KR100865294B1 - 수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템 - Google Patents

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차혜연
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Abstract

자체 오리엔테이션에 관계없이 수소 발생량이 일정한 수소 발생 장치가 개시된다. 수소 발생 장치는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전자를 받아 수소를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제2 전극; 상기 제1 전극와 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스페이서; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로의 전자 이동량을 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 의하면 오리엔테이션에 관계없이 일정한 양의 수소를 공급하는 것이 가능하다.
수소, 연료전지, 발전, 오리엔테이션(orientation)

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 도 1에 도시된 연료전지에 수소를 공급하는 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도.
도 3a는 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소방출구가 중력 방향과 반대인 경우의 단면도.
도 3b는 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소방출구가 중력 방향과 동일한 경우의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 좌측면도.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 정면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 정면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료전지
110: 연료극 120: 멤브레인
130: 공기극
200, 400, 500: 수소 발생 장치
210, 410: 전해조 215, 415: 전해질 수용액
220, 420: 제1 전극 230, 430: 제2 전극
240, 440: 제어부
450a, 450b : 수소방출구 460a, 460b: 기액분리막
470, 570: 스페이서
425, 435: 전선
본 발명은 수소 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자체 오리엔테이션에 관계없이 수소 발생량이 일정한 수소 발생 장치에 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. 또한, 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.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지(100)에 수소를 공급하는 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도이다. 수소 발생 장치(200)는 전해조(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 제어부(240)를 포함한다. 이하에서는 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(220)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(230)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
전해조(210)는 내부에 전해질(electrolyte) 수용액(215)을 담고 있다. 수소 발생 장치(200)는 전해질 수용액(215)을 이용하여 수소 가스를 발생시키게 된다. 전해조(210)는 수소를 방출시키는 수소방출구(250)와, 전해조(210)와 연결된 수소방출구(250)의 일단에 개재되어 수소의 방출은 허용하고 전해질 수용액(215)의 방출은 차단하는 기액분리막(260)을 더 구비한다.
또한, 전해조(210)는 내부에 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 포함하고 있다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 전체 또는 그 일부가 전해질 수용액(215) 내에 담겨져 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소방출구가 중력 방향과 반대인 경우의 단면도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소방출구가 중력 방향과 동일한 경우의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 고정된 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)이 수소 발생 장치(200)를 오리엔테이션 시킴에 따라 전해질 수용액(215)과 접촉하는 전극의 반응 면적이 차이가 남에 따라 발생하는 수소 발생량이 달라지게 된다. 도 3b를 참조하면, A 만큼 각 전극들이 전해질 수용액(215)과 접촉하지 못하게 됨에 따라 동일 시간 동안 발생하는 수소량이 달라져서 연료전지(100)에 일정한 양의 수소를 공급하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이 경우 펌프를 이용하여 하부의 전해질 수용액을 상부로 공급하는 방법이 있으나, 별도의 펌프를 사용해야 하며 밸브를 사용해야 하므로 소형화에 적합하지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 오리엔테이션에 관계없이 일정한 양의 수소를 공급하는 것이 가능한 수소 발생 장치 및 연료전지 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 전해질 수용액의 이동과 함께 전극도 함께 이동하여 전극의 반응 면적이 달라지지 않는 수소 발생 장치 및 연료전지 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 전극과 전극 사이의 부산물을 그라인딩 제거하여 전해질 수 용액 내의 이온의 이동도를 높임으로써 물의 이용 효율을 높일 수 있는 수소 발생 장치 및 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오리엔테이션에 불구하고 수소 발생량이 일정한 수소 발생 장치가 제공된다.
일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전자를 받아 수소를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제2 전극; 상기 제1 전극와 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스페이서; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로의 전자 이동량을 제어하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 스페이서의 두께는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격 이하일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 평행하게 배열되며, 상기 스페이서는 상기 전해조의 내벽 중 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 평행한 면 이외의 측면에 고정될 수 있다. 여기서, 상기 스페이서는 상기 전해조의 내벽 중 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 평행한 면 이외의 양 측면에 하나 이상씩 고정될 수 있 다.
또한, 상기 스페이서의 크기는 상기 전해조 및 상기 전극의 크기에 상응하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극과 상기 제어부를 연결하는 전선을 더 포함하되, 상기 전선은 플렉시블(flexible)할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극과 상기 제어부를 연결하는 전선을 더 포함하되, 상기 전선은 플렉시블할 수 있다.
또한, 상기 전해조는 상기 수소를 외부로 방출하는 둘 이상의 수소방출구를 포함하되, 상기 수소방출구는 상기 전해조를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 그리고 상기 전해조와 상기 수소 방출구 사이에 개재되며, 상기 수소방출구를 통한 상기 수소의 방출을 허용하고 상기 전해질 수용액의 방출은 차단하는 기액분리막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 수소 발생 장치로부터 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 제공된다.
본 발명은 다양한 변환을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것 으로 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.
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.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도이다.
도 4에 도시된 수소 발생 장치(400)는 전해조(410), 제1 전극(420), 제2 전극(430), 제어부(440)를 포함한다. 이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위 하여 제1 전극(420)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(430)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
전해조(410)는 내부에 전해질 수용액(415)을 담고 있다. 수소 발생 장치(400)는 전해질 수용액(415)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시키게 된다. 전해질 수용액(415)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
제1 전극(420)은 활성 전극이다. 제1 전극(420)에서의 화학 반응은 다음과 같다. 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 제1 전선(425), 제어부(440) 및 제2 전선(435)를 통해 제2 전극(430)으로 이동하게 된다.
제2 전극(430)은 비활성 전극이다. 제2 전극(430)에서는 물이 제1 전극(420)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다. 화학 반응식을 하기의 화학식 2와 같다.
제1 전극(420): Mg → Mg2+ + 2e-
제2 전극(430): 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(420) 및/또는 제2 전극(430)의 전극 면적, 전해질 수용액(415)의 농도, 전해질 수용액(415)의 종류, 제1 전극(420) 및/또는 제2 전극(430)의 개수, 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이의 연결 방법, 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이의 전기적 저항 등이 있다.
상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 2와 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(430)서 발생되는 수소의 양로 변화하게 된다.
제1 전극(420)과 제2 전극(430)은 교번하여 전해조(410) 내에 위치할 수 있다. 또는 하나 이상의 제1 전극(420)이 그룹화되고, 하나 이상의 제2 전극(430)이 그룹화되어 위치할 수도 있다.
수소 발생 장치(400)는 제1 전극(420)과 제2 전극(430)을 연결하는 제1 전선(425)과 제2 전선(435) 사이에 제어부(440)를 두어, 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이의 전기적 저항을 조절한다. 즉, 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이의 전기적 저항을 변화시킴으로써 제1 전극(420)과 제2 전극(430) 사이에 흐르는 전류의 크기를 조절하고 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
제어부(440)는 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(420)에서 생성된 전자를 제2 전극(430)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.
제어부(440)는 요구되는 전력량 또는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 제1 전극(420)으로부터 제2 전극(430)으로 흐르는 전자의 양을 증가시키고, 그 요구되는 값이 작으면 제1 전극(420)으로부터 제2 전극(430)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킨다.
요구되는 전력량 또는 수소량은 수소 발생 장치(400)가 연료전지와 결합되어 연료전지로부터 입력받거나, 또는 별도의 입력 장치를 구비하여 사용자로부터 직접 요구되는 전력량 또는 수소량을 입력받을 수 있다. 또는 전력량 또는 수소량이 미리 설정되어 있을 수도 있다.
본 발명에서 제1 전극(420) 및/또는 제2 전극(430)은 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 제1 전극(420) 및/또는 제2 전극(430)의 개수가 증가하는 경우 동일 시간 동안 수소 발생량은 증가하게 되며, 보다 짧은 시간 내에 원하는 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(420)은 마그네슘 이외에 알루미늄(Al), 아연(zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소, 철(Fe) 등 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 전극(430)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(420)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 수소 발생 장치(200)의 내벽 중 하면에 고정되어 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치(400)의 제1 전극(420) 및 제2 전극(430)은 하면에 고정되어 있지 않고 상하좌우로 이동이 자유롭다.제1 전선(425) 및 제2 전선(435)은 플렉시블(flexible)한 특성을 가진다. 전극들의 이동에도 불구하고 제어부(440)와 전극들 간의 연결이 끊어지지 않도록 한다. 즉, 제1 전선(425) 및 제2 전선(435)은 수소 유량 조절을 위한 제어부(440)와의 전기적 연결을 유지하는 한편 전극들이 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
제1 전극(420) 및 제2 전극(430)이 고정되지 않고 자유롭게 이동 가능함에 따라 전해질 수용액(415)과 각 전극의 반응 면적이 일정하게 유지되므로, 수소 발생량을 일정하게 유지시킬 수 있다.
그리고 전극이 자유롭게 이동하므로 기계적인 마모 작용을 수행하여 각 전극 사이에 생성되는 부산물인 Mg(OH)2를 그라인딩하여 제거하는 것이 가능하다. 이로 인해 Mg(OH)2에 물이 수화되지 않게 하고, 물 속의 이온의 이동도를 높임으로써 물의 이용 효율을 높일 수 있다.
수소 발생 장치(400)는, 각 전극 사이에 위치하며 일단이 전해조(410)의 내벽에 고정되어 있는 스페이서(470)를 더 포함한다. 스페이서(470)는 수소 발생 장치(400)의 위치가 바뀌게 되는 경우 즉, 수소 발생 장치(400)가 오리엔테이션되는 경우 제1 전극(420)과 제2 전극(430)이 서로 접촉하지 않도록 한다. 전극끼리 접촉 하게 되는 경우 회로 단락(short)이 발생하게 되기 때문이다. 또한, 스페이서(470)는 제1 전극(420) 및 제2 전극(430)이 일정 영역 내에서만 이동하도록 하는 가이드(guide) 역할을 수행한다.
x축을 기준으로 할 때, 스페이서(470)의 크기(ℓ)는 전해조(440)의 크기(n)과 각 전극의 크기(m)의 차이보다 크다(수학식 1 참조).
ℓ > n-m
스페이서(470)의 크기가 전해조(440)의 크기와 각 전극의 크기의 차이보다 작은 경우 수소 발생 장치(400)가 오리엔테이션 됨에 따라 스페이서(470)에 의한 가이드를 벗어날 가능성이 있기 때문이다.
스페이서(470)는 전해조(410) 내에 평행하게 배열된 전극들과 평행한 두 내벽 이외의 내벽 즉, 옆 내벽에 고정되며, 좌우 내벽에 하나씩 최소 두 개의 스페이서(470)가 각 전극 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 스페이서(470)의 두께(z 축 방향의 크기)는 각 전극 사이의 간격보다 작다.
상술한 바와 같이, 스페이서(470)에 의해 소정 거리 만큼 간격을 두고 배치된 복수의 전극을 통하여 생성되는 수소는, 전해조(410)와 수소가 방출되는 유로인 수소방출구(450) 사이에 개재되며 수소의 방출은 허용하고 전해질 수용액(415)의 방출은 차단하는 기액분리막(460)을 통과할 수 있다. 따라서, 기액분리막(460)을 통과한 수소는 수소방출구(450)를 통하여 연료전지의 연료극으로 이동될 수 있다. 이때, 기액분리막(460)은 다공성(porous) 재질로 이루어질 수 있다.
수소방출구(450) 및 기액분리막(460)은 둘 이상인 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 일 실시예에서 제1 수소방출구(450a) 및 제1 기액분리막(460a)과, 제2 수소방출구(450b) 및 제2 기액분리막(460b)이 전해조(410)의 상면과 하면에 위치하고 있다. 제1 수소방출구(450a) 및 제1 기액분리막(460a)과, 제2 수소방출구(450b) 및 제2 기액분리막(460b)은 대칭적 위치에 위치하며, 수소 발생 장치(400)의 오리엔테이션이 있더라도 어느 한 쌍의 수소방출구 및 기액분리막은 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않고 수소를 방출한다.
두 쌍 이상의 수소방출구 및 기액분리막은 전해조(410) 내에서 대칭적으로 위치하며, 전해조(410)의 상면과 하면 이외에 측면의 상부와 하부에도 위치할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 좌측면도로써, 원위치에 있는 경우와 180도 회전한 경우를 보여주고 있다.
수소 발생 장치(400)가 도 4에 도시된 것과 같은 위치에 있을 경우(제1 수소방출구(450a) 및 제1 기액분리막(460a)이 상 방향을 향하고 있는 경우)를 원위치(0도 회전)라고 가정한다.
도 5a에서는 수소 발생 장치(400)는 0도 회전한 상태이고, 도 5b에서는 제1 수소방출구(450a) 및 제1 기액분리막(460a)이 하 방향을 향하고 있으므로 180도 회전한 상태이다.
0도 회전한 상태에서 제1 전극(420) 및 제2 전극(430) 전체가 모두 전해질 수용액(415)에 담겨져 있어 반응 면적이 제1 전극(420) 및 제2 전극(430)의 전극 면적과 동일하다.
180도 회전한 상태에서 스페이서(470)에 의해 각 전극은 서로 접촉하지 않고 스페이서(470)의 가이드에 따라 제1 전극(420) 및 제2 전극(430)은 하 방향으로(도 5b에 도시된 y축 방향으로) 이동하게 된다. 이 경우 각 전극의 하면에 연결된 제1 전선(425) 및 제2 전선(435)은 상술한 바대로 플렉시블한 특성을 가지고 있어 제1 전극(420) 및 제2 전극(430)의 이동을 방해하지 않는다. 또한, 이 경우에는 제1 수소방출구(450a)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되나, 제2 수소방출구(450b)가 상 방향으로 향하고 있어 전해조(410) 내에서 발생한 수소를 수소 발생 장치(400) 외부로 제공하는 것이 가능하다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 정면도로써, 원위치에 있는 경우, 90도 회전한 경우, 180도 회전한 경우 및 270도 회전한 경우를 보여주고 있다.
스페이서(470)의 크기(ℓ)는 상기 수학식 1과 같으므로, 전극들이 스페이서(470)에 의해 다른 전극들과 접촉하지 않고 오리엔테이션이 있는 경우에도 일정 영역 외로 벗어나지 않게 된다. 전극들은 자유롭게 이동이 가능하므로, 수소 발생 장치(400)의 오리엔테이션에 무관하게 항상 중력 방향으로 이동하게 된다.
원위치에 있는 경우(도 6a 참조) 전극은 전해조(410)의 하면(411)에 접촉하며, 제1 수소 방출구(450a)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
90도 회전한 경우(도 6b 참조) 전극은 중력 방향으로(도 6b의 x축 (+) 방향) 이동하여 전해조(410)의 우측면(412)에 접촉하며, 제1 수소 방출구(450a)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
180도 회전한 경우(도 6c 참조) 전극은 중력 방향으로(도 6c의 y축 (+) 방향) 이동하여 전해조(410)의 상면(413)에 접촉하며, 제2 수소 방출구(450b)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
270도 회전한 경우(도 6d 참조) 전극은 중력 방향으로(도 6d의 x축 (-) 방향) 이동하여 전해조(410)의 좌측면(414)에 접촉하며, 제2 수소 방출구(450b)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
도 6a 내지 6d에서 살펴본 바와 같이, 수소 발생 장치(400)의 오리엔테이션에 무관하게 제1 수소 방출구(450a) 및 제2 수소 방출구(450b) 중 하나 이상은 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공하도록, 수소 방출구는 전해조(410)의 서로 대칭되는 지점에 위치한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 입체 사시도이다. 도 7에 도시된 수소 발생 장치(500)는 도 4에 도시된 수소 발생 장치(400)와 동일한 기능을 수행하며, 스페이서(570)의 개수 및 고정 위치 만이 도 4에 도시된 스페이서(470)와 차이가 있을 뿐이다.
도 7에 도시된 스페이서(570)는 전극들과 평행한 측면 이외의 옆면에 고정되며, 각 전극마다 전방에 4개, 후방에 4개가 위치하여 각 전극에 대하여 공간 확보 및 오리엔테이션시 자유 이동을 가능케 한다.
스페이서(570)의 크기(ℓ)(x축 방향으로)는 상기 수학식 1을 만족한다.
당업자라면 스페이서의 크기 및/또는 고정 위치는 본 발명의 사상 범위 내에서 다양하게 적용가능함을 이해해야 할 것이다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 정면도로써, 원위치에 있는 경우, 90도 회전한 경우, 180도 회전한 경우 및 270도 회전한 경우를 보여주고 있다.
스페이서(570)의 크기(ℓ)는 상기 수학식 1과 같으므로, 전극들이 스페이서(570)에 의해 다른 전극들과 접촉하지 않고 오리엔테이션이 있는 경우에도 일정 영역 외로 벗어나지 않게 된다. 전극들은 자유롭게 이동이 가능하므로, 수소 발생 장치(500)의 오리엔테이션에 무관하게 항상 중력 방향으로 이동하게 된다.
원위치에 있는 경우(도 8a 참조) 전극은 전해조(410)의 하면(411)에 접촉하며, 제1 수소 방출구(450a)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
90도 회전한 경우(도 8b 참조) 전극은 중력 방향으로(도 8b의 x축 (+) 방향) 이동하여 전해조(410)의 우측면(412)에 접촉하며, 제1 수소 방출구(450a)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
180도 회전한 경우(도 8c 참조) 전극은 중력 방향으로(도 8c의 y축 (+) 방향) 이동하여 전해조(410)의 상면(413)에 접촉하며, 제2 수소 방출구(450b)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
270도 회전한 경우(도 8d 참조) 전극은 중력 방향으로(도 8d의 x축 (-) 방 향) 이동하여 전해조(410)의 좌측면(414)에 접촉하며, 제2 수소 방출구(450b)가 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공한다.
도 8a 내지 8d에서 살펴본 바와 같이, 수소 발생 장치(500)의 오리엔테이션에 무관하게 제1 수소 방출구(450a) 및 제2 수소 방출구(450b) 중 하나 이상은 전해질 수용액(415)에 의해 차단되지 않아 수소를 외부로 제공하도록, 수소 방출구는 전해조(410)의 서로 대칭되는 지점에 위치한다.
본 발명의 수소 발생 장치는 후단에 도 1에 도시된 연료전지(100)가 연결될 수 있다. 수소 발생 장치와 연료전지(100)는 연료전지 발전 시스템을 구성하며, 연료전지(100)는 수소 발생 장치로부터 제공되는 수소를 연료극으로 공급받고, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 발생 장치는 오리엔테이션에 관계없이 일정한 양의 수소를 공급하는 것이 가능하다.
또한, 전해질 수용액의 이동과 함께 전극도 함께 이동하여 전극의 반응 면적이 달라지지 않는다.
또한, 전극과 전극 사이의 부산물을 그라인딩 제거하여 전해질 수용액 내의 이온의 이동도를 높임으로써 물의 이용 효율을 높일 수 있다.
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 (10)

  1. 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전자를 받아 수소를 발생시키고, 자유 이동이 가능한 제2 전극;
    상기 제1 전극와 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스페이서; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로의 전자 이동량을 제어하는 제어부를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서의 두께는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격 이하인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 평행하게 배열되며,
    상기 스페이서는 상기 전해조의 내벽 중 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 평행한 면 이외의 측면에 고정되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 전해조의 내벽 중 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 평행한 면 이외의 양 측면에 하나 이상씩 고정되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서의 제1 방향 길이는 상기 전해조의 상기 제1 방향 길이에서 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 상기 제1 방향 길이를 뺀 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제어부를 연결하는 전선을 더 포함하되,
    상기 전선은 플렉시블(flexible)한 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 제어부를 연결하는 전선을 더 포함하되,
    상기 전선은 플렉시블한 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해조는 상기 수소를 외부로 방출하는 둘 이상의 수소방출구를 포함하되,
    상기 수소방출구는 상기 전해조를 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전해조와 상기 수소 방출구 사이에 개재되며, 상기 수소방출구를 통한 상기 수소의 방출을 허용하고 상기 전해질 수용액의 방출은 차단하는 기액분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 수소 발생 장치로부터 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템.
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