KR101382512B1 - 휴대용 연료전지장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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소시에떼 비아이씨
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Abstract

연료전지장치는 다른 것들 중에서 연료 전지, 연료 저장소, 전류 수집회로, 플레넘(plenum) 또는 장치 덮개 중 하나 이상을 포함한다. 연료 저장소는 연료를 저장하도록 구성되고, 출력 연료 압력을 조절하기 위한 조절기와 연료 보급구를 포함할 것이다. 연료 저장소의 표면은 제 1 연료 전지부에 인접하게 위치한다. 전류 수집회로는 연료 전지 파워를 수용하여 분배하도록 구성되고, 제 2 연료 전지부에 인접하게 위치한다. 플레넘은 연료 저장소와 제 1 연료 전지부가 연결되는 경우에 형성되거나 또는 하나 이상의 유연한 연료 전지벽에 의해서 형성된다. 장치 덮개는 공기가 장치 내로 들어갈 수 있게 하며, 결합된 경우에 상기 플레넘 내의 연료 압력은 상기 연료전지와 상기 전류 수집회로 사이의 접촉을 유발시킨다.
연료전지장치, 연료 저장소, 전류 수집회로, 플레넘(plenum), 장치 덮개

Description

휴대용 연료전지장치 및 그 제조방법{PORTABLE FUEL CELL SYSTEMS AND METHODS THEREFOR}
발명의 우선권
본 출원은 2006 1월 9일자로 출원된 미합중국 임시출원 번호 제60/757,750호를 35 U.S.C. ξ119(e)하에 우선권으로 주장하며, 이것은 본원에서 참조로서 통합된 것이다.
본 발명은 일반적으로 연료전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 그러나 제한적이지 않게, 휴대용 또는 마이크로-연료전지장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지는 전기를 생산하기 위해서 연료와 산소의 반응을 이용하는 전기화학적 에너지 변환장치이다. 연료전지는 연료가 존재하는한 계속해서 작동한다. 연료로서 수소가 사용되는 경우, 유일한 부산물은 수증기이다. 연료전지의 변환반응은 전기화학적으로 일어나며, 전기 에너지와 열의 조합으로서 에너지가 방출된다. 전기 에너지는 직접적으로 유용하게 일할 수 있으며, 반면에 열이 분산될 수 있다.
휴대폰과 랩톱 컴퓨터(다른 것들 중에서)와 같은 휴대용 전기장치들은 작동하는데 있어서 상당한 양의 전기가 필요하다. 이러한 장치들에 파워를 공급하는 초 기의 그리고 임의의 2차 배터리들은 성능 한계에 도달하고 있다. 그래서, 배터리 소오스들은 미래의 휴대장치들에 필수적인 파워를 공급할 수 없을 것이며, 따라서 훨씬 큰 전력이 필요할 것이다. 연료전지들은 전통적인 배터리들에 대하여 가변적인 대안의 전력원이지만, 그들의 비교적 큰 크기, 낮은 에너지 밀도 수준과 불충분한 전력 출력에 의해서 현재는 제한적이다. 현재 연료전지의 결점들은 다른 것들 중에서 현재 연료전지 성분들의 부적합한 통합과 전기장치에서 배치 요구조건들의 결과이다. 해당 기술에 대하여 위에서 언급한 상태를 통해서 본 발명의 주제는 고에너지 밀도를 유지할 수 있고 모든 포괄적인 장치 내에서 충분한 파워출력을 제공할 수 있는 휴대용 연료전지장치를 제공하는 것임을 인식하게 되었으며, 본 특허와 연관된 명세서와 도면을 통해서 이를 발표하는 것이다.
본 발명의 실시 예는 연료전지장치에 관한 것이다. 일 실시 예에 있어서, 연료전지장치는, 양극, 음극 및 그들 사이에 배치된 전해질을 포함하는 하나 이상의 연료전지 또는 연료전지 층, 연료 또는 연료저장 재료, 상기 하나 이상의 연료전지 또는 연료전지 층의 제 1 부분에 인접하게 위치한 하나 이상의 표면을 포함하고 상기 연료 또는 연료저장 재료를 저장하도록 구성된 연료 저장소, 상기 하나 이상의 연료전지 또는 연료전지 층의 제 2부분과 접촉하며 상기 연료전지나 연료전지 층에 의해서 발생된 파워를 수용하여 분배하도록 구성된 전류 수집회로, 그리고 상기 하나 이상의 연료 저장소 표면과 상기 하나 이상의 연료전지 또는 연료전지 층의 상기 제 1 부분 사이에 배치된 연료 플레넘을 포함한다.
다른 예에 있어서, 연료전지장치는 연료 저장소, 장치 덮개, 포위영역(enclosed region) 및 하나 이상의 연료전지를 포함한다. 연료 저장소는 연료 또는 연료저장재료를 저장하도록 구성된다. 장치 덮개는 연료 저장소에 부착될 수 있도록 구성되고, 이에 의해서 그 안에 포위 영역을 형성한다. 하나 이상의 연료전지는 연료전지의 양극이나 음극을 포함하는 하나 이상의 유연한 벽들을 포함한다. 유연한 벽들은 반응물 플레넘을 형성하도록 구조적으로 배열되고, 가압되는 경우에 상기 연료 저장소나 장치 덮개 중 하나 또는 모두의 부분에 의해서 지지된다.
본 발명의 실시 예들은 또한 연료전지장치의 제조방법에 관한 것이다. 한가지 방법은, 연료전지나 연료전지 층을 형성하는 단계; 연료 저장소와 상기 연료전지나 연료전지 층의 제 1 부분 사이에 연료 플레넘을 형성하도록 상기 연료 저장소를 상기 연료전지나 연료전지 층의 상기 제 1 부분에 결합시키는 단계; 전류 수집회로를 상기 연료전지나 연료전지 층의 제 2 부분에 인접하게 배치하는 단계; 상기 연료전지나 연료전지 층의 상기 제 2 부분 근처에 하나 이상의 통기구를 위치시키는 것을 포함하여, 상기 전류 수집회로, 상기 연료전지나 연료전지 층, 또는 상기 연료 저장소의 일부 중 하나 이상 위로 상기 하나 이상의 통기구를 갖는 장치 덮개를 배치하는 단계; 그리고 상기 장치 덮개를 상기 연료 저장소에 결합시키는 단계;를 포함한다.
다른 방법은, 내부에 연료를 저장하도록 구성된 연료 저장소를 형성하는 단계; 장치 덮개를 형성하는 단계; 포위영역을 형성하는 단계를 포함하여 상기 장치 덮개를 상기 연료 저장소의 일부에 결합하는 단계; 그리고 하나 이상의 반응물 플레넘을 형성하도록 하나 이상의 유연한 벽을 배열하는 단계를 포함하여 상기 폐쇄 영역에 하나 이상의 연료전지를 배치하는 단계;를 포함한다. 다양한 실시 예들에 있어서, 상기 연료저장소와 장치 덮개를 형성하는 단계는, 상기 하나 이상의 유연한 연료전지 벽들을 위한 지지부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 장치와 방법의 이러한 그리고 다른 양태, 장점 및 특징들은, 하기의 상세한 설명과 관련 도면들을 통해서 명백하게 밝혀질 것이다.
도면들에 있어서, 이들은 반드시 실제 크기로 묘사할 필요는 없으며, 몇몇 도면들을 통해서 유사한 참조부호들은 유사한 부품들을 나타낸다. 다른 접미사들을 갖는 유사한 참조부호들은 유사한 부품들의 다른 예들을 나타낸다. 도면들은 본 발명의 명세서에서 기술하고 있는 다양한 실시 예들을 제한함이 없이 예로서 일반적으로 나타낸 것이다.
도 1은 하나 이상의 일 실시 예에 따라서 구성된 바와 같은 연료전지장치의 분해도이다.
도 2는 하나 이상의 일 실시 예에 따라서 구성된 바와 같이 도 1의 선 2-2를 따라서 도시한 연료전지장치의 단면도이다.
도 3A 내지 3D는 다양한 실시 예들에 따라서 구성된 바와 같이 하나 이상의 연료전지들과 연료 저장소를 포함하는 연료전지장치의 일부의 단면도들이다.
도 4는 하나 이상의 일 실시 예에 따라서 구성된 바와 같이 도 1에 도시한 연료전지장치와 같은 연료전지 장치의 조립방법을 나타낸 도면이다.
도 5A 및 5B는 다양한 실시 예들에 따라서 구성된 바와 같이 하나 이상의 연료전지들, 연료 저장소 및 장치 덮개를 포함하는 연료전지장치의 일부의 단면도들이다.
도 6은 하나 이상의 일 실시 예에 따라서 구성된 바와 같이 도 5B에 도시한 연료전지장치와 같은 연료전지 장치의 조립방법을 나타낸 도면이다.
다음의 상세한 설명은 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부도면들에 대한 참조를 포함한다. 도면들은 본 발명의 장치 및 방법이 실행되는 특정한 실시 예들을 예시적으로 나타낸 것이다. 이 실시 예들은, 여기에서 "예"로서 언급되며, 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 본 발명의 장치 및 방법을 실행하기에 충분할 정도로 상세하게 기재된다. 실시 예들은 결합될 수 있고, 다른 실시 예들이 이용될 수 있거나, 또는 본 발명에 따른 장치 및 방법의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구조적 논리적인 변화들이 수행될 수 있다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 제한적인 것이 아니며, 본 발명에 따른 장치 및 방법의 영역은 첨부된 특허청구범위 및 그들의 등가물에 의해서 한정된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "한(a)" 또는 "하나(an)"는 하나 이상을 포함하도록 사용되고, 용어 "또는"은 달리 나타내지 않는한 비독점적인 것을 언급하는데 사용된다. 또한, 여기에서 채용되고 달리 정의되지 않은 구어(phraseology) 또는 술어(terminology)는 단지 설명을 목적으로 사용된 것이고 본 발명의 범위를 제한시키고자 한 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다.
만일 휴대전화, 위성전화, 랩톱 컴퓨터, 컴퓨터 액세서리, 디스플레이, 개인용 오디오 비디오 플레이어, 의료장비, 텔레비젼, 송신기, 수신기, 옥외등이나 손전등을 포함하는 조명장치, 전자 장난감, 전동공구 또는 배터리를 사용하는 종래의 장치와 같은 전기장치로 파워를 제공하도록 사용되면, 연료전지장치들은 전체 전기장치 체적의 단지 작은 체적만을 점유하고 고에너지 밀도를 유지하며 충분한 파워 출력을 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 현재의 연료전지장치들은 전기장치들에서 너무 크게 사용되고 있거나, 또는 고에너지 밀도를 유지하고 충분한 기간 동안에 전기장치에 파워를 제공하기에 필요한 에너지를 제공하는 것에 실패하였다. 바람직하게는, 본 발명의 주제는, 고에너지 밀도를 유지할 수 있고 충분한 파워출력을 제공하며 전체 전기장치 체적의 비교적 작은 체적만을 점유하는 연료전지장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 연료전지 장치는 수동으로 작동하고, 펌프, 밸브 또는 히터들이 필요 없고, 소정의 보충 배터리나 다른 동력원에 의존함이 없이 순간적으로 시동가능이 가능할 것이다.
도면들 특히 도 1을 참조하면, 다른 것들 중에서 연료 전지 층(102) 및 연료 저장소(104)(예를 들어, 연료 탱크)를 포함하는 연료 전지 장치(100)가 도시되어 있다. 연료 전지 층(102)은 하나 이상의 연료 전지들을 포함하는데, 이들은 양극(107), 음극(108), 및 이들 사이에 삽입되는 전해질(109)(예를 들어, 이온-교환 막)을 각각 포함한다. 장치(100)에서 사용되는 연료 전지 층(102)은 적어도 일부분이 전기 화학 반응 층 하부에 있는 전류-운반 구조를 갖는 전기 화학적 전지 구조와 같은 평면의 연료 전지일 수 있다. 이러한 하나의 예에서, 전지는 그것의 각 면 상에 촉매 층으로 된 이온-교환 막을 포함한다. 다른 예에서, 전기 화학적 전지 구조물은 이온-교환 막의 시트 상에 형성된 다수의 개별 단위 셀(cell)들을 포함한다. 연료 전지 장치(100)에서, 각각의 셀의 음극(108)에는 산화제로서 산소를 함유한 공기가 공급되고, 각각의 셀의 양극(107)에는 수소와 같은 연료가 공급된다.
다수의 구조적인 옵션들이 연료 저장소(104)에 대하여 유용하다. 예를 들어, 한 예에 있어서, 제 1 및 제 2 전지 부품들이 유용한 전기 장치 공간을 충분히 채우기 위해 서로 연결되고 배열되는 전지 연료 탱크를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 하나 이상의 내부 포트들이 제 1 및 제 2 전지 성분들을 유체 연결하는 반면에, 하나 이상의 단부 캡들이 부품들의 단부에 결합된다. 다른 예에 있어서, 연료 저장소(104)는 구조적 필러 및 상기 구조적 필러에 상응하여 결합된 외부 포위 벽을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 연료 저장소(104)는 불규칙한 모양(예를 들어, 비-원형, 비-직사각형, 또는 비-삼각형 모양)을 포함하는데, 이는 할당된 공간의 유용한 체적에 실질적으로 부합될 수 있다. 할당된 공간은 다른 것들 중에서, 휴대전화, 위성전화, 랩톱 컴퓨터, 컴퓨터 액세서리, 디스플레이, 개인용 오디오 비디오 플레이어, 의료장비, 텔레비젼, 송신기, 수신기, 옥외등이나 손전등을 포함한 조명장치, 전자 장난감 또는 전동공구 내에 위치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 추가의 예에서, 연료 저장소(104)는 보조 에너지 배터리(122) 또는 전기 조정 회로(120)와 같은 임의의 부품들을 보유하기 위한 공간(152)을 포함할 수 있다.
각각의 이러한 구조 예들에서, 연료 저장소(104)는 수소와 같은 연료 또는 수소 저장 물질과 같은 연료 저장 물질을 함유한다. 한 예에서, 연료 저장소(104)는 하나 이상의 활성 물질 입자들과 바인더를 포함하는 복합 수소 저장 물질을 함유하는데, 이때 바인더는 활성 물질 입자들 사이의 상대적인 공간적 관계를 유지하기에 충분한 활성 물질 입자들을 고정시킨다. 이러한 예에서, 수소 저장 물질은 금속 수소화물을 포함한다. 다른 기술들 중에서, 수소 저장 물질은 물리흡착 또는 화학흡착 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 수소를 저장할 수 있다. 다른 예로서, 폴리머 인핸스드 금속 수소화물 웨이퍼(polymer enhanced metal hydride wafer)가 연료 저장소 내에 저장될 수 있다.
연료 전지 층(102)로부터 얻어지는 전력은 전류 수집 회로(106)에 의해 모일 수 있고, 이는 연료 전지 층(102)에 의해 생성된 전류를 수집하여 전력 출력 커넥터(116)를 거쳐서 장치(100)의 외부로 또는 이와는 달리 조정 전자 구간(120)(예를 들어, 전자 조정 회로)으로 보낸다. 설명한 예에서, 다양한 변경이 가능하지만, 전력 출력 커넥터(116)는 전류 수집 회로(106)와 임의의 조정 전자 구간(120) 모두에 부착된다. 전류 수집 회로(106)는 연료 전지 층(102) 또는 다른 연료 전지 장치 부품의 모양 또는 위치에 부합하도록 유연하게 제공될 수 있다. 한 예에서, 연료 전지 장치(100)는 약 4Watt까지 최대 전력 출력을 제공하는 반면, 다른 예들에서, 연료 전지 장치(100)는 약 2~3Watt의 최대 전력 출력을 제공할 수 있다. 다양한 예들에서, 연료 전지 장치의 평균 전력 출력은 약 0.5~1.5Watt, 약 0.75~1.25Watt, 또는 약 1Watt와 같이 약 0.2~1.8Watt 사이이다. 다양한 예들에서, 연료 전지 장치(100)는 250~350Watt-hr/L 또는 약 300Watt-hr/L와 같이 약 200~600Watt-hr/L 이상의 에너지 밀도를 제공한다. 다양한 예들에서, 연료 전지 장치(100)는 약 25 입방 센티미터 이하의 크기를 포함한다. 특정 예들에서, 연료 전지 장치(100)의 크기 는 약 10 입방 센티미터 이하이다.
다양한 예들에서, 연료 저장소(104)는 연료 보급구(112)와 압력 조절기(110)을 포함한다. 연료 보급구(112)는 연료 저장소(104) 내로 유체, 예를 들어 유체 연료를 흐르게 하는 압력 활성 밸브일 수 있다. 한 예에서, 연료 보급구(112)는 연료 입구, 및 제 1 밀봉 위치와 제 2 연료보급 위치를 갖는 하나 이상의 압축 가능한 부재를 포함한다. 이러한 예에서, 하나 이상의 압축가능한 부재는 하나 이상의 압축 가능한 부재가 제 1 밀봉 위치 내에 있을 경우, 연료 입구와 밀봉되게 결합된다. 도시된 예에서, 연료보급 밸브(112)는 연료 저장소(104)의 하부 벽(114)과 결합된다.
압력 조절기(110)는 연료 전지 층(102)에 수용가능한 보다 일정하고 낮은 압력으로 연료 저장 압력을 감소시키도록 설계될 수 있다. 한 예에서, 압력 조절기(110)는 연료 저장소(104)의 상부 벽(115)과 통합되고, 조절기 몸체, 탄력 있는 부재, 다이아프램, 조절기 밸브, 및 밀봉 부재를 포함한다. 이러한 예에서, 다이아프램 및 조절기 밸브는 제 1 챔버 압력과 제 2 챔버 압력 사이의 압력 차이에 대하여 운동 가능하게 반응한다.
도시된 예에서, 연료 플레넘(212)(도 2)은 연료 저장소(104)의 하나 이상의 표면(150)에 인접하게 연료 전지 층(102)를 위치시킴으로써 생성된다. 연료 전지 층(102)에 인접한 연료 저장소 표면(150)의 주변은 압축성 또는 탄성 개스킷 또는 접착제와 같은 밀봉 부재(126)에 의해 밀봉될 수 있고, 이에 의해서 연료 플레넘(212)이 형성된다. 이러한 예의 작동에 있어서, 연료 저장소(104)는 연료 보급 구(112)에 압력을 가함으로써 연료로 채워진다. 그런 후에, 압력 조절기(110)는 연료 전지 층(102)의 작동 및 이동에 충분한 수준으로 연료 플레넘(212)에서의 압력을 감소시키거나 유지하기 위해 사용된다. 연료 플레넘(212) 내의 압력은, 연료 전지 층(102)을 전류 수집 회로(106)에 대항하여 압박하거나 가압하여 이들 사이에 접촉을 제공한다. 이러한 방식에 있어, 연료 전지 장치(100)는 장치(100)를 대기에 노출시킴으로써 단순하게 활성화(즉, 예를 들어 수소와 산소 사이의 전기 화학 반응이 시작될 수 있음)될 수 있다. 이와는 달리, 연료 전지 층(102)은 압력 활성화 없이 전류가 수집될 수 있도록 전류 수집 회로(106)에 직접적으로 결합될 수 있다.
임의적으로, 연료 전지 장치(100)는 장치 덮개(124) 또는 다공성 보호 부재(118)를 포함할 수 있다. 장치 덮개(124)는 연료 전지 층(102) 및 연료 저장소(104)와 같은 것들의 부착을 돕기 위해 사용될 수 있다. 다른 것들 중에서, 장치 덮개(124)는 강철 또는 알루미늄을 포함하는 단단하지만 연성이 있는 물질로 구성될 수 있다. 장치 덮개(124)를 위한 적합한 물질들의 다른 예들로는 Ultem®(제너럴 일렉트릭사의 등록 상표) 또는 폴리에틸렌과 같은 경성 플라스틱들을 포함한다. 다양한 예들에서, 장치 덮개(124)는 연료 전지 음극(108)의 적어도 일부분을 대기에 노출시키는 하나 이상의 통기구(206)(도 2)를 포함한다. 나타낸 바와 같이, 장치 덮개(는124)는 연료 전지 층(102)를 둘러싸도록 구성되고, 임의의 물리적 또는 화학적 수단들 예를 들어, 용접, 땜납(soldering), 납땜(brazing), 크림프(crimping), 접착제, 열 접착, 감압 접착, 또는 하나 이상의 기계 구조물들(예를 들어, 패스너들 또는 돌출부들)과 같은 물리적 또는 화학적 수단에 의해서 연료 저 장소(104)에 부착될 수 있다.
다공성 보호 부재(118)는 그곳을 통해서 공기를 유동시키면서 연료 전지 음극(108)에 대한 보호를 제공할 수 있다. 한 예에서, 다공성 보호 부재(118)는 음극(108)을 대기에서의 방해로부터 보호한다. 일정 예들에서, 다공성 보호 부재(118)는 그곳을 통해서 연료를 흐르게 하면서 양극(107)에 대한 보호를 제공하기 위하여 양극 측에서 연료 전지 층(102)에 인접하게 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 도시한 도면으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 장치(100)의 단면도이다. 이러한 예에서, 제 1 연료 저장소 표면(150)은 그 주변부 상에서 밀봉 부재(126)의 제 1 면과 접촉한다. 연료 전지 층(102)의 제 1 면(250)은 밀봉 부재(126)의 제 2 면과 접촉하고, 따라서 연료 플레넘(212)이 생성된다. 연료 전지 층(102)의 제 2 면(252)은 전류 수집 회로(106)와 접촉한다. 보호 부재(118)는 연료 전지 층(102) 및 그 성분들을 환경의 방해들로부터 보호한다. 장치 덮개(124)는 연료 전지 층(102) 및 연료 전지 장치(100)의 다른 성분들(예를 들어, 보호 다공성 부재(118), 전류 수집 회로(106), 및 연료 플레넘(212))를 둘러싸고 연료 저장소(104)에 부착시킨다. 장치 덮개(124)는 통기구(206)를 포함하는데, 이는 대기가 음극(108)(도 1)과 같은 연료 전지 층(102)의 부품들에 접근할 수 있게 한다. 공기는 연료 전지 층(102)의 음극(108)에 산소를 제공하기 위해 통기구(206)와 다공성 보호 부재(118)를 통해서 방향(208)을 따라 유동한다.
이러한 예에서, 연료(예를 들어, 수소)가 연료 저장소(104)로부터 압력 조절 기(110)을 통해 연료 플레넘(212)으로 흐르기 때문에, 연료 압력(202)은 연료 전지 층(102) 상에서 전류 수집 회로(106)의 방향으로 힘을 가하여, 그들 사이에 접촉을 제공하게 된다. 나타낸 바와 같이, 연료 저장소(104)에 대한 장치 덮개(124)의 기계적 결합은, 전류 수집 회로(106) 상에 덮개 압력(204)을 가하여 연료 전지 층(102)으로 향하게 해서(즉, 연료 압력(202)의 반대 방향으로), 추가적으로 연료 전지 장치(100)의 성분들 사이에 효과적인 접촉을 제공하게 된다.
연료 전지 장치(100)를 위한 다양한 옵션들이 존재한다. 예를 들어, 특정 예에서, 연료 플레넘(212)은 폭이 약 1mm 미만의 크기(여기서 폭은 연료 저장소(104)에 대하여 수직이고 연료 저장소(104)로부터 연료 전지 층(102)로 연장되는 거리임)를 가질 수 있는 반면에, 다른 예들에서는 연료 플레넘(212)은 1mm 이상의 폭을 가질 수도 있다. 특정 예들에서, 전류 수집 회로(106)는 연료 전지 층(102)의 제 2 면(252)에 접촉하기보다는, 연료 전지 층(102)의 하부에 배치되어 연료 전지 층(102)과 통합되거나, 또는 연료 플레넘(212) 내에 배치될 수 있다. 이러한 예들에서, 연료 전지 층(102)과 전류 수집 회로(106) 사이의 연결은, 연료 압력을 통해서, 아니면 더욱 정확한 접속 수단들(예를 들어, 결합 방법)을 통해서 생성된 외부힘(202)에 의해 활성화되지는 않을 것이다.
도 3A 내지 3D는, 다른 것들 중에서, 하나 이상의 연료 전지 층들(102), 수소 연료 저장소와 같은 연료 저장소(104), 및 하나 이상의 밀봉 부재들(126)을 포함하는 연료 전지 장치(100)의 일부분의 단면도들이다. 도 3A에서는, 하나의 연료 전지 층(102)이 연료 저장소(104)에 인접하게 배치된다. 도 3B에서는, 두 개의 연 료 전지 층들(102)이 연료 저장소(104) 주위에 서로 반대쪽 위치로 배치된다. 도 3C에서는, 세 개의 연료 전지 층들(102)이 연료 저장소(104)의 세 개의 별도 표면들 상에 배치된다. 도 3D에서는, 두 개의 연료 전지 층들(102)이 비정상적인-모양의(예를 들어, 비-정사각형 또는 비-직사각형) 연료 저장소(104)의 두 개의 별도 표면들 상에 배치된다. 도 1 내지 2에 도시된 연료 전지 장치들은 다른 것들 중에서 도 3A-3B에 도시된 구성들을 사용할 수 있다. 도 2와 관련하여 설명한 바와 같이, 하나 이상의 밀봉 부재들(126)은 연료 전지 층(102)과 연료 저장소(104) 사이에 배치될 수 있고, 이에 의해서 저장소(104)로부터 나오는 연료가 유동(210)할 수 있는 연료 플레넘(212)이 형성된다.
도 4는 도 1에 도시된 휴대용 연료 전지 장치(100)와 같은 연료 전지 장치의 제조방법(400)을 나타낸 것이다. 단계(402)에서, 하나 이상의 연료 전지가 형성된다. 다양한 예들에서, 다수의 연료 전지들이 연료 전지 층을 생성하기 위해 형성된다. 각각의 연료 전지는 양극, 음극, 및 이들 사이에 삽입된 전해질을 포함한다. 단계(404)에서, 연료 저장소는 하나 이상의 연료 전지의 제 1 부분과 결합되고, 그로 인해 그들 사이에 연료 플레넘을 형성하게 된다. 한 예에서, 연료 저장소는 비-전도성 접착제를 사용하여 하나 이상의 연료 전지의 제 1 부분과 결합된다. 다른 예에서, 밀봉 부재는 연료 저장소와 하나 이상의 연료 전지의 제 1 부분 사이에 배치된다.
단계(406)에서, 전류 수집 회로는 하나 이상의 연료 전지의 제 2 부분에 인접하여 배치된다. 한 예에서, 전류 수집 회로는 휴대용 전기 장치와 전기적으로 연 결된다. 또 다른 예에서, 전류 수집 회로는 전기 조절 회로와 전기적으로 연결된다.
또한, 단계(408)에서, 하나 이상의 통기구를 구비하는 장치 덮개는 하나 이상의 전류 수집 회로, 하나 이상의 연료 전지, 또는 연료 저장소의 일부분 상에 배치되고, 이때 하나 이상의 통기구는 하나 이상의 연료 전지의 제 2 부분 근처에 위치된다. 한 예에서, 보호 다공성 부재는 하나 이상의 통기구와 하나 이상의 연료 전지의 제 2 부분 사이에 배치된다. 단계(410)에서, 장치 덮개는 연료 저장소와 결합된다. 한 예에서, 장치 덮개는 용접, 땜납(soldering), 납땜(brazing), 크림프(crimping), 접착제, 열 접착, 감압 접착, 또는 하나 이상의 기계 구조물들(예를 들어, 패스너들 또는 돌출부들)에 의해서 연료 저장소에 결합된다. 기계 구조물은 임의로 결합해제될 수 있다.
도 5A~5B를 참조하면, 다른 것들 중에서 하나 이상의 유연한 벽들(502)을 포함하는 연료 전지 층(102), 연료 또는 연료 저장 물질을 저장하도록 구성된 연료 저장소(104), 장치 덮개(124), 및 포위 영역(504)를 포함하는 연료 전지 장치(100)가 단면도로 도시되어 있다. 연료 전지 층(102)은 하나 이상의 연료 전지들을 포함하는데, 이 연료 전지들은 양극(107), 음극(108), 및 양극(107)와 음극(108) 사이에 삽입되는 전해질(명백히 나타나지 않음), 및 전류 수집 회로(106)를 각각 포함한다.
장치 덮개(124)는 다른 것들 중에서, 용접, 땜납(a solder), 납땜(a braze), 크림프(a crimp), 접착제, 또는 하나 이상의 기계 구조물들에 의해서 연료 저장소 에 결합되고, 이에 의해서 포위 영역(504)을 형성하게 된다. 하나 이상의 연료 전지 층들(102)은 각각의 유연한 벽들(502)이 하나 이상의 반응 플레넘(506)을 형성하도록 구조적으로 배열되게 포위 영역(504)에 배치될 수 있다. 하나 이상의 유연한 벽들(502)은 연료 저장소(104) 또는 정치 덮개(124)의 하나 또는 둘 모두의 일부분에 의해 지지된다. 도시된 예에 있어서, 음극(108)은 유연한 벽(502)의 외부로부터 접근 가능하고 장치 덮개(124)에서 통기구를 통해 대기에 노출될 수 있는 반면, 양극(107)은 유연한 벽(502)의 내부로부터 접근 가능하고 수소 연료와 같은 반응물에 노출될 수 있다. 전류 수집 회로(106)(연료 전지 층(102)과 일체로 형성됨)는 연료 전지 층(102)에 의해 생성된 전류를 수신하고 이러한 전류를 예를 들어 휴대용 전기 장치에 분배하도록 구성된다.
다양한 예들에서, 플레넘 입구(550)는 반응 플레넘(506) 및 연료 저장소(104) 또는 대기를 유체 연결한다. 반응물이 플레넘 입구(550)를 통해 유입되기 때문에, 반응 압력은 연료 플레넘(506)에 압력을 가하고, 따라서 연료 전지 층(102)의 하나 이상의 유연한 벽들(502)이 연료 저장소(104) 또는 장치 덮개(124)의 하나 또는 둘 모두의 지지부들을 향하게 한다.
도 6은 도 5B에서 도시된 연료 전지 장치와 같은 연료 전지 장치의 제조방법(600)을 나타낸 흐름도이다. 단계(602)에서, 내부에 연료를 저장하도록 구성된 연료 저장소가 형성된다. 단계(604)에서, 장치 덮개가 형성된다. 단계(606)에서, 장치 덮개는 내부에 포위 영역이 형성되도록 저장소의 일부분과 결합된다. 한 예 있어서, 장치 덮개는 용접, 땜납(soldering), 납땜(brazing), 크림프(crimping), 접착제, 열 접착, 감압 접착, 또는 하나 이상의 기계 구조물들(예를 들어, 패스너들 또는 돌출부들)에 의해서 연료 저장소에 부착될 수 있다. 기계 구조물은 임의로 결합해제될 수 있다.
단계(608)에서, 양극, 음극, 및 그들 사이에 삽입된 전해질을 포함하는 하나 이상의 연료 전지가 포위 영역 내에 배치된다. 다양한 예들에서, 다수의 연료 전지들이 연료 전지 층을 생성하기 위해 형성된다. 한 예에서, 하나 이상의 유연한 연료 전지 벽들은 연료 전지 양극 또는 연료 전지 음극의 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 따라서, 다른 예에서, 포위 영역 내에 하나 이상의 연료 전지를 배치하는 단계는, 하나 이상의 반응 플레넘을 형성하기 위해 하나 이상의 유연한 연료 전지 벽들을 배열하는 단계를 포함한다. 다양한 예들에서, 연료 저장소 및 장치 덮개를 형성하는 단계는, 반응물이 플레넘 입구에 유입되고 이어서 반응 플레넘을 가압할 경우, 하나 이상의 유연한 연료 전지 벽들에 대한 지지체를 형성하는 단계를 포함하며, 이때 연료 전지 벽들은 하나 이상의 지지체들의 모양에 대응하도록 팽창하여 부합한다.
단계(610)에서, 전류 수집 회로는 하나 이상의 연료 전지와 통합된다. 다양한 예들에서, 전류 수집 회로는 하나 이상의 연료 전지로부터 전류를 수집하고 이러한 전류를 휴대용 전기 장치들과 같은 하나 이상의 전기 장치들에 분배하도록 구성된다.
연료 전지 장치 및 그 제조방법이 본원에 제공된다. 다른 것들 중에서, 본 장치들 및 방법들은 상대적으로 작은 공간 내에서 충분한 전력 출력 및 고 에너지 밀도를 제공하는 연료 전지 장치를 위하여 제공된다. 연료 전지 장치는 독립 전력 공급원으로서 동작하거나 또는 전기 장치에 통합될 수 있다. 또한, 연료 장치는 그 작동을 위해 펌프들, 밸브들 또는 히터들에 의존하지 않으며, 값비싼 에너지 및 전기 장치 부피를 절감한다.
상기 상세한 설명은 설명을 위한 것이며 본 발명을 한정되지 않는다는 것을이해할 수 있을 될 것이다. 예를 들어, 상기 기재된 실시예들(및/또는 그 양태들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 다수의 다른 실시 예들은 상기 상세한 설명을 통해서 당업자에게 명백하게 밝혀질 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구항들이 청구하는 것과 동등한 등가물의 전체 범위에 따라 첨부된 특허청구범위를 참조하여 결정될 것이다. 첨부된 청구항들에서, 용어 "구비하는(including)" 및 "여기에서(in which)"는 각각의 용어들 "포함하는(comprising)" 및 "여기에서(wherein)"와 동등하게 쉬운-영어로서 사용된다. 또한, 하기의 청구항들에서, 용어 "구비하는(including)" 및 "포함하는(comprising)"은 청구 범위에서 이러한 용어가 청구항들의 범위 내로 간주된 후에 목록화된 것에 추가하여 부품들을 포함하는 장치, 소자, 제품(article), 또는 공정인 개방 개념이다. 더구나, 하기의 청구항들에서, 용어 "제 1", "제 2", 및 "제 3" 등은 단지 표시로서 사용되고, 그 목적에 수치적인 조건들을 부가하도록 의도된 것은 아니다.
본 명세서의 요약서는 37 C.F.R 1.72(b)에 따라 제공되어, 독자로 하여금 본원의 기술내용의 본질을 빠르게 확인할 수 있게 한다. 요약서는 특허청구범위의 영역이나 의미를 해석 또는 제한하기 위해 사용되지 않은 것이라는 이해를 바탕으로 제출된다. 또한, 상기의 상세한 설명에 있어서, 다양한 특징들은 본원의 개시 내용을 합리화시키기 위해 함께 그룹화할 수 있다. 개시 내용의 방법은 청구된 실시 예들이 각각의 청구항에서 명백하게 기술한 것보다 더 많은 특징을 요구하는 것을 반영하는 것으로 해석되지는 않는다. 더 정확히 말하자면, 하기의 청구항들이 반영하는 바와 같이, 본 발명의 주제는 단일의 개시된 실시 예의 모든 특징들보다 하위에 있을 것이다. 따라서, 하기의 청구항들은 별도의 실시 예로서 소속되어 있는 각각의 청구항과 함께 상세한 설명에 통합된다.

Claims (50)

  1. 연료 전지 장치에 있어서,
    연료를 내부에 저장하도록 구성된 연료 저장소(fuel reservoir);
    상기 연료 저장소와 유체를 통과시킬 수 있도록 접촉되고, 유연한 벽(flexible wall)을 갖는 연료 전지 층(fuel cell layer);
    상기 연료 저장소 및 상기 연료 전지 층 사이에 형성되는 연료 플레넘(fuel plenum);
    상기 연료 전지 층을 둘러싸고 상기 연료 저장소에 분리가능하게 부착되는 장치 덮개
    를 포함하며,
    상기 연료 저장소는 전자 장치 내의 할당된 공간의 체적(volume)과 실질적으로 일치하도록 된 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 연료 저장 재료(fuel storage material) 및 상기 연료 저장 재료에 일치되도록 결합된 외부 포위 벽(outer enclosure wall)을 포함하는, 연료 전지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 층과 접촉하고, 상기 연료 전지 층에 의해 발생하는 전류를 수용하여 분배하도록 구성된 전류 수집 회로(current collecting circuit)를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류 수집 회로는 상기 연료 전지 층과 일체를 이루는, 연료 전지 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전류 수집 회로는 상기 연료 전지 층에서 발생한 전류를 휴대용의 전자 장치로 분배하도록 구성된, 연료 전지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 휴대용의 전자 장치는, 휴대전화, 위성전화, 랩톱 컴퓨터, 컴퓨터 액세서리, 디스플레이, 개인용 오디오 비디오 플레이어, 의료장비, 텔레비전, 송신기, 수신기, 조명장치, 전자 장난감 또는 전동공구를 포함하는, 연료 전지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 압력 조절기(pressure regulator)를 포함하는, 연료 전지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 층에 인접하게 배치된 보호 다공성 부재(protective porous member)를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 연료 보급구(refueling port)를 포함하는, 연료 전지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료 플레넘은 상기 연료 전지 층, 상기 연료 저장소, 또는 이들의 조합에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 연료 전지 장치.
  11. 연료 전지 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    내부에 연료를 저장하도록 구성된 연료 저장소를 형성하는 단계;
    장치 덮개를 형성하는 단계;
    유연한 벽을 포함하는 연료 전지 층을 형성하는 단계;
    상기 연료 저장소와 상기 연료 전지 층 사이에 연료 플레넘을 형성하기에 충분하도록, 상기 연료 저장소와 상기 연료 전지 층을 접촉시키는 단계; 및
    상기 장치 덮개를 상기 연료 저장소에 부착하는 단계
    를 포함하며,
    상기 장치 덮개는 상기 연료 저장소에 분리가능하게 부착되고, 상기 장치 덮개와 연료 저장소는 상기 연료 전지 층이 배치되는 체적(volume)을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 장치 덮개는 하나 또는 둘 이상의 통기구(air access port)를 포함하는, 연료 전지 장치의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 층을 전류 수집 회로와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 장치의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 층에 인접하도록 보호 다공성 부재를 배치하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 장치의 제조 방법.
  15. 휴대용 파워를 제공하는 연료 전지 장치에 있어서,
    유연한 벽을 포함하는 연료 전지 층;
    상기 연료 전지 층과 접촉하며, 수소 연료를 저장하도록 구성된 수소 저장소;
    상기 수소 저장소와 접촉하는 연료 보급구; 및
    상기 수소 저장소와 상기 연료 전지 층 사이에 배치되는 연료 플레넘
    을 포함하고,
    상기 연료 전지 층은 상기 연료 플레넘이 연료로 가압될 때 이동하도록 구성되는, 연료 전지 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치는 상기 수소 저장소에 분리가능하게 부착된 장치 덮개를 더 포함하며,
    상기 수소 저장소와 상기 장치 덮개에 의해 상기 연료 전지 층이 배치될 체적(volume)이 형성되는, 연료 전지 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 장치 덮개는 하나 이상의 통기구를 포함하는, 연료 전지 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 연료 플레넘의 적어도 일부는 상기 연료 전지 층, 상기 수소 저장소, 또는 이들의 조합에 의해 형성되는, 연료 전지 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 연료 플레넘은 밀봉 부재(seal member)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이며, 상기 밀봉 부재는 적어도 하나의 연료 저장소의 표면(fuel reservoir surface)과 평탄한 상기 연료 전지 층의 제1 부분 사이를 밀봉하는, 연료 전지 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    보충 배터리(supplemental battery)를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 수소(hydrogen)를 포함하는, 연료 전지 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장소 내에 저장된 연료 저장 재료를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 연료 저장 재료는 수소 저장 재료를 포함하는, 연료 전지 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 연료 저장 재료는 물리적 흡착(physiosorption), 화학적 흡착(chemiosorption), 또는 이들의 조합에 의해 연료를 저장하는, 연료 전지 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 연료 저장 재료는 금속 수소화물(metal hydride)을 포함하는, 연료 전지 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장소는 구조적 필러(structural filler)를 포함하며, 상기 구조적 필러에 외부 포위 벽이 일치하도록 연결된, 연료 전지 장치.
  27. 제8항에 있어서,
    상기 보호 다공성 부재는 상기 연료 전지 층의 양극에 인접해서 배치된, 연료 전지 장치.
  28. 제14항에 있어서,
    상기 보호 다공성 부재는 상기 연료 전지 층의 양극에 인접해서 배치된, 연료 전지 장치의 제조 방법.
  29. 제8항에 있어서,
    상기 연료 저장소 내에 저장된 폴리머 인핸스드 금속 수소화물 웨이퍼(polymer enhanced metal hydride wafer)를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  30. 제15항에 있어서,
    상기 연료 전지 층의 양극에 인접해서 배치되는 보호 다공성 부재를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  31. 제15항에 있어서,
    상기 수소 저장소 내에 저장된 폴리머 인핸스드 금속 수소화물 웨이퍼를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 층은 상기 연료 플레넘이 연료로 가압될 때 이동하도록 구성되는, 연료 전지 장치.
  33. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 층은 상기 연료 플레넘이 연료로 가압될 때 이동하도록 구성되는, 연료 전지 장치의 제조 방법.
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