KR100906446B1 - 수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치 - Google Patents

수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치 Download PDF

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Abstract

수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치가 개시된다. 일면이 개방된 반응기 내부에 탄성부재를 삽입하는 단계, 탄성부재 내부에 전선이 연결된 전극과, 전해질 수용액을 삽입하는 단계, 전선이 반응기 외부에 나타나도록, 관통홀이 형성된 덮개를 반응기의 개방된 일면에 커버하는 단계 및 반응기 외부에 나타나는 전선과 컨트롤유닛을 연결하는 단계를 포함하는 수소발생장치 제조방법은, 반응 후 잔존하는 반응기 내부물질을 간편하게 제거할 수 있으며 반응기를 따로 교체하지 않아도 되기 때문에 교체비용을 절약할 수 있고, 반응이 진행되어 내부물질이 줄어들게 됨에 따라 전해질 수용액의 수위를 높여 전극과 전해질 수용액의 반응 면적을 증가시킬 수 있다.
수소발생장치, 반응기, 탄성부재, 내부물질교체

Description

수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치{Method for manufacturing of hydrogen generating apparatus and hydrogen generating apparatus using the same}
본 발명은 수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치에 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 양극(anode)이고, 공기극(130)은 음극(cathode)이다. 연료극(110)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 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 수소발생장치를 필요로 한다.
수소발생장치로 일반적으로 알려져 있는 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피가 커지고, 보관에 위험이 따른다.
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 멤브레인(membrane)을 통한 크로스 오버(cross-over)에 의해 전력 밀도가 매우 낮아진다는 문제점이 있다.
이에 비해 전기화학반응(electrochemical reaction)을 이용한 수소발생장치를 이용하면, 순순한 수소를 실온에서 생성시킬 수 있다. 또한, 카트리지와 스택(stack) 만으로 간단하게 시스템을 구성할 수 있으며, 전류를 제어하는 방식으로 수소 생성량을 컨트롤(control) 함으로써 별도의 BOP 유닛 없이 원하는 수소 유량을 제어할 수 있다는 강점이 있다.
종래의 수소발생장치는 반응이 끝난 후, 다시 새로운 반응을 만들기 위해서 반응기를 교체해 주어야 했다. 즉, 마그네슘 전극이 모두 소모된 후에는 더 이상 반응이 진행되지 않기 때문에 새로운 반응을 진행하기 위해서는 반응기를 교체해야 한다.
초 소형 반응기일 경우, 반응기의 부피가 작고 제작하는데 들어가는 원가가 저렴하기 때문에, 반응기를 교체하는 비용에 있어서 문제가 되지 않을 수 있다. 그러나, 수십 W~수백 W 급에 해당하는 휴대용 전원 장치에서, 반응기 자체의 부피만으로도 수백 cc 에서 수십 L 단위가 되기 때문에 반응기의 교체 비용이 큰 부담으로 작용한다.
또한, 부산물인 Mg(OH)2가 잔존하고, 마그네슘(Mg) 전극, 스테인리스 스틸(S.S) 전극, 전해질 등이 모두 완전히 소모되지 않기 때문에 이것들을 처리하는 것이 문제가 되었다.
본 발명은 반응 후 잔존하는 반응기 내부물질을 간편하게 제거할 수 있으며,전극과 전해질 수용액의 반응 면적을 증가시킬 수 있는 수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 일면이 개방된 반응기 내부에 탄성부재를 삽입 하는 단계, 탄성부재 내부에 전선이 연결된 전극과, 전해질 수용액을 삽입하는 단계, 전선이 반응기 외부에 나타나도록, 관통홀이 형성된 덮개를 반응기의 개방된 일면에 커버하는 단계 및 반응기 외부에 나타나는 전선과 컨트롤유닛을 연결하는 단계를 포함하는 수소발생장치 제조방법이 제공된다.
탄성부재는 고무 및 비닐 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
덮개를 커버하는 단계는, 반응기의 개방부 둘레를 따라 형성된 홀에 고무링을 삽입하는 단계 및 덮개와 반응기 사이에 고무링을 개재시켜 덮개와 반응기를 고무링으로 씰링(sealing)하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 관통홀에 씰링제를 충전하여 반응기의 내부와 외부를 차단할 수 있다.
탄성부재 삽입하는 단계 이전에, 반응기 내부에 전극을 고정시키는 안착홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 일면이 개방된 반응기, 반응기의 개방된 일면을 커버하며, 관통홀이 형성되는 덮개, 반응기 내부에 삽입되어 덮개에 고정되며, 전해질 수용액을 수용하는 탄성부재 및 탄성부재 내부에 수용되고 관통홀을 관통하는 전선이 연결되는 전극을 포함하는 수소발생장치가 제공된다.
여기서, 반응기의 개방부 둘레를 따라 형성되는 홀에 삽입되며, 덮개와 반응기를 씰링하여 결합하는 고무링을 더 포함할 수 있다.
또한, 반응기의 내부와 외부를 차단하도록 관통홀에 충전되는 씰링제를 더 포함할 수 있다.
또한, 반응기의 내부에는 안착홈이 형성되며, 전극은 안착홈에 안착될 수 있 고, 탄성부재는 고무 및 비닐 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 수소발생장치 제조방법 및 그것을 이용한 수소발생장치는 반응 후 잔존하는 반응기 내부물질을 간편하게 제거할 수 있으며 반응기를 따로 교체하지 않아도 되기 때문에 교체비용을 절약할 수 있고, 반응이 진행되어 내부물질이 줄어들게 됨에 따른 탄성부재의 수축작용으로 인하여, 전해질 수용액의 수위를 높일 수 있기 때문에, 전극과 전해질 수용액의 반응 면적을 증가시킬 수 있다.
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 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.
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.
고분자형 연료전지(PEMFC)의 수소 발생에 이용되는 방법은 알루미늄의 산화반응, 금속 보로하이드라드계의 가수분해 및 금속 전극체 반응으로 나뉘어 질 수 있으며 그 중 수소 발생을 효율적으로 조절하는 방법으로는 금속 전극체를 이용한 방법이 있다. 도 2는 금속 전극체를 이용한 수소발생장치를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이, 애노드(anode) 전극(220)인 마그네슘과 캐소드(cathode) 전극(230)인 스테인리스 스틸(stainless steel)이 전해조(210)의 전해수용액(215)에 담겨있다.
수소발생장치(200)의 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.
상술한 수소발생장치(200)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 2와 같다.
애노드 전극(220) : Mg → Mg2 + + 2e-
캐소드 전극(230) : 2H2O + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응 : Mg + 2H2O → Mg2 + + H2 + 2(OH)-
이는 주로 마그네슘의 전극(220)이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 도선을 통하여 다른 금속체에 연결하여 (예, 알루미늄 혹은 스테인레스 스틸) 물의 분해 반응으로 수소를 발생 시키는 방법으로, 연결된 도선의 단락으로부터 사용되는 전극체간의 간격 및 크기에 관계되어서 수소의 발생을 온-디멘드(On-demand)로 조절 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 제조방법의 단면도이다. 도 4 내지 도 7을 참조하면, 반응기(300), 안착홈(301), 탄성부재(302), 제1 전극(304), 제2 전극(306), 전선(308), 전해질 수용액(310), 덮개(312), 고무링(314) 및 컨트롤유닛(316)이 도시되어 있다.
본 발명은 수소발생장치에서 반응이 종료된 후, 반응기에 남아있는 불순물과 내부물질을 간편하게 제거할 수 있으며, 반응기를 따로 교체하지 않아도 됨에 따라 반응기 교체비용을 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(304)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(306)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
먼저, 반응기(300) 내부에 전극(304,306)을 고정시키는 안착홈(301)을 형성한다(S10). 안착홈(301)은 전극(304,306)을 고정시키기 위한 하나의 수단으로서, 전극(304,306)을 고정시키기 위한 여러가지 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 일면이 개방된 반응기(300) 내부에 탄성부재(302)를 삽입한다(S20). 반응기(300) 내부에는 후술할 전극(304,306)이 삽입되고, 전해질 수용액(310)을 담을 수 있다. 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)이 반응기(300) 내부에 삽입되기 이전에, 고무 또는 비닐의 물질로 이루어지는 탄성부재(302)가 반응기(300) 내부에 삽입된다.
탄성부재(302)는 탄성을 가지고 있기 때문에, 탄성부재(302) 내에 전극(304,306)이나 전해질 수용액(310)이 삽입되면 탄성부재(302)가 반응기(300) 형태로 늘어나게 된다. 상기와 같은 것이 도 5에 나타나 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성부재(302) 내부에 전선(308)이 연결된 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)을 삽입한다(S30).
이때, 탄성부재(302) 내부에 내부물질을 삽입하고, 반응을 진행시킴에 따라 연료가 소모되면서 내부물질이 줄어들게 된다. 내부물질이 줄어들면 내부물질을 수용하는 탄성부재(302) 또한 수축할 수 있다. 따라서, 탄성부재(302)의 수축작용에 따라 탄성부재(302) 내부에 수용된 전해질 수용액(310)의 수위를 높일 수 있고, 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)의 반응 면적을 증가시킬 수 있어 수소발생의 효율을 높일 수 있다.
여기서, 전극(304,306)은 반응기(300) 내부에 고정되는데, 본 실시예에서는 반응기(300) 내부에 형성되는 안착홈(301)에 의해서 반응기(300) 내부에 전극(304,306)을 고정시킬 수 있다. 반응기(300) 내부에서 전극(304,306)을 고정시키는 방법은 당업자가 알 수 있는 다양한 방법을 사용할 수 있다.
전해질 수용액(310)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소발생장치는 전해질 수용액(310)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있다. 전해질 수용액(310)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
또한, 반응기(300) 내부에 제1 전극(304)과 제2 전극(306)을 도시된 바와 같이 고정하여 반응을 진행시킬 수 있다.
여기서, 제1 전극(304)은 활성 전극이다. 제1 전극(304)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.
또한, 제2 전극(306)은 비활성 전극으로서 제1 전극(304)과 달리 소모되지 않기 때문에 제1 전극(304)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 보다 상세하게, 제2 전극(306)에서의 화학반응을 살펴보면, 제2 전극(306)에서는 물이 제1 전극(304)으 로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, 전선(308)이 반응기(300) 외부에 나타나도록, 관통홀이 형성된 덮개(312)를 반응기(300)의 개방된 일면에 커버한다(S40). 반응기(300) 내부에 형성되는 탄성부재(302)는 전해질 수용액(310)의 양에 따라 탄성적으로 늘어날 수 있다. 또한, 반응기(300)에 덮개(312)를 씌었을 때, 반응기(300) 내부에 형성되는 덮개(312) 안쪽 면에 탄성부재(302)를 고정시킬 수 있다.
이때, 덮개(312)와 반응기(300)는 원터치 방식으로 간편하게 결합될 수 있다. 따라서, 반응기(300)와 덮개(312)를 손쉽게 결합하고 분리할 수 있다.
또한, 덮개(312)와 반응기(300)가 결합할 때, 덮개(312)와 반응기(300)를 고무링(314)을 이용하여 결합할 수 있다. 즉, 반응기(300)의 개방부 둘레를 따라 형성되는 홀에 고무링(314)을 삽입하고(S42), 덮개(312)와 반응기(300) 사이에 고무링(314)을 개재시켜 덮개(312)와 반응기(300)를 씰링한다(S422). 따라서, 반응기(300)와 덮개(312)를 단단하게 고정시킬 수 있다.
또한, 반응기(300)에 덮개(312)를 씌울 때, 덮개(312) 외부로 전선(308)이 나오도록 덮개(312)에 관통홀을 형성하고, 전선(308)이 통과되는 관통홀에 씰링제를 도포하여 반응기(300)의 내부와 외부를 차단하도록 한다(S44). 전선(308)이 통과되는 관통홀을 씰링함으로써 반응기(300)에서 발생되는 수소의 유출을 막을 수 있다.
씰링제의 물질은 탄성부재(302)의 물질과 동일한 고무나 비닐을 사용할 수 있고, 그 밖에 관통홀을 메울 수 있는 접착물질을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 반응기(300) 외부에 나타나는 전선(308)과 컨트롤유닛(316)을 연결한다(S50). 컨트롤유닛(316)에 의하여 발생되는 수소의 양을 조절할 수 있다.
상기와 같이, 반응기(300)에 탄성부재(302)를 삽입하고, 탄성부재(302) 내부에 전선(308)이 연결된 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)을 포함하는 내부물질을 형성하였다. 반응기(300)에서 탄성부재(302)와 내부물질을 제거하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 컨트롤유닛(316)과 연결되는 전선(308)을 절단하고, 반응기(300)에서 덮개(312)를 연 후, 탄성부재(302)와 덮개(312) 사이의 고정부분을 제거한 뒤, 전선(308)이 연결된 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)이 포함되어 있는 탄성부재(302)를 제거한다. 이로써, 반응기(300)를 제외하고 반응 부산물, 소모되고 남은 전극 및 전해질 수용액을 한꺼번에 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 반응기(300), 안착홈(301), 탄성부재(302), 제1 전극(304), 제2 전극(306), 전선(308), 전해질 수용액(310), 덮개(312), 고무링(314) 및 컨트롤유닛(316)이 도시되어 있다.
반응기(300)는 내부에 탄성부재(302)를 담고 있다.
탄성부재(302)는 반응기(300) 내부에 삽입되고, 탄성부재(302) 내부에 제1 전극(304)과 제2 전극(306)을 포함하는 전극, 전해질 수용액(310)을 포함한다. 탄 성부재(302)는 고무 및 비닐 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 탄성부재(302) 내부에 전해질 수용액(310)이 유입되면, 탄성부재(302)는 반응기(300)의 형태로 그 모양이 변할 수 있다.
반응기(300) 내부에 형성되는 탄성부재(302)는 전해질 수용액(310)의 양에 따라 탄성적으로 늘어날 수 있다. 또한, 반응기(300)에 덮개(312)를 씌었을 때, 반응기(300) 내부에 형성되는 덮개(312) 안쪽 면에 탄성부재(302)를 고정시킬 수 있다.
또한, 탄성부재(302) 내부에 내부물질을 삽입하고, 반응을 진행시킴에 따라 연료가 소모되면서 내부물질이 줄어들게 된다. 내부물질이 줄어들면 내부물질을 수용하는 탄성부재(302) 또한 수축할 수 있다. 따라서, 탄성부재(302)의 수축작용에 따라 탄성부재(302) 내부에 수용된 전해질 수용액(310)의 수위를 높일 수 있고, 전극(304,306)과 전해질 수용액(310)의 반응 면적을 증가시킬 수 있어 수소발생의 효율을 높일 수 있다.
전극(304,306)은 제1 전극(304)과 제2 전극(306)으로 나눌 수 있으며, 전자의 이동 통로인 전선(308)과 연결된다.
전해질 수용액(310)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소발생장치는 전해질 수용액(310)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있다. 전해질 수용액(310)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
제1 전극(304)은 반응기(300) 내부의 일면에 형성되며 전자를 발생시킨다. 제1 전극(304)은 활성 전극이다. 제1 전극(304)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 전선(308)을 통하여 컨트롤유닛(316)으로 이동하며 전선(308)을 통해 제2 전극(306)으로 이동하게 될 수 있다. 따라서, 제1 전극(304)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 제1 전극(304)은 제2 전극(306)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
제2 전극(306)은 제1 전극(304)과 인접하게 형성될 수 있으며, 전자와 전해질 수용액(310)을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다. 제2 전극(306)은 비활성 전극이다. 제2 전극(306)은 제1 전극(304)의 마그네슘에서 발생되는 전자를 받아, 전해질 수용액(310)과 함께 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 제2 전극(306)은 비활성 전극으로서 제1 전극(304)과 달리 소모되지 않기 때문에 제1 전극(304)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다.
보다 상세하게, 제2 전극(306)에서의 화학반응을 살펴보면, 제2 전극(306)에서는 물이 제1 전극(304)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식을 하기의 화학식 3과 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(304) 및/또는 제2 전극(306)의 전극 면적, 전해질 수용액(310)의 농도, 전해질 수용액(310)의 종류, 제1 전극(304) 및/또는 제2 전극(306)의 개수, 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이의 연결 방법, 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이의 전기적 저항 등이 있다.
상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 3과 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(306)에서 발생되는 수소의 양도 변화하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이에 흐르는 전류의 양을 조절하여 생성되는 수소의 양을 조절하는 것이 가능하게 된다. 이는 하기의 수학식 1에서 나타낸 것과 같이 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 원리적으로 설명될 수 있다.
Figure 112007068913132-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 3을 참조하면, 제2 전극(306)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 수소발생장치는 제1 전극(304)과 제2 전극(306)에 흐르는 전류의 양을 조절하면 후단에 연결되는 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(304)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(306)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(304)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
컨트롤유닛(316)은 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(304)에서 생성된 전자를 제2 전극(306)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.
컨트롤유닛(316)은 연료전지에 의해서 요구되는 전력량 또는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 제1 전극(304)에서 제2 전극(306)으로 흐르는 전자의 양을 증가시키고, 그 요구되는 값이 작으면 제1 전극(304)에서 제2 전극(306)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킨다.
예를 들어, 컨트롤유닛(316)은 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이에 흐르는 전류량을 조절하거나 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 제1 전극(304)과 제2 전극(306) 사이에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
덮개(312)는 반응기(300) 외부로 전선(308)이 나오도록 반응기(300)와 결합한다. 반응기(300) 외부로 전선(308)이 나오기 위해서 덮개(312)에 전선(308)이 통과하는 관통홀을 형성할 수 있다. 이때, 반응기(300) 내부에서 발생되는 수소가 관통홀을 통해 유출되는 것을 방지하기 위하여, 관통홀에 씰링제를 도포한다. 따라 서, 반응기 내부와 외부를 차단시킬 수 있다.
또한, 덮개(312)는 반응기(300)와 원터치 방식으로 결합되어, 덮개(312)와 반응기(300)의 결합과 분리를 간편하게 구현할 수 있다.
또한, 덮개(312)가 반응기(300)와 결합할 때, 반응기(300)의 개방부 둘레를 따라 형성되는 홀에 고무링(314)을 삽입하고, 덮개(312)와 반응기(300) 사이에 고무링(314)을 개재시켜 덮개(312)와 반응기(300)를 씰링할 수 있다. 이로써, 덮개(312)와 반응기(300)의 결합을 단단히 고정시킬 수 있고, 반응기(300) 내에서 발생되는 수소의 유출을 방지할 수 있다.
상술한 수소발생장치에서 생성된 수소를 공급받고, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템을 제공함은 물론이다.
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.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면.
도 2는 수소발생장치를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 제조방법을 나타낸 순서도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 제조방법의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300 : 반응기 301 : 안착홈
302 : 탄성부재 304 : 제1 전극
306 : 제2 전극 308 : 전선
310 : 전해질 수용액 312 : 덮개
314 : 고무링 316 : 컨트롤유닛

Claims (10)

  1. 일면이 개방된 반응기 내부에 탄성부재를 삽입하는 단계;
    상기 탄성부재 내부에 전선이 연결된 전극과, 전해질 수용액을 삽입하는 단계;
    상기 전선이 상기 반응기 외부에 나타나도록, 관통홀이 형성된 덮개를 상기 반응기의 개방된 일면에 커버하는 단계; 및
    상기 반응기 외부에 나타나는 상기 전선과 컨트롤유닛을 연결하는 단계를 포함하는 수소발생장치 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부재는 고무 및 비닐 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소발생장치 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 덮개를 커버하는 단계는,
    상기 반응기의 개방부 둘레를 따라 형성된 홀에 고무링을 삽입하는 단계; 및
    상기 덮개와 상기 반응기 사이에 상기 고무링을 개재시켜 상기 덮개와 상기 반응기를 고무링으로 씰링(sealing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀에 씰링제를 충전하여 상기 반응기의 내부와 외부를 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    탄성부재 삽입하는 단계 이전에,
    상기 반응기 내부에 상기 전극을 고정시키는 안착홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치 제조방법.
  6. 일면이 개방된 반응기;
    상기 반응기의 개방된 일면을 커버하며, 관통홀이 형성되는 덮개;
    상기 반응기 내부에 삽입되어 상기 덮개에 고정되며, 전해질 수용액을 수용하는 탄성부재; 및
    상기 탄성부재 내부에 수용되고 상기 관통홀을 관통하는 전선이 연결되는 전 극을 포함하는 수소발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응기의 개방부 둘레를 따라 형성되는 홀에 삽입되며, 상기 덮개와 상기 반응기를 씰링하여 결합하는 고무링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 반응기의 내부와 외부를 차단하도록 상기 관통홀에 충전되는 씰링제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 반응기의 내부에는 안착홈이 형성되며,
    상기 전극은 상기 안착홈에 안착되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 탄성부재는 고무 및 비닐 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
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