기 제1 부분에 일체로서 형성되어 상기 제2 결합공을 관통하는 제2 부분을 가지면서 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되는 구조로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 유로는 상기 제2 노즐 몸체의 내부에 형성되며, 상기 제2 부분에 형성되는 적어도 하나의 제1 구멍, 및 상기 제1 부분에 형성되는 제2 구멍과 상호 연통되는 통로로서 형성될 수 있다. 이 경우 상기 제2 구멍의 내경은 상기 제1 구멍의 내경 보다 크게 형성될 수 있다. 그리고 상기 제1 구멍은 상기 제2 노즐 몸체가 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되면서 선택적으로 개폐될 수 있다.

상기 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서, 상기 제2 노즐 어셈블리는 상기 제2 노즐 몸체에 설치되어 상기 제2 결합부재에 대하여 상기 제2 노즐 몸체가 이탈되는 것을 저지하기 위한 스토퍼를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 스토퍼는 상기 제2 노즐 몸체의 상기 제2 부분에 설치되어 상기 제2 노즐 몸체가 상기 제2 결합공을 통해 이탈되는 것을 저지하기 위한 오-링을 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 카트리지 결합장치(100)를 설명하면, 본 장치(100)는 연료를 저장하고 있는 카트리지 몸체(1)를 연료 전지 시스템(3)에 장착시키기 위한 것이다. 여기서, 연료는 메탄올, 에탄올을 포함하는 알코올류의 액체 연료를 포함할 수 있다.

이러한 연료 카트리지 결합장치(100)는 카트리지 몸체(1), 및 연료 전지 시스템(3)에 각각 설치되며, 연료 전지 시스템(3)에 대하여 카트리지 몸체(1)를 선택적으로 착탈시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.

카트리지 몸체(1)는 연료를 저장하기 위한 저장 공간을 가진 연료 탱크로서 구비되며, 상기 저장 공간과 상호 연통되는 매니폴드(2)를 가진 통상적인 연료 카 트리지로서 이루어진다. 이 매니폴드(2)는 상기 저장 공간에 저장된 연료를 외부로 배출시키기 위한 연료 배출부로서 구성된다.

연료 전지 시스템(3)은 종래에서와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식, 및 직접 산화형 연료 전지 방식의 시스템에 모두 적용될 수 있다. 여기서, 전자는 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 발생시키는 개질기(도면에 도시되지 않음)와, 이 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지 본체(도면에 도시되지 않음)를 구비한다. 그리고, 후자는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템과 달리 개질기를 필요로 하지 않고, 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지 본체(도면에 도시되지 않음)를 구비한다. 이러한 연료 전지 시스템(3)은 시스템의 외관을 이루는 케이스(5) 내부에 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체와 연결되는 매니폴드(4)를 구비할 수 있다. 이 매니폴드(4)는 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체와 상호 연통되면서 카트리지 몸체(2)로부터 공급되는 연료를 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체로 주입시키기 위한 연료 주입부로서 구성된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치(100)는 기본적으로, 카트리지 몸체(1)에 설치되는 제1 결합부재(10)와, 연료 전지 시스템(3)에 설치되는 제2 결합부재(30)와, 제1 결합부재(10)에 탄성 지지되게 설치되는 제1 노즐 어셈블리(50)와, 제2 결합부재(30)에 탄성 지지되게 설치되는 제2 노즐 어셈블리(70)를 포함하여 구성된다.

상기에서, 제1 결합부재(10)는 억지 끼워 맞춤 또는 나사 결합 방식에 의해 카트리지 몸체(1)에 설치되며, 이 카트리지 몸체(1)의 매니폴드(2)와 연결되는 원통 형상으로서 이루어진다.

제1 결합부재(10)는 제1 노즐 어셈블리(50)를 지지하는 제1 요홈부(11)와, 제2 결합부재(30)를 지지하는 제2 요홈부(12)를 포함한다. 제1 요홈부(11)는 제1 결합부재(10)의 내부에 소정의 내경을 가진 원형의 홈 형태로서 구비된다. 제2 요홈부(12)는 제1 결합부재(10)의 일측 단부를 향해 제1 요홈부(11)에 연속하여 형성되고, 제1 요홈부(11)의 내경 보다 상대적으로 큰 내경을 가지면서 상기 일측 단부에 개구를 형성하는 원형의 홈 형태로서 구비된다.

이와 같이 제2 요홈부(12)가 제1 요홈부(11) 보다 큰 내경을 가지면서 제1 요홈부(11)와 연속하여 형성됨에 따라, 제1 요홈부(11)와 제2 요홈부(12)의 연결 부분에는 제1 요홈부(11)와 제2 요홈부(12)를 실질적으로 구획하는 소정 너비의 걸림턱(13)을 형성하고 있다.

본 실시예에서, 제1 요홈부(11)와 걸림턱(13)의 연결 부분에는 테이퍼 형태의 제1 경사면(14)을 형성하고 있다. 그리고, 제2 요홈부(12)의 개구 부분에는 테이퍼 형태의 제2 경사면(15)을 형성하고 있다. 이러한 제1 경사면(14)과 제2 경사면(15)은 제1 노즐 어셈블리(50)와 제2 결합부재(30)의 기계적인 가공 공차를 감안한 것으로서, 제1 결합부재(10)에 대하여 제1 노즐 어셈블리(50)와 제2 결합부재(30)를 용이하게 결합시키기 위한 것이다.

이에 더하여, 제1 결합부재(10)는 제1 요홈부(11)에 형성되는 제1 결합 공(16)을 형성하고 있다. 제1 결합공(16)은 매니폴드(2)와 연결되는 제1 결합부재(10)의 다른 일측 단부에 개방되게 형성되며, 제1 요홈부(11)의 내경 보다 상대적으로 작은 내경을 갖도록 형성된다. 여기서, 제1 결합공(16)은 뒤에서 더욱 설명하는 제1 노즐 어셈블리(50)가 관통하여 설치되는 원형의 구멍으로서 형성된다.

본 실시예에서, 제2 결합부재(30)는 억지 끼워 맞춤 또는 나사 결합 방식에 의해 연료 전지 시스템(3)의 케이스(5)에 설치되며, 이 연료 전지 시스템(3)의 매니폴드(4)와 연결되는 원통 형상으로서 이루어진다.

제2 결합부재(30)는 제1 결합부재(10)와 암수 결합하도록 제1 결합부재(10)의 제2 요홈부(12)에 삽입되는 것으로서, 이의 외주면에는 복수의 오-링(35)을 설치하고 있다. 이 때, 오-링(35)은 제2 결합부재(30)의 외주면에 형성된 결합홈(36)에 설치된다. 이러한 오-링(35)은 제1 결합부재(10)에 대하여 제2 결합부재(30)의 결합 상태를 유지시키는 기능 외에, 제2 요홈부(12)의 내주면과 제2 결합부재(30)의 외주면 사이를 실링하는 기능을 하게 된다.

또한 제2 결합부재(30)는 제2 노즐 어셈블리(70)를 지지하는 제3 요홈부(31)를 포함한다. 제3 요홈부(31)는 제2 노즐 어셈블리(70)가 삽입되는 영역으로서, 제2 결합부재(30)의 일측 단부에 개구를 형성하는 원형의 홈 형태로서 구비된다. 여기서, 제3 요홈부(31)의 개구 부분에는 테이퍼 형태의 제3 경사면(32)을 형성하고 있다. 이러한 제3 경사면(32)은 제2 노즐 어셈블리(70)의 기계적인 가공 공차를 감안한 것으로서, 제2 결합부재(30)에 대하여 제2 노즐 어셈블리(70)를 용이하게 결합시키기 위한 것이다.

이에 더하여, 제2 결합부재(30)는 제3 요홈부(31)에 형성되는 제2 결합공(33)을 구비한다. 제2 결합공(33)은 매니폴드(4)와 연결되는 제2 결합부재(30)의 다른 일측 단부에 개방되게 형성되며, 제3 요홈부(31)의 내경 보다 상대적으로 작은 내경을 갖도록 형성된다. 여기서, 제2 결합공(33)은 뒤에서 더욱 설명하는 제2 노즐 어셈블리(70)가 관통하여 설치되는 원형의 구멍으로서 형성된다.

본 실시예에서, 제1 노즐 어셈블리(50)는 카트리지 몸체(1)에 저장된 연료를 배출시키기 위한 것으로서, 제1 결합부재(10)에 탄성 지지되는 구조로서 이루어진다.

구체적으로, 제1 노즐 어셈블리(50)는 제1 결합부재(10)에 삽입되면서 제1 결합부재(10)를 관통하여 설치되는 제1 노즐 몸체(51)와, 제1 결합부재(10)와 제1 노즐 몸체(51)에 지지되게 설치되는 제1 탄성부재(55)를 포함하여 구성된다.

제1 노즐 몸체(51)는 제1 결합부재(10)의 제1 요홈부(11) 내부에 배치되며, 제1 결합부재(10)의 제1 결합공(16)을 관통하여 설치된다. 이러한 제1 노즐 몸체(51)는 카트리지 몸체(1)에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1 유로(52)를 포함하며, 제1 결합공(16)의 내경 보다 큰 외경을 가진 원반 형태의 제1 부분(51a)과, 제1 부분(51a)에 일체로서 형성되면서 제1 결합공(16)을 관통하는 바아 형태의 제2 부분(51b)으로서 구성된다. 이 경우 제1 노즐 몸체(51)의 제2 부분(51b)에 있어, 제1 부분(51a)에 대응하는 단부는 제1 결합부재(10)의 제1 결합공(16)을 관통하여 카트리지 몸체(1)의 매니폴드(2) 내에 배치된다.

본 실시예에서, 제1 유로(52)는 제1 노즐 몸체(51)의 내부에 형성되는 바, 제2 부분(51b)에 형성되는 한 쌍의 제1 구멍(52a), 및 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 형성되는 제2 구멍(52b)를 가지면서 상기 한 쌍의 제1 구멍(52a)과 제2 구멍(52b)이 상호 연통되는 통로로서 형성된다. 즉, 제1 유로(52)는 제2 부분(51b)의 길이 방향을 따라 길게 형성되면서 제2 구멍(52b)과 상호 연통되고, 제2 부분(51b)의 길이 방향에 수직하는 방향으로 분기되어 한 쌍의 제1 구멍(52a)과 상호 연통되는 구조로서 이루어진다. 이 때, 제1 유로(52)의 제2 구멍(52b)은 제1 구멍(52a) 보다 큰 내경을 가지는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 제1 노즐 어셈블리(50)는 제1 노즐 몸체(51)의 제2 부분(51b)에 설치되는 스토퍼(53)가 제공되는 바, 이 스토퍼(53)는 제1 결합부재(10)에 대하여 제1 노즐 몸체(51)가 제1 결합공(16)을 통해 이탈되는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 바람직하게, 스토퍼(53)는 제1 결합공(16)을 관통하여 카트리지 몸체(1)의 매니폴드(2)에 배치되는 제2 부분(51b)의 단부에 설치되는 오-링(54)을 포함한다. 이러한 오-링(54)은 제2 부분(51b)의 단부에 형성된 결합홈(51c)에 결합되면서 제1 결합공(16)의 가장자리 부분에 걸쳐짐으로써 제1 노즐 몸체(51)가 제1 결합공(16)을 통해 이탈되는 것을 저지하게 된다.

제1 탄성부재(55)는 제1 노즐 몸체(51)에 대하여 소정의 탄성력을 제공하기 위한 것으로, 제1 결합부재(10)의 제1 요홈부(11)의 내부에 배치된다. 이러한 제1 탄성부재(55)는 제1 노즐 몸체(51)의 제2 부분(51b)을 감싸면서 일측 단부가 제1 결합공(16)의 가장자리 부분에 지지되고, 다른 일측 단부가 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 지지되는 제1 코일 스프링(56)으로서 구성된다.

따라서, 제1 노즐 몸체(51)는 제2 부분(51b)의 단부에 스토퍼(53)를 설치하고 있기 때문에, 제1 탄성부재(55)로부터 탄성력을 제공받더라도 도 3a에 도시된 바와 같이, 스토퍼(53)가 제1 결합공(16)의 가장자리 부분에 걸리게 되면서 제1 결합공(16)을 통해 이탈되지 않고 제1 결합부재(10)에 탄성적으로 지지된 상태를 유지하게 된다.

본 실시예에서, 제2 노즐 어셈블리(70)는 제1 노즐 어셈블리(50)의 제1 유로(52)를 통해 카트리지 몸체(1)로부터 배출되는 연료를 연료 전지 시스템(3)의 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체로 주입시키기 위한 것으로서, 제2 결합부재(30)에 탄성 지지되는 구조로서 이루어진다.

구체적으로, 제2 노즐 어셈블리(70)는 제2 결합부재(30)에 삽입되면서 제2 결합부재(30)를 관통하여 설치되는 제2 노즐 몸체(71)와, 제2 결합부재(30)와 제2 노즐 몸체(71)에 지지되게 설치되는 제2 탄성부재(75)를 포함하여 구성된다.

제2 노즐 몸체(71)는 제2 결합부재(30)의 제3 요홈부(31) 내부에 배치되며, 제2 결합부재(30)의 제3 결합공(33)을 관통하여 설치된다. 이러한 제2 노즐 몸체(71)는 제1 노즐 어셈블리(50)의 제1 유로(52)를 통해 카트리지 몸체(1)로부터 배출되는 연료를 연료 전지 시스템(3)의 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체로 주입시키기 위한 제2 유로(72)를 포함한다.

이러한 제2 노즐 몸체(71)는 제2 결합공(33)의 내경 보다 큰 외경을 가진 원반 형태의 제1 부분(71a)과, 제1 부분(71a)에 일체로서 형성되면서 제1 결합공(33)을 관통하는 바아 형태의 제2 부분(71b)으로서 구성된다. 이 경우 제2 노즐 몸 체(71)의 제2 부분(71b)에 있어, 제1 부분(71a)에 대응하는 단부는 제2 결합부재(30)의 제2 결합공(33)을 관통하여 연료 전지 시스템(3)의 매니폴드(4) 내에 배치된다. 그리고, 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)은 제1 결합부재(10)와 제2 결합부재(30)의 암수 결합시 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 밀착되는 부분으로서, 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a) 보다 큰 외경을 가지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 제2 유로(72)는 제2 노즐 몸체(71)의 내부에 형성되는 바, 제2 부분(71b)에 형성되는 한 쌍의 제1 구멍(72a), 및 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)에 형성되는 제2 구멍(72b)를 가지면서 상기 한 쌍의 제1 구멍(72a)과 제2 구멍(72b)이 상호 연통되는 통로로서 형성된다. 즉, 제2 유로(72)는 제2 부분(71b)의 길이 방향을 따라 길게 형성되면서 제2 구멍(72b)과 상호 연통되고, 제2 부분(71b)의 길이 방향에 수직하는 방향으로 분기되어 한 쌍의 제1 구멍(72a)과 상호 연통되는 구조로서 이루어진다. 이 때, 제2 유로(72)의 제2 구멍(72b)은 제1 구멍(72a) 보다 큰 내경을 가지면서 제1 유로(52)의 제2 구멍(52b)과 동일한 크기로서 형성된다.

이에 더하여, 제2 노즐 어셈블리(70)는 제2 노즐 몸체(71)의 제2 부분(71b)에 설치되는 스토퍼(73)가 제공되는 바, 이 스토퍼(73)는 제2 결합부재(30)에 대하여 제2 노즐 몸체(71)가 제2 결합공(33)을 통해 이탈되는 것을 저지하는 기능을 하게 된다. 바람직하게, 스토퍼(73)는 제2 결합공(33)을 관통하여 연료 전지 시스템(3)의 매니폴드(4)에 배치되는 제2 부분(71b)의 단부에 설치되는 오-링(74)을 포 함한다. 이러한 오-링(74)은 제2 부분(71b)의 단부에 형성된 결합홈(71c)에 결합되면서 제2 결합공(33)의 가장자리 부분에 걸쳐짐으로써 제2 노즐 몸체(71)가 제2 결합공(33)을 통해 이탈되는 것을 저지하게 된다.

제2 탄성부재(75)는 제2 노즐 몸체(71)에 대하여 소정의 탄성력을 제공하기 위한 것으로, 제2 결합부재(30)의 제3 요홈부(31)의 내부에 배치된다. 이러한 제2 탄성부재(75)는 제2 노즐 몸체(71)의 제2 부분(71b)을 감싸면서 일측 단부가 제2 결합공(33)의 가장자리 부분에 지지되고, 다른 일측 단부가 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)에 지지되는 제2 코일 스프링(76)으로서 구성된다.

따라서, 제2 노즐 몸체(71)는 제2 부분(71b)의 단부에 스토퍼(73)를 설치하고 있기 때문에, 제2 탄성부재(75)로부터 탄성력을 제공받더라도 도 3a에 도시된 바와 같이, 스토퍼(73)가 제2 결합공(33)의 가장자리 부분에 걸리게 되면서 제2 결합공(33)을 통해 이탈되지 않고 제2 결합부재(30)에 탄성적으로 지지된 상태를 유지하게 된다.

본 실시예에서, 제2 코일 스프링(76)은 제1 노즐 어셈블리(50)의 제1 코일 스프링(56) 보다 작은 탄성력을 가지면서 제2 노즐 몸체(71)를 지지하는 것이 바람직하다. 이는 제1 결합부재(10)와 제2 결합부재(30)의 암수 결합시, 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)이 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 밀착되는 과정에서 제2 노즐 몸체(71)가 제1 노즐 몸체(51)에 의해 바이어스되도록 하기 위함이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 노즐 몸체(51)는 제1 코일 스프링(56)에 의해 제1 결합부재(10)에 탄성적으로 지지되고 있다. 이 때, 제1 노즐 몸체(51)는, 제1 코일 스프링(56)의 탄성력이 제1 결합부재(10)의 제2 요홈부(12) 방향으로 작용함에 따라, 제2 부분(51b)의 단부가 제1 결합공(16)으로 인입된 상태를 유지한다. 이 경우 제1 노즐 몸체(51)는 스토퍼(53)가 제1 결합공(16)의 가장자리 부분에 걸리게 되면서 제1 결합공(16)을 통해 이탈되지 않게 된다. 그리고, 제1 유로(52)의 제1 구멍(52a: 도 2)은, 제1 노즐 몸체(51)의 제2 부분(51b)의 단부가 제1 결합공(16)에 인입되고 있기 때문에, 제1 결합공(16)의 내주면에 의해 폐쇄된 상태에 있다. 이에 더하여, 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)은 제2 요홈부(12)의 내부 영역에 위치하고 있는 상태에 있다.

제2 노즐 몸체(71)는 제2 코일 스프링(76)에 의해 제2 결합부재(30)에 탄성적으로 지지되고 있다. 이 때, 제2 노즐 몸체(71)는, 제2 코일 스프링(76)의 탄성력이 제3 요홈부(31)의 개구 방향으로 작용함에 따라, 제2 부분(71b)의 단부가 제2 결합공(33)으로 인입된 상태를 유지한다. 이 경우 제2 노즐 몸체(71)는 스토퍼(73)가 제2 결합공(33)의 가장자리 부분에 걸리게 되면서 제2 결합공(33)을 통해 이탈되지 않게 된다. 그리고, 제2 유로(72)의 제1 구멍(72a: 도 2)은, 제2 노즐 몸체(71)의 제2 부분(71b)의 단부가 제2 결합공(33)에 인입되고 있기 때문에, 제2 결합공(33)의 내주면에 의해 폐쇄된 상태에 있다. 이에 더하여, 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)은 제3 요홈부(31)의 개구 외측으로 돌출된 상태에 있다.

이 상태에서, 카트리지 몸체(1)를 연료 전지 시스템(3)에 장착하고자 하는 경우, 제2 결합부재(30)는 제1 결합부재(10)의 제2 요홈부(12)에 삽입된다. 이 때, 제2 결합부재(30)는, 제1 결합부재(10)의 제2 요홈부(12)의 개구 부분에 테이퍼 형태의 제2 경사면(15)을 형성하고 있기 때문에, 기계적인 가공 공차가 있더라도 제2 요홈부(12)에 용이하게 삽입될 수 있다.

이러는 과정에서, 제2 노즐 몸체(71)는 제1 부분(71a)이 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 밀착된다. 그러면, 제2 유로(72)의 제2 구멍(72b)은 제1 노즐 몸체(51)의 제1 유로(52)의 제2 구멍(52b)과 서로 연결된다. 이 때, 제1 유로(52)의 제2 구멍(52b)과 제2 유로(72)의 제2 구멍(72b)은 각각의 제1 구멍(52a, 72a: 도 2) 보다 큰 내경을 가지므로, 제1 노즐 몸체(51) 및 제2 노즐 몸체(71)에 기계적인 가공 공차가 있더라도 각각의 제1 구멍(52a, 72a: 도 2)과 연결되는 통로를 용이하게 연결할 수 있다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2 노즐 몸체(71)는 제2 코일 스프링(76)의 탄성력이 제1 코일 스프링(56)의 탄성력 보다 작기 때문에, 제2 코일 스프링(76)의 탄성력을 극복하면서 제1 부분(71a)의 두께 만큼 제2 결합부재(30)의 삽입 방향에 반대되는 방향으로 이동하게 된다. 그러면, 제2 노즐 몸체(71)의 제1 부분(71a)은 제2 결합부재(30)의 제3 요홈부(31)의 내부 영역에 위치한다.

따라서 제2 유로(72)의 제1 구멍(72a)은 제2 노즐 몸체(71)의 제2 부분(71b)의 단부가 제2 결합공(33)을 통해 제1 부분(71a)의 두께 만큼 외부로 돌출되면서 연료 전지 시스템(3)의 매니폴드(4)와 상호 연통된다.

이와 같이 제2 유로(72)의 제1 구멍(72a)이 개방된 상태에서, 제2 결합부 재(30)는 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)에 밀착된다.

이어서, 제1 노즐 몸체(51)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 결합부재(30)에 의해 가압되면서 제1 코일 스프링(56)의 탄성력을 극복하면서 제1 부분(51a)의 두께 만큼 제2 결합부재(30)의 삽입 방향으로 이동하게 된다. 이 때, 제2 결합부재(30)는 제1 결합부재(10)의 걸림턱(13)에 의해 그 삽입 동작이 멈추게 된다. 그러면, 제1 노즐 몸체(51)의 제1 부분(51a)은 제1 결합부재(10)의 제1 요홈부(11)의 내부 영역에 위치한다.

따라서 제1 유로(52)의 제1 구멍(52a)은 제1 노즐 몸체(51)의 제2 부분(51b)의 단부가 제1 결합공(16)을 통해 제1 부분(51a)의 두께 만큼 외부로 돌출되면서 카트리지 몸체(1)의 매니폴드(2)와 상호 연통된다.

이로써, 본 실시예에서는 상술한 바와 같은 일련의 작용을 거치면서 제1 노즐 몸체(51)의 제1 유로(52)가 카트리지 몸체(1)의 매니폴드(2)와 상호 연통되고, 제2 노즐 몸체(71)의 제2 유로(72)가 연료 전지 시스템(3)의 매니폴드(4)와 상호 연통되면서 제1 유로(52)와 제2 유로(72)가 하나의 통로를 형성함에 따라, 카트리지 몸체(1)에 저장된 연료를 상기 제1 유로(52) 및 제2 유로(72)를 통해 연료 전지 시스템(1)의 개질기 또는 직접 산화형 연료전지 본체로 공급할 수 있게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 카트리지 몸체를 연료 전지 시스템에 용이하게 장착할 수 있는 구조로서 이루어지므로, 연료 카트리지의 교환 및 연료의 충전이 간편하다. 따라서, 연료 카트리지의 인프라를 구축하여 연료 전지 시스템의 유용성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims

연료를 저장하고 있는 카트리지 몸체를 연료 전지 시스템에 장착하기 위한 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치에 있어서,

상기 카트리지 몸체에 설치되는 제1 결합부재;

상기 연료 전지 시스템에 설치되어 상기 제1 결합부재와 암수 결합하는 제2 결합부재;

상기 카트리지 몸체에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1 유로를 가지면서 상기 제1 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제2 결합부재에 의해 바이어스되면서 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 노즐 어셈블리; 및

상기 제1 유로를 통과하는 상기 연료를 상기 연료 전지 시스템으로 주입시키기 위한 제2 유로를 가지면서 상기 제2 결합부재에 탄성 지지되고, 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되면서 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 노즐 어셈블리

를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제1 항에 있어서,

상기 제1 결합부재는,

상기 제1 노즐 어셈블리를 지지하는 제1 요홈부와, 상기 제2 결합부재를 지지하는 제2 요홈부로서 구성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제2 항에 있어서,

상기 제1 결합부재는,

상기 제1 요홈부에 형성되어 상기 제1 노즐 어셈블리가 관통하는 제1 결합공을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제3 항에 있어서,

상기 제1 결합부재는 원통 형상으로서 이루어지며, 상기 제2 요홈부의 내경이 상기 제1 요홈부의 내경 보다 크게 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제3 항에 있어서,

상기 제1 요홈부의 내경이 상기 제1 결합공의 내경 보다 크게 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제4 항에 있어서,

상기 제1 결합부재는 상기 제1 요홈부와 상기 제2 요홈부를 구획하는 걸림턱을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제1 항에 있어서,

상기 제1 노즐 어셈블리는,

상기 제1 결합부재에 삽입되면서 상기 제1 결합부재를 관통하여 설치되는 제1 노즐 몸체와,

상기 제1 결합부재와 상기 제1 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제1 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제1 탄성부재

를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제3 항에 있어서,

상기 제1 노즐 어셈블리는,

상기 제1 요홈부에 배치되고, 상기 제1 결합공을 관통하여 설치되는 제1 노즐 몸체와,

상기 제1 결합부재와 상기 제1 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제1 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재

를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제8 항에 있어서,

상기 제1 노즐 몸체는,

상기 제1 결합공의 내경 보다 큰 외경을 가진 제1 부분과, 상기 제1 부분에 일체로서 형성되어 상기 제1 결합공을 관통하는 제2 부분으로서 구성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제9 항에 있어서,

상기 제1 유로는 상기 제1 노즐 몸체의 내부에 형성되며, 상기 제2 부분에 형성되는 적어도 하나의 제1 구멍, 및 상기 제1 부분에 형성되는 제2 구멍과 상호 연통되는 통로로서 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제10 항에 있어서,

상기 제2 구멍의 내경이 상기 제1 구멍의 내경 보다 크게 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제10 항에 있어서,

상기 제1 구멍은 상기 제1 노즐 몸체가 상기 제2 결합부재에 의해 바이어스되면서 선택적으로 개폐되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제7 항에 있어서,

상기 제1 노즐 어셈블리는,

상기 제1 노즐 몸체에 설치되어 상기 제1 결합부재에 대하여 상기 제1 노즐 몸체가 이탈되는 것을 저지하기 위한 스토퍼를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제8 항에 있어서,

상기 제1 노즐 어셈블리는,

상기 제1 노즐 몸체의 상기 제2 부분에 설치되어 상기 제1 노즐 몸체가 상기 제1 결합공을 통해 이탈되는 것을 저지하기 위한 오-링을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제1 항에 있어서,

상기 제2 결합부재는,

상기 제2 노즐 어셈블리를 지지하는 제3 요홈부를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제15 항에 있어서,

상기 제2 결합부재는,

상기 제3 요홈부에 형성되어 상기 제2 노즐 어셈블리가 관통하는 제2 결합공을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제16 항에 있어서,

상기 제2 결합부재는 원통 형상으로서 이루어지며, 상기 제3 요홈부의 내경이 상기 제2 결합공의 내경 보다 크게 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제2 항에 있어서,

상기 제2 결합부재는,

상기 제1 결합부재의 상기 제2 요홈부에 삽입되게 설치되어 상기 제1 노즐 어셈블리를 바이어스시키는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제1 항에 있어서,

상기 제2 결합부재는 이의 외주면에 설치되는 적어도 하나의 오-링을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제1 항에 있어서,

상기 제2 노즐 어셈블리는,

상기 제2 결합부재에 삽입되면서 상기 제2 결합부재를 관통하여 설치되는 제2 노즐 몸체와,

상기 제2 결합부재와 상기 제2 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제2 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재

를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제7 항에 있어서,

상기 제2 노즐 어셈블리는,

상기 제2 결합부재에 삽입되면서 상기 제2 결합부재를 관통하여 설치되는 제 2 노즐 몸체와,

상기 제2 결합부재와 상기 제2 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제2 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재

를 포함하며,

상기 제2 탄성부재는 상기 제1 탄성부재 보다 탄성력이 작은 스프링으로서 구성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제16 항에 있어서,

상기 제2 노즐 어셈블리는,

상기 제3 요홈부에 배치되고, 상기 제2 결합공을 관통하여 설치되는 제2 노즐 몸체와,

상기 제2 결합부재와 상기 제2 노즐 몸체에 지지되게 설치되어 상기 제2 노즐 몸체에 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재

를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제22 항에 있어서,

상기 제2 노즐 몸체는,

상기 제2 결합공의 내경 보다 큰 외경을 가진 제1 부분과, 상기 제1 부분에 일체로서 형성되어 상기 제2 결합공을 관통하는 제2 부분을 가지면서 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제23 항에 있어서,

상기 제2 유로는 상기 제2 노즐 몸체의 내부에 형성되며, 상기 제2 부분에 형성되는 적어도 하나의 제1 구멍, 및 상기 제1 부분에 형성되는 제2 구멍과 상호 연통되는 통로로서 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제24 항에 있어서,

상기 제2 구멍의 내경이 상기 제1 구멍의 내경 보다 크게 형성되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제24 항에 있어서,

상기 제1 구멍은 상기 제2 노즐 몸체가 상기 제1 노즐 어셈블리에 의해 바이어스되면서 선택적으로 개폐되는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제20 항에 있어서,

상기 제2 노즐 어셈블리는,

상기 제2 노즐 몸체에 설치되어 상기 제2 결합부재에 대하여 상기 제2 노즐 몸체가 이탈되는 것을 저지하기 위한 스토퍼를 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.
제22 항에 있어서,

상기 제2 노즐 어셈블리는,

상기 제2 노즐 몸체의 상기 제2 부분에 설치되어 상기 제2 노즐 몸체가 상기 제2 결합공을 통해 이탈되는 것을 저지하기 위한 오-링을 포함하는 연료 전지용 연료 카트리지 결합장치.