KR20050042296A - 수소 발생기로부터 배출된 연료 용액을 처리하는 방법 및장치 - Google Patents

수소 발생기로부터 배출된 연료 용액을 처리하는 방법 및장치 Download PDF

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KR20050042296A
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스티븐 씨. 아멘돌라
필립 제이. 페틸로
스테펜 씨. 페틸로
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밀레니엄 셀, 인코퍼레이티드
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Abstract

연료의 화학 반응에 의한 수소 가스의 발생 후 남아있는 배출된 연료 용액을 처리한다. 이 처리는 실질적으로 배출된 연료의 액체 함량을 감소시키고, 이에 의하여 실질적으로 그것의 중량 및 부피를 갑소시킨다. 이러한 중량 및 부피의 감소는 배출된 연료를 저장 및 운송하는 비용에 있어서 상응하는 감소를 제공한다. 이 기술은 실질적으로 가수분해 과정을 통하여 수소를 발생시키는 임의의 시스템에서 사용될 수 있다. 개시되어 있는 실시 상태에 있어서, 수소 발생용 연료는 붕소수소화나트륨이고, 나트륨 메타보레이트의 용액 또는 슬러리 형태의 배출된 연료는 나트륨 메타보레이트 분말로 스프레이 건조된다. 이롭게도, 본 발명은 증발 공정을 가속화하는 임의의 다수의 기술에 사용될 수 있다.

Description

수소 발생기로부터 배출된 연료 용액을 처리하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING DISCHARGED FUEL SOLUTION FROM A HYDROGEN GENERATOR}
본 발명은 수소 발생, 보다 구체적으로 화학 반응을 통하여 연료로부터 수소를 발생시키는 시스템으로부터 배출된 연료(discharged fuel)를 처리하는 기술에 관한 것이다.
수소가 화학 반응에 의하여 발생될 수 있다는 것은 알려져 있다. 예컨대, 붕소수소화나트륨(NaBH4)를 비롯한 많은 착금속 수소화물의 가수분해 반응은 수소 가스의 발생을 위하여 흔히 사용되어 왔다. 상기 가수분해의 결정적인 화학 반응은 하기와 같이 표현될 수 있다:
촉매
MBH4 + 2H2O --> 4H2 + MBO2
상기 식에 있어서, MBH4 및 MBO2는 각각 붕소수소화 금속 및 금속 메타보레이트를 나타낸다. 붕소수소화나트륨의 가수분해는 통상 실온에서 천천히 일어나기 때문에, 열 또는 촉매, 예컨대 산, 다양한 전이 금속, 예컨대 루테늄, 코발트, 니켈 또는 철, 또는 용액 중의 해당 금속 염, 또는 고체로서, 불활성 지지체 상에 증착된 또는 현탁액으로서의 금속 붕소화물이 가수분해 반응을 가속화하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 상기 착금속 수소화물의 수소 가스 및 금속 메타보레이트로의 분해 속도는 pH에 의존하는데, 예컨대 pH 값이 높을수록 가수분해를 지체시킨다. 따라서, 붕소수소화나트륨과 같은 착금속 수소화물의 용액, 수산화나트륨(NaOH)과 같은 안정화제(stabilizer) 및 물이 연료, 즉 소모성 부재로서 사용되고, 이것으로부터 수소 가스가 발생한다. 수소 가스의 생성을 촉진시키기 위하여, 상기 연료는 촉매를 거쳐 통과된다. 이 공정의 결과물은 수소 가스 및 배출된 연료 용액이다. 착금속수소화물이 붕소수소화나트륨인 경우, 배출된 연료는 나트륨 메타보레이트 및 물의 혼합물인데, 이것은 슬러리, 균질한 용액 또는 불균질한 혼합물일 수 있다. 바람직하게는, 상기 배출된 연료는 공지된 방법을 이용하여 붕소수소화나트륨으로 다시 "재활용"되어 재사용될 수 있다.
상업적 용도의 수요를 충족하기 위하여, 대부분의 수소 발생 시스템은 또한 상기 연료 및 배출된 연료를 저장한다. 이러한 저장은 몇 가지 단점을 제공한다. 하나의 단점은 안정화제의 존재로부터 발생한다. 안정화제의 기능은 연료 용액의 pH 값을 상승시키고, 이에 의하여 용액이 촉매에 접촉할 때까지 가수분해를 방지한다. 상기 안정화제는 어떠한 화학 반응에도 참여하지 않기 때문에, 연료와 배출된 연료 용액은 모두 높은 pH 값을 갖는다. 통상, 상기 연료와 배출된 연료 용액은 모두 13 내지 14의 pH 값을 갖는다. 이러한 높은 pH는 상기 연료와 배출된 연료 용액 모두의 운반이 수소 발생의 비용을 증가시키는 정부 규제에 적합할 것이 요구된다. 이러한 pH가 높은 용액의 존재는 또한 상기 방법의 상업화 및 공적 수용에 방해가 된다. pH가 높은 용액은 다양한 금속과 반응하기 때문에 이들의 존재에 의하여 추가의 비용이 부가된다. 이러한 반응을 피하기 위하여, 수소 발생 시스템에는 비반응성 물질, 예컨대 스테인레스 또는 비반응성 플라스틱이 사용되어야 한다.
수소를 발생시키는 시스템에 대한 기술이 수소 발생 시스템 부위로부터 적절한 재활용 설비까지의 배출된 연료의 저장 및 수송에 관련된 문제 뿐만 아니라 매우 알칼리성인 연료의 저장 및 수송과 관련된 문제에서 발전될 수 있다면, 가수분해 반응을 사용하여 수소를 발생시키는 시스템의 일반적인 배치가 향상될 수 있을 것이라고 인식되어 왔다. 이 문제의 첫번째 부분은 검토되어 왔다. 최근에 개발된 기술에 있어서, 예컨대 "고체 및 액체 연료 성분을 투입함으로써 수소를 발생시키기 위한 방법 및 시스템"의 제목으로 2002년 4월 2일에 출원되고 현재 양수인에게 양도된 미국 특허 출원을 참조하면, 가수분해 반응용 연료는 고체 및 액체 연료 성분을 사용하여 "필요할 때(as needed)" 발생된다. 이롭게도, 고체 연료 성분은 과립, 분말 및 펠렛을 비롯한 다양한 형태를 취할 수 있다. 상기 액체 연료 성분으로는 물을 포함한다. 각각의 연료 성분은 다른 성분 없이는 가수분해를 개시할 수 없고, 별로 알칼리성이 아니기 때문에, 고알칼리성 연료의 저장 및 수송과 관련된 문제 및 복잡성은 감소된다. 배출된 연료의 저장 및 수송에 관련된 문제들은 아직 제기되지 않고 있다.
배출된 연료의 저장 및 수송과 관련된 비용을 감소시킬 수 있는 방법론이 고안될 수 있다면, 수소 발생 시스템의 다수의 배치에 매우 유익할 것이다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 연료의 화학 반응으로부터 수소 가스의 발생에 의해 생성된 배출된 연료 용액은 상기 배출된 연료의 액체 함량을 실질적으로 감소시키는 방식으로 처리된다. 바람직하게는, 이러한 기법은 가수분해 방법을 통하여 수소를 발생시키는 거의 모든 시스템에서 사용될 수 있다. 또한, 이것은 촉매를 사용하지 않는 수소 발생 시스템 뿐만 아니라 촉매를 사용하는 수소 발생 시스템에서 사용될 수 있다. 이것은 안정화제를 포함하지 않는 연료 뿐만 아니라 안정화제, 예컨대 수산화나트륨을 포함하는 연료의 사용에 적용가능하다. 상기 연료의 형태도 역시 중요하지 않다. 상기 연료는 액체 형태로 저장되거나, 액체 및 고체 연료성분을 사용하여 수소 발생 시스템의 부위에서 형성될 수 있다.
하나의 실시 상태에 있어서, 배출된 연료의 처리에는 배출된 연료를 수용하고 이 물질을 미세한 분무로 생산하여 액체 성분이 빠르게 증발하여 "실질적으로" 건조 잔류물로 남도록 하는 분무기(atomizer) 또는 스프레이어(sprayer)를 이용한다. 이와 관련하여, 나트륨 메타보레이트는 고체인 다수의 수산화물 형태를 갖는 것으로 인식되어 있으므로, 물이 상기 용액으로부터 증발될 수도 있으나, 일부가 상기 고체 잔류물에 혼입되는 것이 가능하다. 증발 과정을 가속화하는 다수의 건조 기법이 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 배출된 연료 중의 액체 함량의 전부 또는 실질적인 일부의 제거는 배출된 연료의 중량/부피에서 상당한 감소를 제공하고, 이에 의하여 배출된 연료의 저장 및 수송의 비용에서도 유사한 감소를 제공한다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 추가의 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 예시적인 실시 상태를 나타내는 첨부 도면과 함께 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명을 구체화한, 고체 및 액체 연료성분을 사용하는 수소 발생 시스템의 하나의 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명을 구체화한, 액체 연료를 사용하는 수소 발생 시스템의 또 하나의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 시스템에 사용된 건조 장치(160)의 한 실시 상태를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 수소를 발생하는 연속적인 단계의 플로우 챠트이다.
발명의 상세한 설명
도 1은 본 발명을 구체화한, 수소 발생 시스템(100)의 한 예를 나타낸다. 시스템(100)은 저장 탱크(101), 고체 연료성분 디스펜서(102), 챔버(103), 액체 연료성분 디스펜서(104), 액체 연료성분 액체 공급기(105), 연료 펌프(106), 촉매 챔버(107), 분리기(108), 건조장치(160), 배출 용기(111), 및 열 교환기(109)를 포함한다. 열 교환기(109)의 배출은 수소를 이 가스를 소비하는 장치, 예컨대 수소 연료 전지 또는 수소-발화 엔진(hydrogen-burning engine) 또는 터빈에 공급한다. 또한, 상기 발생된 수소 가스는 하나 이상의 저장 용기에 연결될 수 있다. 건조 장치(160), 배출 용기(111) 및 액체 재활용 구성요소(170-178)의 포함하는 것을 제외하고는, 시스템(100)은 2002년 4월 2일에 "고체 및 액체 연료 성분을 투입함으로써 수소를 발생시키는 방법 및 시스템"이라는 제목으로 출원되고 현재 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에 참고로서 포함되는 미국 특허 출원에 기재된 것과 동일하다. 후술하는 바와 같이, 건조 장치(160)는 실질적으로 배출 연료의 액체 함량을 감소시키고, 이에 의하여 그것의 중량 및 부피를 실질적으로 감소시킨다. 이 중량 및 부피의 감소는 이롭게도 배출연료의 저장 및 수송의 비용에 있어서도 상응하는 감소를 제공한다.
고체 형태의 적어도 1종의 착금속 수소화물은 저장 탱크(101)에 저장된다. 이 물질은 시스템(100)에서 수소를 발생시키는 연료의 고체 성분으로서 작용한다. 발생된 수소는 가스 형태이다. 착금속 수소화물은 일반식 MBH4를 갖는다. M은 예컨대 인듐, 나트륨 또는 칼륨를 포함하는 주기율표의 그룹 I(이전에는 그룹 1A), 에서 선택되는 알칼리 금속이다. 어떤 경우에, M은 또한 암모늄 또는 유기기일 수 있다. B는 예컨대 붕소, 알루미늄 및 갈륨을 포함하는 주기율표 그룹 13(이전에는 그룹 IIIA)로부터 선택되는 원소이다. H는 수소이다. 착금속 수소화물은 예컨대 붕소수소화나트륨(NaBH4)이다. 다른 예들이 본 발명의 원리에 따라 사용될 수 있으며, 비한정적인 예로는 LiBH4, KBH4, NH4BH4, (CH3) 4NH4BH4, NaAlH4, NH4BH4, KAlH4 , NaGaH4, LiGaH4, KGaH4 및 이들의 조합이 있다. 고체 형태의 착금속 수소화물은 이들이 물로부터 보호되는 한 보존 수명이 확장되고, 다양한 형태를 가질 수 있는데, 비한정적인 예로 과립, 분말 및 펠렛 형태를 가질 수 있다.
붕소수소화나트륨의 수소 발생용 연료 성분으로서의 용도는 특히 특정 용도에 바람직하다. 붕소수소화나트륨을 사용하여 생성된 수소 가스는 통상 탄소 함유 불순물이 없는 높은 순도이고 높은 습기를 갖는 것으로 밝혀졌다. 임의의 화학 수소화물의 가수분해에 의하여 생성된 수소는 유사한 특성을 가질 것이다. 그러나, 붕소수소화나트륨에 의하여 생성된 가스 스트림에서는 어떠한 일산화탄소도 검출되지 않았다. 대부분의 연료 전지, 특히 PEM 및 알칼리성 연료 전지들은 높은 품질의 수소 가스를 필요로 하고 일산화탄소가 촉매를 무력하게 하여 결국 연료 전지에서 오류를 일으킬 것이기 때문에 상기 사실은 매우 주목할 만하다. 탄화수소의 연료 재형성과 같은 수소를 발생시키는 다른 방법은 일산화탄소를 함유하는 수소 가스 스트림을 제공하고, 이어서 그 공정은 일산화탄소를 제거할 필요가 있다. 이산화탄소도 역시 수소 가스 스트림 내에 존재한다.
고체 연료 성분 디스펜서(102)는 제1 조절 신호를 받으면 미리 정해진 량의 고체 연료성분을 저장 탱크(101)로부터 챔버(103)에 제공한다. 디스펜서(102)는 예컨대 상기 고체 연료성분과 화학적으로 반응하지 않는 물질로 제조되며, 그 비한정적인 예로는 플라스틱, PVC 중합체 및 아세탈 또는 나일론 물질이 있다. 디스펜서(102)는 일단 작동하면 소정량의 고체 연료성분을 챔버(103)에 제공하는 미리정해진 동작을 제공하도록 조절되거나 다른 방법으로 고안될 수 있다. 상기 고체 연료 성분 디스펜서의 작동 조절은 다양한 배치, 예컨대 회전 카운터, 마이크로 스위치 및 광학 통로 암호기(optical shaft encoder)에 의하여 제공될 수 있다. 고체 연료 성분 디스펜서 자체도 역시 다양한 구조에 의하여 실행될 수 있다. 이들은 회전 실린더 또는 건 클립형(gun clip type)의 디스펜서를 포함한다. 고체 연료 성분 디스펜서의 다른 비한정적인 예로는 시판되는 아이리스(iris) 밸브, 공기 또는 스크류 공급 및 동등한 분말-투입 밸브가 있다.
유사하게, 액체 연료 성분 디스펜서(104)는 제1 조절 신호를 받으면 미리 정해진 량의 액체 연료 성분을 공급기(105)로부터 챔버(103)에 제공한다. 개시된 실시예에 있어서, 액체 연료성분은 물이다. 물과 함께 부동 용매와 같은 다른 액체 연료 성분도 역시 사용될 수 있다. 디스펜서(104)는 예컨대 종래의 스테인레스 강 솔레노이드 밸브이다. 스테인레스 강은 준비된 연료 용액이 수산화나트륨과 같은 안정화제를 포함하는 경우 바람직한 밸브 재료이다. 만약 안정화제가 투입되지 않는다면, 밸브 재료로서 놋쇠 또는 플리스틱이 사용될 수 있다.
제1 조절 신호를 받으면, 밸브 내의 솔레노이드를 에너지화함으로써 상기 밸브는 열린다. 디스펜서(104)는 예컨대 타이머에 의하여 조절된다. 상기 타이머는 밸브 내에 솔레노이드가 에너지화하기에 충분한 기간을 제공하여, 상기 밸브가 미리 정해진 양의 액체를 챔버(103)로 방출할 수 있도록 한다. 비제한적인 예로서 플로우 미터(flow meter), 플로우트 스위치(float switch) 또는 센서도 역시 액체 연료 성분 디스펜서를 조절하기 위하여 사용될 수 있다.
예시적으로, 디스펜서(102 및 104)용 타이머는 비한정적인 예로서 종래의 프로그램가능한 간격 타이머(interval timer)이다. 각 타이머는 각각 미리정해진 기간으로 프로그램되어 있어서, 제1 조절 신호가 받아지면 각각의 디스펜서가 미리정해진 기간 동안 각각의 미리 정해진 양을 투입하도록 한다. 상기 타이머는 고체 연료 성분과 액체 연료 성분을 동시에 투입하기 시작하도록 세팅된다. 어느 한 쪽의 타이머에 지연이 추가되어, 우선 상기 고체 연료 성분이 투입된 후 이어서 액체 연료 성분이 투입될 수 있고 그 반대로 투입될 수도 있다. 액체 성분 또는 기타 수분은 실온에서 비록 천천히 일어나기는 하지만 고체 연료 성분의 가수분해를 활성화하고 이에 의하여 상기 연료 성분의 수명을 단축하기 때문에, 이들은 저장 탱크(101)에 투입할 때부터 발생하지 않게 하는 것이 바람직하다.
액체 공급기(105)는 예컨대 공공 수도 시설 또는 사적 우물로부터 물을 연결하는 수로로 연결된다. 채워진 물 탱크가 우물로서 사용될 수 있다. 물의 빙점 이하의 온도에서, 물의 빙점을 낮추기 위해 에틸렌 글리콜과 같은 유기 용매를 상기 혼합 탱크에 첨가할 수 있다. 또한, 액체 공급기(105) 중의 물을 가열할 수도 있다.
어떤 용도에서는, 고체 형태의 수산화나트륨을 챔버(103)에 제공하기 위한 제3 디스펜서를 추가하기 위하여 시스템(100)을 변형할 수 있다. 이 변형은 도 1의 점선이다. 나타난 바와 같이, 디스펜서(150)은 소정의 측정된 양의 고체 형태의 안정화제, 예컨대 수산화나트륨을 저장 탱크(150)으로부터 챔버(103)까지 운반한다. 또한, 액체 형태의 안정화제를 디스펜서(104)를 통하여 액체 연료 성분과 함께 투입할 수 있다. 이러한 경우에, 디스펜서(104)는 디스펜서(102)에 의하여 제공된 고체 연료 성분의 양에 대하여 특정 농도의 수산화나트륨 수용액의 적당한 양을 챔버(103)에 제공할 것이다.
챔버(103)는 고체 및 액체 연료성분을 혼합하여 균질한 연료 용액, 즉 균질한 농도를 갖는 용액을 생성하는 하는 것이 바람직하다. 챔버(103)은 예컨대 레벨 스위치(120)가 구비되어 있을 수 있다. 레벨 스위치(120)는 예컨대 챔버(103) 내의 레벨 센서, 예컨대 플로우트(도시하지 않음)에 의하여 활성화된다. 혼합 용액의 레벨이 세팅 포인트 이하로 저하되었을 때 레벨 스위치(120)는 그 위치를 바꾸어 제1 조절 신호를 고체 연료 성분 디스펜서(102) 및 액체 연료 성분 디스펜서(104)에 연결하고 이에 의하여 이들을 활성화한다. 레벨 스위치(120)은 챔버(103)의 용액 레벨이 미리정해진 레벨에 도달했을 때 디스펜서(104)를 차단하는 또 하나의 세팅 포인트를 가질 수 있다. 또한, 디스펜서(104)는 단독으로 상기 디스펜서를 조절하는 플로우트 메카니즘(도시하지 않음)의 움직임에 의하여 조절될 수 있다.
연료 펌프(106)은 혼합 연료 용액을 촉매 챔버(107)에 펌프한다. 연료 펌프(106)은 예컨대 종래의 고안일 수 있고, 종래의 모터에 의하여 작동할 수 있다.
촉매 챔버(107)는 수소를 발생시키는 혼합 용매의 가수분해 반응을 활성화하는 수소 발생 촉매를 포함한다. 생성된 열은 약간의 물을 증발시킬 수 있고, 생성된 수소는 특정 습기를 갖는다. 그러나, 시스템(100)은 고체 및 액체 연료 성분의 혼합물의 pH 값이 13 이하인 경우 촉매 챔버를 포함할 필요가 없으나, 수소의 발생을 가속화하기 위하여 시스템(100) 내에 챔버가 추가되는 것이 종종 바람직하다. 상기 챔버의 고안 및 이 챔버 내의 촉매의 다양한 형태 및 배치는 잘 알려져 있다. 촉매 챔버(107)의 예시적인 실시 상태는 2000년 1월 7일에 제출되고 본 명세서에 참고로서 포함되는 미국 특허 출원 09/979,363호("A System for Hydrogen Generation")에 기재되어 있다. 바람직하게는, 촉매 챔버(107)도 역시 촉매에 대한 봉쇄 시스템(containment system)을 포함한다. 본 명세서에 있어서, 봉쇄 시스템은 반응된 혼합 용액으로부터 수소 발생 촉매를 분리하기 위하여 임의의 물리적, 화학적, 전기적 및/또는 자기(magnetic) 수단을 포함한다.
발생된 수소(수소 및 증기) 및 배출 용액은 분리기(108)로 흐른다. 수소 및 증기는 분리기(108)의 상부에 위치한 구멍로부터 분리기(108)를 빠져나간다. 반면 배출연료 용액은 중력에 의해 분리기(108)의 바닥부에 놓여진다. 종래 기술에 있어서, 배출용액은 통상 수집 및 처리를 위한 드레인 밸브(116)로부터 배수되거나 액체 연료 용액 또는 고체 연료 성분으로 다시 재활용된다.
분리기(108)는 종래 고안된 압력 스위치(121) 및 레벨 스위치(122)를 구비한다. 스위치(121)는 분리기(108) 내의 발생된 수소 압력이 미리정해진 세팅 포인트를 초과하였을 때 위치를 움직인다. 많은 용도에 있어서, 이 압력의 세팅 포인트는 제곱인치당 12와 15 파운드(p.s.i.) 사이이다. 물론, 용도에 따라 다른 세팅 포인트가 사용될 수 있다. 압력 스위치(121)의 조작은 연료 펌프(106)을 조절한다. 압력이 미리정해진 세팅 포인트를 초과하였을 때, 압력 스위치(121)는 챔버(103)로부터 촉매 챔버(107)까지 혼합 연료 용액의 흐름에 따라 펌프(106)를 돌린다. 펌프(106) 및 분리기(108)는 모두 체크 밸브(도시하지 않음)를 구비하여, 혼합 연료 용액, 수소 및 증기가 반대로 흐르지 않도록 한다. 상기 체크 밸브는 예컨대 혼합 연료, 수소 및 스팀 또는 수분 증기에의 노출에 적합한 놋쇠 또는 플라스틱 또는 기타 재료로 제조될 수 있다.
수소 및 증기는 수소의 상대 습도를 조절하기 위하여 열교환기(109)를 통과한다. 교환기(109)의 배출은 연료 전지와 같이 작동시 수소 가스를 소비하는 장치와 연결될 수 있다. 연료 전지는 실질적으로 무한한 크기와 형태를 가질 수 있다. 시스템(100)에 의한 수소의 발생은 "필요한 때"를 기본으로 하기 때문에, 이것은 바람직한 배치이다. 즉, 수소 가스의 양은 수소-소비 장치에 의하여 요구되는 트랙을 발생시킨다. 그러나, 열교환기(109)의 배치는 또한 수소 가스를 저장하는 탱크에 연결될 수 있다. 어떤 경우에 있어서, 착금속 수소화물의 실온(25 ℃)에서의 가수분해 반응은 통상 천천히 일어나기 때문에 챔버(103) 내의 혼합 용액은 즉시 사용될 필요가 없다. NaOH를 사용하는 경우 혼합 용액이 촉매 챔버(107)에 연결되기 전에 2일간 혼합 챔버(103) 내에 어떠한 관찰가능한 문제없이 머물수 있다는 것이 초기 테스트에서 관찰되었다.
레벨 스위치(122)는 드레인 밸브(116)을 조절한다. 레벨 스위치(122)는 분리기(108) 내의 플로우트(도시하지 않음)와 같은 레벨 센서에 의하여 활성화된다. 분리기(108) 내의 배출된 용액의 수준이 미리정해진 세팅 포인트를 초과하는 경우, 레벨 스위치(122)는 전환하고 그 반응에 의하여 드레인 밸브(116)가 열려 방출된 연료 용액을 방출 탱크(111)로 방출한다.
압력 및 레벨 스위치는 각각의 판독 결과를 조절기(controller)로 보내기 위한 센서로 대체될 수 있다. 이어서, 상기 조절기는 시스템(100) 내의 다양한 장치, 즉 디스펜서, 펌프, 밸브 등을 조절할 수 있다. 이 배치의 이점은 임의의 특정 장치를 활성화하는 판독 결과가 당업자들에게 공지된 사용자에게 편리한 경계면을 통하여 즉시 조절가능하다는 것이다.
액체 연료 성분의 투입된 양과 혼합되는 고체 연료 성분의 최대 중량%는 액체 연료 성분의 상기 양 중의 고체 연료 성분의 최대 용해도를 초과하지 않아야 한다. 예컨대, NaBH4, LiBH4 및 KBH4의 최대 용해도는 각각 35%, 7% 및 19%이다. 따라서, NaBH4에 대한 최대 중량%는 35% 이하이여야 한다. 하기 표는 예시적으로 상이한 미리정해진 농도(중량%)를 갖는 NaBH4의 3 종류의 혼합 용액과 관련한 NaBH4의 소정량(중량) 및 물의 부피를 나타낸다.
NaBH4의 혼합 용액의 농도(중량%) 고체 NaBH4의 중량(g) 물의 부피(mL)
10 100 900
20 200 800
30 300 700
시스템(100)이 혼합 용매가 중력에 의하여 촉매 챔버(107)로 운반되도록 배치되는 경우, 연료 펌프(106)은 밸브로 대체될 수 있다. 상기 밸브는 분리기(108)의 압력이 미리정해진 세팅 포인트를 초과하는 경우 폐쇄된다. 또한, 습도가 특정 용도에서 고려사항이 아닌 경우, 열교환기(109)도 생략될 수 있다.
시스템(100)의 서로 다른 부분은 동(brass) 튜브에 의해 연결될 수 있다. 스테인레스 또는 비반응성 플라스틱을 사용하는 것이 요구되지는 않는데, 혼합 연료용액 및 배출연료용액은 높은 pH 값을 갖지 않기 때문이다. 거의 대부분의 플라스틱 예를 들어 PVC 및 동, 구리 등의 다른 물질이 사용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, (i)배출연료를 수집하고 처분하고, (ii) 배출연료를 재활용하는 임의선택이 제공된다. 그러나, 이러한 조작들 중 어느 하나의 비용은, 배출연료의 부피 및 중량이 감소하면 실질적으로 감소된다. 이러한 이점은 배출연료의 액체성분을 실질적으로 감소시키는 방식으로 배출연료를 처리함으로써 얻어진다. 바람직하게는 이러한 처리는 배출연료가 분말형태가 되도록 하기 위해 모든 액체를 제거해야 한다. 이러한 분말은 연료가 붕소수소화나트륨일 때, 이의 수화된 형태와의 혼합형태인 나트륨 메타보레이트이다. 건조장치(160)을 통해서 배출연료로부터 제거된 액체는 액체 공급기(150)으로 되돌려질 수 있다. 이는 도관(170), (173) 및 (178), 응축기(171), 보유용기(172) 및 솔레노이드 조절밸브(177) 및 (179)에 의해 제공되는 경로로 도 1에 나타내었다. 시스템(100)이 저장탱크(151) 및 안정화제 디스펜서(150)의 사용을 포함할때, 경로(170)는, 챔버(103)내에 형성된 연료에 첨가된 안정화제의 양을 중화시키기 위해서 저장탱크(175)로부터 적합한 양의 산을 투입하는 산 디스펜서(174)를 추가로 포함한다. 분배되는 산의 양은 시행착오에 의해 또는 보유용기(172)내의 액체의 pH를 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다. 연료내에 안정화제가 없다면, 솔레노이드 조절밸브(177) 및 (179)와 함께 보유용기(172)는, 건조장치(160) 및 액체공급기(105) 사이의 경로로부터 제거될 수 있다.
개시된 실시예에서, 도관(170)은 배출연료에서 제거된 액체를 수취한다. 이러한 액체는 일반적으로 붕소수소화나트륨의 가수분해의 발열특성에 기인하여 증기의 형태이다. 실제로, 펌프(106)과 같은 펌프를 사용하여 압력이 가해지는 시스템에서는 배출연료는 이것이 대기압하에서라면 일반적으로 배출연료의 비점 이상의 온도에 있다. 도관(170)은 건조장치(160)에 의해 배출연료로부터 제거되는 증기와 건조장치를 응축기(171)에 연결한다. 이러한 증기는 응축기(171)에 의해 액체로 냉각된다. 시스템(100)이 안정화제를 사용하지 않는 때에는, 응축기(171)에서 형성된 액체는 액체공급기(105)로 직접 재연결된다. 안정화제가 연료내에 존재한다면, 적합한 양의 산을 첨가하여 액체내에 존재하는 잔여의 알칼리성 안정화제를 중화시킬 수 있다. 이러한 중화를 수행하는 구성요소는 건조장치(160)과 액체공급기(105) 사이의 경로에 위치하고 점선으로 표시된다.
나타낸 바와 같이, 안정화제를 연료에 첨가하면, 응축기(171)의 내용물은 도관(173)을 통하여 흐르고 개방된 솔레노이드 밸브(179)를 통하여 보유용기(172)로 유입된다. 이 시간 동안, 보유용기(172)의 출구에서의 솔레노이드 밸브(177)는 폐쇄된다. 보유용기(172)내에서의 액체의 레벨이 미리정해진 양에 도달하면 솔레노이드 밸브(179)를 폐쇄하는 플로우트 수단에 의한 조절 신호가 제공되고, 이로부터 짧은시간후에 산 디스펜서(174)가 저장탱크(175)로부터 보유용기(172)안으로 적합한 양의 산을 투입하도록 한다. 투입되는 산의 양은 보유용기(172)내의 액체의 알칼리성함량을 중화시키기에 충분한 양이다. 산의 이러한 양이 배출된 후, 보유용기 장치의 내용물은 다양한 교반 수단, 예를 들어 자석 교반기 등에 의해 교반될 수 있다. 이어서, 솔레노이드 밸브(177)를 열어서 보유용기(172)의 중화된 내용물을 도관(178)을 통하여 액체공급기(105)안으로 보낸다. 용기(172)의 내용물이 배출된 후, 솔레노이드 밸브(177)을 잠그고, 솔레노이드 밸브(179)를 열어서, 이러한 보유용기(172)의 내용물을 충전하고 중화시키는 공정을 되풀이한다.
이어서, 본 발명에 포함되는 수소 발생 시스템(200)을 설명하는 또 하나의 도 2를 참조한다. 시스템(200)은 사용되는 연료가 액체라는 것을 제외하고는 시스템(100)에서 설명한 것과 유사한 방식으로 수소를 발생한다. 따라서, 시스템(200)은 시스템(100)의 다수의 구성요소를 사용하고, 시스템(100)에서의 이들의 대응하는 부분과 동일한 참조번호를 갖는다. 시스템(200)은 다양한 방식으로 변화될 수 있는 액체연료를 사용하는 종류의 일반적인 수소 발생 시스템을 나타낸다. 특히, 시스템은 2001년 7월 6일 출원되고 현재의 양수인에 양도된 명칭 "휴대용 수소 발생기(Portable Hydrogen Generator)"의 미국특허출원번호 09/900625호에 개시된 수소발생시스템을 포함하고, 2001년 7월 11일 출원되어 현재의 양수인에 양도된 명칭 "차등 압력 구동 붕소수소화물 기초 발생기(Differential Pressure-Driven Borohydride Based Generator)"의 미국특허출원번호 09/902899호에 개시된 것을 포함한다. 이들 출원 모두 참조로서 본 명세서에 포함된다.
시스템(200)에서, 연료 디스펜서(202)는 저장 탱크(201)로부터 적합한 양의 연료를 챔버(103)으로 투입한다. 이러한 설명적 실시예에서, 연료는 붕소수소화나트륨이고, 투입 공정은 레벨 스위치(120)의 조작에 의한 "필요에 의한" 기초상에 이러한 연료를 제공한다. 스위치(120)는 챔버(103)내의 연료의 레벨이 미리정해진 레벨 아래로 떨어지는 때에 연료 디스펜서(103)를 작동시켜 연료를 투입한다. 물론 "1회" 분량의 연료가 요구되는 적용에서는 저장탱크(201) 및 디스펜서(202)는 사용되지 않을 수 있다.
챔버(103)내에서의 연료는 연료펌프(106)을 통해 촉매챔버(107)로 펌프된다. 이어서, 수소, 증기 및 배출연료는 분리기(108)로 연결되고, 여기에서 배출연료는 수소 및 증기로부터 분리되고, 상기 수소 및 증기는 열교환기(109)에 연결되고, 여기에서 증기는 제거된다. 열교환기(109)로부터의 발생물은, 시스템(100)에서와 같이, 수소연료전지 등, 즉 에너지원으로서 수소를 사용하는 임의의 장치에 제공된다.
분리기(108)에서의 배출연료는 배출연료의 액체 성분을 실질적으로 감소시키는 건조장치(160)에 제공된다. 시스템(200)은 시스템(100)에서와 같이 액체와 연료성분은 혼합하지 않기 때문에 배출연료로부터의 제거되는 액체의 재순환은 시스템(200)에서 나타나지 않는다. 그러나, 원한다면, 배출연료로부터 추출된 액체를 재순환시키는데 사용되는 동일한 구성성분이 시스템(200)의 건조장치(160)에 연결될 수 있다. 이러한 관점에서, 시스템(200)에서 사용되는 연료가 안정화제를 포함할 때, 환경적 이유 또는 다른 이유에서, 배출연료로부터 추출된 액체에서의 알칼리성 내용물을 화학적으로 중화시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 이는 시스템(100)에서 보여진 방식과 동일한 방식으로 수행될 수 있다.
건조장치(160)의 실시예를 보여주는 도 3을 참조한다. 상기 장치가 시스템(100) 또는 시스템(200)에서 사용되는 때, 분리기(108)는 제거되거나 수용용기(301)에 의해 대체된다. 따라서, 도 3에서 수용용기(301)로의 유입은 분리기(108)로부터이거나 직접 촉매챔버(107)로부터인 것으로 도시된다. 후자의 경우, 수용챔버(301)은 도 3에서 점선으로 표시된 열교환기(109)에 연결된 배출물을 포함한다. 수소기체의 수분함량을 감소시키는 것이 관련되지 않는때에는, 이러한 교환기의 사용은 제거될 수 있고, 도 3에서 나타낸 점선의 배출경로는 수소연료전지 등이나, 수소기체용 적합한 저장용기에 직접 연결될 수 있다.
어느 경우이든, 배출연료는 수용챔버(301)로 유입되고 미리 정해진 레벨에 도달할 때까지 축적된다. 이 시점에서, 레벨 스위치(313)의 조절하에 있는 솔레노이드 밸브(303)를 개방하여 배출연료를 실린더(304)로 유입시킨다. 가수분해반응의 발열특성 때문에 수용용기(301)내의 배출연료 용액 또는 슬러리의 온도가 상승된다는 것이 평가되어야 한다. 사실, 전형적으로 대기압에서는 이러한 용액 또는 슬러리의 끓는점 이상이 된다. 연료펌프(106)과 같은 펌프가 사용되는 때에, 시스템(100) 및 (200)에서의 압력은 대기압 이상이어서, 이것이 배출연료가 비등하는 것을 방지한다. 그러나, 도 3에 표시된 건조장치(160)의 실시예에 따르면, 제어되고 에너지 효율적인 방식으로 배출연료용액 또는 슬러리의 건조를 촉진하기 위해서 이러한 사실들이 이용된다.
도 3에서, 솔레노이드 밸브(303)가 개방되어 실린더(304)에 신호를 제공하여 피스톤(309)을 오른쪽으로 운동하도록 한다. 이는 배출연료 또는 슬러리를 실린더(304)안으로 흐르는 것을 촉진시킨다. 액츄에이터(actuator, 305)는 피스톤(309)의 운동을 조절한다. 액츄에이터(305)는 전기 및/또는 기체 또는 액체에 의해 구동되는 것을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다양한 수단중 임의의 것이다.
도 3에서, 실린더(304)가 충전된 후 액츄에이터(305)는 피스톤(306)을 왼쪽으로 구동하여, 압력하에서, 노즐(306)을 통하여 실린더 내용물의 모든 또는 미리정해진 부분에 힘을 가한다. 노즐(306)은 작은 구멍, 예를 들어 0.020 - 0.040 인치의 구멍을 갖고, 통과하는 배출유체는 바깥 방향으로 연장되는 미세한 분무로 분쇄되고, 건조용기(307)안으로 확장되는 패턴이다. 건조용기는 이의 전체길이가 노즐(306)으로부터 방사되는 분무(spray) 패턴을 수용할 수 있도록 배치된다. 용기(307)내에서의 압력이 대기압이기 때문에 용기(307)안으로 스프레이되는 액체의 미세 분무는 신속히 증발하여 출구(312)를 통하여 배출될 수 있다. 이것이 발생하면 이러한 분무내에서의 고체 함유물은 용기의 바닥에 퇴적된다. 이어서, 이러한 퇴적물은 용이하게 제거될 수 있다. 밸브(308)은 배출연료의 고체부분의 제거를 용이하게 한다.
노즐(306)의 성능은 구멍에 초음파 핀을 혼입함으로서 향상시킬 수 있다. 이러한 핀은 건조조작 동안에 진동하고 노즐 막힘과 같은 것을 감소시킨다. 이러한 노즐은 상업적으로 입수가능하다.
도 3의 실시예가 다수의 장점을 갖지만, 다른 건조수단이 사용될 수 있다. 이러한 수단은 회전통(tumbler), 건조기 및 침적 물질을 더 큰 표면적에 걸쳐 펼쳐서 증발 공정을 가속화시키는 펼침 또는 문질러 바르는 수단을 포함한다.
도 4는 본 발명에 따라 수행되는 조작의 일련의 과정을 나타낸다. 단계(401)에서 수소가 발생되는 연료가 제공된다. 이러한 연료는 시스템(200)에서와 같이 미리혼합된 액체이거나, 시스템(100)에서와 같이 고체연료성분 및 액체연료성분을 사용하여 형성될 수 있다. 어느 한 쪽의 경우에서든, 필요하면, 연료는 안정화제를 포함할 수 있다. 단계(402)에서, 수소가 발생된다. 이러한 발생은 촉매의 사용을 포함할 수 있거나, 시스템의 요구를 충족하기에 충분한 시스템내에서의 수소발생속도를 제공하지 않을 수 있고, 연료의 알칼리성 레벨은 높지 않아서 수소발생을 전혀 배제하지 못한다. 촉매가 사용된다면, 연료는 촉매상으로 펌프되거나 중력-투입 연료공급장치를 사용하여 제공될 수 있다. 단계(403)에서, 수소는 배출연료로부터 분리된다. 단계(404)에서 배출연료는 이의 액체 함유량을 실질적으로 감소하는 방식으로 처리된다. 필요하면, 제거된 액체는 재순환되고 수소 발생시스템에 의해 사용될 수 있다. 연료가 안정화제를 포함하면, 이러한 재순환은 추출된 액체의 알칼리성의 중화를 포함할 수 있다.
더욱 반응성 있는 화학 무수물(예를 들어 알루미늄 및 갈륨 무수물)을 위해서는, 수소를 발생하기 위한 촉매의 사용은 필요하지 않을 수 있다. 본 발명에 이러한 무수물을 이용하기 위해서는, 단순화된 "1-탱크" 시스템이 이용되어야한다. 고체(화학 무수물) 및 액체(물) 연료성분은 탱크(101) 및 (105)에 각각 저장되고, 이들의 미리정해진 양이 챔버(103) 대신에 챔버(301)에 직접 공급된다.(도 3에 도시되고, 건조장치(160)의 일부분임) 가수분해 반응에 의해 발생된 수소 및 증기는 챔버의 상부의 구멍을 통해 챔버로부터 배출된다. 배출연료 용액은 챔버의 바닥에 중력에 의해 침적되고 앞서 기술한 바와 같이 실린더(304)로 운반된다.
다음의 실시예들은 본 발명에 따라 수행된 여러가지 테스트의 결과를 제공한다.
실시예 1
상기 실시예에서, 수성 붕소수소화나트륨 연료(25중량% 붕소수소화나트륨 및 3중량% 수산화나트륨)을 촉매챔버(107)을 통해 펌프하였다. 시스템에서의 압력은 25 내지 45 p.s.i.에서 유지하였다.
열은 가하지 않았고, 모든 필요한 에너지는 방정식 1에 나타낸 발열 가수분해 반응으로부터 획득하였다. 대응하는 압력은 온도를 약 110℃로 유지하였다. 초가열된 용액이 제공되는 시스템을 스프레이-건조 노즐에 가압하여, 더욱 낮은 대기압에 노출될 때 배출연료의 미세 분무가 이미 끓는점 이상이 되도록 하였다.
연료를 16분내에 조합된 시스템을 통하여 펌프하였다. 증기를 배출하고 고체는 수집하였다. 증기는 약 510g이 발생되었고, 고체물질은 490g이 수집되었다.(물이 100% 제거된다면, 460g의 고체 나트륨메타보레이트 및 수산화나트륨이 수집될 것이다.) 회수된 물질의 pH는 14이었다.
잔여물은, 수화된 염의 전형적인 행동에서 냉각에 의해 고체화되는 액체로서 회수되었다.
실시예 2
본 실시예에서는 수성 붕소수소화나트륨 연료(25중량% 붕소수소화 나트륨)을 촉매 챔버를 통하여 펌프하였다. 시스템에서의 압력은 25 내지 45 p.s.i.에서 유지하였다.
테스트 목적으로 14분내에서 조합된 시스템을 통해 펌프하였다. 증기를 배출하고 고체를 수집하였다. 증기는 약 540g이 발생되었고, 고체물질은 460g이 수집되었다. 잔여물을 냉각에 의해 고체화하였다. 회수된 재료의 pH는 10.5이었다.
상기 설명은 당업자가 본 발명을 보다 더욱 명확하게 이해하고 실시할 수 있도록 하기 위해 제공되었다. 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안되며, 단지 본 발명의 여러가지 실시예를 설명하고 대표하는 것으로 간주되어야 한다. 본 발명의 다수의 변형 및 대체는 상기 기술의 관점에서 당업자에게 명확하다.

Claims (17)

  1. 화학반응을 통해 수소 및 배출연료용액(discharged fuel solution)을 발생하는 연료용액을 보유하는 챔버;
    상기 발생된 수소 및 상기 배출연료용액을 각각 수용하는 제1출구 및 제2출구; 및
    상기 배출연료용액을 수용하고, 그 안에 포함된 액체의 실질적인 양을 제거하는 구성요소를 포함하는 수소 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 챔버로부터 상기 연료용액를 수용하기 위한 촉매챔버를 더욱 포함하고, 상기 촉매는 수소 및 배출연료가 상기 연료용액으로부터 발생되는 속도를 향상시키는 수소 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 챔버로부터 상기 촉매챔버로 상기 연료용액을 펌프하기 위한 펌프를 더욱 포함하는 수소 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료용액은 고체 연료성분 및 액체연료 성분으로부터 형성되고, 상기 시스템은 미리 정해진 양의 고체 연료성분 및 액체 연료성분을 상기 챔버에 각각 제공하기 위한 고체 연료성분 디스펜서(dispenser) 및 액체 연료성분 디스펜서를 더욱 포함하고, 상기 각각의 디스펜서는 미리 정해진 조건에 따라 작동되는 수소 발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 미리 정해진 조건에 따라 상기 챔버로 일정 양의 안정화제(stabilizer)를 제공하는 안정화제 디스펜서를 더욱 포함하는 수소 발생 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 미리 정해진 조건에 따라 상기 연료용액의 미리 정해진 양을 상기 챔버로 제공하는 디스펜서를 포함하는 수소 발생 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 발생된 수소는 습기를 포함하고, 상기 시스템은 발생된 수소내에서의 습기를 감소시키기 위한 상기 제1의 출구에 연결된 장치를 더욱 포함하는 수소 발생 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구성요소는 상기 배출연료용액의 증발을 촉진하는 수소 발생 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 구성요소는 분무(spray)의 형태로서 상기 배출연료용액를 배출하는 노즐을 포함하는 수소 발생 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 노즐은 압력하에서 상기 배출연료용액을 수용하는 수소 발생 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배출연료용액은, 상기 배출연료용액을 실린더에 제공하고, 이어서, 상기 용액을 상기 실린더내에 배치된 피스톤의 운동에 의해 상기 노즐을 통해, 압력하에서 제공되는 수소 발생 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 노즐에 의해 제공되는 분무를 수용하는 용기를 더욱 포함하는 수소 발생 시스템.
  13. 수소를 또한 발생하는 연료용액의 화학반응에 의해 발생되는 배출연료용액의 사용을 위한 장치로서,
    상기 장치는 상기 배출연료용액을 수용하기 위한 입구; 및
    상기 배출연료용액의 액체의 실질적 함유량을 제거하기 위한 구성요소를 포함하는 배출연료용액의 사용을 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 구성요소는 미세 분무로서 상기 배출연료용액을 배출하기 위한 노즐을 포함하는 배출연료용액의 사용을 위한 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 장치는 압력하에 상기 노즐에 상기 배출연료용액을 공급하기 위한 장치를 더욱 포함하는 배출연료용액의 사용을 위한 장치.
  16. 연료용액의 화학반응에 의해 수소와 함께 발생되는 배출연료용액을 처리하는 방법으로서,
    상기 배출연료용액을 수용하는 단계; 및
    증발공정을 촉진하는 방식으로 상기 배출연료의 실질적인 액체함유량을 제거하는 단계;
    를 포함하는 배출연료용액의 처리 방법.
  17. 수소를 발생하는 방법으로서,
    배출연료와 함께 수소를 발생할 수 있는 연료용액을 제공하고, 상기 발생된 수소를 출구에 연결하는 단계; 및
    상기 배출연료용액를 수용하고, 상기 배출연료용액의 실질적인 액체 함유량을 제거하기 위해 이를 처리하고, 여기에서 상기 처리는 증발공정을 촉진시키는 것인 단계;
    를 포함하는 수소 발생 방법.
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