KR20050084113A - 휴대형 전자기기용 연료 전지 카트리지 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 어셈블리는 막전극 어셈블리, 애노드 판, 캐소드 판, 제거 가능한 연료 카트리지 및 연료 전달 시스템을 포함한다. 상기 어셈블리는 애노드, 캐소드 및 연료 측과 산소 측을 가진 고분자 전해질막을 포함한다. 연료 카트리지는 액체 연료를 수용하기 위한 팽창 가능한 연료 블래더, 블래더에 양압을 유지하기 위해 블래더와 접촉하는 팽창 가능한 가압 부재, 및 블래더와 유동적으로 연통하는 밀봉 가능한 출구 포트를 포함한다. 연료 전달 시스템은 카트리지로부터 막이 연료 측으로 연료를 전달한다. 제거 가능한 연료 카트리지는 팽창 가능한 연료 블래더 및 팽창 가능한 가압 부재를 영구적으로 둘러싸는 제 1 컨테이너부 및 제 2 컨테이너부를 가진 단단한 연료 컨테이너를 포함한다. 제 1 컨테이너부 및 제 2 컨테이너부는 접착제에 의해 서로 영구적으로 고정될 수 있다.
Description
본 출원은 "FUEL CELL ASSEMBLY FOR PORTABLE ELECTRONIC DEVICE AND INTERFACE, CONTROL, AND REGULATOR CIRCUIT FOR FUEL CELL POWERED ELECTRONIC DEVICE"라는 명칭으로 2002년 12월 3일자 제출된 미국 특허 출원 10/309,954호의 일부계속출원이며, 이 출원의 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 출원은 또한 "FUEL CELL ASSEMBLY FOR PORTABLE ELECTRONIC DEVICE"라는 명칭으로 2003년 11월 4일자 제출된 미국 예비특허출원 60/517,469호, "IMPROVED FUEL CELL AND FUEL CELL ASSEMBLY FOR PORTABLE ELECTRONIC DEVICE"라는 명칭으로 2002년 12월 4일자 제출된 60/431,139호, "IMPROVED LAPTOP COMPUTER FUEL CELL BASED RECHARGE POWER SUPPLY AND METHOD"라는 명칭으로 2002년 12월 2일자 제출된 60/430,591호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원들의 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 휴대형 전자기기용의 새롭고 개선된 연료 전지 어셈블리 및 카트리지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 직접 유체 공급 메탄올 고분자 전해질막 연료전지 어셈블리에 사용되는 연료 카트리지에 관한 것이다.
고분자 전해질막은 전해질이나 분리기의 기능을 하기 때문에 배터리나 연료 전지와 같은 전기화학소자에 유용하다. 이러한 막은 다양한 형태의 전지에 결합될 수 있는 플렉서블 박막으로서 쉽게 제조될 수 있다.
Dupont사의 NAFION이나 유사한 Dow 퍼플루오르화(perfluorinated) 고분자와 같은 퍼플루오르화 탄화수소 술폰산염 이오노머(ionomer)가 현재 연료 전지용 고분자 전해질로서 사용되고 있다. 그러나 이러한 종래의 막은 수소/공기 연료 전지 및 직접 유체 공급 메탄올 연료 전지 모두에 사용하기 위해서는 몇 가지 심각한 한계를 갖는다.
이러한 종래의 막을 포함하는 연료 전지의 예로 마이크로 연료 전지 전력 팩에 대한 표면 복제(replica) 연료 전지를 나타내는 Hockaday의 미국 특허 5,759,712호가 있다. 개시된 마이크로 연료 전지 전력 팩은 셀룰러폰에 전력을 공급하도록 구성된다. 연료 탱크 병으로부터 연료에 심지를 붙이기 위해 증발 매니폴드(manifold)가 제공된다.
무엇보다도, 양압(positive pressure)을 유지하여 카트리지로부터 연료 전지 어셈블리로의 연료 흐름을 용이하게 할 수 있는 제거 가능한 연료 카트리지를 갖는 연료 전지 어셈블리가 필요하다.
도 1은 본 발명에 따른 휴대형 전자기기와 결합한 연료 전지 어셈블리를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 휴대형 전자기기를 제거한, 도 1에 나타낸 연료 전지 어셈블리의 전면 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 연료 전지 어셈블리의 후면 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 어셈블리의 막 전극 어셈블리의 개략도이다.
도 5는 도 4의 막 전극 어셈블리를 전극 없이 나타낸 확대된 개략 단면도이다.
도 6은 도 2 및 도 3에 나타낸 애노드 판의 사시도이다.
도 7은 팽창 가능한 연료 블래더 및 팽창 가능한 가압 부재를 개략적으로 나타내고 있는 도 2 및 도 3에 나타낸 제거 가능한 연료 전지 카트리지의 사시도이다.
도 8은 휴대형 전자기기를 제거한, 도 1에 나타낸 것과 비슷한 다른 연료 전지 어셈블리의 측면 분해 사시도이다.
도 9a는 도 8의 연료 전지 어셈블리의 캐소드 판의 확대 평면도이다.
도 9b는 도 9a에서 선(9-9)을 따라 절단한 도 9의 캐소드 판의 확대 단면도이다.
도 10은 도 8에 나타낸 연료 전지 어셈블리의 제거 가능한 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 11은 도 8에 나타낸 연료 전지 어셈블리용으로, 도 10에 나타낸 것과 비슷한 변형된 제거 가능한 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 12a는 도 8의 연료 전지 어셈블리용 양방향 밸브 어셈블리의 확대된 분해 사시도이다.
도 12b는 도 12a의 양방향 밸브 어셈블리의 확대 사시도이다.
도 13은 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 변형된 제거 가능 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 14는 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 다른 변형된 제거 가능 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 15는 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 다른 변형된 제거 가능 연료 전지 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 16은 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 다른 변형된 제거 가능 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 17은 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 다른 변형된 제거 가능 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 18은 도 10에 나타낸 것과 비슷한, 본 발명에 따른 다른 변형된 제거 가능 연료 카트리지의 전면 분해 사시도이다.
도 19는 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리, 예를 들어 도 1 및 도 8의 연료 전지 어셈블리와 결합하여 사용될 수 있는 물 회수 시스템의 개략도이다.
도 20은 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리, 예를 들어 도 1 및 도 8의 연료 전지 어셈블리에 사용될 수 있는 연료 전지 어셈블리 흐름도의 개략도이다.
도 21은 본 발명에 따른 보조 블래더를 갖는 제거 가능한 연료 카트리지의 개략도이다.
도 22는 본 발명에 따른 물의 결빙력을 제공하기에 적합한 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 23은 본 발명에 따른 이산화탄소 생성물을 이용하기에 적합한 연료 전지 어셈블리의 개략도이다.
도 24는 본 발명에 따른 일회용 연료 카트리지를 갖는 연료 전지 어셈블리의 부분 개략도이다.
도 25는 본 발명에 따른 변형된 일회용 연료 카트리지를 갖는 연료 전지 어셈블리의 부분 개략도이다.
도 26a, 도 26b, 도 26c 및 도 26d는 각각 본 발명에 따른 리필용 분사기 어셈블리, 일회용 분사기 어셈블리, 내부 분사기 어셈블리 및 일회용 카트리지 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 27은 본 발명에 따른 리필용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 28은 본 발명에 따른 다른 리필용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 29는 본 발명에 따른 일회용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 30은 본 발명에 따른 다른 리필용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 31은 본 발명에 따른 다른 리필용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 32는 본 발명에 따른 다른 리필용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 33은 본 발명에 따른 다른 일회용 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 34는 본 발명에 따른 내부 분사기 어셈블리의 개략도이다.
도 35a 및 도 35b는 본 발명에 따른 벨로즈(bellows)를 이용하는 다른 연료 저장소 구성의 개략도이며, 벨로즈는 비어 있는 것과 채워진 것으로 각각 나타낸다.
도 36a, 도 36b 및 도 36c는 본 발명에 따른 스프링-바이어스된 압착판을 이용하는 다른 연료 저장소 구성의 개략도이다.
도 37은 본 발명에 다른 다수의 연료 저장소를 이용하는 다른 구성의 개략도이다.
도 38은 본 발명에 따른 다른 교체용 연료 카트리지의 개략도이다.
일 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지는 팽창 가능한 연료 블래더(bladder) 및 팽창 가능한 가압 부재를 둘러싸는 제 1 컨테이너부 및 제 2 컨테이너부를 갖는 단단한 연료 컨테이너를 포함한다. 제 1 컨테이너부 및 제 2 컨테이너부는 서로 영구적으로 붙어있다. 접착제가 컨테이너부들을 서로 영구적으로 부착시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서 유체 연료는 메탄올이다.
제 2 챔버는 제 1 포트에 의해 제 1 챔버와 유동적으로 연통하는 정량 밸브를 포함할 수 있으며, 제 2 챔버는 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하도록 배치된 제 2 포트를 포함한다. 연료 정량 밸브는 연료 전지 어셈블리 내에 위치하는 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 제 2 챔버는 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하기 위한 유입 및 유출 포트, 유입 포트와 유출 포트 사이의 유체 커넥터, 제 1 챔버 및 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 정량 밸브를 포함할 수 있다. 연료 정량 밸브는 연료 전지 어셈블리 내에 위치하는 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 연료 카트리지는 제 1 챔버 또는 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 제 2 챔버 내에 연료 필터를 포함할 수 있다. 연료 카트리지는 제 1 챔버 또는 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 제 2 챔버는 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하기 위한 유입 및 유출 포트, 유입 포트와 유출 포트 사이의 유체 커넥터, 제 1 챔버와 유동적으로 연통하는 정량 밸브, 및 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하는 연료 공급 포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 연료 전지 어셈블리에 연료를 전달하기 위한 적어도 하나의 포트를 갖는 연료용 제 1 챔버를 갖는 컨테이너, 및 적어도 2개의 포트를 가지며 그 중 적어도 하나가 연료 전지 어셈블리와 연결되는 흡수 장치를 포함하는 유체 연료 전지 어셈블리용 제거 가능한 연료 전지 카트리지에 관한 것이다. 흡수 장치는 연료 전지 어셈블리로부터의 물 또는 연료 전지의 애노드 측에 발생된 이산화탄소를 제거하도록 구성될 수 있다. 컨테이너는 제 2 챔버를 포함하고 흡수 장치는 제 2 챔버 내에 위치한다. 제 1 및 제 2 챔버는 부동의 분할기에 의해 분리될 수 있다. 연료 카트리지는 공기 필터, 연료 필터, 이온 교환 칼럼, 팬, 펌프 제어 칩, 정량 밸브, 정량 펌프, 막, 물 흡수제, 이산화탄소 흡수제 및 메탄올 흡수제로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 보조 컴포넌트를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 이동 전화 및 다른 휴대형 전자기기용의 소형 연료 전지 카트리지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신속히 연료가 보급되어 배터리를 재충전하는데 필요한 긴 시간의 필요성을 경감할 수 있는 휴대형 전자기기용 연료 전지 카트리지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료의 양압을 유지하는 교체 가능 연료 카트리지에 의해 신속하고 편리하게 연료가 보급될 수 있는 연료 전지 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료 블래더 및/또는 그 안에 담긴 연료의 우연한 또는 의도적인 훼손을 막도록 영구적으로 밀봉된 제거 가능한 연료 카트리지를 제공하는 것이다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 형성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하며, 그 예는 첨부 도면에 도시한다. 본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 설명하게 되지만, 본 발명을 이들 실시예로 한정하는 것은 아님을 이해하게 된다. 오히려, 본 발명은 대안, 변형 및 등가물을 커버하는 것이며, 이들은 첨부된 청구항에 의해 한정된 것과 같이 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함된다.
산 중합체는 술폰산, 인산 및 카르복실산기를 포함하는 산기(acidic group)를 바람직하게 포함하는 산 서브유닛을 포함한다. 술폰산기를 포함하는 중합체의 예는 NAFION과 같은 퍼플루오르화 술폰산염 탄화수소, 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sPEEK), 술폰화 폴리에테르에테르술폰(sPEES), 술폰화 폴리벤조비스벤자졸, 술폰화 폴리벤조티아졸, 술폰화 폴리벤지미다졸, 술폰화 폴리아미드, 술폰화 폴리에테르이미드, 술폰화 폴리페닐렌옥사이드, 술폰화 폴리페닐렌설파이드와 같은 술폰화 방향족 중합체 및 다른 술폰화 방향족 중합체를 포함한다. 술폰화 방향족 중합체들은 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다. 다른 술폰화 중합체들은 폴리비닐술폰산, 술폰화 폴리스틸렌, 아크릴로니트릴과 2-아크릴아미드-2-메틸-1 프로판 술폰산, 아크릴로니트릴과 비닐술폰산, 아크릴로니트릴과 스틸렌 술폰산, 아크릴로니트릴과 메타크릴옥시에틸렌옥시프로판 술폰산, 아크릴로니트릴과 메타아크릴옥시에틸렌옥시테트라플루오로에틸렌술폰산 등의 공중합체를 포함한다. 중합체들은 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다. 임의의 술폰화 중합체계는 폴리(설포페녹시)포스파젠이나 폴리(설포에톡시)포스파젠과 같은 술폰화 폴리포스파젠을 포함한다. 포스파젠 중합체들은 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다. 술폰화 폴리페닐실록산 및 공중합체, 폴리(설포알콕시)포스파젠, 폴리(설포테트라플루오르에톡시프로폭시)실록산을 포함한다. 또한, 임의의 중합체들의 공중합체들이 사용될 수 있다. sPEEK는 60 내지 200%로 술폰화되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 70 내지 150%, 가장 바람직하게는 80 내지 120%로 술폰화된다. 이와 관련하여, 100% 술폰화는 중합체 반복 단위당 하나의 술폰산기를 나타낸다.
카르복실산기를 가진 중합체들의 예는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 비닐이미다졸이나 아크릴로니트릴을 가진 공중합체를 포함하는 이들의 임의의 공중합체 등을 포함한다. 중합체들은 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다.
인산기를 포함하는 산 중합체들의 예는 폴리비닐인산, 폴리벤지미다졸 인산 등을 포함한다. 중합체들은 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다.
염기 중합체는 방향족 아민, 지방족 아민 또는 헤테로사이클릭 질소 함유기와 같은 염기를 바람직하게 포함하는 염기 서브유닛을 포함한다. 염기 중합체의 예는 폴리벤지미다졸, 폴리비닐이미다졸, N-알킬 또는 N-아릴폴리벤지미다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤족사졸, 폴리퀴놀린과 같은 방향족 중합체, 및 일반적으로 옥사졸, 이소옥사졸, 카르바졸, 인돌, 이소인돌, 1,2,3-옥사디아졸, 1,2,3-티아디아졸, 1,2,4-티아디아졸, 1,2,3-트리아졸, 벤조트리아졸, 1,2,4-트라오졸, 테트라졸, 피롤, N-알킬 또는 N-아릴 피롤, 피롤리딘, N-알킬 및 N-아릴피롤리딘, 피리딘, 피라졸기 등과 같이 이종 방향족 질소를 가진 기능기를 포함하는 중합체를 포함한다. 이러한 중합체들은 선택적으로 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다. 지방족 폴리아민의 예는 폴리에틸렌이민, 폴리비닐피리딘, 폴리(알릴아민) 등을 포함한다. 이 염기 중합체들은 선택적으로 일부 또는 완전히 플루오르화될 수 있다. 폴리벤지미다졸(PBI)은 바람직한 염기 중합체이다. 폴리비닐이미다졸(PVI)은 특히 바람직한 염기 중합체이다.
탄성 중합체는 니트릴, 비닐리덴 플루오라이드, 실록산 및 포스파젠기와 같은 엘라스토메릭기를 바람직하게 포함하는 탄성 서브유닛을 포함한다. 탄성 중합체의 예는 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 폴리실록산, 실록산 공중합체 및 폴리(트리플루오르메틸에폭시)포스파젠과 같은 폴리포스파젠을 포함한다.
탄성 중합체는 중합 가능한 단량체 형태로 고분자 막에 부가되어 반-상호 침투 망을 제조할 수 있다. 단량체는 광화학적으로 또는 반-IPN에 대한 열 처리에 의해 중합될 수 있다.
탄성 공중합체는 탄성 서브유닛 및 하나 이상의 산 서브유닛 또는 염기 서브유닛을 포함하는 탄성 중합체라고 할 수 있다. 예를 들어, sPEEK와 같은 산 중합체가 사용되면, 탄성 서브유닛 및 염기 서브유닛을 포함하는 탄성 공중합체가 2성분 혼합물에 사용될 수 있다. 혹은, 염기 중합체가 사용되면, 탄성 공중합체는 탄성 서브유닛 및 산 서브유닛을 포함하게 된다. 이러한 2성분 혼합물은 다른 중합체 및 공중합체들과 함께 사용되어 추가 조성을 형성할 수 있다.
"SULFONATED COPOLYMER"라는 명칭으로 2003년 5월 13일자 제출된 미국 특허 출원 10/438,186호 및 "ION CONDUCTIVE BLOCK COPOLYEMRS"라는 명칭으로 2003년 5월 13일자 제출된 미국 특허 10/438,299호에 의해 개시된 것과 같은 다른 중합체 및 공중합체가 이용될 수 있는 것으로 인식하게 되며, 상기 특허 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
여기서 사용된 바와 같이, 막전극 어셈블리(MEA)는 양측에 위치하는 애노드 및 캐소드 촉매와 결합하여 중합체 전해질막(PEM)이라 한다. PEM은 또한 촉매층과 전기적으로 접촉하는 애노드 및 캐소드 전극을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 휴대형 전자기기(32)용 연료 전지 어셈블리(31)를 도 1에 나타낸다. 도시한 실시예에서 연료 전지 어셈블리는 유체 연료 전지 어셈블리이고 휴대형 전자기기는 이동 전화이다. 메탄올은 다루기 쉽고 단일 플라스틱 용기에 쉽게 담기는 편리한 유체 연료 소스이다. 메탄올은 또한 비교적 저렴하고 현재 널리 이용할 수 있다. 다른 종류의 연료가 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도시한 바와 같이 연료 전지 어셈블리(31)는 셀룰러폰과 같은 이동 전화에 사용하기 적합하다. 예를 들어, 연료 전지 어셈블리(31)는 통상적으로 각 송신기에 가장 인접하게 위치할 때 3.3 V에 360 ㎃(1.2 W) 내지 각 송신기로부터 가장 멀리 위치할 때 3.3 V에 600 ㎃(1.98 W) 범위의 소비 전력을 갖는 이동 전화에 끊임없는 전력 소스를 제공하도록 구성될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리는 다양한 소비 전력 범위를 갖는 다른 휴대형 전자기기에 끊임없는 전력 소스를 제공하도록 구성될 수 있으며 여전히 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 연료 전지 어셈블리는 개인 휴대 단말(PDA), 노트북 및 랩탑 컴퓨터, 휴대형 CD 플레이어 및 그 밖의 휴대형 전자기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 어셈블리(31)는 일반적으로 막전극 어셈블리(33), 애노드 판(37), 캐소드 판(38), 제거 가능한 연료 카트리지(39), 연료 전달 시스템(40) 및 전압 조정기(41)를 포함한다. 연료 전지 어셈블리(31)는 각종 파스너(fastener) 및/또는 스냅핏(snap-fit) 컴포넌트 및/또는 감압 접착제를 사용하여 조립될 수 있다. 예를 들어, 나사형 파스너(42)는 캐소드 판(38)을 관통하여 연장하고, 캐소드 전극(48), 막전극 어셈블리(33) 및 애노드 전극(49)에 각각 위치하는 어셈블리 개구(43, 44, 45)를 통해 연장하며, 애노드 판(37)에 위치하는 어셈블리 개구(50)로 연장하여, 도 2에서 왼쪽에서 오른쪽으로 볼 때 너트(51)와 결합한다. 상기 컴포넌트들의 인접하는 표면에 가해진 감압 접착제는 나사형 파스너(42)를 보조하거나 대신할 수 있다. 그러나 다른 조립 방법이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
전극들은 고분자 전해질막(53)과 직접 또는 간접적으로 전기 접촉하며, 고분자 전해질막(53) 및 전류가 공급되는 휴대형 전자기기(32)의 부하를 포함하는 전기 회로를 완성할 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 촉매(54)는 고분자 전해질막(53)의 애노드 측에 전자-촉매적으로 관련되어 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이 메탄올과 같은 무기 연료의 산화를 용이하게 한다. 이러한 산화는 일반적으로 양성자, 전자, 이산화탄소 및 물을 형성하게 된다. 고분자 전해질막(53)에는 실질적으로 이산화탄소는 물론 메탄올과 같은 유기 연료가 스며들지 않기 때문에, 이러한 성분들은 그대로 고분자 전해질막(53)의 애노드 측에 있다. 전자-촉매 반응으로부터 형성된 전자들은 캐소드 전극(48)으로부터 부하로 전달된 다음 애노드 전극(49)으로 전달된다. 이러한 직류의 밸런스는 양성자나 다른 어떤 적절한 양이온종, 즉 동등한 개수의 양성자를 고분자 전해질막을 거쳐 애노드 구획으로 이송하는 것이다. 전달된 양성자에 의해 산소의 전자-촉매 환원이 일어나 물을 형성한다.
막전극 어셈블리(33)는 일반적으로 연료 전지 어셈블리(31)를 애노드 및 캐소드 구획으로 나누는데 사용된다. 이러한 연료 전지 시스템에서는 메탄올과 같은 유기 연료가 애노드 구획에 부가되는 한편, 산소나 주위의 공기와 같은 산화제가 캐소드 구획에 들어가게 된다. 연료 전지 어셈블리의 특정 용도에 따라, 다수의 개별 연료 전지들이 결합하여 적절한 전압 및 전력 출력을 달성할 수 있다. 이러한 응용은 셀폰 및 다른 통신기기, 비디오 및 오디오 소비자 가전제품, 랩탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 개인 휴대 단말 및 다른 연산 장치들, 휴대형 전자기기용 전력 소스, 지리 측정 시스템(GPS) 등의 휴대형 전자기기용 전력 소스를 포함한다.
막전극 어셈블리(33)는 다수의 막전극 어셈블리 셀을 포함하며, 각각의 셀은 일반적으로 하나의 애노드 전극(49), 하나의 캐소드 전극(50) 및 하나의 고분자 전해질막(53)을 포함한다. 각각의 고분자 전해질막은 촉매층을 가진 연속 시트이다. 고분자 전해질막은 촉매층들 사이에 전해질을 형성하고 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 촉매층과 함께 샌드위치 된다. 고분자 전해질막(53)은 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이 애노드 전극(49) 및 캐소드 전극(48)에 각각 인접하게 위치하는 연료 측 및 산소 측을 갖는다. 막전극 어셈블리(33)는 또한 고분자 전해질막(53)의 연료 측 및 산소 측에 각각 위치하는 제 1 촉매(54) 및 제 2 촉매(59)를 포함한다. 고분자 전해질막의 애노드 측 촉매는 백금 루테늄 촉매가 바람직한 반면, 캐소드 측 촉매는 백금 촉매가 바람직하다.
애노드 전극(49)은 제 1 촉매(54)와 전기적으로 연결되고, 캐소드 전극(48)은 제 2 촉매(59)와 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 전극들은 금 도금된 스테인리스 강철로 형성된다. 각각의 막전극 어셈블리의 전극들은 전극과 막전극 어셈블리 셀의 각각의 촉매층 사이에 전기적 접촉을 제공하도록 치수화되고 구성된다. 바람직하게, 각 전극은 구리 탭을 포함한다.
도 5는 전극이 없이 도시한 막전극 어셈블리(33)의 단면도이다. 막전극 어셈블리는 고분자 전해질막, 제 1 및 제 2 촉매층과, 캐소드 촉매층으로 공기를 전달하고 캐소드 촉매층으로부터 물을 전달하기 위해 캐소드 측에 일반적으로 적어도 하나의 물 및 기체 침투층을 구비한다. 이러한 용도로 일반적으로 탄소 종이나 탄소 천이 사용된다. 또한, 전극으로부터 촉매층의 손상을 막기 위해 애노드 촉매층 상에 탄소 배킹(backing)이 제공되는 것이 바람직하다. 배킹은 일반적으로 탄소와 같은 도전 재료를 포함하기 때문에, 전극이 배킹 상에 직접 배치되어 막전극 어셈블리를 완성할 수 있다.
본 발명에 따라 다양한 막이 사용될 수 있다. 예를 들어, NAFION과 같은 퍼플루오르화 탄화수소 술폰산염 이오노머가 사용되어 본 발명에 따른 고분자 전해질막을 형성할 수 있다. 다른 막이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
일 실시예에서, 고분자 전해질막은 제 1, 제 2 및 선택적으로 제 3 중합체를 포함하며, 제 1 중합체는 산 서브유닛을 포함하는 산 중합체이고, 제 2 중합체는 염기 서브유닛을 포함하는 염기 중합체이며, (ⅰ) 선택적인 제 3 중합체는 탄성 서브유닛을 포함하는 탄성 중합체이고, 또는 (ⅱ) 제 1 또는 제 2 중합체 중 적어도 하나가 탄성 서브유닛을 더 포함하는 탄성 공중합체이다. 따라서 이러한 고분자 전해질막 및 고분자 조성물은 "POLYMER COMPOSITION"이라는 명칭으로 2001년 6월 1일자 제출된 동시 계류중인 미국 특허 출원 09/872,770호 및 역시 "POLYMER COMPOSITION"이라는 명칭으로 2001년 12월 13일자 공개된 대응 국제 출원 국제 공보 WO 01/94450 A2호, "ION CONDUCTIVE BLOCK COPOLYMERS"라는 명칭으로 2003년 5월 13일자 제출된 미국 특허 출원 10/438,299호, "IONIC CONDUCTIVE POLYMERS"라는 명칭으로 2003년 2월 20일자 제출된 미국 예비 특허 출원 60/449,299호, "SULFONATED COPOLYMER"라는 명칭으로 2003년 5월 13일자 제출된 미국 특허 출원 10/438,186호, "ACID-BASE PROTON CONDUCTING POLYMER BLEND MEMBRANE"이라는 명칭으로 2003년 1월 23일자 제출된 미국 특허 출원 10/351,257호에 막 전극 어셈블리, 연료 전지, 및 이러한 막을 이용하는 전기화학장치로서 개시되어 있으며, 상기 출원들의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
도 2를 참조하면, 애노드 판(37)은 고분자 전해질막(53)의 연료 측과 유동적으로 연통하는 연료 챔버(60)를 형성하는 내부 리세스를 포함한다. 애노드 판(37)은 애노드 전극(49)을 고분자 전해질막(53)에 전기 접촉시켜 바이어스시키기 위해 연료 챔버(60)를 관통하여 애노드 전극(49) 쪽으로 연장하는 다수의 포스트(61)를 포함한다. 애노드 판(37)은 도 6에 나타낸 다수의 배출 포트(64)를 포함한다. 배출 포트는 측벽(65)을 뚫고 연장하여 연료 챔버(60) 내에 형성된 이산화탄소가 연료 챔버로부터 흐르게 하는 배출 포트를 제공한다.
캐소드 판(38)은 막전극 어셈블리(33), 애노드 판(37) 및 제거 가능한 연료 카트리지(39)를 수용하는 리세스(70)를 갖는 외장(enclosure) 또는 셸(66)을 형성한다. 외장(66)은 또한 이동 전화나 다른 휴대형 전자기기와 선택적으로 결합하기 위한 체결 구조를 포함한다. 도시한 외장은 휴대형 전자기기(32)와 슬라이드 가능하게 결합하기 위해 외장의 각 측벽(72)을 따라 연장하는 체결 트랙(71)을 포함한다. 외장(66)은 또한 연료 전지 어셈블리(31)를 휴대형 전자기기(32)에 선택적으로 래치시키기 위한 체결 탭(75)을 포함한다. 이동 전화에 전력을 전달하기 위한 콘택들 또한 제공된다(도시 생략).
외장은 사출 성형되지만, 외장을 형성하는 다른 방법이 이용될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 외장은 기계 가공될 수도 있다.
도 1에 나타낸 실시예에서, 외장(66)은 이동 전화 사용자의 손과 정상적으로 접촉하게 되는 외장(66)의 바깥 면(77)에 설계된 다수의 공기 홈(76)을 포함한다. 캐소드 챔버에 산소를 공급하기 위해 하나 이상의 홈(76)에 흡기 포트(82)가 위치한다. 특히, 산소 흡기 포트(82)가 하나 이상의 홈(76)의 기부로부터 고분자 전해질막(53)의 산소 측으로 연장한다. 이러한 구조는 사용자의 손바닥에 의해 배출 포트 및 흡기 포트를 통한 기체 흐름의 임피던스를 최소화한다.
도 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지(39)는 일반적으로 팽창 가능한 연료 블래더(86), 팽창 가능한 가압 부재(87) 및 밀봉 가능한 출구 포트(88)를 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39)는 팽창 가능한 연료 블래더(86) 및 팽창 가능한 가압 부재(87)를 둘러싸는 단단한 컨테이너(92)를 포함한다. 일 실시예에서, 단단한 컨테이너(92)는 연료 카트리지가 쉽게 분해되지 않도록 서로 영구적으로 붙어있는 두 부분(95, 96)으로 형성된다. 단단한 컨테이너는 연료 블래더를 지지하고 둘러싸기 위한 단단한 하우징을 제공하는 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 개별 컴포넌트들로 형성될 수도 있다. 따라서, 본 발명을 위해 "부분"이란 용어는 제거 가능한 연료 카트리지의 단단한 컨테이너를 형성하는 구조적 컴포넌트라 한다. 부분(95, 96)은 실질적으로 대칭이지만, 컨테이너 부분들은 비대칭일 수도 있는 것으로 이해한다. 예를 들어, 하나의 단단한 컨테이너부가 밑바닥 없는 캐니스터(canister) 형태로 형성되어 대응하는 바닥 형상을 갖는 다른 단단한 부분에 의해 밀봉될 수도 있다.
컨테이너부(95, 96)는 공지된 방식으로 사출 성형된 플라스틱 재료로 형성될 수도 있다. 본 발명에 따른 다른 적당한 재료 및 적당한 제조 방법 또한 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 컨테이너부는 플라스틱, 금속, 복합 재료 및/또는 다른 적당한 재료들로 형성될 수 있다. 컨테이너부는 캐스팅, 머시닝, 스탬핑 및/또는 다른 적당한 제조 수단에 의해 제조될 수 있다.
도시한 실시예에서, 컨테이너부(95, 96)는 접착제를 이용하여 서로 영구적으로 부착된다. 본 발명에 따라, 이에 한정되는 것은 아니지만 음파 용접, 열 용접, 솔벤트 본딩 및/또는 영구 접착을 포함하는 다른 적당한 수단이 사용될 수도 있는 것으로 이해해야 한다. 영구적으로 부착된 컨테이너부(95, 96)의 구조는 연료 전지 어셈블리(31) 및 휴대형 전자기기(33)의 안전은 물론, 연료 카트리지(39)의 전반적인 안전을 증진시키는데, 이는 연료 블래더(86) 및/또는 그 안에 담긴 연료의 우연한 또는 의도적인 훼손 또는 오용을 막기 때문이다.
연료 카트리지는 연료 블래더가 적어도 약 5 ㎤의 메탄올, 바람직하게는 적어도 약 7 ㎤의 메탄올, 가장 바람직하게는 적어도 약 10 ㎤의 메탄올을 유지할 수 있도록 치수화되고 구성된다. 도시한 실시예에서, 컨테이너(92)와 외장을 결합하고 사용자가 연료 전지 어셈블리(31)에 연료를 보급하기 위해 외장으로부터 컨테이너(92)를 제거할 때까지 컨테이너를 제자리에 유지하기 위해 한 쌍의 스프링 클립(93)이 제공된다.
팽창 가능한 연료 블래더(86)는 막전극 어셈블리(33)에 공급될 유체 연료를 수용한다. 팽창 가능한 연료 블래더(86)는 시트 플라스틱 재료 및/또는 실질적으로 메탄올이 스며들지 않는 다른 고분자 재료로 형성된다. 적당한 시트 플라스틱 재료의 예는 나일론, 우레탄 및 폴리에틸렌, 실리콘 고무이지만, 다른 재료들이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
팽창 가능한 가압 부재(87)는 블래더 상에 그리고 블래더 내에 양압이 유지됨으로써 블래더에 압력을 가하는 식으로 연료 블래더(86)와 접촉한다. 밀봉 가능한 출구 포트(88)는 연료 블래더(86)와 유동적으로 연통한다. 도시한 실시예에서, 팽창 가능한 가압 부재(87)는 바람직하게 발포 폼(open cell foam)으로 형성된 압축 폼 부재이다. 압축 폼 부재는 탄력이 있으며, 연료 블래더(86)에 대해 바이어스된 스프링 부재 역할을 하여 블래더에 양압을 유지한다. 본 발명에 따른 다른 가압 부재들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 스프링-바이어스 부재는 연료 블래더(86)에 힘을 가하여 블래더에 양압을 유지한다.
도시한 실시예에서, 교체용 연료 카트리지(39)의 밀봉 가능한 출구 포트(88)는 도 7에 나타낸 바와 같이 격벽(94)을 포함한다. 격벽(94)은 실질적으로 자체 밀봉막을 포함한다. 도 3을 참조하면, 연료 전달 시스템(40)은 출구 포트(88)로 연장하며, 격벽(94)을 관통하여 연료 블래더(86)를 고분자 전해질막(53)의 연료 측과 유동적으로 연통하기 위한 바늘(97)을 포함한다. 밀봉 가능한 출구 포트(88)는 바늘(97)과 함께 동작하도록 치수화되고 구성된다. 일 실시예에서 밀봉 가능한 출구 포트는 일리노이주 디어필드의 Baxter International사에서 제조된 INTERLINK 유체 연결 어댑터를 포함한다. 특히, 연료 전달 시스템(40)은 격벽(94)에 삽입될 수 있는 바늘(97)을 포함한다. 본 발명에 따라 다른 종류의 유체 커넥터들이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
외장(66)은 또한 연료 전달 시스템(40)으로부터 제거 가능한 연료 카트리지(39)를 분리하기 위한 해제 래치(98)를 구비한다. 해제 래치(98)는 외장(66)의 한 면에 슬라이드할 수 있게 배치되고 제거 가능한 연료 카트리지(39)의 격벽(94)에 결합된다. 도 2에서 볼 때, 해제 래치(98)를 아래쪽으로 슬라이딩 하면, 출구 포트(88)를 밀어 제거 가능한 연료 카트리지(39)를 외장(66)의 밑바닥 벽(103)을 지나 적어도 부분적으로 바깥쪽으로 밀게 되고, 이에 따라 제거 가능한 연료 카트리지(39)를 연료 전달 시스템(40)과 적어도 부분적으로 분리시키게 된다.
연료 전달 시스템(40)은 대체용 연료 카트리지(39)의 연료 블래더(86)를 애노드 판(37)의 연료 챔버(60)와 유동적으로 연통한다. 연료 전달 시스템(40)은 바늘(97), 바늘 블록(105), 단방향 덕빌(duck-bill) 밸브(108), 매니폴드 블록(109), 및 연료 블래더(86)와 연료 챔버(60)를 상호 접속하기 위해 직렬로 연결된 매니폴드(110)를 포함한다. 바늘 블록(105)은 바늘(97)을 지지하고, 연료 카트리지가 연료 전지 어셈블리(31)에 삽입될 때 제거 가능한 연료 카트리지(39)의 출구 포트를 뚫기 위한 바늘의 위치를 정한다. 바늘 블록(105)은 바늘(97)과 단방향 덕빌 밸브(108)를 유동적으로 상호 연통시킨다. 바람직하게, 바늘 블록(105)은 덕빌 밸브(108)의 한 단부와 결합하기 위한 바브(barb) 피팅을 포함한다.
연료 챔버(60) 및 고분자 전해질막(53)으로부터 연료가 유체 전달 시스템(40)으로 흐르는 것을 막기 위해 단방향 덕빌 밸브(108)가 제공된다. 단방향 덕빌 밸브(108)는 연료 카트리지(39)가 연료 전지 어셈블리(31)로부터 제거될 때 닫히고 연료 카트리지가 연료 전지 어셈블리에 삽입될 때 열리도록 제거 가능한 연료 카트리지(39)의 컨테이너(92) 상의 돌출부(115)와 결합할 수 있다. 본 발명에 따라, 이에 한정되는 것은 아니지만 Schrader형 밸브, 바늘 밸브 및 스포츠볼 밸브를 포함하는 다른 단방향 밸브가 사용될 수도 있는 것으로 이해해야 한다. 연료 카트리지(39)가 연료 전지 어셈블리(31)에 삽입될 때, 단방향 밸브(108)는 그대로 개방되어 카트리지로부터 연료 챔버(60)로 연료가 흐르게 함으로써 연료 챔버 내에서 질량 수송이 일어날 수 있게 한다. 연료 카트리지(39)로부터 연료 챔버(60) 쪽으로의 연료 흐름은 연료 블래더(86) 상에 유지된 양압에 의해 용이해진다.
매니폴드 블록(109)은 단방향 덕빌 밸브(108) 및 매니폴드(110)를 유동적으로 연통시킨다. 바람직하게, 매니폴드 블록(109)은 덕빌 밸브(108)의 다른 단부와 결합하기 위한 바브 피팅을 포함한다. 매니폴드(110)는 도 6에 나타낸 바와 같이 애노드 판(37)의 기초벽(120)에 위치하며 이 벽을 뚫고 연장하는 다수의 연료 흡기 포트(119)와 유동적으로 연통한다. 연료 흡기 포트(119)는 애노드 판(37)의 기초벽(120)을 뚫고 연장하는 것으로 나타내지만, 연료 흡기 포트는 애노느 판 위의 다른 곳에 제공될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 전압 및 전류 조정기(41)는 휴대형 전자기기(33)에 공급되는 전압 및/또는 전력을 모니터 및/또는 조정하기 위한 회로 및 축전지를 포함한다. 조정기(41)는 "INTERFACE, CONTROL, AND REGULATOR CIRCUIT FOR FUEL CELL POWERED ELECTRONIC DEVICE"라는 명칭으로 2001년 6월 1일자 제출된 공동 계류중인 미국 예비 특허 출원 60/295,475호에 개시되어 있다.
동작 및 사용중에 사용자는 바늘(97)이 격벽(94)을 뚫어 연료 블래더(86)로부터 막전극 어셈블리(33)의 고분자 전해질막(53)으로 연료가 흐를 수 있도록 제거 가능한 연료 카트리지(39)를 연료 전지 어셈블리(3)에 삽입하게 된다. 연료 카트리지(39)에서 실질적으로 연료가 고갈되면, 사용자는 해제 래치(98)를 아래쪽으로 슬라이드 하여 연료 전지 어셈블리(31)로부터 연료 카트리지를 분리한다. 그리고 사용자는 고갈된 연료 카트리지를 새로운, 즉 연료가 완전히 충전된 연료 카트리지로 교체하고 상술한 방법으로 새로운 카트리지를 삽입한다.
도 8에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 연료 전지 어셈블리(31a)는 상술한 연료 전지 어셈블리(31)와 비슷하지만, 후술하는 바와 같이 여러 가지 변형을 포함한다. 연료 전지 어셈블리(31)와 연료 전지 어셈블리(31a)의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 어셈블리(31a)는 일반적으로 막전극 어셈블리(33a), 애노드 판(37a), 캐소드 판(38a), 제거 가능한 연료 카트리지(39a), 연료 전달 시스템(40a) 및 전압 조정기(41a)를 포함한다. 연료 전지 어셈블리(31a)는 도 2에 나타낸 실시예를 참조로 상술한 방식과 동일하게 캐소드 판(38a), 캐소드 전극(48a), 막전극 어셈블리(33a) 애노드 전극(49a) 및 애노드 판(37)을 관통하여 연장하며 너트(51a)와 결합하는 나사형 파스너(42a)를 사용하여 조립된다.
전극들은 고분자 전해질막(53a)과 직접 또는 간접적으로 전기 접촉하며, 상술한 방식으로 고분자 전해질막(53a) 및 전류가 공급되는 휴대형 전자기기의 부하를 포함하는 전기 회로를 완성할 수 있다. 막전극 어셈블리(33a)는 일반적으로 연료 전지 어셈블리(31a)를 애노드 및 캐소드 구획으로 나누는데 사용된다.
이 실시예에서 캐소드 판(38a)은 양극 산화된 알루미늄으로 형성된다. 그러나 본 발명에 따라 다른 재료들도 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 캐소드 판은 폴리카보네이트나 다른 적당한 재료들로 형성될 수 있다. 알루미늄은 전도체이기 때문에, 캐소드 판(38a)은 양극 산화되어 전기 절연층을 제공한다. 캐소드 판을 양극 산화하는 대신, 또는 이 외에도 다른 절연 형태가 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
바람직하게, 캐소드 판(38a)과 캐소드 전극(48a) 사이에 절연층(122) 또한 제공되어, 성능을 상당히 저하시키게 되는 알루미늄 캐소드 판에 의한 연료 전지 어셈블리 내 개별 전지들의 단락을 막는다. 예를 들어, 캐소드 판의 양극 산화가 스크래치 되는 경우에 절연층은 캐소드 판이 하나 이상의 전지들을 단락시키는 것을 막는다. 도시한 실시예에서 절연층(122)은 비닐로 형성되지만, 본 발명에 따라 다른 전기 절연 재료들이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 8을 참조하면, 애노드 판(37a)은 고분자 전해질막(53a)의 연료 측과 유동적으로 연통하는 연료 챔버를 형성하는 내부 리세스를 포함한다. 애노드 판(37a)은 애노드 전극(49a)을 고분자 전해질막(53a)에 전기 접촉시켜 바이어스시키기 위해, 상술한 애노드 판(37)과 같은 방식으로 연료 챔버를 관통하여 애노드 전극(49a) 쪽으로 연장하는 다수의 포스트(61a)를 포함한다.
캐소드 판(38a)은 외장 또는 셸(66a)과 결합하여 막전극 어셈블리(33a), 애노드 판(37a) 및 제거 가능한 연료 카트리지(39a)를 수용하는 리세스를 형성한다. 외장(66a)은 또한 이동 전화나 다른 휴대형 전자기기와 선택적으로 결합하기 위한 체결 구조를 포함한다. 바람직하게, 외장은 양극 산화된 알루미늄이나 캐소드 판의 재료와 비슷한 다른 적당한 재료로 형성된다. 도시한 외장은 휴대형 전자기기(32)와 슬라이드 가능하게 결합하기 위해 외장(66a)의 각 측벽을 따라 연장하는 체결 트랙(71a)을 포함한다.
도 9b에 나타낸 바와 같이, 캐소드 판(38a)은 볼록한 형상을 가지며 캐소드 판(38a)의 바깥 볼록면(77a)에 설계된, 옆으로 연장하는 다수의 공기 홈(76a)을 갖고 있다. 연료 전지 어셈블리(31a)가 이동 전화와 결합하여 사용되는 경우에, 바깥면(77a)이 사용중인 이동 전화 사용자의 손과 정상적으로 접촉하게 된다. 넓거나 높으며 옆으로 연장하는 다수의 웨브(web)(124) 사이에 공기 홈(76a)이 형성된다. 캐소드 챔버에 산소를 공급하기 위해 하나 이상의 홈(76a)에 흡기 포트(82a)가 위치한다. 높은 웨브(124)는 좁거나 짧으며 세로로 연장하는 다수의 웨브(125)와 교차함으로써 산소 흡기 포트(82a)를 형성한다. 흡기 포트(82a)는 고분자 전해질막(53a)의 산소 측으로 연장한다. 이러한 구조는 사용자의 손바닥에 의해 배출 포트 및 흡기 포트를 통한 기체 흐름의 임피던스를 최소화한다.
캐소드 판(38a)의 곡선 구조는 또한 캐소드 판(38a) 및 이동 전화와 같이 캐소드 판에 연결된 휴대형 전자기기, 심지어는 어셈블리가 테이블이나 시트와 같이 평평한 표면에 배치될 때 측벽 배기를 가능하게 한다. 도 9b에 나타낸 실시예에서 캐소드 판(38a)은 볼록한 프로파일을 갖지만, 본 발명에 따른 볼록한 프로파일 및 다른 곡선 프로파일도 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지(39a)는 일반적으로 팽창 가능한 연료 블래더(86a), 한 쌍의 팽창 가능한 가압 부재(87a) 및 밀봉 가능한 출구 포트(88a)를 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39a)는 양극 산화된 알루미늄, 또는 이에 한정되는 것은 아니지만 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스틸렌), 폴리카보네이트, 폴리우레탄 또는 스탬핑된 시트 금속으로 형성된 단단한 컨테이너(92a)를 포함한다.
팽창 가능한 연료 블래더(86a)는 막전극 어셈블리(33a)에 공급될 유체 연료를 수용 및 저장한다. 팽창 가능한 연료 블래더(86a)는 실질적으로 메탄올이 스며들지 않는 플라스틱 재료이며 컨테이너(92a)의 내부와 같은 모양으로 진공 형성된다. 연료 블래더(86a)의 진공 형성 구조는 컨테이너(92a) 내의 유체 저장을 상당히 증가시킨다. 밀봉 가능한 배출 포트(88a)는 연료 블래더(86a)와 유동적으로 연통한다.
팽창 가능한 가압 부재(87a)는 블래더 상에 그리고 블래더 내에 양압이 유지되도록 연료 블래더(86a)와 접촉한다. 도시한 실시예에서, 각각의 팽창 가능한 가압 부재(87a)는 이에 한정되는 것은 아니지만 음향 배리어에 사용되며 인디애나주 인디애나폴리스의 E-A-R Specialty Composites에서 판매되는 종류를 포함하는 우수한 용적 효율을 갖는 컴플리언트 폼 부재이다. 압축 폼 부재는 탄력이 있으며, 연료 블래더(86a)에 대해 바이어스된 스프링 부재 역할을 하여 블래더에 양압을 유지한다. 바람직하게 가압 부재는 시트 재료로부터 카트리지(39a) 내부 형상으로 커팅된다. 본 발명에 따른 다른 가압 부재 및 장치들이 사용되어 연료 블래더 내에 양압을 공급할 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 8에 나타낸 실시예에서, 교체용 연료 카트리지(39a)는 도 12a 및 도 12b에 나타낸 바와 같이 디바이스 포트(127)와 함께 양방향 밸브 차단 밸브(128)를 형성하는 카트리지 포트 또는 출구 포트(88a)를 포함한다. 양방향 밸브(128)는 출구 포트(88a)를 포함하며 카트리지(39a)가 연료 전지 어셈블리(31a)로부터 제거될 때는 유동적으로 밀봉되지만 연료 전지 어셈블리에 삽입될 때는 개방되도록 밸브 부재(130)를 밀봉 위치 쪽으로 바이어스 시키는 스프링(129)을 포함하는 스프링 장착 디바이스이다. 마찬가지로, 밸브(128)의 디바이스 포트(127)는 카트리지(39a)가 연료 전지 어셈블리(31a)로부터 제거될 때는 연료 전지 어셈블리(31a)의 연료 전달 시스템(40a)이 유동적으로 밀봉되지만 카트리지가 연료 전지 어셈블리에 삽입될 때는 연료 전달 시스템이 개방되도록 밸브 부재(135)를 밀봉 위치 쪽으로 바이어스 시키는 스프링(134)을 포함한다. 포트(88a)는 본 발명에 따라 다른 연료 카트리지 구조는 물론, 상술 및 후술하는 교체용 연료 카트리지에 사용하기에 동등하게 적당한 것으로 이해해야 한다. 또한, 본 발명에 따라 다른 종류의 유체 커넥터가 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
연료 전지 어셈블리(31a)에 카트리지(39a)가 삽입되고 출구 포트(88a)가 디바이스 포트(127)와 결합하면, 연료 블래더(86a)는 연료 전달 시스템(40)에 관해 상술한 것과 비슷하게 연료 전달 시스템(40a)에 의해 애노드 판(37a)의 연료 챔버와 유동적으로 연통한다. 연료 카트리지(39a)로부터 연료 챔버 애노드 판(37a)으로의 연료 흐름은 연료 블래더(86a)에 유지된 양압에 의해 용이해진다. 동작 및 사용중에 연료 전지 어셈블리(31a)는 상술한 연료 전지 어셈블리(31)와 실질적으로 동일한 방식으로 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 11에 나타낸 바와 같이 스프링 장착 교체용 카트리지(39b)는 연료 블래더(86b)에 양압을 유지하기 위한 다른 구조를 포함한다. 특히, 카트리지(39b)는 한 쌍의 리프 스프링(140, 141)에 의해 연료 블래더(86b)와 마주하여 서로를 향해 바이어스되는 한 쌍의 가압판(138, 139)을 포함한다. 본 발명에 따라 연료 블래더 상에 그리고 블래더 내에 양압을 제공하기 위한 다른 기계적 가압 부재가 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
도 13에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39c)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지(39a)와 비슷하지만, 후술하는 바와 같이 여러 가지 변형을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39c)와 상기 제거 가능한 연료 카트리지(39, 39a, 39b)의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지(39c)는 일반적으로 팽창 가능한 연료 블래더(86c), 한 쌍의 팽창 가능한 가압 부재(87c) 및 밀봉 가능한 출구 포트(88c)를 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39c)는 폴리카보네이트 또는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92c)를 포함한다. 컨테이너(92c)는 팽창 가능한 연료 블래더(86c) 및 팽창 가능한 가압 부재(87c)를 영구적으로 둘러싸도록 영구적으로 접착되거나 다른 방법으로 조립되는 2개의 컨테이너부(95c, 96c)를 포함한다. 영구적으로 부착된 컨테이너부(95c, 96c)의 구조는 연료 전지 어셈블리 및 이것이 사용되는 휴대형 전자기기의 안전은 물론, 연료 카트리지(39c)의 전반적인 안전을 증진시키는데, 이는 상기 구조가 연료 블래더(86c) 및 그 안에 담긴 연료의 우연한 또는 의도적인 훼손 및/또는 오용을 막기 때문이다.
도 14에 나타낸 본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39d)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지(39a, 39c)와 비슷하지만, 후술하는 바와 같이 여러 가지 변형을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39d)와 제거 가능한 연료 카트리지(39, 39a, 39b, 39c)의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지(39d)는 일반적으로 팽창 가능한 연료 블래더(86d), 한 쌍의 팽창 가능한 가압 부재(87d) 및 밀봉 가능한 출구 포트(88d)를 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39d)는 양극 산화된 알루미늄 또는 이에 한정되는 것은 아니지만 폴리카보네이트 또는 스탬핑된 시트 금속을 포함하는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92d)를 포함한다. 컨테이너(92d)는 팽창 가능한 연료 블래더(86d) 및 팽창 가능한 가압 부재(87d)를 영구적으로 둘러싸도록 리벳(144)이나 다른 적당한 영구 파스너에 의해 서로 영구적으로 부착되는 2개의 컨테이너부(95d, 96d)를 포함한다. 영구적으로 부착된 컨테이너부(95d, 96d)의 구조는 연료 전지 어셈블리 및 이것이 사용되는 휴대형 전자기기의 안전은 물론, 연료 카트리지(39d)의 전반적인 안전을 증진시키는데, 이는 상기 구조가 연료 블래더(86d) 및 그 안에 담긴 연료의 우연한 또는 의도적인 훼손을 막기 때문이다.
도 15에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39e)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지들과 비슷하지만, 폼 가압 부재 대신 2개의 스프링 판(138e, 139e)을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39e)와 상술한 연료 카트리지의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지(39e)는 일반적으로 팽창 가능한 연료 블래더(86e), 한 쌍의 스프링 판(138e, 139e) 및 밀봉 가능한 출구 포트(88e)를 포함한다. 이 실시예에서, 리프 스프링 부재(140e)는 스프링 판(138e, 139)과 일체형이다. 바람직하게, 스프링 판은 강철로 형성되지만, 스프링 판은 고유 메모리를 가진 다른 적당한 재료로 형성될 수도 있는 것으로 이해하게 된다. 도시한 실시예에서, 각 스프링 판은 4개의 리프 스프링 부재를 구비하여, 연료 블래더에 보다 높은 전달 압력을 가할 수 있는 구조를 제공한다. 부가적으로, 다수의 리프 스프링 구조는 연료 블래더로부터 연료 분배에 있어서 보다 균일한 압력을 제공할 수 있다. 본 발명에 따라 하나, 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 리프 스프링이 사용될 수도 있는 것으로 이해해야 한다.
제거 가능한 연료 카트리지(39e)는 폴리카보네이트 및/또는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92e)를 포함한다. 컨테이너(92e)는 팽창 가능한 연료 블래더(86e) 및 팽창 가능한 가압 부재(87e)를 영구적으로 둘러싸도록 영구 접착제, 용접 및/또는 다른 적당한 수단에 의해 서로 영구적으로 부착되는 2개의 컨테이너부(95e, 96e)를 포함한다.
영구적으로 부착된 컨테이너부의 구조는 연료 전지 어셈블리 및 이것이 사용되는 휴대형 전자기기의 안전은 물론, 연료 카트리지의 전반적인 안전을 증진시키는데, 이는 상기 구조가 연료 블래더 및 그 안에 담긴 연료의 우연한 또는 의도적인 훼손을 막기 때문이다. 따라서, 영구적으로 밀봉된 컨테이너부의 구조는 또한 그 안에 담긴 연료의 액세스 및 오사용에 의한 연료 카트리지의 오사용을 막는다.
도 16에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39f)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지들과 비슷하지만, 연료 카트리지 내에 공기 필터 및/또는 이온 교환 칼럼(IEC)을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39f)와 상술한 연료 카트리지의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 16에 도시하지 않았지만, 제거 가능한 연료 카트리지(39f)는 일반적으로 상술한 것과 비슷한 팽창 가능한 연료 블래더, 가압 부재 및 출구 포트를 포함한다. 이 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39f)는 폴리카보네이트 및/또는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92f)를 포함한다. 컨테이너(92f)는 상술한 바와 같이 팽창 가능한 블래더 및 가압 부재를 수용 및 보관하기 위한 제 1 챔버(145)를 형성하는 2개의 컨테이너부(95f, 96f)를 포함한다. 컨테이너부(95f, 96f)는 또한 이에 한정되는 것은 아니지만 공기 필터, 연료 필터, 이온 교환 칼럼, 팬, 펌프, 펌프 제어 칩, 정량 밸브, 정량 펌프, 막, 물 흡수제, 이산화탄소 흡수제 및/또는 메탄올 흡수제와 같이 일반적으로 부호(148)로 나타낸 보조 컴포넌트를 수용하도록 치수화되고 구성된 보조 챔버(146)를 형성한다. 예를 들어, 공기 스팀을 깨끗하게 하기 위해 공기 필터가 제공되는 한편, 연료 전지에 의해 소비된 메탄올을 깨끗하게 하기 위해 IEC가 제공될 수 있다. 이러한 보조 컴포넌트들, 예를 들어 필터, 팬, 펌프, 이온 교환 칼럼 등은 일반적으로 때때로 교체를 필요로 하는 실용적인 아이템들이다. 이러한 보조 컴포넌들을 연료 카트리지에 포함시킴으로써, 셀폰과 같은 휴대형 전자기기에 새로운 연료 카트리지가 설치될 때마다 실용적인 보조 컴포넌트들이 자동으로 교체된다.
컨테이너부(95f, 96f)는 컨테이너가 보조 컴포넌트(148)는 물론, 팽창 가능한 연료 블래더(86f) 및 팽창 가능한 가압 부재(87f)를 영구적으로 둘러싸도록 영구 접착제, 용접 및/또는 다른 적당한 수단에 의해 서로 영구적으로 부착된다.
도 17에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39g)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지들과 비슷하지만, 연료 카트리지 내에 펌프(149) 및/또는 펌프 제어 칩(150)을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39g)와 상술한 연료 카트리지의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 17에 도시하지 않았지만, 제거 가능한 연료 카트리지(39g)는 일반적으로 상술한 것과 비슷한 팽창 가능한 연료 블래더 및 출구 포트를 포함한다. 이 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39g)는 폴리카보네이트 및/또는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92g)를 포함한다. 컨테이너(92g)는 2개의 컨테이너부(95g, 96g)를 포함하며 상술한 바와 같이 팽창 가능한 블래더를 수용한다.
펌프(149)는 출구 포트(88g)와 일체형일 수도 아닐 수도 있다. 펌프(149)는 또한, 팽창 가능한 가압 부재 및/또는 스프링 판에 의해 블래더에 가해지는 힘을 보충하도록 구성될 수도 있다. 혹은, 펌프(149)는 팽창 가능한 가압 부재 및/또는 스프링 판 대신 사용될 수도 있다. 예를 들어, 블래더 내의 연료를 제어 방식으로 연료 전지에 전달하기 위해 용적형 펌프가 사용될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에 따라 뉴저지주 에디슨의 Star Micronics America에서 제조되는 종류의 압전 세라믹 마이크로 펌프를 포함하는 각종 펌프들이 사용될 수 있다.
펌프(149)는 크기 및 용적을 최소화하도록 설계된 종류의 펌프이다. 이러한 펌프의 신뢰성 및 동작 수명은 콤팩트한 설계를 위해 종종 희생된다. 이러한 펌프는 100 또는 200 시간 정도의 동작 수명을 갖기 때문에, 펌프는 실용적인 아이템으로 간주될 수도 있다. 펌프 제어 칩(150)은 소비된 연료량 및/또는 연료 블래더 내에 남아있는 연료의 양을 판단하는데 칩이 사용될 수 있도록 펌프의 사용에 관한 일자를 저장하도록 구성될 수 있다(예를 들어 연료 게이지). 펌프 제어 칩(150)의 크기 및 형상은 제어 칩의 수명 및/또는 신뢰성을 희생하여 최소화될 수 있으므로, 상술한 보조 컴포넌트와 비슷하게 실용적인 아이템으로 간주될 수도 있다. 이러한 유용한 아이템들을 연료 카트리지에 포함시킴으로써, 새로운 연료 카트리지가 설치될 때마다, 상술한 보조 컴포넌트(148)와 같이 실용적인 보조 컴포넌트들이 자동으로 교체된다.
컨테이너부(95g, 96g)는 컨테이너가 펌프(149) 및/또는 펌프 제어 칩(150)은 물론, 팽창 가능한 연료 블래더(86g) 및 팽창 가능한 가압 부재(87g)를 영구적으로 둘러싸도록 영구 접착제, 용접 및/또는 다른 적당한 수단에 의해 서로 영구적으로 부착된다.
도 18에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39h)는 상술한 제거 가능한 연료 카트리지들과 비슷하지만, 연료 카트리지 내의 공기 필터 및/또는 이온 교환 칼럼(IEC)과 팬을 포함한다. 제거 가능한 연료 카트리지(39h)와 상술한 연료 카트리지의 동일 컴포넌트들을 설명하기 위해 동일한 참조부호가 사용되었다.
도 18에 도시하지 않았지만, 제거 가능한 연료 카트리지(39h)는 일반적으로 상술한 것과 비슷한 팽창 가능한 연료 블래더, 가압 부재 및 출구 포트를 포함한다. 이 실시예에서, 제거 가능한 연료 카트리지(39h)는 폴리카보네이트 및/또는 다른 적당한 재료로 형성된 단단한 컨테이너(92h)를 포함한다. 컨테이너(92h)는 상술한 바와 같이 팽창 가능한 블래더 및 가압 부재를 수용 및 보관하기 위한 제 1 챔버(145h)를 포함하는 2개의 컨테이너부(95h, 96h)를 포함한다. 컨테이너부(95h, 96h)는 또한 보조 컴포넌트(148g) 및/또는 팬(153) 또는 다른 적당한 송풍 수단을 수용하도록 치수화되고 구성된 보조 챔버(146g)를 형성한다. 팬(153)은 크기 및 용적을 최소화하도록 설계된 종류의 팬이다. 이러한 팬의 신뢰성 및 동작 수명은 콤팩트한 설계를 위해 종종 희생되며 실용적인 아이템으로 간주될 수도 있다. 실용적인 아이템, 예를 들어 필터 및/또는 팬을 연료 카트리지에 포함시킴으로써, 새로운 연료 카트리지가 설치될 때마다 실용적인 보조 컴포넌트들이 자동으로 교체된다.
컨테이너부(95h, 96h)는 컨테이너가 보조 컴포넌트(148h) 및 팬(153)은 물론, 팽창 가능한 연료 블래더(86h) 및 팽창 가능한 가압 부재(87h)를 영구적으로 둘러싸도록 영구 접착제, 용접 및/또는 다른 적당한 수단에 의해 서로 영구적으로 부착된다.
본 발명의 연료 전지 어셈블리는 캐소드 배출 스팀으로부터 물을 회수하도록 구성될 수 있으며, 회수된 물은 고분자 전해질막(53)의 애노드 측을 채우는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 연료 전지 어셈블리 또는 제거 가능한 연료 카트리지는 도 19에 나타낸 것과 같이 캐소드 배출물이 회수 루프에 공급되고 배출수(exhaust water)의 일부가 반환되어 애노드에 공급되도록 유동적으로 직렬 접속되는 이중 패스 열 교환기(156) 및 콘덴서/라디에이터 열 교환기(157)를 포함하는 물 환원 시스템(155) 또는 이러한 시스템의 일부를 포함한다. 이 실시예에서, 콘덴서/라디에이터 열 교환기(157)는 냉각 공기에 의한 배출수의 횡류(cross-flow)를 가능하게 하는 방식으로 백-투-백(back-to-back)으로 배치된 콘덴서 및 라디에이터를 포함한다. 도시한 실시예에서, 40℃의 공기가 열 교환기를 통과할 때 배출수를 약 20℃ 냉각시키도록 사용될 수 있지만, 실제 냉각 온도 및 양은 특정한 연료 전지 어셈블리에 좌우된다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 콘덴서/라디에이터 열 교환기(157)로부터 보다 낮은 온도로 빠져나오는 배출수의 일부는 이중 패스 열 교환기(156)를 통과하여 막전극 어셈블리(33)의 애노드 측에 도달하기 전에 회수된 물의 온도를 조절한다. 시스템(155)의 구조는 배출수의 온도 및 회수된 물의 원하는 온도를 포함하는 각종 요소들에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 연료 전지 어셈블리(31i)는 도 20에 나타낸 바와 같이 유체/기체 분리기(158)를 이용하여 캐소드 및/또는 애노드 배출 스팀에서 기체와 유체를 분리시킨다. 예를 들어, 사이클론 분리기, 원심 분리기 및/또는 다른 적당한 수단이 기체에서 메탄올, 물 및/또는 다른 유체들을 분리하는데 사용될 수 있다.
또한, 도 20에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 어셈블리(31i)는 캐소드 배출물(160)과 애노드 루프(161) 사이에 분리막(159)을 포함하여, 막의 각 면의 농도 차로 인해 애노드 유체와 캐소드 배출물을 분리한 상태로 유지하고, 캐소드 배출물로부터 애노드 유체로 열을 전달하며, 그리고/또는 캐소드 배출물로부터 애노드 루프로 물을 전달할 수 있다. 분리막은 삼투막 및/또는 다른 적당한 수단을 포함할 수 있는 것으로 이해하게 된다.
일 실시예에서, 본 발명의 연료 전지 어셈블리는 캐소드 및 애노드 루프로부터 회수된 물 사이의 압력 차를 이용할 수 있다. 펌프(149)를 이용하여 캐소드 물 공급과 애노드 루프 사이의 양압 차가 발생할 수 있다. 애노드 루프의 물 분사점(162)은 애노드 루프의 최저 압력점인 애노드 펌프에 대한 입구에 위치할 수 있다. 애노드 루프의 추출기(163) 또한 메탄올 소스 및/또는 물 소스로부터 유체를 가속하는 국소 압력점을 형성하여 압력을 낮추는데 사용될 수 있다. 또한, 애노드 루프에 음압이 가해져 유체 교체율을 제어할 수도 있다. 음압은 또한 도 7에 나타낸 것과 같은 배출 카트리지에 포함된 블래더로부터 메탄올 분사를 위한 구동력을 제공한다.
본 발명에 따라 이에 한정되는 것은 아니지만, 애노드 루프의 메탄올 농도를 제어하기 위해 연료 전지에 기준셀(164)(도 20 참조) 사용; 마이크로프로세서 제어 시스템(예를 들어, 도 17의 펌프 제어 칩(150))에 의해 제어되는 대로 수동 또는 능동 균등 분사의 사용; 물 및 메탄올에 대해 각각 일정한 유량을 유지하는 치수를 가진 이덕터(eductor)(예를 들어, 이덕터(163))들의 사용; 및 다수의 파라미터들이 측정되고 애노드 유체의 메탄올 농도 저하로 인해 성능 저하가 추정되는 룩업 테이블(165)의 사용을 포함하는 메탄올-물 혼합 관련 다양한 접근들이 이용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
또한, 본 발명에 따라 물 제거를 위한 다양한 접근들이 이용될 수 있는 것으로 이해하게 된다. 예를 들어, 배출수가 연료 전지 시스템으로부터의 열 전달로 인해 대기보다 높은 온도를 갖는 공기로 증발되는 증발이 이용될 수 있다. 이 실시예에서, 캐소드 생산수는 높은 투과성의 매트릭스를 가진 높은 표면 영역에 똑똑 떨어지거나, 분사되거나 위킹(wicking)된다. 혹은, 응축물이 이용될 수도 있다. 생산수는 결과적인 캐소드 배출물이 저하된 온도에서 물로 포화되어 재가열되고 대기로 방출되거나 냉각 기류로 배출되도록 응축될 수 있다. 또 다른 대안은 다 쓴 연료 카트리지에 물을 격리시키는 것이다. 이는 연료가 사용될 때 생성된 빈 용량의 연료 카트리지를 이용하게 된다. 이러한 접근에서, 도 21에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제 1 플랙서블 블래더(86j)가 메탄올을 포함하고 연료 카트리지(39j) 내의 제 2 플랙서블 블래더 또는 보조(166)가 과도한 캐소드의 물을 받게 된다. 이러한 연료 카트리지는 (예를 들어, 배출구에 의해) 대기로 바람직하게 배출된다.
상기 외에도, 캐소드에 형성된 생산수 또는 배출수는 고분자 전해질막(예를 들어, 도 20의 PEM(53i))을 통해 뒤로 확산되어 애노드에서 소비된 물을 다시 채운다. 이는 고분자 전해질막의 투과성 및 두께는 물론 온도 제어를 필요로 하게 된다.
도 20의 실시예는 또한 선택적인 연료 센서를 도시한다. 연료 전지 어셈블리(31i)는 연료 센서(168)를 구비하여 애노드 연료 루프의 농축 연료를 모니터할 수 있다. 일 실시예에서, 연료 센서(168)는 메탄올이 일부 침투할 수 있고 애노드 연료-루프와 접촉하도록 배치된 센서 막(169)을 포함하는 메탄올 센서이다. 메탄올이 센서 막(169)을 넘어 열전쌍(171)이 부착된 촉매층(170)으로 넘어간다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 적외선 검출기, 서미스터 및 다른 적당한 수단을 포함하는 다른 수단들이 온도 결정에 사용될 수 있는 것으로 이해하게 된다. 열전쌍(171)에서 온도가 측정되어 기준 온도와 비교된다. 온도 변화는 애노드 연료 루프에서의 메탄올 농도에 비례하는 촉매층(17)에서의 메탄올 반응에 의해 발생된 열에 좌우된다.
센서 막(169)은 바람직하게 메탄올 투과막과 접촉하는 소량의 적당한 촉매를 포함한다. 예를 들어, PtRu 블랙 및/또는 다른 적당한 촉매가 NAFION이나 다른 적당한 막 위에 증착될 수 있다. 연료 센서는 촉매층(170)에 공기가 쉽게 제공되어 센서 촉매층(170)으로부터 이산화탄소 및 물의 배출을 가능하게 하도록 구성된다. 센서막의 앞면이 메탄올 용액, 이 경우에는 연료와 접촉하면, 연료액의 메탄올 농도에 비례하는 양의 메탄올이 센서 막을 투과하여 다음 식에 따라 촉매와 반응한다: 식(1) CH 3 OH + 3/2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 열
메탄올/촉매 반응은 열전쌍에서 온도 상승으로서 측정되는 열을 발생시키며, 열전쌍(171)은 촉매층(170)에 직접 접촉하도록 배치된다. 일 실시예에서, 센서 막은 0.5 내지 3 몰랄 범위의 메탄올 농도에 반응하여, 2분 정도의 안정한 시차 온도에 이르는 것으로 증명되었다.
센서 촉매는 다양한 구조로 배치될 수 있는 것으로 이해하게 된다. 예를 들어, 센서 촉매는 투과성 센서막의 뒷면에 코팅될 수 있으며, 소량의 자유 부동 분말로서 존재하고, 그리고/또는 개별적인 기판상에 코팅되고 센서 막 뒤에 배치될 수도 있다. 메탄올을 촉매에 전달하는 방법은 전달된 양이 애노드 연료 루프의 농도에 비례하도록 증기, 유체 메탄올 또는 메탄올 용액을 전달하는 어떠한 방법도 될 수 있다. 예를 들어, 소량의 연료가 센서 영역에 위킹 또는 펌핑된다. 연료 센서는 저장소의 벽에 배치되거나 연료 흐름 루프에 대한 측면 암 부착으로서 배치될 수도 있다.
일 실시예에서, 연료 센서는 기준 온도를 측정하고 센서 온도와 기준 온도 사이의 온도 차를 측정하여 연료 전지가 일반적으로 하나의 절대 온도에서 작동하지 않는다는 사실을 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 기준 온도는 막 근처에 있는 연료의 온도일 수 있다.
이온 전도 막을 통한 메탄올의 투과율은 온도에 좌우되는 것으로 알려져 있기 때문에, 연료 전지는 일정한 기준 온도에서 이상적으로 작동하게 되거나, 보다 덜 이상적으로 그 응답은 예상되는 작동 온도 범위에 대해 조정될 수 있다.
저장소의 헤드스페이스에 위치하는 것에 비해 메탄올 용액에 바로 인접한 연료 센서의 동작은 막에 대해 완전히 수화된 상태를 촉진할 수 있다. 이러한 완전 수화 상태는 주어진 막의 메탄올 투과 특성이 일반적으로 막의 수화 레벨에 민감하기 때문에 바람직하다.
본 발명의 연료 전지는 메탄올 연료는 물론 연료 전지에도 한정되지 않는 것으로 인식하게 된다. 예를 들어, 막을 투과하여 열 방출에 의해 촉매 표면상에 쉽게 산화될 수 있는 어떠한 화학품의 농도도 상술한 방식으로 측정될 수 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 어셈블리는 연료 전지 카트리지 내의 초기 연료 농도를 간접적으로 식별하도록 구성된다. 미국 교통부는 초기 24%의 메탄올 농도 미만을 포함하는 연료 컨테이너가 항공, 예를 들어 민간 여객기에서 전자기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다는 법을 발포하였다. 다른 응용에서, 보다 높은 메탄올 농도를 포함하는 카트리지가 사용될 수 있다.
연료 농도를 간접적으로 식별하기 위해, 제거 가능한 연료 카트리지(39)는 연료 카트리지 내의 메탄올 연료의 농도가 연료 전지 어셈블리(33)에 의해 자동으로 결정될 수 있도록 구성된다. 이 실시예에서, 적당한 식별 수단(172)이 사용되어 연료 카트리지를 식별하며, 이 수단은 연료 전지 어셈블리에 의해 쉽게 판독될 수 있다. 이러한 식별 수단은 휴대형 전자기기(32)와 같은 호스트 전력 소비 제품에 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다.
도 21에 나타낸 일 실시예예서, 제거 가능한 연료 카트리지(39)는 35 ㎜ 필름 카트리지의 ASA 감도를 식별하는 것과 비슷한 광 마킹(172)을 포함함으로써 연료 전지 어셈블리가 휴대형 전자기기 또는 연료 전지 어셈블리에 연료 카트리지가 장착된 경우에 이러한 마킹을 광학적으로 읽어 제거 가능한 연료 카트리지(39)에 어떤 연료 농도가 있는지를 판단할 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 연료 카트리지 하우징은 기계적으로(예를 들어 기계적 스위치에 의해), 전자적으로(예를 들어, 홀 효과, 집적 회로 칩 또는 다른 전자 수단에 의해) 그리고/또는 다른 적당한 수단에 의해 판독될 수도 있다는 특징이 제공될 수 있다.
본 발명의 연료 식별 구성은 연료 전지 어셈블리가 연료 컨테이너의 메탄올 농도를 판단하여 연료 컨테이너의 연료 게이지, 실행 시간, 크기 및 농도를 포함하는 각종 동작 파라미터들의 결정을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 연료 카트리지의 식별 정보는 또한 로트, 제조 일자, 만료 일자, 제품 및/또는 다른 원하는 정보를 포함하는 다른 정보를 포함할 수도 있다.
유리하게, 본 발명의 식별 시스템은 휴대형 전자기기의 사용자가 항공 여행중에 기내에서 사용하기 위해 초기 24%의 메탄올 농도를 포함하는 연료 카트리지를 소지할 수 있게 하며, 또한 사용자가 다른 때에 사용하기 위해 보다 높은 농도의 메탄올 연료를 포함하는 연료 카트리지를 사용할 수 있게 한다. 고농도 메탄올 연료 카트리지를 사용하는 능력은 연료 카트리지를 사용하는 직접 메탄올 전력 발생기에 의해 전력이 공급되고 있는 제품의 실행 시간을 증가시킨다. 다수의 항공 여행 검사필 카트리지(즉, 24%의 농도 미만)를 소지하는 능력은 사용자가 다수의 카트리지 사용에 의해 연장된 기간 동안 휴대형 전자기기를 작동시킬 수 있게 한다.
본 발명의 식별 구조는 이에 한정되는 것은 아니지만 직접 메탄올 연료 전지 전력 발생기를 이용하는 휴대형 전자기기를 포함하는 다양한 연료 전지 응용에 사용될 수 있는 교체용 연료 카트리지의 표준화를 가능하게 한다. 일반적으로, 공지된 연료 전지 어셈블리들은 DuPont사에 의해 제조된 NAFION 막과 같은 종래의 고분자 전해질막에 노출될 수 있는 메탄올의 농도로 제한된다. 고농도에서 고분자 전해질막 및 대응하는 연료 전지는 연료 전지 전력 발생기의 성능 및/또는 내구성을 저하시킬 수 있는 분해 효과를 겪게 된다. 알려진 연료 전지 어셈블리들은 연료 전지 전력 발생기 내의 메탄올 농도를 모니터하기 위한 적당한 센서 기술을 갖고 있지 않다. 따라서, 본 발명의 식별 구조는 연료 전지 어셈블리가 입력 농도, 즉 교체용 연료 카트리지의 초기 연료 농도를 모니터할 수 있게 한다. 연료 전지 어셈블리의 제어기(예를 들어 도 20의 제어기(173))는 연료 전지 어셈블리 내에 적당한 메탄올 농도를 유지하기 위해 연료 전지 어셈블리의 동작 파라미터들을 제어하는 적당한 조정을 하여, 부적당한 연료 농도의 부정적인 효과를 감소 또는 제거할 수 있다.
본 발명의 식별 구조는 또한 연료 카트리지의 설계 변경 없이 연료 전지 고분자 전해질막의 기술적 진보를 고려한다. 이러한 막 기술은 끊임없이 진보하고 있으며, 이러한 진보는 연료 전지 자체 내에 보다 높은 농도의 사용을 가능하게 할 수 있다. 이러한 진보가 이루어질 때, 이러한 진보가 소비자 제품에 앞당겨지도록 기존의 연료 카트리지를 미래에 계속해서 사용하는 것이 바람직하다. 연료 전지 전력 발생기에 의해 결정되는 연료 농도의 능력은 본 발명의 교체용 연료 카트리지의 계속적인 미래의 사용을 고려한다.
본 발명에 따르면, 연료 저장소로부터 연료 전지 어셈블리로의 연료 공급이 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 연료 블래더가 예를 들어 도 7에 나타낸 팽창 가능한 가압 부재(87)나 다른 적당한 수단의 사용에 의해 가압될 수 있으며, 정량 밸브(174)가 사용되어 연료 전지 어셈블리에 필요한 양의 연료를 공급할 수 있다. 정량 밸브 대신 또는 이에 추가로 정량 펌프가 사용될 수 있는 것으로 이해하게 된다. 혹은, 무압 블래더가 도 17에 나타낸 펌프(149)와 같은 용적형 펌프와 결합하여 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 어셈블리는 셧다운 시 결빙력을 제공하도록 구성된다. 셧다운 동안 연료 전지 어셈블리의 부분들은 물의 어는점에 가까운 상당한 온도 저하를 겪을 수 있다. 연료 전지 어셈블리가 물 소스(즉, 도 20의 물 소스(175))를 포함하는 경우에, 연료 전지 어셈블리는 연료 루프에서 메탄올 농도를 미리 결정된 레벨 이상으로 증가시킴으로써 연료 루프에서 물의 결빙을 막아 연료 루프에서 연료/물 혼합물의 상태 변화를 막도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 정량 밸브, 펌프 또는 다른 적당한 수단을 가동하여 연료 루프에서 메탄올 농도를 약 8 몰랄 이상으로 증가시킴으로써 이러한 상태 변화를 막을 수 있다. 혹은, 펌프가 가동되어 실질적으로 연료 루프로부터 액체수 및/또는 다른 유체를 제거할 수도 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 어셈블리는 도 22에 나타낸 바와 같이 순수한 메탄을 저장소를 통해 연료 루프를 순환하도록 구성될 수 있다. 애노드 루프(161)는 메탄올, 바람직하게는 100% 메탄올을 포함하는 연료 저장소(176)와 유동적으로 연통할 수 있다. 메탄올 확산막(177)이 메탄올 연료 저장소(176)에 대한 입구 포트와 출구 포트 사이에 배치되며, 각 포트는 차단 밸브를 포함한다. 확산막은 메탄올이 애노드 루프를 통과하지만 물이 연료 저장소로 확산하는 것을 막도록 구성된다. 또한, 메탄올 컨테이너가 애노드 루프에서 제외되는 경우에 애노드 유체의 흐름을 가능하게 하는 바이패스 루프(178)가 제공된다. 셧다운 동안 메탄올 컨테이너에 대한 입구 및 출구 포트가 개방되어 메탄올을 적당한 레벨로 애노드 루프에 확산시킴으로써 결빙을 막는다.
일 실시예에서, 연료 전지 어셈블리는 온도 센서(도 20의 열전쌍(171) 참조)를 구비하고, 연료 전지 어셈블리가 특정 온도 이하일 때 시동을 막도록 구성된다. 예를 들어, 연료 전지 어셈블리는 물이 어셈블리 내에서 결빙되는 경우에 어셈블리에 대한 손상을 방지하기 위해 온도가 32° 이하이면 시동을 막도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 연료 회로 밸브는 어셈블리(예를 들어, 고분자 전해질막(53i))에 과도한 연료 유체가 확산하는 것을 막기 위해 막전극 어셈블리(33i)에 대한 입구 및 출구 통로에 물리적으로 인접하게(예를 들어, 도 20의 바람직한 위치(179) 참조) 배치된다.
도 20에 나타낸 일 실시예에서, 연료 전지 카트리지는 연료 및 액체수 저장 매체(각각 176, 175)를 모두 포함한다. 이 실시예에서, 물을 포함하는 캐소드 배출물이 수증기를 액화하도록 처리된다. 이와 관련하여, 콘덴서(180)가 제공되어 수증기를 액화한다. 비액화 수증기는 애노드 루프에 물을 다시 채우기 위한 흡수 및 저장을 위해 연료 카트리지의 일부로 통과한다.
연료 전지 어셈블리에 의해 발생된 폐 이산화탄소가 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 23에 나타낸 바와 같이, 과도한 이산화탄소가 가동 피스톤 벽(181)에 의해 일부 형성된 제 2 챔버(146k) 및 압력을 약 1-2 psi로 유지하여 플랙서블 연료 블래더로부터의 연료 흐름을 용이하게 하는 교제 밸브(182)를 가진 연료 카트리지(39k) 컨테이너에 공급될 수 있다. 특히, 제 2 챔버 내의 압력은 비교적 낮은 압력을 유지하게 되고, 이 압력은 연료 블래더(86k)에 대해 피스톤 벽(181)을 서서히 바이어스하게 된다. 이와 같이, 폐 이산화탄소가 연료 카트리지(89k) 내의 연료 블래더(86k)에 양압을 제공하는데 이용될 수 있다. 연료 블래더에 대해 양압을 제공할 수 있는 과도한 이산화탄소에 의해 공급되는 팽창 가능한 챔버를 제공하기 위해 보조 블래더가 피스톤 구조를 대체할 수도 있는 것으로 이해하게 된다. 혹은, 전력을 발생시켜 연료 전지 효율을 향상시키기 위해 폐 이산화탄소가 왕복 펌프를 구동하는데 사용될 수도 있고 그리고/또는 대안으로 왕복 솔레노이드나 밸브와 같은 다른 팽창 디바이스를 사용할 수도 있다.
이산화탄소 배출물의 다른 용도는 이를 이용하여 캐소드에 배출하여 CO2 배출물에 포함된 메탄올 증기를 산화시키고 CO2를 캐소드 챔버에 배출하여 산소를 제거하고 셧다운 후 캐소드 챔버에서의 메탄올 연소를 막는 것을 포함한다.
도 24에 나타낸 다른 카트리지 실시예에서, 2개의 포트가 일회용 카트리지(184) 내에 포함된 연료 필터(183)로 애노드 루프(1611) 모두 또는 일부를 통과시킬 수 있다. 이러한 필터는 한정된 사용 수명을 가지며 주기적인 교체를 필요로 하는 것으로 인식된다. 유리하게, 일회용 연료 카트리지에서 필터를 교체하는 것은 일회용 연료 카트리지가 교체될 때마다 연료 필터가 자동으로 교체될 수 있게 한다. 일 실시예에서, 연료 필터는 유기 필터이지만, 다른 적당한 필터 수단이 사용될 수도 있는 것으로 이해한다. 선택적으로, 일회용 카트리지(184)의 제 3 포트가 연료 카트리지 내의 메탄올과 유동적으로 연통하여 카트리지 내에 포함된 정량 밸브(1741)에 의해 애노드 루프에 메탄올을 공급한다. 정량 밸브는 연료 전지 어셈블리의 바디 내의 시스템 액추에이터(185)에 의해 또는 일회용 연료 카트리지(도시 생략) 내에 위치하는 액추에이터에 의해 제어될 수 있다.
도 25에 나타낸 다른 실시예에서, 연료 전지 카트리지 내에는 단 2개의 포트만이 포함된다. 하나의 포트는 연료 전지 루프에 연결되어 루프가 연료 카트리지로 흐르게 할 수 있는 한편, 다른 한 포트는 연료 루프와의 연결을 제공하여 연료 흐름을 되돌린다. 연료 카트리지 내의 연료는 카트리지 내의 연료 전지 루프의 내부와 유동적으로 연통한다. 연료 전지 루프에 대한 연료의 흐름은 카트리지 내의 정량 밸브(174)에 의해 제어되며, 이 정량 밸브는 연료 전지의 바디에 위치하며 제어기(예를 들어 제어기(173))에 동작 가능하게 연결되는 시스템 액추에이터(185)에 의해 제어된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 교체용 연료 카트리지와 결합하여 또는 이 대신, 연료 챔버(187)를 갖는 분사기 어셈블리(186)가 제공될 수 있다. 분사기 어셈블리는 이에 한정되는 것은 아니지만, 도 26a 내지 도 26d에 나타낸 바와 같이 리필용 분사기(188), 일회용 분사기(189), 내부 분사기(190) 및 일회용 카트리지(191)를 포함하는 다양한 구조를 가질 수도 있다. 첫 번째 3개의 카테고리에서, 연료 저장소는 영구적으로 휴대형 전자기기 내에 있다. 다양한 형태의 분사기 어셈블리가 리필 컨테이너로부터 전자기기 상에 위치하는 저장소 및/또는 교체용 연료 카트리지에 연료를 전달하는데 사용될 수 있다. 혹은, 전자기기 내에 분사기가 위치할 수 있다.
도 27에 나타낸 일 실시예에서, 리필용 분사기(188)는 분사기 펌프(149r)와 유동적으로 연통하고 리필 카트리지(193)와 선택적으로 결합되는 분사기 밸브(192)를 포함한다. 리필 카트리지는 플라스틱 컨테이너 형태일 수 있지만, 다른 적당한 컨테이너 및/또는 재료들이 사용될 수도 있는 것으로 이해해야 한다. 리필 카트리지가 리필용 분사기(188)에 삽입되면, 리필 밸브(194)가 개방되어 연료 전지의 연료가 리필용 분사기(188)에 의해 리필 카트리지(193)로부터 추출될 수 있다. 분사기 바깥면에 위치하는 분사기 제어 스위치(195)에 의해 작동할 수 있는 분사기 펌프는 리필 카트리지로부터 유체를 끌어내고 이를 휴대형 전자기기로 전달하는데 사용될 수 있다. 이 실시예에서 분사기 펌프는 분사기 배터리(196)에 의해 동력이 공급되고 분사기-펌프 제어 보드(197)에 의해 제어된다. 제어 보드는 휴대형 전자기기의 연료 레벨이 충분한지를 검출함으로써 펌프 작동을 중단시켜 휴대형 전자기기에 연료가 과충전되는 것을 막도록 구성될 수 있다. 제어 보드는 펌프에 대한 백 드라이브(back-drive)를 모니터하고, 리필용 분사기에 제공된 압력 센서, 휴대형 전자기기에 제공된 압력 센서 및/또는 다른 적당한 수단을 이용함으로써 연료 레벨을 모니터할 수 있다.
도 28에 나타낸 다른 실시예에서, 리필용 분사기(188s)는 카트리지 밸브(194s)에 의해 밀봉된 리필 카트리지(193s) 및 분사기 피스톤(198)을 포함하는 스프링 장착 분사기 어셈블리이다. 리필 카트리지는 적당한 방식으로 리필용 분사기와 결합할 수 있다. 예를 들어, 리필이 리필용 분사기에 삽입되고 리필 카트리지를 리필용 분사기에 잠그기 위해 비틀려진다. 리필용 분사기(188s)가 휴대형 전자기기에 부착되면, 카트리지 밸브가 자동으로 개방되어 리필 카트리지(193s)로부터 연료 전지 어셈블리로 연료가 전달될 수 있다. 피스톤을 리필 밸브 쪽으로 바이어스하여 연료에 양압을 제공하는데 분사기 스프링(199)이 사용되어 리필 카트리지/리필용 분사기 어셈블리로부터 연료를 비울 수 있다. 도 29에 나타낸 다른 실시예에서, 일회용 분사기(189)는 또한 분사기 스프링(199t) 및 피스톤(198t)을 포함하지만 개별 일회용 리필 카트리지를 포함하지 않아 보다 간단한 일회용 구조를 제공한다.
유리하게, 스프링 장착 분사기의 설계는 저렴하며 제조가 용이하다. 리필 카트리지는 공지된 인슐린 리필 카트리지와 비슷한 방식으로 대량 생산될 수 있다. 또한, 이러한 스프링 장착 분사기의 동작은 간단하며 휴대형 전자기기에 삽입시 자동으로 연료를 투여하게 할 수 있다.
도 30에 나타낸 다른 실시예에서, 리필용 분사기(188u)는 분사기 밸브(192u)에 의해 밀봉되는 일회용 리필 카트리지(193u) 및 분사기 피스톤(198u)을 포함한다. 이 실시예에서, 리필 카트리지는 분사기 어셈블리와 나사 결합되지만, 이에 한정되는 것은 아니지만 상술한 비틂-고정 구조를 포함하는 다른 체결 수단가 사용될 수도 있는 것으로 인식하게 된다. 이 실시예에서, 리필용 분사기가 휴대형 전자기기에 부착되면, 분사기 밸브가 자동으로 개방되어 리필로부터 휴대형 전자기기로 연료가 전달된다. 분사기 모터(200) 및 분사기 드라이브(201)가 작동하여 분사기 피스톤을 분사기 밸브 쪽으로 바이어스 하여 일회용 리필(193u)의 함유물을 휴대형 전자기기의 연료 전지 어셈블리로 비울 수도 있다. 도시한 실시예에서, 분사기 드라이브는 리드 스크류 어셈블리이지만, 다른 적당한 수단이 이용될 수 있는 것으로 이해하게 된다. 분사기 모터의 백 드라이브를 모니터함으로써, 리필용 분사기는 연료 전지 어셈블리가 채워지는 때를 검출하여 리필 프로세스를 중단할 수 있다. 혹은, 상술한 것과 비슷한 방식으로 압력 센서가 사용되어 연료 전지 어셈블리가 완전히 충전되는 때를 검출하고 리필 프로세스를 중단할 수 있다.
도 31에 나타낸 다른 실시예에서, 리필용 분사기(188v)는 상술한 것과 비슷한 일회용 리필 카트리지를 포함하지만, 수동 작동 분사기 드라이브 어셈블리를 포함한다. 특히, 분사기 드라이브(201v)는 수동 작동 손잡이(202)에 의해 작동하여 리드 스크류(201v)가 분사기 캐리지(203)를 위쪽으로 이동시켜 분사기 피스톤(198v)을 분사기 밸브(192v) 쪽으로 바이어스함으로써 리필 카트리지의 함유물을 휴대형 전자기기로 비운다. 분사기 슬립 클러치(204)가 제공되어 전자기기가 완전히 충전되면 피스톤의 이동을 중단시킬 수 있다. 리필 카트리지는 상술한 바와 같이 분사기와 나사 결합되지만, 다른 적당한 체결 수단이 사용될 수도 있는 것으로 이해하게 된다. 또한, 본 발명에 따라 분사기 구동 구조는 리필용 분사기 어셈블리는 물론 일회용 분사기 어셈블리에도 이용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 32에 나타낸 다른 실시예에서, 분사기 어셈블리는 상술한 바와 비슷하지만 수동 펌프 어셈블리(205)를 포함한다. 예를 들어, 리필용 분사기(188w) 또는 일회용 분사기(189w)는 분사기 밸브(92w) 및 플랙서블 막 또는 격막(206)에 의해 밀봉되는 연료 챔버(187w)를 포함할 수 있다. 도시한 실시예에서, 수동 펌프 어셈블리는 REEBOK 운동화에 있는 것과 비슷한 엄지 조작형 펌프이며, 플랙서블 격막에 대해 양압을 제공하도록 구성되며, 이 압력은 분사기 어셈블리로부터 휴대형 전자기기로 연료를 전달하는데 이용될 수 있다. 감압 밸브(207)가 제공되어 사용자가 분사기 어셈블리 및/또는 휴대형 전자기기를 과도하게 가압하는 것을 막을 수 있다. 또한, 감압 밸브 및/또는 분사기 어셈블리의 다른 컴포넌트는 충전이 완료된 경우의 청각적 지시를 제공하도록 구성될 수 있다. 수동 펌프 어셈블리는 도 33에 나타낸 바와 같이 일회용 분사기 어셈블리(189X)에 포함될 수도 있는 것으로 인식한다.
다른 실시예에서, 상술한 리필용 및 일회용 분사기 어셈블리의 모든 기능을 실시하지만 도 34에 나타낸 바와 같이 휴대형 전자기기 내에 위치하는 내부 분사기 어셈블리(190)가 제공된다. 유리하게, 이러한 구조는 리필 카트리지의 크기, 가격 및 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 또한 과압을 방지할 수도 있다. 이 실시예에서, 휴대형 전자기기(32y)는 리필을 가능하게 하는 단방향 충전 밸브(209)를 갖는 연료 저장소(208)를 포함한다. 리필 카트리지(193)가 충전 밸브와 결합하고 연료 저장소와 유동적으로 연통하면, 충전 레버(210)를 눌러 연료 챔버를 확장시킴으로써 리필 카트리지로부터 연료를 끌어내는데 이용될 수 있는 음압을 발생시킨다. 레버를 누름으로써, 연료 공급이 완료되면, 즉 연료 챔버(208)가 실질적으로 채워지면, 연료 챔버 스프링(211)이 압착됨으로써 연료를 연료 저장소로부터 휴대형 전자기기의 연료 전지 어셈블리의 연료 회로에 공급할 수 있는 양압이 제공된다. 이와 관련하여, 연료 챔버 스프링은 상술한 팽창 가능한 압력 부재(87)와 비슷한 방식으로 기능을 하는 것으로 이해하게 된다. 다른 실시예에서, 연료 저장소(208z)는 도 35에 나타낸 바와 같이, 연료 저장소 내의 연료 보유력을 더욱 향상시킬 수 있는 벨로즈(212) 형태의 블래더를 포함할 수 있다. 벨로즈는 원형이나 직사각형 피스톤과 결합하여 사용될 수 있는 것으로 이해한다.
본 발명에 따라 다른 적당한 블래더 구조가 이용될 수 있는 것으로 이해한다. 도 36a에 나타낸 일 실시예에서, 블래더(212aa)는 도 36a에 나타낸 바와 같이 서로를 향해 바이어스 되어 상술한 가압판(138, 139)과 비슷한 방식으로 블래더에 양압을 제공하는 2개의 측면 가압판(213) 사이에 배치되어 이와 함께 사용될 수 있다. 혹은, 가압판(213bb)은 도 36b에 나타낸 바와 같이, 코일 스프링에 의해 서로를 향해 가압판을 바이어스하는 상호 연결 링크(214)를 구비할 수 있다. 또한, 가압판(213cc)은 힌지에 피봇 연결되어 도 36c에 나타낸 바와 같이 가압판은 코일 스프링에 의해 서로를 향해 바이어스된다.
본 발명에 따라 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 연료 분사기, 리필 카트리지 및/또는 연료 저장소가 사용될 수 있는 것으로 이해한다. 예를 들어, 도 37에 나타낸 바와 같이, 다수의 주사기(215)가 사용되어 상술한 바와 비슷한 방식으로 분사기 어셈블리 및/또는 리필 카트리지로부터 유체를 끌어낼 수도 있다. 랩탑 및 연료 전지 어셈블리를 사용하는 다른 장치와 같이 대형의 휴대형 전자기기에 필요한 증가된 부피를 달성하기 위해 다수의 주사기가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 도 38에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 연료 카트리지는 상술한 바와 비슷한 방식으로 연료 전지 어셈블리의 애노드 측 입구 포트와 유동적으로 연통하는 팽창 가능한 연료 블래더(86ee)를 수용하는 제 1 챔버(145ee)를 구비한다. 이 실시예에서, 흡수 장치(216)가 제 2 챔버(146ee) 내에 위치한다. 일 실시예에서, 장치(216)는 다공성 재료(218)를 둘러싸며 건조제(219)로 채워진 라텍스 튜브(217)를 포함하는 고리 관 모양 부재이다. 다공성 재료는 스크린, 투과막, 및/또는 물 및/또는 흡수될 다른 물질의 선택적인 통과를 가능하게 하는 다른 적당한 수단을 포함할 수 있다. 물이 흡수 대상 물질인 경우에, 건조제는 아크릴산, 카라게닌 및/또는 물을 흡수하는데 적합한 다른 재료들을 포함할 수도 있다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 다른 대상 물질을 흡수하는데 다른 건조제가 사용될 수 있는 것으로 이해한다. 또한, 건조제로서 비가역성 흡수제 또는 가역성 흡수제가 사용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 38에 나타낸 실시예에서, 흡수 장치(216)는 연료 전지 챔버의 캐소드 측 배치 포트와 유동적으로 연통하며, 캐소드로부터의 물과 공기 배출을 받도록 구성된다. 이 실시예에서, 흡수 장치는 배출 스팀으로부터 물을 포획 또는 흡수하도록 구성된다. 이러한 물 흡수 구조는 연료 전지 유체 회로로부터 물이 제거될 때 연료 전지 어셈블리의 결빙 내성을 증가시키게 되므로, 이러한 물 흡수 구조는 배출 공기가 캐소드에 의해 이용될 때 배출 스팀으로부터 물을 제거하는데 특히 유용하다.
많은 점에 있어서 각종 도면들의 변형은 전술한 변형들과 공통점이 있으며, 첨자 "a" 내지 "ee"가 이어지는 동일한 참조부호들은 대응하는 부분들을 나타낸다.
본 발명의 특정한 실시예의 상기 설명은 도시 및 설명을 위해 제시되었다. 이들은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 전적으로 나타내거나 한정하는 것이 아니며, 상기 교시의 관점에서 명백하게 많은 변형 및 개조가 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명함으로써 당업자들이 본 발명을 최상으로 이용할 수 있게 하기 위해 선택 및 설명되었으며, 특정한 용도에 적합한 다양한 변형을 갖는 다양한 실시예들이 고려되었다. 본 발명의 범위는 이하 첨부되는 청구항 및 그 등가물에 의해 한정되는 것이다.
Claims (22)
- 유체 연료 전지 어셈블리용 제거 가능한 연료 전지 카트리지로서,연료 전지 어셈블리에 연료를 전달하기 위한 적어도 하나의 포트를 갖는 연료용 제 1 챔버를 포함하는 컨테이너; 및하나 이상의 보조 컴포넌트용 제 2 챔버를 구비하며, 상기 제 2 챔버는 적어도 2개의 포트를 가지며, 그 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 어셈블리와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 챔버는 부동의 분할기에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보조 컴포넌트들은 공기 필터, 연료 필터, 이온 교환 칼럼, 팬, 펌프, 펌프 제어 칩, 정량 밸브, 정량 펌프, 막, 물 흡수제, 이산화탄소 흡수제 및 메탄올 흡수제로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너는 상기 연료 전지 어셈블리와 맞물리는 인접 단부 및 상기 인접 단부와과 마주하는 원격 단부를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 챔버 각각은 상기 컨테이너의 인접 단부와 원격 단부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너는 상기 연료 전지 어셈블리와 맞물리는 인접 단부 및 상기 인접 단부와 마주하는 원격 단부를 가지며, 상기 제 1 챔버는 상기 인접 단부 가까이에 위치하고 상기 제 2 챔버는 상기 원격 단부 가까이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너는 상기 연료 전지 어셈블리와 맞물리는 인접 단부 및 상기 인접 단부와 마주하는 원격 단부를 가지며, 상기 제 2 챔버는 상기 인접 단부 가까이에 위치하고 상기 제 1 챔버는 상기 원격 단부 가까이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 챔버는 제 1 포트에 의해 상기 제 1 챔버와 유동적으로 연통하는 정량 밸브 또는 정량 펌프를 포함하며, 상기 제 2 챔버는 상기 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하도록 배치된 제 2 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 연료 정량 밸브 또는 정량 펌프는 상기 연료 전지 어셈블리 내에 위치하는 액추에이터에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 챔버는 상기 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하기 위한 유입 및 유출 포트, 상기 유입 포트와 유출 포트 사이의 유체 커넥터, 및 상기 제 1 챔버 및 상기 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 정량 밸브 또는 정량 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 연료 정량 밸브 또는 정량 펌프는 상기 연료 전지 어셈블리 내에 위치하는 액추에이터에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 챔버 또는 상기 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 상기 제 2 챔버 내의 연료 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 챔버 또는 상기 유체 커넥터와 유동적으로 연통하는 이온 교환 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 챔버는 상기 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하기 위한 유입 및 유출 포트, 상기 유입 포트와 유출 포트 사이의 유체 커넥터, 상기 제 1 챔버와 유동적으로 연통하는 정량 밸브 또는 정량 펌프, 및 상기 연료 전지 어셈블리의 애노드 루프와 유동적으로 연통하기 위한 연료 공급 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 유체 연료 전지 어셈블리용 제거 가능한 연료 전지 카트리지로서,연료 전지 어셈블리에 연료를 전달하기 위한 적어도 하나의 포트를 갖는 연료용 제 1 챔버를 포함하는 컨테이너; 및적어도 2개의 포트를 가지며, 그 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 어셈블리와 연결되는 흡수 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 14 항에 있어서, 상기 흡수 장치는 상기 연료 전지 어셈블리로부터 배출 루프에 의해 물을 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 14 항에 있어서, 상기 컨테이너는 제 2 챔버를 포함하고, 상기 흡수 장치는 상기 제 2 챔버 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 챔버는 부동의 분할기에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 14 항에 있어서, 공기 필터, 연료 필터, 이온 교환 칼럼, 팬, 펌프, 펌프 제어 칩, 정량 밸브, 정량 펌프, 막, 물 흡수제, 이산화탄소 흡수제 및 메탄올 흡수제로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 보조 컴포넌트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 카트리지.
- 제 1 항 또는 제 14 항에 따른 연료 카트리지를 포함하는 연료 전지 어셈블리.
- 제 19 항에 따른 연료 전지를 포함하는 전자기기.
- 제 19 항에 따른 연료 전지를 포함하는 전력 공급기.
- 다수의 연료 카트리지를 포함하는 제 21 항에 따른 전력 공급기.
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