KR20140132346A - 규소 나트륨 및 실리카 겔 나트륨 재료를 이용하는 수소 발생 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

시스템, 장치 및 방법은 열적으로 안정적인 반응 재료와 수용액을 조합하여 수소 및 무독성 액체 부산물을 발생시킨다. 반응 재료는 규소 나트륨이나 실리카 겔 나트륨일 수 있다. 수소 발생 장치는 연료 전지 및 그외 다른 산업 어플리케이션에 사용된다. 일 시스템은 수소를 발생시키기 위한 반응 재료와 수용액 사이의 반응을 감지 및 제어하는 냉각, 펌핑, 물 저장 및 그외 다른 장치가 조합되어 형성된다. 스프링 및 그외 다른 가압 기구에 의해 수용액이 가압되어 반응 재료로 운반된다. 체크 밸브와 그외 다른 압력 조절 기구가 가압 기구의 특성에 기초하여 반응기 내부 반응 연료 재료로 운반되는 수용액의 압력을 조절하며 가압력과 연관된 정상 감쇠에 따라 운반 수용액의 압력을 조절할 수 있다. 압력 조절 기구는 또한, 수소 가스가 압력 조절 기구를 편향시키는 것을 방지할 수 있다.

Description

규소 나트륨 및 실리카 겔 나트륨 재료를 이용하는 수소 발생 시스템 및 방법{HYROGEN GENERATION SYSTEMS AND METHODS UTILIZING SODIUM SILICIDE AND SODIUM SILICA GEL MATERIALS}

본 기술은 개괄적으로 반응 연료 재료 및 수용액을 이용하여 수소를 발생시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물, 수용액, 열 또는 pH 변경을 이용한 반응 시에 규소 나트륨, 실리카 겔 나트륨 또는 다중 성분 혼합물을 이용하여 수소를 발생시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

연료 전지는 외부 공급원으로부터의 연료를 전류로 변환하는 전기 화학 에너지 변환 장치이다. 다수의 통상적인 연료 전지가 연료로서 수소를 사용하며 산화제로서 산소(보통 공기)를 사용하고 있다. 이러한 연료 전지는 부산물로서 물을 생성하며, 따라서 환경에 미치는 영향이 극히 적은 전력 발생 장치이다.

이러한 연료 전지는 가솔린 터빈, 내연 기관 및 배터리와 같은 상당 수의 다른 전력 생성 기술과 경쟁 관계에 있다. 연료 전지는 고정 설치 발전 설비, 조명 장치, 예비 전력 장치, 가전 제품, 전기 자전거와 같은 개인용 이동 수단뿐만 아니라 조경 장비 등을 포함하는 상당 수의 용례에 사용될 수 있는 직류(DC) 전압을 제공한다. 현재, 상당히 다양한 종류의 연료 전지가 이용 가능하며, 이들 연료 전지는 전력을 발생시키기 위해 각기 상이한 화학적 성질을 이용한다. 연료 전지는 보통, 그 작동 온도 및 연료 전지가 사용하는 전해액 시스템의 유형에 따라 분류된다. 통상적인 연료 전지의 일 예로서, 연료로서 수소를 사용하며 산화제로서 산소(보통 공기)를 사용하는 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)가 있다. 이러한 연료 전지는 높은 전력 밀도를 갖추고 있으며 작동 온도가 보통 80℃ 미만으로 낮다. 이러한 연료 전지는 또한, 포장 및 시스템 실시 요건과 관련하여 중간 수준의 신뢰도를 갖추고 있다.

수소 저장 및 발생에 관한 도전 과제 중 하나는 PEM 연료 전지의 대량 채용이 제한적이라는 점이다. 수소 분자의 경우에는 질량당 에너지 밀도가 상당히 높지만, 대기 조건 하의 수소 가스는 체적당 에너지 밀도가 매우 낮다. 고압 및 극저온 기술을 포함하여, 수소를 휴대용 용례에 적용하기 위한 기술들이 널리 알려져 있지만, 이들 기술의 대부분은 수소 가스를 언제든지 신뢰성 있게 방출할 수 있는 화합물에 초점을 맞추고 있다. 현재, 재료 중에 수소를 저장하기 위해 세 가지의 매커니즘, 즉, 흡수, 흡착 및 화학 반응 매커니즘이 광범위하게 채용되고 있다.

연료 전지에 연료를 공급하기 위한 흡수식 수소 저장 방식의 경우, 수소 가스가 직접, 고압에서, 금속 수소화물과 같은 특정 결정질 재료 벌크에 흡수된다. MgH₂, HaAlH₄ 및 LaNi₅H₆와 같은 금속 수소화물이 수소 가스를 가역 방식으로 저장하도록 가장 자주 사용되고 있다. 그러나, 금속 수소화물 시스템은 특정 에너지가 부족하며(즉, 수소 저장 대 금속 수소화물 질량 비율이 낮으며), 유입/유출 유동 특성이 불량하다. 수소의 유동은 금속 수소화물의 흡열 특성에 의해 야기된다(내부 온도가 수소 제거 시에는 강하하며 수소 재충전 시에는 상승한다). 이러한 특성으로 인해, 금속 수소화물은 무게가 많이 나가는 경향이 있으며 즉각적인 충전 및/또는 방전을 위한 복잡한 시스템을 필요로 한다. 예를 들어, 미국 특허 제 7,271,567 호를 참조하면, 금속 수소화물 또는 다른 수소계 화학 연료가 내장되어 있는 카트리지에 가압 수소 가스를 저장하며 이후 제어 가능하게 방출시키도록 설계된 시스템이 개시되어 있다. 이러한 시스템은 또한, 금속 수소화물 연료 자체의 온도 및/또는 압력을 측정하는 방식으로 및/또는 연료 전지의 출력 전류를 측정하여 수소 소모량을 추정하는 방식으로, 연료 전지로 운반될 수 있는 남아 있는 수소의 레벨을 감시한다.

연료 전지에 연료를 공급하기 위한 흡착식 수소 저장 방식의 경우, 분자상 수소는 물리적 흡착 또는 화학적 흡착에 의한 화학 연료와 연관되어 있다. 리튬 수소화물(LiH), 리튬 알루미늄 수소화물(LiAlH4), 리튬 붕소 수소화물(LiBH4), 수소화물 나트륨(NaH), 붕소 수소화물 나트륨(NaBH4) 등과 같은 화학적 수소화물이 수소 가스를 비가역 방식으로 저장하도록 사용되고 있다. 화학적 수소화물은 아래에 기재된 바와 같이 물과 반응 시에 다량의 수소 가스를 생성한다:

NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂

화학적 수소화물과 물의 반응을 신뢰성 있게 제어하여 연료 저장 장치로부터 수소 가스를 배출하기 위해서는, 물의 pH를 정밀하게 제어하는 한편 촉매가 사용되어야 한다. 또한, 화학적 수소화물은 대게, 수소화물이 수소 가스를 조기에 방출하는 것을 방지하기 위한 비활성의 안정적인 액체 슬러리 형태로 채용된다. 미국 특허 제 7,648,786 호, 제 7,393,369 호, 제 7,083,657 호, 제 7,052,671 호, 제 6,939,529 호, 제 6,746,496 호 및 제 6,821,499 호에는, 전술한 특성 중 적어도 하나를 사용하지만 대게는 복수의 특성을 활용하는 화학적 수소화물 시스템이 도시되어 있다.

연료 전지용 수소를 생성하기 위한 화학 반응 방법의 경우, 수소 저장 및 수소 배출이 대게, 화학 연료의 보통 수준의 온도 또는 압력 변화를 촉매로 하여 이루어진다. 온도를 촉매로 하는 이러한 화학 시스템의 일 예를 들자면, 아래의 반응식에 따른 암모니아 보란(ammonia borane)을 이용한 수소 발생이다:

NH₃BH₃ → NH₂BH₂ + H₂ → NHBH + H₂

제 1 반응을 통해 대략 120℃에서 6.1 wt%의 수소가 방출되는 반면, 제 2 반응을 통해 대략 160℃에서 6.5 wt%의 수소가 방출된다. 이러한 화학 반응 방법은 수소 가스를 생성하기 위한 개시제로서 물을 사용하지 않으며, 시스템 pH의 정밀 제어를 필요로 하지 않고, 대게 별도의 촉매 재료를 필요로 하지 않는다. 그러나, 이러한 화학 반응 방법에 있어서는 통상적인 열 폭주(thermal runaway) 발생으로 인해 종종 시스템 제어가 이슈가 된다. 예를 들어, 미국 특허 제 7,682,411 호를 참조하면, 암모니아 보란을 이용한 수소 발생을 열적으로 초기화하며 열 폭주를 방지하도록 설계된 시스템이 개시되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 7,316,788 호 및 제 7,578,992 호를 참조하면, 열적 수소 방출 조건을 변경하기 위해 촉매와 용제를 채용하는 화학 반응 방법이 개시되어 있다.

전술한 바와 같은 관점에서, 종래 기술의 전술한 문제점 또는 단점 중 다수 또는 전부를 극복하는 개선된 수소 발생 시스템 및 방법이 필요하다.

아래에 설명되는 수소 발생 시스템은, 저장 수소 가스 또는 분자상 수소 원자를 포함하지 않는, 규소 나트륨 및/또는 실리카 겔 나트륨을 포함하는, 안정적인 알칼리 금속 재료와 같은, 반응 연료 재료의 실질적으로 완전한 반응을 달성한다. 추가적인 반응물에는 수소화붕소 나트륨(NaBH₄) 및/또는 암모니아 보란 등과 같은 화학적 수소화물이 포함될 수 있다. 또한, 이러한 반응물을 채용하는 시스템 반응은, 별도의 촉매 챔버를 필요로 하지 않으며, 단순히 적절한 수성 매체를 추가하여 연료 전지 또는 수소 드로잉(drawing) 시스템의 수소 요건을 충족시킴으로써 시스템의 개시 및 중단이 용이하게 제어된다. 또한, 아래의 예들은 전체 시스템 체적과 중량을 최소화하면서 전술한 요건을 모두 충족시킨다.

본 개시의 일 예로서, 반응 연료 재료가 수용액에 노출되는 경우 수소를 발생시키는, 반응 연료 재료를 수용하는 반응기가 제공된다. 이러한 반응기는 수용액과 그 제어 시스템을 포함할 수 있는 독립적인 수소 발생 구성 요소일 수도 있다. 유사하게, 다른 예로서, 외부 공급원에 의해 수용액이 주입되는 반응기가 제공될 수 있다. 또한, 수소의 발생이 외부 제어 시스템에 의해 제어, 감시 또는 처리될 수도 있다. 제어 시스템과 반응기는 수소 연료 전지에 수소를 제공하도록 또는 일반적인 용도, 실험실 용도, 산업상 용도 또는 소비자 용도로 수소를 제공하도록 사용되는 독립적인 수소 발생 시스템으로서 작동할 수 있다. 마찬가지로, 제어 시스템과 반응기는, 전체적으로 또는 부분적으로, 노트북 컴퓨터, 개인용 또는 상업용 전자 제품 및 전원을 필요로 하는 그외 다른 장치 및 장비와 같은 최종 제품에 전원을 공급하는 완전한 연료 전지 시스템의 내부에 포함될 수 있다.

수소 가스를 발생시키는 일 방법은, 반응기 내부로 반응 연료 재료를 주입하는 단계와, 반응기 내부의 반응 연료 재료와 수용액을 조합하여 수소 가스를 발생시키는 단계를 포함한다.

반응 연료 재료는 규소 나트륨 분말(NaSi) 및 실리카 겔 나트륨(Na-SG)을 포함하는 규소 화합물과 같은 안정적인 알칼리 금속 재료를 포함할 수 있다. 안정적인 알칼리 금속 재료는 또한, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 촉매를 구비하거나 구비하지 않은 암모니아 보란, 촉매를 구비하거나 구비하지 않은 붕소 수소화물 나트륨, 그리고 열, pH 또는 수용액에 노출되는 경우 수소를 생성하는 재료 및 재료 혼합물 어레이를 포함하는 그외 다른 반응 재료와 조합될 수 있다. 수용액과 이러한 재료의 혼합물은 또한, 폐기 생성물의 pH를 제어하며, 폐기 생성물의 가용성을 변경하고, 수소 생성량을 증가시키며, 수소 생성 비율을 증가시키고, 반응 온도를 제어하는 첨가제를 포함할 수 있다. 수용액은 물, 산, 염기, 알코올, 염, 오일 및 이들 용액의 혼합물을 포함할 수 있다. 수용액의 예에는 메탄올, 에탄올, 염산, 아세트산, 수산화물 나트륨 등이 포함될 수 있다. 수용액은 또한, 생성 H₂의 양을 증가시키는 공중합 반응제, 응집제, 부식 억제제, 또는 수용액의 열 물리학적 특성을 변화시키는 열 물리학적 첨가제와 같은 첨가제를 포함할 수 있다. 응집제의 예로서 수산화물 칼슘, 규산 나트륨 등을 들 수 있으며, 부식 억제제의 예로서 인산염, 붕산염 등을 들 수 있다. 또한, 열 물리학적 첨가제는 반응 온도 범위, 반응 압력 범위 등을 변화시킬 수 있다. 또한, 수용액용 첨가제에는 각종 상이한 첨가제 혼합물이 포함될 수 있다.

반응기는 독립적인 교체 가능한 구성 요소일 수 있으며, 따라서, 제어 시스템 또는 연료 전지 시스템에 복수의 반응기가 사용될 수 있다. 반응기는 또한, 카트리지, 실린더, 캔, 베셀, 압력 베셀, 모듈 및/또는 엔클로져(enclosure)와 같은 용어로 명명될 수도 있다. 반응기는 반응기 또는 하나의 유입 포트나 복수 개의 유입 포트 내부의 반응 연료 재료와 수용액을 포함하며, 상기 유입 포트를 통해 수용액이 반응기 내부로 주입된다. 반응기는 또한, 수소 가스용의 유출 포트를 구비할 수 있어, 수소가 반응기에서 나온 후 연료 전지와 같은 외부 시스템으로 공급되기 전에 추가로 처리(예를 들어, 증기 응축, 정화, 조절 등)될 수도 있다.

수용액은 초기에 사용자에 의해 외부적으로 저장 또는 첨가될 수도 있으며, 또는 연료 전지 시스템으로부터 반응기 상의 수용액 유입 포트로 복귀할 수도 있다. 수용액은 수동 펌프, 배터리 전원 펌프, 외부 전원 펌프, 스프링 제어 펌프 등과 같은 펌프, 또는 압력차 및 확산과 같은 다른 수성 운반 매커니즘을 사용하여 유입 포트(들)를 통해, 안정적인 알칼리 금속을 포함하는, 반응기 내부의 반응 연료 재료에 첨가될 수 있다. 수용액은 반응기 내부에 저장될 수 있으며, 피스톤, 백, 멤브레인, 또는 그외 다른 분리 장치에 의해 반응 연료 재료로부터 분리될 수 있다.

반응기는 하나의 장치 또는 제어 시스템으로의 하나의 연결부의 일부로서 수소 유출구 및 수용액 유입구를 구비할 수도 있다. 반응기는 하나의 장치 또는 제어 시스템에 연결되는 수소 유출구 및 상이한 장치 또는 제어 시스템에 연결되는 물 유입구를 구비할 수도 있다. 반응기는 수용액과 반응 연료 재료를 조합하는 내부 제어부를 구비한 수소 유출구만을 구비할 수도 있다.

수소 가스 발생 방법은 또한, 발생 수소 가스를 여과하는 단계와, 수소 가스 중의 부산물을 흡수하는 단계, 및/또는 발생 수소 가스로부터 물을 응축시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 여과 단계는 반응기의 내부 또는 외부에서, 제어 시스템의 내부에서, 또는 이들 모두에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 반응기 또는 제어 시스템에(또는 이들 모두에) 수소를 여과하도록 수소 분리 멤브레인이 사용될 수 있으며, 발생 수소 가스로부터 물을 응축시키도록 응축기 유닛이 사용될 수 있다. 발생 수소 가스가 반응기의 수소 유출 포트에서 배출됨에 따라, 필터 및 응축기가 발생 수소 가스에 작용할 수 있다. 여과된 수소 가스 및/또는 응축수가 반응기로 또는 물 저장 용기로 다시 재활용될 수 있다. 수소 가스 발생 시에, 규산 나트륨이나 그외 다른 반응 폐기 생성물과 같은 폐기 생성물이 생성될 수 있다.

일 예로서, 제어 시스템은 반응기 내부에서의 반응 연료 재료와 수용액의 반응 매개 변수를 감시하는 감시 장치를 포함할 수 있다. 감시 장치는 반응기 내부 또는 반응기 상에서의 또는 외부 제어 시스템 내에서의 하나 또는 복수의 매개 변수를 감시할 수 있다. 이러한 매개 변수는, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 반응기 내용물의 온도 및 전기 전도성, 반응기 내부 압력, 반응물의 중량, 반응이 이루어지지 않은 반응 연료 재료의 양, 반응 경과 시간, 반응기 내부의 수용액의 양, 반응기에 첨가되는 수용액의 최대량을 포함할 수 있다. 감시된 시스템 특성은 이후 표시될 수 있으며, 또는 제어 전략을 수정하기 위한 계산에 사용될 수 있고, 반응기의 상태나 시스템의 상태를 다른 장치에 통신을 통해 전송할 수 있으며 또는 이러한 특성이나 유도 특성을 사용자에 통신을 통해 전송할 수 있다. 일 예의 사용자 통신 장치로는, 예를 들어, LCD 디스플레이와 같은 시각적인 표시 장치 또는 남아 있는 물의 수위 관찰 창이 있다.

반응은 반응 제어 장치를 사용하는 감시 장치와 연관되어 제어될 수 있다. 반응 제어 장치의 예에는, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 온도, 전기 전도성 범위, 압력, 반응물의 중량뿐만 아니라, 반응기 내부에서의 반응 연료 재료와 수용액의 조합이 진행되는 그외 다른 측정 환경을 변경하기 위한 장치가 포함된다. 예를 들어, 반응기에 추가의 반응 연료 재료를 첨가하며 반응기에 수용액을 첨가하고 반응기로부터 폐기 생성물을 제거하며 반응기를 냉각시키고 반응기를 가열하며 반응 연료 재료와 수용액의 조합물을 혼합하고 압력 감소를 위해 반응기로부터의 배출을 수행하며 그외 다른 측정 제어를 수행하기 위한 반응 제어 장치가 사용될 수 있다.

반응 매개 변수를 측정하며 반응 제어 장치를 사용함으로써, 반응기 내부의 환경상 측정치 중 어느 하나가 각각의 범위를 벗어나는 경우 수소 가스 발생 방법이 반응기 내부에서 제어될 수 있으며, 또는 매개 변수 중 어느 하나의 변화율을 감시 및 처리하는 제어 전략에 의해 수소 가스 발생 방법이 제어될 수 있다.

반응기는 반응물과 그 반응 부산물을 수소 가스로부터 분리하는 다수의 상이한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 청정 수소 가스를 발생시키는 방법은 분리 단계와 여과 단계를 모두 포함할 수 있다. 일 예로서, 반응 연료 재료, 수용액, 수소 가스 및/또는 반응 폐기 생성물 중 적어도 하나가 나머지로부터 분리된다. 또한, 수소 가스는 수소 분리 멤브레인, 화학적 필터, 건조제 필터, 입자가 굵은 매체용 필터, 건조기 필터 및/또는 이차 반응기 챔버를 사용하여 정화될 수 있다. 이러한 필터의 사용 시에, 수용액이 반응기 내부로 주입됨에 따라 필터가 수용액 중 일부에 의해 세정될 수 있다.

반응기는 또한, 배관망, 노즐 어레이, 유동 제한기, 그리고 확산기, 분무기 등과 같은 물 분배 매체와 같은 수용액 분배를 위한 구조체 및 장치를 포함할 수 있다. 반응기 내부에 병렬로, 직렬로 또는 이들의 조합 배열로 배치되어 있는 복수의 지점을 통해 분배될 수 있다. 수용액 분배 시스템은, 전체적으로 또는 부분적으로, 반응 연료 재료와 반응하여 수소를 생성하도록, 수소 스트림을 정화하도록, 필터 매체를 정화하도록, 및/또는 폐기 생성물 매개 변수를 제어하도록 사용될 수 있다.

반응기는 릴리프 밸브, 파열 디스크 또는 제어 반응기 파열 지점과 같은 안전 릴리프 기구와 같은 수소 취급 구성 요소를 포함할 수 있다. 반응기는 또한, 필요한 연료 전지 특성을 제공하기 위하여 또는 여과 구성 요소의 일시적인 유량 제한치를 매치시키기 위하여, 수소 유출량을 최소화하거나 제어하는 배출 유동 제한기를 포함할 수도 있다.

수소 가스 발생 시스템은 또한, 압력 변환기, 릴리프 밸브, 수소 밀봉 체크 밸브, 팬, 열 교환기 및 반응기 냉각원을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 시스템은 연료 전지 반응 폐용액을 재활용하며 재활용된 연료 전지 반응 폐용액을 반응기로 복귀시키는 재포획 용기를 포함할 수 있다.

수소 발생 방법은 또한, 수용액의 일부를 반응기 영역으로 운반하여 반응 연료 재료와 수용액의 조합으로부터 초래하는 폐기 생성물을 재포획하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 수용액의 일부가 이차 반응기 챔버에 첨가될 수 있으며, 발생 수소 가스가 이러한 부분의 수용액을 통과할 수 있다. 여과 작용이 또한, 반응이 이루어지지 않은 반응 연료 재료와 수용액으로부터 폐기 생성물을 분리하기 위해 액체 침투성 스크린을 사용하여 수행될 수 있다.

전술한바 및 그외 다른 장점, 태양 및 특징이 첨부 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 더 명확해질 것이다. 아래의 도면을 참조하여 비제한적이고 비배타적인 실시예가 설명된다. 이에 따라, 아래의 도면 및 설명은 제한적인 의미가 아닌 단지 예시적인 의미로 간주하여야 한다.

도 1 에는 안정적인 알칼리 금속 재료와 수용액을 사용하여 수소 연료 전지용의 또는 일반적인 실험실용, 산업용 또는 소비자 용례용 수소를 제공하기 위한 수소 발생 시스템의 일 예가 도시되어 있다.
도 2 에는 두 개의 반응기 및 운반을 위한 손잡이 부속품을 구비한 수소 발생 시스템의 일 예가 도시되어 있다.
도 3 에는 반응기, 물 용기 및 다수의 추가 구성 요소를 포함하는 일 예의 수소 가스 발생 시스템이 도시되어 있다.
도 4a 내지 도 4d 에는 선택된 위치에 복수의 물 분배 노즐을 채용하는 반응기가 도시되어 있다.
도 5 에는 열 제거 구조체를 구비한 일 예의 수소 발생 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
도 6 에는 반응 성분들을 혼합하기 위한 하향 배향으로 반응기의 일 단부에 마련되는 수소 유출구와 물 유입구를 구비한 일 예의 수소 발생 시스템이 도시되어 있다.
도 7 에는 도 5 및 도 6 에 도시된 열 제거 구조체를 구비한 수소 발생 시스템이 분해도로 도시되어 있다.
도 8 에는 입자가 굵은 매체용 필터와 수소 여과 멤브레인을 구비한 수소 발생 시스템 구성이 도시되어 있다.
도 9a 내지 도 9c 에는 물 공급망 및 이러한 물 공급망을 구비하지 않은 필터 영역과 물 공급망을 사용하는 필터 영역이 비교 도시되어 있다.
도 10a 및 도 10b 에는 멤브레인/입자가 굵은 매체용 필터 시스템의 변형예의 필터 디자인이 도시되어 있다.
도 11a 및 도 11b 에는 폐기물 포획 및 순환을 위한 시스템 및 기술이 도시되어 있다.
도 12a 에는 복수의 반응 격실을 구비한 반응기의 일 예가 도시되어 있다.
도 12b 에는 복수의 보호용 단열 장치를 구비한 일 예의 반응기가 도시되어 있다.
도 13 에는 전도성 변화를 측정하기 위한 전기 접점을 구비한 일 예의 반응기가 도시되어 있다.
도 14 에는 반응기의 압력 베셀 캡에 연결된 전기 접점을 구비한 일 예의 반응기가 도시되어 있다.
도 15a 내지 도 15c 에는 청구되고 있는 바와 같은 발명에 따른 일 예의 경량의, 저비용의, 재사용 가능한 반응기가 도시되어 있다.
도 16 에는 청구되고 있는 바와 같은 발명에 따른 저출력 반응기 시스템의 일 예의 구성 양식이 도시되어 있다.
도 17 에는 청구되고 있는 바와 같은 발명에 따른 저출력 반응기 시스템의 일 예가 상세히 도시되어 있다.
도 18 에는 밸브를 통해 스프링 기반 액체 펌프 시스템에 연결되어 있는 고체 반응 연료 재료를 구비한 반응기가 도시되어 있다.
도 19 에는 결합 밸브를 구비하지 않은 스프링 기반 액체 펌프 시스템에서의 시간 경과에 따른 진동식 수소 발생이 그래픽으로 묘사되어 있다.
도 20 에는 결합 밸브를 구비한 스프링 기반 액체 펌프 시스템에서의 시간 경과에 따른 수소 발생이 그래픽으로 묘사되어 있다.
도 21 에는 단일 카트리지 내부에 일체형으로 형성된 스프링 기반 액체 펌프 시스템과 반응 연료 재료를 구비한 반응기가 도시되어 있다.
도 22a 에는 일체형의 스프링 기반 액체 펌프 시스템과 반응 연료 재료를 구비한 반응기가 도시되어 있다.
도 22b 에는 반응기 및 스프링 기반 액체 펌프 시스템과 일체형 카트리지의 일차적인 세 개의 서브 조립체가 도시되어 있다.
도 23 에는 반응기 및 스프링 기반 액체 펌프 시스템과 일체형 카트리지가 사시도 및 단면도로 도시되어 있다.
도 24 에는 일체형 카트리지가 조립도로 도시되어 있다.
도 25 에는 물 공급 분배 기구가 도시되어 있다.
도 26 에는 분리 가능한 액체 공급/반응기 수소 발생 장치의 결합을 위한 나사산이 형성된 잠금 기구가 도시되어 있다.
도 27 에는 분리 가능한 액체 공급/반응기 수소 발생 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
도 28 에는 원추형/접힘 방식의 스프링을 구비한 분리 가능한 액체 공급/반응기 수소 발생 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
도 29a 내지 도 29b 에는 주행 거리에 따른 힘의 가변성 제한을 촉진하기 위한 접힘 가능한 스프링의 정상 압축 상태가 도시되어 있다.
도 30a 에는 스프링 기반 액체 공급부 및 체적 교환 시스템을 구비한 수소 발생 카트리지가 사시도로 도시되어 있다.
도 30b 에는 스프링 기반 액체 공급부 및 체적 교환 시스템을 구비한 수소 발생 카트리지가 개략적으로 도시되어 있다.
도 31 에는 체적 교환 방식의 스프링 기반 액체 공급부를 구비한 수소 발생 카트리지가 사시도 및 단면도로 도시되어 있다.
도 32 에는 체적 교환 방식의 스프링 기반 액체 공급부를 구비한 수소 발생 카트리지가 조립도 및 단면도로 도시되어 있다.
도 33 에는 일 예의 일체형의 카트리지 여과 시스템이 조립도로 도시되어 있다.
도 34 에는 반응기와 액체 공급부를 분리하기 위한 정상 폐쇄형 밸브가 조립도로 도시되어 있다.
도 35a 및 도 35b 에는 반응기와 액체 공급부를 연결하기 위한 메이팅 요소가 조립도 및 사시도로 도시되어 있다.

아래의 예에서, 수소 연료 전지 시스템이 참조되고 있긴 하지만, 논의되고 있는 시스템 및 방법이 또한, 예를 들어, 실험실 용례, 상업상 또는 산업상 용례, 소비자 용례와 같은 수소 가스 발생 용례로 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.

기본 수소 제어 시스템

일 예로서, 규소 나트륨 및/또는 실리카 겔 나트륨이 수소 가스를 발생시키기 위해 물과 조합될 수 있지만, 발전된 기술에서는 또한, 도핑 처리된 규소 화합물 및 수소가 조합되어 있는 규소 화합물과 같은 그외 다른 안정적인 알칼리 금속 재료, 또는 수용액과 조합되어 수소 가스를 생성하는 고체 분말이 사용될 수 있다. 또한, 발전된 시스템 기술의 다수의 태양이 또한, 수용액에 노출 시에 수소를 발생시키는, 암모늄 분말이나 그외 다른 재료 또는 이들 재료의 조합물과 같은, 수소 생성에 사용되는 변형예의 재료에 적용될 수 있다.

반응 연료 재료는 봉 형상체, 원추형체, 구형체, 원통형체 또는 그외 다른 물리적인 기하학적 형상체로 압축, 성형, 절단 또는 형성될 수 있는 유동이 자유로운 분말 또는 그외 다른 재료일 수 있다. 이들 재료는, 반응률 제어를 위해, 가변 크기의 분말, 기하학적 변형예의 재료, 재료 코팅 또는 그외 다른 변형예의 재료로 이루어질 수도 있다. 일 코팅 방법은, 고체 규소 나트륨 구조체를 습한 공기에 노출시켜 물에 용해 가능한 규산 나트륨 배리어(barrier)를 생성하는 것이다. 그외 다른 코팅 재료에는, 용해 가능한 또는 제거 가능한 왁스, 플라스틱, 겔, 염 또는 단백질이 포함될 수 있다. 물론, 반응 연료 재료와 수용액의 조합을 위해, 그외 다른 형태 및 기하학적 형상의 반응 연료 재료 및 수용액이 함께 사용될 수도 있다.

도 1 에는 반응 연료 재료와 수용액을 사용하여 수소 가스를 발생시키기 위한 수소 발생 시스템(100)의 일 예가 도시되어 있다. 발생 수소 가스는 수소 연료 전지에 제공되거나 일반적인 실험실용, 산업용 또는 소비자 용도로 제공될 수 있다. 반응 연료 재료(101)가 반응기(102)의 내부에 주입될 수 있다. 본 개시 내용에서, 용어 반응기, 카트리지 및 압력 베셀은, 반응 연료 재료가 내부에 배치되는 용기 또는 그외 다른 수용부의 식별을 위해, 동일한 의미로 사용된다. 도 1 에 도시된 예에서, 제거 가능한 반응기(102)가 물 유입 연결부(106)와 수소 유출 연결부(108)에 부착된다. 이들 연결부는, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 정상 폐쇄형 이중 차단 밸브 및/또는 정상 폐쇄형 체크 밸브를 포함할 수 있다. 반응기(102)와 물 유입 연결부(106) 및 수소 유출 연결부(108)로의 연결은, 특정 용도에 따라, 가요성 연결 또는 강성 연결일 수 있다. 물 또는 다른 수용액이 안정적인 알칼리 금속(101)과 같은 반응 연료 재료에 첨가되어 수소 가스 및 규산 나트륨과 같은 부산물이 발생된다. 수소 가스는 상방으로 이동하여 반응기(102)를 빠져나오게 된다. 도 1 에 단일 반응기(102)가 도시되어 있긴 하지만, 설명되고 있는 예시적인 수소 가스 발생 시스템에 소정 개수의 가요성 또는 강성 구성의 제거 가능한 또는 고정형 반응기가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 도 2 에는 두 개의 제거 가능한 반응기(202, 204)가 도시되어 있다. 또한, 반응기는 잠금 기구, 클립 또는 그외 다른 유사한 고정 장치를 사용하여 시스템 내부 적소에 고정될 수 있다.

도 1 및 도 2 에 도시된 예에서, 물과 같은 수용액이 각각의 충전 포트(110, 210)에 첨가된다. 다른 실시에 따르면, 충전 포트를 구비하거나 구비하지 않은, 물 용기(114)와 같은 제거 가능한 물 용기가 사용될 수 있다. 그외 다른 예로서, 반응기에 반응 연료 재료 및/또는 수용액이 예비 충전될 수 있다. 수용액은 반응 효율을 개선하기 위한 첨가제, 수소 생성을 증가시키기 위한 첨가제, 수소 생성률을 증가시키기 위한 첨가제, 오염물의 형성을 감소시키기 위한 첨가제, 오염물 여과를 촉진하기 위한 첨가제, 최종 가수 분해를 지지하기 위한 첨가제, 부식을 줄이기 위한 첨가제, 반응 생성물이나 폐기 생성물의 pH를 조절하기 위한 첨가제, 폐기 생성물의 가용성을 변경하기 위한 첨가제, 그리고 작동 온도 범위를 연장할 뿐만 아니라 반응물의 열 물리학적 특성과 같은 그외 다른 반응 매개 변수에 영향을 미치기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 산성, 염기성, 염, 알코올, 그외 다른 첨가제 및 이들 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다. 이들 첨가제의 예에는, 메탄올, 에탄올, 염산, 아세트산, 수산화 나트륨, 수산화 칼슘, 규산 나트륨, 인산염, 붕산염 등이 포함될 수 있다. 붕소, 탄소 및 질소를 포함하는 그외 다른 첨가제가 수소 용량 및 반응 속도를 개선하며 및/또는 반응 엔탈피를 감소시키도록 반응 연료 재료와 조합될 수 있다. 작동 온도 범위와 관련하여, 용액의 어는점을 낮추기 위하여 수용액에 염 및/또는 그외 다른 첨가제가 포함될 수 있다.

용기에 저장되는 수용액의 양은 시스템 실시 특성치에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2 에서, 용기는 복수의 카트리지(202, 204)와 반응하기에 충분한 체적을 초과하는 양의 수용액을 저장할 수 있다. 시스템은 유출 수소 스트림 중의 물을 응축시켜 물을 직접 반응기로 복귀시키거나 물 용기(114)로 물을 전달하기 위한 응축기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 시스템은 물 용기(114)에 또는 별개의 실시에서는 직접 반응기로 추가의 물을 공급하기 위한 외부 물 공급원(도시하지 않음)용의 물 유입 연결부(106)를 포함할 수 있다. 일 실시에 따르면, 연료 전지 반응 시에 발생하는 폐수가 전체적으로 또는 부분적으로 포획될 수 있으며, 또한 총 물 필요량을 감소시키기 위한 물 공급 방식에 기여할 수 있다.

예를 들어, 규산 나트륨 폐기 생성물은 즉시 물을 흡수하며 이에 따라 점성이 변한다. 이러한 폐기 생성물을 반응이 이루어지지 않은 반응 연료 재료로부터 분리함으로써, 반응이 제어될 수 있다. 예를 들어, 과다한 양의 물이 존재하는 가용성 조건을 달성하기 위해, 반응기의 일 단부가 가열 처리되거나 단열 처리될 수 있다. 이렇게 해서 얻어진 물은 이후, 안정적인 알칼리 금속 분말로 역방향으로 급송될 수 있으며, 또는 단지 물 사용량을 최대화하기 위한 목적으로 구성되는 다량의 규소 나트륨과의 반응이 허용될 수 있다. 변형예로서, 반응 지점에서 폐기 규산염은 고온 상태에 있으며, 액체 상태가 되기 위해 물을 거의 필요로 하지 않을 수도 있다. 반응 지점에 반응이 이루어지지 않은 반응 연료 재료로부터 액체 폐기물을 분리시키기 위해 분리 스크린이 사용될 수도 있다.

추가 시스템 구성 요소

반응기와 수용액 공급원 외에도, 수소 가스 발생 시스템은 추가의 시스템 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3 에는 반응기(302), 물 용기(314) 및 다수의 추가 구성 요소를 포함하는 일 예의 수소 가스 발생 시스템(300)이 도시되어 있다. 예를 들어, 물 공급원 유입구(306)에 의해 필요한 경우 물 용기(314)의 충전 또는 재충전이 이루어질 수 있다. 물 용기(314)로부터의 물은 연동 펌프, 수동 펌프, 강제 변위 펌프 및 그외 다른 펌프와 같은 펌프(320)를 사용하여 물 공급 라인(390)을 통해 반응기(302)의 내부로 급송될 수도 있다. 압력 변환기(322)가 물 공급 라인(390)과 일직선으로 배치되어 반응기(302)의 내부로 급송되는 물의 양을 조절하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 압력 변환기(322)는, 펌프(320)와 함께, 다중 포트 밸브(324)를 통해 복수의 반응기에 압력 보정에 따른 소정량의 물을 운반하도록 사용될 수도 있다. 압력 변환기(322)는 또한, 부분적으로는 과다한 양의 물이 반응기(320)의 내부로 급송되는 것을 방지하기 위한 고장 방지 안전 모드를 제공하도록 사용될 수도 있다. 일 예로서, 비교기(도시하지 않음)를 사용하여 압력 변환기(322)의 출력 전압이 시스템 전압 매개 변수와 비교될 수 있다. 비교기의 출력은 전압이 적절한 작동 범위에 있는지를 결정하기 위해 평가될 수 있다. 전압이 작동 범위 내에 있다면, 마이크로 제어부(387)로부터의 지시를 실현하기 위한 추가의 회로에 의해 펌프(320)가 구동되어 반응기(302)에 물이 제공될 수 있다. 전압이 작동 범위를 벗어난 경우에는, 펌프(320)가 불능 상태로 된다. 이러한 회로는, 예를 들어, 다이아프램 펌프의 작동 동안 순간적으로 높은 판독치를 허용하기 위해 펌프의 판독을 지연시키기 위한 커패시터 또는 그외 다른 타이밍 회로를 사용할 수 있다. 복수의 반응기를 구비한 수소 발생 시스템의 경우, 어느 반응기에 물이 수용될지를 선택하기 위해 공급 밸브(324)가 사용될 수 있다.

수소 가스 발생 시스템(300)은 펌프(320)를 작동시키기 위한 및/또는 그렇지 않고 반응을 개시하기 위한 또한 그외 다른 제어 전자 장치(총괄하여 386으로 도시됨)를 작동시키기 위한 배터리(388)를 포함할 수 있다. 수소 가스 발생 시스템(300)은 또한, 연료 전지, 벽 유출구와 같은 외부 공급원으로부터 배터리(388)를 재충전하기 위한 외부 전력을 수신하거나, 그외 다른 공급원으로부터 전력을 공급받을 수도 있다. 시스템(300)은 또한, 내부의 플랜트 균형 구성 요소를 내부적으로 작동시키기 위한 소형 연료 전지 시스템(도시하지 않음)을 포함할 수도 있다. 일 실시에 따르면, 배터리가 별개로 존재하는 것이 아니라, 오히려 전력이 수소 발생 시스템(300)의 외부 또는 전체 시스템(300)의 내부에 마련된 연료 전지 또는 연료 전지 배터리 혼성체로부터 획득된다. 일 실시에 따르면, 시스템의 시동에 충분한 수소를 제공하는 과압 상태의 수소가 공장에서 반응기에 주어지는 경우에는 배터리가 필요하지 않다. 또한, 수소 발생 시스템은 전기를 이용하여 반응이 개시되는 것이 아니라 사용자와의 물리적인 상호 작용에 의해 반응이 개시되도록 소형의 수동 작동 펌프(예를 들어, 시린지(syringe) 등)를 구비하도록 설계될 수 있다.

압력 변환기(322)와 유사하게, 반응기(302) 내부의 수소 압력이 밸브(324/361), 변환기(322) 및/또는 펌프(320)와 같은 시스템 제어 구성 요소에 허용할 수 없을 정도의 고압을 인가하는 것을 방지하기 위해, 체크 밸브(326)가 반응기(302) 또는 제어 시스템 내부에 사용될 수 있다. 예를 들어, 초기에 물이 반응기(302)로 들어가 반응기(302) 내에서 반응 연료 재료(301)와 반응함에 따라 수소가 발생되며, 수소 가스가 반응기(302)의 외부로 이동되어 그 밖의 다른 장소에서 사용되도록 하는 시스템 압력 매개 변수 값에 도달할 때까지 반응기(302)의 내부에서 수소 압력이 증가한다. 상황에 따라, 반응기(302) 내부의 압력이 소정 용량의 펌프(320)와 그외 다른 시스템 구성 요소의 압력을 초과할 수 있다. 펌프(320), 물 용기(314) 및 물 공급 라인(390)에서의 과도한 가압 현상을 방지하며 시스템의 손상을 방지하기 위해 체크 밸브(326)가 사용될 수 있다. 체크 밸브(326)는 반응기(302) 내부의 압력을 결정하며 반응기(302)로부터 제어 시스템으로 인가되는 소정 크기의 압력을 격리시키도록 사용될 수 있다.

유사하게, 수소 유출 체크 밸브(336, 337)는 반응기(302)에서의 역류를 관리하는 역할을 한다. 시스템이 높은 고도에서 사용되거나 복수의 캐니스터(canister)에서의 유출 수소가 서로 합쳐지는 경우, 역류가 발생할 수도 있다. 각각의 반응기 및 전체 제어 시스템의 체크 밸브와 변환기는 복수의 반응기를 사용하는 시스템용의 각각의 반응기(302)의 독립적인 압력 판독을 허용한다. 각각의 반응기(302)로부터의 수소 가스 유출 라인(391)은 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 위치한 압력 변환기(340)를 포함할 수 있다. 일 실시에 따르면, 체크 밸브(336)는, 시스템이 부주의로 다른 고압 공급원을 반응기에 연결하는 경우에 또는 캐니스터의 연결 및 분리 시에 캐니스터에 공기가 들어가는 것과 대조적으로, 수소가 단지 캐니스터 외부로만 유동하도록 한다. 다른 실시에 따르면, 이러한 체크 밸브(336)가 필요하지 않고, 변형예로서, 정상 폐쇄형 체크 밸브(3430)(도 34에 도시된 바와 같은)가 사용된다. 일 실시에 따르면, 체크 밸브는 제어 시스템에 배치되어 있는 압력 변환기를 이용한 각각의 반응기의 독립적인 압력 판독을 제공하면서 하나의 반응기로부터 다른 반응기로의 배압(backpressure)을 허용하는 압력 변환기(340)의 하류에 연결된다. 또 다른 실시에 따르면, 체크 밸브(326, 336)는 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 물리적으로 배치될 수 있으며 동일한 기능을 제공할 수 있다. 또한, 시스템은 압력 조절기(344)를 포함할 수 있다. 때때로, 더 높은 압력(예를 들어, 80 psi 이상의 압력)에서 반응기(302)를 작동시키는 것이 소망될 수도 있다. 일 예로서, 조절기(344)에 의해 압력이 25 psi 까지 감소할 수 있다. 변형예로서, 다이얼이나 그외 다른 압력 조절 수단을 구비한 조절기(344)가 사용될 수 있어, 사용자로 하여금 제어 시스템의 출력 압력을 변경하도록 할 수 있다. 변형예로서, 마이크로 제어부(예를 들어, 마이크로 제어부(387))가 소망하는 압력에 기초하여 출력 압력을 설정하도록 하기 위해 전자 제어식 조절기가 사용될 수 있다. 별도의 실시에 따르면, 조절기가 전혀 사용되지 않을 수 있으며, 마이크로 제어부가 물의 유량과 양을 제어하여 반응기의 출력 압력을 제어할 수 있다.

재료 공급

변형예의 반응 연료 재료(예를 들어, 규소 나트륨)/액체(예를 들어, 물) 기구가 가능하다. 구성에 따라, 반응 재료가 기하학적 구조체로 형성, 성형 또는 가압될 수 있다. 예를 들어, 안정적인 알칼리 금속 재료로 형성되는 봉이 반응 제어를 위한 획정된 비율로 수용액에 삽입될 수 있다. 유사하게, 반응 정지를 위해 봉이 간단히 수조 또는 그외 다른 수용액으로부터 제거될 수도 있다. 또한, 반응 연료 재료가 또한 펠릿(pellet)으로 압축될 수 있다. 이러한 펠릿은 이후, 반응에 영향을 미치는 획정된 비율로, 조작을 통해 물이나 그외 다른 수용액에 배치될 수 있다.

수용액 공급

물이 상당 수의 상이한 방식으로 반응기(302) 내로 공급될 수도 있다. 예를 들어, 단일 물 유입구(338)를 사용하여 또는 도 4a 내지 도 4d 에 도시된 바와 같이 선택된 위치에 복수의 물 분배 노즐을 사용함으로써 물이 반응기 내부로 공급될 수 있다. 간단한 시스템 구성에 따르면, 그리고 소형 시스템의 경우, 단일 물 유입구면 충분하다. 크기가 더 큰 시스템의 경우에는, 반응을 촉진하며 반응의 재개시를 돕기 위해 복수의 물 유입구가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4a 에서, 물 공급 튜브(411)가 물 유입구(406)로부터 수직 방향으로 연장되며, 단일 튜브(411)를 사용하여 반응기(402)의 복수의 영역으로 물을 공급하기 위한 복수의 물 분배 노즐(413)을 채용한다. 마찬가지로, 도 4b 에서, 반응기(402)의 복수의 영역에 물을 공급하기 위해 수평 방향의 물 분배 필터 살포기(415)가 또한 사용된다. 실제로, 단일 튜브 또는 소정 개수의 튜브가 사용될 수 있다. 튜브 및 물 분배 노즐은 가변 크기로 형성될 수도 있으며, 반응기 혼합 조건을 최적화하도록 물 분배 노즐 패턴 및 홀의 크기가 튜브 전체에 걸쳐 가변적인 수도 있다. 예를 들어, 다수의 소형 홀, 예를 들어, 치수가 0.001" 내지 0.040"이거나 더 큰 직경의 홀을 구비한 소형 튜브 구조가 사용될 수도 있다. 홀이 작으면, 반응의 재개시 시도 시에 반응이 부산물에 의해 저해 받을 수 있다. 반면, 노즐의 크기가 커지면, 수용액이 제트류 또는 미스트를 형성하는 대신, 반응 연료 재료상으로 흐를 수 있게 된다. 고압 성능을 갖춘 펌프를 사용할 경우, 반응 지점으로 물을 분사하기 위해 크기가 더 큰 오리피스가 사용될 수 있다. 저압의 물 공급 시스템이 사용되는 경우, 노즐과 반응 지점 사이의 거리를 제한하기 위해, 더 많은 개수의 노즐이 사용될 수 있다. 용례 및 특정 반응물에 따라, 어느 한 수용액 운반 기술이 선택될 수 있다.

또한, 물 공급 튜브는, 도 4c 및 도 4d 에 도시된 바와 같이, 곡선형 또는 나선형으로 형성될 수도 있다. 도 4c 및 도 4d 에서, 단일 튜브를 사용하는 반응기(402)의 복수의 영역에 접근하기 위해 나선형 물 공급 튜브(421)가 사용될 수 있다. 이러한 나선형 물 공급 튜브(421)는 유효 범위를 최대화하며 반응기(402)의 일 영역에서의 다른 영역에 대한 포화 수분을 최소화하기 위해 가능한 다수의 위치에 홀을 구비할 수 있다. 기계적 지지 및 열 제거 효과를 제공하기 위해 중심 기둥(423)이 또한 포함될 수 있다. 이러한 지지 또는 열 제거 구조체를 필요로 하지 않는 디자인의 경우에는, 상기 중심 기둥이 제거될 수 있다. 또한, 물 공급망이 중심 지주(423)의 내부에 일체형으로 형성될 수 있다. 그외 다른 물 분산 구성이 또한 가능하다. 예를 들어, 일 실시에 따르면, 물의 전달을 촉진하기 위한 미세한 홀 또는 메쉬 모음이 채용될 수 있다. 그외 다른 실시에 따르면, 물 공급망이 캐니스터의 체적에 걸쳐 균일하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 물 공급망이 반응 연료 영역에 물을 직접 공급하도록 최적화될 수 있다. 반응기의 체적이 과다하여 폐기 생성물 또는 반응물 거품 발생이 야기되는 경우, 물 공급망이 이들 영역에 물을 추가하지 않을 수도 있다. 또한, 물 공급망이 수소 분리(후술하는 바와 같은)를 위해 사용되는 멤브레인(들)에 물을 분무하도록 구성되는 튜브 구조를 채용할 수 있다. 튜브 구조는 홀을 포함할 수 있으며, 또는 추가의 튜브(들) 또는 노즐 어레이(들)를 포함할 수도 있다. 이러한 방식으로, 수용액과의 반응을 촉진하도록 반응기(402)의 복수의 영역에서 물이 반응 연료에 직접 공급된다.

반응기(402)의 선택된 위치에 물을 공급함으로써, 반응기(402) 내에서 반응 연료를 휘젓거나 혼합하기 위해 물을 이용한 후속 반응이 이루어질 수 있다. 수소가 형성되어 상승 이동함에 따라, 수소 가스는 반응기 재료(즉, 수용액 및 반응 연료 재료)를 섞어 이러한 반응 성분의 거의 완벽한 반응성 달성을 가능하게 한다. 반응 성분의 혼합은 또한, 도 6 에 도시된 바와 같이, 수소 유출구와 물 유입구를 반응기의 일 단부에 하향 배향으로 배치함으로써 달성될 수 있다. 이러한 구성은 수소 발생 시스템에 단일 연결 평면을 제공한다. 반응기(602)의 상측에 수소 픽업부(666)가 배치되며 가압 가스가 수소 튜브(668)를 통해 바닥으로 이동한다. 이러한 수소 튜브(668)는 반응기의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 상이한 구성 및 튜브의 기하학적 형상이 또한 채용될 수 있다.

물의 요구량이 비선형적임에 따라, 에너지 밀도(운반 H₂/(분말 질량 + 물의 요구 질량)를 증가시킬 수도 있는 완벽한 값보다는 작은 반응성이 채용될 수 있다. 또한, 이러한 부분적인 반응성에 의하면, 폐기 생성물이 국부적으로 상승된 반응 온도로부터 냉각됨에 따라 거의 고체 상태로 남아 있도록 할 수 있다. 폐기 생성물이 고체 상태인 것이 폐기 재료의 제거에 유익할 수 있다.

열 전달

도 3을 다시 참조하면, 반응 연료 재료(301)와 물의 반응이 진행됨에 따라, 반응기(302)의 내부에서 열이 발생한다. 반응기(302)를 냉각시키도록 사용될 수 있는 하나 이상의 냉각 팬(330)을 포함하는 냉각 시스템을 제어하며 반응기(302)의 열을 측정하기 위해 하나 이상의 서미스터(328)가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 자체적으로 포함되어 있는 열 관리 회로를 사용하는 액체 냉각 루프(도시하지 않음)에 의해, 또는 별개의 물 냉각 런(cooling run)을 사용하여 물 용기(314)로부터 반응기(302)를 중심으로 물을 순환시킴으로써 냉각이 이루어질 수도 있다. 물론, 서미스터(328)는 또한, 반응기(302)의 온도에 기초하여 반응을 제어하기 위해, 폐기 생성물의 발생량을 제어하기 위해, 물 사용량을 최소화하기 위해, 반응성을 최대화하기 위해 그리고 그외 다른 이유로, 반응기(302)로의 물의 유동을 조절하기 위한 물 공급 밸브(324)를 제어할 수도 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 열 제거 구조체(523)가 또한 반응기(502)의 중심에 배치될 수 있다. 열 제거 구조체(523)는 또한, 가압되는 경우 반응기의 양 단부를 함께 유지함으로써 기계적인 반응기 잠금 기구의 형성을 촉진할 수도 있다.

도 5 에서, 반응기의 바닥(572)은 또한, 열 싱크(sink) 및 반응기(502)용 스탠드로서의 역할을 한다. 반응기 벽을 통해 약간의 열이 제거되긴 하지만, 이들 벽이 투명한 유리나 플라스틱으로 형성되는 경우, 이들 재료는 열 전도성을 제한하는 것이 보통이다. 일 실시에 따르면, 반응기의 단부(562, 572) 중 어느 하나 또는 양 단부를 통해 상당한 양의 열이 제거된다. 반응기(502)의 일 단부가 단지 열 싱크(바닥(572))로서 작용할 수도 있는 반면, 타단부(상측 캡(562))는 수소 커넥터(508)와 물 커넥터(506)와 같은 반응기 제어 및 연결부, 릴리프 밸브(555), 전기 공급 관통부와 같은 전기 연결부(577, 579), 전기 신호 처리 연결부, 시스템 감지 연결부 및 구조적 연결부를 포함할 수도 있다. 도 5 에서, 반응기(502)의 전체 몸체가 투명하거나 반투명할 수 있어(예를 들어, 유리나 플라스틱으로 제조될 수 있어), 반응 상태의 시각적 검출을 허용하기 위한 특징부, 반응 연료 재료 소모량 추정부 뿐만 아니라 독특한 포장 및 시각적 외관을 제공할 수 있다. 다른 실시에 따르면, 반응기가 반응을 보기 위한 투명한 감시창을 구비하는 상태로 일반적으로 불투명하게 형성될 수 있다.

또한, 도 7 에 일 예로 도시된 바와 같이, 열 싱크(723)와 모든 구성 요소가 일 단부(762)에 연결된다. 이러한 기하학적 형상은, 공기 냉각, 액체 냉각 또는 그외 다른 방법을 사용하여 수소 발생 시스템에 의한 직접적인 열 제거 경로를 제공하면서, 가스 연결부(708), 유체 연결부(706) 및 전기 연결부(777)를 구비한 수소 발생 시스템으로의 용이한 연결을 촉진한다.

압력 제어

도 3 을 다시 참조하면, 파열 릴리프 밸브, 파열 디스크 또는 그외 다른 제어하의 압력 제거 지점(330)이 압력을 제어하기 위해 반응기(302)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 반응기(302)의 압력이 기설정된 시스템 매개 변수에 도달하면, 압력 제거 지점(330)을 통해 반응기(302)로부터 수소 가스가 제어 가능하게 배기될 수 있다. 일 예로서, 수소 유출 유동을 제한하며, 상기 유동을 하류 장치용의 허용 가능한 범위 내에 유지하고, 및/또는 상기 유동을 성공적인 여과를 위해 허용 가능한 비율로 유지하기 위해, 유동 제한기가 사용될 수 있다. 유동 제한기는 체크 밸브 구성 요소로서 기능하거나 오리피스일 수 있다. 반응기로의 물의 유입을 제한하는 유동 제한기가 순간적인 과다 압력 발생을 방지하도록 채용될 수 있다.

수소 발생 시스템(300)이 압력 범위를 초과하여 작동하도록 구성될 수 있다. 일 실시에 따르면, 사용자가 직접 또는 원거리에서, 버튼, 스위치 또는 그외 다른 통신 프로토콜(예를 들어, 블루투스 등)을 사용하여 소망하는 압력 제한치 또는 범위를 설정할 수 있다. 일 실시에 따르면, 시스템(300)은 압력을 감시하면서 반응을 제어하며, 이에 따라 반응기(302)의 내부 압력을 소정의 허용 오차 영역 내에 유지한다. 시스템(300)은 사용자의 안전과 작동 간명성을 증대시키도록 저압(25 psi 수준) 용례에 사용될 수 있다. 다수의 연료 전지 용례가 이러한 압력 범위에서 작동한다. 그러나, 필요한 경우, 규소 나트륨은 1000 psi의 압력을 필요로 하는 용례를 위해 1000 psi의 압력을 발생시킬 수 있다.

수소 여과

일 실시에 따르면, 반응 연료 재료는 수용액과 조합되어 수소 가스와 부산물(규산 나트륨과 같은)을 일차 반응물로서 형성하는 규소 나트륨이다. 실제로, 소정 조건 하에서 반응이 이루어지는 경우, 실란(silane)(예를 들어, SiH₄)과 같은 그외 다른 부산물이 형성될 수 있다. 암모니아 보란과 혼합물이 반응하는 경우, 보라진(borazine) 부산물이 형성될 수 있으며, 증기 또는 수산화 나트륨(NaOH) 입자와 같은 그외 다른 부산물이 또한 형성될 수 있다. 또한, 수용액(예를 들어, 물), 액체 폐기 생성물(예를 들어, 규산염) 및 반응 연료 재료(예를 들어, 규소 나트륨)가 모두 반응기 내부에 존재할 수 있다. 단지 수소만 특정 용례에 적용 가능한 순도 레벨로 배출되도록 하기 위해, 복수 레벨의 여과 처리가 사용될 수도 있다.

복수의 용도로 소용될 수도 있는 수소 분리기가 사용될 수 있다. 일 실시에 따르면, 대략 0.45㎛의 기공 크기를 갖는 라미네이트형 테플론(Teflon)(PTFE)으로 이루어진 분리 매체가 사용될 수 있다. 광범위한 기공 크기 및 특정 재료 선정이 이용 가능하다. 실시 특징에는 높은 처리량의 가스 유량, 30 psi에 이르는 물 돌파 압력, 그리고 반응기 캡에 대한 초음파 접합이 포함된다. 다양한 범위의 유형의 재료 및 두께를 갖춘 멤브레인이 이용 가능하다. 굵은 입자 및 미세한 입자 모두를 여과하기 위해 복수의 멤브레인이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수용액 반응에 반응 연료 재료로서 규소 나트륨을 사용하는 경우, 규산 나트륨 발포체(foam) 내부에 수소 거품이 남아 있을 수 있다. 반응 동안, 이러한 발포체(또는 수소 코팅 규산 나트륨 거품)는 규산 나트륨 폐기 생성물에 의해 여과 멤브레인을 코팅할 수 있다. 도 8 에는 수소 여과 멤브레인(890)을 사용하여 더 미세한 여과를 수행하기 전에 이러한 발포체를 부수기 위하여 입자가 굵은 매체용의 필터(888)를 사용하는 시스템 구성이 도시되어 있다. 일 실시에 따르면, 입자가 굵은 매체용의 필터(888)로서 구리 와이어 메쉬가 사용된다. 이에 따라, 미세한 필터 수소 여과 ㅁ멤브레인(890)으로부터 점성이 높은 재료를 성공적으로 제거할 수 있다. 그외 다른 입자가 굵은 매체용의 필터가 또한 사용될 수 있다. 구리, 그외 다른 금속 또는 나일론이나 합성 스폰지와 같은 그외 다른 재료, 또는 산, 염기 및 물을 포함하는 재료 코팅이 오염물 흡수 또는 가수 분해 촉매화를 위해 유리한 화학적 활성체 또는 흡수제를 포함하도록 선택될 수 있다. 미세한 필터 멤브레인(890) 재료는 또한, 멤브레인(890)과 기계적 하우징(892)의 사이에 백킹(backing)(894)을 포함할 수 있다. 이러한 백킹(894)은 수소가 멤브레인(890)에서 나와 특정 수소 유출 연결부(도 8 에 도시하지 않음)에 들어가도록 하기 위한 경로를 제공하면서 멤브레인(890)을 기계적으로 지지하는 역할을 한다.

반응기 조립체에서의 굵은 입자 및 미세한 입자의 여과를 달성함으로써, 수소 가스 발생 시스템은 체적 제약을 활용할 수 있다. 수소 발생기 시스템 및/또는 연료 전지 시스템 내부에서 추가의 여과 작용이 또한 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 수소 발생 시스템은, 예를 들어, 제거 가능한 건조제 필터와 같은 제거 가능한 여과 장치를 포함할 수 있다. 일정 시간 주기 후 서비스가 이루어질 수 있는 수소 발생기 시스템에 화학적 필터가 또한 사용될 수 있다. 변형예로서, 반응기의 전체 제품 수명 동안 서비스가 필요하지 않도록 더 큰 크기의 필터가 구성될 수 있다. 다수의 연료 전지 용례에서는, 연료 전지의 소망하는 습도 요건으로 인해 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기가 용인된다. 실험실 환경, 상업적인 용도 및 더 낮은 습도를 필요로 하는 연료 전지 용례와 같은 그외 다른 용도의 경우, 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기가 용인되지 않을 수도 있으며 건조기 필터가 채용될 수 있다. 청구되고 있는 바와 같은 발명의 수소 발생 시스템은, 예를 들어, 상업상 용례, 실험실 용례 및 연료 전지 용례를 촉진하기 위한 제거 가능한 필터를 허용한다. 또한, 금속 수소화물의 재충전과 같은 연료 전지 용례에서는 건조한 수소가 요구된다. 이러한 용례에서는 또한, 도 8 에 도시된 바와 같은 물 흡수 매체 및/또는 응축기(896)가 사용될 수 있다. 응축기(896)의 일 용도로서, 일차 반응으로의 물의 포집 및 복귀를 촉진하여 반응기(802)로부터의 폐수 발생을 최소화할 수 있다. 일차 반응으로의 물의 복귀는 반응기(802)로의 물 유입구(806) 또는 다른 연결부로 직접 이루어질 수 있다.

다른 실시에 따르면, 반응기는 제거 가능하거나 고정형일 수 있으며, 반응이 완료되면 반응 폐기물을 제거하며 및/또는 반응 연료 재료를 추가하도록 접근 도어 또는 그외 다른 접근 포트가 제공될 수 있다. 예를 들어, 접근 도어가, 도 5 에 도시된 바와 같이, 반응기 커버 또는 리드(lid)(562)로서 포함될 수 있다. 변형예로서, 도 5 에 도시된 실시에 따르면, 폐기 생성물의 일부가 추후 폐기 또는 재활용을 위해 반응기 내부에 저장될 수 있다.

필터 세정

수소 가스 발생 시스템에서 반응 연료 재료로서 규소 나트륨을 사용하며 수용액으로서 물을 사용하는 경우, 일차 폐기 생성물은 물을 즉각적으로 흡수하는 규산 나트륨이다. 반응기 구성에서, 상당량의 규산 나트륨 발포체로 인해 시간 경과에 따라 여과 장치의 폐색이 야기된다. 점성이 높은 규산 나트륨에 의해 여과 장치가 막힐 수 있다. 규산 나트륨에 물을 인가함으로써 점성이 변함에 따라, 필터 영역으로부터의 규산 나트륨의 세척이 허용된다. 예를 들어, 도 9a 내지 도 9c 에 도시된 일 구성에서, 물 공급망의 일 섹션(일 예로서 도 3 의 도면 부호 338)은 도 8 에 도시된 수소 여과 멤브레인(890)과 입자가 굵은 매체용의 필터(888)와 같은 여과 장치(들)로 직접 보내지는 물 흐름의 일부이다. 물 분무기(909)에 의해 여과 장치로 인가되는 물은 결국, 반응이 이루어지지 않은 규소 나트륨으로 역으로 낙하하여 다시 반응이 이루어지지만, 우선적으로는 반응기로의 운반 중 일부가 필터를 세정하는 역할을 한다. 도 9a 의 도면 부호 909는 여과 장치에 직접 도달하도록 되어 있는 물 스트림을 나타낸다. 도 9b 에는 반응 동안 세정이 이루어지지 않은 여과 장치(999b)가 도시되어 있으며, 도 9c 에는 여과 장치(999c)에 물을 분무하는 방식으로 반응 동안 세정이 이루어진 여과 장치(999c)가 도시되어 있다. 도 9b 및 도 9c 에 도시된 필터 잔류물의 차이점으로부터 분명해지는 바와 같이, 여과 장치에 물을 인가함으로써 필터 막힘을 방지할 수 있다.

추가 필터

멤브레인/입자가 굵은 매체용의 필터 조립체에 대한 변형예의 필터 디자인이 또한 사용될 수 있다. 도 10a 내지 도 10b 에는 다수의 상이한 필터 디자인이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 10a 에서, 원추형 필터(1010)가 필터(1010)를 가로지르는 규산 나트륨 발포체의 이동을 촉진하여, 거품(1012)의 파괴를 초래할 수 있다. 이러한 원추형 필터의 기하학적 형상은 또한, 반응기(1002)의 상부 코너(1014a, 1014b)의 액체 포집 지대로의 발포체의 이동 및 하방을 향하고 있는 수직 화살표(1050, 1060)로 도시된 바와 같이 반응기(1002)의 기부(1009)로 하방으로의 규산 나트륨 용액의 재순환을 초래할 수도 있다. 이러한 반응을 촉진하도록 추가의 디자인 특징이 반응기(1002) 자체에 포함될 수도 있다. 이러한 특징은, 하향 수직 화살표(1051, 1061)로 도시된 바와 같이, 반응기 벽(1040)이나 그외 다른 적절한 영역으로의 액체 용액의 하방 이동을 돕기 위한 도 10b 의 위킹(wicking) 재료(1071) 뿐만 아니라 반응기 벽(1040)에서의 응축을 촉진하기 위한 캐니스터 냉각을 포함할 수 있다.

다중 챔버 반응기

심지어 전술한 여과 장치에 의해, 입자가 굵은 매체용의 필터 및/또는 멤브레인을 통해 소정량의 수소를 제외한 물질 및/또는 물을 제외한 물질이 방출될 수 있다. 도 3 에는 규산 나트륨과 같은 반응 폐기 생성물을 포획하기 위한 공정을 촉진하는 조합 챔버(355)가 도시되어 있다. 도 3 의 조합 챔버(355)를 사용하는 공정이 복수의 필터 및 멤브레인을 사용하여 도 11a 및 도 11b 에 개략적으로 도시되어 있다.

도 11a 및 도 11b 에는 폐기물 포획 및 순환 방법이 도시되어 있다. 일 실시에 따르면, 폐기 가능한 반응기 내부에서 폐기물 포획 및 순환이 수행된다. 도 11a 에서, 물과 규소 나트륨(1101)의 반응에 의해 크기가 더 큰 반응 챔버(1154)에서 수소 가스가 발생되며, 수소 가스(1191)가 수소 멤브레인(1190)을 통해 상방으로 이동한다. 소정량의 규산 나트륨, 물 및 그외 다른 반응 생성물이 또한, 멤브레인(1190)을 통과하여 또는 멤브레인의 둘레에서 이동할 수도 있다. 이러한 생성물의 실제 유량은 유입 공급 물(1138)의 유량보다 상당히 낮다. 이러한 생성물(유출 수소(1191), 유입 물(1138) 및 반응 부산물)은 모두 크기가 더 작은 조합 챔버(1155) 내에서 조합된다. 크기가 더 작은 조합 챔버(1155)는 지지부(1133)에 의해 반응기(1102)에 지지될 수 있다. 추가의 유입물 및 유출물의 여과를 제공하도록 메쉬 필터(1122)가 또한 사용될 수 있다.

조합 반응 부산물이 물에 용해 가능하기 때문에, 유입 물(1138)이 조합 반응 부산물을 흡수한다. 이후 물(1138)과 부산물이 크기가 더 큰 반응 챔버(1154) 내로 역으로 급송된다. 유출 수소(1191)가, 멤브레인(1190)과 비교하여 기공의 크기가 더 미세할 수 있는, 이차 멤브레인(1195)으로 상방으로 이동한다. 소정량의 수증기 및 그외 다른 성분이 "순수 유출 수소"(1193)로 분류되는 최종 유출 스트림일 수도 있다. 작동 상황에 따라, 조합 챔버(1155)와 반응기 챔버(1154)의 압력이 균등해질 수도 있으며, 수소가 멤브레인(1190)을 통하여 유동하지 않는다.

압력 균등화를 극복하기 위하여, 멤브레인/필터 압력이 강하하며, 체크 밸브 압력이 강하하고, 물 펌프의 특정 작동 제어 방법이 반응 전에 또는 반응 동안 수정될 수 있다. 일 예로서, 공급 펌프의 사이클링에 의해 수소가 유동을 개시하거나 재개시할 수 있도록 하는 압력 교란이 발생할 수 있다. 펌프를 사용하지 않는 구성을 위한 변형예의 폐기 생성물 재포획 구성이 도 11b 에 도시되어 있다. 도 11b 에서, 물을 반응기에 공급하기 위해 과압 상태의 공급 물이 사용된다.

반응기 내부에 크기가 더 작은 격실을 사용하는 구성 양식

전술한 바와 같이, 이들 예의 반응기는 복수의 구성 요소로 분리될 수 있다. 이러한 구성 양식은 상이한 반응 영역에 물을 운반하기에 유용할 수 있다. 일 예로서, 상이한 반응 영역이 상이한 시간에 작동될 수 있어, 규소 나트륨과 규산 나트륨이 존재하는 경우와 대조적으로 단지 규소 나트륨만 존재하는 경우 반응이 상당히 더 빨리 시작될 수 있음에 따라 더 용이한 재시동 조건을 달성할 수 있다. 또한, 반응 제어에 효과적인 물 분무기가 도시되어 있다. 각각의 분무기는 획정된 범위의 물 분산을 달성할 수 있다. 격실 접근이 가능한 분무기는 반응을 효과적으로 제어하도록 작용할 수 있다. 격실을 분리하기 위한 다양한 방법 및 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 박형 튜브가 반응기 격실에 헐겁게 삽입될 수 있으며, 벌집형 메쉬 조립체가 반응기의 내부에 일체형으로 형성될 수 있고, 또는 가요성 멤브레인 망이 반응기에 포함될 수 있다. 또한, 반응기를 분할하도록 사용되는 재료에 의해 일 격실의 수용액이 다른 격실로부터 밀봉될 수 있다. 격실은 반응기의 내부에 수평 방향 및 수직 방향으로 구성될 수 있다. 격실은 또한, 물 침투 가능한 재료 및/또는 수소 침투 가능한 재료로 형성될 수 있으며, 또는 표면 장력을 통해 물을 수송하도록 사용되는 그외 다른 재료로 형성될 수 있다.

도 12a 에는 반응기 연료 재료가 시가렛 형상의 구성으로 롤 형상으로 형성될 수 있는 이러한 접근법의 일 실시 형태가 도시되어 있다. 도 12a 에 도시된 바와 같이, 반응기 연료 재료는 분말 및/또는 침투 가능한 수소의 둘레 전체에 물을 분포할 수 있는 멤브레인 재료로 감겨질 수 있다. 복수의 롤 형상의 가공 격실(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)은, 예를 들어, 반응기(1202)의 내부에 수용될 수 있다.

롤 형상의 격실(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)에서 반응이 이루어짐에 따라, 반응기(1202)가 열을 발생시킨다. 이러한 롤 형상의 격실의 다른 실시 형태에 따르면, 롤 형상의 격실이 시가렛 케이스와 유사한 낮은 프로파일의 패키지용으로 서로 수평 방향으로 이웃하여 배치된다. 전술한 기술에 추가하여, 도 12b 에 도시된 바와 같이 반응기(1202)의 벽(1296)을 통해 열 방출이 수행될 수 있다. 반응기(1202)의 벽(1296)이 뜨거워짐에 따라, 반응기(1202) 외부의 다수의 영역이 보호편(1288)이나 그외 다른 단열 장치를 사용하여 단열 처리될 수 있다. 이러한 단열 장치는 사용자가 반응기를 만질 수 있도록 반응기(1202)의 외부에 배치될 수 있다.

반응 상태 결정

수용액이 반응 연료에 첨가된 후, 반응이 발생하며, 수소 가스가 발생된다. 반응 상태를 결정하며 반응 진행을 확인하기 위한 다수의 방식이 존재한다. 이러한 기술은 반응 전, 반응 동안 그리고 반응 후의 반응의 시각적 관찰, 반응 시간의 타이밍, 반응 매개 변수의 측정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 전, 반응 동안 그리고 반응 후에 측정될 수 있는 매개 변수는, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 반응물의 무게, 반응기 내부 수용액의 온도 및 양, 반응기 내부 반응 연료의 양, 반응기에 첨가되는 수용액의 최대량, 펌프의 관점이나 공지된 특성에 의해 첨가되는 수용액의 양, 전기 전도성, 압력, 연료 전지 전류에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 이루어지는 유출 수소 측정치 등을 포함한다.

예를 들어, 규소 나트륨은 최소한도의 전도성을 갖추고 있다. 그러나, 물과의 반응을 통해 얻어진 규산 나트륨은 검출 및 측정에 적당한 레벨로 즉각적인 전기 전도를 달성한다. 이러한 전도성 변화를 측정하기 위해 다수의 상이한 방법이 사용될 수 있는 반면, 도 13 에는 상이한 전기 접점(1366)이 반응기(1302)의 내부 리본 케이블(1350)에 배치되는 일 실시 형태가 도시되어 있다.

전기 전도성 측정 회로는 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 실제 저항 측정치를 읽어 비교하며, 및/또는 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 점 대 점 전도성을 확인한다. 이러한 측정치는 단지 두 개의 패드를 사용하여 형성되거나, 충분한 반응 해상도를 제공하기 위해 필요한 만큼 많은 패드로 형성될 수 있다. 유사하게, 접점 탐침은 유사한 판독을 수행하여 유사한 효과를 달성하기 위해 반응기의 상이한 위치에 배치될 수 있다.

또한, 다른 예로서, 단일 탐침이 반응기 내부의 특정한 상당한 거리의 특정 지점에서 저항을 측정하기 위해 두 개의 전기 팁(tip)과 접촉할 수 있다. 이러한 기술은 전기 전도성 반응기가 채용되는 구성으로 사용될 수 있다. 유사한 실시에 따르면, 단일 탐침, 복수의 탐침 또는 전도성 패드가 사용될 수도 있으며, 반응기 자체가 측정 접지로서 사용될 수 있다.

일 구성에서, 전지 접점은 스프링 장전식 접촉 핀, 스위핑 핀(swiping pin), 블레이드 삽입 장치, 무선 전송 장치 또는 그외 다른 전기 신호 전달 방법과 같은 다수의 전기 접점 방법을 통해 수소 발생 시스템에 연결된다. 이러한 접점을 사용하는 일 예의 반응기, 즉, 전기 접점(1414)이 반응기의 압력 베셀 캡(1416)에 연결되는 반응기가 도 14 에 도시되어 있다. 홈이 형성된 리본 케이블(1418)에 의해 접점(1414)이 가압 베셀 캡(1416)의 마이크로 제어부(1420)에 연결된다. 수소 발생 시스템은 접점(1414)을 검사 또는 조사하며 저항을 측정하고 및/또는 단락 및/또는 개회로를 결정하기 위한 마이크로 제어부(1420)의 명령을 프로그래밍함으로써 검출 회로를 포함할 수 있다. 마이크로 제어부(1420)는 접점(1414)을 검사하며 신호 레벨을 결정하고 신호 레벨을 전도성 측정치로 변환하며 전도성 측정치를 반응 상태 측정치로 동일시하기 위한 프로그래밍 명령 및 알고리즘을 포함할 수 있다. 물론, 마이크로 제어부는 도 3 에 도시된 바와 같은 제어 시스템(303) 또는 반응기 조립체(예를 들어, 도 14 의 가압 베셀 캡(1416))에 배치될 수 있다.

반응 상태를 결정하기 위한 또 다른 예로서, 변형 게이지와 같은 힘 센서가 반응기의 무게를 측정하도록 사용될 수 있다. 반응 상태에 추가하여, 규소 나트륨에 물이 추가됨으로 인해 반응기가 더 무거워진다. 반응기의 무게 변화가 반응 전, 반응 동안, 반응 후 무게를 결정하기 위한 스케일(scale) 또는 다른 힘 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 주기 동안 반응기의 무게를 측정함으로써, 반응 상태뿐만 아니라 반응 효율, 완성도, 반응 시간, 반응에 의해 발생되는 수소의 양 및 그외 다른 매개 변수와 같은 다른 시스템의 특정 매개 변수가 결정될 수 있다.

제어 시스템은 반응 상태에 기초하여 펌프 매개 변수를 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응을 통해 대략 반응 말기에 동일한 양의 수소를 발생시키기 위해서는 반응 초기보다 많은 양의 물이 필요할 수 있다. 마이크로 제어부는 온도 범위, 압력 범위, 그리고 수용액이 반응에 첨가되는 속도 및 양과 같은 제어 매개 변수를 조절함으로써 보다 균일한 수소 발생을 가능하게 하는 반응 특성을 예측하기 위해 전술한 바와 같은 시스템 매개 변수를 사용할 수 있다.

반응 상태 및 반응 매개 변수 표시

반응 상태를 결정하기 위해 사용되는 측정치와 무관하게, 도 2 에 도시된 바와 같이, 표시 장치(218)가 수용액과 반응 연료의 반응을 감시하며 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 표시 장치(218)는 결정된 반응 힘 또는 중량 및 그외 다른 특정 작동 또는 시스템 매개 변수를 보여주기 위해 반응 LCD(액정 디스플레이) 또는 그외 다른 디스플레이를 포함할 수 있다. 또 다른 예의 표시 장치(318)가 도 3 에 도시되어 있다. 예를 들어, 표시 장치(318)는 실제 중량을 표시할 수 있으며, 또는 실제 중량을 완성도, 시간 또는 반응 상태와 연관된 다른 특정 값으로 변환하기 위하여 마이크로 제어부(예를 들어, 도 3 의 마이크로 제어부(387))를 사용할 수 있다.

단일 격실 반응기 예

일 예의 경량, 저비용, 재사용 가능한 반응기(1502)가 도 15a 에 개략적으로 도시되어 있으며 도 15b 에 상세히 도시되어 있다. 박형 벽을 구비한 반응기(1502)는 캐니스터 캡(1555)의 둘레에 립(lip)(1553)을 포함하도록 스탬핑 가공하여 형성된다. 별개의 지지편(1557)이 립(1553)의 밑면에 배치된다. 캐니스터 캡(1555)과 지지편(1557)이 립(1553)을 압축하여, 전체적으로 분해 및 재사용될 수 있는 상당히 얇은 벽을 구비한 캐니스터를 사용하면서 견고한 반응기(1502)를 구성하게 된다. 립(1553)은 아교 접착이나 크림핑(crimping) 가공 없이 유지 링을 사용하여 캐니스터 캡(1555)을 고정하기 위한 기계적 연결부의 형성을 촉진한다. 이것은 캐니스터 캡(1555)의 제거 능력을 제공하여, 반응기(1502)와 캡(1555)의 정비 이후 반응기(1502)와 캡(1555)의 재충전 및 재사용을 가능하게 한다. 반응기(1502)와 캡(1555)의 정비 과정은 분리기 멤브레인, 여과 매체 등과 같은 대체 또는 개조 구성편을 포함할 수 있다. 또한, 캡슐 동봉(encapsulation) 또는 그외 다른 방법과 같은 보호 방법이 반응기의 탬퍼링(tempering)을 방지하며 및/또는 반응기 탬퍼링 검출을 제공하도록 사용될 수 있다.

도 15c 에는 소망하는 오버-립(over-lip)(1553)을 포함하는 이러한 얇은 벽을 구비한 베셀의 제조에 사용되는 도면이 상세히 도시되어 있다. 또한, 도 15b 에 도시된 바와 같이, 크림프 또는 아교 접착 접근법과 같은 반응기 캡(1555)을 부착하도록 그외 다른 방법이 사용되는 경우 오버-립(1553)이 생략될 수 있다. 캡(1555)의 바닥 섹션(1563)은 수용액 유입구, 수소 가스 유입구 및 유출구, 전기 연결 장치 등과 같은 실제 연결 장치(총괄하여 1565으로 도시됨)를 제공하면서 중량을 최소화하며 강도를 최대화하도록 설계될 수 있다.

도 15b 에 추가로 도시되며 도 3 과 관련하여 작동 가능하게 전술한 바와 같이, 반응기(1502)는 수소 배출구(1544)와 물 유입구(1591)를 포함한다. 이들 연결부는 체크 밸브 및/또는 정상 폐쇄형 차단 밸브 또는 물과 수소의 유동을 조절하기 위한 그외 다른 장치를 포함할 수도 있다. 정상 폐쇄형 차단 밸브(3434)의 일 예가 도 34 에 도시되어 있다. 정상 폐쇄형 차단 밸브(3434)는, 도 15b 에 도시된 바와 같이, 반응기의 수소 배출구(1544) 및/또는 물 유입구(1591)에 설치될 수 있다. 도 35 에 도시된 메이팅 요소(3535)는 제어 시스템에 장착되며, 정상 폐쇄형 차단 밸브(3434)의 표면과 접촉하여 표면을 누르는 메이팅 요소(3535)의 표면 상의 O-링(3537) 또는 중첩 성형 가스켓을 구비한다. 메이팅 요소(3535)의 표면이 밸브 조립체(3434)를 누름에 따라, 차단 밸브(3434)의 내측 부분이 미끄럼 이동하여 개방 유체 채널을 제공한다. 비개방 상태에서, 스프링(3430)이 밸브(3434)의 몸체를 눌러 O-링이 밀봉되도록 하며 액체의 유동을 허용한다. 추가의 O-링이 동적 시일로서 사용되어, 밸브 공극 체적을 최소한도로 유지함으로써, 연결 및 분리 시에 수소 가스에 첨가되는 정상 공기의 양을 상당히 감소시킨다. 밸브(3434)의 몸체에는 나사산(3439)이 마련되어, 몸체가 캐니스터 캡(1555)에 나사 체결될 수도 있다. 밸브(3434)는 아교, 가압 끼워 맞춤, 스냅 링 등과 같은 그외 다른 다수의 기구에 의해 적소에 설치되어 유지될 수 있다.

도시된 반응기는 일체형의 안전 릴리프 밸브(1538, 1588)를 포함한다. 안전 릴리프 밸브(1538, 1588)는 1회 제어 압력 감소 폭발 지점과 같은 변형예의 방법으로 실시될 수 있다. 도 15b 에서, 여과를 통해 압력을 배출하기 위해 하나의 릴리프 밸브(1538)가 사용되는 반면, 여과 전에 압력을 감소시키도록 다른 릴리프 밸브(1588)가 사용될 수도 있다. 일 실시에 따르면, 양 밸브(1538, 1588)는 동일한 압력 감소를 수행하도록 설정된다. 다른 실시에 따르면, 포스트-필터 밸브(1538)는 프리-필터 밸브(1588)보다 낮은 압력 감소를 수행하도록 설정된다. 무인 고압 실시의 경우, 시스템은 여과된 유출물을 통해 고압 수소 전체를 배출한다. 필터가 막히는 고압 실시의 경우 이차 밸브(1588)가 또한, 백업 밸브로서 소용될 수 있다. 또 다른 실시에 따르면, 딥 튜브(dip tube)(1543)가 릴리프 밸브(1588)의 가스 채널에 연결되어 캐니스터의 바닥으로 연장됨으로써 위아래가 도치된 상태로 저장되는 경우 캐니스터로부터의 배출에 사용된다. 이러한 실시의 일 형태로서, 딥 튜브(1543)가 수소 대 규산염 또는 그외 다른 수용액 성분을 선택적으로 배출하기 위하여 상측, 하측 또는 양측에 다공성 필터 매체를 포함할 수 있다.

캡(1555)은, 예를 들어, 아트멜(Atmel) TK 5551 RFID 칩과 같은 RFID 칩(1522)을 포함한다. 세 개의 벽이 얇은 튜브(1539, 1541, 1543)가 반응기(1520)의 내부에 도시되어 있다. 일 튜브(1539)는 반응기(1502)의 중심으로부터 물을 하방으로 보내며, 반응 연료가 존재하는 반응기(1502)의 영역으로의 물의 유동을 안내하기 위한 일체형 노즐(1549a, 1549b, 1549c)을 포함한다. 다른 튜브(1541)가 상부 캡(1561)의 평면과 수평이다. 이러한 튜브(1541)는 필터(1561)의 둘레를 쓸어내어 필터(1561)를 가로질러 물을 분무함으로써 필터(1561)를 세정하는 한편 수용액과 반응 연료 사이의 추가 반응을 야기한다.

도 3 과 관련하여 앞서 논의한 바와 같이, 체크 밸브(도 15 에 도시하지 않음)가 반응기(1502)의 내부에 물 공급 라인과 일직선으로 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 체크 밸브는 제어 시스템, 반응기(1502) 또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 물이 전술한 물 공급망을 통해 반응기(1502) 내부로 급송된다. 수소가 수소 배출기(1591)를 통해 반응기(1502)로부터 배출됨에 따라, 수소 가스가 또한 체크 밸브(도 15 에 도시하지 않음)를 통과할 수 있다. 앞서 나타낸 바와 같이, 수소 가스 유출 체크 밸브가 또한 제어 시스템(도 3 에 도면 부호 303으로 도시함), 반응기(1502) 또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 하나 이상의 반응기(1502)를 사용하는 시스템에서, 체크 밸브가 각각의 반응기로부터의 각각의 수소 배출 라인에 사용된다. 또한, 각각의 반응기 압력을 별개로 측정하도록 독립적인 압력 변환기가 사용될 수 있으며, 독립적인 압력 변환기는 이후, 적어도 하나의 체크 밸브 또는 그외 다른 하류 격리 기구에 연결되기 전에 반응기 또는 제어 시스템의 수소 배출 라인에 연결된다. 체크 밸브는 하나의 반응기로부터 다른 반응기로의 배압 인가를 방지하도록 사용될 수 있다. 정상 폐쇄 밸브 또는 유동 제어 조절기와 같은 그외 다른 구성 요소가 유사한 결과를 달성하도록 사용될 수 있다.

도 3 과 관련하여 전술한 바와 같이, 수소 가스가 직접 반응기(302)의 외부로 통과할 수 있다. 다른 실시에 따르면, 수소 가스는 우선 고순도 오염 필터를 통과할 수 있다. 유사하게, 도 3 을 다시 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 유출 수소는 원래 마련되어 있는 물탱크(314) 또는 별도의 물탱크와 같은 물탱크/응축기를 통과하면서 거품이 발생할 수 있다. 이것은 유출 수소 가스에 존재할 수도 있는 소정량의 오염물 또는 입자를 포획하며 소정량의 수증기를 응축시키는 역할을 한다.

물탱크(314)를 통과하면서 거품이 발생한 후, 유출 수소 가스는 미세한 고순도 필터(369)를 통과할 수 있다. 물탱크(314)는 저온 작동이나 그외 다른 목적을 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 생성 H₂의 양을 증가시키는 공중합 반응제, 응집제, 부식 억제제, 또는 수용액의 열 물리학적 특성을 변화시키는 열 물리학적 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 물리학적 첨가제는 반응 온도 범위, 반응 압력 범위 등을 변화시킬 수 있다. 또한, 수용액용 첨가제는 각종 상이한 첨가제 혼합물을 포함할 수 있다.

일부 첨가제는 유출 수소 스트림의 오염 감소를 촉진할 수 있으며, 또는 첨가제 자체가 반응시 생성된 변성 실란(SiH₄)의 가수 분해를 수행할 수 있다. 반응기(302)로부터의 수소 가스는 수성 필터(351)로 보내질 수 있다. 수소 가스의 압력을 측정 및 조절하도록 압력 변환기(340)가 사용될 수 있다. 수성 필터(351)는 변성 실란의 가수 분해를 수행하며 입자를 포집하고 유출 수소 스트림 중의 물을 응축시키도록 사용된다. 실란의 가수 분해 시에, 소량의 SiO₂와 수소가 발생된다. 생성 수소는 수소 가스 유출구(365)에 사용될 수 있으며, 밸브(361, 324)를 통과하는 나머지 물과 함께 SiO₂는 반응기(302)로 급송될 수 있다. 필요한 경우 물탱크(314)의 배수 및 세정이 이루어질 수 있다. 물을 통해 수소에 거품이 발생한 경우, 물탱크(314)는 또한, 수소가 수소 배출 포트(365)를 통해 배출되도록 허용하면서 심하게 기울어지거나 위아래가 도치된 상황에서 물이 배출되는 것을 방지하도록 상측에 침투성 멤브레인(367)을 구비할 수 있다. 일 실시에 따르면, 물 리드(363)에는 캡 접촉 센서(311) 또는 그외 다른 검출기가 마련되어, 물 리드(363)가 완전히 폐쇄되면 이를 마이크로 제어부(387)에 통지한다. 일 실시에 따르면, 마이크로 제어부(387)는 더 많은 양의 물이 첨가되는 동안 물탱크(314)에 의해 반응기(들)가 가압 상태로 유지되도록 되기 전에 유출 밸브(362)를 오프 상태로 만들 수 있다.

다른 예로서, 유출 밸브(366)가 물탱크(314)와 미세 필터(367)의 이후에 배치될 수 있다. 이러한 유출 밸브(366)는 반응을 시작하며 유출 수소 가스를 최종 용례, 예를 들어, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 주거용 전력망 등에 공급하기에 적절한 수준으로 압력이 구축되도록 하기 위해 마이크로 제어부(387)에 의해 제어될 수 있다. 다른 예에는, 시스템이 포획 공기를 제거하도록 하기 위한 별도의 릴리프 밸브(368) 또는 블리더 밸브(bleeder valve)가 포함된다. 위에서 논의한 바와 같이, 또 다른 예는, 응용 가능한 경우 특정 용례 요건을 지원하도록, 유출 수소 라인과 일직선 상에 응축기 또는 건조제 필터와 같은 필터(369)를 포함한다.

또 다른 예는, 반응기(302)로부터 이차 조합 챔버(351)를 통한 전량의 물의 경로를 따라 이루어지는 이동을 포함할 수 있다. 또한, 또 다른 예는, 이차 조합 챔버(351)의 독립적인 제어에 의해 또는 반응기(302)로의 직접적인 통과에 따라 이루어지는 이차 조합 챔버(351)로의 유입 물의 급송을 포함한다. 이차 조합 챔버(351)는, 전술한 바와 같이 반응기(302)와 관련하여 제공되어 왔던 열 제어에서와 같이, 가수 분해 및/또는 여과를 촉진하기 위하여, 이차 챔버의 온도를 증가시키며 및/또는 유지하도록 서미스터(328)를 포함하는 열 제어 시스템에 결합될 수 있다.

추가의 전기 연결부

단일 격실 반응기 및 추가의 격실을 구비한 반응기 모두에서, 사용자에게 시스템 특정 매개 변수와 반응 상태에 관한 추가의 정보를 제공하도록 추가의 전기 연결이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 3 에서, 제어 장치를 제공하며 시스템의 특정 매개 변수를 감시하며 표시하기 위한 장치의 측정 데이터를 표시하도록, 추가의 신호 연결부(무선 또는 유선)가 반응기(302)와 전자 장치(386)를 제어하기 위한 제어 시스템(303)으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 하나 이상의 판독/기록 RFID 장치가 시스템의 특정 매개 변수를 저장하며 기록하는 방식으로 반응 상태를 평가하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 제어부(387)가 반응기(302)의 캡에 배치될 수 있는 RFID 장치(333)에 반응기(302)로부터 급송되는 물의 양을 지시하는 데이터를 기록할 수 있다. 반응기(302) 내로 주입되는 물의 알려진 측정량 및 압력 및 온도 측정치와 같은 그외 다른 측정치에 기초하여, 시스템(300)에 의해 반응 상태가 결정될 수 있다. 유사하게, 추가의 RFID 장치(381, 382, 334)가 마이크로 제어부(387)에 송신 및 수신되는 시스템 정보를 제공하며 저장하도록 반응기(302)와 제어 시스템(303) 전체에 걸쳐 설치될 수 있다. 예를 들어, 각각의 RFID 장치는 시리얼 넘버, 반응기로 주입되는 물의 양, 반응기로 주입될 수 있는 허용 가능한 물의 총량, 반응기 내부 압력, 물 용기 내부 압력 및 시스템 내부의 그외 다른 상태 정보와 같은 정보를 포함할 수 있다. RFID 장치 내부의 압력 측정치, 온도 측정치, 물의 양 및 그외 다른 시스템 특성치가 이후 반응 상태를 결정하도록 사용될 수 있다. 유사하게, 마이크로 제어부(387)는 제어 시스템(303), 반응기(302) 및 반응 장치 전체에 배치될 수 있는 RFID 장치(333, 334, 381, 382) 및 그외 다른 RFID 장치에 물의 유속, 생성 수소의 양, 그리고 그외 다른 매개 변수와 같은 시스템 매개 변수를 기록할 수 있다.

또한, RFID 장치(별도로 도시하지 않음)가 반응기(302)를 개별적으로 식별하여 재고 관리를 가능하게 하기 위해 반응기(302)에 설치될 수 있다. 이러한 장치는 재고 관리를 위해 별개로 사용될 수 있으며, 또는 단일 장치가 복수 세트의 제어 기능부와 함께 사용될 수 있다. RFID 장치는 하나의 응답기 및/또는 복수의 위치에 사용될 수 있는 다수의 응답기와 통신할 수 있다. 예를 들어, 공장에서 제조되고 있는 반응기에 조립 라인의 일부로서 또는 품질 제어를 위한 핸드헬드(hand-held) 장치로서 응답기가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 현장에서 사용하기 위한 짝을 이루는 하드웨어에 응답기가 배치될 수 있다. 짝을 이루는 하드웨어는 수소 발생 시스템, 연료 전지 시스템, 완벽한 전원 시스템 또는 그외 다른 인터페이스 시스템을 포함할 수 있다.

수동적 수소 발생

수동적 구성 양식의 반응기 시스템(1600)의 일 예가 도 16 에 도시되어 있다. "수동적 구성 양식(Passive architecture)"은 반응을 개시하기 위한 전기 펌프 결여를 의미한다. 수동적 구성 양식은 대게 저출력 시스템에 적당하다. 이러한 구성 양식에 의하면, 오버헤드(overhead) 작동이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 저출력 시스템의 구성 요소는 대게, 더 적은 개수의 물리적 패키지로 조합될 수 있으며, 그외 다른 구성 요소가 함께 삭제될 수 있다. 예를 들어, 반응기 시스템의 팬 및 펌프는, 휴대폰 또는 휴대폰 재충전기와 같은 저출력 시스템 그리고 낮은 전력이 필요하며 체적 및 비용이 모두 최소화되어야 하는 그외 다른 용례의 경우, 삭제될 수 있다. 규소 나트륨계(또는 그외 다른 수성 반응 재료) 수소 발생을 위한 펌프를 구비하지 않은 시스템의 간소화된 구성 양식이 도 16 에 도시되어 있다. 물탱크(1614)는 가압원(1616) 또는 펌프를 연결하여 초기에 가압된다. 이후, 물이 유동 제한기(1624)를 또한 포함할 수 있는 물 공급 라인(1690)을 통해 공급된다. 유동 제한기(1624)는 오리피스와 같은 수동 구성 요소 또는 밸브와 같은 능동 구성 요소일 수 있다. 변형예로서, 중력 자체가 물 공급 라인(1690)을 통해 물을 이동시키기 위한 초기 힘을 제공할 수도 있다. 초기에 물이 반응기(1602)로 들어가 규소 나트륨(1601)과 조합됨에 따라, 수소(1634)가 발생되며 수소 압력이 생성되어 결국 재가압 라인(1643)을 통해 물 공급부(1684)를 재가압한다. 수소가 시스템 외부로 유동하여 물탱크(1614)로 복귀하기 시작함에 따라 수소 유출부(1666)의 압력이 강하한다. 그러나, 체크 밸브(1677)로 인해 물탱크(1614)의 압력이 유지된다. 이에 따라, 더 많은 양의 물이 반응기(1602) 내로 이동하도록 하는 압력차가 생성되어 시스템(1600)이 재가압된다. 압력이 증가함에 따라, 시스템의 총 압력이 균형을 이루게 됨으로써 물의 유동이 중단된다. 반응기(1602)로 유입되는 물의 비율을 제어하도록 유동 제한기(1624)가 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 수소 압력이 발달을 위한 약간의 시간을 갖기 전에 반응기(1602) 내로 과다한 양의 물이 주입될 수 있어, 잠재적으로 능동 피드백 상황을 야기할 수 있으며 반응이 너무 일찍 발생할 수 있다.

또한, 물 픽업 라인이 사용되는 경우(도 16에 도시하지 않음), 물이 물탱크(1614)의 바닥으로부터 또는 탱크(1614)의 다른 배출 지점(예를 들어, 상측)을 통해 공급될 수도 있다. 물 유입구와 유출구를 적절하게 배치함으로써 중력 또는 사이포닝(siphoning) 물 공급 기구가 또한 시스템에 마련될 수 있다.

전술한 구성 양식의 저출력 반응기 시스템(1600)은 도 17 의 완전한 반응기 조립체(1700)에 합체된다. 반응기(1702)는 반응기 챔버(1722)의 내부에 반응 연료(1701)를 포함한다. 반응기 챔버(1722)는 멤브레인(1733)을 포함할 수 있으며 이 멤브레인을 사용하여 반응 연료(1701)를 포함하는 한편 발생 수소 가스의 방출 경로를 제공한다. 반응 챔버(1722)는 강성 챔버 또는 가요성 챔버일 수 있다. 반응 챔버(1722)는 반응 챔버(1722)가 소정 개수의 방향으로 배향될 수 있도록 하기 위해 복수의 위치에 멤브레인(1733)을 구비할 수 있다. 외부 수소 챔버(1793)의 내부에는 반응기 챔버(1722)를 둘러싸는 가압 수소 가스(1788)가 제공되어, 특정 용례에서 필요한 경우 유출 밸브(1766)의 외부로 유동한다. 도 16 에 도시된 바와 같은 일반적인 저출력 반응기 시스템(1600)에서는, 물(1734)이 물 공급 라인(1790)을 통해 반응기(1702)로 공급된다. 물(1734)이 물 충전 포트(1717)를 통해 배수 펌프(1716)에 의해 또는 외부 물 공급원에 의해 시스템에 제공될 수 있다. 물의 재가압은 물 재가압 밸브(1777)에 의해 영향을 받는다. 이러한 방식으로, 저출력 반응기 시스템(1700)은 최종 용례에 수소 가스를 제공할 수 있다.

반응기 챔버(1722)에는 복수의 물 공급 기구가 마련될 수 있다. 예를 들어, 소형 펌프가 반응기 챔버, 물 및 급송 시스템을 구비한 완전히 폐기 가능한 반응기를 제공하도록 반응기(1702)의 내부에 일체형으로 형성될 수 있다. 이러한 펌프는 또한, 반응기와 분리될 수 있다. 별도의 펌프를 구비한 시스템의 일 예가 도 18 에 도시된 스프링 구동식 시스템이다.

도 18 에는 일체형의 반응기 챔버(1802), 물 공급부(1814) 및 "급송 시스템"(1820)을 구비한 스프링 구동식 반응기 시스템(1800)이 도시되어 있다. 반응기(1802)는 또한, 물 살포기(spreader)(도 25 를 참조하여 후술함)를 포함할 수 있다. 일 예의 스프링 구동식 반응기 시스템에는 슬라이딩 피스톤(1831)을 밀어내며 물 공급부(1814)를 포함하는 물 챔버(1841)에 압력을 인가하는 스프링(1821)이 합체되어 있다. 압력차가 인가되는 이동을 제공하는 가요성 재료, 탄성 중합체, 벨로우즈 또는 그외 다른 구조체와 같은 상이한 피스톤 변형예에 따른 추가의 실시가 또한 채용될 수 있다. 스프링의 경우, 소형 플랫폼 영역(1851)이 더 넓은 면적에 걸쳐 힘을 분배하기 위해 스프링(1821)의 가장자리와 접촉할 수 있다. 또한, 단일 몸체 패키지(2100)로 제조되는 스프링 구동식 반응기 시스템의 일 예가 도 21 에 개략적으로 도시되어 있으며, 도 22a 및 도 23 에 그림으로 도시되어 있다. 도 22b 및 도 24 는 단일 몸체 패키지(2100)의 스프링 구동식 반응기 시스템의 전개도이다.

도 18 을 참조하면, 스프링(1821)이 물 챔버(1841)의 압력을 발달시킴에 따라, 물이 반응기 챔버(1802)의 내부로 주입된다. 물이 반응 연료 재료와 접촉함에 따라 수소가 발생된다. 수소가 발생됨에 따라, 반응기 챔버(1802)에 압력이 생성되어 물의 주입을 중단시킨다. 이러한 실시에 따르면, 물 공급 기구가 독립적으로 배향된다. 도 18 의 반응기 시스템(1800)에서, 반응기 챔버(1802)는 독립적으로 배향되지 않는데, 그 이유는 수성 용액이 필터(1890)를 막아, 시스템(1800)의 위아래가 도치된 경우 수소가 시스템을 통과하지 못하도록 하기 때문이다. 이를 보상하기 위하여, 도 17 에 도면 부호 1722로 도시된 멤브레인을 구비한 반응기 챔버와 같은 반응기 멤브레인 시스템이 복수의 픽업부를 구비하도록 실시될 수 있다. 또한, 물 공급부(1814)와 반응기 챔버(1802)의 사이에 체크 밸브(1824)가 배치될 수 있다. 이러한 수소 운반 시스템을 구비하지 않고, 수소 압력이 스프링(1821)을 과다한 압력으로 후방으로 밀어내어, 결국 과다한 양의 물이 주입된다. 체크 밸브의 결여로 인해 진동 시스템이 생성된다. 예를 들어, 도 19 에는 체크 밸브를 구비하지 않은 시스템에서의 시간 경과에 따른 압력 응답의 일 예가 도시되어 있다. 도 19 에 그래프로 도시된 바와 같이, 체크 밸브와 같은 압력 균등화 수단이 시스템에 합체되지 않은 경우의 진동 압력 응답이 명확하게 확인된다.

반대로, 도 20 에는 체크 밸브를 사용하는 시스템에서의 시간 경과에 따른 압력 응답의 일 예가 도시되어 있다. 도 20 의 압력 응답은 진동 응답을 나타내지 않으며, 대신 스프링 압력과 연관된 정상 상태 감쇠를 나타낸다.

도 20 에 또한 도시된 바와 같이, 초기에 물 슬러그가 반응기로 주입됨에 따라 반응 시작 시에 초기 피크 값이 발생한다. 이러한 효과는 물 유동 제한기를 사용하여 완화될 수 있으며, 또는 연료 전지 적층 퍼징(purging)을 촉진하기 위해 순간적으로 높은 일시적인 수소 발생을 달성하도록 증가될 수 있다. 예를 들어, 체크 밸브(1824)에 추가하여, 재시작 조건 동안 물의 유동 속도를 감소시키기 위한 방법이 물 유동 제한기를 사용하여 실시될 수 있다. 재시작 동안, 순간적인 수소 압력이 상당히 낮은 값으로 강하하여, 큰 반응 스파이크(spike)를 초래할 수 있는 물의 주입이 이루어진다. 이러한 효과를 방지하기 위해 유동 제한기 기능부가 물 분배 기능부에 합체될 수 있다. 체크 밸브의 사용은 스프링 디자인에 의해 결정되는 바와 같은 거의 일정한 압력의 작동을 촉진한다. 제어 밸브 또는 조절기 등과 같은 체크 밸브 특징부용의 그외 다른 기구가 또한 사용될 수 있다.

스프링 구동식 반응 시스템은 반응기 챔버에 남아 있는 반응 연료 재료의 양을 감시하며 결정하기 위해 스프링 특성을 사용할 수 있다. 이러한 결정은 직접적으로 또는 간접적으로 이루어질 수 있다. 반응 시작 시의 반응기 챔버 내부의 반응 연료의 양을 알고 있으므로, 반응기 챔버 내부의 압력 감시가 가능하다. 반응기 내부의 압력이 변함에 따라, 반응 시에 첨가되는 물의 양이 결정될 수 있으며, 이것은 반응에 사용되었던 반응 연료 재료의 양의 표시 기능을 제공한다. 반응 시작 시의 반응 연료 재료의 양 중 사용된 반응 연료 재료의 양은 결국, 반응에 사용하기 위해 남아 있는 반응 연료 재료의 양을 제공한다. 예를 들어, 반응 시작 시에 반응기 챔버에 첨가되는 반응 연료 재료의 양은 공지되어 있다. 도 18 또는 도 21 의 스프링(1821)과 같은 스프링에 의해 물 챔버(1841) 내부의 압력이 증가되며 이러한 압력에 의해 물(1814)이 반응기 챔버(1802)의 내부로 주입된다. 물(1814)이 반응 연료 재료(1834)와 접촉함에 따라 수소가 발생한다. 물(1814)을 반응기 챔버(1802) 내로 주입하기 위한 압력이 스프링(1821)에 의해 제공됨에 따라, 수소가 발생되어 반응기 챔버(1802) 내부의 압력이 생성된다. 반응기 챔버(1802)에 생성된 압력은 물 챔버(1841)에 반대 방향의 힘을 인가한다. 반응기 챔버 내부의 압력이 유동에 의해 생성되는 물의 압력과 동일한 경우, 물의 유동이 중단되며, 이에 따라 결국 수소의 추가 발생이 중단된다. 반응기 챔버 내부의 수소 압력이 부주의로 인해 물의 유동에 의해 생성되는 물의 압력보다 커지는 경우, 체크 밸브에 의해 물이 스프링에 의해 결정되는 압력보다 높은 압력으로 증가하는 것을 방지할 수 있다. 체크 밸브를 구비하지 않는 경우에는, 시스템이 제어 가능하지 않은 방식으로 진동할 수 있다. 소정 시간에 걸쳐 반응이 지속됨에 따라, 힘 대 스프링 편향 특성으로 인해 동일한 시간 주기에 걸쳐 발생하는 감쇠를 통해 스프링의 유효 힘을 확인할 수 있다. 시간이 경과 할수록 스프링의 변위가 변함에 따라, 시간 경과에 따른 물의 압력 변화가 초래되며, 이러한 변화는 또한, 동일한 시간에 걸쳐 반응기 챔버 내부의 평균 수소 압력 변화와 동일시된다. 따라서, 스프링의 변위, 물의 체적, 물의 압력 또는 수소의 압력 측정이 반응 상태를 간접적으로 결정하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템은, 반응 시작 시에 반응기 챔버에서 증가된 압력은 8 psi 이지만 거의 반응 말기의 반응기 챔버 내부 압력은 1 psi인 것을 특징으로 할 수도 있다. 반응기 및/또는 물 공급부의 관찰 창을 사용하여 반응기에 첨가되는 물의 양을 관찰함으로써 반응 상태가 결정될 수 있다. 예를 들어, 관찰 창은 반응기에 첨가되는 물의 양을 지시하기 위한 눈금 표시(tick mark) 또는 그외 다른 교정용 지정 수단을 포함할 수 있다. 또한, 룩업 테이블(look-up table)(데이터베이스)을 구비한 마이크로 제어부가 이러한 압력을 측정하며 반응 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 압력 센서와 마이크로 제어부는 물 공급부, 물 공급부와 반응기 챔버 사이의 경로, 반응기 챔버 또는 이들의 조합체에 배치될 수도 있다.

스프링의 힘은 재료, 와이어 직경, 샤프트의 직경, 내부 및 외부 직경, 피치, 블록 길이, 자유 길이, 코일의 개수, 스프링 비율 및 힘을 받았을 때의 길이와 같은 스프링의 물리적 특성에 기초한다. 스프링은, 예를 들어, 코일 스프링, 판 스프링, 클럭(clock) 스프링과 같은 상당히 다양한 종류 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 스프링은 실리콘과 같은 탄성 중합체일 수 있으며, 물을 반응기로 이동시키기 위한 힘을 제공한다. 실리콘은 힘을 부과하기 위한 풍선 또는 그외 다른 탄성 중합체 및/또는 탄성 장치로서 구성될 수 있다. 이러한 물리적 특성에 기초하여, 스프링에 의해 생성되는 유효 힘은 반응기 챔버 내부의 수소 압력, 반응이 이루어진 반응 연료 재료의 양을 결정하기 위해 또는 유사하게 반응기 챔버에 얼마나 많은 반응 연료 재료가 남아 있는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 유효 스프링 힘은 스프링의 유효 힘 및 이에 따른 수소 가스에 의해 생성되는 압력을 감시 및 결정하기 위한 힘 게이지(1888)와 같은 힘 게이지를 사용하여 감시가 이루어질 수 있다. 물론, 힘 게이지(1888)는 또한, 반응으로부터 생성되는 수소 압력을 감시하기 위해 반응기 챔버에 설치될 수 있다. 유사하게, 압력 게이지가 또한 사용될 수 있다. 체적, 압력 및/또는 힘 측정으로부터, 반응기 챔버에 남아 있는 반응 연료 재료의 양이 결정될 수 있다. 예를 들어, 반응기 챔버에 남아 있는 반응 연료 재료의 양에 대해 유효 스프링 힘을 맵핑하기 위해 간단한 룩업 테이블 및/또는 데이터베이스 맵핑(mapping)이 사용될 수 있다. 마찬가지로, 반응이 이루어진 반응 연료의 양에 대해 반응기 챔버 내부의 수소 압력을 맵핑하기 위해 유사한 테이블이 채용될 수 있다. 반응이 이루어진 반응 연료의 양과 반응에 첨가된 물의 체적을 동일시한 유사한 테이블이 또한 사용될 수 있다. 이러한 데이터베이스 맵핑/룩업 테이블의 조합예 및 변형예가 또한 채용될 수 있다.

수동 구성 양식의 반응기 시스템에서, 다수의 기술을 사용하여 물의 확산 및 분배가 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 25 에 도시된 바와 같이, 물 살포기(2515)는 소형 분배 홀(2513)을 구비한 직경이 작은 튜브일 수 있다. 물 분배 시스템은 또한, 반응기 공동(2502)의 내부에서 볼 수 있는 바와 같이 실리콘 튜브(2555) 내에 홀로 이루어진 망 구조를 포함할 수 있다. 홀의 간격, 크기 및 종류 가변성은 노즐과 관련하여 전술한 바와 같다. 또한, 실리콘 튜브(2555)의 홀 크기는 추가의 구조적 가요성을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 소형 홀은 발생된 반응 폐기 생성물에 의해 막힐 수 있어, 실리콘 튜브 구조(2555)의 사용은 압력을 통해 홀이 막힘부 둘레에서 더 넓게 개방되어 막힘 요인을 홀의 외부로 밀어낼 수 있도록 한다. 예를 들어, 붕규산염 섬유와 같은 그외 다른 물 분배 기구 및 다른 물 위킹(wicking) 재료가 또한, 반응 영역 전체에 걸쳐 물을 분배하도록 사용될 수 있다. 이러한 물 분배 기술은 소정 유형의 펌프 또는 제어 시스템 구성 양식과 사용될 수 있다.

도 18 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일 예의 두 개의 부분으로 이루어진 반응기 시스템(1800)은 반응기(1802)와 같은 하나의 일차 구성 요소 또는 용기에 반응 연료 재료(1834)를 포함하며, 수용액이 초기에 수용액 캐니스터(1892)와 같은 다른 일차 구성 요소 또는 용기에 존재한다. 반응기(1802)는 반응이 완료되고 나면 폐기되거나 재활용될 수 있는 반면, 수용액 캐니스터(1892)는 사용자에 의해 재사용 가능하며 재충전 가능하다. 전술한 두 개의 일차 구성 요소(1802, 1892)의 용어는 "반응기 및 물 공급 시스템"이다. 도 18 에 도시된 예에서, 완벽한 수소 발생 시스템은 두 개의 핵심 구성 요소: 반응 연료 반응기(1802)와 수용액 캐니스터(1892)로 구성된다. 이러한 두 개의 별개의 캐니스터(1802, 1892)는 함께 연결되며 상호 작용하여 수소 가스를 발생시킨다. 변형예로서, 위에 논의한 바와 같이, 이들 두 개의 캐니스터(1802, 1892)는 물 유입 밸브를 통해 간단히 함께 연결될 수 있는 반면, 제어 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템, 소비자 최종 제품 등)은 캐니스터를 적소에 유지하며 이에 따라 함께 방출하기 위한 기계적 강성을 제공한다. 또한, 전체 물 공급 시스템은 분리 불가능한 및/또는 제거 가능한 구성 요소로서 제어 시스템의 내부에 마련될 수 있다.

인터페이스 밸브(1824)는 반응기(1802), 공급 시스템(1892) 및/또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 반응기(1802)와 물 공급부(1892)가 연결되면, 인터페이스 밸브는 수소 압력이 스프링(1821)을 편향시키지 못하도록 할 수도 있다. 이러한 작용은 인터페이스 밸브(1824)에 체크 밸브 또는 on/off 제어 밸브 특징부를 포함함으로써 달성될 수 있다. 별도의 실시에 따르면, 인터페이스 밸브(1824)가 이러한 특징부를 제공하지 않으면, 스크류 드라이버 또는 물 공급 시스템이 수소 가스에 의해 크게 가압되지 않도록 하는 그외 다른 기구를 구비한 피스톤 조립체 제어와 같은, 스프링의 역방향 이동을 방지하기 위한 별개의 특징부가 채용될 수 있다.

도 22 내지 도 24 에는 이러한 시스템 실시에 따른 일 예의 핵심 구성 요소가 도시되어 있다. 도 22b 에 도시된 바와 같이, 물 캐니스터(2192)에 압력을 발생시켜 물이 반응기 캐니스터 내로 유동하도록 하기 위한 수단을 제공하는 금속 스프링(2121)이 채용된다. 이러한 예에서 금속 스프링(2121)은 원추형의 테이퍼형으로 연장되는 스프링이지만, 토션 스프링, 클럭 스프링, 역테이퍼형의 원추형 스프링, 압축 스프링 등과 같은 그외 다른 스프링 유형이 또한 사용될 수 있다. 스프링(2121)은 캐니스터(2192)의 기부(2170)에 그리고 플런저(2172)에 고정적으로 장착될 수 있다. 또한, 스프링(2121)은 플런저의 편향 현상을 방지하도록 중심이 맞춰진다. 도 22b 에 도시된 플런저(2172)는 플런저(2172)가 미끄럼 이동함에 따라 안내 및 밀봉을 위한 일체형의 특징부를 구비하지만, 그외 다른 물 운반 디자인이 사용될 수 있다. 예를 들어, 위에 논의한 바와 같이, 상이한 예에서는 반응기로의 압축 하에 물을 운반하는 가요성 "백(bag)"이 채용될 수 있다.

체크 밸브(2162)와 오리피스(2164)(도 23 에 도시함)는 물 캐니스터(2192)와 분말 (반응기) 캐니스터(2102) 사이의 물 유출부로 마련된다. 체크 밸브(2162)는 수소 압력이 물 캐니스터(2192)를 재가압하는 것을 방지하며 이에 따라 시스템의 불안정성을 방지하는 역할을 한다. 그외 다른 예에서, 체크 밸브(2162)가 또한 물 캐니스터/반응기 분해 시에 시일의 역할을 할 수 있다. 그외 다른 예에서, 체크 밸브(2162)는 또한, 시스템에서 과잉 압력이 발달되는 경우 압력을 감소시킬 수 있다. 오리피스(2164)는 물 캐니스터(2102)와 반응기 캐니스터(2192) 사이의 높은 압력차 발생 주기 동안 반응기(2102)로의 물의 유동을 제한하는 역할을 한다.

도 26 및 도 27 에 도시된 바와 같이, 그외 다른 실시에 따르면, 반응기와 물 공급 하위 시스템은 분리 가능하다. 예를 들어, 도 26 에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 실시에 따르면, 두 개의 캐니스터(2102, 2192)를 결합하기 위한 나사산이 형성된 잠금 기구(2666)를 채용한다. 클릭 투 락(click to lock) 잠금 또는 물 공급 포트 상의 미세한(10-32) 내부 및 외부 나사 체결부와 같은 그외 다른 잠금 디자인이 또한 사용될 수 있다. 잠금 기구의 나사산은 물 또는 수소에 대항하는 시일을 구비하지 않으며, O-링 또는 가스켓 유형의 시일이 물과 반응기 캐니스터 계면을 결합하도록 사용될 수 있다.

이러한 예에서, 캐니스터는 모두 전술한 바와 같이 얇은 벽을 갖춘 압력 베셀이다. 반응 캐니스터는 니켈 도금되거나 에폭시 코팅된 알루미늄 등과 같은 또는 공학용의 강성의 또는 가요성의 플라스틱과 같은 기부의 내부식성 재료로 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 경금속 또는 공학용 플라스틱으로 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 캐니스터가 분리 또는 제거되는 경우 물의 유동을 방지하는 잠금 기구를 구비할 수 있다. 잠금 기구는 물의 유동을 위한 사용자 조정을 필요로 하는 기계적 래치일 수 있다. 변형예로서, 반응기는 사용자 상호 작용시까지 물의 유동을 중단시키는 밸브 또는 그외 다른 기구를 포함할 수 있다. 사용자 상호 작용의 예에는 연료 전지 시스템 조립체로 캐니스터를 삽입하기 위한 동작에 의해 작동되는 물리적 스위치 또는 밸브를 포함한다.

또한, 물 공급 시스템의 일부를 구성하는 스프링은 도 27 의 예에 도시된 바와 같이 물의 외부에 위치하도록 또는 도 28 에 도시된 바와 같이 물의 내부에 위치하도록 구성될 수 있다. 스프링이 물의 내부에 위치하면, 부식 억제제가 수용액에 첨가될 수 있으며 또는 스프링 재료가 부식을 제한하도록 적절하게 선택될 수 있다.

도 29a 및 도 29b 의 예에 도시된 바와 같이, 반응기 내로 물이 주입되는 전체 시간 동안 거의 일정한 물 압력을 유지하기 위해 상당 수의 상이한 구성이 사용될 수 있다. 스프링은 실제 이동 거리가 총 압축 거리에 비해 짧도록 선택될 수 있다. 이러한 효과를 달성하기 위한 일 방법은 도 29a 및 도 29b 에 도시된 바와 같은 뒤집힌 원추형 스프링을 사용하는 것이다. 길이가 긴 비압축 스프링(2921)이 압축되어 위아래가 도치될 수 있어(도 29b 에 도시된 바와 같이), 여전히 압력이 가해지는 동안 하방으로 평평하게 잡아 당겨진다. 이에 따라, 필요한 힘을 여전히 제공하면서 스프링 압축 체적이 최소화될 수 있다.

체적 고려 사항

일부 사용자는 사용자 복잡성을 최소화하기 위하여 패키지 내부에 포함되어 있는 필요한 물 전부를 구비하면서 가능한 한 체적이 작은 구성을 필요로 할 수도 있다. 도 30a 및 도 30b 에 도시된 일 예에서, 반응기 체적(3002)은 초기의 작은 값에서 시작하여, 수용액이 고갈되며 반응 지점(들)에 첨가됨에 따라 시간이 지날수록 커진다. 반응기 체적(3002)은 상당히 압축된 상태에서 시작된다. 시간이 지날수록, 반응기 체적(3002)을 물 공급 체적(3014)과 바꾸기 위해 피스톤(3072) 또는 유사한 기구가 사용된다. 이를 위한 구동력은 동적 펌핑 기구, 스프링 구동식 기구 또는 그외 다른 기구에 의해 제공될 수 있다. 일 실시에 있어서, 시스템은, 스크류 구동 피스톤 조립체, 팽창 가스켓 등을 사용하여, 발생 수소 압력이 물 운반 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 다른 실시에 따르면, 시스템은, 물 운반 시스템의 일부로서 제어 밸브 또는 압력 조절기를 사용하여, 발생 수소 압력이 물 운반 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 도 30b 에 도시된 스프링 구동식 기구에 의해, 스프링 조립체가 여전히 긴장 상태에 있으면서 거의 평평하게 압축될 수 있음에 따라, 여전히 허용 가능한 힘을 제공하면서 반응 결말 시에 물 공급 체적(3014)의 최소화를 허용하는 역테이퍼형 스프링(3021)이 도시되어 있다. 이러한 접근법에는 비교 가능한 피스톤(또는 그외 다른 방법), 수용액 분배망, 수용액 유동 제한기, 그리고 일체형 체크 밸브 또는 비교 가능한 기능의 구성 요소(도시하지 않음)가 사용된다. 밸브 또는 그외 다른 기구와 같은, 스프링을 적소에 기계적으로 잠금 처리하거나 수용액의 유동을 방지하는 기구가 채용될 수도 있다. 수용액은 카트리지의 외부에서 유동할 수 있으며 피스톤의 기하학적 형상을 통해 경로를 따라 이동할 수 있다. 밸브, 조절기, 또는 그외 다른 제어 구성 요소가 또한 물 공급 라인에 사용될 수 있다. 스프링에 의해 인가되는 힘에 의해서만 물의 변위가 발생하도록 하는 기하학적 형상 및 디자인이 채용될 수도 있다. 예를 들어, 순간적인 수소 압력 증가가 순간적인 물 압력 증가로 변환되지 않도록 나사산이 형성된 인터페이스와 같은 기구가 합체될 수 있다. 팽창 풍선 등과 같은 그외 다른 특징부가 채용될 수 있다. 또한, 도 31 내지 도 33 에는 노트북 컴퓨터 전원용 연료 전지와 같은 시스템에 사용될 수 있는 크기가 더 큰 카트리지(3100)가 도시되어 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 기본 개념에 기초하여 당 업계의 숙련자라면 분명하게 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 상세한 개시 내용은 단지 예시로서만 주어진 것으로서 제한적인 의미가 있는 것은 아니다. 본 명세서에 명확하게 명시되어 있지는 않지만, 당업계의 숙련자가 의도하는 바와 같은 다양한 변형, 개선 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 변형, 개선 및 수정은 단지 제안의 의도로 주어진 것으로서, 본 발명의 정신 및 범위 내에 있다. 또한, 인용되고 있는 구성 요소의 처리 순서 또는 처리 과정 또는 이러한 인용을 위해 사용되고 있는 숫자, 문자 또는 그외 다른 명칭들은 청구되고 있는 공정들을 청구범위에 명시될 수 있는 바를 제외한 순서로 제한할 의도가 있는 것은 아니다. 이에 따라, 본 발명은 아래의 특허청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.

Claims (28)

1. 용액 유입 포트와 수소 유출 포트를 구비한 반응기;
   상기 반응기에 첨가되는 반응 연료 재료; 및
   스프링과 용액 챔버를 구비하는 물 공급 시스템
   을 포함하고, 상기 스프링이 상기 용액 챔버에 힘을 부과함으로써 수용액을 가압하고 상기 용액 유입 충전 포트를 통해 상기 반응기 내부의 상기 반응 연료 재료로 운반하여 수소 가스를 발생시켜 상기 수소 유출 포트를 통해 산업 어플리케이션으로 경로를 따라 이동시키는 것인 수소 가스 발생 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 연료 재료는 규소 나트륨 분말이나 실리카 겔 나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링의 특성에 기초하여 상기 반응기 내부의 상기 반응 연료 재료로 운반되는 상기 수용액의 압력을 조절하는 체크 밸브를 더 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 체크 밸브는 운반된 수용액의 압력을 상기 스프링의 힘과 연관된 정상 감쇠(steady decay)에 따라 조절하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 체크 밸브는 수소 가스가 상기 스프링을 편향시키는 것을 방지하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 반응을 개시하거나 재개시하도록 초기에 상기 반응 연료 재료로 운반된 수용액의 압력을 완화하는 물 유동 제한기를 더 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 반응의 상태를 결정하기 위해 상기 반응기에 첨가되는 상기 수용액의 체적을 나타내는 관찰 창을 더 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 결정된 상기 반응의 상태는 반응이 이루어진 반응 연료 재료의 양, 상기 반응기에 남아 있는 반응 연료 재료의 양, 및 상기 반응에 의해 발생되는 수소 가스의 양 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 수용액 및 상기 반응 연료 재료의 반응의 상태를 결정하기 위해 물 압력, 수소 압력, 스프링 힘 및 스프링 변위 중 적어도 하나를 측정하는 힘 게이지를 더 포함하는 수소 가스 발생 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 힘 게이지는 반응의 상태를 결정하기 위해 물 압력, 수소 압력, 스프링 힘 그리고 스프링 변위 중 적어도 하나를 측정하는 데이터베이스를 구비한 마이크로 제어부를 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 결정된 상기 반응의 상태는 반응이 이루어진 반응 연료 재료의 양, 상기 반응기에 남아 있는 반응 연료 재료의 양, 및 상기 반응에 의해 발생되는 수소 가스의 양 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
12. 제 9 항에 있어서, 결정된 상기 반응의 상태를 표시하기 위한 표시 장치를 더 포함하는 것인 수소 가스 발생 시스템.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링은 상기 반응기의 체적을 상기 수용액의 체적으로 바꾸는 것인 수소 가스 발생 시스템.
14. 반응기에 반응 재료를 주입하는 단계;
    스프링을 이용하여 용액 챔버에 힘을 부과하여 상기 용액 챔버 내부의 수용액을 가압하는 단계;
    물 공급 시스템을 이용하여, 가압된 수용액을 용액 유입 충전 포트를 통해 상기 반응기 내부의 상기 반응 재료로 운반하여 수소 가스를 발생시키는 단계; 및
    발생된 수소 가스를 상기 반응기로부터 수소 유출 포트를 통해 산업 어플리케이션으로 경로를 따라 이동시키는 단계
    를 포함하는 수소 가스 발생 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 반응 재료는 규소 나트륨 분말이나 실리카 겔 나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
16. 제 14 항에 있어서, 체크 밸브를 이용하여 상기 반응기 내부의 상기 반응 연료 재료로 운반된 수용액의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하며,
    상기 압력은 상기 스프링의 특성에 기초하여 조절되는 것인 수소 가스 발생 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 체크 밸브를 이용하여 상기 수용액의 압력을 조절하는 단계는 운반된 수용액의 압력을 상기 스프링의 힘과 연관된 정상 감쇠에 따라 조절하는 단계를 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 수소 가스가 상기 스프링을 편향시키는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
19. 제 14 항에 있어서, 물 유동 제한기를 이용하여 반응을 개시하거나 재개시하도록 초기에 상기 반응 연료 재료로 운반된 수용액의 압력을 완화하는 단계를 더 포함하는 수소 가스 발생 방법.
20. 제 14 항에 있어서, 상기 반응기에 첨가된 수용액의 체적을 측정하는 단계; 및
    상기 반응기에 첨가된 수용액의 측정된 부피에 기초하여 반응의 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 수소 가스 발생 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 결정된 상기 반응의 상태는 반응이 이루어진 반응 연료 재료의 양, 상기 반응기에 남아 있는 반응 연료 재료의 양, 및 상기 반응에 의해 발생되는 수소 가스의 양 중 적어도 하나를 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
22. 제 14 항에 있어서, 힘 게이지를 이용하여 물 압력, 수소 압력, 스프링 힘 및 스프링 변위 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및
    측정된 물 압력, 수소 압력, 스프링 힘 및 스프링 변위 중 적어도 하나에 기초하여 상기 반응 연료 재료와 상기 수용액의 반응의 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 수소 가스 발생 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 힘 게이지는 상기 반응의 상태를 결정하기 위해 물 압력, 수소 압력, 스프링 힘 그리고 스프링 변위 중 적어도 하나를 측정하는 데이터베이스를 구비한 마이크로 제어부를 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
24. 제 22 항에 있어서, 상기 반응의 상태를 결정하는 단계는 상기 반응기에 남아 있는 반응 연료 재료의 양과 반응이 이루어진 반응 연료 재료의 양 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하는 것인 수소 가스 발생 방법.
25. 제 22 항에 있어서, 표시 장치를 이용하여 결정된 상기 반응의 상태를 표시하는 단계를 더 포함하는 수소 가스 발생 방법.
26. 제 14 항에 있어서, 상기 스프링을 이용하여 반응기의 체적을 상기 수용액의 체적으로 바꾸는 단계를 더 포함하는 수소 가스 발생 방법.
27. 용액 유입 포트와 수소 유출 포트를 구비한 반응기;
    상기 반응기에 첨가되는 반응 연료 재료; 및
    수용액을 가압하여 상기 용액 유입 충전 포트를 통해 상기 반응기 내부의 상기 반응 연료 재료로 운반하여 수소 가스를 발생시켜 상기 수소 유출 포트를 통해 산업 어플리케이션으로 경로를 따라 이동시키는 탄성 중합체 용액 챔버를 구비한 물 공급 시스템
    을 포함하는 수소 가스 발생 시스템.
28. 반응기에 반응 재료를 주입하는 단계;
    용액 챔버 내부의 수용액을 가압하는 탄성 중합체 용액 챔버로부터 힘을 부과하는 단계;
    물 공급 시스템을 이용하여 가압된 수용액을 용액 유입 충전 포트를 통해 상기 반응기 내부의 상기 반응 재료로 운반하여 수소 가스를 발생시키는 단계; 및
    상기 반응기로부터 상기 발생 수소 가스를 수소 유출 포트를 통해 산업 어플리케이션으로 경로를 따라 이동시키는 단계
    를 포함하는 수소 가스 발생 방법.

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