연료 카트리지용 연료 게이지 document_id A220623030730

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(alkali fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell) 및 효소 연료전지(enzyme fuel cell) 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 양자교환 막(Proton Exchange Membrane: PEM, 이하 "PEM") 연료전지, 그리고 메탄올(CH3OH) 연료를 직접 사용하는 PEM 연료전지(직접형 메탄올 연료전지 또는 DMFC, 이하 "DMFC")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 막전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 이하 "MEA")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 반쪽 반응: CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e- 캐소드에서의 반쪽 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 수밖에 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 DuPont 사의 Nafion 과 같은 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer)로서 대략 0.05mm로부터 0.50mm 두께범위의 불소화물질이나 기타 적절한 막으로 만들어진다. 애노드는 전형적으로 백금-루테늄과 같은 얇은 촉매층이 증착된 테프론처리 카본지 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 전형적으로 막의 일측면에 백금입자가 접착된 가스확산전극이다. 수소화붕소나트륨 개질기 연료전지의 연료전지 반응은 다음과 같다; NaBH4(수용액) ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(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. 연료 카트리지의 사용수명기간동안에 남아있는 연료를 계측하는 것은 중요한 것이다. 종래기술은 수직탱크의 경우 유체 수위를 측정하기 위한 여러가지 센서 또는 연료-물 혼합물에서 메탄올의 농도를 측정하기 위한 센서를 개시한다. 예를 들어, 미국특허출원공개공보 제2003/0077491호는 용기의 하중에 의하여 인가되는 압축력을 측정하는 유체 수위 검출기를 기술하고 있다. 미국특허출원공개공보 제2003/0091883호는 유체 수위를 확인하기 위한 범용 센서를 언급하고 있다. 미국특허 제6,584,825호에는 수소가스용 연료 게이지가 기술되어 있다. 미국특허 제6,254,748호와 제6,306,285호 및 미국특허출원공개공보 제2003/00131663호와 제2003/013462호에는 연료혼합물내의 메탄올 농도를 측정하기 위한 여러가지 방법과 장치가 기술되어 있다. 그러나, 종래기술은 연료 카트리지가 어떠한 방향에 놓여 있다하더라도 측정기능을 발휘할 수 있는 연료 게이지에 관하여 기술하고 있는 것은 없다.