KR20050103489A - 수소 가스 생성 시스템 - Google Patents

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마이클 스트리즈키
리챠드 엠. 모링
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밀레니엄 셀 인코포레이티드
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Abstract

수소 가스를 생성하도록 반응하는 연료 물질을 저장하기 위한 체적 교환 하우징과, 수소 분리 챔버를 이용하는 수소 가스 생성 시스템이다. 본 시스템은 수고 가스는 통과시키면서도 수용액은 통과시키지 않는 가스 투과막을 포함한다. 본 시스템은 독립적인 방향성을 갖는다. 또한 수소 가스 생성 반응을 자체 제어하도록 트로틀 밸브가 사용된다.

Description

수소 가스 생성 시스템{Hydrogen Gas Generation System}
본 발명은 촉매를 이용하여, 보로하이드라이드(borohydride)와 같은 연료(fuel)로부터 수소 가스를 생성하는 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 연료 용액 및 배출물(discharged product)의 저장을 위한 체적-교환 시스템(volume-exchange system) 및 수소 필터 시스템을 구비한 수소 생성 시스템에 관한 것이다.
수소는 연료 전지 또는 연소 엔진과 같은 수소 사용 장치에서 산소와 반응하여 에너지와 물을 생성하기 때문에 "청정 연료"라고 한다. 연소 과정에서 실질적으로 다른 반응 부산물은 생성되지 않는다. 따라서 수소를 연료로 사용하게 되면 석유에 기초로 한 연료를 사용함으로 인한 많은 환경문제들을 효과적으로 해결할 수 있게 된다. 수소를 사용할 수 있는 많은 제품에서 수소 가스를 안전하고 효과적으로 저장하는 것은 필수적인 것이다. 특히, 이동형 제품에 있어서 수소 저장 시스템의 단순화, 부피와 무게의 최소화는 매우 중요한 요소이다.
PDA(Personal Data Assistants), 휴대전화 및 노트북 컴퓨터 등과 같은 많은 인기 있는 소비 전자제품을 포함한 이동식 전자 기기에 있어서 배터리 대용으로서 연료 전지를 발전시키는 것은 편리하고 안전한 수소원(hydrogen source)을 찾는 데에 달려있다. 수소의 공급, 저장 및 이송(delivery)을 위한 소형 시스템을 개발하는 기술은 아직 연료 전지에서 달성한 소형화의 성과에 부합하지 못하고 있다.
소형 제품용 수소 연료 전지는 더 콤팩트하고 가벼워질 필요가 있으며, 높은 중량(gravimetric) 수소 저장 밀도를 가지며 어떠한 방향에서도 작동될 수 있어야 한다. 또한 연료 전지의 작동 조건에 맞추어 시스템의 수소 유량(flow rate) 및 압력을 조절할 수 있어야 한다.
압축 수소, 유체 수소, 수소화된 금속 합금, 및 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 포함하여 현재의 수소 저장 형태(option)들은 소형 소비 제품에 사용하기에 복잡한 특성을 가지고 있다. 예를 들어 압축 수소와 유체 수소는 무거운 탱크와, 저장 및 배출용 조절기(regulator)를 필요로 하며, 금속 수소화물은 그들이 저장하고 있는 수소를 방출하기 위하여 추가적인 열이 필요하고, 카본 나노튜브는 지속적으로 가압되어야만 한다.
수소의 저장 및 생성을 위한 대안으로서, 알칼리 금속 수소화물, 알칼리 금속 알루미늄 수소화물, 알칼리 금속 보로하이드라이드와 같은 화학적 수소화물로 알려진 화합물류가 제시되고 있다. 수소 가스의 생성을 위하여, 일반적으로 소듐 보로하이드라이드(NaBH4)를 포함한 많은 복합 금속 수소화물의 가수분해 반응이 사용되어 왔다.
지속적이고 안정적인 수소의 공급이 요구되는 제품들에 있어서는, 촉매와 하이드라이드 연료(hydride fuel)의 접촉을 조절하는 수소 생성 장치를 구성하는 것이 가능하다. 이러한 수소 생성 장치는 통상적으로 2-탱크 시스템을 사용하는데, 하나의 탱크는 연료를 위한 것이고 또다른 하나의 탱크는 배출물을 위한 것이다. 수소 생성 반응은, 금속 촉매를 수용하고 있으며 상기 두개의 탱크를 연결하는 제3의 챔버에서 일어난다. 그러나 이러한 2-탱크 구조는 일반적으로 방향적으로 독립적이지 못하거나 또는 소형화를 위하여 수정할 수도 없다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 가스 생성 시스템의 배치 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소 가스 생성 시스템의 또다른 실시예의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수소 가스 생성 시스템의 또다른 실시예의 구조를 보여주는 개략도이다.
본 발명은 연료 용액과 배출물의 저장을 위한 체적-교환 탱크와 결합되어 있으며 수소 필터 시스템을 포함하고 있는 이동형 수소 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 본 발명의 장치는 독립적인 방향성(orientation)을 가지고 있으며 콤팩트하다. 또한 이러한 본 발명의 수소 생성 장치는, 생성 장치로 하여금 연료 흐름 및 수소 생성의 자체 조절이 가능하도록 하는 트로틀 밸브(throttle valve)를 사용할 수 있다.
"차동 압력 구동 보로하이드라이드 기반 생성기"라는 제목으로 본 출원인이 2001. 7. 11. 에 출원하여 본 출원의 명세서에서 참조하는 미국 특허출원 제09/902,900호에서는, 단일 체적 교환 탱크가, 활성 연료 챔버로의 공급을 위한 연료 저장소의 일부로서 수소 생성 장치와 결합되어 있다. 연료는 연료 구역으로부터 소비되고 붕산염 용액(borate solution)은 붕산염 용액 구역으로 귀환될 때, 가동 격벽(movable partition)이 슬라이드되어 원래는 연료에 의하여 채워져 있던 공간이 붕산염 용액으로 채워지게 된다. 이것은 연료와 붕산염 용액 모두를 저장하기 위하여 필요한 전체적인 체적을 줄이는데 유리하다. 화학적 수소화물의 가수분해 반응은 발열반응이기 때문에, 붕산염 용액은 일반적으로 연료 용액보다 더 높은 온도에서 배출되고, 가동 격벽은 두 구역간의 열 교환을 방지하기 위한 단열재로서 설계된다. 그러나 이러한 설계에 있어서 방향성에 대하여 독립적인 작용을 제공하지 못한다.
개시된 시스템의 금속 수소화물 연료 성분은 수용성이고 수용액에서 안정한 복합 금속 수소화물이다. 적절한 금속 수소화물로는 M이 리튬(lithium), 소듐(sodium), 포타슘(potassoum), 칼슘(calcuim) 및 마그네슘(magensium)과 같이 주기율표의 1족(Group 1) 또는 2족(Group 2)에서 선택되는 알칼리 또는 알칼리토금속인 일반식 MBH4를 가지는 것을 예로 들 수 있다. 이러한 화합물의 예로는 NaBH4, LiBH4, KBH4, Ca(BH4)2 및 Mg(BH4)2를 들 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 금속 수소화물은 혼합하여 사용될 수 있지만 개별적으로 사용하는 것이 더 바람직하다. 본 발명에 따른 시스템에 있어서는 소듐 보로하이드라이드(NaBH4)가 바람직하다. 소듐 보로하이드라이드는 실질적으로 아무런 반응을 일으키지 않으면서 알칼리성 수용액에 용해될 수 있으며 SBH 연료 수용액은 비휘발성이고 불연성이다. 이러한 성질로 인하여 수소 생성 장치 그 자체에 있어서 그리고 벌크의 측면에서 취급과 운송이 용이하게 된다.
보로하이드라이드 화합물은 다음과 같은 반응식 1에 따라 물과 반응하여 수소 가스와 붕산염을 생성하게 된다.
여기서 MBH4와 MBO2는 각각 금속 보로하이드라이드와 금속 메타붕산염(metaborate)을 나타낸다. 금속 보로하이드라이드의 수소 가스 및 금속 메타붕산염으로의 분해율(decomposition rate)은 pH에 좌우되며, pH 값이 높을수록 가수분해가 방해된다. 따라서 소듐 보로하이드라이드와 같이, 수소 가스를 생성시키는 연료로서 사용되는 복합 금속 수소화물 수용액에는 일반적으로 수산화나트륨(NaOH)과 같은 안정화제(stabilizer)가 첨가된다.
상온에서 소듐 보로하이드라이드의 가수분해는 일반적으로 느리게 일어나므로, 열 또는 촉매, 즉 산 또는 다양한 전이 금속(transition metal)이 가수분해 반응의 촉진을 위하여 사용될 수 있다. 니켈, 코발트 및 철 족(iron families)로부터의 전이 금속은 일반적으로 매우 높은 활성을 보이며, 금속 또는 대응 금속 염, 또는 금속 보라이드(borides)가 용액 중에 또는 현탁액(suspensions)으로서 사용될 수 있으며 또는 이와 같은 염, 보라이드 또는 금속은 불활성 기재상에 지지될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는, 고체 금속 또는 금속 보라이드이거나 기재상에 놓여진(deposited) 형태로서의 고체 촉매가 촉매 챔버내에 담겨져 있다.
이러한 안정화된 금속 하이드라이드 용액으로부터 수소를 생성하는 과정은 "수소 생성 시스템"이라는 제목으로 2000. 1. 7. 에 출원된 미국 특허출원 제09/979,362호에 개시되어 있는데, 상기 미국 특허출원의 내용은 본 명세서에 참고자료로 포함된다.
수소 생성 과정의 결과물에는 수소 가스, 붕산염, 물 및 기타 물질이 포함되어 있다. 시스템의 용도, 그리고 본 발명의 목적에서 벗어나지 아니한 범위 내에서 사용되는 금속 하이드라이드 용액에 따라서 시스템의 작동 온도와 압력뿐만 아니라 규격과 크기, 형상도 수정될 수 있다.
본 발명에서는 수소 분리 챔버와 연료 저장 챔버를 구비한 하우징을 구비한 수소 가스 생성 시스템이 제공되는데, 상기 두 챔버에는 수소 가스를 투과시키는 가스 투과막이 구비되어 있다. 본 발명의 또다른 특징에 따르면, 연료 저장 챔버와 수소 분리 챔버를 가진 체적-교환 용기가 존재하게 되는데, 상기 두 챔버에는 가스 투과막이 구비되어 있다. 본 발명의 또다른 특징에 따르면 연료 물질을 담기 위한 연료 콘테이너가 구비되는데 상기 연료 물질로부터 수소 가스를 분리시키기 위한 가스 투과막이 위치하게 된다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 수소 가스 생성 시스템은 본 발명의 목적을 수행하기에 필요한 만큼 비교적 견고한 재료로 이루어진 하우징(10)을 구비하고 있다. 가요성 격벽(flexible partition)(16)에 의하여 구분되어 있는 연료 저장 챔버(12)와 수소 분리 챔버(14)가 상기 하우징(10) 내에 형성되어 있다. 수소 가스를 생성하도록 반응하고 수소화물 용액이며 소듐 보로하이드라드와 같이 안정화된 금속 수소화물 용액으로 이루어질 수 있는 연료 용액이 통상 상기 연료 저장 챔버(12)에 담겨진다.
상기 가요성 격벽(16)은, 본래 탄성을 가지며 상기 연료 저장 챔버(12) 내의 연료 용액에 대한 압력을 유지할 수 있는 리본 스프링이나, 가요성 플라스틱 또는 유사한 재료의 성형품으로 구성될 수 있다. 상기 연료 저장 챔버(12)가 연료 용액으로 가득 채워지게 되면 상기 가요성 격벽(16)은 높은 에너지의 "팽창" 상태로 팽창하게 된다. 연료 용액이 비워지게 됨에 따라 상기 가요성 격벽(16)이 수축하게 되면 상기 가요성 격벽(16)은 낮은 에너지의 "원래"상태로 회복되며, 연료 용액을 가압하여 연료 용액을 상기 연료 저장 챔버(12)로부터 연료관(18)으로 강제 배출시킨다.
상기 연료관(18)은 상기 연료 저장 챔버(12)로부터의 연료를 촉매 챔버(22)의 입구(20)로 흐르게 하는데, 수소 가스를 생성하도록 연료 용액의 반응을 촉진하는 촉매가 상기 촉매 챔버(22)에 담겨져 있다. 본 실시예에서 사용되는 촉매는 본 출원을 위하여 유용하다고 알려진 다양한 촉매로 구성될 수 있으며 "수소 생성 시스템"이라는 제목의 국제출원 공보 제WO 01/51410호에 개시된 바와 같이 제조된 금속 메쉬 상에 침착된 루테늄 금속(ruthenium metal)일 수도 있다.
반응의 결과로서, 간단하게 배출 연료라고 부르게 되는 붕산염과 물, 그리고 기타 물질의 형성과 함께 수소 가스가 생성된다. 수소의 생성과 함께 만들어지는 상기 배출 연료는 출구(24)를 통하여 상기 촉매 챔버(22)로부터 배출되어 배출관(26)을 따라 흘러가게 되고, 상기 배출 연료와 수소는 상기 수소 분리 챔버(14)로 들어가게 된다. 상기 수소 분리 챔버(14) 내에서 수소 가스는 배출 연료로부터 분리되어 상기 수소 분리 챔버(14)로부터 배출되도록 상부로 올라가게 되고 수소 가스 배출구(28)를 통하여 배출되고 모아져서 수소 가스로부터 에너지를 얻어내는 최종 소비 장치로 가게 된다.
상기 연료 저장 챔버(14)로부터 상기 촉매 챔버(22)로의 연료 용액 흐름을 차단하거나 또는 제어하고 수소 가스 생산을 수동으로 또는 자동으로 조절하기 위하여 상기 연료관(18)에는 연료 차단 밸브(30)가 구비될 수 있다.
또한 상기 연료 저장 챔버(12)의 상부 영역에는 연료 용액은 투과시키지 않으면서도 수소 가스는 통과시키는 제1 가스 투과막(32)이 구비될 수 있다. 상기 적절한 가스 투과막의 예로는, 실리콘 러버(silicon rubber), 플루오르폴리머(fluoropolymer), 또는 팔라듐-금(palladium-gold) 합금과 같은 다른 일반적인 수소-투과성 금속막 처럼 물보다는 수소에 대하여 더 투과성이 좋은 공지의 재료가 있다.
연료 용액 내에서 자연 발생적으로 생성되며 다른 한편으로는 연료 용액의 반응으로 인하여 연료 저장 챔버(12) 내에서 남아 있거나 존재하는 수소 가스는 제1 가스 투과막(32)을 통하여 공간(34)으로 들어가게 되는데, 여기서 수소 가스는 배출관(36)을 통하여 추출되거나 및/또는 상기 가요성 격벽(16) 내의 또는 그 주위의 공극이나 다른 구멍을 통하여 지나가서 상기 수소 분리 챔버(14)로 들어가고 계속하여 상부로 전진하여, 상기 촉매 챔버(22)에서 일어나는 반응에 의한 연료 용액의 반응에 의하여 생성되어 배출관(26)을 통하여 상기 수소 분리 챔버(14)로 들어오는 수소 가스와 함께 상기 수소 분리 챔버(14)로부터 배출된다.
상기 수소 분리 챔버(14) 내에는 제2 가스 투과막(33)이 존재할 수도 있는데, 상기 제2 가스 투과막(33)은 상기 수소 분리 챔버(14) 내에서 수소가 투과하여 수소 가스 배출구(28)로 배출되도록 하면서도 배출 연료가 배출되는 것을 방지하여 배출 연료가 상기 수소 분리 챔버(14) 내에 남아 있도록 함으로써, 수소 가스가 최종 소비 장치에서 사용될 수 있도록 수소 가스 배출구(28)로 가도록 한다.
상기 기체상태의 수소는 상기 수소 분리 챔버(14) 내의 중력에 의하여 상기 배출 연료로부터 분리되며, 상기 기체상태의 수소는 노트북 컴퓨터 또는 휴대전화의 연료 전지와 같은 최종 소비 장치의 에너지 공급을 위하여 사용되도록 상기 제2 가스 투과막(33) 및 수소 가스 배출구(28)를 통하여 상기 수소 가스 분리 챔버(14)로부터 배출된다.
이와 같이, 수소 가스 생성 시스템의 작동에 있어서, 상기 가요성 격벽(16)은 상기 연료 저장 챔버(12) 사이에서 힘을 가함으로써, 상기 연료 용액이 상기 촉매 챔버(22)를 통과하도록 강제하여 수소 가스와 배출 연료를 생성하는 반응이 시작되도록 한다. 상기 배출 연료는 상기 수소 분리 챔버(14)로 들어가고, 상기 배출 연료는 상기 가요성 격벽(16)에 무게를 더하게 되어 상기 연료 용액을 상기 연료 저장 챔버(12)로부터 외부방향으로 가압하고 상기 촉매 챔버(22)를 통하여 수소 가스의 생성이 계속되도록 한다.
도 2에 도시된 본 발명의 또다른 실시예에서 상기 하우징(10)도 연료 저장 챔버(12)와 수소 분리 챔버(14)를 가지도록 구성되어 있다. 도 2의 실시예에서 상기 연료 저장 챔버(12)와 수소 분리 챔버(14) 사이에는 상기 하우징(10)내에서 이동가능하게 위치하는 가동 격벽(movable partition)(38)이 배치되어 있다. 상기 연료 저장 챔버(12)내에는, 나일론과 같은 플라스틱 재료로 이루어진 제1 가요성 백(flexible bag)(40)이 구비되어 있는데, 상기 제1 가요성 백(40)에 담겨진 연료 용액은 출구(42)를 통하여 배출되어 연료관(18)을 통하여, 반응이 일어나는 촉매 챔버(22)로 들어가고, 배출 연료는 수소 가스와 함께 배출관(26)을 따라 흘러가서 제2 가요성 백(46)의 입구(44)로 들어가게 된다. 상기 제2 가요성 백(46) 역시 나일론과 같은 플라스틱 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 가요성 백(40, 46) 각각의 벽에는, 제1 및 제2 가스 투과막 윈도우(48, 50)가 구비되어 있으므로, 수소는 쉽게 상술한 방법으로 상술한 목적을 위하여 상기 제1 및 제2 가요성 백(40, 46)을 통과할 수 있다.
도 2에 도시된 실시예의 또다른 특징으로서, 제1 가요성 백(40)에 압력을 생성하고 유지하여 제1 가요성 백(40) 내의 연료 용액이 배출되어 연료관(18)을 통하여 촉매 챔버(22)로 들어가서 가스 생성 시스템의 작동이 일어나도록 하기 위하여 상기 가동 격벽(38)은 상기 제1 가요성 백(40) 방향으로 편향(bias)되어 있다. 위와 같은 상기 제1 가요성 백 방향으로의 편향은 도 2에 도시된 것처럼 하우징(10)과 가동 격벽(38) 사이에 위치한 스프링(52)에 의하여 만들어 질 수 있는데, 상기 스프링(52)은 상기 가동 격벽(38)에 편향을 만들게 된다. 본 발명에 있어서, 상기 제1 가요성 백(40) 밖으로 연료 용액을 밀어내어 가스 생성 시스템이 작동할 수 있도록 상기 제1 가요성 백(40) 방향으로 상기 가동 격벽(38)을 편향시키기 위하여 다른 수단이 사용될 수 있다.
다시 제1 및 제2 가스 투과막 윈도우(48, 50)로 돌아가면, 상기 제1 가스 투과막 윈도우(48)는 연료 용액을 담고 있는 상기 제1 가요성 백(40)의 벽에 형성되며, 설명한 바와 같이 상기 제1 가요성 백(40) 내의 연료 용액의 존재로 인하여 자연 발생적으로 발생되는 상당량의 방출 가스 형태의 수소가 생성되며, 그에 따라 방출 가스 형태의 수소는 상기 제1 가스 투과막 윈도우(48)를 통하여 제1 가요성 백(40)을 벗어나서, 가요성 격벽(16)과 상기 가스 투과막(32) 사이의 공간(34)으로 들어간다. 후속하여 상기 방출 가스 형태의 수소는 상기 가동 격벽(38) 내의 또는 그 주위의 구멍을 통과하여 상기 수소 가스 배출구(28)를 통해 외부로 나가게 되거나 또는 선택적으로 특별한 최종 소비 장치에 에너지를 공급하기 위하여 사용되도록 별도의 배출관(36)을 통하여 배출된다.
유사한 방법으로, 제2 가요성 백(46)의 벽에 형성된 제2 가스 투과막 윈도우(50)는 촉매 챔버(22)에서 발생되는 작용에 의하여 생성된 수소가 상기 제2 가요성 백(46)의 벽을 통과할 수 있도록 하여, 상기 수소 가스가 수소 가스 배출구(28)를 통과하여 최종 소비 장치에 에너지를 공급하기 위하여 사용되도록 하우징(10)을 벗어나게 된다.
도 2에 도시된 실시예의 작동에 있어서, 스프링(52)의 편향은 가동 격벽(38)을 상기 제1 가요성 백(40) 방향으로 누르게 하며, 그에 따라 연료 용액이 제1 가요성 백(40)으로부터 배출되어 연료관(18)을 통해 촉매 챔버(22)로 들어가서 연료 용액을 반응시켜 수소 가스를 생성시키고, 궁극적으로는 수소 가스 배출구(28)를 통하여 하우징(10)으로부터 배출되도록 한다. 도 2에서 상기 편향은 스프링(52)에 의하여 생기게 되지만, 상기 가동 격벽(38)은 스프링 가압판, 가스 충전 피스톤 또는 와이퍼 스프링 등과 같이 연료 용액을 압축하도록 힘을 가하는 어떠한 수단에 의해서도 눌려질 수 있다. 제2 가요성 백(46)은 배출 용액(배출 연료)으로 채워져 있으므로, 추가적인 연료가 촉매 챔버(22)로 들어갈 수 있도록, 소정 방향으로 상기 가동 격벽(38)에 추가적인 압력이 가해질 수도 있다.
예를 들면, 도 2의 수소 가스 생성 시스템은 수소 가스 배출 밸브가 맞추어진 플라스틱 가스 밀봉 박스로 구성되어 실험 테스트될 수 있다. 수소 가스 배출구(28)는 24 와트(watt) 로드(load)를 가진 50 와트 연료 전지에 연결된다. 시험을 시작하기 위하여, 비어 있는 백 즉, 플루오르폴리머 막을 가진 나이론 및 폴리프로필렌(polypropylene) 층으로 이루어진 제2 가요성 백(46)을 수소 분리 챔버(14) 내에 위치시키고, 상기 하우징(10)의 벽을 통하여 연장되어 있으며 상기 제2 가요성 백(46)을 상기 촉매 챔버(22)로부터의 배출관(26)에 연결시키는 격벽 고정구(bulkhead fitting)와 연결한다.
또다른 백, 즉 제1 가요성 백(40)을 소듐 보로하이드라이드 수용액으로 채워서 하우징(10) 내에 위치시켜 연료 저장 챔버(14)의 대부분을 차지하도록 하고, 스프링이 설치된 가동 격벽(38)을 가압하도록 한다. 이와 같은 가압에 의하여 제1 가요성 백(40)에 일정한 압력이 발생하게 되고, 그에 따라 연료가 출구(42)를 통해 흘러나가게 된다. 상기 제1 가요성 백(40)에는, 하우징(10)의 외측에 위치하여 촉매 챔버(22)의 입구 방향으로 체크 밸브, 볼 밸브, 솔레노이드 밸브 및 니들 밸브와 같은 다수개의 밸브가 연결되어 있다. 상기 스프링이 설치된 가동 격벽(38)은 제1 가요성 백(40)에 대한 가압력을 유지하게 된다.
연료 차단 밸브(30)가 개방되어 연료는 제1 가요성 백(40)으로부터 촉매 챔버(22)로 흘러가서 수소, 그리고 물과 소듐 붕산염 혼합물을 생성하게 된다. 상기 연료 차단 밸브(30)는 수동으로 동작되거나 또는 DC 전원 모듈에 의하여 동작될 수 있다. 붕산염과 수소는 촉매 챔버(22)로부터 배출되어 비어 있는 제2 가요성 백(46)으로 들어간다. 액체 상태의 물과 붕산염을 제외하고 수소 가스만이 제2 가스 투과막 윈도우(50)를 지나가서 하우징(10)의 내부로 들어가게 되며, 액체 상태의 물과 붕산염은 제2 가요성 백(46)에 남겨진다. 상기 제2 가스 투과막 윈도우(50)는 큰 고체 입자가 연료 전지에 닿게 되는 것을 방지하여 이러한 입자들이 제2 가요성 백(46) 내에 남아 있도록 한다.
과도 압력 상태를 방지하기 위하여 하우징 내의 수소 가스 조절을 목적으로 압력 스위치가 사용된다. 압력이 소정의 한계에 이르게 되면 솔레노이드 밸브가 작동하여 연료가 촉매 챔버(22)로 흐르는 것을 차단하여 수소의 생성을 중지시킨다. 하우징(10)으로부터 수소가 제거되면 상기 솔레노이드 밸브는 다시 작동을 시작하여 연료가 흐르도록 하여 수소의 생성이 계속되도록 한다. 수소 가스 생성 장치는 약 2 내지 5 psi 사이의 수소 압력과 허용가능한 하중을 유지한다.
도 3에는 본 발명의 또다른 실시예가 도시되어 있는데, 이 실시예에서는 촉매 챔버(22) 내에서 수행되는 반응을 조절하기 위하여 연료관(18)에 트로틀 밸브(54)가 구비되어 있다.
도 2에 도시된 실시예처럼, 하우징(10)은 가동 격벽(38)에 의하여 구분되어 있는 연료 저장 챔버(12)와 수소 분리 챔버(14)로 이루어져 있다. 스프링(52)에 의하여 상기 가동 분리 부재(38)는 가압되어 연료 용액이 연료관(18)을 따라 흐르게 하며 후속하여 수소 가스가 생성되는 촉매 챔버(22)로 흐르게 되고, 배출 연료와 함께 수소 가스는 배출관(26)을 거쳐 제2 가요성 백(46)의 내부로 들어가게 되며, 그곳에서 수소 가스가 중력에 의하여 분리되어 수소 가스 배출구(28)를 통하여 압력 조절관(56)으로 흐르게 된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 트로틀 밸브(54)는, 제1 가요성 백(40)으로부터 촉매 챔버(22)로의 연료 용액의 흐름을 제어함으로써 상기 촉매 챔버(22) 내에서 일어나는 반응을 제어하게 되는데, 상기 트로틀 밸브(54)는 통과로(58)를 가진 밸브 본체(56)를 구비하고 있다. 연료는 연료관(18)으로 흘러 상기 통과로(58)를 지나게 되는데, 상기 통과로(58)의 단면적을 조절함으로써 촉매 챔버(22)에 도달하게 되는 연료 용액의 흐름을 제어하게 되고, 그에 따라 촉매 챔버(22)에서 일어나는 반응을 제어할 수 있게 된다.
상기 통과로(58)로 들어가는 테어퍼진 진출 엣지(tapered leading edge)(62)를 가진 밸브 작동기(60)가 구비되어 있어, 상기 통과로(58)에 대한 밸브 작동기(60)의 이동에 의하여 다양한 오리피스(orifice)를 형성함으로써 통과로(58)를 지나 흐르는 연료 용액의 흐름을 제어할 수 있게 된다. 상기 밸브 작동기(60)의 이동은 압력 챔버(66)와 다이아프램(64)에 의하여 순차적으로 제어되는데, 압력의 변화를 통해 밸브 작동기(60)의 이동을 만들어낸다. 트로틀 밸브(54)에 민감성을 부여하기 위하여 스프링(67)이 구비될 수도 있다.
압력 챔버(66) 내의 압력은, 수소 가스 배출구(28) 외부로 흘러가서 수소 도관(68)을 지나가는 수소에 의하여 만들어진다. 도 3에 도시되어 있는 것처럼, 수소 도관(68)은 압력 챔버(66)와 연통되어 있고, 후방 압력 제어 밸브(70)가 상기 압력 챔버(66)의 하류 방향에 구비되어 있다.
다음에서는 촉매 챔버(22) 내에서 일어나는 반응을 제어하기 위한 트로틀 밸브(54)의 작동을 설명한다. 제1 가요성 백(40) 내의 압력에 의하여 촉매 챔버(22)로 주입된 연료 용액에 의하여 반응이 시작되면, 수소 가스가 생성되어 수소 가스 배출구(28)를 통하여 외부로 나가게 되고 수소 도관(68)을 통하여 궁극적으로는 하류방향 수소 배출구(72)를 지나가게 된다.
수소 가스가 압력 챔버(66)를 지나갈 때, 후방 압력 제어 밸브(70)에 의하여 상기 압력 챔버(66) 내의 압력이 형성되고 제어되고, 밸브 작동기(60)의 위치는 수소 도관(68)을 지나가는 수소에 의하여 제어된다. 따라서 촉매 챔버(22) 내에서 일어나는 반응은 자체적으로 조절되는데, 즉 반응이 진행됨에 따라 추가적인 수소가 생성되고 수소 도관(68)을 지나가는 수소가 증가하게 됨에 따라 수소 챔버(압력 챔버)(66)의 압력이 증가하게 되어 밸브 작동기(60)의 진출 엣지(62)가 힘을 받아 통과로(58)로 더 막게 되거나 또는 오리피스를 좁히게 되고, 그에 따라 연료 용액의 흐름이 감소하여 연료 용액에 의한 촉매 챔버(22)에서의 반응이 느려지게 된다. 결과적으로 생성되는 수소의 양이 줄어들게 된다. 촉매 챔버(22) 내에서의 반응이 느려짐에 따라 동일한 조절과정이 진행되는데, 수소의 생성이 감소하면서 통과로(58)의 유효 면적이 증가하게 되고, 그에 따라 연료 용액의 흐름이 증가되고 촉매 챔버(22) 내에서의 반응도 증가하게 된다.
이와 같이 촉매 챔버(22) 내에서의 반응은, 후방 압력 밸브(70)에 의한 압력으로 변환되는 생성된 수소의 흐름 조절에 의하여 만들어지는 반응과 트로틀 밸브(54)를 사용함으로써 조절할 수 있게 된다.
이상에서는 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 특허청구범위에 따른 본 발명의 사상 및 범위내에서 자유로운 변형 실시가 가능하다. 예를 들어, 투과막(32, 33, 48, 50)들이 가스 투과성을 가지고 있어 수소 가스를 연료 물질 또는 배출 연료와 구분하는 것으로 설명하였다. 수소 가스를 투과하는 성질을 가진 많은 막 재료들이 또한 소수성(hydrophobic)이다. 특정 실시예에서는, 상기 막들이 가스 투과성에 더하여 소수성을 더 갖는 것이 바람직하다.

Claims (26)

  1. (a) 수소 분리 챔버와 연료 저장 챔버를 가지고 있으며, 상기 수소 분리 챔버를 상기 연료 저장 챔버로부터 구분하기 위한 격벽을 가지고 있고, 상기 연료 저장 챔버에는 수소 가스를 생성하는 반응을 일으키는 연료 물질이 담겨져 있는 하우징;
    (b) 상기 연료 물질의 반응을 촉진하는 촉매를 담고 있어 수소와 배출 연료 물질을 생성하는 촉매 챔버;
    (c) 상기 연료 저장 챔버로부터의 연료 물질을 상기 촉매 챔버로 전송하는 연료관과; 상기 촉매 챔버로부터의 배출 연료를 상기 수소 분리 챔버로 전송하는 배출관;
    (d) 상기 수소 분리 챔버로부터 수소를 배출시키기 위하여 상기 하우징에 형성된 수소 가스 배출구; 및
    (e) 상기 연료 저장 챔버 또는 상기 수소 분리 챔버내에 설치되어 수소 가스는 통과시키면서도 수용액은 통과시키지 아니하는 가스 투과막;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    수소 가스는 통과시켜 수소 가스 배출구로 가도록 하면서도 배출 연료는 통과시키지 않는 가스 투과막이 상기 수소 분리 챔버내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    수소 가스는 통과시키면서도 연료 물질은 통과시키지 않는 가스 투과막이 상기 연료 저장 챔버내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    수소 가스는 통과시키면서도 수용액은 통과시키지 않는 가스 투과막이 상기 연료 저장 챔버와 상기 수소 분리 챔버 모두에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽은 가용성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 격벽의 가요성 재료는 상기 연료 저장 챔버에 담겨진 반응 물질에 압력을 줄 수 있는 탄성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료관에는, 상기 연료 저장 챔버로부터 촉매 챔버로의 반응 물질의 흐름을 제어하는 연료 밸브가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  8. (a) 수소 분리 챔버와 연료 저장 챔버를 가지고 있으며, 상기 수소 분리 챔버를 상기 연료 저장 챔버로부터 구분하기 위한 격벽을 가지고 있고, 상기 연료 저장 챔버에는 수소 가스를 생성하는 연료 물질이 담겨져 있는 제1 가요성 백이 구비되어 있으며, 상기 연료 저장 챔버에는 제2 가요성 백이 구비되어 있는 하우징;
    (b) 상기 연료 물질의 반응을 촉진하는 촉매를 담고 있어 수소와 배출 연료 물질을 생성하는 촉매 챔버;
    (c) 상기 연료 저장 챔버 내의 제1 가요성 백로부터의 반응 물질을 상기 촉매 챔버로 전송하는 연료관과; 상기 촉매 챔버로부터의 배출 연료 물질을 상기 수소 분리 챔버 내의 제2 가요성 백으로 전송하는 배출관;
    (d) 상기 수소 분리 챔버로부터 수소를 배출시키기 위하여 상기 하우징에 형성된 수소 가스 배출구; 및
    (e) 상기 제1 가요성 백 또는 상기 상기 제2 가요성 백의 벽에 설치되어 수소 가스는 통과시키면서도 수용액은 통과시키지 아니하는 가스 투과막;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 가요성 백으로부터의 수소 가스는 통과시켜 수소 가스 배출구로 가도록 하면서도 배출 연료 물질은 수소 가스 배출구로 가지 못하도록 통과시키지 않는 가스 투과막이 상기 제2 가요성 백의 벽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 가요성 백으로부터의 수소 가스는 통과시켜 하우징 밖으로 나가게 하면서도 연료 물질은 통과시키지 않는 가스 투과막이 상기 제1 가요성 백의 벽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스 투과막이 상기 제1 가요성 백의 벽과 상기 제2 가요성 벽 모두에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 가동 격벽은, 연료 물질을 촉매 챔버를 향하여 강제로 내보내도록 상기 연료 저장 챔버를 향하여 편향되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 가동 격벽을 상기 연료 저장 챔버를 향하여 편향시키도록 상기 하우징내에는 스프링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요성 백 및 제2 가요성 백은 나일론을 포함한 플라스틱 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료관에는, 상기 연료 저장 챔버로부터 상기 촉매 챔버로의 연료 물질의 흐름을 제어하는 연료 밸브가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  16. (a) 수소 가스를 생성할 수 있는 연료 물질을 담고 있는 연료 저장 챔버;
    (b) 수소 분리 챔버;
    (c) 연료 물질의 반응을 촉진하는 촉매를 담고 있어 수소와 배출 연료 물질을 생성하는 촉매 챔버;
    (d) 상기 연료 저장 챔버로부터의 연료 물질을 상기 촉매 챔버로 전송하는 연료관과; 상기 촉매 챔버로부터의 배출 연료 물질을 상기 수소 분리 챔버로 전송하는 배출관;
    (e) 상기 수소 분리 챔버로부터 수소를 전송하기 위한 수소 가스 도관 라인;
    (f) 수소 가스가 제1 가요성 백 또는 제2 가요성 백을 통과하도록 상기 제1 가요성 백 또는 제2 가요성 백의 벽에 설치되는 가스 투과막; 및
    (g) 상기 연료 저장 챔버로부터 상기 촉매 챔버로의 연료 물질의 흐름을 제어하기 위하여 상기 연료관에 설치되며, 상기 수소 가스 도관을 지나는 수소 가스에 반응하는 트로틀 밸브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 트로틀 밸브는, 연료 물질이 통과하는 통과로를 구비한 밸브 본체와, 상기 통과로의 단면적을 변화시키도록 상기 통과로에 대하여 이동할 수 있는 밸브 작동기를 포함하며; 상기 밸브 작동기의 이동은 상기 수소 가스 도관을 통하여 지나가는 수소 가스에 반응하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 트로틀 밸브는 상기 수소 가스 도관으로부터 수소 가스를 수용하기 위한 압력 챔버를 구비하고 있으며, 상기 압력 챔버는 상기 밸브 작동기에 부착된 가동벽을 가지고 있고, 상기 밸브 작동기의 위치는 상기 압력 챔버 내의 압력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 수소 가스 생성 시스템.
  19. 수소 가스 생성 시스템에 사용되는 체적 교환 용기로서,
    수소 가스 배출구를 가지고 있고 배출 연료를 수용하는 수소 분리 챔버와,
    연료 배출구를 가지고 있고 연료 용액을 담고 있는 연료 저장 챔버와,
    상기 수소 분리 챔버를 상기 연료 저장 챔버와 분리시키며 상기 연료 저장 챔버 내에 연료 용액이 담겨져 있을 때에 상기 연료 용액을 가압하는 가요성 격벽과,
    수소 가스는 통과하도록 하면서도 수용액은 통과시키지 않으며 상기 연료 저장 챔버 또는 상기 수소 분리 챔버에 설치되는 가스 투과막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 가요성 격벽의 재료는, 상기 연료 저장 챔버 내에 담겨진 연료를 가압할 수 있는 탄성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 가스 투과막은 수소 가스가 통과하여 가스 배출구로 가도록 하면서도 배출 연료는 통과시키지 아니하도록 상기 수소 분리 챔버 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 가스 투과막은 수소 가스가 통과하여 가스 배출구로 가도록 하면서도 배출 연료는 통과시키지 아니하도록 상기 연료 저장 챔버 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 연료 저장 챔버는, 수소 가스가 상기 가스 투과막으로부터 용기의 외부로 직접 통과하도록 하는 수소 가스 배출구를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  24. 청구항 19에 있어서,
    상기 가스 투과막은 수소 가스를 통과시키면서도 수용액은 통과시키지 아니하도록 상기 연료 저장 챔버 내에 그리고 상기 수소 분리 챔버 내에 모두 설치되는 것을 특징으로 하는 체적 교환 용기.
  25. 연료 용기로서,
    상기 연료 용기는 수소 가스를 생성하도록 반응하는 연료 물질을 담고 있으며;
    상기 연료 용기는 상기 연료 물질을 제거하기 위한 연료 배출구를 구비하고 있고;
    상기 연료 용기의 일부는 그 내부에 담겨진 연료 물질에 대하여 압력을 가하여 연료 물질이 상기 연료 배출구를 통하여 외부로 나가도록 하는 가요성 재질로 형성되어 있으며;
    상기 연료 용기에는 연료 물질을 그 내부의 공간으로부터 격리시키는 가스 투과막이 구비되어 있는데, 상기 가스 투과막은 연료 물질로부터 생성된 수소 가스가 상기 공간으로 통과되도록 하면서도 연료 물질이 상기 공간으로 통과하지 못하게 하며;
    상기 연료 용기에는 수소 가스가 상기 공간으로부터 연료 용기의 외부로 통과하도록 하는 수소 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 연료 용기의 부분은, 용기 저장 챔버에 담겨져 있는 연료 물질에 압력을 가할 수 있는 탄성을 가진 가요성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
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