KR20070011478A - 연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지 - Google Patents

연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지 Download PDF

Info

Publication number
KR20070011478A
KR20070011478A KR1020067023605A KR20067023605A KR20070011478A KR 20070011478 A KR20070011478 A KR 20070011478A KR 1020067023605 A KR1020067023605 A KR 1020067023605A KR 20067023605 A KR20067023605 A KR 20067023605A KR 20070011478 A KR20070011478 A KR 20070011478A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
cartridge
electronic device
membrane electrode
electrode assembly
Prior art date
Application number
KR1020067023605A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101233684B1 (ko
Inventor
폴 아담스
앤드류 제이 큐렐로
플로이드 패어뱅크스
Original Assignee
소시에떼 비아이씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 소시에떼 비아이씨 filed Critical 소시에떼 비아이씨
Publication of KR20070011478A publication Critical patent/KR20070011478A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101233684B1 publication Critical patent/KR101233684B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/30—Fuel cells in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/008—Disposal or recycling of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/84—Recycling of batteries or fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 전자기기의 최적 작동을 위한 여러 특징을 가진 연료전지 시스템에 관한 것이다. 상기 연료전지 시스템은 연료를 수용하는 연료 저장기와 막 전극 어셈블리(MEA) 또는 스택을 구비한 연료 카트리지를 포함한다. 상기 연료 카트리지는 상기 전자기기와 선택적, 작동적으로 결합하여 상기 전자기기에 전력을 공급한다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료 카트리지는 상기 전자기기 내의 챔버 내부에 수용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 연료 카트리지는 상기 전자기기 외부에 있는 한편 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 수 있다.
연료전지, 연료카트리지, 막전극어셈블리, MEA, 스택, PEM, BOP

Description

연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지 {CARTRIDGE WITH FUEL SUPPLY AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY STACK}
본 발명은 일반적으로 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지와 연료 카트리지를 사용하는 연료 시스템에 관한 것이며, 더더욱 상세하게는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)를 연료 카트리지 내부로 결합하는데 관한 것이다.
연료전지는 예를 들어 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접적으로 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전이나 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치보다도 더 효율적이어서 그 이용이 증가하고 있다.
일반적으로 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 일부 연료전지는 연료로서 압축된 수소(H2)를 사용한다. 일반적으로 압축된 수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 더구나 큰 저장탱크가 필요하여 가전기기용으로서 충분히 작게 만들어질 수도 없다. 양자교환막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지는 메탄올(CH3OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 탄화수소(부탄 등의), 또는 수소연료로 개질된 기타 연료를 사용한다. 통상적인 개질 연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화 및 부대 시스템을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전하여 가전 기기용으로서 유망해졌다. 기타 PEM 연료전지는 메탄올(CH3OH) 연료를 직접 사용한다("직접형 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells)" 또는 DMFC). DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로, 가장 단순하면서도 가장 소형화될 수 있는 연료전지로서 가장 유망하게 가전기기에 적용될 수 있다. 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells: SOFC)는 전기를 생산하기 위하여 부탄 등의 탄화수소 연료를 고온에서 변환한다. SOFC는 연료전지 반응을 발생시키기 위하여 1000℃ 범위의 비교적 고온을 필요로 한다.
전기를 생산하는 화학반응은 연료전지의 각 종류에 따라 다르다. DMFC의 경우, 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에서의 전체 반응은 다음과 같다;
애노드에서의 반쪽 반응:
CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
1.5O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체 연료전지 반응:
CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O
수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자들(e-)은 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자들은 외부회로를 통하여 흐를 수밖에 없고, 결국 외부회로에 전류가 발생한다. 이 외부회로는 이동전화, 계산기, PDA, 랩탑 컴퓨터, 전동공구 등과 같은 많은 유용한 가전기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에 기술되어 있다. 일반적으로 PEM은 DuPont의 Nafion
Figure 112006082421287-PCT00001
과 같은 폴리머로서 대략 0.05mm로부터 0.50mm 두께범위의 과플루오르화(perfluorinated) 물질이나 기타 적절한 막으로 만들어진다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박층이 표면에 도포된 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자들이 막의 일 측면에 결합된 가스 확산 전극(gas diffusion electrode)으로 된다.
다른 수소화붕소나트륨 개질기 연료전지의 연료전지 반응은 다음과 같다;
NaBH4(수용액) ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ NaBO2(수용액)
애노드에서의 반쪽 반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
이 반응에 적합한 촉매로서는 백금 및 루테늄 등이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2와 같은 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 부산물인 물을 만들어낸다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 개질 과정에서 얻어진다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허출원공개공보 제2003/0082427호에 기술되어 있다.
연료전지 응용에 있어 중요한 특징 중의 하나는 연료 저장장치이다. 또한, 상기 연료 공급원은 연료전지가 전력을 공급하는 연료전지나 전자기기에 쉽게 삽입되어야 한다. 또한, 연료 공급원은 쉽게 교체되거나 재충전될 수 있어야 한다.
미국특허공보 제2003/0082427호는 수소화붕소나트륨 연료가 카트리지 내부에서 개질되어 수소 및 부산물을 형성하는 연료 카트리지를 개시한다. 그런데, 이 선행기술은 연료의 현장제조(in situ production)를 가능하게 하는 연료 공급원, 비부식성이면서도 저가격의 저장장치로 될 수 있는 연료 공급원, 또는 아래 기술하는 이점과 특징을 지닌 연료 공급원을 개시하지 못하고 있다.
일반적으로 MEA는 가전기기 내부에 위치된 연료전지 내부에 위치한다. 미국특허출원공개공보 제2003/0082416호 및 제2003/0082426호는 이러한 기기들을 개시 한다. 이들 기기에 있어서, 연료 공급원은 제거가능하고 카트리지 내에 구비된다. 보통 MEA의 수명은 PEM의 수명에 의해 제한된다. PEM 효율은 연료 유속, 연료에서의 금속이온 농도, 연료 온도 및 주위/스택(stack) 온도 등의 여러 인자에 민감하다. PEM 효율이 충분히 낮은 수준이면, PEM은 교체되거나 개수되어야 한다. PEM의 잦은 수리는 전자기기의 수리를 요하므로 바람직하지 않다.
전자기기의 수리 없이도 PEM을 수리할 수 있는 연료전지 시스템에 대한 요구가 있어왔다.
본 발명은 연료 카트리지 챔버를 규정하는 하우징을 구비한 전자기기와 상기 연료 카트리지 챔버 내에 제거할 수 있게 수용가능한 연료 카트리지를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 상기 연료 카트리지는 적어도 하나의 막 전극 어셈블리 또는 스택과, 연료를 수용하는 연료 저장기를 포함한다. 상기 연료는 상기 전자기기를 구동하기 위한 전기로의 변환을 위하여 상기 막 전극 어셈블리로 이송된다. 상기 전자기기는 상기 전자기기 및 상기 연료 카트리지의 기능들을 제어하는 제어기를 구비할 수 있으며, BOP(Balance Of Plant)는 상기 전자기기 내부의 적어도 일부분에 있게 된다.
또한, 본 발명은 전자기기에 삽입되어 이에 전기를 공급하도록 되는 연료전지 카트리지에 관한 것이다. 상기 연료전지 카트리지는 막 전극 어셈블리 또는 스택과, 연료를 수용하는 연료 저장기를 구비한다. 상기 연료는 상기 막 전극 어셈블리에서 반응하여 상기 전기를 생산한다.
이하, 첨부되는 도면은 본원 명세서의 일부를 이루어 이와 연계되어 이해되어야하며, 여기서 도면부호는 다양한 도면에서의 각 부분들을 가리키는데 사용된다;
도 1은 연료 저장기와 MEA 또는 스택을 구비한 연료 카트리지를 포함하며, 상기 연료 카트리지는 작동적으로 상기 전자기기에 연결되는 본 발명의 연료전지 시스템의 개략도.
도 2는 도 1에서 연료 카트리지가 전자기기로부터 제거된 연료전지 시스템의 개략 분해조립도.
도 3은 연료 카트리지가 전자기기 외부에서 사용되는 본 발명의 다른 연료전지 시스템의 개략도.
도 4는 연료 카트리지가 2개의 전자기기 외부에서 사용되는 본 발명의 또 다른 연료전지 시스템의 개략도.
도 5는 본 발명의 연료전지 카트리지의 개략도.
이하, 도면과 함께 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 메탄올과 물, 메탄올/물 혼합물, 다양한 농도의 메탄올/물 혼합물 및 순수 메탄올 등의 연료전지 연료를 사용한다. 메탄올은 예를 들어 DMFC, 효소 연료전지, 개질 연료전지 등 많은 종류의 연료전지에서 사용가능하다. 연료전지 시스템은 에탄올이나 알콜, 수소로 개질될 수 있는 화학물질, 또는 연료전지의 성능 이나 효율을 증대시킬 수 있는 기타 화학물질과 같은 다른 종류의 연료전지 연료를 포함할 수 있다. 또한, 연료는 금속 연료전지 또는 알칼리 연료전지에 사용될 수 있고 연료 공급원에 저장될 수 있는 수용성 수산화칼륨(KOH) 전해질을 포함할 수 있다. 금속 연료전지용으로서 연료는 KOH 전해질 반응용액에 담근 유체부유 아연입자의 형태로 되고, 전지 캐비티(cavity) 내부의 애노드는 아연입자 형태의 미립자 애노드로 된다. KOH 전해질 용액은 미국특허출원공개공보 제2003/0077493호(2003. 4. 24 공개) "하나 이상의 부하에 전력을 공급하기 위한 연료전지시스템 사용방법"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 메탄올과 과산화수소 및 황산의 혼합물을 포함하며, 이는 실리콘 칩 상에 형성된 촉매를 지나쳐 흘러 연료전지 반응을 일으킨다. 또한, 연료는 앞서 기술하였듯이 수용성 수소화붕소나트륨(NaBH4)와 물을 포함한다. 또한, 연료는 탄화수소 연료, 즉 부탄, 등유, 알콜 및 천연가스 등을 더 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이는 미국특허출원공개공보 제2003/0096150호(2003. 5. 22 공개) "액체 계면 연료전지 기기"에 개시되어 있다. 부탄은 고체 산화물 연료전지용 연료로서 적합하다. 또한, 연료는 연료와 반응하는 액상 산화제를 포함한다. 따라서, 본 발명은 연료 공급원에 수용되거나, 아니면 연료전지 시스템에 의하여 사용되는 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 액체 또는 고체의 종류에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 "연료"라는 용어는 연료전지나 연료 공급원 내에서도 반응할 수 있는 모든 연료를 포함하며, 이는 상기 모든 적절한 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 액체, 고체 및/또는 화학물질과 그 혼합물을 포함하며 이에 한정되지 않는다.
여기서 사용되는 용어인 "연료 공급원"은 일회용 카트리지, 재충전/재사용 가능한 카트리지, 용기, 전자기기 내부에 구비되는 카트리지, 분리가능한 카트리지, 전자기기 외부에 구비되는 카트리지, 연료 탱크, 연료 저장기, 연료 재충전 탱크, 연료를 수용하는 기타 용기, 상기 연료 탱크 및 용기에 연결되는 배관을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이하, 카트리지가 본 발명의 실시예들과 연계되어 기술되나, 이들 실시예들은 기타 연료 공급원에게도 적용가능하며, 본 발명은 어떤 특정 형태의 연료 공급원에 한정되지는 아니한다.
이하 첨부된 도면과 기술된 대로, 본 발명은 도 1에 나타내듯이 부하(11)에 전력을 공급하기 위한 연료전지 시스템(10)에 관한 것이다. 부하(11)는 일반적으로 연료전지 카트리지(12)가 전력을 공급하는 전자기기이다. 연료전지 시스템(10)의 제1 실시예에 있어서, 부하 또는 전자기기(11)는 모든 유용한 가전기기의 외부회로 및 결합된 기능들로 된다. 본 실시예에 있어서, 전자기기(11)는 연료전지 카트리지(12)를 제거가능하도록 수용하기 위하여 연료 카트리지 챔버(16: 도 2에 도시)를 정의하는 하우징(14)을 포함한다. 도 1에 있어서, 카트리지(12)는 챔버(16) 내로 수용되고 카트리지(12)는 전자기기(11)에 작동적으로 연결된다. 연료 카트리지(12)에 연료가 비었다면, 도 2에 나타내듯이 사용자는 상기 전자기기로부터 상기 카트리지를 분리하고 다른 카트리지를 삽입하거나 또는 상기 비어있는 카트리지를 재충전할 수 있다.
전자기기(11)는 이동전화 또는 휴대전화, 계산기, 전동공구, 원예공구, PDA, 디지털 카메라, 랩탑 컴퓨터, 컴퓨터게임 시스템, 휴대형 음악 시스템(MP3 또는 CD 플레이어), GPS(Global Positioning System), 캠프용구 등을 포함할 수 있다.
도 1은 2개조의 연결선들을 포함한다. 연결선들의 제1조는 액체 및 가스 등의 유체, 선들을 포함하는데, 이는 흐름의 방향을 나타내는 화살표들을 지닌다. 연결선들의 제2조는 전기선들을 포함하는데, 이는 전기적 접속을 나타내기 위하여 교차부에 흑색 원을 지닌다. 본 실시예는 직접형 메탄올 연료전지에 관하여 기술하였지만, 본 실시예는 모든 연료전지에 적합하다고 이해된다.
전자기기(11)는 다음의 전자적으로 제어되는 요소들을 포함하는 것이 바람직하다: 제1 전기접점(18), 연료전지 카트리지(12)를 수용하도록 된 챔버(16), 제어기(20), 임의의 배터리(21), 펌프(22), 유량계(24), 연료 농도 센서(25) 및 양수 밸브(26). 제어기(20)는 이들 기기와 전기소통을 하게 된다. 또한, 전자기기(11)는 다음의 유체요소들을 포함한다: 공기 챔버(28), 이산화탄소 분리기(30),응축기(condenser: 32) 및 혼합챔버(34). 이들 유체요소들은 아래 기술하듯이 상호간 또는 다른 유체요소들과 유체소통을 하게 된다. 또한, 아래 상세히 기술하듯이, 상기 전자기기는 연료전지가 전자기기(11) 상의 다양한 유체 요소들을 연료전지 카트리지(12) 상의 다양한 유체 요소들에 연결하도록 복수의 밸브요소(36b, 38b, 40b, 42b, 44b)를 포함한다.
연료전지 카트리지(12)는 다음의 전자적으로 제어되는 요소들을 포함하는 것이 바람직하다: 제2 전기접점(46), 정보저장기기(47), 조절밸브(50). 접점(46)은 정보저장기기(47)와 조절밸브(50)와 전기소통하며, 제1 전기접점(18)에 연결된다. 또한, 연료전지 카트리지(12)는 연료 저장기(52), 막 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA; 54) 및 열 교환기(56)를 수용하는 하우징(51: 가상선으로 표시)을 포함한다. MEA 또는 요소(54)는 스택(stack)을 가리킨다. 여기 사용되듯이, 스택은 적어도 하나의 막 전극 어셈블리와 양극판(bipolar plate)들을 포함한다. 또한, 스택은 임의의 연료와 산소 공급원들 및 현재 회수(collection) 요소들을 포함한다. 또한, 열교환기(56)는 전자기기(11) 내에 위치될 수 있다. 바람직하기로 MEA(54)는 애노드(54a), 양자 교환막(Proton Exchange Membrane: PEM: 54b) 또는 기타 전해질 층(electrolyte layer)과, 캐소드(54c)를 포함한다. 임의로 연료전지 카트리지(12)는 이온필터(58)와 이온센서(60)를 더 포함할 수 있다. 이들 요소들은 아래에 기술하는 바와 같이 상호간 또는 다른 유체 요소들과 유체소통한다. 또한, 연료 카트리지(12)는 아래 상세히 기술하는 바와 같이 연료 카트리지(12)의 여러 요소들을 전자기기(11)의 여러 요소들과 유체적으로 연결하기 위하여 밸브 요소들(36b, 38b, 40b, 42b, 44b)과 작동적으로 결합된 복수의 밸브 요소들(36a, 38a, 40a, 42a, 44a)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 카트리지(12)가 챔버(16)에 장착 또는 삽입되면, 제1, 2 전기접점(18, 46)이 연결되어 제어기(20)가 정보저장기기(47)와 카트리지(12)의 나머지 전기요소들과 전기적으로 연결된다. 그 결과, 제어기(20)는 연료전지 카트리지(12)로부터 정보를 받아 조절밸브(50)의 기능을 제어하고 정보저장기기(47)에 읽기 및 쓰기를 할 수 있게 된다. 바람직한 제어기 및 정보저장기기와 이들 동작은 본 출원인의 현재 진행 중인 미국특허출원 제10/725,237호(2003. 12. 1 출원) "정 보 저장 기기 및 제어 시스템을 포함하는 연료전지공급원"에 개시되어 있다.
적절한 정보저장기기로는 RAM(Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래쉬메모리, 전자적으로 읽기 가능한 요소들(저항, 캐패시터, 인덕터, 다이오드 및 트랜지스터 등), 광학적으로 읽기 가능한 요소들(바코드 등), 자기적으로 읽기 가능한 요소들(자기띠(magnetic stripe) 등), 집적회로(IC 칩) 및 프로그램가능한 로직 어레이(Programmable Logic Array: PLA)와 스마트 칩(smart chip: 배터리에 사용되는 것 등) 등을 포함하나 이에 한정되지는 아니한다. 바람직한 정보저장기기로는 PLA와 EEPROM가 포함되며, 여기서는 EEPROM으로써 본 발명을 기술한다. 그러나, 본 발명은 정보저장기기의 어느 특정 종류에 한정되지않는다는 것이 이해된다.
일반적으로, 정보는 2진법 시스템(binary system)으로 "0"과 "1"로서 저장된다. 이들 2진수(binary digit) 군은 8진수(3개 2진수 군) 및 16진수(4개 2진수 군)를 형성하게 된다. 16진수는 정보저장기기를 용이하게 읽는데 널리 사용된다.
EEPROM은 사용자가 수정가능한 ROM(Read-Only Memory)로서, 프로그래밍 수단들 가운데 동일한 핀(pin)에 통상의 쓰기 전압보다도 더 높은 전압을 가함으로써 유효수명 동안 소거(erase) 및 다시쓰기(rewrite) 또는 반복적으로 재프로그래밍하기가 가능하다. EEPROM은 수정하기 위하여 연료 공급원으로부터 분리될 필요가 없다. 유리하게도, EEPROM의 일부가 반복적으로 다시쓰기될 수 있는 반면, EEPROM의 다른 일부는 쓰기방지(write-protect)될 수 있어 최초 기입된 정보는 저장되어 상기 쓰기 전압으로부터 보호된다. 또한, EEPROM은 다른 ROM과 유사하게 자신 또는 이에 저장된 데이터를 유지하기 위한 전력을 필요로 하지 않는다. 따라서, 어떤 전기기기가 구동되면, 이는 EEPROM에 저장되어 있는 시동을 위한 정보에 의존하여 그 프로그래밍을 구동시킨다. EEPROM을 소거하고 다시쓰기를 하기 위하여 제어기는 EEPROM의 특정 위치에 소정의 전압을 가하여 새로운 정보를 저장한다.
다른 ROM들과 함께 EEPROM은 널리 상업적으로 구입 가능하다. 적합한 EEPROM은 San Jose, CA의 Cypress Semiconductor Corp., San Jose, CA의 Altera Corp., Hayward, CA의 ATMEL Corp. 및 Chandler, AZ의 Microchip Technology Inc. 등으로부터 구입 가능하다.
다른 실시예에 있어서, 제1, 2 접점(18, 46) 간의 전기적 접속은 무선으로 될 수 있다. 적합한 무선 전송 시스템으로는 블루투스(Blue Tooth) 기술, 무선 주파수, 적외선 등이 있다.
또한, 정보저장기기(47)에 읽기 및 쓰기에 덧붙여, 제어기(20)는 전자기기(11)의 기능들과, 전자기기(11) 및 카트리지(12) 내부의 밸브, 센서 및 펌프들의 기능들을 제어하게 된다. 또한, 하우징(17)은 MEA가 작동하지 않는 경우 또는 시스템 시동 중인 경우에 연료전지 시스템(10)과 전자기기(11)의 여러 요소들에 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 임의의 배터리를 지지한다. 또는, 카트리지(12)가 비어있거나 또는 연료전지/MEA가 꺼졌을 경우에 임의의 배터리(21)가 제어기(20)에 전력을 공급한다. 임의의 배터리(21)는 태양전지판(solar panel)으로 교체되거나 또는 이와 함께 사용될 수 있다.
적합한 펌프(22)로는 본 출원인이 현재 진행 중인 미국특허출원 제10/356,793호(2003. 1. 31 출원) "연료전지용 연료 카트리지", 제10/629,004호(2003. 7. 29 출원) "가요성 라이너를 구비한 연료 카트리지", 제10/629,006호(2003. 7. 29 출원) "연결밸브를 구비한 연료 카트리지"에 잘 개시되어 있다.
적합한 펌프로는 압전 펌프(piezo-electric pump)가 있다. 적합한 압전 펌프는 Newport News, VA의 PAR Technologies, LLC로부터 구입 가능하다. 압전 펌프는 가동부분이 없고 경량, 소형이고 튼튼하며 조용하고 효율적이다. 이 펌프는 여기전압이 대략 50V보다 크고 전류소모가 예를 들어 대략 2.2VDC에서 12VDC 범위의 입력전압에서 대략 15mA에서 130mA 범위만큼 낮다. 압전 펌프의 유속은 대략 0 내지 5psi 범위의 압력에서 대략 10ml/hour에서 900ml/hour이다. 펌프의 크기는 대략 0.5inch 두께보다 작은 대략 0.5inch2에서 1.5inch2이다. 압전 펌프는 연료전지 및 연료 카트리지에 사용되는 연료에 친화적인 물질로 구성될 수 있다. 또한, 이 펌프는 광범위하게 작동되고 수명이 길다.
본 실시예에 있어서, 펌프(22)는 카트리지(12) 외부에 있고 하우징(17) 내부에 구비된다. 그 결과, 카트리지(12)가 하우징(17)으로부터 분리되면, 도 2에 나타내듯이 펌프(22)는 하우징(17) 내부에 남아있게 된다. 본 실시예에 있어서 펌프(22)는 혼합챔버(34)의 상류 측에 위치된다. 다른 실시예에 있어서, 펌프(22)는 혼합챔버(34)의 하류 측(즉, 혼합챔버(34) 및 밸브요소(36b)의 사이) 또는 기타 장 소에 위치될 수 있다. 또는, 펌프(22)가 생략되고 카트리지(12)가 가압되어 연료를 제어밸브를 통하여 카트리지(12)로부터 전자기기(11)로 흘려보낼 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 연료 카트리지(12)는 연료 저장기(52)를 수용하기 위한 챔버(51a)를 지닌 하우징(51)을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 연료 저장기(52)는 하우징(51)으로부터 독립된 외부 쉘(outer shell) 또는 외부 케이싱(outer casing)(52a)을 포함할 수 있다. 상기 외부 케이싱은 비교적 강체이거나 유연할 수 있다. 연료 저장기(52)는 내부 연료 라이너(liner) 또는 블래더(bladder)를 구비하거나, 또는 이들 없이 형성될 수 있다. 라이너 및 관련 요소들을 구비하지 않는 카트리지는 미국특허출원 제10/356,793호에 개시되어 있다. 내부 라이너 또는 블래더를 구비한 카트리지는 미국특허출원 제10/629,004호에 개시되어 있다.
밸브 요소(36a)는 카트리지(12)에 부착되고 밸브 요소(36b)는 전자기기(11)에 부착된다. 밸브(36a, 36b)는 2요소 밸브로 됨이 바람직하다. 각 밸브 요소는 연료 카트리지(12)가 전자기기(11)로부터 분리될 때 밀봉을 형성할 수 있다. 2요소 밸브는 미국특허출원 제10/629,006호에 잘 개시되어 있다. 카트리지(12)가 챔버(16) 내부에 있을 경우, 저장기(52) 내부의 연료는 밸브 요소들(36a, 36b)을 통하여 혼합챔버(34)와 유체소통된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 이온필터(58)과 이온센서(60)가 카트리지(12)에 임의로 제공된다. 이온필터 및 이온센서는 본 출원인의 현재 진행 중인 미국특허출원 제10/725,235호(2003. 12. 1 출원) "이온필터를 포함한 연료전지 시스템"에 잘 개시되어 있다. 이온필터는 연료로부터 이온들을 제거하여 PEM의 수명 을 연장한다. 이온필터(58)는 연료 저장기(52)의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 이온입자들은 포착제(scavenger agent), 킬레이트제(chelating agent) 또는 이온교환막(예를 들어, PEM 물질)으로써 제거될 수 있다.
이온센서(60)는 필터가 유효함을 확인할 수 있어 필터가 교체되어야 할 때를 판단할 수 있다. 이온센서(60)는 나타내듯이 바람직하기로 연료전지 카트리지(12) 내부에 위치되거나 또는 전자기기(11) 내부에 배설될 수 있다. 제어기(20)는 이온센서(60)를 사용하여 연료 내의 이온수준을 읽어내어 이 정보를 정보저장기기(47)에 기입하며, 이로써 허용되지 않는 이온수준을 지닌 연료는 사용될 수 없게 된다. 이온센서(60)는 연료의 전기 전도도를 읽어내어 이온수준을 확인할 수 있다. 전도도가 높을수록 이온수준이 높은 것을 가리킨다. 제어기는 전자기기가 켜지거나 또는 다른 카트리지가 장착될 때마다 연료에서의 이온수준을 조사한다.
MEA(54)는 일반적으로 두개의 양극판들 간에 위치된다(미도시). 본 발명에 있어서, MEA(54)는 카트리지(12) 내부의 챔버(53)에 의하여 수용됨이 바람직하다. 따라서, MEA는 비용효과가 큰 물질로 제조됨이 바람직하고 카트리지(12)가 비어있을 때 배설될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이점은 MEA가 일회용이라면, 이온필터 및/또는 이온센서가 생략될 수 있다는 것이다. 또한, 내부챔버(51) 또는 연료 저장기(52)는 재충전 및/또는 교체될 수 있어 연료전지 카트리지(12)는 MEA가 교체되어야 할 때까지 재사용될 수 있다. 또는, 카트리지의 나머지 부분들이 재사용가능한 반면에, MEA 또는 스택(54)은 교체될 수 있다. 이로써, 연료전지 설계자들은 연료전지 카트리지(12) 내부에 일회용 PEM 또는 재사용가능한 PEM 중의 하나 를 선택하여 사용할 수 있다.
바람직하기로는, 애노드(54a) 및 캐소드(54c)는 통상의 물질로 형성된다. MEA의 PEM(54b)은 이온 전도성 폴리머로 형성됨이 바람직하다. 적합한 이온 전도성 폴리머로는 앞서 기술한 바 있듯이 DuPont의 Nafion
Figure 112006082421287-PCT00002
과 같이 구입가능하며 촉매로 코팅된 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer)를 포함하며 이에 한정되지는 아니한다. 촉매 코팅된 폴리머는 촉매 "지지(supported)" 폴리머로 알려져 있다. 적합한 촉매로는 백금 및 루테늄, 또는 이들의 합금 등이 포함된다. 다른 적합한 이온 전도성 폴리머로는 Nurray Hill, New Jersey의 Celanese Fuel Cells-USA, Inc.에 의해 제조된 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole: PBI)가 있다. PBI는 120℃ 내지 200℃의 범위에서 작동할 수 있는 고온 PEM이다.
다른 적합한 이온 전도성 폴리머는 "이온 침투성 막에서의 제1과정"(Davis, T.A., Genders, J.D., Pletcher, D., pp. 35-37) 및 미국특허 제6,630,518 B1호에 기재되어 있다. 이들 폴리머는 이온화 가능한 그룹 또는 이들의 전구체들(예를 들어, Nafion
Figure 112006082421287-PCT00003
과플루오르화 막)을 포함하는 관능화 알켄(functionalized alkene)으로 공중합된 비치환 알켄(unsubsituted alkene)과, 중합된 알켄과, 이후 상기 막에 삽입(introduced)되는 이온 그룹을 포함한다. 다른 적합한 이온 전도성 폴리머로서는 미소공을 충전하는 과플루오로화 폴리머(perfluorinated polymer)를 지니는 PTFE(polytetrafluoroethylene)로 되는 Gore Tex 전천후(weatherproof) 물질과, 2.5% 클로로술폰산 용액(chlorosulfonic acid solution) 내에서 광에 조사된 PVC(polyvinyl fluoride) 필름을 포함한다. 상기 미국특허 제6,630,518 B1호에서는 광 조사된 후 술폰화된 저투과율 막을 포함하는 기타 적합한 이온 전도성 폴리머를 개시한다. 적합한 막으로는 PE(polyethylene), PP(polypropylene), 폴리헥사플루오로프로필렌(polyhexafluoropropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVF(polyvinyl fluoride), PVDF(polyvinylidene fluoride), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이들 막 및 고투과율 막을 지니는 막은 본 발명에 사용가능하다. 또한, 기타 적합한 막으로는 Polyfuel, Inc.에 의하여 제조된 막이다. 상기 카트리지가 비거나 또는 MEA의 효율이 상당히 감소되었을 때 MEA가 교체될 수 있기 때문에, 어떠한 이온 교환 물질도 사용될 수 있으며, 여기서 기술된 바와 같은 저렴한 물질들이 사용될 수 있다.
애노드(54a)에서의 반응 결과로 이산화탄소를 포함하는 가스 부산물이 DMFC 반응의 애노드 측에서 형성된다. 이들 가스 부산물 및 미반응한 연료는 만일 조금이라도 있다면 밸브 요소(38a, 38b)를 통하여 전자기기(11) 내 이산화탄소 분리기(30)로 이송된다. 밸브(38a, 38b)는 밸브(36a, 36b)와 유사한 2요소 밸브로 될 수 있다. 이산화탄소 분리기(30)는 가스의 자연부력(natural buoyancy)을 이용하여 미사용된 연료로부터 이산화탄소를 분리해낸다. 또한, 이산화탄소 분리기(30)는 상기 이산화탄소를 전자기기(11) 밖 대기중으로 배기하는 릴리프 밸브(relief valve: 30a)를 구비한다. 릴리프 밸브는 미국특허출원 제10/629,004호에 개시된 포핏형 밸브(poppet-type valve)로 될 수 있다.
캐소드로부터의 이들 액체/물 부산물은 밸브 요소들(40a, 40b)을 통하여 전 자기기(11) 내 응축기(32)로 이송된다. 밸브(40a, 40b)는 밸브(36a, 36b)와 유사한 2요소 밸브로 될 수 있다. 응축기(32)는 상기 물 부산물을 이송받아 조금이라도 있다면 수증기를 응축하고 상기 물을 액체 상으로 혼합챔버(34)로 이송한다. 또한, 응축기(32)는 모든 가슬를 전자기기(11) 밖 대기중으로 배기하는 릴리프 밸브(32a)를 포함할 수 있다. 또는, 릴리프 밸브들(30a 및/또는 32a)은 혼합챔버(34) 상의 단일 릴리프 밸브로 교체될 수 있다.
밸브(26)는 물 및 미반응한 연료의 혼합챔버(34)로의 흐름을 조절하여 연료/물 혼합물에서 최적의 연료농도를 얻도록 보조한다. 제어기(20)는 밸브(26)를 제어하여 챔버(34) 내에서 적합한 연료/물 농도를 얻도록 한다.
적절한 농도의 연료/물 혼합물은 펌프(22)에 의하여 챔버(34)로부터 이송된다. 상기 연료/물 혼합물의 연료농도는 연료 농도센서(25)에 의하여 측정되어 제어기(20)에 의하여 양수밸브(water metering valve: 26)를 사용하여 모니터링되고 조절된다. 이러한 센서들은 미국특허공개공보 제2003/0131663호 및 제2003/0134162호와 미국특허 제6,254,748호 및 제6,306,285호에 개시되어 있다.
상기 연료/물 혼합물은 밸브 요소들(44a, 44b)을 통하여 펌프(22)로부터 연료 카트리지(12) 내의 열 교환기(56)로 흐르게 된다. 밸브(44a, 44b)는 밸브(36a, 36b)와 유사한 2요소 밸브로 될 수 있다. MEA, 특히 PEM은 연료온도에 민감할 수 있으므로, 열 교환기(56)가 연료를 소정의 온도 범위로 냉각시킨다. 상기 열 교환기는 통상적인 교환기로 될 수 있고 핀(fin)을 포함한다.
상기 연료/물 혼합물은 열 교환기(56)로부터 MEA(54)의 애노드(54a)로 흘러 반응하여 전기를 발생시킴으로써 전기기기(11)에 전력을 공급한다. 이 실시예에 있어서, 조절밸브(regulating valve: 50)는 연료의 MEA(54)로의 상기 흐름을 조절한다. 조절밸브(50)는 소정의 직경으로 개방되어 흐름을 조절하는 가변되는 오리피스(orifice)를 구비할 수 있다. 또 다른 조절밸브는 미국특허출원 제10/725,237호에 개시되어 있다. 유사한 조절밸브로는 미국특허 제4,496,309호 및 제4,560,345호에 개시되어 있다.
또한, 전자기기(11)은 공기를 수용하는 공기챔버(28)를 더 포함한다. 공기챔버(28)로부터의 공기는 밸브 요소들(42a, 42b)을 통하여 연료 카트리지(12) 내의 캐소드(54c)로 흐른다. 밸브(42a, 42b)는 밸브(36a, 36b)와 유사한 2요소 밸브로 될 수 있다. 또는, 공기가 주위로부터 직접 상기 캐소드로 공급되거나 또는 상기 캐소드를 수용하기 이전에 상기 전자기기를 통하여 공급될 수 있다. 또한, 펌프 또는 팬이 공기를 이송하는데 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 나타내듯이, MEA가 카트리지(12) 내에 위치되어 더욱 용이하게 교체될 수 있는 한편, "BOP(Balance Of Plant)"가 실질적으로 전자기기 내에서 작동된다. 이의 이점은 BOP가 전자기기 내에 있기에 더욱 적합한 민감하거나 값비싼 항목들, 예를 들어 제어기(들), 펌프(들)을 포함할 수 있다는 것이다. 또한, 경비 및 신뢰도에 따라 이들 항목들은 카트리지 내에 배치될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 관점에 따라 연료 카트리지(112)가 제공되어 전자기기(111) 외부에 위치되는 동안 상기 기기와 동작하기에 적합하게 된다. 전자기기(111)는 제1 접점(118)을 포함하여 전자기기(11)의 여러 전자적 및 유체적 요소들을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제1 접점은 기기(11)의 요소들을 연료 카트리지(112)에 전기적 및 유체적으로 연결하기 위한 요소들을 포함한다. 연료 카트리지(112)는 제2 접점(146)을 포함하여 카트리지(12)의 여러 전자적 및 유체적 요소들을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제2 접점은 접점들(118, 146)이 작동적으로 결합할 때 기기(111)의 요소들을 연료 카트리지(112)에 전기적 및 유체적으로 연결하기 위한 요소들을 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 연료 카트리지(112)는 제2 접점과 사용도중 랩탑(111)을 지지하기 위한 임의의 플랫폼을 구비한 도킹 스테이션(docking station)으로 결합될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 관점에 따라 연료 카트리지(212)가 중앙 급유 스테이션 또는 허브(hub) 또는 매니폴드(manifold)로서 제공되어 전자기기(211)의 외부에 있는 한편 상기 2개 이상의 기기들과 작동하기에 적합하게 된다. 연료 카트리지(212)는 어떠한 개수의 전자기기들(211)과도 작동적으로 결합하도록 설계될 수 있다. 각 전자기기(211)는 제1 접점(218)을 포함하여 기기(11)의 여러 전자적 및 유체적 요소들을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제1 접점은 기기(211)의 요소들을 연료 카트리지(212)에 전기적 및 유체적으로 연결하기 위한 요소들을 포함한다. 연료 카트리지(212)는 제2 접점(246) 및 선들(246a, 246b)을 포함하여 카트리지(12)의 여러 전자적 및 유체적 요소들을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제2 접점(246)은 접점들(218, 246)이 작동적으로 결합할 때 기기들(211)의 요소들을 연료 카트리지(212)에 전기적 및 유체적으로 연결하기 위한 요소들을 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 도 1에 나타내듯이 전자기기(11) 내부에 위 치된 일부 요소들은 카트리지(12) 내부 또는 그 위로 이동될 수 있다. 예를 들어, 펌프(22) 및 혼합챔버(34)는 카트리지(12)로 이동될 수 있다. 또한, 하나 이상의 공기챔버(28), 응축기(32) 및 CO2 분리기(30) 요소들도 카트리지(12)로 이동될 수 있다.
또는, MEA(54)가 전자기기(11)로 이동될 수 있어 연료 저장기(52), 펌프(22) 및 혼합챔버(34)가 카트리지(12) 내에 위치된다. 연료 및 물의 혼합물은 MEA 내에서의 반응을 위하여 전자기기(11)로 이송되기 이전에 상기 카트리지 내에서 준비될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 도 1에 위치된 바와 같이 나타내는 모든 연료전지 요소들은 카트리지(12)로 이동된다. 도 5를 참조하면, 카트리지(12)는 교체가능하고 재충전가능한 연료 공급원(52)과 수리가능하고 교체가능한 MEA 또는 스택을 구비한 독립형 연료전지로 된다. 이러한 카트리지(12)의 출력은 MEA(54)로부터 생산되는 전기이다. 이러한 시스템의 이점은 (i) 전자기기(11)를 구동하는데 필수적인 전기를 생산하기에 적합하도록 얼마든지 MEA의 크기가 조절되어 구성될 수 있다는 점과, (ii) 밸브 요소들(36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b)과 전기 접속부들(18, 46)이 최소화되거나 제거될 수 있다는 점이다.
여기서 개시된 발명의 실시예들은 본원발명의 목적을 달성하는 것이며, 다수의 변형 및 기타 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 안출될 수 있음이 인정된다. 또한, 모든 실시예의 특징 및/또는 요소들은 단독으로 또는 기타 실시예와 결합하여 사용될 수 있다. 따라서, 특허청구범위는 본원발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형 및 실시예들을 포함한다고 간주되어야 한다.

Claims (22)

  1. 연료 카트리지 챔버를 규정하는 하우징을 구비한 전자기기와;
    상기 연료 카트리지 챔버 내에 제거할 수 있게 수용가능한 연료 카트리지를 포함하고, 상기 연료 카트리지는 적어도 하나의 막 전극 어셈블리와 연료를 수용하는 연료 저장기를 포함하며, 상기 연료는 상기 전자기기의 사용을 위한 전기로의 변환을 위하여 상기 막 전극 어셈블리로 이송될 수 있기 이전에 상기 전자기기로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자기기는 제1 전기접점과 제어기를 더 포함하고, 상기 연료 카트리지는 제2 전기접점을 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합될 때 상기 제1 전기접점과 상기 제2 전기접점이 전기소통됨으로써 상기 제어기는 상기 전자기기와 상기 연료 카트리지의 기능들을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 막 전극 어셈블리는 애노드와 양자교환막과 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지는 상기 제2 전기접점과 전기소통하는 정보저장기기를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 정보저장기기는 제어기에 의하여 읽기가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지는 상기 막 전극 어셈블리의 상류측에서 유체소통하는 열 교환기를 더 포함하여, 상기 연료는 냉각을 위해 상기 열 교환기로 이송될 수 있고 그 후 상기 막 전극 어셈블리로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지는 상기 연료 저장기의 하류측에서 유체소통하는 이온필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지는 이온센서를 더 포함하고 상기 이온센서는 상기 제2 전기접점과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자기기는 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 연료를 상기 막 전극 어셈블리로 이송하는 것을 보조하기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 제2 전기접점과 상기 제어기와 전기소통하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자기기는 공기챔버를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 공기챔버는 상기 막 전극 어셈블리의 캐소드와 유체소통함으로써 공기가 상기 캐소드로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자기기는 가스 부산물 분리기를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 이산화탄소 분리기는 상기 막 전극 어셈블리의 애노드와 유체소통함으로써 가스 부산물이 상기 가스 부산물 분리기로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전자기기는 응축기를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 응축기는 상기 막 전극 어셈블리의 캐소드와 유체소통함으로써 액체 부산물이 상기 응축기로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전자기기는 혼합챔버를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 혼합챔버는 상기 응축기 및 상기 연료 저장기와 유체소통함으로써 상기 연료는 상기 혼합챔버로 이송될 수 있고 상기 부산물은 상기 혼합챔버로 이송될 수 있어 상기 연료 및 상기 부산물은 혼합된 후 상기 막 전극 어셈블리로 이송되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자기기는 상기 응축기와 상기 혼합챔버 간에 배설되어 이들과 유체소통하는 계량밸브(metering valve)를 더 포함하여 상기 부산물이 상기 계량밸브를 통하여 상기 혼합챔버로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 막 전극 어셈블리는 일회용인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장기는 일회용인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 막 전극 어셈블리는 하나의 스택으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제1 전기접점과 이와 전기소통하는 제어기를 구비한 전자기기와;
    상기 전자기기와 선택적, 작동적으로 결합하고 제2 전기접점과 적어도 하나의 막 전극 어셈블리와 연료를 수용하는 연료 저장기를 포함하는 연료 카트리지를 포함하고, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 제1 전기접점 및 상기 제2 전기접점이 전기소통함으로써 상기 제어기는 상기 전자기기 및 상기 연료 카트리지의 기능들을 제어하고 상기 연료는 상기 전자기기의 사용을 위한 전기로의 변환을 위하여 상기 막 전극 어셈블리로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전자기기는 복수의 제1 유체요소를 더 포함하고, 상기 연료 카트리지는 복수의 제2 유체요소와, 제1조의 밸브요소가 상기 연료 카트리지에 부착되고 제2조 의 밸브요소가 상기 전자기기에 부착되는 복수의 2요소 밸브를 더 포함하여, 상기 연료 카트리지가 상기 전자기기와 작동적으로 결합할 때 상기 제1조의 밸브요소와 상기 제2조의 밸브요소는 결합하여 상기 복수의 제1 유체요소와 상기 복수의 제2 유체요소 간의 유체소통을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 전자기기에 삽입가능하도록 되어 이에 전기를 공급하고, 적어도 하나의 막 전극 어셈블리와 연료를 수용하는 연료 저장기를 포함하며, 상기 연료는 상기 막 전극 어셈블리와 반응하여 상기 전기를 생산하며 BOP(Balance Of Plant)가 상기 카트리지 내부에 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 연료 저장기는 제거가능하게 상기 카트리지에 부착되어 상기 연료 저장기가 재충전되거나 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 막 전극 어셈블리가 상기 카트리지에 제거가능하게 부착되어 상기 막 전극 어셈블리가 수리되거나 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
KR1020067023605A 2004-05-11 2005-05-04 연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지 KR101233684B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/843,638 US7217470B2 (en) 2004-05-11 2004-05-11 Cartridge with fuel supply and membrane electrode assembly stack
US10/843,638 2004-05-11
PCT/US2005/015706 WO2005112178A2 (en) 2004-05-11 2005-05-04 Cartridge with fuel supply and membrane electrode assembly stack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070011478A true KR20070011478A (ko) 2007-01-24
KR101233684B1 KR101233684B1 (ko) 2013-02-15

Family

ID=35309799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067023605A KR101233684B1 (ko) 2004-05-11 2005-05-04 연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지

Country Status (15)

Country Link
US (2) US7217470B2 (ko)
EP (2) EP1747599B1 (ko)
JP (2) JP5117848B2 (ko)
KR (1) KR101233684B1 (ko)
CN (1) CN100573993C (ko)
AR (1) AR048738A1 (ko)
AT (1) ATE534158T1 (ko)
AU (1) AU2005242368B2 (ko)
BR (1) BRPI0510965A (ko)
CA (1) CA2566334C (ko)
ES (2) ES2378975T3 (ko)
MX (1) MXPA06013053A (ko)
MY (1) MY139185A (ko)
TW (1) TWI257731B (ko)
WO (1) WO2005112178A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100858827B1 (ko) * 2007-01-31 2008-09-17 오성엘에스티(주) 배터리 가압시험 장치

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7655331B2 (en) * 2003-12-01 2010-02-02 Societe Bic Fuel cell supply including information storage device and control system
US20050260481A1 (en) * 2004-05-20 2005-11-24 Gennadi Finkelshtain Disposable fuel cell with and without cartridge and method of making and using the fuel cell and cartridge
JP2006147179A (ja) * 2004-11-16 2006-06-08 Toshiba Corp 燃料電池ユニット
DE102005056672B4 (de) * 2005-11-28 2014-05-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Betreiben einer Direktoxidationsbrennstoffzelle
US20070166575A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-19 Mcleod D D Fluid fuel cartridge with an integrated content module
US20090117428A1 (en) * 2006-03-02 2009-05-07 Chien-An Chen Condensation device for a fuel cell
KR100729071B1 (ko) * 2006-05-19 2007-06-14 삼성에스디아이 주식회사 연료공급장치 하우징 및 이를 이용하는 주변장치 모듈
TW200744247A (en) * 2006-05-24 2007-12-01 Asia Vital Components Co Ltd Thin fuel cell device
TW200806392A (en) 2006-06-20 2008-02-01 Lynntech Inc Microcartridge hydrogen generator
JP5360452B2 (ja) * 2007-07-06 2013-12-04 ソニー株式会社 燃料電池および電子機器
BRPI0815594B1 (pt) 2007-08-20 2018-10-30 Myfc Ab conjunto de célula de combustível, dispositivo elétrico, aparelho, e, método para operar um conjunto de célula de combustível
KR101065387B1 (ko) * 2009-03-19 2011-09-16 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 구동 방법
CN103262322B (zh) * 2010-12-14 2016-08-10 智慧能量有限公司 燃料电池系统

Family Cites Families (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT371583B (de) * 1980-11-24 1983-07-11 Schaechter Friedrich Einrichtung zur konstanthaltung der flammengroesse eines mit fluessiggas betriebenen kleinbrenners, vorzugsweise eines feuerzeugbrenners
AT372773B (de) * 1981-03-19 1983-11-10 Schaechter Friedrich Mit fluessiggas betriebenes feuerzeug, insbesondere taschenfeuerzeug
US5773162A (en) * 1993-10-12 1998-06-30 California Institute Of Technology Direct methanol feed fuel cell and system
US5945231A (en) * 1996-03-26 1999-08-31 California Institute Of Technology Direct liquid-feed fuel cell with membrane electrolyte and manufacturing thereof
JPH1064567A (ja) * 1996-06-14 1998-03-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用水素供給システム及び携帯用電気機器
EP0813264A3 (en) * 1996-06-14 2004-02-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system, fuel feed system for fuel cell and portable electric appliance
US5723229A (en) * 1996-07-08 1998-03-03 Motorola, Inc. Portable fuel cell device including a water trap
US6306285B1 (en) * 1997-04-08 2001-10-23 California Institute Of Technology Techniques for sensing methanol concentration in aqueous environments
US5992008A (en) * 1998-02-10 1999-11-30 California Institute Of Technology Direct methanol feed fuel cell with reduced catalyst loading
US6326097B1 (en) * 1998-12-10 2001-12-04 Manhattan Scientifics, Inc. Micro-fuel cell power devices
FI107932B (fi) * 1999-02-16 2001-10-31 Mikael Paronen Polymeerikalvo ja menetelmä sen valmistamiseksi
US6268077B1 (en) * 1999-03-01 2001-07-31 Motorola, Inc. Portable fuel cell power supply
JP2000333307A (ja) * 1999-05-24 2000-11-30 Shibafu Engineering Kk 電気自動車の燃料貯蔵装置
US6544679B1 (en) * 2000-04-19 2003-04-08 Millennium Cell, Inc. Electrochemical cell and assembly for same
JP2002289211A (ja) * 2001-01-17 2002-10-04 Casio Comput Co Ltd 燃料封入部、発電モジュール及び電源システム
US20020127451A1 (en) * 2001-02-27 2002-09-12 Yiding Cao Compact direct methanol fuel cell
EP1393400B1 (en) * 2001-06-01 2008-07-09 Polyfuel, Inc. Removable fuel cartridge, fuel cell assembly comprising said fuel cartridge for portable electronic devices and corresponding device
JP2002373684A (ja) * 2001-06-18 2002-12-26 Yamaha Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2003045468A (ja) * 2001-08-01 2003-02-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池装置および同装置に使用する燃料容器ならびに同燃料容器への燃料補給機
US20030035984A1 (en) * 2001-08-15 2003-02-20 Colborn Jeffrey A. Metal fuel cell system for providing backup power to one or more loads
US6828049B2 (en) * 2001-10-29 2004-12-07 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Replaceable fuel cell apparatus having information storage device
US6713201B2 (en) * 2001-10-29 2004-03-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Systems including replaceable fuel cell apparatus and methods of using replaceable fuel cell apparatus
US6924054B2 (en) * 2001-10-29 2005-08-02 Hewlett-Packard Development Company L.P. Fuel supply for a fuel cell
US6686077B2 (en) * 2001-11-21 2004-02-03 The Boeing Company Liquid hetero-interface fuel cell device
US6998185B2 (en) * 2002-01-11 2006-02-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Dye-based fuel indicator system for fuel cells
US6789421B2 (en) * 2002-01-11 2004-09-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Density-based fuel indicator system for fuel cells
US6887596B2 (en) * 2002-01-22 2005-05-03 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Portable disposable fuel-battery unit for a fuel cell system
ATE403944T1 (de) * 2002-03-05 2008-08-15 Sfc Smart Fuel Cell Ag Mobile vorrichtung zur energieversorgung mit brennstoffzellen
JP3642769B2 (ja) * 2002-03-20 2005-04-27 Ｎｅｃトーキン株式会社 電池パック
JP3841012B2 (ja) * 2002-04-15 2006-11-01 日本電気株式会社 燃料電池、電気機器、および電気機器の駆動方法
JP3975113B2 (ja) * 2002-04-30 2007-09-12 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ 燃料電池パック及び携帯端末機
JP3748434B2 (ja) * 2002-06-12 2006-02-22 株式会社東芝 直接型メタノール燃料電池システム及び燃料カートリッジ
JP4407880B2 (ja) * 2002-08-02 2010-02-03 株式会社東芝 燃料電池装置
JP3985151B2 (ja) * 2002-08-09 2007-10-03 株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 液体燃料直接供給形燃料電池システム
JP2004119027A (ja) 2002-09-24 2004-04-15 Canon Inc 燃料電池用の燃料供給装置、燃料電池および燃料電池用の燃料供給システム
JP2006508516A (ja) * 2002-12-02 2006-03-09 ポリフューエル・インコーポレイテッド 携帯電子装置用燃料電池カートリッジ
JP2004327072A (ja) * 2003-04-21 2004-11-18 Tohoku Ricoh Co Ltd 燃料電池及び電気電子機器
US7306641B2 (en) * 2003-09-12 2007-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integral fuel cartridge and filter
JP4004489B2 (ja) * 2003-09-12 2007-11-07 三洋電機株式会社 燃料電池システム
JP2005158592A (ja) * 2003-11-27 2005-06-16 Canon Inc 燃料電池
US7329348B2 (en) * 2003-12-01 2008-02-12 Societe Bic Fuel cell system including an ion filter
US20050142403A1 (en) * 2003-12-30 2005-06-30 Kurt Ulmer Fuel cell system
JP2005301555A (ja) * 2004-04-09 2005-10-27 Konica Minolta Holdings Inc 携帯用情報機器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100858827B1 (ko) * 2007-01-31 2008-09-17 오성엘에스티(주) 배터리 가압시험 장치

Also Published As

Publication number Publication date
CA2566334C (en) 2012-12-04
CN101065872A (zh) 2007-10-31
JP5518114B2 (ja) 2014-06-11
JP2012156137A (ja) 2012-08-16
US20050255359A1 (en) 2005-11-17
CA2566334A1 (en) 2005-11-24
TW200537730A (en) 2005-11-16
EP2400587B1 (en) 2013-07-10
US7217470B2 (en) 2007-05-15
KR101233684B1 (ko) 2013-02-15
JP2007537575A (ja) 2007-12-20
US20070099058A1 (en) 2007-05-03
ES2378975T3 (es) 2012-04-19
US7935458B2 (en) 2011-05-03
EP1747599B1 (en) 2011-11-16
EP1747599A2 (en) 2007-01-31
EP1747599A4 (en) 2009-11-11
TWI257731B (en) 2006-07-01
BRPI0510965A (pt) 2007-11-20
EP2400587A1 (en) 2011-12-28
MY139185A (en) 2009-08-28
ATE534158T1 (de) 2011-12-15
AR048738A1 (es) 2006-05-17
AU2005242368B2 (en) 2008-10-09
AU2005242368A1 (en) 2005-11-24
WO2005112178A3 (en) 2007-02-15
CN100573993C (zh) 2009-12-23
WO2005112178A2 (en) 2005-11-24
ES2431027T3 (es) 2013-11-22
JP5117848B2 (ja) 2013-01-16
MXPA06013053A (es) 2007-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101233684B1 (ko) 연료 공급원 및 막 전극 어셈블리 스택을 구비한 카트리지
US10090547B2 (en) Fuel cell supply including information storage device and control system
AU2004296030A1 (en) Fuel cell system including an ion filter
US7117906B2 (en) Datum based interchangeable fuel cell cartridges

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160125

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170202

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180221

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190125

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200219

Year of fee payment: 8