JP4656449B2

JP4656449B2 - 水素発生装置

Info

Publication number: JP4656449B2
Application number: JP2008006332A
Authority: JP
Inventors: ヒョンギル、ジェ; リュルジュン、チャン; ヒュクジャン、ジェ
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2008174837A; KR100790680B1; US8308918B2; US20080169188A1

Description

本発明は、水素を発生させる装置に関するもので、より詳細には電極と電解液間の接触面積を常に一定に維持して電解液の電気分解時に発生される水素を時間対比安定的に得ることができる水素発生装置に関するものである。

最近、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート型パソコン等携帯用小型電子機器の使用が増加しており、特に携帯電話用ＤＭＢ放送が始まってから携帯用小型端末機の電源性能の向上が要求されている実情である。

現在、一般的に使用されているリチウムイオン２次電池はその容量がＤＭＢ放送を２時間程度視聴できる水準で、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として、より小型化され、高容量の電源供給が可能なマイクロ燃料電池に対する期待が大きくなっている。

一般的にマイクロ燃料電池は、高い性能を具現するためには、水素が最も適切な燃料であるため、上記マイクロ燃料電池に供給される水素を発生させる装置に対する必要性が要求されている。

このような燃料電池を具現することができる方式としては、燃料極にメタノールのような炭化水素系燃料を直接供給する直接メタノール（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌ）方式と、メタノールから水素を抽出し燃料極に注入するＲＨＦＣ（ＲｅｆｏｒｍｅｄＨｙｄｒｏｇｅｎＦｕｅｌＣｅｌｌ）方式が知られている。

上記ＲＨＦＣ方式は、ＰＥＭ（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｄｅＭｅｍｂｒａｎｅ）方式のように水素を燃料として使用するため、高出力化、単位体積当り具現可能な電力容量、そして水以外の反応物がない点にそのメリットがあるが、システムに別途の改質機（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が追加されなければならないため、小型化に不利な短所を有している。

また、このような改質機は炭化水素系液体燃料を気体の状態に気化させる蒸発部と、２５０℃乃至３５０℃の温度で触媒反応を通じ、燃料であるメタノールを水素に転換させる改質部、そして改質反応時に付加的に発生する副産物であるＣＯガス（またはＣＯ_２ガス）を除去するＣＯ除去部（またはＣＯ_２除去部）をさらに含んで構成される。

しかし、上記改質部における改質反応は反応温度を２５０℃乃至３５０℃の間に維持させながら行われる吸熱反応で、上記ＣＯ除去部では１７０℃乃至２００℃程度の温度を一定に維持させる発熱反応により行われるため、良好な反応効率を得るためには構造が複雑な高温システムを要求するようになり、これにより全体的な燃料電池の装置構造が複雑になり、これを製造するのにかかる費用を節減することに限界があった。

また、改質反応時に発生する副産物であるＣＯガスまたはＣＯ_２ガスを除去するための別途の除去構造を必ず具備しなげけばならないため、装置の全体体積を減らし、製造費用を節減することには限界があった。

一方、電気分解により水素を発生させる方式としては、図１に図示したように、一定の大きさの電解槽１内に海水のような電解液を満たし、上記電解槽には水素よりイオン化傾向が大きいマグネシウム（Ｍｇ）を素材にするアノード電極２と鉄（Ｆｅ）を素材にするカソード電極３を浸漬し、上記電解槽１には上記アノード電極２とカソード電極３を固定し、水素排出口５を有する蓋４を具備する。

このような状態で、上記アノード電極２とカソード電極３に電流を印加して、下記反応式１、２及び３によりマグネシウムが水と反応するようになると、電解槽１では下記反応式４のように水酸化マグネシウムが生じ、水素が発生する。

（反応式１）
Ｍｇ→Ｍｇ^＋２＋２ｅ⁻

（反応式２）
２Ｈ_２Ｏ→２ＯＨ⁻＋２Ｈ^＋

（反応式３）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２

（反応式４）
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２

そして、上記のような反応式により得られる水酸化マグネシウムは電解槽１内部にそのまま残留するようになる反面、上記水素は蓋４の水素排出口５を通じ外部に排出され燃料として使用できるようになる。

しかし、上記電解槽１の電解液に浸漬されたアノード電極２とカソード電極３に電流を供給して水素を発生させる間、水が持続的に消耗されるため、電解槽１内の電解液の水位は次第に下がり、これにより電解液と電極間の接触面積は小さくなる。

このような場合、上記電解槽１で発生する水素の発生量は電解液と電極間の接触面積に比例するため、上記電解槽に満たされた電解液の水位が下がりながら水素の発生量も減少する。

このために、上記電解槽内で消耗される電解液の水位を随時測定する感知手段（不図示）と上記電解槽１内に消耗される電解液ほど電解液を再充填するポンプ手段６を別途に具備しなければならず、これにより装置の体積を減らして小型化することに問題がある上、製造原価を上げる要因として働いた。

従って、本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのもので、その目的は、電極と電解液間の接触面積を常に一定に維持し、水素を一定で安定的に発生させることができる水素発生装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は一定の大きさの内部空間を有する電解槽と、上記電解槽の開放された上部を覆って密閉し、少なくとも１つの水素排出口を具備する蓋と、上記電解槽内に配置され一定量の電解液が満たされる伸縮袋と、上記蓋に固定され上記伸縮袋に満たされた電解液に浸漬され電源印加時、電解液を電気分解させる電極部と、上記電極部に電流を印加する電源部と、を含む水素発生装置を提供する。

好ましくは、上記伸縮袋は上記電極部を構成する陽極電極板と陰極電極板が装入され上記蓋の固定孔に固定される複数の固定部と、上記蓋に形成された水素排出口と連結される出口部及び上記陽極電極板と陰極電極板が配置される内部に満たされた電解液の容量変化により膨張したり、収縮し体積が可変する伸縮部により構成される。

より好ましくは、上記出口部には気液分離用メンブレンをさらに具備する。

より好ましくは、上記伸縮部は上記陽極、陰極電極板と同じ形状で具備される。

好ましくは、上記伸縮袋は、上記電極部を構成する陽極電極板と陰極電極板が夫々挿入され上記蓋の固定孔に固定される複数の固定部と、上記陽極電極板と陰極電極板が配置される内部に満たされた電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する弾性力を有し、上記電解液の電気分解時に発生する水素は外部に排出し電解液は内部に残留させる伸縮部により構成される。

好ましくは、上記伸縮袋は、上記電解液の電気分解時に消耗する比率と同じ自己収縮比率で収縮する弾性力を具備する。

好ましくは、上記電解槽と蓋の間にはシーリング部材を具備する。

上述のような本発明によると、電解液に浸漬される陽極電極板と陰極電極板を電解液が満たされる伸縮袋の内部に配置することにより、電解液の電気分解時に消耗する消費量ほど伸縮袋が自己収縮しながら電解液の水位を初期状態のまま一定に維持できるため、外部から電解液を別途のポンプ手段で充填し補充しなくても電解液と電極板が相互接触される反応面積を一定に維持し時間対比水素発生量を持続的に一定に維持できる効果が得られる。

また、装置の体積を減らし小型化を図り、取り扱い及び使用が便利で携帯端末機、電子手帳、ＰＤＡ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤー、ナビゲーション等の燃料電池に採用して使用できるものである。

以下、本発明について添付の図面に従い、より詳細に説明する。

図２は、本発明による水素発生装置の第１実施例を図示した分解斜視図で、図３ａは本発明による水素発生装置の第１実施例に採用される伸縮袋が膨張した状態を図示した断面図で、図３ｂは本発明による水素発生装置の第１実施例に採用される伸縮袋が収縮した状態を図示した断面図である。

本発明の第１実施例による水素発生装置１００は、図２と図３ａ、図３ｂに図示したように、電解槽１１０、蓋１２０、伸縮袋１３０、電極部１４０及び電源部１５０を含んで構成される。

上記電解槽１１０は、一定の大きさの内部空間を有する直方体状のボックス構造物により具備され、上記蓋１２０は上記電解槽１１０の開放された上部を覆って密閉するように上記電解槽１１０の上部に結合される板状の構造物である。

このような蓋１２０の外部面には、上記電極部１４０を構成する陽極電極板１４１と陰極電極板１４２と共に伸縮袋１３０を固定することが出来るように複数の固定孔１２２を具備する。

また、上記蓋１２０の外部面には、上記伸縮袋１３０の内部で発生した水素を外部に排出できるように少なくとも１つの水素排出口１２４を具備する。

ここで、上記水素排出口１２４は上記伸縮袋１３０に形成される出口部１３４と連結され上記伸縮袋１３０の内部で発生した水素を上記水素排出口１２４を通じ外部排出するようにする。

上記電解槽１１０の上部端と上記蓋１２０の間にはラバー材のようなシーリング部材１１５を備え上記電解槽１１０の内部を外部環境と遮断する。

上記伸縮袋１３０は上記蓋１２０に上記電極部１４０と共に固定され、内部に一定量の電解液が満たされ上記電解槽１１０の内部空間に配置される。

このような伸縮袋１３０は固定部１３１、出口部１３４及び伸縮部１３２を含んで構成され、上記固定部１３１は上記電極部１４０を構成する陽極電極板１４１と陰極電極板１４２が夫々挿入され上記蓋１２０の固定孔１２２に固定される。

上記出口部１３４は上記蓋１２０に形成された水素排出口１２４と連結され水素が排出される通路であり、上記伸縮部１３２は上記固定部１３１を通じ挿入された陽極電極板１４１と陰極電極板１４２が配置される内部空間に満たされる電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する。

上記伸縮部１３２を含む伸縮袋１３０は内部に満たされる電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する弾性力を有するようにゴムのような素材からなることが好ましい。

これにより、上記伸縮袋１３０内部に満たされた電解液の減少時、上記伸縮袋１３０の体積が減り、上記電極部１４０が浸漬される電解液の水位が低くなることを防いで電解液の水位を初期状態のまま一定に維持するようになる。

このような場合、上記電極部１４０を構成する陽極、陰極電極板１４１、１４２と上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液が相互接触する面積が水位減少により減少されず、初期状態のまま一定に維持することができる。

また、上記伸縮袋１３０で発生した水素が排出される出口部１３４には上記伸縮袋１３０の内部で発生する水蒸気は伸縮袋１３０内に残留し水素のみを外部に排出させるように気液分離用メンブレン１３４を具備することが好ましい。

このような気液分離用メンブレンでは高効率の濾過機能を提供することができるように独特な微細構造の孔を備え、微細孔を通じ水素ガスは通過し、粒子は除かれるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンのような手段で具備することが好ましい。

そして、上記陽極、陰極電極板１４１、１４２が複数個具備される場合、上記伸縮部１３２とこれに隣接する他の伸縮部は相互一体に連結されなければならず、上記陽極、陰極電極板１４１、１４２の夫々が挿入配置される各伸縮部１３２は上記陽極、陰極電極板１４１、１４２と大略的に同じ形状で具備されることが好ましい。

上記電極部１４０は上記蓋１２０の固定孔１２２に上記伸縮袋１３０の固定部１３１と共に固定され、上記伸縮袋１３０の内部に満たされた電解液に胴体の大部分が浸漬される。

このような電極部１４０は上記電源部１５０の陽極端子と電気的に連結される陽極電極板１４１と、上記電源部１５０の陰極端子と電気的に連結される陰極電極板１４２により構成される。

上記電源部１５０は上記電極部１４０を構成する陽極電極板１４１と陰極電極板１４２と電気的に連結され上記陽極、陰極電極板１４１、１４２に一定の強さの電流を印加する。

本発明の第２実施例による水素発生装置１００ａは図４と図５ａ、図５ｂに図示したように、第１実施例と同様に電解槽１１０、蓋１２０、伸縮袋１３０、電極部１４０及び電源部１５０を含んで構成されており、同じ部材については同一符号を付与する。

上記電解槽１１０は一定の大きさの内部空間を有するボックス型構造物で、上記蓋１２０は上記電解槽１１０の開放された上部を覆って密閉し、複数の固定孔１２２を具備する。

また、上記蓋１２０の外部面には上記伸縮袋１３０の内部で発生した後、上記伸縮袋１３０を通過した水素を外部に排出できるように少なくとも１つの水素排出口１２４を具備する。

上記伸縮袋１３０は上記蓋１２０に上記電極部１４０と共に固定され、内部に一定量の電解液が満たされて上記電解槽１１０の内部空間に配置される。

このような伸縮袋１３０は内部に満たされる電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する弾性力を有し、上記電解液の電気分解時に発生する水素のみを外部に排出し電解液は内部に残留させる気液分離膜により具備される。

このような気液分離膜は高効率の濾過機能を提供できるように独特な微細構造の孔を備え、微細孔を通じ水素ガスは通過して粒子は除かれるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンのような手段により具備することが好ましい。

ここで、上記伸縮袋１３０は上記電極部１４０を構成する陽極電極板１４１と陰極電極板１４２が夫々挿入され上記蓋１２０の固定孔１２２に固定される固定部１３１と、上記固定部１３１を通じ挿入された陽極電極板１４１と陰極電極板１４２が夫々配置される伸縮部１３２により構成される。

また、上記電解槽１１０の上部端と上記蓋１２０の間にはラバー材のようなシーリング部材１１５を備え上記電解槽１１０内の水素が上記水素排出口１２４を通じ排出されず外部に流出することを防ぐようにする。

上記電極部１４０は上記伸縮袋１３０の内部に満たされた電解液に胴体の大部分が浸漬され、上記電源部１５０の陽極端子と電気的に連結される陽極電極板１４１と、上記電源部１５０の陰極端子と電気的に連結される陰極電極板１４２により構成される。

上記電源部１５０は上記電極部１４０を構成する陽極電極板１４１と陰極電極板１４２と電気的に連結され上記陽極、陰極電極板１４１、１４２に電流を印加する。

上記の構成を有する水素発生装置１００、１００ａは電解槽１１０と組み合わされた蓋１２０の固定孔１２２に電極部１４０の陽極、陰極電極板１４１、１４２を夫々挿入し配置した伸縮袋１３０が電極部１４０と共に固定される。

そして、図３ａ、図３ｂと図５ａ、図５ｂに図示したように、上記伸縮袋１３０の固定部１３１が上記蓋１２０の固定孔１２２に固定された状態で、上記伸縮袋１３０の伸縮部１３２は内部に満たされる海水のような電解液により膨張し、膨張した伸縮部１３２の外部面は電解槽１１０の内部面に接するようになる。

また、上記電極部１３０の陽極電極板１４１と陰極電極板１４２は上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液に浸漬される。

このような状態で、上記電極部１４０と電気的に連結された電源部１５０のスイッチ（不図示）を"オン（ｏｎ）"にすると、上記電極部１４０の陽極電極板１４１と陰極電極板１４２には一定の強さの電流が供給されながら上記伸縮袋１３０内の電解液を電気分解させ水素が発生するようになる。

ここで、図２と図３ａ、図３ｂに図示したように、上記伸縮袋１３０が上記蓋１２０の水素排出口１２４に連結される出口部１３４を備え電解液の容量変化により体積が可変する弾性素材からなる場合、上記伸縮袋１３０の内部で発生した水素は上記出口部１３４を通じ外部に排出される。

このとき、上記出口部１３４は気液分離用メンブレンを具備しており、上記出口部を通じ外部に排出される水素に含まれた異物を除去するようにする。

また、図４と図５ａ、図５ｂに図示したように、上記伸縮袋が電解液の容量変化により体積が可変する弾性力を有すると同時に気液分離膜からなる場合、上記伸縮袋１３０に満たされた電解液で発生した水素は伸縮袋１３０を通じ電解槽１１０の内部に排出される反面、液体状の電解液は上記伸縮袋１３０内部にそのまま電流するようになる。

このとき、上記電解槽１１０の開放された上部は蓋１２０により密閉され、上記電解槽１１０の上部端と上記蓋１２０の間にシーリング部材１１５を具備することにより、上記電解液の電気分解時に気液分離膜からなる伸縮袋１３０を通じ排出された気体状の水素が水素排出口１２４を通らず外部に流出されることを根本的に防ぐ。

即ち、上記陽極電極板１４１が水素よりイオン化傾向が大きいマグネシウム（Ｍｇ）を素材にし構成され、上記陰極電極板１４２が鉄（Ｆｅ）を素材にし構成される場合、陽極電極板１４１と陰極電極板１４２に電流を印加し、上記反応式１、２及び３により陽極電極板１４１のマグネシウムが電解液の水と反応するようになると、伸縮袋１３０では上記反応式４のように水酸化マグネシウムが生じ、水素が発生する。

続けて、上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液に対する電気分解が連続して行われながら上記電解液が次第に消耗され電解液の全体量は縮小するが、図３ａ、図３ｂと図５ａ、図５ｂに図示したように、上記電解液の全体量が消耗し減少するほど弾性素材からなる伸縮袋１３０も自然に自己収縮して体積が縮小し、上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液の水位を低下させず、初期状態の水位をそのまま維持するようにする。

ここで、上記伸縮袋１３０に満たされた電解液が電気分解により消耗する比率が上記伸縮袋１３０が収縮する自己収縮比率と同一になると、上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液の水位は初期状態を維持することができる。これにより、上記伸縮袋１３０は上記電解液の電気分解時に消耗する比率と同じ自己収縮比率で収縮する弾性力を具備する素材により構成されることが好ましい。

このような場合、上記電極部１４０の陽極電極板１４１と陰極電極板１４２と上記伸縮袋１３０内に満たされた電解液が相互接触され反応する面積は電解液の電気分解が行われる間一定に維持できるため、電解液の水位変化を随時感知しながら別途のポンプ手段を用いて電解槽１１０内部に電解液を充填しなくても水素を時間対比安定的に一定に発生させることができる。

続けて、上記伸縮袋１３０から排出された水素は上記蓋１２０に具備された水素排出口１２４を通じ外部に排出され、外部に排出される水素は燃料電池の発電部側から供給され電気を発生させることができる。

即ち、水素は上記発電部に具備された陽極分離板を通じ陽極に供給され、酸素を含む空気は上記発電部に具備された陰極分離板を通じ陰極に供給されるようにする。

上記のように発電部内に供給される水素と空気は高分子電解質膜を介して流れ、陽極では下記反応式５のように水素の電気化学的酸化が進み、陰極では下記反応式６のように酸素の電気化学的還元が起こる。

このとき生成される電子の移動により電気が発生し、発生した電気は陽極、陰極用集電板で集電しエネルギー源として使用するようになる。

（反応式５）
陽（Ａｎｏｄｅ）電極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

（反応式６）
陰（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極反応：（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ

本発明は、特定の実施例と係わり図示し説明したが、以下の特許請求範囲により設けられる本発明の精神や分野から外れない範囲内で本発明が多様に改造及び変化されることができるということは当業界において通常の知識を有する者は容易に知ることが出来る。

従来技術による水素発生装置を図示した断面図である。本発明による水素発生装置の第１実施例を図示した分解斜視図である。本発明による水素発生装置の第１実施例に採用される伸縮袋が膨張した状態を図示した断面図である。本発明による水素発生装置の第１実施例に採用される伸縮袋が収縮した状態を図示した断面図である。本発明による水素発生装置の第２実施例を図示した分解斜視図である。本発明による水素発生装置の第２実施例に採用される伸縮袋が膨張した状態を図示した断面図である。本発明による水素発生装置の第２実施例に採用される伸縮袋が収縮した状態を図示した断面図である。

符号の説明

１１０電解槽
１１５シーリング部材
１２０蓋
１２２固定孔
１２４水素排出口
１３０伸縮袋
１３１固定部
１３２伸縮部
１４０電極部
１４１陽極電極板
１４２陰極電極板
１５０電源部

Claims

一定の大きさの内部空間を有する電解槽と、
前記電解槽の開放された上部を覆って密閉し、少なくとも１つの水素排出口を具備する蓋と、
前記電解槽内に配置され一定量の電解液が満たされる伸縮袋と、
前記蓋に固定され前記伸縮袋に満たされた電解液に浸漬され電源印加時に電解液を電気分解させる電極部と、
前記電極部に電流を印加する電源部と、を含む水素発生装置。
前記伸縮袋は、前記電極部を構成する陽極電極板と陰極電極板が挿入され、前記蓋の固定孔に固定される複数の固定部と、前記蓋に形成された水素排出口と連結される出口部と、前記陽極電極板と陰極電極板が配置される内部に満たされた電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する伸縮部により構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記出口部には、気液分離用メンブレンをさらに具備することを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
前記伸縮袋は、前記電極部を構成する陽極電極板と陰極電極板が夫々挿入され、前記蓋の固定孔に固定される複数の固定部と、前記陽極電極板と陰極板が配置される内部に満たされた電解液の容量変化により膨張したり、収縮して体積が可変する弾性力を有し、前記電解液の電気分解時に発生する水素は外部に排出し電解液は内部に残留させる伸縮部により構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記伸縮袋は、内部に満たされた電解液が減少するにつれて収縮し、前記電極部が浸漬される電解液の水位を一定に維持することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記電解槽と蓋の間にはシーリング部材を具備することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。