KR101654289B1 - 수소 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수소 생성 장치는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트 및 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 사이에 형성되며 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층을 포함하며, 상기 나노와이어층은 상기 제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 나노와이어는 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트를 통하여 공급되는 전원에 의하여 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하면서 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되어 수소를 생성하는 것을 특징으로 한다.
AxOy + Q → AxOy -z ....... 화학식 1)
(여기서 A는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 원소이며, x와 y는 A의 원소에 따라 A와 O가 화학량론의 상태를 갖도록 결정되는 수이며, z는 AxOy -z의 비화학량론의 상태에 따라 결정되는 0<z<y 범위의 수를 의미한다)
수소 생성, 나노와이어, 산화물, 비화학량론

Description

수소 생성 장치{Device for Generating Hydrogen}
본 발명은 물을 분해하여 용이하게 수소를 생성할 수 있는 수소 생성 장치에 관한 것이다.
수소는 황이나 탄소산화물과 같은 오염원의 배출이 없는 지속 가능한 매력적인 에너지원이다. 물의 분해를 통한 수소 생산은 향후의 지구의 지속적인 생활 영위를 위한 유일한 대안일 수 있다. 물 분해의 다양한 방법으로는 열 화학, 광 화학 및 전기 화학적인 방법들이 있는데 특히 열 화학반응을 통한 물 분해가 가장 높은 효율을 보여주고 있다.
본 발명은 물과 산화물 나노와이어를 사용하여 물을 분해하여 용이하게 수소를 생성할 수 있는 수소 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 수소 생성 장치는 제 1 도전 플레이트와 상기 제 1 도전 플레이트와 이격되어 형성되는 제 2 도전 플레이트 및 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 사이에 형성되며, 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층을 포함하며, 상기 나노와이어층은 상기 제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 나노와이어는 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트를 통하여 공급되는 전원에 의하여 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하여 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되며 수소를 생성하는 것을 특징으로 한다.
AxOy + Q → AxOy -z ......화학식 1)
(여기서 A는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 원소이며, x와 y는 A의 원소에 따라 A와 O가 화학량론의 상태를 갖도록 결정되는 수이며, z는 AxOy -z의 비화학량론의 상태에 따라 결정되는 0<z<y 범위의 수를 의미한다)
또한, 본 발명의 수소 생성 장치는 외부로부터 공급되는 전류에 의하여 발열하는 발열 플레이트 및 상기 발열 플레이트의 상면에 형성되며, 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층을 포함하며, 상기 나노와이어는 상기 발열 플레이트로부터 공급되는 열에 의하여 상기의 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론의 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하여 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되며 수소를 생성하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 수소 생성 장치는 베이스 플레이트와 상기 베이스 플레이트의 상면에 형성되며, 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층 및 상기 나노와이어층으로 태양광을 집광하여 조사하는 광 조사부를 포함하며, 상기 나노와이어는 상기 광 조사부로부터 조사되는 태양광의 열에 의하여 상기의 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론의 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하여 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되며 수소를 생성하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 생성 장치는 상대적으로 표면적이 넓은 나노와이어로 이루어진 나노와이어층에 물을 통과시켜 수소를 생성하게 되므로 수소 생성 효율이 증가되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소 생성 장치는 수소 생성 반응이 진행되는 나노와이어층이 상대적으로 작은 체적을 갖는 나노와이어로 이루어지므로, 비화학량론 상태로 변화시키기 위하여 나노와이어를 보다 용이하게 가열시킬 수 있으며, 전체적 으로 균일하게 가열시켜 수소 생성 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소 생성 장치를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다. 도 2는 도 1의 A-A에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 1의 수소 생성 장치를 구성하는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 4는 도 3에 대응되는 다른 구조를 갖는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 5는 도 3에 대응되는 또 다른 구조를 갖는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 생성 장치(100)는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제 1 도전 플레이트(110)와 제 2 도전 플레이트(120) 및 나노와이어층(130)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 수소 생성 장치(100)는 제 1 절연 플레이트(140)와 제 2 절연 플레이트(150)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소 생성 장치(100)는 물 공급부(160)와 물 배출부(170) 및 수소 배출부(180)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소 생성 장치(100)는 전원 공급 장치(190)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 수소 생성 장치(100)는 나노와이어층으로 공급되는 물을 분해하여 수 소를 생성하게 된다. 보다 구체적으로는 상기 나노와이어층을 구성하는 나노와이어는 산화물로 형성되며, 나노와이어는 외부에서 공급되는 열 에너지에 의하여 화학식 1)과 같이 비화학량론(non-stoichiometry) 상태를 유지하게 된다. 상기 나노와이어는 물(H2O)이 공급되면, 화학식 2)와 같이 물(H2O)을 분해하여 산소(O)를 흡수하여 화학량론 상태로 변환되면서 수소(H2)를 생성하게 된다.
AxOy + Q → AxOy -z ......화학식 1)
AxOy -z + zH2O → AxOy + zH2 ...... 화학식 2)
(여기서 A는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 원소이며, x와 y는 A의 원소에 따라 A와 O가 화학량론의 상태를 갖도록 결정되는 수이며, z는 AxOy -z의 비화학량론의 상태에 따라 결정되는 0<z<y 범위의 수를 의미한다)
상기 제 1 도전 플레이트(110)는 대략 판상으로 형성되며 전기 도전성이 있는 구리, 알루미늄, 니켈과 같은 금속으로 형성된다. 상기 제 1 도전 플레이트는 수소 생성 장치의 크기에 따라 적정한 면적을 갖는 판상으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 도전 플레이트는 별도의 절연 플레이트(도면에 도시하지 않음)의 상면에 도전 패턴 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 도전 플레이트는 전원 공급 장치의 일 단자와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받게 된다. 상기 제 1 도전 플레이트는 정전압, 펄스전압 또는 고주파 전류를 공급받게 된다. 따라서, 상기 제 1 도전 플레이트는 제 2 도전 플레이트와 함께 나노와이어층에 전원을 공급하여 나노와이어층의 나노와이어를 가열하게 된다.
상기 제 2 도전 플레이트(120)는 대략 판상으로 형성되며, 제 1 도전 플레이트와 동일한 재질로 형성된다. 상기 제 2 도전 플레이트는 제 1 도전 플레이트와 소정 간격으로 이격되어 형성된다. 따라서, 상기 제 2 도전 플레이트는 제 1 도전 플레이트와의 사이에 물이 흐르는 공간인 물 통로(a)를 형성하게 된다. 상기 제 2 도전 플레이트는 전원 공급 장치의 타 단자와 전기적으로 연결되어 전류를 공급받게 된다.
상기 나노와이어층(130)은 산화물로 형성되는 복수의 나노와이어를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 나노와이어층은 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 사이 공간인 물 통로에 위치하게 된다. 또한, 상기 나노와이어층은 물 통로의 수직 단면을 기준으로 물 통로를 전체적으로 채우도록 형성된다. 따라서, 상기 나노와이어층은 물 통로를 통과하는 물이 나노와이어에 전체적으로 접촉되도록 한다.
상기 나노와이어층은 도 3과 같이 섬유 형상의 나노와이어가 서로 교차하는 덤불 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노와이어층은 도 4와 도 5와 같이 대략 막대 형상의 나노와이어가 경사지게 형성되는 경사 배열 형태로 형성될 수 있다. 또한, 구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기 나노와이어층은 막대 형상의 나노와 이어가 제 1 도전 플레이트에 수직으로 배열되는 수직 배열 형태 또는 나노와이어가 제 1 도전 플레이트의 상면에 수평으로 배열되는 수평 배열 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 나노와이어는 도 4에서 보는 바와 같이 막대 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노와이어는 도 5에서 보는 바와 같이 빗무늬 형상 막대, 봉 또는 와이어 형상의 제 1 나노와이어와 제 1 나노와이어의 측면에서 돌출되어 가지 형상으로 형성되는 제 2 나노와이어를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서 빗무늬 형상 막대는 상단으로부터 하단으로 가면서 단면적이 증가되어 전체적으로 원뿔 또는 삼각뿔 형상을 갖는 막대를 의미한다.
상기 나노와이어는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 나노와이어는 세리아(CeO2 -x), 산화 망간(Mn3O4 -x), 산화마그네슘(MgO1 -x), 산화코발트(CoO1 -x), 산화아연(Zn01 -x), 산화주석(Sn02 -x), 산화인듐(In203 -x) 또는 산화게르마늄(GeO2 -x)으로 형성될 수 있다.
상기 나노와이어는 VLS(Vapor-liquid-solid) 방법 또는 SLS(solid-liquid-solid) 방법, LAD(Laser-assisted deposition) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 나노와이어를 형성하는 방법은 일반적인 방법이므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 나노와이어는 상기에서 설명한 바와 같이 비화학량론 상태를 유지하게 된다. 즉, 상기 나노와이어는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트를 통하여 공급되는 전원에 의하여 발열되면서 산소를 방출하여 비화학량론 상태를 유지하게 된다. 이때, 상기 나노와이어는 비화학량론 상태로 변환되기 위하여 필요한 적정한 온도로 가열될 수 있다. 상기 나노와이어를 비화학량론 상태로 변화하기 위하여 필요한 가열 온도는 나노와이어를 형성하는 물질에 따라 차이가 있을 수 있다. 상기 나노와이어는 물질의 종류에 따라 80℃ ~ 1,500℃의 온도로 가열되는 것이 필요하게 된다. 한편, 상기 나노와이어는 상대적으로 작은 체적을 가지게 되므로 보다 효율적으로 빠른 시간에 적정한 온도까지 전체적으로 가열될 수 있게 된다. 또한, 상기 나노와이어는 펄스전압이나 고주파 전류가 인가하여 순간적으로 고온으로 온도를 상승하게 되므로 보다 효율적으로 적정한 온도까지 가열될 수 있다. 또한, 상기 나노와이어는 펄스전압이나 고주파 전류를 인가하는 경우에 순간적으로 고온으로 상승하여 비화학량론 상태로 된 후에 다시 저온으로 하강하게 되므로, 나노와이어가 가열되는 과정에서 발생되는 열은 나노와이어 자체의 형상 또는 물성, 제 1 도전 플레이트 또는 제 2 도전 플레이트의 형상 또는 물성에 주는 영향을 최소화하게 된다.
다음으로 상기 나노와이어는 비화학량론 상태에서 물 통로를 통하여 공급되는 물과 접촉하여 물의 산소를 흡수하면서 화학량론 상태로 변환하게 된다. 따라서, 상기 물은 나노와이어가 산소를 흡수하는 과정에서 분해되어 수소를 생성하게 된다. 한편, 상기 나노와이어는 물과 접촉하여 물을 분해하는 과정에서 소정의 온도를 필요로 하게 된다. 다만, 상기 나노와이어는 비화학량론 상태로 변환되는데 필요한 온도보다는 낮은 온도를 필요로 한다. 따라서, 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트는 상대적으로 낮은 전류를 공급받아 나노와이어를 가열하게 된다.
예를 들면, 상기 나노와이어가 세리아로 형성되는 경우에, 나노와이어는 적어도 80℃ ~ 400℃의 온도로 가열되며, 나노와이어가 산화게르마늄으로 형성되는 경우에 적어도 80℃ ~ 600℃의 온도로 가열되는 것이 필요하게 된다.
상기 제 1 절연 플레이트(140)와 제 2 절연 플레이트(150)는 대략 판상 또는 곡면상으로 형성되며, 전기 절연성이 있는 절연 물질로 형성된다. 예를 들면 상기 제 1 절연 플레이트는 내열성이 있는 플라스틱 재질, 유리 재질 또는 세라믹 재질등과 같은 재질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 절연 플레이트와 제 2 절연 플레이트는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트를 사이에 두고 서로 대향하며 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 일측 및 타측에 각각 결합되어 서로 대향하도록 형성된다. 즉, 상기 제 1 절연 플레이트는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 일측에 결합되어, 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트 사이 공간의 일측면을 밀폐하게 된다. 또한, 상기 제 2 절연 플레이트는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 타측에 결합되어 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트 사이 공간의 타측면을 밀폐하게 된다. 따라서, 상기 제 1 절연 플레이트는 제 2 절연 플레이트, 제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 함께 내부가 중공인 물 통로(a)를 형성하게 되며, 외부로부터 공급되는 물이 흐르도록 형성된다.
한편, 상기 제 1 절연 플레이트와 제 2 절연 플레이트는 일체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1 절연 플레이트와 제 2 절연 플레이트는 내부가 중공인 사각 파이프의 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트는 사각 파이프의 내면에서 서로 대향되도록 결합되어 형성될 수 있다.
상기 물 공급부(160)는 물 통로의 일측에 형성되며 외부로부터 공급되는 물을 물 통로로 공급하게 된다. 상기 물 공급부는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트와 제 1 절연 플레이트 및 제 2 절연 플레이트의 일단과 전체적으로 연결되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 물 공급부는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트와 제 1 절연 플레이트 및 제 2 절연 플레이트와 연결되는 배관 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 물 공급부는 물 통로와 연결되는 배관의 형태로 형성될 수 있다. 상기 물 공급부는 외부의 물 공급장치(도면에 도시하지 않음)와 별도의 배관을 통하여 연결될 수 있다.
상기 물 배출부(170)는 물 통로의 타측에 형성되며 수소 생성 반응에서 소모되지 않은 물을 외부로 배출하게 된다. 또한, 상기 물 배출부는 미반응 물이 하부로 중력에 의하여 흐를 수 있도록 하부로 연장되도록 형성될 수 있다. 상기 물 배출부는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트와 제 1 절연 플레이트 및 제 2 절연 플레이트의 타단과 전체적으로 연결되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 물 배출부는 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트와 제 1 절연 플레이트 및 제 2 절연 플레이트의 타단과 연결되는 배관 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 물 배출부는 물 통로와 연결되는 배관의 형태로 형성될 수 있다. 상기 물 배출부는 외부의 물 저장장치(도면에 도시하지 않음)와 별도의 배관을 통하여 연결될 수 있다.
상기 수소 배출부(180)는 배관 형태로 형성되며, 물 배출부로부터 분기 되어 상부로 연장되도록 형성될 수 있다. 상기 수소 배출부는 수소 생성 반응에서 발생되는 수소가 미 반응 물과 분리되어 외부로 배출되도록 한다. 상기 수소 배출부는 외부의 수소 저장장치(도면에 도시하지 않음)와 별도의 배관을 통하여 연결될 수 있다.
상기 전원 공급 장치(190)는 정전압 또는 고주파 전류를 공급하는 전원 장치로 형성된다. 상기 전원 공급 장치(190)는 제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 전기적으로 연결되며, 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트 사이에 정전압 또는 고주파 전류를 공급하게 된다. 상기 전원 공급 장치는 일반적인 전원 공급 장치가 사용될 수 있다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다. 도 7은 도 6의 B-B에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치(200)는, 도 6과 도 7을 참조 하면, 발열 플레이트(210) 및 나노와이어층(230)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 수소 생성 장치(200)는 단열 플레이트(240)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소 생성 장치(200)는 물 공급부(160)와 물 배출부(170) 및 수소 배출부(180)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소 생성 장치(200)는 전원 공급 장치(190)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치(200)는 도 1에 따른 실시예의 수소 생성 장치(100)와 발열 플레이트(210)와 나노와이어층(230) 및 단열 플레이트(240)의 구조를 제외하고는 다른 부분들은 동일 또는 유사하게 형성된다. 따라서, 이하에서는 발열 플레이트(210)와 나노와이어층(230) 및 단열 플레이트(240)를 중심으로 설명한다.
상기 발열 플레이트(210)는 대략 판상으로 형성되며 전기 도전성이 있으며 자체의 저항에 의하여 발열할 수 있는 재질로 형성된다. 상기 발열 플레이트는 ZnO, SnO2, 및 In2O3을 포함하는 고전도성 박막 물질, ITO, IZO, Si, Ti, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Pd, Pt, 및 W를 포함하는 도전성 물질에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 발열 플레이트는 내부에 도선 형상으로 형성되는 일반적으로 발열체를 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 발열 플레이트는 수소 생성 장치의 크기에 따라 적정한 면적을 갖는 판상으로 형성될 수 있다.
상기 발열 플레이트는 전원 공급 장치의 일 단자 및 타 단자와 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 도전 플레이트는 전원 공급 장치로부터 전류를 공급받아 발열하게 된다.
상기 나노와이어층(230)은 발열 플레이트의 상면에 형성된다. 상기 나노와이어층은 도 1의 실시예에 따른 나노와이어층과 물질 및 전체적인 구조가 동일 또는 유사하게 형성되므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
다만, 상기 나노와이어층은 직접적으로 전류를 공급받아 자체 발열에 의하여 가열되기 보다는 발열 플레이트로부터 공급되는 열에 의하여 가열된다.
또한, 상기 나노와이어층의 나노와이어는 발열 효과를 증대시키기 위하여 나노와이어의 내부에 금속나노와이어(도면에 도시하지 않음)을 구비하여 형성될 수 있다. 상기 금속 나노와이어는 ITO, IZO, Si, Ti, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Pd, Pt 및 W을 포함하는 도전성 물질에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 이러한 경우에 상기 나노와이어는 금속나노와이어의 발열에 의한 열과 금속나노와이어를 통하여 전도되는 발열 플레이트의 열에 의하여 보다 효율적으로 가열될 수 있다.
상기 단열 플레이트(240)는 열을 차단할 수 있는 단열재로 형성된다. 상기 단열 플레이트는 나노와이어층을 감싸면서 발열 플레이트와 연결되도록 형성된다. 따라서, 상기 단열 플레이트는 나노와이어층으로 공급되는 물이 흐르는 물 통로를 형성하게 된다. 또한 상기 단열 플레이트는 발열 플레이트에서 발생되는 열이 외부 로 전도되는 것을 최소화하게 된다.
다음은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다. 도 9는 도 8의 C-C에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치(300)는, 도 8과 도 9를 참조하면, 베이스 플레이트(310) 및 나노와이어층(330)과 광 조사부(335)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 수소 생성 장치(300)는 단열 플레이트(340)와 투명층(350)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소 생성 장치(200)는 물 공급부(160)와 물 배출부(170) 및 수소 배출부(180)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치(300)는 도 1에 따른 실시예의 수소 생성 장치(100)와 베이스 플레이트(310)와 나노와이어층(330) 및 단열 플레이트(340)의 구조 및 광 조사부(335)를 제외하고 다른 부분들은 동일 또는 유사하게 형성된다. 따라서, 이하에서는 베이스 플레이트(310)와 나노와이어층(330) 및 단열 플레이트(340)의 구조 및 광 조사부(335)를 중심으로 설명한다.
상기 베이스 플레이트(310)는 대략 판상으로 형성되며 단열성이 있는 세라믹과 같은 재질로 형성된다. 한편, 상기 발열 플레이트는 수소 생성 장치의 크기에 따라 적정한 면적을 갖는 판상으로 형성될 수 있다.
상기 나노와이어층(320)은 베이스 플레이트의 상면에 형성된다. 상기 나노와이어층은 도 1의 실시예에 따른 나노와이어층과 물질 및 전체적인 구조가 동일 또는 유사하게 형성되므로 여기서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 나노와이어층은 직접적으로 전류를 공급받아 자체 발열에 의하여 가열되기 보다는 광 조사부로부터 조사되는 태양열에 의하여 가열된다.
상기 광 조사부(335)는 태양광을 집광하는 집광 수단(도면에 도시하지 않음)을 포함하여 형성된다. 상기 광 조사부는 태양광을 집광하여 나노와이어층으로 조사하게 된다. 보다 구체적으로는 상기 광 조사부는 태양광을 집광하여 단열 플레이트에 형성되는 투명층을 통하여 나노와이어층으로 조사하게 된다. 상기 광 조사부(335)는 일반적으로 사용되는 태양열 집광 장치가 사용될 수 있으며 여기서 상세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 집광 수단은 다수의 렌즈를 포함하여 형성되는 일반적인 집광 수단으로 형성될 수 있으며 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 단열 플레이트(340)는 열을 차단할 수 있는 단열재로 형성된다. 상기 단열 플레이트는 나노와이어층을 감싸면서 베이스 플레이트와 연결되도록 형성된다. 따라서, 상기 단열 플레이트는 나노와이어층으로 공급되는 물이 흐르는 물 통로를 형성하게 된다. 또한 상기 단열 플레이트는 베이스 플레이트에서 발생되는 열이 외부로 전도되는 것을 최소화하게 된다.
또한, 상기 단열 플레이트는 나노와이어층이 형성되는 영역에 대응되는 영역의 상부에 형성되는 투명층(350)을 더 포함하여 형성된다. 따라서, 상기 투명층 은 광 조사부로부터 조사되는 태양광이 나노와이어층으로 조사되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 A-A에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 수소 생성 장치를 구성하는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 4는 도 3에 대응되는 다른 구조를 갖는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 도 3에 대응되는 또 다른 구조를 갖는 나노와이어층에 대한 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 6의 B-B에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 8의 C-C에 대한 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300 - 수소 생성 장치
110 - 제 1 도전 플레이트 120 - 제 2 도전 플레이트
130, 230, 330 - 나노와이어층 140 - 제 1 절연 플레이트
150 - 제 2 절연 플레이트 160 - 물 공급부
170 - 물 배출부 180 - 수소 배출부
190 - 전원 공급 장치
210 - 발열 플레이트 240, 340 - 단열 플레이트
310 - 베이스 플레이트 335 - 광조사부
350 - 투명층

Claims (15)

  1. 제 1 도전 플레이트와
    상기 제 1 도전 플레이트와 이격되어 형성되는 제 2 도전 플레이트 및
    상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트의 사이에 형성되며, 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층을 포함하며,
    상기 나노와이어층은 상기 제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 전기적으로 연결되도록 형성되며,
    상기 나노와이어는 상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트를 통하여 공급되는 전원에 의하여 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하여 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되며 수소를 생성하는 것을 특징으로 하는 수소제조장치.
    AxOy + Q → AxOy -z ...... 화학식 1)
    (여기서 A는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 원소이며, x와 y는 A의 원소에 따라 A와 O가 화학량론의 상태를 갖도록 결정되는 수이며, z는 AxOy -z의 비화학량론의 상태에 따라 결정되는 0<z<y 범위의 수를 의미한다)
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1 도전 플레이트 및 제 2 도전 플레이트와 연결되어 내부에 상기 나노와이어층이 위치하며 상기 물이 상기 나노와이어층으로 흐르도록 하는 물 통로를 형성하는 제 1 절연 플레이트와 제 2 절연 플레이트를 더 포함하며,
    상기 물 통로의 일측에 상기 물이 공급되도록 형성되는 물 유입부와, 상기 물 통로의 타측에 미반응의 물이 배출되도록 형성되는 물 배출부 및 생성된 수소가 배출되도록 형성되는 수소 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트는 정전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도전 플레이트와 제 2 도전 플레이트는 펄스 전압 또는 고주파 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어층은 상기 나노와이어가 덤불 형태, 수직 배열 형태, 수평 배열 형태 또는 경사 배열 형태 중에서 선택되는 어느 하나의 형태로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 빗무늬, 막대, 봉 또는 와이어 형상의 제 1 나노와이어와 상기 제 1 나노와이어의 측면에서 돌출되어 형성되는 가지 형상의 제 2 나노와이어를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  7. 외부로부터 공급되는 전류에 의하여 발열하는 발열 플레이트 및
    상기 발열 플레이트의 상면에 형성되며, 산화물로 이루어지는 나노와이어로 이루어지는 나노와이어층을 포함하며,
    상기 나노와이어는 상기 발열 플레이트로부터 공급되는 열에 의하여 <화학식 1>과 같이 화학량론 상태에서 비화학량론의 상태로 변환되며, 외부로부터 공급되는 물을 분해하여 비화학량론 상태에서 화학량론 상태로 변환되며 수소를 생성하는 것을 특징으로 하는 수소제조장치.
    AxOy + Q → AxO y-z ...... 화학식 1)
    (여기서 A는 Ce, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 원소이며, x와 y는 A의 원소에 따라 A와 O가 화학량론의 상태를 갖도록 결정되는 수이며, z는 A와 O가 비화학량론의 상태에 따라 결정되는 0<z<y 범위의 수를 의미한다)
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 나노와이어층을 감싸면서 상기 발열 플레이트와 연결되어 상기 나노와이어층으로 물이 흐르도록 물 통로를 형성하는 단열 플레이트를 포함하며,
    상기 물 통로의 일측에 상기 물이 공급되도록 형성되는 물 유입부와, 상기 물 통로의 타측에 미반응의 물이 배출되도록 형성되는 물 배출부 및 생성된 수소가 배출되도록 형성되는 수소 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 나노와이어층은 상기 나노와이어가 덤불 형태, 수직 배열 형태, 수평 배열 형태 또는 경사 배열 형태 중에서 선택되는 어느 하나의 형태로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 나노와이어는 빗무늬, 막대, 봉 또는 와이어 형상의 제 1 나노와이어와 상기 제 1 나노와이어의 측면에서 돌출되어 형성되는 가지 형상의 제 2 나노와이어를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 나노와이어는 내부에 형성되며 상기 발열 플레이트와 연결되는 금속나노와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
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