KR20110120869A - 수소 저장용 이온성 액체의 사용 방법 - Google Patents
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Abstract
수소를 저장하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 양이온, 및 붕산염, 특히 메타붕산염을 포함하는 음이온을 포함하는 제 2 이온성 액체 내로 수소화붕소를 유도함으로써 제 1 이온성 액체를 형성하는 단계, 및 물 및/또는 촉매를 이용하여 제 1 이온성 액체 밖으로 수소를 방출함으로써 제 2 이온성 액체를 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 수소 저장용 이온성 액체의 사용 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 수소 저장용 이온성 액체에 관한 것이다.
수소의 저장 및 분배는 서로 상이한 방식으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 수소는 최대 875바(bar)의 압력에서 저장하기에 적합한 고압 탱크에 압축된 형태로 저장될 수 있다. 또한, 적합한 극저온 용기, 바람직하게는 초절연(superinsulated)된 극저온 용기에 저온 액화 수소의 저장이 공지되어 있다. 마지막에 언급된 가능성은 수소 자동차(hydrogen-powered vehicle)가 변형된 연소 기관에 의해 동력을 공급 받는지, 아니면 전동기를 구동하는 연료 전지에 의해 동력을 공급 받는지의 여부와는 무관하게 특히 이들 수소 자동차로 구현된다.
저장 시스템은 실험적 단계에 있는 것으로, 수소와 화학적으로 결합할 수 있는, 수소 첨가(hydrogenation)가 가능한 유기 화합물에서 수소의 저장이 이루어진다. 이 같은 저장 시스템은 MPH(메틸사이클로헥산 폴루엔(poluene) 수소), 데칼린/나프탈렌 및 n-헵탄/톨루엔 시스템이라는 명칭으로 공지되어 있다.
상술한 시스템에 있어서 일반적인 것은, 수소 첨가 및 수소의 저장이 이루어지도록 적합한 조건하에서 수소가 상기 시스템과 반응하게 하는 것이다.
상술한 모든 대안은 특정한 장단점은 가지므로, 이들 대안들 중 하나의 결정은 일반적으로 특정의 응용 및 상황에 의해 결정된다. 현재까지, 마지막에 언급된 대안의 근본적인 단점은 사용된 화학적 반응 시스템이 비교적 높은 증기압을 가지며, 이로 인해 휘발성이 되고 상당한 정도로 수소를 오염시킨다는 것이다.
특히 수소에 대해 높은 정도의 순도를 달성하기 위해, 따라서 이 같은 반응 시스템은 종종 기술 및/또는 에너지의 측면에서 엄청난 비용이 들더라도 제거되어야 한다.
당해 기술분야의 숙련자는 순수한 형태 또는 전적으로 순수한 형태로 수소의 저장을 가능케 하는 수소용 저장 가능성을 창출하기 위해 계속적으로 노력하고 있으며, 이러한 순수한 형태에서 가능한 한 가장 안전하면서도 가장 경제적인 방식으로 저장이 가능해야 한다. 수소는 특히 연료 전지의 작동 시에는 매우 순수한 형태로 요구된다. 일반적으로 하류 촉매 변환기(downstream catalytic converter)가 구비된 상술한 변형된 연소 기관의 경우에도, (초)순수한 형태의 수소의 저장을 위해 노력하고 있는데, 그렇지 않은 경우에 이는 수소와 함께 혼입된 탄화수소가 촉매 변환기의 활동 및 수명에 부정적인 영향을 주기(줄 수 있기) 때문이다. 특히 소위 모바일 응용, 예를 들어 자동차의 작동 등에서 수소의 이용 시에, 안전성 측면이 가장 중요하지만, 이는 일반적으로 운전사 자신에 의해 그리고 그에 따른 "기술적 비전문가(technical layman)"에 의해 수행되는 급유 공정에 특별히 적용된다.
따라서 효과적일 수 있고 및/또는 안전할 수 있는, 수소를 저장하는 대안적인 방법에 대한 필요성이 존재할 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 효과적일 수 있고 및/또는 안정된 작동 방법을 제공할 수 있는, 수소를 저장하는 방법, 및 수소를 저장하기 위한 매체를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립항에 따른, 수소를 저장하기 위한 이온성 액체의 사용 방법, 및 수소를 저장하기 위한 이온성 액체에 의해 해결될 수 있다. 추가의 예시적인 구현예가 종속항에 개시되어 있다.
본 발명의 예시적인 양태에 따르면, 수소를 저장하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 양이온 및 붕산염, 특히 메타붕산염(metaborate)을 포함하는 음이온을 포함하는 제 2 이온성 액체 내로 수소화붕소(borohydride)를 유도함으로써 제 1 이온성 액체를 형성하는 단계, 및 물 및/또는 촉매를 이용하여 제 1 이온성 액체 밖으로 수소를 방출함으로써 제 2 이온성 액체를 형성하는 단계를 포함한다. 즉, 이온성 액체가, 예를 들어 수소화붕소의 형태로 수소를 저장하기 위해 사용되는 루프 공정(loop process) 또는 순환 공정(cycle process)이 형성될 수 있으며, 이때 이온성 액체, 또는 보다 구체적으로는 이온성 액체의 음이온이 제 1 이온성 액체, 예를 들어 수소화붕소로부터 제 2 이온성 액체, 예를 들어 메타붕산염 또는 붕산염, 또는 폴리붕산염으로 변경된다. 이 같은 공정에서, 수소는 이온성 액체의 특정 음이온, 예를 들어 수소화붕소의 형태로 저장될 수 있으며, 이는 이어 방출되어 제 2 음이온, 예를 들어 메타붕산염 또는 붕산염 또는 폴리붕산염을 형성하며, 그 결과 후속적으로 수소와 함께 적재될 수 있는 제 2 이온성 액체를 초래한다. 특히, 수소화붕소는 수소화붕소 나트륨(NaBH4)일 수 있다. 특히, 수소화붕소 이온성 액체와 물의 유체는 촉매가 도입되기 전에 유제(emulsion)로 변형될 수 있다. 따라서 상계면(phase interface)의 표면이 증가할 수 있다. 특히, 유제는, 유체를 교반하거나 변류기(deflector) 또는 방해판(baffle plate)에 대해 유체가 역류하도록 함으로써 유화제 없이 생성될 수 있다. 유화제의 부재는 후속적인 수소화붕소의 재생을 단순화할 수 있다.
특히, 수소화붕소는 제 1 이온성 액체의 음이온을 형성할 수 있다. 제 1 및/또는 제 2 이온성 액체는 순수한 이온성 액체, 즉 실질적으로 음이온 및 양이온만을 함유하는 액체일 수 있지만, 기타 성분, 예를 들어 물을 함유하고 있지 않다. 대안적으로, 이온성 액체 및 용매 또는 추가적인 화합물을 함유하는 용액은, 예를 들어 점도를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 명확성을 위해, 물론 이온성 액체는 복수의 양이온 및 음이온을 포함할 수 있는 것으로 언급되어야 한다. 이온성 액체는 비교적 낮은 융점, 예를 들어 100 ℃ 미만의 융점을 갖는 유기 염일 수 있다. 즉, 하나의 물질이 실온에서 고체이거나, 실온에서 적어도 높은 점도를 가질 지라도 이온성 액체로서 규정될 수 있다.
특히, 양이온은 소수성 양이온일 수 있으며, 상기 용어는 특히 0 ℃ 내지 60 ℃의 온도 범위, 보다 구체적으로는 0 ℃ 내지 80 ℃의 온도 범위, 및 바람직하게는 0 ℃ 내지 100 ℃의 온도 범위에서 물에 대해 강한 혼화성 갭(miscibility gap)을 갖는 이온성 액체를 지칭할 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태에 따르면, 수소를 저장하기 위한 이온성 액체가 제공되며, 이때 이온성 액체는 양이온 및 수소화붕소를 포함한다. 특히, 수소화붕소는 이온성 액체의 일부일 수 있거나, 이의 음이온을 형성할 수 있다. 양이온은 4급 재료, 예를 들어 트리옥틸메틸암모늄(trioctylmethylammonium) 또는 1-옥틸-3-메틸-이미다졸륨(1-octyl-3-methyl-imidazolium)을 포함할 수 있거나, 상기 재료로 이루어질 수 있다. 또한 이온성 액체는 소정의 점도 값을 가질 수 있다. 특히, 점도 값은, 예를 들어 목적하는 수준에 따라, 예를 들어 실온에서 100 mPas 미만, 및/또는 -20 ℃에서 2000 mPas 미만으로 설정될 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태에 따르면, 수소를 저장하기 위한 이온성 액체가 제공되며, 이때 이온성 액체는 양이온, 및 붕산염, 특히 메타붕산염을 포함하는 음이온을 포함한다. 붕산염은 B, O 및 몇몇의 경우에 H 원자를 포함할 수 있거나, 상기 원자들로 이루어질 수 있으며, 메타붕산염 또는 폴리붕산염에 의해 형성될 수 있다. 특히, 붕산염 또는 메타붕산염은 이온성 액체의 일부일 수 있거나, 이의 음이온을 형성할 수 있다. 양이온은 4급 재료, 예를 들어 트리옥틸메틸암모늄을 포함할 수 있거나, 상기 재료로 이루어질 수 있다. 또한 이온성 액체는 소정의 점도 값을 가질 수 있다. 특히, 점도 값은, 예를 들어 목적하는 수준에 따라 설정될 수 있다.
본 명세서에서, "수소화붕소"란 용어는 가능한 한 가장 광범위하게 사용될 수 있으며, 즉 특히 붕소 및 적어도 하나의 수소 원자를 포함하는 임의의 분자, 화합물, 라디칼 또는 복합체를 지칭할 수 있다. 즉, 일반식 BHR'R"R'" 또는 BH3X- 또는 B2H6X-로 나타낼 수 있는 모든 화합물은 수소화붕소로서 나타낼 수 있으며, 상기 일반식에서 X-는 보란(borane) 또는 디보란(diborane)과 복합체를 형성하는 임의의 음이온이다. 예를 들어, R', R" 및 R'"는 수소 원자, C1-C20 알킬, 알케닐, 알키닐, 사이클로알킬, 사이클로알케닐, 아릴 또는 헤테로아릴일 수 있으며, 나머지 R 각각은 독립적으로 상술한 잔기들 중 하나로 치환될 수 있다.
수소화붕소 이온성 액체, 예를 들어 제 1 이온성 액체를 제공함으로써, 수소를 저장하는 방법, 및 수소를 저장하기 위한 이온성 액체를 제공할 수 있으며, 상기 방법은 효과적일 수 있고, 및/또는 안정된 작동 방법을 제공할 수 있다. 특히, 수소화붕소는 양이온과 함께 이온성 액체를 형성할 수 있으며, 여기서 이온성 액체는 취급이 용이하면서 안전하여, 예를 들어 자동차용 에너지원 또는 에너지 담체로서 사용될 수 있다. 특히, 이온성 액체는 일반적인 가솔린과 같이 액체일 수도 있기 때문에 상기 취급은 일반적인 가솔린과 유사하게 이루어질 수 있다. 그 결과, 가압 수소 또는 금속 수화물과 같은 부가적인 담체가 필요하지 않을 수 있으며, 이는 특정한 조건 하에서만 형성될 수 있다. 따라서 이온성 액체의 사용은, 임의의 특정 조건이 필요하지 않을 수 있거나, 특정의 조건, 예를 들어 온도 범위와 관련한 제한이 적어도 완화될 수 있기 때문에 보다 안정할 수 있다. 이온성 액체의 점도는 적절한 규정(provisions)에 의해, 예를 들어 온도를 감소시킴으로써 감소될 수 있는 것으로 언급되어야 한다. 또한 이 같은 수소 저장용 이온성 액체의 사용은 이온성 액체를 저장하기 위해 사용되는 용기 등의 내부에서 낮은 부식을 유도할 수 있는 저장 매체를 제공할 수 있다. 그 결과, 부식 억제제를 생략하는 것이 가능하다.
다음으로, 수소 저장을 위한 이온성 액체의 사용 방법의 예시적인 실시형태의 추가의 양태가 개시된다. 그러나 이들 실시형태는 붕산염 또는 수소화붕소를 포함하는 수소 저장용 이온성 액체에도 또한 적용된다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 4급 또는 양성자화(protonated)된 양이온이다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 수소, C1-C20-알킬, C1-C20-알케닐, C1-C20-알키닐, C1-C20-사이클로알킬, C1-C20-사이클로알케닐, C1-C20-아릴 및 C1-C20-헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택된 1 내지 4개의 잔기를 포함한다.
바람직하게는, 1 내지 4개, 예를 들어 1, 2, 3 또는 4개의 잔기는 수소, C1-C10-알킬, C1-C10-알케닐, C1-C10-알키닐, C1-C10-사이클로알킬, C1-C10-사이클로알케닐, C1-C10-아릴 및 C1-C10-헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 보다 바람직하게는, 1 내지 4개의 잔기는 수소, C1-C8-알킬, C1-C8-알케닐, C1-C8-알키닐, C1-C8-사이클로알킬, C1-C8-사이클로알케닐, C1-C8-아릴 및 C1-C8-헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
명확성을 위해, 본 명세서에서는 C1-C20-알킬이란 용어 또는 유사한 용어는 C1-알킬, C2-알킬, ..., 최대 C20-알킬 또는 유사한 용어에 대한 약식 표현인 것으로 언급되어야 한다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 피리디늄, 피롤륨, 티아졸륨, 옥사졸륨 및 퀴놀리늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나이되, 이때 하나의 잔기는 질소 원자에 결합되고, 및/또는 1 내지 3개의 잔기는 탄소 고리의 탄소 원자에 결합된다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 암모늄, 포스포늄 및 설포늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 피페리디늄(piperidinium), 피롤리디늄(pyrrolidinium) 및 모르폴리디늄(morpholinium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나이되, 이때 1 내지 4개의 잔기 중 1 또는 2개는 질소 원자에 결합되고, 및/또는 1 내지 4개의 잔기 중 1 내지 3개는 탄소 고리의 탄소 원자에 결합된다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 이미다졸륨(imidazolium), 벤즈이미다졸륨(benzimidazolium), 피라졸륨(pyrazolium) 및 벤조트리아졸륨(benzotriazolium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나이되, 이때 1 내지 4개의 잔기 각각은 각 질소 원자에 결합되고, 및/또는 1 내지 4개의 잔기 중 1 내지 3개는 탄소 고리의 탄소 원자에 결합된다. 명확성을 위해, 하나 이상의 질소 원자의 경우에 제 1 잔기는 제 1 질소 원자에 결합될 수 있고, 제 2 잔기는 제 2 질소 원자에 결합될 수 있는 것으로 언급되어야 한다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 양이온은 트리옥틸메틸암모늄(trioctylmethylammonium), 트리헥실메틸암모늄(trihexylmethylammonium), 테트라헥실암모늄(tetrahexylmethylammonium), 테트라옥틸암모늄(tetraoctylammonium) 및 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨(1-octyl-3-methylimidazolium)으로 이루어진 군에서 선택된 하나이다. 특히, 트리옥틸메틸암모늄은 이온성 액체의 양이온을 형성할 수 있다.
특히, 양이온에는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속이 존재하지 않을 수 있다. 즉, 이온성 액체는 알칼리 금속 양이온 및/또는 알칼리 토금속 양이온을 포함하지 않을 수 있다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 촉매는 전이 금속 및/또는 귀금속이다. 특히, 귀금속은 백금, 팔라듐, 로듐 등일 수 있고, 전이 금속은 코발트, 니켈, 구리, 란탄계 원소 등일 수 있다. 또한 촉매는, 상술한 귀금속 및/또는 전이 금속 중 하나로 이루어져 있거나 상기 금속을 포함하는 합금, 금속간 화합물(intermetallic compound), 화학적 화합물, 복합체 또는 세라믹으로 형성될 수 있는 것으로 언급되어야 한다. 부가적으로, 촉매는 매체, 예를 들어 활성 탄소, 세라믹, 제올라이트, 나노튜브, 풀러린(fullerene), 플라스틱, 멤브레인 등의 상부 또는 내부에 화학적 및/또는 물리적으로 고정될 수 있다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 촉매는 마이크로 결정성(microcrystalline) 또는 나노 결정성(nanocrystalline) 구조를 형성한다.
"마이크로 결정성 구조"란 용어는 특히 크기가 마이크로미터 수준인 요소를 갖는 결정화된 구조를 지칭할 수 있다. 유사한 정의에서, "나노 결정성 구조"이란 용어는 특히 크기가 나노미터 수준인 요소를 갖는 결정화된 구조를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 촉매 구조는 마이크로미터 및 나노미터 범위의 입자 크기, 예를 들어 0.2 마이크로미터 내지 1.6 마이크로미터 또는 약 10 나노미터의 입자 크기를 각각 갖는 금속 분말을 소결함으로써 형성될 수 있다. 이들 분말 입자는 밀리미터의 범위, 예를 들어 0.1 ㎜ 내지 20 m, 특히 1 ㎜ 내지 2 ㎜의 직경을 갖는 구형체로 소결될 수 있다. 구형체를 소결한 이후에 동일물을 소결하여 결정형 구조를 형성할 수 있으며, 예를 들어 6각형 구형체 충전물, 특히 최대 밀집형 6각형 구형체 충전물 또는 최대 밀도의 6각형 구형체 충전물을 형성할 수 있다. 이 같은 구조는 반응일 일어날 수 있도록, 예를 들어 수소의 방출이 촉진될 수 있도록 광대한 표면을 제공하는데 특히 유용할 수 있다. 특히, 최대 밀집형 구형체 충전물은 점성 이온성 액체가 촉매의 표면 전체와 접촉하도록 힘을 가할 수 있다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 수소의 방출에 의해 붕산염, 예를 들어 메타붕산염, 또는 일반식 BOR 또는 BORR'에 상응하는 임의의 화합물이 형성된다.
특히, 메타붕산염은 이온성 액체의 음이온을 형성할 수 있다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 제 1 이온성 액체 및/또는 제 2 이온성 액체는 소정의 점도 값을 갖는다. 특히, 제 1 이온성 액체 및 제 2 이온성 액체는 동일한 점도 또는 상이한 점도를 가질 수 있다. 예를 들어, 소정의 제 1 점도 값은 제 1 이온성 액체와 관련이 있을 수 있는 반면, 소정의 제 2 점도 값은 제 2 이온성 액체와 관련이 있을 수 있다. 특히, 점도 값은, 예를 들어 목적하는 수준에 따라, 예를 들어 실온에서 100 mPas 미만 및/또는 -20 ℃에서 2000 mPas 미만으로 설정될 수 있다.
예시적인 실시형태에 따르면, 점도 수준은 첨가제를 첨가함으로써 소정의 점도 값으로 설정된다. 특히, 첨가제는 점도를 감소시키도록 변경될 수 있으며, 예를 들어 이온성 액체, 즉 수소 저장 액체보다 낮은 점도를 갖는 약제일 수 있다. 또한, 첨가제는 이온성 액체 및/또는 사용된 촉매와 반응하지 않을 수 있다. 그 결과, 일반적으로 어떠한 에스테르, 알데하이드, 케톤 및 탄산도 입체적으로 억제되는 것을 제외하고는 사용되지 않을 수 있다. 즉, 입체적 억제에 의해 이온성 액체 및/또는 촉매와 반응하지 않는 알데하이드, 케톤 또는 탄산이 예를 들어 사용될 수 있다.
일반적으로, 첨가제는, 예를 들어 부식, 마모, 고압, 산화 및/또는 환원 공정에 대한 보호를 위한 보호용 첨가제, 예를 들어 pH 수준의 완충을 위한 완충물질(buffering substance) 및/또는 산 포착제(acid capturing agent), 착화제(complexing agent), 유화제(emulsifier), 분산 매질(dispersion medium), 세정제(detergent), 윤활제(lubricant), 마찰 개질제(friction modification agent), 점도 개질제(viscosity modification agent), 겔화제(gelling agent), 밀봉제(sealing agent), 보존제(preservative agent), 소위 유동점 첨가제(pour-point additive), 소포제(foam inhibitor), 라디칼 차단제(radical interceptor) 및 수분 조절제(water regulating agent)일 수 있다.
특히, 첨가제는 낮은 증기압, 높은 비등점 및 낮은 빙점을 갖는 것이 사용될 수 있다. 부가적으로, 첨가제는, 예를 들어 기체상(gas phase)으로서의 수소 기체 밖으로 용이하게 제거될 수 있는 것이 사용될 수 있다. 제거는 흡착제(adsorbent), 예를 들어 활성 탄소(activated charcoal)에 의해 실시될 수 있다. 또한, 사용된 첨가제는 물에서 분해되지 않거나, 물과 혼화성일 수 있어, 상기 첨가제는 재생 공정 도중에 제거되지 않을 수 있다.
예시적인 실시형태에 따르면, 첨가제는 아미드, 환형 또는 폴리에테르를 포함하는 에테르, 아세탈, 케탈, 폴리알코올을 포함하는 알코올, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 예를 들어 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 지방산 알코올, 디부틸 에테르, 디에틸 에테르, 메틸 t-부틸 에테르, 에틸 t-부틸 에테르, 1,2-디에톡시에탄, 포름알데하이드 디메틸아세탈, 쇄 길이가 상이한 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 및 쇄 길이가 상이한 폴리비닐 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이다.
예시적인 실시형태에 따르면, 상기 방법은 제 1 이온성 액체 및/또는 제 2 이온성 액체에 염기성 첨가제를 첨가하는 단계를 더 포함한다. 즉, 첨가제는 7 이상의 pH 값을 갖는 것이 사용될 수 있다. 특히, 염기성 첨가제는 안정화 효과를 가질 수 있으며, 또한 안정화제로 지칭될 수 있다.
상기 방법의 예시적인 실시형태에 따르면, 염기성 첨가제는 알칼리 금속 수산화물(alkaline metal hydroxide), 알칼리 토금속 수산화물(alkaline earther metal hydroxide), 알칼리 금속 카보네이트(alkaline metal carbonate), 알칼리 토금속 카보네이트(alkaline earther metal carbonate), 4급 테트라알킬암모늄 수산화물(quaternary tetraalkylammonium hydroxide), 4급 테트라알킬암모늄 카보네이트(quaternary tetraalkylammonium carbonate), 4급 테트라알킬포스포늄 수산화물(quaternary tetraalkylphosphonium hydroxide), 4급 테트라알킬포스포늄 카보네이트(quaternary tetraalkylphosphonium carbonate) 및 알킬카보네이트(alkylcarbonate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다. 특히, 하나 이상의 상술한 염기성 첨가제의 혼합물이 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 예시적인 양태에 따르면, 수소를 저장하기 위한 공정이 제공될 수 있다. 상기 공정은 폐쇄 루프(closed loop)를 형성할 수 있으며, 이온성 액체와 같은 액체 담체 재료(liquid carrier material)에 기초하여 이루어질 수 있다. 특히, 액체 담체는 양이온, 예를 들어 트리옥틸메틸암모늄 및 음이온을 포함할 수 있으며, 여기서 음이온은 수소화붕소에 의해 형성될 수 있으며, 저장된 수소를 담지할 수 있다. 양이온 및 음이온은 물과 접촉하는 경우에도 안정할 수 있는 이온성 액체를 형성할 수 있다. 그러나 저장된 수소는 물 및 개개의 촉매, 예를 들어 백금, 팔라듐 또는 로듐과 같은 전이 금속 또는 귀금속을 이용함으로써 방출될 수 있다. 이들 상황 하에서 이온성 액체는 트리옥틸메틸암모늄 및 붕산염, 예를 들어 메타붕산염을 포함하는 새로운 이온성 액체를 형성하는 동안에 수소를 방출할 수 있다. 이어, 이러한 새로운 이온성 액체는, 예를 들어 수소화붕소 나트륨을 이온성 액체에 도입함으로써 수소로 다시 적재될 수 있다.
이온성 액체를 이용함으로써 수소를 저장하는 각각의 방법은 수소를 저장하기 위한 효과적이고 안정된 방법을 제공할 수 있다. 특히, 고압 또는 저온을 이용하지 않으면서도 충분한 양을 저장하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 양이온으로서 트리옥틸메틸암모늄 및 음이온으로서 메타붕산염 또는 수소화붕소를 포함하는 이온성 액체의 사용은 액체 저장 매체의 제공을 가능케 할 수 있으며, 이때 이온성 액체는, 예를 들어 액체 이온 교환 공정을 이용함으로써 순환 공정 또는 재생 공정에서 수소로 적재될 수 있고 적재되지 않을 수 있다. 이러한 이온성 액체는 촉매를 이용함으로써 제어 가능한 방식으로 방출될 수 있는, 저장 밀도가 충분히 높은 수소를 제공할 수 있다. 일반적으로, 예를 들어 자동차용으로 충분한 범위가 확보된 저장 매체를 제공하는 것이 가능할 수 있다. 저장 매체로서 이온성 액체를 이용함으로써, 질량에 따라 높은 저장 용량을 확보하고 및/또는 부피에 따라 높은 저장 용량을 확보하는 것이 가능할 수 있다. 부가적으로, 높은 저장 안전성을 초래하는 것이 가능한 낮은 누수가 달성될 수 있다. 또한, 상술한 이온성 액체는 시간이 지남에 따라 화학적 및/또는 열적 영향에 대해 높은 안정성을 가질 수 있고, 및/또는 난연성일 수 있다.
기타 가능한 양이온으로는 테트라메틸암모늄(tetramethylammonium), 테트라에틸암모늄(tetraethylammonium), 트리에틸메틸암모늄(triethylmethylammonium), 테트라부틸암모늄(tetrabutylammonium), 트리부틸메틸암모늄(tributylmethylammonium), 1,3-디메틸이미다졸륨(1,3-dimethylimidazolium), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨(1-butyl-3-methylimidazolium), 1,2,3-트리메틸이미다졸륨(1,2,3-trimethylimidazolium), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨(1-ethyl-3-methylimidazolium), 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨(1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium) 및 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium)을 들 수 있으며, 이들 모두는 음이온으로서 BH4와 함께 사용될 수 있다.
상기에서 정의된 양태 및 본 발명의 추가의 양태는 하기에서 개시되는 실시형태의 예로부터 자명하게 되며, 이들 실시형태의 예를 참조하여 설명된다. 하나의 예시적인 실시형태 및 예시적인 양태와 관련하여 개시된 특징들은 기타 예시적인 실시형태 및 기타 예시적인 양태와 결합될 수 있는 것으로 언급되어야 한다.
이하, 본 발명은 실시형태의 예를 참고하여 보다 상세하게 개시될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 1은 이온성 액체에 기초한 수소 저장용 순환 공정을 개략적으로 도시한다.
도 2는 촉매 재료를 포함하는 촉매 변환기를 개략적으로 도시한다.
도 3은 수소 저장 매체를 저장하기 위한 용기를 개략적으로 도시한다.
도 1은 이온성 액체에 기초한 수소 저장용 순환 공정을 개략적으로 도시한다.
도 2는 촉매 재료를 포함하는 촉매 변환기를 개략적으로 도시한다.
도 3은 수소 저장 매체를 저장하기 위한 용기를 개략적으로 도시한다.
도면은 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 수소 저장용 순환 공정 또는 재생 공정(100)을 개략적으로 도시하고 있으며, 상기 공정은 이온성 액체에 기초하여 이루어진다. 상기 공정의 초기에 이온성 액체가 트리옥틸메틸암모늄 메틸카보네이트 및 수소화붕소 나트륨(NaBH4)으로부터 제조될 수 있으며, NaBH4는 도 1에서 화살표(101)로 개략적으로 도시되어 있다.
얻어진 이온성 액체는 트리옥틸메틸암모늄-수소화붕소(TOMA-BH4)이다.
상기 식에서, 트리옥틸메틸암모늄은 양이온을 형성하고, 수소화붕소는 수소를 또한 포함하는 음이온을 형성하며, 이후에 수소는 방출될 수 있다. TOMA-BH4는 물에서 분해되지 않지만, 물 및 촉매와 접촉하는 경우에 수소를 방출할 수 있으며, 상기 촉매는 화살표(102)로 개략적으로 표시되어 있다.
NaBH4에 비해 TOMA-BH4의 사용은 몇몇 이점을 나타낼 수 있다. 예를 들어, TOMA-BH4는 안정할 수 있는 반면, NaBH4는 알칼리 환경에서도 매우 빠르게 분해될 수 있다. 또한 TOMA-BH4는 물과 반응하지 않을 수 있으며, 물에 용해되지 않을 수 있다. 즉 TOMA-BH4는 용액상(water phase)에서 유동하는 개별적인 상을 형성할 수 있는 반면, NaBH4는 물과 반응할 수 있으며, 물에서 분해될 수 있다. 부가적으로, TOMA-BH4는 특히 저온에서 NaBH4에 비해 낮은 결정화 경향을 나타낼 수 있다.
촉매로서 전이 금속, 예를 들어 백금 또는 팔라듐이 사용될 수 있다. 수소의 방출 결과, 양이온으로서 트리옥틸메틸암모늄을 포함하는 반면 음이온으로써 메타붕산염을 포함하는 제 2 이온성 액체가 형성된다. 이때, 제 2 이온성 액체는 하기 형태로 나타낼 수 있다.
즉, 트리옥틸메틸암모늄-메타붕산염(TOMA-BO2)이 형성되며, 이는 물에 대해 유의한 혼화성 갭을 또한 나타낸다. 메타붕산염 음이온은 특히 승온에서 붕산염 또는 폴리붕산염 음이온과 부분적으로 또는 완전히 반응할 수 있지만, 그로 인해 이러한 붕산염 또는 폴리붕산염 음이온은 상기 공정을 방해하지 않으며, 메타붕산염 음이온과 거의 동일한 특성을 나타낸다. 그래서 본원에 사용된 "메타붕산염"이란 용어는 보다 일반적으로는 메타붕산염 및/또는 붕산염 및/또는 폴리붕산염의 혼합물인 것으로 보일 수 있다. 순환 공정의 다음 단계에서, TOMA-BO2는 화살표(103)로 표시된 수소화붕소 나트륨(NaBH4) 수용액과 접촉할 수 있으며, 이는 TOMA-BH4와 메타붕산나트륨(NaBO2) 수용액의 형성을 초래하며, 이때 TOMA-BH4 및 NaBO2는 얻어진 액체의 2개의 상을 형성한다. 이들 2개의 상은 분리될 수 있으며, 그 결과 TOMA-BH4가 재생될 수 있다. 촉매의 부재 하에서는 TOMA-BH4는 물과 반응하지 않기 때문에 TOMA-BH4 중에 물이 소량 존재하는 것은 부정적인 효과가 아닐 수 있는 것으로 언급되어야 한다.
이어, NaBO2는 일반적인 방법을 이용함으로써 NaBH4로 변경될 수 있으며, 이후에 NaBH4는 재생 공정에서 다시 사용될 수 있다(화살표(103)).
도 2는 촉매 재료를 포함하는 촉매 변환기의 가능한 형태를 개략적으로 나타낸다. 일반적으로, 촉매 변환기(200)는 귀금속, 예를 들어 백금 또는 팔라듐을 포함하거나, 상기 귀금속으로 실질적으로 이루어져 있으며, 반응, 예를 들어 수소의 방출을 조장하기 위해 광대한 표면을 갖는다. 특히, 촉매 변환기는 직경이 약 1 ㎜ 내지 2 ㎜인 복수의 작은 구 또는 구형체(201)로 형성된다. 이들 구형체는 구형체의 구조가 6각형, 입방형 또는 면심 입방형 배열을 갖도록 형성된다. 특히, 상기 배열은 촉매와 이온성 액체가 접촉하는 표면을 증가시키기 위해 가능한 한 조밀해야 한다. 복수의 구형체는 촉매 변환기(200)를 형성하기 위해 소결될 수 있다. 단일 구형체(201)는 금속 분말을 소결함으로써 형성될 수 있으며, 이때 분말 입자는 마이크로미터 또는 나노미터 범위, 예를 들어 1 ㎚ 내지 50마이크로미터, 보다 구체적으로는 10 ㎚ 내지 5마이크로미터 범위의 크기를 갖는다. 촉매 변환기가 복수의 구 또는 구형체를 포함한다는 사실로 인해, 촉매 변환기는 실질적으로 임의의 목적하는 형태를 채택할 수 있으며, 예를 들어 목적하는 형태로 절단될 수 있다.
도 3은 수소 저장 매체를 저장하기 위한 용기(300)를 개략적으로 도시한다. 특히, 용기(300)는 유입구(301), 유출구(302), 및 2개의 챔버, 또는 용기의 구획들을 서로 분리하는 이동 가능한 탄성 또는 연성 멤브레인(303)을 포함한다. 유입구(301)를 이용함으로써, 수소가 풍부한 이온성 액체, 예를 들어 TOMA-BH4는 용기에 제공되어, 도 3의 좌측 챔버(304)를 충전할 수 있는 반면, 유출구(302)를 이용하여 도 3의 우측 챔버(305)로부터 수소가 고갈된 이온성 액체, 예를 들어 TOMA-BO2를 방출할 수 있다. 또한, 용기(300)는 챔버(304) 내에 배열된 출력 연결부(306)를 포함하며, 여기서 출력 연결부(306)는 촉매 변환기가 배열되는 외부 하우징(307)에 연결된다. 즉, 하우징에서는 수소가 풍부한 이온성 액체로부터 수소가 방출되어, 수소가 고갈된 이온성 액체가 생성된다. 또한, 하우징은 용기( 301 )의 입력 연결부(308)에 연결되며, 여기서 입력 연결부는 챔버(305) 내에 배열된다.
최종적으로, 상술한 실시형태는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 언급되어야 하며, 당해 기술분야의 숙련자라면 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한, 다수의 대안적인 실시형태를 설계할 수 있는 것으로 언급되어야 한다. 특허청구범위에서, 괄호안의 임의의 참조 부호는 특허청구범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. "포함하기" 및 "포함하는" 등의 용어는 임의의 특허청구범위 또는 명세서 전반에 나열된 요소 또는 단계를 제외한 임의의 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 요소의 단수 인용은 이 같은 요소의 복수 인용을 배제하지 않으며, 그 반대도 또한 배제하지 않는다. 몇몇 수단을 나열하고 있는 장치 청구항에서, 이들 수단 중 몇몇은 소프트웨어 또는 하드웨어 중 하나 및 이들의 동일한 항목에 의해 구현될 수 있다. 특정 측정치가 다수의 상이한 종속항에서 인용된다는 단순한 사실은 이들 측정치의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것이 아니다.
Claims (18)
- 수소를 저장하는 방법에 있어서,
양이온, 및 붕산염(borate)을 포함하는 음이온을 포함하는 제 2 이온성 액체 내로 수소화붕소(borohydride)를 유도함으로써 제 1 이온성 액체를 형성하는 단계; 및
물 및/또는 촉매를 이용하여 제 1 이온성 액체 밖으로 상기 수소를 방출함으로써 상기 제 2 이온성 액체를 형성하는 단계를 포함하는 수소 저장 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 양이온은 4급 또는 양성자화(protonated)된 양이온인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 양이온은,
수소,
C1-C20-알킬,
C1-C20-알케닐,
C1-C20-알키닐,
C1-C20-사이클로알킬,
C1-C20-사이클로알케닐,
C1-C20-아릴, 및
C1-C20-헤테로아릴
로 이루어진 군으로부터 선택된 1 내지 4개의 잔기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 양이온은,
피리디늄,
피롤륨,
티아졸륨,
옥사졸륨, 및
퀴놀리늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이되,
상기 1 내지 4개의 잔기 중 하나는 질소 원자에 결합되고, 및/또는 상기 1 내지 4개의 잔기 중 1 내지 3개는 탄소 고리의 탄소 원자에 결합되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 양이온은,
암모늄,
포스포늄, 및
설포늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 양이온은,
피페리디늄(piperidinium),
피롤리디늄(pyrrolidinium), 및
모르폴리디늄(morpholinium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이되,
상기 1 내지 4개의 잔기 중 1 또는 2개는 상기 질소 원자에 결합되고, 및/또는 상기 1 내지 4개의 잔기 중 1 내지 3개는 상기 탄소 고리의 탄소 원자에 결합되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 양이온은,
이미다졸륨(imidazolium),
벤즈이미다졸륨(benzimidazolium),
피라졸륨(pyrazolium), 및
벤조트리아졸륨(benzotriazolium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이되,
상기 1 내지 4개의 잔기 각각은 각 질소 원자에 결합되고, 및/또는 상기 1 내지 4개의 잔기 중 1 내지 3개는 상기 탄소 고리의 탄소 원자에 결합되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 양이온은,
트리옥틸메틸암모늄(trioctylmethylammonium),
테트라헥실암모늄(tetrahexylmethylammonium),
테트라옥틸암모늄(tetraoctylammonium),
1-옥틸-3-메틸이미다졸륨(1-octyl-3-methylimidazolium)
트리헥실메틸암모늄(trihexylmethylammonium),
트리에틸메틸암모늄(triethylmethylammonium)
트리부틸메틸암모늄(tributylmethylammonium),
1-에틸-3-메틸이미다졸륨(1-ethyl-3-methylimidazolium)
1,3-디메틸이미다졸륨(1,3-dimethylimidazolium),
1-부틸-3-메틸이미다졸륨(1-butyl-3-methylimidazolium),
1,2,3-트리메틸이미다졸륨(1,2,3-trimethylimidazolium),
1-에틸-3-메틸이미다졸륨(1-ethyl-3-methylimidazolium),
1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨(1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium), 및
1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨(1-butyl-2,3-dimethylimidazolium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는 전이 금속 및/또는 귀금속인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는 마이크로 결정성(microcrystalline) 또는 나노 결정성(nanocrystalline) 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소의 방출에 의해 붕산염이 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 이온성 액체 및/또는 상기 제 2 이온성 액체는 소정의 점도 값을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 점도 수준은 첨가제를 첨가함으로써 상기 소정의 점도 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 첨가제는 아미드, 환형 또는 폴리에테르를 포함하는 에테르, 아세탈, 케탈, 폴리알코올을 포함하는 알코올, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 디부틸 에테르, 디에틸 에테르, 메틸 t-부틸 에테르, 에틸 t-부틸 에테르, 1,2-디에톡시에탄, 포름알데하이드 디메틸아세탈, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 및 폴리비닐 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 이온성 액체 및/또는 상기 제 2 이온성 액체에 염기성 첨가제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 염기성 첨가제는,
알칼리 금속 수산화물(alkaline metal hydroxide),
알칼리 토금속 수산화물(alkaline earther metal hydroxide),
알칼리 금속 카보네이트(alkaline metal carbonate),
알칼리 토금속 카보네이트(alkaline earther metal carbonate),
4급 테트라알킬암모늄 수산화물(quaternary tetraalkylammonium hydroxide),
4급 테트라알킬암모늄 카보네이트(quaternary tetraalkylammonium carbonate),
4급 테트라알킬포스포늄 수산화물(quaternary tetraalkylphosphonium hydroxide),
4급 테트라알킬포스포늄 카보네이트(quaternary tetraalkylphosphonium carbonate), 및
4급 테트라알킬포스포늄 알킬카보네이트(quaternary tetraalkylphosphonium alkylcarbonate)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 수소 저장 방법. - 수소를 저장하기 위한 이온성 액체에 있어서,
양이온, 및
수소화붕소를 포함하는 수소 저장용 이온성 액체. - 수소를 저장하기 위한 이온성 액체에 있어서,
양이온, 및
붕산염, 특히 메타붕산염(metaborate)을 포함하는 수소 저장용 이온성 액체.
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