KR20180112782A - 연료 카트리지 - Google Patents

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KR20180112782A
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fuel
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미카엘 글란츠
비에른 베스터홀름
헨리크 올손
숀 맥기
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마이에프씨 에이비
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Abstract

본 발명은 반응물 시스템에 기초하여 수소 기체를 제공하기 위한 신규한 연료 카트리지에 관한 것이다.
따라서, 연료 전지용 연료 카트리지는 제1 반응물을 저장하기 위한 반응기 격실(102), 물을 저장하기 위한 물 격실(104)을 포함한다. 상기 연료 카트리지는 수용성의 제2 반응물을 담은 혼합 격실(106); 및 물에 용해된 제2 반응물이 상기 제1 반응물과 반응하여 기체를 발생시킬 수 있도록, 상기 용해된 제2 반응물을 상기 반응기 격실(102)로 보내도록 구성된, 상기 혼합 격실(106)과 상기 반응기 격실(102) 사이의 유체 연통 수단(114)을 구비한다. 적합하게는, 상기 연료 카트리지는 연료 카트리지 외부에 배치된 물 제어 기구에 연결 가능한 인터페이스를 포함하고, 상기 물 제어 기구는 상기 혼합 격실 내에서 물이 상기 제2 반응물과 혼합되어 상기 제2 반응물을 용해시킬 수 있도록, 상기 물 격실과 상기 혼합 격실(106) 사이에서 물의 흐름을 제어하도록 구성된다.

Description

연료 카트리지
본 발명은 연료 전지 기술에 관한 것으로, 특히 연료 전지용 연료로서 수소를 공급하는 연료 카트리지에 관한 것이다.
연료 전지는 지난 몇 년에 걸쳐 자동차 기술 및 소규모 전기 생산 분야 모두에서, 많은 응용에 더욱 관심을 끌고 있다. 한 가지 응용은 이동전화, 랩톱 컴퓨터 등과 같은 전자 장비의 충전을 제공하는 것이다.
지난 몇 년 동안, 화학적 수소화물 시스템(chemical hydride system)이 개발되어 여러 제품에 사용되어 왔다.
연료 전지에 연료를 공급하기 위한 흡착 수소 저장(adsorption hydrogen storage)에서, 분자 수소는 물리 흡착 또는 화학 흡착에 의해 화학 연료와 연관된다. 리튬 수소화물(LiH), 리튬 알루미늄 수소화물(LiAlH4), 리튬 붕소 수소화물(LiBH4), 소듐 수소화물(NaH), 소듐 붕소 수소화물(NaBH4) 등과 같은 화학적 수소화물이 수소 기체를 비가역적으로 저장하는 데 사용된다. 화학 수소화물은 아래와 같이 물과의 반응시 다량의 수소 기체를 생성한다.
NaBH4 + 2H20 → NaB02 + 4H2
화학 수소화물과 물의 반응을 안정적으로 제어하여 연료 저장 디바이스에서 수소 기체를 방출하려면, 물의 pH 조절과 함께 촉매가 사용되어야 한다. 또한, 화학 수소화물은 종종 수소 기체의 조기 방출로부터 수소화물을 보호하기 위해 불활성 안정화액의 슬러리(slurry)로 구현된다.
연료 전지용 수소를 생산하는 화학 반응 방법에서, 종종 수소 저장 및 수소 방출은 화학 연료의 온도 또는 압력의 적당한 변화에 의해 촉진된다.
온도에 의해 촉진되는 이 화학 시스템의 일례는, 다음 반응에 의해 암모니아 -보란으로부터의 수소 발생이다:
NH3BH3 → NH2BH2 + H2 → NHBH + H2
제1 반응은 6.1 중량%의 수소를 방출하고 약 120℃에서 일어나며, 제2 반응은 또 다른 6.5 중량%의 수소를 방출하고 약 160℃에서 발생한다. 이러한 화학 반응 방법은 수소 기체를 생성하기 위한 개시제로서 물을 사용하지 않고, 시스템 pH의 엄격한 제어를 필요로 하지 않으며, 종종 별도의 촉매 물질을 필요로 하지 않는다. 그러나 이러한 화학 반응 방법은 종종 열 폭주의 일반적인 발생으로 인해 시스템 제어 문제로 어려움을 겪는다. 암모니아-보란으로부터의 수소 발생을 열적으로 초기화하고 열 폭주로부터 보호하도록 설계된 시스템에 대해서는, 예를 들어, 미국특허 제7,682,411호를 참조한다. 열 수소 방출 조건을 변화시키기 위해 촉매 및 용매를 사용하는 화학 반응 방법에 대해서는, 예를 들어 미국특허 제7,316,788호 및 제7,578,992호를 참조한다.
다른 최근의 반응 시스템은 i.a. WO2015/143212에 개시된 바와 같이, NaSi를 사용하는 것이다.
동시 계류중인 출원에서, 본 발명자들은 연료 전지 적용을 위한 수소 제조용 연료 카트리지에 사용하기 위한 신규한 반응물 시스템을 개시한다. 이 신규한 시스템은 물, 수용성의 제1 반응물 및 알루미늄 분말 형태의 제2 고체 반응물을 포함한다. 제1 반응물의 수용액과 접촉할 때, 알루미늄은 반응하여 수소 기체를 생성할 것이다.
연료 카트리지에서의 본 반응물 시스템의 구현과 관련하여 충족되어야 하는 카트리지에 대한 특정 요건이 있다.
따라서, 본 발명자들은 전술한 유형의 반응물 시스템에 기초하여 수소 기체를 공급하기 위한 새로운 연료 카트리지를 발명하였다.
이 신규한 연료 카트리지는 청구항 1에 정의되어 있다.
따라서, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지는 제1 반응물을 저장하기 위한 반응기 격실 및 물을 저장하기 위한 물 격실을 포함한다. 이 연료 카트리지는 수용성의 제2 반응물을 담은 혼합 격실(106) 및 물에 용해된 제2 반응물이 상기 제1 반응물과 반응하여 기체를 발생시킬 수 있도록, 상기 용해된 제2 반응물을 상기 반응기 격실(102)로 보내도록 구성된, 상기 혼합 격실(106)과 상기 반응기 격실(102) 사이의 유체 연통 수단(fluid communication means)(114)을 구비한다.
일 실시예에서, 상기 연료 카트리지는 상기 연료 카트리지 외부에 배치된 물 제어 기구에 연결 가능한 인터페이스를 포함하고, 상기 물 제어 기구는, 물이 상기 혼합 격실 내에서 상기 제2 반응물과 혼합되어 상기 제2 반응물을 용해시킬 수 있도록, 상기 물 격실과 상기 혼합 격실 사이의 물의 흐름을 제어하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 상기 연료 카트리지는 상기 카트리지 내에 물 제어 기구를 포함한다.
또한, 상기 반응물 시스템의 성분들을 서로 혼합하도록 구성된 수단이 적합하게 제공된다.
도 1은 연료 카트리지의 원리를 개략적으로 도시한다.
도 2는 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
알루미늄은, 예컨대 수소 기체 H2의 발생 및 [Al(OH)4]- 유형의 알루미네이트의 형성과 함께 수산화나트륨 수용액에 용해된다는 것이 잘 알려져 있으며, 전체 반응을 다음과 같이 기재할 수 있다:
2Aa(s) + 2NaOH(aq) + 6H2O → 2Na+(aq) + 2[Al(OH)4] + 3H2(g)
요컨대, 적절한 조건하에서 수용액에 노출될 때 알루미늄이 용해되어 수소 기체가 방출된다는 것이다.
언급된 동시 계류중인 출원에서, 본 발명자는 적절한 형태의 알루미늄 및 수용액의 적절한 조성을 선택함으로써 반응 시스템을 최적화하였다.
특히, 반응물 시스템이 사용될 응용분야에 맞추기 위해서는, 방출 속도(rate of evolution)와 공간 분포 측면 모두에서 수소의 방출(hydrogen evolution)을 제어 할 수 있어야 하는 것이 중요하다. 알루미늄이 특정 입도 분포(specified particle size distribution) 및 표면 특성(surface property)을 갖는 분말로서 제공되면, 매우 효율적인 반응물 시스템을 얻을 수 있다는 것이 발견되었다.
수용액의 pH는 pH <14의 범위에 있어야 한다.
따라서 반응물 시스템은 전술한 알루미늄 분말, 물 및 알칼리 용액을 생성하는 수용성 화합물을 포함하며, 특히 LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2와 같은 금속 수산화물이 사용 가능하고, NaOH가 선호된다.
Al 분말, 물 및 수용성 화합물은 연료 카트리지의 개별 격실에 제공되며, 상기 방법은 하나의 격실에서, 수용성 화합물이 있는 혼합 격실로 물을 보내는 단계를 포함하여, 수용성 화합물이 용해되어 수용액을 제공한다. 수용액은 Al 분말이 있는 반응기로 이동되고, 거기서 반응이 일어나서 수소가 방출되며, 수소를 배출구를 통해 연료 전지 디바이스에 보낸다.
바람직하게는 Al 분말은 습윤시, 즉 순수한 물과 접촉할 때 반응성이 없는 구성을 갖는다. 알칼리 용액과 접촉할 때까지는 반응하지 않아야 한다. 대부분의 상업적으로 이용 가능한 분말은 이 특성을 갖는 것으로 보인다. 그러나, 사용되는 분말은 청구범위에서와 같은 반응물 시스템에서 구현하기 전에 이 특성에 대해 시험하는 것이 바람직하다.
적합하게는, 적합한 채널을 통해 용액을 공급하기 위해 기계적 수단이 사용된다. 기계적 수단은 펌프 수단, 유압/공압 시스템 등일 수 있다.
도 1은 신규한 연료 카트리지(100)의 일 실시예의 "바닥(bottom)" 부분, 즉 "뚜껑"이 제거된 상태를 개략적으로 도시한다.
연료 카트리지는 반응성 물질(바람직하게는 Al 분말)을 수용하고 12.5 ∼ 14 범위의 pH를 갖는 수용액이, 반응성 물질(Al 분말)과 반응하여 수소 기체를 발생시도록 도입될 수 있는 반응기 격실(104)을 포함한다. 또한 상기 수용액의 상기 반응기 격실(104)에의 주입구(114) 및 수소 기체의 배출구(116)가 제공된다. 그러면 기체(H2)는 연결부(117)를 통해 연료 전지 디바이스(fuel cell device, FCD)로 이동한다.
위에서 이미 언급한 바와 같이, 가장 효율적인 수소 생산을 달성하기 위해 반응기 격실(104) 내에 알칼리 수용액을 (시간적으로뿐만 아니라 공간적으로도) 제어된 방식으로 균일하게 분포시키는 것이 중요하다.
따라서, 연료 카트리지는, 반응기 격실(104) 내의 상기 주입구(114)에 제공되고 반응기 격실(104)의 적어도 일부, 바람직하게는 내부 공간 전체에 걸쳐 연장부(extension)을 갖는 다공성 및 친수성의 부재(120)를 포함한다. 적합하게는, 필름은 뚜껑 부분의 내벽과 접촉하여 제공되지만, 도 1에서는 반응기 격실의 바닥에 위치하는 것처럼 도시되어 있다. 어느 하나를 바람직한 것으로 하는 것은 설계상의 고려의 문제일 뿐이다. 다공성 및 친수성의 부재(120)는, 부재(120) 내의 모세관력에 의해 상기 수용액을 운반하여, 상기 반응기 챔버의 내부에 수용액을 분포시키도록 되어 있다. 적합하게는, 다공성의 부재(120)는 폴리에틸렌(PE)의 필름이다. 이러한 필름은 닛또(Nitto)의 상품명 SUNMAP®을 입수 가능하다.
반응기 격실(104) 이외에, 연료 카트리지(100)는 물 주머니(103)를 포함하고 배출구 채널(109)을 갖는 물 격실(102), 및 주입구(108)를 갖는 혼합 격실(106)을 포함한다.
카트리지가 사용될 경우, 일 실시예에서 카트리지는, 물을 물 격실(102)에서 채널(109)을 거쳐, 인터페이스 내의 채널 시스템(112)을 지나, 주입구(108)를 거쳐, 혼합 격실(106)로 수송하기 위한 물 제어 기구 - 여기서 펌프(110)으로 예시됨 -을 제공하는 인터페이스(107)(명시적으로 도시되지 않음)를 통해 연료 셀 디바이스(fuel cell device, FCD와 협력적으로 결합될 것이다.
다른 실시예에서, 물 제어 기구는 카트리지 내에 통합되어, 자체 수용형 유닛(self-contained unit)을 형성하는 데, 이에 대해서는 후술한다.
혼합 격실(106)에서, 물은 그 안에 수용된 수용성 화합물을 용해시킬 것이며, 이렇게 제공된 용액은 주입구(114)를 거쳐 반응기 격실(104)을 통과한다.
물이 반응물을 용해시키기 전에 반응물이 혼합 격실에서 반응기 격실로 들어갈 위험이 없도록 하기 위해, 주입구(114)에 밸브 기구가 제공되는데, 밸브 기구는 카트리지와 함께 사용될 연료 전지 디바이스 내에 카트리지를 삽입하여 사용 상태에 놓일 때 개방된다. 바람직하게는 이것은 밀봉부(seal)을 관통하고 격실들 사이의 연통부(communication)를 개방할 플런저(도 2의 도면부호 115; 215로 개략적으로 도시됨)에 의해 달성된다.
반응기 격실에는, 다공성 및 친수성의 부재(120)가 제공되는데, 이는 도시된 실시예에서 반응기(104)의 바닥의 내벽 전체를 실질적으로 덮는다. 적합하게는, 이 부재는 전술한 물질의 필름이다. 바람직한 실시예에서, 상기 필름 물질의 탭(tap)은 주입구(114)를 덮어, 수용성 화합물의 바람직하지 않은 용해되지 않은 입자가 반응기에 들어가는 것을 방지하는 필터로서 작용한다.
바람직한 실시예에서, 반응기 격실에서부터 배출구(116)를 덮는 필터 요소가 또한 제공된다. 수소 기체가 연료 전지에서 연료로 사용될 때 가능한 한 건조한 것이 중요하다. 수증기가 반응기 격실(104)을 빠져 나갈 때 항상 수증기로 오염될 것이기 때문에, 별도의 건조 격실(122) 내에 건조를 위해 제공된다. 연결부(117)를 통해 카트리지를 떠나기 전에 수소가 통과하는 이 격실에는 건조제가, 바람직하게는 수소가 지나치게 높은 압력을 형성하지 않고 통과할 수 있도록 느슨하게 포장된 미세 분말 내지 중간 크기의 분말 형태로 제공된다. 그러한 건조제의 예는 드라이 라이트(Drierite)이다.
반응기 격실 내부의 반응물 용액 분포의 다른 측면은 반응성 분말 내에서의 신속한 분포를 확인하는 것이다. 예컨대 유리로 만들어진 소형 비드가 분말에 분포되어 있으면 훨씬 효율적인 확산이 일어나, 성능을 향상시킨다는 것을 발견하였다.
이러한 유리 비드는 바람직하게는 구형이고 적합하게는 직경이 2,5∼28mm이다. 시제품에 사용된 적합한 비드는 프리오시아(Preciosa)로부터 입수할 수 있으며, 예컨대 목걸이 등의 장식 용도로 설계되고 의도된다.
도 2에는 자체 수용형 연료 카트리지(200)의 개략도가 도시되어 있다. 이는 도 1의 실시예와 본질적으로 동일한 전체 구성을 가지나, 여기서는 채널 시스템 (219) 내에 제공된 펌프(224)로 상징되는 물 제어 기구가 카트리지(200)에 통합되어 있다. 펌프는 사용 시에 카트리지가 결합되는 디바이스(FCD)(점선으로 개략적으로 도시 됨) 내의 적합한 전기적 연결(BAT)에 의해 에너지를 공급받을 수 있다.
바람직하게는, 물 제어 기구는 펌프 이외의 다른 수단, 예를 들어 가압된 물 격실(202)을 제공함으로써 제공되며, 이러한 가압은, 물 주머니(203) 내부의 과압 또는 물 주머니(203)에 작용하는 기계적 압축 수단과 같은 다른 수단에 의해 얻을 수 있다.
다른 모든 구성 요소는 도 1의 실시예와 동일하게 유지되지만, 200 계열의 도면부호로 도시된다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지(100)로서,
    제1 반응물을 저장하기 위한 반응기 격실(102);
    물을 저장하기 위한 물 격실(104);
    수용성의 제2 반응물을 수용한 혼합 격실(106); 및
    물에 용해된 제2 반응물이 상기 제1 반응물과 반응하여 기체를 발생시킬 수 있도록, 상기 용해된 제2 반응물을 상기 반응기 격실(102)로 보내도록 구성된, 혼합 격실(106)과 반응기 격실(102) 사이의 유체 연통 수단(fluid communication means)(114)
    을 포함하는 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지(100)의 외부에 배치된 물 제어 기구(110, 112)에 연결 가능한 인터페이스(107, 108, 109)를 포함하고,
    상기 물 제어 기구는 상기 혼합 격실(106) 내에서 물이 상기 제2 반응물과 혼합되어 상기 제2 반응물을 용해시킬 수 있도록, 상기 물 격실(104)과 상기 혼합 격실(106) 사이의 물의 흐름을 제어하도록 구성되는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인터페이스는 상보적인 디바이스의 짝을 이루는 배출구에 연결 가능한 물 주입구(108)를 포함하고,
    상기 연료 카트리지(100)의 물 주입구(108)는 상기 짝을 이루는 배출구의 적어도 일부를 관통시킬 수 있는 관통 가능한 밀봉부를 구비하며,
    상기 물 주입구(108)는 상기 혼합 챔버(106) 내로 개방되는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 카트리지(200) 내에 물 제어 기구(205, 219, 224, 207)를 포함하는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  5. 제2항 또는 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 물 제어 기구는, 상기 물 격실에서 상기 혼합 격실을 통과하여 반응물을 용해시키고, 그 용액을 상기 반응기 격실로 보내기 위한 물의 흐름을 일으키도록 구성되는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 물 제어 기구는 펌프 또는 상기 카트리지의 가압 부분(pressurized part) 또는 기계적 압축 수단을 포함하는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물 격실(102)은 물을 담는 플렉시블 주머니(103)을 수용하고, 상기 플렉시블 주머니는 피어싱 요소(piercing element)에 의해 관통 가능한, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 피어싱 요소는 중공이고 상기 플렉시블 주머니(103)에서 상기 물 제어 기구로 물을 보내도록 구성되는, 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 격실에의 상기 주입구(114) 내에, 상기 연료 카트리지가 사용될 때 개방되도록 구성된 밸브 기구를 더 포함하는 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밸브 기구는 상기 연료 카트리지(100; 200)를 연료 전지 디바이스(FCD) 내로 삽입할 때 작동 가능한 플런저(115, 215)를 포함하는. 연료 전지 디바이스용 연료 카트리지.
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