KR20150137070A - 금속 수소화물 슬러리를 제조하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20150137070A
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케네쓰 에스. 쥬니어 브라운
데이비드 디.쥐. 보웬
앤드류 더블유. 맥클라인
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세이프 하이드로겐, 엘엘씨
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Abstract

금속 수소화물 슬러리의 제조 방법은 금속을 액체 담체에 첨가하여 금속 슬러리를 생성하는 단계 및 금속 슬러리에서 금속을 수소화시켜 금속 수소화물 슬러리를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 수소화물은 금속을 수소화시키기 전에 금속 슬러리의 액체 담체에 첨가된다. 금속은 마그네슘일 수 있고 금속 수소화물은 마그네슘 수소화물일 수 있다.

Description

금속 수소화물 슬러리를 제조하는 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR MAKING METAL HYDRIDE SLURRIES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 출원 일련 번호 13/782,747(2013년 3월 1일 출원)의 우선권을 주장한다. 이의 개시 내용은 그 전문이 본원에 참고 인용된다.
기술 분야
본 출원은 금속 수소화물 슬러리, 특히 마그네슘 수소화물 슬러리를 제조하는 시스템 및 기술에 관한 것이다.
예를 들면, 수중 산소로부터 수소를 분리하는 전기분해 공정에 전기를 가함으로써 수소 형태로 전기 형태의 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 수중 산소로부터 수소를 분리하는 열적 전환 공정을 이용함으로써 수소 형태로 열 형태의 에너지를 저장할 수도 있다.
수소를 금속 수소화물에 혼입시킬 수 있다. 나중에, 물과 금속 수소화물을 혼합시켜 수소를 방출하고, 예를 들어 자동차에 에너지를 제공하는데 사용할 수 있다. 500℃ 이상의 온도 및 200 atm 이상의 압력을 이용하여 마그네슘 및 수소를 마그네슘 수소화물로 전환시킬 수 있다. 촉매는 필요한 온도 및 압력을 감소시킬 수 있다.
본 출원은 금속 수소화물의 슬러리를 생성하는 데 이용될 수 있는 시스템 및 기술을 기술한다. 예를 들면, 마그네슘 수소화물 슬러리의 제조 방법이 개시된다. 일반적으로, 금속 수소화물 슬러리의 제조 방법은 금속과 액체 담체를 조합하여 금속 슬러리를 형성하는 단계 및 슬러리 중에 있는 동안 금속을 수소화시키는 단계를 포함한다. 액체 담체의 존재 하에서 금속을 수소화시키는 것은 슬러리의 액체 담체의 존재 없이 금속을 수소화시키는 것보다 더욱 안전하다. 금속 입자와 액체 담체를 혼합하였을 때, 금속 입자를 공기 중 수분 또는 산소로부터 보호할 수 있다. 이것은 마그네슘 분말 취급과 관련된 위험 요소를 감소시킬 수 있다. 일부 금속 수소화물 형성제는 매우 반응성이어서, 액체 담체의 존재는 그러한 금속 입자의 취급을 더욱 안전하게 할 수 있다. 금속 입자는 액체 담체의 존재 하에서 추가로 제조되거나 크기가 감소될 수 있다.
슬러리 중에서 금속을 수소화시키는 것이 또한 더욱 저렴하다. 주변의 액체 담체의 존재 하에서 금속을 수소화시킴으로써, 슬러리를 교반하여 가열된 금속 입자에서 주변의 액체 담체로의 열 전달률을 향상시킬 수 있고, 이는 공정을 더욱 효율적이고 이에 따라 더욱 저렴하도록 할 수 있다. 슬러리를 수송하는 펌프의 사용은 또한 마그네슘 분말을 안전하게 취급하는 더욱 고가의 기술의 제거로 인해 비용을 절감할 수 있다.
추가적으로, 일부 경우에, 금속 수소화물은 금속을 수소화하기 전에 슬러리에 첨가되어 금속 수소화물에 대한 금속의 반응을 촉진하는 데 도움을 줄 수 있다.
하나 이상의 구체예의 상세한 내용은 첨부된 도면 및 하기 상세한 설명에 제시된다. 기타 특징들 및 장점들은 상세한 설명 및 도면, 및 청구범위에서 자명할 것이다.
도 1은 마그네슘 수소화물 슬러리를 제조하는 예시적 방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는 금속 수소화물 투입 디바이스의 개략도이다.
도 3은 금속 수소화물 배출 디바이스의 개략도이다.
일반적으로, 금속 수소화물 슬러리를 형성하고 금속 수소화물 슬러리에 에너지를 저장하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본원에 기술된 금속 수소화물 슬러리는 수소화된 금속 또는 수소화된 금속 합금을 포함할 수 있다. 금속 또는 금속 합금은 슬러리에 실시되는 조건(예, 열 및/또는 압력)에 따라 가역적 방식으로 탈수소화되고 재수소화될 수 있다.
본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리의 제조 방법은 금속을 액체 담체에 첨가하여 금속 슬러리를 생성하는 단계 및 금속 슬러리에서 금속을 수소화시켜 금속 수소화물 슬러리를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 액체 담체의 존재 하에서 금속을 수소화시키는 것은 슬러리의 액체 담체의 존재 없이 금속을 수소화시키는 것보다 더욱 안전할 수 있다. 금속 입자와 액체 담체(예, 광유)를 혼합시켰을 때, 금속 또는 금속 합금을 공기 중의 수분 또는 산소로부터 보호할 수 있다. 일부 금속 수소화물 형성 금속은 산소 또는 물과 매우 반응성이어서, 산소 또는 물로부터 입자를 보호할 수 있는 액체 담체의 존재는 금속(예, 금속 입자)의 취급을 더욱 안전하게 할 수 있다. 금속 입자는 액체 담체의 존재 하에서 추가로 만들어 지거나 크기가 감소될 수 있다.
슬러리 중에서 금속을 수소화시키는 것은 또한 더욱 저렴할 수 있다. 주변 액체 담체의 존재 하에서 금속을 수소화시킴으로써, 슬러리를 교반하여 가열된 금속 입자에서 주변 액체 담체로 열 전달률을 향상시킬 수 있고, 이는 공정이 더욱 효율적이고 이에 따라 더욱 저렴하도록 할 수 있다. 상기 공정은 분말 취급 기술보다는 펌프를 이용하여 분말화된 금속을 이동시킬 수 있고 수소화물에서 슬러리의 운동에 교반을 공급할 수 있다. 펌프는 일반적으로 분말 취급 공정보다 저렴하다. 슬러리 접근법을 이용하였을 때 더 저렴한 비용의 주요 이유는 공기 및 물로부터 보호하여야 하는 분말을 취급하기 보다는 슬러리의 취급과 관련하여 위험이 감소하기 때문이다. 추가적으로, 일부 경우에, 금속 수소화물은 금속을 수소화시키기 전에 슬러리에 첨가되어 금속 수소화물에 대한 금속의 반응을 촉진하는 데 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리를 제조하기 위한 예시적 공정(100)을 도시한다. 금속 또는 금속 합금이 본원에 제공된 방법에서 수소화물 형성제로서 사용될 수 있다. 금속 또는 금속 합금은 입자의 형태일 수 있다. 도 1은 금속 입자를 형성하는 단계(110) 및 금속 입자와 액체 담체를 혼합하여 금속 슬러리를 제조하는 단계(120)를 도시한다. 입자는 액체 담체에 배치되기 전, 배치되는 동안, 또는 배치된 후에 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속 또는 금속 합금은 금속/액체 담체 혼합물을 크러싱(crushing)함으로써 액체 담체의 존재 하에 입자로 형성될 수 있다. 일부 경우에, 우선 가역적 수소화물 형성제 분말을 광유 (및 경우에 따라 분산제) 혼합물과 조합한 후, (예를 들어, 그라인더 또는 밀에서) 이를 분쇄하여 입자의 크기를 추가로 감소시킨다. 일부 경우에, 최종 입자는 최소 치수에 있어 크기가 주로 약 1 미크론∼약 200 미크론(예, 약 1 미크론∼약 100 미크론 또는 약 1 미크론∼약 50 미크론)이다. 일부 경우에, 금속 또는 금속 합금을 입자에 투입하거나, 입자로 크러싱하거나, 입자로 성형하거나, 또는 액체 담체에 도입되기 전에 입자로 크러싱할 수 있다.
일부 경우에, 금속 또는 금속 합금을 용융하고 액체 담체에 분무하여 액체 담체에 의해 냉각되는 금속 또는 금속 합금의 입자를 생성한다. 이 공정에서, 금속을 용융한 후 노즐을 통해 펌핑하여 입자 분무를 형성한다. 일부 경우에, 분무기에 가스를 도입하여 미립자화(atomization)되도록 돕는다. 금속의 액체 미립자화된 액적을 용기에 분무하여 공기 또는 수분과의 접촉으로부터 액적을 보호할 수 있다. 용기에서, 미립자화된 제트를 가로질러 가스 및/또는 오일의 제트를 분무함으로써 입자를 냉각시킬 수 있다. 이후 오일에 의해 입자를 포획하고 냉각 챔버로부터 제거할 수 있다. 분무 및 냉각 공정은 수소 분위기 하에서 또는 불활성 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.
입자는 임의의 적당한 치수를 가질 수 있다. 일부 경우에, 입자는 0.1 미크론∼200 미크론의 평균 직경(예, 0.5 미크론∼50 미크론, 0.75 미크론∼30 미크론, 0.1∼1 미크론, 1∼10 미크론, 10 미크론∼20 미크론, 20 미크론∼30 미크론, 30 미크론∼40 미크론, 40 미크론∼50 미크론, 50 미크론∼60 미크론, 60 미크론∼70 미크론, 70 미크론∼80 미크론, 80 미크론∼90 미크론, 90 미크론∼100 미크론, 100∼150 미크론, 또는 150 미크론∼200 미크론)을 갖는다. 일부 경우에, 입자는 5 미크론 미만의 평균 직경을 갖는다.
도 1은 금속 입자를 금속 수소화물로 전환시키는 단계(130)를 추가로 도시한다. 반응은, 간단한 형태로, 가스상 수소와 금속 또는 금속 합금을 접촉시키는 것을 수반한다. 이러한 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
M +x/2H2 ≪-≫ MHX
상기 식에서, M은 금속 또는 금속 합금이고 X는 최종 금속 수소화물 생성물 내 수소 원자의 갯수이다. 이러한 반응은 때때로 결합 공정보다는 흡착 공정으로서 기술된다.
금속 슬러리는 투입 디바이스에서 금속 수소화물 슬러리로 전환될 수 있다. 투입 디바이스는 슬러리-포집 용기 및 내부의 금속 슬러리를 투입 온도로 가열하기 위한 가열 디바이스(예, 가열 코일, 열 교환기, 가열 플러그, 및/또는 역류 열 교환기)를 포함할 수 있다. 투입 디바이스는 또한 수소 가스 유입구 및 경우에 따라 용기 내 투입 압력을 유지하기 위한 압력 조절기를 포함한다. 투입 반응이 발열성이기 때문에, 투입 디바이스는 원하는 온도 범위 내에서 슬러리가 투입되도록 유지하기 위한 열 제거 장치(예, 열 펌프 또는 열 교환기)를 포함할 수 있다. 투입 디바이스는 또한 성분을 교반 또는 혼합하여 슬러리 전반에 걸쳐 더욱 균일한 온도 분포를 생성하고 슬러리 전반에 걸쳐 수소의 분포를 돕는 것을 포함할 수 있다. 투입 디바이스에는 새롭게 생성된 금속 슬러리가 공급될 수 있다.
일부 예에서, 투입 디바이스는 뱃치간(batch-by-batch) 기준으로 작동한다. 금속 슬러리는 디바이스 내로 펌핑되고, 이는 가열되고 금속 슬러리가 금속 수소화물 슬러리로 전환될 때까지 수소 가스가 공급된다. 압력이 배출되고, 슬러리가 냉각되고, 금속 수소화물 슬러리는 디바이스로부터 (예, 저장 탱크로) 펌핑된다. 이후 공정을 반복한다. 일부 경우에, 투입 디바이스는, 슬러리가 연속적으로 펌핑, 가열, 투입, 냉각 및 제거되기 때문에 연속적으로 작동한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연속 방식 투입 장치(150)에서, 금속 슬러리(152)를, 가열 코일(158)에 의해 투입 온도로 가열되는 튜빙 제1 섹션(156)으로 펌프(154)에 의해 공급한다. 일단 가열되면, 금속 슬러리(152)를, 금속 슬러리(152) 위에 위치한 헤드스페이스(161)를 갖는 압력 챔버(160)로 펌핑한다. 수소 가스(162)를, 금속 슬러리(152)의 표면(153)과 바로 접촉되는 헤드스페이스(161)에 가스 유입구(163)를 통해 도입한다. 수소 가스(162)를, 선택된 온도를 고려하여, 수소화물 반응을 개시하기에 충분한 압력 하에서 도입한다. 대안적으로, 공급 튜브를 사용하여 슬러리 풀(pool)의 바닥에서 수소 가스를 도입하여 대단히 많은 수소 소형 버블들을 생성한다. 슬러리를 통한 수소 상승이 슬러리의 표면적을 증가시키고 금속 수소화물에 의한 흡수율을 촉진한다. 압력 챔버(160)는, 슬러리의 유량과 조합하였을 때, 슬러리의 충전을 실질적으로 완료하기에 충분한 압력 챔버(160)에서 슬러리의 지체 시간을 유도하기에 충분한 길이의 것이다. 금속 슬러리(152)에서 금속이 수소화되어 충전된 금속 수소화물 슬러리(168)를 형성하기 때문에, 슬러리에 의해 열이 방출된다. 선택적 열 교환기(166)는 슬러리로부터 열을 수집하고 금속 슬러리(152)의 가열을 돕는 튜빙 제1 섹션(156)으로 이동시킨다. 일단 슬러리가 완전히 투입되면, 슬러리가 압력 챔버(160)에서 나와서 튜빙 제3 섹션(172)으로 들어가고, 이는, 예를 들어 열 교환기(166)에 의해 대략 실온으로 냉각된다. 이후 투입된 금속 수소화물 슬러리는 투입 디바이스(150)로부터 펌핑된다.
이러한 배치의 변형에 있어서, 공정은 일부의 배출된 금속 수소화물 슬러리를, 역류 열 교환기를 통해 그리고나서 (배출된 금속 수소화물 슬러리의 온도를 작업 온도로 상승시키는) 가열기를 통해 이후에 수소가 슬러리와 접촉하는 투입 부피로 펌핑함으로써 시작될 수 있다. 금속 또는 금속 합금과 수소 사이의 반응은 열을 발생시키고, 이 중 일부는 바람직한 반응 온도에서 슬러리 온도를 유지하도록 적극적으로 제거되어야 한다. 몇시간 동안 수소화 섹션에 머문 후, 수소화가 완료되어야 하고 투입된 금속 수소화물 슬러리가 역류 열 교환기를 통해 투입된 금속 수소화물 슬러리를 위한 별도의 컨테이너로 반송된다. 역류 열 교환기의 한쪽 면을 통과하는 고온의 슬러리는 냉기를 잃은 슬러리에 열을 잃어서 역류 열 교환기의 다른쪽 면을 통과한다.
일부 경우에, 금속 슬러리는 수소화되기 전에 일부 금속 수소화물을 포함할 수 있다. 금속 슬러리에 첨가된 금속 수소화물의 양은, 일부 구체예에서, 약 1%∼약 50%(예, 약 3%∼약 20%)이다. 마그네슘 수소화물의 경우, 수소화물은 촉매로서 작용하여, 예를 들어 미국 특허 번호 5,198,207(본원에 참고 인용됨)에 기술된 바와 같이, 가역적 수소화물 형성제에 의해 수소화물 형성 비율을 증가시킬 수 있다. 본원에 사용된 용어 "금속 슬러리"는 처녀 금속 및 경우에 따라 금속 수소화물을 포함하는 슬러리이다. 일단 금속 슬러리가 수소화되면, 이는 "금속 수소화물 슬러리"가 된다. 금속 수소화물 슬러리를 형성하기 위해 금속 슬러리를 수소화시키기 전 금속 슬러리에서 약간의 금속 수소화물의 존재는 슬러리에서 금속 또는 금속 합금의 금속 수소화물로의 전환을 촉진하는 것을 도울 수 있다. 일부 경우에, 금속 또는 금속 합금은 액체 담체 및 금속 수소화물(예, 마그네슘 수소화물)의 혼합물의 형태인 액체 담체에 첨가될 수 있다. 일부 경우에, 액체 담체는 금속 또는 금속 합금에 첨가되기 전에 1.0 중량% 이상의 금속 수소화물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 소량의 금속 수소화물 또는 금속 수소화물을 함유하는 혼합물은 금속 또는 금속 합금을 액체 담체에 첨가하기 전에 또는 그후에 액체 담체에 첨가되어 1.0 중량% 이상의 금속 수소화물을 포함하는 금속 슬러리를 생성한다.
도 1은 금속 슬러리에 금속 수소화물을 포함하기 위한 공정의 재순환을 도시한다. 도 1은 생성된 금속 수소화물 슬러리를 분리하는 공정(132) 및 금속 및/또는 금속 합금 및 액체 담체와 혼합시키고자 하는 금속 수소화물 슬러리의 사이드 스트림(134)을 보내어 금속 슬러리를 형성하는 단계를 도시한다. 분리(132)는, 금속 슬러리를 수소화시키기 전에 단계(120)에서 생성된 금속 슬러리가 1.0 중량% 이상의 금속 수소화물(예, 1.2 중량% 이상의 금속 수소화물, 3 중량% 이상의 금속 수소화물, 또는 5 중량% 이상의 금속 수소화물)을 포함하도록 실시될 수 있다. 나머지 스트림(140)은 이후 하나 이상의 상용 작업에서 금속 수소화물 슬러리로서 사용될 수 있다.
일부 경우에, 금속 수소화물을 포함하는 금속 슬러리가 다중 단계를 이용하여 생성될 수 있다. 예를 들면, 금속 또는 금속 합금은 액체 담체에 첨가되어 제1 금속 슬러리를 형성할 수 있다. 이후 제1 금속 슬러리와 금속 수소화물 슬러리를 혼합하여 1.2 중량% 이상의 금속 수소화물을 포함하는 제2 금속 슬러리를 형성할 수 있다. 이후 제2 금속 슬러리를 수소화시켜 금속 수소화물 슬러리를 형성할 수 있다. 이후 이 금속 수소화물 슬러리의 일부를 금속 슬러리의 또다른 스트림 또는 뱃치와 혼합하여 1.0 중량% 이상의 금속 수소화물을 포함하는 금속 슬러리를 다시 형성할 수 있다. 예를 들면, 제1 금속 슬러리(예, 액체 담체 (및 경우에 따라 분산제) 및 처녀 금속 및/또는 처녀 금속 합금의 입자로 본질적으로 이루어진 슬러리)와 금속 수소화물 슬러리를 적어도 2:1의 비율로 혼합하여 제2 금속 슬러리를 형성할 수 있다.
일단 금속 슬러리가 수소화되면, 생성된 금속 수소화물 슬러리가 "투입되거나" 또는 "부분적으로 투입된다". 하지만, 금속 수소화물 슬러리의 후속 사용은, 수소를 방출하여 금속 수소화물 슬러리를 "고갈시키거나" 또는 "부분적으로 고갈시킬 수 있다". 금속 수소화물 슬러리는, 일반적으로 상당량(예, 80% 이상)의 수소화가능한 성분이 수소화되는 경우 "투입되는"으로서; 상당량(예, 80% 이상)의 수소화가능한 성분이 수소화되지 않은 경우 "고갈되는"으로서; 또는 슬러리가 수소화 및 비-수소화된 금속을 함유하는 경우, "부분적으로 투입되는" / "부분적으로 고갈되는"으로서 기술될 수 있고, 수소화된 금속은 일반적으로 수소화가능한 금속의 총량의 약 20%∼80% 양으로 존재한다. 일부 경우에, 금속 슬러리 내 70% 이상의 금속이 수소화되어 금속 슬러리가 수소화되는 경우 금속 수소화물 슬러리가 된다. 일부 경우에, 금속 슬러리 내 85%∼95%의 수소화가능한 금속이 금속 슬러리의 수소화동안 수소화된다. 일반적으로, "투입된" 금속 수소화물 슬러리는 수소화되지 않은 일정 수준의 수소화가능한 성분을 포함할 수 있고, "고갈된" 금속 수소화물 슬러리는 수소화된 일정 수준의 수소화가능한 성분을 포함할 수 있다.
본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리는 임의의 이용가능한 공급원으로부터 에너지를 저장할 수 있다. 일부 경우에, 금속 수소화물 슬러리는 에너지를 안전하고 효율적으로 이동시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 제1 위치(예, 켄자스의 풍차 농원)에서 이용가능한 에너지는 본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리에 저장되고 (예, 연료로서 수소를 연소시킬 수 있는 자동차에 있어서) 에너지를 사용할 수 있는 제2 위치(예, 뉴욕)로 이동시킬 수 있다. 제1 위치에서, 바람은 풍차의 회전자를 회전시킬 수 있어서 발전기를 구동시켜 전기를 생성할 수 있다. 전기는 케이블 상에서 전해조의 전기 단자로 운반될 수 있다. 이 시스템은 또한 투입 디바이스를 포함할 수 있다. 전기를 사용하여, 전해조는 물을 수소 가스 및 산소 가스로 분리시킬 수 있다. 물은 파이프를 통해 공급원으로부터 제공될 수 있다. 수소 가스는 수소 가스 유출구 및 파이프를 통해 투입 디바이스로 이동될 수 있다. 산소 가스는 산소 가스 유출구를 통해 전해조로부터 배출될 수 있고, 이는 추가 사용을 위해 수집되거나 대기로 배출될 수 있다. 일부 경우에, 전해조는 압력 하에 투입 디바이스로 수소 가스를 펌핑할 수 있고(예, 약 50 psia 이상 [파운드/제곱 인치, 절대압]) 투입 디바이스의 내용물은 압력 하에 유지될 수 있다. 압력은 약 100 psia 이상, 150 psia 이상, 200 psia 이상, 250 psia 이상, 500 psia 이상, 1000 psia 이상, 또는 1500 psia 이상의 범위 내에 있을 수 있다. 압력 수준은 압력을 견디고 반응에 의해 발생된 열을 취급하는 투입 디바이스의 능력을 기초로 설정될 수 있다. 금속과 수소 간 반응은 열 및 투입된 금속 수소화물을 생성할 수 있다. 금속과 수소의 반응 속도는 압력이 높을수록 빨라질 수 있다. 일부 경우에, 슬러리는 열 전달에 도움이 되도록 교반될 수 있다. 일부 경우에, 투입 디바이스의 벽 및/또는 교반기 표면은 금속 수소화물의 형성을 촉진하는 촉매로 코팅될 수 있다. 일부 경우에, 수소 가스는, 투입 디바이스로 전달되기 전 가압되는 수소 가스 탱크에서 수집될 수 있다. 수소 가스가 어떻게 생성될 수 있고, 금속 수소화물 슬러리가 어떻게 수소화될 수 있으며, 슬러리가 어떻게 전달될 수 있는지에 관한 추가의 상세한 사항은 미국 특허 번호 7,790,013(전문이 본원에 참고 인용됨)의 컬럼 4 및 5 및 도 1에서 찾아볼 수 있다.
일부 경우에, 가압된 투입 디바이스는 본원에 제공된 금속 슬러리의 스트림 및/또는 고갈된 금속 수소화물 슬러리를 수용할 수 있다. 고갈된 금속 수소화물 슬러리는 적어도 부분적으로 탈수소화된 슬러리일 수 있다. 금속 슬러리 또는 고갈된 금속 수소화물 슬러리에서 금속 수소화물 대 원소 금속의 비율은 1.0 중량% 이상일 수 있다.
액체 담체는, 사용되는 온도 및 압력에서 H2와 또는 금속 수소화물 및/또는 금속 또는 금속 합금과 화학적으로 반응하지 않고, H2 분자를 원자로 분리시키거나 H2 분자로의 원자의 재조합을 방지하는 촉매 능력과 관련된 수소화물 또는 금속 또는 금속 합금의 표면을 탈활성화시키지 않는 액체일 수 있다. 액체 담체는 측정가능한 양의 수소를 용해시키는 능력을 가질 수 있다. 담체 액체는, 일부 경우에, 유기 담체 액체, 예컨대 광유 또는 저분자량 탄화수소, 예컨대 알켄(예, 펜탄 또는 헥산)이다. 일부 경우에, 액체 담체는 경질 광유이다. 다른 담체 액체는 플루오르화된 탄화수소, 예컨대 퍼플루오로데칸, 실리콘계 용매, 포화된 유기 액체, 예컨대 운데칸, 이소-옥탄, 옥탄 및 시클로헥산, 또는 고비점 탄화수소 혼합물, 예컨대 케로센, 및 이의 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 불활성 담체 액체는 약 154℃∼약 177℃ 범위의 고 인화점 및 약 42 세이볼트 유니버셜 초(S.U.s.) 내지 약 59 S.U.s. 범위의 점도를 나타내는 비독성 경질 광유일 수 있다. 광유는 금속 수소화물과 화학적으로 반응성이 아니고, 비교적 낮은 증기압을 생성하고, 약 -40℃∼200℃의 온도 범위를 통해 액체를 유지시킨다. 담체 액체는 금속 수소화물 슬러리를 펌핑가능하게 하고, 안전한 액체로서, 저장 또는 수송을 간단하게 한다. 담체는 수소화물과 대기중 수증기 사이에서 배리어로서 작용하여, 수소를 저장하고 방출하는 슬러리의 능력을 감소시킬 수 있는 수산화물을 형성하는 이 둘의 반응을 감소시킬 수 있다. 슬러리의 사용은 탱크를 얹어놓음으로써 손쉬운 재급유를 허용한다. 물 결합이 없는 그리고 바람직하게는 OH 결합이 없는 담체를 비롯한 다른 담체도 잘 작용할 수 있다. 실리콘계 담체가 또한 슬러리에 작용할 수 있다.
금속 및/또는 금속 합금, 금속 수소화물, 및 액체 담체 이외에, 다른 성분들이 본원에 제공된 금속 슬러리에 포함될 수 있다. 예를 들면, 분산제가 슬러리를 안정화시키기 위해 포함될 수 있다. 일부 경우에, 금속 슬러리 및 생성된 금속 수소화물 슬러리는 분산제를 포함할 수 있다. 분산제는, 예를 들어, 슬러리를 입체적으로 안정화시키는 트리글리세라이드 분산제일 수 있다. 트리글리세라이드 분산제는, 예를 들어, 올레산의 트리글리세라이드, 또는 트리올레인일 수 있다. 사용될 수 있는 기타 분산제들은 중합체 분산제, 예컨대 HypermerTM LP1을 포함한다. 분산제는 중합체 분산제일 수 있다. 트리글리세라이드 및 중합체 분산제의 조합이 또한 사용될 수 있고 수소화물이 마그네슘 수소화물인 경우 특히 유용할 수 있다. 기타 분산제들은 올레산, 폴리아크릴산, 및 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 포함한다. 분산제는 일부 경우에 약 0.05% 이상(예, 약 0.1% 이상, 약 0.5% 이상, 약 0.75% 이상, 약 1.0% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2.0% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3.0% 이상, 또는 약 3.5% 이상) 및/또는 약 4.0% 이하(예, 약 3.5% 이하, 약 3.0% 이하, 약 2.5% 이하, 약 2.0% 이하, 약 1.5% 이하, 약 1.0% 이하, 약 0.75% 이하, 약 0.5% 이하, 또는 약 0.1% 이하)의 금속 슬러리 및/또는 생성된 금속 수소화물 슬러리 농도에서 존재할 수 있다. 예를 들면, 금속 슬러리는 수소화되어, 마그네슘 수소화물, 경질 광유, 및 안정한 금속 수소화물 슬러리를 형성하기 위한 0.0625% CTAB와 1% 폴리(아크릴)산의 혼합물을 포함하는 금속 수소화물 슬러리를 형성할 수 있다. CTAB는 슬러리가 더욱 유동적이도록 하고 폴리(아크릴)산은 현탁액에서 마그네슘 수소화물 입자가 유지되도록 도울 수 있다. 분산제는 수소화물의 입자에 결합하여, 담체 유체 내 입자의 끌림을 증가시켜 침전의 방지를 도울 수 있다. 분산제는 또한 입자가 응집의 방지를 돕는다. 분산제는 슬러리의 형성 및 광유 내 수소화물의 안정화를 촉진한다. 분산제는 특정 구체예에서 또한 슬러리의 형성에 유용할 수도 있는 계면활성제 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 본원에 제공된 금속 슬러리는 분산제로서 트리글리세라이드 또는 폴리아크릴산(-1%) 또는 올레산(-0.125%)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 금속 슬러리는 수소화물 촉매를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 수소화물 촉매는 또다른 금속(예, 바나듐, 니켈, 및/또는 철)이다.
금속 슬러리 내 금속 및 투입된 금속 수소화물 슬러리 내 금속 수소화물의 농도는 40∼80 중량%(예, 50∼70 중량%, 또는 55∼60 중량%)의 범위 내에 있을 수 있다. 더 치밀한 금속 수소화물의 사용은 덜 치밀한 금속 수소화물을 사용한 경우보다 더 높은 금속 수소화물 농도를 유도할 수 있다. 치밀한 금속 수소화물은 밀도가 약 1 gm/mL 이상인 금속 수소화물이고, 예를 들면 란타늄 펜타-니켈을 포함하는 반면, 50 덜 치밀한 금속 수소화물은 밀도가 약 1 gm/mL 이하이고, 예를 들면 리튬 수소화물을 포함한다. 마그네슘 수소화물 슬러리는 약 50 중량% 이상(예, 약 55 중량% 이상, 약 60 중량% 이상, 약 65 중량% 이상, 약 70 중량% 이상, 또는 약 75 중량% 이상), 및/또는 약 80 중량% 이하(예, 약 75 중량% 이하, 약 70 중량% 이하, 약 65 중량% 이하, 약 60 중량% 이하, 또는 약 55 중량% 이하)의 수소화물 농도를 가질 수 있다. 일부 경우에, 금속 슬러리는 50 중량% 이상의 마그네슘, 및 바나듐, 니켈, 및 철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다.
일부 경우에, 금속 슬러리 내 금속 및/또는 금속 합금은 마그네슘, 바나듐, FeTi, LaNi5, MgNi2, NaAl 또는 원소 금속, 금속 합금 또는 금속간 물질 여부의 다른 금속 수소화물 형성제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 금속간 수소화물 형성제는 LaNi45Al05, LaNi5 및 TiFe7 Mn2를 포함한다. 금속 수소화물 형성제는 란탄족원소 및 악티늄족 종을 비롯한 전이 금속(주기율표 IIIA족 내지 VIIIA족)을 포함한다. 이들은 중간 온도 및 압력에서 수소 방출 준비와 결부된 수소 저장을 위한 대용량 및 용량에 있어 약간 감소된 흡수 및 탈착의 다수 사이클을 진행하는 능력을 가진다. 수소를 가역적으로 포획하는 가역적 수소화물을 형성하는 것으로 공지된 금속 및 금속 합금은 미국 특허 번호 4,075,312에 제시된 티타늄 합금, 미국 특허 번호 4,142,300에 개시된 란타늄 합금, 및 미국 특허 번호 4,200,623에서 확인된 기타 합금을 포함한다. 금속 수소화물을 형성하는 것으로 공지된 원소 금속은 문헌["Metal Hydrides" by W. M. Mueller, J. P. Blackledge and G. G. Libowitz, Academic Press, N.Y. 1968]에 기술되어 있다. 이러한 특허 및 문헌들은 본원에 참고 인용된다.
본원에 제공된 금속 슬러리는 금속 슬러리 공급원으로부터 파이프를 통해 펌프에 의해 끌어당겨지고 투입 디바이스 내로 슬러리 유입구를 통해 통과될 수 있다. 이후 가압된 투입 디바이스에서 금속 슬러리는 가열 코일을 이용하여 가열될 수 있다. 금속 슬러리가 가열되는 경우, 슬러리 내 금속에는 수소 가스가 추가로 투입될 수 있어서, 슬러리 내 금속 수소화물 형태의 수소의 양이 증가되어 금속 수소화물 슬러리를 형성한다. 마그네슘 수소화물의 경우, 반응 속도는 수소화물의 온도가 약 280℃를 넘을 때까지 매우 느려서, 이 온도로 마그네슘 수소화물을 가열하는 것은 초기 반응을 촉진할 수 있다. 이후 통상 속도가 빨라지고, 반응 속도를 조절하기 위해 온도 및/또는 압력을 낮출 수 있다. 이러한 공정에 의해, 금속 슬러리는 투입된 금속 수소화물 슬러리가 된다. 가압된 슬러리가 투입을 위해 가열되는 온도는 광범위한 범위, 예컨대 슬러리에 사용되는 금속 수소화물에 따라 약 50℃∼약 350℃의 범위 내에 있을 수 있다. 마그네슘 수소화물의 경우, 투입 온도는 약 250℃∼약 400℃(예, 약 260℃∼약 300℃)이다.
투입 후, 금속 수소화물 슬러리는 예를 들어 실온으로 냉각된다. 금속 수소화물 슬러리의 냉각은, 금속 슬러리의 또다른 스트림 또는 뱃치와 혼합을 위한 재순환을 위해 사이드 스트림(134)이 분리되기 전 또는 후에 일어날 수 있다. 냉각된 금속 수소화물 슬러리는 이의 온도가 냉각 범위 내에서 유지되는 동안 상당량의 수소가 방출되지 않고, 이에 따라 저장 및/또는 수송에 안전하다. "상당량"의 수소는, 에너지원으로서 슬러리를 사용하기에 비용 효율적이거나 수소 생성 위치에서 이용가능한 에너지의 양에 유의적으로 영향을 미치기에 충분하거나, 또는 예컨대 수소의 생성으로부터 유도되는 압력의 증가로 인해 저장 및/또는 운송의 어려움을 생성하기에 충분한 양이다. 예를 들면, 일부 경우에, 냉각된 투입된 금속 수소화물 슬러리는 이의 총 수소의 약 1% 이하(예, 이의 총 수소의 약 10% 이하, 약 1% 이하, 또는 약 0.1% 이하)를 방출한다. 일부 경우에, 수소의 방출량은 0.1% 미만일 수 있다. 투입된 금속 수소화물 슬러리가 상당량의 수소를 방출하지 않는 온도의 이용가능한 범위는 슬러리에 사용되는 금속 수소화물에 따라 다르다. 마그네슘 수소화물의 경우, 슬러리는 약 200℃ 미만의 온도(예, 약 100℃ 미만, 약 80℃ 미만, 약 60℃ 미만 또는 약 40℃ 미만)에서 상당량의 수소를 생성하지 않는다. 다른 가역적 수소화물은 상당량의 수소가 방출되지 않는 것을 보장하기 위해 더욱 차갑게 유지될 수 있다. 일부 경우에, 금속 수소화물 슬러리는 금속 슬러리를 가열하는 열 교환기에서 냉각될 수 있다.
일단 금속 수소화물 슬러리가 형성되면, 펌프는, 금속 수소화물 슬러리 유출구로부터 파이프를 통해, 투입된 금속 수소화물 슬러리가 무한정 저장될 수 있는 금속 수소화물 슬러리 저장 디바이스로 금속 수소화물 슬러리를 펌핑할 수 있다. 투입된 금속 수소화물 슬러리 저장 디바이스는 슬러리 담체(예, 탱커 트럭)로 펌프에 의해 슬러리가 빼내지는 유출구를 가질 수 있다. 슬러리 담체는 일정 거리에 걸쳐 유체를 이동시킬 수 있는 임의의 것, 예컨대 자동차, 기동차, 선박, 바지선, 및 파이프 또는 기타 도관일 수 있다. 담체는 가솔린 또는 연료 오일을 수송하는 데 사용되는 종류의 트럭일 수 있다. 펌프는 단일 유통업체로부터 트럭을 제공하게 되는 서비스 스테이션의 일부일 수 있거나 또는 다중 유통업체의 트럭을 제공하는 것을 이용할 수 있다.
슬러리 담체는 수소 형태의 수소화물에 저장된 에너지를 비롯한 투입된 금속 수소화물 슬러리를, 제1 위치(예, 제1 관할지 내 위치)에서 제2 위치(예, 제2 관할지 내 위치)로 수송할 수 있다. 제2 위치에서, 수송된 슬러리를 충적(offload)하기 위한 스테이션은 펌프가 수송차량으로부터 슬러리를 빼내고 이를 투입된 금속 수소화물 슬러리 저장 탱크로 펌핑하는 파이프를 포함할 수 있다. 수소가 필요한 경우, 투입된 금속 수소화물 슬러리는 투입된 금속 수소화물 슬러리 저장 탱크로부터 슬러리 유입구에 대한 파이프를 통해 배출 디바이스로 펌프에 의해 펌핑될 수 있다.
배출 디바이스는 슬러리의 금속 수소화물이 수소를 방출하는 온도로 슬러리를 가열하기 위한 가열기(예, 가열 코일)를 함유할 수 있다. 일부 경우에, 배출 디바이스는 무수 조건 하에서 금속 수소화물 슬러리를 가열할 수 있다. 가열 온도는 슬러리 내 금속 수소화물의 배출 특성에 따라 달라진다. 마그네슘 수소화물의 경우, 가열 온도는 약 250℃∼약 400℃(예, 약 290℃∼약 370℃ 또는 약 320℃∼약 360℃)이다. 기타 수소화물은 수소를 방출하는 상이한 온도를 가질 수 있다. 일반적으로, 온도는 약 150℃ 이상(예, 약 80℃ 이상, 약 100℃ 이상, 약 125℃ 이상, 약 175℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 225℃ 이상, 약 250℃ 이상, 약 275℃ 이상, 약 300℃ 이상, 약 325℃ 이상, 약 350℃ 이상, 약 375℃ 이상, 또는 약 390℃ 이상) 및/또는 약 40℃ 이하(예, 약 390℃ 이하, 약 375℃ 이하, 약 350℃ 이하, 약 325℃ 이하, 약 300℃ 이하, 약 275℃ 이하, 약 250℃ 이하, 약 225℃ 이하, 약 200℃ 이하, 또는 약 175℃ 이하)이다. 일부 경우에, 배출 디바이스는 배출 디바이스의 하나 이상의 표면 상에 및/또는 교반기 상에 탈수 공정을 촉진하기 위한 촉매를 포함할 수 있다.
배출 디바이스는 금속 수소화물의 배출 특성 및 시스템 경제성에 의해 결정되는 압력에서 작동할 수 있다. 마그네슘 수소화물의 경우, 가장 높은 배출 속도는 대기압에 가까운 압력 또는 그보다 낮은 압력에 의해 일어날 수 있다. 일부 경우에, 수소는 30 psia∼200 psia 범위의 압력에서 제공될 수 있다. 일부 경우에, 수소는 65 psia∼120 psia 범위의 압력에서 제공될 수 있다.
배출 디바이스는 공기 및 물, 특히 산소 및 물을 제외하도록 고안될 수 있다. 투입 디바이스는 또한 공기 및 물이 금속 수소화물과 반응하고 수소를 흡수 또는 탈착하는 것을 방치하기 때문에 공기 및 물을 제외하도록 고안된다. 따라서, 일부 경우에, 배출 디바이스는 무수 조건 하에서 작동할 수 있다.
투입된 금속 수소화물 슬러리가 가열되고 수소 가스가 배출되기 때문에, 슬러리는 고갈된 금속 수소화물 슬러리(예컨대, 수소 중 일부가 슬러리로부터 발생하기 때문이거나 또는 슬러리가 새롭게 형성되고 수소화되지 않기 때문에 상당량의 수소보다 적게 포함하는 금속 수소화물 슬러리)가 된다. 고갈된 가역적 슬러리는, 재투입을 위한 제1 위치 (또는 또다른 재투입 설비)로 다시 수송하기 위한 슬러리 담체(예를 들어, 투입된 금속 수소화물 슬러리를 운반하는 데 사용되는 것과 동일한 트럭일 수 있음) 내로 가스 유출구를 통해 펌프에 의해 빼내질 수 있다. 일부 경우에, 고갈된 금속 수소화물 슬러리는 금속 슬러리를 만드는 처녀 금속 및 액체 담체와 혼합될 수 있다.
투입된 금속 수소화물 슬러리로부터 배출된 수소 가스는 가스 유출구를 통해 배출되고, 예를 들어 수소 병에서 병에 담아서 수집되거나, 또는 바로 사용될 수 있다. 병에 담긴 수소는, 예를 들어 차량에서 연료 전지에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 수소는 에너지원으로서보다 다르게 사용될 수 있다. 예를 들면, 수소는 실험실 작업에서 가스 크로마토그래프용 담체 가스로서, 수소를 필요로 하는 화학 반응에서 반응물로서, 또는 예를 들어 아세틸렌을 대체하는 용접 가스로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 금속 수소화물 슬러리는 병에 담긴 수소의 공급원보다 차량용 에너지원으로서 바로 사용될 수 있다. 예를 들면, 투입된 금속 수소화물 슬러리는 차량으로, 예컨대 차량 내 저장 탱크로 바로 펌핑될 수 있다. 이 차량은 차량 내 위치한 배출 디바이스를 가질 수 있어서, 차량 내 연료원으로서 사용하기 위한 수소 발생을 허용한다. 일부 경우에, 차량은 또한 고갈된 또는 부분적으로 고갈된 금속 수소화물 슬러리가 차량 자체 내에서 재충전될 수 있도록 투입 디바이스를 가질 수도 있다.
투입된 금속 수소화물 슬러리는 안전하게 저장 및 수송될 수 있고, 수소는 연료로서 사용하도록 쉽게 추출될 수 있다. 투입된 금속 수소화물 슬러리는 내연소성일 수 있고 안전하게 취급, 저장 및 수송될 수 있다. 투입된 금속 수소화물 슬러리는, 예를 들어 수소가 수소화물로부터 분리되고 발달하지 못하도록 정상 환경 온도 및 압력에서 안정할 수 있다. 투입된 금속 수소화물 슬러리는 도관을 통해 저장 탱크, 수송 디바이스, 및/또는 투입 및 배출 디바이스 내로 쉽게 펌핑될 수 있다.
반응 위치는 수소 가스의 압력 및/또는 반응 온도에 의해 결정된다. 마그네슘 금속이 금속 슬러리에 사용되고 마그네슘 수소화물로 전환되는 일부 예에서, 약 250℃∼약 400℃의 온도(예, 약 280℃∼약 350℃ 또는 약 290℃∼약 320℃)는 마그네슘의 수소화에 필요한 반면, 약 280℃∼약 400℃의 온도(예, 약 300℃∼약 380℃, 또는 약 320℃∼약 360℃)는 마그네슘 수소화물을 탈수소화하도록 한다. 다른 금속 / 금속 수소화물 시스템은 상당히 감소된 온도 및 압력, 예컨대 약 250℃ 이하의 흡수 및 탈착 온도(예, 약 225℃ 이하, 약 200℃ 이하, 약 175℃ 이하, 약 150℃ 이하, 약 125℃ 이하, 약 100℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하)로 작동할 수 있다. 일부 경우에, 합금 및/또는 수소화물의 혼합물은 동역학 및 사용 온도 범위를 향상시킬 수 있다. 일반적으로, 금속의 수소화의 경우, 수소 압력의 증가는 수소화 반응을 더 빠르게 하고/하거나 수소화에 더 낮은 온도 요건을 유도한다. 일부 경우에, 수소 압력은 약 15 psia 이상(예, 약 50 psia 이상, 약 100 psia 이상, 약 150 psia 이상, 약 200 psia 이상, 또는 약 250 psia 이상) 및/또는 약 300 psia 이하(예, 약 250 psia 이하, 약 200 psia 이하, 약 150 psia 이하, 약 100 psia 이하, 또는 약 50 psia 이하)이다. 압력은 일반적으로 온도에 따라 부분적으로 달라진다(그리고 그 역도 성립한다). 예를 들면, 마그네슘 슬러리가 300℃, 150 psia의 압력에서 수소의 비교적 신속한 흡수를 일으키지만, 더 낮은 온도는 더 빠른 반응을 일으킬 수 있다.
일반적으로, 신속한 반응은 비용을 절감하는 데 유리하다. 하지만, 수소화 동안, 열이 발생하고 이는 시스템으로부터 제거되어야 한다. 높은 비율의 열 방출은 슬러리 내 액체 담체(예, 광유)를 잠재적으로 분해시킬 수 있다. 일부 경우에, 온도 및 압력 파라미터의 조합은 반응의 방향 및 속도, 및 이에 따라 생성된 열을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 압력은 초기에 비교적 낮을 수 있고, 이후 공정이 진행되도록 증가될 수 있다.
수소화물 반응이 가역적이기 때문에, 본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리는 반복하여 수소 형태의 에너지를 수송하도록 작용하고, 수배(예, 약 5배 이상, 약 10배 이상, 약 20배 이상, 약 25배 이상, 약 50배 이상, 약 75배 이상, 약 100배 이상, 약 125배 이상, 약 150배 이상, 약 250배 이상, 약 500배 이상, 약 1000배 이상, 또는 약 2000배 이상) 투입 및 배출될 수 있다. 일반적으로, 투입/배출 사이클의 수가 많을수록, 시스템은 더욱 비용 효율적이다.
금속 수소화물 슬러리는 슬러리의 저장 및 수송에서 현존하는 액체 연료 기반시설의 사용을 허용할 수 있는 액체 유사 흐름 특성을 가질 수 있다. 담체 액체의 성질, 분산제의 양, 및 수소화물 입자의 크기는 모두 슬러리의 점도에 영향을 미친다. 슬러리 내 오일은 금속 수소화물을 공기 중 수분과의 비의도적 접촉으로부터 보호할 수 있다. 슬러리는 발열성 투입 반응으로부터 발생된 열의 소멸을 위한 경로로서 제공될 수 있다. 분산제는 현탁액 중 수소화물 입자를 유지한다. 분산제는 입자에 결합하고 입자의 응집을 방지하기 위해 인접한 입자를 막아낸다. 슬러리는 높은 열이 가해지고 유지되는 경우에만, 소형 발염 장치(blow torch)에 의해 연소된다. 열의 제거시, 슬러리의 연소는 중지되고 화염이 사라지게 된다.
본원에 제공된 금속 수소화물 슬러리는 약 3 중량%∼약 6 중량%의 수소를 유지할 수 있다. 슬러리는 일부 경우에 흡수된 수소의 약 70%∼약 80%(예, 흡수된 수소의 약 80∼98% 또는 90∼98%)를 방출할 수 있다. 남아있는 잔류 수소화물은 이후 고갈된 금속 수소화물 슬러리의 재투입을 위한 촉매로서 작용할 수 있다.
일반적으로, 배출 디바이스는 투입 디바이스와 유사하다. 배출 디바이스는 일반적으로 유체-포집 용기 및 배출 온도로 내부의 슬러리를 가열하기 위한 가열 디바이스(예, 가열 코일, 열 교환기, 및/또는 가열 플러그)를 포함한다. 마그네슘 수소화물이 이용되는 경우, 배출 온도는 약 280℃ 이상(예, 약 300℃ 이상, 약 320℃ 이상, 340℃ 이상, 약 350℃ 이상, 약 360℃ 이상, 약 370℃ 이상, 약 380℃ 이상, 또는 약 390℃ 이상) 및/또는 약 400℃ 이하(예, 약 390℃ 이하, 약 380℃ 이하, 약 370℃ 이하, 약 360℃ 이하, 약 350℃ 이하, 약 340℃ 이하, 약 320℃ 이하, 또는 약 300℃ 이하)일 수 있다. 기타 수소화물은 감소된 온도 및 압력에서 작동할 수 있다. 디바이스는 추가로 용기로부터 수소 가스를 방출하기 위한 수소 가스 유출구를 포함한다. 배출 디바이스는 경우에 따라 추가로 방출가능한 수소가 고갈되면 슬러리의 온도를 감소시키기 위한 열 제거 장치(예, 열 펌프, 열 교환기, 또는 단열 역류 열 교환기)를 포함한다.
일부 예에서, 배출 디바이스는 뱃치간 기준으로 작동한다. 투입된 금속 수소화물 슬러리는 디바이스 내로 펌핑되고 수소가 슬러리로부터 발생하는 시점에 가열된다. 이후 고갈된 슬러리는 경우에 따라 냉각되고 디바이스로부터 (예, 저장 탱크로) 펌핑된다. 이후 공정을 반복한다.
일부 경우에, 투입된 금속 수소화물 슬러리는 배출 디바이스 내로 연속적으로 펌핑되고, 가열되고, 고갈되고, 냉각되고, 제거된다. 도 3에는 가열 코일(208)을 이용하여 탈착 온도로 가열되는 튜빙 제1 섹션(206)으로 펌프(204)에 의해 투입된 금속 수소화물 슬러리(202)를 공급하는, 연속 방식 배출 디바이스(200)의 예가 도시된다. 일단 가열되면, 투입된 금속 수소화물 슬러리(202)는 슬러리(202)의 표면(203) 위에 헤드스페이스(211)를 갖는 탈착 챔버(210)로 이동한다. 수소 가스(212)는 투입된 금속 수소화물 슬러리(202)로부터 가스 유출구(212)를 통해 배출되는 헤드스페이스(211)로 탈착된다. 압력 밸브(214)는 헤드스페이스(211) 내 압력을 제어하는 데 사용될 수 있다. 탈착 챔버(210) 튜빙의 길이는, 슬러리의 유량과 조합하여 취하였을 때, 실질적으로 모든 이용가능한 수소가 탈착되기에 충분하다. 이제 고갈된 금속 수소화물 슬러리(216)인 슬러리는, 탈착 챔버(210)에서 나오고, 경우에 따라 고갈된 금속 수소화물 슬러리(216)로부터 열을 취하고 이를 배출 디바이스(200)에서 나오는 투입된 금속 수소화물 슬러리(202)에 적용하는 열 교환기(222)에 의해 대략 실온으로 냉각되는 튜빙 제3 섹션(220)으로 들어간다. 이후 고갈된 금속 수소화물 슬러리(216)는, 예르 들어 저장 및/또는 수송을 위해 배출 디바이스(200)로부터 펌핑된다.
압력 밸브(214)는 일부 경우에 수소 가스(212)를 냉각시키고 휘발되고 수소 가스(212)와 함께 배출되는 임의의 오일(228)을 응축시키는 냉각 시스템(226)과 연결될 수 있다. 압력 밸브는 오일 응축기의 하류에 위치할 수 있다. 오일은 압축되었을 때 더 높은 온도에서 응축된다. 이렇게 응축된 임의의 오일(228)은 고갈된 금속 수소화물 슬러리(216)에 다시 첨가될 수 있다. 수소 가스(212)는 일부 경우에 임의의 잔여 오일 또는 기타 불순물을 제거하기 위해 필터(230), 예컨대 숯 필터를 통해 걸러질 수 있다. 이제 정제된 수소 가스(212')는 이후 추가 처리, 예컨대 보틀링(bottling) 등에 공급될 수 있다. 대안적으로, 수소 가스(212')는 수소-소비 공정, 예컨대 연료 전지 또는 용접 시스템에 공급될 수 있다.
일반적으로, 제1 에너지원은 수소화물 슬러리에 저장된 수소를 형성 또는 추출하는 데 사용된다. 제1 에너지원은 특정 예에서 특정 위치(예, 제1 위치)에서 쉽게 이용가능하고/하거나, 제2 위치에서 쉽게 이용가능하지 않고/않거나 쉽게 전환되지 않는 에너지원이다. 그러한 에너지원은 재생가능한 에너지원, 예컨대 풍력 발전, 지열 발전, 수력 발전, 해양 발전 등(예, 파랑, 해양 조수 에너지에, 또는 해양에 저장된 열 에너지에 의지함), 바이오매스, 및 열 또는 전기 형태의 태양 에너지를 포함한다. 이러한 에너지원은 일반적으로 온실 가스를 생성하지 않고 고갈되지 않는다. 바이오매스는 온실 가스를 생성할 수 있지만, 통상 대기로의 상당량의 추가의 온실 가스에 기여하지 않는데, 그 이유는 바이오매스가 그 자체로 온실 가스를 사용하기 때문이다. 일부 구체예에서, 핵 에너지가 수소를 생성하는 데 이용될 수 있다. 다른 구체예에서, 일반적으로 에너지원으로 이용되는 연료(예, 석탄, 오일, 및/또는 천연 가스)는 수소를 생성하는 데 이용될 수 있다. 수소는 상기 연료의 연소로 초래되는 오염을 감소시키도록 주의를 취할 수 있는 소수의 위치에서 생성될 수 있다.
이러한 에너지원 중 대다수는, 화석 연료와 대조적으로, 미사용 및/또는 안정한 형태로 그 자체로서 쉽게 수송되지 않는다. 또한, 이러한 에너지원 중 대부분은 에너지 수요가 낮은 지역(예, 낮은 인구 밀도 지역 및/또는 낮은 산업화 지역)에 있다. 일부 위치에서는, 이용가능한 에너지가 에너지 수요보다 크다. 이러한 과잉 에너지는 저장되고 더 많은 에너지 수요의 위치로 수송될 수 있다.
상기 기술된 구체예는 일반적으로 금속 수소화물 형성 또는 투입의 위치에서 또는 그 근접한 위치에서 수소를 형성하는 것을 언급하지만, 수소는 그 자체로 저장되고 금속 수소화물 형성 또는 투입의 위치로 수송될 수 있다. 예를 들면, 수소는 대규모 증기 메탄 개질기로부터 먼 위치의 마켓(예, 수백 마일 떨어진 마켓)으로 수송될 수 있다. 기타 구체예가 하기 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 금속 수소화물 슬러리의 제조 방법으로서,
    (a) 금속 또는 금속 합금을 액체 담체에 첨가하여 금속 슬러리를 생성하는 단계; 및
    (b) 금속 슬러리에서 금속을 수소화시켜 금속 수소화물 슬러리를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 합금은 금속 슬러리에서의 입자의 형태인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 입자는 직경이 1 미크론∼100 미크론인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 금속을 수소화시키기 전에 금속 또는 금속 합금을 크러싱(crushing)하여 금속 입자를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 금속을 액체 담체에 첨가하기 전에 금속 또는 금속 합금을 크러싱하는 것인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 금속 또는 금속 합금을 오일의 존재 하에서 크러싱하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 금속을 수소화시키기 전에 금속을 용융하고 용융된 금속을 분무하여 금속 입자를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 용융된 금속을 액체 담체에 분무하여 금속 슬러리를 생성하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 합금을 액체 담체에 첨가하기 전에 액체 담체가 액체 담체 및 마그네슘 수소화물을 포함하는 혼합물의 형태인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 금속 슬러리는 1.2 중량% 이상의 금속 수소화물을 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 금속을 수소화시키기 전에 금속 수소화물을 액체 담체에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 금속 수소화물은 금속 수소화물 슬러리로 존재하고 금속 수소화물 슬러리는 금속 슬러리의 금속을 수소화시키기 전에 액체 담체에 첨가되는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 금속을 액체 담체에 첨가하여 제1 슬러리를 형성하고, 상기 제1 슬러리와 금속 수소화물 슬러리를 적어도 2:1의 비율로 혼합하여 금속, 금속 수소화물, 및 액체 담체를 포함하는 금속 슬러리를 형성하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 액체 담체는 광유인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 액체 담체는 경질 광유인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 금속 슬러리는 분산제를 포함하는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 분산제는 트리글리세라이드, 폴리아크릴산, 올레산, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 금속은 마그네슘이고 금속 수소화물은 마그네슘 수소화물인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 금속은 마그네슘의 합금인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 금속은 50 중량% 이상의 마그네슘, 및 바나듐, 니켈, 및 철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것인 방법.
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