KR102534313B1 - 금속브러쉬핀 타입 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치 - Google Patents

금속브러쉬핀 타입 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소연료전지와 수소공급장치 사이에 설치되어, 수소연료전지에 공급되는 수소를 고밀도 전기장 선속 힘으로 활성화/이온화하여 높은 에너지 상태로 수소연료전지 Stack에 공급하므로 수소연료전지의 전리층 촉매에서 낮은 에너지로 활성화/이온화율을 향상시켜 수소와 산소의 결합률을 높여 많은 양의 전기를 발전시킬 수 있는 증폭(Turbo)/촉진 역할을 한다. 이와 같은 본 발명은 내부에 수용공간이 형성되고 일단에 수용공간과 연통하여 수소공급장치와 연결되는 가스유입통과, 타단에 수용공간과 연통하여 수소연료전지와 연결되는 가스배출통이 형성된 케이스부, 복수 개의 서포트모듈)과 서포트모듈의 외측면에 나선으로 복수 개의 금속브러쉬핀이 형성된 금속브러쉬핀을 포함하여, 복수 개의 서포트모듈 중 일부 서포트모듈에 외부전원의 양극이 연결되고, 나머지 서포트모듈에 외부전원의 음극이 연결되면 양극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀과 음극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀 간에 전기장을 형성시켜 수소공급장치에서 유입된 수소를 이온화시키는 브러쉬핀이온화부, 복수 개의 서포트모듈의 일단을 수용하는 제1브러쉬거치모듈과 복수 개의 서포트모듈의 타단을 수용하는 제2브러쉬거치모듈을 포함하는 브러쉬거치부, 복수 개의 고정홀을 포함하며 제1브러쉬거치모듈의 일면에 설치되어 제1브러쉬거치모듈의 외측으로 돌출된 서포트모듈의 일단을 고정홀에 넣어 고정시킬 수 있는 제1브라스고정모듈과, 복수 개의 고정홀을 포함하며 제2브러쉬거치모듈의 타면에 설치되어 제2브러쉬거치모듈의 외측으로 돌출된 서포트모듈의 타단을 고정홀에 넣어 고정시킬 수 있는 제2브라스고정모듈을 포함하는 브라스고정부를 포함한다.
결론적으로 수소의 활성화, 이온화, 중성화 과정에서 발생되는 전기의 중요 과정은 전체적인 내부의 구조로 볼 때, 브라스재질 Pin Type은 수소를 활성화/이온화시키는 음/양극 금속브러쉬핀의 날카로운 Pin으로 이루어져 있다.
여기서, 날카로운 양극은 강력한 전기장 선속에 의해 수소를 이온화(Field Emission Electron)하여 전자 방출로 전류를 잘 흐르게 하고, 날카로운 음극은 양 이온화된 수소 즉, Proton이 강력한 양 점 전하로 음극으로 바로 이동하여 이온화 에너지가 수소보다 낮은 구리로부터 쉽게 전자를 다시 흡입하도록 하며 전기가 형성되고 중성 수소로 변환시킨다.
본 발명은 전술한 본 과정을 여러 번 반복적으로 진행시키며 수소를 수소연료전지스택에 주입하며 수소연료전지스택에 전기 발생율을 크게 향상시킬 수 있다. 이때, 수소 활성화/이온화 촉진장치에서 발생한 전기는 보조배터리를 충전하고, 나머지 활성화된 수소는 수소연료전지스택으로 주입되어 전기발생률을 촉진시켜 발전량을 향상시킨다.
끝으로 본 발명은 내부 구조와 부품은 수소와 화학 반응이 없어 반 영구적으로 사용해도 부식이 없고 성능이 감소되는 부품이 없어 부품 교체가 진행되지 않는 큰 장점이다.

Description

금속브러쉬핀 타입 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치{Hydrogen Excitation/Ionization Accelerator Having Metal Brush Pin Type Repeating Arrangement Structure}
본 발명은 수소연료전지스택(Fuel Cell)과 수소공급장치 사이에 설치되어 수소가 수소연료전지스택으로 공급되기 전 미리 수소를 고밀도 전기장 선속(High Density Electric Flux)을 이용하여 높은 에너지 준위로 활성화시킨다. 그리고 전기장 전자 추출(Field Electron Emission)에 의해 이온화하여 공급하며 수소연료전지의 전리층 내에서 적은 에너지 흡수만으로도 높은 효율의 이온화를 반복적으로 진행시킨다. 본 발명은 물리적 보조 활성화/이온화 촉진 진행하며 수소연료전지의 전기발생 과정에 많은 전기를 보다 높은 효율로 생성할 수 있는 증폭(Turbo)/촉진 역할을 하는 장치와 관련된 기술이다.
최근 10년간 대한민국의 에너지 소비는 매년 10% 이상 증가율을 기록하고 있다. 에너지 소비 증가율에 따라 온실 가스 배출량은 상대적인 비례로 증가한다. 현재, 전 세계적으로 온실 가스 배출량을 줄일 수 있는 신 재생에너지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있는 상황에서 여러 가지 응용과 적용 면을 고려해 볼 때 본 개발품은 주도적 역할을 할 수 있는 부분이다. 활발하게 개발되고 있는 신 재생에너지 가운데 수소연료전지의 터보 /촉진 역할 장치, 태양 열에너지 및 다양한 형태의 대체 에너지에 응용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히, 수소에너지는 무한히 존재하는 물을 전기 분해하여 수소를 얻을 수 있는 가능성이 있고 이를 공기와 반응시켜 에너지를 만들어 낼 수 있으며 메탄, 천연 가스 분리 등 다양한 방법으로 수소를 생성할 수 있다는 점, 그리고 공해물질을 발생시키지 않는 점, 더욱이 에너지를 만들어 낼 때 소음을 발생치 않고 타 기종에 비해 에너지 생성 효율이 높으며 각종 전기발생 장비에 적용이 다양하다는 점 등에서 다른 신 재생에너지 보다 큰 관심을 받고 있다. 그리고 수소연료전지 근본 재료인 수소와 산소는 지구에서 가장 많은 원소로 존재하고 있다. 이에, 다른 신 재생에너지 중에 특히 수소는 물리적 특성들이 완벽하게 분석되어 있으므로 보다 다양한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 대다수의 수소연료전지 및 이와 연결되는 장치는 수소에너지를 기존 수소연료전지가 갖고 있는 기능 보다 더 높은 효율의 전기에너지로 변환시키지 못하는 한계점을 갖고 있으며 작동 온도(Operating Temperature)가 높다는 문제점이 있으며 현재 기존의 수소연료전지 전리층에서 촉매작용으로 이온화/활성화된 수소를 대량으로 증폭시키는데 한계가 있어 효율을 최대로 높이지 못하는 문제를 갖고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2200739호(공고일자:2021년01월12일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수소연료전지에서 사용되는 수소가 Cell의 전해질에서 완전히 이온화(2H+ + 2e)되기 전 각종 촉매로부터 일부는 활성화(H2 *)되고 대다수는 활성화되지 않아 전체적인 전기발생 이온화율이 낮아 발전 효율이 떨어져 수소연료전지에서 전기 생성율이 낮은 문제를 해결하고자 한다. 그리고 본 발명은 수소연료전지의 경제성이 수소 제조 과정을 포함하여 여러 가지 조건에서 높지 못하다는 문제를 해결하고자 한다. 즉, 본 발명은 수소 기체를 최대로 활성화와 동시에 이온화율을 증가시키므로 고효율 전기생산 방법을 유도하는 것이 목적이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속 원형 브러쉬핀(이후 “금속브러쉬핀”으로 칭함) 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치는 수소공급장치와 수소연료전지의 사이에 설치된 구조로서 DC 직류 전압에 의하여 그 내부에서 형성된 Pin Type의 초고밀도 전기장 선속(Ultra-high density electric flux)은 수소 기체를 이온화(2H+ + 2e) 및 활성화(H2 *)를 동시에 생성 및 증폭한 후 수소연료전지스택에 공급하며 수소연료전지스택에서의 이온화율을 향상시켜 많은 양의 전기가 생성될 수 있도록 한다.
이와 같은 끝이 날카로운 원형 금속브러쉬핀 타입(이후 “브러쉬”라 칭함)들은 음/양극 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치는 내부에 수용공간이 형성되고 일단에 수용공간과 연통하여 수소공급장치와 연결되는 가스유입통과, 타단에 수용공간과 연통하여 수소연료전지와 연결되는 가스배출통이 형성된 케이스부, 복수 개의 서포트모듈과 서포트모듈의 외측면에 나선으로 복수 개의 금속브러쉬핀이 형성된 금속브러쉬핀을 포함하여, 복수 개의 서포트모듈 중 일부 서포트모듈에 외부전원의 양극이 연결되고, 나머지 서포트모듈에 외부전원의 음극이 연결되면 양극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀과 음극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀 간에 전기장을 형성시켜 수소공급장치에서 유입된 수소를 이온화시키는 브러쉬핀이온화부, 복수 개의 서포트모듈의 일단을 수용하는 제1브러쉬거치모듈과 복수 개의 서포트모듈의 타단을 수용하는 제2브러쉬거치모듈을 포함하는 브러쉬거치부, 복수 개의 고정홀을 포함하며 제1브러쉬거치모듈의 일면에 설치되어 제1브러쉬거치모듈의 외측으로 돌출된 서포트모듈의 일단을 고정홀에 넣어 고정시킬 수 있는 제1브라스고정모듈과, 복수 개의 고정홀을 포함하며 제2브러쉬거치모듈의 타면에 설치되어 제2브러쉬거치모듈의 외측으로 돌출된 서포트모듈의 타단을 고정홀에 넣어 고정시킬 수 있는 제2브라스고정모듈을 포함하는 브라스고정부를 포함한다.
여기서, 제1브라스고정모듈과 제2브라스고정모듈은 이격 배치된 복수 개의 음극브라스고정모듈 그리고 복수 개의 음극브라스고정모듈 사이 사이에 배치된 복수 개의 양극브라스고정모듈을 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 음극브라스고정모듈에는 외부전원의 음극과 연결되고 복수 개의 양극브라스고정모듈에는 외부전원의 양극과 연결되어, 복수 개의 음극브라스고정모듈에 연결된 서포트모듈에 형성된 금속브러쉬핀과, 복수 개의 양극브라스고정모듈에 연결된 서포트모듈에 형성된 금속브러쉬핀 사이에 전기장 선속을 형성할 수 있다. 아울러, 케이스부는 가스유입통이 형성된 커버모듈과, 가스배출통이 형성된 몸통모듈을 포함하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치. 이때, 가스유입통은 내부에 설치된 유입스크류모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 수소를 반복적으로 활성화/이온화 시키면서 수소의 활성화 에너지를 높인 후, 수소연료전지에 이온화된 수소(2H++2e) 및 활성화 에너지가 높은 수소(H2 *)를 공급해 수소연료전지스택에서 많은 전기가 생성될 수 있도록 한다. 더욱이, 본 발명은 수소를 반복적으로 활성화 및 이온화 시키는 과정에서 발생된 전기를 기존의 수소연료전지 구조에서 발생한 전기에 합류시키거나, 배터리에 저장할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명은 수소의 이온화(2H++2e) 및 활성화된 수소(H2 *)를 여러 번 증폭시켜 전기 발생 율을 높이고, 발생된 전기를 필요 시 사용할 수 있도록 한다.
여기서 금속 브러쉬(Brush)의 핀 타입(Pin Type) 구조는 음/양 직류전압이 인가되면, 핀 주위에 초고밀도 전기장 선속(Electric Flux)의 전기장 세기가 수소를 쉽게 에너지 준위 상태로 활성화시켜 -1.5~0.0eV까지 올린다. 그리고 이렇게 활성화된 수소를 수소연료전지스택로 이동시켜, 수소연료전지스택에서 전리층에서 활성화된 수소를 -1.5eV 이상의 적은 에너지를 인가해, 활성화된 수소에서 바로 전자가 방출시키며 이온화시킨다. 이때, 활성화된 수소에 이온화 에너지 13.6eV 이상이 인가되면 이온화되면 발생된 전류는 기존 수소연료전지스택에서 발생된 전기에 합류하게 된다. 이때, 수소원자에서 기저상태 전자를 이온화 시키는데 필요한 결합 에너지는 -13.6 eV (1eV=1.60ⅹ10-19joule)이다.
더욱이, 본 발명은 전자를 추출하는 가장 좋은 방법인 전기장 전자 흡입 법(Field Emission Electron)을 사용한다. 아울러, 본 발명은 수소연료전지 전기 발생효율이 향상되어 화학적 방법을 사용하지 않고 물리적 방법으로 수소를 활성화(Activation) 및 이온화(Ionization) 시키며, 전자를 쉽게 추출할 수 있다. 이때, 수소의 활성화(Activation)와 수소의 이온화(Ionization)를 동시에 적용시키는 역학은 수소연료전지스택의 전기발생에 가장 중요한 정전기적 역학이 될 수 있다.
이와 같은 역할을 발생시키는 본 발명은 내부 구성 모든 물질들과 재료들이 순수(99.99999%)한 수소기체와 물리적 상호작용하므로 부식/마모 등이 없어 반 영구적으로 사용이 가능하다.
아울러, 본 발명은 승용차의 연료전지에 한정되지 않고, 건설용 기계 및 선박 일례로, 지게차, 굴삭기 그리고 요트, 드론, 인양선, 여객선의 내부 발전기 등에 적용하여 연료전지의 성능이 향상될 수 있도록 한다. 다시 말해, 본 발명은 수소전지를 이용하는 각종 장비에 적용되어 수소전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있는 증폭(Turbo)/촉진장치로 본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속브러쉬핀 구조의 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치가 수소기체 공급 탱크와 기본 수소연료전지 시스템 사이에서 부수적으로 수소를 활성화/이온화시키는 역할을 하는 장치로 추가한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속브러쉬핀 구조의 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 전체적 외형 사시도이다.
도 3은 도 2의 전기적 전도성이 우수한 금속브러쉬핀 반복 배열과 조합 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 브러쉬핀이온화부를 확대해 복수 개의 금속브러쉬핀을 조합시키는 서포트모듈과 복수 개의 서포트모듈에 각각 형성된 금속브러쉬핀 그리고 금속브러쉬핀의 배열과 조합을 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 상하 브러쉬거치부를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 금속브러쉬핀을 고정할 브라스고정부를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 브라스고정부 및 브러쉬거치부에 브러쉬핀이온화부가 체결된 상태를 나타낸 측면도와 평면도이다.
도 8은 도 4의 브라스고정부 및 브러쉬거치부에 브러쉬핀이온화부가 전체적으로 조합된 상태의 사시도이다.
도 9는 도 1의 본 발명의 일실시예에 대한 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 I-I’선으로 절단한 단면도와 금속브러쉬핀이 서포트모듈에 결합된 도면이다.
도 10은 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치에서 수소를 활성화/이온화시키는 통로와 전기장과 수소 사이에서 활성화/이온화/중성화되면서 전기를 발생하는 현상을 나타낸 도면이다.
도 11은 복수 개의 활성화/브러쉬핀이온화부의 Pin끝 단 부분에는 강력한 음/양극 전기장 선속을 통해 수소공급장치(A)에서 공급되는 수소(H2)를 Excited State(H2 *) → Ionized(2H++2e) → Neutralized(H2)로 변형시키므로 수소(H2)에서 전자를 추출(Field Emission Electron)하여 반복적으로 전기를 발생시키는 과정의 도면이다.
도 12는 브러쉬핀이온화부의 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치 한 포인트에서 수소를 활성화, 양이온화, 그리고 양이온화된 수소 즉 Proton은 이온화 에어지가 낮은 구리 와이어로부터 전자를 흡수(Field Emission Electron)하여 중성화되면서 반복적으로 연속하여 전기를 발생시키며 일부는 기존 수소연료전지스택에서 발생되는 전류에 합류하거나 또는 보조 배터리부를 충전시키는 과정에 대해 구체적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 브러쉬핀 이온화부의 반복 배열 구조의 한 포인트에서 강력한 고밀도 전기장 선속 분포(1st State)와 전기장 세기에 의해 수소를 활성화(H* 2 : 2nd State)시켜서 양극에서 이온화(3rd State)하여 전자를 방출시키고, 양극 수소(2H+: Proton)의 양전하가 강력한 음극으로 이동되면서 이온화에너지가 수소보다 낮은 구리에서 전자를 쉽게 흡수(4th State : Field Emission Electron)되어 중성이 되도록 하면서 전기가 반복적으로 생성되어 중첩적으로 전기가 N번 생성되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 음/양극 금속브러쉬핀 모듈에서 양극(Anode) 금속브러쉬핀과 음극(Cathode)금속브러쉬핀사이에 형성된 고밀도 전기장 선속에 의해 수소기체는 “활성화→ 이온화→ 중성화→ 활성화→ 이온화”되는 연속적인 과정이 반복적으로 진행되며 전류가 발생하는 현상을 표현한 도면이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 설명을 통해 본 발명의 실시예의 이점 및 특징들이 명확해질 것이다. 그러나, 도면 및 설명을 통해 명확해진 본 발명은 이하 개시된 실시예에 한정되지는 않는다. 본 발명은 오로지 청구항에 의해 정의되며 청구항에 기재된 내용에 따라 한정된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 통상의 기술자가 본 발명을 온전히 이해할 수 있도록 첨부된 도면을 참조해 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 여러 층의 브러쉬핀이온화부 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)에 대해 개괄적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속브러쉬핀 구조의 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치가 수소기체 공급 탱크와 기본 수소연료전지 시스템 사이에서 부수적으로 수소를 활성화/이온화시키는 역할을 하는 장치로 추가한 블럭도이다.
금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 기존에 장착된 수소공급장치(A)에서 공급되는 수소가 활성화/이온화 촉진장치(1)를 통과할 때 반복적으로 활성화/이온화를 시켜 전체적인 수소의 활성화 에너지를 높인다. 그리고 이를 수소연료전지스택(B)에 공급하여 수소연료전지스택(B)에서 많은 전기가 생성 및 증폭될 수 있도록 한다. 여기서 이온화되어 발생된 전기는 기존 수소연료전지스택(B) 발생 전기에 합류하거나 따로 보조배터리(50)에 충전된다.
금속브러쉬핀반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 강력한 고밀도 전기장 선속으로 수소를 여러 번 활성화 및 이온화시켜 전자를 발생시키고 발생된 전기를 보조배터리(50)에 충전해 전기가 필요한 상황에서 사용할 수 있도록 한다.
다시 말해, 금속브러쉬핀반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 수소의 이온화(2H++2e), 활성화된 수소(H2 *), 중성화(H2)를 반복해서 여러 번 증폭시켜 수소연료전지스택(B)에 공급하면서 수소연료전지스택(B)의 전기 발생율을 증가시킬 수 있다. 이와 같은, 금속브러쉬핀반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 승용차의 연료전지에 한정되지 않고 건설용 기계 및 선박 일례로, 지게차, 드론, 굴삭기 그리고 요트, 인양선, 여객선의 내부 발전기 등에 적용하여 연료전지의 성능이 향상될 수 있도록 한다.
이에, 본 발명은 현재의 수소연료전지스택(B)가 가지는 한계점인 공급되는 수소량 대비 제한된 활성화/이온화로 전력을 충분하게 만들어 내지 못하는 문제를 해결할 수 있도록 한다.
이후, 도 2 내지 도 6을 참조하여 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치를 조성하는 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속브러쉬핀 구조의 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 전체적 외형 사시도이고, 도 3은 도 2의 전기적 전도성이 우수한 금속브러쉬핀 반복 배열과 조합 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 분해 사시도이다. 그리고 도 4는 도 3의 브러쉬핀이온화부를 확대해 복수 개의 금속브러쉬핀을 조합시키는 서포트모듈과 복수 개의 서포트모듈에 각각 형성된 금속브러쉬핀 그리고 금속브러쉬핀의 배열과 조합을 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 2의 상하 브러쉬거치부를 나타낸 도면이다. 그리고 도 6은 도 2의 금속브러쉬핀을 고정할 브라스고정부를 나타낸 도면이다.
금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 케이스부(10), 브러쉬핀이온화부(20), 브러쉬(Brush)거치부(30), 브라스(Brass)고정부(40)를 포함한다. 아울러, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치(1)는 보조배터리(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스부(10)는 내부에 브러쉬핀이온화부(20), 브러쉬거치부(30) 그리고 브라스고정부(40)를 한 단위 구성으로 수용하는 케이스가 된다. 이러한 케이스부(10)는 수소공급장치(A)를 통해 유입되는 수소를 이온화(2H++2e) 및 활성화(H2 *)시켜 배출하는 통로가 된다. 이와 같은 케이스부(10)는 내부에 수용공간(100)이 형성된 커버모듈(110)그리고 내부에 수용공간(100)이 형성되어 커버모듈(110)에 연결되는 몸통모듈(120)을 구성요소로 포함한다.
이와 같은 커버모듈(110)과 몸통모듈(120)은 도 2에 도시된 바와 같은 형성된다. 그리고 커버모듈(110)의 일단에는 원통형의 가스유입통(111)이 형성되고 몸통모듈(120)의 타단에는 활성화/이온화된 수소를 배출하는 원통형의 가스배출통(121)이 형성된다. 이때, 커버모듈(110)의 가스유입통(111)에는 수소공급장치(A)에서 공급되는 수소가 케이스부(10)의 내부의 수용공간으로 원활하게 주입될 수 있도록 유입스크류모듈(1111)이 설치될 수 있다. 유입스크류모듈(1111)은 날이 나선형으로 다양한 형태로 형성된 모듈이 될 수 있다. 브러쉬핀이온화부(20)는 외부전원 즉, 외부의 직류전원 공급장치(C)에서 전기가 인가되면 고밀도 전기장을 형성한다.
브러쉬핀이온화부(20)는 수소공급장치(A)에서 공급된 수소를 음극 그리고 양극에서 반복적으로 연속해서 수소를 활성화 및 이온화 그리고 중성화시키면서 반복해서 전기를 발생시킨다. 이와 같은 브러쉬핀이온화부(20)는 도 4에 도시된 바와 같은 복수 개의 서포트모듈(210) 그리고 각각의 서포트모듈(210)의 외주면에 나선형으로 형성된 금속브러쉬핀(220)을 포함한다. 여기서, 서포트모듈(210)은 제1와이어(211) 그리고 제2와이어(212)가 서로 꼬이고, 그 꼬인 외주면에 금속브러쉬핀이 고정 형성된 구조로 형성된다. 그리고 금속브러쉬핀(220)은 서포트모듈(210)의 외측면 각각에 나선형으로 형성된다. 이때, 금속브러쉬핀(220)은 일단이 서포트모듈(210)의 외측면에 연결되고 타단이 외측으로 돌출된 복수 개의 금속 핀이 될 수 있다. 여기서, 금속브러쉬핀의 각각의 금속 핀의 끝 부분은 매우 날카로운 형태(220a, 220b)로 이루어져 그 곳에는 매우 밀도가 높은 전기장 선속이 형성되어 수소 기체를 쉽게 활성화 및 이온화(Field Emission Electron)시켜 전자가 이동되도록 한다.
브러쉬핀이온화부(20)는 복수 개의 서포트모듈(210) 중 일부 서포트모듈에 외부전원의 양극과 연결되고 나머지 서포트모듈에 외부전원의 음극과 연결되면 양극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀과 음극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀 간에 초고밀도 전기장 선속을 형성시켜 유입된 수소를 전기장 세기로 활성화, 이온화, 중성화를 반복적으로 일으킨다. 브러쉬핀이온화부(20)가 수소를 활성화, 양이온화 그리고 중성화 시키는 과정에 대해서는 뒤에서 구체적으로 설명하도록 한다.
브러쉬거치부(30)는 수소공급장치(A)로부터 케이스부(10)의 가스유입통(111)으로 유입된 수소가 다시 가스유입통(111)으로 새어 나가지 않도록 케이스부(10)를 밀폐하고 브러쉬핀이온화부(20)를 한 단위로 전체 조립할 수 있는 플라스틱 또는 베그라이트의 비금속인 고정 거치부 역할도 한다. 여기서 브러쉬거치부(30)는 음/양극의 금속브러쉬핀들이 브라스고정부에 조합되어 브러쉬거치부에 함께 조합되므로 전기적 단락(Short)를 방지하기 위해 절연체 물질로 형성되어야 한다. 이러한 브러쉬거치부(30)는 제1브러쉬거치모듈(310) 그리고 제2브러쉬거치모듈(310)을 상하로 포함해 케이스부(10)의 일단 그리고 케이스부(10)의 타단을 밀폐할 수 있도록 고정할 수 있다. 여기서, 제1브러쉬거치모듈(310)은 복수 개의 서포트모듈(210)의 일단을 수용하고, 제2브러쉬거치모듈(320)은 복수 개의 서포트모듈(210)의 타단을 수용한다. 여기서 제1브러쉬거치모듈(310) 및 제2브러쉬거치모듈(320)은 비금속으로 되어 브러쉬핀이온화부의 음/양극을 분리하여 조립할 수 있다.
제1브러쉬거치모듈(310)은 도 5에 도시된 바와 같이 형성되어, 복수 개의 서포트모듈(210)을 수용하는 일정한 간격으로 수용하는 제1장공홀(3101), 제2장공홀(3102) 그리고 제3장공홀(3103)을 포함한다. 이때, 제1장공홀(3101)의 상단부(L1)에는 14개의 서포트모듈(210)이 설치되고, 제1장공홀(3101)의 중단부(L2)에는 13개의 서포트모듈(210)이 설치된다. 그리고 제1장공홀(3101)의 하단부(L3)에는 14개의 서포트모듈(210)이 설치될 수 있다. 그리고 제2장공홀(3102)의 중단부(L4)에는 13개의 서포트모듈(210)이 설치되고 제2장공홀(3102)의 하단부(L5)에는 14개의 서포트모듈(210)이 설치될 수 있다. 그리고 제3장공홀(3103)의 중단부(L6)에는 13개의 서포트모듈(210)이 설치되고 제3장공홀(3103)의 하단부(L7)에는 14개의 서포트모듈(210)이 설치될 수 있다. 여기서 금속브러쉬핀의 직경 크기에 따라 설치 개수와 장공홀은 다양하게 변할 수 있다.
브라스고정부(40)는 복수 개의 서포트모듈(210)을 고정하며 복수 개의 서포트모듈(210)이 브러쉬거치부(30)에 안정적으로 음/양극 분리 고정되도록 한다. 이러한 브라스고정부(40)는 제1브라스고정모듈(410) 그리고 제2브라스고정모듈(420)을 포함한다. 여기서, 제1브라스고정모듈(410)과 제2브라스고정모듈(420)은 도 6에 도시된 바와 같이 일면과 타면을 관통하는 금속브러쉬핀의 고정홀(4000)을 포함하는 구조로 형성된다. 그리고 제1브라스고정모듈(410)과 제2브라스고정모듈(420)은 복수 개의 음극브라스고정모듈(401) 그리고 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)를 포함한다. 이때, 복수 개의 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)는 복수 개의 음극브라스고정모듈(401) 사이 사이에 배치된다. 이와 같은 제1브라스고정모듈(410)은 제1브러쉬거치모듈(310)의 일면에 설치되어 고정홀(4000)에 제1브러쉬거치모듈(310)의 외측으로 돌출된 서포트모듈(210)의 일단을 수용한다. 그리고 제2브라스고정모듈(420)은 제2브러쉬거치모듈(320)의 타면에 설치되어 고정홀(4000)에 제2브러쉬거치모듈(320)의 외측으로 돌출된 서포트모듈(210)의 타단을 수용한다. 보조배터리(50)는 브라스고정부(40)에 연결되어 브라스고정부(40)에서 전달되는 전자에 의해 충전된다. 그리고 충전된 전기를 출력하여 사용할 수 있도록 한다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치를 구성하는 구성요소들 간의 결합에 대해 구체적으로 설명한다.
도 7은 도 2의 브라스고정부 및 브러쉬거치부에 브러쉬핀이온화부가 체결된 상태를 나타낸 측면도와 평면도 도면이고, 도 8은 도 4의 브라스고정부 및 브러쉬거치부에 브러쉬핀이온화부가 전체적으로 조합된 상태의 사시도고, 도 9는 도 1의 본 발명의 일실시예에 대한 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치의 I-I’선으로 절단한 단면도와 금속브러쉬핀이 서포트모듈에 결합된 도면이다.
이와 같은 브러쉬핀이온화부(20)는 외부의 전원공급장치의 양극과 연결된 서포트모듈(210a)은 양성을 띄는 양극브러쉬핀(220a) 즉, 양극브러쉬핀(220a)을 통해 수소에서 전자를 흡수해 유입된 수소를 양이온화 시키고 외부 전원공급장치의 음전극과 연결된 서포트모듈(210b)은 음극브러쉬핀(220b) 즉, 음극브러쉬핀(220b)을 통해 유도선으로 전자를 방출하여 양이온화된 수소를 중성화시킨다. 이때, 브러쉬핀이온화부(20)는 유입된 수소를 원활하게 양이온화된 수소를 중성화 시킬 수 있도록 유입된 수소가 흐르는 방향 즉, 케이스부의 수용공간에 케이스부의 길이 방향과 평행한 방향으로 배치될 수 있다. 전술 한 브러쉬핀이온화부(20)는 브러쉬거치부(30)와 브라스고정부(40)에 의해 고정되며 연결된 구조는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 형상이 될 수 있다. 이때, 브러쉬핀이온화부(20)를 구성하는 복수 개의 서포트모듈은 일단이 제1브라스고정모듈(410)과 연결되고 타단이 제2브라스고정모듈(420)과 음/양극에 연결되며 고밀도 전기장 선속을 형성하기 위하여 일정한 간격이 항상 유지된다. 아울러, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 복수 개의 서포트모듈 가운데 일부는 이격 배치된 복수 개의 음극브라스고정모듈(401) 그리고 나머지 일부는 복수개의 양극브라스고정모듈(402)에 연결된다. 이에, 일부의 서포트모듈은 양극과 연결된 서포트모듈(210a)이 되고 나머지 일부의 서포트모듈은 음극과 연결된 서포트모듈(210b)이 된다. 이와 같은 서포트모듈(210)의 금속브러쉬핀(220) 간에는 고밀도 전기장 선속이 형성된다.
브러쉬핀이온화부(20), 브라스고정부(40) 및 브러쉬거치부(30)가 결합된 상태는 도 8에 도시된 바와 같은 상태가 될 수 있다. 이와 같이 브러쉬핀이온화부(20), 브라스고정부(40) 및 브러쉬거치부(30)가 결합 구조는 도 9에 도시된 바와 같이 케이스부(10)의 커버모듈(110)및 몸통모듈(120)의 수용공간에 수용된다.
이하, 도 9 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진장치가 수소를 활성화/양이온화 및 중성화시켜, 높은 전압이 출력될 수 있도록 하는 작동에 대해 구체적으로 설명한다.
도 11은 복수 개의 활성화/브러쉬핀이온화부의 Pin끝 단 부분에는 강력한 음/양극 전기장 선속을 통해 수소공급장치(A)에서 공급되는 수소(H2)를 Excited State(H2 *) → Ionized(2H++2e) → Neutralized(H2)로 변형시키므로 수소(H2)에서 전자를 추출(Field Emission Electron)하여 반복적으로 전기를 발생시키는 과정의 도면이고, 도 12는 브러쉬핀이온화부의 반복 배열 구조를 가지는 수소 활성화/이온화 촉진 장치 한 포인트에서 수소를 활성화, 양이온화, 그리고 양이온화된 수소 즉 Proton은 이온화 에어지가 낮은 구리 와이어로부터 전자를 흡수(Field Emission Electron)하여 중성화되면서 반복적으로 연속하여 전기를 발생시키며 일부는 기존 수소연료전지스택에서 발생되는 전류에 합류하거나 또는 보조 배터리부를 충전시키는 과정에 대해 구체적으로 도시한 도면이다.
그리고 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 브러쉬핀 이온화부의 반복 배열 구조의 한 포인트에서 강력한 고밀도 전기장 선속 분포(1st State)와 전기장 세기에 의해 수소를 활성화(H* 2: 2nd State)시켜서 양극에서 이온화(3rd State)하여 전자를 방출시키고, 양극 수소(2H+: Proton)의 양전하가 강력한 음극으로 이동되면서 이온화에너지가 수소보다 낮은 구리에서 전자를 쉽게 흡수(4th State : Field Emission Electron)되어 중성이 되도록 하면서 전기가 반복적으로 생성되어 중첩적으로 전기가 N번 생성되는 상태를 나타낸 도면이다. 그리고 도 14 및 도 15는 음/양극 금속브러쉬핀 모듈에서 양극(Anode) 금속브러쉬핀과 음극(Cathode)금속브러쉬핀사이에 형성된 고밀도 전기장 선속에 의해 수소기체는 “활성화→ 이온화→ 중성화→ 활성화→ 이온화”되는 연속적인 과정이 반복적으로 진행되며 전류가 발생하는 현상을 표현한 도면이다.
수소공급장치(A)에서 배출되는 수소는 케이스부(10)의 가스유입통(111)으로 주입된다. 이때, 수소는 도 9에 도시된 바와 같이 가스유입통(111)에 설치된 유입스크류모듈(1111)을 통해 회전하면서 넓게 확산되며 케이스부(10)의 수용공간(100)으로 들어가게 된다.
복수 개의 음극브라스고정모듈(401)은 외부의 전원장치(C)의 음극단과 연결되고 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)은 외부의 전원장치(C)의 양극단과 연결된다. 이때, 복수 개의 음극브라스고정모듈(401)와 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)에 직류 전압이 인가되면 복수 개의 음극브라스고정모듈(401)와 복수 개의 양극브라스고정모듈(402) 사이에 강한 전기장 선속이 형성된다. 일례로, 양극과 연결된 서포트모듈(210a)과 음극과 연결된 서포트모듈(210b)에는 나선형으로 형성된 복수 개의 날카로운 핀들 사이에 고밀도 전기장 선속(도 14)이 형성된다. 이때, 양극에서 발생되는 고밀도 양극 전기장(Positive electric field)는 수소 분자(H2)에서 전자의 결합력 보다 커, 수소 분자를 쉽게 여기(Excite)시킨다. 그리고 음극에서 발생된 고밀도 음극 전기장 (Negative electric field)는 수소 분자(H2)의 공유 전자와 반발력을 키워, 분자에서 공유 전자가 튕겨 나가도록 하며 수소 분자를 빠르게 여기(Excite)시킨다. 이때, 음극에서 발생된 고밀도 음극 전기장(Negative electric field)은 이렇게 여기(Excite)된 수소를 양극과 연결된 서포트모듈(210a)의 복수 개의 핀으로 이동시킨다.
여기서, 양극과 연결된 서포트모듈(210a)의 복수 개의 핀으로 이동된 여기(Excite)된 수소는 복수 개의 핀을 통해 전자를 뺏기며 양이온화(2H+)된다. 그리고 양이온화된 수소(2H+) Proton은 양극 전기장의 강력한 척력과 음극 전기장의 강력한 인력을 통해, 음극과 연결된 서포트모듈(210b)의 복수 개의 핀으로 빠르게 이동하게 된다. 그리고 음극과 연결된 서포트모듈(210b)의 복수 개의 핀으로 이동한 양이온화된 수소(2H+)는 이온화 에너지가 수소보다 낮은 구리 선을 통해 전자(e-)를 흡입(Field Emission Electron)하여 수소 분자(H2) 즉, 중성수소로 변형된다. 이때, 수소가 중성화로 변형될 때, 전자 이동이 발생하게 되면서 전기가 발생하게 된다. 그리고, 변형된 수소 분자(H2)는 다시 강력한 전기장 선속에 의해 여기(Excite)된 상태로 전환되면서 양이온화 되고 양이온화된 수소(2H+)는 다시 중성수소(H2)로 변형된다. 그리고 또 다시, 수소 분자(H2)는 다시 강력한 전기장 선속에 의해 여기(Excite)된 상태로 전환되며 양이온화 되고 양이온화된 수소는 다시 중성수소(H2)로 반복 적으로 순환하며 전기 발생률을 향상시킨다.
도 11에 도시된 바와 같이, 수소 분자(H2)는 위와 같은 과정 즉, 여기(Excite)된 상태 이후 이온화(Ionized)된 상태 이후 중성(Neutralized)의 과정을 연속적으로 거치면서 브러쉬핀이온화부(20)에서 전기발생을 증폭시킨다. 여기서, 복수 개의 음극브라스고정모듈(401)에 연결된 서포트모듈(210)과 복수 개의 양극브라스고정모듈(402) 사이에 형성된 강한 전기장 선속에 수소의 활성화(Excited)에너지를 높이거나 수소로부터 전자를 추출(Field Emission Electron)하여 이온화 시킨다.
보다 구체적으로, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 양극브러쉬핀(220a)에는 고밀도의 양 전기장 선속이 발생되고 음극브러쉬핀(220b)에는 고밀도의 음 전기장 선속이 발생된다. 즉, 양극브러쉬핀(220a)과 음극브러쉬핀(220b)에는 고밀도의 전기장 선속이 형성된다. 수소가 양극브러쉬핀(220a)과 음극브러쉬핀(220b)사이로 유입되면 수소는 고밀도의 양 전기장에 의해 전자를 빼기면서 양 이온화(2H+) 되며 음극브러쉬핀(220b)로 이동하게 된다. 이때 양극브러쉬핀 (220a)에 있는 전자(e-)는 보조배터리(50)로 이동하게 된다. 보조배터리(50)를 충전하게 된다. 즉, 본 발명은 도 15에 도시된 바와 같이 수소공급장치(A)에서 지속적으로 공급되는 수소기체(H2)를 강력한 음/양극 고밀도 전기장 선속에서 반복적으로 Excited State(H2 *) → Ionized(2H+ + 2e) → Neutralized(H2)로 변형시키며 수소연료전지스택(B)로 공급하여, 수소연료전지스택(B)에서 많은 양의 전기가 생산될 수 있도록 한다. 또한, 생산된 전기의 일부를 보조배터리(50)에 저장한다. 여기서, Excited State(H2 *)는 전기장의 인/척력으로 활성화 에너지가 높아진 상태이고, 쉽게 이온화 가능한 상태의 수소를 의미한다. 이러한 수소는 수소연료전지스택의 전기 발생의 효율을 상승시키는 과정이 된다. Ionized(2H+ + 2e)는 양극 전기장에 의해 전자가 방출되어 정전기적 힘으로 음극으로 이동하는 Proton(2H+) 수소를 의미하고 Neutralized(H2)는 음극으로 이동된 Proton(2H+)가 고밀도 양극 전기장에 의해 2개 전자를 흡수하며 형성된 수소가 된다. 더욱이, 음극브러쉬핀 및 양극브러쉬핀은 서포트모듈에 나선형으로 형성되어 서포트모듈의 일단부에 위치한 음극브러쉬핀 및 양극브러쉬핀에서 반복적으로 수소를 Excited State(H2 *) → Ionized(2H+ + 2e)→ Neutralized(H2)로 연속해서 변형시키며 전기를 반복적으로 만들어 낸다.
보조배터리(50)는 양극브러쉬핀 및 음극브러쉬핀에서 만들어진 전기를 저장한다.
이와 같이, 본 발명은 음/양극 고밀도 전기장을 통해 수소기체를 H2, 2H++2e, H2 * 즉, 3가지 상태로 변형시켜 수소연료전지스택(B)에 공급하며 수소연료전지스택(B)에서 많은 양의 전기를 생산할 수 있도록 한다. 아울러, 본 발명은 많이 생산된 전기를 저장하여 추후 사용할 수 있도록 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예 시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
1: 금속브러쉬핀 타입 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치
10: 케이스부 20: 브러쉬핀이온화부
30: 브러쉬거치부 40: 브라스고정부
100: 수용공간
110: 커버모듈 120: 몸통모듈
111: 가스유입통 1111: 유입스크류모듈
121: 가스배출통
210: 서포트모듈
210a: 양전극과 연결된 서포트모듈
210b: 음전극과 연결된 서포트모듈
211: 제1와이어 212: 제2와이어
220: 금속브러쉬핀
220a: 양극브러쉬핀 220b: 음극브러쉬핀
310: 제1브러쉬거치모듈 320: 제2브러쉬거치모듈
3101: 제1장공홀 3102: 제2장공홀
3103: 제3장공홀 3200: 개구홀
401: 음극브라스고정모듈 402: 양극브라스고정모듈
410: 제1브라스고정모듈 420: 제2브라스고정모듈
4000: 고정홀
50: 보조배터리
A: 수소공급장치 B: 수소연료전지스택
C: 외부의 직류전원 공급장치

Claims (5)

  1. 수소공급장치(A)와 수소연료전지스택(B)의 사이에 설치되는 수소 활성화/이온화 촉진장치에 있어서,
    내부에 수용공간(100)이 형성되고 일단에 수용공간(100)과 연통하여 수소공급장치(A)와 연결되는 가스유입통(111)과, 타단에 수용공간(100)과 연통하여 수소연료전지스택(B)와 연결되는 가스배출통(121)이 형성된 케이스부(10);
    복수 개의 서포트모듈(210)과, 서포트모듈(210)의 외측면에 나선으로 복수 개의 금속브러쉬핀(220)이 형성된 금속브러쉬핀(220)을 포함하여, 복수 개의 서포트모듈(210) 중 일부 서포트모듈에 외부전원의 양극이 연결되고, 나머지 서포트모듈에 외부전원의 음극이 연결되면 양극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀과 음극과 연결된 서포트모듈의 금속브러쉬핀 간에 전기장을 형성시켜 수소공급장치(A)에서 유입된 수소를 이온화시키는 브러쉬핀이온화부(20);
    복수 개의 서포트모듈(210)의 일단을 수용하는 제1브러쉬거치모듈(310)과 복수 개의 서포트모듈(210)의 타단을 수용하는 제2브러쉬거치모듈(320)을 포함하는 브러쉬거치부(30);
    복수 개의 고정홀(4000)을 포함하며 제1브러쉬거치모듈(310)의 일면에 설치되어 제1브러쉬거치모듈(310)의 외측으로 돌출된 서포트모듈(210)의 일단을 고정홀(4000)에 넣어 고정시킬 수 있는 제1브라스고정모듈(410)과,
    복수 개의 고정홀(4000)을 포함하며 제2브러쉬거치모듈(320)의 타면에 설치되어 제2브러쉬거치모듈(320)의 외측으로 돌출된 서포트모듈(210)의 타단을 고정홀(4000)에 넣어 고정시킬 수 있는 제2브라스고정모듈(420)을 포함하는 브라스고정부(40)를 포함하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1브라스고정모듈(410)과 제2브라스고정모듈(420)은,
    이격 배치된 복수 개의 음극브라스고정모듈(401) 그리고 복수 개의 음극브라스고정모듈(401)사이 사이에 배치된 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)를 포함하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치.
  3. 제2항에 있어서,
    복수 개의 음극브라스고정모듈(401)에는 외부전원의 음극과 연결되고, 복수 개의 양극브라스고정모듈(402)에는 외부전원의 양극과 연결되어,
    복수 개의 음극브라스고정모듈(401)에 연결된 서포트모듈(210)에 형성된 금속브러쉬핀(220)과,
    복수 개의 양극브라스고정모듈(402)에 연결된 서포트모듈(210)에 형성된 금속브러쉬핀(220) 사이에 전기장을 형성하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치.
  4. 제1항에 있어서, 케이스부(10)는,
    가스유입통(111)이 형성된 커버모듈(110)과, 가스배출통(121)이 형성된 몸통모듈(120)을 포함하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치.
  5. 제4항에 있어서, 가스유입통(111)은,
    내부에 설치된 유입스크류모듈(1111)을 더 포함하는, 금속브러쉬핀 반복 배열 구조를 갖는 수소 활성화/이온화 촉진장치.
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