KR20080071118A - 유체 펌프 및 커넥터 조립체 - Google Patents

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토빈 조세프 피셔
조나단 루이스 글래스맨
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아르디카 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 발명의 유체 펌프 및 커넥터 조립체는 연료 카트리지를 연료 전지 시스템에 연결하여 사용하기에 특히 적합하다. 조립체는 유체 입구, 유체 출구, 유체 입구와 유체 출구가 유체 소통하는 가요성 격막, 및 제1 커넥터를 구비한 제1 서브조립체를 포함한다. 또한, 조립체는 제1 커넥터에 연결되도록 구성된 제2 커넥터, 작동기, 제1 및 제2 서브조립체가 연결될 때 격막과 접촉하고 작동기에 결합되는 왕복 부재를 구비하는 제2 서브조립체를 포함하며, 작동기와 왕복 부재의 왕복 운동은 격막을 왕복시키고, 유체를 제2 서브조립체에 노출시키지 않으면서 유체 입구로부터 유체 출구로 유체를 펌핑한다.
커넥터, 유체 펌프, 커넥터 조립체, 연료 카트리지, 가요성 격막

Description

유체 펌프 및 커넥터 조립체 {FLUID PUMP AND CONNECTOR ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 유체 용기를 또 다른 장치에 연결하고 유체 용기 내의 유체를 펌핑하기 위한 유체 펌프 및 커넥터 조립체에 관한 것이다.
근래의 휴대용 전자 장치는 증가된 전력량을 요구하고, 화학 배터리는 종종 그러한 장치에 있어서 성능 병목을 나타낸다. 휴대단말기(personal digital assistants), 휴대폰, 엔터테인먼트 장치, 및 차세대 랩탑과 같은 무선 제품들은 특히 지속적인 전력에 대한 많은 요구를 갖는다. 긴 시간의 휴대 가능한 작동을 위해, 연료 전지는 매력적인 해결책이다. 배터리와 같은 연료 전지는 화학적 에너지를 전기로 충분히 전환할 수 있지만, 높은 에너지 밀도와 순간 재충전 능력과 같은 추가적인 장점을 갖는다. 연료 전지는 통상적으로 수소 가스로 충전되지만, 비용 효과적이고 효율적인 방법으로 수소 가스를 연료 전지로 전달 및 저장하는 기술적 과제가 있다. 하나의 특정 과제는 유용한 양의 연료를 연료 전지로 제공하기 위해, 즉시 휴대하기에 충분히 저렴하고, 안전하며, 가볍고, 소형이지만 충분한 수소를 저장하는 연료 공급부를 제공하는 것이다. 수소를 저장하기 위한 수단의 기술 상태는 비교적 저압으로 수소를 저장하기 위한 금속 수소화물 통 및 상승된 압력으로 압축 수소를 저장하기 위한 압력 탱크를 포함한다. 양쪽 접근 모두는 다음 과 같은 단점을 갖는다. 예컨대, 금속 수소화물 저장은 비교적 안전하지만 무게에 비해 낮은 에너지 밀도 비율을 갖고, 압축 수소 저장은 무게에 비해 높은 에너지 밀도를 가질 수 있지만, 고강도 및 값비싼 봉쇄 방법을 요구한다.
액체 메탄올을 연료로 사용하고 메탄올로부터 직접 전기를 전기화학적으로 생산하는 "직접 메탄올" 연료 전지를 설계하는 조사가 수행되어 왔지만, 메탄올이 전해질막을 통해 이월하는 것을 방지하고 메탄올 연료에 의한 촉매 중독을 방지하는 것과 같은 중요한 기술적 과제가 존재한다.
다른 노력은 수소화붕소나트륨과 같은 수소 함유 연료 수용액으로부터 수소 가스를 발생시키는 것으로 기울어져 왔다. 이러한 접근에 있어서, 연료 수용액은 수소 가스 발생을 용이하게 하기 위해 촉매에 노출된다. 이러한 접근은 장래성이 있지만, 부식성 연료 수용액을 봉쇄하는 것과 휴대용 연료 전시 시스템이 사람과 밀접하게 사용될 때 특히 누수를 방지하는 것에 대한 기술적 과제가 존재한다.
본 발명의 목적은 용기로부터 유체를 제거하지 않고서 유체 용기 내의 유체를 안전하고 비용 효율적으로 펌핑하는 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2개의 상호 연결가능한 서브조립체를 포함하는 유체 펌프가 제공된다. 제1 서브조립체는 유체 입구, 유체 출구, 및 유체 입구와 유체 출구가 유체 소통하는 가요성 격막을 포함한다. 제2 서브조립체는 작동기와, 작동기에 결합된 왕복 부재를 포함한다. 왕복 부재는 제1 및 제2 서브조립체가 연결될 때 격막과 접촉한다. 작동기와 왕복 부재의 왕복 운동은 격막을 왕복시키고, 유체를 제2 서브조립체에 노출시키지 않으면서 유체 입구로부터 유체 출구로 유체를 펌핑한다.
서브조립체에는 서브조립체들을 제거가능하게 함께 연결시키도록 하는 자성 커넥터가 갖춰질 수 있다. 제1 서브조립체는 연료 카트리지에 장착될 수 있고, 유체는 고체 반응제와 혼합시 수소를 발생시키는 액체 반응제일 수 있다. 액체 반응제는 구연산 용액일 수 있고, 고체 반응제는 수소화붕소나트륨일 수 있다.
제2 서브조립체는 연료 전지 시스템에 장착될 수 있고, 연료 카트리지에 의해 발생된 수소 가스를 수용하고, 수소 가스를 연료 전지 시스템 내의 연료 전지에 전달하기 위한 흡기 포트를 구비할 수 있다.
작동기는 형상 기억 합금일 수 있고, 상기 형상 기억 합금은 형상 기억 합금을 수축 온도를 초과하여 가열할 수 있는 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 특히, 작동기는 왕복 부재에 연결되고 양 단부들에서 크림핑 커넥터에 부착되어 궁형 구조를 형성하는 니티놀 와이어일 수 있다. 와이어는 이완 위상에서 왕복 부재가 수축된 위치에 있게 되고 긴축 위상에서 왕복 부재가 연장된 위치에 있게 되도록 장착될 수 있다. 와이어에 전류를 전달하면, 와이어는 이완 위상과 긴축 위상 사이에서 순환하여서, 왕복 부재와 격막이 왕복하도록 한다.
작동기와 왕복 구성 요소가 제2 서브조립체에 위치하기 때문에, 제1 서브조립체의 제조 비용은 감소되어서, 연료 카트리지가 충분히 저비용으로 제조되어서 1회용 폐기 가능한 제품이 될 수 있도록 한다. 또한, 제1 서브조립체는 반응제를 완전히 연료 카트리지 내에 있도록 유지시키므로, 누수와 그에 따른 결과로서 사용자 또는 근거리에 있는 장비에 해로움을 줄 가능성을 줄인다.
도1은 연료 전지 커넥터 서브조립체를 구비한 수소 발생 연료 카트리지의 측면도이다.
도2는 유체를 연료 카트리지 내부로 펌핑하고 연료 카트리지 서브조립체에 결합시키기 위한 펌프 서브조립체와 커넥터, 평면의 연료 전지 스택, 및 제어 모듈을 구비한 연료 전지 시스템의 부분 분해도이다.
도3은 연료 카트리지 내부의 유체 유동의 개략도이다.
도4는 연료 카트리지의 부분 투과 측면도이다.
도5는 커넥터와 펌프 서브조립체 및 연료 카트리지 커넥터 서브조립체의 개략적, 부분 투과도이다.
도6은 연료 카트리지 커넥터 서브조립체의 개략적 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시예를 따라 도1을 참조하면, 휴대용 연료 카트리지(10)는 연료 전지에 의해 연료로 사용되는 수소 가스를 발생시킨다. 도2를 참조하면, 휴대용 연료 전지 시스템(12)은 대기 중의 수소 가스와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료 전지(14)를 포함한다. 또한 전기화학적 반응의 부산물은 물과 열을 포함한다. 발생된 전기는 휴대용 전기 장치에 동력을 공급하고, 열을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 휴대용 연료 카트리지(10)는 연료 전지 카트리지(10)를 연료 전지 시스템(12)에 물리적, 유동적으로 결합시키기 위한 커넥터 서브조립체(15)를 구비한다. 결합 후, 연료 카트리지(10)로부터 발생된 수소 가스는 연료 전지(14)에 의한 사용을 위해 연료 전지 시스템(12) 내부로 운반될 수 있다.
연료 카트리지(10)와 연료 전지 시스템(12)용으로 고려되는 일 특정 사용은 재킷과 같은 개인 의복에 열과 전력을 제공하는 것이다. 도2에 도시된 연료 전지 시스템(12)은 이러한 사용에 특히 적합하다. 각각의 연료 전지(14)는 평면 어레이로 배열되며 스택을 형성하기 위하여 전기적으로 직렬 연결된다. 연료 전지(14)는 가요성 발포체와 직물 적층 프레임(16) 내에 이격되는 방식으로 매립된다. 가요성 연료 도관(18) 및 전기 전도체(20)는 각각의 연료 전지(14)와 상호 연결된다. 일 연료 전지(14)의 연료 출구는 연료 도관(18)에 의해 연료 전지(14) 하류부 근처의 연료 입구에 유동적으로 결합된다. 연료 전지 스택은 마지막 연료 전지(14)가 정화 밸브에 결합되는 막힘형(dead-ended) 연료 유동 설계를 구비하고, 이 정화 밸브는 연료 전지 스택에서 물과 오염물을 배출하기 위해 간헐적으로 개방될 수 있다. 제1 연료 전지(14)는 연료 카트리지(10)의 커넥터 서브조립체(15)에 유동적, 물리적으로 결합하는 수단을 구비한 펌핑 및 커넥터 서브조립체(22)에 유동적으로 결합된다. 연료 전지 시스템의 작동을 제어하는 제어 시스템(23)은 전기 전도체(20)에 결합된 전압 센서 및 압력 센서(도시되지 않음), 펌프, 정화 밸브, 사용자 인터페이스 제어 및 디스플레이(도시되지 않음)의 작동을 제어하기 위하여 펌프 및 커넥터 서브조립체(22)와 전기적으로 소통한다.
연료 전지(14)는 평면의, 수동 공기 흡입식 양자 교환 막(PEM) 유형의 연료 전지이다. 각각의 연료 전지는 백금 촉매 코팅 전극과, 음극과 양극 조립체(도시되지 않음) 사이에 삽입된 나피온(NafionTM) 막 전극 조립체(membrane electrode assembly;MEA)를 포함한다. 음극 조립체는 MEA의 음극 면에 인접하여 접촉하는 전도성 메시와, 전도성 메시에 인접하여 접촉하는 다중 개방부를 구비한 전도성판을 포함하며, 상기 다중 개방부는 공기에 노출되고 전기화학적 반응에 사용되는 산소에의 접근성을 제공한다. 양극 조립체는 MEA의 양극 면과 인접하여 접촉하는 나선형 유동 채널을 구비한 전도성 양극판과, 수소 가스 다기관판을 포함하며, 양극판 연료 유동 채널의 입구 및 출구 단부에 유동적으로 결합하는 다기관과 수소 입구 및 출구를 구비한다. 입구 및 출구 다기관은 각각의 입구 및 출구 연료 도관(18)에 유동적으로 결합한다. 또한 MEA는 접착층과 함께, MEA 주연부 둘레의 접착제를 특징으로 하며, 연료 전지 구성 요소들을 서로 접착시킨다.
이 실시예에서의 연료 전지 적층물(12)은 약 10 와트(watt)의 전력을 제공하도록 구성되지만, 연료 전지들의 수를 변화시키거나 혹은 다른 성능 정격들의 연료 전지들로 대체함으로써 전력 출력을 늘리거나 줄이는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
이러한 평면 PEM 연료 전지(14)는 당업계에 잘 알려져 있으며, 본 명세서에서는 더 이상 상세하게 기술되어 있지 않는다. 연료 전지 시스템(12)이 PEM 연료 전지에 특히 적합하지만, 수소 가스에 의해 연료 공급되는 다른 연료 전지 유형들이 고체 산화 연료 전지, 인산 연료 전지 및 알카리성 연료 전지 등으로 대체될 수 있다. 또한, 다른 알려진 PEM 연료 전지 설계들이 용이하게 대체될 수 있다.
연료 전지(14)가 가요성 프레임(16) 내에 매립되고 가요성 도관(18) 및 전기 커넥터(20)에 의해 상호 연결되어 있기 때문에, 연료 전지 시스템(12)의 형상은 변경될 수 있으며, 이러한 특징은 연료 전지 시스템(10)이 착용자의 형상에 부합함에 따라 의복에서의 사용에 특히 유리하다. 바람직하게, 연료 시스템(12)은 스택 내 연료 전지(14)가 착용자의 등의 형상에 부합할 수 있도록 재킷의 상부 척주(spine) 영역을 따라 설치된다. 그러나, 다른 구성, 예를 들어, 종래의 수직으로 배치된 스택을 가정하는 것은 연료 전지 시스템(12)에 대한 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 대안적인 구성에서, 스택 내의 연료 전지는 가요성 있게 상호 연결될 필요가 없으며, 의복 내의 이러한 연료 전지 스택의 설치는 사용자가 불편하지 않도록 변형될 수 있다. 또한, 5개의 연료 전지(14)가 이 실시예에서 도시되어 있지만, 특정한 적용 및 전력 필요에 따라 연료 전지의 개수와 대응하는 전력 출력을 늘리거나 줄이는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
연성의 가요성 발포체의 2개의 층들은 연료 전지 시스템 내에서 가스, 전류, 및 전압 감지 상호 연결부들을 삽입하도록 사용된다. 이들 부품들은 시스템 상호 연결부들을 적소에서 유지시키고 시스템에 가해진 기계적인 힘(굽힘, 스트레칭 등)에 대해 변형 완화(strain relief)를 제공한다. 또한, 이들은 사용자로부터 이들 부품들을 숨기는 상호 연결 요소(와이어, 튜브, 전압 감지 와이어)용 경량 커버링을 제공하며, 연성의 본체 호의 패키징을 생성한다.
본 실시예에서, 심지형 직물은 연료 전지(14)의 음극을 포함하는 평면을 커 버링하는 시스템의 외부 위로 적층되어 있다. 이 재료는 이것과 접촉하는 임의의 수증기를 빠르게 증발시키도록 설계되어 있다. 이 재료를 음극과 접촉하여 위치시키는 것은 연료 전지(14)의 음극 상에 수집되는 임의의 수증기를 빠르게 증발시키게 하며, 연료 전지(14)에서의 범람의 위험을 감소시킨다. 전체 시스템(12)을 이 직물로 덮는 것은 증발을 위한 표면 영역을 최대화시킨다. 또한, 이 직물은 시스템(12) 내의 다중 연료 전지들(14) 사이의 가요성 변형 완화 상호 연결부로서 작용한다. 결국, 이 직물은 피부에 밀접하여 사용될 때 부드러움과 쾌적함을 느끼게 하는 연료 전지 시스템(12)을 위한 표면 조직을 생성하여, 제품이 몸체에 인접하여 적용될 때 편안하게 한다.
바람직하게, 연료 카트리지(10)는 연료 카트리지(10)를 쉽게 휴대할 수 있고 단일 사용 후에 폐기할 수 있도록 가볍고 값싼 재료로 구성된다. 이 실시예에서 그리고 도3에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 연료 카트리지(10)는 외부 백(25) 내에 액체 반응제, 즉, 28 wt.% 구연산 용액을 저장하고 관형 반응 챔버(26) 내에 고체 반응제, 즉, 밀집되고 융합된 수소화붕소나트륨(NaBH4) 파우더를 저장한다. 반응 챔버(26)[테프론 튜빙(Teflon tubing), 1.524cm(.60") ID, 0.076cm(.030") 벽, 멕마스터(McMaster)]는 용액 백(25)으로부터 유체 밀봉되는 내부 백(27) 내에서 저장된다. NaBH4 파우더는 원통형 필(pill)(28) 내로 밀집되고, 반응 챔버(26) 내부의 스프링(29)은 반응 챔버(26)의 일 단부에서 분리기 스크린(30)을 구비하는 출구에 대하여 필(28)을 편향시킨다. 본 실시예에서, 1.27cm(.5") 직경의 필은 길 이가 8.128cm(3.2인치)의 필을 형성하기 위해서 7톤의 힘 하에 약 12 그램의 수소화붕소나트륨 파우더를 가압함으로써 형성되었다.
반응 챔버(26)는 76.6℃(170℉)를 초과하는 온도에 이를 수 있는 반응의 열을 견딜 수 있고, 결합 없이 스프링의 힘 하에서 필(28)을 활주하도록 허용할 수 있는 재료로 구성되어야만 한다. 테프론 또는 폴리에틸렌은 이들의 요구사항에 모두 적합된다.
분리기 스크린(30)은 파우더 입자 크기보다 작은 메쉬 크기를 가지므로 필(28)이 출구를 통해 배출되는 것은 방지하지만, 스크린 개방부보다 작은 미립자, 가스 및 액체는 출구를 통해 유동하게 한다. 본 실시예에서는 2.032mm(0.080")의 스크린 피치와 0.127mm(0.005")의 스트랜드 크기를 갖는 플라스틱 메쉬가 사용된다.
연료 카트리지(10)가 연료 셀 시스템(12)의 커넥터 서브조립체(22)와 펌프에 결합될 때, 산성 용액은 커넥터 서브조립체(15) 내부의 펌핑 챔버(52)를 통해 외부 백(25)으로부터 분리기 스크린(30) 근처의 반응 챔버(26)로 펌핑될 수 있다. 산성 용액과 NaBH4가 혼합될 때, 수소 가스 및 폐기 슬러리가 형성되며, 스프링(29)의 압력은 분리기 스크린(30)을 통하여 내부 백(27)의 제품 수집부["제품 수집기"(31)]로 가스 및 슬러리를 가압한다. 슬러리는 액체에 부유된 고체를 포함하고, 특히 나트륨 메타보레이트(sodium metaborate), 물 및 산성 소금의 혼합물이고, pH 7 정도의 양성 산성도를 갖는다. 슬러리 고체의 입자 크기는 슬러리 고체가 관통할 수 있도록 분리기 스크린(30)의 메쉬 크기보다 작아야 한다. 하류부에서, 제품 수집기(31)의 단부는 수소 가스에는 투과성이지만 액체 및 고체에는 불투과성인 수소 가스 분리막(32)이다. 수소 가스는 슬러리로부터 분리되고, 커넥터 서브조립체(15)의 출구 포트(40)를 통해 연료 셀 시스템(10)으로 이송된다.
도4는 연료 카트리지(10)의 구조를 더 자세히 도시한다. 내부 백(27)은 외부 용액 백(25) 내부에 위치되어, 산성 용액이 용액 백(25)과 내부 백(27) 사이의 체적에 존재하게 한다. 본 실시예에서는, 6 밀(mil) 우레탄[미국 메사추세츠주 이스트 햄프톤 소재의 스티븐스 우레탄(Stevens Urethane)]이 내부 및 외부 백(25, 27)을 형성하도록 가열 용접되었다. 용액 공급 도관(33)은 펌핑 챔버(52)에 이 체적을 유동 연결시키고, 또한 개방부(34)의 내부 백을 통해 펌핑 챔버(52)로부터, 분리기 스크린(30) 근처의 반응 챔버(26)의 노즐(35)까지 연장된다. 노즐(35)은 반응 챔버(26)의 직경을 연결하는 연장 튜브(크림프되고 밀봉된 말단 단부와, 튜브의 중심축에 수직하고 필[28, 맥마스터(McMaster)]의 중심축을 향하는 오리피스를 갖는 스테인레스 강 피하 배관)이다. 용액은 구멍을 통해 배출되고 필(28)과 접촉한다. 노즐과 분리기 스크린(30) 사이의 거리는 반응 챔버(26)를 떠나기 전에 반응물을 혼합하게 한다. 카트리지(10)의 에너지 밀도와 반응 수율을 최대화하도록 반응물 및 제품의 적절한 혼합을 보장하기 위해 본 기술 분야에 공지된 몇몇의 대안이 존재한다. 예를 들어, 반응물의 더 균일한 혼합의 보장을 돕기 위해 카트리지(10)는 단일 노즐 또는 복수의 노즐(도시되지 않음)을 사용할 수 있다. 이들 노즐은 필(28)에 작은 물방울을 제공하거나, 안개로 덮게 하고(mist), 분무하도록 설 계된 오리피스를 갖는 원형 또는 선형 어레이일 수 있다. 노즐과 스크린(30) 사이의 거리 및 양호하게 굽은 경로는 반응 챔버(26)를 떠나기 전에 반응물의 완전한 혼합을 허용한다. 본 실시예에서, 최적의 거리는 노즐의 설계, 유량 등에 따라 변경될 것이지만, 노즐(35)은 분리기 메쉬로부터 10.16mm(0.4")이다. 반응 영역 설계에 이로운 것으로 알려진 추가 형상부는 노즐(35)로부터의 용액에 의해 반응함에 따라 반응 필이 노즐(35) 주위에 형성될 수 있도록 노즐(35)을 구성하기 위한 것이다. 이는 노즐(35)과 필(28) 사이의 긴밀한 접촉과, 유체가 반응 챔버(26)에서 나오기 전에 유체를 위해 알맞게 굽은 경로를 보장한다. 반응 영역이 필의 단부에 제한되는 본 실시예의 추가 장점은 상대적으로 작은 공간에 반응열이 내장될 수 있어, 반응 영역의 온도를 최대화한다는 것이다. 이러한 더 높은 온도는 반응 효율, 운동에너지, 및 분리기 스크린(30)에 대해 수집되고 경화되는 반응 제품으로 시스템(12)을 재개하는 기능에 있어 유리하게 작용한다.
스프링(29)이 분리기 스크린(30)에 대해 필(28)에 지속적인 압력을 인가하면, 수소 가스 생성물 및 폐수 슬러리는 분리기 스크린(30)을 통해 생성물 수집기(31)로 배출되며, 상기 생성물 수집기는 내부 백 표면을 상호 결합하는 두 개의 대체로 진선인 용접부(36)에 의해 형성된 서펜타인(serpentine) 유동 경로를 가진다. 용접부는 원통형 반응 챔버(26)가 위치되는 중앙 포켓을 형성한다. 생성물 수집기(31)는 슬러리 내의 물과 다른 액체를 흡수하기 위한 액체 흡수 재료(37)에 의해 부분적으로 충진된다. 장시간 노출 후에 슬러리가 막에 불침투성 코팅을 형성하는 경향이 있기 때문에 이러한 재료는 가스 수집막과 슬러리의 접촉을 최소화 한다. 고성능의 재료가 존재하지만, 탐폰(tampon)에서 발견된 고흡수성 재료가 이런 분야에서 적절히 수행될 수 있다고 알려져 있다. 비흡수성 슬러리와 수소 가스는 생성물 수집기(31)를 따라 가스 분리막(32)으로 진행한다. 수소 가스는 분리막[32; 미시건주의 앤아버(Ann Arbor)에 소재하는 폴(Pall)에서 상업적으로 이용 가능한 버사포르 3000(Versapoer 3000)]을 통해 수소 전달 튜브(38)로 유동하며, 상기 수소 전달 튜브는 분리막(32)에 결합되고 개방부(39)의 내부 백을 통해 연장되어 커넥터 서브조립체(15)의 배출 포트(40)에 연결된다. 용액, 폐수 슬러리 및 수소 가스의 유동 경로는 도면에 화살표로 도시되어 있다.
NaBH4와 더불어 혼합물이 수소 가스를 화학적으로 생성하기에 충분하지만, 반응 속도는 느리다. 반응 속도를 가속하기 위해 산이 제공되는 것이 바람직하며, 이런 관점에서, 산은 반응 시에 소비되지만 촉매로서 작용한다. 이런 실시예에서, 수소를 발생시키기 위해 28 중량%의 구연산 용액이 NaBH4 파우더와 반응하지만, 적절한 pH를 가진 임의의 산 용액으로 대체될 수 있다. 산 용액은 바람직하게는 6 pH 이하, 보다 바람직하게는 2 pH 이하의 범위를 가진다. 28중량%의 구연산 용액은 약 2 pH를 가진다. 이런 농도는 낮은 pH와, 빠른 반응 속도와, 최소한의 산의 소모를 균형적으로 제공하기 위한 것으로 알려져 있다. 즉, 실질적으로 용액 내에서의 모든 산은 반응시에 소비된다. 다른 산이 선택되는 경우에도 역시, 이런 균형이 소망된다.
혼합시에 수소 가스를 생성하는 다른 액체 및 고체 반응제가 대신 사용될 수 도 있다. 예를 들면, 시험은 연료 카트리지(14)가 이하의 반응식에 따라 수소 가스를 생성하기 위해 알루미늄과 수산화나트륨을 혼합할 수 있음을 나타내고 있다.
2Al+2NaOH+6H20 --> 2NaAl(OH)4 + 3H2 (1)
수소 가스를 생성하는 반응물들 간의 다른 공지된 반응이 연료 카트리지(10)에서 이용될 수 있다고 기대되며, 반응물 중 어느 하나는 소형의 고체 형태로 저장되고 반응물의 다른 하나는 액체 형태로 분리되어 저장될 수 있도록 제공된다. 연료 카트리지(14)의 설계는 스프링(29)에 의해 제공되는 편향력이 기체와, 액체와, 분리기 스크린(30)을 통한 미립자의 반응 생성물을 가압하기 때문에 고체의 일부가 액체 반응제에 지속적으로 노출되는 등의 반응을 용이하게 하기 위해 특히 효과적이다. 이는 반응 생성물이 고체 반응제을 코팅하는 것을 억제하고, 액체 반응제과 혼합하는 것을 억제한다. 고체 반응제가 분리기 스크린(30)을 통해 가압되지 않도록 고체 파우더의 입자 크기와 분리기 스크린의 크기를 선택할 시에 주의가 요구된다.
스프링(29)이 고체 반응제에 대해 편향력을 제공하기 위해 사용될 수있지만, 다른 평향 수단이 제공될 수 있다. 예를 들면, 반응 챔버(26)는, 고체 반응제가 충진되고 외피 개방부를 향해 고체 반응제로 압력이 인가되면, 신축성을 가지는 단일 단부형 가요성 외피가 될 수 있다. 다른 동등의 편향 수단으로 용이하게 대체될 수 있다. 도면에 도시된 실시예에와 관련하여 도1을 참조하면, 편향 스프링(29)은 필(28)의 일부가 분리기 스크린(30)에 대해 항상 가압되도록 필(28)에 대 해 압력을 인가한다. 필(28)이 소비됨에 따라, 스프링(29)은 팽창될 것이다. 투명 창(41)은 필 재료의 양이 시각적으로 확인되도록 연료 카트리지(10)의 표면에 제공된다. 이러한 창(41)은 연료 카트리지(10)에 남아있는 반응물의 양을 나타내는 연료 게이지로서 기능을 한다.
도5 및 도6을 참조하면, 카트리지 커넥터 서브조립체(15)는 연료 카트리지의 외부 셀로부터 돌출되고, 연료 전지 시스템(14)의 펌프 및 커넥터 서브조립체(22)에 연결될 수 있다. 펌프 및 커넥터 서브조립체(22)는 돌출된 커넥터 서브조립체(15)를 수납하도록 구성된 리세스(43)를 가진다. 한 쌍의 자석(44)은 커넥터 서브조립체(15)의 기부에 제공되고, 리세스(43)의 금속 플레이트에 부착된다. 자석(44)은 연료 카트리지(10)를 연료 전지 시스템(12)에 고정하기 위한 수단으로서 제공된다. 그러나, 본 기술분야에 공지된 다른 고정 수단이 본 발명의 범주 내에서 대신 사용 가능하다.
펌프 및 커넥터 서브조립체(22)에는 수소 흡입 포트(46)가 제공되며, 상기 수소 흡입 포트는 연료 카트리지(10)가 연료 전지 시스템(12)에 연결될 때 수소 배출 포트(40)에 정합된다. 펌프 플런저(48)는 펌프 및 커넥터 서브조립체(22)의 리세스(43)로부터 연장되고, 보스(49)는 펌프 플런저(48) 주위에서 서브조립체(22)로부터 돌출되어 커넥터 서브조립체(15)가 제 위치에 있지 않은 경우에 플런저(48)의 손상을 방지한다. 격막 포트(50)는 연료 카트리지(10)와 연료 전지 시스템(12)이 연결될 때에 펌프 플런저(48)를 수납하는 커넥터 서브조립체(15)에 제공된다. 격막 포트(50)는 펌핑 챔버(52)의 바닥 단부로 연장된다. 펌핑 챔버(52)의 상부 단 부에는 산성 용액 입구(56)와 산성 용액(58)이 있다. 가요성 격막(54)은 펌핑 챔버(52) 내부에 장착되어 펌핑 챔버 체적을 격막 포트(50)로부터 유동적으로 밀봉하며, 이는 입구(56)로부터 펌핑 챔버(52)로, 이어서 출구(58)로 산성 용액의 유동을 한정한다. 편향 스프링(60)은 제2 챔버부에 위치되고 격막(54)에 대해 편향력을 인가하여 격막(54)을 비가요적 위치로 편향시킨다.
산 용액 입구 및 출구(56, 58)는 용액 공급 도관(33)에 유동적으로 결합된다.
커넥터 서브조립체(22)는 2개의 성형된 플라스틱부를 포함하는 외부 쉘을 갖고, 외부 쉘부(62)는 펌핑 챔버(52)의 일부분, 격막 포트(50), 수소 배출 포트(40), 및 자석(44)을 포함한다. 내부 쉘부(66)는 펌핑 챔버(52)의 나머지 부분, 용액 입구(56) 및 출구(58)를 포함하며, 격막(54)은 외부 쉘부(62)와 중앙부(64) 사이의 제 위치에 고정된다. 외부 및 내부 쉘부(62, 66)는 록타이트(LokTite) 3105 라이트 큐어(Light Cure) 접착제에 의해 결합된다. 접착제에 의해 이들 쉘부들이 서로 결합됨으로써 커넥터 서브조립체(22)가 형성되는 동안, 이들 커넥터 서브조립체(22)를 제조하기 위해 당업계의 공지된 많은 다른 방법들이 이용 가능하다는 것을 이해할 것이다.
연료 카트리지(10) 및 연료 전지 시스템(12)이 연결될 때, 펌프 플런저(48)의 말단부는 격막 포트(50)를 통해 펌핑 챔버(52) 내로 연장하고 격막(54)과 접촉한다. 펌프 플런저(48)는 축방향으로 그리고 완전 연장된 위치와 완전 수축된 위치 사이에서 펌핑 및 커넥터 서브조립체(22) 내에서 활주 가능하게 억제된다. 펌 프 플런저(48)가 완전히 수축된 위치에 있을 때, 이는 격막(54)을 만곡시키지 않고, 즉 격막(54)이 비만곡(unflex) 위치에 있게 접촉시킨다. 펌프 플런저(48)가 완전히 연장된 위치에 있을 때, 격막(54)은 펌프 플런저(48)에 의해 만곡 위치 내로 이동된다. 펌프 플런저(48)의 왕복 이동은 격막(54)의 진동을 유발하여, 펌핑 챔버(52) 내에서 펌핑 압력을 생성시킨다. 이 펌핑 압력은 용액 백(25)으로부터 반응 챔버(26)까지 구연산 용액을 펌핑하는데 효과적이다.
펌프 플런저(48)의 왕복 이동은 펌프 플런저(48)의 기단부에 위치된 플런저 헤드(72)에 연결된 형상 기억 합금 와이어(70)의 수축 및 연장에 의해 달성된다. 형상 기억 합금 와이어(70)는 일반적으로 "니티놀(nitinol)"로 공지된 니켈-티타늄 합금과 같은 형상 기억 합금 재료로 이루어진다. 형상 기억 합금 재료는 온도 또는 열에 민감하다. 예를 들면, 니티놀은 니티놀의 조성에 의해 지시된 온도 범위에서 일시적으로 수축한다. 본 실시예에서는, 니티놀 와이어(70)는 약 100 ℃에서 수축한다. 니티놀 합금은 상대적으로 낮은 온도에서 팽창할 것이고, 그 원래 상태로 복귀한다. 이런 수축 온도 이상으로 가열됨에 반응하여, 니티놀 합금은 그 길이 변화와 같은 치수 변화를 수반한다. 이런 방식으로, 니티놀 와이어(70)는 그 수축 온도 이상으로 순환하고 그 팽창 온도 이하로 냉각하는 반복된 온도를 거쳐 반복적으로 길이의 감소를 수반할 수 있고 그 원래 길이로 복귀한다.
전술한 바와 같이, 치수 변화를 수반하는 공정에 있어서, 형상 기억 합금 재료는 온도 변화에 따라 가역 위상 천이 또는 전환, 또는 가역 구조 위상 천이를 거친다. 일반적으로, 이런 천이는 예를 들면, 재료의 결정 구조의 변화에 의해서 또 는 분자 레벨에서 물질의 재배열에 의해서 물질의 하나의 고체 위상에서 다른 위상으로의 물질의 변화를 나타낸다. 니티놀 와이어(70)의 경우에 있어서, 초탄성 합금은 저온 위상 또는 마르텐사이트 위상 및 고온 위상 또는 오스테나이트 위상을 갖는다. 이들 위상들은 또한 강성 위상 및 연하고 단련 가능한 위상, 또는 민감 위상의 관점에서 언급될 수 있다.
니티놀 와이어(70)는 플런저 헤드(72)를 통해 나사 형상되고, 각각의 단부에서 크림프 연결부(74)에 의해 펌핑 및 커넥터 서브조립체(22)에 부착된다. 니티놀 와이어(70)는 그 강성 위상에 있을 때 플런저(48)가 수축 위치에 있도록 위치된다. 니티놀 와이어(70)가 민감 위상에 있을 때, 플런저 헤드(48)는 완전히 연장된 위치에 있다. 크림프 연결부(74)는 제어 유닛(23) 내에 위치된 재충전 배터리(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되는 전기 와이어(도시되지 않음)에 연결된다. 그 다음, 배터리는 연료 전지(14)에 의해 생성된 전기에 의해 배터리가 재충전되도록 전기 커넥터(20)에 전기적으로 연결된다. 니티놀 와이어(70)을 통한 전기 와이어로부터의 전류는 수축 온도 이상으로 니티놀 와이어(70)의 가열을 초래하여, 플런저(48)가 수축된 위치에서 연장된 위치까지 이동하도록, 즉 압축 행정을 수행하도록 한다. 플런저(48)가 완전히 연장된 위치에 도달할 때, 플런저 헤드는 제어 유닛(23)과 전기적으로 소통하고 전기 유닛(23)과 신호를 보내는 검출기 스위치(76)와 접촉하게 된다. 이런 신호를 수신할 때, 제어 유닛(23)은 배터리 또는 연료 전지 시스템으로부터의 전류 유동을 정지시키고, 와이어(70)는 냉각하여 팽창 온도 이하로 떨어지게 된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 와이어(70)에 제공된 전류의 펄스 길이는 와이어가 수축되기에 충분히 가열되도록 당업계의 공지된 방법에 의해 제어될 수 있다. 와이어(70)는 그 원래 길이로 팽창하고, 플런저(48)는 완전히 수축된 위치로 다시 이동, 즉 팽창 행정을 수행한다. 플런저 행정의 주파수는 요구되는 수소 가스의 양에 의해 지시된다. 가스가 더 요구될 경우, 반응 챔버(26)에 펌핑되는 용액은 더 필요하고 플런저 행정의 주파수는 증가된다.
특정 펌핑 구성 요소들, 즉 연료 카트리지(10) 외부의 니티놀 와이어(70), 플런저 헤드(72), 플런저(48)를 위치시킴으로써, 카트리지(10)의 제조 비용이 감소된다. 또한, 격막(52)을 갖는 펌핑 챔버(52)를 밀봉함으로써, 구연산 용액은 연료 카트리지(10)를 떠나도록 허용하지 않는다. 이런 설계는 산 누출에 의해 야기되는 손상 또는 손해 등을 최소화한다. 연료 카트리지(10)를 떠나도록 허용된 유일한 액체는 포트(40)를 거친 수소 가스이다. 이러한 설계에 의해 제공되는 다른 이점은 가스 생성의 단순 제어이다. 수소 가스는 구연산 용액이 고체 NaBH4와 혼합될 때에만 생성되기 때문에, 펌핑률은 수소 가스 생성률을 전체적으로 제어한다.
본 발명 및 그 이점들을 상세히 서술하였지만, 본 발명은 본 명세서에 도시되거나 또는 서술된 것에 제한되거나 또는 한정되는 것이 아님을 이해할 것이다. 본 명세서에서의 도면, 상세한 설명 및 논의는 본 발명의 예들을 나타낸 것이고 본 발명의 사용예를 제공한 것이다. 당업계의 숙련자라면 본 발명의 원리, 사상 및 법률적인 범주를 벗어나지 않고 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 청구항들 및 법률적으로 동등한 것에 의해 결정되어 야 한다.

Claims (17)

  1. 연료 전지 장치이며,
    a) 액체 반응제 분배기, 반응 챔버, 및 커넥터 서브조립체를 포함하는 연료 카트리지로서, 상기 커넥터 서브조립체는 액체 반응제 분배기에 유체 연결된 입구, 반응 챔버에 유체 연결된 출구, 입구 및 출구와 유체 소통하는 가요성 격막을 포함하는 연료 카트리지와,
    b) 연료전지 및 커넥터 서브조립체를 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 상기 커넥터 서브조립체는 연료 카트리지 커넥터 서브조립체에 연결가능하고 작동기와 작동기에 결합되며 연료 카트리지와 연료 전지 시스템이 연결될 때 격막에 접촉하는 왕복 부재를 포함하는 연료 전지 시스템을 포함하며,
    작동기와 왕복 부재의 왕복 운동은 다이아프램을 왕복시키고, 액체 반응제를 연료 전지 시스템에 노출시키지 않으면서 액체 반응제 분배기로부터 반응 챔버로 액체 반응제를 펌핑하는 연료 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 반응제 챔버는 액체 반응제와 혼합시 수소 가스를 발생시키는 고체 반응제를 내장하는 연료 전지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 연료 카트리지 수집기 서브조립체는 반응 챔버에 유체 연결된 수소 배출 포트를 더 포함하고, 연료 전지 시스템 수집기 서브조립체는 흡기 포 트를 더 포함하며, 상기 흡기 포트는 연료 전지에 유체 연결되며 연료 카트리지와 연료 전지 시스템이 연결될 때 배출 포트와 정렬되는 연료 전지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 액체 반응제는 구연산 용액이고, 고체 반응제는 수소화붕소나트륨인 연료 전지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 작동기는 형상 기억 합금이고, 형상 기억 합금을 수축 온도를 초과하여 가열할 수 있는 전원에 전기적으로 연결되어 있는 연료 전지 장치.
  6. 제5항에 있어서, 작동기는 왕복 부재에 결합되고 양 단부에서 크림핑 커넥터에 부착되어 궁형 구조를 형성하는 니티놀 와이어인 연료 전지 장치.
  7. 제6항에 있어서, 와이어는 강성 위상에서 왕복 부재가 수축된 위치에 있게 되고, 반응 위상에서 왕복 부재가 연장된 위치에 있게 되도록 장착되는 연료 전지 장치.
  8. a) 유체 입구, 유체 출구, 유체 입구 및 유체 출구와 유체 소통하는 가요성 격막을 포함하는 제1 서브조립체와,
    b) 제1 서브조립체에 연결가능한 제2 서브조립체를 포함하고,
    제2 서브조립체는 작동기와, 작동기에 결합되며 제1 및 제2 서브조립체가 연 결될 때 격막과 접촉하는 왕복 부재를 포함하고,
    작동기와 왕복 부재의 왕복 운동은 격막을 왕복시키고, 유체를 제2 서브조립체에 노출시키지 않으면서 유체 입구로부터 유체 출구로 유체를 펌핑하는 유체 펌프.
  9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2 서브조립체는 제1 및 제2 서브조립체를 제거가능하게 함께 연결하는 커넥터를 더 포함하는 유체 펌프.
  10. 제9항에 있어서, 커넥터는 자성인 유체 펌프.
  11. 제8항에 있어서, 제1 서브조립체는 연료 카트리지에 장착되고, 상기 유체는 고체 반응제와 혼합시 수소를 발생시키는 액체 반응제인 유체 펌프.
  12. 제11항에 있어서, 액체 반응제는 구연산 용액이고, 고체 반응제는 수소화붕소나트륨인 유체 펌프.
  13. 제12항에 있어서, 제2 서브조립체는 연료 전지 시스템에 장착되고, 연료 카트리지에 의해 발생된 수소 가스를 수용하고 수소 가스를 연료 전지 시스템 내의 연료 전지에 전달하기 위한 흡기 포트를 구비하는 유체 펌프.
  14. 제8항에 있어서, 작동기는 형상 기억 합금이고, 형상 기억 합금을 수축 온도를 초과하여 가열할 수 있는 전원에 전기적으로 연결되는 유체 펌프.
  15. 제14항에 있어서, 작동기는 왕복 부재에 연결되고 양 단부들에서 크림핑 커넥터에 부착되어 궁형 구조를 형성하는 니티놀 와이어인 유체 펌프.
  16. 제15항에 있어서, 와이어는 이완 위상에서 왕복 부재가 수축된 위치에 있게 되고 긴축 위상에서 왕복 부재가 연장된 위치에 있게 되도록 장착되는 유체 펌프.
  17. 유체 펌프 및 커넥터 조립체이며,
    a) 유체 입구와, 유체 출구와, 유체 입구 및 유체 출구와 유체 소통하는 가요성 격막과, 제1 커넥터를 포함하는 제1 서브조립체와,
    b) 제1 커넥터에 연결되도록 구성되는 제2 커넥터와, 작동기와, 작동기에 연결되며 제1 및 제2 서브조립체가 연결될 때 격막과 접촉하는 왕복 부재를 포함하는 제2 서브조립체를 포함하고,
    작동기와 왕복 부재의 왕복 운동은 격막을 왕복시키고, 유체를 제2 서브조립체에 노출시키지 않으면서 유체 입구로부터 유체 출구로 유체를 펌핑하는 유체 펌프 및 커넥터 조립체.
KR1020087005963A 2005-08-11 2006-08-11 유체 펌프 및 커넥터 조립체 KR20080071118A (ko)

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