KR100956683B1 - 수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한수소발생장치 - Google Patents

Abstract

수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한 수소발생장치가 개시된다. 전자를 발생시키는 제1 전극의 일측에 제1 단자층을 증착하는 단계, 제1 단자층에 전선의 일측을 접합하는 단계, 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극의 일측에 제2 단차층을 증착하는 단계 및 제2 단자층에 전선의 타측을 접합하는 단계를 포함하는 수소발생장치의 전극연결방법은, 전극간의 저항을 감소시킴으로써 수소의 유량을 증가시킬 수 있으며, 전극간의 간격을 최소화하여 수소발생장치의 부피를 줄일 수 있다.

수소발생장치, 전극, 전극고정, 단자층, 접착층

Description

수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한 수소발생장치{Method for connecting electrode of hydrogen generating apparatus and hydrogen generating apparatus using the same}

본 발명은 수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한 수소발생장치에 관한 것이다.

연료전지란 연료(수소, LNG, LPG, 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 이동한 다. 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 전 원 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 수소발생장치에서 전극과 전극사이의 연결방식은 클립을 이용했다. 즉,클립은 전선과 고정되어 전극과 컨트롤 유닛 혹은 전극과 전극 사이를 연결한다. 그러나 전극과 클립 사이의 접촉 저항이 크기 때문에 흐르는 전류의 양이 적어 지게 됨에 따라 수소 발생량이 줄어들게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 전극간의 저항을 감소시킴으로써 수소의 유량을 증가시킬 수 있으며, 전극간의 간격을 최소화하여 수소발생장치의 부피를 줄일 수 있는 수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한 수소발생장치를 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 전자를 발생시키는 제1 전극의 일측에 제1 단자층을 증착하는 단계, 제1 단자층에 전선의 일측을 접합하는 단계, 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극의 일측에 제2 단차층을 증착하는 단계 및 제2 단자층에 전선의 타측을 접합하는 단계를 포함하는 수소발생장치의 전극연결방법이 제공된다.

제1 단자층을 증착하는 단계는 스퍼터링(sputtering) 방식으로 수행될 수 있으며, 제1 단자층은 금(Au), 백금(Pt)등의 노블메탈(noble metal)로 이루어질 수 있고, 10 내지 10000nm의 두께로 증착될 수 있다.

여기서, 제1 단자층을 증착하는 단계 이전에, 제1 전극의 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크를 제1 전극에 적층할 수 있다.

또한, 제1 단자층을 증착하는 단계 이전에, 제1 전극의 일측에 제1 접착층을 증착할 수 있다.

이때, 제1 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(cr), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있으며, 1 내지 1000nm 의 두께로 증착될 수 있다.

여기서, 제2 단자층을 증착하는 단계 이전에, 제2 전극의 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크를 제2 전극에 적층할 수 있다.

또한, 제2 단자층을 증착하는 단계 이전에, 제2 단자층의 일측에 제2 접착층을 증착할 수 있다.

또한, 전선을 접합하는 단계는, 솔더링(soldering)방식으로 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질수용액을 수용하는 전해조, 전해조 내부에 수용되어 전자를 발생시키고, 일측에 제1 단자층이 형성되는 제1 전극, 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 전해조 내부에 수용되며, 전자와 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키고, 일측에 제2 단자층이 형성되는 제2 전극 및 일측은 제1 단자층에 솔더링되고, 타측은 제2 단자층에 솔더링되어, 전자를 이동시키는 전선을 포함하는 수소발생장치가 제공된다.

여기서, 제1 단자층과 제1 전극 사이에 개재되는 제1 접착층을 더 포함할 수 있다.

또한, 제2 단자층과 제2 전극 사이에 개재되는 제2 접착층을 더 포함할 수 있다.

제1 단자층은 금(Au), 백금(Pt)등의 노블메탈(noble metal)로 이루어질 수 있으며, 10 내지 10000nm의 두께로 형성될 수 있다.

또한, 제1 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(cr), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있으며, 1 내지 1000nm의 두께로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 수소발생장치의 전극연결방법 및 그것을 이용한 수소발생장치는 전극의 접촉저항을 감소시킴으로써 수소의 유량을 증가시킬 수 있으며, 박막증착으로 인한 전극간의 간격을 최소화하여 수소발생장치의 부피를 줄일 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 다르 게 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 전극제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조방법의 단면도이다. 도 4 내지 도 9를 참조하면, 제1 전극(300), 마스크(302), 제1 단자층(306) 및 제1 접착층(304)이 도시되어 있다.

본 발명은 전극에 박막의 단자층을 증착하고 솔더링 방식으로 전선을 접합함으로써 전극간의 연결을 구현함에 따라, 전극간의 저항을 감소시킬 수 있으며, 수소의 유량을 증가시킬 수 있고, 전극간의 간격을 최소화하여 수소발생장치의 부피를 줄일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(300)이 마그네 슘(Mg)으로, 제2 전극(400)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.

제1 전극(300)은 활성 전극이다. 제1 전극(300)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.

본 발명의 전극에 전선을 접합하기 위하여 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 전자를 발생시키는 제1 전극(300)을 준비하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 전자를 발생시키는 제1 전극(300)의 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크(302)를 제1 전극(300)에 적층한다(S10). 이때, 제1 전극(300)의 일측이라 함은 제1 전극(300)에서 전선이 접합되기 위하여 후술할 제1 단자층(306)과 제1 접합층(304)이 스터퍼링(sputtering)되는 영역을 의미하며, 그 영역의 모양과 크기는 한정되지 않는다.

다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 마스크(302)상에 제1 전극(300)이 노출되는 일측에 제1 접착층(304)을 증착한다(S20). 이때, 증착하는 방법은 스퍼터링(sputtering) 방식으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 증발증착법, 화학 기상 증착법(CVD)으로 박막증착 될 수 있음은 물론이다.

또한, 제1 접착층(304)은 티타늄(Ti), 크롬(cr), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 티타늄을 예로 하여 설명한다. 여기서 제1 접착층(304)의 역할은 제1 전극(300)과 후술할 제1 단자층(306) 사이에 개재되어 제1 전극(300)과 제1 단자층(306)의 접합을 원활히 한다.

즉, 마그네슘 기판(300)에 스퍼터링 방식을 이용하여 티타늄층(304)을 박막 증착 시킨다. 왜냐하면, 마그네슘 기판(300)에 바로 금 박막층(306)을 증착하기 어렵기 때문이다. 따라서, 티타늄층(304)을 마그네슘 기판(300)과 금 박막층(306) 사이에 개재시킴으로써, 티타늄층(304)으로 하여금 마그네슘 기판(300)과 금 박막층(306)의 접합을 원활히 할 수 있도록 한다.

또한, 제1 접합층(304)은 1 내지 1000nm 의 두께로 증착될 수 있다. 제1 접합층(304)이 1nm 미만의 두께로 증착될 경우, 제1 전극(300)과 제1 단자층(306)의 접합이 원활하지 못할 수 있으며, 제1 접합층(304)이 1000nm를 초과하는 두께로 증착될 경우, 제1 전극(300)에서 박막증착층을 구현하지 못하는 문제점을 발생시킨다.

다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극(300)의 제1 접합층(304)에 제1 단자층(306)을 증착시킨다(S30). 즉, 티타늄층(304)에 금 박막층(306)을 증착시킨다. 금 박막층(306)은 마그네슘 기판(300)에 전선(310)을 솔더링(soldering) 하였을 때 효과적으로 솔더링 될 수 있도록 한다.

여기서, 제1 단자층(306)은 금(Au), 백금(Pt)등의 노블메탈(noble metal) 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 10 내지 10000nm의 두께로 증착될 수 있다.

제1 단자층(306)의 두께가 10 미만일 경우, 전선의 접합이 용이하지 않는 문제점을 발생시킬 수 있으며, 제1 단자층(306)의 두께가 10000nm 이상일 경우, 제1 전극(300)에서 박막증착층을 구현하지 못하는 문제점을 발생시킨다.

다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 마스크(302)를 제거하고, 도 9에 도시 된 바와 같이, 제1 단자층(306)에 전선(310)의 일측을 솔더링 방식으로 접합하여 전선고정부분(308)을 형성한다(S40).

또한, 제1 전극(300)에서 형성되는 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극의 전선 고정방식은 제1 전극(300)과 마찬가지의 방법으로 수행될 수 있다.

따라서, 제2 전극의 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크를 제2 전극에 적층하고(S50), 제2 단자층의 일측에 제2 접합층을 증착시킨다(S60). 이때 증착되는 제2 접합층은 상술한 제1 전극(300)에 증착되는 제1 접합층(304)과 동일한 금속층이다. 따라서, 제2 전극에 증착되는 제2 접합층은 제1 전극(300)에 증착되는 제1 접착층(304)의 종류와 두께가 동일하다.

다음으로, 제2 전극의 제2 접합층에 제2 단자층을 증착시킨다(S70). 여기서 제2 단자층은 제1 전극(300)에 증착되는 제1 단자층(306)과 동일한 금속층이며, 그 종류와 두께가 동일하다.

마지막으로, 제2 단자층에 전선의 타측을 솔더링 방식으로 접합한다(S80). 제2 전극의 전선 솔더링 방식은 상술한 제1 전극(300)의 전선 솔더링 방식과 동일하다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 단면도이고, 도 11은 종래의 전극을 이용하여 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치에서 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프이다.

도 10을 참조하면, 제1 전극(300), 제1 단자층(306), 전선고정부분(308,408), 전선(310), 제2 전극(400), 제2 단자층(406), 수소발생장치(500), 컨트롤유닛(502), 전해조(504), 전해질수용액(506)이 도시되어 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 전자를 발생시키는 제1 전극(300)과 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극(400)에 각각 제1 단자층(306)과 제2 단자층(408)이 박막 으로 증착되고, 각각의 제1 단자층(306)과 제2 단자층(406)에 전선(310)을 솔더링 방식으로 접합하여 두 개의 전극이 연결되게 된다.

도 10에 도시된 제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 도 4 내지 도 9에 도시된 전극의 제조방법에 따라서 제조된 전극임은 물론이다.

전해조(504)는 내부에 전해질(electrolyte) 수용액(506)을 담고 있다. 전해질수용액(506)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소발생장치(500)는 전해질수용액(506)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있다.

전해질수용액(506)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO₃, NaNO₃, CaCl₂, MgCl₂, K₂SO₄, Na₂SO₄, MgSO₄, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.

제1 전극(300)은 전해조(504) 내부의 일면에 형성되며 전자를 발생시킨다. 제1 전극(300)은 활성 전극이다. 제1 전극(300)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(310)을 통하여 컨트롤 유닛(502)으로 이동하며 전선(310)을 통해 제2 전극(400)으로 이동하게 될 수 있다. 따라서, 제1 전극(300)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 제1 전극(300)은 제2 전극(400)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.

제2 전극(400)은 제1 전극(300)과 인접하게 형성될 수 있으며, 전자와 전해질수용액(506)을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다. 제2 전극(400)은 비활성 전극이다. 제2 전극(400)은 제1 전극(300)의 마그네슘에서 발생되는 전자를 받아, 전해질수용액(506)과 함께 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.

또한, 제2 전극(400)은 비활성 전극으로서 제1 전극(300)과 달리 소모되지 않기 때문에 제1 전극(300)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다.

보다 상세하게, 제2 전극(400)에서의 화학반응을 살펴보면, 제2 전극(400)에서는 물이 제1 전극(300)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 결정된 다. 반응 속도를 결정짓는 요소로는 제1 전극(300) 및/또는 제2 전극(400)의 전극 면적, 전해질수용액(506)의 농도, 전해질수용액(506)의 종류, 제1 전극(300) 및/또는 제2 전극(400)의 개수, 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 연결 방법, 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 전기적 저항 등이 있다.

상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 3과 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(400)에서 발생되는 수소의 양도 변화하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 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.

여기서, N_hydrogen은 1초에 생성되는 수소의 양(mol)이고, V_hydrogen은 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(400)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 수소발생장치(500)는 제1 전극(300)과 제2 전극(400)에 흐르는 전류의 양을 조절하면 후단에 연결되는 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.

수소발생장치(500)의 제2 전극(400)에서 수소를 발생시키는 반응 속도를 결정짓는 상술한 요소들 중에서 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 전기적 저항을 제외한 나머지 요소들은 수소발생장치(500)를 구성할 때 결정되는 요소로, 이후 그 요소를 변화시키는 것이 용이하지 않다.

또한, 컨트롤 유닛(502) 뿐만 아니라 모든 저항이 최소가 되어야 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 그러나, 종래에는 클립으로 전극과 전극 사이 또는 전극과 컨트롤 유닛 사이를 연결하여 발생되는 접촉 저항에 의해 300 내지 500 mΩ 의 큰 저항을 발생시켰다.

접촉 저항이 커짐에 따라 제1 전극과 제2 전극 사이에 흐르는 전류의 양이 현저하게 줄어들어 단위 전극 면적당 실제로 발생되는 수소의 유량은 크지 않다. 전극 크기를 늘리면 접촉저항이 크더라도 원하는 수소의 유량을 얻을 수 있으나, 반응기의 부피가 증가하여 수소발생장치의 소형화에 어려움이 있다.

또한, 접속 상태가 불안정하여 저항이 일정한 값을 갖지 못하고 300 내지 500mΩ 사이에서 값이 수시로 변하기 때문에 일정한 유량을 발생시킬 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 수소발생장치(500)는 제1 전극(300)과 제2 전극(400)에서 전선(310)이 솔더링되는 부분에 제1 단자층(306)과 제2 단자층(406)인 금 박막층을 박막 증착하여 전극과 전극 사이의 저항을 감소시킴으로써 원하는 수소의 유량을 얻을 수 있다.

본 발명의 수소발생장치(500)를 이용하여 저 저항계로 저항을 측정하면 10 mΩ 이내의 저항값이 관찰된다.

또한, 전극에 단자층을 스퍼터링 방식으로 수행한 후, 전선을 접합하기 때문에 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 간격이 1 내지 0.5mm 간격으로 좁혀짐에 따라 반응기의 부피를 줄일 수 있으며, 이온의 이동 저항이 감소하기 때문에 같은 부피 내에서 수소유량을 증가시킬 수 있다.

또한, 솔더링 방식으로 전선(310)을 접합하는 것은 접촉력의 변화를 차단할 수 있기 때문에 접촉저항이 바뀌지 않아 수소 발생량의 변동을 감소시킬 수 있다.

도 11은 종래의 전극을 이용하여 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프로서, 클립만을 사용하여 전극에 전선을 결합시켰을 경우, 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치에서 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프로서, 전극(300,400)에 금 박막층(306, 406)을 스퍼터링하고 스퍼터링 된 부분에 전선(310)을 접합함으로써 접촉 저항을 감소시킨 후 생성되는 수소의 유량을 나타낸 그래프이다.

도 11과 도 12의 테스트 조건은 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 간격이 2mm이고, 염화칼륨(KCl) 전해질 농도 23% 조건에서 제1 전극 3개와 제2 전극 3개를 가지고 60cc의 전해질수용액을 사용했다.

그 결과 도 11을 참조하면, 최대 수소 유량이 60cc/min 임을 확인할 수 있고, 도 12를 참조하면, 최대 수소 유량이 120cc/min으로 약 2배 가량 수소의 유량이 증가됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명은 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이의 저항을 감소시킴으로써 원하는 수소의 유량을 얻을 수 있고, 박막증착으로 인해 반응기의 부피를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 제1 전극(300)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(400)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(300)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있 다.

컨트롤 유닛(502)은 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(300)에서 생성된 전자를 제2 전극(400)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.

컨트롤 유닛(502)은 연료전지에 의해서 요구되는 전력량 또는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 제1 전극(300)에서 제2 전극(400)으로 흐르는 전자의 양을 증가시키고, 그 요구되는 값이 작으면 제1 전극(300)에서 제2 전극(400)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킨다.

예를 들어, 컨트롤 유닛(502)은 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이에 흐르는 전류량을 조절하거나 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.

상술한 수소발생장치(500)에서 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 전극제조방법을 나타낸 순서도.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조방법의 단면도.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 단면도.

도 11은 종래의 전극을 이용하여 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치에서 발생된 수소의 유량을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300 : 제1 전극 302 : 마스크

304 : 제1 접착층 306 : 제1 단자층

308,408 : 전선고정부분 310 : 전선

400 : 제2 전극 406 : 제1 단자층

500 : 수소발생장치 502: 컨트롤유닛

504: 전해조 506 : 전해질수용액

Claims (18)

1. 전자를 발생시키는 제1 전극의 일측에 금(Au) 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어지는 제1 단자층을 증착하는 단계;

   상기 제1 단자층에 전선의 일측을 접합하는 단계;

   상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극의 일측에 제2 단자층을 증착하는 단계; 및

   상기 제2 단자층에 상기 전선의 타측을 접합하는 단계를 포함하는 수소발생장치의 전극연결방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단자층을 증착하는 단계는 스퍼터링(sputtering) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단자층은 10 내지 10000nm의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단자층을 증착하는 단계 이전에,

   상기 제1 전극의 상기 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크를 상기 제1 전극에 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단자층을 증착하는 단계 이전에,

   상기 제1 전극의 상기 일측에 제1 접착층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(cr), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이 루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 제1 접착층은 1 내지 1000nm 의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단자층을 증착하는 단계 이전에,

   상기 제2 전극의 상기 일측에 상응하는 개구부가 형성된 마스크를 제2 전극에 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제2 단자층을 증착하는 단계 이전에,

    상기 제2 단자층의 상기 일측에 제2 접착층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 전선을 접합하는 단계는, 솔더링(soldering)방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 수소발생장치의 전극연결방법.
12. 전해질수용액을 수용하는 전해조;

    상기 전해조 내부에 수용되어 전자를 발생시키고, 일측에 제1 단자층이 형성되는 제1 전극;

    상기 제1 전극과 소정 거리 이격되도록 상기 전해조 내부에 수용되며, 상기 전자와 상기 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키고, 일측에 제2 단자층이 형성되는 제2 전극; 및

    일측은 상기 제1 단자층에 솔더링되고, 타측은 상기 제2 단자층에 솔더링되어, 상기 전자를 이동시키는 전선을 포함하는 수소발생장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1 단자층과 상기 제1 전극 사이에 개재되는 제1 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
14. 제12항에 있어서,

    상기 제2 단자층과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 제2 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
15. 제12항에 있어서,

    상기 제1 단자층은 금(Au) 또는 백금(pt) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
16. 제12항에 있어서,

    상기 제1 단자층의 두께는 10 내지 10000nm인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
17. 제13항에 있어서,

    상기 제1 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(cr), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소발생 장치.
18. 제13항에 있어서,

    상기 제1 접착층의 두께는 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 수소발생장치.

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