KR102423167B1 - 수소 가스 생성용 디바이스 - Google Patents

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친 양 치아
요크 킨 예
알버트 코크 푸 응
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하이드로전 테크 에스디엔. 비에이치디.
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Abstract

본 발명은, 2개 이상의 저장부를 갖는 수소 가스 생성용 디바이스에 관한 것이며, 각각의 저장부는 반응물 또는 반응물의 혼합을 저장하며, 각각의 저장부는 저장된 반응물 또는 반응물의 혼합을 제어되는 방식으로 및 최적의 레이트로 반응 챔버 내에 주입하는 수단에 결합되어, 수소 가스를 효율적으로 발생시키는 화학 반응이 반응 챔버에서 일어난다.

Description

수소 가스 생성용 디바이스
본 발명은 일반적으로 수소 가스 생성 디바이스 및 그 방법에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 반응 챔버 내로의 반응물의 제어된 주입에 의해 수소 가스를 생성하는 그러한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지 발전 시스템은 수소와 공기의 반응에 의해 전기를 생성하여, 일정한 전기 공급을 필요로 하는 차량, 기계 및 기타 디바이스에 전력을 공급할 수 있다. 원료 수소는 일반적으로 현장에서 저장되며, 이것은 성가시며 비싼 가압 탱크를 필요로 한다. 차량이나 기타 가동 기계에 응용될 때, 문제는 저장 탱크의 추가적인 중량과 그에 필요한 공간으로 확장된다. 이에 대한 한 가지 해법은 연료 전지 가까이에서 수소 가스의 현장 생성이어서, 수소 가스의 최소한의 저장 또는 저장하지 않음이 필요하다.
수소 가스는, 수소 가스를 화학 수소화물과 같은 원료 물질로부터 분리하는 화학 반응을 통해 생성될 수 있다. 화학 수소화물은 수소 가스와 비교하여 훨씬 안전하게 저장된다. 수소화물로부터 수소 가스를 생성하는 여러 해법이 존재하며, 이들 대부분은 일정량의 화학 수소화물을 담는 종류의 반응 챔버를 사용한다. 물과 같은 액체가 이때 이 반응 챔버 내에 주입되며, 뒤따르는 화학 반응이 수소 가스를 발생시킨다.
이들 수소 가스 생성 시스템이 갖는 한 가지 문제는, 반응 챔버는 대부분의 경우 화학 수소화물 연료가 고갈되면 제거되어야 한다는 점이다. 그러면, 일부 경우, 챔버는 화학 수소화물로 다시 채워지며, 재사용된다. 일부 경우, 그러나, 고가의 반응 챔버는 재사용될 수 없으며, 폐기된다. 이들 경우 중 어느 경우에도, 빈 반응 챔버를 가득찬 반응 챔버로 교체하는 것은 성가시며 지루한 것일 수 있다.
다른 알려진 해법에서, 반응 챔버는 제거되기보다는, 반응물로 현장에서 충전된다. 이것은 그 자신의 문제가 있으며, 그 중 가장 큰 문제는 챔버를 반응물로 충전하는 것이 어렵고, 그렇게 하는데 시간이 필요하다는 점이다. 시간 요인은 승용 차량과 같은 응용에서 특히 관련되어 있다. 다시 채우는 스테이션에서 수 분보다 많이 대기하는 것은 보통 이 해법을 달성할 수 없게 한다.
앞선 해법 모두에 의해 공유되는 문제는 화학 반응을 미세하게(finely) 제어하는 것이 어렵다는 것이다. 반응 챔버의 기하학적 모양에 따라, 화학 수소화물의 부피가 고갈됨에 따라 변화하여, 반응 레이트, 및 그에 따라 발생된 수소 가스의 양이 제어하기 어렵게 한다. 반응 레이트의 정확한 제어는 최적의 화학 반응과 수소 가스의 효율적인 발생을 달성하는데 또한 중요하다.
2개 이상의 반응물 사이의 화학 반응을 통한 수소 가스 생성 디바이스에서, 반응 챔버는 반응물이 계속해서 보충될 필요가 있다.
2개 이상의 반응물 사이의 화학 반응을 통한 수소 가스 생성 디바이스에서, 반응 챔버는 반응물을 저장해야 할 제한된 볼륨을 갖는다.
2개 이상의 반응물 사이의 화학 반응을 통한 수소 가스 생성 디바이스에서, 미리 채워진 반응 챔버는 수소를 효율적으로 발생시키기에는 제한된 볼륨과 기하학적 모양을 갖는다.
2개 이상의 반응물 사이의 화학 반응을 통한 수소 가스 생성 디바이스에서, 고가의 반응 챔버는 보호될 필요가 있다.
2개 이상의 반응물 사이의 화학 반응을 통한 수소 가스 생성 디바이스에서, 반응 레이트는, 수소 가스가 효율적으로 발생되도록 미세하게 및 정확하게 제어될 필요가 있다.
모바일 연료 전지 응용에서, 수소 가스를 저장하는 것은 규모가 크고, 제한된 용량을 가지며, 위험할 수 있다.
본 발명은, 2개 이상의 저장부를 갖는 수소 가스 생성용 디바이스로서, 각각의 저장부는 반응물 또는 반응물의 혼합을 저장하며, 각각의 저장부는 저장된 반응물 또는 반응물의 혼합을 제어되는 방식으로 및 최적의 레이트로 반응 챔버 내에 주입하는 수단에 결합되어, 수소 가스를 효율적으로 발생시키는 화학 반응이 반응 챔버에서 일어나는, 수소 가스 생성용 디바이스를 제공함으로써 앞서 언급한 단점을 극복하고자 한다.
본 발명은 그에 따라, 반응 챔버 외부에서, 수소 가스를 발생시키는 화학 반응에 필요한 여러 원료 반응물의 저장, 및 그 후 이들 물질의 반응 챔버 내로의 최적의 레이트로의 제어된 주입으로, 수소 가스가 효율적으로 발생되는 것에 관한 것이다.
본 발명은 또한 반응 챔버; 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부; 제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부; 이 제1 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단; 이 제2 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단; 이 생성된 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크로서, 이 버퍼 탱크 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 구비되는 버퍼 탱크; 버퍼 탱크 내부에서 측정된 이 압력을 기초로 하여, 제1 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입과, 제2 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단으로서, 이 최적 레이트는 이 수소 가스를 가장 많이(the most) 생성하는 레이트인, 계산 수단; 및 이 제1 반응물과 이 제2 반응물이 이 반응 챔버 내에 주입되는 레이트를 제어하는 수단을 포함하는 수소 가스 생성용 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 일 양상에서, 제1 반응물은 화학 수소화물이다. 제1 반응물을 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프 주입기, 스크루(screw) 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입기이다. 제2 반응물은 물이나 증기이다. 이 증기를 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프와 노즐이다.
본 발명의 다른 양상에서, 이 반응 챔버 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단이 제공된다. 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력은 제1 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입과 제2 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하거나, 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면, 반응을 정지하는 것 중 어느 하나를 하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 반응 챔버; 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부; 제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부; 제3 반응물을 담는 제3 반응물 저장부; 이 제1 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단; 이 제2 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단; 이 제3 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단; 이 생성된 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크로서, 이 버퍼 탱크 내에서의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 구비되는 버퍼 탱크; 버퍼 탱크 내부에서 측정된 이 압력을 기초로 하여, 제1 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입, 제2 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입 및 이 제3 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단으로서, 이 최적 레이트는 이 수소 가스를 가장 많이 생성하는 레이트인, 계산 수단; 및 이 제1 반응물, 이 제2 반응물 및 이 제3 반응물이 이 반응 챔버 내에 주입되는 레이트를 제어하는 수단을 포함하는 수소 가스 생성용 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 일 양상에서, 제1 반응물은 화학 수소화물이다. 제1 반응물을 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프 주입기, 스크루 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입기이다. 제2 반응물은 금속계 촉매, 액체 촉매 또는 유기 촉매와 같은 촉매이다. 제3 반응물은 물이나 증기이다. 이 증기를 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프와 노즐이다.
본 발명의 다른 양상에서, 이 반응 챔버 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단이 제공된다. 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력은 제1 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입, 제2 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입 및 제3 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하거나, 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면, 반응을 정지하는 것 중 어느 하나를 하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 반응 챔버; 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부; 제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부; 제3 반응물을 담는 제3 반응물 저장부; 이 제1 반응물과 이 제2 반응물을 혼합하기 위한 혼합부; 이 제3 반응물을 이 반응 챔버 내에 주입하기 위한 제3 반응물 주입 수단; 이 생성된 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크로서, 이 버퍼 탱크 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 구비되는 버퍼 탱크; 버퍼 탱크 내부에서 측정된 이 압력을 기초로 하여, 제1 반응물과 제2 반응물의 이 혼합과, 제3 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단으로서, 이 최적 레이트는 이 수소 가스를 가장 많이 생성하는 레이트인, 계산 수단; 및 이 제1 반응물 및 이 제2 반응물이 혼합되며, 이 제3 반응물이 이 반응 챔버 내에 주입되는 레이트를 제어하는 수단을 포함하는 수소 가스 생성용 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 일 양상에서, 제1 반응물은 화학 수소화물이다. 제1 반응물을 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프 주입기, 스크루 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입기이다. 제2 반응물은 금속계 촉매, 액체 촉매 또는 유기 촉매와 같은 촉매이다. 제3 반응물은 물이나 증기이다. 이 증기를 이 반응 챔버 내에 주입하는 수단은 펌프와 노즐이다.
본 발명의 다른 양상에서, 이 반응 챔버 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단이 제공된다. 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력은 제1 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입, 제2 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입 및 제3 반응물의 이 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하거나, 반응 챔버 내부에서 측정된 이 온도와 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면, 반응을 정지하는 것 중 어느 하나를 하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 이 반응 챔버 후에 위치하는 필터가 더 제공되며, 이 필터는 발생된 수소 가스로부터 원치 않는 임의의 부산물을 필터링하도록 되어 있다.
본 발명은 또한 다음의 단계를 포함하는 수소 가스 생성 방법에 관한 것이다:
a. 수소 가스를 발생시키는 화학 반응에 필요한 적어도 2개의 반응물을 저장하는 단계로서, 각각의 반응물은 반응물 저장부에 저장되는, 상기 저장 단계;
b. 수소 가스가 발생되도록, 각각의 반응물을 반응 챔버 내에 주입하는 단계;
c. 버퍼 탱크 내부에서의 압력 값을 측정하는 단계; 및
d. 이 측정된 압력 값을 사용하여 각각의 반응물의 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하는 단계.
본 발명은, 2개 이상의 저장부를 포함하는, 수소 가스 생성용 디바이스에 관한 것이며, 각각의 저장부는 반응물을 저장하며, 각각의 저장부는 저장된 반응물을 제어되는 방식으로 및 최적의 레이트로 반응 챔버 내에 주입하는 수단에 결합되어, 수소 가스를 발생시키는 화학 반응이 반응 챔버에서 일어난다. 버퍼 탱크 내부에서의 압력 값을 측정하는 수단이 제공되며, 이 측정된 압력 값은, 각각의 반응물의 반응 챔버 내로의 이 주입의 최적 레이트를 계산하는데 사용된다.
다른 목적과 장점은 다음의 개시와 수반하는 청구범위로부터 더욱 충분하게 자명하게 될 것이다.
반응 챔버 외부에서 반응물을 저장하며, 이들 반응물을 필요할 때에만 반응 챔버 내에 주입함으로써, 고가의 반응 챔버의 교체 및 보충은 불필요하게 된다.
반응 챔버 내부에서 측정된 온도와 압력을 기초로 하여 각 반응물의 반응 챔버 내로의 주입 레이트를 제어함으로써, 반응의 성과와 효율이 최대화되며, 그에 따라 수소 가스의 발생이 효율적이게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 개략도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에서 수소 가스를 생성하기 위한 디바이스로서, 전구체 반응물로부터 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 담도록 설계되는 반응 챔버(10)가 구비되는, 디바이스의 개략도가 도시된다. 반응 챔버(10)에는 압력 센서(52)와 온도 센서(54) - 반응 챔버(10) 내에서 각각 압력과 온도를 측정하도록 설계됨 - 가 구비된다. 제1 반응물을 저장하도록 설계된 제1 반응물 저장부(20)와, 제2 반응물을 저장하도록 설계된 제2 반응물 저장부(30)가 또한 구비된다. 이들 2개의 반응물 각각은 수소 가스를 궁극적으로 발생시키는 화학 반응에 대한 전구체이다. 결합될 때, 이들 반응물은 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 겪는다.
제1 반응물 저장부(20)는 제1 반응물 주입 수단(25)에 연결된다. 이 제1 반응물 주입 수단(25)은 제1 반응물을 반응 챔버(10)에 주입하도록 설계된다. 이 제 1 실시예에서, 제1 반응물은 화학 수소화물과, 금속계 촉매, 액체 촉매 또는 유기 촉매와 같은 촉매의 혼합물을 포함하는 기혼합(premixed) 화학 물질이다. 제1 반응물 주입 수단(25)은 펌프 주입기, 스크루 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입 수단이다. 제1 반응물 주입 수단(25)은 그에 따라 기혼합 화학 물질을 제1 주입 포트(26)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다.
제2 반응물 저장부(30)는 제2 반응물 주입 수단(35)에 연결된다. 이 제2 반응물 주입 수단(35)은 제2 반응물을 반응물 챔버(10) 내에 주입하도록 설계된다. 이 제1 실시예에서, 제2 반응물은 물 또는 증기이며, 제2 반응물 주입 수단(35)은 펌프와 노즐을 포함한다. 제2 반응물 주입 수단(35)은 그에 따라 물이나 증기를 제2 주입 포트(36)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다. 이 실시예에 대한 추가 변형은 물이나 증기에 산이나 다른 첨가제를 추가하여 수소 가스 발생을 향상시키는 것이다.
이런 식으로, 2개의 반응물은 반응 챔버(10) 내에 주입되어, 수소 가스 및 일부 폐기물(waste products)의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시한다. 수소 가스는 필터(60)에서 폐기물로부터 분리되며, 이 필터에서, 폐기물은 폐기물 처리부(65)를 통해 제거된다. 수소 가스는 그 후 펌프(70)를 통해 버퍼 탱크(80) 내로 펌핑되며, 이 탱크에서, 연료 전지(90)에 사용되기 전 잠시 저장된다. 버퍼 탱크(80)는 압력 센서(81)가 구비되며, 이 센서는 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하도록 되어 있다.
이 버퍼 탱크 압력 센서(81)로부터 이 버퍼 탱크 압력 측정치가 공급되는 마이크로프로세서(50)가 또한 구비된다. 마이크로프로세서(50)는 버퍼 탱크 내의 압력 값을 기초로 하여 반응물 각각에 대한 주입의 최적 레이트를 계산한다. 반응물 주입의 최적 레이트는 수소 가스의 최적 발생을 야기한다. 마이크로프로세서(50)는 주입의 계산된 최적 레이트를 제1 반응물 주입 제어(28)를 통해 제1 반응물 주입 수단(25)에 전송하며, 제2 반응물 주입 제어(38)를 통해 제2 반응물 주입 수단(35)에 전송한다. 이런 식으로, 주입의 계산된 최적 레이트는 2개의 반응물 주입 수단(25, 35)에 의해 실행된다.
이 반응물 챔버 압력 센서(52)와 온도 센서(54)의 측정치는 안전 특성(safety feature)으로서 사용되어, 수소 생성 반응은, 반응 챔버 내의 온도나 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면 셧다운된다. 미리 결정된 반응 챔버 압력의 상한은, 적절한 안전 여유도를 갖고, 반응 챔버(10)의 구조적 완전성을 기초로 하여 계산된다. 반응 챔버(10) 내에서 감지된 압력이 이 미리 결정된 압력의 상한에 도달할 때, 수소 가스 생성 반응은 정지될 것이다.
이 제1 실시예의 변형에서, 반응 챔버 내의 이 압력과 온도 측정치는 이 마이크로프로세서(50)에 또한 공급되어, 반응물 각각에 대한 주입의 최적 레이트를 계산하는데 또한 사용된다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에서 수소 가스를 생성하기 위한 디바이스로서, 전구체 반응물로부터 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 담도록 설계되는 반응 챔버(10)가 구비되는, 디바이스의 개략도가 도시된다. 반응 챔버(10)에는 압력 센서(52)와 온도 센서(54) - 반응 챔버(10) 내에서 각각 압력과 온도를 측정하도록 설계됨 - 가 구비된다. 제1 반응물을 저장하도록 설계된 제1 반응물 저장부(20), 제2 반응물을 저장하도록 설계된 제2 반응물 저장부(30), 및 제3 반응물을 저장하도록 설계된 제3 반응물 저장부(40)가 또한 구비된다. 이들 3개의 반응물 각각은 수소 가스를 궁극적으로 발생시키는 화학 반응에 대한 전구체이다. 결합될 때, 이들 반응물은 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 겪는다.
제1 반응물 저장부(20)는 제1 반응물 주입 수단(25)에 연결된다. 이 제1 반응물 주입 수단(25)은 제1 반응물을 반응 챔버(10)에 주입하도록 설계된다. 이 제 2 실시예에서, 제1 반응물은 분말 또는 펠릿 형태의 화학 수소화물이고, 제1 반응물 주입 수단(25)은 펌프 주입기, 스크루 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입 수단이다. 제1 반응물 주입 수단(25)은 그에 따라 화학 수소화 반응물을 제1 주입 포트(26)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다.
제2 반응물 저장부(30)는 제2 반응물 주입 수단(35)에 연결된다. 이 제2 반응물 주입 수단(35)은 제2 반응물을 반응물 챔버(10) 내에 주입하도록 설계된다. 이 제2 실시예에서, 제2 반응물은 금속계 촉매, 액체 촉매 또는 유기 촉매와 같은 촉매이며, 제2 반응물 주입 수단(35)은 스크루 공급기와 같은 기계식 주입 수단이다. 제2 반응물 주입 수단(35)은 그에 따라 촉매를 제2 주입 포트(36)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다.
제3 반응물 저장부(40)는 제3 반응물 주입 수단(45)에 연결된다. 이 제3 반응물 주입 수단(45)은 제3 반응물을 반응 챔버(10) 내에 주입하도록 설계된다. 이제2 실시예에서, 제3 반응물은 물이나 증기이며, 제3 반응물 주입 수단(45)은 펌프와 노즐을 포함한다. 제3 반응물 주입 수단(45)은 그에 따라 물이나 증기를 제3 주입 포트(46)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다. 이 실시예에 대한 추가 변형은 물이나 증기에 산이나 다른 첨가제를 추가하여 수소 가스 발생을 향상시키는 것이다.
이런 식으로, 3개의 반응물은 반응 챔버(10) 내에 주입되며, 그에 따라, 수소 가스 및 일부 폐기물의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시한다. 수소 가스는 필터(60)에서 폐기물로부터 분리되며, 이 필터에서, 폐기물은 폐기물 처리부(65)를 통해 제거된다. 수소 가스는 그 후 펌프(70)를 통해 버퍼 탱크(80) 내로 펌핑되며, 이 탱크에서, 연료 전지(90)에 사용되기 전 잠시 저장된다. 버퍼 탱크(80)는 압력 센서(81)가 구비되며, 이 센서는 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하도록 되어 있다.
이 버퍼 탱크 압력 센서(81)로부터 이 버퍼 탱크 압력 측정치가 공급되는 마이크로프로세서(50)가 또한 구비된다. 마이크로프로세서(50)는 버퍼 탱크 내의 압력 값을 기초로 하여 반응물 각각에 대한 주입의 최적 레이트를 계산한다. 반응물 주입의 최적 레이트는 수소 가스의 최적 발생을 야기한다. 마이크로프로세서(50)는 주입의 계산된 최적 레이트를 제1 반응물 주입 제어(28)를 통해 제1 반응물 주입 수단(25)에 전송하고, 제2 반응물 주입 제어(38)를 통해 제2 반응물 주입 수단(35)에 전송하며, 제3 반응물 주입 제어(48)를 통해 제3 반응물 주입 수단(45)에 전송한다. 이런 식으로, 주입의 계산된 최적 레이트는 3개의 반응물 주입 수단(25, 35, 45)에 의해 실행된다.
이 반응물 챔버 압력 센서(52)와 온도 센서(54)의 측정치는 안전 특성으로서 사용되어, 수소 생성 반응은, 반응 챔버 내의 온도나 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면 셧다운된다. 미리 결정된 반응 챔버 압력의 상한은, 적절한 안전 여유도를 갖고, 반응 챔버(10)의 구조적 완전성을 기초로 하여 계산된다. 반응 챔버(10) 내에서 감지된 압력이 이 미리 결정된 압력의 상한에 도달할 때, 수소 가스 생성 반응은 정지될 것이다.
이 제1 실시예의 변형에서, 반응 챔버 내의 이 압력과 온도 측정치는 이 마이크로프로세서(50)에 또한 공급되어, 반응물 각각에 대한 주입의 최적 레이트를 계산하는데 또한 사용된다.
도 3을 참조하면, 제3 실시예에서 수소 가스를 생성하기 위한 디바이스로서, 전구체 반응물로부터 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 담도록 설계되는 반응 챔버(10)가 구비되는, 디바이스의 개략도가 도시된다. 반응 챔버(10)에는 압력 센서(52)와 온도 센서(54) - 반응 챔버(10) 내에서 각각 압력과 온도를 측정하도록 설계됨 - 가 구비된다. 제1 반응물을 저장하도록 설계된 제1 반응물 저장부(20), 제2 반응물을 저장하도록 설계된 제2 반응물 저장부(30), 및 제3 반응물을 저장하도록 설계된 제3 반응물 저장부(40)가 또한 구비된다. 이들 3개의 반응물 각각은 수소 가스를 궁극적으로 발생시키는 화학 반응에 대한 전구체이다. 결합될 때, 이들 반응물은 수소 가스를 발생시키는 화학 반응을 겪는다.
이 제3 실시예에서, 제1 반응물 저장부(20)와 제2 반응물 저장부(30)는 혼합부(250)에 연결된다. 이 실시예에서, 제1 반응물은 분말이나 펠릿 형태의 화학 수소화물이며, 제2 반응물은 금속계 촉매, 액체 촉매 또는 유기 촉매와 같은 촉매이다. 화학 수소화물과 촉매는 혼합부(250)에 공급되며, 이 혼합부에서, 이들은 함께 혼합되어 기혼합 화학 물질을 형성한다. 이 기혼합 화학 물질은 수소 가스를 생성하는 화학 반응에 대한 전구체이다. 혼합부(250)는 또한 이 기혼합 화학 물질을 반응 챔버(10)에 주입하도록 설계된다. 이 실시예에서, 이러한 동작은 펌프 주입기, 스크루 공급기 또는 기계식 작동기와 같은 주입 수단으로 행해진다. 혼합부(250)는 그에 따라 기혼합 화학 물질을 제1 주입 포트(26)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다.
제3 반응물 저장부(40)는 제3 반응물 주입 수단(45)에 연결된다. 이 제3 반응물 주입 수단(45)은 제3 반응물을 반응물 챔버(10) 내에 주입하도록 설계된다. 이 제3 실시예에서, 제3 반응물은 물 또는 증기이며, 제3 반응물 주입 수단(45)은 펌프와 노즐을 포함한다. 제3 반응물 주입 수단(45)은 그에 따라 물이나 증기를 제3 주입 포트(46)를 통해 반응 챔버(10) 내에 주입한다. 이 실시예에 대한 추가 변형은 물이나 증기에 산이나 다른 첨가제를 추가하여 수소 가스 발생을 향상시키는 것이다.
이런 식으로, 3개의 반응물은 반응 챔버(10) 내에 주입되어, 수소 가스 및 일부 폐기물의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시한다. 수소 가스는 필터(60)에서 폐기물로부터 분리되며, 이 필터에서, 폐기물은 폐기물 처리부(65)를 통해 제거된다. 수소 가스는 그 후 펌프(70)를 통해 버퍼 탱크(80) 내로 펌핑되며, 이 탱크에서, 연료 전지(90)에 사용되기 전 잠시 저장된다. 버퍼 탱크(80)는 압력 센서(81)가 구비되며, 이 센서는 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하도록 되어 있다.
이 버퍼 탱크 압력 센서(81)로부터 이 버퍼 탱크 압력 측정치가 공급되는 마이크로프로세서(50)가 또한 구비된다. 마이크로프로세서(50)는 버퍼 탱크 내의 압력 값을 기초로 하여 혼합부(250)에서 제1 반응물과 제2 반응물을 혼합하는 최적 레이트를 계산하여, 이것을 혼합부 제어(280)를 통해 혼합부에 전송한다. 마이크로프로세서(50)는 이 실시예에서 버퍼 탱크 내의 압력 값을 기초로 하여 제3 반응물을 반응 챔버(10) 내에 주입하는 최적의 레이트를 또한 계산하여, 이것을 제3 반응물 주입 제어(48)를 통해 제3 반응물 주입 수단(45)에 전송한다. 혼합 및 반응물 주입의 이 최적의 레이트는 수소 가스의 최적의 발생을 야기한다.
이 반응물 챔버 압력 센서(52)와 온도 센서(54)의 측정치는 안전 특성으로서 사용되어, 수소 생성 반응은, 반응 챔버 내의 온도나 압력이 미리 결정된 레벨에 도달한다면 셧다운된다. 미리 결정된 반응 챔버 압력의 상한은, 적절한 안전 여유도를 갖고, 반응 챔버(10)의 구조적 완전성을 기초로 하여 계산된다. 반응 챔버(10) 내에서 감지된 압력이 이 미리 결정된 압력의 상한에 도달할 때, 수소 가스 생성 반응은 정지될 것이다.
이 제1 실시예의 변형에서, 반응 챔버 내의 이 압력과 온도 측정치는 이 마이크로프로세서(50)에 또한 공급되어, 반응물 각각에 대한 주입의 최적 레이트를 계산하는데 또한 사용된다.
상기 실시예 모두에서, 화학 수소화물은 다음: 붕소 나트륨 수소화물, 붕소 수소화물, 질소 수소화물, 탄소 수소화물, 화학 수소화물, 붕소 질소 수소화물, 붕소 탄소 수소화물, 질소 탄소 수소화물, 금속 붕소 수소화물, 금속 질소 수소화물, 금속 탄소 수소화물, 금속 붕소 질소 수소화물, 금속 붕소 탄소 수소화물, 금속 탄소 질소 수소화물, 붕소 질소 탄소 수소화물, 금속 붕소 질소 탄소 수소화물, NaH, LiBH4, LiH, CaH2, Ca(BH4)2, MgBH4, KBH4, Al(BH3)3 또는 이들의 조합 중 임의의 것을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
상기 실시예 모두에서, 촉매는 다음: 코발트계 산화물, 붕소화물, 고체 산, 염 또는 이들의 조합 중 임의의 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 염은 루테늄(Ru), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 이들의 조합 중 임의의 것의 이온의 화합물일 수 있다.
10: 반응 챔버 20: 제1 반응물 저장부
25: 제1 반응물 주입 수단 250: 혼합부
26: 제1 주입 포트 28: 제1 반응물 주입 제어
280: 혼합부 제어 30: 제2 반응물 저장부
35: 제2 반응물 주입 수단 36: 제2 주입 포트
38: 제2 반응물 주입 제어 40: 제3 반응물 저장부
45: 제3 반응물 주입 수단 46: 제3 주입 포트
48: 제3 반응물 주입 제어 50: 마이크로프로세서
52: 압력 센서 54: 온도 센서
60: 필터 65: 폐기물 처리부
70: 펌프 80: 버퍼 탱크
81: 버퍼 탱크 압력 센서 90: 연료 전지

Claims (38)

  1. 수소 가스 생성용 디바이스로서,
    반응 챔버(10);
    고체 수소화물(solid hydride)인 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부(20);
    제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부(30);
    상기 제1 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제1 반응물 주입 수단(25);
    상기 제2 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제2 반응물 주입 수단(35);
    생성된 상기 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크(80)로서, 상기 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(81)가 구비되는 상기 버퍼 탱크(80);
    - 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물은 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되어, 수소 가스의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시함 -
    상기 반응 챔버(10) 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단으로서, 반응 챔버(10) 내에서 측정된 상기 온도와 압력은 제1 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트와 제2 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트를 계산하는데 사용되는, 상기 측정 수단;
    상기 버퍼 탱크(80) 내부에서 측정된 상기 압력을 기초로 하여, 제1 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트와, 제2 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단; 및
    상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물이 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되는 레이트들을 제어하는 수단을 포함하며,
    제1 및 제2 반응물의 주입의 상기 최적 레이트들은 수소 가스의 최적 발생을 야기하는, 수소 가스 생성용 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 반응물은 화학 수소화물(chemical hydride)인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 반응물은 화학 수소화물과 촉매의 혼합물을 포함하는 기혼합(premixed) 화학 물질인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 펌프 주입기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 스크루(screw) 공급기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 기계식 작동기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 반응물은 물인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제2 반응물은 증기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 반응물 주입 수단은 펌프와 노즐인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  10. 수소 가스 생성용 디바이스로서,
    반응 챔버(10);
    고체 수소화물인 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부(20);
    제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부(30);
    제3 반응물을 담는 제3 반응 저장부(40);
    상기 제1 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제1 반응물 주입 수단(25);
    상기 제2 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제2 반응물 주입 수단(35);
    상기 제3 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제3 반응물 주입 수단(45);
    - 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물, 및 상기 제3 반응물은 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되어, 수소 가스의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시함 -
    상기 반응 챔버(10) 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단으로서, 반응 챔버(10) 내에서 측정된 상기 온도와 압력은 제1 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트, 제2 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트, 및 상기 제3 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트를 계산하는데 사용되는, 상기 측정 수단;
    생성된 상기 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크(80)로서, 상기 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(81)가 구비되는, 상기 버퍼 탱크(80);
    상기 버퍼 탱크(80) 내부에서 측정된 상기 압력을 기초로 하여, 제1 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트, 제2 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트, 및 상기 제3 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단; 및
    상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물, 및 상기 제3 반응물이 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되는 레이트들을 제어하는 수단을 포함하며,
    제1, 제2, 및 제3 반응물의 주입의 상기 최적 레이트들은 수소 가스의 최적 발생을 야기하는, 수소 가스 생성용 디바이스.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 반응물은 화학 수소화물인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 펌프 주입기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 스크루 공급기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 제1 반응물 주입 수단(25)은 기계식 작동기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  15. 청구항 10에 있어서, 상기 제2 반응물은 촉매인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  16. 청구항 10에 있어서, 상기 제3 반응물은 물인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제3 반응물은 증기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 증기를 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하는 상기 수단은 펌프와 노즐인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  19. 수소 가스 생성용 디바이스로서,
    반응 챔버(10);
    고체 수소화물인 제1 반응물을 담는 제1 반응물 저장부(20);
    제2 반응물을 담는 제2 반응물 저장부(30);
    제3 반응물을 담는 제3 반응 저장부(40);
    상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물을 혼합하기 위한 혼합부(250);
    상기 제3 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하기 위한 제3 반응물 주입 수단(45);
    - 상기 제1 반응물, 상기 제2 반응물, 및 상기 제3 반응물은 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되어, 수소 가스의 생성을 야기하는 화학 반응을 개시함 -
    상기 반응 챔버(10) 내부에서의 온도와 압력을 측정하는 수단으로서, 반응 챔버(10) 내에서 측정된 상기 온도와 압력은 상기 제1 반응물과 상기 제2 반응물의 혼합의 최적 레이트를 계산하는데 사용되는, 상기 측정 수단;
    생성된 상기 수소 가스를 저장하기 위한 버퍼 탱크(80)로서, 상기 버퍼 탱크(80) 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(81)가 구비되는, 상기 버퍼 탱크(80);
    상기 버퍼 탱크(80) 내부에서 측정된 상기 압력을 기초로 하여, 제1 반응물과 제2 반응물의 상기 혼합의 최적 레이트와, 제3 반응물의 상기 반응 챔버(10) 내로의 상기 주입의 최적 레이트를 계산하는 수단; 및
    상기 제1 반응물과 제2 반응물이 혼합되는 레이트와, 상기 제3 반응물이 상기 반응 챔버(10) 내에 주입되는 레이트를 제어하는 수단을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 반응물의 상기 혼합의 최적 레이트와, 상기 제3 반응물의 상기 주입의 최적 레이트는 수소 가스의 최적 발생을 야기하는, 수소 가스 생성용 디바이스.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 제1 반응물은 화학 수소화물인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 제2 반응물은 촉매인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 제3 반응물은 물인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 제3 반응물은 증기인, 수소 가스 생성용 디바이스.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 제3 반응물을 상기 반응 챔버(10) 내에 주입하는 상기 수단은 펌프와 노즐인, 수소 가스 생성용 디바이스.
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