KR20240016978A - 전해전지에서 수소 가스를 생산하는 방법 및 장치 - Google Patents

전해전지에서 수소 가스를 생산하는 방법 및 장치 Download PDF

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페데리코 파시니
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몰레에르, 인크
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Abstract

한 쌍의 전극과 수소 함유 전기분해 가능한 액체를 포함하는 전해전지 내로 ㎤당 적어도 107개의 나노 기포의 농도로 나노 기포를 나노 기포 생성기가 도입하는 수소 가스를 생산하기 위한 방법 및 장치가 개시되며, 전해 전지는 수소 가스를 생산하도록 동작된다.

Description

전해전지에서 수소 가스를 생산하는 방법 및 장치
우선권 주장
본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조에 의해 포함되는 2021년 6월 1일자 출원된 미국 특허 가출원 제63/195,543호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 전해전지에서 수소 가스를 생산하는 것에 관한 것이다.
전해전지는 한 쌍의 전극과 액체 전해질, 전형적으로 물을 포함한다. 작동될 때, 전지는 액체를 전기분해하여, 캐소드에서 수소 가스를, 애노드에서 산소 가스를 생산한다. 생산된 수소와 산소 가스는 연료 전지에 연료로서 공급될 수 있다.
전기분해 동안, 기포가 전극들에서 형성될 수 있다. 높은 농도로 존재하지 않을지라도, 이러한 기포는 전극 표면과 이온 전도 경로들을 차단하여 에너지 손실을 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 않은 것으로 간주된다. Argulo 등의 "Influence of Bubbles on the Energy Conversion Efficiency of Electrochemical Reactors" Joule, 4(3):555-579 (March 18, 2020) 참조. 전극 표면을 개질하고, 전해질의 조성을 조정하고, 전해질에서의 흐름을 유도하고, 전지에 자기 또는 초음파 에너지를 적용하는 것을 포함하여 기포 분리를 촉진하는 것에 의해 이 문제를 해결하기 위한 몇몇 접근법이 제안되었다.
발명자들은 고농도의 나노 기포(nanobubble)를 전해전지에 도입하는 것이 놀랍게도 수소 가스 생산의 효율을 향상시킨다는 사실을 발견했다. 이론에 얽매이지 않고, 높은 나노 기포 농도의 존재는 전기분해 가능한 액체의 부피에서 전하 밀도를 증가시키고, 이에 의해 전위의 영향을 받는 영역을 공간적으로 확장시키는 것으로 믿어진다. 높은 나노 기포 농도는 또한 전극들과 전해질 사이의 상호 작용을 증가시킨다. 그 결과, 전기 저항이 감소하고, 수소 가스를 생산하는 데 필요한 에너지의 양이 감소하며, 이에 의해 전체 비용을 감소시킨다. 따라서, 제1 양태에서, (a) 나노 기포 생성기로부터, 한 쌍의 전극과 수소 함유 전기분해 가능한 액체를 포함하는 전해전지 내로 ㎤당 적어도 106개의 나노 기포의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계; (b) 수소 가스를 생산하기 위해 전해전지를 동작시키는 단계를 포함하는 수소 가스를 생산하는 방법이 설명된다. 일부 실시예에서, 나노 기포 농도는 ㎤당 적어도 107개의 나노 기포, ㎤당 적어도 108개의 나노 기포, ㎤당 적어도 109개의 나노 기포, 또는 ㎤당 적어도 1010개의 나노 기포이다.
나노 기포 농도는 ㎤당 나노 기포로서 표현된다. 이는 (나노 기포 생성기의 유출물을 받는) 전해전지로부터 3개의 샘플을 수집하고, Malvern PANalytical에서 구입할 수 있는 Nanosight NS3000 분석기를 사용하여 Nanoparticle Tracking Analysis로 얻은 후 20분 이내에 각각의 샘플을 분석하는 것에 의해 측정된다. 각각의 샘플은 Nanosight NS3000 분석기를 사용하여 분석되기 전에 0.45 ㎛ 필터를 사용하여 필터링된다.
나노 기포 생성기는 전해전지 내(예를 들어, 전기분해 가능한 액체에 침지됨) 또는 전해전지의 외부(예를 들어, 전해전지와 액체 연통하는 별도의 모듈로서)에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 나노 기포 생성기 및 전해전지는 공통 하우징 내에 위치된다.
일부 실시예에서, 방법은 수소 가스가 생산될 때 또는 사전 결정된 기간 후에 전해전지로부터 수소 가스를 추출하는 단계를 추가로 포함한다. 전지에 수소 가스를 저장하고, 필요할 때 이를 추출하는 능력은 전지가 에너지 저장 디바이스로서 작용하게 한다.
전지에 의해 생산된 수소는 연료 전지에 "연료"로서 공급될 수 있으며, 연료 전지는 그런 다음 에너지를 생산할 수 있다. 수소 "연료"를 생산하는 데 필요한 에너지 양을 감소시키는 것에 의해, 방법은 연료 전지의 에너지 생산의 전반적인 효율성을 향상시킨다.
일부 실시 형태에서, 전해전지는 산소 가스를 추가로 생산하며, 산소 가스는 생산될 때 또는 사전 결정된 기간 후에 전해전지로부터 추출될 수 있다.
나노 기포는 가스로 채워진다. 일부 실시예에서, 가스는 공기, 질소, 이산화탄소, NOx, 메탄, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
수소 함유 전기분해 가능한 액체는 물, 암모니아, 폐수 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 액체는 염분을 함유할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "폐수"는 도시 폐수, 산업 폐수, 빗물, 오수, 중수, 발효 또는 채광 공정의 공정수 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 폐수는 암모니아를 포함한다. 폐수를 전기분해 가능한 액체로 사용하는 것은 폐수를 처리하여 오염 물질을 제거하는 편리한 수단을 제공하는 동시에, 전해전지를 위해 수소의 용이하게 가수분해 가능한 공급원을 제공할 수 있다.
나노 기포 생성기는 다양한 구성을 가질 수 있으며 나노 기포를 생성하기 위해 다양한 수단을 이용할 수 있다. 하나의 예에서, 나노 기포 생성기는: (a) 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 액체 입구, 액체 출구, 및 액체 공급원으로부터 액체 캐리어를 수용하는데 적합한 내부 캐비티를 한정하는 세장형 하우징; (b) 하우징의 내부 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되는 가스 투과성 부재를 포함하고, 가스 투과성 부재는 가스 공급원으로부터 가압된 가스를 수용하는데 적합한 개방 단부, 폐쇄 단부, 및 개방 단부와 폐쇄 단부 사이에서 연장되는 다공성 측벽을 가지며, 가스 투과성 부재는 내부 표면, 외부 표면 및 루멘을 한정한다. 하우징 및 가스 투과성 부재는 액체 입구로부터 액체 출구까지 가스 투과성 부재의 외부 표면에 평행하게 흐름에 따라서 액체 공급원으로부터의 액체 캐리어의 유량은 난류 흐름 조건을 생성하기 위해 액체의 난류 임계값보다 크도록 구성되고, 이에 의해 액체가 가스 투과성 부재의 외부 표면으로부터 가스를 전단하고 액체 캐리어에서 나노 기포를 형성하는 것을 허용한다. 예를 들어, 하우징과 가스 투과성 부재는 적어도 2 m/s의 유량을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 생성기는 본 출원과 동일한 출원인에게 양도되고 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되고 각각 "Compositions Containing Nano-Bubbles in a Liquid Carrier"이라는 명칭의 미국 특허 제10,591,231호 및 제10,598,447호에 설명되어 있다.
본 출원과 동일한 출원인에게 양도되고 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되는, "Nano-Bubble Generator"라는 명칭으로 2021년 2월 18일자 출원된 미국 특허 출원 제63/150,973호에 기술된 바와 같은 이러한 나노 기포 생성기는 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구로 흐름에 따라서 가스 투과성 부재(전기 전도성일 수 있음)의 외부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 적어도 하나의 전기 전도체를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 전도체는 전자기 코일의 형태를 한다. 일부 실시예에서, 이러한 나노 기포 생성기는 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구로 흐름에 따라서 회전하게 하는데 적합한 나선형 부재를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 나선형 부재는 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구로 흐름에 따라서 가스 투과성 부재의 외부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 전자기 코일을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 나노 기포 생성기는 하우징의 내부 캐비티에 위치된 수중익선을 추가로 포함한다.
또한 미국 특허 출원 제63/150,973호에 기술된 나노 기포 생성기의 또 다른 예는 (a) 제1 단부와 제2 단부를 포함하고, 내부 캐비티, 및 가스 공급원으로부터 내부 캐비티로 가압된 가스를 도입하는데 적합한 가스 입구를 추가로 포함하는 세장형 하우징; (b) 하우징의 내부 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되는 가스 투과성 부재로서, 액체 공급원으로부터 액체를 수용하는데 적합한 액체 입구, 액체 출구, 및 액체 입구와 액체 출구 사이에서 연장되는 다공성 측벽을 포함하고, 내부 표면, 외부 표면, 및 액체가 흐르도록 통과하는 루멘을 한정하는, 상기 가스 투과성 부재; 및 (c) 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구로 흐름에 따라서 가스 투과성 부재의 내부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 적어도 하나의 전기 전도체를 포함한다. 하우징과 가스 투과성 부재는 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구로 가스 투과성 부재의 내부 표면에 평행하게 흐름에 따라서 액체 공급원으로부터의 액체 캐리어의 유량이 난류 흐름 조건을 생성하도록 액체의 난류 임계값보다 크도록 구성되고, 이에 의해 액체가 가스 투과성 부재의 내부 표면으로부터의 가스를 전단하고 액체 캐리어에서 나노 기포를 형성하는 것을 허용한다.
적합한 나노 기포 생성기의 다른 예가 본 출원과 동일한 출원인에게 양도되고 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 통합되는, "Submersible Non-Bubble Generating Device and Method"라는 명칭으로 2020년 3월 18일자 출원된 미국 특허 출원 제16/818,217호에 기술되어 있다. 나노 기포 생성기는 (a) 회전 가능한 샤프트를 갖는 모터; (b) 벽과 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재에 도입된 가스가 흐르도록 통과하는 복수의 기공을 갖는 본체를 포함하는 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재로서, 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재는 가스 공급원으로부터 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재로 가스를 도입하도록 구성된 가스 입구에 결합 가능하고, 모터의 회전 샤프트에 결합되고 회전 가능한 샤프트와 함께 회전하는데 적합한, 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재; 및 (c) 벽을 갖고 내부 캐비티를 한정하는 세장형 몸체를 포함하는 회전 가능한 튜브 지지체를 포함한다. 벽은 복수의 구멍을 한정한다. 회전 가능한 튜브 지지체의 내부 캐비티는 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재를 수용하도록 구성된다. 회전 가능한 튜브 지지체는 모터의 회전 가능한 샤프트에 결합되어 이와 함께 회전 가능하다. 회전 가능한 튜브 지지체는 회전할 때 액체를 회전 가능한 튜브 지지체의 내부 캐비티 내로 도입하고 액체를 회전 가능한 투과성 부재의 몸체의 외부 표면으로부터 멀리 이동시키는데 적합하다. 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재는 회전할 때 액체가 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재의 외부 표면으로부터 가스를 전단하는 것을 허용하고, 이에 의해 액체에서 나노 기포를 형성하는, 액체에서의 난류 임계값 이상의 난류 흐름을 시뮬레이션하는데 적합하다.
또한, (a) ㎤당 적어도 106개의 나노 기포(예를 들어, ㎤당 적어도 107개의 나노 기포)을 생성할 수 있는 나노 기포 생성기, 및 (b) 나노 기포 생성기와 연통하고, 한 쌍의 전극을 포함하는 전해전지를 포함하는, 수소 가스를 생산하기 위한 장치가 설명된다. 전해전지는 수소 함유 전기분해 가능한 액체로부터 수소 가스를 생성할 수 있다. 나노 기포 농도는 위에서 설명된 바와 같이 결정된다. 장치는 전해전지로부터의 수소 가스를 수용하기 위한 입구를 갖는 전해전지와 연통하는 연료 전지를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부사항은 첨부 도면 및 이하의 설명에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 가스 생산 방법 및 장치의 실시예에 대한 개략도이다.
도 2는 액체 캐리어에서 분산된 나노 기포를 포함하는 조성물을 생산하기 위한 예시적인 장치의 개략도이다.
도 3은 액체 캐리어에서 분산된 나노 기포를 포함하는 조성물을 생산하기 위한 제2 예시적인 장치의 분해 사시도이다.
도 4a는 액체 캐리어에서 분산된 나노 기포를 포함하는 조성물을 생산하기 위한 제3 예시 장치의 평면도이다.
도 4b는 도 1a의 장치의 측단면도이다.
도 4c는 도 1a의 장치의 분해도이다.
도 5는 액체 캐리어에서 분산된 나노 기포를 포함하는 조성물을 생산하기 위한 예시적인 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전해전지(104)와 연통하는 나노 기포 생성기(102)를 포함하는 수소 가스 생산 시스템(100)이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 나노 기포 생성기(102) 및 전해전지(104)는 공통 하우징(110) 내에 수용된 별도의 모듈이다. 그러나, 일부 실시예에서, 나노 기포 생성기는 전지(104)의 전해질(105)에 포함될 수 있다(예를 들어, 침지될 수 있다). 다른 실시예에서, 전해전지는 나노 기포 생성기 내에 포함될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 나노 기포 생성기 및 전해전지는 별도의 모듈이지만 공통 하우징 내에 수용되지 않는다.
나노 기포를 생성하기 위해, 가스 공급원(101)와 수소 함유 액체 공급원(107)이 나노 기포 생성기(102)에 입력된다. 적합한 가스의 예는 공기, 질소, 이산화탄소, NOx, 메탄, 및 이들의 조합을 포함한다. 가스의 선택은 수소 가스 생성 시스템의 최종 용도에 의존할 것이다. 액체(107)는 전형적으로 수성 액체이다. 시스템(100)이 폐수 처리장에 통합될 때, 액체(107)는 폐수일 수 있다. 액체(107)는 차례로 암모니아와 같은 다른 용해된 성분을 함유할 수 있다.
나노 기포 생성기(102)는 액체 캐리어에서 분산된 고농도의 나노 기포를 포함하는 조성물(103)을 생성하고 그 조성물을 전해전지(104)에 입력한다. 나노 기포의 농도는 ㎤당 적어도 106개의 나노 기포, ㎤당 적어도 107개의 나노 기포, ㎤당 적어도 108개의 나노 기포, ㎤당 적어도 나노 기포 109개의 나노 기포, 또는 ㎤당 적어도 1010개의 나노 기포이다. 위의 요약에서 설명한 것처럼, 고농도의 나노 기포를 전해전지에 도입하는 것은 수소 가스 생산 효율을 향상시킨다.
전지(104)는 애노드(106a)와 캐소드(106b)를 포함한다. 전지(104)는 수소 함유 액체 캐리어에서의 수소를 캐소드(106b)에서 수소 가스로 환원시킨다. 이렇게 생산된 수소 가스는 라인(109)을 통해 연료 전지(112)로 입력될 수 있다. 대안적으로, 수소 가스는 가스 동력 터빈과 같은 디바이스로 재순환되거나 도입될 수 있다. 수소 가스는 생산되는 대로 추출될 수 있다. 대안적으로, 수소 가스는 전지(104)에 저장된 상태로 유지되고, 필요할 때 추출될 수 있다. 이러한 점에서, 전지(104)는 에너지 저장 매체로서 작용한다.
산화는 전지(104)의 애노드(106a)에서 일어난다. 액체 캐리어가 수성 담체일 때, 캐리어의 산화는 애노드(106a)에서 산소 가스를 생성한다. 산소 가스는 라인(108)을 통해 재순환되고 나노 기포를 형성하기 위한 가스 공급원으로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 산소 가스는 연료 전지(112)에 공급될 수 있다.
다양한 나노 기포 생성기가 나노 기포 함유 조성물을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 도 2에 도시되고 앞서 언급한 미국 특허 제10,591,231호 및 제10,598,447호에 설명된 하나의 예는 원통형 형태의 하우징(12)을 포함하는 예시적인 장치(10)를 특징으로 한다. 다공성의 가스 투과성 세라믹 튜브(20)는 하우징(12)의 단부 벽(22)들 사이에 걸쳐 있고, 양쪽 단부에서 견고하게 지지된다. O-링을 포함하는 밀봉 구조(24)가 튜브(20)와 단부 벽(22)들 사이에 제공된다.
도면 부호 26에는 하우징으로의 입구가 있고 28에는 하우징으로부터의 출구가 있다. 펌프(30)가 입구(26)에 연결되고, 펌프(30)와 입구(26) 사이에 가스 공급원(38)가 있다. 제트 펌프(34)와 압력 게이지(36)는 출구(28)에 연결된다. 압력 하의 가스 공급원(38)은 압력 조절기(40), 유량계(42) 및/또는 입구(44)에 대한 밀봉 구조(24)를 통해 튜브(20)에 연결된다. 튜브(20)가 입구(44) 반대쪽 단부에서 폐쇄된다는 점에 유의한다. 장치(10)는, 유동하는 액체 내로 돌출되고 입구의 위치에 의해 유발되는 난류를 향상시키는 나선형 부재(46)를 선택적으로 포함할 수 있다. 장치는 난류 임계값 이상의 흐름, 예를 들어 적어도 2 m/s의 유량을 발생시키도록 구성된다. 난류 임계값 이상의 난류는 두 가지 기능을 수행한다: a) 튜브(20)의 표면으로부터 초기 기포를 전단하는 것; 및 b) 튜브(20)의 표면 부근으로부터 새로 형성된 기포를 제거하는 것. 장치(10)의 하우징(12) 내의 난류는 이들 목적을 모두 달성한다.
나노 기포 생성기가 전해전지 내에 침지되는 시스템에 특히 유용한 적합한 나노 기포 생성기의 제2 예가 도 3에 도시되고, 참조에 의해 통합되는 전술한 미국 특허 출원 제16/818,217호에서 설명된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디바이스(300)는 베이스(301), 베이스(301)에 결합된 구동 메커니즘(350), 베이스(301)에 결합된 보호 하우징(302), 보호 하우징(302) 내에 배치된 회전 가능한 투과성 부재(303), 및 회전 가능한 투과성 부재(303)에 간접적으로 결합되는 가스 입구(304)(선택적으로 파이프 피팅(304a) 및/또는 가스 튜브 피팅(304b)을 포함할 수 있음)(예를 들어, 가스 입구(304)는 브래킷(307), 로터리 유니온(305), 및/또는 플레이트(308)를 통해 회전 가능한 투과성 부재에 간접적으로 결합될 수 있음)를 포함한다. 일부 실시예에서, 디바이스(300)는 또한 회전 가능한 투과성 부재(303)의 비틀림 모멘트를 줄이거나 제거하기 위해 회전 가능한 투과성 부재(303)에 결합된 튜브 지지부(306)를 포함한다. 구동 메커니즘(350)은 회전을 제공할 수 있다. 구동 메커니즘(350)은 회전 가능한 구성요소(350a)를 포함한다. 일부 구현예에서, 구동 메커니즘(350)은 모터이고, 회전 가능한 구성요소(350a)는 회전 가능한 샤프트이다. 일부 구현예에서, 구동 메커니즘(350)은 기어박스이고, 회전 가능한 구성요소(350a)는 기어 샤프트이다.
보호 하우징(302)은 제1 단부(302b)와 제2 단부(302c) 사이에서 연장되는 측면 벽(302a)에 의해 한정된다. 제1 단부(302b)는 베이스(301)에 결합된다. 보호 하우징(302)은 보호 하우징(302)의 측면 벽(302a)을 통해 액체를 전달하도록 구성된 다수의 구멍(302d)을 한정한다.
회전 가능한 투과성 부재(303)는 길이 방향 축("X1")을 한정하는 몸체를 갖고, 길이 방향 축(X1)을 중심으로 축 방향으로 회전될 수 있다. 회전 가능한 투과성 부재(303)가 구동 메커니즘(350)의 회전 가능한 구성요소(350a)(예를 들어 모터의 회전 가능한 샤프트 또는 기어박스의 기어 샤프트)에 결합되어서, 회전 가능한 투과성 부재(303)는 구동 메커니즘(350)의 회전 가능한 구성요소(350a)와 함께 회전한다.
적절한 나노 기포 생성기의 제3 예가 도 4a 내지 도 4c에 도시되고 참조에 의해 통합되는 전술한 미국 특허 출원 제63/150,973호에 서명된다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 장치(400)는 하우징(401), 투과성 부재(403) 및 전기 전도체(405)를 포함한다. 세장형 하우징(401)은 제1 단부(401a), 제2 단부(401b), 및 액체 공급원으로부터 액체 캐리어를 수용하는데 적합한 내부 캐비티에 의해 한정된다. 하우징(401)은 입구와 출구를 포함한다. 제1 단부(401a)는 입구일 수 있고, 제2 단부(401b)는 출구일 수 있다.
장치(400)는 하우징(401)의 내부 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치된 가스 투과성 부재(403)를 포함한다. 투과성 부재(403)는 내부 표면, 외부 표면, 및 루멘을 한정한다. 투과성 부재(403)는 가스 공급원으로부터 가압된 가스를 수용하는데 적합한 제1 단부(403a), 제2 단부(403b), 및 제1 단부(403a)와 제2 단부(403b) 사이에서 연장되는 다공성 측벽(403c)을 포함할 수 있다. 투과성 부재(403)의 제1 단부(403a)는 개방 단부일 수 있고, 투과성 부재(403)의 제2 단부(403b)는 폐쇄 단부일 수 있다. 하우징(401)은 마운트(451)에 결합될 수 있으며, 예를 들어 하우징(401)의 제1 단부(401a)는 마운트(451)에 결합될 수 있다. 마운트(451)는 결합된 구성요소 내로의 유체 입구 및/또는 출구 포트를 제공할 수 있다. 예를 들어, 마운트(451)는 투과성 부재(403)의 제1 단부(403a)와 유체 연통하는 포트(451a)를 한정할 수 있다.
하우징(401) 및 투과성 부재(403)는 액체 캐리어가 액체 입구로부터 액체 출구까지 투과성 부재(403)의 외부 표면에 평행하게 유동함에 따라서 액체 공급원으로부터의 액체 캐리어의 유량이 액체의 난류 임계값보다 커서 난류 흐름 조건을 생성하도록 배열될 수 있으며, 이에 의해 액체가 가스 투과성 부재의 외부 표면으로부터 가스를 전단하고 액체 캐리어에서 나노 기포를 형성하는 것을 가능하게 한다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 장치(400)는 하우징(401)의 내부 캐비티에 위치되는 나선형 부재(예를 들어 나선형 전극)의 형태를 하는 전기 전도체(405)를 포함한다. 전기 전도체(405)는 액체 캐리어가 하우징(401)의 액체 입구로부터 액체 출구로 흐름에 따라서 투과성 부재(403)의 외부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합하다. 바람직하게, 전기 전도체(405)는 고주파 진동 자속을 생성하는데 적합하다.
장치(400)는 장치(400)를 통해 흐르는 액체 캐리어에서 회전을 유도하도록 형상화된 수중익선(450)을 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수중익선(450)은 장치(400)를 통해 흐르는 액체 캐리어에서 슈퍼 캐비테이션을 유도하도록 형상화된다(예를 들어, 테이퍼형 및/또는 곡선형 표면을 가진다). 예를 들어, 수중익선(450)은 수중익선(450)의 표면과 수중익선(450) 하류의 난류 후미 가장자리에 기초하여 장치(400)를 통해 흐르는 유체에서 높은 난류 영역을 생성하도록 형상화될 수 있다. 본 개시내용에서, 용어 "하류" 및 "상류"는 예를 들어 장치(400)를 통한 액체 캐리어의 전체 흐름 방향과 관련된다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에서, 장치(400)를 통한 액체 캐리어의 전체 흐름 방향은 좌측으로부터 우측으로이어서, "하류"는 "우측"과 상관되고 "상류"는 "좌측"과 상관된다.
적합한 나노 기포 생성기의 제4 예가 도 5에 도시되어 있으며, 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 전술한 미국 특허 출원 제63/150,973호에 설명되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 장치(1200)는 가스 공급원으로부터 가스를 수용하는데 적합한 하우징(1201), 및 액체 공급원으로부터 액체 캐리어를 수용하는데 적합한 가스 투과성 부재(1203)를 포함한다. 가스 투과성 부재(1203)는 투과성 부재(20)(도 2에 도시됨)와 실질적으로 유사할 수 있다. 액체는 투과성 부재(1203) 내로 흐르고, 가스는 장치(1200)에서 투과성 부재(1203)의 외부 표면 주위로 흐른다. 가스는 전단되어 투과성 부재(1203) 내에서 흐르는 액체 내로 분산되는 나노 기포를 생성하기 위해 기공을 통해 투과성 부재(1203)의 루멘 내로 흐른다.
장치(1200)의 하우징(1201)은 폐쇄 단부인 제1 단부(1201a) 및 제2 단부(1201b)를 포함한다. 가스는 공급원으로부터 하우징(1201)에 의해 한정된 포트(1201c)를 통해 하우징(1201)의 내부 캐비티 내로 흐른다. 도 5에서는 하우징(1201)의 중간 근처에 위치되는 것으로 도시되어 있을지라도, 포트(1201c)는 포트(1201c)가 하우징(1201)의 내부 캐비티에 가스가 들어가는 진입 지점을 제공하는 한 하우징(1201)의 어떠한 지점에도 위치될 수 있다.
투과성 부재(1203)는 액체 캐리어를 수용하는데 적합한 액체 입구로서 역할을 할 수 있는 제1 단부(1203a)를 가진다. 투과성 부재(1203)는 가스가 그 벽을 통과할 수 있게 하는 기공을 포함한다. 투과성 부재(1203)는 하우징(1201) 내의 가스가 투과성 부재(1203)의 벽을 가로질러 흐르도록 하우징(1201)의 내부 캐비티 내에 둘러싸인다. 가스가 투과성 부재(1203)의 기공을 통해 투과성 부재(1203)의 루멘으로 흐르도록 압력이 인가된다. 가스가 투과성 부재(1203)의 기공을 통해 흐름에 따라서, 나노 기포가 형성된다. 투과성 부재(1203)의 루멘을 통해 흐르는 액체 캐리어는 나노 기포가 형성됨에 따라서 투과성 부재(1203)의 내부 표면으로부터 나노 기포를 전단한다. 투과성 부재(1203)의 제2 단부(1203b)는 형성된 나노 기포를 운반하는 액체 캐리어를 배출하기 위한 개방 단부 또는 출구일 수 있다.
도 5의 장치(1200)는 하우징(1201)의 외부에 위치된 전자기 코일(예를 들어, 고정자)의 형태를 하는 전기 전도체(1205)를 포함한다. 전기 전도체(1205)는 투과성 부재(1203)의 적어도 일부를 둘러싸고 포트(1201c)의 상류에 위치된다. 하나 이상의 전기 전도체는 위에서 설명된 바와 같이 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
장치(1200)는 전술한 바와 같이 투과성 부재(1203)를 통해 흐르는 액체에서 회전을 유도하기 위한 구성요소(예를 들어, 나선형 부재 및/또는 수중익선)를 선택적으로 포함할 수 있다. 선택적 구성요소는 하우징(1201)의 내부 캐비티에 위치될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 만들어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예는 다음 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (27)

  1. 수소 가스를 생산하는 방법으로서,
    (a) 나노 기포 생성기로부터, 한 쌍의 전극과 수소 함유 전기분해 가능한 액체를 포함하는 전해전지 내로 ㎤당 적어도 107개의 나노 기포의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계; 및
    (b) 수소 가스를 생산하기 위해 상기 전해전지를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, ㎤당 적어도 108개의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, ㎤당 적어도 109개의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, ㎤당 적어도 1010개의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 전해전지 내에 위치되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 전해전지 외부에 위치되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기 및 상기 전해전지는 공통 하우징 내에 위치되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 수소 가스가 생산될 때 또는 사전 결정된 기간 후에 상기 전해전지로부터 수소 가스를 추출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전해전지로부터 연료 전지로 수소 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전해전지는 산소 가스를 추가로 생산하며, 상기 방법은 산소 가스가 생산될 때 또는 사전 결정된 기간 후에 상기 전해전지로부터 산소 가스를 추출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포는 공기, 질소, 이산화탄소, NOx, 메탄, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 가스로 채워지는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 수소 함유 전기분해 가능한 액체는 물을 포함하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수소 함유 전기분해 가능한 액체는 암모니아를 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 수소 함유 전기분해 가능한 액체는 폐수를 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는,
    (a) 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 액체 입구, 액체 출구, 및 액체 공급원으로부터 액체 캐리어를 수용하는데 적합한 내부 캐비티를 한정하는 세장형 하우징;
    (b) 상기 하우징의 내부 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되는 가스 투과성 부재를 포함하고, 상기 가스 투과성 부재는 상기 가스 공급원으로부터 가압된 가스를 수용하는데 적합한 개방 단부, 폐쇄 단부, 및 상기 개방 단부와 상기 폐쇄 단부 사이에서 연장되는 다공성 측벽을 가지며, 상기 가스 투과성 부재는 내부 표면, 외부 표면 및 루멘을 한정하며,
    상기 하우징 및 상기 가스 투과성 부재는 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구까지 상기 가스 투과성 부재의 외부 표면에 평행하게 흐름에 따라서 상기 액체 공급원으로부터의 상기 액체 캐리어의 유량은 난류 흐름 조건을 생성하기 위해 액체의 난류 임계값보다 크도록 구성되고, 이에 의해 액체가 상기 가스 투과성 부재의 외부 표면으로부터 가스를 전단하고 상기 액체 캐리어에서 나노 기포를 형성하는 것을 허용하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 흐름에 따라서 상기 가스 투과성 부재의 외부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 적어도 하나의 전기 전도체를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 가스 투과성 부재는 전기 전도성인, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 전기 전도체는 전자기 코일을 포함하는, 방법.
  19. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 흐름에 따라서 상기 액체 캐리어를 회전시키는데 적합한 나선형 부재를 포함하는, 방법.
  20. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 흐름에 따라서 상기 액체 캐리어를 회전시키는데 적합한 나선형 부재를 포함하며, 상기 나선형 부재는 상기 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 흐름에 따라서 상기 가스 투과성 부재의 외부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 전자기 코일을 포함하는, 방법.
  21. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는 상기 하우징의 내부 캐비티에 위치된 수중익선을 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는,
    회전 가능한 샤프트를 갖는 모터;
    벽과, 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재에 도입된 가스가 흐를 수 있도록 통과하는 복수의 기공을 갖는 본체를 포함하는 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재로서, 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재는 가스 공급원으로부터 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재로 가스를 도입하도록 구성된 가스 입구에 결합 가능하고, 모터의 회전 샤프트에 결합되어 상기 회전 가능한 샤프트와 함께 회전하는데 적합한, 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재; 및
    벽을 갖고 내부 캐비티를 한정하는 세장형 몸체를 포함하는 회전 가능한 튜브 지지체로서, 상기 벽은 복수의 구멍을 한정하며, 상기 회전 가능한 튜브 지지체의 내부 캐비티는 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재를 수용하도록 구성되는, 상기 회전 가능한 튜브 지지체를 포함하며, 상기 회전 가능한 튜브 지지체는 상기 모터의 회전 가능한 샤프트에 결합되어 이와 함께 회전 가능하고, 상기 회전 가능한 튜브 지지체는 회전할 때 액체를 상기 회전 가능한 튜브 지지체의 내부 캐비티 내로 도입하고 액체를 회전 가능한 투과성 부재의 몸체의 외부 표면으로부터 멀리 이동시키는데 적합하며, 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재는 회전할 때 액체가 상기 축 방향으로 회전 가능한 투과성 부재의 외부 표면으로부터 가스를 전단하고 이에 의해 액체에서 나노 기포를 형성하는 것을 허용하는, 액체에서의 난류 임계값 이상의 난류 흐름을 시뮬레이션하는데 적합한, 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 나노 기포 생성기는,
    (a) 제1 단부와 제2 단부를 포함하고, 내부 캐비티, 및 가스 공급원으로부터 상기 내부 캐비티로 가압된 가스를 도입하는데 적합한 가스 입구를 추가로 포함하는 세장형 하우징;
    (b) 상기 하우징의 내부 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되는 가스 투과성 부재로서, 상기 액체 공급원으로부터 액체를 수용하는데 적합한 액체 입구, 액체 출구, 및 상기 액체 입구와 상기 액체 출구 사이에서 연장되는 다공성 측벽을 포함하고, 내부 표면, 외부 표면, 및 액체가 흐르도록 통과하는 루멘을 한정하는, 상기 가스 투과성 부재; 및
    (c) 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 흐름에 따라서 상기 가스 투과성 부재의 내부 표면에 평행한 자속을 생성하는데 적합한 적어도 하나의 전기 전도체를 포함하며,
    상기 하우징과 상기 가스 투과성 부재는 상기 액체 캐리어가 상기 액체 입구로부터 상기 액체 출구로 상기 가스 투과성 부재의 내부 표면에 평행하게 흐름에 따라서 상기 액체 공급원으로부터의 상기 액체 캐리어의 유량이 난류 흐름 조건을 생성하도록 액체의 난류 임계값보다 크도록 구성되고, 이에 의해 액체가 상기 가스 투과성 부재의 내부 표면으로부터의 가스를 전단하고 상기 액체 캐리어에서 나노 기포를 형성하는 것을 허용하는, 방법.
  24. 수소 가스를 생산하기 위한 장치로서,
    (a) ㎤당 적어도 107개의 나노 기포를 생성할 수 있는 나노 기포 생성기; 및
    (b) 상기 나노 기포 생성기와 연통하고, 한 쌍의 전극을 포함하는 전해전지를 포함하며,
    상기 전해전지는 수소 함유 전기분해 가능한 액체로부터 수소 가스를 생성할 수 있는, 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 전해전지로부터 수소 가스를 수용하기 위한 입구를 가지는 상기 전해전지와 연통하는 연료 전지를 추가로 포함하는, 장치.
  26. 수소 가스를 생산하기 위한 방법으로서,
    (a) 나노 기포 생성기로부터, 한 쌍의 전극과 수소 함유 전기분해 가능한 액체를 포함하는 전해전지 내로 ㎤당 적어도 106개의 나노 기포의 농도로 나노 기포를 도입하는 단계; 및
    (b) 수소 가스를 생산하기 위해 상기 전해전지를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 수소 가스를 생산하기 위한 장치로서,
    (a) ㎤당 적어도 106개의 나노 기포를 생성할 수 있는 나노 기포 생성기; 및
    (b) 상기 나노 기포 생성기와 연통하고, 한 쌍의 전극을 포함하는 전해전지를 포함하며,
    상기 전해전지는 수소 함유 전기분해 가능한 액체로부터 수소 가스를 생성할 수 있는, 장치.
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