KR102337615B1 - 수소 생산을 위한 프로세스 및 장치 - Google Patents

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Abstract

수소를 생산하기 위한 프로세스 및 장치가 개시된다. 수소를 생산하기 위한 프로세스가 제공되며, 프로세스는, 전해 전지에서 물을 전기 분해하여 수소 가스 및 산소 가스를 생산하는 단계로서, 전해 전지는 수소 가스를 위한 제1 출구를 갖는, 단계; 수소 가스를 전해 전지의 제1 출구로부터 반응 챔버로 통과시키는 단계로서, 반응 챔버는 전해 전지로부터 수소 가스를 받기 위한 제1 입구 및 반응 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제2 출구를 포함하며, 반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하고, 제1 입구는 수소 가스가 알칼리성 용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계; 수소 가스를 제2 출구로부터 가스 세정 챔버로 통과시키는 단계로서, 가스 세정 챔버는 반응 챔버로부터 수소 가스를 받기 위한 제2 입구 및 세정 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하고, 가스 세정 챔버는 수용액을 수용하고, 제2 입구는 수소 가스가 수용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계; 및 제3 출구로부터 수소 가스를 회수하는 단계를 포함한다.

Description

수소 생산을 위한 프로세스 및 장치
본 개시내용은 수소 생산을 위한 프로세스 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시내용은 이동식 에너지 생성 시스템을 포함하는 다양한 용례에서 사용하기 위한 적절하게 청정하고 순수한 수소 가스의 소스를 제공한다.
에너지를 생성하는 새로운 방법은 연료 고갈에 관한 우려로 인해 지난 10년 동안 연구되었다. 환경 친화적이고 지속 가능할 수 있는 수소 에너지는 그 유망한 용례에 대해 연구자로부터 큰 관심을 끌었다. 특히, (풍력, 광전지, 조수 등으로부터의) 신재생 전기와 함께 물 전기 분해는 수소의 "제로 배출" 소스를 제공할 수 있다.
수소를 사용하여 에너지를 생성하는 것은 가솔린 값의 약 2.5 배인 높은 발열량을 갖기 때문에 바람직하다. 순수한 산소의 존재 하에서의 수소의 연소는 수반되는 물 형성과 함께 완전히 청정하다. 수소는 또한 현지 에너지 수요에 따라 현장에서 또는 수요에 따라 생산될 수 있는 능력을 갖는다.
전통적으로, 수소는 고온과 고압이 필요한 메탄올 증기 개질에 의해 생산된다. 또한, 획득된 H2 가스는 통상적으로 CO로 오염되어, 연료 전지 촉매를 오염시켜 작동 중에 빠르게 열화시킨다.
전통적인 물 전기 분해는 초순수 H2 생산을 위해 잘 알려진 상업 기술이다. 신재생 에너지(풍력, 광전지, 조수 등)로부터의 전기 생성 기술은 광범위하게 개발되었지만, 현재의 전기 생산은 시간적 규모의 에너지 수요와 잘 부합하지 않는다. 따라서, 전기 사용량이 가장 많은 시간을 벗어난 온화한 조건에서 전기를 사용하여 수소를 생산하는 데 초점이 맞춰졌다.
그러나, 전통적인 전기 분해는 H2의 대량 생산에 몇 가지 한계가 있다. 첫째, 값 비싼 전기 에너지 소비가 수반된다. 둘째, 생성된 O2로 H2를 오염시키는 임의의 교차 효과는 프로세스를 내파 위험에 빠뜨린다. 더욱이, 화학 시약을 많이 사용하여 또한 개발 비용이 추가된다.
에너지 소비를 감소시키기 위해, 몇 가지 전략이 연구되었다. 제1 전략은 저항 손실을 감소시키는 것이다. 보다 낮은 저항 손실은 더 높은 수소 생산 효율과 순도로 더 큰 전류 밀도에서 전기 분해 시스템이 작동될 수 있게 한다.
제2 전략은 활성과 안정성이 높은 전해질 촉매를 개발하는 것이다. 물 전기 분해에 대한 표준 전위는 1.23 V이며, 이는 물의 분할이 강하게 오르막 반응이라는 것을 의미한다. 수소 발생 반응 또는 산소 발생 반응을 위한 우수한 전기 촉매가 많이 보고되었지만, 물 전기 분해 전지는 여전히 작동하는 데 1.6-2.0 V가 필요하다. 이는 주로 물 전기 분해의 양극 산소 발생 반응 프로세스가 동역학적으로 느리고 구동을 위해 개선된 과전위가 필요하기 때문이다.
"NaOH와 KOH의 존재 하에서 알루미늄과 물 사이의 반응에서 수소의 생산(Production of hydrogen in the reaction between aluminium and water in the presence of NaOH and KOH)"(Porciuncula 등, Braz. J. Chem. Eng. vol.29 no.2 Saeo Paulo 2012년 4월/6월)은 알루미늄과 물의 반응으로부터 수소의 생산을 개시한다.
"연료 전지 용례를 위한 수소 소스로서의 알루미늄 및 알루미늄 합금(Aluminium and aluminium alloys as sources of hydrogen for fuel cell applications)"(Soler 등, Journal of Power Sources 169(2007) 144-149)은 알칼리 수용액을 사용하여 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 수소를 생산하는 것을 개시한다.
CN2249251호는 나일론-테릴렌 혼방 직물로 제조된 수소-산소 분리 필름을 포함하는 전해 전지를 개시한다.
따라서, 수소를 생산하는 개선된 방법 및 장치를 제공하고 및/또는 종래 기술과 관련된 문제 중 적어도 일부를 해결하거나, 적어도 상업적으로 실행 가능한 그 대안을 제공하는 것이 바람직하다.
제1 양태에서, 수소를 생산하기 위한 프로세스가 제공되고, 프로세스는,
전해 전지에서 물을 전기 분해하여 수소 가스 및 산소 가스를 생산하는 단계로서, 전해 전지는 수소 가스를 위한 제1 출구를 갖는, 단계;
수소 가스를 전해 전지의 제1 출구로부터 반응 챔버로 통과시키는 단계로서, 반응 챔버는 전해 전지로부터 수소 가스를 받기 위한 제1 입구 및 반응 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제2 출구를 포함하며, 반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하고, 제1 입구는 수소 가스가 알칼리성 용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계;
수소 가스를 제2 출구로부터 가스 세정 챔버로 통과시키는 단계로서, 가스 세정 챔버는 반응 챔버로부터 수소 가스를 받기 위한 제2 입구 및 세정 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하고, 가스 세정 챔버는 수용액을 수용하고, 제2 입구는 수소 가스가 수용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계; 및
제3 출구로부터 수소 가스를 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명을 이제 추가로 설명하기로 한다. 다음의 구절에서, 본 발명의 상이한 양태가 보다 상세하게 정의된다. 그렇게 정의된 각각의 양태는 반대로 명확하게 명시되지 않는 한 임의의 다른 양태 또는 양태들과 결합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 나타낸 임의의 특징은 바람직하거나 유리한 것으로 나타낸 임의의 다른 특징 또는 특징들과 결합될 수 있다.
본 발명은 알루미늄과 같은 금속으로부터의 수소의 화학적 생산에 의해 보충되는 방식으로 수소의 전해 생산을 제공한다. 이 "화학적으로 보조된" 수소 생산은 수산화 알루미늄과 같은 유용한 부가가치 부산물을 생기게 한다.
이 프로세스는 수소 생산을 위한 것이다. 이 프로세스는 수소 가스와 산소 가스를 생산하기 위해 전해 전지에서 물을 전기 분해하는 제1 단계를 포함한다. 물의 전기 분해는 널리 공지된 기술이며 수용액을 통한 전위의 인가를 포함한다. 바람직한 설계가 본 명세서에 설명되어 있지만, 임의의 표준 전기 분해 장치가 사용될 수 있다.
바람직한 전해 전지는 일측에 애노드를 갖고 다른 측에 캐소드를 가지며 그 사이에 이온 용액이 있다. 전기 분해 유닛은 용액의 전기 전도도를 개선시키기 위해 전해질을 함유하는 수용액인 이온 용액에 의존한다. 용액의 전도도가 증가되면 전기 분해 반응이 진행될 수 있는 속도가 증가되어, 물 성분의 분해를 증가시키고 단위 시간당 수소 수율을 증가시킨다. 바람직하게는, 전기 분해 유닛의 이온 용액은 적어도 0.25 S/cm, 보다 바람직하게는 적어도 0.5 S/cm, 가장 바람직하게는 0.5 내지 1 S/cm의 전도도를 갖는다. 이온 용액의 전도도는 종래의 장비를 사용하여 측정될 수 있으며 20℃에서 측정되어야 한다.
전기 분해 유닛에 사용하기에 바람직한 이온 용액은 KOH 또는 NaOH와 같은 알칼리성 용액이다. 그러한 용액은 바람직하게는 적어도 0.1M, 바람직하게는 적어도 0.2M, 가장 바람직하게는 약 0.3M의 농도를 가질 것이다. 아래에 설명된 바와 같이, 이 이온 용액은 프로세스의 추후 단계로부터 재활용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이온 용액은 (KOH 또는 NaOH와 같은 알칼리에 추가하여) 수산화 알루미늄 또는 다른 가용성 금속 수산화물로 보충될 수 있다. 첨가된 금속 수산화물의 양은 바람직하게는 적어도 0.0001M, 예를 들어 0.001 내지 0.01M의 양으로 존재한다. 이는 다수의 주요 이점을 갖는다. 첫째, 산소 및 기타 불순물과 반응하는 강한 압박이 있기 때문에 전기 분해 반응을 개선시킨다. 이는 첨가가 일부의 물 불순물을 흡수하고 H2 생산의 순도를 약간 증가시킨다는 것을 의미한다. 또한, 프로세스 온도를 약간 증가시킬 수 있다. 더욱이, 금속 수산화물은 전체로서 프로세스의 부산물로 쉽게 획득될 수 있다; 예를 들어, 알루미늄이 아래에 설명되는 반응 챔버에서 금속으로서 사용되는 경우에 수산화 알루미늄이 사용될 수 있다. 따라서, 금속 수산화물은 반응 챔버로부터 회수될 수 있다. 예를 들어, 수산화 알루미늄의 0.001M 용액은 1 g의 AlOH를 20 L의 KOH 용액에 용해시킴으로써 획득될 수 있다.
전해 전지의 이온 용액 내에는 통상적으로 복수의 중성 판이 제공된다. 이들 중성 판은 바람직하게는 서로 및 전극과 평행하고, 동일하게 이격된다. 이들 중성 판은 이온 용액이 경험하는 전압을 직렬로 복수의 개별 서브 전지와 같이 더 작은 단계로 분할함으로써, 전극의 부식성 마모를 감소시키는 역할을 한다. 수소는 캐소드에서 생산되고 산소는 애노드에서 생산된다. 또한, 각각의 "서브 전지"에서, 수소는 캐소드측에서 생산되고 산소는 중성 판의 애노드측에서 생산된다.
산소와 수소가 생산됨에 따라, 이들은 가스로서 이온 용액 밖으로 발포된다. 전해 전지는 각각의 "서브 전지"의 각각의 캐소드측으로부터 수소 가스를 수집하고 각각의 "서브 전지"의 각각의 애노드측으로부터 산소 가스를 수집하는 수단을 갖는다. 바람직하게는, 산소 가스와 수소의 교차 오염을 방지하는 멤브레인이 애노드와 캐소드 사이에 제공된다. 중성 판이 전해 전지 내에 포함되는 경우, 각각의 중성 판 사이, 애노드와 인접한 중성 판 사이 및 캐소드와 인접한 중성 판 사이에 별도의 멤브레인이 제공된다.
본 발명자는 그러한 멤브레인의 사용이 시스템의 안전성과 수율을 개선시킨다는 것을 발견하였다. 더욱이, 값 비싼 유형의 멤브레인이 요구되지 않으며 멤브레인은 메시 멤브레인일 수 있다. 그러한 메시 멤브레인은 액체 전해질의 유동을 방해하지 않으면서 기체 산소 및 수소 종에 불투과성이 되도록 쉽게 선택될 수 있다. 이는 특히 전극 표면으로부터 멀어지게 가스가 빠르게 발포되는 경우이다. 메시 멤브레인은 바람직하게는 폴리머 메시 멤브레인이고 화학적 호환성을 위해 사용되는 이온 용액에 따라 선택될 수 있다. 이온 용액으로서 KOH(aq)에 대해서는 나일론 메시가 바람직하고 이온 용액으로서 NaOH(aq)에 대해서는 폴리에스테르 메시가 바람직하다.
바람직한 나일론 모노필라멘트 메시는 인치당 300 내지 500개의 크로스 카운트를 갖는다. 메시는 물이 통과하게 하지만, 기포는 통과하게 하지 않는 얇은 벽을 형성한다. H 및 O 이온은 물을 통과하고, 멤브레인을 가로질러, 흡착된 전극 판(양 또는 음) 상에 가스를 형성한다. 수소는 멤브레인 벽의 음극쪽에 머물고 산소는 양극쪽에 머무른다. 메시는 분할 벽이고; 2개의 챔버를 형성/분리한다. 가스는 챔버의 각각의 측면 상단으로 상승하여 상단에 수집된다.
전해 전지에는 수소 가스를 위한 제1 출구를 갖는다. 출구는 이후 처리를 위해 전해 전지로부터 수집된 수소 가스를 통과시키기 위한 것이다. 출구는 임계 수준의 산소가 시스템에 유입되어 내파 위험이 있는 경우 전해 전지의 손상을 방지하기 위해 역화 방지기로 나아갈 수 있다. 그러나, 상기와 같은 멤브레인을 사용하면, 수소의 산소 오염이 감소되거나 회피되어, 내파의 위험이 감소된다.
프로세스는 전해 전지의 제1 출구로부터 반응 챔버로 수소 가스를 통과시키는 추가 단계를 포함한다. 반응 챔버는 전해 전지로부터 수소 가스를 받기 위한 제1 입구 및 반응 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제2 출구를 포함한다.
반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용한다. 금속 또는 합금(금속 포함)은 알칼리와 반응하여 수소 및 금속 산화물 또는 수산화물을 생산한다. 선택된 금속 또는 합금은 그러한 반응이 진행되기에 충분한 농도를 갖는 알칼리와 함께 사용되어야 한다. 금속 또는 합금은 바람직하게는 알루미늄 또는 강철을 포함한다.
본 발명에서 바람직한 알루미늄의 경우, 이 금속이 물 분자의 직접적인 공격을 방지하는 Al2O3의 매우 얇은 패시브층을 그 표면 상에 갖기 때문에 강알칼리성 용액이 요구된다.
알칼리는 반응에서 소모되지 않고 촉매로서 작용하며, 완전히 회수될 수 있다. 이는, 수소 발생시 생성된 알루미네이트 염이 알칼리를 재생하는 분해 반응을 받기 때문이다. 수소를 생산하기 위한 수용액에서 알루미늄과 수산화칼륨의 반응은 다음과 같다:
2Al + 6H2O + 2KOH → 2K[Al(OH)4] + 3H2
K[Al(OH)4] → KOH + Al(OH)3
알루미늄과 물 사이의 반응은 다음의 화학량론을 준수한다. 따라서, 알루미늄과 물만이 수소를 생산하기 위해 소비되는 원료이다:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
필요하다면, K[Al(OH)4] 생성물을 또한 황산과 같은 산으로 처리하여 수산화 알루미늄을 회수할 수 있다.
금속 또는 합금의 형태는 특별히 중요하지 않다. 그러나, 본 발명은 알루미늄 캔과 같은 폐기물 또는 스크랩 금속 소스를 재활용할 수 있는 유용한 기회를 제공한다. 또한, 반응이 적당한 속도로 진행될 수 있도록 금속의 표면적이 큰 것이 바람직하다. 따라서, 금속은 바람직하게는 높은 표면 대 중량비를 갖도록 처리된다. 캔과 같은 알루미늄 스크랩의 경우, 조각으로 분쇄되거나 파편화될 수 있다. 바람직하게는, 금속 또는 금속 합금은 복수의 피스로서 제공되고, 각각의 피스는 0.1 kg 미만의 중량을 갖는다.
알칼리성 용액은 바람직하게는 KOH 또는 NaOH이고 바람직하게는 적어도 1M, 예를 들어 1 내지 5M의 농도를 갖는다.
제1 입구는 수소 가스가 알칼리성 용액을 통해 발포하도록 배치된다. 즉, 제1 입구는 알칼리성 용액 레벨 아래에 침지된다. 수소 가스는 바람직하게는 단일 지점을 통해, 또는 샤워 헤드 유형의 노즐을 통해 알칼리성 용액에 들어가 기포를 분산시킬 수 있다.
본 발명자는, 금속/알칼리 시스템의 교반이 반응 속도와 수소 생산을 증가시키기 때문에, 이것이 특히 중요하다는 것을 발견하였다. 이해되는 바와 같이, 연료 전지와의 조합은 교반기와 같은 추가적인 복잡한 장비 또는 추가 에너지 입력을 요구하지 않고 반응 챔버의 교반을 제공한다. 이론에 얽매이지 않고, 교반은 용액이 잘 혼합되도록 하고 반응을 위한 보다 많은 표면을 생성하므로 반응을 개선시키는 것으로 이해된다. 따라서, 교반은 알루미늄-물 반응이 발생할 가능성을 높이고 수소 생산과 에너지 효율성 모두에서 보다 효율적인 프로세스를 가능하게 한다.
제2 출구를 떠나는 가스는 연료 전지로부터 획득된 수소 가스이며, 금속과의 알칼리 반응으로부터 반응 챔버에서 생산된 수소 가스로 보충된다. 이는 종래의 연료 전지에 비해 수소 생산 수율을 증가시킬 수 있음을 의미한다. 반응 챔버는 사용시 교체할 수 있는 시스템의 구성요소이므로 보조 배터리와 같은 수소 소스로서 작용한다. 더욱이, 산화물 또는 수산화물 형태의 알칼리 반응 금속은 유용한 생성물일 수 있다.
금속으로서 알루미늄이 특히 바람직하다(알루미늄 합금도 사용될 수 있다). 알루미늄을 사용하는 것은 몇 가지 이점이 있다. 알루미늄의 부산물인 Al(OH)3는 전기 분해를 사용하여 Al 금속을 회수하는 것을 비롯하여 유용한 부산물로서 다른 알루미늄 염을 생산하는 데 사용될 수 있다. 반응에 사용된 알루미늄은 청량 음료나 맥주 캔과 같은 재활용 가능한 재료로부터 획득할 수 있다. 더욱이, KOH 및 NaOH와 같이 쉽고 저렴한 알칼리 소스와 반응한다. 위의 반응에 의해 생성된 수소는 순수하고 고순도 용례에 적합하다.
바람직하게는 프로세스는 반응 챔버로부터 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 회수하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는 프로세스는 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 처리하여 금속을 회수하는 단계를 더 포함한다. 알루미늄은 1800년대 후반에 개발된 2개의 프로세스, 즉 보크사이트 광석으로부터 순수 알루미나를 생산하는 바이어 프로세스, 및 알루미나로부터 알루미늄을 생산하는 홀-에루 프로세스에 의해 수산화 알루미늄으로부터 재생될 수 있다.
프로세스는 반응 챔버의 제2 출구로부터 가스 세정 챔버로 수소 가스를 통과시키는 추가 단계를 포함한다. 반응 챔버를 떠나는 수소 가스는 이온 용액의 일부 및/또는 알칼리성 용액의 일부를 증기로서 동반했을 수 있다. 이는 생산된 수소 가스의 유용성을 감소시키는 시스템의 바람직하지 않은 오염물이다. 가스 세정 챔버는 그러한 증기를 제거하는 역할을 한다.
가스 세정 챔버는 반응 챔버로부터 수소 가스를 받기 위한 제2 입구 및 세정 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함한다.
가스 세정 챔버는 수용액을 수용한다. 수용액은 통상적으로 단지 물이다. 그러나, 시간이 지남에 따라, 증기화된 이온 용액 및/또는 수소와 동반된 알칼리성 용액은 물에 포획되게 된다. 시스템이 동일한 시약을 사용하여 전해 전지의 이온 용액을 제공하고 반응 챔버의 알칼리성 용액(예를 들어, KOH)을 제공하는 경우, 물은 이 시약의 약한 용액이 된다. 레벨이 충분히 높은 농도에 도달하면, 물을 교체할 수 있다. 바람직하게는, 프로세스는 이온 용액의 적어도 일부로서 사용하기 위해 가스 세정 챔버로부터 전해 전지로 사용된 수용액을 재활용하는 단계를 더 포함한다. 즉, 오염된 물은 KOH와 같은 시약을 재활용시키 위해 전기 분해 전지를 위한 새로운 이온 용액을 만드는 데 사용될 수 있다.
제2 입구는 수소 가스가 수용액을 통해 발포하도록 배치된다. 즉, 제1 입구는 수용액 레벨 아래에 침지된다. 수소 가스는 바람직하게는 단일 지점을 통해, 또는 샤워 헤드 유형의 노즐을 통해 수용액으로 들어가 기포를 분산시키고 세정을 개선시킬 수 있다.
프로세스는 제3 출구로부터 수소 가스의 회수를 허용한다. 제3 출구는 프로세스로부터 제품 스트림을 나타낸다. 가스 세정 챔버로부터, 1 내지 5 bar의 수소 유동이 획득되며, 이는 연료 전지, 열분해, 가열, 조리, 용접, 절단, 절단, 연마 및 엔진 탈탄으로부터 다양한 유형의 용례를 위한 새로운 에너지 소스로서 사용될 준비가 되어 있다.
바람직하게는, 프로세스는 전해 전지로부터 산소를 회수하는 단계를 더 포함한다. 산소는 유용한 상용 제품이 될 수 있다. 대안으로, 산소는 대기로 방출될 수 있다.
추가 양태에 따르면, 수소를 생산하기 위한 장치가 제공되며, 장치는,
물을 전기 분해하여 수소 및 산소 가스를 생산하기 위한 전해 전지로서, 전해 전지는 수소 가스용 제1 출구를 갖는, 전해 전지;
제1 출구와 유체 연통하는 제1 입구, 및 제2 출구를 포함하는 반응 챔버; 및
제2 출구와 유체 연통하는 제2 입구, 및 생산된 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하는 가스 세정 챔버를 포함하고,
반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하며, 제1 입구는 알칼리성 용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것이고;
가스 세정 챔버는 수용액을 수용하며, 제2 입구는 수용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것이다.
제1 양태에서 설명된 모든 요소는 이 추가 양태에서 동일하게 적용되고 이해될 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다.
바람직하게는, 전해 전지는 전해 전지 내의 물을 처리하기 위한 마그네트론을 더 포함한다. 마그네트론으로 전해질을 처리하면 물이 고유 주파수가 되게 하여 가수분해 전지가 보다 적은 양의 전기를 추가하여 물 분자를 분해할 수 있다. 이는 전해 전지에 필요한 과전위를 감소시킨다.
바람직하게는 전해 전지는 캐소드와 애노드 및 그 사이에 배치된 복수의 중성 판을 포함하고, 각각의 중성 판은 전해 용액을 유지하기 위한 체적에 의해 각각의 인접한 중성 판으로부터 분리되고, 상기 체적은 메시 멤브레인을 수용함으로써 캐소드측 체적 및 애노드측 체적을 획정하며, 각각의 캐소드측 체적은 제1 출구와 유체 연통하고, 메시 멤브레인은 기체 산소 및 수소에 실질적으로 불투과성이다. 바람직하게는, 메시 멤브레인은 메시 멤브레인, 바람직하게는 나일론 메시 멤브레인이다.
메시 멤브레인은 비용을 크게 낮추고 화학 물질 보조 수소 전기 촉매 반응의 안정성을 크게 개선시킬 수 있다. 메시 멤브레인은 물이 통과하게 하지만, 기포는 통과하게 하지 않는 얇은 벽을 형성한다. 산소 기포가 애노드에서 형성되고 히드로늄 이온이 물을 통과하며 멤브레인을 가로질러, 캐소드 상에 수소 가스를 형성한다. 수소는 멤브레인 벽의 음극쪽에 머물고 산소는 양극쪽에 머무른다. 메시 멤브레인은 2개의 챔버를 형성하고 분리하는 분할 벽이다. 가스는 챔버의 각각의 측면 상단으로 상승하고 상단에 수집되어 그 각각의 출구에 의해 배출된다.
바람직하게는, 장치는 제1 출구와 제1 입구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통하는 역화 방지기를 더 포함한다.
바람직하게는, 장치는 복수의 상호 교환 가능한 반응 챔버를 포함한다. 이들 반응 챔버는 사용시 제거 및 교체가 가능하다. 따라서, 연료 전지로부터 수소의 연속 생산은 금속의 배치식 반응에 결합될 수 있다.
바람직하게는, 장치는 제1 입구와 연통하는 제1 센서 및 제2 출구와 연통하는 제2 센서를 더 포함하고, 제1 및 제2 센서는 수소 가스 유량을 결정하기 위한 것이다. 이를 통해 작업자는 금속이 완전히 반응한 시기를 결정할 수 있다.
추가 양태에 따르면, 수소를 생산하는 장치가 제공되며, 장치는, 제2 출구를 포함하는 반응 챔버; 및
제2 출구와 유체 연통하는 제2 입구, 및 생산된 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하는 가스 세정 챔버를 포함하고,
반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하며,
가스 세정 챔버는 수용액을 수용하며, 제2 입구는 수용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것이다.
이 양태의 장치는 수소 생성물에서 알칼리성 용액의 캐리오버를 방지하기 위해 가스 세정 시스템과 결합된, 전술한 반응 챔버에 관한 것이다.
추가 양태에 따르면, 전술한 장치를 포함하는 차량용 디젤 또는 가솔린 엔진이 제공되며, 제3 출구는 엔진의 연소 챔버에 수소 가스를 공급하도록 배치된다. 즉, 제1 양태 또는 추가 양태의 장치가 제공된 차량용 디젤 또는 가솔린 엔진은, 제2 출구를 포함하는 반응 챔버; 및
제2 출구와 유체 연통하는 제2 입구, 및 생산된 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하는 가스 세정 챔버를 포함하고,
반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 합금을 수용하며;
가스 세정 챔버는 수용액을 수용하며, 제2 입구는 수용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것인 장치를 수반한다.
두 실시예에서, 장치는 연료 연소를 보충하기 위한 수소 소스를 제공한다. 이는 수소가 고온 연소되어 엔진으로부터의 미립자 배출이 감소하고 연료 사용량이 감소됨을 의미하기 때문에 특히 유리하다. 바람직하게는 엔진은 엔진 성능을 모니터링하고 수소 사용량을 제어하기 위한 시스템을 포함한다.
반응 챔버만을 제공하고 전기 분해 전지를 포함하지 않는 실시예에서, 수소 생산을 촉진하는 데 필요한 교반은 유리하게는 엔진 및 반응 챔버를 포함하는 차량의 운동 및 진동에 의해 획득될 수 있다. 유리하게는, 반응 챔버는 새로운 수소 연료 소스를 제공하기 위해 교체될 수 있고 사용된 금속(예를 들어, 수산화 알루미늄)은 추가 처리를 위해 회수될 수 있다.
추가 양태에 따르면, 연료 전지를 포함하는 전기 발전기, 바람직하게는 차량용 전기 발전기가 제공되며, 본 명세서에 설명된 장치를 포함하고, 제3 출구는 연료 전지에 수소 가스를 공급하도록 배치된다.
본 명세서에 설명된 방법 및 장치는 전통적인 물 전기 분해에 비해 몇 가지 중요한 이점을 갖는다. 첫째, 신재생 소스가 사용되는 경우, 에너지 비용이 낮거나 에너지 비용이 "거의 제로"이다. 둘째, 반응 챔버로부터 획득될 수 있는 고 부가가치 제품은 사용되는 금속이 고형 폐기물 사이클로부터 나오는 재활용 금속인 경우 특히 유리하다. 셋째, 프로세스는 바람직한 순수한 H2의 O2 오염을 방지하여 가능한 내파의 위험을 제거함으로써 안전성을 증가시킬 수 있다. 넷째, H2의 추가된 순도에 대해서만 수백 개의 크로스 카운트가 있는 저비용 맞춤형 나일론 모노필라멘트 메시 멤브레인에 의존할 수 있기 때문에 비용이 저렴하다. 이 프로세스는 고순도 수소, 산소 및 수산화 알루미늄을 생산한다.
추가 양태에 따르면, 전술한 양태 중 하나에 따른 장치 및 버너 헤드를 포함하는 조리 디바이스가 제공되며, 제3 출구는 수소 가스를 버너 헤드에 공급하도록 배치된다. 버너 헤드는, 예를 들어 종래의 가스 요리판을 위한 조리 링일 수 있다.
추가 양태에 따르면, 전술한 양태 중 하나에 따른 장치 및 가스 토치를 포함하는 용접 디바이스 또는 플라즈마 절단 디바이스가 제공되며, 제3 출구는 가스 토치에 수소 가스를 공급하도록 배치된다. 가스 토치는종래의 옥시아세틸렌 토치 또는 모노 가스 토치의 형태를 취할 수 있다.
추가 양태에 따르면, 전술한 양태 중 하나에 따른 장치 및 파일럿 화염(pilot flame)을 포함하는 연소 챔버를 포함하는 난방 보일러가 제공되며, 제3 출구는 보일러의 연소 챔버에 수소 가스를 공급하도록 배치된다. 적절한 보일러의 설계는 널리 공지되어 있다.
추가 양태에 따르면, 전술한 양태 중 하나에 따른 장치 및 열 엔진을 포함하는 스털링 엔진이 제공되며, 제3 출구는 열 엔진에 수소 가스를 공급하도록 배치된다. 열 엔진은 버너 헤드를 사용하고 스털링 엔진은 상이한 온도에서 공기 또는 기타 가스(작동 유체)의 주기적 압축 및 팽창에 의해 작동하여, 열 에너지가 기계적 일로 순 변환된다.
본 발명을 이제 다음의 비제한적인 도면과 관련하여 설명하기로 한다, 도면에서:
도 1은 본 명세서에 설명된 전해 전지를 도시한다.
도 2는 본 명세서에 설명된 장치를 도시한다.
도 1은 전해 전지(1)를 도시한다. 전지(1)는 KOH와 같은 이온 수성 유체(10)를 유지하기 위한 탱크(5)를 포함한다. 시스템은 바람직하게는 최적의 성능을 위해 필요한 전도도를 달성하기 위해 30% 전해질 1M KOH 표준 용액을 갖는 정제수를 사용한다.
전지(1)에는 탱크(5)의 각각의 단부에 제공된 애노드(20) 및 캐소드(25)가 제공된다. 캐소드(25) 및 애노드(20)는 전기 분해를 위한 구동력을 제공하는 외부 회로(도시되지 않음)에 연결된다.
탱크(5)는 중성 판(30)에 의해 분할된다. 이로 인해, 2개의 서브 전지가 형성된다. 중성 판은 전해질 순환을 허용하는 구멍을 가질 수 있거나, 전해질은 중성 판(30)의 측면들 사이에 배관될 수 있다.
탱크(5)는 중성 판(30)과 각각의 애노드(20) 및 캐소드(25) 사이에 위치되는 나일론 메시 멤브레인(35)에 의해 추가로 분할된다. 이는 캐소드측 체적(40A) 및 애노드측 부분(40B)을 갖도록 2개의 서브 전지 각각을 분할한다.
마그네트론(46)이 제공되어 탱크(5) 내의 유체(10)를 여기시킨다. 이는 외부 회로에 의해 인가되어야 하는 전위를 감소시킨다.
탱크(5)에는 복수의 가스 출구(45, 50)가 제공된다. 수소 가스 출구(45)는 각각의 서브 전지의 캐소드측 체적(40A)과 연통하도록 제공된다. 산소 가스 출구(50)는 각각의 서브 전지의 애노드측 체적(40B)과 연통하도록 제공된다.
사용시, 캐소드(25)와 애노드(20) 사이에 전압이 인가된다. 이는 이온 유체(10)가 분해되게 한다. 애노드(20)에 그리고 각각의 서브 전지의 애노드측 체적(40B)의 중성 판(30) 상에 산소 가스 기포(55)가 형성된다. 수소 가스 기포(60)는 캐소드(25)에 그리고 각각의 서브 전지의 캐소드측 체적(40A)의 중성 판(30) 상에 형성된다. 생산된 산소 가스는 다양한 산업 용례를 위한 산출로서 저장되거나 단지 대기로 방출될 수 있다.
바람직한 전기 회로는 12/24 V 및 0 내지 140 A에서 작동하는 펄스 폭 모듈러(Pulse Wave Modular)를 포함한다. 표준 물 전기 분해 전지와 마찬가지로, 외부 회로 전력은 이들 반응을 유도할 수 있는 전위를 제공하지만 전력 입력이 훨씬 적다.
수소 가스 기포(60)는 수소 가스 출구(45)에서 수집된다. 산소 가스 기포(55)는 산소 가스 출구(50)에서 수집된다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 멤브레인(35)의 사용은 또한 생산된 H2에서 O2 오염을 방지하여, 가능한 내파를 피하는 역할을 한다.
단일 중성 판(30)이 도시되어 있지만, 통상적으로 복수의 중성 판(30)이 사용될 것이다.
도 2는 전술한 전해 전지(1)를 통합한 장치(100)를 도시한다. 위의 번호는 적절하게 재사용되었다.
장치(100)는 수소 가스 출구(45)로부터 수소 가스를 취한다. 수소 가스는 역화 방지기(105)를 통해, 역류 방지 밸브(110)를 지나 반응 챔버(115)로 나아간다.
반응 챔버(115)는 발포기의 형태를 취한다. 즉, 반응 챔버(115)의 수소 가스 입구(120)는 반응 챔버(115)의 바닥을 향해 수소 가스를 도입하도록 배치된다. 반응 챔버(115)는 1M KOH 용액(125) 및 알루미늄 스크랩 폐기물(130)의 파편을 수용한다.
사용시, 수소 가스는 KOH 용액(125)을 통해 발포되어, 알루미늄 스크랩 폐기물(130)에 대해 용액(125)을 교반한다. 이는 수소의 반응 및 추가 생산을 촉진한다.
출구(135)를 통해 반응 용기를 떠나는 수소 가스는 전기 분해 전지로부터의 가스와 반응 챔버(115)로부터의 추가 수소 가스를 포함한다.
출구(135)를 통해 반응 용기를 떠난 수소는 가스 세정 챔버(145)의 입구(140)로 나아간다. 가스 세정 챔버(145)는 물(150)을 수용한다. 물(150)은 장치의 초기에 동반된 임의의 KOH 용액(125)을 포획하는 역할을 한다.
세정된 수소 가스는 사용을 위해 출구(155) 및 제어 밸브(160)에 의해 가스 세정 챔버(145)를 떠난다. 장치는 수소가 제어된 속도로 사용되게 하도록 수소 저장 디바이스(도시되지 않음)와 결합될 수 있다.
이제, 적절한 전해 전지의 구조에 대한 구체적인 설명이 제공된다. 층은 다음과 같이 전지에 걸쳐 순서대로 제공된다(동일한 용어는 동일한 구성요소를 설명함):
1. 150x150 mm 및 10 mm 두께의 아크릴 판 - 판은 양극, 음극, 물 입력, 수소 및 산소 출력을 위한 연결부를 가짐 -
2. 양극 판(Inox 316 110x110 mm 및 1.5 mm 두께)
3. 산소 분리기(산소 출구에 대한 연결을 갖는 A 개스킷)
4. 메시 멤브레인(본 명세서에 설명된 바와 같음)
5. 일반 개스킷
6. 수소 분리기(수소 출구에 대한 연결을 갖는 A 개스킷)
7. 중성 판(Inox 316)
8. 산소 분리기
9. 메시 멤브레인
10. 일반 개스킷
11. 수소 분리기
12. 중성 판
13. 산소 분리기
14. 메시 멤브레인
15. 일반 개스킷
16. 수소 분리기
17. 중성 판
18. 산소 분리기
19. 메시 멤브레인
20. 일반 개스킷
21. 수소 분리기
22. 중성 판
23. 산소 분리기
24. 메시 멤브레인
25. 일반 개스킷
26. 수소 분리기
27. 음극 판
28. 수소 분리기
29. 150x150 mm 및 10 mm 두께의 아크릴 판
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서의 모든 백분율은 중량 기준이며 모든 압력은 게이지가 아닌 절대값이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위 또는 첨부된 청구범위를 벗어나지 않고 거기에 변형이 이루어질 수 있음을 본 기술 분야의 숙련자라면 이해할 것이다.

Claims (28)

  1. 수소를 생산하기 위한 프로세스로서,
    전해 전지에서 물을 전기 분해하여 수소 가스 및 산소 가스를 생산하는 단계로서, 전해 전지는 수소 가스를 위한 제1 출구를 갖는, 단계;
    수소 가스를 전해 전지의 제1 출구로부터 반응 챔버로 통과시키는 단계로서, 반응 챔버는 전해 전지로부터 수소 가스를 받기 위한 제1 입구 및 반응 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제2 출구를 포함하며, 반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하고, 제1 입구는 수소 가스가 알칼리성 용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계;
    수소 가스를 제2 출구로부터 가스 세정 챔버로 통과시키는 단계로서, 가스 세정 챔버는 반응 챔버로부터 수소 가스를 받기 위한 제2 입구 및 세정 챔버를 빠져나가는 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하고, 가스 세정 챔버는 수용액을 수용하고, 제2 입구는 수소 가스가 수용액을 통해 발포하도록 배치되는, 단계; 및
    제3 출구로부터 수소 가스를 회수하는 단계를 포함하는, 프로세스.
  2. 제1항에 있어서, 전해 전지는 적어도 0.25 S/cm의 전도도를 갖는 이온 용액을 수용하는, 프로세스.
  3. 제2항에 있어서, 이온 용액은 적어도 0.3M의 농도를 갖는 KOH(aq)를 포함하는, 프로세스.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 이온 용액은 적어도 0.0001M의 농도로 반응 챔버로부터 회수된 수산화 알루미늄, 또는 금속 수산화물을 포함하는, 프로세스.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 프로세스는 전해 전지로부터 산소를 회수하는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 또는 그 합금은 알루미늄을 포함하는, 프로세스.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 또는 그 합금은 스크랩 금속인, 프로세스.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버는 금속 또는 그 합금의 복수의 피스를 수용하고, 각각의 피스는 0.1 kg 미만의 중량을 갖는, 프로세스.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 알칼리성 용액은 NaOH 또는 KOH를 포함하는, 프로세스.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 프로세스는 반응 챔버로부터 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 회수하는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  11. 제10항에 있어서, 프로세스는 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 처리하여 금속을 회수하는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 프로세스는 가스 세정 챔버로부터 전해 전지로 사용된 수용액을 재활용하는 단계를 더 포함하는, 프로세스.
  13. 수소를 생산하기 위한 장치로서,
    물을 전기 분해하여 수소 및 산소 가스를 생산하기 위한 전해 전지로서, 전해 전지는 수소 가스용 제1 출구를 갖는, 전해 전지;
    제1 출구와 유체 연통하는 제1 입구, 및 제2 출구를 포함하는 반응 챔버; 및
    제2 출구와 유체 연통하는 제2 입구, 및 생산된 수소 가스를 위한 제3 출구를 포함하는 가스 세정 챔버를 포함하고,
    반응 챔버는 알칼리성 용액에 적어도 부분적으로 침지된 금속 또는 그 합금의 하나 이상의 피스를 수용하며, 제1 입구는 알칼리성 용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것이고;
    가스 세정 챔버는 수용액을 수용하며, 제2 입구는 수용액을 통해 수소 가스를 발포하기 위한 것인, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 전해 전지는 전해 전지 내의 물을 처리하기 위한 마그네트론을 더 포함하는, 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 전해 전지는 캐소드와 애노드 및 그 사이에 배치된 복수의 중성 판을 포함하고, 각각의 중성 판은 전해 용액을 유지하기 위한 체적에 의해 각각의 인접한 중성 판으로부터 분리되고, 상기 체적은 메시 멤브레인을 수용함으로써 캐소드측 체적 및 애노드측 체적을 획정하며, 각각의 캐소드측 체적은 제1 출구와 유체 연통하고, 메시 멤브레인은 기체 산소 및 수소에 불투과성인, 장치.
  16. 제15항에 있어서, 메시 멤브레인은 나일론 메시 멤브레인인, 장치.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 제1 출구와 제1 입구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통하는 역화 방지기를 더 포함하는, 장치.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서, 장치는 복수의 상호 교환 가능한 반응 챔버를 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서, 제1 입구와 연통하는 제1 센서 및 제2 출구와 연통하는 제2 센서를 더 포함하고, 제1 및 제2 센서는 수소 가스 유량을 결정하기 위한 것인, 장치.
  20. 제13항에 있어서, 장치는 제1항에 따른 프로세스를 위한 것인, 장치.
  21. 제13항 또는 제14항에 따른 장치를 포함하는 차량용 디젤 엔진으로서, 제3 출구는 엔진의 연소 챔버에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 차량용 디젤 엔진.
  22. 연료 전지를 포함하는 전기 발전기로서, 제13항 또는 제14항에 따른 장치를 포함하고, 제3 출구는 연료 전지에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 전기 발전기.
  23. 제13항 또는 제14항에 따른 장치 및 버너 헤드를 포함하는 조리 디바이스로서, 제3 출구는 수소 가스를 버너 헤드에 공급하도록 배치되는, 조리 디바이스.
  24. 제13항 또는 제14항에 따른 장치 및 가스 토치를 포함하는 용접 디바이스 또는 플라즈마 절단 디바이스로서, 제3 출구는 가스 토치에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 디바이스.
  25. 제13항 또는 제14항에 따른 장치 및 파일럿 화염을 포함하는 연소 챔버를 포함하는 난방 보일러로서, 제3 출구는 보일러의 연소 챔버에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 난방 보일러.
  26. 제13항 또는 제14항에 따른 장치 및 열 엔진을 포함하는 스털링 엔진으로서, 제3 출구는 열 엔진에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 스털링 엔진.
  27. 제13항 또는 제14항에 따른 장치를 포함하는 차량용 가솔린 엔진으로서, 제3 출구는 엔진의 연소 챔버에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 차량용 가솔린 엔진.
  28. 연료 전지를 포함하는 차량용 전기 발전기로서, 제13항 또는 제14항에 따른 장치를 포함하고, 제3 출구는 연료 전지에 수소 가스를 공급하도록 배치되는, 차량용 전기 발전기.
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