KR100386125B1 - 수소가스를 이용한 고효율 병합 연소시스템 - Google Patents

Abstract

전기분해로 생성된 수소를 일반 탄화수소계열 연료와 함께 연소하여 연소효율을 높이며, 연소과정에서 발생된 배기가스를 이용하여 발생된 전기로 물을 전기분해하는 일련의 과정에 의해 에너지 효율을 극대화한 수소가스를 이용한 고효율 병합연소시스템은 수소와 산소를 함께 연소시키는 병합연소장치, 전기분해에 의해 수소 및 산소를 생성하여 병합연소장치에 제공하는 전기분해장치, 및 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 생성된 전기를 전기분해장치에 제공하는 발전장치를 포함한다. 또한, 병합연소장치는 연소실, 연소실 내에 다수의 수소배출공이 형성된 수소배출부, 수소배출부 주변에서 탄화수소 계열의 연료를 배출하는 다수의 연료배출공이 형성된 다수의 연료배출부, 연소실 내에 수소 및 연료의 산화를 돕는 산소를 배출하는 다수의 산소배출부, 및 수소 및 연료를 점화시키는 점화플러그를 포함한다.

Description

수소가스를 이용한 고효율 병합 연소시스템{HIGHLY EFFICIENT HYBRID COMBUSTION SYSTEM USING HYDROGEN}

본 발명은 수소가스를 이용한 고효율 병합연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기분해로 생성된 수소를 일반 탄화수소계열 연료와 함께 연소하여 연소효율을 높이며, 연소과정에서 발생된 배기가스를 이용하여 발생된 전기로 물을 전기분해하는 일련의 과정에 의해 에너지 효율을 극대화한 수소가스를 이용한 고효율 병합연소시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연소장치는 연료를 태워서 열을 발생하는 장치로서, 보일러와 같은 가열설비에 매우 폭넓게 사용되고 있다. 연소장치에는 주로 탄화수소계열의 연료가 많이 사용되고 있다. 그러나, 탄화수소계열의 연료는 자원고갈이 우려되면서 가격이 급증하고 있으며, 또한 연소시 유해가스를 방출하거나 불완전연소에 의해 일산화탄소를 배출할 우려가 있어 환경오염을 유발한다는 단점이 있다.

환경친화적인 새로운 에너지원들 가운데 수소는 21세기 산업의 동력원으로서 가장 각광받고 있다는 사실은 널리 알려져 있다. 수소가 새로운 청정에너지원으로 가장 각광받고 있는 이유는 수소가 연료전지의 에너지원으로 사용되고, 에너지 생성반응 부산물로 오직 물만이 생성되어지기 때문이다.

수소는 자연계에 물과 같은 화합물 형태로 방대한 양이 존재하고, 언제 어디서나 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수소를 운송하는 방법 또한 많이 발전해 있는 실정이다. 이러한 관점에서 볼 때, 수소에너지는 연소시 이산화탄소를 배출하는 탄화수소계 알코올류의 대체에너지와는 분명히 차별된다. 또한, 지역적 계절적 편차가 크고 에너지의 수송이 제한된 지열이라든가 풍력 등과 같은 다른 대체에너지보다도 우수하다.

또한, 수소가스는 기존의 탄화수소계 연료인 가솔린, 등유, 경유 등의 보조연료로서 사용되어 연료절감 효과를 제공할 수도 있다.

수소가스를 연소시스템에 적용하는 기술은 다양한 각도에서 개발되어 왔다. 2000년 9월 8일에 등록된 실용신안 등록번호 20-204013호에는 "디지탈 수산화가스 보일러"가 개시되어 있다. 이 "디지탈 수산화가스 보일러"는 다수의 양극판 및 음극판을 교대로 설치하여 전기분해 효율을 높이고, 여기서 발생된 수소를 연소시켜 열교환하는 구조를 가지고 있다. 그러나, 상기 장치는 전기분해를 위해서 외부의 전원이 지속적으로 공급되어야만 하고, 또한 수소가스를 생성하기 위한 전기분해 공정에서 양극판과 음극판 사이의 전위차가 크기 때문에 전기소모량이 많다는 단점이 있다. 또한, 상기 장치는 수소가스만을 연료로 사용하기 때문에 응용폭이 좁기 때문에 상업적으로 가치가 그리 높지는 않을 것으로 예상된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 수소와 탄화수소계열의 연소를 함께 연소시켜 탄화수소계열 연료의 사용량을 혁신적으로 줄임과 동시에 완전연소를 유도하여 배기가스 중의 이산화탄소 발생량을 줄임으로써, 연소효율이 높고 보다 환경친화적인 고효율 병합연소장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기분해에 의해 생성된 수소 및 산소가스를 상기 병합연소장치에 공급하고, 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 전기를 발생시켜 이 전기를 전기분해에 사용함으로써, 외부 전원이 거의 필요치 않으면서도 효율적으로 연료를 연소시킬 수 있는 고효율 병합연소시스템을 제공하는데 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 병합연소시스템의 전체적인 구성을 도시하는 블록도.

도 2는 도 1의 병합연소시스템에 사용되는 병합연소장치를 일부 절개하여 도시하는 사시도.

도 3은 도 2의 병합연소장치를 정면에서 바라본 단면도.

도 4는 도 2의 병합연소장치를 위에서 바라본 평면도.

도 5는 도 1의 병합연소시스템에 사용된 전기분해장치의 구성을 도시하는 도면.

도 6 및 도 7은 도 5의 전기분해장치에 사용된 극판의 예를 도시하는 도면.

도 8은 도 1에 도시된 발전장치의 한 예를 도시하는 개략도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10..병합연소장치 14..연소실 16..수소배출부

17..수소배출공 18..연료배출부 19..연료배출공

20..산소배출부 21..산소배출공 28..점화플러그

30..발전장치 32..정류기 34..수소저장실

36..산소저장실 40..전기분해장치 42..하우징

44..이동통로 48, 48', 48"..양극판 50, 50', 50"..음극판

52..양극챔버 54..음극챔버 62..가스터빈

64..회전자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고효율 병합연소장치는 연소실, 상기 연소실 내에 설치되며 수소를 배출하는 다수의 수소배출공이 형성된 수소배출부, 상기 연소실 내에서 상기 수소배출부 주변에 설치되며 탄화수소 계열의 연료를 배출하는 다수의 연료배출공이 형성된 다수의 연료배출부, 상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료의 산화를 돕는 산소를 배출하는 다수의 산소배출부, 및 상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료를 점화시키는 점화플러그를 포함한다.

바람직하게, 상기 수소배출부는 상기 연소실의 중앙에서 상기 연소실의 벽면과 이격되게 설치된다.

또한 바람직하게, 상기 다수의 연료배출부는 상기 연소실의 벽면에 서로 이격되게 설치될 수 있다.

또한, 상기 다수의 산소배출부는 상기 연소실의 벽면에서 상기 연료배출부와 교대로 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위에서 설명한 병합연소장치 및 전기분해에 의해 수소 및 산소를 생성하여 상기 병합연소장치에 제공하는 전기분해장치를 포함하는 병합연소시스템이 제공된다.

이러한 병합연소시스템은 상기 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 전기를 생성하여 생성된 전기를 상기 전기분해장치에 제공하는 발전장치를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 발전장치는 상기 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 회전력을 발생시키는 가스터빈, 상기 가스터빈의 회전에 의해 교류전류를 생성하는 회전자, 및 상기 회전자에 의해 생성된 교류전류를 직류전류로 변환하여 상기 전기분해장치로 제공하는 정류기를 포함한다.

또한 바람직하게, 상기 병합연소장치는 상기 연소실에서 배출된 배기가스를 상기 발전장치로 송출하는 송출부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 전기분해장치는 하우징, 상기 하우징 내에 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 산소를 발생시키는 다수의 양극판, 상기 하우징 내에서 상기 양극판과 교대로 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 수소를 발생시키는 다수의 음극판, 및 상기 각각의 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전기분해 대상이 되는 물이 이동하는 통로를 제공하는 이동통로를 포함하는데, 상기 이동통로는 상기 양극판을 향하는 측면이 음이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음극판을 향하는 측면이 양이온만을 선택적으로 투과시킨다.

또한, 상기 이동통로의 상기 양극판 및 음극판을 향한 측면은 구멍 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막인 것이 바람직하다.

또한 바람직하게, 상기 양극판 및 상기 음극판은 그물구조로 이루어질 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다

도 1은 본 발명에 따른 수소가스를 이용한 고효율 병합연소시스템의 전체적인 구성을 보여주는 개략도이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 병합연소시스템은 대략적으로 수소 및 탄화수소계열의 연료를 동시에 연소시키는 병합연소장치(10)와 전기분해에 의해 수소 및 산소를 생성하여 병합연소장치(10)에 제공하는 전기분해장치(40)를 포함한다.

이하에서, 탄화수소계열의 연료는 단순히 '연료'라 명명하며, 이때 '연료'라 함은 등유, 경유, LPG, LNG와 같은 탄화수소계열의 연료뿐 아니라 수소와 함께 연소할 수 있는 수소를 제외한 다른 모든 종류의 연료를 포함하는 개념으로 이해한다.

본 발명의 고효율 병합연소시스템에 사용되는 병합연소장치(10)는 도 2 내지 도 4에 잘 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 병합연소장치(10)는 대략적으로 몸체(12)와 연소실(14)로 구분된다. 몸체(12)는 연소에 필요한 연료를 공급하는 배관과, 기타 다른 부품이 설치되는 곳이며, 연소실(14)은 실제로 연료를 연소하기 위한 공간을 제공한다.

연소실(14)은 연소특성이 다른 수소가스와 탄화수소계열의 연료를 동시에 연소시켜야 하기 때문에 이중구조의 버너형태를 가진다. 다시 말해서, 도면에 도시된 바와 같이 연소실(14) 내에 수소배출부(16)가 설치되고, 수소배출부(16)의 주변에 다수의 연료배출부(18)가 설치되는 것이다. 또한, 연소실(14) 내에는 수소배출부(16) 및 연료배출부(18)로부터 배출된 수소 및 연료의 산화를 돕기 위해 산소를 배출하는 다수의 산소배출부(20)가 설치된다.

수소배출부(16)는 대략적으로 원통형상으로 구성되며, 수소를 연소실(14) 내로 배출하기 위한 다수의 수소배출공(17)이 형성되어 있다. 수소배출공(17)은 수소배출부(16) 주위에 일정한 간격을 두고 형성된다. 또한, 원통형 수소배출부(16)의 상부는 막혀 있어, 수소가 수소배출부(16)의 상부를 통해 배출되는 것을 방지하여, 수소의 연소과정이 연소실(14)로 한정된 영역에서만 이루어지도록 구성할 수 있다.

바람직하게는, 수소배출부(16)는 연소실(14)의 중앙에 설치되어 연소실(14)의 벽면과 서로 이격되게 설치할 수 있다. 이러한 구조는 수소배출부(16)에서 배출된 수소가 연료배출부(18)에서 나오는 연료와 보다 적절히 혼합되게 하므로, 연료를 고르게 완전연소 시키는데 적당하다.

수소배출부(16)에는 또한 수소를 공급하기 위한 수소통로(26)가 연결된다. 수소통로(26)는 몸체(12)를 통해서 외부의 수소공급장치와 연결된다.

연료배출부(18)는 연소실(14)의 벽면 내주면에 설치되는 것이 바람직하며, 또한 다수의 연료배출부(18)가 서로 이격되게 설치되는 것이 더욱 바람직하다. 도면에 도시된 것처럼, 연료배출부(18)는 연소실(14) 벽면의 내주면을 따라서 세로 방향으로 형성되며, 연료를 배출하기 위한 다수의 연료배출공(19)이 연료배출부(18)에 형성된다. 연료배출공(19)은 연료배출부(18)를 따라서 일정한 간격으로 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.

다수의 연료배출공(19)은 연소실(14)의 벽면 내에 형성된 연료통로(24)를 통해서 서로 연결된다. 연료통로(24)는 또한 몸체(12)를 통해서 외부의 연료공급장치에 연결될 수 있다. 만약 연료를 몸체(12) 내에 저장하는 경우, 연료통로(24)는 몸체(12) 내에 내장된 연료저장실로 연결된다.

산소배출부(20)는 연료배출부(18)와 유사하게 연소실(14)의 벽면 내주면에 설치될 수 있다. 또한 바람직하게는, 산소배출부(18)는 연소실(14) 벽면의 내주면에서 연료배출부(18)와 교대로 설치된다.

도면에 도시된 것처럼, 산소배출부(20)는 연료배출부(18)와 유사하게 연소실(14) 벽면의 내주면을 따라서 세로 방향으로 설치된다. 또한, 산소배출부(20)는 연료배출부(18)보다는 상대적으로 짧게 형성되어 연소실(14)의 하반부에서만 산소를 공급하게 할 수 있다. 연소과정에서 산소배출부(20)를 통해서 배출된 산소는 연소실(14) 내부의 기류에 의해 위로 상승하게 된다. 따라서, 연소실(14)의 하반부에 공급된 산소는 기류를 타고 연소실(14) 전체로 확산된다. 반면에, 연소실(14)의 상반부에서 산소를 공급할 경우에는 연소실(14) 내의 기류에 의해서 산소가 연소를 돕지 못하고 연소실(14) 밖으로 빠져나갈 수 있으므로, 불필요한 낭비로 이어질 수 있다.

산소배출부(20)에도 다수의 산소배출공(21)이 일정한 간격을 두고 형성된다. 이때, 산소배출공(21)은 연료배출공(19)과 서로 다른 높이에 엇갈리게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에서는 산소배출공(21)에서 배출된 산소와 연료배출공(19)을 통해서 배출된 연료의 혼합이 보다 균일하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

산소배출부(20)에 형성된 다수의 산소배출공(21)은 연소실(14)의 벽면을 통해서 형성된 산소통로(27)에 의해서 서로 연결된다. 산소통로(27)는 다른 통로와 마찬가지로 몸체(12)를 통해서 외부의 산소공급장치로 연결된다.

몸체(12) 외부에는 각각의 연료통로(24), 수소통로(26) 및 산소통로(27)의 유량을 조절하기 위한 유량조절부(24a, 26a, 27a)를 설치할 수 있다. 유량조절부(24a, 26a, 27a)는 사용자가 각각의 연료통로(24), 수소통로(26) 및 산소통로(27)에 설치된 조절밸브(24b, 26b, 27b)를 조절하는데 사용된다.

도면에서 유량조절부(24a, 26a, 27a)는 다이얼 형태인 것으로 도시되었으나, 이에만 한정되는 것은 아니며 다른 어떠한 형태의 변형도 가능하다.

연소실(14) 내에는 또한 점화 플러그(28)가 설치되어 연소실(14) 내의 연료 및 수소를 점화시키는 역할을 한다. 점화 플러그(28)는 수소배출부(16)에 인접한 연소실(14) 하단부에 설치될 수 있으며, 변형도 물론 가능하다.

점화 플러그(28)는 배선(29)을 통해 외부의 전원과 연결될 수 있으며, 몸체(12) 내부에 전원을 내장한 경우 내장된 전원으로 연결될 수 있다. 점화 플러그(28)의 배선(29)에는 또한 점화 플러그(28)를 가동하기 위한 스위치(28a)가 연결되며, 점화 플러그용 스위치(28a)는 몸체(12)의 표면에 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 병합연소시스템에 사용되는 전기분해장치를 도시한다.

도 5를 참조하면, 전기분해장치(40)는 대체로 상기 장치의 전체적인 외형을 구성하는 하우징(42)을 구비한다. 하우징(42) 내에는 다수의 양극판(48)과 음극판(50)이 서로 교대로 배치된다. 도면에는 일례로서 각각 두 개씩의 양극판(48) 및 음극판(50)을 사용하였다. 여기서, 양극판(48)과 음극판(50)은 전원이 공급될 때 각각 산소 및 수소를 발생시키는 역할을 한다.

여기서, 양극판(48)과 음극판(50)은 각각 도선(49, 51)에 의해서 전원의 양극 및 음극에 연결된다. 이때, 전원은 외부전원을 사용할 수도 있으며, 도 1에서와 같이 발전장치(30)가 사용될 경우 발전장치(30)에서 제공되는 전기를 사용할 수도 있다. 발전장치(30)에 대해서는 이후에 설명될 것이다.

각 극판(48, 50) 사이에는 전기분해 대상이 되는 물이 이동하는 통로를 제공하는 이동통로(44)가 형성된다. 양극판(48)과 음극판(50)이 위치하는 영역은 하우징(42) 내에서 이동통로(44)에 의해서 분리되어 각각 양극챔버(52) 및 음극챔버(54)를 형성한다. 이때, 양극챔버(52)에는 NaOH 또는 KOH 등을 함유한 염기성 전해질용액이 수용되고, 음극챔버(54)에는 HCl 등을 함유한 산성 전해질용액이 수용된다.

전기화학 반응에서 양극판(48)에서는 수산화이온의 산화에 의해 물과 산소가스가 발생한다. 염기성 전해질용액이 수용된 양극챔버(42) 내에 설치된 양극판(48)은 주로 니켈옥사이드 전극이 사용된다. 이때, 양극판(48)의 구조는 니켈옥사이드가 코팅된 금속판의 형태를 가진다.

또한, 전기화학 반응에서 음극판(50)에서는 수소이온의 환원에 의해 수소가스가 발생한다. 음극판(50)은 백금이나 이의 합금 또는 탄소전극 등이 사용될 수 있으며 금속판 형태를 가진다.

이동통로(44)는 양극판(48)을 향하는 측면(45)이 음이온만을 선택적으로 투과시키고, 음극판(50)을 향하는 측면(56)이 양이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있도록 구성된다. 바람직하게는, 이동통로(44)의 양극판(48)을 향하는 측면(45)은 음이온 교환수지이고 음극판(50)을 향한 측면(46)은 양이온 교환수지이다. 보다 바람직하게는, 이동통로(44)의 양극판(48) 및 음극판(50)을 향한 측면(45, 46)은 구멍 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막이다.

바이폴러 이온교환수지막은 한쪽 면이 양이온 교환특성을 가지고 반대쪽이 음이온 교환특성을 가진다. 양극판(48)과 음극판(50)에 전원이 공급되어 전기분해를 시작하게 되면, 양극챔버(52)에서는 산소가스 발생에 의해 수산화이온이 부족하게 되고 음극챔버(54)에서는 수소가스 발생에 의해 수소이온이 부족하게 된다. 그러면, 전해질의 전기적 중성을 유지하려는 성질에 의해 이동통로(44)에 공급된 물은 수소이온과 수산화이온으로 분리되고, 분리된 수소이온과 수산화이온은 양이온 교환수지막과 음이온 교환수지막을 통해서 음극챔버(54)와 양극챔버(52)로 각각 이동하게 된다. 수소이온과 수산화이온의 이동은 반대 극성을 가지는 음극판(50)과 양극판(48)의 전기적 인력에 의해 이루어진다.

만약 이동통로(44)의 측면(45, 46)에 바이폴러 이온교환수지막 대신 양이온 교환수지와 음이온 교환수지를 사용할 경우에는 분리막을 통한 전위강하가 바이폴러 이온교환수지막의 경우보다 커질 수 있다.

양극챔버(52)와 음극챔버(54)에는 각각 전기분해에 의해서 생성된 산소가스 및 수소가스를 배출하기 위한 배출관(56, 58)이 형성된다. 전기분해에 의해 생성되어 배출관(56, 58)을 통해 배출된 산소 및 수소가스는 병합연소장치(10) 운반되거나 별도로 저장되게 된다.

지금까지 본 실시예에서는 두 개씩의 양극판과 음극판을 사용한 것으로 예시하여 설명하였다. 하지만 이에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 전기분해장치는 하나의 양극판과 하나의 음극판만을 사용할 수도 있고, 또한 세 개 이상의 양극판 및 음극판을 교대로 설치하여 사용할 수도 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 전기분해장치에 사용된 양극판과 음극판의 다른 변형예를 도시한다. 도 6에 도시된 양극판 또는 음극판(48', 50')은 그물구조로 이루어진다는 특징이 있다.

본 변형예에서 그물구조로 이루어진 양극판 또는 음극판(48', 50')은 이동통로(44)를 따라서 연장된 판 형상을 가지고 있다. 이러한 그물구조는 전극의 표면적이 커지기 때문에 보다 활발한 전기분해를 얻을 수 있으며, 그물구조 사이로 산소 및 수소가스가 빠져나갈 수 있기 때문에 물질전달 능력이 향상된다. 뿐만 아니라, 그물구조의 양극판 또는 음극판(48', 50')은 전극에서의 전류밀도가 감소하기 때문에 전극의 수면 연장에도 도움이 된다.

도 7은 도 6에 도시된 그물구조 양극판 또는 음극판의 또 다른 변형예이다. 도 7의 변형예에 따른 양극판 또는 음극판(48", 50")은 그물구조라는 점에서는 도 6의 변형예와 동일하나, 이동통로(44)를 따라서 연장된 사각기둥 형상을 가진다는 점에서 다르다. 이러한 사각기둥 형상의 양극판 또는 음극판(48", 50")은 전극의 표면적이 더욱 넓어진다는 장점이 있다. 또한, 사각기둥 형상의 양극판 및 음극판(48", 50")을 이용할 경우, 양극챔버와 음극챔버를 바둑판 모양으로 배열하여 최소한의 면적으로 다량의 물을 동시에 전기분해하는 구조를 만들 수 있다. 실제로, 도 6에 도시된 판 형상의 극판은 양극챔버와 음극챔버를 한 열로 배치할 때 가장 효과적이며, 도 7에 도시된 사각기둥 형상의 극판은 양극챔버와 음극챔버를 바둑판 모양으로 배치할 때 가장 효과적이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기분해장치의 전기분해 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 양극판(48)이 설치된 양극챔버(52) 내에는 NaOH 수용액이 채워지고, 음극판(50)이 설치된 음극챔버(54) 내에는 HCl 수용액이 채워지는 것으로 가정한다. 또한, 이동통로(44) 내로는 전기분해 대상이 되는 물(H₂O)이 지속적으로 이동하며, 양극판(48)과 음극판(50)에는 각각 양극 및 음극 전원이 연결된다.

양극판(48)과 음극판(50)에 전원이 연결되면, 이동통로(44) 내의 물은 전기분해되어 OH^-이온은 양극판(48)쪽으로, H⁺이온은 음극판(50) 쪽으로 이동하게 된다. 양극챔버(52) 내로 이동한 OH^-이온은 양극판(48)을 통해서 전하를 잃고 산소를 발생시키게 된다. 또한 마찬가지로, 음극챔버(52) 내로 이동한 H⁺이온은 음극판(50)을 통해서 전하를 얻어 수소를 발생시키게 된다.

이를 보다 자세히 설명하면, 일단 전원이 연결되면 양극판(48)에서는 전기분해 원리에 의해 수용액에 존재하는 OH^-이온이 반응하여 산소를 발생시키게 되는데, 이때 부족한 OH^-이온은 물의 전기분해에 의해서 생성된 OH^-이온에 의해서 채워지게 된다. 마찬가지로 음극판(50)에서는 수용액에 존재하는 H⁺이온이 반응하여 수소를 발생시키면서 부족한 H⁺이온이 이동통로(44)에서 물의 전기분해로 생성된 H⁺이온으로 보충된다.

이때, 양극챔버(52) 내에 존재하는 Na⁺이온은 극성에 의해서 음극판(50) 쪽으로 이동하게 되지만, 이동통로(44)에 설치된 음이온 투과성 이온교환수지막(45)에 막혀서 양극챔버(52)를 벗어날 수 없다. 마찬가지로, 음극챔버(54) 내에 존재하는 Cl^-이온도 극성에 의해 양극판(48) 쪽으로 이동하게 되지만, 양이온 투과성 이온교환수지막(46)에 의해서 음극챔버(54) 내에 잔류하게 된다.

따라서, 양극판(48)과 음극판(50)에서는 OH^-이온과 H⁺이온에 의한 순수한 반응만이 발생하게 되며, 이러한 전기화학 반응 메커니즘이 다음의 반응식 1에 잘 나타나 있다.

양극: 4 OH^-- 4 e^-→ 2 H₂O + O₂E = +0.40V

음극: 2 H⁺+ 2 e^-→ H₂E = 0.00V

위의 반응식에서 보여진 바와 같이, 본 발명에 사용된 전기분해장치에서 전기분해가 일어나는 최소한의 전위차는 0.40V이다. 이는 종래의 염기성 전해질을이용한 전기분해장치에서 필요한 1.23V의 전위차보다 현격하게 낮은 것으로, 전기분해에 필요한 전력량이 대폭 절감됨을 알 수 있다. 이는, 본 발명에서 전기분해장치가 바이폴러 이온교환수지막의 특성을 이용하여, 양극챔버(52)에는 염기성 전해질용액을 사용하고 음극챔버(54)에는 산성 전해질용액을 사용하기 때문에 가능하다.

따라서, 산성 전해질을 가지는 음극판(50)에서의 전기화학반응은 수소이온의 환원에 의한 수소가스 발생이 일어나며, 이때의 전극전위는 전기화학 이론에 의해서 0.00V로 정의되어진다.

다공성 분리막을 사용하는 기존의 전기분해 장치에서는 전극과 분리막 사이에 일정한 간격이 유지되어야 한다. 왜냐하면, 전극과 분리막 사이의 간격이 너무 좁은 경우 기포 크기가 작은 수소가스가 다공성 분리막을 통해서 양극챔버로 이동할 수 있기 때문이다. 수소가스가 양극챔버로 이동하게 되면 산소와 수소가스가 혼합하여 산소가스를 오염시키게 된다. 또한 기포로 인해 분리막에서의 전해질 전도도가 저하되어 분리막에서의 전위강하가 증대되며, 이는 전기분해장치의 효율저하를 일으킨다.

이에 반하여, 본 발명에 따른 전기분해장치는 구멍의 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막을 사용함으로써, 수소가스가 양극챔버(52)로 이동하는 것을 차단하게 된다. 따라서, 전극간의 간격이 기존의 전기분해장치에 비해 좁혀질 수 있고, 이로 인한 에너지 효율증대가 이루어질 수 있다.

이와 같이 생성된 산소 및 수소가스는 배출관(56, 58)을 통해 외부로 배출되어 특정한 용기에 보관되거나 다른 장소로 수송된다. 도 1에는 전기분해장치(40)에서 생성된 수소 및 산소를 저장하기 위한 수소저장실(34) 및 산소저장실(36)이 도시되어 있다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 고효율 병합연소시스템에는 병합연소장치(10)에서 배출된 배기가스를 이용하여 전기를 생성하는 발전장치(30)가 설치될 수 있다. 발전장치(30)는 생성된 전기를 전기분해장치(40)에 제공하여 전기분해를 위해 사용하게 한다.

발전장치(30)의 구조는 일례로써 도 8에 잘 도시되어 있다. 발전장치(30)는 병합연소장치(10)에서 배출된 배기가스를 이용하여 회전력을 발생시키는 가스터빈(62)과 가스터빈(62)의 회전력에 의해 교류전류를 생성하는 회전자(64)를 포함한다. 병합연소장치(10)의 배기가스는 유입관(67)을 통해서 발전장치(30) 내로 유입되며, 배출관(68)을 통해서 외부로 배출되게 된다. 회전자(64)에서 발생된 교류전류는 정류기(32)에 의해서 직류전류로 변환되며, 정류기(32)는 직류로 변환된 전기를 전기분해장치(40)에 제공한다.

또한, 발전장치(30)로 유입되는 배기가스의 유속 증가를 위해서 병합연소장치(10)는 별도의 송출부(31)를 구비하여 배기가스를 발전장치(30)로 송출하도록 구성할 수 있다. 도시되지는 않았지만 병합연소장치(10)의 배기가스는 모두 모아져서 배관 등을 통해 배출되는데, 송출부(31)는 이러한 배기가스 배관에 설치될 수 있다. 송출부(31)는 도 1에 도시되어 있으며, 펌프 등을 이용해서 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에서는, 병합연소장치(10)에서 배출된 배기가스를 이용하여 전기를 생성하고, 이렇게 생성된 전기를 이용하여 전기분해장치(40)에서 수소 및 산소가스를 생성하고, 이렇게 생성된 수소 및 산소가스를 병합연소장치(10)에 제공하여 연소를 돕는, 에너지의 순환적 사이클을 형성하게 된다. 따라서, 이러한 순환공정에서는 연료 및 외부전력의 사용량을 최소화할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 수소가스를 이용한 고효율 병합연소시스템은 수소가스를 탄화수소계열의 연료와 함께 연소함으로써, 탄화수소계열 연료의 완전연소를 유도하여 연료 사용량을 대폭 절감하는 동시에 배기가스의 유해물질 발생을 억제할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 전기분해를 이용해서 병합연소장치에 수소가스를 제공하고 또한 병합연소장치의 배기가스를 이용하여 발생된 전기를 전기분해에 사용함으로써, 에너지의 순환적 사이클에 의해 시스템의 전체 효율이 매우 높아진다.

Claims (11)

1. 연소실;

   상기 연소실 내에 설치되며 수소를 배출하는 다수의 수소배출공이 형성된 수소배출부;

   상기 연소실 내에서 상기 수소배출부 주변에 설치되며, 탄화수소 계열의 연료를 배출하는 다수의 연료배출공이 형성된 다수의 연료배출부;

   상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료의 산화를 돕는 산소를 배출하는 다수의 산소배출부; 및

   상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료를 점화시키는 점화플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 병합연소장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수소배출부는 상기 연소실의 중앙에서 상기 연소실의 벽면과 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 병합연소장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 다수의 연료배출부는 상기 연소실의 벽면에 서로 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 병합연소장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 다수의 산소배출부는 상기 연소실의 벽면에서 상기 연료배출부와 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 병합연소장치.
5. 수소 및 탄화수소계열의 연료를 동시에 연소시키는 병합연소장치; 및

   전기분해에 의해 수소 및 산소를 생성하여 상기 병합연소장치에 제공하는 전기분해장치를 포함하고,

   상기 병합연소장치는,

   연소실,

   상기 연소실 내에 설치되며 수소를 배출하는 다수의 수소배출공이 형성된 수소배출부,

   상기 연소실 내에서 상기 수소배출부 주변에 설치되며 탄화수소 계열의 연료를 배출하는 다수의 연료배출공이 형성된 다수의 연료배출부,

   상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료의 산화를 돕는 산소를 배출하는 다수의 산소배출부, 및

   상기 연소실 내에 설치되어 상기 수소배출부 및 상기 연료배출부에서 배출된 수소 및 연료를 점화시키는 점화플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 병합연소시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 전기를 생성하여 생성된 전기를 상기 전기분해장치에 제공하는 발전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병합연소시스템.
7. 제 6항에 있어서, 상기 발전수단은,

   상기 병합연소장치에서 배출된 배기가스를 이용하여 회전력을 발생시키는 가스터빈,

   상기 가스터빈의 회전에 의해 교류전류를 생성하는 회전자, 및

   상기 회전자에 의해 생성된 교류전류를 직류전류로 변환하여 상기 전기분해장치로 제공하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 병합연소시스템.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 병합연소장치는 상기 연소실에서 배출된 배기가스를 상기 발전수단으로 송출하는 송출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병합연소시스템.
9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기분해장치는,

   하우징;

   상기 하우징 내에 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 산소를 발생시키는 다수의 양극판;

   상기 하우징 내에서 상기 양극판과 교대로 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 수소를 발생시키는 다수의 음극판; 및

   상기 각각의 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전기분해 대상이 되는 물이 이동하는 통로를 제공하는 이동통로를 포함하고,

   상기 이동통로는 상기 양극판을 향하는 측면이 음이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음극판을 향하는 측면이 양이온만을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 병합연소시스템.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 이동통로의 상기 양극판 및 음극판을 향한 측면은 구멍 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 병합연소시스템.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 양극판 및 상기 음극판은 그물구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 병합연소시스템.