KR20060007017A - 요소계 조성물 및 그 조성물을 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 일실시예에서 상기 방법은, (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 형성된 상기 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하는 단계를 포함한다. 일실시예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기; (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기; 및 (d) 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하기 위한 제4 용기를 포함하고, 상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있다. 상기 방법 및 장치는 고정식 및 이동식 응용분야에 사용되는 에너지를 발생시키는 데에 이용된다.
요소, 암모니아, 연료 전지, 화석 연료, 질소 산화물, 효소, 우레아제

Description

요소계 조성물 및 그 조성물을 위한 시스템{UREA BASED COMPOSITION AND SYSTEM FOR SAME}
본 발명은 요소계 조성물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 요소 및 물을 함유하는 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 요소계 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2003년 4월 7일자로 출원한 미국특허 출원번호 제10/408,731호를 우선권으로 주장한다.
화석 연료는 전세계의 가장 큰 에너지 공급원을 이루고 있다. 대량으로 구할 수 있고 에너지 밀도가 높으며 비교적 저렴한 비용으로 인해 화석 연료는 산업용뿐만 아니라 일반 소비자용으로 많은 응용분야에서 선택되는 연료이다. 그러나, 안전상 이유와 환경적 이유에서, 그리고 비교적 적은 수의 산유국으로부터 수입되는 오일에 대한 산업화 세계의 의존도를 낮추기 위해, 에너지원으로서 화석 연료의 대체물이 절실히 요망된다. 새로운 에너지원을 선호하는 이러한 강압적인 논의에도 불구하고, 가솔린의 단점은 없이 많은 긍정적인 특징을 가진 연료의 개발을 목표로 집중적인 연구가 진행되었음에도, 경제적이고 안전하며 용이하게 입수할 수 있는 연료로서 특히 자동차 분야 및 휴대용 파워 응용분야에서는 화석 연료에 대한 실용적인 대체물로 밝혀진 것이 없다.
새로운 대체 연료는 몇 가지 요구조건을 충족해야 한다. 그러한 연료의 가격은 현재의 에너지원 가격과 경쟁력이 있어야 한다. 또한 바람직하지 않은 방출물이 없어야 한다. 상기 연료는 빈번한 재충전이 필요하지 않도록 가솔린과 같이 높은 에너지 밀도를 가져야 한다. 상기 연료는 취급이 용이해야 하며, 바람직하기로는 불연성(non-flammable)이고 무독성이며 가능한 한 7에 근접한 pH를 가져야 한다. 마지막으로, 상기 연료는 용이하게 확대될 수 있는 신뢰성 있는 분배 하부구조(infrastructure)를 통해 범세계적으로 활용가능해야 한다. 따라서 해당 기술분야에서는 상기와 같은 모든 특징을 가진 연료가 요구된다.
새로운 연료를 지향하는 현재의 노력은 가솔린에 비해 비용 효율적인 연료를 제공하지 못했다. 또한, 에너지원으로서 제안된 어느 대체물의 효율도 문제가 있는 것으로 보인다. 예를 들면, 수소는 화석 소스 또는 비화석 소스로부터 얻을 수 있지만, 수송중의 취급 및 저장과 관련된 문제점으로 인해 수소는 소비자 지향 연료로서는 선택되기 어렵다. 메탄올과 같은 다른 연료는 독성이고 가연성이며, 여전히 소정량의 화석 연료를 천연 가스의 형태 또는 일산화탄소의 형태로 필요로 하고 있어서 경제적으로 생산되지 못한다. 화학적 수소화물과 같은 수소원은 사용이 쉽고 효과적이지만, 미국특허 제5,804,329호 및 제6,534,033호에 언급된 바와 같이, 수소화물을 재활용할 필요가 있을 경우에는 재순환 루프를 필요로 한다.
모든 화석 연료형 개질제는 크루드 오일을 기반으로 한 액체 연료를 필요로 하며, 따라서 화석 연료에 대한 필요성을 경감시키지 못한다. 또한 그러한 개질제 의 비용이 경제적인지 또는 그러한 시스템의 "웰 투 휠(well to wheel)" 효율이 압축비가 높은 엔진의 효율에 합치될 수 있는지는 의문이다. 따라서, 기존의 하부 구조 내에서 안전하게 이용할 수 있고, 동시에 연료 펌프에서 비용의 증가를 야기하지 않는 비화석 소스로서 기능할 수 있는 연료를 제공하는 것이 요망된다. 예를 들면, 요소는 현재 가솔린과 경쟁력을 가질 수 있게 하는 가격으로 대량으로 제조된다. 요소는 오늘날 천연 가스로부터 얻어지는 수소로부터 제조되며, 따라서 오일을 수입할 필요가 없다. 동시에 수소의 공급원은 융통성이 있으므로, 비화석 수소원은 요소를 생성하는 화석 수소원에 대해 무난히 대체될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 요소와 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법을 제공하는 것이다. 제1 구현예에서 본 발명의 방법은, (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계; 및 (b) 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하는 단계를 포함한다.
제2 구현예에서 본 발명의 방법은, (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계; (b) 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 질소와 수소로 변환시키는 단계; 및 (c) 단계 (b)에서 형성된 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하는 단계를 포함한다.
제3 구현예에서 본 발명의 방법은, (a) 산화제가 없는 상태에서 요소를 물과 반응시켜 수소를 형성하는 단계; 및 (b) 단계 (a)에서 형성된 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하는 단계를 포함한다.
제4 구현예에서 본 발명의 방법은, 요소를 산화제와 반응시켜, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하는 단계를 포함한다.
제5 구현예에서 본 발명의 방법은, (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계; (b) 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 단계; (c) 암모니아의 상기 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키는 단계; 및 (d) 단계 (c)에서 형성된 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 산화하여, 에너지를 발생시키면서 질소와 물을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은 공압식 장치(pneumatic device)를 구동하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 (a) 요소 및 물을 포함하는 조성물을 제공하는 단계; (b) 촉매의 존재 하에 상기 요소를 산화제로 산화시켜 에너지를 발생시키고 가압 하에 복수의 기체 물질을 형성하는 단계; 및 (c) 가압 하에 형성된 상기 기체 물질을 상기 공압식 장치에 주입하여 상기 공압식 장치를 구동하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치를 제공하는 것이다. 제1 구현예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기; (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기; 및 (d) 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하기 위한 제4 용기를 포함하고,
상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있다.
제2 구현예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기; (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기; (d) 암모니아를 질소와 수소로 변환시키기 위한 제4 용기; (e) 수소를 제공하기 위한 제5 용기; 및 (f) 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제6 용기를 포함하고,
상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제5 용기는 수소를 상기 제5 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 상기 제6 용기는 수소를 상기 제4 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있다.
제3 구현예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; (b) 산화제가 없는 상태에서 상기 요소를 물과 반응시켜 수소를 형성하기 위한 제2 용기; (c) 수소를 제공하기 위한 제3 용기; 및 (d) 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제4 용기를 포함하고,
상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 수소를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 수소를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있다.
제4 구현예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; 및 (b) 상기 요소를 산화제로 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제2 용기를 포함하고, 상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있다.
제5 구현예에서 상기 장치는, (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기; (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기; (d) 상기 제2 용기에서 형성된 암모니아의 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키기 위한 제4 용기; (e) 수소를 제공하기 위한 제5 용기; 및 (f) 수소 및 상기 제2 용기에서 형성된 암모니아의 제2 부분을 산화하여, 에너지를 발생시키면서 질소와 물을 형성하기 위한 제6 용기를 포함하고,
상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아의 상기 제1 부분을 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제5 용기는 수소를 상기 제5 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 상기 제6 용기는 수소를 상기 제4 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 또한 상기 제6 용기는 암모니아의 상기 제2 부분을 상기 제2 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치를 제공하는 것으로, 상기 장치는 연료로서 요소를 활용할 수 있는 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 전지는 저온 연료 전지 및 고온 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 상기 연료 전지를 통해 요소를 통과시킴으로써 전기가 요소로부터 직접 발생된다.
이하에서 더 설명하는 바와 같이, 요소 및 물을 포함하는 상기 조성물은 화석 연료의 적합한 대체물을 제공한다. 본 발명의 조성물에 비해 가솔린이 단위 에너지당 비용이 더 유리하지만, 요소 및 물을 포함하는상기 조성물은 단위 체적당 비용면에서는 가솔린보다 더 유리하다. 본 발명의 조성물은 환경 친화적이며 취급이 용이하다. 요소는 무독성이고 불연성이다. 요소는 이미 비료로서 대규모로 사용되고 있으므로, 신뢰성 있는 공급 측면의 하부구조를 통해 폭 넓게 입수가능하다.
도 1은 본 발명의 장치에 대한 제1 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 장치에 대한 제2 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 장치에 대한 제3 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 장치에 대한 제4 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 장치에 대한 제5 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 장치에 대한 제6 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 장치에 대한 제7 구현예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
상업적 요소는 100% 순수한 요소는 아니다. 따라서, 여기서 "요소"라는 용어는 요소, NH2CONH2, 암모늄카바메이트, 탄산암모늄, 중탄산암모늄, 포름산암모늄, 아세트산암모늄, 또는 이들 성분 중 2개 이상의 혼합물을 포함하는 상업적 요소의 성분 중 어느 하나를 지칭한다.
여기서 언급하는 "요소와 물의 반응을 촉매작용할 수 있는 효소"라 함은 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 임의의 효소를 지칭한다. 여기서 언급하는 "요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매"라 함은 바람직하게는 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 비효소 촉매를 지칭한다.
여기서 언급하는 "비효소 촉매"라 함은 효소가 아니며 촉매 성분으로서 효소를 포함하지 않는 임의의 촉매를 지칭한다.
요소와 물의 반응은 다음과 같은 화학양론적 식으로 기재할 수 있다:
NH2CONH2 + H2O → 2NH3 + CO2 ΔG = +28 Kcal/mol (1)
반응 (1)은 약 140℃ 내지 약 240℃의 온도 및 약 30기압 내지 약 50기압의 압력에서 진행되는 것이 바람직하다. 흡열반응인 반응(1)에 필요한 역은 요소, 암모니아, 또는 수소가 연소되거나 산화되는 엔진 또는 연료 전지에 의해 발생되는 폐열로부터 얻어질 수 있다. 이 열원은, 특히 반응 (1)을 개시하기 위해, 추가의 에너지원으로 보충될 수 있다. 바람직한 추가의 에너지원은 본 발명의 장치의 일부일 수 있고 전기의 공급원 역할을 하는 배터리이다.
상기 조성물에 있는 요소의 중량은 조성물의 약 10% 내지 약 90% 범위이다. 일실시예에서, 요소의 중량은 물 중량의 약 30% 내지 약 70%이다. 일 실시예에서, 상기 조성물은 물 중량의 50%에 해당하는 중량의 요소를 함유하는 용액이다. 이 조성물은 비료 산업에서 46-0-0 비료로 알려져 있다. 미국에서만 연간 1000만톤의 46-0-0 비료가 생산된다. 또 다른 실시예에서, 상기 조성물은 물 중량의 70%에 해당하는 요소를 함유한다. 이 양은 반응식 (1)에서의 화학양론적 양에 해당한다. 물 중량의 70%와 같은 양의 요소를 함유하는 조성물은 시중에서 요소액(urea liquor) 또는 비료 32-0-0으로 알려져 있다. 요소액은 액상으로부터 요소가 결정화되어 나오는 것을 방지하기 위해 135℉로 유지되고 선적된다. 요소액은 분배 체인을 따른 어느 곳에서나 이 온도에서 취급될 수 있다. 마찬가지로, 요소액이 에너지원으로서 사용되는 자동차 또는 휴대용이나 고정식 발전소 등의 시스템은 필요할 경우 이온도에서 요소액을 취급하도록 설계될 수 있다. 이와 달리, 물 중량의 70%와 같은 중량의 요소를 함유하는 조성물은 수중 요소 슬러리일 수 있다. 본 발명의 목적에 따라, 상기 슬러리는 실온 내지 135℉의 온도에서 사용될 수 있다.
상기 조성물은 가연성 연료, 연소 증강제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군 으로부터 선택되는 성분을 함유할 수 있다. 본 발명의 제1, 제2 및 제5 구현에에서, 가연성 연료는 요소와 물이 반응을 개시하여 암모니아를 형성할 수 있는 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양으로 존재한다. 본 발명의 제3 구현예에서, 가연성 연료는 산화제가 없는 상태에서 요소가 물과 반응을 개시하여 수소를 형성하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양으로 존재한다. 본 발명의 제4 구현예에서, 가연성 연료는 요소가 산화제와 반응을 개시하여 물을 형성하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양으로 존재한다.
수소가 산화되어 물을 형성하는 반응은 엔진에서 수소의 연소에 의해 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 암모니아가 연소되어 질소와 물을 형성하는 반응은 엔진에서 암모니아의 연소에 의해 이루어질 수 있다. 이와는 달리, 암모니아와 수소는 각각 암모니아 연료 전지 및 수소 연료 전지에서 산화될 수 있다. 연료 전지의 예로는 고체 산화물 연료 전지 및 용융 탄산염(molten carbonate) 연료 전지와 같은 고온 연료 전지 및 알칼리 연료 전지 및 인산 연료 전지와 같은 상대적 저온 연료 전지가 포함된다.
물과 질소를 형성하는 암모니아의 연소에 의해서도 일반식이 NxOy인 질소 산화물, 예컨대 NO 또는 NO2를 형성할 수도 있다. 반응 조건에 따라서 높은 레벨의 질소 산화물이 얻어진다. 질소 산화물은 오염물질이므로 방출이 규제된다. 본 발명에서 연료로서 조성물을 이용하는 이점은 연소 쳄버 또는 사후 연소(post-combustion) 반응기에서 소량의 요소를 도입함으로써 질소 산화물에 의해 발생되는 오염물질을 감소시키거나 배제할 수 있다. 요소는 반응식 (2)에 기재된 잘 알려진 반응에 따라 질소 산화물을 분자 상태의 질소로 변환시키는 환원제로서 작용한다:
NH2CONH2 + NO + NO2 → 2N2 + 2H2O + CO2 (2)
반응식 (2)에 제시된 반응은 이동식 및 고정식 연소 소스 모두에서 NxOy를 환원하는 방법으로서 여러 개의 특허에 기재되었다. 대표적인 특허로는 미국특허 제5,399,325호, 제6,403,046호, 제6,354,079호, 제6,312,650호, 제6,182,443호, 제6,146,605호, 제5,832,720호, 제5,746,144호, 제5,399,326호, 제5,218,403호 및 제5,240,689호 등이 포함된다.
요소 및 암모니아는 고정식 소스 오염물 제거제로서 사용되어 왔지만, 이들 화합물은 이동식 응용분야에는 사용되지 않았는데, 이는 아마도 대부분의 소비자가 오염물 제거제가 없는 상태에서 차량의 성능상에 변화를 감지하지 못하고 따라서 오염물 제거제를 담은 탱크를 재충전하는 것을 잊기 때문일 것이다. 그러므로, 제조자는 연료에 필요한 것에 더하여 2차 충전이 필요없는 해법을 추구하고 있다. 현재, 이 문제의 해결책은 연료에 대한 첨가제로서 3방향 촉매를 포함시키는 방법 또는 배기 반응기(exhaust reactor) 내에 소량의 가솔린을 공급하는 방법이다.
요소 및 물을 포함하는상기 조성물은 질소 산화물에 의해 발생되는 오염물의 문제에 대한 간단하고 효율적인 해법을 제공한다. 요소는 연료인 동시에 NOx 환원제로서 작용하기 때문에, 연료로서 요소를 사용하는 장치는 또한 그 자체의 오염을 감소시킨다. 차량을 구동시키는 연료가 있는 한, 연료의 연소에 의해 생성되는 NOx 를 제거하는 물질도 존재한다. 따라서, 동일한 물질이 두 가지 목적을 달성하게 되므로, 소비자는 한 번의 충전만 하면 된다.
적합한 가연성 연료의 예는 암모니아이다. 사용되는 암모니아의 양은 반응식 (1)의 반응을 개시하기에 충분한 양의 암모니아인 것이 바람직하다. 이 양은 pH 및 냄새 문제에 의해 제한된다. 암모니아는 버퍼 탱크에 제공되는 것이 바람직하다. 버퍼 탱크 내의 암모니아는 또한 요소로부터의 암모니아 생성 속도와 암모니아의 소비 속도, 즉 산화되거나 수소의 형성 후 산화되는 속도 사이의 차이를 보상하며, 이에 대해 이하에서 더 설명한다. 암모니아는 1종 이상의 질소계 화합물로부터 생성될 수도 있다. 상기 1종 이상의 질소계 화합물은 카르밤산암모늄, 탄산암모늄, 중탄산암모늄, 비우렛(biuret), 폴름산암모늄, 히드라진, 하이드록실아민, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 그러한 질소계 화합물을 이용함으로써 이들 화합물의 분해 시 유일한 생성물은 암모니아이며, 그 밖에 이산화탄소, 질소 및 물 등을 포함하는 무해한 화합물일 뿐이다.
본 발명의 조성물은 또한 연소 증강제를 포함할 수 있다. 바람직한 연소 증강제로는 질산암모늄, 암모니아, 히드라진, 및 재생가능한 소스 또는 폐기물로부터 제조될 수 있는 특정한 수용성 화합물, 예를 들면 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 등이 포함된다. 그러한 연소 증강제는 연소를 촉진할 뿐 아니라 연료의 빙점을 낮추는 데 도움을 줄 수도 있다.
몇 가지 구현예를 이용하여 본 발명에 따른, 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시킬 수 있다. 제1 구현예에서, 반응식 (1)에 따라 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성한다. 요소와 물의 반응으로부터 형성된 암모니아는 이어서 산화되어, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성한다. 암모니아의 산화반응은 암모니아를 엔진 내에서 연소시킴으로써 이루어질 수 있다. 엔진은 압축비 9:1과 같이, 해당 기술분야에서 통상 사용되는 압축비와 적어도 유사한 압축비를 갖는 엔진, 또는 30:1 이상, 또는 9:1 내지 30:1 범위의 압축비와 같이, 해당 기술분야에서 통상 사용되는 압축비보다 높은 압축비를 가진 엔진일 수 있다. 이와는 다르게, 암모니아를 암모니아 연료 전지에서 가열할 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 제1 구현예는, 질소 산화물을 감소시키기 위해 충분한 양의 상기 조성물을 암모니아 연소로부터 형성된 질소 산화물과 반응시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 제2 구현예에서, 상기 조성물 중의 요소는 반응식 (1)에 따라 물과 반응하여 암모니아를 형성한다. 요소와 물의 반응으로부터 형성된 암모니아는 이어서 '개질된다'. 즉, 질소와 수소로 변환된다. 암모니아의 변환으로부터 형성된 수소는 이어서 산화되어, 에너지를 발생시키면서 물을 형성한다. 수소의 산화반응은 엔진 내에서 수소를 연소시킴으로써 이루어질 수 있다. 이와는 다르게, 수소를 수소 연료 전지에서 가열할 수 있다. 이 반응에 필요한 에너지의 양은 전기 히터에 의해, 또는 소량의 수소를 원위치에서 산화시킴으로써 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 상기 제2 구현예에서, 요소와 물의 반응으로부터 형성된 암모니아는, 암모니아를 질소와 수소로 변환시키도록 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 혼합하거나 접촉시킬 수 있다. 촉매로는 전이 금속의 산화물이 바람직하다. 보다 바람직하기로는, 촉매는 산화철(II) 또는 산화철(III)이다.
본 발명에 따른 방법의 제3 구현예에서, 요소는 산화제가 없는 상태에서 물과 반응하여 1단계로 수소를 형성한다. 상기 조성물은 하기 반응식 (3)에 따라, 약 150℃ 내지 250℃ 범위의 온도 및 약 30기압 내지 약 50기압의 압력에서 가열될 수 있다. 이와는 다르게, 실온 내지 약 200℃ 범위의 온도, 바람직하게는 약 70℃의 온도에서 작동시키는 요소 연료 전지에서, 또는 약 700℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 작동시키는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)나 용융 탄산염 연료 전지에서 이루어질 수 있다.
NH2CONH2 + H2O → 3H2 + CO2 + N2 (3)
이론이나 메커니즘에 구속받기를 원하는 것은 아니지만, 반응식 (3)의 반응에서 요소는 물과 반응하여 암모니아를 형성하고 이것이 질소와 수소로 변환되는 것으로 믿어진다. 수소는 이어서 산화되어, 에너지를 발생시키면서 물을 형성한다. 수소의 산화반응은 엔진 내에서 수소를 연소시킴으로써 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 수소는 수소 연료 전지에서 가열될 수 있다.
제3 구현예에서, 상기 조성물은 산화제가 없는 상태에서 수소를 형성하도록 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 혼합하거나 접촉시킬 수 있다. 이와 다르게, 촉매가 없는 상태에서 요소는 물과 반응하여 수소를 형성할 수 있다. 반응 (3)에 필요한 열은 배출되는 열로부터 또는 버퍼 탱크 내의 수소가 연소하여 발생되는 열로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 촉매를 가열하기 위해 별도의 에너지원을 제공할 필요가 없다.
제4 구현예에서, 요소는 산화제로 산화되어, 에너지를 발생시키면서 물을 형성한다. 이 구현예에서, 상기 조성물은 약 150℃ 내지 250℃ 범위의 온도 및 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력에서 가열될 수 있다. 이와 다르게, 상기 반응은 실온 내지 약 200℃ 범위의 온도, 바람직하게는 물의 비등점보다 낮은 온도, 예컨대 약 70℃의 온도에서 작동시키는 요소 연료 전지에서, 또는 약 700℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 작동시키는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)나 용융 탄산염 연료 전지에서 이루어질 수 있다.
제4 구현예에서, 상기 조성물은 수소를 형성하도록 요소의 산화반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 혼합하거나 접촉시킬 수 있다. 상기 촉매는 전이 금속, 희토류 원소, 악티니드 또는 이들의 조합을 포함하는 촉매일 수 있다. 전이 금속으로는 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 철, 구리, 아연, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 로듐, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 레늄, 은 또는 금이 바람직하다. 이와 달리, 요소를 촉매가 없는 상태에서 산화시킬 수 있다. 예를 들면, 요소를 하이포브로마이트(OBr)로 산화시킬 수 있다. 하이포브로마이트는 브로마이드로 변환되고, 이어서 공기에 의해 하이포브로마이트로 재산화된다.
제5 구현에에서, 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성한다. 암모니아는 이어서 제1 부분과 제2 부분으로 분리된다. 암모니아의 제1 부분은 이어서 질소와 수소로 변환된다. 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분은 이어서 산화되어, 에너지 를 발생시키면서 물과 질소를 형성한다. 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분의 산화반응은, 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 혼합하여 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 혼합물을 산화시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분의 산화반응은, 엔진 내에서 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 연소시킴으로써 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 적합한 촉매를 사용하여, 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지 내에서 가열할 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 제5 구현예는, 질소 산화물을 감소시키기 위해 충분한 양의 상기 조성물을 암모니아의 제2 부분이 연소되어 형성된 질소 산화물과 반응시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제5 구현예에서, 암모니아의 제1 부분은, 암모니아를 질소와 수소로 변환시키도록 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 혼합하거나 접촉시킬 수 있다. 촉매로는 전이 금속의 산화물이 바람직하다. 보다 바람직하기로는, 촉매는 산화철(II) 또는 산화철(III)이다.
본 발명의 제5 방법은, 유리하게 높은 암모니아의 압축비와 수소의 폭 넓은 가연성 및 수소 화염의 높은 화염 속도를 조합한다. 암모니아의 제1 부분 대 제2 부분의 몰비는 99.9:0.1 내지 0.1:99.9의 범위, 예를 들면 95:5 내지 5:95의 범위에서 변동될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 암모니아의 제2 부분에 대한 제1 부분의 몰비는 95:5이다.
본 발명에 따른 방법의 제1, 제2 및 제5 구현예에서, 반응식 (1)에 따라 요 소가 물과 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 약 500℃에서 이루어질 수 있다. 상기 반응은, 암모니아를 형성하기 위한 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기 촉매는 금속 산화물일 수 있다. 일실시예에서, 상기 촉매는 철, 니켈, 바나듐 또는 아연의 산화물이다.
본 발명에 따른 방법의 제1, 제2 및 제5 구현예에서, 반응식 (1)에 따라 요소가 물과 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은, 암모니아를 형성하기 위한 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소(enzyme)와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시킴으로써 이루어질 수 있다. 효소를 이용하는 방법은, 에너지원으로서 요소 및 물을 포함하는상기 조성물이 사용되는 자동차, 휴대용 또는 고정식 시스템이 효소가 없는 상태에서 반응식 (1)의 반응이 진행되기에는 너무 낮은 온도로 유지되어야 하는 경우에 유리하다. 요소 및 물을 포함하는상기 조성물은 용기로부터 효소가 수용된 반응기로 이송될 수 있다. 요소 및 물을 포함하는 조성물의 체적이 반응이 진행됨에 따라 감소하므로, 요소 및 물을 포함하는상기 조성물의 추가량을 반응기에 이송한다. 상기 방법은 필요 시 상기 반응의 진행 중에 반응 혼합물에 추가량의 효소를 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
효소를 이용함으로써 요소와 물의 반응은 효소가 없는 상태에서의 반응에 비해 낮은 온도에서 진행될 수 있다. 효소-촉매화 반응의 온도는 실온 내지 효소의 반감기가 1분 미만인 온도일 수 있다. 효소는, 효소가 빠져나가지 않도록 방지하되 형성되는 가스는 투과할 수 있는 필터가 장착된 탱크 내에 제공될 수 있다. 이 와 다르게, 효소를 기질(substrate) 상에 고정화시킬 수 있다. 적합한 기질로는 이온교환 수지, 세라믹, 및 고분자 물질이 포함된다. 기질은 시트 또는 비드 형태로 되어 있을 수 있다.
일실시예에서, 암모니아를 형성하기 위한 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소는 우레아제(urease)이다. 우레아제는 바람직하게 약 0℃ 내지 약 60℃, 보다 바람직하게는 약 60℃의 온도에서 상기 반응에 촉매작용을 한다. 이 온도에서 상기 공정을 유지하는 데 필요한 열은, 저온 에너지 싱크(sink)를 제공하도록 본 발명의 장치에 용이하게 일체화시킬 수 있는 양자 교환막(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지 스택으로부터 얻을 수 있다.
이와 다르게, 우레아제 대신에 합성 우레아제를 사용할 수 있다. 합성 우레아제로 적합한 것으로는 니켈 함유 유기 화합물, 예를 들면 +2 산화 상태에서 니켈을 함유하는 유기 화합물이 포함된다. 여러 가지 니켈 화합물이 요소를 가수분해할 수 있는 것으로 밝혀졌는데, 그러한 논의는, 예를 들면, Yamaguchi et al., "Structures and catalytic Activities of Carboxylate-Bridged Dinickel(II) Complexes as Models for the Metal Center of Urease," Journal of the American Chemical Society, Vol. 119(1997), pp. 5752-53, 및 인터넷 상에서 Vol. xx(xxxx)로 공개된 Carlsson et al., "Hydrolytically Active Tetranuclear Nickel complexes with Structural Resemblance to the Active Site of Urease," Inorganic Chemistry C 등을 참조할 수 있다.
본 발명은 또한 공압식 장치(pneumatic device)를 구동하는 방법을 제공한 다. 촉매 존재 하에 산화제를 사용한, 요소와 물을 함유하는 조성물에서의 요소의 산화반응은 에너지를 발생하고 압력 하에서 복수의 기체 물질을 형성한다. 기체 물질은 이어서 공압식 장치에 보내어져 장치를 구동한다. 요소를 산화시키는 데 사용되는 산화제는, 산소 원자 또는 하나 이상의 산소 원자를 함유하는 원자, 분자 또는 이온을 전달할 수 있는 산화제, 또는 요소로부터 전자를 받아들일 수 있는 산화제이면 어느 것이나 가능하다. 그 적합한 예는 산소(O2) 및 하이포브로마이트이다. 예를 들면, 산소가 산화제일 경우, 산화반응은 하기 반응식 (4.1)에 따라 진행되고, 하이포브로마이트가 산화제일 경우, 하기 반응식 (4.2)에 따라 진행된다. 반응식 (4.2)에서 형성된 브롬화물(Br-)은 공기 및 산화 촉매에 의해 재산화되어 반응성 하이포브로마이트 BrO-를 다시 생성한다.
(NH2)2CO + O2 → N2 + CO2 + 2H2O (4.1)
(NH2)2CO + 2BrO- → N2 + CO2 + 2H2O + 2Br- (4.2)
반응 (4.1) 및 (4.2)는 기체 물질로서 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 수증기를 발생시키는 발열 반응이다. 기체 물질은 공압식 장치를 구동하도록 공압식 장치에 보내어지고 장치에서 일을 실행하는데, 상기 장치는 터빈, 공기 모터, 피스톤 모터 등과 같은 가스 동력식 장치이면 어느 종류든 가능하다. 기체 물질의 추가량은 하나 이상의 버퍼 탱크 내에 가압 하에 저장될 수 있다. 각각의 버퍼 탱크는 공압식 장치에 연결되어 있어서, 추가량의 기체 물질이 장치를 시동하도록, 또는 반응 (4.1) 및 (4.2)에서 형성되어 장치에 보내어지는 기체 물질의 양의 변동을 보상하도록 장치에 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 요소로부터 에너지를 발생시키는 장치를 제공한다. 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에서, 장치(10)는 조성물을 제공하기 위한 탱크(11)와 같은 용기를 포함한다. 조성물은, 요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하도록 탱크(11)로부터 반응기(12)와 같은 용기에 이송된다. 요소와 물이 반응하기 위한 반응기(12)는, 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매 또는 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 본 발명의 장치는 또한 암모니아를 제공하기 위한 버퍼 탱크(13)와 같은, 상기 반응기에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(13)는 연소되어 요소와 물의 반응을 개시하거나, 바람직하게는 요소와 물의 반응을 즉시 개시하기에 충분한 양의 열을 발생시킬 수 있는 암모니아의 양을 수용하기 위한 용기일 수 있다. 버퍼 탱크(13)는 또한 요소로부터 암모니아의 생성 속도와 암모니아의 소비 속도 사이의 차이를 보상한다. 요소와 물의 반응으로부터 생성된 암모니아는 반응기(12)로부터, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하도록 암모니아를 산화시키기 위한 챔버(14)와 같은 용기에 이송된다.
일실시예에서, 챔버(14)는 암모니아 연료 전지이다.
또 다른 실시예에서, 챔버(14)는 엔진이고 암모니아는 엔진에서 연소됨으로써 산화된다. 이 실시예에서, 장치는 암모니아의 연소의 부산물로서 형성되는 질소 산화물을 감소시키기에 충분한 양의 조성물을 제공하도록 엔진에 연결되어 있는 사후 연소 반응기(15)와 같은 용기를 포함할 수 있다. 질소 산화물은 사후 연소 반응기(15)에 이송되고 조성물 중의 요소에 의해 환원되어 질소를 형성한다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예에서, 장치(20)는 조성물을 제공하기 위한 탱크(21)와 같은 용기를 포함한다. 연료는 요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하도록 제1 반응기(22)와 같은 용기에 이송된다. 요소와 물을 반응시키기 위한 제1 반응기(22)는, 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매 또는 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 상기 장치는 또한 암모니아를 제공하기 위한 버퍼 탱크(23)와 같은, 제1 반응기(22)에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(23)는, 연소되어 요소와 물의 반응을 개시하거나, 바람직하게는 요소와 물의 반응을 즉시 개시하기에 충분한 양의 열을 발생시킬 수 있는 암모니아의 양을 제공하기 위한 용기일 수 있다. 요소와 물의 반응으로 생성된 암모니아는 제1 반응기(22)로부터, 암모니아를 질소와 수소로 변환시키기 위한 제2 반응기(24)와 같은 용기에 이송된다. 암모니아의 변환으로부터 형성된 수소는 제2 반응기(24)로부터, 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 챔버(25)와 같은 용기에 이송된다. 일실시예에서, 챔버(25)는 수소 연료 전지이다. 또 다른 실시예에서, 챔버(25)는 엔진이고, 수소는 엔진에서 연소됨으로써 산화된다. 상기 장치는 또한 수소를 제공하기 위한 버퍼 탱크(26)와 같은, 상기 챔버(25)에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(26)는 암모니아의 개질반응(reformation)에서의 수소의 생성 속도와 수소의 소비 속도 사이의 차이를 보상한다.
도 3에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 장치(30)는 조성물을 제공하기 위한 탱크(31)와 같은 용기를 포함한다. 조성물은 상기 탱크로부터, 수소를 형성하도록 요소와 물을 반응시키기 위한 반응기(32)와 같은 용기에 이송된다. 산화제가 없는 상태에서 요소와 물을 반응시키기 위한 상기 반응기(32)는, 수소를 형성하기 위한 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 상기 장치는 또한 수소를 제공하기 위한 버퍼 탱크(33)와 같은, 상기 반응기에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(33)는, 연소되어 수소를 형성하기 위한 요소와 물의 반응을 개시하거나, 바람직하게는 수소를 형성하기 위한 요소와 물의 반응을 즉시 개시하기에 충분한 양의 열을 발생시킬 수 있는 수소의 양을 제공하기 위한 용기일 수 있다. 버퍼 탱크(33)는 또한 수소의 생성 속도와 수소의 소비 속도 사이의 차이를 보상한다. 요소와 물의 반응으로부터 생성된 수소는 상기 반응기(32)로부터, 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 챔버(34)와 같은 용기에 이송된다. 일실시예에서, 챔버(34)는 수소 연료 전지이다. 또 다른 실시예에서, 챔버(34)는 엔진이고, 수소는 엔진에서 연소됨으로써 산화된다.
도 4에 도시된 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예에서, 장치(40)는 조성물을 제공하기 위한 탱크(41)와 같은 용기를 포함한다. 조성물은 요소를 산화시켜 에너지를 발생하기 위한 챔버(42)와 같은 용기에 이송된다. 요소를 산화시키기 위한 챔버(42)는 요소의 산화반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 일실시예에서, 상기 챔버(42)는 요소 연료 전지이다. 또 다른 실 시예에서, 챔버(42)는 엔진이고, 요소는 엔진에서 연소됨으로써 산화된다. 상기 장치는 또한 암모니아를 제공하기 위한 스타터 탱크(starter tank)(43)와 같은 용기를 포함할 수 있다. 스타터 탱크(43)는 챔버(42)에 연결되어 있다. 스타터 탱크(43)는, 연소되어 요소의 산화반응을 개시하거나, 바람직하게는 요소의 산화반응을 즉시 개시하기에 충분한 양의 열을 발생시킬 수 있는 암모니아의 양을 제공하기 위한 용기일 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예에서, 장치(50)는 조성물을 제공하기 위한 탱크(51)와 같은 용기를 포함한다. 연료는 암모니아를 형성하도록 요소와 물을 반응시키기 위한 제1 반응기(52)와 같은 용기에 이송된다. 요소와 물을 반응시키기 위한 제1 반응기(52)는, 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매 또는 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 상기 장치는 또한 암모니아를 제공하기 위한 버퍼 탱크(53)와 같은, 상기 제1 반응기(52)에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(53)는, 연소되어 요소와 물의 반응을 개시하거나, 바람직하게는 요소와 물의 반응을 즉시 개시하기에 충분한 양의 열을 발생시킬 수 있는 암모니아의 양을 제공하기 위한 용기일 수 있다. 요소와 물의 반응으로부터 형성된 암모니아의 제1 부분은 제1 반응기(52)로부터, 상기 암모니아의 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키기 위한 제2 반응기(54)와 같은 용기에 이송된다. 암모니아의 제1 부분의 변환으로부터 형성된 수소는 제2 반응기(54)로부터 챔버(55)와 같은 용기에 이송된다. 요소와 물의 반응으로부터 생성된 암모니아의 제2 부분은 반응기(52)로부터 챔버(55)에 이송된다. 챔버(55)는 수소 및 암모니아의 제2 부분을 산화시켜 에너지를 발생하면서 물과 질소를 형성하기 위한 용기이다. 상기 장치는 또한 수소를 제공하기 위한 버퍼 탱크(56)와 같은, 상기 챔버(55)에 연결된 용기를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(56)는 암모니아의 개질반응에서의 수소의 생성 속도와 수소의 소비 속도 사이의 차이를 보상한다.
일실시예에서, 챔버는 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지이다.
또 다른 실시예에서, 상기 챔버는 엔진이고, 수소 및 암모니아의 제2 부분은 엔진에서 연소됨으로써 산화된다. 이 실시예에서, 상기 장치는 또한, 암모니아의 제2 부분의 연소의 부산물로서 형성되는 질소 산화물을 감소시키기에 충분한 양의 조성물을 제공하기 위한, 엔진에 연결된 사후 연소 반응기(57)와 같은 용기를 포함할 수 있다. 질소 산화물은 사후 연소 반응기(57)에 이송되고, 질소를 형성하도록 조성물 중의 요소에 의해 환원된다.
도 1 내지 도 5의 실시예는 암모니아, 수소 및 질소 산화물을 포함하는 기체 물질을 이송하기 위한 수단(60) 및 요소와 물을 함유하는 조성물과 같은 용액을 이송하기 위한 수단을 포함한다. 저온 용액을 이송하기 위한 수단은, 예를 들면, 플라스틱관 및 유리 매니폴드와 같은 운반 수단을 포함할 수 있다. 고온 용액을 이송하기 위한 수단은, 예를 들면, 강관 또는 스테인리스 강관과 같은 운반 수단을 포함할 수 있다. 기체 물질을 이송하기 위한 수단(60)은, 예를 들면, 강관이나 스테인리스 강관과 같은 운반 수단, 펌프와 같은 펌핑 수단, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 펌핑 수단은 압력차를 극복하는 데 필요한 정도까지 기체 물질을 펌핑하는 데 사용될 수 있다. 도 1 내지 도 5의 실시예는 또한, 요소 및 물을 포함하는 조성물을 상기 조성물 중의 요소가 반응을 행하는 용기에 이송하기 위한 수단(68)을 포함한다.
도 1 내지 도 5에서의 버퍼 탱크(13, 23, 53) 또는 스타터 탱크(43)는, 스타터 탱크 또는 버퍼 탱크 내의 암모니아의 양이 일정하게 보충되도록 암모니아 소스(62)에 연결될 수 있다. 적합한 암모니아 소스(62)로는, 예컨대, 암모니아 탱크가 포함될 수 있다. 이와는 달리, 기체 암모니아는 암모늄염의 분해로부터 생성될 수 있다. 도 1 내지 도 5의 실시예는 또한 제1 압력 조절기(63) 및 배기부(exhaust)(배기부는 도면에 나타나 있지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 버퍼 탱크(13)는 압력 센서(67)와 체결되어 있고, 제1 압력 조절기(63)가 압력 센서(67) 및 암모니아를 소스(62)로부터 버퍼 탱크(13) 내에 펌핑하기 위한 펌핑 수단(61)에 연결되어 있다. 압력 센서(67)가 버퍼 탱크(13) 내의 압력이 제1 소정의 값을 초과하는 것으로 나타낼 경우, 제1 압력 조절기(63)는 펌핑 수단(61)의 펌핑 속도를 감소시킨다. 반대로, 압력 센서(67)가 버퍼 탱크(13) 내의 압력이 제2 소정의 값에 미달하는 것으로 나타낼 경우, 제1 압력 조절기(63)는 펌핑 수단(61)의 펌핑 속도를 증가시킨다.
마찬가지로, 도 2의 버퍼 탱크(26) 또는 도 3의 버퍼 탱크(33)는 버퍼 탱크 내의 수소의 양이 일정하게 보충되도록 수소 소스(62)에 연결될 수 있다. 적합한 수소 소스(65)로는, 예컨대, 수소 탱크가 포함될 수 있다. 도 2 및 도 3의 실시예는 또한 제2 압력 조절기(64) 및 배기부(배기부는 도면에 나타나 있지 않음)를 포 함할 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이, 버퍼 탱크(33)는 압력 센서(67)와 체결되어 있고, 제2 압력 조절기(64)가 압력 센서(67) 및 수소를 소스(65)로부터 버퍼 탱크(33) 내에 펌핑하기 위한 펌핑 수단(61)에 연결되어 있다. 압력 센서(67)가 버퍼 탱크(33) 내의 압력이 제1 소정의 값을 초과하는 것으로 나타낼 경우, 제2 압력 조절기(64)는 펌핑 수단(61)의 펌핑 속도를 감소시킨다. 반대로, 압력 센서(67)가 버퍼 탱크(33) 내의 압력이 제2 소정의 값에 미달하는 것으로 나타낼 경우, 제2 압력 조절기(64)는 펌핑 수단(61)의 펌핑 속도를 증가시킨다.
도 1, 도 2 및 도 5의 반응기(12, 22, 52)는 각각, 요소와 물의 반응이 진행되는 동안 필요에 따른 효소를 반응기(12, 22, 52)에 첨가할 수 있도록, 충전 밸브와 같은 제1 밸브와 체결되어 있는, 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기일 수 있다. 반응기는 또한, 반응이 진행되는 동안에 형성될 수 있는 입자상 물체(particulate matter)를 배출할 수 있도록 배출 밸브와 같은 제2 밸브에 체결될 수도 있다. 이와는 달리, 반응기는 또한 입자상 물체가 누적되는 것을 방지하기 위한 연료 필터와 체결될 수도 있다.
본 발명의 비용 측면의 이점은 다음과 같이 예시할 수 있다. 오늘날 요소의 스폿 가격은 약 $90/톤 또는 약 $0.045/파운드로서, 가솔린의 가격과 경쟁력이 있다. 요소의 농축 용액의 pH는 약 7.4로서 인간 혈액의 pH와 매우 유사하다. 요소는 독성이 매우 낮고, 취급이 안전하며, 비료로서 널리 사용됨으로 인해 잘 알려져 있다. 요소의 에너지 밀도는 수송용 에너지원으로서 요소를 이용하기에 적합하다. 1몰의 요소는 2몰의 암모니아와 동등하며, 연소 시 650 Kilojoule이 발생된다. 이 에너지는 2톤 중량의 차량이 약 1/4마일을 운행하기에 충분한 양이다. 요소 1몰의 50중량% 수용액은 60g의 요소를 함유하며 약 100ml의 체적을 갖는다. 따라서, 이 용액 1갤런은 자동차를 약 9마일 이동시키며, 34갤런 탱크로 300마일 범위를 주행할 수 있다. 그러한 탱크는 종래의 가솔린 탱크보다 크지만, 상기 연료 탱크는 현재 가연성 액체를 수용하는 가솔린 탱크에서 필요한 바와 같이 충돌로부터의 보호가 더 이상 필요치 않으므로 대형 탱크를 위한 공간은 용이하게 확보할 수 있을 것이다. 사실상, 상기 조성물의 액체 성분은, 충돌 시 값싸고 효과적인 에너지 흡수 성분인 물이다. 전술한 34갤런의 조성물의 무게는 약 324파운드이다. 이 무게는 같은 체적의 가솔린 무게를 약간 상회하지만, 표준 자동차용 설계 파라미터 내에 충분히 포함된다. 또한, 상기 장치의 나머지 구성요소는 전제로 100파운드 미만이며, 가격은 $500 미만이다. 이상과 같은 모든 데이터는 제안된 다른 대체 연료의 대응하는 데이터에 비해 매우 유리한 것이다.
요소의 50 중량% 용액을 324파운드 수용하는 가득 채운 탱크는 162파운드의 요소를 수용하며 가격은 $7.30이다. 연료의 캘런당 대응하는 가격은 단지 42센트에 불과하다. 제조 및 판매 체인에서의 이윤을 100%로 하더라도, 상기 연료의 소매가는 갤런당 84센트(탱크 총량당 $14.60)로서, 가솔린의 가격보다 크게 낮으면서도 연료 판매자에게 더 높은 이윤을 제공한다. 또한, 미국에서의 요소는 공기와 국내산 천연 가스로부터 제조되므로, 기존 기술을 이용하여 외국의 오일 의존으로부터 완전히 탈피할 수 있다. 요소가 가솔린보다 저렴한 비화석 대체 연료로 유일한 것이라는 사실은 또한 가솔린으로부터 요소계 연료 시스템으로 전환 시 경제적 인센티브를 제공한다.
본 발명에서 사용되는 요소와 물을 포함하는 조성물의 가격은 미국 외부 국가에서의 요소 가격을 기준으로 가격 계산을 하면 더욱 유리하다. 예를 들면, 러시아에서의 요소 가격은 톤당 $35로 낮을 수 있다.
본 발명의 장치는 또한 연소 엔진과 연료 전지 모두에 대해 연료를 제공할 수 있는 충분한 융통성을 가진다. 따라서, 연료 전지로 전환시키는 데에 하부구조의 장벽은 없다. 연료 전지는 연소 엔진 연료 시스템보다 더 효율적이므로, 연료 전지의 가격은 상기 수치적 데이터에서 유도한 가격보다도 낮을 것이다.
수소를 산화시키거나 연소시키는 본 발명의 실시예에 있어서, 가격은 요소를 분해하여 얻어지는 수소의 가격으로 표현할 수 있다. 연료 전지 및 내연 기관에 대한 허용가능한 가격은 수소 1Kg당 각각 $3 및 $2이다. 요소를 출발물질로 사용하여 얻어지는 수소의 가격은 $1/Kg에 불과하다. 따라서, 제조 비용에서 100% 이윤폭을 고려하더라도, 수소의 가격은 약 $2/Kg이다. 이에 더하여, 수소는 반응성이 높은 기체 상태로 대량 저장할 필요가 없고, 요소로부터 생산되므로 전술한 바와 같이 안전하고 취급이 용이하다.
요소는 암모니아 가스와 이산화탄소의 반응으로부터 제조된다. 물이 존재하는 상태에서 반응하면, 요소는 암모니아와 이산화탄소를 발생한다. 암모니아는 내연기관 및 외연기관을 가동시킬 수 있는 연료로 알려져 있다. 암모니아는 또한 분해되어 그 구성 성분인 질소와 수소를 제공한다. 수소는 이어서 엔진 또는 수소 연료 전지에 사용될 수 있다. 수소원으로서, 요소는 6.71 중량%의 수소를 함유한 다. 그러나, 1몰의 물로 가수분해하면, 1몰의 요소는 물 분자에서 나오는 2개의 수소 원자와 함께 2몰의 암모니아를 생성한다. 따라서, 암모니아-물 시스템은 이론적으로 7.69% 이하의 수소를 산출할 수 있다. 실제로, 수율 5%의 수소를 얻을 수 있다. 요소의 50% 수용액의 밀도는 1.145Kg/L이므로, 요소 용액 1리터는 약 57g의 수소, 또는 리터당 71g인 극저온 액화 수소로부터 이용하능한 수소량의 약 80%를 산출한다. 리터당 57g의 수소라는 수치는 극저온 액화 수소에 비해 요소계 연료의 모든 긍정적 안전성과 아울러, 극저온 탱크의 벌크가 극저온 액화 수소의 에너지 밀도 값에 바람직하지 않은 효과를 가진다는 사실을 고려할 때 매우 유리한 것이다. 또한, 수중 70 중량%의 요소를 포함하는 조성물은 리터당 약 79g의 수소를 생성하며, 이것은 극저온 수소로부터 얻을 수 있는 리터당 71g의 양보다 많으며, 극저온 수소보다 더 큰 에너지 효율 및 안전성을 제공한다.
본 발명은 또한 화석 연료에 비해 현저한 이점 및 안전성 측면에서 많은 대체 연료를 갖는다. 본 발명은 수요에 따라 암모니아를 제공함으로써, 임의의 설정된 시점에 존재하는 암모니아의 양은 매우 낮으므로 안전성 문제가 제기되지 않는다. 요소의 수용액은 무독성이며 가압되지 않은 상태로 간단한 플라스틱 탱크 또는 금속 탱크에 저장될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 전술한 바와 같이, 요소와 물의 반응으로부터 생성된 암모니아는 산화되거나 연소되어 에너지를 생성한다. 순수 암모니아를 연료로서 제안했지만, 순수 암모니아의 이용은 몇 가지 단점을 갖는다. 암모니아는 실온에서 기체이며 액화를 위해서는 고압을 필요로 한다. 암모니아는 다량일 때 호 흡기 문제 및 심지어는 사망을 일으킬 수 있는 부식성 물질이다. 연료를 제조하기 위해 암모니아를 물에 용해시킬 수는 있지만, 얻어지는 연료는 11을 넘는 pH를 가지며 강한 암모니아 냄새를 갖는다. 마지막으로, 암모니아는 가솔린 및 기타 대체 연료에 비해 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 갖는다. 암모니아의 공급원으로서 본 발명에서는 요소를 이용하는 것은 저농도로 암모니아를 제공하므로 장치 내에 다량의 암모니아를 저장하는 것과 관련된 문제를 거의 해소한다.
본 발명은 또한 환경 측면에서 유리하다. 이산화탄소는 반응 (1)에서 요소의 가수분해 산물 중 하나이지만, 1차로 요소를 제조하기 위해 대기로부터 동일한 양의 이산화탄소가 제거된다. 따라서, 본 발명에 따른 암모니아의 제조는 온실 가스 방출에 전혀 가중 효과를 일으키지 않는다. 요소의 제조에 필요한 다른 반응물질은 암모니아이며, 이것의 제조에는 수소 공급원이 필요하다. 이러한 목적에서 사용되는 수소의 대부분은 대기 중으로 이산화탄소가 방출되는 천연 가스의 스팀 개질 공정에 의해 공급된다. 그러나, 수소는 물의 가수분해와 같은 환경 친화적인 방법으로도 제조될 수 있으며, 가수분해에서는 공정에 필요한 전기가 원자력, 수력발전, 태양열, 조수 또는 풍력 발전에 의해 공급되므로 어느 방법이든 온실 가스 방출 공정이 아니다. 이 경우, 이산화탄소의 필요량은, 요구에 따라 370ppm CO2를 함유하는 연도 가스 또는 대기중으로부터 이산화탄소를 격리 포집함으로써 얻을 수 있다. 따라서, 기존의 기술을 이용하여, 화석 ㅇㄴ료에 비해 경제적이고 환경 친화적인 방식으로 요소를 제조할 수 있다.
이하의 실시예에 의해 본 발명을 더 예시하는데, 이들 실시예는 본 발명의 범위를 전혀 한정하려는 것은 아니다.
실시예 1
575g의 요소를 함유하는 50 중량%의 요소 용액 1리터를 약 3기압의 압력 하에서 120℃로 가열하여 자발적으로 암모니아를 발생시켰다. 225초 후에 반응기에는 잔사가 남아있지 않았다. 315g의 암모니아를 포집하고 연소시켰다.
실시예 2
575g의 요소를 함유하는 50 중량%의 요소 용액 1리터를 50g의 오산화바나듐 촉매의 존재 하에서 100℃로 가열하여 280초 동안에 315g의 암모니아를 발생시켰다. 315g의 암모니아를 포집하고 후속 단계에서 연소시켰다. 오산화바나듐은 영향을 받지 않았고, 새로 50 중량%의 요소 용액을 사용한 동일한 반응에 재사용하였다.
실시예 3
20 중량%의 요소 연료 1리터를 1 백만 IU의 우레아제와 함께 60℃에서 반응기에 넣었다. 암모니아를 1분당 약 35g의 일정한 속도로 발생시켰다. 암모니아를 포집하고 후속 단계에서 연소시켰다.

Claims (96)

  1. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 단계 (a)에서 형성된 상기 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하는 단계
    를 포함하는 에너지 발생 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물 중 요소의 중량은 상기 조성물 중 물의 약 10 중량% 내지 약 90 중량%와 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 요소는 약 140℃ 내지 약 240℃ 범위의 온도와 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력 하에서 물과 반응하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방법의 단계 (a)는 무촉매(catalyst-free) 공정인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉매는 금속의 산화물이고, 상기 금속은 철, 니켈, 바나듐 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 가연성 연료, 연소 증강제(combustion enhancer) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 성분은 요소와 물의 반응을 개시하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양으로 존재하는 가연성 연료인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가연성 연료가 암모니아인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 성분이 연소 증강제인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 효소는, 실온 내지 상기 효소의 반감기가 1분 미만인 온도에서 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 것임을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 효소가 우레아제(urease)인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 질소 산화물이 형성되고, 상기 방법은 상기 질소 산화물을 감소시키기 위해 상기 조성물의 충분한 양을 상기 질소 산화물과 반응시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 암모니아는 9:1 내지 30:1 범위의 압축비 및 30:1보다 큰 압축비로 이루어지는 군으로부터 선택되는 압축비를 가진 엔진 내에서 연소되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  17. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계;
    (b) 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 질소와 수소로 변환시키는 단계; 및
    (c) 단계 (b)에서 형성된 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하는 단계
    를 포함하는 에너지 발생 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 조성물 중 요소의 중량은 상기 조성물 중 물의 약 10 중량% 내지 약 90 중량%와 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 요소는 약 140℃ 내지 약 240℃ 범위의 온도와 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력 하에서 물과 반응하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 방법의 단계 (a)는 무촉매 공정인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 촉매는 금속의 산화물이고, 상기 금속은 철, 니켈, 바나듐 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 형성된 암모니아를, 수소의 형성에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 촉매는 산화철(II) 또는 산화철(III)인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 조성물은 가연성 연료, 연소 증강제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  26. 제17항에 있어서,
    요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 단계 (C)는 상기 단계 (b)에서 형성된 수소를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 백금을 함유하는 촉매에 의해 촉매작용이 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  29. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    (a) 산화제가 없는 상태에서 요소를 물과 반응시켜 수소를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 단계 (a)에서 형성된 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하는 단계
    를 포함하는 에너지 발생 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 조성물 중 요소의 중량은 상기 조성물 중 물의 약 10 중량% 내지 약 90 중량%와 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 조성물을 약 150℃ 내지 250℃ 범위의 온도 및 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력 하에서 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 조성물은 가연성 연료, 연소 증강제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 수소를 형성하기 위한 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    수소의 형성에 촉매작용을 할 수 있는 상기 촉매는, 전이 금속을 포함하는 촉매, 희토류 원소를 포함하는 촉매, 악티니드를 포함하는 촉매 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 전이 금속은 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 철, 구리, 아연, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 로듐, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 레늄, 은 및 금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  36. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    상기 요소를 산화시켜 에너지를 발생하면서 물이 형성되도록 상기 조성물을 산화제와 함께 가열하는 단계를 포함하는 에너지 발생 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 조성물 중 요소의 중량은 상기 조성물 중 물의 약 10 중량% 내지 약 90 중량%와 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 조성물을 약 150℃ 내지 250℃ 범위의 온도 및 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력 하에서 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 조성물은 가연성 연료, 연소 증강제 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  40. 제36항에 있어서,
    요소의 산화반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  41. 제36항에 있어서,
    요소의 산화반응에 촉매작용을 할 수 있는 상기 촉매는 상기 산화제인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    수소의 형성에 촉매작용을 할 수 있는 상기 촉매는, 전이 금속을 포함하는 촉매, 희토류 원소를 포함하는 촉매, 악티니드를 포함하는 촉매 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 전이 금속은 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 철, 구리, 아연, 티타늄, 바나듐, 몰리브덴, 로듐, 루테늄, 지르코늄, 텅스텐, 레늄, 은 및 금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  44. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    (a) 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 형성된 암모니아를 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 단계;
    (c) 암모니아의 상기 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키는 단계; 및
    (d) 상기 단계 (c)에서 형성된 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 산화하여, 에너지를 발생시키면서 질소와 물을 형성하는 단계
    를 포함하는 에너지 발생 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 조성물 중 요소의 중량은 상기 조성물 중 물의 약 10 중량% 내지 약 90 중량%와 동일한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 요소는 약 140℃ 내지 약 240℃ 범위의 온도와 약 30기압 내지 약 50기압 범위의 압력 하에서 물과 반응하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 방법의 단계 (a)는 무촉매 공정인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  48. 제46항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 촉매는 금속의 산화물이고, 상기 금속은 철, 니켈, 바나듐 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  50. 제44항에 있어서,
    요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소와 상기 조성물을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  51. 제48항에 있어서,
    상기 효소는, 실온 내지 상기 효소의 반감기가 1분 미만인 온도에서 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 것임을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  52. 제48항에 있어서,
    상기 효소가 우레아제인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  53. 제44항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  54. 제44항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 암모니아를 질소와 수소로 변환시키는 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매와 암모니아의 상기 제1 부분을 혼합하거나 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  55. 제54항에 있어서,
    상기 촉매가 산화철(II) 또는 산화철(III)인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 방법.
  56. 공압식 장치(pneumatic device)를 구동하는 방법으로서,
    (a) 요소 및 물을 포함하는 조성물을 제공하는 단계; (b) 촉매의 존재 하에 상기 요소를 산화제로 산화시켜 에너지를 발생시키고 가압 하에 복수의 기체 물질을 형성하는 단계; 및 (c) 가압 하에 형성된 상기 기체 물질을 상기 공압식 장치에 주입하여 상기 공압식 장치를 구동하는 단계를 포함하는
    공압식 장치의 구동 방법.
  57. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기;
    (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기;
    (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기; 및
    (d) 암모니아를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물과 질소를 형성하기 위한 제4 용기
    를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있는
    에너지 발생 장치.
  58. 제57항에 있어서,
    암모니아를 산화시키기 위한 상기 제4 용기는 암모니아를 연소시키기 위한 엔진인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 암모니아의 연소로부터 질소 산화물이 형성되고,
    상기 장치는,
    (e) 상기 질소 산화물을 환원하기에 충분한 양의 상기 조성물을 제공하기 위한 제5 용기; 및
    (f) 상기 질소 산화물을 상기 엔진으로부터 상기 제5 용기에 이송하기 위한 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  60. 제57항에 있어서,
    상기 제3 용기는, 요소와 물의 반응을 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양의 암모니아를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  61. 제60항에 있어서,
    상기 열량은 요소와 물의 반응을 즉시 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  62. 제57항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  63. 제57항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  64. 제59항에 있어서,
    상기 제2 용기는 상기 효소를 상기 제2 용기에 첨가하기 위한 제1 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  65. 제63항에 있어서,
    상기 요소와 물의 반응중에 입자상 물체(particulate matter)가 형성되고, 상기 제2 용기는 상기 입자상 물체를 배출하기 위한 제2 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  66. 제57항에 있어서,
    암모니아를 산화시키기 위한 상기 제4 용기는 암모니아 연료 전지인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  67. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기;
    (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기;
    (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기;
    (d) 암모니아를 질소와 수소로 변환시키기 위한 제4 용기;
    (e) 수소를 제공하기 위한 제5 용기; 및
    (f) 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제6 용기
    를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제5 용기는 수소를 상기 제5 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 상기 제6 용기는 수소를 상기 제4 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있는
    에너지 발생 장치.
  68. 제67항에 있어서,
    수소를 산화시키기 위한 상기 제6 용기는 수소를 연소시키기 위한 엔진인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  69. 제67항에 있어서,
    상기 제3 용기는, 요소와 물의 반응을 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양의 암모니아를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  70. 제69항에 있어서,
    상기 열량은 요소와 물의 반응을 즉시 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  71. 제67항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  72. 제67항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  73. 제72항에 있어서,
    상기 제2 용기는 상기 효소를 상기 제2 용기에 첨가하기 위한 제1 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  74. 제72항에 있어서,
    상기 요소와 물의 반응중에 입자상 물체가 형성되고, 상기 제2 용기는 상기 입자상 물체를 배출하기 위한 제2 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  75. 제67항에 있어서,
    암모니아를 질소와 수소로 변환시키기 위한 상기 제4 용기는 암모니아로부터 수소를 형성하는 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  76. 제67항에 있어서,
    수소를 산화시키기 위한 상기 제6 용기는 수소 연료 전지인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  77. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기;
    (b) 산화제가 없는 상태에서 상기 요소를 물과 반응시켜 수소를 형성하기 위한 제2 용기;
    (c) 수소를 제공하기 위한 제3 용기; 및
    (d) 수소를 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제4 용기
    를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송 하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 수소를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 수소를 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있는
    에너지 발생 장치.
  78. 제77항에 있어서,
    수소를 산화시키기 위한 상기 제4 용기는 수소를 연소시키기 위한 엔진인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  79. 제77항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 수소를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  80. 제77항에 있어서,
    수소를 산화시키기 위한 상기 제4 용기는 수소 연료 전지인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  81. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기; 및
    (b) 상기 요소를 산화제로 산화하여, 에너지를 발생시키면서 물을 형성하기 위한 제2 용기
    를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있는
    에너지 발생 장치.
  82. 제81항에 있어서,
    요소를 산화시키기 위한 상기 제2 용기는 요소를 연소시키기 위한 엔진인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  83. 제81항에 있어서,
    요소를 산화시키도록 상기 조성물을 가열하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소의 산화반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  84. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    (a) 상기 조성물을 제공하기 위한 제1 용기;
    (b) 상기 요소를 물과 반응시켜 암모니아를 형성하기 위한 제2 용기;
    (c) 암모니아를 제공하기 위한 제3 용기;
    (d) 상기 제2 용기에서 형성된 암모니아의 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키기 위한 제4 용기;
    (e) 수소를 제공하기 위한 제5 용기; 및
    (f) 수소 및 암모니아의 제2 부분을 산화하여, 에너지를 발생시키면서 질소와 물을 형성하기 위한 제6 용기
    를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 조성물을 상기 제1 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제1 용기에 연결되어 있고, 상기 제3 용기는 암모니아를 상기 제3 용기로부터 상기 제2 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제4 용기는 암모니아의 상기 제1 부분을 상기 제2 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있고, 상기 제5 용기는 수소를 상기 제5 용기로부터 상기 제4 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 상기 제6 용기는 수소를 상기 제4 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제4 용기에 연결되어 있고, 또한 상기 제6 용기는 암모니아의 상기 제2 부분을 상기 제2 용기로부터 상기 제6 용기에 이송하는 수단에 의해 상기 제2 용기에 연결되어 있는
    에너지 발생 장치.
  85. 제84항에 있어서,
    수소 및 암모니아의 상기 제2 부분을 산화시키기 위한 상기 제6 용기는 수소와 암모니아를 연소시키기 위한 엔진인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  86. 제85항에 있어서,
    암모니아의 상기 제2 부분의 연소로부터 질소 산화물이 형성되고,
    상기 장치는,
    (e) 상기 질소 산화물을 환원하기에 충분한 양의 상기 조성물을 제공하기 위한 제7 용기; 및
    (f) 상기 질소 산화물을 상기 엔진으로부터 상기 제7 용기에 이송하기 위한 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  87. 제84항에 있어서,
    상기 제3 용기는, 요소와 물의 반응을 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 열량을 생성하도록 연소될 수 있는 양의 암모니아를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  88. 제87항에 있어서,
    상기 열량은 요소와 물의 반응을 즉시 개시하여 암모니아를 형성하기에 충분한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  89. 제84항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  90. 제84항에 있어서,
    요소와 물이 반응하여 암모니아를 형성하기 위한 상기 제2 용기는 상기 요소와 물의 반응에 촉매작용을 할 수 있는 효소를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  91. 제90항에 있어서,
    상기 제2 용기는 상기 효소를 상기 제2 용기에 첨가하기 위한 제1 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  92. 제90항에 있어서,
    상기 요소와 물의 반응중에 입자상 물체가 형성되고, 상기 제2 용기는 상기 입자상 물체를 배출하기 위한 제2 밸브와 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  93. 제84항에 있어서,
    암모니아의 상기 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키기 위한 상기 제4 용기는, 암모니아의 상기 제1 부분을 질소와 수소로 변환시키는 반응에 촉매작용을 할 수 있는 촉매를 제공하기 위한 용기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  94. 요소 및 물을 포함하는 조성물로부터 에너지를 발생시키는 장치로서,
    상기 장치는 연료로서 요소를 활용할 수 있는 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 전지는 저온 연료 전지 및 고온 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 상기 연료 전지를 통해 요소를 통과시킴으로써 전기가 요소로부터 직접 발생되는
    에너지 발생 장치.
  95. 제94항에 있어서,
    상기 연료 전지는, 고체 산화물 연료 전지 및 용융 탄산염 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고온 연료 전지인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  96. 제94항에 있어서,
    상기 연료 전지는, 알칼리 연료 전지 및 인산 연료 전지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 저온 전지인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
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