KR100957219B1 - 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기 - Google Patents

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기 Download PDF

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Abstract

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기가 개시된다. 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(anode), 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode), 및 수소 발생량을 증가시키는 보조 장치를 포함하는 수소 발생 장치는, 작동 초기에 수소 발생량을 증가시킴으로써, 작동 후 정상 상태에 도달하는 구동 시간을 단축시킬 수 있다.
연료 전지, 수소 발생, 보조 장치

Description

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기{Apparatus for generating hydrogen and fuel cell power generator having the same}
본 발명은 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기에 관한 것이다.
연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG, 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전 기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
연료 전지 중에서 소형 휴대용 전자기기에 적용하기 위해서 연구 중인 연료 전지는 수소를 연료로 이용하는 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 같이 액체 연료를 직접 연료로 이용하는 직접 액체 연료 전지가 있다. 수소를 연료로 이용하는 PEMFC는 출력밀도가 높으나, 수소를 공급하기 위한 장치가 별도로 필요하게 되며, 수소를 공급하기 위하여, 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부 피도 커지고 보관의 위험성을 내재하게 된다.
종래 고분자형 전해질 연료 전지의 수소 발생에 이용되는 방법은 알루미늄의 산화 반응, 금속 보로하이드라드계의 가수 분해 및 금속 전극체 반응으로 나뉘어 질 수 있으며, 그 중 수소의 발생을 효율적으로 조절 가능한 방법으로 금속 전극체를 이용한 방법이 있다. 이는 주로 마그네슘의 전극이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 도선을 통하여 다른 금속체에 연결하여 물의 분해 반응으로 수소를 발생시키는 방법으로서, 연결된 도선의 단락, 사용되는 전극체 간의 간격 및 사이즈와 관계되어 수소의 발생을 조절 할 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 수소 발생 방법에 의하는 경우, 수소 발생의 초기에 정상 상태에 도달하는 시간이 지연되어 문제가 되어 왔다. 이에 초기 응답 특성이 향상된 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전기가 요구되고 있다.
본 발명은, 수소 발생의 초기에 정상 상태에 도달하는 구동 시간이 단축될 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키 는 산화 전극(anode), 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode), 및 수소 발생량을 증가시키는 보조 장치를 포함하는 수소 발생 장치가 제공된다.
보조 장치는, 환원 전극에 추가 전자를 공급하는 보조 전지일 수 있다.
보조 전지는 산화 전극과 환원 전극 사이에 전기적으로 연결되어, 산화 전극과 환원 전극 사이의 통전에 의해 작동될 수 있다.
보조 전지는 수소 발생 중에 산화 전극에서 잉여 전자를 공급 받아 충전되는 2차 전지일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질 수용액을 분해하여 발생된 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 장치로서, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극, 전해조 내부에 위치하며, 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극, 수소 발생량을 증가시키는 보조 장치, 및 환원 전극에서 발생된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전기가 제공된다.
보조 장치는, 환원 전극에 추가 전자를 공급하는 보조 전지일 수 있다.
보조 전지는 산화 전극과 환원 전극 사이에 전기적으로 연결되어, 산화 전극과 환원 전극 사이의 통전에 의해 작동될 수 있다.
보조 전지는 수소 발생 중에 산화 전극에서 잉여 전자를 공급 받아 충전되는 2차 전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수소 발생의 초기에 수소 발생량을 증가시킴으로써, 정상 상태에 도달하는 구동 시간이 단축되도록 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전기의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 수소 발생 장치(100), 산화 전극(anode, 110), 환원 전극(cathode, 120), 전해조(130), 전해질 수용액(135) 및 보조 전지(140)가 도시되어 있다.
이하, 환원 전극(120)에 추가 전자를 공급하는 보조 전지(140)를 보조 장치의 일 예로 제시하여 설명하도록 한다.
본 실시예에 따르면, 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 보조 전지(140)를 전기적으로 연결시킴으로써, 작동 초기에 수소 발생량을 증가시켜, 정상 상태에 도달하는 구동 시간을 단축시킬 수 있으며, 2차 전지를 사용함으로써, 작동 중에 산화 전극(110)으로부터 잉여 전자를 공급 받아 충전될 수 있는 수소 발생 장 치(100)가 제시된다.
여기서, 구동 시간이란, 수소 발생 장치(100)에서 산화 전극(110)과 환원 전극(120)이 통전되어 수소가 발생되기 시작할 때부터, 수소 발생량이 요구되는 일정한 값에 도달하기까지 걸리는 시간을 의미하며, 이하 동일한 의미로 사용하도록 한다.
전해조(130)는, 분해 반응에 의해 수소를 방출하는 전해질 수용액(135)이 담길 수 있다. 또한, 전해조(130)의 내부에는 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)이 위치하여, 전해조(130) 내부에 담긴 전해질 수용액(135)에 의해 수소 발생 반응이 일어날 수 있다.
전해질 수용액(135)은 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 사용될 수 있으며, 전해질 수용액(135)은 수소 이온을 포함할 수 있다.
산화 전극(110)은, 활성 전극으로, 전해조(130) 내부에 위치하고 전자를 발생시킬 수 있다. 산화 전극(110)은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 이루어질 수 있으며, 이 산화 전극(110)과 수소의 이온화 경향의 차이 때문에 산화 전극(110)이 물 속에서 전자를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화될 수 있다.
이 때 생성되는 전자는 환원 전극(120)으로 이동될 수 있다. 따라서, 산화 전극(110)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 산화 전극(110)은 후술할 환원 전극(120)에 비하여 상대적 으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
환원 전극(120)은, 비활성 전극으로 산화 전극(110)과 달리 소모되지 않기 때문에 산화 전극(110)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 환원 전극(120)은, 전해조(130) 내부에 위치하고, 산화 전극(110)에서 발생된 전자를 받아 수소를 발생시킬 수 있다.
환원 전극(120)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 이루어질 수 있으며, 전자와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 즉, 환원 전극(120)에서의 화학 반응을 살펴보면, 환원 전극(120)에서는, 물이 산화 전극(110)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식은 하기의 화학식 1와 같다.
산화 전극(110): Mg → Mg2 + + 2e-
환원 전극(120): 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
제어부(미도시)는, 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)과 전기적으로 연결되어, 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 간의 통전을 제어할 수 있다. 제어부(미도시)는 연료 전지에 요구되는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 산화 전극(110)에서 환원 전극(120)으로 흐르는 전자의 양을 증가시킬 수 있고, 그 요구되 는 값이 작으면 산화 전극(110)에서 환원 전극(120)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(미도시)는 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절하거나, 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절할 수 있다.
보조 전지(140)는, 환원 전극(120)에 추가 전자를 공급하여 수소 발생량을 증가시킬 수 있다. 즉, 수소 발생량이 요구되는 값 보다 작은 경우, 수소 발생량을 증가시키기 위하여 보조 전지(140)를 환원 전극(120)과 전기적으로 연결시켜 추가 전자를 공급할 수 있으며, 보조 전지(140)의 작동 여부는 전술한 제어부(미도시)에서 제어할 수 있다.
또한, 보조 전지(140)는 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 전기적으로 연결되어, 산화 전극(110)과 환원 전극(120)의 통전에 의해 작동될 수 있다. 산화 전극(110) 및 환원 전극(120) 사이에, 보조 전지(140)가 제어부(미도시)를 통하여 전기적으로 연결됨으로써, 제어부(미도시)에 의한 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)의 통전에 의하여, 보조 전지(140)도 함께 작동될 수 있다.
즉, 보조 전지(140)의 양 전극이 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)에 각각 전기적으로 연결될 수 있고, 산화 전극(110) 및 환원 전극(120) 사이에 이들의 통전을 제어하는 제어부(미도시)가 전기적으로 연결될 수 있으므로, 제어부(미도시)에 의하여 산화 전극(110)과 환원 전극(120)이 통전되는 경우, 보조 전지(140)를 별도로 제어하지 않더라도 보조 전지(140)가 환원 전극(120)에 전자를 공급할 수 있어, 수소 발생 장치(100)의 작동 초기에 수소 발생량을 증가시키는 스타터(starter)의 기능을 수행할 수 있는 것이다.
산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 전기적으로 연결되는 보조 전지(140)를 이용함으로써, 수소 발생의 초기에 수소 발생량을 증가시켜, 정상 상태에 이르기까지의 구동 시간을 단축시킬 수 있어 보다 신속하게 수소를 발생시킬 수 있고, 결과적으로, 초기 응답 특성이 향상된 수소 발생 장치(100)를 구현할 수 있다.
한편, 보조 전지(140)는 수소 발생 중에 산화 전극(110)에서 잉여 전자를 공급 받아 충전되는 2차 전지일 수 있으므로, 수소 발생 장치(100)의 작동이 정상 상태에 이른 후에는 산화 전극(110)에서 발생되는 전자 중 환원 전극(120)으로 이동하여 반응에 참여하는 전자를 제외한 나머지 전자는 보조 전지(140)로 공급되어 보조 전지(140)가 충전될 수 있다.
반응에 참여하고 남는 전자를 이용하여 보조 전지(140)를 충전함에 따라, 에너지 효율이 향상될 수 있으며, 보조 전지(140)를 교체할 필요가 없는 수소 발생 장치(100)를 구현할 수 있다.
본 실시예의 경우, 보조 전지(140)를 보조 장치의 일 예로 제시하여 설명하였으나, 이외에도 당업자가 실시 가능한 범위에서 환원 전극(120)의 수소 발생량을 증가시킬 수 있는 다른 구성 및 결합 관계도 본 발명에 포함될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치를 구비한 연료 전지 발전기에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 발전기의 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, 연료 전지 발전기(200), 연료 전지(250), 수소 발생 장치(260), 산화 전극(210), 환원 전극(220), 전해조(230), 전해질 수용액(235) 및 보조 전지(240)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 산화 전극(210)과 환원 전극(220) 사이에 보조 전지(240)를 전기적으로 연결시킴으로써, 작동 초기에 수소 발생량을 증가시켜, 정상 상태에 도달하는 구동 시간을 단축시킬 수 있으며, 2차 전지를 사용함으로써, 작동 중에 산화 전극(210)으로부터 잉여 전자를 공급 받아 충전될 수 있어, 보다 안정적으로 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(250) 시스템이 제시된다.
본 실시예의 경우, 수소 발생 장치(260), 산화 전극(210), 환원 전극(220), 전해조(230), 전해질 수용액(235) 및 보조 전지(240)에 대한 구성은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치(260)의 일 실시예와 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 전술한 일 실시예와 차이점인 연료 전지(250)에 대하여 설명하도록 한다.
연료 전지(250)는, 환원 전극(220)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 보조 전지(240)를 구비한 수소 발생 장치(260)에서 발생된 순수한 수소는 연료 전지(250)의 연료극으로 이동될 수 있고, 이에 따라, 전술한 수소 발생 장치(260)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전류를 생산할 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 발전기의 일 실시예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 수소 발생 장치 110: 산화 전극(anode)
120: 환원 전극(cathode) 130: 전해조
135: 전해질 수용액 140: 보조 전지

Claims (8)

  1. 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서,
    상기 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(anode);
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 상기 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode); 및
    상기 수소 발생량을 증가시키는 보조 장치를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 장치는, 상기 환원 전극에 추가 전자를 공급하는 보조 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조 전지는 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이의 통전에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보조 전지는 상기 수소 발생 중에 상기 산화 전극에서 잉여 전자를 공급 받아 충전되는 2차 전지인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  5. 전해질 수용액을 분해하여 발생된 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 장치로서,
    상기 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며, 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 상기 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 수소 발생량을 증가시키는 보조 장치; 및
    상기 환원 전극에서 발생된 상기 수소의 화학 에너지를 변환하여 상기 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 장치는, 상기 환원 전극에 추가 전자를 공급하는 보조 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 전지는 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 사이의 통전에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 보조 전지는 상기 수소 발생 중에 상기 산화 전극에서 잉여 전자를 공급 받아 충전되는 2차 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
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