KR20090105966A - 수소가스발생장치 - Google Patents

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KR20090105966A
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앤드류 제이 큐렐로
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Abstract

수소발생장치의 내부수소압력(44, 44')이 높으면, 제1연료챔버(12)로부터의 점성연료요소의 단일단위용량을 저장영역(38) 내에 계량, 이송 또는 저장하고, 상기 내부압력이 낮으면 상기 단일단위용량을 제2연료챔버(14) 내의 금속수소화물 연료요소로 이송함으로써, 상기 점성연료요소와 금속수소화물 연료요소는 서로 반응하여 더 많은 수소를 생성하고 사이클을 재개한다. 상기 점성연료요소는 액체 또는 겔 형태로 물 또는 메탄올 등의 알콜로 될 수 있고, 상기 금속수소화물 연료요소는 수소화붕소나트륨 또는 상기 점성연료요소와 화학적으로 반응하여 수소를 생산하는 기타 금속수소화물로 될 수 있다. 상기 금속수소화물 연료요소는 고체 또는 점성 형태, 예를 들어 수성형태로 될 수 있다.
연료전지, 수소발생장치, 연료카트리지, 연료공급원

Description

수소가스발생장치 {HYDROGEN GAS GENERATORS}
본 발명은 연료전지용 연료공급원, 연료카트리지 또는 수소발생장치에 관한 것이다.
수소발생기술에 있어서 알려진 과제는 수소화붕소나트륨 등의 화학적 금속수소화물과, 물이나 메탄올 등의 액체 간 반응속도를 제어하는 것이다. 반응속도가 너무 느리면, 연료전지는 전기를 생성하는데 충분한 수소를 갖지 못하게 된다. 반응속도가 너무 빠르면, 수소가스가 과잉되어 연료공급원이나 수소발생장치를 가압할 수 있다.
현재까지는, 화학적 금속수소화물 반응에서의 수소생성을 위한 반응속도 제어는 수용성 금속수소화물과 물을 수용하는 반응챔버 내로 촉매를 도입시켜 반응을 개시하고 상기 촉매를 상기 수용성 금속수소화물에서 제거하여 반응을 중지시킴으로써 달성되어왔다(미국특허 제6,939,529호 및 제3,459,510호, 미국특허출원공개공보 제2005/0158595호 개시). 이러한 기술은 촉매가 상기 수용성 연료와 얼마나 많이 상호작용하는가 또는 상기 촉매와 연료 간 접촉의 지속시간이 얼마나 많은가에 따라 반응속도를 제어한다.
반응속도를 제어하기 위한 다른 방법으로는 균일한 크기를 갖는 금속 수소화 물 그래뉼(grannule)을 일정률로 물에 첨가함으로써 수소생성을 제어하는 방법이 있다(미국특허출원공개공보 제2004/0184987호 개시). 다른 방법으로는 물과 수용성 금속수소화물용액의 주입속도를 조절함으로써 이들의 반응속도를 제어하는 방법이 있다.
그러나, 화학적 금속수소화물과 액체 반응물 간의 반응속도를 효과적으로 제어할 수 있는 방법과 장치가 여전히 요구되고 있다.
본 발명은 수소발생장치의 다수 구현예 등을 개시하며, 이는 상기 수소발생장치의 내부수소압력이 높으면, 액체연료요소의 단일단위용량을 계량, 이송 또는 저장하고, 상기 내부압력이 낮으면, 상기 단일단위용량을 고체연료요소로 이송함으로써, 상기 액체 및 고체 연료요소가 서로 반응하여 더 많은 수소를 생성하고 사이클을 재개한다. 압력조절기 및 자동차단밸브 또한 개시된다. 상기 액체연료요소는 가압 또는 비가압될 수 있다.
본 발명의 상술한 내용과 기타 특징 및 유리한 점들은 첨부된 도면들에 도시하듯이 본 발명의 하술하는 내용으로부터 명백해질 것이다. 상기 첨부된 도면들은 본 발명의 원리를 설명하고 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 본 명세서의 일부를 이룬다.
도 1은 본 발명에 의한 연료공급원/수소발생장치의 사시도.
도 2는 도 1의 수소발생장치의 상부의 부분확대단면도(일부 세부는 명료함을 위해 생략함).
도 3은 하향운동위치에서의 단일단위용량 밸브를 나타내는 도 2의 부분절단확대단면도(일부 세부는 명료함을 위해 생략함).
도 4는 상향운동위치에서의 단일단위용량 밸브를 나타내는 도 2의 부분절단확대단면도(일부 세부는 명료함을 위해 생략함).
도 5a는 고체연료배포구조를 구비한 고체연료/반응챔버의 일부로서 상부의 부분도.
도 5b는 상기 고체연료배포구조를 도시한 수소발생장치의 부분단면도.
도 5c는 상기 배포구조용 반동수단의 근접단면도.
도 6a-6c는 본 발명에 의한 단일단위용량 펌프의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 7a-7c는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 8a-8c는 본 발명에 사용가능한 액체저장영역의 다양한 구현예들의 부분단면도.
도 9a-9c는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 10a-10c는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 11a-11c는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 중간운동구조, 상향 운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 12a 및 12b는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 상향운동구조 및 하향운동구조의 각 단면도.
도 13a 및 13b는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 밸브의 상향운동구조 및 하향운동구조의 각 단면도.
도 13c는 도 13a 및 13b에 도시한 밸브의 변형예의 단면도.
도 14a-14c는 본 발명에 의한 단일단위용량 펌프의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 14d는 도 14a-14c에 도시한 단일단위용량 펌프의 다른 일 예의 단면도.
도 15a 및 15b는 도 14a-14c에 도시한 펌프의 변형예들의 단면도.
도 16a-16c는 본 발명에 의한 다른 단일단위용량 펌프의 중간운동구조, 상향운동구조, 하향운동구조의 각 단면도.
도 17은 도 16a-16c에 도시한 펌프의 변형예의 단면도.
도 18a는 본 발명에 의한 압력조절기의 단면도.
도 18b는 도 18a에 도시한 압력조절기의 분해도.
도 18c는 도 18a 및 18b에 도시한 압력조절기의 변형예의 단면도.
도 19a는 본 발명에 의한 단일단위용량 연료발생장치의 단면도.
도 19b는 도 19a에 도시한 단일단위용량 연료발생장치의 사시도.
도 19c는 도 19a의 부분확대도.
도 20은 단일단위용량 연료발생장치의 다른 구현예.
도 21a는 본 발명에 의한 액체연료혼합기구의 분해도.
도 21b는 도 21a에 도시한 연료혼합기구의 단면도.
도 22a 및 22b는 본 발명에 의한 차단밸브의 단면도.
도 22c 및 22d는 다른 차단밸브의 단면도.
도 23a 및 23b는 단일단위용량 펌프/밸브를 구비한 다른 연료공급원/수소발생장치의 단면도.
도 24a-24d는 계량된 단위용량 펌프/밸브를 구비한 다른 연료공급원/수소발생장치의 단면도.
도 25a 및 25b는 프라이밍 구조를 구비한 도 10a-10의 구현예의 단면도.
도 26은 도 14a-14c 및 도 15a 및 15b에 도시한 구현예들에 적합한 다른 프라이밍 구조의 단면도.
도 27a 및 27b는 다른 프라이밍 구조를 갖는 도 16a-16c에 도시한 구현예의 단면도.
도 28a 및 28b는 도 17에 도시한 구현예에 적합한 프라이밍 구조들의 단면도.
도 29a-29d는 도 28a 및 28b에 도시한 프라이밍 구조들에 적합한 액츄에이터들의 부분단면도.
도 29e는 도 29a-29d에 도시한 프라이밍 레버의 단면도.
도 30a-30d는 자기가동 프라이밍 구조의 부분단면도.
수소를 생성하기 위한 금속 수소화물 반응물과 액체 반응물 간의 일반적 반응은 공지되어 있다. 일 예를 들면, 수소화붕소나트륨과 물 간의 반응은 다음과 같다:
NaBH4 ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ (NaBO2)
적합한 촉매로는 백금, 루테늄 및 루테늄염(RuCl3) 등의 금속 및 이의 염을 포함한다. 붕산나트륨(NaBO2) 부산물 또한 이 반응으로 생성된다. 연료전지에 연료로서 사용되는 수소화붕소나트륨은 미국특허 제3,459,510호에 기술되어 있다.
첨부된 도면과 함께 하술하듯이, 본 발명은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 및 물 등의 화학적 금속수소화물 연료로부터의 수소방출을 제어 및 극대화할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 화학적 금속수소화물 연료 및 물의 반응으로부터의 수소연료의 방출을 극대화하는 자기조절장치(self-regulating apparatus)에 관한 것이다.
화학적 금속수소화물 연료를 사용하는 수소발생장치는 미국특허출원공개공보 제2005/0074643호, 제2006/0191199호 및 제2006/0191198호와, 미국가특허출원 제60/689,538호(2005. 6. 13 출원) 및 제60/689,539호(2005. 6. 13 출원)에 개시되어 있다. 특히, 본 출원인의 미국가특허출원 제60/689,572호(2005. 6. 13 출원)는 연료 및 수소발생장치를 개시하며 여기서 금속수소화물 및 액체 반응물 내에 함유되는 수소가스는 실질적으로 모두 방출된다.
적합한 화학적 금속수소화물 연료는 알칼리성(alkaline) 또는 알칼 리(alkali) 금속수소화물 또는 이의 혼합물과 같이 원소주기율표상의 IA-IVA 군 원소의 수소화물 및 이의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 알칼리금속-알루미늄 수소화물(알라네이트(alanate)) 및 알칼리금속 수소화붕소 등의 기타 화합물 또한 사용될 수 있다. 금속수소화물의 더 상세한 예로서는, 수소화리튬, 수소화리튬알루미늄, 수소화붕소리튬, 수소화나트륨, 수소화붕소나트륨, 수소화칼륨, 수소화붕소칼륨, 수소화마그네슘, 수소화붕소마그네슘, 수소화칼슘 및 이의 염 및/또는 유도체를 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 바람직한 수소화물은 수소화나트륨, 수소화붕소나트륨, 수소화마그네슘, 수소화붕소리튬 및 수소화붕소칼륨이며, 더욱 바람직하게는 NaBH4 및/또는 Mg(BH4)2이다
메탄올 및 기타 알콜과 같이 물 이외의 액체 반응물 또한 화학적 금속수소화물과 반응하는데 사용될 수 있다. 또한, 액체 반응물은 겔(gel) 형태로 될 수도 있고, 본 발명에서는 액체 반응물 및 겔 반응물 둘 다를 포함한다.
메탄올 겔은 널리 공지되어 있고 상업적으로 구입할 수 있으며, 액체 물은 본 출원인의 국제특허출원 제PCT/US2007/006384호(국제특허공개 제WO2007/109036호)에 개시하듯이 겔로 전환될 수 있다. 일 예를 들면, 액체 반응물은 겔로 형성됨으로써 상기 액체분자들은 반응에 요구되기까지 가역적으로 매트릭스 내에 캡슐화된다. 이러한 방법으로, 상기 액체요소는 자유 유동하지 않아 멋대로 반응하지 않는다. 수불용성(water-insoluble)이면서도 액체를 흡수가능한 수팽윤성(water-swellable) 폴리머가 사용될 수 있다. 수불용성, 수팽윤성 물질이 물에 첨가되면, 수불용성, 수팽윤성 화합물과 물의 결합은 상기 물을 구속할 만큼 충분히 강하지만, 다른 반응, 즉 물과 NaBH4 간의 반응에서 상기 물을 필요로 할 때 물분자를 놓아줄 만큼 충분히 약하다. 바람직한 수불용성, 수팽윤성 물질로는 유아 기저귀 상품에 일반적으로 사용되는 폴리아크릴산나트륨(sodium polyacrylate)과 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 등을 포함한다. 적절한 수불용성, 수팽윤성 물질은 미국특허 제6,998,367 B2호에 기술되어 있다.
기타 적절한 수불용성, 수팽윤성 물질은 미국특허 제6,998,377 B2호에 기술되어 있다. 또한, 본 발명의 흡수성 폴리머는 적어도 하나의 히드로겔(hydrogel) 형성 흡수성 폴리머(또는 히드로겔형성 폴리머)를 포함할 수 있다. 적절한 히드로겔형성 폴리머로는 액체를 흡수가능한 다양한 수불용성, 수팽윤성 폴리머를 포함한다.
고체형태에서 일반적으로 분말이나 그래뉼 형태 또는 압축입자의 고상으로 되는 NaBH4는 물이 없을 경우 쉽게 가수분해되지 않으며, 이에 따라 무수성 수소화붕소(anhydrous borohydride)를 사용하면 연료공급원이나 가스발생장치의 저장기간을 개선할 수 있다. 그러나, 수성 NaBH4 등의 수소함유연료의 수성형태는 일반적으로 안정제가 없으면 쉽게 가수분해한다. 안정제의 예로는 알칼리금속수산화물(예를 들어, KOH 및/또는 NaOH) 등의 금속 및 금속수산화물을 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 이러한 안정제의 예는 미국특허 제6,683,025호에 기술되어 있다.
수소함유연료의 고체형태가 수성형태보다 일반적으로 더 바람직하다. 일반적 으로, 고체연료는 액체연료보다 더 유리하다고 고려된다. 왜냐면, 수성연료는 고체연료보다 상대적으로 더 낮은 에너지를 가지며 액체연료는 고체연료보다 일반적으로 덜 안정적이기 때문이다. 본 발명에서는 화학적 수소화물 반응물들의 고체형태 및 액체형태 모두를 포함한다.
또한, NaBH4와 물 간의 반응은 일단 시작되면 제어하기가 어려워 신규의 반응물이 결합되면 수소생산에서 스파이크(spike)를 나타내며 불균일하게 수소가 생산될 수 있다. 초기 스파이크 이후에 수소생산은 바람직하지 않은 수준까지 떨어질 수 있다.
명백히, 본 발명의 구현예들은 물 등의 액체 반응물과 고체 금속수소화물 반응물로써 기술된다. 본 발명은 여기에 제한되지 아니하고, "점성(viscous)"이라는 용어는 액체, 수성 또는 겔 형태의 연료를 기술하기 위해 사용된다.
본 발명에 의하면, 도 1-5c는 물 또는 메탄올 등 액체연료의 단위용량들(single doses)을 고체 또는 수성 수소화붕소나트륨에 전달가능한 연료공급원 또는 수소발생장치를 도시한다. 도 1을 참조하면, 수소발생장치(10)가 개시된다. 수소발생장치(10)는 액체연료챔버(12)를 포함하며, 이는 액체 또는 겔 형태로 가압된 점성연료와, 바람직하게는 고체연료를 수용하는 금속수소화물 연료챔버(14)를 수용하는 것이 바람직하다. 이러한 연료챔버들은 미국특허출원공개공보 제2006/0174952호에 개시되어 있다. 수소발생장치(10)는 단위용량전달기구 등을 수용하는 상부(16)를 더 포함한다. 차단밸브(18)는 수소발생장치(10)의 상부 상에 구비되고 연 료전지, 또는 연료전지로부터 동력을 받는 전자기구에 직간접적으로 연결된다. 차단밸브(18)는 2요소밸브의 하나로 되고 미국특허출원공개공보 제2006/0174952호에 기술된 밸브(62)와 유사하게 스프링 탄지된 체크밸브로 된다. 차단밸브(18)는 켜지거나 끌 수 있는 밸브라면 모두 될 수 있다.
액체연료챔버(12)는 미국특허출원공개공보 제2006/0174952호에 기술된 방법으로 가압될 수 있거나, 또는 개시제(starter pill: 20)를 상기 액체연료챔버 내로 삽입함으로써 가압될 수 있다. 개시제(20)는 챔버(14) 내의 고체연료와 동일한 물질로 제조되며 챔버(12) 내에서 물 등의 점성연료와 반응하여 수소를 생성함으로써 액체연료챔버(12)를 가압한다. 개시제는 먼저 지지암(22)으로부터 연장된 복수의 계지부(24)에 의해 지지된다. 지지암(22)은 파열링크(28)에 의해 작동로드(26)로 연결된다. 작동로드(26)는 채널(30) 내에 활동되도록 배치되며 상부(16)의 외부로 돌출될 수 있다. 작동로드(26)는 채널(30) 내에 요입됨이 바람직하다.
개시제(20)와 액체연료 간의 반응을 개시하기 위하여, 사용자는 손이나, 또는 작동로드(26)가 요입되었다면 연장도구로 작동로드(26)를 누른다. 이러한 누르기동작은 도 2에 도시한 바와 같이 파열링크(28)를 파열시키고 개시제(20)를 계지부(24)로부터 제거하여 이를 방출한다. 더 상세하게는, 사용자가 작동로드(26)를 누름에 따라, 지지암(22) 또한 파열링크(28)가 파열될 때까지 스프링(32)의 탄지력 및 임의로는 스프링(34)의 탄지력에 대항하여 아래로 밀린다. 스프링(32 및 34)에 저장된 에너지가 방출되고 지지암(22)은 위로 밀려 격막(36)에 충돌된다. 이 충돌로 인해 개시제(20)는 제거된다. 개시제(20)의 제거는 파열링크(28)의 파열에 대한 다른 방법으로 달성될 수 있다. 또는, 파열링크(28)는 하나의 모듈유닛으로 될 수 있는 챔버(12)가 수소발생장치(10) 내로 삽입되면 자동으로 파열될 수 있도로 설계된다. 수소발생장치(10)는 이의 외부표면상에 압착 벨로우(bellow)를 배치하여 사용자가 최초 사용 이전이나 또는 가스 기포가 본 장치에 존재하는 경우 상기 벨로우를 압착함으로써 액체연료를 이동시키는 등과 같은 다른 방법으로 프라이밍(priming) 될 수 있다. 다른 준비장치들에 대해서는 하술한다.
다시 도 2를 참조하여 액체연료 및 수소의 유로를 대략 설명한다. 먼저, 도 3 및 4와 연관하여 더 하술하듯이, 액체연료는 자신의 압력하에 또는 펌프를 통하여 점성 또는 액체 연료저장영역(38)으로 이송된다. 여기서부터 액체 또는 점성 연료는 밸브(40)를 통해 챔버(14) 내로 이송된다. 챔버(14) 내에서, 액체연료는 고체 금속수소화물 연료와 반응하여 수소를 생성한다. 이 수소는 유동채널(42)을 통해 수소저장영역(44)으로 흘러들어간다. 만일 차단밸브(18)가 개방된다면, 수소가스는 수소발생장치(10)로부터 나와 연료전지(미도시)로 흘러 전기를 발생한다. 만일 차단밸브(18)가 폐쇄되면, 수소가스는 수소저장영역(44) 내에서 축적되며 그 내부에 압력을 구축한다.
도 3은 수소발생장치(10)의 하향운동 구조를 도시한다. 본 구조에 있어서, 수소저장영역(44)의 압력은 높다. 왜냐면, 차단밸브(18)가 폐쇄되어 있기 때문이거나, 또는 수소의 생성이 요구되는 것보다 더 높기 때문이다. 높은 수소압력은 격막(46)에 작용하여 이를 하방으로 밀게 된다. 격막(46)에 결합된 포크(48) 또한 하방으로 밀리게 된다. 포크(48)는 직선부(50) 및 요크(52)를 포함하고 도 3 및 4에 도시하듯이 상하로 이동가능하다. 직선부(50)는 격박(46) 바로 아래에 위치되어 액체연료챔버(12) 내외로 이동가능하다. 수소압력이 높아 격막(46)이 하방으로 이동될 경우, 직선부(50)는 도 3에 도시하듯이 액체연료챔버(12) 내로 이동된다. 가압된 액체연료는 직선부(50)와 액체연료챔버(12)의 측벽으로 이루어진 유동채널(54)을 따라 점성 또는 액체 연료저장챔버(38) 내로 이동된다. 본 구조에서 액체연료는 액체연료저장챔버(38) 내에 머무르게 된다. 왜냐면, 포크(48)의 요크(52) 및 격막(56)이 펀넬(58)을 밀봉하며, 이는 밸브(40) 및 고체연료챔버(14)로 이어진다. 격막(56)은 액체연료의 압력하에서 굴곡되어 펀넬(58)을 밀봉하도록 설계되거나, 또는 요크(52)에 결합되도록 함으로써 포크(48)가 격막(46)에 의해 하방으로 눌림에 따라 요크(52)는 펀넬(58) 상에서 격막(56)을 하방으로 인장한다. 격막(56)은 가요성으로 요크(52)에 결합되도록 설계될 수 있다.
격막(46)은 도 2에 도시하듯이 격막(36)과 동일하게 될 수 있고, 직선부(50) 역시 도 2에 도시하듯이 지지암(22)과 동일하게 될 수 있다.
도 4에 도시하듯이, 수소저장영역(44) 내의 압력이 낮을 경우, 수소발생장치(10)는 상향운동구조로 된다. 낮은 압력으로 인하여, 격막(46)은 상방으로 굴곡되어 포크(48)를 상방으로 인장한다. 포크(48)가 상방 인장되면, 직선부(50)는 상방으로 인장되고 이의 확장종단이 유동채널(54)을 폐쇄함으로써 점성 또는 액체 연료저장영역(38)을 액체연료챔버(12)로부터 밀봉하여 연료가 챔버(12) 내로 역류하는 것을 방지한다. 또한, 요크(52) 역시 상방 인장되어 격막(56)을 상방 이동시켜 펀넬(58)을 통한 유로를 개방한다. 또한, 요크(52) 및 격막(56)의 이동은 밸브(40) 를 통해 이를 밀봉하는 탄지력을 극복하며 액체연료를 펌핑하게 된다. 도시하듯이, 밸브(40)는 체크밸브이다. 그러나, 밸브(40)는 덕빌밸브(duckbill valve), 플래퍼밸브(flapper valve) 및 기타 기계적 밸브 등과 같이 압력에 민감하여 개방되는 다른 형태의 밸브로도 될 수 있다.
포크(48)의 일 회 상향운동이 실질적으로 공지된 단위용량의 액체연료를 고체연료챔버(14) 내로 펌핑하도록 하는 것이 유리하다. 이 공지된 체적은 격막(56)의 굴곡량과 실질적으로 동일하다. 즉, 이 체적은 격막(56)이 굴곡상태(즉, 도 3에서 격막(56)의 굴곡면)에서와 비굴곡상태(즉, 도 4에서 격막(56)의 실질적 평탄면)에서 저장할 수 있는 체적 간의 차이로 된다. 따라서, 수소가 요구될 때마다, 공지된 액체연료 단위용량이 고체연료챔버(14) 내로 유동함으로써 공지된 단위용량의 수소가 생성된다.
수소저장영역(44)의 압력과 격막(46)의 굴곡력 간의 평형으로 인하여 수소발생장치(10)는 하기 표와 같이 자기조절될 수 있다.
격막(46)과 수소저장영역(44)의 압력 간 상호작용 포크(48) 위치 유동채널(54) 격막(56)/ 펀넬(58) 액체연료의 고체연료챔버(14) 내로의 유동
차단밸브(18)가 개방될 경우
P44 > F46 하향운동 개방 -- 액체연료는 액체연료저장영역(38) 내로 유동할 수 있음. 굴곡 하방/폐쇄 없음.
P44<F46 상향운동 폐쇄 굴곡 상방/개방 단일 공지 단위용량
차단밸브(18)가 폐쇄될 경우
P44 > F46 하향운동 개방 굴곡 하방/폐쇄 없음.
나타내듯이, 차단밸브(18)가 개방되면, 수소생산은 자동으로, 필요한 만큼만 된다. 수소생산은 차단밸브(18)가 폐쇄되면 종결된다. 본 발명의 다른 구현예들에서의 압력 및 유동순서는 앞서 나타낸 바와 유사하고 더 하술한다.
본 발명의 구현예들과 관련하여 여기 기술한 바와 같이, 격막(46)은 스프링(하술하는 스프링(86)과 같은)으로 탄지되거나 지지될 수 있다. 이 스프링은 수소압력에 대항하는 힘을 제공한다. 이러한 스프링은 격막(46) 및 격막(56)이 받는 굴곡량과, 실행되는 단위용량의 양을 조절할 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "고압(high pressure)"은 단위용량의 액체연료를 펌핑, 이송 또는 저장하기 위하여 격막(46) 및/또는 지지스프링(스프링(86)과 같은)의 힘을 극복하는데 필수적인 힘을 제공하는 압력이다. 용어 "저압(low pressure)"은 저장된 단위용량의 액체연료를 고체연료챔버로 이송하여 반응시키고 부가의 수소연료를 생성하기 위하여 격막(46) 및/또는 지지스프링(스프링(86)과 같은)의 힘보다 작은 힘을 제공하는 압력이다. 제한받지 않는 일 예로서, 폴리머 전해질막(polymer electrolyte membrane) 또는 양자교환막(Proton Exchange Membrane) (PEM) 연료전지에 있어서, 고압은 상대압의 약 5-7 psi 범위로 될 수 있고, 저압은 약 0.5-2 psi 범위로 될 수 있으며, 고압 및 저압의 차는 약 0.5-5 psi 범위로 될 수 있다. 기타 종류의 연료전지에서는 고압 및 저압은 어떠한 수준으로도 될 수 있다.
고체연료챔버(14) 내에서 액체연료와 고체연료 간 반응의 균일함을 증진시키기 위하여, 본 발명은 도 5a-5c에 도시하듯이 혼합기구(60)를 더 제공한다. 혼합기구(60)는 스풀(spool: 64) 주위로 권취되는 평탄튜브(62)를 포함한다. 스풀(64)은 지지구(66)에 걸친다. 스풀(64) 및 지지구(66)는 수소저장영역(44) 내에 위치되나, 다른 모든 곳에 있을 수도 있다. 도 5c에 가장 잘 도시하듯이, 스풀(64)은 코일스프링(68)으로 탄지된다. 코일스프링(68)의 일 종단은 지주(70)에 고정되며, 이는 수소발생장치(10)의 상부(16) 벽에 부착된다. 코일스프링(68)의 다른 종단은 스풀(64)의 벽들 상의 정지구(72)에 고정된다. 평탄튜브(62)의 자유종단(74)은 고체연료챔버(14) 내에 배설되고, 물과 금속수소화물 간 반응의 연질붕산염(soft borate) 부산물을 가로지르도록 된 굴곡부를 갖는다. 코일스프링(68)이 평탄튜브(62)를 권취함에 따라 이는 상기 부산물을 통해 자유종단(74)을 당겨 반응하지 않은 신선한 고체연료를 새로운 액체연료에 노출함으로써 고체연료챔버(14) 내에 수용된 연료들의 반응을 증진시킨다. 수성 금속수소화물 연료가 챔버(14) 내에 사용될 때 혼합이 향상될 수 있다.
저장 동안에 또는 최초사용 이전에 고체연료가 코일스프링(68)이 자유종단(74)을 권취하지 못하게 함이 유리하다. 왜냐면, 분말이나 그래뉼 형태의 고체연료는 자유종단(74)을 유치하거나 또는 이것이 움직이지 못하게 할 수 있기 때문이다. 최초 사용 이후에는, 반응한 연료는 연질혼합(soft consistency)의 붕산염부산물을 띄며, 이에 따라 자유종단(74)이 상기 연질부산물을 가로질러 권취될 수 있도록 된다.
도 3 및 4에 도시하듯이, 격막(46)(56), 포크(48), 액체저장영역(38) 및 기타 관련요소들은 펌프 또는 밸브를 형성하여, 높은 수소압력 동안에는 액체연료의 공지된 단위용량 또는 체적을 저장하고, 낮은 수소압력 동안에는 이 단위용량의 액 체연료를 고체연료로 이송하여 반응시킴으로써 부가의 수소를 생성한다. 이러한 사이클은 연료가 고갈되거나 수소발생장치가 차단될 때까지 자동으로 반복된다. 하술하는 여러 구현예들 또한 이러한 사이클을 따른다.
이러한 구현예의 하나를 도 6a-6c에 도시한다. 유사한 기능을 수행하는 요소들은 유사한 도면번호가 할당된다. 이는 유사한 구현예들간에 공통점을 나타내기 위한 것이고 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니다. 단일단위용량 펌프 또는 밸브(76)는 수소저장영역(44)의 압력에 노출되고(도관(80)을 통해) 액체연료챔버(12)에 유체연결되며(밸브(82)를 통해) 고체연료챔버(14)에 유체연결된다(밸브(84)를 통해). 또한, 수소저장영역(44)은 고체연료챔버(14) 내에 있을 수도 있다. 용어 "펌프" 및 "밸브"는 본 발명의 여러 구현예들에 있어서 상호 교환하여 사용될 수 있다. 그러나, 도 6a-6c에 도시한 장치에 있어서는 예를 들어 "펌프"나 "격막펌프"라는 용어가 더 수용할만하다. 또는, "펌프"라는 용어는 액체연료가 가압되지 않았을 경우 사용됨이 바람직하고, "밸브"라는 용어는 액체연료가 가압되었을경우 사용됨이 바람직하다. 단일용량 펌프/밸브(76)의 특정 구현예로서 가압된 액체연료 및 비가압된 액체연료 모두 함께 사용될 수 있다.
단일단위용량 펌프/밸브(76)는 상술하였듯이 수소발생장치(10) 내부, 또는 액체연료챔버 및 고체연료챔버를 갖는 모든 수소발생장치 내부에서 사용되도록 된다. 펌프(76)는 제1격막(46) 및 제2격막(56)을 포함하고, 제1격막(46)은 수소저장영역(44)에서 수소압력에 노출되며, 제2격막(56)은 굴곡하여 단일의 공지 단위용량의 액체연료를 저장하고 이완되어 상기 단위용량을 고체연료로 이송한다. 상기 격 막들은 지주(78)에 의해 상호 연결되며, 이로써 함께 움직일 수 있다.
격막(46)은 펌프(76)의 상부벽과 함께 스프링챔버(85)를 형성하며, 이는 스프링(86)을 수납한다. 챔버(85)는 도시하듯이 대기에 개방되어 있어 격막(46)은 포획된 공기를 압축시킬 필요없이 상하로 움직일 수 있다. 또는, 챔버(85)는 밀봉되고 스프링 대신에 액화부탄이나 기타 탄화수소와 같이 가압가스를 수용한다.
수소저장영역(44)으로부터의 수소가스는 도관(80)을 통해 수소격실(44')과 소통하며, 이는 수소저장영역(44)과 동일한 압력을 갖게 된다. 수소격실(44')은 격막(46) 및 분리구(88) 간에 형성된다. 지주(78)는 분리구(88)에 밀봉 및 활동되게 연결되며, 이로써 상기 두 격막을 연결하는 지주(78)는 수소를 방출함이 없이 분리구(88)에 대해 이동할 수 있다. 챔버(87)는 분리구(88) 및 격막(56) 간에 형성되고 대기에 개방됨으로써, 격막(56)은 챔버(87) 내에 포획된 공기를 압축할 필요가 없이 상하로 이동할 수 있다. 격막(56) 하부영역은 액체저장영역(38)으로 된다.
수소압력은 격막(46)을 스프링(86)의 탄지력에 대항하며 상하로 굴곡시킨다. 스프링(86)의 힘은, 도 6b에 도시하듯이 수소압력이 스프링힘보다 셀 경우 격막(46)이 스프링(86)에 대항하여 상방으로 움직이고 이로써 격막(56) 또한 상방으로 인장하도록 선택된다. 이는 액체저장영역(38) 내에 부분진공을 발생시키고 이 부분진공은 동시에 밸브(82: 액체연료챔버(12)를 대향한 밀폐면을 갖는 체크밸브로 도시)를 개방하고 밸브(84: 고체연료챔버(14) 반대방향의 밀폐면을 갖는 체크밸브로 도시)를 폐쇄한다. 개방된 밸브(82)와 폐쇄된 밸브(84)로써, 공지된 단위용량의 액체가 액체저장영역(38) 내에 저장된다. 밸브(82)(84)는 도시하듯이 체크밸브 또 는 볼밸브로 되거나 또는 플래퍼밸브, 덕빌밸브나 기타 다른 압력대응성 밸브로 될 수 있다. 덕빌밸브는 미국특허출원공개공보 제2006/0174952호에 기술되어 있다.
수소압력이 스프링(86)의 탄지력 미만일 경우(예를 들어, 연료전지(들)에 의한 수소 사용으로 인하여), 도 6c에 도시하듯이 스프링(86)은 격막들(46)(56)을 하방으로 누른다. 이러한 동작은 액체저장영역(38) 내의 (+)압력을 발생시키며, 이는 밸브(82)를 폐쇄하고 밸브(84)를 개방하여 액체저장영역(38) 내에 저장된 액체의 공지 단위용량을 고체연료챔버(14) 내로 이송하게 된다. 신규 반응에 의해 더 많은 수소가 생성될수록, 도 6b에 도시하듯이 수소압력은 증가하여 격막(46)(56)을 상방으로 밀어 밸브(84)를 폐쇄하고 밸브(82)를 개방하며, 이로써 또 하나의 부가 단위용량의 액체연료를 액체저장영역(38) 내로 펌핑하여 또 하나의 사이클을 개시하게 된다.
단위용량의 체적은 격막(46)(56)의 운동에 의해 결정될 수 있고, 격막 운동은 스프링(86)의 용수철상수를 가변함으로써 조절될 수 있다. 또한, 펌프(76)는 수동프라이머(manual primer: 90)를 구비한다. 사용자는 최초 사용 이전에 수동프라이머(90)를 상하로 움직여 펌프(76)를 프라이밍(priming)함으로써 액체연료를 액체저장챔버(38) 내로 펌핑하여 채우고 액체저장챔버(38)에서 고체연료챔버(14) 내로 펌핑함으로써 반응을 개시한다. 수동프라이머(90)는 도 6c에 도시하듯이 스프링 탄지됨이 바람직하다.
또한, 액체연료는 가압될 수 있어 밸브(82)가 개방되어 있을 때 자동으로 액체저장영역(38) 내로 유동하는 한편, 상기 액체연료는 또한 실질적으로 비가압될 수도 있다. 부분진공이 도 6b의 구조에서 발생되기 때문에, 상기 진공은 액체연료를 액체저장영역(38) 내로 끌어들일 만큼 충분할 수 있다(예를 들어, 액체연료가 밸브(82) 부근에서 흡입되는 경우). 가압된 액체가 사용되는 경우에는 그 압력은 저절로 밸브(82 또는 84)를 개방할 만큼 충분히 세지않는 것이 바람직하다.
수소격실(44')의 압력과 스프링(86)의 힘과 격막(46)의 굴곡력 간의 평형으로 인해 수소발생장치(10)는 하기 표와 같이 자기조절될 수 있다.
스프링(86)과 격막(46)과 수소저장영역(44') 간의 상호작용 격막(46)(56) 밸브(82) 밸브(84) 액체연료의 고체연료챔버(14) 내로의 유동
차단밸브(18)가 개방될 경우
P44' > F46+86 상향운동 개방 -- 액체연료는 액체연료저장영역(38) 내로 유동할 수 있음. 폐쇄 없음.
P44' < F46+86 하향운동 폐쇄 굴곡 상방/개방 단일 공지 단위용량
차단밸브(18)가 폐쇄될 경우
P44' > F46+86 상향운동 개방 폐쇄 없음.
P44' = F46+86 평탄 폐쇄 폐쇄 없음.
본 발명의 다른 구현예들에서의 압력 및 유동순서는 이와 유사하고 더 하술한다.
도 7a-7c는 단일단위용량 밸브(76)의 다른 구현예를 도시한다. 본 구현예에 있어서, 단일단위용량 밸브(76) 또한 수소저장영역(44) 또는 수소격실(44')의 압력에 노출되며, 액체연료챔버(12)에 유체연결될 수 있고(밸브(82)를 통하여) 고체연료챔버(14)에 유체연결될 수 있다(밸브(84)를 통하여). 본 구현예에서 상기 액체연 료챔버는 가압됨이 바람직하다. 도 7a에 도시한 바와 같이, 단일단위용량 밸브(76)는 스풀(spool: 92)을 구비한다. 스풀(92)의 제1종단은 스풀(92)이 격막(46)과 함께 움직이도록 격막(46)에 연결되거나 아니면 이에 결합된다. 스풀(92)의 제1종단은 제1통기챔버(94) 내에 실장되며, 이로써 격막(46)의 움직임은 공기를 압축하지 않게 된다. 스풀(92)의 제2종단은 제2통기챔버(96) 내에 실장되며 스프링(86)에 의해 탄지된다. 도시하듯이, 스풀(92)의 제1 및 제2 종단은 두 세트의 O링(108)(114)에 의해 스풀(92)의 중간부분에서 밀봉된다. 스풀(92)의 중간부분은 액체연료에 노출되며 상기 통기챔버들로부터 격리되어야 한다.
스프링(86)의 용수철상수는 도 6a-6c의 구현예와 유사하게 수소저장영역(44)의 수소압력과 평형을 이루도록 미리 선택된다. 상기 수소압력이 높으면, 격막(46)과 스풀(92)은 도 7b에 도시하듯이 우로 밀려 스프링(86)을 압축하고 밸브(82)를 허리부(98)와 정렬한다. 액체연료챔버(12)로부터의 가압된 액체연료는 밸브(82)의 볼(100)을 허리부(98) 내로 밀게 된다. 이로써 액체연료가 허리부(98) 주위의 개방된 밸브(82)를 통해 액체연료챔버(12)로부터 액체연료저장영역(38)으로 흐를 수 있는 유로가 해결된다. 액체저장영역(38)은 도 1-5c 및 6a-6c에 도시한 구현예들 또는 하술하는 도 8a-8c에 도시한 구조들과 같이 여러 구조로 될 수 있다.
상기 수소압력이 낮으면(예를 들어, 연료전지에 의한 수소사용으로 인해), 도 7c에 도시하듯이 스프링(86) 및/또는 격막(46)은 스풀(92)을 좌로 밀게 된다. 이러한 동작은 볼(100)을 허리부(98)의 경사부(101) 상부로 밀어 밸브(82)를 재폐쇄하며 가압된 액체연료챔버(12)를 단일단위용량 밸브(76)로부터 격리한다. 도시하 듯이, 허리부(98)는 밸브(84)와 정렬하며, 밸브(84)의 스프링탄지 볼(99)은 허리 영역(98) 내로 밀려 들어간다. 이로써, 밸브(84)가 개방된다. 액체저장영역(38)에 저장되어있던 가압된 액체연료는 개방된 밸브(84)를 통하여 액체저장영역(38)으로부터 고체연료챔버(14) 내로 밀려 들어가거나 이송된다.
상술한 바와 같이, 액체저장영역(38)은 다수의 구현예를 갖는다. 도 8a에 있어서, 액체저장영역(38)은 격막(56)을 포함하며, 이는 굴곡되어(점선표시) 단일단위용량의 액체연료를 저장하고, 이완상태(실선표시)로 복귀하여 단일단위용량의 액체연료를 고체연료챔버(14)로 펌핑한다. 격막(56)은 통기챔버 내에 실장되고, 이로써 상술한 통기챔버(94)(96)와 마찬가지로 어떠한 공기도 압축하지 않게 된다. 상기 단일단위용량은 격막(56)의 상기 굴곡상태와 이완상태 간의 체적차이로 된다.
도 8b에 있어서, 액체저장영역(38)은 통기챔버 내에 이동가능하도록 실장된 스프링탄지 피스톤 또는 포크(102)를 구비한다. 또한, 포크 또는 피스톤(102)은 통기챔버의 벽에 밀봉된다. 피스톤 또는 포크(102)의 기능은 격막(56)의 기능과 유사하다. 즉, 이는 스프링(104)에 대항하여 이동하여 단일단위용량의 액체연료를 저장하고(실선표시) 이완상태로 복귀하여(점선표시) 상기 단일단위용량의 액체연료를 펌핑한다. 상기 단일단위용량은 피스톤 또는 포크(102)의 상기 위치들간의 차이로 된다.
도 8c에 있어서, 액체저장영역(38)은 팽창부재(108)를 수용하는 밀봉종단(106)을 구비하며, 상기 팽창부재(108)는 탄성중합체 풍선으로 됨이 바람직하다. 부재(108)는 어떠한 형상으로도 될 수 있다. 가압된 액체연료가 밀봉종단(106) 내 로 이송되면, 그 압력으로 인해 구(108)는 압축되고 이로써 단일단위용량의 연료를 저장하게 된다. 부재(108)가 이완되면, 이는 팽창하여 상기 단일단위용량의 연료를 펌핑하게 된다. 상기 단일단위용량의 체적은 상기 압축상태와 이완/팽창상태 간의 부재(108)의 체적차이로 된다. 부재(108)는 박벽으로 되고 수소, 질소 또는 불활성 가스 또는 이의 결합 등의 압축가능한 가스를 수용함이 바람직하다.
도 9a-9c에 도시하는 단일단위용량 밸브(76)는 스풀(92)이 이와 결합된 격막(46)과 스프링(86) 간에서 평형을 이룬다는 점에서 도 7a-7c에 도시한 것과 유사하다. 밸브(82)(84) 대신, 본 밸브(76)는 4개의 O링(108)(110)(112)(114)을 구비한다. O링(108)(114)은 도 7a-7c의 구현예와 동일한 기능을 수행한다. 도 9a의 중간부 구조에 있어서, 가압된 액체연료챔버(12)는 O링들(112)(114) 간에 격리되고, 고체연료챔버(14)는 O링들(108)(110) 간에 격리된다. 도 9b에 도시하듯이, 수소압력이 높으면, O링(112)이 허리부(98) 상부에 위치되고 가압된 액체연료는 액체저장영역(38)과 유체소통하며, 단일단위용량의 액체연료가 그 내부에 저장된다. 도 9c에 도시하듯이, 수소압력이 낮으면, O링(110)이 허리부(98) 상부에 위치되고 상기 저장된 가압 단일단위용량은 고체연료챔버(14)로 이송되어 신규의 반응을 개시하고 더 많은 수소를 생산하게 된다. 또한, 본 구현예에서는 밸브가 없으므로, 허리부(98)의 경사부(101)는 임의의 것으로 된다.
도 10a-10c는 다른 단일단위용량 밸브(76)를 도시한다. 본 구현예는 마찰이 적다는 점에서 도 7a-7c 및 도 9a-9c의 구현예들과 상이하다. 왜냐면, 변화하는 수소압력에 대응하여 움직이므로, 스풀(92)에 마찰하는 O링이 없기 때문이다. 본 구 현예는 제1격막(46a)을 구비하며, 이는 수소저장영역(44) 또는 수소격실(44')로부터의 수소압력에 노출된다. 제1격막(46a)은 제1피스톤(116a)에 결합되며, 이는 제1통기챔버(118a) 내에 배설된다. 도 10a의 중간부 구조에 도시하듯이, 제1피스톤(116a)의 다른 종단은 제2격막(120a)에 결합된다. 푸싱로드(pushing rod: 122)는 제2격막(120a)과 직접 접촉되고 제1피스톤(116a)과 간접 접촉되며, 이로써 도 10b에 도시하듯이 수소압력이 제1피스톤(116a)을 이동시킴에 따라 푸싱로드(122)는 상방이동되어 밸브(82)를 개방하고, 도 10c에 도시하듯이 하방이동되어 밸브(82)를 폐쇄할 수 있다.
또한, 본 구현예는 제3격막(46b)을 구비하며, 이 또한 수소저장영역(44) 또는 수소격실(44')로부터의 수소압력에 노출된다. 제3격막(46b)은 제2피스톤(116b)에 결합되며, 이는 제2통기챔버(118b) 내에 배설된다. 제2피스톤(116b)의 다른 종단은 도 10a의 중간부 구조에 도시하듯이 제4격막(120b)에 결합된다. 도 10b에 도시하듯이, 제2피스톤(116b)이 높은 수소압력으로 인해 상방으로 밀리면, 제4격막(120b)은 액체저장영역(38)에 연결된 원형의 채널(124) 및 채널(126)에 대해 밀봉된다. 도 10c에 도시하듯이, 수소압력이 낮으면, 제2피스톤(116b)은 하방으로 움직이고 이로써 제3격막(46b)은 하방으로 굴곡하여 채널(126)은 원형 채널(124)과 유체소통할 수 있게 된다.
도 10a-10c에 도시한 상기 단일단위용량 밸브의 동작은 다음과 같다. 수소압력이 높으면, 도 10b에 도시하듯이 제1격막(46a)은 제1피스톤(116a) 및 로드(122)를 상방으로 밀어 밸브(82)를 개방하고 이로써 액체연료챔버(12)로부터의 가압된 액체연료는 연결된 채널(128) 및 채널(126) 내로 밸브(82)를 통해 유동해 들어가게 된다. 또한, 상기 높은 수소압력 또한 제3격막(46b)과 제2피스톤(116b)을 상방으로 밀기 때문에, 도 10b에 도시하듯이 채널(126)은 제4격막(120b)에 의해 저부종단에서 밀봉된다. 이는 상기 가압된 액체연료를 액체연료저장영역(38) 내로 상방이동시켜 격막(56)을 굴곡시킴으로써 단일단위용량의 약체연료를 저장하게 된다.
수소압력이 낮으면, 격막들(46a)(46b) 모두 하방으로 움직여 피스톤들(116a)(116b)을 하방으로 인장한다. 이러한 움직임으로 인해 밸브(82)는 밀봉되고 액체연료챔버(12)는 격리된다. 또한, 도 10c에 도시하듯이 제4격막(120b)이하방으로 굴곡되어 채널(126)과 원형 채널(124)이 유체연결된다. 액체저장영역(38) 내에 저장되어 있는 가압된 단일단위용량의 액체연료는 채널(126) 내로 역류하게 된다. 밸브(82)는 폐쇄되어 있으므로, 상기 액체연료는 연결된 채널(128)을 우회하여 제4격막(120b)의 굴곡된 부분으로 지나가게 된다. 이로부터, 상기 액체연료는 원형 채널(124), 출구채널(13) 및 고체연료챔버(14)의 순으로 이동하여 고체연료와 반응하게 된다. 채널(124)의 상기 개방 및 폐쇄는 연료챔버(14)로 액체연료를 이송하는 밸브로서 작용한다.
단일단위용량 밸브(76)의 동작순서는 도 10a-10c에 도시하듯이 격막들(46a)(46b)의 상대적 움직임이나 굴곡력에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1격막(46a)은 제3격막(46b) 이전에 굴곡하도록 선택될 수 있으며, 이로써 밸브(82)가 먼저 개방된다. 격막들(46a)(46b)은 다른 굴곡력들을 발생하기 위해 수소에 노출되는 상이한 두께들 또는 표면면적들을 가질 수 있다. 또는, 코일스프링이나 리 프스프링 등의 탄지스프링들을 피스톤(116a) 또는 피스톤(116b)과 격막(46a) 또는 격막(46b) 사이에 각각 부가하거나. 또는 피스톤(116a) 또는 피스톤(116b)과 격막(120a) 또는 격막(120b) 사이에 각각 부가하거나, 또는 피스톤(116a) 또는 피스톤(116b)과 챔버벽들 사이에 각각 부가할 수 있다. 피스톤들(116a)(116b)은 상호 연결되거나 일체로 될 수 있다.
도 11a-11c에 도시한 단일단위용량 밸브(76)는 제1격막(46a) 및 제3격막(46b)이 상호 대향한다는 점만 제외하고는 도 10a-10c와 실질적으로 유사하다. 이들 격막은 여전히 동일한 수소압력에 노출된다. 수소저장영역(44)으로부터의 수소가스는 도관(80)을 통해 수소격실(44')과 소통된다. 또한, 이들 두 단일단위용량 밸브들(76)도 동일하거나 실질적으로 유사한 요소들을 갖는다.
다른 단일단위용량 밸브(76)가 도 12a 및 12b에 도시된다. 본 밸브는 액체연료챔버(12)로부터의 가압된 액체연료를 사용시 특히 적합하다. 본 구현예는 O링이 사용되지 않고 단일단위용량 액체연료저장영역(48)이 밸브(76)의 본체에 일체로 형성된다는 점들만 제외하고는 도 7a-7c에 도시한 단일단위용량 밸브와 유사하다. 본 구현예에서, 액체저장영역은 제1벨로우(132), 제2벨로우(134), 스풀(92)의 외표면 및 밸브(76)의 표면에 의해 형성된다. 수소압력이 높으면, 스풀(92)은 허리부(98)가 밸브(82)의 볼(100)에 대향할 때까지 도 12a에 도시한 바대로(도 7a-7c의 구현예와 유사하게) 우로 밀리게 된다. 볼(100)은 허리부(98) 내로 밀려 밸브(82)를 개방하고 가압된 액체연료는 액체연료저장영역(38) 내로 유동하여 벨로우(132)(134)의 하나 또는 모두를 팽창시킴으로써 이 내부에 공지된 단일단위용량의 액체연료가 저장된다. 수소압력이 낮으면, 도 12b에 도시하듯이 스풀(92)은 좌로 움직여 밸브(84)의 볼(99)이 허리영역(98) 내로 밀리고 밸브(84)를 개방한다. 액체연료저장영역(38)의 단일단위용량이 개방된 밸브(84)를 통해 고체연료격실(14) 내로 이송된다. 벨로우들(132)(134)은 격막(56)과 실질적으로 동일한 기능을 수행하므로 2개의 격막(56)으로 고려될 수 있다. 도 7a-7c에 도시한 구현예와 유사하게, 만일 O링이나 밀봉부재가 스풀(92)의 외부면 상에 배치된다면, 이들 벨로우 중의 하나는 생략될 수 있다.
도 13a-13b에 도시한 단일단위용량 밸브(76)는 적어도 2가지 현저한 차이점만을 제외하고는 도 11a-11c에 도시한 바와 실질적으로 동일하다. 유사한 요소들은 동일한 도면번호로 표시한다. 먼저, 격막들(46a)(46b) 및 피스톤들(116a)(116b)은 벨로우들(136)(138)에 의해 대체된다. 벨로우들(136)(138)은 함께 수소격실(44')을 이룬다. 수소저장영역(44)으로부터의 수소가스는 도관(80)을 통하여 수소격실(44')로 소통되며, 수소격실(44')은 상술한 바대로 수소저장영역(44)과 동일한 압력을 갖게된다. 벨로우들(136)(138)은 각각 통기챔버들(118a)(118b) 내에 실장된다. 다른 현저한 차이점으로는, 도 13a에 가장 잘 도시되어 있듯이, 수소압력이 높으면, 격막(120b)의 일부가 액체저장영역(38)으로서 사용된다는 것이다. 수소압력이 높으면, 상기 벨로우들은 팽창한다. 벨로우(136)는 로드(122)를 통해 밸브(82)를 개방하고, 가압된 액체연료는 채널(128)을 통해 액체저장영역(38)으로 작용하는 격막(120b)의 일부로 유동한다. 벨로우(138)는 원형 채널(124)을 밀봉하여 액체저장영역(38) 내에 상기 액체연료를 보관한다. 수소압력이 낮으면, 상기 벨로우들은 부 분적으로 붕괴한다. 벨로우(136)는 밸브(82)를 폐쇄하여 액체연료의 역류를 방지한다. 벨로우(138)는 액체저장영역(38)과 원형 채널(124)과 출구채널(130) 간의 연결을 개방하여 상기 액체연료를 상기 고체연료로 이송한다.
본 구현예에 있어서, 벨로우들(136)(138)은 탄성중합성이 아닌 가요성을 갖는 것이 바람직하고 격막들(120a)(120b)은 수소압력을 상쇄하기 위해 탄성중합성으로 된다. 또는, 상기 벨로우들은 가요성 및 탄성중합성 모두를 갖추어 이들 역시 수소압력을 상쇄할 수도 있다. 또한, 벨로우들(136)(138)은 도 13c에 도시하듯이 횡방향으로 정렬될 수 있고, 이때 상기 벨로우들의 주름은 도 13a 및 13b에 도시하는 주름에 대략 수직으로 된다. 또한, 벨로우들(136)(138)은 각각 연장부들(140)(141)을 구비할 수 있고, 이는 상기 벨로우들이 상기 격막들에 미치는 영역을 실질적으로 연장할 수 있다.
가압 및 비가압된 액체연료를 사용가능한 다른 단일단위용량 펌프(76)가 도 14a-14c에 도시된다. 가압된 경우에는, 액체연료는 스스로 밸브(82 또는 84)를 개방할만큼 충분히 세지 않는 것이 바람직하다. 본 구현예는 비가압된 액체연료를 펌핑하는데 사용됨이 바람직하다. 본 단일단위용량 펌프(76) 또한 수소저장영역(44)의 압력에(또는 도관(80)을 통한 수소격실(44')의 압력에) 노출되고, 액체연료챔버(12)에 유체소통되고(밸브(82)를 통하여) 고체연료챔버(14)에 유체소통된다(밸브(84)를 통하여). 특히, 펌프(76)는 수소압력변화에 따라 체적을 직접적으로 변화하는 액체저장영역(38)을 구비한다. 액체저장영역(38)은 격막(46)(142) 간의 영역 또는 체적으로 이루어지며, 이는 상술한 격막(56)과 유사하게 작용하고 대기압에 노출된다. 수소압력이 높으면, 이는 격막(46)을 상방으로 밀어 피스톤(144)을 상방으로 밀게 된다. 이러한 동작은 또한 격막(142)을 상방으로 밀게 되어 액체저장영역(38)의 체적을 증가시킨다. 이로써 도 14b에 도시하듯이 액체저장영역 내에 진공부가 발생하게 된다. 도시한 바와 같이 밸브들(82)(84)의 배향으로 인해 상기 진공부는 밸브(82)를 개방하고 밸브(84)를 폐쇄하며, 상기 체적변화량과 실질적으로 동일한 공지된 단일단위용량의 액체연료를 액체저장영역(38) 내로 흡수하게 된다. 수소압력이 낮으면, 격막(46) 및/또는 격막(142)은 피스톤(144)을 하방으로 밀어 (+)의 압력을 발생한다. 도 14c에 도시하듯이, 이러한 (+)압력은 밸브(82)를 폐쇄하여 역류를 방지하고 밸브(84)를 개방하여 상기 단일단위용량의 액체연료를 밸브(84)를 통해 고체연료격실(14)로 펌핑한다. 밸브들(82)(84)은 체크밸브 또는 볼밸브로 도시되었지만, 또한 덕빌밸브, 플래퍼밸브 등으로 될 수도 있다.
도 14d는 도 14a-14c에 도시한 단일펌프(76)의 다른 예이다. 여기서, 밸브들(82)(84)은 덕빌밸브로 도시하며 소정의 저압력상태에 더욱 민감하다. 피스톤(144)은 신장된 본체를 구비한다. 이는 그 본체를 따라 수소저장영역(44)의 압력에 직접 노출되며 그 저부에서는 파일럿압력(pilot pressure)에 노출된다. 실링부재 또는 O링(145)은 상기 파일럿압력을 수소저장영역(44)의 압력으로부터 격리하기 위해 구비된다. 도시하듯이, 피스톤(144)은 또한 스프링(147)에 의해 탄지된다. 수소압력이 상기 파일럿압력과 스프링(147)의 탄지력보다 더 높으면, 피스톤(144)은 하방으로 이동된다. 이러한 동작은 액체저장영역(38)의 체적을 증가시키고 덕빌밸브(82)를 개방하여 액체연료를 액체저장영역(38) 내로 끌어당기며, 덕빌밸브(84)를 폐쇄하여 이러한 단일단위용량의 액체연료를 보관한다. 수소압력이 상기 파일럿압력 및 스프링(147)의 탄지력보다 더 낮으면, 피스톤(144)은 상방으로 이동하여 액체저장영역(38)의 체적을 감소시킨다. 이러한 동작은 덕빌밸브(82)를 폐쇄하고 덕빌밸브(84)를 개방하며 단일단위용량의 액체연료를 고체연료격실(14)로 밀게 된다.
도 15a 및 15b는 도 14a-14c에 도시한 단일단위용량 펌프(76)의 2개 가능한 변형을 도시한다. 도 15a의 단일단위용량 펌프(76)는 도 14a-14c에 도시한 펌프와 실질적으로 동일하나, 다만 다른 점은 플런저(144)가 더 넓은 저부를 갖고 격막(46)은 더 커서 플런저(144)가 저압에 더 민감하다는 것이다. 즉, 압력이 더 낮지만 이에 노출되는 표면적이 더 크면, 상기 압력에 의해 발산되는 전체 힘은 더 현저해진다(힘=압력×면적). 마찬가지로, 플런저(144)는 도 15b에 도시하듯이 2개 부분으로 구성된다. 여기서, 상부 플런저(144a)는 상술한 대로 상기 펌프의 일부이고, 하부 플런저(144b)는 압력증폭기로 된다. 상기 두 플런저(144a)(144b)는 액체저장영역(38)의 체적을 상부로 수용하도록 격막(142b)에 의해 격리된다.
도 16a-16c는 가압 및 비가압 액체연료에 적합한 단일단위용량 펌프(76)의 다른 구현예를 도시한다. 가압되었다면, 액체연료는 스스로 밸브(82 또는 160)를 개방할만큼 충분히 세지않음이 바람직하다. 도 16a-16c의 단일단위용량 펌프(76)와, 도 14a-14c 및 도 15a, 15b에 도시된 단일단위용량 펌프들 간의 현저한 제1차이점은 펌핑챔버가 액체저장영역(38)으로부터 격리되어 있다는 점이다. 도 16a를 참조하면, 펌프(76)는 수소격실(44')을 구비하고, 이는 도관(80)을 통해 수소저장영역(44)과 유체소통하며, 제1격막(46a) 및 제2격막(46b)으로 이루어진다. 펌핑챔 버(150)는 제1격막(46a) 및 펌프(76)의 벽 간에 이루어진다. 제2격막(46b)은 피스톤(152)에 결합되며, 이는 통기챔버(154) 내에 실장된다. 제3격막(156)은 또한 통기챔버(154)에 인접한다. 피스톤(152)은 제3격막(156)의 일부에 결합하며, 이로써 제3격막의 이 일부는 피스톤(152)과 함께 움직인다. 제3격막(156)의 다른 일부는 도 16a에 도시하고 도 13a-13c의 구현예에 대해 설명한 바와 같이 단일단위용량 액체저장영역(38)을 형성한다.
수소압력이 높으면, 도 16b에 도시하듯이 격막들(46a)(46b)은 팽창한다. 이러한 팽창은 펌핑챔버(150)를 압축하고 피스톤(152)을 가압하여 원형 채널(124)을 밀봉한다. 펌핑챔버(150)의 압축으로 인해 밸브(82)는 폐쇄되고 액체연료챔버(12)는 격리된다. 또한, 펌핑챔버(150)의 압축은 채널(158)을 통해 소정량의 액체를 펌핑하고, 밸브(160)를 개방하며, 격막(156)의 일부를 압축하여 단일단위용량의 액체연료를 저장한 액체저장영역(38)을 구축한다. 원형 채널(124)은 밀봉되어 있으므로, 상기 액체는 액체저장영역(38)에 보관된다.
수소압력이 낮으면, 도 16c에 도시하듯이 격막(46a)(46b)은 서로를 향해 수축한다. 이러한 수축으로 인해 피스톤(152)은 좌로 이동하고 원형연결부(124) 간의 유체연결을 개방하며, 이는 액체저장영역(38)과 출구채널(130)에 개방되어 상기 액체연료를 고체연료챔버(14)로 이송한다. 또한, 이러한 수축으로 인해 펌핑챔버(150)는 팽창하게 되고 (-)의 압력 또는 부분진공을 발생한다. 이러한 부분진공은 밸브(82)를 개방하여 단일단위용량의 액체연료를 펌핑챔버(150) 내로 흡수한다. 또한, 이러한 진공은 밸브(160)를 폐쇄하여 이때 신규의 액체가 액체저장영역(38) 내로 흘러들어오지 않게 한다.
도 16a-16c의 구현예의 일 변형예가 도 17에 도시되며, 이때 유사한 요소들은 동일한 도면번호가 할당된다. 현저한 차이점으로는 밸브들(82)(160)이 덕빌밸브로 표시되고 서로 더 밀접하게 위치된다는 점이나, 이의 작용 및 개방/폐쇄 순서는 동일하다. 다른 차이점으로는 격막(156)이 격막들(156a)(156b)로 나뉜다는 점이다. 격막(156a)은 높은 수소압력에서 여전히 피스톤(152)에 의해 가압되어 있다. 격막(156b)은 액체저장영역(38)을 형성한다. 액체저장영역(38)은 채널(162)에 의해 원형 채널(124)에 유체연결되고 피스톤(152)에 결합된 격막(156a)의 일부는 높은 수소압력에서 채널(162)을 밀봉하기 위한 크기와 용적을 갖는다.
또한, 여기서 피스톤과 유동채널과 격막은 압력조절기로서 활용될 수 있어, 고압에서는 수소가스를 취하여 수소가스의 압력을 연료전지가 용인할 수 있는 수준으로 감소시킨다. 이러한 압력조절기의 한 용도는 차단밸브(18)를 통하여 수소저장영역(44)과 발생기(10)를 나가는 수소의 압력을 감소시키는 것이다. 이러한 조절기는 차단밸브(18)의 상류측 또는 하류측에 위치될 수 있고(도 2 참조) 차단밸브(18) 부근에 위치될 수 있다. 압력조절기(164)의 일 예는 도 18a 및 18b에 도시되어 있다. 압력조절기(164)는 입구하우징(166)과 출구하우징(168)과 이들 간에 배설된 리테이너(retainer: 170)를 포함한다. 피스톤(172)은 리테이너(17) 사이에 이동가능하게 배설된다. 제1격막(174)은 입구하우징(166)과 리테이너(170) 간에 클램핑된다. 입구하우징(166)은 입구채널(178)을 이루고 출구하우징(168)은 출구채널(180)을 이룬다. 피스톤(172)이 실장된 리테이너(170) 내부는 기준압력에 노출될 수 있 으며 상기 기준압력은 대기압으로 될 수 있다. 상기 입구채널의 밀봉을 돕기 위하여 볼(182)이 입구채널(178) 바로 아래의 제1격막(174) 아래에 구비될 수 있다. 도시하듯이, 제1격막(174)은 입구압력에 노출되고, 제2격막(176)은 출구압력에 노출된다.
피스톤(172) 상에 가해진 힘은 상기 가해진 압력과 이에 노출된 면적을 곱한 값이므로, 피스톤(172) 상에 작용하는 힘은 다음과 같이 정리된다:
입구격막 힘은:
입구압력 × 입구면적 = 기준압력 × 입구면적 ＋ 피스톤 힘(상부면)
출구격막 힘은:
출구압력 × 출구면적 = 기준압력 × 출구면적 ＋ 피스톤 힘(하부면)
상기 상부면 상의 힘은 상기 하부면 상의 힘과 동등하므로, 상기 피스톤 힘은 두 식 모두에서 동등하다. 피스톤 힘에 대해 두 방정식을 풀어 등식화하면:
(입구 P - 기준) × 입구면적 = (출구 P - 기준 P) × 출구면적
이 식은 다음과 같이 될 수 있다:
(출구 P - 기준 P) = (입구 P - 기준 P) × 입구면적 / 출구면적
상기 기준압력이 0 psi 상대기압 또는 1 기압인 경우에는:
출구 P = 입구 P × 입구면적 / 출구면적
상기 기준압력이 0 psi 상대기압이 아닌 경우에는 상기 피스톤 양면 모두 그 각각의 면적에 대응하는 기준압력에 의해 영향을 받게 된다. 상기 압력조절기의 작동중 상기 입구면적은 변화한다. 상기 출구압력이 상기 입구를 차단할 정도로 상승 하기 이전, 상기 입구면적은 상기 피스톤의 상부면과 동등하다. 상기 출구압력이 상기 입구를 차단할 정도로 상승한 이후, 상기 입구면적은 작은 입구개구로 수축한다. 이러한 특징은 작은 출구압력 강하를 갖는 피스톤 진동을 감소시키게 된다.
상기 출구힘이 상기 입구힘 이하이면, 상기 입구 수소압력은 제1막을 하방으로 힘을 가해 입구채널(178)로부터 내부원형채널(184)로의 유로를 개방한다. 내부원형채널(184)은 상부측부채널(186)에 연결되고, 상부측부채널(186)은 외부원형채널(188)과 연결채널(190)에 연결되며, 연결채널(190)은 하부측부채널(192)과 출구채널(180)에 연결된다. 출구채널(180)은 "194"에서 확장되어 수소가스로 하여금 팽창하게 함으로써 배출되기 이전에 약간의 부가적 압력을 잃도록 하는 것이 유리하다. 또한, 출구채널(180) 역시 확장되어 이로써 조절기(164)가 연료전지장치의 다른 부품(들)에 정합될 수 있다. 측부채널들(186)(192)은 도 18a에 도시하듯이 볼에 의해 밀봉된다.
압력조절기(164)의 다른 구현예가 도 18c에 도시되며, 이는 도 18a 및 18b의 구현예와 동일한 방법으로 작동한다. 도 18c에 도시하듯이, 조절기(164)는 또한 출구하우징(168)의 저부에 부착된 출구 격막/개스킷(177) 및 종단캡(196)을 구비할 수 있다. 종단캡(196)은 기준압력을 피스톤(172)와 소통시키는 채널을 구비할 수 있고, 배출되는 수소가스가 배출 이전에 더 큰 압력강하를 취하도록 더 확장된 출구채널(180)을 구비할 수 있다. 격막/개스킷(177)은 O링으로 대체될 수 있다.
또한, 압력조절기(164)는 도 19a-19c에 도시하듯이 수소발생장치(200)와의 사용에도 적합하다. 이러한 발생장치는 2개의 주챔버를 구비한다: 제1압력챔 버(202)와, 압력조절기(164)를 구비한 제2챔버(204). 이 압력조절기(164)는 제2압력챔버(204)로부터 연료전지로의 수소유동을 조절한다. 제1압력챔버(202)는 개구(218)를 통하여 제2압력챔버(204)에 연결된다. 수소발생장치(200)는 단일단위용량 카트리지(201)를 포함하며, 이는 막(206)에 의해 고체연료챔버(14)로부터 격리된 액체연료챔버(12)를 구비한다. 상기 막(206)은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 등의 폴리머 또는 코폴리머, 취약성 글라스, 금속포일 또는 파열되거나 관통될 수 있는 모든 물질로 될 수 있다. 또한, 카트리지(201)는 가동버튼(210)에 부착된 발사핀(208)을 구비한다. 발사핀(208)은 막(206)을 관통하도록 되어 액체연료가 고체연료와 혼합되어 수소를 생성하도록 한다. 수소가스와 부산물은 제1압력챔버(202) 내로 들어간다. 제1압력챔버(202)는 고압을 견딜 수 있도록 두꺼운 측벽을 구비하고 단일단위용량 카트리지(201)로부터 남은 미반응 연료과 반응시키는 필터베드를 수용함이 바람직하다. 상기 필터베드는 아세트산 등의 산이나, 수소화물연료와 반응하는 모든 종류의 산, 또는 메탄올 등의 알콜이나, 수소화물연료와 반응하는 모든 종류의 알콜, 또는 물을 포함한다. 상기 산이나 알콜 또는 물은 종이나 부직포물질 또는 직포물질 등의 흡수성 매체 내에 흡수됨이 바람직하다.
두 연료의 의도하지 않는 혼합가능성을 최소화하기 위하여, 발생장치(200)는 체결캡(210)을 구비하며, 이는 카트리지(201)를 수납하는 중앙개구(212)를 이룬다. 또한, 개구(212)는 이에 연결된 복수의 익부(214)를 구비한다. 가동버튼(210)은 익부들(214)에 의해 수납되도록 대응하는 돌출부들(미도시)을 구비한다. 가동버튼(21)을 누르기 위해서는 이들 돌출부가 익부들(214)과 정렬되어야 한다. 또한, 가동버튼(210)은 스프링 등에 의해 비정렬 위치로 탄지될 수 있도록 함으로써 사용자가 가동버튼(210)을 누르기 이전에 이를 비틀거나 회전시키도록 한다. 익부(214)는 도시하듯이 다른 형상들로 될 수 있고 그 개수도 제한되지 않는다.
제1압력챔버(202)로부터의 수소는 제2압력챔버(204)로 인입하기 이전에 개구(218)를 통과한다. 수소공급튜브(216)가 수소가 발생장치(200)를 떠나는 통로로서 구비된다. 수소공급튜브(216)는 세라믹, 직물, 발포재 등의 다공성 물질로 제조될 수 있다. 수소공급튜브(216)는 조절기(164)를 통해 지날 수 있는 모든 부산물을 더 필터링할 수 있다. 또는, 밸브(18)와 유사한 차단밸브는 조절기(164)에 인접하게 위치될 수 있고, 제2압력챔버(204) 또한 제1압력챔버(202)와 마찬가지로 필터베드를 구비할 수도 있다.
카트리지(201) 또는 수소가 고갈되었다면, 사용된 카트리지는 제거되고 다른 단발 카트리지(201)가 삽입될 수 있다.
다른 적절한 단일단위용량 카트리지(201)를 도 20에 도시한다. 본 카트리지의 가동버튼(210)은 액체연료챔버(12)를 수용한다. 도면번호 "220"으로 표시된 고체연료가 용기/고체연료챔버(14)에 저장된다. 고체연료 및 액체연료는 막/포일(206)에 의해 격리된다. 가동버튼(210) 및 고체연료챔버(14)는 카트리지 하우징(222)에 의해 함께 지지된다. 가동시키기 위하여, 고체연료(220) 및 고체연료챔버(14)를 액체연료챔버(12) 내로 밀어 막(206)을 파열시키고 연료들을 반응시킨다. 고체연료챔버(14)는 탄성중합체 외피(224)로 커버되며, 이는 나선형측면을 가짐으로써 외피(224)는 외부로 팽창하여 고체연료챔버(14)가 액체연료챔버(12) 내로 밀 려들어간 후 액체연료의 예상된 움직임을 지지할 수 있다. 외피(224)는 카트리지 하우징(222)과 가동캡(210) 사이에 지지되거나 클램핑된다. 외피(224)는 수소는 침투가능한 반면 연료 및 부산물은 침투불가능한 물질로 제조됨이 바람직하다. 적합한 물질로는 실리콘 등의 탄성중합체를 포함한다. 단일단위용량의 액체연료는 모든 연료가 반응될 때까지 카트리지(201) 내부의 단일단위용량의 고체연료와 접촉하도록 유지된다. 고체연료는 혼합을 증진하기 위해 분말이나 그래뉼 형태로 될 수 있다. 도시하듯이, 고체연료(220)는 액체연료와의 반응에 유효한 표면적을 극대화하기 위하여 개방원통형으로 된다.
본 발명의 단일단위용량 수소발생장치(10)는 2개의 단일단위용량의 액체연료와 반응하도록 수정될 수 있다. 일 예를 들면, 2개의 단일단위용량 펌프/밸브(76)가 사용된다. 하나의 펌프/밸브(76)는 물이나 메탄올 등의 제1액체연료를 계량하는데 사용된다. 다른 펌프/밸브(76)는 수성 또는 액체 형태로 변화된 고체연료, 즉 제2액체연료를 계량하는데 사용된다. 예를 들어, 고체 수소화붕소나트륨은 수소화붕소나트륨을 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(tetraethyleneglycoldimethylether) 또는 트리에틸렌글리콜디메틸에테르(triethyleneglycoldimethylether) 등의 용제에 용해시킴으로써 액체형태로 변환될 수 있다. 수소화붕소나트륨의 액상 또는 수용성 형태는 Sigma-Aldrich 사로부터 다양한 몰농도로 구입할 수 있으며, 예를 들어 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르를 포함한 3몰 용액, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르를 포함한 2몰 용액, 12wt% 수성용액 등이 있다. 상술하였듯이, 액체연료는 겔 형태로 될 수 있다.
2개 단일단위용량 펌프/밸브(76)의 일 실시예를 도 21a 및 21b에 도시하며, 여기서 2개의 출구채널(130a)(130b)은 펌프/밸브(76a)(76b)로부터의 2개 단일단위용량의 액체연료를 각각 이송한다. 출구채널(130a)(130b)은 입구어댑터(226a)(226b)에 각각 연결된다. 이 입구어댑터들은 밸브(228a)(228b)를 각각 하우징(230a)(230b) 내에 지지하고 배치하도록 된다. 밸브(228a)(228b)는 덕빌밸브(도시), 플래퍼밸브 또는 체크밸브로 될 수 있다. 챔버(232)는 하우징(230a)(230b) 간에 클램핑되며, 이는 독립기포발포체(closed cell foam) 물질로 충전됨이 바람직하다. 상기 2개 단일단위용량의 액체연료가 챔버(232) 내에서 반응하면, 수소압력이 상기 발포체를 압축하고 수소 및 부산물이 챔버(232)에서 유동하여나온다. 또한, 수소로부터의 압력으로 인해 부산물은 챔버(232)로부터 완전히 제거되고, 이로써 챔버(232)를 후속반응을 위해 비워둘 수 있다. 또한, 유동채널(234)이 하우징(230a)(230b)으로부터 절취되어 부산물과 수소가 챔버(232)를 빠져나가는 것을 도울 수 있다. 유동채널(234)은 나선형, 동심원형, 중심으로부터 방사되는 선분 등의 형상으로 될 수 있다. 또한, 챔버(232) 또한 수소 및 부산물의 제거를 돕기 위해 나선형, 동심원형, 중심으로부터 방사되는 선분 등의 형상으로 될 수 있다. 또는, 챔버(232)는 하우징(203a)(230b) 간에 압축되거나 함께 지지된 2개 이상의 탄성중합체 디스크를 포함할 수 있다. 이들 디스크의 표면은 상이한 연료성분들의 혼합을 돕기 위해 평활하거나 텍스쳐링(texturing) 또는 그루빙(grooving) 될 수 있다. 또한, 챔버(232)는 디스크 대신 복수의 동심의 O링을 포함할 수도 있다.
챔버(232)는 대체로 수소가스가 이를 나가기 이전에 분리되며, 챔버(232)에 인가된 클램핑 힘은 연료들이 반응할 시간을 더 갖도록 일정 지속시간 동안 분리하려는 경향에 저항할 수 있음이 바람직하다. 이러한 클램핑 힘은 스프링이나 가압가스 또는 패스너로 인가될 수 있으며, 수소가 소정압력을 배출할 수 있도록 설정되거나 선결될 수 있다. 또한, 2개 이상의 액체연료는 챔버(232) 내에 도입될 수 있고, 각 연료는 분리 펌프/밸브(76)를 통해 도입될 수 있다. 또한, 유동이 간헐성(즉, 단일단위용량)이 아닌 연속성이라면, 밸브(228a)(228b)는 고정 오리피스 또는 가변 오리피스 등의 유속 제한기로 대체될 수 있다. 밸브(228a)(228b) 또한 유속 제한기이다.
도 21a 및 21b의 구현예 또한 고체를 습하게 하는데 사용될 수 있다. 상기 발포체는 고체의 표면상에 배치될 수 있고 하나 이상의 액체가 챔버(232) 내로 도입될 수 있다. 또는, 두 연료 간의 반응을 증진하기 위해 질소부화분위기 내에서 액체연료와 액체 수소화붕소나트륨 간의 반응을 진행시킬 수 있다. 예를 들어, 어댑터(226a)(226b)는 고체연료로드로 대체되며, 이는 반응챔버(232)에 대해 밀봉하도록 탄지된다. 고체연료의 일부가 반응 또는 소모됨에 따라 부산물은 반응챔버로부터 불려날리거나 제거되며, 남은 고체연료로드는 반응챔버에 대해 계속 탄지된다.
또한, 도 22a 및 22b에 도시하듯이 상술한 피스톤, 벨로우 및 격막은 출구압력이 입구압력을 초과하거나 또는 이 반대의 경우에 있어서 자동차단밸브로서 활용될 수 있다. 도 22a를 참조하면, 차단밸브(240)는 입구(242) 및 출구(244)를 구비하고, 3개의 내부챔버를 구비한다. 챔버(246)는 벨로우(248) 및 상기 밸브의 내부 벽 간에 형성된다. 챔버(246)는 밸브축(252) 내에 형성된 채널(250)을 통해 출구(244)와 유체소통하여 출구(244)의 압력과 동일한 압력을 갖는다. 중간챔버(254)는 벨로우(248)와 벨로우(256) 간에 형성되며 밀봉된 챔버로 된다. 밀봉챔버(254)는 챔버(246)/출구(244)의 압력과 평형을 이루기 위한 소정의 압력을 갖는다. 세번째 챔버(258)는 입구(242)와 출구(244)를 구비한다. 차단밸브(240)는 출구(244)/챔버(246)의 압력이 밀봉챔버(254)의 소정압력을 초과할 경우 차단되도록 설계되어 밸브축(252)를 하방으로 밀어 출구(244)를 폐쇄한다.
차단밸브(240)의 변형을 도 22b에 도시한다. 본 구현예에서는, 소정압력을 갖는 밀봉챔버(254)는 상부에 배치되고, 출구(244)와 동일한 압력을 갖는 챔버(246)는 바로 아래에 배치된다. 출구압력이 밀봉챔버(254)의 소정압력을 초과하면, 밸브축(252)는 상부로 이동하여 밸브를 밀봉한다.
다른 차단밸브(260)를 도 22c에 도시한다. 밸브(260)는 제1격막(264) 및 제2격막(266) 간에 평형을 이루는 피스톤(262)을 구비한다. 제1격막(264)은 파일럿 압력을 갖는 챔버(268)에 노출된다. 제2격막(266)은 입구(242)로부터의 공급압력을 갖는 원형채널(124)에 노출된다. 상기 챔버를 에워싸는 피스톤(262)은 측부에 포트를 통해 인입하는 기준압력을 갖는다. 상기 입구(242)로부터의 공급압력 힘이 챔버(268)로부터의 파일럿 압력 힘을 초과하면, 제2격막(266)의 일부가 입구(242) 및 원형채널(124) 아래에서 휘거나 하방으로 굴곡함으로써 수소가 출구(244)로 유동할 수 있게 한다. 원형채널(124)에서의 공급압력 힘과 출구(244)에서의 출구압력이 챔버(268)의 파일럿 압력 힘 미만이면, 피스톤(262)은 출구(244) 및/또는 원형채 널(124)에 대해 밀려 밸브(260)를 밀봉하거나 폐쇄한다. 상기 파일럿 압력은 어떤 압력으로도 될 수 있다: 그러나, 상기 파일럿 압력은 상기 출구압력과 실질적으로 동일함이 바람직하다. 상기 파일럿 압력이 상기 출구압력과 실질적으로 동일하도록 상기 출구가스의 일부는 챔버(268)에 연결될 수 있다. 출구(244)는 링유사 입구(242)보다 더 작도록 한 크기 및 용적으로 됨으로써, 출구(244)에서의 압력이 입구(242)에서의 압력보다 더 높다면 밸브(260)는 다음 식을 만족할 때까지 폐쇄된 상태를 유지한다:
(P244　× 면적244) ＋ (P242 × 면적242) - (Pref × 면적266 *) ＞ (P268 × 면적268) - (Pref × 면적264 *)
{*는 격막의 피스톤(262) 측면상의 면적}
차단밸브(260)의 변형을 도 22d에 도시하며, 여기서 입구(242) 및 출구(244)의 배치는 바뀐다. 이때, 출구면적(244)은 입구면적(242)보다 더 크다.
다른 연료공급원/수소발생장치(10)를 도 23a 및 23b에 도시한다. 수소발생장치(10)는 액체연료챔버(12)를 구비하며, 이는 본 구현예에서는 가압됨이 바람직하다. 그리고, 수소발생장치(10)는 고체연료챔버(14)를 구비하며, 이는 도시하듯이 이에 연결된 차단밸브(18)를 구비한다. 밸브(82)는 액체연료챔버(12)를 액체저장영역(38)에 연결하고 밸브(84)는 액체저장영역(38)을 고체연료챔버(14)에 연결한다. 본 구현예에서, 스프링(272)에 의해 탄지된 이동피스톤(270)이 수소저장영역(44) 내에 배설된다. 피스톤(270)은 정지된 중공지주(276)와 협동하여 액체저장영역(38)을 에워싸고, 피스톤(270)과 지주(276)는 또한 액체연료를 수용하도록 밀봉을 형성한다. 격막(274)은 액체연료로부터 수소저장영역(44)을 격리하고 피스톤(270)으로 움직일 수 있다. 도 23a는 액체연료와 고체연료 간의 반응으로 야기된 수소압력이 높을 경우의 상태이다. 도시하듯이, 이렇게 높은 수소압력은 격막(274)을 탄지스프링(272)에 대해 좌로 민다. 이러한 동작은 밸브(82)를 개방하여 액체연료가 액체저장영역(38) 내로 유동하여 들어가게 하고 밸브(84)를 폐쇄하여 단일단위용량의 액체연료를 유치하게 한다. 도 23b를 참조하면, 수소압력이 낮을 경우, 예를 들어 고체연료챔버(14) 내의 수소가스가 밸브(18)를 통해 연료전지로 이송되었다면, 피스톤(270)은 스프링(272)에 의해 우로 이동한다. 도시하듯이, 이러한 동작은 밸브(82)를 폐쇄하고 상기 저장되었던 단일단위용량의 액체연료를 개방된 밸브(84)를 통하여 고체연료챔버(14)로 밀게 된다.
여기 기술된 수소발생장치의 변형을 도 24a-24d에 도시한다. 여기 개시된 다른 구현예들과 유사하게, 도시하듯이 수소발생장치(10')는 액체연료챔버(12)를 구비하고, 이는 본 구현예에서는 가압됨이 바람직하다. 그리고, 수소발생장치(10')는 고체연료챔버(14)를 구비하고 이는 이에 연결된 차단밸브(18)를 구비한다. 수소발생장치(10')와 여기 기술한 기타 수소발생장치 간의 차이점은 수소압력이 낮을 경우 얼마나 많은 액체연료가 액체연료챔버(12)를 타이밍기구(280)에 연결하는 유속제한기(278)를 거쳐 유동하느냐에 의해 단일단위용량 저장이 조절된다는 점이다. 적합한 유속제한기로는 마이크로 오리피스(micro-orifice), 압력완충기(pressure snubber), 다공성 물질 또는 이를 통해 유속을 감소시키는 모든 장치를 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 타이밍기구(280)는 고체연료챔버(14)에 연결되어 액체연료를 고체연료챔버로 이송한다.
타이밍기구(280)는 액체보관영역(282)을 포함하며, 이는 밸브(282)에 의해 폐쇄된다. 밸브(282)는 스프링(288)에 의해 탄지된 활동본체(286)를 구비한다. 스프링(288)은 정지구(289)에 접하며, 이는 예를 들어 스프링(288)의 탄지력을 설정하는 회전에 의해 액체보관영역(282)의 내외로 이동할 수 있다. 도 24b에 더 잘 도시되어 있듯이, 활동본체(286)는 플런저 핀(290)에 의해 폐쇄위치에서 개방위치로 밀리며, 플런저 핀(290)은 차례로 가요성 액츄에이터(292)에 의해 체결될 수 있다. 플런저 핀(290) 및 가요성 액츄에이터(292)는 챔버(294) 내에 실장되며, 가요성 액츄에이터(292)는 와셔스프링(296)에 의해 탄지된다. 도시하듯이, 채널(들)(295)은 액체연료를 챔버(294)에서 고체연료챔버(14)로 이송한다. 격막(298)은 와셔스프링(296)을 챔버(294)로부터 격리한다. 사용시, 챔버(294) 및 채널(295)은 물로 충전된다. 수소압력은 채널(295)을 통해 챔버(294) 내의 물과 소통한다. 액체연료채널(295)의 표면장력 및/또는 메니스커스 효과(meniscus effect)로 인해 수소가스는 채널(295)을 통해 챔버(294)로 인입하지 않는다. 고체연료챔버(14) 내의 수소압력이 높으면, 도 24c에 도시하듯이 전달된 압력은 와셔스프링(296)을 압축한다. 이러한 동작은 가요성 액츄에이터(292)를 좌로 당기고 액츄에이터(292)의 포크종단(forked end)은 플런저 핀(290)에 체결되어 이것이 밸브(284)를 개방하지 못하게 한다.
수소압력이 낮으면, 예를 들어 생산된 수소가 차단밸브(18)를 통해 연료전지로 인송되었다면, 와셔스프링(296)은 플런저 핀(290)이 활동본체(286)에 접촉하여 밸브(284)를 개방할 때까지 가요성 액츄에이터(292)를 우로 민다. 일단 밸브(284)가 개방되면, 액체연료는 밸브(284)를 통해 액체연료챔버(12) 또는 액체연료저장영역(282)로부터 챔버(294) 내로 유동한다. 액체연료는 가압되어 있으므로, 이는 채널(295)을 통해 챔버(294)로부터 고체연료챔버(14) 내로 유동한다. 유속제한기(278)는 액체연료챔버(12)로부터의 액체연료 유속을 결정한다. 밸브(284)가 개방을 유지하는 시간은 얼마나 많은 액체연료가 고체연료챔버(14) 내로 유동하는가를 결정한다. 밸브(284)의 개폐 타이밍은 플런저 핀(290)이 가요성 액츄에이터(292)로부터 분리되는 것에 의해 부분적으로 제어된다. 도 24c에서 도 24d의 순서에 가장 잘 도시되듯이, 플런저 핀(290)이 밸브(284)를 개방한 바로 직후에, 가요성 액츄에이터(292)가 열려 플런저 핀(290)을 방면한다. 플런저 핀(290)이 방면됨에 따라. 밸브(284)는 활동본체(286) 상의 스프링(288)의 탄지동작에 의해 폐쇄되고, 이로써 액체연료의 유동을 정지시킨다. 만일 플런저 핀(290)이 가요성 액츄에이터(292)와 일체로 제조되었다면, 액체연료의 유동은 수소압력이 상기 가요성 액츄에이터와 플런저 핀을 도 24c의 구조로 돌려놓을 만큼 충분히 높을 때까지 정지하지 않게 된다.
일정한 경우, 펌프/밸브(76)를 통한 액체연료성분의 유동은 액체연료가 액체연료챔버(12) 내에 잔존하더라도 정지할 수 있다. 일 예를 들면, 가스기포가 액체연료 내에 존재하는 경우 유동은 정지할 수 있고 액체저장영역(38)은 이러한 가스 를 저장하게 된다. 수소압력이 낮으면, 액체저장영역(38) 내에 저장된 가스는 고체연료성분으로 이송된다. 부가의 반응은 일어나지 않게 되고 수소압력은 다음의 단일단위용량의 액체연료를 펌핑, 저장, 계량 또는 이송하기 위한 증가를 하지 않게 되며, 이로써 액체연료의 유동을 정지하게 한다. 본 발명의 다른 관점에 의하면, 액체연료의 유동에 중단이 있는 경우 또는 수소발생장치(10)가 처음 사용되는 경우에 사이클을 재개하기 위하여 프라이밍 기구를 구비한다.
도 25a 및 25b를 참조하면, 프라이밍 레버(300)가 도 10a-10c에 도시된 구현예에 구비된다. 액체연료의 유동이 중단되면, 수소저장영역(44)의 수소압력은 낮고 격막들(46a)(46b)은 도 10c에 도시하는 구조와 동일하게 된다. 또한, 수소압력이 낮기 때문에, 피스톤(116a)은 밸브(82)를 개방하기 위해 격막(120a)을 상부로 밀지 않는다. 사용자 또는 CPU 제어모터는 프라이밍 레버(300)를 하방으로 눌러 밸브(82)를 개방한다. 도 25b에 도시하듯이, 밸브(82)가 개방된 후에는 액체연료의 유동이 재개되지만, 액체연료는 액체저장영역(38) 내에 먼저 저장되는 대신에 굴곡된 격막(120b)과 원형채널(124)을 통하여 출구채널(130)로 유동한다. 신선한 액체연료는 고체연료와 반응하여 격막(46b) 및 피스톤(116b)이 상방으로 움직일 때까지 수소압력을 증가시킴으로써 격막(120b)을 상방으로 밀게 된다. 격막(120b)이 상방으로 움직이면, 원형채널(124)이 격리되고 이를 통하는 유동은 정지된다. 이때, 액체저장영역(38)은 다시 단일단위용량의 액체연료를 저장하게 되고 사이클은 다시 개시된다.
또한, 도 29a 및 29b에 도시하듯이 프라이밍 레버(300)는 압축가능한 발포재 /겔, 압축가능한 가스/액체 또는 스프링에 의해 작동되거나 또는 액츄에이터(324)에 의해 기학상 또는 수력학상 작동될 수 있다. 도시하듯이, 액츄에이터(324)는 스프링탄지 피스톤(326)과 가스 또는 액체 매체(328)를 구비하고, 피스톤(326)은 프라이밍 레버(300)와 접촉되어 있다. CPU에 의해 가동되는 경우, 사용자나 기타 소스(source)에 의해 매체(328)는 가압되어 프라이밍 레버를 하방으로 밀고 피스톤(116b) 및 격막(120b)을 밀게 된다. 비가동시에는 도 29a에 도시하듯이 스프링(327)의 힘으로 피스톤(326)은 원래 위치로 복귀한다.
또한, 도 29c 및 29d에 도시하듯이 프라이밍 레버(300)는 단일펄스 액츄에이터(330)에 의해 가동될 수도 있다. 본 구조에서, 프라이밍 레버는 지주(332)를 구비하며, 이는 도 29c에 도시하는 비가동위치에서 스프링탄지 피스톤(334)과 접촉되어 있다. CPU, 사용자 또는 기타 소스에 의해 가동되면, 피스톤(334)은 지주(332)와 프라이밍 레버(300)를 하방으로 민다. 지주(332) 및 피봇(336) 간의 거리는 소정의 하방거리 이후 지주(332)가 더 이상 피스톤(334)과 접촉하지 않게 되고 프라이밍 레버(300)의 하방이동이 정지하도록 크기가 정해진다. 따라서, 액츄에이터(330)는 소정기간 동안 프라이밍 레버를 체결하기만 하고 이에 따라 단일단위용량만의 액체연료가 펌프/밸브(76)를 통해 프라이밍된다. 프라이밍 레버(300)는 임의로 탄지되어(예를 들어, 비틀림스프링(torsional spring)에 의해) 비가동 위치로 복귀된다. 피스톤(334)은 그 첨단부에서 캠면(340)을 가짐으로써 지주(332)가 피스톤(334)의 첨단을 활동하여 지나 도 29c의 구조로 복귀할 수 있도록 한다. 캠 면(340)은 피스톤(334)의 종단에 부착된 원뿔대에 의해 형성된다. 또한, 도 29e에 도시하듯이, 지주(332)는 도 29c의 구조로의 복귀를 지원하기 위해 스프링탄지될 수 있다. 또한, 스프링탄지 피스톤(334)은 도 29a 및 29b의 구현예와 마찬가지로 기학상 또는 수력학상으로 가동될 수 있다.
또는, 프라이밍 레버(300) 대신에, 피스톤(116a)은 솔레노이드 코어(solenoid core)를 수용할 수 있고 피스톤(116)의 하우징은 도 25b에 도시한 바와 유사하게 전기코일(301)을 구비할 수 있으며, 이는 본 장치 또는 연료전지의 CPU에 의해 제어된다. CPU가 수소압력이 너무 낮음을(즉, 소정수준보다 낮음을) 감지하면, CPU는 코일(301)에 전류를 보내어 상기 솔레노이드 코어와 피스톤(116a)을 상방으로 움직인다. 또한, 바이패스밸브(82')가 밸브(82)에 평행하게 구비될 수 있다. 코일(301)을 수용한 바이패스밸브(82')는 CPU에 의해 제어되며 이 밸브가 개방되면 액체연료는 밸브(82) 대신 이를 통해 유동하여 이송된다.
도 26을 참조하면, 프라이밍 손잡이(302)가 도 14a-14c 및 도 15a-15d에 도시한 구현예에 구비된다. 도시하듯이, 프라이밍 손잡이(302)는 피스톤(144)에 연결된다. 액체연료의 유동이 중단되면, 사용자는 프라이밍 손잡이(302)를 상방으로 당기어 밸브(82)를 개방함으로써 액체연료가 액체저장영역(38) 내로 유동하여 들어가게 한다. 사용자는 프라이밍 손잡이(302)를 하방으로 밀어 액체연료를 밸브(84)를 통해 펌핑할 수 있다. 이러한 동작은 연료의 유동이 확실히 재개되도록 수회 반복될 수 있다.
도 27a-27c를 참조하면, 프라이밍 레버(304)가 도 16a-16c에 도시한 구현예에 구비된다. 도 27a에 가장 잘 도시하듯이, 액체연료의 유동이 중단되면, 밸브 들(82)(160) 모두 폐쇄된다. 먼저, 프라이밍 레버(304)는 외부요홈(308)의 탄지암(306)에 의해 지지된다. 유동을 재개하기 위해, 사용자는 도 27b에 도시하듯이 프라이밍 레버(304)를 외부로 당긴다. 이러한 동작으로 인해 펌핑챔버(150)의 체적이 증가하여 이 내부의 부분적 흡인력을 형성함으로써 밸브(82)를 개방한다. 그러면, 액체연료가 펌핑챔버(150) 내부로 유동하여 들어간다. 그러면, 사용자는 프라이밍 레버(304)를 내부로 밀게 된다. 이러한 동작은 펌핑챔버(150)의 체적을 감소시킨다. 도 27c에 가장 잘 도시하듯이, 밸브(82)는 폐쇄되고 밸브(160)는 개방됨으로써 신선한 액체연료가 펌핑챔버(150)로부터 나와 채널(158)과, 밸브(160)와, 원형채널(124)과, 출구채널(130)을 통해 유동하여 고체연료와 반응하게 된다. 도 25a 및 25b에 도시된 구현예와 유사하게, 수소압력이 증가함에 따라 원형채널(124)은 격리되고 액체연료는 다시 액체저장영역(38)에 저장되어 사이클을 개시한다. 또한, 도 27b에 도시하듯이 프라이밍 레버(304)는 이를 당길 때 탄지암(306)과 결합하게 되는 내부요홈(310)을 구비할 수도 있다.
도 28a를 참조하면, 회전프라이밍 손잡이(312)가 도 17에 도시한 구현예에 구비된다. 회전프라이밍 손잡이(312)는 편심되도록 장착되며, 이로써 하부위치(점선표시)에서 손잡이(312)는 격막(46a)을 하방으로 구부려 펌핑챔버(150)의 체적을 감소시키고, 손잡이(312)가 상부위치(실선표시)에 있을 경우에는 상기와 유사하게 펌핑챔버(150)의 증가시킨다. 상술한 프라이밍 레버(304) 대신에 회전프라이밍 손잡이(312)가 사용될 수 있다.
도 28b를 참조하면, 프라이밍 펌프(314)가 도 17에 도시한 구현예에 구비된 다. 펌프(314)는 밸브(318) 및 밸브(320)에 연결된 탄지액츄에이터(316)를 구비한다. 액츄에이터(316)가 내부로 밀리면, 밸브(318)가 개방되고 액체연료챔버(12)에 연결된 밸브(320)는 폐쇄된다. 액츄에이터(316)가 외부위치로 복귀하게 되면, 밸브(320)는 개방되어 액체연료는 단부(322) 내로 인입한다. 액츄에이터(314)가 다시 내부로 밀리면, 이는 단부(322) 내의 액체를 개방된 밸브(318)를 통해 밸브(76) 내로 펌핑한다. 펌프(314)는 펌프(76)를 프라이밍하거나 재개하는데 필요한 만큼의 횟수로 가동될 수 있다. 또는, 솔레노이드 코일이 액츄에이터(316) 부근에 배치될 수 있다. 상기 코일에 전원을 on/off함으로써 액체연료는 밸브(314)를 통해 액체연료챔버(12)로부터 펌핑된다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 자기가동 프라이밍 밸브 또는 펌프(342)가 도 30a-30d에 도시된다. 자기가동 프라이밍밸브(342)는 상술한 밸브/펌프(76)와 다수의 동일한 요소를 사용하며 유사한 요소에는 유사한 도면번호가 할당된다. 도 30a를 참조하면, 밸브(342)가 그 입구에서 액체챔버(12)와 연결되고 그 2개의 출구에서 고체챔버(14)와 연결되며, 상기 출구들은 단일 출구로 합쳐진다. 상술한 밸브/펌프(76)와 유사하게, 그리고 도 16a-16c 및 도 17에 도시한 벨브/펌프들(76)과 더욱 유사하게, 밸브(342)는 액체연료챔버(12)에 연결된 밸브(82)를 구비하고, 펌핑챔버(150) 내의 압력이 낮으면, 일정량의 액체연료가 챔버(150) 내로 펌핑된다. 펌핑챔버(150)는 격막(46a)에 의해 수소저장영역(44)으로부터 격리된다. 밸브(160)는 펌핑챔버(150)를 액체저장영역(38)으로부터 격리하며, 수소압력이 낮으면 폐쇄된다. 도 30b에 도시하듯이, 수소저장영역(44)으로부터의 수소압력이 높으면, 밸 브(82)는 폐쇄되고 밸브(160)는 개방되어 단일단위용량의 액체연료를 액체저장영역(38) 내에 저장한다. 도 30c에 도시하듯이, 수소압력이 낮으면, 피스톤(152)은 강하하여 격막(156) 또한 강하하게 됨으로써 상기 저장되었던 단일단위용량의 액체연료가 원형채널(124)을 지나쳐 출구채널(130)과 고체연료챔버(14)로 들어가게 하여 고체연료와 반응하게 한다.
도시하듯이, 자기가동 프라이밍밸브(342)는 제2액체저장영역(344)을 구비한다. 제2액체저장영역(344)은 제1액체저장영역(38)과 실질적으로 유사하지만, 단지 액체저장영역(38)보다 낮은 수소압력(이하 "제2저수소압력"이라 한다)에서는 제2액체저장영역(344)이 그 저장하였던 단일단위용량을 방출한다는 점만 상이하다. 한정되지않는 PEM 연료전지용 실시예에 있어서, 이러한 제2저수소압력은 대략 0 내지 2 psi로 될 수 있다. 도 30a를 다시 참조하면, 제2액체저장영역(344)은 액체연료챔버(12)와 유체소통한다. 액체저장영역(344) 및 제1관통밸브(160'), 그리고 액체연료챔버(12)에 연결된 것으로 도시하지만, 제2액체저장영역(344)은 액체연료챔버(12)에 직접 연결될 수 있다(예를 들어, 액체연료챔버(12)를 액체저장영역(38)(344) 모두에 직접 연결하는 T자형 커넥터). 또한, 도시하듯이, 제2액체저장영역(344)은 격막을 통해 액체를 저장하지만, 도 8a-8c에 도시한 방법 및 구조를 포함한 상술한 모든 방법 및 구조를 사용하여 액체연료를 저장할 수 있다. 제2액체저장영역(344)은 원형채널(124')에 연결되며, 이는 수소압력이 제2저수소압력에 있거나 이보다 낮을 경우 피스톤(152')에 의해 폐쇄된다. 도시하듯이, 피스톤(152')은 격막(46b')에 의해 지지되며, 이는 격막(46a)(46b)와 유사하게 수소저장영 역(44)의 수소압력에 노출된다.
도 30b를 다시 참조하면, 수소압력이 높으면, 수소압력은 격막(46a)을 가압하고 밸브(160)를 통해 액체연료를 밀어 단일단위용량의 액체연료를 액체저장영역(38) 내에 저장한다. 또한, 이러한 동작은 밸브(160')를 개방하여 다른 단일단위용량(또는 더 큰 체적)을 제2액체저장영역(344) 내에 저장한다. 도 30c를 다시 참조하면, 평상시 작동압력사이클에 있어서 수소압력이 낮은 경우, 상기 저장되었던 단일단위용량의 액체연료가 원형채널(124) 및 출구채널(130)을 통해 방출된다. 평상시, 이러한 액체연료는 고체연료챔버(14) 내에서 고체연료와 반응하여 더 많은 수소를 생성하여 수소압력을 증가시킨다. 이는 평상시 작동사이클에서 다른 단위용량을 액체저장영역(38) 내에 저장하게 되고 사이클은 지속된다.
그러나, 상술하였듯이, 사이클 중단이 발생할 경우, 예를 들어 일정량의 가스 또는 공기가 액체챔버(12) 내로 이송된다. 이러한 가스는 액체저장영역(38) 내에 저장된다. 다음의 낮은 수소압력사이클에서는 이 저장된 가스는 액체연료 대신 방출되며, 고체연료챔버(14) 내에서는 반응이 일어나지 않거나 현저하게 일어나지 않아 수소압력이 증가하지 않게 된다. 이 경우, 부가의 수소가 고체연료챔버(14)로부터 소모되거나 이송됨에 따라, 수소압력은 상기 제2저수소압력에 도달할 때까지 지속적으로 강하한다. 이 단계에서, 격막(46b') 및 피스톤(152')은 강하하여 원형채널(124')을 개방한다. 제2액체연료저장영역(344) 내에 저장된 액체연료는 원형채널(124') 및 출구채널(130')을 통해 방출되어 고체연료와 반응하고 상기 압력사이클을 재개한다. 수소압력이 증가함에 따라, 격막(46b') 및 피스톤(152')은 상승하 여 원형채널(124')을 폐쇄한다.
상술하였듯이, 제2액체연료저장영역(344)의 체적은 액체연료저장영역(38)의 체적보다 더 높을 수 있고, 이로써 포획된 가스의 체적은 단일단위용량보다 더 크다면, 원형채널(124')이 폐쇄된 이후 제2액체연료저장영역(344) 내에 잔존하는 액체연료는 추후 단계들에서 방출되어 상기 사이클을 재개할 수 있다.
상술하였듯이, 낮은 압력에 도달하면 격막(46b)이 저하하고 제2저수소압력에 도달하면 격막(46b')이 저하하도록 격막들(46b)(46b')을 조정하는데에는 다수의 방법이 있다. 일 방법에 있어서, 각 격막은 스프링(86) 등의 다양한 용수철상수를 갖는 스프링에 의해 지지될 수 있다. 다른 방법에 있어서, 각 격막은 다양한 굴곡특성이나 두께를 가질 수 있다. 또한, 이들 격막에 의해 지지되는 피스톤들(152)(152')의 표면적은 상술하였듯이 상이할 수 있고, 이로써 다양한 노출된 수소압력에 이동하도록 격막과 피스톤의 조합을 설계할 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예들을 상술하였지만, 이는 설명 및 예시로서 제시된 것이며 한정으로서 제시된 것이 아니다. 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부에서 다양한 변형이 만들어질 수 있음은 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이다. 따라서, 본 발명의 외연과 범위는 상술한 예시적 구현예들의 어느 것에 의해서도 한정되지 아니하며, 특허청구범위와 이의 균등물에 의해서만 정의되어야 한다. 여기 기술한 각 구현예 및 참조문헌의 특징들은 어떠한 구현예라도 이의 특징들과도 조합하여 사용될 수 있다. 여기 기술된 모든 특허 및 공보는 전체가 참조로서 삽입된 것이다.

Claims (34)

  1. 점성연료요소를 수용하는 제1연료챔버(12)와, 금속수소화물 연료요소를 수용하는 제2연료챔버(14)를 포함하는 수소발생장치(10)에 있어서,
    상기 점성연료요소는 상기 금속수소화물 연료요소와 반응하여 수소를 생산하고,
    상기 수소발생장치는 이의 내부수소압력이 제1소정압력보다 더 높으면 상기 점성연료요소의 단일단위용량을 계량, 이송 또는 저장하고, 상기 내부압력이 제2소정압력보다 더 낮으면 상기 단일단위용량을 이송하여 상기 금속수소화물 연료요소와 반응시키고,
    상기 단일단위용량은 소정의 체적을 가지며,
    상기 제1소정압력은 상기 제2소정압력보다 더 높은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 점성연료요소는 액체 또는 겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속수소화물 연료요소는 고체 금속수소화물 연료 또는 수성 금속수소 화물 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부수소압력은 상기 제2연료챔버(14)와 유체소통하는 수소챔버(44)의 압력으로 되거나 상기 제2연료챔버(14)의 압력으로 되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내부수소압력과 소통하는 점성연료저장영역(38)을 더 포함하고, 이로써 상기 내부수소압력이 상기 제1소정압력보다 더 높으면 상기 점성연료저장영역(38)의 체적은 상기 단일단위용량의 소정체적과 동일한 양만큼 증가되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 점성연료저장영역(38)은
    i) 상기 내부수소압력에 대응하여 굴곡하는 가요성 격막(56, 156); 또는
    ii) 상기 내부수소압력에 대응하여 움직이는 탄지된 강체부재(102/104, 270/272); 또는
    iii) 상기 내부수소압력에 대응하여 팽창 또는 수축하는 압축성매체를 수용하는 가요성 밀폐부재(108); 또는
    iv) 상기 내부수소압력에 대응하여 굴곡하는 2개의 가요성 격막(132/134, 46/142) 간의 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 점성연료저장영역은 통기되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 점성연료저장영역은 밀봉되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1연료챔버는 제1밸브(82)에 의해 상기 점성연료저장영역에 연결되고, 상기 제1밸브(82)는 상기 내부수소압력이 상기 제1소정압력보다 더 크면 개방되고 상기 내부수소압력이 상기 제1소정압력보다 더 작으면 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2연료챔버는 제2밸브(82, 124)에 의해 상기 점성연료저장영역에 연결되고, 상기 제2밸브(82, 124)는 상기 내부수소압력이 상기 제2소정압력보다 더 작으면 개방되고 상기 내부수소압력이 상기 제2소정압력보다 더 높으면 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  11. 제5, 9 및 10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부수소압력에 대응하여 움직이는 가동커넥터를 더 포함하여 상기 내부수소압력이 상기 제1소정압력보다 더 높으면 상기 제1연료챔버를 개방하고 상기 단일단위용량을 상기 점성연료저장영역 내에 저장하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가동커넥터는
    상기 제1연료챔버 및 제2연료챔버 모두를 개방 및 폐쇄하는 포크(48); 또는
    상기 점성연료저장영역에 연결된 지주(78) 또는 스풀(92); 또는
    스프링유사부재(86, 142/46, 147, 46b/156a, 272)에 의해 탄지되고 상기 내부수소압력에 노출되는 피스톤(78, 92, 144, 152, 270); 또는
    상기 제1밸브(82)에 연결되거나 또는 이를 개방 또는 폐쇄하도록 된 제1피스톤(116a, 140)과 상기 제2밸브(84, 124)에 연결되거나 또는 이를 개방 또는 폐쇄하도록 된 제2피스톤(116b, 141); 또는
    상기 제1밸브(82)를 개방하도록 된 제1가요성격막(46a, 136)과 상기 제2밸브(84, 124)를 개방하도록 된 제2가요성격막(46b, 138); 또는
    팽창성 벨로우(136)를 포함하고, 상기 피스톤의 이동은 상기 제1밸브(82) 및/또는 제2밸브(84, 124)를 개방 및 폐쇄하며, 상기 두 격막은 이들 간에 공간(44, 44')을 이루고 상기 공간은 상기 내부압력과 유체소통하며, 상기 벨로우의 내부체적(44')은 상기 내부수소압력과 유체소통하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1피스톤(116a, 140) 및 제2피스톤(116b, 141)은 상기 제1가요성격막(46a, 136) 및 제2가요성격막(46b, 138) 각각에 연결되고, 상기 내부수소압력에 노출되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2가요성격막(46b, 138) 또는 상기 팽창성 벨로우(136)는 피스톤 또는 연장부재(141, 146b, 152)에 연결되고 이는 이동하여 상기 제2밸브(84, 124)를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 커넥터는 스프링 또는 격막(36, 46, 86, 46a/46b, 120a/120b, 142/46)에 의해 탄지되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 점성연료저장영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1연료챔버에 연결되어 상기 제1연료챔버를 가압하는 개시가압기(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 개시가압기(20)는 금속수소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제2연료챔버(14)는 이동주입돌출부(74)를 포함하고, 이로써 상기 단일단위용량의 점성연료요소들이 상기 제2연료챔버 내의 다양한 위치들에 저장되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  20. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 점성연료요소의 유동을 개시 또는 재개하는 프라이밍기구(20, 90, 300, 300/324, 300/334, 301, 302, 304, 312, 314, 334)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  21. 제20항에 있어서,
    제2점성연료저장영역(334)을 더 포함하고, 이는 상기 내부수소압력이 제3소정압력보다 더 낮으면 그의 저장물의 적어도 일부를 방출하며, 상기 제3소정압력은 상기 제2소정압력보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 프라이밍기구는
    i) 상기 커넥터에 연결되고 이를 이동시켜 상기 점성연료요소의 유동을 개시하는 프라이밍액츄에이터: 또는
    ii) 상기 제1연료챔버에 유체연결된 수동가동펌프: 또는
    iii) 상기 제1연료챔버에 유체연결된 자동펌프(301)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  23. 제9항에 있어서,
    상기 제1밸브(82) 및 점성연료저장영역(38) 간에 배설된 제3밸브(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 제1소정압력은 상기 제2소정압력보다 0.5 내지 5 psi 더 높은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 제1소정압력은 5 내지 7 psig인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 제2소정압력은 0.5 내지 2 psig인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  27. 제1항에 있어서,
    압력조절기(164)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  28. 2개의 연료챔버(12, 14)를 수용하고 이들 연료챔버는 파열성부재(206)에 의해 격리되는 단일단위용량 연료카트리지(201)와;
    가동시 상기 파열성부재(206)를 파열시키도록 되는 가동기(210)와;
    상기 두 연료챔버(12, 14)로부터 연료요소들을 수용하도록 되고 상기 연료요소들은 반응하여 수소를 형성하는 제1압력챔버(202)와;
    상기 제1압력챔버(202)로부터 수소연료를 수용하도록 되는 제2압력챔버(204)를 포함하고, 상기 제1압력챔버(202)는 상기 제2압력챔버(204)보다 더 높은 압력을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  29. 제28항에 있어서,
    i) 상기 제1압력챔버(202) 내에 배설된 필터물질과;
    ii) 상기 제1압력챔버(202) 내에 배설되고 산, 알콜 또는 물을 수용하여 상기 연료요소들과 더 반응하는 필터베드와;
    iii) 가동 이전에 소정 위치에 정렬되기 위한 작동저항부재(212, 214)를 포함하는 가동기와;
    iv) 상기 제2압력챔버(204)에 배설된 다공성 수소공급튜브(216)와;
    v) 상기 제2압력챔버(204)에 작동적으로 연결된 차단밸브(18) 또는 압력조절기(164)와;
    vi) 수소생산에 대응하여 팽창하는 상기 연료챔버들(14)의 하나를 도포하는 팽창성 외피 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  30. 적어도 2개의 연료원으로부터 점성 연료를 수용하도록 된 하우징(230a, 230b) 내에 클램핑되는 혼합챔버(232)를 포함하고, 상기 각 연료원은 유속제한기(228a, 228b)를 포함하며, 상기 하우징은 상기 혼합챔버(232) 상에 소정의 클램핑 힘을 발산하며, 상기 적어도 2개의 점성 연료의 혼합물로부터 발생된 가스의 가스압력이 상기 소정의 클램핑 힘을 초과하면, 상기 발생된 가스는 상기 혼합챔버(232)를 나가는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 하우징 또는 상기 혼합챔버로 이루어진 적어도 하나의 유동채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  32. 입구(242) 및 출구(244)와, 소정의 내부압력을 갖는 제1밀봉챔버(254)와, 밸브축(252)을 통해 상기 출구(244)와 유체소통하는 제2평형챔버(246)를 포함하는 차단밸브에 있어서,
    상기 출구(244)의 압력이 상기 제1밀봉챔버(254)의 압력을 초과하면, 상기 밸브축(252)은 이동하여 상기 차단밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 차단밸브.
  33. 입구압력을 갖는 입구(242) 및 출구압력을 갖는 출구(244)와, 기준압력(268)에 반응하는 제1막(264)과, 상기 입구압력 및 출구압력에 반응하는 제2막(266)과, 상기 제1막(264) 및 제2막(266) 간을 연결하는 커넥터(262)를 포함하는 차단밸브에 있어서,
    상기 내부압력에 의해 야기된 힘이 상기 기준압력에 의해 야기된 힘보다 더 크면, 상기 밸브는 개방되고, 상기 출구압력에 의해 야기된 힘이 상기 기준압력에 의해 야기된 힘보다 더 크면, 상기 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 차단밸브.
  34. 점성연료요소를 수용하는 제1연료챔버(12)와, 금속수소화물 연료요소를 수용하는 제2연료챔버(14)를 포함하는 수소발생장치에 있어서,
    상기 점성연료요소는 상기 금속수소화물 연료요소와 반응하여 수소를 생산하고,
    상기 수소발생장치의 내부수소압력이 제1소정압력보다 더 높으면, 밸브(284) 는 폐쇄되어 상기 점성연료요소를 상기 금속수소화물 연료요소와 격리하고, 상기 내부압력이 제2소정압력보다 더 낮으면, 밸브(284)는 개방되어 상기 점성연료요소가 유동하고, 상기 점성연료요소의 유동은 유속제한기(278) 및 타이밍기구(280)에 의해 제어되어 계량되며, 상기 제1소정압력은 상기 제2소정압력보다 더 높은 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
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