KR101063457B1 - 기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지발전 시스템 - Google Patents

기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지발전 시스템 Download PDF

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Abstract

기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템이 개시된다. 액체 및 기체를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로, 유체를 공급 받도록 유입 유로에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 액체와 기체로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 액체에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로, 및 원심 분리 유로에 연결되어, 원심 분리 유로에서 분리된 액체와 기체가 배출되는 유출 유로를 포함하는 기액 분리기가 제공된다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 수소 등의 기체와 전해질 수용액 등의 액체를 복잡한 장치를 사용하지 않고도 효율적으로 분리할 수 있다.
기액 분리, 원심 분리, 친수성, 소수성

Description

기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템{Gas-liquid separator, apparatus for generating hydrogen and fuel cell generation system having the same}
본 발명은 기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG, 메탄올 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전 기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
연료 전지의 연료로서의 수소를 발생시키기 위한 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 얻 어지는 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, 이와 같은 수소 발생 방식은 물을 이용함으로써, 발생되는 수소에 물 이 포함될 수 있다. 이에 따라, 결과적으로, 물 이용 효율이 감소하여 수소 발생의 총량이 감소하게 될 뿐 아니라, 수소 저장 장치에 수소를 저장하는 경우에도 저장 효율이 급격히 감소되어 문제가 되고 있다.
본 발명은, 수소 등의 기체와 전해질 수용액 등의 액체를 효율적으로 분리할 수 있는 기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액체 및 기체를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로, 유체를 공급 받도록 유입 유로에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 액체와 기체로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 액체에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로, 및 원심 분리 유로에 연결되어, 원심 분리 유로에서 분리된 액체와 기체가 배출되는 유출 유로를 포함하는 기액 분리기가 제공된다.
이 때, 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 가질 수 있다.
또한, 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 가질 수 있다.
한편, 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치할 수 있다.
이 때, 원심 분리 유로는, 나선형 홈이 형성된 메인 플레이트(main plate)와 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트(cover plate)에 의해 구획되어 형성될 수 있다.
그리고, 기체에는 수분이 동반되며, 원심 분리 유로에 공급된 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함할 수 있다.
한편, 유출 유로는, 액체가 배출되는 액체 배출 유로, 및 기체가 배출되는 기체 배출 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극, 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극, 전해질 수용액 및 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로, 유체를 공급 받도록 유입 유로에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 전해질 수용액과 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로, 및 원심 분리 유로에 연결되어, 원심 분리 유로에서 분리된 전해질 수용액과 수소가 배출되는 유출 유로를 포함하는 수소 발생 장치가 제공된다.
이 때, 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 가질 수 있다.
또한, 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 가질 수 있다.
한편, 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치할 수 있다.
이 때, 원심 분리 유로는, 나선형 홈이 형성된 메인 플레이트와 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트에 의해 구획되어 형성될 수 있다.
그리고, 기체에는 수분이 동반되며, 원심 분리 유로에 공급된 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함할 수 있다.
한편, 유출 유로는, 액체가 배출되는 액체 배출 유로, 및 기체가 배출되는 기체 배출 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극, 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극, 전해질 수용액 및 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로, 유체를 공급 받도록 유입 유로에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 전해질 수용액과 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로, 원심 분리 유로에 연결되어, 원심 분리 유로에서 분리된 전해질 수용액과 수소가 배출되는 유출 유로, 및 유출 유로에서 배출된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전 시스템이 제공된다.
이 때, 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 가질 수 있다.
또한, 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 가질 수 있다.
한편, 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치할 수 있다.
이 때, 원심 분리 유로는, 나선형 홈이 형성된 메인 플레이트와 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트에 의해 구획되어 형성될 수 있다.
그리고, 기체에는 수분이 동반되며, 원심 분리 유로에 공급된 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함할 수 있다.
한편, 유출 유로는, 액체가 배출되는 액체 배출 유로, 및 기체가 배출되는 기체 배출 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수소 등의 기체와 전해질 수용액 등의 액체를 복잡한 장치를 사용하지 않고도 효율적으로 분리할 수 있다.
본 발명에 따른 기액 분리기, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 연결이라 함은, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 일 실시예를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 일 실시예의 원심 분리 유로(120)에서 액체와 기체가 분리된 상태를 나타낸 X-X' 단면도이다.
본 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 액체 및 기체를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로(110), 유체를 공급 받도록 유입 유로(110)에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 액체와 기체로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 내면의 외측(A)이 내면의 내측(B)보다 액체에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로(120), 및 원심 분리 유로(120)에 연결되어, 원심 분리 유로(120)에서 분리된 액체와 기체가 배출되는 유출 유로(130)를 포함하는 기액 분리기(100)가 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 내면의 외측(A)이 내측(B)보다 액체에 대한 친화력이 큰 나선형 원심 분리 유로(120)를 이용함으로써, 복잡한 장치를 사용하지 않고도 기체, 예를 들어, 수소와, 액체, 예를 들어, 전해질 수용액을 효율적으로 분리할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
유입 유로(110)는, 액체 및 기체를 포함하는 유체, 즉, 액체 및 기체의 혼합 유체가 유입되는 구성이다. 유입 유로(110)는, 예를 들어, 수소 발생 장치(도 4의 200)의 전해조(도 4의 250)에 연결되어, 환원 전극(도 4의 270)으로부터 발생되는 수소(기체에 해당함) 및 전해조(도 4의 250)의 전해질 수용액(액체에 해당함)이 유입되는 것이다.
원심 분리 유로(120)는, 전술한 유입 유로(110)로부터 유체를 공급 받도록 유입 유로(110)에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 액체와 기체로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측(A)이 내측(B)보다 액체에 대한 친화력이 크다.
즉, 원심 분리 유로(120)는, 가상의 중심축을 기준으로 나선형으로 만곡되도록 형성되어 있어, 원심 분리 유로(120) 내부의 유체는 가상의 중심축을 기준으로 회전하게 된다. 이 때, 공급된 유체 중 액체의 밀도는 기체의 밀도보다, 예를 들어, 2000 배 이상이므로, 액체에 작용하는 원심력 역시 기체에 작용하는 원심력보다, 예를 들어, 2000 배 이상이 된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 원심 분리 유로(120)에서, 유체 중의 액체(10)는 외측(A)을 따라 흐르고, 유체 중의 기체(20)는 내측(B)을 따라 흐르게 되는 것이다.
이 때, 원심 분리 유로(120)의 액체에 대한 친화력은, 외측(A)이 내측(B)보다 크므로, 상술한 바와 같이 나선 형상을 이용하여 원심력 차이에 따라 분리된 액체와 기체가 다시 혼화되는 것을 방지하여, 보다 효과적으로 액체와 기체를 분리할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 원심 분리 유로(120)의 외측(A)이 내측(B)보다 액체(10)에 대한 친화력이 크도록, 원심 분리 유로(120)의 외측(A)은 친수성을 갖도록 표면 처리(surface treatment)될 수 있으며, 원심 분리 유로(120) 내면의 내측(B)은 소수성을 갖도록 표면 처리될 수 있다.
한편, 원심 분리 유로(120)는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치한다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 원심 분리 유로(120)는 유입 유로(110) 측의 일단으로부터 유출 유로(130) 측의 타단으로 갈수록 곡률 반경이 점차 증가하는 나선 형상을 이루게 되며, 이러한 나선 형상의 원심 분리 유로(120)는 가상의 동일 평면 상에 위치하게 된다. 이에 따라, 기액 분리기(100) 전체의 두께가 감소되어, 예를 들어, 수소 발생 장치(도 4의 280) 등에 적용되는 경우에도, 설치를 위한 별도의 큰 공간이 필요하지 않게 된다.
이 때, 원심 분리 유로(120)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일면에 나선형 홈(123)이 형성된 메인 플레이트(main plate, 122)와, 나선형 홈(123)의 개구부를 커버하는 커버 플레이트(cover plate, 124)에 의해 둘러싸여 외부와 구획됨으로써 형성되므로, 동일 평면 상에서 곡률 반경이 증가하는 나선형 구조의 원심 분리 유로(120)를 보다 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 이와 같이, 메인 플레이트(122)에 나선형 홈(123)을 형성하여 원심 분리 유로(120)를 형성함에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 커버 플레이트(124)가 분리된 상태에서 나선형 홈(123)의 개구부를 통해 원심 분리 유로(120)의 외측(A)과 내측(B)을 보다 용이하게 친수성 처리 및 소수성 처리할 수 있다.
이 때, 도 1에 도시되지는 않았으나, 원심 분리 유로(120)의 유출 유로(130) 측 타단은, 메인 플레이트(122) 내부로 연장되어 유출 유로(130)와 연통됨은 물론 이다.
한편, 이와 같이, 메인 플레이트(122)와 커버 플레이트(124)에 의하여 원심 분리 유로(120)가 동일 평면 상에서 곡률 반경이 증가하도록 나선형으로 형성됨으로써, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 후술할 냉각판(140)을, 단순한 평판형으로 형성하더라도, 보다 용이하게 원심 분리 유로(120)에 밀착되도록 설치할 수 있다.
또 한편, 원심 분리 유로(120)는, 단면 형상을 사각형 또는 원형 등으로 다양하게 변형할 수 있다.
또한, 원심 분리 유로(120)는, 곡률 반경이 일정한 비율로 증가할 수 있다. 이와 같이, 원심 분리 유로(120)의 곡률 반경이 일정하게 증가함으로써, 원심 분리 유로(120) 내부에서 유체가 유동 시, 유체가 받는 원심력이 급격하게 변화하는 것을 방지하여, 보다 안정적으로 기체와 액체를 분리할 수 있다.
유출 유로(130)은, 원심 분리 유로(120)에 연결되어, 원심 분리 유로(120)에서 분리된 액체와 기체가 배출된다. 유출 유로(130)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 액체가 배출되는 액체 배출 유로(132) 및 기체가 배출되는 기체 배출 유로(134)로 구성된다.
즉, 액체 배출 유로(132)는 원심 분리 유로(120)의 외측과 연결되어 액체를 외부 장치, 예를 들어, 수소 발생 장치(도 4의 200)의 전해조(도 4의 255)로 배출하고, 기체 배출 유로(134)는 원심 분리 유로(120)의 내측과 연결되어 기체를 외부 장치, 예를 들어, 연료 전지(도 5의 395)의 연료극으로 배출할 수 있다.
한편, 냉각판(140)은, 원심 분리 유로(120)에 공급된 수분을 응축시킨다. 유입 유로(110)로 유입되는 유체 중에는 수분이 동반될 수 있으며, 이 경우, 냉각판(140)은 이러한 수분을 응축시켜 기체로부터 제거함으로써, 보다 고순도의 기체를 액체로부터 분리할 수 있다.
수소 발생 장치(도 4의 200)를 일 예로 이를 설명하면, 환원 전극(도 4의 270)으로부터 발생된 수소(기체에 해당함)는, 전해질 수용액(액체에 해당함) 및 수분과 함께 기액 분리기(100)의 유입 유로(110)로 유입될 수 있다. 즉, 전해질 수용액(도 4의 255)의 분해 반응에 의해 수소가 발생되므로 전해질 수용액(도 4의 255) 중 일부도 수소와 함께 유입 유로(110)로 유입될 수 있으며, 수소 발생을 위한 산화 및 환원 반응은 발열 반응으로, 전해질 수용액(도 4의 255)의 온도는, 예를 들어, 섭씨 70도 내지 80도까지 상승할 수 있으므로 전해질 수용액(도 4의 255)으로부터 증발된 다량의 수분도 수소에 동반되어 유입 유로(110)로 유입될 수 있는 것이다.
따라서, 이와 같은 수소, 전해질 수용액 및 수분이 혼합된 유체가 유입 유로(110)로 유입되어 원심 분리 유로(120)을 지날 시, 냉각판(140)에 의해 이러한 수분을 응축시킴으로써, 유출 유로(130)를 통해 유출되는 수소의 순도를 향상시킬 수 있는 것이다.
이 때, 냉각판(140)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 평판형으로 형성될 수 있다. 따라서, 원심 분리 유로(120)가 가상의 동일 평면 상에 곡률 반경이 증가하는 나선형으로 형성되어 있으므로, 이러한 원심 분리 유로(120) 하부의 메인 플레이트(122)에 밀착되어 설치됨으로써, 전체 사이즈를 감소시키면서 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 변형된 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 변형된 실시예를 나타낸 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 변형된 실시예를 나타낸 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기(100)의 변형된 실시예의 원심 분리 유로(120)에서 액체와 기체가 분리된 상태를 나타낸 X-X' 단면도이다.
본 변형 실시예의 경우, 유입 유로(110), 원심 분리 유로(120), 유출 유로(130), 액체 배출 유로(132), 기체 배출 유로(134) 및 냉각판(140)에 대한 구성 및 작용은 전술한 실시예와 동일 또는 상응하나, 원심 분리 유로가 형성되는 방식에서 차이가 있으므로, 이 차이점을 중심으로 본 변형 실시예를 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 원심 분리 유로(120)는, 소정 두께의 관에 의해 외부와 구획되어 형성된다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 관 내면의 외측(A)은 친수성 처리되고, 관 내면의 내측(B)은 소수성 처리된다.
이와 같이, 관에 의해 구획되는 원심 분리 유로(120)는, 내면이 드러나도록 분리된 형태로 관의 일부분을 각각 가공하고, 내면을 친수성 또는 소수성 처리한 후, 관의 일부분을 서로 결합시킴으로써 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 방식 으로 제조가 가능할 것이다.
또한, 본 변형 실시예의 경우에도, 원심 분리 유로(120)의 단면 형상은 원형 또는 사각형일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치(200)의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
본 실시예에 따르면, 전해질 수용액(255)을 담는 전해조(250), 전해조(250) 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(260), 전해조(250) 내부에 위치하며 산화 전극(260)에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(270), 전해질 수용액 및 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로(210), 유체를 공급 받도록 유입 유로(210)에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 전해질 수용액과 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로(220), 및 원심 분리 유로(220)에 연결되어, 원심 분리 유로(220)에서 분리된 전해질 수용액과 수소가 배출되는 유출 유로(230)를 포함하는 수소 발생 장치(200)가 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 외측이 내측보다 액체에 대한 친화력이 큰 나선형 원심 분리 유로(220)를 이용함으로써, 환원 전극(270)으로부터 생성된 수소를, 복잡한 장치를 사용하지 않고도, 전해질 수용액과 효율적으로 분리하여 고순도 의 수소를 발생시킬 수 있다.
본 실시예의 경우, 기액 분리기(280), 유입 유로(210), 원심 분리 유로(도 1의 120), 메인 플레이트(222), 커버 플레이트(224), 유출 유로(230), 액체 배출 유로(232), 기체 배출 유로(234) 및 냉각판(240)에 대한 구성 및 작용은 전술한 실시예와 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 전술한 실시예들과의 차이점인 전해조(250), 전해질 수용액(255), 산화 전극(260) 및 환원 전극(270)에 대하여 설명하도록 한다.
전해조(250)는, 분해 반응에 의해 수소를 방출하는 전해질 수용액(255)이 담길 수 있다. 또한, 전해조(250)의 내부에는 산화 전극(260) 및 환원 전극(270)이 위치하여, 전해조(250) 내부에 담긴 전해질 수용액(255)에 의해 수소 발생 반응이 일어날 수 있다.
전해질 수용액(255)은 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4 또는 AgCl 수용액 등이 사용될 수 있으며, 전해질 수용액(255)에는 수소 이온이 포함될 수 있다.
산화 전극(260)은, 활성 전극으로, 전해조(250) 내부에 위치하고 전자를 발생시킨다. 산화 전극(260)은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 이루어질 수 있으며, 이 산화 전극(260)과 수소의 이온화 경향의 차이 때문에 산화 전극(260)이 전해질 수용액(255) 속에서 전자를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화될 수 있다.
이 때 생성되는 전자는 환원 전극(270)으로 이동될 수 있다. 따라서, 산화 전극(260)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체하여야 한다. 또한, 산화 전극(260)은 후술할 환원 전극(270)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
환원 전극(270)은, 비활성 전극으로 산화 전극(260)과 달리 소모되지 않기 때문에 산화 전극(260)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 환원 전극(270)은, 전해조(250) 내부에 위치하고, 산화 전극(260)에서 발생된 전자를 받아 수소를 발생시킨다.
환원 전극(270)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸(Stainless Steel) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있으며, 전자와 반응하여 수소를 발생시킨다. 즉, 환원 전극(270)에서의 화학 반응을 살펴보면, 환원 전극(270)에서는, 전해질 수용액(255)이 산화 전극(260)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다. 산화 전극(260) 및 환원 전극(270)의 반응은 다음의 화학식 1과 같다.
산화 전극(260): Mg -> Mg2+ + 2e-
환원 전극(270): 2H20 + 2e- -> H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O -> Mg(OH)2 + H2
이와 같이 환원 전극(270)으로부터 발생된 수소는, 전해질 수용액 및 수분과 함께 기액 분리기(280)의 유입 유로(210)로 유입된다. 즉, 상술한 바와 같이 전해질 수용액(255)의 분해 반응에 의해 수소가 발생되므로 전해질 수용액(255) 중 일부도 수소와 함께 유입 유로(210)로 유입될 수 있으며, 전술한 산화 전극(260)과 환원 전극(270)을 통한 화학 반응은 발열 반응으로, 전해질 수용액(255)의 온도는, 예를 들어, 섭씨 70도 내지 80도까지 상승할 수 있으므로 전해질 수용액(255)으로부터 증발된 다량의 수분도 수소에 동반되어 유입 유로(210)로 유입될 수 있는 것이다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템(300)의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
본 실시예에 따르면, 전해질 수용액(355)을 담는 전해조(350), 전해조(350) 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(360), 전해조(350) 내부에 위치하며 산화 전극(360)에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(370), 전해질 수용액 및 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로(310), 유체를 공급 받도록 유입 유로(310)에 연결되며, 유체가 원심력 차이에 의해 전해질 수용액과 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로(320), 원심 분리 유로(320)에 연결되어, 원심 분리 유로(320)에서 분리된 전해질 수용액과 수소가 배출되는 유출 유로(330), 및 유출 유로(330)에서 배 출된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(395)를 포함하는 연료 전지 발전 시스템(300)이 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 외측이 내측보다 액체에 대한 친화력이 큰 나선형 원심 분리 유로(320)를 이용함으로써, 고순도의 수소를 발생시킬 수 있으므로, 결과적으로, 연료 전지(395)의 전기 에너지 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예의 경우, 기액 분리기(380), 유입 유로(310), 원심 분리 유로(도 1의 120), 메인 플레이트(322), 커버 플레이트(324), 유출 유로(330), 액체 배출 유로(332), 기체 배출 유로(334), 냉각판(340), 전해조(350), 전해질 수용액(355), 산화 전극(360) 및 환원 전극(370)에 대한 구성 및 작용은 전술한 실시예들과 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 전술한 실시예들과의 차이점인 연료 전지(395)에 대하여 설명하도록 한다.
연료 전지(395)는, 환원 전극(370)에서 생성되어 유출 유로(330)를 통해 배출된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산한다. 즉, 환원 전극(370)에서 발생된 후, 기액 분리기(380)에서 분리된 수소는, 연료 전지(395)의 연료극으로 이동되며, 연료 전지(395)는 이 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전류를 생산할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 일 실시예를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 일 실시예의 원심 분리 유로에서 액체와 기체가 분리된 상태를 나타낸 X-X' 단면도.
도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 변형된 실시예를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 변형된 실시예를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 기액 분리기의 변형된 실시예의 원심 분리 유로에서 액체와 기체가 분리된 상태를 나타낸 X-X' 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도.
도 8은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기액 분리기 110: 유입 유로
120: 원심 분리 유로 122: 메인 플레이트(main plate)
123: 나선형 홈 124: 커버 플레이트(cover plate)
130: 유출 유로 132: 액체 배출 유로
134: 기체 배출 유로 140: 냉각판

Claims (21)

  1. 액체 및 기체를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로;
    상기 유체를 공급 받도록 상기 유입 유로에 연결되며, 상기 유체가 원심력 차이에 의해 상기 액체와 상기 기체로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 상기 액체에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로; 및
    상기 원심 분리 유로에 연결되어, 상기 원심 분리 유로에서 분리된 상기 액체와 상기 기체가 배출되는 유출 유로를 포함하는 기액 분리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는,
    나선형 홈이 형성된 메인 플레이트(main plate)와 상기 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트(cover plate)에 의해 구획되어 형성되는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기체에는 수분이 동반되며,
    상기 원심 분리 유로에 공급된 상기 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유출 유로는,
    상기 액체가 배출되는 액체 배출 유로; 및
    상기 기체가 배출되는 기체 배출 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기액 분리기.
  8. 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 전해질 수용액 및 상기 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로;
    상기 유체를 공급 받도록 상기 유입 유로에 연결되며, 상기 유체가 원심력 차이에 의해 상기 전해질 수용액과 상기 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 상기 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로; 및
    상기 원심 분리 유로에 연결되어, 상기 원심 분리 유로에서 분리된 상기 전해질 수용액과 상기 수소가 배출되는 유출 유로를 포함하는 수소 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는,
    나선형 홈이 형성된 메인 플레이트와 상기 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트에 의해 구획되어 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 수소에는 수분이 동반되며,
    상기 원심 분리 유로에 공급된 상기 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 유출 유로는,
    상기 전해질 수용액이 배출되는 액체 배출 유로; 및
    상기 수소가 배출되는 기체 배출 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  15. 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 전해질 수용액 및 상기 수소를 포함하는 유체가 유입되는 유입 유로;
    상기 유체를 공급 받도록 상기 유입 유로에 연결되며, 상기 유체가 원심력 차이에 의해 상기 전해질 수용액과 상기 수소로 분리되도록 나선형으로 형성되되, 외측이 내측보다 상기 전해질 수용액에 대한 친화력이 큰 원심 분리 유로;
    상기 원심 분리 유로에 연결되어, 상기 원심 분리 유로에서 분리된 상기 전해질 수용액과 상기 수소가 배출되는 유출 유로; 및
    상기 유출 유로에서 배출된 상기 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 외측이 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 내측이 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는, 일단에서 타단으로 갈수록 곡률 반경이 증가하며, 동일한 가상의 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 원심 분리 유로는,
    나선형 홈이 형성된 메인 플레이트와 상기 나선형 홈의 개구부를 커버하는 커버 플레이트에 의해 구획되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 수소에는 수분이 동반되며,
    상기 원심 분리 유로에 공급된 상기 수분을 응축시키는 냉각판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 유출 유로는,
    상기 전해질 수용액이 배출되는 액체 배출 유로; 및
    상기 수소가 배출되는 기체 배출 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
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