KR101059637B1 - 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지 - Google Patents

수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지에 사용되는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이며, 본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지는 수소이온공급부를 구비하기 때문에, 전해조에서의 수소 발생 반응이 원활할 뿐만 아니라, 수소이온공급부의 구동을 제어함으로써 수소 발생량을 제어할 수 있는 장점이 있다.
연료 전지(Fuel cell), 수소이온공급부, 양이온 교환막

Description

수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지{APPARATUS FOR GENERATING HYDROGEN AND FUEL CELL USING THE SAME}
본 발명은 연료 전지에 사용되는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 금속 수산화물을 용해시킬 수 있도록 수소 이온을 공급하는 수소이온공급부를 구비하는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지에 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.
일반적으로 연료전지는 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해하는 연료극과 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 생성되는 공기극으로 구성된다. 이때, 연료극은 애노드(anode)로 작용하고, 공기극은 캐소드로 작용하며, 연료극에서 발생한 수소 이온은 전해질층인 멤브레인은 거쳐 공기극으로 이동하게 되고, 연료극에 발생한 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키게 된다.
즉, 연료극에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료전지는 연료극에서 전자를 발생시키기 위하여 수소를 함유한 일반연료로부터 연료전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변화시키는 수소 발생 장치를 필요로 한다. 하지만, 수소 발생 장치로 일반적으로 알려져 있는 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피가 커지고, 보관에 위험이 따른다. 또한, 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.
도 1에는 종래기술에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
전해질 수용액(3)을 수용하는 전해조(1) 내부에 마그네슘으로 이루어진 제1 전극(5) 및 스테인리스 스틸로 이루어진 제2 전극(7)이 구비되어 있다.
제1 전극(5)에서는 마그네슘(Mg)과 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 제1 전극과 제2 전극을 연결하는 도선을 통해 제2 전극으로 이동하게 된다. 마그네슘 이온은 전해질 수용액에 존재하는 수산화기와 반응하여 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)을 형성한다.
제2 전극(7)에서는 물이 제1 전극으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해되며 수소를 발생하게 된다.
상술한 바와 같은 반응을 화학 반응식으로 표현하면 다음과 같다.
제1 전극: Mg → Mg2 ++ 2e-
제2 전극: 2H20 + 2e-→ H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O→ Mg(OH)2 + H2
상술한 화학 반응은 제1 전극(5) 및/또는 제2 전극(7)의 전극 면적, 전해질 수용액(3)의 농도, 전해질 수용액(3)의 종류, 제1 전극(5) 및/또는 제2 전극(7)의 개수, 제1 전극(5)과 제2 전극(7) 사이의 연결 방법, 제1 전극(5)과 제2 전극(7) 사이의 전기적 저항 등의 여러 요소들에 의해 반응 속도 및 반응 효율이 결정되는데, 특히, 상술한 반응의 부산물인 수산화 마그네슘은 물에 대한 용해도가 극히 미 비하여(약 12 ㎎/ℓ) 반응기에 슬러리 상태로 존재하면서 수소의 발생 효율을 급격히 저해시키는 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 수산화 마그네슘 등의 금속 수산화물을 전해질 수용액(3)에서 제거하거나 용해시키는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 전해질 수용액, 제1 전극 및 제2 전극으로 구성되는 수소 발생 장치에서 금속 수산화물을 용해하여 수소 발생 효율을 높이고, 수소 발생량을 조절할 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지를 제안한다.
본 발명에 따른 반도체칩이 수소 발생 장치는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 및 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액내에 존재하는 금속 수산화물을 용해시키도록 수소이온을 공급하는 수소이온공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 수소이온공급부의 수소이온공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 수소이온공급부는, 수소이온이 통과할 수 있는 다공성 음극판; 상기 음극판과 평행하게 상기 음극판으로부터 이격 배치된 양극판; 상기 음극판의 상기 양극판을 향하는 면에 근접하게 배치된 양이온 교환막; 및 상기 양이온 교환막과 상기 양극판 사이에 수용된 산성용액을 포함하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제1 전극은 상기 제2 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어지는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제1 전극은 마그네슘으로 이루어지는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제어부는 상기 양극판과 상기 음극판에 인가되는 전압을 제어하는 것으로 수소이온공급량을 제어하는 것에 있다.
본 발명에 따른 연료 전지는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 및 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액내에 존재하는 금속 수산화물을 용해시키도록 수소이온을 공급하는 수소이온공급부를 포함하는 수소 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지는 수소이온공급부를 구비하기 때문에, 전해조에서의 수소 발생 반응이 원활할 뿐만 아니라, 수소이온공급부의 구동을 제어함으로써 수소 발생량을 제어할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 이용한 연료 전지의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면의 전체에 걸쳐, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면부호로 지칭되며, 중복되는 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소 이온 공급부를 확대 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 전해질 수용액(300)을 담고 있는 전해조(100), 전자를 발생시키는 제1 전극(500), 수소를 발생시키는 제2 전극(700) 및 전해질 수용액(300)에 수소이온을 공급하는 수소이온공급부(900)를 포함하는 구성이다.
전해조(100)는 수소 발생 장치의 외부 하우징을 구성하며, 내부에 전해 질(electrolyte) 수용액(300)을 담고 있다. 전해조(100) 내부에 담긴 전해질 수용액(300)에는 수소 이온을 포함하고 있으며, 전해질 수용액(300)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스가 생성된다.
전해질 수용액(300)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
제1 전극(500)은 전자(e-)를 내어놓는 활성 전극으로서, 전해조(100) 내측에 배치되며 전체 또는 그 일부가 전해질 수용액(300) 내에 담겨져 있다. 제1 전극(500)은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소 또는 철(Fe) 등의 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
제2 전극(700)은 비활성 전극으로서, 제1 전극(500)과 유사하게 전해조(100) 내측에 배치되며 전체 또는 그 일부가 전해질 수용액(300) 내에 담겨져 있다. 제2 전극(700)은 스테인리스 스틸(Stainless Steel), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(500)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 마스네슘으로 이루어진 제1 전극(500) 및 스테인리스 스틸로 이루어진 제2 전극(700)을 사용한다. 그러나 제1 전극(500) 및 제2 전극(700)의 구성물질이 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
본 실시예의 제1 전극(500)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 제1 전극(500)과 제2 전극(700)을 연결하는 도선을 통해 제2 전극(700)으로 이동하게 된다. 마그네슘 이온은 전해질 수용액(300)에 존재하는 수산화기와 반응하여 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)을 형성한다.
제2 전극(700)에서는 물이 제1 전극(500)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해되며 이에 따라 수소가 발생하게 된다.
수소이온공급부(900)는 전해조(100)의 일측에 설치되어 전해질 수용액(300)에 수소이온을 공급하는 구성이다. 본 실시예에 따른 수소이온공급부(900)는, 다공성 음극판(910), 양극판(930), 양이온 교환막(950) 및 산성용액(970)을 포함하여 구성된다.
다공성 음극판(910)은 산성용액(970)과 반응하지 않거나 반응성이 극히 작은 도전성 금속 예를 들면, 스테인레스 스틸로 이루어진다. 또한 본 실시예에 따른 다공성 음극판(910)은 수소이온이 이를 통해 유동할 수 있는 통로를 가지는 다공성 재료로 구성된다. 다공성 음극판(910)에는 후술하는 제어부(800)에 의해 음(-)의 전압이 인가되게 되며, 이때 수소이온이 다공성 음극판(910)을 통해 전해질 수용액(300)으로 유입된다.
양극판(930)은 다공성 음극판(910)에 대응하는 구성으로, 다공성 음극판(910)과 평행하게 배치되며, 다공성 음극판(910)과의 사이에 후술하는 양이온 교 환막(950) 및 산성용액(970)이 배치될 수 있도록 다공성 음극판(910)으로부터 일정간격 이격되어 배치된다. 양극판(930)은 다공성 음극판(910)과 유사하게 산성용액(970)과 반응하지 않거나 반응성이 극히 작은 도전성 금속 예를 들면, 스테인레스 스틸로 이루어진다. 본 실시예에서의 양극판(930)은 전해조(100)의 내벽에 부착하여 설치되며, 후술하는 제어부(800)에 의해 양(+)의 전압이 인가되게 된다.
양이온 교환막(950; Cation Exchange Membrane)은 다공성 음극판(910)의 양극판(930)을 향하는 면에 근접하게 배치된 양이온 선택 투과성 막이다. 양이온 교환막(950)은 양이온만을 선택적으로 투과하며, 이러한 작용을 하는 양이온 교환막(950)이 다수 공지되어 있다. 양이온 교환막(950)은 예를 들면, 플루오르화수지 멤브레인(예컨대, DuPont사에서 제조된 Nafion 멤브레인)과 같은 수소 이온전도도(proton conductivity)가 습식 상태에서 좋은 고체중합체재료로 만들어질 수 있다. 본 실시예에서는 공지의 양이온 교환막(950)을 사용하므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
산성용액(970)은 수소이온을 함유하며, 양이온 교환막(950)과 양극판(930) 사이에 충전된다. 다양한 종류의 산성용액(970)이 사용될 수 있으나, 강산은 양이온 교환막(950)을 손상시킬 수 있으므로 사용이 제한되며, pH가 5 내외인 약산계통의 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 약산성의 묽은 황산 또는 카르복시산 등이 사용될 수 있다.
제어부(800)는 다공성 음극판(910)과 양극판(930)에 전기적으로 연결되며, 다공성 음극판(910)과 양극판(930)에 인가되는 전압을 제어하는 구성이다. 즉, 제어부(800)의 제어신호에 따라 다공성 음극판(910)과 양극판(930)에 전압이 인가된다.
이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 상술한 구성의 수소이온공급부(900)를 갖는 수소 발생 장치의 작용을 간략하게 서술한다.
먼저, 연료 전지에서 수소 이온의 공급이 요구되면, 제어부(800)는 다공성 음극판(910) 및 양극판(930)에 전압을 인가한다. 다공성 음극판(910) 및 양극판(930)에 전압이 인가되면, 양이온 교환막(950)과 양극판(930) 사이에 충전된 산성용액(970)의 수소 이온이 전기적 인력에 따라 양이온 교환막(950)과 다공성 음극판(910)을 통과하여 전해질 수용액(300)으로 유입된다. 수소이온이 유입되면 전해질 수용액(300)에 존재하는 금속 수산화물이 용해되며, 제1 전극(500)에서는 전자를 방출하는 반응이 제2 전극(700)에서는 수소를 발생하는 반응이 일어나게된다. 즉, 다공성 음극판(910)과 양극판(930)에 전압을 인가하면 전해조(100)에서는 수소가 발생하게 된다.
만약, 수산화 마그네슘 등의 금속 수산화물을 전해질 수용액(300)에서 용해하기 위한 방법으로 전해질 수용액(300)에 산성용액(970)을 직접 첨가하는 방식을 사용하게 되면, 수소의 발생을 제어할 수 없게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 수소 이온을 필요한 만큼만 공급할 수 있는 제어가능한 수소이온공급부(900)를 사용하여 수소 발생량을 제어할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 수소 발생 장치는 수소이온공급부(900)를 구비하기 때문에, 전해조(100)에서의 수소 발생 반응이 원활할 뿐만 아니라, 수소이온공급부(900)의 구동을 제어함으로써 수소 발생량을 제어할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 연료전지는 상술한 것과 같은 구성의 수소 발생 장치 이외에, 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해하는 연료극과 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 생성되는 공기극을 더 포함하는 구성이며, 수소 발생 장치 이외의 구성은 공지의 기술에 의해 실시되므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
한편 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 발생 장치의 수소 이온 공급부를 확대 도시한 도면이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 설명 >
100 전해조 300 전해질 수용액
500 제1 전극 700 제2 전극
800 제어부 900 수소이온공급부
910 음극판 930 양극판
950 양이온 교환막 970 산성용액

Claims (7)

  1. 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 및
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액내에 존재하는 금속 수산화물을 용해시키도록 수소이온을 공급하는 수소이온공급부를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소이온공급부의 수소이온공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소이온공급부는,
    수소이온이 통과할 수 있는 다공성 음극판;
    상기 음극판과 평행하게 상기 음극판으로부터 이격 배치된 양극판;
    상기 음극판의 상기 양극판을 향하는 면에 근접하게 배치된 양이온 교환막; 및
    상기 양이온 교환막과 상기 양극판 사이에 수용된 산성용액을 포함하는 수소 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제2 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어지는 수소 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 마그네슘으로 이루어지는 수소 발생 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 양극판과 상기 음극판에 인가되는 전압을 제어하는 것으로 수소이온공급량을 제어하는 수소 발생 장치.
  7. 수소 발생 장치, 및 상기 수소 발생 장치에서 발생된 수소를 이용하여 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지에 있어서,
    상기 수소 발생 장치는,
    전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 및
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액내에 존재하는 금속 수산화물을 용해시키도록 수소이온을 공급하는 수소이온공급부를 포함하는 연료 전지.
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