KR100863728B1 - 수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템 - Google Patents

수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템 Download PDF

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장재혁
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길재형
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Abstract

수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템이 개시된다. 전해질수용액을 수용하는 전해조, 전해조 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극 및 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극을 포함하는 수소 발생 장치는, 전해조 내부에 전극과 도전성코팅층을 고정시킬 수 있는 구조를 형성함으로써 외부회로와 전극간의 저항을 줄일 수 있어 전자의 이동을 보다 용이하게 할 수 있다.
수소, 발생, 연료전지, 도전성코팅층, 홈

Description

수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템{Hydrogen generating apparatus and Fuel cell power generation system}
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면.
도 2는 종래에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300, 400 : 수소 발생 장치 310, 410 : 전해조
312, 412 : 전해질수용액 320, 330, 340, 420, 430 : 제1 전극
322, 332, 342, 422, 432 : 제2 전극
314 : 홈 360, 460 : 수소방출구
350,351,352,353,354,355,450,451,452,453,454,455 : 도전성코팅층
본 발명은 수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG, 메탄올 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지(100)의 연료극(110)은 음극(cathode)이고, 공기극(130)은 양극(anode)이다. 연료극(110)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)와 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 멤브레인(120)을 거쳐 공기극(130)으로 이동한다. 멤브레인(120)은 전해질층에 해당한다. 전자는 외부 회로(140)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(130)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(100)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 1과 같다.
연료극(110) : H2 → 2H+ + 2e-
공기극(130) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H20
전반응 : H2 + 1/2 O2 → H20
즉, 연료극(110)에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(100)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료전지(100)는 연료극(110)에서 전자를 발생시키기 위하여 수소를 함유한 일반연료로부터 연료전지(100)가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변화시키는 수소 발생 장치를 필요로 한다.
수소 발생 장치로 일반적으로 알려져 있는 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피가 커지고, 보관에 위험이 따른다.
도 2는 종래에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 애노드(anode) 전극인 마그네슘(220)과 캐소드(cathode) 전극인 스테인리스 스틸(stainless steel)(230)이 전해조(210)의 전해수용액(215)에 담겨있다.
수소 발생장치의 원리는, 스테인리스 스틸(230)보다 이온화 경향이 큰 마그네슘(220)에서 전자가 생성되고, 생성된 전자가 스테인리스 스틸(230)로 이동된다. 이동된 전자는 전해수용액(215)과 결합하여 수소를 생성할 수 있다.
이때 마그네슘과 스테인리스 스틸을 교대로 위치시키면 수소 발생량을 증가 시킬 수 있다. 그러나, 이러한 전극 구조의 수소 발생 장치는 전극의 개수를 늘릴 수록 전극의 부피도 커지기 때문에 소형화 및 박막화를 추구하는 전자기기에는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 최근 각광받는 휴대용 전자 기기(휴대폰, 노트북 등)가 고용량의 전원 공급 장치를 요구함에 따라 연료전지는 이러한 요구를 맞추어 줄 수 있으며, 부피가 작고 높은 성능을 가질 필요가 있다.
ICAO(International Civil Aviation Organization)에서 비행기 반입이 승인된 메탄올이나 개미산 등을 이용하여 연료를 개질하고 수소를 발생시키거나, 직접 메탄올이나 에탄올, 개미산 등을 연료전지에서 직접 연료로 사용하는 방식이 사용된다.
하지만, 전자는 높은 개질 온도가 요구되며, 시스템이 복잡해지고, 구동 전력이 소모되어 순수 수소 이외에 불순물들(CO2, CO)이 포함되는 문제점이 있다. 그리고 후자는 낮은 양극 화학 반응과 탄화수소(hydrocarbon)의 멤브레인을 통한 크로스 오버(cross-over)에 의해 전력 밀도가 매우 낮아진다는 문제점이 있다.
본 발명은 전기화학적 반응을 이용하여 순수 수소를 실온에서 생성시킬 수 있으며, 간단한 구조의 시스템을 가지면서 별도의 BOP(Balance of Plant) 없이도 수소의 발생량 제어가 가능하고 회로와 전극사이의 저항을 줄일 수 있는 수소 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질수용액을 수용하는 전해조, 전해조 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극 및 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극을 포함하는 수소 발생 장치를 제공한다.
전해조 내부의 일측면에는 제1 홈이 형성되며, 제1 전극은, 일단부가 제1 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
또한, 제1 전극으로부터 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제1 전극의 일단부와, 제1 홈에 의해 형성되는 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제1 도전성코팅층을 더 포함할 수 있으며, 제1 도전성코팅층은 금으로 형성될 수 있고, 잉크젯(ink jet) 코팅 방법, 스프레이(spray) 코팅 방법 및 박막 증착 방법 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극과 제2 전극은 상하의 구조로 배치될 수 있다.
전해조 내부의 일측면에 결합되어 전자를 발생시키는 제3 전극 및 제3 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제4 전극을 더 포함할 수 있다.
전해조 내부의 타측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제5 전극 및 제5 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제6 전극을 더 포함할 수 있다.
전해조 내부의 타측면에는 제2 홈이 형성되며, 제5 전극은, 일단부가 제2 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
또한, 제5 전극으로부터 제6 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 상기 제어부를 더 포함할 수 있다.
제5 전극의 일단부와, 제2 홈에 의해 형성되는 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제2 도전성코팅층을 더 포함할 수 있고, 제2 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것이 바람직하다.
제5 전극과 제6 전극은 상하의 구조로 배치될 수 있으며, 제1 전극과 제5 전극은 일체로 형성될 수 있다.
또한, 전해조는 수소를 방출시키는 수소방출구를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질수용액을 수용하는 전해조, 전해조 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극 및 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극을 포함하는 수소 발생 장치; 및 수소 발생 장치에서 생성된 수소를 공급받고, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템을 제공한다.
전해조 내부의 일측면에는 제1 홈이 형성되며, 제1 전극은, 일단부가 제1 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
또한, 제1 전극으로부터 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제1 전극의 일단부와, 제1 홈에 의해 형성되는 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제1 도전성코팅층을 더 포함할 수 있으며, 제1 도전성코팅층은 금으로 형성될 수 있고, 잉크젯(ink jet) 코팅 방법, 스프레이(spray) 코팅 방법 및 박막 증착 방법 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극과 제2 전극은 상하의 구조로 배치될 수 있다.
전해조 내부의 일측면에 결합되어 전자를 발생시키는 제3 전극 및 제3 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제4 전극을 더 포함할 수 있다.
전해조 내부의 타측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제5 전극 및 제5 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제6 전극을 더 포함할 수 있다.
전해조 내부의 타측면에는 제2 홈이 형성되며, 제5 전극은, 일단부가 제2 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
또한, 제5 전극으로부터 제6 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 상기 제어부를 더 포함할 수 있다.
제5 전극의 일단부와, 제2 홈에 의해 형성되는 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제2 도전성코팅층을 더 포함할 수 있고, 제2 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것이 바람직하다.
제5 전극과 제6 전극은 상하의 구조로 배치될 수 있으며, 제1 전극과 제5 전극은 일체로 형성될 수 있다.
또한, 전해조는 수소를 방출시키는 수소방출구를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
수소 발생 장치(300)는 전해조(310), 전해질수용액(312), 제1 전극(320,330,340), 제2 전극(322,332,342), 홈(314), 도전성코팅층(350,351,352,353,354,355) 및 수소방출구(360)를 포함한다. 이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(320)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(322)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
전해조(310)는 내부에 전해질(electrolyte) 수용액(312)을 담고 있다. 전해질수용액(312)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소 발생 장치(300)는 전해질수용액(312)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있다.
전해질수용액(312)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
제1 전극(320)은 전해조(310) 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시킨다. 여기서 결합의 의미는 제1 전극(320)이 전해조(310)와 고정되는 것을 의미하며 본 실시예에서는 홈(314)을 이용하여 제1 전극(320)과 전해조(310)를 고정시키는 것으로 설명하지만 여러가지 고정수단을 이용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(320)은 활성 전극이다. 제1 전극(320)에서는 마그네슘(Mg) 전극과 물(H20)의 이온화 에너지의 차이 때문에 마그네슘 전극이 물 속에서 전자(e-)를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화된다. 이 때 생성되는 전자는 전선을 통하여 제어부(미도시)로 이동하며 전선을 통해 제2 전극(322)으로 이동하게 될 수 있다. 따라서, 제1 전극(320)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 제1 전극(320)은 제2 전극(322)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 전해조(310)에 제1 전극(320)을 결합하기 위해서, 전해조(310) 내부의 일측면에는 홈이 형성되며, 1 전극(320)의 일단부가 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
제2 전극(322)은 제1 전극(320)과 소정 거리 이격되도록 전해조(310) 내부의 일측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액(312)을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다. 제2 전극(322)은 제1 전극(320)이 고정되는 동일한 면에 홈을 형성하고, 제2 전극(322)의 일단부가 홈에 삽입되어 고정될 수 있다.
따라서, 제1 전극(320)과 제2 전극(322)은 동일한 면에 고정되며 상하 구조로 배치될 수 있다. 이때, 상하 구조는 제1 전극(320)과 제2 전극(322)의 면이 서로 대향하도록 위치하는 것이며, 대향된 면의 배치는 수소발생량을 최대한 증가시키는 배치이다.
제2 전극(322)은 비활성 전극이다. 제2 전극(322)은 제1 전극(320)의 마그 네슘에서 발생되는 전자를 받아, 전해질수용액(312)과 함께 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 제2 전극(322)은 비활성 전극으로서 제1 전극(320)과 달리 소모되지 않기 때문에 제1 전극(320)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다.
보다 상세하게, 제2 전극(322)에서의 화학반응을 살펴보면, 제2 전극(322)에서는 물이 제1 전극(320)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식을 하기의 화학식 2와 같다.
제1 전극 : Mg → Mg2+ + 2e-
제2 전극 : 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응 : Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
상술한 화학 반응은 여러 요소들에 의해 반응 속도 및 반응 효율이 결정된다. 반응 속도를 결정짓는 요소로는 제1 전극(320) 및/또는 제2 전극(322)의 전극 면적, 전해질수용액(312)의 농도, 전해질수용액(312)의 종류, 제1 전극(320) 및/또는 제2 전극(322)의 개수, 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이의 연결 방법, 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이의 전기적 저항 등이 있다.
상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 2와 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(322)에서 발생되는 수소의 양로 변화하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이에 흐르는 전류의 양을 조절하여 생성되는 수소의 양을 조절하는 것이 가능하게 된다. 이는 하기의 수학식 1에서 나타낸 것과 같이 패러데이 법칙(Fadaday’s law)에 의해 원리적으로 설명될 수 있다.
Figure 112007031388767-pat00001
여기서, Nhydrogen은 1초에 생성되는 수소의 양(mol)이고, Vhydrogen은 1분 동안 생성되는 수소의 부피(ml/min)이다. i는 전류(C/s), n은 반응 전자의 개수, E는 전자 1몰당 전하(C/mol)를 나타낸다.
상기한 화학식 2를 참조하면, 제2 전극(322)에서 수소 전자 2개가 반응하므로, n은 2이고, 전자 1몰의 전하는 약 -96485 쿨롱이다.
1분 동안 생성되는 수소의 부피는 1초에 생성되는 수소의 양에 시간(60 초)과, 수소 1몰의 부피(22400 ml)를 곱하여 산출할 수 있다.
만약, 연료전지가 2W 시스템에서 사용되는 경우, 수소 요구량은 42 ml/mol 정도이고 6 A의 전류가 필요하게 된다. 그리고 연료전지가 5W 시스템에서 사용되는 경우, 수소 요구량은 105 ml/mol 정도이고 15 A의 전류가 필요하게 된다.
이와 같이 수소 발생 장치(300)는 제1 전극(320)과 제2 전극(322)에 흐르는 전류의 양을 조절하면 후단에 연결되는 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
수소 발생 장치(300)의 제2 전극(322)에서 수소를 발생시키는 반응 속도를 결정짓는 상술한 요소들 중에서 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이의 전기적 저항을 제외한 나머지 요소들은 수소 발생 장치(300)를 구성할 때 결정되는 요소로, 이후 그 요소를 변화시키는 것이 용이하지 않다.
따라서, 본 발명의 실시예에서 수소 발생 장치(300)는 제1 전극(320)과 제2 전극(322)을 연결하는 전선과 전선 사이에 제어부(미도시)를 두어, 제1 전극(320)과 제2 전극(322)의 전기적 저항을 조절할 수 있고, 제1 전극(320)으로부터 제2 전극(322)으로 흐르는 전자량을 제어할 수 있다.
즉, 상술한 수학식 1에 기초하여 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이의 전기적 저항을 변화시킴으로써 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이에 흐르는 전류의 크기를 조절함으로써 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(320)은 마그네슘 이외에 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소, 철(Fe) 등 상대적으로 이온화 경향이 큰 금 속으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 전극(322)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(320)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
제어부는 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(320)에서 생성된 전자를 제2 전극(322)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.
제어부는 연료전지에 의해서 요구되는 전력량 또는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 제1 전극(320)에서 제2 전극(322)으로 흐르는 전자의 양을 증가시키고, 그 요구되는 값이 작으면 제1 전극(320)에서 제2 전극(322)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킨다.
예를 들어, 제어부는 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이에 흐르는 전류량을 조절하거나 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 제1 전극(320)과 제2 전극(322) 사이에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
여기서, 제1 전극(320)의 일단부와 홈에 의해 형성되는 전해조(310)의 내벽 사이에 개재되는 도전성코팅층(350)을 형성할 수 있다. 또한, 제2 전극(322)의 일단부와 홈에 의해 형성되는 전해조(310)의 내벽 사이에 개재되는 도전성코팅층(351)을 형성할 수 있다.
도전성코팅층(350)은 전선을 통하여 제어부와 결합될 수 있다. 이때, 전선은 와이어 본딩으로 형성될 수 있다.
도전성코팅층(350)은 전기가 통하는 금속성의 물질로 바람직하게는 금으로 형성될 수 있다. 또한, 도전성코팅층(350)은 잉크젯(ink jet) 코팅 방법, 스프레이(spray) 코팅 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 및 박막 증착 방법 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 잉크젯 코팅 방법에 의해 박막의 형태로 제1 전극(320)과 제2 전극(322)의 일측에 코팅되어 전선과 연결될 수 있다.
제1 전극(320)과 제2 전극(322)의 일측에 도전성 물질을 코팅함에 따라 제1 전극(320)에서 발생되는 전자를 전선을 통하여 제어부로 원활히 이동시킬 수 있으며, 전선을 통하여 제2 전극(322)으로 전자를 용이하게 이동시킬 수 있다.
따라서, 도전성코팅층(350)을 이용하여 전극(320,322)과 외부회로를 연결함에 따라 회로와 전극(320,322)사이의 저항을 줄임으로써, 마그네슘 전극에서 생성되는 전자를 스테인리스 스틸 전극으로 용이하게 이동시킬 수 있다.
한편, 전기화학 반응은 전극과 전극 사이의 갭(gap)이 작을수록 또는 전극의 개수가 많을수록 수소 생성률이 증가할 수 있다.
따라서, 전극의 개수를 증가시키기 위하여, 제2 전극(322)과 동일한 면에 형성되는 제1 전극(330)과 제2 전극(332)을 추가하여 형성한다.
제1 전극(330)과 제2 전극(332)의 종류와 작용 효과는 상술한 바와 같이, 제1 전극(330)에서 전자를 발생시키며, 발생된 전자와 전해질수용액(312)을 이용하여 제2 전극(332)에서 수소를 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 전극이 연속되어 형성됨에 따라서 발생되는 수소량을 더 욱 증가시킬 수 있고, 복수회 반복하여 형성할 수 있다.
마그네슘 전극과 스테인리스 스틸 전극을 교대로 반복하여 형성함으로써 수소의 생성률을 높일 수 있으며, 박막 형태의 전극을 구현함에 따라서 전극의 개수를 늘일 수 있고, 전극과 전극의 갭(gap)을 줄일 수 있어 수소 발생 장치(300)의 소형화를 가능하게 할 수 있다.
전극을 더욱더 증가시키기 위하여, 전해조(310) 내부의 타측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극(340) 및 제1 전극(340)과 소정 거리 이격되도록 전해조(310) 내부의 타측면에 결합되며, 전자와 전해질수용액(312)을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극(342)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전극(340)과 제2 전극(342)은 전해조(310)의 일측면에 결합되는 제1 전극(320) 및 제2 전극(322)과 동일한 종류이며, 동일한 결합관계를 가지고 동일한 효과를 가짐을 물론이다.
따라서, 제1 전극(340) 및 제2 전극(342)은 일단부가 홈에 삽입되어 고정될 수 있다. 또한, 제1 전극(340) 및 제2 전극(342)의 전자량을 제어하는 제어부를 통하여 제1 전극(340) 및 제2 전극(342)의 전자량을 제어할 수 있다.
더욱이, 제1 전극(340)의 일단부와 홈에 의해 형성되는 전해조(310)의 내벽 사이에 개재되는 도전성코팅층(354)을 더 포함할 수 있으며, 상술한 바와 같이 도전성코팅층(354)에 의해 전극과 회로의 저항을 줄여줌으로써 전자의 이동을 원활히 할 수 있다.
또한, 전해조(310) 내벽의 타측면으로 전극이 복수개로 형성될 수 있음은 물론이다.
연료전지에 의해서 요구되는 전력량 또는 수소량은 수소 발생 장치(300)가 연료전지와 결합되어 연료전지로부터 입력받거나, 또는 별도의 입력 장치를 구비하여 사용자로부터 직접 요구되는 전력량 또는 수소량을 입력받을 수 있고, 연료전지에서 필요로 하는 수소량 또는 전력량에 상응하여 상기 전자량을 제어할 수 있다.
본 발명에서 제1 전극(320) 및/또는 제2 전극(322)은 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 제1 전극(320) 및/또는 제2 전극(322)의 개수가 증가하는 경우 동일 시간 동안 수소 발생량은 증가하게 되며, 보다 짧은 시간 내에 원하는 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 박막 구조의 복수개 전극을 통하여 생성되는 수소는, 전해조(310)와 수소가 방출되는 유로인 수소방출구(360) 사이에 개재되며, 수소를 방출시키고 전해질수용액(312)은 차단시키는 기액분리막을 통과할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
수소 발생 장치(400)는 전해조(410), 전해질수용액(412), 제1 전극(420,430), 제2 전극(422,432), 도전성코팅층(450,451,452,453,454,455) 및 수소방출구(460)를 포함한다.
도 3에서 설명한 동일한 명칭은 동일한 작용효과를 나타내므로 차이점에 대해서 상술한다. 제1 전극(420)의 일단부와 타단부는 전해조(410) 내부의 일면과 타면에 형성된 홈에 삽입되어 결합될 수 있으며, 제2 전극(422)의 일단부와 타단부는 전해조(410) 내부의 일면과 타면에 형성된 홈에 삽입되어 결합될 수 있다.
또한, 홈의 내벽과 전극 사이에 도전성코팅층(450,451,452,453,454,455)을 코팅할 수 있음은 물론이다. 따라서, 제1 전극(420)과 제2 전극(422)의 접촉 면적을 최대한 넓게 하여 수소 발생량을 증가시킬 수 있다.
상술한 수소 발생 장치에서 생성된 수소를 공급받고, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템을 제공함은 물론이다.
따라서, 본 실시예에서 제공하는 수소 발생 장치를 연료전지에 적용함에 따라 마이크로 수준의 수소를 생성하는 장치를 제공하기 때문에 연료전지의 소형화를 가능하게 하며, 전극 사이의 간격을 줄이고 전극의 개수를 증가시킴으로써 전극의 효율성을 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 발생 장치는 전해조 내부에 전극과 도전성코팅층을 고정시킬 수 있는 구조를 형성함으로써 외부회로와 전극간의 저항을 줄일 수 있어 전자의 이동을 보다 용이하게 할 수 있다.
또한, 전극 사이의 간격을 줄이고 전극의 개수를 증가시켜 전극의 효율성을 높일 수 있고 부피를 소형화 할 수 있다.
또한, 별도의 소비 전력을 소모하고 소형화가 힘든 BOP 유닛 대신에 친환경적인 물질을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 전기화학적 반응을 이용하여 순수 수소를 실온에서 생성시킬 수 있으며, 간단한 구조의 시스템을 가지고, 비용이 저렴하다.
또한, 종래 수소가 일정량만큼만 발생되던 것과는 달리 사용자 또는 연료전지에서의 요구에 따라 전극 사이의 전류량을 조절함으로써 발생되는 수소량을 조절할 수 있다. 이로 인해 소비 전력이 수시로 변화하는 모발용 기기 등의 제품에서도 연료전지의 사용이 가능하도록 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 전해질수용액을 수용하는 전해조;
    상기 전해조 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극을 포함하되,
    상기 전해조 내부의 상기 일측면에는 제1 홈이 형성되며,
    상기 제1 전극은, 일단부가 상기 제1 홈에 삽입되어 고정되고,
    상기 제1 전극의 상기 일단부와, 상기 제1 홈에 의해 형성되는 상기 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제1 도전성코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전성코팅층은,
    잉크젯(ink jet) 코팅 방법, 스프레이(spray) 코팅 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 및 박막 증착 방법 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상하의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하 는 수소 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되어 전자를 발생시키는 제3 전극; 및
    상기 제3 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제4 전극을 더 포함하는 수소 발생 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제5 전극; 및
    상기 제5 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제6 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 상기 타측면에는 제2 홈이 형성되며,
    상기 제5 전극은, 일단부가 상기 제2 홈에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제5 전극으로부터 상기 제6 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 상기 제어부를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제5 전극의 상기 일단부와, 상기 제2 홈에 의해 형성되는 상기 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제2 도전성코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제5 전극과 상기 제6 전극은 상하의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제5 전극은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전해조는 상기 수소를 방출시키는 수소방출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  17. 전해질수용액을 수용하는 전해조와,
    상기 전해조 내부의 일측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제1 전극과,
    상기 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2 전극을 포함하되,
    상기 전해조 내부의 상기 일측면에는 제1 홈이 형성되며,
    상기 제1 전극은, 일단부가 상기 제1 홈에 삽입되어 고정되고,
    상기 제1 전극의 상기 일단부와, 상기 제1 홈에 의해 형성되는 상기 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제1 도전성코팅층을 더 포함하는 수소 발생 장치; 및
    상기 수소 발생 장치에서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  20. 삭제
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제1 도전성코팅층은,
    잉크젯(ink jet) 코팅 방법, 스프레이(spray) 코팅 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 및 박막 증착 방법 중 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상하의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되어 전자를 발생시키는 제3 전극; 및
    상기 제3 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 상기 일측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질 용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제4 전극을 더 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며 전자를 발생시키는 제5 전극; 및
    상기 제5 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부의 타측면에 결합되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제6 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 상기 타측면에는 제2 홈이 형성되며,
    상기 제5 전극은, 일단부가 상기 제2 홈에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제5 전극으로부터 상기 제6 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 상기 제어부를 더 포함하는 연료전지 발전 시스템.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제5 전극의 상기 일단부와, 상기 제2 홈에 의해 형성되는 상기 전해조의 내벽 사이에 개재되는 제2 도전성코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제2 도전성코팅층은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 제5 전극과 상기 제6 전극은 상하의 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제5 전극은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  32. 제17항에 있어서,
    상기 전해조는 상기 수소를 방출시키는 수소방출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
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