KR20080033317A - 연료감시장치를 구비한 연료전지 및 사용방법 - Google Patents

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헝 티 탄
마이클 큐렐로
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소시에떼 비아이씨
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Abstract

연료전지(9)는 내부에 배설된 연료를 구비하는 분리가능하고 교체가능한 연료 공급원(12)을 포함한다. 온도, 압력 및 용존산소 수준과 같은 연료의 여러 매개변수들을 감시하기 위한 장치가 제공된다. 복수의 센서(30)는 제어기(18)와 연료전지측의 메모리(13)와 통신할 수 있는 연료 공급원측에 배설된다. 다른 구현예에 있어서, 연료 공급원의 장치 매개변수를 측정하기 위한 적어도 하나의 센서가 이격적으로 또는 배선 접속된 링크를 통하여 RFID 태그(50)와 통신한다. 상기 센서 및/또는 상기 RFID 태그는 부식성 연료에 불침투성인 물질로 코팅된다. RFID 판독국은 상기 데이터를 수집한다. 상기 제어기는 상기 데이터를 실시간으로 사용하여 연료 펌핑 속도, 블리드 오프, 신호의 트리거와 같은 장치 매개변수들을 수정하고, 사용자로의 빈 연료 공급원 경고 등을 위해 포함될 수 있다. 다른 구현예에서, 광 센서(61, 102)가 사용될 수 있다.
Figure P1020087002471
연료전지, 연료공급원, 센서, 연료매개변수, RFID태그, RFID판독, 광센서, 컬러식별태그, 변색성

Description

연료감시장치를 구비한 연료전지 및 사용방법 {FUEL CELL WITH FUEL MONITORING SYSTEM AND METHOD OF USE}
본 발명은 일반적으로 연료전지 및 감시기술에 관한 것이다. 특히, 원격제어장치 및 정보저장기기에 연결된 센서 어레이가 연료전지에서의 장치변수들을 감시하는데 사용된다.
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접적으로 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 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. 오늘날 매우 중요한 연료전지로서는 일반적으로 여러 종류로 나눌 수 있는데, 즉 (i) 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, (ii) 메탄올(CH3OH) 등의 알콜, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속 수소화물(metal hydride), 탄화수소(hydrocarbon), 또는 수소연료로 변환된 기타 연료 를 사용하는 양자교환 막(Proton Exchange Membrane: PEM, 이하 "PEM") 연료전지와, (iii) 비수소 연료를 직접 소비할 수 있는 PEM 연료전지 또는 직접 산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell), 그리고 (iv) 고온에서 탄화수소 연료를 직접 전기로 변환하는 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)가 그것이다.
일반적으로 압축수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 또한, 커다란 저장탱크가 일반적으로 요구되어 가전분야 기기에 사용될 만큼 작게 만들 수도 없다. 통상적인 개질 연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화 및 부대 장치들을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전되어 가전분야 기기에 유망해졌다. 가장 일반적인 직접 산화형 연료전지는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell) 또는 DMFC이다. 기타 직접 산화형 연료전지는 직접형 에탄올 연료전지(direct ethanol fuel cell)와 직접형 테트라메틸 오소카보네이트 연료전지(direct tetramethyl orthocarbonate fuel cell)를 포함한다. DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로, 가장 유망하게 가전분야 기기에 적용될 수 있다. 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 전기를 생산하기 위하여 높은 열에서 부탄과 같은 탄화수소 연료를 변환한다. SOFC는 연료전지 반응을 일으키기 위하여 1000℃ 범위의 비교적 고온을 필요로 한다.
연료전지 각각의 종류에 따라 전기를 생산하는 화학반응은 다르다. DMFC에 있어서, 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에 대한 전체 반 응은 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 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자들은 외부회로로 흐르게 되고, 결국 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로로서는 이동전화 또는 휴대전화, 계산기, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터, 전동공구 등과 같은 많은 유용한 가전분야 기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에서 다루어지고 있다. 일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion
Figure 112008007679360-PCT00001
과 같은 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 제조된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박막층이 표면에 도포된 촉매 박막층을 지닌 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 제조된다. 캐소드는 일반적으로 백금 입자가 상기 막의 일 측면에 부착된 가스 확산 전극으로 된다.
다른 직접 산화형 연료전지에 있어서, 직접형 수소화붕소 연료전지(direct borohydride fuel cell: DBFC)는 다음과 같이 반응한다:
애노드에서의 반쪽반응:
BH4- ＋ 8OH- → BO2 - ＋ 6H2O ＋ 8e-
캐소드에서의 반쪽반응:
2O2 ＋ 4H2O ＋ 8e- → 8OH-
화학적 금속 수소화물 연료전지에 있어서, 일반적으로 수용성 수소화붕소 나트륨은 다음과 같이 개질되고 반응한다:
NaBH4 ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ NaBO2
애노드에서의 반쪽 반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
이러한 반응에 적합한 촉매로는 백금과 루테늄 및 기타 금속이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2와 같은 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 만들어낸다. 또한, 붕산나 트륨(NaBO2) 부산물은 이 과정에서 얻어진다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에 기술되어 있다. 따라서, 수용성 금속 수소화물을 사용하는 공지된 화학적 수소화 반응은 대략 9 내지 12 중량% 저장예상(storage expectancy)을 가지며, 상기 습식화학반응장치에서 사용되는 액체 및 촉매는 면밀하게 감시할 필요가 있다. 또한, 금속 수소화물 용액의 안정도를 오랫동안 유지하기가 어렵다. 왜냐면, 상기 반응의 반감기를 제공하는 식 t1/2-pH*log(0.034＋kT)에 의하면, 가수분해 반응은 항상 매우 느리게 발생하기 때문이다. 더구나, 만일 상기 용액이 안정화되면, 상기 반응성은 완전하지 않다.
수소화물 저장 방법에 있어서, 반응은 다음과 같다;
금속 ＋ H2 → 수소화물 ＋ 열
그러나, 이러한 반응의 저장예상은 대략 5중량%에 불과하다. 또한, 이러한 반응은 비용이 높고 포장(package)하기가 어렵다.
수소를 생산하는 다른 공지된 방법은 건식 수소화반응(dry hydride reaction)이다. 건식반응은 일반적으로 다음의 반응을 포함한다:
X(BH4) → H2
(이때, X는 Na, Mg, Li 등을 포함하나 이에 한정되지 아니한다.)
또한, 건식반응은 저장예상이 단지 대략 10중량%에 불과하고 면밀하게 압력을 감시하는 것이 요구되는 등의 여러 단점을 가진다.
수소가스를 생산하는 부가적인 방법은 식 PV＝nRT (이때, P는 압력, V는 체 적, n은 몰수, R은 기체상수, T는 온도이다)를 사용하는 압력저장방법에 의한다. 이러한 방법은 지속적인 압력감시를 필요로 한다.
연료전지 응용을 위하여 매우 중요한 특징 중 하나는 연료 저장이다. 또 다른 중요한 특징은 연료 카트리지로부터 연료전지로의 연료 이송을 조절하는 것이다. 상업적으로 유용하기 위해서는, DMFC 또는 PEM 장치들과 같은 연료전지는 소비자들의 일상적인 사용을 만족시키기에 충분한 연료를 저장할 수 있는 용량을 가져야 한다. 예를 들어, 이동전화 또는 휴대전화, 노트북 컴퓨터 및 PDA(personal digital assistant)를 위해서는 연료전지는 현재 배터리만큼 오랫동안, 바람직하기로는 더 길게 이들 기기에 전력을 공급할 필요가 있다. 더구나, 연료전지는 오늘날의 재충전 배터리에 요구되는 긴 충전시간을 최소화하거나 미연에 방지하기 위하여 쉽게 교체가능하거나 재충전가능한 연료 탱크를 구비하여야 한다.
연료전지의 작동에 있어서, 실시간으로 여러 장치 매개변수들(system parameters)을 감시하는 것이 여러 이유에 의해 매우 바람직하다. 먼저, 연료 사용 이력을 추적함으로써 사용자는 연료 공급원에 남은 연료량과 연료 공급원의 남은 수명에 관한 정보를 얻을 수 있다. 특허문헌에서는 전자 메모리 요소들을 포함하는 여러 소모품용 용기들을 개시한다. 미국 특허출원공개공보 제US 2002/0154815호는 ROM(read-only memory), PROM(programmable read-only memory), EEPROM(electronically erasable programmable read-only memory), 비휘발성 RAM(non-volatile random access memory), 휘발성 RAM(volatile random access memory) 또는 기타 전자 메모리 종류들을 포함할 수 있는 여러 용기들을 개시하고 있다. 이들 전자 메모리 기기는 용기의 사용기록뿐만이 아니라 재생 코드(coded recycle), 용기에 대한 개장 및/또는 재충전 명령어들을 저장하는데 사용될 수 있다. 이 용기들은 프린터용 액체 잉크나 분말 토너를 포함할 수 있다. 또는, 이 용기들 또는 연료 공급원은 연료전지 또는 이를 위한 연료 공급원을 포함할 수 있다.
또한, 연료 공급원으로부터 연료전지로의 연료 이송은 무엇보다 연료의 점도에 의존할 수 있다. 예를 들어, 1기압 및 0℃에서 약 8.17x10-4 Pa-s인 메탄올의 점도는 1기압 및 40℃에서 약 4.5 x10-4 Pa-s로까지 약 50% 감소로 강하한다. 만일 장치가 연료 공급원 내에 수용된 연료의 온도 및/또는 압력을 실시간으로 감지할 수 있다면, 연료전지는 적정한 연료량을 공급하기 위하여 얼마나 오랫동안 연료펌프를 작동시켜야 하는지 자체조절할 수 있게 된다. 연료가 최적 비율로 제공되는 한, 장치의 효율은 증가하게 된다. 또한, 연료 공급원 내의 연료 압력을 감시하면, 허용될 수 없을 정도의 높거나 낮은 압력수준을 사용자나 장치에게 경보를 발할 수 있게 된다. 또한, 만일 연료에의 노출이 작동에 필수적인 연료량으로 한정된다면, 연료전지의 수명이 증가할 수 있다. 즉, 과다한 연료가 연료전지를 넘치게 되면, 연료전지에 손상을 입힐 수 있다.
감시장치용으로 선택할 수 있는 한가지는 무선주파수 식별(RFID: radio frequency identification) 장치를 사용하는 것이다. RFID 기술을 사용하는 장치는 잘 알려져 있으며, 특히 도서관이나 소매점 재고목록과 같은 재고목록 추적용으로, 그리고 톨게이트 통과와 같은 자동화 지불장치용으로, 그리고 자동차 시동용 스마 트 키(smart key)와 같은 보안장치용으로 잘 알려져 있다. 이들 장치는 배터리로 전력을 공급받는 트랜시버(transceiver) 회로를 사용함으로써 크고 능동적인 장치로 될 수 있다. 또한, 이들 장치는 정보가 전송 또는 교환되는 것이 요청되는 경우에만 트랜스폰더(transponder)가 기지국(base station)으로부터 전력을 수신함으로써 매우 작고 수동적인 장치로도 될 수 있다.
일반적인 RFID 장치는 일반적으로 태그(tag), 때로는 "카드", "키" 등으로 불리는 재사용가능한 식별기기를 포함한다. 또한, RFID 장치는 이러한 식별기기가 판독국(reader station) 부근으로 들어올 때 소정 특성의 식별기기를 인식하도록 되는 인식국(recognition station) 또는 판독국을 필요로 한다. 일반적으로, 판독국은 무선 주파수(RF) 링크(link)를 통해 태그를 판독하는 안테나 장치와 제어기를 포함한다. 제어기는 태그로의 질의(interrogation)를 명령하고 이 태그로부터 수집된 데이터를 저장하기 위한 메모리를 제공할 수 있다. 또한, 제어기는 사용자가 외부에서 상기 데이터를 감시할 수 있도록 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
작동시, 태그가 RFID 판독국으로 충분히 인접하게 접근하면, 안테나는 상기 태그를 향해 RF 신호를 방사하고 상기 태그는 상기 안테나로 응답을 전송한다. 태그는 내부 배터리에 의해 전력을 공급받거나("능동" 태그) 또는 안테나로부터 방사되는 RF 신호로 유도된 전력을 수신하는 유도 결합에 의해 전력을 공급받는다("수동" 태그). 유도 결합은 두 기기가 서로 인접할 때 발생하는 것으로 물리적 접촉이 불필요하다. 수동 태그는 정비가 필요없으며 실질적으로 영구적이다. 그러나, 능동 태그의 수명은 일부 태그는 교체가능한 배터리를 제공함에도 불구하고 배터리의 수 명에 한정된다.
오늘날의 RFID 태그를 구비한 감시장치는 감시하기를 원하는 데이터 종류나, 또는 연료전지와의 접촉에 기인한 가혹조건을 견디어낼 수 있는 상기 감시장치의 능력에서 보면, 연료전지장치용으로는 부적합하다. 따라서, 연료전지장치용 RFID 감시장치와 기타 형태의 감시장치를 제공하는 것이 요청된다.
간단하게, 본 발명의 일 관점에 의하면, 연료전지를 감시하기 위한 장치는 연료전지에 연결된 연료전지 공급원을 포함한다. 복수의 센서가 연료 공급원에 작동적으로 연결된다. 제어기는 연료전지와 임의의 정보저장기기에 연결된다. 센서 통신 링크는 복수의 센서와 제어기를 연결한다. 메모리 통신 링크는 제어기와 임의의 정보저장기기를 연결한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료전지용 연료 공급원은 그 내부에 배설된 연료를 구비한 용기를 포함한다. 연료의 상태를 감시하기 위한 센서는 연료 공급원 상에 또는 그 내부에 위치된다. RFID 태그는 센서와 통신하도록 구성되고 RFID 판독국에 의해 질의(interrogation) 받도록 된다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료전지용 연료 공급원은 이의 위에 또는 내부에 배설되고 광 섬유 상에 위치된 컬러 식별 태그 또는 센서와 같은 적어도 하나의 광 센서를 포함한다. 연료전지에 의해 전력을 공급받는 기기나, 연료전지에 연결된 기능성 유닛이나, 연료전지는 적합한 연료 공급원이 삽입되었는지를 확인하거나 또는 연료 공급원의 상태(들), 예를 들어 온도 및 압력을 감시하기 위하여 상기 광 센서를 판독할 수 있는 컬러 판독기를 수용할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 연료전지 내의 연료 상태를 감시하기 위한 방법은 (1) 연료를 수용하는 연료 공급원에 연결된 연료전지을 제공하는 단계와; (2) 복수의 센서를 사용하여 연료에 관한 데이터를 수집하는 단계와; (3) 상기 센서로부터 제어기로 정보를 전달하고 임의로 정보저장기기에 정보를 전달하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 센서는 상기 연료 공급원 내부 또는 그 위에 위치되고 상기 정보저장기기는 상기 복수의 센서로부터 이격되어 위치된다.
본 발명의 특징적인 구조와 관점 및 이점들이 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명됨으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부된 도면에서는 유사한 부분에 대하여서는 동일한 부호로 표시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지장치의 사시단면도.
도 1a는 수동 광 센서를 결합한 본 발명에 의한 연료전지장치의 다른 구현예의 개략도.
도 2는 센서 어레이가 이격되어 위치된 제어기와 정보저장기기에 연결되는 본 발명에 따른 연료전지장치의 개략도.
도 3은 연료 카트리지의 감시장치가 제어기와 정보저장기기에 이격되어 링크된 본 발명에 따른 연료전지장치의 개략도.
도 4는 감시장치의 센서들이 RFID 태그에 이격되어 링크된 본 발명의 연료전지장치의 제2구현예의 개략도.
도 5는 RFID 태그가 연료 카트리지의 내면에 고정적으로 부착된 본 발명의 제3구현예에 따른 연료전지장치의 개략도.
도 6은 그 외면에 부착된 RFID 태그를 구비한 본 발명에 따른 연료 공급원의 개략도.
도 7은 절연물질로 그 외면에 부착된 RFID 태그를 구비한 본 발명에 따른 연료 공급원의 개략도.
도 8은 컬러 I.D. 태그를 도시하는 도 1과 유사한 다른 구현예.
이하, 도면과 함께 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 연료 공급원(fuel supply)에 관한 것으로, 상기 연료 공급원은 메탄올과 물, 메탄올/물 혼합물, 다양한 농도의 메탄올/물 혼합물 또는 순수 메탄올과 같은 연료전지 연료를 저장한다. 메탄올은 예를 들어 DMFC, 효소 연료전지(enzyme fuel cell), 개질 연료전지(reformat fuel cell) 등 많은 종류의 연료전지에서 사용가능하다. 연료 공급원은 에탄올이나 기타 알콜, 수소로 개질될 수 있는 화학물질, 또는 연료전지의 성능 또는 효율을 향상시킬 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 수산화칼륨(KOH) 전해질을 포함한다. 금속 연료전지용으로서, 연료는 KOH 전해질 반응용액에 담근 유체부유 아연입자의 형태로 되고, 전지 캐비티(cavity) 내부의 양극은 아연입자 형태의 미립자 양극으로 된다. KOH 전해질 용액은 미국특허출원공개공보 제2003/0077493호(2003. 4. 24 공개) "Method of Using Fuel Cell System Configured to Provide Power to One or more Loads"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 메탄올과 과산화수소 및 황산의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이는 실리콘 칩 상에 형성된 촉매를 지나쳐 흘러 연료전지 반응을 일으킨다. 또한, 연료는 미국특허 제6,554,877호, 제6,562,497호 및 제6,758,871호에 기술된 바와 같은 메탄올, 수소화붕소나트륨, 전해질 및 기타 화합물의 혼합물을 포함한다. 또한, 연료는 미국특허 제6,773,470호에 기술된 바와 같이 용제에 부분적으로 용해되고 용제에 부분적으로 현탁된 조성들과, 미국특허출원공개공보 제2002/076602호에 기술된 바와 같이 액체 연료 및 고체 연료 모두를 포함하는 조성들을 포함한다.
또한, 연료는 앞서 기술하였듯이 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 같은 금속 수소화물과 물을 포함한다. 또한, 연료는 탄화수소 연료, 즉 부탄, 등유, 알콜 및 천연가스 등을 더 포함할 수 있으며 이에 한정되지는 않는다. 이는 미국특허출원공개공보 제2003/0096150호(2003. 5. 22 공개) "Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 연료와 반응하는 액상 산화제를 포함한다. 따라서, 본 발명은 연료 공급원에 수용되거나, 아니면 연료전지장치에 의하여 사용되는 연료, 전해질 용액, 산화제 용액 또는 액체 또는 고체의 종류에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 "연료"라는 용어는 연료전지나 연료 공급원 내에서 반응할 수 있는 연료 모두를 포함하며, 이는 상기 모든 적합한 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 기체, 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 상주하는 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 예시적 구현예들과 연계되어 하술되나, 이들 구현예들은 다른 연료 공급원들에게도 적용가능하며 본 발명은 어떤 특정 형태의 연료 공급원에 한정되지 아니한다.
또한, 본 발명의 연료 공급원은 연료전지에 사용되지 않는 연료를 저장하는데 사용될 수도 있다. 이러한 응용은 The Industrial Physicist에 공표된 "Here Come the Microengines"(pp. 20-25, 2001.12/2002.1)에 기술된 바 있는 실리콘 칩 상에 장착된 마이크로 가스 터빈 엔진(micro gas-turbin engine)용 탄화수소 및 수소연료를 저장하는 것도 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 기타 용도로서 개인휴대형 발열기기용 화학연료뿐만 아니라, 내부 연소 엔진용 기존 연료와, 포켓 및 다용도 라이터용 부탄, 액화 프로판과 같은 탄화수소를 저장하는 것을 포함한다. 본 출원에서 사용되는 "연료전지"라는 용어는 본 발명의 카트리지가 사용될 수 있는 기타 기계뿐만 아니라 연료전지들을 포함한다.
도면에 도시되듯이, 본 발명은 부하(11: 도 2-5에 도시)에 전력을 공급하기 위한 연료전지장치(10)에 관한 것이다. 부하(11)는 일반적으로 연료전지장치(10)가 전력을 공급하는 전자기기로 된다. 부하 또는 전자기기 (11)는 이와 함께 연료전지 장치(10)가 일체로 될 수 있지만 모든 사용가능한 가전기기의 기능과 결합한 외부회로로 됨이 바람직하다. 전자기기(11)의 예로는 이동전화나 휴대전화, 계산기, 전동공구, 정원공구, PDA(personal digital assistants), 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터, 컴퓨터게임 장치, 휴대형 음악장치(MP3나 CD 플레이어), GPS(global positioning system) 및 캠핑기구 등을 포함하며 이에 한정되지 아니한다.
도 1을 참조하면, 연료전지장치(10)의 제1구현예는 연료전지 하우징(17)을 구비하는 연료전지(9)와, 연료전지 하우징(21)을 구비하는 연료전지(12)를 포함한다. 또한, 연료전지 하우징(17) 내에는 연료 공급원(12)으로부터 연료전지유닛(16)으로 연료를 이송하기 위한 펌프(14)가 수용됨이 바람직하다. 적합한 펌프(14)로는 압전 펌프(piezoelectric pump)를 포함하나 이에 한정되지 아니하며, 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0118468호와, 본 출원인의 현재 진행중인 미국 특허출원공개공보 제US 2004/0151962호(2003. 1. 31 출원) "Fuel Cartridge for Fuel Cells"과, 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0023236호(2003. 7. 29 출원) "Fuel Cartridge with Flexible Liner"와, 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0022883호(2003. 7. 29 출원) "Fuel Cartridge with Connecting Valve"에 상세히 개시되어 있다. 다른 구현예에 있어서, 연료 공급원(12)은 가압된 연료 공급원으로 되고, 이는 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0023236호에 기술된 바와 같이 연료 공급원(12)의 내부 압력을 기반으로 연료전지(9)로 이송되는 연료량을 자동으로 제어한다. 연료 공급원의상기 내부 압력은 부가의 연료가 연료 공급원 내에서 생산되는지 여부를 가리키며, 이는 본 출원인의 현재 진행중인 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0074643 호(2003. 10. 6 출원) "Fuel Cartridges for Fuel Cells and Methods for Making Same", 미국 특허출원 제11/067,167호(2005. 2. 25 출원) "Hydrogen Generating Fuel Cell Cartridges", 미국 특허출원 제11/066,573호(2005. 2. 25 출원) "Hydrogen Generating Fuel Cell Cartridges", 미국 가특허출원 제60/689,538호(2005. 6. 13 출원) "Hydrogen-Generating Fuel Cell Cartridges", 미국 가특허출원 제60/689,539호(2005. 6. 13 출원) "Hydrogen-Generating Fuel Cell Cartridges"에 개시되어 있다. 이 경우, 압력 카트리지의 내부 압력은 압력 센서로 감시함이 바람직하다.
연료전지(9)는 스택들로 배열된 여러 연료전지유닛(16)을 포함한다. 연료전지유닛(16)은 상술한 바와 같이 해당 기술분야에서 공지된 모든 종류의 연료전지유닛으로 될 수 있다. 연료전지유닛(16)은 애노드 층과 캐소드 층 간에 샌드위치된 적어도 하나의 PEM을 포함할 수 있다. 일반적으로 여러 밀봉층들이 연료전지유닛(16)에 포함된다. 상술하였듯이, 연료전지유닛(16)은 자유전자들, 즉 전기를 생성하여 전자기기(11)에 전력을 공급한다.
도 1을 더 참조하면, 연료 공급원(12)은 외부쉘 또는 케이싱 (21)과 노즐(22)을 포함한다. 노즐(22)은 차단 밸브(24: 도 2-5에 도시)를 수용하며, 이는 연료 공급원(12)에 저장된 연료와 유체소통된다. 차단 밸브(24)는 차례로 펌프(14)와 연결된다. 적합한 차단 밸브(24)는 미국 특허출원공개공보 제2005/0022883호에 상세히 개시되어 있다. 연료 공급원(12)이 가압되어 있는 경우, 펌프(14)는 선택사항이며, 이 경우 펌프(14)는 밸브로 대체될 수 있다.
연료전지 하우징(17)의 크기 및 형태는 단지 연료전지유닛(16), 펌프(14), 제어기(18) 및 정보저장기기(13)를 수용하기에 충분하기만 하면 된다. 또한, 연료전지 하우징(17)은 연료 카트리지 하우징(21)을 수용하도록 구성됨이 바람직하다. 하우징(17)은 연료 공급원(12)이 소비자/최종 사용자가 하우징(17)에 쉽게 연결할 수 있도록 구성됨이 바람직하다. 연료 공급원(12)은 내부 라이너(liner) 또는 블래더(bladder)로 형성되거나 또는 이들 없이 형성될 수 있다. 라이너와 관련요소들 이 없는 카트리지는 미국 특허출원공개공보 제US 2004/0151962호에 개시되어 있다, 내부 라이너 또는 블래더가 없는 카트리지는 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0023236호에 개시되어 있다,
제어기(18)는 전자기기(11), 연료 공급원(12), 펌프(14) 및 연료전지유닛(16) 등의 기능들을 제어하기 위하여 하우징(17)의 내부에 제공됨이 바람직하다. 또는, 제어기(18)는 연료전지장치(10)로부터 떨어져 위치되어 무선 주파수 링크나 광학 링크와 같은 통신전송 링크를 통해 연료전지장치(10)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 하우징(17)은 또한 연료전지(9)가 작동하지 않는 경우, 또는 장치시동이나 정지 동안에, 또는 기타 필요한 경우에 여러 요소장치(10) 및 전자기기(11)에 전력을 공급하는 적어도 하나의 임의의 배터리(19)를 지지한다. 또는, 임의의 배터리(19)는 연료 공급원(12)이 비었거나 연료전지(9)가 꺼졌을 때 제어기(18)에 전력을 공급한다. 임의의 배터리(19)는 태양전지판으로 대체되거나 또는 이와 함께 사용될 수 있다. 또한, 임의의 배터리(19)는 연료전지(9) 또는 벽의 콘센트(wall outlet)나 태양전지판과 같은 기타 적절한 전원으로 재충전될 수 있다.
본 발명에 있어서, 감시장치가 연료전지장치(10)에 포함된다. 감시장치는 연료 공급원(12) 내에 수용된 연료의 하나 이상의 변수를 감시하기 위한 복수의 센서(30)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같은 제1구현예에 있어서, 복수의 센서(30)는 단일의 센서 칩(28) 상에 위치되며, 이는 집적회로 칩으로 됨이 바람직하다. 바람직하게는, 복수의 센서(30)나 센서 칩(28)은 메모리를 포함하지 않는다; 센서(30)에 의해 수집된 정보는 제어기(18)로 중계되어 하술하는 정보저장기기(13)에 저장된다. 그러나, 다른 구현예에서는 센서 칩(28)은 정보저장기기(13)와 유사한 메모리를 포함할 수 있다.
일반적으로, 여러 연료변수들이 감시되어야 한다. 예를 들어, 상기 변수들은 연료카트리지 내 잔존하는 연료량뿐만 아니라, 압력, 온도, 용존가스(dissolved gas)의 존재 및 수준, 이온농도, 연료밀도, 불순물의 존재, 사용시간, 연료 공급원이 받는 응력(stress) 및 변형(strain)을 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 적어도 하나의 센서(30)는 압력센서로 됨이 바람직하다. 압력센서는 연료 공급원(12) 내에 배치되어 대략 0-40 psi의 예상범위에서(비록 이 범위는 연료전지장치와 사용되는 연료에 따라 달라질 수 있지만) 압력을 측정할 수 있는 해당 기술분야에서 공지된 모든 종류의 압력센서로 될 수 있다. 예를 들면, 압력센서는 Honeywell, Inc.(Morristown, NJ)의 압력 트랜스듀서(pressure transducer)로 될 수 있다. 또한, 압력센서는 스트레인 게이지(strain gauge)와 같이 행동하는 글라스(glass)나 실리카 크리스털(silica crystal)로 될 수 있다. 즉, 상기 크리스털은 압력량에 따라 전류를 방출한다. 압력센서는 홀로 사용되거나 또는 연료의 다른 점들을 감시하 는 다른 센서들과 함께 사용될 수 있다.
또한, 압력은 압전센서(piezoelectric sensor)로 감지될 수 있다. 압전센서는 압력이나 충격에 노출될 때 전하를 생성하는 솔리드 스테이트(solid state) 요소이다. 내부 압력이나 충격에 기인하는 연료 공급원 내부의 압력 변화는 센서로부터 생성되는 신호를 야기하고, 이는 처리나 작동을 위해 제어기로 전송될 수 있다. 적합한 압전센서는 PCB Piezotronics 등 많은 공급사로부터 구입가능하다. 또한, 압전센서는 연료 공급원이나 연료전지장치상에 작용하는 힘을 측정하도록 구성될 수 있으며, 또한 가속도계로서 작동할 수 있어, 만일 연료 공급원을 떨어뜨렸을 때 센서가 그 가속도를 인식하고 이의 처리, 예를 들어 정지 또는 장애시 안전작동(fail-safe operation)을 위해 제어기로 신호를 보내게 된다. 압전센서는 연료 공급원(12) 상이나, 연료전지장치(10) 상에, 또는 전자기기(11) 상에 위치될 수 있다.
또한, 압력은 광 센서에 의해 감지될 수 있다. 수동 광 센서의 사용은 잘 알려져 있으며, 예를 들어 미국특허 제4,368,981호에 개시되어 있다. 도 1a에 나타내듯이, 연료전지(9)는 가변파장 레이저(variable wavelength laser), 발광 다이오드(light emitting diode) 나 유사한 가시적 또는 비가시적 방사원과 같은 광원(60)을 포함한다. 또한, 연료전지(9)는 적어도 하나의 광검출기(photodetector: 64)를 포함한다. 광원(60) 및 광검출기(64)는 모두 제어기(18)로 링크된다. 광학적 비가시성 창(62A)은 광원(60)의 구경이 창(62A)과 정렬되도록 연료 공급원(12)을 대향하여 하우징(17)의 일 면상에 배설된다. 비슷하게, 제2광학적 비가시성 창(62B)은 연료 공급원(12)이 연료전지(9)에 부착될 때 창(62A)이 창(62B)과 정렬되도록 케이싱(21)의 일 면상에 배설된다. 센서(30)는 연료 공급원(12) 내의 창(62B)에 광학적으로 연결된다. 센서들(30) 중의 하나는 간섭계(interferometer), 미켈슨 센서(Michelson sensor), 페브리 페롯 센서(Fabry-Perot sensor) 등과 같이 해당 기술분야에서 공지된 모든 수동 광 센서로 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 광 센서(61)는 일반적으로 초기에 동일한 길이를 갖는 2개의 광섬유 코일을 포함한다. 노출된 광섬유(63a)는 연료 공급원(12) 내부의 환경조건에 대응하는 반면에, 광섬유(63B)의 기준코일은 이로부터 차폐된다. 일 실시예에서, 노출 코일(63a)은 연료 라이너에 의해 포장되며, 기준 코일(63B)은 연료 라이너 내부나 외부 케이싱 외부면, 또는 연료 라이너와 외부 케이싱 사이에 위치된다. 만일 연료 라이너 내의 압력이 증가하면, 라이너는 체적이 증가하고 이로써 상기 노출 섬유를 연장하게 된다. 상기 노출 코일 및 기준 코일 간의 차는 압력의 증가를 가리킨다. 또한, 두 섬유 코일은 실질적으로 동일한 온도에 있으므로, 이 광 센서는 온도에 민감하지 않다. 또한, 노출 섬유가 라이너의 압력으로 인해 파손되는 경우, 노출 코일(63a) 내에서 광이 광검출기(64)나 임의의 광검출기(64a)로의 도달하는데 장애를 가지게 되며 이는 높은 압력을 가리킨다.
작동시, 광원(60)은 광, 바람직하게는 알려진 지속시간의 펄스를 방사하며, 이는 창(62A)을 거쳐 창(62B) 내부로 입사한다. 상기 광은 동시에 두 코일들(63a, 63B)로 광학적으로 전송된다. 광은 코일들(63a, 63B)을 거쳐 이동하고 창들(62B, 62A)을 통해 다시 반사된다. 상기 광신호는 광검출기(64)에 의해 검출된다. 임의 로, 광검출기(64)는 코일들(63a, 63B)에 대응하는 검출기들(64a, 64b)을 포함한다. 압력이 연료 공급원(12) 내에서 증가함에 따라, 노출 코일(63a)의 길이가 기준 코일(63B)의 길이에 비해 증가하여 코일(63a)로부터 신호를 수신하는데 약간의 지연을 일으키게 된다. 이러한 지연으로부터 연료 공급원(12) 내부의 압력이 제어기(18)에 의해 계산될 수 있다.
또한, 센서들(30) 중의 하나는 온도센서로 될 수 있다. 온도센서는 열전대(thermocouple), 써미스터(thermistor) 또는 광 센서와 같이 해당 기술분야에서 공지된 모든 종류의 온도센서로 될 수 있다. 바람직하게 감시되는 일반적인 예상온도 범위는 -20 내지 55 ℃이다. 온도센서는 홀로 사용될 수 있거나 또는 연료의 다른 점들을 감시하는 기타 센서들과 함께 사용될 수 있다. 광 센서가 사용되는 경우, 이의 종류 및 작동방법은 연료 공급원(12) 내의 압력에 관해 상술한 바와 실질적으로 유사하다.
또한, 센서들(30) 중의 하나는 산소센서나 수소센서와 같은 용존가스를 측정하기 위한 센서로 될 수 있다. 이들 용존가스 센서는 해당 기술분야의 공지된 모든 종류로 될 수 있다. 예를 들어, 적절한 산소센서의 한 형태는 전해질 용액에 둘러싸인 양극과 음극을 포함하는 갈바니 전지(galvanic cell)이다. 갈바니 전지는 검출된 산소의 압력에 비례하여 전류를 생성한다. 용존가스 센서는 홀로 사용될 수 있거나 또는 연료의 다른 점들을 감시하는 기타 센서들과 함께 사용될 수 있다.
센서들(30) 중의 하나는 연료 게이지로 될 수 있다. 칩(28) 상에 사용하기에 적합한 연료 게이지의 한 종류는 연료 공급원(12)에 잔존하는 연료를 측정하는데 사용될 수 있는 써미스터이다. 써미스터는 온도변화에 민감한 반도성 저항이다. 즉, 써미스터의 저항은 온도가 변화함에 따라 변화한다. 일반적으로, 2가지 써미스터 종류가 있다: 부온도계수(NTC: negative temperature coefficient) 써미스터와 정온도계수(PTC: positive temperature coefficient) 써미스터이다. NTC 써미스터는 증가하는 온도에 노출되면 그 저항이 감소하며, PTC 써미스터는 증가하는 온도에 노출되면 그 저항이 증가한다. 써미스터는 일반적으로 장치나 유체의 온도를 측정하는데 사용된다. 연료 게이지로의 써미스터 사용은 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0115312호에 상세히 기술되어 있다.
써미스터 저항의 중요한 관점은 연료 카트리지 내부의 열전달 및 연료전지가 전력을 공급하는 전자기기 내부의 열전달 함수로서 써미스터 본체 온도에 좌우된다는 점이다. 열전달은 주로 본 환경에서의 전도 및 방사 또는 기기 내부의 에너지 손실에 따른 발열에 의해 발생한다. 종래의 온도측정함수에서 정확한 온도를 얻을 수 있도록 자기발열이 보상되어야 한다. 본 발명에 의하면, 연료 카트리지 내부의 잔존연료의 열을 발산하는 용량이 측정될 수 있도록 자기발열은 보상되지 아니한다. 열용량은 카트리지 내에 잔존하는 연료량과 관련된다. NTC 및 PTC 모두 본 발명에 사용가능하다.
일반적으로, 열용량(heat capacitance)이나 열전도율(heat conductivity)은 유체, 즉 액체나 가스의 열을 전도하거나 발산하는 능력으로서 표기된다. 물이나 메탄올과 같은 액체는 공기, 이산화탄소나 메탄올 가스와 같은 기체보다 열을 발산하는 용량이 훨씬 더 크다. 열을 발산하는 유체의 용량은 그의 열용량과 동등하며, 이는 특정 유체에 대해 유체 체적으로 곱한 일정한 상수이다. 따라서, 본 발명의 이러한 관점에 의해 연료 내부, 또는 연료를 수용하는 임의의 라이너 상에 위치되는 써미스터의 전기저항을 측정함으로써 잔존연료의 체적을 측정하게 된다. 그리고, 상기 전기저항은 열을 발산하기 위한 잔존연료의 용량으로 변환되고 이 용량은 열용량상수(heat capacitance constant)로 나눔으로써 잔존연료의 체적으로 변환된다. 다시 말하면, 열용량이 높을수록 잔존연료 체적이 크게 된다.
써미스터-연료 게이지는 사용하기 이전에 보정(calibration)된다. 연료전지 및 전자기기의 동작온도는 알려져 있다. 가득 찬 라이너로부터의 전기신호가 기록된 후, 텅 빈 라이너로부터의 전기신호가 기록된다. 알려진 일부 체적으로부터의 하나이상의 신호 또한 기록될 수 있다. 이들 작동온도 사이에서 이들 보정점들로부터 보정곡선을 그릴 수 있다. 실시간 신호를 이러한 보정곡선과 비교하여 잔존연료를 판단한다. 본 발명을 벗어나지 않고 보정의 다른 방법이 수행될 수 있다.
또한, 써미스터는 저항이므로, 이 써미스터를 지나쳐 흐르는 전류가 열을 발생시키게 된다. 따라서, 전류는 써미스터를 지나쳐 흘러 잔존연료에 의해 발산될 수 있는 열을 발생하게 되며, 정확한 판독이 이루어질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제어기(18)는 잔존연료 판독이 요구될 때마다 열발산량을 측정하도록 게이지로 일종의 질의로서 전류를 보낸다. 상기 전류는 간헐적으로 또는 연속적으로 보내어질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 열전대(thermocouple)가 연료 게이지로서 사용될 수 있다. 연료 게이지로서의 열전대 사용은 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0115312호에 기술되어 있다. 또한, 열전대는 일반적으로 온도를 측정하는데 사용되며 다른 금속들로 제조된 2개의 와이어를 포함하고, 이는 또한 바이메탈(bi-metal) 센서로도 알려져 있다. 이 와이어들은 2개 접점에서 결합된다. 측정 접점이 기준 접점에서의 온도와 다른 온도에 있는 경우 전위차가 형성된다. 상기 기준 접점은 일반적으로 물의 빙점과 같이 알려진 온도로 유지된다. 이러한 전위차는 측정 접점에서의 온도에 관련되는 DC 전압으로 된다. 열전대를 사용하여 온도를 측정하는 것은 해당 기술분야에 잘 알려져 있다.
써미스터와 유사하게, 열전대는 온도에 민감한 저항체와 같이 작용한다. 열전대는 전위차를 측정함으로써 잔존연료의 열용량을 측정할 수 있다. 따라서, 열전대는 또한 잔존연료를 측정할 수 있다. 또는, 전류를 열전대의 측정 접점을 통해 보낼 수 있다. 상기 전류는 측정 접점을 가열하고 연료는 이 열을 발산한다. 따라서, 발산된 열량은 잔존연료와 관련된다. 전류는 간헐적으로 또는 연속하여 보낼 수 있다. 열전대 연료 게이지는 상술한 써미스터의 보정과 유사하게 보정되어야 한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 잔존연료를 측정하기 위해 유도형 센서(inductive sensor)가 사용될 수 있다. 유도형 센서를 연료 게이지로 사용하는 것은 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0115312호에 상세히 기술되어 있다. 유도형 센서는 일반적으로 ON/OFF 근접 스위치(proximity switch)이다. 유도현 센서는 와이어 코일과 페라이트 코어(ferrite core)를 포함하며, 이는 유도성/용량성(inductive/capacitance: LC) 동조회로의 유도성 부분을 형성한다. 이 회로는 발 진기(oscillator)를 구동하고 이는 차례로 대칭성 진동자기장(symmetrical, oscillating magnetic field)을 발생한다. 금속판과 같은 전기도체가 이 진동장에 인입하면, 와류(eddy current)가 상기 도체 내에 형성된다. 이 와류는 상기 자기장으로부터 에너지를 끌어낸다. 상기 에너지 변화는 유도형 센서와 전기도체 간의 거리에 관련된다.
또한, 센서들(30) 중의 하나는 시계, 또는 타이밍 기구(timing mechanism)나 계수 기구(counting mechanism)의 형태일 수 있다. 타이밍 기구의 예로는 칩(28) 상에 집적된, 크리스털이나 유도형 발진기(induction oscillator)와 같은 발진기를 포함할 수 있다. 계수기는 연료전지(9) 내에 수용되는 것이 바람직하고, 정보저장기기(13)와 같은 메모리에 의존하므로, 상기 계수기는 연료 공급원(12)이 연료전지(9)에 연결될 때에만 발진들(oscillations)을 계수한다. 이러한 방법으로 계수기는 얼마나 오랫동안 연료 공급원(12)이 사용되었는지를 추적할 수 있다. 발진의 계수는 정보저장기기(13)에 저장됨이 바람직하다. 상기 발진기는 연료 공급원(12) 내부의 임의의 배터리에 의해 전력을 공급받거나 또는 펌프(14)를 켤 때와 같이 연료전지(9)로부터 전달된 전력에 의해 기동될 수 있다. 만일 정보저장기기(13) 또한 펌핑속도를 기록하는 경우, 제어기(18)는 펌프(12)를 통하는 연료의 유동속도를 계산하고 결과적으로 연료 공급원(12) 내의 잔존연료를 계산하도록 프로그램될 수 있다. 즉, 계수기와 펌핑속도 기록의 조합이 연료 게이지로서 사용될 수 있다.
또는, 타이밍 기구는 연료 공급원(12)에 수용되는, 알려진 감쇠신호를 지닌 에너지저장기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 공급원(12)은 자기방전율이 알 려진 배터리를 포함할 수 있고 배터리 시험기가 연료전지(9) 내에 결합될 수 있다. 일반적인 니켈 기반 배터리는 충전이 최대화된 이후 최초 24시간 내에 그 충전의 대략 10-15%를 방전하며, 이후 매달 10-15% 손실이 더 뒤따른다는 것이 해당 기술분야에서 공지되어 있다. 유사하게, 리튬 이온 배터리는 충전후 최초 24시간 내에 약 5%를, 그리고 이후 매달 1-2%를 자기방전한다. 배터리의 자기방전 및 이에 대한 감시기기에 대한 부가적인 정보는 Isidor Buchmann, The Secrets of Battery Runtime (April 2001) (http://www.batteryuniversity.com/parttwo-31.htm)에서 찾을 수 있다. 연료 공급원(12) 내 또는 그 위에 장착될 때 항상 완전히 충전되는 배터리의 자기방전 곡선으로 제어기(18)와 정보저장기기(13)를 프로그램함으로써, 제어기(18)는 연료 공급원(12)이 연료전지(9)에 부착된 이후 언제든지 배터리의 측정된 충전수준에 기반하여 연료 공급원(12)의 연령이나 유효기간을 계산할 수 있다.
또한, 감시장치는 튼튼해야 한다. 일반적으로 연료는 이에 노출된 물질에 침식효과를 가지며, 본 발명의 일 관점에 의하면, 연료 공급원(12) 및 그 요소들의 제조를 위한 물질들은 연료 친화성을 갖도록 선택된다. 칩(28) 및/또는 센서(30)는 연료 내에 부유하거나 또는 케이싱(21)이나 임의의 라이너 내면에 부착되는 등, 연료와 접촉하여 위치될 수 있다. 따라서, 감시장치는 연료전지 내에 사용되는 연료와의 유지되는 접촉을 견딜 수 있어야 한다
적합한 보호물질은 이산화규소(SiO2)이며, 이는 진공증착이나 스퍼터링 기술 또는 기타 공지된 방법으로 인가될 수 있다. 실리카 분자는 기판에 SiOx(여기서, x 는 1 또는 2이다)로 유착된다. 용제 내에 현탁될 수 있는 모든 보호물질이 사용될 수 있다.
다른 적합한 코팅은 에폭시-아민(epoxy-amine) 코팅류를 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 이러한 코팅은 Bairocade® 코팅(PPG Industries, Inc., Cleveland, Ohio)로서 상업적으로 구입가능하다. 이러한 종류의 코팅은 정전기 건(electro-static gun)을 사용하여 인가되고 적외선 오븐으로 경화되어 가스 장벽(gas barrier)을 형성한다. 또한, 상기 코팅은 디핑(dipping), 스프레이(spraying) 또는 페인팅(painting)에 의해 인가될 수 있다. 이들 코팅은 일반적으로 내부 음료수를 보호하기 위해 음료수 병이나 캔을 코팅하는데 사용된다.
또한, 투명 다결정성, 비정질 선형 크실렌 폴리머(clear polycrystalline, amorphous linear xylylene polymer)는 센서를 코팅하여 보호할 수 있다. 크실렌 폴리머는 Parylene®(Cookson Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN)으로 상업적으로 구입가능하다. 적합한 3가지 파릴렌 수지(Parylene resin)는 파릴렌 N (폴리-파라-크실렌: Parylene N (poly-para-xylylene)), 파릴렌 C (폴리-모노클로로-파라-크실렌: Parylene C (poly-monochloro-para-xylylene)) 및 파릴렌 D (폴리-디클로로-파라-크실렌: Parylene D (poly-dichloro-para-xylylene))이다. 파릴렌에 대한 부가적인 기술은 본 출원인의 현재 진행중인 미국 특허출원공개공보 제2006/0030652호(2004. 8. 6 출원) "Fuel Supplies for Fuel Cells"에서 찾을 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 의하면, 가스장벽 필름(gas barrier film)은 보호를 위해 센서들(30) 주위를 포장한다. 적합한 가스장벽 필름으로는 Mylar®(DuPont)를 포함하며 음식포장업계의 여러 필름을 포함한다. 적합한 필름 목록을 포함하여 가스장벽 필름에 대한 더 상세한 정보는 미국 특허출원공개공보 제US 2006/0030652호에서 찾을 수 있다. 다른 적합한 물질로는 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol: PVOH), 에틸렌 비닐 알콜(ethylene vinyl alcohol: EVOH), 폴리에스테르 기판에 부착된 EVOH(EVOH bonded to a polyester substrate), 폴리비닐리덴 클로라이드 코폴리머(polyvinylidene chloride copolymers: PVDC 또는 사란(Saran)), 나일론 수지(nylon resins), 플루오로 폴리머(fluoro-polymers), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile: PAN), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate: PEN), 폴리(트리메틸렌 테레프탈레이트)(poly(trimethlylene terephthalate: PTT), 레조르시놀 코폴리머(resorcinol copolymers), 액정 폴리머(liquid crystal polymers), 지방족 폴리켑톤(aliphatic polyketones: PK), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리이미드(polyimide)와, 이들 물질의 혼합물 및 코폴리머를 포함한다.
또한, 도 2의 라이너(27)와 같이 센서(30)는 하우징(21) 내부에, 그러나 블래더나 라이너의 외부에 배치됨으로써 연료로부터 보호될 수 있으며, 이에 대해서는 하술한다. 센서에 적합한 부가적인 보호코팅 및 보호필름은 미국 특허출원공개공보 제US 2006/0030652호에 개시되어 있다.
도 1을 다시 참조하면, 칩(28)과 정보저장기기(13)는 서로 떨어져 위치되는 것이 바람직하므로, 제어기(18)는 예를 들어 연료 공급원(12)이 연료전지(9)에 최초로 삽입될 때 센서들(30)로부터 정보 수집하는 것을 개시한다. 제어기(18)는 센서들(30)로부터 정보를 얻기 위해 칩(28)에 신호 및/또는 전력을 전송할 수 있다. 그러면, 센서들(30)은 바람직하게는 다시 제어기(18)로 전달되는 판독을 한다. 본 구현예에서는 제어기(18)와 칩(28) 간의 통신은 배선접속된 링크를 통해 일어난다. 리드선(70), 즉 바람직하게는 전기 와이어는 칩(28)과 전기접점(15A)에 연결되며, 이는 케이싱(21)의 외면상에 배설된다. 리드선(72), 즉 바람직하게는 전기 와이어는 제어기(18)와 전기접점(15B)에 연결된다. 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백하겠듯이, 리드선들(70, 72) 및 접접들(15A, 15B)은 해당 기술에서 공지된 모든 리드선 또는 전기접점으로 될 수 있다. 전기접점들(15A, 15B)은 만일 연료 공급원(12)이 하우징 내로 적절히 삽입되면 제어기(18)와 칩(28) 간에 전기적 연결이 형성되도록 구성되고 배치된다. 이를 위해, 연료 공급원(12) 및 하우징(17)은 연료 공급원(12)이 적절한 위치에서 하우징(17) 내로 삽입될 수 있도록만 구성됨이 바람직하다. 예를 들어, 하우징(17)은 연료 공급원(12)을 수용하기 위한 캐비티 내로 돌출하는 탭을 포함할 수 있으며, 연료 공급원(12)은 상기 탭이 활동하여 삽입될 수 있는 대응 슬롯을 포함할 수 있다. 다른 예로는 만일 연료 공급원(12)을 수용하기 위한 하우징(17) 상의 캐비티의 주면이 비대칭 형상이고 연료 공급원(12)이 동일한 형상인 경우이다. 연료 공급원의 하우징(17) 내부로의 적합한 배치를 확실히 하기 위한 부가적인 방법은 본 출원인의 현재 진행중인 미국 특허출원 제 10/773,481호(2004. 2. 6 출원) "Datum Based Interchangeable Fuel Cell Cartridges"에 기술되어 있다.
다른 구현예들에 있어서, 센서들(30)과 제어기918) 간의 통신링크는 전기신호를 전송할 수 있는 무선시스템으로 된다. 적합한 무선전송장치로는 해당 기술분야에서 공지된 모든 무선전송장치들을 포함하며, 이 중에서도 블루투스(Blue Tooth) 기술, 무선, 적외선과, 연료전지(9)측으로부터 연료공급원(12) 상의 포토센서로의 레이저나 LED와 같은 광 전송을 포함한다. 이러한 무선전송들은 또한 센서들(30)에게 전력을 전송할 수 있다.
미국 특허출원공개공보 제US 2005/0118468호에 기술되어 있듯이, 연료 공급원은 사용중의 연료성분을 포함하는 연료성분, 연료량, 연료종류, 위조방지정보, 연령기반의 유효기한, 제조정보와 같은 정보를 저장하고, 서비스길이, 연료 재충전 횟수, 사용기반의 유효기한과 같은 정보를 수신할 수 있는 능력을 지닌 정보저장기기를 포함할 수 있다.
연료의 상태에 관한 정보는 시간에 걸쳐 변할 수 있고, 이는 이러한 정보를 감시하고 저장하는데 유용하다. 그러나, 연료의 상태, 예를 들어 상술한 온도함수로서의 점도는 전자기기(11)를 끌 때부터 다시 켤 때까지, 예를 들면 야간과 주간 사이에 변할 수 있다. 따라서, 기기를 끌 때 저장기기에 저장된 정보는 다시 기기를 켤 때에는 맞지않을 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는 정보저장기기(13)에 저장된 정보를 판독하는 대신에 센서들(30)로부터 정보를 얻는 것이 바람직하다. 저장된 정보는 기록보호(protectable) 정보와 재기록가능(rewriteable) 정보를 포함한 다.
용이하게 소거될 수 없는 기록보호 정보는 카트리지 종류; 카트리지 제조일자; 카트리지 제품번호; 제조시 카트리지에 할당된 일련의 식별번호; 정보저장기기 제조일자; 정보저장기기 제품번호; 정보저장기기에 할당된 일련의 식별번호; 카트리지 및/또는 저장기기의 기계식별번호; 카트리지 및/또는 저장기기가 생산되는 동안 이송(shift: 즉, 시각); 카트리지 및/또는 저장기기가 생산된 국가; 카트리지 및/또는 저장기기가 생산된 공장을 식별하는 설비코드(facility code); 온도, 압력, 진동관용도 등을 포함하나 이에 한정되지 않는 작동 제한값; 제조시 사용된 물질; 위조방지정보; 화학 조성, 농도, 체적과 같은 연료정보; 특허번호 및 등록상표를 포함하는 지적재산정보; 안전정보; 보안암호 또는 인증; 제조일에 근거한 유효기한; 정지절차; 핫스왑(hot swap) 절차; 재활용 정보; 반응물 정보; 연료 게이지 종류; 연료전지(9) 및/또는 제어기(18)를 업데이트할 소프트웨어; 유체센서 정보를 포함하며 이에 한정되지 아니한다.
재기록가능 정보는 현재 연료수위 및/또는 연료에서의 현재 이온수준; 전자기기 및/또는 연료전지로부터의 카트리지 배출/분리 횟수, 또는 카트리지 재충전 횟수; 전자기기 및/또는 연료전지로부터의 카트리지 배출/분리시 연료수위; 전자기기 및/또는 연료전지로의 카트리지 삽입/연결 횟수; 전자기기 및/또는 연료전지로의 카트리지 삽입/연결시 연료수위; 전력소모율을 포함한 현재 작동상황; 특정 전자기기의 승인/거부; 보수상황 및 장래 카트리지 설계를 위한 마케팅 정보; 트리거링 이벤트(triggering event); 실제 사용에 근거한 유효기한; 시스템 효율; 선택된 기간 동안(예를 들어, 시동시, 정지시 또는 주기적으로)의 온도 및 압력과 같은 연료전지 시스템의 작동 이력; 각 카트리지당 디지털 사진 수, 전동공구의 최대 토크, 휴대전화의 통화시간 및 대기시간, PDA용 카트리지당 주소검색 횟수 등과 같은 전자기기의 작동 이력을 포함하며, 이에 한정되지 아니한다.
정보저장기기(13)는 상술한 바와 같은 EEPROM 메모리 칩과 같은 전기적 저장기기로 됨이 바람직하며 이는 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0118468호에 개시되어 있다. 적합한 정보저장기기로는 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), PROM(programmable read-only memory), EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory), EEPROM(erasable programmable read-only memory), 플래쉬 메모리(flash memory), 전자적으로 판독가능한 소자(저항, 캐패시터, 인덕터, 다이오드 및 트랜지스터와 같은), 광학적으로 판독가능한 소자(바코드와 같은), 자기적으로 판독가능한 소자(자기 스트립(magnetic strip)과 같은), 집적회로(IC 칩) 및 PLA(Programmable Logic Array) 등을 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 바람직한 정보저장기기로는 PLA 및 EEPROM을 포함하며, 본 발명은 EEPROM을 예로서 기술한다. 그러나, 본원 발명은 어떤 특정 형태의 정보저장기기에 한정되지 아니한다.
바람직하게는, 정보저장기기(13)는 일반적으로 "포팅재(potting material)"로 형성된 기판(미도시)과, 집적회로 메모리 칩(미도시)과, 전기회로 또는 접점의 에칭되었거나 인쇄된 층 또는 스트립(미도시)을 구비한다. 상기 집적회로 메모리 칩(미도시)은 외부 전자적 커넥터에서와 같이 복수의 핀으로 상기 기판(미도시)에 연결될 수 있다.
정보저장기기(13)는 링크(25), 바람직하게는 전기적 연결을 통하여 제어기(18)에 연결됨이 바람직하다. 또는, 링크(25)는 정보저장기기(13)와 제어기(18) 간에 전기신호를 전송할 수 있는 무선장치로 된다. 적합한 무선전송장치로는 블루투스 기술 전송, 무선전송, 적외선전송, 광 전송 등과 같이 해당 기술분야에서 공지된 모든 무선전송장치들을 포함한다.
정보저장기기(13)는 모든 크기의 메모리를 구비할 수 있다. 이 메모리 크기는 저장이 요구되는 데이터량에 의해 결정된다. 적합한 메모리 크기는 일반적으로 약 128byte에서 약 512Kbyte 사이의 범위이다. 1Mbyte 및 그 이상의 메모리 크기 또한 상업적으로 구입가능하며 본 발명에서 사용될 수 있다. 또한, 정보저장기기(13)는 이것이 연료전지(9)의 하우징(17) 내에 들어맞는 한 어떤 특정 크기의 수치로 제한되지 아니한다.
정보저장기기(13)는 부분(13A) 및 부분(13B)을 포함함이 바람직하다. 부분(13A)은 상술하였듯이 판독전용(read-only: 기록방지 또는 기록보호) 데이터를 포함하기 위하여 제조자에 의해 미리 프로그램되거나 설정된다. 제어기(18)는 정보저장기기(13)의 부분(13A)의 데이터를 판독할 수 있다. 그러나, 제어기(18)는 부분(13A)의 판독전용 데이터를 수정하거나 소거할 수 없다. 부분(13B)은 상술했듯이 재기록가능 데이터를 포함하도록 제조자에 의해 프로그램되거나 설정된다. 제어기(18)는 부분(13B)의 데이터를 판독 및 기록/소거할 수 있다. 부분(13A) 및 부분(13B)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 통상의 전기 와이어 또는 인쇄회로기판을 통하거나 상술한 무선 연결들을 통하여 링크(25)에 전기적 으로 접속된다.
본 발명의 제2구현예는 도 2에 도시된다. 도 1로 도시되고 설명된 제1구현예와 유사한 본 구현예에 있어서, 복수의 센서(30)가 칩 상에 수용되지 아니하지만, 연료 공급원(12)에 걸쳐 분포됨이 바람직하다. 연료 공급원(12)은 라이너(27)를 포함함이 바람직하다.
본 구현예에 있어서, 연료 게이지는 연료 공급원(12) 내부 또는 이 위에 배치되는 2개의 센서를 포함할 수 있다. 제1센서는 연료가 제거됨에 따라 이동하여 카트리지에 잔존하는 연료수위를 반영할 수 있는 위치에 배치되어야 한다. 예를 들어, 제1센서는 바로 라이너(27) 상에 배치될 수 있다. 제2센서는 연료 공급원(12)의 외부, 예를 들어 연료전지(9)나 전자기기(11) 상에 위치된다. 제2센서는 연료전지(9) 또는 전자기기(11)에 전기적으로 접속된다. 제2센서로 연결된 전기회로는 이들 센서 간의 전기적 또는 자기적 특성들을 측정할 수 있으며, 이는 연료수위와 관련된다. 또한, 전기회로는 연료 공급원(12)의 벽을 통해 연장하는 전기 와이어를 통해 제1센서에 연결될 수 있다. 이러한 형태의 연료 게이지는 미국 특허출원공개공보 제US 2005/0115312호에 더 상세하게 기술되어 있다.
센서들(30)로부터 수집된 정보는 다양한 방법으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일 연료의 온도가 강하하는 경우, 연료는 더 점도가 증가하여 펌프가 더 힘들어진다. 제어기(18)는 밸브(24)를 동적으로 조절함으로써, 충분한 연료가 장치(10)로 펌핑될 수 있다. 또한, 연료가 받는 열 순환(heat cycle)을 감시함에 의해 제어기(18)는 열 공급원(12) 내에 잔존하는 연료량을 추정하고 연료 게이지 판 독을 하도록 프로그램될 수 있다.
해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 인식하겠지만, 연료 공급원(12) 상 또는 이 부근에 센서들(30)은 다양하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서 칩(28)은 연료 공급원(12)으로부터 분리될 수 있다. 연료 공급원(12)은 차단 밸브(24)에 의해 폐쇄되는 포트와 같이 적어도 하나의 연료이송용 포트를 포함한다. 이들 포트의 하나는 센서 칩(28)을 수용하는 포드(pod)가 그 내부에 분리가능하게 삽입될 수 있도록 될 수 있다. 예를 들어 연료 공급원(12) 내의 블래더나 라이너와 접촉하여 온도를 감시하는 경우와 같이 센서들(30)이 연료와 직접 접촉할 필요가 없는 경우, 센서 포드용 접근 포드가 연료 공급원(12) 상의 어디든지 배치될 수 있다. 또한, 센서들(30)은 연료전지(9)의 하우징(17) 내에 위치될 수 있다. 이러한 경우, 연료 공급원(12)이 하우징(17) 내로 삽입될 때 전기접점들(15B, 15A: 도 1에 도시)의 연결로 인해 센서들(30)은 감시를 위해 연료 공급원(12) 내의 연료에 접근할 수 있게 된다.
도 3-5에 도시한 본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 감시장치는 또한 무선주파수 식별(RFID: radio frequency identification) 태그(50) 및 RFID 태그 판독국(RFID tag reader station: 52)을 포함할 수 있다. RFID 태그(50)는 해당 기술의 알려진 모든 RFID 태그로 될 수 있다. RFID 태그(50)는 수동적 또는 능동적으로 될 수 있다. 만일 RFID 태그(50)가 능동적인 경우, 배터리와 같은 전원이 또한 요구된다. 일반적으로, RFID 태그는 판독만 가능하거나(read-only) 판독 및 기록이 가능한(read-write) 메모리와, 무선주파수 전송기를 포함한다. 그러나, 일부 RFID 태그 는 식별회로 배선을 포함하는 판독만 가능한 RFID 태그와 같이 메모리를 포함하지 않는다. RFID 태그의 구조 및 작동은 미국 특허 제4,274,083호 및 제4,654,658호를 포함한 여러 미국특허에 더 상세히 기술되어 있다. 적합한 RFID 태그는 Philips Semiconductors(San Jose, CA)를 포함한 다수의 제조사로부터 상업적으로 구입할 수 있다.
RFID 태그(50)는 또한 연료전지(9) 상에 위치한 별도의 정보저장기기에 전기적 연결을 통하여 링크될 수 있더라도 센서들(하술하는)로부터 수입된 데이터를 수용하는데 충분한 판독 및 기록이 가능한 메모리를 포함함이 바람직하다.
RFID 태그(50)는 연료 공급원(12) 상에 또는 그 내부에 위치될 수 있으며, 예를 들어 외부 케이싱(21) 외면의 상부, 저부, 측부 상에 위치될 수 있다. 도 2, 3, 4에 도시된 구현예에 있어서, RFID 태그(들)(50)은 연료 공급원(12) 내에 배설된다; 즉, RFID 태그(50)는 연료 내에서 부동한다. 또는, 도 5에 도시된 구현예와 같이 RFID 태그(50)는 접착(gluing) 또는 용접(welding)되는 것과 같이 연료 공급원(12)의 내면에 부착된다.
RFID 태그(50)는 RFID 판독국(52)과 통신한다. RFID 판독국(52)은 RFID 태그(50)와 통신하는 무선 주파수 신호를 방사하고, 수동 RFID 태그인 경우에는 유도(induction)에 의해 RFID 태그(50)에 전력을 공급한다. 도 3, 4, 5에 도시하듯이, RFID 판독국(52)은 연료 공급원(12)과 분리된 장치(10) 본체 내에 위치함이 바람직하다. 또는, 도 5에 도시하듯이 RFID 판독국(52)은 장치(10)가 전력을 공급하는 전자기기(11) 상에 또는 그 내부에 배설될 수 있다. 또한, RFID 판독국(52)은 휴대형 기기로 되거나 또는 연료 공급원(12)의 외면 상에 위치될 수도 있다. 또한, RFID 판독국(52)은 배선링크를 통해 직접으로, 또는 전송신호를 통해 간접으로 제어기(18)에 링크된다. 이로써, 제어기(18)는 RFID 판독국(52)에 의해 질의(interrogation)를 트리거(trigger)하고 또한 RFID 태그(50)로부터 RFID 판독국(52)으로 전송되는 정보를 수신한다.
이들 구현예 모두에 있어서, RFID 태그(50)는 가능성 있는 연료와의 반응으로부터 보호되어야 한다. 바람직하게는, RFID 태그(50)는 연료 불활성 물질로 둘러싸이거나 수납될 수 있다. 여기서 "불활성"은 메탄올과 같은 연료에의 오랜 노출을 견딜 수 있는 물질의 능력을 가리킨다. 예를 들어, RFID 태그(50)는 외부 케이싱(21)을 형성하는데 사용되는 것과 동일한 물질 내에 수납될 수 있다. 또한, RFID 태그(50)는 캡슐로 선택되는 물질이 RFID 태그(50)에 의해 전송되거나 수신되는 무선 주파수 신호와 심각하게 간섭하지 않는 한 플라스틱이나 금속 캡슐과 같은 쉘(shell) 내부에 수용될 수 있다. 또한, RFID 태그(50)는 크실렌과 같이 센서(들)(30)에 관해 상술한 어느 코팅 물질로도 코팅될 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 도 6에 도시되듯이, 연료 공급원(12)은 도 2에 관해 상술한 구현예와 유사하게 스테인리스 스틸(stainless steel)과 같은 금속으로 된 외부 케이싱(21)과, 라이너(27) 내에 수용된 연료를 포함한다. 본 구현예에서, RFID 태그(50)는 마운트(78)에 의해 들어 올려져 연료 공급원(12)의 외부 케이싱(21)의 표면에서 떨어지도록 됨이 바람직하다. 왜냐면, RFID 판독국(52)이 RFID 태그(50)에 인접하여 배치되는 경우, 외부 케이싱(21) 자체가 발생하는 유도과 정(induction process)과 간섭할 수 있기 때문이다. 그러므로, RFID 태그(50)는 외부 케이싱(21)의 표면으로부터 간격을 두어 이격되는 것이 바람직하며, 그 간격은 대략 5mm가 바람직하다. RFID 태그(50)와 외부 케이싱(21) 사이의 실제 거리(80) 또는 마운트(78)의 높이는 다수의 요인들에 따라 달라지는데, 이 중에서도 상기 장치의 작동범위요건, 즉 RFID 태그(50)와 RFID 태그 판독국(52) 사이의 예상거리와, RFID 태그(50)의 크기와, RFID 태그(50) 및 RFID 태그 판독국(52)의 동조(tuning)가 이 요인들에 포함된다. 마운트(78)는 플라스틱, 세라믹 등과 같은 모든 물질로 제조될 수 있다. 마운트(78)는 접착제나 이와 유사한 본딩제 등을 사용하는 부착과 같은 해당 기술분야에 알려진 모든 방법을 사용하거나, 또는 마운트(78)를 외부 케이싱(21) 내에 형성된 요홈 내부로 억지끼워 맞춤(press-fitting)하여 외부 케이싱(21)과 RFID 태그(50) 모두에 부착됨이 바람직하다. 또는, 마운트(78)는 공극(air gap)으로 될 수 있다.
RFID 태그(50)와 외부 케이싱(21)을 이격시키는 것 외에, 금속 외부 케이싱(21)의 간섭을 보상하는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 절연물질(82)이 외부 케이싱(21)과 RFID 태그(50) 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 절연물질(82)은 페라이트 세라믹(ferrite ceramic) 물질로 되며, 이의 강한 자기특성이 RFID 태그(50)를 외부 케이싱(21)으로부터 차폐한다. 금속 외부 케이싱(21)의 간섭을 극복하는 다른 방법으로는 RFID 태그 판독국(52)에 의해 발생한 판독장(reader field)의 강도를 증가시키고 RFID 태그 및 RFID 태그 판독국 코일의 상대적 크기들을 선택하는 것을 포함한다.
센서들(30)은 RFID 태그(50)에 직접 또는 간접으로 링크될 수 있다. 도 3에 도시하듯이, 본 구현예에서의 직접링크(40)는 센서(30)에 의해 생성된 데이터를 RFID 태그(50)의 메모리로 운반하는 전기연결로 된다. 즉, 센서(30)와 RFID 태그(50)는 연료 공급원(12)으로의 삽입 이전에 하나의 칩 내로 결합될 수 있다. 또는, 도 4에 도시하듯이, 센서(30) 자체가 신호를 변조하여 RFID 태그(50)나 제어기(18)로 전송하는 무선 주파수 전송기(41)를 포함할 수 있으며, 이는 또한 무선 주파수 수신기(43)를 포함한다. 또한, 센서(30)는 동일 물질 내에 RFID 태그(50)와 합체되어 RFID 패키지를 형성할 수도 있다. 도 5는 센서들(30)이 RFID 태그(50)로 배선 접속된 일 구현예를 도시하며, 이는 케이싱(21)의 내면에 부착된다. 또한, RFID 태그(50)는 케이싱(21)의 외면 상에 위치될 수도 있다.
또한, RFID 태그(50)는 연료전지(9)로 신규 소프트웨어를 업로드하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(18)용으로 업데이트된 소프트웨어는 RFID 태그(50)의 메모리에 저장될 수 있다. 하우징(17) 내로 삽입시, 신규 소프트웨어는 모든 바람직한 통신링크를 통하여 제어기(18)로 전송될 수 있다. 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 인식하겠지만, 제품 리콜 경보나 신규 또는 업데이트된 보정 데이터 등과 같은 기타 종류의 정보가 RFID 태그(50)의 메모리에 저장될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 센서(30)는 적어도 하나의 컬러 I.D. 태그, 더 상세하게는 적어도 하나의 광학 컬러 태그를 포함할 수 있다. 컬러 I.D. 태그(102)를 구비한 연료 공급원(12)의 일 예를 도 8에 도시한다. 일 실시예에서, 컬러 I.D. 태그(102)는 단일의 컬러를 포함하며, 이는 연료전지(9) 상에 위치한 컬러 판독기(104)로 정확하게 측정할 수 있다. 컬러 판독기(104)는 프로세서(18)에 연결되며, 여기서 컬러 태그(102)의 측정된 컬러는 처리되어 올바른 연료 공급원이 삽입되었는지 등을 판단하게 된다. 적합한 컬러 판독기는 분광광도계(spectrophotometer)를 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 분광광도계는 CM series(Komica Minolta, Japan)로 상업적으로 구입가능하고, 또한 3자극 타입 비색계(tristimulus type colorimeter)로 될 수 있으며 이는 CR-10, CR-11 및 CR-13 시리즈(Komica Minolta)로 상업적으로 구입가능하다. 이들 컬러 판독기는 컬러 태그(102)의 컬러를 나타내는 디지털 값을 제공하며 특정 컬러의 색조(hue)와 농담(shade)과 휘도(brightness)를 구별할 수 있다. 측정된 컬러가 프로세서(18)에 저장된 소정 값과 일치하면, 연료 공급원(12)은 승인된다.
다른 실시예에서, 컬러 I.D. 태그(102)는 온도나 압력 등과 같은 연료 공급원(12)의 상태에 대응하는 컬러를 변화시킬 수 있다. 이 실시예에서, 컬러 태그(102)는 변색성(chromism), 즉 일반적으로 다양한 자극으로 야기된 분자의 전자상태 변화로 인한 화합물 색상의 가역적 변화를 나타내는 물질로 제조된다. 적합한 변색물질로는 열 변색성(thermochromism: 열에 의해 야기됨), 광 변색성(photochromism: 광에 의해 야기됨), 전자 변색성(electrochromism: 전자 유동에 의해 야기됨), 용매 변색성(solvatochromism: 용매 극성에 의해 야기됨), 이온 변색성(ionochromism: 이온에 의해 야기됨), 조염 변색성(halochromism: pH 변화에 의해 야기됨), 마찰 변색성(tribochromism : 기계적 마찰에 의해 야기됨) 및 압전 변색성(piezochromism: 기계적 압력에 의해 야기됨)을 포함한다.
변색 태그(color changing tag: 102)는 열 변색성을 나타내는 물질, 예를 들어 결정구조가 저온 결정상으로부터 이방성 키랄(chiral)/왜곡(twisted) 네마틱상(nematic phase)을 거쳐 고온 등방성 액상으로 변화함에 따라 컬러가 변하는 액정으로 제조된다. 컬러가 변하는 액정의 예로는 콜레스테릴 노나노에이트(cholesteryl nonanoate)나 시아노비페닐(cyanobiphenyl)을 포함한다. 기타 적합한 온도 야기 변색물질로는 류코 염료(leuco dye)를 포함한다.
이 실시예에서, 컬러 판독기(104)는 연료 공급원(12)의 물리적 상태, 예를 들어 고온이나 고압에 반응하여 컬러 태그(102)의 컬러변화를 감지할 수 있다. 이러한 컬러변화는 프로세서(18)에 의해 처리되어 연료 공급원(12)의 상태(들)을 감시할 수 있게 된다.
컬러 I.D. 태그(102)의 다른 실시예는 복수의 컬러, 예를 들어 컬러의 병렬 스트립들(복수 컬러 바코드와 유사)을 포함한다. 컬러 판독기(104)는 보정되어 이들 컬러 스트립을 순차적으로 스캔하고, 만일 컬러 스트립들이 소정 패턴으로 존재한다면, 그 연료 공급원은 인증된다. 또는, 각 컬러 스트립은 고유한 정보 단편을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 황색 스트립은 연료 종류를, 청색 스트립은 포함된 특정 첨가제를, 다른 컬러 스트립은 제조일자를 각각 나타낼 수 있는 등으로 된다. 프로세서(18)와 컬러 판독기(104)는 컬러 I.D. 스트립/태그(102)에 질의하여 태그에 수용된 정보를 판독할 수 있다. 컬러 스트립들은 서로 인접하여 위치되거나 또는 이격되거나 분리될 수 있다.
다른 실시예에서, 컬러 판독기(104)는 컬러 스트립들을 스캔할 필요는 없으 나 즉시 전체 스트립들의 사진을 촬영할 수 있다. 디지털 카메라를 사용하여 컬러 태그 전체의 이미지를 캡쳐하고, 상술하였듯이 연료 공급원의 종류를 인증하거나 판단하기 위해 상기 이미지는 저장된 이미지와 비교된다. 이 실시예에서, 캡쳐된 이미지의 픽셀(pixel)들은 상기 저장된 이미지의 픽셀들과 비교되어 상기 캡쳐된 이미지가 상기 저장된 이미지와 실질적으로 동일한지를 판단하게 된다. 아날로그 카메라 또한 사용될 수 있으며, 이미지들은 이후 디지털화된다.
또 다른 실시예에서, 컬러 I.D. 태그(102)는 컬러 판독기/카메라(104)에 의해 인증이나 처리를 위해 캡쳐될 수 있는 모든 패턴, 로고, 디자인이나 그래픽을 지닐 수 있다. 또한, 태그(102)는 전 세계적으로 국가통화들에 사용되는 바와 같은 컬러 홀로그램일 수 있다.
컬러 I.D. 태그(102)는 연료 공급원(12)의 하우징(21) 상에 위치되거나, 또는 도 1a에 도시되듯이 창(62B) 뒤의 광 센서(61)와 유사하게 연료 공급원(12) 내에 위치될 수 있다.
여기서 개시되어 설명된 발명의 구현예들은 본원발명의 목적을 달성하는 것이며, 다수의 변형 및 기타 구현예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 안출될 수 있음이 인정된다. 예를 들어, 연료전지는 부하(11) 내로 합체될 수 있다. 또한, 펌프(14)는 미국 특허출원공개공보 제2005/0074643호에 기술된 바와 같이 가압된 연료 공급원 구조가 사용되는 경우 제거될 수 있다. 또한, 모든 구현예의 특징(들) 및/또는 요소(들)은 단독으로 또는 기타 구현예의 특징(들) 및/또는 요소(들)와 결합하여 사용될 수 있다. 따라서, 특허청구범위는 본원발명의 정 신과 범위 내에 있게 되는 모든 변형 및 구현예들을 포함한다고 간주되어야 한다.

Claims (49)

  1. 연료전지장치용 감시장치에 있어서,
    제어기를 구비한 연료전지와;
    상기 연료전지에 결합된 연료 공급원과;
    상기 연료 공급원에 작동적으로 연결되는 복수의 센서와;
    상기 센서와 상기 제어기를 연결하는 센서 통신 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 및 상기 제어기 중의 하나 이상에 작동적으로 연결되는 정보저장기기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기와 상기 정보저장기기를 연결하는 정보 통신 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 정보저장기기는 메모리 칩 또는 EEPROM을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 정보저장기기는 RFID 태그를 포함하고 RFID 판독국을 더 포함하며, 상기 RFID 판독국은 상기 RFID 태그에 인접하여 배설되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 센서 중의 적어도 하나는 데이터를 상기 RFID 태그로 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서는 상기 RFID 태그에 배선 접속되어 RFID 패키지를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 RFID 패키지는 연료 내부에 부유하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 RFID 패키지는 상기 연료 공급원의 표면상에 배설되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 상기 데이터를 저장하기 위한 부가의 메모리에 작동적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 연료에 불활성인 물질 내에 수납되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 물질은 이산화규소(silicon oxide), 크실렌(xylylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 실리콘 코팅 폴리에틸렌 테레프탈레이트 폴리비닐 알콜(silicon coated polyethylene terephthalatepolyvinyl alcohol: PVOH), 에틸렌 비닐 알콜(ethylene vinyl alcohol: EVOH), 폴리에스테르 기판에 부착된 EVOH(EVOH bonded to a polyester substrate), 폴리비닐리덴 클로라이드 코폴리머(polyvinylidene chloride copolymers: PVDC 또는 사란(Saran)), 나일론 수지(nylon resins), 플루오로 폴리머(fluoro-polymer), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile: PAN), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate: PEN), 폴리(트리메틸렌 테레프탈레이트)(poly(trimethlylene terephthalate: PTT), 레조르시놀 코폴리머(resorcinol copolymer), 액정 폴리머(liquid crystal polymer), 지방족 폴리켑톤(aliphatic polyketone: PK), 폴리우레 탄(polyurethane), 폴리이미드(polyimide)와, 이들 물질의 혼합물 및 코폴리머 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 RFID 태그 판독국은 상기 연료 공급원 상에 배설되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 RFID 태그 판독국은 상기 연료전지 상에 배설되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 센서 통신 링크는 전기적 도관(electrical conduit), RF 전송(RF transmission), 자기 유도(magnetic induction), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 압력 센서, 온도 센서, 타이밍 회로, 스트레인 게이지, 연료 게이지, 압전 센서, 힘 센서, 가속도계, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 게이지는 써미스터, 열전대, 유도형 센서, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 센서들은 칩 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 센서들은 상기 연료 공급원 내로 분리가능하게 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 센서들은 연료 공급원 하우징 내부 또는 그 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제어기에 작동적으로 연결된 광원과;
    상기 제어기에 작동적으로 연결된 적어도 하나의 광검출기를 더 포함하며, 상기 복수의 센서는 광 센서로 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광 센서들은 간섭계(interferometer), 미켈슨 센서(Michelson sensor), 페브리 페롯 센서(Fabry-Perot sensor), 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 용기와;
    상기 용기 내부에 배설된 연료와;
    상기 연료의 상태를 감시하기 위한 적어도 하나의 센서와;
    RFID 태그를 포함하고, 상기 RFID 태그는 상기 센서와 통신하며 RFID 판독국에 의해 질의받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 상기 데이터를 저장하기 위한 부가의 메모리에 작동적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 상기 연료에 불활성인 물질 내에 수납되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 물질은 이산화규소, 크실렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 실리콘 코팅 폴리에틸렌 테레프탈레이트 폴리비닐 알콜(PVOH), 에틸렌 비닐 알콜(EVOH), 폴리에스테르 기판에 부착된 EVOH, 폴리비닐리덴 클로라이드 코폴리머(PVDC 또는 사란), 나일론 수지, 플루오로 폴리머, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리(트리메틸렌 테레프탈레이트)(PTT), 레조르시놀 코폴리머, 액정 폴리머, 지방족 폴리켑톤(PK), 폴리우레탄, 폴리이미드와, 이들 물질의 혼합물 및 코폴리머 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 상기 연료 내부에 부유하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 상기 용기의 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 용기는 금속물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 최소 거리로 상기 용기의 표면으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 최소 거리는 약 5mm인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 RFID 태그는 절연물질에 의해 상기 용기의 표면으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 절연물질은 페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
  34. 연료 공급원의 상태를 감시하기 위한 방법에 있어서,
    (i) 연료를 수용하는 연료 공급원을 제공하는 단계와;
    (ii) 복수의 센서를 사용하여 상기 연료 공급원의 적어도 하나의 상태에 관한 데이터를 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    (iii) 상기 센서로부터 제어기로 정보를 전달하는 단계와;
    (iv) 정보저장기기에 상기 정보를 저장하는 단계를 더 포함하며, 상기 복수의 센서는 상기 연료 공급원 내에 위치되고 상기 정보저장기기는 상기 연료 공급원으로부터 이격되어 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 (ii) 단계는 적어도 하나의 센서에 작동적으로 연결된 RFID 태그로부터 정보를 수집하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    (v) 상기 RFID 태그에 질의하는 단계와;
    (vi) 데이터를 상기 RFID 태그로부터 상기 제어기로 전달하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 (vi) 단계에서 데이터의 전달은 상기 연료 공급원과 상기 제어기의 처음 연결시 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 데이터는 소프트웨어인 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 데이터는 보정표(calibration table)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제34항에 있어서,
    (v) 상기 복수의 센서에 질의하는 단계와;
    (vi) 상기 복수의 센서로부터 수집된 상기 데이터를 제어 데이터와 비교하는 단계와;
    (vii) 상기 수집된 데이터와 상기 제어 데이터 간의 차이를 기반으로 장치 매개변수를 수정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 장치 매개변수는 연료 펌핑 속도, 블리드오프 밸브(bleed-off valve)의 상태, 연료수위 감시, 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 연료전지용 연료 공급원을 감시하기 위한 광 센서에 있어서,
    상기 연료 공급원을 감시하기 위하여 상기 광 센서로부터의 광 신호를 판독할 수 있는 판독기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 연료전지는 광원을 더 포함하여 상기 광원은 광을 상기 광 센서로 이송하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 광 센서는 광 섬유에 연결되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 광 센서는 컬러 식별 태그를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 컬러 식별 태그는 복수의 컬러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  48. 제46항에 있어서,
    상기 컬러 식별 태그는 컬러 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  49. 제46항에 있어서,
    상기 컬러 식별 태그는 변색성(chromism)을 나타내는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
KR1020087002471A 2005-08-02 2006-07-28 연료감시장치를 구비한 연료전지 및 사용방법 KR101353291B1 (ko)

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