KR20230033653A - 수소 가스의 국부 생성 및/또는 소비를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성용 시스템, 및 관련 디바이스 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 대표적인 시스템은 탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 결합될 수 있는 열분해 반응기를 포함한다. 반응기는 반응 재료에 열을 전달하여 탄화수소를 수소 가스 및 탄소 미립자를 포함하는 출력물로 변환하도록 위치된 하나 이상의 유동 채널을 포함한다. 이 시스템은 출력물 내에서 수소 가스와 탄소 미립자를 분리하기 위해 열분해 반응기에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리 시스템을 또한 포함한다. 다양한 실시예에서, 시스템은 여과된 수소 가스를 국부적으로 소비하기 위한 구성요소를 또한 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2020년 6월 3일 출원된 미국 가특허 출원 제63/034,385호 및 2020년 11월 15일 출원된 미국 가특허 출원 제63/113,931호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명의 기술은 일반적으로 탄화수소 연료로부터 수소 가스를 국부적으로 생성하기 위한 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 기술은 천연 가스 및 메탄으로부터 수소 가스를 생성 및 소비하기 위한 소규모(예를 들어, 주거용 규모) 열분해 반응기 시스템에 관한 것이다.
수소는 통상적으로 산업 환경에서 고온에서 동작하는 대규모 반응기에서 생성된다. 생성된 수소는 이어서 연료 전지 및/또는 특정 암모니아 기반 비료 생성 및/또는 다른 용례와 같은 다른 산업 프로세스에서 궁극적 사용을 위해 수송된다. 최근, 난방 및 전기용 열에너지 소스로서 수소 가스의 사용은, 수소 가스를 연소하는 것이 어떠한 온실 가스 또는 다른 유해한 화학 물질도 방출하지 않기 때문에, 현재의 화석 연료 기반 발전과 완전 재생 에너지 시스템 사이의 매력적인 디딤돌로서 관심을 얻고 있다. 그러나, 연소하는 수소 가스는 몰(mol) 기준으로 천연 가스보다 적은 열을 방출하고, 따라서 생성을 위한 효율적인 시스템을 필요로 한다.
수소를 생성하기 위한 몇몇 방법은 증기 메탄 개질(SMR), 가스화, 플라즈마 구동 해리, 열 해리 및 촉매 용융 금속 또는 염의 사용에 의한 메탄과 같은 가스의 열분해를 포함한다. 촉매 메탄 열분해의 최근의 진보는, 용융 컬럼 유체와 상승하는 메탄 기포 사이의 이질적인 계면에서 변환이 발생하는 기포 컬럼 반응기를 사용하여 적당한 온도(1100℃ 미만)에서 메탄의 높은 변환율(50% 초과)을 가능하게 하는 용융 금속과 염의 신규한 조합의 개발로 이어지고 있다. 이들 시스템은 탄소가 열분해 반응 중에 자연적으로 고체 형태로 격리되기 때문에, 온실 가스의 동시 방출 없이 수소 생성을 가능하게 하는 유망한 개발이다. 지금까지, 이들 방법은 산업 규모 용례에만 적용되어 왔고, 통상적으로 이전의 SMR 프로세스보다 더 낮은 비용 및/또는 더 낮은 탄소 발자국(carbon footprint)으로 산업용 수소 생성을 위해 연속적으로 동작되는 대형 반응기를 수반한다.
도 1은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스를 생성하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따른 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스를 생성하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 반응기 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 탄소 분리기에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기 시스템 외부로 탄소 미립자 유동을 촉진하는 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따라 구성된 통합 탄소 분리기를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 통합 난방 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 다중 반응 챔버로 분할된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 전기 발전 시스템에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 가정용 난방 시스템에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 다른 반응기 시스템의 블록도이다.
도 17a는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 16의 반응기 시스템에서 사용을 위한 반응 챔버의 개략도이다.
도 17b는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다중 반응 챔버를 갖는 도 16의 반응기 시스템의 개략도이다.
도 18은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버의 길이와 다양한 유량에 대한 반응 챔버를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버 내의 반응에 대한 표면 대 체적 비와 유동 챔버의 직경 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다.
도 20은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기를 가로지르는 최대 압력 강하에 대한 균질한 반응 조건을 만족시키는 반응 챔버에 대한 대표적인 치수를 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스로부터 탄소를 분리하기 위한 사이클론 분리기의 개략도이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템의 부분 개략 등각도이다.
도 23은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다양한 대표적인 용례에 대한 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스 수요 및 용법을 예시하고 있는 표이다.
도면은 반드시 축척대로 도시되어 있지는 않다. 유사하게, 몇몇 구성요소 및/또는 동작은 본 발명의 기술의 몇몇 구현예의 설명을 위해 상이한 블록으로 분리되거나 단일 블록으로 조합될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 기술은 다양한 수정 및 대안 형태가 가능하지만, 특정 구현예가 도면에서 예로서 도시되어 있고 아래에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명의 기술을 설명된 특정 구현예에 제한하려는 의도는 아니다.
도 2는 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따른 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스를 생성하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 반응기 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 탄소 분리기에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기 시스템 외부로 탄소 미립자 유동을 촉진하는 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따라 구성된 통합 탄소 분리기를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 통합 난방 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 다중 반응 챔버로 분할된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 전기 발전 시스템에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 가정용 난방 시스템에 결합된 반응기 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 다른 반응기 시스템의 블록도이다.
도 17a는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 16의 반응기 시스템에서 사용을 위한 반응 챔버의 개략도이다.
도 17b는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다중 반응 챔버를 갖는 도 16의 반응기 시스템의 개략도이다.
도 18은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버의 길이와 다양한 유량에 대한 반응 챔버를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버 내의 반응에 대한 표면 대 체적 비와 유동 챔버의 직경 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다.
도 20은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기를 가로지르는 최대 압력 강하에 대한 균질한 반응 조건을 만족시키는 반응 챔버에 대한 대표적인 치수를 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스로부터 탄소를 분리하기 위한 사이클론 분리기의 개략도이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템의 부분 개략 등각도이다.
도 23은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다양한 대표적인 용례에 대한 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스 수요 및 용법을 예시하고 있는 표이다.
도면은 반드시 축척대로 도시되어 있지는 않다. 유사하게, 몇몇 구성요소 및/또는 동작은 본 발명의 기술의 몇몇 구현예의 설명을 위해 상이한 블록으로 분리되거나 단일 블록으로 조합될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 기술은 다양한 수정 및 대안 형태가 가능하지만, 특정 구현예가 도면에서 예로서 도시되어 있고 아래에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명의 기술을 설명된 특정 구현예에 제한하려는 의도는 아니다.
개요
주거용 및 상업용 건물 용도로 산업용 반응기에 의해 생성되어 왔던 수소의 사용을 가능하게 하는 것은 모든 기존의 모든 천연 가스 파이프라인의 수소 호환성 재료로의 교체를 필요로 한다. 이러한 가스 파이프라인의 대대적인 교체는 광범위 채택을 위해 엄청나게 비용이 많이 들 수도 있다. 그러나, 화석 연료를 사용하는 주거용 난방은 지구 온실 가스 배출의 가장 큰 요인 중 하나이다. 이에 따라, 주거용 난방 기기에서 수소 연소로의 전환은 막대한 환경적 이익을 제공할 것이다. 수소는 또한 건물 레벨에서 연료 전지 또는 다른 디바이스를 사용하여 직접, 또는 열-전기 변환기 및 열 기관을 통해 간접적으로 전기로 변환될 수 있다. 전기를 국부적으로 생성하기 위한 수소의 사용(예를 들어, 동일한 건물 내, 동일한 이웃 내, 단일 기기 및/또는 하우징 내, 전통적인 기기용으로 이전에 지정된 공간 내, 및/또는 지역 열병합 발전용으로)은 탄소 배출 전력 소스에 대한 의존도를 더 감소시켜, 이에 의해 더 많은 환경적 이익을 제공할 수 있다.
국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성용 시스템, 및 관련 디바이스 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 몇몇 실시예에서, 대표적인 시스템은 탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 연결 가능한 입력 라인, 및 입력 라인과 유체 연통하는 반응기를 포함한다. 반응기는 반응 재료에 열을 전달하여 탄화수소를 수소 가스, 탄소 미립자 및 열(뿐만 아니라 잔류 반응 재료와 같은 다른 가스)를 포함하는 출력물(예를 들어, 출력 생성물 스트림)로 변환하도록 위치된 하나 이상의 유동 채널을 포함한다. 이 시스템은 출력물 내에서 수소 가스와 탄소 미립자를 분리하기 위해 반응기에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리 시스템을 또한 포함한다. 다양한 실시예에서, 시스템은 여과된 수소 가스를 국부적으로 소비하기 위한 구성요소를 또한 포함한다. 예를 들어, 시스템은 수소 가스를 연소하는 하나 이상의 버너(burners)와 버너로부터 반응기로 열을 전달하는 버너와 반응기 사이에 결합된 하나 이상의 열 경로를 포함할 수 있다. 열을 전달하기 위해, 일 예에서, 열 경로는 버너로부터의 고온 연도 가스(flue gas)를 반응기 위로 및/또는 통해 유도할 수 있다.
시스템은 반응기 및/또는 버너에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 발전기를 또한 포함할 수 있다. 발전기는 수소 및/또는 열을 수용하여 전기를 발생한다. 전기는 시스템의 다양한 구성요소에 전력 공급하는 데 사용되고 그리고/또는 전력망(electric grid)으로 유도될 수 있다. 이어서, 전력망은 단독 주택, 다가구 주택, 상업용 건물 및/또는 임의의 다른 적합한 공간에 전력 공급할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 근거리 사용(예를 들어, 건물 레벨에서)을 위해 소비되는 것보다 더 많은 전기가 생성된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 외부 전력망으로 내보내진다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 건물 규모에서 이후의 소비를 위해 2차 연료 전지에 저장된다. 전체 시스템은 열 경로를 통해 반응기, 버너 및/또는 발전기에 동작 가능하게 결합된 순환 시스템을 또한 포함할 수 있다. 순환 시스템은 시스템의 다른 구성요소로부터 여분의 열을 수용하여 단독 주택, 다가구 주택, 상업용 건물 및/또는 임의의 다른 적합한 공간을 위한 난방 그리드 및/또는 온수 그리드 내에서 열을 순환시킨다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 시스템은 주거용, 이웃 또는 단일 상업용 건물 레벨로 소규모화되어 사용 지점 부근에서 수소를 생성하여, 이에 의해 수소 또는 혼합 수소/천연 가스 그리드를 가능하게 하기 위한 기반시설(infrastructure) 정비의 필요성을 회피한다. 즉, 개시된 시스템 디자인은, 수소가 천연 가스로부터 현장에서 생성되고 또한 현장에서 소비되기 때문에, 천연 가스 그리드에 대한 어떠한 변경도 없이 주거용 난방 및/또는 전기 수요의 부분적 또는 완전한 탈탄소화(decarbonization)를 가능하게 한다. 그러나, 소규모의 열분해 반응기는 또한 수많은 과제를 야기한다. 이들 과제에 대처하기 위해, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예는 소규모 용례 및/또는 주거용 난방 시스템과의 통합 적용을 위해 열분해 반응기를 적응시키는 특징부를 포함한다.
용이한 참조를 위해, 그 시스템 및 구성요소는 때때로 도면에 도시되어 있는 실시예의 공간 배향에 대해 상 및 하, 상부 및 하부, 상향 및 하향, 및/또는 수평 평면, x-y 평면, 수직, 또는 z-방향을 참조하여 본 명세서에 설명된다. 그러나, 그 시스템 및 구성요소는 본 발명의 기술의 개시된 실시예의 구조 및/또는 기능을 변경하지 않고 상이한 공간 배향으로 이동되고, 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
또한, 천연 가스를 국부 소비를 위해 수소 가스로 분해하기 위한 시스템으로서 본 명세서에 주로 설명되지만, 통상의 기술자는 본 발명의 기술의 범주가 그와 같이 한정되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 열분해 반응기는 또한 임의의 다른 적합한 탄화수소를 분해하는 데 사용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 기술의 범주는 실시예의 임의의 특정한 서브세트에 한정되지 않는다.
도면의 설명
도 1은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 국부화 규모로 수소 가스를 생성 및/또는 이용(예를 들어, 분배, 소비 및/또는 저장)할 수 있는 시스템(100)의 블록도이다. 몇몇 실시예에서, 시스템(100)에서 수소 가스의 생성 및 이용은 단독 주택 가정 내에서 발생한다. 예를 들어, 시스템(100)은 종래의 천연 가스 노(furnaces) 또는 버너에 의해 이전에 점유된 공간 내에 위치된 단일 기기로서 구현될 수 있고 그리고/또는 이들 종래의 기기에 대한 직접적인 대체품으로서 작용할 수 있다. 다른 예에서, 시스템(100)은 서로 동작 가능하게 연결된 다수의 디바이스 및/또는 기기라는 용어를 취할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 다른 국부화 규모에서 수소 가스를 생성하고 이용한다. 예를 들어, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 시스템(100)은 원룸, 단독 주택 가정, 다가구 가정, 아파트 건물, 주거 이웃, 공공 건물(예를 들어, 단일 상점, 정부 건물, 병원, 학교 또는 임의의 다른 적합한 공간), 상업용 건물(예를 들어, 사무실 건물), 데이터 센터 또는 임의의 다른 적합한 공간을 위해 수소 가스를 생성하고 이용할 수 있다. 시스템(100)이 국부적으로 수소 가스를 생성하고 이용하기 때문에, 시스템(100)은 기반시설의 어떠한 정비도 없이, 탄화수소 연료(예를 들어, 천연 가스, 메탄 및 다른 탄화수소)의 기존의 사용을 대체 및/또는 보충하고, 뿐만 아니라 기존의 전기 소스를 대체 및/또는 보충하도록 구현될 수 있다.
예시된 실시예에서, 전체 시스템(100)은 반응기 시스템(110), 하나 이상의 공기 송풍기(118), 발전 시스템(120), 순환 시스템(130) 및 순환 시스템(130)과 별개인 냉방 시스템(140)을 포함한다. 반응기 시스템(110)은 연료 공급원(10)에 동작 가능하게 결합된 반응기(112) 및 반응기(112)에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리기(114)를 포함한다. 연료 공급원으로부터의 반응물은 반응기 시스템(110)에 의해 분해될 수 있는 탄화수소를 포함한다. 적합한 반응물의 예는 천연 가스 또는 메탄, 가솔린, 제트 연료, 프로판, 등유, 디젤 및/또는 임의의 다른 적합한 탄화수소 연료를 포함한다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반응기(112)는 반응물을 수용하고 탄화수소를 수소 가스 및 탄소 미립자로 분해하는데, 이들 탄소 미립자는 이어서 탄소 분리기(114)로 보내진다. 탄소 분리기(114)는 수소 가스로부터 탄소 미립자를 제거하여, 이에 의해 수소 연료를 생성한다. 탄소 분리기(114)는 이어서 탄소 미립자를 수집하여 탄소 처리 구성요소(20)(예를 들어, 탄소가 처리되거나 재판매될 수 있게 하는 비움 가능한 빈(emptiable bin))로 유도될 수 있고, 반면 수소 가스는 반응기 시스템(110) 및/또는 전체 시스템(100)의 다른 장소 내에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 수소 가스를 연소시키기 위해 하나 이상의 공기 송풍기(118)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 버너(들)(116)를 또한 포함한다. 버너(들)(116)와 반응기(112) 사이의 열 경로는 수소 가스를 연소시킴으로써 생성된 열을 전달할 수 있다. 예를 들어, 열 경로는 반응기(112) 주위에 및/또는 통해 고온 연도 가스를 유도할 수 있다. 반응기(112)는 연소하는 수소 가스로부터 열을 수용하고 추가 탄화수소를 분해하기 위해 열을 사용한다.
부가적으로 또는 대안적으로, 반응기 시스템(110)은 분배 및/또는 이후의 소비를 위해 발전 시스템(120)(소비되는 장소) 및/또는 수소 저장 구성요소(30)로 수소 가스를 유도할 수 있다. 예를 들어, 수소 저장 구성요소(30)는 미사용 기간 후에 반응기(112)를 재가열하기 위해 연소 연료를 위해 이용될 수 있다. 약 10 킬로그램(kg)의 KCl을 포함하는 반응기(112)의 경우, 반응기(112)를 실온으로부터 약 1000℃의 동작 온도로 가열하기 위한 에너지의 양은 대략 11,000 킬로주울(kJ)이다. 이 에너지는 열의 비교적 완전한 이용을 가정할 때, 약 860 표준 리터의 수소 가스를 연소함으로써 생성될 수 있다. 다른 예에서, 수소 저장은 수소의 생성을 수소의 소비로부터 분리하는 데 사용될 수 있다. 즉, 저장된 수소는 높은 수요의 기간 동안 생성된 수소의 스트림을 보충 및/또는 대체할 수 있다. 다른 예에서, 저장된 수소는 또한 수소 그리드로 재분배될 수 있다. 수소 그리드는 연료 전지(예를 들어, 시스템(100)에 의해 이후에 사용되는, 자동차에 사용되는 연료 전지 및/또는 임의의 다른 적합한 연료 전지)를 충전하고, 그리고/또는 최소의 기반시설 추가로 더 높은 에너지 수요를 갖는 이웃 아파트, 가정 및/또는 건물에 수소를 재분배하는 데 사용될 수 있다.
수소를 저장하는 데 사용될 수 있는 재료의 비한정적 예는 아래의 표 1에 기술된 제올라이트, Pd, H3N:BH3 및/또는 임의의 고체 재료와 같은 통상적인 가스 저장 탱크 및 고체 재료를 포함한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 수소 가스를 연소시키기 위해 공기 송풍기(들)(118)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 버너(116), 및 버너(들)(116) 및/또는 반응기(112)로부터의 출력물(예를 들어, 고온 가스, 수소 가스, 및/또는 열 전달 유체와 같은 물리적 전달 매체를 통한 열)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 발전기(124)를 또한 포함한다. 발전기(들)(124)는 버너(들)(116)의 연도 가스, 버너(들)(116)로부터의 열, 및/또는 반응기(112)로부터의 출력물을 사용하여 전기를 발생한다. 다양한 실시예에서, 발전기(들)(124)는 열이온 변환기, 열광전 시스템, 알칼리 금속 열에너지 변환기(AMTEC), 연료 전지, 내연 기관, 터빈 또는 마이크로터빈, 열전 발전기, 증기 터빈 및/또는 스털링 엔진을 포함할 수 있다. 발전 시스템(120)은 이어서 발생된 전기를 국부 소비, 국부 저장 및/또는 분배를 위해 전력망(40)으로 유도할 수 있다. 예를 들어, 전력망(40)은 발생된 전기의 일부를 저장하는 2차 전지 및 발생된 전기의 일부를 소비하는 주거용 가정 내의 다양한 전자 기기를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 근거리 사용(예를 들어, 국부적)에서 소비되는 것보다 더 많은 전기가 생성된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 전력망(40)으로 내보내지고 그리고/또는 이후의 소비를 위해 2차 연료에 저장된다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 여분의 고온 연도 가스 및/또는 열을 반응기 시스템(110) 및/또는 순환 시스템(130)으로 유도할 수 있다. 반응기 시스템(110)은 추가의 탄화수소를 수소 가스로 분해하기 위해 반응기를 가열하는 것을 돕기 위해 비변환 열 및 연도 가스를 사용할 수 있다. 반응기 시스템(110)은 이어서 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 순환 시스템(130)으로 유도할 수 있다(예를 들어, 고온 가스 및/또는 고온 유체의 유동을 통해, 및/또는 열 전달 유체 또는 다른 적합한 열 전달 매체와 같은 물리적 전달 매체를 통해).
예시된 실시예에서, 순환 시스템(130)은 반응기 시스템(110)에 동작 가능하게 결합된 응축 열 교환기(132), 발전 시스템(120)에 동작 가능하게 결합된 히트 싱크(134), 및 응축 열 교환기(132) 및 히트 싱크(134)에 동작 가능하게 결합된 순환 펌프(136)를 포함한다. 응축 열 교환기(132)는 반응기 시스템(110)으로부터 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 수용한다. 응축 열 교환기(132)는 이어서 난방 그리드(50)로 열을 순환시키기 위해 열을 재생한다(예를 들어, 보일러, 노 및/또는 유사한 기기 내에서). 예를 들어, 응축 열 교환기(132)는 아파트 건물을 위한 온수를 공급하기 위해 반응기(112)로부터의 여분의 열을 사용할 수 있다. 히트 싱크(134)는 발전 시스템(120)으로부터 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 수용한다. 순환 펌프(136)는 이어서 히트 싱크(144) 및 응축 열 교환기(132)에 걸쳐 유체(예를 들어, 물, 공기 또는 다른 적합한 열 전달 유체)를 순환시켜 난방 그리드(50) 내로의 부가의 재생을 위해 히트 싱크(144)로부터 응축 열 교환기(132)로 열을 전달한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(100)의 구성요소가 다양한 용도를 위해 연도 가스로부터 열을 추출한 후, 시스템(100)은 연도 가스를 배기 시스템(60)으로 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 반응물 내의 탄화수소를 반응기 시스템(110)으로부터의 수소 가스 생성물로 완전히 대체한다. 이에 따라, 이들 실시예에서, 연도 가스는 수증기, 산소 가스, 및/또는 공기 송풍기(들)(118)로부터의 공기 내에 존재하는 임의의 다른 분자(예를 들어, 질소 가스)만을 포함한다. 즉, 연도 가스는 일반적으로 탄화수소 연소로부터 발생할 것인 새로운 이산화탄소 분자를 포함되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 배기 시스템(60)은 시스템(100)이 구현되는 공간에서 기존의 환기 시스템 내의 기존의 환기 시스템(예를 들어, 노로부터 이격하여 이산화탄소를 유도하는 기존의 환기 시스템)을 이용한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 열 및/또는 전기를 냉방 시스템(140) 내로 유도할 수 있다. 냉방 시스템(140)은 열 및/또는 전기 순환 냉기를 이용한다. 다양한 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기 및/또는 히트 펌프를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 수소 가스 및/또는 열(도시되어 있지 않음)을 수용하기 위해 반응기 시스템(110)에 직접 동작 가능하게 결합된다. 이러한 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 전술된 임의의 시스템과 같은, 냉방 시스템을 구동하기 위해 수소 가스 및/또는 열을 이용한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 순환 시스템(130)과 및/또는 내에 통합될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기 시스템(110) 및/또는 발전 시스템(120)은 에너지를 순환시키지 않고 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소에 열 및/또는 전기를 유도할 수 있다. 예를 들어, 난방 구성요소(예를 들어, 응축 열 교환기(132))는 반응기(112)로부터 열을 수용하고, 유체(예를 들어, 물, 공기 또는 다른 적합한 유체) 내로 열을 전달하고, 유체를 다시 수용하지 않고 난방 그리드(50) 내로 가열된 유체를 유도할 수 있다. 특정 예에서, 난방 구성요소는 반응기(112)로부터 열을 수용하고, 외부 공급원으로부터 물 내로 열을 전달하고, 온수를 주거 공간 내로 유도할 수 있다. 사용된 온수는 이어서 순환 시스템(130) 내로 다시 순환되기보다는 하수(sewage) 및/또는 중수(greywater) 처리 시스템으로 배출된다. 다른 특정 예에서, 냉방 구성요소는 발전 구성요소(124)로부터 열 및/또는 전기를 수용하고, 냉기 발생기를 구동하기 위해 열 및/또는 전기를 사용하고, 냉기를 주거 공간 내로 유도할 수 있다. 냉기는 이어서 주거 공간에서 소산될 수 있고 반면 냉방 구성요소는 외부 소스로부터 냉방을 위해 새로운 공기를 끌어올 수 있다.
다양한 실시예에서, 반응기 시스템(110), 발전 시스템(120), 순환 시스템(130) 및/또는 냉방 시스템(140)은 시스템의 구성요소와 연관된 데이터를 수집하기 위한 하나 및/이상의 센서(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 반응기 시스템(110)에 의해 생성된 고체 탄소의 중량 또는 광학 특성을 측정할 수 있다. 이들 센서로부터의 데이터는 이어서 반응물로부터 제거된 탄소의 양에 대한 보고서를 생성하여, 사용자가 탄소 배출권 또는 탄소 감축 지불금(예를 들어, 주, 연방 및/또는 상업 탄소 시장)에 액세스할 수 있게 하는 데 사용될 수 있다. 데이터는 또한 사용자에게 탄소 처리 구성요소(20)가 가득 찼음을(또는 거의 가득 찼음을) 경고하여, 사용자에게 탄소 처리 구성요소(20)를 비우도록 촉구하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 센서는 반응기(112)에서 전기적 특성(예를 들어, 전도도, 주파수 의존 전도도, 전기 임피던스 분광법, 및/또는 임의의 다른 적합한 특성)을 측정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 센서는 반응기(112)를 통한 반응물 유동 및/또는 반응기(112) 내의 탄소의 축적을 결정하기 위해 초음파 측정을 수행할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가스 유량 센서는 반응기(112) 외부로 유동하는 생성물(예를 들어, 수소)에 대한 반응물(예를 들어, 메탄)의 비를 결정할 수 있다. 이러한 실시예에서, 비는 반응기(112) 내에서 발생하는 열분해 반응의 정도를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열전쌍 또는 다른 온도 센서가 반응기(112), 버너(들)(116)로부터의 연도 가스, 발전기(들)(124), 응축 열 교환기(132), 및/또는 시스템(100)의 임의의 다른 적합한 구성요소의 온도를 측정한다. 몇몇 실시예에서, 수소 가스 센서(예를 들어, 팔라듐 와이어를 통해 전류를 통과시키는 센서)는 반응물 변환 및/또는 수소 생성 속도를 모니터링한다.
몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 입/출력(I/O) 링크를 통해 센서 및 시스템의 다양한 구성요소에 동작 가능하게 결합된 제어기(150)를 포함한다. 전술된 임의의 측정에 기초하여, 제어기(150)는 시스템(100)의 동작을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 반응기(112) 외부로 나오는 측정된 수소 가스에 대한 반응물의 비에 기초하여 반응물의 입력 유동 및/또는 반응기(112)의 동작 온도를 조정할 수 있다(예를 들어, 비 내의 수소의 양을 증가/감소시키기 위해). 몇몇 실시예에서, 제어기(150)는 과거 조건 및 수소 소비를 저장하는 메모리, 뿐만 아니라 예측 분석 구성요소를 포함한다. 전술된 임의의 측정치 및 메모리로부터의 데이터에 기초하여, 예측 분석 구성요소는 시스템(100) 내의 임의의 구성요소의 동작에 대한 조정을 결정할 수 있고 제어기(150)는 조정을 완료할 수 있다. 예를 들어, 예측 분석은 높은 및 낮은 수소 수요의 기간을 결정할 수 있고 제어기(150)는 결정된 기간에 따라 반응기(112)를 토글 온 오프할 수 있다(예를 들어, 반응물의 입력을 시작 및 정지함으로써).
전술된 바와 같이, 시스템(100)은 원룸, 단독 주택 가정, 다가구 가정, 아파트 건물, 주거 이웃, 공공 건물(예를 들어, 단일 상점, 정부 건물, 병원, 학교 또는 임의의 다른 적합한 공간), 상업용 건물(예를 들어, 사무실 건물), 데이터 센터 또는 임의의 다른 적합한 공간을 위해 수소 가스를 생성하고 이용하도록 규모화될 수 있다. 규모는 통상적인 반응물 소비율의 견지에서 정량화될 수 있다. 예를 들어, 반응물로서 메탄을 사용하여, 통상적인 규모는 단일 가구 주택(예를 들어, 단독 주택 또는 다가구 건물 내의 단일 유닛)에 대해 분당 약 500 표준 입방 센티미터(standard cubic centimeter per minute: sccm) 내지 약 37,500 sccm; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 다가구 건물에 대해 약 150,000 sccm 내지 약 3,750,000 sccm; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 이웃에 대해 약 150,000 sccm 내지 약 3,750,000 sccm의 천연 가스 유량 범위를 포함한다. 반응물로서 메탄을 사용하는 다른 정량화 예에서, 통상적인 규모는 단일 가구 주택에 대해 약 10 연간 백만 영국 열 단위(million British thermal units per year: MMBtu/year) 내지 약 164 MMBtu/year(또는 약 15981 Btu/hr 내지 약 18721 Btu/hr); 소형 다가구 건물에 대해 약 4875 MMBtu/year 내지 약 6300 MMBtu/year; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 있는 상업용 건물(예를 들어, 산업 현장 및 사무실, 캠퍼스, 공항, 병원, 쇼핑몰 및/또는 임의의 다른 적합한 상업용 건물)에 대해 약 9500 MMBtu/year 내지 약 136,189 MMBtu/year; 더 대형 다가구 건물 및/또는 이웃에 대해 약 453,963 MMBtu/year 내지 약 1,232,184 MMBtu/year; 및 높은 전력 및 냉방 수요를 갖는 데이터 센터에 대해 약 2,468,421 MMBtu/year 내지 약 3,350,000 MMBtu/year의 천연 가스 소비율을 포함한다.
도 23은 다양한 용례에 대한 규모, 뿐만 아니라 상이한 규모에서 시스템(100)의 특정 구성요소에 의해 소비되는 전력의 부가의 예를 갖는 표를 포함한다. 도시되어 있는 바와 같이, 표는 시스템(100)(도 1)의 상이한 실시예를 위해 요구되는 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스, 뿐만 아니라 수요 및 용법의 견지에서 각각의 실시예에 대한 대략적인 규모를 나타낸다. 예시된 규모는 주거, 상업, 지역 및 데이터 센터 용법 및 전력, 난방 및 냉방에 대한 연관 요구를 포함한다. 이에 따라, 도 23의 표는 수소의 산업적 생성에 사용되는 훨씬 더 대규모에 대조적으로 이들 실시예에 대한 요구 및 시스템 요건을 차별화하기 위한 맥락을 제공한다. 그러나, 도 23의 표에 있는 값은 단지 예로서 예시적이고, 예시된 특정 예에 본 발명의 기술을 한정하려는 의도는 아니라는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 1로 복귀하면, 전술된 임의의 용례에서, 시스템(100)은 시스템(100)이 전개되는 공간의 소비 요구를 충족시키기 위해 다중 반응기(112)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응물로서 메탄을 사용하여, 단일 반응기는 약 500 sccm 내지 약 172,853,881 sccm, 또는 약 10 MMBtu/year 내지 약 3,350,000 MMBtu/year의 CH4 소비율을 가질 수 있다. 이 범위는 다중 반응기(112)가 함께 사용될 때에도, 산업화된 열분해 반응기의 통상적인 출력보다 상당히 낮다. 반응기(112)가 국부화된 소비를 위해 요구된 규모, 특히 주거 레벨에서 효율적으로 동작하는 것을 가능하게 하기 위해, 반응기는 다수의 단점을 해결하기 위한 특징부를 포함한다.
먼저, 통상적인 실시예에서 열분해 반응에 의해 생성된 탄소는 반응기(112)로부터 제거되고 안전, 효율 및 편의 문제를 균형화하면서 생성물 스트림으로부터 분리된다. 예를 들어, 탄소는 사용자와 반응기(112)의 비교적 고온 구성요소 사이의 분리를 제공하는 방식으로 반응기(112)로부터 제거될 수 있다. 또한, 탄소는 과도하게 빈번한(예를 들어, 매시간, 매일, 매주 등) 유지를 요구하지 않는 시스템에 의해 분리될 필요가 있거나, 사용자가 반응기를 채택하기를 꺼릴 수도 있다. 다른 예에서, 탄소는 너무 많은 전력을 소비하지 않는 시스템에 의해 분리될 수 있거나, 시스템(100)의 효율은 사용 가능한 레벨 미만으로 떨어질 수도 있다. 이에 따라, 다양한 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 이들 문제를 해결하는 것을 돕는 특징부를 포함할 수 있다.
둘째, 주거 및/또는 단일 건물 환경에서 열 및 전기에 대한 주기적 및/또는 불균일 수요 때문에, 반응기(112)의 출력이 빈번히 조절될 필요가 있을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 목표 조절 규모는 몇 분 내지 몇 시간의 정도이다. 또한, 몇몇 실시예에서, 조절은 수소 가스가 수요되지 않을 때(예를 들어, 주택이 근무일 동안 비어 있을 때) 및 수소 가스가 반응기에 의해 생성될 수 있는 것보다 더 높은 비율로 수요될 때(예를 들어, 피크 전력 소비 시간 동안)의 기간을 포함한다.
셋째, 반응기(112)는 예를 들어 반응기가 기존의 기기 공간(예를 들어, 노 공간) 내로 개조될 때, 공간 제약을 받게 될 수도 있다. 이에 따라, 반응기(112)는 공간 제약에도 불구하고 효율적으로 동작하기 위해 공간 제약에 적응된 반응기(112)를 허용하는 특징부를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 시스템(100) 및/또는 반응기(112)는 기생 열 손실을 감소 및/또는 최소화하는 것을 돕고, 이에 의해 반응기(112)로부터의 에너지 효율을 증가(또는 최대화)시키는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 반응기(112)는 순환 시스템(130) 내에서 기생 열 손실을 재생하기 위해 순환 시스템(130)에 결합될 수 있다. 시스템(100) 및/또는 반응기(112)의 효율에 관한 문제는 주거용 규모의 반응기에서 특히 중요할 수 있는 데, 이는 산업용 규모의 컬럼에 비해 비교적 높은 표면적 대 체적 비를 가질 수 있고, 따라서 더 많은 기생 열 손실을 가질 수 있기 때문이다. 게다가, 반응기(112)는 수소 가스 생성물의 주거 규모 및/또는 국부화 소비에 고유한 모니터링 및 제어 방안을 포함할 수 있다.
시스템(100) 및/또는 반응기 시스템(110)이 이들 과제에 대처하기 위해 포함하는 특징부에 대한 부가의 상세가 아래에 도 3 내지 도 19과 관련하여 설명된다.
도 2는 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따른 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스를 생성하기 위한 시스템(100)의 블록도이다. 도 2에 도시되어 있는 시스템(100)은 일반적으로 도 1과 관련하여 전술된 시스템(100)과 유사하다. 예를 들어, 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(100)은 연료 공급원(10)에 동작 가능하게 결합된 반응기 시스템(110), 반응기 시스템(110)에 동작 가능하게 결합된 발전 시스템(120), 및 반응기 시스템(110) 및 발전 시스템(120)에 동작 가능하게 결합된 순환 시스템(130)을 포함한다. 그러나, 예시된 실시예에서, 발전기(들)(124)로부터의 출력물이 수정된다. 예를 들어, 도시되어 있는 바와 같이, 발전기(들)(124)로부터의 전기는 반응기 시스템(110)으로 보내져서 그 내부의 하나 이상의 구성요소에 전력 공급할 수 있다. 예를 들어, 전기는 열 발생기(예를 들어, 반응기에 결합된 저항 코일), 입력 밸브, 출력 밸브, 탄소 분리기(114), 및/또는 임의의 다른 적합한 구성요소에 전력 공급할 수 있다. 예시된 실시예에서, 발전기(들)(124)로부터의 고온 연도 가스는 순환 시스템(130) 내로 열을 전달하기 위해 응축 열 교환기(132)로 직접 보내진다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기 시스템(110)을 통한 재료의 유동의 개략도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 반응물은 입력 경로(302)를 따라 반응기로 진입한다. 전술된 바와 같이, 반응물은 천연 가스 및/또는 순수 메탄일 수 있다. 이에 따라, 입력 경로(302)는 반응물을 반응기(112)에 공급하기 위해 기존의 가스 라인에 연결될 수 있다. 반응기(112)는 임의의 양의 열분해 반응이 발생하게 하기 위한 최소 에너지를 나타내는 엔탈피점을 넘어 반응물을 제어 가능하게 가열한다(예를 들어, 반응기(112)는 적어도 개시 에너지를 제공함). 그 결과, 반응기(112)는 반응물 내의 탄화수소를 수소 가스와 탄소로 분해하는 열분해 반응을 야기한다. 예를 들어, 메탄 반응기에 대해, 열분해 반응은 다음과 같다:
CH4(기체) → C(고체) + 2 H2(기체).
또한, CH4에 대해, 엔탈피점은 CH4의 몰당 약 75 kJ이고, 이는 CH4가 약 650℃로 가열되게 한다. 몇몇 실시예에서, 열분해 반응이 비교적 짧은 체류 시간 동안(예를 들어, 몇 초 정도) 완전히 발생하는 것을 보장하기 위해, 반응기(112)는 반응물을 약 1300℃ 초과로 제어 가능하게 가열한다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 용융 금속, 용융 염 및/또는 이들의 조합과 같은 용융 재료를 포함하는 가열된 컬럼이거나 이를 포함한다. 고온 액체는 순수 재료 또는 다수의 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응물은 예를 들어 표면하 전달 튜브 또는 다공성 스파저(sparger)에 의해 액체의 표면 아래의 반응기(112) 내로 전달된다. 반응기는 그 부력에 의해 가열된 컬럼의 상단으로 운반되는 기포로 반응물이 분리되게 하는 구성요소를 포함한다. 기포가 상승함에 따라, 고온 액체는 반응물에 열을 전달하여 전술된 열분해 반응을 야기한다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 아래에 설명되는 몇몇 실시예에 따라 반응 챔버를 가질 수 있는 하나 이상의 열 저장 디바이스를 포함한다. 각각의 반응 챔버는 열 교환 재료를 절연시키고 열 교환 재료를 통한 반응물을 위한 하나 이상의 유로를 포함한다. 열 교환 재료는 재료의 비교적 낮은 열 전도도, 비교적 낮은 열 팽창 계수, 및/또는 비교적 높은 열 안정성에 기초하여 선택될 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 교환 재료는 코디어라이트, 멀라이트, 알파 알루미나, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 반응물이 유로를 통해 유동함에 따라, 열 교환 재료는 반응물에 열을 전달하여 전술된 열분해 반응을 야기한다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 반응기(112)로부터의 출력은 열분해 반응으로부터의 2개의 생성물에 대응하는 수소 경로(310) 및 탄소 경로(320)로 분할된다. 수소 가스는 수소 경로(310) 내로 유도되고, 반면 탄소 미립자는 탄소 경로(320)로 유도된다. 전술된 바와 같이, 수소 경로(310) 내의 수소는 반응기 시스템(110) 및/또는 시스템(100)의 다른 장소 내로 다시 유도될 수 있다(도 1). 한편, 탄소 경로(320)는 처리 시스템(예를 들어, 도 1과 관련하여 설명된 탄소 처리 구성요소(20))으로 유도될 수 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 경로(320)는 공기 송풍기(118)와 유체 연통하여 탄소 미립자가 반응기(112)로부터의 출구를 막히게 하기보다, 탄소 처리 구성요소(30)(도 1)까지 줄곧 이동하는 것을 보장하는 것을 도울 수 있다. 몇몇 실시예에서, 분할은 반응기(112)로부터 분리되고 그와 유체 연통하는 탄소 분리기(도시되어 있지 않음)에 의해 달성된다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 도 6 내지 도 8과 관련하여 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 분할은 반응기(112)에 통합된 탄소 분리기(도시되어 있지 않음)에 의해 달성된다.
예시된 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 수소 가스의 수소 경로(310)를 제1 및 제2 수소 경로(312, 314)로 더 분할한다. 수소 가스의 일부는 제1 수소 경로(312)에서 버너(116)를 향해 유도된다. 버너(116)는 제1 수소 경로(312) 내의 수소 가스를 공기 입력 경로(304) 내의 공기 송풍기(118)로부터의 공기와 혼합하고 연소시켜 반응기(112)에 열을 제공한다. 열은 반응기(112)로부터의 기생 열 손실을 보상하고 열분해 반응을 야기하기 위해 엔탈피점을 넘어 반응물을 가열하는 데 필요한 에너지를 공급한다. 한편, 수소 가스의 일부는 도 1과 관련하여 전술된 임의의 목적을 위해 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110) 외부로 유도된다. 즉, 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110) 외부로 유도되는 수소 가스는 시스템(100) 내에서 열 및/또는 전기를 발생하는 데 사용될 수 있고, 이후의 사용을 위해 저장될 수 있고, 그리고/또는 추가 분배에 투입될 수 있다. 예를 들어, 이웃 또는 다가구 규모 디바이스에서, 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110)을 빠져나가는 수소 가스는 국부 소비를 위해 파이프 시스템을 통해 개별 가정 또는 유닛으로 전달될 수 있다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 버너(116)로부터의 연도 가스는 반응기(112)를 가열한 후에 연도 경로(334)를 통해 반응기 시스템을 빠져나간다. 몇몇 실시예에서, 연도 경로(334)는 소비를 위해 다른 시스템(예를 들어, 도 1과 관련하여 전술된 발전 시스템(120) 및/또는 순환 시스템(130))으로 유도된다. 몇몇 실시예에서, 연도 경로(334)는 방출될 출구로(예를 들어, 도 1과 관련하여 전술된 배기 시스템(60) 내로) 유도된다.
이하의 설명에서, 도 4 내지 도 15는 반응기(112)의 용융 재료 실시예에 적용되는 바와 같은 시스템의 특징부를 도시하고 있고, 반면 도 16 내지 도 21은 반응기(112)의 재생 반응 챔버 실시예에 적용되는 바와 같은 시스템의 특징부를 도시하고 있다. 그러나, 통상의 기술자는 특징부가 이들이 설명되는 실시예에 반드시 한정되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 14와 관련하여 아래에 설명되는 발전기(124)와 병렬인 반응기(112)의 배열은 반응기(112)의 용융 재료 실시예에 한정되지 않는다. 이에 따라, 개시된 기술의 범주는 아래에 설명되는 실시예의 임의의 서브세트에 한정되지 않는다.
도 4는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 제1 단부(414) 및 제2 단부(416)를 갖는 본체(412)를 포함한다. 제1 단부(414)를 향한 반응기(112)의 부분은 반응물 소스(예를 들어, 연료 소스(10)(도 1))와 유체 연통하고 입력 경로(302) 내의 반응물을 본체(412)로 전달한다. 본체(412)는 제1 단부(414)로부터 제2 단부(416)를 향해 유동하는 반응물의 기포(419)에 열을 제어 가능하게 전달하는 용융 재료(418)를 포함한다. 용융 재료(418)로부터의 열은 본체(412) 내에서 열분해 반응이 발생되게 한다. 생성된 탄소 미립자 및 수소 가스는 제1 출구 경로(420)를 따라 제2 단부(416)를 향해 본체(412)를 빠져나간다. 몇몇 실시예에서, 모든 탄소 미립자 중 일부는 제1 출구 경로(420)를 따른 수소 가스의 유동에 의해 본체(412) 외부로 운반되지 않는다. 이에 따라, 도 6 내지 도 10과 관련하여 아래에 더 상세히 설명되는 것들과 같은 몇몇 실시예에서, 본체(412)는 본체(412) 내의 수소 가스 및 용융 금속으로부터 탄소의 일부(또는 모두)를 분리하는 통합 탄소 분리기를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 도 5와 관련하여 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본체(412)는 제1 출구 경로(420)를 따라 반응기(112) 외부로 운반되는 탄소의 양을 증가시키는 특징부를 포함할 수 있다.
제1 출구 경로(420)는 탄소 미립자와 수소 가스를 하나 이상의 탄소 분리기(114)(2개가 도시되어 있고, 개별적으로 제1 탄소 분리기(114a) 및 제2 탄소 분리기(114b)라 칭함)로 전달한다. 탄소 분리기(114)는 그 크기 및/또는 조성에 기초하여 입자를 연속적으로 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 탄소 분리기(114a)는 비교적 큰 탄소 미립자 및/또는 용융 금속으로 오염된(예를 들어, 일부 용융 금속을 담지하는) 탄소 미립자를 제거하고, 반면 제2 탄소 분리기(114b)는 더 작은 입자를 제거하여 수소 가스의 출력 스트림을 더 정제할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 탄소 분리기(114a)는 제1 출구 경로(420)로부터 오염된 입자를 제거한다. 제1 탄소 분리기(114a)는 이어서 오염된 입자를 재진입 경로(422)를 따라 본체(412)로 다시 유도하고 여과된 출력물을 제2 출구 경로(424)를 따라 제2 탄소 분리기(114b)를 향해 유도한다. 이어서, 제2 탄소 분리기(114b)는 제2 출구 경로(424) 내의 출력물로부터 비오염 탄소 미립자를 제거할 수 있다. 제2 탄소 분리기(114b)는 이어서 여과된 수소 가스를 수소 경로(310)를 따라 외향으로 그리고 고체 탄소를 탄소 경로(320)를 따라 외향으로 유도할 수 있다.
본체(412)는 반응기(112)를 위한 동작 온도 초과의 융점을 갖는 재료로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 본체(412)는 석영으로부터 제조될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 용융 재료(418)는 적합한 용융 금속, 용융 염 및/또는 그 조합을 포함할 수 있다. 용융 재료(418)는 순수 재료(예를 들어, 단일 용융 금속) 또는 다수의 재료의 혼합물(예를 들어, 다중 용융 금속)로 구성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 반응기(112)의 효율적인 동작을 위한 하나의 장애물은 반응기(112)로부터 및/또는 반응기 내의 출력 스트림 내의 수소 가스로부터 탄소를 효율적이고 안전하게 제거하는 것이다. 도 5 내지 도 10은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 반응기(112) 및/또는 출력물로부터 탄소를 제거하기 위한 특징부를 갖는, 도 4에 도시되어 있는 유형의 반응기(112)의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기(112) 외부로 탄소 미립자의 유동을 촉진하는 특징부를 갖는 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 도 4와 관련하여 전술된 반응기(112)와 같이, 도시되어 있는 반응기는 제1 단부(414)로부터 제2 단부(416)로 연장하는 본체(412)를 포함한다. 제1 단부(414)는 반응물 소스와 유체 연통하고, 반면 제2 단부(416)는 반응기 시스템(110)의 다른 구성요소와 유체 연통한다. 예시된 실시예에서, 반응기(112)의 본체(412)는 탄소 미립자를 멀리 운반하는 것을 돕기 위해 반응기(112)의 제2 단부(416) 외부로 유체의 유동을 가속화하는 원추형 구성요소(520)를 포함한다. 예를 들어, 본체(412)의 직경은 비교적 넓다. 이에 따라, 본체(412) 내에서, 반응물은 열분해 반응이 완전히 발생할 수 있게 하는 낮은 표면 속도(superficial velocity)를 가질 수 있다. 원추형 구성요소(520)의 제1 영역(522)에서, 원추형 구성요소(520)는 반응기의 출력물을 원추형 구성요소(520) 내로 전이시키기 위해 본체와 일반적으로 일치하는 직경을 갖는다. 제2 영역(524)에서, 직경은 점진적으로 더 좁아지고, 이에 의해 출력물의 표면 가스 속도의 증가를 야기한다. 제2 단부(416) 부근의 제3 영역(526)에서, 직경은 더욱 더 좁다. 그 결과, 제3 영역(526)에서, 출력물의 표면 가스 속도는 더 가벼운 탄소 미립자(예를 들어, 금속 오염물이 적거나 없는 탄소)를 반응기(112) 외부로 그리고 탄소 분리기(114)를 향해 운반할 수 있다. 예시된 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 여과된 수소 가스를 출력물로부터 수소 경로(310) 내로 그리고 탄소 미립자를 출력물로부터 탄소 경로(320) 내로 유도하는 단일 탄소 분리기(114)를 포함한다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 통합 탄소 분리기(114)를 포함하는 도 4에 도시되어 있는 유형의 반응기(112)의 개략도이다. 예를 들어, 도 4와 관련하여 전술된 반응기(112)와 같이, 도 6 내지 도 10에 도시되어 있는 반응기(112)는 제1 단부(414)로부터 제2 단부(416)로 연장하는 본체(412)를 각각 포함한다. 제1 단부(414)는 반응물 소스와 유체 연통하고, 반면 제2 단부(416)는 반응기 시스템(110)의 다른 구성요소와 유체 연통한다. 전술된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 출력물의 유동은 반응기(112) 외부로 탄소 미립자의 모두(또는 임의의)를 운반하지 않는다. 이러한 실시예에서, 반응기(112)는 반응기(112) 내에 큰 탄소 축적을 회피하기 위해 아래에 설명되는 통합 탄소 분리기(114) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 6, 도 7 및 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 미립자는 용융 재료(418)의 상부 표면(418a)에 집중된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 본체(412)를 통한 반응물의 유동은 용융 재료(418)를 통해 탄소 미립자를 추진하기에 충분하지만, 금속 재료 위로 탄소 미립자를 운반하기에는 불충분하다. 이에 따라, 반응기(112)는 반응기(112)로부터 탄소를 제거하기 위해 용융 재료(418)의 상부 표면(418a)을 스키밍하는(skims) 탄소 분리기(114)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 분리기(114)는 상부 표면(418a)을 스키밍하여 반응기(112) 외부로 그리고 탄소 경로(320) 내로 탄소 축적물(620)을 탄소 처리 구성요소(20)를 향해 밀어내는 기계적 스키밍 구성요소(622)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 탄소 분리기(114)는 도 7에 관련하여 도시되어 있는 바와 같이, 유체 스키밍 구성요소(722)를 포함할 수 있다. 유체 스키밍 구성요소(722)는 용융 재료(418)의 상부 표면(418a)을 가로질러 유체(예를 들어, 공기 또는 임의의 다른 적합한 유체)를 유도하여 반응기(112) 외부로 그리고 탄소 경로(320) 내로 탄소 축적물(620)을 탄소 처리 구성요소(20)를 향해 밀어낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기계적 스키밍 구성요소(622) 및/또는 유체 스키밍 구성요소(722)는 상부 표면(418a)을 주기적으로 스키밍한다. 예를 들어, 기계적 스키밍 구성요소(622) 및/또는 유체 스키밍 구성요소(722)는 상부 표면(418a)을 스키밍할 수 있고, 반면 반응기(112)는 그렇지 않으면 비활성화된다(예를 들어, 수소 가스 소비 기간 사이에). 몇몇 실시예에서, 기계적 스키밍 구성요소(622) 및/또는 유체 스키밍 구성요소(722)는 상부 표면(418a)을 연속적으로 스키밍한다. 몇몇 실시예에서, 기계적 스키밍 구성요소(622) 및/또는 유체 스키밍 구성요소(722)는 단지 특정(예를 들어, 반복, 이상적) 기간 중에만 상부 표면(418a)을 연속적으로 스키밍한다. 예를 들어, 기계적 스키밍 구성요소(622) 및/또는 유체 스키밍 구성요소(722)는 반응기(112)가 상부 표면(418a)을 깨끗하게 유지하도록 활성인 동안 상부 표면(418a)을 연속적으로 스키밍할 수 있고, 반응기(112)가 비활성인 동안 상부 표면(418a)의 스키밍을 감소시켜 반응기 시스템(110)(도 1)의 효율을 개선시킬 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 반응기(112)는 예를 들어 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 용융 재료(418)의 상부 표면(418a)으로부터의 탄소가 반응기(112) 외부로 및/또는 탄소 처리 구성요소(20) 내로 떨어질 수 있게 하는 수동 탄소 분리기(114)를 포함할 수 있다. 도 10에 도시되어 있는 실시예와 같은 몇몇 이러한 실시예에서, 반응기(112)의 본체(412)는 수동 탄소 분리기(114)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 탄소 분리기(114)는 용융 재료(418)의 상부 표면(418a) 상에 수집된 탄소가 반응기(112) 외부로 그리고 탄소 경로(320) 내로 탄소 처리 구성요소(20)를 향해 떨어질 수 있게 하는 반응기의 본체(412) 내의 개구를 포함한다. 수동 탄소 분리기(114)의 하나의 이익은, 반응기(112)로부터 탄소를 제거하기 위해 에너지가 거의(또는 전혀) 요구되지 않기 때문에, 시스템(100)(도 1)을 위한 효율의 증가이다. 그러나, 수동 탄소 분리기(114)는 또한 너무 많은 열이 수동 탄소 분리기(114)를 통해 누출될 수 있으면 반응기(112)의 효율을 낮출 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 미립자는 용융 재료(418) 내의 탄소 축적물(820) 주위에 집중된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 탄소 축적물(820)은 반응물이 엔탈피점에 도달하고 열분해 반응이 발생하는 지점 주위에 형성된다. 즉, 열분해 반응 후, 탄소 미립자의 일부는 이동을 정지할 수 있고 반면 수소 가스 및/또는 다른 탄소 미립자가 용융 재료(418)를 통해 계속 이동한다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 주기적 및/또는 연속적인 제거를 위해 용융 재료(418) 내의 침전 구성요소(822)에서 탄소를 수집하는 탄소 분리기(114)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 침전 구성요소(822)는 출력물 외부로 탄소의 침전을 제어하는 것을 돕고 용융 재료(418) 내에 탄소를 수집한다.
몇몇 실시예에서, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 미립자는 용융 재료(418)의 하부 표면(418b) 주위 및 반응기(112)의 제1 단부(414) 부근에 집중된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 열분해 반응기로부터 발생하는 일부 탄소는 고온 용융 재료(418)보다 더 조밀하고 따라서 본체(412)의 제1 단부(414)를 향해 가라앉는다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 본체(412)의 제1 단부(414)는 본체(412)의 최하부 지점에서 탄소 분리기(114)의 부분(922)을 향해 경사진 표면(415)을 포함할 수 있다. 최하부 지점에서, 탄소 분리기(114)의 부분(922)은 본체(412)로부터 탄소 축적물(920)을 수집하고 탄소 미립자를 탄소 처리 구성요소(20)를 향해 탄소 경로(320) 내로 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 용융 재료(418)의 밀도는 용융 재료(418)에 하나 이상의 촉매 비활성 성분을 선택적으로 추가함으로써 및/또는 용융 재료(418)의 온도를 조정함으로써 탄소의 밀도에 대해 조절된다. 이러한 실시예에서, 용융 재료(418)의 밀도는 감소되어, 용융 재료(418) 내의 탄소가 수집 및 제거를 위해 탄소 분리기(114)의 구성요소(922)를 향해 가라앉게 한다.
전술된 바와 같이, 반응기(112)의 효율적인 동작을 위한 다른 장애물은 수소 및/또는 전력에 대한 주기적 및/또는 불균일 수요 곡선에 반응기를 적응시키는 것이다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 주거용 규모 반응기에 통상적인 불균일 수요 곡선을 다루기 위한 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 또는 에너지가 전혀(또는 거의) 필요하지 않을 때의 기간을 갖는 주기적인 수요 곡선에 대해, 반응기(112)는 수요에 일치하기 위해 반응기(112)가 냉각되고 신속하게 재가열될 수 있게 하는 특징부를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 반응기(112)는 수요가 증가할 때 재가열 기간이 더 짧아지도록 수소 또는 에너지가 전혀(또는 거의) 생성되지 않을 때의 기간 동안 기생 열 손실을 상쇄하기 위해 소량의 열을 발생하는 특징부를 포함할 수 있다. 대표적인 해결책의 부가의 상세가 도 11 내지 도 13과 관련하여 아래에 설명된다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 반응기(112)에 통합된 신속 가열 특징부를 포함하는 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 도 11과 관련하여 도시되어 있는 바와 같이, 반응기(112)의 본체(412)는 챔버(1140)에 의해 에워싸일 수 있다. 챔버(1140)는 공간(1142) 및 하나 이상의 전기 가열기(1144)(2개가 도시되어 있음)를 포함한다. 낮은 수요의 기간 동안, 공간(1142)은 기생 열 손실을 감소시키기 위해 진공배기될 수 있다(예를 들어, 적어도 부분 진공을 생성함). 몇몇 실시예에서, 챔버(1140)의 내부 표면은 기생 열 손실을 추가로 감소시키기 위해 반사성이다. 수요가 상승하기 시작할 때, 공간(1142)은 채워질 수 있고(예를 들어, 공기로) 전기 가열기(1144)는 본체(412) 주위에 열을 전달할 수 있고, 반면 버너(116)는 반응기(112)를 신속하게 재가열하기 위해 본체(412) 내로 열을 전달한다. 몇몇 실시예에서, 전기 가열기(1144)는 기생 열 손실을 추가로 감소시키기 위해 낮은 수요의 기간 동안 본체(412) 주위에 열을 전달한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 챔버(1140)는 기생 열 손실의 일부를 포획하는 발전기(예를 들어, 열전 발전기)를 포함한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 포획된 기생 열 손실은 이어서 반응기를 재가열하기 위해 전기 가열기(1144)에 전력 공급하는 데 사용된다.
도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 반응기는 반응기(112)의 본체(412)에 통합된 재가열 시스템(1240)을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 재가열 시스템(1240)은 용융 재료(418) 내에 내장되고 본체(412)의 외부의 공급 라인(1244)에 연결된 가열 코일(1242)을 포함한다. 가열 코일(1242)은 전기(저항성 또는 유도성) 및/또는 유체 코일(예를 들어, 버너로부터의 연도 가스와 같은 고온 가스를 포함함)일 수 있다. 재가열 시스템(1240)을 반응기(112)의 본체(412)와 통합함으로써, 재가열 시스템(1240)은 그렇지 않으면 재가열하는 데 더 느릴 수도 있는 반응기의 중심으로 열을 신속하게 전달할 수 있다. 예를 들어, 본체(412)의 온도가 용융 재료(418)의 융점 미만으로 떨어질 때, 재료의 일부는 재가열 동안 본체(412)를 통한 가스 및/또는 재료의 유동을 방지하기 위해 응고될 수도 있다. 이에 따라, 본체(412)의 중심을 가열하는 것은 본체(412)의 외부 표면으로부터의 전도를 필요로 한다. 본체(412)의 중심에 동시에 열을 전달함으로써, 재가열 시스템(1240)은 반응기(112)가 재가열되는 속도를 가속화할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 가열 코일(1242)은 또한 기생 열 손실의 효과에 대응하기 위해 낮은 수요의 기간 동안 본체(412)에 열을 공급할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 재가열 프로세스를 가속화하기 위해 도 11과 관련하여 전술된 챔버(1140) 및 도 12와 관련하여 전술된 재가열 시스템(1240)의 모두를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 또한, 다양한 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 재가열 프로세스 동안 반응기(112)에 많은 양의 가열 전력을 전달하기 위한 특대형 버너; 재가열 프로세스 동안 본체(412)를 통해 고온 가스를 유동하게 하기 위해 본체(412)에 내장된 스파저와 같은 다공성 매질 버너; 반응기(112) 내부에서 발열 반응을 실행하기 위한 시스템; 및/또는 재가열 프로세스를 가속화하기 위한 다양한 다른 적합한 특징부를 포함할 수 있다. 특대형 버너를 갖는 실시예에서, 특대형 버너는 통상적인 연료 가스(예를 들어, 천연 가스), 수소 저장 구성요소(30)(도 1)로부터의 수소 가스, 및/또는 이들 2개의 혼합물을 사용할 수 있다. 다공성 매질 버너를 갖는 실시예에서, 매질 버너는 재가열 프로세스 동안 연료 가스(예를 들어, 천연 가스, 수소 및/또는 이들 2개의 혼합물)를 연소시킬 수 있고, 이어서 반응기(112)가 동작 온도에 도달한 후에 본체(412)에 반응물을 전달할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 부가적으로 또는 대안적으로 신속한 부분 시동을 위해 재가열 프로세스를 적응시키기 위해 캐스케이드(cascade) 접근법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 반응기(112)는 직렬 또는 병렬 구성으로 배열된 다중 반응 챔버를 포함할 수 있다. 각각의 챔버는 신속하게 재가열할 수 있도록 크기 설정될 수 있고 동작 중에 기생 효과가 고려된 후 순 양의 출력을 가질 수 있다. 또한, 버너 출력은 상당히 조절될 수 있고, 버너(들)는 CH4 및 H2 스트림의 혼합물을 사용할 수 있다. 도 13은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다중 반응 챔버(1312a 내지 1312d)로 분할된 반응기(112)의 예의 개략도이다.
예시된 실시예에서, 반응기(112)는 입력 경로(302)와 유체 연통하는 4개의 반응 챔버(개별적으로 제1 내지 제4 반응 챔버(1312a 내지 1312d)라 칭함)를 포함한다. 일련의 제1 밸브(1322)는 각각의 반응 챔버(1312)로의 반응물의 유동을 제어하고, 제2 일련의 밸브(1324)는 반응기(112)로부터 일련의 버너(116)(개별적으로 제1 내지 제4 버너(116a 내지 116d)라 칭함)로의 반응물 및/또는 출력물의 유동을 제어한다. 각각의 버너(116a 내지 116d)는 반응 챔버(1312a 내지 1312d) 중 하나에 개별적으로 대응한다. 수요가 먼저 증가할 때, 제1 반응 챔버(1312a)는 제1 버너(116a)에 의해 재가열될 수 있다. 이 초기 기간 동안, 제1 버너(116a)는 반응물(예를 들어, 천연 가스) 및/또는 반응기(112)의 이전 동작으로부터 저장된 수소를 연소시켜 제1 반응 챔버(1312a)를 재가열할 수 있다. 일단 제1 반응 챔버(1312a)가 동작 온도에 있으면, 반응물은 수소 가스 생성을 시작하기 위해 제1 반응 챔버(1312a)를 통과할 수 있다.
수소 가스의 일부는 이어서 증가하는 수요를 충족시키기 위해 제2 수소 경로(314)를 따라 유도될 수 있고, 반면 수소 가스의 일부는 제2 반응 챔버(1312b)를 재가열하기 시작하고 그리고/또는 제1 반응 챔버(1312a)의 온도를 유지하기 위해 제1 수소 경로(312)를 따라 보내질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 버너(116b)는 제1 반응 챔버(1312a)로부터의 수소 가스와 반응물의 조합을 연소시켜 제2 반응 챔버(1312b)를 재가열할 수 있다. 일단 제2 반응 챔버(1312b)가 동작 온도에 있으면, 반응물은 반응기(112)에 의해 생성되는 수소 가스의 양을 증가시키기 위해 제2 반응 챔버(1312b)를 통과할 수 있다. 재가열 프로세스는 이어서 제3 및 제4 반응 챔버(1312c, 1312d)에 대해 계속될 수 있다.
더 많은 반응 챔버(1312)가 동작 온도에 도달하고 반응기(112)가 더 많은 수소 가스를 생성함에 따라, 버너(116a 내지 116d)는 이들이 연소하는 가스의 조성을 시프트한다. 몇몇 실시예에서, 버너(116a 내지 116d)는 제4 반응 챔버(1312d)가 동작 온도에 도달하기 전에 또는 도달할 때 반응물을 모두 함께 연소시키는 것을 정지한다. 유사하게, 더 많은 반응 챔버(1312)가 동작 온도에 도달하고 반응기(112)가 더 많은 수소 가스를 생성함에 따라, 제2 수소 경로(314)로 전환되어 반응기(112) 외부로 전달될 수소 가스의 양이 증가할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 하나 이상의 단열체(예를 들어, 도 11과 관련하여 전술된 챔버(1140) 및/또는 기계적 액추에이터(도시되어 있지 않음))를 포함할 수 있다. 기계적 액추에이터는 재가열 프로세스 동안 하나의 반응 챔버(1312)로부터 다음 챔버로 단열체를 이동시킬 수 있다. 일단 하나의 반응 챔버(1312)에 적용되면, 단열체는 재가열 프로세스를 가속화하기 위해 반응 챔버(1312)로부터의 기생 열 손실을 감소시킬 수 있다. 일단 개별 반응 챔버(1312a 내지 1312d)가 동작 온도에 있으면, 단열체(들)가 제거될 수 있고, 기생 열 손실이 시스템(100)(도 1)의 다른 장소에서 포획될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단열체는 이들이 동작 온도에 도달한 후에도 반응 챔버(1312) 위에 남아 있을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 수소 가스 및/또는 전기에 대한 수요가 감소함에 따라 반응 챔버(1312)의 하나 이상을 턴오프한다. 예를 들어, 더 낮은 수요의 기간 동안, 반응기(112)는 제1 및 제2 반응 챔버(1312a, 1312b)를 동작시키고 제3 및 제4 반응 챔버(1312c, 1312d)가 냉각될 수 있게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 반응 챔버(1312a 내지 1312d)는 다른 반응 챔버(1312)를 가열하기 위해 하나의 반응 챔버(1312)로부터의 기생 열 손실을 이용하도록 열적으로 결합된다. 예를 들어, 제1 반응 챔버(1312a)가 동작 온도에 있은 후에, 제1 반응 챔버(1312a)로부터의 기생 열 손실은 제2 내지 제4 반응 챔버(1312b 내지 1312d)를 부분적으로 재가열하기 위해 제2 내지 제4 반응 챔버(1312b 내지 1312d)로 유도될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기 시스템(110)(도 1)은 낮은(또는 무) 수요의 기간 동안에도, 반응기(112)를 동작 온도 부근에 유지함으로써 재가열 프로세스를 회피할 수 있다. 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 연속적으로 및/또는 수요에 따라 반응물의 입력 유동을 조절하지만 반응기(112)의 온도를 유지함으로써 수소 가스를 생성하도록 연속적으로 동작할 수 있다. 연속 동작 실시예에서, 반응기(112)는 정상 동작에 따라 열을 유지하기 위해 수소 가스를 사용한다. 낮은 수요에 의해, 여분의 수소 가스 및/또는 전력은 국부 그리드에 저장되거나 분배될 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)(도 1)는 반응기(112)를 연속적으로 동작시키는 비용을 상쇄 및/또는 해결하기 위해 에너지 그리드 내로 전기를 유도할 수 있다. 다른 예에서, 수요가 반응기의 출력 능력을 초과할 때 반응기(112)로부터의 출력을 보충하기 위해 여분의 에너지가 2차 전지에 저장될 수 있다.
반응물의 입력 유동을 조절하는 실시예에서, 제어기(150)(도 1)는 수요를 측정, 응답 및/또는 예측하고, 이어서 수요를 충족시키기 위해 입력 유동을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 수요가 매일 오후 5시경에 증가한다고 결정할 수 있고 수요를 충족시키기 위해 오후 5시 또는 그 부근에서 입력 유동을 증가시킬 수 있다. 낮은(또는 무) 동작의 기간 동안, 반응기(112)의 온도는 도 11과 관련하여 전술된 챔버(1140), 도 12와 관련하여 전술된 재가열 시스템(1240), 및/또는 임의의 다른 적합한 구성요소에 의해 유지될 수 있다. 예를 들어, 반응기(112)는 파일럿 화염 또는 반응기(112)로부터의 열 손실을 상쇄하는 다른 전기 가열기를 지속적으로 동작시킬 수 있다. 반응물의 입력 유동을 조절하는 몇몇 실시예에서, 반응기(112)로부터의 열 손실은 반응기(112)와 열 전달하는 열 저장 탱크를 사용하여 적어도 부분적으로 회수될 수 있다.
도 1을 참조하여 전술된 바와 같이, 반응기(112)에 대한 추가적인 잠재적 장애물은 일부 주거용 및 상업용 건물 용례에 부과된 크기 제약을 충족하도록 반응기를 적응시키는 것과 크기 제약이 주어지면, 반응기(112)를 시스템(100)의 다른 구성요소에 효율적으로 결합하는 것을 포함한다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 시스템(100)의 동작에서 효율을 달성하기 위해 시스템(100)의 하나 이상의 다른 구성요소와 통합될 수 있다. 즉, 공유된 공간 내에 시스템(100)의 구성요소의 배치는 시스템(100)의 효율 및/또는 동작 비용을 개선시킬 수 있다.
예를 들어, 반응기(112)는 발전기(들)(124) 및/또는 순환 시스템(130)과 통합될 수 있다. 통합 구성요소는 하나 이상의 열 입력을 공유할 수 있고(예를 들어, 단일 버너 시스템 공유함) 그리고/또는 다른 구성요소를 가열하기 위해 하나의 구성요소로부터의 기생 열 손실을 직접 사용할 수 있다. 또한, 통합 구성요소는 전술된 공간 제약에 내에 더 쉽게 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 통합 구성요소는 전통적인 보일러 또는 노와 같은 다른 기기를 위해 이전에 지정된 공간 내에 더 쉽게 맞춰질 수 있다.
노, 보일러 및 온수 가열기와 같은 주거용 난방 기기 내의 소형 열-전기 변환기의 일반적인 사용은 애쉬턴(Ashton) 등에 의해 2019년 3월 12일자로 출원되고 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 출원 제16/794,142호에 이미 설명되어 있다. 그러나, 반응기(112)가 현장에서 시스템(100)의 다른 구성요소와 통합될 때 몇 가지 고유한 열역학적 시너지가 시스템(100)에서 가능하다. 예를 들어, 시스템(100)의 전체 엑서지는 발전기(들)(124)의 바로 상류, 하류 및/또는 평행하게 반응기(112)와 같은 고온 구성요소를 추가함으로써 증가될 수 있다. 발전기(들)(124)에 의해 이용되지 않는 열은 반응기(112)에 의해 이용될 수 있고, 또는 그 반대도 마찬가지일 수 있어, 열이 손실되기 전에(예를 들어, 기기의 하류 열 교환기에서 열화됨) 입력 반응물 내의(예를 들어, 메탄 입력물 내의) 자유 에너지 함량의 더 큰 부분을 포획할 수 있다. 그 결과, 통합 시스템(100)의 효율은 개별적으로 동작하는 구성요소를 갖는 시스템의 효율을 초과할 수 있다.
다른 예에서, 기기 내에서 천연 가스보다 수소의 사용은 화염으로부터 발전기(들)(124)로의 열 전달 프로세스의 효율을 개선하는 것을 도울 수 있다. 또한, 수소는 더 높은 화염 온도를 갖는데, 이는 또한 고정된 가열 수요에서 발전기(들)(124)의 효율을 증가시키는 것을 돕는다. 게다가, 시스템(100)의 다른 구성요소로부터 온디맨드(on-demand) 전기 및 국부 전기 저장 장치의 가용성은 다양한 개시된 실시예가 반응기(112)의 주거용 규모 동작 과제를 해결하는 것을 가능하게 하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 국부 발전기(들)(124)는 반응기(112)(예를 들어, 도 11 및 도 12와 관련하여 전술된 실시예에 따라)에 전기 가열을 제공할 수 있고 그리고/또는 반응기(112)의 전기 구동 밸브 또는 액추에이터를 동작할 수 있다.
도 14는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 발전 시스템(120)에 결합된 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 예시된 실시예에서, 시스템은 병렬로 배열된 2개의 반응기(112) 및 2개의 발전기(124)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 각각 발전기(124)의 고온 단부(1426)와 나란히 버너(116)에 인접하게 배치된다. 병렬 배열에서, 버너(116)로부터의 열은 각각의 반응기(112) 내로 직접 뿐만 아니라 각각의 발전기(124)의 고온 단부(1426) 내로 직접 전달된다. 반응기(112)로 전달된 열은 반응기(112)의 동작 온도를 유지하여 열분해 반응을 야기하여, 이에 의해 수소 가스를 생성한다. 몇몇 실시예에서, 수소 가스의 적어도 일부는 탄소 분리기에서 탄소 미립자로부터 분리되고, 이어서 제1 수소 경로(312)를 따라 버너(116)로 보내진다. 예시된 실시예에서, 버너(116)를 위한 수소 연료 공급은 제1 수소 경로(312)로부터 완전히 나오고 버너(116)에서 공기와 혼합되어 수소 화염의 연소 온도를 조정한다. 다양한 다른 실시예에서, 수소 연료 공급원은 저장 탱크로부터의 수소 및/또는 다른 연료(예를 들어, 천연 가스)로 보충될 수 있다.
한편, 발전기(124)로 전달된 열은 발전기(124)의 고온 단부(1426)와 발전기(124)의 저온 단부(1426) 사이에 온도차를 발생시킨다. 예시된 실시예에서, 발전기(124)의 저온 단부는 챔버(1440) 내에 위치되고 공간(1427)에 의해 고온 단부(1426)로부터 분리된다. 챔버(1440)는 반응기(112)로부터 발전기(124)의 저온 단부(1428)를 단열하고, 반면 공간(1427)은 저온 단부(1428)로부터 발전기(124)의 고온 단부(1426) 사이의 온도차를 유지하는 것을 돕는다. 발전기(124)는 이어서 임의의 적합한 메커니즘에 따라 전기를 발생하기 위해 온도차를 사용할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 발전기(124)는 진공(또는 부분 진공) 또는 공간(1428) 내의 적합한 재료에 의해 저온 단부(1428)로부터 분리된 고온 단부(1426)를 갖는 열이온 변환기이다. 이러한 실시예에서, 고온 및 저온 단부(1426, 1428)는 각각 공간(1427)에 의해 분리된 금속 플레이트일 수 있다. 고온 단부(1426)가 고온으로 가열될 때, 가열된 금속의 표면은 전자를 공간(1427)을 가로질러 저온 단부(1428)로 방출하여, 사용 가능한 전기적 에너지를 생성할 것이다. 열이온 변환기는 발전기(124) 내의 임의의 이동 부품 없이 버너로부터의 열로부터 전기를 발생할 수 있어, 이에 의해 시스템(100)에 대한 유지 보수 및/또는 공간 요건을 감소시킨다. 반응기(112) 또는 발전기(124)에 의해 사용되지 않는 열은 순환 시스템(130)(도 1)의 싱크 및/또는 열 교환기로 유도될 수 있는 경로(1434)를 따라 외향으로 유동한다.
도 15는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 순환 시스템(130)에 결합된 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 반응기 시스템(110)에서, 반응기(112)는 반응기(112)의 양 측에 배치된 하나 이상의 버너(116)로부터 열을 수용한다. 하나 이상의 단열 벽(1540)이 버너(116) 주위에 위치된다. 단열 벽(1540)은 반응기(112)의 동작 온도를 유지하기 위해 버너(116)로부터의 열이 반응기(112)를 향하는 것 이외의 임의의 방향으로 통과하는 것을 제한하거나 방지한다. 순환 시스템(130)은 반응기(112)에 의해 흡수되지 않은 열 및/또는 반응기(112)로부터의 기생 열 손실을 포획하기 위해 단열 벽(1540) 주위에 위치된다. 이에 따라, 반응기(112)에서 흡수되지 않은 열은 순환 시스템(130) 내로 직접 유동한다. 반응기 시스템(110) 및 순환 시스템(130)의 예시된 구성은 시스템(100)(도 1)이 버너(116)에 의해 생성된 열의 모두 또는 거의 모두를 이용할 수 있게 할 수 있다.
다양한 다른 실시예에서, 도 1의 시스템(100)은 시스템(100)의 구성요소 사이에 다양한 다른 직렬 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 반응기(112) 및 발전기(들)(124)는 열을 직접 수용하기 위해 버너(116)에 매우 근접하게 위치된 발전기(들)(124)와 직렬로 배열된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 발전기(들)(124)와 발전기(들)(124)용 열 방출 루프 사이에 위치된다. 이 직렬 구성은 발전기(들)(124)의 동작 온도가 반응기(112)의 동작 온도보다 높은 실시예에 적절하여, 발전기(들)(124)가 버너(116)로부터의 열에 대한 더 높은 수요를 갖게 되고 반응기(112)의 동작 온도를 유지하기 위해 충분한 여분의 열이 존재하게 된다. 단지 예로서, 일부 열이온 에너지 변환기, 열광전지 및 다른 고온 열 기관이 이 구성에 적절하다. 다른 예에서, 몇몇 실시예에서, 반응기(112) 및 발전기(들)(124)는 열을 직접 수용하기 위해 버너(116)에 매우 근접하게 위치된 반응기 시스템(110)과 함께 직렬로 배열된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 발전기(들)(124)는 반응기 시스템(110)으로부터 방출된 열을 직접 이용하기 위해 바로 하류에 위치된다. 이러한 직렬 구성은 더 저온 발전기(들)(124)가 이용되는 실시예에 적절하다. 단지 예로서, 일부 알칼리 금속 열-전기 변환기 또는 열 기관이 반응기(112) 상의 보터밍 사이클(bottoming cycle)인 스털링 엔진이 이 구성에 적절하다.
전술된 열역학적 시너지가 요구되지 않는 다른 실시예에서, 시스템(100)의 각각의 구성요소는 다른 구성요소로부터 분리될 수 있다. 구성요소를 개별적으로 위치설정하는 것은 또한 전술된 공간 요건을 해결하는 것을 도울 수 있어, 시스템(100)의 구성요소가 이용 가능한 공간에 맞춰질 수 있게 한다. 즉, 시스템(100)의 모든 구성요소 함께를 위해 충분히 큰 공간을 필요로 하는 대신, 시스템(100)은 대응하는 개별 공간 내에 맞춰지고, 이어서 상호 연결될 수 있다.
도 16은 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따른 재생 열분해 반응기(112)를 통한 재료의 유동의 블록도이다. 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 연료 공급원(10)에 동작 가능하게 결합된 입력 밸브(1602), 입력 밸브(1602)에 동작 가능하게 결합된 2개의 반응 챔버(1612)(개별적으로 제1 반응 챔버(1612a) 및 제2 반응 챔버(1612b)라 칭함) 및 반응 챔버(1612)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 출력 밸브(1604)를 포함한다. 각각의 반응 챔버(1612)는 열 교환 재료 및 열 교환 재료를 통한 하나 이상의 유로를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 교환 재료는 코디어라이트, 멀라이트, 알파 알루미나, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 각각의 반응 챔버(1612)는 열 교환 재료에 의해 형성된 일체형 및/또는 단일체 구조를 갖는다. 반응물이 반응 챔버(1612) 중 하나를 통해 유동할 때, 열 교환 재료는 열분해 반응을 위한 엔탈피점 초과로 반응물을 가열하여, 이에 의해 반응물 내의 탄화수소가 수소 가스와 탄소 미립자로 분해되게 한다. 수소 가스는 이어서 열 및/또는 전기를 발생하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 수소 가스는 반응 챔버(1612)의 열을 예열 및/또는 유지하기 위해 연소된다. 몇몇 실시예에서, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반응기(112)는 주기적 방식으로 동작한다.
예를 들어, 제1 시간 기간 동안, 입력 밸브(1602)는 반응물을 제1 반응 챔버(1612a) 내로 유도할 수 있다. 제1 반응 챔버(1612a)는 열분해 반응을 야기하여, 이에 의해 반응물을 탄소 미립자와 수소 가스로 분해할 수 있다. 출력 밸브(1604)는 이어서 제1 반응 챔버(1612a)로부터의 출력물의 적어도 일부를 탄소 분리기(114), 공기 송풍기(118) 및 버너(116)를 향해 유도할 수 있다. 전술된 바와 같이, 탄소 분리기(114)는 수소 가스의 유동으로부터 탄소 미립자를 제거할 수 있고, 공기 송풍기(118)는 수소 가스를 산소와 혼합할 수 있으며, 버너(116)는 수소를 산소와 연소시킬 수 있다. 연도 밸브(1606)는 이어서 제2 반응 챔버(1612b)를 가열하기 위해 생성된 고온 연도 가스를 제2 반응 챔버(1612b) 내로 및/또는 그 주위로 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고온 연도 가스는 제2 반응 챔버(1612b) 내의 탄소가 연소되게 하여, 제2 반응 챔버(1612b)에 추가로 열을 전달한다. 출력 밸브(1604)는 제2 반응 챔버(1612b) 외부로 유동하는 고온 연도 가스를 발전기(124) 및/또는 순환 시스템(130)을 향해 유도할 수 있다. 발전기(124)는 전기를 발생하고 전력망(40) 내로 출력하기 위해 고온 연도 가스를 사용할 수 있고, 반면 순환 시스템(130)은 난방 그리드(50) 내로 열을 출력하기 위해 고온 연도 가스를 사용할 수 있다. 임의의 나머지 연도 가스가 이어서 배기 시스템(60)을 통해 방출된다.
제2 시간 기간 동안, 유동은 열분해 반응을 야기하고 반응 챔버(1612a)를 재가열하기 위해 제2 반응 챔버(1612b) 내로 전달된 열을 이용하기 위해 밸브(1602, 1604, 1606)를 통해 역전될 수 있다. 즉, 입력 밸브(1602)는 제2 반응 챔버(1612b) 내로 반응물을 유도하고, 출력 밸브(1604)는 제2 반응 챔버(1612b)로부터 버너(116)를 향해 수소 가스의 적어도 일부를 유도하고, 연도 밸브(1606)는 제1 반응 챔버(1612a) 내로 및/또는 그 주위로 고온 연도 가스를 유도하고, 출력 밸브(1604)는 제1 반응 챔버(1612a)로부터 발전기(124) 및/또는 순환 시스템(130)을 향해 고온 연도 가스를 유도한다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 적합한 양의 시간 후에 활성 스테이지와 예열 스테이지 사이에서 반응 챔버(1612)를 순환시킨다(예를 들어, 제1 반응 챔버(1612a) 및 제2 반응 챔버(1612b)로 반응물을 유도하는 것으로부터 전환함으로써). 예를 들어, 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 1분마다, 2분마다, 10분마다, 30분마다, 또는 임의의 다른 적합한 기간 후에 반응 챔버(1612) 사이에서 순환할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 활성 반응 챔버(예를 들어, 열분해 반응을 야기하는 반응 챔버) 내의 온도가 미리 결정된 지점 아래로 떨어질 때 반응 챔버(1612) 사이에서 순환한다. 활성 반응 챔버 내에 있는 동안 반응물이 충분히 반응하는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 미리 결정된 지점이 선택될 수 있다. 미리 결정된 지점 아래에서, 반응물은 활성 반응 챔버 내에서 충분히 빠르게 반응하지 않을 수도 있고 그리고/또는 전혀 반응하지 않을 수도 있다. 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 활성 반응 챔버 내의 온도가 약 1200℃ 미만으로 떨어질 때 반응 챔버(1612) 사이에서 순환할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응 챔버(1612)의 입력 및 출력은 배관 시스템에 의해 밸브(1602, 1604, 1606)에 연결될 수 있고 밸브(1602, 1604, 1606)는 파이프를 통해 유체의 유동을 유도하기 위해 밸브(1602, 1604, 1606)를 토글하기 위해 액추에이터에 결합될 수 있다. 이에 따라, 반응기(112)는 밸브를 토글하도록 스위치(1602, 1604, 1606)에 명령함으로써 반응 챔버(1612) 사이에서 순환할 수 있다. 그 결과, 반응기(112)는 밸브를 사용하는 시간에 따라, 빠르고 효율적인 방식으로 반응 챔버(1612) 사이에서 순환할 수 있다. 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 1분 미만, 30초 미만, 10초 미만 또는 거의 순간적으로 반응 챔버(1612) 사이에서 순환할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 밸브(1602, 1604, 1606)는 대응하는 밸브를 동시에 토글할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 밸브(1602, 1604, 1606)의 하나 이상은 대응하는 밸브를 순차적으로 토글할 수 있다. 예를 들어, 출력 밸브(1604)는 활성 반응 챔버로부터의 모든 수소 가스가 적절한 목적지로 유도된 후에 대응하는 밸브를 토글할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 출력 밸브(1604)는 활성 반응 챔버로부터의 수소 가스의 일부를 반응기(112)로부터 이격하여 유도한다. 예를 들어, 수소 가스는 전기를 생성하기 위한 발전기(124) 및/또는 수소 저장 장치로 유도될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장된 수소 가스는 이후에 반응 챔버(1612)의 하나 이상을 가열하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 저장된 수소의 사용은 반응기(112)를 재시동하기 위해 다른 에너지(예를 들어, 열 및/또는 전기) 소스를 요구하지 않고 높은 사용 기간 사이에 반응기(112)가 냉각될 수 있게 한다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 하나 이상의 부가의 구성요소 및/또는 전술된 구성요소의 하나 이상의 대안적인 배열을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 위치된 탄소 분리기(114)는 반응 챔버와 출력 밸브(1604) 사이에 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 다중 출력 밸브(1604), 다중 탄소 분리기(114) 및/또는 다중 버너(116)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 반응기(112)의 구성요소 중 하나 이상은 조합된다. 예를 들어, 버너(116)는 공기 송풍기(118)와 단일 구성요소로 통합될 수 있다. 다른 예에서, 밸브(1602, 1604, 1606) 중 하나 이상은 단일 구성요소로 조합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 3개, 4개, 5개, 10개 및/또는 임의의 다른 적합한 수의 반응 챔버(1612)와 같은, 2개 초과의 반응 챔버(1612)를 포함할 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 2개 이상의 반응 챔버(1612)는 반응기(112)의 동작 중에 활성화된다(예를 들어, 반응물을 가열하는 데 사용됨). 몇몇 이러한 실시예에서, 2개 이상의 반응 챔버(1612)는 반응기(112)의 동작 중에 예열된다.
도 17a는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 16의 반응기(112)에서 사용을 위한 반응 챔버(1712)의 부분 개략도이다. 예시된 실시예에서, 반응 챔버(1712)는 반응 챔버(1712)의 제1 단부(1714)로부터 제1 단부(1714)에 대향하는 반응 챔버(1712)의 제2 단부(1716)로 연장하는 다수의 유동 채널(1780)을 포함한다. 함께, 유동 채널(1780)은 반응 챔버(1712)의 열 교환 재료를 통한 경로(1772)를 형성한다. 이에 따라, 동작 중에, 반응물은 제1 단부(1714)에서 유동 채널(1780) 내로, 경로(1772) 아래로, 제2 단부(1716)에서 유동 채널(1780) 외부로 유동할 수 있다. 반응 챔버(1712)는 경로(1772)를 따라 이동하는 반응물에 열을 전달하여, 이에 의해 열분해 반응이 발생되게 할 수 있다.
예시된 실시예에서, 반응 챔버(1712)는 원형 튜브 형상을 갖는다. 다양한 다른 실시예에서, 반응 챔버(1712)는 정사각형, 직사각형, 육각형 및/또는 다른 관형 형상, 코일 또는 다른 비축방향 형상 및/또는 임의의 다른 적합한 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 유사하게, 예시된 실시예에서, 각각의 유동 채널(1780)은 원형 튜브 형상을 갖는다. 다양한 다른 실시예에서, 반응 챔버(1712)의 유동 채널(1780)은 정사각형, 직사각형, 육각형 및/또는 다른 관형 형상, 코일 및/또는 임의의 다른 적합한 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 반응 챔버(1712)는 원하는 구조에 적용되는 다양한 알려진 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버(1712)는 적층 제조 프로세스(예를 들어, 3차원 인쇄), 다이 프로세스, 몰딩 프로세스, 압출 프로세스, 및/또는 제조 기술의 임의의 조합에 의해 제조될 수 있다.
도 17a에 도시되어 있는 바와 같이, 반응 챔버(1712)는 경로(1772)의 길이에 대응하는 길이(L) 및 직경(D1)을 갖는다. 또한 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 유동 채널(1780)은 직경(D2)을 갖는다. 길이(L), 직경(D1) 및 직경(D2)은 각각 반응 챔버(1712)에 대한 원하는 출력 능력, 반응기(112)(도 16)가 통합될 것인 공간에 대한 크기 요건, 및/또는 반응 챔버(1712)에 대한 바람직한 동작 조건에 기초하여 변할 수 있다. 또한, 치수는 상호 의존적일 수 있다. 예를 들어, 직경(D1)은 직경(D2) 및 원하는 채널 밀도에 따라 설정될 수 있다. 다른 예에서, 길이(L)는 유동 채널(1780)을 통해 유동하는 반응물이 반응 챔버(1712) 내의 엔탈피점에 도달하는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 직경(D2)에 부분적으로 의존할 수 있다. 다양한 예시적인 실시예에서, 반응 챔버(1712)의 길이(L)는 약 0.5 미터(m) 내지 약 10 m 범위일 수 있고; 반응 챔버(1712)의 직경(D1)은 약 0.1 m 내지 약 1 m 범위일 수 있고; 유동 채널의 직경(D2)은 약 0.01 센티미터(cm) 내지 약 1 m의 범위일 수 있고; 그리고/또는 채널 밀도는 약 1 평방 인치당 채널(CPI) 내지 약 500 CPI의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 반응 챔버(1712)의 길이(L)는 약 1 m이고, 반응 챔버(1712)의 직경(D1)은 약 1.3 cm이고, 유동 채널의 직경(D2)은 약 0.635 cm이고, 채널 밀도는 약 4 CPI이다.
각각의 치수가 동작 고려 사항에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지에 대한 부가의 상세가 아래에 기술된다. 통상의 기술자는 아래에서 설명되는 예시적인 동작 조건이 단지 예일 뿐이고, 반응기가 전술된 출력 수요를 충족시키기 위해 다양한 다른 적합한 동작 고려 사항을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 반응 챔버(1712)는 1 분당 표준 리터(SLPM) 및 5 SLPM의 반응물 입력 유량으로 아래에 설명되지만, 반응 챔버(1712)는 임의의 다른 적합한 반응물 입력 유량을 가질 수 있다.
반응 챔버 치수에 대한 하나의 고려 사항은 유입 반응물을 원하는 반응 온도 초과로(예를 들어, 엔탈피점 초과 또는 엔탈피점 충분히 초과로) 가열하는 반응 챔버(1712)의 능력이다. 예를 들어, 주어진 열 전달 재료, 반응 챔버의 주어진 온도 및 유동 채널(1780)에 대한 주어진 표면 대 체적(S/V) 비(유동 채널(1780)의 직경(D2)에 의해 정의됨), 반응 챔버(1712)는 속도(R1)로 유입 반응물에 열을 전달한다. 열 전달 속도(R1)에서, 특정 유도 시간(예를 들어, 반응물을 원하는 온도 초과로 가열하기 위한 시간) 및 체류 시간(예를 들어, 반응 시간)은 열분해 반응을 통해 유입 반응물 내의 탄화수소를 수소 및 탄소로 변환하도록 요구된다. 이에 따라, 열 전달 속도(R1)에서, 반응물은 열분해 반응에서 원하는 변환 정도(예를 들어, 분해된 탄화수소의 원하는 백분율)에 도달하기 위해 총 시간 요건을 가질 수 있다. 이어서, 반응 챔버(1712)의 길이(L) 및/또는 반응물의 입력 유량은 총 시간 요건을 만족하도록 변경될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, S/V 비는 총 시간 요건을 만족시키기 위해 설정된 길이(L)에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 원하는 동작 온도는 약 1200℃ 내지 약 1600℃일 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 탄화수소의 모두 또는 거의 모두를 수소 가스 및 탄소로 변환하기 위해 요구되는 체류 시간은 1초 미만을 포함하는 초 규모이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 동작 온도는 약 5 SLPM의 입구 유량 및 약 1.3 cm의 유동 채널의 직경(D2)을 갖는 반응기에서 약 1200℃ 내지 약 1400℃로 변할 수 있어, 약 0.27초의 유도 시간 및 약 0.38초의 체류 시간을 야기한다. 약 1 m의 길이(L)를 갖는 반응 챔버에 대해, 반응물의 약 90%가 반응 챔버 내에서 변환될 것이다.
도 18은 반응 챔버(1712)의 길이와 다양한 입력 유량 및 다양한 열 전달 속도에 대한 반응 챔버(1712)를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계의 예를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 20 평방 켈빈당 와트(W/m2K)의 제1 열 전달 속도 및 1 SLPM의 반응물의 입력 유량에서, 반응물은 약 40 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 대조적으로, 제1 열 전달 속도 및 5 SLPM의 반응물의 입력 유량에서, 반응물은 약 100 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 또한 대조적으로, 5 SLPM의 반응물의 입력 유량 및 100 W/m2K의 제2 열 전달 속도에서, 반응물은 약 40 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 다양한 실시예에서, 본 발명자는 약 1 SLPM로부터 약 5 SLPM으로 변하는 입력 유량, 약 0.5 cm 내지 약 5 cm 범위의 유동 채널(1780)의 직경(D2), 약 1000℃의 원하는 동작 온도 증가에 대해, 요구 길이(L)가 약 0.05 m 내지 약 1.3 m로 변할 수 있다고 결정했다.
몇몇 실시예에서, 반응 챔버(1712)의 크기는 반응 챔버(1712)에 진입하기 전에 반응물을 예열함으로써 더 감소될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 반응물은 반응물이 반응 챔버(1712)에 진입하기 전에 약 500℃의 온도로 예열된다. 몇몇 실시예에서, 반응물은 활성 반응 챔버 및/또는 예열 반응 챔버 외부로 유동하는 고온 출력물을 사용하여 예열된다. 예를 들어, 반응물에 대한 입력 라인은 동시에 출력물을 냉각하고 반응물을 예열하기 위해 활성 반응 챔버로부터 출력물 주위에 감겨진 코일을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 도 16b와 관련하여 전술된 바와 같이, 반응물에 대한 입력 라인은 동시에 연도 가스를 냉각하고 반응물을 예열하기 위해 예열 반응 챔버로부터의 출력물 주위에 감겨진 코일을 포함할 수 있다.
반응 챔버의 치수에 대한 다른 고려 사항은 연속 및/또는 연장 동작을 견딜 수 있는 반응 챔버(1712)의 능력이다. 이러한 동작에 대한 하나의 제한은 반응 챔버(1712) 내의 열 교환 재료가 고온(예를 들어, 1000℃ 초과)에서 유동 채널(1780) 사이의 비교적 높은 압력 강하를 견딜 수 없다는 것이다. 이에 따라, 반응 챔버(1712)의 치수 및 미리 결정된 동작 조건은 동작 중에 유동 채널(1780)을 가로지르는 예상 압력 강하에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다.
예를 들어, 유동 채널(1780)을 가로지르는 압력 강하는 반응물의 가스 또는 유체 유동, 채널 직경(D2), 및 채널 길이(예를 들어, 반응 챔버(1712)의 길이(L))에 의존한다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(1780)의 직경(D2) 및/또는 반응 챔버(1712)의 길이(L)는 유동 채널(1780)을 가로지르는 압력 강하를 고려하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 약 5 m의 길이(L), 약 0.5 cm 내지 약 1.5 cm의 유동 채널 직경(D2), 약 1 SLPM 내지 약 5 SLPM의 반응물 입력 유량, 및 약 1500℃의 동작 온도를 갖는 반응 챔버(1712)에 대해, 압력 강하는 약 1 평방 인치당 파운드(psi) 미만이며, 이는 허용 가능한 범위 내에 있다고 결정했다.
또한, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(1780)의 표면 벽 상에 퇴적된 탄소 재료(또한 "오염"이라고도 칭함)는 동작 중에 유동 채널(1780)을 부분적으로(또는 완전히) 막히게 할 수 있다. 오염으로 인한 유동 채널 직경(D2)의 감소는 압력 강하 요건을 충족하도록 선택된 반응 챔버(1712)의 치수에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 이질 및/또는 균질 열분해 반응의 결과로서 반응 챔버(1712) 내에 탄소 미립자가 생성될 수 있다. 이질 반응은 반응물과 반응 챔버(1712)의 고온 표면 또는 벽 사이의 상호 작용에 기초한다. 대조적으로, 균질 반응은 반응물의 기상(gas phase)에서 발생하여, 기체 반응물에서 탄소 미립자의 핵 생성 및 성장으로 이어진다. 균질 반응을 통해 생성된 탄소 미립자는 가스 유동에 의해 반응 챔버(1712)의 제2 단부(1716)로 운반된다. 일단 반응 챔버(1712) 외부에 있으면, 탄소 미립자는 일련의 사이클론 및/또는 탄소 필터와 같은 탄소 분리기에 의해 수집될 수 있다. 이질 반응을 통해 생성된 탄소 미립자는 종종 반응 챔버(1712)의 유동 챔버 내에 남아 있어, 이에 의해 시간 경과에 따라 유동 채널(1780)을 오염시킨다. 이질 반응과 균질 반응의 비는 유동 채널(1780) 내의 S/V 비(유동 채널(1780)의 직경(D2)에 의해 결정됨) 및 반응 챔버(1712)의 벽과 반응물의 접촉 시간에 의해 영향을 받는다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(1780)의 직경(D2)은 균질 반응으로서 발생하는 열분해 반응의 양을 최대화하도록 선택된다.
도 19는 주어진 입력 유량에 대한 도 17의 반응 챔버(1712) 내의 반응 유형에 대한 S/V 비와 유동 채널(1780)의 직경(D2) 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다. 예시된 관계에서, 제1 영역(1902)은 약 10,000/cm 내지 약 1000/cm의 S/V 비에 대응한다. 제1 영역(1902)에서, 열분해 반응은 완전히(또는 거의 완전히) 이질 반응이다. 제2 영역(1904)은 약 1000/cm 내지 약 100/cm의 S/V 비에 대응한다. 제2 영역(1904)에서, 열분해 반응은 주로 이질 반응이고, 일부 균질 반응이 발생하기 시작한다. 제3 영역(1906)은 약 100/cm 내지 약 20/cm의 S/V 비에 대응한다. 제3 영역(1906)에서, 열분해 반응은 주로 균질 반응이고, 일부 이질 반응이 남아 있다. 제4 영역(1908)은 약 20/cm 미만의 S/V 비에 대응한다. 제4 영역(1908)에서, 열분해 반응은 완전히(또는 거의 완전히) 균질 반응이다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널 직경(D2)은 제4 영역(1908) 내에서 선택될 수 있고, 따라서 약 0.2 cm 이상의 직경(D2)을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 오염은 유동 채널 사이의 압력 강하에서 최소의 역할을 할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 영역(1908) 내의 유동 채널에 대한 압력 강하가 모두 전술된 압력 강하 요건을 만족한다고 결정했다(예를 들어, 1 psig/m 미만의 압력 강하를 가짐). 예를 들어, 도 20은 직경(D2)과 다양한 입력 유량에 대한 유동 채널을 가로지르는 압력 강하 사이의 관계를 도시하고 있다. 도 20에서, 1 psig/m 미만의 압력 강하를 유지하기 위한 최소 직경은 라인(2002)으로 표시된다. 예를 들어, 1 SLPM의 입력 유량에 대해, 라인(2002)으로 표시된 최소 직경은 약 0.3 cm이다. 다른 예에서, 50 SLPM의 입력 유량에 대해, 라인(2002)으로 표시된 최소 직경은 약 1.1 cm이다. 각각의 라인(2002)에 의해 표시된 바와 같이, 각각의 입력 유량에 대한 최소 직경은 도 19와 관련하여 전술된 영역(1908)에 대해 0.2 cm 초과이다. 이에 따라, 1 psig/m 압력 강하에 대한 압력 강하 요건을 만족하는 직경은 또한 거의 완전히 균질 반응을 생성할 것이고, 이에 의해 오염으로부터의 압력 강하 문제를 회피한다.
도 17b는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 16a에 도시되어 있는 유형의 반응기(112)의 부분 개략도이다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 입력 밸브(1702), 2개의 반응 챔버(1712), 2개의 출력 밸브(1704)(개별적으로 제1 출력 밸브(1704a) 및 제2 출력 밸브(1704b)라 칭함), 탄소 분리기(114) 및 버너(116)를 포함한다. 도 17b에서, 반응기(112)를 통한 재료의 유동은 일반적으로 도 16과 관련하여 전술된 것과 동일한 방식으로 제1 시간 기간 동안 화살표로 표시된다. 그러나, 예시된 실시예에서, 출력 밸브(1704)는 함께 동작하도록 연도 밸브(1606)(도 16)와 조합되었다. 예를 들어, 제1 출력 밸브(1704a)는 제1 반응 챔버(1712a)로부터 탄소 분리기(114) 및 버너(116)로 출력물을 유도하고, 반면 제2 출력 밸브(1704b)는 버너(116)로부터 제2 반응 챔버(1712b)로 연도 가스를 유도한다. 제2 시간 기간 동안, 반응기(112)를 통한 유체의 유동은 역전된다. 제2 시간 기간 동안, 제2 출력 밸브(1704b)는 제2 반응 챔버(1712b)로부터 탄소 분리기(114) 및 버너(116) 내로 출력물을 유도하고, 반면 제1 출력 밸브(1704a)는 버너(116)로부터 제1 반응 챔버(1612a)로 연도 가스를 유도한다.
도 17b에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 반응기(112)의 반응 챔버(1712)는 수직 방향으로(예를 들어, z-축을 따라) 배향될 수 있다. 수직 배향은 반응 챔버(1712) 외부로 탄소 미립자를 운반하는 것을 돕기 위해 중력을 이용함으로써 오염으로부터의 효과를 회피하는 것을 도울 수 있다. 탄소 미립자를 제거하기 위한 중력으로부터의 도움은 중요할 수 있는데, 이는 탄소 미립자가 유효 유체 밀도 및/또는 속도, 및 따라서 탄소가 완전히 균질 반응에 의해 형성되더라도 반응기 외부로 탄소를 운반하는 유체의 능력을 변경할 수 있기 때문이다. 본 발명자들은 약 1 초당 미터(m/s) 내지 약 30 m/s의 표면 가스 속도, 약 1400℃의 동작 온도 및 CH4 분자에 대한 거의 100% 열분해를 갖는 반응 챔버(1712)에 대해, 반응 챔버(1712)는 임의의 오염 효과를 회피하기 위해 약 268 입방 미터당 그램(g/m3)을 제거하는 것이 가능해야 할 필요가 있을 것이라고 결정했다. 본 발명자들은 또한 약 1 cm 내지 약 5 cm의 유동 채널(1708)의 직경(D2)(도 17a) 및 수직 배향을 갖는 반응 챔버(1712)에서, 탄소 미립자가 반응 챔버(1712)를 통한 가스의 유동을 안정화할 것이고 그를 통한 재료의 유동에 의해 반응 챔버(1712)로부터 제거될 것이라고 결정했다. 또한, 약 1 cm 내지 약 5 cm의 유동 채널(1708)의 직경(D2)(도 17a)에 대해, 탄소가 수평 반응물 유동 및/또는 수직 상향 반응물 유동의 경우에도 반응 챔버(1712)로부터 완전히 제거될 것으로 고려된다. 또한, 본 발명자들은 더 큰 직경(D2)을 갖는 유동 채널(1708)에 대해, 압력 강하가 더 낮을 것이라고 결정했다. 이에 따라, 이러한 유동 채널(1708)에 대해, 본 발명자들은 압력 강하 문제를 회피하면서 더 큰 유량이 가능하다고 결정했다.
도 17b에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 입력 밸브(1702)는 고온 연도 가스를 반응기(112) 외부로 유도하기 위해 예열 반응 챔버(예를 들어, 예시된 유동에서 제2 반응 챔버(1712b))에 대한 출력 밸브로서 작용할 수 있다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 입력 밸브(1702)는 반응기(112) 내로 유동하는 반응물을 예열하기 위해 고온 연도 가스로부터의 열을 사용하기 위해 반응 챔버(1712)로부터의 출력 채널 주위에 감겨진 입력 코일을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 반응기로부터의 출력 라인은 반응기로의 입력 라인에 인접하게 위치될 수 있어, 또한 고온 연도 가스가 반응기(112) 내로 유동하는 반응물을 예열할 수 있게 한다.
도 21은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 탄소 분리기(114)에서 이용될 수 있는 사이클론 분리기(2100)의 개략도이다. 도 21에 도시되어 있는 바와 같이, 사이클론 분리기(2100)는 입구 튜브(2110)(개별적으로 제1 입구 튜브(2110a) 및 제2 입구 튜브(2110b)라 칭함)와 유체 연통하는 메인 배럴(2102), 메인 배럴(2102)과 유체 연통하는 원추 섹션(2104), 원추 섹션(2104)과 유체 연통하는 수집 섹션(2106), 및 수집 섹션(2106)과 유체 연통하는 딥레그(dipleg)(2108)를 포함한다.
제1 입구 튜브(2110a)는 반응기 출력 경로(2112)를 따라 탄소 미립자와 수소 가스를 포함하는 혼합물을 수용하기 위해 전술된 임의의 반응기로부터의 출구와 유체 연통할 수 있다. 제2 입구 튜브(2110b)는 촉매 입력 경로(2114)를 따라 촉매 증기를 수용하기 위해 촉매 증기 소스에 연결될 수 있다. 도 21에 도시되어 있는 바와 같이, 촉매 입력 경로(2114)는 메인 배럴(2102) 내의 반응기 출력 경로(2112)와 충돌하여 사이클론 분리기(2100) 내에서 하향 이동하는 사이클론을 생성한다. 이어서, 사이클론은 그 내부에 유동하는 탄소 미립자와 수소 가스의 혼합물에 원심력을 부여한다. 이 힘으로부터의 영향과 수소 가스와 탄소 미립자 사이의 밀도의 차이에 기초하여, 혼합물은 사이클론 분리기(2100)를 통해 이동함에 따라 분리된다. 원추 섹션(2104)의 테이퍼진 벽은 사이클론의 속도를 유지하고 혼합물을 수집 섹션(2106) 및 딥레그(2108)를 향해 깔때기형으로 집중시킨다. 탄소 미립자의 일부 또는 모두는 수집 섹션(2106) 내에 포획되어 딥레그(2108)가 생성된 수소 가스를 다른 장소로 보내기 전에 탄소 처리 구성요소(20)(도 1)로 보내진다. 몇몇 실시예에서, 사이클론 분리기(2100)는 약 10 마이크로미터(㎛) 이상의 직경을 갖는 탄소 미립자를 포획한다. 약 10 ㎛ 미만의 직경을 갖는 탄소 미립자는 사이클론 분리기(2100)의 출력부 내로 빠져나갈 수 있다. 이에 따라, 다양한 실시예에서, 탄소 분리기(114)는 일련의 사이클론 분리기 및/또는 습식 스크러빙 구성요소, 백하우스 필터, 및/또는 전기 집진기 및/또는 다른 적합한 구성요소와 같은 다른 미립자 포획 유닛을 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소 분리기(114)는 혼합물로부터 부가의 탄소 미립자를 포획하기 위해 사이클론 분리기(2100)에 동작 가능하게 결합된 백하우스 필터를 포함할 수 있다. 백하우스 필터는 먼지와 고체 미립자가 개방된 환경에서 빠져나가지 못하도록 제조 및 다른 산업 작업으로부터 미립자 제거를 위해 채용되는 직물 필터 공기-재료 분리기의 유형이다. 백하우스는 일렬로 배열되고 시트 금속 하우징 내에 수직으로 장착된 직물 필터 백 및/또는 주름진 필터를 이용한다. 먼지가 많은 가스 스트림은 공기 송풍기에 의해 이동되고 덕트 시스템을 통해 백하우스 내로 흡인된다. 스트림 내의 가스는 이어서 필터를 통과하고, 반면 입자는 필터 매체 표면 상에 남아 있어, 따라서 가스로부터 미립자를 분리한다. 시간 경과에 따라, 먼지가 축적되기 시작하여 필터 표면 상에 필터 케이크를 형성한다. 이에 따라, 다양한 세정 시스템이 필터로부터 먼지를 제거하기 위해 사용될 수 있고 그리고/또는 필터는 주기적으로 수동으로 비워질 수 있다. 탄소 분리기(114)에 적용된 바와 같이, 백하우스 필터는 수소 가스 및 탄소 미립자의 유동을 수용할 수 있다. 수소 가스는 직물 필터를 통과할 수 있지만, 탄소 미립자는 필터에 의해 걸러질 수 있다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템(2220A 내지 2220C)의 부분 개략 등각도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 탄소 수집 시스템(2220A 내지 2220C)은 시스템(100)(도 1)으로부터 탄소를 수집하기 위한 입구 및 큰 저장 영역을 포함한다. 도 22a에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2220A)은 주기적으로 비워지고 그리고/또는 교체될 수 있는 제거 가능한 저장 빈을 포함할 수 있다. 도 22b에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2220B)은 탄소가 탄소 수집 시스템(2220B)으로부터 연속적으로 및/또는 주기적으로 제거될 수 있게 할 수 있는 하부 개구로 이어지는 깔때기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 매주 1회 개구를 통해 탄소 수집 시스템(2220B)을 비울 수 있다. 도 22c에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2220C)은 일회용 저장 탱크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 주기적으로 저장 탱크 중 하나(또는 양자 모두)를 제거하고 이들을 빈 저장 탱크로 대체할 수 있다. 가득 찬 저장 탱크는 이어서 다른 장소로 취해져서 빈 저장 탱크로 교체되고 그리고/또는 폐기될 수 있다.
예
본 발명의 기술의 양태의 여러 예가 편의상 아래에 번호 표기된 예(1, 2, 3 등)로서 설명된다. 이들은 예로서 제공되며 본 발명의 기술을 한정하지 않는다. 임의의 종속 예가 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있고, 각각의 독립적인 예에 배치될 수 있다는 것이 주목된다. 다른 예들은 유사한 방식으로 제시될 수 있다.
1. 수소의 국부 분배, 소비 또는 저장에 일치하는 규모로 천연 가스, 메탄 또는 다른 이용 가능한 연료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 시스템이며, 시스템은 수소와 탄소로의 가스의 변환을 위한 소형 반응기 및 반응기로부터 탄소 또는 다른 고체 재료의 회수 또는 처리를 위한 분리 시스템을 포함하는, 시스템.
2. 예 1에 있어서, 반응기는 용융 금속의 컬럼을 포함하고 금속은 단일 화학 원소 또는 화학 원소의 혼합물을 포함하는, 시스템.
3. 예 1 및 2 중 어느 하나에 있어서, 수소와 탄소로의 가스의 변환은 단일 염 또는 상이한 염의 혼합물을 포함하는 용융 염의 컬럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 수행되는, 시스템.
4. 예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 수소의 사용 또는 저장이 시스템에 통합되는, 시스템.
5. 예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 수소가 사용 또는 저장을 위해 생성되는 장소 이외의 위치로 수송되는, 시스템.
6. 예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 생성된 수소는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스가 수소 및 탄소로 변환되는 용기를 가열하는 데 사용되는, 시스템.
7. 예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
8. 예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료가 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 고체 재료를 분할하기 위해 다중 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
9. 예 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 고체 재료는 가스 생성물의 유동에 의해 반응 용기로부터 이격하여 운반되는, 시스템.
10. 예 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림의 유속이 출구 부근의 반응 용기의 단면적을 감소시킴으로써 증가되어, 생성물 스트림 내의 고체 재료가 가스 생성물에 의해 멀리 운반될 수 있게 하는, 시스템.
11. 예 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기와 막 분리의 조합을 사용하여 분리되는, 시스템.
12. 예 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 수소 및 고체 재료는 반응 용기 내에서 탄소의 제어된 침전을 통해 분리되는, 시스템.
13. 예 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 기계적 스키밍 디바이스를 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
14. 예 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 가스의 횡방향 유동을 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
15. 예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 정전 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
16. 예 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 여과를 사용하여 분리되는, 시스템.
17. 예 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 고체 재료를 제거하기 위해 주기적으로 교체되는, 시스템.
18. 예 1 내지 17 중 어느 하나에 있어서, 가스의 일부만이 수소 및 탄소로 변환되는, 시스템.
19. 예 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 현장에서 처리되는, 시스템.
20. 예 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 시스템으로부터 제거되고 현장에서 제거되는, 시스템.
21. 주거용 용도에 일치하는 규모로 천연 가스, 메탄 또는 다른 이용 가능한 연료 가스로부터 수소를 생성하는 시스템이며, 시스템은 수소와 탄소로의 가스의 변환을 위한 소형 반응기; 반응기로부터 탄소 또는 다른 고체 재료의 회수 또는 처리를 위한 분리 시스템; 및 물 또는 공간 난방을 위해 생성된 수소를 이용하는 기기를 포함하는, 시스템.
22. 예 21에 있어서, 가열 기기는 노, 보일러 또는 온수기로부터 선택되는, 시스템.
23. 예 22에 있어서, 가열 기기 내의 연소기는 반응기에 대한 반응 열을 제공하는 데 사용되는, 시스템.
24. 예 21 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 반응기는 용융 금속의 컬럼을 포함하고 금속은 단일 화학 원소 또는 화학 원소의 혼합물을 포함하는, 시스템.
25. 예 21 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 수소와 탄소로의 가스의 변환은 단일 염 또는 상이한 염의 혼합물을 포함하는 용융 염의 컬럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 수행되는, 시스템.
26. 예 21 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 수소의 사용 또는 저장이 시스템에 통합되는, 시스템.
27. 예 21 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 수소가 사용 또는 저장을 위해 생성되는 장소 이외의 위치로 수송되는, 시스템.
28. 예 21 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 생성된 수소는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스가 수소 및 탄소로 변환되는 용기를 가열하는 데 사용되는, 시스템.
29. 예 21 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
30. 예 21 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료가 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 고체 재료를 분할하기 위해 다중 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
31. 예 21 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 고체 재료는 가스 생성물의 유동에 의해 반응 용기로부터 이격하여 운반되는, 시스템.
32. 예 21 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림의 유속이 출구 부근의 반응 용기의 단면적을 감소시킴으로써 증가되어, 생성물 스트림 내의 고체 재료가 가스 생성물에 의해 멀리 운반될 수 있게 하는, 시스템.
33. 예 21 내지 32 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기와 막 분리의 조합을 사용하여 분리되는, 시스템.
34. 예 21 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 수소 및 고체 재료는 반응 용기 내에서 탄소의 제어된 침전을 통해 분리되는, 시스템.
35. 예 21 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 기계적 스키밍 디바이스를 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
36. 예 21 내지 35 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 가스의 횡방향 유동을 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
37. 예 21 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 정전 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
38. 예 21 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 여과를 사용하여 분리되는, 시스템.
39. 예 21 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 고체 재료를 제거하기 위해 주기적으로 교체되는, 시스템.
40. 예 21 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 가스의 일부만이 수소 및 탄소로 변환되는, 시스템.
41. 예 21 내지 40 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 현장에서 처리되는, 시스템.
42. 예 21 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 시스템으로부터 제거되고 현장에서 제거되는, 시스템.
43. 주거용 용도에 일치하는 규모로 천연 가스, 메탄 또는 다른 이용 가능한 연료 가스로부터 수소를 생성하는 시스템이며, 시스템은 수소와 탄소로의 가스의 변환을 위한 소형 반응기; 반응기로부터 탄소 또는 다른 고체 재료의 회수 또는 처리를 위한 분리 시스템; 및 전력을 발생하기 위해 생성된 수소를 이용하는 디바이스를 포함하는, 시스템.
44. 예 43에 있어서, 수소는 열이온 변환기, 알칼리 금속 열에너지 변환기(AMTEC), 연료 전지, 내연 기관, 열전 발전기 또는 스털링 엔진을 사용하여 전력으로 변환되는, 시스템.
45. 예 43 내지 44 중 어느 하나에 있어서, 반응기는 용융 금속의 컬럼을 포함하고 금속은 단일 화학 원소 또는 화학 원소의 혼합물을 포함하는, 시스템.
46. 예 43 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 수소와 탄소로의 가스의 변환은 단일 염 또는 상이한 염의 혼합물을 포함하는 용융 염의 컬럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 수행되는, 시스템.
47. 예 43 내지 46 중 어느 하나에 있어서, 수소의 사용 또는 저장이 시스템에 통합되는, 시스템.
48. 예 43 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 수소가 사용 또는 저장을 위해 생성되는 장소 이외의 위치로 수송되는, 시스템.
49. 예 43 내지 48 중 어느 하나에 있어서, 생성된 수소는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스가 수소 및 탄소로 변환되는 용기를 가열하는 데 사용되는, 시스템.
50. 예 43 내지 49 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
51. 예 43 내지 50 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료가 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 고체 재료를 분할하기 위해 다중 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
52. 예 43 내지 51 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 고체 재료는 가스 생성물의 유동에 의해 반응 용기로부터 이격하여 운반되는, 시스템.
53. 예 43 내지 52 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림의 유속이 출구 부근의 반응 용기의 단면적을 감소시킴으로써 증가되어, 생성물 스트림 내의 고체 재료가 가스 생성물에 의해 멀리 운반될 수 있게 하는, 시스템.
54. 예 43 내지 53 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기와 막 분리의 조합을 사용하여 분리되는, 시스템.
55. 예 43 내지 54 중 어느 하나에 있어서, 수소 및 고체 재료는 반응 용기 내에서 탄소의 제어된 침전을 통해 분리되는, 시스템.
56. 예 43 내지 55 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 기계적 스키밍 디바이스를 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
57. 예 43 내지 56 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 가스의 횡방향 유동을 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
58. 예 43 내지 57 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 정전 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
59. 예 43 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 여과를 사용하여 분리되는, 시스템.
60. 예 43 내지 59 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 고체 재료를 제거하기 위해 주기적으로 교체되는, 시스템.
61. 예 43 내지 60 중 어느 하나에 있어서, 가스의 일부만이 수소 및 탄소로 변환되는, 시스템.
62. 예 43 내지 61 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 현장에서 처리되는, 시스템.
63. 예 43 내지 62 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 시스템으로부터 제거되고 현장에서 제거되는, 시스템.
64. 주거용 용도에 일치하는 규모로 천연 가스, 메탄 또는 다른 이용 가능한 연료 가스로부터 수소를 생성하는 시스템이며, 시스템은 수소와 탄소로의 가스의 변환을 위한 소형 반응기; 반응기로부터 고체 탄소의 회수 및/또는 처리를 위한 분리 시스템; 및 국부 물 또는 공간 난방 및 전력의 발생을 위해 생성된 수소를 이용하는 기기를 포함하는, 시스템.
65. 예 64에 있어서, 수소는 열이온 변환기, 연료 전지, 내연 기관, 열전 발전기 또는 스털링 엔진을 사용하여 전력으로 변환되는, 시스템.
66. 예 65에 있어서, 가열 기기는 노, 보일러 또는 온수기로부터 선택되는, 시스템.
67. 예 64 내지 66 중 어느 하나에 있어서, 반응기는 용융 금속의 컬럼을 포함하고 금속은 단일 화학 원소 또는 화학 원소의 혼합물을 포함하는, 시스템.
68. 예 64 내지 67 중 어느 하나에 있어서, 수소와 탄소로의 가스의 변환은 단일 염 또는 상이한 염의 혼합물을 포함하는 용융 염의 컬럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 수행되는, 시스템.
69. 예 64 내지 68 중 어느 하나에 있어서, 수소의 사용 또는 저장이 시스템에 통합되는, 시스템.
70. 예 64 내지 69 중 어느 하나에 있어서, 수소가 사용 또는 저장을 위해 생성되는 장소 이외의 위치로 수송되는, 시스템.
71. 예 64 내지 70 중 어느 하나에 있어서, 생성된 수소는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스가 수소 및 탄소로 변환되는 용기를 가열하는 데 사용되는, 시스템.
72. 예 64 내지 71 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
73. 예 64 내지 72 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료가 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 고체 재료를 분할하기 위해 다중 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
74. 예 64 내지 73 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 고체 재료는 가스 생성물의 유동에 의해 반응 용기로부터 이격하여 운반되는, 시스템.
75. 예 64 내지 74 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림의 유속이 출구 부근의 반응 용기의 단면적을 감소시킴으로써 증가되어, 생성물 스트림 내의 고체 재료가 가스 생성물에 의해 멀리 운반될 수 있게 하는, 시스템.
76. 예 64 내지 75 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기와 막 분리의 조합을 사용하여 분리되는, 시스템.
77. 예 64 내지 76 중 어느 하나에 있어서, 수소 및 고체 재료는 반응 용기 내에서 탄소의 제어된 침전을 통해 분리되는, 시스템.
78. 예 64 내지 77 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 기계적 스키밍 디바이스를 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
79. 예 64 내지 78 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 가스의 횡방향 유동을 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
80. 예 64 내지 79 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 정전 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
81. 예 64 내지 80 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 여과를 사용하여 분리되는, 시스템.
82. 예 64 내지 81 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 고체 재료를 제거하기 위해 주기적으로 교체되는, 시스템.
83. 예 64 내지 82 중 어느 하나에 있어서, 가스의 일부만이 수소 및 탄소로 변환되는, 시스템.
84. 예 64 내지 83 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 현장에서 처리되는, 시스템.
85. 예 64 내지 84 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 시스템으로부터 제거되고 현장에서 제거되는, 시스템.
86. 주거용 용도에 일치하는 규모로 천연 가스, 메탄 또는 다른 이용 가능한 연료 가스로부터 수소를 생성하는 시스템이며, 시스템은 수소와 탄소로의 가스의 변환을 위한 소형 반응기; 반응기로부터 고체 탄소 또는 다른 고체 재료의 회수 또는 처리를 위한 분리 시스템; 및 이후의 사용을 위해 생성된 수소를 저장하는 시스템을 포함하는, 시스템.
87. 예 86에 있어서, 반응기는 용융 금속의 컬럼을 포함하고 금속은 단일 화학 원소 또는 화학 원소의 혼합물을 포함하는, 시스템.
88. 예 86 내지 87 중 어느 하나에 있어서, 수소와 탄소로의 가스의 변환은 단일 염 또는 상이한 염의 혼합물을 포함하는 용융 염의 컬럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 수행되는, 시스템.
89. 예 86 내지 88 중 어느 하나에 있어서, 수소의 사용 또는 저장이 시스템에 통합되는, 시스템.
90. 예 86 내지 89 중 어느 하나에 있어서, 수소가 생성되는 장소 이외의 위치로 수송되는, 시스템.
91. 예 86 내지 90 중 어느 하나에 있어서, 생성된 수소는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스가 수소 및 탄소로 변환되는 용기를 가열하는 데 사용되는, 시스템.
92. 예 86 내지 91 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
93. 예 86 내지 92 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료가 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 고체 재료를 분할하기 위해 다중 사이클론 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
94. 예 86 내지 93 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 고체 재료는 가스 생성물의 유동에 의해 반응 용기로부터 이격하여 운반되는, 시스템.
95. 예 86 내지 94 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림의 유속이 출구 부근의 반응 용기의 단면적을 감소시킴으로써 증가되어, 생성물 스트림 내의 고체 재료가 가스 생성물에 의해 멀리 운반될 수 있게 하는, 시스템.
96. 예 86 내지 95 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 사이클론 분리기와 막 분리의 조합을 사용하여 분리되는, 시스템.
97. 예 86 내지 96 중 어느 하나에 있어서, 수소 및 고체 재료는 반응 용기 내에서 탄소의 제어된 침전을 통해 분리되는, 시스템.
98. 예 86 내지 97 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 기계적 스키밍 디바이스를 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
99. 예 86 내지 98 중 어느 하나에 있어서, 고체 재료는 가스의 횡방향 유동을 사용하여 반응 용기로부터 분리되는, 시스템.
100. 예 86 내지 99 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 정전 분리기를 사용하여 분리되는, 시스템.
101. 예 86 내지 100 중 어느 하나에 있어서, 생성물 스트림 내의 수소 및 고체 재료는 여과를 사용하여 분리되는, 시스템.
102. 예 86 내지 101 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 고체 재료를 제거하기 위해 주기적으로 교체되는, 시스템.
103. 예 86 내지 101 중 어느 하나에 있어서, 가스의 일부만이 수소 및 탄소로 변환되는, 시스템.
104. 예 86 내지 103 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 현장에서 처리되는, 시스템.
105. 예 86 내지 104 중 어느 하나에 있어서, 탄소 또는 다른 고체 재료는 시스템으로부터 제거되고 현장에서 제거되는, 시스템.
106. 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성용 시스템이며, 시스템은:
탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 결합 가능한 열분해 반응기로서, 열분해 반응기는 탄화수소를 수소 가스, 탄소 미립자 및 열을 포함하는 출력물로 변환하기 위해 반응 재료에 열을 전달하도록 위치된 하나 이상의 유동 채널을 포함하고, 열분해 반응기는 분당 1,000 내지 40,000 표준 입방 센티미터의 유량으로 반응 재료를 수용하도록 크기 설정되는, 열분해 반응기;
출력물 내의 수소 가스와 탄소 미립자를 분리하기 위해 열분해 반응기에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리 시스템; 및
출력물의 적어도 일부를 수용하고 출력물을 전력으로 변환하기 위해 열분해 반응기에 국부적으로 결합 가능한 발전 구성요소를 포함하는, 시스템.
107. 예 106에 있어서, 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소를 더 포함하고, 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소는 열 및/또는 전력의 일부를 수용하기 위해 열분해 반응기 및/또는 발전 구성요소에 동작 가능하게 결합되는, 시스템.
108. 예 106 및 107 중 어느 하나에 있어서, 발전 구성요소는 열이온 변환기, 알칼리 금속 열-전기 변환기, 열광전 변환기, 열전 변환기, 가스 터빈, 연료 전지, 마이크로터빈, 내연 기관, 증기 터빈 또는 스털링 엔진 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
109. 예 106 내지 108 중 어느 하나에 있어서, 출력물의 적어도 일부를 수용하고 연소시키기 위해 하나 이상의 유동 경로를 통해 열분해 반응기에 동작 가능하게 결합된 버너, 및 버너와 열분해 반응기 사이에 결합되고 된 버너로부터 열분해 반응기로 열을 유도하도록 위치된 열 전달 경로를 더 포함하는, 시스템.
110. 예 106 내지 109 중 어느 하나에 있어서, 열분해 반응기와 열 전달하는 난방 구성요소를 더 포함하고, 난방 구성요소는 노, 강제 공기 분배 시스템, 보일러, 라디에이터 분배 시스템, 히트 펌프, 하이브리드 난방 시스템 또는 순환수 난방 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
111. 예 106 내지 110 중 어느 하나에 있어서, 열분해 반응기 및/또는 발전 구성요소에 동작 가능하게 결합된 냉방 구성요소를 더 포함하고, 냉방 구성요소는 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기, 또는 히트 펌프 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
112. 예 106 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 반응 재료는 탄화수소 가스를 포함하고, 열분해 반응기는:
하부 단부 및 상부 단부를 갖는 용융 염의 적어도 하나의 수직 컬럼;
하부 단부를 향해 위치되고 입력 공급원과 유체 연통하는 입력 밸브; 및
상부 단부를 향해 위치된 출력 밸브를 포함하는, 시스템.
113. 예 112에 있어서, 열분해 반응기는 적어도 하나의 수직 컬럼에 열적으로 결합된 전기 가열 코일을 더 포함하는, 시스템.
114. 예 112 및 113 중 어느 하나에 있어서, 탄소 분리 시스템의 적어도 일부는 열분해 반응기의 적어도 하나의 수직 컬럼과 통합되는, 시스템.
115. 예 112 내지 114 중 어느 하나에 있어서, 용융 염의 적어도 하나의 수직 컬럼은 용융 염의 2개 이상의 수직 컬럼을 포함하고, 열분해 반응기는 열분해 반응기의 목표 출력물에 따라 각각의 수직 컬럼으로의 반응 재료의 공급을 독립적으로 제어하도록 위치된 하나 이상의 밸브를 포함하는, 시스템.
116. 예 106 내지 111 중 어느 하나에 있어서, 출력물은 제1 출력물이고, 열분해 반응기는 제1 반응 챔버, 제2 반응 챔버, 하나 이상의 버너, 및 입력 공급원, 제1 반응 챔버, 제2 반응 챔버, 및 하나 이상의 버너에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 밸브를 포함하고,
제1 구성에서, 하나 이상의 밸브는:
입력 공급원과 제1 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제1 반응 챔버는 반응 재료 내의 탄화수소의 적어도 제1 부분을 제1 출력물로 변환하고;
제1 반응 챔버와 하나 이상의 버너 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 하나 이상의 버너는 고온 연도 가스를 포함하는 제2 출력물을 생성하기 위해 제1 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키고;
하나 이상의 버너와 제2 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제2 반응 챔버는 제2 출력물의 고온 연도 가스로부터 열을 흡수하기 위해 제2 출력물의 적어도 일부를 수용하고, 흡수된 열은 적어도 부분적으로 제2 반응 챔버 내에 저장되고;
제2 구성에서, 하나 이상의 밸브는:
입력 공급원과 제2 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제2 반응 챔버는 반응 재료 내의 탄화수소의 적어도 제2 부분을 수소 가스, 탄소 미립자, 및 열을 포함하는 제3 출력물로 변환하고;
제2 반응 챔버와 하나 이상의 버너 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 하나 이상의 버너는 고온 연도 가스를 포함하는 제4 출력물을 생성하기 위해 제3 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키고;
하나 이상의 버너와 제1 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제1 반응 챔버는 제4 출력물의 고온 연도 가스로부터 열을 흡수하기 위해 제4 출력물의 적어도 일부를 수용하고, 흡수된 열은 적어도 부분적으로 제1 반응 챔버 내에 저장되는, 시스템.
117. 예 116에 있어서, 밸브에 통신 가능하게 결합되고 실행될 때 제어기가:
처음에, 하나 이상의 밸브를 제1 구성으로 위치시키게 하고;
두 번째로, 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하고;
세 번째로, 하나 이상의 밸브를 제1 구성으로 재위치시키게 하는 명령을 저장하는 제어기를 더 포함하는, 시스템.
118. 예 117에 있어서, 제어기에 동작 가능하게 결합되고 제1 반응 챔버의 제1 온도 및 제2 반응 챔버의 제2 온도를 측정하도록 위치된 하나 이상의 온도 센서를 더 포함하고, 명령은 실행될 때, 추가로 제1 반응 챔버의 제1 온도가 미리 결정된 임계값 미만으로 떨어질 때 제어기가 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하는, 시스템.
119. 예 117에 있어서, 제어기에 동작 가능하게 결합되고 제1 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하 및 제2 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하를 측정하도록 위치된 하나 이상의 압력 센서를 더 포함하고, 명령은 실행될 때, 추가로 제1 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하가 미리 결정된 임계값에 도달할 때 제어기가 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하는, 시스템.
120. 예 116 내지 119 중 어느 하나에 있어서, 제1 및 제2 반응 챔버의 각각은 대응 종축을 따라 연장하는 복수의 유동 채널을 포함하고, 대응 축에 횡방향인 제1 및 제2 반응 챔버의 단면은 평방 인치당 1 내지 10개의 채널의 채널 밀도를 갖는, 시스템.
121. 예 116 내지 120 중 어느 하나에 있어서, 탄소 분리 시스템의 적어도 일부는 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에서 열분해 반응기와 통합되는, 시스템.
122. 예 116 내지 121 중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 밸브는 제1 출력물이 연소되기 전에 유로를 따라 열분해 반응기로부터 이격하여 제1 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 전환시키는, 시스템.
123. 예 116 내지 122 중 어느 하나에 있어서, 반응 재료 및 제2 출력물 중 적어도 하나를 수용하기 위해 하나 이상의 밸브에 동작 가능하게 결합된 적어도 제3 반응 챔버를 더 포함하는, 시스템.
124. 예 106 내지 123 중 어느 하나에 있어서, 열분해 반응기는 제1 열분해 반응기이고, 시스템은 탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 결합 가능한 제2 열분해 반응기를 더 포함하는, 시스템.
125. 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성 방법이며, 방법은:
열분해 반응기에서, 분당 500 내지 1,000,000 표준 입방 센티미터의 유량으로 탄화수소를 갖는 연료 가스를 수용하는 단계;
열분해 반응기 내의 연료 가스를 반응 온도로 가열하는 단계로서, 반응 온도에서, 연료 가스 내의 탄화수소의 적어도 일부는 수소 가스 및 탄소 미립자로 변환되는, 가열 단계;
수소 가스와 탄소 미립자를 분리 및 포획하는 단계; 및
발전 구성요소를 사용하여 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 전기로 변환하는 단계로서, 발전 구성요소는 열분해 반응기에 국부적으로 결합되는, 변환 단계를 포함하는, 방법.
126. 예 125에 있어서, 열분해 반응기로 가열하기 위해 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
127. 예 125 및 126 중 어느 하나에 있어서, 발전 구성요소는 열이온 변환기, 알칼리 금속 열-전기 변환기, 열광전 변환기, 열전 변환기, 터빈, 연료 전지, 마이크로터빈, 내연 기관, 증기 터빈 또는 스털링 엔진 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
128. 예 125 내지 127 중 어느 하나에 있어서, 열분해 반응기 내의 연료 가스를 가열하는 단계는 용융 유체의 챔버를 통해 반응 재료를 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
129. 예 125 내지 예 127 중 어느 하나에 있어서, 열분해 반응기 내의 연료 가스를 가열하는 단계는 예열된 제1 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시키는 단계를 포함하고, 방법은 제2 반응 챔버를 가열하기 위해 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
130. 예 129에 있어서, 일정 시간 기간 동안 예열된 제1 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시킨 후, 제2 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시키는 단계를 더 포함하고, 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계는 제1 반응 챔버를 가열하는, 방법.
131. 예 125 내지 130 중 어느 하나에 있어서, (a) 포획된 수소 가스의 적어도 일부 및/또는 (b) 생성된 전기를 (i) 난방 구성요소 및/또는 (ii) 냉방 구성요소에서 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
132. 예 125 내지 131 중 어느 하나에 있어서, 난방 구성요소 내에서 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소하는 단계를 더 포함하고, 난방 구성요소는 노, 강제 공기 분배 시스템, 보일러, 라디에이터 분배 시스템, 히트 펌프, 하이브리드 난방 시스템 또는 순환수 난방 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
133. 예 125 내지 예 132 중 어느 하나에 있어서, 냉방 구성요소 내에서 발생된 전기의 적어도 일부를 사용하는 단계를 더 포함하고, 냉방 구성요소는 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기 또는 히트 펌프 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
결론
본 개시내용의 실시예는 범용 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 서버 또는 다른 컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 루틴과 같은, 컴퓨터 실행 가능 명령으로서 구현될 수도 있다. 본 발명의 기술은 또한 본 명세서에 상세히 설명된 컴퓨터 실행 가능 명령 중 하나 이상을 수행하도록 특별히 프로그래밍, 구성 또는 구조화되는 특수 목적 컴퓨터 또는 데이터 프로세서에서 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터" 및 "컴퓨팅 디바이스"는 본 명세서에서 일반적으로 사용될 때, 프로세서 및 비일시적 메모리, 뿐만 아니라 네트워크와 통신이 가능한 임의의 데이터 프로세서 또는 임의의 디바이스를 갖는 디바이스를 칭한다. 데이터 프로세서는 프로그램 가능 범용 또는 특수 목적 마이크로프로세서, 프로그램 가능 제어기, ASIC, 프로그래밍 로직 디바이스(PLD) 등 또는 이러한 디바이스의 조합을 포함한다. 컴퓨터 실행 가능 명령은 RAM, ROM, 플래시 메모리 등 또는 이러한 구성요소의 조합과 같은 메모리에 저장될 수도 있다. 컴퓨터 실행 가능 명령은 또한 자기 또는 광학 기반 디스크, 플래시 메모리 디바이스 또는 임의의 다른 유형의 비휘발성 저장 매체 또는 데이터용 비일시적 매체와 같은 하나 이상의 저장 디바이스에 저장될 수도 있다. 컴퓨터 실행 가능 명령은 특정 작업을 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 구성요소, 데이터 구조 등을 포함하는 하나 이상의 프로그램 모듈을 포함할 수도 있다.
전술된 설명으로부터, 본 발명의 기술의 특정 실시예는 예시의 목적으로 본 명세서에 설명되었지만, 공지의 구조 및 기능은 본 발명의 기술의 실시예의 설명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 도시되거나 설명되지 않았다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 임의의 자료가 본 개시내용과 충돌하는 한에는, 본 개시내용이 우선한다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수 용어는 각각 복수 또는 단수 용어를 각각 또한 포함할 수도 있다. 더욱이, 단어 "또는"이 2개 이상의 항목의 목록과 관련하여 다른 항목으로부터 제외되는 단일 항목만을 의미하도록 명시적으로 한정되지 않으면, 이러한 목록에서 "또는"의 사용은 (a) 목록 내의 임의의 단일 항목, (b) 목록 내의 모든 항목, 또는 (c) 목록 내의 항목의 임의의 조합을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 더욱이, 본 명세서에 사용될 때, "A 및/또는 B"에서와 같이 구문 "및/또는"은 A만, B만 및 A와 B의 모두를 나타낸다. 부가적으로, 용어 "포함하는", "구비하는", "갖는" 및 "가지는"은 임의의 더 많은 수의 동일한 특징 및/또는 부가의 유형의 다른 특징이 배제되지 않도록 적어도 인용된 특징(들)을 포함하는 것을 의미하도록 전반에 걸쳐 사용된다.
전술된 설명으로부터, 다양한 수정이 본 개시내용 또는 기술로부터 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자는 기술의 다양한 구성요소가 하위 구성요소로 더 분할될 수도 있거나, 또는 기술의 다양한 구성요소 및 기능이 조합 및 통합될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 특정 실시예의 맥락에서 설명된 기술의 특정 양태는 또한 다른 실시예에서 조합되거나 제거될 수도 있다. 더욱이, 본 발명의 기술의 특정 실시예와 연관된 장점이 이들 실시예의 맥락에서 설명되었지만, 다른 실시예가 또한 이러한 장점을 나타낼 수도 있고, 모든 실시예가 본 발명의 기술 내에 있도록 반드시 이러한 장점을 나타낼 필요가 있는 것은 아니다. 이에 따라, 본 개시내용 및 연관 기술은 본 명세서에 명시적으로 나타내거나 설명되지 않은 다른 실시예를 포함할 수 있다.
여기에 참조로서 합체되어 있는 임의의 자료가 본 개시내용과 충돌하는 한에는, 본 개시내용이 우선한다.
Claims (28)
- 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성용 시스템이며,
탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 결합 가능한 열분해 반응기로서, 열분해 반응기는 탄화수소를 수소 가스, 탄소 미립자 및 열을 포함하는 출력물로 변환하기 위해 반응 재료에 열을 전달하도록 위치된 하나 이상의 유동 채널을 포함하고, 열분해 반응기는 분당 500 내지 1,000,000 표준 입방 센티미터의 유량으로 반응 재료를 수용하도록 크기 설정되는, 열분해 반응기;
출력물 내의 수소 가스와 탄소 미립자를 분리하기 위해 열분해 반응기에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리 시스템; 및
출력물의 적어도 일부를 수용하고 출력물을 전력으로 변환하기 위해 열분해 반응기에 국부적으로 결합 가능한 발전 구성요소를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서, 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소를 더 포함하고, 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소는 열 및/또는 전력의 일부를 수용하기 위해 열분해 반응기 및/또는 발전 구성요소에 동작 가능하게 결합되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 발전 구성요소는 열이온 변환기, 알칼리 금속 열-전기 변환기, 열광전 변환기, 열전 변환기, 터빈, 연료 전지, 마이크로터빈, 내연 기관, 증기 터빈 또는 스털링 엔진 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 출력물의 적어도 일부를 수용하고 연소시키기 위해 하나 이상의 유동 경로를 통해 열분해 반응기에 동작 가능하게 결합된 버너, 및 버너와 열분해 반응기 사이에 결합되고 된 버너로부터 열분해 반응기로 열을 유도하도록 위치된 열 전달 경로를 더 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 열분해 반응기와 열 전달하는 난방 구성요소를 더 포함하고, 난방 구성요소는 노, 강제 공기 분배 시스템, 보일러, 라디에이터 분배 시스템, 히트 펌프, 하이브리드 난방 시스템 또는 순환수 난방 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 열분해 반응기 및/또는 발전 구성요소에 동작 가능하게 결합된 냉방 구성요소를 더 포함하고, 냉방 구성요소는 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기, 또는 히트 펌프 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 반응 재료는 탄화수소 가스를 포함하고, 열분해 반응기는:
하부 단부 및 상부 단부를 갖는 용융 염의 적어도 하나의 수직 컬럼;
하부 단부를 향해 위치되고 입력 공급원과 유체 연통하는 입력 밸브; 및
상부 단부를 향해 위치된 출력 밸브를 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서, 열분해 반응기는 적어도 하나의 수직 컬럼에 열적으로 결합된 전기 가열 코일을 더 포함하는, 시스템.
- 제7항에 있어서, 탄소 분리 시스템의 적어도 일부는 열분해 반응기의 적어도 하나의 수직 컬럼과 통합되는, 시스템.
- 제7항에 있어서, 용융 염의 적어도 하나의 수직 컬럼은 용융 염의 2개 이상의 수직 컬럼을 포함하고, 열분해 반응기는 열분해 반응기의 목표 출력물에 따라 각각의 수직 컬럼으로의 반응 재료의 공급을 독립적으로 제어하도록 위치된 하나 이상의 밸브를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 출력물은 제1 출력물이고, 열분해 반응기는 제1 반응 챔버, 제2 반응 챔버, 하나 이상의 버너, 및 입력 공급원, 제1 반응 챔버, 제2 반응 챔버, 및 하나 이상의 버너에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 밸브를 포함하고,
제1 구성에서, 하나 이상의 밸브는:
입력 공급원과 제1 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제1 반응 챔버는 반응 재료 내의 탄화수소의 적어도 제1 부분을 제1 출력물로 변환하고;
제1 반응 챔버와 하나 이상의 버너 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 하나 이상의 버너는 고온 연도 가스를 포함하는 제2 출력물을 생성하기 위해 제1 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키고;
하나 이상의 버너와 제2 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제2 반응 챔버는 제2 출력물의 고온 연도 가스로부터 열을 흡수하기 위해 제2 출력물의 적어도 일부를 수용하고, 흡수된 열은 적어도 부분적으로 제2 반응 챔버 내에 저장되고;
제2 구성에서, 하나 이상의 밸브는:
입력 공급원과 제2 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제2 반응 챔버는 반응 재료 내의 탄화수소의 적어도 제2 부분을 수소 가스, 탄소 미립자, 및 열을 포함하는 제3 출력물로 변환하고;
제2 반응 챔버와 하나 이상의 버너 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 하나 이상의 버너는 고온 연도 가스를 포함하는 제4 출력물을 생성하기 위해 제3 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키고;
하나 이상의 버너와 제1 반응 챔버 사이에 유체 연통을 설정하고, 여기서 제1 반응 챔버는 제4 출력물의 고온 연도 가스로부터 열을 흡수하기 위해 제4 출력물의 적어도 일부를 수용하고, 흡수된 열은 적어도 부분적으로 제1 반응 챔버 내에 저장되는, 시스템. - 제11항에 있어서, 밸브에 통신 가능하게 결합되고 실행될 때 제어기가:
처음에, 하나 이상의 밸브를 제1 구성으로 위치시키게 하고;
두 번째로, 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하고;
세 번째로, 하나 이상의 밸브를 제1 구성으로 재위치시키게 하는 명령을 저장하는 제어기를 더 포함하는, 시스템. - 제12항에 있어서, 제어기에 동작 가능하게 결합되고 제1 반응 챔버의 제1 온도 및 제2 반응 챔버의 제2 온도를 측정하도록 위치된 하나 이상의 온도 센서를 더 포함하고, 명령은 실행될 때, 추가로 제1 반응 챔버의 제1 온도가 미리 결정된 임계값 미만으로 떨어질 때 제어기가 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 제어기에 동작 가능하게 결합되고 제1 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하 및 제2 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하를 측정하도록 위치된 하나 이상의 압력 센서를 더 포함하고, 명령은 실행될 때, 추가로 제1 반응 챔버를 가로지르는 제1 압력 강하가 미리 결정된 임계값에 도달할 때 제어기가 하나 이상의 밸브를 제2 구성으로 위치시키게 하는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 제1 및 제2 반응 챔버의 각각은 대응 종축을 따라 연장하는 복수의 유동 채널을 포함하고, 대응 축에 횡방향인 제1 및 제2 반응 챔버의 단면은 평방 인치당 1 내지 10개의 채널의 채널 밀도를 갖는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 탄소 분리 시스템의 적어도 일부는 제1 반응 챔버와 제2 반응 챔버 사이에서 열분해 반응기와 통합되는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 하나 이상의 밸브는 제1 출력물이 연소되기 전에 유로를 따라 열분해 반응기로부터 이격하여 제1 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 전환시키는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 반응 재료 및 제2 출력물 중 적어도 하나를 수용하기 위해 하나 이상의 밸브에 동작 가능하게 결합된 적어도 제3 반응 챔버를 더 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 열분해 반응기는 제1 열분해 반응기이고, 시스템은 탄화수소를 포함하는 반응 재료의 공급원에 결합 가능한 제2 열분해 반응기를 더 포함하는, 시스템.
- 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성 방법이며, 방법은:
열분해 반응기에서, 분당 500 내지 1,000,000 표준 입방 센티미터의 유량으로 탄화수소를 갖는 연료 가스를 수용하는 단계;
열분해 반응기 내의 연료 가스를 반응 온도로 가열하는 단계로서, 반응 온도에서, 연료 가스 내의 탄화수소의 적어도 일부는 수소 가스 및 탄소 미립자로 변환되는, 가열 단계;
수소 가스와 탄소 미립자를 분리 및 포획하는 단계; 및
발전 구성요소를 사용하여 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 전기로 변환하는 단계로서, 발전 구성요소는 열분해 반응기에 국부적으로 결합되는, 변환 단계를 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서, 열분해 반응기로 가열하기 위해 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 발전 구성요소는 열이온 변환기, 알칼리 금속 열-전기 변환기, 열광전 변환기, 열전 변환기, 터빈, 연료 전지, 마이크로터빈, 내연 기관, 증기 터빈 또는 스털링 엔진 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 열분해 반응기 내의 연료 가스를 가열하는 단계는 용융 유체의 챔버를 통해 반응 재료를 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 열분해 반응기 내의 연료 가스를 가열하는 단계는 예열된 제1 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시키는 단계를 포함하고, 방법은 제2 반응 챔버를 가열하기 위해 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 일정 시간 기간 동안 예열된 제1 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시킨 후, 제2 반응 챔버를 통해 연료 가스를 통과시키는 단계를 더 포함하고, 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소시키는 단계는 제1 반응 챔버를 가열하는, 방법.
- 제20항에 있어서, (a) 포획된 수소 가스의 적어도 일부 및/또는 (b) 생성된 전기를 (i) 난방 구성요소 및/또는 (ii) 냉방 구성요소에서 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 난방 구성요소에서 포획된 수소 가스의 적어도 일부를 연소하는 단계를 더 포함하고, 난방 구성요소는 노, 강제 공기 분배 시스템, 보일러, 라디에이터 분배 시스템, 히트 펌프, 하이브리드 난방 시스템 또는 순환수 난방 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제20항에 있어서, 냉방 구성요소 내에서 발생된 전기의 적어도 일부를 사용하는 단계를 더 포함하고, 냉방 구성요소는 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기 또는 히트 펌프 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
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