KR101090121B1 - 수소 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 수소를 수용하는 공간부를 갖는 수소발생부; 상기 수소발생부 내에서 설치된 마그네슘 애노드와 금속 폼으로 된 촉매 캐소드에 각각 전기화학 반응을 일으켜 수소를 발생하는 전극부; 및 상기 수소발생부의 외부에 전해액이 저장된 상태로 구비되고, 상기 수소발생부 내의 전해액이 서로 이동 가능하게 형성되는 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수소 발생 장치는, 저장부 내측에 수소발생부를 설치하고, 수소발생부 내부에 구비된 애노드와 캐소드에서 수소가 발생되도록 하여 수소연료전지에 공급함으로써 수소의 포집을 용이하게 하고, 포집시 전해액의 이동에 의하여 수소 포집속도를 자동적으로 조절하도록 하는 특징으로 지닌다.

본 발명의 애노드와 캐소드는 서로 단락이 가능한 회로를 구성하여 연결되었을 때는 수소 발생속도가 크게 증가하며 분리되면 극히 낮아지므로 인위적으로 외부에서 개폐함으로서 반응을 조절하는 특징을 가진다.

수소, 마그네슘, 부식, 금속 폼, 소금물, 자동조절

Description

수소 발생 장치{HYDROGEN GENERATOR}

본 발명은 수소 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 저장부 내측에 수소발생부를 설치하고, 수소발생부 내부에 구비된 마그네슘 애노드와 금속 폼으로 된 촉매 캐소드가 연결된 부식쌍(corrosion couple) 에서 수소가 발생되도록 하여 수소연료전지에 공급함으로써 수소의 포집을 용이하게 하고, 포집시 전해액의 이동에 의하여 수소 포집속도를 자동적으로 조절하도록 하는 수소 발생 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수소를 연료로 사용하는 기술은 현재까지 많은 발전을 이루었지만 아직도 수소 연료를 안전하게 생산하고 저장 혹은 이동하는 기술은 수소 연료전지에서 요구하는 성능에 많이 미치지 못하고 있다.

그러므로, 수소를 발생시키고 저장하는 기술에 많은 노력이 집중되고 있으며, 그 중에 금속의 부식반응을 이용하여 수소를 발생하는 기술에는 이미 많은 선행 기술들이 존재하고 있다. 하지만, 아직도 수소 발생의 반응을 조절하거나 저장 하는기술은 개발에 어려움이 있어서 일반화 되지 못하는 실정이다.

수소는 환경친화적인 깨끗한 연료이지만 저장하는 데는 높은 압력과 안전장치로 인해 각별한 주의를 기울어야 하고, 비용이 많이 소모되며, 수소를 담는 용기의 무게가 문제가 된다.

그리고, 비교적 안전하게 수소를 발생할 수 있도록 하는 방법으로서 수소화붕소 나트륨이나 히드라진과 같은 수소를 발생하는 불안정한 화합물을 사용하는 것이 일반적으로 알려져 있다.

또한, 알루미늄 금속을 알칼리 용액에 넣어 수소를 발생하는 장치나, 마그네슘 금속을 전해액(소금물)이 채워진 용기에서 백금이 코팅된 금속 망에 넣어 수소를 발생하는 장치가 알려져 있다.

그러나, 이러한 방법 역시, 발생되는 수소를 조절하는 방법이 용이하지 않고 위험할 뿐만 아니라, 셀 자체의 압력도 높아지게 되므로 그 용기가 압력을 견디기위하여 부피가 크고 무거워지며 복잡해지는 단점을 지닌다.

알루미늄이나 아연을 전극으로 사용하는 경우에는, 일부 전해액(소금물)에서 부식 반응에 의해 수소가스를 발생하지만, 마그네슘보다는 반응이 느리며 일부 부도체 피막형성에 의해 부식반응이 방해를 받아 비활성화될 수도 있다. 이런 경우는 전해액에 약간의 알칼리를 첨가하면 촉진되지만, 간혹 부식반응이 조절이 안되거나 다시 비활성 표면이 형성되어 반응이 정지된다.

그리고, 수소발생 음극(캐소드)과 접촉했을 경우, 이 부식반응이 촉진되어 지속적인 수소발생을 일으킬 수 있다. 또한, 알루미늄이나 아연 전극을 다공성으로 만들거나, 분말을 압착한 활성이 강한 형태를 사용하면 더 용이하게 얻을 수 있다.

현재, 일부 연료전지 자동차, 무인 병기 및 디젤 잠수함의 보조 전원으로서 수소연료전지가 사용되고 있으며 많은 양의 수소를 필요로 하게 되고, 다량의 고압 수소 용기로 채워서 사용하여 하므로 안전성과 수소가스 충전시간이 길어지는 문제점이 있다.

한편, 수소발생장치를 제시한 선행기술을 살펴 보도록 한다.

일본특허 JP5610981에서는 밀폐된 용기 안에 철이나 니켈로써 만들어진 그물망에 마그네슘 금속 조각들을 넣어서 수소를 발생하는 기기를 제안하였다.

일본특허 JP2008/56551 에서는 백금이 도금된 티타늄 그물망에 마그네슘 금속 조각들을 넣어서 수소를 발생하는 장치를 제안하였다.

미국특허 US 2007/0237994 에서는 마그네슘이나 아연, 알루미늄 분말을 넣은 밀폐 용기에 부식성 전해액을 넣어서 발생한 수소를 밖으로 뽑아내는 장치를 제안하였다.

일본특허 JP 2007/238383 에서는 부식성이 있는 전해질이 채워진 용기에 알루미늄 입자들을 투입함으로써 발생한 수소를 뽑아내는 장치를 제안하였다.

이와 같이, 금속 분말을 사용하는 경우에는 반응속도를 조절하기가 어렵고 내부에 산화물과 함께 막히는 경우들이 있으며 분말을 이동시키는 장치가 구비되어야 하는 단점을 지닌다.

일본특허 JP 2003-221202 에서는 촉매 금속 입자들이 박혀 있는 마그네슘 금속 덩어리를 전해액에 떨어뜨려 부식반응을 촉진시키는 방법을 제안하였다.

이 방법은, 전해액과 반응하여 수소를 발생하는 재료로서 유용하지만 귀금속 입자들을 포함하는 마그네슘 제품을 제조하는 것이 비용이 많이 들고 일반 마그네슘 합금재를 사용할 수 없다는 단점이 있다.

또한, 마그네슘 덩어리들을 수소 요구량에 따라 투입 속도를 조절해 주어야 하고 셀 내부에 마그네슘 덩어리들을 강제적으로 이동시켜야 하는 메카니즘이 구비되어야 하므로 구성이 복잡해지는 문제점을 지닌다.

미국특허 US 2008/0245673 에서는 캐소드를 알루미늄으로 애노드를 마그네슘으로 연결한 전극쌍에 외부 전압을 걸어주어 수소발생속도를 촉진하는 방법을 제안하였다.

이 방법은, 속도를 증가시킬 수는 있으나 외부 전원을 사용하여 전압을 걸어주는 별도의 장치가 필요하다는 단점이 있다.

또한, 이러한 반응들에 의해 발생한 수소를 포집하기 위해서는 금속을 모두 안전한 용기 안에 넣어서 밀폐해야 한다. 그렇기 때문에 용기가 커지고 많은 양의 전해액이 필요하게 된다.

마그네슘을 사용할 때는 대략 마그네슘 무게의 5배 중량의 물이 소요되며 생성된 수산화 마그네슘 슬러지를 가지고 다녀야 되는 부담이 있다. 만일 해수를 이용한다 해도 그 시스템 내에 해수를 주입하여 배출하는 별도의 복잡한 시설이 필요하게 되는 문제점을 지닌다.

이와 같은 문제점들은, 기존의 특허들에서 다양하게 보여지고 있으며, 유체나 고체 분말을 강제로 셀 안에서 이동을 시켜야 된다면 에너지 소모가 추가 되거 나 복잡한 메카니즘이 구비되어야 한다는 것을 의미하므로 실용성이 저하된다.

또한, 금속 분말을 사용하는 경우 발화 및 폭발을 일으킬 수 있을 뿐 아니라 과열로 인해 용기나 시스템에 피해를 줄 수 있고 분말 사이에 생성된 금속 산화물이 섞임으로서 반응성은 현저히 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 종래의 수소 발생 장치는, 수소 발생량이 많은 경우, 수소의 발생량을 줄여주고, 수소발생량이 적은 경우, 수소의 발생량을 증가시키는 자동적으로 수소발생량을 조절하는 메카니즘이 전혀 없는 단점이 있었다.

따라서, 이를 개선할 필요성이 대두 되었다.

본 발명의 상기한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 저장부 내측에 수소발생부를 설치하고, 수소발생부 내부에 구비된 애노드와 캐소드에서 수소가 발생되도록 하여 수소연료전지에 공급함으로써 수소의 포집을 용이하게 하고, 포집시 전해액의 이동에 의하여 수소 포집속도를 자동적으로 조절하는 것이 목적이다.

또한 애노드와 캐소드의 결합에 의한 갈바닉 부식 쌍(Galvanic corrosion couple)을 끊거나 연결하여 반응을 중단하거나 촉진시킬 수 있도록 조절할 수 있도록 하는 것이 목적이다.

또한, 수소발생부에서 발생된 수소를 저장부에 저장된 전해액인 소금물 또는 해수의 압력으로 수소연료전지에 지속적으로 공급하여 소모되고, 공급이 필요하지 않는 경우에는 조작부의 작동으로 수소발생을 줄이거나 정지하므로 수소발생부 또는 저장부가 폭발하는 것을 방지하여 안정성을 확보하는 것이 목적이다.

또한, 수소발생부에서 발생된 금속산화물을 유입 배출부에 의해 전해액을 지속적으로 유입하여 외부로 배출함으로써 부식반응에 의해 발생된 금속산화물을 효율적으로 제거하는 것이 목적이다.

또한, 수소발생부 주변에 불필요한 구성이 없으므로 구성이 간단하고, 내구성이 확보되도록 하는 것이 목적이다.

또한, 수소발생장치에 부력부재를 구비하여 바다에서 사용함으로써 바다용 소형기기, 비상용 기기 및 잠수정 탐지장치등에 사용되는 수소발생장치로 사용하는 것이 목적이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 수소를 수용하는 공간부를 갖는 수소발생부; 상기 수소발생부 내에서 설치된 애노드와 캐소드의 연결로 인해 부식 반응(전기 화학반응)을 일으켜 수소를 발생하는 전극부; 및 상기 수소발생부의 외부에 전해액이 저장된 상태로 구비되고, 상기 수소발생부 내의 전해액이 서로 이동 가능하게 형성되는 저장부를 포함한다.

또한, 상기 수소발생부와 상기 저장부를 덮어주는 덮개가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 덮개에는, 상기 수소발생부에 수용된 수소를 이송하는 수소 이송 관이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수송 이송관으로 이송되는 수소를 걸러주는 필터가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수소 이송관은, 수소 사용부재에 수소를 공급하도록 연결되고, 상기 수소 사용부재는, 수소 연료전지, 내연기관, 수소 자동차, 잠수정, 해상 보트, 해상용 소형기기, 비상용 기기 중에 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수소발생부의 저면부는, 상기 저장부와 연통되도록 개방 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극부의 애노드는, 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중에 선택된 어느 하나의 금속으로서, 원통, 사각기둥, 판체형상 중에 선택된 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극부의 캐소드는, 니켈, 티타늄, 구리, 은, 금, 로듐, 팔라듐, 백금중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속 또는 금속 폼인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드는, 비표면적이 큰 금속 폼인 것이 바람직하며, 상기 금속 폼은 50 ~ 150 ppi의 기공도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드는, 상기 선택된 어느 하나의 금속 폼에, 은, 금, 팔라듐, 로듐, 백금, 백금족 금속 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속을 도금(코팅)한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극부의 애노드에는, 상기 애노드의 상단에 전선을 연결하기 위한 애노드단자가 더 구비되고, 상기 애노드 단자는, 애노드에 사용되는 금속보다 전기음성도가 더 낮은 알루미늄, 철, 구리, 주석 중에 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극부의 각 단자에 전선들이 연결되어 있으며 애노드와 캐소드가 통전 혹은 절연이 될 수 있도록 차단 스위치를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 애노드는, 상기 저장부에 지지된 애노드 지지부재에 의해 사각 판체 형상으로 설치되고, 상기 캐소드는, 상기 애노드를 가운데 두고 서로 마주보도록 설치되고, 전해액이 이동되도록 하는 관통홀를 다수 구비한 사각판체 형상인 한 쌍의 캐소드 지지부재에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드와 캐소드 지지부재의 전면에, 상기 애노드에 근접하게 설치되어 상기 애노드와 캐소드 사이의 거리를 균등하게 하고, 상기 애노드의 형체를 장시간 유지하도록 하는 절연재질의 스페이서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 애노드와 캐소드 사이의 거리는, 0.3 ~ 20mm 범위를 가지며,전해액으로 해수를 사용하는 경우, 1 ~ 5 mm 범위의 간격을 갖는 것을 특징으로 한다. 일정한 간격이 필요한 이유는, 두 전극사이에서 발생한 수소 가스와 금속 산화물 입자들이 신속하게 이동하여 제거되도록 하기 위한 것이다.

또한, 다른 실시 예에 따른 수소발생장치의 구성은, 애노드와 캐소드가, 서로 마주보는 애노드단자와 캐소드단자에 서로 반복적으로 교차하도록 각각 다수개 씩 구비되어 수소 발생량을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극부에서 발생된 수소의 팽창에 의해 상기 수소발생부 내부의 전해액 수위가 낮아지고, 이동된 전해액에 의해 상기 저장부의 수위가 높아지므로 수위 차이로 인하여, 상기 공간부에 저장된 수소에 이송 압력을 가하여 상기 수소이송관을 통한 수소의 이송속도를 높여주고, 수소의 발생 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저장부의 외측에는, 상기 전해액을 공급하고, 내부에서 부식반응에 의하여 생성된 금속산화물을 배출하도록 하는 유입배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유입배출부는, 상기 저장부의 일측에 형성된 유입관을 통하여 전해액을 공급하는 공급부와; 상기 저장부의 타측에 형성된 배출관을 통하여 저장부 내부 바닥면에 있는 금속산화물을 배출하여 포집하는 포집부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 또 다른 실시예에 따른 수소발생장치는, 수소를 수용하는 공간부를 갖고, 이동공을 통하여 해수가 유입 또는 배출되는 수소발생부; 상기 수소발생부 내에서 애노드와 캐소드가 구비되어 있으며, 해수가 유입되면 부식반응에 의해 수소를 발생하는 전극부; 상기 수소발생부 상측에 구비되어 상기 전극부에서 발생된 수소를 사용하는 수소연료전지; 및 상기 수소발생부, 전극부 및 수소연료전지를 해수에서 부유하도록 하는 부력부재를 포함한다.

또한, 상기 전극부는, 다공성을 갖고 플렉시블한 절연부재 사이에 상기 애노드와 캐소드가 각각 교번적으로 원형으로 감겨져서 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부력부재는, 해수로 낙하시, 충격을 감지하는 충격감지센서와; 상기 충격감지센서의 감지에 의하여 제어 신호를 가하여 가스를 신속하게 공급하여 팽창하도록 하는 가스공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수소발생부에는, 상기 수소연료전지에 공급 받은 전기를 이용하여 바다 속의 탐지물의 위치를 파악하는 음향센서와; 상기 음향센서에서 감지된 신호를 전송하도록 하는 안테나가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 발생 장치를 사용하면, 저장부 내측에 수소발생부를 설치하고, 수소발생부 내부에 구비된 애노드와 캐소드에서 수소가 발생되도록 하여 수소연료전지에 공급함으로써 수소의 포집을 용이하게 하고, 포집시 전해액의 이동에 의하여 수소 포집속도를 자동적으로 조절하는 효과를 지닌다.

또한, 수소발생부에서 발생된 수소를 저장부에 저장된 전해액인 소금물 또는 해수의 압력으로 수소연료전지에 지속적으로 공급하여 소모되고, 공급이 필요하지 않는 경우에는 조작부의 작동으로 전선의 연결을 차단하여 수소발생을 줄이거나 정지하므로 수소발생부 또는 저장부에 수소가 과잉으로 축적되는 것을 방지하여 안정성을 확보하는 효과를 갖는다.

또한, 수소발생부에서 발생된 금속산화물을 유입 배출부에 의해 전해액을 지속적으로 유입하여 외부로 배출함으로써 부식반응에 의해 발생된 금속산화물을 효 율적으로 제거할 수 있다.

또한, 수소발생부 주변에 불필요한 구성이 없으므로 구성이 간단하고, 내구성이 확보되도록 하는 효과를 지닌다.

또한, 수소발생장치에 부력부재를 구비하여 바다에서 사용함으로써 바다용 소형기기, 비상용 기기 및 잠수정 탐지장치 등에 사용되는 수소발생장치로 사용하는 이점을 지닌다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 설명하도록 한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 수소 발생장치에서 일어나는 기본적인 화학반응식을 살펴보면,

[반응식]

Mg + 2H₂O = Mg(OH)2 + H₂(gas) : 전체반응식, 이 식을 전기 화학적인 반전지 식으로 바꾸면,

Mg + 2OH- = Mg(OH)₂ + 2e : 애노드 반응,

2H₂O + 2e = 2OH- + H₂(g) : 캐소드 반응,

으로 나뉘어 진다.

이 중 캐소드 반응은 단지 캐소드(촉매 전극)에서만 일어나는 것이 아니라 일부는 애노드(마그네슘 전극)에서도 일어난다.

이와 같이, 캐소드(220)에서 수소가 발생되어지고, 수소발생부(100)의 공간부(150)에 발생된 수소가 저장되어진다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 구성은, 수소를 수용하는 공간부(150)를 갖는 수소발생부(100); 수소발생부(100) 내에서 설치된 애노드(210)와 캐소드(220)의 연결로 인해 부식반응(전기 화학반응)을 일으켜 수소를 발생하는 전극부(200); 및 수소발생부(100)의 외부에 전해액(10)이 저장된 상태로 구비되고, 수소발생부(100) 내의 전해액(10)이 서로 이동 가능하게 형성되는 저장부(300)를 포함한다.

전해액(10)은, 3% 이상의 소금(NaCl)을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 12% 정도의 소금물을 사용할 수도 있다.

수소발생부(100)와 상기 저장부(300)에는, 상측을 덮어주는 덮개(110)가 더 포함된다.

덮개(110)에는, 수소발생부(100)에 수용된 수소를 이송하는 수소 이송관(120)이 더 포함된다.

수송 이송관(120)으로 이송되는 수소를 걸러주는 필터(130)가 더 포함되고, 상기 필터(130)는, 상기 수소발생부(100) 공간부(150)의 덮개(110) 저면에 구비된다. 필터는 소수성처리가 된 것이 좋으며 다공성의 테플론, 우레탄 스펀지, 테플론이 코팅된 금속 폼 중 어느 하나도 적합한 특성들을 보인다.

수소 이송관(120)은, 수소 사용부재(140)에 수소를 공급하도록 연결되고, 수소 사용부재(140)는, 수소 연료전지, 내연기관, 수소 자동차, 잠수정, 해상 보트, 해상용 소형기기, 비상용 기기 중에 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

그리고, 수소발생부(100)의 저면부는, 저장부(300)와 연통되도록 개방 형성되는 것이 바람직하다.

전극부(200)의 애노드(210)는, 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중에 선택된 어느 하나의 금속으로서, 원통, 사각기둥, 판체형상 중에 선택된 어느 하나의 형상인 것이 바람작하다.

통상적으로, 마그네슘 압출 혹은 압연판, 다이캐스팅 제품을 주로 사용하는 것이 바람직하다. 가장 일반적인 재질로서는 압연품이 저렴하고 신뢰도가 높다.

마그네슘 합금인 경우, 그 어느 것도 유사한 효과를 가지므로 별도로 언급할 필요는 없지만 본 발명에서는 흔히 구할 수 있는 AZ31계 압연품을 사용하는 것이 바람직하다.

전극부(200)의 캐소드(210)는, 니켈, 티타늄, 구리, 은, 금, 로듐, 팔라듐, 백금 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속인 것이 바람직하며, 캐소드(210)는, 비표면적이 큰 금속 폼(Metal foam)인 것이 바람직하며, 상기 금속 폼은 50 ~ 150 ppi의 기공도를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 캐소드(210)는, 니켈, 티타늄, 구리, 은, 금, 로듐, 팔라듐, 백금 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속 폼에, 은, 금, 팔라듐, 로듐, 백금, 백금족 금속 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속을 도금(코팅)한 것이 바람직하다.

전극의 표면상태는, 연마된 표면보다는 거칠거나 표면적이 매우 큰 코팅을 갖고 있는 것이 수소 발생 과전압을 낮추는 효과가 있다. 따라서 본 발명에서 사전 실험한 바에 의하면, 일반 판상의 호일(foil)보다는 다공성의 금속 폼이 탁월한 발생 효과를 가짐이 확인되었다. 즉 금속 폼은 그 내부에 많은 표면적을 제공할 뿐 아니라 복잡한 형상으로 인해 수소의 기포가 초기 형성하는데 있어서 필요한 열역학적 자유에너지(free energy)를 크게 낮추므로 용이하게 생성되도록 하는 것이다.

금속 폼으로서는 현재 니켈, 구리, 알루미늄, 아연 등이 실용화 되어 있지만 전기음성도가 낮은 니켈 과 구리가 더 적합하고 이 중 소금물에서의 내식성이 보다 우수한 니켈이 더 바람직한 선택이다. 그러나 니켈 표면도 완전한 내식성을 갖고 있지 않으므로 내식성이 우수한 귀금속으로 도금하는 것이 필요하며, 그렇게 할 때 귀금속 표면의 높은 수소 발생 속도로 인해 반응은 더 빠르게 진행된다.

본 실험(아래에서 수행 됨)에서는 로듐이나 백금 도금을 한 니켈 폼이 가장 우수함이 확인되었다. 니켈 폼은 다양한 다공성을 갖고 있는데 흔히 표현하기를 ppi(pores per inch) 즉 1 인치의 길이 내에 얼마나 많은 기공이 있느냐를 수치로 표현한 것이다. 본 발명에서 사용된 니켈 폼은 100 ppi 가 대부분이지만 사전 실험에서는 상용화되어 구매가 가능한 20, 50, 150, 200 ppi 의 것들을 추가로 사용하 였다. 낮은 ppi 의 경우는 촉매 특성이 감소하고, 높은 ppi 의 경우는 내부에 수산화 마그네슘 입자들이 침입하여 누적되는 경향이 있어서 50 - 150 ppi 의 값을 갖는 니켈 폼이 바람직한 특성을 보였다.

그리고, 전극부(200)의 애노드(210)에는, 애노드(210)의 윗 부분에 전선을 연결하기 위한 애노드단자(210)가 더 구비되고, 애노드 단자(210)는, 애노드(210)에 사용되는 금속보다 전기음성도가 더 낮은 알루미늄, 철, 구리, 주석 중에 선택된 어느 하나의 금속인 것이 바람직하다. 이 때 애노드의 윗 부분에 단자를 연결하는 이유는 단자와의 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion)에 의해 마그네슘 애노드가 충분히 소모되기 전에 단자가 끊어지는 것을 방지하기 위함이다.

애노드단자(210)와 캐소드(220)에 전선이 각각 연결되어 전원을 공급하거나 차단하는 조작부(230)가 더 구비된다.

애노드(210)는, 저장부(30)에 지지된 애노드 지지부재(212)에 의해 사각 판체 형상으로 설치되고, 캐소드(220)는, 애노드(210)를 가운데 두고 서로 마주보도록 2개(한 쌍)가 설치될 수 있다.

2개의 캐소드(220)는 서로 전선에 의하여 연결되어져 전기적으로 통전되도록 구성된다.

전해액(10)이 이동되도록 하는 관통홀(224)을 다수 구비한 사각판체 형상인 한 쌍의 캐소드 지지부재(212)에 의해 고정되는 것이 바람직하다.

그리고, 캐소드(220)와 캐소드 지지부재(212)의 전면에, 애노드(210)에 근접하게 설치되어 애노드(210)와 캐소드(220) 사이의 거리를 균등하게 하고, 애노 드(210)의 형체를 장시간 유지하도록 하는 절연재질의 스페이서(214)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

스페이서(214)는 형성되는 개수에 한정되지 않는다. 이 스페이서는 유체의 흐름을 방해하지 않을 재료여야 하는데, 초기에 50 ppi 의 우레탄 스펀지를 사용하였을 경우, (실험 예 1) 보다도 플라스틱 가공품을 사용하였을 경우 훨씬 높은 수소 생산 속도를 보였기 때문에 스펀지보다는 간단한 기계적인 스페이서를 사용하게 되었다. 우레탄 스펀지에서 반응 생성물인 수소가스와 금속 수산화물 입자들이 빠져나오는 속도가 느렸기 때문이다.

애노드(210)와 캐소드(220) 사이의 거리는, 0.3 ~ 20mm 범위를 가지며, 전해액으로 해수를 사용하는 경우, 1 ~ 5 mm 범위의 간격을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 캐소드(220)와 캐소드 지지부재(212)에 설치된 서로 마주보는 스페이서(214) 사이에는 애노드(210)가 위치하고 있으며, 스페이서(214)는 거의 애노드(210)에 접촉이 될 정도로 근접하게 위치하게 된다.

조작부(230)의 작동으로 전선(232)을 통하여 전기적인 접속이 이루어지면 애노드와 캐소드의 부식 쌍이 형성되면서, 애노드(희생전극, 210)의 마그네슘은 점차적으로 전기 화학반응에 의해 부식되어지고, 주로 캐소드(촉매전극, 220)에서, 그리고 일부는 마그네슘 전극에서 수소가 발생되어진다.

그리고, 장시간 전기 화학반응(부식반응)이 이루어지면서, 애노드(210)는 도 4의 (a)와 같이 전혀 부식되지 않는 상태에서, 스페이서(214)가 위치한 부분에 비해 다른 모든 부분들의 부식이 우선적으로 이루어지므로 도 4의 (b)와 같이 뼈대 형상으로 남게 된다.

애노드(210)를 모두 사용한 후 덮개(110)를 개방하여 뼈대만 남은 애노드(210)를 꺼내서 폐기하고, 새로운 애노드(210)를 설치하여 사용한다.

저장부(300)의 외측에는, 전해액(10)을 공급하고, 내부에서 전기 화학반응에 의하여 생성된 금속산화물(340)을 배출하도록 하는 유입배출부(310)를 더 포함한다.

유입배출부(310)는, 저장부(300)의 일측에 형성된 유입관(322)을 통하여 전해액(10)을 공급하는 공급부(320)와; 저장부(300)의 타측에 형성된 배출관(332)을 통하여 저장부(300) 내부 바닥면에 있는 금속산화물(340)을 배출하여 포집하는 포집부(330)를 더 포함한다.

전기 화학반응이 진행될수록 수산화 마그네슘등의 금속산화물(340)이 저장부(300)의 바닥면에 누적된다. 이때, 공급부(320)에서 전해액(10)을 유입관(322)를 통하여 저장부(300)로 공급하게 되면서, 배출관(332)을 통하여 일부의 전해액(10)과 더불어 금속산화물(340)이 배출되어 포집부(330)에서 포집 되어진다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극부(200)에서 발생된 수소의 팽창에 의해 수소발생부(200) 내부의 전해액(10) 수위가 낮아지고, 이동된 전해액(10)에 의해 저장부(300)의 수위가 높아지므로 수위 차이(Hp)로 인하여, 공간부(150)에 저장된 수소에 이송 압력을 가하여 수소이송관(120)을 통한 수소의 이송속도를 높여주고, 수소의 발생 속도를 조절한다.

즉, 수소발생부(200)에서 수소가 많이 발생되어 수소이송관(120)으로 배출되 는 속도에 비하여 공간부(150)에 저장되는 수소량이 많아지면, 수소발생부(100)에 저장된 전해액(10)의 수위가 낮아짐과 동시에 전해액이 수소발생부(100)의 저면개방부위를 통하여 이동하여 저장부(300)의 수위가 올라가게 되어, 도 5에 도시된 바와같이, 수위차이(Hp)를 유지하게 된다. 이때, 저장부(300)의 전해액이 수소발생부(100)에 공간부(150)에 저장된 수소에 압력을 가하게 되어 수소이송관(120)으로 수소의 이송을 촉진하게 된다.

이러한 상태에서, 수소발생부(100) 내에 설치된 전극부(200)의 애노드(210)와 캐소드(220)가 전해액과 접촉되는 면적이 감소하므로 수소발생량이 현저하게 감소하게 된다, 이때, 수소저장부(100)의 수위가 높아지고, 저장부(300)의 수위가 낮아지면서, 애노드(210)와 캐소드(220)가 전해액과 접촉되는 유효 면적이 증가하므로 수소의 발생이 다시 증가하게 된다. 이와 같은 상태를 반복적으로 수행하면서 수소의 발생량이 자동적으로 조절되어진다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발생장치를 보인 도면으로서, 애노드(210)와 캐소드(220)는, 서로 마주보는 애노드단자(216)와 캐소드단자(226)에 서로 반복적으로 교차하도록 각각 다수개 씩 구비되어 수소 발생량을 증대시키는 구성이다.

이러한 다른 실시예의 구성은, 일 실시예에 따른 수소 발생 장치와 비교하여, 애노드(210)와 캐소드(220)의 개수와, 캐소드(220)에 캐소드단자(226)를 더 구비하여 고정을 용이하게 하고, 애노드단자(216)가 애노드(210)를 상측에서 전체적으로 일정 간격을 유지하는 상태로 고정하게 하고, 유입배출부(310) 중에서 해 수(50)에서 직접 사용되므로 전해액(10)과 금속산화물(340)이 자동으로 배출되므로 공급부(320)와 포집부(330)가 구비되지 않는 점이 서로 다르다.

그 이외에는 일 실시예의 수소 발생 장치의 구성과 유사하므로 자세한 설명을 생략하도록 한다.

다른 실시예의 수소 발생 장치는, 수소 사용부재(140) 중에서 잠수정 또는 해상 보트에 주로 적용하는 것이 바람직하다. 물론, 이것은 사용범위를 제한하는 것은 아니다.

한편, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 수소발생장치의 구성은, 수소를 수용하는 공간부(420)를 갖고, 이동부(410)를 통하여 해수(50)가 유입 또는 배출되는 수소발생부(400); 수소발생부(400) 내에서 설치된 애노드(510)와 캐소드(520)에 각각 전기를 가하여 전기 화학반응을 일으켜 수소를 발생하는 전극부(500); 수소발생부(400) 상측에 구비되어 전극부(500)에서 발생된 수소를 사용하는 수소연료전지(430); 및 수소발생부(400), 전극부(500) 및 수소연료전지(430)를 해수(50)에서 부유하도록 하는 부력부재(600)를 포함한다.

그리고, 전극부(500)는, 다공성을 갖고 플렉시블한 절연부재(530)의 사이에 애노드(510)과 캐소드(520)가 각각 교번적으로 원형으로 감겨져서 형성되고, 애노드(510)과 캐소드(520)에 애노드 단자(512)와 캐소드 단자(522)가 각각 구비되어 필요에 따라 단락을 할 수 있도록 하고 해수(50)가 유입되면서 발생하게 되는 수소는 수소연료전지(430)에 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

수소연료전지(430)에서 공급되는 전기에 의해 해수(50)와 양 전극과 더불어 전기 화학반응(부식반응)을 일으켜 수소를 발생한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 애노드(510)와 캐소드(520) 사이에는, 절연부재(530)가 있으므로 서로 접촉되지 않으며, 애노드(510)와 캐소드(520)가, 전체적으로 길게 형성되어 절연부재(530)에 감겨지므로, 애노드 단자(512)와 캐소드 단자(522)가, 애노드(510)와 캐소드(520)의 한 부분에 각각 연결되면, 애노드(510)와 캐소드(520)의 전체 부분에 전기가 각각 통전된다.

절연부재(530)은, 직물재, 다공성 합성수지재 또는 기타 절연재 등을 사용하는 것이 바람직하다. 절연특성을 가진다면, 어떠한 소재를 사용하여도 무방하다.

애노드 단자(512)와 캐소드단자(522)는, 전극부(500)의 애노드(510)과 캐소드(520)의 상측에 각각 접속 형성되어 스위치와 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

부력부재(600)는, 해수(50)로 낙하시, 충격을 감지하는 충격감지센서(610)와; 충격감지센서(620)의 감지에 의하여 제어 신호를 가하여 가스를 신속하게 공급하여 팽창하도록 하는 가스공급부(620)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

부력부재(600)는, 타이머를 이용하여 가스를 팽창하게 하거나 기타 여러가지 일반적인 방법을 사용하여 부력부재(600)에 가스를 공급하여 해수(50)에서 부유하도록 구성할 수 있다.

해수(50)는 약 3% 정도의 소금(NaCl)을 포함하는 것으로 알려져 있다.

충격감지센서(610)와 가스공급부(620)의 팽창은, 일정한 전기를 갖는 수소연료전지(430)에서 공급받거나 별도의 전원으로부터 공급받도록 구성할 수 있다.

그리고, 수소발생부(400)에는, 수소연료전지(430)에 공급받은 전기를 이용하 여 바다 속의 탐지물의 위치를 파악하는 음향센서(700)와; 음향센서(700)에서 감지된 신호를 소정의 수신처(인공위성, 함정의 수신부, 통신기지등)로 전송하도록 하는 안테나(800)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

음향센서(700)는 미 도시된 전선에 의하여 수소연료전지(430)로 부터 전기를 공급받아 지속적으로 작동되어진다.

안테나(800)에서 신호를 송,수신하기 위한 송수신부를 더 구비할 수 있다.

탐지물은 군사용, 학술용, 또는 기상용 등으로 적용될 수 있으며, 적군의 잠수함, 잠수정 또는 학술용 탐사물(고래,상어,희귀동물등)등이 적용되어질 수 있다.

이하, 첨부도면에 의거하여 일 실시예에 따른 본 발명의 수소발생장치의 작용을 살펴보도록 한다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 사용상태를 살펴본다, 이 때, 애노드(210)는 마그네슘을 사용하는 상태를 기준으로 설명한다.

조작부(230)를 작동하여 전선(232)을 통하면, 부식 전류가 흐르게 되면서 전해액(10)에 담겨진 마그네슘 애노드(210)와 캐소드(220)가 전기적인 화학반응을 일으킨다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극부(200)에서 발생된 수소의 팽창에 의해 수소발생부(200) 내부의 전해액(10) 수위가 낮아지고, 이동된 전해액(10)에 의해 저장부(300)의 수위가 높아지므로 수위 차이(Hp)로 인하여, 공간부(150)에 저장된 수소에 이송 압력을 가하여 수소이송관(120)을 통한 수소의 이송속도를 높여주고, 수소의 발생 속도를 조절한다.

즉, 수소발생부(200)에서 수소가 많이 발생되어 수소이송관(120)으로 배출되는 속도에 비하여 공간부(150)에 저장되는 수소량이 많아지면, 수소발생부(100)에 저장된 전해액(10)의 수위가 낮아짐과 동시에 전해액이 수소발생부(100)의 저면개방부위를 통하여 이동하여 저장부(300)의 수위가 올라가게 되어, 도 5에 도시된 바와 같이, 수위차이(Hp)를 유지하게 된다.

이때, 저장부(300)의 전해액이 수소발생부(100)에 공간부(150)에 저장된 수소에 압력을 가하게 되어 수소이송관(120)으로 수소의 이송을 촉진하게 된다.

이러한 상태에서, 수소발생부(100) 내에 설치된 전극부(200)의 애노드(210)와 캐소드(220)가 전해액과 접촉되는 면적이 감소하므로 수소발생량이 현저하게 감소하게 된다,

그리고, 수소저장부(100)의 수위가 높아지고, 저장부(300)의 수위가 낮아지면서, 애노드(210)와 캐소드(220)가 전해액과 접촉되는 면적이 증가하므로 수소의 발생이 다시 증가하게 된다. 이와 같은 상태를 반복적으로 수행하면서 수소의 발생량이 자동적으로 조절되어진다.

한편, 장시간 사용하게 되면, 저장부(300)의 바닥면에 금속산화물(특히, 수산화마그네슘, 340)이 누적되면서, 전기화학반응의 진행 속도가 저하될 수 있으나, 저장부(300)의 일측에 구비된 공급부(220)에서 전해액을 공급하여 저장부(300)로 공급하므로 내부에 있는 금속산화물(340)과 전해액 일부와 같이, 배출관(332)를 통하여 외부로 배출어져 포집부(330)에서 포집되어진다.

따라서, 수소저장부(100)와 저장부(300) 내에 저장된 전해액(10)은 항상 깨끗한 상태를 유지하므로 수소발생속도를 저하시키지 않는다.

그리고, 소정시간이 지난 후에는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 애노드(210)가 스페이서(214)가 위치한 부분을 제외한 모든 부분이 부식되어져 수소발생량이 저하되므로 덮개(110)를 개방하여 새로운 애노드(210)로 교환하도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 작용을 살펴본다.

이러한 다른 실시예의 구성은, 일 실시예에 따른 수소 발생 장치와 비교하여, 애노드(210)와 캐소드(220)의 개수와, 캐소드(220)에 캐소드단자(226)를 더 구비하여 고정을 용이하게 한다는 점, 애노드단자(216)가 애노드(210)를 상측에서 전체적으로 일정 간격을 유지하는 상태로 고정된다는 점, 본 실시예를 해수(50)에서 직접 사용하므로 전해액(10)과 금속산화물(340)을 배출할 필요가 없어서 공급부(320)와 포집부(330)가 구비되지 않는 점 등이 서로 다르다.

그 이외에는 일 실시예의 수소 발생 장치의 구성과, 그로부터 도출되는 작용 역시 유사하므로 자세한 설명을 생략하도록 한다. 다른 실시예의 수소 발생 장치는, 수소 사용부재(140) 중에서 해수(sea water, 50)에서 주로 사용하는 잠수정 또는 해상 보트에 주로 적용하는 것이 바람직하다. 잠수정의 경우에는 압축공기를 내재하고 있으므로 그 압축공기와 수소 발생기에서 얻어진 수소로 인해 장시간 잠행할 수 있다.

도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에 따른 수소 발생 장 치의 사용상태의 작용을 살펴본다.

본 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 비행기, 수송기, 배 또는 함정의 선상에 본 장치를 탐지 목적으로 바다에 낙하시키면, 수소발생부(400)의 적소에 장착된 충격감지센서(610)가 충격신호를 감지하여 소정위치에 구비된 가스공급부(620)에서 팽창가스를 순간적으로 발생하여 접혀져 있는 부력부재(600)를 팽창시키면서 바다에 부유시키도록 한다.

그리고, 해수(50)에 수소발생부(400)가 잠기면, 이동공(410)을 통하여 해수(50)가 수소발생부(400)의 내부로 유입되어지고, 절연부재(530)의 양측에 각각 구비된 애노드(510)와 캐소드(520)에서 전기 화학반응(부식반응)을 일으키면서, 수소가 발생되어진다.

부력부재(430)는, 부이(buoy)인 것이 바람직하다.

이때, 발생된 수소는 공간부(450)에 모여지면서, 수소연료전지(430)의 사용연료로 지속적으로 제공되어진다.

한편, 해수(50)가 애노드(510)와 캐소드(520)와 전체적으로 접촉되어지면, 수소발생량이 많아지면서, 이동공(410)을 통하여 전해액(10)이 바다로 배출되어 바다의 수위에 비하여 수소발생부(400)의 공간부(450)의 수위가 낮아지게 되므로 공간부(450)에 보관된 수소에 압력을 가하여 이송력을 제공하게 된다.

그리고, 전해액이 애노드(510)와 캐소드(520)과 접촉되는 면적이 줄어들게 되어 수소발생량이 줄어들게 되면, 다시 수소발생부(400)의 내부의 전해액 수위가 높아지게 되므로 수소발생량이 늘어나게 된다. 이러한 과정을 반복하면서, 수소의 발생량이 자동적으로 조절되어지게 된다.

한편, 해수(50)의 압력에 의하여 자동적으로 수소가 이동되므로 별도의 수소 이송수단을 구비하지 않아도 되는 장점을 지닌다.

이렇게 발생된 수소를 공급하여 수소연료전지(430)가 장시간 해상에서 부유하면서 적군의 잠수함, 잠수정 또는 학술용 탐사물(고래,상어,희귀동물등)등을 지속적으로 탐지할 수 있다.

한편, 일 실시예와 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치에서, 애노드(210)를 마그네슘으로 선택하고, 캐소드(220)를 다양한 금속을 선택하여 수소발생량을 측정하는 실험을 실시하였으며, 이에 대하여 살펴보도록 한다.

[실험 예 1]

수소 발생 속도를 측정하기 위해서 1,000 ml 용량의 메스실린더를 3% 염화나트륨 용액이 담겨있는 수조에 거꾸로 넣고 그 안에 전해액(10)이 가득채워진 상태로 놓고 바닥에 50 x 100 mm(가로 x 세로)의 크기와, 1.5mm 두께의 전극을 넣어두고 일정시간이 되길 기다렸다가 발생하는 수소의 양을 측정하였다.

먼저 기본적인 실험결과를 얻기 위해 애노드(210)인 마그네슘 금속 AZ31 판(Al 3%, Zn 1% 나머지는 마그네슘)을 넣고 24시간후 발생한 수소량을 측정하였다.

또한, 동일한 크기의 구리판과 연결된 전극쌍을 만들고 그 간격을 두께 3mm 의 스펀지로 띠우고 접착 테이프를 사용하여 서로 마주보게 묶은 다음 발생량을 측 정하였다.

이와 같은 방법으로 각종 캐소드(220) 즉 촉매전극들과의 전극쌍들의 수소 발생량을 측정하였다. 측정된 수소 발생량의 결과는 표 1에 나타나 있다. 전극간의 간격은 동일하게 두께 3 mm의 우레탄 스펀지(50 ppi)를 끼워서 유지하였다.

그리고 비교하기 온도 5℃에서 발생한 수소가스의 부피를 측정하였다. 이 조건들은 기타 전해액에서 확장하여 적용할 때 그 가능성과 방향을 제시해준다.

[표 1]

실험번호	애노드	캐소드	전해액	수소 발생 속도(ml/min)
1	마그네슘 AZ31	없음	소금물 NaCl 3%	0.02
2	마그네슘 AZ31	구리판	소금물 NaCl 3%	1.4
3	마그네슘 AZ31	니켈폼	소금물 NaCl 3%	8.1
4	마그네슘 AZ31	니켈폼 은 코팅 (AgNO3)	소금물 NaCl 3%	9.3
5	마그네슘 AZ31	니켈폼 은 전기 도금 (Ag)	소금물 NaCl 3%	8.9
6	마그네슘 AZ31	니켈폼 로듐 전기도금 (Rh)	소금물 NaCl 3%	8.4
7	마그네슘 AZ31	티타늄 판에 백금도금(Pt-Ti)	소금물 NaCl 3%	3.4
8	마그네슘 AZ31	니켈폼 백금 코팅 (H2PtCl6)	소금물 NaCl 3%	10.4
9	마그네슘 AZ31	니켈메쉬 활성탄. PTFE -산화 코발트 (C-Co2O3) PTFE 40%	소금물 NaCl 3%	4.2
10	마그네슘 AZ31	니켈폼 활성탄. PTFE, 이산화망간 (C-MnO2), PTFE 40%	소금물 NaCl 3%	1.3

[실험 예 2]

여러 가지 캐소드(촉매전극,220)를 만들어 비교하기 위해 다음과 같은 과정을 진행시켰다.

실험에 사용된 대부분의 캐소드(220)는 니켈 폼에 코팅 혹은 접착한 것으로 서, 사용된 니켈 폼은 100 ppi 의 다공성이며 두께는 2 mm 이었다.

또한 전기 도금조에서 평면이라고 간주된 면적이라고 계산할 때 약 5 미크론(micrometer) 의 두께로 코팅하여 은(Ag), 그리고 금(Au) 혹은 로듐(Rh)이 도금된 니켈 폼을 만들어서 시험하였다. 구리 폼(100 ppi)도 동일한 실험을 하였으나 니켈 폼과의 특이점은 발견되지 않았고 동일한 효과를 보였으나 부식이 더 빠르게 진행되어 내구성의 문제를 드러내었다. 다만 은, 금, 로듐을 도금한 예는 부식이 진행되지 않았다.

그 외 백금이 코팅된 티타늄 전극과, 활성탄과 테플론 수지의 코팅제품등을 사용하여 비교 시험하였다.

백금 촉매층은 니켈 폼을 백금산 용액(H2PtCl6) 10%에 넣어 코팅을 하였는데 소위 블랙 백금이라는 코팅층이 형성되었다. 이 작업은 간단한 것으로서 니켈 폼을 이 용액에 1 - 10분만 담궈 놓으면 즉시 활성이 강한 백금 촉매가 형성이 되었다.

동일한 크기의 구리판을 사용한 경우와 비교하여 촉매의 효과를 확인하였다. 촉매효과를 확인한 결과 촉매전극의 비표면적이 넓은 것과 소수성을 갖는 테플론이나 유기바인더가 존재하지 않는 전극의 효과가 우세하였다. 비표면적이 크고 친수성이 좋은 니켈 폼에 귀금속을 도금한 것이 효과가 우월하였다.

[실험 예 3]

캐소드와 애노드의 간격은 0.3 -10 mm 를 유지하면서 실험을 하였는데 그 간격에 따른 수소 발생량을 알기 위해 전극간의 간격을 다르게 한 후 그 발생량을 측 정하였다. 실험번호 3과 동일한 조건으로 간격의 차이에 따른 수소 발생 속도를 측정하였다.

[표 2] 전극간의 거리에 따른 수소 발생 속도 (ml/min) 전극크기 50 x 100 (mm), 3% 염화나트륨 용액, 가스포집시간 각각 30분씩.

전극간 거리(mm)	0.3	1	3	5
수소발생 속도 (ml/min)	7.0	9.7	8.1	6.0
전극간 거리(mm)	8	10	15	20
수소발생 속도 (ml/min)	3.5	3.1	2.7	2.2

표에서 결과를 보여주듯이 거리가 멀어지면 발생 속도도 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 수소 발생 과전압에 대한 용액의 전기저항이 기여하는 부분이 더 커졌기 때문이다. 표 1에 비해 높은 수소 발생 속도를 보이는 이유는 전극간의 간격을 우레탄 스펀지가 아닌 견고한 플라스틱 재를 사용하여 유지하였기 때문이다. 그만큼 두 전극사이에서의 물질 이동이 중요하였다.

그런데 이런 경우에서도 발생한 수소 가스와 금속 수산화물의 제거가 전극사이에서 용이하지 않으면 오히려 감소하는데 전극간의 간격을 1 mm 이하로 하면 장시간 테스트 할 때 발생량은 감소하게 된다.

[실험 예 4]

폴리카보네이트 판을 가공하여 도 1과 같은 셀을 제작하였다. 애노드(210)를 마그네슘판으로 적용하는 경우, 50 x 100 x 1.5 mm 크기에 윗 부분은 리벳 결합이 가능한 손잡이가 있는 모양으로 가공하였다.

캐소드(촉매전극,220)는 같은 크기의 두 장을 준비하여 가운데 세워진 폴리카보네이트 판들에 붙이고 그 뒷 면에 구멍들을 내어 전선을 납땜하여 연결하였다.

그리고 그 전선은 밖으로 내어 스위치와 연결하였다. 수소 발생량은 [실험 예 2]의 경우에 비해 2 배가 되며, 발생한 수소의 양은 수조에 들어 있는 메스실린더에 넣고 측정하였다. 수소의 발생은 도금하지 않은 니켈 폼 전극만을 사용할 때 3% 염화나트륨 용액에서 최대 49ml/min 이었다.

또한, 이번에는 로듐을 도금한 니켈 폼을 사용한 셀을 구성하여 12% 염화나트륨 용액에서 시험한 결과 148 ml/min 의 생성 속도를 얻었다. 이 정도의 수소 발생 속도는 소형 휴대용 수소연료전지에 적용한다면 20 watt의 출력을 얻게 하는 매우 실용적인 값이다. 즉 휴대용 수소 발생기로 소형화한다면, 인위적으로 소금의 농도를 높여서 높은 수소 발생 속도를 얻는 것이 가능하다.

그리고, 수소발생장치의 가스 배출 밸브를 잠그니 가스 발생부의 내부 공간에 수소 가스로 가득차게 되어 더 이상의 수소 발생이 없었다. 수소 가스 분위기가 마그네슘 전극의 산화를 방지하였기 때문이다. 또한 수소 가스 발생 중에도 조작부의 스위치를 차단하자 발생속도가 극히 낮은 수준으로 떨어져서 48시간이 경과하여도 수소발생부의 절반까지만 채워진 상태에서 정지하였다. 이로서 수소 발생장치는 안전하고 편리하게 수소를 생산하고 보관하며 관리할 수 있도록 함이 입증되었다.

[결과분석]

수소 생성 속도는 캐소드(220)와의 종류에 의해 크게 영향 받으며 연결에 의해 조절됨을 알 수 있다. 마그네슘 자체만으로는 부식 반응에 의한 수소발생이 0.02 ml/min 정도로 극히 적으며, 필요한 생산속도를 갖는다면 매우 많은 면적을 갖는 기하학적인 모양이 필요하고 발생속도는 조절이 불가능하게 된다.

여기에 구리판을 연결하면 수소 발생 속도는 70 배로 상승한다. 그리고 니켈 폼과 연결하면 400 배 이상의 발생 속도를 갖게 된다.

여러 시험의 경우들을 비교해 볼 때, 해수와 비슷한 소금물 3%에서 가장 우수한 쌍은 마그네슘과 백금 촉매 전극 쌍인데 단순히 구리판과 연결한 쌍에 비해 5배 이상의 수소 발생속도를 보인다.

그런데, 티타늄 판위에 백금을 코팅한 경우는 낮은 값 즉 3.4 ml/min을 보이는데 니켈 폼에 비해 표면적이 적기 때문으로 판단된다. 따라서 표면적이 큰 다공성 금속에 촉매층을 입힌 것이 가장 효과가 높음을 알 수 있다.

애노드와 캐소드의 전극 간 거리는 유체의 흐름이 원할할 정도의 간격을 두고 최소로 하는 것이 좋다. 일단 실험에 따르면 0.3mm 이상 20 mm 이나 그 이상까지 가능하나 1 - 10 mm 간격이 실용적인 관점에서 적합한 간격이라고 판단된다.

백금 촉매가 고가이므로 보다 저렴한 금속으로서는 팔라듐, 로륨, 은 등의 순서를 보인다. 이 전극들도 실용적인 값을 보이고 있으며 수소 발생속도도 높아서 시스템을 구성하면 원하는 목적을 달성할 수 있다.

또한 소금의 농도를 높이거나 온도가 상승하면 발생속도는 현저히 높아질 수 있다. 단지 니켈 폼만으로도 충분한 촉매효과가 있음이 확인되었으며 여기에 내식 성과 촉매특성을 더 향상시킬 목적으로 귀금속으로 도금을 할 필요가 있다. 니켈 폼이나 구리 폼 외에도 귀금속으로 도금된 구리선으로 짜진 직물도 적합하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 [실험 예1,2,3,4]등은 단지 본 발명의 명세서에서 어떠한 조건일 때, 수소가 가장 많이 발생하는 지 보여주는 지를 예시적으로 보인 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

본 발명에 따른 여러 실시예에서 기술된 수소 발생 장치는, 소형으로 제작하므로 사용자들이 휴대하여 사용할 수 있도록 휴대용으로 제작하는 것이 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 평단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 애노드를 보인 도면으로서, (a)는 애노드를 사용하기 전 상태도이고, (b)는 애노드를 사용한 후 상태도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 사용 상태를 보인 도면이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치로서, 해수에서 대용량으로 사용되는 상태를 보인 도면이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생장치를 보인 도면이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생장치의 전극부를 보인 도면이다.

도 9는 도 8의 A-A선 단면도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생장치의 사용 상태 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전해액 100,400 : 수소발생부

110 : 덮개 120 : 수소이송관

130 : 필터 140 : 수소사용부재

200, 500 : 전극부 210,510 : 애노드

212 : 애노드지지부재 214 : 스페이서

220,520 : 캐소드 222 : 캐소드지지부재

230 : 조작부 300 : 저장부

310 : 유입배출부 320 : 공급부

322 : 유입관 330 : 포집부

332 : 배출관 430 : 수소연료전지

530 : 절연부재 600 : 부력부재

610 : 충격감지센서 620 : 가스공급부

700 : 감지부 800 : 안테나

Claims (22)

1. 수소를 수용하는 공간부를 갖는 수소발생부;

   상기 수소발생부 내에서 설치된 애노드와 캐소드의 연결로 인해 부식 반응을 일으켜 수소를 발생하는 전극부; 및

   상기 수소발생부의 외부에 전해액이 저장된 상태로 구비되고, 상기 수소발생부 내의 전해액이 서로 이동 가능하게 형성되는 저장부를 포함하는 수소 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소발생부와 상기 저장부를 덮어주는 덮개가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 덮개에는, 상기 수소발생부에 수용된 수소를 이송하는 수소 이송관이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 수소 이송관으로 이송되는 수소를 걸러주는 필터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 수소 이송관은, 수소 사용부재에 수소를 공급하도록 연결되고,

   상기 수소 사용부재는, 수소 연료전지, 내연기관, 수소 자동차, 잠수정, 해상 보트, 해상용 소형기기, 비상용 기기 중에 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소발생부의 저면부는, 상기 저장부와 연통되도록 개방 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극부의 애노드는, 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중에 선택된 어느 하나의 금속으로서, 원통, 사각기둥, 판체형상 중에 선택된 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극부의 캐소드는, 니켈, 티타늄, 구리, 은, 금, 로듐, 팔라듐, 백금 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속 또는 금속 폼인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 금속 폼은, 비표면적이 큰 금속 폼인 것이 바람직하며, 상기 금속 폼은 50 ~ 150 ppi의 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 캐소드는, 상기 선택된 적어도 어느 하나의 금속 폼에, 은, 금, 팔라듐, 로듐, 백금, 백금족 금속 중에 선택된 적어도 어느 하나의 금속을 도금한 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 전극부의 애노드에는, 상기 애노드의 상부에 전선을 연결하기 위한 애노드단자가 더 구비되고, 상기 애노드 단자는, 애노드에 사용되는 금속보다 전기음 성도가 더 낮은 알루미늄, 철, 구리, 주석 중에 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 애노드는, 상기 저장부에 지지된 애노드 지지부재에 의해 사각 판체 형상으로 설치되고,

    상기 캐소드는, 상기 애노드를 가운데 두고 서로 마주보도록 설치되고, 전해액이 이동되도록 하는 관통홀를 다수 구비한 사각판체 형상인 한 쌍의 캐소드 지지부재에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 캐소드와 캐소드 지지부재의 전면에, 상기 애노드에 근접하게 설치되어 상기 애노드와 캐소드 사이의 거리를 균등하게 하고, 상기 애노드의 형체를 장시간 유지하도록 하는 절연재질의 스페이서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 애노드와 캐소드 사이의 거리는, 0.3 ~ 20mm 범위를 가지며, 전해액으로 해수를 사용하는 경우, 1 ~ 5 mm 범위의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
15. 제 1 항에 있어서, 애노드와 캐소드는 전선으로 서로 연결되고 상기 전선에는 개폐가 가능한 스위치인 조작부가 결합되어 있어서 수소 발생 반응을 개시하거나 종료할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 애노드와 캐소드는, 서로 마주보는 애노드단자와 캐소드단자에 서로 반복적으로 교차하도록 각각 다수개 씩 구비되어 수소 발생량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
17. 제 1 항에 있어서,

    상기 전극부에서 발생된 수소의 팽창에 의해 상기 수소발생부 내부의 전해액 수위가 낮아지고, 이동된 전해액에 의해 상기 저장부의 수위가 높아지므로 수위 차이로 인하여, 상기 공간부에 저장된 수소에 이송 압력을 가하여 상기 수소이송관을 통한 수소의 이송속도를 높여주고, 수소의 발생 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
18. 제 1 항에 있어서,

    상기 저장부의 외측에는, 상기 전해액을 공급하고, 내부에서 부식반응에 의하여 생성된 금속산화물을 배출하도록 하는 유입배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 유입배출부는, 상기 저장부의 일측에 형성된 유입관을 통하여 전해액을 공급하는 공급부와;

    상기 저장부의 타측에 형성된 배출관을 통하여 저장부 내부 바닥면에 있는 금속산화물 슬러지를 배출하여 포집하는 포집부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
20. 수소를 수용하는 공간부를 갖고, 이동공을 통하여 해수가 유입 또는 배출되는 수소발생부;

    상기 수소발생부 내에서 애노드와 캐소드가 구비되어 있으며, 해수가 유입되면 부식반응에 의해 수소를 발생하는 전극부;

    상기 수소발생부 상측에 구비되어 상기 전극부에서 발생된 수소를 사용하는 수소연료전지; 및

    상기 수소발생부, 전극부 및 수소연료전지를 해수에서 부유하도록 하는 부력부재를 포함하는 수소 발생 장치.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 전극부는, 다공성을 갖고 플렉시블한 절연부재 사이에 상기 애노드와 캐소드가 각각 교번적으로 원형으로 감겨져서 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
22. 제 20 항에 있어서,

    상기 부력부재는, 해수로 낙하시, 충격을 감지하는 충격감지센서와;

    상기 충격감지센서의 감지에 의하여 제어 신호를 가하여 가스를 신속하게 공급하여 팽창하도록 하는 가스공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.

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