KR20030082442A - 기체 발생 시스템 - Google Patents

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KR20030082442A
KR20030082442A KR10-2003-0023771A KR20030023771A KR20030082442A KR 20030082442 A KR20030082442 A KR 20030082442A KR 20030023771 A KR20030023771 A KR 20030023771A KR 20030082442 A KR20030082442 A KR 20030082442A
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데보스존에이
하딩필립
탕죠셉더블유
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

기체 발생 시스템은 액체/기체 분리기와 일체화된 화학적 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 수용액의 연속적 스트림을 수용하도록 구성된다.

Description

기체 발생 시스템{GAS GENERATION SYSTEM}
본 발명은 기체 발생 분야에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 기체 발생 시스템 뿐만 아니라 기체 발생 방법에 관한 것이다.
지난 한 세기 동안 에너지에 대한 요구는 기하급수적으로 증가해 왔다. 이러한 에너지에 대한 요구가 증가함에 따라, 많은 상이한 에너지원이 조사되고 개발되었다. 에너지에 대한 주요 공급원중 하나는 탄화수소의 연소였고 앞으로도 그럴 것이다. 그러나, 탄화수소의 연소는 통상적으로 불완전 연소 물질 및 비-연소성 물질을 생성하여, 이러한 물질들이 다양한 양의 스모그 및 기타 오염물질을 초래하게 된다.
탄화수소의 연소에 의해 생성된 오염물질의 결과로서, 더욱 깨끗한 에너지 공급원에 대한 요구가 최근 수년동안 증가해 왔다. 더욱 깨끗한 에너지 공급원에 대한 관심이 증가하면서, 연료전지가 더욱 대중화되고 정교해졌다. 연료 전지에 대한 연구와 개발이 계속되었고, 이제는 많은 사람들이 연료 전지가 도시를 위한 다량 전력 발생용 기체 터빈, 자동차 동력을 위한 내연 엔진 및 다양한 소형 및 대형 전자제품을 구동시키는 배터리와 경쟁할 것으로 생각하기에 이르렀다.
연료전지는 수소 및 산소의 전기 및 열로의 전기화학적 에너지 전환을 수행한다. 연료 전지는 배터리와 유사하지만, 전력을 제공하면서 "재충전"될 수 있다.
연료 전지는 동력 모터, 광원 또는 임의의 많은 전자제품에 사용될 수 있는DC(직류) 전압을 제공한다. 각각 상이한 화학을 사용하는 몇가지 상이한 유형의 연료전지가 존재한다. 연료전지는 통상적으로 사용된 전해질의 유형에 의해 분류된다. 연료 전지 유형은 일반적으로 5가지 그룹, 즉 양자 교환막(PEM) 연료 전지, 알칼리성 연료 전지(AFC), 인산 연료전지(PAFC), 고형 산화물 연료 전지(SOFC) 및 용융 카보네이트 연료 전지(MCFC)중 하나로 분류된다.
PEM 연료 전지
PEM 연료 전지는 현재 가장 유망한 연료 전지 기술로 생각되며 연료전지중에서도 가장 간단한 반응중 하나를 사용한다. 도 1에서, PEM 연료 전지는 일반적으로 4개의 기본적인 요소, 즉 애노드(20), 캐쏘드(22), 전해질(PEM)(24) 및 전해질(24)의 각 측면상에 배열된 촉매(26)를 포함한다.
애노드(20)는 연료 전지의 음의 포스트이고, 수소 분자로부터 방출된 전자를 전도하여 전자가 외부 회로(21)에 사용될 수 있도록 한다. 애노드(20) 안에는 수소 기체를 촉매(26) 표면에 걸쳐 가능한한 균일하게 분산시키기 위한 채널(28)이 에칭되어 있다.
캐쏘드(22)는 연료 전지의 양의 포스트이고, 그 안에 산소(통상적으로 공기)를 촉매(26)의 표면에 균일하게 분포시키기 위한 채널(30)이 에칭되어 있다. 캐쏘드(22)는 또한 전자를 외부회로로부터 촉매까지 거꾸로 전도하고, 여기서 수소 이온 및 산소가 재결합하여 물을 형성할 수 있다. 물은 PEM 연료전지의 유일한 부산물이다.
전해질(24)은 양성자 교환막(PEM)(24)이다. PEM은 양으로 하전된 이온만을전도하는 특별하게 처리된 다공성 물질이다. PEM(24)은 전자의 통과를 방해한다.
촉매(26)는 일반적으로 카본지 또는 카본포에 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 용이하게 한다.
연료전지를 작동시킬 때, PEM(24)은 애노드(20)와 캐쏘드(22) 사이에 샌드위치된다.
연료전지의 작동은 일반적으로 다음과 같이 설명할 수 있다. 가압된 수소 기체(H2)가 연료 전지로 애노드(20) 측에서 들어간다. H2분자가 촉매(26)상에서 백금과 접촉하게 될 때, 2개의 H+이온 및 2개의 전자(e-)로 쪼개진다. 전자는 애노드(20)를 통해 전도되고, 여기서 동력을 제공할 수 있는 외부 회로(21)를 통과하여 유용한 작업(모터를 회전시키거나 전구(23)를 켜는 일)을 수행하고 연료 전지의 캐쏘드측으로 되돌아온다.
그 동안에, 연료전지의 캐쏘드(22)측상에서 산소 기체(O2)가 촉매(26)를 통해 투입된다. 몇몇 PEM 연료 전지 시스템에서, O2공급원은 공기일 수 있다. O2가 촉매(26)를 통과함에 따라, 각각 강한 음전하를 갖는 2개의 산소 원자를 형성한다. 이러한 음전하는 2개의 H+이온을 PEM(24)을 통해 끌어당기고, 여기서 산소 원자 및 외부 회로로부터의 전자 2개와 결합하여 물 분자(H2O)를 형성한다.
방금 설명한 PEM 연료 전지는 단지 약 0.7 볼트를 생성하며, 전압을 더욱 유용한 수준까지 올리기 위해서는, 많은 별도의 연료 전지들이 결합되어 연료 전지 스택을 형성해야 하는 경우가 많다.
PEM 연료 전지는 일반적으로 매우 낮은 온도(약 80℃/176℉)에서 작동하므로, 신속하게 승온할 수 있고, 통상적으로 전력생산과 관련된 고온을 견딜 수 있는 어떠한 특별한 물질도 필요하지 않기 때문에, 저렴한 수용 구조물 안에 하우징된다.
연료 전지의 수소 발생
위에서 논의한 바와 같이, 설명한 연료 전지 각각은 산소 및 수소를 사용하여 전기를 생산한다. 연료 전지에 필요한 산소는 통상적으로 공기에 의해 공급된다. 사실상, PEM 연료 전지의 경우, 통상적인 공기가 캐쏘드로 펌핑된다. 그러나, 수소는 산소와 같이 용이하게 입수가능하지 않다.
수소는 발생시켜 저장하고 분배하기가 어렵다. 연료 전지를 위해 수소를 발생시키는 통상적인 방법은 개질기를 사용하는 것이다. 개질기는 탄화수소 또는 알콜 연료를 수소로 바꾸고, 이는 연료 전지에 공급된다. 불행히도, 개질기는 문제가 있다. 탄화수소 연료가 가솔린이거나 기타 통상적인 탄화수소의 일부라면, SOx, NOx및 기타 바람직하지 않은 생성물이 생성된다. 특히 황은 제거되어야 하며, 그렇지 않으면 전극 촉매를 손상시킬 수 있다. 개질기는 통상적으로 고온에서도 작동되고, 따라서 공급원료 물질의 에너지중 많은 양을 소모한다. 수소는 또한 촉매의 존재중에 연료 공급원을 사용하여 저온 화학적 반응에 의해 발생될 수 있다.그러나, 수소를 생성하기 위한 저온 화학 반응과 관련된 많은 문제점이 있다. 주요 문제점중 하나는 화학 반응의 다른 생성물로부터 수소를 분리하는 것이다. 수소가 알칼리 금속 하이드라이드 또는 보로하이드라이드와 같은 연료 공급원으로부터 발생되기 때문에, 반응은 포움 또는 거품을 발생시킨다. 일반적으로, 반응 챔버중에 생성된 수소는 그 반응기와 불연속적인(이산) 장치에 의해 분리된다. 분리 기구는 일반적으로 반응기중 발생한 거품을 파괴하기 위한 중력-보조 이탈 챔버(gravity-aided disengagement chamber)이다. 이산 분리기는 연료 전지의 수소 생성과 관련된 공정 시간 및 장치 비용을 가중시킨다. 심지어 이산 분리기를 사용하여도 상기 반응기를 통한 유동은 불안정해지고 거품 형성때문에 조절하기 힘들다. 조절 문제가 부족하면 휴대용 동력장치에서 수소 발생을 위해 낮은 유속을 필요로 하므로 더욱 악화된다.
또한, 연료 공급원으로서 나트륨 보로하이드라이드(NaBH4)의 사용을 비롯한 수소 생성을 위한 통상적인 기술은 회분식 공정에 중점을 두는데, 이러한 공정으로는 불연속적 양의 수소만이 단번에 생성될 수 있다. 또한, 회분식 공정에서는, 수소-생성 반응으로부터 생성된 임의의 침전물이 반응 챔버 자체에 모이게 된다.
또한, 수소 버블이 형성됨에 따라 반응 챔버내에서의 거품형성은 연료 공급원의 배압을 증가시킨다. 수소를 연속적으로 생성하는 것이 바람직하다면, 연료 공급원의 압력은 거품을 일으키는 수소 버블에 의해 야기된 배압을 극복하기 위해 일정하게 증가해야 한다. 배압은 펌프 용량을 초과할 때까지 증가할 수 있는데,이 시점에서는 반응기를 통해 어떠한 유동도 달성될 수 없다.
반응 속도를 낮추어 거품을 최소화하고 수소 분리기의 필요성을 감소시키거나 제거하기 위해 몇가지 촉매가 제어된 방식으로 부가되었지만, 반응을 늦추면 연료 전지에 사용가능한 수소의 양이 감소하고, 촉매의 투입을 주의깊게 조절하기 위한 장치가 필요해지므로 반응기를 복잡하게 한다.
본 발명은 특히, 화학적 반응기, 상기 화학적 반응기와 일체화된 액체/기체 분리기를 포함하되, 이때 상기 반응기가 수용액의 연속 스트림을 수용하도록 구성된 기체 발생 시스템을 제공한다.
도 1은 연료 전지 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 기체 발생 시스템의 절개도이다.
도 3은 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 반응기의 절개도이다.
도 4는 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 반응기의 절개도이다.
도 5는 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 반응기의 절개도이다.
도 6은 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 반응기의 절개도이다.
도 7은 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 카트릿지의 절개도이다.
도면 전체에서 동일한 참조번호는 유사한(반드시 동일하지는 않음) 구성요소를 나타낸다.
주요 도면 부호에 대한 간단한 설명
20애노드22캐쏘드
100기체 발생 시스템36유입구
102화학적 반응기38유출구
116액체/기체 분리기44친수성 막
본 발명의 상기 및 기타 특징 및 태양은 첨부된 도면을 참고하여 하기 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 특정 실시태양은 도면에 예시된 바와 갖고 본원에서 상세히 설명한 바와 같지만, 본 발명은 다양하게 변형되거나 다른 형태가 될 수 있다. 그러나, 구체적 실시태양에 대한 본원에서의 내용은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하고자 함이 아니고, 반대로 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위에 부합하는 개량, 등가물 및 변형을 포함하고자 한다.
본 발명의 실시태양을 이하 설명한다. 명백하게 하기 위해, 실제 실시예의모든 구성을 본원에 개시하지는 않는다. 임의의 이러한 실제 실시태양의 개발시에, 개발자들은 변할 수 있는 개발자의 특정 목적(예를 들면, 시스템-관련 및 비즈니스-관련 제약과의 부합)을 달성하기 위해 많은 실시예-특징이 결정되어야 할 것이 자명할 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적이지만, 그럼에도 불구하고 당해 기술분야의 숙련인들에게는 그와 같은 작업이 일상적인 것임을 이해해야 한다.
다시 도면으로 돌아오면, 특히 도 2에 본 발명의 한가지 실시태양에 따른 기체 발생 시스템(100)이 도시되어 있다. 한가지 구현예에서, 기체 발생 시스템(100)은 수소 기체를 연료 전지에 제공할 수 있다. 그러나, 기체 발생 시스템(100)은 임의의 일체화된 액체/기체 분리 필요성 때문에 사용될 수 있다.
기체 발생 시스템(100)이 수소 기체를 발생시키기 위해 사용될 때, 수소 기체는 예를 들면 도 1에 도시된 것과 유사한 PEM 연료 전지에 의해 사용될 수 있다. 그러나, 기체 발생 시스템(100)이 다른 전지에 대해서도 사용될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다.
도 2의 실시태양에 따르면, 기체 발생 시스템(100)은 반응기(102)와 같은 화학적 반응기를 포함할 수 있다. 도시된 반응기(102)는 바람직하게는 일반적으로 원통형 챔버이지만 반드시 그렇지는 않다. 반응기(102)에 대해 임의의 통상적인 형상이 사용될 수 있다. 반응기(102)는 금속, 플라스틱, 세라믹, 복합체 또는 기타 물질로 구성될 수 있다. 반응기(102)는 화학적 반응을 수용하는데 적절한 임의의 컨테이너일 수 있다.
반응기(102)는 그 안에 배치된 촉매, 예를 들면 도 2에 도시된 촉매 비드(104)를 포함할 수 있다. 촉매 비드(104)는 반응기(102) 안의 반응 속도를 작업자에 의해 바람직하다고 여겨지는 만큼 증가시킬 수 있다. 촉매 비드(104)의 균등한 분배는 중요하고, 따라서 촉매 비드(104) 또는 다른 형태의 촉매의 분배를 유지하기 위한 메카니즘이 포함될 수 있다. 촉매 분배 구조물에 대해 이하에서 논의한다.
촉매 비드(104)는 루테늄, 백금, 니켈 또는 기타 촉매 물질을 포함할 수 있다. 루테늄, 백금, 니켈 및 기타 촉매는 당업자에게 용이하게 입수가능하다.
반응기(102)는 수용액의 연속적 스트림을 수용하기 위한 유입구(106), 반응기(102) 밖으로의 용액의 경로를 허용하기 위한 유출구(108)를 포함한다. 수용액의 연속적 스트림은 화살표(110) 및 (112)의 방향에 따라 반응기(102) 안과 밖으로 유동할 수 있다. 도 2에 도시된 실시태양에서, 유입구(106)는 바람직하게는 반응기(102)의 중심축, 예를 들면 지면에 대해 반응기(102)의 중심 위의 위치로부터 오프셋이다. 유출구(108)가 유입구(106) 아래의 위치에 도시되어 있다. 그러나, 유입구(106) 및 유출구(108)의 위치는 임의의 특정 필요(예를 들면 특정 유동 기간을 유지하는 등)에 따라 도 2에 나타낸 바에서 변형될 수 있다.
반응기(102)는 또한 반응기(102) 안에서 발생한 기체의 경로를 제공하는 기체 유출구(114)를 포함한다. 반응기(102)에서 발생한 기체는 수용액의 연속 스트림으로부터 일체형 액체/기체 분리기(소수성 막(116))에 의해 분리될 수 있다. 소수성 막(116)은 촉매 비드(104)에 인접하고 이를 포위하거나 감싸도록 본 실시태양에 도시되어 있다. 소수성 막(116)은 반응기(102)의 다공성 벽(118)의 내부를 커버하는 반응기(102)의 내측에 도시되어 있지만, 소수성 막(116)은 몇몇 실시태양에서 다공성 벽(118)의 외측 둘레로 감쌀 수도 있다. 소수성 막(116)은 적어도 부분적으로 Goretex(등록상표), Celgard(등록상표) 또는 기타 물질로 이루어질 수 있다.
소수성 막(116)은 반응기(102)중 발생한 기체를 수용액의 스트림으로부터 분리하도록 작용하는 액체 불투과성/기체 투과성 막이다. 반응기(102)에 소수성 막(116)을 도입하면 유리하게도 일체형 액체/기체 분리기가 제공되고, 이는 지금까지 두개의 이산 장치를 필요로 했던 것이다.
일체형 반응기/분리기는 또한 유입구(106) 및/또는 유출구(108)에서 친수성 스크린(이하에서 논의됨)에 의해 보완될 수 있다.
반응기(102)중 기체를 발생시키기 위해 사용된 수용액은, 몇몇 실시태양에서, 보로하이드라이드 및 알칼리 금속 하이드라이드를 비롯한 금속 하이드라이드와 같은 수소 연소 공급원일 수 있다. 수용액중 금속 하이드라이드에 의해 발생한 기체는 수소이고, 이는 연료 전지에 제공될 수 있다. 한가지 실시태양에서, 금속 하이드라이드는 나트륨 보로하이드라이드이고 반응기(102)를 통과하여 수소 기체를 발생한다. 나트륨 보로하이드라이드와 물이 반응하여 수소를 형성하는 반응은 비교적 저온반응(통상적으로, 수용액의 비점 또는 기타 반응기 구성요소의 최대 물질 양립 온도 미만)으로써 반응기(102) 자체 안에서 적어도 부분적으로 Goretex(등록상표), Celgard(등록상표)와 같은 통상적인 물질로 이루어진 소수성 막(106)을 사용할 수 있게 한다.
소수성 막(116)의 일체형 분리 작용 때문에, 수소와 같은 발생된 기체는 반응기를 빠져나가 기체 컨테이너 영역(120)으로 들어가서 반응기(102) 안에서 포움 또는 거품의 형성을 감소시키거나 방해할 수 있다. 따라서, 수용액의 흐름은 유체가 반응기를 통해 이동하게 하기 위해 단지 공칭 압력(<50 psi)만을 필요로 하는 반면, 일체형 분리기가 없는 기타 반응기에서는 기체 버블이 반응기 안의 배압을 매우 증가된 수준으로 높일 수 있다. 종래의 기체 반응기에서의 배압은 어떤 용도에서는 펌프 용량을 훨씬 초과하여 생산을 중지시킬 수 있다.
도 3에서, 기체 발생 시스템(100a)이 수소 발생 시스템의 실시태양으로서 도시되어 있다. 수소 발생 시스템(100a)은 수소를 연료 전지(32) 또는 기타 수소를 필요로 하는 장치에 제공할 수 있다. 예를 들면, 수소 발생 시스템(100a)은 수소를 도 1에 도시된 것과 유사한 PEM 연료 전지에 제공할 수 있다. 당업자는 수소 발생 시스템(100a)이 다른 연료 전지에 또한 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 3의 실시태양에 따르면, 수소 발생 시스템(100a)은 반응 챔버(34)와 같은 반응기를 포함할 수 있다. 반응 챔버(34)는 도면에 나타낸 바와 같은 일반적으로 원통형의 형상을 포함하지만 이것이 필수는 아니다. 임의의 반응기 챔버(34)의 통상적인 형상이 사용될 수 있다. 반응 챔버(34)는 금속, 플라스틱, 세라믹, 복합체 또는 기타 물질로 이루어질 수 있다.
반응 챔버(34)는 그 안에 촉매가 배치될 수 있는데, 예를 들면 도면에 도시된 다공성 촉매 베드(40)가 그것이다. 촉매 베드(40)는 연료 공급원의 반응 속도를 증가시켜 수소 기체의 생성을 용이하게 할 수 있다. 촉매는 루테늄 촉매, 백금 촉매, 니켈 촉매, 또는 기타 촉매를 포함할 수 있다. 루테늄, 백금, 니켈 및 기타 촉매는 당해 기술분야의 숙련인들에게 용이하게 입수가능하다.
촉매 베드(40)는 보로하이드라이드의 존재하에 수소 기체의 생성을 용이하게 한다. 예를 들면, 촉매 베드(40)의 존재하에 수성 나트륨 보로하이드라이드 용액은 하기 반응식 1에 따라 수소 기체를 방출한다.
반응 챔버(34)는 나트륨 보로하이드라이드와 같은 수소 연료 공급원을 수용하기 위한 유입구(36) 및 폐 생성물 및 반응물질을 연속적인 방식으로 방출하기 위한 유출구(38)를 갖는다. 따라서 반응 챔버(34)는 유리하게도 회분식 방법과 반대로 수소 기체의 연속적 생성을 용이하게 한다. 본원에서 사용한 "연속적"이란, 반응이 일어나는 내내, 반응물과 생성물의 흐름이 반응 챔버(34)를 들어와서 빠져나가는 것을 의미한다. 달리 말하면, 수소의 생성은 예를 들면 반응기를 청소해야할 필요성, 촉매를 교환해야할 필요성, 수소 기체가 공급되는 시스템의 일시적 불활성화 때문에 영구히 계속될 수는 없다. 그러나, 이러한 반응을 정지시키는 상기한 이유를 제외하면, 반응물질 및 생성물은 무한한 시간에 걸쳐 반응 챔버(34)을 통해 유동할 수 있다. "연속적"이란 또한 연료 공급원의 더욱 완전한 사용을 용이하게 하기 위해 반응 챔버(34)를 통해 생성물 및 반응물질을 거꾸로 재생시키는 것을 포함할 수 있다.
친수성 스크린(42 및 44)이 반응 챔버(34)의 유입구(36) 및 유출구(38)에 위치할 수 있다. 친수성 스크린(42 및 44)은 액체 용액을 용이하게 완전히 통과시킬 수 있다. 그러나, 이들은 모든 또는 실질적으로 모든 수소 기체의 통과를 방해한다. 친수성 스크린(42 및 44)은 각각 스테인레스 강 필터 스크린을 포함할 수 있다. 친수성 스크린(42 및 44)의 효과적인 기공 크기는 압력 강하와 버블 압력을 균형잡아서 액체/기체 분리를 확실히 하도록 선택한다. 구체적인 응용 요구에 따라 적절한 친수성 스크린 기공 크기를 선택하는 것은 당해 기술분야의 숙련인의 능력 범위 안에 있다. 예를 들면 6㎛의 유효 기공 크기를 갖는 스테인레스 강 필터 스크린이 몇가지 응용에 선택될 수 있다.
몇가지 실시태양에서, 친수성 스크린(42 및 44)중 하나만 유입구(36) 또는 유출구(38)에 사용할 수도 있다.
반응 챔버(34)는 또한 반응 챔버(34)의 내면 또는 외면을 라이닝하기 위한 촉매 베드(40)를 둘러싸는 소수성 막(46)을 포함할 수 있다. 도시된 실시태양에서, 소수성 막(46)은 유입구(36) 또는 유출구(38)를 커버하지 않아서 액체가 반응 챔버를 통과하게 할 수 있다. 소수성 막(46)은 수소 기체는 통과할 수 있다. 그러나, 액체는 소수성 막을 통과하지 않으려고 한다. 따라서, 소수성 막(46)과 친수성 막(42 및 44)의 결합은 나트륨 보로하이드라이드와 같은 금속 하이드라이드 용액으로부터 생성된 결과적인 액체/기체 혼합물에 대한 분리 경로를 유리하게 제공한다. 따라서, 반응 챔버(34)는 또한 일체형 액체/기체 분리기이다.
소수성 막(46)은 적어도 부분적으로는 Goretex(등록상표), Celgard(등록상표), 또는 기타 물질로 이루어진다. 유리하게는, Goretex(등록상표), Celgard(등록상표) 또는 기타 용이하게 입수가능한 물질이 보로하이드라이드, 알칼리 하이드라이드 등과 같은 금속 하이드라이드로부터 수소 기체를 생성하는 것과 관련된 상대적 저온 때문에 반응 챔버(34) 자체에서 액체/기체 분리기로서 사용될 수 있다. 연료 공급원으로서 나트륨 보로하이드라이드를 사용하는 본 실시태양에 따라, 반응기(34)의 온도는 약 93℃(200℉)를 초과하지 않는다. 몇가지 실시태양에서 온도는 80℃(176℉)을 초과하지 않는다. 몇가지 실시태양에서, 반응기(34)의 온도는 금속 하이드라이드 용액의 비점 또는 임의의 반응기 구성요소의 재료 양립성과 타협하는 임의의 온도를 초과하지 않는다.
수소 발생 시스템(100a)은 또한 기체 수집 챔버 또는 컨테이너(48)를 포함하고, 이는 반응 챔버(34)에 인접하거나 이를 둘러쌀 수 있다. 반응 챔버(34) 안에 생성된 수소 기체는 소수성 막(46)을 통과하여 기체 수집 챔버(48)로 들어갈 수 있다. 기체 수집 챔버(48)는 연료 전지(32)와 연통되도록, 생성된 수소를 위한 경로(64)를 제공할 수 있다. 이어서, 연료 전지(32)는 상기 제공된 내용에 따라 작동할 수 있다.
도 4에서, 기체 발생 시스템(100b)의 또 다른 실시태양이 개시된다. 도 4의 실시태양에 따르면, 연료 공급원, 예를 들면 나트륨 보로하이드라이드는 유입구(52)를 통해 반응 챔버(50)로 들어갈 수 있다. 연료 공급원 및 생성물의 흐름은 도시된 화살표에 의해 지시된다. 나트륨 보로하이드라이드가 반응 챔버(50)로 들어감에 따라, 촉매 베드(40a)와 맞물려서 촉매 베드를 유출구(54)를 향해 유체 흐름 방향으로 강제로 밀리게(bunch up) 한다. 유동은 비구속된 촉매 비드 또는 펠렛(40a)이 비제어된 방식으로 움직이게 한다. 촉매 베드(40a)의 도 5에 도시된 구성으로의 재분배는 반응 속도를 느리게 하고/하거나 수소 기체의 생성을 방해한다.
촉매 베드(40a)와 같은 촉매(이는 당해 기술분야의 숙련인들에게 용이하게 입수가능한 루테늄, 백금, 니켈 및 기타 촉매를 포함할 수 있다)는 종종 매우 고가이고 최대 표면적이 반응물질에 노출될 때 가장 효과적이다. 따라서, 도 4에 도시한 촉매 베드(40a)의 뭉침은 촉매(40a)의 효율을 훼손한다.
도 5에서, 기체 발생 시스템(100c)을 위한 촉매 분배 구조의 일례가 도시된다. 도 5의 실시태양에 따르면, 촉매-도금된 고표면적 스크린(56)은 돌돌말려서 반응 챔버(50a) 안으로 삽입된다. 촉매-도금된 고표면적 스크린(56)은 유리하게도 반응 챔버(50a)를 통한 반응물질 및 생성물의 흐름에 의해 용이하게 재배열되지 않는 구조물을 제공한다. 따라서, 촉매 물질은 반응 속도, 및 예를 들면 나트륨 보로하이드라이드로부터 수소 생성을 최대화하기 위해 반응물질의 유동에 노출된 매우 높은 표면적을 계속해서 가진다.
촉매 분배 구조물은 또한 복합 촉매-도금된 고표면적 메시 스트립을 포함할 수 있다. 상기 스트립(단지 1차원으로 나타난 스크린(56)과 유사함)은 고표면적 스크린(56)과 유사한 방식으로 반응 챔버(50a) 안에 위치될 수 있다.
선택적으로, 촉매 분배 구조물은 촉매-코팅된 고표면적 섬유상 물질을 포함할 수 있다.
다음 도 6을 보면, 기체 발생 시스템(100d)에서 사용하기 위한 촉매 분배 구조물을 위한 또 다른 실시태양이 도시된다. 도 6의 실시태양에 따르면, 촉매 분배 구조물은 반응 챔버(50b) 안에 복수의 셀 또는 챔버(60)를 포함하고, 각각 촉매 비드(62)의 부분을 하우징한다. 복수의 셀(60)은 액체 용액이 통과하도록 하면서도 촉매 비드(62)의 이동은 방해하는 일정한 구조적 일체성을 갖는 스크린 물질 또는 기타 물질을 포함할 수 있다.
상기한 실시태양의 하나 이상에 따른 기체 발생 반응기의 작동은 다음과 같이 설명될 수 있다. 작동에 대한 논의를 위해, 이하 도 5를 참조한다. 그러나, 도시된 기타 실시태양도 또한 상기 기체 발생 반응기의 작동과 관계가 있다는 것을 이해해야 한다.
도 5를 참조하면, 수소를 생성하기 위한 반응 챔버(50a)는 연료 전지(32)에 인접하게 위치될 수 있다. 나트륨 보로하이드라이드의 수용액 또는 기타 용액이 제공되어 수소 연료 공급원으로서 반응 챔버(50a)를 통해 연속적으로 유동한다. 나트륨 보로하이드라이드의 수용액은 유입구(52)를 통해 반응 챔버(50a) 안으로 유동한다. 수용액은 유입구(52)에 배치된 친수성 스크린(42)을 통과할 수 있다. 친수성 스크린(42)은 나트륨 보로하이드라이드와 같은 액체 용액의 통과를 용이하게 가능하게 한다.
유입구(52)를 통과한 후, 수용액은 소수성 막(46)에 의해 정의된 반응 챔버를 통한 통로를 따라 유동하는 경향이 있다. 소수성 막(46)은 액체의 통과에 저항성이지만 기체에는 투과성이다.
일단 반응 챔버(50a) 안에 들어오면, 나트륨 보로하이드라이드의 용액은 수소 기체를 촉매의 존재하에 가속화된 속도로 생성한다. 촉매는 예를 들면 고표면적 스크린(56)상에 도금된 루테늄 촉매일 수 있다. 반응이 진행됨에 따라, 수소기체가 수용액으로부터 방출된다. 수소는 기체 투과성 소수성 막(46)을 통해, 도 5에 도시된 실시태양에서 소수성 막(46)을 둘러싸는 기체 수집 챔버(48)로 이동한다.
반응 챔버(50a) 안에서 생성된 수소 기체는 반응 챔버(50a)의 유출구(54)를 향해 수성 나트륨 보로하이드라이드의 스트림과 함께 유동하는 경향이 있다. 그러나, 친수성 막(44)은 모든 또는 실질적으로 모든 수소 기체가 통과하는 것을 방해한다. 제 2 친수성 막(42) 또한 모든 또는 실질적으로 모든 수소 기체의 통과를 방해하고 소수성 막(46)이 수소 기체에 대한 최소한의 저항 경로로서 남게 된다. 따라서 수소 기체는 반응 챔버(50a)에 의해 액체 및 기타 생성물로부터 분리된다.
생성된 수소 기체가 소수성 막(46)을 통과함에 따라, 이는 기체 수집 챔버(48) 안에 모인다. 기체 수집 챔버(48)는 연료 전지(34)로 유도하는 경로(64)를 포함할 수 있다. 기체 수집 챔버(48)는 수집된 수소를 규칙적인 속도로 연료 전지(34)로 방출시킬 수 있고, 상기 연료 전지(34)는 전기 공급을 생성하기 위해 임의의 공지된 메카니즘에 따라 작동할 수 있다.
반응 챔버(50a)를 통한 나트륨 보로하이드라이드의 유동은 경우에 따라 상기 용액으로부터 최대량의 수소를 추출하기 위해 재생될 수 있거나, 나트륨 보로하이드라이드 또는 기타 물질의 새로운 공급원이 계속해서 반응 챔버에 공급될 수 있다.
도 7과 관련하여, 기체 카트릿지(100e)가 수소 생성 카트릿지로서 구현되어 도시된다. 수소 생성 카트릿지(100e)를 연료 전지 리셉터클 또는 기타 수소를 필요로 하는 장치 안에 삽입할 수 있다. 예를 들면, 수소 생성 카트릿지(100e)는 수소를 도 1에 도시된 것과 유사한 PEM 연료 전지에 공급할 수 있다. 수소 생성 카트릿지(100e)가 기타 연료 전지에 대해서도 사용될 수 있다는 것은 당해 기술분야의 숙련인들이 이해할 것이다.
도 7의 실시태양에 따르면, 수소 생성 카트릿지(100e)는 반응 챔버(50c)와 같은 반응기를 포함할 수 있다. 반응 챔버(50c)는 일반적으로 도면에 도시된 바와 같은 일반적인 원통형을 포함하되, 반드시 그렇지는 않다. 반응 챔버(50c)의 임의의 통상적인 형상이 사용될 수 있다. 반응 챔버(50c)는 금속, 플라스틱, 세라믹, 복합체 또는 기타 물질로 이루어질 수 있다.
반응 챔버(50c)는 여기에 배치된 촉매, 예를 들면 도면에 도시된 촉매 스크린(56a)을 포함한다. 촉매 스크린(56a)은 연료 공급원의 반응 속도를 증가시킴으로써 수소의 생성을 용이하게 할 수 있다. 촉매는 루테늄 촉매, 백금 촉매, 니켈 촉매, 또는 기타 촉매를 포함할 수 있다. 루테늄, 백금, 니켈 및 기타 촉매는 당해 기술분야의 숙련인들에게 용이하게 이용가능하다.
촉매 스크린(56a)은 보로하이드라이드의 존재하에 수소 기체의 생성을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면, 촉매 스크린(56a)의 존재하에 수성 나트륨 보로하이드라이드 용액은 상기 반응식 1에 따라 수소 기체를 방출한다.
반응 챔버(50c)는 나트륨 보로하이드라이드와 같은 수소 연료 공급원을 수용하기 위한 유입구(36) 및 연속적인 방식으로 폐 생성물 및 반응물질을 방출하기 위한 유출구(38)를 포함할 수 있다. 따라서 반응 챔버(50c)는 유리하게 회분식 공정과 반대로 수소 기체의 연속적 생성을 용이하게 할 수 있다.
반응 챔버(50c)의 유입구(36) 및 유출구(38)에 친수성 스크린(42 및 44)이 위치될 수 있다. 친수성 스크린(42 및 44)은 액체 용액을 용이하게 통과시킬 수 있다. 그러나, 이는 모든 또는 실질적으로 모든 수소 기체의 통과를 방해한다. 친수성 스크린(42 및 44)은 각각 스테인레스 강 필터 스크린을 포함한다. 친수성 스크린(42 및 44)의 효과적인 기공 크기는 액체/기체 분리를 확실히 하기 위해 압력 강하 및 버블 압력의 균형을 맞추도록 선택된다. 구체적인 응용 요구에 따라 적절한 친수성 스크린 기공 크기를 선택하는 것은 당해 기술분야의 숙련인의 능력 범위 안에 있다. 예를 들면 6㎛의 유효 기공 크기를 갖는 스테인레스 강 필터 스크린이 몇가지 용도로 선택될 수 있다.
몇가지 실시태양에서, 친수성 스크린(42 및 44)중 하나만이 유입구(36) 또는 유출구(38)에 사용될 수 있다.
반응 챔버(50c)는 또한 반응 챔버(50c)의 내면 또는 외면을 라이닝하기 위한 촉매 스크린(56a)을 둘러싸는 소수성 막(46)을 포함할 수 있다. 도시된 실시태양에서, 소수성 막(46)은 유입구(36)나 유출구(38)를 커버하지 않아서 액체가 반응 챔버를 통과하게 할 수 있다. 소수성 막(46)은 수소 기체를 통과시킨다. 그러나,액체는 소수성 막을 통과하지 않으려고 한다. 따라서, 소수성 막(46)과 친수성 막(42 및 44)의 결합은 나트륨 보로하이드라이드와 같은 금속 하이드라이드 용액으로부터 생성된 결과적인 액체/기체 혼합물에 대한 분리 경로를 유리하게 제공한다. 따라서, 반응 챔버(50c)는 또한 일체화된 액체/기체 분리기이다.
소수성 막(46)은 적어도 부분적으로는 Goretex(등록상표), Celgard(등록상표), 또는 기타 물질로 이루어진다. 유리하게는, Goretex(등록상표), Celgard(등록상표) 또는 기타 용이하게 입수가능한 물질이 보로하이드라이드, 알칼리 하이드라이드 등과 같은 금속 하이드라이드로부터 수소 기체를 생성하는 것과 관련된 상대적 저온 때문에 반응 챔버(50c) 자체에서 액체/기체 분리기로서 사용될 수 있다. 연료 공급원으로서 나트륨 보로하이드라이드를 사용하는 본 실시태양에 따라, 반응기(50c)의 온도는 약 93℃(200℉)를 초과하면 안된다. 몇가지 실시태양에서 온도는 80℃(176℉)을 초과하면 안된다. 몇가지 실시태양에서, 반응기(50c)의 온도는 금속 하이드라이드 용액의 비점 또는 임의의 반응기 구성요소의 재료 상용성과 타협하는 임의의 온도를 초과해선 안된다.
수소 발생 시스템(100a)은 또한 반응 챔버(50c)에 인접하거나 이를 둘러싸는 기체 수집 챔버 또는 컨테이너(48)를 포함할 수 있다. 반응 챔버(50c) 안에 생성된 수소 기체는 소수성 막(46)을 통과하여 기체 수집 챔버(48)로 들어갈 수 있다. 기체 수집 챔버(48)는 연료 전지 또는 기타 수소-소모 장치(그 안으로 카트릿지(100e)가 삽입될 수 있다)의 수용체(도시되지 않음)와 맞물리기 위한 수소 포트(200)와 같은 기체 공급 포트를 포함할 수 있다. 수소 포트(200)는 연료 전지리셉타클 안으로 삽입시 자동적으로 개방되거나, 또는 카트릿지로부터 수소를 허용하도록 개방위치와 폐쇄 위치 사이에서 선택적으로 작동될 수 있다.
상기 내용은 본 발명을 단지 설명하기 위해서 제시된 것이다. 본 발명을 개시된 특정 형태에만 국한시키거나 제한하고자 하는 것은 아니다. 많은 변형 및 변화가 상기 교시의 견지에서 가능하다.
도시된 실시태양은 본 발명의 원칙 및 그의 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 기술된 것이다. 상기 내용은 당업자로 하여금 본 발명을 특정 용도에 맞게 다양한 실시태양으로 변형시켜 가장 잘 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 범위를 다음 청구의 범위로 한정하고자 한다.
본 발명에 따라 일체형 반응기/분리기를 제공함으로써, 종래 수소 발생 반응에서 거품이 발생하여 반응기 배압을 증가시키는 등의 문제점을 효과적으로 극복할 수 있다.

Claims (10)

  1. 수용액의 연속 스트림을 수용하도록 구성된 화학적 반응기(102); 및
    상기 화학적 반응기와 일체화된 액체/기체 분리기(116)를 포함하는 기체 발생 시스템(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체화된 액체/기체 분리기(116)가, 그 둘레를 감싼 기체에 대해 투과성인 소수성 막(116)을 갖는 상기 화학적 반응기(102)의 다공성 벽을 포함하는 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 일체화된 액체/기체 분리기(116)가, 상기 화학적 반응기에 대한 유출구(38)를 커버하는 수소 기체에 실질적으로 불투과성인 친수성 막(44)을 추가로 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일체화된 액체/기체 분리기(116)가, 촉매(104)를 둘러싼 소수성 기체-투과성 막을 포함하는 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매(104)가 촉매(104)의 높은 표면적을 유지하기 위한 분배 구조물(56) 안에 함유된 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    수소 기체가 상기 화학적 반응기(102) 안에서 생성되어 연료 전지에 제공되는 시스템.
  7. 애노드(20);
    캐쏘드(22);
    상기 애노드(20)와 캐쏘드(22) 사이에 배치된 전해질(24); 및
    상기 애노드(20)에 수소를 제공하기 위한 수소 반응기(102)를 포함하되,
    상기 수소 반응기(102)가 소수성 막(116)에 의해 감싸진 다공성 벽을 포함하고, 수성 금속 하이드라이드 용액의 연속적 유동을 수용하도록 구성된 연료전지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 반응기(102) 안의 분배 구조물(56) 안에 배치된 촉매(40)를 추가로 포함하는 장치.
  9. 일체화된 반응기/분리기(102)를 통해 유동하는 수용액으로부터 수소 기체를 생성하고 분리하는 것을 포함하는 기체의 생성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수용액으로부터 수소 기체의 분리가, 상기 반응기/분리기(102) 둘레의 소수성 수소 기체-투과성 막(116)에 의해 촉진되는 방법.
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