KR20140035912A - 개선된 부피 효율을 구비하는 수소 발생기 - Google Patents

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광홍 젱
제이슨 엘. 스미스
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에버레디 배터리 컴퍼니, 인크.
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Abstract

개선된 부피 효율을 구비하는 수소 발생기 및 수소 발생기를 사용한 수소 가스 생성 방법이 개시된다. 반응물을 포함하는 유체가 반응물 저장 영역으로부터 반응 영역으로 운송된다. 수소 가스 및 유출물이 반응 영역으로부터, 상기 반응물 저장 영역 및 반응 영역 중 하나 또는 양자 모두와 부피 교환 상관관계를 가지는, 유출물 저장 영역 속으로 통과된다. 초기에 압축된 필터가 수소 가스로부터 고체들을 제거하기 위해 상기 유출물 저장 영역 내에 배치된다. 상기 필터는, 상기 유출물 저장 영역을 상기 반응물 저장 영역 및/또는 반응 영역으로부터 분리하기 위한 이동가능한 파티션에 부착되며, 그리고 상기 필터는, 상기 유출물 저장 영역의 부피가 증가함에 따라, 팽창한다.

Description

개선된 부피 효율을 구비하는 수소 발생기{HYDROGEN GENERATOR WITH IMPROVED VOLUME EFFICIENCY}
본원 발명은 수소 발생기, 특히 연료 전지 시스템용 수소 발생기, 그리고 수소 발생기를 사용한 수소 가스 생성 방법에 관한 것이다.
휴대용 전자 디바이스들을 위한 전원들로서의 연료 전지 배터리들에 대한 관심이 증가되고 있다. 연료 전지는 양의 전극 및 음의 전극을 위한 활성 물질들로서 전지(cell) 외부로부터의 물질들을 사용하는 전기화학적 전지이다. 연료 전지가 전기 생산을 위해서 사용되는 활성 물질들의 모두를 포함할 필요가 없기 때문에, 다른 타입의 배터리들에 대비하여 생성되는 전기 에너지량에 비해서 적은 부피로 제조될 수 있다.
연료 전지들은 양의 전극(음극(cathode)) 반응 및 음의 전극(양극(anode)) 반응에 사용되는 물질들의 타입들에 따라서 분류될 수 있다. 연료 전지의 하나의 카테고리는 음 전극 활성 물질로서 수소를 그리고 양 전극 활성 물질로서 산소를 사용하는 수소 연료 전지이다. 그러한 연료 전지가 방전될 때, 수소가 음 전극에서 산화되어 수소 이온들 및 전자들을 생성한다. 수소 이온들이 전기적으로 비전도성인 이온 투과성 분리기를 통과하고, 그리고 전자들이 외부 회로를 통해서, 산소가 환원되는, 양 전극으로 통과된다.
일부 수소 연료 전지들의 타입들에서, 수소는 연료 전지의 음의 전극 측으로 공급되는 연료로부터 형성된다. 다른 연료 전지들의 타입들에서, 수소 가스가 연료 전지 외부의 공급원으로부터 연료 전지로 공급된다. 연료 전지 시스템은, 하나 이상의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 배터리, 및 수소 탱크 또는 수소 발생기와 같은 수소 공급원을 포함할 수 있다. 일부 연료 전지 시스템들에서, 수소가 고갈된 후에 수소 공급원이 교체될 수 있다. 교체가능한 수소 공급원들은 재충전이 가능하거나 또는 일회용일 수 있다.
수소 발생기는 수소 가스를 생성하도록 반응할 수 있는, 수소를 포함하는 하나 이상의 반응물을 사용한다. 반응은 가수분해 및 열분해와 같은 다양한 방식으로 개시될 수 있다. 예를 들어, 2개의 반응물이 함께 혼합될 때 수소 및 부산물들을 생성할 수 있다. 촉매가 반응을 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 반응물들이 반응할 때, 수소 가스 및 부산물들을 포함하는 반응 생성물들이 생성된다.
수소 발생기의 부피를 최소화하기 위해서, 수소 발생기의 구성요소들을 부피 교환 배치형태(volume exchanging configuration)로 배열함으로써 반응물들이 소비됨에 따라, 반응물들에 의해서 초기에 점유되었던 부피가 반응 생성물을 수용하기 위해서 사용될 수 있다. 반응물들이 소비됨에 따라, 반응물들이 점유하였던 부피가 동시에 반응 생성물들을 수용하기 위해서 이용가능하도록 만들어진다.
수소 가스가 부산물들 및 미반응된 반응물들로부터 분리되고, 그리고 가스가 수소 발생기를 빠져나가 연료 전지 배터리로 제공된다. 고체들을 수소 가스로부터 분리하기 위한 다공성 필터들 및 수소 가스를 액체들로부터 분리하기 위한 가스 투과성이자 액체 불투과성의 맴브레인들을 포함하는, 수소 가스를 분리하기 위한 다양한 수단들이 공지되어 있다.
반응 생성물들 및 미반응된 반응물들로부터의 수소 가스의 효과적인 분리를 허용하는 가운데, 수소 발생기들의 부피 효율을 더욱 개선하는 것이 바람직하다. 또한, 저비용으로 용이하게 제조되는 단순한 설계를 구비하는 수소 발생기를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 장점들은 본 발명에 따른 수소 발생기에 의해서 제공된다.
따라서, 본 발명의 하나의 양태는, 컨테이너; 부피를 구비하고 제1 반응물을 포함하는 액체를 수용하는, 상기 컨테이너 내부의 제1 반응물 저장 영역; 부피를 구비하는, 상기 컨테이너 내부의 반응 영역; 부피를 구비하는, 상기 컨테이너 내부의 유출물(effluent) 저장 영역; 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 상기 반응 영역까지의 액체 통로; 상기 반응 영역으로부터 상기 유출물 저장 영역까지의 유출물 통로; 상기 유출물 저장 영역 내부에 수용되는 압축된 필터; 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품; 및 수소 배출구를 포함하는 수소 발생기를 사용한 수소 가스 생성 방법이다. 상기 제1 반응물은 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터, 상기 액체 통로를 통해서, 상기 반응 영역으로 이동되고; 상기 제1 반응물은 수소 가스 및 유출물을 생성하기 위해서 상기 반응 영역에 도달하고; 상기 수소 가스 및 유출물이 상기 반응 영역으로부터, 상기 유출물 통로를 통해서, 상기 유출물 저장 영역으로 이동되며; 그리고 상기 수소 가스가 상기 필터 및 상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품을 통해서 수소 배출구로 통과된다. 상기 제1 반응물이 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 이동되고 상기 수소 가스 및 상기 유출물이 상기 반응 영역으로부터 유출물 저장 영역으로 이동됨에 따라, 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두가 감소되고, 상기 필터가 팽창하며, 그리고 상기 유출물 저장 영역의 부피가 증가한다. 이동가능한 파티션(moveable partition)이 상기 유출물 저장 영역을 상기 제1 반응물 저장 영역 및 상기 반응 영역 중 적어도 하나로부터 분리시키고, 그리고 상기 필터의 일부분이 상기 이동가능한 파티션에 부착된다. 상기 수소 배출구로 통과되는 모든 수소 가스가 상기 유출물 저장 영역을 통과한다.
본 발명의 제1 양태의 실시예들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 유출물이 유출물 저장 영역으로 이동됨에 따라, 팽창하는 필터 및 편향된(biased) 구성부품 중 하나 또는 양자 모두가, 제1 반응물 저장 영역의 부피, 반응 영역의 부피, 또는 제1 반응물 저장 영역의 부피와 반응 영역의 부피 모두에 힘을 작용시키고;
- 상기 필터는 압축 이전에 상이한 다공성을 구비하는 적어도 2개의 영역을 구비하고; 상기 필터는 압축 이전에 상이한 다공성을 구비하는 적어도 2개의 구분된 구성부품을 포함할 수 있고; 바람직하게 압축 이전에 가장 큰 다공성을 구비하는 영역은 상기 유출물 통로에 가장 근접하게 되며, 그리고 가장 적은 다공성을 구비하는 영역은 상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품에 가장 근접하게 되고;
- 상기 필터는 상기 유출물 내의 액체에 대한 친화력(affinity)을 가지지 않는 재료를 포함하고; 바람직하게 상기 유출물 저장 영역으로의 유출물 유입구(effluent entryway)에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지지 않으며;
- 상기 필터는 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지는 재료를 포함하고; 바람직하게, 상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지며;
- 상기 필터는 개방형 셀 발포체(open cell foam)를 포함하고;
- 상기 이동가능한 파티션은 유출물 저장 영역 내의 가요성 유출물 격리실(enclosure)을 포함하고, 상기 가요성 유출물 격리실은 부피를 구비하며, 그리고 상기 필터는 상기 가요성 유출물 격리실의 일부분 내에 수용되고 그 일부분에 부착되며; 상기 이동가능한 파티션은 상기 가요성 유출물 격리실에 인접한 강성 벽(rigid wall)을 더 포함할 수 있고; 상기 수소 가스 및 유출물이 상기 유출물 저장 영역으로 이동됨에 따라, 상기 가요성 유출물 격리실의 부피가 증가될 수 있으며;
- 상기 이동가능한 파티션은 상기 필터를 팽창시키도록 상기 필터를 당길 수 있으며;
- 상기 필터는 탄성 재료를 포함하며, 그리고 상기 필터는 상기 필터 내의 압축 응력의 감소의 결과로서 팽창되고;
- 상기 제1 반응물은 상기 제1 반응물 저장 영역 내부의 가요성 제1 반응물 격리실 내부에 초기에 수용되며; 그리고
- 상기 수소 발생기는 제2 반응물을 포함하고, 상기 제2 반응물은 반응 영역 내에서 제1 반응물과 반응하고; 상기 제2 반응물은 상기 반응 영역 내에 저장될 수 있고; 상기 반응 영역은 제1 및 제2 반응물들의 반응을 촉진하도록 구성되는 촉매를 포함할 수 있으며; 상기 제2 반응물은 상기 반응 영역 내부의 가요성 제2 반응물 격리실 내부에 초기에 수용될 수 있으며; 상기 가요성 제2 반응물 격리실은, 상기 수소 가스 및 유출물이 상기 유출물 저장 영역으로 이동함에 따라, 상기 제2 반응물 격리실의 부피를 감소시키기 위한 힘을 적용시키는 편향 구성부품으로 둘러싸일 수 있으며; 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는 수소화 붕소(borohydride)를 포함하고; 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는 산(acid) 및 금속 화합물 촉매 중 적어도 하나를 포함하는 조성물의 일부이다.
발명의 제2 양태는 수소 발생기이고, 상기 수소 발생기는, 컨테이너; 부피를 구비하고 제1 반응물을 포함하는 유체를 수용하도록 구성되는, 상기 컨테이너 내부의 제1 반응물 저장 영역; 부피를 구비하는 상기 컨테이너 내부의 반응 영역; 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 상기 반응 영역까지의 액체 통로; 부피를 구비하고 상기 반응 영역 내부에서의 제1 반응물의 반응에 의해서 생성되는 수소 가스 및 유출물을 저장하도록 구성되는, 상기 컨테이너 내부의 유출물 저장 영역; 상기 반응 영역으로부터 상기 유출물 저장 영역까지의 유출물 통로; 상기 유출물 저장 영역 내부의 초기에 압축된 필터; 상기 유출물 저장 영역과 유체 소통하는 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품; 및 수소 배출구를 포함한다. 상기 수소 발생기의 작동 도중에, 상기 초기에 압축된 필터가 상기 유출물의 일부를 수용하기 위해서 팽창되도록 구성되고, 상기 유출물 저장 영역의 부피가 증가되도록 구성되며, 그리고 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 중 적어도 하나가 감소되도록 구성된다. 이동가능한 파티션이 상기 유출물 저장 영역을 상기 제1 반응물 저장 영역 및 상기 반응 영역 중 적어도 하나로부터 분리시키며, 그리고 상기 필터의 일부분이 상기 이동가능한 파티션에 부착된다. 상기 제1 반응물은 수소 가스를 생성하기 위해 반응할 수 있으며, 그리고 상기 수소 가스 모두는 상기 수소 배출구에 도달하기 위해서 상기 유출물 저장 영역의 일부부을 반드시 통과하여야 한다.
발명의 제2 양태의 실시예들이 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 상기 필터는, 상기 수소 발생기의 작동 도중에, 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되고;
- 상기 수소 발생기는, 상기 수소 발생기의 작동 도중에, 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되는 편향된 구성부품을 더 포함하며;
- 상기 필터는 압축 이전에 상이한 다공성을 가지는 적어도 2개의 영역을 구비하고; 상기 필터는 압축 이전에 각각 상이한 다공성을 가지는 2개의 구분된 구성부품을 포함할 수 있고; 바람직하게 압축 이전에 가장 큰 다공성을 갖는 상기 영역은 상기 유출물 통로에 가장 근접하고 가장 적은 다공성을 갖는 상기 영역은 상기 수소 배출구에 가장 근접하며;
- 상기 필터는 상기 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지지 않는 재료를 포함하고; 바람직하게 상기 유출물 저장 영역으로의 유출물 유입구에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지지 않으며;
- 상기 필터는 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지는 재료를 포함하고; 바람직하게, 상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지며;
- 상기 필터가 개방형 셀 발포체를 포함하고;
- 상기 이동가능한 파티션은 유출물 저장 영역 내부의 가요성 유출물 격리실을 포함하고, 상기 가요성 유출물 격리실은 부피를 구비하며, 그리고 상기 필터는 상기 가요성 유출물 격리실의 일부분 내에 수용되고 그 일부분에 부착되며; 상기 이동가능한 파티션은 상기 가요성 유출물 격리실에 인접한 강성 벽을 더 포함할 수 있고; 상기 가요성 유출물 격리실의 상기 부피는 상기 수소 발생기의 작동 도중에 증가하도록 구성될 수 있으며;
- 상기 필터는 탄성 재료를 포함하며, 그리고 상기 필터는 상기 필터 내의 압축 응력의 감소의 결과로서 팽창하고;
- 상기 제1 반응물은 상기 제1 반응물 저장 영역 내부의 가요성 제1 반응물 격리실 내부에 초기에 수용되고;
- 상기 수소 발생기는 제2 반응물을 더 포함하고; 상기 제2 반응물은 상기 반응 영역 내부의 가요성 제2 반응물 격리실 내부에 초기에 수용될 수 있으며; 상기 가요성 제2 반응물 격리실은, 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물이 반응할 때, 상기 제2 반응물 격리실의 부피를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되는 편향 구성부품으로 둘러싸일 수 있고; 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는 수소화 붕소를 포함하고; 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는, 산 및 금속 화합물 촉매 중 적어도 하나를 포함하는, 조성물의 일부일 수 있으며; 그리고
상기 반응 영역은 촉매를 더 포함한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 장점들 및 목적들이, 뒤따르는 명세서, 특허청구범위 및 첨부된 도면들을 참조하여, 당업자에게 더욱 이해되고 인식될 것이다.
달리 구체화되지 않는 한, 이하의 정의들 및 방법들이 여기에서 사용된다:
- "유출물(effluent)"은 비-기체 반응 생성물들 및 반응되지 않은 반응물들, 용매들 및 첨가제들을 의미하고;
- 필터를 설명하는데 사용될 때 "팽창한다(expand)"는, 필터 재료에 대해서 동시에 부피가 증가되고, 다공성이 증가되며, 그리고 밀도가 감소되는 것을 의미하며, 단지 필터가 제조되는 재료에 대해서만 관련되며;
- "가요성 있는(flexible)"은, 예를 들어, 연신, 굽힘, 접음, 펼침, 등에 의해서 형상이 변화될 수 있다는 것을 의미하고;
- "초기에(initial)"는, 수소 생성을 위한 반응을 개시하기에 앞서서, 미사용 또는 신선한(fresh)(예를 들어, 재충진된) 상태의 수소 발생기의 상태를 의미하며;
- "부피 교환 상관관계"(volume exchanging relationship)는, 하나 이상의 영역들 또는 컨테이너에 의해서 잃어버리게 되는 부피의 양이 동시에 하나 이상의 다른 영역들 또는 컨테이너들에 의해서 획득되도록 하는, 수소 발생기 내부의 둘 이상의 영역들 또는 컨테이너들 사이의 상관관계를 의미하고; 그에 따라 교환되는 부피는 반드시 동일한 물리적 공간은 아니며, 따라서 하나의 장소에서 잃어버린 부피는 다른 장소에서 획득될 수 있다.
여기서 달리 구체화되지 않는 경우에, 모든 개시된 특성들 및 범위들은 상온(20-25 ℃)에서 결정된 것과 같다.
도 1a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제1 배열을 도시한 개략도이다.
도 1b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제1 배열을 도시한 개략도이다.
도 2a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제2 배열을 도시한 개략도이다.
도 2b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제2 배열을 도시한 개략도이다.
도 3a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 3 배열을 도시한 개략도이다.
도 3b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 3 배열을 도시한 개략도이다.
도 4a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 4 배열을 도시한 개략도이다.
도 4b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 4 배열을 도시한 개략도이다.
도 5a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 5 배열을 도시한 개략도이다.
도 5b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 5 배열을 도시한 개략도이다.
도 6a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 6 배열을 도시한 개략도이다.
도 6b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 6 배열을 도시한 개략도이다.
도 7a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 7 배열을 도시한 개략도이다.
도 7b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 7 배열을 도시한 개략도이다.
도 8a는 수소 발생기의 사용 전의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 8 배열을 도시한 개략도이다.
도 8b는 수소 발생기의 사용 후의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역의 제 8 배열을 도시한 개략도이다.
도 9는 수소 발생기의 제1 실시예를 도시한 단면도이다.
도 10은 수소 발생기의 제2 실시예를 도시한 단면도이다.
본 발명은 연료 전지 배터리를 포함하는 연료 전지 시스템 내로 통합될 수 있으나, 연료 전지 자체의 일부를 구성하지 않는 분리형 수소 가스 발생기를 포함한다. 분리형 수소 가스 발생기는 전형적으로, 수소 가스 또는 양성자들을 생성하기 위해서, 연료 전지에 의해서 또는 연료 전지 내에서 재형성되는 액체 또는 다른 유체를 공급하는 대신에, 연료 전지에 수소를 공급할 수 있는, 제거가능한, 교체가능한, 또는 재충진가능한 유닛이다.
수소 발생기와 함께 사용될 수 있는 연료 전지는 단일 연료 전지를 포함하는 배터리일 수 있고, 또는 복수의 연료 전지를(때때로 연료 전지 적층체(stack)로 언급됨)을 포함하는 배터리일 수 있다. 연료 전지는, 연료로서 수소를 사용하는 임의 타입의 연료 전지가 될 수 있다. 예들은, 양자 교환 멤브레인 연료 전지들, 알칼리성 연료 전지들 및 고체 산화물 연료 전지들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 수소 발생기가, 컨테이너 내에 하나 이상의 반응물 저장 영역, 반응 영역, 및 유출물 저장 영역을 구비하는, 컨테이너를 포함한다. 각각 하나 이상의 반응물을 포함하는 하나 이상의 반응물-함유 유체가 반응물 저장 영역 또는 영역들로부터 반응 영역으로 이송되고, 반응 영역에서 반응물 또는 반응물들이 반응하여 수소 가스 및 부산물들을 생성한다. 하나 이상의 반응물이 또한 반응 영역 내에 초기에 수용될 수 있다. 반응은 촉매에 의해서 촉진될 수 있고, 촉매는 초기에 반응 영역 내에 있을 수 있고 또는 반응 영역으로 이송되는 유체 내에 포함될 수 있다. 부산물들은 기체, 액체, 및 고체 반응 생성물들을 포함할 수 있다. 수소 가스의 생성은, 반응 영역으로부터, 유출물 통로를 통해서, 유출물 저장 영역으로 유출물을 억지로 밀어넣는다. 유출물이 반응 부산물들뿐만 아니라 미반응 반응물들 및 첨가제들을 또한 포함할 수 있다.
반응물-함유 유체는 액체 또는 다른 용이하게 이송되는 유체일 수 있다. 반응물은 유체(예를 들어, 물)일 수 있고, 또는 반응물은 액체 내에 혼합되거나, 떠있거나, 용해되거나 또는 그밖에 다른 방법으로 함유될 수 있다. 유체가 반응물 저장 영역으로부터 반응 영역으로 이송된 후에, 유체는 수소 가스를 생성하기 위해 반응한다. 일 실시예에서, 반응물 또는 반응물들이 반응 영역 내에서 촉매와의 접촉으로 반응한다. 다른 실시예에서, 하나 또는 둘 모두 반응물을 포함하는 2가지의 유체가 반응 영역으로 운송된다. 유체들은, 중간 혼합 영역에서 또는, 유체들이 수소 가스를 생성하기 위해 반응하는, 반응 영역 내에서 서로 접촉하게 될 것이고; 반응은, 초기에 반응 영역 내에 수용되거나 반응 영역으로 운송되는 유체 내에 수용될 수 있는, 촉매에 의해서 촉진될 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 하나의 반응물이 반응 영역 내에, 바람직하게 고체 형태로 수용되며, 그리고 다른 반응물이 반응물 저장 영역으로부터, 반응물들이 수소 가스를 생성하기 위해 반응하는, 반응 영역으로 운송되고; 반응은 반응 영역 내의 촉매에 의해서 촉진될 수 있을 있을 것이다.
반응물 저장 영역, 반응 영역 및 유출물 저장 영역은, 수소 발생기의 작동 도중에 반응물들이 소비됨에 따라, 유출물 저장 영역 내부에 유출물을 수용하기 위해, 초기에 반응물을 수용하는 영역들의 부피 감소에 의해서 사용가능하게 되는 공간 속으로의 이동에 의해, 유출물 저장 영역이 동시에 부피 측면에서 증가하도록, 부피 교환 배열구조로 배열된다. 이러한 방식으로, (비록 일부 초기 공극 부피가 필요하지만, 예를 들어, 고체 및 액체 반응 생성물들이 반응물들의 초기 전체 부피 보다 더 큰 부피를 구비한다면) 수소 발생기 내의 초기 공극 부피의 양이 최소로 유지될 수 있기 때문에, 수소 발생기의 전체 부피가 최소화될 수 있다. 임의의 적당한 부피 교환 배열구조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 반응물을 수용하는 하나 이상의 영역(예를 들어, 반응물 저장 영역 및/또는 반응물을 포함하는 반응 영역)이 유출물 저장 영역에 인접할 수 있고, 또는 유출물 저장 영역이, 이동할 수 있는 또는 그밖에 다를 방식의 부피 교환을 허용할 수 있는 수소 발생기의 하나 이상의 다른 구성부품에 의해서, 반응물을 수용하는 영역들로부터 분리될 수 있다.
수소 가스는 액체 및 고체 유출물로부터 분리되며, 그리고 필요에 따라서 수소 배출구를 통해서 연료 전지와 같은 장치로 배출된다. 필터 및 수소 투과성이자 액체 불투과성 구성부품을 사용하여 수소를 분리한다. 필터가 고체들을 제거하고 액체들도 또한 분리할 수 있고, 그리고 수소 투과성이자 액체 불투과성 구성부품이 액체들 및 임의의 잔류 고체들을 제거하여, 단지 가스만 수소 배출구를 통과할 수 있도록 하용한다. 선택적으로, 다른 구성부품들이, 다른 가스들 및 불순물들을 수소 유동으로부터 제거하기 위해, 수소 발생기 내부에 또는 그 하류측에 포함될 수 있을 것이다.
필터는 자체의 초기 부피 및 다공성을 감소시키기 위해서 유출물 저장 영역 내부에서 초기에 압축된다. 수소 발생기가 작동되고 유출물 저장 영역의 부피가 증가함에 따라, 필터가 팽창한다. 이는 몇 가지 장점을 가진다. 첫 번째로, 필터의 크기가 초기에 작고, 그에 따라 유출물 저장 영역이 초기에 보다 작아질 수 있게 하고, 그에 의해서 수소 발생기의 부피적인 효율에 기여할 수 있게 한다. 두 번째로, 필터가 유출물 저장 영역의 크기에 더욱 잘 일치될 수 있고, 유출물 저장 영역이 보다 커지게 됨에 따라 필터 주위의 유출물의 유동을 감소시킬 수 있다. 세 번째로, 필터가 더욱 더 다공성이 됨에 따라, 막힘이 없이 미립자 물질을 계속적으로 보다 잘 제거할 수 있다. 네 번째로, 필터가 (수소 가스, 유출물 및, 편향 구성부품과 같은, 임의의 다른 구성부품에 의해서 작용되는 임의의 힘에 더하여) 유출물 저장 영역의 부피 증가를 용이하게 하기 위한 힘을 제공할 수 있다.
여러 실시예들에서, 부피 교환의 결과로서 공간이 사용가능해짐에 따라, 필터는, 자체의 탄성으로 인해, 필터가 부착되는 수소 발생기의 다른 내부 구성부품에 의해서 당겨짐에 의해, 필터 내부의 또는 필터에 의해서 둘러싸인 편향 부재에 의해, 일부 다른 수단들에 의해, 또는 이들의 조합에 의해서, 팽창될 수 있다. 예를 들어, 탄성 재료는 압축 응력의 감소로 인해 팽창할 수 있다. 이는 필터의 일부분이, 유출물 저장 영역을 제1 반응물 저장 영역 및/또는 반응 영역으로부터 분리하는, 이동가능한 파티션에 부착되도록 하는데 유익하다. 이는, 필터와 파티션 사이에 틈(gap)이 형성되는 것을 방지하고, 유출물이 틈을 통해 유동함에 의해 필터를 우회하는 것을 방지하도록, 파티션 및 필터가 함께 이동하는 것을 보장할 수 있다. 또한, 필터는, 필터가 팽창함에 따라 필터의 다른 부분들 주위에 틈이 형성되는 것을 방지하기 위해, (이동가능한 파티션으로부터 필터의 반대 측면의 벽과 같은) 유출물 저장 영역 내부의 또는 그 주위의 다른 구성부품들에 부착될 수 있다. 예를 들어, 필터의 하나의 부분이 하우징의 내부 표면에 부착될 수 있고, 필터의 반대쪽 부분이 이동가능한 파티션에 부착될 수 있다. 필터는, 수소 발생기가 사용됨에 따라 이동가능한 파티션이 이동하는 것 및 유출물 저장 영역이 확대되는 것을 도울 수 있고, 또는 이동가능한 파티션은, 필터를 팽창시키도록, 필터의 부착된 부분을 (예를 들어, 필터가 또한 부착되는 하우징 표면으로부터 멀어지게) 당길 수 있다. 팽창하는 필터에 의해서 작용하게 되는 힘에 의해서 이동되는 것에 추가하여 또는 그 대신에, 이동가능한 파티션이, 예를 들어, 파티션의 대향하는 측면들 상의 압력차에 의해서 또는 스프링과 같은 편향 부재에 의해서, 이동될 수 있다. 또 다른 예에서, 하나 이상의 스프링이 필터 내에 배치될 수 있고, 그에 따라 필터가 스프링들에 의해서 팽창하도록 힘을 받을 수 있다. 일 실시예에서, 이동하는 파티션은, 제1 반응물 저장 영역 및 반응 영역 중 어느 하나 또는 양자 모두와 유출물 저장 영역 사이의, 강성 벽과 같은, 벽일 수 있다. 다른 실시예에서, 이동하는 파티션은, 유출물 저장 영역을 둘러싸고 필터를 수용하는, 가요성 유출물 격리실(이하에서 구체적으로 설명됨)일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이동하는 파티션은, 가요성 유출물 격리실 및, 제1 반응물 저장 영역 및 반응 영역 중 적어도 하나와 양자 모두와 유출물 저장 영역 사이의, 분리 벽 양자 모두를 포함한다. 필터는, 접착제를 사용한 접착, 하나 이상의 체결부재(예를 들어, 클램프들, 나사들, 리벳들 및 이와 유사한 것)를 사용한 고정, 또는 하나 이상의 스트랩들(예를 들어, 코드들, 밴드들, 벨트들 등)을 사용한 묶음(strapping)과 같은, 임의의 적합한 방식으로, 이동가능한 파티션에 부착될 수 있다.
필터는 단일 구성요소 필터일 수 있다. 필터는 압축 전에 균일한 구조(composition) 및 다공성을 가질 수 있고, 또는 구조 및 다공성이 변할 수있다. 하나의 실시예에서, 압축 전의 필터는 상류 부분(유출물 유입구에 보다 근접하게 될 부분)에서 보다 다공적이고 하류 부분(수소 배출구에 보다 근접하게 될 부분)에서 덜 다공적이다. 이러한 방식으로, 필터는, 필터의 막힘을 방지하는데 도움을 주기 위해, 보다 작은 입자들이 하류 부분으로 통과되도록 허용하는 가운데, 상류 부분에서 보다 큰 입자들을 제거할 수 있다.
필터는 복수-구성요소 필터일 수 있고, 이들중 적어도 하나의 구성요소는 초기에 압축되고 수소 발생기의 작동 도중에 팽창된다. 둘 이상의 구성요소가 압축 전에 상이한 다공성을 가질 수 있다. 보다 큰 다공성 필터 구성요소가 필터의 상류 측에 위치되고 보다 낮은 다공성 필터 구성요소가 필터의 하류 측에 위치되는 것이 유익할 수 있다. 만약 둘 초과의 필터 구성요소가 존재한다면, 이들은, 보다 다공성인 필터 구성요소들이 덜 다공성인 필터 구성요소들의 상류에 위치되는 것과 같이, 다공성에 따라서 배열될 수 있다. 개별적인 필터 구성요소들은 균일한 또는 불균일한 구조 및 다공성을 가질 수 있다. 모든 필터 구성요소들이 동일한 타입의 재료로 제작될 수 있고, 또는 상이한 재료들이 개별적인 필터 구성요소들을 위해 사용될 수 있다. 둘 이상의 필터 구성요소가 상이한 층들을 가지는 층상형 필터(laminar filter)를 생성하기 위해 함께 결합될 수 있다. 필터 구성요소들은, 접착제로 접합하는 것과 같은, 임의의 적당한 방법에 의해서 결합될 수 있다.
필터 재료 및 초기 압축량은, 수소 발생기의 사용 도중에 필터가 팽창하고 유출물의 일부를 유지함에 따라 적어도 최소의 필터 다공성을 항상 제공하기 위해, 적어도 부분적으로 유출물의 예상되는 양 및 성분에 근거하여 선택될 수 있으며, 따라서 충분한 수소 가스가, 적어도 최소의 요구되는 수소 유량을 제공하기 위해, 수소 투과성이자 액체 불투과성 구성부품 및 수소 배출구에 도달할 수 있도록 한다.
필터 구성요소들 및 필터 구성요소들을 제조하는 재료들에 대한 요구되는 특성들은: 적어도 예상되는 사용 지속기간 도중의 유출물과의 접촉시의 화학적 안정성, 압축가능성, 사용 이전 및 도중에 압축된 이후에 요구되는 정도까지 팽창하거나 팽창될 수 있는 능력, 및 사용 이전 및 도중의 요구되는 범위들 이내의 다공성 및 기공 크기 분포를 포함한다. 유출물 내에서의 액체에 대한 친화력 또는 친화력 부족은 또한 재료 선택시에 고려될 수 있다.
하나의 실시예에서, 필터의 적어도 일부분이, 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지지 않고 심지어 유출물 내의 액체를 밀어내는 경향을 가질 수 있는 재료로 제작된다. 예를 들어, 유출물이 수성의 액체를 함유하는 경우에, 필터의 일부분이 비-친수성인 또는 소수성일 수 있는 재료일 수 있을 것이다. 만약 단지 필터의 일부분만이 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지지 않거나 유출물 내의 액체를 밀어내는 경향을 가진다면, 바람직하게 필터의 적어도 해당 부분은 유출물 저장 영역으로의 유출물 유입구에 근접하게 된다. 이러한 방식으로, 유출물 유입구에 근접한 필터의 일부분이 수소 가스 유동으로부터 고체들을 제거할 수 있고, 필터가 팽창함에 따라, 필터는 증가하는 양의 고체들을 수용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 액체의 흡수에 수반될 수 있는 부풀어오름(swelling)으로 인해서, 필터의 해당 부분 내의 기공들의 예상보다 이른 차단을 회피하도록 할 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 필터의 적어도 일부분이 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지는 재료로 제작된다. 예를 들어, 유출물이 수성 액체를 포함하는 경우에, 필터의 일부분이 친수성일 수 있을 것이다. 만약 단지 필터의 일부분만이 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가진다면, 바람직하게 필터의 적어도 해당 부분이 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품에 근접하게 되고, 및/또는 수소 배출구가 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가진다. 이러한 방식으로, 필터의 일부분은 내부에 고체들이 용해되어 있을 수 있는 액체를 흡수할 수 있고 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품 및/또는 수소 배출구의 막힘을 방지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 필터는, 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지지 않고 심지어 유출물 내의 액체를 밀어내는 경향을 가지는 부분, 및 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지는 다른 부분 양자 모두를 가진다. 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지지 않는 부분은 유출물 저장 영역으로의 유출물 유입구에 근접하게 되고, 유출물 내의 액체에 대해서 친화력을 가지는 부분은 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품 및/또는 수소 배출구 중 하나 또는 양자 모두에 근접하게 된다.
수소 투과성이자 액체 불투과성 구성부품이, 유출물 저장 영역 내부에, 수소 배출구 내부에, 또는 수소 배출구로부터 연료 전지까지의 수소 통로 및 유출물 저장 영역 중 어느 하나 또는 양자 모두와 수소 배출구의 사이의 경계부(interface)에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 구성부품은 수소에 대해서 높은 투과성을 가지고, 예를 들어 부산물들 또는 오염물질들로서, 수소와 함께 존재할 수 있는 다른 가스들에 대해서는 낮은 투과성을 가진다. 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료는, 시트, 멤브레인, 또는 비-평면형 형태와 같은, 임의의 적당한 형태일 수 있다.
필터 구성부품들, 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료, 또는 양자 모두는, 유출물 내에 함유되는 미반응된 반응물들의 반응을 용이하게 하기 위한 촉매, 유출물 내의 유해한 불순물들을 포획하기 위한 이온-교환 수지, 유출물 내의 가스 기포들를 제거하기 위한 소포제(deforamer), 및 유출물의 유동성을 개선하기 위한 계면활성제와 같은, 하나 이상의 다른 물질들로 코팅되거나 또는 부분적으로 채워질 수 있다.
임의의 또는 모든 반응물 저장 영역(들), 반응 영역 및 유출물 저장 영역은, 컨테이너 및 수소 발생기의 다른 구성부품들의 내부 표면들 중 하나 이상에 의해서 한정될 수 있고, 또는 이러한 영역들 중 하나 이상은, 반응물 저장 격리실, 반응 영역 격리실 또는 유출물 저장 영역 격리실과 같은, 격리실에 의해서 둘러싸일 수 있다. 그러한 격리실들은 (예를 들어, 가요성을 구비함에 따라) 형상의 변화를 받을 수 있고, 그에 따라 그들의 내부 부피가, 물질이 격리실에서 유입 또는 유출됨에 따라, 증가되거나 감소될 수 있다. 격리실은 또한, 예를 들어 백(bag), 풍선, 또는 벨로우즈와 같은 구조물을 포함할 수 있다. 격리실의 벽들은, 내부 부피의 변화를 가능하게 하기 위해, 예를 들어, 늘어나거나 수축될 수 있는 탄성중합체(elastomeric) 재료로 제작되거나, 주름가공될 수 있다. 일 실시예에서, 격리실이, 보다 큰 내부 부피를 제공하기 위해 늘어날 수 있는 벽 또는 벽의 일부분을 구비할 수 있고, 내용물을 비우는 것을 용이하게 하기 위해 내용물에 힘을 작용시킬 수 있다.
일 실시예에서, 유출물 저장 영역이 격리실에 의해서 둘러싸인다. 하나 이상의 필터 구성부품이, 필터 구성부품 주위로 유동할 수 있는 유출물의 양을 최소화하기 위해, 하나 이상의 위치에서 격리실에 고정될 수 있다. 격리실은, 수소 가스를 유출물 저장 영역 내부의 액체들로부터 분리하기 위해, 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료이거나 그러한 재료를 포함할 수 있다.
반응물을 포함하는 유체가 임의의 적당한 수단에 의해서 반응물 저장 영역으로부터 운송될 수 있다. 예를 들어, 유체는 모세관 현상으로 이송되거나(wicked), 펌핑되거나, 액체에 힘을 작용시키는 것에 의해 방출될 수 있고, 또는 이들의 조합에 의해서 이송될 수 있을 것이다. 만약 유체가 펌핑된다면, 펌프는 수소 발생기의 내부에 또는 외부에 있을 수 있다. 펌프는 연료 전지, 수소 발생기 내부의 배터리, 또는 외부 전원에 의해서 전력을 공급받을 수 있다. 힘이, 예를 들어, 직접적으로 반응물 저장 영역 격리실에 대항하여, 격리실과 접촉하는 이동가능한 파티션에 대항하여 대해서, 또는 격리실과 접촉하거나 격리실의 일부인 (밸브 조립체와 같은) 하나 이상의 다른 구성부품에 대항하여 작용될 수 있다. 힘은, 스프링으로, 탄성 부재로 반응물 저장 격리실을 둘러싸는 만충(full)일 때 초기에 늘어나게 되는 탄성 반응물 저장 격리실로, 반응물 저장 격리실 상의 또는 그 내부의 공기 또는 가스 압력으로, 유출물 저장 영역 내부의 필터의 팽창으로, 또는 이들의 조합으로과 같은, 다양한 방식으로 제공될 수 있다.
반응물 영역으로의 및 그 내부에서의 유체 반응물 조성물의 유동 경로는, 튜브들, 심지 연결부재들(wicks connections), 밸브들 등과 같은 다양한 구성부품들을 포함할 수 있다. 반응 영역 내에서, 유체 반응물 조성물은 새로운 반응물의 분포를 개선하기 위해 분산 부재(dispersing member)에 의해서, 분산될 수 있다. 분산 부재는 반응 영역 속으로 또는 그 내부에서 연장되는 하나 이상의 구조물을 포함할 수 있다. 그러한 구조물들은 튜브형일 수 있고 또는 다른 형상들을 가질 수 있다. 분산 부재의 적어도 일부분이 가요성을 가질 수 있고, 그로 인해 수소 발생기의 작동 도중에 반응물 조성물 및/또는 반응 영역이 형상을 변경함에 따라, 분산 부재가 움직일 수 있다. 하나의 실시예에서, 분산 부재는 자체를 통해 유체 반응물 조성물이 빠져나갈 수 있는 홀들 또는 슬릿들을 내부에 구비하는 튜브를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 분산 부재는 유체 반응물 조성물이 자체를 통해 투과할 수 있는 다공성 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 분산 부재는, 자체를 통해 유체 반응물 조성물이 모세관 현상에 의해 이송될 수 있도록 하는, 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 심지 재료로 이루어진 슬리브가 분산 부재의 다른 구성부품 주위에 제공된다. 이는, 고체 반응 부산물들이, 다른 구성부품들 상에 형성되는 것과, 홀들, 슬릿들, 기공들 등을 막는 것, 및 유체 반응물 조성물의 유동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
수소 가스의 생성이 제어될 수 있고, 그에 따라 수소가 필요에 따라 생산된다. 제어는, 압력(예를 들어, 내부 압력, 또는 내부 압력과 외부 압력 사이의 차이); 온도(예를 들어, 수소 발생기, 연료 전지 또는 디바이스 온도); 연료 전지의 전기적 상태(예를 들어, 전압, 전류 또는 전력); 또는 디바이스 기준(예를 들어, 내부 배터리 상태, 전력 입력, 또는 작동 모드)와 같은 하나 이상의 기준에 근거할 수 있다.
수소 발생기는, 수소 가스를 생성하도록 반응할 수 있는, 다양한 반응물을 사용할 수 있다. 예들은, 화학적 수소화물, 알칼리 금속 규화물, 금속/실리카 겔들, 물, 알콜들, 희석 산들 및 유기 연료들(예를 들어, N-에틸카르바졸 및 퍼하이드로플루오렌(N-ethylcarbazole and perhydrofluorene))을 포함한다.
여기에서 사용되는 바와 같은, "화학적 수소화물"이라는 용어는 수소를 생성하기 위해서 액체와 반응할 수 있는 임의의 수소화물로 광범위하게 의도된 것이다. 여기서 설명되는 수소 발생 장치에서 사용하기에 적당한 화학적 수소화물들의 예들은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 주기율표의 IA-IVA 족들의 원소들의 수소화물 및, 예를 들어, 알칼리성 또는 알칼리 금속 수소화물과 같은 그들의 혼합물, 또는 그들의 혼합물들을 포함한다. 화학적 수소화물들의 구체적인 예들은, 수소화 리튬, 수소화 알루미늄 리튬, 수소화 붕소 리튬, 수소화 나트륨, 수소화 붕소 나트륨, 수소화 포타슘, 수소화 붕소 포타슘, 수소화 마그네슘, 수소화 칼슘, 및 염들(salts) 및 이들의 유도체들을 포함한다. 실시예에서, 수소화 붕소 나트륨과 같은 화학적 수소화물이 물과 반응하여 수소 가스 및 붕산염과 같은 부산물을 생성할 수 있다. 이는, 촉매, 열, 희석 산 또는 이들의 조합의 존재 하에서 이루어질 수 있다.
알칼리 금속 규화물은 알칼리 금속과 실리콘을 불활성 대기에서 혼합하고 결과적인 혼합물을 약 475 ℃ 미만의 온도까지 가열하는 것에 의한 생성물이며, 상기 알칼리 금속 규화물 조성물은 건성 O2 와 반응하지 않는다. 그러한 알칼리 금속 규화물들은 미국 특허 공개 제2006/0002839 호에 기재되어 있다. 나트륨, 포타슘, 세슘 및 루비듐을 포함하는 임의의 알칼리 금속이 사용될 수 있지만, 알칼리 금속 규화물 조성물 내에서 사용되는 알칼리 금속은 나트륨 또는 포타슘인 것이 바람직하다. IIA 족 금속(베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 및 라듐)을 포함하는 금속 규화물들이 또한 적당할 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 나트륨 규화물이, 수소 가스 및 물에 용해될 수 있는 규산나트륨을 생성하기 위해, 물과 반응할 수 있다.
금속/실리카 겔은 IA 족 금속/실리카 겔 조성물을 포함한다. 그러한 조성물은 실리카 겔 기공들 속으로 흡수되는 IA 족 금속을 가진다. IA 족 금속들은 나트륨, 포타슘, 루비듐, 세륨 및 2 이상의 IA 족 금속의 합금들을 포함한다. IA 족 금속/실리카 겔 조성물은 건성 02 와 반응하지 않는다. 그러한 IA 족 금속/실리카 겔 조성물들이 미국 특허 제7,410,567 B2호에서 설명되고, 수소 가스를 생성하기 위해 물과 급속히 반응할 수 있다. 하나 이상의 IIA 족 금속(베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 및 라듐)을 포함하는, IIA 족 금속/실리카 겔 조성물이 또한 적당할 수 있을 것이다.
반응물 저장 영역 내에 수용되는 반응물 조성물은, 반응물 저장 영역으로부터 반응 영역으로 운송될 수 있는 유체이다. 유체는, 물, 알콜, 희석된 산, 또는 이들의 조합과 같은 액체이거나 그러한 액체를 포함할 수 있다. 반응물은, 반응 영역에 도달하기 이전에 실질적인 반응이 존재하지 않는 한, 액체 내에 혼합되거나, 용해되거나 또는 떠있을 수 있다. 예를 들어, 유체는 물에 용해된 화학적 수소화물일 수 있고, 그러한 화학적 수소화물은, 반응 영역 내에서 촉매, 열 또는 산과의 접촉에 의해서 반응이 개시될 때까지, 물과 반응하지 않는다.
하나 이상의 촉매가 수소 생성 반응들을 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 적당한 촉매들의 예들은, 원소의 주기율표 상의 VIII 족(철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 및 백금), IB 족(구리, 은, 및 금) 및 IIB 족(아연, 카드뮴, 및 수은)으로부터의 전이 금속들뿐만 아니라, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 및 망간을 포함하는 다른 전이 금속들을 포함한다. 적당한 촉매들은 또한, 염화물들, 산화물들, 질산염들, 및 아세트산염들과 같은 금속 염들을 포함한다. 일부 금속 염들은 반응물-함유 유체 내에서 용해될 수 있다.
첨가제들이 다양한 목적들을 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 첨가제들은, 요구되는 형상으로 고체 물질을 유지하기 위한 바인더(binder)로서 또는 요구되는 형상을 형성하는 과정을 용이하게 하기 위한 윤활제로서, 고체 반응물과 함께 포함될 수 있다. 다른 첨가제들이, 예를 들어, pH를 제어하기 위해서, 반응 속도를 제어하기 위해서, 액체 또는 고체 반응물 조성물과 함께 포함될 수 있다. 그러한 첨가제들은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 산들(예를 들어, 염산, 질산, 아세트산, 황산, 시트르산, 탄산, 말산(malic acid), 인산 및 아세트산 또는 이들의 조합들), 또는 기본적 화합물들을 포함할 수 있다. 알콜들 및 폴리에틸렌 글리콜계 화합물들과 같은 첨가제들은 유체의 동결을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 계면활성제들 또는 습윤제들(wetting agents)과 같은 첨가제들은, 수소 가스 및/또는 유출물들의 유동을 용이하게 하기 위해서, 액체 표면 장력 및 반응 생성물 점도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 다공성 섬유들(예를 들어, 폴리비닐 알콜 및 레이온)과 같은 첨가제들은, 고체 반응물 성분의 다공성을 유지하는데 도움을 줄 수 있고, 반응물 함유 유체의 균일한 분포 및/또는 수소와 유출물들의 유동을 용이하게 할수 있다.
하나의 실시예에서, 수소화 붕소 나트륨(SBH)과 같은 화학적 수소화물이 하나의 반응물이고, 물이 다른 반응물이다. 수소화 붕소 나트륨은 물과 같은 액체 성분일 수 있다. 수소화 붕소 나트륨 및 물은, 이들이 반응 챔버 내에서 촉매, 산, 또는 열과 접촉할 때, 반응할 수 있다. 수소화 붕소 나트륨은 반응 영역 내에 고체로 저장될 수 있다. 수소화 붕소 나트륨은 분말로서 존재할 수 있고 요구되는 형상으로 형성될 수 있다. 만약 수소화 붕소 나트륨과 물 사이의 증가된 반응 속도가 요구된다면, 말산과 같은 고체 산이 수소화 붕소 나트륨과 혼합되거나, 산이 물에 첨가될 수 있다. 고체(예를 들어, 분말형) 수소화 붕소 나트륨이, 반응 영역을 빠져나오는 유출물에 함유되는 반응되지 않은 수소화 붕소 나트륨의 양을 감소시키기 위해서, 블록, 정제(tablet), 알갱이(pellet)과 같은 질량체(mass) 형태로 형성될 수 있다. 이하에서 사용된 바와 같이, "알갱이"는, 고체 반응물 및 다른 구성성분들(ingredients)이 형성하게 될, 임의의 적절한 형상 또는 크기의 질량체를 언급한다. 알갱이는, 고체 및 액체 반응물들 사이에서 큰 접촉 표면적을 제공하도록, 성형되어야 한다. 바람직하게, 물은 다른 반응물이다. 예를 들어, 약 50 내지 65 중량% 수소화 붕소 나트륨, 약 30 내지 40 중량% 말산, 및 약 1 내지 5 중량% 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물이 알갱이로 압축될 수 있다. 선택적으로, 약 3 중량%까지의 계면 활성제(기포발생-방지제(anti-foaming agent)), 약 3 중량%까지의 실리카(고결-방지제(anti-caking agent)) 및/또는 약 3중량%까지의 분말 처리 유동 보조제(powder processing rheology aids)가 포함될 수 있다. 알갱이의 밀도는, 부분적으로 요구되는 수소의 부피 및 수소가 생성되어야 할 최대 속도에 의존하여, 조정될 수 있다. 높은 밀도는 주어진 부피에서 많은 양의 수소를 생성하기 위해 요구된다. 다른 한편으로, 알갱이가 너무 큰 다공성을 가진다면, 반응되지 않은 수소화 붕소 나트륨이 보다 쉽게 파괴될 수 있고, 유출물의 일부로서 반응 영역으로부터 씻겨 제거될 수 있다. 이러한 고체 반응물 조성물의 하나 이상의 알갱이들이, 수소 발생기에 의해서 생성될 수소의 요구되는 부피에 의존하여, 수소 발생기 내에서 사용될 수 있다. 수소 발생기 내에서의 수소화 붕소 나트륨에 대한 물의 비율은, 부분적으로 수소의 요구되는 양 및 요구되는 수소 생성 속도에 근거하여, 변경될 수 있다. 만약 그 비율이 너무 낮다면, 수소화 붕소 나트륨의 사용도가 너무 낮을 수 있고, 만약 그 비율이 너무 높다면, 이는 필요한 수소화 붕소 나트륨의 양에 대하여 수소 발생기 내에서 사용가능한 것은 불충분한 부피이기 때문에, 생성되는 수소의 양이 너무 적을 수 있다.
수소 생성 반응들이 열을 생성할 수 있기 때문에, 사용 도중에 수소 발생기의 냉각을 제공하는 것이 요구될 수 있다. 하우징은 냉각제 채널들을 제공하도록 설계될 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 떨어져 있는 리브들(standoff ribs)이, 하우징의 하나 이상의 외부 표면에 및/또는, 수소 발생기가 사용을 위해서 내부에 또는 상부에 설치되거나 장착되는, 연료 전지 시스템 또는 디바이스와 대면하는 표면들에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 수소 발생기는 하우징 주위의 외부 자켓을 포함할 수 있고, 냉각제 채널들이 하우징과 외부 자켓 사이에 구비될 수 있다. 물 또는 공기와 같은 임의의 적합한 냉각제가 사용될 수 있다. 냉각제가 대류에 의해서 또는 펌핑이나 송풍(blowing)과 같은 다른 수단에 의해서 흐를 수 있다. 재료들이 선택될 수 있고 및/또는 핀들(fins)과 같은 구조물들이 열전달을 용이하게 하기 위해 수소 발생기에 부가될 수 있다.
또한, 특히 시동시에 및/또는 저온에서의 작동 도중에, 수소 발생기를 가열하기 위한 수단을 제공하는 것이 요구될 수 있을 것이다.
수소 발생기는, 수소 생성 속도를 제어하기 위한 제어 시스템 구성부품들(예를 들어, 압력 및 온도 모니터링 구성부품들, 밸브들, 타이머들, 등), 압력 이완 통기구들과 같은 안전 구성부품들, 열 관리 구성부품들, 전자 구성부품들 등과 같은, 다른 구성부품들을 포함할 수 있다. 수소 발생기의 작동에 사용되는 일부 구성부품들은 수소 발생기 자체의 일부가 되지 않고 외부에 위치될 수 있으며, 그로 인해 수소 발생기 내에 이용가능한 공간을 보다 더 만들 수 있고, 심지어 수소 발생기가 교체되는 경우에도 동일한 구성부품들이 재사용되도록 허용함으로써 비용을 절감할 수 있도록 한다.
수소 발생기는 일회용이거나 재충전가능할 수 있다. 재충전 가능한 수소 발생기의 경우에, 반응물 충전 포트들이 하우징 내에 포함될 수 있고, 또는 하우징을 개방하고 반응물들의 용기들을 교체하는 것에 의해서, 새로운 반응물들이 적재될 수 있다. 만약 외부 펌프가 반응물 저장 영역으로부터 반응 영역으로 유체 반응물 조성물을 펌핑하기 위해 사용된다면, 펌프로의 유체 반응물 조성물 배출구로서 기능하는 외부 연결부가 또한 수소 발생기를 새로운 유체 반응물 조성물로 재충전하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 충전 포트들은, 일회용이든지 또는 재충전가능하든지 간에, 새로운 수소 발생기를 조립할 때 또한 유익할 수 있다. 만약 수소 발생기가 일회용이라면, 연료 전지 시스템 또는 전기 제품에서와 같이, 특히 그러한 구성부품들이 고가일 때, 수소 발생기의 기대 수명 보다 더 긴 기대 수명을 가지는 구성부품들을 외부에 배치하는 것이 유익할 수 있다.
유출물 저장 영역이, 유출물 저장 영역의 부피가 증가됨에 따라 초기에 압축되었던 필터가 팽창하도록 허용할, 반응물 저장 영역 및 반응 영역 중 하나 또는 양자 모두와 부피 교환 상관관계에 있는 한, 반응물 저장 영역, 반응 영역 및 유출물 저장 영역은 많은 다른 방식으로 배열될 수 있다.
배열을 선택하는데 있어서의 다른 고려 사항은, 열 관리(요구되는 반응 속도에 대해 적절한 열 및 반응들에 의해서 생성된 열의 소산), (예를 들어, 외부 펌프 내외로의 수소 가스와 유체 반응물의 유동을 위한) 외부 연결부들의 요구되는 위치, (예를 들어, 압력 및 온도 모니터링, 및 유체 반응물 유량의 제어를 위한) 임의의 필요한 전기적 연결부들, 및 조립 용이성을 포함한다.
도 1a 내지 도 8b는 수소 발생기의 반응물 저장 영역(1), 반응 영역(2), 및 유출물 저장 영역(3)의 여러 가지 가능한 배열들을 예시한다. a 및 b로 구분되는 각 쌍의 도면들은, 개별적으로 수소 발생기의 사용 전과 사용 후의 구성부품들의 상대적인 크기들의 비교를 보여준다, 이러한 도면들은 축척에 맞지 않고(not to scale) 수소 발생기의 임의의 다른 구성부품들을 도시하지 않는다. 도면들은 사용될 수 있는 많은 가능한 배열들 중 적은 수의 배열들만을 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 유출물 저장 영역(3)에 의해서 분리된 반응물 저장 영역(1) 및 반응 영역(2)을 가지는 배열을 도시한다. 도 1a 및 도 1b의 비교로부터 명확한 바와 같이, 유출물 저장 영역(3)은 반응물 저장 영역(1) 및 반응 영역(2) 모두와의 부피 교환 상관관계에 있다.
도 2a 및 도 2b는, 유출물 저장 영역(3)이 반응물 저장 영역(1)과 반응 영역(2) 사이가 아니라 일 단부에 위치된다는 것을 제외하고, 도 1a 및 도 1b에서의 배열과 유사한 배열을 도시한다. 비록 도 2a 및 도 2b에서 유출물 저장 영역이 반응 영역(2)에 인접하지만, 영역들(1, 2, 및 3)은 반응물 저장 영역에 인접한 유출물 저장 영역(3)을 갖도록 배열될 수 있다. 비록 유출물 저장 영역(3)이 다른 2개의 영역들 중 하나에 대해서만 인접하지만, 유출물 저장 영역(3)은, 유출물 저장 영역(3) 내의 부피 증가의 양이 반응물 저장 영역(1) 및 반응 영역(2) 모두에서의 부피 감소를 포함하기 때문에, 양자 모두와 부피 교환 상관관계에 있다.
도 3a 및 도 3b는 또한, 영역들(1, 2, 및 3)이 도 1a 및 도 1b에서 수평적 또는 선형적 배열구조로 배열되는 가운데, 도 3a 및 도 3b에서 영역들이 수직의 또는 적층된(stacked) 배열구조로 배열된다는 것을 제외하고, 도 1a 및 도 1b에서의 배열과 유사한 배열을 도시한다. 적층된 배열구조에서의 영역들(1, 2, 및 3)의 순서는 또한, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 것과 유사한 방식으로, 변경될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 다른 영역(영역(3)) 위에 나란하게 적층되는 2개의 영역들(영역들(1 및 2))을 가지는 다른 배열을 도시한다. 전술한 바와 같이, 개별적인 영역들(1, 2, 및 3)의 위치들이 이러한 타입의 배열에서 변경될 수 있다.
도 5a 및 및 5b, 뿐만 아니라 도 6a 및 도 6b는, 영역들(1, 2, 및 3) 중 하나가 영역들(1, 2, 및 3) 중 다른 하나의 영역의 하나 초과의 측부에 인접하게 위치되는 배열들을 도시한다. 전술한 바와 같이, 개별적인 영역들(1, 2, 및 3)의 위치들은 이러한 타입의 배열에서 서로 바뀔 수 있다.
도 7a 및 더 7b에 도시된 배열은, 여기에서 반응 영역(2)의 2개의 대향하는 측부들에 인접한 유출물 저장 영역(3), 및 유출물 저장 영역들(3) 각각에 인접한 반응물 저장 영역(1)을 갖는 하나의 반응 영역(2)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 2개의 유출물 저장 영역(3)은, 다른 평면(들)에 있는 유출물 저장 영역(3)의 다른 부분(들)에 의해서 결합되는, 단일 유출물 저장 영역(3)의 다른 부분들일 수 있고, 및/또는 2개의 반응물 저장 영역(1)은, 다른 평면(들)에 있는 반응물 저장 영역(1)의 다른 부분(들)에 의해서 결합되는, 단일 유출물 저장 영역(3)의 다른 부분들일 수 있다. 전술한 배열들에서와 같이, 도 7a 및 도 7b의 영역들(1, 2, 및 3)의 위치들은 서로 바뀔 수 있다.
도 8a의 배열은, 2개의 영역이 수소 발생기의 사용 전에 다른 영역의 상부에 나란히 적층된다는 점에서, 도 4a의 배열과 유사하다. 그러나, 도 8a 및 도 8b는, 유출물 저장 영역(3)의 부피 증가가 반응물 저장 영역(1) 및 반응 영역(2)의 부피 감소들의 합보다 적은 실시예, 또는 유출물 저장 영역(3)이 단지 다른 2개의 영역들 중 하나(이 예에서는 반응 영역(2)이나, 다른 예에서는 반응물 저장 영역(1)일 수 있음)와만 부피 교환 상관관계를 가지는 실시예를 예시한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 반응물 저장 영역(1) 내의 반응물이 사용됨에 따라, 반응물 저장 영역(1)으로부터 제거되는 반응물에 의해서 초기에 점유되었던 부피가, "빈 영역"(4)으로 나타나는 바와 같이 수소 발생기가 사용됨에 따라, 점유되지 않게 된다. 유사한 실시예들이, 도 1a 및 도 7b에 의해서 나타나는 배열들을 포함하는, 다른 배열들을과 더불어 가능하다.
수소 발생기의 실시예들이, 도 9 및 10을 참조하여 이하에서 설명된다. 수소 발생기들(10, 100)은 하우징(12) 내부의 반응물 저장 영역(14), 반응 영역(16), 및 유출물 저장 영역(18)을 포함한다. 제1 반응물 조성물(20)이 반응물 저장 영역(14) 내에 수용되고, 그리고 제2 반응물 조성물(22)이 반응 영역(16) 내에 수용된다. 제1 반응물 조성물(20)은 반응 영역(16)으로 운송될 수 있는 유체이다. 제2 반응물 조성물(22)은 유체일 수 있고, 또는 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 고체일 수 있다. 유출물 저장 영역(18)은, 3개의 필터 구성요소(24, 26, 28)와 같은 하나 이상의 필터 구성요소를 포함할 수 있는, 필터를 포함한다. 반응물 저장 영역(14)은 격리실(30)에 의해 둘러싸인다. 반응 영역(16)은 선택적인 격리실(32)에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 유출물 저장 영역(18)은 선택적인 격리실(미도시)에 의해서 둘러싸일 수 있다. 여러 가지 타입들의 격리실들이 반응물 저장 영역(14), 반응 영역(16), 및 유출물 저장 영역(18)을 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 격리실이 하우징(12)의 내측 표면들, 수소 발생기(10, 100)의 다른 내부 구성요소들의 내측 표면들을 포함할 수 있고, 및/또는 격리실이 하나 이상의 다른 격리실들과 공통의 벽 또는 섹션을 공유할 수 있다. 격리실들 모두 또는 부분들이, 유출물 저장 영역(18)이 반응물 저장 영역(14) 및 반응 영역(16) 중 적어도 하나와 부피 교환 상관관계에 있는 한, 가요성을 가지거나, 강성이 있거나, 정지형이거나 또는 이동가능할 수 있다. 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 반응물 저장 영역(14) 및 반응 영역(16)을 각각 둘러싸는 격리실들(30, 32)은, 제1 반응물 조성물(20)이 반응물 저장 영역(14)을 빠져나가고 유출물이 반응 영역(16)을 빠져나감에 따라, 접촉 상태에서 붕괴될 수 있는 가요성 격리실들이다. 가요성 격리실들의 예들은, 백들, 풍선들 및 벨로우즈들을 포함한다. 가요성 격리실들은 탄성적이며, 따라서 이들이 완충시 늘어날 수 있고 내용물이 빠져나감에 따라 본래 크기로 다시 수축되는 경향을 구비할 수 있고, 그로 인해 수소 발생기(10, 100)가 작동됨에 따라 유체들을 방출하는데 도움을 주도록 하는 것이 유익할 수 있다.
수소 발생기(10, 100)의 사용 도중에, 제1 반응물 조성물(20)이, 전술한 바와 같이, 임의의 적합한 수단을 사용하여, 반응물 저장 영역(14)으로부터 반응 영역(16)으로 운송된다. 예를 들어, 제1 반응물 조성물(20)은 유체 배출구 통로(34)를 통해서 운송될 수 있다. 만약 펌프가 사용된다면, 펌프(54)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(12) 내에 위치될 수 있고, 또는 도 9의 실시예에서와 같이 외부에 위치될 수 있다. 펌프(54)가 사용될 때, 제1 반응물 조성물(20)은, 튜브와 같은 유체 배출구 통로(34) 및, 도 9에 도시된 바와 같은, 유체 배출구 연결부(36)를 통해서 펌프로 펌핑될 수 있다. 밸브들, 필터들 등과 같은 선택적인 특징체들이 유체 배출구 통로(34) 또는 유체 배출구 연결부(36) 속으로 통합될 수 있다. 외부 펌프(54)가 유체 유입구 연결부(38)를 통해서 제1 반응물 조성물(20)을 수소 발생기(10, 100) 속으로 다시 펌핑할 수 있다. 제1 반응물 조성물(20)은 튜브와 같은 유체 유입구 통로(40)를 통해서 반응 영역(16)으로 흐를 수 있다. 밸브들, 필터들 등과 같은 선택적인 특징체들이 유체 유입구 연결부(38) 속으로 통합될 수 있다. 제1 반응물 조성물(20)은, 유체 유입구 통로(40)의 단부에 있는 개구부로부터 직접적으로 빠져나가거나, 반응 영역(16)의 넓은 부분에 걸쳐서 제1 반응물 조성물을 분산시키기 위해 분산 부재(42)를 통해서 운반될 수 있다. 분산 부재(42)는 반응 영역(16) 속으로 연장되는 하나 이상의 구조물들을 포함할 수 있다. 구조물은, 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 본질적으로 선형적일 수 있고, 또는 전술한 바와 같은 다른 형상들을 가질 수 있다.
내부 또는 외부 펌프(54)가 사용될 때, 펌프는, 연료 전지 시스템 또는 전기 제품 내부의 연료 전지 또는 다른 배터리와 같은 외부 전원에 의해서, 적어도 초기에 전력을 공급받을 수 있다. 만약 펌프(54)가 컨테이너(12)(도 10) 내부에 있다면, 외부 전원으로의 연결이 전기 접점들(56)을 통해서 이루어질 수 있다. 대안적으로, 배터리가 적어도 펌프(54)를 시동하기 위해 컨테이너 내에 위치될 수 있다.
제2 반응물 조성물(22)은, 제1 반응물 조성물(20) 내의 제1 반응물과 반응하게 될 제2 반응물을 함유하는 고체 조성물일 수 있다. 제2 반응물 조성물(22)은 제2 반응물 및 임의의 요구되는 첨가제들을 포함하는 알갱이와 같은 통상적인 형태일 수 있다. 선택적인 촉매가 반응 영역 내에 또는 하류에 포함될 수 있다. 예를 들어, 촉매는, 반응 영역 격리실(32)에 또는 그 일부에 존재할 수 있고, 제2 반응물 조성물(22) 내에 분산될 수 있고, 또는 제1 반응물 조성물(20)의 일부로서 반응 영역 속으로 이송될 수 있다.
제1 반응물 조성물(20)이 제2 반응물 조성물(22)과 접촉함에 따라, 제1 및 제2 반응물은 수소 가스 및 부산물들을 생성하기 위해 반응한다. 수소 가스는 반응 영역(16)의 외부로 그리고 유출물 통로를 통해서, 수소 가스가 유출물 저장 영역(18)으로 들어가는, 유출물 유입구(46)로 유동한다. 수소 가스는, 반응하지 않은 반응물들 및 반응물 조성물들(20, 22)의 다른 구성성분들뿐만 아니라 부산물들을 포함하는, 유출물과 함께 운반된다. 반응 영역 격리실(32)이 사용되는 경우에, 유출물은 격리실(32) 내의 개구부를 통해서 반응 영역을 빠져나간다. 반응 영역 격리실(32)의 개구부는, 개구부를 개방 상태로 유지할 수 있는, 유출물 출구 노즐(44)을 포함할 수 있다. 유출물 출구 노즐(44)은 선택적으로, 제2 반응물의 활용도를 향상시키기 위해 반응 영역(16) 내의 제2 반응물 조성물(22)의 큰 조각들(large piece)을 유지하기 위한, 스크린을 포함할 수 있다. 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 유출물 통로는 유출물 출구 노즐(44)과 유출물 유입구(46) 사이에서 연장하는 튜브(미도시)와 같은 구조물일 수 있고, 또는 유출물 출구 노즐(44)과 유출물 유입구(46) 사이에 존재하거나 전개되는 공간들일 수 있다. 비록 반응물들의 대부분이 반응 영역(16) 내에서 반응하는 것이 바람직할 수 있으나, 유출물 내의 반응하지 않은 반응물들이 반응 영역(16)을 빠져나간 후에 계속 반응하도록 할 수 있다. 선택적인 이차적인 반응 영역(미도시)이, 주된 반응 영역(16)과 유출물 저장 영역(18) 사이에 포함될 수 있다. 새로운 제1 반응물 조성물(20)이, 주된 반응 영역(16)으로부터의 유출물 내의 반응하지 않은 제2 반응물와 반응하도록, 제2 유체 통로(미도시)를 통하는 것과 같이, 이러한 이차적인 반응 영역으로 직접 운송될 수 있다. 촉매가 이차적인 반응 영역 내부에 배치될 수 있다.
유출물 유입구(46)를 통해서 유출물 저장 영역(18)의 중심측 부분(proximal portion)으로 들어가는 수소 가스 및 유출물은, 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분을 향해서 필터(24, 26, 28)를 통해서 흐른다. 수소 가스 및 유출물이 필터(24, 26, 28)를 통해서 유동함에 따라서, 수소 가스가, 단일의 필터 구성부품일 수 있고 또는 도 9 및 10에 도시된 3개의 필터 구성부품(24, 26, 28)과 같은 복수 필터 구성부품일 수 있는, 필터(24, 26, 28)에 의해서 유출물의 고체 입자들로부터 분리된다. 전술한 바와 같이, 필터(24, 26, 28)는, 바람직하게 유출물 저장 영역(18)의 중심 부분으로부터, 수소 가스가 유출물 저장 영역(18)을 빠져나가는, 말단 부분을 향해서 다공도가 증가하는 것과 같이, 상이한 다공성들을 가지는 부분들 및/또는 필터 구성부품들을 가질 수 있다.
수소 가스는, 수소 발생기(10, 100)를 빠져나가기 전에, 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료(58)에 의해, 유출물 내의 액체들 및 임의의 잔류 고체들로부터 분리된다. 수소 가스는 수소 배출구 연결부(50)를 통해서 수소 발생기(10, 100)를 빠져나갈 수 있다. 수소 배출구 연결부(50)는 도 10에 도시된 바와 같은 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분 근처에 위치되거나, 도 9에 도시된 바와 같이 유출물 저장 영역(18)의 중심측 부분 근처와 같은 다른 위치에 위치하게 될 수 있다. 만약 수소 배출구 연결부(50)가 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분에 근접하지 않는다면, 수소 가스는, 수소 배출구 연결부 근처에서 중심측 단부를 가지고 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분 근처에서 말단부(52)를 가지는, 튜브와 같은 수소 배출구 통로(48)를 통해서 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분으로부터 수소 배출구 연결부(50)로 흐를 수 있다. 수소 가스는 말단부(52)를 통해서 수소 배출구 통로(48)에 진입할 수 있다. 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료(58)는, 바람직하게 말단부(52)에 또는 그 근처에 위치하게 되는, 멤브레인, 플러그, 또는 필터 요소와 같은 구성부품일 수 있고, 또는 수소 배출구 통로(48)의 적어도 일부가 높은 수소 투과성 및 낮은 액체 투과성 또는 액체 불투과성을 가지는 재료로 제작될 수 있다. 만약 수소 배출구 통로(48)의 일부만이 높은 수소 투과성 및 낮은 액체 투과성을 가지는 재료로 제작된다면, 바람직하게 그러한 부분은, 그러한 재료와 접촉하여 그러한 재료를 막음으로써 수소 가스가 유출물 저장 영역(18)을 빠져나는 것을 차단하는, 유출물 내의 고체들의 양을 최소화하기 위해, 말단 부분에 위치한다.
만약 수소 배출구 연결부(50)가 도 10에서와 같이 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분 근처에 위치된다면, 수소 발생기(10, 100)는, 수소 배출구 연결부(50)와 수소 투과성이자 액체 불투과성 재료(58) 사이에 위치하게 되는, 선택적인 격실(60)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 유출물 저장 영역(18)의 말단 부분 근처의 유출물 저장 영역 격리실(예를 들어, 가요성 백)의 적어도 일부분이 수소 투과성이자 액체 불투과성인 재료일 수 있다.
도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 유출물 저장 영역(18)은 반응물 저장 영역(14) 및 반응 영역(16) 모두와 부피 교환 상관관계를 가질 수 있다. 수소 발생기(10, 100)가 사용됨에 따라, 반응물 조성물(20)은, 더 작아지게 되는 제1 반응물 저장 영역(14)으로부터, 수소 및 부산물들을 생성하기 위해 반응함에 따라 제1 및 제2 반응물이 소모되는, 반응 영역(16)으로 운송된다. 수소 가스 및 유출물들은, 더 작아지게 되는 반응 영역(16)을 빠져나가고, 반응물 저장 영역(14) 및 반응 영역(16)이 잃게 되는 부피의 양의 적어도 일부를 획득함으로써 보다 커질 수 있는, 유출물 저장 영역(18)으로 유입된다. 유출물 저장 영역(18)이 커짐에 따라, 필터 또는 적어도 하나의 필터 구성부품(24, 26, 28)이 확대된 부피를 부분적으로 또는 완전히 채우고 수소 가스 및 유출물을 수용하도록 팽창한다. 영역들(14, 16, 18)의 상대적인 크기들, 형상들 및 위치들은, 유출물 저장 영역(18)이 반응물 저장 영역(14) 및 반응 영역(16) 중 적어도 하나와 바람직하게는 양자 모두와 부피 교환 상관관계에 있는 한, 전술한 바와 같이, 통로들, 연결부들 등과 같이, 변경될 수 있으며, 그리고 필터(24, 26, 28)는 초기에 압축되고 유출물 저장 영역(18)의 부피가 증가함에 따라 수소 발생기의 작동 도중에 팽창된다. 필터 구성부품들, 유체 연결부들, 통로들, 분산 부재들, 노즐들 등과 같은 다른 구성부품들의 위치들 또한, 영역들(14, 16, 18)이 도 9 또는 도 10에 도시된 배열이든지 또는 다른 배열이든지 간에, 변경될 수 있다.
수소 발생기(10, 100)는, 유출물 저장 영역(18) 및, 반응물 저장 영역(14)과 반응 영역(16)에 인접한 부분들 사이에, 도 10에 도시된 바와 같은, 선택적인 이동가능한 파티션(62)을 포함할 수 있으며, 이동가능한 파티션(62)은, 유출물이 유출물 저장 영역(18) 속으로 통과할 수 있는 유출물 유입구(46)가 있는 한, 수소 발생기(10, 100)의 작동 도중에 반응물 저장 영역(14)과 반응 영역(16) 작아지게 되고 유출물 저장 영역(18)이 커지게 됨에 따라, 상기 반응물 저장 영역(14) 및 상기 반응 영역(16)을 향해서 이동하도록 할 수 있다. 그러한 이동가능한 파티션(62)은 수소 발생기(10, 100)의 조립 도중에 필터 구성부품들(24, 26, 28)의 압축을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 수소 발생기(10, 100)는, 전술한 바와 같이, 도 9 또는 도 10에 도시되지 않은 다른 구성부품들을 포함할 수 있다.
다양한 재료들이, 전술한 것들을 포함하는, 수소 발생기에서의 사용에 적당하다. 선택되는 재료들은, 외부 환경으로부터의 재료들 뿐만 아니라 재료들이 접촉할 수 있는 다른 성분들(예를 들어, 반응물 조성물들, 촉매들, 유출물 물질들 및 수소 가스)에 의한 공격에 대해서 저항성이 있어야 한다. 재료들 및 그들의 중요한 성질들은 또한, 저장 및 사용 중에 예상되는 온도 범위들에 대해, 그리고 수소 발생기의 예상 수명에 걸쳐서 안정적이어야 한다.
하우징 및 내부 파티션에 적당한 재료들은, 금속들, 플라스틱들, 복합재료들 및 다른 것들을 포함할 수 있다. 바람직하게, 재료는, 폴리카보네이트와 같이 예상되는 내부 압력을 견딜 수 있는 강성 재료 또는, 스테인리스 스틸 또는 아노다이징된 알루미늄과 같은 금속이다. 하우징은, 수소 발생기의 구성부품들을 확실하게 유지하고 수소 가스가 유출되는 것을 방지하도록, 폐쇄되고 밀봉된 복수-구성부품 하우징일 수 있다. 나사들, 리벳들 등과 같은 체결구들, 접착제들, 핫 멜트들(hot melts), 초음파 본딩, 및 이들의 조합을 포함하는, 폐쇄 및 밀봉하기 위한 여러 가지 방법들이 사용될 수 있다.
가요성 격리실들에 적합한 재료들은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트 및, 알루미늄과 같은 금속의 층을 가지는 적층재료들(laminate)을 포함할 수 있다. 만약 탄성적인 격리실이 요구된다면, 적합한 재료들은 실리콘 및 고무들(rubbers)을 포함한다.
유체 반응물 조성물 및 유출물들을 운송하기 위해 사용되는 튜브 등에 적합한 재료들은, 실리콘, TYGON® 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함할 수 있다.
필터들 및 필터 구성부품들에 적합한 재료들은, 발포체 재료들이 포함될 수 있다. 발포체 재료는 개방형 셀 구조(개방형 셀 발포체) 또는 폐쇄형 셀 구조(폐쇄형 셀 발포체)를 가질 수 있다. 일반적으로, 발포체 필터의 주요 부분은 개방형 셀 구조를 가질 것이다. 일부 실시예들에서, 필터 구성부품 또는 그의 일부분이 폐쇄형 셀 구조 또는, 요구되는 다공성 및 고체들, 액체들 및 가스들에 대한 투과성에 의존하는, 하나 이상의 표면 상의 외피(skin)를 가질 수 있다. 필터 구성부품들은, 바람직하게 신속한 회복력(낮은 압축 설정/높은 회복력)을 갖는, 탄성중합체 발포체들로 제작될 수 있다. 탄성중합체는, 예를 들어 탄력적으로 경화된, 가교-결합된 또는 가황처리된 탄성중합체일 수 있을 것이다. 적합한 탄성중합체 재료들의 예들은: 폴리우레탄 탄성중합체, 폴리에틸렌, 폴리클로로프렌(네오프렌), 폴리부타디엔, 클로로 이소부틸렌 이소프렌, 클로로술포네이티드 폴리에틸렌, 에피클로로히드린, 에틸렌 프로필렌, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 에틸렌 비닐 아세테이트, 수소화된 니트릴 부타디엔, 폴리이소프렌, 이소프렌, 이소프렌 부틸렌, 부타디엔 아크릴로니트릴, 스틸렌 부타디엔, 플루오로 탄성중합체, 실리콘, 및 이들의 유도체 및 이들의 조합들 중 하나 이상을 포함한다.
필터 구성요소들 위해서 사용될 수 있는 다른 재료들은, 망상 폴리에스터들(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리이미드, 멜라민, 나일론, 유리섬유, 폴리에스터 울, 및 아크릴 실(yarn)과 같은 망상의 재료들(reticulated materials)이 포함된다. 전술한 바와 같이, 필터는, 필터를 팽창시키기 위한 다른 수단이 제공된다면, 반드시 압축된 후에 자체적으로 팽창할 수 있는 재료로 제작되어야 하는 것은 아니다.
분산 부재에 적합한 재료들은, 내부에 형성되는 홀들 또는 슬릿들을 구비하는, 실리콘 고무, TYGON® 및 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 불화 에틸렌-프로필렌(FEP)과 같은 재료들로 제작되는 튜브형 또는 다른 중공형 구성부품들과 같은 액체 불투과성 부재; 유체 반응물 조성물이 통과하는 것을 허용할 수 있는 또는 유체 반응물 조성물을 모세관 현상으로 이송할 수 있는, 면, 나일론, 아크릴, 폴리에스터, ePTFE, 또는 용융된 유리(fritted glass)와 같은 재료로 제작되는 액체 투과성 부재; 또는 내부에 형성되는 홀들 및 슬릿들을 구비하며 유체 반응물 조성물을 모세관 현상으로 이송할 수 있는 재료 내에 둘러싸이거나, 그러한 재료에 의해 둘러싸이거나 그러한 재료로 코팅되는, 중공형 액체 불투과성 부재와 같은, 조합을 포함할 수 있다.
여기서 인용되는 모든 참조들은 명시적으로 그들 전체가 참조로 여기에 통합된다. 참조로 통합되는 공개공보들 및 특허들 또는 특허 출원들이 어느 정도 본 명세서에 포함되는 개시와 충돌하지만, 본 명세서는 임의의 그러한 충돌되는 것을 대체함과 더불어 보다 상위의 것을 취하고자 한다.
개시된 개념들의 사상으로부터 벗어나지 않고도 여러 가지 수정들 및 개선들이 발명에 대해서 이루어질 수 있다는 것이 본 발명을 실행하는 자 및 당업자에 의해 이해될 것이다. 제공되는 보호 범위는 특허청구범위 의해 그리고 법에 의해서 허용되는 해석 범위에 의해 결정되어야 한다.

Claims (24)

  1. 컨테이너; 부피를 구비하고 제1 반응물을 포함하는 액체를 수용하는, 상기 컨테이너 내부의 제1 반응물 저장 영역; 부피를 구비하는, 상기 컨테이너 내부의 반응 영역; 부피를 구비하는, 상기 컨테이너 내부의 유출물 저장 영역; 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 상기 반응 영역까지의 액체 통로; 상기 반응 영역으로부터 상기 유출물 저장 영역까지의 유출물 통로; 상기 유출물 저장 영역 내에 수용되는 압축된 필터; 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품; 및 수소 배출구를 포함하는, 수소 발생기를 사용한 수소 가스 생성 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 제1 반응물 저장 영역으로부터, 상기 유체 통로를 통해서, 상기 반응 영역으로 상기 제1 반응물을 이동시키는 단계;
    수소 가스 및 유출물을 생성하기 위해서 상기 반응 영역에서 상기 제1 반응물을 반응시키는 단계;
    상기 수소 가스 및 유출물을 상기 반응 영역으로부터, 상기 유출물 통로를 통해서, 상기 유출물 저장 영역으로 이동시키는 단계; 및
    상기 수소 가스를 상기 필터 및 상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품을 통해서 배출구로 통과시키는 단계를 포함하고;
    여기서:
    상기 제1 반응물이 상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 이동되고, 상기 수소 가스 및 상기 유출물이 상기 반응 영역으로부터 유출물 저장 영역으로 이동됨에 따라, 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두가 감소되고, 상기 필터가 팽창하며, 그리고 상기 유출물 저장 영역의 부피가 증가하고;
    이동가능한 파티션이 상기 유출물 저장 영역을 상기 제1 반응물 저장 영역 및 상기 반응 영역 중 적어도 하나로부터 분리시키고;
    상기 필터의 일부분이 상기 이동가능한 파티션에 부착되며; 그리고
    상기 수소 배출구로 통과되는 모든 수소 가스가 상기 유출물 저장 영역을 통과하는 것인 수소 가스 생성 방법.
  2. 컨테이너;
    부피를 구비하고 제1 반응물을 포함하는 유체를 수용하도록 구성되는, 상기 컨테이너 내부의 제1 반응물 저장 영역;
    부피를 구비하는 상기 컨테이너 내부의 반응 영역;
    상기 제1 반응물 저장 영역으로부터 상기 반응 영역까지의 액체 통로;
    부피를 구비하고 상기 반응 영역 내부에서의 제1 반응물의 반응에 의해서 생성되는 수소 가스 및 유출물을 저장하도록 구성되는, 상기 컨테이너 내부의 유출물 저장 영역;
    상기 반응 영역으로부터 상기 유출물 저장 영역까지의 유출물 통로;
    상기 유출물 저장 영역 내부의 초기에 압축된 필터;
    상기 유출물 저장 영역과 유체 소통하는 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품; 및
    수소 배출구를 포함하는, 수소 발생기에 있어서,
    상기 수소 발생기의 작동 도중에, 상기 초기에 압축된 필터가 상기 유출물의 일부를 수용하기 위해서 팽창되도록 구성되고, 상기 유출물 저장 영역의 부피가 증가되도록 구성되며, 그리고 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 중 적어도 하나가 감소되도록 구성되고;
    이동가능한 파티션이 상기 유출물 저장 영역을 상기 제1 반응물 저장 영역 및 상기 반응 영역 중 적어도 하나로부터 분리시키며;
    상기 필터의 일부분이 상기 이동가능한 파티션에 부착되며; 그리고
    상기 제1 반응물은 수소 가스를 생성하기 위해 반응할 수 있고, 상기 수소 가스는 모두 상기 수소 배출구에 도달하기 위해서 상기 유출물 저장 영역의 일부분을 반드시 통과하여야 하는 것인 수소 발생기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터는, 상기 수소 발생기의 작동 도중에, 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되는 것인 수소 발생기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수소 발생기는, 상기 수소 발생기의 작동 도중에, 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피, 상기 반응 영역의 부피, 또는 상기 제1 반응물 저장 영역의 부피 및 상기 반응 영역의 부피 모두를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되는 편향된 구성부품을 더 포함하는 것인 수소 발생기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 압축 이전에 상이한 다공성을 가지는 적어도 2개의 영역들을 포함하는 것인 수소 발생기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 필터는 압축 이전에 각각 상이한 다공성을 가지는 2개의 구분된 구성부품을 포함하는 것인 수소 발생기.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    압축 이전에 가장 큰 다공성을 갖는 상기 영역은 상기 유출물 통로에 가장 근접하고, 가장 적은 다공성을 갖는 상기 영역은 상기 수소 배출구에 가장 근접한 것인 수소 발생기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 상기 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지지 않는 재료를 포함하는 것인 수소 발생기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유출물 저장 영역으로의 유출물 유입구에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지지 않는 것인 수소 발생기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지는 재료를 포함하는 것인 수소 발생기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액체 불투과성이자 가스 투과성의 구성부품에 근접한 상기 필터의 일부분이 유출물 내의 액체에 대한 친화력을 가지는 것인 수소 발생기.
  12. 제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 개방형 셀 발포체를 포함하는 것인 수소 발생기.
  13. 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동가능한 파티션은 상기 유출물 저장 영역 내부의 가요성 유출물 격리실을 포함하고, 상기 가요성 유출물 격리실은 부피를 구비하며, 그리고 상기 필터는 상기 가요성 유출물 격리실의 일부분 내에 수용되고 그 일부분에 부착되는 것인 수소 발생기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이동가능한 파티션은 상기 가요성 유출물 격리실에 인접한 강성 벽을 더 포함하는 것인 수소 발생기.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 가요성 유출물 격리실의 상기 부피는 상기 수소 발생기의 작동 도중에 증가되도록 구성되는 것인 수소 발생기.
  16. 제 2 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동가능한 파티션은 상기 필터를 팽창시키기 위해서 상기 필터를 당기는 것인 수소 발생기.
  17. 제 2 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 탄성 재료를 포함하며, 그리고 상기 필터는 상기 필터 내의 압축 응력의 감소의 결과로서 팽창하는 것인 수소 발생기.
  18. 제 2 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반응물은 상기 제1 반응물 저장 영역 내부의 가요성 제1 반응물 격리실 내부에 초기에 수용되는 것인 수소 발생기.
  19. 제 2 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생기는 제2 반응물을 더 포함하는 것인 수소 발생기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2 반응물은 상기 반응 영역 내부의 가요성 제2 반응물 격리실 내부에 초기에 수용되는 것인 수소 발생기.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 가요성의 제2 반응물 격리실은, 상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물이 반응함에 따라, 상기 제2 반응물 격리실의 부피를 감소시키기 위한 힘을 작용시키도록 구성되는 편향 구성부품으로 둘러싸이는 것인 수소 발생기.
  22. 제 2 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는 수소화 붕소를 포함하는 것인 수소 발생기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 반응물 및 상기 제2 반응물 중 적어도 하나는, 산 및 금속 화합물 촉매 중 적어도 하나를 포함하는, 조성물의 일부인 것인 수소 발생기.
  24. 제 2 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 영역은 촉매를 더 포함하는 것인 수소 발생기.
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