KR20030082440A - 수소 제조 시스템 - Google Patents

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KR20030082440A
KR20030082440A KR10-2003-0023762A KR20030023762A KR20030082440A KR 20030082440 A KR20030082440 A KR 20030082440A KR 20030023762 A KR20030023762 A KR 20030023762A KR 20030082440 A KR20030082440 A KR 20030082440A
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hydrogen
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hydrogen gas
fuel cell
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KR10-2003-0023762A
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데보스존에이
하딩필립
프라사드라비
탕조셉더블유
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

본 발명은, 입구 및 출구를 갖는 반응기 및 그 안에 촉매가 배치된 수소 제조 시스템에 관한 것이다. 상기 반응기는 연속적으로 유동하는 수성 금속 하이드라이드를 수용하도록 형성되는 것이 바람직하다.

Description

수소 제조 시스템{HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM}
본 발명은 수소 제조의 기술분야에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 수소를 제조하는 방법 및 장치를 제공한다.
지난 수세기에 걸쳐, 에너지에 대한 요구가 폭발적으로 증가되어 왔다. 에너지에 대한 요구가 증가됨에 따라, 다수의 여러 에너지 공급원이 조사 및 개발되어 왔다. 에너지의 주요 공급원중 하나는 탄화수소의 연소였으며 지금도 계속되고 있다. 그런데, 탄화수소의 연소는 통상적으로 불완전 연소 및 불연 물질을 유발하여 다양한 양으로 스모그 및 기타 오염 물질을 발생시킨다.
탄화수소의 연소에 의해 생성된 오염 물질로 인해, 최근 몇년 동안에는 더욱더 클린 에너지(cleaner energy) 공급원에 대한 요구가 증가되었다. 클린 에너지 공급원에 대한 관심이 증가하면서, 연료 전지는 더욱 보편화되고 복잡하게 되었다. 연료 전지에 대한 연구 및 개발은, 연료 전지가 멀지않아 도시에서 다량의 전기를발생시키기 위한 가스 터빈, 자동차를 구동시키는 내연 기관, 및 다양한 소형 및 대형 전자 제품을 작동시키는 배터리와 경쟁하게 될거라는 관점에서 지속되어 오고 있다.
연료 전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전기화학적 에너지 전환시킨다. 연료 전지는 배터리와 유사하지만, 전력을 제공하면서 "재충전"될 수 있다.
연료 전지는 동력 모터, 전구 또는 다수의 전기 기구에 사용될 수 있는 DC(직류) 전압을 제공한다. 각각 상이한 화학과정을 이용하는 여러 유형의 연료 전지가 존재한다. 연료 전지는 통상적으로 전해질의 사용 유형에 의해 분류된다. 연료 전지 유형은 일반적으로 5가지 전지의 군, 즉 양자 교환 막(proton exchange membrane, PEM) 연료 전지, 알칼리 연료 전지(alkaline fuel cell, AFC), 인산 연료 전지(phosphoric-acid fuel cell, PAFC), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 및 용융 카보네이트 연료 전지(molten carbonate fuel cell, MCFC)의 군중 하나로 분류된다.
PEM 연료 전지
PEM 연료 전지는 현재 가장 유망한 연료 전지 기술인 것으로 여겨지고 있으며, 임의의 연료 전지의 가장 단순한 반응들중 하나를 사용하고 있다. 도 1을 참조하면, PEM 연료 전지는 전형적으로 4가지 기본 요소, 즉 애노드(20), 캐쏘드(22), 전해질(PEM)(24), 및 상기 전해질(24)의 각 측에 배열된 촉매(26)를 포함할 것이다.
애노드(20)는 연료 전지의 음(-)의 포스트(post)로서 수소 분자로부터 유리된 전자를 유도하여 상기 전자가 외부 회로(21)에 사용될 수 있게 한다. 애노드(20)는 그 안에 에칭된 채널(28)을 포함하여 수소 가스를 촉매(26)의 표면상에 가능한 한 균등하게 분산시킨다.
캐쏘드(22)는 연료 전지의 양(+)의 포스트로서 그 안에 에칭된 채널(30)을 가져 산소(통상적으로 공기)를 촉매(26)의 표면에 균등하게 분포시킨다. 또한, 캐쏘드(22)는 전자를 외부 회로(21)로부터 다시 촉매(26)로 전도시키며, 여기서 이들 전자는 수소 이온 및 산소와 재결합하여 물을 형성시킬 수 있다. 물은 PEM 연료 전지의 유일한 부산물이다.
전해질(24)은 양자 교환 막(PEM)(24)이다. PEM(24)은 오직 양(+)으로 하전된 이온만을 전도시키는 특수 처리된 다공성 물질이다. PEM(24)은 전자의 통과를 방지한다.
촉매(26)는 전형적으로 카본지 또는 카본포 위에 얇게 코팅된 백금 분말이다. 촉매(26)는 통상적으로 거칠고 다공성이어서 수소 또는 산소에 노출될 수 있는 백금의 표면적을 최대화한다. 촉매(26)는 산소와 수소의 반응을 촉진시킨다.
작동중인 연료 전지에서, PEM(24)은 애노드(20)와 캐쏘드(22) 사이에 존재한다.
연료 전지의 작동은 일반적으로 하기와 같이 기술될 수 있다. 가압된 수소 가스(H2)가 연료 전지의 애노드(20) 측으로 유입된다. H2분자가 촉매(26)상의 백금과 접촉하게 되는 경우, 2개의 H+이온과 2개의 전자(e-)로 분리된다. 상기 전자는 애노드(20)를 통해 전도되며, 여기서 이들 전자는 외부 회로(21)를 통해 전력을 공급하여 유용한 작업(예컨대, 모터를 회전시키거나, 또는 전구(23)를 밝히는 일)을 할 수 있고, 연료 전지의 캐쏘드 측(22)으로 복귀한다.
한편, 연료 전지의 캐쏘드(22) 측으로, 산소 가스(O2)가 촉매(26)를 통해 가해진다. 몇몇 PEM 연료 전지 시스템에서, O2공급원은 공기일 수 있다. O2가 촉매(26)를 통해 가해짐에 따라, 2개의 산소원자를 형성하며, 각각은 강한 음(-)의 전하를 갖는다. 이 음(-)의 전하는 PEM(24)을 통해 2개의 H+이온을 공격하며, 여기서 이들 이온은 외부 회로로부터의 전자들중 2개 및 산소원자와 결합되어 물 분자(H2O)를 형성한다.
앞서 기술된 PEM 연료 전지 반응은 단지 약 0.7볼트만을 생성시키며, 따라서 전압을 더욱 유용한 수준으로 상승시키기 위해, 흔히 다수의 개별 연료 전지를 조합하여 연료 전지 스택을 형성한다.
PEM 연료 전지는 전형적으로 꽤 낮은 온도(약 80℃/176℉)에서 작동하며, 이로 인해 이들 전지는 신속하게 승온되고 저렴한 수용 구조물내에 내장할 수 있게 되는데, 이는 이들 전지가 전기 발생과 통상 관련된 고온에서 견딜 수 있는 특수 물질을 필요로 하지 않기 때문이다.
알칼리 연료 전지
PEM 연료 전지와는 달리, 알칼리 연료 전지는 압축된 수소와 산소상에서 작동하며, 일반적으로 수산화칼륨 수용액을 전해질로서 사용하고 있다. 알칼리 전지내의 작동 온도는 전형적으로 약 150 내지 200℃(약 300 내지 400℉)이다.
알칼리 연료 전지에서, 하이드록실 이온(OH-)은 캐쏘드로부터 애노드로 이동한다. 애노드에서, 수소 가스는 OH- 이온과 반응하여 물을 생성시키고 전자를 방출시킨다. 애노드에서 생성된 전자는 외부 회로에 전기력을 공급한 후, 캐쏘드로 복귀한다. 캐쏘드에서, 전자는 산소 및 물과 반응하여서, 전해질내로 확산하게 되는 더욱 많은 하이드록실 이온을 생성시킨다.
알칼리 연료 전지는 70% 이하의 효율로 작동하며, 다른 연료 전지와 같이 오염물을 거의 생성하지 않는다. 이들 전지는 전기 이외에 음용가능한 물을 생성시키기 때문에 예컨대 우주선에서 사용되어 왔다. 그러나, 주요 결함으로는, 알칼리 전지가 매우 순수한 수소를 필요로 하는 것, 또는 원하지 않는 화학 반응으로 인해 전지내에서 화학 반응을 간섭하게 되는 고체 카보네이트가 형성되는 것이다.
최근 몇년 동안, 다른 연료로부터 수소를 제조하는 대부분의 방법이 어느 정도의 이산화탄소를 생성시키기 때문에, 순수한 수소에 대한 이러한 요건은 알칼리 연료 전지에 대한 연구를 지체시키고 있다. 또다른 결함으로는 반응 속도를 증가시키기 위해 고비용 백금 촉매를 다량으로 요구한다는 것이다.
용융 카보네이트 연료 전지
용융 카보네이트 연료 전지(MCFC)에서는, 카보네이트 염이 전해질이다. 650℃(약 1,200℉)로 가열하면, 상기 염이 녹아 카보네이트 이온(CO3)을 캐쏘드로부터 애노드로 전도시킨다. 애노드에서, 수소는 상기 이온과 반응하여 물, 이산화탄소및 전자를 생성시킨다. 상기 전자는, 캐쏘드로 복귀하게 되는 방식으로 외부 회로를 통해 이동하여 전기력을 제공한다. 캐쏘드에서, 공기로부터의 산소 및 애노드로부터 재순환된 이산화탄소는 전자와 반응하여서, 전해질을 보충하고 연료 전지를 통해 전류를 전달하게 되는 CO3이온을 형성한다.
고온 MCFC는 내부 또는 외부 리포머(reformer)를 사용하여 다양한 연료로부터 수소를 추출할 수 있다. MCFC는 대개 니켈계 촉매를 사용한다. MCFC는 60% 이하의 효율을 나타내며, 이는 폐열을 폐열발전을 위해 이용하는 경우에는 80%까지 상승될 수 있다. 현재, 실제 유닛(demonstration unit)은 2메가와트(MW)까지 생성하였지만, 50 내지 100MW 용량의 유닛을 위한 디자인이 존재한다.
용융 카보네이트 기술에서의 2가지 주요 곤란한 점은, (하기 논의되는) 고체 산화물 전지와 비교되는 단점에 있다. 그중 하나는 고체가 아닌 액체인 전해질을 사용하는 작업의 복잡성이다. 다른 하나는 용융 카보네이트 전지내의 화학 반응으로부터 기인하는 것이다. 전해질로부터의 카보네이트 이온은 애노드에서의 반응에서 완전히 소모되며, 이로 인해 캐쏘드에서는 이산화탄소를 주입하여 보충해야 된다.
인산 연료 전지
인산 연료 전지(PAFC)는 약 150 내지 200℃(약 300 내지 400℉)에서 작동한다. 명칭에서도 암시되는 바와 같이, PAFC는 전해질로서 인산을 사용한다. 양(+)으로 하전된 수소 이온은 애노드로부터 전해질을 통해 캐쏘드로 이동한다. 애노드에서 생성된 전자는, 캐쏘드로 복귀하게 되는 방식으로 외부 회로를 통해 이동하여 전기력을 제공한다. 전지로부터 배출되는 것으로는 전자, 수소 이온 및 산소가 있다. 전극에서의 백금 촉매는 반응들을 촉진시킨다.
PAFC에서의 심각한 문제점은 산의 존재로 인해 전지내의 성분이 내부식성이어야 한다는 점이다.
고체 산화물 연료 전지
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 액체 대신에 경질의 세라믹 전해질을 사용하며 1,000℃(약 1,800℉) 이하에서 작동한다. 전해질로서는, 다른 산화물의 조합이 또한 사용되어 왔을지라도, 산화지르코늄과 산화칼슘의 혼합물이 결정질 격자를 형성한다. 고체 전해질은 양 측에 특수 다공성 전극 물질에 의해 코팅된다.
높은 작동 온도에서, (음(-) 전하의) 산소 이온은 결정질 격자를 통해 이동한다. 수소를 함유하는 연료 가스가 애노드 위를 통과하는 경우, 음(-)으로 하전된 산소 이온의 유동은 전해질을 가로질러 이동하여 상기 연료를 산화시킨다. 산소는 통상적으로 캐쏘드에서 공기로부터 공급된다. 애노드에서 생성된 전자는 외부 부하(load)를 통해 캐쏘드로 이동하며, 이 방식으로 회로가 완성되고 전기력을 공급하게 된다. SOFC의 발전 효율은 약 60% 이하일 수 있다.
하나의 형태에서, SOFC는 튜브 배열로 이루어진다. 또다른 변형예는 더욱 통상적인 디스크 스택을 포함한다.
연료 전지를 위한 수소 제조
전술된 바와 같이, 상기 연료 전지 각각은 산소 및 수소를 사용하여 전기를발생시킨다. 연료 전지에 필요한 산소는 통상적으로 공기에 의해 공급된다. 실제, PEM 연료 전지에서, 통상의 공기가 캐쏘드내로 펌핑된다. 그러나, 수소는 산소만큼 쉽게 입수하지 못한다.
수소는 제조, 저장 및 분배가 어렵다. 연료 전지를 위한 수소를 제조하는 통상적인 방법은 리포머를 사용하는 것이다. 리포머는 탄화수소 또는 알콜 연료를 수소로 전환시킨 후, 연료 전지에 공급한다. 불행하게도, 리포머는 문제점을 갖고 있다. 탄화수소 연료가 가솔린 또는 기타 통상의 탄화수소이라면, SOx, NOx및 기타 원하지 않는 생성물이 발생한다. 특히 황은 전극 촉매를 손상시킬 수 있기 때문에 제거되어야 한다. 게다가, 리포머는 통상적으로 고온에서 작동하는데, 이는 공급원료 물질의 에너지를 크게 소모한다.
수소는 또한 촉매의 존재하에 연료 공급원을 사용하는 저온 화학 반응에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 수소를 제조하기 위한 저온 화학 반응에서는 다수의 문제점이 있다. 주요 문제점중 하나는 수소를 화학 반응의 다른 생성물로부터 분리시키는 것이다. 수소가 연료 공급원(예: 알칼리 금속 하이드라이드 또는 보로하이드라이드)로부터 생성됨에 따라, 상기 반응에서는 포움 또는 브로스(broth)가 생성된다. 전형적으로 반응 챔버에서 생성된 수소는 반응기로부터 이격된 유닛에 의해 분리된다. 통상적으로 상기 분리 기구는, 반응 챔버에서 생성된 포움을 파괴하는 중력-보조 이탈 챔버(gravity-aided disengagement chamer)이다. 별도의 분리기는 연료 전지를 위한 수소의 제조와 연계된 공정 시간 및 장치 비용을 부가한다.
또한, 연료 공급원으로서 소듐 보로하이드라이드(NaBH4)를 사용하는 것을 비롯해 수소를 제조하기 위한 통상적인 기술에서는, 배치식 공정들에 촛점을 맞추고 있으며, 이는 일정 시간에 단지 개별량의 수소만이 제조될 수 있다. 또한, 배치식 공정들에서는, 수소-제조 반응으로부터 생성된 임의의 침전물이 반응 챔버 자체내에 모인다.
소듐 보로하이드라이드로부터 수소를 제조하는 것과 같은 저온 화학 반응에서는, 통상적으로 수소를 허용가능한 속도로 제조하는데 촉매가 요구된다. 촉매는 통상적으로 최대 표면적으로 연료 공급원에 노출되는 경우 가장 고비용인 것으로 나타난다. 그러나, 촉매는 대개 함께 다발을 형성하여 연료 공급원에 최대 표면적 이하로 노출된다.
또한, 수소 버블(bubble)이 형성되는 반응의 거품생성(frothing)은 연료 공급원의 배압(backpressure)을 증가시킨다. 연속적으로 수소를 제조하고자 한다면, 연료 공급원의 압력은 생성된 수소 버블에 의해 초래되는 배압을 초과하도록 일정하게 증가되어야 한다.
어떤 경우에는, 촉매를 제어된 방식으로 첨가하여서, 반응 속도를 감소시키고, 거품생성을 최소화시키고, 수소 분리기의 필요성을 감소 또는 제거하게 되었지만, 반응의 저속화는 연료 전지에 이용가능한 수소의 양을 감소시키게 되었다.
본 발명은, 입구 및 출구를 갖고 연속적으로 유동하는 수성 금속 하이드라이드를 처리하도록 형성된 반응기, 및 그 안에 배치된 촉매를 포함하는 수소 제조 시스템을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 연료 전지 장치의 비조립된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른 반응기의 절개도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시양태에 따른 반응기의 절개도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시양태에 따른 반응기의 절개도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 반응기의 절개도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 애노드21 : 외부 회로
22 : 캐쏘드24 : 전해질(PEM)
26 : 촉매28 : 채널
30 : 수소 제조 시스템32 : 연료 전지
34 : 반응기36 : 입구
38 : 출구40 : 다공성 촉매 베드
42, 44 : 친수성 막(스크린)46 : 소수성 막
48 : 가스 수거 챔버50 : 반응 챔버
52 : 입구54 : 출구
56 : 촉매 분배 구조물(촉매-플레이팅된(plated) 고표면적 스크린)
60 : 셀(cell) 또는 챔버
62 : 촉매 비드
64 : 통로
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 양태는 하기 상세한 설명을 읽고 도면을 참조하면 더욱 명확해질 것이다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 유사하지만 반드시 동일하지는 않는 요소를 지칭한다.
본 발명은 다양한 변경 및 다른 형태를 가질 수 있지만, 그의 특정 실시양태를 도면에서 예시되고 이하에서 상세히 설명한다. 그러나, 본원에서의 특정 실시양태에 대한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하고자 하는 것이 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범주내에 속하는 모든 개량, 균등물 및 변경들을 포괄하고자 하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시양태가 하기에서 기술되고 있다. 명확하게 하기 위해, 실제 실시예의 모든 구성이 본원에 기술되고 있지는 않다. 이러한 임의의 실제 실시양태의 개발에 있어서, 많은 실시예는, 개발자의 특수한 목적, 예컨대 시스템-관련 및 사업-관련 제약에의 부합을 달성하도록 결정되어야 하고 그 목적에 따라 실시예는 변화될 것임을 이해할 것이다. 게다가, 이러한 개발 노력은 복잡하고시간-소모적이기는 하지만, 본 개시내용의 이점을 이해하는 당업자에게는 일상적인 것임을 이해할 것이다.
이제, 도면, 특히 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시양태에 따른 수소 제조 시스템(30)이 도시되고 있다. 수소 제조 시스템(30)은 수소를 연료 전지(32)에 제공하거나, 또는 수소가 필요한 다른 장치에 제공할 수 있다. 예를 들면, 수소 제조 시스템(30)은 도 1에 도시된 것과 유사한 PEM 연료 전지에 수소를 제공할 수 있다. 본 개시내용의 이점을 갖는 기술의 숙련자에게는 수소 제조 시스템(30)이 다른 연료 전지에도 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 2의 실시양태에 따르면, 수소 제조 시스템(30)은 반응 챔버(34)와 같은 반응기를 포함할 수 있다. 반응 챔버(34)로는 도면에 도시된 바와 같이 일반적인 실린더형 형상이 바람직하게 포함되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 임의의 편리한 형상의 반응 챔버(34)가 사용될 수 있다. 반응 챔버(34)는 금속, 플라스틱, 세라믹, 복합체 또는 기타 물질로 제조될 수 있다.
반응 챔버(34)는 그 안에 배치된 촉매, 예컨대 도 2에 도시된 다공성 촉매 베드(40)를 포함할 수 있다. 촉매 베드(40)는 연료 공급원의 반응 속도를 증가시킴으로써 수소 가스의 제조를 촉진시킬 수 있다. 촉매는 루테늄 촉매, 백금 촉매, 니켈 촉매 또는 기타 촉매를 포함할 수 있다. 루테늄, 백금, 니켈 및 기타 촉매는 본 개시내용의 이점을 갖는 기술의 숙련자에게 쉽게 입수가능하다.
촉매 베드(40)는 금속 하이드라이드(예: 보로하이드라이드)의 존재하에 수소 가스의 제조를 촉진시킬 수 있다. 예를 들면, 촉매 베드(40) 존재하의 소듐 보로하이드라이드 수용액은 하기 수학식 1에 따라 수소 가스를 방출시킨다.
반응 챔버(34)는, 수소 연료 공급원(예: 소듐 보로하이드라이드)를 수용하는 입구(36), 및 연속적으로 폐생성물 및 반응물을 배출시키는 출구(38)를 갖는다. 따라서, 반응 챔버(34)는 배치식 공정과 달리 수소 가스의 연속적인 제조를 유리하게 촉진시킬 수 있다. 본 발명에 사용된 "연속적"이라는 것은, 반응이 일어나는 동안 반응물 및 생성물의 유동이 반응 챔버(34)에 유입되고 그로부터 배출될 수 있음을 의미한다. 이는 수소의 제조가 무제한 계속되어야 함을 의미하는 것은 아니다. 예를 들면, 반응기를 세정하거나 촉매를 교환해야 할 필요성, 또는 반응기내에 유입시켜야 하는 수소 연료의 부족, 또는 현시점에서의 수소 가스의 불필요가, 수소 가스의 제조를 일시적으로 정지시키는 이유가 될 수 있다. 그러나, 이들 임의의 또는 그와 유사한 상황이 없다면, 수소 가스를 비롯한 반응물 및 생성물은 무제한 반응 챔버(34)을 통하여 그로부터 유동할 수 있다. 또한, "연속적"이라는 것은 반응 챔버(34)을 통해 생성물 및 반응물을 역으로 재순환시켜 연료 공급원의 완전한 이용을 더욱더 촉진시킬 수 있다.
반응 챔버(34)의 입구(36) 및 출구(38)에는 친수성 스크린(42, 44)을 위치시킬 수 있다. 친수성 스크린(42, 44)은 그를 통해 액체 용액을 쉽게 통과시킨다. 그러나, 이러한 스크린(42, 44)은 모세관 레지스턴스(capillary resistance)를 통해 수소 가스의 통과를 선택적으로 억제시킨다. 친수성 스크린(42, 44)은 각각 스테인리스 스틸 필터 스크린을 포함할 수 있다. 친수성 스크린(42, 44)의 효과적인 기공 크기는 압력 강하와 버블 압력의 균형을 조절하여 액체/가스가 확실하게 분리되도록 선택된다. 적용의 특정 요구에 따라 적절한 친수성 스크린 기공 크기를 선택하는 것은 본 개시내용의 이점을 갖는 당해 기술의 숙련자의 능력 범위에 속한다. 예를 들면, 스테인리스 스틸 필터 스크린은 하기 수학식 2에 따라 치수화될 수 있다.
상기 식에서,
Deff는 친수성 스크린의 유효 기공 크기 직경이고,
σ는 단위 면적당 에너지로 표현되는 표면 장력이고,
θ는 습윤 접촉각이고,
ΔP는 반응기의 친수성 스크린을 가로지르는 초과하지 않는 디자인 압력차로서, 그 이하에서는 상기 친수성 스크린을 통해 수소 가스가 통과하지 않을 것이다.
본 발명에 따른 한 실시양태에서, 일부 적용을 위해 상기 수학식 2를 사용하면 약 6□m의 유효 기공 크기를 얻을 수 있지만, 이 치수에 한정되지는 않는다. 적절한 유효 기공의 치수화에 의해 제조된 모든 또는 실질적으로 모든 수소 가스가 친수성 스크린을 통과하는 것이 방지될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 친수성 스크린(42, 44)중 단지 하나만이 입구(36) 또는출구(38)에 사용될 수 있다.
또한, 반응 챔버(34)는, 촉매 베드(40)를 둘러싸거나 상기 반응 챔버의 내면 또는 외면을 라이닝하는 소수성 막(46)을 포함할 수 있다. 제시된 실시양태에서, 소수성 막(46)은 입구(36) 또는 출구(38)를 덮지 않아 반응 챔버를 통한 액체의 통과를 허용하게 된다. 소수성 막(46)은 그를 통해 수소 가스가 통과하지만, 액체는 상기 소수성 막을 통과하지 못한다. 그러므로, 소수성 막(46)과 친수성 막(42, 44)의 조합은 소듐 보로하이드라이드 용액으로부터 제조된 액체/가스 혼합물을 위한 분리 통로를 유리하게 제공한다. 따라서, 반응 챔버(34)는 또한 일체화된 분리기를 포함한다.
소수성 막(46)은 고어텍스(Goretex, 등록상표), 셀가드(Celgard, 등록상표) 또는 기타 물질을 포함할 수 있다. 유리하게는, 고어텍스(등록상표), 셀가드(등록상표) 또는 기타 쉽게 입수가능한 물질이 반응 챔버(34) 자체내에서 액체/가스 분리기로서 사용될 수 있는데, 이는 금속 하이드라이드(예: 보로하이드라이드, 알칼리 하이드라이드 등)로부터의 수소 가스의 제조와 연계되는 비교적 낮은 온도 때문이다. 연료 공급원으로서 소듐 보로하이드라이드를 사용하는 본 발명의 실시양태에 따르면, 반응기(34)의 온도는 연료의 비등점, 소수성 막(46)의 유리전이온도 또는 기타 온도 파라미터와 같은 반응기 요소의 물질 적합성(material compatibility)을 초과하지 않을 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 반응기의 온도는 약 100℃(212℉)를 초과하지 않는다.
수소 제조 시스템(30)은 또한 가스 수거 챔버(48)를 포함할 수 있으며, 이는반응 챔버(34)에 인접하거나 또는 그를 둘러쌀 수 있다. 반응 챔버(34)에서 제조된 수소 가스는 소수성 막(46)을 통과할 수 있고, 가스 수거 챔버(48)에 유입될 수 있다. 가스 수거 챔버(48)는 제조된 수소를 위한 통로(64)를 제공하여 연료 전지(32)와 연통할 수 있다. 그 다음, 연료 전지(32)는 상기 제공된 설명에 따라 작동할 수 있다.
도 3을 참조하면, 수소 제조 시스템(30a)의 또다른 실시양태가 개시되고 있다. 도 3의 실시양태에 따르면, 연료 공급원(예: 소듐 보로하이드라이드)은 입구(52)를 통해 반응 챔버(50a)에 유입될 수 있다. 연료 공급원 및 생성물의 유동은 화살표로 지시되어 있다. 소듐 보로하이드라이드가 반응 챔버(50a)에 유입됨에 따라, 촉매 베드(40a)와 맞물리게 되고(engage) 상기 촉매 베드를 유체 유동 방향으로 출구(54)를 향해 "뭉쳐진다(bunch up)". 상기 유동으로 인해, 비구속 촉매 비드 또는 펠릿이 비제어된 방식으로 이동하게 된다. 촉매 베드(40a)를 도 3에 도시된 형태로 재분배시키면, 반응 속도가 저하되고/되거나 수소 가스의 제조가 방해될 수 있다. 또한, 촉매 베드(40a)의 재분배는 반응 챔버(50a)에서의 관련 문제에 의해 침전물 축적을 초래할 수 있다.
촉매 베드(40a)(이는 루테늄을 포함할 수 있음)와 같은 촉매는 대개 매우 비싸며, 최대 표면적이 반응물에 노출되는 경우에 가장 효과적이다. 따라서, 촉매 베드(40a)의 뭉쳐짐은 촉매의 효과성에 영향을 미친다(undermine).
도 4를 참조하면, 촉매 분배 구조물(56)을 포함하는 수소 제조 시스템(30b)의 일례가 도시되고 있다. 도 4의 실시양태에 따르면, 촉매-플레이팅된 고표면적스크린(56)은 감겨져 반응 챔버(50b)내에 삽입된다. 촉매-플레이팅된 고표면적 스크린(56)은 반응 챔버(50b)를 통한 반응물 및 생성물의 유동에 의해 쉽게 재배열되지 않는 구조물을 유리하게 제공한다. 따라서, 촉매 물질은 연속적으로 반응물의 유동에 매우 고표면적으로 노출되어 반응 속도를 최대화하므로, 예컨대 소듐 보로하이드라이드로부터의 수소 제조를 최대화시킨다.
촉매 분배 구조물은 또한 다수의 촉매-플레이팅된 고표면적 메쉬 스트립(mesh strip)을 포함할 수 있다. 상기 스트립(이는 1차원으로만 도시된 스크린(56)과 같이 보임)은 고표면적 스크린(56)과 유사한 방식으로 반응 챔버(50b)내에 위치될 수 있다.
다르게는, 촉매 분배 구조물은 촉매-코팅된 고표면적 섬유 물질을 포함할 수 있다.
다음, 도 5를 참조하면, 촉매 분배 구조물을 갖는 수소 제조 시스템(30c)의 또다른 실시양태가 도시되고 있다. 도 5의 실시양태에 따르면, 촉매 분배 구조물은 촉매 비드(62)의 일부를 각각 수용하는 다수의 셀 또는 챔버(60)를 포함한다. 다수의 셀(60)는, 액체의 통과를 허용하면서 촉매 비드(62)의 이동을 방해하는 스크린 물질 또는 기타 물질을 몇몇 구조적 일체성으로 포함할 수 있다.
상기 설명된 실시양태중 하나 이상에 따른 수소 반응기의 작동은 하기와 같이 설명될 수 있다. 작동에 관한 논의를 위해, 도 4를 참조한다. 그러나, 이는 제시된 다른 실시양태도 또한 수소 반응기의 작동과 관련되어 있음을 이해할 것이다.
도 4를 참조하면, 수소를 제조하기 위한 반응 챔버(50b)은 연료 전지(32)에 근접하게 위치될 수 있다. 소듐 보로하이드라이드 수용액 또는 기타 용액은 수소 연료 공급원으로서 연속적으로 반응 챔버(50b)를 통해 유동시키도록 제공된다. 소듐 보로하이드라이드의 수용액은 입구(52)를 통해 반응 챔버(50b)내로 유동한다. 수용액은 입구(52)내에 배치된 친수성 스크린(42)을 통과할 수 있다. 친수성 스크린(42)은 액체 용액(예: 소듐 보로하이드라이드)의 통과를 쉽게 허용한다.
입구(52)를 통과한 후, 수용액은 소수성 막(46)에 의해 한정된 반응 챔버를 통한 통로를 따라 유동하려는 경향을 갖는다. 소수성 막(46)은 액체 투과에 저항적이지만, 가스에 대해서는 투과적이다.
일단 반응 챔버(50b)내에 존재하면, 소듐 보로하이드라이드의 용액은 촉매의 존재하에 가속화된 속도로 수소 가스를 생성한다. 촉매는 예컨대 고표면적 스크린(56)상의 루테늄 촉매일 수 있다. 반응이 진행됨에 따라, 수소 가스는 수용액으로부터 방출된다. 수소는 가스 투과성의 소수성 막(46)을 통해 이동되어 가스 수거 챔버(48)(이는 도 4에 도시된 실시양태에서 소수성 막(46)을 둘러싸고 있다)내로 이동할 수 있다.
반응 챔버(50b)에서 제조된 수소 가스는 수성 소듐 보로하이드라이드 스트림과 함께 반응 챔버(50b)의 출구(54)를 향해 유동하는 경향을 가질 수 있다. 그러나, 친수성 막(44)은 그를 통한 수소 가스의 통과를 방해한다. 제 2 친수성 막(42)도 또한 수소 가스의 통과를 방해하여서 소수성 막(46)을 수소 가스의 적은 레지스턴스의 통로로서 남긴다. 따라서, 수소 가스는 반응 챔버(50b)내에서 액체및 기타 생성물로부터 분리된다.
제조된 수소 가스가 소수성 막(46)을 통과함에 따라, 가스 수거 챔버(48)내에 수거된다. 가스 수거 챔버(48)는 연료 전지(32)로 이어지는 통로(passageway)(64)를 포함할 수 있다. 가스 수거 챔버(48)는 수거된 수소를 규정 속도로 연료 전지(32)로 방출할 수 있으며, 이후에 임의의 공지된 메커니즘에 따라 작동되어 전기를 공급할 수 있다.
반응 챔버(50b)를 통한 소듐 보로하이드라이드의 유동은 필요하다면 재순환되어 용액으로부터 최대량의 수소를 추출할 수 있거나, 또는 새로운 소듐 보로하이드라이드 또는 기타 물질의 공급원은 연속적으로 반응 챔버로 공급될 수 있다.
상기 설명은 단지 본 발명의 예시 및 설명을 위해 제공된 것이다. 개시된 특정 형태로 본 발명을 규명 또는 한정하고자 하는 것은 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 변경 및 변화가 가능하다.
제시된 실시양태는 본 발명의 원리 및 그의 실제 적용을 잘 설명하기 위해 선택 및 기술되었다. 상기 설명은 당해 분야의 숙련자에게 본 발명을 다양한 실시양태 및 고려되는 특수 용도에 적합하도록 변형된 다수의 변형된 형태로 잘 이용될 수 있게 하고자 함이다. 본 발명의 범주는 하기 특허청구범위에 의해 한정된다.
본 발명에 따르면, 저비용으로 연속적으로 비교적 순수한 수소를 제조할 수 있다.

Claims (10)

  1. 입구(36) 및 출구(38)를 갖는 반응기(34), 및 상기 반응기(34)내에 배치된 촉매(40)를 포함하되, 상기 반응기(34)가 연속적으로 유동하는 수성 금속 하이드라이드를 처리하도록 형성된 수소 제조 시스템(30).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(34)가 그의 내면을 라이닝하는 소수성 막(46)을 추가로 포함하되, 상기 소수성 막이 상기 반응기(34)에서 제조된 수소 가스에 투과성인 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기(34)의 상기 출구(38)에서 제 1 친수성 막(44)을 추가로 포함하되, 상기 친수성 막(44)이 수소 가스의 통과를 실질적으로 방지하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응기의 상기 입구(36)에서 제 2 친수성 막(42)을 추가로 포함하되, 상기 제 2 친수성 막(42)이 수소 가스의 통과를 실질적으로 방지하는 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기의 주위에 배치되고 상기 소수성 막(46)을 통해 수소 가스를 수용하기위한 수소 가스 수거 챔버(48)를 추가로 포함하는 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 가스 수거 챔버(48)가 수소를 연료 전지에 제공하는 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매(40)가 촉매 입자들간의 이격을 유지시키기 위한 분배 구조물(56)내에 배치된 시스템.
  8. 애노드(20), 캐쏘드(22), 상기 애노드(20)와 캐쏘드(22) 사이에 배치된 전해질(24), 상기 애노드에 수소를 제공하는 수소 반응기(34)를 포함하는 연료 전지 장치로서,
    상기 반응기(34)가 연속적으로 유동하는 수성 금속 하이드라이드를 수용하도록 형성된 연료 전지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    촉매(40)의 존재하 수성 금속 하이드라이드로부터 제조된 수소 가스를 분리시키기 위해, 수소 반응기(34)의 내부에 배치된 소수성 라이너(46), 및 상기 수소 반응기의 출구(38)에 배치된 친수성 막(44)을 추가로 포함하는 장치.
  10. 수성 금속 하이드라이드를 촉매의 존재하의 반응기(34)를 통해 연속적으로 유동시킴을 포함하는 수소 가스의 제조방법.
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