KR101979052B1 - 연료 전지를 관리하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

연료 공급부와 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템 및 에너지 저장 디바이스를 포함하는 전력 어댑터를 동작하는 방법이 제공되며, 이 방법은 보조 전력 소스 및 부하와 전력 어댑터의 연결 상태를 결정하는 단계, 및 보조 전력 소스 및 부하의 연결 상태들에 기초하여 전력 어댑터 동작 모드를 선택하는 단계를 포함한다. 전력 어댑터의 동작 모드들은 적어도, 보조 전력 소스 및 부하가 전력 어댑터에 연결될 때의 보조 모드 및 보조 전력 소스가 전력 어댑터로부터 연결해제되고 부하가 전력 어댑터에 연결될 때의 연료 전지 모드를 포함한다. 보조 모드는 보조 전력 소스로부터 부하로 전력을 제공하는 것을 포함하고, 연료 전지 모드는 연료 전지 전력을 부하에 제공하는 것을 포함한다.

Description

연료 전지를 관리하기 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR MANAGING A FUEL CELL}
관련 출원들에 대한 상호참조
본 출원은 2011년 12월 9일 출원된 미국 가출원 번호 제61/569,133호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원은 인용에 의해 그 전체가 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 연료 전지 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료 전지 분야에서 연료 전지 시스템을 관리하는 새롭고 유용한 시스템 및 방법들에 관한 것이다.
다수의 응용들에서, 연료 전지 시스템은, 그의 휴대성 및 낮은 탄소 풋프린트(carbon footprint)로 인해, 휴대용 전력 소스와 같은 강제적인 해결책을 제공한다.
그러나, 연료 전지 시스템들은 종종 연료 전지들 및 연료 카트리지들이 동작 온도들에 도달하게 하기 위해 긴 시동 시간들을 요구한다. 이들 긴 시동 시간들은 전력 소스들, 특히 전력망(electrical grid)에 연결된 벽 콘센트(wall outlet)들과 같이 도처에 있는 기존의 전력 소스들로서 연료 전지 시스템들의 광범위한 소비자 채택에 대해 터무니 없는 비용이 들 수 있다. 그러나 기존의 전력 소스들은 부동성이며 쉽게 이동되지 않는 경향이 있기 때문에, 사용자가 특정한 세팅들에서 기존의 전력 소스들 및 다른 세팅들에서 연료 전지 시스템을 활용하는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 다수의 전력 소스 이용을 허용하고 레버리지(leverage)하는 개선된 시스템 및 방법을 생성할 필요성이 연료 전지 시스템 분야에 있다.
도 1은 부하를 위한 전력 어댑터의 개략적 표현이다.
도 2는 연료 발생기의 개략적 표현이다.
도 3 내지 도 11은 전력 어댑터의 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7, 및 제 8 변형의 개략적 표현이다.
도 12는 전력 어댑터 동작의 방법의 개략적 표현이다.
도 13은 보조 모드의 변형에서 동작하는 전력 어댑터의 개략적 표현이다.
도 14는 보조 모드의 제 2 변형에서 동작하는 전력 어댑터의 개략적 표현이다.
도 15는 연료 전지 모드의 변형에서 동작하는 전력 어댑터의 개략적 표현이다.
본 발명의 바람직한 변형들의 아래의 설명은 본 발명을 이들 바람직한 변형들로 제한하도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 임의의 당업자가 본 발명을 제조 및 이용하는 것을 가능하게 하도록 의도된다.
1.전력 어댑터
도 1에서 도시된 바와 같이, 연료 전지를 관리하기 위한 시스템은 연료 전지 시스템(200), 배터리(300), 및 제어 회로(400)를 포함하는 전력 어댑터 시스템(100)을 포함한다. 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(220) 및 연료 공급부(240)를 포함한다. 시스템은 부가적으로 부하 커넥터(600), 보조 전력 커넥터(500), 변환 회로(700), 충전 회로 및 에너지 발생 제어 시스템(900)을 포함할 수 있다. 시스템은 부하(620)에 전력을 공급하는데 이용되며, 여기서 부하(620)는 바람직하게는, 모바일 전화, 태블릿 또는 랩톱과 같은 휴대용 소비자 디바이스와 같은 디바이스이지만, 대안적으로, 전기 운송수단, 무인 항공기(unmanned aerial vehicle), 또는 임의의 다른 적합한 부하(620)일 수 있다. 시스템은 바람직하게는, 디바이스 외부에 있지만, 대안적으로 디바이스 내에 통합될 수 있으며, 여기서 제어 회로(400)는 바람직하게는, 디바이스의 제어 회로이다. 시스템은 바람직하게는, 보조 전력 소스(520)에 탈착 가능하게 커플링되고 이로부터 전력을 수신하며, 여기서 보조 전력 소스(520)는 벽 콘센트, 터빈, 태양 패널 시스템, 또는 주어진 시구간 동안 실질적으로 연속적인 전력을 제공할 수 있는 임의의 다른 적합한 전력 소스를 통해 액세스되는 전력망일 수 있다. 전력 어댑터(100)는 연료 전지 시스템(200)과 보조 전력 소스(520) 둘 다로부터 디바이스가 충전되는 것을 가능하게 한다. 또한, 전력 어댑터(100)는 바람직하게는, 연료 전지 전력 생산을 시동하고 및/또는 셧 다운(shut down)하도록 보조 전력 소스(520)에 의해 제공된 전력을 레버리지한다.
전력 어댑터(100)의 연료 전지 시스템(200)은 연료를 전기 전력으로 변환하도록 기능한다. 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(220) 및 연료(242)를 연료 전지 스택(220)에 공급하는 연료 공급부(240)를 포함한다. 연료 전지 시스템(200)은 바람직하게는, 수소 연료 전지 시스템(200)(예를 들어, 연료 공급부(240)는 수소를 공급하고 연료 전지 스택(220)은 수소에 반응함)이지만, 대안적으로 메탄, 프로판, 부탄, 또는 임의의 다른 적합한 연료 전지 시스템(200)일 수 있다. 연료 전지 시스템(200)은 바람직하게는, 전력 어댑터(100)와의 통합 유닛이지만, 바람직하게는, 탈착 가능한 유닛일 수 있으며, 여기서 연료 전지 시스템(200)은 전력 커넥터를 통해 전력을 전력 어댑터(100)에 제공한다.
연료 전지 시스템(200)의 연료 전지 스택(220)은 연료를 전기 전력으로 변환하도록 기능한다. 연료 전지 스택(220)은 바람직하게는, 하나 이상의 연료 전지들을 포함한다. 연료 전지들은 연료 전지 스택(220) 내에서 직렬로 또는 병렬로 전기적으로 커플링될 수 있고, 연료 전지 스택(220) 내에서 직렬로 또는 병렬로 (예를 들어, 연료 주입부 또는 배출부 매니폴드 또는 공기 주입부 또는 배출부 매니폴트를 통해) 유체적으로 커플링될 수 있다. 연료 전지들은 바람직하게는, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)들, 또는 용융 탄산염 연료 전지들(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC)들과 같은 고온 연료 전지들이며, 여기서 연료 전지들은 연료 변환이 발생할 수 있기 전에 연료 전지 동작 온도가 되어야 한다. 그러나 연료 전지들은 대안적으로 저온 연료 전지들(예를 들어, 고분자 전해질(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지들) 또는 임의의 다른 적합한 연료 전지일 수 있다. 연료 전지 스택(220)은 바람직하게는, 단일 타입의 연료 전지를 포함할 수 있지만, 대안적으로 상이한 연료 전지 타입들의 결합을 포함할 수 있다. 연료 전지들은 바람직하게는, 평면형(planar)일 수 있지만, 대안적으로 튜브형(tublar) 또는 임의의 적합한 형상일 수 있다. 연료 전지 스택(220)은 바람직하게는, DC 전력을 생산할 수 있지만, 부가적으로 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 변환 회로(700)를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택 구성물은 바람직하게는, 디바이스 특정이고, 바람직하게는, 디바이스에 의해 요구되는 전압 및 전류의 전력을 제공한다. 그러나 연료 전지 스택(220)이 디바이스 어그노스틱(device agnostic)이고 표준화된 전압 및 전류, 비 표준화된 전압 및 전류 또는 임의의 다른 적합한 전압 및 전류의 전력을 제공할 수 있다. 전력 어댑터(100)는, 특히 연료 전지 스택 전력이 비 표준이고 비 디바이스 특정일 때, 디바이스에 의해 수용 가능한 전력으로 연료 전지 스택 전력을 변환하는 변환 회로(700)를 부가적으로 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템(200)의 연료 공급부(240)는 연료 전지 스택(220)에 연료를 제공하도록 기능한다. 연료 공급 배출부는 바람직하게는, 연료 전지들의 연료 주입부들에 유체적으로 커플링되지만, 대안적으로 연료 전지 스택(220)의 임의의 적합한 부분에 공급될 수 있다. 연료 공급부(240)는 바람직하게는, 도 2에서 도시된 바와 같이 연료 발생기이지만, 대안적으로 가압된 연료 카트리지(pressurized fuel cartridge)일 수 있으며, 여기서 연료 공급부(240)는 바람직하게는, 부가적으로 연료 공급 밸브 및/또는 연료 펌프, 또는 임의의 다른 적합한 연료 공급부(240)를 포함한다. 연료 발생기는 바람직하게는, 연료를 발생하고 연료 전지 스택(220)에 이를 공급하도록 기능한다. 연료 발생기는 바람직하게는, 연료 저장 구성물(fuel storage composition)을 포함하는 카트리지(260)를 수용하며, 여기서 카트리지는 연료 발생기에 탈착 가능하게 커플링된다. 연료 발생기는 바람직하게는, 연료 저장 구성물에 반응하는 반응 엘리먼트를 포함한다. 반응 엘리먼트는 바람직하게는, 가열 엘리먼트이며, 여기서 연료 저장 구성물은 연료를 생산하도록 온열성으로(endothermically) 저하되지만, 대안적으로 카트리지 내의 히터(heater)들에 전력을 공급하는 전기 연결들, 연료 저장 구성물 반응 프론트에 반응제를 펌핑하는 펌프, 연료 저장 구성물의 선택 부분들을 선택적으로 조명하는 조명 시스템, 촉매(catalyst), 또는 임의의 다른 적합한 반응 엘리먼트일 수 있다. 연료 공급부(240)는 바람직하게는, 연료 전지 스택(220)과의 통합 컴포넌트이지만, 대안적으로 연료 전지 스택(220)에 커플링 가능한 별개의 컴포넌트일 수 있다.
연료 전지 시스템(200)의 연료 카트리지는 연료 전지 스택(220)에 연료를 제공하도록 기능한다. 상술된 바와 같이, 연료 카트리지는 바람직하게는, 화학적 결합 상태로 연료를 저장하는 연료 저장 구성물을 포함하며, 여기서 연료 저장 구성물은 바람직하게는, 연료를 생산하도록 반응한다. 그러나 연료 카트리지는 압축 연료 또는 임의의 다른 적합한 형태의 연료를 포함할 수 있다. 연료 저장 구성물은 바람직하게는, 연료를 생산하도록 저하 온도에서 열분해(thermolyses)할 수 있지만, 대안적으로 연료를 생산하기 위한 임의의 적합한 매커니즘을 이용하여 가수분해, 촉진(catalyze), 또는 반응할 수 있다. 연료 저장 구성물은 바람직하게는, 알루미늄 하이드라이드(아레인(Alane), 바람직하게는, α 다형체이지만, 대안적으로 임의의 적합한 다형체)이지만, 나트륨 보로하이드라이드(sodium borohydride)(SBH, NaBH4), 리튬 하이드라이드, 또는 임의의 다른 적합한 수소 저장 구성물일 수 있다. 연료 저장 구성물은 바람직하게는, 콤팩트 파우더(compacted powder)의 실질적 고체 필(substantially solid pill)이지만, 대안적으로 더 느슨한 파우더, 겔, 액체 또는 다른 적합한 폼 팩터일 수 있다. 연료 카트리지의 케이스는 바람직하게는, 연료 저장 구성물에 대한 기계적 보호를 제공하기 위해 단단하다. 그러나 케이스는 실질적으로 플랙서블할 수 있다. 케이스는 바람직하게는 연료 저장 구성물이 케이스를 통해 가열될 수 있도록 열 전도성이지만, 대안적으로 이를 테면 발포 절연(foam insulation) 또는 진공 절연을 통해 절연될 수 있다. 케이스는 바람직하게는, 금속(예를 들어, 구리, 알루미늄, 강철, 또는 임의의 적합한 합금)으로 이루어질 수 있지만, 폴리머, 세라믹 또는 이들의 임의의 결합일 수 있다. 케이스는 바람직하게는, 실린더형 또는 프리즘형이지만, 대안적으로 임의의 적합한 폼 팩터를 가질 수 있다.
전력 어댑터(100)의 배터리 또는 에너지 저장 디바이스(300)는 전력을 저장하고 이를 연료 전지 시스템 동작을 위해 연료 전지 시스템(200)에 제공하도록 기능한다. 배터리(300)는 부가적으로 연료 전지 시스템(200)에 의해 생산된 과잉 에너지를 흡수하고, 전력을 부하(620)에 제공하고, 부하(620)를 위한 전력을 컨디셔닝하고, 연료 전지 시스템(200)을 위한 전력을 컨디셔닝하고, 및/또는 전력을 에너지 발생 제어 시스템(900)에 제공하도록 기능할 수 있다. 배터리(300)는 바람직하게는, 재충전 가능하며, 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈, 카드뮴, 은 아연, 또는 임의의 다른 적합한 재충전 가능한 배터리일 수 있다. 배터리(300)는 바람직하게는, 연료 전지 시스템 폼 팩터를 감소시키도록 상당히 작을 수 있지만, 대안적으로 클 수 있다. 배터리는 바람직하게는, 디바이스 배터리로부터 별개이지만, 대안적으로 디바이스 배터리일 수 있다. 제 1 변형에서, 배터리 용량은 단지 연료 전지 시스템 시동을 용이하게 하기에 충분한 에너지를 저장하기에 충분히 크다(예를 들어, 연료 전지 및/또는 카트리지를 동작 온도까지 가열하기에 충분함). 제 2 변형에서, 배터리 용량은 단지 부하 디커플링(load decoupling) 이후에 발생된 과잉 에너지를 저장하기에 충분히 크며, 여기서 배터리 용량은 연료 중지 신호가 수신된 이후 연료 전지 스택(220)에 공급되는 연료의 양으로부터 결정될 수 있다. 제 3 변형에서, 배터리 용량은 주어진 시구간 동안 연료 전지 동작을 유지하기에 충분히 크지만, 연료 전지 시스템 시동을 용이하게 하기에 충분히 크지는 않다. 제 4 변형에서, 배터리 용량은 시구간 동안 연료 전지 시스템 동작을 시동하고 유지하기에 충분히 크다. 제 5 변형에서, 배터리 용량은 다수의 연료 전지 시스템 시동 사이클들을 지원하기에 충분히 크다. 제 6 변형에서, 배터리 용량은 시구간 동안 디바이스 동작을 지원하기에 충분히 크다. 제 7 변형에서, 배터리 용량은 디바이스를 완전히 충전하기에 충분히 크다. 배터리(300)는 바람직하게는, 실질적으로 일정한 전압의 전력을 제공하며, 여기서 일정한 전압은 표준화된 전압, 디바이스 특정 전압, 디바이스 어그노스틱 전압, 연료 전지 시스템 특정 전압, 연료 전지 스택 특정 전압, 연료 공급부 특정 전압, 또는 임의의 다른 적합한 전압일 수 있다. 대안적으로, 배터리(300)는 가변 전압의 전력을 제공할 수 있다. 배터리(300)는 바람직하게는, 연료 전지 시스템(200)에, 보다 바람직하게는, 연료 전지 스택(220)의 가열 엘리먼트(예를 들어, 연료 전지들을 가열하는 저항 히터) 및/또는 연료 공급부(240)의 반응 엘리먼트(예를 들어, 연료 공급부(240)의 저항 가열 엘리먼트)에 전기적으로 연결된다. 배터리(300)는 바람직하게는, 보조 전력(522)을 수신하고 바람직하게는, 전력 소스 어댑터에 전기적으로 연결된다. 배터리(300)는 또한 연료 전지 스택 전력 배출부에 전기적으로 연결될 수 있으며, 배터리(300)는 바람직하게는, 부하 연결해제 이후 연료 전지 스택(220)으로부터 전력을 수신하고 및/또는 부하(620) 전력 제공 동안 부하(620) 수요 초과의 전력을 수신한다. 배터리(300)는 또한 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서 배터리(300)는 어댑터를 통해 디바이스에 전력을 선택적으로 제공하고 및/또는 디바이스로부터 전력을 수신할 수 있다.
전력 어댑터(100)의 제어 회로(400)는 전력 어댑터 동작 모드들을 제어하도록 기능한다. 보다 바람직하게는, 제어 회로(400)는 전력 어댑터(100) 내의 전력 라우팅(power routing)을 제어하지만, 대안적으로 연료 전지 시스템 동작(예를 들어, 연료 전지 및 연료 카트리지를 각각의 동작 온도들로 유지함), 연료 라우팅을 제어하거나 임의의 다른 적합한 어댑터 동작 파라미터를 제어할 수 있다. 제어 회로(400)는 바람직하게는, 프로세서(예를 들어, CPU)이지만, 대안적으로 임의의 적합한 제어 회로일 수 있다. 제어 회로(400)는 바람직하게는, 보조 전력 커넥터(500), 배터리 전력 주입부, 배터리 전력 배출부, 연료 전지 시스템 전력 주입부, 연료 전지 시스템 전력 배출부, 및 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결되지만, 대안적으로 상술된 컴포넌트들의 서브세트에 연결될 수 있다. 제어 회로(400)는 바람직하게는, 전력 어댑터(100)와 부하(620) 및 보조 전력 소스(520)의 연결 상태에 기초하여 보조 전력 소스(520) 및/또는 에너지 저장 디바이스로부터의 전력을 선택적으로 라우팅한다. 제어 회로(400)는 부가적으로 연료 전지 시스템(200)에 의해 의한 전력 발생 레이트, 배터리(300)의 충전의 상태, 배터리 전력(302) 소모 레이트, 연료 제공 레이트, 또는 임의의 다른 적합한 어댑터 동작 파라미터에 기초하여 전력을 선택적으로 라우팅할 수 있다. 제어 회로(400)는 바람직하게는, 전력 어댑터(100)가 보조 전력 소스(520)에 연결될 때의 보조 모드와 전력 어댑터(100)가 보조 전력 소스(520)로부터 연결 해제되고 부하(620)에 연결될 때의 연료 전지 모드 사이에서 동작 가능하다. 제어 회로(400)는 또한 전력 어댑터(100)가 보조 전력 소스(520)에 연결되고 부하(620)로부터 연결 해제될 때 충전 모드에서 동작 가능할 수 있다. 제어 회로(400)는 바람직하게는, 전력 어댑터(100)에, 보다 바람직하게는, 전력 어댑터(100)의 연료 전지 시스템(200)에 통합되지만, 대안적으로 전력 어댑터(100)의 임의의 다른 적합한 부분 내로 통합되거나 전력 어댑터(100)의 탈착 가능한 컴포넌트 상에 위치될 수 있다.
전력 어댑터(100)는 전력 어댑터(100)로부터의 전력을 디바이스에 전송하도록 기능하는 부하 커넥터(600)를 또한 포함할 수 있다. 부하 커넥터(600)는 바람직하게는, 디바이스 플러그를 포함하지만, 대안적으로 디바이스 배터리로의 임의의 적합한 전기 연결을 포함할 수 있다. 디바이스 플러그는 바람직하게는, 디바이스 특정이지만, 대안적으로 디바이스 독립적(예를 들어, USB 어댑터)일 수 있다. 디바이스 플러그는 바람직하게는, 산업 표준화된 플러그이지만, 대안적으로 비 표준화된 플러그일 수 있다. 부하 커넥터는 바람직하게는, 전력 어댑터(100)에 영구적으로 커플링되지만, 대안적으로 전기 연결을 포함하는 커플링 매커니즘(예를 들어, 클립, 텅 인 그루부(tongue in groove) 커플링, 접착제 등)을 통해 전력 어댑터(100)에 탈착 가능하게 커플링될 수 있다. 부하 커넥터(600)는 바람직하게는, 연료 전지 스택 전력 배출부에 전기적으로 연결되고, 부가적으로 또는 대안적으로 배터리(300)에 전기적으로 연결될 수 있다. 부하 커넥터(600)는 또한 바람직하게는, 전력 어댑터(100)를 통해 보조 전력 커넥터(500)에 전기적으로 연결된다.
전력 어댑터(100)는 보조 전력 소스(520)에 커플링되고 보조 전력 소스(520)로부터 전력 어댑터(100)로 전력을 전송하도록 기능하는 보조 전력 커넥터(500)를 또한 포함할 수 있다. 보조 전력 소스(520)는 바람직하게는, 실질적으로 더 큰 전력 소스, 보다 바람직하게는, 실질적으로 비 제한적 전력 소스이지만, 대안적으로 제한적 전력 소스일 수 있다. 보조 전력 커넥터(500)는 바람직하게는, 벽 콘센트에 대한 플러그이며, 여기서 보조 전력 소스(520)는 전기 그리드(electric grid)에 전기적으로 커플링되는 벽 콘센트이다. 그러나 보조 전력 소스(520)는 디젤 발생기, 수력 에너지 발생기, 풍력 터빈(wind turbine), 또는 임의의 다른 적합한 전력 소스일 수 있으며, 여기서 보조 전력 커넥터(500)는 위에서 언급된 보조 전력 소스(520)에 커플링 가능한 임의의 적합한 커넥터이다. 보조 전력 커넥터(500)는 바람직하게는, 전력 어댑터(100)에 통합되지만, 대안적으로 탈착 가능할 수 있으며, 여기서 보조 전력 커넥터(500)는 커플링 매커니즘(예를 들어, 클립, 텅 인 그루브 커플링, 접착제, 간섭 커플링(interference couple), 마찰 커플링 등)을 통해 전력 어댑터(100)에 커플링되고 전력 커넥터(예를 들어, 핀들, 전기 접촉들, USB 연결과 같은 표준화된 커넥터들 등)를 통해 전력을 (도 3 및 도 4에서 도시된 것과 같은) 전력 어댑터(100)에 제공할 수 있다.
전력 어댑터(100)는 전력 어댑터(100) 및/또는 부하(620)의 컴포넌트들에 적합한 전력으로 보조 전력(522)을 변환하도록 기능하는 변환 회로(700)를 또한 포함할 수 있다. 제 1 변형에서, 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 변환 회로(700)는 보조 전력(522)을 배터리(300)에 적합한 전력으로 변환하며, 여기서 변환 회로(700)는 바람직하게는, 보조 전력 커넥터(500)와 배터리(300) 간에 전기적으로 커플링되는 전력 변환기를 포함한다. 이 변환 회로(700)는 보조 전력 커넥터(500) 내에 또는 전력 어댑터 바디 내에 위치될 수 있다. 이 변환 회로(700)는 바람직하게는, 보조 전력 커넥터(500)가 의도된 보조 전력 소스(520)에 기초하여 선택된다. 이 변환 회로(700)는 바람직하게는, 보조 전력(522)을 배터리 전력(302)으로 변환하는 전력 변환기를 포함한다. 제 2 변형에서, 변환 회로(700)는 부하(620)에 적합한 전력으로 보조 전력(522)을 변환할 수 있으며, 여기서 변환 회로(700)는 바람직하게는, 보조 전력 커넥터(500)와 부하 커넥터(600) 간의 전기 경로에서 전기적으로 커플링되는 전력 변환기를 포함한다. 보조 전력 커넥터(500)와 부하 커넥터(600) 간의 전기 경로는 배터리(300)를 우회할 수 있거나(도 7 및 도 9에서 도시된 바와 같이) 또는 배터리(300)를 포함할 수 있으며, 여기서 배터리(300)는 (도 5에서 도시된 바와 같이) 변환 회로(700)의 컴포넌트로서 기능한다. 이 변환 회로(700)는 탈착 가능한 보조 전력 커넥터(500) 내에, 전력 어댑터 바디 내에, 또는 탈착 가능한 부하 커넥터(600) 내에 위치될 수 있다. 변환 회로(700)는 바람직하게는, 의도된 디바이스에 기초하여 선택되지만, 표준 전력 출력들을 충족하도록 선택될 수 있다. 제 3 변형에서, 변환 회로(700)는 부하(620)에 적합한 전력으로 연료 전지 시스템 전력을 변환할 수 있으며, 여기서 변환 회로(700)는 연료 전지 시스템 전력 출력 및 부하 커넥터(600) 사이에서 전기적으로 연결된다. 제 4 변형에서, 변환 회로(700)는 연료 전지 시스템(200)에 적합한 전력으로 배터리 전력(302)을 변환할 수 있으며, 여기서 변환 회로(700)는 배터리(300)와 연료 전지 시스템(200) 사이에서 전기적으로 연결된다. 변환 회로(700)는 상술된 변형들 중 하나 또는 그의 결합을 포함할 수 있으며, 상술된 위치들 중 하나 또는 그의 결합에 위치될 수 있다. 변환 회로(700)는 전력 어댑터(100)가 AC 전력 공급부(예를 들어, 전기 그리드)에 커플링되는 것을 추가로 가능하게 하는 AC/DC 변환 회로를 포함할 수 있다. 변환 회로(700)는 부가적으로, 바람직하게는, 승압 변압기(step up transformer), 감압 변압기, 또는 이들 둘 다를 포함하고, 바람직하게는, 제공된 전력을 요구된 디바이스 전압으로 변압(transforming)할 수 있는 DC/DC 변환 회로를 포함할 수 있다. DC/DC 변환 회로는 바람직하게는, 보조 전력 소스(520)가 DC 전력을 제공할 때, 배터리(300) 또는 연료 전지 시스템 전력이 부하 전력으로 변환될 때, 또는 배터리 전력(302)이 연료 전지 시스템 전력으로 변환될 때 포함된다.
전력 어댑터(100)는 부가적으로 연료 전지 시스템(200) 및 보조 전력 소스(520)로부터 배터리 충전을 제어하도록 기능하는 충전 회로를 포함할 수 있다. 충전 회로는 변환 회로(700)의 서브회로(subcircuit)일 수 있거나, 별개의 회로일 수 있다. 충전 회로는 바람직하게는, 배터리 충전 모드(예를 들어, 충전하거나 충전하지 않음), 배터리(300)가 충전되는 전력 소스의 선택 및 배터리 충전이 중지될 충전의 상태를 제어하지만, 부가적으로 임의의 다른 적합한 배터리 충전 파라미터를 제어할 수 있다. 충전 회로를 바람직하게는, 전력 어댑터(100)와 보조 전력 소스(520) 및 부하(620)의 연결 상태 및 배터리 충전 상태에 기초하여 배터리 충전 모드를 선택한다. 충전 모드는 바람직하게는, 배터리 충전 상태가 문턱 충전 상태 미만이고 전력 어댑터(100)가 보조 전력 소스(520)에 연결될 때 선택된다. 문턱 충전 상태는 바람직하게는, 최대 배터리 용량 미만이어서, 배터리(300)는 연료 전지 시스템(200)으로부터 과잉 에너지를 흡수하는데 이용될 수 있지만, 대안적으로 최대 배터리 용량 또는 임의의 다른 적합한 용량일 수 있다. 배터리(300)에 공급되는 전력의 양은 바람직하게는, 배터리(300)의 충전 상태 및 배터리(300)로부터 전력 소모 레이트에 기초하여 선택되며, 여기서 배터리(300)에 공급되는 전력의 양은 바람직하게는, 문턱 충전 상태로 배터리(300)를 충전하도록 조절된다. 비 충전 모드는 바람직하게는, 보조 전력 소스(520)가 전력 어댑터(100)로부터 연결해제되고 부하(620)가 전력 어댑터(100)에 연결될 때 선택된다. 충전 회로를 부가적으로 연료 전지 시스템(200)의 에너지 발생 상태에 기초하여 충전 모드를 선택할 수 있으며, 여기서 충전 모드는 바람직하게는, 에너지가 연료 전지 시스템(200)으로부터 발생되고, 부하(620)가 연결해제될 때, 또는 부하(620)가 전력 어댑터(100)에 연결되었을 때 발생된 에너지가 부하(620) 수요를 초과하면 선택된다. 충전 회로는 바람직하게는, 연료 전지 시스템(200)의 에너지 발생 상태 및 전력 어댑터(100)와 보조 전력 소스(520)의 연결 상태에 기초하여 배터리가 충전되는 전력 소스를 선택한다. 보조 전력 소스(520)는 바람직하게는, 보조 전력 소스(520)가 전력 어댑터(100)에 연결되고 연료 전지 시스템(200)이 에너지를 발생하지 않을 때 선택된다. 연료 전지 시스템(200)은 바람직하게는, 연료 전지 시스템(200)이 에너지를 생산할 때 선택된다. 보조 전력 소스(520)는 부가적으로 연료 전지 시스템(200)이 배터리(300)의 최대 충전 레이트 미만의 레이트로 에너지를 생산할 때 선택될 수 있다. 충전 회로는 바람직하게는, 배터리 충전이 연료 전지 시스템(200)의 에너지 발생 상태에 기초하여 중지될 충전의 상태를 선택한다. 충전 회로는 바람직하게는, 배터리(300)가 에너지 발생 동안 최대 용량으로 충전하도록 허용하고 에너지가 발생되지 않을 때 최대 용량 미만의 문턱 충전 상태를 선택한다.
도 15에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 연료 전지 시스템(200)으로부터 에너지 발생을 제어하도록 기능하는 에너지 발생 제어 시스템(900)을 또한 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 에너지 발생 제어 시스템(900)은 에너지 발생을 개시 및 중지하지만, 대안적으로 에너지 발생을 개시만 또는 중지만 할 수 있다. 에너지 발생 제어 시스템(900)은 바람직하게는, 개시 조건의 만족 시에 연료 발생을 개시한다. 개시 조건은 부하(620)가 전력 어댑터(100)에 연결되고 보조 전력 소스(520)가 전력 어댑터(100)로부터 연결 해제되고 연료 전지 시스템(200) 파라미터가 원하는 문턱값 미만의 연료 전지 전력 생산을 표시할 때 만족되지만, 대안적으로, 배터리 충전 상태가 임계 문턱값 미만으로 떨어질 때 또는 연료 전지 수요를 표시하는 임의의 다른 적합한 이벤트가 발생할 때 만족될 수 있다. 에너지 발생 제어 시스템(900)은 바람직하게는, 중지 조건의 만족 시에 에너지 발생을 중지한다. 중지 조건은 바람직하게는, 부하(620)가 전력 어댑터(100)로부터 연결 해제되고, 연료 전지 시스템(200) 파라미터가 전력 생산을 표시할 때(예를 들어, 연료 유량이 미리 결정된 유량을 초과하고, 연료 발생기 온도가 분해 문턱값을 초과하는 등) 만족되지만, 대안적으로 연료 카트리지 용량이 미리 결정된 문턱값 미만으로 떨어질 때 또는 연료 전지 전력 수요의 강하(drop)를 표시하는 임의의 다른 적합한 이벤트가 발생할 때 만족될 수 있다. 에너지 발생 제어 시스템(900)은 바람직하게는, 연료 전지 스택(200)에 대한 연료 유동을 제어함으로써 에너지 발생을 제어하지만, 대안적으로 공기 공급 레이트(air provision rate) 또는 연료 전지 스택(220) 온도와 같은 연료 전지 스택(200) 동작 파라미터들을 제어함으로써 에너지 발생을 제어할 수 있다. 에너지 발생 제어 시스템(900)은 바람직하게는, 에너지 발생을 중지하기 위해 연료 전지 시스템(200) 컴포넌트에 냉각 유체(예를 들어, 대기, 냉각제, 휘발성 액체 등)를 선택적으로 열적으로 커플링하는 냉각 시스템(예를 들어, 팬, 냉각판 등)이지만, 대안적으로 에너지 발생을 중지하도록 열 및/또는 연료를 환경으로 환기시키는 환기 시스템, 에너지 발생을 개시 및/또는 중지하도록 연료 전지 스택(220)으로의 연료 유동을 제어하는 유동 제어기(예를 들어, 연료 공급부(240)와 연료 전지 스택(220) 간의 연료 연결을 선택적으로 밀봉하는 액티브 밸브 또는 연료 전지 스택(220)에 연료를 선택적으로 펌핑하는 펌프), 에너지 발생을 개시 및/또는 중지하도록 연료 전지 시스템(200) 컴포넌트로의(예를 들어, 연료 전지 시스템(200) 및/또는 연료 발생의 히터 엘리먼트들로의) 전력 공급을 제어하는 회로, 또는 에너지 발생 개시 및/또는 중지를 제어할 수 있는 임의의 다른 적합한 시스템일 수 있다.
전력 어댑터(100)는 부가적으로 전력 어댑터 동작의 파라미터를 측정하는 센서를 포함할 수 있으며, 여기서 측정은 바람직하게는, 수신되고 프로세서에 의해 프로세싱된다. 전력 어댑터(100)에 포함될 수 있는 센서들의 예들은 온도 센서, 유량계, 저항계, 전압계, 전류계, 광학 센서 또는 임의의 다른 적합한 측정 디바이스를 포함한다. 측정될 수 있는 전력 어댑터 동작 파라미터들의 예들이 연료 전지 스택(220)의 온도, 연료 공급부(240)의 온도, 연료 저장 구성물의 온도, 배터리 충전 상태, 연료 전지 스택(220)에 의해 공급된 전력, 연료 전지 스택(220)으로의 연료 유량, 연료 전지 스택(220)으로부터의 냉각제 유량, 냉각제 스트림의 온도(연료 전지 스택(220)을 냉각시키기 이전 및/또는 이후), 보조 전력 소스(520)에 의해 공급된 전력 또는 임의의 다른 적합한 동작 파라미터를 포함한다.
전력 어댑터(100)는 부가적으로 배터리 또는 연료 전지 시스템 관련 데이터를 저장하도록 기능하는 온 보드 메모리를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템 관련 데이터는 연료 전지들 및 연료 카트리지들의 동작 온도, 연료 전지 시스템 식별자, (예를 들어, 연료 유량, 카트리지 동작 시간 등으로부터 결정된 바와 같은) 카트리지 소모의 양, 또는 임의의 다른 적합한 연료 전지 시스템 관련 데이터를 포함할 수 있다. 메모리는 바람직하게는, 비 휘발성(예를 들어, MRAM, 플래시 메모리 등)이지만, 대안적으로 임의의 적합한 메모리일 수 있다.
전력 어댑터(100)는 부가적으로 전력 어댑터 컴포넌트들을 봉입(enclose)하고 기계적으로 보호하도록 기능하는 케이스를 포함할 수 있다. 케이스는 바람직하게는, 실질적으로 단단하지만, 대안적으로 실질적으로 플랙서블할 수 있다. 케이스는 바람직하게는, 열적으로 절연(예를 들어, 진공 절연, 발포 절연)되지만, 대안적으로 열적으로 전도성일 수 있다. 케이스는 바람직하게는, 실질적으로 프리즘형이고, 각진 모서리들, 둥근 모서리들, 둥근 에지들을 포함하거나, 또는 임의의 다른 적합한 구성 또는 지오메트리를 가질 수 있다.
제 1 변형에서, 전력 어댑터(100)는 부하 커넥터(600)와 통합되는 연료 전지 시스템(200)을 포함하는 제 1 부분 및 변환 회로(700) 및 보조 전력 커넥터(500)를 포함하는 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분은 바람직하게는, 제 2 부분에 탈착 가능하게 커플링된다. 제 1 부분은 바람직하게는, 실질적으로 이동식이며, 소형 폼 팩터(small form factor)(예를 들어, 최대 치수는 100mm 미만이며, 대안적으로는 이보다 더 큼)를 갖는다. 제 2 부분은 또한 바람직하게는, 소형 폼 팩터(예를 들어, 100mm 미만이며, 대안적으로는 이보다 더 큼)와 더불어 실질적으로 이동식이지만, 대안적으로 고정식 도크(stationary dock)일 수 있다. 일 변형에서, 도크는 교체 연료 카트리지를 포함할 수 있고 연료 전지 시스템(200) 내의 카트리지들을 교체할 수 있다.
제 2 변형에서, 도 10에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 변환 회로(700) 및 부하 커넥터(600)와 통합된 연료 전지 시스템(200)을 포함하는 제 1 부분 및 보조 전력 커넥터(500)를 포함하는 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분은 바람직하게는, 제 2 부분에 탈착 가능하게 커플링된다. 전체 전력 어댑터(100)(제 2 부분에 커플링되는 제 1 부분을 가짐)는 바람직하게는, 실질적으로 이동식이며, 소형 폼 팩터(예를 들어, 100mm 미만이며, 대안적으로는 이보다 더 큼)를 갖는다.
제 3 변형에서, 도 11에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 부하 커넥터(600), 변환 회로(700) 및 보조 전력 커넥터(500)와 통합된 연료 전지 시스템(200)을 포함하는 단일 유닛이다. 보조 전력 커넥터(500)는 바람직하게는, 플러그이며, 여기서 플러그의 단자(prong)들은 전력 어댑터(100)의 바디 내로 접힐 수 있다.
제 4 변형에서, 도 3에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 변환 회로(700) 및 배터리(300)를 갖는 바디를 포함하며, 여기서 바디 내의 연료 공급부(240)는 카트리지를 수용한다. 카트리지는 바람직하게는, 연료 저장 구성물을 포함하며, 여기서 연료 공급부(240)는 연료 발생기이지만, 대안적으로 연료의 압축된 체적(volume) 또는 임의의 적합한 형태의 연료를 포함할 수 있다. 카트리지의 절연물은 바람직하게는, 카트리지에 대해 탈착 가능하지만, 대안적으로 바디 내에 위치될 수 있다. 보조 전력 커넥터(500)는 전력 어댑터 바디에 탈착 가능하게 커플링된다. 연료 전지 스택(220)은 또한 전력 어댑터 바디에 탈착 가능하게 커플링되며, 여기서 연료 전지 스택(220)은 냉각 팬, 연료 매니폴드들 및 전기 전력으로의 연료 변환을 위해 요구되는 임의의 다른 보조 매커니즘들을 또한 포함한다. 일 변형에서, 연료 전지 스택(220)은 전력 어댑터 상의, 보조 전력 커넥터(500)와 동일한 포트에 커플링되며, 여기서 포트는 전력 전송 매커니즘(예를 들어, 전기 접촉들) 및 연료 배출부 둘 다를 포함한다. 이 변형의 다른 변형에서, 전력 어댑터(100)의 전자 장치(electronics)는 별개의 회로들: 보조 전력(522) 디바이스 전력 변환을 위한 변환 회로(700), 연료 발생, 배터리(300)로부터의 디바이스 충전, 배터리(300) 디바이스 전력 변환을 제어하는 카트리지 회로, 및 연료 전지 스택(220) 동작을 제어하는 연료 전지 회로로 분할된다.
제 5 변형에서, 도 4에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 연료 전지 스택(220), 배터리(300) 및 연료 전지 시스템 동작 및 (보조 전력 소스(520) 및/또는 배터리(300)로부터의)전력 변환 둘 다를 위한 전자 장치들을 포함하는 바디를 포함한다. 바디는 부가적으로 연료 전지 기능에 대해 요구되는 임의의 보조 매커니즘들을 포함할 수 있다. 보조 전력 소스(520)는 바람직하게는, 전기적 커플링(522)을 통해 바디에 탈착 가능하게 커플링된다. 카트리지는 바람직하게는, 바디에, 보다 바람직하게는, 보조 전력 커넥터(500)와 동일한 포트에 커플링되지만, 대안적으로는 다른 포트를 통해 커플링된다. 제 4 변형과 유사하게, 전자장치들이 바디 내에 모두 포함될 수 있거나, 바디와 보조 전력 커넥터(500) 사이에 분배될 수 있다.
제 6 변형에서, 도 7에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터(100)는 보조 전력 커넥터(500)를 배터리(300)에 전기적으로 연결하는 변환 회로(700)를 포함하며, 여기서 배터리(300)는 연료 전지 시스템(200)에 전기적으로 연결되고, 연료 전지 시스템(200)은 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결된다. 변환 회로(700)는 배터리(300)에 적합한 전력으로 보조 전력(522)을 변환하고, AC/DC 변환기를 포함할 수 있다. 배터리(300)는 바람직하게는, 연료 전지 시스템(200)에 전력공급하기에 적합한 전력을 제공하도록 구성된다. 그러나 배터리(300)가 연료 전지 시스템(200)에 전력공급하기에 적합한 전력을 제공하지 않을 때, 배터리(300)와 연료 전지 시스템(200) 간의 전기 연결은, 연료 공급부(240)의 연료 발생기에 적합한 전력 또는 연료 전지 스택(220)의 연료 전지들을 가열하기에 적합한 전력과 같이 연료 전지 시스템(200)에 적합한 전력으로 배터리 전력(302)을 변환하는 제 2 변환 회로(700)를 또한 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템(200)은 바람직하게는, 디바이스에 적합한 전력을 제공하도록 구성된다. 그러나 연료 전지 시스템(200)이 디바이스에 적합한 전력을 제공하지 않을 때, 부하 커넥터(600)는 부가적으로 도 8에서 도시된 바와 같이 디바이스 전력으로 연료 전지 스택 전력을 변환하는 제 3 변환 회로(700)를 포함할 수 있다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 보조 전력 커넥터(500)는 또한 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서 보조 전력 커넥터(500) 및 부하 커넥터(600)는 바람직하게는, 제 1 변환 회로(700)(예를 들어, 제 1 변환 회로(700)의 출력은 부하 커넥터(600)에 제공됨)를 통해 연결되지만, 대안적으로 도 9에서 도시된 바와 같이 디바이스에 적합한 전력으로 보조 전력(522)을 변환하는 제 4 변환 회로(700)를 통해 연결되거나, 제 3 변환 회로(700)를 통해 연결될 수 있으며, 여기서 보조 전력(522) 또는 제 1 변환 회로(700)로부터의 전력은 제 3 변환 회로(700)에 공급된다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 배터리(300)는 부가적으로 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서, 배터리(300)는 전기적으로 디바이스에 직접 연결되고, 도 7에서 도시된 바와 같이 제 3 변환 회로(700)를 통해 디바이스에 연결되거나, 또는 디바이스에 적합한 전력으로 배터리 전력(302)을 변환하는 제 5 변환 회로(700)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)의 전력 배출부는 또한 배터리 전력 주입부에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서 연료 전지 시스템 전력 배출부는 바람직하게는 배터리 전력 주입부에 직접 연결되지만, 대안적으로 배터리(300)에 적합한 전력으로 연료 전지 시스템 전력을 변환하는 제 6 변환 회로(700)를 통해 연결될 수 있다.
도 6에서 도시된 바와 같은 제 7 변형에서, 전력 어댑터(100)는 보조 전력 커넥터(500)를 배터리(300)에 전기적으로 연결하는 전력 변환기(700)를 포함하며, 여기서 배터리(300)는 연료 전지 시스템(200), 및 부하 커넥터(600)에 전기적으로 연결되고, 연료 전지 시스템 전력 배출부는 배터리 전력 주입부에 전기적으로 연결된다. 배터리(300)는 바람직하게는, 디바이스에 적합한 전력을 출력하지만, 대안적으로 부하 커넥터(600)에 배터리 전력 배출부를 전기적으로 연결하는 제 2 전력 변환기를 포함하며, 여기서 제 2 전력 변환기는 디바이스에 적합한 전력으로 배터리 전력(302)을 변환한다. 이러한 방식으로, 제 1 전력 변환기, 배터리(300) 및 제 2 전력 변환기는, 이용되는 경우, 디바이스에 적합한 전력으로 보조 전력(522)을 변환하는 변환 회로(700)로서 기능할 수 있다. 연료 전지 시스템(200)은 바람직하게는, 배터리 전력(302) 출력과 호환 가능하지만, 배터리(300)는 부가적으로 연료 전지 시스템(200)에 배터리 전력 출력을 전기적으로 연결하는 제 3 전력 변환기를 포함할 수 있으며, 여기서 제 3 전력 변환기는 배터리 전력(302)을 연료 전지 시스템(200)에 적합한 전력으로 변환한다.
그러나, 전력 어댑터(100)는 임의의 다른 적합한 물리적 및/또는 전기적 구성을 가질 수 있다.
2.전력 어댑터 동작의 방법들 및 모드들
도 13에서 도시된 바와 같이, 전력 어댑터를 동작시키는 방법은 보조 전력 소스와 전력 어댑터의 연결 상태를 결정하는 단계(S100), 부하와 전력 어댑터의 연결 상태를 결정하는 단계(S200), 및 보조 전력 소스 및 부하와 전력 어댑터의 연결 상태에 기초한 동작 모드에서 전력 어댑터를 동작시키는 단계(S300)를 포함하며, 동작 모드는 보조 모드 및 연료 전지 모드를 포함한다. 전력 어댑터는 부가적으로 전력 어댑터와 보조 전력 소스 및 부하의 연결 상태에 기초하여 충전 또는 미리 시작 모드에서 동작 가능할 수 있다. 전력 어댑터는 바람직하게는, 적합한 동작 모드를 자동으로 결정하지만, 대안적으로 한 모드로부터 다른 모드로 수동으로 스위칭될 수 있다. 동작 모드는 바람직하게는, 제어 회로에 의해 결정되지만, 동작 모드들은 대안적으로 임의의 적합한 컴포넌트에 의해 결정되거나, 패시브적으로(passively) 결정될 수 있다. 이 방법을 활용하는 전력 어댑터는 바람직하게는, 위에서 설명된 전력 어댑터와 실질적으로 유사하지만, 대안적으로 보조 전력 소스 및 부하에 커플링 가능한 연료 전지 시스템 및 배터리를 갖는 임의의 적합한 전력 어댑터일 수 있다.
보조 전력 소스의 연결 상태를 결정하는 것(S100)은 보조 전력의 가용성을 결정하도록 기능한다. 보조 전력 소스의 연결 상태를 결정하는 것은 보조 전력 커넥터에서의 전위차를 검출하는 것 - 보조 전력 소스는 미리 결정된 전압 문턱값 초과의 전위차가 검출될 때 연결됨 - ; 보조 전력 커넥터로부터 전류 흐름을 검출하는 것 - 보조 전력 소스는 미리 결정된 전류 문턱값 초과의 전류가 검출될 때 연결됨 - ; 보조 전력 커넥터가 보조 전력 소스에 커플링되었다고 기계적으로 결정하는 것(예를 들어, 보조 전력 커넥터가 커플링될 때 커넥터의 탭(tab)이 작동됨), 또는 임의의 다른 적합한 방식으로 보조 전력 소스의 연결 상태를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 보조 전력 소스의 연결 상태는 바람직하게는, 제어 회로에 의해 결정되지만, 대안적으로 전력 어댑터의 임의의 적합한 컴포넌트에 의해 결정될 수 있다.
부하의 연결 상태를 결정하는 것(S200)은 전력 공급에 대한 필요성을 결정하도록 기능한다. 부하 소스의 연결 상태를 결정하는 것은 디바이스 커넥터에서 부하를 검출하는 것(예를 들어, 디바이스 커넥터에서 저항을 결정함), 디바이스 커넥터로부터 전력 요청(예를 들어, 전기 신호)을 검출하는 것, 디바이스 커넥터가 부하에 커플링되었다고 기계적으로 결정하는 것(예를 들어, 디바이스 커넥터가 커플링될 때 커넥터의 탭이 작동됨), 또는 임의의 다른 적합한 방식으로 부하의 연결 상태를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 부하의 연결 상태는 바람직하게는, 제어 회로에 의해 결정되지만, 대안적으로 전력 어댑터의 임의의 적합한 컴포넌트에 의해 결정될 수 있다. 전력 어댑터가 디바이스 내에 통합될 때, 부하는 바람직하게는, 항상 연결되도록 결정되지만, 대안적으로 연결해제되도록 결정될 수 있다(예를 들어, 여기서, 디바이스가 셧 다운될 때, 디바이스는 전력 어댑터로부터 디바이스 배터리를 연결해제 등을 함).
전력 어댑터는 바람직하게는, 보조 전력 소스 및 부하 둘 다에 전력 어댑터가 커플링될 때 보조 모드에서 동작된다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 보조 모드(S320)에서 전력 어댑터를 동작시키는 것은 전력을 부하에 제공하는 것(S322)을 포함한다. 보조 모드에서 전력 어댑터를 동작시키는 것은 미리 결정된 충전 상태로 배터리를 충전시키는 것(S322)을 또한 포함할 수 있다. 보조 모드에서 전력 어댑터를 동작시키는 것은 부가적으로 연료 전지 시스템을 재시작하는 것(S324)을 포함할 수 있다.
전력을 부하에 제공하는 것(S322)은 보조 전력 소스로부터 부하로 전력을 제공하는 것 및/또는 배터리로부터 부하로 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 보조 전력 소스로부터 부하로 전력을 제공하는 것은 보조 전력 소스를 디바이스 커넥터에 직접(예를 들어, 어떠한 개재된 전력 컨디셔닝도 없이) 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 보조 전력 소스로부터 부하로 전력을 제공하는 것은 대안적으로 디바이스에 적합한 전력으로 보조 전력을 변환하는 전력 변환 회로를 통해 보조 전력을 라우팅하는 것 및 변환된 전력을 부하에 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 전력 변환 회로는 바람직하게는, AC/DC 변환기 또는 DC/DC 변환기와 같은 전력 변환기를 포함하지만, 부가적으로 배터리를 포함할 수 있으며, 여기서 배터리 전력은 디바이스에 적합하다. 배터리로부터 부하로 전력을 제공하는 것은 배터리 전력을 디바이스 커넥터로 직접 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 배터리로부터 부하로 전력을 제공하는 것은 대안적으로 디바이스에 적합한 전력으로 배터리 전력을 변환하는 전력 변환 회로를 통해 보조 전력을 라우팅하는 것, 및 변환된 전력을 디바이스 커넥터에 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 전력을 부하에 제공하는 것은 부가적으로 연료 전지 시스템으로부터 부하로 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있으며, 연료 전지 시스템 전력은 부하에 직접 제공되고, 변환되고 나서 부하에 제공된다. 부하는 바람직하게는, 연료 전지 시스템이 보조 전력 소스 및/또는 부하가 전력 어댑터에 커플링되기 전에 전력을 발생한 경우 연료 전지 시스템에 의해 전력 공급된다.
배터리를 미리 결정된 충전 상태(S324)로 충전하는 것은 전력 어댑터가 보조 전력 소스로부터 연결해제된 이후 연료 전지 시스템 동작을 용이하게 하기에 충분한 전력을 배터리에 제공하도록 기능한다. 미리 결정된 충전 상태는 바람직하게는, 최대 배터리 용량 미만이다. 이는 전력 어댑터가 보조 모드가 되는 시간에 저하 온도 초과의 온도로 연료 카트리지가 가열되는 경우 바람직할 수 있으며, 여기서 연료 전지 스택은 바람직하게는, 후속적으로 배터리에 의해 저장되는 전기 전력으로 과잉 연료를 변환한다. 대안적으로, 미리 결정된 충전 상태는 최대 배터리 용량일 수 있으며, 여기서 연료 전지 시스템에 의한 배터리 전력의 후속 전력 소모는 과잉 연료 전지 전력의 흡수를 위해 배터리 내의 공간을 제공할 수 있다. 배터리를 충전하는 것은 바람직하게는, 보조 전력 공급부로부터 배터리를 충전하는 것을 포함하며, 여기서 보조 전력 공급부로부터 배터리를 충전하는 것은 보조 전력으로부터 배터리로 전력을 직접 제공하는 것 또는 전력 변환 회로(예를 들어, 전력 변환기)를 통해 보조 전력을 라우팅하고 이후에 변환된 전력을 배터리에 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 배터리를 충전하는 것은 부가적으로 또는 대안적으로 연료 전지 스택으로부터 배터리를 충전하는 것을 포함할 수 있다. 배터리는 바람직하게는, 전력 어댑터가 보조 전력 소스로부터 연결해제될 때 연료 전지 스택으로부터 충전되지만, 대안적으로 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 연결될 때, 특히 연료 전지 스택이 보조 전력 소스 연결 이전에 동작중일 때 연료 전지 스택으로부터 충전될 수 있다. 배터리는 바람직하게는, 부하 충전으로부터 과잉 에너지를 흡수하여서, 배터리는 바람직하게는, 부하가 전력 어댑터로부터 연결해제될 때 연료 전지 시스템에 의해 발생된 전력 전체를 수신한다.
연료 전지 시스템을 미리 시작하는 것(S326)은, 연료 전지 시스템이 전력 어댑터로부터 보조 전력 소스 연결해제 이후에 실질적으로 온 디멘드 전력(on demand power)을 생산할 수 있는 상태가 되게 하도록 기능한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템이 보조 전력 소스에 연결될 때마다 미리 시작될 수 있거나, 연료 전지 시스템이 보조 모드에 있을 때만 미리 시작할 수 있으며, 여기서 전력 어댑터는 보조 전력 소스 및 부하 둘 다에 연결된다. 연료 전지 시스템을 미리 시작하는 것은 연료 전지 스택의 연료 전지를 예열하는 것, 보다 바람직하게는, 연료 전지 스택의 연료 전지들의 일부를 예열하거나 연료 전지 스택의 모든 연료 전지들을 예열하는 것을 포함한다. 연료 전지 스택을 예열하는 것은 바람직하게는, 보조 전력 소스로부터 연료 전지로 전력을 제공함으로써, 그리고 연료 전지를 저항적으로 또는 다른 방식으로 가열함으로써, 그 외에 대안적으로 임의의 다른 적합한 소스로부터 전력 또는 열을 제공함으로써(예를 들어, 디바이스로부터의 폐열(waste heat)) 연료 전지 동작 온도로 연료 전지를 가열하는 것을 포함한다. 연료 전지 시스템을 미리 시작하는 것은 부가적으로 연료 소스를 미리 시작하는 것을 포함하지만, 연료 소스는 대안적으로 미리 시작하지 않을 수 있다. 연료 소스를 미리 시작하는 것은 바람직하게는, 분해 온도 근처이지만 그 미만의 온도(예를 들어, 저하 온도의 몇도(F) 내의)로 연료 저장 구성물을 예열하는 것을 포함하여서, 어떠한 연료도 생산되지 않지만, 배터리로부터의 소(small) 에너지 입력은 연로 저장 구성물의 저하를 유도하여 연료를 생산할 것이다. 이 변형은 바람직하게는, 카트리지로부터 생산될 수 있는 추정된 연료가 연료 문턱값을 초과할 때 활용되지만, 대안적으로 다른 조건들 하에서 이용될 수 있다. 그러나 연료 소스를 미리 시작하는 것은 대안적으로 연료 발생 또는 연료 공급부에 대해 요구되는 모든 지난 단계들(예를 들어, 반응제 펌프 또는 연료의 시동)을 포함할 수 있다. 연료 소스를 미리 시작하는 것은 바람직하게는, (예를 들어, 연료 발생기를 저항적으로 가열하도록) 보조 전력 소스로부터 연료 소스로 전력을 제공하는 것을 포함하지만, 대안적으로 배터리, 연료 전지 스택, 디바이스 또는 임의의 다른 적합한 컴포넌트로부터 열 및/또는 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
보조 모드에서 전력 어댑터를 동작시키는 것(S320)은 부가적으로 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 연결되도록 결정할 때 전력 발생을 표시하는 연료 전지 시스템 파라미터를 측정하고 파라미터 측정이 전력 발생을 표시할 때 전력 발생을 중지하는 것(S327)을 포함할 수 있다. 이들 단계들은 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 연결되는 동안 연료 전지 시스템 이용을 감소시키도록 기능하여, 연결해제된 이용에 대한 연료 소스를 보존한다. 전력 발생을 나타내는 연료 전지 시스템 파라미터를 측정하는 것은 바람직하게는, 연료 전지 스택으로의 연료 공급을 나타내는 파라미터(예를 들어, 연료 저장 구성물 온도, 연료 발생기 온도, 연료 유량 등)를 측정하는 것을 포함하지만, 대안적으로 연료 전지 스택 온도, 전력 감소 레이트, 또는 임의의 다른 적합한 파라미터를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 파라미터는 연료 발생기 또는 연료 저장 구성물 온도가 분해 온도를 초과하고, 전력 생산 레이트가 미리 결정된 레이트를 초과하고, 연료 전지 스택 온도가 동작 온도를 초과하거나 전력 발생을 나타내는 임의의 다른 적합한 조건일 수 있을 때, 전력 발생을 나타낼 수 있다. 전력 발생을 중지하는 것은 바람직하게는, 전력 발생을 중지하도록 보조 전력 소스를 레버리지하지만, 대안적으로 다른 방식으로 전력 발생을 중지할 수 있다. 전력 발생을 중지하는 것은 바람직하게는, 연료 전지 시스템 컴포넌트를 냉각하는 것을 포함하지만, 대안적으로 연료 전지 시스템으로의 연료 공급을 중단하는 것(예를 들어, 연료 또는 반응제 펌핑을 중단하는 것) 또는 연료 전지 시스템 전력 발생을 중단하는 임의의 다른 적합한 조치를 포함할 수 있다. 보조 전력 공급부로부터의 전력은 바람직하게는, 연료 전지 시스템을 냉각하는데 이용되지만, 배터리 전력은 부가적으로 또는 대안적으로 이용될 수 있다. 연료 전지 시스템을 냉각하는 것은 바람직하게는, 연료 공급부를 냉각하는 것을 포함하지만, 대안적으로 및/또는 부가적으로 연료 전지 스택을 냉각하는 것을 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템으로부터의 전력 발생을 중단하는 것은 바람직하게는, 연료 전지 시스템이 여전히 동작중인 동안 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 커플링될 때 이용된다. 예를 들어, 사용자는 연료 전지 시스템으로 디바이스를 충전할 수 있고, 벽 콘센트를 발견하고, 전력 어댑터를 벽 콘센트에 플러그를 꼽을 수 있다. 연료 전지 시스템으로부터 전력 발생을 중단하도록 벽 콘센트로부터의 전력을 이용함으로써, 전력 어댑터는 연료 전지 시스템을 셧 다운하고 충분한 전력을 부하에 여전히 제공하면서 연료 카트리지 및/또는 연료 전지 시스템 수명을 보존하도록 기능한다. 연료 전지 시스템을 냉각하는 것은 또한 부하(예를 들어, 디바이스)가 전력 어댑터로부터 디커플링(decouple)될 때 이용될 수 있다. 연료 전지 시스템을 냉각하는 것은 또한 카트리지 교체 동안 이용될 수 있고, 여기서 전력 어댑터는 교체 온도로 카트리지를 냉각한다. 이는 바람직하게는, 카트리지 온도가 교체 문턱값(예를 들어, 50℃ 초과)을 초과하고, 카트리지로부터 생산될 수 있는 연료의 양이 연료 문턱값보다 낮다고 간주된다고(예를 들어, 카트리지 상당히 소모된 것으로 간주됨) 전력 어댑터가 결정될 때 이용된다.
연료 전지 시스템을 냉각하는 것은 바람직하게는, 연료 생산을 중지하도록 저하 온도(예를 들어, 저하 온도의 몇 도(F) 내의) 바로 아래의 온도로 연료 공급부를 냉각하는 것을 포함한다. 그러나 연료 저장 구성물은 50℃ 이하의 대기 온도, 또는 사용자 처리를 허용하는 임의의 다른 적합한 온도로 냉각될 수 있다. 이용될 수 있는 냉각 시스템들은 팬(예를 들어, 대류 냉각), 냉각판, 압전기(piezoelectric) 열 펌프, 또는 임의의 다른 적합한 냉각 시스템을 포함한다. 연료 공급부가 냉각중이 동안, 연료 전지 스택은 바람직하게는, 연료 공급부에 의해 생산된 과잉 연료를, 바람직하게는, 배터리에 후속적으로 저장되는 전력으로 변환하도록 동작 온도로 유지된다. 그러나 연료 전지 스택은 동작 온도 미만으로 냉각될 수 있으며, 여기서 과잉 연료는 바람직하게는, 대기 환경으로 환기된다.
연료 전지 시스템을 냉각하는 것은 부가적으로 교체 온도로 카트리지 온도는 냉각하는 것 외에 카트리지 교체를 용이하게 할 수 있다. 일 예에서, 연료 전지 시스템은 새로운 카트리지를 위해 소모된 카트리지를 자동으로 교환하며, 여기서 전력 어댑터는 바람직하게는, 다수의 카트리지들을 보유한 도크이다. 제 2 예에서, 연료 전지 시스템은 소모된 카트리지를 배출시킨다. 배출은 바람직하게는, 카트리지 온도가 문턱 온도 미만으로 떨어진 이후에 수행되며, 여기서 온도 의존 보유 매커니즘들(예를 들어, 형상 메모리 물질, 상이한 온도들 하에서 물질들의 팽창 및 수축의 레버리지, 온도 센서로부터의 판독에 의존하여 상이한 모드들에서 동작하는 매커니즘 등)은 바람직하게는, 카트리지 배출을 제어한다. 제 3 예에서, 연료 전지 시스템은 교체 표시자를 제시한다. 교체 표시자는 전력 어댑터 상의 광, 디바이스 상에 디스플레이되는 메시지(예를 들어, 여기서 전력 어댑터는 메시지를 생성 및 송신하고, 디바이스는 카트리지 상태를 결정하는 등), 전력 어댑터 컬러 변경, 사운드, 또는 카트리지가 교체되어야 한다는 사용자에게로의 임의의 다른 적합한 표시자일 수 있다.
대안적으로, 위에서 설명된 변형들의 임의의 적합한 결합이 보조 모드에서 이용될 수 있다.
전력 어댑터는 바람직하게는, 전력 어댑터가 보조 전력 소스로부터 디커플링될 때 연료 전지 모드에서 동작한다(S340). 연료 전지 모드에서 동작하는 것(S340)은 바람직하게는, 연료 전지 시스템으로부터 부하로 전력을 제공한다(S346). 연료 전지 모드에서 동작하는 것은 부가적으로 연료 소스 동작을 개시하는 것(S342) 및 연료 소스 동작을 유지하는 것(S344)을 포함한다. 배터리는 바람직하게는 초기에, 미리 결정된 연료 전지 스택 온도가 도달될 때까지(그 이후 연료 전지 스택으로부터의 폐열은 바람직하게는, 연료 생산을 유지하기 위해 연료 발생기로 라우팅됨) 연료 소스 동작에 대한 에너지를 제공한다. 연료 발생기 가열은 부가적으로 배터리로부터의 전력 및/또는 폐열에 의해 보충될 수 있다. 그러나 연료 공급부 동작은 연료 전지 모드의 활용 전체에 걸쳐서 배터리 전력에 의해 유지될 수 있다. 배터리는 부가적으로, 특히 전력 어댑터가 연료 전지 모드 동작 이전에 보조 모드에서 동작하지 않을 때, 연료 전지들이 동작 온도까지 되게 하도록 연료 전지 스택에 전력을 제공할 수 있다.
연료 소스 동작을 개시하는 것(S342)은 연료 생산을 시작하도록 기능한다. 연료 소스는 바람직하게는, 보조 모드에 있을 때 예열되고, 여기서 배터리 전력은 바람직하게는, 연료 소스로부터 연료 생산을 시작하도록 이용된다. 일 변형에서, 배터리 전력은 바람직하게는, (예를 들어, 저항열을 통해) 분해 온도로 연료 소스를 가열하는데 이용된다. 다른 변형에서, 연료 전지 스택으로부터의 열은 바람직하게는, 분해 온도로 연료 소스를 가열하는데 이용되며, 여기서 배터리 전력은 연료 소스 가열을 보충하는데 이용될 수 있다. 다른 변형에서, 배터리 전력은 연료 저장 구성물의 반응 프론트(reaction front)로 반응제를 펌핑하는데 이용된다. 다른 변형에서, 배터리 전력은 가압된 연료 카트리지로부터 연료 발생기로 가압된 연료를 펌핑하는데 이용된다. 그러나 연료 전지 스택으로의 연료 유동을 개시하는 임의의 다른 적합한 방법이 이용될 수 있다.
연료 소스 동작을 유지하는 것(S344)은 연료 전지 스택에 주어진 레이트로 연료를 제공하도록 기능한다. 연료 소스 동작을 유지하는 것은 바람직하게는, 주어진 레이트로 연료 발생기에서 연료를 발생하는 것을 포함하지만, 대안적으로 주어진 레이트로 연료 전지 스택에 연료를 펌핑하는 것을 포함할 수 있다. 주어진 레이트로 연료 전지에서 연료를 발생하는 것은 바람직하게는, 연료를 생산하기 위해 저하 온도로 또는 그 초과로 연료 저장 구성물을 유지하는 것을 포함한다. 이 모드에서, 전력 어댑터는 바람직하게는, 연료 생산 레이트를 결정하고, 반응제 공급을 상응하게 조정하고, 연료 생산을 유지한다. 연료 생산 레이트를 결정하는 것은 카트리지가 원하는 레이트로 연료를 생산하는지를 결정하도록 기능한다. 이 단계는 연료 카트리지로부터 연료 유량을 결정하는 것, 카트리지 온도를 결정하는 것, 연료 저장 구성물의 기계적 또는 전기적 특성들의 변화들을 결정하는 것 또는 카트리지 연료 생산을 결정하는 임의의 다른 적합한 방법을 포함할 수 있다. 반응제 공급을 조정하는 것은 바람직하게는, 연료 카트리지에 제공된 열을 조정하는 것을 포함하지만, 대안적으로 펌핑 레이트 또는 임의의 다른 적합한 반응제 공급 파라미터를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 연료 카트리지에 공급된 열을 조정하는 것은 바람직하게는, 배터리로부터 더 많은 또는 더 적은 전력을 제공하는 것을 포함하지만, 연료 전지 스택으로부터 더 많은 또는 더 적은 폐열을 전도하는 것을 포함할 수 있다. 연료 생산을 유지하는 것은 바람직하게는, 충분한 양의 반응제를 연료 저장 구성물에 제공하는 것을 포함하며; 보다 바람직하게는, 충분한 양의 열을 연료 저장 구성물에 제공하는 것을 포함한다. 열은 바람직하게는, 배터리에 의해 전력 공급되는 저항 히터들에 의해 제공되지만, 연료 전지 어셈블리, 디바이스, 또는 임의의 다른 적합한 컴포넌트로부터의 폐열이 부가적으로 카트리지를 가열하는데 이용될 수 있다.
연료 전지 모드는 배터리로부터 디바이스에 전력공급하는 것을 또한 포함할 수 있다. 이 단계는 바람직하게는, 연료 생산이 낮을 때만(예를 들어, 연료 전지 시스템이 시동중일 때), 또는 연료 전지 시스템이 충분한 전력을 생산하지 않을 때(예를 들어, 여기서 배터리 전력은 연료 전지 전력을 보충함) 수행된다. 대안적으로 연료 전지에 의해 생산되는 전력은 배터리에만 공급될 수 있으며, 여기서 디바이스는 항상 배터리로부터 충전된다. 제 1 변형에서, 배터리는 연료 전지 시스템에 의해 디바이스에 공급되는 전력을 보충한다. 제 2 변형에서, 배터리는 디바이스에 의해 요구되는 완전한 양의 전력을 제공한다.
연료 전지 모드는 부가적으로 연료 전지 시스템 동작 동안 배터리를 충전하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 연료 카트리지 및/또는 연료 전지 시동 동안 소모되는 전력을 보충하도록 기능한다. 배터리는 바람직하게는, 부하에 제공되는 과잉의 전압을 생산한 연료 전지 스택 전력을 통해 충전되며, 여기서 연료 전지들 및/또는 다른 컴포넌트들로부터의 폐열은 카트리지로부터 연료 생산을 구동하기에 충분하다. 배터리는 대안적으로 더 많은 전력(예를 들어, 부하는 요구되는 것보다 적은 전력을 수신함) 또는 더 적은 전력(예를 들어, 여기서 과잉 전압은 광 또는 열과 같은 다른 에너지원으로 변환됨)으로 충전될 수 있다. 배터리는 바람직하게는, 부분적 충전(예를 들어, 유지 문턱값(holding threshold), 전체 용량의 90%, 전에 용량의 80% 등까지 충전됨)으로 유지되어서, 배터리는 연료 전지 시스템이 "오프(off)" 상태(예를 들어, 부하가 전력 어댑터로부터 디커플링되고, 연료 전지 시스템은 셧 오프(shut off)되는 등임)가 되게 될 때 배터리가 시스템에서 과잉 연료로부터 생산된 과잉 전력을 흡수할 수 있다. 유지 문턱값은 바람직하게는, 연료 유동 경로들의 체적 및 카트리지 냉각 동안 생산된 연료의 양을 비롯해서, 시스템 셧 오프 이후 시스템이 생산할 수 있는 최대양의 연료로부터 결정된다. 그러나 유지 문턱값은 임의의 적합한 방식으로 결정될 수 있다.
전력 어댑터는 부가적으로 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 전기적으로 연결될 때 충전 모드에서 동작할 수 있으며, 여기서 배터리는 보조 모드에서 미리 결정된 충전 상태로 배터리를 충전하는 것과 유사한 방식으로 보조 전력 소스로부터의 전력을 통해 충전된다.
전력 어댑터는 바람직하게는, 전력 어댑터가 보조 전력 소스에 전기적으로 연결될 때 미리 시작 모드로 동작하며, 여기서 연료 전지 시스템은 바람직하게는, 보조 모드에서 미리 시작하는 연료 전지 시스템과 유사한 방식으로 미리 시작된다.
보조 모드에서의 전력 어댑터 동작의 제 1 예(도 13에서 도시됨)에서, 전력 어댑터는 보조 전력 커넥터를 통해 보조 전력 소스로부터 전력을 수신하고 디바이스 커넥터를 통해 전력의 제 1 부분을 디바이스에 라우팅한다. 전력 어댑터는 실질적으로 전체 용량으로 배터리를 충전하도록 연료 전지의 배터리에 보조 전력의 제 2 부분을 동시에 라우팅한다. 전력 어댑터는 또한 보조 전력의 제 3 부분을 연료 전지 시스템으로 동시에 라우팅할 수 있으며, 여기서 전력은 동작 온도까지 연료 카트리지 내의 연료 저장 구성물 및 연료 전지들을 가열하는데 이용된다.
보도 모드에서의 전력 어댑터 동작의 제 2 예(도 14에서 도시됨)에서, 전력 어댑터는 보조 전력 커넥터를 통해 보조 전력 소스로부터 전력을 수신하고, 디바이스 커넥터를 통해 전력의 제 1 부분을 디바이스에 라우팅한다. 전력 어댑터 내의 프로세서는 카트리지의 동작 상태를 (예를 들어, 카트리지 온도 측정, 카트리지로부터의 유량 등으로부터) 결정한다. 카트리지가 동작 상태(예를 들어, 연료를 생산함)에 있을 때, 프로세서는 바람직하게는, 분해 온도 미만으로 카트리지를 냉각하는, 전력 어댑터 외부 또는 내부의 냉각 시스템을 작동시킨다. 배터리는 바람직하게는, 카트리지가 동작 상태에 있을 때 연료 전지에 의해 생산된 과잉 전력을 또한 흡수하며, 여기서 보조 전력은 실질적으로 전체 용량으로의 배터리 충전을 보충하는데 이용될 수 있다. 대안적으로 과잉 전력이 부하에 제공될 수 있으며, 여기서 보조 전력은 부하 전력 공급을 보충하는데 이용된다. 제어기는 바람직하게는, 과잉 전력 라우팅을 제어한다. 카트리지가 비 동작 상태(예를 들어, 연료를 생산하지 않음)에 있을 때, 배터리 전력 및/또는 보조 전력은 분해 온도 바로 아래의 온도로 카트리지를 가열하도록 연료 전지 시스템으로 라우팅된다. 프로세서는 또한 (예를 들어, 과거 카트리지 동작 이력, 연료 저장 구성물 물리 특성의 측정 등으로부터) 카트리지의 소모 상태를 결정할 수 있다. 카트리지 소모 상태가 소모 문턱값 미만일 때, 프로세서는 바람직하게는, 교체 온도(예를 들어, 50℃ 미만, 보다 바람직하게는, 실질적으로 20℃ 근처)로 카트리지를 냉각함으로써 카트리지 교체를 용이하게 한다.
보조 모드에서의 전력 어댑터 동작의 제 3 예에서, 전력 어댑터는 보조 전력 소스로부터 전력을 수신하고 보조 전력을 배터리에 라우팅한다. 전력은 배터리로부터 부하로 라우팅된다. 배터리는 바람직하게는, 하나 이상의 변환기들과 함께 부하를 위한 보조 전력을 협조적으로 컨디셔닝한다. 전력 어댑터는 분해 온도 미만의 온도(예를 들어, 대기 온도 또는 분해 온도 바로 미만)로 연료 발생기를 예열하고 동작 온도로 연료 전지 스택을 가열하도록 배터리 전력의 제 2 부분을 연료 전지 시스템으로 동시에 라우팅한다.
연료 전지 모드(도 15에서 도시됨)에서의 전력 어댑터 동작의 제 1 예에서, 전력 어댑터는 보조 전력 소스로부터 전력이 거의 내지 전혀 수신되지 않는다고 결정하고, 연료 전지 시스템 동작을 개시한다. 시스템 동작을 달성하기 위해, 전력 어댑터는 바람직하게는, 연료 생산을 개시하도록 배터리로부터 연료 발생기로 전력을 공급한다. 일 변형에서, 배터리는 연료 카트리지를 분해 온도까지 되게 하도록 연료 발생기의 히터들에 전력을 공급한다. 전력 어댑터는 부가적으로, 충분한 연료 유동이 생산될 때까지 연료 전지 동작 온도를 달성 및/또는 유지하도록 연료 전지 스택의 연료 전지들에 전력을 공급할 수 있으며, 여기서 발열성 연료 변환 반응(exothermic fuel conversion reaction)이 바람직하게는, 동작 온도들에서 연료 전지 스택을 유지한다. 정상 상태(steady state) 동작 동안, 배터리는 바람직하게는, 지속되는 연료 발생을 유지하기에 충분한 전력을 공급한다. 일 변형에서, 연료 전지들로부터의 폐열은 바람직하게는, 저하 온도로 카트리지를 유지하는데 이용되며, 여기서 배터리 전력으로부터 발생된 열은 단지 폐열을 보충하는데만 이용된다. 정상 상태 동작 동안, 연료 전지 시스템에 의해 생산된 임의의 과잉 전력은 바람직하게는, 배터리를 충전하는데 이용되거나, 열(그리고 카트리지를 가열하는데 이용됨)로서 소모될 수 있다. 배터리는 바람직하게는, 전체 배터리 용량보다 낮은 유지 문턱값까지 충전된다. 이는 부하가 전력 어댑터로부터 연결해제될 때(예를 들어, 시스템 상의 부하가 전혀 없음) 시스템의 과잉 연료(예를 들어, 이미 생산된 연료, 생산되고 있는 연료 및 카트리지를 냉각할 때 생산될 연료)에 의해 생산된 과잉 전력을 배터리가 흡수하도록 허용한다.
연료 전지 모드에서 전력 어댑터 동작의 제 2 예에서, 전력 어댑터는, 전력 어댑터가 도 15에서 표시된 바와 같이 연료 전지 시스템 시동 동안 배터리로부터 디바이스를 충전한다는 점을 제외하면, 제 1 예와 실질적으로 동일한 방식으로 기능한다.
당업자가 위의 상세한 설명으로부터 그리고 도면들 및 청구항들로부터 인지할 바와 같이, 수정들 및 변경들은 다음의 청구항들에서 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 본 발명의 바람직한 변형들에 대해 이루어질 수 있다.

Claims (28)

  1. 부하를 위한 전력 어댑터를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 전력 어댑터는 연료 공급부 및 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템을 포함하고, 상기 전력 어댑터는 또한 상기 연료 전지 시스템에 전기적으로 연결되는 에너지 저장 디바이스를 포함하고, 상기 연료 공급부는 분해 온도(decomposition temperature)에서 열분해(thermolyses)하여 연료를 발생시키는 화학적 결합 상태로 연료를 저장하는 연료 저장 구성물(fuel storage composition)을 포함하는 연료 발생기를 포함하고,
    상기 방법은,
    보조 전력 소스와 상기 에너지 저장 디바이스의 연결 상태를 결정하는 단계;
    부하와 상기 연료 전지 시스템의 연결 상태를 결정하는 단계; 및
    상기 보조 전력 소스 및 상기 부하의 연결 상태들에 기초하여 전력 어댑터 동작 모드를 선택하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전력 어댑터 동작 모드는,
    상기 보조 전력 소스가 상기 에너지 저장 디바이스에 연결되고 상기 부하가 상기 연료 전지 시스템에 연결될 때, 상기 보조 전력 소스로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 것, 상기 연료 전지 시스템에 전력을 제공하는 것, 상기 보조 전력 소스로부터의 전력으로 상기 연료 저장 구성물을 상기 분해 온도 미만의 온도로 예열하는 것, 상기 연료 전지 시스템으로부터의 전력 발생을 표시하는 상기 연료 전지 시스템의 파라미터를 측정하는 것, 및 상기 측정된 파라미터가 전력 발생을 표시할 때, 상기 연료 공급부를 상기 분해 온도 아래로 냉각시킴으로써 전력 발생을 중지하는 것을 포함하는 보조 모드;
    상기 보조 전력 소스가 상기 에너지 저장 디바이스로부터 연결해제되고 상기 부하가 상기 연료 전지 시스템에 연결될 때, 상기 연료 공급부로부터 상기 연료 전지 스택에 연료를 제공하는 것, 상기 연료 전지 스택에 의해 상기 연료로부터 전력을 발생하는 것, 및 상기 발생된 전력을 상기 부하에 제공하는 것을 포함하는 연료 전지 모드
    를 포함하고,
    상기 측정된 파라미터는 연료 공급 온도가 상기 연료 공급부의 연료 저장 구성물의 분해 온도를 초과할 때 에너지 발생을 표시하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템을 예열하는 것은 상기 연료 전지 스택을 연료 전지 스택 동작 온도로 가열하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택을 연료 전지 스택 동작 온도로 가열하는 것은 상기 보조 전력 소스로부터의 전력을 통해 상기 연료 전지 스택을 상기 연료 전지 스택 동작 온도로 가열하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 연료를 제공하는 것은, 연료 발생을 개시하도록 상기 연료 발생기에 전력을 제공하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 발생을 개시하도록 상기 연료 발생기에 전력을 제공하는 것은 상기 연료 저장 구성물을 상기 분해 온도에서 열분해하기 위해 상기 연료 발생기 내의 하나 이상의 히터를 작동시키는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 저장 구성물을 상기 분해 온도에서 열분해하기 위해 상기 연료 발생기 내의 하나 이상의 히터를 작동시키는 것은, 상기 에너지 저장 디바이스로부터의 전력으로 상기 연료 발생기를 가열하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 전력 소스가 상기 에너지 저장 디바이스에 연결될 때, 상기 연료 전지 시스템을 예열하는 것을 포함하는 예열 모드를 선택하는 단계를 더 포함하는, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생된 전력을 상기 부하에 제공하는 것은 상기 부하로부터의 전력 수요를 충족시키도록 상기 에너지 저장 디바이스로부터의 전력으로 상기 발생된 전력을 보충하는 것을 더 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 파라미터를 측정하는 것은 상기 연료 공급부의 온도를 측정하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 전력 소스로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 것은, 보조 전력을 상기 부하에 요구되는 전력으로 컨디셔닝하는 것 및 상기 컨디셔닝된 보조 전력을 상기 부하에 제공하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 보조 전력 소스로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 것은, 상기 에너지 저장 디바이스로 상기 보조 전력을 라우팅하는 것, 상기 에너지 저장 디바이스에서 상기 보조 전력을 상기 부하에 요구되는 전력으로 변환하는 것, 및 상기 전력을 상기 에너지 저장 디바이스로부터 상기 부하로 라우팅하는 것을 포함하는 것인, 전력 어댑터를 동작시키는 방법.
  16. 부하를 위한 전력 어댑터에 있어서,
    연료 전지 시스템으로서,
    연료 저장 구성물로부터 연료를 발생하는 연료 발생기로서, 상기 연료 저장 구성물은 분해 온도에서 열분해하여 연료를 발생시키는 화학적 결합 상태(chemically bound form)로 연료를 저장하는 것인, 상기 연료 발생기; 및
    상기 연료 발생기로부터의 연료를 전기 전력으로 변환하는, 상기 연료 발생기에 유체적으로 커플링되는 연료 전지 스택을 포함하는 것인, 상기 연료 전지 시스템;
    보조 전력 소스로부터 전력을 수신하는, 상기 연료 전지 시스템에 전기적으로 연결되는 에너지 저장 디바이스;
    상기 에너지 저장 디바이스 및 상기 연료 전지 시스템에 전기적으로 연결되고, 상기 에너지 저장 디바이스로부터 상기 연료 전지 시스템으로의 전력 공급을 제어하는 제어 회로; 및
    중지 조건 만족시에 상기 연료 전지 시스템에 의한 에너지 발생을 중지하는, 상기 연료 전지 시스템에 연결된 에너지 발생 제어 시스템
    을 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    전력 어댑터가 상기 보조 전력 소스에 전기적으로 연결될 때의 연결 모드; 및
    상기 전력 어댑터가 상기 보조 전력 소스로부터 전기적으로 연결해제되고 상기 부하가 상기 연료 전지 시스템에 전기적으로 연결될 때의 연결해제 모드 - 상기 제어 회로는 상기 에너지 저장 디바이스로부터의 전력으로 상기 연료 전지 시스템에 전력을 공급함 -
    사이에서 동작 가능하고,
    상기 에너지 발생 제어 시스템은, 상기 중지 조건이 만족될 때 연료 공급부를 분해 온도 아래로 냉각시키는 하나 이상의 냉각 시스템 및 상기 중지 조건이 만족될 때 상기 연료 공급부로부터 상기 연료 전지 시스템로의 연료 유동 경로를 밀봉하는 밸브(valve)를 포함하고,
    상기 연료 발생기는 상기 연료 저장 구성물에 열적으로 연결되는 가열 엘리먼트를 포함하고, 상기 가열 엘리먼트는 상기 연결 모드에서 상기 보조 전력 소스로부터의 전력으로 상기 연료 저장 구성물을 상기 분해 온도 미만의 온도로 예열하도록 구성되는 것인, 전력 어댑터.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스는 미리 결정된 시구간 동안 상기 연료 전지 시스템 및 상기 부하에 전력을 동시에 공급하기 위한 최대 에너지 용량을 갖는 것인, 전력 어댑터.
  19. 제 16 항에 있어서,
    충전 회로를 더 포함하고,
    상기 충전 회로는, 상기 에너지 저장 디바이스의 충전 상태 및 상기 에너지 저장 디바이스로부터의 전력 소모율에 기초하여, 상기 보조 전력 소스로부터 상기 에너지 저장 디바이스에 공급되는 전력의 양을 조절하는 것인, 전력 어댑터.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 연결 모드에 있을 때, 상기 보조 전력 소스로부터의 전력으로 상기 부하 및 상기 연료 전지 시스템을 작동시키는 것인, 전력 어댑터.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 보조 전력 소스로부터의 전력을 상기 에너지 저장 디바이스에 요구되는 전력으로 변환하는, 에너지 저장 디바이스 주입부에 전기적으로 연결되는 전력 변환기를 더 포함하는, 전력 어댑터.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전력 변환기는 상기 에너지 저장 디바이스 및 상기 보조 전력 소스에 탈착 가능하게 연결되는 보조 전력 커넥터 내에 위치되는 것인, 전력 어댑터.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스로부터의 전력을 상기 연료 전지 시스템에 요구되는 전력으로 변환하는, 상기 에너지 저장 디바이스와 상기 연료 전지 시스템 사이에 전기적으로 연결되는 전력 변환기를 더 포함하는, 전력 어댑터.
  24. 삭제
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 중지 조건은, 상기 보조 전력 소스가 상기 에너지 저장 디바이스에 연결되고 상기 연료 공급부로부터 상기 연료 전지 스택으로의 연료 유량이 미리 결정된 유량보다 클 때 만족되는 것인, 전력 어댑터.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 에너지 발생 제어 시스템은, 팬(fan), 냉각판, 및 압전(piezo-electric) 열 펌프 중 하나 이상을 포함하는 냉각 시스템을 포함하는 것인, 전력 어댑터.
  27. 삭제
  28. 삭제
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