KR20050092036A - 연료전지용 연료컨테이너 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 컨테이너에는, 컨테이너 몸체(15); 상기 컨테이너 몸체(15)내에 구비되는 연료(10); 상기 연료(10)를 상기 컨테이너 몸체(15) 외부로 공급하기 위하여 상기 컨테이너 몸체(15)에 마련된 배출구(9); 상기 배출구(9)로부터의 상기 연료유출에 대응하여, 유체를 상기 컨테이너 몸체(15)로 도입하는 유체도입부(19); 및 상기 유체도입부(19)와 통해 있으며, 상기 유체를 흡수함으로써 상기 컨테이너 몸체(15)내에서 팽창하는 팽창부재(17);가 포함된다.

Description

연료전지용 연료컨테이너{FUEL CONTAINER FOR FUEL CELLS}
본 발명은 액체연료를 저장하는 연료컨테이너, 구체적으로, 연료전지에 공급되는 액체연료를 저장하는 연료전지용 연료컨테이너에 관한 발명이다.
근래에 들어, 휴대전화, 랩탑형 개인컴퓨터, 디지털 카메라, PDA(개인휴대 정보단말기), 전자수첩 등의 소형 전자장치들이 눈에 띄게 향상되고 발전되고 있다. 이와 같은 소형 전자장치용의 전원으로서는, 알카라인 건전지, 망간 건전지 등의 1차전지와, 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소 축전지, 리듐-이온 전지 등의 2차전지들이 사용된다.
상술한 상기와 같은 전자장치들은 크기면에서 소형이며, 전자장치 내부에서의 전지의 배열과 자세에 상관없이 일정 전력을 공급받게 된다. 따라서, 일례로서, 랩탑 개인컴퓨터는 팔로 안겨진채 운반되는 상태에서도 사용가능하며, 휴대전화나 디지털 카메라는 가슴주머니나 가방에 간단히 수납된채로 운반되는 상태로도 사용가능하게 된다. 이러한 방식으로 하여, 상기와 같은 전자장치들은 사용자의 사용환경에 따라 다양한 자세로 사용가능하다.
하지만, 이러한 전자장치에 장착되는 1차전지 또는 2차전지는, 에너지활용의 효율면에서 바라볼 때 효율적으로 사용된다고 볼수만은 없다. 따라서, 오늘날에 들어서 그 대안책의 하나로서, 상술한 1차전지와 2차전지형들을 대체하여 보다 높은 에너지 활용효율을 실현할 수 있는 연료전지에 관한 연구와 개발이 한창 진행중에 있다.
연료전지는, 연료와 대기중의 산소들간의 전기화학반응을 이용하여 화학에너지로부터 직접 전지에너지를 얻어내고 있는 것으로서, 이것은 현재 전망이 밝은 전지로서 평가받고 있다. 하지만, 연료로서 액체연료를 사용하는 연료전지에서는, 연료를 저장하는 연료컨테이너를 조심스럽게 취급해야만 한다. 상세히 말하면, 이런 타입의 연료전지는 연료를 액체상태로 저장한다. 그래서, 연료를 저장하고 있는 연료컨테이너의 자세가 매번 바뀔때마다, 연료는 연료컨테이너 내부에서 중력이 작용하는 방향으로 이동이 있게 된다. 이 때, 때때로 연료내부에 기포가 포함될 수 있게 된다. 따라서, 이러한 경우, 기포를 포함하고 있는 연료가 연료컨테이너 외부로 유출되기 때문에, 연료컨테이너로부터의 연료유출(유출량)은 불안정하게 된다. 그 결과, 연료컨테이너에 저장된 연료를 사용하여 발전하는 발전모듈에 공급되는 연료의 공급량 또한 불안정하게 되며, 이로 인해 발전능력의 저하를 초래하게 된다. 그러므로, 액체연료를 연료로서 사용하는 연료전지를 휴대형 소형전자장치에 창작하는 것은 어렵게 된다.
그래서, 연료가 어떠한 자세로 유지되든간에 상관없이, 발전모듈에 연료를 안정적으로 공급할 수 있는 연료컨테이너가 제안되고 있다.
구체적으로, 일본특허공개문헌 제2001-93551호(특히, 단락 [0001] 내지 [0019]와 도 1 참조)에는, 연료컨테이너내에 액체연료 삼투부재를 구비하면서 컨테이너 측면상의 소정위치에 항-음압(anti negative pressure) 메카니즘으로서 세공(細孔)이 형성된 연료컨테이너를 개시하고 있다. 이 연료컨테이너에서는, 세공으로부터 도입되는 공기에 의해 연료컨테이너내부의 음압이 조정되면서, 액체연료 삼투부재로 삼투되는 연료는 모세관 인력에 의해 연료컨테이너로부터 발전모듈인 스택으로 공급된다.
따라서, 상기 공개된 인용문헌에서 개시된 연료컨테이너에 따르면, 연료컨테이너가 어떠한 자세를 유지하든 상관없이, 연료는 액체연료 삼투부재로 확실하게 접촉,삼투된다. 그러므로, 기포를 포함하지 않게 되는 연료가 연료컨테이너로부터 유출되므로, 연료는 안정적으로 발전모듈로 공급될 수 있게 된다. 하지만, 연료컨테이너를 눕히거나 비스듬하게 유지하는 상태에서 저장된 연료량이 적어지면, 연료컨테이너에 남아있는 연료는 액체연료 삼투부재로 접촉 및 삼투되지 않게 된다. 이 때문에, 저장연료 모두가 연료컨테이너 외부로 유출될 수가 없게 된다. 즉, 상기 공개된 인용문헌에 개시된 연료컨테이너는 그 유지자세에 상관없이 연료컨테이너로부터의 연료유출을 안정화시킬 수는 있지만, 유지되는 자세에 따라 그 내부에 연료가 일부 남게 된다.
본 발명의 목적 및 이와 다른 목적 또는 장점들은 첨부된 도면들과 후술될 상세한 설명을 읽음으로써 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 발전시스템의 기본구조를 도시하는 블럭도이다.
도 2는 연료저장모듈과 발전모듈의 개략적인 구조를 도시하는 부분 단면 사시도이다.
도 3a는 연료 컨테이너의 외형을 도시하는 사시도이고, 도 3b는 연료 컨테이너의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 기화기를 도시하는 단면도이다.
도 5는 기화기의 열처리로의 외형을 도시하는 사시도이다.
도 6은 수증기 개질 반응기, 수성 이동 반응기, 및 선택 산화 반응기를 각각 도시하는 단면도이다.
도 7a 내지 도 7d들은 연료가 연료 컨테이너로부터 발전모듈로 공급될 때에 연료 컨테이너에서 발생하는 변화들을 도시하는 도면들이다.
도 8은 연료저장모듈과 발전모듈의 개략적인 구조를 도시하는 부분 단면 사시도이다.
도 9a는 연료 컨테이너의 외형을 도시하는 사시도이고, 도 9b는 연료 컨테이너의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
도 10a 내지 도 10d들은 연료가 연료 컨테이너로부터 발전모듈로 공급될 때에 연료 컨테이너에서 발생하는 변화들을 도시하는 도면들이다.
도 11은 도 9b에서 도시된 연료 컨테이너의 변형예를 도시하는 단면도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료컨테이너가 어떠한 자세로 유지되든지에 상관없이 연료컨테이너로부터 연료를 유출시킬 수 있는 연료컨테이너를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료컨테이너는:
컨테이너 몸체(15);
컨테이너 몸체(15)내에 구비되는 연료(10);
연료(10)를 컨테이너 몸체(15) 외부로 공급하기 위하여 컨테이너 몸체(15)에 마련된 배출구(9);
배출구(9)로부터의 연료유출에 대응하여 유체를 컨테이너 몸체(15)로 도입하는 유체도입부(19); 및
유체도입부(19)와 통해 있으며, 유체를 흡수함으로써 컨테이너 몸체(15)내에서 팽창하는 팽창부재(17);를 포함한다.
본 발명에 따르면, 팽창부재는 액체도입부에 의해 도입된 유체를 흡수함으로써 팽창한다. 따라서, 팽창부재의 팽창으로 인하여 컨테이너 몸체의 내부 압력은 상승하므로, 컨테이너 몸체내의 연료는 배출구로부터 유출될 수 있게 된다. 컨테이너 몸체의 유지자세가 어떠하든지에 상관없이, 팽창부재는 유체가 외부로부터 공급되는 한 계속해서 팽창하고 확장한다. 이로써, 컨테이너 몸체내의 연료가 점점 줄어든다 할지라도, 팽창부재의 팽창 및 확장에 의한 누름 압력을 받음으로써 연료는 항상 배출구로부터 유출된다. 그러므로, 상술한 연료 컨테이너에서는, 일단 연료가 외부로 공급되면, 컨테이너 몸체가 어떠한 자세로 유지되고 있는지에 상관없이, 연료는 컨테이너 몸체로부터 계속해서 유출되게 되므로, 연료를 안정적으로 공급하는 것이 가능해 진다.
여기서 유체는 배출구(9)로부터 유출된 연료(10)로부터 생성된 생성물이 된다. 배출구로부터 유출되는 연료량에 따라 생성되는 생성물이 컨테이너 몸체로 도입됨으로써, 컨테이너 몸체로부터 유출되는 연료의 량을 도입되는 생성물의 량으로 대신 메우는 것이 가능해지므로, 컨테이너 몸체의 용적은 사실상 균일하게 유지될 수 있다. 하지만, 생성물의 유입량이 연료의 유출량보다 작다 할지라도, 컨테이너 몸체에 남아있는 연료는 팽창부재의 팽창에 의해 압력받을 수 있게 된다. 따라서, 컨테이너 몸체가 어떠한 자세를 유지하든지에 상관없이, 컨테이너 몸체내의 연료가 작을지라도, 연료는 배출구로부터 공급가능한 준비상태를 유지하는 것이 가능해진다.
연료 컨테이너에는 컨테이너 몸체(15)내의 연료(10)와 팽창부재(17)사이에 고점성 액체(11)가 마련되어 있다. 컨테이너 몸체에 내부적으로 부여되는 압력으로 인해 연료가 배출구의 외부보다 높은 압력하에 있거나, 또는 배출구의 외부압력이 컨테이너 몸체에서의 압력보다 낮은 상태에서도, 연료는 컨테이너 몸체와 고점성 액체로 뒤덮힌다. 따라서, 만약 컨테이너 몸체에서의 압력이 변동될지라도, 가스성 유체는 연료속으로 혼합되기가 어렵게 된다. 그 결과, 연료 컨테이너가 어떤 자세로 유지하는지에 상관없이, 일단 연료가 컨테이너 몸체의 배출구로부터 외부로 유출되면, 컨테이너 몸체내외의 압력이 평형상태로 되거나, 또는 컨테이너 몸체의 배출구로부터 연료를 외부로 획득시켜주는 획득수단이 그 획득작동을 정지하지 않은 한, 연료는 안정적으로 공급될 수 있게 된다. 또, 컨테이너 몸체내에 마련된 연료는 컨테이너 몸체의 내벽(배출구는 제외)과 고점성 액체에 의해 봉지된 상태로 유지되기 때문에, 연료가 대기에 노출되는 일은 거의 없다. 따라서, 컨테이너 몸체내에 마련되는 연료가 휘발하여 감소되는 것을 방지할 수가 있게 된다.
그리고, 컨테이너 몸체(15)내에는 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)로 채워진다. 따라서, 컨테이너 몸체(15)내부는 흡수부재로 채워지기 때문에, 연료를 항상 흡수하여 흡입하는 흡수부재의 작용이 일어난다. 그러므로, 연료 컨테이너가 어떠한 자세를 유지하든지에 상관없이, 연료의 안정적인 공급이 도모 가능해진다.
또한, 컨테이너 몸체(15)내에는 컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적변경부(8)가 마련된다. 용적변경부에 의해 컨테이너 몸체의 용적이 감소되는 것에 반응하여, 컨테이너 몸체내의 압력이 상승하고, 연료는 배출구로부터 유출된다. 이로 인하여, 배출구로부터 연료를 용이하게 공급받을 수 있게 된다.
컨테이너 몸체(15)내에는 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)로 채워지며, 이 흡수부재(12)는 용적변경부(8) 때문에 컨테이너 몸체(15)의 용적이 감소하는 것에 반응하여 수축한다. 따라서, 연료를 흡수하여 팽창상태에 놓여있는 흡수부재는 용적변경부(8)에 의해 컨테이너 몸체(15)의 용적이 감소하는 것에 반응하여 수축하기 때문에, 흡수부재에 의해 흡수된 연료를 배출구로부터 용이하게 공급받을 수 있게 된다.
용적변경부(8)는 응력에 반응하여 수축 및 팽창가능한 벨로우즈이다. 용적변경부가 컨테이너 몸체내에 마련된 수축 및 팽창가능한 벨로우즈인 경우, 벨로우즈를 수축시켜 컨테이너 몸체의 용적을 감소시킴으로써 연료를 배출구로부터 확실하게 유출시키도록 하는 것이 가능해 진다.
연료 컨테이너는 컨테이너 몸체(15)내로 외부공기를 도입하는 외부공기 도입부(14)를 포함한다. 컨테이너 몸체내에서 감소된 연료의 자리에는 외부공기를 도입하는 외부공기 도입부에 의한 외부공기로 대신 메워진다.
외부공기 도입부(14)는 컨테이너 몸체(15)의 내외부로 통하는 통풍구멍이 된다. 외부공기 도입부가 통풍구멍인 경우, 외부공기는 컨테이너 몸체의 내외부사이로 통풍구멍을 통하여 용이하게 유입 및 유출될 수 있게 된다. 따라서, 컨테이너 몸체의 배출구로부터 연료가 유출되는 경우, 외부공기 도입부로서의 통풍구멍으로부터 컨테이너 몸체내부로 외부공기를 도입함으로써 컨테이너 몸체내에 작용하는 음압을 조정할 수 있게 된다.
외부공기 도입부(14)로서의 통풍구멍에는, 연료의 휘발성분의 투과를 차단하고, 외부공기를 선택적으로 투과시키는 선택성 투과막이 마련된다. 선택성 투과막이 외부공기 도입부로서의 통풍구멍에 마련되는 경우, 연료의 휘발성분이 컨테이너 몸체의 외부로 방전되는 것을 막을 수가 있게 된다. 그러므로, 컨테이너 몸체내에 마련된 연료가 휘발하여 감소되지 못하도록 확실하게 막을 수가 있게 된다.
배출구(9)내에는, 컨테이너 몸체로부터 배출구(9)의 외부로 연료가 유출되는 것은 허용하고, 배출구(9)의 외부로부터 컨테이너 몸체(15)로 연료(10)가 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(13)가 마련된다. 따라서, 연료의 흐름방향을 정규방향으로 제한시키는 체크밸브에 의해, 연료가 역방향으로 흐르는 것을 방지케 해준다. 즉, 연료 컨테이너가 외부 펌프에 연결된 경우, 연료는 연료 컨테이너내로 되돌아가 흐르지 않기 때문에, 연료의 역흐름에 의해 야기되는 음압으로 인한 어떠한 가스성 물체도 연료 컨테이너와 펌프사이에 생성되지 않게 된다. 따라서, 펌프는 항상 안정적으로 연료를 수송할 수 있게 된다.
유체도입부(19)는, 이를 통해 유체가 흐르게 되고 팽창부재(17)에 연결되는 통로이다. 유체도입부로 인하여, 팽창부재는 확실하게 유체를 포획할 수 있게 된다.
팽창부재(17)는 펄프, 섬유, 직물 등에 수용성 접착제를 첨가하여 얻어진 압축체이다. 팽창부재가 수용성 접착제를 첨가한 압축체이고, 여기서의 유체는 연료전지에서 생성된 물인 경우를 가정하에서, 이 물을 팽창부재가 흡수하면 수용성 접착제는 녹게된다. 따라서, 이 때문에 팽창부재는 압축상태로부터 풀어헤쳐져서 확실하게 팽창되게 된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 컨테이너에는:
배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
배출구(9)가 존재하는 측의 반대측상에서 연료(10)와 접촉하도록 컨테이너 몸체(15)내에 마련된 고점성 액체(11);가 포함된다.
컨테이너 몸체내에 마련된 연료는 고점성 액체로 뒤덮혀진, 배출구의 반대쪽의 측면을 갖고 있기 때문에, 연료는 컨테이너 몸체의 내벽과 고점성 액체에 의해 밀봉되는 상태로 유지된다. 컨테이너 몸체에 내부적으로 부여되는 압력으로 인해 연료가 배출구의 외부보다 높은 압력하에 있거나, 또는 배출구의 외부압력이 컨테이너 몸체에서의 압력보다 낮은 상태에서, 압력의 변동이 발생한다 할지라도, 가스성 유체가 연료내로 혼합되는 것은 어렵게 된다. 그 결과, 배출구가 어떤 방향으로 경사지어 있는지 등의 연료 컨테이너의 자세에 상관없이, 일단 연료가 컨테이너 몸체의 배출구로부터 외부로 유출되면, 컨테이너 몸체내외의 압력이 평형상태로 되거나, 또는 컨테이너 몸체의 배출구로부터 연료를 외부로 획득시켜주는 획득수단이 그 획득작동을 정지하지 않은 한, 연료는 안정적으로 공급될 수 있게 된다. 또, 컨테이너 몸체내에 마련된 연료는 컨테이너 몸체의 내벽(배출구 제외)과 고점성 액체에 의해 밀봉된 상태로 유지되기 때문에, 연료가 대기에 노출되는 일은 거의 없다. 따라서, 컨테이너 몸체내에 마련되는 연료가 휘발하여 감소되는 것을 방지할 수가 있게 된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 컨테이너에는:
배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적변경부(8);가 포함된다.
상기 연료 컨테이너에 따르면, 컨테이너 몸체의 용적이 축소되도록 용적변경부가 축소되면 컨테이너내의 압력은 상승한다. 이것은 연료를 배출구로부터 신속히 공급할 수 있도록 해준다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 컨테이너에는:
배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
연료(10)를 흡수하며, 컨테이너 몸체(15)를 채우는 흡수부재(12);가 포함된다.
상기 연료 컨테이너에 따르면, 컨테이너 몸체내의 흡수부재는 연료를 흡수하기 때문에, 연료는 감소되면서 항상 흡수부재쪽으로 이동한다. 그러므로, 연료는 효율적이고 용이하게 배출구쪽으로 유입될 수 있으며, 연료 컨테이너의 어떠한 자세에 상관없이 연료의 안정적인 공급이 가능해 진다.
(제 1 실시예)
이후부터, 도면들을 참조하면서 본 발명의 제 1 실시예에 대하여 설명한다. 하지만, 본 발명의 범위는 도면들에 도시된 예로 국한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명이 적용된 연료 컨테이너(7)내에 마련된 발전시스템(1)의 기본구조를 도시하는 블럭도이다. 도 2는 발전시스템(1)내에 마련된 연료저장모듈(2)과 발전모듈(3)의 개략적인 구조를 도시하는 부분 단면 사시도이다. 여기서, 도 2는 연료저장모듈(2)의 일측만의 구조를 도시하는 것이고, 다른측의 구조는 생략하고 있음을 유념한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발전시스템(1)은 연료(10)를 저장하는 연료저장모듈(2)(도 2와 도 3 참조)과, 연료저장모듈(2)에 저장된 연료(10)를 사용하여 발전하는 발전모듈(3)로 구성된다. 연료저장모듈(2)과 발전모듈(3)들은 서로 착탈가능하도록 구성된다. 연료저장모듈(2)은, 도 2에서 도시된 바와 같이, 대체로 원통형의 하우징(4)을 갖고 있다. 하우징(4)의 중앙상단에는 원형의 관통구멍(5)이 형성되며, 하우징(4)의 상단의 외주상에는 관통구멍(6)이 위치되어 형성된다. 연료 컨테이너(7)는 하우징(4)의 내부에 포함되어 있다.
도 3들은 연료 컨테이너(7)의 개략적인 구조를 도시하는 도면들로서, 도 3a는 연료 컨테이너(7)의 외형을 도시하는 사시도이고, 도 3b는 연료 컨테이너(7)의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 연료 컨테이너(7)는 소정의 길이를 갖는 원통형의 컨테이너 몸체(15)로 이루워져 있다. 컨테이너 몸체(15)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아크릴 등의 투명 또는 반투명물질로 형성된다.
외부공기를 연료 컨테이너(7)로 도입하는 외부공기 도입수단으로서의 복수개의 외부공기 도입구멍들(14, 14,...)은 컨테이너 몸체(15)의 외주방향을 따라서 컨테이너 몸체(15)의 후단부의 측면에 나란히 형성된다. 각각의 외부공기 도입구멍들(14)은 컨테이너 몸체(15)의 내외부로 통하는 단순한 통풍구멍이다.
배출구(9)는 컨테이너 몸체(15)로부터 돌출되도록 컨테이너 몸체(15)의 전단부에 마련된다. 그리고, 연료 컨테이너(7)의 종축방향으로 수축 및 팽창가능한 용적변경수단으로서의 벨로우즈(8)는 컨테이너 몸체(15)의 배출구(9)에 인접하여 마련된다. 컨테이너 몸체(15)는 벨로우즈(8)가 팽창되면 그 용적이 증가하고, 벨로우즈(8)가 수축하면 그 용적이 감소되도록 구성된다.
그 내부를 통하여 발전모듈(3)에서 생성된 물이 순환하고, 물을 컨테이너 몸체(15)로 도입시키는 물 도입관(16)은 컨테이너 몸체(15)의 측면에 마련된다. 물 도입관(16)은, 연료 컨테이너(7)의 전단부에서부터 후단부까지 연료 컨테이너(7)의 종축방향으로 길게 뻗어있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내부에 저장된다. 구체적으로, 연료(10)는 화학연료와 물과의 혼합물이다. 화학연료로서는, 메탄올, 에탄올 등의 알콜류나 또는 가솔린과 수소원소를 포함하는 화합물이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 화학연료로서, 서로가 동일한 몰 퍼센트를 갖는 메탄올과 물을 균일하게 혼합함으로써 얻어진 혼합물이 사용된다. 컨테이너 몸체(15)의 내부에는, 연료(10)의 액층을 완전히 덮도록 고점성 액체(11)가 적층된다. 이로 인해, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내벽(배출구(9)는 제외)과 고점성 액체(11)에 의해 컨테이너 몸체(15)내에 밀봉된다. 고점성 액체(11)는 연료(10)보다 고점성을 가지는 액체로서, 구체적으로는, 폴리부텐, 액성 파라핀, 스핀들유(油) 등의 무기물유나, 디메틸 실리콘유, 메틸페닐실리콘유 등의 실리콘유가 된다. 고점성 액체(11)는 안료, 염료 등의 색물질로 착색된다. 또한, 고점성 액체(11)는 연료(10)에서 불용성 또는 난용성인 것이 바람직하다.
연료(10)와 고점성 액체(11)는 그들의 수성 또는 유성 성질때문에 서로가 혼합되지 않고 분리된다. 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)내에서 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전 밀봉된 상태로 저장된다. 또한, 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면에, 또는 연료(10)내에 혼합되어 있는 공기 등의 기체는 진공장치 등으로 미리 흡입, 제거된다. 따라서, 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면, 또는 연료(10)내에서는 기포가 거의(또는 일체) 포함되지 않는다.
고점성 액체(11)의 액층(즉, 고점성 액체(11)과 연료(10)의 계면의 반대측면)과 컨테이너 몸체(15)의 내벽으로 에워싸여 있는 공간(60)은 물을 흡수함으로써 팽창하는 팽창부재(17)로 채워진다. 구체적으로, 팽창부재(17)는 펄프, 섬유, 직물 등에 수용성 접착제를 압축하여 얻어진 압축체이다. 팽창부재(17)가 물을 흡수하면, 수용성 접착제는 녹게되고, 이로써 팽창부재(17)는 압축된 고체상태로부터 풀어해쳐지고, 흡수된 물의 양에 따라 점차로 팽창하게 된다. 물을 팽창부재(17)로 도입시키는 물 도입구멍(18)은, 팽창부재(17)와 접촉하는 컨테이너 몸체(15)의 후벽에 형성된다.
배출구(9) 근방의 컨테이너 몸체(15) 내부에는 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)로 채워지는데, 이 흡수부재(12)는 압축상태로 놓여있다. 구체적으로, 흡수부재(12)는 유(油)-반발성의 다공질체로서, 고점성 액체(11)가 삼투되지 않는 복수개의 세공들을 갖고 있으며, 특히 연료(10)에 대하여 높은 흡수성을 갖는다. 그러므로, 고점성 액체(11)는 흡수부재(12)로 삼투되지 않기때문에(또는 흡수부재(12)로 흡수되지 않기 때문에), 고점성 액체(11)는 배출구(9)로부터 유출되는 일이 없게 된다. 흡수부재(12)는 컨테이너 몸체(15)에 마련된 벨로우즈(8)의 내벽과 밀착하고 있다. 따라서, 벨로우즈(8)를 수축시킴으로써 컨테이너 몸체(15)의 용적이 줄어들면, 흡수부재(12)도 수축한다. 반대로, 흡수부재(12)가 연료(10)를 흡수하여 팽창하면, 벨로우즈(8)는 확장되어 컨테이너 몸체(15)의 용적을 증가시킨다.
그리고, 컨테이너 몸체(15)의 배출구(9)의 내부에는 오리너구리모양(집오리 또는 거위의 부리모양과 같은)의 체크밸브(13)가 설치된다. 체크밸브(13)는 부리부분(13a)으로부터 배출구(9)로의 연료(10) 흐름은 허용하고, 배출구(9)로부터 컨테이너 몸체(15)로의 연료(10)의 역흐름을 저지시키는 기능을 갖는다. 연료(10)를 밀어내는 압력(양압)이 흡수부재(12)로 흡수되는 연료(10)에 부여되면, 부리부분(13a)을 열도록 하는 방향으로 응력이 작용한다. 이 때문에, 연료(10)가 부리부분(13a)에서부터 배출구(9)쪽으로 유출되게 된다. 이와는 달리, 컨테이너 몸체(15)의 내부가 음압상태로 놓여있음으로 인하여 압력이 배출구(9)에서부터 체크밸브(13)쪽으로 부여되면, 부리부분(13a)을 닫도록 하는 방향으로 응력이 작용한다. 따라서, 배출구(9)로부터 컨테이너 몸체(15)쪽으로의 역흐름은 차단되게 된다. 본 실시예에 따르면, 후술되는 바와 같이, 양압이 컨테이너 몸체(15)의 내부에 부여되면, 연료(10)가 컨테이너 몸체(15)의 내부로부터 체크밸브(13)를 통해 배출구(9)의 외부로 유출된다. 또한, 상술한 바와 같이, 음압이 컨테이너 몸체(15)의 내부에 부여되면 체크밸브(13)로부터의 연료(10)와 같은 유체의 역흐름을 차단하도록 조사밸브(13)는 부리부분(13a)을 닫는다.
그리고, 컨테이너 몸체(15)의 측면에는 물 도입관(16)이 구비되어 있으며, 여기에는, 발전모듈(3)에서 생성된 유체로서의 물이 이를 통해 순환하는 유체 도입수단으로서의 통로(19)가 마련된다. 통로(19)는 대체로 물 도입관(16)을 따라 물 도입관(16)의 전단부에서부터 길게 뻗쳐지고, 컨테이너 몸체(15)의 물 도입구멍(18)을 경유하여 공간(60)과 통하도록 물 도입관(16)의 후단부에서 굽어있다. 통로(19)의 직경은 발전모듈(3)에서 생성된 물이 모세관 인력에 의해 통로(19)를 통해 순환할 수 있도록 설정된다.
상기 구조를 갖는 연료 컨테이너(7)는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 배출구(9)가 관통구멍(5)으로 삽입되고, 물 도입관(16)의 전단부가 관통구멍(6)에 삽입되도록, 연료저장모듈(2)의 하우징(4)내에 착탈가능하게 수납된다. 연료 컨테이너(7)가 연료저장모듈(2)의 소정의 위치에 설치된 상태에서, 연료 컨테이너(15)를 구성하는 컨테이너 몸체(15)의 외주면의 일부가 하우징(4)의 외부에 노출된다. 또한, 상술한 바와 같이, 컨테이너 몸체(15)는 투명 도는 반투명하고, 고점성 액체(11)는 착색된다. 그러므로, 연료 컨테이너(7)가 연료저장모듈(2)에 설치된 상태에서는, 고점성 액체(11)의 액체표면의 변위가 컨테이너 몸체(15)를 통하여 시각적으로 인식가능해짐으로써, 연료(10)의 잔존유무 또는 연료(10)의 잔여량을 용이하게 확인할 수가 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이, 컨테이너 몸체(15)에 형성된 외부공기 도입수단으로서의 외부공기 도입구멍들(14, 14,...)은 단순한 통풍구멍들이다. 하지만, 각각의 외부공기 도입구멍(14)들에는, 고점성 액체(11)를 대신하여 연료(10)의 휘발성분의 투과를 차단하는 기능과, 오직 외부공기만을 선택적으로 투과시키는 기능을 갖는 선택성 투과막이 제공된다. 이 경우, 연료(10)의 휘발성분이 컨테이너 몸체(15)의 외부로 방산되는 것을 막음으로써 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)가 휘발하여 감소되는 것을 저지시킬 수 있게 된다.
다음으로, 발전모듈(3)에 대하여 설명한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 발전모듈(3)은 연료 컨테이너(7)로부터 공급된 연료(10)를 개질시키는 개질기(20)를 포함한다. 개질기(20)에는, 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성(水性) 이동 반응기(23), 및 선택 산화반응기(24)가 포함된다. 이외에도, 발전모듈(3)에는 개질기(20)에 의해 개질된 연료(10)를 사용하여 발전을 하는 연료전지(25), 연료전지(25)에 의해 생성된 전기에너지를 저장하고 필요에 따라 이 저장된 전기에너지를 공급해주는 축전부(26), 축전부(26)로부터 공급된 전기에너지를 전체 발전모듈(3)에 분배하는 분배부(27), 및 개질기(20), 연료전지(25), 축전부(26) 및 분배부(27)를 전기적으로 제어하는 제어부(28)를 더 포함한다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 발전모듈(3)은 대체로 원통형의 하우징(30)을 갖는다. 하우징(30)내에는, 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화반응기(24)들이 이 순서로 적층되어 설치된다. 또한, 하우징(30)내에는, 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화반응기(24)들을 둘러싸도록 연료전지(25)가 설치된다. 또한, 연료전지(25)의 외측의 하우징(30)의 외주면에는 대기중의 산소를 흡입하기 위한 복수개의 슬릿들(31, 31, ...)이 서로 평행하게 형성된다.
축전부(26)로부터 외부장치로 전기에너지를 공급해주는 단자(32)가 하우징(30)의 상단에 마련된다. 그리고, 하우징(30)의 상단부의 단자(32)주위에는 복수개의 통풍구멍들(33, 33, ..)이 설치된다.
하우징(30)의 하단부에는, 아랫방향으로 돌출되어 연료저장모듈(2)에 끼워맞춰지는 파이프들(34, 35)이 설치된다. 파이프(34)는 발전모듈(3)에서 생성된 물을 순환시키기 위한 것이고, 파이프(35)는 연료 컨테이너(7)로부터 연료(10)를 흡입하기 위한 것이다. 파이프(34)에는 밸브(36)가 설치되고, 하우징(30)에 설치된 파이프(37)는 밸브(36)를 경유하여 파이프(34)와 통하여 있다.
지금부터는, 개질기(20)의 반응기들과 연료전지(25)에서 발생되는 화학반응공정들에 대하여 설명한다.
기화기(21)는 연료저장모듈(2)의 연료 컨테이너(7)로부터 파이프(35)를 통하여 공급된 연료(10)를 가열시킴으로써 연료(10)를 기화시킨다. 그리고, 기화기(21)에 의해 기화된 혼합가스는 수증기 개질 반응기(22)에 공급된다.
수증기 개질 반응기(22)는, 아래와 같은 [반응식 1]에서와 같이, 기화기(21)로부터 공급된 혼합가스를 개질촉매를 이용하여 수소가스와 이산화탄소가스로 개질시킨다.
CH3OH + H2O → 3H2 + CO2
기화기(21)로부터 공급된 혼합가스는 반드시 수소가스와 이산화탄소가스로 완전히 개질되지 않을 수도 있다. 이 경우, 아래의 [반응식 2]에서 처럼, 미량의 일산화탄소 가스가 수증기 개질 반응기(22)에 생성된다.
2CH3OH + H2O → 5H2 + CO + CO2
수증기 개질 반응기(22)에서 생성된 수소가스, 이산화탄소 가스, 및 일산화탄소 가스와 비반응 수증기들은 수성 이동 반응기(23)로 공급된다.
수성 이동 반응기(23)는 수증기 개질 반응기(22)로부터 공급된 혼합가스(수소가스, 이산화탄소 가스, 수증기, 및 일산화탄소 가스)속에 포함된 일산화탄소 가스와 촉매를 이용하여, 아래의 [반응식3]에서 처럼, 수성 이동반응을 일으킨다.
CO + H2O → CO2 + H2
수증기 개질 반응기(22)에서의 반응공정에 참여하지 않았던 수증기는 수성 이동반응에서 사용된다. 이 때문에, 혼합가스속의 수증기와 일산화탄소 가스의 농도는 극도로 희박해진다. (수소가스, 이산화탄소 가스, 및 일산화탄소 가스를 포함한) 혼합가스는 수성 이동반응기(23)로부터 선택 산화 반응기(24)에 공급된다.
선택 산화 반응기(24)는 수성 이동 반응기(23)로부터 공급된 혼합가스로부터 일산화탄소 가스를 촉매에 의해 선택하고, 일산화탄소 가스를 아래의 [반응식 4]에서 처럼 산화시킨다.
2CO + O2 → 2CO2
상기 [반응식 4]의 좌변에서의 산소는 발전모듈(3)에 형성된 복수개의 통풍구멍들(33, 33, ..)을 통하여 대기로부터 선택 산화 반응기(24)로 얻어진다. 여기서, 선택 산화 반응기(24)에는 [반응식 4]에 의해 나타난 화학반응을 선택적으로 촉진시키는 촉매가 제공되기 때문에, 혼합가스속에 포함된 수소는 거의 산화되지 않게 된다. 선택 산화 반응기(24)로부터 연료전지(25)에 공급된 혼합가스에는 일산화탄소 가스가 거의 없고, 수소가스와 이산화탄소 가스의 순도는 매우 높다. 만약, 다른 무독성 부산물로부터 수소를 분리해내는 메카니즘이 선택 산화 반응기(24)에 갖춰진다면, 이 부산물은 통풍구멍들(33, 33, ...)로부터 방출될 수 있다.
연료전지(25)는 촉매 등의 미세립자들이 달라붙는 전지전극(애노드), 촉매 등의 미세립자들이 달라붙는 공기전극(캐소드), 및 전지전극과 공기전극사이에 개재되어 마련되는 이온 전도막으로 구성된다. 전지전극에는 선택 산화 반응기(24)로부터 혼합가스가 공급되며, 공기전극에는 대기속의 수소가스가 발전모듈(3)의 외주면에 형성된 복수개의 슬릿들(31, 31, ...)을 통하여 공급된다.
아래의 [반응식 5]에서 볼 수 있듯이, 수소가스가 전지전극에 공급되면, 연료전극에 달라붙은 촉매에 의해 탈전자된 수소이온이 생성된다. 그리고, 생성된 이 수소이온은 이온 전도막을 통하여 공기전극으로 전송되고, 이에 따라 연료전극으로부터 전자가 획득된다. 선택 산화 반응기(24)로부터 공급된 혼합가스속에 포함된 이산화탄소 가스는 어떠한 반응없이 외부로 방출된다.
3H2 → 6H+ + 6e-
한편, 산소가스가 공기전극에 공급되면, 아래의 [반응식 6]에서 보이는 것처럼, 이온 전도막을 통해 전송된 수소이온, 산소가스, 및 전자들이 반응하여 물을 생성한다.
6H+ + 3/2O2 + 6e-→ 3H2O
연료전지(25)에서 발생하는 상술한 전기반응들에 의해, 전기에너지가 생성되고, 이 생성된 전기에너지는 축전부(26)에 저장된다.
기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)들은, 실리콘, 알루미늄 합금 또는 유리로부터 만들어진 소형기판에 형성된 미세통로를 통해 흐르는 유체를 기화시키고, 유체의 적어도 일부분에 화학반응을 일으키게 하는 미세반응기로서 역할을 한다. 이하에서는, 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)들의 구조에 대하여 설명한다.
도 4는 기화기(21)의 단면도이고, 도 5는 기화기(21)에 마련된 열처리로(40)에 대한 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기화기(21)는 저융점 유리로 제조된 직각형의-병렬파이프 형태의 유리 컨테이너(53)를 갖추고 있다. 유리 컨테이너(53)의 내외벽상에는 알루미늄 등으로 제조된 방사 차단막들(51, 52)이 설치된다. 방사 차단막들(51, 52)은 적외선을 포함한 전기전자파에 대하여 높은 반사도를 갖고 있으며, 이후에 설명할 열처리로(40)로부터 방사된 전기전자파를 유리 컨테이너(53)의 내부쪽으로 반사시킨다. 이 때문에, 열처리로(40)로부터 방사된 전기전자파는 유리 컨테이너(53)의 외측으로 전달되지 못하도록 차단되며, 이로써 열처리로(40)로부터 방사된 전기전자파에 의해 생성된 방사열이 유리 컨테이너(53)의 외측으로 방사되지 못하게 된다.
유리 컨테이너(53)의 내벽에 형성된 방사 차단막(51)의 안쪽에 있어서, 유리 컨테이너(53)의 모서리에 대응하는 부분에는 지지부재들(54, 54, ...)이 설치된다. 열처리로(40)는 지지부재들(54, 54, ...)에 의해 지지를 받으면서 유리 컨테이너(53)의 안쪽에 설치된다. 여기서, 열처리로(40)는 유리 컨테이너(53)의 내벽과는 분리되어 있음을 유념한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 열처리로(40)는 두 기판들(41, 42)을 서로 적층하여 접합시킨 구조를 가지고 있다. 각 기판들(41, 42)은 실리콘 결정, 알루미늄, 유리 등의 재료로 구성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기판들(41, 42) 사이의 접합계면에는 꾸불꾸불한 미세통로(43)가 형성된다.
미세통로(43)는 기판(41)의 일측면에 형성된 꾸불꾸불형태의 홈이 기판(42)에 대향하도록 기판(41)과 기판(42)을 접합시킴으로써 형성된다. 미세통로(43)는 기판(41)과 기판(42)사이에서 밀봉된다. 미세통로(43)를 구성하는 홈은 기판(41)의 일측면상에 포토리쏘그래피, 에칭 등을 처리하여 형성된다.
도 4와 도 5에서 도시된 바와 같이, 유출파이프(45)의 한쪽 끝은 미세통로(43)의 한쪽 끝에 연결된다. 유출파이프(45)는 기판(41), 방사 차단막들(51, 52) 및 유리 컨테이너(53)를 관통하여 열처리로(40)로부터 유리 컨테이너(53) 외측으로 뻗어나와 있다. 유입파이프(44)의 한쪽 끝은 미세통로(43)의 다른쪽 끝에 연결된다. 유출파이프(45)와 마찬가지로, 유입파이프(44)는 기판(42), 방사 차단막들(51, 52) 및 유리 컨테이너(53)를 관통하여 열처리로(40)로부터 유리 컨테이너(53) 외측으로 뻗어나와 있다. 유입파이프(44)는 파이프(35)와 통해 있으며, 연료 컨테이너(7)에 저장된 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내부에 부여된 압력에 의해 파이프(35)와 유입파이프(44)를 통하여 언제든지 미세통로(43)로 흐르게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 미세통로(43)를 따라 꾸불꾸불한 발열 저항막(47)이 기판(42)과 기판(41)사이의 접합계면에 형성된다. 기판(42)과 기판(41)들이 서로 접합된 상태에서, 발열 저항막(47)은 미세통로(43)를 구성하는 홈위에 적층되어, 미세통로(43)의 바닥층을 형성한다. 발열 저항막(47)은 미세통로(43)의 한쪽 끝에서부터 다른쪽 끝까지 미세통로(43)를 따라 형성된다.
리드선(48)은 미세통로(43)의 한쪽 끝에서 발열 저항막(47)과 연결되며, 리드선(49)은 미세통로(43)의 다른쪽 끝에서 발열 저항막(47)과 연결된다. 각 리드선들(48, 49)은 금, 백금, 니켈 등과 같은 저항률이 매우 낮고 화학적으로도 안정적인 금속물질로 만들어진다. 리드선들(48, 49)의 전기저항은 발열 저항막(47)의 전기저항보다 훨씬 낮도록 설정된다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 리드선들(48, 49)은, 두 기판들(41, 42)사이에 개재된 채로, 방사 차단막(51)과 유리 컨테이너(53)를 관통하여 열처리로(40)로부터 유리 컨테이너(53) 외측으로 뻗어나와 있다. 리드선(48)은 유리 컨테이너(53)외측의 분배부(27)의 일측 전극에 연결되고, 리드선(49)은 유리 컨테이너(53)외측의 분배부(27)의 타측 전극에 연결된다.
분배부(27)는 제어부(28)로부터의 제어신호에 따라 발열 저항막(47)에 공급되는 전기를 변동시킴으로써 발열 저항막(47)의 온도를 제어한다. 이로 인해, 분배부(27)는 기화기(21)에서의 연료(10)의 단위시간당 기화량 또는, 후술할 수증기 개질기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)에서의 반응진척도를 적절하게 조정한다. 예를 들어, 분배부(27)에 의해 인가된 전압이 고정되는 한, 분배부(27)는 리드선들(48, 49)을 통해 흐르는 전류를 변경할 수 있게 된다. 또한, 분배부(27)에 의해 흐르는 전류가 고정되는 한, 분배부(27)는 리드선들(48, 49)에 인가된 전압을 변경할 수 있게 된다. 또한, 분배부(27)는 전압과 전류 모두를 변경할 수도 있으며, 직류전류구동과 교류전류구동 중 어느 것으로도 수행될 수 있음은 말할 필요도 없다.
제어부(28)는 범용-CPU(중앙처리장치) 등, 또는 전용 논리회로로 구성된 연산장치로 이루워진다. 제어부(28)는 분배부(27)의 전압과 전류를 나타내는 신호를 피드백하는 기능과, 분배부(27)로부터 발열 저항막(47)으로 공급되는 전기를 조정하는 기능을 갖는다. 발열 저항막(47)에 의해 생성된 열온도는 이러한 구성에 의해 조정된다.
상기 구성을 갖는 기화기(21)에서, 유입파이프(44), 유출파이프(45), 및 리드선들(48, 49)이 방사 차단막들(51, 52)과 유리 컨테이너(53)를 관통한 상태로, 유리 컨테이너(35)는 내부에 밀봉된 공간을 갖고 있다. 유리 컨테이너(53)의 내부공간은 대기압이 매우 낮은 진공상태에 있다. 따라서, 유리 컨테이너(53)내부의 열을 전도시키는 어떠한 매체도 거의 없다. 이것은 열처리로(40)로부터 유리 컨테이너(53)의 외부로 열이 방사되는 것을 막아준다.
도 6은 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 또는 선택 산화 반응기(24)를 도시하는 단면도이다. 도 6에서 도시된 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 또는 선택 산화 반응기(24)에 있어서, 기화기(21)에서와 동일한 구성은 동일 참조번호로서 표기하며, 상기 동일 구성에 대한 설명은 여기서는 생략한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 또는 선택 산화 반응기(24)들은 대체적으로 기화기(21)와 동일한 구조를 갖는다. 하지만, 특히, 수증기 개질 반응기(22)의 유입파이프(44)는 기화기(21)의 유출파이프(45)와 통해져 있으며, 수증기 개질 반응기(22)의 유출파이프(45)는 수성 이동 반응기(23)의 유입파이프(44)와 통해져 있다. 수성 이동 반응기(23)의 유출파이프(45)는 선택 산화 반응기(24)의 유입파이프(44)와 통해져 있다. 선택 산화 반응기(24)의 유출파이프(45)는 연료전지(25)의 연료전극과 통해져 있다. 또한, 도 2에서 도시된 바와 같이, 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)들은 이 순서로 적층된다. 이 경우, 각 반응기들은 외벽을 덮는 방사 차단막(52)이 인접 반응기들의 방사 차단막(52)과 접촉되도록 적층된다.
수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)들 중 어느 하나에 있어서, 미세통로(43)의 내벽과 천장(즉, 기판(41)의 홈의 측면들)에는 개질촉매막(46)이 미세통로(43)를 따라 한쪽 끝에서부터 다른쪽 끝까지 형성된다. 개질촉매막(46)은 연료(10)에 포함된 화학연료를 개질시켜서 수소를 생성해낼때에 쓰인다. 개질촉매막(46)의 성분, 종류 등은 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)들마다 다를 수도 있다. 수증기 개질 반응기(22)에서, [반응식 1]에 의해 나타난 화학반응은 개질촉매막(46)에 의해 촉진된다. 수성 이동 반응기(23)에서, [반응식 3]에 의해 나타난 화학반응은 개질촉매막(46)에 의해 촉진된다. 선택 산화 반응기(24)에서, [반응식 4]에 의해 나타난 화학반응은 개질촉매막(46)에 의해 촉진된다.
이하에서는, 발전시스템(1)의 사용방법과 발전시스템(1)의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 연료(10)를 발전모듈(3)로 공급하기 위하여, 연료(10)를 저장한 연료 컨테이너(7)가 연료저장모듈(2)의 하우징(4)의 소정위치에 설치되어야만 한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 설치 전의 연료 컨테이너(7)에 있어서, 체크밸브(13)는 닫혀지고, 흡수부재(12)는 연료(10)를 흡수하여 팽창하고, 벨로우즈(8)는 길이가 L1이 되도록 확장된다.
도 7a에 도시된 상태에 있는 연료 컨테이너(7)가 연료저장모듈(2)을 구성하는 하우징(4)의 소정 위치에 설치된다. 이 후, 배출구(9)의 전단부분과 물 도입관(16)들이 각각 관통구멍들(5, 6)에 삽입되도록 연료 컨테이너(7)가 발전모듈(3)을 향해 밀어넣어진다. 이로써, 발전모듈(3)의 파이프(34)는 도 7b에서 도시된 바와 같이 물 도입관(16)으로 삽입된다.
이와 동시에, 발전모듈(3)쪽으로 밀어넣어진 연료 컨테이너(7)에 의해서, 배출구(9)의 전단부는 발전모듈(3)을 구성하는 하우징(30)의 바닥에 인접하고, 이로써 벨로우즈(8)를 수축시키는 방향으로 컨테이너 몸체(15)에 압력이 부여된다. 이로 인해, 연료 컨테이너(7)의 벨로우즈(8)는 길이(L1)보다 짧은 길이(L2)를 갖도록 수축된다. 그리고, 벨로우즈(8)의 길이(L2)에 따라 흡수부재(12)가 수축된다. 흡수부재(12)에 의해 흡수된 연료(19)는 흡수부재(12)의 수축에 의해 흡수부재(12)로부터 유출된다. 이 때, 컨테이너 몸체(15)의 용적이 벨로우즈(8)의 수축만큼 감소되기 때문에, 컨테이너 몸체(15)에서의 압력은 상승하고, 연료(10)는 내몰려져서 배출구(9)로 모여든다. 이 때문에, 연료(10)에서의 압력이 배출구(9)의 체크밸브(13)로 부여되고, 체크밸브(13)는 연료(10)가 배출구(9)로부터 파이프(35)에 일시적으로 유출되도록 해준다. 이것은 컨테이너 몸체(15)의 내외부의 압력을 균형시킨다. 유출되는 연료(10)는 파이프(35)와 기화기(21)의 유입파이프(44)를 통해 기화기(21)로 공급된다. 따라서, 연료저장모듈(2)로부터 발전모듈(3)로의 연료(10)의 공급이 시작된다.
이러한 방법으로 연료(10)의 공급이 시작되는 동안, 개질기(20)를 구동시키는 제어신호가 제어부(28)로부터 분배부(27)로 입력된다. 그런 다음, 분배부(27)로부터 리드선들(48, 49)을 경유하여 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)의 발열 저항막(47)으로 전력이 공급되어 발열 저항막(47)이 발열하도록 한다. 제어부(28)는 분배부(27)에 의해 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)의 발열 저항막(47)으로 공급되는 전압 및 전류를 나타내는 신호를 피드백하고, 각 발열 저항막(47)이 소정의 온도로 발열하도록 분배부(27)의 전압 및 전류를 제어한다.
이 경우, 연료 컨테이너(7)로부터 발전모듈(3)의 파이프(35)와 기화기(21)의 유입파이프(44)를 거쳐 기화기(21)의 열처리로(40)로 연료(10)가 공급된다. 공급된 연료(10)는 발열 저항막(47)에 의해 생성된 열에 의해 기화된다. 이것은 기화기(21)내의 대기압을 상승시키고 대류을 일으킨다. 이로 인해, 액체상태에 있던 연료(10)는 메탄올과 물의 혼합가스로 상변화한다. 이 혼합가스는 기화기(21)로부터 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 선택 산화 반응기(24) 및 연료전지(25)까지 이런 순서로 순환한다.
수증기 개질 반응기(22)에서, 혼합가스는 미세통로(43)를 통해 유입파이프(44)로부터 유출파이프(45)로 흐른다. 미세통로(43)를 흐르는 동안, 혼합가스는 발열 저항막(47)에 의해 가열된다. 혼합가스는 개질촉매막(46)에 의해 촉진되어 [반응식 1]과 [반응식 2]에서 보인 반응을 일으킨다. 만약 [반응식 2]에 의한 반응으로 많은 물이 생성되면, 이 생성된 물은 파이프(37)로부터 파이프(34)까지 밸브(36)에 의해 유출시켜도 좋다.
수성 이동 반응기(23)에서, 혼합가스는 미세통로(43)를 통해 흐르는 동안 발열 저항막(47)에 의해 가열되어, [반응식 3]에 의한 반응을 일으킨다. 선택적 산화 반응기(24)에서와 마찬가지로, 혼합가스는 미세통로(43)를 통해 흐르는 동안 발열 저항막(47)에 의해 가열되어, [반응식 4]에 의한 반응을 일으킨다. 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)에 의해 생성된 수소는 연료전지(25)의 연료전극에 공급된다. 연료전지(25)에서, [반응식 5]와 [반응식 6]에 의한 전기화학반응들이 일어나 전기에너지를 생성한다. 생성된 전기에너지는 축전부(26)에 저장되거나 또는 단자(32)를 거쳐 외부로 공급된다.
또한, 연료전지(25)에서, 물이 [반응식 6]에 의한 전기화학반응에 따라 생성된다. 연료전지(25)에 의해 생성된 유체로서의 물(이하부터는, "생성수"라 칭한다)은 계속해서 생성되는 물과 모세관 인력에 의해 밸브(36)를 거쳐 파이프(34)를 통해 흐르고, 파이프(34)로부터 연료 컨테이너(7)의 물 도입관(16)으로 흐른다.
생성수는, [반응식 1]과 [반응식 3]에 의한 화학반응의 좌측에서 나타난 물로서, 밸브(36)에 의해 제어되는 파이프(37)를 거쳐 수증기 개질 반응기(22)로 일부 유입될 수도 있다. 이러한 유입으로, 연료(10)에서의 물의 농도를 감소시키고, 연료(10)의 화학연료의 농도를 증가시킬 수 있게 된다.
연료 컨테이너(7)의 물 도입관(16)으로 흐르는 생성수는 이후에 생성된 물과 모세관 인력에 의해 물 도입관(16)의 통로(19)를 통해 흐르고, 컨테이너 몸체(15)의 물 도입구멍(18)에 도달하여 물 도입구멍(18)으로부터 컨테이너 몸체(15)의 공간(60)으로 유입된다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 이 유입된 생성수는 팽창부재(17)에 의해 흡수된다. 이로 인해, 팽창부재(17)의 수용성 접착제는 압축된 고체상태로부터 용융되어 풀어헤쳐지고, 팽창부재(17)는 생성수의 흡수량에 따라 점점 팽창한다. 팽창부재(17)가 팽창함에 따라, 컨테이너 몸체(15)의 외부공기 도입구멍들(14, 14, ..)으로부터 공간(60)에 공기가 유입된다. 팽창부재(17)는 생성수를 흡수함으로써 팽창하고, 유입된 공기를 흡입함으로써 확장하여, 압축 및 고형화 되기 전의 상태로 복원한다.
본 실시예에 따르면, 각각의 외부공기 도입구멍(14)들은 매우 미세한 관통구멍이기 때문에, 공간(60)과 팽창,확장한 팽창부재(17)로 유입되는 생성수는 각 외부공기 도입구멍(14)으로부터 누출되지 않게 된다.
도 7c에서의 화살표에 의해 나타난 바와 같이, 팽창부재(17)의 팽창, 확장은 팽창부재(17)를 고점성 액체(11)를 밀어내도록 만든다. 고점성 액체(11)는 팽창부재(17)의 팽창과 확장에 의한 누름 압력을 받음으로써 변위된다. 이 때문에, 흡수부재(12)에 의해 흡수된 연료(10)는 발전모듈(3)의 파이프(35)를 통해 배출구(9)로부터 순차적으로 유출된다.
고점성 액체(11)와 마주하는 팽창부재(17)의 단면은 생성수 및 고점성 액체(11)에서 불용성인 접착제에 의해 고형화될 수도 있고, 고점성 액체(11)와 팽창부재(17)사이에 시트부재를 개재시켜도 좋다. 이 경우, 팽창부재(17)가 고점성 액체(11)의 액층을 파괴하는 것을 막을 수 있다. 또한, 이것은 팽창부재(17)의 팽창 및 확장에 의한 작용을 고점성 액체(11)의 액층(팽창부재(17)에 대향하는 액면) 전체에 효율적으로 전달시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 연료(10)가 컨테이너 몸체(15)로부터 확실하게 유출될 수 있게 된다.
그런 후에, 연료(10)는 연료 컨테이너(7)로부터 이전에 유출된 순서로 기화기(21)의 유입파이프(44)를 통하여 기화기(21)에 순차적으로 공급된다. 그 다음, 공급된 연료(10)는 기화기(21)로부터 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23, 선택 산화 반응기(24) 및 연료전지(25) 까지 흐르고, 전기에너지와 생성수가 연료전지(25)에 생성되거나 생산된다. 전기에너지는 축전부(26)에 저장되거나 또는 단자(32)를 거쳐 외부로 공급된다. 생성수는 밸브(36)를 거쳐 파이프(37)를 통해 흐르고, 컨테이너 몸체(15)의 공간(60)으로 유입되는 파이프(37)를 통하여 연료 컨테이너(7)의 물 도입관(16)으로 흘러서, 팽창부재(17)에 의해 흡수된다. 그런 다음, 상술한 바와 같이, 팽창부재(17)는 팽창 및 확장하고 이로써 컨테이너 몸체(15)에 저장된 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)로부터 유출된다. 즉, 발전모듈(3)이 연료(10)를 수소로 더 많이 개질함에 따라, 더 많은 생성수가 부산물로서 공간(60)의 팽창부재(17)에 보유된다. 이 때문에, 컨테이너 몸체(15)에서의 연료(10)를 밀어내려서 컨테이너 몸체(15)밖으로 유출시키려는 응력이 작용하게 된다. 그 결과, 컨테이너 몸체(15)에서의 연료(10)는 감소되고, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)로부터 유출된다.
이 후, 연료 컨테이너(7)로부터 개질기(20)(의 기화기(21))로의 연료(10)공급과 연료전지(25)로부터 연료 컨테이너(7)로의 생성수의 유입은 연료저장모듈(2)과 발전모듈(3)사이에서 반복된다.
만약, 연료(10)가 연료 컨테이너(7)로부터 계속 유출되고 나면, 연료 컨테이너(7)에는 연료(10)가 거의 남아있지 않게될 것이다. 이 때, 연료 컨테이너(7)로부터 개질기(20)로의 연료(10)공급은 종료될 것이고, 도 7d에서 도시된 바와 같이, 고점성 액체(11)는 연료 컨테이너(7)에서의 흡수부재(12)에 접촉하도록 변위되고, 접촉되고 나면 이 위치에서 정지할 것이다.
상술한 바와 같이, 흡수부재(12)는 유(油)-반발성의 복수개의 세공들로 구성된다. 그러므로, 고점성 액체(11)는 흡수부재(12)에 의해 흡수되지 않으며, 따라서 연료 컨테이너(7)로부터 발전모듈(3)로 유출되지 않게 된다.
본 실시예에 따른 연료 컨테이너(7)에서, 고점성 액체(11)는 컨테이너 몸체(15)에 저장된 연료(10)과 적층되기 때문에, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전히 밀봉된 상태로 유지된다. 흡수부재(12)는 컨테이너 몸체(15)의 배출구(9) 근방에서 채워져 있기 때문에, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)내의 흡수부재(12)에 의해 흡수되고 배출구(9)의 근방으로 유도된다.
생성수가 컨테이너 몸체(15)의 공간(60)으로 유입되면, 이 생성수는 팽창부재(17)에 의해 흡수되고 공기는 컨테이너 몸체(15)의 공간(60)으로 유입된다. 팽창부재(17)는 생성수를 흡수함으로써 팽창하고, 유입된 공기를 흡입함으로써 확장한다. 이로 인해, 팽창부재(17)는 고점성 액체(11)를 밀어낸다. 그 결과, 고점성 액체(11)는 팽창부재(17)의 팽창과 확장에 의한 누름 압력을 받음으로써 변위되고, 흡수부재(12)에 의해 흡수된 연료(10)는 배출구(9)로부터 유출된다. 따라서, 연료 컨테이너(7)가 어떠한 자세를 유지하든지에 상관없이, 연료전지(25)에 생성수가 생성되는 한 팽창부재(17)는 팽창과 확장을 계속할 것이며, 컨테이너 몸체(15)에 저장된 연료(10)는 팽창부재(17)의 팽창과 확장에 의한 누름 압력을 받음으로써 배출구(9)로부터 계속 유출될 것이다. 그러므로, 본 실시예에서는, 연료 컨테이너(7)가 어떠한 자세로 유지되든지에 상관없이 저장된 연료(10)를 유출시키는 것이 가능하다.
본 실시예에서의 연료 컨테이너(7)에서, 컨테이너 몸체(15)에 저장된 연료(10)는 상술한 바와 같이 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전히 밀봉되기 때문에, 연료(10)는 대기에 노출되지 않게 된다. 따라서, 컨테이너 몸체(15)에 저장된 연료(10)가 휘발하여 감소되는 것을 막을 수가 있게 된다. 또한, 연료 컨테이너(7)에 연료(10)가 저장된 상태에서는, 기포가 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면, 또는 연료(10)내에 포함되지(존재하지) 않는다. 그러므로, 본 실시예의 발전시스템(1)에 따르면, 연료저장모듈(2)의 연료 컨테이너(7)로부터 발전모듈(3)로의 연료를 안정적으로 공급할 수가 있게 되며, 이로써 발전모듈(3)에 의해 생성될 전력량의 감소를 막을 수가 있게 된다.
(제 2 실시예)
이하에서는, 본 발명의 제 2 실시예를 도면들을 참조하면서 설명한다. 제 1 실시예에서와 동일한 구성요소들은 동일 참조번호로서 표기하였으며, 또한 상기 구성에 대한 설명은 여기서 생략할 것이다.
본 실시예의 연료 컨테이너(57)는 도 1에서 도시된 발전시스템(1)의 연료저장모듈(2)에 마련된 연료 컨테이너(7)에 대응한다. 연료 컨테이너(57)는 도 8에서 도시된 발전시스템(1)에서의 연료저장모듈(2)에 마련된다.
도 9a는 연료 컨테이너(57)의 외형을 도시하는 사시도이고, 도 9b는 연료 컨테이너(57)의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
연료 컨테이너(57)는 소정의 길이를 갖는 원통형의 컨테이너 몸체(15)로 이루워져 있다. 컨테이너 몸체(15)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아크릴 등의 투명 또는 반투명물질로 형성된다. 공기 등의 유체를 연료 컨테이너(57)로 유입시키는 유체 도입수단으로서의 유체 도입구멍(114)은 컨테이너 몸체(15)를 통과하도록 컨테이너 몸체(15)의 바닥에 형성된다. 유체 도입구멍(114)은 컨테이너 몸체(15)의 내외부로 통하는 단순한 통풍구멍이다. 배출구(9)는 컨테이너 몸체(15)로부터 돌출되도록 컨테이너 몸체(15)의 전단부에 마련된다. 그리고, 연료 컨테이너(57)의 종축방향으로 수축 및 팽창가능한 용적변경수단으로서의 벨로우즈(8)는 컨테이너 몸체(15)의 배출구(9) 근방에서 형성된다. 컨테이너 몸체(15)는 벨로우즈(8)가 팽창되면 그 용적이 증가하고, 벨로우즈(8)가 수축하면 그 용적이 감소되도록 구성된다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)내에 저장된다. 구체적으로, 연료(10)는 화학연료와 물과의 혼합물이다. 화학연료로서는, 메탄올, 에탄올 등의 알콜류나 또는 가솔린과 수소원소를 포함하는 화합물이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 연료(10)로서, 서로가 동일한 몰 퍼센트를 갖는 메탄올과 물을 균일하게 혼합함으로써 얻어진 혼합물을 사용한다. 컨테이너 몸체(15)내에는, 연료(10)의 액층을 완전히 덮도록 고점성 액체(11)가 적층된다. 이로 인해, 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내벽(배출구(9)는 제외)과 고점성 액체(11)에 의해 컨테이너 몸체(15)내에서 밀봉된다. 고점성 액체(11)는 연료(10)보다 고점성을 가지는 액체로서, 구체적으로는, 폴리부텐, 액성 파라핀, 스핀들유(油) 등의 무기물유나, 디메틸 실리콘유, 메틸페닐실리콘유 등의 실리콘유가 된다. 고점성 액체(11)는 안료, 염료 등의 색물질로 착색된다. 또한, 고점성 액체(11)는 연료(10)에서 불용성 또는 난용성인 것이 바람직하다.
연료(10)와 고점성 액체(11)는 그들의 수성 또는 유성 성질때문에 서로가 혼합되지 않고 분리된다. 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)내에서 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전 밀봉된 상태로 저장된다. 또한, 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면에, 또는 연료(10)내에 혼합되어 있는 공기 등의 기체는 진공장치 등으로 미리 흡입, 제거된다. 따라서, 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면, 또는 연료(10)내에서는 기포가 거의(또는 일체) 포함되지 않는다.
컨테이너 몸체(15)내의 배출구(9) 근방에는 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)가 압축상태로 채워져있다. 구체적으로, 흡수부재(12)는 유(油)-반발성체로서, 고점성 액체(11)를 삼투시키지 않고, 특히 연료(10)에 대하여 높은 흡수성을 갖는 복수개의 세공들을 갖는다. 그러므로, 고점성 액체(11)는 흡수부재(12)로 삼투되지 않기때문에(또는 흡수부재(12)로 흡수되지 않기 때문에), 고점성 액체(11)는 컨테이너 몸체(15)의 배출구(9)로부터 유출되는 일이 없게 된다. 흡수부재(12)는 컨테이너 몸체(15)에 마련된 벨로우즈(8)의 내벽과 밀착하고 있다. 따라서, 벨로우즈(8)를 수축시킴으로써 컨테이너 몸체(15)의 용적이 줄어들면, 흡수부재(12)도 수축한다. 반대로, 흡수부재(12)가 연료(10)를 흡수하여 팽창하면, 벨로우즈(8)는 확장되어 컨테이너 몸체(15)의 용적을 증가시킨다.
제 1 실시예의 연료 컨테이너(7)와 마찬가지로, 상기 구조를 갖는 연료 컨테이너(57)는, 배출구(9)가 관통구멍(5)으로 삽입되도록, 연료저장모듈(2)의 하우징(4)내에 착탈가능하게 수납된다. 연료 컨테이너(7)가 연료저장모듈(2)의 소정의 위치에 설치된 상태에서, 연료 컨테이너(15)를 구성하는 컨테이너 몸체(15)의 외주면의 일부가 하우징(4)의 외부에 노출된다. 또한, 상술한 바와 같이, 컨테이너 몸체(15)는 투명 또는 반투명하고, 고점성 액체(11)는 착색된다. 그러므로, 연료 컨테이너(57)가 연료저장모듈(2)에 설치된 상태에서는, 고점성 액체(11)의 액체표면의 변위가 컨테이너 몸체(15)를 통하여 시각적으로 인식가능해짐으로써, 연료(10)의 잔존유무 또는 연료(10)의 잔여량을 용이하게 확인할 수가 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이, 컨테이너 몸체(15)에 형성된 유체 도입수단으로서의 유체 도입구멍(114)은 단순한 통풍구멍이다. 하지만, 유체 도입구멍(14)에는, 고점성 액체(11)를 대신하여 연료(10)의 휘발성분의 투과를 차단하는 기능과, 공기를 선택적으로 투과시키는 기능을 갖는 선택성 투과막이 제공된다. 이 경우, 연료(10)의 휘발성분이 컨테이너 몸체(15)의 외부로 방산되는 것을 막음으로써, 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)가 휘발하여 감소되는 것을 저지시킬 수 있게 된다.
발전모듈(3)의 하우징(30)의 바닥에는, 아랫방향으로 돌출되어 연료저장모듈(2)에 끼워맞춰지는 파이프들(134, 35)이 설치된다. 파이프(134)는 물을 끌어들이기 위한 것이고, 파이프(35)는 연료 컨테이너(57)로부터 연료(10)를 흡입하기 위한 것이다. 파이프(134)에는 밸브(36)가 설치되고, 하우징(30)에 설치된 물 도입파이프(37)는 밸브(36)를 경유하여 파이프(134)와 통하여 있다. 파이프(134)는 발전모듈(3)에서 생성된 부산물을 연료저장모듈(2)로 전송하는 관통로로서 역할을 하는 연료저장모듈(2)의 파이프(106)와 통해 있다.
기화기(21)는 연료저장모듈(2)의 연료 컨테이너(57)로부터 파이프(35)를 통하여 공급된 연료(10)를 가열시킴으로써 연료(10)를 기화시킨다. 그리고, 기화기(21)에 의해 기화된 혼합가스는 수증기 개질 반응기(22)에 공급된다.
연료 컨테이너(57)에 저장된 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내부에 부여된 압력에 의해 파이프(35)와 유입파이프(44)를 통하여 도 4와 도 5에 도시된 미세통로(43)로 언제든지 흐를수 있도록 준비된다.
다음으로, 발전시스템(1)의 사용방법과 발전시스템(1)의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 연료(10)를 발전모듈(3)로 공급하기 위하여, 연료(10)를 저장한 연료 컨테이너(57)가 연료저장모듈(2)의 하우징(4)의 소정위치에 설치되어야만 한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 설치 전의 연료 컨테이너(57)에 있어서, 체크밸브(13)는 닫혀지고, 흡수부재(12)는 연료(10)를 흡수하여 팽창하고, 벨로우즈(8)는 확장된다. 연료 컨테이너(57)의 내부에는, 흡수부재(12)의 복원력(흡수력)(F1)과 고점성 액체(11)의 표면장력(F2)이 작용하며, 복원력(F1)과 표면장력(F2)은 서로 평형이 된다.
도 10a에 도시된 상태에 있는 연료 컨테이너(57)가 연료저장모듈(2)을 구성하는 하우징(4)의 소정 위치에 설치된다. 이 후, 배출구(9)가 관통구멍(5)에 삽입되도록 연료 컨테이너(57)가 발전모듈(3)을 향해 연료저장모듈(2)로부터 밀어넣어진다. 이로써, 배출구(9)는 관통구멍(5)으로 삽입되고, 발전모듈(3)의 파이프(35)는 도 10b에서 도시된 바와 같이 연료 컨테이너(57)의 배출구(9)로 삽입된다. 이와 동시에, 발전모듈(3)쪽으로 밀어 넣어진 연료 컨테이너(57)에 의해서, 배출구(9)의 전단부는 발전모듈(3)의 하우징(30)의 바닥에 인접하게 되고, 컨테이너 몸체(15)에는 누름 압력(F3)이 부여되고, 이로써 연료 컨테이너(57)의 흡수부재(12)와 벨로우즈(8)는 수축된다. 이로 인해, 흡수부재(12)에 의해 흡수된 연료(10)는 흡수부재(12)에 의한 수축으로 인해 흡수부재(12)로부터 방출된다. 이 때, 컨테이너 몸체(15)의 용적이 벨로우즈(8)가 수축한 만큼 감소되기 때문에, 컨테이너 몸체(15)에서의 압력은 상승하고, 연료(10)는 내몰려져서 배출구(9)로 모여든다. 이 때문에, 연료(10)에서의 압력이 배출구(9)의 체크밸브(13)로 부여되고, 체크밸브(13)는 연료(10)가 파이프(35)를 통해 연료 컨테이너(57)로부터 발전모듈(3)에 일시적으로 유출되도록 해준다. 이로 인해, 컨테이너 몸체(15)의 내외부의 압력은 균형이 맞춰진다.
또한, 유출되는 연료(10)는 마이크로펌프(파이프(35)와 기화기(21)의 유입파이프(44)사이에 개재된 마이크로펌프)에 도달할 정도로 파이프(35)를 가득채워서, 마이크로펌프의 리프트를 얻는 자극제로서 기능을 한다. 즉, 파이프(35)에는 압력에 의해 그 용적이 변위되는 가스가 존재하지 않기 때문에, 컨테이너 몸체(15)내의 연료(10)는 마이크로펌프에 의해 용이하게 획득될 수 있다. 그리고 체크밸브(13)는 연료(10)의 역류를 허용치 않기 때문에, 연료 컨테이너(57)가 일단 발전모듈(3)의 파이프(35)로 삽입되면 파이프(35)안에 기체가 혼합되지 않는다. 그러므로, 연료(10)는 마이크로펌프에 의해 안정적으로 공급될 수가 있게 된다.
그 후, 발전모듈(3)의 마이크로펌프는 제어부(28)의 제어하에 작동을 하게 된다. 따라서, 도 10c에서 도시된 바와 같이, 연료 컨테이너(57)내의 연료는 흡수부재(12)에 의해 흡수되고 파이프(35)를 통하여 마이크로펌프에 의해 흡입되며, 요구되는 발전량에 대응하는 연료(10)의 량이 순차적으로 발전모듈(3)에 공급된다. 이 상태에서, 컨테이너 몸체(15)내의 압력은 연료(10)가 감소함에 따라 낮아진다. 컨테이너 몸체(15)내외의 압력의 균형을 유지하기 위하여, 힘(F4)이 연료(10)와 고점성 액체(11)상에 작용하여 고점성 액체(11)는 연료(10)의 액층의 변위를 따른다. 이 때, 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)의 액층에 의해 둘러싸인 공간에는 음압(흡입력)이 생성된다. 하지만, 연료 컨테이너(57)를 구성하는 컨테이너 몸체(15)의 바닥에는 유체 도입구멍(114)이 설치되기 때문에, 연료(10)가 이동한 만큼(연료(10)의 액층이 변위된 만큼) 외부공기가 유체 도입구멍(114)을 통해 유입된다. 그 결과, 연료 컨테이너(57)내의 음압은 조정된다.
연료 컨테이너(57)내의 연료(10)는 계속해서 파이프(35)를 통하여 흐르고, 연료저장모듈(2)로부터 발전모듈(3)로의 연료(10)의 공급은 종료된다. 그런 다음, 도 10d에서 도시된 바와 같이, 고점성 액체(11)는 연료 컨테이너(57)내의 흡수부재(12)와 접촉하게 된다. 이 때, 흡수부재(12)는 상술한 바와 같이 유(油)-반발성 물질로 구성되며 복수개의 미세공들을 구비하고 있기 때문에, 고점성 액체(11)는 흡수부재(12)에 의해 흡수되지 않으므로, 연료 컨테이너(57)로부터 발전모듈(3)로 유출되는 일은 없게 된다.
이러한 방식으로 연료(10)가 연료저장모듈(2)로부터 발전모듈(3)로 공급되는 동안, 개질기(20)를 구동하는 제어신호가 발전모듈(3)내의 제어부(28)로부터 분배부(27)로 입력된다. 이에 반응하여, 분배부(27)로부터 리드선들(48, 49)를 통하여 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)의 각 발열 저항막(47)으로 전력이 공급되고, 발열 저항막(47)은 발열하게 된다. 제어부(28)는 분배부(27)로부터 기화기(21), 수증기 개질 반응기(22), 수성 이동 반응기(23), 및 선택 산화 반응기(24)의 발열 저항막(47)으로 공급되는 전압과 전류를 나타내는 신호를 피드백하고, 각각의 발열 저항막(47)이 소정의 온도로 발열하게끔 분배부(27)의 전압과 전류를 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 컨테이너(57)에서, 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)는 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전히 밀봉된 상태로 유지되고, 컨테이너 몸체(15)내의 흡수부재(12)의 복원력(흡수력)을 수신하도록 배열되어 있다. 연료(10)가 흡수부재(12)에 의해 흡수되면, 고점성 액체(11)는 연료(10)의 변위를 따르고, 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)의 액층에 의해 둘러싸인 공간에는 음압(흡입력)이 생긴다. 그럼에도 불구하고, 컨테이너 몸체(15)내에는 유체 도입구멍(114)이 설치되고 있기 때문에, 연료(10)가 이동한 만큼(연료(10)의 액층이 변위된 만큼), 공기가 유체 도입구멍(114)을 통하여 컨테이너 몸체(15)내의 공간으로 유입되고, 이로써 공간내의 음압은 조정된다. 따라서, 연료 컨테이너(57)가 어떠한 자세를 유지하든지에 상관없이, 즉, 배출구(9)의 머리방향이 어느방향으로 기울어져 있는지에 상관없이, 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)는, 배출구(9)근처에 채워진 흡수부재(12)에 의해 확실하게 흡수되어 컨테이너 몸체(15)내에는 연료가 거의 남게 되지 않게 된다. 따라서, 본 실시예의 연료 컨테이너(57)는, 유지되는 자세에 상관없이, 저장된 연료(10)를 거의 남김없이 전부 배출구(9) 쪽으로 인도할 수 있게 된다.
본 실시예의 연료 컨테이너(57)에서는, 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)는, 상술한 바와 같이, 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전히 밀봉되기 때문에, 연료(10)는 공기와 접촉하지 않게 된다. 그러므로, 컨테이너 몸체(15)내에 저장된 연료(10)가 휘발되어 감소되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 연료(10)가 연료 컨테이너(57)내 저장된 상태에서는, 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면 또는 연료(10)내에는 어떠한 기포도 포함되고(존재하고) 있지 않는다. 그러므로, 본 실시예의 발전시스템(1)에 따르면, 연료(10)는 연료저장모듈(2)의 연료 컨테이너(57)로부터 발전모듈(3)로 안정적으로 공급될 수 있게 됨으로써, 발전모듈(3)에 의해 생성되는 전력량의 감소는 억제된다.
본 발명은 상술한 실시예들에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 범위내에서 얼마든지 다양한 설계개선과 설계변경들이 취해질 수 있다.
예를 들어, 도 11에서 도시된 바와 같이, 연료 컨테이너(57)의 컨테이너 몸체(15)는, 연료 컨테이너(57)의 종축방향(연료(10) 또는 고점성 액체(11)가 변위되는 방향으로)으로 평행하게 배열된 복수개의 구획판들(116, 116, ...)에 의해 내부분할될 수도 있다. 이 경우, 고점성 액체(11)는 컨테이너 몸체(15)의 내벽뿐만이 아니라, 구획판들(116)과도 접촉한다. 고점성 액체(11)의 점성은 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 구획판들(116)에 작용하고, 이것은 고점성 액체(11)가 컨테이너 몸체(15)내에서 더욱 더 변위되기 어렵게 해준다. 그러므로, 연료 컨테이너(57)가 바닥에 떨어져 충격이 가해지는 경우일지라도, 연료(10)를 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 고점성 액체(11)에 의해 완전히 밀봉하여 유지할 수 있고, 연료(10)가 컨테이너 몸체(15)내에서 이동함에 기인하여 연료(10)와 고점성 액체(11)사이의 계면, 또는 연료(10)내에 기포가 포함되는 것을 막을 수가 있게 된다. 또한, 구획판들(116)간의 간격을 좁힘으로써, 표면장력에 의핸 모세관 현상을 더욱 촉진시키는 것도 가능하다. 이것은 보다 신속하게 연료(10)를 발전모듈(3)로 공급하게 해준다.
상술한 실시예들에서는, 체크밸브(13)가 연료 컨테이너(57)에 마련되었다. 하지만, 본 발명은 이것으로 국한되는 것은 아니며, 체크밸브(13)가 발전모듈(3)에 마련될 수도 있다. 이 경우, 체크밸브(13)는 마이크로펌프와 파이프(35)의 선단과의 사이에 있다면 어느 위치에 설치되어도 좋다.
이외에 여러 실시형태과 변경들이 본 발명의 사상과 범위의 큰 틀을 벗어나지 않고 얼마든지 구현될 수 있다. 또한, 상술된 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 제시된 것이지, 본 발명의 범위를 국한시키기 위한 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 실시예들보다는 이하의 청구항들에 의해 나타난다. 따라서, 본 발명의 청구항의 등가적 의미내와 본 청구항의 범위내에서 발명된 다양한 변형형태들도 본 발명의 범위내의 것으로 해석되어야만 한다.
본 출원은 2003년 3월 19일에 출원된 일본특허출원 제2003-74891호와, 2003년 3월 19일에 출원된 일본특허출원 제2003-74900호에 포함된 상세한 설명, 청구항, 도면 및 요약서에 기초된 것이다. 상기 일본특허출원의 공개명세서는 본 발명에서 참조로서 그 전체가 병합되어 있다.
본 발명은 액체연료를 저장하는 연료 컨테이너가 사용되는 산업계전반에 적용될 수 있다.

Claims (32)

  1. 컨테이너 몸체(15);
    상기 컨테이너 몸체(15)내에 구비되는 연료(10);
    상기 연료(10)를 상기 컨테이너 몸체(15) 외부로 공급하기 위하여 상기 컨테이너 몸체(15)에 마련된 배출구(9);
    상기 배출구(9)로부터의 상기 연료유출에 대응하여, 유체를 상기 컨테이너 몸체(15)로 도입하는 유체도입부(19); 및
    상기 유체도입부(19)와 통해 있으며, 상기 유체를 흡수함으로써 상기 컨테이너 몸체(15)내에서 팽창하는 팽창부재(17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체는 상기 배출구(9)로부터 유출된 상기 연료(10)로부터 생성된 생성물인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내의 상기 연료(10)와 상기 팽창부재(17)사이에 개재되어 마련된 고점성 액체(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련되며, 상기 컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적 변경부(8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하며, 상기 흡수부재(12)는 상기 용적 변경부(8)에 의한 상기 컨테이너 몸체(15)의 용적의 감소에 반응하여 수축하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 용적 변경부(8)는 응력에 대한 반응으로 수축과 팽창이 가능한 벨로우즈인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내로 외부공기를 도입시키는 외부공기 도입부(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 외부공기 도입부(14)는 상기 컨테이너 몸체(15)의 내외부와 통해 있는 통풍구멍인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 통풍구멍에 마련되며, 상기 연료(10)의 휘발성분의 투과를 차단하고, 외부공기를 선택적으로 투과시키는 선택성 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)로부터 상기 배출구(9)의 외부로 상기 연료(10)가 유출되는 것은 허용하고, 상기 배출구(9)의 외부로부터 상기 컨테이너 몸체(15)로 상기 연료(10)가 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 도입부(19)는 상기 팽창부재(17)와 연결되고, 상기 유체가 흐르도록 해주는 통로인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창부재(17)는 펄프, 섬유, 직물 등에 수용성 접착제를 첨가압축하여 얻어진 압축체인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  14. 배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
    상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
    상기 배출구(9)가 존재하는 측의 반대측상에서 상기 연료(10)와 접촉하도록 상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련된 고점성 액체(11);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적 변경부(8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하며, 상기 흡수부재(12)는 상기 용적 변경부(8)에 의한 상기 컨테이너 몸체(15)의 용적의 감소에 반응하여 수축하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 배출구(9)가 존재하는 측의 반대측상에서 상기 연료(10)와 접촉하도록 상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련된 고점성 액체(11)와;
    상기 컨테이너 몸체(15)의 내벽과 상기 고점성 액체(11)의 액층에 의해 둘러싸인 공간으로 유체를 도입시키는 유체 도입부(114);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 유체 도입부(114)는 상기 컨테이너 몸체(15)의 내외부와 통해있는 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 연료(10)의 휘발성분의 투과는 차단하고, 공기의 투과는 선택적으로 허용하는 상기 구멍(114)에서의 선택성 투과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)로부터 상기 배출구(9)의 외부로 상기 연료(10)가 유출되는 것은 허용하고, 상기 배출구(9)의 외부로부터 상기 컨테이너 몸체(15)로 상기 연료(10)가 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 고점성 액체(11)는 무기물 유(油) 또는, 실리콘 유(油)를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하며, 상기 흡수부재(12)는 유(油)-반발성의 다공질체로서, 고점성 액체(11)를 삼투시키지 않는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  24. 제 14 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨테이너 몸체(15)의 적어도 일부는 투명 도는 반투명물질로 구성되고, 상기 고점성 액체(11)는 착색되는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  25. 제 14 항에 있어서, 상기 연료(10)의 액층 또는 상기 고점성 액체(11)가 변위되는 방향으로 평행하게 배열되고, 상기 연료 컨테이너(57)의 내부를 복수개의 부분들로 분할하는 구획판(116)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  26. 배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
    상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
    상기 컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적변경부(8);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 용적 변경부(8)는 응력에 대한 반응으로 수축과 팽창이 가능한 벨로우즈인 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 배출구(9)가 존재하는 측의 반대측상에서 상기 연료(10)와 접촉하도록 상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련된 고점성 액체(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  30. 배출구(9)를 구비한 컨테이너 몸체(15);
    상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련되는 연료(10); 및
    상기 컨테이너 몸체(15)내를 채우며, 상기 연료(10)를 흡수하는 흡수부재(12);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 배출구(9)가 존재하는 측의 반대측상에서 상기 연료(10)와 접촉하도록 상기 컨테이너 몸체(15)내에 마련된 고점성 액체(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 컨테이너 몸체(15)의 용적을 변경시키는 용적변경부(8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 컨테이너.
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