KR20160056959A

KR20160056959A - 연료전지시스템용 릴리프 밸브

Info

Publication number: KR20160056959A
Application number: KR1020167012137A
Authority: KR
Inventors: 폴 스파
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스; 소시에떼 비아이씨
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2016-05-20
Also published as: CA2814946C; EP2633213A4; EP2633213A1; KR20130139946A; WO2012058155A1; CA2814946A1; JP2013543955A; JP5710012B2; US20110036433A1; CN103189675A; US9016319B2; CN103189675B

Abstract

연료전지 시스템 및 이의 요소들 또는 장치들 내에의 압력문제를 해결할 수 있는 소형이고 신뢰성 있으며 쉽게 제조할 수 있는 릴리프 밸브이다. 이러한 릴리프 밸브는 제1캡과 밸브 본체 및 중심지주를 구비한 밸브 본체와, 상기 밸브 본체 내에 포함되고 일단에서 상기 밸브 본체에 고정되고 타단에서 상기 밸브 본체와 함께 밀봉을 형성하는 탄성중합체 부재 또는 밀봉부재를 포함한다. 상기 밀봉은 임계압력이 초과되면 이에 응하여 개방된다. 일 구현예에서, 상기 탄성중합체 부재는 상기 제1캡의 내부 및/또는 밸브 본체에 고정되고 상기 중심지주의 외부직경과 밀봉을 형성한다. 상기 탄성중합체 부재는 강화부재에 의해 지지될 수 있다.

Description

연료전지시스템용 릴리프 밸브 {RELIEF VALVES FOR FUEL CELL SYSTEMS}

본 출원은 미국특허출원 제12/674,205호(2010. 2. 19자 출원) "Non-interchangeable Connecting Valves for Fuel Cartridge"의 부분계속출원이며, 미국 가출원 제60/957,362호(2007. 8. 22자 출원)와 제61/016,508호(2007. 12. 24자 출원)에 우선권주장한 국제특허출원 제PCT/US2008/073868호(2008. 8. 21자 출원)에 우선권주장한 것이다. 이들 출원 전체는 여기서 참조용으로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 신뢰성있는 릴리프 밸브에 관한 것이다. 특히, 이 밸브는 연료 카트리지, 연료전지 및 연료 재충전장치와 기타 연료 또는 유체 저장장치를 포함하나 이에 한정되지 않는 다양한 연료전지시스템에 유용하다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 밸브 본체와 밀봉을 형성하는 밀봉부재를 포함하는 밸브에 관한 것으로, 상기 밀봉은 압력이 장치 내에 구축될 때 기체, 액체 및/또는 증기를 방출하여 압력차를 경감하도록, 및/또는 장치 내의 진공을 경감하기 위해 공기를 받아들이도록 개방된다.

연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접 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. 연료전지는 일반적으로 수소(H₂) 연료로 동작하고 또한 비순수 수소연료를 소비할 수도 있다. 비순수 수소연료는 메탄올을 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells: DMFC) 등의 직접 산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell)나, 또는 고온에서 탄화수소를 사용하는 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)를 포함한다. 수소연료는 압축된 형태로 저장될 수 있거나, 또는 알콜이나 탄화수소 또는 수소연료 및 부산물로 개질되거나 변환될 수 있는 기타 수소함유물질 등의 화합물 내에 저장될 수 있다. 수소는 또한 수소화붕소나트륨(NaBH₄) 등의 화학적 수소화물 내에 저장될 수 있으며 이는 물이나 알콜과 반응하여 수소 및 부산물을 생산한다. 또한 수소는 제1 압력 및 온도에서 란타늄 펜타니켈(lanthanum pentanickel: LaNi₅) 등의 금속수소화물에 흡착되거나 흡수될 수 있고 제2 압력 및 온도에서 연료전지로 방출될 수 있다.

대부분 수소연료전지는 양자교환막(proton exchange membrane) 또는 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)(PEM)을 구비하며, 이는 수소양자로 하여금 외부회로를 통과할 수 있도록 하나 전자는 외부회로를 강제적으로 통과하도록 한다. 이 외부회로는 유리하게는 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 컴퓨터, 전동공구 또는 전자흐름이나 전류를 사용하는 모든 장치일 수 있다. 이러한 연료ㅈㄴ지반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

연료전지의 애노드에서의 반쪽 반응:

H₂ → 2H⁺ ＋ 2e^-

연료전지의 캐소드에서의 반쪽 반응:

2(2H⁺ ＋ 2e^-) ＋ O₂ → 2H₂O

일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion^® 등의 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄 등의 촉매 박막층이 표면에 도포된 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측면에 부착된 가스 확산 전극으로 된다.

DMFC의 경우, 각 전극에서의 화학적-전기적 반응 및 직접형 메탄올 연료전지의 전체 반응은 다음과 같다:

애노드에서의 반쪽 반응:

CH₃OH ＋ H₂O → CO₂ ＋ 6H⁺ ＋ 6e^-

캐소드에서의 반쪽 반응:

1.5O₂ ＋ 6H⁺ ＋ 6e^- → 3H₂O

전체 연료전지 반응:

CH₃OH ＋ 1.5O₂ → CO₂ ＋ 2H₂O

DMFC는 미국특허 제4,390,603호 및 제4,828,941호에 기술되어 있다.

화학적 금속 수소화물 연료전지에 있어서, 수소화붕소나트륨은 다음과 같이 개질되고 반응한다:

NaBH₄＋ 2H₂O → (열 및/또는 촉매) → 4(H₂) ＋ (NaBO₂)

이러한 반응에 적합한 촉매로는 백금과 루테늄 및 기타 금속이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질하여 생산된 수소연료는 연료전지 내에서 O₂와 같은 산화제와 반응하여 전술했듯이 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 생성한다. 붕산나트륨(NaBO₂) 부산물 또한 상기 개질 공정으로 생성된다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에 기술되어 있다.

전술했듯이, 연료전지 반응의 생성물/부산물은 수소와 이산화탄소 등의 가스를 포함하며 이는 이것이 저장 또는 발생하는 장치 내의 내부압력을 증가시킬 수 있다. 더구나, 연료가 연료전지시스템 내에서 소비됨에 따라 진공이 발생하여 연료 공급원 및/또는 카트리지로부터 연료전지로의 연료의 추후 유동을 감퇴시킨다. 따라서, 이러한 문제들을 경감하기 위해 해당 분야에서는 다양한 밸브가 공지되어 있다. 그러나, 이들 밸브는 종종 수많은 부품들(스프링, O링, 엘라스토머 등)을 포함하며, 연료 카트리지와 연료 공급원이 1회용이라면 이들 밸브의 경제성뿐만 아니라 신뢰성에 대해 아직 우려가 잔존한다. 어느 정도까지는 연료전지시스템용으로 개량된 릴리프 밸브가 본 출원인의 미국특허출원공개공보 제2007/0114485호 및 미국특허출원 제12/674,205호로 제시된 바 있다. 모출원인 미국특허출원 제12/674,205호는 미국특허출원공개공보 제US 2011/0121220호와 미국특허공보 제8,561,965호로서 공고되었다. 그럼에도, 신뢰성있는 릴리프 밸브 및 가압장치를 통기하여 진공에서 경감할 수 있는 밸브에 대한 요구가 아직 존재한다.

본 발명의 용기용 통기밸브는 밸브 본체와, 외주부 및 내부를 구비한 밀봉부재를 포함한다. 상기 밀봉부재의 외주부 및 내부 중 하나는 상기 밸브 본체 내의 제1부분에 고정되고, 다른 부분은 상기 밸브 본체 내의 제2부분과 밀봉을 형성한다. 그러면 상기 밀봉은 상기 용기 내부의 임계압력이 초과되면 개방되어 유로를 발생한다. 상기 밸브의 다른 구현예에서는, 상기 밀봉은 임계압력이 초과되지 않을 때 유로를 형성한 이후 폐쇄된다.

상기 통기밸브의 다른 구현예에서, 상기 밸브 본체는 적어도 하나의 통기공을 갖는 제1캡과, 중심지주를 포함한다. 상기 중심지주는 상기 제1캡에 일체로 될 수 있다. 상기 통기밸브의 밸브 본체는 또한 적어도 하나의 통기공을 갖는 제2캡을 구비할 수 있고, 상기 제2캡은 밸브 본체에 일체로 될 수 있다. 또는, 상기 중심지주는 이 제2캡에 일체로 될 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 통기밸브의 중심지주는 제1편 및 제2편을 구비할 수 있다. 이러한 구현예들에서, 상기 제1중심지주편은 상기 제1캡에 일체로 될 수 있거나 및/또는 상기 제2중심지주편은 상기 제2캡에 일체로 될 수 있다.

상기 통기밸브의 다른 구현예에서, 상기 밸브 본체 내의 제1부분은 상기 캡 또는 밸브 본체로 된다. 부가적으로, 상기 밸브 본체 내의 제2부분은 상기 중심지주이다. 또는, 상기 밸브 본체 내의 제1부분은 상기 중심지주이고, 상기 밸브 본체의 제2부분은 상기 캡 또는 밸브 본체로 된다.

또한, 상기 통기밸브의 일 구현예에서, 상기 밀봉부재는 내부직경을 지닌 내부개구를 구비한 와셔로 된다. 이러한 와셔는 립 와셔로 될 수 있다. 어떤 경우든지, 상기 임계압력은 상기 용기의 초기 내부압력의 약 ±0.5 psi이고, 바람직하게는 상기 임계압력은 상기 용기의 초기 내부압력의 약 ±5 psi이다. 또한, 소정의 구현예들에 있어서, 상기 밀봉부재는 Shore A 경도계 상에서 약 30~90의 경도계를 갖는다. 상기 밀봉을 형성하는 밀봉부재 부분은 소정 구현예들에서는 내부로 된다.

또 다른 구현예에서, 상기 통기밸브는 2방향 밸브로 된다. 상기 2방향 통기밸브의 밀봉부재는 밀봉을 형성하는 밀봉부재 부분에 테이퍼진다. 상기 밀봉부재는 또한 그 강도를 향상시키기 위하거나, 탄성 또는 가요성을 갖는 복수 영역을 지닌 밀봉부재를 제공하기 위해 지지될 수 있다.

또한, 소정 구현예들에서, 상기 밸브 본체는 연료전지장치용 용기에 일체로 될 수 있다.

명세서 일부를 이루는 이하 도면은 함께 해석되어야 하며 도면부호들은 다양한 도면에서 부분들을 가리키는데 사용된다:
도 1a~1c는 미국특허출원 제12/674,205호의 연료이송밸브(10A)의 단면도이고, 도 1d는 상기 밸브(10A)의 분해 사시도이며, 도 1e는 도 1a의 연료이송밸브(10A)를 구비한 미국특허출원 제12/674,205호의 연료 공급원으로서 상기 연료 공급원의 외부 케이싱 상에 배치된 예시적인 릴리프 밸브를 가짐을 도시한다.
도 2a는 상기 제12/674,205호의 다른 예시적 연료밸브(10A)의 분해 단면도이고, 도 2b는 상기 밸브의 분해도.
도 3a는 본 발명의 예시적 릴리프 밸브(10)의 분해 단면도이고, 도 3b는 상기 밸브의 단면도.
도 4a~4c는 본 발명의 릴리프 밸브(10)가 어떻게 동작하는지를 설명하는 본 발명의 릴리프 밸브(10)의 단면도.
도 5a는 도 3a에 의한 밸브(10)의 변형의 분해 단면도이고, 도 5b는 상기 밸브(10)의 단면도.
도 6a~6c는 본 발명의 릴리프 밸브(10)의 변형이 어떻게 동작하는지를 설명하는 본 발명의 릴리프 밸브(10) 변형의 단면도.
도 7a~7e는 밀봉부재가 중심지주에 부착되는 본 발명에 의한 릴리프 밸브(10)의 다른 구현예의 단면도.
도 8a~8e는 밀봉부재가 강화되는 다른 구현예의 단면도.

도면과 함께 하술하듯이, 본 발명은 용기와 함께 사용할 수 있는 릴리프 밸브 또는 통기 밸브에 관한 것으로, 가장 바람직하게는 용기 내의 압력차(예를 들어, 가스, 증기 및/또는 액체의 구축으로 인한 내부압력) 및/또는 유체(연료 및/또는 장치로부터의 가스 등)의 회수로 인한 진공을 경감하기 위한 모든 연료 공급원 또는 연료전지 연료저장장치를 포함하는 모든 유체저장장치, 예를 들어 연료전지, 재충전장치, 연료전지 연료 공급원, 수소/가스 발생기 또는 연료전지시스템용도로 적합한 기타 모든 장치에 관한 것이다.

여기서 사용되는 용어인 "연료 공급원"은 일회용 카트리지, 재충전/재사용 카트리지, 전자기기 내부에 상주하는 카트리지, 분리가능한 카트리지, 전자기기 외부에 구비되는 카트리지, 연료 탱크, 연료 재충전 탱크, 연료를 수용하는 기타 용기, 연료를 저장하는 기타 용기 및 상기 연료 탱크 및 용기에 연결되는 배관을 포함하며, 하나 이상의 내부 라이너를 포함할 수 있다. 이하 연료 공급원이 본 발명의 예시적 구현예들과 함께 기술되나, 이들 구현예들은 기타 연료 공급원에게도 적용가능하며, 본 발명은 어떤 특정 형태의 연료 공급원에 한정되지는 아니한다. 한 예시적 연료 공급원으로는 미국특허출원 제12/674,205호에 개시되어있다. 본 발명의 릴리프 밸브는 내부압력이 조절되어야 하는 고체(들), 액체(들) 및/또는 가스(들)의 모든 공급원 또는 용기에 사용될 수 있다.

전술한 연료 공급원의 각 경우에 있어서, 연료 공급원 또는 용기는 압력차(즉, 주위압력과 연료 공급원 또는 용기 내부의 압력 간의 차이)를 받을 수 있다. 연료 공급원은 온도나 압력 등의 환경요인들에 대응하여 연료의 증기화 또는 팽창으로 인해 증가하는 내부압력하에 있을 수 있거나 또는 기상 또는 액상 부산물이 연료 공급원 내에 축적될 수 있다. 이들 압력은 만일 경감되지 않으면 연료 공급원이나 용기의 구조적 고장을 초래할 수 있다. 마찬가지로, 진공이 연료가 밀폐된 용기에서 제거됨에 따라 연료 공급원이나 용기 내에 구축될 수 있다. 진공 또는 진공에 기인한 내부 가요성 블래더의 붕괴는 결국 연료가 부착된 연료전지로 공급되지 못하게 하고 이로 인해 연료가 연료 공급원 내에 포획될 수 있다.

도 1a~1d 및 도 2a~2b는 각각 미국특허출원 제12/674,205호의 도 14a~14d 및 15a~15d에 개시된 연료 카트리지의 비호환성 연결연료밸브를 도시한다. 미국특허출원 제12/674,205호는 또한 도 1~4에 연료 공급원을 도시한다(미국특허출원공개공보 제US 2011/0121220A1호 참조). 도 1a에 도시하듯이, 제12/674,205호의 연료이송밸브(10)는 중심지주(14)와, 중심지주(14)와의 밀봉을 제공하는 비평탄 와셔 또는 립 와셔(16)를 갖는 밸브 본체(12)와, 와셔(16)를 정위치로 지지하고 중심지주(14)로부터 이격되어 개방채널(20)을 형성하는 리테이너(18)를 구비한다. 제12/674,205호에 기술되고 도 1b~1c에 도시되듯이, 정합배관(22)이 채널(20)을 통해 리테이너(18)와 와셔(16)를 통해 밸브(10) 내로 밀려 들어와 와셔(16)와 중심지주(14) 간의 밀봉을 파괴함으로써 연료가 흐를 수 있는 중심지주(14)와 정합배관(22) 간의 유로를 형성한다.

모출원인 제12/674,205호에서, 밸브(10A)는 개방채널(20)과 정합하는 배관(22)이 채널(20) 내로 삽입되어 연료가 연료통로(23)에 따라 이송될 수 있도록 할 때 연료이송밸브로서 사용된다. 배관(22)이 없는 밸브(10A)의 사용은 외부 케이싱(25)이 없는 연료 공급원(24) 용으로 릴리프 밸브 또는 통기밸브(이후 밸브(10)로 표시한다)로서 사용되며, 이는 도 1a에 부분적으로 도시하되 도 1e에 더 완전하게 도시한다. 도 1a에 나타내듯이, 연료 공급원(24)의 내부압력 P₂₄가 진공임계값 미만으로 강하하면, 와셔(16)는 하방 또는 내부로 구부려져 주위로부터 기체가 연료 공급원(24)으로 인입할 수 있게 한다. 도 1a에 반대방향이고(즉, 거꾸로이고) 리테이너(18)로부터 적절한 간격으로 지향되면, 밸브(10)는 압력 P₂₄가 임계압력을 초과하면 가압된 유체를 배기할 수 있는 릴리프 밸브이다.

도 2a~2b의 연료이송밸브(10A)는 도 1a~1d에 기술한 연료이송밸브(10A)와 유사하나, 단 와셔(16)가 실질적으로 평탄한 형상을 갖는 점만 다르다. 연료이송밸브(10A)의 본 구현예는 전술했듯이 배관(22)이 없는 릴리프 밸브(10)로서도 기능할 수 있다.

도 3a~3b를 참조하면, 본 발명에 의한 릴리프 밸브(10)의 다른 구현예를 도시한다. 연료이송밸브(10)의 것들과 유사한 릴리프 밸브(10A)의 요소들은 동일한 도면부호를 갖는다. 밸브(10)는 밸브 본체(12)와 와셔(16) 및 캡(26)으로 이루어진다. 캡(26)은 상부에 형성된 통기공(28)을 갖고 서로 일체로 된 리테이너(18)와 중심지주(14)를 포함한다. 와셔(16)는 중심지주(14)와의 밀봉을 형성한다. 도 3a~3c의 구현예뿐만 아니라 하술하는 도 4a~4c, 5a~5b, 도 6a~6c 및 도 7a~7c의 구현예들과 도 1a~1d 및 도 2a~2b 간의 주된 차이점은 도 3a~3c, 도 4a~4c, 5a~5b, 도 6a~6c 및 도 7a~7e의 구현예들은 두 방향으로 개폐할 수 있어, 즉 이들 릴리프 밸브 내의 밀봉부재(16)가 일 방향(예를 들어, 화살표 A)로 개방할 수 있어 가압된 유체를 반대방향(예를 들어, 화살표 B)로 배기하여 주위 기체로 하여금 상기 공급원이나 용기로 인입하게 하여 진공을 파괴하는 점이다. 이러한 성능은 밀봉부재(16)가 두 반대방향으로 굽힐 수 있도록 밀봉부재(16) 상부에 배치된 공간(30)과 밀봉부재(16) 하부에 배치된 공간(32)을 구비함으로써 제공된다.

밀봉부재 또는 와셔(16)는 예를 들어 도 3a~3b와 도 4a~7e에 도시하듯이 외주부(34) 및 내부(36)를 구비한다. 이들 부분 둘 다 밀봉면으로서 사용될 수 있다. 도 3a~3b에서 도 6a~6c에 걸쳐 도시한 구현예들에 있어서, 외주부(34)는 도 3b에 가장 잘 도시하듯이 리테이너(18)에 의해 밸브 본체(12)로 고정되고 내부(36)는 중심지주(14) 내에서 억지끼워맞춤을 형성하여 밀봉을 형성한다. 또는, 도 7a~7e에 도시하는 다른 구현예에 있어서, 밀봉부재(16)의 내부(36)는 도시하듯이 제1부분(14')과 제2부분(14")을 포함하는 중심지주(14)에 의해 고정 또는 유치되고, 외주부(34)는 리테이너 부분들(18, 18')로 나타내는 상기 밸브 본체의 내부와 억지끼워맞춤을 형성하여 밀봉을 형성한다. 도 7a~7e에 도시한 이 구현예의 릴리프 밸브(10)는 밀봉부재(16)와, 일체로 결합된 리테이너 부분(18)과 중심지주 제1부분(14') 및 그 내부의 통기공(들)(28)을 갖는 제1캡(26)과, 제1캡(26)과 함께 밸브(10)의 하우징 또는 밸브 본체(12)를 이루되, 일체로 결합된 중심지주 제2부분(14")과 그 내부의 통기공(들)(28")을 갖는 제2캡(26')을 갖는다. 도 7b에 도시하듯이, 밀봉부재(16)는 제1중심지주(14')와 제2중심지주(14") 간에 유치된다. 밀봉부재(16)의 외주부(34)는 리테이너 부분들(18, 18')과 함께 밀봉을 형성하고 상하로 이동할 수 있어 연료 공급원을 통기한다. 본 구현예에서, 밀봉부재(16)는 다른 구현예와 유사한 와셔일 수 있고 아니면 도 7a~7c에 도시하듯이 원형 디스크일 수 있다. 또한, 본 구현예에서 중심지주들(14')(14")은 리테이너 메커니즘으로서 작동한다.

도 4a~4c의 구현예는 도 3a~3b의 구현예와 유사하나, 단 밸브 본체(12)가 연료 공급원(24)의 외부 케이싱(25) 내로 결합되어들어가고 밀봉부재(16)의 외주부(34)가 연료 공급원(24)의 캡(26)의 리테이너(18)와 외부 케이싱(25) 간에 유치된다는 점이 다르다. 도 5a~5b의 구현예는 도 3a~3b의 구현예와 유사하나, 단 밀봉부재(16)가 비평탄 와셔 또는 더욱 상세하게는 원추형 와셔 또는 립 와셔인 점이 다르다. 도 6a~6c에 도시한 구현예에서, 중심지주(14)는 캡(26)과 분리되고 연료 공급원(24)의 외부 케이싱(25)에 부착된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 밀봉부재(16)의 외부주(34)와 리테이너(18) 간, 아니면 밀봉부재(16)의 내부(36)와 중심지주(14) 간의 밀봉이나 억지끼워맞춤에서 외주부(34)는 정사각형 형상 대신에 날카롭거나 첨단 형상, 예를 들어 도 7d~7e에 도시하듯이 와이퍼 연부를 갖는다. 상기 첨단 형상은 정사각형 형상보다 더 가요성이어서 릴리프 밸브(10)의 개방 및 폐쇄 임계압력을 조절하는데 사용될 수 있다. 또한, 도 7d~7e에 도시하듯이, 밸브(10)는 서로 실질적으로 유사한 2개 캡(26)(26')을 포함할 수 있다. 캡(26)(26')은 그 사이에서 밀봉부재 또는 와셔(16)를 고정할 수 있고 더 상세하게는 중심지주(14')(14") 상의 선반부(38)에서 와셔(16)를 고정할 수 있다.

도 4a~4c 및 도 6a~6c를 참조하여, 연료 공급원(24) 내의 높은 내부압력을 경감하기 위한 릴리프 밸브(10)의 동작을 기술한다. 초기에는, 도 4a에 도시하듯이, 연료 공급원(24)의 내부압력 P₂₄는 주위압력의 ±x psi 내에, 예를 들어 ±2 psi 또는 ±5 psi 내에 있고, 밀봉부재(16)는 이의 내부(34)가 중심지주(14)의 외부직경에 대해 가압됨과 함께 평탄을 유지하여 릴리프 밸브(10)를 밀봉한다. 압력차가 연료 공급원 내에서 x psi를 향해 구축되어감에 따라, 도 4b에 가장 잘 도시하듯이 밀봉부재(16)의 내부(36)는 상방으로 편향되어 아직 내부(36)의 립에 연하여 중심지주(14)와 접촉을 유지하여 밀봉을 유지한다. 도 4c에 도시하듯이, 연료 공급원(24) 내의 압력차가 압력 P₂₄의 임계값 x psi을 초과하면, 밀봉부재(16)의 내부(36)는 중심지주(14)로부터 편향됨으로써 유로가 형성되어 기체 및/또는 액체를 배출하고 연료 공급원(24) 내의 과잉압력을 경감한다. 연료 공급원(24) 내의 압력이 경감되면, 밀봉부재(16)의 내부(36)는 다시 중심지주(14)와 접촉하게 되고 이로써 릴리프 밸브(10)를 폐쇄한다. 마찬가지로, 진공이 연료 공급원(24) 내에서 발생하면, 중심지주(14)와 접촉하고 있는 밀봉부재(16)의 내부(36)는 중심지주(14)로부터 멀어지는 하방으로 편향되고 내부(36)의 립은 중심지주(14)와 접촉을 유지한다. 결국 진공의 인장이 압력 P₂₄의 임계값 x psi에 도달하면, 립은 중심지주(14)로부터 편향되어 공기나 기타 기체가 용기 내로 인입하여 진공을 경감하는 유로를 만들어낸다. 일단 진공이 경감되면 밸브는 폐쇄되고 밀봉부재(16)의 연부는 다시 중심지주(14)와 접촉하게 된다. 도 7b~7c는 밀봉부재(16)의 외주부(34)와 밸브 본체/리테이너본체 간에 억지끼워맞춤이나 밀봉이 발생할 때 유사한 릴리프 밸브(10)의 작동을 설명한다.

본 발명의 릴리프 밸브는 선행기술보다 많은 이점을 제공한다. 즉, 소형의 신규한 3부분 설계(캡(26), 밸브 본체(12) 또는 제2캡(26') 및 밀봉부재(16))는 이 밸브가 가동부가 없고 고장나기 쉬운 다른 요소들이 없다는 점에서 신뢰성이 커진다. 또한, 이러한 혁신적인 설계는 밸브요소들을 제조하고 조립하는 비용을 경감하고 자동화에 아주 적합한 조립방법을 제공함으로써 경제적 이익을 제공한다. 이들 이점으로 인해 본 릴리프 밸브는 연료전지시스템와 특히 일회용 또는 폐기될 수 있는 연료전지시스템의 장치/부품들(연료 공급원, 카트리지 및/또는 재충전장치 등)의 용도로 이상적으로 된다.

통기공(28)은 기체의 효율적인 유동을 제공하는 모든 개구로 구성될 수 있고, 이러한 개구는 홀, 천공, 슬롯 또는 통기구 등을 포함하며 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는, 통기공(28)은 해제통기구(10)의 의도하지않은 개방이나 허가되지 않은 개방을 방지하도록 크기 및/또는 배향이 조절된다. 예로서, 통기공(28)은 흔한 기구(펜촉, 종이클립, 핀, 칼 등)를 사용하여 릴리프 밸브(10)를 개방하지 못하도록 형상과 크기가 정해질 수 있다. 또한, 통기공(28)은 제1캡(26)에 수직이 아니라 제1캡(26)에 대해 소정의 각도(바람직하게는 약 0~60°또는 약 120~180°)로 배향되어 이물질을 밀봉부재(16)로부터 비껴나가게 함으로써 의도하지 않는 릴리프 밸브의 개방을 방지한다. 제2캡(26') 또한 도 6a~6c 및 도 7a~7e에 도시하듯이 있을 수 있다. 이러한 제2캡(26')은 밸브 본체(12)와 일체일 수도, 그렇지 않을 수도 있고 마찬가지로 통기구(28)를 구비하여 기체의 효율적인 통로를 제공하며 전술한 바와 같이 장치 내부로의 의도하지 않은 접근을 방지하기 위해 크기 및/또는 배향이 정해질 수 있다. 의도하지 않은 접근을 방지하기 위한 추가적인 노력으로서, 통기구(28)(28')는 이물질이 통기구 둘다를 통과 못하도록 어긋나거나 각지게 어긋날 수 있다. 부가적으로, 제2캡(26')이 그 면상에 또는 내부에 필터를 임의로 가질 수 있고(이러한 필터가 밸브의 작동을 간섭하지 않을 정도로) 이로써 상기 통기구를 통해 의도하지 않은 액체나 기체의 유입 또는 방출이 방지된다.

여기 도시하는 중심지주(14)는 원통상이나, 중심지주(14)는 그 형상이 밀봉부재(16)를 고정하거나 아니면 이와의 억지끼워맞춤을 형성하기 위한 목적에 일치하게 유지되는 한 다른 형상을 채택할 수 있다. 중심지주(14)와 밀봉부재(16)의 내부(36) 간에 억지끼워맞춤이 있으면, 중심지주(14)는 밀봉이 개방될 때 밀봉부재(16)의 내부(36)가 중심지주(14) 너머로 연장하는 것을 방지하도록 충분한 길이로 되어야 한다. 중심지주(14)는 밸브 본체(12)의 상당부분을 통해 연장하는데 충분한 길이로 되어야 하고 바람직하게는 밸브 본체(12) 전체를 통해 연장된다.중심지주(14)는 제1캡(26), 제2캡(26'), 리테이너(18) 및/또는 밸브 본체(12)에 대해 움직이지 않도록 배치된다.

제1캡(26), 밸브 본체(12) 및 중심지주(14)는 연료전지시스템와 관련된 장치용의 밸브 및 용기 제조에 일반적으로 사용되는 모든 물질로 제조될 수 있고, 상기 물질은 연료전지시스템 내에 사용되는 유체 및 기체(연료, 생성물 및 부산물)와 친화적인 것이 바람직하다.

본 발명의 밀봉부재(16)는 탄성중합체 물질로 제조될 수 있고, 이들 물질은 점탄성 특성(낮은 영률(Young's modulus)과 높은 항복변형(yield strain))을 갖는다. 적합한 탄성중합체 물질로는 천연, 합성 폴리 이소프렌(poly isoprene), 부틸(butyl), 할로겐화 부틸(halogenated butyl), 폴리부타디엔(polybutadiene), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene), 니트릴(nitrile), 할로겐화 니트릴(hydrogenated nitrile) 및 클로로프렌(chloroprene) 고무들과 같은 포화 고무와; 에틸렌 프로필렌(ethylene propylene), 에틸렌 프로필렌 디엔(ethylene propylene diene), 에피클로로하이드린(epichlorohydrin), 폴리아크릴릭(polyacrylic), 실리콘(silicone), 플루오로실리콘(fluorosilicone), 플루오로엘라스토머(fluoroelastomers), 과플루오로엘라스토머(perfluoroelastomers), 폴리에테르 블록 아민(polyether block amines), 클로로술폰화 폴리에틸렌(chlorosulfonated polyethylene) 및 에틸렌 비닐 아세테이트(ethylene vinyl acetate) 고무들과 같은 불포화 고무; 및 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomers)[스타이렌 블록(styrenic block), 폴리올레핀 블렌드(polyolefin blends), 엘라스토머 합금(elastomeric alloys), 열가소성 코폴리에스테르(thermoplastic copolyester), 열가소성 폴리아미드(thermoplastic polyamides)], 열가소성 가황물(thermoplastic vulcanizates), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethanes), 열가소성 올레핀(thermoplastic olefins) 및 폴리설파이드 고무(polysulfide rubber)와 같은 탄성중합체를 포함할 수 있고 이에 한정되지 않는다. 선택된 상기 탄성중합체 물질은 연료전지시스템 내 장치들로부터 배출될 수 있는 기체, 증기 및/또는 액체와 친화성인 것이 바람직하고, 연료전지시스템의 모든 연료, 반응생성물 및/또는 반응부산물과 친화성이어서 이들 성분을 함유하는 증기나 액체로 인한 시간경과에 따른 밸브 부식을 피함이 더욱 바람직하다. 가장 바람직하게는, 상기 탄성중합체 물질은 McMaster-Carr(미국 캘리포니아 산타페 스프링스)에서 구입한 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(ethylene propylene diene monomer rubber)이다.

또한, 다양한 매개변수의 탄성중합체 물질이 일단 임계압력이 초과되면 밀봉부재(16)가 확실히 편향되도록 하는데 사용될 수 있다. 휨 탄성율(flexural modulus), 경도계(durometer), 인장강도(tensile strength), 압축변형(compression set), 내열성(heat resistance), 유체저항(fluid resistance), 저온저항성(low temperature resistance) 및 인열강도(tear strength)는 임계압력이 초과될 때 밀봉부재의 편향능력에 영향을 미치는일부 요인들이다. 밀봉부재(16)의 탄성중합체 물질은 Shore A 경도계(ASTM D2240) 상에서 약 30~90(중연질에서 중경질)을 가질 수 있고 더 바람직하게는 약 40~70이다. 마찬가지로, 밀봉부재(16)의 탄성중합체의 내열성 및 저온저항성은 연료 공급원 및/또는 연료전지장치의 의도되거나 및/또는 실제 작동조건에 대해 용인될 수 있어야 한다. 또한, 밀봉부재(16)에 사용되는 탄성중합체 물질은 30~40 psi의 압력을 견딜 수 있어야 하고 소정의 경우에는 100 psi를 넘는 압력을 견딜 수 있다. 또한, 밀봉부재(16)와 밸브 본체 내부의 제2부분 간의 마찰계수, 밀봉부재(16)의 두께 등의 변수는 값을 요망하는 임계압력으로 더 맞출 수 있게 한다.

또한, 중립방향에서, 억지끼워맞춤을 형성하는 본 발명의 릴리프 밸브의 밀봉부재(16) 부분은 밸브 본체 내부의 제2부분에 대해 평탄하게 놓인다. 또는, 본 밸브는 탄성중합체 부재의 연부가 바람직한 방향으로 배향되는 립 와셔나 시트를 사용하여 배출 또는 유입하는 일 방향으로 편향될 수 있다. 도 5a~5b는 본 발명의 릴리프 밸브에서 원추상 또는 립 와셔가 배출방향으로 밸브를 편향시키는데 사용된다- 즉, 억지끼워맞춤을 형성하는 와셔의 연부는 캡을 향해 배향된다. 바람직하게는, 본 발명의 릴리프 밸브는 양방향이어서 기체의 배출 및 공기의 유입이 가능하다. 도시한 릴리프 밸브에 부가하여, 상기 양방향 밸브는 밀봉부재(16)과 밸브 본체 내부의 제2부분 간의 낮은 억지끼워맞춤으로써, 및/또는 밸브 본체 내부의 제2부분과의 억지끼워맞춤을 형성하는 밀봉부재(16)의 연부를 둥글게 함으로써 달성될 수 있다.

밸브가 개방되는 임계압력은 연료 공급원 및/또는 연료전지 장치에 발생하는 손상이나 구조적 고장 이전에 및/또는 연료 공급원으로부터의 연료 또는 연료전지 장치를 통한 연료에의 진공간섭 이전에 밸브가 개방하도록 충분해야 한다. 바람직하게는, 밸브가 개방하는 임계압력은 연료 공급원(24)의 초기 내부압력 P₂₄의 약±.5 psi, ±1 psi, ±2 psi 또는 ±5 psi이어야 한다. 연료 공급원(24)의 초기 내부압력 P₂₄은 용기가 고체(들), 기체(들) 및/또는 액체(들)로 초기 충전될 때의 압력이다. 전술했듯이, 연료 공급원(24)의 초기 내부압력 P₂₄은 주위압력 또는 주위압력의 ±2 psi 또는 ±5 psi 내일 수 있다. 밸브가 양방향일 경우, 밸브에 대한 양(+) 임계압력과 음(-) 임계압력은 동일할 필요가 없다. 예를 들어, 밸브가 -.5 psi 임계값과 +5 psi 임계값을 가지면, 이로써 밸브는 과잉압력에 응답하여 개방하기 보다는 진공에 응답하여 개방할 것이다.

부가하여, 릴리프 밸브(10)는 도 7c에 도시하듯이 종이, 직물이나 기타 섬유물질 등의 액체흡수부재(41)를 포함함으로써 방출된 기체에 동반될 수 있는 모든 액체를 흡수할 수 있다. 상기 액체흡수부재는 도 7c에 가장 잘 도시하듯이 캡(26) 상부에 배치될 수 있거나 또는 중심지주(14) 주위의 캡(26) 내부에 배치될 수 있다. 상기 액체흡수부재는 액체를 중화시키기 위해 산성이나 염기성일 수 있다. 일 예로서, 만일 액체가 염기성이라면, 상기 액체흡수부재는 산성이어야 한다.

다른 구현예에 있어서, 밀봉부재(16)는 도 8a~8b에 도시하는 와셔 또는 디스크(43)와 같은 강화부재를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 강화부재(43)는 도시하듯이 단지 부분적으로만 밀봉부재(16)에 중첩한다. 강화부재(43)는 일방향 또는 양방향 통기를 지지하도록 밀봉부재(16) 상부 또는 하부에 배치될 수 있고 밀봉부재(16) 상부 및 하부 모두에 배치될 수 있다. 2개의 강화부재(43)가 사용되면, 이들은 다른 가요성을 갖는다. 단일의 강화부재(43)는 또한 불균일한 가요성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 강화부재(43)는 도 8a에 도시하듯이 중심지주(14)와 밀봉을 형성하지 않거나 또는 도 8b에 도시하듯이 리테이너(18)와 밀봉을 형성하지 않으나, 밀봉부재(16)가 받게될 굴곡량을 제한한다. 이로써 밀봉부재(16)의 수명이 연장되고 본 발명의 밸브(10)가 더 높은 내부진공 또는 내부압력 P₂₄을 견딜 수 있게 된다. 강화부재(43)는 탄성중합체, 열가소성 또는 열경화성 수지 또는 금속으로 형성될 수 있다. 강화부재(43)는 밀봉부재(16)를 본떠 몰딩되어 이에 일체화될 수 있다.

강화부재(43)는 밀봉부재(16)에 연하여 굴곡하거나 실질적으로 강성을 유지할 수 있다. 강화부재(43)에 의해 지지되는 밀봉부재(16) 부분은 강화부재(43)로 지지되지 않거나 이에 돌출하여 더 낮은 강성 또는 더 높은 가요성을 갖는 밀봉부재(16) 부분보다 더 높은 강성 또는 더 낮은 가요성을 갖는다. 이로써 복수의 가요성 영역들을 갖는 밀봉부재를 제공하여 통기밸브(10)나 모출원인 미국특허출원 제12/674,205호에 기술된 연료이송밸브(10)를 설계함에 있어서 복수단계의 자유도를 가능하게 한다.

도 8c~8e를 참조하면, 강화부재(43) 또한 미국특허출원 제12/674,205호의 연료이송밸브(10)에 사용될 수 있다. 도 8c는 도 2a에 유사하나, 다만 배관(22)이 유로(23)를 형성하도록 밸브 내로 삽입됨에 따라 강화부재(43)는 밀봉부재(16) 하부로 위치되어 밀봉부재(16)를 지지하게 된다. 또한, 강화부재(43)는 도 8d~8e에 도시하듯이 밀봉부재(16) 상부 또는 리테이너(18)와 밀봉부재(16) 간에 배치될 수도 있다. 본 구조에서, 배관(22)은 강화부재(43)와 상호작용하고 이것과 밀봉부재(16)를 하방으로 밀어 연료유로(23)를 개방한다. 도 8d~8e 구조의 이점으로는, 밸브(10)가 차단위치일 때 더 높은 내부압력 P24을 견딜 수 있고 강화부재(43)가 밀봉부재(16)를 배관(22) 및/또는 외부물체와 찌꺼기와의 접촉으로 인한 손상으로부터 보호한다는 점이다.

본 명세서 및 실시예들은 특허청구범위 및 이의 균등물의 진정한 범위 및 정신의 예시로서 고려되어야 한다. 본 발명의 다른 구현예들은 본 명세서와 여기 개시된 본 발명의 실시를 고려하여 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다. 예를 들어, 상기 밸브의 예시적 구현예들은 연료 공급원에 관하여 개시되었지만, 연료 카트리지, 연료전지 등의 연료 공급원 시스템에서의 기타 장치 내 용도를 가짐을 이해할 것이다. 또한, 전술한 릴리프 밸브의 용도는 연료전지시스템에만 한정되는 것이 아니라 식품저장, 제조 및 의료 등의 분야(이에 한정되지 아니한다)에도 채택될 수 있으며 본 발명의 릴리프 밸브의 요소는 이들 분야에 채용될 수 있다(예를 들어, 식품저장 분야 내에서는 식품등급 플라스틱/엘라스토머 용도). 또한, 일 구현예의 요소 또는 특징은 다른 구현예들에서 사용될 수 있다.

Claims

연료전지장치용 연료 공급원(24)에 있어서,
상기 연료 공급원(24)은 상기 연료 공급원(24)의 외부 케이싱(25) 내에 배치된 밸브 하우징을 구비하는 통기 밸브(10)를 포함하고, 상기 통기 밸브(10)는
밸브 본체(12)와;
외주부(34) 및 내부(36)를 구비한 밀봉부재(16)를 포함하고,
상기 밀봉부재(16)의 외주부(34) 및 내부(36) 중의 하나는 상기 밸브 본체(12) 내의 제1부분에 고정되고 다른 부분은 상기 밸브 본체(12) 내의 제2부분과 밀봉을 형성하고,
상기 외부 케이싱(25) 내에 배치된 상기 밸브 하우징은 상기 연료 공급원의 외부 케이싱과 동일한 평면으로 됨으로써 상기 밸브 본체(12)의 외측 표면과 상기 외부 케이싱(25)의 외측 표면은 연속된 평면을 형성하며,
상기 연료 공급원(24) 내부의 임계압력이 초과되면, 상기 밀봉은 개방되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밸브 본체(12)는 중심지주(14)와, 적어도 하나의 통기공을 갖는 제1캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밸브 본체(12) 내의 제1부분이 캡 또는 상기 밸브 하우징인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밸브 본체(12) 내의 제1부분이 중심지주(14)인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부재(16)는 내부직경을 갖는 내부 개구를 구비한 와셔인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부재(16)의 경도계(durometer) 값은 30~90 Shore A인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밀봉을 형성하는 상기 밀봉부재(16)의 부분은 상기 내부(36)인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 통기 밸브(10)는 2방향 밸브인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 통기 밸브(10)는 액체흡수부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제9항에 있어서,
상기 액체흡수부재는 산성인 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부재(16)를 지지하는 적어도 하나의 강화부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부재(16)는 복수의 가요성 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급원.