KR101551848B1 - 재생 에너지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재생 에너지 시스템을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 또는 태양 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기와, 전기 분해 모드에서는 상기 발전기로부터 전기 에너지를 공급받아 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성시키고, 연료 전지 모드에서는 생성된 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성시키는 일체형 재생 연료 전지와 상기 일체형 재생 연료 전지에 황산수용액을 공급하는 황산 저장부와 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생성된 수소 및 산소를 저장하고, 저장된 수소 및 산소를 일체형 재생 연료 전지에 공급하는 가스 저장부 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시에는 상기 일체형 재생 연료 전지에 전기 에너지 및 황산 수용액이 공급되도록 상기 발전기 및 상기 황산 저장부에 제어 신호를 송부하고, 상기 일체형 재생 연료 전지의 연료 전지 모드시에는 상기 일체형 재생 연료 전지에 수소 및 산소가 공급되도록 상기 가스 저장부에 제어 신호를 송부하는 제어부를 포함한다.

Description

재생 에너지 시스템{REGENERATIVE ENERGY SYSTEM}
본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 소형 전원 공급을 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.
최근 환경 오염 및 미래 에너지 확보를 위한 각 국가의 관심이 증가되면서 석탄이나 원유 등의 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에, 바람이나 태양광과 같은 자연 환경을 이용한 대체 에너지 개발과 일산화탄소, 이산화탄소와 같은 유해 물질이 배출되지 않은 에너지 시스템에 관한 개발에 대한 관심이 더욱 커지고 있다.
그러나, 풍력 발전기 또는 태양 전지와 같은 대체 에너지 생산은 에너지를 생성하기 위한 바람이나 태양광과 같은 자연 환경 조건이 기후에 따라 변하므로 일정한 전기 에너지를 생성하기 어렵다. 즉, 안정적으로 전력을 공급하기 어려운 문제점이 있다. 이에, 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 생성된 전기 에너지를 저장할 수 있는 시스템에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이와 함께, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 생성하고 이에 의해 생성된 물질이 물뿐인 연료 전지에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, 연료 전지의 경우에는 필요한 전력을 생산하기 위해 수소를 생성하기 위한 천연 가스나 메탄올 등을 별도로 공급하여야 하는 문제점이 있다. 이에, 물로부터 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 모드와 생성된 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지 모드가 일체로 이루어질 수 있는 일체형 재생 연료 전지가 부각되고 있다.
따라서, 최근에는 일체형 재생 연료 전지에 풍력 발전기 또는 태양 전지를 결합하여 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 전기 에너지를 공급하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근 연구 기술은 대용량의 전력 공급에 적합하며, 일반 가정, 복합 건물, 및 도서 산간 지역에 독립 전원 공급 또는 분산 전원 공급을 위한 소용량의 전력을 공급하는 데 적합하지 않다. 또한, 일체형 재생 연료 전지로부터 전력을 생산할 때, 물의 전기 분해에 의한 수소와 산소의 생성량이 충분하게 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명은 독립 전원 또는 분산 전원으로 사용할 수 있는 소용량의 전력을 공급할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 수소 및 산소 생성 효율을 높일 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 또는 태양 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기와, 전기 분해 모드에서는 상기 발전기로부터 전기 에너지를 공급받아 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성시키고, 연료 전지 모드에서는 생성된 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성시키는 일체형 재생 연료 전지와 상기 일체형 재생 연료 전지에 황산수용액을 공급하는 황산 저장부와 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생성된 수소 및 산소를 저장하고, 저장된 수소 및 산소를 일체형 재생 연료 전지에 공급하는 가스 저장부 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시에는 상기 일체형 재생 연료 전지에 전기 에너지 및 황산 수용액이 공급되도록 상기 발전기 및 상기 황산 저장부에 제어 신호를 송부하고, 상기 일체형 재생 연료 전지의 연료 전지 모드시에는 상기 일체형 재생 연료 전지에 수소 및 산소가 공급되도록 상기 가스 저장부에 제어 신호를 송부하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 발전기 및 상기 일체형 재생 연료 전지에 연결되고, 상기 발전기 및 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생성된 전기 에너지를 공급받아 전력 소비지에 공급하는 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전기와 상기 일체형 재생 연료 전지는 상기 전원 공급부에 계통 연계되어 전기 에너지를 호환성있게 공급할 수 있다.
또한, 상기 발전기는 발전 용량 증가에 따라 계통형 인버터를 병렬로 연결하여 운전할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가스 저장부는 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생성된 수소와 산소를 각각 포집하는 가스 포집기와 상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기 및 상기 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 일체형 재생 연료 전지에 공급하는 가스 저장 탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지에 연결되어 상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생되는 열을 전달받는 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전기는 0.1KW 내지 5KW의 전기 에너지를 생산하도록 될 수 있다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위셀을 적층하여 형성되며, 각각의 단위셀은 양이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질막과, 상기 고분자 전해질막의 양측에 각각 형성된 촉매층과 상기 각 촉매층에 접촉된 가스 확산층을 각각 가지는 음극 및 양극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 인접하는 단위셀 사이에는 상기 음극과 상기 양극이 서로 교차하도록 적층될 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 전극 촉매 입자, 담체 및 바인더 수지로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 바인더 수지는 양이온 교환 작용기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 전해질막 또는 상기 바인더 수지의 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 적어도 어느 하나가 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 촉매 입자는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철, 백금-이리듐 합금, 백금-루테늄 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙, 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단위셀의 양쪽에 제공되는 집전체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 집전체는 타이타늄을 포함할 수 있다.
또한, 상기 타이타늄으로 이루어진 집전체는 백금, 금, 은, 니켈 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용하여 표면 코팅될 수 있다.
또한, 상기 집전체에는 그 표면에 유체 흐름을 유도하는 채널이 형성될 수 있다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지는 연료 전지 모드시 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택 및 전기 분해 모드시 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 스택을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 발전기 또는 태양 전기로부터 생성된 전기 에너지와 그 일부를 이용하여 황산 수용액을 전기 분해하고 이에 생성된 수소와 산소로부터 생성된 전기 에너지를 호환성 있게 공급하여 독립 전원 또는 분산 전원으로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 황산 수용액을 일체형 연료 전지에 공급하여 수소 및 산소 생성 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 전기 분해 모드시 형성된 전압-전류 곡선을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 재생 에너지 시스템의 전기 분해 모드시 수소 및 산소의 생성량을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 연료 전지 모드시 형성된 전압-전류 곡선을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템은 일반 가정, 복합 건물, 및 도서 산간 지역에 독립 전원 공급 또는 분산 전원 공급을 위한 것이다. 재생 에너지 시스템은 풍력 발전이나 태양 전지를 이용하여 1차 전기 에너지를 생산하고, 일체형 재생 연료 전지(20)를 이용하여 2차 전기 에너지를 생산한다.
도 1을 참조하면, 재생 에너지 시스템(1)은 발전기(10), 일체형 재생 연료 전지(20), 황산 저장부(30), 가스 저장부(40), 제어부(50), 그리고 전력 공급부(60)를 포함한다.
발전기(10)는 소형 전원 공급을 위한 것으로 0.1KW 내지 5KW의 전기 에너지를 생산한다. 일 예에 의하면 발전기(10)는 풍력에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전기, 태양광을 흡수하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 전지일 수 있다.
풍력 발전기는 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되며, 회전 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 발전기(10)를 포함한다.
*풍력 발전기는 초속 1m/s 이상의 풍속에 의해 회전 날개를 구동시켜 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 초속 5m/s 이상의 풍속에서 회전 날개가 구동되도록 할 수 있다. 또한, 초속 10m/s 이상의 풍속에서 회전 날개가 구동되도록 할 수 있다.
태양 전지는 p-n 접합부에 태양광이 입사되는 것에 의해 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산한다.
풍력 발전기 또는 태양 전지는 전원 공급부를 통해 공급되는 전기 에너지의 교류 전압(A/C)이 220V의 20% 내외 또는 110V의 20% 내외로 유지되고, 주파수는 50Hz 내지 70Hz로 유지되도록 전기 에너지를 생산한다.
풍력 발전기 또는 태양 전지는 일체형 재생 연료 전지(20)와 전원 공급부에 전기적으로 연결되어 전원을 공급한다. 또한, 풍력 발전기 또는 태양 전지는 상기 일체형 재생 연료 전지(20)로부터 전원을 공급 받을 수도 있다. 이 때, 풍력 발전기 또는 태양 전지는 용량 증설에 따라 계통형 인버터를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다.
일체형 재생 연료 전지(20)는 전기 분해 모드에서는 발전기(10) 즉, 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 전기 에너지를 공급받아 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성시키고, 연료 전지 모드에서는 생성된 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성시킨다.
일체형 재생 연료 전지(20)는 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 생산된 전기 에너지 중 일부를 이용하여 황산 수용액을 전기 분해하고, 전기 분해하여 생성된 수소와 산소를 가스 저장부(40)에 저장한다. 구체적으로, 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 생산된 전기 에너지는 전기 공급부를 통해 일반 가정, 복합 건물 등과 같은 독립 전력 소요처에 필요 전력량만큼 공급하고, 나머지 전기 에너지를 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급한다. 이에, 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 공급된 잉여의 전기 에너지를 이용하여 황산 수용액을 전기 분해한다.
또한, 풍력 발전기 또는 태양 전지로부터 생산되는 전기 에너지의 생산량이 필요 전력량보다 적을 때는, 일체형 재생 연료 전지(20)는 가스 저장부(40)의 산소와 수소를 공급받아 전기 에너지를 생산한다. 일체형 재생 연료 전지(20)에서 생산된 전기 에너지는 전력 공급부(60)를 통해 일반 가정, 복합 건물 등과 같은 독립 전력 소요처에 공급된다.
일체형 재생 연료 전지(20)에 공급되는 황산 수용액은 황산 저장부(30)에 저장된다. 황산 수용액은 10-5 내지 1 M 농도의 묽은 황산으로, 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급되어 수소와 산소의 발생 효율을 극대화시킨다. 일체형 재생 연료 전지(20)가 전기 분해 모드로 작동시 황산 저장부(30)에서 황산 수용액을 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급하고, 이때 전기 분해를 통해 수소와 산소 가스를 생산한다. 또한 일체형 재생 연료 전지(20)가 연료 전지 모드로 작동시 일체형 재생 연료 전지(20)에서 생성되는 물을 황산 저장부(30)에 공급하여 일체형 재생 연료 전지(20)의 전기분해 모드 구동을 위해 저장한다.
일체형 재생 연료 전지(20)로부터 생성된 수소와 산소는 각각 가스 저장부(40)에 저장된다. 특히, 가스 저장부(40)는 가스 포집기(42), 압축기(44) 및 가스 저장탱크를 포함한다.
가스 포집기(42)는 일체형 재생 연료 전지(20)에서 생성된 수소와 산소를 각각 수상 포집하고, 압축기(44)는 100 내지 103기압으로 포집된 수소와 산소를 각각 압축한다. 상기와 같이 압축된 수소와 산소는 가스 저장 탱크(46)에 저장되며, 가스 저장 탱크(46)에 저장된 수소와 산소는 일체형 재생 연료 전지(20)에서 전기 에너지 생산이 필요한 경우 즉 연료 전지 모드시 일체형 재생 연료 전지(20)에 각각 공급된다.
일체형 재생 연료 전지(20)와 가스 저장 탱크(46)에는 발생된 열을 회수하기 위해 열교환기가 각각 설치될 수 있다. 즉, 상기 일체형 재생 연료 전지(20)와 가스 저장 탱크(46)는 열교환기와 유체적으로 연통되어, 제1열적 매체가 일체형 재생 연료 전지(20)와 가스 저장 탱크(46)에서 발생된 열을 흡수하여 열교환기로 이동하고, 열교환기에서 제2열적 매체와 열교환되는 과정에서 냉각되며, 그 후 다시 일체형 재생 연료 전지(20)와 가스 저장 탱크(46)로 공급된다. 열교환기는 알루미늄, 황동, 구리, 청동, 주석 또는 이들의 조합을 포함하는 재질로 제공될 수 있다. 또한, 열교환기는 원통 다관형 또는 판형으로 제공될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 열교환기는 일체형 재생 연료 전지(20) 또는 가스 저장 탱크(46)에서 발생되는 열을 회수할 수 있는 다양한 재질과 형상을 가질 수 있다.
일체형 재생 연료 전지(20)는 적어도 하나 이상의 단위셀이 적층되도록 제공된다. 단위셀은 전해질막과 전해질막 양측에 음극, 양극의 전극이 제공된다. 인접하는 단위셀 사이에는 음극과 양극이 서로 교차하도록 적층된다.
전해질막은 양이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질층으로 이루어지며, 음극 및 양극은 고분자 전해질막의 양측에 각각 형성된 촉매층과, 각 촉매층에 접촉된 가스 확산층을 각각 포함한다. 이러한 전극은 100℃ 내지 200℃의 열가압을 통해 고분자 전해질막에 결합된다.
촉매층은 전극 촉매 입자, 담체 및 바인더 수지를 포함하며, 바인더 수지는 양이온 교환 작용기를 포함한다. 고분자 전해질막과 바인더 수지의 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
전극 촉매 입자는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철, 백금-이리듐 합금, 백금-루테늄 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하며, 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙, 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 전극 촉매 입자는 10nm 이하일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 전극 촉매 입자는 5nm, 또는 3nm 이하일 수 있다. 담체는 비표면적이 3000m2/g 이하를 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 담체는 비표면적이 2000m2/g, 1000m2/g 또는 500m2/g 이하인 것을 사용할 수 있다.
단위셀의 양쪽에 집전체가 제공되며, 집전체는 타이타늄으로 이루어지고, 백금, 금, 은, 니켈 및 이들의 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용하여 표면 코팅된다. 이러한 집전체는 판형, 메쉬형 또는 쉬트 형태로 제공될 수 있다.
집전체에는 그 표면에 유체 흐름을 유도하는 채널이 형성되는데, 채널의 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm일 수 있다. 채널은 집전체 표면에 일자형, 서펜틴형, 또는 도트형으로 제공될 수 있다.
일체형 재생 연료 전지(20)는 상기와 같은 단위셀이 적층된 스택으로 이루어진다. 일체형 재생 연료 전지(20)의 각 스택은 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 모드와 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 모드 모두를 수행할 수 있다. 그러나, 일체형 재생 연료 전지(20)의 각 스택을 연료 전지 모드를 수행하는 연료 전지 스택과 전기 분해 모드를 수행하는 전기 분해 스택으로 나눌 수 있다. 이에 따라 연료 전지 모드에서는 연료 전지 스택으로 산소와 수소가 공급되고, 전기 분해 모드에서는 전기 분해 스택으로 황산 수용액 및 발전기(10)의 전기 에너지가 공급된다.
제어부(50)는 상기와 같은 재생 에너지 시스템(1)의 작동을 조절한다. 즉, 일체형 재생 연료 전지(20)의 전기 분해 모드시에는 일체형 재생 연료 전지(20)에 전기 에너지 및 황산 수용액이 공급되도록 발전기(10) 및 황산 저장부(30)에 제어 신호를 송부하고, 일체형 재생 연료 전지(20)의 연료 전지 모드시에는 일체형 재생 연료 전지(20)에 수소 및 산소가 공급되도록 가스 저장부(40)에 제어 신호를 송부한다.
상기와 같은 구성을 포함하는 재생 에너지 시스템(1)에 관한 실시예를 구체적으로 들어 작동과 효과를 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 전기 분해 모드시 형성된 전압-전류 곡선을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 재생 에너지 시스템의 전기 분해 모드시 수소 및 산소의 생성량을 나타낸 도면이다.
재생 에너지 시스템(1)에서 일체형 재생 연료 전지(20)의 전기 분해 모드시에는 다음과 같이 제공될 수 있다. 풍력 발전 또는 태양 전지에서 생성된 전기 에너지의 일부(예를 들어, 전력 필요량을 독립 전력 소요처에 공급하고 남은 잉여의 전력량)는 일체형 재생 연료 전지(20)의 전기 분해를 수행하는 단위셀에 인가된다. 이 때, 전기 에너지의 전압은 직류 전압 0.1V 내지 2.0V 내에서 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급될 수 있다. 일 예에 의하면, 도 2에 도시된 것처럼, 공급되는 전기 에너지의 전압은 1.5V 내외로 유지된다. 또한, 단위셀의 면적은 25cm2일 수 있다. 전기 에너지가 인가된 단위셀은 공급된 묽은 황산 수용액을 전기 분해한다. 이때, 묽은 황산 수용액은 0.0001M일 수 있다. 또한, 전기 분해를 수행하는 단위셀의 음극은 백금(Pt) 4 mg/cm2의 전기 촉매 입자를 포함하는 촉매층이 도포되고, 양극은 백금-이리튬 합금(Pt85Ir15) 4 mg/cm2의 전기 촉매 입자를 포함하는 촉매층이 도포될 수 있다. 또한, 각각의 전기 촉매 입자에 대한 바인더 수지의 함량은 20중량%로 제공할 수 있다. 또한, 고분자 전해질 막은 과불화 수소계 고분자로서, 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene, PTFE) 구조의 합성 유도체가 제공될 수 있다. 또한, 집전체는 타이타늄 판에 백금을 코팅하여 사용할 수 있다. 또한, 황산 수용액은 30L/min의 유속과 70℃의 온도로 셀에 공급될 수 있다.
상기와 같은 조건에서 일체형 재생 연료 전지(20)의 전기 분해를 수행하면, 도 3의 표에 도시된 것처럼, 단위셀(25cm2)당 수소 생성량은 6 cc/min 이고, 단위셀(25cm2)당 산소 생성량은 10cc/min이 된다. 상기의 일체형 재생 연료 전지(20)에서 생성된 수소와 산소는 가스 포집기(42)를 통해 포집되어 가스 저장부(40)에 저장된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 연료 전지 모드시 형성된 전압-전류 곡선을 나타낸 도면이다.
재생 에너지 시스템(1)에서 일체형 재생 연료 전지(20)의 연료 전지 모드시에는 다음과 같이 제공될 수 있다.
상기 일체형 재생 연료 전지(20)에서 연료 전지 모드를 수행한 후, 가스 저장부(40)에 저장된 수소와 산소를 일체형 재생 연료 전지(20)에 다시 공급한다. 이 때, 수소 및 산소의 온도는 75℃로 공급되고, 유속은 각각 250cc/min, 500cc/min으로 공급된다. 또한, 수소와 산소는 가습되어 단위셀(25cm2)에 공급된다.
도 4에 도시된 것처럼, 상기와 같이 일체형 재생 연료 전지(20)에서 연료 전지 모드를 수행하면, 일반 연료 전지와 거의 같은 전기 에너지를 생성할 수 있다.
이와 같이, 일체형 재생 연료 전지(20)를 이용한 재생 에너지 시스템은 풍력 발전기 또는 태양 전기를 통해 1차 전기 에너지를 생성하여 독립 소요처에 공급하고, 1차 전기 에너지 중 일부를 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급하여 황산 수용액으로부터 수소와 산소를 생성시킨 후 이를 2차 전기 에너지 생성시 사용한다. 따라서, 재생 에너지 시스템은 잉여의 1차 전기 에너지를 이용하여 2차 전기 에너지를 생성하는 것으로, 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소의 생성량을 극대화시킬 수 있다.
상기의 실시예서는 풍력 발전기와 태양 전지로부터 생성된 전기 에너지를 일체형 재생 연료 전지(20)에 공급한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 일체형 재생 연료 전지(20)에는 다양한 발전기(10)가 결합될 수 있다.
상기의 실시예에서는 고분자 전해질막을 이용한 연료 전지를 개시하고 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 다양한 종류의 전해질막을 이용한 연료 전지를 사용할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다
1: 재생 에너지 시스템
10: 발전기
20: 일체형 재생 연료 전지
30: 황산 저장부
40: 가스 저장부
42: 가스 포집기
44: 압축기
46: 가스 저장 탱크
50: 제어부
60: 전력 공급부

Claims (16)

  1. 전기 에너지를 발생시키는 발전기;
    상기 발전기로부터 공급받은 전기 에너지를 이용하여 황산 수용액으로부터 수소와 산소를 생성시키고, 상기 생성된 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성시키는 일체형 재생 연료 전지; 및
    상기 일체형 재생 연료 전지에 상기 황산수용액을 공급하는 황산 저장부
    를 포함하며,
    상기 일체형 재생 연료 전지는,
    연료 전지 모드시 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택, 및 전기 분해 모드시 상기 황산 수용액을 이용하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 스택을 포함하는, 재생 에너지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발전기와 상기 일체형 재생 연료 전지는 전원 공급부와 전기적으로 연결되어 전기 에너지를 호환성 있게 공급하는 재생 에너지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 발전 용량 증가에 따라 계통형 인버터를 병렬로 연결하여 운전할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 0.1KW 내지 5KW의 전기 에너지를 생산하도록 된 재생 에너지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위셀을 적층하여 형성되며,
    각각의 상기 단위셀은, 양이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질막과, 상기 고분자 전해질막의 양측에 각각 형성된 촉매층과 상기 각 촉매층에 접촉된 가스 확산층을 각각 가지는 음극 및 양극을 포함하고,
    상기 촉매층은 전극 촉매 입자, 담체 및 바인더 수지로 이루어지며,
    상기 바인더 수지는 양이온 교환 작용기를 포함하는 재생 에너지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막 또는 상기 바인더 수지의 상기 양이온 교환 작용기는 -OSO3H, -COOH, -C6H4SO3H 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재생 에너지 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 전극 촉매 입자는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철, 백금-이리듐 합금, 백금-루테늄 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 재생 에너지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 음극에 도포된 상기 촉매층은 백금(pt) 4mg/㎠의 전기촉매 입자를 포함하고,
    상기 양극에 도포된 상기 촉매층은 백금-이리듐 합금(Pt85Ir15) 4mg/㎠의 전기촉매 입자를 포함하는 재생 에너지 시스템.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙, 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재생 에너지 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 단위셀의 양쪽에 제공되는 집전체를 더 포함하는 재생 에너지 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 집전체는 타이타늄을 포함하는 재생 에너지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이타늄으로 이루어진 집전체는 백금, 금, 은, 니켈 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 사용하여 표면 코팅되는 재생 에너지 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 집전체에는 그 표면에 유체 흐름을 유도하며 일자형, 서펜틴형, 또는 도트형 채널을 포함하고,
    상기 채널의 폭은 0.1mm 내지 10mm인 재생 에너지 시스템.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 분해 모드에서 상기 수소의 생산량은 단위셀(25cm2)당 6cc/min이고, 상기 산소의 생산량은 단위셀(25cm2)당 10cc/min인 재생 에너지 시스템.
  15. 제 5 항에 있어서,
    상기 황산 수용액은 30L/min의 유속으로 70℃의 온도로 상기 단위셀에 공급되는 재생 에너지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 황산 수용액은 10-5M 내지 1M 농도인 묽은 황산인 재생 에너지 시스템.
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