KR20090060996A - 발전장치 - Google Patents

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KR20090060996A
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가부시키가이샤 테크노 뱅크
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Abstract

본 발명은 두 시스템을 포함하는 발전장치에 관한 것이다. 상기 시스템의 하나에서, 가수분해에 의해 수소 가스가 발생되고, 수소 수요유닛은 전력을 발생시킨다. 다른 시스템에서, 전력은 전극과 이온의 산화-환원의 화학반응에 기초해서 발생된다. 상기 발전장치는 기능 재료가 장착된 수소 발생 용기를 갖는 수소 방출유닛을 포함한다. 또한, 상기 기능 재료가 음전극과 양전극에 장착되게 구성이 이루어질 수 있고, 상기 음전극과 양전극을 포함하는 배터리 요소 및 전해질은 상기 용기 내에 제공된다. 상기 발전장치는 상기 기능 재료를 물이나 수용액(전해액)과 반응시키는 가수분해 및 상기 가수분해에 의한 기능 재료의 특성의 변화로 인하여 결정 중에 정착한 수소 원자의 결합에 의한 쌍방으로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 액체 용기를 포함하는 수소 발생유닛, 상기 수소 발생 용기에서의 배터리 요소가 전기를 발생시키는 제1기전유닛, 상기 수소 발생 용기에서 발생된 수소 가스를 이용하여 수소 수요유닛이 전기를 발생시키는 제2기전유닛, 상기 제1기전유닛에서 발생된 전력을 부하장치에 인가해서 상기 수소 발생유닛에 의해 발생된 수소 가스량을 부하 전류량에 기초해서 따라 제어하는 제어유닛을 더 포함한다.
발전장치, 제어유닛, 수소, 수소 발생 용기, 전기

Description

발전장치{POWER GENERATING APPARATUS}
본 발명은 가수분해에 의해 수소 가스를 발생시켜 수소 수요유닛에 의해 전력을 발생시키는 시스템 및 전극과 복수 이온을 포함하는 산화-환원의 화학반응으로 전력을 발생시키는 시스템의 두 시스템을 포함하는 발전장치에 관한 것이다.
물을 가수분해하기 위해 금속재 등을 고온에서 가열하거나 건조 고형의 수소화물과 증기(수증기)를 반응시킴으로써 수소가 발생되고, 상기 수소가 연료 셀 등에 공급되고 산소와 반응해서 전류를 발생시키는 발전장치가 제안되어 있다.
이러한 장치는 다음의 문헌에 제안되어 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 제2004-149394호
[특허문헌 2] 일본 특허공개 제2002-069558호
[특허문헌 3] 국제특허공개 WO2003/020635호
금속재를 고온에서 가열하여 수소를 발생시키는 것은 큰 장치가 필요하고 열화(열에 의한 손상)가 발생한다는 점에서 문제점이 있다. 산이나 알칼리의 재료를 포함하는 건조 고형의 수소화물을 증기와 반응시켜서 수소를 발생시키는 것은, 고 형 폴리머 연료 셀(solid polymer fuel cell)과 같은 장치에 있어서 산이나 알칼리에 의해 악화되는 문제점 및 작동이 정지된 경우에도 수소 발생이 저습도에서 일어나는 중대한 문제점이 있다.
금속재를 고온에서 가열하여 수소를 발생시키면 다음과 같은 부가적인 문제점이 있다. 이러한 방법에서, 상기 반응은 600℃ 이상의 환경에서 수행된다. 따라서, 가수분해를 위해 공급되는 물 자체는 격렬하게 증발되고, 다량의 물이 공급되어 수소 발생의 효율이 낮게 된다. 한편, 산이나 알칼리 재료를 포함하는 건조 고형의 수소화물과 증기를 반응시켜 수소를 발생시키면 수소화물의 재생이 까다롭고, 또한 유해 물질이 생성되는 문제점도 있다.
또한, 종래의 기술에서는, 발생된 수소 가스를 제어하기가 어렵고, 잉여 수소 가스를 저장하기 위한 임의의 수단이 제공되지 않는다. 이에 따라, 발생된 잉여 가스의 압력으로 인하여 폭발이 발생될 수 있다. 따라서, 종래의 기술은, 고형 폴리머 연료 셀, 수소 연료 엔진, 수소 용접/컷팅 시스템, 및 반도체 제조장치와 같이 산업이나 상업적으로 이용되는 수소 수요유닛의 수소 공급원으로서 위험하며 적절하지 않다.
수소 발생의 제어와 관련된 문제는, 특히 소형의 휴대(셀 방식) 전화나 차량의 장치가 반대로 이용되는 경우 또는 임의적인 수소 공급이 필요한 경우에 특히 중요하다. 상기 장치는 장치에 주입되는 물 또는 용액(수용액)을 포함한다. 상기 물 또는 용액은 항상 중력 작용 측에 머무르기 때문에, 발생된 수소 가스의 방출, 발생된 수소 가스를 위한 유로의 확보, 및 수소 소비량의 변동에 대응하기 위한 제 어가 어렵다.
다음의 문헌에 니켈(Ni)-수소 재충전 배터리가 제안되어 있고, 상기 니켈(Ni)-수소 재충전 배터리에서, 수소 저장 합금(hydrogen storage alloy)이 음전극에 장착되고, 음전극에서의 니켈 화합물과 상기 합금의 이온 산화-환원 화학반응을 이용하여 충전/방전이 수행된다.
[특허문헌 4] 일본 특허공개 제2002-105564호
이러한 밀폐된 니켈-수소 재충전 배터리에서, 출력을 증가시키기 위한 경우에 상기 수소 저장 합금에서 최고의 수소 저장용적을 갖는 마그네슘(Mg)의 함유량이 증가된다. 그러나, 마그네슘의 함유량을 증가시키면, 상기 마그네슘의 함유량이 증가함에 따라, 전해액과의 가수분해 반응이 반비례적으로 증가하고, 내구성이 낮아지며 발생된 수소 가스의 압력에 의해 배터리가 폭발하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은, 소형의 휴대(셀 방식) 전화나 차량 등의 전원으로서 발전장치를 이용하는 경우에 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있고, 상기 장치가 반대로 이용되는 경우 또는 임의적인 수소 공급이 필요한 경우에도 통상의 기능과 함께 전력을 충분히 공급할 수 기술을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은, 발생된 수소량이 증가하고 배터리의 기능이 향상된 경우에도 크기의 소형화와 비용절감을 실현할 수 있는 기술을 제공하는데 다른 목적이 있다. 또한, 본 발명은, 자연 또는 재생가능한 에너지로부터의 전기 에너지를 자원고갈이 없으며 환경 친화적인 쉽게 이용가능한 재료를 이용하는 물질(기능 재료)로 변환하여 안전하게 대량의 저장과 수송에 기여할 수 있는 기술을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 용기 내에 장착된 기능 재료나 음전극과 양전극에 장착된 기능 재료 및 상기 용기 내에 제공된 전해질 형태로 된 배터리 요소를 포함하는 수소 발생 용기 형태에서의 수소 방출유닛; 상기 기능 재료를 물이나 수용액(전해액)과 반응시키는 가수분해 및 상기 가수분해에 의한 기능 재료의 특성의 변화로 인하여 결정 중에 정착한 수소 원자의 결합에 의한 쌍방으로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 액체 용기를 포함하는 수소 발생유닛; 상기 수소 발생 용기에서의 배터리 요소가 전기를 발생시키게 하기 위한 제1기전유닛; 상기 수소 발생 용기에서 발생된 수소 가스를 이용하여 수소 수요유닛이 전기를 발생시키게 하기 위한 제2기전유닛; 및 상기 제1기전유닛에서 발생된 전력을 부하장치에 인가해서 상기 수소 발생유닛에 의해 발생된 수소 가스량을 상기 부하장치로부터의 부하에 의한 규정된(regulated) 전류량에 따라 제어하기 위한 제어유닛을 포함하는 발전장치가 제공된다.
상기 기능 재료가 자연히 도달할 수 있는 최종의 입자 크기로부터 1nm의 입자 크기로 감소되게 미세 파우더로 분쇄되는 경우, 상기 기능 재료의 단위 질량당 표면적은 증가된다. 이는 단위 질량당 계면반응을 상당히 가속화시키고, 미지의 기능성도 생긴다. 최적의 입자 크기는 3㎛로부터 또는 1nm 이하의 범위이다. 이러한 미세 파우더를 이용하기 위하여, 여러 문제가 해결되어야 한다. 상기 문제의 예시로는, 상기 미세 파우더의 쉬운 장착, 비산 및 피독의 방지, 열 및 전기의 전도성, 코팅재의 특정 물질의 투과성을 포함한다. 생성된 기능 재료의 미세 파우더의 표면에 가소성 폴리머 수지 등의 박막을 제공함으로써 여러 문제를 해결할 수 있다. 예를 들면, 상기 기능 재료가 수소 저장 합금인 경우, 대기에서 주로 산소, 또한 탄산 가스, 질소, 수분 등이 직접적으로 수소 저장 합금의 표면에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 예를 들면 피독이나 계면반응은 방지될 수 있다. 또한, 상기 기능 재료의 파우더 입자는, 열 및 전기 전도성을 높일 수 있는 고형체나 거친 입자를 형성하기 위해 서로 접착될 수 있다. 또한, 상기 필름 코팅이 지방족 폴리에스테르 수지와 같이 70℃ 이하의 온도에서 분자가 유동화되는 저온 열가소성의 폴리머 수지인 수용성 폴리머 수지를 필름 코팅재로서 이용하여 수행되는 경우, 상기 기능 재료의 수축 및 팽창에 의해 상기 필름에 크랙이 발생되는 경우에, 상기 필름은 자기 발열에 의해 생성된 저온 가열에 의해 자기 복구될 수 있어서 미세 파우더가 탈락되는 것을 방지하고 긴밀한 접촉 및 고정을 유지할 수 있다.
또한, 종래의 도금법이나 진공 증착법에 의한 필름 코팅은 제조비용이 높은 문제점이 있다. 한편, 수용성이나 유기용제 용해성의 폴리머 수지는 물이나 유기용제를 이용하여 박막의 형성 단계를 용이하게 실현할 수 있다. 비교적 저온의 범위에서 작동되는 장치에서, 예를 들면 에멀션 타입 재료, 예를 들면 화학 합성법에 의해 젖산을 중합하여 얻게 된 수용성 유기 폴리머 수지, 예를 들면 물에 분산된 지방족 폴리에스테르 수지 또는 폴리올레핀 수지 등이 이용될 수 있다. 또한, 다른 통상의 유기 폴리머 수지도 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 기능 재료가 장치에 장착되고 작동 시간의 경과와 함께 상기 필름의 표면에 크랙이 발생하는 경우, 저온 열가소성의 폴리머 수지는, 예를 들면 작동 동안의 발열에 따라 상기 필름의 크랙을 자기 복구할 수 있다.
이러한 기능은 다음과 같이 응용될 수 있다. 상기 기능 재료가 수소 저장 합금인 경우, 거칠게 코팅된 기능 재료의 다양한 필름 및 바인더는 혼합 고형화될 수 있고, 상기 고형화된 재료는 장치 내의 파이프의 내측이나 외측에 팩킹에 의해 장착될 수 있다. 이 경우, 특히 필름 코팅된 기능 재료가 미리 활성화되고나서 바인더와 혼합되어 유기용제에 의해 페이스트되는 방법이 바람직하게 적용될 수 있고, 상기 페이스트는 고형화되고 장치 내의 파이프의 내측 또는 외측에 장착된다. 또한, 상기 페이스트가 파형 플레이트의 홈 내에 고형접착될 수 있다. 이 경우, 후-활성(post-activation)이 필요하다. 그러므로, 대형 장치는 압력에 대하여 튼튼한 용기로 될 필요가 없다. 이러한 응용은, 수소 정제의 목적을 위한, 파이프 또는 시트의 형상을 포함하는 개질 가스 및 저순도 수소 가스를 위한 수소 정제 장치, 히트펌프의 목적을 위한 열교환장치, 또는 수소가압의 목적을 위한, 수소압축 장치에 있어서도 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 필름 코팅재로서 이용되는 가소성 폴리머 수지와 함께 기능 재료가 니켈 금속 수소 배터리나 리튬 금속 배터리와 같은 배터리의 전극박에 장착되는 경우, 수소나 리튬의 흡장 및 방출에 의한 팽창 및 수축으로 인한 활물질의 입자 크기 감소에 의해 상기 활물질이 탈락하는 것을 방지할 수 있다. 상기 음전극, 양전극 및 분리막을 포함하는 발전요소를 접합해서 그 위에 절연막을 덮어 일체화하면, 발전 요소의 기능성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 배터리의 수명의 장기화도 실현될 수 있다.
상기 기능 재료의 수소화 공정에 대해서, 고압 수소가 도입되는 내압 용기에 금속이나 합금과 같은 기능 재료의 거친 입자를 위치시키고, 전열선, 전열 플러그, 레이저 방사 플러그 등을 선택해 온도 제어유닛에 배치하고, 상기 기능 재료의 일부를 고온가열해서 착화함으로써, 수소화 반응에 의한 자기 발열을 이용한 합성이 실현될 수 있다. 따라서, 나노미터 범위의 금속결정을 포함하는 수소화물의 미세 파우더는 저 비용으로 용이하게 얻어질 수 있다.
레이저빔 방사에서, 금속 화합물과 같은 재료를 고온가열해서 가스화하고 냉각하는 방법에 의해 금속을 환원할 수 있다. 예를 들면, 처리될 대상체가 상기 기능 재료로서 이용 후의 산화 마그네슘인 경우, 자연 에너지와 같은 재생가능한 에너지로부터 만들어진 레이저 빔을 레이저 방사 플러그로부터 조사하고, 산화 마그네슘을 고온가열해서 가스화시켜, 산소는 방산시키고 마그네슘의 가스를 냉각함으로써 미립자 금속이 환원에 의해 제조될 수 있다.
자연 또는 재생가능한 에너지를 이용하여 환원 및 수소화에 의해 생성된 기능 재료는 방수된 용기 또는 백에서 밀봉 저장될 수 있다. 다시 말해서, 자연 또는 재생가능한 에너지에 의해 발생된 전기 에너지를 이용함으로써, 저장 및 수송될 수 있는 고밀도의 안전물질로 전기 에너지가 변환된다.
상기 수소화된 재료가, 예를 들면 수소화 마그네슘이면, 수소 발생 용기에 충전될 수 있고, 수소 발생 용기로 물 또는 수용액이 도입된다. 그 결과, 마그네슘이 가수분해에 의해 발생하는 수소 가스 및 상기 마그네슘이 반응해서 수산화 마그네슘으로 변환되는 것에 의해 마그네슘의 결정 중에 정착하는 수소 원자가 방출되어, 수소 원자 2개가 결합해서 수소 분자를 생성하는 것으로 발생하는 수소 가스의 쌍방으로부터 다량의 수소 가스를 얻을 수 있다.
이러한 용기가 배스워터(bath water), 세정수, 양식수(culture water) 등에 투입되는 경우, 가수분해에 의해 발생되는 대량의 수소 가스가 직접 물에 용해될 수 있어서, 환원 전위와 약한 알카리성 Ph 값이 부여된 기능수의 제조 재료로서 이용될 수 있다.
또한, 발생된 수소 가스를 수소 수요유닛에 공급하고, 수소 수요유닛이 연료 배터리나 수소 엔진인 경우, 산소와 수소의 결합에 의해 물을 생성한다. 이와 같이 생성된 물은 산이나 알칼리를 포함하지 않기 때문에, 상기 물을 수소 발생 용기 내부에 다시 직접 순환시킬 수 있고, 외부로부터 물을 공급하는 일없이 가수분해의 원료물을 얻을 수 있다.
종래, 이러한 가수분해 반응은 산이나 알칼리 재료의 수용액을 이용하여, 고압환경에서 140℃ 이상의 가열에 의해 물과의 자주반응으로서 수행될 수 있으며, 상온의 물과 반응이 지속하지 않은 것도 알려져 있지만, 자연계에 존재해 인체에도 유용한, 일반적인 간수(염화 마그네슘/MgCl)를 수용액(전해액)로서 이용하면 상온 상압의 범위에서 가수분해의 자주반응이 수행될 수 있다.
이러한 반응이 용기에서의 배터리 요소를 형성하는데 이용되는 경우, 이러한 반응은 국부 셀의 단락에 의한 자기방전 현상으로부터 전기를 발생시킬 수 있다. 배터리 요소의 구성은 다음과 같다. 예를 들면, 상기 음전극의 활물질에 기능 재료의 마그네슘(Mg) 또는 수소화 마그네슘(MgH2)이 장착된다. 염화 마그네슘(MgCl) 수용액(전해액) 및 폴리머 고체 전해질이 전해액으로 이용된다. 상기 양전극의 확산층에, Ni 또는 Ti과 같은 금속, 합금, 금속 화합물의 파우더, 파우더 활성탄이나 그래파이트 및 촉매를 불소 수지와 혼합하여 형성되는 기능 재료가 장착된다. 따라서, 산소, 수산화 니켈과 같은 복수의 활물질을 갖는 배터리가 구성될 수 있다. 이러한 배터리에서, 다가의 이온을 포함하는 복수 이온에서도 계면반응에 의해 가속화될 수 있는 증가된 단위면적으로 확산층에 의해 받아질 수 있다. 따라서, 저감된 분극 저항을 갖는 마그네슘 배터리로서 상기 배터리가 기능할 수 있다.
또한, 밀폐되지 않은 배터리의 경우, 전해질에 수소 가스 유출을 차폐하는 기능을 갖게 할 필요에 의해 폴리머 고체 전해질외에 모세관 기능을 갖는 부직포 등과 겔 몸체를 병용해서 전해액을 포함시키면, 수소 발생 용기 내에서 발생된 수소 가스를 상기 양전극의 개방영역에서 외부로 유출시키지 않고 수소 수요유닛에 보낼 수 있고, 용기의 파열도 방지할 수 있다. 이는 관형 배터리나 버튼 배터리와 같이 휴대 기기의 소형 배터리 분야에도 응용할 수 있다.
또한, 밀폐된 배터리가 형성된 경우, 음전극에는 수소 및 마그네슘의 각 이온이 받아질 수 있는 Ni 및 Ti과 같은 금속, 합금, 금속 화합물의 파우더 및 촉매와 같은 활물질 재료를 혼합시켜 배터리 요소를 구성하면, 단위면적을 확대해서 계면반응을 촉진하고, 다가의 이온을 포함하는 복수 이온을 받아내어 분극 저항을 저감한 가수분해를 겸비한 배터리로서 기능할 수 있다.
또한, 예를 들면 용기의 배터리 요소에서 발생된 전력을 부하장치에 인가함으로써 음전극의 마그네슘(Mg)의 이온화를 증감시키면, 부하장치를 통과하는 전류량이 변화되고, 이에 따라 마그네슘(Mg)의 표면측에서 수산화 마그네슘에 대해 변화하는 금속결정의 량도 비례하게 된다. 이때, Mg금속의 결정 중에 정착 장소를 잃은 수소 원자는, 원자의 각 2개가 결합해서 수소 분자가 되기 위해서 수소 가스를 생성한다. 이 생성량은 부하 전류에 의한 반응에 따라 좌우되고, 수소 가스의 발생도 전류에 의해 제어될 수 있다.
또한, 용기나 배터리 요소의 셀을 적층 해서 구성하면 연료 셀-동력 차량에서 고전압에 의한 수소 소비량의 변동이 큰 수소 수요장치가 이용되는 분야에서도 수소 발생의 제어를 용이하게 할 수 있다.
또한, 이러한 배터리구조를 이용하고, 음전극에 마그네슘(Mg)의 입자나 파우더를 장착해서 용기를 제조하고, 최초에 충전함으로써 음전극의 마그네슘(Mg)을 수소화시켜 큰 용적의 일차 배터리로서 이용할 수 있다.
또한, 상기 용기를 활물질에 산소(0)를 이용하는 이차 배터리(충전/방전)로서 구성하는 경우, 마그네슘(Mg)의 파우더에 가소성 폴리머 또는 금속으로 코팅되게 해 음전극에 고형장착하고, 알카리성 수용액 또는 비수용액이 전해액으로서 이용되고, 상기 양전극의 확산층에는 수소 및 마그네슘의 각 이온을 받아낼 수 있어 분극 저항을 회피하기 때문에, Ni 및 Ti과 같은 금속, 합금, 금속 화합물의 파우더, 파우더 활성탄이나 그래파이트 및 촉매를 불소 수지와 혼합하여 형성한 기능 재료를 장착시키면, 충전/방전을 수행할 수 있다.
이러한 배터리 구성의 경우, 상기 음전극이 대기 중의 산소를 활물질로서 이용하기 때문에, 양전극 측에서는 방전할 수 있는 전기량이 제한되지 않고, 전기 용량을 비약적으로 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 충전에 전기 또는 수소의 양쪽을 이용하여 공급해서 충전을 할 수 있다.
또한, 양전극의 활물질이 산소, 염화 티오닐, 수산화 니켈이외에도 금속 산화물 또는 코발트 산 리튬(LiCoO2), 니켈 산 리튬(LiNiO2), 망간산 리튬(LiMn2O4)과 같은 천이금속 산화물의 기능 재료를 이용하고, 전해질과 음전극의 기능 재료에 여러가지 물질을 이용할 수 있어서 배터리 요소가 용기 내에 구성되면, 복수 이온(수소 이온, 금속이온, 리튬 이온 등)에 의한 분극 저항을 회피한 복합 배터리를 형성할 수 있다.
또한, 용기의 내부에 배터리 요소를 구비하지 않는 경우, 하부에 반응 챔버가 제공될 수 있다. 예를 들면, 판 형상의 덩어리나 파편, 파우더 또는 고형화된 파우더와 같은 다양한 형태의 마그네슘(Mg) 또는 수소화 마그네슘(MgH2)의 기능 재료을 내부에 장착하고, 상부에 액체 챔버가 제공되고, 수용액(전해액)을 넣어서 구성시키면, 사이펀 현상을 이용해서 발생하는 수소 가스의 압력에 의해 수용액(전해액)을 밀어 올리고(유출되게 하고), 또는 발생 수소 가스를 수소 수요유닛이 소비함으로써 압력이 강하해 낙하시켜(유입되게 하고), 수용액(전해액)과 기능 재료의 가수분해 반응을 자동으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 소형의 수소 발생 용기가 장착된 장치의 전체 및 부분을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 중대형의 수소 발생 용기의 전체 및 부분을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 배터리 요소를 구비하지 않은 수소 발생 용기의 전체를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
[예시 1]
기능 재료의 입자 크기를 감소시키는 단계, 상기 기능 재료를 수소화시키는 단계, 및 상기 기능 재료를 장착시키는 단계에 대해 설명한다.
상기 기능 재료가 수소 저장 합금인 경우, 예를 들면 칼슘(Ca), 란탄(La), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 및 예를 들면 바나듐(V)인 제3원소가 일반적으로 수소 저장 합금용 재료로서 알려져 있다. 이러한 재료는 서로 혼합되고, 이와 같이 혼합된 것은 La-Ni계 합금 및 Mg-Ti계 합금과 같은 주조 수소 저장 합금을 제조하기 위해 용융된다. 이러한 합금에 수소가 흡장되고, 이어서 초기 분쇄 또는 기계적 분쇄에 의해 수소 저장 물질의 미세 파우더가 제조된다. 기능 재료의 미세 파 우더를 제조하기 위한 다른 방법은 다음과 같다. 금속이나 합금의 입자 또는 마그네슘의 입자는 내압 용기에 기능 재료로서 위치된다. 고압 수소는 내압 용기에 도입되고, 상기 기능 재료의 일단은 고온 가열에 의해 착화되어 자기 발열의 이용에 의한 연소합성(combustion synthesis)을 수소화 반응의 결과로서 일으키고, 이에 의해, 예를 들면 Mg-Ni-Fe계 합금, Ti-Cr-V계 합금, Mg-Ca-Ni계 합금, 또는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)과 같은 금속을 포함하는 금속 수소화물 결정의 나노미터 크기의 미세 파우더가 제조된다. 또 다른 방법에서, 레이저빔의 조사로 재료를 고온 가열해서 상기 재료를 가스화하고 상기 가스화된 재료를 냉각함으로써 비평형(비결정)의 미세 파우더가 제조된다.
또한, 기능 재료의 나노미터 크기의 미세 파우더를 제조하기 위하여, 예를 들면 그래파이트 구조나 비결정 구조를 갖는 탄소재의 파우더를 수소 저장 합금, 탄화물 또는 산화물의 한 종류나 복수 종류로 혼합하고, 불활성 가스 등을 이용하여 기계적 분쇄함으로써 수소 흡착재와 수소 저장 합금으로부터 기능 재료가 제조될 수 있다. 또한, 통상적으로 알려진 촉매재도 유사하게 제조될 수 있다.
이와 같이 제조된 기능 재료의 미세 파우더의 평균적인 입자 크기가 20nm인 경우, 비표면적은 약 45㎡/g이다. 0.5㎛의 입경을 갖는 파우더의 비표면적이 약 1㎡/g이기 때문에, 상기 나노미터 크기의 미세 파우더에서 단위 질량당 표면적은 상당히 증가된다. 따라서, 상기 나노미터 크기의 미세 파우더에서, 소취(deodorization)와 분해와 같은 촉매 기능뿐만 아니라 수소 흡장(hydrogen occlusion), 수소나 메탄의 흡착 기능이 향상되고, 가수분해 등에서 단위 중량당 반응시간이 짧아지게 될 수 있다.
상기 기능 재료용 재료는, 옥소와 같은 할로겐 또는 그 화합물; 유황, 셀레늄과 같은 산소족 원소 또는 그 합금이나 화합물; 비소, 안티몬, 비스무트(bismuth)와 같은 질소족 원소 또는 그 합금이나 화합물; 탄소, 규소, 주석과 같은 탄소족 원소 또는 그 합금이나 화합물; 리튬, 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리 금속 원소 또는 그 합금이나 화합물; 베릴륨, 마그네슘, 칼슘과 같은 알칼리토류 금속 원소 또는 그 합금이나 화합물; 아연, 카드뮴, 수은함유 아연(mercurial zinc)이나 카드뮴 또는 원소수은(elemental mercury), 또는 그 합금이나 화합물; 붕소, 알루미늄, 갈륨과 같은 붕소족 원소 또는 그 합금이나 화합물; 천이원소, 예를 들면 티탄, 크롬, 망간, 철, 니켈과 같은 주기율표의 제4주기에서의 천이원소, 지르코늄, 루테늄, 팔라듐과 같은 주기율표의 제5주기에서의 천이원소, 란탄, 탄탈, 백금과 같은 주기율표의 제6주기에서의 천이원소, 토륨과 같은 주기율표의 제7주기에서의 천이원소, 및 이러한 천이원소의 합금이나 그 화합물을 포함한다. 이러한 재료의 한 종류 또는 복수의 종류가 필요에 따라 선택되고 기능 재료로서 이용된다.
이와 같이 제조된 나노미터 크기의 미세 파우더 형태의 기능 재료는 필름 코팅 단계를 거친다.
물에 분산된 에멀션 타입의 수용성(물-용해성) 폴리머 수지가 필름 형성재로서 이용된다. 이러한 수지는 저온 열가소성의 지방족 폴리에스테르(예를 들면, 유니티카사제의 테라맥(Terramac)) 또는 폴리올레핀(예를 들면, 유니티카사제의 애로베이스(Arrowbase))외에 4불화 에틸렌을 포함한다. 상기 필름 형성재는 물로 희석 되고 상기 기능 재료의 미세 파우더와 혼련된다. 이후, 상기 필름 형성재는 유리전이를 발생시켜 1 ~ 5㎛의 두께를 갖는 필름을 형성하기 위해 110℃ ~ 150℃에서 가열 건조된다.
필름 형성 단계에서 물과의 반응이 기능 재료에 손상을 주는 경우, 다음의 방법이 적용될 수 있다. 상기 수지가 가소성의 유기용제 용해성 폴리머제인 경우, 상기 수지는 유기용제에 용해된다. 상기 용액은 기능 재료의 파우더와 혼련되고, 상기 혼련된 제품은 건조된 후에 분쇄에 의해 입자화된다. 한편, 상기 수지가 수용성 폴리머제인 경우, 상기 폴리머제의 용액은 건조되고, 이후 상기 건조된 용액은 분쇄된다. 상기 기능 재료의 입자 주위에서의 결정화 후에 1 ~ 5㎛의 두께를 갖는 필름을 형성하는데 필요한 양의 파우더는 기능 재료의 미세 파우더와 혼합된다. 이후, 상기 혼합된 것은 110℃ ~ 150℃에서, 예를 들면 전열 압착 롤러에 의해 가열처리되어 상기 필름 형성재의 유리전이를 발생시키고, 이에 따라 결정화에 의해 필름을 형성한다.
이와 같이 제조된 기능 재료는 바인더(binder)와 혼련되어 페이스트(paste)를 형성한다. 상기 페이스트는 의도된 장치의 내측 또는 상기 장치 내의 파이프의 내측이나 외측, 파형 플레이트의 홈 내부, 또는 전극에 코팅된다. 이후, 상기 코팅은 코팅의 고형화 및 접착을 위해 건조 가열된다. 필요한 경우, 용제로 희석된 수용성 또는 유기용제 용해성의 가소성 폴리머 수지는 필름을 형성하기 위하여 상기 고형화된 표면에 코팅될 수 있다.
여기에서 이용가능한 바인더로는, 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸 렌(PTFEs), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFEs), 및 폴리 불화 비닐리덴(PVDFs)과 같은 불소 수지, 스티렌-부타디엔 고무, 및 카르복시셀룰로오스 등의 통상의 폴리머 수지를 포함한다.
상기 기능 재료용 저장유닛과 관련해서, 예를 들면 유리전이를 발생시킨 후에 분쇄에 의해 임의의 적절한 입경을 갖는 입자를 제조하기 위해 가열되는 마그네슘이나 수소화 마그네슘의 파우더 또는 상기 파우더와 지방족 폴리에스테르 수지 등의 건조 파우더를 혼합한 것을 불활성 가스와 함께 충전해서 방수된 용기 또는 백(bag)에 밀봉해서 저장하는 방법이 적용될 수 있다.
[예시 2]
기능 재료로서 마그네슘(Mg) 또는 수소화 마그네슘(MgH2)을 이용하는 가수분해 및 전기의 발생의 실험에 대해 설명한다.
자연적으로 존재하는 용질의 수용액에 의한 가수분해의 최단 자주반응(fastest self-propelled reaction) 실험을 시도했다. 실험에서, 두 종류의 시료가 이용되었다. 시료 1: 200㎛ 이상의 입자 크기를 갖는 마그네슘(Mg) 1g. 시료 2: 50㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 수소화 마그네슘(MgH2) 1g.
3종류의 수용액이 수용액으로서 이용되었다. 수용액 1: 물(H20), 수용액 2: 구연산(C6H8O7) 8％ 수용액. 수용액 3: 간수(6수화 염화 마그네슘 MgCl2·6H20) 5％ 수용액.
실험은, 3종류의 수용액 각 5cc를 상온(20℃）에서 시험관 내의 시료에 부어 서 시작했다. 자주반응(self-propelled reaction)이 느린 경우, 서서히 수용액을 가열하면서 관찰 및 측정을 했다.
시료 1의 경우, 수용액 1: 물(H20)에서, 어떠한 반응도 일어나지 않고, 90℃로 가열함에 따라 입자 표면에서 작은 양의 거품이 관찰되었다. 한편, 수용액 2: 구연산(C6H8O7) 8％ 수용액에서, 격렬하게 반응이 발생했고, 온도 상승과 함께 2분이 못되어서 반응이 종료됐다. 수용액 3: 간수(6수화 염화 마그네슘 MgCl2·6H20) 5％ 수용액에서, 반응이 느리게 진행되었고, 가열에 따라 반응이 가속화되어 90℃에서 거품의 부양(상승)이 관찰되었다.
시료 2의 경우, 수용액 1: 물(H20)에서, 거품이 관찰되었고, 90℃로 가열함에 따라 거품의 부양이 관찰되었다. 수용액 2: 구연산(C6H8O7) 8％ 수용액에서, 격렬하게 반응이 발생했고, 온도 상승과 함께 1.5분이 못되어서 반응이 종료됐다. 수용액 3: 간수(6수화 염화 마그네슘 MgCl2·6H20) 5％ 수용액에서, 반응이 빠르게 진행되었고, 시간이 지나면서 자기 발열에 의해 온도가 상승되었다. 90℃로 가열함에 따라 상당한 거품의 부양이 관찰되었다.
수집된 수소 가스의 최종 양은 각 수용액; 시료 1: 800cc(마그네슘 중량비 8중량%）및 시료 2: 1400cc(마그네슘 중량비 14중량％)에 대해 유사했다.
이어서, 양전극에 대해 활물질로서의 공기(산소) 및 음전극에 대해 수소화 마그네슘(MgH2)을 이용하는 배터리 요소에 대한 전기 발생 실험이 시도되었다. 상업 적 마그네슘 배터리를 분해하고, 음전극에 장착된 마그네슘을 제거했다. 수소화 마그네슘 파우더와 수용성의 가소성 폴리머제를 유기용제와 혼합했다. 전극 크기를 갖는 프레임을 연결하고, 전극박(electrode foil)에 혼합한 것을 고형접착하기 위하여 압축하는 동안에 가열을 수행했다.
분리기, 양전극 집전기, 및 다른 부재는 상업적 제품의 부재인 단일 셀(single cell)를 이용하여 조립되었고, 전해액으로서 간수(6수화 염화 마그네슘 MgCl2·6H20) 5％ 수용액이 이용되었다. 상업적 제품의 양전극 집전기는 파우더 활성탄이나 그래파이트 및 불소 수지와 혼합된 촉매를 동박(copper foil)에 코팅한 후에 소성해서 망 형상으로 형성된다.
실험의 반응식과 기전압(electromotive voltage)의 측정 값은 다음과 같다. 양전극 반응식: 2Mg → 2Mg2 + + 4e-; 음전극 반응식: 02 + 2H20 + 4e- → 40H-; 총 반응식: 2Mg + 02 + 2H20 → 2Mg(OH)2↓; 초기의 기전압은 2.7V이다.
음전극에 마그네슘을 이용함으로써, 리튬 배터리와 필적하는 배터리를 얻을 수 있는 것을 알았다. 공기와 마그네슘의 이론상 기전력은 2.7V이지만, 동시에 가수분해 반응(반응식:MgH2+2H20? Mg2++20H.+2H21)에 의해 복수의 이온으로부터 유도되는 분극 저항(polarization resistance)으로 인하여 점차로 떨어진다(반응식: MgH2 + 2H2O → Mg2 + + 2OH- + 2H2↑).
이러한 실험에서, 전해액으로서의 염화 화합물의 수용액을 이용하여 가수분 해 반응이 일차 배터리로서 우선되었다. 그러나, 다른 기능 재료가 이용되며 상기 배터리가 재충전 배터리로서 이용되는 경우, 수산화 칼륨(KOH)을 포함하는 알카리성 전해액 및 유기용제는 전해액으로서 이용되는 것이 바람직하다.
발생된 수소 가스의 측정량은 약 650cc/g(마그네슘 중량비: 6중량％이었다. 전기량은 마그네슘의 감소량에 비례한다. 표 1에 전기량에 대한 마그네슘(Mg)의 감소량의 그래프 및 음전극의 면적에 대한 전류의 그래프를 나타낸다. 패러데이의 법칙을 이용한 측정 결과에 기초하여 상기 그래프에서의 수치 값이 계산되었다.
Figure 112009012534457-PCT00001
패러데이의 법칙에 따르면, 이론상의 전기량 Q(단위: C 또는 As)은 Q=Fmn/M에 의해 계산될 수 있다. 여기서, F는 패러데이 상수; m은 활물질의 질량; M은 활물질의 식량(formula weight); 및 n은 반응에 관여하는 전자의 수이고, 전기량은 활물질의 질량에 비례한다.
[예시 3]
본 발명의 실시예를 도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1에서, 양전극(6), 분리기(4), 및 기능 재료(2)를 장착한 음전극(3)은 배터리 요소를 구성하도록 적층되고, 수소 발생 용기(1) 내에 제공된다. 전극으로부터의 리드 와이어와 부하장치(10)는 전선을 통해 연결되어 전류를 통하게 하고, 본 발명의 전체 장치(101)를 구성하도록 상기 용기(1)는 수소 파이프(12)를 통해 수소 수요유닛(30)과 연결되어 연통된다.
도 2는 사용되며 통상적으로 휴대되는 전원유닛인 실시예(102)를 나타낸다. 이러한 실시예(102)에서, 수소 발생 용기(1)는 휴대(셀 방식) 전화(40)에 통합된다. 도 3은 수소 발생 용기(1)가 적층된 중대형 장치인 실시예(103)를 나타낸다.
수소 발생 용기(1)가 활물질로서 산소를 이용하는 개방된 일차 배터리 또는 재충전 배터리인 경우, 상기 양전극(6)은, 확산층(5)용 기능 재료로서, Ni 및 MgTi과 같은 금속이나 합금, 금속 산화물의 파우더, 파우더 활성탄이나 그래파이트와 불소 수지를 혼합한 것을 제공하고, 상기 혼합한 것을 동박의 내측에 코팅하고, 상기 코팅한 것을 소성하고, 상기 전극박에 리드 와이어를 연결함으로써, 망 형상으로 형성된다. 한편, 수소 발생 용기(1)가 활물질로서 산소를 이용하는 밀폐된 재충전 배터리인 경우, 상기 양전극(6)은, 확산층(5)의 기능 재료로서, Ni 및 MgTi과 같은 금속이나 합금 및 금속 산화물의 파우더를 전구체 용액에 혼합을 통해 분산시키고, 상기 분산시킨 것을 동박의 내측에 코팅하고, 상기 코팅한 것을 소성하고, 상기 전극박에 리드 와이어를 연결함으로써 형성된다.
분리기(4)는 고형 폴리머 전해질 필름, 글래스 파이버(유리섬유), 또는 아크릴 수지 또는 낫또 실(natto thread)의 성분, 폴리글루타민산을 방사선으로 조사해서 합성된 낫또(natto; 발효된 콩) 수지와 같은 겔 재료료와 혼합된 부직포로 형성된다. 상기 분리기(4)는 발전 기능의 향상과 물 또는 수용액(전해액)(21)을 빨아올려 충분한 물이 보충될 수 있게, 배터리 요소의 구성부에서 액체 용기(20)까지 연장된다.
상기 수소 발생 용기(1)가 밀폐된 구조를 갖는 경우, 상기 분리기(4)에서, 특히 겔 재료료를 이용할 필요성은 없다. 그러나, 도 2에 나타낸 분리기(4)에서와 같이 액체 용기가 제공될 수 없는 경우 또는 용기의 양전극 측이 개방된 경우, 전해액에 의해 침지된 부직포 등 및 겔 재료가 이용된다.
상기 음전극(3)의 내측에 기능 재료(2)가 접착되고, 상기 배터리 요소가 음전극(3)과 밀접하게 접촉되어 반응 및 도전성을 높일 수 있도록 상기 용기와 음전극(3)의 외측 사이에 스프링(25)이 위치된다. 상기 전극박에 리드 와이어가 연결된다.
상기 수소 발생 용기(1)가 가수분해 기능 및 일차 배터리의 기능을 갖는 경우, 상기 음전극(3)의 내측에 장착되는 기능 재료(2)는 마그네슘(Mg)의 판 형상 덩어리나 파편 또는 수소화 마그네슘(MgH2)의 거친 입자(coarse particle)로 고형화된 제품이다. 한편, 상기 수소 발생 용기(1)가 재충전 배터리 기능을 갖는 경우, 상기 기능 재료(2)는 가소성 폴리머 또는 금속으로 코팅된 마그네슘(Mg)의 파우더 입자를 바인더와 함께 혼합하고 상기 혼합한 것을 몰딩함으로써 형성된다. 상기 기능 재료(2)는 리드 와이어를 갖는 전극박에 연결된다.
상기 배터리 요소의 재료 및 형태는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 공지의 재료나 형태가 적용될 수 있다. 상기 기능 재료의 파우더가 필름 코팅되거나 가소성 폴리머제로 접착되는 경우, 상기 코팅 필름의 손상은 자기복구(self-repair)될 수 있고, 비산을 방지할 수 있다. 따라서, 내구성이 향상될 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어 알칼리 버튼 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 금속 수소화 배터리, 리튬 이온 배터리, 및 연축 배터리에서 이러한 기술을 적용하면 내구성 및 다른 특성을 향상시키는데 기여할 수 있다.
액체 용기(20)에서, 수용액(전해액)(21)으로서 물 또는 간수(6수화 염화 마그네슘 MgCl2·6H20) 수용액이 이용된다. 그러나, 배터리 요소의 기능 재료에 좌우되는 배터리의 구성과 목적에 따라, 수산화 칼륨(KOH), 수산화 나트륨(NaOH), 및 비수용액과 같은 통상의 전해액이 선택되어 상기 액체 용기(20)에 도입된다.
또한, 연결유닛이 도시되어 있지는 않지만, 수소 발생 용기(1)의 외측에, 부하장치(10)와 제어유닛에 대한 배선 소켓, 수소 수요유닛(30)에 대한 수소 가스 파이프 소켓, 및 액체 용기(20)로부터 분리기(4)에 물 또는 수용액(전해액)을 보내기 위한 밀봉된 액체 전송 포트를 모은 연결유닛이 제공된다. 따라서, 수소 발생 용기(1)는 탈착가능하게 구성된다.
상기 수소 수요유닛(30)은, 수소 가스를 이용하는 장치, 예를 들면 배터리에서의 연료 배터리 셀, 수소 엔진에서의 수소 연료 엔진이나 수소 제트 엔진, 용접/컷팅에서의 수소 버너, 수소 스테이션에서의 수소 펌프이다. 상기 수소 발생 용기와 의도된 수소 수요유닛은 수소 파이프를 통해 연결 및 연통됨으로써 서로 일체화되고, 수소 가스가 수소 발생 용기(1) 내에 머무르지 않고 상기 수소 수요유닛(30)으로 상기 수소 가스가 공급된다.
또한, 배터리 요소로 이루어지는 단일 셀 또는 수소 발생 용기(1)가 장치를 구성하도록 적층되는 경우, 상기 장치는 고압이 필요하며 수소 소비가 임의로 변화되는 연료 셀-동력 차량(fuel cell-powered automobile)과 같은 적용 분야에서 보다 쉽게 이용될 수 있다.
중대형 장치에서, 양전극에서의 반응을 높이고 외부 압력을 증가시키기 위해 송풍 펌프에 의해 상기 용기로 공기(22)가 송풍되고, 이에 의해 상기 용기의 내부로부터 수소가 누출되는 것을 방지할 수 있다.
전술한 구성을 갖는 수소 발생 용기(1)의 일련의 작동을 설명한다. 일차 배터리에서, 상기 부하장치(10)의 스위치가 ON으로 되는 경우, 전자는 상기 수소 발생 용기(1)에서의 활물질로부터 떠나 도선을 통해 상기 부하장치(10)를 통과해서 상기 양전극(6)에 전류로서 도달한다. 동시에, 상기 음전극(3)에서의 활물질은 산화, 이온화되어 전해액으로 용출되고, 상기 이온은 분리기(4)를 통과해서 상기 양전극(6)에 도달한다. 상기 양전극(6)의 확산층(5)에서, 상기 활물질, 예를 들면 수산화 니켈은 도달된 전자와 반응한다. 이 반응과 동시에, 상기 음전극(3)이 수소화된 기능 재료인 경우, 상기 기능 재료는 표면측으로부터 산화 및 이온화됨으로써 상기 기능 재료의 질과 소비(량)에 있어서 변화를 일으켜서, 결정 중에 정착한 수소 원자가 정착 장소를 잃게 된다. 그 결과, 두 수소 원자는 수소 분자를 형성하기 위해 서로 결합되고, 이에 의해 수소 가스가 생성된다. 수소 가스의 일부는, 전해액에 용해되고, 이온화되어 상기 분리기(4)를 통과해서 양전극(6)에 도달한다. 상기 양전극(6)의 확산층(5)에서, 활물질로서 공기(22)의 산소(O)와 다른 활물질은 상기 양전극(6)에 도달된 전자와 반응한다. 한편, 나머지 수소 가스는 수소 파이프(12)를 통해 수소 수요유닛(30)으로 공급되어 소비된다.
또한, 부하장치(10)에 있어서, 부하 저항이 감소되는 경우, 전류량이 증가하여 수소 가스의 발생량도 증가한다. 상기 스위치가 OFF로 된 경우, 수소 가스의 발생은 최소가 된다.
상기 양전극(6)의 기능 재료가 Ni, MgTi과 같은 금속이나 합금 및 금속 산화물의 파우더로 형성되는 밀폐형의 재충전 배터리의 경우에서, 방전은 다음과 같이 진행된다. 상기 부하장치(10)의 스위치가 ON으로 된 경우, 예를 들면 흡장된 수소 원자는 상기 수소 발생 용기(1)의 음전극(3)의 기능 재료로부터 전해액에 용출되고, 이온화되어 상기 분리기(4)를 통과해서 상기 양전극(6)의 확산층(5)에 도달한다. 동시에, 전자가 부하장치(10)를 통과해서 상기 양전극(6)에 전류로서 도달되고, 상시 수소 이온은 산화물의 산소(0), 수산화 니켈, 및 상기 양전극(6)에 도달된 전자와 반응한다.
한편, 충전에 있어서, 수소 가스가 수소 투과막을 통해 전해액에 용해되어, 상기 음전극의 활물질에 흡장된다. 다른 방법에서, 외부전원이 양쪽의 전극에 접속되고, 상기 전극은 통전되어 상기 음전극(3)의 활물질에 흡장된 수소를 발생시키기 위하여 물을 가수분해한다.
이러한 배터리 요소를 갖는 수소 발생 용기의 구조에서는 분극저항이 감소하기 때문에 편리하다. 전술한 이점 외에도, 상기 수소 발생 용기의 구조는, 외부전원을 이용하여 기동 및 제어가 수행되고, 또한 여러 전해질과 이온 반응을 이용해서 물질의 생성 및 환원이 수행될 수 있는 점에서 더 큰 이점이 있다.
[예시 4]
도 4를 참조해서 실시예(104)를 설명한다. 수소 발생 용기(1)는 용기의 하부에 반응 챔버(29)를 포함한다. 판 형상의 덩어리, 파편, 파우더 또는 고형화된 파우더와 같은 다양한 형태의 기능 재료(2) 또는 수소화된 기능 재료(2)는 반응 챔버(29)에 장착된다. 상기 용기(1)의 상부에 액체 챔버(28)가 제공되고, 상기 액체 챔버(28)에 수용액(전해액)(21)이 위치된다.
상기 수소 발생 용기(1)의 내의 액체 챔버(28)와 반응 챔버(29) 사이의 격벽에 제공된 연통 파이프에 체크 밸브(37)가 제공된다. 상기 반응 챔버(29)의 바닥과 액체 챔버(28)의 상부 사이의 연통 파이프에 체크 밸브(38)가 제공된다. 상기 반응 챔버(29)의 상부에 수소 수요유닛(30)에 연결 및 연통되는 수소 파이프(12)가 제공된다. 동일한 수소 발생 용기(1)의 복수가 병렬로 서로 연결된다.
상기 기능 재료(2)가 마그네슘(Mg)이나 수소화 마그네슘(MgH2)인 경우, 수용액(전해액)(21)에 염화마그네슘(MgCl)을 이용하여 생성되는 유해 물질의 발생이 없다. 이 경우, 통상의 수용액(전해액)이 선택되어 이용될 수도 있다.
상기 수소화된 기능 재료는 가수분해와 수소화물의 쌍방으로부터 대량의 수소 가스를 발생시킨다. 따라서, 상기 수소 수요유닛에서 발생되고, 결로되어 회수되는 물의 양은, 대기로 확산에 의해 감소되는 물의 양을 고려하는 경우에도 가수분해에 필요한 물의 양을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 발생된 물을 다시 액체 용기로 순환시키면 외부로부터 물을 공급받을 필요가 없다.
이러한 방법으로 수소 발생 용기를 구성하는 경우, 일련의 작동은 다음과 같이 수행된다. 사이펀(siphon) 현상을 이용해서 반응을 정지시키기 위해 수용액(전해액)(21)은 발생된 수소 가스의 압력에 의해 밀어 올려진다(유출된다). 상기 수소 수요유닛(30)에 의해 발생된 수소 가스의 소비에 따라, 수용액(전해액)(21)이 상기 수용액(전해액)(21)과 상기 기능 재료(2)의 가수분해 반응을 시작하도록 낙하하게(유입되게) 압력이 강하된다. 따라서, 임의의 전자 제어유닛을 이용하지 않고도 자동제어가 실현될 수 있다.
본 발명에 대하여 설명했지만, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적 또는 본 발명의 사상의 범위 내에 있어서 개량 또는 변경이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 고기능화, 경량화, 비용 절감 등을 가능하게 한다. 또한, 자연계에 존재하며 인체에 무해한 무진장한 재료를 이용하여 안전한 자연에너지의 저장 및 수송을 실현할 수 있다. 본 발명은 자원의 고갈 없이 완전한 제로-이미션 사이클(zero-emission cycle)을 실현할 수 있고, 지구온난화 방지에 기여할 수 있는 차세대의 에너지원을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 용기 내에 장착된 기능 재료나 음전극과 양전극에 장착된 기능 재료 및 상기 용기 내에 제공된 전해질 형태로 된 배터리 요소를 포함하는 수소 발생 용기 형태에서의 수소 방출유닛;
    상기 기능 재료를 물이나 수용액(전해액)과 반응시키는 가수분해 및 상기 가수분해에 의한 기능 재료의 특성의 변화로 인하여 결정 중에 정착한 수소 원자의 결합에 의한 쌍방으로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 액체 용기를 포함하는 수소 발생유닛;
    상기 수소 발생 용기에서의 배터리 요소가 전기를 발생시키게 하기 위한 제1기전유닛;
    상기 수소 발생 용기에서 발생된 수소 가스를 이용하여 수소 수요유닛이 전기를 발생시키게 하기 위한 제2기전유닛; 및
    상기 제1기전유닛에서 발생된 전력을 부하장치에 인가해서 상기 수소 발생유닛에 의해 발생된 수소 가스량을 상기 부하장치로부터의 부하에 의한 규정된 전류량에 따라 제어하기 위한 제어유닛
    을 포함하는 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능 재료는,
    (1) 실리콘(Si)과 같은 탄소족 원소 또는 상기 탄소족 원소의 수소화물을 포함하는 화합물;
    (2) 리튬(Li)과 같은 알칼리 금속 원소, 상기 알칼리 금속 원소의 합금, 또는 상기 알칼리 금속 원소의 수소화물을 포함하는 화합물;
    (3) 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토류 원소, 상기 알칼리토류 원소의 합금, 또는 상기 알칼리토류 원소의 수소화물을 포함하는 화합물; 및
    (4) 알루미늄(Al) 및 붕소(B)와 같은 붕소족 원소, 상기 붕소족 원소의 합금, 또는 상기 붕소족 원소의 수소화물을 포함하는 화합물에서,
    상기 (1) ~ (4) 중 한 종류 또는 복수 종류의 덩어리, 파편, 또는 파우더로 이루어지는
    수소 발생 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능 재료는,
    (1) 몰딩 제품, 코팅재, 주입제 등에 이용되는 촉매;
    (2) 약품, 식품 등에 혼합되게, 액체에 수소를 용해하는 재료;
    (3) 방수 및 밀폐된 용기, 백 등에 저장되는 에너지 저장재;
    (4) 검출부 등에 이용되는 가스 검출재;
    (5) 장치 등 내에서 특정 물질의 정제나 저장(흡착/흡장) 또는 히트펌프나 수소가압에서 이용되는 재료; 및
    (6) 배터리를 포함하는 화학장치에서의 전극 또는 확산층에서 이용되는 재료에서,
    파우더, 가소성 폴리머 필름이나 금속 필름으로 커버되어 고형화되는 파우더, 또는 표면이나 고형화된 표면으로부터 가소성 폴리머로 코팅된 후에 상기 코팅을 필름으로 변환해서 상기 (1) ~ (6) 중 어느 하나에서 이용되는 재료로 이루어지는
    기능 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기는, 산소 이외에, 염화티오닐, 수산화 니켈, 금속 산화물, 천이금속 산화물 등 중 임의의 하나 이상 종류의 활물질을 이용하는 양전극, 전해질, 및 음전극으로 구성되는 배터리 요소를 상기 용기 내에 포함하는 복합 배터리인
    수소 발생 용기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기는, 상기 양전극 측에, 확산층이, 예를 들어 금속, 합금, 금속 화합물 등의 파우더 등 및 파우더 활성탄이나 그래파이트를 불소 수지와 혼합하여 형성된 기능 재료를 동박에 코팅하고, 상기 코팅을 소성해서 망 형상으로 형성되는, 개방 용기인
    수소 발생 용기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기는, 상기 양전극 측에, 금속, 합금, 금속 화합물 등의 파우더를 혼합하여 형성된 기능 재료가 확산층을 형성하도록 장착되는, 밀폐용기인
    수소 발생 용기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액은,
    (1) 물;
    (2) 유기용제;
    (3) 간수(MgCl);
    (4) 염화물; 및
    (5) 산이나 알칼리의 수용액 또는 유기용액에서
    상기 (1) ~ (5) 중 어느 한 종류 또는 복수 종류의 재료를 포함하는
    수소 발생 용기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    고형 폴리머 전해질 등, 겔과 병용해서 모세관 기능을 갖는 섬유를 포함하는 분리기를 더 포함하는
    수소 발생 용기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기는, 판 형상의 덩어리, 파편, 또는 입자의 고형화된 형태의 마그네슘(Mg) 또는 수소화 마그네슘(MgH2)의 파우더의 고형화된 형태의 활물질이 장착된 음전극을 포함하는, 마그네슘 배터리인
    수소 발생 용기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    공기가 송풍 펌프에 의해 양전극 측에 송풍되는
    수소 발생 용기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 전력 또는 수소 가스에 의해 충전이 수행되는
    수소 발생 용기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기는 물 또는 수용액(전해액)을 위한 탈착가능한 액체 용기를 포함하는
    수소 발생 용기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기 또는 배터리 요소의 셀 몸체는 단일 또는 적층 형태로 이용되는
    수소 발생 용기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 전원이 상기 배터리 요소의 전극을 기동 또는 제어하거나, 또는 물질의 생성이나 환원을 상기 전극에서 발생시키는
    수소 발생 용기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 수소 수요유닛은, 수소 가스를 이용하는 장치, 예를 들면 배터리에서의 연료 배터리 셀, 수소 엔진에서의 수소 연료 엔진이나 수소 제트 엔진, 용접/컷팅에서의 수소 버너, 수소 스테이션에서의 수소 펌프이고, 상기 수소 발생 용기와 의도된 수소 수요장치는 수소 파이프를 통해 연결 및 연통에 의해 서로 일체화되는
    발전장치.
  16. 제1항 또는 제15항에 있어서,
    상기 수소 발생 용기에서 발생된 수소 가스는 수소 수요유닛에 공급되고 산소와 결합해서, 상기 액체 용기로 순환에 의해 다시 이용되는 물이 주어지는
    발전장치.
  17. 제1항, 제15항 및 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 요소에서의 제1기전유닛에 의해 발생된 전기는 부하장치에 인가되고, 상기 음전극에서의 기능 재료의 이온화 결과로부터 상기 기능 재료의 특성의 변화로 인하여 상기 기능 재료의 결정 중에 정착하는 수소 원자를 수소 분자로 변환하는 결과로서 발생된 수소 가스량이 상기 전류량에 기초해서 제어되는
    발전장치.
  18. 제1항, 제15항, 제16항, 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    발생된 수소 가스 및 수소 수요유닛에 의해 소비된 수소 가스의 압력 변화에 의한 사이펀 현상을 이용해서 반응 챔버에서의 물이나 수용액(전해액)과 기능 재료 사이의 가수분해를 제어하기 위하여 액체 챔버와 반응 챔버 사이에 위치차가 제공되는 것을 포함하는
    발전장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    내압 용기에 고압 수소를 도입하고, 상기 기능 재료의 일단은 레이저빔 조사 등에 의해 착화되어, 수소화 반응의 자기 발열에 의해 수소화 반응이 자동으로 진행되어서, 수소화된 기능 재료의 파우더를 제공하는
    기능 재료의 수소화 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    내압 용기에 합금 또는 금속 화합물을 위치시키고, 수소 또는 불활성 가스 등을 상기 내압 용기에 도입하고, 레이저빔 조사 등에 의해 재료를 고온가열하고, 상기 가스화한 재료를 냉각해서, 상기 기능 재료를 환원하는
    기능 재료의 환원 방법.
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