KR101584518B1 - 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지에 공급되는 수소를 포함하는 고체상태의 화학수소화물을 수용하는 반응탱크, 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키기 위한 분해제를 상기 반응탱크에 주입하는 분해제투입노즐, 및 상기 분해제투입노즐의 일단에서 연장되어 설치되어 상기 분해제가 이동하는 경로를 형성하는 다공성 격벽을 포함하고, 상기 다공성 격벽은 상기 분해제가 통과할 수 있는 복수의 격벽공을 포함하고, 상기 분해제는 상기 분해제투입노즐에서 상기 다공성 격벽 내부로 토출되어 이동하고, 상기 격벽공을 통과하여 상기 화학수소화물과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치를 제공한다.

Description

다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치 {APPARATUS FOR GENERATING HYDROGEN COMPRISING POROUS WALL}

본 발명은 연료전지용 수소발생장치에 관한 것이다.

최근 환경오염에 대한 전세계적인 우려, 중동지역의 유가 불안정성에 따라 대체 에너지 개발의 필요성이 끊임없이 제기되고 있다.

연료전지는 화석연료와 비교하여 환경오염 물질이 생성되지 않는 장점이 있다. 또한, 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정에서 중간 손실이 발생되지 않는 장점이 있다. 따라서, 대체 에너지로서 연료전지가 주목받고 있다.

이에 따라, 연료전지의 성능을 향상시키고 다양한 산업분야에 적용하기 위한 연구 및 개발이 다각적으로 이루어지고 있다. 연료전지 자체의 스택(stack)을 경량화하거나, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA) 및 개질기(Reformer)의 성능을 개선하거나, 주변 기계장치(Balance of Plant, BOP)를 개선하는 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

여기서, 상기 주변 기계장치에 포함되는 수소발생장치는 연료 전지로 수소를 공급하기 위한 것으로서 그 중요도가 매우 높다. 상기 수소발생장치는 고압 저장방식 및 액화 저장방식으로 수소를 저장하거나, 수소저장 합금, 수소화물, 제올라이트 또는 나노구조 탄소소재를 이용하여 수소를 저장하는 방식이 실용화되어 있고, 일반적으로 기체 상태의 수소를 고압 상태로 저장하는 고압 저장방식이 가장 보편적으로 사용되고 있다.

그러나, 상기 고압 저장방식의 경우에는 폭발 위험성이 항상 내재되어 있는 점과, 장치의 전체적인 중량이 큰 점 및 유지관리 비용이 큰 점이 단점으로 지적되고 있다. 따라서, 상기 고압 저장방식을 대체할 수 있는 수소발생장치의 연구 및 개발이 시급한 실정이다.

본 발명의 발명자는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 오랫동안 연구하고 시행착오를 거치며 개발한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이와 관련하여, 한국등록특허 제844409호는 "연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템"을 개시하고 있다.

본 발명의 목적은 연료전지에 수소를 공급하는 수소발생장치를 제안하는 것에 있다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서 수소발생장치는 소형화, 경량화가 매우 중요한 유인 또는 무인 항공기의 연료전지에 수소를 공급하는 수소발생장치를 새롭게 제안하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 연료전지용 수소발생장치의 원활한 수소 발생 및 공급 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고체의 화학수소화물에 분해제를 분사하여 수소를 추출하는 장치에 있어, 분해제를 반응탱크의 최하단부에서부터 순차적으로 공급하여 수소 발생을 원활히 하는 방식을 제안한다. 이를 위해 반응탱크 내부에 상부에서 하부로 다공성 격벽을 설치하여 분해용액이 다공성 격벽을 따라 최하단부에 바로 분사되도록 한다. 화학반응에 따라 생성된 부산물이 다공성 격벽의 최하단부 주변을 채우면, 분해용액이 분사되는 영역이 다공성 격벽의 상부로 순차적으로 이동된다.

또한, 본 발명의 목적은 연료전지용 수소 공급장치의 수소저장밀도를 향상시키는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고상의 화학수소화물에 분해액을 분사하여 수소를 추출하는 가수분해반응을 이론조성반응에 근접한 분해액만을 사용하여 수소저장밀도를 극대화하기 위해 발생된 수소에서 물을 회수하여 재사용하는 방식을 제안한다. 이를 위해 고상의 수소화물에 분해 수용액을 분사하여 발생되는 수소 가스가 수분을 함유하여 반응기 외부로 배출된 후 냉각 코일을 통해 수분을 응축하고 이를 수소와 분리한 후 다시 화학수소화물의 가수분해반응에 활용한다.

또한, 본 발명의 목적은 연료전지용 수소발생장치에 있어서 고체 화학수소화물과 이로부터 수소를 추출하기 위해 투입되는 분해제를 수용하는 반응탱크의 기울어짐을 감지하고, 추출된 수소를 안정적으로 회수하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은 복수의 분해제투입노즐 및 수소배출노즐을 포함하고, 또한 슬러싱 감지부 및 노즐 제어부를 포함한다. 슬러싱 감지부는 예를 들면 각도 감지기를 포함할 수 있으며, 반응 탱크의 기울어짐을 감지하며, 노즐 제어부는 슬러싱 감지부에서 기울어짐을 감지하면, 반응 탱크가 기울어져 고체 화학수소화물이 분해제투입노즐 및 수소배출노즐를 막아도 문제가 발생하지 않도록 차단한다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 제1국면은 연료전지에 공급되는 수소를 포함하는 고체상태의 화학수소화물을 수용하는 반응탱크; 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키기 위한 분해제를 상기 반응탱크에 주입하는 분해제투입노즐; 및 상기 분해제투입노즐의 일단에서 연장되어 설치되어 상기 분해제가 이동하는 경로를 형성하는 다공성 격벽을 포함하고, 상기 다공성 격벽은 상기 분해제가 통과할 수 있는 복수의 격벽공을 포함하고, 상기 분해제는 상기 분해제투입노즐에서 상기 다공성 격벽 내부로 토출되어 이동하고, 상기 격벽공을 통과하여 상기 화학수소화물과 접촉하는 것을 특징으로 하는 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 다공성 격벽은 상기 반응탱크의 하단부까지 연장되어 설치되며, 상기 화학수소화물과 분해제의 반응이 진행됨에 따라, 상기 분해제는 다공성 격벽의 하단부로부터 상단부로 순차적으로 배출되는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 화학수소화물과 분해제가 반응하여 생성된 부산물이 상기 다공성 격벽의 일부 격벽공을 차단하면, 상기 분해제는 상기 다공성 격벽의 다른 격벽공을 통과하여 상기 화학수소화물과 접촉하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 다공성 격벽은 산에 의한 부식을 방지하는 부식방지코팅부를 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 화학수소화물은 수소화 붕소 나트륨을 포함하고, 상기 분해제는 액체 상태의 산(acid)을 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 화학수소화물은 고체상태로서, 분말(powder), 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 알약(pellets) 중 어느 하나의 형태로 형성되고, 상기 화학수소화물의 입자 크기는 상기 격벽공의지름보다 큰 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 반응탱크의 내부공간에 수집된 수소가 소정 압력 이하인 경우 상기 분해제를 반응탱크 내부에 투입하는 노즐제어기를 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 제2국면은 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키는 분해제를 저장하는 분해제제공부; 상기 화학수소화물 및 분해제가 화학반응하여 연료전지에 제공되는 수소를 발생시키는 반응탱크; 상기 반응탱크에서 배출된 수소 및 수증기를 냉각하는 응축부; 상기 응축부에 연결되어 냉각된 수소 및 수증기가 액화된 응축수를 저장하고, 상기 응축수가 상기 화학반응에 재사용되도록 하는 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수증기를 회수하여 재사용하는 연료전지용 수소발생장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 회수부의 일단에 연결된 회수밸브; 및 상기 회수밸브에 연결되어 상기 응축수를 상기 분해제제공부로 이송하는 회수관을 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 회수부는 회수밸브가 개방되면 냉각된 수소의 압력으로 상기 응축수를 토출하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 회수부는 저장된 응축수의 양을 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 회수부는 수소와 물을 분리하는 분리막을 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 회수부의 타단에 연결되어 상기 회수부에 저장된 수소에 포함된 미량의 수증기를 흡착하는 필터부를 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 제3국면은 연료전지에 공급되는 수소를 포함하는 고체상태의 화학수소화물을 수용하는 반응탱크; 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키기 위한 분해제를 상기 반응탱크에 주입하는 복수의 분해제투입노즐; 발생된 수소를 상기 반응탱크 외부로 배출하기 위한 복수의 수소배출노즐; 상기 반응탱크와 화학수소화물의 슬라싱(sloshing)을 감지하는 슬라싱 감지부; 및 슬라싱에 의해 상기 화학수소화물 또는 분해제에 잠긴 노즐을 닫는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬라싱에 반응하는 복수의 노즐을 포함하는 연료전지용 수소발생장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 슬라싱 감지부는 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서 중 적어도 하나를 이용하여 슬라싱을 감지하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 고체상태의 화학수소화물과 상기 분해제는 무촉매 상태에서 반응하여 수소를 발생시키는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 연료전지용 수소발생장치는 유인 또는 무인 항공기에 장착되는 것이 좋다.

위와 같은 과제해결수단에 의해서 본 발명의 제1국면은 고체 상태의 화학수소화물로부터 일정하고 안정적이며 원활하게 수소를 발생시키며, 연료전지로 적정한 압력의 수소를 요구되는 유량에 맞춰 안정적으로 공급하는 수소발생장치를 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 수소발생장치는 고체 상태의 화학수소화물에서 수소를 발생시키기 위해 분해제(예를들어, 분해 수용액)을 사용한다. 고체의 화학수소화물은 반응탱크 내부에 채워지게 되고, 화학수소화물의 상부에 분사기를 통해 분해제를 분사하여 수소화물과 분해제가 접촉하면서 반응이 개시되고 수소가 발생되게 된다.

이때 반응이 종료된 후 부산물이 생성되게 되는데, 분해제를 고체의 화학수소화물 상단부에 분사하는 경우에는 부산물이 고체 수소화물의 상단부에서부터 퇴적되게 되므로, 퇴적된 부산물이 분해제와 고체 화학수소화물의 접촉을 방해하는 문제가 발생한다. 특히 시간이 지날수록 부산물 퇴적층의 뚜께는 증가하게 되므로 수소 발생이 저하되는 문제가 발생한다. 또한 분사된 분해제가 상기 부산물 퇴적층을 통과하여 하단부에 고체 수소화물가 접촉되는 시간 동안 수소가 발생되지 않고, 이로 인해 분해제가 과다 분사될 수 있으며, 과다하게 분사된 분해제는 시간이 지난 후에 고체 수소화물과 반응하여 수소를 배출함으로 반응 탱크의 압력을 크게 증가시켜 폭발의 위험이 있거나, 탱크 압력을 안전한 수준으로 유지하기 위해 임의로 수소를 외부로 배출해야 하므로 수소저장밀도가 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 제1국면은 이를 해결하기 위해 다공성 격벽을 반응탱크 내부에 구비하고, 다공성 격벽이 고체 화학수소화물 내부에 잠기도록 배치함으로써, 다공성 격벽을 통해 배출되는 분해제가 반응탱크의 하단부에서 고체 화학수소화물과 접촉하도록 한다. 이에 따라, 반응탱크에 적재된 고체 화학수소화물의 하단부에서부터 부산물이 퇴적된다. 고체 화학수소화물은 하단부에서부터 상단부로 순차적으로 반응이 진행되므로 분해제가 부산물 퇴적층을 통과할 필요가 없어 신속하게 반응이 이루어진다. 또한, 고체 화학수소화물이 전부 반응되어 소진될 때까지 균일한 반응을 유지할 수 있어 일정한 수소 발생이 가능하다.

또한, 본 발명은 고상의 화학수소화물에 순차적으로 분해제를 분사하므로, 분해제가 부산물 층을 통과하는 시간을 줄여 수소 발생을 원활히 하여 수소 발생 응답속도를 증대시키고, 모든 화학수소화물을 반응시키도록 하여 반응 효율을 극대화할 수 있다. 즉, 안전한 수소 발생을 가능하게 하여, 불필요한 수소 배출이나 반응되지 않고 잔존하는 수소화물를 최소화시켜 수소저장밀도의 크게 증대키실 수 있다.

위와 같은 과제해결수단에 의해서 본 발명의 제2국면은 화학수소화물 가수분해반응의 이론조성반응에 근접한 분해 수용액만을 사용함으로써 수소저장밀도를 극대화할 수 있으며, 이를 통해 컴팩트한 수소발생장치를 개발할 수 있다. 또한 연료전지와 결합하여 연료전지 시스템의 에너지밀도를 극대화 할 수 있다.

위와 같은 과제해결수단에 따른 본 발명의 제3국면과 같이 본 발명의 수소발생장치를 무인기 등에 적용할 경우 이착륙 및 상승, 하강 비행 시 반응기가 기울이짐에 따라 분해용액 분사 및 수소 배출에 문제가 존재한다. 예를 들면 무인기와 같은 비행체가 이착륙 및 상승, 하강 비행 시 반응탱크의 기울어짐에 의해 연료가 분해제투입노즐을 막을 경우, 분해제가 적절히 분사되지 못해 수소가 원활히 발생되지 않거나, 혹은 고체 화학수소화물이 노즐 입구를 막은 상태에서 분해제가 분사되어 반응이 일어날 경우 노즐가 막히거나 손상을 입을 수 있다. 또한 상기 반응탱크가 기울어지면서 수소배출노즐을 막을 경우, 수소가 연료전지로 적절히 공급되지 못해 출력이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 본 발명은 고상의 화학수소화물에 분해용액을 분사하고 수소를 배출하는 배관을 다수 배치하고, 무게 중심부에 기울어짐 감지기를 장착하여 반응기가 기울어짐에 따라 분해용액 분사와 수소 배출 위치를 결정하는 방식을 제공하여, 반응기가 기울어져서 화학수소화물이 분해용액 및 수소배출 위치를 막히게 하는 문제를 해결하는 효과가 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 수소발생장치의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 반응탱크에 설치된 다공성 격벽을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 반응탱크에 부산물이 퇴적되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 반응탱크에 설치되는 다공성 격벽의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 반응탱크 및 다공성 격벽의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 슬라싱 감지부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 반응탱크에 슬라싱이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 수증기를 회수하여 재사용하는 연료전지용 수소발생장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 냉각부와 회수부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

감시 정찰을 목적으로 개발되고 있는 소형 무인항공기는 가스터빈이나 왕복엔진을 사용할 경우 크기가 작아지면서 효율이 크게 떨어지기 때문에 주로 배터리를 동력원으로 사용한다. 일반적으로 배터리를 사용하는 소형 무인항공기는 체공시간이 60~90분 정도이다. 무인항공기의 체공시간은 작전 임무시간을 결정짓는 중요한 인자로써, 현재 소형 무인항공기는 향후 군에서 고려하고 있는 대대급 감시 정찰용 소형 무인항공기의 요구조건에 크게 미치지 못하는 실정이다. 이와 같이 소형 무인항공기의 임무시간이 제한적인 것은 동력원으로 사용하고 있는 배터리의 에너지 밀도가 낮기 때문이다. 에너지 밀도는 단위 무게 대비 에너지 용량으로써, 현재 무인항공기에 주로 사용되고 있는 리튬 폴리머 배터리의 경우 에너지 밀도가 200 Whr/kg 정도이다. 즉, 임무시간을 5배 증가시키기 위해서는 1,000 Whr/kg의 에너지 밀도를 갖는 동력원이 필요하게 된다.

현재 기존 배터리를 대체할 수 있는 가장 가능성 있는 동력원은 연료전지이다. 수소연료전지의 경우 6%의 저장효율을 갖는 압축수소장치를 가정하여도 에너지 밀도가 1,000 Whr/kg 이상이다. 뿐만 아니라 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 과정에서 연소반응이 아닌 전기화학적 반응을 이용하기 때문에 효율이 높고 구동부가 없어 소음이 적으며 친환경적이고 신뢰성과 안전성이 높은 장점이 있다.

본 발명의 연료전지용 수소발생장치는 수소를 연료로 사용하는 연료전지에 수소를 공급하는 장치이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 연료전지용 수소발생장치는 유인 또는 무인 항공기에 장착 될 수 있다.

본 발명의 연료전지용 수소발생장치는 수소화물을 이용한 수소 공급장치는 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 수소화 붕소 아연(ZnBH4), 수소화 붕소 칼륨(CaBH4), 수소화 알루미늄 리튬(LiAlH4), NaBH(OCH3)3와 같은 수소를 포함하는 수소화물을 장치 내부에 저장한 상태에서 상기 수소화물을 분해하여 수소를 발생시켜 연료전지로 공급한다. 본 발명의 수소발생장치는 고압 저장방식 및 상기 액화 저장방식에 비해 상대적으로 에너지 저장밀도가 높고 단순한 시스템 구조를 갖는 효과가 있다.

또한, 수소화물과 물의 가수분해 반응을 통해 수소를 발생시키는 수소발생장치에 있어서, 순수한 가수분해 반응으로는 수소의 분해율이 높지 않으므로 수소화물을 수용액 상태로 변화시켜 촉매와 함께 사용하는 경우가 있다. 그러나, 본 발명의 수소발생장치는 촉매를 사용하지 않는다. 따라서, 본 발명은 수소 발생 성능을 증가시키기 위한 촉매의 제조로 인한 비용 및 시간이 소모의 문제, 온도변화 및 운용시간에 따라 성능 변화가 발생하는 문제, 촉매의 내구성 문제 및 가수분해 반응으로 인하여 수소 발생 성능이 점차 불안정해지는 문제를 해결하는 효과가 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소발생장치에 의하면, 반응탱크에 고체 상태의 수소화물을 저장하고 분해제공급부에서 산성 용액인 분해제를 공급하여 반응탱크 내에서 직접 분해 반응시키며 상기 분해 반응에 의해 발생한 수소가 상기 반응탱크에 저장된다. 따라서, 수소화물을 액체 상태로 변화시킬 필요가 없어서 수소화물의 준비 시간이 현저하게 감소하며, 고압 수소 저장장치 또는 액화 수소 저장장치에 비해 상대적으로 낮은 제조비용으로 제조할 수 있고 촉매가 요구되지 않아 작동 시간이 증가하더라도 수소 발생이 감소하지 않는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 수소발생장치는 고체 화학수소화물을 사용하므로, 외부 환경의 온도가 낮은 경우에 액상의 수소화물수용액이 빙결되므로 운용 환경이 제약되는 문제점을 해결하는 효과가 있다.

한편, 본 발명에서 슬라싱(sloshing)은 유체물 운송 도중 유체와 유체를 담고 있는 용기 사이에서 발생하는 상대적 운동을 의미한다. 예를 들어, 화학수소화물의 슬라싱은 반응탱크 내부에서 화학수소화물이 어느 한 방향으로 쏠리는 현상을 의미한다.

본 발명에서 화학수소화물은 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 수소화 붕소 아연(ZnBH4), 수소화 붕소 칼륨(CaBH4), 수소화 알루미늄 리튬(LiAlH4) 및 NaBH(OCH3)3 등 수소를 함유하는 화학 수소화물을 포함하며, 상대적으로 취급이 용이하고 획득하기 쉬운 수소화 붕소 나트륨을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 화학수소화물 중 하나인 NaBH4는 순수한 물과 혼합되어 알칼리 용액 상태로 저장되었다가, 수소가 필요할 때 아래 식과 같은 가수분해반응을 통해 순수한 수소를 발생시킬 수 있다.

NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2

NaBH4는 다른 수소저장방식에 비해 수소함량이 높고 안정적이며 친환경적이다. 또한 반응 후 가스는 수소뿐이기 때문에 생성된 수소의 순도가 높고, 부산물인 NaBO2는 다시 수소를 흡착시켜 NaBH4로 재활용할 수 있다. 상온에서 반응이 시작되고 발열반응이기 때문에 외부 열공급이 필요 없어 시스템이 단순하고, 경량화에 유리한 장점이 있다.

본 발명에서 분해제는 화학수소화물의 pH를 조절하여 반감기를 단축시켜 수소가 발생되는 분해 반응이 발생되게 하는 것으로, 액체 형태의 산(Acid)으로 구비할 수 있다. 바람직한 실시예에서 분해제는 산을 취급이 용이하도록 증류수에 희석한 산성 용액의 형태로 이루어진다. 여기서, 상기 산은 염산(Hydrochloric Acid)을 사용하는 것이 가장 바람직하나 황산(Sulfuric Acid), 질산(Nitric Acid), 붕산(Boric Acid) 및 아세트산(Acetic Acid)과 같은 다른 산을 이용할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지용 수소발생장치의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 수소발생장치(100)는 분해제제공부(110), 분해제공급펌프(120), 노즐제어기(130), 반응탱크(140), 응축부(150), 회수부(160), 및 필터부(170)를 포함한다.

분해제제공부(110)는 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키는 분해제를 저장한다. 분해제제공부(110)는 반응탱크(140)에 연결되며 카본 복합체, 금속 또는 플라스틱 재질로 구비될 수 있다. 바람직한 실시예에서 분해제제공부(110)는 플라스틱 재질일 수 있으나, 금속 재질로 구비하고자 하는 경우에는 내부면에 적어도 산에 의한 부식을 방지하는 부식 방지 코팅을 실시한 금속으로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 분해제를 이송하기 위한 분해제 이송 튜브는 분해제제공부(110)부터 반응탱크(140)까지 연결되며 분해제가 반응탱크(140)로 공급될 수 있게 한다. 분해제 이송 튜브는 내산성 재질의 플라스틱 또는 우레탄으로 구비할 수 있으며, 산성에 대한 부식 방지 처리가 된 금속 재질의 튜브로 구비할 수도 있다.

분해제공급펌프(120)는 분해제제공부(110)에 저장된 분해제를 분해제 이송 튜브를 통해 반응탱크(140)로 공급한다. 분해제공급펌프(120)는 액체 상태의 분해제를 공급할 수 있는 다양한 펌프로 구성될 수 있다. 분해제공급펌프(120)는 노즐제어기(130)의 제어에 따라 동작한다.

분해제공급펌프(120)는 분해제제공부(110) 내의 분해제가 역류하지 않게 차단하는 체크 밸브 또는 유동 방향 제어 장치가 더 구비될 수도 있으나, 튜브 연동식 펌프로 구비하면 별도의 장치없이 분해제의 이송을 조절할 수 있다.

노즐제어기(130)는 반응탱크(140)의 내부 압력이 기설정된 설정 압력보다 낮은 경우에 분해제공급펌프(120)를 동작시켜 분해제가 공급되게 한다. 또한, 반응탱크(140)의 내부 압력이 설정 압력에 도달하면 분해제공급펌프(120)를 정지시키는 전기신호를 출력한다.

즉, 노즐제어기(130)는 반응탱크(140)에서 발생하는 수소가 불필요하게 생산되지 않고 적정한 수준을 유지할 수 있도록 분해제 공급을 제어한다.

노즐제어기(130)를 통해 반응탱크(140)의 압력을 조절함에 있어, 연료전지가 수소를 소모할 경우 반응탱크(140)의 수소가 탱크로부터 배출되면서 압력이 하강하게 되고, 기설정된 압력 이하가 되면 노즐제어기(130)는 분해제공급펌프(120)를 작동시켜 분해제를 반응탱크(140)로 공급한다. 분해제와 반응탱크에 저장된 고체의 화학수소화물이 반응하여 수소가 생성되면 반응탱크의 압력이 상승하게 된다. 압력이 기설정된 압력 이상이 되면 노즐제어기(130)는 펌프의 작동을 정지시킨다.

반응탱크(140)는 화학수소화물 및 분해제가 화학반응하여 연료전지에 제공되는 수소를 발생시킨다. 화학반응에 의해 수소가 발생하면 반응탱크(140) 내부 공간에 수소가 채워지면서 소정의 압력으로 저장 된다.

반응탱크(140)는 분해제공급노즐(141)을 포함하며, 분해제공급노즐(141)을 통해 분해제를 공급받는다.

반응탱크(140)는 수소배출노즐(143)을 포함하며, 수소배출노즐(143)을 통해 수소를 배출한다. 수소배출노즐(143)에 연결되는 수소 공급 튜브는 플라스틱 또는 우레탄 소재로 구비되거나 스테인레스를 포함하는 금속 소재로 형성될 수 있다.

반응탱크의 압력측정부(145)는 반응탱크 내부의 압력을 측정하고, 온도측정부(147)는 반응탱크 내부의 온도를 측정한다. 측정된 압력값은 노즐제어기(130)로 출력된다.

응축부(150)는 반응탱크에서 배출된 수소 및 수증기를 냉각한다. 반응탱크에서 분해제와 고체의 화학 수소화물이 반응할 때 발생되는 반응열은 분해제에 함유된 물을 순간적으로 기화시키게 되고, 기화된 수증기는 수소와 함께 반응탱크로부터 배출된다. 이때 수증기를 회수하지 않고 외부로 배출시킬 경우 추가적인 양의 분해제를 분해제제공부(110)에 확보하고 있어야 하므로 수소저장밀도가 저하되어 문제가 발생한다.

따라서, 반응탱크에서 배출된 수소와 수증기는 응축부(150)를 거치면서 충분히 냉각되어 수소 가스와 응축된 물로 분리된다. 효율적인 냉각을 위해 응축부(150)는 코일형태의 파이프 형상일 수 있으며, 냉각팬(151)이 추가될 수 있다.

회수부(160)는 응축부(150)에 연결되어 냉각된 수소 및 수증기가 액화된 응축수를 저장하고, 상기 응축수가 상기 화학반응에 재사용되도록 한다.

회수부(160)의 일단에 연결된 회수밸브(165)가 개방되면, 냉각된 수소의 압력으로 응축수가 토출된다.

회수관은 회수밸브(165)에 연결되어 응축수를 분해제제공부(110)로 이송한다.

회수부(160)는 저장된 응축수의 양을 측정하는 레벨센서(161), 수소와 물을 분리하는 분리막을 더 포함할 수 있다.

필터부(170)는 회수부(160)의 타단에 연결되어 회수부(160)에 저장된 수소에 포함된 미량의 수증기를 흡착한다. 필터부(170)를 통과한 수소는 연료전지에 공급된다.

도시하지 않았지만, 다른 실시예에서 회수부(160)는 응축수를 분해제제공부(110)로 이송하지 않고(또는 이송하는 동시에) 반응탱크(140)로 이송할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 반응탱크에 설치된 다공성 격벽을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 바람직한 실시예에서 본 발명의 반응기(200)는 반응탱크(210), 분해제투입노즐(220), 다공성 격벽(230), 노즐제어기(미도시)를 포함한다.

반응탱크(210)는 외부에서 공급된 분해제(260)와 화학수소화물(240)이 화학반응하는 용기이다. 따라서, 반응탱크(210)는 분해제(230)에 의해 부식되지 않는 화학저항성이 높은 재질이며, 반응열에 견딜 수 있는 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

반응탱크(210)는 고체상태의 화학수소화물(240)을 저장한다. 반응탱크(210)는 화학반응의 결과로 발생된 수소가 1차로 저장되는 용기이다. 반응탱크(210)는 화학수소화물(240)이 저장되지 않은 비어있는 공간(250)을 포함하며, 화학반응에 의해 생성된 수소는 비어있는 공간(250)에 소정의 압력으로 저장된다. 따라서, 반응탱크(210)는 소정의 내압을 견딜 수 있는 압력용기이다.

반응탱크(210)는 원통, 원, 박스, 다각형 등으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 원통 형태로 형성될 수 있다. 이때 원통의 상부는 개폐가 가능하도록 설계되어 화학수소화물을 투입 또는 교체할 수 있도록 한다.

분해제투입노즐(220)은 반응탱크(210) 상단부에 설치되어, 분해제(260)를 반응탱크(210)에 주입한다. 분해제(260)는 반응탱크(210) 내부에 분사되어, 화학수소화물(240)과 화학반응하여 수소를 발생시킨다.

다공성 격벽(230)은 분해제투입노즐(220)의 일단에서 연장되어 설치되어 상기 분해제(260)가 이동하는 경로를 형성한다. 이때 다공성 격벽(230)이 형성하는 경로는 반응탱크(210) 하단부까지 형성되는 것이 바람직하다. 다공성 격벽(230)은 분해제(230)에 의해 부식되지 않는 화학저항성이 높은 재질이며, 반응열에 견딜 수 있는 내열성 재질이다.

한편, 다공성 격벽(230)은 화학수소화물이 화학반응을 일으킬 때 수소를 발생시키며 끓어오르는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다.

다공성 격벽(230)은 분해제(260)가 통과할 수 있는 복수의 격벽공을 포함한다. 분해제(260)는 분해제투입노즐(220)에서 다공성 격벽(230) 내부로 토출되어 이동하고, 격벽공을 통과하여 화학수소화물(240)과 접촉한다.

화학수소화물(240)은 고체상태로서, 분말(powder), 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 알약(pellets) 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 화학수소화물(240)의 입자 크기(R)는 격벽공의 지름(d)보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 이로서, 분해제(260)는 격벽공을 통과하지만 화학수소화물(240)은 다공성 격벽(230) 내부로 침투하지 않는 구조를 형성할 수 있다.

다공성 격벽(230)은 반응탱크(210)의 하단부까지 연장되어 설치된다. 화학수소화물(240)과 분해제(260)의 반응이 진행됨에 따라 화학반응에서 생성된 부산물이 다공성 격벽(230)의 일부 격벽공을 차단하면,, 분해제(260)는 다공성 격벽(230)의 하단부로부터 상단부로 순차적으로 배출된다. 한편, 다른 실시예에서 화학수소화물(240)과 분해제(260)가 반응하여 생성된 부산물이 다공성 격벽(230)의 일부 격벽공을 차단하면, 분해제(260)는 다공성 격벽(230)의 다른 격벽공을 통과하여 화학수소화물(240)과 접촉할 수 있다.

한편, 도시하지 않았지만 다공성 격벽(230)의 표면에는 산(acid)에 의한 부식을 방지하는 부식방지코팅부가 형성될 수 있다. 다공성 격벽(230)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 이 경우에는 부식방지코팅부가 필수구성이 된다.

노즐제어기(미도시)는 반응탱크의 내부공간에 수집된 수소가 소정 압력 이하인 경우 분해제투입노즐(220)을 개방하여 분해제를 반응탱크 내부에 투입한다. 이를 위해 반응탱크 내부에는 압력센서가 설치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 반응탱크에 부산물이 퇴적되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 반응탱크 하단부에서 고체 화학수소화물(240)과 분해제(260)가 반응하면 부산물(270)이 퇴적된다. 퇴적된 부산물(270)은 다공성 격벽(230)의 하단부에서 분해제(260)가 분출되는 것을 방해한다. 따라서, 분해제(260)는 퇴적된 부산물(270)에 의해 방해를 받지 않는 격벽공을 통해 분출된다. 결국, 분해제(260)는 부산물(270)을 통과할 필요없이 바로 고체 화학수소화물(240)과 접촉하여 화학반응을 이어가게 된다.

도 4는 본 발명의 반응탱크에 설치되는 다공성 격벽의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서 알 수 있듯이, 다공성 격벽(230)은 복수개 형성될 수 있다. 다공성 격벽(230)은 상하방향으로 설치될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 좌우방향으로도 설치될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 다공성 격벽(230)은 나뭇가지가 뻗어가는 형태로 형성될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 반응탱크 및 다공성 격벽의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 반응탱크는 원통형형태일 수 있다. 반응탱크의 캡(205)은 개폐가능하게 형성될 수 있다. n개의 분해제투입노즐(220)은 가로방향으로 형성될 수 있으며, 다공성 격벽(230)은 판형으로 형성되어 원통형의 반응탱크를 양분하도록 배치될 수 있다.

도 6은 본 발명의 슬라싱 감지부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에서 반응기(300)는 반응탱크(310), 복수의 수소배출노즐(320), 복수의 분해제투입노즐(330), 슬라싱 감지부(360)를 포함할 수 있다.

복수의 수소배출노즐(320)은 발생된 수소를 상기 반응탱크 외부로 배출한다. 바람직한 실시예에서 수소배출노즐(320)은 반응탱크의 좌측상단 및 우측상단에 설치될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

복수의 분해제투입노즐(330)은 고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키기 위한 분해제를 상기 반응탱크에 주입한다. 분해제투입노즐(330)은 반응탱크의 좌측상단 및 우측상단에 설치될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 도시되지 않았지만, 복수의 수소배출노즐(320) 및 복수의 분해제투입노즐(330)은 제어부에 연결되어 있다. 제어부는 슬라싱에 의해 상기 화학수소화물 또는 분해제에 잠긴 노즐(320, 330)을 닫는다.

또한, 반응탱크에는 화학수소화물이 분해 반응을 일으키며 수소를 발생시킬 때에 거품 형태로 끓어오르는 것을 방지하기 위한 필터를 별도로 구비할 수도 있다.

슬라싱 감지부(360)는 반응탱크와 화학수소화물의 슬라싱(sloshing)을 감지한다. 슬라싱 감지부(360)는 기울기 센서, 자이로 센서, 가속도 센서 중 적어도 하나를 이용하여 슬라싱을 감지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 반응탱크에 슬라싱이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 7에서 알 수 있듯이, 슬라싱이 발생되어 화학수소화물(340)이 제1노즐(320(1) 및 330(1))을 차단하는 경우가 발생할 수 있다. 예를 들어, 반응탱크가 특정 각도 이상 기울어져 반응탱크에 적재된 고체 화학수소화물이 분해제투입노즐 및 수소배출노즐을 막을 경우, 제어부에 신호를 전송하게 된다. 제어부는 기울어짐 센서(슬라싱 감지부)에서 송신되는 신호를 수신하여 특정 각도 이상 반응탱크가 기울어질 경우, 고체 화학수소화물에 의해 노즐이 막힐 것을 예측하여 해당 노즐을 차단한다.

구체적으로, 슬라싱 감지부(360)가 슬라싱을 감지하면, 제어부가 제1노즐(320(1) 및 330(1))을 차단하고, 제2노즐(320(2) 및 330(2))만을 개방한다. 따라서, 본 발명은 고상의 화학수소화물에 분해용액을 분사하고 발생된 수소를 배출함에 있어 반응탱크가 기울어짐에 따라 슬라싱 감지부를 통해 분해용액 및 수소배출 위치를 변경하여 수소발생장치의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 8은 수증기를 회수하여 재사용하는 연료전지용 수소발생장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 도 8의 냉각부와 회수부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이, 냉각부 및 회수부는 일체형으로 형성될 수 있다.

원통형의 회수부(160) 내부에는 냉각부(150)가 형성될 수 있다. 코일 형태의 냉각부(150) 내부에는 원통형의 분리막(163)이 형성될 수 있다. 분리막(163)은 수소와 물(응축수)을 분리할 수 있는 막이다. 분리막(163)을 통과한 수소는 연결노즐(169)을 통해 필터부(170)로 공급된다. 필터부(170)는 수소에 포함되어 있을 수 있는 미량의 수분을 걸려낸 후 연료전지 혹은 압력 레귤레이터(171)를 거친 후 연료전지로 공급된다.

회수부(160) 상단에는 오링을 포함하는 캡(167)이 형성될 수 있다.

회수부(160) 하단에는 회수밸브(165)가 형성된다. 회수밸브(165)가 개방되면, 냉각된 수소의 압력으로 회수부(160)에 저장된 응축수가 토출된다. 따라서 별도의 펌프와 같은 구동력이 없이도 물을 이송할 수 있어 추가적인 전력소모가 없는 장점이 있다.

회수부(160)의 측면에는 저장된 응축수의 양을 측정하는 레벨센서(161)가 형성된다. 레벨센서(161)는 회수된 응축수가 특정 수위까지 차오르게 되면 노즐제어기(130)로 신호를 보내 회수밸브(165)가 개방되도록 한다.

또한, 회수밸브(165)는 노즐제어기(130)에 의해 제어될 수 있는 솔레노이드 밸브로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서 회수밸브(165)는 노즐제어기의 신호없이 일정 압력이 되었을 때 자동으로 개방되는 압력 작동 방식의 릴리프 밸브로 구비할 수 있다.

또한, 회수밸브(165)에서 응축수가 배출될 때 상기 반응탱크 내의 수소가 과도하게 배출될 수 있으므로, 소정 배출시간 이후에 수소의 배출을 차단하고 소정의 대기 시간을 유지하는 형태를 반복하는 형태로 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이와 같은 과정을 통해 반응탱크에서 발생된 수소 가스에서 수분을 완벽하게 제거함으로써, 연료전지에 공급되는 수소에 함유될 수 있는 미반응된 수소화물 및 분해제 혹은 반응 부산물 등을 완벽하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (7)

1. 연료전지에 공급되는 수소를 포함하는 고체상태의 화학수소화물을 수용하는 반응탱크;
   고체상태의 화학수소화물과 반응하여 수소를 발생시키기 위한 분해제를 상기 반응탱크에 주입하는 분해제투입노즐; 및
   상기 분해제투입노즐의 일단에서 연장되어 설치되어 상기 분해제가 이동하는 경로를 형성하는 다공성 격벽을 포함하고,
   상기 다공성 격벽은 상기 분해제가 통과할 수 있는 복수의 격벽공을 포함하고,
   상기 분해제는 상기 분해제투입노즐에서 상기 다공성 격벽 내부로 토출되어 이동하고, 상기 격벽공을 통과하여 상기 화학수소화물과 접촉하며,
   상기 반응탱크에는 반응탱크와 상기 화학수소화물의 슬라싱(sloshing)을 감지하기 위한 슬라싱 감지부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 격벽은 상기 반응탱크의 하단부까지 연장되어 설치되며,
   상기 화학수소화물과 분해제의 반응이 진행됨에 따라, 상기 분해제는 다공성 격벽의 하단부로부터 상단부로 순차적으로 배출되는 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 화학수소화물과 분해제가 반응하여 생성된 부산물이 상기 다공성 격벽의 일부 격벽공을 차단하면, 상기 분해제는 상기 다공성 격벽의 다른 격벽공을 통과하여 상기 화학수소화물과 접촉하는 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 격벽은 산에 의한 부식을 방지하는 부식방지코팅부를 포함하는 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 화학수소화물은 수소화 붕소 나트륨을 포함하고, 상기 분해제는 액체 상태의 산(acid)을 포함하는 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 화학수소화물은 고체상태로서, 분말(powder), 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 알약(pellets) 중 어느 하나의 형태로 형성되고, 상기 화학수소화물의 입자 크기는 상기 격벽공의지름보다 큰 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 반응탱크의 내부공간에 수집된 수소가 소정 압력 이하인 경우 상기 분해제를 반응탱크 내부에 투입하는 노즐제어기를 더 포함하는 것인, 다공성 격벽을 포함하는 연료전지용 수소발생장치.

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