KR20120000057A - 전기분해 중에 가스 포집을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

전기분해 셀(electrolysis cell)은 전류원에 연결된 한 쌍의 전극, 상기 전극들과 유체가 통하는 전해액; 제 1 전극에서 형성된 제 1 가스; 제 2 전극에서 형성된 제 2 가스; 분리기, 및 제 1 및 제 2 가스 채집 용기들을 포함한다. 분리기는 제 1 가스와 전해액의 조합 밀도와 전해액의 밀도 간의 차이로 인해 제 1 가스 채집 용기를 향해 및 제 2 전극으로부터 멀어지는 방향으로 제 1 가스와 전해액의 유동을 보내도록 제 1 경사면을 포함한다. 분리기는 제 2 가스와 전해액의 조합 밀도와 전해액의 밀도 간의 차이로 인해 제 2 가스 채집 용기를 향해 및 제 1 전극으로부터 멀어지는 방향으로 제 2 가스와 전해액의 유동을 보내도록 제 2 경사면을 포함한다.

Description

전기분해 중에 가스 포집을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSIS}
관련 출원들에 대한 상호참조
본 출원은 2009년 2월 17일 출원된 미국 임시특허출원 제 61/153,253호; 2009년 8월 27일 출원된 61/237,476호; 및 2010년 2월 13일 출원된 제 61/304,403호의 우선권을 주장하고, 이들 각각의 내용 전체는 본원에 참고문헌으로서 포함된다.
전기를 생산하기 위한 신재생에너지원들은 종종 단속적이다. 태양 에너지는 주간 행사이고 주간의 태양-에너지-집중 잠재력은 계절에 따라 변한다. 풍력 에너지는 매우 편차가 크다. 낙수(falling water)는 계절에 따라 변하고 가뭄이 길어지게 한다. 바이오매스(biomass)는 계절에 따라 변하고 기근을 겪는다. 주거지들은 매일, 계절, 및 임시 에너지 소비율을 포함하는 매우 가변적인 수요를 갖는다. 전세계에서, 수력발전소, 풍력 발전소, 바이오매스 변환 및 태양 채집기들에 의해 공급될 수 있는 에너지는 무시되거나 폐기되는데 왜냐하면 필요할 때까지 에너지 또는 전기를 저장할 실용적인 방법이 없기 때문이다. 증가하는 세계 인구의 에너지에 대한 수요는 생산될 수 있는 것보다 많은 석유 및 다른 화석 자원들을 요구하는 수준까지 증대되었다. 도시들은 화석 연료들의 연소에 의해 발생된 스모그 및 지구 기후 변화를 겪고 있다.
또한, 유기폐기물(biowaste)로부터 유도된 유기산들, 물, 바이오매스 폐기물들과 같은 공급원료들의 열화학적 또는 전해 분리에 의해 제공될 수 있는 수소, 산소, 탄소, 및 다른 생성물에 대한 급증하는 수요들이 커져 왔다. 예를 들어, 수소에 대한 국제 시장은 4천만 달러 이상이고, 암모니아 생산, 정제, 화학제품 제조 및 식품 가공을 포함한다.
연료, 금속, 비-금속, 및 다른 값비싼 화학물질의 전기-화학적 생산은 비싼 전기, 낮은 전기분해 효율, 높은 유지보수 비용, 및 원하는 수송, 보관, 및 응용 압력으로 생산된 가스들의 가압 수송하는 것과 같은 에너지 집약적 작업들에 대한 귀찮은 요구조건들에 의해 제한되어 왔다. 이러한 문제들을 줄이기 위한 기술을 제공하고자하는 노력이 미국 PA 19174, 필라델피아 소재의, 펜실베이니아 대학 화학 및 생화학 공학부, Glandt, Eduardo D.와, Myers, Allan L.의 "화학적 사이클들에 의해 물로부터 수소 생산"; Industrial Engineering Chemical Process Development, 15권, 1번, 1976; "미래의 연료로서 수소", D.P., Institute of Gas Technology; 및 "흡착 과학 및 기술": 흡착 과학 및 기술에 대한 2차 태평양 해역 회합의 회의록: 오스트레일리아, 브리스베인, 2000년 5월 14-18일, D. Do Duong, Duong D. Do 발표, 토론자 Duong D. Do, 발간 World Scientific, 2000년; ISBN 9810242638, 9789810242633과 같은 공보들에 알려져 있고 본원에 포함된다.
산소와 수소가 혼합될 수 있게 하는 전기분해기들은 자연 점화 또는 폭발의 잠재적인 위험성을 제공한다. 가스 생성 전극들의 고가의 반-삼투성 막 분리를 사용하는 낮거나 높은 압력의 전기분해기들을 포함하는 노력들은 수소의 비용-효과적인 생산을 제공하는데 실패하고 불순물들에 의한 중독으로 인한 실패 및 열화되기 쉽다. 막 분리가 사용되는 예들에서도, 막 파열 및 고압 산소와 수소의 혼합으로 인한 화재 또는 폭발에 대한 잠재적인 위험성이 존재한다.
몇몇 상업용 전기분해기들은 그 사이에 수소 이온들만을 전도하는 전해질 양자 교환 막(PEM)이 있는 고가의 다공성 전극들을 사용한다(캐나다 소재의 Proton Energy Company and the Electrolyzer Company 참조). 이는 전극 효율을 제한하는데 왜냐하면 분극 손실(polarization loss), 가스 축적, 및 PEM 전해액과 전극들의 계면에 도달할 수 잇는 물의 해리를 위한 사용가능한 전극 면적의 감소때문이다. 제한된 전극 효율과 함께 산소와 수소 출구들 사이의 압력 차로 인한 막 파열들, 보충수의 불순물들로 인한 막 중독(poisoning), 막의 약간의 과열 또는 오염물질로 인한 비가역적인 막 열화, 막이 사용중이지 않을 때 건조되면 막 열화 또는 파열, 및 접지 루프들, 벌크(bulk) 전극 재료와 촉매들 사이의 갈바니 전지들, 집중 셀 형성과 같은 하나 이상의 유도체(inducement)에 의한 부식으로 인한 막 경계에서 전극들의 열화를 포함하는 상이한 다른 문제들이 있다. 전극과 PEM 재료들을 적층하면 반응의 생성물들 또는 반응물질들의 정체 형성을 제공하여 비효율적인 작동을 일으킨다. PEM 전기화학적 셀(cell)들은 고가의 막 재료, 계면활성제들, 및 촉매들을 필요로 한다. PEM 셀들은 쉽게 중독되고, 과열되고, 넘치거나 건조되고 막 누설 또는 파열로 인한 작동상 위험들을 부과한다.
비효율성들 이외에, 이러한 시스템들의 문제점들에는 기생 손실, 고가의 전극 또는 촉매 및 막, 낮은 에너지 변환 효율, 고가의 유지보수비, 및 높은 작동 비용들이 포함된다. 압축기들 또는 보다 고가의 막 시스템들은 수소 및 산소와 다른 전기분해 생성물들을 상황에 따라 가압할 필요가 있다. 마지막에 언급한 문제의 필연적인 결과로 허용할 수 없는 유지보수 필요조건들, 높은 수선 비용, 및 상당한 폐기처분 비용이 발생한다.
그러므로, 본 발명의 몇몇 실시예들의 목적은 상술한 현재 방법들에 관련한 하나 이상의 문제점들을 처리하고 작동 생성물들 및 불순물들을 견디는, 가압된 수소 및 산소를 포함하는, 가스들의 분리된 생성을 위한 전기화학적 또는 전기분해 셀과, 그 사용 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서 가압을 위해 구성된 격납 용기; 제 1 전극; 제 2 전극; 제 1 전극과 제 2 전극과 전기가 통하는 전류원; 제 1 전극과 제 2 전극과 유체가 통하는 전해액; 제 1 가스, 여기서 제 1 가스는 전기분해 중에 제 1 전극에서 또는 그 근처에 형성되고; 제 2 가스, 여기서 제 2 가스는 전기분해 중에 제 2 전극에서 또는 그 근처에 형성되고; 분리기; 제 1 가스 채집 용기; 제 2 가스 채집 용기를 포함하는 전기분해 셀이 제공되고, 여기서 분리기는 가스가 제 2 전극으로부터 먼 방향으로 및 제 1 가스 채집 용기를 향해 실질적으로 흐르도록 제 1 가스와 전해액의 조합 밀도와 전해액의 밀도 간의 차로 인해 제 1 가스와 전해액의 유동을 보내도록 제 1 경사면을 포함하고, 분리기는 가스가 실질적으로 제 1 전극으로부터 먼 방향에서 제 2 가스 채집 용기를 향해 흐르도록 제 2 가스와 전해액의 조합 밀도와 전해액의 밀도 간의 차로 인해 제 2 가스와 전해액의 유동을 보내도록 제 2 경사면을 포함한다.
다른 실시예에서 가압을 위해 구성된 격납 용기; 제 1 전극; 제 2 전극; 제 1 전극과 제 2 전극과 전기가 통하는 전류원; 제 1 전극과 제 2 전극과 유체가 통하는 전해액; 제 1 가스, 여기서 제 1 가스는 전기분해 중에 제 1 전극에서 또는 그 근처에 형성되고; 분리기; 제 1 가스 채집 용기를 포함하는 전기분해 셀이 제공되고, 여기서 분리기는 가스가 제 2 전극으로부터 먼 방향으로 및 제 1 가스 채집 용기를 향해 실질적으로 흐르도록 제 1 가스와 전해액의 조합 밀도와 전해액의 밀도 간의 차로 인해 제 1 가스와 전해액의 유동을 보내도록 경사면을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 전기분해 셀을 제공하고; 전기분해 셀에서 전기분해를 수행하고 여기서 제 1 가스와 제 2 가스가 전기분해 중에 전기분해 셀에서 생성되고; 전기분해 셀과 유체가 통하고 전기분해 셀과는 상이한 제 1 가스 채집 용기를 제공하고; 제 1 가스의 실질적인 팽창 전에 제 1 가스 채집 용기에 제 1 가스를 포집하고; 제 1 가스를 팽창시키고; 제 1 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하고; 전기분해 셀과 유체가 통하고 전기분해 셀과는 상이한 제 2 가스 채집 용기를 제공하고; 제 2 가스의 실질적인 팽창 전에 제 2 가스 채집 용기에 제 2 가스를 포집하고; 제 2 가스를 팽창시키고; 제 2 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하는 것을 포함하는 전기분해 셀의 효율 개선 방법이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 전기분해 셀을 제공하고; 전기분해 셀에서 전기분해를 수행하고 여기서 가스가 전기분해 중에 전기분해 셀에서 생성되고; 전기분해 셀과 유체가 통하고 전기분해 셀과는 상이한 가스 채집 용기를 제공하고; 가스의 실질적인 팽창 전에 가스 채집 용기에 가스를 포집하고; 가스를 팽창시키고; 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하는 것을 포함하는 전기분해 셀의 효율 개선 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해진다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예들은 본 발명의 양호한 실시예들을 나타내지만, 예시만을 위해 주어지므로, 본 발명의 진의 및 범위 내의 다양한 변화들 및 수정들은 본 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀.
도 2는 도 1의 실시예의 일부분의 확대도.
도 3은 도 2의 실시예의 변형예.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀.
도 5는 도 4의 전기분해 셀의 일부분의 대안적인 실시예의 확대도.
도 6은 가역적인 연료-셀에 사용하기 위한 나선형 전극의 단면도.
도 7은 메탄, 수소, 및/또는 이산화탄소로의 광합성에 의해 생성되는 것과 같은 유기 공급원료들을 변환하기 위한 시스템.
위에 나열한 세부사항들 및 본 발명에 따른 다른 장점들과 목적들이 얻어지는 방식을 완전히 이해하기 위해, 본 발명의 보다 상세한 설명이 그 특정한 실시예들을 참조하여 이루어진다.
일 실시예에서, 전기분해 셀 및 사용방법이 제공된다. 전기분해 셀이 많은 응용예들에 사용될 수 있지만, 본 실시예에서 수소 및 산소의 생성을 위해 사용하는 것을 설명한다. 본 발명에 따른 전기분해 셀은 가압된 수소 및 산소의 가역적인 분리된 생산을 제공하고 작동 생성물들 및 불순물들을 견딘다. 이 실시예는 전기분해 과정을 동작시키기 위한 선택사항을 추가로 제공하고 이는 컴팩트한 보관을 위해 요구되는 것보다 훨씬 적은 정도로 가압된 해리될 물질을 공급하고, 해리되는 물질보다 적은 밀도를 갖는 유체 생성물들을 생성하도록 전극들 사이에 기전력을 인가하고 및 컴팩트한 보관을 위해 원하는 압력이 달성될 때까지 저밀도 유체 생성물들의 팽창을 억제하는 단계들을 포함한다. 이 실시예 및 다른 실시예들은 엔진 또는 연료 전지들과 같은 연료의 호기성 또는 전기적으로 유도된 방출을 용이하게 하거나 또는 공간 가열을 제공하거나, 식품을 조리하거나, 물을 살균하거나 다른 물질들에 열을 전달하기 위해 이러한 에너지원들로부터 열을 사용하고 열 엔진 또는 연료 엔질들의 작동에 의해 가정, 레스토랑, 호텔, 병원, 통조림공장, 및 다른 사업 시설과 같은 주거지들의 에너지 사용 효율을 개선할 수 있다. 또한, 당업자는 본원에 공개한 실시예들의 측면들이 유사한 장점들을 제공하기 위해 다른 타입의 전기화학적 셀들에 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
원하는 구성성분들의 생성을 위해 이온들을 전달하고 및/또는 질량 전달을 생성하기 위해 비교적 느린 확산, 대류 및 집중 구배 과정들에 크게 의존하는 종래의 전기화학적 전극들과는 대조적으로, 본 실시예는 신속한 이온 보충 과정들과 본원에 설명하는 것과 같은 보다 고밀도의 액체 매체로부터 나가는 저밀도 가스들의 가압수송 작용에 의해 원하는 전극들로의 전달을 포함하는 보다 효과적인 질량 전달을 제공한다. 이는 바람직하지 않은 부 반응들의 방지와 함께 보다 큰 전기 효율, 보다 빠른 해리, 및 보다 큰 분리 효율을 보장한다. 이온 생산 및 전극들로의 수송의 속도 및 효율을 증가시키면 시스템 효율 및 전극 면적당 전류 한계를 증가시킨다.
도 1을 참조하면, 그 안에서 금속 관과 같은 컨테이너(4)가 격납 용기로서 작용하는 전기분해 셀(2)이 도시되어 있다. 선택적으로, 컨테이너(4)는 도 1에 도시된 바와 같이 전극으로서 작용할 수도 있다. 원통형 전도성 와이어 스크린 전극(8)과 같은 다공성 전극이 동축관계로 배치되고 산 또는 염기와 같은 액체의 전기분해 재고(inventory)에 의해 관형 전극(4)으로부터 분리되어 있다. 액체 전해액은 절연체(24)의 액체-가스 경계면까지 컨테이너(4)의 내부 공간을 점유한다. 유전체 슬리브 또는 전도성 원통형 내측 라이너 전극(4'; 도시않음) 상의 도금된, 플라즈마 분무된, 또는 합성된 전극 재료의 층이 컨테이너(4) 내에 제공되어 조립체의 전기적으로 절연된 요소로서 작용하여 유지보수 항목으로서 편리하게 교환할 수 있게 하거나 또는 선택적인 극성, 및/또는 직렬, 병렬, 또는 직렬-병렬 연결을 위해 다수의 분할된 전극 요소들 중 하나로서 작용할 수 있다. 물의 전기분해를 위한 본 가역적 실시예에서, 전극(8)은 수소가 전극(8)에서 생성되도록 전자원 또는 음극으로 고려될 수 있고, 전극(4)은 산소가 전극(4)에서 생성되도록 양극으로 고려될 수 있다. 컨테이너(4)는 가압될 수 있다. 컨테이너(4)의 내용물들의 가압은 밀봉된 캡(30, 46)들에 의해 억제된다. 전극(8), 가스 분리기(10), 및 전기 접속부(32)를 포함하는 구성요소들의 지지, 전기 절연, 및 안정화가 도시된 바와 같은 유전체 절연체 몸체(20, 24)들에 의해 제공된다. 전기분해 셀(2)의 가압은 펌프와 같은 외부원 또는 그 임의의 조합에 의해, 전기분해 중에 가스(들)의 생성으로 인한 자체-가압에 의해 달성될 수 있다.
분리기(10)는 액체에 대해 삼투성이지만 분리기의 음극 측으로부터 분리기의 양극 측으로 및 그 반대로의 가스 흐름 또는 수송을 실질적으로 방지하게 구성되고, 가스 기포들의 핵형성 후 또는 전해액에 용해된 가스의 유동을 실질적으로 방지하는 것을 포함한다. 선택적으로, 전극(8)은 별개의 분리기가 불필요하도록 분리기(10)로서 작용하게 구성될 수 있다. 다르게는, 분리기(10)는 전극(8)을 포함하거나 또는 전극(8)이 분리기(10)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 분리기(10)는 양극 전극(4)을 또한 포함하거나 양극 전극(4)이 분리기(10)를 포함할 수도 있다.
절연체(24)는 도시된 바와 같이 성형되고 필요에 따라 분리기(10)와 조합하여 사용하는 것을 포함하여 전극(4, 8)들에 의해 생성된 가스들을 분리, 채집 및/또는 추출한다. 도시된 동심 원통형 기하학적 형상에서, 절연체(24)는 전극(8) 상에서 방출되는 가스들이 그 안에 채집되는 중앙 원추형 공동을 갖는다. 전극(4')의 표면들로부터 또는 컨테이너 전극(4)의 내측으로부터 방출되는 가스들을 채집하는 환형 영역이 이 중앙 공동을 동심관계로 둘러싼다.
선택적으로, 촉매 필터(48)가 도시된 바와 같이 (24)의 상부 채집 통로에 배치될 수 있다. 분리기(10)를 지나는 이동을 포함하는 촉매 필터(48)에 어렵게 도달한 산소는 수소와 반응하여 수분을 형성하게 촉매에 의해 유도될 수 있고, 이는 결국 전해액으로 복귀될 수 있다. 과다량의 수소는 이 촉매 반응에 의해 방출된 열이 전기분해 셀에 영향을 미치는 것을 방지하도록 열 흡수원으로서 작용할 수 있다. 정제된 수소가 도시된 바와 같은 배관(26; fitting)에 공급된다. 유사하게 산소 환형체에 도달하는 모든 산소를 물로 변환하도록, 도시된 바와 같이 산소를 채집하는 원주방향 환형체의 상부 영역에 촉매 필터(49)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 산소는 도시된 바와 같이 배관(22)에서 제거된다. 다르게는, 촉매 필터들은 배관(22, 26)들에, 그 근처 또는 내측에 배치될 수 있다.
예시된 작동에서, 물이 수소 및 산소로 해리되는 물질이면, 중탄산나트륨, 가성 나트륨(sodium caustic), 수산화칼륨, 또는 황산의 수성 용액과 같은 적당한 전해액이 준비되고 액체 존재를 검출하고 제어기(52)에 필요에 따라 원하는 재고 또는 압력을 생성 또는 유지하도록 저장소(42)와 같은 적당한 소스로부터 물을 첨가하도록 펌프(40)를 작동하게 신호를 보내는 센서(50)에 의해 도시된 바와 같이 원하는 레벨로 유지된다. 그러므로 제어기(52)는 액체 레벨 센서(50) 또는, 액체 재고 센서(51)와 함께 집적 유닛에 포함될 수 있는 온도 또는 압력 제어 센서(58)에 반응하고 열을 받거나 전달하도록 방열체 또는 가열기(도시않음)와 같은 시스템의 순환 펌프를 포함할 수 있는 열 교환기(56)와 함께 펌프(36, 40)들을 제어한다. 유사하게, 가열 또는 냉각 팬이 전기분해 셀(2)과 관련한 소스들로부터 열을 받거나 제거하는 것을 향상시키기 위해 이러한 작동들과 관련해 사용될 수 있다.
전기분해 셀(2)이 주기적으로 적용되는, 예를 들어, 잉여 전기가 저렴하고 그렇지 않으면 요구되지 않을 때의 몇몇 실시예들에서, 전기분해 셀(2)은 상당한 편차의 물 재고(water inventory)로 작동될 수 있다. 잉여 전기가 사용될 수 없거나 꺼져 있을 때, 수소와 산소 공급들은 컨테이너(4)로부터 추출될 수 있고 시스템은 대기압으로 복귀되게 할 수 있다. 그 다음에 대기압의 물이 시스템을 완전히 충전하도록 추가될 수 있고, 이는 생성물 변환, 컴팩트한 저장을 위해 압력 또는 화학 에너지에 필요한 원하는 고압에서 수소 또는 산소를 전달하기 위해 이러한 주기적 저압 충전 및 전기분해 작동들을 돕는데 바람직할 수 있는 바와 같이 절연체(24)의 주변 둘레에 큰 환형 체적을 갖도록 제공될 수 있고, 차량, 도구, 또는 기구 수용기(receiver)들에의 빠른 전달을 제공한다.
훨씬 작은 액체 재고로부터 수소 및 산소의 아주 큰 기체 공급량의 생성 및 흐름의 적용시, 시스템은 원하는 바에 따라 가압되고 용해된 물의 재고가 도시된 바와 같이 제어기(52)가 저장소(42)로부터 가압 펌프(40)에 의해 물을 추가하거나 또는 전기분해 사이클을 중단하게 할 수 있는 센서(50, 51)들에 의한 검출 지점까지 소모될 때까지 가압이 유지될 수 있다. 필요에 따라 펌프(40)에 다중 부하(duty) 또는 유지보수를 허용하도록 도시된 바와 같이 체크 밸브(44)와 같은 밸브를 걸쳐 물을 추가하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 분리기가 "V"자 형상을 형성하는 2개의 경사면(14)들을 포함하는 도 1의 분리기(10)의 일 실시예를 도시한다. 전기분해가 물 기반이면, 전자들이 접속부(32)를 통해 직물 와이어 실린더와 같은 다공성 전극(8)에 추가되고 컨테이너(4)로부터 전기 접속부(6)를 통해 제거되어 수소 이온들을 수소 원자들로 그 다음에 전극(8) 상에 또는 그 부근에 기포들을 형성하도록 핵화될 수 있는 2원자 분자들로 연속적으로 변환한다. 수소 및 산소 기포들은 전형적으로 물 기반의 전해액들보다 훨씬 밀도가 적고 부력에 의해 상방향으로 추진된다. 산소 기포들은 유사하게 상방향으로 추진되고 도 2의 확대 단면도에 도시된 바와 같이 동축관계인 분리기(10)의 기하학적 형상에 의해 수소로부터 분리된다. 도 2에 도시된 구성은 전기분해 셀(2)의 작동 중에 형성되는 가스의 유동이 바람직한 임의의 응용예에 사용될 수 있다. 또한, 상기 분리기 구성은 당업계에 공지된 전기화학 셀들의 다른 구성들에 사용될 수 있다. 다르게는, 전기분해 중에 형성된 재료들이 전해액보다 더 높은 밀도이면, 분리기(10)는 "∧" 형상을 형성하도록 역전될 수 있다. 유사하게 전기분해에 의해 음극에서 형성된 한 재료가 전해액보다 밀도가 낮고 양극에서 형성된 다른 재료가 전해액보다 밀도가 높으면, 분리기(10)는 더 높은 밀도의 재료로부터 멀어지게 저밀도 재료의 방향을 바꾸도록 경사진 "/" 또는 "＼" 형상들을 포함할 수 있다.
컨테이너(4)의 내측 또는 (4')로부터 방출된 산소와 수소의 혼합은 산소와 수소 진입, 유동, 또는 수송에 대해 경사진 표면(12', 14)들로부터의 편향에 의해 가스들을 효과적으로 분리하는 액체-삼투성 장벽, 분리기(10)에 의해 방지된다. 다르게는, 분리기(10)는 그 안의 나선형 스트립 재료의 단면이 전기 절연체 및 가스 분리기로서 작용하도록 도시된 바와 같이 "V"자 구성인 30% 유리 충전된 에틸렌-염화 3불화 에틸렌과 같은 불활성 유전체 재료로부터 또는 전기 절연된 도체로 구성된 나선형 나선체(helical spiral)를 포함할 수 있다.
유체 이동을 위한 통로들이 나선의 각각의 층 사이에 간극을 제공하도록 특히 각각의 에지에서, 또는 다르게는 단면도에서 도면부호 13으로 도시된 바와 같이 확대된 물결모양들로서 도 2에 도시된 단면을 형성하는 성형된 디스크들의 적층체에 단속적으로 또는 연속적으로 스트립(strip)을 물결모양으로 하여 유체 순환 및 분배 필요성들을 만족시키기 위해 필요에 따라 증가될 수 있다. 축(15, 15')에 대해 도시된 바와 같이 많거나 적거나 적당히 경사진 방사방향 축 둘레에서 물결모양을 이루는 각각의 이러한 물결모양들을 갖는 것이 일반적으로 유익하다. 이는 원하는 두께, 예를 들어, 약 0.2mm(0.008") 두께 이하로 형성되는 전체적으로 액체-투과성이지만 가스-장벽인 분리기(10) 벽 두께를 허용한다.
분리기(10)는 가스의 상방향 이동 및 부력으로 인한 추진 때문에 가스들이 통과하지 못하게 하면서 액체 전해액이 전극(8)을 향하거나 그로부터 멀어지게 하기에 충분한 표면 에너지 조건들에 대해 및 매우 작은 치수들을 포함하는 임의의 적당한 치수들일 수 있다. 예를 들어, 비교적 작은 연료 전지들 및 전기분해기들에 적용될 수 있는 다른 실시예가 이러한 실(thread)들이 액체의 거의 개방된 접근을 제공하도록 편직 또는 접착되고 "V"자 형상 실들의 일측면 또는 양측면들에서 거의 수직인 방향으로 배치되어 있는 도 2에 도시된 단면으로 다중으로 밀접하게 이격된 평탄화된 실들에 의해 제공된다. 이는 분리기(10)의 약 0.1mm(0.004") 두께 이하로 형성된 전체적으로 액체-투과성이지만 가스-장벽인 벽 두께를 허용한다.
상방향 부력 추진은 경사면(12, 14)들에서 가스 기포 충돌들을 편향시킨다. 이 특징은 전기 저항, 부착물, 정체, 부식, 및 분극 손실 중 하나 이상으로 인한 비효율성을 일으키는 종래기술의 종래 접근법들의 문제들 및 어려움들을 극복한다. 또한, 몇몇 구성들은 가스(들)가 액체의 상부에서 이탈할 때, 비교적 가스가-없고 고밀도인 전해액이 용해된 가스를 포함하거나 기포들과 혼합된 저밀도의 전해액을 대체하도록 재순환될 때 하부를 향해 흐를 때, 상방향의 전해액 유동을 생성하는 상승하는 기포들의 부력 가압수송 작용으로 인해 동심관계인 층들의 전해액 순환을 촉진할 수 있다. 열 교환기(56)는 도시된 바와 같이 컨테이너(4)의 상부로부터 하부로 순환되는 전해액으로부터 필요에 따라 열을 추가하거나 제거하도록 작동할 수 있다. 펌프(36)는 보충수를 추가하도록 펌프(40)와 연계하여 또는 전해액 순환율을 증가시키기 위해 필요에 따라 사용될 수 있다.
유기 재료의 신속한 첨가를 갖는 시스템들을 포함하는 몇몇 실시예들에서 높은 전류 밀도가 적용된다. 이러한 실시예들에서, 도시한 바와 같이 배관(16)과 라인(38)을 통해 컨테이너(4)로 복귀하도록 비교적 가스가-없는 전해액을 배관(28)을 통해 라인(34)을 통해 펌프(36)로 복귀시키는 펌프(36)로 전해액을 순환시키는 것이 유익할 수 있다. 계속 소용돌이치는 소용돌이 전달을 생성하여 상승작용에 의해 상술한 바와 같이 사용될 수 있는 분리기(10)에 의한 작용을 포함하는 분리를 개선하도록 배관(16)에서 접선방향으로 복귀하는 전해액이 들어오게 하는 것이 바람직할 수 있다. 작동 압력에 따라, 수소는 산소보다 약 14배 밀도가 작고 부력이 크고 배관(26)에서 필터(48)를 통한 가압된 채집에 대해 분리기(10)에 의해 더 높은 상방향 속도로 쉽게 보내지는 경향이 있다. 매우 높은 전류 밀도에서 및 전기분해 셀(2)이 수송 응용예들에서 겪을 수 있는 바와 같이 기울어짐 또는 G-힘들을 받는 예들에서, 전해액 이동 속도는 소용돌이 분리를 개선하여 양극에서 생성되는 가스들이 음극에 의해 생성되는 가스들과 혼합되는 것을 방지하기 위해 펌프(36)에 의해 증가된다.
분리기(10)를 포함하는 비-전도성 가스 장벽 및 액체 전달 실시예들의 몇몇 실시예들은 수소 및 산소와 같은 가스들을 분리하기 위해 양자 교환 막들에 의존하는 것들을 포함하는 종전의 접근법들보다 훨씬 저렴하고 훨씬 튼튼하고 효율적인 가역적 전기분해기들을 제조할 수 있게 한다. 일 측면에서, 분리기(10)는 전기분해 중에 전해액 유동을 개선하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 분리기(10)는 포트(16)로부터 포트(28)로 상방향으로 이동하는 액체 전해액 재고들에서 이온들의 나선방향 유동을 촉진하게 구성될 수 있다. 이는 전극들의 각각의 부분이 최대 전기 효율에 필요한 바와 같이 새로 보충된 이온 밀도들을 받음을 보장한다. 이러한 전극 세정 작용은 기포들이 전기화학적 셀의 각각의 전극들에 형성될 때 수소와 산소의 기포들을 빠르게 제거할 수도 있다.
도 3은 상술한 바와 같이 가스 종들(species)의 분리를 달성하면서 편평한 판과 동심관계인 전극 구조물들을 포함하는 전극들 부근의 전기 절연을 제공하도록 분리기(10)의 다른 측면의 구성요소 시트(sheet)들 또는 나선형 스트립(strip)들의 부분들을 나타내는 가장자리 부분을 보인다. 조립체(11)에서, 시트(12', 14')들은 분리기(10)의 것과 기능적으로 같게 작용하고 닮은 단면을 형성한다. 편평한 전도성 또는 비전도성 중합체 시트(12')가 도시된 바와 같이 시트(12')의 종축과 약 35° 내지 70°각도의 제 1 각도(15)로 도시된 바와 같은 실질적인 각도들을 형성하게 기울어져 있는 평행한 중심선들 상에 여러 작은 구멍들을 구비한다. 중합체 시트(14')는 도시된 바와 같이 시트(14')의 종축과 약 35° 내지 70°각도의 제 2 각도(15')만큼 도시된 바와 같이 실질적으로 경사진 평행한 중심선들 상에 여러 작은 구멍들을 유사하게 구비한다.
다른 실시예들에서 각도(15, 15')들은 전기분해 과정 중에 분리되는 재료에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 각도들은 기체 성분들을 갖지 않거나 또는 하나의 기체 성분만 갖는 화합물들의 전기분해에 대해 감소될 수 있다. Al2O3와 같은 화합물이 알루미늄과 산소를 형성하도록 빙정석-알루미나 전해액에서 전기분해에 의해 해리되면, 알루미늄은 빙정석-알루미나 전해액보다 훨씬 밀도가 높고 알루미늄 분리 음극 전극 또는 관련한 분리기는 상방향으로 이동하는 산소로부터 멀어지게 및 하향으로 알루미늄을 보내도록 (예를 들어, 감소된 각도들에 의해) 구성된다.
시트 두께 치수의 약 1/12 내지 1/3의 직경들을 갖는 이러한 여러 작은 구멍들은 레이저 드릴링, 고온 바늘 관통을 포함하는 적당한 기술들에 의해, 또는 고속 입자 관통에 의해 시트(12', 14')들에 쉽게 만들어질 수 있다. 각각 전형적으로 약 0.025 내지 0.25mm(.001" 내지 0.10") 두께인 시트(12', 14')들은 전극(8)과 하나의 조립체로서 형성되도록 용접 또는 다르게는 접합, 실 묶음, 탄성 밴드들, 또는 그 결과인 외경 상에 전도성 또는 비전도성 와이어를 1회 이상 감아 함께 유지될 수 있다. 시트(12', 14')들은 접착제에 의해 또는 가열 또는 용매 용융에 의해 연속적으로 또는 단속적으로 결합될 수도 있다. 그러므로, 시트(12')의 경사진 구멍들이 시트(14')의 구멍들과 중첩되는 경우에 통로들이 형성되어 액체 및/또는 전해액이 이동할 수 있게 하면서 형성된 가스 장벽 막을 통해 가스가 전달되는 것을 억제한다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 조립된 가스 장벽 시트들의 관형 구조들이 의도한 바에 따라 분리 가스 장벽으로 수행하는 중첩된 심(seam)을 제공하여 또는 맞대기 심(butt seam) 용접 또는 접착에 의해 실시예들(2 또는 100)에 대해 적당한 직경으로 형성될 수 있다.
물의 전기분해를 위해, 다양한 전기분해액이 적합하다. 일 실시예에서, 수산화칼륨이 격납 용기(4)를 위해 저탄소 강과 함께 사용될 수 있다. 적당한 스테인리스 강 합금을 사용하여 또는 니켈 도금 실린더(4)에 의해 부식 저항 증가와 함께 수명 연장이 제공될 수 있다. 다른 측면들에서, 증가된 격납 용량이 유리, 세라믹, 또는 카본 섬유들 또는 그 조합과 같은 고강도 보강물과 실린더(4)를 중첩하여 제공될 수 있다.
특정 응용예와 강도 요구조건들에 따라 분리기(20, 24)들을 절연하기 위해 약 30% 유리 충전된 에틸렌 염화 3불화 에틸렌을 사용하는 것이 유익할 수 있다. 전극(8)은 편직된 니켈 또는 타입 316 스테인리스 강 와이어들로 만들어질 수 있다. 분리기(10)는 약 30% 유리 충전된 에틸렌-염화3불화-에틸렌 스트립으로부터 만들어질 수 있다.
다른 실시예에서, 유기 전해액들로부터 바람직한 혼합물들에서 또는 메탄 또는 수소를 개별적으로 생성하기 위해 전기를 제어되게 인가하는 것을 사용하고자 한다. 일부 측면들에서, 이 실시예는 본원에 참고문헌으로 포함되는, 함께 계류중인 미국 특허출원 제 09/969,860호의 실시예들과 연계하여 작동될 수 있다. 보통 메탄을 생성하는 유기 재료들의 호기성 소화 과정들은 물을 해리하는데 필요한 것보다 전류 소비와 펄스-폭 변조 부하 사이클의 감소된 작동-시간(on-time)에 의해 또는 상당히 낮은 전압에서 수소를 방출하는 전해액을 생성하도록 제어될 수 있다.
미생물 소화에 의해 생성되는 유기 용액의 산성도 또는 pH는 천연 중탄산염 완충된 상호작용에 의해 유지될 수 있다. 중탄산염 완충물은 소화 과정에서 이산화탄소의 공동-생산에 의해 보충될 수 있다. 이 과정은 하기와 같은 많은 완료 및 상호보완 과정 단계들을 가질 수 있는 간단한 탄수화물 또는 글루코오스의 예시적인 소화에 의해 유기 화합물의 호기성 소화 과정들에서 다양한 단계들에 대해 일반화될 수 있다:
[화학식 1]
C6H12O6+(호기성 산성 형성자들, 통기성 균(facultative bacteria))→CH3COOH
[화학식 2]
CH3COOH+NH4HC6O3→CH3COONH4+H2O+CO2
[화학식 3]
3CH3COONH4+3H2O(박테리아)→3CH4+3NH4HCO3
이러한 용액들로부터의 메탄이 바람직한 예들에서, 7.0 부근의 pH 제어가 필요할 수 있다. 대기압, 약 7.0의 pH와, 35-37℃(99℉)에서, 메탄생성이 선호된다. 대부분의 가정 폐수는 메탄생성을 제공하는 유기체들에 의해 요구되는 다량 및 미량 영양소들 모두를 갖는 폐수들을 포함한다. 호기성 반응기에 존재하는 용해되거나 분포된 수소 또는 단당류들의 비교적 높은 농도를 유지하는 것은 메탄-형성 미생물들의 활동들을 억제할 수 있다.
다른 측면에서, 유기 물질들로부터의 연료 값들의 증가된 생성은 수소 이온들을 내는 다른 산성-생산 과정들에 의해 및 글루코오스 및 다른 유기 화합물들의 박테리아 분해에 의해 생성되는 아세트산(CH3COOH)과 같은 물질들의 해리를 일으키도록 전기장을 인가하여 달성될 수 있다.
[화학식 4]
CH3COOH→CH3COO-+H+
수소 이온들은 음으로 대전된 전극에 이동하거나 전달되고 전자들을 얻어 수소 가스를 생성한다.
[화학식 5]
2H++2e-→H2
2개의 전자들이 음으로 대전된 전극에 의해 공급된다. 다른 전극에서 전기화학적 반응은 화학식 6에 요약된 바와 같이 아세테이트 이온의 이산화탄소 및 수소 이온으로의 산화를 포함한다.
[화학식 6]
CH3COO-+2H2O→2CO2+7H++전자들
이 전극 반응에서, 아세테이트 이온들은 전자들을 잃고, 이후에 물과 반응하고 이산화탄소 가스와 수소 이온들로 분해된다. 이산화탄소는 그 용액을 포화시키고 상기 실시예들에 제시된 바와 같이 액체 용액 계면으로부터 방출된다. 수소 이온들이 전자들이 반대쪽 전극으로부터 수신될 때가지 순환 및/또는 이동되어 이러한 시스템에서 개별적인 공동-채집(separate co-collection)을 위해 화학식 5에 요약한 바와 같이 수소 원자들을 생성한 다음에 2원자 분자들을 생성한다. 개별적인 채집은 예를 들어, 가압시키기 위해 개별적으로 채집하는 경우에 매우 유익하고 또는 가스 압축 대신에 액체 가압수송의 결과인 고압에서 특히 효과적이고 생성되는 수소, 메탄 또는 이산화탄소를 분리한 다음에 기계적으로 압축시키는데 보통 필요한 자본 설비를 크게 감소시킨다.
수소와 이산화탄소를 생성하기 위해 아세트산과 같은 화합물의 호기성 소화에 의한 분해는 물의 전기분해보다 훨씬 적은 에너지를 요구하는데 왜냐하면, 부분적으로, 소화 반응들은 수소 이온들과 발열 에너지를 내기 때문이다. 아세트산과 같은 산들의 발열 분해의 개시와 유지보수는 물을 분해하는데 전형적으로 요구되는 바와 같은 연속적인 전기분해 대신에 단속적 또는 일시적인 전기분해에 의해 또는 저전압 인가시 달성될 수 있다. 대기 온도에서 물 형성의 자유 에너지는 특히 유기 촉매들에 의한 촉매 반응 및/또는 비교적 최소의 활성화를 요구하는, 이산화 탄소와 수소로 요소와 아세트산과 같은 산들과 소화기 물질들의 전기분해에 비해 꽤 크다(방출된 수소의 3,412 BTU=적어도 1KWH). 따라서, 본원에 제시된 전극 시스템들과 연계하여 사용될 수 있는 래니-니켈(Raney-Nichkel) 촉매들에 대한 변형(modification)들, 니켈-주석-알루미늄 합금들, 백금 금속 그룹으로부터의 선택물, 백금-니켈과 다른 백금-전이 금속 단결정 합금 표면들, 다양한 유기 촉매들을 포함하는 선택된 촉매들이 수소 생성 속도 및/또는 효율을 더 개선한다.
다른 측면에서, 도 1에 도시된 것과 같은 셀들의 직렬 연결에 의한 해리에 필요한 전압과 사용가능한 소스의 전류 및 전압을 일치시키기 위해 전환가능한 직렬 또는 병렬 또는 직렬-병렬로 연결된 전극 쌍들의 다수의 셀을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 실시예의 일 측면에서, 각각의 셀은 선택된 수성 전해액에 따라 약 0.2 내지 2V를 요구하거나 또는 유기 물질들로부터 생화학적으로 생성되어 가정-사이즈 6V 광발전원은 직렬로 3 내지 30셀을 가질 수 있고 산업용 220V 서비스는 직렬로 연결된 약 100 내지 1,000개의 전극 셀들을 가질 수 있다. 생성물 가스들은 병렬 또는 직렬 채집 장치들에 의해 쉽게 전달될 수 있다. 직렬 및/또는 병렬 연결들의 원하는 개수를 수정하기 위한 원하는 융통성에 따라, 지지 및 유동 제어 특징부(18)는 절연 또는 비-절연 재료 선택에 의한 것일 수 있다.
중간 및 낮은 전류 밀도들을 포함하는, 다양한 전류 밀도들에서, 고갈 및 정체 문제들을 방지하기 위해, 전해액의 순환을 달성하도록 생성되는 기포들의 부력 추진을 허용하는 것이 바람직할 수 있다. 시동시 또는 더 높은 전류 밀도들에서 작업자는 전극 표면들에서 이온-풍부한 전해액의 제공 및 원하는 작동 온도를 제공하도록 펌프(36)와 열 교환기(56)를 작동시킬 수 있다. 이는 개별적인 보관 및 사용을 위해 이산화탄소와 함께 수소와 메탄 또는 이산화탄소와 수소 또는 수소와 산소의 고압 공급을 빠르고 효율적으로 생산하도록 태양, 풍력, 낙수, 또는 파동 자원들로부터 사용가능한 비-첨두(off-peak) 전기와 같은 에너지가 사용되는 매우 높은 에너지 변환율이 가능하게 한다.
본 실시예의 일 측면에서, 다량의 에너지의 폭증(sudden burst)이 화학적 연료 가능성(potential)으로 빠르게 변환되어야 하는 차량의 회생 제동 또는 발전소의 감속(spin-down)의 문제점이 처리된다. 트럭, 버스, 또는 열차 추진을 위한 종래의 연료 전지는 연료 셀 전극들에 갑자기 인가되는 높은 전류 밀도들을 견딜 수 없었다. 이 실시예는 이러한 제약을 극복하고 회생 PEM 연료 전지들이 겪는 PEM 열화 또는 전극-계면 파괴들의 문제점들없이 높은 전기분해 효율을 달성하면서 높은 전류 조건의 매우 엄격한 공차를 제공한다. 튼튼한 구조 및 제공되는 냉각에 대한 매우 풍부한 기회때문에, 매우 높은 전류 작동들이 쉽게 수용된다. 역으로, 이 실시예는 다양한 PEM-관련 어려움, 제약들, 및 고장들을 고려하지 않고 쉽게 시동되고 매우 차갑거나 뜨거운 조건에서 효과적으로 작동한다.
다른 측면에서, 수력발전소, 풍력 발전소, 파력 발전기(wave generator) 시스템, 또는 종래의 발전소들과 같은 에너지 변환 시스템들에서 훨씬 더 높은 투자수익률을 달성하도록, 이 실시예는 비-첨두 전기가 물의 해리에 의한 수소와 산소로 또는 유기 물질의 분해 또는 호기성 소화에 의해 생성되는 물질들의 해리에 의한 이산화탄소와 수소로 빠르고 효과적으로 변환되게 한다. 이 실시예의 컴팩트한 버전은 세탁기보다 더 크지 않은 공간을 점유하고 그렇지 않으면 폐기될 수 있는 비-첨두시 전기를 가정의 에너지 요구조건을 제공하고 2개의 가정용 사이즈의 차량들을 작동시키기에 충분한 수소로 변환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원에서 제공하는 몇몇 실시예들은 더 높은 밀도의 액체 매체로부터 나가는 저-밀도 가스들의 가압수송 작용들에 의해 원하는 전극들에 신속한 이온 보충 과정들과 전달물들을 포함하는 보다 효과적인 질량 수송을 제공한다. 이는 바람직하지 않은 부 반응들의 방지와 함께, 보다 큰 전기 효율, 보다 빠른 해리, 및 보다 큰 분리 효율을 보장한다. 이온 생산 및 전극들에의 전달의 속도 및 효율을 증가시키면 시스템 효율과 전극 면적당 전류 한계를 증가시킨다. 유기 물질들을 이산화탄소와 수소 또는 메탄으로 변환하는 응용예들은 전극들에 중간 이온들의 보다 효과적인 전달과 함께 생성된 가스들의 보다 빠른 분리와 유기 물질들의 전달, 과정에 참여하는 미생물들에의 유기 물질들의 개선된 전달률, 생물막을 연장시키고 자동-수선하도록 배양되는 미생물들의 배양 및 전달에 의해 특히 유익하다.
도 4를 참조하면, 격납 용기(102)의 내벽들을 통해 전류를 보내거나 또는 전압을 인가하는 것이 바람직하지 않은 응용예들에 특히 유익한, 다른 실시예의, 전기분해 셀(100)이 도시되어 있다. 이 실시예는 가스 채집 및 전압 일치 필요를 간단하게 하기 위해 전기분해 셀(100) 내에서 (110, 114)과 같은 양극성 또는 다중 전극 세트들 또는 셀들의 직렬 연결을 도울 수 있다.
격납 용기(102)가 원통형이고 그 안의 구성요소들이 동심관계인 일 특징에서, 전극 조립체(110, 114)들이 다수의 중첩된(nested) 절두원추형 구성요소들로부터 형성되거나 또는 하나 또는 두 전극들 모두가 상술한 바와 같이 나선형 전극으로서 형성될 수 있다. 전극(110, 114)들은 같거나, 유사하거나 또는 상이한 구성들일 수 있다. 다른 측면에서, 전극(114)은 중첩된 절두원추형 섹션들로부터 조립되거나 또는 전극(110)을 연속적으로 둘러싸는 나선형 전극일 수 있다.
단락을 방지하기 위한 전극(110, 114)들의 전기 절연은 도 2 및 도 5에 관해 공개된 바와 같이 다른 형태의 분리기(10, 111)에 의해 및/또는 전극(110, 114)들 사이에 배치되는 유전체 실들 또는 섬유들이 사용에 의해 및/또는 작동 치수들에 대한 제어된 공차들에 의한 것을 포함하는 다양한 수단에 의해 달성될 수 있다.
전기분해 셀(100)은 가압될 수 있다. 가압 격납은 도시된 바와 같이 상부 및 하부 캡(104, 106)들에 의해 제공된다. 절연체(120, 122)들은 도시된 바와 같이 캡(104, 106)들에 의해 지지된다. 회로 구성요소들과 전기 및 유체 연결들을 위한 하드웨어는 예시적이고 특정 응용예의 필요에 따라 캡(104, 106)들을 지나는 관통부들에 의해 달성될 수 있다.
현재 실시예에서, 전극(110, 114)들 모두가 도시된 바와 같이 각각의 채집 영역들로 방출되는 가스와 같은 생성되는 물질을 보내는 경사면들을 갖게 형성된다. 예시적으로, 물이 적당한 전해액으로부터 해리되면, 전극(110)은 플러그 밀봉부(132)에 의해 캡(106)으로 밀봉된 접속부(108)를 통해 공급되는 전자들을 받을 수 있다. 그러므로, 전자들은 전극(114)으로부터 플러그 밀봉부(130)를 통해 취해지고, 이는 이산화탄소 또는 산소와 같은 가스가 전극(114)에서 방출될 때 접촉부(124)의 절연을 제공한다.
그러므로, 이러한 가스들은 부력에 의해 추진되고 컨테이너(102)의 내벽을 따라 전극(114)에 의해 전달될 때 다소 상방향으로 이동한다. 수소는 절연체(120)에서 도시된 바와 같이 채집되고 전극(110)의 다수의 회전(turn) 또는 원추형 층들에 의해 형성되는 중심 코어 내에서 및 전극(110)에 의해 전달될 때 상방향으로 추진된다. 원하는 압력에서 정화된 수소가 압력 배관(116)에 의해 전달된다. 촉매 필터(134)가 물을 형성하기 위해 중심 코어에 도달하는 산소와 같은 임의의 산화제를 변환하는데 사용될 수 있다. 유사한 촉매 필터 재료가 도시된 바와 같은 절연체(120)의 외측 채집 환형체에 도달하는 임의의 수소로부터 물을 생성하는데 사용될 수 있다. 가압 여과된 산소가 압력 배관(118)에 의해 전달된다.
선택적으로, 전기분해 셀(100)의 효율을 개선하기 위해, 하나 이상의 가스 채집 용기(도시않음)가 전기분해중에 형성되는 가스를 채집하기 위해 전기분해 셀(100)과 유체가 통할 수 있다. 가스 채집 용기는 가스의 실질적인 팽창 전에 상승된 압력에서 가스를 포집하도록 구현(implement)될 수 있다. 가스 채집 용기는 당업계에 공지된 방법들에 따라 가스가 팽창할 때 생성물을 포집하도록 추가로 구성될 수 있다. 다르게는, 가스 포집 용기는 저장, 수송 또는 사용을 위한 압력에서 가스를 제공하게 구성될 수 있고 여기서 가스는 상승된 압력에서 전달되는 것이 바람직하다. 상기 측면은 다양한 전기화학적 셀들에서 구현될 수 있음도 추가로 고려된다.
도 2를 참조하면, 다른 측면에서, 가스 팽창기가 배관(22) 또는 배관(26)과 유체가 통하는 가스 채집 용기에서 또는 배관(22), 배관(26)에서, 근처에 또는 내측에 포함될 수 있다. 유사하게, 도 4를 참조하면, 가스 팽창기가 배관(116) 또는 배관(118)과 유체가 통하는 가스 채집 용기에 또는 배관(116, 118)들에서, 근처에 또는 내측에 포함될 수 있다.
다른 측면에서, 이러한 가압된 유체로부터 생성물을 추출하는 장치와 커플링된 유체를 가압하는 전기분해용 장치 및 방법이 제공된다. 이 유체는 가압된 액체, 액체에-흡수된 가스, 수증기 또는 가스일 수 있다. 가압된 유체의 수증기 또는 가스로의 변환은 배관(116)에서 또는 그 이후에 일어날 수 있고 이러한 배관들로부터의 유동 및 압력을 변환하는 장치가 터빈, 발전기, 베인 모터, 또는 다양한 피스톤 모터들 또는 (116)으로부터 가압된 수소를 분사하고 공기를 호흡하는 엔진을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 유사하게 가압된 유체의 수증기 또는 가스로의 변환은 배관(118)에서 또는 그 이후일 수 있고 이러한 배관들로부터의 유동과 압력을 변환하는 장치는 (118)로부터의 산소와 같은 가압된 유체를 팽창시키고 및/또는 연소시키는 엔진 또는 터빈, 발전기, 베인 모터, 또는 다양한 피스톤 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 측면에서, 정류 회로와 변압기의 높은 비용과 전력 손실들을 극복하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 이는 DC 전원의 음극을 최하단 3회전의 전극(110)에 그 다음 3회전의 전극(114)에 그 다음 3회전의 전극(110)에 그 다음의 3회전의 전극(114)에 및 그 다음의 3회전의 전극(110)에 [이하 참조(et seq.)] 연결하고, 반대쪽(최상단)으로부터 시작하여 DC 전원으로부터의 양극 도선(lead)을 3회전의 전극(114)에 그 다음 3회전의 전극(110)에 그 다음의 3회전의 전극(114)에 그 다음 3회전의 전극(110)에 그 다음의 3회전의 전극(114)에 [이하 참조(et seq.)] 연결하는 것과 같이, 셀 내의 전극들 또는 전극 셀들의 직렬 연결에 의한 소스 전압과 부하 전압의 수정된 일치(matching)에 의해 달성된다. 절두원추형들의 적층부들 및/또는 회전부들은 소스 전류를 일치시키는데 필요한 면적을 전개하도록 수정될 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에서, 전기분해에 의해 생성된 가스들의 분리를 제공하는 것에 부가하여, 본 발명에 의해 개발된 가압수송 작용은 작동들의 상대적인 규모에 따라, 카본 천, 활성탄 입자들, 펼쳐진 실리카, 흑연 펠트, 석탄, 목탄, 과일 씨(fruit pit), 나무조각, 세절된 종이, 톱밥, 및/또는 컨테이너(102)와 전극(114)의 부분들 사이 및/또는 전극(110)의 부분들 내에 일반적으로 위치된 이러한 선택물들의 혼합물들과 같은 적당한 매체에 기생하는 미생물들에 영양분들의 전달을 제공한다. 상응하는 기능들 및 이점들에는 이러한 미생물들의 배양, 영양보급, 및 성장에 의해 생성될 수 있는 산들로부터 수소의 생성 및 이산화탄소와 같은 생성물들의 제거와 공급재료들의 순환, 시스템의 열적 안정화를 포함한다.
낮거나 중간인 전류 밀도들에서, 저밀도 용액들과 기포들에 의해 유도된 부력들은 컨테이너(102) 내에서 전해액을 순환시킬 수 있다. 보다 높은 전류 밀도들에서 상술한 바와 같이 전해액의 온도, 압력, 및 순환을 맞게 제어하는 것이 유익하다. 전해액의 외부 순환은 도시된 바와 같이 배관(126)으로부터 배관(138)으로 일 수 있고 선택적으로 직렬 및/또는 직렬-병렬 회로들에 연결된 하나 또는 다수의 전극 셀들이 컨테이너(102) 내에 격납되는 상황들을 포함한다.
다른 측면에서, 이 실시예는 하나 이상의 구멍 또는 홈(139)을 지나는 더 높은 전해액 유체 유량을 균등하게 전달하도록 높은 전류 밀도들에 대해 최적화될 수 있고, 이 홈들은 전극(110, 114)들 사이의 환형 공간에 대한 접선으로 유체를 보낸다. 전해액은 전극들에 의해 형성된 나선형 공간들을 따라 상방향으로 흐르고 (110)과 (114) 사이의 환형 공간으로부터 (110)과 (114)에 의해 제공되는 나선형 경로들에 들어가는 전해액에 의해 보충된다. 전극(110, 114)들 사이의 공간에 들어가는 전해액의 각운동량은 전극(110, 114)들 상에서 각각 생성되는 수소와 산소와 같은 전기분해 생성물들에 의해 기포 양력 가압수송(bubble lift pumping)의 운동력을 증가시키고 이러한 운동량에 추가된다.
전해질의 이러한 순환은 전기분해 중에 최소의 전기 분극 손실로 채집 및 제거를 위해 이러한 가스들의 제거를 위해 전극(110, 114)들로 및 이들로부터 전하 교환시에 수소와 산소 원자들 또는 이산화탄소와 같은 다른 가스들이 되는 이온들의 신속한 대체를 보장하기 위해 매우 유익하다. 그러므로 매우 높은 전류 밀도들은 순환되는 유체를 효과적으로 전기분해하도록 쉽게 인정된다. 다른 측면에서, 높은 전류 밀도들의 추가 수용은 개선된 전해액 순환으로부터 기인한 디자인의 큰 냉각 용량에 의해 제공되고, 이는 유효 전극 면적들의 감소, 및 수증기 핵화와 같은 상변화들 및/또는 전기분해의 생성물들의 유해한 정체를 방지한다.
다른 측면에서, 전극(110, 114)들은 고밀도 전해액 재고들이 발생하는 가압수송 작용에 의해 전극(110, 114)들의 표면에 전달될 때 기포들과 전해액의 저밀도 혼합물들에 의한 가속 추진력과 기포 형성의 작용과, 압전 드라이버, 회전 편심력을 포함하는 다양한 유도원(inducement)들에 의해 교란되거나 공진 주파수에서 유익하게 작동될 수 있는 스프링 형태들을 구성할 수 있다. 교란에 반응하여, 전극(110, 114)들은 핵화 장소들을 포함하는 표면들로부터 기포들의 제거를 더 개선하도록 자연 또는 유도 주파수들에서 진동하므로 더 높은 전류 밀도들 및 더 높은 에너지-변환 효율이 가능하게 한다.
(110, 114)와 같은 나선형 스프링-형태 전극들의 유도된 진동은 연동하는 기계적 작용이 전기분해 셀(100)의 출구 포트들과 각각의 채집 경로들을 향하는 기포 가속력을 개선하게 할 수 있다. 이 진동 중에, 감긴(turn) 전극의 인접한 층들 간의 평균 거리 및 각도의 주기적인 증가 및 감소는 유도체(들)의 크기 및 주파수에 따라 고정된 또는 이동하는 마디(node)들을 생성한다.
도 5는 다양한 응용예들 또는 전해액들에 대해 나선형 유동 전달 구성을 포함하는 도 2에 도시된 절연체(10)와 같은 선택들을 포함하는 (110', 114') 사이의 전기 절연 스페이서(111)와 연계하여 작동하기 위한 한 세트의 전극(110', 114')들의 대표적인 단면도를 보인다. 동심 전극(110'), 스페이서(111), 및 전극(114')의 조립은 개선된 효율과 오염에 대한 저항을 갖는 호기성 소화기, 또는 해수로부터 물, 용액(liquor)과 같은 유체들의 효과적인 해리가 가능하게 하는 매우 튼튼하고 자체-보강 시스템을 제공한다. 전극(110', 114')들은 전해액의 화학적 구성에 따라 산소, 염소, 또는 이산화탄소와 같은 함께-생성되는 가스들로부터 수소의 각각의 분리들에 대해 도시된 바와 같이 경사진 평행한 중심선들 상의 여러 구멍들로 이전에 공개된 바와 같이 많거나 적게 천공된 연강, 니켈 도금된 강, 또는 스테인리스 강과 같은 금속 시트 원료들 또는 금속-도금된 중합체들; 또는 편직된 카본 또는 금속 섬유들 사이에 끼워지는 흑연 입자들, 편직된 또는 펠트 카본 및 금속 섬유들; 전도성 카본 종이들, 천, 또는 펠트로부터 구성될 수 있다.
전극(110'), 스페이서(111), 및 전극(114')이 도 4에 도시된 바와 같이 동심관계인 전극 배치들로 사용되는 예들에서, 수소는 포트(116)에 전달되고 해리를 겪는 물질에 따라, 산소, 염소 또는 이산화탄소 전달과 같은 생성물들이 포트(118)에서 제공된다. 몇몇 예들에서 각각의 구멍이 스페이서(111)와 접촉하는 표면 상의 구멍 직경으로부터 스페이서(111)로부터 먼 출구 표면의 더 큰 직경까지 약간 테이퍼지도록 (110', 114')에서 구멍들의 크기를 제공하는 것이 바람직하다.
그 결과인 전극들 간의 폭 간격을 최적화하기 위해 사용가능한 전력과 시스템 열전달 요구조건들과 균형잡힌 속도에서 (138)로부터 전극(110', 114')들을 지나 배관(126)으로의 전해액의 전달을 위해 스페이서(111)를 포함하는 스트립의 두께와, 전극들 간의 나선형 피치, 폭을 선택하는 것이 바람직하다. 이는 전극(114')의 외측 공간에 산소, 이산화탄소, 또는 염소와 같은 함께-생성되는 가스들의 전달 및 수소의 전극(110') 내의 영역으로의 분리를 보장하면서 전극(110', 114')들에서 전기분해 과정들을 위한 이온들의 풍부한 전달이 이루어진다.
다른 측면에서, 산소 전극의 하부에서 산소와 수소 전극의 하부에 수소를 첨가하기 위한 적당한 배관들과 함께 산소 전극에 가스 유동 홈들과 수소 전극에 가스 유동 홈들을 제공하여 시스템을 재생식으로 작동시킬 수 있다. 이 경우에 단일 통(canister) 조립체가 에너지 필요조건을 만족하는 경우에 특히 작은 연료 전지들에서 동심 나선형 전극들을 사용하는 것이 유익할 수 있다.
도 6을 참조하면, 가역적 연료-전지 작동 예들에 사용하기 위한 나선형 전극(들)의 단면이 도시되어 있다. 이는 전극(114)의 또는 유사한 나선형 버전의 전극(110)의 기둥(column) 안정성, 및 단면 계수, 표면 대 체적 비의 개선을 제공한다. 전극(114)은 배관(118)과 환형체(136)에 산소를 전달하도록 전기분해 작동에서 및 연료-전지 작동을 위한 산소의 전달을 제공하고 나선체를 형성하는데 사용되는 스트립 원료를 파형으로 하여 형성되는 나선형 홈들을 따라 흐르는 가스(152)가 단면도로 예시되어 있다. 동일한 구성이 전기분해 모드에서 및 유기산들을 이산화탄소와 수소로 변환하기 위한 연료-전지 및 전기분해 모드들에서 전극(110)에 대해 잘 작동하고 상술한 바와 같이 바람직한 채집 및 소스 포트들에 충분한 가스 전달을 보장한다.
다른 측면에서, 개선된 전극 성능이 요소와 같은 화합물들과 함께 탄산, 아세트산, 낙산과 같은 유기 물질들의 수성 유도체들을 수소로 변환하는 미생물들의 성장 및 유지보수를 용이하게 하여 제공된다. 이산화탄소의 방출 및/또는 수소 이온들의 생성을 위해 선택된 전극에서, 소화 과정들에 의해 제공되는 원하는 필름 물질들과 함께 제 위치에 생체막과 미생물들을 유지하는 것을 돕고 기판 전극(substrate electrode)에 대한 전기 저항을 줄이는 고 형상비 섬유들 또는 휘스커(whisker)들을 포함하는 유효 표면적을 증가시키는 지형적(topographical) 개선들로 이러한 전극 표면들을 준비하여 미생물 생산성 증가가 쉬워진다.
이론에 의해 한정되고자 하는 것은 아니지만, 지형적인 처리들 또는 개선과 같은 분리기 및/또는 전극의 특정한 특징부들은 그 위치에서의 핵화를 결국 촉진시키는 원하는 위치에서 전해액의 공동현상(cavitation) 또는 초공동현상을 포함하는, 난류를 촉진한다고 생각된다. 역으로, 특정한 구성의 전극 및/또는 분리기는 원하는 위치에서, 예를 들어, 전자 전달 지점에서, 공동현상 또는 초공동현상을 포함하는, 난류를 억제할 수 있고, 이는 결국 그 위치에서 핵화를 억제한다. 이러한 특징부들을 포함하는 요소들은 핵화가 바람직한 전기분해 셀의 임의의 위치에서 실시될 수 있다고 고려된다. 또한, 이러한 동일한 특징들 및 원리들이 전기분해 셀과 유체가 통하는 가스 채집 용기 또는 유사물에, 또는 그 사이의 통로들 또는 밸브들과 유체가 통하게 적용될 수 있다.
적당한 홑 섬유들 및/또는 휘스커들은 보다 효과적인 이산화탄소 방출을 위해 보다 효과적인 핵화 활성화 및 증가된 미생물 생산성, 이온 수송 및 옴 저항 감소, 표면적 증가를 제공하기 위해 탄소 또는 붕소 질화물의 나노-직경 섬유들, 또는 실리콘, 탄소와 같은 도핑된 반도체들 또는 금속들을 포함한다. 이러한 섬유들은 미생물 생산성, 효소 및 촉매 사용 효율 개선, 관련한 유익한 수소 이온 생산 과정들을 더 개선하는 흑연 입자들을 고정하는데 사용될 수도 있다. 유사하게, 수소 이온들이 수소 원자들을 생성하고 2원자 수소의 기포들을 핵화하도록 전자들을 제공하는 전극에서, 섬유들과 휘스커들은 활성 면적을 늘리고 전체 과정에 필요한 전압을 줄이는데 사용될 수 있다.
탄소 휘스커들에 부가하여, 주석, 아연, 니켈과 같은 금속들로부터 성장된 섬유들과, 수증기로부터 증착되거나 철 합금 전극들과 같은 적당한 기판들 상의 도금으로부터 성장된 내화성 금속이 개선된 처리 효율과 감소된 전기 저항을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 섬유들 또는 휘스커들은 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄을 포함하는 아세틸렌, 벤젠, 또는 파라핀 가스들과 같은 예시적인 전구체(precursor)들로부터 탄소 공여체(donor)와 같은 물질의 분해로부터 또는 스퍼터링에 의해 증착된 탄소, 붕소 질화물, 또는 실리콘 카바이드와 같은 적당한 물질들로 표면 도금 및/또는 전도성 계면활성제들의 첨가에 의해 처리 개선 및 생체막 지지에 더 적합하게 될 수 있다.
도 4의 실시예와 그 변형예는 고정된 질소 성분들을 포함하는 이산화탄소 또는 이산화탄소가 농후한 혼합물들이 포트(118)에 전달될 때 수소 또는 수소-농후한 혼합물들의 선택물들을 포트(116)에 전달하도록 화학식 1-6에 요약된 바와 같이 유기 용액으로부터 수소 분리를 포함하는 유체 해리의 저밀도 기체상태 유도체들의 유익한 분리를 제공할 수 있다. 몇몇 응용예들에서 분리되는 가스들에 대한 전달 포트들을 반전시키도록 이러한 전극들의 극성을 반전시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 반전들은 다양한 목적들을 달성하기 위해 장기간 또는 단속적일 수 있다. 각각의 전극에서 유체 상대속도와 부과된 진동 주파수 또는 각각의 공진체 및 전극(110, 114)들의 나선형 피치(들)의 선택들에 따라, 수소가 포트(116)에 전달될 수 있지만 메탄과 이산화탄소를 포함하게 작동될 수 있다. 그러나, 포트(118)에 전달되는 이산화탄소는 수소보다 고밀도의 다른 가스들과 메탄을 포함할 수 있다. 내연기관, 다양한 연소기, 노(furnace) 또는 연료 전지들의 조절되지 않은(unthrottled) 작동이 가능하도록 수소 및 메탄의 Hy-Boost 혼합물들을 제공하는 것이 바람직한 응용예들에서, 펌프(36)와 제어기(52)에 의해 제공되는 것과 같은 유압 및 전기 회로 제어 설비와 함께 작동하는 도 4의 실시예는 포트(116)에 전달하기 위한 메탄과 수소의 제어된 비들을 갖는 원하는 연료 혼합물들을 생성하고 분리하는 선택을 용이하게 한다.
유기 원료들의 수소 및/또는 메탄으로의 바람직한 변환을 생성하는 미생물들의 잘 자라는 호기성 군체들의 생산에 대한 기대하지 않았지만 특히 유익한 배치가 전기화학적 셀에 붕소 질화물 입자들 및/또는 세라믹, 제올라이트, 활성탄, 그래핀 판(graphene platelet), 박리된 탄소 결정들, 나노 구조물들을 포함하는 탄소 섬유들, 콜로이드 상 탄소와 같은 매체를 추가하여 제공된다. 이러한 매체는 개선된 촉매 생산성을 제공하도록 다양한 물질(agent)들과 화합되거나 도핑될 수 있다. 예시적으로, 바람직한 기능성이 붕소, 질소, 망간, 황, 비소, 셀레늄, 실리콘, 텔루르(tellurium), 및/또는 인 등과 같은 전자 구조들을 갖는 선택된 물질들로 도핑되어 제공될 수 있다. 전기분해 과정에 의해 방출되는 가스들에 의해 유도되는 순환은 보다 효과적인 전하 전류 사용을 위해 유익한 위치 및 밀도들로 이러한 매체의 분류를 촉진할 수 있다.
특정 이론에 제한되고자 하는 것은 아니지만, 이러한 상승적인 결과들이 발생되는 반응 영역들과 생체막에서 효소, 수소, 메탄 또는 이산화탄소의 유익한 흡착과 함께 수소 이온들 또는 전자들을 전도시키고 및/또는 핵화 과정들을 개선하는 섬유, 또는 영역, 스트링거(stringer)의 전개 및 임계 위치에서 증가된 표면적들에 관련한다고 가정된다. 미생물들이 본원에 공개하는 다양한 실시예들에서 생성되는 유동 경로들 및 수행되는 작동들에서 효과적으로 사용되는 위치들로 순환을 위해 배양됨을 또한 보인다.
촉매에 의해 성능을 개선하는 탄소, 흑연, 다양한 금속 카바이드, 및 실리콘 카바이드와 다른 무기 물질들 및 입자들과 같은 섬유들과 휘스커들에 추가하여, 미생물 처리를 보조하기 위해 바람직한 영양분들 또는 촉매들을 제공하는 활성화된 물질 및 입자들을 사용하는 것이 유익하다. 예시적으로, 중합체, 세라믹 또는 활성탄의 다공성 및/또는 박리된 기판들은 부가적인 효소들을 포함하는 촉매 물질들을 포함하고 제공하게 사용될 수도 있는 그래프트 중합체(graft polymer)와 효소들을 포함하는 다른 촉매 물질들을 제공하고 바람직하게 맞추거나(orient) 및/또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT) 또는 코-테트라메톡시페닐포르피린(CoTMPP)와 같은 전도성 유기 촉매들을 흡착할 수 있다.
적당한 물질 또는 그래프트 중합체들에는 백금과 다른 고가의 촉매들과 도체들을 최소화하거나 대체하도록 종래의, 덴드리머(dendrimer), 섬유형태(fiberform), 및 다른 유기 기능 재료들의 것들이 포함될 수 있다. 이러한 대체 물질들과 그 사용에는 본원에 공개하는 몇몇 실시예들로부터 발생되는 유체 순환에 대해 층진 위치(staged location)들 또는 혼합물들이 포함된다. 다양하게 특수화된 전도성 및/또는 촉매 구조물에는 형성되는 생체막에 분산되거나 또는 편직된 구조물들 또는 중첩된 카본 펠트들에 및/또는 전극(4, 8, 110 또는 114)들에 부착되거나 성장될 수 있는 섬유들과 바늘모양(acicular)의 적층물들을 포함한다. 예시적으로, 전도성 및/또는 촉매 기능성들이 전도성을 대전시키기 위해 낮은 저항을 제공하고 100 이상의 형상비를 갖는 자기조직화된(self-organized) 얇은-직경들의, 나노섬유들로서 수성 계면활성제 용액들로부터 합성된 섬유들로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)과 같은 다른 촉매들 및/또는 CoTMPP, 수소화효소와 다른 효소들을 보유 및 제공하는 섬유들에 의해 제공될 수 있다. 음이온 계면활성제 도데실황산나트륨(SDS)를 포함하는 수성 용액들에서 합성은 SDS의 농도를 바꾸고 또한 중합반응된구조물들을 생성하기 위해 FeCl3를 첨가하여 다양한 구성들을 생성하게 구성될 수 있다. (예시적인 절차가 본원에 참고문헌으로서 포함되는 Small 2, No. 10, 1164-69(2006), Moon Gyu Han 등의 수성 계면활성제 용액으로부터 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT) 나노섬유들의 손쉬운 합성에 설명되어 있다.) 다른 예들에는 4차 암모늄 측쇄(quaternary ammonium side chain)를 갖는 폴리(p-페닐렌에티닐렌)(PPE) 유도체와 폴리아닐린(PANI)을 포함하는 반도체 결합 중합체들과 셀룰로오스 나노섬유들로부터 유도된 나노복합재의 형태인 미세-도체들과 기능성 촉매들을 포함한다. 음이온 표면 전하들을 갖는 셀룰로오스, 탄소, 또는 세라믹 휘스커들은 개미산과 같은 극성 용매들로부터의 용액 주조(solution-cast)일 수 있는 안정적인 분산체를 형성하도록 양으로 대전된 결합된 중합체들과 결합될 수 있다.
COOH가 끝인 그룹을 포함하는 중합체 촉매와 아세트산의 촉매 이점의 적용 및 유기금속 알콕시드, 금속 알킬의 단부 캡(end cap)과 그래프트 중합체를 포함하는 준비가 이루어진다. 말단 그룹들의 혼합물들과 함께 특수 기능 및 두 기능을 가진 말단 그룹들은 확산 중합반응의 촉진제, 그래프트 약품(grafting agent), 반응 안정제, 촉매 기능들을 포함하는 다중-기능 특성들을 내도록 선택된다. 유사하게, 호기성 미생물들에 의해 생성되는 효소들 및/또는 수소에 의한 탄소 또는 다른 기질의 특수한 활성화는 메탄 생성을 개선하거나 억제하고 다양한 유기 물질들로부터 부가적인 수소 생성을 개선하도록 국지적으로 수소-농후한 환경을 제공한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 선택적으로 원통형 구성요소(8, 10, 11, 110, 및/또는 114)의 외면 및 내면들에 탄소 섬유들의 편직된 스크린들 및/또는 하나 이상의 보충 펠트들을 제공하는 것이 유익할 수 있다. 이러한 보충 펠트 및/또는 편직된 스크린들은 분리기(10 또는 11) 및/또는 전극(4, 8, 110, 및/또는 114)들과 연계하여 전자들을 맞게 모으거나 분배할 수 있고 원하는 에너지 변환 작동에서 미생물 기능들을 용이하게 하고 보다 균일하게 액체 유동들을 분배하거나 압력 손실을 줄이기 위해 입자, 섬유, 및/또는 다른 구조물을 고정하거나 또는 바람직하게는 위치시키는 것을 돕는다.
수소와 이산화탄소의 순 생산을 제공하기 위한 보충 및 경쟁 반응들 및 과정들 중에 화학식 8에 다양한 단계들의 과정들이 요약되어 있다.
[화학식 8]
탄소+2H2O→CO2+4H++4전자들
다양한 제조 결과들의 결과로서 또는 전기분해기 또는 호기성 소화기로부터 액체와 혼합된 탄소질 물질 또는 구성요소로서 공급될 수 있는 탄소를 포함하는 탄소가 화학식 8에 요약된 바와 같이 소비된다. 예시적으로, 탄소는 유기 물질들의 다양한 정도의 탈수소화의 결과인 콜로이드 또는 다른 현탁액을 포함하는, 가열 해리 및 반응 과정들에 의해 선택된 카바이드들, 또는 응집제들, 또는 섬유들, 또는 입자들, 탱크 라이너(tank liner)를 포함하는 전극들 상의 전극 코팅, 전극들을 생성하는 다양한 열화학적 작업들과, 방전가공(EDM), 기계가공, 연마로부터의 파편(scrap)을 포함할 수 있다.
이러한 탄소 및/또는 탄소-공여자 원료들은 수경재배 및/또는 흙에-지지된 식물들로의 이산화탄소의 순환에 의해 또는 공급되는 액체로부터 이산화탄소와 다른 영양소들을 받는 박테리아, 식물성플랑크톤(phytoplankton), 또는 더 큰 조류(algae)에 의해 재생가능하게 공급될 수 있다. 높은 표면 대 체적비들을 갖는 이러한 형태의 탄소를 사용하고, 수소 총 생성율을 증가시키기 위해 수소 기포들의 생성, 핵화, 및 방출을 위한 전도성 필터 물질들과 섬유들과 같은 상호보완적 전도성 매체를 포함하는 전극 표면들에 수소 이온들을 전달하고 나타낸 반응시키기 위해 이들이 전달되는 영역들에 전압 구배를 제공하는 것이 바람직하다.
응집제 및/또는 활성 표면들을 증가시키기 위한 적당한 공급물(provisions)에는 다양한 형태의 콜로이드상 탄소, 활성탄, 및 카바이드와 함께 살아있고 분열된 식물성플랑크톤, 열적으로 분해된 셀룰로오스, 셀룰로오스, 간단하고 복잡한 당(sugar), 단백질, 박테리아와 같은 유기 구성요소들을 갖는 것들이 포함된다. 예시적으로, 식물성플랑크톤 및/또는 더 큰 조류는 옥수수 시럽과 같은 결합제(binder)와 혼합되고, 성장하고, 건조되고, 다양한 정도로 가열 탈수소화되고 미세하게 분할된 응집제를 제공하기 위해 가공될 수 있다. 다르게는, 활성탄 원료들은 효소 수용체 또는 응집제 매체로서 사용되는 미세하게 분할된 입자들을 제공하도록 가공될 수 있고 또는 화학식 8에 나타낸 바와 같이 전기분해를 위한 수소 이온들을 생성하기 위해 탄소의 소비 및/또는 수소 또는 메탄 생성을 증가시키거나, 또는 원하는 미생물의 배양을 지원하도록, 효소들의 효율 또는 원하는 생산을 개선하기 위해 상술한 물질들과 연계하여 사용될 수 있다.
필요하면, 물-기반의 전기분해에 적은 양의 소금의 첨가 또는 염수의 일시적인 사용은 도시된 전기분해기 시스템들의 유해한 부착물을 방지하기 위해 또는 빠르게 제거하기 위해 염소를 생성할 수 있다. 몇몇 실시예들, 예를 들어, 도 5를 사용하면 그 결과인 시스템이 폐수, 상업적 가공수, 나뭇재 물(wood ash water), 해수, 비산회 수(fly-ash water), 수로 및 배수로 물, 또는 호기성 소화기 액과 같은 전해액들을 사용할 때에도 유해한 부착물이 본질적으로 없게 할 수 있다. 또한, 이러한 시스템은 필요하면 전극들에 전달되었을 수 있는 입자들을 제거하도록 배관(118 내지 138)으로부터의 세척액 또는 전해액의 역류에 의해 빠르게 세척될 수 있다.
몇몇 실시예들의 응용예들은 나노-사이즈의 전기분해기들로의 큰 지역사회 폐기물 폐기 작업들을 포함하고, 종래의 폐기물 소화기들에 대한 개선점들을 포함하고 그 소화기로부터의 용액들 또는 유기 물질들을 포함하는 "액체"가 수소 및/또는 메탄 및/또는 이산화탄소 및/또는 다른 식물 영양소들의 생성을 위해 공급된다. 이 용량에서 몇몇 실시예들은 호기성 소화기들에 의해 생성된 부산물들의 빠르고 효과적인 변환을 제공하고 메탄 생성 작업들의 산 열화를 극복하고 수소 이온들을 수소로 변환시킬 수 있다. 작동시, 호기성 소화기로부터의 액체는 메탄 생성 시스템을 방해할 수 있는 보다 산성 조건들 대신에 7.0 근처의 pH로 유지 및/또는 유익한 복원을 제공하도록 이산화탄소와 수소를 제공하는데 사용된다. 이는 소화기들에서 pH를 수정하기 위해 화학 약품들의 추가를 위한 고가의 설비들에 대한 요구조건들을 극복하므로 총 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 이러한 중간 및 대형 응용예들에서 성능 개선을 위해 다양하게 활성화된 조건들에서 이러한 물질들을 포함하는 탄소, 붕소 질화물, 제올라이트, 중합체, 및 세라믹과 같은 입자들을 원하면 보유할 수도 있는 전자 분배 회로들을 포함하는 다기능 구성요소들을 설계 및 제작하는 것이 유익하다.
다른 측면에서, 본원에 공개한 것과 같은 전기분해기는 도축장, 낙농장, 달걀 농장(egg farm), 및 다른 동물 급식 센터 등으로부터 폐기물과 함께 도시의 폐수와 쓰레기 매립지의 응용예들을 포함하는 호기성 소화기에 의해 전형적으로 생성되는 산들의 신속한 변환을 제공하게 적용될 수 있다. 호기성 조건들에 의해 생성되는 산들이 pH가 7보다 훨씬 아래로 떨어지게 하면 메탄의 생성이 늦춰지거나 억제된다. 이러한 산은 유기 재료의 공급율이 미생물의 메탄 생성 군체의 용량을 초과하면 형성될 수 있다. 이러한 산들로부터 수소를 추출하여 호기성 소화에 의해 유기 재료 처리율이 증가될 수 있다. 메탄과 수소의 조합은 훨씬 큰 폐수 톤당 순 에너지 생산을 제공하고, 폐기물들은 처리 용량을 증가시키기 위해 빠르게 처리된다.
일부 실시예들의 특히 유용한 실시예는 산소가 생산되지 않거나 최소로 생산되면서 수소를 생산하도록 화학식 1-6에 요약한 호기성 전기적-소화 과정에서 가수분해된 쓰레기, 농장 폐기물, 및 숲 벌목(forest slash)과 함께 하수와 같은 유기 물질들을 사용하는 폐기물-대-에너지 응용예들이다. 튼튼한 구성 및 재순환 작업들은 전해액들로서 사용되는 호기성 처리 액체들에서 유기 고체들과 입자들을 포함하는 용해된 고체들에 대해 큰 공차가 가능하게 한다. 물의 전기분해에 의해 방출되는 산소의 상응하는 방출없이 수소의 생성은 전기 발전기와 같은 전기 장비에서 냉각 가스로서 폐기물에서-발생된 수소의 사용을 위해 보다 높은 효율과 안전성을 가능하게 한다.
본원에 공개하는 몇몇 실시에들의 다른 응용예들에서, 도 7에 도시된 바와 같은 전기분해기 시스템(900)은 보다 빠른 또는 보다 완전한 처리, 소화 및/또는 배양기 목적의 지원이 가능하도록 조절기(950)에서의 처리와 효소, 기계적, 열적, 음향적, 전기적, 압력 및/또는 화학 작용들에 의해 바이오매스의 조직 및/또는 셀 파열을 제공한다. 변환기(902)에 의해 생성되는 관련 원료들과 조절기(950; conditioner)로부터 이러한 파열된 셀들을 포함하는 유체가 도시된 바와 같이 베이스(910)의 환형 분배기(922)를 통해 전기분해기(914)로 순환된다. 호기성 미생물들은 매체(940, 942)들에 의해 지지되고 도시된 바와 같이 이산화탄소 분리기(906)로부터 도관(908)을 통해 재순환되는 액체와 수소 분리기(904)로부터 도관(910)을 통해 재순환되는 액체를 받는다. 전극(918) 및/또는 매체(942)는 수소를 방출하고 전극(916) 및/또는 매체(940)는 이산화탄소를 방출한다. 형성되는 절연 막들을 극복하도록 증가된 전압에 대한 일시적인 필요 및 화합물 해리 요구조건에 따라 0.1 내지 약 3 VDC 범위일 수 있는 소스(924)에 의해 회로(926)를 지나 전극(916, 918)들에 기전력 바이어스(electromotive bias)가 제공된다. 수소는 다소 원추형인 표면(925)을 따라 이동하여 분리기(904)에 채집 및 전달되게 덕트에 의해 보내지고, 이 표면은 도시된 바와 같이 절연체(930)에 의해 지지되고 격납되거나 또는 원하는 직렬/병렬 변형예들에 따라 전도성 표면일 수 있다.
작동시, 액체들은 분배기 환형체(922)에서 섞이고 전극(916 및/또는 918) 근처에 이러한 입자들을 담고 실질적으로 유지하는 전도성 펠트들 및/또는 입자(940, 942)들 및/또는 활성탄 천에 살고 있는 미생물들에 처리 반응제들과 영양소들을 제공하도록 상방향으로 이동한다. 더 작은 입자들과 섬유들은 상술한 것을 포함하는 전기 전하 전도성, 효소, 및 촉매 기능을 개선하기 위해 전기분해 시스템에 걸친 위치들에 침투하게 첨가될 수 있다. 분리기(902)는 역삼투압 막 또는 양이온 또는 음이온 교환 막일 수 있고 또는 도 2 내지 도 5에 도시된 실시예들에 따라 구성될 수 있고 몇몇 예들에서 이러한 분리기들은 수소와 이산화탄소 간의 압력차를 갖거나 또는 상이한 압력들에서 이산화탄소와 수소를 생성하고 및/또는 다양한 액체 순환 경로들을 제공하도록 요구될 수 있으므로 서로 연계하여 사용될 수 있다.
유사하게, 도시된 바와 같이 가압수송 전달에 의해, 또는 대류 흐름, 가스 생성 양력의 작용에 의해 순환되는 액체들로부터 전달되는 이온으로부터 수소를 생성하도록 인접한 펠트 및/또는 매체(940)와 함께 전극(916)이 전자 원들로서 작동하면 다수의 순환 선택이 가능하다. 도시된 바와 같이 전극(916) 반대쪽이도록 전극(918)에 의해 전기적으로 편향된 관련한 펠트 재료들과 섬유질 또는 입자 상태의 매체(942)에 살고있는 미생물들에 의해 생성되는 또는 (902, 950)으로부터 전달되는 산으로부터 수소 이온들이 생성될 때 이산화탄소가 방출된다. 다른 예시적인 선택은 전자들이 도시된 바와 같이 가스 집전자(904)로의 전달을 위해 절연체(930)에 의해 채집되는 수소를 생성하기 위해 전극(918)에 의해 공급되면 이루어진다. 본 예에서 전극(916)과 이에 전기적으로 관련한 매체는, 이산화탄소가 도시된 바와 같이 절연체(930)를 지나 집전자(906)로 전달되는 것으로 도시된 바와 같이 유체 회로에서 가압수송을 제공하도록 이산화탄소가 방출될 때 전자 집전자(electron collector)이다.
도 7을 참조하면, 시스템(900)은 미생물에 의해 및/또는 메탄, 수소, 및/또는 이산화탄소로의 광합성에 의해 생성되는 것과 같은 유기 원료의 변환을 위해 사용될 수 있다. 살고 있는 미생물들에 따라, 요소와 같은 화합물들과 함께 낙산과 아세트산과 같은 산들을 전형적으로 포함하는 액체들이 전기분해기(914)에서 해리된다. 전기분해기(914)는 산들과 이러한 화합물들로부터 수소를 생성하기에 충분한 전압으로 전류를 제공하고 전기분해기 및 소화기로서 작동을 제공할 수 있고, 또는 호기성 소화기(도시않음) 내에서 작동될 수 있고 또는 도시된 바와 같이 (914)에서 호기성 소화기에 의해 생성되는 액체들을 사용할 수 있다. 이러한 작동은 탄소가 개선된 내구성 상품들을 제조하기 위해 원료와 연료를 지역사회에 공급하기 위해 공업 단지 및/또는 지역사회로부터 유기 폐기물들을 변환하는데 특히 유용하다.
비록 본 발명이 특정 실시예들 및 예들에 관해 설명되었지만, 본 발명의 진의 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 수정들 및 개작이 가능함을 당업자는 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (23)

  1. 가압을 위해 구성된 격납 용기;
    제 1 전극;
    제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 전기가 통하는 전류원;
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 유체가 통하는 전해액;
    제 1 가스로서, 상기 제 1 가스는 전기분해 중에 상기 제 1 전극에서 또는 그 근처에 형성되는 제 1 가스;
    제 2 가스로서, 상기 제 2 가스는 전기분해 중에 상기 제 2 전극에서 또는 그 근처에 형성되는 제 2 가스;
    분리기;
    제 1 가스 채집 용기; 및
    제 2 가스 채집 용기를 포함하되,
    상기 분리기는 가스가 상기 제 2 전극으로부터 먼 방향에서 상기 제 1 가스 채집 용기를 향해 실질적으로 흐르도록, 상기 제 1 가스 및 상기 전해액의 조합 밀도와 상기 전해액의 밀도 간의 차에 기인해 상기 제 1 가스와 상기 전해액의 유동을 보내기 위한 제 1 경사면을 포함하고,
    상기 분리기는 가스가 상기 제 1 전극으로부터 먼 방향에서 상기 제 2 가스 채집 용기를 향해 실질적으로 흐르도록, 상기 제 2 가스 및 상기 전해액의 조합 밀도와 상기 전해액의 밀도 간의 차에 기인해 상기 제 2 가스와 상기 전해액의 유동을 보내기 위한 제 2 경사면을 포함하는 전기분해 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 가스 채집 용기는 상기 제 1 가스의 팽창에 의해 생성된 생성물을 포집하게 구성되고, 상기 제 2 가스 채집 용기는 상기 제 2 가스의 팽창에 의해 생성된 생성물을 포집하게 구성되는 전기분해 셀.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하는 전기분해 셀.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하고 상기 제 2 가스는 산소를 포함하는 전기분해 셀.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 가스 채집 용기에 상기 제 1 가스를 포집하기 전에 불순물을 실질적으로 제거하게 구성된 필터를 더 포함하는 전기분해 셀.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 필터는 촉매 물질을 포함하는 전기분해 셀.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리기는 상기 제 1 전극을 포함하는 전기분해 셀.
  8. 가압을 위해 구성된 격납 용기;
    제 1 전극;
    제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 전기가 통하는 전류원;
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 유체가 통하는 전해액;
    제 1 가스로서, 상기 제 1 가스는 전기분해 중에 상기 제 1 전극에서 또는 그 근처에 형성되는 제 1 가스;
    분리기; 및
    제 1 가스 채집 용기를 포함하되,
    상기 분리기는 가스가 상기 제 2 전극으로부터 먼 방향에서 상기 제 1 가스 채집 용기를 향해 실질적으로 흐르도록, 상기 제 1 가스 및 상기 전해액의 조합 밀도와 상기 전해액의 밀도 간의 차에 기인해 상기 제 1 가스와 상기 전해액의 유동을 보내기 위한 경사면을 포함하는 전기분해 셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스 채집 용기는 상기 제 1 가스의 팽창에 의해 생성된 생성물을 포집하게 구성되는 전기분해 셀.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 가스 채집 용기에 상기 제 1 가스를 포집하기 전에 불순물을 실질적으로 제거하게 구성된 필터를 더 포함하는 전기분해 셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 필터는 촉매 물질을 포함하는 전기분해 셀.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하는 전기분해 셀.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 분리기는 상기 제 1 전극을 포함하는 전기분해 셀.
  14. 전기분해 셀의 효율을 개선하는 방법에 있어서,
    전기분해 셀을 제공하는 단계;
    상기 전기분해 셀에서 전기분해를 수행하는 단계로서, 제 1 가스와 제 2 가스가 상기 전기분해 셀에서의 상기 전기분해 동안 생성되는 단계;
    상기 전기분해 셀과 유체가 통하고 상기 전기분해 셀과는 별개인 제 1 가스 채집 용기를 제공하는 단계;
    상기 제 1 가스의 실질적인 팽창 전에 상기 제 1 가스 채집 용기에 상기 제 1 가스를 포집하는 단계;
    상기 제 1 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 제 1 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하는 단계;
    상기 전기분해 셀과 유체가 통하고 상기 전기분해 셀과는 별개인 제 2 가스 채집 용기를 제공하는 단계;
    상기 제 2 가스의 실질적인 팽창 전에 상기 제 2 가스 채집 용기에 상기 제 2 가스를 포집하는 단계;
    상기 제 2 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 제 2 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하는 단계를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하고 상기 제 2 가스는 산소를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 1 가스 채집 용기는 실질적으로 산소가 없고 상기 제 2 가스 채집 용기는 실질적으로 수소가 없는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 가스 채집 용기에 상기 제 1 가스를 포집하기 전에 상기 제 2 가스를 실질적으로 제거하기 위해 상기 제 1 가스를 여과하는 단계를 더 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 여과하는 단계는 상기 제 1 가스 채집 용기에 상기 제 1 가스를 포집하기 전에 상기 제 2 가스를 실질적으로 제거하기 위해 상기 제 2 가스를 수분을 형성하도록 반응시키는 단계를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  20. 전기분해 셀의 효율을 개선하는 방법에 있어서,
    전기분해 셀을 제공하는 단계;
    상기 전기분해 셀에서 전기분해를 수행하는 단계로서, 가스가 상기 전기분해 셀에서의 상기 전기분해 동안 생성되는 단계;
    상기 전기분해 셀과 유체가 통하고 상기 전기분해 셀과는 별개인 가스 채집 용기를 제공하는 단계;
    상기 가스의 실질적인 팽창 전에 상기 가스 채집 용기에 상기 가스를 포집하는 단계;
    상기 가스를 팽창시키는 단계;
    상기 가스의 팽창으로부터 생성된 생성물을 포집하는 단계를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 제 1 가스는 수소를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 가스의 실질적인 팽창 전에 상기 가스 채집 용기에 상기 가스를 포집하는 단계는 실질적으로 불순물이 없는 수소를 포집하는 단계를 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 가스 채집 용기에 상기 가스를 포집하기 전에 상기 가스를 여과하는 단계를 더 포함하는 전기분해 셀 효율 개선 방법.
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