KR101173704B1 - 자율 제어형 가스 발생기 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 요구량에 따라, 적당한 화학물질 공급원, 예컨대 화학물질 용액, 액체 내에 용해된 가스 또는 혼합물로부터 화학물질 공급 챔버(41) 내에서 촉매적으로 발생된 가스(예를 들어, 수소 또는 산소)의 양을 공급하고 자동적으로 조정하는 자율 제어형 가스 발생기가 개시되어 있다. 본 발명의 가스 발생기는 화학물질 공급원을 촉매에 조절된 양으로 노출시키기 위해 피스톤, 회전형 로드(30a) 또는 기타 부재(들)를 이용할 수 있다. 가스 발생기는 다양한 가스 소비 장치, 예컨대 연료 전지, 토치 또는 산소 호흡 장치에 가스를 공급하는데 사용될 수 있다.

Description

자율 제어형 가스 발생기 및 방법 {SELF-REGULATING GAS GENERATOR AND METHOD}
최근, 거의 모든 군수용, 산업용 및 가정용 전자제품은 AC 벽 콘센트(outlet), 가스 발생기 또는 1회용 또는 충전용 배터리와 같은 통상적인 전력원에 의해 작동된다. 이러한 각각의 전력원은 자체 결점을 갖는다. 이러한 결점 중 하나는 AC 전력 발생 플랜트, 가스 발생기 및 배터리가 각각 환경 비친화적인 부산물(예를 들어, 오존 파괴 가스 및 배터리 산 폐기물)을 발생시키는 오염 형태로 존재하는 것이다.
연료 전지는 상기의 문제점에 대해 환경 친화적인 해결책으로서 제안되었다. 그러나, 해결책으로서 채택되기 위해서는, 연료(예를 들어, 수소 가스)가 통상적인 대응안에 비해 가격 경쟁면에서 용이하고 안전하게 접근될 수 있어야 한다.
휴대용 가스 발생기는 필요시 고순도 가스를 안전하게 발생시킬 수 있다. 이러한 발생기는 연료 전지용 연료로서 수소 가스를 제공하는 데, 또는 다른 가스를 사용하는 장치를 위해 다른 유형의 가스를 제공하는 데 유용하다. 많은 상이한 군수용, 산업용 및 가정용 제품에 사용될 것으로 예상되는 연료 전지를 위해 수소 가스를 발생시키는 경우에, 이러한 시장에 허용되는 휴대용 가스 발생기는 경량이고, 기계적으로 간단하고, 필요시 반응하고 (즉, 연료를 사용하는 장치가 동력을 필요로 하는 경우에만 가스를 발생시키고), 어떠한 배향에서도 작동할 수 있으며, 가스가 발생되는 시점에서부터 가스가 장치에 공급되는 시점까지 소량의 가스만을 저장하도록 설계되므로써 가연성이거나 다르게는 위험가능성이 있는 가스를 저장하는 데 있어서 안전성 문제를 최소화해야 할 것이다.
발명의 요약
본 발명의 원리에 따른 자율 제어형 휴대용 가스 발생기 또는 이에 상응하는 가스 발생 방법은 사용 요건에 응하여 가스 발생율을 자동적으로 증가시키거나 감소시키는 방식으로 다양한 휴대용 동력 발생 장치용 가스를 발생시킨다. 자율 제어형 가스 발생기는 휴대성을 제공하며, 군수용, 산업용 및 가정용 제품에 적합한 안전성 특징을 갖는다. 자율 제어형 가스 발생기의 몇몇 구체예에서는 자율 제어 특징을 기초로 하여 화학물질 공급원으로부터 가스를 발생시키는 데 사용되는 촉매의 수명을 연장시킨다.
본 발명의 원리에 따른 일 구체예에서, 가스 발생기는 NaBH4 용액과 같은 화학물질 공급원을 위한 챔버를 포함한다. 화학물질 공급원의 통로에 대해 폐쇄된 하나 이상의 부재는 백금과 같은 촉매를 함유하거나 이로 코팅된다. 일 구체예에서, 이러한 부재(들)는 화학물질 공급 챔버에 대해 이동하여 화학물질 공급원과 관련하여 촉매를 위치시킨다. 촉매의 존재 하에 화학물질 공급 챔버내에서 화학물질 공급원은 수소 가스와 같은 발생된 가스를 포함하는 생성물로 분해된다. 또한, 가스 발생기는 연료 전지에 의해 전기 에너지로 전환하기 위해 사용시까지 또는 다른 가스 소비 장치에 의해 의도된 용도로 사용시까지 발생된 가스를 저장하는 가스 저장 챔버를 포함한다. 발생된 가스는 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로에 대해 가스 투과성 구조물(예를 들어, 막)을 통해 이동한다. 가스 투과성 구조물은 촉매가 위치하는 부재 상에, 부재 내에 또는 이러한 부재와 이격되어 위치될 수 있다. 이러한 부재의 위치 및 이에 따른 화학물질 공급원에 대한 촉매는 화학물질 공급원의 존재 하에서 촉매를 위치시키는 하나 이상의 챔버내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용하는 피드백 시스템에 의해 제어되어 생성되는 가스의 생성율을 제어할 수 있다.
상기 부재(들)는 많은 형태를 취할 수 있으며, 화학물질 공급원에 대해 촉매를 다양한 방법으로 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 부재(들)는 화학물질 공급 챔버에 대해 병진하거나, 화학물질 공급 챔버에 대해 회전하거나, 화학물질 공급 챔버를 포함하는 본체에 대해 고정된 위치에 유지될 수 있다. 상기 부재(들)의 이동은 화학물질 공급원에 노출되는 촉매의 양을 변화시킬 수 있다. 상기 부재(들)는 세라믹이거나 임의로 열 전도성 물질로 제조될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 상기 부재(들)은 피스톤일 수 있으며, 이러한 경우, 이들 부재는 중공 피스톤이거나 솔리드(solid) 피스톤일 수 있다. 중공 피스톤의 경우, 상기 부재(들)는 하나의 내부 채널을 구비하거나, 발생된 가스가 피스톤을 통해 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 통로로 흐르도록 하기에 적합한 다중 채널을 형성하는 내부 구조물을 구비할 수 있다.
몇몇 구체예에서, 상기 부재(들)는 화학물질 공급원에 대해, 부재(들)에 작동하는 힘들의 평형을 생성하는 위치로 이동하는 솔리드 피스톤이며, 여기에서 힘은 상기 부재(들)에 작동적으로 연결된 스프링으로 인한 힘을 포함한다. 솔리드 피스톤의 구체예에서, 화학물질 공급 챔버는 가스 투과성 구조물인 경계부 또는 이의 일부를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 가스 투과성 구조물은 발생된 가스가 실질적으로 가스 투과성 막 전체를 통과하는 가스 투과성 막일 수 있으며, 다른 구체예에서, 가스 투과성 구조물은 가스 투과성 막 부분 및 비-가스 투과성 막 부분을 포함한다. 몇몇 중공 피스톤 구체예에서, 상기 부재(들)는 가스 투과성 촉매층 및 가스 투과성 구조물로 코팅될 수 있다.
가스 발생기는 상기 부재와 연결된 하나 이상의 조절가능한 스프링을 포함할 수 있다. 스프링(들)은 가스 저장 챔버내 압력과 상기 부재(들)의 위치 간의 관계가 조절될 수 있게 한다.
상기 부재(들)은 가스 투과성 구조물로 코팅되거나, 가스 투과성 구조물로 덮혀지거나, 가스 투과성 구조물과 일체형일 수 있다. 상기 부재(들)는 또한 비촉매적 부분을 포함할 수 있으며, 이러한 부분은 상기 부재(들)의 길이를 따라 위치할 수 있다. 상기 부재(들)가 피스톤으로서 작동되는 경우에, 비촉매적 부분은 피스톤의 단부에 위치할 수 있다. 상기 부재(들)는 화학물질 공급원에 노출되는 촉매가 전혀 없도록 화학물질 공급원에 대해 촉매적 및 비촉매적 부분이 위치되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 피스톤은 화학물질 공급원의 분해를 중단시킨다. 또한, 가스 발생기는 상기 부재(들) 상에 생성물 또는 그 밖의 물질이 축적되지 않도록 부재(들)로부터 생성물을 제거하기에 적합한 "와이프(wipe)"를 포함하므로써, 촉매 또는 상기 부재(들) 자체의 수명을 증가시킬 수 있다.
가스 투과성 구조물은 다양한 외관을 포함하거나, 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 가스 투과성 구조물은 화학물질 공급원으로부터 수소 가스(H2)와 같은 가스를 분리시킬 수 있다. 이러한 가스 투과성 구조물은 팔라듐(Pd) 또는 중합체 구조물을 포함할 수 있다. 가스 투과성 구조물은 상기 부재(들)와 기계적으로 접속될 수 있다.
촉매는 여러 형태일 수 있다. 예를 들어, 촉매는 하나 이상의 다음 촉매: 금속, 금속 붕소화물 또는 중합체를 포함할 수 있다. 이러한 촉매는 가스 투과성 구조물에 부착되거나, 가스 투과성 구조물 상에 코팅되거나, 상기 부재(들)의 비투과성 부분에 부착되거나, 상기 부재(들)의 비투과성 부분 상에 코팅될 수 있다.
또한, 가스 발생기는 또 다른 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 발생기는, 가스 저장 챔버가 실질적으로 최대 가스 용량과 같은 설정된 압력에 도달하는 경우에 작동되는 용량 표시기(capacity indicator)를 포함하거나, 화학물질 공급원이 실질적으로 소비되었음을 표시할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 각 챔버내 압력이 소정 한계값을 초과하는 경우, 가스 저장 챔버 또는 화학물질 저장 챔버의 압력을 감소시키는 하나 이상의 압력 감소 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 필터를 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 가스 발생기는 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 습윤기를 포함할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 화학물질 공급 챔버의 알려진 위치에 대해 상기 부재(들)의 위치를 검출하기 위한 변환기를 포함할 수 있다.
피드백 시스템은 발생되는 가스의 발생 속도를 제어할 수 있다. 피드백 시스템은 (i) 가스 저장 챔버와 화학물질 공급 챔버 간, (ii) 가스 저장 챔버와 기준 압력 챔버 간, 또는 (iii) 화학물질 공급 챔버와 기준 압력 챔버 간의 압력 차에 의해 발생된 힘을 이용할 수 있다. 다른 구체예에서, 가스 발생기는 하나 이상의 부재에 연결된 스프링을 포함할 수 있으며, 피드백 시스템은 부재에 대해 작동하는 하나 이상의 챔버 내의 압력과 동일 부재에 대해 작동하는 스프링의 힘 간의 차를 이용할 수 있다.
화학물질 공급원은 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 화학물질 공급원은 고체, 액체, 액체 중에 용해된 가스, 또는 액체와 액체 중에 용해된 가스의 조합물일 수 있다. 화학물질 공급원은 임의의 화학물질 수소화물, 수성 NaBH4, 또는 NaBH4와 하나 이상의 알칼리 금속염의 용액을 포함할 수 있으며, 이 경우 NaBH4 수용액은 유효량의 보조 용매 또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 화학물질 공급원은 수소 가스를 생성시키기 위해 촉매의 존재하에서 분해되는 NaBH4 수용액이며, 여기서 촉매는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt), 레늄(Re) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 화학물질 공급원은 건조 분말로서 저장된 NaBH4를 포함할 수 있다. 건조 분말은 (i) 건조 NaBH4 분말을 함유하는 막을 파괴시킴으로써, (ii) 가스 발생기를 진탕시키거나 압착시킴으로써, 또는 (iii) 상기 막을 천공시킴으로써, 소정의 액체와 혼합되도록 유도될 수 있다.
발생된 가스는 다수 유형의 상이한 가스일 수 있다. 두 가지 경우는 수소 가스 및 산소(O2) 가스를 포함한다. 이들 가스는, 예를 들어 (i) 전기를 발생시키기 위해 수소 가스 및 산소를 반응시키는 연료 전지 적용분야, (ii) 수소 가스를 연소시키는 토치, 또는 (iii) 내과 환자에게 실질적으로 순수한 산소를 제공하는 산소 호흡 장치를 포함하는 다양한 적용분야에서 사용될 수 있다. 이들 두 가지 가스 중 어느 하나를 사용하는 다수의 다른 적용분야 및 다른 가스를 사용하는 추가의 적용분야가 존재한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 원리는 본 명세서에 기술된 예시적 구체예에 의해 발생된 가스의 유형에 제한되거나 이러한 유형에 의해 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 기술된 가스 발생기 구체예 중 일부는 이를 다수의 적용분야에 대해 유용하게 하는 하기 안전성 및 동작 특징 중 일부 또는 전부를 포함한다. 이러한 특징은 특정한 순서없이 소비율, 소형 또는 대형 설계, 배향 둔감성, 높은 수준의 시스템 안전성, 및 수소 가스의 자동 제한을 조화시키기에 충분한 자동 가스 생산 또는 가스 발생기가 폭주 반응(runaway reaction)을 지닐 수 없도록 하는 다른 가스 생산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 가스 압력이 너무 높은 경우 (즉, 너무 많은 수소 가스가 생성되고 있는 경우), 시스템은 자동적으로 이의 작동을 정지시킬 수 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 밖의 목적, 특징 및 이점은, 도면 전체에 걸쳐서 유사한 참조 부호가 동일한 부분을 나타내는 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 하기한 본 발명의 바람직한 구체예의 더욱 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 가스 발생기가 사용될 수 있는 연료 전지 적용분야의 도해이다.
도 2a는 도 1의 가스 발생기의 개략도이다.
도 2b는 도 2a의 가스 발생기의 또 다른 구체예의 개략도이다.
도 3은 가스를 발생시키기 위해 촉매를 화학물질 공급원의 안팎으로 이동시키는데 사용되는, 도 2a의 가스 발생기 내 부재(예를 들어, 피스톤)의 상세한 기계적 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2a의 가스 발생기의 작동을 도시하는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 가스 발생기의 다른 구체예의 개략도이다.
도 6a는 도 1의 가스 발생기의 또 다른 구체예의 개략도이다.
도 6b 및 도 6c는 도 6a의 가스 발생기에 사용되는 부재 (예를 들어, 회전 로드(rotating rod))의 기계적 도면이다.
도 6d 내지 도 6f는 도 6c의 부재가 작동되는 경우의 기계적 도면이다.
도 7은 도 1의 가스 발생기의 또 다른 구체예의 기계적 개략도이다.
도 8은 도 1의 가스 발생기의 또 다른 구체예의 기계적 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 원리에 따른 가스 발생기가 사용될 수 있는 다른 예시적 적용분야를 도시한다.
본 발명의 바람직한 구체예의 설명은 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 가스 발생기(10)가 사용될 수 있는 연료 전지 적용분야의 도해이다. 연료 전지 적용분야에서, 가스 발생기(10)는 수소 가스를 발생시키고, 이를 연료 전지(11)에 전달한다. 연료 전지(11)는 당 분야에 널리 공지된 바와 같이 수소 가스 및 산소를 반응시켜서 전기(44)를 생성시킨다. 연료 전지(11)는 전기(44)를 전기 소비 장치, 예를 들어 개인용 디지털 장치(12a) (예를 들어, MP3 플레이어), 원격 조종 자동차(12b) 또는 휴대용 컴퓨터(12c)에 제공한다. 다른 연료 전지 적용분야는 군수용 전자제품, 산업용 전자제품 (예를 들어, 인쇄기(printing press)), 또는 소비자용 전자제품 (예를 들어, 휴대폰, 개인용 디지털 보조장치 (Personal Digital Assistants, "PDA's") 등)을 포함한다.
일반적으로, 연료 전지는 이것이 발생시키는 전력에 따른 속도로 수소 가스를 소비한다. 예시적 연료 전지는 2001년 11월 6일에 특허된 미국 특허 제 6,312,846호에 기재되어 있으며, 이러한 특허의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 상기 특허에는, 일부 구체예에서 부하에 반응하여 동력학적 방식으로 형태를 변화시킬 수 있는 연료 전지가 기재되어 있다. 예를 들어, 부하가 보다 큰 경우, 연료 전지는 전력 수요를 충족시키기 위해 보다 많은 연료를 소비하도록 동력학적으로 이의 형태를 바꿀 수 있고, 부하가 보다 적은 경우, 연료 전지는 연료를 보존하도록 동력학적으로 이의 형태를 바꿀 수 있다.
가스 발생기(10), 연료 전지(11) 또는 일체형 조합물(들)이 취할 수 있는 다수의 다양한 크기 및 형태가 존재한다. 그러나, 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 크기 (절대적 및 상대적 둘 모두) 및 이들 장치의 인터페이싱은 중요하지 않다. 중요한 것은 (i) 가스를 발생시키기 위한 방법 및 예시적 가스 발생기의 구체예 및 (ii) 연료 전지(11)에 의한 가스 사용 속도 및 가스 발생기(10)에 의한 가스 발생 속도 사이의 관계이다. 연료 전지(11)용 가스를 발생시키는 경우, 가스 발생기(10)는 수소 가스를 발생시킨다.
물에 용해된 금속 수소화물 또는 다른 적절한 고형 반응물의 반응에 의해 비교적 순수한 수소 가스를 발생시키는 능력은 널리 공지되어 있다. 한 가지 특정한 수소화물인 수소화붕소나트륨(NaBH4)이 50년에 걸쳐서 편리하고 안전한 수소 가스 공급원으로서 사용되어 왔다. NaBH4 분말이 물에 용해된 경우, 이는 약알칼리성이고 압력이 낮은 비가연성 용액을 형성한다. 이러한 수용액이 선택된 금속, 금속의 조합물, 금속 붕소화물 촉매 또는 심지어 열에 노출되는 경우, 수소 가스가 수용성 붕산 나트륨과 함께 신속히 방출된다. 이러한 촉매 구동되는 분해(가수분해) 반응은 다음과 같이 표현될 수 있다:
NaBH4(aq) + 2H2O(l) -> 4H2(g) + NaBO2(aq) (반응식 1)
가수분해 반응을 나타내는 반응식 1에서, 물(H2O)은 반응물이며, 발생되는 4개의 수소 가스 분자마다 2개의 물 분자가 소비된다. 이러한 반응이 계속 수소 가스를 발생시킴에 따라, 촉매 근처의 잔류 NaBH4 용액에서 NaBH4가 더욱 농축되는데, 이는 제거된 물이 덜 이용가능하기 때문이다. 벌크 NaBH4 용액으로의 감소된 물 공급이 직접적인 문제는 아니지만, 방정식 1의 다른 반응 생성물인 붕산 나트륨(NaBO2)이 보다 적은 물의 존재하에서 형성된다. 이는 촉매 부근에 더욱 농축된 용액을 야기시킨다. 붕산 나트륨은 수용성이지만 매우 수용성이지는 않다. 이는 수소 가스가 생성되고, 동시에 NaBO2 생성물이 형성되는 경우, 일부 NaBO2가 침전되고 촉매상에 또는 촉매 근처에 침착하기 시작할 수 있음을 의미한다. 촉매상의 NaBO2의 축적은 결국 촉매 또는 다른 가스 발생 장치의 후속 활성을 감소시킬 수 있다. 이는 NaBH4 용액이 촉매와 접촉하는 경우에는 언제나 심각한 문제일 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 본 발명의 원리에 따른 가스 발생기(10)의 일부 구체예에 따라 제시되는 바와 같이, 가스 발생기(10)는 촉매를 자율-제어 방식으로 노출시킨다 (예를 들어, 촉매를 NaBH4 용액의 안팎으로 이동시킨다). 피스톤-유형의 구체예에서, 촉매 위치 (즉, 선택된 촉매가 NaBH4 용액에 침지되는 깊이)는 수소 가스 발생 속도를 제어한다. 장치내의 NaBH4 용액의 저장소가 촉매의 표면적과 비교하여 비교적 크기 때문에, 수소 가스 발생 동안 형성된 임의의 NaBO2는 가용성인 채로 용액 상태로 남아있으려는 경향이 있다. NaBO2의 용해도 한계가 결국 초과된다고 하더라도, NaBO2는 침전되고 NaBH4 용액 중의 다른 어딘가에 침착되며, 반드시 촉매 표면상에 침착되는 것은 아니다. 따라서, 촉매 수명이 늘어난다.
또한, 피스톤-유형의 구체예에서, 피스톤 상에 지지된 촉매가 NaBH4 용액 중에 침지되는 깊이는 기계적으로 간단한 압력 관련 피드백 시스템에 의해 제어된다. 피드백 시스템은 연료 전지 또는 다른 수소 가스 사용 장치에 의한 수소 가스 소비량에 기초하여 수소 가스 압력의 증가 또는 감소를 자동적으로 감지한다. 바꾸어 말해, 수소 가스 소비 장치가 연료 전지(11) 상의 전기 로딩량이 작거나 0일 때와 같은 보다 적은 수소 가스를 요구하는 경우, 수소 가스 발생기(10)는 이러한 감소된 요구를 감지하고 수소 가스의 발생을 중단시킨다. 또한, 수소 가스 발생 속도를 조절하는 피드백 제어 시스템은 몇몇 구체예에서 기계적으로 단순, 즉 부피가 크거나 고가의 압력 감지 피드백 제어기 및/또는 기계적 펌프를 포함하지 않는다. 본 발명의 원리는 기계적 용액이 화학물질 공급 챔버에서 촉매에 노출되기 때문에, 가스 발생기(10)가 전기적으로 구동되는 기계적 펌프 또는 화학물질 공급원(예컨대, NaBH4 용액)을 이동시키는 심지제(wicking agent) 없이 작동될 수 있다는 것이다. 따라서, 상기고안은 잠재적으로 저가의 휴대용 적용분야에 적합하며 배향에 영향을 받지 않는다.
피스톤, 중공 또는 솔리드 이외의 부재를 사용하고 화학물질 공급원의 존재하에 촉매를 적용시키는 다른 구체예가 또한 본 발명의 원리의 범위내에 있다. 예를 들어, 촉매는 화학물질 공급원이 노출되는 촉매량을 증가 또는 감소시킴에 의해 화학물질 공급원을 촉매에 노출시키도록 회전하는 디스크, 로드, 구체, 또는 이들의 조합물과 결합될 수 있다. 회전식 촉매 구체예의 피드백 시스템은 병진식(예컨대, 피스톤-유형) 구체예와 유사하거나 상이할 수 있다. 병진식 또는 회전식 구체예를 뒷받침하는 예시적인 피드백 시스템이 하기에 기술되어 있다. 피스톤, 디스크, 구체 등은 일반적으로 본원에서 "부재"로서 언급될 수 있다. 부재는 화학물질 공급원의 통로를 폐쇄시키고 화학물질 공급원과 상호작용한다. 화학물질 공급원의 "통로를 폐쇄시킨다"는 것은 실질적으로 화학물질 공급원이 부재(들)에 들어가지 못하거나, 몇몇 다른 구체예에서, 일부 화학물질 공급원이 들어가긴 하지만, 화학물질 공급원이 가스 저장 챔버를 통해 흐르지 못하게 하는 구조를 포함하는 것을 의미한다.
몇몇 구체예에서, 촉매 및 화학물질 공급원에 의해 발생된 가스가 부재(들)를 통과할 수 있다. 다른 구체예에서, 부재(들)는 솔리드이고, 가스는 부재(들)를 통과하지 않고 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로 통과한다.
본원에 기술된 예시적인 실시예는 연료 전지 적용분야에 사용하기 위한 수소 가스 발생을 주로 기술한다. 연료 전지 적용분야에서, 수소 가스는 특정 화학물질 수소화물 수용액으로부터 발생되나, 가스 발생기(10)는 특정 화학물질 수소화물 또는 특정 수용액으로부터 수소 가스를 발생시키는 것에 제한되지 않는다. 더욱 광범위하고 일반적인 견지에서, 본원에 기술된 구상 및 기계적 고안은 일반적으로 특정 가스가 선택된 촉매, 장치 또는 부재에 의해 임의의 가스, 액체, 혼합물, 또는 심지어 고체 화학물질로부터 자율-제어되는 방식으로 생성되는 임의의 가스 발생 시스템에도 적용될 수 있다.
몇몇 구체예에서, 촉매는 촉매를 보다 큰 부피의 NaBH4 화학물질 공급원으로 또는 이 밖으로 이동시키는 소형 부재(예컨대, 피스톤 또는 디스크)와 결합된다. 이것은 비교적 다량의 액체 화학물질을 이동시키는 것보다 소형의 피스톤 또는 디스크를 이동시키는 것이 더 용이하고, 안전하며, 덜 에너지 집약적이라는 점에서 화학물질 공급원을 촉매로 이동시키는 것보다 유리하다.
도 2a는 도 1의 자율-제어형 가스 발생기(10a)의 제 1 구체예를 도시한다. 가스 발생기(10a)는 세 개의 챔버를 지닌다: 화학물질 공급 챔버(41)(왼쪽), 발생된 가스의 저장 챔버(40)(중간), 및 기준 압력 챔버(26)(오른쪽).
연료 전지(11)를 위해 수소 가스를 발생시키는 경우, 예를 들어 화학물질 공급 챔버(41)는 NaBH4 수용액(42)을 저장한다. 본원에 개시된 일반적인 고안의 개념은 수소화붕소나트륨(NaBH4) 또는 실제로 화학물질 수소화물에 제한되는 것이 아님을 이해하여야 한다. 적합한 조건하에 선택된 촉매에 노출시 요망되는 특정 가스(예컨대, 수소 가스)를 발생시킬 수 있는 임의의 고체, 액체, 또는 가스가 NaBH4 수용액(42)을 대체할 수 있다.
도 2a의 구체예에서, 화학물질 공급 챔버(41) 및 가스 저장 챔버(40)는 구멍(18)을 통해서 절단되거나 형성되는, 구멍(18)이 형성된 고체 벽 또는 파티션(16)에 의해 분리된다. 상기 구멍(18)에, 중공 피스톤(30a)과 같은 부재(30a)가 구비된다. 구멍(18)은 피스톤(30a)의 단면 형상과 조화되는 것이 바람직하다. 중공 피스톤(30a)은 이것이 두 챔버(40, 41) 사이에서 앞뒤로 용이하게 움직일 수 있는 방식으로 설계되고 구성된다. 중공 피스톤(30a)은 적합하게 구비된 밀봉재(예컨대, o-링)(22)를 통해 미끄러져 움직이고, 이것은 액체 또는 가스가 피스톤(30a) 및 벽(16) 사이에서 화학물질 공급 섹션(41) 및 가스 저장 섹션(40)으로 또는 이로부터 실질적으로 이동하지 않도록 구멍(18)에 장착된다. 또한 피스톤(30a)은 비원형의 단면 기하구조(예컨대, 직사각형 또는 타원형)를 지닐 수 있으며, 이의 내부 공동 또는 채널(34)이 다중 채널(즉, 피스톤(30a)은 내부 지지 벽 또는 구조(도시되지 않음)를 포함할 수 있음)로 세분될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 2a의 구체예에서, 가스 저장 챔버(40)는 파티션(16), 탄성 또는 "반동력있는(springed)" 격막(50a), 및 가능하게는 가스 발생기(10a)의 본체(78)의 일부에 의해 규정된다. 가스 저장 챔버(40)에는, 발생된 가스(43)가 연료 전지(11) 또는 다른 가스 소비 시스템, 예컨대 수소 가스 연소 엔진으로 조절가능하게 방출될 수 있는 하나 이상의 가스 출구(14)가 구비될 수 있다. 가스 저장 챔버(40)의 최소 및 최대 부피는 요구되는 일시적인 반응에 기초하여 결정될 수 있다. 따라서, 가스 저장 챔버(40)에 필요한 저장될 수 있는 가스의 부피는 당 분야에 널리 공지된 기술에 의해 결정될 수 있다.
기준 압력 챔버(26)는 출구(27)를 통해 대기압 또는 다른 기준 압력으로 배출될 수 있다. 가스 발생기(10)의 절대 작동 압력을 설정하는 기준 압력은 일정한 반대력을 탄성 격막(50a)에 가한다. 탄성 격막(50a)은 이의 주변에서 주변 밀봉재(29)로 밀봉되어 가스 저장 챔버(40)의 발생 가스가 기준 압력 챔버(26)로 누출되는 것을 방지한다. 상기 구체예에서, 탄성 격막(50a)은 가스 저장 챔버(40)와 기준 압력 챔버(26) 간의 압력 차의 함수로 팽창 및 수축된다.
피스톤(30a)은 탄성 격막(50a)에 부착되며, 탄성 격막(50a)이 수축 및 팽창됨에 따라 각각 화학물질 공급 챔버(41)로 확장되고 화학물질 공급 챔버 밖으로 물러난다. 스프링(65)은 탄성 격막(50a)에 바이어스력을 공급할 수 있고, 이는 차례로 피스톤(30a)에 바이어스력을 가하여 탄성 격막(50a)이 강제로 기울어지게 된다. 압력 및 스프링력이 어떻게 가스 발생에 영향을 미치는 지에 대한 추가 설명은 계속되는 도 2a의 설명 및 도 4a 내지 4c의 설명을 참조로 하여 하기되어 있다. 상기 설명에 앞서, 피스톤(30a) 및 이와 관련된 촉매(32)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조로 제공된다.
도 3은 도 2a의 중공 피스톤(30a)의 근접도이다. 중공 피스톤(30a)은 수소 가스(또는 일반적인 의미에서, 임의의 관심있는 모든 가스)를 통과시킬 수 있는 유형의 가스 투과성 구조물(36)(예컨대, 필름, 막, 또는 다른 적합한 다공성 재료)로 구성되거나, 덮히거나(예컨대, 슬리브), 코팅될 수 있다. 그러나, 물, 수증기, 또는 용해된 염, 에컨대 NaBH4, NaBO2 또는 NaOH는 가스 투과성 구조물(36)을 통과할 수 없다. 바꾸어 말해, 중공 피스톤(30)을 둘러싼 가스 투과성 구조물(36)은 물 또는 NaBH4의 분자에 대해서보다 수소 가스 분자(예를 들어)에 대해서 더 투과성이다. 따라서, 화학물질 공급 챔버(41)내에서 발생된 임의의 수소 가스가 상기 가스 투과성 구조물(36)을 통해 우선적으로 투과된다. 가스 출구 구멍(51)이 피스톤(30a)의 오른쪽에 제공되어, 발생된 가스(43)를 공동(34)으로부터 가스 저장 챔버(40)로 배출시킨다.
수소 가스에 대한 적합한 가스 투과성 구조물(36)의 예로서 팔라듐 금속 호일과 같은 것이 당 분야에 널리 공지되어 있다. 그밖의 예로는 중합체 재료, 예컨대 수소 가스(또는 임의의 적합한 가스)와 같은 소형 분자가 투과될 수 있도록 정교하게 에칭된 폴리프로필렌이 있으며, 이로 제한되지 않는다. 또한 다른 예로는 다공성 가스 투과성 중합체, 예컨대 PBO(폴리페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸), 또는 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드)가 있다. 대안적으로, 실리콘 고무와 같은 재료가 사용될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 중공 피스톤(30a)이 구멍 또는 기공과 같은 수소 가스 투과성 특징부(도시되지 않음)로 덮히거나 이를 포함한다. 가스 투과성 특징부는 선택된 촉매(32)의 얇은 층으로 선택적으로 코팅되거나 상기 층 내에 함입될 수 있다. 다른 구체예에서, 촉매(32)는 가스 투과성 특징부와 나란히 또는 이에 근접하여 피스톤의 측면(들)에 적용될 수 있다.
또한 또 다른 구체예에서, 선택된 촉매(32)는 가스 투과성 구조물(36) 상에 형성되거나 이에 근접하게 결합되거나 침착되어, 촉매(32)가 가스 투과성 구조물(36)의 기공에 근접하여 위치하거나 이를 덮는다.
피스톤의 화학물질 공급원 측 단부(35)는 피스톤(30a)이 화학물질 공급원(42)으로부터 충분히 수축되었을 때 가스 발생을 방지하기 위해 코팅되지 않거나 비촉매 재료(35)로 덮힌 채로 남겨진다.
가스 투과성 구조물(36) 또는 피스톤(30a)의 표면은 구조물(36) 또는 피스톤(30a)의 표면을 매끄럽게 하는 방식으로 촉매(32)를 지지하는 "보조개(dimples)" 또는 다른 오목한 패턴으로 특수하게 고안될 수 있다. 가스 투과성 구조물(36) 또는 피스톤(30a)의 평평한 표면은 O-링(22)로 빈틈없는 밀봉을 형성하고 유지하여(도 2A), 화학물질 공급 챔버(41) 및 가스 저장 챔버(40)의 내용물의 분리를 유지시킨다. 촉매(32) 및 가스 투과성 구조물(36)의 위치는, 화학물질 공급원(42) 및 촉매(32) 사이의 화학 반응의 결과로서 형성되는 가스 버블(33)이 가스 투과성 구조물(36)에 대한 압력차를 통해 빠르게 경로를 찾을 수 있도록 공동-선정될 수 있다. 피스톤(30a)의 이러한 구체예에서, 가스 버블(33) 내의 수소 가스는 기공을 통해 피스톤(30a) 내의 중공 공동(hollow cavity)(34)으로 흐른다.
선택된 촉매(32)의 특정 유형은 NaBH4 용액의 분해를 촉매하는 것으로 공지된 유형의 것이다. 일반적인 의미에서, 임의의 가스 발생 촉매가 선택될 수 있다. 촉매의 예로는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt), 레늄(Re) 및 니켈(Ni) 금속, 금속 조합물, 또는 금속 붕소화물이 포함된다. 이러한 촉매는 당업계에 널리 공지되어 있는 바와 같이 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 대안적으로, 가스 투과성 구조물(36)은 수소 가스에 투과성일 뿐만 아니라, NaBH4 용액의 분해에 대해 촉매성인 금속 또는 임의의 다른 물질로 제조될 수 있다. 이러한 구조물(36)의 예에는, 촉매적으로 활성인 외부 표면을 가지는 전이 금속 필름, 예를 들어 팔라듐, 팔라듐 합금, 또는 수소 가스 투과성 구조물(36), 및 NaBH4 분해에 대하여 자체적으로 촉매 활성인 표면을 갖는 임의의 층상 필름이 포함된다.
다시 도 2A와 관련하여, 코팅된 촉매, 중공 피스톤(30a)은 NaBH4 수용액(42)을 함유하는 화학물질 공급 챔버(41)와 발생된 가스(43)을 함유하는 가스 저장 챔버(43) 사이를 자유롭게 이동할 수 있다. 중공 피스톤(30a)은 전체가 화학물질 공급 챔버(41) 내에 있거나, 전체가 가스 저장 챔버(40) 내에 있거나, 두 챔버(40, 41) 사이의 어디엔가 있도록 위치될 수 있다.
본원에 기술된 가스 발생기(10a)는 가스 저장 챔버(40)에 의도적으로 위치시킨 스폰지형 흡수 물질(도시되지 않음)로 구성되어, 화학물질 공급 챔버(41)로부터 새어나오거나 그렇지 않으면 이로부터 통과되는 임의의 NaBH4 용액(또는 임의의 다른 응축 액체)을 흡수(또는 중화)할 수 있다.
중공 피스톤(30a) 또는 파티션(16)은 연료가 가스 저장 챔버(40)로 새어 나가는 것을 방지하거나 그렇지 않으면 성능을 개선시키도록 설계된다. 예를 들어, 상기 제안된 바와 같이, 피스톤(30a)의 좌측 단부(35)(즉, NaBH4 용액(42) 내로 삽입되는 단부)는 때때로 단부 캡(35)으로 지칭되는 고체 비투과성 물질(35) 또는 별개 부재로 밀봉된다. 비투과성 물질(35) 또는 단부 캡(35)은 NaBH4 용액이 중공 피스톤(35)으로 들어가서 수소 가스 저장 챔버(40)로 통과하는 것을 방지한다. 비투과성 물질(35) 또는 단부 캡(35)은 또한 피스톤(30a)이 완전히 들어간 경우(즉, 피스톤(30a)이 수소 가스가 요구되지 않는(또는 매우 적게 요구되는) 동안 완전히 NaBH4 용액(42) 밖에 있는 경우)에 화학물질 공급원(42)이 가스 저장 챔버(40)로 새는 것을 방지하는 것을 돕는다.
상기한 바와 같이, 적절한 밀봉재(22)(예를 들어, O-링 또는 다른 적합한 밀봉 재료)가 파티션 구멍(18)에 장착되어 2개 통로를 통해 가스 챔버로 화학물질 공급원이 새는 것을 방지하며, 여기서 2개 통로는 (i) 피스톤(30a)의 측면 표면을 따라 그리고 (ii) 밀봉재(22)와 파티션(16) 사이에 있다. 추가로, 피스톤(30a)은 브러쉬(13), 또는 피스톤(30a)에 반하는 움직임에 의해 고형 생성물이 피스톤(30a)에 부착되거나 이에 축적되는 것을 방지하거나 감소시키는 다른 탄성 장치를 통해 활주하거나 이에 인접하여 통과하도록 설계될 수 있다. 이러한 오염(fouling) 방지 작용은 촉매의 수명을 효과적으로 연장시킨다. 브러쉬(13)가 접촉하는 피스톤(30a) 상에 평평한 표면을 구비시키는 것은 이들의 성능을 개선시킨다.
다른 브러쉬 설계가 또한 오염 방지 작용을 제공하기 위하여 적용될 수 있다. 브러쉬(13)는 피스톤(30a)의 이동에 큰 저항을 부과하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2A에 도시된 가스 발생기(10)의 작동시에, 피스톤(30a)은 탄성 격막(50a)에 부착되고, 따라서 가스 저장 챔버(40) 내의 압력에 따라 움직인다. 일정한 저항력이 기준 압력 챔버(26)내의 압력에 의해 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 적용된다. 기준 압력 챔버(26)은 또한 탄성 격막(50a)을 향한 기준 압력 힘을 증대시키기 위해 스프링(65)를 함유할 수 있다. 그래서, 기준 압력 챔버(26)가 배기되지 않으면, 그 안에 저장된 갇힌 불활성 가스가 공기 스프링처럼 작용한다. 따라서, 피스톤(30a)이 이것과 촉매(32)의 반응의 결과로서 화학물질 공급원(42) 내에서 증가하는 가스 압력에 의해 점차적으로 오른쪽으로 이동함에 따라, 탄성 격막(50a) 또는 스프링(65)이 중공 피스톤(30a)에 대해 점차적으로 저항하게 된다.
도 2A의 자율 제어형 가스 발생기(10a)의 작동을 추가로 설명하는 도 4A 내지 4C를 기술하기 전에, 도 2A에 기술된 가스 발생기(10a)의 구체예에 대한 개시 공정의 간략한 설명을 제시한다. 지금부터 기술되는 개시 공정은 또한 도 2B에 적용된다.
도 2A와 관련하여, 최초로 사용되기 전에, 화학물질 공급원(42)의 압력은 주변 압력이고, 이는 저장 중에 화학물질 공급원이 새는 것을 방지한다. 또한, 화학물질 공급원(42)은 가스가 발생되지 않도록 촉매 로드(30a)로부터 분리되어 유지된다. 제 1 적재 구성 시나리오에서, 이는 아마도 잠금 핀(도시되지 않음), 다른 적합한 기구(들)의 사용, 또는 예를 들어 피스톤(30a)를 "잠금" 위치로 회전시킴에 의해 피스톤(30a)이 잠금 위치에서 화학물질 공급 챔버(41)로부터 완전히 병진되면서 가스 발생기(10a)를 적재함에 의해 수행된다. 피스톤(30a)의 잠금을 해제하면, 피스톤(30a)에 작용하는 스프링(65)으로 인한 힘이 피스톤(30a)을 오른쪽에서 왼쪽으로 화학 공급원(42) 내로 병진시킨다.
제 2 적재 구성 시나리오에서, 피스톤(30a)을, 촉매(32)를 화학물질 공급원(42)으로부터 외부에 있도록 하는 위치에서 잠구면서 가스 발생기(10a)를 적재하기보다는, 화학물질 공급원(42)은 화학물질 공급원 구성요소의 분리로 인해 사용 전에 불활성일 수 있다. 이러한 제 2 적재 구성 시나리오에서, 화학물질 공급 구성성분은 아마도 분리 막(도시되지 않음)을 파괴하거나 궁극적으로 활성 화학물질 공급원(42)을 형성하도록 혼합되는 화학물질 펠릿을 분쇄하거나 첨가함에 의해 사용 바로 전에 조합된다. 다른 많은 적재 구성이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
제 2 적재 구성 시나리오를 참조하면, 촉매 로드(30a)는 완전히 연장된 위치에서 적재될 수 있는데(즉, 오른쪽에서 왼쪽으로 힘을 가하는 스프링(65)의 힘으로 인하여 왼쪽으로), 이는 화학물질 공급원이 불활성이기 때문이다. 화학물질 공급원이 활성화되고 촉매 로드(30a)가 화학물질 공급원(42) 내로 완전히 연장되면, 생성물 가스가 빠르게 발생한다.
이 시점에서, 외부 장치(11)에는 가스가 전혀 공급되지 않아야 한다. 화학 연료 압력은 본래 주변 압력이기 때문에, 중공 피스톤(30a) 상의 가스 투과성 구조물(36)을 가로지르는 압력차가 없어서, 발생된 가스는 중공 로드(30a)를 통과하여 가스 저장 챔버(40)로 진행된다. 그래서, 촉매 로드(30a)의 발생된 가스는 "거품이 되어 사라지고", 화학물질 공급 챔버(41)의 상부에 떠오른다. 발생된 가스가 화학물질 공급 챔버(41)에 머물기 때문에, 화학물질 공급 챔버(41) 내의 압력은 증가한다. 화학물질 공급 챔버(41) 내의 압력이 증가함에 따라, 압력이 로드(30a)의 왼쪽 단부(35) 상에 가해지기 시작하며, 이로써 로드가 저항하는 스프링(65)에 대해 오른쪽으로 병진하게 된다. 스프링(65)은 화학물질 공급원(42)으로부터 촉매를 점차적으로 제거한다. 동시에, 투과성 구조물(36)을 가로지르는 압력 차는, 발생된 가스가 화학물질 연료 챔버(41)로 거품화되기 보다는 촉매 로드(30a)로 우선적으로 흐르기 시작할 때까지, 증가한다. 발생된 가스(43)는 차례로 탄성 격막(50a) 상에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이에 따라 피스톤(30a)에 힘을 가하게 되는 가스 저장 챔버(40) 내의 압력을 증가시키기 시작한다. 화학물질 연료 챔버(41) 내 압력이 추가로 증가하고 더 많은 가스가 가스 저장 챔버(40)로 흐름에 따라, 피스톤(30a)이 화학물질 공급원(42)으로부터 완전히 회수된 촉매(32)를 배치하는 지점이 있다. 연료 전지(11)를 작동시키기 전에는 연료 전지(11)가 발생된 가스(43)를 요구하지 않기 때문에, 가스 발생기(10a)는 이제 요구시에 조절된 가스를 전달할 준비가 되어 있는 "준비" 상태에 있다.
다른 구체예의 작업개시 순서인, 도 5A, 5B, 6A, 7 및 8은 중공 로드(30a)와 격막(50a)를 사용하지 않는다는 것을 제외하고 도 2A의 작업개시 순서와 유사하다. 이러한 솔리드 로드(30b)의 예에 있어서, 화학물질 공급원(42) 및 촉매(32)의 동일한 분리가 최초 사용 전에 필요하다. 초기 활성화 시에, 촉매 로드(30a)는 스프링(65)에 의해 화학물질 공급원(42) 내로 완전히 연장되고, 화학물질 공급원의 압력은 기준 압력과 동일하다. 발생된 가스는 방출되고 화학물질 공급원(42)을 통해 화학물질 공급 챔버(41)의 상부에 부유하여, 궁극적으로는 상기 투과성 구조물(36)에 면하여 놓인다. 다음에, 가스는 화학물질 공급원(42)과 가스 저장 챔버(40) 사이의 압력 차 증가로 인하여 가스 저장 챔버(40)를 통해 흐른다. 화학물질 공급원의 압력이 증가함에 따라, 촉매 로드(30b)는 왼쪽에서 오른쪽으로, 궁극적으로는 화학물질 공급원(42) 밖으로 병진되고, 이로써 가스 발생이 정지된다. 연료 전지를 작동시키기 전에는 연료 전지(11)에 가스가 요구되지 않으므로, 가스 발생기(10)는 이제 필요시에 조절된 가스를 전달할 준비가 된 "준비" 상태에 있다.
도 4A를 참조하면, 상술한 제 1 적재 구성 시나리오처럼, 피스톤(30a)은 "잠금" 위치로 이동될 수 있는데, 이것은 상기 피스톤(30a)(및 촉매(32))이 NaBH4 용액(42)으로부터 완전히 외부에 있음을 의미한다. 사용자는 고리쇠, 멈춤쇠, 또는 다른 안전 메커니즘(여기서는 도시하지 않음)을 해제시킴으로써 피스톤(30a)을 풀림 위치로 설정하여 피스톤(및 촉매(32))을 NaBH4 용액(42)에 넣을 수 있으며, 이로써 이하에서 곧 설명될 자율 제어 공정이 개시된다.
도 4A를 참조하면, 자율 제어 공정의 개시는 피스톤(30a)을 먼저 화학물질 공급 챔버(41) 내에 완전히 배치시킴으로써 개시된다. 도 2A에 대한 작업개시 순서를 참고로 상술한 바와 같이, 피스톤(30a) 상의 촉매(32)를 NaBH4 용액(42)으로 향해 노출시키면 수소 가스가 촉매 작용에 의해 발생된다. 이러한 수소 가스 발생 단계 동안, 수소 가스 버블(33)은 촉매(32) 근처의 NaBH4 용액(42)에서 형성되고, 유착되며, 가스 투과성 구조물(36)과 접촉한다. 이러한 버블(33)은 압력 차에 의해 가스 투과성 구조물(36)을 통해 이동한다. 다음에, 가스가 버블(33)로부터 빠져나가 중공 피스톤(30a)으로 들어간 후에, 상기 가스(43)는 중공 피스톤(30a)을 통해 이동하여 가스 발생기(10a)의 수소 가스 저장 챔버(40)로 들어간다.
촉매로 코팅된 피스톤(30)이 NaBH4 수용액(42) 내에 침지되는 깊이에 의해 궁극적으로는 수소 가스 발생 속도가 제어된다. 만약 촉매로 코팅된 피스톤(30a)이 화학물질 공급 챔버(41)로 완전히 밀려 들어가면(도 4A), 더 넓은 촉매 표면적이 NaBH4 용액(42)에 노출되기 때문에 수소 가스 발생 속도가 최대로 된다.
도 4B에서, 촉매로 코팅된, 중공 피스톤(30a)은 화학물질 공급 챔버(41)와 가스 저장 챔버(40) 사이에 배치된다. 이러한 경우에, 수소 가스 발생 속도는 최대 수소 가스 발생 속도와 0 사이 값이고, 이는 가스 요구량이 변동되는 전형적인 작동 조건을 나타낸다.
도 4C에서, 피스톤(30a)은 완전히 가스 저장 챔버(40) 내에 존재한다. 이러한 경우에, NaBH4 용액(42)에 노출되는 촉매(32)가 전혀 없기 때문에 NaBH4 용액(42)으로부터 수소 가스(43)가 발생되지 않는다. 피스톤(30a)이 가스 저장 챔버(40) 중에 완전히 유지되는 한, 수소 가스 발생 속도는 여전히 0이다.
지금까지 가스 발생기(10)의 기본적인 작동 원리를 설명하였지만, 이제부터는 피드백 시스템의 상세한 설명, 및 상기 가스 발생기의 피드백 시스템의 작동 방법을 설명한다.
일반적으로, 피드백 시스템은 발생된 가스(43)의 발생 속도를 조절하도록 화학물질 공급원(41) 내에서 촉매(32)를 배치하기 위해 하나 이상의 챔버(40, 41) 내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용한다. 피드백 시스템은 일부 구체예에서 아래의 구성요소들의 하위 군을 포함할 수 있다: 피스톤(30a), 탄성 격막(50a), 스프링(65), 기준 압력 챔버(26), 가스 저장 챔버(40), 또는 화학물질 공급 챔버(41).
도 4C를 참조하면, 피스톤(30a)의 위치는 4개의 힘의 평형에 의해 결정된다: (1) 화학물질 공급 챔버(41) 내의 압력에 기인한 피스톤(30a)의 좌측 단부(35) 상에서 좌측에서 우측으로 작용하는 힘; (2) 탄성 격막(50a) 상에서 좌측에서 우측으로 작용하는 가스 저장 챔버(40) 내의 가스(43) 압력, 이로써 피스톤(30a) 상의 좌측에서 우측으로 힘이 작용한다; (3) 탄성 격막 상에서 우측에서 좌측으로 작용하는 기준 압력 챔버(26)의 압력, 이로써 피스톤(30a) 상의 우측에서 좌측으로 힘이 작용한다; (4) 스프링(65)에 의해 피스톤(30a) 상에 작용하는 힘.
본원에서 설명되는 다른 구체예에는 피드백 시스템 부분과 같거나 다른 구성요소들이 포함될 수 있다. 당업계에서 알려진 등가 구조 또는 작용물들이 본원에서 설명된 바와 같은 피드백 시스템을 구성하는 구조 또는 작용물들 대신에 또는 이들과 협력하여 사용될 수 있다.
도 2A 및 도 4A-4C의 가스 발생기(10)의 작동을 계속해서 참조하면, 수소 가스가 요구될 때(즉, 연료 전지 또는 다른 수소 가스 소비 장치가 로딩되고 수소 가스를 소비하는 경우), 가스 저장 챔버(40) 내의 가스 압력은 감소한다. 낮은 수소 가스 압력은 탄성 격막 또는 가요성 격막(50a)이 덜 연장되게 하여 좌측(즉, 화학물질 공급 챔버(41) 쪽으로)으로 이동하게 하며, 이는 가스 저장 챔버(40)의 부피를 감소시킨다. 가요성 격막(50a)이 좌측으로 이동함에 따라, 탄성 격벽은 촉매로 코팅된 피스톤(30a)을 좌측 및 NaBH4 용액(42) 내로 동시에 밀어넣는다. 중공 피스톤(30a) 상의 높은 표면적의 촉매(32)가 NaBH4 용액에 노출되기 때문에, 수소 가스의 발생 속도가 증가한다.
NaBH4 용액(42) 내의 촉매(32)의 작용에 의해 발생된 수소 가스는 가스 투과성 구조물(36)을 지나 중공 피스톤(30a)을 통해, 그리고 수소 가스 저장 챔버(40)를 향해 빠르게 확산된다. 수소 가스 압력은 다음에 수소 가스 저장 챔버(40) 내에서 빠르게 증가한다. 발생된 수소 가스(43)가 연료 전지(11)(도 1) 또는 다른 수소 가스 소비 장치에 의해 계속적으로 사용되는 한, 기준 압력 챔버(26) 내의 상기 수소 가스 압력은 여전히 낮다. 촉매로 코팅된 피스톤(30)의 상당 부분은 여전히 화학물질 공급 챔버(41) 내에 남아있고, 발생기(10a)는 로딩량에 비례하는 속도로 수소 가스를 계속해서 발생시킨다.
그러나, 연료 전지(11) 상의 로딩량이 감소하고 발생된 수소 가스가 발생 속도와 같은 속도에서 사용되지 않을 때, 사용되지 않은 수소 가스(43)는 가스 저장 챔버(40) 내에 축적된다. 수소 가스 저장 챔버(40) 내의 증가된 수소 가스 압력(화학물질 공급 챔버(41) 내의 압력에 대해)은 탄성 격막(50a)을 기준 압력 챔버(26)쪽으로 이동하게 한다. 탄성 격막(50a)이 우측으로 이동함에 따라, 탄성 격벽은 촉매로 코팅된 피스톤(30a)을 NaBH4 연료 용액(42)의 외부로 동시에 잡아당기고, 따라서, NaBH4 용액(42)에 노출되는 촉매(32)의 양이 감소한다. 이것은 사용속도와 조화될 때까지 수소 가스의 발생 반응을 느리게 하며, 가스의 요구량이 0일 때, 상기 수소 가스 발생 반응은 느려져서 정지한다. 따라서, 가스 발생기(10) 내의 기계적 피드백 시스템은 매우 적은 이동부분을 포함하고, 수소 가스 발생을 빠르게 조절하는 자율 제어 방식으로 수행된다.
연료 전지(11) 상의 로딩이 다시 증가하고 상기 연료 전지(또는 다른 수소 가스 사용장치)가 다시 수소 가스를 사용하도록 개시되면, 가스 저장 챔버(41) 내의 수소 가스의 부피 및 압력은 감소하기 시작한다. 이러한 감소된 압력은 탄성 격막(50a)을 다시 한 번 좌측으로 되돌릴 수 있다. 이러한 이동은 촉매 코팅되고가스 투과성의 중공 피스톤(30a)을 NaBH4 용액(42) 내로 동시에 다시 밀어넣고, 이로써 상술한 바와 같이 수소 가스 발생 속도가 다시 한 번 증가한다. 이러한 NaBH4 용액(42)의 내부 및 외부로의 촉매 코팅된 피스톤(30a)의 움직임은 자율적으로 제어된다. 용액(42)의 내부 및 외부로의 피스톤(30a)의 움직임은 균일한 용액 조성을 제공하기 위해 화학물질 공급원을 진탕시키고, 상기 피스톤(30a)으로부터 반응 잔여물 또는 다른 축적된 물질(도시하지 않음)을 제거하는 세척작용을 수행하는 부가적인 장점을 가진다.
본 발명의 원리는 오로지 상술한 구체예에 제한되는 것이 아니다. 다른 기계적 및 구조적 구체예들이 동일한 자율 제어형 가스 발생 기능을 수행할 수 있다. 이러한 다른 구체예들은 촉매로 코팅된 피스톤 또는 적당한 이동가능한 부재, 가스 투과성 구조물, 및 압력 피드백 시스템을 이용할 수 있다. 본원에서의 다른 구체예 및 구성요소들은 상대적인 구성, 모양, 크기, 압력, 가스 흐름 속도, 구멍 디자인(hole design), 각각의 구성요소들의 움직임, 및 다른 관점에서 도 2A의 구체예와 다를 수 있다. 상기 구성 및 조합된 디자인 교환은 당업계에서 이해되며, 일부는 아래에서 설명된다.
도 2B는, 예를 들어, 도 2A의 가스 발생기(10a)의 또다른 구체예이다. 이러한 구체예에서, 탄성 격막(50b)은 주변 밀봉재(29)와 함께 단단한 벽(60) 및 가요성의 밀봉 벨로우(52)를 포함한다. 벨로우(52)는 조절가능한 기계적 또는 가스 스프링(65)에 대해 눌려짐으로써 압력의 변화에 반응한다. 또다른 구체예에서, 벨로우(52)의 회복력과 기준 압력 챔버(26) 내의 압력은 스프링(65)을 이용하여 분배시키기에 충분할 수 있다. 탄성 격막(50b)(도 2B) 및 탄성 격막(50a)(도 2A) 간의 차이점 이외에, 도 2B의 가스 발생기(10)는 도 2A의 가스 발생기(10a)와 실질적으로 동일하게 작동된다.
또다른 구체예로서, 도 5A 및 5B는, 촉매(32)가, 솔리드 피스톤(30b) 및 블래더 상에 침착되거나 이 내로 혼입되고, 가스 투과성 구조물(36)을 포함하며, 화학물질 공급 챔버(41)의 적어도 일부분을 형성하는 가스 발생기(10b)의 구체예를 도시하고 있다. 이러한 구체예에서, 가스 투과성 구조물(36)은 NaBH4 용액(42)의 주변(도 5A) 또는 주위(도 5B) 부분에서 피스톤(30b)으로부터 이격되어 설치된다. 수소 가스 버블(33)은, 촉매로 코팅된 피스톤(30b) 근처에서 발생되고, NaBH4 용액(42)을 통해 확산되고, 가스 투과성 구조물(36)을 통해 투과되어 가스 저장 챔버(40)로 들어간다.
도 5A 및 도 5B의 구체예들은 가스 발생기(10b)의 장치 구성 및 작동을 단순화시킬 수 있다. 촉매(32)는 피스톤(30b)과 여전히 관련되어 있으나, 수소 가스 투과성 구조물(36)은 촉매(32)로부터 거리를 두어 위치한다. 따라서, 이 구체예에서, 가스 투과성 구조물(36)의 근처 또는 상부에 촉매층이 구성될 필요는 없다. 촉매(32) 및 가스 투과성 구조물(36)은 독립적으로 구성될 수 있다. 이들 구체예의 이점은 제작이 용이하다는 것 뿐만 아니라, 수소 가스 발생 속도가 개선된다는 것이다. 수소 가스 버블(33)이 NaBH4 용액(42)을 통해 가스 투과성 구조물(36)로 이동함에 따라, 이들은 NaBH4 용액(42)의 진탕/교반을 돕는다. 이러한 작용은 촉매(33)의 표면으로부터 부착된 임의의 반응 생성물을 제거하고, 용액(42)를 보다 균일하게 만드는 것을 도움으로써, 이후의 수소 가스 발생을 개선시킨다.
도 5A 및 5B의 가스 발생기(10b)의 솔리드 피스톤(30b)의 구체예의 간편함은 처분성(disposability)을 제공하기 위한 비용을 충분히 감소시킬 수 있다. 또한, 이들 구체예는, 요망시 재충전될 수 있는 재사용가능한 가스 발생기를 가능케 할 수 있다. 예를 들어, 원통형으로 형성된 가스 발생기가 제조 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 화학물질 공급 챔버(41)에 제거가능한 스크류 캡(screw cap, 도시되지 않음)이 설치될 수 있다. NaBH4 용액이 소비된 경우, 스크류 캡은 언스크류잉(unscrewing)되어, 소비된 NaBH4 용액을 비우고, 화학물질 공급 챔버(41)가 새로운 NaBH4로 재충전될 수 있다. 대안적으로, 정변위 주입 포트(도시되지 않음)가 화학물질 공급 챔버(41)에 제공되어, 소비된 화학물질 공급원을 새로운 화학물질 공급원으로 대체할 수 있다.
게다가, 가스 투과성 구조물(36)이 금속(예를들어, 팔라듐) 또는 기타 적합한 열 전도체로 제조되는 경우, 이는 또한 수소 가스 발생 반응에 의해 발생된 임의의 폐열을 배출하기 위한 열 흡수장치로서 작용할 수 있다. 이는 가스 발생기(10b)가 낮은 온도에서 작동할 수 있게 한다. 이 구체예의 또 다른 이점은 수소 가스 저장 챔버(40)가 가스 발생기(10b)의 주변(즉, NaBH4 화학물질 저장 챔버(41) 주위)에 위치될 수 있다는 점이다. 수소 가스 발생기의 전체 부피 이상으로 NaBH4 용액(42)이 저장될 수 있으므로, 이는 단위 부피 당 발생될 수 있는 수소 가스의 양을 증가시킨다.
도 5A 및 5B의 구체예의 작동에서, 수소 가스 소비 장치(도 1)에 의해 생성되어 사용되지 않는 과량의 수소 가스(43)로 인해 NaBH4 용액(42) 내의 압력이 축적됨에 따라, 촉매 코팅된 피스톤(30b)은 조정가능한 스프링(65)에 대해 압축되고, 피스톤(30b)이 NaBH4 용액(42) 밖으로 강제 배출된다. 이는 수소 가스 발생 속도를 정지시키거나 제한시키는 역할을 한다. 이들 구체예는 가스 투과성 구조물(36)의 탄성에 의존하지 않는다. 피스톤(30b) 뒤쪽의 스프링(65)에서의 조정가능한 장력에 따라 다르나, NaBH4 용액(42) 내의 압력은 용액(42) 밖으로 촉매 코팅된 피스톤(30b)를 밀기에 충분하여 반응 속도를 감소시킨다.
도 5A 및 5B의 구체예는, 촉매 코팅된 피스톤(30b)이 원통형 본체(78) 내에서 용이하게 밀봉될 수 있다는 추가의 이점을 지닌다. 이는 피스톤(30b)를 통한 수소 가스 또는 NaBH4 용액(42)의 우발적인 누출을 예방한다. 피스톤(30b)에 대하여 미는 스프링(65)의 장력은 제조시에 조정될 수 있거나 특정 적용, 요망되는 가스 압력, 또는 요망되는 가스 흐름 속도에 대해 필요한 만큼 수작업으로 조정될 수 있다. 당 분야에 공지된 다양한 수작업 조정 메커니즘이 스프링(65)의 압축력 또는 장력을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
도 6A는 가스 발생기(10)의 또 다른 구체예의 기계적 개략도이다. 이 구체예는 도 5A 및 5B의 구체예와 유사하나, 피스톤(30b)를 화학물질 공급원(42)의 내로 그리고 외부로 이동시킴으로써 촉매(32)를 화학물질 공급원(42)에 노출시키는 피스톤(30b)을 구비하는 대신에, 화학물질 공급원(42)에 노출되는 촉매의 양을 변화시키기 위해 회전하는 부재(30b), 이경우 회전 로드(30b)를 지닌다. 로드(30b)를 회전시키기 위한 회전 운동을 발생시키기 위해, 로드(30b)는 캠(80)에 기계적으로 연결된다. 캠(80)은 연동장치(55)를 통해 벨로우(77)의 강성 벽(stiff wall, 79)에 연결된다. 벨로우(77)는 가스 저장 챔버(40) 내의 압력에 반응하도록 고안되어 있고, 이는 탄성 격막(50c)의 외부를 따라 벨로우(77) 내로 연장된다.
작동 중, 연료 전지(11) 또는 기타 가스 소비 장치가 전기의 생성을 위해 보다 많은 가스(43)를 소비하는 경우, 예를 들어, 가스 저장 챔버(40) 내의 압력이 감소되어 벨로우(77)의 수축을 야기시키는 경우, 회전 로드(30b)가 회전하여 더 많은 촉매를 화학물질 공급원(42)에 노출시킨다. 연료 전지(11) 또는 기타 가스 소비 장치가 보다 적게 가스(43)를 소비하는 경우, 가스 저장 챔버(40) 내의 압력은 증가하여, 벨로우(77)를 확장시키고, 이는 차례로 캠(80)으로 하여금 로드(30b)를 회전시켜 촉매(32)를 화학물질 공급원(42)에 덜 노출되게 한다. 이는 가스 버블(33)을 생성시키고, 차례로 가스 저장 챔버(40) 내의 압력을 느리게 하고 궁극적으로 발생되는 가스(43)의 양에 상응하여 평형에 도달하게 한다.
부드럽게 회전하고 최소한의 저항으로 회전시키기 위해 볼 베어링, 가스 베어링, 또는 로드(30b) 및 캠(80)을 회전시키는 기타 기술이 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 또한, 기타 구체예에서의 밀봉재(22)와 유사하게, 도 6A의 회전 로드(30b) 구체예는 화학물질 공급원(42)이 회전 로드(30)가 존재하는 챔버로 유입되는 것을 방지하기 위해 연장된 밀봉재(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 오염방지 브러시(anti-fouling brush, 나타내지 않음)가 또한, 로드(30b) 또는 촉매(32) 상에 생성물 및 기타 물질이 축적되는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
도 6B 및 6C는 도 6A의 가스 발생기에서 사용될 수 있는 대안적 회전 로드 구체예를 도시한다. 도 6B에서, 회전 로드(30a)는 횡단면축 도면에 의해 도 2A의 피스톤(30a)과 유사한 중공의 구체예인 것으로 나타나 있다. 이 구체예에서, 촉매(32)는 가스 투과성 막(36) 상에 배치된다. 촉매(32)는 도 3에 참조로 기재된 바와 같이 가스 투과성 막(36)에 형성된 보조개 내에 침착된다. 도 2A를 참조로 기재된 바와 같이, 발생된 가스(43)는 최초로 버블(33)로 형성되고, 중공 피스톤(30a)의 채널(34)로 진입하고, 가스 저장 챔버(40)로 이동한다. 도 6A에 도시된 구체예가 중공 로드(30a)의 구체예를 포함하기 위해 적절하게 변경될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 중공 로드(30a)는 화학물질 용액(42)에 노출되는 경우, 화학물질 용액(42)과 반응하지 않으며 화학물질 용액(42) 또는 발생된 가스(43)를 통과시키지도 않는 비-촉매성 및 비-다공성 물질(55)을 포함한다는 것을 인지해야 한다.
도 6C는 도 6A의 가스 발생기(10b)에 사용되는 솔리드 로드(30b)의 횡단면축 도면이다. 솔리드 회전 로드(30b)는 임의의 깊이에 대해 솔리드 로드(30b)와 관련될 수 있는 촉매(32), 및 비-촉매성 및 비-다공성 물질(55)을 지지한다. 솔리드 로드(30b)의 용도는 하기 도 6D-6F를 참조로 기재되어 있다.
우선 도 6D에 대해서는, 솔리드 회전 로드(30b)는 원형으로 된 파티션(16) 내에 배치되어 있어 촉매(32)가 화학물질 용액(42)에 노출되지 않는다. 밀봉재(22)는 화학물질 용액(42)이 솔리드 로드가 존재하는 영역으로 유입되는 것을 방지한다. 도시된 위치에서, 회전 솔리드 로드(30b)는, 촉매(32)가 화학물질 용액(42)의 존재하에서는 존재하지 않기 때문에 가스가 발생되지 않게 한다. 회전 로드(30b)의 각도는, 예를 들어 연료 전지에 전기 부하가 없는 경우에 가스 발생기(10)를 적재하거나 가스 발생을 중지시키기 위해 사용될 수 있다.
도 6E는 약간의 가스가 생성되는 경우를 도시한다. 이 경우에, 회전 로드(30b)가 회전하여, 약간의 촉매가 화학물질 공급원(42)에 노출된다. 차례로, 가스 버블(33)이 발생된다. 가스 버블(33)이 가스 투과가능성 구조물(36)(도 6A)을 따라 다양한 지점에서 가스 투과성 막과 접촉하고, 발생된 가스(43)은 가스 저장 챔버(40)를 통해 통과한다.
도 6F는 가스 소비 장치의 요구를 만족시키는데 최대 가스 발생이 필요한 경우를 도시한다. 이 경우에, 회전하는 솔리드 로드(30b)는 촉매(32)가 파티션(16)에 의해 허용되는 가장 충분한 정도로 화학물질 공급원(42)에 노출되도록 배치된다.
회전 로드 구체예(30a) 또는 (30b)가 상기 기재된 바와 유사한 방식으로 작용하기 위해 촉매(32)를 지지할 수 있는 회전 구체 또는 기타 기하학적 형태일 수 있다는 점을 이해해야 한다.
도 7은 도 2B의 구체예와 동일한 방식으로 작용하는 두개의 솔리드 피스톤(30b)을 사용하는 가스 발생기(10b)의 기계적 개략도이다. 몇몇 구체예에서, 피스톤(30b)는 그들의 각자의 관련 촉매(32)를 평행한 방식으로 화학물질 공급원(42) 위치로 이동시켜 화학물질 공급 챔버(41) 내에서 가스(43)를 발생시킨다. 대안적 구체예에서, 피스톤(30b)중 단지 하나가 이의 촉매(32)가 소비될 때까지 사용된 후, 나머지 피스톤(30b)이 작동된다. 또 다른 구체예에서, 하나의 피스톤(30b)은 가스 배출구(14)를 경유하여 추가의 발생된 가스(43)가 가스 소비 장치로 공급되는 것이 필요하지 않는 경우에 이의 관련 촉매(32)를 화학물질 공급원(42)의 위치로 이동시킨다. 서로 연합하여 또는 독립적으로 피스톤(30b)를 작동시키기 위한 기타 예가 본 발명의 원리의 범위 내에 있는되는 것으로 간주된다.
도 7의 가스 발생기(10b)는 또한 과압 안전 장치(67)를 포함한다. 안전 장치는 화학물질 공급 챔버(41)가 너무 많은 압력을 받는 경우에 화학물질 공급 챔버(41)로부터 화학물질 공급원(42)의 일부를 자동적으로 배출시킨다. 과압 안전 장치(67)는 또한 가스 저장 챔버(40)를 둘러싸는 본체(78)의 일부에 적용되어, 과압 상황이 발생되면 그 챔버로부터 압력을 완화시킬 수 있다.
과압 안전 장치(67)는 또한 입구로서 사용되어 더 많은 화학물질 공급원(42), 물, 또는 가스 발생에 사용되는 화학물질 공급원으로 사용된 그 밖의 화학물질을 추가할 수 있다. 유사하게, 과압 안전 장치(67)는 또한 화학물질 공급 챔버(41)로부터 소비된 화학물질 공급원(42)을 추출하는 데 사용될 수 있다. 과압 안전 장치(67)는 맞물린 나사(mating thread), 멈추개(detent), 죔쇠(clasp), 또는 그 밖의 기계적인 고정 기술을 통해서 가스 발생기(10)의 본체(78)에 연결될 수 있으며, 가스 또는 화학물질 공급원의 누출을 방지하기 위한 개스킷 또는 o-링을 포함할 수 있다. 또한, 과압 안전 장치(67)는 본체(78)에 영구적으로 연결될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 과압 안전 장치(67)는 본체(78)와 일체형의 부품으로서 형성될 수 있다.
도 7의 가스 발생기(10b)의 구체예에 예시된 또 다른 특징은 발생된 가스(43)가 가스 저장 챔버(40)로부터 가스 출구(14)를 통해서 가스 이용 장치로 통과하는 필터/습윤기(75)에 있다. 필터/습윤기(75)는 한 가지 또는 두 가지 모두의 기능을 수행할 수 있다. 필터로서 작동하는 경우에, 필터/습윤기(75)는 이를 통해서 유동하는 수소 가스를 실질적으로 거의 모두 제한할 수 있다. 습윤기로서 작동하는 경우에, 필터/습윤기(75)는 수소 가스가 통과함에 따라 수증기 또는 그 밖의 가스성 증기를 수소 가스에 추가한다. 필터/습윤기(75)는 본 기술 분야에 공지된 스폰지형 물질의 형태로 설치될 수 있다.
도 7의 가스 발생기(10b)는 또한 피스톤(30b)의 위치를 탐색하는데 사용되는 로드 위치 변환기(72) 및 로드 위치 마커(74)를 포함한다. 변환기는 홀-효과 변환기(hall-effect transducer), 정전용량 프로브, 또는 피스톤(30b) 상에 위치한 호환성 마커(74)를 감지할 수 있는 그 밖의 전자기 변환기일 수 있다. 다른 구체예에서, 변환기(72)는 피스톤(30b)의 위치를 검출하는 광학 변환기이다. 그러한 구체예에서, 광학 관측 포트(optical viewing port)가 제공되어 변환기(72)가 마커(74), 또는 일부의 경우에 피스톤(30b)을 직접 "관측"하게 한다. 광학 엔코더(도시되지 않음) 또는 본 기술 분야에 공지된 그 밖의 위치 감지 장치를 지닌 휠이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이들 각각의 경우에, 피스톤의 위치를 나타내는 신호를 사용하여 외부 장치(도시되지 않음)에 정보를 제공하거나 모터(예를 들어, 선형 보이스 코일 모터), 펌프, 또는 그 밖의 장치(들)(도시되지 않음)를 위한 전기 피드백을 생성시키기 위한 정보를 제공할 수 있는데, 상기 장치(들)는 일부 구체예에서 피스톤(30b)을 화학물질 공급원(42)에 위치시켜, 촉매(32)가, 가스 소비 장치(11)에 공급하기 위한 충분한 가스(43)를 생성시키기에 충분한 양만큼 화학물질 공급원(42)에 노출되게 한다. 선형 보이스 코일 구체예는 가스 발생기(10b)의 본체(78)의 영역 내로 형성된 자체의 권선을 지닐 수 있으며, 그러한 가스 발생기(10b)는 화학물질 공급원(42) 내 촉매의 위치를 조절하는 피스톤(30b) 상의 자기 부재(도시되지 않음)에 자기장이 연결되게 하는 복합체 또는 그 밖의 물질을 지닌다. 피스톤(30b)의 이동을 보조할 수 있는 장치의 사용은 본 기술 분야에서 이해되고 있는 기술이다. 그러한 장치, 위치 변환기(72), 위치 마커(74), 및 제어 전자장치(도시되지 않음)의 설치는 도 7에 도시된 기계적인 형태를 변화시킬 수 있다.
가스 발생기(10b)는 또한 가스 저장 챔버가 최대 용량에 도달하고 있거나 실질적으로 최대 용량에 도달하였음을 사용자 또는 기계에게 알려주는 용량 표시기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 표시기는 또한 저용량 또는 일정 용량의 범위를 나타낼 수 있다. 용량 표시기는 다이알식, 전자식 디스플레이, 광(예, LED 광), 청취 가능한 신호, 무선 송신 서비스, 또는 본 기술 분야에 공지된 그 밖의 표시기를 포함할 수 있다. 용량 표시기는 압력 변환기 또는 본 기술 분야에 공지된 그 밖의 변환기를 사용할 수 있다. 그 밖의 표시기, 예컨대, '연료 소비' 또는 '촉매 소비' 표시기가 또한 사용될 수 있다.
도 8은 가스 발생기(10c)의 또 다른 구체예를 예시하고 있다. 이러한 구체예에서, 촉매 코팅된 피스톤(30a 또는 30b)을 상기된 바와 같이 NaBH4 용액(42) 내로 또는 그 외부로 이동시키는 대신에, 도 8에서는, 전체 NaBH4 용액(42)이 한 구체예에서 고정 유지되는 솔리드의 촉매 코팅된 피스톤(30b)을 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동한다. NaBO2는 더 많은 용적의 NaBH4 용액의 존재하에 형성되기 때문에(여기서, NaBO2 용해도는 높게 유지된다), 촉매 오염의 가능성은 최소화된다. 촉매 수명은 그러한 결과로 현저하게 연장된다. 그 밖의 구체예에서, 피스톤(30a 또는 30b)이 또한 상기된 바와 같은 방법으로 이동하여; NaBH4 용액(42)과 촉매 코팅된 피스톤(30b) 사이의 차등 운동이 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
가스 투과성 구조물(36)이 탄성 격막(50c)의 일부이거나 도 5B에서와 같이 전체의 탄성 격막(50d)일 수 있다. 도 8의 구체예는 원통형 본체(78)로 구성되며 단부에 제거 가능한 스크류 캡(도시되지 않음)이 구비될 수 있다. 이러한 고안에서, NaBH4 용액(42)이 소비된 경우에 이 용액은 대체될 뿐만 아니라, 촉매(32)가 피스톤(30b)을 대체함으로써 용이하게 변화될 수 있다. 이러한 구성은 주어진 촉매(32)가 더 활성이거나 덜 활성인 촉매(특정의 사용에 따라서)로 대체될 수 있게 한다. 중공 피스톤(30a)이 또한 본 구체예에서 사용될 수 있으며 본 구체예 및 그 밖의 구체예에서 대체될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 9A 및 도 9B는 본 발명의 원리에 따른 가스 발생기가 연료 전지 이외의 적용을 위해 사용될 수 있는 적용 예를 예시하고 있다.
도 9A에서, 가스 발생기(10)는 수소 가스(43)를 발생시키고 있으며, 그러한 가스를 이의 가스 출구(들)(14)를 통해서 주얼리 토치(jeweler's torch)(81) 또는 그 밖의 연소장치에 제공하고 있다. 가스 발생기(10)는 촉매(설명되지는 않았지만 본 기술 분야에서 공지됨)의 존재하에 화학물질 공급원의 분해를 통해 그 밖의 가스를 생성시켜서, 토치(81) 또는 그 밖의 연소장치에 의해 연소시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 9B에서, 가스 발생기(10)는 산소 가스(82)를 발생시키며, 그러한 가스를 이의 가스 출구(들)(14)를 통해서 산소 호흡 장치(83)에 제공한다. 가스 발생기(10)는 또한 그 밖의 호흡 장치, 예컨대, 다이버 탱크와 함께 사용될 수 있으며, 이러한 경우에 단일 또는 다수의 가스 발생기(10)가 사용되어, 잠수중인 다이버가 사용하는 탱크에 질소와 산소의 조합물을 제공할 수 있다.
도 9A 및 도 9B의 가스 발생기는 단지 예시를 목적으로 각각 가스 소비 장치(81 및 83)의 외부에 위치하고 있다. 실제로, 가스 소비 장치(81 및 83)는 가스 발생기(들)(10)가 내부에 삽입되는 격벽을 구비할 수 있다. 가스 소비 장치(81)는 가스 발생기(들)를 정위치에 고정하는 일반적인 래칭(latching) 장치 또는 맞춤형 래칭 장치(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 구체예를 참조로 구체적으로 나타내고 설명하고 있지만, 본 기술 분야의 전문가라면 첨부된 청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 상세한 사항에서 다양한 변화가 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
예를 들어, NaBH4 수용액은 어떠한 촉매의 부재하에서도 반응식 1에서와 같이 서서히 자율적으로 분해되어 수소 가스를 형성시키는 경향을 지닌다. 장기 저장 가능한 용액은 건조시킨 NaBH4 분말을 포장하여 이를 물 및/또는 NaOH로부터 분리시키고, 수소 가스를 생성시켜야 하는 경우에 두 성분을 혼합하는 것이다. 이들 두 성분은 파괴 가능한 유리 또는 막 분리된 디자인으로 포장되어, 사용 전에 유리 또는 막이 촉매 반응기 내에서 파괴되는 경우에 NaBH4 화학물질 공급원(42)과 물이 혼합될 수 있게 한다.
본원에 기재된 가스 발생기의 구체예에 대한 추가의 안전성 또는 제어 특징으로서, 전위가 촉매(32)와 화학물질 용액(42) 사이에 인가되어 촉매(32)에 의한 가스 발생을 제어할 수 있다.
본원에 개시된 가스 발생기 구체예는 발생된 가스의 저장, 취급, 및 처리를 향상시킬 수 있는 추가의 특징을 포함할 수 있다. 본원에 기재된 예 이외의 예에는 온도를 상승시켜 가스의 생성을 촉진시키는 가열 부재, 또는 진동을 통해서 특정의 용액 또는 혼합물로부터 가스를 생성시키는 압전 장치가 포함된다.
본원에 기재된 가스 발생기를 사용자에게 친숙하고 스스로 인지할 수 있게 하기 위해서, 가스 출구(들)(14)는 표준 또는 맞춤형이어서 표준 또는 적용에 따른 다양한 장치와 인터페이스될 수 있다. 예를 들어, 가스 출구는 'O' 또는 'H' 형으로 형성되어 각각 산소 또는 수소 가스가 가스 발생기(10)에 의해서 발생됨을 나타낼 수 있다. 그러한 디자인은 다수의 가스 발생기가 주어진 적용예에서 사용되는 경우에 사용자의 실수를 방지하는데 유용할 수 있다.

Claims (153)

  1. 화학물질 공급원을 함유하는 화학물질 공급 챔버;
    화학물질 공급원과 상호작용하는 화학물질 공급원의 통로에 대해 구조적으로 불투과성인(impermeable) 하나 이상의 부재;
    하나 이상의 부재에 결합되며, 촉매의 존재하에 화학물질 공급 챔버 내에서 화학물질 공급원을, 발생된 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 촉매;
    발생된 가스를 사용시까지 저장할 수 있는 가스 저장 챔버;
    발생된 가스가 이를 통해 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로 상을 통과하는 가스 투과성 구조물; 및
    발생된 가스의 발생 속도를 조절하도록 화학물질 공급원 내에 촉매를 배치시키기 위해 하나 이상의 챔버 내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용하는 피드백 시스템을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 화학물질 공급 챔버에 대해 병진되는(translate) 가스 발생기.
  3. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 화학물질 공급 챔버에 대해 회전하는 가스 발생기.
  4. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가, 화학물질 공급 챔버를 포함하는 본체에 대해 고정된 위치에 남아있는 가스 발생기.
  5. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재의 이동에 의해, 화학물질 공급원에 노출된 촉매량이 변화되는 가스 발생기.
  6. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 세라믹이거나 열 전도성 재료로 제조되는 가스 발생기.
  7. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 피스톤인 가스 발생기.
  8. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 중공 상태(hollow)인 가스 발생기.
  9. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 내부에, 발생된 가스가 관통하여 흐를 수 있도록 구성된 다중 채널을 포함하는 가스 발생기.
  10. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 솔리드(solid) 상태인 가스 발생기.
  11. 제 1항에 있어서,
    하나 이상의 부재가, 화학물질 공급 챔버에 대해, 솔리드 피스톤에 대해 작 용하는 힘의 평형을 형성하는 위치로 이동시키는 솔리드 피스톤이며;
    화학물질 공급 챔버의 일부 또는 전부가 가스 투과성 구조물에 의해 경계 지어지는 가스 발생기.
  12. 제 1항에 있어서,
    하나 이상의 부재가, 화학물질 공급 챔버에 대해 솔리드 피스톤에 작용하는 힘의 평형을 형성하는 위치로 이동시키는 솔리드 피스톤이고, 상기 힘은 솔리드 피스톤에 직접 작동적으로 결합된 스프링으로부터 기인하는 힘을 포함하며;
    화학물질 공급 챔버의 일부 또는 전부가 가스 투과성 구조물에 의해 경계 지어지는 가스 발생기.
  13. 제 1항에 있어서, 가스 저장 챔버 내의 압력과 하나 이상의 부재의 위치 사이의 관계를 조정할 수 있는, 하나 이상의 부재에 직접 작동적으로 결합된 조정가능한 스프링을 추가로 포함하는 가스 발생기.
  14. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 촉매층 및 가스 투과성 구조물로 코팅되는 가스 발생기.
  15. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 구조물로 코팅되는 가스 발생기.
  16. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 구조물로 덮여지는 가스 발생기.
  17. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 구조물과 일체형으로 되어 있는 가스 발생기.
  18. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재가 비촉매적인(non-catalytic) 부분을 포함하는 가스 발생기.
  19. 제 18항에 있어서, 하나 이상의 부재가 피스톤이며, 비촉매적인 부분이 피스톤의 단부에 위치하는 가스 발생기.
  20. 제 18항에 있어서, 하나 이상의 부재가, 화학물질 공급원에 대해 비촉매적인 부분을 배치시키도록 구성되어, 화학물질 공급원의 분해가 중단되는 가스 발생기.
  21. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재로부터의 생성물을 제거하도록 구성된 하나 이상의 와이프(wipe)를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  22. 제 1항에 있어서, 가스 투과성 구조물이, 발생된 가스를 화학물질 공급원으로부터 분리하는 가스 발생기.
  23. 제 22항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 금속을 포함하는 가스 발생기.
  24. 제 22항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 팔라듐(Pd)을 포함하는 가스 발생기.
  25. 제 22항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 팔라듐 합금을 포함하는 가스 발생기.
  26. 제 22항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 중합체를 포함하는 가스 발생기.
  27. 제 22항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 세라믹을 포함하는 가스 발생기.
  28. 제 1항에 있어서, 촉매가 금속, 금속 붕소화물 또는 중합체 중 1종 이상을 포함하는 가스 발생기.
  29. 제 1항에 있어서, 촉매가 가스 투과성 구조물에 부착되는 가스 발생기.
  30. 제 1항에 있어서, 촉매가 가스 투과성 구조물 상에 코팅되는 가스 발생기.
  31. 제 1항에 있어서, 촉매가 하나 이상의 부재의 비투과성 부분 상에 코팅되거나 상기 비투과성인 부분에 부착되는 가스 발생기.
  32. 제 1항에 있어서, 가스 저장 챔버가 소정 가스 압력에 도달하는 경우에 작동하는 용량 표시기(capacity indicator)를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  33. 제 1항에 있어서, 가스 압력을 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  34. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재의 위치를 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  35. 제 1항에 있어서, 소비되지 않은 화학물질 공급원의 양을 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  36. 제 1항에 있어서, 사람에 의해 판독가능한 용량 표시기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  37. 제 1항에 있어서, 각 챔버 내의 압력이 소정 한계값(threshold)을 초과하는 경우에 가스 저장 챔버 또는 화학물질 공급 챔버 내의 압력을 감소시키는 하나 이상의 압력 감소 밸브를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  38. 제 1항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 필터를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  39. 제 1항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 습윤기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  40. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급 챔버의 알려진 위치에 대해 하나 이상의 부재의 위치를 검출하는 변환기를 추가로 포함하는 가스 발생기.
  41. 제 40항에 있어서, 변환기가 기계적, 전자기적 또는 광학적 변환기인 가스 발생기.
  42. 제 1항에 있어서, 피드백 시스템이 가스 저장 챔버와 화학물질 공급 챔버 사이의 압력 차에 의해 발생된 힘을 이용하는 가스 발생기.
  43. 제 1항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 피드백 시스템이 가스 저장 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력 차에 의해 발생된 힘을 이용하는 가스 발생기.
  44. 제 1항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 피드백 시스템이 화학물질 공급 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력 차에 의해 발생된 힘을 이용하는 가스 발생기.
  45. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 부재에 결합된 스프링을 추가로 포함하며, 피드백 시스템이 하나 이상의 부재에 대해 작용하는 하나 이상의 챔버 내의 압력과, 하나 이상의 부재에 대해 작용하는 스프링 힘 사이의 차를 이용하는 가스 발생기.
  46. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 고체인 가스 발생기.
  47. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체인 가스 발생기.
  48. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체 중에 용해된 가스인 가스 발생기.
  49. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 고체 내에 흡착된 가스인 가스 발생기.
  50. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체와, 액체 내에 용해된 가스의 조합물인 가스 발생기.
  51. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 화학물질 수소화물(chemical hydride)을 포함하는 가스 발생기.
  52. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 금속 수소화물을 포함하는 가스 발생기.
  53. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 NaBH4 수용액인 가스 발생기.
  54. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 NaBH4와 하나 이상의 알칼리 금속 염의 용액을 포함하는 가스 발생기.
  55. 제 54항에 있어서, NaBH4 수용액이 유효량의 보조용매 또는 기타 첨가제를 포함하는 가스 발생기.
  56. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이 촉매의 존재하에서 분해되어 수소 가스를 생성하는 NaBH4 수용액이며, 촉매가 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 플래티늄, 레늄 및 니켈 중 1종 이상을 포함하는 가스 발생기.
  57. 제 1항에 있어서, 화학물질 공급원이, (i) 건조 NaBH4 분말을 함유하는 막을 파열시킴으로써, (ii) 가스 발생기를 진탕시키거나 압착시킴으로써, 또는 (iii) 상기 막을 천공시킴으로써, 소정 액체와 혼합되게 되는 건조 분말로서 저장된 NaBH4를 포함하는 가스 발생기.
  58. 제 1항에 있어서, 발생된 가스가 수소 가스인 가스 발생기.
  59. 제 1항에 있어서, 발생된 가스가 산소인 가스 발생기.
  60. 제 1항에 있어서, 연료 전지와 함께 사용하도록 구성된 가스 발생기.
  61. 제 1항에 있어서, 가스 연소 장치와 함께 사용하도록 구성된 가스 발생기.
  62. 제 1항에 있어서, 호흡 장치와 함께 사용하도록 구성된 가스 발생기.
  63. 화학물질 공급원의 통로에 대해 구조적으로 불투과성인 하나 이상의 부재에 결합된 촉매의 존재하에 화학물질 공급 챔버 내에서 화학물질 공급원을, 발생된 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 단계;
    화학물질 공급원을 함유하지 않는 발생된 가스를, 사용시까지 저장하기 위해 화학물질 공급 챔버로부터 가스 투과성 구조물을 경유하여 가스 저장 챔버로 통과시키는 단계;
    발생된 가스의 일부 또는 전부를 사용시까지 가스 저장 챔버에 저장하는 단계; 및
    발생된 가스의 발생 속도를 조절하도록 화학물질 공급원 내에 촉매를 배치시키기 위해 하나 이상의 챔버 내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용하는 단계를 포함하여, 가스를 발생시키는 방법.
  64. 제 63항에 있어서, 힘을 이용하는 것이 촉매를 화학물질 공급원에 대해 병진시키는 것을 포함하는 방법.
  65. 제 63항에 있어서, 힘을 이용하는 것이 촉매를 화학물질 공급원에 대해 회전시키는 것을 포함하는 방법.
  66. 제 63항에 있어서, 힘을 이용하는 것이 촉매에 대해 화학물질 공급원을 이동시키는 것을 포함하는 방법.
  67. 제 63항에 있어서, 힘을 이용하는 것이 화학물질 공급원에 노출된 촉매량을 변경시키는 것을 포함하는 방법.
  68. 제 63항에 있어서, 촉매가 세라믹에 결합되거나, 열 전도성 재료로 제조되는 방법.
  69. 제 63항에 있어서, 하나 이상의 부재가 하나 이상의 중공 부재(hollow element)이고, 발생된 가스를 화학물질 공급 챔버로부터 가스 투과성 구조물을 경유하여 가스 저장 챔버로 통과시키는 것이, 발생된 가스를 하나 이상의 중공 부재 내의 채널을 통해 통과시키는 것을 포함하는 방법.
  70. 제 63항에 있어서, 발생된 가스를 가스 투과성 구조물을 통해 통과시키는 것이, 발생된 가스를 화학물질 공급원을 통해, 그리고 촉매로부터 이격되어 배치된 가스 투과성 구조물을 통해 흘려보내는 것을 포함하는 방법.
  71. 제 63항에 있어서,
    힘을 이용하는 것이, 촉매를 화학물질 공급원에 대해, 촉매가 결합되는 하나 이상의 부재에 대해 작용하는 힘의 평형을 형성하는 위치로 이동시키는 것을 포함하며, 상기 힘이 상기 하나 이상의 부재에 직접 작동적으로 결합된 스프링으로 인한 힘을 포함하고;
    발생된 가스를 화학물질 공급 챔버로부터 가스 투과성 구조를 경유하여 가스 저장 챔버로 통과시키는 것이, 발생된 가스를 화학물질 공급원의 경계선으로 흘려보내는 것을 포함하는 방법.
  72. 제 63항에 있어서,
    힘을 이용하는 것이, 촉매를 화학물질 공급원에 대해, 촉매가 결합되는 하나 이상의 부재에 대해 작용하는 힘의 평형을 형성하는 위치로 이동시키는 것을 포함하고, 상기 힘은 하나 이상의 부재에 직접 작동적으로 결합된 스프링으로부터 기인하는 힘을 포함하며;
    발생된 가스를 화학물질 공급 챔버로부터 가스 투과성 구조물을 경유하여 가스 저장 챔버로 통과시키는 것이, 발생된 가스를 화학물질 공급원의 경계선으로 흘려보내는 것을 포함하는 방법.
  73. 제 63항에 있어서, 촉매를 배치시키기 위해 힘을 이용하는 것이, 가스 저장 챔버 내의 압력과 촉매 위치 사이의 관계를 조정하는 것을 포함하는 방법.
  74. 제 63항에 있어서, 촉매가 가스 투과성 구조물 상에 코팅되는 방법.
  75. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이, 발생된 가스가 사용되지 않는 경우에 화학물질 공급원의 분해를 중단하는 것을 포함하는 방법.
  76. 제 63항에 있어서, 촉매로부터 생성물을 제거하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  77. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원으로부터 수소 가스를 분리하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  78. 제 63항에 있어서, 가스 투과성 구조물이 팔라듐 또는 중합체 구조물을 포함 하는 방법.
  79. 제 63항에 있어서, 촉매가 금속, 금속 붕소화물 또는 중합체 중 1종 이상을 포함하는 방법.
  80. 제 63항에 있어서, 촉매가 가스 투과성 구조물에 부착되거나 코팅되는 방법.
  81. 제 63항에 있어서, 가스 저장 챔버가 소정 가스 압력에 도달하는 경우 용량 표시기를 작동시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  82. 제 63항에 있어서, 가스 압력을 표시하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  83. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급 챔버 내에서 촉매의 위치를 표시하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  84. 제 63항에 있어서, 소비되지 않은 화학물질 공급원의 양을 표시하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  85. 제 63항에 있어서, 발생된 가스의 발생 속도와 관련된 계량값(metric)을 표 시하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  86. 제 63항에 있어서, 각 챔버 내의 압력이 소정 한계값을 초과하는 경우, 가스 저장 챔버 또는 화학물질 공급 챔버의 압력을 감소시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  87. 제 63항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스를 여과시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  88. 제 63항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스를 습윤화시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  89. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급 챔버 내에서 촉매 위치를 검출하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  90. 제 63항에 있어서, 힘을 이용하는 것이, 화학물질 공급원 내에서 촉매를 가스 저장 챔버와 화학물질 공급 챔버 사이의 압력차의 함수로서 배치시키는 것을 포함하는 방법.
  91. 제 63항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 힘을 이용하는 것이, 화학물질 공급원 내에서 촉매를 가스 저장 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력차의 함수로서 배치시키는 것을 포함하는 방법.
  92. 제 63항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 힘을 이용하는 것이, 화학물질 공급원 내에서 촉매를 화학물질 공급 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력차의 함수로서 배치시키는 것을 포함하는 방법.
  93. 제 63항에 있어서, 비압력적인 힘을, 촉매가 결합되는 하나 이상의 부재에 인가시키는 것을 추가로 포함하고, 힘을 이용하는 것이, 촉매와 함께 하나 이상의 부재를, 부재에 대해 작용하는 하나 이상의 챔버 내의 압력과, 부재에 대해 작용하는 비압력적인 힘 사이의 차의 함수로서 배치시키는 것을 포함하는 방법.
  94. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 고체를 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  95. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 액체를 생성물로 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  96. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 액체 중에 용해된 가스를 생성물로 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  97. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 고체 내에 흡착된 가스를 생성물로 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  98. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 액체와 액체 중에 용해된 가스의 조합물을 생성물로 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  99. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 화학물질 수소화물을 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  100. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 NaBH4 수용액을 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  101. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이 NaBH4와 하나 이상의 알칼리 금속 염의 용액을 분해시키는 것을 포함하는 방법.
  102. 제 101항에 있어서, NaBH4 수용액이 유효량의 보조 용매 또는 기타 첨가제를 포함하는 방법.
  103. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원을 분해시키는 것이, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 플래티늄, 레늄 및 니켈 중 1종 이상의 촉매를 이용하여 NaBH4 수용액을 분해시켜 수소 가스를 생성하는 것을 포함하는 방법.
  104. 제 63항에 있어서, 화학물질 공급원이 건조 분말로서 저장되며, 화학물질 공급원을 생성물로 분해시키기 전에 화학물질 공급원과 소정 액체를 혼합시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  105. 제 63항에 있어서, 발생된 가스가 수소 가스인 방법.
  106. 제 63항에 있어서, 발생된 가스가 산소인 방법.
  107. 제 63항에 있어서, 연료 전지와 함께 사용되는 방법.
  108. 제 63항에 있어서, 가스 연소 장치와 함께 사용되는 방법.
  109. 제 63항에 있어서, 호흡 장치와 함께 사용되는 방법.
  110. 촉매의 존재하에 화학물질 공급 챔버 내에서, 화학물질 공급원을, 발생된 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 수단;
    화학물질 공급원을 함유하지 않는 발생된 가스를 사용시까지 저장하기 위해 화학물질 공급 챔버로부터 가스 투과성 구조물을 경유하여 가스 저장 챔버로 통과시키는 수단; 및
    발생된 가스의 발생 속도를 조절하도록 화학물질 공급원 내에 촉매를 배치시키기 위해 하나 이상의 챔버 내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용하는 수단을 포함하는 가스 발생 장치.
  111. 화학물질 공급원을 함유하도록 구성된 화학물질 공급 챔버;
    가스를 사용시까지 저장하도록 구성된 가스 저장 챔버;
    가스가, 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로 상을 통과할 수 있도록 구성된 가스 투과성이며 액체 비투과성인 구조물; 및
    화학물질 공급 챔버로부터의 화학물질 공급원의 통로에 대해 폐쇄되고, 촉매를 화학물질 공급원에 노출시키도록 배열되어, 화학물질 공급 챔버 내의 화학물질 공급원을, 하나 이상의 챔버 내의 가스에 의해 발생된 압력의 함수로서, 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 부재를 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  112. 제 111항에 있어서, 부재가 촉매를, 화학물질 공급 챔버와 가스 저장 챔버 사이에서 병진 이외의 이동 방식을 통해 화학물질 공급원에 노출시키도록 배열되는 자율-제어형 가스 발생기.
  113. 제 111항에 있어서, 배향과는 독립적으로 작동되도록 구성된 자율-제어형 가스 발생기.
  114. 화학물질 공급원을 화학 공급 챔버 중에 함유시키는 단계;
    가스를 사용시까지 가스 저장 챔버 중에 저장하는 단계;
    가스를, 화학물질 공급원을 가스 저장 챔버로 통과시키지 않는 방식으로 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로 상을 통과시키는 단계; 및
    촉매를 화학물질 공급원에 노출시켜, 화학물질 공급 챔버 내의 화학물질 공급원을, 하나 이상의 챔버 내의 가스에 의해 발생된 압력의 함수로서, 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 단계를 포함하여, 가스를 자율 제어가능하게 발생시키는 방법.
  115. 제 114항에 있어서, 촉매를 화학물질 공급원에 노출시키는 것이, 부재를 화학물질 공급 챔버와 가스 저장 챔버 사이에서 병진시키는 것 이외의 이동 방식을 통해 이루어지는 방법.
  116. 제 114항에 있어서, 배향과는 독립적인 방식으로 작동되는 방법.
  117. 화학물질 공급 챔버 중에 화학물질 공급원을 함유시키는 수단;
    가스를 사용시까지 가스 저장 챔버 중에 저장하는 수단;
    가스를, 화학물질 공급원을 가스 저장 챔버로 통과시키지 않는 방식으로 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로 상을 통과시키는 수단; 및
    화학물질 공급 챔버로부터의 화학물질 공급원의 통로에 대해 폐쇄되고, 촉매를 화학물질 공급원에 노출시켜, 화학물질 공급 챔버 내의 화학물질 공급원을, 하나 이상의 챔버 내의 가스에 의해 발생된 압력의 함수로서, 가스를 포함하는 생성물로 분해시키는 수단을 포함하는 자율 제어형 가스 발생기.
  118. 제 111항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 구조로 덮여지는 자율-제어형 가스 발생기.
  119. 제 111항에 있어서, 하나 이상의 부재가 가스 투과성 구조와 일체형으로 되어 있는 자율-제어형 가스 발생기.
  120. 제 111항에 있어서, 가스 압력을 표시하는 용량 표시기(capacity indicator)를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  121. 제 111항에 있어서, 하나 이상의 부재의 위치를 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  122. 제 111항에 있어서, 부재의 이동에 의해 화학물질 공급원에 노출된 촉매량이 변화되는 자율-제어형 가스 발생기.
  123. 제 111항에 있어서, 가스 저장 챔버 내의 압력과 부재의 위치 사이의 관계를 조정할 수 있는, 부재에 직접 작동적으로 결합된 조정가능한 스프링을 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  124. 제 113항에 있어서, 부재가 비촉매적인 부분을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  125. 제 124항에 있어서, 부재가 피스톤이며, 비촉매적인 부분이 피스톤의 단부에 위치하는 자율-제어형 가스 발생기.
  126. 제 111항에 있어서, 부재가 촉매로부터 생성물 또는 화학물질 공급원을 제거하도록 구성되거나, 촉매로부터 제거된 생성물 또는 화학물질 공급원을 갖도록 구성되는 자율-제어형 가스 발생기.
  127. 제 126항에 있어서, 촉매로부터 생성물을 제거하기 위해 촉매와 직접 작동가능한 배열을 갖는 와이프를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  128. 제 111항에 있어서, 가스 저장 챔버가 소정의 가스 압력에 도달하는 경우에 작동하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  129. 제 111항에 있어서, 가스 압력을 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  130. 제 111항에 있어서, 부재의 위치를 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  131. 제 111항에 있어서, 소비되지 않은 화학물질 공급원의 양을 표시하는 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  132. 제 111항에 있어서, 사람에 의해 판독가능한 용량 표시기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  133. 제 111항에 있어서, 각 챔버 내의 압력이 소정 한계값을 초과하는 경우에 가스 저장 챔버 또는 화학물질 공급 챔버의 압력을 감소시키는 하나 이상의 압력 감소 밸브를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  134. 제 111항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 필터를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  135. 제 111항에 있어서, 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 습윤기를 추가로 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  136. 제 111항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 또한 화학물질 공급원에 대해 촉매를 가스 저장 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력차에 의해 발생된 힘의 함수로서 노출하도록 부재가 배열되는 자율-제어형 가스 발생기.
  137. 제 111항에 있어서, 기준 압력 챔버를 추가로 포함하며, 또한 화학물질 공급원에 대해 촉매를 화학물질 공급원 챔버와 기준 압력 챔버 사이의 압력차에 의해 발생된 힘의 함수로서 노출하도록 부재가 배열되는 자율-제어형 가스 발생기.
  138. 제 111항에 있어서, 부재에 결합된 스프링을 추가로 포함하며, 또한 화학물질 공급원에 대해 촉매를 부재에 대해 작용하는 하나 이상의 챔버 내의 압력과, 부재에 대해 작용하는 스프링의 힘 사이의 차의 함수로서 노출하도록 부재가 또한 배열되는 자율-제어형 가스 발생기.
  139. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체인 자율-제어형 가스 발생기.
  140. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체 중에 용해된 가스인 자율-제어형 가스 발생기.
  141. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 액체 중에 용해된 고체인 자율-제어형 가스 발생기.
  142. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 화학물질 수소화물을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  143. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 NaBH4 수용액인 자율-제어형 가스 발생기.
  144. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 보조용매 또는 첨가제를 포함하는 NaBH4 수용액을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  145. 제 144항에 있어서, NaBH4 수용액이 하나 이상의 알칼리 금속 염을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  146. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이 촉매의 존재하에 분해되어 수소 가스를 생성하는 NaBH4 수용액이며, 촉매가 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 플래티늄, 레늄 및 니켈 중 1종 이상을 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  147. 제 111항에 있어서, 화학물질 공급원이, (i) 건조 NaBH4 분말을 함유하는 막을 파열시킴으로써, (ii) 가스 발생기를 진탕시키거나 압착시킴으로써, 또는 (iii) 상기 막을 천공시킴으로써, 소정의 액체와 혼합되게 되는 건조 분말로서 저장된 NaBH4를 포함하는 자율-제어형 가스 발생기.
  148. 제 111항에 있어서, 발생된 가스가 수소 가스인 자율-제어형 가스 발생기.
  149. 제 111항에 있어서, 발생된 가스가 산소인 자율-제어형 가스 발생기.
  150. 제 111항에 있어서, 연료 전지와 함께 사용하도록 구성된 자율-제어형 가스 발생기.
  151. 제 111항에 있어서, 가스 연소 장치와 함께 사용하도록 구성된 자율-제어형 가스 발생기.
  152. 제 111항에 있어서, 호흡 장치와 함께 사용하도록 구성된 자율-제어형 가스 발생기.
  153. 제 110항에 있어서, 화학물질 공급원을 생성물로 분해시키는 수단이, 화학물질 공급원에서 생성물로의 분해를 중단하는 수단을 포함하는 가스 발생 장치.
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