KR20110133615A - 규화나트륨 및 나트륨 실리카겔 재료를 사용하는 수소 발생 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응물 재료와 수용액을 화합시켜서 수소를 발생시키는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 반응물 재료는 규화나트륨 또는 나트륨 실리카겔일 수 있다. 수소 발생 장치는 연료전지 및 다른 공업적 응용에 사용된다. 하나의 시스템은 냉각, 펌핑, 물 저장, 및 수소를 발생시키는 반응물 재료와 수용액의 반응을 감지하고 제어하기 위한 다른 장치를 결합시킨다. 변동된 배치 기하학적 형태의 다중 입구는 수용액을 반응으로 나른다. 반응물 재료 및 수용액은 휘저어져서 반응의 상태를 제어한다. 수용액은 반응으로 재순환되고 복귀할 수 있다. 하나의 시스템은 일정 범위의 온도 및 압력에 걸쳐 작동하고, 수소 분리기, 열 제거 메커니즘, 및 반응 상태 제어 장치를 포함한다. 수소를 발생시키는 시스템, 장치 및 방법은 열안정성 고체, 수용액과의 거의 순간적인 반응 및 비독성 액체 부산물을 제공한다.
Description
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 본원에 참고문헌으로 인용된, 2009년 3월 30일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제61/164,888호 및 2009년 6월 6일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/185,579호의 우선권의 이점을 청구한다.
연방 출연 연구 및 개발
본 발명은 미국 에너지국에 의해 수여된 계약번호 DE-FG36-08GO88108 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 일부 권리를 갖는다.
기술분야
본 기술은 일반적으로 반응물 연료 재료 및 수용액을 사용하여 수소를 발생시키는 시스템 및 방법, 및 더욱 상세하게는, 물 또는 수용액과 반응할 경우에 규화나트륨, 나트륨 실리카겔 또는 다성분 혼합물을 사용하여 수소를 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 외부원 연료를 전류로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환 장치이다. 많은 공통적인 연료전지는 연료로서 수소 및 산화제로서 산소 (대표적으로 공기로부터)를 사용한다. 이러한 연료전지에 대한 부생성물은 물이며, 이는 연료전지를 동력을 발생시키는 매우 낮은 환경 영향 장치로 만든다.
연료전지 가솔린 터빈, 내연 기관 및 배터리와 같은, 동력을 발생시키는 많은 다른 기술과 경쟁한다. 연료전지는 고정식 발전, 조명, 예비 전원 공급, 가전제품, 전기자전거와 같은 개인용 이동 장치, 및 조경 설비 등을 포함하는 많은 분야에 사용될 수 있는 직류 (DC) 전압을 제공한다. 각각 동력을 발생시키는 상이한 화학을 사용하여 이용할 수 있는 매우 다양한 연료전지가 있다. 연료전지는 일반적으로 이들의 작동 온도 및 이들이 이용하는 전해질 시스템의 유형에 따라 분류된다. 하나의 공통적인 연료전지는 산화제로서 산소 (대표적으로 공기)와 함께 연료로서 수소를 사용하는 중합체 교환막 연료전지 (PEMFC)이다. 이는 높은 전력밀도 및 일반적으로 80℃ 미만의 낮은 작동 온도를 갖는다. 이들 연료전지는 보통의 포장 및 시스템 구현 요건으로 신뢰성이 있다.
수소 저장 및 발생의 난관은 PEM 연료전지의 광범위한 채택을 제한하였다. 분자 수소는 주변 조건에서 가스로서 질량 기준으로 매우 높은 에너지 밀도를 갖지만, 이는 부피에 의한 매우 낮은 에너지 밀도를 갖는다. 고압 및 극저온학을 포함하여 수소를 휴대품에 제공하기 위해 사용되는 기술은 광범위하지만, 이들은 대부분 요구되고 있는 수소 가스를 신뢰성 있게 방출시키는 화합물로 자주 집중되고 있다. 현재, 재료 중에 수소를 저장하기 위해 사용되는 3가지 광범하게 허용되는 메커니즘이 있다 : 흡수, 흡착 및 화학적 반응.
연료전지에 연료 공급하기 위한 흡수성 수소 저장에서, 수소 가스는 고압에서 금속 수소화물과 같은 특정 결정 재료의 대부분 내로 직접 흡수된다. 가장 자주, MgH2, NaAlH4 및 LaNi5H6와 같은 금속 수소화물이 가역적으로 수소 가스를 저장하기 위해 사용된다. 그러나, 금속 수소화물 시스템은 불량한 비에너지 (즉, 낮은 수소 저장 대 금속 수소화물 질량비) 및 불량한 입력/출력 유동 특징이 있다. 수소 유동 특징은 금속 수소화물의 흡열성에 의해 유도된다 (내부 온도는 수소를 제거할 때에 강하되고, 수소로 재충전할 때에 상승한다). 이들 특성 때문에, 금속 수소화물은 무거워지려는 경향이 있으며, 이들을 신속하게 충전 및/또는 방전시키기 위해 복잡한 시스템을 필요로 한다. 예를 들어, 금속 수소화물 또는 일부 다른 수소계 화학적 연료를 함유하는 카트리지로부터 가압 수소 가스를 저장하고 조절 방출하도록 설계된 시스템에 대해 미국 특허 제7,271,567호가 참조된다. 상기 시스템은 또한 금속 수소화물 연료 자체의 온도 및/또는 압력을 측정하고/거나 소모된 수소의 양을 평가하기 위해 연료전지의 전류 출력을 측정함으로써 연료전지에 전달될 수 있는 잔여 수소의 수준을 모니터한다.
연료전지에 연료 공급하기 위한 흡착 수소 저장에서, 분자 수소는 물리 흡착 또는 화학 흡착에 의해 화학적 연료와 결합된다. 수소화리튬 (LiH), 수소화 알루미늄리튬 (LiAlH4), 수소화 붕소 리튬 (LiBH4), 수소화나트륨 (NaH), 수소화 붕소 나트륨 (NaBH4) 등과 같은 화학적 수소화물이 비가역적으로 수소 가스를 저장하기 위해 사용된다. 화학적 수소화물은 하기에 나타낸 바와 같이 물과의 반응 시에 다량의 수소 가스를 생성시킨다 :
NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2
연료 저장 장치로부터 수소 가스를 방출하기 위해 화학적 수소화물과 물의 반응을 신뢰성 있게 제어하기 위해, 촉매는 물의 pH의 치밀한 제어와 함께 사용되어야 한다. 또한, 화학적 수소화물은 자주 불활성 안정화 액체의 슬러리 중에 삽입되어, 수소화물을 이의 수소 가스의 초기 방출로부터 보호한다. 미국 특허 제7,648,786호; 제7,393,369호; 제7,083,657호; 제7,052,671호; 제6,939,529호; 제6,746,496호; 및 제6,821,499호에 나타낸 화학적 수소화물 시스템이 상기 언급된 특징 중 적어도 하나, 그러나 자주 복수의 특징을 이용한다.
연료전지에 대한 수소를 생성시키기 위한 화학적 반응 방법에서, 자주 수소 저장 및 수소 방출은 화학적 연료의 온도 또는 압력의 보통의 변화에 의해 촉진된다. 온도에 의해 촉진되는 상기 화학적 시스템의 일례는 하기 반응에 의한 암모니아 보란으로부터의 수소 발생이다 :
NH3BH3 → NH2BH2 + H2 → NHBH + H2
제 1 반응은 6.1 중량%의 수소를 방출시키고, 약 120℃에서 일어나며, 제 2 반응은 또 다른 6.5 중량%의 수소를 방출시키고, 약 160℃에서 일어난다. 이들 화학적 반응 방법은 수소 가스를 생성시키기 위해 개시제로서 물을 사용하지 않고, 시스템 pH의 치밀한 조절을 필요로 하지 않으며, 자주 별도의 촉매 재료를 필요로 하지 않는다. 그러나, 이들 화학적 반응 방법은 자주 열폭주의 공통적인 발생으로 인해 시스템 제어 문제가 발생한다. 예를 들어, 암모니아 보란으로부터의 수소 발생을 열적으로 개시하고 열폭주로부터 보호하도록 설계된 시스템에 대해 미국 특허 제7,682,411호가 참조된다. 예를 들어, 열적 수소 방출 조건을 변동시키기 위해 촉매 및 용매를 사용하는 화학적 반응 방법에 대해 미국 특허 제7,316,788호 및 제7,578,992호가 참조된다.
사기의 관점에서, 많은 또는 모든 종래기술의 상기 문제점 또는 단점을 극복하는 개선된 수소 발생 시스템 및 방법이 요구된다.
요약
하기 기술된 수소 발생 시스템은 임의의 저장된 수소 가스 또는 분자 수소 원자를 함유하지 않는 규화나트륨 및/또는 나트륨-실리카겔을 포함하는 안정화된 알칼리 금속 재료와 같은 과 같은 반응물 연료 재료의 실질적으로 완전한 반응을 수행한다. 추가 반응물은 수소화 붕소 나트륨 (NaBH4) 및/또는 암모니아 보란 등을 포함할 수 있다. 또한, 이들 반응물을 이용하는 시스템 반응은 추가 촉매 챔버를 필요로 하지 않으며, 연료전지 또는 수소 유도 시스템의 수소 요구를 충족시키기 위해 적절한 수성 매질의 단순 첨가에 의해 쉽게 시작-정지 제어된다. 그 외에, 하기의 실시예는 전체 시스템 부피 및 중량을 최소화시키면서 상기 요건을 모두 충족시킨다.
본 설명에서 하나의 예는 반응물 연료 재료가 수용액에 노출될 경우에 수소를 발생시키는 반응물 연료 재료를 포함하는 반응기이다. 반응기는 수용액을 함유할 수 있는 독립된 수소 발생 부품일 수 있다. 유사하게, 또 다른 예는 수용액을 외부 공급원에 의해 유입시킬 수 있는 반응기를 포함할 수 있다. 수소 발생은 또한 외부 제어 시스템에 의해 제어되고, 모니터되고 처리될 수 있다. 제어 시스템 및 반응기는 수소를 수소 연료전지에 제공하기 위해 또는 임의의 일반적인 실험실용, 공업용 또는 소비자용으로 사용되는 독립된 수소 발생 시스템으로서 작동할 수 있다. 또한, 제어 시스템 및 반응기는 랩톱 컴퓨터, 개인용 또는 상용 전자 제품 및 전원을 필요로 하는 다른 장치 및 설비와 같은 최종 제품을 공급하는 완전한 연료전지 시스템 내에서 완전히 또는 부분적으로 구현될 수 있다.
수소 가스를 발생시키는 하나의 방법은 반응물 연료 재료를 반응기 내에 삽입시키고, 수용액을 반응기 내에서 반응물 연료 재료와 조합시켜서 수소 가스를 발생시키는 것을 포함한다.
반응물 연료 재료는 규화나트륨 분말 (NaSi)을 포함하는 규화물, 및 나트륨-실리카겔 (Na-SG)와 같은 안정화된 알칼리 금속 재료를 포함할 수 있다. 안정화된 알칼리 금속 재료는 또한 촉매와 혼합되거나 혼합되지 않은 암모니아 보란, 촉매와 혼합되거나 혼합되지 않은 수소화 붕소 나트륨, 및 열 또는 수용액에 노출 시에 수소를 생성시키는 일련의 재료 및 재료 혼합물을 포함하는 다른 반응성 재료와 조합될 수 있다. 재료와 수용액의 혼합물은 또한 폐기물의 pH를 조절하고, 폐기물의 용해도를 변동시키고, 수소 생성의 양을 증가시키고, 수소 생성 속도를 증가시키고, 반응의 온도를 조절하기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 수용액은 또한 물, 산, 염기, 알코올, 및 이들 용액의 혼합물을 포함할 수 있다. 수용액의 예는 메탄올, 에탄올, 염산, 아세트산, 수산화나트륨 등을 포함할 수 있다. 수용액은 또한 생성되는 H2의 양을 증가시키는 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 또는 수용액의 열역학적 특성을 변화시키는 열역학적 첨가제와 같은 첨가제를 포함할 수 있다. 응집제의 예는 수산화칼슘, 규산나트륨 등을 포함하며, 부식 억제제는 인산염, 붕산염 등을 포함할 수 있다. 추가로, 열역학적 첨가제는 반응의 온도 범위, 반응의 압력 범위 등을 변동시킬 수 있다. 추가로, 수용액에 대한 첨가제는 다양한 상이한 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다.
반응기는 제어 시스템 또는 연료전지 시스템이 복합 반응기를 이용할 수 있는 독립된 교체 가능한 부품일 수 있다. 반응기는 또한 카트리지, 실린더, 캔, 용기, 압력 용기, 및/또는 인클로저로 명명될 수 있다. 반응기는 반응물 연료 재료, 및 수용액을 반응기 내로 유입시킬 수 있는 반응기 또는 유입구, 또는 복수의 유입구 내측의 수용액을 포함한다. 반응기는 반응기에 남게 되면 그리고 연료전지와 같은 외부 시스템에 공급되기 전에 추가 과정 (예를 들어, 증기 응축, 정제, 조절 등)을 일으킬 수 있는 수소 가스용 유출구를 가질 수 있다.
수용액은 외부에서 사용자에 의해 초기에 저장되거나 첨가되고, 연료전지 시스템으로부터 반응기 상의 수용액 유입구 내로 복귀할 수 있다. 수용액은 수동 펌프, 배터리 동력 펌프, 외부 동력 펌프, 스프링 제어 펌프 등과 같은 펌프를 사용하여 유입구(들)을 통해 반응기 내에서 안정화된 알칼리 금속을 포함하는 반응물 연료 재료에 첨가될 수 있다. 수용액은 반응기 내에서 저장되고, 피스톤, 백, 막, 또는 다른 분리 장치에 의해 반응물 연료 재료로부터 분리될 수 있다.
반응기는 하나의 장치 또는 제어 시스템에 대한 하나의 연결부의 부분으로서 수소 유출물 및 수용액 유입부를 가질 수 있다. 반응기는 하나의 장치 또는 제어 시스템에 연결된 수소 유출물 및 상이한 장치 또는 제어 시스템에 연결된 물 유입부를 가질 수 있다. 반응기는 단지 반응물 연료 재료를 수용액과 조합시키는 내부 제어부를 갖는 수소 유출물만을 가질 수 있다.
수소 가스 발생 방법은 또한 발생된 수소 가스를 여과하고/거나, 수소 가스 중의 부생성물을 흡수하고/거나, 발생된 수소 가스로부터 물을 응축시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 여과는 반응기 내측, 제어 시스템 내측, 또 둘 모두에서 일어날 수 있다. 예를 들어, 수소 분리막이 반응기 또는 제어 시스템 (또 둘 모두)에서 사용되어 수소를 여과시킬 수 있으며, 응축기 유닛이 사용되어 발생된 수소 가스로부터 물을 응축시킬 수 있다. 필터 및 응축기는 발생된 수소 가스가 반응기의 수소 유출구를 빠져나감에 따라 이 수소 가스에 작용할 수 있다. 여과된 수소 가스 및/또는 응축된 물은 반응기 또는 물 저장 용기로 역으로 재순환될 수 있다. 수소 가스를 발생시키는 데에 있어서, 규산나트륨 또는 다른 반응 폐기물과 같은 폐기물이 생성될 수 있다.
하나의 예에서, 제어 시스템은 반응기에서 반응물 연료 재료와 수용액의 반응의 파라미터를 모니터하기 위한 모니터 장치를 포함할 수 있다. 모니터 장치는 반응기 내 또는 상에서 또는 외부 제어 시스템 내에서 하나 또는 다중 파라미터를 모니터할 수 있다. 이들 파라미터는 온도, 반응기 내용물의 전기 전도도, 반응기 내의 압력, 반응 중량, 비반응 반응물 연료 재료의 양, 반응의 경과 시간, 반응기 내의 수용액의 반응, 및 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 모니터된 시스템 특징이 나타날 수 있거나, 제어 방법을 변경시키거나, 반응기 상태 또는 시스템 상태를 다른 장치와 소통시키거나, 특징 또는 파생 특징을 사용자에게 전달하기 위한 계산에 사용될 수 있다. 사용자 전달 장치의 일례는 예를 들어 LCD 디스플레이와 같은 비주얼 디스플레이 장치이다.
반응은 반응 제어 장치를 사용하여 모니터 장치와 관련하여 제어될 수 있다. 반응 제어 장치의 예는 온도, 전기 전도도 범위, 압력, 반응 중량, 및 반응기 내에서 반응물 연료 재료와 수용액의 조합을 진행하는 다른 환경적 측정값을 변경시키기 위한 장치를 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 반응 제어 장치는 추가 반응물 연료 재료를 반응기에 첨가하고, 추가 수용액을 반응기에 첨가하고, 폐기물을 반응기로부터 제거하고, 반응기를 냉각시키고, 반응기를 가열하고, 반응물 연료 재료와 수용액의 조합물을 혼합시키고, 반응기로부터 방출시켜서 압력을 감소시키고, 다른 제어 측정을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
반응 파라미터의 측정 및 반응 제어 장치의 사용은 반응기 내의 임의의 환경적 측정값이 각각의 범위 밖에 있는 경우에 또는 임의의 파라미터의 변동 속도를 모니터하고 처리하는 제어 방법에 의해 수소 가스 발생 방법이 반응기 내에서 제어되도록 한다.
반응기는 수소 가스로부터 반응물 및 이의 반응 부생성물을 분리하기 위한 많은 상이한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 깨끗한 수소 가스 발생 방법은 분리 및 여과 단계 둘 모두를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 반응물 연료 재료, 수용액, 수소 가스 및/또는 반응 폐기물 중 적어도 하나가 다른 것들로부터 분리된다. 또한, 수소 가스는 수소 분리막, 화학적 필터, 건조제 필터, 거친 매질 필터, 드라이어 필터 및/또는 이차 반응기 챔버를 사용하여 정제될 수 있다. 이들이 사용됨에 따라, 필터는 수용액이 반응기 내로 유입됨에 따라, 수용액의 일부로 세척될 수 있다.
반응기는 또한 배관 네트워크, 노즐 어레이, 유량 제한기, 및 확산기, 미스터 등과 같은 물 분배 매체와 같은 수용액 분배를 위한 구조체 및 장치를 포함할 수 있다. 수용액은 평행하게, 일렬로 또는 이들의 조합으로 반응기 내의 다중 지점을 통해 분배될 수 있다. 수용액 분배 시스템은 반응물 연료 재료와 반응하여 수소를 생성시키고/거나, 수소 스트림을 정제하고/거나, 여과재를 세척하고/거나, 및/또는 폐기물 파라미터를 제어하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 사용될 수 있다.
반응기는 릴리프 밸브와 같은 안전 릴리프 메커니즘, 파열 디스크 또는 제어된 반응기 파열 지점과 같은 수소 취급 부품을 포함할 수 있다. 반응기는 또한 필요한 연료전지 특징을 공급하거나 여과 부품의 일시적 유속을 부합시키기 위해 수소 유출 속도를 최소화시키거나 제어하기 위한 배출 흐름 제한기를 포함할 수 있다.
수소 가스를 발생시키는 시스템은 또한 압력 변환기, 릴리프 밸브, 수소 밀폐 체크 밸브, 팬, 열교환기 및 반응기 냉각원을 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 연료전지 반응 폐액을 재순환시키고, 재순환된 연료전지 반응 폐액을 반응기로 복귀시키기 위한 재포착 용기를 포함할 수 있다.
수소를 발생시키는 방법은 또한 수용액의 일부를 반응물 연료 재료와 수용액의 조합물로부터 결과하는 폐기물을 재포착하기 위한 반응기의 영역 내로 향하게 하는 것을 포함한다. 예를 들어, 수용액의 일부는 이차 반응기 챔버에 첨가될 수 있고, 발생된 수소 가스는 상기 분배된 수용액을 통해 통과될 수 있다. 여과는 또한 액체 투과성 스크린을 사용하여 수행되어 비반응 반응물 연료 재료 및 수용액으로부터 폐기물을 분리시킬 수 있다.
이들 및 장점, 일면 및 특징은 첨부한 도면과 함께 관찰할 때에 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 하기의 도면과 관련하여 비제한 및 비-배타적 구현이 기술된다. 따라서, 하기의 도면 및 설명은 특성상 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한으로서 간주되지 않는다.
도 1은 수소 연료전지 또는 일반적 실험실용, 공업용 또는 소비자용 연료전지에 수소를 제공하기 위해 안정화된 알칼리 금속 재료 및 수용액을 사용하는 수소 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 2개의 반응기 및 손잡이 부속품을 갖는 수소 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 반응기, 물 용기 및 많은 추가 부품을 포함하는 수소 가스 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 4a-4d는 선택된 위치에서 다중 물 분배 노즐을 사용하는 반응기를 도시한 도면이다.
도 5는 열 제거 구조를 갖는 수소 발생 시스템의 일례의 개략도이다.
도 6은 반응 성분들을 혼합시키기 위해 하향 배향으로 반응기의 하나의 말단에서 수소 출구 및 물 입구를 갖는 수소 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5 및 6에 도시된 열 제거 구조를 갖는 수소 발생 시스템의 분해도이다.
도 8은 거친 매질 필터 및 수소 여과막을 갖는 수소 발생 시스템 배열을 도시한 도면이다.
도 9a-9c는 급수 네트워크, 및 급수 네트워크가 없는 필터 영역과 급수 네트워크를 이용하는 필터 영역의 비교를 도시한 도면이다.
도 10-10b는 막/거친 필터 시스템에 대한 대안적 필터 설계물을 도시한 도면이다.
도 11a-11b는 폐기물 포착 및 순환의 시스템 및 기술을 도시한 도면이다.
도 12a는 다중 반응 구획을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 12b는 다중 보호 절연 장치를 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 13은 전도도의 변동을 측정하기 위한 전기 접점을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 14는 반응기의 압력 용기 뚜껑에 연결된 전기 접점을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 15a-15c는 본 발명에 따르는 저중량, 저비용, 재사용 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따르는 저유출 반응기 시스템의 구조물의 일례를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따르는 저유출 반응기 시스템의 상세한 예를 도시한 도면이다.
도 18은 밸브에 의해 스프링-기본 액체 펌프 시스템에 연결된 고체 반응물 연료 재료에 연결된 반응기를 도시한 도면이다.
도 19는 커플링 밸브가 없는 스프링-기본 액체 펌프 시스템에서 시간에 따른 진동 수소 발생의 그래프이다.
도 20은 커플링 밸브가 있는 스프링-기본 액체 펌프 시스템에서 시간에 따른 수소 발생 압력의 그래프이다.
도 21은 단일 카트리지 내에서 통합된 반응물 연료 재료를 갖는 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 도시한 도면이다.
도 22a는 반응물 연료 재료를 갖는 반응기 및 통합된 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 도시한 도면이다.
도 22b 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 갖는 통합된 카트리지의 3가지 일차 서브조립체를 도시한 도면이다.
도 23은 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 갖는 통합된 카트리지의 투시도 및 단면도이다.
도 24는 통합된 카트리지의 조립도이다.
도 25는 물 공급 분배 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 26은 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치를 결합시키기 위한 나사 잠금 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 27은 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치의 개략도이다.
도 28은 원뿔형/붕괴 스프링을 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치의 개략도이다.
도 29a-29b는 이동에 따른 힘의 제한된 가변성을 촉진시키기 위한 붕괴성 스프링의 평면도 및 압축도이다.
도 30a는 스프링 기본 액체 공급원 및 부피 교환 시스템을 갖는 수소 발생 카트리지의 투시도이다.
도 30b는 스프링 기본 액체 공급원 및 부피 교환 시스템을 갖는 수소 발생 카트리지의 개략도이다.
도 31은 부피 교환, 스프링 기본 액체 공급원을 갖는 수소 발생 카트리지의 투시도 및 단면도이다.
도 32는 부피 교환, 스프링 기본 액체 공급원을 갖는 수소 발생 카트리지의 조립도 및 단면도이다.
도 33은 통합된 카트리지 여과 시스템의 예의 조립도이다.
도 34는 반응기 및 액체 공급원을 분리시키기 위한 정상적으로 밀폐된 밸브의 조립도이다.
도 35a-b는 반응기 및 액체 공급원을 연결시키기 위한 매칭 부품의 조립도 및 투시도이다.
상세한 설명
하기의 예에서는, 수소 연료전지 시스템이 언급되지만, 기술된 시스템 및 방법이 또한 예를 들어 실험실용, 상용 또는 공업용 및 소비자용과 같은 임의의 수소 가스 발생 분야에서 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.
기본 수소 제어 시스템
하나의 예에서, 규화나트륨 및/또는 나트륨 실리카겔은 물과 결합되어 수소 가스를 발생시킬 수 있지만, 개발된 기술은 또한 도핑된 규화물 및 결합하여 수소를 갖는 규화물과 같은 다른 안정화된 알칼리 금속 재료, 또는 수용액과 결합되어 수소 가스를 생성시키는 고체 분말을 사용할 수 있다. 또한, 개발된 시스템 기술의 많은 일면은 또한 알루미늄 분말과 같은 수소 생성에 사용되는 대안적 재료, 또는 수용액에 노출 시에 수소를 발생시키는 임의의 다른 재료 또는 재료의 조합물에 적용될 수 있다.
반응물 연료 재료는 막대, 원뿔체, 구체, 원통형 또는 다른 물리적 기하학적 형태로 압축되거나, 성형되거나, 형성되는 자유 유동 분말 또는 재료일 수 있다. 재료는 가변성 분말 크기, 형상 변형물, 재료 코팅, 또는 제어 반응 속도에 대한 재료 변형체로 구성될 수 있다. 하나의 코팅 방법은 고체 규화나트륨 구조를 습식 공기에 노출시켜서 물에 용해될 수 있는 규산나트륨 장벽을 생성시키는 것이다. 물론, 반응물 연료 재료 및 수용액을 결합시키는, 반응물 연료 재료 및 수용액에 대한 다른 형태 및 기하학적 형태가 사용될 수 있다.
도 1은 반응물 연료 재료 및 수용액을 사용하여 수소 가스를 발생시키는 수소 발생 시스템(100)의 의 일례를 나타낸다. 발생된 수소 가스는 수소 연료전지 또는 일반적 실험실, 공업 또는 소비자용으로 향할 수 있다. 반응물 연료 재료(101)은 반응기(102) 내로 삽입될 수 있다. 본 설명에서, 용어 반응기, 카트리지 및 압력 용기는 반응물 연료 재료가 위치하는 용기 또는 다른 그릇를 확인하기 위해 동의어로 사용된다. 도 1에 도시된 예에서, 제거할 수 있는 반응기(102)는 물 입구 연결부(106) 및 수소 출구 연결부(108)에 부착된다. 연결부는 정상적으로 밀폐된 이중 차단 밸브 및/또는 정상적으로 밀폐된 체크 밸브를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 반응기(102)로부터 물 입구 연결부(106) 및 수소 출구 연결부(108)로의 연결부는 특정 용도에 의존하여 가요성 연결부일 수 있거나, 경질 연결부일 수 있다. 물, 또는 또 다른 수용액은 안정화된 알칼리 금속(101)과 같은 반응물 연료 재료에 첨가되어, 수소 가스, 및 규산나트륨과 같은 부생성물을 생성시킨다. 수소 가스는 상향으로 이동하고, 반응기(102)로부터 배출된다. 단일 반응기(102)가 도 1에 도시되어 있지만, 임의의 수의 분리성 또는 고정된 반응기가 기술된 대표적 수소 가스 발생 시스템에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 2에는, 2가지 분리성 반응기(202), (204)가 도시되어 있다. 추가로, 반응기는 잠금 메커니즘, 클립 또는 다른 유사한 고정 장치를 사용하여 시스템 내의 위치에 고정될 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 예에서, 물과 같은 수용액이 충전구(110), (210) 각각에 첨가된다. 또 다른 구현에서는, 충전구의 존재 또는 부재하에 물 용기(114)와 같은 제거할 수 있는 물 용기가 첨가될 수 있다. 다른 예에서, 반응기는 반응물 연료 재료로 사전 충전될 수 있다. 수용액은 반응 효율을 개선시키고, 수소 생성을 증가시키고, 수소 생성 속도를 증가시키고, 오염물질 생성을 감소시키고, 오염물질 여과를 촉진시키고, 최종 가수분해를 지지하고, 부식을 감소시키고, 폐기물의 pH를 조절하고, 폐기물의 용해도를 변동시키고, 온도 범위 작동을 연장시킬 뿐만 아니라, 반응물의 열역학적 특성과 같은 다른 반응 파라미터에 영향을 주기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 산, 염기, 알코올, 다른 첨가제, 및 이들 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다. 첨가제의 예는 메탄올, 에탄올, 염산, 아세트산, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 규산나트륨, 인산염, 붕산염 등을 포함할 수 있다. 붕소, 탄소 및 질소를 포함하는 다른 첨가제가 반응물 연료 재료와 조합되어, 수소 용량, 동역학을 개선시키고/거나 반응 엔탈피를 감소시킬 수 있다. 온도 범위 작동가 관련하여, 염 및/또는 다른 첨가제가 수용액에 포함되어 용액의 동결점을 감소시킬 수 있다.
용기 내에 저장된 수용액의 양은 시스템 구현 세부 사항에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서, 용기는 다중 카트리지(202), (204)를 반응시키기게 충분한 부피보다 많은 부피의 수용액을 저장할 수 있다. 시스템은 수소 유출 스트림으로부터 물을 응축시키고 이를 반응기로 직접 복귀시키거나, 이를 물 용기(114)로 향하게 하기 위한 응축기 (도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 시스템은 추가 물을 물 용기(114)에 공급하기 위해, 또는 반응기에 대한 직접 분리 구현에서, 외부 물 공급원 (도시되지 않음)을 위한 물 입구 연결부(106)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 연료전지 반응 폐수는 완전히 또는 부분적으로 포착될 수 있으며, 또한 순수 총 물 요건을 감소시키기 위한 물 공급에 기여한다.
예를 들어, 규산나트륨 폐기물은 물을 쉽게 흡수하며, 따라서, 이의 점성은 변한다. 폐기물을 비반응 반응물 연료 재료로부터 분리시킴으로써, 반응은 제어될 수 있다. 예를 들어, 반응기의 하나의 말단은 가열되거나 절연되어, 과도한 물이 배출되는 경우에 용해도 조건을 발생시킬 수 있다. 상기 물은 안정화된 알칼리 금속 분말 까지 역으로 펌핑되거나, 물 사용 최대화를 위해 배타적으로 구성된 양의 규화나트륨과 반응하게 될 수 있다. 대안적으로, 반응 지점에서, 폐기물 규산염은 가온되며, 물이 거의 액체 상이 되지 않는 것을 필요로 하다. 반응 지점에서는, 비반응 반응물 연료 재료로부터 액체를 분리하기 위해 분리 스크린이 사용된다.
추가 시스템 부품
반응기 및 수용액 공급원 이외에, 수소 가스 발생 시스템은 추가 시스템 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3은 반응기(302), 물 용기(314) 및 많은 추가 부품을 포함하는 수소 가스 발생 시스템(300)의 일례를 나타낸다. 예를 들어, 물 공급원 입구(306)는 필료에 따라 물 용기(314)의 충전 또는 재충전을 허용한다. 용기(314)로부터의 물은 연동 펌프, 수동 펌프, 용적식 펌프 및 다른 펌프와 같은 펌프(320)을 사용하여 물 공급원 라인(390)을 통해 반응기(302) 내로 펌핑될 수 있다. 압력 변환기(322)는 물 공급원 라인(390)과 연결되어 위치하고, 반응기(302) 내로 펌핑된 물의 양을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력 변환기(322)는 펌프(320)과 함께 사용되어 다중 포트 밸브(324)를 통해 복합 반응기에 압력 보정량의 물을 전달할 수 있다. 압력 변환기(322)는 또한 페일-세이프 방식을 제공하기 위해 부분적으로 사용되어 과량의 물이 반응기(302) 내로 펌핑되는 것을 방지할 수 있다. 하나의 예에서, 압력 변환기(322)의 출력 전압은 비교기 (도시되지 않음)을 사용하는 시스템 전압 파라미터에 필적할 수 있다. 비교기의 출력은 전압이 적절한 작동 범위에 있는 지를 결정하도록 평가될 수 있다. 전압이 작동 범위에 있는 경우, 마이크로제어기(387)로부터의 추가 순환 실행 지시가 펌프(320)을 구동시켜서 물을 반응기(302)에 제공할 수 있다. 전압이 작동 범위 밖에 있는 경우, 펌프(320)은 장애를 갖는다. 이러한 순환은 축전기 또는 다른 시한 회로를 사용하여, 예를 들어 칸막이 펌프 작용 동안 순간적으로 높은 판독을 허용하도록 펌프의 판독의 지연을 발생시킬 수 있다. 복합 반응기를 갖는 수소 발생 시스템에 대해, 공급 밸브(324)가 사용되어 어떤 반응기가 물을 수용하는 지를 선택할 수 있다.
수소 가스 발생 시스템(300)은 배터리(388)을 포함하여 펌프(320)을 작동시키고/거나 다른식으로 반응을 개시하고 다른 제어 전자부품 (총괄적으로 386으로서 나타냄)을 작동시킬 수 있다. 수소 가스 발생 시스템(300)은 또한 외부 동력을 수용하여, 연료전지, 벽 출구, 또는 임의의 다른 공급원으로부터의 동력과 같은 임의의 외부 공급원으로부터 배터리(388)을 재충전시킬 수 있다. 시스템(300)은 또한 작은 연료전지 시스템 (도시되지 않음)을 포함하여 내부적으로 내부 보조 설비 부품을 작동시킬 수 있다. 하나의 실행에서, 배터리는 격리되어 존재하지 않으며, 오히려 동력은 전체 시스템(300)의 내부 또는 수소 발생 시스템(300)의 외부에 있는 연료전지 또는 연료전지 배터리 하이브리드로부터 얻어진다. 하나의 실행에서, 베터리는 반응기에 새스템을 출발시키기에 충분한 수소를 제공하는 공장 과압력이 제공되는 경우에는 필요하지 않다. 더욱더, 수소 발생 시스템은 작은 수도 작동 펌프 (주사기 등과 같은)를 갖도록 설계되어 전기 출발 보다는 물리적 사용자에 의해 반응을 출발시킬 수 있다.
압력 변환기(322)와 유사하게, 체크 밸브(326)이 반응기(302) 또는 제어 시스템에 사용되어, 밸브(324)/(361), 변환기(322) 및/또는 펌프(320)와 같은 제어 시스템 부품 상에 허용할 수 없게 높은 압력을 가하는 것으로부터 반응기(302) 내의 수소 압력을 유지시시킬 수 있다. 예를 들어, 초기 물이 반응기(302)에 들어가고, 반응기(302) 내에서 반응물 연료 재료(301)과 반응함에 따라, 수소가 발생되고, 반응기(302) 내의 수소 압력은 수소가 시스템 압력 파라미터 값에 도달할 때 까지 축적되며, 이때 수소 가스는 반응기(302)의 경로를 벗어나고 다른 곳에서 사용된다. 일부 경우에, 반응기(302) 내의 압력은 펌프(320) 및 다른 시스템 부품의 능력을 초과할 수 있다. 체크 밸브(326)는 펌프(320), 물 용기(314) 및 물 라인(390)이 과도하게 가압되는 것을 방지하고 시스템에 대한 손상을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 체크 밸브(326)은 반응기(302) 내의 압력을 결정하고, 반응기(302)로부터 제어 시스템에 대한 압력의 양을 단리시키기 위해 사용될 수 있다.
유사하게, 수소 유출 체크 밸브(336, 337)은 반응기(302) 내에서의 역류를 관리한다. 역류는 시스템이 높은 고도에서 사용되는 경우 또는 다중 캐니스터의 수소 유출물이 서로 속박되는 경우에 발생할 수 있다. 각각의 반응기에서 그리고 제어 시스템 전체에 걸쳐 체크 밸브 및 변환기는 복합 반응기를 사용하는 시스템에 대한 각각의 반응기의 자급식 압력 판독을 허용한다. 각각의 반응기(302)로부터의 수소 가스 유출 라인(391)은 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 위치한 압력 변환기(340)을 포함할 수 있다. 하나의 실행에서, 체크 밸브(336)은 단지, 연결되고 분리되는 경우에 캐니스터에 들어가는 공기와 상반되게, 또는 시스템이 또 다른 공급원으로부터 반응기에 고압을 우연히 연결시키는 경우에, 수소가 캐니스터 밖으로 흐르게 한다. 또 다른 실행에서, 상기 체크 밸브(336)은 필요하지 않지만, 정상적으로 밀폐된 체크 밸브(3430) (도 34에 도시되지 않음)이 대안적으로 사용된다. 하나의 실행에서, 체크 밸브는 압력 변환기(340)의 다운스트림에 연결되어, 하나의 반응기가 또 다른 반응기를 배압시키면서 제어 시스템에 존재하는 압력 변환기를 갖는 각각의 반응기의 자급식 압력 판독을 제공하도록 한다. 다른 실행에서, 체크 밸브(326), (336)은 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 물리적으로 존재하며, 동일한 기능을 제공할 수 있다. 이외에, 시스템은 또한 압력 조절 장치(344)를 포함할 수 있다. 때때로, 더 높은 압력 (예를 들어, 80 psi 이상)에서 반응기(302)를 작동시키는 것이 바람직하다. 하나의 예에서, 조절 장치(344)는 압력을 25 psi로 강하시킬 수 이다. 대안적으로, 다이얼 또는 압력을 조절하는 다른 수단을 갖는 조절 장치(344)가 사용되어, 사용자가 제어 시스템의 출력 전압을 변동시키도록 할 수 있다. 대안적으로, 전자 제어 조절 장치가 사용되어, 마이크로제어기 (마이크로제어기(387)과 같은)이 바람직한 압력을 기준으로 출력 압력을 설정하게 할 수 있다. 분리 실행에서는, 조절 장치가 전혀 사용될 수 없으며, 마이크로제어기가 반응기의 출력 압력을 조절하기 위해 물 유속 및 양을 제어할 수 있다.
재료 공급물
대안적 반응물 연료 재료 (예를 들어, 규화나트륨) / 액체 (예를 들어, 물) 메커니즘이 가능하다. 일부 배열에서, 반응물 재료는 기하학적 구조체로 형성되거나, 성형되거나 압축될 수 있다. 예를 들어, 안정화된 알칼리 금속 재료로부터 형성된 막대는 규정된 속도로 수용액 중에 삽입되어 반응을 제어할 수 있다. 유사하게, 막대는 단순히 수욕 또는 다른 수용액으로부터 제거되어 반응을 중단시킬 수 있다. 또한, 반응물 연료 재료는 또한 펠릿으로 압축될 수 있다. 이들 펠릿은 규정된 속도에서 물 또는 다른 수용액 내로 조작되거나 위치하여 반응을 수행할 수 있다.
수용액 공급물
물은 많은 상이한 방식으로 반응기(302) 내로 공급될 수 있다. 예를 들어, 물은 단일 물 입구(338)를 사용하여, 또는 도 4a-4d에 도시된 바와 같이 선택 위치에서 다중 물 분배 노즐을 사용함으로써, 반응기 내로 공급될 수 있다. 단순 시스템 배열에서 그리고 작은 시스템에 대해, 단일 물 유입은 충분할 것이다. 더 큰 시스템에 대해, 다중 물 유입이 사용되어 반응을 촉진시키고 반응 재출발에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서, 물 공급 튜브(411)은 물 입구(406)으로부터 수직으로 연장하고, 단일 튜브(411)을 사용하여 반응기(402)의 다중 영역에 물을 공급하는 다중 물 분배 노즐(413)을 사용한다. 또한, 도 4b에서, 수평 물 분배 필터 스프레이(415)가 또한 물을 반응기(402)의 다중 영역에 공급하기 위해 사용된다. 실시상, 단일 또는 임의의 수의 튜브가 사용될 수 있다. 튜브 및 물 분배 노즐은 크기가 변할 수 있으며, 물 분배 노즐 패턴 및 구멍 크기는 튜브를 가로질러 변하여 반응기 혼합 조건을 최적화시킬 수 있다. 예를 들어, 직경이 예를 들어 0.001" 내지 0.040" 또는 그 이상인 작은 치수를 갖는 구멍과 같은 많은 작은 구멍을 갖는 작은 튜브가 사용될 수 있다. 작은 구멍은 반응을 재출발하도록 시도할 경우에 반응 부생성물로 막히려는 경향이 있으며, 더 큰 노즐은 수용액을 제트 또는 미스트보다는 반응물 연료 재료 상에 부어지도록 할 수 있다. 고압 능력을 갖는 펌프를 사용할 경우, 더 큰 오리피스가 사용되어 물을 반응 지점에 주입할 수 있다. 저압 물 공급 시스템이 사용될 경우, 더 많은 노즐이 사용되어 노즐과 반응 지점 사이의 거리를 제한할 수 있다. 응용 및 특정 반응물에 의존하여, 임의의 수용액 전달 기술이 선택될 수 있다.
또한, 물 공급 튜브는 도 4c 및 4d에 도시된 바와 같이 곡선형 또는 나선형일 수 있다. 도 4c 및 4d에서, 나선형 물 공급 튜브(421)은 단일 튜브를 사용하여 반응기(402)의 다중 영역에 접근시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 나선형 물 공급 튜브(421)는 이의 커버리지 영역을 최대화시키고 서로에 대해 반응기(402)의 하나의 영역에서 물 포화를 최소화시키기 위해 많은 가능한 위치에서 구멍을 가질 수 있다. 중앙 기둥(423)이 또한 기계적 지지 및 열 제거를 위해 포함될 수 있다. 이러한 지지 또는 열 제거 구조체를 필요로 하지 않는 설계물에 대해, 이는 제거될 수 있다. 또한, 급수 네트워크는 중앙 기둥(423) 내에서 통합될 수 있다. 다른 물 분산 배열이 또한 가능하다. 예를 들어, 하나의 실행은 다양한 미세 구멍 또는 매쉬를 사용하여 물 전달을 촉진시킬 수 있다. 다른 실행에서, 급수 네트워크는 캐니스터의 부피를 통해 균일해지지 않을 수 있다. 예를 들어, 공급 네트워크는 반응물 연료 영역 내로 직접 공급하도록 최적화될 수 있다. 반응기가 폐기물 또는 반응물 발포에 대한 과잉 부피를 갖는 경우, 급수 네트워크는 이들 영역에 물을 첨가하지 않을 수 있다. 또한, 급수 네트워크는 수소 분리를 위해 사용되는 막 상에 물을 분무하도록 궝된 배관을 사용할 수 있다 (하기에 기술됨). 배관은 구멍을 포함할 수 있거나, 이는 튜브(들) 또는 노즐의 추가 어레이(들)을 함유할 수 있다. 상기 방식으로, 물은 반응기(402)의 다중 영역에서 반응물 연료에 직접 공급되어 수용액과의 반응을 촉진할 수 있다.
반응기(402)의 선택 위치 내로 물을 공급함으로써, 물 및 후속 반응은 반응기(402) 내에서 반응물 연료를 휘젓고 혼합시키도록 이루어질 수 있다. 수소가 형성되고 상승함에 따라, 수소 가스는 반응기 재료 (즉, 수용액 및 반응물 연료 재료)를 교바한여 이들 반응 성분들의 거의 완전한 반응성을 가능하게 하는 역할을 한다. 반응 성분들을 혼합시키는 것은 또한 도 6에 도시된 바와 같이 하향 배향으로 반응기의 하나의 말단 샹에 수소 출구 및 물 입구 둘 모두를 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 배열은 수소 발생 시스템에 대해 평면인 단일 연결부를 제공한다. 수소 픽업(666)이 반응기(602)의 상부에 위치하고, 가압 가스는 수소 튜브(668)을 통해 바닥으로 이동한다. 상기 수소 튜브(668)는 반응기의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 상이한 배열 및 튜브 기하학적 형태가 또한 사용될 수 있다.
덜 완전한 반응성이 사용될 수 있으며, 이는 필요한 물의 양이 비선형임에 따라 에너지 밀도 (전달된 H2 / (분말의 질량 + 필요한 물의 질량))를 증가시킬 수 있다. 그 외에, 부분적 반응성은 상승된 국소 반응 온도로부터 냉각함에 따라 거의 고체 상태로 폐기물을 남길 수 있다. 고체 폐기물은 폐기물 재료 처리에 유익할 수 있다.
열 전달
도 3에서, 반응물 연료 재료(301)와 물의 반응이 진행됨에 따라, 열이 반응기(302) 내측에서 발생된다. 하나 이상의 서미스터(328)가 사용되어, 반응기(302)의 열을 측정하고, 반응기(302)를 냉각시키기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 냉각 팬(330)을 포함하는 냉각 시스템을 제어할 수 있다. 또한, 냉각은 자급식 열 관리 회로를 사용하는 액체 냉각 루프 (도시되지 않음)에 의해, 또는 분리 물 냉각 작동을 사용하여 물 용기(314)로부터 반응기(302)에 대해 물을 순환시킴으로써 제공될 수 있다. 물론, 서미스터(328)은 또한 반응기(302)의 온도에 근거하여 반응을 제어하고, 발생되는 폐기물의 양을 조절하고, 물 사용을 최소화시키고, 반응성을 최대화시키기 위해 그리고 다른 이유로, 물 공급 밸브(324)를 제어하여 반응기(302) 내로의 물 흐름을 조절할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열 제거 구조(523)가 또한 반응기(502)의 중심에 위치할 수 있다. 열 제거 구조(523)은 또한 가압될 때에 반응기의 두 말단 모두를 함께 보유함으로써 기계적 반응기 잠금 메커니즘을 촉진시킬 수 있다.
도 5에서, 반응기의 바닥(572)는 또한 반응기(502)에 대한 열 싱크 및 스탠드로서 역할을 한다. 반응기 벽이 맑고 유리 또는 플라스틱으로 제조되는 경우에, 일부 열이 이들 벽을 통해 제거되지만, 이들 재료는 대표적으로 제한된 열전도도를 갖는다. 하나의 실행에서, 상당한 양의 열이 반응기의 양말단(562, 572) 중 하나 또는 둘 모두를 통해 제거된다. 반응기(502)의 하나의 말단은 배타적으로 열 싱크 (바닥(572))일 수 있는 반면, 다른 말단 (상부 뚜껑(562))은 수소 연결기(508) 및 물 연결기(506)과 같은 반응기 제어 및 연결부, 릴리프 밸브(555), 전기 통로와 같은 전기 연결부(577, 579), 전기 신호 처리 연결부, 시스템 감지 연결부 및 구조적 연결부를 함유할 수 있다. 도 5에서, 반응기(502)의 전체 몸체는 맑고, 반투명하여 (예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 이루어짐), 반응의 상태의 가시적 검출을 허용하는 특징, 반응물 연료 재료 소비의 평가 둘 모두, 뿐만 아니라 독특한 포장 및 가시적 외관을 제공할 수 있다. 또 다른 실행에서, 반응기는 일반적으로 반응을 관찰하기 위한 맑은 관찰 윈도우와 함께 불투명하다.
또한, 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 열 싱크(723) 및 모든 부품은 하나의 말단(762)에 연결된다. 상기 기하학은 가스 연결부(708), 액체 연결부(706) 및 전기 연결부(777)을 갖는 수소 발생 시스템에 대한 쉬운 연결을 촉진시키면서, 공기 냉각, 액체 냉각을 사용하는 수소 발생 시스템에 의해, 또는 임의의 다른 방법에 의해 열 제거를 위한 직접 경로를 제공한다.
압력 제어
도 3에서, 파열 릴리프 밸브, 파열 디스크, 또는 다른 제어 압력 릴리프 포인트(330)이 반응기(302)에서 실행되어 이의 압력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응기(302) 내의 압력이 예정된 시스템 파라미터에 도달하면, 수소 가스는 압력 릴리프 포인트(330)을 통해 반응기(302)로부터 조절적으로 조절될 수 있다. 하나의 예에서, 유량 제한기는 수소 유출 흐름을 제한하고/거나, 다운스트림 장치에 대한 허용될 수 있는 범위 내에서 흐름을 유지시키고/거나 성공적인 여과를 위한 허용될 수 있는 속도 내에서 흐름을 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 유량 제한기는 오리피스, 또는 체크 밸브 부품의 기능일 수 있다. 반응기에 대한 물 유입을 제한하는 유량 제한기는 과도한 순간 압력 발생을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
수소 발생 시스템(300)은 압력의 범위를 초과하여 작동하도록 구성될 수 있다. 하나의 실행에서, 사용자는 직접 또는 원격으로 버튼, 스위치 또는 임의의 다른 통신 프로토콜 (예를 들어, 블루투쓰 등)을 사용하여 바람직한 압력 한계 또는 범위를 설정할 수 있다. 하나의 실행에서, 시스템(300)은 압력을 모니터하고, 따라서 규정된 공차영역 내에서 반응기(302) 내의 압력을 유지시키기 위해 반응을 제어할 것이다. 시스템(300)은 더 낮은 압력 적용 (25 psi의 정도)를 위해 사용되어 사용자 안전성을 및 작동 단순성을 촉진시킬 수 있다. 많은 연료전지 응용은 상기 압력 범위 내에서 작동하다. 그러나, 필요한 경우, 규화나트륨은 이를 필요로 하는 응용을 위해 1000의 psi를 발생시킬 수 있다.
수소 여과
하나의 실행에서, 반응물 연료 재료는 수용액과 결합되어 일차 반응으로서 수소 가스 및 부생성물 (규산나트륨과 같은)을 생성시키는 규화나트륨이다. 실시상, 특정 조건하에 반응할 때에 실란 (예를 들어, SiH4)와 같은 다른 부생성물이 생성될 수 있다. 혼합물을 암모니아 보란과 반응시킬 때에 보라진 부생성물이 생성될 수 있으며, 수증기 또는 수산화나트륨 (NaOH) 미립자와 같은 다른 아아템이 또한 가능하다. 그 외에, 수용액 (예를 들어, 물), 액체 폐기물 (예를 들어, 규산염) 및 반응물 연료 재료 (예를 들어, 규화나트륨)이 모두 반응기 내에 존재할 수 있다. 여과의 다중 수준이 사용되어, 단지 수소를 특정 응용을 위해 적용할 수 있는 일정 수준의 정제에서 방출하도록 할 수 있다.
다중 용도의 역할을 할 수 있는 수소 분리기가 사용될 수 있다. 하나의 실행에서, 약 0.45 ㎛의 공극 크기를 갖는 적층된 테플론 (PTFE)으로 이루어진 분리 매체가 사용될 수 있다. 매우 다양한 공극 크기 및 특정 재료 선택이 이용될 수 있다. 실행 특징은 높은 배출 가스 유속, 물 30 psi 이하의 돌파 압력 및 반응기 뚜껑에 대한 초음파 결합을 포함한다. 막은 매우 다양한 재료 유형 및 두께로 이용될 수 있다. 다중 막이 사용되어 거칠고 미세한 여과를 제공할 수 있다. 예를 들어, 수용액 반응에서 반응물 연료 재료로서 규화나트륨을 사용하는 경우, 수소 버블이 규산나트륨 포움(foam) 내에 존재할 수 있다. 반응 동안, 상기 포움 (수소 코팅 규산나트륨 버블)은 여과막을 규산나트륨 폐기물로 코팅시킬 수 있다. 도 8은 수소 여과막(890)을 사용하여 더 미세한 여과를 수행하기 전에 상기 포움을 파괴시키기 위한 거친 매질 필터(888)를 사용하는 시스템 배열을 나타낸다. 하나의 실행에서, 구리 와이어 매쉬가 거친 매질 필터(888)로서 사용된다. 이는 고점도 재료를 미세한 필터 수소 여과막(890)으로부터 멀리 성공적으로 유지시킨다. 다른 거친 여과재가 또한 사용될 수 있다. 가수분해를 촉진시키거나 오염 물질을 흡수하기 위한 유용한 화학적 활성화제 또는 흡수제를 포함하도록 구리, 또는 다른 재료 또는 재료 코팅이 선택될 수 있다. 미세한 여과막(890) 재료는 또한 막(890)과 기계적 하우징(892) 사이의 백킹(894)를 포함할 수 있다. 상기 백킹(894)는 막(890)에 대한 기계적 지지를 제공하면서, 수소를 막(890)으로부터 배출시키고 특정 수소 유출 연결부 (도 8에 도시되지 않음)에 들어가게 하는 경로를 제공한다.
반응기 조립체에서 거칠고 미세한 여과를 제공함으로써, 수소 가스 발생 시스템은 부피 제약을 이용한다. 수소 발생기 시스템 및/또는 연료전지 시스템 내에서 추가 여과가 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, 도면에 나타낸 수소 발생 시스템은 예를 들어 제거할 수 있는 건조제 필터와 같은 분리성 여과 장치를 포함할 수 있다. 화학적 필터가 또한, 일정 기간 후에 역할을 할 수 있는 수소 발생기 시스템에 사용될 수 있다. 대안적으로, 필터는 이들이 반응기의 완전한 생성물 수명 동안 역할을 필요로 하지 않을 정도로 더 큰 크기로 구성될 수 있다. 많은 연료전지 응용에 대해, 연료전지의 바람직한 습도 요건으로 인해 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기가 허용될 수 있다. 일부 실험실 환경, 상업적 용도, 및 더 낮은 습도가 영향을 주는 일부 연료 전지 응용에서와 같은 다른 용도에 대해, 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기는 허용되지 않을 수 있으며, 드라이어 필터가 사용될 수 있다. 본 발명의 수소 발생 시스템은 제거할 수 있는 필터가 예를 들어 상용, 실험실용 및 연료전지 응용을 촉진시키도록 한다. 그 외에, 금속 수소화물의 재충전과 같은 일부 연료전지 응용은 건조 수소를 필요로 한다. 도 8에 도시된 바와 같은 물 흡수 매질 및/또는 응축기(896)가 또한 이들 응용에 사용될 수 있다. 응축기(896)의 임의의 사용은 일차 반응에 대한 물의 수집 및 복귀를 촉진시켜서 반응기(802)로부터의 물 폐기물을 최소화시킬 수 있다. 일차 반응에 대한 물의 복귀는 물 입구(806), 또는 반응기(802)에 대한 또 다른 연결부에 대해 직접 이루어질 수 있다.
또 다른 실행에서, 반응기는 분리성이거나 고정될 수 있으며, 반응물 연료 재료를 첨가하고/거나 반응이 완전해지면 반응 폐기물을 제거하기 위해, 접근 문 및 접근 포트가 제공될 수 있다. 예를 들어, 접근 문은 도 5에 도시된 바와 같이 반응기 커버 또는 리드(562)로서 합체될 수 있다. 대안적으로, 도 5에 도시된 실행에서, 폐기물의 임의의 부분은 나중의 처리 및 재순환을 위해 반응기 내에 저장될 수 있다.
필터의 세척
수소 가스 발생 시스템에서 반응물 연료 재료로서 규화나트륨 및 수용액으로서 물을 사용하는 경우에, 일차 폐기물은 물을 쉽게 흡수하는 규산나트륨이다. 일부 반응기 배열에서는, 상당한 양의 규산나트륨 포움이 시간에 따라 여과 장치의 차단을 유발한다. 고점성 규산나트륨은 여과 장치를 막을 수 있다. 물을 규산나트륨에 첨가함으로써, 점도가 변하여, 규산나트륨이 필터 영역으로부터 세척되게 된다. 예를 들어, 도 9a-9c에 도시된 하나의 배열에서, 급수 네트워크의 한 단면 (하나의 예로서 도 3 에서의 참조 번호 338과 같은)은 도 8에 도시된 거친 매질 필터(888) 및 수소 여과막(890)과 같은 여과 장치(들) 상으로 직접 향하는 물 흐름의 일부를 갖는다. 물 스프레이(909)에 의해 여과 장치에 가해지는 물은 결국 비반응 규화나트륨으로 역으로 강하되고 또한 반응하지만, 이는 먼저 반응기에 대한 전달의 부분으로서 필터를 세척하는 역할을 한다. 도 9a에서 참조 번호 909는 여과 장치에 도달하는 것을 직접 목적으로 하는 물의 스트림을 나타낸다. 도 9b는 반응 동안 세척되지 않은 여과 장치(999b)를 나타내고, 도 9c는 물을 여과 장치(999c)에 분무함으로써 반응 동안 세척된 여과 장치(999c)를 예시하는 것이다. 도 9b 및 9c에 도시된 필터 존재물의 차로부터의 증거로서, 물을 여과 장치에 가함으로써, 필터는 막히지 않는다.
추가 필터
막/거친 필터 조립체에 대한 대안적 필터 설계물이 또한 사용될 수 있다. 도 10a-10b는 많은 상이한 필터 설계물을 나타낸다. 예를 들어, 도 10a에서, 원뿔형 필터(1010)은 필터(1010)을 가로지르는 규산나트륨 포움의 이동을 촉진시켜서, 버블(1012)의 파괴를 결과할 수 있다. 상기 원뿔형 필터 기하학은 또한 반응기(1002)의 상부 모서리(1014a, 1014b)에서의 액체 수집 영역으로의 포움의 이동, 및 아래로 향하는 수직 화살표(1050, 1060)에 나타낸 바와 같이 반응기(1002)의 기부(1009) 쪽으로 아래로 규산나트륨 용액의 재순환을 결과할 수 있다. 추가 설계 특징은 반응기(1002) 자체 내로 합체되어 상기 작용을 촉진시킬 수 있다. 이러한 특징은 반응기 벽(1040) 및 도 10b에서의 심지 재료(1071) 상의 응축을 촉진시켜서, 아래로 향하는 수직 화살표(1051, 1061)에 의해 나타낸 바와 같이 반응기 벽(1040) 또는 다른 적절한 영역 아래로 액체 용액을 이동시키는 데에 도움을 주기 위해, 캐니스터 냉각을 포함할 수 있다.
다중 챔버 반응기
상기 기술된 여과 장치로도, 비-수소 및/또는 비-물의 일부 양은 거친 필터 및/또는 막을 통해 방출될 수 있다. 도3은 규산나트륨과 같은 반응 폐기물을 포착하기 위한 공정을 촉진시키기 위해 조합 챔버(355)를 나타낸다. 도 3의 조합 챔버(355)를 사용하는 공정이 다중 필터 및 막을 사용하는 도 11a-11b에 개략적으로 도시되어 있다.
도 11a-11b은 폐기물 포착 및 순환의 방법을 예시하는 것이다. 하나의 실행에서, 폐기물 포착 및 순환은 일회용 반응기에서 수행된다. 도 11a에서, 수소 가스는 물과 규화나트륨(1101)을 반응시킴으로써 더 큰 반응 챔버(1154)에서 발생되며, 수소 가스(1191)는 수소 막(1190)을 통해 상향 이동한다. 규산나트륨, 물 및 다른 반응 생성물의 일부 양은 또한 막(1190)을 통해 그리고 이 둘레로 이동할 수 있다. 이들 생성물의 실제 유속은 유입 공급원 물(1138)의 유속보다 훨씬 더 낮다. 이들 생성물 (유출 수소(1191), 유입 물(1138) 및 반응 부생성물)은 모두 더 작은 조합 챔버(1155) 내로 조합된다. 더 작은 조합 챔버(1155)는 지지체(1133)에 의해 반응기(1102)에서 지지될 수 있다. 매쉬 필터(1122)는 또한 추가의 유입 및 유출 여과를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
유입 물(1138)은 조합된 반응 부생성물이 물 중에 가용성이기 때문에 이 부생성물을 흡수한다. 물(1138) 및 부생성물은 더 큰 반응 챔버(1154) 내로 역으로 펌핑된다. 유출 수소(1191)은 막(1190)보다 더 미세한 공극 크기를 가질 수 있는 이차 막(1195)으로 상향 이동할 것이다. 수증기 및 다른 성분의 일부 양은 여전히 최종 유출 스트림 표지 "순수 수소 유출물"(1193) 중에 존재할 수 있다. 일부 작동 상황에서, 조합 챔버(1155) 및 반응기 챔버(1154)내의 압력은 동일할 수 있고, 수소는 막(1190)을 통해 흐르지 않을 것이다.
압력 균등화를 극복하기 위해, 막/필터 압력은 강하되고, 체크 밸브 압력은 강하되며, 물 펌프의 특정 작동 제어 방법은 반응 전 또는 도중에 변형될 수 있다. 일례로서, 공급원 펌프의 순환은 압력 섭동을 발생시켜서, 수소가 흐름을 개시하거나 재개하도록 할 수 있다. 펌프 업는 배열을 위한 대안적 폐기물 재포착 배열배열이 도 11b에 도시되어 있다. 도 11b에서, 공급된 물의 과압이 사용되어 물을 반응기에 공급한다.
반응기 내에 더 작은 구획을 사용하는 구조물
상기에 약술한 바와 같이, 이들 예에서 반응기는 다중 구획으로 분리될 수 있다. 상기 구조물은 반응의 상이한 영역에 물을 향하게 하기 위해 유용할 수 있다. 하나의 예에서, 반응의 상이한 영역은 상이한 시간에 작동되어, 규화나트륨 및 규산나트륨이 존재하는 경우와 상반되게 규화나트륨만이 존재하는 경우에 반응이 더 빠르게 개시될 수 있으므로 더 쉬운 재출발 조건을 촉진시킬 수 있다. 그 외에, 물 분무기는 반응을 제어하는 데에 효과적인 것으로 입증되었다. 각각의 분무기는 물 분산의 규정된 범위를 가질 수 있다. 구획 접근을 갖는 분무기는 반응을 제어하기 위해 잘 작용할 수 있다. 구획을 분리시키기 위한 다양한 방법 및 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 얇은 튜브는 반응기 구획에 느슨하게 삽입될 수 있거나, 벌집형 매쉬 조립체는 반응기의 내부에서 통합될 수 있거나, 가요성 막 네트워크는 반응기 내로 합체될 수 있다. 또한, 반응기를 분할시키기 위해 사용되는 재료는 다른 구획으로부터 하나의 구획 중에 수용액을 밀봉시킬 수 있다. 구획은 반응기 내의 수평 및 수직 방향 둘 모두로 배열될 수 있다. 구획은 또한 물 투과성 및/또는 수소 투과성 재료로 이루어지거나, 표면장력을 통한 물 운반에 사용되는 다른 재료로 이루어질 수 있다.
도 12a는 반응물 연료 재료가 시가렛형 배열로 롤링될 수 있는 경우에 이러한 접근법의 하나의 실행을 예시하는 것이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 반응물 연료 재료는 물을 모두 분말 및/또는 투과성 수소 둘레로 분배할 수 있는 막 재료에 싸여질 수 있다. 예를 들어, 다중 롤링 구획(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)은 반응기(1202) 내에 수용될 수 있다.
반응이 롤링 구획(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)에서 수행됨에 따라, 반응기(1202)는 열을 발생시킬 것이다. 이러한 롤링 구획의 또 다른 실행은 시가렛 케이스와 유사하게 낮은 프로팔일 패키지에 대해 수평으로 서로에 대해 다음에 롤링 구획을 배열하는 것이다. 상기 기술된 기술 이외에, 방열이 도 12b에 도시된 바와 같이 반응기(1202)의 벽(1296)을 통해 수행될 수 있다. 반응기(1202)의 벽(1296)이 뜨거워짐에 따라, 반응기(1202)의 외측 상의 많은 영역은 보호성 조각(1288) 또는 다른 절연 장치를 사용하여 절연될 수 있다. 이들 절연 장치는 반응기(1202)의 외측 상에 위치하여 사용자가 반응기를 접촉하게 할 수 있다.
반응의 상태의 결정
수용액이 반응물 연료에 첨가된 후에, 반응이 일어나고, 수소 가스가 발생한다. 반응의 상태를 결정하고 반응의 진행을 확인하는 많은 방식이 있다. 이들 기술은 반응을 가시적으로 관찰하고, 반응 시간을 측정하고, 반응 전, 도중 및 후에 반응의 파라미터를 측정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 반응 전, 도중 및 후에 측정될 수 있는 파라미터는 반응물의 중량, 온도, 반응기 내의 수용액의 양, 반응기 내의 반응물 연료의 양, 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량, 펌프의 공지된 특징에 의해 첨가되는 수용액의 양, 전기 전도도, 압력, 연료전지 전류에 의해 직접 또는 간접적 수소 유출 측정 등을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다.
예를 들어, 규화나트륨은 최소 전도도를 갖는다. 그러나, 물과 반응하면, 규산나트륨은 검출 및 측정에 적합한 수준으로 전기를 쉽게 전도한다. 전도도의 상기 변화를 측정하기 위해 많은 상이한 방법이 사용될 수 있지만, 상이한 전기 접점(1366)이 반응기(1302) 내측의 리본 케이블(1350) 상에 위치하는 하나의 실행이 도 13에 도시되어 있다.
전기 전도도 측정 회로는 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 실제 저항 측정값을 판독하고 비교하고/거나 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 점대점 전도도를 관찰한다. 이들 측정은 2개 만큼 적은 패드, 또는 충분한 반응 상태 레졸루션을 제공하기 위해 필요한 만큼 많은 패드를 사용하여 이루어질 수 있다. 유사하게, 유사한 판독을 수행하고 유사한 효과를 달성하기 위해 반응기의 상이한 위치에 접촉 프로브가 위치할 수 있다.
추가로, 또 다른 예에서, 단일 프로브는 2개의 전기 팀을 접촉시켜서 반응기에서 매우 특정한 거리로 특정 지점에서 저항을 측정할 수 있다. 상기 기술은 전기 전도성 반응기가 사용되는 배열로 사용될 수 있다. 유사한 실행에서는, 단일 프로브, 다중 프로브, 또는 전도성 패드가 사용될 수 있으며, 반응기 자체가 측정 접지로서 사용될 수 있다.
하나의 구성에서, 전기 접점은 스프링 로딩 접촉 핀, 스위핑 핀, 블레이드 삽입 장치, 무선 전달, 또는 전기 신호 전달의 임의의 다른 방법과 같은 많은 전기 접점 방법을 통해 수소 발생 시스템에 연결된다. 이러한 접점을 사용하는 하나의 반응기 예는 도 14에 도시되어 있으며, 여기에서 전기 접점(1414)은 반응기의 압력 용기 뚜껑(1416)에 연결된다. 리세스 리본 케이블(1418)은 접점(1414)를 압력 용기 뚜껑(1416) 내에서 마이크로제어기(1420)에 연결시킨다. 수소 발생 시스템은 마이크로제어기(1420)에서 프로그램 지시에 의해 실행되어 접점(1414)에 신호를 보내거나 탐침하고/거나, 저항을 측정하고/거나, 단락 회로 및/또는 개방 회로를 결정하는 검출 회로를 포함할 수 있다. 마이크로제어기(1420)은 접점(1414)에 신호를 보내고, 신호 수준을 결정하고, 신호 수준을 전도도 측정값으로 전환시키고 전도도 측정값을 반응 상태 측정값에 동일시하는 프로그램 지시 및 알고리즘을 포함한다. 물론, 마이크로제어기는 반응기 조립체 (도 14에서 압력 용기 뚜껑(1416)에서와 같이) 또는 도 3에 도시도니 제어 시스템(303)에 존재할 수 있다.
반응의 상태를 결정하는 또 다른 예에서, 변형 게이지와 같은 힘 센서가 사용되어 반응기의 중량을 측정할 수 있다. 반응의 상태 이상으로, 반응기는 규화나트륨에 첨가되는 물로 인해 더 무거워진다. 반응기의 중량의 변동은 반응 전, 도중 및 후에 중량을 결정하기 위해 저울 또는 다른 힘 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 이들 기간 동안 반응기를 칭량함으로써, 반응의 상태 뿐만 아니라 반응 효율, 완결 비율, 반응 시간, 반응으로부터 발생되는 수소 가스의 양 및 다른 파라미터와 같은 다른 시스템 특이적 파라미터가 결정될 수 있다.
제어 시스템은 반응의 상태를 기준으로 이의 펌프 파라미터를 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응은 개시보다는 반응의 종료 근처에서 동일한 양의 수소를 발생시키기 위해 더 많은 물을 필요로 할 수 있다. 마이크로제어기는 온도 범위, 압력 범위, 및 수용액이 반응에 첨가되는 양 및 속도와 같은 다른 제어 측정값을 조절함으로써 더 균일한 수수소 발생을 가능하게 하는 반응 특징을 예측하기 위해 상기 시스템 파라미터를 사용할 수 있다.
반응 상태 및 반응 파라미터의 디스플레이
도 2에 도시된 바와 같이, 반응의 상태를 결정하기 위해 사용되는 측정과 무관학, 디스플레이 장치(218)은 반응물 연료와 수용액의 반응을 모니터하고 제어하기 위해 사용될 수 있다. 디스플레이 장치(218)은 반응의 결정된 힘 또는 중량 및 다른 작동 또는 시스템 특이적 파라미터를 나타내기 위한 LCD (액체 결정 디스플레이) 또는 다른 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(318)의 추가 예는 도 3에 도시되어 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(318)은 실제 중량을 나타내거나, 또는 실제 중량을 실제 중량을 완결 비율, 시간, 또는 반응의 상태와 관련된 또 다른 측정값으로 전환시키기 위한 마이크로제어기 (도 3에서의 마이크로제어기(387)과 같은)을 사용한다.
단일 격실 반응기 예
중량, 저비용, 재사용 반응기(1502)는 도 15a에 개략적으로 그리고 도 15b에 상세히 도시되어 있다. 얇은 벽 반응기(1502)는 캐니스터 뚜껑(1555) 둘레에 립(1553)을 포함하도록 스탬핑되고 형성딘다. 분리 지지 조각(1557)이 립(1553)의 밑면에 위치한다. 캐니스터 뚜껑(1555) 및 지지 조각(1557)은 립(1553)을 포함하여, 강한 반응기(1502)를 촉진시키면서, 모두가 분리되고 재사용될 수 있는 매우 얇은 벽 캐니스터를 사용한다. 립(1553)은 접착 또는 크림핑 없이 멈춤 링을 사용하여 캐니스터 뚜껑(1555)을 고정시키기 위한 기계적 연결을 촉진시킨다. 이는 캐니스터 뚜껑(1555)를 제거하고, 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)를 점검한 후, 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)를 재충전 및 재사용하는 능력을 제공한다. 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)의 점검은 분리기 막, 여과 매체 등과 같은 부품 조각을 교체하고 개조하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 캡슐화 또는 다른 방법과 같은 보호성 방법이 사용되어 반응기에 의한 템퍼링을 방지하거/거나 반응기 템퍼링 검출을 제공할 수 있다.
도 15c는 설계된 오버-립(1553)을 포함하는 이러한 얇은 벽 용기의 제조에 사용디는 상세한 도면을 나타낸다. 도 15b에 또한 도시된 바와 같이, 오버-립(1553)은 접착제 또는 크림프와 같이 반응기 뚜껑(1555)를 부착시키기 위해 다른 방법이 사용되는 경우에 생략될 수 있다. 뚜껑(1555)의 바닥 단면(1563)은 중량을 최소화시키고 강도를 최대화시키면서, 수용액 유입부, 수소 가스 유입부 및 유출물, 전기 연결부 장치 등과 같은 실시적 연결 장치 (집합적으로 1565로 도시됨)을 제공하도록 설계될 수 있다.
추가로 도 15b에 도시되고, 도 3에 대해 작동적으로 기술된 바와 같이, 반응기(1502)는 수소 출구(1544) 및 물 입구(1591) 둘 모두를 포함한다. 이들 연결부는 체크 밸브 및/또는 정상적으로 밀폐된 차단 밸브, 또는 물 및 수소 흐름을 조절하기 위한 다른 장치를 함유할 수 있다. 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)의 일례는 도 34에 도시되어 있다. 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)는 도 15b에 도시된 바와 같이 수소 출구(1544) 및/또는 물 입구(1591) 중 어느 하나에서 반응기에 설치될 수 있다. 도 35에 도시된 메이팅 부품(3535)는 제어 시스템 상에 고정되고, 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)의 표면 상에서 접촉하고 눌러지는 메이팅 부품(3535)의 표면 상에 o-고리(3537) 또는 오버몰딩 가스킷을 갖는다. 메이팅 부품(3535)의 표면이 밸브 조립체(3434) 상에서 눌러짐에 따라, 차단 밸브(3434)의 내부 부분은 미끄러져서 개방 유체 통로을 제공한다. 비개방 상태에서, 스프링(3430)은 밸브(3434)의 몸체를 밀고, o-링이 밀봉되게 하고 액체가 흐르도록 한다. 추가 o-링이 역학적 밀봉로서 사용되어 밸브 공극 부피를 최소로 유지시키며, 이는 연결되고 분리될 경우에 수소 가스에 첨가되는 정상 공기의 양을 현저히 감소시킨다. 밸브(3434)의 몸체는 트레드(3439)를 포함하여, 몸체가 캐니스터 뚜껑(1555) 내로 끼워질 수 있다. 밸브(3434)는 접착제, 압입, 스냅링 등과 같은 많은 다른 메커니즘에 의해 원위치에 설치되고 유지될 수 있다.
도시된 반응기는 통합된 안전 릴리프 밸브(1538 및 1588)을 포함한다. 안전 릴리프 밸브(1538, 1588)은 일회용 제어 압력 릴리프 파열 포인트와 같은 대안적 방법으로 실행될 수 있다. 도 15b에서, 하나의 릴리프 밸브(1538)가 사용되어 여과를 통해 압력을 벤팅시키며, 또 다른 릴리프 밸브(1588)는 여과 전에 압력을 벤팅시키기 위해 사용된다. 하나의 실행에서, 밸브(1538, 1588)는 둘 모두 동일한 압력에서 풀어지도록 설정된다. 또 다른 실행에서, 포스트 필터 밸브(1538)는 프리필터 밸브(1588)보다 낮은 압력에서 풀어지도록 설정된다. 방치된 고압 이벤트의 경우에, 시스템은 여과된 유출물을 통해 고압 수소를 모두 벤팅시킬 것이다. 이차 밸브(1588)는 또한 필터가 막히는 고압 이벤트의 경우에 보조 밸브로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실행에서, 침적관(1543)이 릴리프 밸브(1588)의 가스 통로에 연결되고, 거꾸로 저장되는 경우에 캐니스터의 바닥으로 향하여 캐니스터를 벤팅시킨다. 상기 실행의 변형에서, 침적관(1543)은 상부, 바닥 또는 둘 모두에서 다공성 여과재를 함유하여, 수소 대 규산나트륨 또는 다른 수용액 요소를 선택적으로 벤팅시킬 수 있다.
뚜껑(1555)는 예를 들어 Atmel TK5551 RFID 칩과 같은 RFID 칩(1522)를 포함한다. 3개의 얇은 벽 튜브(1539, 1541, 1543)이 반응기(1502) 내에 도시된다. 하나의 튜브(1539)는 물을 반응기(1502)의 중심으로 유도하고, 통합된 노즐(1549a, 1549b, 1549c)를 포함하여 반응물 연료가 존재하는 반응기(1502)의 영역으로 물 흐름을 향하게 한다. 또 다른 튜브(1541)은 상부 뚜껑(1561)의 평면에 대해 수평이다. 상기 튜브(1541)는 필터(1561)을 청소하고, 물을 필터(1561)을 가로질러 분무하여 필터(1561)을 세척하고 수용액과 반응물 연료를 추가로 반응시킨다.
도 3에 대해 상기 기술된 바와 같이, 체크 밸브 (도 15에 도시되지 않음)은 반응기(1502)에서 물 라인과 연결되도록 위치할 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, 체크 밸브는 제어 시스템, 반응기(1502) 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 물은 상기 기술된 물 네트워크를 통해 반응기(1502) 내로 펌핑된다. 수소가 수소 출구(1591)을 통해 반응기(1502)로부터 배출됨에 따라, 수소 가스는 또한 체크 밸브 (도 15에 도시되지 않음)을 통해 통과할 수 있다. 상기 제시된 바와 같이, 수소 가스 유출 체크 밸브가 또한 제어 시스템 (참조 번호 303으로서 도 3에 도시됨), 반응기(1502) 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 하나를 초과하는 단일 반응기(1502)를 사용하는 시스템에서, 체크 밸브는 각각의 반응기로부터 수소 배출 라인 각각을 위해 사용된다. 또한, 자급식 압력 변환기가 사용되어 각각의 반응기 압력을 분리적으로 측정할 수 있으며, 자급식 압력 변환기는 하나 이상 체크 밸브 또는 다른 다운스트림 격리 메커니즘 전에 반응기 또는 제어 시스템에서 수소 배출 라인에 연결된다. 체크 밸브는 하나의 반응기가 또 다른 반응기를 배압시키는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 정상적으로 밀폐된 밸브 또는 흐름 제어 조절 장치와 같은 다른 부품이 사용되어 유사한 결과를 달성할 수 있다.
도 3에 대해 상기 기술된 바와 같이, 수소 가스는 반응기(302) 밖으로 직접 통과할 수 있다. 또 다른 실행에서, 수소 가스는 먼저 고순도 오염 필터를 통해 통과할 수 있다. 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 수소 유출물은 원래의 물 탱크(314) 또는 분리 물 탱크와 같은 물 탱크/응축기를 통해 버블링될 수 있다. 이는 수증기의 일부량을 응축시키고, 유출된 수소 가스 중에 존재할 수 있는 미립자 또는 오염 물질의 일부량을 포착하는 역할을 한다.
물 탱크(314)를 통한 버블링 후에, 유출된 수소 가스는 미세 고순도 필터(369)를 통해 통과될 수 있다. 물 탱크(314)는 저온 작동을 위해 또는 다른 용도로 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 생성되는 H2의 양을 증가시키는 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 또는 수용액의 열역학적 특성을 변동시키는 열역학적 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열역학적 첨가제는 반응의 온도 범위, 반응의 압력 범위 등을 변동시킬 수 있다. 추가로, 수용액에 대한 첨가제는 다양한 상이한 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 첨가제는 유출된 수소 스트림에서 더 적은 오염을 촉진시키거나, 첨가제 자체는 반응에서 생성되는 임의의 발생된 실란 (SiH4)에 대해 가수분해를 일으키는 역할을 한다. 반응기(302)로부터의 수소 가스는 수성 필터(351)로 향할 수 있다. 압력 변환기(340)은 수소 가스의 압력을 측정하고 조절하기 위해 사용될 수 있다. 수성 필터(351)은 임의의 발생된 실란에 대해 가수분해를 수행하고, 미립자를 수집하고, 수소 유출 스트림으로부터 물을 응축시키기 위해 사용된다. 실란의 가수분해의 경우에, 소량의 SiO2 및 수소가 발생된다. 생성되는 수소는 수소 가스 유출물(365)에 사용될 수 있으며, SiO2는 밸브(361, 324)를 통해 잔여 물을 갖는 반응기(302) 내로 펌핑될 수 있다. 물 탱크(314)는 필요에 따라 배수되고 세척될 수 있다. 유출된 수소를 물을 통해 버블링시키는 경우, 물 탱크(314)는 또한 상부에서 투과성 막(367)을 가져서, 수소가 수소 출구(365)에서 배출되지만, 물은 심하게 기울어지거나 뒤집힌 거꾸로 된 상황에서 배출되지 않도록 할 수 있다. 하나의 실행에서, 물 뚜껑(363)은 물 뚜껑(363)이 완전히 폐쇄되면 마이크로제어기(387)에 알려주는 뚜껑 접촉 센서(311) 또는 다른 검출기를 갖는다. 하나의 실행에서, 마이크로제어기(387)은 더 많은 물이 첨가되면서 물 탱크(314)가 반응기(들)을 가압으로 유지시키기 전에 유출 밸브(362)를 턴오프시킬 수 있다.
다른 예에서, 유출 밸브(366)은 물 탱크(314) 및 미세 필터(367)의 배출 후에 배치될 수 있다. 상기 유출 밸브(366)는 마이크로제어기(387)에 의해 제어되어, 반응을 출발시키고, 압력을 셀폰, 랩톱 컴퓨터, 주택 전기 그리드 등과 같은 최종 분야에 유출된 수소 가스를 공급하기에 적합한 수준으로 축적하도록 할 수 있다. 또 다른 예는 임의의 트랩핑된 공기의 시스템을 정화시키기 위해 분리 릴리프 밸브(368) 또는 블리더 밸브를 포함한다. 상기 기술된 바와 같이, 추가의 예는 응용될 수 있는 바에 따라 특정 응용 요건을 지지하기 위해 유출 수소 라인과 연결되도록 응축기 또는 건조제 필터와 같은 필터(369)를 포함한다.
또 다른 예는 이차 조합 챔버(351)을 통해 반응기(302)로부터 모든 물을 진로시키는 것을 포함한다. 또한, 또 다른 예는 반응기(302) 쪽으로의 직접 통과로서 또는 이차 조합 챔버(351)에 대한 자급식 제어로, 유출된 물을 이차 조합 챔버(351)로 펌핑시키는 것을 포함한다. 이차 조합 챔버(351)은 상기 기술된 바와 같이 반응기(302)에 대해 열적 제어가 제공되기는 하지만, 가수분해 및/또는 여과를 촉진시키기 위해 이차 챔버의 온도를 증가 및/또는 유지시키기 위해 서미스터(328)과 같은 열적 제어 시스템에 결합될 수 있다.
추가 전기 연결부
단일 격실 반응기 및 추가 격실을 갖는 반응기 둘 모두에서, 추가 전기 연결부는 반응의 상태 및 시스템 특이적 파라미터에 대해 사용자에게 추가 정보를 제공하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 추가 신호 연결부 (유선 또는 무선)는 반응기(302) 및 제어 시스템(303)으로부터 이루어져서 전자부품(386)을 제어하여, 시스템 특이적 파라미터를 모니터하고 보여주는 제어 장치 및 디스플레이 장치 측정 데이터를 제공할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 판독/입력 RFID 장치가 사용되어, 시스템 특이적 파라미터를 저장하고 보고함으로써 반응의 상태를 평가할 수 있다. 예를 들어, 마이크로제어기(387)은 반응기(302) 내로 펌핑되는 물의 양을 나타내는 데이터를 반응기(302)의 뚜껑에 위치할 수 있는 RFID 장치(333)에 입력할 수 있다. 반응기(302) 내로 삽입되는 것으로 공지된 측정된 물의 양에 근거하여 그리고 압력 및 온도 측정과 같은 다른 측정을 사용하여, 반응 상태는 시스템(300)에 의해 결정될 수 있다. 유사하게, 추가 RFID 장치(381, 382, 334)가 반응기(302) 및 제어 시스템(303) 도처에서 합체되어 마이크로제어기(387)에 그리로 이로부터 시스템 정보를 제공하고 저장할 수 있다. 예를 들어, 각각의 RFID 장치는 일련 번호, 반응기 내로 삽입되는 물의 양, 반응기 내로 삽입될 수 있는 물의 총 허용될 수 있는 양, 반응기 내의 압력, 물 용기 및 시스템 내 다른 곳에서의 압력과 같은 정보를 제공할 수 있다. 압력 측정값, 온도 측정값, 물의 양, 및 RFID 장치에서의 다른 시스템 특징이 사용되어 반응의 상태를 결정할 수 있다. 유사하게, 마이크로제어기(387)은 물 흐름 속도, 생성되는 수소의 양 및 RFID 장치(333, 334, 381, 382) 및 제어 시스템(303) 내, 반응기(302) 내 및 반응 장치 도처에 위치할 수 있는 다른 RFID 장치에 대한 다른 파라미터와 같은 다른 시스템 파라미터를 입력할 수 있다.
또한, RFID 장치 (별도로 도시되지 않음)은 반응기(302) 내로 통합되어, 반응기(302)를 개별적으로 확인함으로써 재고 관리를 제공할 수 있다. 상기 장치는 재고 관리를 위해 분리적으로 사용될 수 있거나, 단일 장치가 다중 세트의 제어 기능과 함께 사용될 수 있다. RFID 장치는 하나의 트랜스폰더 및/또는 다중 위치에서 사용될 수 있는 많은 트랜스폰더와 소통할 수 있다. 예를 들어, 트랜스폰더는 조립체 라인의 일부로서 또는 품질 제어를 위한 손으로 쥐는 장치로서 공장 제조 반응기에 사용될 수 있다. 또한, 트랜스폰더는 필드에서 사용하기 위해 메이팅 하드웨어에 위치할 수 있다. 메이팅 하드웨어는 수소 발생 시스템, 연료전지 시스템, 완전 동력 시스템, 또는 다른 인터페이스 시스템를 포함할 수 있다.
수동적 수소 발생
수동적 구조물 반응기 시스템(1600)의 일례는 도 16에 도시되어 있다. "수동적 구조물"은 반응을 개시하기 위한 전기 펌프의 부재를 의미한다. 수동적 구조물 시스템은 자주 저유출 시스템에 적합하다. 상기 구조물로, 오버헤드 작업이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 저유출 시스템의 부품은 자주 더 적은 수의 물리적 패키지 내로 결합될 수 있고, 다른 부품은 완전히 제거될 수 있다. 예를 들어, 반응기 시스템의 팬 및 펌프는 셀폰 또는 셀폰 재충전기 및 저동력을 필요로 하고 부피 및 비용 둘 모두를 최소화시켜갸 하는 다른 분야와 같은 저동력 시스템을 위해 제거될 수 있다. 규화나트륨계 (또는 다른 수성 반응성 재료) 수소 발생을 위한 펌프 없는 시스템의 단순화된 구조물이 도 16에 도시되어 있다. 물 탱크(1614)는 가압 공급원(1616) 또는 펌프를 연결시킴으로써 초기에 가압된다. 물은 유량 제한기(1624)를 또한 포함하는 물 공급 라인(1690)을 통해 공급된다. 유량 제한기(1624)는 밸브와 같은 활동적 부품, 또는 오리피스와 같은 수동적 부품일 수 있다. 대안적으로, 중력 자체가 초기 힘을 제공하여 물을 물 공급 라인(1690)을 통해 이동시킬 수 있다. 초기 물이 반응기(1602)에 들어가고 규화나트륨(1601)과 조합됨에 따라, 수소(1634)가 발생되고 수소 압력을 생성시켜서, 재가압 라인(1643)을 통해 물 공급원(1684)를 차례차례 재가압할 수 있다. 수소 유출물(1666)에서의 압력은 수소가 시스템 밖으로 흐르고 물 탱크(1614)로 역으로 흐르기 시작함에 따라 강하될 것이다. 그러나, 물 탱크(1614)에서의 압력은 체크 밸브(1677)로 인해 유지된다. 이는 더 많은 물을 반응기(1602) 내로 유도하는 압력차를 생성시켜서, 시스템(1600)을 재가압한다. 압력이 증가함에 따라, 전체 시스템 압력이 균형을 이루어서 물 흐름을 중단시킨다. 유량 제한기(1624)는 반응기(1602)로의 물 유입 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 다른식으로, 수소 압력이 발생한 시간을 가져야 하기 전에, 과량의 물이 반응기(1602) 내로 삽입되어, 포지티브 피드백 상황을 유도할 수 있고, 반응이 조기에 일어나게 된다
또한, 물 공급은 물 픽업 라인이 사용되는 경우에 (도 16에 도시되지 않음), 물 탱크(1614)의 바닥으로부터 또는 탱크(1614) 상의 또 다른 배출 지점 (상부와 같은)을 통해 비롯될 수 있다. 중력 또는 사이포닝 물 공급 메커니즘이 또한 물 입구 및 출구의 적절한 배치에 의해 시스템 내로 합체될 수 있다.
저유출 반응기 시스템(1600)의 구조물은 도 17에서 완전한 반응기 조립체(1700) 내로 합체된다. 반응기(1702)는 반응기 챔버(1722) 내의 반응물 연료(1701)을 포함한다. 반응기 챔버(1722)는 반응물 연료(1701)을 함유하고 발생된 수소 가스에 대한 방출 경로를 제공하도록 막(1733)을 포함할 수 있다. 반응 챔버(1722)는 경질 챔버 또는 가요성 챔버일 수 있다. 반응 챔버(1722)는 반응 챔버(1722)가 임의의 수의 방향으로 배향될 수 있도록 다중 위치에서 막(1733을 가질 수 있다. 반응기 챔버(1722)를 둘러싸는 것은 특정 응용에 의해 요구되는 바와 같이 유출 밸브(1766) 밖으로 흐르는 외부 수소 챔버(1793) 내의 가압 수소 가스(1788)이다. 일반적 저유출 반응기 시스템(1600)을 갖는 경우가 도 16에 도시된 바와 같이, 물(1734)는 물 공급 라인(1790)을 통해 반응기(1702)로 공급된다. 물(1734)는 물 배출 펌프(1716)에 의해 또는 물 충전구(1717)을 통한 외부 물 공급원에 의해 시스템에 제공될 수 있다. 물 재가압은 물 재가압 밸브(1777)에 의해 수행된다. 상기 방식으로, 저유출 반응기 시스템(1700)은 수소 가스를 최종 응용에 제공할 수 있다.
반응기 챔버(1722)는 다중 물 공급 메커니즘이 공급될 수 있다. 예를 들어, 작은 펌프는 반응기(1702) 내에 통합되어 반응기 챔버, 물 및 펌핑 시스템을 갖는 완전 폐기성 반응기를 제공할 수 있다. 상기 펌프는 반응기로부터 분리될 수 있다. 별도의 펌프를 갖는 시스템의 일례는 도 18에 도시된 스프링 구동 시스템이다.
도 18은 반응기 챔버(1802), 물 공급원(1814) 및 "펌핑 시스템"(1820)이 통합된 스프링 구동 반응기 시스템(1800)을 예시한다. 반응기(1802)는 또한 살수기 (도 25와 관련하여 하기에 기술됨)을 포함한다. 스프링 구동 반응기 시스템의 일례는 슬라이딩 피스톤(1831) 상에서 밀어지고 물 공급부(1814)를 포함하는 물 챔버(1841)에 압력을 가하는 스프링(1821)을 합체한다. 가요성 재료, 엘라스토머, 벨로우즈, 또는 차등 압력이 교차하여 가해지는 경우에 운동을 제공하는 다른 구조체와 같은 상이한 피스톤 대체물을 갖는 추가 기기가 또는 사용될 수 있다. 스프링의 경우에, 작은 플랫폼 영역(1851)이 스프링(1821)의 가장자리와 접촉하게 되어 더 큰 영역 상으로 힘을 분배할 수 있다. 또한, 단일 본체 패키지(2100) 내로 제작될 수 있는 스프링 구동 반응기 시스템의 일례는 도 21에 개략적으로 도시되어 있고, 도 22a 및 23에 그림을 넣어 도시되어 있다. 도 22b 및 24는 단일 본체 패키지(2100) 내의 스프링 구동 반응기 시스템의 분해도를 제공한다.
도 18을 다시 참조하면, 스프링(1821)이 물 챔버(1841) 내에서 압력을 발생시킴에 따라, 물은 반응기 챔버(1802) 내로 주입된다. 물이 반응물 연료 재료에 접촉함에 따라 수소가 발생된다. 수소가 발생됨에 따라, 이는 물의 입구를 막는 반응기 챔버(1802) 내의 압력을 발생시킨다. 상기 실행에서, 물 공급 메커니즘은 배향 독립성이다. 도 18의 반응기 시스템(1800)에서, 반응기 챔버(1802)는 수용액이 필터(1890)을 차단할 수 있기 때문에 배향 독립성이 아니어서, 시스템(1800)이 뒤집히는 경우에도 수소가 통과되지 않도록 한다. 이를 보완하기 위해, 도 17에서 참조 번호 1722으로 도시된 막을 갖는 반응기 챔버와 같은 반응기 막 시스템이 다중 픽업으로 실행될 수 있다. 또한, 체크 밸브(1824)가 물 공급원(1814)와 반응기 챔버(1802) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 수소 전달 시스템 없이, 수소 압력은 과잉 압력에 의해 스프링(1821) 상에서 팩을 밀어서, 결국 과량의 물을 주입시킨다. 체크 밸브의 부재는 진동 시스템을 생성시킨다. 예를 들어, 도 19는 체크 밸브가 없는 시스템에서 시간 경과에 따른 압력 반응의 일례를 나타낸다. 도 19에 그래프로 도시된 바와 같이, 진동 압력 반응은 체크 밸브와 같은 압력 평형 수단이 시스템 내로 합체되지 않은 경우의 증거이다.
대조적으로, 도 20은 체크 밸브를 이용하는 시스템에서 시간 경과에 따른 압력 반응의 일례를 나타낸다. 도 20에서 압력 반응은 진동 반응을 나타내지 않고, 대신에 스프링 압력과 관련된 안정한 감쇠를 나타낸다.
도 20에 또한 도시된 바와 같이, 반응의 초기에 초기 피크는 물의 초기 슬러그가 반응기 내로 주입됨에 따라 발생한다. 이러한 효과는 물 유량 제한기를 사용하여 약화될 수 있거나, 증가되어 높은 전이 수소 발생의 순간 전이 수준을 발생시켜서 연료전지 스택 정화를 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 체크 밸브(1824) 이외에, 재출발 상태 동안 물 흐름을 느리게 하는 방법이 물 유량 제한기를 사용하여 실행될 수 있다. 재출발 동안, 순간 수소 압력은 매우 낮은 값으로 강하되어, 큰 반응 스파이크를 결과할 수 있는 물의 주입을 발생시킬 수 있다. 유량 제한기 기능은 물 분포 기능 내로 합체되어 이러한 효과를 방지할 수 있다. 체크 밸브의 사용은 스프링 설계에 의해 결정되는 바와 같이 거의 일정한 압력 작동을 촉진시킨다. 제어 밸브 또는 조절 장치 등과 같은 체크 밸브 특징에 대한 다른 메커니즘이 또한 사용될 수 있다.
수동적 구조물 반응기 시스템에서, 물 살포 및 분포는 많은 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, 살수기(2515)는 작은 분포 구멍(2513)을 갖는 작은 직경 튜브일 수 있다. 물 분포 시스템은 또한 반응기 공동(2502) 내측에서 관찰되는 바와 같이 실리콘 튜브(2555) 내에서 구멍의 네트워크를 합체할 수 있다. 구멍 간격, 크기 및 유형 가변성은 노즐과 관련하여 상기에 기술되어 있다. 또한, 실리콘 튜브(2555) 구조에서 구멍 크기는 추가 가요성을 제공할 수 있다. 상기에 개요된 바와 같이, 작은 구멍은 발생된 반응 폐기물에 의해 막힐 수 있어서, 실리콘 튜브(2555)의 사용으로 압력이 클로그 둘레 위로 더 넓은 구멍 오프닝을 발생시키고 구멍의 차단을 강제할 수 있게 된다. 예를 들어 붕규산염 섬유, 및 다른 물 심지 재료와 같은 다른 물 분포 메커니즘이 또한 사용되어 물을 반응 영역에 골고루 분포시킬 수 있다. 이들 물 분포 기술은 임의의 유형의 펌프 또는 제어 시스템 구조물에 사용될 수 있다.
도 18에 개략적으로 도시된 바와 같이, 2-부 반응기 시스템(1800)의 일례는 반응기(1802)와 같은 하나의 일차 부품 또는 용기 내의 반응물 연료 재료(1834)를 포함하고, 수용액은 초기에 수용액 캐니스터(1892)와 같은 또 다른 일차 부품 또는 용기 내에 포함된다. 반응기(1802)는 반응이 완결되면 처분되거나 재순환될 수 있으며, 수용액 캐니스터(1892)는 사용자에 의해 재사용되고 재충전될 수 있다. 이들 2개의 일차 부품(1802, 1892)는 "반응기 및 물 공급 시스템"으로 명명된다. 도 18에 도시된 예에서, 완전한 수소 발생 시스템은 2개의 코어 부품, 즉 반응물 연료 반응기(1802) 및 수용액 캐니스터(1892)로 이루어진다. 이들 2개의 분리 캐니스터(1802, 1892)는 서로 연결되고, 상호작용하여 수소 가스를 발생시킨다. 대안적으로, 상기 기술된 바와 같이, 이들 2개의 캐니스터(1802, 1892)는 단순히 물 입구 밸브를 통해 서로 연결될 수 있으며, 제어 시스템 (예를 들어, 연료전지 시스템, 소비자 최종 제품 등)은 캐니스터를 원위치에서 보유하고 방출시키기 위한 기계적 경도를 제공한다. 더욱더, 전체 물 공급 시스템은 비-분리 및/또는 제거가능한 부품으로서 시스템은 제어 시스템 내에 존치할 수 있다.
인터페이스 밸브(1824)가 반응기(1802), 공급 시스템(1892) 및/또는 둘 모두 내에 체류할 수 있다. 반응기(1802)와 물 공급원(1892)이 연결되면, 인터페이스 밸브는 수소 압력이 스프링(1821)을 굴절시키기 않게 할 수 있다. 이는 인터페이스 밸브(1824) 내에 체크 밸브 또는 제어된 온/오프 밸브의 특징을 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 별도의 실행에서, 인터페이스 밸브(1824)가 이러한 특징을 제공하지 않는 경우, 피스톤 조립체를 스크류 드라이브로 제어하는 것과 같은 스프링의 역행, 및 물 공급 시스템이 수소 가스로 상당히 가압되지 않도록 하는 다른 메커니즘을 억제하기 위해 분리 특징이 사용될 수 있다.
도 22-24는 상기 시스템 실행에서 코어 부품의 예를 나타낸다. 도 22b에 도시된 바와 같이, 금속 스프링(2121)이 물 캐니스터(2192)에 사용되어 압력을 발생시키고, 물을 반응기 캐니스터 내로 흐르게 하는 수단을 제공한다. 상기 예에서 금속 스프링(2121)은 점점 가늘어진 원뿔형 연장 스프링이지만, 비틀림, 클럭, 반전된 점점 가늘어진 원뿔형, 압축 등과 같은 다른 스프링 유형이 또한 사용될 수 있다. 스프링(2121)은 캐니스터(2192)의 기부(2170) 및 플런저(2172)에 단단히 고정될 수 있다. 더욱더, 스프링(2121)은 중심이 있어서 플런저 요를 방지한다. 도 22b에 도시된 플런저(2172)는 플런저(2172)가 미끄러짐에 따라 안내하고 밀봉되도록 통합된 특징을 갖지만, 다른 물 전달 설계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 바와 같이, 상이한 예는 물을 가압하에 반응기에 전달하는 가요성 "백"을 사용할 수 있다.
체크 밸브(2162) 및 오리피스(2164) (도 23에 도시됨)가 물 캐니스터(2192)와 분말 (반응기) 캐니스터(2102) 사이에서 물 출구 내로 합체된다. 체크 밸브(2162)는 수소 압력이 물 캐니스터(2192)를 재가합하는 것을 방지하고, 따라서 시스템 불안정성을 방지한다. 다른 예에서, 체크 밸브(2162)는 또한 물 캐니스터/반응기 분리 시에 밀봉될 수 있다. 다른 예에서, 체크 밸브(2162)는 또한 과잉 압력이 시스템에서 방생되는 경우에 압력을 다시 구할 수 있다. 오리피스(2164)는 물 및 반응기 캐니스터(2102, 2192) 사이에서 높은 차등 압력의 기간 동안 반응기(2102)에 대한 물 흐름을 제하는 역할을 한다.
도 26 및 27에 도시된 바와 같이, 다른 실행에서, 반응기 및 물 공급 서브시스템은 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 26에 도시된 바와 같이, 실행의 일례는 나사 잠금 메커니즘(2666)을 사용하여 2개의 캐니스터(2102, 2192)를 결합시킨다. 잠금 메커니즘에 대한 클릭 또는 물 공급구 상의 미세 (10-32) 내부 및 외부 트레딩과 같은 다른 잠금 설계가 또한 사용될 수 있다. 잠금 메커니즘의 트레드는 물 또는 수소를 밀봉시키지 않아야 하고, O-링 또는 가스킷 유형 밀봉은 물을 반응기 캐니스터 인터페이스에 결합시키기 위해 사용될 수 있다.
상기 예에서, 캐니스터는 둘 모두 상기 기술된 바와 같은 얇은 벽 압력 용기이다. 반응 캐니스터는 니켈 도금 알루미늄 등과 같은 염기 내식성 재료로 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 경금속 또는 엔지니어링 플라스틱으로부터 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 캐니스터가 분리되거나 제거되는 경우에 물 흐름을 방지하는 잠금 메커니즘을 가질 수 있다. 잠금 메커니즘은 물을 흐르게 하는 사용자 조정을 필요로 하는 기계적 래치일 수 있다. 대안적으로, 반응기는 사용자 상호작용이 있지 않는 한은 물 흐름을 중단시키는 밸브 또는 다른 메커니즘을 함유할 수 있다. 사용자 상호작용의 예는 캐니스터를 연료전지 시스템 조립체 내로 삽입시키는 운동에 의해 작동하는 물리적 스위치 또는 밸브를 포함한다.
또한, 물 공급 시스템의 부분으로서 스프링은 도 27의 예에 도시된 바와 같이 물의 외측에 있거나, 도 28에 도시된 바와 같이 물의 내측에 있도록 배열될 수 있다. 스프링이 물의 내측에 위치하는 경우, 부식 억제제가 수용액에 첨가될 수 있거나, 스프링 재료는 부식을 제한하도록 적절히 선택될 수 있다.
도 29a 및 29b의 예에 도시된 바와 같이, 반응기 내로의 물 삽입의 전체 시간 동안 거의 일정한 물 압력을 유지시키기 위한 많은 상이한 배열이 사용될 수 있다. 스프링은 실제 이동 거리가 전체 압축 거리에 비해 짧도록 선택될 수 있다. 이를 달성하기 위한 하나의 방법은 도 29a 및 29b에 도시된 바와 같은 반전된 원뿔형 스프링을 사용하는 것이다. 긴 비압축 스프링(2921)은 압축되고 반전되어 (도 29b에 도시됨) 플랫을 아래로 당기면서 여전히 압력 하에 있을 수 있다. 이는 스프링 압축 부피를 최소화시키면서 여전히 필요한 힘을 제공할 수 있게 한다.
용적 고려 사항
일부 사용자는 사용자 복잡성을 최소화시키기 위해 패키지 내에 포함되는 필요한 물의 전부를 갖는 가능한 한 작은 용적인 구성을 필요로 할 수 있다. 도 30a 및 30b에 도시된 하나의 예에서, 반응기 용적(3002)은 초기에 작게 출발하며, 수용액이 고갈되고 반응의 지점(들)에 첨가됨에 따라 시간 경과에 따라 성장한다. 시간 경과에 따라, 피스톤(3072) 또는 유사한 메커니즘이 사용되어 반응기 용적(3002)을 물 공급 용적(3014)으로 교체한다. 이것 뒤의 구동력은 역학적 펌핑 메커니즘, 스프링 구동 메커니즘 또는 다른 메커니즘일 수 있다. 하나의 실행에서, 시스템은 발생된 수소 압력이 스크류 드라이브 피스톤 조립체, 확장 가스킷 등의 사용에 의해 물 전달 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 또 다른 실행에서, 시스템은 발생된 수소 압력이 물 전달 시스템의 일부로서 제어 밸브 또는 압력 조절 장치의 사용에 의해 물 전달 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 도 30b에 도시된 스프링 구동 메커니즘에 대해, 스프링 조립체가 거의 평평해지도록 압축되면서 여전히 비이와 상태로 있음에 따라 허용될 수 힘을 여전히 제공하면서 반응의 종결시에 물 공급 용적(3014)을 최소화 시키는 반전된 점점 가늘어진 스프링(3021)이 도시되어 있다. 이러한 접근법은 비교 피스톤 (또는 다른 방법), 수용액 분포 네트워크, 수용액 유량 제한기 및 통합된 체크 밸브 또는 비교할 수 있게 기능화된 부품 (도시되지 않음)을 사용한다. 밸브 또는 다른 메커니즘과 같은, 스프링을 원위치에서 기계적으로 잠그거나 흐름으로부터 수용액을 중단시키는 메커니즘이 사용될 수 있다. 수용액은 카트리지의 외측에서 흐르고, 피스톤 기하학학적 형태를 통해 이동할 수 있다. 밸브, 조절 장치 또는 다른 제어 부품이 또한 물 공급 라인 상에 사용될 수 있다. 기하학적 형태 및 설계는 단지 스프링에 의해 가해지는 힘이 물 배출을 발생시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 스레디드 인터페이스와 같은 메커니즘이 합체되어, 수소 압력의 순간 증가가 물 압력의 순간 증가로 전환되지 않게 된다. 팽창 벨로우즈 등과 같은 다른 특징이 사용될 수 있다. 또한, 도 31-33은 랩톱 컴퓨터 파워에 대한 연료전지와 같은 시스템에 사용될 수 있는 더 큰 카트리지(3100)를 도시한다.
발명의 기본 개념이 설명된 바와 같이, 상기 상세한 설명이 단지 예로서 제공되도록 한 것이며 제한적이지 않음은 당업자들에게 매우 명백할 것이다. 본원에 명백히 규졍되지 않았지만, 다양한 변경, 개선 및 개량은 이루어질 것이며 당업자들을 대상으로 한다. 이들 변경, 개선 및 개량은 본원에 의하여 제안되도록 한 것이며, 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서, 또한, 처리 요소들 또는 순서들의 열거된 순서, 또는 숫자, 문자 또는 다른 표시의 사용은 특허청구범위에서 규정되는 것을 제외하고는 임의의 순서로 청구된 프로세스들을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 본 발명은 단지 하기의 특허청구범위 및 이의 등가물에 의해서만 제한된다.
도 2는 2개의 반응기 및 손잡이 부속품을 갖는 수소 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 반응기, 물 용기 및 많은 추가 부품을 포함하는 수소 가스 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 4a-4d는 선택된 위치에서 다중 물 분배 노즐을 사용하는 반응기를 도시한 도면이다.
도 5는 열 제거 구조를 갖는 수소 발생 시스템의 일례의 개략도이다.
도 6은 반응 성분들을 혼합시키기 위해 하향 배향으로 반응기의 하나의 말단에서 수소 출구 및 물 입구를 갖는 수소 발생 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5 및 6에 도시된 열 제거 구조를 갖는 수소 발생 시스템의 분해도이다.
도 8은 거친 매질 필터 및 수소 여과막을 갖는 수소 발생 시스템 배열을 도시한 도면이다.
도 9a-9c는 급수 네트워크, 및 급수 네트워크가 없는 필터 영역과 급수 네트워크를 이용하는 필터 영역의 비교를 도시한 도면이다.
도 10-10b는 막/거친 필터 시스템에 대한 대안적 필터 설계물을 도시한 도면이다.
도 11a-11b는 폐기물 포착 및 순환의 시스템 및 기술을 도시한 도면이다.
도 12a는 다중 반응 구획을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 12b는 다중 보호 절연 장치를 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 13은 전도도의 변동을 측정하기 위한 전기 접점을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 14는 반응기의 압력 용기 뚜껑에 연결된 전기 접점을 갖는 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 15a-15c는 본 발명에 따르는 저중량, 저비용, 재사용 반응기의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따르는 저유출 반응기 시스템의 구조물의 일례를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명에 따르는 저유출 반응기 시스템의 상세한 예를 도시한 도면이다.
도 18은 밸브에 의해 스프링-기본 액체 펌프 시스템에 연결된 고체 반응물 연료 재료에 연결된 반응기를 도시한 도면이다.
도 19는 커플링 밸브가 없는 스프링-기본 액체 펌프 시스템에서 시간에 따른 진동 수소 발생의 그래프이다.
도 20은 커플링 밸브가 있는 스프링-기본 액체 펌프 시스템에서 시간에 따른 수소 발생 압력의 그래프이다.
도 21은 단일 카트리지 내에서 통합된 반응물 연료 재료를 갖는 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 도시한 도면이다.
도 22a는 반응물 연료 재료를 갖는 반응기 및 통합된 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 도시한 도면이다.
도 22b 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 갖는 통합된 카트리지의 3가지 일차 서브조립체를 도시한 도면이다.
도 23은 반응기 및 스프링 기본 액체 펌프 시스템을 갖는 통합된 카트리지의 투시도 및 단면도이다.
도 24는 통합된 카트리지의 조립도이다.
도 25는 물 공급 분배 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 26은 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치를 결합시키기 위한 나사 잠금 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 27은 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치의 개략도이다.
도 28은 원뿔형/붕괴 스프링을 분리할 수 있는 액체 공급기/반응기 수소 발생 장치의 개략도이다.
도 29a-29b는 이동에 따른 힘의 제한된 가변성을 촉진시키기 위한 붕괴성 스프링의 평면도 및 압축도이다.
도 30a는 스프링 기본 액체 공급원 및 부피 교환 시스템을 갖는 수소 발생 카트리지의 투시도이다.
도 30b는 스프링 기본 액체 공급원 및 부피 교환 시스템을 갖는 수소 발생 카트리지의 개략도이다.
도 31은 부피 교환, 스프링 기본 액체 공급원을 갖는 수소 발생 카트리지의 투시도 및 단면도이다.
도 32는 부피 교환, 스프링 기본 액체 공급원을 갖는 수소 발생 카트리지의 조립도 및 단면도이다.
도 33은 통합된 카트리지 여과 시스템의 예의 조립도이다.
도 34는 반응기 및 액체 공급원을 분리시키기 위한 정상적으로 밀폐된 밸브의 조립도이다.
도 35a-b는 반응기 및 액체 공급원을 연결시키기 위한 매칭 부품의 조립도 및 투시도이다.
상세한 설명
하기의 예에서는, 수소 연료전지 시스템이 언급되지만, 기술된 시스템 및 방법이 또한 예를 들어 실험실용, 상용 또는 공업용 및 소비자용과 같은 임의의 수소 가스 발생 분야에서 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.
기본 수소 제어 시스템
하나의 예에서, 규화나트륨 및/또는 나트륨 실리카겔은 물과 결합되어 수소 가스를 발생시킬 수 있지만, 개발된 기술은 또한 도핑된 규화물 및 결합하여 수소를 갖는 규화물과 같은 다른 안정화된 알칼리 금속 재료, 또는 수용액과 결합되어 수소 가스를 생성시키는 고체 분말을 사용할 수 있다. 또한, 개발된 시스템 기술의 많은 일면은 또한 알루미늄 분말과 같은 수소 생성에 사용되는 대안적 재료, 또는 수용액에 노출 시에 수소를 발생시키는 임의의 다른 재료 또는 재료의 조합물에 적용될 수 있다.
반응물 연료 재료는 막대, 원뿔체, 구체, 원통형 또는 다른 물리적 기하학적 형태로 압축되거나, 성형되거나, 형성되는 자유 유동 분말 또는 재료일 수 있다. 재료는 가변성 분말 크기, 형상 변형물, 재료 코팅, 또는 제어 반응 속도에 대한 재료 변형체로 구성될 수 있다. 하나의 코팅 방법은 고체 규화나트륨 구조를 습식 공기에 노출시켜서 물에 용해될 수 있는 규산나트륨 장벽을 생성시키는 것이다. 물론, 반응물 연료 재료 및 수용액을 결합시키는, 반응물 연료 재료 및 수용액에 대한 다른 형태 및 기하학적 형태가 사용될 수 있다.
도 1은 반응물 연료 재료 및 수용액을 사용하여 수소 가스를 발생시키는 수소 발생 시스템(100)의 의 일례를 나타낸다. 발생된 수소 가스는 수소 연료전지 또는 일반적 실험실, 공업 또는 소비자용으로 향할 수 있다. 반응물 연료 재료(101)은 반응기(102) 내로 삽입될 수 있다. 본 설명에서, 용어 반응기, 카트리지 및 압력 용기는 반응물 연료 재료가 위치하는 용기 또는 다른 그릇를 확인하기 위해 동의어로 사용된다. 도 1에 도시된 예에서, 제거할 수 있는 반응기(102)는 물 입구 연결부(106) 및 수소 출구 연결부(108)에 부착된다. 연결부는 정상적으로 밀폐된 이중 차단 밸브 및/또는 정상적으로 밀폐된 체크 밸브를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 반응기(102)로부터 물 입구 연결부(106) 및 수소 출구 연결부(108)로의 연결부는 특정 용도에 의존하여 가요성 연결부일 수 있거나, 경질 연결부일 수 있다. 물, 또는 또 다른 수용액은 안정화된 알칼리 금속(101)과 같은 반응물 연료 재료에 첨가되어, 수소 가스, 및 규산나트륨과 같은 부생성물을 생성시킨다. 수소 가스는 상향으로 이동하고, 반응기(102)로부터 배출된다. 단일 반응기(102)가 도 1에 도시되어 있지만, 임의의 수의 분리성 또는 고정된 반응기가 기술된 대표적 수소 가스 발생 시스템에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 2에는, 2가지 분리성 반응기(202), (204)가 도시되어 있다. 추가로, 반응기는 잠금 메커니즘, 클립 또는 다른 유사한 고정 장치를 사용하여 시스템 내의 위치에 고정될 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 예에서, 물과 같은 수용액이 충전구(110), (210) 각각에 첨가된다. 또 다른 구현에서는, 충전구의 존재 또는 부재하에 물 용기(114)와 같은 제거할 수 있는 물 용기가 첨가될 수 있다. 다른 예에서, 반응기는 반응물 연료 재료로 사전 충전될 수 있다. 수용액은 반응 효율을 개선시키고, 수소 생성을 증가시키고, 수소 생성 속도를 증가시키고, 오염물질 생성을 감소시키고, 오염물질 여과를 촉진시키고, 최종 가수분해를 지지하고, 부식을 감소시키고, 폐기물의 pH를 조절하고, 폐기물의 용해도를 변동시키고, 온도 범위 작동을 연장시킬 뿐만 아니라, 반응물의 열역학적 특성과 같은 다른 반응 파라미터에 영향을 주기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 산, 염기, 알코올, 다른 첨가제, 및 이들 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다. 첨가제의 예는 메탄올, 에탄올, 염산, 아세트산, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 규산나트륨, 인산염, 붕산염 등을 포함할 수 있다. 붕소, 탄소 및 질소를 포함하는 다른 첨가제가 반응물 연료 재료와 조합되어, 수소 용량, 동역학을 개선시키고/거나 반응 엔탈피를 감소시킬 수 있다. 온도 범위 작동가 관련하여, 염 및/또는 다른 첨가제가 수용액에 포함되어 용액의 동결점을 감소시킬 수 있다.
용기 내에 저장된 수용액의 양은 시스템 구현 세부 사항에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서, 용기는 다중 카트리지(202), (204)를 반응시키기게 충분한 부피보다 많은 부피의 수용액을 저장할 수 있다. 시스템은 수소 유출 스트림으로부터 물을 응축시키고 이를 반응기로 직접 복귀시키거나, 이를 물 용기(114)로 향하게 하기 위한 응축기 (도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 시스템은 추가 물을 물 용기(114)에 공급하기 위해, 또는 반응기에 대한 직접 분리 구현에서, 외부 물 공급원 (도시되지 않음)을 위한 물 입구 연결부(106)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 연료전지 반응 폐수는 완전히 또는 부분적으로 포착될 수 있으며, 또한 순수 총 물 요건을 감소시키기 위한 물 공급에 기여한다.
예를 들어, 규산나트륨 폐기물은 물을 쉽게 흡수하며, 따라서, 이의 점성은 변한다. 폐기물을 비반응 반응물 연료 재료로부터 분리시킴으로써, 반응은 제어될 수 있다. 예를 들어, 반응기의 하나의 말단은 가열되거나 절연되어, 과도한 물이 배출되는 경우에 용해도 조건을 발생시킬 수 있다. 상기 물은 안정화된 알칼리 금속 분말 까지 역으로 펌핑되거나, 물 사용 최대화를 위해 배타적으로 구성된 양의 규화나트륨과 반응하게 될 수 있다. 대안적으로, 반응 지점에서, 폐기물 규산염은 가온되며, 물이 거의 액체 상이 되지 않는 것을 필요로 하다. 반응 지점에서는, 비반응 반응물 연료 재료로부터 액체를 분리하기 위해 분리 스크린이 사용된다.
추가 시스템 부품
반응기 및 수용액 공급원 이외에, 수소 가스 발생 시스템은 추가 시스템 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3은 반응기(302), 물 용기(314) 및 많은 추가 부품을 포함하는 수소 가스 발생 시스템(300)의 일례를 나타낸다. 예를 들어, 물 공급원 입구(306)는 필료에 따라 물 용기(314)의 충전 또는 재충전을 허용한다. 용기(314)로부터의 물은 연동 펌프, 수동 펌프, 용적식 펌프 및 다른 펌프와 같은 펌프(320)을 사용하여 물 공급원 라인(390)을 통해 반응기(302) 내로 펌핑될 수 있다. 압력 변환기(322)는 물 공급원 라인(390)과 연결되어 위치하고, 반응기(302) 내로 펌핑된 물의 양을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력 변환기(322)는 펌프(320)과 함께 사용되어 다중 포트 밸브(324)를 통해 복합 반응기에 압력 보정량의 물을 전달할 수 있다. 압력 변환기(322)는 또한 페일-세이프 방식을 제공하기 위해 부분적으로 사용되어 과량의 물이 반응기(302) 내로 펌핑되는 것을 방지할 수 있다. 하나의 예에서, 압력 변환기(322)의 출력 전압은 비교기 (도시되지 않음)을 사용하는 시스템 전압 파라미터에 필적할 수 있다. 비교기의 출력은 전압이 적절한 작동 범위에 있는 지를 결정하도록 평가될 수 있다. 전압이 작동 범위에 있는 경우, 마이크로제어기(387)로부터의 추가 순환 실행 지시가 펌프(320)을 구동시켜서 물을 반응기(302)에 제공할 수 있다. 전압이 작동 범위 밖에 있는 경우, 펌프(320)은 장애를 갖는다. 이러한 순환은 축전기 또는 다른 시한 회로를 사용하여, 예를 들어 칸막이 펌프 작용 동안 순간적으로 높은 판독을 허용하도록 펌프의 판독의 지연을 발생시킬 수 있다. 복합 반응기를 갖는 수소 발생 시스템에 대해, 공급 밸브(324)가 사용되어 어떤 반응기가 물을 수용하는 지를 선택할 수 있다.
수소 가스 발생 시스템(300)은 배터리(388)을 포함하여 펌프(320)을 작동시키고/거나 다른식으로 반응을 개시하고 다른 제어 전자부품 (총괄적으로 386으로서 나타냄)을 작동시킬 수 있다. 수소 가스 발생 시스템(300)은 또한 외부 동력을 수용하여, 연료전지, 벽 출구, 또는 임의의 다른 공급원으로부터의 동력과 같은 임의의 외부 공급원으로부터 배터리(388)을 재충전시킬 수 있다. 시스템(300)은 또한 작은 연료전지 시스템 (도시되지 않음)을 포함하여 내부적으로 내부 보조 설비 부품을 작동시킬 수 있다. 하나의 실행에서, 배터리는 격리되어 존재하지 않으며, 오히려 동력은 전체 시스템(300)의 내부 또는 수소 발생 시스템(300)의 외부에 있는 연료전지 또는 연료전지 배터리 하이브리드로부터 얻어진다. 하나의 실행에서, 베터리는 반응기에 새스템을 출발시키기에 충분한 수소를 제공하는 공장 과압력이 제공되는 경우에는 필요하지 않다. 더욱더, 수소 발생 시스템은 작은 수도 작동 펌프 (주사기 등과 같은)를 갖도록 설계되어 전기 출발 보다는 물리적 사용자에 의해 반응을 출발시킬 수 있다.
압력 변환기(322)와 유사하게, 체크 밸브(326)이 반응기(302) 또는 제어 시스템에 사용되어, 밸브(324)/(361), 변환기(322) 및/또는 펌프(320)와 같은 제어 시스템 부품 상에 허용할 수 없게 높은 압력을 가하는 것으로부터 반응기(302) 내의 수소 압력을 유지시시킬 수 있다. 예를 들어, 초기 물이 반응기(302)에 들어가고, 반응기(302) 내에서 반응물 연료 재료(301)과 반응함에 따라, 수소가 발생되고, 반응기(302) 내의 수소 압력은 수소가 시스템 압력 파라미터 값에 도달할 때 까지 축적되며, 이때 수소 가스는 반응기(302)의 경로를 벗어나고 다른 곳에서 사용된다. 일부 경우에, 반응기(302) 내의 압력은 펌프(320) 및 다른 시스템 부품의 능력을 초과할 수 있다. 체크 밸브(326)는 펌프(320), 물 용기(314) 및 물 라인(390)이 과도하게 가압되는 것을 방지하고 시스템에 대한 손상을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 체크 밸브(326)은 반응기(302) 내의 압력을 결정하고, 반응기(302)로부터 제어 시스템에 대한 압력의 양을 단리시키기 위해 사용될 수 있다.
유사하게, 수소 유출 체크 밸브(336, 337)은 반응기(302) 내에서의 역류를 관리한다. 역류는 시스템이 높은 고도에서 사용되는 경우 또는 다중 캐니스터의 수소 유출물이 서로 속박되는 경우에 발생할 수 있다. 각각의 반응기에서 그리고 제어 시스템 전체에 걸쳐 체크 밸브 및 변환기는 복합 반응기를 사용하는 시스템에 대한 각각의 반응기의 자급식 압력 판독을 허용한다. 각각의 반응기(302)로부터의 수소 가스 유출 라인(391)은 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 위치한 압력 변환기(340)을 포함할 수 있다. 하나의 실행에서, 체크 밸브(336)은 단지, 연결되고 분리되는 경우에 캐니스터에 들어가는 공기와 상반되게, 또는 시스템이 또 다른 공급원으로부터 반응기에 고압을 우연히 연결시키는 경우에, 수소가 캐니스터 밖으로 흐르게 한다. 또 다른 실행에서, 상기 체크 밸브(336)은 필요하지 않지만, 정상적으로 밀폐된 체크 밸브(3430) (도 34에 도시되지 않음)이 대안적으로 사용된다. 하나의 실행에서, 체크 밸브는 압력 변환기(340)의 다운스트림에 연결되어, 하나의 반응기가 또 다른 반응기를 배압시키면서 제어 시스템에 존재하는 압력 변환기를 갖는 각각의 반응기의 자급식 압력 판독을 제공하도록 한다. 다른 실행에서, 체크 밸브(326), (336)은 반응기(302) 또는 제어 시스템(303)에 물리적으로 존재하며, 동일한 기능을 제공할 수 있다. 이외에, 시스템은 또한 압력 조절 장치(344)를 포함할 수 있다. 때때로, 더 높은 압력 (예를 들어, 80 psi 이상)에서 반응기(302)를 작동시키는 것이 바람직하다. 하나의 예에서, 조절 장치(344)는 압력을 25 psi로 강하시킬 수 이다. 대안적으로, 다이얼 또는 압력을 조절하는 다른 수단을 갖는 조절 장치(344)가 사용되어, 사용자가 제어 시스템의 출력 전압을 변동시키도록 할 수 있다. 대안적으로, 전자 제어 조절 장치가 사용되어, 마이크로제어기 (마이크로제어기(387)과 같은)이 바람직한 압력을 기준으로 출력 압력을 설정하게 할 수 있다. 분리 실행에서는, 조절 장치가 전혀 사용될 수 없으며, 마이크로제어기가 반응기의 출력 압력을 조절하기 위해 물 유속 및 양을 제어할 수 있다.
재료 공급물
대안적 반응물 연료 재료 (예를 들어, 규화나트륨) / 액체 (예를 들어, 물) 메커니즘이 가능하다. 일부 배열에서, 반응물 재료는 기하학적 구조체로 형성되거나, 성형되거나 압축될 수 있다. 예를 들어, 안정화된 알칼리 금속 재료로부터 형성된 막대는 규정된 속도로 수용액 중에 삽입되어 반응을 제어할 수 있다. 유사하게, 막대는 단순히 수욕 또는 다른 수용액으로부터 제거되어 반응을 중단시킬 수 있다. 또한, 반응물 연료 재료는 또한 펠릿으로 압축될 수 있다. 이들 펠릿은 규정된 속도에서 물 또는 다른 수용액 내로 조작되거나 위치하여 반응을 수행할 수 있다.
수용액 공급물
물은 많은 상이한 방식으로 반응기(302) 내로 공급될 수 있다. 예를 들어, 물은 단일 물 입구(338)를 사용하여, 또는 도 4a-4d에 도시된 바와 같이 선택 위치에서 다중 물 분배 노즐을 사용함으로써, 반응기 내로 공급될 수 있다. 단순 시스템 배열에서 그리고 작은 시스템에 대해, 단일 물 유입은 충분할 것이다. 더 큰 시스템에 대해, 다중 물 유입이 사용되어 반응을 촉진시키고 반응 재출발에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서, 물 공급 튜브(411)은 물 입구(406)으로부터 수직으로 연장하고, 단일 튜브(411)을 사용하여 반응기(402)의 다중 영역에 물을 공급하는 다중 물 분배 노즐(413)을 사용한다. 또한, 도 4b에서, 수평 물 분배 필터 스프레이(415)가 또한 물을 반응기(402)의 다중 영역에 공급하기 위해 사용된다. 실시상, 단일 또는 임의의 수의 튜브가 사용될 수 있다. 튜브 및 물 분배 노즐은 크기가 변할 수 있으며, 물 분배 노즐 패턴 및 구멍 크기는 튜브를 가로질러 변하여 반응기 혼합 조건을 최적화시킬 수 있다. 예를 들어, 직경이 예를 들어 0.001" 내지 0.040" 또는 그 이상인 작은 치수를 갖는 구멍과 같은 많은 작은 구멍을 갖는 작은 튜브가 사용될 수 있다. 작은 구멍은 반응을 재출발하도록 시도할 경우에 반응 부생성물로 막히려는 경향이 있으며, 더 큰 노즐은 수용액을 제트 또는 미스트보다는 반응물 연료 재료 상에 부어지도록 할 수 있다. 고압 능력을 갖는 펌프를 사용할 경우, 더 큰 오리피스가 사용되어 물을 반응 지점에 주입할 수 있다. 저압 물 공급 시스템이 사용될 경우, 더 많은 노즐이 사용되어 노즐과 반응 지점 사이의 거리를 제한할 수 있다. 응용 및 특정 반응물에 의존하여, 임의의 수용액 전달 기술이 선택될 수 있다.
또한, 물 공급 튜브는 도 4c 및 4d에 도시된 바와 같이 곡선형 또는 나선형일 수 있다. 도 4c 및 4d에서, 나선형 물 공급 튜브(421)은 단일 튜브를 사용하여 반응기(402)의 다중 영역에 접근시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 나선형 물 공급 튜브(421)는 이의 커버리지 영역을 최대화시키고 서로에 대해 반응기(402)의 하나의 영역에서 물 포화를 최소화시키기 위해 많은 가능한 위치에서 구멍을 가질 수 있다. 중앙 기둥(423)이 또한 기계적 지지 및 열 제거를 위해 포함될 수 있다. 이러한 지지 또는 열 제거 구조체를 필요로 하지 않는 설계물에 대해, 이는 제거될 수 있다. 또한, 급수 네트워크는 중앙 기둥(423) 내에서 통합될 수 있다. 다른 물 분산 배열이 또한 가능하다. 예를 들어, 하나의 실행은 다양한 미세 구멍 또는 매쉬를 사용하여 물 전달을 촉진시킬 수 있다. 다른 실행에서, 급수 네트워크는 캐니스터의 부피를 통해 균일해지지 않을 수 있다. 예를 들어, 공급 네트워크는 반응물 연료 영역 내로 직접 공급하도록 최적화될 수 있다. 반응기가 폐기물 또는 반응물 발포에 대한 과잉 부피를 갖는 경우, 급수 네트워크는 이들 영역에 물을 첨가하지 않을 수 있다. 또한, 급수 네트워크는 수소 분리를 위해 사용되는 막 상에 물을 분무하도록 궝된 배관을 사용할 수 있다 (하기에 기술됨). 배관은 구멍을 포함할 수 있거나, 이는 튜브(들) 또는 노즐의 추가 어레이(들)을 함유할 수 있다. 상기 방식으로, 물은 반응기(402)의 다중 영역에서 반응물 연료에 직접 공급되어 수용액과의 반응을 촉진할 수 있다.
반응기(402)의 선택 위치 내로 물을 공급함으로써, 물 및 후속 반응은 반응기(402) 내에서 반응물 연료를 휘젓고 혼합시키도록 이루어질 수 있다. 수소가 형성되고 상승함에 따라, 수소 가스는 반응기 재료 (즉, 수용액 및 반응물 연료 재료)를 교바한여 이들 반응 성분들의 거의 완전한 반응성을 가능하게 하는 역할을 한다. 반응 성분들을 혼합시키는 것은 또한 도 6에 도시된 바와 같이 하향 배향으로 반응기의 하나의 말단 샹에 수소 출구 및 물 입구 둘 모두를 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 배열은 수소 발생 시스템에 대해 평면인 단일 연결부를 제공한다. 수소 픽업(666)이 반응기(602)의 상부에 위치하고, 가압 가스는 수소 튜브(668)을 통해 바닥으로 이동한다. 상기 수소 튜브(668)는 반응기의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 상이한 배열 및 튜브 기하학적 형태가 또한 사용될 수 있다.
덜 완전한 반응성이 사용될 수 있으며, 이는 필요한 물의 양이 비선형임에 따라 에너지 밀도 (전달된 H2 / (분말의 질량 + 필요한 물의 질량))를 증가시킬 수 있다. 그 외에, 부분적 반응성은 상승된 국소 반응 온도로부터 냉각함에 따라 거의 고체 상태로 폐기물을 남길 수 있다. 고체 폐기물은 폐기물 재료 처리에 유익할 수 있다.
열 전달
도 3에서, 반응물 연료 재료(301)와 물의 반응이 진행됨에 따라, 열이 반응기(302) 내측에서 발생된다. 하나 이상의 서미스터(328)가 사용되어, 반응기(302)의 열을 측정하고, 반응기(302)를 냉각시키기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 냉각 팬(330)을 포함하는 냉각 시스템을 제어할 수 있다. 또한, 냉각은 자급식 열 관리 회로를 사용하는 액체 냉각 루프 (도시되지 않음)에 의해, 또는 분리 물 냉각 작동을 사용하여 물 용기(314)로부터 반응기(302)에 대해 물을 순환시킴으로써 제공될 수 있다. 물론, 서미스터(328)은 또한 반응기(302)의 온도에 근거하여 반응을 제어하고, 발생되는 폐기물의 양을 조절하고, 물 사용을 최소화시키고, 반응성을 최대화시키기 위해 그리고 다른 이유로, 물 공급 밸브(324)를 제어하여 반응기(302) 내로의 물 흐름을 조절할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열 제거 구조(523)가 또한 반응기(502)의 중심에 위치할 수 있다. 열 제거 구조(523)은 또한 가압될 때에 반응기의 두 말단 모두를 함께 보유함으로써 기계적 반응기 잠금 메커니즘을 촉진시킬 수 있다.
도 5에서, 반응기의 바닥(572)는 또한 반응기(502)에 대한 열 싱크 및 스탠드로서 역할을 한다. 반응기 벽이 맑고 유리 또는 플라스틱으로 제조되는 경우에, 일부 열이 이들 벽을 통해 제거되지만, 이들 재료는 대표적으로 제한된 열전도도를 갖는다. 하나의 실행에서, 상당한 양의 열이 반응기의 양말단(562, 572) 중 하나 또는 둘 모두를 통해 제거된다. 반응기(502)의 하나의 말단은 배타적으로 열 싱크 (바닥(572))일 수 있는 반면, 다른 말단 (상부 뚜껑(562))은 수소 연결기(508) 및 물 연결기(506)과 같은 반응기 제어 및 연결부, 릴리프 밸브(555), 전기 통로와 같은 전기 연결부(577, 579), 전기 신호 처리 연결부, 시스템 감지 연결부 및 구조적 연결부를 함유할 수 있다. 도 5에서, 반응기(502)의 전체 몸체는 맑고, 반투명하여 (예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 이루어짐), 반응의 상태의 가시적 검출을 허용하는 특징, 반응물 연료 재료 소비의 평가 둘 모두, 뿐만 아니라 독특한 포장 및 가시적 외관을 제공할 수 있다. 또 다른 실행에서, 반응기는 일반적으로 반응을 관찰하기 위한 맑은 관찰 윈도우와 함께 불투명하다.
또한, 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 열 싱크(723) 및 모든 부품은 하나의 말단(762)에 연결된다. 상기 기하학은 가스 연결부(708), 액체 연결부(706) 및 전기 연결부(777)을 갖는 수소 발생 시스템에 대한 쉬운 연결을 촉진시키면서, 공기 냉각, 액체 냉각을 사용하는 수소 발생 시스템에 의해, 또는 임의의 다른 방법에 의해 열 제거를 위한 직접 경로를 제공한다.
압력 제어
도 3에서, 파열 릴리프 밸브, 파열 디스크, 또는 다른 제어 압력 릴리프 포인트(330)이 반응기(302)에서 실행되어 이의 압력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응기(302) 내의 압력이 예정된 시스템 파라미터에 도달하면, 수소 가스는 압력 릴리프 포인트(330)을 통해 반응기(302)로부터 조절적으로 조절될 수 있다. 하나의 예에서, 유량 제한기는 수소 유출 흐름을 제한하고/거나, 다운스트림 장치에 대한 허용될 수 있는 범위 내에서 흐름을 유지시키고/거나 성공적인 여과를 위한 허용될 수 있는 속도 내에서 흐름을 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 유량 제한기는 오리피스, 또는 체크 밸브 부품의 기능일 수 있다. 반응기에 대한 물 유입을 제한하는 유량 제한기는 과도한 순간 압력 발생을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
수소 발생 시스템(300)은 압력의 범위를 초과하여 작동하도록 구성될 수 있다. 하나의 실행에서, 사용자는 직접 또는 원격으로 버튼, 스위치 또는 임의의 다른 통신 프로토콜 (예를 들어, 블루투쓰 등)을 사용하여 바람직한 압력 한계 또는 범위를 설정할 수 있다. 하나의 실행에서, 시스템(300)은 압력을 모니터하고, 따라서 규정된 공차영역 내에서 반응기(302) 내의 압력을 유지시키기 위해 반응을 제어할 것이다. 시스템(300)은 더 낮은 압력 적용 (25 psi의 정도)를 위해 사용되어 사용자 안전성을 및 작동 단순성을 촉진시킬 수 있다. 많은 연료전지 응용은 상기 압력 범위 내에서 작동하다. 그러나, 필요한 경우, 규화나트륨은 이를 필요로 하는 응용을 위해 1000의 psi를 발생시킬 수 있다.
수소 여과
하나의 실행에서, 반응물 연료 재료는 수용액과 결합되어 일차 반응으로서 수소 가스 및 부생성물 (규산나트륨과 같은)을 생성시키는 규화나트륨이다. 실시상, 특정 조건하에 반응할 때에 실란 (예를 들어, SiH4)와 같은 다른 부생성물이 생성될 수 있다. 혼합물을 암모니아 보란과 반응시킬 때에 보라진 부생성물이 생성될 수 있으며, 수증기 또는 수산화나트륨 (NaOH) 미립자와 같은 다른 아아템이 또한 가능하다. 그 외에, 수용액 (예를 들어, 물), 액체 폐기물 (예를 들어, 규산염) 및 반응물 연료 재료 (예를 들어, 규화나트륨)이 모두 반응기 내에 존재할 수 있다. 여과의 다중 수준이 사용되어, 단지 수소를 특정 응용을 위해 적용할 수 있는 일정 수준의 정제에서 방출하도록 할 수 있다.
다중 용도의 역할을 할 수 있는 수소 분리기가 사용될 수 있다. 하나의 실행에서, 약 0.45 ㎛의 공극 크기를 갖는 적층된 테플론 (PTFE)으로 이루어진 분리 매체가 사용될 수 있다. 매우 다양한 공극 크기 및 특정 재료 선택이 이용될 수 있다. 실행 특징은 높은 배출 가스 유속, 물 30 psi 이하의 돌파 압력 및 반응기 뚜껑에 대한 초음파 결합을 포함한다. 막은 매우 다양한 재료 유형 및 두께로 이용될 수 있다. 다중 막이 사용되어 거칠고 미세한 여과를 제공할 수 있다. 예를 들어, 수용액 반응에서 반응물 연료 재료로서 규화나트륨을 사용하는 경우, 수소 버블이 규산나트륨 포움(foam) 내에 존재할 수 있다. 반응 동안, 상기 포움 (수소 코팅 규산나트륨 버블)은 여과막을 규산나트륨 폐기물로 코팅시킬 수 있다. 도 8은 수소 여과막(890)을 사용하여 더 미세한 여과를 수행하기 전에 상기 포움을 파괴시키기 위한 거친 매질 필터(888)를 사용하는 시스템 배열을 나타낸다. 하나의 실행에서, 구리 와이어 매쉬가 거친 매질 필터(888)로서 사용된다. 이는 고점도 재료를 미세한 필터 수소 여과막(890)으로부터 멀리 성공적으로 유지시킨다. 다른 거친 여과재가 또한 사용될 수 있다. 가수분해를 촉진시키거나 오염 물질을 흡수하기 위한 유용한 화학적 활성화제 또는 흡수제를 포함하도록 구리, 또는 다른 재료 또는 재료 코팅이 선택될 수 있다. 미세한 여과막(890) 재료는 또한 막(890)과 기계적 하우징(892) 사이의 백킹(894)를 포함할 수 있다. 상기 백킹(894)는 막(890)에 대한 기계적 지지를 제공하면서, 수소를 막(890)으로부터 배출시키고 특정 수소 유출 연결부 (도 8에 도시되지 않음)에 들어가게 하는 경로를 제공한다.
반응기 조립체에서 거칠고 미세한 여과를 제공함으로써, 수소 가스 발생 시스템은 부피 제약을 이용한다. 수소 발생기 시스템 및/또는 연료전지 시스템 내에서 추가 여과가 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, 도면에 나타낸 수소 발생 시스템은 예를 들어 제거할 수 있는 건조제 필터와 같은 분리성 여과 장치를 포함할 수 있다. 화학적 필터가 또한, 일정 기간 후에 역할을 할 수 있는 수소 발생기 시스템에 사용될 수 있다. 대안적으로, 필터는 이들이 반응기의 완전한 생성물 수명 동안 역할을 필요로 하지 않을 정도로 더 큰 크기로 구성될 수 있다. 많은 연료전지 응용에 대해, 연료전지의 바람직한 습도 요건으로 인해 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기가 허용될 수 있다. 일부 실험실 환경, 상업적 용도, 및 더 낮은 습도가 영향을 주는 일부 연료 전지 응용에서와 같은 다른 용도에 대해, 수소 가스 유출 스트림 중의 수증기는 허용되지 않을 수 있으며, 드라이어 필터가 사용될 수 있다. 본 발명의 수소 발생 시스템은 제거할 수 있는 필터가 예를 들어 상용, 실험실용 및 연료전지 응용을 촉진시키도록 한다. 그 외에, 금속 수소화물의 재충전과 같은 일부 연료전지 응용은 건조 수소를 필요로 한다. 도 8에 도시된 바와 같은 물 흡수 매질 및/또는 응축기(896)가 또한 이들 응용에 사용될 수 있다. 응축기(896)의 임의의 사용은 일차 반응에 대한 물의 수집 및 복귀를 촉진시켜서 반응기(802)로부터의 물 폐기물을 최소화시킬 수 있다. 일차 반응에 대한 물의 복귀는 물 입구(806), 또는 반응기(802)에 대한 또 다른 연결부에 대해 직접 이루어질 수 있다.
또 다른 실행에서, 반응기는 분리성이거나 고정될 수 있으며, 반응물 연료 재료를 첨가하고/거나 반응이 완전해지면 반응 폐기물을 제거하기 위해, 접근 문 및 접근 포트가 제공될 수 있다. 예를 들어, 접근 문은 도 5에 도시된 바와 같이 반응기 커버 또는 리드(562)로서 합체될 수 있다. 대안적으로, 도 5에 도시된 실행에서, 폐기물의 임의의 부분은 나중의 처리 및 재순환을 위해 반응기 내에 저장될 수 있다.
필터의 세척
수소 가스 발생 시스템에서 반응물 연료 재료로서 규화나트륨 및 수용액으로서 물을 사용하는 경우에, 일차 폐기물은 물을 쉽게 흡수하는 규산나트륨이다. 일부 반응기 배열에서는, 상당한 양의 규산나트륨 포움이 시간에 따라 여과 장치의 차단을 유발한다. 고점성 규산나트륨은 여과 장치를 막을 수 있다. 물을 규산나트륨에 첨가함으로써, 점도가 변하여, 규산나트륨이 필터 영역으로부터 세척되게 된다. 예를 들어, 도 9a-9c에 도시된 하나의 배열에서, 급수 네트워크의 한 단면 (하나의 예로서 도 3 에서의 참조 번호 338과 같은)은 도 8에 도시된 거친 매질 필터(888) 및 수소 여과막(890)과 같은 여과 장치(들) 상으로 직접 향하는 물 흐름의 일부를 갖는다. 물 스프레이(909)에 의해 여과 장치에 가해지는 물은 결국 비반응 규화나트륨으로 역으로 강하되고 또한 반응하지만, 이는 먼저 반응기에 대한 전달의 부분으로서 필터를 세척하는 역할을 한다. 도 9a에서 참조 번호 909는 여과 장치에 도달하는 것을 직접 목적으로 하는 물의 스트림을 나타낸다. 도 9b는 반응 동안 세척되지 않은 여과 장치(999b)를 나타내고, 도 9c는 물을 여과 장치(999c)에 분무함으로써 반응 동안 세척된 여과 장치(999c)를 예시하는 것이다. 도 9b 및 9c에 도시된 필터 존재물의 차로부터의 증거로서, 물을 여과 장치에 가함으로써, 필터는 막히지 않는다.
추가 필터
막/거친 필터 조립체에 대한 대안적 필터 설계물이 또한 사용될 수 있다. 도 10a-10b는 많은 상이한 필터 설계물을 나타낸다. 예를 들어, 도 10a에서, 원뿔형 필터(1010)은 필터(1010)을 가로지르는 규산나트륨 포움의 이동을 촉진시켜서, 버블(1012)의 파괴를 결과할 수 있다. 상기 원뿔형 필터 기하학은 또한 반응기(1002)의 상부 모서리(1014a, 1014b)에서의 액체 수집 영역으로의 포움의 이동, 및 아래로 향하는 수직 화살표(1050, 1060)에 나타낸 바와 같이 반응기(1002)의 기부(1009) 쪽으로 아래로 규산나트륨 용액의 재순환을 결과할 수 있다. 추가 설계 특징은 반응기(1002) 자체 내로 합체되어 상기 작용을 촉진시킬 수 있다. 이러한 특징은 반응기 벽(1040) 및 도 10b에서의 심지 재료(1071) 상의 응축을 촉진시켜서, 아래로 향하는 수직 화살표(1051, 1061)에 의해 나타낸 바와 같이 반응기 벽(1040) 또는 다른 적절한 영역 아래로 액체 용액을 이동시키는 데에 도움을 주기 위해, 캐니스터 냉각을 포함할 수 있다.
다중 챔버 반응기
상기 기술된 여과 장치로도, 비-수소 및/또는 비-물의 일부 양은 거친 필터 및/또는 막을 통해 방출될 수 있다. 도3은 규산나트륨과 같은 반응 폐기물을 포착하기 위한 공정을 촉진시키기 위해 조합 챔버(355)를 나타낸다. 도 3의 조합 챔버(355)를 사용하는 공정이 다중 필터 및 막을 사용하는 도 11a-11b에 개략적으로 도시되어 있다.
도 11a-11b은 폐기물 포착 및 순환의 방법을 예시하는 것이다. 하나의 실행에서, 폐기물 포착 및 순환은 일회용 반응기에서 수행된다. 도 11a에서, 수소 가스는 물과 규화나트륨(1101)을 반응시킴으로써 더 큰 반응 챔버(1154)에서 발생되며, 수소 가스(1191)는 수소 막(1190)을 통해 상향 이동한다. 규산나트륨, 물 및 다른 반응 생성물의 일부 양은 또한 막(1190)을 통해 그리고 이 둘레로 이동할 수 있다. 이들 생성물의 실제 유속은 유입 공급원 물(1138)의 유속보다 훨씬 더 낮다. 이들 생성물 (유출 수소(1191), 유입 물(1138) 및 반응 부생성물)은 모두 더 작은 조합 챔버(1155) 내로 조합된다. 더 작은 조합 챔버(1155)는 지지체(1133)에 의해 반응기(1102)에서 지지될 수 있다. 매쉬 필터(1122)는 또한 추가의 유입 및 유출 여과를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
유입 물(1138)은 조합된 반응 부생성물이 물 중에 가용성이기 때문에 이 부생성물을 흡수한다. 물(1138) 및 부생성물은 더 큰 반응 챔버(1154) 내로 역으로 펌핑된다. 유출 수소(1191)은 막(1190)보다 더 미세한 공극 크기를 가질 수 있는 이차 막(1195)으로 상향 이동할 것이다. 수증기 및 다른 성분의 일부 양은 여전히 최종 유출 스트림 표지 "순수 수소 유출물"(1193) 중에 존재할 수 있다. 일부 작동 상황에서, 조합 챔버(1155) 및 반응기 챔버(1154)내의 압력은 동일할 수 있고, 수소는 막(1190)을 통해 흐르지 않을 것이다.
압력 균등화를 극복하기 위해, 막/필터 압력은 강하되고, 체크 밸브 압력은 강하되며, 물 펌프의 특정 작동 제어 방법은 반응 전 또는 도중에 변형될 수 있다. 일례로서, 공급원 펌프의 순환은 압력 섭동을 발생시켜서, 수소가 흐름을 개시하거나 재개하도록 할 수 있다. 펌프 업는 배열을 위한 대안적 폐기물 재포착 배열배열이 도 11b에 도시되어 있다. 도 11b에서, 공급된 물의 과압이 사용되어 물을 반응기에 공급한다.
반응기 내에 더 작은 구획을 사용하는 구조물
상기에 약술한 바와 같이, 이들 예에서 반응기는 다중 구획으로 분리될 수 있다. 상기 구조물은 반응의 상이한 영역에 물을 향하게 하기 위해 유용할 수 있다. 하나의 예에서, 반응의 상이한 영역은 상이한 시간에 작동되어, 규화나트륨 및 규산나트륨이 존재하는 경우와 상반되게 규화나트륨만이 존재하는 경우에 반응이 더 빠르게 개시될 수 있으므로 더 쉬운 재출발 조건을 촉진시킬 수 있다. 그 외에, 물 분무기는 반응을 제어하는 데에 효과적인 것으로 입증되었다. 각각의 분무기는 물 분산의 규정된 범위를 가질 수 있다. 구획 접근을 갖는 분무기는 반응을 제어하기 위해 잘 작용할 수 있다. 구획을 분리시키기 위한 다양한 방법 및 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 얇은 튜브는 반응기 구획에 느슨하게 삽입될 수 있거나, 벌집형 매쉬 조립체는 반응기의 내부에서 통합될 수 있거나, 가요성 막 네트워크는 반응기 내로 합체될 수 있다. 또한, 반응기를 분할시키기 위해 사용되는 재료는 다른 구획으로부터 하나의 구획 중에 수용액을 밀봉시킬 수 있다. 구획은 반응기 내의 수평 및 수직 방향 둘 모두로 배열될 수 있다. 구획은 또한 물 투과성 및/또는 수소 투과성 재료로 이루어지거나, 표면장력을 통한 물 운반에 사용되는 다른 재료로 이루어질 수 있다.
도 12a는 반응물 연료 재료가 시가렛형 배열로 롤링될 수 있는 경우에 이러한 접근법의 하나의 실행을 예시하는 것이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 반응물 연료 재료는 물을 모두 분말 및/또는 투과성 수소 둘레로 분배할 수 있는 막 재료에 싸여질 수 있다. 예를 들어, 다중 롤링 구획(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)은 반응기(1202) 내에 수용될 수 있다.
반응이 롤링 구획(1204a, 1204b, 1204c, 1204d, 1204e, 1204f, 1204g)에서 수행됨에 따라, 반응기(1202)는 열을 발생시킬 것이다. 이러한 롤링 구획의 또 다른 실행은 시가렛 케이스와 유사하게 낮은 프로팔일 패키지에 대해 수평으로 서로에 대해 다음에 롤링 구획을 배열하는 것이다. 상기 기술된 기술 이외에, 방열이 도 12b에 도시된 바와 같이 반응기(1202)의 벽(1296)을 통해 수행될 수 있다. 반응기(1202)의 벽(1296)이 뜨거워짐에 따라, 반응기(1202)의 외측 상의 많은 영역은 보호성 조각(1288) 또는 다른 절연 장치를 사용하여 절연될 수 있다. 이들 절연 장치는 반응기(1202)의 외측 상에 위치하여 사용자가 반응기를 접촉하게 할 수 있다.
반응의 상태의 결정
수용액이 반응물 연료에 첨가된 후에, 반응이 일어나고, 수소 가스가 발생한다. 반응의 상태를 결정하고 반응의 진행을 확인하는 많은 방식이 있다. 이들 기술은 반응을 가시적으로 관찰하고, 반응 시간을 측정하고, 반응 전, 도중 및 후에 반응의 파라미터를 측정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 반응 전, 도중 및 후에 측정될 수 있는 파라미터는 반응물의 중량, 온도, 반응기 내의 수용액의 양, 반응기 내의 반응물 연료의 양, 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량, 펌프의 공지된 특징에 의해 첨가되는 수용액의 양, 전기 전도도, 압력, 연료전지 전류에 의해 직접 또는 간접적 수소 유출 측정 등을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다.
예를 들어, 규화나트륨은 최소 전도도를 갖는다. 그러나, 물과 반응하면, 규산나트륨은 검출 및 측정에 적합한 수준으로 전기를 쉽게 전도한다. 전도도의 상기 변화를 측정하기 위해 많은 상이한 방법이 사용될 수 있지만, 상이한 전기 접점(1366)이 반응기(1302) 내측의 리본 케이블(1350) 상에 위치하는 하나의 실행이 도 13에 도시되어 있다.
전기 전도도 측정 회로는 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 실제 저항 측정값을 판독하고 비교하고/거나 패드(1313a, 1313b, 1313c, 1313d, 1313e, 1313f) 사이의 점대점 전도도를 관찰한다. 이들 측정은 2개 만큼 적은 패드, 또는 충분한 반응 상태 레졸루션을 제공하기 위해 필요한 만큼 많은 패드를 사용하여 이루어질 수 있다. 유사하게, 유사한 판독을 수행하고 유사한 효과를 달성하기 위해 반응기의 상이한 위치에 접촉 프로브가 위치할 수 있다.
추가로, 또 다른 예에서, 단일 프로브는 2개의 전기 팀을 접촉시켜서 반응기에서 매우 특정한 거리로 특정 지점에서 저항을 측정할 수 있다. 상기 기술은 전기 전도성 반응기가 사용되는 배열로 사용될 수 있다. 유사한 실행에서는, 단일 프로브, 다중 프로브, 또는 전도성 패드가 사용될 수 있으며, 반응기 자체가 측정 접지로서 사용될 수 있다.
하나의 구성에서, 전기 접점은 스프링 로딩 접촉 핀, 스위핑 핀, 블레이드 삽입 장치, 무선 전달, 또는 전기 신호 전달의 임의의 다른 방법과 같은 많은 전기 접점 방법을 통해 수소 발생 시스템에 연결된다. 이러한 접점을 사용하는 하나의 반응기 예는 도 14에 도시되어 있으며, 여기에서 전기 접점(1414)은 반응기의 압력 용기 뚜껑(1416)에 연결된다. 리세스 리본 케이블(1418)은 접점(1414)를 압력 용기 뚜껑(1416) 내에서 마이크로제어기(1420)에 연결시킨다. 수소 발생 시스템은 마이크로제어기(1420)에서 프로그램 지시에 의해 실행되어 접점(1414)에 신호를 보내거나 탐침하고/거나, 저항을 측정하고/거나, 단락 회로 및/또는 개방 회로를 결정하는 검출 회로를 포함할 수 있다. 마이크로제어기(1420)은 접점(1414)에 신호를 보내고, 신호 수준을 결정하고, 신호 수준을 전도도 측정값으로 전환시키고 전도도 측정값을 반응 상태 측정값에 동일시하는 프로그램 지시 및 알고리즘을 포함한다. 물론, 마이크로제어기는 반응기 조립체 (도 14에서 압력 용기 뚜껑(1416)에서와 같이) 또는 도 3에 도시도니 제어 시스템(303)에 존재할 수 있다.
반응의 상태를 결정하는 또 다른 예에서, 변형 게이지와 같은 힘 센서가 사용되어 반응기의 중량을 측정할 수 있다. 반응의 상태 이상으로, 반응기는 규화나트륨에 첨가되는 물로 인해 더 무거워진다. 반응기의 중량의 변동은 반응 전, 도중 및 후에 중량을 결정하기 위해 저울 또는 다른 힘 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 이들 기간 동안 반응기를 칭량함으로써, 반응의 상태 뿐만 아니라 반응 효율, 완결 비율, 반응 시간, 반응으로부터 발생되는 수소 가스의 양 및 다른 파라미터와 같은 다른 시스템 특이적 파라미터가 결정될 수 있다.
제어 시스템은 반응의 상태를 기준으로 이의 펌프 파라미터를 조절할 수 있다. 예를 들어, 반응은 개시보다는 반응의 종료 근처에서 동일한 양의 수소를 발생시키기 위해 더 많은 물을 필요로 할 수 있다. 마이크로제어기는 온도 범위, 압력 범위, 및 수용액이 반응에 첨가되는 양 및 속도와 같은 다른 제어 측정값을 조절함으로써 더 균일한 수수소 발생을 가능하게 하는 반응 특징을 예측하기 위해 상기 시스템 파라미터를 사용할 수 있다.
반응 상태 및 반응 파라미터의 디스플레이
도 2에 도시된 바와 같이, 반응의 상태를 결정하기 위해 사용되는 측정과 무관학, 디스플레이 장치(218)은 반응물 연료와 수용액의 반응을 모니터하고 제어하기 위해 사용될 수 있다. 디스플레이 장치(218)은 반응의 결정된 힘 또는 중량 및 다른 작동 또는 시스템 특이적 파라미터를 나타내기 위한 LCD (액체 결정 디스플레이) 또는 다른 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(318)의 추가 예는 도 3에 도시되어 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(318)은 실제 중량을 나타내거나, 또는 실제 중량을 실제 중량을 완결 비율, 시간, 또는 반응의 상태와 관련된 또 다른 측정값으로 전환시키기 위한 마이크로제어기 (도 3에서의 마이크로제어기(387)과 같은)을 사용한다.
단일 격실 반응기 예
중량, 저비용, 재사용 반응기(1502)는 도 15a에 개략적으로 그리고 도 15b에 상세히 도시되어 있다. 얇은 벽 반응기(1502)는 캐니스터 뚜껑(1555) 둘레에 립(1553)을 포함하도록 스탬핑되고 형성딘다. 분리 지지 조각(1557)이 립(1553)의 밑면에 위치한다. 캐니스터 뚜껑(1555) 및 지지 조각(1557)은 립(1553)을 포함하여, 강한 반응기(1502)를 촉진시키면서, 모두가 분리되고 재사용될 수 있는 매우 얇은 벽 캐니스터를 사용한다. 립(1553)은 접착 또는 크림핑 없이 멈춤 링을 사용하여 캐니스터 뚜껑(1555)을 고정시키기 위한 기계적 연결을 촉진시킨다. 이는 캐니스터 뚜껑(1555)를 제거하고, 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)를 점검한 후, 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)를 재충전 및 재사용하는 능력을 제공한다. 반응기(1502) 및 뚜껑(1555)의 점검은 분리기 막, 여과 매체 등과 같은 부품 조각을 교체하고 개조하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 캡슐화 또는 다른 방법과 같은 보호성 방법이 사용되어 반응기에 의한 템퍼링을 방지하거/거나 반응기 템퍼링 검출을 제공할 수 있다.
도 15c는 설계된 오버-립(1553)을 포함하는 이러한 얇은 벽 용기의 제조에 사용디는 상세한 도면을 나타낸다. 도 15b에 또한 도시된 바와 같이, 오버-립(1553)은 접착제 또는 크림프와 같이 반응기 뚜껑(1555)를 부착시키기 위해 다른 방법이 사용되는 경우에 생략될 수 있다. 뚜껑(1555)의 바닥 단면(1563)은 중량을 최소화시키고 강도를 최대화시키면서, 수용액 유입부, 수소 가스 유입부 및 유출물, 전기 연결부 장치 등과 같은 실시적 연결 장치 (집합적으로 1565로 도시됨)을 제공하도록 설계될 수 있다.
추가로 도 15b에 도시되고, 도 3에 대해 작동적으로 기술된 바와 같이, 반응기(1502)는 수소 출구(1544) 및 물 입구(1591) 둘 모두를 포함한다. 이들 연결부는 체크 밸브 및/또는 정상적으로 밀폐된 차단 밸브, 또는 물 및 수소 흐름을 조절하기 위한 다른 장치를 함유할 수 있다. 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)의 일례는 도 34에 도시되어 있다. 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)는 도 15b에 도시된 바와 같이 수소 출구(1544) 및/또는 물 입구(1591) 중 어느 하나에서 반응기에 설치될 수 있다. 도 35에 도시된 메이팅 부품(3535)는 제어 시스템 상에 고정되고, 정상적으로 밀폐된 차단 밸브(3434)의 표면 상에서 접촉하고 눌러지는 메이팅 부품(3535)의 표면 상에 o-고리(3537) 또는 오버몰딩 가스킷을 갖는다. 메이팅 부품(3535)의 표면이 밸브 조립체(3434) 상에서 눌러짐에 따라, 차단 밸브(3434)의 내부 부분은 미끄러져서 개방 유체 통로을 제공한다. 비개방 상태에서, 스프링(3430)은 밸브(3434)의 몸체를 밀고, o-링이 밀봉되게 하고 액체가 흐르도록 한다. 추가 o-링이 역학적 밀봉로서 사용되어 밸브 공극 부피를 최소로 유지시키며, 이는 연결되고 분리될 경우에 수소 가스에 첨가되는 정상 공기의 양을 현저히 감소시킨다. 밸브(3434)의 몸체는 트레드(3439)를 포함하여, 몸체가 캐니스터 뚜껑(1555) 내로 끼워질 수 있다. 밸브(3434)는 접착제, 압입, 스냅링 등과 같은 많은 다른 메커니즘에 의해 원위치에 설치되고 유지될 수 있다.
도시된 반응기는 통합된 안전 릴리프 밸브(1538 및 1588)을 포함한다. 안전 릴리프 밸브(1538, 1588)은 일회용 제어 압력 릴리프 파열 포인트와 같은 대안적 방법으로 실행될 수 있다. 도 15b에서, 하나의 릴리프 밸브(1538)가 사용되어 여과를 통해 압력을 벤팅시키며, 또 다른 릴리프 밸브(1588)는 여과 전에 압력을 벤팅시키기 위해 사용된다. 하나의 실행에서, 밸브(1538, 1588)는 둘 모두 동일한 압력에서 풀어지도록 설정된다. 또 다른 실행에서, 포스트 필터 밸브(1538)는 프리필터 밸브(1588)보다 낮은 압력에서 풀어지도록 설정된다. 방치된 고압 이벤트의 경우에, 시스템은 여과된 유출물을 통해 고압 수소를 모두 벤팅시킬 것이다. 이차 밸브(1588)는 또한 필터가 막히는 고압 이벤트의 경우에 보조 밸브로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실행에서, 침적관(1543)이 릴리프 밸브(1588)의 가스 통로에 연결되고, 거꾸로 저장되는 경우에 캐니스터의 바닥으로 향하여 캐니스터를 벤팅시킨다. 상기 실행의 변형에서, 침적관(1543)은 상부, 바닥 또는 둘 모두에서 다공성 여과재를 함유하여, 수소 대 규산나트륨 또는 다른 수용액 요소를 선택적으로 벤팅시킬 수 있다.
뚜껑(1555)는 예를 들어 Atmel TK5551 RFID 칩과 같은 RFID 칩(1522)를 포함한다. 3개의 얇은 벽 튜브(1539, 1541, 1543)이 반응기(1502) 내에 도시된다. 하나의 튜브(1539)는 물을 반응기(1502)의 중심으로 유도하고, 통합된 노즐(1549a, 1549b, 1549c)를 포함하여 반응물 연료가 존재하는 반응기(1502)의 영역으로 물 흐름을 향하게 한다. 또 다른 튜브(1541)은 상부 뚜껑(1561)의 평면에 대해 수평이다. 상기 튜브(1541)는 필터(1561)을 청소하고, 물을 필터(1561)을 가로질러 분무하여 필터(1561)을 세척하고 수용액과 반응물 연료를 추가로 반응시킨다.
도 3에 대해 상기 기술된 바와 같이, 체크 밸브 (도 15에 도시되지 않음)은 반응기(1502)에서 물 라인과 연결되도록 위치할 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, 체크 밸브는 제어 시스템, 반응기(1502) 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 물은 상기 기술된 물 네트워크를 통해 반응기(1502) 내로 펌핑된다. 수소가 수소 출구(1591)을 통해 반응기(1502)로부터 배출됨에 따라, 수소 가스는 또한 체크 밸브 (도 15에 도시되지 않음)을 통해 통과할 수 있다. 상기 제시된 바와 같이, 수소 가스 유출 체크 밸브가 또한 제어 시스템 (참조 번호 303으로서 도 3에 도시됨), 반응기(1502) 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 하나를 초과하는 단일 반응기(1502)를 사용하는 시스템에서, 체크 밸브는 각각의 반응기로부터 수소 배출 라인 각각을 위해 사용된다. 또한, 자급식 압력 변환기가 사용되어 각각의 반응기 압력을 분리적으로 측정할 수 있으며, 자급식 압력 변환기는 하나 이상 체크 밸브 또는 다른 다운스트림 격리 메커니즘 전에 반응기 또는 제어 시스템에서 수소 배출 라인에 연결된다. 체크 밸브는 하나의 반응기가 또 다른 반응기를 배압시키는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 정상적으로 밀폐된 밸브 또는 흐름 제어 조절 장치와 같은 다른 부품이 사용되어 유사한 결과를 달성할 수 있다.
도 3에 대해 상기 기술된 바와 같이, 수소 가스는 반응기(302) 밖으로 직접 통과할 수 있다. 또 다른 실행에서, 수소 가스는 먼저 고순도 오염 필터를 통해 통과할 수 있다. 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 수소 유출물은 원래의 물 탱크(314) 또는 분리 물 탱크와 같은 물 탱크/응축기를 통해 버블링될 수 있다. 이는 수증기의 일부량을 응축시키고, 유출된 수소 가스 중에 존재할 수 있는 미립자 또는 오염 물질의 일부량을 포착하는 역할을 한다.
물 탱크(314)를 통한 버블링 후에, 유출된 수소 가스는 미세 고순도 필터(369)를 통해 통과될 수 있다. 물 탱크(314)는 저온 작동을 위해 또는 다른 용도로 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 생성되는 H2의 양을 증가시키는 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 또는 수용액의 열역학적 특성을 변동시키는 열역학적 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열역학적 첨가제는 반응의 온도 범위, 반응의 압력 범위 등을 변동시킬 수 있다. 추가로, 수용액에 대한 첨가제는 다양한 상이한 첨가제의 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 첨가제는 유출된 수소 스트림에서 더 적은 오염을 촉진시키거나, 첨가제 자체는 반응에서 생성되는 임의의 발생된 실란 (SiH4)에 대해 가수분해를 일으키는 역할을 한다. 반응기(302)로부터의 수소 가스는 수성 필터(351)로 향할 수 있다. 압력 변환기(340)은 수소 가스의 압력을 측정하고 조절하기 위해 사용될 수 있다. 수성 필터(351)은 임의의 발생된 실란에 대해 가수분해를 수행하고, 미립자를 수집하고, 수소 유출 스트림으로부터 물을 응축시키기 위해 사용된다. 실란의 가수분해의 경우에, 소량의 SiO2 및 수소가 발생된다. 생성되는 수소는 수소 가스 유출물(365)에 사용될 수 있으며, SiO2는 밸브(361, 324)를 통해 잔여 물을 갖는 반응기(302) 내로 펌핑될 수 있다. 물 탱크(314)는 필요에 따라 배수되고 세척될 수 있다. 유출된 수소를 물을 통해 버블링시키는 경우, 물 탱크(314)는 또한 상부에서 투과성 막(367)을 가져서, 수소가 수소 출구(365)에서 배출되지만, 물은 심하게 기울어지거나 뒤집힌 거꾸로 된 상황에서 배출되지 않도록 할 수 있다. 하나의 실행에서, 물 뚜껑(363)은 물 뚜껑(363)이 완전히 폐쇄되면 마이크로제어기(387)에 알려주는 뚜껑 접촉 센서(311) 또는 다른 검출기를 갖는다. 하나의 실행에서, 마이크로제어기(387)은 더 많은 물이 첨가되면서 물 탱크(314)가 반응기(들)을 가압으로 유지시키기 전에 유출 밸브(362)를 턴오프시킬 수 있다.
다른 예에서, 유출 밸브(366)은 물 탱크(314) 및 미세 필터(367)의 배출 후에 배치될 수 있다. 상기 유출 밸브(366)는 마이크로제어기(387)에 의해 제어되어, 반응을 출발시키고, 압력을 셀폰, 랩톱 컴퓨터, 주택 전기 그리드 등과 같은 최종 분야에 유출된 수소 가스를 공급하기에 적합한 수준으로 축적하도록 할 수 있다. 또 다른 예는 임의의 트랩핑된 공기의 시스템을 정화시키기 위해 분리 릴리프 밸브(368) 또는 블리더 밸브를 포함한다. 상기 기술된 바와 같이, 추가의 예는 응용될 수 있는 바에 따라 특정 응용 요건을 지지하기 위해 유출 수소 라인과 연결되도록 응축기 또는 건조제 필터와 같은 필터(369)를 포함한다.
또 다른 예는 이차 조합 챔버(351)을 통해 반응기(302)로부터 모든 물을 진로시키는 것을 포함한다. 또한, 또 다른 예는 반응기(302) 쪽으로의 직접 통과로서 또는 이차 조합 챔버(351)에 대한 자급식 제어로, 유출된 물을 이차 조합 챔버(351)로 펌핑시키는 것을 포함한다. 이차 조합 챔버(351)은 상기 기술된 바와 같이 반응기(302)에 대해 열적 제어가 제공되기는 하지만, 가수분해 및/또는 여과를 촉진시키기 위해 이차 챔버의 온도를 증가 및/또는 유지시키기 위해 서미스터(328)과 같은 열적 제어 시스템에 결합될 수 있다.
추가 전기 연결부
단일 격실 반응기 및 추가 격실을 갖는 반응기 둘 모두에서, 추가 전기 연결부는 반응의 상태 및 시스템 특이적 파라미터에 대해 사용자에게 추가 정보를 제공하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 추가 신호 연결부 (유선 또는 무선)는 반응기(302) 및 제어 시스템(303)으로부터 이루어져서 전자부품(386)을 제어하여, 시스템 특이적 파라미터를 모니터하고 보여주는 제어 장치 및 디스플레이 장치 측정 데이터를 제공할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 판독/입력 RFID 장치가 사용되어, 시스템 특이적 파라미터를 저장하고 보고함으로써 반응의 상태를 평가할 수 있다. 예를 들어, 마이크로제어기(387)은 반응기(302) 내로 펌핑되는 물의 양을 나타내는 데이터를 반응기(302)의 뚜껑에 위치할 수 있는 RFID 장치(333)에 입력할 수 있다. 반응기(302) 내로 삽입되는 것으로 공지된 측정된 물의 양에 근거하여 그리고 압력 및 온도 측정과 같은 다른 측정을 사용하여, 반응 상태는 시스템(300)에 의해 결정될 수 있다. 유사하게, 추가 RFID 장치(381, 382, 334)가 반응기(302) 및 제어 시스템(303) 도처에서 합체되어 마이크로제어기(387)에 그리로 이로부터 시스템 정보를 제공하고 저장할 수 있다. 예를 들어, 각각의 RFID 장치는 일련 번호, 반응기 내로 삽입되는 물의 양, 반응기 내로 삽입될 수 있는 물의 총 허용될 수 있는 양, 반응기 내의 압력, 물 용기 및 시스템 내 다른 곳에서의 압력과 같은 정보를 제공할 수 있다. 압력 측정값, 온도 측정값, 물의 양, 및 RFID 장치에서의 다른 시스템 특징이 사용되어 반응의 상태를 결정할 수 있다. 유사하게, 마이크로제어기(387)은 물 흐름 속도, 생성되는 수소의 양 및 RFID 장치(333, 334, 381, 382) 및 제어 시스템(303) 내, 반응기(302) 내 및 반응 장치 도처에 위치할 수 있는 다른 RFID 장치에 대한 다른 파라미터와 같은 다른 시스템 파라미터를 입력할 수 있다.
또한, RFID 장치 (별도로 도시되지 않음)은 반응기(302) 내로 통합되어, 반응기(302)를 개별적으로 확인함으로써 재고 관리를 제공할 수 있다. 상기 장치는 재고 관리를 위해 분리적으로 사용될 수 있거나, 단일 장치가 다중 세트의 제어 기능과 함께 사용될 수 있다. RFID 장치는 하나의 트랜스폰더 및/또는 다중 위치에서 사용될 수 있는 많은 트랜스폰더와 소통할 수 있다. 예를 들어, 트랜스폰더는 조립체 라인의 일부로서 또는 품질 제어를 위한 손으로 쥐는 장치로서 공장 제조 반응기에 사용될 수 있다. 또한, 트랜스폰더는 필드에서 사용하기 위해 메이팅 하드웨어에 위치할 수 있다. 메이팅 하드웨어는 수소 발생 시스템, 연료전지 시스템, 완전 동력 시스템, 또는 다른 인터페이스 시스템를 포함할 수 있다.
수동적 수소 발생
수동적 구조물 반응기 시스템(1600)의 일례는 도 16에 도시되어 있다. "수동적 구조물"은 반응을 개시하기 위한 전기 펌프의 부재를 의미한다. 수동적 구조물 시스템은 자주 저유출 시스템에 적합하다. 상기 구조물로, 오버헤드 작업이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 저유출 시스템의 부품은 자주 더 적은 수의 물리적 패키지 내로 결합될 수 있고, 다른 부품은 완전히 제거될 수 있다. 예를 들어, 반응기 시스템의 팬 및 펌프는 셀폰 또는 셀폰 재충전기 및 저동력을 필요로 하고 부피 및 비용 둘 모두를 최소화시켜갸 하는 다른 분야와 같은 저동력 시스템을 위해 제거될 수 있다. 규화나트륨계 (또는 다른 수성 반응성 재료) 수소 발생을 위한 펌프 없는 시스템의 단순화된 구조물이 도 16에 도시되어 있다. 물 탱크(1614)는 가압 공급원(1616) 또는 펌프를 연결시킴으로써 초기에 가압된다. 물은 유량 제한기(1624)를 또한 포함하는 물 공급 라인(1690)을 통해 공급된다. 유량 제한기(1624)는 밸브와 같은 활동적 부품, 또는 오리피스와 같은 수동적 부품일 수 있다. 대안적으로, 중력 자체가 초기 힘을 제공하여 물을 물 공급 라인(1690)을 통해 이동시킬 수 있다. 초기 물이 반응기(1602)에 들어가고 규화나트륨(1601)과 조합됨에 따라, 수소(1634)가 발생되고 수소 압력을 생성시켜서, 재가압 라인(1643)을 통해 물 공급원(1684)를 차례차례 재가압할 수 있다. 수소 유출물(1666)에서의 압력은 수소가 시스템 밖으로 흐르고 물 탱크(1614)로 역으로 흐르기 시작함에 따라 강하될 것이다. 그러나, 물 탱크(1614)에서의 압력은 체크 밸브(1677)로 인해 유지된다. 이는 더 많은 물을 반응기(1602) 내로 유도하는 압력차를 생성시켜서, 시스템(1600)을 재가압한다. 압력이 증가함에 따라, 전체 시스템 압력이 균형을 이루어서 물 흐름을 중단시킨다. 유량 제한기(1624)는 반응기(1602)로의 물 유입 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 다른식으로, 수소 압력이 발생한 시간을 가져야 하기 전에, 과량의 물이 반응기(1602) 내로 삽입되어, 포지티브 피드백 상황을 유도할 수 있고, 반응이 조기에 일어나게 된다
또한, 물 공급은 물 픽업 라인이 사용되는 경우에 (도 16에 도시되지 않음), 물 탱크(1614)의 바닥으로부터 또는 탱크(1614) 상의 또 다른 배출 지점 (상부와 같은)을 통해 비롯될 수 있다. 중력 또는 사이포닝 물 공급 메커니즘이 또한 물 입구 및 출구의 적절한 배치에 의해 시스템 내로 합체될 수 있다.
저유출 반응기 시스템(1600)의 구조물은 도 17에서 완전한 반응기 조립체(1700) 내로 합체된다. 반응기(1702)는 반응기 챔버(1722) 내의 반응물 연료(1701)을 포함한다. 반응기 챔버(1722)는 반응물 연료(1701)을 함유하고 발생된 수소 가스에 대한 방출 경로를 제공하도록 막(1733)을 포함할 수 있다. 반응 챔버(1722)는 경질 챔버 또는 가요성 챔버일 수 있다. 반응 챔버(1722)는 반응 챔버(1722)가 임의의 수의 방향으로 배향될 수 있도록 다중 위치에서 막(1733을 가질 수 있다. 반응기 챔버(1722)를 둘러싸는 것은 특정 응용에 의해 요구되는 바와 같이 유출 밸브(1766) 밖으로 흐르는 외부 수소 챔버(1793) 내의 가압 수소 가스(1788)이다. 일반적 저유출 반응기 시스템(1600)을 갖는 경우가 도 16에 도시된 바와 같이, 물(1734)는 물 공급 라인(1790)을 통해 반응기(1702)로 공급된다. 물(1734)는 물 배출 펌프(1716)에 의해 또는 물 충전구(1717)을 통한 외부 물 공급원에 의해 시스템에 제공될 수 있다. 물 재가압은 물 재가압 밸브(1777)에 의해 수행된다. 상기 방식으로, 저유출 반응기 시스템(1700)은 수소 가스를 최종 응용에 제공할 수 있다.
반응기 챔버(1722)는 다중 물 공급 메커니즘이 공급될 수 있다. 예를 들어, 작은 펌프는 반응기(1702) 내에 통합되어 반응기 챔버, 물 및 펌핑 시스템을 갖는 완전 폐기성 반응기를 제공할 수 있다. 상기 펌프는 반응기로부터 분리될 수 있다. 별도의 펌프를 갖는 시스템의 일례는 도 18에 도시된 스프링 구동 시스템이다.
도 18은 반응기 챔버(1802), 물 공급원(1814) 및 "펌핑 시스템"(1820)이 통합된 스프링 구동 반응기 시스템(1800)을 예시한다. 반응기(1802)는 또한 살수기 (도 25와 관련하여 하기에 기술됨)을 포함한다. 스프링 구동 반응기 시스템의 일례는 슬라이딩 피스톤(1831) 상에서 밀어지고 물 공급부(1814)를 포함하는 물 챔버(1841)에 압력을 가하는 스프링(1821)을 합체한다. 가요성 재료, 엘라스토머, 벨로우즈, 또는 차등 압력이 교차하여 가해지는 경우에 운동을 제공하는 다른 구조체와 같은 상이한 피스톤 대체물을 갖는 추가 기기가 또는 사용될 수 있다. 스프링의 경우에, 작은 플랫폼 영역(1851)이 스프링(1821)의 가장자리와 접촉하게 되어 더 큰 영역 상으로 힘을 분배할 수 있다. 또한, 단일 본체 패키지(2100) 내로 제작될 수 있는 스프링 구동 반응기 시스템의 일례는 도 21에 개략적으로 도시되어 있고, 도 22a 및 23에 그림을 넣어 도시되어 있다. 도 22b 및 24는 단일 본체 패키지(2100) 내의 스프링 구동 반응기 시스템의 분해도를 제공한다.
도 18을 다시 참조하면, 스프링(1821)이 물 챔버(1841) 내에서 압력을 발생시킴에 따라, 물은 반응기 챔버(1802) 내로 주입된다. 물이 반응물 연료 재료에 접촉함에 따라 수소가 발생된다. 수소가 발생됨에 따라, 이는 물의 입구를 막는 반응기 챔버(1802) 내의 압력을 발생시킨다. 상기 실행에서, 물 공급 메커니즘은 배향 독립성이다. 도 18의 반응기 시스템(1800)에서, 반응기 챔버(1802)는 수용액이 필터(1890)을 차단할 수 있기 때문에 배향 독립성이 아니어서, 시스템(1800)이 뒤집히는 경우에도 수소가 통과되지 않도록 한다. 이를 보완하기 위해, 도 17에서 참조 번호 1722으로 도시된 막을 갖는 반응기 챔버와 같은 반응기 막 시스템이 다중 픽업으로 실행될 수 있다. 또한, 체크 밸브(1824)가 물 공급원(1814)와 반응기 챔버(1802) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 수소 전달 시스템 없이, 수소 압력은 과잉 압력에 의해 스프링(1821) 상에서 팩을 밀어서, 결국 과량의 물을 주입시킨다. 체크 밸브의 부재는 진동 시스템을 생성시킨다. 예를 들어, 도 19는 체크 밸브가 없는 시스템에서 시간 경과에 따른 압력 반응의 일례를 나타낸다. 도 19에 그래프로 도시된 바와 같이, 진동 압력 반응은 체크 밸브와 같은 압력 평형 수단이 시스템 내로 합체되지 않은 경우의 증거이다.
대조적으로, 도 20은 체크 밸브를 이용하는 시스템에서 시간 경과에 따른 압력 반응의 일례를 나타낸다. 도 20에서 압력 반응은 진동 반응을 나타내지 않고, 대신에 스프링 압력과 관련된 안정한 감쇠를 나타낸다.
도 20에 또한 도시된 바와 같이, 반응의 초기에 초기 피크는 물의 초기 슬러그가 반응기 내로 주입됨에 따라 발생한다. 이러한 효과는 물 유량 제한기를 사용하여 약화될 수 있거나, 증가되어 높은 전이 수소 발생의 순간 전이 수준을 발생시켜서 연료전지 스택 정화를 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 체크 밸브(1824) 이외에, 재출발 상태 동안 물 흐름을 느리게 하는 방법이 물 유량 제한기를 사용하여 실행될 수 있다. 재출발 동안, 순간 수소 압력은 매우 낮은 값으로 강하되어, 큰 반응 스파이크를 결과할 수 있는 물의 주입을 발생시킬 수 있다. 유량 제한기 기능은 물 분포 기능 내로 합체되어 이러한 효과를 방지할 수 있다. 체크 밸브의 사용은 스프링 설계에 의해 결정되는 바와 같이 거의 일정한 압력 작동을 촉진시킨다. 제어 밸브 또는 조절 장치 등과 같은 체크 밸브 특징에 대한 다른 메커니즘이 또한 사용될 수 있다.
수동적 구조물 반응기 시스템에서, 물 살포 및 분포는 많은 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, 살수기(2515)는 작은 분포 구멍(2513)을 갖는 작은 직경 튜브일 수 있다. 물 분포 시스템은 또한 반응기 공동(2502) 내측에서 관찰되는 바와 같이 실리콘 튜브(2555) 내에서 구멍의 네트워크를 합체할 수 있다. 구멍 간격, 크기 및 유형 가변성은 노즐과 관련하여 상기에 기술되어 있다. 또한, 실리콘 튜브(2555) 구조에서 구멍 크기는 추가 가요성을 제공할 수 있다. 상기에 개요된 바와 같이, 작은 구멍은 발생된 반응 폐기물에 의해 막힐 수 있어서, 실리콘 튜브(2555)의 사용으로 압력이 클로그 둘레 위로 더 넓은 구멍 오프닝을 발생시키고 구멍의 차단을 강제할 수 있게 된다. 예를 들어 붕규산염 섬유, 및 다른 물 심지 재료와 같은 다른 물 분포 메커니즘이 또한 사용되어 물을 반응 영역에 골고루 분포시킬 수 있다. 이들 물 분포 기술은 임의의 유형의 펌프 또는 제어 시스템 구조물에 사용될 수 있다.
도 18에 개략적으로 도시된 바와 같이, 2-부 반응기 시스템(1800)의 일례는 반응기(1802)와 같은 하나의 일차 부품 또는 용기 내의 반응물 연료 재료(1834)를 포함하고, 수용액은 초기에 수용액 캐니스터(1892)와 같은 또 다른 일차 부품 또는 용기 내에 포함된다. 반응기(1802)는 반응이 완결되면 처분되거나 재순환될 수 있으며, 수용액 캐니스터(1892)는 사용자에 의해 재사용되고 재충전될 수 있다. 이들 2개의 일차 부품(1802, 1892)는 "반응기 및 물 공급 시스템"으로 명명된다. 도 18에 도시된 예에서, 완전한 수소 발생 시스템은 2개의 코어 부품, 즉 반응물 연료 반응기(1802) 및 수용액 캐니스터(1892)로 이루어진다. 이들 2개의 분리 캐니스터(1802, 1892)는 서로 연결되고, 상호작용하여 수소 가스를 발생시킨다. 대안적으로, 상기 기술된 바와 같이, 이들 2개의 캐니스터(1802, 1892)는 단순히 물 입구 밸브를 통해 서로 연결될 수 있으며, 제어 시스템 (예를 들어, 연료전지 시스템, 소비자 최종 제품 등)은 캐니스터를 원위치에서 보유하고 방출시키기 위한 기계적 경도를 제공한다. 더욱더, 전체 물 공급 시스템은 비-분리 및/또는 제거가능한 부품으로서 시스템은 제어 시스템 내에 존치할 수 있다.
인터페이스 밸브(1824)가 반응기(1802), 공급 시스템(1892) 및/또는 둘 모두 내에 체류할 수 있다. 반응기(1802)와 물 공급원(1892)이 연결되면, 인터페이스 밸브는 수소 압력이 스프링(1821)을 굴절시키기 않게 할 수 있다. 이는 인터페이스 밸브(1824) 내에 체크 밸브 또는 제어된 온/오프 밸브의 특징을 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 별도의 실행에서, 인터페이스 밸브(1824)가 이러한 특징을 제공하지 않는 경우, 피스톤 조립체를 스크류 드라이브로 제어하는 것과 같은 스프링의 역행, 및 물 공급 시스템이 수소 가스로 상당히 가압되지 않도록 하는 다른 메커니즘을 억제하기 위해 분리 특징이 사용될 수 있다.
도 22-24는 상기 시스템 실행에서 코어 부품의 예를 나타낸다. 도 22b에 도시된 바와 같이, 금속 스프링(2121)이 물 캐니스터(2192)에 사용되어 압력을 발생시키고, 물을 반응기 캐니스터 내로 흐르게 하는 수단을 제공한다. 상기 예에서 금속 스프링(2121)은 점점 가늘어진 원뿔형 연장 스프링이지만, 비틀림, 클럭, 반전된 점점 가늘어진 원뿔형, 압축 등과 같은 다른 스프링 유형이 또한 사용될 수 있다. 스프링(2121)은 캐니스터(2192)의 기부(2170) 및 플런저(2172)에 단단히 고정될 수 있다. 더욱더, 스프링(2121)은 중심이 있어서 플런저 요를 방지한다. 도 22b에 도시된 플런저(2172)는 플런저(2172)가 미끄러짐에 따라 안내하고 밀봉되도록 통합된 특징을 갖지만, 다른 물 전달 설계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 바와 같이, 상이한 예는 물을 가압하에 반응기에 전달하는 가요성 "백"을 사용할 수 있다.
체크 밸브(2162) 및 오리피스(2164) (도 23에 도시됨)가 물 캐니스터(2192)와 분말 (반응기) 캐니스터(2102) 사이에서 물 출구 내로 합체된다. 체크 밸브(2162)는 수소 압력이 물 캐니스터(2192)를 재가합하는 것을 방지하고, 따라서 시스템 불안정성을 방지한다. 다른 예에서, 체크 밸브(2162)는 또한 물 캐니스터/반응기 분리 시에 밀봉될 수 있다. 다른 예에서, 체크 밸브(2162)는 또한 과잉 압력이 시스템에서 방생되는 경우에 압력을 다시 구할 수 있다. 오리피스(2164)는 물 및 반응기 캐니스터(2102, 2192) 사이에서 높은 차등 압력의 기간 동안 반응기(2102)에 대한 물 흐름을 제하는 역할을 한다.
도 26 및 27에 도시된 바와 같이, 다른 실행에서, 반응기 및 물 공급 서브시스템은 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 26에 도시된 바와 같이, 실행의 일례는 나사 잠금 메커니즘(2666)을 사용하여 2개의 캐니스터(2102, 2192)를 결합시킨다. 잠금 메커니즘에 대한 클릭 또는 물 공급구 상의 미세 (10-32) 내부 및 외부 트레딩과 같은 다른 잠금 설계가 또한 사용될 수 있다. 잠금 메커니즘의 트레드는 물 또는 수소를 밀봉시키지 않아야 하고, O-링 또는 가스킷 유형 밀봉은 물을 반응기 캐니스터 인터페이스에 결합시키기 위해 사용될 수 있다.
상기 예에서, 캐니스터는 둘 모두 상기 기술된 바와 같은 얇은 벽 압력 용기이다. 반응 캐니스터는 니켈 도금 알루미늄 등과 같은 염기 내식성 재료로 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 경금속 또는 엔지니어링 플라스틱으로부터 구성될 수 있다. 물 캐니스터는 캐니스터가 분리되거나 제거되는 경우에 물 흐름을 방지하는 잠금 메커니즘을 가질 수 있다. 잠금 메커니즘은 물을 흐르게 하는 사용자 조정을 필요로 하는 기계적 래치일 수 있다. 대안적으로, 반응기는 사용자 상호작용이 있지 않는 한은 물 흐름을 중단시키는 밸브 또는 다른 메커니즘을 함유할 수 있다. 사용자 상호작용의 예는 캐니스터를 연료전지 시스템 조립체 내로 삽입시키는 운동에 의해 작동하는 물리적 스위치 또는 밸브를 포함한다.
또한, 물 공급 시스템의 부분으로서 스프링은 도 27의 예에 도시된 바와 같이 물의 외측에 있거나, 도 28에 도시된 바와 같이 물의 내측에 있도록 배열될 수 있다. 스프링이 물의 내측에 위치하는 경우, 부식 억제제가 수용액에 첨가될 수 있거나, 스프링 재료는 부식을 제한하도록 적절히 선택될 수 있다.
도 29a 및 29b의 예에 도시된 바와 같이, 반응기 내로의 물 삽입의 전체 시간 동안 거의 일정한 물 압력을 유지시키기 위한 많은 상이한 배열이 사용될 수 있다. 스프링은 실제 이동 거리가 전체 압축 거리에 비해 짧도록 선택될 수 있다. 이를 달성하기 위한 하나의 방법은 도 29a 및 29b에 도시된 바와 같은 반전된 원뿔형 스프링을 사용하는 것이다. 긴 비압축 스프링(2921)은 압축되고 반전되어 (도 29b에 도시됨) 플랫을 아래로 당기면서 여전히 압력 하에 있을 수 있다. 이는 스프링 압축 부피를 최소화시키면서 여전히 필요한 힘을 제공할 수 있게 한다.
용적 고려 사항
일부 사용자는 사용자 복잡성을 최소화시키기 위해 패키지 내에 포함되는 필요한 물의 전부를 갖는 가능한 한 작은 용적인 구성을 필요로 할 수 있다. 도 30a 및 30b에 도시된 하나의 예에서, 반응기 용적(3002)은 초기에 작게 출발하며, 수용액이 고갈되고 반응의 지점(들)에 첨가됨에 따라 시간 경과에 따라 성장한다. 시간 경과에 따라, 피스톤(3072) 또는 유사한 메커니즘이 사용되어 반응기 용적(3002)을 물 공급 용적(3014)으로 교체한다. 이것 뒤의 구동력은 역학적 펌핑 메커니즘, 스프링 구동 메커니즘 또는 다른 메커니즘일 수 있다. 하나의 실행에서, 시스템은 발생된 수소 압력이 스크류 드라이브 피스톤 조립체, 확장 가스킷 등의 사용에 의해 물 전달 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 또 다른 실행에서, 시스템은 발생된 수소 압력이 물 전달 시스템의 일부로서 제어 밸브 또는 압력 조절 장치의 사용에 의해 물 전달 압력에 기여하지 않도록 설계된다. 도 30b에 도시된 스프링 구동 메커니즘에 대해, 스프링 조립체가 거의 평평해지도록 압축되면서 여전히 비이와 상태로 있음에 따라 허용될 수 힘을 여전히 제공하면서 반응의 종결시에 물 공급 용적(3014)을 최소화 시키는 반전된 점점 가늘어진 스프링(3021)이 도시되어 있다. 이러한 접근법은 비교 피스톤 (또는 다른 방법), 수용액 분포 네트워크, 수용액 유량 제한기 및 통합된 체크 밸브 또는 비교할 수 있게 기능화된 부품 (도시되지 않음)을 사용한다. 밸브 또는 다른 메커니즘과 같은, 스프링을 원위치에서 기계적으로 잠그거나 흐름으로부터 수용액을 중단시키는 메커니즘이 사용될 수 있다. 수용액은 카트리지의 외측에서 흐르고, 피스톤 기하학학적 형태를 통해 이동할 수 있다. 밸브, 조절 장치 또는 다른 제어 부품이 또한 물 공급 라인 상에 사용될 수 있다. 기하학적 형태 및 설계는 단지 스프링에 의해 가해지는 힘이 물 배출을 발생시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 스레디드 인터페이스와 같은 메커니즘이 합체되어, 수소 압력의 순간 증가가 물 압력의 순간 증가로 전환되지 않게 된다. 팽창 벨로우즈 등과 같은 다른 특징이 사용될 수 있다. 또한, 도 31-33은 랩톱 컴퓨터 파워에 대한 연료전지와 같은 시스템에 사용될 수 있는 더 큰 카트리지(3100)를 도시한다.
발명의 기본 개념이 설명된 바와 같이, 상기 상세한 설명이 단지 예로서 제공되도록 한 것이며 제한적이지 않음은 당업자들에게 매우 명백할 것이다. 본원에 명백히 규졍되지 않았지만, 다양한 변경, 개선 및 개량은 이루어질 것이며 당업자들을 대상으로 한다. 이들 변경, 개선 및 개량은 본원에 의하여 제안되도록 한 것이며, 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서, 또한, 처리 요소들 또는 순서들의 열거된 순서, 또는 숫자, 문자 또는 다른 표시의 사용은 특허청구범위에서 규정되는 것을 제외하고는 임의의 순서로 청구된 프로세스들을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 본 발명은 단지 하기의 특허청구범위 및 이의 등가물에 의해서만 제한된다.
(100), (300) : 수소 발생 시스템
(102), (202), (204), (302), (402), (502), (602), (802), (1002), (1102), (1202), (1302), (1502), (1602), (1702) : 반응기
(106) : 물 입구 연결부
(108) : 수소 출구 연결부
(110), (210) : 충전구
(114), (314) : 물 용기
(202), (204) : 카트리지
(218), (318) : 디스플레이 장치
(303) : 제어 시스템
(314), (1614) : 물 탱크
(320) : 펌프
(322), (340) : 압력 변환기
(324), (361) : 밸브
(326), (327), (336), (2162), (3430) : 체크 밸브
(333), (334), (381), (382) : RFID 장치
(351), (355), (1155) : 조합 챔버
(387), (1420) : 마이크로제어기
(506) : 물 연결기
(508) : 수소 연결기
(555) : 릴리프 밸브
(577), (579) : 전기 연결부
(706) : 유체 연결부
(708) : 가스 연결부
(888) : 수소 여과막
(1154), (1722) : 반응기 챔버
(1538), (1588) : 릴리프 밸브
(1600), (1700) : 반응기 시스템
(1624) : 유량 제한기
(1700) : 반응기 조립체
(1716) : 물 배출 펌프
(1777) : 물 재가압 밸브
(1802), (1892), (2102), (2192) : 캐니스터
(1821), (2121), (3021), (3430) : 스프링
(1824) : 인터페이스 밸브
(3434) : 차단 밸브
(102), (202), (204), (302), (402), (502), (602), (802), (1002), (1102), (1202), (1302), (1502), (1602), (1702) : 반응기
(106) : 물 입구 연결부
(108) : 수소 출구 연결부
(110), (210) : 충전구
(114), (314) : 물 용기
(202), (204) : 카트리지
(218), (318) : 디스플레이 장치
(303) : 제어 시스템
(314), (1614) : 물 탱크
(320) : 펌프
(322), (340) : 압력 변환기
(324), (361) : 밸브
(326), (327), (336), (2162), (3430) : 체크 밸브
(333), (334), (381), (382) : RFID 장치
(351), (355), (1155) : 조합 챔버
(387), (1420) : 마이크로제어기
(506) : 물 연결기
(508) : 수소 연결기
(555) : 릴리프 밸브
(577), (579) : 전기 연결부
(706) : 유체 연결부
(708) : 가스 연결부
(888) : 수소 여과막
(1154), (1722) : 반응기 챔버
(1538), (1588) : 릴리프 밸브
(1600), (1700) : 반응기 시스템
(1624) : 유량 제한기
(1700) : 반응기 조립체
(1716) : 물 배출 펌프
(1777) : 물 재가압 밸브
(1802), (1892), (2102), (2192) : 캐니스터
(1821), (2121), (3021), (3430) : 스프링
(1824) : 인터페이스 밸브
(3434) : 차단 밸브
Claims (66)
- 용액 유입구 및 수소 유출구를 포함하는 반응기;
반응기에 첨가되는 반응물 연료 재료; 및
용액 입구 충전구를 통해 반응기 내의 반응물 연료 재료에 첨가되어 수소 가스를 발생시켜서 수소 유출구를 경유하여 공업적 응용으로 전달되도록 하는 수용액을 포함하는, 수소 가스 발생 시스템. - 청구항 1에 있어서, 상기 반응물 연료 재료가 규화나트륨 분말 또는 나트륨 실리카겔 중 적어도 하나를 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 수용액이 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 열역학적 첨가제, 염기, 산 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응물 연료 재료가 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 열역학적 첨가제, 산, 염기 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응물 연료 재료가 수용액의 첨가 전에 반응기에 사전 첨가되는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 발생되는 상기 수소 가스를 여과시키기 위해 수소 분리막을 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 공업적 응용이 연료전지인, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 수소 유출구로부터 상기 발생된 수소 가스 내에 체류하는 물을 응축시키기 위한 응축기를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 수용액을 상기 용액 입구 충전구에 제공하기 위한 외부 공급원을 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 화학적 필터, 건조제 필터, 거친 매질 필터, 드라이어 필터 또는 이차 반응기 챔버 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 압력 변환기, 릴리프 밸브, 수소 밀봉 체크 밸브, 팬, 열교환기 또는 반응기 냉각원 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 반응 폐액을 재순환시키고 재순환된 반응 폐액을 반응기로 복귀시키기 위한 재포착 용기를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응기가 복수의 용액 유입구를 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 수동 펌프, 배터리 동력 펌프, 또는 수용액을 반응기 내의 반응물 연료 재료에 첨가하기 위한 외부 동력 펌프 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응기가 처분, 분리 또는 재사용 중 적어도 하나를 위해 구성된, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 재충전 또는 제거 중 적어도 하나를 위해 구성된 수용액 용기를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 수용액이 상기 발생된 수소를 위한 화학적 필터 또는 미립 필터 중 적어도 하나인, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응기에서 상기 반응물 연료 재료와 상기 수용액의 반응의 적어도 하나의 파라미터를 모니터하기 위한 모니터 장치를 추가로 포함하며, 모니터 장치는 반응기 내의 온도, 전기 전도도, 반응기 내의 압력, 반응의 중량, 비반응 반응물 연료 재료의 양, 반응의 경과 시간, 반응기 내의 수용액의 양, 첨가되는 수용액의 양, 또는 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량 중 적어도 하나를 모니터하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 18에 있어서, 추가 반응물 재료를 상기 반응기에 첨가하는 단계, 추가 수용액을 상기 반응기에 첨가하는 단계, 폐기물을 상기 반응기로부터 제거하는 단계, 상기 반응기를 냉각시키는 단계, 상기 반응기를 가열하는 단계, 상기 반응물 재료와 상기 수용액의 조합물을 혼합시키는 단계, 또는 상기 반응기를 배출시켜서 압력을 감소시키는 단계 중 적어도 하나를 수행함으로써 온도, 전기 전도도, 압력 또는 반응의 중량 중 적어도 하나를 변경시키기 위한 반응 제어 장치를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 18에 있어서, 반응의 하나 이상의 모니터된 파라미터를 보여주기 위한 디스플레이 장치를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응기가 사전 가압되어 빠른 반응 응용 출발을 촉진시키는, 수소 가스 발생 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응기가 반응기 및 제거할 수 있는 뚜껑이 재사용될 수 있을 정도로, 제거할 수 있는 뚜껑을 수용하고 기계적으로 고정하도록 구성된, 수소 가스 발생 시스템.
- 반응물 재료를 반응기에 삽입하는 단계;
수용액을 용액 입구 충전구를 통해 반응기 내의 반응물 재료에 첨가하여 수소 가스를 발생시키는 단계; 및
발생된 수소 가스를 반응기로부터 수소 유출구를 통해 공업적 응용으로 전달하는 단계를 포함하는 수소 가스 발생 방법. - 청구항 23에 있어서, 상기 반응물 재료가 규화나트륨 분말 또는 나트륨 실리카겔 중 적어도 하나를 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 수용액이 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 열역학적 첨가제, 산, 염기 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 반응물 연료 재료가 공반응물, 응집제, 부식 억제제, 열역학적 첨가제, 산, 염기 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 첨가제를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 발생된 수소 가스를 수소 분리 막으로 여과하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 공업적 응용이 연료전지인, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 발생된 수소 가스로부터 물을 응축시키는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 29에 있어서, 상기 응축된 물을 반응기 또는 물 재포착 용기 중 적어도 하나으로 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 수용액을 상기 반응기 내의 상기 반응물 재료에 첨가하는 단계가 복수의 용액 입구을 사용하여 수행되는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 수용액을 상기 반응기 내의 상기 반응물 재료에 첨가하는 단계가 수동 펌프, 배터리 동력 펌프 또는 외부 동력 펌프 중 적어도 하나를 사용하여 수행되는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 수용액이 발생된 수소를 위한 화학적 필터 또는 미립 필터인, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 반응기에서 반응물 재료와 수용액의 반응의 하나 이상의 파라미터를 평가하는 단계를 추가로 포함하며, 평가는 반응기 내의 온도, 전기 전도도, 반응기 내의 압력, 반응의 중량, 비반응 반응물 연료 재료의 양, 반응의 경과 시간, 반응기 내의 수용액의 양, 또는 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량 중 적어도 하나를 모니터하는 것을 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 34에 있어서, 온도, 전기 전도도, 압력, 반응의 중량, 비반응 반응물 연료 재료의 양, 반응의 경과 시간, 반응기 내의 수용액의 양, 또는 반응기에 첨가하려는 수용액의 최대량 중 적어도 하나가 반응이 계속되게 만드는 결정된 범위 밖에 있는 경우에, 상기 반응기에서 상기 반응물 재료와 상기 수용액의 화합에 의해 발생되는 반응을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 35에 있어서, 상기 반응을 제어하는 단계가 추가 반응물 재료를 상기 반응기에 첨가하는 단계, 추가 수용액을 상기 반응기에 첨가하는 단계, 폐기물을 상기 반응기로부터 제거하는 단계, 상기 반응기를 냉각시키는 단계, 상기 반응기를 가열하는 단계, 상기 반응물 재료와 상기 수용액의 화합물을 혼합시키는 단계, 또는 상기 반응기를 배출시켜서 압력을 감소시키는 단계 중 적어도 하나를 수행하는 것을 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 34에 있어서, 시스템 디스플레이 장치에서 모니터된 시스템 특징을 보여주는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 반응물 재료, 상기 수용액, 상기 수소 가스 또는 상기 반응 폐기물 중 적어도 하나를 여과하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 38에 있어서, 여과가 비반응 반응물 재료 및 수용액으로부터 폐기물을 분리시키기 위한 액체 투과성 스크린을 사용하여 수행되는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 38에 있어서, 여과가 수소 분리막, 화학적 필터, 건조제 필터, 거친 매질 필터, 드라이어 필터 또는 이차 반응기 챔버 중 적어도 하나를 사용하여 수행되는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 40에 있어서, 상기 하나 이상의 수소 분리막, 화학적 필터, 건조제 필터, 거친 매질 필터, 드라이어 필터 또는 이차 반응기 챔버를 수용액의 일부로 세척하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 41에 있어서, 상기 수용액의 일부를 상기 반응기의 영역으로 향하게 하여 상기 반응물 재료와 상기 수용액의 조합으로부터 생성되는 폐기물을 재포착하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 42에 있어서, 상기 수용액의 일부를 이차 반응기 챔버에 첨가하는 단계; 및 상기 발생된 수소 가스를 상기 수용액의 일부를 통해 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 청구항 23에 있어서, 상기 발생된 수소를 상기 수용액을 통해 통과시켜서 미립자 수집, 화학적 여과, 가습 또는 응축 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 가스 발생 방법.
- 반응물 연료 재료, 액체 용액 및 가압 액체 공급 장치를 포함하는 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 상기 반응물 연료 재료가 규화나트륨 또는 나트륨 실리카겔을 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 상기 가압 액체 공급 장치가 스프링에 의해 가압되는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 47에 있어서, 상기 스프링이 실질적으로 모든 액체가 상기 반응물 연료 재료에 공급되는 경우에 액체 압력을 유지하도록 배열되고, 액체 공급 기간 동안 액체 압력의 변화를 실질적으로 제거하도록 추가로 배열되는 반전된 점점 가늘어진 원뿔형 스프링인, 가급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 상기 자급식 수소 발생 메커니즘이 폐기성 반응기 및 재사용 액체 공급 조립체로 분리될 수 있는 카트리지 조립체인, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 49에 있어서, 상기 재사용 액체 공급 조립체가 또 다른 장치에 의해 통합되거나, 제한되거나 내포된 조립체 중 적어도 하나인, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 액체 흐름을 제한하도록 구성되고, 전이 상태 동안 수소 발생 속도를 감쇠시키도록 추가로 구성된 액체 제한 메커니즘을 추가로 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 51에 있어서, 상기 액체 제한 메커니즘이 밸브 또는 오리피스 중 적어도 하나를 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 47에 있어서, 상기 반응물 연료 재료 및 상기 가압 액체 공급 장치를 분리시키는 제어 밸브 또는 체크 밸브 중 적어도 하나를 추가로 포함하며, 적어도 하나의 제어 밸브 또는 체크 밸브는 전이 상태에서 상기 스프링을 수소 압력에 의해 배압시키는 것을 방지하도록 구성된, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 47에 있어서, 수소 발생 기간 동안 스프링 역행을 방지하도록 구성된 제어 장치를 추가로 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 반응기 용적과 액체 공급 용적을 교환하도록 구성된 용적 교환 장치를 추가로 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 55에 있어서, 상기 용적 교환 장치가 피스톤 또는 백 조립체 중 적어도 하나를 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 56에 있어서, 발생된 수소 압력이 물 압력을 발생시키는 데에 기여하지 않는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 57에 있어서, 상기 발생된 수소 압력이 기계적 수단에 의해 감쇠된, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 57에 있어서, 상기 발생된 물 전달 압력이 밸브 또는 조절 장치 중 적어도 하나에 의해 제어된, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 49에 있어서, 상기 자급식 수소 발생 메커니즘이 재밀봉될 수 있도록 구성된, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 38에 있어서, 상기 자급식 수소 발생 메커니즘이 비-작동 기간 내에 있는 경우에 액체 공급을 방지하기 위한 중단 메커니즘을 추가로 포함하며, 중단 메커니즘은 래치, 플러그, 차단물, 래칫, 밸브 또는 토글 중 적어도 하나인, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 상기 액체 용액이 물을 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 45에 있어서, 액체 흐름을 개시하기 위한 사용자 행위를 필요로 하도록 배열된 밸브를 추가로 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 청구항 48에 있어서, 상기 액체 공급 장치에 맞물려서 물을 끌어당기고, 핸들이 당겨질 때에 스프링을 재가압하도록 구성된 핸들을 추가로 포함하는, 자급식 수소 발생 메커니즘.
- 액체 공급 장치를 가압시키는 단계; 및
액체 용액 및 반응물 연료 재료를 액체 공급 장치로 화합시켜서 수소를 발생시키는 단계를 포함하는, 자급식 수소 발생 장치에서 수소를 발생시키는 방법. - 청구항 65에서 있어서, 상기 자급식 수소 발생 장치가 상기 액체 공급 장치의 세척 또는 재사용 중 적어도 하나를 위해 액체 공급물을 수납하는, 자급식 수소 발생 장치에서 수소를 발생시키는 방법.
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