KR101201281B1 - 연료 카트리지용 연료 게이지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 연료 공급원용 연료 게이지에 관한 것이다. 각 연료 게이지는 전기회로에 의하여 판독될 수 있는 특성을 갖는다. 이들 특성은 연료 공급원내에 남아있는 연료에 관련이 있다. 이들 특성은 전기용량, 자기, 반도체 저항, 바이메탈 저항 및 진동자계를 포함한다. 이들 연료 게이지는 연료 공급원의 방향에 관계없이 기능을 발휘한다.
연료전지, 연료 카트리지, 연료공급원, 홀센서, 바이메탈, 서머커플, 서미스터.

Description

연료 카트리지용 연료 게이지 {FUEL GAUGE FOR FUEL CARTRIDGES}
본 발명은 다양한 연료전지에 연료를 공급하기 위한 연료 카트리지용 연료 게이지에 관한 것이다.
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접적으로 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전이나 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치보다도 더 효율적이어서 그 이용이 증가하고 있다.
일반적으로 연료전지 기술은 알칼리 연료전지(alkali fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell) 및 효소 연료전지(enzyme fuel cell) 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다.
오늘날 가장 중요한 연료전지로서는 일반적으로 세 가지 종류로 나눌 수 있는데, 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, 연료로서 메탄올(CH3OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 탄화수소(부탄 등의), 또는 수소연료로 변환된 기타 연료를 사용하는 양자교환 막(Proton Exchange Membrane: PEM, 이하 "PEM") 연료전지, 그리고 메탄올(CH3OH) 연료를 직접 사용하는 PEM 연료전지(직접형 메탄올 연료전지 또는 DMFC, 이하 "DMFC")가 그것이다. 일반적으로 압축수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 또한, 커다란 저장탱크가 일반적으로 요구되어 가전분야 기기에 사용될 만큼 작게 만들 수도 없다. 통상적인 개질 연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화 및 부대 시스템을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전되어 가전분야 기기에 유망해졌다. DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로, 가장 단순하면서도 가장 소형화될 수 있는 연료전지로서 가장 유망하게 가전분야 기기에 적용될 수 있다.
비교적 많이 사용되는 통상적인 DMFC는 일반적으로 공기 또는 산소와 같은 산화제를 캐소드 전극에 공급하는 팬 또는 콤프레서와, 물/메탄올 혼합물을 애노드 전극에 공급하는 펌프 및 막전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 이하 "MEA")를 포함한다. 상기 MEA는 일반적으로 캐소드, PEM 및 애노드를 포함한다. 동작 중에 상기 물/메탄올 연료액 혼합물이 바로 상기 애노드로 공급되고, 상기 산화제는 상기 캐소드로 공급된다. 상기 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에서의 전체 반응은 다음과 같다;
애노드에서의 반쪽 반응:
CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
O2 ＋ 4H+ ＋ 4e- → 2H2O
전체 연료전지 반응:
CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O
수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자는 외부회로에 흐를 수밖에 없고, 결국 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로로서는 이동전화, 계산기, PDA, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 유용한 가전분야 기기가 될 수 있다. DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에서 다루어지고 있다. 일반적으로 PEM은 DuPont 사의 Nafion
Figure 112006038325753-pct00001
과 같은 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer)로서 대략 0.05mm로부터 0.50mm 두께범위의 불소화물질이나 기타 적절한 막으로 만들어진다. 애노드는 전형적으로 백금-루테늄과 같은 얇은 촉매층이 증착된 테프론처리 카본지 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 전형적으로 막의 일측면에 백금입자가 접착된 가스확산전극이다.
수소화붕소나트륨 개질기 연료전지의 연료전지 반응은 다음과 같다;
NaBH4(수용액) ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ NaBO2(수용액)
H2 → 2H+ ＋ 2e- (애노드)
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O (캐소드)
기타 금속 중에서 적절한 촉매로서는 백금 및 루테늄이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2와 같은 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 부산물인 물을 만들어낸다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 개질처리 과정에서 얻어진다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허출원공개공보 제2003/0082427호에서 다루어지고 있다.
연료 카트리지의 사용수명기간동안에 남아있는 연료를 계측하는 것은 중요한 것이다. 종래기술은 수직탱크의 경우 유체 수위를 측정하기 위한 여러가지 센서 또는 연료-물 혼합물에서 메탄올의 농도를 측정하기 위한 센서를 개시한다. 예를 들어, 미국특허출원공개공보 제2003/0077491호는 용기의 하중에 의하여 인가되는 압축력을 측정하는 유체 수위 검출기를 기술하고 있다. 미국특허출원공개공보 제2003/0091883호는 유체 수위를 확인하기 위한 범용 센서를 언급하고 있다. 미국특허 제6,584,825호에는 수소가스용 연료 게이지가 기술되어 있다. 미국특허 제6,254,748호와 제6,306,285호 및 미국특허출원공개공보 제2003/00131663호와 제2003/013462호에는 연료혼합물내의 메탄올 농도를 측정하기 위한 여러가지 방법과 장치가 기술되어 있다. 그러나, 종래기술은 연료 카트리지가 어떠한 방향에 놓여 있다하더라도 측정기능을 발휘할 수 있는 연료 게이지에 관하여 기술하고 있는 것은 없다.
따라서, 본 발명은 연료전지에 연료를 공급하기 위한 연료 공급원의 연료 게이지에 관한 것이다.
또한 본 발명은 연료전지 또는 이러한 연료전지에 의하여 전원이 공급되는 전자기기에 의하여 판독될 수 있는 연료 공급원용 연료 게이지에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태는 연료 공급원 및 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 전자기기와 함께 사용될 수 있게 된 연료 게이지에 관한 것으로, 상기 연료 게이지는 전자회로에 의하여 판독될 수 있는 특성을 가지며, 상기 특성은 연료 공급원에 남아있는 연료의 양에 관련된 것이다. 연료 게이지는 연료 공급원이 어떠한 방향에 놓여 있다 하더라도 그 기능을 발휘한다.
판독가능한 특성은 두 절점(node) 사이의 전기저항일 수 있으며 제1 절점은 연료가 연료 공급원으로부터 인출될 때 움직이는 위치에 놓인다. 제1 절점은 연료가 수용되어 있는 라이너 상에 배치될 수 있으며 상기 라이너는 연료 공급원 내에 배치된다. 제2 절점은 연료전지 또는 전자기기 상에 배치된다.
판독가능한 특성은 두 자극 사이의 자력일 수 있으며 제1 자극은 연료가 연료 공급원으로부터 인출될 때 움직이는 위치에 놓인다. 제1 자극은 연료가 수용되어 있는 라이너 상에 배치될 수 있으며 상기 라이너는 연료 공급원 내에 배치된다. 제2 자극은 연료전지 또는 전자기기 상에 배치된다.
판독가능한 특성은 반도체저항기의 저항일 수 있다. 반도체저항기는 서미스터(thermistor)이다. 서미스터는 연료에 인접하여 배치되며 연료가 수용된 라이너에 인접하여 배치되는 것이 좋다. 또한 서미스터는 연료 내에 배치될 수도 있다. 전기회로가 남아있는 연료의 양을 계측하기 위하여 서미스터에 간헐적으로 또는 연속적으로 전류를 보낼 수 있다.
판독가능한 특성은 바이메탈 저항기의 저항일 수 있다. 바이메탈 저항기는 서머커플(thermocouple)이다. 서머커플은 연료에 인접하여 배치되며 연료가 수용된 라이너에 인접하여 배치되는 것이 좋다. 또한 서머커플은 연료내에 배치될 수도 있다. 전기회로가 남아있는 연료의 양을 계측하기 위하여 서머커플에 간헐적으로 또는 연속적으로 전류를 보낼 수 있다.
또한 판독가능한 특성은 유도형 센서에 의하여 발생된 진동자계(oscillating magnetic field)일 수 있다. 제2 센서가 자계에 간섭하여 와전류가 형성되도록 한다. 유도형 센서는 연료전지 또는 전자기기에 배치되는 것이 좋으며 제2 센서는 유도형 센서로부터 간격을 두고 배치된다. 남아있는 연료에 상관하는 유도형 센서와 제2 센서 사이의 거리는 진동자계의 강도에 관계가 있다.
상기 전기회로는 연료전지 또는 전자기기 내에 배치된다. 상기 연료 공급원은 연료 카트리지로 됨이 바람직하다. 연료 공급원은 일회용 카트리지, 재충전형 카트리지, 재사용형 카트리지, 전자기기내에 배치되는 카트리지, 전자기기의 외부에 배치되는 카트리지, 연료탱크, 연료 재충전 탱크 및 연료용기를 포함한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 연료 게이지의 일부를 보이기 위하여 개방하여 보인 본 발명의 한 실시형태에 따른 연료 카트리지의 분해사시도.
도 1a는 카트리지내의 라이너에 연결되는 밸브의 단면도.
도 2는 도 1에서 보인 카트리지의 폐쇄상태를 보인 사시도.
도 2a와 도 2b는 라이너에 연결되는 다른 밸브를 보인 사시도.
도 3은 연료 게이지를 갖춘 도 1 및 도 2의 연료 카트리지를 보인 단면도.
도 4는 도 3의 다른 실시형태를 보인 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태를 보인 단면도.
이하, 도면과 함께 상세히 설명되는 바와 같이, 본원 발명은 연료 공급원에 관한 것으로, 상기 연료 공급원은 메탄올과 물, 메탄올/물 혼합물, 다양한 농도의 메탄올/물 혼합물 및 순수 메탄올을 저장한다. 메탄올은 예를 들어 DMFC, 효소 연료전지, 개질 연료전지 등 많은 종류의 연료전지에서 사용가능하다. 연료 공급원은 에탄올이나 알콜, 수소로 개질될 수 있는 화학물질, 또는 연료전지의 효율을 증대시킬 수 있는 기타 화학물질과 같은 다른 종류의 연료전지 연료를 포함할 수 있다. 또한, 연료는 금속 연료전지 또는 알칼리 연료전지에 사용될 수 있고 연료 공급원에 저장될 수 있는 수용성 수산화칼륨(KOH) 전해질을 포함할 수 있다. 금속 연료전지용으로서 연료는 KOH 전해질 반응용액에 담근 유체부유 아연입자의 형태로 되고, 전지 캐비티(cavity) 내부의 양극은 아연입자 형태의 미립자 양극으로 된다. KOH 전해질 용액은 미국특허공개공보 제2003/0077493호(2003. 4. 24 공개) "하나 이상의 부하에 전력을 공급하기 위한 연료전지시스템 사용방법"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 메탄올과 과산화수소 및 황산의 혼합물을 포함하며, 이는 실리콘 칩 상 에 형성된 촉매를 지나쳐 흘러 연료전지 반응을 일으킨다. 또한, 연료는 앞서 기술하였듯이 수용성 수소화붕소나트륨(NaBH4)와 물을 포함한다. 또한, 연료는 탄화수소 연료, 즉 부탄, 등유, 알콜 및 천연가스 등을 더 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이는 미국특허출원공개공보 제2003/0096150호(2003. 5.22 공개) "액체 계면 연료전지 기기"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 연료와 반응하는 액상 산화제를 포함한다. 따라서, 본원 발명은 연료 공급원 내에 수용되는 연료, 전해질 용액, 산화제 용액 또는 액체의 종류에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 "연료"라는 용어는 어떠한 연료전지나 연료 공급원 내에서도 반응할 수 있으며, 이는 상기 모든 적절한 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 액체 및/또는 화학물질과 그 혼합물을 포함하며 이에 한정되지는 않는다.
여기서 사용되는 용어인 "연료 공급원"은 일회용 카트리지, 재충전/재사용 가능한 카트리지, 용기, 전자기기 내부에 구비되는 카트리지, 분리가능한 카트리지, 전자기기 외부에 구비되는 카트리지, 연료 탱크, 연료 재충전 탱크, 연료를 수용하는 기타 용기, 상기 연료 탱크 및 용기에 연결되는 배관을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이하, 카트리지가 본원 발명의 실시예들과 연계되어 기술되나, 이들 실시예들은 기타 연료 공급원에게도 적용가능하며, 본원 발명은 어떤 특정 형태의 연료 공급원에 한정되지는 아니한다.
적당한 연료 공급원은 미국특허출원 제10/356,793호(2003. 1.31 출원) "연료전지용 연료 카트리지"에 기술된 것을 포함한다. 본 발명에서 이러한 특허출원의 내용은 그 전부가 인용된다. 적당한 연료전지 카트리지의 한 실시형태가 도 1에 도시되어 있다. 카트리지(40)는 상기 언급된 바와 같은 다양한 형태의 연료전지 연료를 수용한다. 카트리지(40)는 하우징 상부(42)와 하우징 몸체(44)로 구성된다. 하우징 몸체(44)는 연료 라이너(46)를 수용할 수 있는 크기로 구성된다. 연료 라이너는 미국특허출원 제10/629,004호(2003. 7.29 출원) "가요성 라이너를 갖는 연료 카트리지"에 잘 개시되어 있다. 본 발명에서 이러한 특허출원의 내용은 그 전부가 인용된다. 라이너(46)는 차단밸브(36)에 연결된다. 적합한 차단밸브로는 미국특허출원 제10/629,006호(2003. 7.29 출원) "연결밸브를 구비한 연료 카트리지"에 개시되는 차단밸브들을 포함한다. 본 발명에서 이러한 특허출원의 내용은 그 전부가 인용된다. 밸브(36)는 라이너(46)에 연료를 채우기 위하여 사용될 수 있으며, 또한 상기 라이너로부터 연료전지로 연료를 선택적으로 이송하기 위하여 사용될 수 있다. 일 관점에 있어서, 밸브(36)는 몸체(44)의 직립단부벽(50)에 착설된다. 단부벽(50)에는 슬로트(48)가 형성되어 있어 이에 밸브(46)를 삽입할 수 있다. 도 1a에서 보인 바와 같이, 밸브(36)는 이러한 밸브(36)가 고정될 수 있도록 단부벽(50)에 걸치는 두개의 외부플랜지(51)를 갖는다. 상기 외부플랜지는 그 외면이 도시한 바와 같은 단부벽(50)의 외면에 일치되는 것이 바람직하다. 밸브(36)가 배치된 후에 슬로트(48)는 이 슬로트(48)에 삽입되는 플러그 또는 가스킷으로 밀봉될 수 있다. 플러그 또는 가스킷은 적당한 밀봉물질로서 탄성중합체 물질, 고무물질, 충전재로 제조될 수 있다.
하우징 상부(42)는 그 내면에 압축성 발포재(foam: 52)가 부착된다. 이 발포 재(52)는 단일층 또는 복수층의 발포재일 수 있다. 발포재(52)는 라이너(46)가 채워지기 전에 라이너(46)에 인접하여 배치된다. 하우징 상부(42)는 가이드(54)와 가이드공(hole: 56)에 의하여 하우징 몸체(44)의 상측에 배치된다. 하우징 상부(42)는 접착제 접착, 초음파 접착, 고주파 접착, 용착, 가열밀봉(heat sealing) 등의 종래 잘 알려진 방법에 의하여 하우징 몸체(44)에 부착될 수 있다. 단부벽(50)과 기타 다른 측벽들이 유사한 방법으로 상대측에 대하여 그리고 저면부(58)에 부착될 수 있다. 또한 측벽들은 예를 들어 사출성형, 압출성형 또는 가열성형에 의하여 저면부(58)에 일체로 형성될 수 있다. 단부벽(50)과 기타 다른 측벽들은 발포재(52)와 라이너(46)의 수축 및 팽창을 안내하기 위한 다수의 가이드(60)를 갖는 것이 좋다.
또한, 단부벽(50)은 카트리지(40)가 채워질 때 공기가 방출될 수 있도록 하거나 사용중에 연료전지의 반응에 의하여 생성된 가스 부산물이 방출될 수 있도록 하는 배기밸브(62) 또는 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막(64)을 가질 수 있다. 막(64)은 연료가 소모될 때 카트리지의 내부로부터 형성되는 진공을 최소화하기 위하여 공기가 유입될 수 있도록 하는 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막이다. 이러한 막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylene), 나일론, 폴리아미드(polyamide), 폴리비닐리덴(polyvinylidene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 기타 폴리머 막으로부터 만들어질 수 있다. 소수성 PTFE 미세다공성 막은 W.L Gore Associates, Inc., Milspore, Inc. 및 Filtrona, Inc.로부터 상업적으로 입수할 수 있다. Goretex®가 적합한 막이다. Goretex®는 액체가 통과하기에는 너무 작고 기체는 충분히 통과할 수 있는 크기의 기공을 갖는 미세다공성 막이다.
도 2에서 보인 바와 같이, 하우징 상부(42)가 하우징 몸체(44)에 조립된 후에, 발포재(52)는 그 저면이 저면부(58)와 비어있는 라이너(46)에 밀착되어야 한다. 연료가 차단밸브(36)를 통하여 카트리지내에 주입될 때, 라이너(46)가 팽창되면서 발포재(52)를 압축시킨다. 발포재(52)가 압축되면서, 이 발포재에는 사용중에 라이너(46)를 가압하여 연료가 연료전지측으로 이송되도록 하는 잠재스프링에너지가 저장된다. 또한 연료가 카트리지 내로 팜핑될 때, 카트리지 내에 갇혀 있던 공기는 막(64)을 통하여 방출된다. 또한 공기는 배기밸브(62)를 통하여 방출될 수도 있다. 일 실시형태에서, 밸브(62)는 채널(68, 70)로 구성된다. 채널(68)은 공기나 기타 다른 가스가 방출될 수 있도록 하는 반면에, 채널(70)은 필요한 경우 연료전지에 의하여 생성된 액체 및 가스 부산물이 카트리지측으로 이송될 수 있도록 한다. 도 2a 및 도 2b에서 보인 바와 같이, 채널(68, 70)은 동축상이다. 즉, 이들은 나란히 배치되거나 하나의 채널이 다른 채널의 내측에 배치될 수 있다. 또한 라이너(46)는 사전에 연료가 채워지고 하우징 몸체(44)에 하우징 상부(42)를 덮기 전에 하우징 몸체(44)내에 삽입될 수 있다. 하우징 상부(42)는 하우징 몸체(44)에 덮이어 있는 동안에 발포재(52)를 압축한다.
발포재(52)는 그 전체 두께를 통하여 다양한 기공을 가질 수 있으며 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다. 도 3 및 도 4에서 보인 바와 같이, 발포재(52)는 웨이브 스프링 또는 판 스프링(74)과 탄지용 플레이트(76)로 대체될 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따른 연료 게이지가 도 1, 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 연료 게이지는 두개의 센서로 구성되며, 제1 센서(78)가 카트리지(40) 내부에 배치된다. 제1 센서(78)는 연료가 인출될 때 카트리지 내에 남아있는 연료의 수위를 반영할 수 있도록 움직이는 위치에 배치되어야 한다. 예를 들어, 제1 센서(78)는 라이너(46) 상에 직접 배치되거나, 발포재(52) 또는 탄지용 플레이트(76)상에 배치될 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 센서(78)는 라이너(46)에 접촉하는 발포재(52)에 배치되거나 라이너(46)에 접촉하는 플레이트(76)상에 배치된다. 제2 센서(80)는 카트리지(40)의 외부, 예를 들어 연료전지 또는 전자기기(82) 상에 배치된다. 이 제2 센서(80)는 연료전지 또는 이러한 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 전자기기에 전기적으로 연결된다. 제2 센서(80)에 연결된 전기회로(개략적으로 보임)는 연료수위에 상관되거나 관련된 이들 센서 사이의 전기적 또는 자기적인 특성을 측정한다. 또한 전기회로는 카트리지의 벽을 통해 연장된 전기도선을 통하여 제1 센서(78)에 연결된다.
본문에 있어서 센서에 의하여 측정된 특성과 남아있는 연료레벨 사이의 관계를 설명할 때 사용되는 용어로서 "관계하는", "관계되는", "상관하는" 및 "상관되는" 등의 용어는 직접적인 관계, 즉, 남아있는 연료 수위가 감소함에 따라서 측정된 특성이 감소하는 직접적인 관계, 또는 간접적인 관계, 즉, 남아있는 연료 수위가 감소함에 따라서 측정된 특성이 증가하는 간접적인 관계 및 그 반대의 관계를 포함한다. 또한, 직접 및 간접적인 관계는 측정된 특성과 남아있는 연료 수위 사이의 선형적 및 비선형적 변화 모두를 포함한다.
일 예에서, 제1 및 제2 센서는 자석 또는 자기화된 물질로 만들어진다. 이들 센서는 센서 사이의 거리 "A"에 따라서 상대측에 대한 자기 인력 또는 척력을 가질 수 있다. 라이너(46)가 비어 있을 때, 두 센서는 근접하거나 서로 접촉하여 있으며(A는 최소), 이들 사이의 자력은 가장 세다. 라이너(46)가 완전히 채워져 있을 때 두 센서는 가장 멀리 떨어져 있으며(A는 최대), 이들 사이의 자력은 가장 약하다. 이들 두 측정점을 측정함으로써 거리 "A"의 함수로서 라이너(46) 내부에 남아있는 연료 수위가 평가될 수 있다.
다른 예에서, 제1 및 제2 센서는 전기 전도성 물질로 구성되고 이들 사이에 캐패시터가 형성된다. 제2 센서(80)는 두 센서 사이의 캐패시턴스를 측정할 수 있는 전기회로(미도시)에 연결된다. 이들 센서 사이의 캐패시턴스는 거리 "A"와 센서 간 물질의 유전상수의 함수이다. 이 예에서, 카트리지(40)의 외갑체, 라이너(46)의 물질 및 연료의 유전상수는 캐패시턴스 측정에 관련된다. 전기회로는 제2 센서(80)를 제1 센서(78)보다 비교적 높은 전압으로 대전시킴으로써 상기 센서들 간의 캐패시턴스가 측정될 수 있다. 라이너(46)가 비어 있을 때, 상기 두 센서는 근접하거나 서로 접촉하여(A가 최소) 이들 사이의 캐패시턴스가 최소가 된다. 라이너(46)가 완전히 채워졌을 때, 상기 두 센서는 가장 멀리 떨어져 있어(A가 최대) 이들 사이의 캐패시턴스가 최대가 된다. 이들 두 측정점을 교정함으로써 라이너(46) 내부에 남아있는 연료 수위가 거리 "A"의 함수로서 측정될 수 있다.
자계는 센서(80)에 배치되고 전기회로에 연결된 홀 센서(Hall sensor)로 측정될 수 있다. 이러한 홀 센서는 전류가 홀 센서를 통하여 흐를 때 센서(78)와 센서(80) 사이에서 발생된 자계의 강도에 관련되는 전압을 발생한다. 상기 전기회로는 전류를 공급하고 발생된 전압을 측정한다. 홀 센서는 Micronas Semiconductor Holding AG(Zurich, Switzerland)로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 자계를 측정하기 위하여 자력에 의한 센서(80) 상의 스트레인(strain)을 측정하는 스트레인 게이지와 같은 다른 센서가 사용될 수 있다. 이와 같은 경우, 센서(80)는 측정가능한 스트레인을 최대화하기 위하여 외팔보 방식으로 취부되어야 한다.
제1 및 제2 센서(78, 80)를 이용하는 이점은 연료 수위를 측정하기 위한 전기회로가 연료전지 또는 전자기기 내부에 배치되고 재사용이 가능하다는 것이다. 제2 센서(80) 역시 재사용이 가능하다. 다만, 카트리지(40)가 일회용이거나 재사용가능한 카트리지(40)가 그 사용수명을 다하여 교체될 때만 대체된다. 이는 연료 카트리지 제조의 경비와 복잡성을 줄인다. 다른 이점은 이들 센서가 연료에 대한 물리적인 접촉없이 남아있는 연료를 측정하는 것이다.
제1 및 제2 센서(78, 80)를 이용하여 남아있는 연료레벨을 측정하는 다른 방법은 본 발명의 내용에 따라서 안출될 수 있으며, 본 발명은 제1 및 제2 센서(78, 80)를 이용하는 어떠한 특정방법에도 국한되지 아니한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료 카트리지(40) 내에 남아있는 연료를 측정하기 위하여 서미스터가 이용될 수 있다. 서미스터는 온도변화에 감응하는 반도체 저항기이다. 즉, 서미스터의 저항은 온도의 변화에 따라서 변화한다. 일반적으 로 서미스터는 두 가지의 형태, 즉, 부저항온도계수(NTC) 서미스터와 정저항온도계수(PTC) 서미스터가 있다. NTC 서미스터는 증가하는 온도에 노출될 때 그 저항이 감소를 보이고, PTC 서미스터는 감소하는 온도에 노출될 때 그 저항이 증가를 보인다. 전통적으로 서미스터는 시스템 또는 유체의 온도를 측정하는데 사용되어왔다.
서미스터 저항의 중요한 관점은 연료 카트리지 내부에서의 열전달과, 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 전자기기 내부에서의 열전달에 따른 서미스터 몸체의 온도에 의존하여 달라진다는 것이다. 열전달은 주로 이러한 환경에서 이루어지거나, 또는 장치 내부의 전력소비에 의한 열로부터 이루어지는 전도와 복사에 의하여 일어난다. 전통적인 온도측정과정에서는 정확한 온도를 얻을 수 있도록 자체발열이 보상되어야 한다. 본 발명에 의하면, 자체발열은 보상되지 않으며, 이에 따라 연료 카트리지 내부에 남아있는 연료의 열을 분산시키기 위한 열용량이 측정될 수 있다. 이러한 열용량은 카트리지 내에 남아있는 연료의 양에 관련이 있다. 본 발명에 있어서는 NTC 및 PTC 서미스터 모두가 사용될 수 있다.
일반적으로, 열용량 또는 열전도율은 열을 전도 또는 분산시키는 유체, 즉, 액체 또는 기체의 능력으로서 설명된다. 물이나 메탄올과 같은 액체는 공기나 이산화탄소와 같은 기체에 비하여 열을 분산하는 용량이 매우 높다. 유체의 열 분산 용량은 특정유체의 상수인 열용량에 유체의 체적을 곱한 것과 같다. 따라서, 본 발명의 이러한 관점은 연료 내에 배치되거나 연료가 수용되어 있는 라이너(46) 상에 배치된 서미스터의 전기저항을 측정함으로써 남아있는 연료의 체적을 측정하는 것이다. 그리고 상기 전기저항은 남아있는 연료의 열 분산 용량으로 변환되고 이 용량 은 열용량 상수로 나눔으로써 남아있는 연료의 체적으로 변환된다. 즉, 남아있는 연료의 체적이 크면 클수록 그에 따라 열용량은 높아진다.
서미스터-연료 게이지는 사용 전에 교정되어야 한다. 연료전지와 전자기기의 작동온도는 알려져 있다. 완전히 채워져 있는 라이너로부터의 전기적인 신호가 기록되고 비어 있는 라이너의 전기적인 신호가 기록된다. 또한 알고 있는 부분 체적으로부터 하나 이상의 신호가 기록될 수 있다. 이들 작동온도 사이의 이들 교정점으로부터 교정곡선(calibration curve)을 얻을 수 있다. 실시간 신호가 이러한 교정곡선과 비교되어 남아있는 연료를 판단한다. 다른 교정방법이 본 발명으로부터 벗어남이 없이 수행될 수 있다.
아울러, 서미스터는 저항기이므로 서미스터를 통하여 흐르는 전류는 열을 발생한다. 따라서, 서미스터를 통하여 전류를 흘려보냄으로써 남아있는 연료에 의하여 분산될 수 있는 열이 발생할 수 있도록 하여, 이로부터 정확한 판독값을 얻을 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 남아있는 연료의 양을 판독하는 것이 요구될 때마다, 연료전지는 열분산량을 측정하기 위하여 서미스터에 전류를 보낸다. 이러한 전류는 간헐적으로 또는 연속적으로 보낼 수 있다.
도 5에서 보인 바와 같이, 카트리지(40)는 연료가 수용되는 라이너(46)를 구비한다. 라이너(46)는 잠재 에너지를 저장할 수 있는 스프링(52, 74) 또는 다른 적당한 기기에 의하여 가압된다. 스프링은 도 5에서 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시형태에서 연료 게이지(90)는 서미스터이고 도선(92, 94)을 통하여 회로에 연결된다. 연료 게이지(90)는 라이너의 표면에 배치되어 연료로부터 격리되는 것이 바 람직하다. 이 회로는 연료의 열용량을 측정하여 남아있는 연료의 체적을 측정한다. 또한 이 회로는 상기 언급된 바와 같이 게이지(90)에 전압을 인가하여 게이지(90)를 통하여 전류를 보냄으로써 남아있는 연료에 의한 열분산을 측정할 수 있다. 또한 게이지(90)는 라이너(46)의 내부에서 연료에 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료 게이지로서 서머커플이 사용될 수 있다. 이러한 서머커플 역시 전형적으로 온도를 측정하는데 사용되며 상이한 금속으로 된 두 개의 도선으로 구성되고 바이메탈 센서로서 알려져 있기도 하다. 이들 도선은 두 접속점에서 연결된다. 측정접속점의 온도가 기준접속점의 온도와 다를 경우 전위차가 발생한다. 기준접속점은 물의 빙점과 같이 일반적으로 알려진 온도로 유지된다. 전위차는 측정접속점의 온도에 관련된 DC 전압이다. 온도를 측정하기 위하여 서머커플을 이용하는 것은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
서미스터와 마찬가지로, 서머커플은 온도에 감응하는 저항기로서 작용한다. 서머커플은 전위차를 측정함으로써 남아있는 연료의 열용량을 측정할 수 있다. 따라서, 서머커플은 남아있는 연료를 측정할 수 있다. 또한 서머커플의 측정접속점을 통하여 전류를 보낼 수 있다. 전류는 측정접속점을 가열시키고 연료는 이러한 열을 분산시킨다. 따라서, 분산된 열의 양은 남아있는 연료의 양과 관련된다. 전류는 간헐적으로 또는 연속적으로 보내어질 수 있다. 서머커플 연료 게이지는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 서미스터의 교정과 유사하게 교정되어야 한다.
도 5에서 보인 바와 같이, 서머커플의 측정접속점(100)은 라이너(46) 상에 또는 라이너의 내부에서 연료에 접촉하여 배치될 수 있다. 서머커플이 온도를 측정 하기 위하여 사용되지 않으므로, 기준접속점은 선택적인 것이다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 남아있는 연료를 측정하기 위하여 유도형 센서가 이용될 수 있다. 유도형 센서는 전형적으로 온/오프 근접스위치(on/off proximity switch)로서 사용된다. 유도형 센서는 와이어 코일과 페라이트 코어로 구성되고 이들은 인덕턴스/캐패시턴스(LC) 동조회로의 인덕턴스 부분을 형성한다. 이 회로는 오실레이터를 구동시키며 이는 차례로 대칭형의 진동자계를 발생한다. 금속판과 같은 도전체가 이러한 진동자계 내에 진입할 때, 상기 도전체에 와전류가 형성된다. 이들 와전류는 자계로부터 에너지를 인출한다. 에너지의 변화는 유도형 센서와 도전체 간의 거리에 상관한다.
도 3과 도 4에서, 센서(80)는 유도형 센서로 될 수 있고 센서(78)는 도전체로 될 수 있다. 이 실시형태에서, 센서(80)와 센서(78) 간의 거리는 남아있는 연료의 체적에 상관한다. 도 3과 도 4에 도시된 전기회로는 직접 자계의 변화를 측정하거나 또는 상기 언급된 바와 같이 홀 센서를 통하여 자계의 변화를 측정할 수 있다. 유도형 센서는 IFM Efector, Inc.(Exton, PA)와 Sensouce사(Youngstown, OH)로부터 상업적으로 입수할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 연료 게이지는 연료 카트리지의 방향에 관계없이 어느 방향에서나 그 기능을 발휘할 수 있다. 이들 게이지는 형태에 관계없이 연료전지에 사용되는 연료를 수용하는 가압형 및 비가압형 연료 공급원에 사용될 수 있다. 또한 이들 연료 게이지는 동일자로 출원한 미국특허출원의 "정보 저장 기기 및 제어시스템을 포함하는 연료전지 시스템"에 기술된 바와 같은 제어기에 의하여 판독될 수 있다. 이러한 미국특허출원은 그 전체가 본 발명에 인용된다.
여기서 개시된 발명의 실시예들은 본원발명의 목적을 달성하는 것이며, 다수의 변형 및 기타 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 안출될 수 있음이 인정된다. 예를 들어, 상기 언급된 연료 공급원은 라이너(46) 등의 라이너 없이도 사용될 수 있다. 도 4에서 보인 바와 같이, 플레이트(76)가 카트리지(40)의 측벽에 밀폐되고 연료가 플레이트(76)의 하측에 저장될 수 있다. 센서(78, 80)는 도시된 바와 같은 동일한 위치에 배치된다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 기술사상과 범위내에 속하는 모든 수정실시형태와 다른 실시형태들이 포함될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (52)

  1. 연료공급원과, 연료전지에 의하여 전력을 공급받는 전자기기에 사용되도록 된 연료 게이지에 있어서,
    상기 연료 게이지는 가동형 제1절점을 포함하고 상기 제1절점의 특성은 전기회로에 의하여 판독가능하며, 상기 특성은 상기 연료 공급원 내부에 잔존하는 연료량에 관한 것이고, 상기 연료 게이지는 상기 연료공급원의 어느 배향에서나 기능하는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특성은 상기 제1절점과 제2절점 간의 전기용량이고 상기 제1절점은 연료가 상기 연료공급원으로부터 인출됨에 따라 이동하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 특성은 상기 제1절점과 제2절점 간의 자력이고 상기 제1절점은 연료가 상기 연료공급원으로부터 인출됨에 따라 이동하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  8. 제3항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2절점은 상기 연료전지 상에 또는 상기 전자기기 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  9. 삭제
  10. 제3항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1절점은 연료를 수용하는 라이너 상부나 내부에 배치되고 상기 라이너는 상기 연료공급원 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 연료 게이지에 연결된 홀 게이지가 상기 자력으로부터 전압을 발생하고 상기 전압은 전기회로에 의하여 판독가능한 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 특성은 반도체 저항기의 저항으로 되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반도체 저항기는 서미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제1항에 있어서,
    상기 특성은 바이메탈 저항기의 저항으로 되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 바이메탈 저항기는 서머커플로 되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  22. 제 13항에 있어서,
    상기 서미스터는 연료에 인접하여 배치되거나, 연료를 수용하는 라이너에 인접하여 배치되고 상기 라이너는 상기 연료공급원 또는 연료 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제12, 13, 20 및 21항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기회로는 잔존하는 연료량을 측정하기 위하여 상기 연료 게이지에 전류를 보내는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전류는 간헐적 또는 연속적으로 보내어지는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  27. 삭제
  28. 제1항에 있어서,
    상기 전기회로는 상기 연료전지 또는 전자기기 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급원은 일회용 카트리지, 재충전형 카트리지, 재사용형 카트리지, 전자기기 내부에 배치되는 카트리지, 전자기기의 외부에 배치되는 카트리지, 연료탱크, 연료 재충전 탱크 및 연료용기로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 특성은 유도형 센서에 의하여 발생되는 진동자계로 되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 진동자계는 도전체가 자계 내에 진입할 때 변화하고, 상기 진동자계의 변화는 잔존하는 연료의 체적에 상관하는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 유도형 센서는 상기 연료전지 또는 전자기기 상에 배치되고 상기 도전체는 연료가 상기 연료 공급원으로부터 인출됨에 따라 이동하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 연료 게이지에 연결된 홀 게이지는 상기 진동자계로부터 전압을 발생하고 상기 전압은 전기회로에 의하여 판독가능한 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  36. 연료공급원과, 연료전지에 의하여 전력을 공급받는 전자기기에 사용되도록 된 연료 게이지에 있어서,
    상기 연료 게이지는 상기 연료공급원에 결합되고 상기 연료전지 또는 상기 전자기기에 결합된 제2센서로부터 소정거리 이격된 가동형 제1센서를 포함하고, 상기 거리는 상기 연료공급원 내의 연료수위에 따라 변화하며 상기 연료공급원 내에 잔존하는 연료량을 나타내고, 상기 제1 및 제2 센서는 전기회로에 의하여 판독될 수 있는 특성을 갖고, 상기 연료 게이지는 상기 연료공급원의 어느 배향에서나 기능하는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
  37. 삭제
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  48. 연료공급원과, 연료전지에 의하여 전력을 공급받는 전자기기에 사용되도록 된 연료 게이지에 있어서,
    상기 연료 게이지는 상기 연료공급원 내부에서 가동하고, 전기회로에 의하여 판독가능한 전기저항을 포함하며, 상기 전기저항은 상기 연료공급원 내에 잔존하는 연료량에 관한 것이고, 상기 연료 게이지는 상기 연료공급원의 어느 배향에서나 기능하는 것을 특징으로 하는 연료 게이지.
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