KR101106563B1 - 수소발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 생성 반응 추진제인 알루미늄 또는 가수분해 촉매를 알칼리 수용액 중에 잠기게 하여 수소를 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의한 수소 발생 속도를 간단한 장치에 의해 효과적으로 제어할 수 있는 수소발생장치에 관한 것이다.

Description

수소발생장치{Device for hydrogen production}
본 발명은 수소 생성 반응 추진제인 알루미늄 또는 가수분해 촉매를 알칼리 수용액 중에 잠기게 하여 수소를 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의한 수소 발생 속도를 간단한 장치에 의해 효과적으로 제어할 수 있는 수소발생장치에 관한 것이다.
화석연료사용에 의한 지구 온난화 및 환경오염 문제 그리고 매장량의 한계 때문에 탄소를 에너지원으로 사용하는 것을 지양하고 청정하고 높은 에너지를 함유한 수소를 사용하는 수소경제시대로 가고자 여러 나라에서 추진하고 있다.
그러나 수소경제시대로 가기에는 아직도 해결해야 할 문제들이 많다. 현재 수소를 생산하는 일반적인 방법은 석유나 천연가스, 석탄 등 탄화수소화합물(hydrocarbon)에서 개질반응에 의한 방법인데 이 과정에서 발생되는 탄소는 지구 온난화의 원인 물질인 CO2를 발생하기 때문에 수소자체는 문제가 없지만 수소를 얻는 과정에서 오염물질을 발생시키므로 문제다.
그래서 궁극적으로는 풍력과 태양광 발전으로부터 생성된 전기로 물을 전기분해시켜 수소를 얻음으로써 이런 문제를 해결할 수 있다고 하지만, 아직 태양광과 풍력 발전은 경제성이 없어서 수소를 얻는데 실용화되지 못하고 있다.
또한, 수소는 제법뿐만 아니라 저장 방법도 어려운 문제들이 많다. 수소저장방법은 액체수소 저장방법, 고압수소봄베 저장 방법, 수소저장 물질에 의한 수소저장 방법들이 있다. 이들 방법들은 수소 사용용도에 맞게 개발되어야 한다. 예를 들어 수소를 사용하는 수소 연료전지도 정치형이냐 이송용이냐 수송용이냐에 따라 그 공급방법 및 저장방법이 달라야 한다.
수W~100 kW 용량 범위에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 정치형, 이동형 및 수송용 용도에 제일 적합해 많은 연구ㆍ개발 이 진행되고 있다. 그런데, 수W~수 kW 범위의 이동형 및 수송용 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 수소저장은 고압가스 봄베나 액체 수소로 하기에는 용기가 차지하는 무게 및 부피가 너무 커 적합하지 않다.
상기의 수소저장 방법 외에도 흡착 수소저장, MgH2, NaAlH4 등의 금속수소화물을 이용한 가역적 수소화물에 의한 저장, NaBH4 등를 이용한 비가역적 수소화물에 의한 저장방법이 있다. 흡착 수소저장의 경우에는 금속 나노입자를 비롯한 탄소나노튜브는 상온에서 1 wt%이하가 저장된다는 것이 밝혀졌고, 저장 용량의 재현성이 없어서 많은 연구가 필요한 상태이다. 가역적 금속수소화물에 의한 수소저장의 경우에는 일반적인 금속수소화물의 경우 현재 기술 수준에서 저장 탱크가 포함된 시스템을 기준으로 약 20kg/m3 및 1~3 wt% 수소저장 용량을 나타내어 실제 수송용, 휴대용보다 정치형에 적합하다. 비가역적 수소화물에 의한 수소저장의 경우에는 NaBH4가 높은 이론적 수소수율(10.8wt%)를 지니기 때문에 이동형 연료전지 장치의 수소 저장방법으로 많은 연구가 진행되어 왔다.
NaBH4의 가수분해 반응은 느린 반응으로 식(1)에 의해 Pt, Ru, Ni, Co 등의 촉매상에서 반응하여 수소를 생성한다.
Figure 112010003771328-pat00001
식(1)
이 때의 NaBH4는 저장하기가 쉬운 수용액 상태로 많이 이용되며 안정화제로 알칼리 용액인 NaOH 또는 KOH가 주입되어야 한다.
또한, 알루미늄은 알칼리 용액과 화학적 반응을 하여 수소를 생성한다.
알루미늄은 값싸며, 밀도가 2.7인 가벼운 금속으로 일반인들도 흔히 사용해 쉽게 접근할 수 있는 장점이 있어 최근에 연구가 활발하다. 상기의 금속을 NaOH와 같은 알킬리 용액에 넣으면 (식 2)(식 3)반응에 의해 수소가 발생하고 (식 4)는 전체반응(overall reaction)으로 Al과 물이 소모되고 NaOH는 소모되지 않고 촉매역할을 할 뿐이다.
Figure 112010003771328-pat00002
.......... (식 2)
Figure 112010003771328-pat00003
................. (식 3)
Figure 112010003771328-pat00004
.................... (식 4)
연료전지에서 일정 전류를 생성하기 위해서는 일정 수소가 공급되어야 하고 이는 식 (5)에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112010003771328-pat00005
식(5)
NaBH4의 가수분해 반응과 알칼리 용액에 대한 알루미늄의 화학적 반응은 발열반응으로 수소발생속도 제어를 위해서는 반응온도를 조절해야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 NaBH4를 이용한 PEMFC용 400W 수소발생장치를 제조한 논문 "Sun Ja Kim, ea. al, Journal of Power Sources 170(2007)412-418"의 경우에는 수소발생기에서 생성되는 열을 제거하기 위해 공랭식 열교환기를 사용하였는데, 열교환기를 사용하게 되면 장치가 커지고, 전력이 소모된다는 단점이 있다.
본 발명은 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의한 수소 가스의 생성 반응 속도를 간단한 장치에 의하여 효과적으로 제어할 수 있는 수소발생장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 벨로우즈 또는 다이아프램막을 구비하여 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의해 발생되는 수소 가스의 압력에 의하여 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의한 수소 가스의 생성 반응 속도를 제어할 수 있는 수소발생장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 수소 생성 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워지는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10) 중 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하며, 하단부가 개방된 실린더(21); 상기 실린더(21)에 끼워지며, 개방된 하단부 둘레면이 상기 실린더(21) 내측면에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되고, 상기 수소 생성 반응에 의해 발생된 고압의 수소 가스가 유입되는 경우 팽창하며 상단부가 상부로 이동하는 벨로우즈(23); 상기 알칼리 수용액(10-a) 중에 잠기어 상기 수소 생성 반응을 일으키기 위한 수소 생성 반응 추진제(40)가 장착되며, 상기 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동하는 경우 상부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 상기 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고 상기 벨로우즈(21) 상단부가 하부로 복원되는 경우 하부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)가 상기 알칼리 수용액(10-a) 내부로 잠기도록, 상기 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 끼워져 상단이 상기 벨로우즈(23) 상단에 연결되어 상하로 이동하는 추진제 장착틀(30); 상기 반응 챔버(10)의 일측에 설치되어 소정 높이로 물(50-a)이 채워지고, 상기 수소 생성 반응에 의하여 발생되어 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 존재하는 수소 가스를 유입 받아 상기 물(50-a)을 통과시켜 외부로 배출하기 위한 물저장통(50); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 실린더(21) 중 상기 벨로우즈(23) 상측에는 상기 벨로우즈(23) 상단의 상부 이동 후 하부 복원력을 제공하기 위한 스프링(25)이 설치될 수 있고, 상기 반응 챔버(10)와 물저장통(50)은 상단이 상기 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하고, 하단이 물저장통(50)에 채워진 물(50-a) 내부에 위치하는 가스 연결관(60)에 의하여 상호 연통되고, 상기 가스 연결관(60)의 상단에는 상기 수소 생성 반응시 발생한 침전물이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터(61)가 구비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨 수용액이고, 상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있는데, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 2 ~ 3 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 20 g 일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 가수분해 촉매일 수 있는데, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 1 ~ 2 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 25 g 이고, 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트와 붕소이거나, 코발트와 인과 붕소로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 상기 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이고, 상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄과 가수분해 촉매일 수 있는데, 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트와 붕소이거나, 코발트와 인과 붕소로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 상기 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다.
한편, 본 발명은 수소 생성 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워지는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10) 중 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하며, 상기 수소 생성 반응에 의해 발생된 수소 가스에 의한 고압 작용시 소정부위가 상부로 탄성 변형되도록 가장자리가 상기 반응 챔버(10)에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되며 상기 소정부위가 다이아프램막(121)으로 형성되는 탄성 변형부(120); 상기 알칼리 수용액(10-a) 중에 잠기어 상기 수소 생성 반응을 일으키기 위한 수소 생성 반응 추진제(40)가 장착되며, 상기 다이아프램막(121)이 상부로 탄성 변형되는 경우 상부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 상기 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고 상기 다이아프램막(121)이 하부로 탄성 복원되는 경우 하부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)가 상기 알칼리 수용액(10-a) 내부로 잠기도록, 상단부가 상기 다이아프램막(121)에 연결되어 상하로 이동하는 추진제 장착틀(130); 상기 반응 챔버(10)의 일측에 설치되어 소정 높이로 물(50-a)이 채워지고, 상기 수소 생성 반응에 의하여 발생되어 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 존재하는 수소 가스를 유입 받아 상기 물(50-a)을 통과시켜 외부로 배출하기 위한 물저장통(50); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 추진제 장착틀(130)의 상단에는 상기 다이아프램막(121) 상면에 안치되며 고정 연결되는 장착틀 안치부(131)가 돌출 형성될 수 있다.
본 발명은 벨로우즈 또는 다이아프램막에 연결된 추진제 장착틀이 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의해 발생되는 수소 가스의 압력에 의하여 상하로 이동함으로써 수소 생성 반응 추진제인 알루미늄 또는 가수분해 촉매가 알칼리 수용액 상부로 이동하거나 다시 알칼리 수용액에 잠기게 되어 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의한 수소 가스의 생성 반응 속도를 간단한 장치에 의하여 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
도1 및 도2는 실시예1의 작동도.
도3은 실시예1에 의한 수소발생속도와 내부 압력변화를 나타낸 그래프.
도4 및 도5는 실시예2의 작동도.
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예1
실시예1은 본 발명에 따른 수소발생장치에 관한 것이다.
도1 및 도2는 실시예1의 작동도를 나타낸다.
도1을 참조하면 실시예1은 반응 챔버(10), 실린더(21), 벨로우즈(23), 추진제 장착틀(30) 및 물저장통(50)을 포함한다.
도1을 참조하면 반응 챔버(10)는 챔버 본체(11), 챔버 본체(11)의 상단부에 안착되는 제1 챔버 덮개(12-1) 및 제1 챔버 덮개(12-2)의 상단부에 안착되는 제2 챔버 덮개(12-2)를 포함할 수 있다. 챔버 본체(11)에는 수소 생성 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워진다.
도1을 참조하면 반응 챔버(10)에는 하단부가 개방된 실린더(21)가 설치된다. 실린더(121)는 하단부의 외측 둘레면이 실린더 지지판(12-1a)에 연결되어 고정된다. 한편, 실린더 지지판(12-1a)의 외측 가장자리는 제1 챔버 덮개(12-1)의 내측면에 연결 고정된다. 실린더(121)의 상단부는 제2 챔버 덮개(12-2)에 의하여 밀폐될 수 있다. 따라서, 실린더(121)는 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치한다. 한편, 실린더 지지판(12-1a)에는 챔버 본체(11)에 알칼리 수용액(10-a)을 주입하기 위한 용액 투입구(12-1b)가 형성될 수 있다.
도1 및 도2를 참조하면 실린더(21)에는 하단부가 개방된 벨로우즈(23)가 끼워진다. 벨로우즈(23)는 개방된 하단부 둘레면이 실린더(21) 내측면에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되고, 수소 생성 반응에 의하여 발생된 고압의 수소 가스가 유입되는 경우 밀폐된 상단부가 팽창하며 상부로 이동 가능하도록 설치된다. 즉, 수소 생성 반응에 의하여 수소 가스가 다량 발생하여 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하는 수소 가스의 압력이 높게 되고, 이러한 고압의 수소 가스가 벨로우즈(23) 하단부를 통하여 벨로우즈(23) 내부로 유입되면 벨로우즈(23)가 팽창하며 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동하게 된다.
도1 및 도2를 참조하면 실린더(21) 중 벨로우즈(23) 상측에는 벨로우즈(23) 상단부의 상부 이동 후 하부 복원력을 제공하기 위한 스프링(25)이 설치된다. 스프링(25)은 압축 코일 스프링으로서 상단이 제2 챔버 덮개(12-2)에 지지되고, 하단이 후술하는 장착틀 안치부(31)에 지지될 수 있다.
도1 및 도2를 참조하면 추진제 장착틀(30)은 상측부가 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 끼워져 벨로우즈(23) 상단부에 연결된다. 추진제 장착틀(30)의 상단부에는 판상의 장착틀 안치부(31)가 형성되는데, 장착틀 안치부(31)가 벨로우즈(23)의 상단부 외측면에 고정 설치됨으로써 추진제 장착틀(30)이 벨로우즈(23) 상단부에 연결될 수 있다. 한편, 추진제 장착틀(30)의 하측부에는 수소 생성 반응 추진제(40)이 장착 고정된다. 추진제 장착틀(30)은 복수의 수소 생성 반응 추진제(40)으로 된 판재를 일정한 간격으로 이격되게 고정하는 구성일 수 있다. 따라서, 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동하는 경우 추진제 장착틀(30)이 상부로 이동하여 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고, 벨로우즈(21) 상단부가 하부로 복원되는 경우 추진제 장착틀(30)이 하부로 이동하여 수소 생성 반응 추진제(40)이 알칼리 수용액(10-a) 내부로 잠기게 된다.
도1 및 도2를 참조하면 반응 챔버(10)의 일측에는 물저장통(50)이 설치된다. 물저장통(50)에는 소정 높이로 물(50-a)이 채워진다. 반응 챔버(10)와 물저장통(50)은 상단이 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하고, 하단이 물저장통(50)에 채워진 물(50-a) 내부에 위치하는 가스 연결관(60)에 의하여 상호 연통된다. 도면부호 51은 물저장통(50)에 물을 주입하기 위한 물 주입구를 나타낸다.
도1 및 도2를 참조하면 가스 연결관(60)의 상단에는 필터(61)가 장착된다. 필터(61)는 수소 생성 반응시 발생하는 침전물이나 거품이 가스 연결관(60)을 통하여 물저장통(50)으로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도1 및 도2를 참조하면 물저장통(50) 중 물(50-a)의 상부에는 제1 수소 배출관(52-1)이 연결된다. 제1 수소 배출관(52-1)에는 압력계(53)가 구비될 수 있다. 또한 제1 수소 배출관(52-1)의 단부에는 제1 수소 배출관(52-1)의 단부를 통하여 배출되는 수소 가스의 양을 조절하기 위한 플로우미터(Flowmeter)(54)가 연결될 수 있다. 플로우미터(Flowmeter)(54)를 통과한 수소 가스는 플로우미터(Flowmeter)(54)에 연결된 제2 수소 배출관(52-2)을 통하여 외부로 배출된다. 플로우미터(Flowmeter)(54)를 통하여 외부로 배출되는 수소 가스 양을 조절함으로써 챔버 본체(11) 내부의 수소 가스의 압력을 조절할 수 있고, 이에 따라 챔버 본체(11) 내부에서의 수소 발생 속도를 조절할 수 있다.
한편, 실시예1에 있어서, 짧은 시간 동안 높은 수소 발생 속도가 요구되는 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있다. 이 경우 알루미늄 용해 반응에 의하여 수소 가스가 발생된다.
한편, 실시예1에 있어서, 요구되는 수소 발생 속도가 낮은 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있는데, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨이 2 ~ 3 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 10 ~ 20 g 일 수 있다. 이 경우 알루미늄 용해에 의해 초기 반응기 온도를 상승시키고 반응기 온도가 90℃ 이상 되었을 때는 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생된다.
한편, 실시예1에 있어서, 장시간 안정적으로 수소 발생이 요구되는 경우 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 가수분해 촉매일 수 있다. 이 경우, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 1 ~ 2 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 25 g 이며, 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트(Co)와 붕소(B)이거나, 코발트(Co)와 인(P)과 붕소(B)로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 가수분해 촉매에 의한 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생한다.
한편, 실시예1에 있어서, 초기에 높은 수소 발생 속도를 짧은 시간 내에 도달해야 하고 이후 장시간 수소발생 속도를 유지할 것이 요구되는 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄과 가수분해 촉매일 수 있다. 이 경우 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트(Co)와 붕소(B)이거나, 코발트(Co)와 인(P)과 붕소(B)로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 알루미늄과 함께 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다. 이 경우 초기에 알루미늄 용해에 의해 온도가 급상승하고 이에 따라 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액도 상기 가수분해 촉매에 의해 가수분해 반응이 매우 빠르게 진행된다. 한편, 초기에 온도를 상승시킨 판재 형태의 알루미늄은 매우 얇아 모두 소모되어 더 이상 수소를 발생시키지 않고 이때부터 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액의 가수분해 반응에 의해서만 수소가 안정적으로 발생한다.
이하, 상기한 실시예1의 작동에 대하여 설명한다.
도1을 참조하면 추진제 장착틀(30)에 수소 생성 반응 추진제(40)를 장착한 상태에서 알칼리 수용액(10-a)을 챔버 본체(11) 내부로 주입하면, 수소 생성 반응 추진제(40)가 알칼리 수용액(10-a)에 잠기게 되면서 수소 가스가 발생되고, 발생되는 수소 가스는 알칼리 수용액(10-a) 상부로 모이게 된다.
도1을 참조하면 수소 생성 반응 추진제(40)과 알칼리 수용액(10-a)에 의한 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의하여 발생되어 알칼리 수용액(10-a) 상부에 모이게 된 수소 가스의 일부는 가스 연결관(60)을 통하여 물저장통(50)에 유입된다. 물저장통(50)에 유입된 수소 가스 중에 포함된 불순물은 물(50-a)을 통과하며 제거되고, 따라서 순수한 수소 가스가 물저장통(50) 중 물(50-a)의 상부에 모이게 된다. 물저장통(50) 중 물(50-a)의 상부에 모이게 된 순수한 수소 가스는 제1 수소 배출관(52-1), 플로우미터(Flowmeter)(54) 및 제2 수소 배출관(52-2)을 경유하여 외부로 배출된다.
도1 및 도2를 참조하면 수소 가스가 다량 발생하여 가스 연결관(60)을 통하여 유출되는 수소 가스보다 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의하여 생성되는 수소 가스가 많게 되면 알칼리 수용액(10-a) 상부에 모인 수소 가스의 압력이 증가하고, 이에 따라 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 유입되는 수소 가스의 압력이 증가한다. 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 유입되는 수소 가스의 압력이 증가하면, 스프링(25)의 탄성력을 극복하고 벨로우즈(23)가 팽창하며 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동하게 된다. 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동함에 따라 추진제 장착틀(30)이 상부로 이동하고, 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 노출되면서 반응속도가 줄어든다.
도1 및 도2를 참조하면 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동함에 따라 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응에 의하여 생성되는 수소 가스보다 가스 연결관(60)을 통하여 유출되는 수소 가스 양이 많게 되면 알칼리 수용액(10-a) 상부에 모인 수소 가스의 압력이 감소하고, 이에 따라 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 유입되는 수소 가스의 압력이 감소한다. 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 유입되는 수소 가스의 압력이 감소하면서 벨로우즈(23)가 수축하며 벨로우즈(23) 상단부가 하부로 이동하게 된다. 이때, 스프링(25)의 탄성력에 의하여 벨로우즈(23)가 더욱 빠르게 수축하며 벨로우즈(23) 상단부가 하부로 더욱 빠르게 이동하게 된다. 벨로우즈(23) 상단부가 하부로 이동함에 따라 추진제 장착틀(30)이 하부로 이동하고, 알칼리 수용액(10-a)의 내부로 수소 생성 반응 추진제(40)이 잠기면서 반응속도가 증가한다.
실험예
알루미늄 합금 A1100을 50ㅧ50ㅧ0.8(mm3) 크기로 잘라 10장(54.71g)을 추진제 장착틀(30)에 고정시켜 70ㅧ80ㅧ150(WㅧLㅧH) 크기의 챔버 본체(11)에 내부에 위치시켰다. 이후 NaOH 5.0M 수용액을 챔버 본체(11)에 주입하고 내부압력을 조정하면서 수소발생속도를 측정하였다.
도3은 실시예1에 의한 수소발생속도와 내부 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도3을 참조하면 물저장통(50)의 물(50-a) 상부의 압력이 6bar 일 때 플로우미터(Flowmeter)(54)를 이용하여 수소 가스 배출 유량을 높이고, 압력이 5bar가 되면 플로우미터(Flowmeter)(54)를 이용하여 수소 가스 배출 유량을 낮추면서 평균 1500ml/min의 수소 가스 발생속도를 얻을 수 있었다.
실시예2
실시예2는 본 발명에 따른 다른 수소발생장치에 관한 것이다.
도4 및 도5는 실시예2의 작동도를 나타낸다.
도4를 참조하면 실시예2는 반응 챔버(10), 탄성 변형부(120), 추진제 장착틀(130) 및 물저장통(50)을 포함한다.
도4를 참조하면 반응 챔버(10)는 챔버 본체(11), 챔버 본체(11)의 상단부에 안착되는 제1 챔버 덮개(12-1) 및 제1 챔버 덮개(12-2)의 상단부에 안착되는 제2 챔버 덮개(12-2)를 포함할 수 있다. 챔버 본체(11)에는 수소 생성 반응인 알루미늄 용해 반응 또는 가수분해 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워진다.
도4를 참조하면 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에는 소정부위가 다이아프램막(121)으로 형성되는 탄성 변형부(120)가 설치된다. 탄성 변형부(120)는 가장자리가 반응 챔버(10)에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되는데, 제2 덮개(12-2)의 내측 둘레면에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정될 수 있다. 따라서, 수소 생성 반응에 의하여 발생된 수소 가스에 의한 고압이 다이아프램막(121)에 작용하게 되면 다이아프램막(121)이 상부로 탄성 변형된다. 한편, 탄성 변형부(120)에는 챔버 본체(11)에 알칼리 수용액(10-a)을 주입하기 위한 용액 투입구(12-1b)가 형성될 수 있다.
도4 및 도5를 참조하면 추진제 장착틀(130)은 상측부가 탄성 변형부(120)에 형성되는 관통공(도면 미도시)을 통하여 끼워짐으로써 상단부가 탄성 변형부(120)에 고정 연결될 수 있다. 즉, 추진제 장착틀(130)의 상단에는 장착틀 안치부(131)가 돌출 형성되는데, 장착틀 안치부(131)가 다이아프램막(121) 상면에 안치되며 탄성 변형부(120)에 고정 연결될 수 있다. 한편, 추진제 장착틀(130)의 하측부에는 수소 생성 반응 추진제(40)가 장착된다. 추진제 장착틀(130)은 복수의 수소 생성 반응 추진제(40)로 된 판재를 일정한 간격으로 이격되게 고정하는 구성일 수 있다. 따라서, 다이아프램막(121)이 상부로 탄성 변형되는 경우 추진제 장착틀(130)이 상부로 이동하여 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고, 다이아프램막(121)이 하부로 탄성 복원되는 경우 추진제 장착틀(130)이 하부로 이동하여 수소 생성 반응 추진제(40)가 알칼리 수용액(10-a) 내부로 다시 잠기게 된다. 한편, 제2 챔버 덮개(12-2)에는 압력 조절가스 주입구(12-2a)가 형성될 수 있다. 압력 조절가스 주입구(12-2a)는 탄성 변형부(120) 상측에 작용하는 압력을 조절하기 위한 것이다.
도4 및 도5를 참조하면 반응 챔버(10)의 일측에는 물저장통(50)이 설치된다. 물저장통(50)에는 소정 높이로 물(50-a)이 채워진다. 반응 챔버(10)와 물저장통(50)은 상단이 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하고, 하단이 물저장통(50)에 채워진 물(50-a) 내부에 위치하는 가스 연결관(60)에 의하여 상호 연통된다. 도면부호 51은 물저장통(50)에 물(50-a)을 주입하기 위한 물 주입구를 나타낸다.
도4 및 도5를 참조하면 실시예1에서와 마찬가지로 가스 연결관(60)의 상단에는 필터(61)가 장착된다. 필터(61)는 수소 생성 반응시 발생하는 침전물이나 거품이 가스 연결관(60)을 통하여 물저장통(50)으로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도4 및 도5 참조하면 실시예1에서와 마찬가지로 물저장통(50) 중 물(50-a)의 상부에는 제1 수소 배출관(52-1)이 연결된다. 제1 수소 배출관(52-1)에는 압력계(53)가 구비될 수 있다. 또한 제1 수소 배출관(52-1)의 단부에는 제1 수소 배출관(52-1)의 단부를 통하여 배출되는 수소 가스의 양을 조절하기 위한 플로우미터(Flowmeter)(54)가 연결될 수 있다. 플로우미터(Flowmeter)(54)를 통과한 수소 가스는 플로우미터(Flowmeter)(54)에 연결된 제2 수소 배출관(52-2)을 통하여 외부로 배출된다.
한편, 실시예2에 있어서, 짧은 시간 동안 높은 수소 발생 속도가 요구되는 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있다. 이 경우 알루미늄 용해 반응에 의하여 수소 가스가 발생된다.
한편, 실시예2에 있어서, 요구되는 수소 발생 속도가 낮은 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄일 수 있는데, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨이 2 ~ 3 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 10 ~ 20 g 일 수 있다. 이 경우 알루미늄 용해에 의해 초기 반응기 온도를 상승시키고 반응기 온도가 90℃ 이상 되었을 때는 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생된다.
한편, 실시예2에 있어서, 장시간 안정적으로 수소 발생이 요구되는 경우 상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 가수분해 촉매일 수 있다. 이 경우, 상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 1 ~ 2 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 25 g 이며, 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트(Co)와 붕소(B)이거나, 코발트(Co)와 인(P)과 붕소(B)로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 가수분해 촉매에 의한 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생한다.
한편, 실시예2에 있어서, 초기에 높은 수소 발생 속도를 짧은 시간 내에 도달해야 하고 이후 장시간 수소발생 속도를 유지할 것이 요구되는 경우 알칼리 수용액(10-a)은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이고, 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄과 가수분해 촉매일 수 있다. 이 경우 상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트(Co)와 붕소(B)이거나, 코발트(Co)와 인(P)과 붕소(B)로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 알루미늄과 함께 추진제 장착틀(30)에 장착될 수 있다. 이 경우 초기에 알루미늄 용해에 의해 온도가 급상승하고 이에 따라 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액도 상기 가수분해 촉매에 의해 가수분해 반응이 매우 빠르게 진행된다. 한편, 초기에 온도를 상승시킨 판재 형태의 알루미늄은 매우 얇아 모두 소모되어 더 이상 수소를 발생시키지 않고 이때부터 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액의 가수분해 반응에 의해서만 수소기 안정적으로 발생한다.
실시예2의 작동은 실시예1의 작동과 유사하므로 설명을 생략한다.
10:반응 챔버 10-a:알칼리 수용액
21:실린더 23:벨로우즈
25:스프링
30:추진제 장착틀 31: 장착틀 안치부
40:알루미늄 50:물저장통
61:필터
120:탄성 변형부 121:다이아프램막
130:추진제 장착틀 131:장착틀 안치부

Claims (16)

  1. 수소 생성 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워지는 반응 챔버(10);
    상기 반응 챔버(10) 중 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하며, 하단부가 개방된 실린더(21);
    상기 실린더(21)에 끼워지며, 개방된 하단부 둘레면이 상기 실린더(21) 내측면에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되고, 상기 수소 생성 반응에 의해 발생된 고압의 수소 가스가 유입되는 경우 팽창하며 상단부가 상부로 이동하는 벨로우즈(23);
    상기 알칼리 수용액(10-a) 중에 잠기어 상기 수소 생성 반응을 일으키기 위한 수소 생성 반응 추진제(40)가 장착되며, 상기 벨로우즈(23) 상단부가 상부로 이동하는 경우 상부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 상기 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고 상기 벨로우즈(23) 상단부가 하부로 복원되는 경우 하부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)가 상기 알칼리 수용액(10-a) 내부로 잠기도록, 상기 벨로우즈(23)의 하단부를 통하여 끼워져 상단이 상기 벨로우즈(23) 상단에 연결되어 상하로 이동하는 추진제 장착틀(30);
    상기 반응 챔버(10)의 일측에 설치되어 소정 높이로 물(50-a)이 채워지고, 상기 수소 생성 반응에 의하여 발생되어 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 존재하는 수소 가스를 유입 받아 상기 물(50-a)을 통과시켜 외부로 배출하기 위한 물저장통(50);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더(21) 중 상기 벨로우즈(23) 상측에는 상기 벨로우즈(23) 상단의 상부 이동 후 하부 복원력을 제공하기 위한 스프링(25)이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버(10)와 물저장통(50)은 상단이 상기 반응 챔버(10) 중 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하고, 하단이 물저장통(50)에 채워진 물(50-a) 내부에 위치하는 가스 연결관(60)에 의하여 상호 연통되고,
    상기 가스 연결관(60)의 상단에는 상기 수소 생성 반응시 발생한 침전물이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터(61)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 2 ~ 3 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 20 g 인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 가수분해 촉매인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 수용액은 용액 100 g 당 수산화나트륨은 1 ~ 2 g 이고, 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 10 ~ 25 g 이고,
    상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트와 붕소이거나, 코발트와 인과 붕소로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 상기 추진제 장착틀(30)에 장착되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄과 가수분해 촉매인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가수분해 촉매는 코발트(Co)와 인(P)이거나, 코발트와 붕소이거나, 코발트와 인과 붕소로서, 금속이나 활성탄에 담지된 형태로 상기 추진제 장착틀(30)에 장착되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  11. 수소 생성 반응을 위한 알칼리 수용액(10-a)이 채워지는 반응 챔버(10);
    상기 반응 챔버(10) 중 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 위치하며, 상기 수소 생성 반응에 의해 발생된 수소 가스에 의한 고압 작용시 소정부위가 상부로 탄성 변형되도록 가장자리가 상기 반응 챔버(10)에 기밀(氣密) 상태를 이루며 고정되며 상기 소정부위가 다이아프램막(121)으로 형성되는 탄성 변형부(120);
    상기 알칼리 수용액(10-a) 중에 잠기어 상기 수소 생성 반응을 일으키기 위한 수소 생성 반응 추진제(40)가 장착되며, 상기 다이아프램막(121)이 상부로 탄성 변형되는 경우 상부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)의 일부가 상기 알칼리 수용액(10-a)의 상부로 노출되고 상기 다이아프램막(121)이 하부로 탄성 복원되는 경우 하부로 이동하여 상기 수소 생성 반응 추진제(40)가 상기 알칼리 수용액(10-a) 내부로 잠기도록, 상단부가 상기 다이아프램막(121)에 연결되어 상하로 이동하는 추진제 장착틀(130);
    상기 반응 챔버(10)의 일측에 설치되어 소정 높이로 물(50-a)이 채워지고, 상기 수소 생성 반응에 의하여 발생되어 상기 알칼리 수용액(10-a) 상부에 존재하는 수소 가스를 유입 받아 상기 물(50-a)을 통과시켜 외부로 배출하기 위한 물저장통(50);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 추진제 장착틀(130)의 상단에는 상기 다이아프램막(121) 상면에 안치되며 고정 연결되는 장착틀 안치부(131)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수산화나트륨과 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 용해된 혼합 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 가수분해 촉매인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액(10-a)은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이고,
    상기 수소 생성 반응 추진제(40)는 알루미늄과 가수분해 촉매인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
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