KR100878401B1 - 수소발생장치 및 이를 갖는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

수소발생장치 및 이를 갖는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 일정량의 물이 채워진 탱크 ; 상기 탱크로부터 공급되는 물과의 1차 반응에 의해서 알루미나와 수소를 발생시키는 알루미늄 분말을 포함하는 제1 반응조 ; 상기 제1 반응조로부터 공급되는 알루미나와의 2차 반응에 의해서 소듐 알루미네이트와 물을 발생시키는 알칼리 용액을 포함하는 제2 반응조 ; 및 상기 제2 반응조의 알칼리용액을 상기 제1 반응조로 순환시키는 순환부 ; 를 포함한다.
본 발명에 의하면, 저농도의 가성소다를 이용하여 수소를 용이하게 발생시키고, 발생된 수소를 용이하게 저장하며 제조비용을 절감할 수 있고 취급 및 사용상 편리하며, 일산화탄소나 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 상온에서 수소를 안정적으로 발생시킬 수 있다.
수소, 연료전지, 알루미늄, 가성소다, 알칼리용액, 반응조, 탱크,펌프

Description

수소발생장치 및 이를 갖는 연료전지{HYDROGEN GENERATOR AND FUEL CELL HAVING THE SAME}
본 발명은 수소를 발생시키는 장치와 이를 갖는 연료전지에 관한 것으로 보다 상세히는 저농도의 가성소다를 이용하여 수소를 용이하게 발생시키고, 발생된 수소를 용이하게 저장하며 제조비용을 절감할 수 있고 취급 및 사용상 편리하며, 일산화탄소나 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 상온에서 수소를 안정적으로 발생시킬 수 있는 수소발생장치 및 이를 갖는 연료전지에 관한 것이다.
최근 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트 북 PC 등 휴대용 소형 전자기기의 사용이 증가하고 있으며, 특히 휴대폰용 DMB 방송이 시작되면서 휴대용 소형 단말기에서 전원 성능의 향상이 요구되고 있는 실정이다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 리튬 이온 2차 전지는 그 용량이 DMB 방송을 2시간정도 시청할 수 있는 수준이며, 성능 향상이 진행되고 있기는 하지만, 보다 근본적인 해결방안으로서 소형 연료전지에 대한 기대가 커지고 있다.
이러한 소형 연료전지를 구현할 수 있는 방식으로서는 연료극에 메탄올을 직접 공급하는 직접 메탄올(Direct Methanol)방식과, 메탄올로부터 수소를 추출하여 연료극에 주입하는 RHFC(Reformed Hydrogen Fuel Cell) 방식이 알려져 있으며, 상기 RHFC 방식은 PEM(Polymer Electrode Membrane) 방식과 같이 수소를 연료로 사용하므로 고출력화, 단위 체적당 구현 가능한 전력용량, 그리고 물 이외의 반응물이 없는 점에서 장점이 있으나 시스템에 별도의 개질기(Reformer)가 추가되어야 하므로 소형화에 불리한 단점을 가지고 있다.
이와 같이 연료 전지가 높은 전원 출력밀도를 얻기 위해서는 액체연료를 수소와 같은 기체연료로 만들어주기 위한 개질기(Reformer)가 필수적으로 채용되어야 하며, 이러한 개질기는 메탄올 수용액을 기화시키는 증발부와, 250℃ 내지 350℃ 의 온도에서 촉매반응을 통하여 연료인 메탄올을 수소로 전환시키는 개질부, 그리고 개질반응시 부가적으로 발생되는 부산물인 CO가스(또는 CO2가스)를 제거하는 CO 제거부(또는 CO2 제거부)를 포함하여 구성된다.
그러나, 상기 개질부에서의 개질반응은 반응시 250℃ 내지 350℃ 사이로 유지시키면서 이루어지는 흡열반응이며, 상기 CO 제거부에서는 반응시 170℃ 내지 200℃ 정도의 열이 발생되는 발열반응이기 때문에, 양호한 반응효율을 얻기 위해서는 구조가 복잡한 고온 시스템을 요구하게 되고, 이로 인하여 전체적인 연료전지의 장치구조가 복잡해지고 이를 제조하는데 소요되는 비용을 절감하는데 한계가 있었다.
또한, 개질반응시 발생되는 부산물인 CO가스 또는 CO2가스를 제거하기 위하여 별도의 제거부를 필수적으로 구비해야만 하기 때문에 전체부피를 줄이고 제조비 용을 절감하는데 한계가 있었다.
한편, 국제공개특허 WO 02/08118호에는 물이 일정량 채워지는 용기내에 가성소다와 알루미늄을 포함하는 연료카트리지를 배치함으로서 수산화 나트륨(NaOH)과 같은 고농도의 가성소다를 촉매로 하여 물과 알루미늄간의 가수분해반응에 의해서 하기 반응식 1 과 같이 알루미나(Al2O3)와 수소(H2)를 발생시키고, 상기 용기내에서 발생된 수소는 배관을 통하여 버너로 공급되어 버너의 연료로 사용하는 기술이 개시되어 있다.
2Al + H2O → Al2O3 + 3H2 (촉매 ; NaOH)
그러나, 이러한 공지기술은 취급하기 곤란한 가성소다를 고농도로 용기내에 투입해야만 하기 때문에 취급 및 사용이 번거롭고 인체에 해로운 문제점이 있었다.
또한, 용기가 수직한 상태에서 수평상태로 전환되면서 일정각도로 경사지는 경우, 상기 용기내에 채워진 물의 수위가 변화되고 이로 인하여 연료카트리지가 물로부터 일부 노출되면, 상기 반응식 1과 같은 반응에 의한 수소발생량이 현저히 줄어들거나 완전히 중단될 수 있기 때문에, 상기 연료카트리지가 용기내에 채워진 물의 수면아래에 항상 침지되는 상태를 유지하도록 상기 용기가 항상 수직한 상태를 유지해야만 하고, 이로 인하여 사용 및 취급상 번거로운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로써, 그 목적은 저농도의 가성소다를 이용하여 수소를 용이하게 발생시키고, 발생된 수소를 용이하게 저장하며 제조비용을 절감할 수 있고 일산화탄소나 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 상온에서 수소를 안정적으로 발생시킬 수 있는 수소발생장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상온에서 일산화탄소나 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 안정적으로 발생된 수소를 이용하여 전기를 발생시키고, 취급 및 사용이 편리한 연료전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 일정량의 물이 채워진 탱크 ; 상기 탱크로부터 공급되는 물과의 1차 반응에 의해서 알루미나와 수소를 발생시키는 알루미늄 분말을 포함하는 제1 반응조 ; 상기 제1 반응조로부터 공급되는 알루미나와의 2차 반응에 의해서 소듐 알루미네이트와 물을 발생시키는 알칼리 용액을 포함하는 제2 반응조 ; 및 상기 제2 반응조의 알칼리용액을 상기 제1 반응조로 순환시키는 순환부 ; 를 포함하는 수소발생장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 탱크는 길이중간에 마이크로 밸브를 구비하는 제1 배관을 매개로 상기 제1 반응조와 연결된다.
바람직하게, 상기 알루미늄 분말은 상기 제1 반응조의 내부공간에 고정설치 되는 분말수용부에 채워진다.
바람직하게, 상기 제1 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제 1 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제1 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제1 반응조내로 공급되는 물공급량을 제어한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제2 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제2 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제2 반응조내로 공급되는 가성소다의 투입량을 제어한다.
바람직하게, 상기 제1반응조와 제2반응조사이에는 상기 제1반응조에서 발생된 수소, 1차반응시 발생된 알루미나 및 수용액을 상기 제2반응조로 공급하는 제2배관을 구비한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조에는 고온의 수증기와 열교환되어 수증기를 응축시키는 응축수단을 추가하여 구비한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조는 수소를 배출시키는 배출배관을 구비하고, 상기 배출배관에는 가스만을 통과시키는 적어도 하나의 기액분리막을 구비한다.
바람직하게, 상기 순환부는 상기 제2 반응조로부터 연장되는 제3 배관과 연결되고, 상기 탱크와 제1 반응조사이를 연결하는 제1 배관에 장착되는 펌프로 구비된다.
더욱 바람직하게, 상기 제3 배관에는 알칼리용액의 공급량을 제어하는 마이크로 밸브를 구비한다.
바람직하게, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 알칼리 첨가제 는 0.5wt% NaOH 이다.
바람직하게, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 pH농도는 10 내지 11 이다.
또한, 본 발명은 일정량의 물이 채워진 탱크 ; 상기 탱크로부터 공급되는 물과의 1차 반응에 의해서 알루미나와 수소를 발생시키는 알루미늄 분말을 포함하는 제1 반응조 ; 상기 제1 반응조로부터 공급되는 알루미나와의 2차 반응에 의해서 소듐 알루미네이트와 물을 발생시키는 알칼리 용액을 포함하고, 상기 제1 반응조에서 발생된 수소가 공급되어 채워지는 제2 반응조 ; 상기 제2 반응조의 알칼리용액을 상기 제1 반응조로 순환시키는 순환부 ; 및 상기 제2 반응조로부터 수소를 공급받아 전기를 발생시키는 발전부;를 포함하는 연료전지를 제공한다.
바람직하게, 상기 탱크는 길이중간에 마이크로 밸브를 구비하는 제1 배관을 매개로 상기 제1 반응조와 연결된다.
바람직하게, 상기 알루미늄 분말은 상기 제1 반응조의 내부공간에 고정설치되는 분말수용부에 채워진다.
바람직하게, 상기 제1 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제 1 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제1 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제1 반응조내로 공급되는 물공급량을 제어한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제2 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제2 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제2 반응조내로 공급되는 가성소다의 투입량을 제어한다.
바람직하게, 상기 제1반응조와 제2반응조사이에는 상기 제1반응조에서 발생된 수소, 1차반응시 발생된 알루미나 및 수용액을 상기 제2반응조로 공급하는 제2배관을 구비한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조에는 고온의 수증기와 열교환되어 수증기를 응축시키는 응축수단을 추가하여 구비한다.
바람직하게, 상기 제2 반응조는 수소를 배출시키는 배출배관을 구비하고, 상기 배출배관에는 가스만을 통과시키는 적어도 하나의 기액분리막을 구비한다.
바람직하게, 상기 순환부는 상기 제2 반응조로부터 연장되는 제3 배관과 연결되고, 상기 탱크와 제1 반응조사이를 연결하는 제1 배관에 장착되는 펌프로 구비된다.
바람직하게, 상기 제3 배관에는 알칼리용액의 공급량을 제어하는 마이크로 밸브를 구비한다.
바람직하게, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 알칼리 첨가제는 0.5wt% NaOH 이다.
바람직하게, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 pH농도는 10 내지 11 이다.
바람직하게, 상기 발전부는 양전극과 음전극을 갖는 전해질막을 포함하고, 상기 양전극과 음전극사이로 상기 제2 반응조로부터 연장된 배출배관에서 배출되는 수소가 공급된다.
바람직하게, 상기 발전부에서 발생되는 물은 상기 탱크, 제1 반응조 및 제2 반응조중 어느 하나로 공급된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 일정크기의 내부에 나노입자크기를 갖는 알루미늄 분말이 채워진 분말 수용부를 내부공간에 구비하고 알칼리용액이 채워지는 제1 반응조와, 제1 반응조로부터 공급되는 용해된 알루미늄과 반응하는 알칼리용액이 채워지는 제2 반응조 및 제2 반응조내의 알칼리용액을 제1 반응조로 순환시키는 순환부를 갖춤으로서 알루미늄 분말과 알칼리용액간의 반응에 의해 상온에서 일산화탄소나 이산화탄소의 발생없이 수소를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에, 장치의 부피를 줄여 소형화를 도모하고, 취급 및 사용이 편리하여 휴대단말기, 전자수첩, PDA, PMP,MP3 플레이어, 네비게이션 등의 연료전지로 사용할 수 있는 것이다.
또한, 제1 반응조내에 분말 수용부를 카트리리 방식으로 장착하는 경우, 이를 간편하게 새로운 분말 수용부로 교체하게 되고, 탱크에 물을 재충전하고 제2 반응조에 알칼리용액을 재충전하게 되면, 반복적인 사용이 가능하게 되는 것이다.
이하,본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소발생장치 및 이를 포함하는 연료전지를 도시한 구성도로서, 본 발명의 수소발생장치(1)는 도시한 바와 같이, 탱크(10), 제1 반응조(20), 제2 반응조(30) 및 순환부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 탱크(10)는 일정량의 순수한 물이 채워지도록 일정크기의 내부공간을 갖는 수용부재이며, 이러한 탱크(10)는 제1배관(12)을 매개로 하여 상기 제1 반응조(20)와 연결되며, 상기 제1 배관(12)의 길이중간에는 상기 제1 반응조(20)측으로 공급되는 순수한 물의 공급량을 용이하게 제어할 수 있도록 마이크로 밸브(15)와 같은 유량조절수단을 구비한다.
이에 따라, 상기 탱크(10)내에 채워진 순수한 물은 상기 제1 반응조(20)내로 공급되고, 공급되는 물의 공급량은 상기 마이크로 밸브(15)의 개폐정도에 따라 조절된다.
상기 제1 반응조(20)는 상기 제1반응조(30)로부터 공급되는 물과의 1차 반응시 상기한 반응식 1에 의해서 알루미나(Al2O3)와 수소(H2)를 발생시킬 수 있도록 수소발생용 금속분말인 알루미늄 분말을 포함하는 일정크기의 반응용기이다.
상기 제1 반응조(20)내에 구비되는 알루미늄 분말은 1차 반응이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 제1 반응조(20)의 내부공간에 고정설치되는 분말수용부(24)의 채널내에 채워지게 된다.
이러한 분말수용부(24)는 도 2에 도시한 바와 같이, 보다 긴 유로를 형성하기 위해서 지그재그상으로 구비되어 수소발생용 분말이 채워지는 채널부(24a)와, 상기 채널부(24a)의 입구단과 출구단에 각각 구비되어 알칼리 수용액은 그대로 통과시키고 분말은 통과하지 못하도록 분말의 입도크기보다 작은 매쉬(mesh)크기를 갖는 필터(24b)로 구비된다.
이에 따라, 상기 분말수용부(24)의 입구단으로 공급된 알칼리 수용액은 상기 채널부(24a)에 수용된 수소발생용 금속분말인 알루미늄 분말과 반응되면서 수소를 발생시키고, 발생된 수소는 상기 필터(24b)를 통하여 분말수용부(24)의 외부로 배출되는 반면에, 상기 알루미늄 분말의 입도크기는 상기 필터(24b)의 매쉬크기보다 크기 때문에 상기 채널부에 대부분 잔류하게 된다.
그리고, 도 4는 서로 다른 입자크기를 갖는 금속분말의 시간대비 수소발생량의 변화를 나타내는 그래프로서, 200 내지 300㎛ 입도크기를 갖는 알루미늄 금속분말(A)이 반응초기에 해당하는 구간에서 800㎛ 내지 1.0㎜의 입도크기를 갖는 알루미늄 금속분말(B)에 비하여 분당 수소발생량이 많으면서 반응속도도 빨라짐을 알수 있다. 이때, 금속분말과 반응되는 알칼리 수용액은 0.5wt% 수산화나트륨 수용액이다.
이에 따라, 상기기 분말 수용부(24)내에 채워지는 알루미늄 분말의 입자가 작으면 작을수록 알칼리용액과의 반응면적이 상대적으로 넓어져서 수소발생량이 많고 반응속도가 빨라지는 것이며, 이러한 알루미늄 분말의 입자크기를 적절히 조절함으로서 상기 반응식 1에 의해 상기 제1 반응조(20)의 내부에서 발생되는 수소의 발생량을 적절히 제어할 수 있다.
상기 제1 반응조(20)는 제2 배관(22)을 매개로 하여 제2 반응조(30)와 연결됨으로서 상기 제1 반응조(20)에서 알칼리용액과 알루미늄간의 1차 반응에 의해서 발생되는 수소는 상기 제2 배관(22)을 통하여 상기 제2 반응조(30)내로 공급된다.
한편, 상기 제1 반응조(20)에서의 1차 반응은 80 내지 90℃ 의 발열반응으로 이루어지기 때문에 상기 제1 반응조(20)내부에 발생되는 수증기는 상기 제2배 관(22)과 배관(38)을 통하여 연료전지 스택(50으로 공급된다.
그리고, 상기 제1 반응조(20)에서의 1차 반응시 수소와 더불어 발생되는 부산물인 알루미나와 알루미늄 분말의 일부가 용해된 알칼리 용액은 상기 제2 배관(22)을 통하여 제2 반응조(30)내로 공급된다.
상기 제2 반응조(30)는 저농도의 가성소다인 수산화나트륨과 물이 일정비율로 혼합된 알칼리용액이 채워지도록 일정크기의 내부공간을 갖는 반응용기이다.
여기서, 상기 제1 반응조(20)와 제2 반응조(30)는 알루미늄과 같이 열방열성이 우수한 금속소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 제2 반응조(30)에서는 상기 제1 반응조(20)로부터 일부의 알루미늄 분말과 더불어 배출되어 공급되는 알루미나가 하기 반응식 2에 의해서 알칼리용액과 촉매반응하여 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate)(NaAlO2)과 물(H2O)을 발생시키는 2차 반응이 이루어진다.
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
이와 동시에 제2 반응조(30)에서는 상기 제1 반응조(20)로부터 알루미나와 더불어 배출되어 공급되는 일부의 알루미늄 분말이 상기 반응식 1에 의해 물과 가수분해반응하여 1차 반응과 마찬가지로 알루미나와 수소를 발생시킨다. 이때, 상기 제2 반응조(30)에서 발생되는 수소발생량은 상기 제1 반응조(20)에 비하여 상대적으로 미약하다.
이러한 알칼리 용액에 의한 촉매반응은 제2 반응조(30)의 알칼리용액이 상기 제1 반응조(20)내로 공급됨으로서 상기 제1,2 반응조(20,30)에서 동시에 발생된다.
즉, 상기 제1,2 반응조(20)에서의 1,2차 반응시 발생되는 알루미나는 소듐 알루미네이트(Sodium aluminate)(NaAlO2)와 물(H2O)로 전환됨으로서 상기 제1,2 반응조(20,30)에서 알루미나가 물과 알루미늄간의 반응율을 저하시키는 것을 방지할 수 있기 때문에 수소발생을 보다 안정적이고 일정하게 유지할 수 있는 것이다.
이때, 상기 제1,2 반응조(20, 30)에서 반응되는 알칼리 용액에 알칼리 첨가제가 0.5wt% NaOH 이며, 알칼리 용액의 pH농도는 상기한 촉매반응이 원활하게 이루어질 수 있도록 10 내지 11로 유지하는 것이 바람직하다.
즉, 알칼리 용액의 pH농도가 11이상이면 그 자체로 인체에 유해하여 취급이 곤란함과 동시에 반응이 급격히 일어나기 때문에 장시간 동안 일정한 수소발생이 어려우며, 급격한 부피팽창으로 인하여 압력이 상승하고, 이로 인하여 반응조가 파손될 우려가 있다.
그리고, 상기 제1,2 반응조(20)(30)는 촉매반응에 적절한 pH농도를 검출할 수 있도록 제1,2 pH농도 측정기(41,42)를 각각 추가하여 구비하는 것이 바람직하며, 상기 제1,2 pH농도 측정기(41,42)에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제1 반응조(20)내로 공급되는 물공급량을 제어하고, 상기 제1 반응조(20)내로 공급되는 가성소다의 투입량을 제어한다.
여기서, 상기 제1 반응조(20)내로 공급되는 물공급량을 제어하는 방법으로는 상기 탱크(10)와 제1 반응조(20)사이에 구비되는 제1배관(12)에 구비되는 마이크로 밸브(15)의 개폐정도에 의해서 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 반응조(30)에는 상기 제1,2 반응조(20,30)에서 발생되어 제2 반응조(30)에 저장된 수소를 배출시키는 배출배관(38)을 구비하고, 상기 배출배관(38)에는 액체는 차단하고 가스만을 통과시키는 기액분리막(37)을 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기액분리막(37)은 테프론 계열의 고어텍스(GORETEX) 또는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리비닐디플루오라이드(PVDF) 또는 테드라플로오르에틸렌-페르폴루오트 알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 또는 폴리설폰 계열의 폴리머 및 이들의 혼합물로 제작할 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 반응조(30)내에 잔류하는 수증기는 상기 기액분리막(37)에 의해서 완전히 차단됨으로서 수증기가 배출배관(38)을 통하여 수소와 더불어 배출되거나 상기 배출배관(38)에 연결되는 발전부(50)측으로 공급되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
상기 순환부(40)는 상기 제2 반응조(30)에 잔류하는 알칼리용액을 상기 제1 반응조(20)로 강제 순환시키는 펌프로 구비되며, 이러한 펌프는 상기 제2 반응조(30)으로부터 연장되는 제3 배관(32)과 연결되는 제1배관(12)에서 상기 탱크(10)와 제1 반응조(20)사이에 구비된다.
여기서, 상기 제3 배관(32)에는 알칼리용액의 공급량을 제어할 수 있도록 마이크로 밸브(35)를 구비한다.
이에 따라, 상기 순환부(40)의 작동시 상기 제2 반응조(30)내의 알칼리용액은 펌프의 펌핑력에 의해서 상기 제1 반응조(20)내로 공급되고, 공급되는 알칼리용액은 상기 마이크로 밸브(35)의 개페정도에 의해서 적절히 조절된다.
상기 수소발생장치(1)를 포함하여 구성되는 연료전지(100)는 상기한 구성을 갖는 수소발생장치(1)의 제2 반응조(30)로부터 배출되는 수소를 공급받아 전기를 발생시키는 발전부(50)를 상기 제2 반응조(30)와 연결함으로서 구성하게 된다.
상기 발전부(50)는 도 3에 도시한 바와 같이, 하나의 단위셀 또는 복수의 단위셀을 다층으로 적층한 스택형태로 이루어질 수 있는데, 단위셀 형태를 예로들어 설명하면 전해질 막(51a)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(51b)과 음극(51c)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(51)와, 상기 막-전극 접합체(51)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(51b)과 음극(51c)에서 연료가스인 수소가 흐르는 유로(52b) 및 산소를 포함하는 공기가 흐르는 통로(53b)를 형성하는 양극, 음극용 분리판(SEPARATOR)(52)(53)과, 상기 분리판(52)(53)과 막-전극접합체(51)사이에 각각 배치되어 양극(51b)과 음극(51c)의 집전극이 되는 양극, 음극용 집전판(54)(55)으로 구성되어 있다.
그리고, 상기 양극 분리판(52)에는 상기 제2반응조(30)에 연결된 배출배관(38)과 연통연결되는 수소 유입공(52a)을 구비하며, 상기 수소유입공(52a)은 상기 양극분리판(52)에 형성된 유로(52b)와 연결된다.
상기 양극, 음극용 집전판(54)(55)에는 상기 양극, 음극용 분리판(52)(53)에 형성된 유로(52b)와 통로(53b)에 대응하는 영역에 각각 동일형상의 유로(54a)와 통 로(55a)를 각각 구비한다.
따라서, 상기 수소발생장치(1)에서 발생되어 제2반응조(30)의 배출배관(38)을 통하여 배출되는 수소는 상기 양극 분리판(52)의 수소 유입공(52a)을 통하여 양극으로 공급되고, 산소를 포함하는 공기는 음극 분리판(53)의 통로(53b)를 통하여 음극으로 공급되도록 한다.
상기와 같이 발전부(50)내로 공급되는 수소와 공기는 고분자전해질막을 사이에 두고 흐르며 양극에서는 하기 반응식 3과 같이 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 하기 반응식 4와 같이, 산소의 전기화학적 환원이 일어나게 된다.
이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되며, 발생된 전기는 양극, 음극용 집전판(54)(55)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.
양(Anode) 전극 반응 : H2 -> 2H+ + 2e-
음(Cathode) 전극 반응 : (1/2)O2 + 2H+ + 2e- --> H2O
전체 반응 : H2 + (1/2)O2 --> H2O
그리고, 상기 반응식 5에 의해 발전부(50)에서 발생된 물은 상기 탱크(10), 제1 반응조(20) 및 제2 반응조(30)중 어느 하나로 선택적으로 공급되어 재사용된다.
본 발명은 특정한 실시예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소발생장치 및 이를 포함하는 연료전지를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소발생장치에 채용되는 분말수용부를 도시한 상세도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수소발생장치에 채용되는 발전부를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 서로 다른 입자크기를 갖는 금속분말의 시간대비 수소발생량의 변화를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분의 부호의 설명 *
10 : 탱크 12 : 제1 배관
15,35 : 마이크로 밸브 20 : 제1 반응조
22 : 제2 배관 24 : 분말 수용부
30 : 제2 반응조 32 : 제 3 배관
40 : 순환부 50 : 발전부

Claims (26)

  1. 일정량의 물이 채워진 탱크 ;
    상기 탱크로부터 공급되는 물과의 1차 반응에 의해서 알루미나와 수소를 발생시키는 알루미늄 분말을 포함하는 제1 반응조 ;
    상기 제1 반응조로부터 공급되는 알루미나와의 2차 반응에 의해서 소듐 알루미네이트와 물을 발생시키는 알칼리 용액을 포함하는 제2 반응조 ;
    상기 제2 반응조의 알칼리용액을 상기 제1 반응조로 순환시키는 순환부 ; 를 포함하는 수소발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탱크는 길이중간에 마이크로 밸브를 구비하는 제1 배관을 매개로 상기 제1 반응조와 연결됨을 특징으로 하는 수소발생장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 상기 제1 반응조의 내부공간에 고정설치되는 분말수용부에 채워짐을 특징으로 하는 수소발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제 1 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제1 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제1 반응조내로 공급되는 물공급량을 제어함을 특징으로 하는 수소발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제2 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제2 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제2 반응조내로 공급되는 가성소다의 투입량을 제어함을 특징으로 하는 수소발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1반응조와 제2반응조사이에는 상기 제1반응조에서 발생된 수소, 1차반응시 발생된 알루미나 및 수용액을 상기 제2반응조로 공급하는 제2배관을 구비함을 특징으로 하는 수소발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응조와 제2 반응조는 열방출성이 우수한 금속소재로 이루어짐을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 수소를 배출시키는 배출배관을 구비하고, 상기 배출배관에는 가스만을 통과시키는 적어도 하나의 기액분리막을 구비함을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 순환부는 상기 제2 반응조로부터 연장되는 제3 배관과 연결되고, 상기 탱크와 제1 반응조사이를 연결하는 제1 배관에 장착되는 펌프로 구비됨을 특징으로 하는 수소발생장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제3 배관에는 알칼리용액의 공급량을 제어하는 마이크로 밸브를 구비함을 특징으로 하는 수소발생장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 알칼리 첨가제는 0.5wt% NaOH 임을 특징으로 하는 수소발생장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 pH농도는 10 내지 11임을 특징으로 하는 수소발생장치.
  13. 일정량의 물이 채워진 탱크 ;
    상기 탱크로부터 공급되는 물과의 1차 반응에 의해서 알루미나와 수소를 발생시키는 알루미늄 분말을 포함하는 제1 반응조 ;
    상기 제1 반응조로부터 공급되는 알루미나와의 2차 반응에 의해서 소듐 알루미네이트와 물을 발생시키는 알칼리 용액을 포함하고, 상기 제1 반응조에서 발생된 수소가 공급되어 채워지는 제2 반응조 ;
    상기 제2 반응조의 알칼리용액을 상기 제1 반응조로 순환시키는 순환부 ; 및
    상기 제2 반응조로부터 수소를 공급받아 전기를 발생시키는 발전부;를 포함하는 연료전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 탱크는 길이중간에 마이크로 밸브를 구비하는 제1 배관을 매개로 상기 제1 반응조와 연결됨을 특징으로 하는 연료전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 상기 제1 반응조의 내부공간에 고정설치되는 분말수용부에 채워짐을 특징으로 하는 연료전지.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제 1 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제1 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제1 반응조내로 공급되는 물공급량을 제어함을 특징으로 하는 연료전지.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제2 반응조는 알칼리 수용액의 pH농도를 검출하는 제2 pH농도 측정기를 구비하고, 상기 제2 pH농도 측정기에서 검출되는 pH농도를 근거로 하여 상기 제2 반응조내로 공급되는 가성소다의 투입량을 제어함을 특징으로 하는 연료전지.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제1반응조와 제2반응조사이에는 상기 제1반응조에서 발생된 수소, 1차반응시 발생된 알루미나 및 수용액을 상기 제2반응조로 공급하는 제2배관을 구비함을 특징으로 하는 연료전지.
  19. 제13항에 있어서, 상기 제2 반응조에는 고온의 수증기와 열교환되어 수증기를 응축시키는 응축수단을 추가하여 구비함을 특징으로 하는 연료전지.
  20. 제13항에 있어서, 상기 제2 반응조는 수소를 배출시키는 배출배관을 구비하고, 상기 배출배관에는 가스만을 통과시키는 적어도 하나의 기액분리막을 구비함을 특징으로 하는 연료전지.
  21. 제13항에 있어서, 상기 순환부는 상기 제2 반응조로부터 연장되는 제3 배관과 연결되고, 상기 탱크와 제1 반응조사이를 연결하는 제1 배관에 장착되는 펌프로 구비됨을 특징으로 하는 연료전지.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제3 배관에는 알칼리용액의 공급량을 제어하는 마이크로 밸브를 구비함을 특징으로 하는 연료전지.
  23. 제13항에 있어서, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 알칼리 첨가제는 0.5wt% NaOH 임을 특징으로 하는 연료전지.
  24. 제13항에 있어서, 상기 제1,2 반응조에서 반응되는 알칼리 용액의 pH농도는 10 내지 11임을 특징으로 하는 연료전지.
  25. 제13항에 있어서, 상기 발전부는 양전극과 음전극을 갖는 전해질막을 포함하고, 상기 양전극과 음전극사이로 상기 제2 반응조로부터 연장된 배출배관에서 배출되는 수소가 공급됨을 특징으로 하는 연료전지.
  26. 제13항에 있어서, 상기 발전부에서 발생되는 물은 상기 탱크, 제1 반응조 및 제2 반응조중 어느 하나로 공급됨을 특징으로 하는 연료전지.
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