KR20090034652A - 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템 - Google Patents

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템 Download PDF

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KR20090034652A
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채경수
장재혁
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삼성전기주식회사
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Abstract

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템이 개시된다. 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서, 배출구가 형성되며, 전해질 수용액을 담는 전해조와, 전해조에 결합되고 전자를 발생시키는 양극과, 전해조에 결합되고 양극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 음극과, 배출구를 커버하여 수소에 동반된 이물질을 걸러내는 필터와, 전해조 내부에 결합되며 전해조 내부의 압력을 감지하여 압력에 상응하는 출력 신호를 생성하는 압력 센서와, 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어, 출력 신호에 따라 양극과 음극 간의 통전을 제어하는 제어부를 구비하는 수소 발생 장치는, 전해조 내부의 압력 증가로 인한 전해조의 폭발 등의 안전 사고를 방지할 수 있다.
수소 발생 장치, 필터, 압력 센서

Description

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템{Apparatus for generating hydrogen and fuel cell power generation system having the same}
본 발명은 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG, 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
연료 전지 중에서 소형 휴대용 전자기기에 적용하기 위해서 연구 중인 연료 전지는 수소를 연료로 이용하는 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 같이 액체 연료를 직접 연료로 이용하는 직접액체 연료 전지가 있다. 수소를 연료로 이용하는 PEMFC는 출력밀도가 높으나, 수소를 공급하기 위한 장치가 별도로 필요하게 되며, 수소를 공급하기 위하여, 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피 도 커지고 보관의 위험성을 내재하게 된다.
종래 고분자형 전해질 연료 전지의 수소 발생에 이용되는 방법은 알루미늄의 산화 반응, 금속 보로하이드라드계의 가수 분해 및 금속 전극체 반응으로 나뉘어 질 수 있으며, 그 중 수소의 발생을 효율적으로 조절 가능한 방법으로 금속 전극체를 이용한 방법이 있다. 이는 주로 마그네슘의 전극이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 도선을 통하여 다른 금속체에 연결하여 물의 분해 반응으로 수소를 발생시키는 방법으로서, 연결된 도선의 단락, 사용되는 전극체 간의 간격 및 사이즈와 관계되어 수소의 발생을 조절 할 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 수소 발생 방법에 의하는 경우, 반응기 내에서 수소 유량이 제어가 되지 않을 경우 내부 압력 증가로 폭발 등의 안전 사고가 발생할 수 있어 문제가 되어 왔다. 이에 수소 발생 시 안전 사고를 방지할 수 있는 안전 장치를 구비하는 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템이 요구되고 있다.
본 발명은, 전해조 내부의 압력 증가로 인해 전해조가 폭발하는 등의 안전 사고를 방지할 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서, 배출구가 형성되며, 전해질 수용액을 담는 전해조와, 전해조에 결합되고 전자를 발생시키는 양극과, 전해조에 결합되고 양극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 음극과, 배출구를 커버하여 수소에 동반된 이물질을 걸러내는 필터와, 전해조 내부에 결합되며 전해조 내부의 압력을 감지하여 압력에 상응하는 출력 신호를 생성하는 압력 센서와, 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어, 출력 신호에 따라 양극과 음극 간의 통전을 제어하는 제어부를 구비하는 수소 발생 장치가 제공된다.
압력 센서를 커버하여 전해질 수용액이 침투하는 것을 방지하는 실링(sealing)재를 더 구비할 수 있다.
실링재는 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어질 수 있다.
압력 센서는, 전해조의 내부가 소정 압력 이상이 되는 경우, 출력 신호로서 차단 신호를 생성하고, 차단 신호를 제어부에 전달하며, 제어부는 차단 신호에 따라 양극과 음극의 통전을 차단할 수 있다.
압력 센서는, 전해조의 내부가 소정 압력 이하가 되는 경우, 상기 출력 신호로서 작동 신호를 생성하고, 작동 신호를 제어부에 전달하며, 제어부는 작동 신호에 따라 양극과 음극을 통전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질 수용액을 분해하여 발생된 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템으로서, 배출구가 형성되며, 전해질 수용액을 담는 전해조와, 전해조에 결합되고 전자를 발생시키는 양극과, 전해조에 결합되고 양극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 음극과, 배출구를 커버하여 수소에 동반된 이물질을 걸러내는 필터와, 전해조 내부에 결합되며 전해조 내부의 압 력을 감지하여 압력에 상응하는 출력 신호를 생성하는 압력 센서와, 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어, 출력 신호에 따라 양극과 음극 간의 통전을 제어하는 제어부와, 음극에서 생성된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 구비하는 연료 전지 발전 시스템이 제공된다.
압력 센서를 커버하여 전해질 수용액이 침투하는 것을 방지하는 실링재를 더 구비할 수 있다.
실링재는 플렉서블한 재질로 이루어질 수 있다.
압력 센서는, 전해조의 내부가 소정 압력 이상이 되는 경우, 출력 신호로서 차단 신호를 생성하고, 차단 신호를 제어부에 전달하며, 제어부는 차단 신호에 따라 양극과 음극의 통전을 차단할 수 있다.
압력 센서는, 전해조의 내부가 소정 압력 이하가 되는 경우, 상기 출력 신호로서 작동 신호를 생성하고, 작동 신호를 제어부에 전달하며, 제어부는 작동 신호에 따라 양극과 음극을 통전시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전해조 내부의 압력 증가로 인한 전해조의 폭발 등의 안전 사고를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명 함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 수소 발생 장치(100), 전해조(110), 배출구(112), 전해질 수용액(115), 양극(120), 음극(130), 필터(filter, 140), 압력 센서(150), 제어부(160), 실링재(170)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 전해조(110)의 내부에 압력 센서(150)를 설치함으로써, 전해조(110)의 배출구(112)에 결합된 필터(140)에 의해 걸러진 이물질로 인하여, 전해조(110) 내부의 압력이 한계 압력 이상으로 증가하는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로, 전해조(110)가 폭발하는 안전 사고를 방지할 수 있는 수소 발생 장치(100)가 제시된다.
전해조(110)는, 분해 반응에 의해 수소를 방출하는 전해질 수용액(115)을 담을 수 있다. 전해조(110)의 일측에는 배출구(112)가 형성되고, 필터(140)가 이 배출구(112)를 커버할 수 있다.
또한, 전해조(110)의 내부에는 양극(120) 및 음극(130)이 결합되어, 전해질 내부에 담긴 전해질 수용액(115)에 의해 수소 발생 반응이 일어날 수 있다.
전해질 수용액(115)은 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 사용될 수 있으며, 전해질 수용액(115)은 수소 이온을 포함할 수 있다.
양극(120)은, 활성 전극으로, 전해조(110) 내부에 결합되고 전자를 발생시킬 수 있다. 양극(120)은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 이루어질 수 있으며, 이 양극(120)과 수소의 이온화 경향의 차이 때문에 양극(120)이 물 속에서 전자를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화될 수 있다.
이 때 생성되는 전자는 양극(120)과 전기적으로 연결된 제어부(160)로 이동하며 제어부(160)와 전기적으로 연결되는 음극(130)으로 이동될 수 있다. 따라서, 양극(120)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 양극(120)은 후술할 음극(130)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
음극(130)은, 비활성 전극으로 양극(120)과 달리 소모되지 않기 때문에 양극(120)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 음극(130)은, 전해조(110) 내부에 결합되고, 양극(120)에서 발생된 전자를 받아 수소를 발생시킬 수 있다. 음극(130)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 이루어질 수 있으며, 전자와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 즉, 음극(130)에서의 화학반응을 살펴보면, 음극(130)에서는 물이 양극(120)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식을 하기의 화학식 1와 같다.
양극(120): Mg → Mg2 + + 2e-
음극(130): 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
제어부(160)는, 양극(120) 및 음극(130)과 전기적으로 연결되어, 양극(120)과 음극(130) 간의 통전을 제어할 수 있으며, 본 실시예에 따른 압력 센서(150)의 출력 신호에 따른 제어부(160)의 작동에 대하여는 후술하도록 한다.
제어부(160)는 연료 전지에 요구되는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 양극(120)에서 음극(130)으로 흐르는 전자의 양을 증가시킬 수 있고, 그 요구되는 값이 작으면 양극(120)에서 음극(130)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(160)는 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 양극(120)과 음극(130) 사이에 흐르는 전류량을 조절하거나, 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 양극(120)과 음극(130) 사이에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
필터(140)는 배출구(112)를 커버하여 수소에 동반된 이물질을 걸러낼 수 있다. 음극(130)에서 발생되는 수소는, 예를 들어, 슬러리(slurry)와 같은 입자인 이물질을 동반하여 배출구(112)를 통하여 배출될 수 있고, 이는 수소 발생 장치(100) 를 이용한 연료 전지 발전 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
이에, 필터(140)를 배출구(112)를 커버하도록 전해조(110)에 결합함으로써, 슬러리와 같은 이물질이 방출되는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 순수한 수소를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
한편, 수소 발생 장치(100)를 장시간 사용하는 경우, 필터(140)에서 걸러진 이물질에 의하여 필터(140)가 막혀 전해조(110) 내부의 압력이 증가할 수 있으며, 이에 따라, 전해조(110)의 폭발 등의 안전 사고가 발생할 수 있다.
이에, 전해조(110)의 내부에 압력 센서(150)를 결합함으로써, 전해조(110)의 폭발을 방지할 수 있다.
압력 센서(150)는 전해조(110) 내부에 결합되며 전해조(110) 내부의 압력을 감지하여 압력에 상응하는 출력 신호를 생성할 수 있고, 이 생성 신호를 제어부(160)로 전달할 수 있다. 또한, 압력 센서(150)는 전해질 수용액(115)의 침투를 막기 위해 실링재(170)로 포장될 수 있으며, 이에 대하여는 후술하도록 한다.
압력 센서(150)는, 전해조(110)의 내부가 소정 압력, 즉, 한계 압력 이상이 되는 경우, 출력 신호로서 차단 신호를 생성할 수 있고, 이 차단 신호를 제어부(160)에 전달 할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 이 차단 신호를 받아 차단 신호에 따라 양극(120)과 음극(130) 간의 통전, 즉, 전기적 연결을 차단할 수 있다.
여기서, 한계 압력이란, 수소 발생 장치(100)가 폭발하지 않고 작동될 수 있을 때의 전해조(110) 내부 압력을 의미하며, 전해조(110)의 재질에 따른 물리적 특성에 의해 좌우될 수 있는 값이다.
또한, 압력 센서(150)는, 전해조(110)의 내부가 소정 압력, 즉, 한계 압력 이하가 되는 경우, 출력 신호로서 작동 신호를 생성할 수 있고, 이 작동 신호를 제어부(160)에 전달 할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 이 작동 신호를 받아 작동 신호에 따라 양극(120)과 음극(130)을 전기적으로 연결되도록 통전시킬 수 있다.
즉, 압력 센서(150)가 전해조(110) 내부의 압력을 감지하여 전해조(110) 내부의 압력이 한계 압력 이상이 되는 경우에는 출력 신호로서 차단 신호를 생성하여 제어부(160)에 전달할 수 있고, 전해조(110) 내부의 압력이 다시 한계 압력 이하로 떨어질 경우에는 출력 신호로서 작동 신호를 생성하여 제어부(160)에 전달할 수 있으며, 제어부(160)는 이 출력 신호에 따라 양극(120)과 음극(130)의 통전을 차단시키거나 통전시켜, 전해조(110)가 폭발하지 않도록 수소 발생량을 조절할 수 있는 것이다.
압력 센서(150)를 전해조(110)의 내부에 결합시킴에 따라, 전해조(110)의 배출구(112)에 필터(140)가 결합되고 필터(140)에 이물질이 걸려 전해조(110) 내부의 압력이 증가하더라도, 이를 감지하여 양극(120)과 음극(130)의 통전을 제어하는 출력 신호를 발생시킴으로써, 보다 안전한 수소 발생 장치(100)를 구현할 수 있다.
실링재(170)는 압력 센서(150)를 커버하여 전해질 수용액(115)이 침투하는 것을 방지할 수 있다. 압력 센서(150)가 전해조(110) 내부에 결합됨으로써, 전해질 수용액(115)에 노출될 위험이 있을 수 있으므로, 실링재(170)는 압력 센서(150)의 올바른 작동을 위해 압력 센서(150)를 포장하여, 전해질 수용액(115)으로부터 압력 센서(150)를 보호할 수 있다.
이 경우, 실링재(170)는 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 압력 센서(150)에서 압력을 감지함에 있어 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있어, 보다 효과적으로 수소 발생량을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이물질을 제거하는 필터(140)를 포함하는 수소 발생 장치(100)에 있어, 전해조(110) 내부의 압력을 감지하기 위해 압력 센서(150)를 이용함으로써, 연료 전지에 필요한 순수한 수소를, 폭발의 위험 없이 보다 안정적이고 효율적으로 공급할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, 연료 전지 발전 시스템(200), 수소 발생 장치(280), 연료 전지(290)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 전해조의 내부에 압력 센서를 설치함으로써, 전해조의 배출구에 결합된 필터에 의해 걸러진 이물질로 인하여, 전해조 내부의 압력이 한계 압력 이상으로 증가하는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로, 전해조가 폭발하는 안전 사고를 방지할 수 있으며, 안정적으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 연료 전지 발전 시스템(200)이 제시된다.
본 실시예의 경우, 수소 발생 장치(280)에 대한 구성은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치(280)의 일 실시예와 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 수소 발생 장치(280)의 일 실시예와 차이점인 연료 전지(290)에 대하여 설명하도록 한다.
연료 전지(290)는, 음극에서 생성된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 내부 압력 증가에 따른 폭발의 위험 없이 이물질을 제거하는 필터를 구비한 수소 발생 장치(280)에서 발생된 순수한 수소는 연료 전지(290)의 연료극으로 이동될 수 있고, 이에 따라, 상술한 수소 발생 장치(280)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전류를 생산할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전해조 내부의 압력을 감지하기 위해 압력 센서를 이용함으로써, 전해조가 폭발하는 위험 없이 필터로 이물질을 걸러낼 수 있는 수소 발생 장치(280)에서 발생된 수소를 연료 전지(290)로 공급하여 전기 에너지를 생산함으로써, 보다 효율적이고 안정적인 연료 전지 발전 시스템(200)을 구현할 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 일 실시예를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 일 실시예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 수소 발생 장치 110: 전해조
112: 배출구 115: 전해질 수용액
120: 양극 130: 음극
140: 필터 150: 압력 센서
160: 제어부 170: 실링재

Claims (10)

  1. 전해질 수용액을 분해하여 수소를 발생시키는 장치로서,
    배출구가 형성되며, 상기 전해질 수용액을 담는 전해조와;
    상기 전해조에 결합되고 전자를 발생시키는 양극과;
    상기 전해조에 결합되고 상기 양극에서 상기 전자를 받아 상기 수소를 발생시키는 음극과;
    상기 배출구를 커버하여 상기 수소에 동반된 이물질을 걸러내는 필터(filter)와;
    상기 전해조 내부에 결합되며 상기 전해조 내부의 압력을 감지하여 상기 압력에 상응하는 출력 신호를 생성하는 압력 센서와;
    상기 양극 및 상기 음극과 전기적으로 연결되어, 상기 출력 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극 간의 통전을 제어하는 제어부를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 센서를 커버하여 상기 전해질 수용액이 침투하는 것을 방지하는 실링(sealing)재를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실링재는 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력 센서는, 상기 전해조의 내부가 소정 압력 이상이 되는 경우, 상기 출력 신호로서 차단 신호를 생성하고, 상기 차단 신호를 상기 제어부에 전달하며,
    상기 제어부는 상기 차단 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극의 통전을 차단하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압력 센서는, 상기 전해조의 내부가 소정 압력 이하가 되는 경우, 상기 출력 신호로서 작동 신호를 생성하고, 상기 작동 신호를 상기 제어부에 전달하며,
    상기 제어부는 상기 작동 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극을 통전시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  6. 전해질 수용액을 분해하여 발생된 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템으로서,
    배출구가 형성되며, 상기 전해질 수용액을 담는 전해조와;
    상기 전해조에 결합되고 전자를 발생시키는 양극과;
    상기 전해조에 결합되고 상기 양극에서 상기 전자를 받아 상기 수소를 발생시키는 음극과;
    상기 배출구를 커버하여 상기 수소에 동반된 이물질을 걸러내는 필터와;
    상기 전해조 내부에 결합되며 상기 전해조 내부의 압력을 감지하여 상기 압력에 상응하는 출력 신호를 생성하는 압력 센서와;
    상기 양극 및 상기 음극과 전기적으로 연결되어, 상기 출력 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극 간의 통전을 제어하는 제어부와;
    상기 음극에서 생성된 상기 수소의 화학 에너지를 변환하여 상기 전기 에너지를 생산하는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력 센서를 커버하여 상기 전해질 수용액이 침투하는 것을 방지하는 실링재를 더 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실링재는 플렉서블한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 압력 센서는, 상기 전해조의 내부가 소정 압력 이상이 되는 경우, 상기 출력 신호로서 차단 신호를 생성하고 상기 차단 신호를 상기 제어부에 전달하며,
    상기 제어부는 상기 차단 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극의 통전을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력 센서는, 상기 전해조의 내부가 소정 압력 이하가 되는 경우, 상기 출력 신호로서 작동 신호를 생성하고 상기 작동 신호를 상기 제어부에 전달하며,
    상기 제어부는 상기 작동 신호에 따라 상기 양극과 상기 음극을 통전시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
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