자율 제어형 가스 발생기 및 방법 document_id A220623042446

최근, 거의 모든 군수용, 산업용 및 가정용 전자제품은 AC 벽 콘센트(outlet), 가스 발생기 또는 1회용 또는 충전용 배터리와 같은 통상적인 전력원에 의해 작동된다. 이러한 각각의 전력원은 자체 결점을 갖는다. 이러한 결점 중 하나는 AC 전력 발생 플랜트, 가스 발생기 및 배터리가 각각 환경 비친화적인 부산물(예를 들어, 오존 파괴 가스 및 배터리 산 폐기물)을 발생시키는 오염 형태로 존재하는 것이다. 연료 전지는 상기의 문제점에 대해 환경 친화적인 해결책으로서 제안되었다. 그러나, 해결책으로서 채택되기 위해서는, 연료(예를 들어, 수소 가스)가 통상적인 대응안에 비해 가격 경쟁면에서 용이하고 안전하게 접근될 수 있어야 한다. 휴대용 가스 발생기는 필요시 고순도 가스를 안전하게 발생시킬 수 있다. 이러한 발생기는 연료 전지용 연료로서 수소 가스를 제공하는 데, 또는 다른 가스를 사용하는 장치를 위해 다른 유형의 가스를 제공하는 데 유용하다. 많은 상이한 군수용, 산업용 및 가정용 제품에 사용될 것으로 예상되는 연료 전지를 위해 수소 가스를 발생시키는 경우에, 이러한 시장에 허용되는 휴대용 가스 발생기는 경량이고, 기계적으로 간단하고, 필요시 반응하고 (즉, 연료를 사용하는 장치가 동력을 필요로 하는 경우에만 가스를 발생시키고), 어떠한 배향에서도 작동할 수 있으며, 가스가 발생되는 시점에서부터 가스가 장치에 공급되는 시점까지 소량의 가스만을 저장하도록 설계되므로써 가연성이거나 다르게는 위험가능성이 있는 가스를 저장하는 데 있어서 안전성 문제를 최소화해야 할 것이다. 발명의 요약 본 발명의 원리에 따른 자율 제어형 휴대용 가스 발생기 또는 이에 상응하는 가스 발생 방법은 사용 요건에 응하여 가스 발생율을 자동적으로 증가시키거나 감소시키는 방식으로 다양한 휴대용 동력 발생 장치용 가스를 발생시킨다. 자율 제어형 가스 발생기는 휴대성을 제공하며, 군수용, 산업용 및 가정용 제품에 적합한 안전성 특징을 갖는다. 자율 제어형 가스 발생기의 몇몇 구체예에서는 자율 제어 특징을 기초로 하여 화학물질 공급원으로부터 가스를 발생시키는 데 사용되는 촉매의 수명을 연장시킨다. 본 발명의 원리에 따른 일 구체예에서, 가스 발생기는 NaBH4 용액과 같은 화학물질 공급원을 위한 챔버를 포함한다. 화학물질 공급원의 통로에 대해 폐쇄된 하나 이상의 부재는 백금과 같은 촉매를 함유하거나 이로 코팅된다. 일 구체예에서, 이러한 부재(들)는 화학물질 공급 챔버에 대해 이동하여 화학물질 공급원과 관련하여 촉매를 위치시킨다. 촉매의 존재 하에 화학물질 공급 챔버내에서 화학물질 공급원은 수소 가스와 같은 발생된 가스를 포함하는 생성물로 분해된다. 또한, 가스 발생기는 연료 전지에 의해 전기 에너지로 전환하기 위해 사용시까지 또는 다른 가스 소비 장치에 의해 의도된 용도로 사용시까지 발생된 가스를 저장하는 가스 저장 챔버를 포함한다. 발생된 가스는 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 경로에 대해 가스 투과성 구조물(예를 들어, 막)을 통해 이동한다. 가스 투과성 구조물은 촉매가 위치하는 부재 상에, 부재 내에 또는 이러한 부재와 이격되어 위치될 수 있다. 이러한 부재의 위치 및 이에 따른 화학물질 공급원에 대한 촉매는 화학물질 공급원의 존재 하에서 촉매를 위치시키는 하나 이상의 챔버내의 압력에 의해 부분적으로 발생된 힘을 이용하는 피드백 시스템에 의해 제어되어 생성되는 가스의 생성율을 제어할 수 있다. 상기 부재(들)는 많은 형태를 취할 수 있으며, 화학물질 공급원에 대해 촉매를 다양한 방법으로 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 부재(들)는 화학물질 공급 챔버에 대해 병진하거나, 화학물질 공급 챔버에 대해 회전하거나, 화학물질 공급 챔버를 포함하는 본체에 대해 고정된 위치에 유지될 수 있다. 상기 부재(들)의 이동은 화학물질 공급원에 노출되는 촉매의 양을 변화시킬 수 있다. 상기 부재(들)는 세라믹이거나 임의로 열 전도성 물질로 제조될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 상기 부재(들)은 피스톤일 수 있으며, 이러한 경우, 이들 부재는 중공 피스톤이거나 솔리드(solid) 피스톤일 수 있다. 중공 피스톤의 경우, 상기 부재(들)는 하나의 내부 채널을 구비하거나, 발생된 가스가 피스톤을 통해 화학물질 공급 챔버로부터 가스 저장 챔버로의 통로로 흐르도록 하기에 적합한 다중 채널을 형성하는 내부 구조물을 구비할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 상기 부재(들)는 화학물질 공급원에 대해, 부재(들)에 작동하는 힘들의 평형을 생성하는 위치로 이동하는 솔리드 피스톤이며, 여기에서 힘은 상기 부재(들)에 작동적으로 연결된 스프링으로 인한 힘을 포함한다. 솔리드 피스톤의 구체예에서, 화학물질 공급 챔버는 가스 투과성 구조물인 경계부 또는 이의 일부를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 가스 투과성 구조물은 발생된 가스가 실질적으로 가스 투과성 막 전체를 통과하는 가스 투과성 막일 수 있으며, 다른 구체예에서, 가스 투과성 구조물은 가스 투과성 막 부분 및 비-가스 투과성 막 부분을 포함한다. 몇몇 중공 피스톤 구체예에서, 상기 부재(들)는 가스 투과성 촉매층 및 가스 투과성 구조물로 코팅될 수 있다. 가스 발생기는 상기 부재와 연결된 하나 이상의 조절가능한 스프링을 포함할 수 있다. 스프링(들)은 가스 저장 챔버내 압력과 상기 부재(들)의 위치 간의 관계가 조절될 수 있게 한다. 상기 부재(들)은 가스 투과성 구조물로 코팅되거나, 가스 투과성 구조물로 덮혀지거나, 가스 투과성 구조물과 일체형일 수 있다. 상기 부재(들)는 또한 비촉매적 부분을 포함할 수 있으며, 이러한 부분은 상기 부재(들)의 길이를 따라 위치할 수 있다. 상기 부재(들)가 피스톤으로서 작동되는 경우에, 비촉매적 부분은 피스톤의 단부에 위치할 수 있다. 상기 부재(들)는 화학물질 공급원에 노출되는 촉매가 전혀 없도록 화학물질 공급원에 대해 촉매적 및 비촉매적 부분이 위치되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 피스톤은 화학물질 공급원의 분해를 중단시킨다. 또한, 가스 발생기는 상기 부재(들) 상에 생성물 또는 그 밖의 물질이 축적되지 않도록 부재(들)로부터 생성물을 제거하기에 적합한 "와이프(wipe)"를 포함하므로써, 촉매 또는 상기 부재(들) 자체의 수명을 증가시킬 수 있다. 가스 투과성 구조물은 다양한 외관을 포함하거나, 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 가스 투과성 구조물은 화학물질 공급원으로부터 수소 가스(H2)와 같은 가스를 분리시킬 수 있다. 이러한 가스 투과성 구조물은 팔라듐(Pd) 또는 중합체 구조물을 포함할 수 있다. 가스 투과성 구조물은 상기 부재(들)와 기계적으로 접속될 수 있다. 촉매는 여러 형태일 수 있다. 예를 들어, 촉매는 하나 이상의 다음 촉매: 금속, 금속 붕소화물 또는 중합체를 포함할 수 있다. 이러한 촉매는 가스 투과성 구조물에 부착되거나, 가스 투과성 구조물 상에 코팅되거나, 상기 부재(들)의 비투과성 부분에 부착되거나, 상기 부재(들)의 비투과성 부분 상에 코팅될 수 있다. 또한, 가스 발생기는 또 다른 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 발생기는, 가스 저장 챔버가 실질적으로 최대 가스 용량과 같은 설정된 압력에 도달하는 경우에 작동되는 용량 표시기(capacity indicator)를 포함하거나, 화학물질 공급원이 실질적으로 소비되었음을 표시할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 각 챔버내 압력이 소정 한계값을 초과하는 경우, 가스 저장 챔버 또는 화학물질 저장 챔버의 압력을 감소시키는 하나 이상의 압력 감소 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 필터를 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 가스 발생기는 외부 장치에 의해 사용되도록 배출되기 전에, 발생된 가스가 통과하는 습윤기를 포함할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 화학물질 공급 챔버의 알려진 위치에 대해 상기 부재(들)의 위치를 검출하기 위한 변환기를 포함할 수 있다. 피드백 시스템은 발생되는 가스의 발생 속도를 제어할 수 있다. 피드백 시스템은 (i) 가스 저장 챔버와 화학물질 공급 챔버 간, (ii) 가스 저장 챔버와 기준 압력 챔버 간, 또는 (iii) 화학물질 공급 챔버와 기준 압력 챔버 간의 압력 차에 의해 발생된 힘을 이용할 수 있다. 다른 구체예에서, 가스 발생기는 하나 이상의 부재에 연결된 스프링을 포함할 수 있으며, 피드백 시스템은 부재에 대해 작동하는 하나 이상의 챔버 내의 압력과 동일 부재에 대해 작동하는 스프링의 힘 간의 차를 이용할 수 있다. 화학물질 공급원은 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 화학물질 공급원은 고체, 액체, 액체 중에 용해된 가스, 또는 액체와 액체 중에 용해된 가스의 조합물일 수 있다. 화학물질 공급원은 임의의 화학물질 수소화물, 수성 NaBH4, 또는 NaBH4와 하나 이상의 알칼리 금속염의 용액을 포함할 수 있으며, 이 경우 NaBH4 수용액은 유효량의 보조 용매 또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 화학물질 공급원은 수소 가스를 생성시키기 위해 촉매의 존재하에서 분해되는 NaBH4 수용액이며, 여기서 촉매는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 플래티늄(Pt), 레늄(Re) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 화학물질 공급원은 건조 분말로서 저장된 NaBH4를 포함할 수 있다. 건조 분말은 (i) 건조 NaBH4 분말을 함유하는 막을 파괴시킴으로써, (ii) 가스 발생기를 진탕시키거나 압착시킴으로써, 또는 (iii) 상기 막을 천공시킴으로써, 소정의 액체와 혼합되도록 유도될 수 있다. 발생된 가스는 다수 유형의 상이한 가스일 수 있다. 두 가지 경우는 수소 가스 및 산소(O2) 가스를 포함한다. 이들 가스는, 예를 들어 (i) 전기를 발생시키기 위해 수소 가스 및 산소를 반응시키는 연료 전지 적용분야, (ii) 수소 가스를 연소시키는 토치, 또는 (iii) 내과 환자에게 실질적으로 순수한 산소를 제공하는 산소 호흡 장치를 포함하는 다양한 적용분야에서 사용될 수 있다. 이들 두 가지 가스 중 어느 하나를 사용하는 다수의 다른 적용분야 및 다른 가스를 사용하는 추가의 적용분야가 존재한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 원리는 본 명세서에 기술된 예시적 구체예에 의해 발생된 가스의 유형에 제한되거나 이러한 유형에 의해 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 기술된 가스 발생기 구체예 중 일부는 이를 다수의 적용분야에 대해 유용하게 하는 하기 안전성 및 동작 특징 중 일부 또는 전부를 포함한다. 이러한 특징은 특정한 순서없이 소비율, 소형 또는 대형 설계, 배향 둔감성, 높은 수준의 시스템 안전성, 및 수소 가스의 자동 제한을 조화시키기에 충분한 자동 가스 생산 또는 가스 발생기가 폭주 반응(runaway reaction)을 지닐 수 없도록 하는 다른 가스 생산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 가스 압력이 너무 높은 경우 (즉, 너무 많은 수소 가스가 생성되고 있는 경우), 시스템은 자동적으로 이의 작동을 정지시킬 수 있다.