가요성 라이너를 구비한 연료 카트리지 document_id A220623030397

연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접적으로 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전이나 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치보다도 더 효율적이어서 그 이용이 증가하고 있다. 일반적으로 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 오늘날 가장 중요한 연료전지로서는 일반적으로 세 가지 종류로 나눌 수 있는데, 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, 연료로서 메탄올(CH3OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 탄화수소(부탄 등의), 또는 수소연료로 변환된 기타 연료를 사용하는 수소이온 교환막(PEM, 이하 "PEM"이라 한다) 연료전지, 그리고 메탄올(CH3OH) 연료를 직접 사용하는 PEM 연료전지(직접형 메탄올 연료전지 또는 DMFC, 이하 "DMFC"라 한다)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 시스템을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전되어 가전분야 기기에 유망해졌다. DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로, 가장 단순하면서도 가장 소형화될 수 있는 연료전지로서 가장 유망하게 가전분야 기기에 적용될 수 있다. 비교적 많이 사용되는 통상적인 DMFC는 일반적으로 공기 또는 산소와 같은 산화제를 캐소드 전극에 공급하는 팬 또는 콤프레서와, 물/메탄올 혼합물을 애노드 전극에 공급하는 펌프 및 막(Membrane) 전극 어셈블리(MEA, 이하 "MEA"라 한다)를 포함한다. 상기 MEA는 일반적으로 캐소드, PEM 및 애노드를 포함한다. 동작 중에 상기 물/메탄올 연료액 혼합물이 바로 상기 애노드로 공급되고, 상기 산화제는 상기 캐소드로 공급된다. 상기 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에서의 전체 반응은 다음과 같다; 애노드에서의 반응: CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e- 캐소드에서의 반응: O2 ＋ 4H+ ＋ 4e- → 2H2O 전체 연료전지 반응: CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O 수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자는 외부회로에 흐를 수 밖에 없고, 결국 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로로서는 이동전화, 계산기, PDA, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 유용한 가전분야 기기가 될 수 있다. DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에서 다루어지고 있다. 일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion 과 같은 폴리머로서 대략 0.05mm로부터 0.50mm 두께범위의 불소화물질이나 기타 적절한 막으로 만들어진다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박막층이 표면에 도포된 테플론화 카본 페이퍼 지지체로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 막의 일 측면에 결합된 가스 확산 전극으로 된다. 수소화붕소나트륨 개질기 연료전지의 연료전지 반응은 다음과 같다; NaBH4(수용액) ＋ H2O → (열 또는 촉매) → (H2) ＋ NaBO2(수용액) H2 → 2H+ ＋ 2e- (애노드) 2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O (캐소드) 기타 금속 중에서 적절한 촉매로서는 백금 및 루테늄이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2와 같은 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 부산물인 물을 만들어낸다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 개질처리 과정에서 얻어진다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허출원공개공보 제2003/0082427호에서 다루어지고 있다. 연료전지용의 비압축적 및 압축적 휴대가능한 연료탱크나 연료저장기 다수가 특허문헌에 개시되고 있다. 미국특허출원공개공보 제2002/0018925A1호는 캐비티(Cavity)를 지니는 전자기기를 개시하고 있으며, 이에는 연료를 함유하는 재충전 가능한 풍선이 비축된다. 이 풍선은 탄성 물질로 만들어진다. 미국특허출원공개공보 제2003/0008193A1호는 연료 및 흡수성 물질을 함유하는 가요성 벽을 지닌 연료탱크를 개시하고 있다. 미국특허 제6,460,733B2호에서는 외부용기 내에 배치된 내부 연료용기를 포함하는 다중 벽 연료탱크를 개시한다. 상기 내부용기는 강체, 반강체 또는 가요성 벽을 가질 수 있다. 상기 두 용기 간의 밀폐공간은 파손되는 경우나 처분하기 이전에 메탄올 연료를 중화하기 위한 약품 또는 첨가물을 포함한다. 연료는 중력에 의하거나 또는 외부 용기 내부에 위치한 고압 가스원에 의하여 연료 저장기로 공급되거나 또는 직접 애노도 전극으로 공급된다. 또한, 연료를 연료전지와 소통시키기 위하여 외부펌프가 구비된다. 미국특허 제6,506,513B1호에서는 연료를 함유하는 탱크와 내부 벨로우(Bellow) 내부의 일정 압력을 유지하기 위한 압력조정 메커니즘을 지니는 연료탱크를 개시한다. 미국특허공고공보 제2002/0197522호 및 2003/0082427호에서는 연료 블래더(Bladder) 와 상기 연료 블래더에 인가된 가압 메커니즘을 포함하는 연료 카트리지를 개시한다. 특히, 상기 2003/0082427호에서는 연료전지로부터 액체 부산물을 수용하도록 되는 블래더를 개시한다. 미국특허출원공개공보 제2002/0127451A1호에서는 PEM과 메탄올 연료를 직접 접촉하여 저장하는 소형 PEM 연료전지를 개시하는데, 부산물인 CO2는 하우징으로 배출되어 이를 가압하게 된다. 또한, 상기 하우징은 이의 과도한 압축을 방지하기 위한 배기밸브와 연료를 보충하기 위한 흡입밸브를 구비한다. 이 기술은 별도의 연료탱크나 연료카트리지를 개시하지 아니한다. 최근에는 별도의 블래더에 물과 CO2 부산물뿐만 아니라 연료를 저장하는 밀봉된 연료탱크가 개시된 바 있다(Neah Power Systems, Bothell, Washington). 그러나, 이러한 선행기술들은 챔버 벽이 다른 벽과 접촉되는 경우 상기 내부 챔버에 갇힌 잔류 연료를 최소화하는 가요성의 내부 챔버를 지니는 연료 카트리지라든지, 또는 아래 기술하는 장점과 특징을 지니는 연료 카트리지를 개시하지는 않는다. 003c#발명의 개요003e# 따라서, 본원 발명은 연료전지용으로 적합한 연료 카트리지에 관한 것이다. 또한, 본원 발명은 개질 연료전지용으로 적합한 연료 카트리지에 관한 것이다. 또한, 본원 발명은 직접형 메탄올 연료전지용으로 적합한 연료 카트리지에 관한 것이다. 또한, 본원 발명은 다중 벽 연료 카트리지에 관한 것이다. 또한, 본원 발명은 가요성 내부 라이너를 가지는 연료 카트리지에 관한 것이다. 또한, 본원 발명은 적어도 하나의 릴리프(Relief) 밸브를 가지는 연료 카트리지에 관한 것이다. 본원 발명의 한 관점은 연료전지용 연료를 수용하는 외부 케이싱 및 내부 가요성 라이너를 포함하는 연료전지 또는 연료 재충전 용기에 연결 가능한 연료 카트리지에 관한 것이다. 상기 내부 가요성 라이너는 그 내부에 배치된 삽입재를 가지고 있어 연료가 카트리지로부터 연료전지로 이송되는 것을 용이하게 한다. 상기 삽입재는 가요성 및/또는 실질적 강체 리브를 포함할 수 있고, 상기 리브는 상기 라이너와 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 라이너는 발포 삽입재 또는 메쉬 삽입재로 될 수 있다. 또한, 상기 삽입재는 복수의 입자로 구성될 수 있다. 상기 입자들은 상호 연결되거나 상호 자유로울 수 있다. 상기 내부 라이너는 차단밸브와 연결되며, 연료는 상기 차단밸브로부터 상기 연료전지로 이송된다. 상기 카트리지의 상기 외부 케이싱은 실질적으로 강체 또는 가요성으로 될 수 있다. 또한, 이는 밀봉될 수 있거나 주위 공기와 유체 소통될 수 있다. 상기 외부 케이싱은 개방구조를 가질 수 있으며, 이는 뚜껑, 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막, 액체 흡수성 충전재로 덮이거나 피복될 수 있다. 또한, 상기 카트리지는 상기 외부 케이싱 상에 배치되는 제 1 일방향 릴리프 밸브를 구비할 수 있다. 상기 제 1 일방향 릴리프 밸브는 간헐적으로 공기를 상기 카트리지 내부로 유입시켜 상기 카트리지 내부에 부분적인 진공이 형성되는 것을 방지한다. 상기 제 1 일방향 릴리프 밸브는 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막, 액체 투과성 막, 액체 흡수성 충전재로 피복될 수 있다. 상기 제 1 일방향 릴리프 밸브는 포핏형 밸브로 됨이 바람직하다. 상기 연료전지 내에서 생성된 상기 가스 및/액체 부산물은 상기 카트리지 내부에 있어 상기 외부 케이싱 및 상기 내부 라이너 간의 내부 공간으로 이송될 수 있다. 또한, 상기 카트리지는 상기 외부 케이싱 상에 배치되어 상기 내부 공간과 유체 소통하는 제 2 일방향 릴리프 밸브를 포함할 수 있다. 상기 제 2 일방향 릴리프 밸브는 간헐적으로 가스를 상기 카트리지로부터 주위 대기로 배출한다. 상기 제 2 일방향 릴리프 밸브는 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막 또는 액체 흡수성 충전재로 피복될 수 있다. 상기 제 2 일방향 릴리프 밸브는 포핏형 밸브로 됨이 바람직하다. 상기 카트리지는 상기 제 1 및 제 2 일방향 릴리프 밸브 모두를 구비할 수 있다. 또는, 상기 외부 케이싱은 개방구조를 가지고 가스 투과성이면서도 액체 불투과성인 막 또는 액체 흡수성 충전재로 피복될 수 있다. 상기 가스 부산물은 상기 개방구조를 통하여 연속적으로 배출될 수 있다. 또한, 상기 카트리지는 상기 내부 라이너를 가압하기 위한 에너지 저장기구를 구비할 수 있다. 상기 에너지 저장기구는 압축된 스프링, 압축된 발포재, 부탄, n-부탄, 프로판 등의 압축된 가스, 액체 프로판으로 될 수 있다. 또한, 상기 내부 라이너는 압축된 스프링, 압축된 발포재, 부탄, n-부탄, 프로판 등의 압축된 가스, 액체 프로판과 같은 외부 에너지 저장기구로 될 수 있으며, 이는 상기 카트리지를 수용하게 되는 전자기기 내부에 배치된다. 상기 외부 스프링 기구는 상기 카트리지를 상기 전자기기에 삽입되는 동안 압축된다. 또한, 상기 카트리지는 상기 카트리지의 상기 외부 케이싱 내부에 미끄럽게 배치되는 이동 벽을 포함할 수 있다. 상기 이동 벽은 상기 외부 케이싱을 가압하여 상기 외부 케이싱과 밀봉을 형성하는 와이퍼를 포함할 수 있다. 상기 이동 벽은 상기 카트리지 내부에서 상기 연료와 접촉하게 된다. 상기 외부 케이싱은 폴리테트라플루오로에틸렌(Teflon®) 등의 마찰 감소 필름으로 피복되어 상기 와이퍼가 상기 외부 케이싱에 따라 이동하는 것을 용이하게 한다. 상기 에너지 저장기구는 상기 이동 벽 상에 압력을 가하여 연료가 상기 카트리지 외부로 이송되도록 돕는다. 또한, 상기 내부 라이너는 착색되어 사용자로 하여금 상기 카트리지 내부의 잔류하는 연료의 량을 시각적으로 판단할 수 있도록 할 수 있다.