KR101049502B1 - 수소발생 장치 - Google Patents

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오드제이슨에스
로만저스틴
시바타알란
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에버레디 배터리 컴퍼니, 인크.
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Abstract

본 발명은, 화학반응 챔버, 화학용액 저장조, 및 화학용액을 상기 화학용액 저장조로부터 화학반응 챔버로 이동시키기 위한 무전력공급 압력발생부재를 포함하는, 수소발생 장치에 관한 것이다.

Description

수소발생 장치{HYDROGEN GENERATING APPARATUS}
도 1은 양성자 교환막(PEM) 연료전지 장치의 미조립 투시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 연료전지 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 4b는 도 4a의 실시양태의 따른 수소발생기 투시도이다.
도 4c는 도 4b의 실시양태에 따른 수소발생기 일부 내부 구성요소의 투시도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 수소발생기의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시양태에 따른 수소발생기에 대한 조절 구조의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시양태에 따른 수소발생기에 대한 조절 알고리즘의 흐름도이다.
상기 도면에서, 동일한 참조번호는 유사한 구성요소를 지칭하나 반드시 동일한 구성요소를 지칭하지는 않는다. 본 발명은 다양한 개질형태 및 선택적인 형태가 가능하지만, 도면에서는 이들의 특정 실시양태를 실례로서 도시한 것이며 이에 대해 본원에서 상세히 기술된다. 그러나, 특정 실시양태의 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하고자 함이 아니고, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 진의 및 범주에 포함되는 한 모든 개질, 동등물 및 변형이 본 발명에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 연료전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료전지에 대한 수소발생 방법 및 연료전지용 수소발생 장치에 관한 것이다.
지난 세기에 걸쳐 에너지에 대한 수요는 점차 증가하여 왔다. 에너지 수요가 증가하면서, 수많은 상이한 에너지 공급원들이 조사되고 개발되었다. 지금까지, 에너지의 주요 공급원중 하나는 탄화수소의 연소이었고, 앞으로도 그럴 것이다. 그러나, 탄화수소의 연소는 일반적으로 불완전 연소이고 스모그 및 기타 오염물질의 원인이 되는 다양한 양의 불연성 물질을 발생시킨다.
탄화수소의 연소에 의해 발생된 오염물질로 인해, 최근에는 보다 청정한 에너지 공급원에 대한 요구가 증가하고 있다. 보다 청정한 에너지 공급원에 대한 관 심이 증가하면서, 연료전지는 점점 대중화 및 정교해졌다. 연료전지에 대한 연구 및 개발에 따라 연료전지는 조만간 다량의 도시용 전기를 생산하는 가스 터빈, 내연기관 동력공급 자동차, 및 각종 크고 작은 전자장치를 구동시키는 배터리와 경쟁하게 될 것이라는 관점에서 지속되어 왔다.
연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 수행한다. 연료전지는 배터리와 유사하나, 전력의 공급도중 "재충전"될 수 있다는 점에서 다르다.
연료전지는 자동차, 조명기구 또는 다수의 전기 용품에 대한 전력 공급용으로 사용될 수 있는 DC(direct current: 직류) 전압을 제공한다. 각각 상이한 화학을 이용하는 다수의 상이한 유형의 연료전지가 존재한다. 연료전지는 일반적으로 사용되는 전해질의 유형에 따라 분류된다. 연료전지 유형은 일반적으로 양성자 교환막(PEM) 연료전지, 알칼리성 연료전지(AFC), 인산 연료전지(PAFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 및 용융 카보네이트 연료전지(MCFC)의 1 내지 5개의 군으로 분류된다.
PEM 연료전지
PEM 연료전지는 현재 가장 유망한 연료전지 기법으로서 여겨지고 있으며, 이것은 연료전지의 가장 단순한 반응중 하나를 사용한다. 도 1에 도시한 바와 같이, PEM 연료전지는 전형적으로 애노드(20), 캐쏘드(22), 전해질(PEM)(24), 및 상기 전해질(24)의 각 면에 배열된 촉매(26)의 4개의 기본 소자를 포함한다.
애노드(20)는 연료전지의 네거티브(-) 포스트로서, 수소 분자로부터 해리된 전자를 외부 회로(21)에서 사용될 수 있도록 전도시킨다. 애노드(20)는 수소 기체를 촉매(26)의 표면 위로 가능한한 고르게 분산시키도록 에칭된 채널(28)을 포함한다.
캐소드(22)는 연료전지의 포지티브(+) 포스트로서, 산소(일반적으로, 공기)를 촉매(26)의 표면으로 고르게 분포시키도록 에칭된 채널(30)을 포함한다. 또한, 상기 캐쏘드(22)는 전자를 외부 회로로부터 다시 촉매로 이동시키고, 이 때 수소 이온 및 산소와 재결합하여 물을 형성할 수 있다. 물은 상기 PEM 연료전지의 유일한 부산물이다.
전해질(24)은 양성자 교환막(PEM)(24)이다. PEM은 양으로 하전된 이온만을 이동시키는 특수 처리된 다공성 물질이다. PEM(24)은 전자의 통행을 차단한다.
촉매(26)는 전형적으로 탄소 페이퍼 또는 천 위에 얇게 피복된 백금 분말이다. 촉매(26)는 수소 또는 산소에 노출될 수 있는 백금의 표면적을 최대화시키기 위해 거칠고 다공성인 것이 일반적이다. 촉매(26)는 산소 및 수소의 반응을 촉진시킨다.
연료전지의 구동시, PEM(24)은 애노드(20)와 캐쏘드(22) 사이에 삽입된다. 연료전지의 조작은 일반적으로 다음과 같이 기술될 수 있다. 가압된 수소기체(H2)가 애노드(20) 측의 연료전지에 도입된다. H2 분자는 촉매(26)의 백금과 접촉하면 2개의 H+ 이온 및 2개의 전자(e-)로 나뉘어진다. 상기 전자는 애노드(20)를 따라 이동하고, 외부 회로(21)를 거쳐 유용한 작업(예를 들어, 자동차를 회전시키거나 전구(23)를 점등시킨다)을 수행할 전력을 제공하고 연료전지의 캐쏘드측으로 복귀한다.
한편, 연료전지의 캐쏘드(22) 측에서는, 촉매(26)를 통해 산소 기체(O2)가 가해진다. 일부 PEM 연료전지 시스템에서, O2 공급원은 공기일 수 있다. O2가 촉매(26)를 통과함에 따라, 2개의 산소 원자가 형성되고, 이들은 각각 강한 음전하를 띤다. 음전하는 PEM(24)을 통해 2개의 H+ 이온을 공격하고, 이 때 산소 원자 및 외부 회로로부터의 2개의 전자가 결합하여 물 분자(H2O)를 형성한다.
전술한 PEM 연료전지 반응은 약 0.7V만을 발생시키므로, 보다 유용한 수준의 전압으로 증가시키기 위해 종종 다수의 개별적인 연료전지를 결합하여 연료전지 적층체를 형성한다.
PEM 연료전지는 전형적으로 매우 낮은 온도(약 80℃/176℉)에서 수행되며, 이는 이들을 신속히 승온시키게 하고, 통상적인 전기생산과 관련된 고온에 견딜 수 있는 특수 물질을 요구하지 않으므로 저렴한 억제 구조로 하우징되게 한다.
연료전지의 수소발생
전술한 바와 같이, 상기 연료전지는 각각 산소 및 수소를 사용하여 전기를 발생시킨다. 연료전지에 필요한 산소는 일반적으로 공기에 의해 공급된다. 실제로, PEM 연료전지에서는 주변 조건에서의 통상적인 공기가 캐쏘드로 펌핑된다. 그러나, 수소는 산소만큼 용이하게 효용되지 않는다.
수소는 발생, 저장 및 분포되기가 어렵다. 연료전지에 대한 수소를 발생시키는 통상적인 방법중 하나는 개질제(reformer)를 사용하는 것이다. 개질제는 탄화수소 또는 알콜 연료를 사용하여 수소를 발생시킨 다음, 이를 연료전지로 공급한다. 불행하게도, 개질제에는 문제점이 있다. 탄화수소 연료가 가솔린 또는 일부 기타 통상적인 탄화수소인 경우, SOx, NOx 및 기타 바람직하지 못한 생성물이 발생한다. 특히, 황은 반드시 제거해야 하며, 그렇지 않을 경우 전극 촉매를 손상시킬 수 있다. 개질제는 통상적으로 공급원료 물질의 공급을 위해 다량의 에너지를 소비하는 고온에서도 조작된다.
또한, 수소는 촉매의 존재하에 연료 공급원을 사용한 저온 화학반응에 의해 발생될 수도 있다. 그러나, 수소를 발생시키는데 있어 저온 화학반응은 많은 문제점을 안고 있다. 주요 문제점중 하나는 화학적 혼합물을 촉매제가 충전된 반응 챔버로 이동시키기 위한 펌프가 필요하다는 점이다. 펌프의 사용에 따라 연료전지가 생성하는 전력("기생 전력(parasitic power)"이라 지칭됨)의 적어도 일부가 소비된다. 펌프에 의해 소비된 전력이 지나치게 큰 경우에는 연료전지의 발전조작이 비경제적이다.
또한, 반응 챔버에 제공된 화학적 혼합물은 정밀하게 계량되어 발전 화학반응을 효과적으로 촉진시켜야 한다. 정밀 계량 장비는 비용, 복잡성, 및 펌핑 시스템에 대한 민감도를 증가시키고, 기생 전력 소모를 증가시킨다. 또한, 전형적인 연료전지는 일반적으로 배향-특이적이며, 이는 연료전지가 특정 배향일 경우에만 화학적 혼합물의 계량이 수행될 수 있음을 의미한다. 배향-특이성 연료전지 시스템은 휴대용 소비자 전자장치 및 기타 장치에서 다양하게 사용될 수 있는 유용성, 및 배향의 변화를 제한한다.
또한, 디지털 카메라 및 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용 소비자 제품에서 연료전지를 사용하기 위한 또다른 시도로서 안전하고 에너지-밀도가 높은 수소 연료 공급원을 제공하고 있다. 전기 발생에 사용되는 연료전지 시스템으로, 예를 들어 전술한 PEM 연료전지가 있지만, 이들은 전형적으로 소형이 아니며 대부분의 휴대용 소비자 제품에 사용될 정도로 충분한 밀집성을 나타내지 않는다.
전술한 내용, 및 본 발명의 기타 특징 및 양태는 하기 상세한 설명 및 도면을 참고로 보다 명백히 이해될 것이다.
본 발명은, 다른 것들 중에서도, 화학반응 챔버, 화학용액 저장조, 및 화학용액을 화학용액 저장조로부터 화학반응 챔버로 이동시키기 위한 무전력공급 압력발생부재를 포함하는, 수소발생 장치를 제공하고자 한다.
이하, 본 발명의 실시양태를 기술한다. 당해 분야의 숙련자들에게 인지되는 바와 같이, 본 발명은 특히 연료전지에 대한 수소발생을 위한 다양한 화학반응으로 수행될 수 있을 것이다. 상기 연료전지 적용은 PEM 연료전지, AFC, PAFC, SOFC 및 MCFC를 포함하나, 이들로써 한정되는 것은 아니다.
도면, 특히 도 2에서 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 연료전지 시스템의 개략도를 도시한다. 도 2의 실시양태에서는 수소발생 장치(42)와 유체연통하는 연료전지(40)가 존재한다. 수소발생 장치(42)는 화살표(44)로 표시된 통로를 따라 수소 기체의 공급물을 제공할 수 있다. 또한, 또다른 화살표(46)로 표시된 바와 같이 주변 공기에 의해 제공될 수 있는 산소의 공급물도 연료전지와 유체연통할 수 있다.
연료전지(40)는 외부 회로(48)를 통해 전기적 부하(50)에 전력을 제공할 수 있다. 전기적 부하는 전기적으로 작동되는 장치로서 디지털 카메라, 랩탑 컴퓨터 및 기타 휴대용 전자장치를 포함하나 이들로써 한정되는 것은 아니다. 또한, 외부 회로(48)가 임의의 전기 커패시터 또는 배터리(52)에 연결될 수 있으며, 이는 전기적 부하(50)에 예비 전력을 제공하도록 연료전지(40)와 전기적으로 병렬로서 도시된다.
연료전지(40) 내부에서 에너지 발생 화학반응이 발생하도록 수소기체를 연료전지(40)에 제공하기 위해서는 수소발생 장치(42)가 필수적이다. 수소발생 장치(42)는 다수의 상이한 형태를 취할 수 있다. 도 3에서 본 발명에 따른 수소발생 장치(54)의 가능한 실시양태중 하나를 도시한다. 도 3의 실시양태에 따르면, 수소발생 장치(54)는 화학용액 저장조를 포함하고, 본 실시양태에서는 수소-함유 연료의 공급물을 함유한 신규용액 백(56)이다. 상기 수소-함유 연료는 각각 수소 기체를 발생시키는 수성 금속 하이드라이드(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드) 및 아민 보란을 포함할 수 있으나, 이들로써 한정되는 것은 아니다. 신규용액 백(56)은 바람직하게는 플라스틱, 엘라스토머, 또는 일반적으로 변형가능하고 유체 용액을 함유할 수 있는 기타 물질로 제조된 가요성 백이다.
신규용액 백(56)에 대한 배열은 무전력공급 압력발생부재, 예를 들어 신규용액 백(56)에 인접하게 위치한 스프링(58)일 수 있다. 상기 "무전력공급"이란 용어는 압력발생부재를 작동시키는데 전기 에너지를 소비하거나 모터로부터의 동력을 필요로 하지 않음을 의미한다. 상기 스프링(58)은 신규용액 백(56)을 향해 치우친 하나 이상의 부재를 포함하여 신규용액 백(56)의 내부에 함유된 수소-함유 연료의 압력을 증가시킬 수 있다. 수소-함유 연료를 가압함으로써 수소-함유 연료의 신규용액 백(56)으로부터 화학반응 챔버(60)로의 이동을 촉진시킨다. 스프링(58) 및 신규용액 백(56)은 "스프링-백", 즉 화학용액을 함유하는 가요성 백 또는 용기를 구성할 수 있으며, 여기에서 기계적 압력발생부재, 예를 들어 스프링 또는 기타 바이어싱 부재에 의해 압력이 발생되어 화학용액을 배출시키는 것을 보조한다.
화학반응 챔버(60)는 신규용액 백(56)으로부터 분리될 수 있으며 수소 기체를 발생시키는 화학반응을 하우징하도록 설계될 수 있다. 화학 반응 챔버(60)는 수소기체를 발생시키는데 사용되는 반응물에 따라 광범위한 물질을 포함할 수 있다. 화학반응 챔버(60)는 가요성 또는 강성일 수 있으나, 본 실시양태에서의 화학반응 챔버(60)는 강성이다. 또한, 화학반응 챔버(60)는 수소-함유 연료의 반응속도를 증가시키기 위해 촉매(62)를 함유할 수 있다. 촉매(62)는 루테늄, 로듐 또는 백금과 같은 신규한 금속 촉매를 포함할 수 있으나, 이들로써 한정되는 것은 아니 다. 촉매(62)는 니켈과 같은 기타 금속을 포함할 수 있다.
수소-함유 연료의 신규용액 백(56)으로부터 화학반응 챔버(60)로의 이동은 튜빙(64)과 같은 유체 통로에 의해 촉진될 수 있다. 또한, 수소-함유 연료의 신규용액 백(56)으로부터 화학반응 챔버(60)로의 흐름은 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(66)에 의해 조절될 수 있다. 마이크로-밸브(66)는 신규용액 백(56)으로부터의 흐름을 조절하도록 튜빙(64)을 따라 임의의 용이한 위치에 배열될 수 있다. 마이크로-밸브(66)는 다양한 공급업체로부터 시판중이며 3개 이상의 주요 방법으로 조절될 수 있다. 마이크로-밸브(66)는 펄스간 시간(마이크로 밸브(66) 펄싱 진동수), 펄스폭(마이크로-밸브가 열려있는 시간), 및/또는 구멍 크기의 변경에 의해 조절될 수 있다. 다양한 구멍 크기 조절은 마이크로 밸브의 개방 또는 폐쇄 정도를 아날로그형으로 조절함을 의미한다. 따라서, 마이크로-밸브(66)는 화학반응 챔버(60)로의 수소-함유 연료의 흐름을 정확히 조절할 수 있다. 마이크로-밸브(66)는 통상적으로 닫혀있을 수 있다. 따라서, 수소 기체가 필요한 경우 마이크로-밸브(66)를 열어 수소-함유 연료를 허용하고 스프링(58)으로 가압하여 반응챔버(60)로 흐르게 한다. 임의의 점검 밸브(68) 또한 포함될 수 있다. 본 실시양태에서는, 마이크로-밸브(66)의 다운스트림에 점검 밸브(68)가 위치되지만, 필수적인 것은 아니다. 점검 밸브(68)는 튜빙(64)을 따라 임의의 지점에 추가될 수 있다. 점검 밸브(68)는 수많은 상이한 공급업체로부터 시판중이며 일방형 밸브이다. 따라서, 점검 밸브(68)는 화학반응 챔버(60)에 압력이 누적되는 경우 생성물 또는 수소-함유 연료의 역흐름을 방지한다.
수소발생 장치(54)의 조작은 다음과 같이 기술될 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드와 같은 수소-함유 연료 공급원이 신규용액 백(56)에 첨가된다. 일부 실시양태에서는, 신규용액 백(56)이 충전된 후 스프링(58)과 개별적으로 추가될 수 있다. 다르게는, 도 3에 도시한 바와 같이 신규용액 백(56)이 충전될 수 있다. 스프링(58)은 신규용액 백(56)을 향해 치우쳐 인접하게 배열되고, 이로 인해 신규용액 백(56)에 포함된 나트륨 보로하이드라이드가 가압된다. 전류를 제공하기 위해 연료전지에 수소 기체가 필요한 경우, 마이크로-밸브(66)를 열거나 진동시켜 가압된 나트륨 보로하이드라이드를 신규용액 백(56)으로부터 화학반응 챔버(60)로 이동시킬 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드가 화학반응 챔버(60)로 도입되고 촉매(62)와 접촉하는 경우, 나트륨 보로하이드라이드로부터 수소 기체가 배출된다. 이어서, 나트륨 보로하이드라이드 용액으로부터 배출된 수소 기체는 도 1 및 도 2의 연료전지 장치와 같은 연료전지에 공급될 수 있다.
종래의 수소발생 장치는 수소-함유 연료의 공급물을 저장조로부터 반응 챔버로 이동시키기 위해 1종 이상의 또다른 펌프를 필요로 한다. 전술한 바와 같은 펌프는 연료전지 장치의 기생 손실 및 빈 공간을 크게 증가시켜 연료전지 장치에서 유용한 에너지 밀도를 제한한다. 유리하게도, 본 발명은 기계적인 압력 공급원을 제공하여 수소-함유 연료의 저장조로부터 반응 챔버로의 이동을 촉진시킴으로써 기생 손실을 감소시키고 필수적으로 요구되는 공간을 감소시킨다.
도 4에서는 본 발명에 따른 수소발생 장치(154)의 또다른 실시양태를 도시한다. 도 3의 실시양태와 유사하게, 도 4a의 수소발생 장치(154)는 신규용액 백(156)과 같은 화학용액 저장조 및 화학반응 챔버(160)를 포함할 수 있다. 그러나, 도 4a의 실시양태에서는 신규용액 백(156)이 화학반응 챔버(160)에 완전히 포함될 수 있다. 이러한 배열은 공간이 절약되고 에너지 밀집성이 증가하는 장점을 갖는다. 신규용액 백(156)은 일반적으로 가요성이므로 수소-함유 연료의 공급물(및 신규용액 백(156)의 부피)이 감소함에 따라 화학반응을 수행하는데 사용되는 화학반응 챔버(160)의 부분(161)이 증가한다. 화학반응 챔버(160)는 신규용액 백(156)과 반대로 강성 구조일 수 있으며 촉매를 함유할 수 있다. 도 4a의 배열은 임의의 중복된 부피를 제거하는 공간-효율적인 배열이다.
공간-효율성인 것 외에도, 도 4a의 배열은 신규용액 백(156)이 화학반응 챔버(160)의 압력에 노출되는, 화학반응 챔버(160) 내부에서의 신규용액 백(156)의 배열을 포함한다. 따라서, 조작도중 화학반응 챔버(160)가 가압됨에 따라, 압력이 신규용액 백(156)으로 전달되고 임의의 화학반응 챔버(160) 압력에서 매우 낮은 강도의 압력발생부재를 사용하여도 신규용액 백(156)으로부터 화학반응 챔버(160)로의 흐름을 개시할 수 있다. 따라서, 신규용액 백(156)은 화학반응 챔버(160) 압력에 항상 노출되므로, 낮은-강도 가압부재는 저강도 및 저중량일 수 있다. 본 실시양태에서는, 낮은-강도 가압부재가 저중량의 코일 스프링(158)이다. 또한, 신규용액 백(156)을 함유한 화학반응 챔버(160)는 높은 강도의(따라서, 대형의) 스프링을 취급할 수 있을 만큼 크고 강할 필요가 없으므로 종래의 반응기보다 저중량 및 소형일 수 있다.
본 발명의 코일 스프링(158)은 화학반응 챔버(160) 내부에서 화학반응 챔버(160)의 벽(163)과 신규용액 백(156) 또는 상기 용액 백(156)에 인접한 부재 사이에 배치된다. 따라서, 상기 코일 스프링(158)은 신규용액 백(156)에 힘을 가하여, 유체가 신규용액 백으로부터 화학반응 챔버(160)로 이동하기에 충분한 정도로 신규용액 백(156)에 포함된 유체에 대한 압력을 증가시킨다. 가요성 백 및 스프링의 결합은 본원에 정의한 바와 같은 스프링-백을 구성한다.
유체 연결통로(164)는 상기 백(156)으로부터의 용액 또는 연료가 반응 챔버(160)에 도입되는 통로를 제공한다. 도 4a에 도시한 실시양태에서는, 상기 유체 연결통로(164)가 반응 챔버(160)의 바깥쪽에 있고 신규용액 백(156)과 화학반응 챔버(160)중 화학반응을 수행하는데 사용되는 부분(161) 사이로 연결되나, 필수적인 것은 아니다. 또한, 상기 유체 연결통로(164)는 화학반응 챔버(160)에 완전히 포함될 수 있다. 도 3에 도시한 실시양태에서, 상기 유체 연결통로(164)는 신규용액 백(156)으로부터 화학반응 챔버(160)중 화학반응을 수행하는데 사용되는 부분(161)으로의 유체 흐름을 계량하기 위한 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(166)를 포함한다.
도 4a에 도시한 수소발생 장치(154)의 조작은 다음과 같이 기술될 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드와 같은 수소-함유 연료 공급원이 신규용액 백(156)에 첨가된다. 일부 실시양태에서는 충전된 신규용액 백(156)이 코일 스프링(158)과 분리되어 삽입될 수 있으며, 또는 신규용액 백(156)은 도 4a에 도시된 배열로 충전될 수 있다. 신규용액 백(156)이 나트륨 보로하이드라이드의 수용액 또는 기타 연료로 충전되는 경우에는 화학반응 챔버(160)에 의해 정의된 부피중 상당한 부분을 차 지한다. 코일 스프링(158)은 신규용액 백(156)과 인접하게 배열되고 신규용액 백(156)과 반대쪽으로 압축된다. 따라서, 코일 스프링(158)은 신규용액 백(156)에 포함된 나트륨 보로하이드라이드를 가압한다. 코일 스프링(158)에 저장된 전위 에너지(압축시)는 종래의 수소-발생 시스템에서 펌프의 작용으로 인한 기생 손실을 발생시키지 않고 화학 용액-이동력을 제공한다.
전류를 제공하기 위해 연료전지에 수소 기체가 필요한 경우, 마이크로-밸브(166)을 열거나 진동시켜 가압된 나트륨 보로하이드라이드를 신규용액 백(156)으로부터 화학반응에 유용한 화학반응 챔버(160)의 부분(161)으로 이동시킨다. 나트륨 보로하이드라이드가 화학 반응에 유용한 화학반응 챔버(160)의 부분(161)에 도입되어 촉매(도시되지 않음)와 접촉하는 경우, 나트륨 보로하이드라이드 수용액으로부터 수소 기체가 배출된다. 이어서, 나트륨 보로하이드라이드 수용액으로부터 배출된 수소 기체는 도 1 및 도 2에 도시한 연료전지 장치와 같은 연료전지에 공급될 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드 수용액의 공급물이 소비됨에 따라, 가요성인 신규용액 백(156)의 부피는 감소하고 화학반응 챔버(160) 내부에 화학반응을 수행하기 위한 보다 큰 부피가 제공된다.
도 4b에서는, 도 4a에 도시한 실시양태에 따른 실제 실행을 도시한다. 도 4b의 실시양태에서는, 수소발생 장치(154)가 화학반응 챔버(160)를 형성하는 틀(159) 및 창(161)(절단된 부분(165)과 함께 도시됨)을 포함한다. 방해 압력판(baffled pressure plate)(167)은 화학반응 챔버(160)의 내부에 배치되고 스프링(158)은 상기 창(161)과 방해 압력판(167) 사이에 배열된다. 신규용액 백(156)은 스프링(158)과 대면하고 방해 압력판(167)에 인접하도록 배치된다. 유체 연결통로(164)는 신규용액 백(156)으로부터 연장되며, 본 실시양태에서는 화학반응 챔버(160)의 내부에 완전히 포함된다. 상기 유체 연결통로(164) 및 관련 구성요소는 도 4c에서 보다 명백히 도시된다. 마이크로-밸브(166)는 출구 오리피스(171)과 함께 유체 연결통로(164)를 따라 배열되며, 이는 유체가 마이크로-밸브(166)를 통해 조절된 방식으로 화학반응 챔버(160)에 도입되도록 한다.
도 5에서는, 본 발명에 따른 수소발생 장치(254)의 또다른 실시양태를 도시한다. 도 4의 실시양태와 유사하게, 도 5의 실시양태는 화학반응 챔버(260)에 포함된, 가요성 신규용액 백(256)으로서 도시된 화학용액 저장조를 포함한다. 상기 가요성 신규용액 백(256)은 본원에서 정의된 스프링-백으로 간주될 수도 있다. 도 5의 실시양태에 따르면, 압력발생부재는 스프링-백(256) 자체이다. 상기 가요성 백(256)은 바람직하게는 고무, 또는 특정한 모양 또는 부피로의 바이어스 또는 기계적으로 스프링과 유사한 힘을 제공하는 기타 물질과 같은 엘라스토머로 구성된다. 따라서, 가압하에 팽창시 보다 소형의 모양 또는 부피로의 고유 바이어스에 반하는 유체를 함유하는 임의의 유체에 대한 압력을 발휘한다. 따라서, 스프링-백(256)은 도 4의 실시양태와 유사하게 또는 동일하게 조작될 수 있으나, 도 5의 실시양태에서는 코일 스프링(도4에서 158)을 필요로 하지 않는다. 코일 스프링 대신, 스프링-백(256)에는 상기 스프링-백(256)이 팽창되도록 나트륨 보로하이드라이드 수용액과 같은 화학용액이 제공된다. 통상적으로, 팽창은 스프링-백(256)의 탄성 한계치의 범위 안에서 수행될 것이다. 스프링-백(256)의 팽창은 스프링-백(256)에 포함된 풍선이 감압하에 공기의 부피를 유지할 수 있는 것과 동일한 방식으로 스프링-백(256)에 포함된 화학용액에 가압력을 제공한다.
유체 연결통로(264)는 화학 용액(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드 수용액)의 스프링-백(256)으로부터 화학반응 챔버(260)에서 발생되는 반응으로의 운송을 촉진시킨다. 상기 유체 연결통로(264)는, 도시한 바와 같이 적어도 부분적으로 화학반응 챔버(260)의 바깥쪽에 있을 수 있고, 또는 유체 연결통로(264)는 화학반응 챔버(260)의 안쪽에 있을 수 있다. 화학반응 챔버(260)는 가요성 또는 강성일 수 있으며, 화학용액의 반응속도를 증가시키기 위해 촉매를 함유할 수도 있다. 또한, 유체 연결통로(264)는 스프링-백(256)으로부터 화학반응 챔버(260)에서의 반응으로의 화학용액을 계량하기 위한 조절 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(266)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시한 실시양태와 유사하게, 나트륨 보로하이드라이드 수용액의 공급물이 스프링-백(256)으로부터 화학반응 챔버(260)로 운송됨에 따라, 스프링-백(256)의 부피는 감소한다. 스프링-백(256)의 부피가 감소함에 따라, 화학반응기 챔버(260)의 보다 많은 부피가 화학반응을 수행하는데 사용될 수 있다. 화학반응 챔버(260)에서의 반응으로부터 생성된 수소는 도 1 및 도 2에 기술된 장치와 같은 연료전지 장치의 애노드에 제공될 수 있다.
도 6에서는 수소발생 장치(354)의 또다른 실시양태를 도시한다. 도 6의 실시양태는 도 5에 도시한 실시양태와 유사하다. 그러나, 도 6의 실시양태에서는 화학반응 챔버가 가요성 반응 백(360)이다. 스프링-백(356)은 상기 가요성 반응 백(360)의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 백에 포함된 임의의 수소-함유 연료 용액(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드)에 압력을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 스프링-백(356)은 수소-함유 연료 용액으로 충전되므로 탄성적으로 팽창하는 경우 압력을 제공할 수 있다. 스프링-백(356)은 가요성 반응 백(360)의 내부에서 자유 부유하거나, 가요성 반응 백(360)에 부착될 수 있다.
유체 연결통로(364)는 수소-함유 화학용액(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드 수용액)의 스프링-백(356)으로부터 가요성 반응 백(360)으로의 운송을 촉진시킨다. 유체 연결통로(364)는 도시한 바와 같이 적어도 부분적으로 가요성 반응 백(360)의 바깥쪽에 있을 수 있고, 또는 유체 연결통로(364)는 완전히 가요성 반응 백(360)의 안쪽에 있을 수 있다. 가요성 반응 백(360)은 수소-함유 연료 용액의 반응속도를 증가시키기 위해 촉매를 함유할 수 있다. 또한, 유체 연결통로(364)는 스프링-백(356)으로부터 가요성 반응 백(360)으로의 수소-함유 연료 용액을 계량하기 위한 조절 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(366)를 포함할 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시한 실시양태와 유사하게, 수소-함유 용액, 예를 들어 나트륨 보로하이드라이드 수용액의 공급물이 스프링-백(356)으로부터 가요성 반응 백(360)으로 운송됨에 따라, 스프링-백(356)의 부피는 감소한다. 스프링-백(356)의 부피가 감소함에 따라, 가요성 반응 백(360)의 보다 많은 부피가 화학반응을 수행하는데 사용될 수 있다. 또한, 수소-함유 용액의 공급물이 도입됨에 따라 가요성 반응 백(360)의 부피가 증가할 수 있다. 또한, 상기 가요성 반응 백은 팽창 폐기물 저장조의 역할도 수행하여 잔여 생성물을 하우징시킨 다음, 수소 기체를 발생시키는 화학반응을 수행할 수 있다. 도 6의 실시양태는 본원에 기술된 바와 같은 종래의 수소발생 시스템과 비교하여 특히 저중량일 수 있다.
도 7에서는 연료전지용 수소발생 장치(454)의 또다른 실시양태를 도시한다. 도 7의 실시양태에서는, 신규용액 백(456)으로서 내장된 화학용액 저장조, 및 반응 챔버 백(460)으로서 내장된 화학반응 챔버를 포함한다. 신규용액 백(456)은 수소-함유 연료 용액, 예를 들어 나트륨 보로하이드라이드 수용액을 함유할 수 있으며, 반응 챔버 백(460)은 촉매(도시되지 않음)를 함유할 수 있다. 신규용액 백(456) 및 반응 챔버 백(460)은 모두 강성 틀(457)에 의해 자유자재로 포함될 수 있다. 유리하게도, 상기 강성 틀(457)은 종래 수소발생 시스템이 요구하는 유체-밀폐성 및 유체 부식에 대한 저항성일 필요가 없으므로, 강성 틀(457)의 구조를 단순화시키고 보다 적은 비용 및 저중량의 물질을 가능하게 한다. 반응 챔버 백(460)은, 수소-함유 용액이, 예를 들어 도 3 및 도 4에서의 강성 껍질의 반응 챔버 내부에 존재할 수 있는 구석 및 틈에 모이는 것을 방지할 수 있다.
신규용액 백(456) 및 반응 챔버 백(460)은 압력판(465)에 의해 서로 분리될 수 있다. 압력판(465)은 신규용액 백(456) 및/또는 반응 챔버 백(460)에 인접한 압력발생부재일 수 있다. 하나 이상의 바이어싱 부재, 예를 들어 제 1 및 제 2 코일 스프링(467 및 469)은 압력판(465)에 힘을 가한다. 제 1 및 제 2 코일 스프링(467 및 469)에 의해 제공된 힘은 압력판(465)을 통해 신규용액 백(456)으로 전달되어 용액 백(456)의 수소-함유 용액에 대한 압력을 증가시킨다.
유체 연결통로(464)는 수소-함유 화학용액(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드 수용액)의 신규용액 백(456)으로부터 반응 챔버 백(460)으로의 운송을 촉진시킨다. 유체 연결통로(464)는 도시한 바와 같이 적어도 부분적으로 강성 틀(457)의 바깥쪽에 있을 수 있고, 또는 유체 연결통로(464)는 완전히 강성 틀(457)의 안쪽에 있을 수 있다. 반응 챔버 백(460)은 수소-함유 연료 용액의 반응속도를 증가시키기 위해 촉매를 함유할 수 있다. 또한, 유체 연결통로(464)는 신규용액 백(456)으로부터 반응 챔버 백(460)으로의 수소-함유 연료 용액을 계량하기 위한 조절 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(466)를 포함할 수 있다. 수소-함유 용액, 예를 들어 나트륨 보로하이드라이드 수용액의 공급물이 신규용액 백(456)으로부터 반응 챔버 벽(460)으로 운송됨에 따라, 압력판(465)은 신규용액 백(456)의 방향으로 배치되고 신규용액 백(456)의 부피는 감소할 것이며 반응 챔버 백(460)은 증가한다. 또한, 반응 챔버 백(460)은 수소발생 반응이 완결된 후 생성물의 수거를 위한 폐기물 저장조로 지칭된다. 다르게는, 폐기물을 수거하기 위해 반응 챔버 백(460)과 유사하거나 동일한 추가의 폐기물 저장조가 강성 틀(457)의 안쪽 또는 바깥쪽에 포함될 수 있다. 반응 챔버 백(460)에서 생성된 수소는 도 1 및 도 2에서 기술된 장치와 같은 연료전지 장치의 애노드에 제공될 수 있다.
도 8에서는, 수소발생 장치(554)의 또다른 실시양태를 도시한다. 수소발생 장치(554)는 피스톤-실린더 배열로 도시된다. 실린더(557)에 배치된 피스톤(555)은 상기 실린더(557)를 화학용액 저장조 부분(556) 및 반응 챔버 부분(560)으로 분리한다. 스프링(558)은 실린더(557)의 피스톤(555)과 벽(559) 사이에 배치되어 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)에 압력을 제공할 수 있으며, 나트륨 보로하이드라이드와 같은 화학용액의 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)으로부터 실린더(557)의 반응 챔버 부분(560)으로의 이동을 촉진시킬 수 있다. 또한, 스프링(558)은 피스톤을, 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)을 향하여 이동시킬 수 있다. 도 8의 실시양태는 강성 껍질의 내부의 모든 공간을 완전히 사용할 수 없는 백을 사용하지 않으므로 특히 공간-효율적이다. 또한, 도 8의 실시양태는 백의 실린더(558)의 화학용액 저장조 부분(556)에서 구석 또는 주름에 존재할 수 있는 폐기 용액을 감소 또는 제거한다.
유체 연결통로(564)는 화학용액(예를 들어, 나트륨 보로하이드라이드 수용액)의 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)으로부터 실린더(557)의 반응 챔버 부분(560)으로의 운송을 촉진시킨다. 유체 연결통로(564)는 도시한 바와 같이 적어도 부분적으로 실린더(557)의 바깥쪽에 있을 수 있다. 다르게는, 유체 연결통로(564)는 피스톤(555)에 배치될 수 있다. 실린더(557)의 반응 챔버 부분(560)은 화학용액의 반응속도를 증가시키기 위한 촉매를 함유할 수 있다. 또한, 유체 연결통로(564)는 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)으로부터 반응 챔버 부분(560)으로의 화학용액을 계량하기 위한 조절 밸브, 예를 들어 마이크로-밸브(566)를 포함할 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드 수용액의 공급물이 실린더(557)의 반응용액 저장조 부분(556)으로부터 반응 챔버 부분(560)으로 운송됨에 따라, 스프링(558)은 피스톤(555)을 화학용액 저장조 부분(556)을 향하여 이동시키고 화학용액 저장조 부분(556)의 부피는 감소한다. 실린더(557)의 화학용액 저장조 부분(556)의 부피가 감소함에 따라, 실린더(557)의 보다 많은 부피가 반응 챔버 부분(560)으로 사용될 수 있다. 실린더(557)의 반응 챔버 부분(560)에서 생성된 수소는 도 1 및 도 2에 기술된 장치와 같은 연료전지 장치의 애노드에 제공될 수 있다.
당해 분야의 숙련자들은 본원에서 유리하게 기술된 실시양태가 배향과 무관한 방식으로 수소-함유 연료 용액을 화학반응 챔버에 계량하는 단계를 제공함에 있어서의 이점을 명백히 인지할 것이다. 즉, 수소발생 장치(54, 154 등)는 임의의 배향으로 조작될 수 있으며, 이는 압력발생부재가 임의의 배향에서 화학용액 저장조(56, 156 등)와 화학반응 챔버(60, 160 등) 사이의 압력차를 제공하기 때문이다. 이는, 다수의 상이한 방식으로 종종 이동하고 재배향되는 휴대용 전자장치에서의 연료전지 용도에서 특히 중요하다. 또한, 본 발명의 일부 실시양태는 단지 1개의 조절 밸브(66, 166 등)만을 사용하여, 펌프 및 복수개의 조절 밸브를 필요로 하는 종래 수소발생 시스템에서 발생되는 실패율을 감소시킨다. 도 3 내지 도 8에서 도시한 실시양태는 각각 연료전지 장치로부터 독립적으로 분리된(연결될 수도 있음) 수소발생 카트리지에서도 실행될 수 있다.
전술한 실시양태들은 바람직하게는 각각 화학용액, 예를 들어 나트륨 보로하이드라이드의 화학 저장조로부터 반응 챔버로의 수송을 계량하기 위한 조절 밸브를 포함한다. 수소발생의 조절은 조절 밸브(예를 들어, 전술한 마이크로-밸브)에 의해 촉진된다. 도 9에서는, 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 수소발생 장치의 조절 개요 도형을 도시한다. 조절 개요에 대한 입력치는 사용자 설정(700), 배열 설정(702), 연료전지 적층체 전압(704), 저장조, 수소 기체, 및/또는 반응기 압력(706), 연료전지 전류(708) 및 연료전지 전력(710)을 포함할 수 있으나, 이들로써 한정되는 것은 아니다.
사용자 설정(700)은 스위치, 버튼, 및 사용자가 조절 밸브의 상태를 직접 조절하도록 조작할 수 있는 유사한 요소를 포함할 수 있다. 배열 설정(702)은 조절 개요 도형을 초기화시키고 조작 파라메터를 설정하기 위한 초기화 절차를 포함할 수 있다. 조절 알고리즘(712)에 하나 이상의 입력치(700-710)를 공급하여 수소발생 장치를 조절할 수 있음이 명백히 이해될 것이다. 조절 알고리즘은 입력치를 수용하고 수용된 입력치를 분석하고 이에 상응하는 적절한 조절 신호를 조절 밸브에 제공하는, 모든 필수적인 프로그래밍 및 전자장치를 포함한다. 따라서, 조절 알고리즘은 디지털 전자장치 조절기, 아날로그 전자장치 조절기 또는 기계적 조절기를 포함할 수 있다. 조절 알고리즘은 임의의 또는 모든 입력치(700-710)를 사용하여 명령상태 정보(출력)를 산출한다. 명령상태 정보는 밸브 위치(개/폐)로 표시되는 전류 밸브 상태(714), 및/또는 밸브 조작 진동수로 표시되는 타이밍 정보(716)를 포함할 수 있다. 조절 알고리즘의 출력치에 따라, 조절 밸브는 개방되거나 폐쇄되어(718) 화학용액의 저장조로부터 반응 챔버로의 흐름을 조절할 수 있으며, 이로써 수소발생의 속도를 조절할 수 있다.
조절 개요의 일부분으로서 사용될 수 있는 조절 알고리즘의 예중 하나를 도 10에 도시한다. 그러나, 당해 분야의 숙련자들은 개별적인 요구를 만족시키도록 본원의 이점을 갖는 다수의 기타 및/또는 추가의 조절 알고리즘이 사용될 수 있으며 도 10은 단지 예시일 뿐임을 이해할 것이다. 예를 들어, 생성 조절기는 밸브가 열리는 진동수를 변화시킬 뿐 아니라 조절 밸브의 펄스폭 및/또는 구멍 크기를 변경할 수 있다. 또한, 배터리, 커패시터 또는 기타 에너지 저장 장치를 상기 시스템에 추가하여(도 2에 도시한 바와 같이) 부하로부터 연료전지를 분리시킴으로써 연료전지가 최대한 효율적인 속도로 조작되도록 유지할 수 있다.
도 10의 예시 실시양태에 따르면, 조절 알고리즘은 개시되고(800) 타이머가 끝날때까지 기다린 다음(801), 연료전지 적층체 전압을 점검(802)할 수 있다. 그러나, 일부 실시양태에서는 타이머가 존재하지 않는다. 연료전지 적층체 전압이 예비결정된 "높은" 한계치(804)보다 큰 경우에는 상기 조절 알고리즘이 밸브 타이머를 "높은" 지연 지동수(806)로 설정하도록 진행되고, 적층체 전압은 지속적으로, 또는 타이머를 사용한 실시양태에서는 타이머가 끝난 후(801) 주기적으로 재점검된다. 연료전지 적층체 전압이 예비결정된 "높은" 한계치(804)보다 크지 않은 경우에는 조절밸브가 1회 펄스되고(808) 알고리즘은 연료전지 적층체 전압이 "중간" 한계치(810) 이하인지 점검한다. 연료전지 적층체 전압이 "중간" 한계치(810)보다 낮지 않은 경우에는 밸브 타이머가 "중간" 지연 진동수(812)로 설정되고 적층체 전압이 지속적으로, 또는 타이머를 사용한 실시양태에서는 타이머가 끝난 후(810) 주기적으로 재점검된다. 그러나, 연료전지 적층체 전압이 "중간" 한계치보다 낮은 경우에는 밸브 타이머가 "낮은" 지연 진동수(814)로 설정되고 적층체 전압은 지속적으로 또는 주기적으로 재점검(802)된다.
전술한 설명은 단지 본 발명을 예시 및 설명하기 위함이며, 본 발명을 개시된 임의의 특정 형태로 규정하거나 제한하고자 함이 아니다. 상기 교시내용의 관 점에서 다양한 개질 및 변형이 가능하다.
상기 실시양태들은 본 발명의 이론 및 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 기술되었다. 전술한 설명은 당해 분야의 숙련자들에 의해 본 발명이 다양한 실시양태로서, 또한 특정 용도에 적합하도록 다양하게 개질되어 사용될 수 있도록 제공된다. 본 발명의 범주를 하기 청구항으로 정의하고자 한다.
본 발명을 통해, 화학반응 챔버, 화학용액 저장조, 및 화학용액을 화학용액 저장조로부터 화학반응 챔버로 이동시키기 위한 무전력공급 압력발생부재를 포함하는, 수소발생 장치를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 화학반응 챔버(60);
    화학용액 저장조(56); 및
    상기 화학용액 저장조(56)로부터 화학용액을 상기 화학반응 챔버(60)로 이동시키기 위한 것으로서, 상기 화학용액 저장조(56)에 인접하게 배치된 스프링(58)을 포함하는, 무전력공급 압력발생부재(58)
    를 포함하는, 수소발생 장치(54).
  2. 제 1 항에 있어서,
    화학용액이 화학용액 저장조(56)에 포함되고 수성 금속 하이드라이드를 포함하는, 수소발생 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    화학용액 저장조(56)가 화학반응 챔버(60)에 포함되는, 수소발생 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    화학용액 저장조(56)가 가요성 백(bag)(56)을 포함하는, 수소발생 장치.
  5. 삭제
  6. 연료전지(40); 및
    상기 연료전지(40)에 수소 기체를 제공하기 위한 스프링-백 수소발생기(54)를 포함하는,
    전류발생 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    스프링-백 수소발생기(54)가 반응챔버(60) 및 상기 반응챔버(60)의 내부에 배치된 연료 용액 저장조(56)를 추가로 포함하는, 전류발생 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    연료용액 저장조(56)에 바이어싱력(biasing force)을 인가함으로써 상기 연료용액 저장조(56)를 반응챔버(60)의 압력보다 큰 압력으로 유지시키는, 전류발생 장치.
  9. 연료전지 특성치를 계측하는 단계;
    상기 연료전지 특성치가 예비결정된 파라메터의 범위에 포함되는지 결정하는 단계;
    상기 연료전지 특성치에 대응하여 마이크로-밸브(66)의 개방 진동수, 개방 펄스폭 및 구멍 크기중 하나 이상을 변화시키는 단계; 및
    바이어싱력을 화학용액 용기(56)에 인가하여 마이크로-밸브(66)를 통해 화학용액을 이동시키는 단계를 포함하는,
    수소발생의 조절법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    바이어싱력이 스프링(58)에 의해 제공되고 화학용액 용기(56)가 화학반응 챔버(60)의 내부에 포함되는, 수소발생의 조절법.
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