KR20040089538A - 조절되는 수소 생성 시스템 - Google Patents

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바리나가루이스
힌다골라수라즈엘
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
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Abstract

본 발명은, 입구 및 출구를 갖는 반응 챔버, 상기 반응 챔버에 연결된 기체 수집 챔버 및 상기 기체 수집 챔버와 연결된 조절기를 포함하는 생성 시스템에 관한 것이다. 상기 조절기는 기체 수집 챔버에서의 압력에 응답하여 반응 챔버로의 반응물의 유동을 제어한다.

Description

조절되는 수소 생성 시스템{REGULATED HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM}
본 발명은 수소 생성 분야, 더욱 구체적으로는 수소 발생 장치에 관한 것이다.
휴대용 컴퓨터 및 포켓용 통신 장치가 출현함에 따라 청정 휴대용 에너지원이 요구되고 있다. 이들 장치의 증가된 기능성 및 "정시성(on time)"은 전통적인 배터리 기술에 대한 도전을 시사한다. 현재의 재충전가능한 배터리 시스템은 비에너지(W·hr/㎏) 및 에너지 밀도(W·hr/ℓ) 면에서 상당한 제약을 가진다.
연료 전지는 휴대 제품용 재충전 배터리에 대한 매력적인 대안을 제공하며, 현재의 리튬 이온 전지에 비해 중요한 성능 이점을 제공한다. 가장 유망한 연료 전지 기술 중 하나는 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지인데, 이는 수소를 산화시켜 전기와 물을 생성한다.
도 1을 참조하면, PEM 연료 전지는 전형적으로 포지티브 버스 플레이트(positive bus plate)(20), 에어프레임(22), 캐쏘드(23), 마주하는 표면에촉매 층(24 및 27)을 갖는 양자 교환 멤브레인(26), 애노드(28), 수소 프레임(30) 및 네가티브(negative) 버스 플레이트(32)를 포함한다. PEM 연료 전지는, 수소 프레임(30)에서 수소 기체를 도입하고, 이 수소 분자가 촉매(27)와 접촉하여 전자를 내놓고 수소 이온을 형성함으로써 작동한다. 전자는 애노드(28), 네가티브 버스 플레이트(32), 외부 회로(34) 및 포지티브 버스 플레이트(20)를 통해 흘러 캐쏘드(23)로 이동한다. 반응에 의해 생성된 전류는 휴대용 전기 장치(36), 예컨대 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 개인 정보 처리기(PDA) 또는 포켓용 전력 도구에 전력을 제공하는데 사용될 수 있다.
양자 교환 멤브레인(26)은 양성자의 흐름은 허용하지만 전자의 통과는 차단한다. 따라서, 전자는 외부 회로(34)를 통해 흐르는 반면, 수소 이온은 양자 교환 멤브레인(26)을 통해 직접 캐쏘드(23)로 흐르며, 여기서 이들은 산소 분자 및 전자와 결합하여 물을 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
애노드 : H2--> 2H++ 2e-
캐쏘드 : O2--> 2O-
전 체 : 2H2+ + O---> H2O
H2분자가 촉매(27), 바람직하게는 백금과 접촉하게 되면 이는 2개의 H+이온과 2개의 전자(e-)로 나눠진다. 연료 전지의 캐쏘드 측에서는, 산소 기체(O2)가 촉매(24)를 통해 가압되고, 2개의 산소 원자를 형성한다. 이들 산소 원자 각각은 강한 음 전하를 띄고, PEM(26)을 통해 2개의 H+이온을 끌어당기며 외부 회로로부터의 2개의 전자와 결합하여 물 분자(H2O)를 형성한다.
휴대용 전기 장치의 전력 요구량은 시간에 따라 변하며 유효하게 작동하기 위해서는 연료 전지의 출력이 이러한 요구량과 부합하도록 조절되어야 함을 인지해야 한다. 따라서, 연료 전지에 의해 생성된 전력을 조절하여 휴대용 전기 장치의 가변적인 에너지 필요량을 충족시키는 방법 및 장비에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 입구 및 출구를 갖는 반응 챔버, 상기 반응 챔버와 연결된 기체 수집 챔버 및 상기 기체 수집 챔버와 연결된 조절기를 포함하는 생성 시스템을 제공한다. 상기 조절기는 기체 수집 챔버에서의 압력에 응답하여 반응물의 유동을 조절한다.
도 1은 양자 교환 멤브레인 연료 전지의 단면 투시도이다.
도 2는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 4는 수소 생성 시스템에 대한 전형적인 응답 곡선을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시양태를 나타내는 수소 생성 시스템의 단면 투시도이다.
도 11은 본 발명의 수소 생성 시스템을 갖는 연료 전지의 작동 방법의 일례를 도시한 것이다.
본 발명의 많은 특징들은 하기 상세한 설명 및 도면에 의해 본 발명이 더욱 잘 이해됨에 따라 더욱 쉽게 이해될 것이다.
연료 전지에 의해 생성된 전력을 조절하는 하나의 방법은 전지로의 연료의 공급을 조절하는 것이다. 이는 밸브 또는 다른 조절 장치를 사용하여 전지로의 연료의 흐름을 조절하거나 전지에 공급되는 연료의 생성을 조절함으로써 달성될 수 있다. 전지에 공급되는 연료의 생성을 조절하는 것은, 연료가 안정적인 불활성인 형태, 예컨대 NaBH4로 저장될 수 있으므로 안정성이 증가되고, 수소 기체보다는 NaBH4와 같은 수용액의 흐름을 조절하기가 더욱 용이하기 때문에 제어가 간단해진다는 점을 비롯한 다수의 이점이 있다.
본 발명은 하기 도면을 참조하면 더욱 잘 이해된다. 도면에 예시된 요소는 반드시 일정한 축적에 따른 것은 아니다. 오히려, 본 발명을 명확히 예시하기 위해 강조하여 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지(42) 또는 수소를 요하는 다른 장치에 수소를 제공할 수 있는 수소 생성 시스템(40)을 도시한 것이다. 도 2의 실시양태에 따르면, 수소 생성 시스템은 다공성 촉매(46)를 함유하는 반응 챔버(44)를 포함할 수 있다. 촉매(46)는 금속 수소화물 용액(예: NaBH4)으로부터의 수소 기체의 방출을 일으키며, 루테늄, 백금, 니켈 또는 당해 분야의 숙련자에게 공지된 다른 촉매 물질과 같은 물질들을 포함할 수 있다. 촉매(46)의 존재하에 붕수소화 나트륨 수용액은 다음과 같은 화학 반응식에 따라 수소 기체를 방출한다.
NaBH4+ 2H2O --> 4H2+ NaBO2
반응 챔버(44)는 입구(48)를 통해 연료 공급원, 예컨대 붕수소화 나트륨을받아 들이고, 출구(50)를 통해 반응 생성물 및 폐기물을 배출시킨다. 모세관 저항성을 통해 액체의 통과는 허용하지만 기체의 통과는 방해하는 친수성 스크린(52 및 54)이 반응 챔버 입구(48) 및 출구(50)에 위치한다. 반응 챔버(44)는 또한 다공성 촉매(46)를 둘러싸거나 반응 챔버(44)의 내면에 배치되는 소수성 멤브레인(56)을 포함한다. 소수성 멤브레인(56)은 기체의 통과는 선택적으로 허용하지만 액체의 통과는 막는다. 친수성 스크린(52 및 54) 및 소수성 멤브레인(56)의 선택은 다공성 촉매(46)와 붕수소화 나트륨 용액 사이의 반응에 의해 생성된 액체 및 기체 생성물을 위한 통로를 한정한다.
또한, 수소 생성 시스템(40)은 반응 챔버(44)에 인접하거나 이를 둘러싸고 있는 기체 수집 챔버(58)를 포함한다. 한 실시양태에서, 기체 수집 챔버(58)는 반응 챔버(46)를 둘러싸거나 포위하고, 소수성 멤브레인(56)을 위해 최대 표면적을 제공하며 그에 상응하여 반응 챔버와 수집 챔버 간의 압력 손실을 최소화한다. 반응 챔버(44)에서 생성된 수소 기체는 소수성 멤브레인(56)을 통과하여 기체 수집 챔버(58)로 들어가고 도관(60)을 통해 연료 전지(42) 또는 수소를 사용하는 장치로 주입된다. 이 장치의 안정성을 확보하기 위해, 수소 수집 챔버(58)는 연료 전지(42) 또는 수소를 사용하는 장치의 수소 요구량에 비례하여 크기가 결정된다. 특히, 수소 수집 챔버(58)의 부피는 생성 시스템(40)에 저장된 수소 기체의 양을 가능한 최소화시키도록 작게 유지되고, 이는 위험성을 감소시킨다.
다른 실시양태에서, 생성 시스템(도시되지 않음)은 반응 챔버(44)에서 과산화수소(H2O2) 용액을 은 촉매(46)와 반응시켜 산소(O2)를 생성한다. 과산화수소 용액은 은 촉매와 반응하고 하기 화학 반응식에 따라 산소를 방출한다.
2H2O2--> 2H2O + O2
생성된 산소는 다수의 여러 분야에 응용된다. 산소는 연료 전지(42)의 에어프레임(22)에 공급될 수 있으며, 이는 산소를 연료와 반응시켜 휴대 전기 장치(36)에 전력을 제공하는데 사용되는 전기를 생성한다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(41)은, 입구(48) 및 출구(50)를 갖는 반응 챔버(44), 반응 챔버(44)에 인접한 기체 수집 챔버(58) 및 기체 수집 챔버(58)에서의 압력에 대응하여 반응 챔버(56)로의 연료의 흐름을 조절하는 격벽 씰(diaphragm seal)(62)을 포함한다. 도 2에서와 같이, 입구(48) 및 출구(50)는 친수성 스크린(52 및 54)을 가지며, 반응 챔버(44)는 소수성 멤브레인(56), 및 수소 기체를 연료 전지 또는 수소를 사용하는 장치(제시되지 않음)로 향하게 하는 도관(60)을 갖추고 있다.
격벽 씰(62)은 상위 및 하위 조정 압력을 갖도록 설계되어 격벽 씰을 가로지르는 차압이 상위 조정 값보다 큰 경우 격벽 씰(62)이 아래쪽으로 연장되어 입구(48)를 차단하고 금속 수소화물 수용액이 반응 챔버(44)로 흐르는 것을 방지한다. 상위 조정 값보다 낮은 압력에서, 성형 격벽 씰(62)의 기억이 차압에 대항하여 반응하고 격벽 씰(62)이 부분적으로 수축되어 한정된 양의 수성 금속 수소화물이 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다. 하위 조정 값에서는, 격벽 씰(62)은 완전히 수축되고 입구(48)는 차단되지 않아 최대량의 금속 수소화물 수용액이 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다.
도 4는 수소 생성 시스템(41, 51, 61, 71, 81, 91, 101)에 관한 전형적인 응답 곡선을 도시한 것이다. 휴대용 연료 전지 제품의 경우, 상위 및 하위 조정 값은 전형적으로 각각 5.0 및 1.0 psi 델타이고, 대규모 상업적인 적용의 경우, 상위 및 하위 조정 값은 각각 100 및 20 psi 델타 범위이다. 조정점 및 응답 곡선의 형상은 수소 생성 시스템의 유동 요건에 기초하여 맞춰질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 조정 값은 반응 챔버(44), 반응 챔버 입구(48) 및 출구(50), 기체 수집 챔버(58) 및 도관(60)을 비롯한 수소 생성 시스템(41, 51, 61, 71, 81, 91, 101)에서의 다수의 지점에서 감지될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
격벽 씰(62)의 조정 또는 상위 및 하위 작동 값은 씰의 외형, 씰 재료 및 시스템의 응답 요건에 의해 한정된다. 또한, 격벽 씰 재료는 금속 수소화물 수용액의 부식 영향을 견뎌내도록 선택되는데, 이는 10/10/80(10% 붕수소화 나트륨, 10% 수산화 나트륨, 80% 물)의 용액의 경우 약 11의 pH를 가진다. 일부 실시양태의 경우, 바람직한 격벽 씰 재료로는 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(EPDM) 및 실리콘 고무 및 열가소성 탄성체(TPE)가 포함된다. 다른 실시양태에서, 격벽 씰(62)은 수소 생성 시스템(도시되지 않은 실시양태)의 출구(50)에 위치한다. 이 실시양태에서, 격벽 씰(62)은 출구(50)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압에 따라 반응하며 반응 챔버(44)로부터 수용성 반응 생성물의 유출량을 조절한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(51)을 도시한 것이다. 이 수소 생성 시스템(51)은 다공성 촉매(46)를 갖는 반응 챔버(44), 기체 수집 챔버(58), 입구(48) 및 출구(50), 도관(60) 및 수소 생성 시스템(51)으로의 연료 흐름을 조절하기 위한 포핏 밸브(poppet valve)(64)를 포함한다. 포핏 밸브(64)는 입구(48)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압을 감지한다. 포핏 밸브(64)는 상위 및 하위 조정 압력을 갖도록 설계되어 차압이 상위 값보다 큰 경우 포핏 밸브(64)가 완전히 닫히고 반응 챔버(44)로의 연료의 흐름을 차단하게 된다. 상위 조정 압력보다 낮은 압력에서, 포핏 밸브(64)는 부분적으로 개방되며 한정된 양의 연료가 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다. 하위 조정 압력에서, 포핏 밸브(44)는 완전히 개방되어 최대량의 연료가 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다. 당해 분야의 숙련자들은 상위 및 하위 조정 압력이 포핏 밸브의 외형, 포핏 밸브의 스프링 상수, 씰의 탄성 및 시스템의 응답 요건에 의해 한정됨을 인식할 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(61)을 도시한 것이다. 이 수소 생성 시스템(61)은 다공성 촉매(46)를 갖는 반응 챔버(44), 기체 수집 챔버(58), 입구(48) 및 출구(50), 도관(60) 및 수소 생성 시스템(41)으로의 연료의 유동을 조절하기 위한 로커 밸브(rocker valve)(65)를 포함한다. 블래더(66)는 입구(48)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압을 감지하여 그 차압에 기초하여 팽창하거나 수축한다. 블래더(66)는 이후 로커 아암(68)을 작동시키며, 시트(72)와 접촉하여 반응 챔버(44)로의 연료의 유동을 조절한다.
로커 밸브(65)는 상위 및 하위 조정 압력을 갖도록 설계되어 차압이 상위 값보다 큰 경우 블래더(66)가 충분히 부풀고 밸브 시트(72)와 접촉할 때까지 로커 아암(68)을 연장시켜 반응 챔버(44)로의 연료의 흐름을 차단한다. 하위 조정 압력보다 낮은 압력에서, 로커 아암(68)은 스프링(70)에 의해 부분적으로 수축되어 제한된 양의 연료가 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다. 하위 조정 압력에서, 블래더(66)는 스프링(70)에 의해 충분히 수축하고 밸브 시트(72)는 로커 아암(68)에 의해 완전히 차단되지 않아 최대량의 연료가 반응 챔버(44)로 흐를 수 있게 한다. 당해 분야의 숙련자는 하위 및 상위 조정 값이 로커 아암(68)의 외형, 스프링(70) 상수, 블래더(66)의 외형 및 시스템의 응답 요건에 의해 한정됨을 인식할 것이다. 또한, 금속 수소화물 수용액의 부식 영향을 고려하여 블래더(66) 재료를 선택해야 하며, 이로는 다우 케미칼(Dow Chemical)에 의해 제조된 사라넥스 11(Saranex 11), 폴리에틸렌 및 액정 중합체 필름을 들 수 있다. 다른 실시양태에서, 로커 밸브(65)는 수소 생성 시스템(도시되지 않은 실시양태)의 출구(50)에 위치한다. 이 실시양태에서, 로커 밸브(65)는 출구(50)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압에 반응하며 반응 챔버(44)로부터의 수용성 반응 생성물의 유출량을 조절한다.
이제 본 발명의 다른 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(71)을 도시한 도 7을 참조한다. 이 수소 생성 시스템(71)은 다공성 촉매(46)를 갖는 반응 챔버(44), 입구(48) 및 출구(50)를 갖는 기체 수집 챔버(58), 반응 챔버(44)로의 연료의 유동을 조절하기 위한 팽창성 백(82)을 갖는 연료 챔버(85) 및 수소 기체 수송용 도관(60)을 포함한다. 연료 챔버(85)는 연료, 예컨대 NaBH4와 팽창성 백(82)을 모두 가지며, 상기 백은 입구(48)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압을 감지한다.백(82)은 스프팅 구동 피스톤(84)과 접하고 있으며 상기 차압에 따라 팽창하거나 수축한다.
기체 수집 챔버(58)와 입구(48) 간의 차압이 5 psi 보다 큰 경우, 백(82)은 충분히 부풀어져 스프팅 구동 피스톤(84)이 연료를 반응 챔버(44)로 이동시키는 것을 방지한다. 차압이 감소함에 따라 백(82)은 부분적으로 수축하여 연료에 대해 스프링력 일부만을 작용시키고 반응 챔버(44)로의 흐름을 감소시킨다. 차압이 1 psi에 근접하게 되면, 백(82)은 스프링 구동 피스톤(84)에 의해 연료에 미치는 힘의 작은 일부만 작용시키고, 반응 챔버(44)로의 흐름을 조금 감소시킨다. 상위 및 하위 조정 값은 스프링 구동 피스톤(84)의 스프링 상수, 팽창성 백(82)의 외형 및 수소 생성 시스템(41)의 유동 요건에 의해 결정된다.
도 8은 다른 수소 생성 시스템(81)을 도시한 것이며, 여기서 팽창성 백(82) 및 스프링 구동 피스톤(84)은 이중 피스톤(86)으로 대체된다. 이중 피스톤(86)은 제 1 피스톤(88), 제 2 피스톤(90) 및 작동 스프링(92)을 포함한다. 이중 피스톤(86)은 기체 수집 챔버(58)와 입구(48) 간의 차압을 감지하며 반응 챔버(44)로의 연료의 유입량을 조절한다. 입구(48)와 기체 수집 챔버(58) 간의 차압이 5 psi 보다 크면, 수집 챔버(58)내의 수소 기체는 제 1 피스톤(88)에 대해 작용하며 작동 스프링(92)을 편향시켜 제 2 피스톤(90)이 도관(94)을 통한 반응 챔버(44)로의 연료의 주입을 막는다. 차압이 감소함에 따라, 수집 챔버(58)내의 수소 기체는 스프링(92)에서의 적은 작동력에 의해 작용하고, 나머지 작동력은 연료에 의해 작용되어 반응 챔버(44)로의 흐름을 감소시킨다. 차압이 1 psi에 근접하게 되면, 작동력의 작은 부분은 수소 기체에 의해 작용되고 대부분의 작동력은 연료에 의해 작용되어 최대량의 반응 챔버(44)로의 흐름을 제공한다.
도 9는 본 발명의 추가의 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(91)을 도시한 것이다. 이 수소 생성 시스템(91)은 다공성 촉매(46)를 갖는 반응 챔버(44), 기체 수집 챔버(58), 입구(48) 및 출구(50), 도관(60), 감지선(114), 피스톤 펌프(112), 체크 밸브(116 및 118) 및 스프링 구동 피스톤(84)을 포함한다. 초기에, 연료는 스프링 구동 피스톤(84)에 의해 반응 챔버(44)내로 주입된다. 이후, 연료는 다공성 촉매(46)와 반응하여 수소 기체를 생성하며, 이는 기체 수집 챔버(58) 내로 보내지고 도관(60)을 통과하고 이어서 연료 전지 또는 수소를 이용하는 장치로 이동된다. 반응 생성물 및 폐기물은 체크 밸브(118)를 통해 반응 챔버(44)를 나오고 펌프 챔버(110)로 들어간다. 상부 및 하부 표면적이 다른 피스톤 펌프(112)는 도관(114)과 펌프 챔버(110) 간의 차압의 변화에 따라 움직인다.
상위 역치 이상의 압력에서, 피스톤 펌프(112)에서의 피스톤은 아래로 운동하여 펌프 챔버(110)내의 폐기물을 가압하고 체크 밸브(116)을 통해 페기물 수집 챔버(55)로 보낸다. 동시에, 피스톤 펌프(112)의 아래방향으로의 운동은 체크 밸브(118)가 닫히도록 하여 반응 생성물이 반응 챔버(44)로 역류하는 것을 방지하고 새로운 연료가 반응 챔버(44)로 흐르는 것을 방지한다. 이러한 새로운 연료의 부족함은 반응 챔버(44)에서의 반응 속도를 늦추고 압력을 감소시키고, 이후 피스톤 펌프(112)에서의 피스톤이 위쪽으로 운동하게 한다. 하위 역치 미만의 수소 압력에서, 피스톤 펌프(112)에서의 피스톤은 확장된 위치로 되돌아간다. 이는 더욱 많은 반응 생성물이 펌프 챔버(110)로 들어가도록 하고 연료가 반응 챔버(44)로 들어가게 하여 반응 챔버(44)내의 반응 속도를 증가시키고 수집 챔버(58) 및 도관(114)내의 압력을 증가시킨다.
작동상, 체크 밸브(118)는 스프링 구동 피스톤(84)에 의해 생성된 압력보다 낮은 크래킹 압력을 갖도록 설계되며 체크 밸브(116)는 스프링 구동 피스톤(84)에 의해 생성된 압력 보다 높지만 피스톤 펌프(112)의 아래방향 운동에 의해 생성된 펌프 챔버(110)내 압력 보다는 낮은 크래킹 압력을 갖도록 설계된다. 당해 분야의 숙련자는 상위 및 하위 조정 압력이 피스톤 펌프(112), 피스톤 펌프(112)의 스프링 상수, 체크 밸브(116 및 118)의 크래킹 압력 및 수소 생성 시스템(41)의 응답 요건에 의해 한정됨을 인식할 것이다. 이러한 설계 변수에 기초하여, 피스톤 펌프(112)는 1 psi의 하위 조정 압력 및 5 psi의 상위 조정 압력을 갖도록 설계된다.
연속식 밸브, 계단식 체크 밸브, 가요성 멤브레인 및 기타 컴플라이언트 장치를 비롯한, 상기한 피스톤 펌프 개념의 다양한 변형이 존재함을 인식해야 한다. 또한, 피스톤 펌프(112)용 재료의 선택은 금속 수소화물 수용액의 부식 영향을 고려해야 한다.
도 10은 본 발명의 추가의 실시양태에 따른 수소 생성 시스템(101)을 도시한 것이다. 이 수소 생성 시스템(101)은 다공성 촉매(46)를 갖는 반응 챔버(44), 기체 수집 챔버(58), 입구(48) 및 출구(50), 도관(60) 및 반응 챔버(44)로의 연료의 유동을 조절하기 위한 전기기계 밸브(102)를 포함한다. 이 실시양태에서, 압력 센서(104)는 기체 수집 챔버(58)에서의 수소 기체의 압력을 감지하고 제어기(106)로 신호를 전송한다. 압력 센서(104)로부터의 신호에 기초하여, 제어기는 전기기계 밸브(102)를 작동시키고 반응 챔버(44)로의 연료의 유동을 조절한다.
수소 생성 시스템(101) 요건에 따라, 압력 센서(104)는 대기압(절대 압력 센서), 입구 압력(48) 또는 출구 압력(50)을 기준 압력으로 할 수 있다. 또한, 제어기(106)는 수소 생성 시스템(41), 수소 생성 시스템(41)에 의해 구동되는 전기 장치 또는 독립형 장치에 포함될 수 있다. 전기 기계 밸브(102)는 볼 밸브, 솔레노이드 밸브 또는 로터리 작동 밸브를 비롯한 다수의 형태일 수 있다. 다른 실시양태에서, 전기 기계 밸브(102)는 수소 생성 시스템(410)(도시되지 않은 실시양태)의 출구(50)에 위치하며 반응 생성물의 유출량을 조절한다.
도 11은 휴대용 전기 장치(36)에 전력을 공급하는 본 발명의 수소 생성 시스템(41, 51, 61, 71, 71, 91, 101)을 이용하는 방법을 도시한 흐름도이다. 상기 방법은 반응 챔버를 통해 연료를 유동시키는 단계(120), 및 상기 연료를 촉매와 반응시켜 수소 기체를 생성하는 단계(122)를 포함한다. 수소 기체의 압력이 감지되고(124) 이 감지된 압력을 기초로 반응 챔버로의 연료의 유동이 조절된다(126). 상기 감지된 압력은 절대 압력일 수 있거나 반응 챔버 입구 또는 출구 압력을 기준으로 할 수 있다. 생성되는 수소는 이어 연료 전지에서 반응하여 전기 에너지를 생성한다(128). 수소 기체 반응을 생성시키는데 사용될 수 있는 다수의 여러 연료 전지가 존재하며, 그 예로는 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지, 알칼리 연료 전지(AFC), 인산 연료 전지(PAFC), 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및용융 탄산염 연료 전지(MCFC)를 포함한다. 마지막으로, 생성된 전기 에너지는 컴퓨터, 컴퓨터 조작 장치, 휴대폰, 개인 정보 처리기(PDA), 휴대용 전력 도구 또는 다른 포켓용 전기 장치를 포함할 수 있는 전기 장치에 전력을 공급하는데 사용된다(130).
본 발명은 상기의 바람직한 실시양태 및 다른 실시양태를 참조하면서 제시되고 기재되었지만, 당해 분야의 숙련자들은 하기 청구범위에 한정된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 설명은 본원에 기재된 요소의 모든 신규하고 비자명한 조합, 및 본 출원 또는 이후 출원에서 이들 요소의 임의의 신규하고 비자명한 조합에 대한 있을지도 모를 청구범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이상의 실시양태는 예시적인 것이며, 단일의 특징 또는 요소는 본 출원 또는 이후 출원에서 청구될 수 있는 모든 가능한 조합에 본질적이지는 않다. 청구항이 그의 등가물의 "하나의" 또는 "제 1의" 요소를 언급하는 경우, 이러한 청구항은 2개 이상의 이러한 요소를 필요로 하거나 배제하지도 않으면서 하나 이상의 이러한 요소를 도입함을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는, 조절되는 수소 생성 시스템을 사용하여 휴대용 전기 장치에서의 전력 요구량의 변화에 부합하도록 연료 전지의 출력을 조절하고 가변적인 에너지 요구량을 충족시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 입구(48) 및 출구(50)를 갖는 반응 챔버(44);
    상기 반응 챔버(44)에 근접하게 배치된 기체 수집 챔버(58); 및
    상기 기체 수집 챔버(58)와 연결되어 상기 기체 수집 챔버(58)에서의 압력에 응답하여 상기 반응 챔버(44)로의 반응물의 유동을 제어하는 조절기를 포함하는,
    생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기가 상기 반응 챔버 입구(48) 및 상기 반응 챔버 출구(50) 중 하나 이상을 조절하는 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 챔버(44)가 촉매(46)를 함유하는 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응물이 수소를 생성시키기 위한 금속 수소화물 수용액 또는 산소를 생성시키기 위한 과산화수소를 포함하는 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기가 격벽 씰(62), 포핏 밸브(64), 로커 밸브(65), 팽창성 백(82), 이중 피스톤(86), 피스톤 펌프(112), 및 압력 변환기(104), 제어기(106) 및 전기기계 밸브(102)의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 요소를 포함하는 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101).
  6. 애노드(28);
    캐쏘드(23);
    상기 애노드(28)와 상기 캐쏘드(23) 사이에 배치된 양자 교환 멤브레인(26); 및
    상기 애노드(28) 또는 캐쏘드(23)와 연결된 제 1 항의 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91. 101)을 포함하는,
    연료 전지 시스템(42).
  7. 입구(48) 및 출구(50)를 갖는 반응 챔버(44)를 통해 반응물을 유동시키는 단계;
    상기 반응물을 촉매(46)와 반응시키고 기체를 생성하는 단계;
    상기 기체의 압력을 감지하는 단계;
    상기 감지된 압력에 기초하여 반응물의 유동을 조절하는 단계; 및
    상기 기체를 연료 전지(42)에 공급하는 단계를 포함하는,
    제 6 항의 연료 전지(42)의 작동 방법.
  8. 반응 챔버(44)에서 반응물을 반응시켜 기체를 생성시키는 단계;
    상기 반응 챔버(44)와 연결된 수집 챔버(58)에 기체를 수집하는 단계;
    상기 수집 챔버(58)에서의 기체의 압력을 감지하는 단계;
    기준 압력을 감지하는 단계; 및
    상기 기준 압력과 수집 챔버 압력 간의 차압에 기초하여 반응물의 반응 챔버(44)로의 유동을 조절하는 단계를 포함하는,
    제 1 항의 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 101)의 조절 방법.
  9. 반응 챔버(44)를 생성하는 단계;
    상기 반응 챔버(44)와 연결된 수집 챔버(58)를 생성하는 단계;
    조절기를 생성하는 단계를 포함하는,
    제 1 항의 생성 시스템(40, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 101)의 제조 방법.
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