KR20220017815A - 유동 도관에 촉매를 갖는 수소 반응기 - Google Patents

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KR20220017815A
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알렉산더 질버만
로만 푸터만
가이 네보-미치로브스키
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엘렉트리퀴-글로벌 에너지 솔루션스 리미티드
알렉산더 질버만
로만 푸터만
가이 네보-미치로브스키
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Abstract

수소 액체 캐리어 라인을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버는 수소 가스가 수소 액체 캐리어로부터 생산되게 하기 위한 위한 촉매를 포함하는 채널을 포함할 수 있으며, 채널은 수소 액체 캐리어를 위한 입구 단부와 소비된 캐리어를 위한 출구 단부를 포함한다. 반응 챔버는 또한 채널을 통해 유동하는 수소 액체 캐리어의 유량을 제어하기 위한 밸브; 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구; 및 수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 표시기를 수신하고, 수소 가스에 대한 수요를 충족시키기 위해 수소 액체 캐리어의 유량을 조정하기 위해 밸브를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.

Description

유체 도관에 촉매를 가지는 수소 반응기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 4월 17일자 출원된 미국 가출원 제62/658,635호 및 2018년 8월 27일자 출원된 미국 가출원 제62/723,331호에 대해 우선권을 주장한다. 선행 출원의 각각은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 개시된 시스템은 수소 액체 캐리어(hydrogen liquid carrier)로부터 수소를 얻기 위해 사용될 수 있다. 특히, 본 개시된 시스템은 촉매 장착 유체 도관을 통해 수소 액체 캐리어를 유동시킬 때 수소 액체 캐리어로부터 수소를 얻기 위해 구성될 수 있다.
화석 연료의 제한된 공급 및 기후와 환경에 미치는 악영향으로, 깨끗하고 풍부하며 지속 가능한 대체 에너지의 대안적인 자원을 찾는 것이 전세계적인 우선 순위가 되었다. 태양열, 풍력, 수소와 같은 자원이 전세계의 에너지 수요를 충족시킬 수 있지만, 에너지를 효율적으로 저장하고 및/또는 변환할 수 있는 재료를 찾는데는 상당한 과제가 남아 있다.
수소 액체 캐리어로부터의 효율적인 수소 생성은 고정 전력, 휴대용 전력, 및 운송을 포함하는 응용 분야에서 수소 및 연료 전지 기술의 발전을 가능하게 하는 핵심 기술이다. 수소는 모든 연료 중 질량당 가장 높은 에너지를 가진다. 그러나, 그 낮은 주변 온도 밀도는 단위 체적당 낮은 에너지를 초래하고, 그러므로 보다 높은 에너지 밀도를 위한 전위를 가지는 진보된 저장 방법의 개발을 요구한다. 수소는 운송 산업에 이상적인 연료인 것으로 간주된다. 그러나, 운송 목적을 위해 수소를 사용하기 위하여, 수소 액체 캐리어로부터의 수소 생성과 관련된 상당한 문제가 여전히 해결되어야 한다.
주변 조건에서, 수소는 휘발성 가스이다. 1 kg의 수소는 11.2 ㎥(~ l00g/㎥)를 차지하며, 체적은 특정 수소 기반 에너지 적용 분야에 대해 비현실적으로 클 수 있다. 그러므로, 수소 활용에서의 하나의 목표는 높은 표면적 물질에 대한 압축, 액화, 흡착 또는 고체 화합물에서의 내포에 의한 수소 체적의 감소이다. 고체 상태 수소 저장은 액체 수소의 체적 밀도를 예를 들어 2배 이상 초과하는 가장 높은 수소 체적 밀도를 야기할 수 있다. 재료 관점으로부터 다른 문제는 운송 산업에서 사용하는데 요구될 수 있는 조합된 체적 및 중량 측정 수소 밀도(예를 들어, 각각 55.5 질량% H2 및 40 kg H2/㎥), 작업 온도(예를 들어, -40 내지 85℃)에 대한 적절한 열역학적 안정성, 빠른 수소 흡수 및 전달을 가능하게 하는 충분히 빠른 반응 속도(예를 들어, 수 분 내에 5kg의 H2의 재급유)를 포함할 수 있다.
금속-수소화붕소(metal borohydride)와 같은 금속 수소화물은 수소 저장 매체를 제공할 수 있다. 금속-수소화붕소는 물과 같은 액체에 용해되어, 수소 액체 캐리어를 초래할 수 있다. 금속-수소화붕소는 액체 캐리어의 리터당 7.5 wt% H2 및 70g H2의 목표 레벨에서 수소를 저장할 수 있다. 적절한 온도 및 압력 조건 하에서, 금속-수소화붕소는 연료(예를 들어, 연료 전지용)로서 사용될 수 있는 수소를 방출할 수 있다.
그러나, 이러한 액체 캐리어로부터 수소를 효율적으로 방출하고 및/또는 액체 캐리어에 저장된 수소의 대부분 또는 전부에 대한 접근을 얻는 것은 특정한 과제를 제시할 수 있다. 그러므로, 수소 액체 캐리어로부터 수소를 효율적으로 생산하여 저농도의 수소를 함유하는 소비된 캐리어(spent carrier)를 생성하기 위한 솔루션을 개발할 필요가 있다.
개시된 실시예와 일치하여, 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버가 제공된다. 수소 액체 캐리어 라인을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버는 수소 가스가 수소 액체 캐리어로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하는 채널을 포함할 수 있으며, 채널은 수소 액체 캐리어를 위한 입구 단부, 및 소비된 캐리어를 위한 출구 단부를 포함할 수 있다. 반응 챔버는 또한 채널을 통해 유동하는 수소 액체 캐리어의 유량을 제어하기 위한 밸브, 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구; 및 수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고, 수소 가스에 대한 수요를 충족시키기 위해 수소 액체 캐리어의 유량을 조정하기 위해 밸브를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
다른 개시된 실시예와 일치하여, 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버가 제공된다. 수소화붕소 액상 용액 캐리어 라인을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버는 수소 가스가 수소화붕소 액상 용액으로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하는 채널을 포함할 수 있으며, 채널은 수소화붕소 액상 용액을 위한 입구 단부, 및 소비된 용액을 위한 출구 단부를 포함할 수 있다. 반응 챔버는 또한 채널을 통해 유동하는 수소화붕소 액상 용액의 유량을 제어하기 위한 밸브; 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구; 및 수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고, 수신된 수요에 기초하여, 유동 제어기를 사용하여 채널에서의 수소화붕소 액상 용액의 유량을 조정하고, 수신된 수요에 기초하여, 채널에서 생성된 수소 가스의 일정량을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 반응 챔버는 수신된 수요에 기초하여 채널에서 생성된 수소 가스의 일정량을 방출할 수 있다.
다른 개시된 실시예에 일치하여, 수소화붕소 액상 용액을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 시스템이 제공된다. 수소화붕소 액상 용액을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 시스템은 수소 가스가 수소화붕소 액상 용액으로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하는 채널을 포함할 수 있으며, 채널은 수소화붕소 액상 용액을 위한 입구 단부, 및 소비된 용액을 위한 출구 단부를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 채널을 통한 수소화붕소 액상 용액의 유량을 제어하기 위한 밸브; 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구; 및 수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고, 수소 가스에 대한 수요를 충족시키기 위해 채널에서의 수소화붕소 액상 용액의 유량을 조정하기 위해 밸브를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 추가적으로 시스템은 수소 저장 탱크를 포함할 수 있다.
전술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명은 예시적이고 설명적인 것일 뿐이며 청구범위를 제한하지 않는다.
첨부된 도면은 반드시 축척이거나 완전한 것은 아니다. 대신, 일반적으로 본 명세서에서 설명된 발명의 원리를 설명하는데 중점을 둔다. 본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성하는 이들 도면은 본 개시 내용과 일치하는 몇몇 실시예를 예시하고 상세한 설명과 함께 본 개시 내용의 원리를 설명하는 역할을 한다:
도 1은 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 예시적인 시스템이다.
도 2는 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 시스템의 예시적인 단면도이다.
도 3은 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 시스템의 또 다른 예시적인 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 단면도이다.
도 7은 개시된 실시예들과 일치하는 혼합 요소들을 가지는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 도면이다.
도 8은 개시된 실시예들과 일치하는 다수의 입구를 가지는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 도면이다.
도 9는 개시된 실시예들과 일치하는 다수의 요소를 가지는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 도면이다.
도 10은 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 도면이다.
도 11은 개시된 실시예들과 일치하는 다수의 채널을 포함하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시도이다.
도 12는 개시된 실시예들과 일치하는 확장 채널을 포함하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 단면도이다.
도 13a 내지 도 13d는 개시된 실시예들과 일치하는 구불 구불한 채널을 포함하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 도면들이다.
도 13e는 개시된 실시예들과 일치하는 수소 생성을 위한 반응 챔버에서 액체 캐리어의 유동의 예시적인 도면이다.
도 14는 개시된 실시예들과 일치하는 루프 채널을 포함하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 단면도이다.
도 15는 개시된 실시예들과 일치하는 루프 채널을 포함하는 수소 생성을 위해 반응 챔버를 작동시키는 프로세스의 예시적인 흐름도이다.
도 16은 개시된 실시예들과 일치하는 샤워헤드의 형태를 하는 수소 생성을 위한 반응 챔버의 예시적인 단면도이다.
이제 첨부된 도면과 관련하여 논의된 예시적인 실시예에 대한 참조가 상세하게 만들어질 것이다. 일부 예에서, 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 및 다음의 상세한 설명 전체에 걸쳐서 사용될 것이다. 달리 정의되지 않는 한, 기술적 및/또는 과학적 용어는 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 의미를 가진다. 개시된 실시예는 당업자가 개시된 실시예를 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시예가 이용될 수 있고, 개시된 실시예의 범위를 벗어남이 없이 변형이 만들어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러므로, 물질, 방법 및 예는 예시일 뿐이며 반드시 제한하려는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 연료 전지에 전력을 공급하기 위한 수소를 생성하기 위한 수소 생성 시스템(10)과 관련하여 수소 액체 캐리어 및 관련 화합물 및/또는 부산물을 저장하기 위한 시스템이 개시된다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 수소 생성 시스템(10)은 수소 액체 캐리어를 저장하기 위한 저장 시스템(20)을 포함할 수 있다. 저장 시스템(20)은 몇몇 챔버(예를 들어, 챔버(101 및 102))를 가지는 캐리어 탱크(100), 캐리어 출구 라인(113)(화살표(114)는 수소 액체 캐리어의 유동을 나타낸다), 소비된 캐리어 입구 라인(115)(화살표(116)는 소비된 캐리어의 유동을 나타낸다), 수소를 생성하기 위한 반응 챔버(120), 및 수소 액체 캐리어로부터 수소의 생성을 촉진하기 위한 촉매(121)를 포함한다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 수소 출구 라인(125A)(화살표(122)는 수소 유동의 방향을 나타낸다)은 반응 챔버(120)로부터 수소 저장 챔버(126)로 수소를 전달할 수 있다. 챔버(126)는 그런 다음 수소 라인(125B)을 통해 연료 전지(130)에 수소를 전달할 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 금속 수소화물을 포함할 수 있고, 일부 실시예에서, 금속-수소화붕소를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 금속-수소화붕소는 화학식 M1-BH4로 설명될 수 있는 임의의 화합물을 포함할 수 있으며, 여기서 M1은 원소 주기율표의 I열로부터 선택된 금속이거나 또는 원소 주기율표의 I열로부터 선택된 금속의 합금일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 금속(M1)은 Li, Na, K, Rb, Cs, Ca 및 Fr 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 금속(M1)은 주기율표의 II 열로부터 선택될 수 있고, Mg 및 Be를 포함할 수 있다. 대안적으로, 금속(M1)은 또한 Al, Ti, Be, Ca 또는 다른 적절한 금속을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 하나 이상의 금속을 함유하는 화학 화합물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 화학식 M1aM1b-H4로 기술된 화합물을 가지는 3원 수소화물을 포함할 수 있으며, 여기서, M1a 및 M1b는 금속일 수 있다. 예시적인 실시예에서, M1a는 Li, Na, K, Rb, Cs, Ti, Be, Fr 또는 다른 적절한 금속을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, M1b는 Al, Ni, Be, Ca, Ti 또는 다른 적절한 금속을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수소 액체 캐리어는 Li-B-H과 같은 4차 수소화물 또는 화학식 M1a-H4로 기술된 다른 적합한 4차 수소화물을 포함할 수 있다.
수소 액체 캐리어는 금속 수소화물 또는 금속-수소화붕소의 수용액 이외의 다른 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 액체 캐리어는 가용성 금속 수산화물(예를 들어, 수산화나트륨)과 같은 용해도 향상 화학제 또는 안정화제를 포함할 수 있다. 다른 사용 가능한 안정제는 특히 수산화칼륨 또는 수산화리튬을 포함할 수 있다. 수소 액체 캐리어의 액체 성분은 임의의 적절한 액체를 포함할 수 있다. 이러한 액체는 물 또는 알코올을 포함할 수 있다. 액체 캐리어는 또한 첨가제, 안정화제, 또는 안정화제로서의 수산화나트륨, 계면 활성제로서의 폴리글리콜 등과 같은 다른 반응 증강제를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 또한 액체 캐리어, 캐리어 또는 수소 기반 액체 연료로서 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "액체 캐리어" 또는 "수소 액체 캐리어"는 촉매 근처에서 적절한 온도 및 압력 조건 하에서 수소를 방출하도록 구성된 캐리어를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 소비된 캐리어를 언급할 때 용어 "고갈된"은 수소를 완전히 또는 부분적으로 방출한 후의 수소 액체 캐리어를 기술한다. 예를 들어, 캐리어가 50% 고갈될 때, 캐리어에 의해 방출될 수 있는 수소의 최대 양과 비교하여 모든 이용 가능한 수소의 절반이 캐리어에 의해 방출되었다. 다양한 실시예에서, 고갈된 캐리어는 또한 소비된 캐리어로서 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 소비된 캐리어는 부분적으로 고갈된 캐리어를 포함할 수 있고, 캐리어로부터 여전히 방출될 수 있는 일부 수소를 함유할 수 있다.
다양한 실시예에서, 소비된 캐리어는 수소가 수소 액체 캐리어로부터 방출될 때 반응 동안 형성된다. 예시적인 실시예에서, 반응은 M1-메타붕산염 형성(metaborate formation)으로 이어지는 금속-수소화붕소(화학식 M1-BH4에 의해 설명된)와 물의 반응을 포함할 수 있으며, 여기서 M1은 Li, Na, K, Rb, Cs, Ti, Be, Fr, 또는 다른 적절한 금속이다.
다양한 실시예에서, M1-BH4와 같은 반응물과 물 사이의 화학 반응은 반응물이 물에 용해될 때 수행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, M1-BH4의 수용액은 수소 액체 캐리어로서 사용될 수 있고, 화학 반응을 통해 수소를 방출하고, 금속 붕산염의 수용액일 수 있는 소비된 캐리어를 형성할 수 있다. 금속 붕산엽의 수용액이 소비된 캐리어의 하나의 예이지만, 소비된 캐리어는 다양한 다른 화합물을 포함할 수 있다. 예시적인 프로세스에서, 금속 수소화물이 수소 액체 캐리어로서 사용될 때, 결과적인 소비된 캐리어는 금속 및 메타붕산염을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 촉매(121)와 접촉할 때 반응 챔버(120)에서 수소를 방출할 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매(121)는 수소 생산을 촉진하기 위한 임의의 적합한 촉매를 포함할 수 있고, Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Pt, B, 합금 및 이것들의 조합과 같은 전이 금속(transition metal)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매(121)는 Ⅲ족 금속, 코발트-P, 코발트-B, 코발트-Ni, P 및 코발트-NIB 또는 Electriq Global™ E-Switch를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 생성된 수소는 출구 라인(125A)을 통해 수소 저장 챔버(126)로, 그리고 이어서 연료 전지(130)로 전달될 수 있다. 다양한 실시예에서, 시스템(10)은 라인(113, 115, 125A 및 125B)을 통한 수소 액체 캐리어, 소비된 캐리어의 유동, 및 수소의 유동을 촉진하는 압력 센서들 및 압력 펌프들(도 1에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프는 수소 액체 캐리어를 가압 반응 챔버(120) 내로 펌핑하도록 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소가 반응 챔버(120)로부터 방출되고 수소 챔버(126)에 저장됨에 따라서, 수소 액체 캐리어는 반응 챔버(120) 내로 유동할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 펌프는 챔버(120)로부터 챔버(126)로 수소를 전달하기 위해 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템(10)은 도 1에 개략적으로 도시된 컴퓨팅 시스템(15)에 의해 동작될 수 있는 제어기들을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(15)은 프로세서(140)에 의한 실행을 위해 데이터 및 프로그램 명령을 보유하고 저장할 수 있는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(150)를 포함할 수 있다. 저장 매체(150)는 예를 들어 전자 저장 디바이스, 자기 저장 디바이스, 광학 저장 디바이스, 전자기 저장 디바이스, 또는 이러한 디바이스 또는 다른 적합한 전자 저장 디바이스의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 보다 구체적인 예의 비포괄적 목록은 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 소거 가능 프로그래밍 가능 판독 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 저장 매체(150)에 저장된 프로그램 명령은 어셈블러 명령어, 기계 종속 명령어, 펌웨어 명령어, 및 객체 지향 프로그래밍 언어, 절차적 프로그래밍 언어 또는 함수형 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어의 임의의 조합으로 작성된 소스 코드 또는 객체 코드를 포함할 수 있다. 프로그래밍 언어는 Fortran, Lisp, C ++ 등일 수 있다. 프로그램 명령어는 컴퓨팅 시스템(15)의 프로세서(140)에 의해 실행될 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨팅 시스템은 데이터를 변경하거나, 프로그램 명령을 업데이트하거나, 또는 프로그램 명령에 의해 사용되는 다양한 파라미터를 입력하기 위한 사용자 인터페이스(16)를 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 컴퓨터 시스템(15)의 프로세서(140)는 수소 가스에 대한 수요를 나타내는 신호(또한 지표로서 지칭됨)를 수신하도록 구성될 수 있다. 응답하여, 프로세서(140)는 수소 가스에 대한 수요를 충족시키기 위해 수소 액체 캐리어의 유량을 조정하기 위해 하나 이상의 밸브를 제어할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수소 가스에 대한 수요를 나타내는 신호는 수소를 연료의 공급원으로서 사용하도록 구성된 임의의 전력 소비 시스템에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 차량에 설치된 시스템(10)을 위하여, 수소 가스에 대한 수요를 나타내는 신호는 다양한 차량 시스템(예를 들어, 전력 제어 프로세서, 가속기 시스템, 수소 연소 제어 시스템, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 자율 주행 차량 제어 시스템 등)에서 비롯되거나 또는 이와 관련될 수 있다.
도 2는 캐리어 탱크(100), 반응기 챔버(120), 수소 공급 출구(125A), 촉매(121)뿐만 아니라 반응기 정지 밸브(201), 메인 캐리어 레일(207), 드레인 밸브(203), 및 캐리어 공급 밸브(205)를 포함하는 시스템(10)의 예시적인 실시예를 도시한다. 다양한 실시예에서, 캐리어 공급 밸브(205)는 외부 공급원으로부터 캐리어 탱크(100)로 수소 액체 캐리어를 공급할 수 있고, 드레인 밸브(203)는 반응기(120)로부터 소비된 캐리어를 드레인할 수 있으며, 반응기 정지 밸브(201)는 캐리어 탱크로부터 반응기(120)로의 수소 액체 캐리어의 유동을 제어한다. 예시적인 실시예에서, 도 2에 도시된 시스템(10)은 불연속적인 주기적 사이클로 수소 액체 캐리어로부터 수소를 생산할 수 있다. 이러한 실시예에서, 메인 캐리어 레일(207)은 캐리어 탱크(100)로부터 반응기 챔버(120)로 수소 액체 캐리어를 공급하기 위해 사용될 수 있을뿐만 아니라 드레인 밸브(203)를 통해 반응기 챔버(120)로부터 소비된 캐리어를 방출하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 시스템(10)은 먼저, 캐리어 저장소(100)로부터 반응기 챔버(120)로 레일(207)을 통해 수소 액체 캐리어를 유동시키는 것에 의해 작동할 수 있다. 여기서, 수소 액체 캐리어는 촉매(121)와 반응하여, 수소를 방출할 수 있으며, 수소는 수소 공급 출구(125A)에 의해 반응기 챔버(120)로부터 운반될 수 있다. 수소 생산 사이클의 완료 후 또는 임의의 다른 적절한 시간에, 소비된 수소 액체 캐리어는 반응기 챔버(120)로부터 수집되어, 캐리어 레일(207)을 통해 유동되고, 드레인 밸브(203)를 통해 시스템(10)으로부터 빠져나갈 수 있다.
도 2의 순환적인 수소 생성 시스템(10)과 대조적으로, 도 3에 도시된 실시예는 보다 연속적인 방식으로 수소를 생성하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 수소 액체 캐리어는 예를 들어 화살표(301)로 도시된 바와 같이 상부 원통 헤드로부터 유동되고, 소비된 캐리어로서 챔버(120)의 바닥에서 수집될 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매(121)는 챔버(120)의 벽(310)들 상에 침착될 수 있고(deposited), 캐리어가 벽(310)들 근처를 통과함에 따라서 수소 액체 캐리어로부터 수소 방출을 촉진할 수 있다. 다양한 실시예에서, 수소는 수소 저장 챔버(126)로 유동하기 위하여 또는 연료 전지(130)(또는 임의의 다른 수소 저장 또는 소비 유닛)으로 유동하기 위하여 챔버(120)의 상부에서, 예를 들어 수소 매니폴드(315)에서 수집될 수 있다.
다양한 실시예에서, 챔버(120)는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 냉각수 재킷(325)과 같은 액체 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 재킷(325)은 반응 챔버(120)의 벽(310)들을 냉각하도록 구성될 수 있다. 냉각 재킷들은 재킷들 내에 배치된 액체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 재킷들은 열 관리를 촉진하기 위해 냉각 유체를 포함할 수 있다. 냉각 유체는 물, 글리콜 또는 기타 가스 또는 액체 냉각제 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 냉각 재킷은 열 전달을 촉진하기 위해 재킷 내부에 다수의 핀(fin) 또는 배플을 포함할 수 있다. 대안적으로, 냉각 재킷은 쉘 및 튜브 열교환기 또는 다른 공지된 열 전달 디바이스를 포함할 수 있다. 냉각 재킷들은 다양한 대안적인 구조에 의해 반응 챔버(120)의 벽들 내에 포함될 수 있다.
반응 챔버(120)의 다른 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이 실시예는 수소 액체 캐리어를 수용하기 위한 입구(401) 및 소비된 캐리어를 배출하기 위한 출구(410)를 가지는 채널(412)을 포함한다. 수소 액체 캐리어의 유량은 유량 제어기(420)에 의해 입구 밸브(402) 및 출구 밸브(409)를 통해 제어될 수 있다. 반응 챔버(120)는 촉매(403A 및 403B)들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 촉매(403A)는 채널(412)의 벽(310)들의 표면의 적어도 일부 위에 침착될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 촉매(403B)는 채널 내에 제공될 수 있다.
다양한 실시예에서, 촉매(403B)는 제거 가능하도록 구성될 수 있고, 나사, 볼트, 클램프, 클립, 잠금 메커니즘, 용접, 접착제 또는 임의의 다른 수단에 의해 채널(412)에 고정될 수 있다. 예시된 실시예에서, 촉매(403B)는 채널(412)을 통해 유동하는 수소 액체 캐리어에 의해 형성된 유동 내에 위치된 다수의 다공성 시트를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 촉매(403B)는 유동을 가로질러 위치되거나, 유동과 정렬되거나, 또는 유동에 대해 일정 각도로 배열된 다공성 시트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매(403B)는 일부 시트가 유동에 대해 제1 각도로 배치되고 일부 시트가 유동에 대해 제2 각도로 배치된 다수의 다공성 시트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 시트는 유동을 가로질러 위치될 수 있고, 일부 시트는 유동을 따라서 위치될 수 있다.
본 개시 내용이 촉매(403B)의 예시적인 구성을 제공하지만, 본 개시 내용은 촉매(403B)의 특정 구성에 제한되지 않다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 촉매(403B)는 실질적으로 평면 구성, 원통형 구성으로, 다공성 블록으로서, 다공성 원통으로서, 또는 2차원 또는 3차원 메시, 또는 임의의 다른 적절한 구성으로서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매(403B)는 예를 들어 채널(412) 내에서의 수소 액체 캐리어의 유동을 촉진하거나, 또는 수소 액체 캐리어에 의한 촉매(403A 또는 촉매(403B)의 표면 습윤 면적을 최대화하기 위해 다양한 다른 형상을 가지도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매(403B)는 주름진 시트 또는 메쉬로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 촉매(403B)는 구조화된 패킹 구성으로 배열될 수 있다. 이러한 것은 벌집, 거즈, 편물, 판금, 그리드 또는 다른 공지의 구조화된 패킹 구성과 같은 공지의 구조화된 패킹 구성을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 촉매(403B)는 구형 또는 관형 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반응 챔버(120)의 채널(412)은 촉매(403A) 또는 촉매(403B)를 수용하는 다수의 영역을 가질 수 있다.
다양한 실시예에서, 촉매(403A) 또는 촉매(403B)를 형성하는 촉매 물질은 금속 구조 및 금속 구조 상의 촉매 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 Ni를 포함할 수 있다. 코팅은 단일 층으로서 형성될 수 있거나, 또는 다중 층(예를 들어, 상이한 프로세스 및/또는 상이한 물질을 포함하는 층들을 통해 형성된 층들 등)을 포함할 수 있다. 본 개시 내용이 Ni 코팅을 가지는 촉매의 예를 제공하지만, 그 가장 넓은 의미에서 본 개시 내용의 양태는 촉매(403A) 또는 촉매(403B)의 임의의 특정 조성 또는 구조로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.
일부 실시예에서, 금속 구조물은 스테인리스강으로 구성될 수 있다. 금속 구조 상의 Ni 코팅은 특정 거칠기 값 또는 거칠기 값의 범위를 요구할 수 있다. 일부 실시예에서, Ni 층은 거칠기 평균(Ra)으로서 계산된 6.3 내지 25 ㎛의 범위의 거칠기 값을 가질 수 있다. 본 개시 내용이 예시적인 거칠기 값들의 예를 제공하지만, 그 가장 넓은 의미에서 개시 내용의 양태는 이러한 특정 값으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어의 유량은 수소 방출 속도 및 요청되거나 요구되는 수소 생산 속도의 관점에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 수소 액체 캐리어로부터 보다 높은 속도의 수소 방출을 달성하기 위해, 반응 챔버로의 수소 액체 캐리어의 유량은 증가될 수 있다. 다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어의 유량은 수소 방출 속도 또는 수소 고갈 속도에 의해 교정되거나 또는 이와 상관될 수 있다. 교정된 또는 상관 데이터는 유동 제어기에 의해 액세스될 수 있는 동작 데이터로서 메모리 유닛(예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(150))에 저장될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유동 제어기는 컴퓨팅 시스템(15)에 의해 제어될 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어의 유량은 수소 액체 캐리어가 고갈되는 정도(예를 들어, 수소 액체 캐리어에서 이용 가능한 수소의 몇 퍼센트가 방출되는지)에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 채널(412)의 길이, 촉매(403A 및 403B)의 양, 또는 채널(412) 내에서의 촉매(403B)의 배치 중 임의의 것은 수소 액체 캐리어의 고갈되는 양에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 채널(412)은 수소 액체 캐리어의 특정 유량을 고려하여 완전히 고갈되거나 또는 거의 완전히 고갈된 수소 액체 캐리어(예를 들어, 100%에 근접하거나 이와 같은 고갈 백분율)를 초래하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 채널(412)의 설계는 반응 챔버(120)가 허용된 작동 파라미터 내에서 최대 출력 레벨에서 작동할 때에도 수소 액체 캐리어의 완전한 고갈을 촉진할 수 있다.
하나 이상의 수소 출구는 반응 챔버(120) 내에서의 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 일부 경우에, 수소 출구(405A-405C)들은 채널(412)의 상부 벽 부분을 따라서 위치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 채널(412)로부터의 수소의 유량은 수소 출구(405A-405C)들을 위한 밸브(421A-421C)들을 작동시키는 수소 유동 제어기(430)에 의해 제어될 수 있다. 다양한 실시예에서, 수소 유동 제어기(430)는 시스템(10)의 컴퓨팅 시스템(15)에 의해 작동될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시스템(15)의 프로세서(140)는 수소 가스에 대한 수요를 나타내는 신호를 수신하고, 수신된 수요에 기초하여 밸브(402 및 409)들을 제어하는 유량 제어기(420)를 사용하여 채널에서 액체 캐리어의 유량을 조정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 프로세서(140)는 수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고, 수소 가스에 대한 수요를 충족시키기 위해 수소 액체 캐리어의 유량을 조정하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로세서(140)는 수신된 수요에 기초하여 채널에서 생성된 수소 가스의 일정량을 방출하도록 수소 유동 제어기(430)를 작동시킬 수 있다.
수소 가스에 대한 수요의 지표는 수소를 사용하도록 구성된 임의의 시스템에 의해 생성된 신호를 포함할 수 있다. 신호는 압력 센서, 수소 유량 센서 등과 같은 하나 이상의 센서에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 유동 제어기(430)에 의해 방출되는 수소 가스의 양은 수소 압력 센서, 수소 유량 센서 등과 같은 센서에 의해 검출될 수 있다. 다양한 실시예에서, 압력 센서는 수소를 수용하는 챔버(120)의 영역에 설치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 수소 가스에 대한 수요는 더욱 많은 수소 가스에 대한 요구, 더욱 적은 수소 가스에 대한 요구, 또는 수소 가스 공급의 유지된 수준에 대한 요구에 대응할 수 있다. 유량 제어기(420) 및 수소 유동 제어기(430)는 수소 가스의 공급을 증가, 감소 또는 유지하기 위해 밸브들(예를 들어 유량 제어기(420)에 의해 제어되는 밸브(402 및 409)들 및 수소 유동 제어기(430에 의해 제어되는 밸브(421A-421C)들)을 제어하는 것에 의해 응답할 수 있다.
일부 실시예에서, 메인 반응 챔버(120)는 몇몇 서브 섹션을 가지는 채널(412)을 포함하고, 각각의 서브 섹션은 수소 가스를 배출하기 위한 서브 섹션 출구를 가진다. 일부 실시예에서, 서브 섹션의 수는 캐리어가 모든 서브 섹션을 통과한 후에 고갈되어 소비된 캐리어를 초래하도록 선택될 수 있으며, 소비된 캐리어는 출구(410)를 통해 반응 챔버(120)로부터 방출된다. 일부 실시예에서, 반응 챔버(120)는 채널(412)의 다양한 서브 섹션 출구에서 수소 압력을 모니터링하기 위한 센서들을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 개시된 실시예들의 다양한 양태에 일치하는 챔버(120) 내에서의 수소 액체 캐리어의 유동을 제어하기 위한 다양한 실시예를 도시한다. 도 5에 도시된 예시적인 실시예에서, 수소 액체 캐리어의 유동은 유입 입구(401)를 통해 챔버(120)에 들어갈 수 있다. 다양한 실시예에서, 유동 제어 핀(flow control fin)(510)들이 챔버(120) 내에 존재할 수 있다. 유동 제어 핀(510)들은 화살표(513)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 다양한 방향으로 이동하도록 구성될 수 있거나, 또는 화살표(514)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 중앙 영역(512)들 주위를 회전하도록 구성될 수 있다. 핀(510)들은 임의의 적절한 방식으로 이동 또는 회전될 수 있다. 다양한 실시예에서, 핀(510)들의 위치 및 배향은 컴퓨팅 시스템(15)에 의해 제어될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 핀(510)들은 캐리어 혼합을 향상시키고 촉매(403A 및 403B)와의 캐리어 상호 작용을 최대화하기 위해 수소 액체 캐리어의 유동 내에서 와류를 생성하도록 위치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 챔버(120)는 하나 이상의 핀(510)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 촉매(403B)는 핀(510)들 위에 침착될 수 있다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 수소 액체 캐리어에 들어가기 위한 하나 이상의 입구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 챔버(120)는 입구(601A), 및 일부 경우에 도 6에 도시된 바와 같이 입구(601A)에 대해 각도(θ)로 위치될 수 있는 입구(601B)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유동 제어기들은 챔버(120)를 통한 수소 액체 캐리어의 적절한 유동(예를 들어, 유량 및 유동 혼합)을 제공하기 위해 입구(601A) 및 입구(601B) 내로의 수소 액체 캐리어의 유량을 제어할 수 있다. 수소 액체 캐리어의 다양한 다른 구성이 또한 가능하다. 예를 들어, 챔버(120)는 2개 이상의 입구를 가질 수 있다. 챔버(120)는 챔버(120)의 일부 또는 전체 등에 걸쳐서 분포된 입구들의 세트를 가질 수 있다.
일부 구성에서, 601A 및 601B와 같은 입구들은 서로에 대해 반응 챔버의 양쪽 측면에 평행하거나, 직각이거나 또는 양쪽 측면에 있을 수 있다. 캐리어 입구의 다른 예가 도 7에 도시되어 있다. 특히, 입구(701)는 유선(streamline)(702)에 의해 도 7에 도시된 바와 같이 챔버(120)의 벽들에 대해 접선 방향으로 수소 액체 캐리어를 전달하도록 위치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 챔버(120)의 벽들을 따르는 회전 속도를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 수소 액체 캐리어의 혼합을 향상시키도록 구성된, 챔버(120) 내에 배치된 혼합 요소(703)들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 혼합 요소(703)들은 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합 구성 요소(703)는 축(704)을 중심으로 회전할 수 있다. 일부 실시예에서, 축(704)은 챔버(120)의 축과 정렬될 수 있고, 일부 실시예에서, 축(704)은 챔버(120)의 축과 정렬되지 않을 수 있다.
도 8은 챔버(120)에 존재할 수 있는 입구(801A-801C)들과 같은 다수의 입구를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다. 입구(801A-801C)들의 각각은 대응하는 유동 제어기(802A-802C)들과 관련될 수 있다. 다양한 실시예에서, 각각의 유동 제어기(802A-802C)는 대응하는 입구로의 수소 액체 캐리어의 유동을 개별적으로 제어할 수 있다. 다양한 실시예에서, 챔버(120)는 각각 수소 유동 제어기(804)를 가지는 수소 출구(803)를 포함할 수 있다. 제어기(804)는 수소가 챔버(120)로부터 방출되는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(804)는 센서(820)에 의해 감지되는 바와 같은 챔버(120) 내의 압력 및 온도에 따라 수소 방출을 가능하게 한다.
다양한 실시예에서, 챔버(120)는 입구(805), 및 챔버(120) 내에서 수소 생성을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있는 액체(815)를 유동시키기 위한 대응하는 유동 제어기(806)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 액체(815)는 수소 액체 캐리어의 용액을 형성하기 위해 사용될 수 있는 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 화합물은 LiOH, NaOH, CaOH 또는 KOH 등과 같은 가용성 금속 수산화물과 같은 용해도 향상 화학제 또는 안정화제를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 액체(815)는 수소-함유 화합물(예를 들어, 금속-수소화붕소)과 반응할 수 있는 임의의 액체를 포함할 수 있고, 물을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않을 수 있다. 액체 용매는 또한 첨가제, 안정화제, 또는 계면 활성제와 같은 다른 반응 증강제 등을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 액체와 수소 함유 화합물의 혼합물은 콜로이드 또는 현탁액을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 액체(815)는 불안정화제를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 도 8에 도시된 챔버(120)는 챔버(120)로부터 고갈된(소비된) 캐리어를 방출하기 위한 출구(820) 및 관련 유동 제어기(821)를 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 유동 제어기(802A-802C, 804, 806, 808 및 821)들은 챔버(120) 내의 압력을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 컴퓨터 시스템(15)은 도 8에 도시된 다양한 유동 제어기를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 9는 입구(901), 수소 출구(902) 및 소비된 캐리어 출구(910)를 가지는 챔버(120)의 예시적인 실시예를 도시하며, 챔버(120)는 챔버 내의 유동에 영향을 미치도록 설계된 다양한 요소(905)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 유동 요소(905)들은 2차원 및 3차원 메쉬 요소, 또는 다공성 원통을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 요소(905)들은 촉매에 의해 코팅될 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매는 금속 구조(예를 들어, 지지체 구조) 및 금속 구조 상의 촉매 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 Ni를 포함하는 내부 층, 및 촉매 물질을 포함하는 하나 이상의 외부 층을 포함할 수 있다.
도 10은 입구(1001) 및 출구(1010)가 챔버의 바닥면(1020)에 위치되는 챔버(120)의 예시적인 실시예를 도시한다. 수소 액체 캐리어의 유동은 챔버(120)의 상부측에서 회전하여, 수소 출구(1002) 근처에서 추가된 와류를 초래할 수 있다. 다양한 실시예에서, 챔버(120)는 수직으로 위치되어, 수소 출구(1002)가 챔버(120)의 상부 부분에 있을 수 있다. 도 10에 도시된 챔버(120)의 예시적인 실시예는 유체 및 가스 연결부가 챔버의 상이한 측면들에 있음에 따라서 설계 관점에서 유용할 수 있으며, 이는 챔버(120)의 상부측에서 유동의 회전으로 인하여 유동 내에서 혼합을 용이하게 할 수 있다.
도 11은 다수의 채널을 가지도록 구성된 챔버(120)의 예시적인 설계를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 각각의 채널은 촉매로 덮인 벽들을 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 채널들은 상이한 단면을 가질 수 있다. 예시적인 예로서, 채널(1101A 및 1101B)들과 같은 중간 채널은 제1 단면을 가질 수 있고, 채널(1102A 및 1102B)들은 제1 단면과는 다른 제2 단면을 가질 수 있으며, 채널(1103)은 제1 또는 제2 단면과는 다른 제3 단면을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 채널의 단면은 적어도 채널들의 출구 근처에서의 유동이 혼합을 촉진하도록 선택될 수 있다. 위에서 논의된 채널들의 양태는 단지 예시일 뿐이며, 다양한 다른 실시예들이 가능하다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 채널들은 모두 동일한 단면을 가질 수 있다.
다양한 실시예에서, 다수의 채널의 존재는 수소 액체 캐리어의 유동의 추가(더 정밀한) 제어를 허용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 각각의 채널은 별도의 유동 제어를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 일부 채널은 유동을 위해 개방될 수 있고, 일부 채널은 수소 방출 속도에 대한 요건에 의존하여 유동을 위해 폐쇄될 수 있다. 일부 실시예에서, 채널들은 채널에 존재하는 촉매가 다를 수 있거나, 또는 채널 벽 거칠기가 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 채널들은 채널을 통해 유동하도록 의도된 수소 액체 캐리어의 화학적 구성 성분이 다를 수 있다. 예를 들어, 채널(1101A 및 1101B)들은 용매 대 용질의 제1 비율로 수소 액체 캐리어의 수용액이 유동할 수 있는 반면에, 채널(1102A 및 1102B)들은 용매 대 용질의 제2 비율로 수소 액체 캐리어의 수용액이 유동할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 채널(1102A 및 1102B)들을 통해 유동되는 수소 액체 캐리어들은 채널(1101A 및 1101B)들을 통해 유동하는 수소 액체 캐리어보다 더 농축될 수 있다.
일부 실시예에서, 반응 챔버(120)는 가변 단면을 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 챔버(120)의 단면의 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 점진적으로 확장하는 프로파일을 포함할 수 있으며, 이는 수소 액체 캐리어의 유동을 느리게할 수 있다(수소 액체 캐리어의 유동은 유동 라인(1231)으로 표시된다). 예시적인 실시예에서, 챔버(120)의 체적의 확장은 챔버(120)의 출구 근처에서 부분적으로 고갈된 수소 액체 캐리어로부터의 수소 방출 속도의 제어를 용이하게 할 수 있다. 도 12에 도시된 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 도 12에 도시된 바와 같이 챔버(120)에 제공된 촉매 벽(1221)들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 수소 출구 채널(1211)들은 챔버(120)에 존재할 수 있으며, 단위 면적당 수소 채널의 수는 챔버(120)의 출구 근처에서 증가한다.
다양한 실시예에서, 캐리어 고갈은 예를 들어, 챔버(120)의 길이에 걸쳐서 수소 액체 캐리어에서의 수소 농도를 나타내는 곡선(1251)에 의해 도시된 바와 같이 챔버(120)의 단부를 향해 증가할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유속은 예를 들어, 수소 액체 캐리어가 챔버(120)의 길이를 가로지름에 따라서 수소 액체 캐리어의 유속을 나타내는 곡선(1253)에 의해 도시된 바와 같이 감소할 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매 벽(1221)의 존재로 인한 수소 액체 캐리어의 유량에서의 감소 및 습윤된 촉매 표면에서의 증가는 수소 액체 캐리어의 고갈을 상쇄하여, 곡선(1256)으로 표시된 바와 같이 챔버(120)의 길이 프로파일에 걸쳐서 일정하거나 거의 일정한 수소 방출 속도를 초래할 수 있다. 수소 방출 속도는 챔버(120) 전체에 걸쳐 일정할 필요가 없으며 임의의 다른 적절한 수소 방출 속도가 적절할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 다양한 실시예에서, 챔버(120)는 다수의 수소 방출 채널(1221)을 포함할 수 있고, 챔버(120)의 임의의 위치에 배치된 임의의 수의 채널을 포함할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는, 구불 구불한 채널(1305)을 형성하고 입구(1301) 및 출구(1302)를 가지는 챔버(120)의 예시적인 실시예를 도시한다. 구불 구불한 채널(1305)은 구불 구불한 채널(1305)의 벽들에 침착될 수 있는 촉매와의 수소 액체 캐리어의 상호 작용을 촉진할 수 있다. 다양한 실시예에서, 구불 구불한 채널(1305)은 캐리어의 혼합을 촉진할 수 있는 회전을 통해 진행되는 수소 액체 캐리어의 유동을 초래할 수 있다. 또한, 구불 구불한 채널(1305)은 캐리어의 유동과 촉매 상호 작용을 더욱 촉진하기 위해 큰 표면적을 가지도록 선택될 수 있다. 다양한 실시예에서, 구불 구불한 채널(1305)은 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이 다수의 수소 출구(1310)를 포함할 수 있다. 챔버(120)를 구불 구불한 채널(1305)로서 설계하는 것은 챔버(120)가 긴 챔버를 유지하면서 작은 체적을 차지할 필요가 있는 적용에 유익할 수 있다. 챔버(120)를 구불 구불한 채널(1305)로서 구성하는 것은 챔버의 열 관리에 편리할 수 있다. 예를 들어, 도 13c에 도시된 바와 같이 가열 또는 냉각 모듈(1370)은 효율적인 열 관리를 위해 구불 구불한 챔버(1305)의 적어도 하나의 측면에 근접하여 설치될 수 있다. 도 13d는 열 관리 유닛(1372 및 1371)들이 도 13d에 도시된 바와 같이 위치된 다수의 수소 출구(1310)를 구비한 구불 구불한 채널(1305)의 양쪽 측면에 설치될 수 있는 실시예를 도시한다. 다양한 실시예에서, 구불 구불한 채널(1305)은 예를 들어 도 13e의 유선(1350)들에 의해 도시된 바와 같이 혼합을 촉진할 수 있다. 이러한 유선들은 예를 들어 구불 구불한 챔버(1305)에에서의 유동에 대한 컴퓨터 유체 역학 모의 실험에 의해 생성될 수 있다.
도 13c는 모듈(1370)을 가지는 구불 구불한 챔버(1305)의 예를 도시한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 반응 챔버가 수소 액체 캐리어로부터 수소 생성을 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 챔버에 대한 가열 및/또는 냉각 모듈을 가지는 2개 이상의 반응 챔버(예를 들어, 제1 및 제2 반응 챔버)가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이들 챔버의 가열 모듈들은 열적으로 연결될 수 있어서, 제1 반응 챔버로부터의 열은 제2 반응 챔버로 전달될 수 있다.
도 14는 루프 채널(1410)을 포함하도록 구성된 챔버(120)의 예시적인 실시예를 도시한다. 일부 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 입구(1401)를 통해 루프 채널(1410)로 들어갈 수 있으며, 유동은 입구 밸브(1411)에 의해 제어된다. 다양한 실시예에서, 채널(1410)은 촉매를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 촉매는 채널(1410)의 벽들 위에 침착될 수 있고, 일부 경우에, 촉매는 삽입 가능한 요소로서 채널 내에 존재할 수 있다. 위에서 논의된 실시예들과 유사하게, 촉매 유닛은 제거 가능하도록 구성될 수 있고, 나사, 볼트, 클램프, 클립, 잠금 메커니즘, 접착제 또는 임의의 다른 수단에 의해 채널(1410)의 일부에 고정될 수 있다. 예시된 실시예에서, 촉매는 루프 채널(1410) 내에 위치된 다수의 다공성 시트를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 루프 채널(1410)의 벽들은 거칠기 요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 벽들은 거칠기 평균으로 계산된 6.3 내지 25 ㎛의 거칠기 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 벽들은 Ni로 코팅되고, 촉매의 침착이 이어질 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매는 수소 생산을 촉진하기 위한 임의의 적절한 촉매를 포함할 수 있고, Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Pt, 합금 및 이들의 조합과 같은 전이 금속을 포함할 수 있다. 본 개시 내용이 예시적인 거칠기 값의 예를 제공하지만, 가장 넓은 의미에서 본 개시 내용의 양태는 이러한 특정 값으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.
다양한 실시예에서, 반응 챔버(120) 내부의 압력이 입구 밸브에서의 압력보다 높을 수 있음에 따라서, 수소 액체 캐리어의 유입은 펌프에 의해 촉진될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응 챔버(120)에서의 압력은 수소 출구(1421)를 통해 수소를 방출하는 것에 의해 감소될 수 있다. 도 14에 도시된 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 수소를 저장하기 위한 섹션(1422)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 액체 캐리어는 사전 결정된 간격으로 및/또는 사전 결정된 시간 동안 작동될 수 있는 펌프(1415)의 작동을 통해 루프 채널(1410) 내에서 순환할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수소 액체 캐리어의 유량 및 챔버 내에서 캐리어의 순환 시간은 컴퓨팅 시스템(15)에 의해 제어될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(120)는 챔버 내의 압력(예를 들어, 수소 압력)을 측정하는 압력 센서(1460)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 압력 센서(1460)로부터의 데이터는 예를 들어 곡선(1461)에 의해 도시된 바와 같이 시간의 함수로서 압력에서의 변화를 평가하기 위해 컴퓨팅 시스템(15)으로 전송될 수 있다. 압력이 실질적으로 변하지 않거나 일정할 때(예를 들어, 곡선(1461)의 영역(1462)), 수소의 방출(또는 생성)이 관찰되지 않을 수 있으며, 이는 수소 액체 캐리어가 고갈될 수 있다는 것을 나타낼 수 있다. 고갈된(또는 소비된) 수소 액체 캐리어는 배출 밸브(1402)를 개방하는 것에 의해 출구(1431)를 통해 배출될 수 있다.
일부 실시예에서, 소비된 캐리어는 수소 액체 캐리어가 챔버 내로 유동함에 따라서 챔버(120)로부터 배출될 수 있다. 다양한 실시예에서, 챔버(120)는 또한 다양한 화학 화합물 또는 액체를 챔버(120) 내로 유동시키기 위한 입구(1440)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 입구(1440)는 물을 유동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 물은 채널(1410)을 세척하기 위해 채널(1410)에서 순환될 수 있다.
일부 실시예에서, 입구(1401)는 농축된 수소 액체 캐리어가 루프 채널(1410)로 들어가도록 허용할 수 있고, 물은 입구(1440)를 통해 추가될 수 있다. 루프 채널(1410) 내에서 수소 액체 캐리어의 순환 동안, 농축된 수소 액체 캐리어는 물과 혼합되어 수소 액체 캐리어의 수용액을 제공한다. 소비된 캐리어를 방출하는 과정 동안, 소비된 캐리어는 배출 밸브를 개방하는 것에 의해 방출될 수 있는 동시에, 입구(1440)를 통해 루프 채널(1410) 내로 더욱 많은 물을 추가할 수 있다.
도 15는 챔버(120)의 루프 채널(1410)을 작동시키기 위한 프로세스(1500)를 도시한다. 프로세스(1500)의 단계(1501)에서, 수소 출구(1421)가 개방되어 수소의 일부가 채널(1410)로부터 방출되는 것을 허용할 수 있으며; 단계(1503)에서, 입구 밸브(1411)가 개방되어 수소 액체 캐리어가 채널(1410)로 들어가는 것을 허용할 수 있으며; 단계(1505)에서, 수소 밸브(1421)는 폐쇄되고, 입구 밸브(1411)가 폐쇄될 수 있으며, 펌프는 단계(1507)에서 수소 액체 캐리어를 순환시키기 시작한다. 캐리어 순환 동안, 캐리어는 고갈되어 수소를 방출하고, 챔버(120) 내부의 압력을 증가시킨다. 단계(1509)에서, 수소 액체 캐리어가 부분적으로 또는 완전히 고갈될 때(예를 들어, 압력 센서(1460)에 의해 테스트될 수 있는 바와 같이), 밸브(1431)가 개방되어 소비된 캐리어가 채널(1410)을 빠져나가는 것을 허용할 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템(10)은 도 14에 도시된 바와 같이 하나 이상의 루프 채널(1410)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 고속 및 저속 루프 채널을 포함할 수 있다. 고속 루프 채널은 루프 채널(1410)과 유사할 수 있고, 다량의 수소를 빠르게 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고속 채널은 고속 루프 채널을 통해 고속으로 수소 액체 캐리어를 순환시키도록 구성될 수 있다. 고속 채널은 수소 액체 캐리어를 완전히 고갈시키도록 구성되지 않을 수 있으며, 부분적으로 고갈된 수소 액체 캐리어는 저속 채널로 유동할 수 있다. 다른 한편으로, 저속 채널은 저속 순환 과정을 통해 캐리어가 모든 함유된 모든 수소를 방출하는 것을 허용하는 것에 의해 수소 액체 캐리어를 완전히 고갈시키도록 구성될 수 있다.
도 16은 샤워헤드(1630)의 형태로 구성된 챔버(120)의 예시적인 실시예를 도시한다. 수소 기반 유체는 입구(1601)를 통해 샤워헤드(1630)로 들어가서 구불 구불한 섹션(1612)을 통과하여 유입 조건으로 인한 유속 및 압력에서의 변화를 감소시킬 수 있다. 구불 구불한 섹션(1612)을 통과한 후에, 유동은 한 세트의 유출 채널(1602)로 들어갈 수 있다. 각각의 유출 채널은 촉매를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 촉매는 채널(1602)들의 벽에 침착될 수 있다. 다양한 실시예에서, 촉매는 또한 구불 구불한 섹션(1612)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 촉매는 구불 구불한 섹션(1602)을 형성하는 벽들에 침착될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유출 채널들은 챔버(120)로부터 수소를 방출하기 위한 수소 출구(1610)들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 챔버(120)의 설계는 수소 방출의 효율을 평가하기 위한 컴퓨터 모의 실험을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 모의 실험 동안, 수소 액체 캐리어의 유동 내에서 액체 체적의 다양한 궤적이 평가될 수 있다. 각각의 궤적에 대해, 액체 체적과 촉매의 상호 작용을 설명하는 유효 시간이 추정될 수 있다.
전술한 설명은 예시의 목적으로 제시되었다. 이는 완전한 것이 아니며 개시된 정확한 형태 또는 실시예로 제한되지 않는다. 실시예의 변경 및 적응은 개시된 실시예의 명세서 및 실행으로부터 명백해질 것이다. 예를 들어, 특정 구성 요소들이 서로 결합되는 것으로서 설명되었지만, 이러한 구성 요소들은 서로 통합되거나 임의의 적절한 방식으로 분산될 수 있다.
더욱이, 예시적인 실시예가 본 명세서에 설명되었지만, 그 범위는 본 개시 내용에 기초한 등가 요소, 변경, 생략, 조합(예를 들어, 다양한 실시예에 걸친 양태의), 적응 및/또는 변경을 가지는 임의의 및 모든 실시예를 포함한다. 청구범위에서의 요소는 청구범위에서 이용된 언어에 기초하여 본 명세서에 설명된 예에 제한됨이 없이 또는 출원의 속행 동안 넓게 해석되어야 하며, 이러한 예는 비배타적 인 것으로 해석되어야 한다. 또한, 개시된 방법의 단계들은 단계 재정렬 및/또는 단계 삽입 또는 삭제를 포함하여 임의의 방식으로 수정될 수 있다.
본 개시 내용의 특징 및 이점은 상세한 설명으로부터 명백하며, 그러므로, 첨부된 청구범위는 본 개시 내용의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 모든 시스템 및 방법을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "단수 표현"은 "하나 이상"을 의미한다. 유사하게, 복수 용어의 사용은 주어진 문맥에서 모호하지 않는 한 반드시 복수를 나타내는 것은 아니다. "및" 또는 "또는"과 같은 단어는 특별히 달리 지시하지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 또한, 본 개시 내용을 연구함으로써 많은 변경 및 변형이 용이하게 발생할 수 있기 때문에, 본 개시 내용을 예시되고 설명된 정확한 구성 및 작동으로 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적합한 변경 및 등가물이 본 개시 내용의 범위 내에 있을 수 있다.
명세서의 고려 및 명세서에 개시된 실시예의 실시로부터 다른 실시예가 명백해질 것이다. 명세서 및 실시예는 단지 예로서 고려되는 것으로 의도되며, 개시된 실시예의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구범위에 의해 나타난다.

Claims (20)

  1. 수소 액체 캐리어 라인을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버로서,
    수소 가스가 수소 액체 캐리어로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하고, 상기 수소 액체 캐리어를 위한 입구 단부 및 소비된 캐리어를 위한 출구 단부를 포함하는 채널;
    상기 채널을 통해 유동하는 상기 수소 액체 캐리어의 유량을 제어하기 위한 밸브;
    상기 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구; 및
    수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고. 상기 수소 가스에 대한 수요를 충족시키도록 상기 수소 액체 캐리어의 유량을 조정하기 위해 상기 밸브를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는, 반응 챔버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 출구는 상기 채널의 상부 벽 부분에 위치되는, 반응 챔버.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 Electriq™ 촉매인, 반응 챔버.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 철, 니켈, 코발트, 인, 및 붕소 중 적어도 하나를 포함하는, 반응 챔버.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 메탈로이드(metalloid) 촉매 코팅을 가지는 금속 구조를 추가로 포함하며, 상기 코팅은 적어도 내부 층이 Ni이고 외부 층이 메탈로이드 촉매 코팅인 다수의 층을 포함하는, 반응 챔버.
  6. 제5항에 있어서, 상기 외부 층은 Ⅲ족 금속, 코발트-P, 코발트-B, 코발트-Ni, P 및 코발트-NIB 중 적어도 하나를 포함하는, 반응 챔버.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스 출구를 통해 수소 가스의 방출을 제어하기 위한 제어기; 및
    상기 채널 내에서의 수소 가스 압력을 모니터링하기 위한 센서를 추가로 포함하는, 반응 챔버.
  8. 제1항에 있어서, 상기 채널은 몇몇 서브 섹션을 포함하며, 각각의 서브 섹션은 수소 가스를 배출하기 위한 서브 섹션 출구를 가지는, 반응 챔버.
  9. 제8항에 있어서, 상기 서브 섹션들의 수는 상기 수소 액체 캐리어가 모든 서브 섹션을 통과한 후에 고갈되어 소비된 캐리어를 초래하도록 선택되며, 상기 소비된 캐리어는 상기 반응 챔버로부터 방출되는, 반응 챔버.
  10. 제8항에 있어서, 상기 서브 섹션 출구들에서의 수소 가스 압력을 모니터링하기 위한 센서를 추가로 포함하는, 반응 챔버.
  11. 제1항에 있어서, 상기 채널의 내부 표면의 적어도 일부는 촉매 표면을 포함하는, 반응 챔버.
  12. 제1항에 있어서, 상기 챔버의 채널 내에 위치된 혼합 요소들을 추가로 포함하는, 반응 챔버.
  13. 제1항에 있어서, 상기 채널에서의 상기 수소 액체 캐리어의 유량은 불균일한, 반응 챔버.
  14. 제1항에 있어서, 상기 수소 액체 캐리어의 유량은 상기 출구 단부를 향해 감소하는, 반응 챔버.
  15. 수소화붕소 액상 용액을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버로서,
    수소 가스가 상기 수소화붕소 액상 용액으로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하고, 상기 수소화붕소 액상 용액을 위한 입구 단부 및 소비된 용액을 위한 출구 단부를 포함하는 채널;
    상기 채널을 통해 유동하는 상기 수소화붕소 액상 용액의 유량을 제어하기 위한 밸브;
    상기 채널에서 생성된 수소 가스를 방출하기 위한 가스 출구; 및
    수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고;
    상기 수신된 수요에 기초하여, 유동 제어기를 사용하여 상기 채널에서의 상기 수소화붕소 액상 용액의 유량을 조정하고;
    상기 수신된 수요에 기초하여, 상기 채널에서 생성된 수소 가스의 일정량을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는, 반응 챔버.
  16. 제15항에 있어서, 상기 채널은 몇몇 서브 섹션을 포함하며, 각각의 서브 섹션은 수소 가스를 배출하기 위한 서브 섹션 출구를 가지는, 반응 챔버.
  17. 제16항에 있어서, 상기 채널의 내부 표면의 적어도 일부는 촉매 표면을 포함하는, 반응 챔버.
  18. 수소화붕소 액상 용액을 사용하여 수소 가스를 생성하기 위한 시스템으로서,
    수소 가스가 상기 수소화붕소 액상 용액으로부터 생산되게 하기 위한 촉매를 포함하고, 상기 수소화붕소 액상 용액을 위한 입구 단부 및 소비된 용액을 위한 출구 단부를 포함하는 채널;
    상기 채널을 통한 상기 수소화붕소 액상 용액의 유량을 제어하기 위한 밸브;
    상기 채널에서 생성된 수소 가스를 배출하기 위한 가스 출구;
    수소 가스에 대한 수요의 적어도 하나의 지표를 수신하고, 상기 수소 가스에 대한 수요를 충족시키도록 상기 채널에서의 상기 수소화붕소 액상 용액의 유량을 조정하기 위해 상기 밸브를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서; 및
    수소 저장 탱크를 포함하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 수소화붕소 액상 용액 저장소 및 소비된 용액 저장소를 추가로 포함하는, 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 연료 전지 시스템 및 재충전 가능한 배터리를 추가로 포함하는, 시스템.
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