KR100957216B1 - 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면 전기 화학 반응을 이용하여 수소를 발생시키는 수소 발생 장치에 있어서, 전해질 수용액을 수용하며, 상기 수소를 배출시키기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응조; 상기 반응조 내에 위치하고, 전기 이온화 반응을 통해 전자를 발생시키는 애노드 전극; 상기 반응조 내에 위치하고, 상기 전자와 상기 전해질 수용액 간의 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 캐소드 전극; 및 상기 반응조 내에서 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 이격되는 위치에 배치되고, 상기 반응조의 내부 또는 외부로부터 전달된 압력 변화에 상응하여 상기 전해질 수용액을 흡수 또는 방출하는 흡수 부재를 포함하는 수소 발생 장치가 제공된다. 본 발명에 의하면 수소 발생 장치의 미동작시 흡수 부재를 이용하여 전극과 전해 용액간의 분리를 유도함으로써 자발적 화학 반응에 의한 전극의 불필요한 소모를 방지할 수 있는 효과가 있다.
수소 발생 장치, 연료 전지, 전해질 수용액, 흡수 부재.

Description

수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치{Hydrogen generating apparatus and Fuel cell power generation apparatus}
본 발명은 수소 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 발생 장치의 미동작시 흡수 부재를 이용하여 전극과 전해질 수용액간의 분리를 유도함으로써 자발적 화학 반응에 의한 전극의 불필요한 소모를 방지할 수 있는 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치에 관한 것이다.
연료 전지란 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, 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료 전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지(100)의 연료극(110)은 양극(anode)이고, 공기 극(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 연료 전지(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 연료 전지(100)는 SOx와 NOx 등의 을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료 전지(100)는 연료극(110)에서 전자를 발생시키기 위하여 수소를 함유한 일반연료로부터 연료 전지(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.
따라서, 최근 각광받는 휴대용 전자 기기(휴대폰, 노트북 등)가 고용량의 전원 공급 장치를 요구함에 따라 연료 전지는 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 연료 전지에서 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 비하여, 전기 화학 반응을 이용하여 수소를 발생시키는 방법은 상온에서 수소를 발생시킬 수 있고, 수소 발생 장치의 구성이 간단하여 소형의 연료 전지 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 단순히 전기적 온-오프(on-off)만 으로 전기 화학 반응을 제어할 수 있어, 수소 발생량을 정밀히 조정할 수 있다는 장점도 있다. 다만, 이 경우에도 전기적 온(on) 상태가 아닌 오프(off) 상태에서 작은 양이긴 하지만 자발적 화학 반응에 의하여 불필요한 전극의 소모를 가져오며, 장시간 동작없이 보관된 후 재사용하고자 하는 경우에 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 전기 화학 반응을 이용한 수소 발생 방식에 있어서, 상술한 자발적 화학 반응에 의한 전극 소모를 방지할 수 있는 기술이 요구된다.
따라서, 본 발명은 수소 발생 장치의 미동작시 흡수 부재를 이용하여 전극과 전해질 수용액간의 분리를 유도함으로써 자발적 화학 반응에 의한 전극의 불필요한 소모를 방지할 수 있는 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기 화학 반응을 이용하여 수소를 발생시키는 수소 발생 장치에 있어서, 전해질 수용액을 수용하며, 상기 수소를 배출시키기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응조; 상기 반응조 내에 위치하고, 전기 이온화 반응을 통해 전자를 발생시키는 애노드 전극; 상기 반응조 내에 위치하고, 상기 전자와 상기 전해질 수용액 간의 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 캐소드 전극; 및 상 기 반응조 내에서 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 이격되는 위치에 배치되고, 상기 반응조의 내부 또는 외부로부터 전달된 압력 변화에 상응하여 상기 전해질 수용액을 흡수 또는 방출하는 흡수 부재를 포함하는 수소 발생 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 반응조의 내부에는 상기 흡수 부재의 위치를 고정시키기 위한 고정벽이 더 설치될 수 있다.
여기서, 상기 반응조는 상기 고정벽에 의해 2개의 수용부로 분리되되, 제1 수용부에는 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극이 배치되고, 제2 수용부에는 상기 흡수 부재가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 고정벽은 상기 반응조의 상면으로부터 하면 방향으로 연장되되, 상기 고정벽의 하부 끝단과 상기 반응조의 하면의 사이에는 개구부가 형성되어 있어 상기 전해질 수용액이 상기 2개의 수용부 간을 이동할 수 있는 통로가 확보될 수 있다.
여기서, 상기 고정벽은 상기 전해질 수용액이 투과될 수 있는 투과막으로 형성되어 있어 상기 전해질 수용액이 상기 2개의 수용부 간을 이동할 수 있는 통로가 확보될 수 있다.
여기서, 상기 흡수 부재는, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간이 전기적으로 미연결되어 수소 발생이 중지되는 경우 상기 반응조의 내부 압력의 감소량에 상응하여 상기 전해질 수용액을 흡수하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간이 전기적으로 연결되어 수소 발생이 개시되는 경우 상기 반응조의 내부 압력 의 증가량에 상응하여 흡수됐던 전해질 수용액을 방출할 수 있다.
여기서, 상기 반응조의 어느 일 외벽면은 외부 압력에 따라 변형 가능한 가요성(flexible) 재질로 제작될 수 있다.
여기서, 상기 흡수 부재는 상기 가요성 재질의 외벽면에 인접 배치되되, 상기 가요성 재질의 외벽면에 가해지는 외부 압력은 상기 흡수 부재로 그대로 전달되어 상기 흡수 부재에 흡수되어 있던 전해질 수용액의 방출을 유도하고, 상기 가요성 재질의 외벽면에 가해지던 외부 압력이 제거되는 경우 상기 방출됐던 전해질 수용액이 상기 흡수 부재로 재흡수될 수 있다.
여기서, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 상기 가요성 재질의 외벽면에 외부 압력을 인가하고, 상기 전기적 연결이 중지되는 경우 외부 압력을 제거하는 가압 장치가 상기 반응조의 외부에 더 포함될 수 있다.
여기서, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 상기 흡수 부재에 외부 압력을 인가하여 전해질 수용액의 방출을 유도하고, 상기 전기적 연결이 중지되는 경우 상기 흡수 부재에 외부 압력을 제거하여 전해질 용액의 흡수를 유도하는 가압 장치가 상기 반응조의 내부에 더 포함될 수 있다.
여기서, 상기 가압 장치에 의해 인가되는 외부 압력은 상기 전해질 용액이 상기 흡수 부재에 의해 흡수되어 상기 애노드 전극과 상기 전해질 수용액 간이 상기 반응조 내에서 격리 수용될 수 있을 정도의 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료 전지 발전 장치에 있어서, 상술한 수소 발생 장치; 및 상기 수소 발생 장치에서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전류를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전 장치가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 장치에 의하면, 수소 발생 장치의 미동작시 흡수 부재를 이용하여 전극과 전해 용액간의 분리를 유도함으로써 자발적 화학 반응에 의한 전극의 불필요한 소모를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자발적 화학 반응에 의한 전극의 소모를 방지함으로써 장시간의 수명을 갖는 연료 전지를 제공할 수 있는 효과가 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명이 적용가능한 전기 화학 반응 방식의 수소 발생 장치에 관하여 도 2를 참조하여 먼저 설명하기로 한다.
고분자형 연료 전지(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 수소 발생 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 애노드(anode) 전극으로서 이용되는 마그네슘 전극(220)과 캐소드(cathode) 전극으로서 이용되는 스테인리스 스틸(stainless steel) 전극(230)이 반응조(210)의 전해질 수용액(215)에 담겨있다.
수소 발생 장치(200)의 원리는, 스테인리스 스틸 전극(230)보다 이온화 경향이 큰 마그네슘 전극(220)에서 전자가 생성되고, 생성된 전자가 스테인리스 스틸 전극(230)으로 이동된다. 이때, 이동된 전자는 전해질 수용액(215)과 결합하여 수소를 생성하게 되며, 생성된 수소는 배출구(211)를 통해 외부로 배출된다.
상술한 수소 발생 장치(200)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 2와 같다.
애노드 전극 : Mg → Mg2 + + 2e-
캐소드 전극 : 2H2O + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응 : Mg + 2H2O → Mg2 + + H2 + 2(OH)-
이는 주로 애노드 전극인 마그네슘 전극(220)이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 전선(240)을 통하여 다른 금속체에 연결하여 (예, 알루미늄 혹은 스테인레스 스틸) 물의 분해 반응으로 수소를 발생 시키는 방법으로, 연결된 전선(240)의 단락으로부터 사용되는 전극체간의 간격 및 크기에 관계되어서 수소의 발생을 온-디멘드(On-demand)로 조절 할 수 있다.
즉, 수소 발생 장치(200)는 전선(240)이 연결 상태(전기적 온 상태)에 있는 경우 전자의 이동 통로가 확보되어 수소를 발생시키고, 전선(240)이 전기적으로 미연결 상태(전기적 오프 상태)에 있는 경우 전자의 이동 통로가 끊기므로 수소가 발생할 수 없게 된다. 그러나 실제로는 상술한 전기적 오프 상태에 있어서도 자발적 화학 반응에 의하여 아주 많은 양은 아니지만 수소가 발생할 수 있다. 왜냐하면, 전기적 온-오프를 불문하고, 마그네슘 전극(220)은 전해질 수용액(215) 내에 항상 존재하기 때문이다. 즉, 마그네슘 전극(220)은 전해질 수용액(215) 간에 자발적 화학 반응을 일으켜 이온화됨으로써 Mg(OH)2를 형성하게 되며, 이에 따라 마그네슘 전극(220)에는 불필요한 전극 소모가 발생하게 된다. 또한, Mg(OH)2는 잔유물의 형태로 존재하면서 전기 화학 반응에 필요한 물을 소모시킨다. 따라서, 이러한 상태가 장기간 지속될 경우, 추후 재사용시 원하는 양 만큼의 수소를 발생시킬 수 없게 되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들을 이하 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 발생 장치(300)는 반응조(310), 애노드 전극(320), 캐소드 전극(330), 전해질 수용액(315), 흡수 부재(350), 고정벽(355)를 포함한다.
반응조(310)는 내부에 전해질(electrolyte) 수용액(315)을 담고 있다. 전해질 수용액(315)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소 발생 장치(300)는 전해질 수용액(315)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있으며, 이와 같이 발생된 수소 가스는 반응조(310)에 형성된 배출구(311)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
여기서, 전해질 수용액(315)에는 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등의 전해질이 물에 녹아 있을 수 있다.
애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330)은 전선(340)으로 연결된다. 전기적 연결 상태에서 애노드 전극(320)은 전기 이온화 반응을 통해 전자를 발생시키며, 발생된 전자는 전선(340)을 통해 캐소드 전극(330)으로 전달된다. 이에 따라 캐소드 전극(330)은 전달된 전자와 전해질 수용액(315) 간의 화학 반응을 유도함으로써 수소를 발생시킨다.
이때, 애노드 전극(320)은 활성 전극이다. 앞서 설명한 바와 같이, 애노드 전극(320)이 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 경우, 마그네슘과 물(H20)의 이온화 에너지의 차이 때문에 마그네슘 전극은 전자(e-)를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2 +)으로 산화된다. 즉, 애노드 전극(320)은 전자가 생성됨에 따라 소모되게 된다. 반면에, 캐소드 전극(330)은 비활성 전극이다. 따라서, 캐소드 전극(330)은 애노드 전극(320)과 달리 전기 화학 반응이 진행되는 동안에 소모되지 않는다. 이러한 이유로 캐소드 전극(330)은 애노드 전극(320) 보다 그 두께를 얇게 구현할 수도 있다. 예를 들어, 캐소드 전극(330)은 앞서 설명한 바와 같이 스테인리스 스틸(stainless steel)이 이용될 수 있다.
이외에도 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330)로는 다양한 전극 재료가 이용될 수 있다. 다만, 애노드 전극(320)은 캐소드 전극(330)에 비하여 이온화 경향 이 큰 전극 재료가 이용될 필요가 있다. 따라서, 애노드 전극(320)은 마그네슘 이외에 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소, 철(Fe) 등 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 캐소드 전극(330)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 애노드 전극(330)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 흡수 부재(350)는 반응조(310) 내에서 애노드 전극(320) 및 캐소드 전극(330)과 이격되는 위치에 배치된다. 흡수 부재(350)는 반응조(310)의 내부 또는 외부로부터 발생된 압력 변화를 전달받고, 전달된 압력 변화에 상응하여 전해질 수용액(315)을 흡수하거나 또는 방출할 수 있다.
예를 들어, 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330) 간이 전기적으로 연결된 상태에 있어 수소 발생 장치(300) 내에서 수소의 발생이 개시되고 있는 경우를 가정하면, 수소의 발생에 따라 반응조(310)의 내부 압력은 높아질 것이다. 이 경우, 흡수 부재(350)는 기존에 흡수해두었던 전해질 수용액(315) 중 반응조(310) 내의 내부 압력의 증가량에 상응하는 만큼의 전해질 수용액(315)을 방출하게 된다. 왜냐하면, 반응조(310) 내의 내부 압력이 증가함에 따라 흡수 부재(350)에 흡수되어 있던 전해질 수용액(315)은 도 3의 A 방향을 따라 떠밀려나기 때문이다.
이와 반대로, 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330) 간이 전기적으로 미연결된 상태에 있어 수소 발생 장치(300) 내에서 수소의 발생이 중지되고 경우를 가정하면, 수소를 발생시키고 있던 종전에 비하여 반응조(310) 내부의 압력은 낮아질 것이다. 이 경우, 반응조(310) 내의 내부 압력의 감소량에 상응하는 만큼의 전해질 수용액(315)이 흡수 부재(350)로 다시 도 3의 B 방향으로 밀려들어가 흡수될 수 있다.
이를 위하여 흡수 부재(350)로는 예를 들어, 스펀지와 같은 다공성 재질의 소재가 이용될 수 있다. 왜냐하면, 다공성 재질의 소재의 경우 그 소재 내에 형성되어 있는 다공성의 다수의 미세 구멍들이 각각 모세관과 같은 역할을 할 수가 있어, 모세관 현상에 따라 액체의 흡수 또는 방출이 가능하기 때문이다.
이와 같이 흡수 부재(350)는 반응조(310)의 내압 변화에 상응하여 그 내압이 감소하는 경우 전해질 수용액(315)을 흡수하고, 내압이 증가하는 경우에는 전해질 수용액(315)을 방출한다. 즉, 흡수 부재(350)는 수소 발생 장치(300)를 통해 수소의 발생이 필요한 경우(즉, 전극간 전기적 연결 상태에 있는 경우)에는 수소 발생에 필요한 전해질 수용액(315)을 각 전극에 공급하고, 수소의 발생이 불필요하여 중지가 필요한 경우(즉, 전극간 전기적 미연결 상태에 있는 경우)에는 전해질 수용액(315)을 자동적으로 회수할 수 있다. 이러한 원리를 이용하면, 앞서 도 2를 통해 설명한 바와 같이 전기적 미연결 상태에서 발생할 수 있는 애노드 전극(320)과 전해질 수용액(315) 간의 자발적 화학 반응에 의한 전극의 소모를 방지할 수 있다. 왜냐하면, 본 발명에 의하면 전극간 전기적 미연결 상태에 있는 경우 내압의 감소에 따라 전해질 수용액(315)이 흡수 부재(350)로 흡수됨으로써, 종래 기술에 비하여 애노드 전극(320)과 전해질 수용액(315) 간의 접촉 면적 및 부피를 크게 줄이거나 혹은 접촉 자체를 방지할 수 있기 때문이다.
흡수 부재(350)가 상술한 기능을 수행하기 위하여는 반응조(350)의 일 위치에 고정되어 배치되어 있을 필요가 있다. 왜냐하면, 흡수 부재(350)의 위치가 고정되어 있지 않은 경우에는 수소 발생 장치(300) 자체 또는 수소 발생 장치(300)를 적용한 연료 전지 시스템의 움직임, 흔들림에 따라 흡수 부재(350)가 동시에 그 위치를 움직여 애노드 전극(320) 또는 캐소드 전극(330)과 격리되지 못하고 접촉될 가능성이 있기 때문이다. 이러한 경우 애노드 전극(320)과 전해질 수용액(315) 간의 자발적 화학 반응을 방지하기 위한 본 발명의 목적이 달성될 수 없다.
따라서, 본 발명에 있어서 반응조(310)의 내부에는 흡수 부재(315)의 위치를 고정시키기 위한 고정벽(355)이 더 설치될 수 있다. 예를 들어, 고정벽(355)은 반응조(310)의 상면으로부터 하면(기저면) 방향으로 연장되어 있는 형태로 설치될 수 있다.
이 경우, 반응조(310)는 그 내부가 고정벽(355)에 의하여 2개의 수용부(312, 313)로 분리될 수 있다. 즉, 도 3의 경우를 가정하면, 고정벽(355)을 통해 영역적으로 분리되는 반응조(310) 내의 제1 수용부(312)에는 애노드 전극(320) 및 캐소드 전극(330)이 위치하고, 제2 수용부(313)에는 흡수 부재(350)가 위치하도록 설계, 배치할 수 있을 것이다. 이와 같이 반응조(310) 내에 고정벽(355)을 별도로 설치한 후 전극들과 흡수 부재(350)를 분리 배치시키게 되면, 수소 발생 장치(300)의 흔들림 등에 의해 흡수 부재(350)의 위치가 변화하여 임의의 일 전극과 접촉할 가능성을 차단할 수 있다.
다만, 반응조(310) 내에 고정벽(355)을 설치하는 경우에도 전해질 수용 액(315)의 이동 통로는 확보할 필요가 있다. 왜냐하면, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 고정벽(355)에 의해 반응조(310)의 내부가 2개의 수용부(312, 313)으로 영역 분리가 된다하더라도, 전해질 수용액(315)은 전기적 온-오프 상태에 맞추어 위의 2개의 수용부(312, 313) 간을 왕래할 수 있어야 하기 때문이다.
이를 위해, 예를 들어 고정벽(355)의 하부 끝단과 반응조(310)의 하면의 사이에는 도 3에 도시된 바와 같은 개구부(356)가 형성시킴으로써, 전해질 수용액(315)이 2개의 수용부(312, 313) 간을 왕래할 수 있는 통로를 확보하는 방법을 이용할 수 있을 것이다. 물론, 이와는 다른 위치에 개구부(356)를 형성시켜도 무방함은 자명하다. 혹은 개구부(356)를 별도 형성시키는 방법을 이용하지 않고, 고정벽(355) 자체를 전해질 수용액(315)이 투과될 수 있는 투과막으로 형성시키는 방법도 이용될 수도 있을 것이다. 또한, 이상에서는 흡수 부재(350)를 고정벽(355)을 이용하여 고정(이하의 모든 도면의 경우에도 이와 같이 가정함)하는 방식만을 설명하고 있지만, 이외에도 다양한 방식이 채용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 흡수 부재(350)의 하면과 반응조(310)의 하면을 부착시키는 방법으로 흡수 부재(350)를 고정시킬 수도 있을 것이다.
이와 같이 도 3에서는 본 발명의 제1 실시예에 따라 반응조(310) 내의 내압 변화에 따라 전해질 수용액(315)이 흡수 부재(350)로 자동 흡수 또는 자동 방출되는 방식을 채용한 경우를 설명하였다. 이하에서는 도 4a 내지 도 5b를 참조하여 외부로부터 인가된 외압에 따라 전해질 수용액(315)이 흡수 부재(350)로 인위적으로 흡수 또는 방출되는 방식을 채용한 경우를 설명하기로 한다. 다만, 이하의 설명을 통해 앞선 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 이하 다른 실시예의 특징점을 중심으로 기술한다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 수소 발생 장치에서 흡수 부재에 외부 압력이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 발생 장치(300)는 반응조(310)의 어느 일 외벽면(도 4a의 식별번호 310a 참조)이 외부 압력에 따라 변형 가능한 가요성(flexible) 재질로 제작되고 있다.
이에 따라 도 4b를 참조하면, 외부 압력(도 4b의 식별번호 C 참조)이 가해지는 경우 가요성 재질의 외벽면(310a)에는 인가된 외부 압력의 크기에 상응하는 만큼의 압축 변형이 일어날 수 있게 된다. 따라서, 흡수 부재(350)의 일면을 가요성 재질의 외벽면(310a)과 인접 배치시키는 경우, 인가된 외부 압력은 가요성 재질의 외벽면(310a)에 발생하는 변형량에 상응하여 흡수 부재(350)에 그대로 전달되므로, 흡수 부재(350)의 용적량을 인위적으로 축소시킬 수 있게 된다. 이는 부재(350)의 타면이 고정벽(355)에 의해 가로막혀 그 움직임이 제한되기 때문에 가능한 것이다.
즉, 가요성 재질의 외벽면(310a)에 가해지는 외부 압력은 흡수 부재(350)로 그대로 전달되어 흡수 부재(350)에 흡수되어 있던 전해질 수용액(315)의 방출을 유도한다(도 4b 참조). 이후, 가요성 재질의 외벽면(310a)에 가해지던 외부 압력이 제거되는 경우에는 앞서 방출됐던 전해질 수용액(315)이 흡수 부재(350)로 재흡수될 수 있다(도 4a 참조). 이는 인가됐던 외부 압력이 제거되는 경우 외벽면(130a)의 형상이 원래대로 복원(회복)됨으로써, 이와 아울러 흡수 부재(350)의 모양도 원래대로 복원되어 그 용적량이 다시 증가되기 때문이다.
이를 이용하면, 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330) 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 가요성 재질의 외벽면(310a)에 외부 압력을 인가하고, 전기적 연결이 중지되는 경우 인가되던 외부 압력을 제거하는 방식으로, 전기적 미연결 상태에서의 애노드 전극(320)과 전해질 용액(315) 간의 자발적 화학 반응을 방지할 수 있다.
여기서, 가요성 재질의 외벽면(310a)에 외부 압력을 인가하는 방법으로는 다음의 방법들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 본 발명의 수소 발생 장치(300)를 사용하고자 할 때마다 외벽면(310a)을 눌러주는 방식이 이용될 수도 있다. 다만, 이는 불편이 따르므로, 외부 압력을 인가하기 위한 별도의 가압 장치(미도시, 도 5a 및 도 5b의 식별번호 360 참조)를 반응조(310)의 외부(즉, 가요성 재질의 외벽면(310a)의 외부)에 구비시키는 방식 등을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 전기적 연결이 개시되는 경우 가압 장치가 동시에 작동되어 외벽면(310a)에 외부 압력을 인가하고, 전기적 연결이 중지되는 경우에도 가압 장치가 이와 동시에 인가됐던 외부 압력을 제거하도록 제어할 수 있을 것이다.
또한 이때, 가압 장치에 의해 인가되는 외부 압력은 그 외부 압력이 제거되는 경우를 가정할 때, 전해질 수용액(135)이 흡수 부재(350)에 의해 흡수됨으로써, 애노드 전극(320)과 전해질 수용액(315) 간이 반응조(310) 내에서 완전히 격리 수용될 수 있을 크기를 갖는 것이 바람직하다. 전극 소모를 최소화할 수 있는 최적의 방법이기 때문이다.
상술한 바와 같이 가압 장치 등을 통해 외부 압력을 인위적으로 인가하는 방식은 앞서 도 3에서 설명한 방식(내부 압력의 변화에 따라 전해질 수용액(315)을 자동으로 흡수, 방출하는 방식)에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.
도 3의 방식의 경우 내부 압력의 변화에 따라 자동 흡수, 방출되는 전해질 수용액(315)의 양을 적절히 제어할 수 없을 뿐만 아니라, 전기적 연결의 개시 또는 중지와 동시에 즉각적인 대처가 어렵다. 따라서, 도 3의 방식은 그 효율, 효과, 반응 시간 등의 관점에서 볼 때, 다소간의 취약점이 존재할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 물론, 도 3의 방식을 이용하더라도 그 내부 압력의 변화를 인위적으로 유도할 수 있는 방법을 함께 더불어 적용하는 경우에는 이러한 문제점을 해결할 수도 있을 것이다. 예를 들어 수소 발생 장치(300)에 기계적 진동을 인위적으로 부여하는 방식이 더 추가될 수 있을 것이다.
이에 비하여 가압 장치 등을 이용하여 전기적 연결 상태에 따라 외부 압력을 인가하는 방식은 보다 적절히, 정밀히, 그리고 즉각적으로 수소 발생 장치(300)를 제어할 수 있어 효율, 반응 시간 등의 면에서 큰 이점을 갖는다 할 것이다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 수소 발생 장치에서 흡수 부재에 외부 압력이 전달되는 과 정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 발생 장치(300)는 반응조(310)의 어느 외벽면을 가요성 재질로 제작하는 것 대신, 반응조(310) 내부 중 제2 수용부(313)에 대응되는 부분에 피스톤(360)을 구비시키고 있다. 이 경우에도 그 원리는 앞서 설명한 도 4a 및 도 4b와 유사하다. 즉, 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330) 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 피스톤(360)을 이용하여 흡수 부재(350)에 외부 압력을 인가하여 전해질 수용액(350)의 방출을 유도하고(도 5b 참조), 전기적 연결이 중지되는 경우 피스톤(360)을 통해 인가됐던 외부 압력을 제거하여 종전에 방출되었던 전해질 수용액(315)의 재흡수를 유도하는 방식이 그것이다.
이때, 도 5a 및 도 5b에서는 도면 도시의 편의상 가압 장치로서 피스톤(360)만을 도시하였지만, 가압 장치로서 기능하기 위해서는 피스톤(360) 이외에도 이에 동력을 공급, 전달하기 위한 동력 전달 장치(미도시) 등 포함되어야 함은 물론이다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서는 가압 장치에서 가압 최종단으로서 피스톤(360)만을 예시하였지만, 이외에도 다양한 기구가 적용될 수 있음은 자명하다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 발전 장치의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 발전 장치(600)는 앞서 도 3 내지 도 5b에서 상술한 수소 발생 장치(300), 연료 전지(606) 및 제어부(604)를 포함한다.
여기서, 제어부(604)는 전극 간의 전기적 연결 여부, 전극의 전기적 저항, 전극 간 흐르는 전류량 등을 일반적으로 제어할 수 있음은 물론, 도 4a 내지 도 5b의 수소 발생 장치(300)의 경우에는 가압 장치의 동작을 제어할 수 있음은 물론이다.
한편, 수소 발생 장치(300)로부터 발생된 수소는 반응조(310)의 배출구(311)를 통하여 연료 전지(606)로 이송될 수 있다. 이때, 연료 전지(606)는 수소 발생 장치(300)에서 생성된 수소를 공급받고, 공급된 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하게 된다.
이상에서는 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 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 연료 전지의 작동 원리를 나타낸 도면.
도 2는 수소 발생 장치를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도.
도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도.
도 4b는 도 4a에 도시된 수소 발생 장치에서 흡수 부재에 외부 압력이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 발생 장치를 나타낸 측면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 수소 발생 장치에서 흡수 부재에 외부 압력이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 발전 장치의 구성을 간략히 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300 : 수소 발생 장치 310 : 반응조
315 : 전해질 수용액 320 : 애노드 전극
330 : 캐소드 전극 340 : 전선
350 : 흡수 부재 355 : 고정벽

Claims (12)

  1. 전기 화학 반응을 이용하여 수소를 발생시키는 수소 발생 장치에 있어서,
    전해질 수용액을 수용하며, 상기 수소를 배출시키기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응조;
    상기 반응조 내에 위치하고, 전기 이온화 반응을 통해 전자를 발생시키는 애노드 전극;
    상기 반응조 내에 위치하고, 상기 전자와 상기 전해질 수용액 간의 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 캐소드 전극; 및
    상기 반응조 내에서 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 이격되는 위치에 배치되고, 상기 반응조의 내부 또는 외부로부터 전달된 압력 변화에 상응하여 상기 전해질 수용액을 흡수 또는 방출하는 흡수 부재
    를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 내부에는 상기 흡수 부재의 위치를 고정시키기 위한 고정벽이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응조는 상기 고정벽에 의해 2개의 수용부로 분리되되,
    제1 수용부에는 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극이 배치되고, 제2 수용부에는 상기 흡수 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정벽은 상기 반응조의 상면으로부터 하면 방향으로 연장되되,
    상기 고정벽의 하부 끝단과 상기 반응조의 하면의 사이에는 개구부가 형성되어 있어 상기 전해질 수용액이 상기 2개의 수용부 간을 이동할 수 있는 통로가 확보되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 고정벽은 상기 전해질 수용액이 투과될 수 있는 투과막으로 형성되어 있어 상기 전해질 수용액이 상기 2개의 수용부 간을 이동할 수 있는 통로가 확보되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡수 부재는, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간이 전기적으로 미연결되어 수소 발생이 중지되는 경우 상기 반응조의 내부 압력의 감소량에 상응하여 상기 전해질 수용액을 흡수하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간이 전기적으로 연결되어 수소 발생이 개시되는 경우 상기 반응조의 내부 압력의 증가량에 상응하여 흡수됐던 전해질 수용액을 방출하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 어느 일 외벽면은 외부 압력에 따라 변형 가능한 가요성(flexible) 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡수 부재는 상기 가요성 재질의 외벽면에 인접 배치되되,
    상기 가요성 재질의 외벽면에 가해지는 외부 압력은 상기 흡수 부재로 그대로 전달되어 상기 흡수 부재에 흡수되어 있던 전해질 수용액의 방출을 유도하고, 상기 가요성 재질의 외벽면에 가해지던 외부 압력이 제거되는 경우 상기 방출됐던 전해질 수용액이 상기 흡수 부재로 재흡수되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 상기 가요성 재질의 외벽면에 외부 압력을 인가하고, 상기 전기적 연결이 중지되는 경우 외부 압력을 제거하는 가압 장치가 상기 반응조의 외부에 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 간의 전기적 연결이 개시되는 경우 상기 흡수 부재에 외부 압력을 인가하여 전해질 수용액의 방출을 유도하고, 상기 전기적 연결이 중지되는 경우 상기 흡수 부재에 외부 압력을 제거하여 전해질 수용액의 흡수를 유도하는 가압 장치가 상기 반응조의 내부에 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가압 장치에 의해 인가되는 외부 압력은 상기 외부 압력이 제거되는 경우를 가정하여 상기 전해질 수용액이 상기 흡수 부재에 의해 흡수되어 상기 애노드 전극과 상기 전해질 수용액 간이 상기 반응조 내에서 격리 수용될 수 있을 정도의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  12. 연료 전지 발전 장치에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 수소 발생 장치; 및
    상기 수소 발생 장치에서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전류를 생산하는 연료 전지
    를 포함하는 연료 전지 발전 장치.
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