KR20080039334A - 수소발생 연료전지 카트리지 - Google Patents

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KR20080039334A
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소시에떼 비아이씨
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Abstract

가스발생장치는 제1반응물을 구비하는 저장기와 반응챔버를 포함하는 카트리지와, 유동제어장치를 포함할 수 있는 수용기를 포함한다. 상기 수용기는 상기 카트리지를 수납하여 상기 카트리지와의 연결 이후 상기 제1반응물을 상기 반응챔버로 이송하도록 된다. 상기 유동제어장치는 상기 반응챔버 내의 압력이 소정 압력에 도달하면 상기 반응물의 이송을 정지시키도록 된다.
연료전지, 가스발생장치, 수용기, 유동제어장치, 카트리지

Description

수소발생 연료전지 카트리지 {HYDROGEN GENERATING FUEL CELL CARTRIDGES}
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접적으로 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 더 효율적이어서 그 이용이 증가하고 있다.
일반적으로 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 오늘날 매우 중요한 연료전지로서는 일반적으로 세 가지 종류로 나눌 수 있는데, (i) 압축수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, (ii) 연료로서 메탄올(CH3OH) 등의 알콜, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속 수소화물(metal hydride), 탄화수소(hydrocarbon), 또는 수소연료로 변환된 기타 연료를 사용하는 양자교환 막(Proton Exchange Membrane: PEM, 이하 "PEM") 연료전지와, (iii) 비수소 연료를 직접 소비할 수 있는 PEM 연료전지 또는 직접 산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell), 그리고 (iv) 고온에서 탄화수소 연료를 직접 전기로 변환하는 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)가 그것이다.
일반적으로 압축수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 또한, 커다란 저장탱크가 일반적으로 요구되어 가전분야 기기에 사용될 만큼 작게 만들 수도 없다. 통상적인 개질 연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화 및 부대 시스템을 필요로 한다. 최근에는 개질기나 개질 연료전지가 더 발전되어 가전분야 기기에 유망해졌다. 가장 일반적인 직접 산화형 연료전지는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell) 또는 DMFC이다. 기타 직접 산화형 연료전지는 직접형 에탄올 연료전지(direct ethanol fuel cell)와 직접형 테트라메틸 오소카보네이트 연료전지(direct tetramethyl orthocarbonate fuel cell)를 포함한다. DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로, 가장 단순하면서도 가장 소형화될 수 있는 연료전지로서 가장 유망하게 가전분야 기기에 적용될 수 있다. 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 전기를 생산하기 위하여 높은 열에서 부탄과 같은 탄화수소 연료를 변환한다. SOFC는 연료전지 반응을 일으키기 위하여 1000℃ 범위의 비교적 고온을 필요로 한다.
연료전지 각각의 종류에 따라 전기를 생산하는 화학반응은 다르다. DMFC에 있어서, 각 전극에서의 화학-전기 반응 및 직접형 메탄올 연료전지에서의 전체 반응은 다음과 같다;
애노드에서의 반쪽 반응:
CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
1.5O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체 연료전지 반응:
CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O
수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자는 외부회로로 흐르게 되고, 결국 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로로서는 이동전화 또는 휴대전화, 계산기, PDA, 랩탑 컴퓨터, 전동공구 등과 같은 많은 유용한 가전분야 기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에서 다루어지고 있다. 일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion
Figure 112007061435516-PCT00001
과 같은 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박막층이 표면에 도포된 촉매 박막층을 지닌 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측면에 부착된 가스 확산 전극으로 된다.
다른 직접형 산화 연료전지 중에서, 수소화붕소 연료전지(borohydride fuel cell: DBFC)에서 반응은 다음과 같다:
애노드에서의 반쪽반응:
BH4- ＋ 8OH- → BO2 - ＋ 6H2O ＋ 8e-
캐소드에서의 반쪽반응:
2O2 ＋ 4H2O ＋ 8e- → 8OH-
화학적 금속 수소화물 연료전지에 있어서, 일반적으로 수용성 수소화붕소나트륨은 다음과 같이 개질되고 반응한다:
NaBH4 ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ NaBO2
애노드에서의 반쪽 반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드에서의 반쪽 반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
이러한 반응에 적합한 촉매로는 백금과 루테늄 및 기타 금속이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질함으로써 얻어지는 수소연료는 O2와 같은 산화제와 연료전지 내부에서 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 만들어낸다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 개질처리 과정에서 얻어진다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에서 다루어지고 있다. 따라서, 수용성 금속 수소화물을 사용하는 공지된 화학적 수소화 반응은 대략 9 내지 12 중량% 저장예상(storage expectancy)을 가지며, 상기 습식화학반응 시스템에서 사용되는 상기 액체 및 촉매는 면밀하게 관찰할 필요가 있다. 또한, 금속 수소화물 용액의 안정도를 오랫동안 유지하기가 어렵다. 왜냐면, 상기 반응의 반감기를 제공하는 식 t1/2-pH*log(0.034＋kT)에 의하면, 가수분해 반응은 항상 매우 느리게 발생하기 때문이다. 더구나, 만일 상기 용액이 안정화되면, 상기 반응성은 완전하지 않다.
수소화물 저장 방법(hydride storage method)에 있어서, 상기 반응은 다음과 같다;
금속 ＋ H2 → 수소화물 ＋ 열
그러나, 이러한 반응의 저장예상은 대략 5중량%에 불과하다. 또한, 이러한 반응은 비용이 높고 포장(package)하기가 어렵다.
수소를 생산하는 다른 공지된 방법은 건식 수소화반응(dry hydride reaction)이다. 건식반응은 일반적으로 다음의 반응을 포함한다:
X(BH4) → H2
(이때, X는 Na, Mg, Li 등을 포함하나 이에 한정되지 아니한다.)
또한, 건식반응은 저장예상이 단지 대략 10중량%에 불과하고 엄밀하게 압력을 관찰하는 것이 요구된다는 등의 여러 단점을 가진다.
수소가스를 생산하는 부가의 방법은 식 PV＝nRT (이때, P는 압력, V는 체적, n은 몰수, R은 기체상수, T는 온도이다)을 사용하는 압력저장방법(pressure storage method)에 의한다. 이러한 방법은 지속적인 압력관찰을 요구한다.
연료전지 응용을 위하여 매우 중요한 특징 중 하나는 연료 저장이다. 또 다른 중요한 특징은 연료 카트리지로부터 연료전지로의 연료 이송을 조절하는 것이다. 상업적으로 유용하기 위해서는, DMFC 또는 PEM 시스템과 같은 연료전지는 소비자들의 일상적인 사용을 만족시키기에 충분한 연료를 저장할 수 있는 용량을 가져야 한다. 예를 들어, 이동전화 또는 휴대전화, 노트북 컴퓨터 및 PDA(personal digital assistant)를 위해서는 연료전지는 현재 배터리만큼 오랫동안, 바람직하기로는 더 길게 이들 기기에 전력을 공급할 필요가 있다. 더구나, 연료전지는 오늘날의 재충전 가능한 배터리에 요구되는 긴 충전시간을 최소화하거나 또는 미연에 방지하기 위하여 쉽게 교체가능하거나 재충전가능한 연료 탱크를 구비하여야 한다.
공지된 수소가스 발생장치(hydrogen gas generator)의 한가지 단점은 일단 반응이 시작되면 상기 가스 발생장치 카트리지가 상기 반응을 제어할 수 없다는 것이다. 따라서, 반응물의 공급이 바닥나거나 또는 반응물원이 수동으로 차단될 때까지 상기 반응은 지속된다. 더구나, 상기 공지된 수소발생기는 특정한 배향으로 위치될 때는 동작하지 않을 수 있고 크기도 비교적 크다. 따라서, 향상된 수소발생기와 수소생성 반응물에 대한 요구가 있다.
본 발명은 적어도 2개의 별개 부분들을 포함하는 가스발생장치에 관한 것이다. 상기 가스발생장치의 제1부분은 적어도 반응챔버와 반응물 저장기를 수용한다. 리셉터클(receptacle)을 포함하는 제2부분은 상기 제1부분을 수납하도록 된다. 상기 제2부분은 연료전지의 일부, 또는 상기 연료전지가 전력을 공급하는 기기의 일부일 수 있다. 상기 제2부분은 적어도 하나의 결합구(coupler)와, 및/또는 상기 반응챔버 또는 상기 제1부분의 압력에 의하여 제어될 수 있는 유동제어장치를 포함한다. 상기 반응챔버 내의 압력이 소정 수준 이내이면, 상기 유동제어장치는 폐쇄되어 상기 제1반응물의 상기 반응챔버로의 이송을 정지시킨다. 본 발명의 일 이점은 상기 제1부분이 상기 제2부분과 분리될 때 상기 반응물이 혼합될 수 없어 서로 반응하지 않는다는 점이다.
또한, 본 발명은 가스발생장치와 사용될 수 있는 연료에 관한 것이다. 상기 연료는 고체 금속 수소화물(solid metal hydride)과 물을 지닌 수용액, 촉매 및/또는 적어도 하나의 알콜 또는 알콜들의 혼합물을 포함한다. 또한, 상기 반응물들의 하나는 상기 반응물들 간의 시간당 반응을 향상시키기 위하여 산(acid)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 가스발생방법에 관한 것이다. 전술하는 일반적인 기술 및 아래의 상세한 기술은 단지 예시이고 설명일 뿐이며 특허청구범위대로 본 발명에 대한 더 상세한 설명을 제공하기 위해 의도된 것이다.
이하, 첨부되는 도면은 본원 명세서의 일부를 이루어 이와 연계되어 이해되어야하며, 여기서 동등한 도면부호는 다양한 도면에서의 동등한 각 부분들을 가리키는데 사용된다;
도 1은 요망된 가스를 마이크로 연료전지에 공급가능한 가스발생장치의 단면도.
이하, 도면과 함께 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 연료 공급원(fuel supply)에 관한 것으로, 상기 연료 공급원은 메탄올과 물, 메탄올/물 혼합물, 다양한 농도의 메탄올/물 혼합물 또는 순수 메탄올 및/또는 미국특허 제5,364,977호 및 제6,512,005호에 기술된 메틸 클라드레이트(methyl clathrate)와 같은 연료전지 연료를 저장한다. 메탄올 및 기타 알콜은 예를 들어 DMFC, 효소 연료전지(enzyme fuel cell), 개질 연료전지(reformat fuel cell) 등 많은 종류의 연료전지에서 사용가능하다. 연료 공급원은 에탄올이나 알콜, 수소화붕소나트륨과 같은 금속 수소화물, 수소로 개질될 수 있는 기타 화학물질, 또는 연료전지의 성능 또는 효율을 향상시킬 수 있는 기타 화학물질과 같은 다른 종류의 연료전지 연료를 포함할 수 있다. 또한, 연료는 금속 연료전지 또는 알칼리 연료전지에 사용될 수 있고 연료 공급원에 저장될 수 있는 수산화칼륨(KOH) 전해질을 포함한다. 금속 연료전지용으로서, 연료는 KOH 전해질 반응용액에 담근 유체부유 아연입자의 형태로 되고, 전지 캐비티(cavity) 내부의 양극은 아연입자 형태의 미립자 양극으로 된다. KOH 전해질 용액은 미국특허출원공개공보 제2003/0077493호(2003. 4. 24 공개) "하나 이상의 부하에 전력을 공급하기 위한 연료전지시스템 사용방법"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 메탄올과 과산화수소 및 황산의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이는 실리콘 칩 상에 형성된 촉매를 지나쳐 흘러 연료전지 반응을 일으킨다. 또한, 연료는 미국특허 제6,554,877호, 제6,562,497호 및 제6,758,871호에 기술된 바와 같은 메탄올, 수소화붕소나트륨, 전해질 및 기타 화합물의 혼합물을 포함한다. 또한, 연료는 미 국특허 제6,773,470호에 기술된 바와 같이 용제에 부분적으로 용해되고 용제에 부분적으로 현탁된 조성들과, 미국특허출원공개공보 제2002/076602호에 기술된 바와 같이 액체 연료 및 고체 연료 모두를 포함하는 조성들을 포함한다.
또한, 연료는 앞서 기술하였듯이 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 같은 금속 수소화물과 물을 포함한다. 또한, 연료는 탄화수소 연료, 즉 부탄, 등유, 알콜 및 천연가스 등을 더 포함할 수 있으며 이에 한정되지는 않는다. 이는 미국특허출원공개공보 제2003/0096150호(2003. 5. 22 공개) "액체 계면 연료전지 기기"에 개시되어 있다. 또한, 연료는 연료와 반응하는 액상 산화제를 포함한다. 따라서, 본 발명은 연료 공급원에 수용되거나, 아니면 연료전지 시스템에 의하여 사용되는 연료, 전해질 용액, 산화제 용액 또는 액체 또는 고체의 종류에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 "연료"라는 용어는 연료전지나 연료 공급원 내에서 반응할 수 있는 연료 모두를 포함하며, 이는 상기 모든 적합한 연료, 전해질 용액, 산화제 용액, 기체, 액체, 고체 및/또는 화학물질과 그 혼합물을 포함하며 이에 한정되지 않는다.
여기서 사용되는 용어인 "연료 공급원"은 일회용 카트리지, 재충전/재사용 가능한 카트리지, 용기, 전자기기 내부에 구비되는 카트리지, 분리가능한 카트리지, 전자기기 외부에 구비되는 카트리지, 연료 탱크, 연료 재충전 탱크, 연료를 수용하는 기타 용기, 상기 연료 탱크 및 용기에 연결되는 배관을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 이하, 카트리지가 본 발명의 예시적 구현예들과 연계되어 하술되나, 이들 구현예들은 다른 연료 공급원들에게도 적용가능하며 본 발명은 어떤 특정 형태의 연료 공급원에 한정되지 아니한다.
또한, 본 발명의 연료 공급원은 연료전지에 사용되지 않는 연료를 저장하는데 사용될 수도 있다. 이러한 응용은 The Industrial Physicist에 공표된 "마이크로엔진(microengine)의 등장"(pp. 20-25, 2001.12/2002.1)에 논의된 바 있는 실리콘 칩 상에 장착된 마이크로 가스 터빈 엔진(micro gas-turbin engine)용 탄화수소 및 수소연료를 저장하는 것도 포함하며, 이에 한정되지 아니한다. 본 출원에서 사용되듯이, "연료전지"라는 용어는 또한 마이크로 엔진을 포함한다. 기타 용도로서 내부 연소 엔진용 기존 연료와, 포켓 및 다용도 라이터용 부탄, 액화 프로판과 같은 탄화수소를 저장하는 것을 포함한다.
공지된 적합한 수소발생 기기로는 본 출원인의 현재 진행중인 미국특허출원 제10/679,756호 및 제10/854,540호에 개시되어 있다.
본 발명의 다양한 구현예들에 있어서, 본 발명의 가스발생장치는 어떻게 위치되든간에(예를 들어, 측면으로, 대각선으로 또는 거꾸로) 작동할 수 있다. 본 발명의 가스발생장치는 이동전화와 같은 소형기기용으로서 대략 100cm3 또는 그 이하의 체적, 바람직하게는 대략 70cm3 또는 그 이하의 체적, 또는 대략 40cm3 또는 그 이하의 체적을 가지며, 카트리지와 리셉터클(receptacle)(또는 수용기(receiver))을 포함한다. 바람직하게는, 상기 카트리지 또는 이의 부분은 일회용이고 상기 반응 조성물들을 포함한다. 상기 수용기는 상기 카트리지 내의 상기 반응 조성물들을 서로 접촉하게 하여 반응하게 하도록 된 유동제어장치, 도관, 통로 또는 채널을 포 함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 수용기는 상기 카트리지로부터 분리가능하게 부착가능하다. 상기 카트리지 내의 상기 반응 조성물들은 상기 카트리지가 상기 수용기에 연결되지 않는 한 서로 접촉할 수 없다. 또한, 상기 수용기는 상기 발생된 가스를 상기 연료전지를 향하도록 할 수 있다.
상기 카트리지는 제1반응물을 구비하는 저장기와 반응챔버를 포함한다. 상기 반응챔버는 제2반응물을 포함할 수 있다. 상기 제1반응물은 물을 포함할 수 있고 상기 제2반응물은 금속 수소화물, 예를 들어 수소화붕소나트륨을 포함할 수 있다. 상기 반응물들은 기상, 액체 또는 고체 형태로 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1반응물은 임의로 첨가제 및/또는 촉매를 포함할 수 있는 물로 된다. 상기 제2반응물은 바람직하게는 고체 금속 수소화물(solid metal hydride) 또는 고체 금속 수소화붕소(solid metal borohydride)로 된다. 상기 고체 반응물들은 분말, 펠렛, 다공성 구조체, 볼(ball), 튜브, 가용성 외장체(sheath)로 될 수 있거나 또는 상기 반응챔버의 벽 상에 위치될 수 있다. 물과 금속 수소화물의 반응은 수소가스를 생성해낼 수 있다. 기타 적합한 반응물 또는 시약은 미국특허출원 제10/854,540호에 개시되어 있다. 또한, 상기 제1반응물은 메탄올이나, 부탄과 같은 탄화수소로 될 수 있으며, 상기 반응챔버는 하나 또는 그 이상의 촉매를 수용하거나 또는 열을 발생할 수 있으며 상기 제1반응물은 수용하지 않는다. 상기 제1반응물은 상기 반응챔버 내에서 촉매(들)이나 열의 존재 하에 가수분해될 수 있다.
본 발명의 상기 수용기 또는 리셉터클은 상기 제1반응물을 상기 카트리지 내의 저장기로부터 상기 카트리지 내의 반응챔버로 이송할 수 있다. 상기 반응챔버 내의 압력은 상기 제1반응물의 상기 저장기로부터 상기 반응챔버로의 이송을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 저장기 내의 상기 제1반응물은 상기 반응챔버 내부의 압력이 소정값 이하인 경우 또는 상기 반응챔버 내부의 압력이 상기 저장기 내의 압력보다 소정량만큼 작을 경우 상기 반응챔버 내부로 도입될 수 있다. 상기 제1반응물의 상기 저장기로부터 상기 반응챔버 내부로의 유동은 자체조절됨이 바람직하다. 이리하여, 상기 반응챔버가 상기 저장기 내의 소정의 압력 또는 그 이상에 도달하면, 상기 제1반응물의 상기 저장기로부터 상기 반응챔버 내부로의 유동은 정지될 수 있어 더 이상의 수소가스 생산이 방지된다. 유사하게, 상기 반응챔버의 압력이 상기 소정값 이하로 감소되거나 또는 소정량만큼 상기 저장기 내의 상기 압력 이하로 감소되는 경우, 상기 제1반응물은 다시 상기 저장기로부터 상기 반응챔버 내부로 유동한다. 상기 저장기 내의 상기 제1반응물은 공지된 모든 방법에 의하여 상기 반응챔버 내부로 도입될 수 있으며, 상기 방법은 펌핑, 삼투(osmosis), 모세관 작용, 압력차, 밸브 또는 이들의 조합을 포함하나 이에 한정되지 아니한다. 상기 저장기는 가압되어 상기 제1반응물을 상기 반응챔버로 이송하기 위한 에너지를 공급함이 바람직하다. 상기 저장기 내의 압력은 스프링, 폼 피스톤(foam piston), 추진가스(propellant gas), 액화 탄화수소(liquefied hydrocarbon) 및/또는 변형가능한 가요성 벽과 같은 가압기(pressure applicator)에 의하여 발생된다.
본 발명의 카트리지(10)는 저장기(12)를 포함하고, 상기 저장기(12)는 제1반응물(12)과 반응챔버(18)를 수용하며, 상기 반응챔버(18)는 임의의 제2반응물(20)을 수용한다. 일 예시적 구현예에 있어서(도 1에서 미도시), 저장기(12)는 제1반응 물(14)을 수용하는 블래더 또는 라이너를 포함할 수 있다. 블래더가 사용되는 경우, 상기 블래더는 가요성 물질이나 탄성 물질을 포함한 모든 물질로 제조될 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 가스발생장치(1)는 카트리지(10)와 수용기(30)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 카트리지(10) 및 수용기(30)는 하나 또는 그 이상의 결합구에 의하여 서로 분리가능하게 부착가능하다. 예를 들어, 카트리지(10)는 3개의 밸브요소들(24) 및 3개의 밸브요소들(32)에 의하여 분리가능하게 수용기(30)에 연결될 수 있다. 적합한 결합구들(24, 32)은 차량 실링 신속 결합구(car-sealing quick action coupler), 체크밸브(check valve), 덕빌밸브(duckbill valve), 솔레노이드 밸브(solenoid valve), 니들(needle) 및 격막(septum), 전기적 밸브 및 자기적 밸브를 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 기타 적합한 밸브로는 미국특허출원 제10/629,006호 및 제10/978,949호에 개시된 밸브들을 포함한다. 그러나, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 모든 결합구들이 카트리지(10)를 수용기(30)에 연결하는데 사용될 수 있다. 또한, 결합구들(24, 32)은 도관들(34, 38)의 일부로서 또는 그 연장으로서 작용할 수 있으며, 이들은 제1반응물(14)과 상기 발생된 가스를 각각 이송하는데 사용된다. 카트리지(10)가 수용기(30)에 연결될 때, 결합구들(24a, 24b, 24c)은 카트리지(10)로부터 연장되어 대응하는 결합구들(32a, 32b, 32c)에 각각 연결된다. 도시되듯이, 제1반응물(14)은 결합구들(24a, 32a)를 거쳐 도관(34a)과 밸브(36)를 거쳐 저장기(12)로부터 이송될 수 있고 이후 도관(34b)과 결합구들(32b, 24b)를 거쳐 카트리지(10)의 반응챔 버(18)로 복귀될 수 있다. 각 결합구 또는 밸브요소(24, 32)는 카트리지(10)가 리셉터클(30)로부터 분리되는 경우 반응물의 누출을 방지하기 위하여 내부밀봉을 구비함이 바람직하다. 본 발명의 이점은 상기 제1반응물 및 제2반응물은 카트리지(10)가 수용기(30) 내부에 삽입될 때까지는 서로 접촉하지 않는다는 점이다.
저장기(12)는 가압됨이 바람직하며, 예를 들어 소정량의 압력을 제1반응물(14)을 수용하는 저장기(12)나 블래더에 인가할 수 있는 가압기(16)에 의하여 가압된다. 일부 예시적 가압기들로는 스프링, 폼(foam), 피스톤, 추진가스, 액화 탄화수소, 변형가능한 가요성 벽 또는 이들의 조합을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 도시되듯이, 압축 스프링(17)이 이동가능 벽(19)을 밀어 압력을 저장기(12)에 인가한다. 이동가능 벽(19)은 저장기(12)의 내부벽과 밀봉을 형성할 수 있다. 또한, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 공지된 것으로서 힘을 발생할 수 있거나 및/또는 압력을 인가할 수 있는 기타 장치들은 상기 가압기와 같이 본 발명에서 사용될 수 있다.
반응챔버(18)는 제2반응물(20)을 저장할 뿐만 아니라, 액체 불투과성/기체 투과성 부재(22)를 포함하여 상기 발생된 수소가 반응챔버(18)를 빠져나갈 수 있도록 하고 이와 동시에 액체 반응물들을 반응챔버(18) 내부에 보존한다. 바람직하게는, 가스 투과성 부재(22)는 결합구(32c) 및 도관(38)과 소통하는 결합구(24c)에 연결된다. 가스 투과성 부재(22)는 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 모든 액체 불투과성/기체 투과성 물질로 제조될 수 있다. 이러한 물질들은 알칸(alkane) 군을 갖는 소수성 물질들을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 더 상세 한 예로는 폴리에틸렌(polyethylene) 조성물, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리글락틴(polyglactin: VICRY®), 냉동건조 경뇌막(lyophilized dura mater) 또는 이들의 조합을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 가스투과성 부재(25)는 다공성 부재를 피복하는 가스 투과성/액체 불투과성 막을 포함할 수도 있다. 이러한 막의 예로는 CELGARD® 및 GORE-TEX®가 있다. 본 발명에 사용가능한 기타 가스 투과성, 액체 불투과성 막은 약 0.1㎛ 내지 약 0.45㎛ 범위의 다공성 크기를 갖는 SURBENT® 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride: PVDF) (Millipore사)를 포함하며 이에 한정되지 아니한다. SURBENT® PVDF의 기공 크기는 시스템을 빠져나가는 물 및/또는 메탄올의 양을 조절한다. 또한, 0.2㎛ 하이드로(hydro)를 갖는 전자환기형 물질(electronic vent type material)과 같은 물질들(W. L. Gore사)도 본 발명에서 사용될 수 있다. 또한, 약 10㎛의 기공 크기를 갖는 0.25인치 직경 로드(rod) 또는 두께가 약 0.3㎛의 2인치 직경 디스크(GenPore사)와, 소결되고 및/또는 약 10㎛ 이하의 기공 크기를 갖는 세라믹 다공성 물질(Applied Porous Technologies Inc.)도 본 발명에서 사용가능하다. 또한, 나노그라스(nanograss: Bell Labs) 물질도 액체를 필터링하는데 사용될 수 있다. 나노그라스는 전기적 전하(electrical charge)를 풀(grass)의 잎을 닮은 특별 제작된 실리콘면들에 인가하여 작은 액적의 움직임을 제어한다. 또한, 본 출원인의 현재 진행중인 미국특허출원 제10/356,793호에서 개 시된 가스 투과성, 액체 불투과성 물질도 본 발명에서 사용될 수 있다.
도시되는 바와 같이 본 발명의 수용기(30)는 도관들(34a, 34b)에 연결된 밸브 또는 유동제어장치(36)를 포함한다. 유동제어장치(36)는 제1반응물(14)이 소정 조건 하에 반응챔버(18)에 인입할 수 있도록 하는 장치라면 무엇이든지 될 수 있다. 유동제어장치(36)의 일부 실시예로는 체크밸브, 덕빌밸브, 솔레노이드 밸브, 자기밸브와 기타 기계적 및 전기적 밸브들로 된다. 본 구현예에 있어서, 반응챔버(18) 및 저장기(12) 내의 압력이 소정의 차이(예를 들어, X psi) 내에 있다면, 유동제어장치(36)는 폐쇄됨을 유지하고, 이로써 제1반응물(14)의 유동은 발생하지 않는다. 따라서, 가스발생장치(1)는 반응챔버(18)가 가압되면 비작동 상태 또는 "OFF" 위치에 있게 된다. 일 실시예에서 X는 대략 2 psi이다. 그러나, X는 어떠한 압력으로도 될 수 있다. 수소가 필요하면, 밸브(40)는 개방되어 반응챔버918) 내의 압력은 떨어진다. 반응챔버(18) 내의 압력이 저장기(12) 내 압력에 비해 X psi보다 작고 유동제어장치(36)가 개방되면, 제1반응물(14)은 저장기(12)로부터 결합구들(24a, 32a)을 거쳐, 그리고 도관(34a), 유동제어장치(36), 도관(34b) 및 결합구들(32b, 24b)를 거쳐 반응챔버(18)로 이송된다. 여기서 제1반응물(14)은 제2반응물과 반응하여(또는 가열되거나 촉매에 노출되어) 수소를 생성한다. 상기 생성된 수소는 가스 투과성 부재(22)를 투과하여 결합구들(24c, 32c)을 통해 카트리지(10) 밖으로 나가, 수용기(30)로부터 도관(38)을 거쳐, 차단밸브(shut-off valve: 40)를 거쳐 연료전지로 나간다.
또한, 최초 사용 이전에 반응챔버(18)는 불활성 가스를 포함할 수 있다. 상 기 불활성 가스는 제1반응물(14)의 저장기(12)로부터 반응챔버(18)로의 유동을 정지시키기 위해 밸브(36)를 폐쇄하는 소정의 압력에 도달하는 수준으로 가압(예를 들어, 예압(preload))된다. 카트리지(10)기 수용기(30)에 처음 연결된 후, 상기 가압된 가스는 밸브(36)의 개방을 방지하고, 이로써 상기 반응을 개시하기 위한 제1반응물(14)의 이송을 방지한다. 수소의 생산이 요구되면, 차단밸브(40)가 개방되어 상기 불활성 가스를 방출하여 반응챔버(18) 내의 압력을 끌어내린다. 따라서, 밸브(36)는 개방되어 제1반응물(14)의 유동을 개시하여 수소를 생성한다. 또는, 상기 불활성 가스는 수소로 대체될 수 있으며, 이로써 상기 예압가스는 상기 연료전지에 의하여 소비될 수 있다.
수소가스가 필요하면, 차단밸브(40)가 개방되어 가스발생장치(1)는 작동 상태 또는 "ON" 위치로 된다. 상기 불활성 가스 또는 수소가 반응챔버(18) 밖으로 이송됨에 따라, 반응챔버(18) 내부의 압력은 감소되고 저장기(12)와 반응챔버(18) 간의 압력 차는 X psi를 초과하게 된다. 이러한 압력 차이로 인하여 유동제어장치(36)가 개방되고, 제1반응물(14)은 유동제어장치(36)를 통하여 스프링(17)에 의해 밀림으로써 반응챔버(18) 내의 제2반응물(20)과 반응하게 된다. 상기 제1반응물(14)과 제2반응물(20) 간의 반응은 수소가스를 발생시키고, 이는 가스 투과성 부재(22)를 통하여 반응챔버(18) 내부의 액체로부터 분리된다. 그러면, 상기 분리된 수소가스는 도관(38) 및 차단밸브(40)를 통하여 상기 연료전지에 도달할 수 있게 된다.
상기 발생된 수소가스가 더 이상 요구되지 않아 차단밸브(40)가 폐쇄되면, 반응챔버(18)는 재가압된다(왜냐면 제1반응물(14)과 제2반응물(20)은 유동제어장치(36)가 폐쇄될 때까지 계속 혼합되기 때문이다). 일단 상기 압력이 상기 소정 수준에 도달하면, 유동제어장치(36)는 폐쇄되어 제1반응물(14)의 반응챔버(18) 내부로의 유동을 정지시킨다. 상기 사이클은 수소가스가 필요한 때 다시 재개시된다.
수소생산 비율이 상기 카트리지로부터의 수소 회수 비율을 초과하면, 반응챔버(18) 내의 압력은 점차적으로 증가되어 밸브(36)는 차단됨으로써 제1반응물(14)의 이송을 정지시킨다. 상기 회수비율이 올라가면, 반응챔버(18) 내의 압력은 감소되어 밸브(36)는 개방됨으로써 수소의 생산을 재개시하게 된다. 이러한 사이클은 상기 카트리지의 수명 동안 자동적으로 자체조절된다.
가압기(16)는 스프링(17)일 수 있거나 또는 N-부탄(N-butane), 이소부탄(isobutane), 또는 이소부탄과 프로판(propane)의 혼합물과 같은 액화 탄화수소를 포함할 수 있다. 이들 물질의 액체-기체 상평형도에 의하면, 상기 탄화수소 일부가 액체 형태로 남아있는 한, 그 압력은 일정온도에서 일정하다. 일 실시예에서, 저장기(12) 내부의 압력은 17psi로 유지된다(N-부탄과 함께, 실온에서).
일부 예시적 구현예들에 있어서, 제1반응물(14) 및/또는 제2반응물(20)은 임의의 촉매와, 수소생산 연료(hydrogen-bearing fuel)와, 용제와, 임의의 첨가제의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 용제는 상기 촉매의 존재 또는 부재 하에 상기 제1수소생산 연료와 반응함으로써 가스를 생성하는 제2수소생산 연료로 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 용제는 촉매의 존재하에 상기 수소생산 연료와 반응함으로써 요망하는 가스를 발생시킨다. 바람직하게는, 저장기(12) 또는 블래더 내의 상기 제1반응물(14)과 반응챔버(18) 내의 상기 제2반응물(20)은 동일한 조성을 가지지 않는다. 더구나, 수소생산 연료와 상기 용제는 별도의 챔버들 내에 있게 된다. 더 바람직하게는, 제1반응물(14)은 수소를 역시 함유하는 물과 같은 용제를 포함하고, 제2반응물(20)은 금속 수소화붕소 또는 금속 수소화물과 같은 상기 수소생산 연료를 포함한다.
본 발명의 상기 수소생산 연료는 용제/조성물과 반응할 때 및/또는 특정 조건 하에 배치될 때 수소를 생성할 수 있는 연료라면 모두 될 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 상기 수소생산 연료는 용제와 접촉시 수소를 방출할 수 있는 금속 수소화물을 포함할 수 있으며, 이는 물과 같은 다른 수소생산 연료로 될 수 있다. 상기 금속 수소화물 및 물 간의 반응은 다음과 같이 기술될 수 있다;
MHx ＋ 2H2O → M(OH)4 ＋ xH2
상기 연료의 예로는 알칼리 금속 수소화물들 또는 이들의 혼합물과 같은 원소주기율표의 IA-IVA족 원소의 수소화물과 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며 이에 한정되지 아니한다. 알칼리금속-알루미늄수소화물(alkali metal-aluminum hydride: 알라네이트(alanate)) 및 수소화붕소 알칼리금속(alkali metal borohydride) 또한 사용될 수 있다. 금속 수소화물의 더 상세한 예로서는 리튬 수소화물(lithium hydride), 리튬 알루미늄 수소화물(lithium aluminum hydride), 수소화붕소리튬(lithium borohydride), 나트륨 수소화물(sodium hydride), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride), 칼륨 수소화물(potassium hydride), 수소화붕소칼 륨(potassium borohydride), 마그네슘 수소화물(magnesium hydride), 칼슘 수소화물(calcium hydride)과 염(salt) 및/또는 이들의 유도체를 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 바람직한 수소화물은 수소화붕소나트륨, 수소화붕소마그네슘(magnesium borohydride), 수소화붕소리튬 및 수소화붕소칼륨이다. 바람직하게는, 상기 수소생산 연료는 NaBH4 또는 Mg(BH4)2의 고형물을 포함한다. 고형물에서 NaBH4는 물이 없으면 가수분해되지 않으므로 상기 카트리지의 저장기간을 향상시킨다. 그러나, 수성 NaBH4와 같은 수소생산 연료의 수성형태 또한 본 발명에서 사용될 수 있다. NaBH4의 수성형태가 사용되는 경우에는 상기 수성 NaBH4를 수용하는 챔버 또한 안정제를 포함한다. 안정제의 예로는 알칼리금속 수소화물과 같은 금속 및 금속 수소화물을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 이러한 안정제들의 예는 미국특허 제6,683,025호에 기술되어 있다. 상기 안정제는 NaOH로 되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 수소생산 연료의 고형물이 그 액체형태보다 바람직하다. 일반적으로, 고체 연료는 액체 연료보다 더 이롭다. 왜냐면, 상기 액체 연료는 상기 고체 연료보다 비교적 더 작은 에너지를 수용하고 있으며 상기 액체 연료는 대응하는 고체 연료보다 덜 안정적이기 때문이다.
제1반응물(14)은 임의의 촉매의 존재하에 상기 수소생산 연료와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있는 용제를 포함한다. 상기 용제는 양자원(source of proton)으로서 작용할 수 있는 화합물 또는 조성물로 될 수 있다. 양자원의 예로는 물, 알콜 및/또는 희석산(dilute acid)을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 가장 일반적인 양자원은 물이다. 상술한 내용 및 아래의 화학식에서와 같이, 물은 임의의 촉매하에 NaBH4와 같은 수소생산 연료와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다;
X(BH4)y ＋ 2H2O → X(BO)2 ＋ 4H2
(이때, X는 Na, Mg, Li 및 모든 알칼리 금속들을 포함하며 이에 한정되지 않고, Y는 정수이다.)
또한, 제1반응물(14)은 상기 용액의 pH를 감소 또는 증가시키는 임의의 첨가제를 포함할 수 있다. 제1반응물(14)의 pH는 수소가 생성되는 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1반응물(14)의 pH를 감소시키는 첨가제는 높은 비율의 수소생성을 초래한다. 이러한 첨가제로는 아세트산(acetic acid)과 같은 산을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 반대로, pH를 증가시키는 첨가제는 수소가 거의 생성되지 않는 정도에까지 상기 반응비율을 저하한다. 본 발명의 용액은 대략 1 내지 6 범위의 pH, 바람직하게는 대략 3 내지 5 범위의 pH와 같이 7 이하의 모든 pH값을 가질 수 있다.
일부 예시적 구현예들에 있어서, 상기 제1반응물이나, 제2반응물 또는 두 반응물 모두 촉매를 포함할 수 있어, 이로써 제1반응물(14)이 제2반응물(18)과 반응하는 속도를 증가시킴으로써 수소가스의 생산을 개시 및/또는 촉진할 수 있다. 본 발명의 촉매는 요망되는 반응을 촉진할 수 있으면 어떠한 형태나 크기도 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는 분말을 형성할 만큼 작을 수 있거나 또는 저장기(12)나 반응챔버(18) 만큼 클 수 있다. 일부 예시적 구현예들에 있어서, 상기 촉 매는 촉매층(catalyst bed)으로 된다. 제1반응물(14) 또는 제2반응물(20)의 적어도 어느 하나가 촉매와 접촉되는 한, 상기 촉매는 저장기(12) 또는 블래더(만일 있다면) 내부에, 또는 반응챔버(18) 내부에, 또는 저장기(12)에 인접하여, 및/또는 반응챔버(18)에 인접하여 위치될 수 있다.
본 발명의 촉매로는 원소주기율표의 VIIIB족 천이금속을 하나 또는 그 이상 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 촉매는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir)과 같은 천이금속들을 포함할 수 있다. 또한, IB족의 천이금속, 즉 구리(Cu), 은(Ag) 및 금(Au)과, IIB족의 천이금속, 즉 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 수은(Hg)도 본 발명의 촉매에 사용될 수 있다. 기타 촉매의 일부로서 사용될 수 있는 천이금속들은 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 촉매계에 유용한 천이금속들은 미국특허 제5,804,329호에 기술되어 있다. 본 발명의 바람직한 촉매는 CoCl2이다.
본 발명의 일부 촉매는 대체로 다음 화학식으로 정의될 수 있다:
MaXb
(이때, M은 천이금속의 양이온이고, X는 음이온이며, "a" 및 "b"는 천이금속착체(transition metal complex)의 전하를 평형시키기 위해 필요한 1 내지 6의 정수이다.)
상기 천이금속의 적합한 양이온으로는 철(II)(Fe2 +), 철(III)(Fe3 +), 코발 트(Co2 +), 니켈(II)(Ni2 +), 니켈(III)(Ni3 +), 루테늄(III)(Ru3 +), 루테늄(IV)(Ru4 +), 루테늄(V)(Ru5 +), 루테늄(VI)(Ru6 +), 루테늄(VIII)(Ru8 +), 로듐(III)(Rh3 +), 로듐(IV)(Rh4 +), 로듐(VI)(Rh6 +), 팔라듐(Pd2 +), 오스뮴(III)(Os3 +), 오스뮴(IV)(Os4 +), 오스뮴(V)(Os5 +), 오스뮴(VI)(Os6 +), 오스뮴(VIII)(Os8 +), 이리듐(III)(Ir3 +), 이리듐(IV)(Ir4 +), 이리듐(VI)(Ir6 +), 백금(II)(Pt2 +), 백금(III)(Pt3 +), 백금(IV)(Pt4 +), 백금(VI)(Pt6 +), 구리(I)(Cu+), 구리(II)(Cu2 +), 은(I)(Ag+), 은(II)(Ag2 +), 금(I)(Au+), 금(III)(Au3 +), 아연(Zn2 +), 카드뮴(Cd2 +), 수은(I)(Hg+), 수은(II)(Hg2 +) 등을 포함하며 이에 한정되지 아니한다.
적합한 음이온으로는 수소화물(H-), 불화물(F-), 염화물(Cl-), 브롬화물(Br-), 요오드화물(I-), 산화물(O2 -), 황화물(S2 -), 질화물(N3 -), 인화물(P4 -), 하이포아염소산염(ClO-), 아염소산염(ClO2 -), 염소산염(ClO3 -), 과염소산염(ClO4 -), 아황산염(SO3 2 -), 황산염(SO4 2 -), 황산 수소염(HSO4 -), 수산화물(OH-), 시안화물(CN-), 티오시안산염(SCN-), 시안산염(OCN-), 과산화물(O2 2 -), 망간산염(MnO4 2 -), 과망간산염(MnO4 -), 중크롬산염(Cr2O7 2 -), 탄산염(CO3 2 -), 탄산수소염(HCO3 -), 인산염(PO4 2 -), 인 산수소염(HPO4 -), 인산이수소염(H2PO4 -), 알루민산염(Al2O4 2 -), 비산염(AsO4 3 -), 질산염(NO3 -), 아세테이트(CH3COO-), 옥살산염(C2O4 2 -) 등을 포함하며 이에 한정되지 아니한다. 바람직한 촉매는 염화코발트(cobalt chloride)이다.
일부 예시적 구현예들에 있어서, 저장기(12) 및/또는 반응챔버(18) 내에 있을 수 있는 임의의 첨가제는 제1반응물(14) 및/또는 제2반응물(20)이 결빙되는 것을 실질적으로 방지할 수 있거나 또는 이들 반응물의 빙점(freezing point)을 실질적으로 낮출 수 있는 모든 조성으로 될 수 있다. 일부 예시적 구현예들에 있어서, 상기 첨가제는 부동제(anti-freezing agent)와 같은 알콜 기반의 조성물로 될 수 있다. 본 발명의 상기 첨가제는 CH3OH로 됨이 바람직하다. 그러나, 상술하였듯이 상기 제1반응물 및/또는 제2반응물의 빙점을 낮출 수 있는 모든 첨가제가 사용될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 수소발생시스템용 연료로는 고체 금속 수소화물과, 물을 지닌 수용액과, CoCl2와 같은 촉매와, CH3OH와 같은 알콜을 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 수용액은 대략 3 내지 5 범위의 pH를 갖는 산을 임의로 포함한다. 상기 수용액에 첨가되는 산의 일 예는 아세트산이다. 본 발명에 있어서 상기 산의 일 목적은 반응챔버(12)의 입구에서 장벽의 형성을 방지함으로써 상기 수용액과 상기 고체연료 간의 더욱 지속적인 반응을 가능하게 하는 것이다.
상술한 구현예에 있어서, 수소생성에 기인한 반응챔버(18)의 가압은 수소요 구가 멈추었을 때 유동제어장치(36)를 폐쇄하여 저장기(12) 내의 제1반응물(14)의 이송을 정지시키고, 이는 차례로 추가적인 수소를 생산하는 반응을 정지시킨다.
본 발명의 일부 예시적 화학식들은 표 I와 같이 요약된다.
표 I. 카트리지 내부 반응물들의 화학식
10 와트시(Watt-Hour) 카트리지 중량(%) 체적(%)
실시예 1 NaBH4 47.36 48.09
CoCl2 * 2.09 1.06
CH3OH 6.28 7.72
H2O 44.27 43.12
* CoCl2는 6몰 수용액으로 된다.
상기 예시적 화학식에 근거하여, 적합한 연료는 대략 42 내지 52 중량%의 고체 금속 수소화물과, 대략 40 내지 50 중량%의 물과, 대략 0.1 내지 4 중량%의 촉매와, 대략 1 내지 10 중량%의 알콜을 함유할 수 있다. 다르게 표현하면, 적합한 연료는 대략 43 내지 53 용량%의 고체 금속 수소화물과, 대략 39 내지 49 용량%의 물과, 대략 0.1 내지 3 용량%의 촉매와, 대략 3 내지 11 용량%의 알콜을 함유할 수 있다. 상기 예시적 연료는 대략 9중량% 또는 그 이상에 이르는 향상된 수소저장을 나타낸다.
본 명세서의 이해와 여기 개시된 본 발명의 실시로부터 본 발명의 기타 구현예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 것이다. 본 명세서 및 실시예들은 하기의 특허청구범위와 그 균등물에 의해 암시되는 본 발명의 진정한 범위 및 정신과 함께 단지 예시만으로서 이해되어야 한다.

Claims (57)

  1. 반응챔버와, 제1반응물을 수용하는 저장기를 포함하는 카트리지와;
    상기 카트리지를 수납하도록 된 수용기를 포함하고, 상기 수용기는 상기 저장기를 상기 반응챔버에 유동적으로 연결할 수 있는 유동제어장치를 포함하며, 상기 반응챔버 내의 압력이 소정 압력에 도달하면, 상기 유동제어장치는 폐쇄되어 상기 제1반응물의 상기 반응챔버로의 이송을 방지하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정 압력은 상기 저장기 내의 압력과 상기 반응챔버 내의 압력 간의 소정 차이를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버는 제2반응물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2반응물은 고체이고 상기 제1반응물은 물인 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2반응물은 금속 수소화붕소(metal borohydride)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응물의 상기 반응챔버 내부로의 유동은 상기 반응챔버 내의 압력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는 적어도 하나의 차량 실링 신속 결합구(car sealing quick action coupler)에 의하여 상기 수용기로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스발생장치는 촉매를 더 포함하고, 상기 촉매는 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 백금, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 구리, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬 및 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2반응물은 분말, 펠렛, 다공성 구조체, 볼(ball), 튜브, 가용성 외장체(sheath)의 형태로 되거나, 상기 반응챔버의 벽 상에 부착되거나, 또는 이들의 조합으로 되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버는 최초사용 이전에 가압된 가스를 수용하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  11. 제11항에 있어서,
    상기 가스는 질소, 산소, 불소, 염소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논,라돈, 수소, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 및 상기 수용기는 2개의 별개의 것으로 되고 분리가능하게 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가스발생장치는 상기 카트리지를 상기 수용기에 분리가능하게 연결할 수 있는 적어도 하나의 결합구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 결합구는 신속 결합구(quick action coupler)로 되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 저장기는 3개조의 결합구들에 의하여 상기 반응챔버에 유동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 저장기는 가압되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 저장기는 스프링, 피스톤, 액화 탄화수소, 추진가스, 자체수축벽(self-contracting wall), 또는 이들의 조합에 의하여 가압되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 가스발생장치는 액체 불투과성/가스 투과성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 저장기나 상기 반응챔버, 또는 둘 다 상기 카트리지가 분리가능하게 상기 수용기에 연결되기 이전에 가압되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응물은 상기 반응챔버의 압력이 상기 저장기의 압력보다 소정량 더 낮으면 상기 저장기로부터 상기 반응챔버로 이송되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1반응물은 상기 반응챔버의 압력이 상기 저장기의 압력보다 약 2 psi 더 낮으면 상기 저장기로부터 상기 반응챔버로 이송되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응물은 물, 적어도 하나의 알콜, 적어도 하나의 산(acid), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  23. 제3항에 있어서,
    상기 제2반응물은 수소생산 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장 치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 수소생산 연료는 고체형태인 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 수소생산 연료는 금속 수소화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 금속은 원소주기율표의 IA족과 IIA족의 금속으로 되는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  27. 제3항에 있어서,
    상기 제1반응물이나 상기 제2반응물, 또는 이들의 조합물은 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 촉매는 원소주기율표의 IB족부터 VIIIB족까지의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 촉매는 CoCl2인 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응물이나 상기 제2반응물, 또는 이들의 조합물은 산(acid)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버는 촉매와, 수소생산 연료와, 첨가제의 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 첨가제는 적어도 하나의 알콜을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 알콜은 CH3OH인 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 저장기는 촉매와,상기 촉매의 존재하에 상기 수소생산 연료와 반응하여 상기 가스를 생성할 수 있는 용제와, 첨가제의 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 저장기와 상기 반응챔버는 성분이 상이한 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 첨가제는 적어도 하나의 알콜을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 알콜은 CH3OH인 것을 특징으로 하는 가스발생장치.
  37. 고체 금속 수소화물과;
    물과, 촉매와, 알콜을 포함하는 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 수소화붕소 나트륨, 수소화붕소 리튬 및 수소화붕소 칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 수용액은 약 2 내지 약 7의 pH를 가지는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 수용액은 아세트산을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  41. 제37항에 있어서,
    상기 촉매는 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 구리, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 촉매는 천이금속의 양이온과, 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 양이온은 철(II), 철(III), 코발트, 니켈(II), 니켈(III), 루테 늄(III), 루테늄(IV), 루테늄(V), 루테늄(VI), 루테늄(VIII), 로듐(III), 로듐(IV), 로듐(VI), 팔라듐, 오스뮴(III), 오스뮴(IV), 오스뮴(V), 오스뮴(VI), 오스뮴(VIII), 이리듐(III), 이리듐(IV), 이리듐(VI), 백금(II), 백금(III), 백금(IV), 백금(VI), 구리(I), 구리(II), 은(I), 은(II), 금(I), 금(III), 아연, 카드뮴, 수은(I) 및 수은(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 음이온은 수소화물, 불화물, 염화물, 브롬화물, 요오드화물, 산화물, 황화물, 질화물, 인화물, 하이포아염소산염, 아염소산염, 염소산염, 과염소산염, 아황산염, 황산염, 황산 수소염, 수산화물, 시안화물, 티오시안산염, 시안산염, 과산화물, 망간산염, 과망간산염, 중크롬산염, 탄산염, 탄산수소염, 인산염, 인산수소염, 인산이수소염, 알루민산염, 비산염, 질산염, 아세테이트 및 옥살산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  45. 제37항에 있어서,
    상기 알콜은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올(isopropanol), n-부탄올(n-butanol), t-부탄올(t-butanol), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  46. 제37항에 있어서,
    상기 고체 금속 수소화물은 약 42 내지 약 52 중량%로 있고, 상기 물은 약 40 내지 약 50 중량%로 있고, 상기 촉매는 약 0.1 내지 약 4 중량%로 있고, 상기 알콜은 약 1 내지 약 10 중량%로 있는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 NaBH4이고, 상기 촉매는 CoCl2이며, 상기 알콜은 CH2OH인 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  48. 제37항에 있어서,
    상기 고체 금속 수소화물은 약 43 내지 약 53 용량%로 있고, 상기 물은 약 39 내지 약 49 용량%로 있고, 상기 촉매는 약 0.1 내지 약 3 용량%로 있고, 상기 알콜은 약 3 내지 약 11 용량%로 있는 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 NaBH4이고, 상기 촉매는 CoCl2이며, 상기 알콜은 CH2OH인 것을 특징으로 하는 가스발생장치용 연료.
  50. 제1반응물을 포함하는 저장기를 반응챔버를 포함하는 카트리지 내에 제공하는 단계와;
    상기 저장기를 상기 반응챔버와 소통하도록 배치할 수 있는 밸브 및 도관을 포함하는 수용기에 상기 카트리지를 연결하는 단계와;
    상기 밸브를 개방하여 상기 제1반응물을 상기 반응챔버 내부로 도입시키는 단계와;
    가스를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 상기 카트리지를 상기 수용기에 도입시키기 이전에 상기 카트리지 내의 상기 반응챔버를 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 밸브를 개방하는 단계는 상기 반응챔버 내의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  53. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 상기 밸브를 차폐하는 단계를 더 포함하고, 상기 밸브를 차폐하는 것은 상기 반응챔버를 재가압하는 것을 포함하며, 상기 재가압된 반응챔버는 소정값만큼 상기 저장기 내의 압력 이상인 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  54. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 상기 가스를 배출하는 단계와 상기 가스를 이를 요구하는 기기로 도입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  55. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 상기 저장기를 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  56. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 상기 저장기 또는 상기 반응챔버 내에 산(acid)을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
  57. 제50항에 있어서,
    상기 가스발생방법은 제2반응물을 상기 반응챔버 내로 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스발생방법.
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