KR20140079364A - 수소를 생산하기 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents

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Abstract

전기-활성화된 물질을 이용하는 수소 생산을 위한 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들이 제공된다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 탄소는 전기-활성화될 수 있고, 수소를 발생시키도록 물 및 알루미늄과 같은 연료와의 화학 반응에 사용될 수 있으며, 부산물들은 전기-활성화된 탄소와 산화알루미늄 또는 수산화알루미늄이다. 상기 반응의 조절과 알루미늄 및 전기-활성화된 탄소의 양들은 수소 발생의 원하는 속도로 요구에 따라 수소를 제공할 수 있다.

Description

수소를 생산하기 위한 방법들 및 시스템들{METHODS AND SYSTEMS FOR PRODUCING HYDROGEN}
본 발명은 수소를 생산하기 위한 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 화학 반응들로부터 수소를 생성하기 위한 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 7월 25일에 출원된 미합중국 특허 출원 제61/511,322호 및 2012년 1월 30일에 출원된 미합중국 특허 출원 제61/592,284호를 우선권들로 수반하며, 이의 개시 사항들은 여기에 참조로 포함된다.
수소는 탄소-기반 연료들을 대체하는 유망한 에너지로 여겨질 수 있다. 에너지 공급원 또는 연료로써 수소의 생산 및 사용에 관련되어서 다양한 기술들이 개발되었다. 수소가 탄소-기반 연료를 대체하는 깨끗하고 바람직한 에너지로 여겨질 수 있는 반면에, 다른 형태의 에너지와 대조적으로 에너지 공급원으로서 수소에 관하여 다양한 난관들이 존재할 수 있다. 그러한 난관들은 일반적으로 수소를 효율적이고, 안전하고 경제적으로 생산, 운반 및 저장할 수 있는 능력을 포함할 수 있다.
수소를 생산하는 하나의 접근법은 열화학적(thermochemical) 공정들을 포함할 수 있다. 이러한 하나의 공정은 고온(예를 들면, 대략 800℃ 이상)에서 황-요오드 화합물(sulfur-iodine compound)과 물 사이에 화학 반응들을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 상기 공정은 물 분자(H2O)를 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 결과를 야기할 수 있다. 상기 황-요오드 용액은 상기 공정에서 재활용될 수 있으므로, 수소와 산소 이외에 다른 유해한 부산물이 없을 수 있다.
수소를 생산하는 다른 접근은 물의 전기 분해(electrolysis)를 포함할 수 있다. 전기 분해는 패러데이의 법칙에 따라 전기의 사용을 요구한다. (전기의 공급을 넘어서는)다른 에너지 공급원의 도움 없이는, 전기 분해는 수소를 생산하는 상대적으로 비효율적인 공정일 수 있다. 실제로, 소모되는 전기 에너지가 생산되는 수소보다 더 귀중할 수 있다. 전기 분해를 경제적으로 실행 가능한 공정으로 만들기 위해서, 다른 에너지 공급원이 상기 공정에 통합될 수 있다. 예를 들면, 고온 전기 분해는 고온 열 공급원을 이용하여, 물을 가열하고 상기 물 분자들을 수소와 산소로 분해하는데 필요한 전기 에너지의 양을 효과적으로 감소시켜 보다 높은 효율을 달성한다. 다른 접근은 천연 가스 또는 메탄올과 같은 화석 연료들로부터 수소를 추출(extraction)하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 복잡하고, 이산화탄소와 같은 잔류물을 야기할 수 있다. 또한, 미래에는 사용 가능한 화석 연료의 양에 대한 범세계적인 제한이 있다.
상기 수소 생산이 효과적이고 효율적이며 안전한 방식으로 수행될 수 있도록, 수소 생산을 다루는 다른 접근들이 요구된다. 수소-기반 경제는 지속가능한 성장을 위해서 장기간, 환경-친화적 에너지가 될 수 있다. 전력에 대한 범세계적 수요가 증가하고, 온실 가스 배출 규제가 엄격해지며, 화석 연료 비축량이 줄어듦에 따라, 수소에 대한 증가하는 수요가 발생할 수 있다.
전술한 문제점들의 적어도 일부는 본 발명에 따른 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들에 의해 처리될 수 있다. 본 발명은 요구에 따라 수소(HOD)를 생산할 수 있는 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들을 기술하며, 이들은 압력 탱크 내에 수소를 저장하는 것이 불필요하게 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 수소의 연속적인 생산을 조절하고 지속하는 것을 가능하게 하는 방법들 및 장치들을 기술한다. 상기 조절되고 지속적인 수소의 생산은, 예를 들면, 물, 알루미늄 및 전기-활성화된 물질(예를 들면, 전기-활성화된(electro-activated) 탄소)로 화학 반응을 제공함에 의해 구현될 수 있다. 이러한 화학 반응은 다양한 생산율들로 수소를 생산할 수 있으며, 상기 수소는, 예를 들면, 수소-생산 셀에 의해 제공될 수 있다. 전기-활성화된 탄소의 사용은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 육상 차량들, 선박들 및 대양을 횡단하는 선박들을 위한 연료 같은 다양한 용도들을 위하여 그리고 또한 상업적인 발전소들 및 멀리 떨어진 위치들 내의 다른 발전소들을 위한 동력원으로서 수소를 위한 높은 생산율을 제공하는 것을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 물과 전기-활성화된 탄소를 반응시켜 간단하고, 안전하며 오염이 없는 금속 산화를 이용하여 사용자 시스템에 인접하는 안전하고, 내부에 탑재되며 요구에 따른 수소의 생산을 제공할 수 있는 방법들 및 시스템들을 더 기술한다. 상기 예시적인 실시예들에서의 전기-활성화된 탄소는 높은 생산율 및 대용량의 수소의 생산을 제공할 수 있다. 이는 또한, 예를 들면 휴대폰과 같은 보다 작은 연료 셀들이 요구될 수 있는 응용들을 위한 낮은 유량을 제공할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 수소 생산을 위한 촉매를 생성하는 방법이 제공될 수 있으며, 탄소 물질을 전기-활성화시키도록 상기 탄소 물질에 전기 에너지를 제공하는 단계 및 수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소 물질을 사용하는 단계를 포함한다. 상기 탄소 물질은 물을 포함하는 액체 조성물 내에 제공될 수 있고, 상기 액체 조성물은 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 전기 에너지는 대략 6 암페어-시로 제공될 수 있다. 상기 탄소 물질은 순수한 탄소, 고체 탄소, 분쇄된 탄소, 소결된 탄소, 탄소 복합체들, 목탄, 가압된 탄소, 탄소 블록들, 흑연, 탄소 과립들, 입상 활성 탄소 또는 석탄의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 수소를 생산하는 방법이 제공될 수 있으며, 전기-활성화된 탄소를 액체 조성물과 결합하는 단계 및 수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 액체 조성물의 결합 사이에 화학 반응을 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 전기-활성화된 탄소 및 액체 조성물을 연료와 결합하는 단계, 그리고 수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소, 액체 조성물 및 연료의 결합 사이에 화학 반응을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 연료는 순순한 알루미늄, 알루미늄 분말, 알루미늄 과립들 또는 알루미늄 부스러기들이 될 수 있다.
상기 방법은 요구에 따라 수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소, 물 및 연료의 결합의 화학 반응을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 화학 반응은 수소의 생산을 증가시키도록 상기 결합을 가열하여 조절될 수 있고, 수소의 생산을 감소시키도록 상기 결합을 냉각시켜 조절될 수 있다. 상기 결합은 대략 화씨 150도 내지 대략 화씨 190도의 온도 범위로 가열될 수 있다. 상기 화학 반응은 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 액체 조성물 및 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 첨가하여 조절될 수 있으며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 액체 조성물 및 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 제거하여 조절될 수 있다. 상기 액체 조성물은 물, 수돗물, 하수, 고칼슘 수, 소금물, 바닷물, 알칼리 수 또는 산성 수를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 수소 생산을 위한 촉매를 생성하는 시스템이 제공될 수 있으며, 탄소 물질을 갖는 활성화 셀(activation cell) 및 상기 활성화 셀 내의 탄소 물질을 전기-활성화시키기 위해 전기 에너지를 제공하도록 구성되는 장치를 포함한다. 상기 탄소 물질은 상기 활성화 셀 내에서 물을 포함하는 액체 조성물 내에 제공될 수 있고, 상기 액체 조성물은 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 대략 6 암페어-시로 전기 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 탄소 물질은 순수한 탄소, 고체 탄소, 분쇄된 탄소, 소결된 탄소, 탄소 복합체들, 목탄, 가압된 탄소, 탄소 블록들, 흑연, 탄소 과립들, 입상 활성 탄소 또는 석탄의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 수소를 생산하는 시스템이 제공될 수 있으며, 액체 조성물 및 전기-활성화된 탄소를 갖는 용기, 그리고 수소를 생산하도록 상기 액체 조성물 및 전기-활성화된 탄소 사이에 화학 반응을 발생시키기 위한 장치를 포함한다. 상기 시스템은 상기 액체 조성물 및 전기-활성화된 탄소와 함께 상기 용기 내에 제공되는 연료를 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 장치는 수소를 생산하도록 상기 액체 조성물, 전기-활성화된 탄소 및 연료 사이에 화학 반응을 발생시킨다. 상기 연료는 순수한 알루미늄, 알루미늄 분말, 알루미늄 과립들 또는 알루미늄 부스러기들의 하나가 될 수 있다.
상기 시스템은 요구에 따라 수소를 생산하도록 상기 액체 조성물, 전기-활성화된 탄소 및 연료 사이의 상기 화학 반응을 조절하는 하나 또는 그 이상의 메커니즘들(mechanisms)을 더 포함할 수 있다. 상기 하나 또는 그 이상의 메커니즘들은 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 액체 조성물, 전기-활성화된 탄소 및 연료의 결합을 가열할 수 있으며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 액체 조성물, 전기-활성화된 탄소 및 연료의 결합을 냉각시킬 수 있다. 상기 하나 또는 그 이상의 메커니즘들은 전기-활성화된 탄소, 물 및 연료의 결합을 대략 화씨 150도 내지 대략 화씨 190도의 온도 범위까지 가열할 수 있다. 상기 화학 반응은 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 액체 조성물 및 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 첨가하여 조절될 수 있으며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 액체 조성물 및 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 제거하여 조절될 수 있다. 상기 액체 조성물은 물, 수돗물, 하수, 고칼슘 수, 소금물, 바닷물, 알칼리 수 또는 산성 수를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들은 물과 같은 액체 조성물로부터 수소 발생을 가능하게 한다. 또한, 부산물들은 잠재적으로 보다 많은 알루미늄을 생성하는 재생을 위한 물질의 오염이 없는 소스가 될 수 있다.
본 발명의 전술한 목적들 및 다른 목적들은 첨부된 도면들 및 특허 청구 범위와 함께 다음의 상세한 설명을 고려하여 명확해질 것이며, 첨부된 도면들에서 동일한 부품들에 대해서는 동일한 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 수소를 생산하는 데 이용될 수 있는 촉매를 제조하는 데 사용되는 활성화 셀을 예시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소의 생산을 위한 시스템을 예시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소의 생산을 위한 시스템을 예시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 차량을 위한 연료로서 수소를 제공하는 시스템을 예시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 보일러 시스템을 예시한다.
도면들에 있어서, 동일한 참조 부호들 및 문자들은 다르게 설명되지 않는 한, 예시된 실시예들의 동일한 특징들, 요소들, 구성 성분들 또는 부분들을 나타내는 데 사용된다. 더욱이, 이하에서 본 발명을 상기 도면들을 참조하여 상세하게 설명하지만, 이는 예시적인 실시예들과 함께 이루어진다. 본 발명의 진실한 범주 및 사상을 벗어나지 않고 기재된 실시예들에 대해 변경들과 변형들이 이루어질 수 있도록 의도된다.
이하, 본 발명에 따른 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들이 도면들의 참조를 포함하여 설명된다.
처음에, 본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 수소 생성 촉매를 제조하는 방법 및 시스템이 기술된다. 도 1은 수소를 생산하는 데 이용될 수 있는 촉매를 제조하는 데 사용되는 활성화 셀(activation cell)(100)의 도면을 나타낸다. 도 1의 예시적인 실시예에 있어서, 상기 물질은 탄소가 될 수 있다. 상기 탄소는 다양한 형태들의 탄소 중의 임의의 형태가 될 수 있으며, 본 발명이 어떤 특정한 형태의 탄소에 제한되는 것은 아니다.
상기 활성화 셀(100)은 애노드(102) 및 캐소드(104)를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 애노드(102)는 상기 활성화 셀(100)의 제1 측면(100a)을 따라 상기 활성화 셀(100) 내에 위치할 수 있고, 상기 캐소드(104)는 상기 활성화 셀(100)의 제2 측면(100b)을 따라 상기 활성화 셀(100) 내에 놓여질 수 있다. 상기 애노드(102)는 금속 애노드가 될 수 있고, 상기 캐소드(104)는 금속 캐소드가 될 수 있으며, 스테인리스 스틸, 철, 아연 도금 철, 탄소 및/또는 다른 금속들과 같은 임의의 유형의 금속이 상기 애노드(102) 및 캐소드(104)를 위해 사용될 수 있고, 본 발명이 임의의 유형의 금속에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속은 전기적으로 도전성일 수 있고 부식에 대해 저항성을 가질 수 있다.
물(108)이나 다른 액체를 함유하는 물 또는 다른 적절한 액체 조성물과 같은 액체 조성물이 상기 활성화 셀(100) 내에 제공될 수 있으며, 물에 한정되는 것은 아니다. 상기 물(108)은 수돗물, 여과된 물, 소금물, 바닷물 및/또는 다른 형태들의 물이 될 수 있다. 탄소(106)와 같은 물질이, 예를 들면, 목탄(charcoal) 또는 흑연(graphite)의 형태로 상기 활성화 셀(100) 내의 상기 물(108)예 제공될 수 있으므로, 이는 전기-활성화될 수 있다. 상기 활성화 셀(100)은 환기와 상기 물(108) 및 탄소(106)의 배치를 위해 상부 표면상에서 개방될 수 있다. 상기 물(108)은, 예를 들면, 전기-활성화되는 물질을 커버하도록 충분한 양이 될 수 있다. 상기 활성화 셀(100)은 잘 환기되는 영역 내에 놓여질 수 있으므로 전기-활성화 공정 동안에 상기 액체로부터 생성되는 임의의 가스가 환기될 수 있다.
전해질은 상기 물(108) 및 탄소(106)와 함께 상기 활성화 셀(100) 내로 배치될 수 있으며, 이는 보다 전기적으로 도전성인 상기 물(108) 및 탄소(106)의 혼합물을 만들 수 있다. 사용될 수 있는 전해질들의 예들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 중탄산나트륨(sodium bicarbonate), 염화나트륨(sodium chloride) 또는 수산화칼륨(potassium hydroxide)을 포함한다. 상기 전기-활성화는 또한 전해질의 첨가 없이 수행될 수 있으며, 상기 전해질이 상기 물에 첨가되지 않을 때에 상기 물 및 탄소가 덜 전기적으로 도전성이므로 보다 높은 전압이 사용될 수 있다. 전기 에너지가 상기 탄소(106)를 전기-활성화시키도록 상기 물(108) 및 탄소(106)의 혼합물을 통과할 수 있다. 예를 들면, 전류와 같은 형태로 전기 에너지가 대략 6 암페어-시(ampere-hours)의 값에 도달할 때까지 상기 물(108) 및 탄소(106)의 혼합물을 통과할 수 있다. 또한, 예를 들면, 대략 4볼트로부터 대략 200볼트까지와 같은 전압의 범위가 사용될 수 있다. 통상적으로, 대략 12볼트 내지 대략 150볼트의 범위 내의 전압이 이용된다. 본 발명의 예시적인 실시예들이 임의의 암페어-시 또는 전압에 한정되는 것은 아니며, 이에 제한되는 것은 아니지만 물의 양, 물질(예를 들면, 탄소)의 양, 상기 활성화 셀의 크기와 같은 다양한 인자들 및/또는 상기 셀의 기하학적 구조의 함수가 될 수 있는 전류 밀도(예를 들면, 제공 센티미터 당 암페어)를 포함하는 다른 인자들에 근거하여 조절들이 이루어질 수 있다.
상기 촉매 활성화 셀(100)은, 예를 들면 대략 5 암페어 이하의 낮은 전류에서 동작하도록 설계될 수 있으며, 상기 촉매 활성화 셀(100) 내의 소비 전력으로 인해 과열이 없이 계속적으로 동작할 수 있다. 이는 상기 물질(예를 들면, 탄소)의 전기-활성화를 제공할 수 있고, 이에 따라 상기 물질을 전기-활성화된 물질로 변환시킬 수 있다. 상술한 예시적인 실시예들에 있어서, 탄소는 전기-활성화된 탄소로 변환될 수 있으며, 이는 촉매 탄소(catalytic carbon)로 언급될 수 있다. 전기-활성화된 탄소 및 촉매 탄소는 본 발명에서 상호 교환적으로 사용된다. 낮은 전류에서 전기-활성화되는 탄소는 상기 전기-활성화가, 예를 들면, 과도한 전류, 과도한 온도 또는 상기 셀로부터의 과도한 가스 방출의 경우에 개입하도록 모니터될 필요가 없다는 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 상기 촉매 활성화 셀(100)은 6 암페어-시와 같은 보다 높은 에너지 레벨들에서 동작하도록 설계될 수 있으며, 이는 예를 들면, 1 암페어의 전류에서 6 시간 동안 또는 2 암페어의 전류에서 3 시간 동안 전류를 제공함에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 다른 시간들과 전류들이 6 암페어-시를 구현하도록 사용될 수 있다. 본 발명이 어떤 특정한 암페어-시에 한정되는 것은 아니며, 다른 암페어-시 처리들도 상기 탄소의 촉매 변형을 생성할 수 있다.
상기 촉매 탄소(전기-활성화된 탄소(106))는 이후에 상기 활성화 셀(100)로부터 제거될 수 있고, 원하는 경우에 건조될 수 있다. 일단 건조되면, 상기 촉매 탄소는 저장 및/또는 선적하기에 보다 용이해질 수 있다. 상기 촉매 탄소는, 예를 들면, 공기 건조, 공기 내에서 가열 및/또는 다른 유형들의 가열/건조 메커니즘들(mechanisms) 및/또는 방법들에 의해 건조될 수 있다. 다른 건조 방법들/공정들이 이용될 수 있고, 표준 실온으로부터 화씨 200도까지의 온도들이 이용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 촉매 반응들
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 화학 반응이:
2Al＋6[H20]＋C ＝> C＋2[Al(0H)3]＋3H2 반응식 (1)
이용될 수 있으며, 여기서 Al은 알루미늄이고, H는 수소이며, O는 산소이고, C는 상술한 공정에 의해 형성되는 상기 전기-활성화된 탄소(또는 촉매 탄소)이다. 이러한 예시적인 촉매 반응에 있어서, 상기 알루미늄 및 물(H20)은 상기 촉매 탄소와 함께 연료들로 사용될 수 있고, 수소(H2)가 생산될 수 있으며 여기서 부산물은 수산화알루미늄(Al(OH)3)이다. 이러한 예시적인 반응에 있어서, 물 및 알루미늄은 소모될 수 있는 연료들이며, 상기 촉매 탄소 C는 촉매일 수 있다. 물을 가지거나 물과 유사한 성질들을 가지는 다른 액체 조성물들도 사용될 수 있다.
동일한 반응이 다음과 같이 표시될 수 있다:
2Al＋3[H20]＋C ＝> C＋Al203＋3H2 반응식 (2)
여기서 Al은 알루미늄이고, H는 수소이며, O는 산소이고, C는 상술한 공정에 의해 형성되는 상기 전기-활성화된 탄소(촉매 탄소)이다. 이러한 예시적인 화학 반응에 있어서, 상기 알루미늄과 물(H20)은 상기 촉매 탄소와 함께 연료로 사용될 수 있고, 수소(H2)가 생성될 수 있으며 여기서 부산물은 산화알루미늄(Al203)이다. 수산화알루미늄은 상기 수산화알루미늄으로부터 물을 제거하도록 건조될 때에 산화알루미늄으로 환원될 수 있다. 상기 수소를 생성하는 반응이 물 속에서 수행될 수 있기 때문에, 수산화알루미늄 생성물을 보이는 반응식 (1)이 가장 많이 이용되는 반응이지만, 산화알루미늄을 보이는 반응식 (2)도 상기 화학 반응을 기술하는 경우에 이용될 수 있다. 이러한 예시적인 반응에 있어서, 물과 알루미늄은 소모될 수 있는 연료들이며, 상기 촉매 탄소 C는 촉매가 될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 많은 다른 형태들의 탄소가 촉매 탄소를 생성하도록 상술한 바와 같이 전기-활성화될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 수행되는 다양한 실험들에 있어서, 수소가 많은 형태들의 탄소를 사용하여 생산될 수 있는 점이 나타내어지고, 이는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 순수한 탄소, 고체 또는 분쇄된 탄소, 소결된 탄소, 탄소 복합체들, 목탄, 가압된 탄소(예를 들면, 평판들의 형상으로), 화학 바인더들로 형성될 수 있는 탄소 블록들(예를 들면, 전기 모터 브러시들), 흑연(예를 들면, 분말화된 탄소), 탄소 과립들(예를 들면, 방취제들로 사용을 위한), 예를 들면, 물 정화/여과를 위해 사용될 수 있는 입상 활성 탄소(GAC) 및/또는 석탄(괴탄(lumped coal) 또는 분쇄/미분 석탄)을 포함한다.
또한, 연료가 수소를 발생시키기 위해 요구되지 않을 수 있다. 실험들은 다음의 반응식에 따라 물 또는 물을 함유하는 액체 조성물과 촉매 탄소 단독으로 수소를 생성할 수 있는 점을 나타낸다.
H20＋CC ＝> CC＋H＋OH 반응식 (3)
그러나, 연료는 반응식 (1) 및 반응식 (2)에서 나타낸 화학 반응들에서 수소의 생산 속도를 증가시킬 수 있다. 수소 원자들이 발생될 때, 이들은 H＋H ＝> H2(가스)에서와 같이 결합하려는 경향을 보일 수 있으며, 이는 토펠(Toffel) 반응으로 언급된다. H＋OH ＝> H20의 수소가 H2 가스의 형태로 해리되는 것을 방지할 수 있는 "재결합(recombination)" 반응과 같은 경쟁 반응이 같이 일어날 수 있다.
알루미늄과 같은 연료는 이러한 반응에서 상기 전기-활성화된 탄소 및 알루미늄을 갖는 상기 액체 조성물 내에서와 같이 OH 기들(groups)이 상기 알루미늄(Al)과 결합하여 유리(결합되지 않은) OH 기들의 축적이 크게 방지될 수 있고, H20를 형성하는 수소 원자들과의 재결합이 방지될 수 있는 것에 도움이 될 수 있다.
다른 원소들, 알루미늄과 동일한 효과를 갖는 화학 물질들이나 연료들과 같은 다른 원소들도 사용될 수 있다. 예를 들면, 이에 한정되는 것은 아니지만, 리튬(Li)(수산화리튬을 형성할 수 있는), 나트륨(Na)(수산화나트륨을 형성할 수 있는), 칼륨(K)(수산화칼륨을 형성할 수 있는), 루비듐(Rb)(수산화루비듐을 형성할 수 있는) 및 세슘(Cs)(수산화세슘을 형성할 수 있는)과 같이 하나의 OH 기를 결속하는 화학 물질들이 유용할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 칼슘(Ca)(수산화칼슘을 형성할 수 있는), 스트론튬(Sr)(수산화스트론튬을 형성할 수 있는) 및 바륨(Ba)(수산화바륨을 형성할 수 있는)과 같이 2개의 OH 기들을 결속할 수 있는 다른 화학 물질들이 보다 유용할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 알루미늄의 각 원자가 3개의 OH 기들을 결속함에 따라 수산화알루미늄(Al[OH]3)이 되는 연료로서의 알루미늄, 비싸지 않고 안전한 알루미늄, 그리고 OH 기들보다 높은 화학 결합 에너지를 가질 수 있는 알루미늄을 제공할 수 있다. 4개 또는 5개만큼 많은 OH 기들을 결속할 수 있는 산화바륨(BaO)과 같은 일부 화학 물질들이 심지어 보다 유용할 수 있다. 일부 실험들은 비록 일부 안전성 문제들이 있고 일반적으로 알루미늄 보다는 비쌀 수 있지만 산화바륨이 수소 생산에 관해 매우 우수한 연료가 될 수 있는 점을 보여준다.
실험들은, 물질 예를 들면 탄소의 전기-활성화가 수소 생산을 증가시킬 수 있는 지를 판단하도록 수행되었다. 각 실험에 있어서, 촉매가 알루미늄 및 물 혼합물과 함께 사용되었다. 실험예 1에 있어서, 전기-활성화되지 않은(non-electro-activated) 탄소가 촉매로 사용되었다. 실험예 2에 있어서, 세척되지 않은 전기-활성화된 탄소가 촉매로 사용되었다. 실험예 3에 있어서, 세척된 전기-활성화된 탄소가 촉매로 사용되었으며, 여기서 상기 전기-활성화된 탄소는 상기 탄소의 전기-활성화 후에 물로 린스(rinse)되었다.
실험예 1
실험예 1에 있어서, 탄소(즉, 목탄)가 전기-활성화되지 않은 촉매로 사용되었다. 상기 챔버는 세척되었고, 대략 3 티스푼(teaspoon)의 알루미늄 분말(대략 30미크론(micron)의 입자 직경을 갖는)이 대략 7 티스푼의 비전기-활성화된 목탄과 함께 상기 챔버에 첨가되었다. 상기 챔버는 상기 챔버의 대략 60%까지 물로 채워졌으므로, 상기 목탄은 미세하게 상기 수면 아래에 있었다. 가열 요소(heating element)가 상기 촉매, 알루미늄 분말 및 물의 혼합물을 가열하는데 사용되었다. 상기 온도 및 수소 생성 속도는 아래의 표에 제공되었다.
Figure pct00001
전기-활성화되지 않은 목탄이 의미가 있는 양의 수소를 생성하지 않는다는 것이 관찰되었다.
실험예 2
실험예 2에 있어서, 탄소(즉, 목탄)가 6 암페어-시로 전기-활성화된 촉매로 사용되었다. 상기 챔버는 세척되었고, 대략 2 티스푼의 알루미늄 분말(대략 30미크론(micron)의 입자 직경을 갖는)이 대략 4 티스푼의 세척되지 않은 전기-활성화된 목탄과 함께 상기 챔버에 첨가되었다. 상기 챔버는 물로 채워졌고, 가열 요소는 상기 촉매, 알루미늄 분말 및 물의 혼합물을 가열하는데 사용되었다. 상기 온도 및 수소 생성 속도는 아래의 표에 제공되었다.
Figure pct00002
T＝17：00에서, 대략 40mL의 온수(hot water)가 상기 챔버에 첨가되었다. T＝21：00에서, 대략 1.5 티스푼의 알루미늄 분말이 상기 챔버에 첨가되었다. T＝24：12에서, 상기 가열 요소는 꺼졌다(turned off). 대략 2.5 리터/분(liters per minute)의 수소 생성 속도가 대략 화씨 154도의 온도에서, T＝27：20에서 관찰되었다. T＝28：00에서, 상기 챔버는 냉각되었고, 상가 수소 생성 속도는 상기 온도가 낮아지면서 감소되었다. T＝40：00에서, 대략 2 티스푼의 알루미늄 분말 및 대략 2 티스푼의 전기-활성화된 탄소가 상기 챔버에 첨가되었고, 상기 가열 요소는 켜졌다(turned on). T＝50：41에서, 상기 가열 요소는 꺼졌고, 상기 챔버의 온도는 떨어지기 시작했다.
실험예 2에 있어서, 대략 2.5 리터/분의 수소 생성 속도가 대략 화씨 154도의 온도에서 달성될 수 있음이 관찰되었다. 유사한 양의 알루미늄 분말 및 촉매를 갖는 수소 셀은 대략 화씨 160도의 수소 셀 온도 범위에서 대략 3 리터/분 이상의 속도로 수소를 생성할 수 있을 것으로 예측된다. 세척되지 않은 전기-활성화된 탄소의 사용은 상기 수소 생성 속도를 대략 10배 이상 증가시킨다. 비교해 보면, 실험예 2는 대략 2.5 리터/분의 속도로 수소를 생성했고, 실험예 1은 전기-활성화되지 않은 촉매가 사용될 때, 대략 0.22 리터/분의 속도로 수소를 생성했다.
실험예 3
실험예 3에 있어서, 탄소(즉, 목탄)가 6 암페어-시로 전기-활성화된 촉매로 사용되었다. 전기-활성화된 이후에, 상기 목탄은 대략 30분 동안 흐르는 물에 세척되었다. 상기 챔버는 세척되었고, 대략 2 티스푼의 알루미늄 분말(대략 30미크론의 입자 직경을 갖는)이 대략 2 티스푼의 세척된 전기-활성화된 목탄과 함께 상기 챔버에 첨가되었다. 상기 챔버는 물로 채워졌고, 가열 요소가 상기 촉매, 알루미늄 분말 및 물의 혼합물을 가열하는데 사용되었다. 상기 온도 및 수소 생성 속도는 아래의 표에 제공되었다.
Figure pct00003
T＝4：00에서, 상기 가열 요소는 꺼졌다. T＝5：00에서, 대략 0.5 티스푼의 알루미늄 분말이 첨가되었다. T＝9：08에서, 상기 챔버에서 알루미늄 연료(fuel)가 고갈되는 것이 관찰되었다. T＝12：55에서, 냉각 요소(cooling element)가 물, 알루미늄 분말 및 촉매의 혼합물에 도입되었고, 온도 하강이 T＝ 12：55에서부터 T＝16：00까지 기록되었다.
실험예 3에 있어서, 세척된 전기-활성화된 탄소(즉, 목탄)를 촉매로 사용함으로써, 대략 1 리터/분의 속도로 탄소가 생성될 수 있다는 것이 관찰되었다. 비교해 보면, 실험예 2에서, 세척되지 않은 전기-활성화된 탄소를 촉매로 사용하여, 대략 2.5 리터/분의 속도로 수소가 생성되었다.
전기-활성화(Electro-Activation)
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 탄소(16-메쉬 탄소 과립들의 형태로)가 전기-활성화되었고, 샘플들은 다른 길이의 시간 동안 제거되어서, 얼마나 많은 암페어-시(amphere-hour)에서 생성된 촉매가 높은 수소 생성 속도를 가지는지 결정되었다. 탄소는 챔버 내에 위치되었고, 2 암페어에서 전기-활성화되었다. 샘플 1은 1분의 전기-활성화 시간 이후에 제거되었고, 샘플 2는 45분의 전기-활성화 시간 이후에 제거되었으며, 샘플 3은 3시간의 전기-활성화 시간 이후에 제거되었고, 샘플 4는 15시간의 전기-활성화 시간 이후에 제거되었으며, 샘플 5는 16시간의 전기-활성화 시간 이후에 제거되었다.
대략 1/8 티스푼의 각각의 촉매 물질(즉, 샘플 1 내지 샘플 5)은 각기 대략 20mL의 물을 갖는 개별 챔버에 위치되었다. 이 실험에서 사용된 물은 여과된 수돗물이다. 대략 1/8 티스푼의 알루미늄 분말이 각각의 챔버에 제공되었다. 각각의 챔버 내에서 상기 알루미늄, 물 및 촉매의 혼합물은 이후 대략 화씨 160도 내지 대략 화씨 200도의 온도 범위로 이동되었다. 상기 모든 챔버들은 하나의 가열 장치 상에 위치되는 다-챔버 용기(multi-chamber container vessel) 상에 제공되므로, 상기 모든 챔버들은 어떤 시간에서도 대략 동일한 온도를 가졌다. 수소 생성 속도가 관찰되었고, 모든 5개의 샘플들은 수소를 생성했다. 샘플 3은 다른 샘플들보다 높은 속도로 수소를 생성하는 것이 관찰되었고, 샘플 3과 비교하여 추가적인 전기-활성화 시간은 상기 수소 생성 속도에 작은 효과만을 가진다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 샘플 3은 6 암페어-시(즉, 2 암페어에서 3 시간)로 전기-활성화되었다.
상술한 실험들은 상기 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 제조된 상기 촉매 탄소가 물의 분해에 사용되어 높은 속도로 수소를 생성하는 것에 탁월한 물질임을 제시한다. 또한, 상기 실험들은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 탄소가 전기-활성화된 이후에, 촉매로써 향상된 효과는 반영구적이며, 수 주 및 수개월까지 지속될 수 있다. 상기 촉매 탄소는 재사용될(상기 전기-활성화의 촉매 효과는 보존될 수 있다) 수 있다. 상기 촉매 탄소는 저장되고 수개월 후에 사용될 수 있으며, 연료인 알루미늄 및 물과 함께 새로운 촉매(즉, 촉매 탄소)와 같이 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한, 상기 촉매 탄소는 물 및 알루미늄과 함께 수 회 반복되어 사용될 수 있으며, 이 때 물 및 알루미늄은 본 발명에서 설명된 예시적인 촉매 반응에 의해서 오직 연료로써 소비될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 용기/수소 셀의 세정/세척 후에도, 미량(trace amounts)의 촉매 탄소가 용기/수소 셀 내에 잔류할 수 있다. 따라서 전기-활성화된 탄소가 사용되지 않았으나, 동일한 용기에서 이전 실험에서 이들이 사용되었던 일부 실험예에서, 거의 없어야할 때에도 일부 수소 생성이 기록되었다. 이에 따라, 동일한 용기를 반복하여 사용하는 것은 촉매 탄소를 이용하여 수소를 생성할 때, 특정한 장점을 제공할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, "습식(wet)" 전기-활성화된 탄소(즉, 상기 전기-활성화 공정에서 사용된 물에 여전히 젖어있는 전기-활성화된 탄소)는 상기 촉매 탄소가 건조된 때의 상기 수소 생성 속도보다 대략 5%-10% 높은 수소 생성 속도를 달성했다. 이는 상기 습식 촉매 탄소가 보다 적은 표면-변경 이력(surface-modification history)을 가질 수 있기 때문이다. 상기 촉매 탄소를 세척하는 것은 상기 탄소의 표면에서 일부 미세한 표면 변화를 수반할 수 있다. 상기 촉매 탄소를 건조하는 것은 상기 탄소 입자들이 옮겨지고, 이동되거나 부어질 때, 표면 마모가 가능하게 할 수 있다. 촉매 탄소는 표면-반응 불균일 촉매(surface-reacting heterogeneous catalyst)일 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전기-활성화 반응 직후의 상기 탄소 표면이 수소 생성에 최적화될 수 있고, 전기-활성화 이후의 어떠한 표면 처리 또는 손상(예를 들어, 세척 또는 건조)도, 상기 촉매 탄소가 본 발명에서 설명된 촉매 반응에 따라 물을 분해하고 수소를 생성하는데 이용될 때, 미세하게 감소된 촉매 효과를 야기할 수 있다.
탄소는 전기-활성화 및 물과 함께 수소 생성에서 촉매로 이용에 대해서 우수한 경향성을 보일 수 있다. 탄소는 수소와 유사한 전기 음성도를 가질 수 있고, 수소와 극성 결합을 형성할 수 있는 원소이다. 탄소는 물 내에서 극성 산화 표면막을 형성할 수 있고, 탄소는 물 내의 탄소 입자들의 콜로이드 현탁액의 형태로 물 내에서 유사-용해(pseudo-soluble)될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 물 및 알루미늄을 여기에서 설명되는 예시적인 화학 반응들의 연료로 사용할 수 있다. 다양한 공급원으로부터의 물 그리고 보다 낮은 가격, 보다 낮은 순도의 알루미늄의 잠재적 사용은 대체적인 저가 공급원으로 제공될 수 있고, 이는 본 발명의 방법 및 시스템의 예시적인 실시예에 따른 촉매 반응들의 연료로 제공되어 사용될 수 있다.
알루미늄은, 소수를 생성하는 본 발명의 예시적인 실시예들에서 연료로 사용될 수 있는 원소, 산 그리고 염기와 반응할 수 있다. 다른 활성 금속들과 유사하게, 알루미늄은 강한 산에 용해되어 수소 가스를 내놓을 수 있다. 본 발명에서 설명되는 촉매 탄소는 그 강력한 촉매 효율(즉, 높은 반응 속도)을 바탕으로 중성 액체(pH-neutral liquid) 내에서 사용될 수 있다. 이는 상기 물이 강한 산 또는 강한 알칼리성 액체가 아닐 수 있음을 의미하고, 이는 매우 안전하고, 환경-친화적인 혼합물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 알루미늄 부스러기들(aluminum shavings)은 알루미늄 분말 대신에 여기에서 설명되는 상기 화학 반응들에서 사용될 수 있다. 알루미늄 부스러기들 및 다른 분말이 아닌 형태의 알루미늄과 함께 전기-활성화된 탄소의 사용은 실험실 내에서 성공적으로 수소를 생성했다.
상기 반응에서 주어진 질량의 알루미늄에 대해서, 상기 소수 생성 속도는 대략적으로 상기 알루미늄 금속의 표면 면적에 비례할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들의 일부에서 사용된 알루미늄은 분말화된 알루미늄일 수 있다. 분말화된 알루미늄의 보다 높은 표면 대 부피 비율은 주어진 양의 알루미늄에 대해서, 보다 높은 수소 생성에 적합할 수 있다. 알루미늄 펠렛(aluminum pellets), 알루미늄 부스러기들(aluminum shavings), 알루미늄 과립들(aluminum granules) 또는 알루미늄 시트들(aluminum sheets)과 같은 형태의 보다 조대(coarse) 연료가 사용될 수 있다. 그러한 조대(coarse) 연료는(알루미늄의 주어진 양에 대해서) 본 발명의 예시적인 실시예들의 일부에서 분말화된 알루미늄에 의해서 제공된 것보다 작은 속도에서 수소를 생산할 수 있다. 순수한 알루미늄의 사용이 요구되지 않으며, 이는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소 생산에 있어서, 보다 낮은 가격 및 낮은 순도의 알루미늄을 사용할 수 있게 한다.
사용되는 알루미늄의 크기는 특정한 활용에 따라서 설계 변수(design variable)일 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미늄의 상기 입자 크기는 기하학적 구조 및 동작 온도를 한정하는 설계에 대해서, 요구되는 수소 생성 속도를 달성하기 위해서 선택될 수 있다. 일반적으로, 알루미늄의 주어진 양에 대해서, 상기 알루미늄의 상기 입자 크기가 감소할수록, 본 발명에서 설명된 상기 화학 반응의 상기 반응 속도는 어떤 주어진 온도에서도 증가한다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 수소는 알루미늄의 사용 없이(즉, 단지 전기-활성화된 탄소 및 물을 사용하여), 상술한 상기 반응에서 생성되지만, 알루미늄과 같은 특정한 연료들을 첨가하는 것은 수소의 생성을 증가시킨다는 것이 발견되었다. 알루미늄을 제외한 다른 연료들이 사용될 수 있다는 것도 발견되었다. 수소를 생산하는 상기 촉매 반응 동안, 알루미늄 분말이 사용될 때, 상기 알루미늄 분말이 상기 반응 동안 혼합되거나 교반될 때, 수소 생산이 증가될 수 있다는 것이 발견되었다. 기계적 작용이 제공되어, 알루미늄 산화물을 제거하고, 베어(bare) 알루미늄을 노출할 수 있다. 반응식 (1) 및 반응식 (2)에 설명된 화학 반응들은 베어 알루미늄이 사용될 때 보다 높은 속도로 수소를 생산하고, 산화된 표면을 갖는 알루미늄을 사용할 때 보다 적은 수소를 생산한다. 본 발명의 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 알루미늄 부스러기들 및 펠렛을 자르고/연마하는 분쇄기 또는 다른 장치를 사용함으로써, 기계적 또는 전기-기계적 작용(즉, 상기 알루미늄의 절단, 연마 및/또는 혼합하기)의 강도에 따라, 수소 생성 속도는 대략 2배 내지 10배 증가했다. 상기 증가량은 연마 시간 및 연마와 수소 생산 사이의 시간 지연에 의존할 수 있다. 이 시간 지연은, 특히 실온 이상의 온도에서, 상기 베어 알루미늄 표면이 공기 또는 물에 도출될 때, 필름의 형성을 야기할 수 있다. 상기 알루미늄의 연마는 상기 알루미늄의 상기 표면으로부터 상기 알루미늄 산화물을 제거할 수 있고, 이는 본 발명의 반응식 (1) 및 반응식 (2)에서 설명된 수소-생산 화학 반응들을 위한 신선한 알루미늄 표면을 제공한다.
산화물/수산화물을 제거하고, 본 발명에서 설명된 수소-생성 반응들을 위한 실질적으로 베어 알루미늄 표면을 제공하는 다른 방법들/장치들이 있을 수 있고, 본 발명은 그러한 어떤 방법/장치에 의해서 제한되지 않는다. 예를 들면, 기계적인 연마에 추가적으로 또는 기계적인 연마 대신에 상기 알루미늄 표면의 처리는 열적, 광학적 또는 화학적일 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 알루미늄 부스러기들은 수산화나트륨(NaOH)의 수용액과 반응할 수 있고, 이는 본 발명에서 설명된 상기 화학 반응들을 10배 또는 그 이상으로 속도를 증가시킬 수 있다. 이러한 공정은 간단한 화학 반응이고, 여기에서 상기 수산화나트륨은 화학적 변화를 겪는, 즉 상기 수산화나트륨은 상기 공정에서 변형되고 소모된다.
상기 알루미늄과 수산화나트륨의 상기 조합은 본 발명에서 설명된 상기 촉매 반응, 즉, 반응식 (1) 및 반응식 (2)와 결합될 수 있다. 예를 들면, 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 수소는 아래의 화학 반응에 따라 생성될 수 있다.
2Al＋2[NaOH]＋6[H20]＋C ＝> C＋2[NaAl(OH)4]＋3H2 반응식 (4)
여기서, Al은 알루미늄이고, H는 수소이며, O는 산소이고, NaAl(OH)4는 테트라하이드로옥시알루미네이트 나트륨(sodium tetrahydroxyaluminate)이고, C는 전기-활성화된 탄소(또는 촉매 탄소)이다. 이러한 예시적인 반응에 있어서, 물, 알루미늄 및 수산화나트륨은 소모될 수 있는 연료들일 수 있고, 상기 촉매 탄소(C)는 촉매일 수 있다.
이들 예시적인 실시예들의 일부에 있어서, 상기 반응은 천천히 시작될 수 있고, 이는 상기 알루미늄의 표면상의 알루미늄 산화물의 막 때문일 수 있다. 이들 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 알루미늄 산화물의 막이 상기 반응 동안 뚫려지면, 상기 반응은 이후 속도가 빨라질 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 기준 실온에서부터 화씨 180도의 온도 범위에서, 1분 내지 3분 후에 반응 속도가 빨라졌다. 상기 반응의 속도는 온도, 알루미늄, 물 및/또는 테트라하이드로옥시알루미네이트 나트륨의 양과 같은 다양한 요소들에 의존할 수 있다. 소금(NaCl) 및/또는 다른 전해액과 같은 다른 용액들 및/또는 원소들이 상기 촉매 반응의 속도를 증가시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 물은 다양한 다른 공급원들로부터 사용될 수 있다. 순수한 물의 사용이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 수소의 생산에 있어서, 예를 들면 수돗물 또는 바닷물보다 더 비쌀 수 있는 증류수 또는 탈이온수가 사용될 필요가 없을 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 예시적인 화학 반응들에 있어서, 수돗물, 하수, 고칼슘 수, 소금물, 바닷물, 알칼리 수(alkaline water) 및 산성 수(acidic water)를 포함하는 다양한 물 공급원들이 사용되었다. 이들 실험예들에 있어서, 이들 모든 다양한 물 샘플들이 수소를 생산하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들의 상기 화학 반응들 내에서 올바르게 작용했다. 본 발명의 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 염수 및 알칼리 수를 포함하는 일부 형태들의 물은 탈이온수 또는 증류수와 같은 순수한 형태의 물보다 미세하게 높은 수소 생성 속도를 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. 이는, 염수 및 알칼리 수가 상기 물을 이온화하는 경향이 있는 첨가물을 포함할 수 있고, 이것은 수용액 내에서 화학적으로 활성화 및/또는 보다 쉽게 이동하게 할 수 있기 때문일 수 있다. 이것은 상기 극성 산화물들에 의해서 형성되는 정전기장들이 상기 액체 내에서 상기 화학 물질들을 이동시키는 힘을 형성한다.
다양한 공급원으로부터 물의 사용은, 예를 들면, 수소 셀, 물 및 물 성분들(water ingredients)의 구성 물질의 선택에 있어서, 사용자에게 보다 많은 설계 허용도 및 자유도를 제공하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소 셀 및 관련된 부품들의 구성에서 사용되는 물질들의 부식을 최소화할 수 있다. 다양한 공급원들로부터 물의 그러한 사용은, 예를 들어 보다 넓은 범위의 물질들을 사용할 수 있도록 함으로써 상당한 비용 절감을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소 생성에서 소금물 및/또는 바닷물의 사용은 연안 지역 에너지 공급원을 제공뿐만 아니라 해양 응용들(marine applications)에 적합할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 세상의 모든 부분들, 그리고 외딴 섬들을 포함하는 어떤 해안 근처에 수소 생산을 제공할 수 있다. 이에 따라, 많은 섬나라들은 본 발명의 상기 예시적인 실시예들을 이용하여, 예를 들어, 연료비용을 감소시키고, 화석 연료들의 유조선 수입의 필요성을 줄이거나 제거할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 부산물들을 생성할 수 있고, 이들 부산물들은 알루미늄 금속을 생산하는 기존의 상업적 방법을 사용하여 완전히 되찾을 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 상기 수소 생성 방법들 및 시스템들으로부터의 상기 부산물들은 순수한 보크사이트(bauxite), 깁사이트(gibbsite), 베마이트(boehmite), 침철석(goethite), 적철석(hematite), 고령석(kaolinite), and 이산화티타늄(Ti02)을 포함하는 오염물들을 포함하지 않으므로, 상기 부산물들은 바람직하다. 본 발명의 예시적인 실시예들의 큰 부피의 부산물들은 Al(OH)3 및 Al203일 수 있고, 이들은 재활용되어 추가적인 알루미늄 금속을 생산할 수 있다. 수산화알루미늄 및 알루미늄 산화물의 재활용은 본 발명의 예시적인 실시예들이 대량의 수소 생산에서도 경제적으로 실행가능하게 할 수 있다.
알루미늄-함유 보크사이트 광석으로부터 알루미늄을 정제하는 것은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 상술한 상기 알루미늄-물 반응들에서 상기 반응 생성물과 근본적으로 동일한 수화물(hydrate)을 생성할 수 있는 바이어 공법(Bayer process)을 사용할 수 있다. 상기 수화물은 하소되어 알루미나(alumina)로부터 상기 물이 제거될 수 있다. 상기 알루미나는 이후 전기 분해로 환원되어, 금속성 알루미늄이 될 수 있고, 이는 약 섭씨 900도에서 홀-에루 공정(Hall-Heroult Process)을 사용하여 99.7% 순도를 갖는 알루미늄 금속을 생산한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소의 생산을 위한 시스템을 나타낸다. 가열 요소(208)를 내부에 포함하는 가열 서브-유닛(202)이 제공될 수 있는 곳에 수소 셀(200)은 제공될 수 있다. 가열 요소(208)는 전기적 히터, 예열 플러그(glow plug), 그 내부를 통해서 흐르는 온수(hot water)를 포함하는 열-교환 코일과 같은 다양한 형태일 수 있으며, 이에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 배선(204)과 같은 전력 공급 기구는 가열 서브-유닛(202) 및/또는 가열 요소(208)에 전력을 공급하도록 제공될 수 있다. 온수가 가열 요소(208)에 열을 공급하기 위해서 사용된다면, 참조 부호 204는 상기 온수의 유입구/유출구를 나타낼 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 가열 요소가 배터리로 독립적으로 작동할 수 있고/또는 수소 셀(200)이 내부에 있을 수 있다. 소수 셀(200) 내에, 알루미늄 및 물이, 예를 들면, 연료로 제공될 수 있고, 촉매 탄소가, 예를 들면, 촉매로 제공될 수 있다. 상기 촉매 탄소, 물 및 알루미늄은 수소 셀(200）내의 혼합물 내에서 서로 접촉할 수 있고, 필요에 따라, 예를 들어, 상기 촉매 탄소, 물 및 알루미늄의 상기 혼합물이 가열될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 촉매 탄소 1(하나의 부분)이 알루미늄 분말, 플레이크(flake) 또는 과립들의 형태인 알루미늄 1(하나의 부분), 그리고 대략 물 3(세 개의 부분들)과 함께 수소 셀(200) 내에 제공될 수 있다. 상기 촉매 탄소, 알루미늄 및 물의 다양한 비율들이 사용될 수 있고, 본 발명은 어떤 특정한 비율에 제한되지 않는다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 1 내지 3 테이블스푼의 30 미크론 알루미늄 분말이 상기 연료로 사용될 수 있다.
상기 촉매 탄소, 물 및 알루미늄의 혼합물은 이후 가열 요소(208)를 사용하여 대략 화씨 140도 내지 대략 화씨 190도의 온도로 가열될 수 있다. 본 발명은 어떠한 온도 범위에 의해서 제한되지 않으며, 본 발명의 다른 실시예들에 따라 다양한 온도들이 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 혼합물은 대략 화씨 180도로 가열될 수 있고, 이것은 기화(vaporization) 또는 끓음(boiling)에 의한 물의 과도한 손실을 방지할 수 있다. 물 증발 (그리고 열 손실 또는 냉각)은 상기 수소 셀을 물의 끓는 점(즉, 해수면에서 화씨 212도)보다 낮은 대략 화씨 160도 내지 대략 화씨 180도의 온도 범위 내에서 상기 수소 셀을 작동함으로써 제어되고 제한될 수 있다. 상술한 반응식으로부터, 상기 반응은 수소 및 수산화알루미늄을 생성하고, 상기 수소는 수소 산출(hydrogen output)(206)에서 수집될 수 있다. 상기 수산화알루미늄은 적절한 구조물 및 요소들을 사용하여 수소 셀(200) 내부 또는 수소 셀(200) 외부에서 수집될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 수소 생성을 위한 시스템을 나타낸다. 도 3의 예시적인 실시예의 시스템은 도 2의 예시적인 실시예의 상기 시스템과 유사하고, 이는 수소 셀(300), 가열 서브-유닛(302) 내의 가열 요소(308)에 전력을 공급하는 배선(304)을 포함하고, 촉매 탄소는 촉매로 사용되고, 알루미늄 및 물은 연료들로 사용된다. 가열 요소(308)는 촉매 탄소, 알루미늄 및 물의 혼합물을 가열하여 수소 및 수산화알루미늄을 생산하고, 상기 수소는 수소 출구(306)에서 수집될 수 있다. 또한, 도 3의 예시적인 실시예는 냉각 서브-유닛(310)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각 서브-유닛은 냉수 유입구(312) 및 유출구(314)를 갖는 냉각 코일을 내부에 포함한다. 상기 냉각 코일은 물, 알루미늄 및 촉매 탄소의 혼합물에 접촉할 수 있다. 상기 냉각은 상기 반응 공정을 느리게 할 수 있고, 이에 따라 수소 생성의 속도 및 생성 부피를 감소시킬 수 있다. 이러한 시스템은 필요에 따라 수소를 생산하는데 이용될 수 있고, 적절한 기구 및 장비들이 수소 생성의 속도 및 생성 부피를 증가시키고 감소시키는데 필요한 온도를 생산하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 도 3의 시스템의 실험에 있어서, 수소 셀(300)은 대략 1 핀트(pint)의 수돗물, 대략 4mL의 알루미늄 파우더(3미크론의 입자 크기를 가지는), 그리고 대략 4mL의 전기-활성화된 탄소와 함께 채워졌다. 상기 가열 서브-유닛(302)은 물, 알루미늄 파우더 및 전기-활성화된 탄소를 대략 화씨 2-3도/분으로 가열했다. 수소 셀(300)은 대략 30분 동안 가열되었고, 상기 가열 서브-유닛은 이후 꺼졌다. 이때, 수소 셀(300)의 온도는 대략 화씨 190도였다. 아래의 그래프에 도시된 바와 같이, 시간 t=20분에서 수소 생성의 속도(R)는 대략 300mL/분이였고, 이후 대략 490mL/분에서 정점에 도달했다.
Figure pct00004

상기 수소 생성 반응이 시작되었을 때, 상기 반응의 발열성(exothermic nature)은 상기 실험의 대략 t＝50분에서 상기 연료(즉, 알루미늄 분말)이 대부분 소모될 때까지 온도를 대략 화씨 190도로 유지시켰다. 상기 실험에서 생성된 수소의 전체 부피는 대략 4리터였다. 대략 t＝25분에서, 냉수가 냉각 서브-유닛(310)(즉, 냉각 코일)에 제공되었고, 상기 냉각 속도는 대략 화씨 2-3도/분으로 측정되었다.
제2 실험에 있어서, 상기 이전 실험으로부터 동일한 전기-활성화된 탄소를 사용하고, 대략 12mL의 알루미늄 분말이 수소 셀(300) 내에 제공되었다. 수소 생성 속도의 정점은 대략 t＝12분에서 2.5리터/분으로 측정되었다. 대략 25분 후에, 생성된 수소 가스의 전체 부피는 대략 20리터 였다. 상기 실험 후에, 가열 서브-유닛(302), 냉각 서브-유닛(310) 또는 수소 셀(300) 상에 부식이 관찰되지 않았다.
도 3의 예시적인 시스템은 "요구에 따라(on-demand)" 수소를 제공할 수 있다. 수소 셀(300)을 가열하는 것은 상기 온도 및 상기 수소 생성을 증가시킬 수 있다. 수소를 생성하고, 상기 수소 생성을 증가시킬 때, 고려될 수 있는 요소(즉, 제어 파라미터)는 물의 양, 전기-활성화된 탄소의 양, 알루미늄의 양과 종류, 상기 알루미늄 표면으로부터 산화물/수산화물의 제거 방식 및 속도, 그리고 상기 온도일 수 있다.
수소 셀을 냉각하는 것(예를 들어, 상기 수소 셀로 냉수를 공급함으로써)은 상기 온도를 감소시킬 수 있고, 이에 따라, 상기 수소 생성을 감소시킬 수 있다. 요구에 따라 수소를 공급할 때, 수소 생성의 속도를 감소시키기 위해서 다양한 요소들(즉, 제어 파라미터들)이 고려될 수 있다. 예를 들면, 상기 수소 셀로부터 상기 물을 제거하는 것과 같이, 물의 양이 감소된다면, 이는 수소의 생산을 중단시킬 수 있다. 전기-활성화된 탄소의 양을 감소시키는 것도 또한 수소 생성의 양을 감소시킬 수 있으나, 상기 수소 셀 내에 미량이 남아있을 수 있으므로, 상기 모든 전기-활성화된 탄소를 완전히 제거하는 것을 어렵다. 상기 수소 셀 내의 상기 온도를 낮추는 것도 상기 수소 생성을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 수소 셀의 온도를 대략 화씨 18도 내지 화씨 20도만큼 낮추는 것은 상기 수소 셀 내의 수소 생성 속도를 대략 2배 감소시킬 수 있다. 상기 수소 셀의 온도를 다시 대략 화씨 18도 내지 대략 화씨 20도만큼 낮추는 것은 상기 수소 셀 내의 수소 생성 속도를 다시 대략 2배 감소시킬 수 있다. 이것은 냉각 서브-유닛(310) 또는 상기 수소 셀(300)의 온도를 낮추는 다른 장치/방법을 통해서 수행될 수 있다.
알루미늄은 연마될 때(즉, 상기 표면을 덮는 알루미늄 산화물 및/또는 수산화알루미늄 필름을 기계적 스크럽(scrub)을 사용하여 제거함), 물 및 전기-활성화된 탄소와의 상기 화학 반응에서 보다 효율적인 연료가 될 수 있다. 연마 또는 교반과 같은 기계적 작용 또는 다른 어떤 방법이 사용되어, 상기 알루미늄의 상기 표면상의 알루미늄 산화물 및/또는 수산화알루미늄이 제거된다면, 이후 상기 수소 셀에서 이러한 공정을 중단하거나 이러한 공정을 중기는 것은 상기 알루미늄의 상기 표면상에 알루미늄 산화물이 형성되는 것을 야기할 수 있고, 이것은 상기 수소 생성을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 수소 셀로부터 또는 상기 반응으로부터 상기 알루미늄을 제거하는 것은 상기 수소 셀 내의 상기 수소 생성을 중단시킬 수 있다. 이들 제어 파라미터들은 각기 별개로 사용되거나 서로 조합되어 사용되어, 상기 수소 생성을 느리게 하거나 중단시킬 수 있고, 이에 따라 요구에 따라 수소를 공급할 수 있다.
예를 들면, 자동차 내에서, 엔진/라디에이터 물 온도(자동차에서 통상적으로 약 화씨 195도 내지 화씨 200도)를 조절하는 상기 자동차의 온도 조절 장치(thermostat)를 사용하여 제어된 수소 셀 온도를 달성할 수 있고, 상기 최대 수소 생성 속도를 제어할 수 있다. 이 온도에서, 촉매는 요구되는 수소 최대 유량을 달성하도록 혼합될 수 있다. 이것은 상기 반응의 발열성이 그것을 필요하게 만들지 않는 이상, 상기 수소 셀 온도를 측적하고 제어하는 것을 불필요하게 만들 수 있다. 상기 발열성 온도가 때문에, 상기 수소 셀 오도가 자동차 내의 엔진/라디에이터 물 온도(통상적으로 화씨 195도 내지 화씨 200도)를 초과한다면, 상기 자동차의 라이에이터 시스템 내의 물이 상기 수소 셀을 냉각하기 시작할 수 있고, 온도를 제한할 수 있다. 이러한 예시적인 설계 계념에 있어서, 다른 물(또는 프레온(freon), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및/또는 프로필렌글리콜(propylene glycol)을 포함하나 이에 의해서 제한되지 않는 다른 냉각수)로부터 냉각하는 것은 상기 엔진이 중단되었을 때, 상기 화학 반응을 느리게 하는 것에 사용될 수 있다. 다른 수소 차단 방법들은 물 공급 중단 및/또는 알루미늄 공급 중단일 수 있다.
본 발명에서 설명되는 시스템들은 본 발명의 일부 예시적인 실시예들에 있어서 수소를 생성하는 존재하는 시스템들과 조합될 수 있다. 예를 들어, 수소를 생산하는 하이브리드 시스템이 제공될 수 있으며, 상기 하이브리드 시스템은 본 발명의 상기 시스템(들)과 전기분해 시스템을 조합할 수 있다. 전기 분해 시스템은 상당한 열을 생산할 수 있고, 이 혈은 본 발명에서 설명된 상기 반응들을 개시하고 유지하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 전기 분해 시스템으로부터 상기 열은 반응식 (1)의 상기 반응을 개시하고 유사할 수 있으며, 이때 물, 알루미늄 및 전기-활성화된 탄소는 가열되어서 수소를 생산한다. 하나 또는 양쪽 시스템들로부터 생성된 수소는 이후 특정한 목적으로 사용될 수 있다. 이것은 중성 화학 반응이 사용될 수 있는 방법 및 시스템을 제공할 수 있고, 이는 전기 분해를 이용하여 수소를 생성하는데 사용되는 종래 기술의 방법들 및 시스템들과 다르다.
하이브리드 시스템의 이용에는 몇 가지 이점들이 있을 수 있다. 단일 챔버가 상기 탄소의 전기-활성화를 위해 제공될 수 있을 뿐만 아니라 수소 발생을 위해 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소가 계속적으로 전기-활성화된 탄소로 변환될 수 있으며, 이후에 수소를 생성할 수 있다. 또 다른 이점은 전기 분해가 단독으로 사용되는 경우 보다 단위 에너지 유입 당 많은 수소가 생성될 수 있고, 전기 분해를 위한 동력 유입이 원하는 동작 온도까지 반응식 (1) 및 반응식 (2)에 기술한 촉매 반응들을 가열하는 데 사용될 수 있는 것이 될 수 있다. 또한, 전기 분해 화학이 물이 H 및 OH 기들로 분해될 때에 OH 화학 기들을 결속하도록 반응식 (1) 및 반응식 (2)에 기술한 촉매 반응들에서 상기 알루미늄을 산화시키는 데 도움이 될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 하이브리드 시스템은 수소를 생성하도록 결합된 전기 분해 및 촉매 탄소를 이용할 수 있다. 흔히, 전기-활성화된 탄소를 알루미늄과 같은 연료와 함께 이용할 때, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄이 거대 고체들의 형태로 형성될 수 있다. 이들 고체들은 클 수 있고, 상기 셀의 동작 동안뿐만 아니라 상기 셀의 유지 관리 동안에 제거하기가 어려울 수 있다. 낮은 전류의 전기 분해가 상기 전기-활성화된 탄소 및 알루미늄을 함유하는 상기 액체 조성물 내에 이용되는 경우, 이들 큰 고체들의 형성이 방지될 수 있으므로 산화알루미늄 및 수산화알루미늄의 매우 작은 그레인들만이 형성된다. 상기 셀에 전기 분해를 제공하는 또 다른 이점은 상기 액체 내에 맡겨지는 에너지가 열의 소스가 될 수 있는 것이 될 수 있다. 열은 보다 높은 속도로 수소를 생성하도록 상기 촉매 탄소 반응을 위해 이용될 수 있으므로, 상기 수소 생산율이 대략 화씨 18도 내지 대략 화씨 20도의 온도 증가마다 두 배가 될 수 있다. 하이브리드 시스템들의 다양한 다른 결합들이 본 발명에서 고려될 수 있으며 상술한 바에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 실험들이 반응식 (1)의 화학 반응에 기초하여 생성된 수소의 순도를 테스트하도록 수행되었다. 이러한 실험에서 전기-활성화된 탄소는 6 암페어-시 동안 전기-활성화되었다. 대략 400mL의 고순도 등급의 물이 수소 셀의 챔버 내에 제공되었고, 대략 화씨 170도까지 가열되었다. 이 후에, 대략 12 그램의 상기 전기-활성화된 탄소와 대략 18 그램의 알루미늄 분말이 상기 수소 셀의 상기 챔버 내로 추가되었다. 상기 반응은 대략 200mL/분의 최대 수소 발생 속도를 달성하였다. 측정 기구를 통해 이러한 반응에 의해 생성된 수소가 대략 93%의 순도인 것이 결정되었다. 상기 수소 생산은 상기 수소 셀의 상기 챔버 내와 상기 수소 순도의 시험을 위한 상기 측정 기구에 이르는 상기 튜브들 내의 공기와 함께 개시되었다. 잔류하는 7%는 수증기를 함유할 수 있는 공기가 될 수 있으며, 상기 수증기의 양은 상기 반응 동안의 상기 수소 셀의 온도에 의존할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 반응식 (1)에 기술한 반응들을 이용하여, 상기 수소가 상기 촉매 탄소, 물 및 알루미늄으로부터 자동적으로 분리되며, 상기 수소 순도를 위한 측정에서 상 분리의 필요성이 없었다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 차량에 대한 연료로서 수소를 생산하는 시스템을 나타낸다. 상기 시스템은 2개의 주요 용기들(vessels), 버블러(bubbler)(400) 및 수소 셀(406)로 구성될 수 있다. 상기 수소 셀(406)은 수소 버블들이 상기 수소 셀(406)로부터 상기 버블러(400)까지 일어날 수 있는 튜브(402)에 의해 상기 버블러(400)에 연결될 수 있다. 상기 수소 셀(406)은 예열 플러그(glow plug)(405) 또는 일부 다른 형태의 가열 요소/장치에 의해 가열될 수 있다. 상기 예열 플러그(405) 또는 다른 가열 요소는 서미스터 온도 센서(407) 또는 다른 유사한 온도 감지 및 제어 장치를 이용하여, 예를 들면, 대략 화씨 180도로 수소 셀 온도를 유지하도록 전기적으로 제어될 수 있다. 물, 알루미늄(예를 들면, 알루미늄 분말) 및 촉매 탄소는 상기 수소 셀(406) 내에 위치할 수 있다.
물 레벨(401)은 상기 수소 셀(406)이 상기 물, 알루미늄 분말 및 촉매 탄소의 혼합물로 채워지도록 유지될 수 있으며, 상기 버블러(400)는 상기 물 레벨(401)까지 상기 혼합물로 부분적으로 채워질 수 있다. 필요할 경우에 보다 많은 수소를 발생시키기 위해 상기 알루미늄 표면으로부터 산화알루미늄을 제거하는 것이 요구되는 경우에는 상기 알루미늄을 연마/교반/혼합하기 위하여 기계적인 동작이 상기 수소 셀에 추가될 수 있다. 가열되면, 수소 버블들은 중력 흐름을 이용하여 상기 버블러(400) 내의 챔버 영역(403)으로 일어날 것이며, 상기 수소 가스가 유출구(404)를 통해 상기 차량 엔진의 공기 흡입 매니폴드(manifold)로 제공될 수 있다.
도 4의 예시적인 시스템을 이용하는 실험에 있어서, 상기 수소 셀(406) 및 버블러(400)가 상기 수소 셀(406)과 버블러(400)를 지지하도록 브라켓들을 이용하여 시험 차량의 엔진에 부착되었으며, 상기 유출구(404)는 상기 시험 차량의 엔진의 공기 흡입 매니폴드에 연결되었다. 산소 센서 조절들이나 다른 엔진 변경들은 실시되지 않았다. 정상 운전 조건들(즉, 수소가 없이) 하에서, 상기 시험 차량은 통상의 무연 연료를 사용하는 고속도로 운전 동안에 대략 26-28 갤런 당 마일을 나타내었다.
상기 시험 차량의 첫 번째(최적화되지 않은) 시험 동작은 수소를 제공하는 것이 갤런 당 마일에서 커다란 증가를 산출하였던 것을 보여주었다. t＝0분에서, 상기 수소 셀(406)은 대략 2 티스푼의 알루미늄 분말, 대략 2 티스푼의 촉매 탄소 및 물로 충전되었다. 상기 가열 요소(즉, 예열 플러그)가 가동되었다. 초기 가열 및 수소 흐름에는 대략 5분이 소요되었다. 수소는 상기 버블러(400)의 챔버(403) 내에서 형성되었다. t＝5분에서, 상기 시험 차량이 상기 유출구(404)로부터 상기 차량 엔진으로 흐르는 수소로 시동되었다. 전자 연료 분사(EFI) 컴퓨터가 개방 루프 모드(open loop mode)(즉, 상기 산소 센서들로부터의 피드백 신호들이 없는 정상 엔진 시동 모드)에서 폐쇄 루프(즉, 상기 산소 센서들로부터의 피드백 신호들을 이용하는 엔진이 예열된 후의 정상 모드)까지 자동적으로 동작을 개시하였다. 이러한 예열 기간 동안, 수소가 상기 수소 시스템 유출구(404)로부터 상기 시험 차량의 엔진의 공기 흡입 매니폴드까지 흘렀다. 상기 시험 차량은 고속 도로 상에서 대략 55 시간 당 마일의 속도까지 운행되었고 상기 수소 유량은 대략 0.3 분당 리터까지로 평가되었다. 상기 차량은 갤런 당 마일의 단위로 실시간 주행 거리를 축정하도록 조절된 스캔 게이지에 의해 대략 37 갤런 당 마일을 수득하고 있었다.
t＝10분에서, 상기 수소 유량이 시간에 따라 감소하는 것으로 주목되었다. 상기 시험 차량은 대략 35.7 갤런 당 마일을 얻었다. 솔레노이드 밸브(상기 유출구(404)와 상기 차량의 엔진 사이의 배관 내에 제공되는)가 수소가 공기 중으로 배출되도록(엔진으로 수송되지 않고) 가동되었다. 상기 갤런 당 마일은 대략 6.7%, from 대략 35.7 갤런 당 마일로부터 대략 33.3 갤런 e아 마일까지 대략 6.7% 떨어졌다.
상기 시험 차량은 첫 번째 최적화되지 않은 실험 가동 동안에 갤런 당 마일에서 32% 증가를 나타내었다. 일부 개량들(즉, 보다 높은 수소 유량들)과 함께 몇 번의 후속하는 시험 가동들에 있어서, 상기 차량은 갤런 당 마일에서 40%까지의 증가를 나타내었다.
수소를 생산하는 종래의 방법들(예를 들면, 전기 분해, 열-형성 등)은 분당 체적 또는 요구되는 에너지의 주울(joule)당 물질의 그램당 분당 리터(LPM), 또는 주울당 LPM/gm의 단위로 측정할 때에 낮은 속도에서 수소를 생산할 수 있다. 생산율 평가를 위한 이러한 예시적인 기준을 이용하는 것은 전기 분해 및 열-형성이 상기 과정들을 동작시키기 위해 요구되는 높은 에너지(주울로 측정된)로 인해 단순히 우수하지 않은 방법들이라는 결론에 이른다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 수소 생산율들은 전기 분해 또는 열-형성 과정들의 경우보다 매우 높을 수 있다. 이들 예시적인 실시예들은 상술한 화학 반응을 개시하도록 외부 열을 이용할 수 있으며, 이는 일반적으로 대략 화씨 150도 내지 대략 화씨 190도의 온도 범위가 될 수 있지만, 이러한 온도 범위에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 상기 반응 온도는 표준 실온만큼 낮을 수 있고, 비록 수소 발생 속도가 동작 온도에서 대략 화씨 18도 내지 화씨 20도마다의 감소 동안 대략 50% 감소할 수 있지만, 심지어는 보다 낮을 수 있다. 상기 반응 온도는 물의 끓는점만큼 높을 수 있으며, 심지어는 보다 높은 유량들이 요구되는 증기 환경에서 보다 높을 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들이 특정한 온도 범위에 한정되는 것은 아니다.
개시되면, 본 발명에서 설명한 촉매 반응이 기본적으로 발열성이기 때문에, 상기 수소 셀 열평형이 원하는 동작 온도에서 일어나도록 설계되어도 상기 반응들은 상기 반응들을 지속하게에 충분한 열을 제공할 수 있다. 열평형 동작 조건들은 상기 시스템을 떠나는 에너지(열)의 양이 상기 시스템으로 유입되는 에너지(열)의 양과 동일(주로 상기 발열 반응에 의해 발생되는 열로 인하여)할 때에 구현될 수 있다. 이들 실험 조건들 하에서, 상기 시스템 온도가 일정하게 유지될 수 있고, 외부로부터 공급되는 에너지가 가열이나 냉각을 위해 요구되지 않을 수 있다. 다른(열평형이 아닌) 동작 조건들 하에서, 상기 수소 생산율을, 예를 들면, 원하는 목표값으로 제한하고 및/또는 끓음이나 수증기의 과도한 손실을 방지하기 위해 상기 셀의 온도를 제한할 필요가 있을 경우 냉각을 위해 외부 에너지만이 요구될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 있어서, 셀 내에 대략 400mL/분 내지 대략 4 리터/분의 수소 피크 생산율이 얻어졌던 몇몇의 실험 가동들이 수행되었으며, 여기서 각 셀 내에 수돗물이 대략 10그램 내지 대략 40그램의 분말화된 알루미늄 및 대략 2 티스푼의 대략 6 암페어-시 동안 전기-활성화되었던 촉매 탄소와 함께 제공되었다. 이들 실험 셀들은 대략 100mL로부터 대략 1 리터까지의 반응 챔버 체적들을 가졌다. 수소 생산의 높은 속도들이 대략 화씨 160도 내지 대략 화씨 190도 범위의 온도에서 상기 실험 가동들에 나타났다(예를 들면, 대략 400mL/분 내지 대략 4리터/분). 보다 높은 속도들이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라, 예를 들면, 보다 많은 촉매 탄소, 알루미늄 및 물이 제공될 수 있는 보다 큰 셀들을 이용하여 제공될 수 있다. 조절되고 지속되는 수소의 생산이 수소 생산 셀에 물, 알루미늄 및 촉매 탄소를 제공하여 구현될 수 있는 점이 입증되었다.
수소 생산을 위한 많은 다른 응용들이 본 발명에서 육상 및 해상 용기들(vessels)뿐만 아니라 발전(예를 들면, 발전소들)과 함께 고려된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 집이나 상업용 빌딩과 같은 빌딩 구조물에 열을 제공하는 보일러 시스템(boiler system)이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 제공될 수 있다. 도 5의 예시적인 보일러 시스템에 도시한 바와 같이, 수소 가스를 생성하도록 물, 알루미늄 및 촉매 탄소가 제공될 수 있는 수소 셀(hydrogen cell)(508)이 제공될 수 있다. 상기 수소 가스가 중력/부력 흐름을 통해 위쪽 방향(510)을 따라 보일러 시스템(500)으로 진행할 것이다(또는 선택적으로는, 다른 예시적인 설계에서 적절한 튜빙(tubing)/파이핑(piping)을 통해 상기 보일러 시스템(510)으로 안내될 수 있다).
수소 버블들(512)은 상기 보일러 시스템(500) 내의 물 레벨(511)까지 위쪽 방향으로 진행할 것이다. 물 유입구(507)(실온 또는 뜨거운 물이 될 수 있다) 및 물 유출구(509)가 상기 보일러 시스템(500) 내에 제공될 수 있다. 공기가 물 속이나 물 레벨(511)의 표면에 근접하게 주입될 수 있고, 여기서 상기 수소 버블들(512)은, 예를 들면, 호스, 파이프, 공기 압축기, 밸브, 공기 압력 조절기 또는 다른 이러한 형태의 장치에 의해 나타난다. 점화기(506)가 상기 보일러 시스템(500) 내부에 불꽃(502)을 제공하기 위해 수소 및 공기의 연소 혼합물을 점화시키도록 제공될 수 있다. 상기 보일러 시스템(500) 내의 상기 불꽃에 의해 제공되는 열은 히터로 사용을 위한 핀들(fins) 또는 다른 방열 요소들과 같은 가열 요소(heating element)에 공급될 수 있거나, 직접적인 물에 대한 불꽃의 접촉으로 인하여 물이 방열 요소들 없이 가열될 수 있다.
도 5의 시스템의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 보일러 시스템은 1 기압 보다 높은 압력에서 동작할 수 있고, 증기가, 예를 들면, 전기를 만들거나 열을 제공하는 터빈들을 구동시키도록 유출구(504)를 통해 제공될 수 있다. 가압 증기 보일러의 동작은 동작의 제어 및 안정성 모두를 위해 설계되는 압력 조절기들 및 다른 장비들과 부합될 수 있다.
도 5에 기재되는 바와 같이 수소를 사용하는 보일러 시스템에는, 예를 들면, 버너가 요구되지 않기 때문에 버너 부식이나 유지 관리가 요구되지 않는다는 많은 이점들이 있다. 상기 불꽃은 상기 물을 가열하도록 상기 물과 직접 접촉할 수 있다. 화실(퍼니스)이 요구되지 않으며, 고온 가스튜브들, 비산회(fly-ash) 보강(석탄 연소 퍼니스/보일러 시스템들의 전형적인 문제점) 및 상기 튜브들의 유지 관리가 요구되지 않는다. 굴뚝이 요구되지 않으며, 연소 생성물들이 단지 물/증기이다. 또한, 원하지 않는 폐수들 또는 방출들이 없으며, 환경오염이 없다.
화석 연료 부족은 다가오는 미래에 범세계적인 문제가 될 수 있다. 연료 수송 및 저장도 이동 군부대들을 위한 것과 같이 주요한 물류 지원 문제가 될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 대용량의 화석 연료의 수송 및 저장의 필요성을 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에서 연료의 유용성은 물과 알루미늄의 유용성에 기초할 수 있다. 건조 알루미늄은 정상 조건들 하에서 폭발성이 없으며, 이는 수송 및 저장에 용이할 수 있다. 이는 자연 기후 극치들에 노출될 때에 빠르게 알루미늄에 대한 침식, 부식 또는 다른 손상을 방지할 수 있는 보호 산화막을 형성하기 때문에 특별한 취급이나 특별한 보호 요건들을 요구하지 않을 수 있다. 물은 다양한 형태들로 용이하게 수송될 수 있다. 수돗물, 바닷물, 소금물 및/또는 임의의 형태의 물이 본 발명의 예시적인 실시예들에서 연료로 사용될 수 있다.
풍부한 수소를 생성할 수 있는 몇몇의 물질들만이 존재하며, 이들은 탄화수소들 및 물을 포함할 수 있다. 이들 물질들 중에서, 물은 수소의 오염이 없는 소스가 될 수 있다. 새로운 수소 경제가 현재의 "석유/가스/석탄/핵" 경제를 대체하기 전에 다루어져야 하는 문제점들의 하나는 안전하고, 환경 보호적이며 비용 측면에서 경제적인 원하는 속도로 수소를 발생시키는 방법을 발견하는 것이 될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 안전하고, 비용 측면에서 경제적이며 환경 보호적인 수소 발생의 방법들 및 시스템들을 제공한다.
탄소, 물, 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄은 가장 안정한 주지의 물질들의 일부가 될 수 있다(예를 들면, 이들은 공통적으로 식품들, 약품들, 화장품들 및 안전한 사용/취급 제품들에 대한 다른 안전성에 사용된다). 본 발명의 예시적인 실시예들은 6 내지 8 범위의 중성 pH 값들을 포함할 수 있는 넓은 범위의 pH를 이용하여 가동하는 방법들 및 시스템들에 이들 원소들을 제공한다. 중성 pH 화학 반응의 이용은 사람의 피부 및 눈에 대한 산 화상이나 염기 화상의 위협을 제거할 수 있다. 우발적인 튐으로 인한 눈에 대한 염기 화상 손상은 수소를 생산하는 전기 분해로 전해질을 사용할 때에 안전 위해가 될 수 있다. 전기 분해는 기본적으로 상기 물의 전기 전도성을 증가시키기 위해 강한 전해질의 사용을 필요로 하지만, 본 발명의 예시적인 실시예들은 전기 분해의 이용이 없으며 전해질 첨가제들을 요구하지 않고 화학적으로 수소를 생산할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 간단한 주의로 안전하고 관리할 수 있다.
알루미늄 이외에 일부 금속들은 이들 금속들이 물과 접촉할 때에 자발적으로 수소를 생성할 수 있다. 예를 들면, 칼륨(K) 및 나트륨(Na)과 같은 금속들은 이들이 물과 접촉될 때에 수소를 생성할 수 있다. 그러나, 잔류하는 수산화물 생성물((즉, 나트륨 반응에서 KOH)은 부식성이고 취급에 위험할 수 있고 잠재적으로 환경을 오염시킬 수 있다. 이들 금속들은 상기 금속이 물 속으로 떨어지면 자연히 진행될 수 있는 단순한 반응을 통한 물 분해제들로 사용될 수 있지만, 이들 반응들은 알루미늄 보다 덜 안전하며, 본 발명의 예시적인 실시예들에 기재되는 알루미늄 및 상기 반응들만큼 용이하게 조절될 수 없다.
여기서 설명되는 방법들 및 시스템들의 예시적인 실시예들은, 예를 들면, 차량들(트럭들, 자동차들, 모터사이클들 등)을 위한 연료, 선박들(보트들, 잠수함들, 화물선들 등)을 위한 연료, 빌딩들, 도시들 등을 위해 전기를 제공할 수 있는 발전소들을 위한 동력, 그리고 수소가 연료/동력의 소스로서 사용될 수 있는 몇몇의 다른 응용들을 용이할 수 있고 및/또는 제공할 수 있다. 난방 수 또는 증기를 요구하는 응용들을 위하여, 물 속에서 수소를 생성할 수 있는 여기서 설명하는 상기 촉매 탄소 반응들로 인하여 보일러 장치가 가능해질 수 있다. 낮은 유량들로부터 매우 높은 유량들의 범위까지 탱크 저장을 요구하지 않는 수소 생산이 다양한 목적들을 위해 사용될 수 있는 본 발명에 의해 고려된 이용 및 실시예들의 많은 분야들이 존재한다.
다양한 다른 고려 사항들도 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 기재되는 예시적인 응용예들에서 다루어질 수 있다. 수소 발생의 상이한 체적들과 함께 수소 발생의 다양한 속도들이 응용의 분야에 따라 제공될 수 있다. 물의 양, 알루미늄과 같은 연료의 양 및 전기-활성화된 탄소의 양과 같은 다른 인자들이 인자가 될 수 있다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 예시적인 실시예들에 기초하는 일상적인 실험이 수소 발생의 다양한 속도들 및 체적들을 제공할 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. 이들 반응들 동안에 상기 온도의 조절은 요구에 따라 수소를 제공할 수 있으며, 수소 셀들은, 예를 들면 차량에 대한 요구에 따라 수소를 제공하는 반응 동안에 상기 수소 셀의 챔버의 온도를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
상술한 바는 본 발명의 원리들을 단지 예시하는 것이다. 개시된 실시예들에 대한 다양한 변경들과 변형들이 여기에 교시되는 관점으로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백해질 것이다. 따라서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 여기에 명백하게 도시되고 기재되지 않았지만, 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 원리들을 구현할 수 있는 수많은 시스템들, 장치들, 제조물 및 방법들을 발명할 수 있는 점이 이해될 것이다.

Claims (26)

  1. 탄소 물질을 전기 활성화(electro-activate)하도록 상이 탄소 물질에 전기 에너지를 제공하는 단계; 및
    수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소 물질을 사용하는 단계를 포함하는 수소 생산을 위한 촉매를 생성하는 방법,
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 물질은 물을 포함하는 액체 조성물 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 액체 조성물은 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 에너지는 대략 6 암페어-시로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 물질은, 순수한 탄소, 고체 탄소, 분쇄된 탄소, 소결된 탄소, 탄소 복합체들, 목탄, 가압된 탄소, 탄소 블록들, 흑연, 탄소 과립들, 입상 활성 탄소 또는 석탄의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전기-활성화된 탄소를 액체 조성물과 결합하는 단계; 및
    수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소와 상기 액체 조성물의 결합 사이에 화학 반응을 발생시키는 단계를 포함하는 수소를 생산하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 액체 조성물과 연료를 결합하는 단계; 및
    수소를 생산하도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 액체 조성물 및 상기 연료 사이에 화학 반응을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연료는, 순수한 알루미늄, 알루미늄 분말, 알루미늄 과립들 또는 알루미늄 부스러기들의 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    요구에 따라 수소를 생성하도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 물 및 상기 연료의 결합의 상기 화학 반응을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 화학 반응은 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 결합을 가열하여 조절되고, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 결합을 냉각시켜 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 결합은 대략 화씨 150도 내지 대략 화씨 190도의 온도 범위까지 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 화학 반응은, 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 액체 조성물 및 상기 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 추가하여 조절되며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 액체 조성물 및 상기 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 제거하여 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 액체 조성물은 물, 수돗물, 하수, 고칼슘 수, 소금물, 바닷물, 알칼리 수 또는 산성 수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 탄소 물질을 갖는 활성화 셀(activation cell); 및
    상기 활성화 셀 내의 상기 탄소 물질을 전기-활성화시키기 위해 전기 에너지를 제공하도록 구성되는 장치를 포함하는 수소 생산을 위한 촉매를 생성하는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 탄소 물질은 상기 활성화 셀 내에서 물을 포함하는 액체 조성물 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 액체 조성물은 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 장치는 대략 6 암페어-시로 전기 에너지를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 탄소 물질은, 순수한 탄소, 고체 탄소, 분쇄된 탄소, 소결된 탄소, 탄소 복합체들, 목탄, 가압된 탄소, 탄소 블록들, 흑연, 탄소 과립들, 입상 활성 탄소 또는 석탄의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 액체 조성물 및 전기-활성화된 탄소를 갖는 용기; 및
    수소를 생산하도록 상기 액체 조성물과 상기 전기-활성화된 탄소 사이에 화학 반응을 발생시키기 위한 장치를 포함하는 수소를 생산하는 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 액체 조성물 및 상기 전기-활성화된 탄소와 함께 상기 용기 내에 제공되는 연료를 더 포함하며,
    상기 장치는 수소를 생산하도록 상기 액체 조성물, 상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 연료 사이의 화학 반응을 발생시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 연료는 순수한 알루미늄, 알루미늄 분말, 알루미늄 과립들 또는 알루미늄 부스러기들의 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서,
    요구에 따라 수소를 생산하도록 상기 액체 조성물, 상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 연료 사이의 상기 화학 반응을 조절하는 하나 또는 그 이상의 메커니즘들(mechanisms)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 메커니즘들은, 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 액체 조성물, 상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 연료의 결합을 가열하며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 액체 조성물, 상기 전기-활성화된 탄소 및 상기 연료의 결합을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 메커니즘들은 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 물 및 상기 연료의 결합을 대략 화씨 150도 내지 대략 화씨 190도의 온도 범위까지 가열하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 화학 반응은 상기 수소의 생산을 증가시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 액체 조성물 및 상기 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 추가하여 조절되며, 상기 수소의 생산을 감소시키도록 상기 전기-활성화된 탄소, 상기 액체 조성물 및 상기 연료의 하나 또는 그 이상의 양들을 제거하여 조절되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 액체 조성물은 물, 수돗물, 하수, 고칼슘 수, 소금물, 바닷물, 알칼리 수 또는 산성 수를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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