KR101513121B1 - 가압형 연료전지 카트리지 - Google Patents

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앤드류 제이 큐렐로
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소시에떼 비아이씨
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Abstract

압축가스챔버 및 액체연료챔버를 포함하는 연료공급원이 개시된다. 압력조절기가 상기 압축가스챔버를 상기 액체연료챔버에 연결한다. 상기 압력조절기는 상기 압축가스챔버로부터 고압입력을 수용하고 실질적으로 일정한 더 낮은 출력압력을 상기 액체연료챔버에 공급할 수 있다. 상기 압축가스챔버의 압력은 시간에 걸쳐 감소할 수 있으나, 액체연료를 상기 액체연료챔버로부터 압출해내는 압력은 실질적으로 동일한 수준으로 유지된다.

Description

가압형 연료전지 카트리지 {PRESSURIZED FUEL CELL CARTRIDGES}
본 발명은 연료전지용 연료카트리지에 관한 것으로, 더 상세하게는 가압형 연료전지 카트리지에 관한 것이다.
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 더 효율적이어서 그 응용이 증가하고 있다.
일반적으로, 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 오늘날 매우 중요한 연료전지로서는 일반적으로 여러 종류로 나눌 수 있는데, 즉 (i) 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, (ii) 메탄올(CH3OH) 등의 알콜, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속 수소화물(metal hydride), 탄화수소(hydrocarbon), 또는 수소연료로 변환되는 기타 연료를 사용하는 양자교환막(Proton Exchange Membrane: PEM) 또는 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane: PEM) 연료전지와, (iii) 비수소 연료를 직접 소비할 수 있는 PEM 연료전지 또는 직접 산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell), 그리고 (iv) 고온에서 탄화수소 연료를 직접 전기로 변환하는 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)가 그것이다.
전기를 생산하는 화학반응은 각 연료전지의 종류에 따라 다르다. DMFC에 있어서, 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에 대한 전체 반응은 다음과 같이 기술된다:
애노드에서의 반쪽 반응:
CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
1.5O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체 연료전지 반응:
CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O
수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자들은 외부회로로 흐르게 되고, 결국 외부회로를 통하여 전류를 생성한다. 이 외부회로는 이동전화 또는 휴대전화, 계산기, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터, 전동공구 등과 같은 많은 유용한 가전기기를 구동하는데 사용될 수 있다.
DMFC는 미국특허 제4,390,603호 및 제4,828,941호에 기술되어 있다. 일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion®과 같은 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 제조된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박층이 표면에 도포된 테플론화 카본페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 제조된다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측에 부착된 가스확산 전극으로 된다.
화학적 금속수소화물 연료전지에서 수소화붕소나트륨은 다음과 같이 개질되어 반응한다:
NaBH4 ＋ 2H2O → (열 및/또는 촉매) → 4(H2) ＋ (NaBO2)
애노드에서의 반쪽 반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
이러한 반응에 적합한 촉매로는 백금 및 루테늄과 기타 금속 등이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2 등의 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 생성한다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 이 개질과정으로 생성된다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에 기술되어 있다.
연료전지응용에서 가장 중요한 특징들 중의 하나는 액체연료를 연료저장영역에서 연료전지로 이송하거나(메탄올의 DMFC로의 이송 등), 또는 액체연료반응물을 반응챔버로 이송하는 것이다(금속수소화물과 반응시키기 위한 물과 첨가제의 이송 등). 액체 연료/반응물의 공지된 이송방법으로는 액체 연료/반응물을 가압하는 흡수작용(wicking action) 또는 모세관작용(capillary action)을 포함한다. 이들 방법의 문제점으로는 연료를 흡수하는 유속을 제어하는 방법과 가압원으로 연료에 일정한 압력을 유지하는 방법을 해결하여야 한다.
따라서, 액체 연료/반응물의 개선된 이송방법이 요구된다.
본 발명은 가압원을 구비한 연료공급원을 제공하며, 상기 가압원은 액체연료 또는 액체연료반응물(이하, 모두 "액체연료"라 한다)을 연료전지 또는 상기 액체연료반응물을 가수분해하여 수소를 생산하는 반응물챔버로 압출한다. 상기 가압원은 초기에는 고압이고 그 압력은 상기 연료공급원의 예측수명(expected life)에 걸쳐 감소할 수 있다. 한편, 상기 액체연료를 압출하는 압력은 실질적으로 일정한 수준을 유지할 수 있다.
이하, 첨부되는 도면은 본원 명세서의 일부를 이루어 이와 연계되어 이해되어야하며, 여기서 동등한 도면부호는 다양한 관점에서의 동등한 각 부분들을 가리키는데 사용된다;
도 1은 본 발명에 의한 연료공급원의 정면사시도로서 연료전지 또는 연료전지가 구동하는 장치로부터의 요소들을 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 연료공급원에서 장치측 요소들은 없으나 연료공급원 밸브들을 개방하도록 된 연결배관들을 갖는 연료공급원의 정면사시도.
도 3은 도 2의 연료공급원의 분해사시도.
도 4는 도 2의 연료공급원의 단면 및 부분분해도.
도 5는 도 4의 연료공급원의 확대부분도로서 상기 연료공급원의 가압챔버를 상기 압력조절기에 연결하는 밸브를 도시하는 도면.
도 6은 도 4의 연료공급원의 확대부분도로서 상기 연료공급원을 상기 연료전지 또는 상기 연료전지가 구동하는 장치에 연결하는 밸브를 도시하는 도면.
도 7 및 도 8은 도 5 및 도 6의 밸브들의 다른 구현예를 도시하는 도면.
도 9a는 적합한 압력조절기의 단면도이고 도 9b는 그 분해도.
도 10a는 다른 적합한 압력조절기의 단면도이고 도 10b는 그 분해도.
도 11a는 또 다른 적합한 압력조절기의 단면도이고 도 11b는 그 분해도.
도 12a는 또 다른 적합한 압력조절기의 단면도이고 도 12b는 그 분해도; 도 12c는 도 12a 및 도 12b의 다른 형태의 상기 압력조절기의 단면도.
도 13은 본 발명에 의한 다른 가압연료공급원의 분해사시도.
도 14는 연료게이지를 구비한 도 4의 연료공급원의 단면도; 도 14a는 상기 연료게이지의 정면도.
도 15a~15c는 본 발명에 의한 다른 예시적 밸브의 단면도로서 도 15a의 폐쇄된 상태로부터 도 15b~15c의 체결되어 개방된 상태까지의 개방과정을 도시하는 도면; 도 15d는 상기 밸브의 분해사시도.
도 16a~16c는 본 발명에 의한 또 다른 예시적 밸브의 단면도로서 도 16a의 폐쇄된 상태로부터 도 16b의 체결 및 폐쇄된 상태, 그리고 도 16c의 개방된 상태까지의 개방과정을 도시하는 도면; 도 16d는 상기 밸브의 분해사시도.
도 17a~17c는 본 발명에 의한 또 다른 예시적 밸브의 단면도로서 도 17a의 폐쇄된 상태로부터 도 17b의 체결 및 폐쇄된 상태, 그리고 도 17c의 개방된 상태까지의 개방과정을 도시하는 도면; 도 17d는 상기 밸브의 분해사시도.
도 18a는 본 발명에 의한 예시적 밸브요소의 단면도이고, 도 18b는 상기 밸브요소의 분해사시도.
도 19a는 본 발명에 의한 다른 예시적 밸브요소의 단면도이고, 도 19b는 상기 밸브요소의 분해사시도.
도 20a~20c는 다른 예시적 밸브의 단면도로서 상기 밸브의 개방과정을 도시하는 도면이고, 도 20d는 상기 밸브의 분해사시도.
도 21a는 또 다른 예시적 밸브의 분해단면도이고, 도 21b는 상기 밸브의 분해도.
또한, 연료는 전술하였듯이 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속수소화물과 물 등의 활성제를 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) "Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 연료와 반응하는 액상 산화제를 포함한다. 따라서, 본 발명은 연료공급원 내에 수용되거나 아니면 연료전지장치에 의하여 사용되는 연료, 활성제, 전해질 용액, 산화제 용액이나 액체 또는 고체의 종류에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 "연료"라는 용어는 연료전지나 연료공급원 내에서 반응할 수 있는 모든 연료를 포함하며, 이는 상기 적절한 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 기체, 액체, 고체 및/또는 첨가제와 촉매제 및 이의 혼합물을 포함하는 화학물질을 포함하고 이에 한정되지 않는다.
여기서 사용되는 용어인 "연료공급원"은 일회용 카트리지, 재충전/재사용 가능한 카트리지, 용기, 전자기기 내부에 상주하는 카트리지, 분리가능한 카트리지, 전자기기 외부에 구비되는 카트리지, 연료탱크, 연료 재충전탱크, 연료를 저장하는 기타 용기, 상기 연료 탱크와 용기에 연결되는 배관을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이하, 카트리지가 본 발명의 구현예들과 연계되어 기술되나, 이들 구현예들은 기타 연료공급원들에게도 적용가능하며 본 발명은 어떤 특정 형태의 연료공급원에 한정되지 아니한다.
또한, 본 발명의 연료공급원은 연료전지에 사용되지 않는 연료를 저장하는데 사용될 수도 있다. 이러한 응용은 The Industrial Physicist(pp. 20-25, 2001.12/2002.1)에 공표된 "Here Come the Microengines"에 논의된 바 있는 실리콘 칩 상에 구축된 마이크로 가스터빈 엔진용 탄화수소 및 수소연료를 저장하는 것도 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 본 출원에서 사용되는 "연료전지"라는 용어는 또한 마이크로엔진을 포함한다. 기타 응용으로서 내부연소엔진용 기존연료와, 포켓 및 다용도 라이터용 부탄과 액화 프로판과 같은 탄화수소를 저장하는 것을 포함한다.
도 1~4를 참조하면, 연료공급원(10)이 도시된다. 연료공급원(10)은 도시된 바와 같은 형상을 포함하나 이에 한정되지 않으며 모든 편리한 형상을 가질 수 있다. 연료공급원(10)은 외부케이싱(12), 뚜껑(14), 제1밸브(16) 및 제2밸브(18)를 구비한다. 뚜껑(14)은 외부케이싱(12)에 착설되어 O링(13)으로 밀봉된다. 밀봉은 또한 접착제 또는 초음파용접으로도 달성될 수 있다. 제1밸브(16)는 압력조절기(20)와 일조로 되도록 크기와 용적이 정해지고 제2밸브(18)는 장치밸브(22)와 일조로 되도록 크기와 용적이 정해진다. 일 구현예에서, 연료공급원(10)은 일회용으로 되고 바람직하게는 재활용될 수 있다. 더 바람직하게는, 외부케이싱(12)은 재활용 또는 재사용될 수 있고, 내부라이너(28) 및/또는 뚜껑(14)은 일회용으로 된다. 압력조절기(20) 및 장치밸브(22)는 재사용됨이 바람직하고 비용을 절감하기 위해 연료전지 또는 연료전지가 전력을 공급하는 장치에 연결되거나 그 일부로 된다.
내부요소들이 상세히 도시된 도 3~5를 참조하면, 연료공급원(10)은 압축가스챔버(24) 및 액체연료챔버(26)를 구비하며, 이때 액체연료는 라이너(28) 내부에 저장된다. 전술하였듯이, 액체연료는 메탄올 및 에탄올과 같이 연료전지에 의해 바로 사용되는 연료로 될 수 있다. 또한, 액체연료는 고체 금속수소화물과 반응하여 수소연료를 형성하는 물이나 기타 활성제와 같이 반응챔버 내에서 가수분해하여 연료전지를 구동하는 수소를 생산하는 액체반응물로 될 수 있다.
제1밸브(16)로 인하여 압축가스는 연료공급원(10)의 가압 또는 압축된 가스챔버(24)를 탈출하여 압력조절기(20)로 인입할 수 있고, 이후 제1밸브(16)는 감소된 압력가스를 연료공급원(10) 내와 액체연료챔버(26)로 다시 소통시켜 라이너(28)에 압력을 인가한다. 제1밸브(16)는 밸브본체(30)를 포함하며, 이 밸브본체(30)는 압축가스챔버(24)의 측벽들에 착설되어 O링(32)으로 이에 밀봉된다. 내부중심지주(34)는 밸브본체(30)에 고정부착되고(예를 들어, 간섭끼워맞춤(interference fit)), 이로써 내부중심지주(34)와 밸브본체(30) 간에는 실질적으로 상대적 움직임이 없게 된다. 유로(36)가 내부중심지주(34)의 축과 밸브본체(30) 간에 형성된다. 일 예를 들어, 상기 축은 원통상이고 축의 일부는 연삭되어 편평면을 형성한다. 내부유로(36)는 도 3 및 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 상기 편평면과 밸브본체(30) 간에 형성된다. 내부 탄성중합밀봉(38)은 도시하듯이 내부중심지주(34)의 상부와 밸브본체(30)의 상부 간에 배설되어 내부유로(36)를 위한 밀봉을 제공한다. 또한, 제1밸브(16)는 도시하듯이 내부중심지주(34) 주위에 환상 배설된 외부중심지주(40)를 구비하여 이들 간에 공간을 형성한다. 외부중심지주(40) 또한 밸브본체(30)에 고정부착되고(예를 들어, 간섭끼워맞춤), 이로써 외부중심지주(40)와 밸브본체(30) 간에는 실질적으로 상대적 움직임이 없게 된다. 외부유로(42)는 외부중심지주(40)의 외부 주위에 형성되어 이로써 압력조절기(20)로부터의 감소된 압력 가스가 연료공급원(10)으로 재인입할 수 있게 된다. 도 5에 가장 잘 도시하듯이, 연료공급원(10) 내에서 외부유로(42)는 액체연료챔버(26)로 방향이 바뀐다. 외부 탄성중합밀봉(44)은 외부유로(42)를 위한 밀봉을 제공하고 외부중심지주(40)의 상부와 임의의 캡(46) 아래에 배치된다. 캡(46)은 생략될 수 있고 밸브본체(30)는 외부 탄성중합밀봉(44)을 만날 때까지 상방연장될 수 있거나 또는 탄성중합밀봉(44)이 밸브본체(30)를 말날 때까지 하방연장될 수 있다.
내부유로(36)가 외부유로(42)의 내부에 있는 것으로 도시되지만, 이들 두 유로는 역으로 또는 나란히 배열될 수 있다.
도 3 및 도 5에 도시하듯이, 제1밸브(16)는 폐쇄되거나 밀봉된다. 제1밸브(16)를 개방하기 위하여 배관(48)은 제1밸브(16) 내로 밀려 들어간다. 배관(48)은 내부배관(50) 및 외부배관(52)을 포함한다. 이들 배관은 예를 들어 스포크(spoke)나 웹(web)으로(미도시) 서로 연결되어 이들의 상대위치를 유지할 수 있다. 내부배관(50)은 내부중심지주(34) 및 외부중심지주(40) 간의 공간(54)에 맞도록 크기와 용적이 정해지고, 외부배관(52)은 외부중심지주(40) 및 뚜껑(14) 간의 공간(56)에 맞도록 크기와 용적이 정해진다. 내부배관(50)은 내부 탄성중합밀봉(38)을 압축하여 유로(36)를 개방하고 외부배관(52)은 외부 탄성중합밀봉(44)을 압축하여 유로(42)를 개방한다. 압축가스는 유로(36)를 통해 연료공급원(10)을 탈출하고 감소된 압력 가스가 유로(42)를 통해 연료공급원으로 재인입함으로써 액체연료를 가압한다.
본 발명의 획기적인 면으로는, 제1밸브(16)가 중심지주들(34, 40)을 포함하기 때문에 비호환성이라는 것이다. 특히, 밸브(16)는 정확한 직경의 배관(48)이 중심지주들(34, 40) 주위의 환상공간에 삽입되어 탄성중합밀봉(34, 44)을 압축한 후에만 개방된다. 중심지주들(34, 40)은 직경이 더 크거나 작은 외부물체(예를 들어, 펜, 연필, 종이클립, 손가락 등)가 상기 밸브를 개방할 수 없도록 설계된다. 중심지주들(34, 40)은 이들과 밸브본체(30) 간의 상대동작이 제한되는 한 여러 방법(스냅결합(snap fitting), 접착제, 초음파 용접 등)으로 밸브본체(30)에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 중심지주들(34, 40)은 충전동작 이후 또는 도중에 조립될 수 있다. 그 결과, 다른 설계구조보다 연료의 상기 카트리지 내로의 유동은 더 빨라지고 덜 제한된다.
제2밸브(18)는 단지 액체연료가 연료공급원(10)을 탈출할 수 있도록만 설계된 것이라는 점만을 제외하고는 제1밸브(16)와 유사하다. 제2밸브(18)는 밸브본체(58)와 중심지주(60)를 포함하는데, 이는 전술한 바와 같이 제1밸브(18)의 내부중심지주(34)와 실질적으로 유사하다. 탄성중합밀봉(62)은 제2밸브(18)를 밀봉하고 유로(64)가 내부지주(60)와 밸브본체(58) 간에 형성된다. 라이너(28)는 밸브본체(58)에 밀봉되게 연결된다. 배관(66)은 제2밸브(18) 내의 공간(68)에 인입하여 탄성중합밀봉(62)을 압축함으로써 제2밸브(18)를 개방하고 이로써 유로(42)로부터 가압가스로 몰린 액체연료가 연료공급원(10)을 탈출하도록 크기와 용적이 정해진다.
임의로, 배관들(48 또는 66)은 비표준적 크기를 가진다. 즉, 이들의 치수는 가정이나 사무실에서 보통 발견되는 것들의 치수와 달라서 무의식적으로 밀봉부재들(38, 44 또는 62)을 압축하기가 더 힘들게 된다. 또는, 배관들(48 또는 66)은 비원형 또는 다각형(규칙적 또는 불규칙적인) 단면적을 가져야 한다. 물론, 중심지주들(34, 40 또는 60)은 이들 배관을 수납하기 위해 부합되는 형상을 가져야 한다.
도 7~8에 도시한 다른 구현예에 있어서, 탄성중합밀봉들(38, 44, 62)은 O링들(38', 44', 62')에 의해 대체된다. 중심지주들(34', 40')은 상기 O링들을 밀봉하도록 각진 시트면을 제공하도록 수정된다. 본 구현예에서의 중심지주(60')는 외부링(61')을 구비하여 공간(68')을 제공함으로써 튜브(66)가 인입하여 제2밸브(18)를 개방할 수 있도록 한다.
도 5~8뿐만 아니라 다른 도면에서도 도시하는 바와 같이, 배관들(48, 66)을 대향하는 밸브들(16, 18)의 상부면 또한 결합면이라 할 수 있다.
연료공급원(10)의 예측수명에 걸쳐 액체연료를 밀어붙이기 위한 압축가스챔버(24)의 고압은 다음과 같이 이상기체법칙에 의해 결정될 수 있다:
Figure 112010011268711-pct00001
이때, 액체연료챔버(26)에 대해서는,
P = 액체연료를 제2밸브(18)를 통해 라이너(28)/연료챔버(26)로부터 압출하는데 필요한 압력으로서, 일 예로서 이는 "x"psi 게이지(psig) 또는 (14.7＋x)psi 절대(psia)이고 x는 요망하는 압출압력이고; 연료챔버(26)의 초기압력은 14.7 psia 또는 0 psig로 되어야 하고; 연료챔버(26)의 최종압력은 (14.7＋x) psia 또는 x psig로 되어야 한다.
V = 액체연료챔버(26)의 체적;
T = 액체연료챔버(26)의 온도(절대온도)로서, 일반적으로 대기온도이다.
이때, 압축가스챔버(24)에 대해서는,
P = 초기압력 - 결정되어야 할 값; 챔버(24)의 최종압력은 x psig 또는 (14.7＋x) psia
V = 압축가스챔버(24)의 체적;
T = 마찬가지로 일반적으로 대기온도이다.
상기 두 온도는 동일하여야 하므로, 이는 상기 식으로부터 제거될 수 있다.
Figure 112010011268711-pct00002
Figure 112010011268711-pct00003
일 예로서, 만일 50cc 체적을 갖는 액체연료챔버(26)가 연료를 제2밸브(18)로부터 압출하기 위해서 2 psig 또는 16.7 psia의 압력이 필요하고 압축가스챔버(24)의 체적은 5cc라면, 압축가스챔버(24)의 초기압력은 다음과 같이 산출된다:
Figure 112010011268711-pct00004
Figure 112010011268711-pct00005
마찬가지로, 압축가스챔버(24)의 체적이 10cc라면, 그 초기내부압력은 26.7 psia 또는 12 psig로 될 수 있다.
만일 이렇게 높은 초기내부압력이 액체연료챔버(26)로 직접 소통된다면, 라이너(28)는 압력으로 급증할 것이고 액체연료는 비교적 고속으로 연료공급원(10)에서 나갈 것이어서 바람직하지 않다. 또한, 더 많은 액체연료가 연료공급원(10)을 나갈수록, 액체연료챔버(26) 내의 압력은 시간이 지날수록 계속 감소하고 액체연료는 계속 감소하는 속도로 연료공급원(10)을 나갈 것이다. 이때 상기 액체연료를 받는 연료전지나 반응챔버는 가변하는 연료속도를 수용하여야 한다.
상기 가변하는 액체연료속도는 압축가스챔버(24)와 액체연료챔버(26) 간에 압력조절기(도 1의 "20")를 삽입함으로써 해결된다. 압력조절기(20)는 넓은 범위, 예를 들어 2 psig(게이지)~200 psig에서 입구압력을 취하고 일정수준, 예를 들어 2 psig로 출구압력을 조절한다. 도 3~4를 참조하면, 압축가스챔버(24)는 연료공급원(10) 내부에 배치된다; 그러나, 압축가스챔버(24)는 연료전지 또는 연료전지가 구동하는 장치 내부에 배치되거나 또는 자신만의 별도 카트리지로 될 수 있다.
표 1은 도 1~8에 도시하는 연료공급원(10)의 실험시뮬레이션 결과를 나타내며, 여기서 압력조절기(20)는 압축가스챔버(24)와 액체연료챔버(26) 간에 삽입되었다. 실험시뮬레이션은 다음과 같이 행하였다. 3.2 ㎤ 용량의 수정된 주사기 형태의 압축가스챔버(24)가 배관을 통해 외부공급원으로부터 공급되는 약 80 psi 공기로 가압되었고, 이때 유동은 볼밸브로 조절하였다. 상기 배관은 가스챔버(24)로부터 압력조절기(20)로의 가스유동을 위해 사용하였다. 가스챔버(24)와 압력조절기(20) 간에 배치된 0~100 psi 압력센서를 사용하여 이 고압입력을 측정하였다.
압력조절기(20)는 액체연료(즉, 탈이온수)를 액체연료챔버(26)로부터 압출시키는 실질적으로 일정한 낮은 출력압력을 생산하였고, 이는 3.5 ㎤ 용량의 수정된 주사기 형태였다. 수정된 티 피팅(tee fitting)이 압력조절기(20)와 액체연료챔버(26)를 상호연결하였다. 유동적으로 연결된 압력조절기(20)와 액체연료챔버(26)는 분석천칭(Mettler Toledo XS204) 상에 올려놓아 상기 액체연료(즉, 이온수)의 무게를 측정하였다. 상기 액체연료는 이를 유체수집비커로 공급하는 배관을 통해 액체연료챔버(26)를 빠져나갔고, 이때 상기 배관은 그 종단에 0.45㎛ 필터(Millex-HPF HV Filter, part # SLHVM25NS, Millipore Corporation of Billerica, MA)와 0.0025" 직경 오리피스(part IBLP-2E-SS, O'Keffe Controls Co. of Trumbull, CT)를 포함하였다. 액체연료챔버(26)와 유체수집비커 간에 배치된 0~30 psi 압력센서가 상기 유압을 측정하였으며, 이는 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 출력압력과 동일하다는 것을 용이하게 이해할 것이다.
본 실험시뮬레이션에 있어서, 초기에 상기 조절된 출력압력은 상기 배관라인들로부터 공기를 제거해내고 1.6 psi 정도로 안정되었다. 그리고, 볼밸브를 사용하여 외부 80 psi 공기공급원을 압축가스챔버(24)로부터 격리시켰다. 본 실험시뮬레이션 동안, 입력압력과 출력압력 및 연료무게(즉, 상기 수정주사기형 액체연료챔버(26) 내의 물의 무게)를 측정하였다. 상기 측정은 215분 주기로 매 0.5초마다 측정하였다(12,902.5초). 그러나, 명확하게 하기 위해 표 1의 결과는 선택된 시간들에서의 측정값들만 표시하였다- 즉, 각 300초 시간간격으로, 0초(액체연료챔버(26)가 연료를 수용하지 않고 상기 분석천칭값은 0일 때), 0.5초(액체연료챔버(26)가 탈이온수로 충전되었을 때), 55초(압축가스챔버(24)가 약 80 psi 공기로 가압되었을 때), 그리고 12,902.5초에서(액체연료챔버(26) 내에 연료가 더 이상 잔존하지 않을 때). +1.2256 그램의 로드를 지지하는 배관이 이동될 때에는 상기 분석천칭의 영점조정시와 본 시뮬레이션시험의 개시 간에 상기 연료무게데이터는 +1.2256 그램으로 조정하였다. 본 시뮬레이션시험의 종료 부근에서 소수의 (-) 무게값은 상기 분석천칭에 내재된 에러를 반영한다.
본 결과에 의하면, 압력조절기(20)가 압축가스챔버(24)로부터 약 80 psi의 고압입력을 받아들일 수 있고, 약 1.6 psi에서 약 0.3 psi 사이로 실질적으로 일정한 더 낮은 출력압력을 제공하여 약 30 그램의 탈이온수로 충전되었던 액체연료챔버(26)로부터 액체를 압출해내었음이 입증되었다. 압축가스챔버(24)의 압력은 시간에 걸쳐 약 80 psi에서 약 12 psi로 감소하였으나, 액체연료를 액체연료챔버(26)로부터 압출해내는 압력은 약 1.6 psi와 약 0.3 psi 사이에서 실질적으로 동일한 수준을 유지하였다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 출력압력의 비교적 작은 변이는 허용범위 내에 있는 것이어서 이로써 연료전지나 반응챔버가 이의 작동에서 허용될 수 있는 예측가능한 압력에서 액체연료를 수용할 수 있다는 점을 응당 용이하게 이해할 것이다. 상기 액체연료가 비교적 일정한 유속으로 액체연료챔버(26)를 빠져나감에 따라 무게는 약 30 그램에서 약 0 그램으로 감소한다.
여기서 사용되는 용어인 "실질적으로 일정함"은 압력변동이 만일 있더라도 약 ±2.0 psi 미만, 바람직하게는 ±1.5 psi 미만, 더 바람직하게는 ±1.0 psi 미만인 것을 의미한다. 여기서 사용되는 용어인 "저압" 또는 "더 낮은 압력"은 약 5 psi 이하, 바람직하게는 약 3 psi 이하, 더 바람직하게는 약 2 psi 이하의 압력을 의미한다.
경과시간(초) 입력압력(psi) 출력압력(psi) 연료무게(그램)
0 0.324175 0 0
0.5 0.289389 0 33.6665
55 81.09705 0.70702 31.8907
300 78.52603 1.541651 30.0016
600 73.49667 1.435592 27.8025
900 68.84618 1.33488 25.7307
1200 64.65367 1.268036 23.7769
1500 60.56975 1.174454 21.8294
1800 56.79189 1.09335 19.969
2100 53.28629 1.038092 18.2135
2400 49.8493 0.977542 16.5611
2700 46.58507 0.902915 15.0114
3000 43.66301 0.837617 13.5383
3300 41.07182 0.769987 12.1614
3600 38.48951 0.717515 10.8839
3900 35.91159 0.709353 9.7736
4200 33.7916 0.630062 8.6903
4500 31.95622 0.659213 7.8636
4800 30.44131 0.570594 6.9695
5100 29.04059 0.606741 6.3769
5400 27.68515 0.599745 5.7748
5700 26.6008 0.603243 5.2231
6000 25.51645 0.596247 4.71
6300 24.51224 0.574092 4.2295
6600 23.49696 0.556601 3.7757
6900 22.69704 0.536778 3.3506
7200 21.86636 0.534446 2.9862
7500 21.06644 0.518122 2.6122
7800 20.35882 0.505295 2.2651
8100 19.65097 0.492469 1.9388
8400 18.97366 0.450491 1.5701
8700 18.35792 0.394521 1.1778
9000 17.64982 0.35954 0.8205
9300 17.06487 0.337385 0.4974
9600 16.38756 0.308234 0.235
9900 15.74104 0.296574 0.0919
10200 15.31002 0.318729 0.0525
10500 14.88671 0.35371 -0.0001
10800 14.54078 0.434167 -0.0128
11100 14.10837 0.441163 -0.0094
11400 13.76244 0.45399 -0.0062
11700 13.44534 0.502963 -0.0049
12000 13.18589 0.57176 -0.0032
12300 12.92644 0.600911 -0.0028
12600 12.69583 0.610239 -0.0011
12900 12.55169 0.635892 0.0003
12902.5 12.46521 0.632394 0
입력압력과 출력압력 및 연료공급원의 무게에 대한 차트를 경과시간의 함수로서 이하 나타낸다.
Figure 112010011268711-pct00006
Figure 112010011268711-pct00007
Figure 112010011268711-pct00008
압력조절기(20)가 없는 연료공급원(10)에 대한 다른 시뮬레이션을 행하였고, 2 psig 압력으로 압축된 공지의 외부 가스원을 연료를 밸브(18)를 통해 라이너(28)로부터 압출해내는데 사용하였다. 본 시뮬레이션은 연료공급원(10)으로부터의 출구압력이 실질적으로 일정한지, 라이너(28)를 압축하고 밸브(18)를 거치는 연료를 압출하는데 필요한 압력강하가 허용가능한지, 그리고 유속은 실질적으로 일정한지를 확인하기 위하여 설계되었다. 상기 출구압력은 밸브(18) 하류에서 측정되었다. 그 결과를 아래 표 2에 나타낸다.
경과
시간
(분)		 출구
압력 (psi)		 연료
공급원의
무게
(그램)		 이송된 연료의 무게
(그램)		 잔존연료의 무게
(그램)		 잔존
연료 %		 배달된 연료 유속
(g/min)		 유속
(ml/m)
0 1.810 228.715 0.000 18.95 100% - 0.000 0.000
5 1.810 227.600 1.115 17.84 94% 1.12 0.223 0.282
10 1.810 227.000 0.600 17.24 91% 1.72 0.120 0.152
15 1.810 226.485 0.515 16.72 88% 2.23 0.103 0.130
20 1.810 225.730 0.755 15.97 84% 2.99 0.151 0.191
25 1.778 225.239 0.491 15.48 82% 3.48 0.098 0.124
30 1.780 224.852 0.387 15.09 80% 3.86 0.077 0.098
35 1.780 224.350 0.502 14.59 77% 4.37 0.100 0.127
40 1.790 223.916 0.434 14.16 75% 4.80 0.087 0.110
45 1.763 223.413 0.503 13.65 72% 5.30 0.101 0.127
50 1.768 222.953 0.460 13.19 70% 5.76 0.092 0.116
55 1.774 222.465 0.488 12.70 67% 6.25 0.098 0.123
60 1.778 222.004 0.461 12.24 65% 6.71 0.092 0.117
65 1.754 221.562 0.442 11.80 62% 7.15 0.088 0.112
70 1.765 221.110 0.452 11.35 60% 7.60 0.090 0.114
75 1.767 220.683 0.427 10.92 58% 8.03 0.085 0.108
80 1.771 220.250 0.433 10.49 55% 8.47 0.087 0.109
85 1.746 219.819 0.431 10.06 53% 8.90 0.086 0.109
90 1.743 219.320 0.499 9.56 50% 9.40 0.100 0.126
95 1.742 218.913 0.407 9.15 48% 9.80 0.081 0.103
100 1.744 218.581 0.332 8.82 47% 10.13 0.066 0.084
105 1.703 218.187 0.394 8.43 44% 10.53 0.079 0.100
110 1.703 217.786 0.401 8.03 42% 10.93 0.080 0.101
115 1.696 217.396 0.390 7.64 40% 11.32 0.078 0.099
120 1.689 217.004 0.392 7.24 38% 11.71 0.078 0.099
125 1.645 216.637 0.367 6.88 36% 12.08 0.073 0.093
130 1.636 216.261 0.376 6.50 34% 12.45 0.075 0.095
135 1.632 215.917 0.344 6.16 32% 12.80 0.069 0.087
140 1.613 215.545 0.372 5.78 31% 13.17 0.074 0.094
145 1.590 215.215 0.330 5.45 29% 13.50 0.066 0.083
150 1.552 214.862 0.353 5.10 27% 13.85 0.071 0.089
155 1.488 214.484 0.378 4.72 25% 14.23 0.076 0.096
160 1.462 214.205 0.279 4.44 23% 14.51 0.056 0.071
165 1.462 213.911 0.294 4.15 22% 14.80 0.059 0.074
170 1.220 213.645 0.266 3.88 20% 15.07 0.053 0.067
175 1.172 213.382 0.263 3.62 19% 15.33 0.053 0.066
180 1.075 213.143 0.239 3.38 18% 15.57 0.048 0.060
185 0.980 212.928 0.215 3.17 17% 15.79 0.043 0.054
190 0.876 212.719 0.209 2.96 16% 16.00 0.042 0.053
195 0.722 212.481 0.238 2.72 14% 16.23 0.048 0.060
200 0.636 212.356 0.125 2.60 14% 16.36 0.025 0.032
205 0.639 212.302 0.054 2.54 13% 16.41 0.011 0.014
210 0.673 212.294 0.008 2.53 13% 16.42 0.002 0.002
215 0.692 212.285 0.009 2.52 13% 16.43 0.002 0.002
220 0.710 212.277 0.008 2.52 13% 16.44 0.002 0.002
225 0.545 212.125 0.152 2.36 12% 16.59 0.030 0.038
230 0.559 212.085 0.040 2.32 12% 16.63 0.008 0.010
235 0.496 212.045 0.040 2.28 12% 16.67 0.008 0.010
240 0.515 212.018 0.027 2.26 12% 16.70 0.005 0.007
경과시간 함수로서의 유속과 출구압력 및 잔존연료의 차트는 아래와 같다.
Figure 112010011268711-pct00009
경과시간 함수로서 단지 출구압력 및 유속만을 나타내는 다른 차트는 아래와 같으며, 이는 연료공급원 수명의 상당 부분에 걸쳐 본 발명에 의한 연료공급원의 유속 및 출구압력이 실질적으로 일정하다는 것을 더 명확하게 보여준다. 밸브(18)를 통해 라이너(28)를 압축하고 연료를 압출하는데 필요한 압력강하가 허용범위 내에 있음을 알 수 있다.
Figure 112010011268711-pct00010
공기, 질소, 이산화탄소, 불활성 가스 등을 포함하며 이에 한정되지 않는 모든 종류의 가스들이 압축가스챔버(24) 내에 저장될 수 있다. 본 발명은 압축가스의 어떤 종류에도 한정되지 않는다. 또한, 압축가스챔버(24)는 담배라이터에 사용되는 것과 같은 액화탄화수소를 수용할 수도 있다. 액화탄화수소를 사용하는 이점은 액화탄화수소의 더 작은 양으로도 매우 더 많은 양의 더 높은 압력가스로 변환할 수 있으며 이로써 압축가스챔버(24)의 체적을 크게 줄일 수 있다는 점이다. 적절한 액화탄화수소로는 부탄, 이소프로판, 디젤 및 가솔린을 포함하며 이에 한정되지 않는다. 액체 또는 겔 형태의 메탄올 및 기타 알콜 또한 사용될 수 있다. 압축가스챔버(24) 내에서 사용가능한 적절한 가스 및 기타 물질은 본 출원인의 현재 진행 중인 미국특허출원공개공보 제2007/0077470 A1호(미국특허출원 제11/243,767호: 2005. 10. 5 출원), 미국특허출원공개공보 제2007/0077463 A1호(미국특허출원 제11/244,218호: 2005. 10. 5 출원)에 개시되어 있다.
다수의 적절한 압력조절기(20)로는 본 출원인의 현재 진행 중인 미국특허출원공개공보 제2006/0174952 A1호(미국특허출원 제11/327,580호: 2006. 1. 6 출원)에 기술되어 있다.
도 9a 및 9b는 제1압력조절기(126)를 도시하며, 이는 미국특허출원공개공보 제2006/0174952 A1호에서는 "도 4A" 및 "도 4B"로 도시되어 있다. 참조하기 쉽도록, 제2006/0174952 A1호의 도면부호를 그대로 사용한다. 압력조절기밸브(126)는 압력민감성 격막(140)을 포함한다. 그러나, 본 구현예에서는 도 9b에 가장 잘 보이듯이 격막(140)은 2개의 실장요소, 즉 밸브 하우징(146)과 밸브커버(148) 간에 끼워지고, 그 중앙부를 관통하여 형성된 홀(149)을 구비한다. 또한, 공극(129)이 밸브 하우징(146) 및 밸브커버(148)의 계면에 형성됨으로써 채널(143)의 입구압력과 채널(145)의 출구압력과 기준압력 Pref 간의 압력차로 인해 격막(140)이 이동하거나 굴곡될 수 있도록 한다. 밸브 하우징(146)은 조절기밸브(126)를 통해 유로를 형성하는 내부구조를 갖는다. 특히, 채널들(143, 145)은 밸브 하우징(146) 내에 형성되고, 여기서 채널(143)은 상기 입구압력을 갖고 제1밸브(16)가 개방되면 압축가스챔버(24)와 유체소통하며, 채널(145)은 상기 출구압력을 갖고 제1밸브(16)가 개방되면 액체연료챔버(26)와 유체소통한다. 또한, 통기채널(141)은 밸브커버(148) 내에 형성되고 이로써 격막(140)은 대기압이나 기타 기준압력일 수 있는 상기 기준압력에 노출된다. 또는, 격막은 기준압력에 스프링 탄지될 수 있다.
밸브 하우징 채널(143)은 밸브축(142)을 활동하며 수납하도록 구성된다. 밸브 하우징 채널(143)은 밸브 하우징(146)과 밸브 커버(148)의 계면에 또는 그 부근에 좁게 구성됨으로써 견부(137)를 형성한다. 밸브축(142)은 가는 축부(138) 및 캡(131)을 구비한 단일요소로 됨이 바람직하다. 이러한 구조에 의해 가는 축부(138)는 밸브 하우징 채널(143)의 협부를 통해 연장할 수 있고, 그 반면 캡(131)은 견부(137)에 지지될 수 있다. 이리하여 캡(131) 및 견부(137) 둘 다 캡(131)이 밀착된 경우 견부(137)에서 밸브(126)를 통해 유로를 폐쇄하는 밀봉면을 포함한다. 또한, 그로밋(grommet: 147)은 격막(140) 내의 홀(149) 내부에 밸브축(142)을 고정하며, 이로써 격막(140)과 밸브축(142) 간에 밀봉 및 견고한 연결이 만들어진다. 따라서, 격막(140)이 이동함에 따라, 밸브축(142) 또한 캡(131)이 견부(137)에 대해 밀착 및 이격되도록 이동하게 되고, 이로써 밸브(126)를 개방 및 폐쇄하게 된다.
압력조절기(126)가 제1밸브(16)에 연결되면, 전술하였듯이 압축가스챔버(24)로부터의 상대적으로 높은 압력이 입구(143)와 소통한다. 출구(145)에서 이 압력조절기로부터의 출구압력은 제1밸브(16)를 통해 유로(42) 내로 소통함으로써 액체연료챔버(26)를 가압한다. 액체연료챔버(26) 내의 압력이 연료공급원(10)으로부터 액체연료를 압출하는데 필요한 압력보다 더 낮으면, 압력조절기(126)는 도 9a에 도시하는 개방구조로 되며, 이때 격막은 굴곡이 펴지고 밸브축(142)의 캡(131)은 견부(137)로부터 이격된다. 이리하여, 압축가스는 압력조절기(126)를 거쳐 액체연료챔버(26) 내로 유동한다. 액체연료챔버(26) 내의 압력이 "x" psi에 도달하면, 전술하였듯이 격막(140)은 밸브축(142)의 캡(131)이 견부(137)에 안착하여 압력조절기(126)를 밀봉할 정도까지 밸브커버(148)를 향해 변형된다. 더 많은 액체연료가 액체연료챔버(26)로부터 이송되어 나갈수록, 액체연료챔버(26) 내의 압력은 감소한다. 이러한 압력 감소는 격막(140)으로 하여금 밸브커버(148)로부터 이격되어 밸브축(142)을 개방위치로 이동시킴으로써 부가의 압축가스가 액체연료챔버(26)로 인입할 수 있도록 하여 상기 싸이클을 재개하도록 한다.
압력조절기(126)가 개방 또는 폐쇄될 때의 출구압력 Pref는 밸브축, 또는 개방 및 폐쇄 위치 간에 이동하는 갭의 길이를 조절하거나, 및/또는 격막(140)의 ㄱ 가요성이나 용수철상수를 조절하거나, 및/또는 Pref를 조절함으로써 조정될 수 있다. 축(138)은 이의 길이를 조절하기 위해 그로밋(147)에 대해 이동할 수 있도록 하는 크기와 용적을 갖는다. 그로밋(147)과 캡(131) 간의 축(138) 길이가 길수록,
밸브(126)를 폐쇄하는데 필요한 압력은 더 높아진다. 상기 출구압력은 실질적으로 일정하거나 또는 허용가능범위 내로 유지되고, 기준압력 Pref는 이러한 출구압력을 제공하도록 선택되거나 조절됨이 바람직하다. 즉, Pref은 입구압력이 소정량을 초과하면 격막(140)이 폐쇄되어 유로(145)의 높은 출구압력을 최소화하거나 변동시키도록 설정된다.
다른 압력조절기(226)은 도 10a 및 도 10b에 도시하며, 이는 미국특허출원공개공보 제2006/0174952 A1호에서는 "도 4C"~"도 4D"로 개시된다. 밸브 하우징(248)이 밸브캡(247)에 부착되므로, 압력조절밸브(226)는 전술한 압력조절기(126)와 유사하다. 압축가스챔버(24)에 연결된 입구(243)가 밸브캡(247) 내에 형성되고, 반면에 액체연료챔버(26)에 연결된 압력조절출구(245)가 밸브 하우징(248) 내에 형성된다. 홀(251)이 밸브 캡(247)의 저부에 형성된다. 홀(251)은 압력조절기(226)의 종축으로부터 약간 중심을 벗어나도록 됨이 바람직하다.
변형가능한 캡실린더(250)는 밸브캡(247)과 밸브 하우징(248) 간에 끼워져 유치된다. 캡실린더(250)는 상단부(259)와 하단부(287) 및 이를 관통하는 홀 또는 채널(201)을 포함한다. 캡실린더(250)는 고무, 우레탄 또는 실리콘과 같이 해당 분야에서 공지된 모든 변형가능한 탄성중합물질로 제조된다. 캡실린더(250)는 압력민감성 격막과 유사한 기능을 한다.
상단부(259)는 밸브캡(247) 부근에 위치됨으로써, 압력조절기(226)를 통해 유체가 흐르지 않을 때 상단부(259)는 밸브캡(247)의 저면과 동일한 평면을 이룬다. 상단부(259)의 변부는 정위치에 고정되고, 이로써 나머지 상부캡(259)이 굴곡된다 하더라도 상기 변부는 움직이지 않고 밀봉된다.
하단부(287)는 밸브 하우징(248)의 부근에 배치된다. 공극(202)이 밸브 하우징(248) 내에 형성되고 하단부(287) 바로 아래에 배치됨으로써 하단부(287)가 자유로이 굴곡될 수 있게 된다. 하단부(287)는 하술하듯이 상단부(259)와 다른 직경을 가짐이 바람직하다.
실질적인 강체 물질로 제조된 리테이너(253)는 캡실린더(250)를 에워싼다. 리테이너(253)는 홀(241)을 이루며, 이는 캡실린더(250)와 리테이너(253) 간 주연부에 형성된 제2공극(203)과 기준압력 Pref를 연결한다. 제2공극(203)의 일부(205)는 저부캡(287)에 부분적으로 연하며 이의 상부에 연장하도록 구성된다.
압력을 조절하기 위해, 도입가스(또는 액체)가 입구(243)롤 통해 압력조절기(226)로 인입하여 홀(251) 내부로 통과한다. 홀(251)은 캡(247) 상에 형성된 원형 채널 또는 링으로 될 수 있다. 상단부(259)는 입구(243)로부터의 도입 가스 또는 액체에 의해 가해지는 압력이 상단부(259)를 변형시키는 임계값에 도달할 때까지 홀(251)을 밀봉한다. 상기 가스가 상단부(259)를 변형시키면, 상기 변형은 실린더(250) 본체에 걸쳐 병진하여 하단부(287) 또한 변형시킨다. 일단 상단부(259)가 변형되면, 상기 가스는 홀(251)과 캡실린더(250)를 통과하여 조절출구(245) 밖으로 나가게 된다.
캡실린더(250) 상에 인가된 힘이 인가된 압력과 이에 노출된 면적의 곱으로 되므로, 캡실린더(250) 상에 작용하는 힘은 다음과 같이 정리될 수 있다:
입구 힘 ＋ 기준 힘 ↔ 출구 힘
(입구(243)에서의 P·상단부(259)의 면적)＋(Pref·일부분(205)의 면적) ↔ (출구(245)에서의 P·하단부(287)의 면적)
상기 출구 힘이 상기 입구 힘과 기준 힘보다 더 크다면, 압력조절기(226)는 폐쇄되고, 상기 출구 힘이 상기 입구 힘과 기준 힘보다 더 작다면, 상기 밸브(226)는 개방된다. 본 구현예에서 상기 출구 힘은 상기 입구 힘과 기준 힘을 상쇄해야 하므로, 도시하듯이 하단부(287)의 면적은 상단부(259)의 면적보다 크게 제조되는 것이 유리하며, 이로써 상기 출구 힘은 출구압력을 증가시키지않고도 더 커질 수 있다. 상단부(259) 및 하단부(287)와 일부분(205)의 면적들을 가변함으로써, 캡실린더(250) 상의 힘의 평형을 조절할 수 있고 밸브(226)를 개방 및 폐쇄하는데 요구되는 압력차가 정해질 수 있다.
기준압력 Pref는 하단부(287)를 누르기 쉬우므로, 이러한 부가적인 압력은 상기 임계압력을 저하시켜 유동을 개시할 수 있다. 즉, 기준압력 Pref는 비교적 높아 가스가 캡실린더(250)를 변형시키는 것을 도울 수 있다. 기준압력 Pref는 출구(245)를 떠나는 가스의 압력을 더 조절하기 위해 더 높거나 더 낮게 조절될 수 있다.
또 다른 구현예로서의 압력조절기(426)가 도 11a 및 도 11b에 도시되며, 이는 미국특허출원공개공보 제2006/0174952 A1호에서는 "도 6A"~"도 6B"로 개시된다. 압력조절기(426)는 단지 밸브(426)가 가요성 캡실린더(350) 대신 활동피스톤(450)을 구비한다는 점만 제외하고는 압력조절기(226)와 유사하다. 밸브(426)는 밸브캡(447)에 부착된 밸브 하우징(448)을 구비한다. 압축가스챔버(24)에 연결된 입구(443)가 밸브캡(447) 내에 형성되는 반면, 액체연료챔버(26)에 연결된 압력조절출구(445)는 밸브 하우징(448) 내에 형성된다. 홀(451)은 밸브캡(447)의 저부에 형성된다. 홀(451)은 압력조절기(426)의 종축으로부터 중심을 약간 벗어나는 것이 바람직하다. 홀(451)은 입구압력이 활동피스톤(450) 상에 균일하게 인가되도록 링으로 형성된 복수의 홀을 포함할 수 있다.
활동피스톤(450)은 밸브캡(447)과 밸브 하우징(448) 간에 활동가능하게 배설된다. 활동피스톤(450)은 제1직경을 갖는 상부(459)와, 바람직하게는 상부(459) 직경보다 더 큰 제2직경을 갖는 저부(487)와, 이를 통해 형성되는 홀(401)을 포함한다. 활동피스톤(450)은 플라스틱, 탄성중합체, 알루미늄이나 탄성중합체와 강체물질의 조합 등과 같이 해당 분야에서 공지된 모든 강체물질로 제조된다.
캡(447)과 하우징(448) 간에 피스톤(450)이 활동할 수 있도록 밸브 하우징(448) 내에 공간(402)이 형성된다. 제2공극(403)은 활동피스톤(450)과 밸브 하우징(448) 간에 형성된다. 공극(403)은 기준압력 Pref에 연결된다. 공극(403)의 일부분(405)은 하단부(487)에 대향 배치됨으로써 기준 힘이 피스톤(450)에 인가될 수 있게 된다.
상단부(459)는 밸브캡(447) 부근에 위치함으로써, 전술하였듯이 출구 힘이 입구 힘과 기준 힘을 초과하면, 상단부(459)는 도 11a에 도시하듯이 밸브캡(447)의 저면과 동일 평면을 이루어 밸브(426)를 폐쇄한다. 출구 힘이 입구 힘 및 기준 힘보다 작으면, 피스톤(450)은 하우징(448)을 향해 밀림으로써 수소가스 등의 유체가 홀(들)(451)을 통해 입구(443)에서 출구(445)로 흐르게 된다. 다시, 밸브(226)에 관해 전술하였듯이, 밸브(426)의 개방 및 폐쇄를 조절하기 위해 변부들(459, 487)의 표면적과 공간(405)의 표면적을 가변할 수 있다.
또 다른 적합한 압력조절기는 도 12a 및 도 12b에 도시한다. 도 12a~12c는 본 출원인의 현재 진행중인 미국가출원 제60/887,918호(2007. 2. 2 출원)에 개시된 바 있다. 참조하기 쉽도록 제60/887,918호에서 사용된 도면부호의 첫번째 숫자만 변경하여 중복되지 않게 하였다.
압력조절기(564)의 일 예는 도 12a~12b에 도시된다. 압력조절기(564)는 입구하우징(566)과 출구하우징(568)과 이들 간에 배설된 리테이너(570)를 포함한다. 피스톤(572)은 리테이너(17) 내에서 이동가능하게 배설된다. 제1격막(574)은 입구하우징(566)과 리테이너(570) 간에 클램핑되고 제2격막(576)은 외부하우징(568)과 리테이너(570) 간에 클램핑된다. 입구하우징(566)은 압축가스챔버(24)에 연결된 입구채널(578)을 이루고 출구하우징(568)은 액체연료챔버(26)에 연결된 출구채널(580)을 이룬다. 피스톤(572)이 실장된 리테이너(570) 내부는 기준압력에 노출될 수 있으며 상기 기준압력은 대기압으로 될 수 있다. 상기 입구채널의 밀봉을 돕기 위하여 볼(582)이 입구채널(578) 바로 아래의 제1격막(574) 아래에 구비될 수 있다. 도시하듯이, 제1격막(574)은 입구압력에 노출되고, 제2격막(176)은 출구압력에 노출된다.
피스톤(572) 상에 가해지는 힘은 상기 가해지는 압력과 이에 노출된 면적을 곱한 값이므로, 피스톤(572) 상에 작용하는 힘은 다음과 같이 정리된다:
입구격막 힘은:
입구압력 × 입구면적 = 기준압력 × 입구면적 ＋ 피스톤 힘(상면)
출구격막 힘은:
출구압력 × 출구면적 = 기준압력 × 출구면적 ＋ 피스톤 힘(저면)
상기 상면에의 힘은 상기 하부면에의 힘과 동등하므로, 상기 피스톤 힘은 두 식 모두에서 동등하다. 피스톤 힘에 대해 두 방정식을 풀어 등식화하면:
(입구 P - 기준 P) × 입구면적 = (출구 P - 기준 P) × 출구면적
이 식은 다음과 같이 될 수 있다:
(출구 P - 기준 P) = (입구 P - 기준 P) × 입구면적 / 출구면적
상기 기준압력이 0 psi 상대기압 또는 1 기압인 경우에는:
출구 P = 입구 P × 입구면적 / 출구면적
상기 기준압력이 0 psi 상대기압이 아닌 경우에는 상기 피스톤 양면 모두 각각의 면적에 대응하는 기준압력에 의해 영향을 받게 된다. 상기 압력조절기의 작동중 상기 입구면적은 변화한다. 상기 출구압력이 상기 입구를 차단할 정도로 상승하기 이전에 상기 입구면적은 상기 피스톤의 상면과 동등하다. 상기 출구압력이 상기 입구를 차단할 정도로 상승한 이후에 상기 입구면적은 수축하여 작은 입구개구로 된다. 이러한 특징은 작은 출구압력 강하를 갖는 피스톤 진동을 감소시키게 된다.
상기 출구 힘이 상기 입구 힘보다 작으면, 상기 입구압력 힘은 제1막을 하방으로 힘을 가해 입구채널(578)로부터 내부원형채널(184)로의 유로를 개방한다. 내부원형채널(584)은 상부측부채널(586)에 연결되고, 상부측부채널(586)은 외부원형채널(588)과 연결채널(590)에 연결되며, 연결채널(590)은 하부측부채널(592)과 출구채널(580)에 연결된다. 출구채널(580)은 "594"에서 확장되어 수소가스로 하여금 팽창하게 하여 배출되기 이전에 약간 더 압력을 잃게 하는 것이 유리하다. 또한, 출구채널(580) 역시 확장되어 이로써 조절기(564)가 연료전지장치의 다른 부품(들)에 착설될 수 있다. 측부채널들(586, 592)은 도 12a에 도시하듯이 볼에 의해 밀봉된다.
또 다른 구현예의 압력조절기(564)가 도 12c에 도시되며, 이는 도 12a~12b의 구현예와 동일한 방법으로 작동한다. 도 12c에 도시하듯이, 조절기(564)는 또한 출구하우징(568)의 저부에 부착된 출구 격막/개스킷(577) 및 종단캡(596)을 구비할 수 있다. 종단캡(596)은 기준압력을 피스톤(572)와 소통시키는 채널을 구비할 수 있고, 배출가스가 배출 이전에 더 큰 압력강하를 취하도록 더 확장된 출구채널(580)을 구비할 수 있다. 격막/개스킷(577)은 O링으로 대체될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료공급원(610)은 도 13에 도시하는 바와 같이 압력조절기를 구비하지 않는다. 또한, 이러한 연료공급원은 뚜껑(14) 및 내부라이너(28)를 갖는 외부케이싱(12)을 구비한다. 수소를 생산하기 위하여 액체연료를 내부라이너(28)로부터 반응챔버로 소통시키고 액체연료를 내부라이너(28)로부터 연료전지나 연료전지가 구동하는 장치로 소통시키기 위하여 밸브(18)가 구비된다. 압력은 스프링클립(612)을 통해 내부라이너(28)로 인가된다. 내부라이너(28)에 균일하게 압력을 분포시키기 위해 강체플레이트(614)가 내부라이너(28)의 각 측면에 구비된다.
연료공급원에 잔존하는 연료량을 측정하기 위하여, 연료게이지(700)가 도 14 및 도 14a에 도시하듯이 구비된다. 연료게이지(700)는 쓰레드(thread: 702)와 판독기(readout: 704)를 포함한다. 쓰레드(702)는 한 종단에서 내부라이너(28)의 저부 또는 측부로 부착된다. 연료가 라이너(28)로부터 이송되어 나감에 따라 도 14의 "28'"로 도시함과 같이 라이너가 수축한다. 수축하는 라이너는 쓰레드(702)를 내방으로 당긴다. 쓰레드(702)가 당겨짐에 따라 반대편 종단은 판독기(704)를 따라 움직여 잔존연료량을 나타낸다. 정확한 판독기(704) 표시를 위하여 보정이 필요할 수 있고, 판독기(704) 상의 해쉬마크(hash mark)(예를 들어, E, 1/4, 1/2, 3/4, F)는 각각 균일하게 이격되지 않을 수 있다.
내부라이너(28)가 이 내부에 수용된 연료의 기화로 인하여 가스로 재팽창하는 경우, 쓰레드(702)는 가요성이므로 상기 재팽창된 내부라이너는 쓰레드(702)를 외방으로 밀지 않아 결국 내부라이너의 재팽창으로 인하여도 연료게이지(700) 상의 판독이 바뀌지 않게 된다. 따라서, 연료게이지(700)는 단순, 정확, 반복성의 이점을 갖는다.
다른 구현예로서 사용될 수 있는 밸브들(16, 18)로 돌아가서, 도 15a~15c 및 도 16a~16c에 도시하듯이, 제1밸브(16) 또는 제2밸브(18)는 어느 한 밸브의 인입구 부근에 배치된 밀봉부재(870: 예를 들어, O링, 밀봉면, 와셔, 오버몰드(overmold) 탄성중합부, 탄성중합 볼 등)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 15a~15c 및 도 16a~16c에 도시하는 바와 같이, 밀봉부재(870)는 제2밸브(18)의 밸브본체(858) 내부에 형성된 요홈들 내에 상주하는 O링으로 될 수 있다. 상기 밀봉은 밸브본체(858)와 밀봉부재(870) 및 중심지주(860) 간에 제공된다. 공간(868)은 밸브본체(858)와 중심지주(860) 간에 제공된다. 본 구현예에서, 배관(866)은 중심지주(860)보다 더 크도록 크기와 용적이 정해지고, 도 15b~15c에 도시하듯이 배관(866)이 공간(868) 내로 삽입되면 이는 O링(870)을 외방으로 밀어 배관(866)과 중심지주(860) 간에 유로(864)를 허용하게 한다. 배관(866)을 더 삽입하면, 도 15c에 도시하듯이, 배관(866)은 밸브본체(858) 내부에서 안정도가 더 높아진다. 도 15b에 도시하듯이, 배관(866)이 먼저 공간(868) 내부로 삽입되면, 상호요소간 밀봉이 배관(866)과 밸브본체(858) 간에 임의로 형성된다. 도 15d는 밸브(18)와 배관(866)의 분해조립도이다.
도 16a~16d의 구현예는 O링(870)으로 제공된 밀봉에 부가하여 제2밀봉이 탄성중합 밀봉(862) 및 중심지주(870)로 제공된다는 점만 제외하고는 도 15a~15d의 구현예와 유사하다. 이때, 도 16b에 도시하듯이 배관(866)이 O링(870)을 옆으로 밀면, 밸브(18)는 도 16c에 도시하듯이 배관(866)이 탄성중합 밀봉(862)을 압축하여 유로(864)를 형성할 때까지 밀봉상태를 유지한다. 도 16d는 일 조의 배관(866)과 밸브(18)의 분해조립도이다.
도 15a~15c 및 도 16a~16c에서의 과정은 밸브(18)를 위한 것이지만, 비슷한 과정이 배관(48)과 밸브(16) 간에 상호요소간 밀봉을 형성하는데 적용될 수 있으며 이후 밸브(16) 내에 내부밀봉이 개방된다.
밸브(16) 또는 밸브(18)의 폐쇄과정은 전술한 개방과정의 역순과 유사하다. 카트리지(10)는 해당 분야에 공지된 모든 배출기구를 사용하여 수동 또는 자동으로 장치로부터 먼저 분리되며, 압축되었던 모든 밀봉(예를 들어, 탄성중합 밀봉들(38, 44, 62, 862), O링들(38', 44', 62') 또는 밀봉부재(870))은 이의 저장된 에너지를 방출하고 원래 위치로 복귀한다. 유리하게는, 일 특정 구현예로서, 상기 압축된 밀봉 자체는 배출기구로서 작용할 수 있다. 그 결과, 카트리지(10)를 배출하기 위한 외부의 스프링 힘이 필요없으며 카트리지(10) 내부에 공간이 절약된다. 카트리지가 배출되고 탄성중합 밀봉들이 원래 위치로 복귀한 후에는, 중심지주는 다시 한번 상기 탄성중합 밀봉들과 체결되어 연료 카트리지로의 유로를 폐쇄한다.
본 발명의 또 다른 구현예가 도 17a~17d에 도시된다. 도시하듯이, 연결밸브(872)는 2개의 밸브요소들(874, 876)을 포함한다. 일 밸브요소는 연료공급원 또는 장치(예를 들어, 연료전지, 재충전장치 또는 기타 연료전지장치용 장치)에 결합되고, 다른 일 밸브요소는 나머지 연료공급원이나 장치에 결합된다. 바람직하게는, 제1밸브요소(874)는 장치에 결합되고, 제2밸브요소(876)는 연료공급원에 바람직하게 결합된다. 도 17a~17c는 제1밸브요소(874)와 제2밸브요소(876)의 연결과 이들의 내부밀봉들의 개방을 설명하는 과정을 도시하며, 도 17d는 연결밸브(872)의 분해조립도이다.
제1밸브요소(874)는 상부(877a) 및 저부(877b)를 갖는 하우징을 포함한다. 상부(877a)는 O링(880)과 유체연결되는 호스배관(878)을 수납한다. O링(880)은 중심지주(881)와 내부밀봉을 형성하며, 이는 상부하우징(877a)과 일체로 된 것으로 도시된다. 정반대로 대향된 일 조의 개구들(884)을 구비하는 내부배관(882)이 선택적으로 O링(880)을 압축하도록 제공된다. 내부배관(882)은 외부배관(886) 내에 정합되도록 크기와 용적이 정해진다. 배관들(882, 886)은 이들 간에 유로의 일부로 되는 공간을 형성하도록 크기와 용적이 정해진다. 내부배관(882) 및 외부배관(886) 둘 다 저부(876b) 내에 배치되고 이들의 상대 위치를 유지하기 위해 스포크나 웹(미도시)을 통하여 서로 연결될 수 있다. O링(880)이 압축되지 않으면, 이는 중심지주(881)와 인접하여 밸브요소(874)를 밀봉한다. O링(880)이 압축되면, 밸브요소(874)를 통한 유로가 압축된 O링(880)을 통해 호스배관(878)으로부터 배관(882)의 중공종단 내로, 그리고 개구(들)(884)을 거쳐, 그리고 내부배관(882) 및 외부배관(886) 사이의 공간을 거쳐 형성된다.
제2밸브요소(876) 또한 상부(888a) 및 저부(888b)를 갖는 하우징(888)을 포함하는 여러 요소들로 구성된다. 중심지주(890)는 저부(888b)에 고정부착되고 O링(892)과 내부밀봉을 형성하는 각진 시트면들을 구비하는 것이 유리하다. 저부(888b)는 또한 O링(892)에 유체연결되는 호스배관(894)을 구비한다. 또한, 밸브요소(874)의 외부배관(886)은 중심지주(890)보다 더 커서 이들 간에 유체가 흐를 수 있게 한다.
제1밸브요소(874) 및 제2밸브요소(876) 둘 다는 채널(898) 내에서 볼트들(896)로 함께 연결될 수 있다. 또한, 제1밸브요소(874) 및 제2밸브요소(876) 간에 상호요소간 밀봉을 강화하기 위하여 O링(미도시)이 이들 간에 제공될 수 있다.
도 17a는 제2밸브요소(876)에 연결되지 않은 제1밸브요소(874)를 도시한다. 연료공급원을 연료전지에 연결하고 연료를 연료공급원으로부터 연료전지로 이송하기 위하여, 도 17b에 도시하듯이 제1밸브요소(874)로부터의 외부배관(886)이 O링(892)에 도달할 때까지 제2밸브요소(876) 내 중심지주(890) 부근의 공간(900) 내부로 삽입된다. 도 17c에서, 제1밸브요소(874) 및 제2밸브요소(876) 내의 내부밀봉들은 개방되어 유로(901)를 형성한다. 중심지주(890)가 내부배관(882)을 밀면 제1밸브요소(874) 내의 내부밀봉이 개방되며, 이는 차례로 O링(880)을 압축한다. 제1밸브요소(874)의 외부배관(886)이 O링(892)을 압축하면 제2밸브요소(876) 내의 내부밀봉은 개방된다. 유로는 제2밸브요소(876) 내에서 압축된 O링(892) 부근의 호스배관(894)으로부터 그리고 중심지주(890)와 제1밸브요소(874)의 외부배관(886) 사이의 공간을 거쳐 형성된다. 도 17c에 도시하듯이, 유로(901)는 제1밸브요소(874) 및 제2밸브요소(876) 내 유로들의 조합으로 된다. 연료는 호스배관(878)에서 호스배관(894) 방향으로, 아니면 그 역방향으로 유로(901)를 거쳐 흐를 수 있게 된다.
유로(901)가 형성되면, 제1밸브요소(874)는 제2밸브요소(876)와 동시에 개방될 수 있거나, 또는 이들 간에 연결이 이루어진 후 차례로 시간차를 두어 개방될 수 있다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 인지하겠듯이, 예를 들어 장치가 카트리지(10) 내에 저장된 연료에 접근하기에 앞서 연료나 가스를 수용하도록 준비되었는지를 확실히 하기 위해서 카트리지(10)로의 유로를 개방하기 이전에 상기 장치로의 유로를 개방하는 것도 일부 상황에서는 유리할 수 있다. 이러한 순차적 개방은 단지 내부배관(882), 외부배관(886) 또는 중심지주(890)의 길이를 조절만 함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 제1밸브요소(874)가 장치에 있을 경우에는 외부배관(886)이 단축되거나, 또는 내부배관(882)이나 중심지주(890)가 연장될 수 있다. 이러한 경우, 중심지주(890)는 외부지주(886)가 O링(892)과 체결되기 이전에 내부배관(882)을 이동시킨다. 또는, 만일 제2밸브요소(876)가 장치에 있을 경우, 외부배관(886)이 연장됨으로써 내부배관(882)이 중심지주(890)와 체결되기 이전에 O링(892)을 압축할 수 있다. 또한, 이러한 모든 구조 또는 이의 조합으로서 일 밸브요소가 유로를 개방하기 위해 다른 밸브요소보다 더 긴 스트로크(stroke)를 갖도록 함으로써 일 밸브요소는 다른 밸브요소보다 더 긴 개방순서를 갖게 된다.
다른 형태의 제1밸브요소(874')는 도 18a 및 18b에 도시된다. 여기서, 중심지주(881)는 간섭끼워맞춤을 통해 하우징(877a)에 부착되고, 하우징저부(877b)는 외부배관(886)과 결합된다. 내부배관(882)은 하우징저부(877b)/외부배관(886)에 대해 약간 상하로 움직일 수 있어 O링(880)을 압축/비압축 하게 된다. 이 밸브요소(874')의 작동은 도 18a~18d에 기술된 제1밸브요소(874)와 유사하다.
또 다른 형태의 제1밸브요소(74")는 도 19a~19b에 도시된다. 여기서, 중심지주(881)는 하방 또는 외방 연장되고 간섭끼워맞춤으로 제1하우징부(877a)에 고정된다. 단일배관(882/886)은 내부배관(882) 및 외부배관(886)을 대체하고 O링(880)을 압축하도록 이동할 수 있어 전술하였듯이 중심지주(880)와의 밀봉을 제공한다. 배관(882/886)은 중심지주(881)의 외측에 착설되고 이들 간에 갭(gap)을 제공한다. 리테이너 링(retainer ring: 905)은 배관(882/886)의 외부링(103)과 간섭함으로써 밸브요소(874") 내부에 배관(882/886)을 두도록 설계된다. O링(880)이 압축되면, 배관(878)으로부터 중심지주(881)의 작은 축 주위와 압축된 O링(880) 주위와 배관(882/886)과 중심지주(881) 간의 공간 내로 유로가 형성된다. 도 17a~17d에 도시하듯이, 제2밸브요소(876)에 연결되면, 배관(882/886)은 전술하였듯이 동시에 또는 순차적으로 제1밸브요소(874)의 O링(880)뿐만 아니라 제2밸브요소(876)의 O링(892)을 압축한다.
도 20a~20d를 참조하면, 다른 형태의 밸브(18)가 도시된다. 본 구현예에서, 중심지주(860)는 밸브본체(858)에 일체로 되지만, 전술하였고 도 21a~21b에 관해 하술하듯이, 분리되어 밸브본체(858)에 부착될 수 있다. 이 경우 밀봉부재(862)는 비평탄 와셔(non-flat washer) 또는 중심지주(860)와의 립밀봉(lip seal)을 제공하는 립와셔(lip washer)로 된다. 도 20a에 가장 잘 도시하듯이, 립와셔(862)는 밸브본체(858)와 리테이너(907) 간에 유치된다. 와셔(862)의 밀봉부분은 도시하듯이 내방 배향되고 중심지주(860)를 가압하여 밀봉을 제공한다. 본 구현예에서, 리테이너(907)와 중심지주(860) 간에 공간(868)이 형성되며, 이는 배관(866)을 수납하도록 크기와 용적이 정해진다. 또한, 배관(866)과 중심지주(860) 간에 간격이 형성되어 이를 통해 연료가 흐를 수 있다. 도 20b에 도시하듯이, 배관(866)은 이것이 립와셔(862) 및 그 아래에 도달할 때까지(도 20c 참조) 공간(868)을 통해 밸브요소(18) 내로 삽입된다. 일단 배관(866)이 립와셔(862)를 지나도록 눌려지면, 연료유로(864)가 도시하는 바와 같이 형성된다.
도 21a~21b는 도 20a~20d의 밸브요소의 일 변형예이다. 이들 두 밸브요소는 와셔(862)가 평탄와셔로 되고 중심지주(860)는 밸브본체(858)와 분리된다는 것만 제외하고는 서로 유사하다. 또한, 밸브본체(858)는 이 내부에 형성되어 유로(864)의 일부로 되는 절취채널(909)를 구비한다.
본 발명의 기타 구현예들은 본 명세서의 고려 및 이에 개시된 본 발명의 실시로부터 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이다. 예를 들어, 내부라이너(28) 대신에 액체연료챔버(26)는 이동가능하고 밀봉된 피스톤에 의해 분리되어 압력조절기의 출력과 유체소통하는 액체연료격실 및 가스격실을 포함할 수 있다. 물론, 내부라이너 또한 가동피스톤과 함께 사용될 수 있다. 또는, 내부라이너 및 가동피스톤 대신, 액체연료챔버(26)는 일 종단에 추를 지닌 가요성 배관을 구비하고 다른 종단에 밸브(18)에 연결된다. 상기 가요성 배관의 가중된 종단은 연료공급원(10)의 모든 배향에서 액체연료와 접촉되어있어야 하고, 액체/가스 계면에서 상기 액체연료와 접촉하는 압축가스는 상기 가요성 배관을 통해 상기 액체연료는 밸브(18)를 향해 압출하는데 압력을 공급한다. 가중가요성 연료배관은 미국특허출원공개공보 제2006/0191199호에 기술되어 있다. 만일 연료공급원의 배향이 변하지 않는 경우에는 상기 가중가요성 배관을 고정된 사이펀(siphon) 배관으로 대체할 수 있다.
또한, 압축가스챔버(24)는 연료공급원910)의 외부에 배치할 수 있다. 예를 들어, 장치/연료전지 내의 격실을 구비하여 압축가스카트리지를 수용할 수 있고, 이는 상기 격실 내부로의 삽입시 상기 가스카트리지를 관통한다. 또한, 압축가스챔버(24) 또는 상기 압축가스카트리지는 사용 전에 벗겨낼 수 있는 포일(foil)이나 기타 가스불투과성막으로 밀봉함으로써 연료공급원(10)/압축가스챔버(24)의 수명을 연장할 수 있다.
제1 및 제2 밸브들(16, 18)은 덕빌밸브(duckbill valve)나 볼스프링밸브(ball-spring valve), 또는 본 출원인의 현재 진행중인 미국특허출원공개공보 제2005/0022883호 및 제2006/01965호와, 국제특허출원공개공보 제WO 2006/050261호 및 제WO 2006/088450호와, 미국특허 제7,059,582호에 개시된 밸브들로 대체할 수 있다. 또한, 연료공급원(10)이나 장치/연료전지는 연료의 속도나 압력 또는 온도가 너무 높으면 연료유동을 차단하는 밸브들도 구비할 수 있다(본 출원인의 현재 진행중인 미국특허출원공개공보 제2006/0071088호 참조).
또한, 외부케이싱(12)는 체크밸브(check valve)나 통기밸브(vent valve)도 구비할 수 있으며, 이는 외부케이싱(12) 내부의 압력이 소정값에 도달하면 외부케이싱(12) 내부의 가스를 대기중이나 기타 장소로 배기할 수 있다.
본 명세서 및 구현예들은 이하 특허청구범위 및 이의 균등물이 가리키는 본 발명의 진정한 범위 및 정신으로써 예시에 불과한 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 기타 구현예들은 본 명세서의 고려 및 이에 개시된 본 발명의 실시로부터 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이다. 또한, 한 구현예의 요소나 특징은 다른 구현예들에서도 사용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 압축가스챔버와 제1밸브 및 액체연료챔버를 포함하는 연료공급원장치에 있어서,
    압력조절기가 상기 압축가스챔버를 상기 액체연료챔버에 연결하고,
    상기 압력조절기는 상기 압축가스챔버로부터 압력입력을 수용가능하고 출력압력을 상기 액체연료챔버에 공급가능하여 상기 액체연료챔버로부터 액체연료를 압출해내되, 상기 압력입력은 상기 출력압력보다 더 높고,
    상기 압축가스챔버로부터의 가스는 상기 제1밸브를 통하여 상기 압력조절기로 이송되고 상기 제1밸브를 통하여 상기 액체연료챔버로 되돌아오는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축가스챔버의 압력은 시간에 걸쳐 감소가능한 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액체연료는 연료전지에 의해 직접 소모될 수 있는 연료, 또는 금속수소화물과 함께 가수분해하여 수소를 형성하는 액체연료반응물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축가스챔버 및 액체연료챔버는 서로 연결되거나 일체로 되는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축가스챔버는 상기 액체연료챔버로부터 분리된 카트리지 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1밸브는 내부중심지주와 동심원상 배설된 외부중심지주를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제2밸브가 상기 액체연료챔버를 연료전지 또는 상기 액체연료를 가수분해하는 반응챔버에 연결하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  9. 제1항에 있어서,
    연료게이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료게이지는 상기 연료챔버 내에 배치된 연료라이너에 연결되는 스트링(string)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2밸브는 제1 및 제2 밸브요소를 포함하고,
    상기 제1밸브요소는 밸브본체와, 적어도 하나의 밀봉부재와, 상기 밸브본체에 대해 움직일 수 없도록 상기 밸브본체에 부착된 중심지주를 포함하고,
    상기 밀봉부재는 상기 제1밸브요소의 결합면에서 떨어져 배치되고 상기 결합면 상의 공간이 상기 중심지주 주위에 구비되고,
    상기 공간은 상기 제2밸브요소로부터 중공배관을 수납하도록 크기와 용적을 가지며,
    상기 중공배관이 상기 제1밸브요소 내로 밀리면 상기 중공배관은 상기 밀봉부재를 상기 중심지주로부터 멀어지도록 이동시킴으로써 상기 제1 및 제2 밸브요소들을 통해 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 출력압력은 5 psi 이하인 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 더 출력압력은 2 psi 이하인 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 출력압력은 ±2.0 psi 미만의 변동을 갖는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 출력압력은 ±1.0 psi 미만의 변동을 갖는 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 출력압력은 일정한 것을 특징으로 하는 연료공급원장치.
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