KR20060128942A - 연료전지 전력과 관리 시스템, 및 그를 제어 및/또는동작하기 위한 기술 - Google Patents

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KR20060128942A
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글렌 엠 던
폴 게첼
덩컨 디 맥그리거
싱클레어 디 맥그리거
케네스 이 피어슨
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제이두 파워 시스템스 인코퍼레이티드
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Abstract

본 명세서에서 다수의 발명이 설명되고 도시된다. 일 양태에서, 본 발명은 휴대가능한 연료전지 전력 및 관리 시스템 (예를 들어, 수소 및/또는 메탄올 기반 시스템), 그 구성요소 및/또는 엘리먼트 뿐만 아니라, 이러한 시스템을 제어하고 및/또는 동작하기 위한 기술로 설명된다. 연료전지 전력 관리 시스템 (및 이를 제어하고 및/또는 동작하는 방법) 은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 능동적으로 모니터, 관리 및/또는 제어한다. 예를 들어, 시스템은 소비 및/또는 시스템에 의한 연료의 소비 레이트를 모니터, 관리, 및/또는 제어하고, 이에 응답하여, 잔류하고, 소비된 연료의 양, 소비의 레이트 및/또는 모든 연료가 소비될 때까지 남아있는 시간을 사용자에게 제공 및/또는 경고할 수도 있다. 이러한 방법으로, 사용자는 이에 따라 스케줄을 정하고 또는 계획한다.
연료전지 전력, 관리 시스템

Description

연료전지 전력과 관리 시스템, 및 그를 제어 및/또는 동작하기 위한 기술{FUEL CELL POWER AND MANAGEMENT SYSTEM, AND TECHNIQUE FOR CONTROLLING AND/OR OPERATING SAME}
관련 출원의 상호참조
본 출원은 2004 년 1 월 22 일 출원된 "Integrated Fuel Management System for Fuel Cells" (이하 "가출원") 이라는 명칭의 미국 가출원 일련번호 60/538,646 호에 대해 우선권을 주장한다. 가출원의 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.
발명의 배경
본 발명은 연료전지 전력과 관리 시스템, 및 이러한 시스템을 제어 및/또는 동작하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 일 양태에서, 연료전지 전력 및 관리 시스템, 예를 들어, 수소 및/또는 메탄올 (methanol) 기초 시스템, 뿐만 아니라 그 구성요소, 엘리먼트 및/또는 부속시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 소형 휴대용 전기 및 전자 디바이스는 전원으로서 배터리를 종종 채용한다. 그러나, 종래의 배터리는 제한된 에너지 저장 용량을 가지며, 그 제한된 에너지 저장 용량이 고갈된 후에는 폐기되거나 재충전되어야만 한다. 폐기되는 경우, 종래의 배터리는 배터리의 제조에 이용된 독성 재료로 인해 환경적인 위해 (environmental hazard) 를 드러낸다. 재충전하는 경우, 종래 배터리 의 재충전 프로세스는 시간 소모적이며, 배터리의 사용기간이 증가함에 따라 배터리의 충전 상태를 결정하는 것이 더욱 어려워진다. 이에 관하여, 수명은 예측불가하고 믿을 수 없게 되어서 사용자는 배터리가 유용한 수명을 다 끝마치기 전에 배터리를 폐기하기도 하고, 따라서 여분의 배터리를 휴대해야 하는 사용자에 의한 추가적인 비용을 초래한다. 전문가용 비디오 카메라, 랩탑 컴퓨터, 및 셀룰러폰과 같은 애플리케이션은 종래의 배터리가 제공할 수 있는 것보다 긴 실행시간을 요구하기도 한다.
배터리 기반 시스템 이외에, 연료전지 시스템이 전력의 휴대용 전원을 제공하기 위해 채용될 수 있다. 일 실시형태에서, 연료전지는 예를 들어, 수소, 수소가 풍부한 가스, 수소를 함유하는 화합물 또는 수요가 있는 즉시 수소를 추출할 수 있는 재료 (예를 들어, 수소화물 저장 카트리지) 를 채용한다. 통상적으로, 이러한 연료전지 시스템은 수소 원자를 전자 및 양성자로 분리하기 위한 애노드 단부, 전자의 경로를 제공하는 전류 보유부, 양성자의 경로를 제공하는 양성자 교환막 (proton exchange membrane) 과 같은 매개자, 및 전자 및 양성자를 산소의 존재시 물분자로 재결합시키기 위한 캐소드 단부를 포함한다. 저장 컨테이너의 연료 (예를 들어, 수소) 가 주기적으로 충전되면, 종래의 연료전지는 종래 배터리보다 긴 시간 주기에 걸친 전기를 종종 생성하기도 한다. (예를 들어, 미국 특허출원 번호 제 5,683,828 호; 제 5,858,567 호; 제 5,863,671 호; 및 제 6,051,331 호 참조).
발명의 개요
본 명세서에서 다수의 발명들 및 이들 발명의 다수의 양태들이 기술 및 설명되어 있다. 제 1 주요 양태에서, 본 발명은 수소계 연료로부터 전력을 생성하기 위해 수소계 연료를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지 및 수소계 연료 카트리지에 연결된 전력 유닛을 포함하는 수소계 연료전지 관리 시스템이다. 본 발명의 이 양태에서, 수소계 연료 카트리지는 수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기, 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리, 및 제어 회로소자 (예를 들어, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러) 를 포함한다. 전력 유닛은 수소계 연료를 수용하고, 그로부터 전력을 생성하기 위한 수소계 연료전지를 포함한다.
하나 이상의 동작 파라미터는 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양일 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지가 전력 유닛으로 수소계 연료를 제공하는 시간을 이용하여, 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 제어 회로소자는 연료 용기 내의 연료의 압력 및 온도를 나타내는 데이터를 이용하여, 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터한다.
하나 이상의 동작 파라미터는 전력 유닛에 의한 수소계 연료 소비 레이트일 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로소자는 용기 내의 연료의 온도, 용기내의 연료의 압력 및 연료의 흐름 레이트를 나타내는 데이터를 제공하는 하나 이상의 센서를 이용하여, 전력 유닛에 의해 수소계 연료의 소비 레이트를 모니터한다.
일 실시형태에서, 메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성 을 나타내는 데이터를 더 저장한다. 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성은 연료 카트리지의 일련번호, 연료 카트리지 제조 날짜, 연료 카트리지의 조립 날짜, 연료 용기에 포함되는 연료의 유형, 연료 카트리지의 연료 용량, 및 연료 카트리지가 행한 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
특히, 메모리는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 저장한다.
또한, 일 실시형태에서, 수소계 연료 카트리지는 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 정보를 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이를 포함할 수도 있다.
연료 카트리지의 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정할 수도 있고, 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 메모리에 저장할 수도 있다. 일 실시형태에서, 메모리 및 제어 회로소자는 동일한 집적회로 디바이스 상에 배치된다.
또한, 전력 유닛은 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터 (예를 들어, 연료 용기에서 소비된 수소계 연료의 양) 를 결정하기 위해 제어 회로소자를 구비할 수도 있다. 이 실시형태에서, 전력 유닛의 제어 회로소자소자는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정할 수도 있고, 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 연료 카트리지의 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장할 수도 있다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 동작 파라미터가 연료 용기 내에서 잔류하는 수소계 연료의 양인 경우, 전력 유닛의 제어 회로소자소자는 수소계 연료 카트리지가 전력 유닛으로 수소계 연료를 제공하는 시간을 이용하여, 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 전력 유닛의 제어 회로소자는 연료 용기 내에서 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 이용하여 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정한다.
또한, 본 발명의 이 양태의 수소계 연료 카트리지는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 외부 회로로 제공하기 위해 통신 회로를 구비할 수도 있다. 통신회로는 무선 통신 기술을 채용할 수도 있다.
다른 주요 양태에서, 본 발명은 수소계 연료로부터 전력을 생성시키기 위해 수소계 연료를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지와 수소계 연료 카트리지에 연결된 전력 유닛, 및 연료 용기 내의 저장용으로 연료를 수소계 연료 카트리지로 제공하기 위해 수소계 연료 카트리지에 접속되도록 하는 리필 유닛을 포함하는 수소계 연료전지 관리 시스템이다. 본 발명의 이 양태에서, 수소계 연료 카트리지는 수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기, 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리, 및 제어 회로소자 (예를 들어, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러) 를 포함한다. 전력 유닛은 수소계 연료를 수용하고 그로부터 전력을 생성시키기 위한 수소계 연료전지를 포함한다.
하나 이상의 동작 파라미터는 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양일 수도 있다. 일 실시형태에서, 전력 유닛은 수소계 연료 카트리지가 전력 유닛으로 수소계 연료를 제공하는 시간을 이용하여, 연료 용기 내부에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하기 위한 제어 회로소자를 포함한다. 전력 유닛의 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 전력 유닛으로 제공하는 시간을 이용하여, 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 전력 유닛의 제어 회로소자는 연료 용기 내의 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 이용하여, 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터할 수도 있다. 하나 이상의 동작 파라미터는 전력 유닛에 의한 수소계 연료의 소비 레이트일 수도 있다.
메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성 및/또는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 저장할 수도 있다. 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성은 연료 카트리지의 일련번호, 연료 카트리지의 제조 날짜, 연료 카트리지의 조립 날짜, 연료 용기내에 포함된 연료의 유형, 연료 카트리지의 연료 용량, 및 연료 카트리지가 행한 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
일 실시형태에서, 수소계 연료 카트리지는 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 정보를 시각적으로 표시하기 위해 디스플레이를 포함할 수도 있다.
전력 유닛은 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하기 위해 제어 회로소자를 포함할 수도 있다. 실제로, 전력 유닛의 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정할 수도 있고, 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 연료 카트리지의 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장할 수도 있다.
리필 유닛은 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하기 위해 제어 회로소자를 구비할 수도 있다. 이에 관하여, 리필 유닛의 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정할 수도 있고, 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 연료 카트리지의 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장할 수도 있다. 하나 이상의 동작 파라미터가 연료 용기 내에서 잔류하는 수소계 연료의 양일 경우, 리필 유닛의 제어 회로소자는 수소계 연료 카트리지가 리필 유닛으로부터 수소계 연료를 수용하는 시간을 이용하여, 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정할 수도 있다. 이에 더해 또는 그 대신에, 리필 유닛의 제어 회로소자는 연료 용기 내에서 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 이용하여, 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정할 수도 있다. 특히, 하나 이상의 동작 파라미터는 연료 용기에서 소비된 수소계 연료의 양등일 수도 있다.
다른 주요 양태에서, 본 발명은 수소계 연료로부터 전력을 생성하기 위해 수소계 연료를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지 및 수소계 연료 카트리지에 연결된 전력 유닛을 포함하는 수소계 연료전지 관리 시스템이다. 이 양태에서, 수소계 연료 카트리지는 수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기, 기계적인 인터페이스를 포함하는 카트리지 인터페이스, 카트리지 밸브 어셈블리, 제어 회로소자, 및 수소계 연료 카트리지의 복수의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리를 구비한다. 본 발명의 이 양태의 전력 유닛은 카트리지 인터페이스의 기계적 인터페이스에 기계적으로 접속하기 위해 기계적인 인터페이스를 포함하는 전력 유닛 인터페이스, 및 카트리지 밸브 어셈블리를 체결 (engage) 하여 수소계 연료를 수소계 연료 카트리지에서 전력 유닛으로 흐를 수 있게 하는 전력 유닛 밸브 어셈블리를 포함한다. 또한, 전력 유닛은 연료 카트리지로부터 수소계 연료를 수용하고 그로부터 전력을 생성하기 위해 전력 유닛 밸브 어셈블리에 연결된 수소계 연료전지를 포함한다.
일 실시형태에서, 복수의 동작 파라미터 중 적어도 하나는 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양이다. 다른 실시형태에서, 복수의 동작 파라미터 중 적어도 하나는 전력 유닛에 의해 수소계 연료의 소비 레이트이다.
메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성을 나타내는 데이터, 및/또는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 저장할 수도 있다. 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성은 연료 카트리지의 일련번호, 연료 카트리지의 제조 날짜, 연료 카트리지의 조립 날짜, 연료 용기 내에 포함되는 연료의 유형, 연료 카트리지의 연료 용량, 및 연료 카트리지가 행한 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함한다.
일 실시형태에서, 수소계 연료 카트리지는 수소계 연료 카트리지의 복수의 동작 파라미터 중 하나 이상을 나타내는 정보를 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 전력 유닛은 수소계 연료 카트리지의 복수의 동작 파라미터의 하나 이상을 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하기 위해 제어 회로소자를 구비한다. 전력 유닛의 제어 회로소자는 복수의 동작 파라미터의 하나 이상을 나타내는 데이터를 연료 카트리지의 메모리에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장할 수도 있다.
또한, 본 명세서에서 다수의 발명들 및 이들 발명의 다수의 양태들이 기술 및 설명되어 있다. 본 발명의 이러한 요약은 본 발명의 범위를 속속들이 규명해 내지는 못한다. 또한, 본 발명의 요약은 본 발명을 제한하도록 의도되지 않고, 제한하는 방법으로 해석되지 않아야만 한다. 본 발명의 특정 실시형태, 특징, 속성 및 이점이 본 발명의 요약에서 설명되었으나, 본 발명의 다른 및/또는 유사한 실시형태, 특징, 속성 및/또는 이점등도 이하의 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해진다.
도면에 대한 간단한 설명
이하의 상세한 설명에서는, 첨부 도면을 참조한다. 이러한 도면들은 본 발명의 서로 다른 양태들을 나타내며, 서로 다른 도면들에서 동일한 구조, 구성요소, 재료 및/또는 엘리먼트 등을 나타내는 적절한 참조 번호가 동일하게 (similarly) 라벨링되어 있다. 도시한 것들 외의 구조, 구성 요소, 재료 및/또는 엘리먼트, 각종 조합도 구상될 수 있으며 본 발명의 범위 내이다.
도 1a 는 본 발명의 제 1 양태에 따른 연료 카트리지 및 전력 유닛을 포함하는 휴대용 연료전지 전력 및 관리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1b 는 본 발명의 제 2 양태에 따른 연료 카트리지 (재충전가능-유형), 전력 유닛 및 리필 유닛을 포함하는 휴대용 연료전지 전력 및 관리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른 연료 카트리지의 선택된 기계적 엘리먼트를 나타내는 블록도이다.
도 3a 및 도 3b 는 각각 연료 용기에 해당되는 특정 양태의 예시적인 치수들을 포함 (도 3b 참조) 하는 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른 연료 카트리지의 연료 용기의 사시도 및 단면도이다.
도 3c 는 카트리지 밸브 어셈블리 및 카트리지 고리 어셈블리 (cartridge collar assembly) 와 관련하여, 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른 연료 카트리지의 연료 용기의 단면도이다.
도 4a 는 버스트 디스크 (burst disc) 및 리테이너 (retainer) 가 포핏 (poppet) 어셈블리의 나머지 엘리먼트들로부터 분리된, 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른 포핏 어셈블리의 사시 분해도를 도시한다.
도 4b 는 도 4a 의 예시적인 포핏 어셈블리의 사시의 조립도를 도시한다.
도 4c 는 도 4b 의 예시적인 포핏 어셈블리의 측면도를 도시한다.
도 4d 는 선 A-A 에 따라 분할된 도 4c 의 예시적인 포핏 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 4e 는 도 4b 의 예시적인 포핏 어셈블리의 단부 도면 (말단부 (distal end) 로부터) 을 도시한다.
도 5a 는 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른, 카트리지 밸브 어셈블리의 사시 분해도를 도시한다.
도 5b 는 도 5a 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 사시 조립도를 도시한다.
도 5c 는 도 5b 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 측면도를 도시한다.
도 5d 는 카트리지 밸브 어셈블리가 폐쇄된 상태에 있을 때, 선 A-A 에 따라서 분할된 도 5c 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 5e 는 도 5b 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 (말단부로부터) 단부 도면을 도시한다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시형태의 일 양태에 따른 도 5b 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 6b 는 밸브가 폐쇄 상태에 있을 때, 도 6a 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 특정 구성요소의 단면도를 도시한다.
도 6c 는 밸브가 개방 상태에 있을 때, 도 6a 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 특정 구성요소의 단면도를 도시한다.
도 7a 는 본 발명 양태의 다른 실시형태에 따른 카트리지 밸브 어셈블리의 사시 분해도를 도시한다.
도 7b 는 도 7a 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 사시 조립도를 도시한다.
도 7c 는 도 7b 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 단부 도면 (말단부로 부터) 을 도시한다.
도 7d 는 도 7b 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 7e 는 카트리지 밸브 어셈블리가 폐쇄 상태에 있을 때, 선 A-A 에 따라 분할된 도 7d 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 7f 는 카트리지 밸브 어셈블리가 개방 상태에 있을 때, 선 A-A 에 따라 분할된 도 7d 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b 는 각각 연료 카트리지가 카트리지 고리 어셈블리를 포함하는 본 발명의 양태의 일 실시형태에 따른 연료 카트리지의 분해된 사시도 및 사시도를 도시한다.
도 9a 및 도 10a 는 카트리지 인터페이스의 부분, 카트리지 일렉트로닉스 및 카트리지 디스플레이와 관련하여, 일 실시형태에 따른 분해된 카트리지 고리 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 9b 및 도 10b 는 카트리지 인터페이스 및 카트리지 디스플레이의 부분과 관련하여, 일 실시형태에 따른 분해된 카트리지 고리 어셈블리의 사시도를 나타낸다.
도 11a 는 전력 유닛 또는 리필 유닛 (가능한 경우) 의 콘택트가 연료 카트리지의 카트리지 인터페이스의 전기적 인터페이스의 콘택트 패드를 관여시키는, 전력 유닛 또는 리필 유닛의 전기적 인터페이스의 일부 및 카트리지 고리 어셈블리와 관련하여, 일 실시형태에 따른 카트리지 인터페이스의 전기적 인터페이스의 사시도이다.
도 11b 는 본 발명의 양태의 일 예시적인 실시형태에 따른 전기적인 인터페이스의 사시도이다.
도 12 는 전력 유닛 또는 리필 유닛 (가능한 경우) 의 기계적인 인터페이스의 일부 및 카트리지 고리 어셈블리와 관련하여, 일 실시형태에 따른 카트리지 인터페이스의 기계적인 인터페이스의 사시도이다.
도 13a 는 본 발명의 일 예시적인 실시형태에 따른 연료 카트리지의 카트리지 디스플레이 및 카트리지 일렉트로닉스의 특정 구성요소의 사시 분해도를 도시한다.
도 13b 는 도 13a 의 카트리지 디스플레이 및 예시적인 카트리지 일렉트로닉스의 특정 구성요소의 사시 조립도를 도시한다.
도 13c 는 도 13b 의 카트리지 디스플레이 및 예시적인 카트리지 일렉트로닉스의 단면도를 도시한다.
도 14a, 도 14b 및 도 14c 는 본 발명의 일 양태의 예시적인 실시형태에 따라 카트리지 디스플레이에 관련하여, 카트리지 일렉트로닉스의 개략적인 블록도이다.
도 14d, 도 14e 및 도 14f 는 본 발명의 일 양태의 다른 예시적인 실시형태에 따른 카트리지 일렉트로닉스의 개략적인 블록도이다.
도 15 는 본 발명의 양태의 다른 예시적인 실시형태에 따른 카트리지 디스플레이 및 카트리지 일렉트로닉스의 구성요소의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 16a 는 본 발명의 일 예시적인 실시형태에 따라 연료 카트리지에 결합되 며, 연료 카트리지를 수용하도록 일 포트를 구비하는 전력 유닛의 측면 사시도를 도시한다.
도 16b 는 포트가 연료 카트리지를 수용하고, 관여시키고 보호하기 위해 전기적 및 기계적인 인터페이스를 포함하는, 도 16a 의 전력 유닛의 전면 사시도를 도시한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 도 17d 및 도 17e 는 본 발명의 양태의 예시적인 실시형태에 따라 전력 카트리지 (등) 의 전기적 인터페이스 및 전력 유닛 디스플레이에 결합되는, 전력 유닛 일렉트로닉스의 개략적인 블록도이다.
도 18a 는 본 발명의 양태의 예시적인 실시형태에 따른, 4 개의 리필 포트를 구비하는 리필 유닛의 사시도를 도시한다.
도 18b 는 도 18a 의 리필 유닛의 리필 포트의 전면 사시도를 도시한다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 도 19d 및 도 19e 는 본 발명의 양태의 예시적인 실시형태에 따른 전력 카트리지 (등) 의 전기적 인터페이스에 관련하여, 리필 유닛 일렉트로닉스의 개략적인 블록도이다.
도 20 은 본 발명의 일 예시적인 실시형태에 따라, 온도 센서-경감 포트 어셈블리를 포함하는 카트리지 밸브 어셈블리의 부분적인 사시 단면도를 도시한다.
발명의 상세한 설명
본 명세서에서 다수의 발명을 기술 및 설명한다. 일 양태에서, 본 발명은 휴대용 연료전지 전력 및 관리 시스템 (예를 들어, 수소 및/또는 메탄올 기반 시스템), 그 구성요소 및/또는 엘리먼트, 뿐만 아니라 이러한 시스템을 제어 및/또 는 동작하기 위한 기술로 지시된다. 연료전지 전력 관리 시스템 (및 그들을 제어 및/또는 동작하기 위한 방법) 은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 능동적으로 모니터, 관리 및/또는 제어한다. 예를 들어, 시스템은 소비 및/또는 그에 대응하는 시스템에 의한 연료의 소비 레이트를 모니터, 관리 및/또는 제어하며, 모든 연료가 소비될 때까지 남아있는 연료, 소모된 연료, 소비의 레이트 및/또는 남아있는 시간 (또는 그 추정치) 을 사용자에게 제공하거나 및/또는 주의시킬 수도 있다. 이러한 방법으로, 사용자는 이에 따라 스케줄을 정하고 또는 계획할 수도 있다.
일 실시형태에서, 본 발명은 연료 카트리지 및 전력 유닛을 포함한다. 연료 카트리지는 그로부터 전기를 생성하기 위해 전력 유닛에 의해 채용되는 연료를 함유한다. 연료 카트리지는 전력 유닛 내부 또는 상부의 연료전지로 연료를 제공하기 위해 전력 유닛에 접속된다. 일 실시형태에서, 연료는 수소 또는 메탄올이다. 그러나, 본 발명은 임의의 연료 및 연료전지 시스템에 관련하여 구현될 수도 있고, 이는 현재 또는 이후에 전개되어 공지되며; 본 발명의 범위 내에 있도록 모든 연료전지 시스템 (재충전가능 여부) 에 속하도록 의도된다. 특히, 이 출원이 수소 또는 메탄올 연료의 관점에 있기 때문에, 본 발명은 관리 시스템에 관련된 다른 연료에도 적용가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 전력 시스템 (및 그를 모니터, 관리 및/또는 제어 및/또는 동작하는 방법) 은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 능동적으로 모니터, 관리 및/또는 제어한다. 예를 들어, 이러한 동작 파라미터는 연료 소비 및/또는 그 레이트, (예를 들어, 연료 카트리지의) 온도, (예를 들어, 연료 카트리지 내부의 연료의) 압력, 전력 소비 (예를 들어, 그 전력 유닛 및/또는 출력으로 인한 전압 및 전류 생성, 및/또는 전류 소비), 및/또는 임의의 고장 또는 시스템의 결함 (예를 들어, 연료 누출, 기계적, 전기적 및/또는 전자적 인터페이스 결함), 또는 구성요소, 엘리먼트 및/또는 그 서브시스템일 수도 있다.
특히, 연료 카트리지 및/또는 전력 유닛은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 능동적으로 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 이에 관하여, 연료 카트리지 및/또는 전력 유닛은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 모니터, 관리 및/또는 제어하도록 인에이블 및/또는 구성될 수도 있다. 연료 카트리지 및/또는 전력 유닛에 할당된 프로세스를 모니터, 관리하고 및/또는 제어하는 것은 고정되고, 사전설정되고, 사전결정되고, 사전프로그래밍되고 및/또는 구성 (제자리에서 또는 다른 점에서) 가능할 수도 있다. 일 실시형태에서, 사용자 또는 외부 디바이스 (무선 및/또는 유선 통신을 통한) 는 연료전지 시스템의 연료 카트리지 및/또는 전력 유닛의 동작 파라미터의 동작을 모니터하고 관리하고 및/또는 제어하는 동작을 인에이블, 디스에이블, 프로그래밍하고 및/또는 구성할 수도 있다.
또한, 다른 실시형태에서, 본 발명은 연료 카트리지 내부에서 연료를 보충하고 및/또는 저장하기 위해 리필 유닛을 포함한다. 이에 관하여, 연료 카트리지는 연료 카트리지의 저장 용기 내에 연료를 주기적으로, 간헐적으로 및/또는 필요 에 따라 보충하고 및/또는 저장하기 위해 리필 유닛에 접속될 수도 있다. 연료 카트리지 이외에 또는 그 대신에, 리필 유닛은 리필 프로세스의 하나 이상의 동작 파라미터를 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 실제로, 연료 카트리지 및/또는 전력유닛 이외에 (또는 그 대신에), 리필 유닛은 연료전지 시스템의 다른 서브시스템 (예를 들어, 전력 유닛 또는 연료 카트리지) 의 동작 파라미터를 모니터, 관리 및/또는 제어하는 것을 사용자 또는 외부 디바이스로 인해 인에이블, 디스에이블, 프로그래밍하고 및/또는 배열하게 하도록 채용될 수도 있다. 이와 같이, 이 실시형태에서, 연료전지 전력 및 관리 시스템은 휴대 가능하고 재충전 가능하며, 연료 카트리지, 전력 유닛 및/또는 리필유닛은 연료전지 시스템의 하나 이상의 동작 파라미터를 능독적으로 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다.
도 1a 를 참조하여, 일 실시형태에서, 본 발명의 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 은 연료 카트리지 (100) 및 전력 유닛 (200) 을 포함한다. 연료 카트리지 (100) 는 카트리지 인터페이스 (102) 및 연료 카트리지 (100) 와 전력 유닛 (200) 사이에 연료의 전달을 용이하게 하는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 포함한다. 카트리지 인터페이스 (102) 는 전력 유닛 (200) 의 인터페이스와 "일치시키는 (mate)" 기계적인 인터페이스를 포함한다. 카트리지 인터페이스 (102) 의 기계적인 인터페이스와 관련하여, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 연료 카트리지 (100) 로부터 전력 유닛 (200) 으로 연료의 제어된 교환을 용이하게 한다.
또한, 일 실시형태에서, 연료 카트리지 (100) 는 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및 카트리지 디스플레이 (108) 를 포함한다. 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 를 모니터, 관리, 제어 및/또는 저장하기 위해 회로를 포함한다. 카트리지 디스플레이 (108), 예를 들어, LCD 또는 LED 디스플레이는 카트리지 일렉트로닉스 (106) 에서 사용자 또는 조작자로 정보, 예를 들어, 하나 이상의 동작 파라미터의 상태의 교환을 용이하게 하기 위해 연료 카트리지 (100) 의 대략 상부 또는 내부에 배치될 수도 있다. 이러한 방법으로, 사용자 또는 조작자는 이러한 정보를 시각적으로 검토할 수도 있다. 특히, 연료 카트리지 (100) 는 사용자 또는 조작자에 이러한 정보를 청각적으로 제공하기 위해 청각 지표 (미도시) 를 포함 (카트리지 디스플레이 (108) 이외의 또는 그 대신에) 할 수도 있다.
전력 유닛 (200) 은 연료 카트리지 (100) 로부터 연료를 수용하고 연료 카트리지 (100) 와 접속하고 또는 확실히 관여시키기 위해 전력 유닛 인터페이스 (202) 및 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 를 포함한다. 전력 유닛 인터페이스 (202) 는 연료 카트리지 (100) 의 전기적인 인터페이스와 "일치시키는" 전기적인 인터페이스를 포함한다. 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 는 연료 카트리지 (100) 로부터 전력 유닛 (200) 으로 연료의 안전하고 제어된 교환을 용이하게 한다.
일 실시형태에서, 호스 (hose) 및 배관 (tubing) 은 연료 카트리지 (100) 로부터 전력 유닛 (200) 으로 연료의 흐름을 용이하게 하기 위해 연료 카트리지 (100) 과 전력 유닛 (200) 사이에 삽입될 수도 있다. 호스 또는 배관은 적절한 접속 인터페이스를 포함할 수도 있고 적절한 접속 인터페이스에 접속하도록 할 수도 있어서, 연료 카트리지 (100) 와 전력 유닛 (200) 사이에서 적절한 유체 (및/또 는 전기적인) 전달을 제공한다.
또한, 일 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 은 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 및 전력 유닛 디스플레이 (208) 를 포함한다. 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 을 모니터, 관리, 제어 및/또는 저장하기 위해 회로를 포함한다.
전력 유닛 디스플레이 (208), 예를 들어, LCD 또는 LED 디스플레이는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 및/또는 연료 카트리지 일렉트로닉스 (106) 로부터 정보, 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터의 상태를 획득하기 위해 사용자 또는 조작자를 허용하기 위해 전력 유닛 (200) 상부 또는 내부 (예를 들어, 리세스된 (recessed) 방법으로) 에 적절하게 배치될 수도 있다. 이에 관하여, 정보가 카트리지 인터페이스 (102) 의 전기적인 인터페이스 및 전력 유닛 인터페이스 (202) 를 통하여 연료 카트리지 일렉트로닉스 (106) 에 의해 전력 유닛 디스플레이 (208) 에 제공되고 및/또는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 에 의해 계산, 결정 및/또는 측정될 수도 있다.
특히 전력 유닛 디스플레이 (208) 와 같은, 카트리지 디스플레이 (108) 는 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터의 상태를 제공할 수도 있다. 이에 관하여, 표시되는 정보는 전술한 연료 카트리지 일렉트로닉스 (106) 에 의해 계산, 결정 및/또는 측정될 수도 있으며, 및/또는 전력 유닛 인터페이스 (202) 및 카트리지 인터페이스 (102) 의 전기적 인터페이스를 통해서 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 에 의해 카트리지 디스플레이 (108) 로 제공 될 수도 있다. 이러한 방법으로, 사용자 또는 조작자는 전력 유닛 디스플레이 (208) 을 대신하거나 또는 이 외에 카트리지 디스플레이 (108) 를 이용하여, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 시각적으로 검토할 수도 있다.
또한, 연료 카트리지 (100) 에서와 같이, 전력 유닛 (200) 은 사용자 또는 조작자에게 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 청각적으로 제공하기 위해 청각 지표 (미도시) 를 포함 (전력 유닛 디스플레이 (208) 을 대신하거나 또는 이에 더해) 할 수도 있다.
또한, 전력 유닛 (200) 은 연료 카트리지 (100) 에 의해 제공된 연료를 전력으로 전환하기 위해 연료전지 (210) 를 포함한다. 연료전지 (210) 는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 의 전기적 인터페이스를 통해서, 전력을 외부 디바이스, 예를 들어, 카메라 또는 컴퓨터로 제공한다. 특히, 통상적으로, 수소계 연료전지의 관점에서, 연료전지 (210) 는 수소 원자를 전자 및 양성자로 분해하기 위한 애노드 단부, 전자를 위한 경로를 제공하는 부분을 가지는 전류, 양성자를 위한 경로를 제공하는 양성자 교환막과 같은 매개체, 및 전자 및 양성자를 산소의 물분자로 재결합하기 위한 캐소드 단부를 포함한다. 연료전지 (210) 는 이하 더욱 상세하게 설명된다.
연료 용기 (110): 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c 를 참조하여, 일 실시형태에서, 연료 카트리지 (100) 는 높은 압력 (elevated pressure) 에서 예를 들어, 산소, 또는 메탄올 등을 저장하기 위한 연료 용기 (110) 를 포함한다. 용기 (110) 는 특정 연료가 저장된 통상적인 압력에 저항하기 위해 충분한 두께를 가지는 실린더 (cylinder) 가 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 수소의 관점에서, 통상적으로 카트리지 (100) 는 제곱 인치 당 (PSI; per square inch) 5,500 파운드까지의 압력에서 수소를 저장할 수도 있다. 수소를 포함하는 연료 용기 (110) 의 공칭 동작 압력은 약 2,200 PSI 의 공칭 시험 압력 및 5,100 PSI 의 공칭 파열 압력을 가지고, 약 600 PSI 의 최대 동작 압력을 가지는 약 250 PSI 이다.
계속하여 도 3a, 도 3b 및 도 3c 를 참조하여, 일 실시형태에서, 연료 용기 (110) 의 재료는 6061 알루미늄과 같은 알루미늄이다. 용기 (110) 는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 에 대한 고정 엘리먼트 (securing element) 로서 작용하는 내부 스레드 (114; internal thread) 를 가지는 넥-하부 영역 (112; necked-down area) 을 포함하는 종래의 형태이다.
또한, 연료 용기 (110) 는 스레드로서 도시된 고리-부착 메커니즘 (116; collar-attaching mechanism) 을 포함한다. 고리-부착 메커니즘 (116) 은 카트리지 고리 어셈블리 (118) 의 상호 (reciprocal) 스레드 및 고리-부착 메커니즘 (116) 의 스레드를 통하여 카트리지 고리 어셈블리 (118) 를 연료 용기 (110) 로 연결하는 것을 용이하게 한다 (도 3c 참조). 이하 설명되는 바와 같이, 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 카트리지 일렉트로닉스 (106) 와 카트리지 디스플레이 (108) 를 연료 용기 (110) 로 부속시키기 위한 메커니즘이다.
수소 기반 연료전지 시스템의 경우에, 연료 용기 (110) 의 내부 챔버 (110a) 는 수소의 저장을 돕고 및/또는 용기 (110) 내에 수소의 저장의 용량을 강화하기 위해 수소를 흡수하는 수소화물 재료의 입자 (미도시) 가 있을 것이다.
카트리지 밸브 어셈블리 (104): 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 유체의 형태로 연료를 연료 카트리지 (100) 에서 전력 유닛 (200) 으로의 제어된 교환을 가능하게 한다. 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 연료 용기 (110) 의 내부 스레드 (114) 와 연결하는 스레드를 통해 연료 용기 (110) 에 단단하게 고정될 수도 있다 (예를 들어, 도 3c 참조). 동작에서, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 2 가지 이상의 상태, 제 1 상태 또는 활성화된 상태를 포함하여, 연료가 연료 카트리지 (100) 의 챔버 (110a) 의 외부 또는 내부의 두 방향 모두로 흐를 수도 있다. 제 2 상태 또는 비활성화 상태에서, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 연료 흐름을 방해하거나 또는 불가능하게 하고, 이러한 경우에 연료가 챔버 (110a) 내에 포함된다. 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 연료 카트리지 (100) 의 챔버 (110a) 로부터 유체 누출을 방지하기 위해 설계된 밸브 실 (129; valve seal) 을 포함한다 (예를 들어, 도 3c 참조).
특히, 연료는 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 에 대한 연료 소오스로서 제공될 때, 연료 카트리지 (100) 의 외부로 흐른다. 연료 카트리지 (100) 가 재충전가능한 경우에, 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 가 충전되거나 또는 리필될 때 (예를 들어, 주기적으로, 간헐적으로, 또는 필요에 따라서), 연료는 연료 카트리지 (100) 로 흐를 수도 있다.
도 3c 및 도 4a 내지 도 4d 를 참조하여, 일 실시형태에서, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 포핏 어셈블리 (122) 를 포함한다. 포핏 어셈블리 (122) 는 말단부 (122a; distal end) 및 근위단부 (122b; proximal end) 를 포함한다. 동작에서, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 와 비례하는 플랜지 (124; flange) 의 위치는 가스의 흐름 (예를 들어, 플랜지 (124) 주위의 흐름) 을 허용한다. 이 실시형태에서, 플랜지 (124) 는 플랜지 (124) 의 에지 주위에 하나 이상의 평탄한 측면 (124a) 을 포함하여 다중측면화 (multisided) 된다. 특히, 측면의 수는 임의의 수일 수도 있지만, 일반적으로 2 개 이상이다. 이 예시적인 실시형태에서, 플랜지 (124) 는 3 개의 구부러진 측면 (124b) 과 함께 3 개의 평탄한 측면을 포함한다. 특히, 이러한 설명의 관점에서, 다른 디자인도 적절하며, 이는 당업자에게 자명해질 것이다. 예를 들어, 톱니모양의 (notched), 부채꼴모양의 (scalloped) 및/또는 줄모양의 (drilled) 홀 디자인이 수행될 수도 있다.
포핏 어셈블리 (122) 는 내부 유체 통로 (126; internal fluid passage) 를 더 포함한다. 이 예시적인 실시형태에서, 내부 유체 통로 (126) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 길이를 연장한다. 이러한 설명의 관점으로, 내부 유체 통로 (126) 의 다른 디자인도 적절하며, 이는 당업자에게 자명할 것이다. 실제로, 내부 유체 통로 (126) 의 다른 실시형태가 이하 설명된다.
또한, 포핏 어셈블리 (122) 가 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 다른 엘리먼트와 함께 배치될 때, 포핏 어셈블리 (122) 는 충분한 밀봉을 제공하거나 이를 강화하기 위해 밀봉 링 (128) 을 포함할 수도 있다.
유체 도관 (126a; fluid conduit) 은 포핏 어셈블리 (122) 의 말단부 (122a) 에서 내부 유체 통로 (126) 로부터 외부 표면으로 연장한다. 버스트 디스크 (130) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 근접 단부 (122b) 에 위치되고, 버스트 디스크 (130) 를 위해 설계되거나 또는 이에 적절할 수도 있는 리테이너 (130a) 옆에 위치되어 유지된다. 특히, 버스트 디스크 (130) 및 리테이너 (130a) 는 분리된 구성요소일 수도 있고, 또는 단일 구성요소로써 제조될 수도 있다. 리테이너 (130a; retainer) 는 리테이너 (130a) 상의 내부 스레드에 대응하는 스레드 또는 이 설명의 관점에서 당업자에게 명백한 다른 수단에 의해 포핏 어셈블리 (122) 의 근접 단부 (122b; proximal end) 에 일치된다 (도 4a 참조). 솔더 (solder) 의 "서클 (circle)" 은 버스트 디스크 (130) 상에 배치될 수도 있고, 리테이너 (130a) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 근접 단부 (122b) 에 있는 스레드에 고정되고, 이후, 포핏 어셈블리 (122) 의 근접 단부 (122b) 에 버스트 디스크 (130) 및 리테이너 (130a) 를 더 확보하기 위해 가열된다. 또한, 버스트 디스크 (130) 는 리테이너 (130a) 를 포핏 어셈블리 (122) 의 근접 단부 (122b) 로 위치시켜 크림핑 (crimping) 함으로써 확보될 수도 있다.
특히, 또한, 버스트 디스크 (130) 는 압력 경감 디바이스로써 기능할 수도 있다. 이에 관하여, 버스트 디스크 (130) 는 압력이 소정의 압력 이하로 강하할 때, 사전 설정된 압력에서 개방 및 폐쇄되도록 설계될 수도 있다. 일 실시형태에서, 버스트 디스크 (130) 는 연료 용기 (110) 의 레이팅 이하의 제곱 인치 당 레이팅으로 특정 중량 (pound) 으로 평가될 수도 있다 (도 3a 내지 도 3c 에 도시). 일반적으로, 버스트 디스크 (130) 는 제곱 인치 당 500Ibs 내지 3000Ibs 으로 평가될 수도 있다.
도 5a 내지 도 5e 를 참조하여, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 말단부 (132a) 및 근접 단부 (132b) 를 가지는 밸브 어셈블리 하우징 (132) 을 더 포함한다. 어셈블리 하우징 공동 (134) 은 긴 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 길이를 연장한다. 밸브 어셈블리 하우징 (132) 은 하우징 (132) 의 말단부 (132a) 에 위치된 방사형으로 (radially) 연장하는 플랜지 (136) 를 포함한다. 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 외부 표면 (132c) 은 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 연료 용기로 (도 3c 에 도시된 바와 같이, 내부 스레드 (114) 를 통해서) 확보하기 위한 스레드를 포함한다. 밸브 어셈블리 하우징 (132) 내의 내부 숄더부 (internal shoulder) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 밀봉 링 (128) 의 배치 및/또는 안정된 "자리" 를 용이하게 하기 위해 내부 공동 (134) 를 한정한다.
카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 포핏 어셈블리 (122) 에 대항하여 고정되고 프랜지 (124) 에 대항하여 밀어서 움직이는 스프링 (138) 을 더 포함한다. 스냅링 (snap ring) 으로서 이 예시에 도시된 패스너 (140a; fastner) 는 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 하우징 공동 (134) 내에 와셔-스프링 포핏 어셈블리 및 밀봉 링 (128) 을 보유하기 위해 와셔 (140b) 와 스프링 (138) 에 대항하여 고정된다. 스냅링이 위치하면, 다중측면화된 플랜지 (124) 는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 내부 섹션을 봉합하기 위해 위치 지정된 밀봉 링 (128) 을 가지는 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 숄더에 대항하여 고정된다.
입자 필터 (142) 는 연료 용기 (110) 의 공동 (110a) 내에 있는 임의의 미립 자의 성분을 유지 및/또는 보유하기 위해 설계된 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 근접 단부 (132b) 에 (조립되는 경우) 위치지정될 수도 있다. 용기 (110) 내부에 임의의 고체 (예를 들어, 수소화물) 를 보유하는 동안, 입자 필터 (142) 는 이를 흐르게 하기 위해 유체 형태 (예를 들어, 수소 또는 메탄올) 의 연료를 허용한다.
특히, 하나 이상의 밀봉 링 (144; 도 7a 의 144a 및 144b) 은 연료 카트리지 (100) 의 다른 구성요소와 혼합될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 통합성 (integrity) 을 강화하기 위해 하우징 공동 (134) 의 말단부 (132a) 내부에 위치지정될 수도 있다. 이러한 방법으로, 체결되거나 또는 접속될 때, 연료 카트리지 (100) 와 전력 유닛 (또는 적절한 경우, 리필 스테이션 (300)) 사이에서 연료 또는 유체 경로의 실 (seal) 이 강화된다.
도 6b 를 참조하여, 동작에서, 포핏 어셈블리 (122) 의 플랜지 (124) 및 밀봉 링 (128) 이 스프링 (138) 에 의해 하우징 공동 (134) 의 내부 숄더에 대항하여 밀려서 이동될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 폐쇄 상태에 있다. 이러한 상태에서, 연료 카트리지 용기 (110) 의 챔버 (110a) 내부에 함유된 연료 (즉, 유체) 는 챔버 (110a) 내부로 또는 챔버 (110a) 외부로 흐르는 것으로부터 방지된다. 근접 단부 (132b) 는 용기 (110) 의 내부에 고정된다. 입자 필터 (142) 는 유체의 흐름을 허용하지만, 용기 (110) 로부터 새나가는 임의의 미립자를 방지 및/또는 최소화하기 위해 위치되고, 위치지정되고 설계된다.
도 6c 를 참조하여, 포핏 어셈블리 (122) 의 플랜지 (124) 및 밀봉 링 (128) (즉, 포핏 어셈블리 (122) 의 말단부 (122a) 에서) 은 하우징 공동 (134) 의 내부 숄더로부터 멀리 강요되거나 또는 밀려질 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 개방 상태 (그로 인해, 유체가 챔버 (110a) 의 내부 또는 외부로 흐를 수도 있는) 에 있다. 이러한 방법으로, 보이드 (146; void) 가 플랜지 (124)/밀봉 링 (128) 과 하우징 공동 (134) 의 내부 숄더 사이에 형성되고, 그로 인해, 입자 필터 (142), 하우징 (132) 의 내부 공동 (134), 스프링 (138), 보이드 (146) 로 가는 갭 (148) 의 주변과 유체 도관 (126a) 을 통해서 내부 유체 통로 (126) 로의 공간 사이의 압력 (챔버 (110a) 내부 또는 외부로 이동하는) 하에서 유체 또는 연료 (예를 들어, 수소) 의 이동을 허용한다.
특히, 동작에서, 포핏 어셈블리 (122) 의 말단부 (122a) 는 플랜지 (136) 의 정면 상부 상의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 로 나오는 전력 유닛 (200) 의 또는 리필 유닛의 핀 (미도시) 에 의해 밀린다. 이러한 작용 또는 동작은 이하 상세하게 설명되고 도시된다.
카트리지 밸브 어셈블리는 많은 상이한 디자인을 이용하여 구현될 수도 있다. 이러한 다른 디자인은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다. 사실상, 모든 유형의 카트리지 밸브 어셈블리는 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
특히, 많은 변형이 도 4a 내지 도 4e, 도 5a 내지 도 5e 및 도 6a 내지 도 6c 의 예시적인 카트리지 밸브 어셈블리에서 이루어질 수도 있다. 이러한 변형은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7c 를 참조하여, 일 다른 디자인에서, 이 통로가 포핏 어셈블리 (122) 의 전체 길이를 연장하지 않으나, 여전히 이 통로는 유체 도관 (126a) 과 이어져 있도록, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 캡 (150) 에 의해 폐쇄된 내부 유체 통로를 가지는 포핏 어셈블리 (122) 를 포함한다. 또한, 플랜지 또는 숄더 (152) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 말단부 (122a) 에 위치된다.
또한, 이 실시형태의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 포핏 어셈블리 (122) 의 팁 (150) 상으로 고정되는 스프링 (154) 을 포함한다. 스프링 (154) 은 스프링 (138) 보다 "약한" 스프링이 되도록 설계되고, 이와 같이, 스프링 (154) 은 스프링 (138) 보다 큰 레이트에서 또는 그 이전에 압축되는 경향이 있다. 조립될 때, 캡 (158a) 은 스프링 (154) 상에 고정되고, 스냅 링 (156) 은 스프링 (154) 주위에 고정된다.
도 7e 및 도 7f 를 참조하여, 스프링 (138) 이 스프링 (154) 보다 강하기 때문에, 폐쇄 상태 또는 위치는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 에 의해 취해진 자연 위치 또는 비-활성 상태일 것이다. 이에 관하여, 동작에서, 스프링 (138) 은 밀봉 링 (128) 이 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 숄더에 대항하여 고정되는 포핏 어셈블리 (122) 를 밀어서 또는 강제로 이동시켜서, 하우징 공동 (134) 를 통한 유체의 임의의 흐름을 효과적으로 방지한다.
도 7f 를 참조하여, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 캡 (158a) 의 정면 표면 (158b) 이 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 말단부 (132a) 에서 하우징 공동 (134) 를 통해 전력 시스템 (200) 또는 리필 유닛 (300) (이하 상세하게 설명되는 것과 같이) 두 개 모두의 핀 또는 스터브 (stub) 구성요소 (미도시) 에 의해 체결될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 개방 상태에 있다. 이에 응답하여, 스프링 (154) 은 밸브 어셈블리 (104) 의 스냅 링 (156) 상에서 바닥을 벗어나기 위해 압축되고, 캡 (158a) 을 강제로 또는 밀어서 이동시킨다. 또한, 핀 또는 스터브 구성 요소 (미도시) 는 그 팁으로부터 연장하고, 캡 (158a) 의 상부 표면 (158b) 상에 개구를 통해 연장하는 직경의 핑거 (finger) 또는 신장부를 더 가진다. 도 7f 에 도시된 것과 같이, 캡 (158a) 및 팁 (150) 에 대항하는 완력은 포핏 밸브 (122) 를 하나의 위치로 이동하기에 충분하다. 이러한 방법으로, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 로부터의 유체 (예를 들어, 가스) 는 밸브 어셈블리 하우징 (132) 의 말단부 (132a) 에서 통로 (148) 와 보이드 (146) 의 외부를 통해서 하우징 공동 (134) 로 흐른다.
동작에서, 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 에 연결될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 인터페이스에서의 연결로 인해 자동적으로 개방된다. 이에 관하여, 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 인터페이스 상의 수형태 신장부 (male-type extension) 가 포핏 어셈블리 (122) 를 폐쇄 위치 또는 상태 (예를 들어, 도 6b 및 도 7e 참조) 에서 개방 위치 또는 상태 (예를 들어, 도 6c 및 도 7f 참조) 로 관여시키고, 활성화하고 및/또는 밀어서 이동하기 위해 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 말단부 (132a) 에서 연료 카트리지 (100) 의 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓 (female-type receptacle) 를 체결한다. 기계적 인터페 이스 (102b) 가 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 기계적 인터페이스로부터 단절될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 가 자동적으로 폐쇄되어 용기 (110) 내의 유체/연료를 밀봉 및/또는 보유하게 하고 연료 카트리지 (100) 내의 연료의 적절한 압력을 유지하게 한다.
특히, (이하, 전력 유닛 (200) 및 리필 유닛 (300) 에 관하여 각각 설명됨) 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304) 또는 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 의 핀 또는 스터브 구성요소는 2 개의 부분을 가지며, 한 부분은 캡 (158a) 의 상부 표면 (158b) 상에 개구를 통하여 고정되는 신장부 또는 핑거 및 캡 (158a) 의 상부에 대항하여 위치 조정되고, 수개의 이점을 획득하며, 여기서 이점 (1) 밸브는 캡 (158a) 의 정면에 의해 유발되는 오손 (dirt) 등으로부터 보호되고; (2) 캡 (158a) 은 펜 팁 (pen tip) 과 같이 성질이 다른 물체에 의해 캡이 밀어내어 지는 경우에도, 캡 (158a) 은 상당한 거리를 두고 설계되며; 및 (3) 페이퍼 클립과 같은 날카로운 품목이 밸브 (104) 내부로 삽입된다고 하여도, 이를 개방하기 위해 둥근 포핏 팁 (150) 에 접속하는데 충분한 지레 장치는 없다 (연료의 부적절한 방전에 대항하여 안전한 특징을 나타낸다) 는 이점을 가진다.
카트리지 고리 어셈블리 (118) : 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 카트리지 인터페이스 (102), 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및 카트리지 디스플레이 (108) 를 연료 용기 (110) 로 확보하고 또는 부착하기 위한 메커니즘이다. 도 8a 및 도 8b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 연료 용기 (110) 의 넥-하부 영역 (112) 에 부착된다. 전기적 인터페이스 (102a), 기계적 인터페이스 (102b) 및 디스플레이는 연료전지 전력의 다른 구성요소 및 관리 시스템 (10) 으로의 통신을 용이하게 하기 위해 카트리지 고리 어셈블리 (118) 상부에, 내부에 및/또는 카트리지 고리 어셈블리로 고정된다. 또한, 카트리지 고리 어셈블리 (118) 내부의 개구는 연료 용기 (110) 에 고정될 때, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 와 예를 들어, 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 사이에서 유체 전달 (communication) 을 허용하기 위해 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 노출한다.
카트리지 인터페이스 (102), 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및/또는 카트리지 디스플레이 (108; 또는 임의의 다른 구성요소) 를 연료 용기 (110) 로 확보하기 위한 많은 기술 및 아키텍처가 있다. 본 명세서에 기재되고 도시된 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 콤팩트하고, 경량이며 효율적인 디자인인 예시적인 기술/아키텍처이다. 현재 공지되어 있지 않거나 이후에 개발될지라도, 카트리지 인터페이스 (102), 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및/또는 카트리지 디스플레이 (108; 및/또는 임의의 다른 구성요소) 를 연료 카트리지 (100) 의 연료 용기 (110) 로 확보하기 위한 모든 기술 및 아키텍처는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 사실상, 하나 이상의 이러한 구성요소들이 단일의 및/또는 통합된 연료 카트리지 (100) 를 제공하기 위해 예를 들어, 연료 용기 (110) 로 고정될 필요가 없는 예시들에서, 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 필요하지 않을 수도 있고 및/또는 이롭지 않을 수도 있다.
도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 카트리지 인 터페이스 (102), 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및 카트리지 디스플레이 (108) 는 카트리지 고리 어셈블리 (118) 상부, 내부 및/또는 카트리지 고리 어셈블리에 배치된다. 이에 관하여, 카트리지 디스플레이 (108) 는 예를 들어, 관리 시스템 (10) 및 연료전지 전력의 다른 유닛 및/또는 연료 카트리지 (100) 의 각종 파라미터를 판단하기 위한 능력을 사용자 또는 조작자에게 제공 또는 공급하는 정보의 시각적인 디스플레이 (예를 들어, LCD 또는 LED 디바이스) 일 수도 있다. 보호 커버 또는 막 (108a) 은 카트리지 디스플레이 (108) 상에 걸쳐서 배치될 수도 있다. 또한, 디스플레이 (108) 가 계속적으로 "on" 상태가 아닌 (예를 들어, 연료 카트리지 (100) 가 "전력 절약" 모드에 있거나 및/또는 연료 카트리지가 정지상태에 있을 때) 이러한 예시에서, 콘택트 스위치 (108b; 예를 들어, 콘택트 버튼) 가 카트리지 디스플레이 (108) 를 활성화시키기 위해 채용될 수도 있다.
일 실시형태에서, 전원 (160; 예를 들어, 배터리) 이 예를 들어, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 의 회로 및 카트리지 디스플레이 (108) 에 전력을 제공하기 위해 채용될 수도 있다. 전원 (160) 은 일회용일 수도, 재사용 불가능할 수도 또는 재사용 가능할 수도 있다. 커버 플레이트 (162) 는 손상으로부터 배터리를 보호하고, 카트리지 고리 어셈블리 (118) 로 또는 내부로 전원 (160) 을 확보하고, 제거 및 그에 대한 대체를 용이하게 한다. 또한, 배터리 압축 패드 (162a) 는 전원 (160) 및 연료 카트리지 (100) 의 다른 회로사이에서 충분한 전기적 콘택트를 확보할 뿐만 아니라 강화하고, 적절한 위치에서 전원 (160) 을 유지하기 위해 채용될 수도 있다.
도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b 를 참조하여, 전기적 인터페이스 (102a) 는 연료 카트리지 (100) 의 회로 사이에서 전기적 상호접속을 제공하기 위해 회로기판 (164; 링 인쇄 회로 기판과 같이 예시적인 실시형태에서 도시된) 을 포함한다. 회로 기판 (164) 은 연료 카트리지 (100) 와 무관한 디바이스에 전기적 통신을 용이하게 하기 위해 복수의 전기적 콘택트 점 (전기적 콘택트 패드 (166) 과 같이 도시된) 과 함께 고정될 수도 있다. 예시적인 실시형태에서, 회로기판 (164) 주위에 3 개의 동일하게 거리를 둔 간격을 가진다. 적절하게 위치된 "차단 (cut-out)" 영역 또는 개구 (164b) 를 가지는 회로기판 커버 (164a) 가 고정되어 회로기판 커버 (164a) 가 회로기판 (164) 상에 위치될 때, 콘택트 (166) 는 노출된다.
또한, 전기 콘택트 패드 (166; 전기적 인터페이스 (102a) 의) 가 카트리지 고리 어셈블리 (118) 내의 개구를 통해 외부로 노출되고 회로기판 (164) 상에 배치되고 위치된다 (예를 들어 ,도 11b 참조). 이러한 방법으로, 전력 유닛 (200) 및 리필 유닛 (300) 의 전기적 인터페이스 (202a 및 302a) 의 콘택트 핀은 그 사이에 적절한 전기적 전달 및/또는 연결을 제공하기 위해 전기적 콘택트 (166) 를 관여시킬 수도 있다 (예를 들어, 도 11a, 도 16b 및 도 18b 참조).
이 실시형태에서, 회로기판 (164) 은 회로기판 (164) 상의 3 개의 위치 또는 구역에서 콘택트 패드 (166) 의 3 개의 세트 (set) 를 포함한다 (예를 들어, 도 11b 참조). 이러한 위치 및 구역은 전력 유닛 (200) 및 리필 유닛 (300) 의 기계적 인터페이스의 일치시키는 동작 (mating operation) 에 일관되거나 또는 이에 따른다. 그러나, 이러한 개시의 관점에서, 당업자는 연료 카트리지 (100) 와 전력 유닛 (200) (또는 리필 유닛 (300)) 사이에서 전기적 통신을 제공하기에 충분하다.
일 실시형태에서, 콘택트 패드 (166) 는 손쉬운 콘택트를 위해 도금된다. 안전성을 고려하여, 그라운드 제 1 콘택트 배열이 유리할 수도 있다; 그러나, 다른 배열도 적절하다.
특히, 보유 링 (retention ring) 은 나사, 디텐트 스프링 (detent spring) 및 볼 (ball) 을 이용하는 어댑터 가이드에 부착될 수도 있다. 어댑터 가이트 및 보유 링은 카트리지 고리 어셈블리 (118) 내부에 압축되어 고정될 수도 있고, 다음으로, 연료 용기 (110) 와 카트리지 고리 어셈블리 (118) 사이에 "끼워 넣어 (sandwiched)" 질 수도 있다. 이러한 방법으로, 다양한 구성요소 (예를 들어, 회로기판 (164) 및 회로기판 커버 (164a)) 가 카트리지 고리 어셈블리 (118) 내에 확실히 고정 및/또는 보유될 수도 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 연료 카트리지 (100) 는 연료 카트리지 (100) 에서 전력 유닛 (200) 으로 (또는 적용가능한 경우, 리필 유닛 (300) 으로부터 연료 카트리지 (100) 로) 연료의 제어된, 연속적인 및/또는 방해받지 않는 교환을 용이하게 하기 위해 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) (예를 들어, 연료 카트리지 (100) 가 재충전가능한 유형인 경우) 의 기계적 인터페이스와 "일치 (mate) 시키기 위해" 기계적 인터페이스 (102b) 를 포함한다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) 으로 연료 카트리지 (100) 의 부착 (및, 특히, 연료 용기 (110) 및 카트리지 밸브 어셈블리 (104)) 을 용이하게 하는 상대적 으로 콤팩트한 디자인을 제공하기 위해 카트리지 고리 어셈블리 (118) 내부에 기계적 인터페이스 (102b) 가 배치된다 (예를 들어, 도 12, 도 16b 및 도 18b 참조). 카트리지 기계적 인터페이스 (102b) 의 부분인 어댑터 가이드 (168) 는 연료 카트리지 (100) 에서 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) 으로의 확보를 돕기 위해 카트리지 고리 어셈블리 (118) 로 고정될 수도 있다.
도 12 를 참조하여, 카트리지 기계적 인터페이스 (102b) 는 전력 유닛 (200) 및 리필 유닛 (300) 의 수형태 기계적 인터페이스 (202b) 및 전기적 인터페이스 (302b) 각각에 관여시키기 위해 암형태소켓를 포함한다. 이하 본 명세서에서 설명되지만, 예시적인 수형태 기계적 인터페이스는 암형태소켓 기계적 인터페이스 (102b) 의 오목부 (recess) 에 고정되는 경사진 에지를 가지는 "이어 (ear)" 를 포함한다. "이어" 상세하게, 경사진 에지는 암형태 소켓 기계적 인터페이스 (102b) 의 숄더와 맞닿도록 설계된다. 그 이후, 대략 1/4 회전은 연료 카트리지 (100) 를 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) 으로 확보한다. 이러한 인터페이스 설계는 약간의 비틀림 동작을 요구하고, 연료 카트리지 (100) 을 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) 으로 확보하기 위한 완력은 3 개의 위치의 임의의 하나에서 생성되도록 설계된다. 이와 같이, 이러한 설계는 연료 카트리지 (100) 의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 가 개방하기 전에 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓를 기계적으로 관여시킴으로써 연료 카트리지 (100) 의 후퇴 (push back) 를 방지한다.
특히, 연료 카트리지 (100) 의 기계적 인터페이스 (102b) 는 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 을 가지는 연료 카트리지 (100) 의 "평활한" 인터페이스를 용이하게 하는 수 개의 엘리먼트를 포함한다. 이러한 점에서, 이 실시형태에서, 기계적 인터페이스 (102b) 는 연료 카트리지 (100) 의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 와 협력하는 "암형태소켓" 이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 기계적 인터페이스 (102b) 는 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 메일 (male) 신장부를 수용하기 위해 설계된다. 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓는 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 에서 연료 카트리지 (100) 를 정렬하고, 삽입하고, 확보하고, 및 보유하기 위한 방법을 제공한다. 또한, 기계적 인터페이스 (102b) 의 설계는 연료 카트리지 (100) 의 내부 또는 외부로 이동하는 유체의 흐름을 허용하거나 또는 방지하기 위해 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 작용을 용이하게 한다.
이하, 이상의 상세한 설명에서 논의되는 바와 같이, 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓와의 조합은 전력 유닛 (200) 의 기계적 인터페이스 (202b) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 기계적 인터페이스 (302b) 의 수형태 신장부이다 (예를 들어, 도 12 참조). 전력 유닛 (200) 의 수형태 신장 기계적 인터페이스 (202b) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 기계적 인터페이스 (302b) 는 본 명세서의 연료 카트리지 (100) 의 얼라인먼트 (alignment), 삽입, 확보 (captivation), 및 보유를 위한 수단을 제공하기 위해 연료 카트리지 (100) 의 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓를 관여시키도록 설계된다.
전기적 인터페이스 (102a) 및 카트리지 일렉트로닉스 (106): 도 11b, 도 13a 내지 도 13c 를 참조하여, 일 예시적인 실시형태에서, 카트리지 디스플레이 (108) 및 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 회로기판 (164) 상에 탑재된다. 회로기판 (164) 은 카트리지 디스플레이 (108), 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및 전기적 인터페이스 (102a) 를 포함하는 다양한 구성요소를 상호 접속하기 위해 전기적 트레이스 (trace) 를 포함한다.
4-회로 커넥터로서 도시된, 커넥터 (170) 는 회로기판 (164) 의 밑면 상에 탑재된다. 커넥터 (170) 는 카트리지 디스플레이 (108) 의 각종 구성요소 및 특징등을 테스트하기 위해 채용될 수도 있다.
전원 컨택트 (172) 는 회로기판 (164) 상에 전기적 트레이스에 의해 상호접속된 회로 및 구성요소로 적절한 전압 및 전류를 제공하기 위해 전원 (160) (예를 들어, 배터리) 을 체결한다.
도 14a 를 참조하여, 일 실시형태에서, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위해 제어 회로소자 (174) 를 포함한다. 제어 회로소자 (174) 는 분리된 구성요소의 조합일 수도 있고, 또는 집적회로 예를 들어, 하나 이상의 적절히 프로그램된 (파견 이전이든지 또는 인시츄 (in situ) 에서 든지 간에) 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 상태 기계 및/또는 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 ("FPGA") 일 수도 있다. 제어 회로소자 (174) 는 전원 (160) (예를 들어, 재충전가능한 또는 재충전불가능한 배터리) 으로부터 전력을 수용한다.
또한, 일 실시형태에서, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 메모리, 예를 들어, SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM 및/또는 EEPROM 를 포함한다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 동작 파라미터 및/또는 마이크로코드를 나타내는 데이터 또는 정보는 예를 들어, SRAM, DRAM, ROM 또는 EEPROM 에 저장될 수도 있다. 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터 또는 정보는 전류 상태 및/또는 히스토리 데이터 (historical data) 를 포함할 수도 있다. 메모리 (176) 는 분리된 구성요소로 이루어질 수도 있고, 또는 다른 비메모리 동작을 수행하는 집적회로, 예를 들어, 제어 회로소자 (174), 내부 또는 상부에 속할 수도 있다.
일 실시형태에서, 카트리지 메모리 (176) 는 조합 연료 카트리지 (100) 의 하나 이상의 속성을 저장 또는 보유할 수도 있다. 예를 들어, 카트리지 메모리 (176) 는 조합 연료 카트리지 (100) (예를 들어, 조합 일련번호, 제조 및/또는 조립 날짜, 연료 카트리지 (100) 의 하나 이상의 구성요소의 공급기에 부속하는 데이터, 연료 용량, (적용가능한 경우) 리필과 그 데이터의 수, 일렉트로닉스/소프트웨어의 수정 또는 시리즈, 및/또는 연료의 유형) 로 고유하게 식별하고 및/또는 조합 연료 카트리지 (100; 예를 들어, 모델 수) 를 더욱 일반적으로 식별하는 데이터를 저장할 수도 있다. 또한, 카트리지 메모리 (176) 는 카트리지 (100) 에 대한 충전 알고리즘을 포함할 수도 있다. 이러한 방법으로, 카트리지 (100) 가 리필 유닛 (300) 또는 전력 유닛 (200) 으로 연결될 때, 카트리지 메모리 (176) 는 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300; 적용가능한 경우) 또는 사용자/조작자에게 카트리지 (100) 의 고유하고 일반적인 특성 (예를 들어, 연료의 용량 및 유형) 이 제공되도 록 유효하기 할 수도 있어서, 적절한 동작 및 집적화를 확인, 검증, 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어 회로소자 (174) 는 하나 이상의 동작 파라미터 예를 들어, 잔류하는 및/또는 소비된 연료의 양, 연료 소비의 레이트, 연료 용기 (110a) 내의 연료의 온도 및 압력, 연료 용기 (110a) 의 외부 온도, 및 연료 카트리지 (100) 의 동작 상태 (예를 들어, 임의의 결함 또는 에러가 기록된) 를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로소자 (174) 는, 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 에 연료를 제공하고 이에 연결되며 및/또는 리필 유닛 (300 연료 카트리지 (100) 가 재충전가능한 유형인) 으로부터 연료를 수용하고 이에 연결되는 시간에 기초하는 연료 소비의 레이트뿐만 아니라, 잔류하는 및/또는 소비된 연료의 양을 추정, 결정 및/또는 모니터할 수도 있다. 이 상태는 예를 들어, 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 에 의한 접근에 대해 메모리 (176) 에 주기적으로 업데이트 및/또는 저장될 수도 있다.
도 14b 를 참조하여, 이에 더하거나 또는 그 대신에, 제어 회로소자 (174) 는 카트리지 용기 (110a), 카트리지 밸브 어셈블리 (104), 및/또는 카트리지 인터페이스 (102) 의 상부, 내부 또는 주변에 배치된 센서 (178) 로부터의 데이터 (예를 들어, 온도, 압력, 및/또는 흐름 레이트 유형 센서) 를 수용, 샘플링, 및/또는 획득할 수도 있다. 제어 회로소자 (174) 는 수리적 관계를 이용하고 및/또는 모델링하는 연료 카트리지 (100) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 계산하기 위해 센서 (178) 로부터의 데이터를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로소자 (174) 는 연료 카트리지 용기 (110a) 내에서 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 획득할 수도 있고, 이에 기초하여, 연료 카트리지 용기 (110a) 내에 잔류하고 그로부터 소비된 연료의 양을 계산/추정할 수도 있다. 사실상, 제어 회로소자 (174) 는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 통하는 유체의 흐름 레이트를 나타내는 데이터를 획득할 수도 있고, 시간 데이터를 이용하여, 연료 카트리지 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양과 모든 연료가 연료 카트리지 (100) 에서 소비될 때까지의 시간을 계산할 수도 있다.
센서 (178) 는 하나 이상의 마이크로 전기 기계 ("MEMS"; micro electromechanical) 디바이스, 또는 카트리지 용기 (110a), 카트리지 밸브 어셈블리 (104), 및/또는 카트리지 인터페이스 (102), 또는 그 구성요소 (예를 들어, 카트리지 용기 (110a) 의 벽 내에 또는 밸브 어셈블리 하우징 (132) 내에 배치되고 이에 통합된 하나 이상의 온도 엘리먼트) 에 통합된 센서와 같은 분리된 엘리먼트일 수도 있다. 특히, 현재 개시된 또는 이하 설명되는, 임의의 유형의 센서 (예를 들어, MEMS) 는 본 명세서에서 구현될 수도 있다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (174) 는 연료 카트리지 (100) 외부의 회로 예를 들어, 외부 디바이스 (컴퓨터 또는 PDA) 를 경유하여 사용자 또는 조작자로부터, 및/또는 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) 으로부터의 지시 및/또는 데이터를 수신할 수도 있다. 이에 관하여, 제어 회로소자 (174) 는 하나 이상의 동작 파라미터를, 예를 들어, 결정, 측정, 샘플링 및, 이후에 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 동작 (예를 들어, 전력 유닛 (200) 상에 배치되는 냉 각 유닛을 관여시킴으로써 연료 소비의 레이트 및/또는 연료 용기 (110a) 의 외부 온도 (및 연료 용기 (110a) 내부의 연료 온도를 간접적으로) 를 조절 및/또는 수정함) 을 제어 및/또는 관리하도록 지시받을 수도 있다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (174) 는 측정, 샘플링, 감지 및/또는 결정된 동작 파라미터를 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300) 및/또는 사용자 또는 조작자에게 제공 및/또는 전달한다. 예를 들어, 제어 회로소자 (174) 는 (상술한 기술을 이용하여) 연료 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양 또는 충전 상태를 결정할 수도 있고, 이후에, 전력 유닛 (200) 으로 동작 파라미터를 대표하는 데이터를 제공할 수도 있다. 이에 관해, 전력 유닛 (200) 은 하나 이상의 그 동작 파라미터를 조절할 수도 있고, 예를 들어, 전력/연료 소비의 레이트을 감소시킬 수도 있다.
이와 다르게, 조작자 또는 사용자 (또는 외부 디바이스) 는 연료 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양 또는 충전 상태를 나타내는 데이터를 연료 카트리지 (100) 로부터 수신할 수도 있고, 이에 응답하여, 전력 유닛 (200) 의 동작 특성을 (직접적으로 또는 간접적으로) 수정 또는 변경할 수도 있다. 이러한 방법으로, 하나 이상의 동작 파라미터 (예를 들어, 연료 소비 감소 및/또는 전력 출력/생성 감소, 또는 냉각 유닛을 관여시켜 연료 용기 (110a) 의 온도에 영향을 미침) 가 수정 및/또는 변경될 수도 있다.
전력 유닛 (200) 의 동작 특성에 대한 수정 또는 변경은 사전설정, 사전결정 및/또는 사전프로그램될 수도 있다. 이러한 방법으로, 그 응답은 전력 유닛 (200) 및/또는 연료 카트리지 (100) 의 상태, 동작 특성 및/또는 동작 파라미터에 기초하여 사전설정, 사전결정 및/또는 사전 프로그래밍된다. 이와 다르게, 또한, 이에 더하여, 동작 특성에 대한 수정 또는 변경을 정의하는 명령은 조작자, 사용자 또는 (예를 들어, 사용자가 하나 이상의 고려사항, 요인, 제약 및/또는 목적에 기초하여 적절한 수정 또는 변경을 결정하는) 외부 디바이스에 의해 송신 또는 제공될 수도 있다.
도 14c 를 참조하여, 이러한 명령 및/또는 데이터는 통신 회로소자 (180) 를 통해 수용 또는 송신될 수도 있다. 이에 관하여, 통신 회로소자 (180) 는 잘 알려진 유선 (예를 들어, 직렬 입/출력 포트) 및/또는 무선 기술 (예를 들어, 적외선, 무선 주파수, 셀룰러폰, 블루투스 기술) 을 채용할 수도 있다. 사실상, 명령 및/또는 데이터는 무선 기술을 통해서 원격으로 제공될 수도 있다. 특히, 현재 개시된 또는 이후에 설명되는, 임의의 무선 기술은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
일 실시형태에서, 통신 회로소자 (180) 는 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300) 및/또는 다른 외부 디바이스로 (예를 들어, 로컬 또는 원격 컴퓨터로의) 데이터 및/또는 명령을 송신하기 위해 채용될 수도 있다. 데이터는 연료 카트리지 (100) 내의 온도, 압력, 전력 유닛 (200) 에 의한 연료 소비의 레이트, 및/또는 잔류하는 연료의 양과 같은 하나 이상의 동작 파라미터 (센서 (178) 에 의해 측정, 샘플링, 감지 및/또는 제어 회로소자 (174) 에 의해 결정됨) 를 나타낼 수도 있다. 또한, 데이터는 연료 카트리지 (100) 의 전반적인 상태를 나타낼 수도 있다. 상술한 바와 같이, 통신 회로소자 (180) 는 유선 또는 무선 기술을 채용할 수도 있다.
도 14d 를 참조하여, 다른 실시형태에서, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300) 및/또는 시스템 (10) 의 외부 회로에 의해 제공되는 데이터를 저장 및/또는 보유하기 위해 메모리 (176) 를 포함한다. 이 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) (적용가능한 경우) 은 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 연료 용기 (110a) 내에서 잔류하는 연료의 양 및/또는 소비된 연료의 양, 연료 소비의 레이트 및/또는 연료의 온도 및 압력등을 결정, 모니터 및/또는 제어 등을 할 수도 있다. 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) (적용가능한 경우) 은 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 메모리 (176) 내에 주기적으로 또는 간헐적으로 저장할 수도 있다. 이러한 방법으로, 연료 카트리지의 상태 (예를 들어, 잔류하는 연료의 양) 는 연료 카트리지의 메모리 (즉, 메모리 (176)) 내에 보유되어, 연료가 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300) 및/또는 시스템 (10) 의 외부 회로로부터의 리콜 (recall) 이 가능하게 될 수 있게 된다. 특히, 메모리 (176) 로의 접근을 용이하게 하기 위해 통신 회로소자 (180) 를 포함하는 것이 이로울 수도 있다 (예를 들어, 도 14e 참조).
특히, 제어 회로소자 (174) 가 본 명세서에 설명된 특별한 임무 및/또는 동작을 구현하는 루틴 또는 프로그램을 수행 또는 실행한다. 루틴 또는 프로그램의 기능성은 조합될 수도 있고 또는 분리될 수도 있다. 이러한 프로그래밍은 특히, 이 개시 측면에서는 당업자에게 공지되어 있다. 공지된 또는 이후에 설 명되는, 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 특성 및 하나 이상의 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/제어하기 위한 모든 프로그래밍 기술 및 그 실행은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
도 15 를 참조하여, 일 실시형태에서, 제어 회로소자 (174) 는 그 내부에 상주하는 EEPROM 을 가지는 마이크로컨트롤러 집적회로이다. 이 실시형태에서, 전원 (160) 은 카트리지 일렉트로닉스 (106; 예를 들어, 마이크로컨트롤러) 및 카트리지 디스플레이 (108; 예를 들어, LCD 또는 LED 디스플레이) 의 회로/디바이스에 전력을 제공하는 배터리이다. LCD 디스플레이가 구현되면, 주위의 광이 충분하지 않을 수 있을 때, 적절한 조명을 제공하는 백라이트 (108c) 를 포함하는 것이 유리할 수도 있다. 콘택트 스위치 (108b) 는 백라이트 (108c) 를 인에이블시킨다. 즉, 콘택트 스위치 (108b) 가 눌러지면, 백라이트 (108c) 는 LCD 디스플레이를 조명할 것이다.
연료 카트리지 (100) 의 예시적인 어셈블리 : 연료 카트리지가 수소화물 재료를 채용하는 이러한 예시에서, 연료 용기 (110) 의 제조 이후에, 연료 용기 (110) 내에 적절한 수소화물 재료가 배치될 수도 있다. 이러한 재료는 당업계에 공지되어 있다. 이후에, 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 는 내부 스레드 (114) 및 밸브 어셈블리 하우징 (132) 상의 대응 스레딩 (132c) 을 통하여 용기 (110) 로 삽입 및 확보될 수도 있다 (예를 들어, 도 8a 참조). 카트리지 고리 어셈블리 (118) 는 고리-부착 메커니즘 (116) (예를 들어, 카트리지 용기 (110) 상에 고리 어셈블리 (118) 를 고정시킴으로써) 을 통해 용기 (110) 로 확보될 수도 있다.
이후 또는 이전에, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위해 (예를 들어, 연료 카트리지 (100) 의 충전 상태를 특징짓기 위해) 형성될 수도 있다. 예를 들어, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 는 인시츄 (즉, 필드내에서 또는 배치될 때) 에서 하나 이상의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위해 형성될 수도 있다.
전력 유닛 (200) : 본 발명의 일 양태에서, 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 은 연료 카트리지 (100) 에 저장되고 그로부터 제공되는 연료를 이용하여 전기를 생성하기 위해 전력 유닛 (200) 을 포함한다. 전력 유닛 (200) 은 인터페이스 및 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 의 대응 구성요소와 연결되고 또는 일치하는 밸브 어셈블리를 포함한다. 이러한 방법으로, 연료 용기 (110) 에 저장된 연료 (예를 들어, 수소 또는 메탄올) 는 그로부터 전기를 생성하는 전력 유닛 (200) 으로 압력하에서 공급된다.
도 1a 및 도 16b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 은 연료 카트리지 (100) 에 연결 또는 이와 일치시키기 위해 형성된 전력 유닛 인터페이스 (202) 및 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 를 포함한다. 또한, 전력 유닛 (200) 은 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 및 전력 유닛 디스플레이 (208) 을 포함한다. 요약하면, 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 는 하나 이상의 동작 파라미터 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 을 결정, 모니터, 제어 및/또는 저장하기 위해 회로를 포함한다. 전력 유닛 디스플레이 (208), 예를 들어, LCD 또는 LED 디스플레이는 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및/또는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 로부터 사용자 또는 조작자에게 사용자에 의한 관찰을 용이하게 하고 정보, 예를 들어, 하나 이상의 동작 파라미터의 상태를 사용자와 교환하기 위해 하우징 (212) 상에 편리하게 위치할 수도 있다. 이러한 방법으로, 사용자 또는 조작자는 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터의 상태 (예를 들어, 연료 용기 (110a) 내에서 잔류 및/또는 소비된 연료의 양, 연료 소비의 레이트, 연료의 온도 및 압력, 및 연료 카트리지 (100) 의 동작 상태, 예를 들어, 연료 용기 (110a) 내의 임의의 결함 또는 에러) 를 나타내는 데이터를 관찰할 수도 있다.
특히, 전력 유닛 (200) 은 (디스플레이 (208) 에 추가하여 또는 이를 대신하여) 사용자 또는 조작자에게 하나 이상의 동작 파라미터의 상태를 나타내는 정보를 청각적으로 제공하기 위해 청각 지표 (audible indicator; 미도시) 를 포함할 수도 있다.
또한, 전력 유닛 (200) 은 연료전지 (210) 를 포함한다. 연료전지 (210) 는 전기를 생성하기 위해 그 연료 (예를 들어, 수소, 수소화물 또는 메탄올) 를 사용한다. 연료전지 (210) 는 연료전지 스택을 포함한다. 2002 년 12 월 24 일에 출원된 (그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는) 미국 특허 출원번호 제 10/328,709 호에 설명되고 도시된 연료전지 스택은 전력 유닛 (200) 의 연료전지 (210) 내에서 실행될 수도 있다. 또한, 미국 특허 출원번호 제 5,683,828 호; 제 5,858,567 호; 제 5,863,671 호; 및 제 6,051,331 호 및 (그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함되는) 미국 특허 출원번호 제 2002/00221701A1 호에 설명되고 도시된 연료전지 스택 및 연료전지 스택 기술이 연료전지 (210) 내에서 (변형되어 또는 변형없이) 구현될 수도 있다. 연료전지 스택 및 연료전지 스택 기술 동작의 다수의 디자인, 아키텍처 및 모드가 있다. 사실상, 현재 공지되어 있거나 차후에 개발되는, 모든 연료전지 스택은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
전술한 바와 같이, 특히, 바람직한 연료전지 전력 시스템은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된, 2002 년 12 월 24 일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 10/328,709 호에 개시된 것이다. 요약하면, 상기 출원은 대기가 복수의 연료전지의 캐소드 단부를 향하게 하도록 구성되는 대기 이동 디바이스가 그 안에 배치되고, 따라서 전기의 생성을 돕는 캐소드 단부에 대기를 공급하기 때문에, 연료전지를 대류적으로 (convectively) 냉각시키는 강제 공기 연료 전지 시스템을 개시한다.
도 16a 및 도 16b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 은 연료 카트리지 (100) 를 수용하기 위해 카트리지 포트 (214) 를 가지는 하우징을 포함한다. 이 실시형태의 전력 유닛 (200) 은 전력 유닛 (200) 으로부터 (및 전력 유닛 (200) 에 의해 생성된) 전력을 수용하는 외부 디바이스 (미도시) 에 (전기적으로 및/또는 기계적으로) 접속되거나 또는 이를 확보한다.
전력 유닛 인터페이스 (202) 의 전기적 인터페이스 (202a) 및 기계적 인터페이스 (202b) 는 카트리지 포트 (214) 내에 배치된다. 전기적 인터페이스 (202a) 는 연료 카트리지 (100) 의 전기적 인터페이스 (102a) 에 접속하도록 설계된다. 특히, 일 실시형태에서, 하우징 (212) 상에 배치되는 전기적 인터페이스 (202a) 의 전기적 도전성 콘택트 핀 (216) 은 전기적 인터페이스 (102a) 의 콘택트 (166) 와 체결된다 (예를 들어, 도 11a 참조). 이러한 방법으로, 카트리지 일렉트로닉스 (106) 의 제어 회로소자 (174) 및/또는 메모리 (176) 는 예를 들어, 전력 유닛 일렉트로닉스 (206; 제어 회로소자 (만약 있다면) 및/또는 메모리 (만약 있다면)) 및/또는 전력 유닛 디스플레이 (208) 와 통신 (예를 들어, 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 제공하고 및/또는 하나 이상의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하는) 할 수도 있다.
특히, 이러한 예시적인 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 은 하나의 연료 카트리지 (100) 를 수용하기 위해 하나의 카트리지 포트 (214) 만을 포함한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 전력 유닛 (200) 은 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 를 설비 및 수용하기 위해 복수의 카트리지 포트 (214) 를 포함한다.
콘택트 핀 (216) 은 상당한 수명주기, 예를 들어, 100,000 주기 이상을 가지는 소형 포고 핀 스타일 (miniature pogo pin style) 인 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 전기적 인터페이스 (202a) 는 직렬 인터페이스를 통해 전력 및 그라운드, 서미스터 센서 출력 신호, 및 데이터를 포함하는 복수의 전기적 신호를 제공하기 위해 5 개의 핀을 포함한다. 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 는 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 내에 있을 때, "on" 으로 되도록 설계된다.
특히, 연료 카트리지 (100) 의 3 배 콘택트 패드 구성은 전기적 도전성 콘택트 핀 (216) 과 관련하여 다중-배향 삽입 및 동작의 용이함을 지원하기 위해 제공된다. 이러한 경우에, 콘택트 핀 (216) 은 연료 카트리지 (100) 의 전기적 인터페이스 (102a) 상에 3 개의 콘택트 패드의 임의의 하나를 관여시킬 수도 있다.
기계적 인터페이스 (202b) 는 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 를 소유, 보유 및 관여시키기 위해 설계된다. 이러한 방법으로, 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 는, 연료 카트리지 (100) 로부터 연료전지 (210) (및 특히, 연료전지 (210) 의 연료전지 스택) 로 유체 전달을 제공하도록 연결될 수도 있다. 도 16b 를 참조하여, 기계적 인터페이스 (202b) 는 연료 카트리지 (100) 의 카트리지 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓 (female-type receptical) 을 관여시키기 위해 수형태 인터페이스를 포함한다. 예시적인 수형태 (male-type recepticle) 기계적 인터페이스는 암형태 소켓 저장 기계적 인터페이스 (102b) 의 오목부에 들어맞는 경사진 에지 (220a) 를 가지는 "이어 (ear)" 또는 탭 (220) 을 포함한다 (예를 들어, 도 12 참조). 탭 (220) 의 경사진 에지 (220a) 는 암형태 소켓 기계적 인터페이스 (102b) 의 숄더와 맞닿는다. 이후에, 약 1/4 회전에 의해 연료 카트리지 (100) 를 전력 유닛 (200) 내로 고정시킨다. 특히, 이러한 설계는 연료 카트리지 (100) 의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 개방하기 전에 기계적 인터페이스 (102b) 의 암형태소켓을 기계적으로 관여시킴으로써 연료 카트리지 (100) 가 뒤로 밀리는 것을 방지한다.
도 16b 를 참조하여, 기계적 인터페이스 (202b) 가 연료 카트리지 (100) 의 기계적 인터페이스 (102b) 를 관여시키는 동안 (예를 들어, 도 12 참조), 플랜지 (136) 의 정면 상부 상의 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 로 돌출함으로써 엑추에이팅 핀 (222) 은 포핏 어셈블리 (122) 의 말단부 (122a) 를 체결한다 (예를 들어, 밀어서 이동하여) (예를 들어, 도 7e 및 도 7f 참조). 전술한 바와 같이, 이러한 작용 또는 동작은 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 개방상태로 둔다. 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 의 내부에 확실히 있으면, 이후 연료전지 (210) 를 동작시키기 위해 연료가 카트리지 (100) 으로부터 전력 유닛 (200) 으로 흐르는 것이 허용된다.
특히, 전력 유닛 (200) 은 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 로부터 연료전지 (210) 로 연장하는 도관을 포함한다. 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 는 연료전지 (210) 의 연료전지 스택로 연료의 흐름을 제어하고 및/또는 압력을 조절하기 위한 도관으로 연결되는 조절 장치를 가지는 밸브를 포함한다. 조절장치는 연료 카트리지 (100) 에 포함되는 연료를 연료전지 스택에 공급하기 위한 파라미터를 포함하는 연료 압력을 선택하고 조절한다. 따라서, 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 에 안전하게 위치된 후에, 연료가 압력 하에서, 흐를 수 있는 동안, 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 내의 조절장치는 연료전지 (210) 로 입력되는 연료의 압력을 조절한다.
도 17a 를 참조하여, 일 실시형태에서, 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 는 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 연료 전지 전력 및 관리 시스템 (10) 의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위한 제어 회로소자 (224) 를 포함한다. 제어 회로소자 (224) 는 연료 카트리지 (100) 의 제어 회로소자 (174) 와 같이 구현 및/또는 구성될 수도 있다. 따라서, 제어 회로소자 (174) 의 특징형상, 실행, 실시형태, 동작 및 구성에 부속하는 설명은 제어 회로소자 (224) 에 전부 적용가능하고; 즉, 제어 회로소자 (224) 는 제어 회로소자 (174) 와 동일하거나 또는 유사한 방식으로 실행 또는 구성될 수도 있고, 제어 회로소자 (174) 와 동일하거나 또는 유사한 동작을 수행할 수도 있다. 간략하게 하기 위해, 이러한 설명은 아래에서 제어 회로소자 (224) 와 관련하여 요약되지만 반복되지는 않는다.
제어 회로소자 (224) 는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 잔류 및/또는 소비된 연료의 양, 연료 소비의 레이트, 연료 용기 (110a) 내의 연료의 온도 및 압력, 연료 용기 (110a) 의 외부 온도, 및 (예를 들어, 임의의 결함 또는 에러가 등록되었는지에 관한) 연료 카트리지 (100) 의 동작 상태 및/또는 전력 유닛 (200) 의 동작 상태를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어한다. 일 실시형태에서, 제어 회로소자 (224) 는 연료 카트리지 (110) 내에 속하는 연료의 양뿐만 아니라, 연료 카트리지 (100) 가 전력 유닛 (200) 으로 연료를 제공하고 전력 유닛 (200) 에 연결되는 시간에 속하는 정보를 이용하는 연료 소비의 레이트를 계산, 결정 및/또는 모니터할 수도 있다.
이외에, 또는 이를 대신하여, 제어 회로소자 (224) 는 카트리지 용기 (110a), 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 및/또는 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 의 상부, 내부 또는 근처에 배치되는 센서 (178) 및/또는 센서 (230) 로부터의 데이터 (예를 들어, 온도 압력 및/또는 흐름 레이트 유형 센서) 를 수신, 샘플링 및/또는 획득할 수도 있다 (예를 들어, 도 17b 참조). 제어 회로소자 (224) 는 수리적 관계 및/또는 모델링을 이용하는 하나 이상의 동작 파라미터를 계산하기 위해 센서 (178) 및/또는 센서 (230) 로부터의 데이터를 획득할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로소자 (224) 는 연료 카트리지 용기 (110a) 에서 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 획득할 수도 있어서, 이에 기초하여, 연료 카트리지 용기 (110a) 내에 잔류하거나 이로부터 소비된 연료의 양을 계산/추정할 수도 있다. 사실상, 제어 회로소자 (224) 는 연료 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 를 통하는 유체의 흐름 레이트를 나타내는 데이터를 획득할 수도 있고, 시간 데이터를 이용하여, 연료 카트리지 용기 (110a) 에 잔류하는 연료의 양 및 모든 연료가 연료 카트리지 (100) 로부터 소비될 때까지의 시간을 계산할 수도 있다.
특히, 제어 회로소자 (224) 는 분리된 구성요소의 조합일 수도 있고, 또는 집적회로, 예를 들어, 하나 이상의 적절히 프로그래밍된 (인시츄에서 또는 배치 이전에) 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 상태 기계장치 및/또는 FPGA 일 수도 있다.
일 실시형태에서, 또한, 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 는 메모리, 예를 들어, SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM 및/또는 EEPROM 을 포함한다. 이러한 방법으로, 하나 이상의 동작 파라미터 및/또는 마이크로코드 (제어 일렉트로닉스 (224) 에 의해 이용되는) 를 나타내는 데이터 또는 정보는 예를 들어, SRAM, DRAM ROM 또는 EEPROM 에 저장될 수도 있다. 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이 터 또는 정보는 전류 상태 및/또는 히스토리 데이터를 포함할 수도 있다. 메모리 (226) 는 분리된 구성요소로 이루어질 수도 있고, 다른 비-메모리 동작 예를 들어, 제어 회로소자 (224) 를 수행하는 집적회로 상부 또는 내부에 상주할 수도 있다.
도 17b 를 참조하여, 센서 (230) 는 하나 이상의 마이크로 전기 기계적 ("MEMS") 디바이스와 같은 분리된 엘리먼트일 수도 있고, 또는 카트리지 용기 (110a) 주위 및/또는 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204), 및/또는 카트리지 인터페이스 (202) 내부 또는 그 구성요소 (예를 들어, 밸브 어셈블리 (204) 의 하우징 내부에 배치되고 그 내부로 집적화되는 하나 이상의 온도 엘리먼트) 내부에 배치되는 센서일 수도 있다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (224) 는 예를 들어, 사용자 또는 조작자로부터의 지시 및/또는 데이터를 수신할 수도 있다. 이에 관하여, 제어 회로소자 (224) 는 하나 이상의 동작 파라미터를 예를 들어, 결정하기 위해 지시될 수도 있고, 이후에, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 동작 (예를 들어, 전력 유닛 (200) 상에 배치된 냉각 유닛을 관여시킴으로써 연료 용기 (110a) 의 외부 온도 (및 연료 용기 (110a) 내의 연료의 간접적인 온도) 및/또는 연료 소비의 레이트을 조절 및/또는 수정하는) 을 제어 및/또는 관리할 수도 있다. 이러한 방법으로, 시스템 (10) 의 효율성 및/또는 제어가 강화된다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (224) 는 사용자 또는 조작자에게 측정, 샘플링, 감지 및/또는 결정된 동작 파라미터를 제공 및/또는 전달한다. 예를 들 어, 제어 회로소자 (174) 는 센서 (178) 및/또는 센서 (230) 로부터 데이터를 획득할 수도 있고, 이후에, 연료 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양 또는 충전 상태를 결정할 수도 있다. 제어 회로소자 (224) 는 사용자 또는 조작자에게 그 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 제공한다. 이에 응답하여, 사용자 또는 조작자는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 조절, 예를 들어, 전력/연료 소비의 양을 감소시키고 및/또는 연료전지 (210) 의 출력 전력을 감소시키거나 또는 조절할 수도 있다.
이와 다르게, 조작자 또는 사용자 (또는 외부 디바이스) 는 연료 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양 또는 충전 상태를 나타내는 데이터를 제어 회로소자 (224) 로부터 수용할 수도 있고 (본 명세서에서 계산된 바와 같이), 이에 응답하여, 이 동작 특성을 (직접적으로 또는 간접적으로) 수정 또는 변경하기 위해 전력 유닛 (200) 을 지시, 예를 들어, 연료 소비 및/또는 전력 출력/생성을 감소시키고, 또는 연료 용기 (110a) 의 온도에 영향을 주는 냉각 또는 가열 유닛을 체결 (예를 들어, 동작중에 연료의 온도가 적절하거나 및/또는 최적 조건이 아닐 수도 있는 예시에서) 할 수도 있다. 전력 유닛 (200) 의 동작 파라미터에 대한 수정 또는 변경은 사전설정, 사전결정 및/또는 사전-프로그래밍될 수도 있다. 또한, 수정 또는 변경은 제어 회로소자 (224) 로 송신 또는 제공된 지시 (예를 들어, 사용자는 하나 이상의 고려사항, 요인, 제한 및/또는 목적에 기초하여 적절한 수정 또는 변경을 결정하는) 에 따를 수도 있다.
도 17c 를 참조하여, 이러한 지시 및/또는 데이터는 통신 회로 (228) 를 통 해서 수신 또는 송신될 수도 있다. 이에 관하여, 통신 회로 (228) 는 공지된 유선 (예를 들어, 직렬 입력/출력 포트) 및/또는 무선 기술 (예를 들어, 적외선 기술) 을 채용할 수도 있다. 사실상, 지시 및/또는 데이터는 무선 기술을 통해 원격으로 제공될 수도 있다.
일 실시형태에서, 통신 회로 (228) 는 전력 유닛 (200), 리필 유닛 (300) 및/또는 다른 외부 디바이스 (예를 들어, 로컬 또는 원격 컴퓨터로) 로 데이터 및/또는 명령을 송신하기 위해 채용될 수도 있다. 데이터는 온도, 압력, 전력 유닛 (200) 에 의한 연료 소비 레이트, 및/또는 연료 카트리지 (100) 에서 잔류하는 연료의 양과 같은, 하나 이상의 동작 파라미터 (센서 (178) 에 의해 측정, 샘플링, 감지되고 및/또는 제어 회로소자 (224) 에 의해 결정된) 일 수도 있다. 또한, 데이터는 전력 유닛 (200) 및/또는 연료 카트리지 (100) 의 전반적인 상태를 나타낼 수도 있다.
특히, 비용 및 중량의 관점에서, 연료 카트리지 (100) 또는 전력 유닛 (200) 양자에서, 그러나 양자 모두는 아니며, 제어 회로소자를 실행하는 것은 유리한 것일 수도 있다. 예를 들어, 도 17d 를 참조하여, 일 실시형태에서, 전력 유닛 (200) 은 전술한 바와 같이 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 를 포함하고 (예를 들어, 도 17a 도 17b 및/또는 도 17c 참조), 및 연료 카트리지 (100) 는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 에 의해 제공된 데이터를 저장 및/또는 보유하기 위해 메모리 (176) 를 포함한다 (예를 들어, 도 14d 및 도 14e 참조). 이 실시형태에서, 제어 회로소자 (224)는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 잔류하는 및/또는 소 비된 연료의 양, 연료 소비의 레이트, 연료 용기 (110a) 내의 연료의 온도 및 압력, 연료 용기 (110a) 의 외부 온도, 및/또는 연료 카트리지 (100) 의 동작 상태 (예를 들어, 임의의 결함 또는 에러가 등록되었는지의 여부) 등을 모니터할 수도 있다. 제어 회로소자 (224) 는 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 메모리 (176) 내에 주기적으로 또는 간헐적으로 저장할 수도 있다. 이러한 방법으로, 전력 유닛 (200) (예를 들어, 주어진 연료 카트리지 (100) 의 상태의 어떤 "역사" 도 갖지 않는 다른 전력 유닛 (200)) 및/또는 리필 유닛 (300) 에 의한 리콜이 가능할 수도 있도록, 연료 카트리지의 상태 (예를 들어, 잔류하는 연료의 양) 는 연료 카트리지의 메모리 (즉, 메모리 (176)) 내에 보유된다.
또한, 제어 회로소자 (224) 는 다른 특성 또는 전력 유닛 (200) 의 동작, 예를 들어, 열 관리, 연료 누출 검출, 연료 정화, 과전류 보호 및/또는 전압조정을 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 이에 관하여, 제어 회로소자 (224) 는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 엘리먼트 (예를 들어, 연료전지 (210)) 의 온도를 나타내는 정보를 수용할 수도 있고, 이에 응답하여, 전력 유닛 (200) 의 동작 (예를 들어, 연료 소비 레이트의 조절 및/또는 전기의 생성) 을 조절 및/또는 관리할 수도 있다.
센서 (230) 는 제어 회로소자 (224) 에 연료 경로의 보존의 상태 (즉, 누출이 존재하는지의 여부) 의 데이터를 제공하기 위해 연료 누출 센서를 포함한다. 이에 응답하여, 제어 회로소자 (224) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 전력 유닛 (200) 의 동작을 확실히 종결시킬 수 도 있다.
이와 다르게, 제어 유닛 (224) 은 센서 (230) 로부터의 데이터에 기초하여,연료 누출 (또는 잠재적인) 의 존재를 결정할 수도 있다. 제어 회로소자 (224) 는 연료 노출이 있는지의 여부를 평가하기 위해 당업자에게 잘 알려진 다양한 기술을 채용할 수도 있다. 또한, 제어 회로소자 (224) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 전력 유닛 (200) 의 동작을 즉시 그리고 확실하게 종결시킨다.
또한, 제어 회로소자 (224) 는 연료전지 (210) 에 의한 전력 생성의 상태를 평가하기 위해 과전류 보호 및/또는 전압 조정의 상태를 모니터할 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로소자 (224) 는 전기의 생성 및/또는 그 소비에 관련하는 정보를 제공하는 센서 (230) 로부터 전류 소비 및/또는 전압 레벨을 나타내는 정보를 수용할 수도 있다. 이에 응답하여, 제어 회로소자 (224) 는 전력 유닛 (200) 의 동작을 적절하게 관리 및/또는 제어할 수도 있다.
특히, 제어 회로소자 (224) 는 본 명세서에 설명된 특정 임무 및/또는 동작을 실행하는 방법 또는 프로그램을 수행 또는 달성할 수도 있다. 루틴 또는 프로그램의 기능성은 조합되거나 또는 분리될 수도 있다. 이러한 프로그래밍은 특히, 이 개시의 관점에서 당업자에게는 잘 알려져 있다. 현재 공지되지 않았거나 또는 이후에 개발되는, 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 의 하나 이상의 동작 파라미터 및/또는 특성을 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위한 모든 프로그래밍 기술, 및 그 수행은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
리필 유닛 : 도 1b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 은 연료 카트리지 (100) 및 전력 유닛 (200) 에 더해, 리필 유닛 (300) 을 포함한다. 이에 관하여, 연료 카트리지가 재충전 가능한 예시에서, 연료의 일부 또는 모두는 리필 유닛 (300) 을 사용하는 연료 카트리지 (100) (예를 들어, 전력 유닛 (200) 에 의해 소비된) 로부터 고갈된 후에, 연료 카트리지는 연료 (예를 들어, 수소, 메탄올 또는 화합물을 함유하는 다른 수소) 로 충전될 수도 있다.
일 실시형태에서, 리필 유닛 (300) 은 리필 유닛 인터페이스 (302), 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304), 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 및 리필 유닛 디스플레이 (308; 예를 들어, 2 라인 LCD 디바이스에 의한 24 개의 특성) 를 포함한다. 간략히 말해서, 도 1b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 리필 유닛 (302) 및 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304) 는 연료 카트리지 (100) 의 구성성분에 연결되고 또는 조합되어 일치되고 또는 대응하도록 구성된다 (예를 들어, 도 11a 및 도 12 참조). 리필 유닛 인터페이스 (302) 및 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304) 의 구성, 아키텍처 및 설계는 전력 유닛 인터페이스 (202) 및 전력 유닛 밸브 어셈블리 (204) 각각과 동일할 수도 있다. 간략화를 위해, 설명은 반복되지 않는다.
리필 유닛 (300) 은 예를 들어, 설비 또는 차량 내에 설치될 수도 있는 독립형의 테이블 상부 또는 측벽에 탑재된 디바이스일 수도 있고, 그로 인해, 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 에 대해 리필 능력을 제공할 수도 있다. 도 18a 및 도 18b 를 참조하여, 일 실시형태에서, 리필 유닛 (300) 은 하나 이상의 연료 카트 리지 (100) 를 수용하기 위해 하나 이상의 리필 포트 (310) (4 개의 리필 포트가 도시됨) 를 포함한다. 전술한 바와 같이, 동작에서, 리필 유닛 (300) 은 하나 이상의 고갈된 연료 카트리지 (100) 에 연료를 공급하고, 연료 카트리지 (100) 를 전력 유닛 (200) 용으로 완전히 리필된 상태 또는 좀 더 리필된 상태로 반환한다.
리필 유닛 (300) 이 하나 이상의 리필 포트 (310) 를 포함하는 예시에서, 각각의 리필 포트 (310) 는 다른 포트들에 대해 독립적으로 기능하고 동작될 수도 있다. 이러한 방법으로, 상이한 연료 충전 및/또는 수용 조건을 가지는 연료 카트리지 (100) 는 좀 더 충전되고 또는 완전히 리필된 상태로 독립적으로 반환될 수도 있다. 또한, 연료 카트리지 (100) 는 리필 포트 (310) 내에 랜덤하게 설치될 수도 있다.
리필 포트 (310) 는 사용하지 않을 때 유체 또는 연료 차단을 제공하는 독립적인 솔레노이드 밸브 및 연료 카트리지 (100) 가 삽입되었는지의 여부를 감지하는 스위치를 포함한다. 솔레노이드/스위치 조합은 임의의 리필 포트 (310), 리필하는 동작의 반자동식 초기 및 종결으로 랜덤한 접근을 허용하고, 양의 유체 공급 차단을 제공한다. 연료 카트리지 (100) 이 연료 용기 (110a) 의 중심축에 비례하여 대부분 수평 방향으로 위치에 있는 리필 유닛 (300) 을 유지하는 것은 이로울 수도 있다. 이러한 방법으로, 밸브 어셈블리 (304) 및 리필 포트 (310) 의 영역으로 이질적인 문제를 도입하는 것을 방지할 수 있으며 및/또는 이러한 이질적인 문제의 결과로써 리필 포트 (310) 내부 및 주변의 구성요소로의 손상 또는 가능한 고장을 감소시키고 및/또는 최소화할 수도 있다.
일 실시형태에서, 리필 유닛 (300) 은 초기에 압축된 연료 소오스 (예를 들어, "K" 병 크기 탱크) 로 연결하기 위해 주 연료/유체 입력 포트 (314) 를 포함한다. 주 연료/유체 입력 포트 (314) 는 초기에 압축된 연료 소오스로의 연결을 용이하게 하기 위해 하우징 (312) 의 외부 표면상에 위치될 수도 있다. 주 연료/유체 입력 포트 (314) 는 국부적인 압력 조절, 예를 들어, 250 PSI, 을 제공할 수도 있고, 및 리필 유닛 (300) 및/또는 연료 카트리지 (100) 로부터 초기에 압축된 연료 소오스의 입력을 고립시키기 위해 유체 차단기를 포함할 수도 있다. 또한, 주 연료/유체 입력 포트 (314) 는 리필 유닛 (300) 및/또는 연료 카트리지 (100) 그 내부에 배치될 수도 있는 부주의한 지나친 압력 노출을 방지하기 위해 수동의 지나친 압력 보호를 제공할 수도 있다.
특히, 또한, 리필 유닛 (300) 은 사이트 수정 (예를 들어, 추가적인 리필 유닛 (300) 을 수용하기 위해 리필 유닛 (300) 을 지지하는 큰 연료 탱크 상에 제조의 수정) 없이 하나 이상의 추가적인 리필 유닛 (300) 의 동작 및 신장을 용이하게 하기 위해 보조의 연료/유체 출력 포드 (316) 을 포함할 수도 있다. 보조의 연료/유체 출력 포트 (316) 는 하나 이상의 추가적인 리필 유닛 (300; 미도시) 으로 연결하기 위해 하우징 (312) 의 외부 표면 상에 위치 및/또는 탑재될 수도 있다. 이러한 방법으로, 유체 연결의 시리즈는 하나의 리필 유닛에서 다른 하나로 데이지 (daisy) 체인방식으로 연결될 수도 있고, 하나의 큰 연료 탱크 공급 (예를 들어, "K" 병 크기 탱크) 으로 연결될 수도 있다.
리필 유닛 (300) 은 고압력 탱크, 압력 보호에 걸친 보통 폐쇄된 주 차단 솔 레노이드 밸브, 및 복수의 리필 포트 (310) 각각에 유체를 제공하기 위한 가스 분배 분기관으로부터 저압력 조절된 가스를 받아들이기 위해 하나 이상의 압력 조절 장치를 포함할 수도 있다. 복수의 솔레노이드 밸브는 사용중에 있을 때, 리필 포트 (310) 각각으로 차단 능력을 제공하기 위해 채용될 수도 있다. 특히, 일 실시형태에서, 복수의 전기적 핀은 주어진 리필 포트 (310) 에서 연료 카트리지 (100) 의 존재를 감지하기 위해 사용될 수도 있다.
일 실시형태에서, 리필 동작 동안에 생산 또는 생성된 연료 카트리지로부터의 열을 제거하기 위해 환기장치 또는 냉기 유닛 (318) (예를 들어, 활성 또는 비활성 유형 유닛) 을 포함하는 것은 유리할 수도 있다. 이에 관하여, 리필 프로세스 동안 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 의 온도를 제어하는 것은 리필의 효율성을 증대시킬 수도 있고 그로 인해, 리필 시간을 단축시킬 수도 있다. 예를 들어, 냉각 유닛 (318) 은 리필 유닛 (300) 에 연결되고 재충전되는 동안 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 로부터의 열을 제거하기 위해 적절하게 위치된 하나 이상의 냉각 순환 팬을 채용할 수도 있다.
특히, 리필 유닛 (300) 은, 리필 동작 동안의 온도가 적절하거나 및/또는 최적 조건이 아닐 수도 있는 경우를 수용하기 위해 난방 유닛 (미도시) 을 포함할 수도 있다. 이에 관하여, 난방 유닛은 예를 들어, 리필 동작의 효율성을 증가시키기 위해 연료 카트리지 (100) 으로 열을 공급할 수도 있어서, 리필 시간을 감소시킬 수도 있다.
리필 유닛 (300) 은 하우징 (312) 의 외부 표면, 배터리, 및/또는 하나 이상 의 연료 카트리지 (100) 에 연료를 공급하기 위해 사용되는 동일한 연료를 채용하는 연료전지 상에 위치된 DC 전력 입력 포트에 연결된 조정되지 않은 외부 AC 측벽/데스크 변압기를 포함하는 수많은 기술을 이용하여 전기적으로 전력이 공급될 수도 있다. 일 실시형태에서, 변압기로부터 요구되는 최대의 바람직한 전압 출력은 12 VDC (Volts Direct Current) 이다. 특히, 리필 유닛 (300) 에 전력을 공급하기 위한 모든 기술은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
일 실시형태에서, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 리필 동작의 모니터, 관리 및 제어를 용이하게 하기 위해 사용자 인터페이스 (320) 를 포함한다. 이에 관하여, 사용자 인터페이스 (320) 는 복수의 버튼 스위치 및 다중 색상 가능 출력 (예를 들어, 리필하고 (오렌지; orange) 또는 리필된 (그린; green) 것을 지시하기 위한 오렌지/그린 색상 가능 출력) 을 가지는 복수의 이중-색상 LED (322) 를 포함할 수도 있다. 이중-색상 LED (322) 는 리필 동작의 상태를 반영하기 위해 대응하는 리필 포트 (310) 와 연관된 영역에 배치될 수도 있다 (예를 들어, 도 18b 참조).
또한, 사용자 인터페이스 (320) 가 리필 유닛 9300) 의 전력 상태를 반영하고 또는 지시하기 위해 이중-색상 LED (322; 예를 들어, 레드 (red)/그린 색상) 를 포함하는 것이 유리할 수도 있다. 이에 관하여, 전력 "on" 은 그린에 의해 지시될 수도 있고, 전력 온 경보은 레드에 의해 지시될 수도 있다.
또한, 사용자 인터페이스 (320) 는 각종 기능이 리필 유닛 (300) 에 의해 성취되도록 선택, 프로그램 및/또는 설정하기 위해 사용자 또는 조작자를 허용한다. 예를 들어, 사용자 또는 조작자는 연료 카트리지 리필 주기를 초기화하고, 경보 제한을 인에이블 및/또는 설정하고, 경보을 처리하고, 청각적 경보을 인에이블/디스에이블 시키고, 및 인터페이스 (320) 를 사용하는 연료 센서 활동을 모니터할 수도 있다.
리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 리필 유닛 (300) 의 내부 환경 및/또는 리필 포트 (310) 내부에 배치된 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 를 모니터하기 위해 인에이블될 수도 있다. 예를 들어, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 리필 유닛 (300) 의 내부 온도를 측정 (온도 센서를 둘러싼 내부를 이용하여) 할 수도 있고, 또는 리필 포트 (310) 내부에 배치된 하나 이상의 연료 카트리지 (100) 의 온도를 나타내는 데이터를 측정, 검출 또는 수용할 수도 있다. 소정된 값 또는 제한을 초과하는 온도에 대응하여, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 냉각 유닛 (318) 을 인에이블시킬 수도 있다. 또한, 리필 유닛 일렉트로닉스는 하나 이상의 가스 감출 센서 (예를 들어, 수소 검출 센서) 를 포함한다. 이러한 환경하에서, 누출의 상황에서, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 소정 제한을 초과하는 연료의 농도를 감지할 수도 있다. 경보가 트리거 (trigger) 되는 상황에서, 적절한 경보 메시지는 리필 유닛 디스플레이 (308) 상에 표시될 수도 있다. 이외에 또는 이를 대신하여, 청취가능한 경보가 울릴 수도 있다.
특히, 하나 이상의 입력/출력 (I/O) 포트는 리필 유닛 (300) 의 하우징 (310) 의 외부 표면상에 위치할 수도 있다. I/O 포트는 리필 유닛 (300) 의 특정 기능, 동작, 프로그래밍 및/또는 테스팅을 인에이블하기 위해 사용자 또는 조작 자에 의해 사용될 수도 있다.
특히, 연료 카트리지 (100) 가 수소화물형 연료를 포함하는 경우에, 약 30℉ 내지 125℉ (0℃ 내지 +52℃) 의 온도 및 10% 내지 95% 의 상대 습도 사이에서 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 을 동작시키기는 것이 유리할 수도 있다. 연료전지 및 관리 시스템 (10) 의 다양한 구성요소가 이러한 범위를 초과하는 환경에서 저장 및/또는 동작하도록 노출될 수도 있지만, 적절한 보충 보호 방법이 이러한 조건하에 사용될 수도 있다.
도 19a 를 참조하여, 일 실시형태에서, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 연료 카트리지 (100), 리필 유닛 (300) 및/또는 연료전지 전력 및 관리 시스템 (10) 의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위해 제어 회로소자 (324) 를 포함한다. 제어 회로소자 (324) 는 연료 카트리지 (100) 의 제어 회로소자 (174) 와 같이 또는 전력 유닛 (200) 의 제어 회로소자 (224) 와 같이 실행 및/또는 구성될 수도 있다. 따라서, 연료 카트리지 일렉트로닉스 (106) 및/또는 전력 유닛 일렉트로닉스 (106) 의 제어 회로소자의 특징형상, 구현, 실시형태, 동작 및 구성에 관련하는 설명은 제어 회로소자 (324) 에 전체적으로 적용가능하고; 즉, 제어 회로소자 (324) 는 제어 회로소자 (174) 및/또는 제어 회로소자 (224) 와 동일하거나 또는 유사한 방법으로 실행 또는 구성될 수도 있고, 및/또는 동일하거나 또는 유사한 동작을 수행할 수도 있다. 간략화를 위해, 이러한 설명은 제어 회로소자 (324) 와 관련하여 요약되지만 반복되지 않는다.
리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 의 제어 회로소자 (324) 는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 연료 용기 (110a) 내에 잔류하는 연료의 양, 연료 용기 (110a) 내의 연료의 온도 및 압력, 연료 용기 (110a) 의 외부 온도, 및/또는 연료 카트리지 (100) 의 동작 상태 (예를 들어, 임의의 결함 또는 에러가 등록되었는지의 여부) 를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 일 실시형태에서, 제어 회로소자 (324) 는 메모리 (176) 내의 데이터, 밸브 어셈블리 (104 및/또는 304) 내의 연료의 흐름 레이트, 및/또는 연료 카트리지 (100) 가 리필 유닛 (300) 에 접속되는 시간에 기초하여, 연료 카트리지 (110) 내의 연료의 양을 계산, 결정 및/또는 모니터할 수도 있다.
도 19b 및 도 19c 를 참조하여, 이에 더해, 또는 이를 대신하여, 제어 회로소자 (324) 는 카트리지 용기 (110a), 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304), 및/또는 리필 유닛 인터페이스 (302) 의 상부, 내부 또는 주위에 배치된 센서 (178) 및/또는 센서 (330) (예를 들어, 온도, 압력 및/또는 흐름 레이트 유형 센서) 로부터의 데이터를 수신, 샘플링 및/또는 획득할 수도 있다. 제어 회로소자 (324) 는 수리적 관례 및/또는 모델링을 이용하는 하나 이상의 동작 파라미터를 계산하기 위해 센서 (178) 및/또는 센서 (330) 로부터의 데이터를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로소자 (324) 는 연료 카트리지 용기 (110a) 내에 연료의 온도 및 압력을 나타내는 데이터를 획득할 수도 있고, 이에 기초하여, 연료 카트리지 용기 (110a) 내의 연료의 양을 계산/추정할 수도 있다. 이러한 정보는 연료 카트리지 용기 (110a) 를 리필하기 위해 필요한 시간을 결정하기 위해 채용될 수도 있다.
또한, 연료 카트리지 용기 (110a) 에서 연료의 온도를 나타내는 데이터 (예 를 들어, 센서 (178) 또는 센서 (330) 로부터의 데이터) 에 응하여, 제어 회로소자 (324) 는 리필 유닛 (300) 의 냉각 유닛 (318) 을 관여시킬 수도 있다. 냉각 유닛 (318; 예를 들어, 팬, 열 싱크, 열전기 디바이스 또는 냉동 유닛) 은 리필 프로세스 동안, 연료 카트리지 용기 (110a) 로부터 열을 제거하기 위해 채용될 수도 있다. 이러한 방법으로, 리필 프로세스의 효율성은 향상될 수도 있고, 그러므로, 요구되는 시간은 단축될 수도 있다.
일 실시형태에서, 또는, 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 는 메모리 (326), 예를 들어, SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM 및/또는 EEPROM 을 포함한다. 메모리 (326) 는 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터 또는 정보를 저장할 수도 있고, 및/또는 (제어 일렉트로닉스 (324) 에 의해 사용되는) 마이크로코드가 예를 들어, SRAM, DRAM, ROM 또는 EEPROM 에 저장될 수도 있다. 메모리 (326) 는 분리된 구성요소로 이루어질 수도 있고 또는 다른 비메모리 동작, 예를 들어, 제어 회로소자 (324) 를 수행하는 집적회로의 상부 또는 내부에 상주할 수도 있다.
도 19b 및 도 19c 를 참조하여, 센서 (330) 는 하나 이상의 마이크로 전기 기계적 ("MEMS") 디바이스와 같은 분리된 엘리먼트, 또는 리필 유닛 밸브 어셈블리 (304), 및/또는 리필 유닛 인터페이스 (302) 로 집적되거나, 또는 그 구성요소 (예를 들어, 밸브 어셈블리 (304) 의 벽 내에 배치되고 벽에 통합되는 하나 이상의 온도 엘리먼트) 로 집적된 센서일 수도 있다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (324) 는 사용자 또는 조작자로부터의 지시 및/또는 데이터를 수신할 수도 있다. 이에 관하여, 제어 회로소자 (324) 는 하 나 이상의 동작 파라미터를 예를 들어, 측정, 샘플링 및/또는 감지하도록 지시받을 수도 있고, 이후에, 연료 카트리지 (100) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 동작 (예를 들어, 냉각 유닛 (318) 을 관여시킴으로써, 연료의 리필 레이트 및 연료 용기 (110a) 의 외부 온도 (및 연료 용기 (110a) 내의 연료의 온도를 직접적으로) 를 조절 및/또는 수정하는) 을 제어 및/또는 관리할 수도 있다.
일 실시형태에서, 제어 회로소자 (324) 는 측정, 샘플링, 감지 및/또는 결정된 동작 파라미터를 사용자 또는 조작자에게 제공 및/또는 전달한다. 예를 들어, 제어 회로소자 (324) 는 센서 (178) 또는 센서 (330) 에게 연료 용기 (110a) 내의 충전 상태 또는 잔류하는 연료의 양을 측정, 샘플링, 감지 및/또는 결정하도록 지시할 수도 있다. 그 후에, 제어 회로소자 (324) 는 사용자에게 동작 파라미터를 나타내는 데이터 및/또는 예상되는 리필 시간을 나타내는 데이터를 제공할 수도 있다. 이에 응답하여, 사용자 또는 조작자는 리필 유닛 (300) 에게 하나 이상의 그 동작 파라미터를 (직접적으로 또는 원격으로) 수정 또는 변경하기 위해, 예를 들어, 용기 (110) 내부로의 연료의 흐름 레이트를 증가/감소시키도록 지시하고, 및/또는 냉각 유닛 (318) 을 관여시켜 연료 용기 (110a) 내의 온도에 영향을 미치도록 지시한다.
특히, 리필 유닛 (300) 의 동작 파라미터로의 수정 또는 변경은 사전설정, 사전결정 및/또는 사전-프로그래밍될 수도 있다. 이와 다르게, 수정 또는 변경은 지시를 따라서 송신되거나 또는 지시 (예를 들어, 사용자는 하나 이상의 고려사항, 요인, 제한 및/또는 대상에 기초하여 적절한 수정 또는 변경을 결정하는) 가 제공될 수도 있다.
일 실시형태에서, 메모리 (176) 는 전력 유닛 일렉트로닉스 (206) 및 리필 유닛 일렉트로닉스 (306) 에 의해 제공된 데이터, 예를 들어, 연료 카트리지 (100) 의 충전 상태와 같은 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장 및/또는 보유할 수도 있다 (예를 들어, 도 14d, 도 14e 및 도 19d 참조). 이에 관하여, 제어 회로소자 (324) 는 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어, 연료 용기 (110a) 내의 잔류하는 연료의 양 등을 모니터할 수도 있다. 제어 회로소자 (324) 는 하나 이상의 동작 파라미터등을 나타내는 데이터를 메모리 (176) 에 주기적으로 또는 간헐적으로 저장할 수도 있다. 이러한 방법으로, 연료 카트리지의 상태 (예를 들어, 잔류하는 연료의 양) 는 연료 카트리지 메모리 (즉, 메모리 (176)) 내에 보유되어, 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 에 의한 리콜을 가능하게 할 수도 있도록 한다.
특히, 제어 회로소자 (324) 는 본 명세서에 기재된 특정 임무 및/또는 동작을 실행하는 방법 및 프로그램을 수행 또는 실행할 수도 있다. 방법 또는 프로그램의 기능성은 조합되거나 또는 분리될 수도 있다. 이러한 프로그래밍은 이 개시의 관점에서, 당업자에게 잘 알려져 있다. 현재 공지되어 있지 않거나 이후에 개발되더라도, 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 하나 이상의 동작 파라미터 및/또는 특성을 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하는 모든 프로그래밍 기술, 및 그 구현이 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
또한, 사실상, 제어 회로소자 (324) 는 다른 동작 또는 리필 유닛 (300) 의 특성, 예를 들어, 연료 누출 검출 및/또는 연료 정화를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 이에 관하여, 센서 (330) 는 제어 회로소자 (324) 에 연료 경로 (즉, 누출이 존재하는지의 여부) 의 본래 상태의 데이터를 제공하기 위해 연료 누출 센서를 포함할 수도 있다. 이에 응답하여, 제어 회로소자 (324) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 리필 유닛 (300) 의 동작을 안전하게 종결시킬 수도 있다.
이와 다르게, 제어 회로소자 (324) 는 센서 (330) 로부터의 데이터에 기초하여, 연료 누출 (또한 잠재적인 연료 누출) 의 존재를 결정할 수도 있다. 제어 회로소자 (324) 는 연료 누출이 있는지의 여부를 평가하기 위해 당업자에게 잘 알려진 다양한 기술을 채용할 수도 있다. 다시 말해서, 제어 회로소자 (324) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 리필 유닛 (300) 의 동작을 즉시 안전하게 종결할 수도 있다.
특히, 제어 회로소자 (324) 는 본 명세서에 개시된 특정 임무 및/또는 동작을 이행하는 방법 또는 프로그램을 수행 또는 실행할 수도 있다. 방법 및 프로그램의 기능은 조합되거나 또는 분리될 수도 있다. 이러한 프로그래밍은 특히, 이 개시의 관점에서 당업자에게 잘 공지되어 있다. 현재 공지되어 있지 않거나 또는 이후에 개발될지라도, 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 의 하나 이상의 동작 파라미터 및 특성을 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어하기 위해 모든 프로그래밍 기술, 및 그 구현이 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다.
본 명세서에서는 다수의 발명이 도시되고 설명되어 있다. 본 발명의 특정 실시형태, 특징형상, 재료, 구성, 속성 및 이점이 설명되고 도시되었으며, 본 발명의 상이할 뿐만 아니라 및/또는 유사한 실시형태, 특징형상, 재료, 구성, 속성, 구조 및 이점은 설명, 도시 및 청구범위로부터 (본 개시의 고려 및/또는 검토 이후에 당업자에 의해) 명백해진다. 이와 같이, 본 명세서에 설명되고 도시된 본 발명의 실시형태, 특징형상, 재료, 구성, 속성, 구조 및 이점은 배제적인 것이 아니며, 본 발명의 다른 유사하고 상이한 실시형태, 특징형상, 재료, 구성, 속성, 구조 및 이점이 본 발명의 범위 내이다.
그러므로, 예를 들어, 종래의 배터리보다 긴 수명 주기를 위해 전기를 공급하는 수소 연료전지 전기 생성 디바이스를 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 전기로 전환하기 위해 수소를 제공하고 수소로 빠르게 리필되도록 수소 리필 유닛으로 제공되고 확보되는 연료전지 시스템으로 손쉽게 제공되고 확보되는 표준화된 수소화물 저장 카트리지를 개발하는 것이 바람직하다. 얼마나 많은 에너지가 수소 카트리지로부터 가능한지 식별하도록, 그 충전상태의 상대적으로 정확한 판독을 제공하는 수소 카트리지를 제공하는 것은 더욱 바람직하다.
또한, 연료 카트리지 (100) 는 본 명세서에 참조로서 포함되는 국제 공개 번호 제 WO02/19451A2 호에 개시된 집적화된 모듈형 BSP/MEA/분기관 플레이트 및 컴플라이언트 콘택트 (compliant contact) 일 수도 있는 이 개시의 관점에서, 당업자에 의해 인식된다. 또한, 2003년 3월 5일에 출원된 미국 특허 출원번호 제 10/382,549 호의 고장방지 연료전지 네트워크 전력 시스템은 본 발명의 연료 카트리지 (100) 를 본 명세서에 개시된 시스템으로 포함하기 위해 본 발명의 교훈에 따라서 변형될 수도 있다. 간략화를 위해, 이러한 설명은 반복하지 않는다. 사실상, 수소화물 카트리지 및 다른 부속물이 내부에 집적화될 수도 있는 다른 연료전지 시스템은 2003 년 3 월 28 일에 출원된 미국 특허 출원번호 제 10/402,726 에 개시되어 있다. 이 미국 특허출원은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
또한, 많은 변형이 카트리지 밸브 어셈블리에 이루어질 수 있다. 이러한 모든 변형이 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 도 20 을 참조하여, 일 실시형태에서, 온도 센서-경감 포트 어셈블리 (194) 는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 의 밸브 어셈블리 하우징 (132) 으로 집적 및/또는 포함될 수도 있다. 온도 센서-경감 포트 어셈블리 (194) 는 온도 민감성 재료로 이루어지는 플러그 (194) 를 용해하거나 또는 증발시킴으로써 연료 용기 공동 (110a) 으로부터 경로 (192) 를 제공 (이에 따라 연료 용기 공동 (110a) 에서 나타날 수도 있는 수용 불가능한 압력을 저감) 하도록 설계된다. 일 실시형태에서, 플러그 (194) 는 연료 용기 공동 (110a) 이 위험하거나 또는 수용 불가능한 한계에 도달하기 전에 잘 용해하는 솔더 (solder) 기반 재료로 이루어진다.
또한, 제어 회로소자 (174) 는 연료 카트리지 (100) 의 다른 동작 및 특성, 예를 들어, 연료 누출 검출 및/또는 연료 정화를 결정, 모니터, 관리 및/또는 제어할 수도 있다. 이에 관하여, 센서 (178) 는 카트리지 밸브 어셈블리 (104) 및/ 또는 연료 용기 (110) 에 의해 완전 밀봉 상태의 데이터를 제어 회로소자 (174) 로 제공하기 위해 연료 누출 센서를 포함할 수도 있다. 이에 응답하여, 제어 회로소자 (174) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) (적용가능한 경우) 의 동작을 안전하게 종결시킬 수도 있다.
이와 다르게, 제어 회로소자 (174) 는 센서 (178, 230 및/또는 330) 로부터의 데이터에 기초하여 연료 누출 (또는 잠재적인 연료 누출) 의 존재를 결정할 수도 있다. 제어 회로소자 (178) 는 연료 누출이 있는지의 여부를 평가하기 위해, 당업자에게 공지되어 있는 다양한 기술을 채용할 수도 있다. 다시, 제어 회로소자 (178) 는 사용자/조작자에게 누출 (또는 누출 가능성) 을 경고할 수도 있고 및/또는 연료 카트리지 (100) 및/또는 전력 유닛 (200) 또는 리필 유닛 (300) (적용가능한 경우) 의 동작을 즉시 안전하게 종결시킬 수도 있다.
본 발명의 상기 실시형태는 단지 예시적인 실시형태이다. 이들은 개시한 명확한 형태, 기술, 재료 및/또는 구성에 본 발명을 한정하거나 배제하고자 하는 것은 아니다. 상기 교시의 견지에서 다수의 변형, 치환 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 연료 카트리지 (100), 전력 유닛 (200) 및/또는 리필 유닛 (300) 은 예를 들어, 디스플레이 유닛과 같은 하나 이상의 전기적 또는 기계적 구성요소를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수도 있다 (도 14e, 도 17d 및 도 19d 참조). 그러므로, 다른 실시형태가 이용될 수도 있으며, 실시 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다. 이와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태 의 전술한 설명은 도시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 상기 교시의 견지에서 다수의 변형 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에만 제한하고자 하는 것이 아니다.
특히, 도시에서의 부가적인 상호접속은 파선 형식으로 표현된다.
용어 "회로" 는 단일의 구성요소 또는 능동 및/또는 수동이고 원하는 기능을 제공하거나 수행하기 위해 함께 연결된 복수의 구성요소 (집적 회로의 형태로 또는 다른 형태) 등을 의미할 수도 있다. 용어 "회로 소자" 는 회로 (집적식 또는 비집적식) 이러한 회로의 그룹, 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 상태 머신, 소프트웨어를 구현하는 하나 이상의 프로세서, 또는 하나 이상의 회로 (집적화되는 또는 다른 방법중의 하나) 의 조합, 하나 이상의 상태 머신, 하나 이상의 프로세서, 및/또는 소프트웨어를 구현하는 하나 이상의 프로세서 등을 의미할 수도 있다. 용어 "데이터" 는 아날로그 또는 디지털 형태 중의 하나에서 전류 또는 전압 신호를 의미할 수도 있다.

Claims (48)

  1. 수소계 연료 (hydrogen-based fuel) 를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지; 및
    상기 수소계 연료 카트리지에 연결된 전력 유닛을 포함하고,
    상기 수소계 연료 카트리지는,
    수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기;
    상기 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리; 및
    제어 회로소자를 포함하고,
    상기 전력 유닛은,
    상기 수소계 연료를 수용하고 그로부터 전력을 생성하기 위한 수소계 연료전지를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 전력 유 닛에 제공하는 시간을 이용하여, 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로소자는 상기 연료 용기 내에서의 연료의 압력 및 온도를 나타내는 데이터를 이용하여 잔류하는 수소계 연료의 양을 모니터하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 전력 유닛에 의한 상기 수소계 연료의 소비 레이트인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 회로소자는 상기 연료의 흐름 레이트, 상기 용기 내에서의 상기 연료 압력 및 상기 용기 내에서의 상기 연료 온도를 나타내는 데이터를 제공하는 하나 이상의 센서를 이용하여, 상기 전력 유닛에 의해 상기 수소계 연료의 소비 레이트를 모니터하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성을 나타내는 데이터를 더 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 고유 특성은 상기 연료 카트리지의 일련번호, 상기 연료 카트리지의 제조 날짜, 상기 연료 카트리지의 조립 날짜, 연료 용기에 함유된 연료의 유형, 상기 연료 카트리지의 연료 용량, 및 상기 카트리지가 행하는 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 더 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지는 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 정보를 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로소자는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하고,
    상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 상기 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 메모리 및 상기 제어 회로소자는 동일한 집적회로 디바이스 상에 배치되는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 유닛은 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하기 위한 제어 회로소자를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하고,
    상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 상기 연료 카트리지의 상기 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 상기 전력 유닛에 공급하는 시간을 이용하여, 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 연료 용기 내에서의 상기 연료의 압력 및 온도를 나타내는 데이터를 이용하여 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기로부터 소비된 수소계 연 료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 외부 회로로 제공하기 위한 통신 회로를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 통신 회로는 무선 통신 기술을 이용하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  22. 수소계 연료전지 관리 시스템은:
    수소계 연료를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지, 상기 수소계 연료 카트리지에 결합된 전력 유닛, 및 상기 수소계 연료 카트리지에 접속하게 되는 리필 유닛을 포함하고,
    상기 수소계 연료 카트리지는,
    수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기;
    상기 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리; 및
    제어 회로소자를 포함하고,
    상기 전력 유닛은,
    상기 수소계 연료를 수용하고, 이로부터 전력을 생성하기 위한 수소계 연료전지를 포함하고,
    상기 리필 유닛은,
    상기 연료 용기 내에 저장하기 위한 연료를 상기 수소계 연료 카트리지로 제공하기 위해서, 상기 연료 카트리지에 접속하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전력 유닛은 상기 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 상기 전력 유닛으로 제공하는 시간을 이용하여, 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하기 위한 제어 회로소자를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 전력 유닛에 의한 상기 수소계 연료의 소비 레이트인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성을 나타내는 데이터를 더 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 수소- 기반 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 고유 특성은 상기 연료 카트리지의 일련번호, 상기 연료 카트리지의 제조 날짜, 상기 연료 카트리지의 조립 날짜, 상기 연료 용기 내에 포함된 연료의 유형, 상기 연료 카트리지의 연료 용량, 및 상기 연료 카트리지가 행하는 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지는 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 정보를 시각적으로 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 전력 유닛은 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하기 위한 제어 회로소자를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하고,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 상기 연료 카트리지의 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양이고,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 상기 전력 유닛에 제공하는 시간을 이용하여, 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 연료 용기 내에서 상기 연료의 압력 및 온도를 나타내는 데이터를 이용하여, 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기로부터 소비된 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  35. 제 22 항에 있어서,
    상기 리필 유닛은 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하기 위한 제어 회로소자를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 리필 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 동작 파라미터를 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하고,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 상기 연료 카트리지의 상기 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양이고,
    상기 리필 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 수소계 연료 카트리지가 수소계 연료를 상기 리필 유닛으로부터 수용하는 시간을 이용하여, 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 리필 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 연료 용기 내에서의 상기 연료의 압력 및 온도를 나타내는 데이터를 이용하여, 잔류하는 수소계 연료의 양을 결정하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  39. 제 35 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기에서 소비된 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  40. 수소계 연료를 저장하기 위한 수소계 연료 카트리지 및 상기 수소계 연료 카트리지에 연결된 전력 유닛을 포함하고,
    상기 수소계 연료 카트리지는,
    수소계 연료를 저장하기 위한 연료 용기;
    기계적인 인터페이스를 포함하는 카트리지 인터페이스;
    카트리지 밸브 어셈블리;
    제어 회로소자; 및
    상기 수소계 연료 카트리지의 복수의 동작 파라미터를 나타내는 데이터를 저장하기 위한 메모리를 포함하고,
    상기 전력 유닛은,
    상기 카트리지 인터페이스의 상기 기계적 인터페이스에 기계적으로 연결되기 위한 기계적 인터페이스를 포함하는 전력 유닛 인터페이스;
    수소계 연료를 상기 수소계 연료 카트리지에서 상기 전력 유닛으로 흐르게 하고, 상기 카트리지 밸브 어셈블리를 관여시키기 위한 전력 유닛 밸브 어셈블리; 및
    상기 수소계 연료를 상기 연료 카트리지로부터 수용하고 그로부터 전력을 생성하기 위해 상기 전력 유닛 밸브 어셈블리에 연결된 수소계 연료전지를 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 복수의 동작 파라미터 중 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 연료 용기 내에 잔류하는 수소계 연료의 양인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  42. 제 40 항에 있어서,
    상기 복수의 동작 파라미터 중 하나 이상의 동작 파라미터는 상기 전력 유닛 에 의해 수소계 연료의 소비 레이트인, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  43. 제 40 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 하나 이상의 고유 특성을 나타내는 데이터를 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지의 상기 하나 이상의 고유 특성은 상기 연료 카트리지의 일련번호, 상기 연료 카트리지의 제조 날짜, 상기 연료 카트리지의 조립 날짜, 연료 용기 내에 포함된 연료의 유형, 상기 연료 카트리지의 연료 용량, 및 상기 연료 카트리지가 행한 리필 동작의 횟수 중 하나 이상을 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 메모리는 수소계 연료 카트리지의 일반적인 특성을 나타내는 데이터를 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  46. 제 40 항에 있어서,
    상기 수소계 연료 카트리지는 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 복수의 동작 파라미터 중 하나 이상의 동작 파라미터를 나타내는 정보를 시각적으로 표시하 기 위한 디스플레이를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  47. 제 40 항에 있어서,
    상기 전력 유닛은 상기 수소계 연료 카트리지의 상기 복수 동작 파라미터 중 하나 이상을 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 결정하기 위한 제어 회로소자를 더 포함하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 전력 유닛의 상기 제어 회로소자는 상기 복수 동작 파라미터 중 하나 이상을 나타내는 데이터를 상기 연료 카트리지의 상기 메모리 내에 간헐적으로, 연속적으로 또는 주기적으로 저장하는, 수소계 연료전지 관리 시스템.
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