KR20090109985A - 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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KR20090109985A
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정창렬
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이언수
장재혁
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Abstract

수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템이 개시된다. 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(anode), 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode), 산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극과 환원 전극 간의 통전을 제어하는 제어부, 및 제어부를 시동시키기 위해, 전해조 내부에 수용되어 전해질 수용액과의 반응에 의해 수소를 발생시키는 수소 발생제를 포함하는 수소 발생 장치는, 산화 전극 및 환원 전극의 통전을 제어하는 제어부의 시동을 위한 보조 전원이 제거될 수 있고, 이에 따라, 전체 사이즈가 소형화될 수 있고, 제조 단가가 절감될 수 있다.
연료 전지(fuel cell), 수소 발생제

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 발전 기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 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 직접 액체 연료 전지가 있다. 수소를 연료로 이용하는 PEMFC는 출력밀도가 높으나, 수소를 공급하기 위한 장치가 별도로 필요하게 되며, 수소를 공급하기 위하여, 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부 피도 커지고 보관의 위험성을 내재하게 된다.
종래 고분자형 전해질 연료 전지의 연료로서의 수소를 발생시키기 위한 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, 금속 전극체의 단락을 제어하는 제어부의 초기 구동을 위하여 배터리와 같은 보조 전원을 이용함으로써, 수소 발생 장치의 사이즈가 커지고, 제조 단가가 상승하는 문제점이 있어 왔다.
본 발명은, 제어부의 시동을 위한 보조 전원이 제거되어, 전체 사이즈가 소형화될 수 있고, 제조 단가가 절감될 수 있는 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(anode), 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode), 산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극과 환원 전극 간의 통전을 제어하는 제어부, 및 제어부를 시동시키기 위해, 전해조 내부에 수용되어 전해질 수용액과의 반응에 의해 수소를 발생시키는 수소 발생제를 포함하는 수소 발생 장치가 제공된다.
수소 발생제는, 알루미늄(Al) 및 알칼리 금속 수산화물(alkali metal hydroxide)을 포함하는 물질, 수소화리튬(LiH), 수소화칼슘(CaH2), 수소화나트륨(NaH) 및 수소화마그네슘(MgH2)으로 이루어질 수 있다.
수소 발생제는, 전해조, 산화 전극 및 환원 전극으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 표면에 코팅(coating)될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질 수용액을 담는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극, 전해조 내부에 위치하며 산화 전극에서 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극, 산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극과 환원 전극 간의 통전을 제어하는 제어부, 제어부를 시동시키기 위해, 전해조 내부에 수용되어 전해질 수용액과의 반응에 의해 수소를 발생시키는 수소 발생제, 및 환원 전극 및 수소 발생제에서 발생된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(fuel cell)를 포함하는 연료 전지 발전 시스템이 제공된다.
수소 발생제는, 알루미늄 및 알칼리 금속 수산화물을 포함하는 물질, 수소화 리튬, 수소화칼슘, 수소화나트륨 및 수소화마그네슘으로 이루어질 수 있다.
수소 발생제는, 전해조, 산화 전극 및 환원 전극으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 표면에 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템은, 산화 전극 및 환원 전극의 통전을 제어하는 제어부의 시동을 위한 보조 전원이 제거될 수 있고, 이에 따라, 전체 사이즈가 소형화될 수 있고, 제조 단가가 절감될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 수소 발생 장치(100), 산화 전극(anode, 110), 환원 전극(cathode, 120), 전해조(130), 전해질 수용액(135), 제어부(140) 및 수소 발생제(170)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 전해조(130) 내부에 수소 발생제(170)를 수용시킴으로 써, 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)의 통전을 제어하는 제어부(140)의 시동을 위한 보조 전원이 제거될 수 있고, 이에 따라, 전체 사이즈가 소형화될 수 있고, 제조 단가가 절감될 수 있는 수소 발생 장치(100)가 제시된다.
전해조(130)는, 분해 반응에 의해 수소를 방출하는 전해질 수용액(135)이 담길 수 있다. 또한, 전해조(130)의 내부에는 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)이 위치하여, 전해조(130) 내부에 담긴 전해질 수용액(135)에 의해 수소 발생 반응이 일어날 수 있다.
전해질 수용액(135)은 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 사용될 수 있으며, 전해질 수용액(135)은 수소 이온을 포함할 수 있다.
산화 전극(110)은, 활성 전극으로, 전해조(130) 내부에 위치하고 전자를 발생시킬 수 있다. 산화 전극(110)은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 이루어질 수 있으며, 이 산화 전극(110)과 수소의 이온화 경향의 차이 때문에 산화 전극(110)이 전해질 수용액(135) 속에서 전자를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화될 수 있다.
이 때 생성되는 전자는 환원 전극(120)으로 이동될 수 있다. 따라서, 산화 전극(110)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 산화 전극(110)은 후술할 환원 전극(120)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
환원 전극(120)은, 비활성 전극으로 산화 전극(110)과 달리 소모되지 않기 때문에 산화 전극(110)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 환원 전극(120)은, 전해조(130) 내부에 위치하고, 산화 전극(110)에서 발생된 전자를 받아 수소를 발생시킬 수 있다.
환원 전극(120)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 이루어질 수 있으며, 전자와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 즉, 환원 전극(120)에서의 화학 반응을 살펴보면, 환원 전극(120)에서는, 전해질 수용액(135)이 산화 전극(110)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다. 산화 전극 및 환원 전극의 반응은 다음의 화학식 1과 같다.
산화 전극(110): Mg → Mg2 + + 2e-
환원 전극(120): 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
제어부(140)는, 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)과 전기적으로 연결되어, 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 간의 통전을 제어할 수 있다. 제어부(140)는 연료 전지 등의 외부 장치에 요구되는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 산화 전극(110)에서 환원 전극(120)으로 흐르는 전자의 양을 증가시킬 수 있고, 그 요구되는 값이 작으면 산화 전극(110)에서 환원 전극(120)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절하거나, 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 산화 전극(110)과 환원 전극(120) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절할 수 있다.
한편, 제어부(140)는, 산화 전극(110)과 환원 전극(120)의 통전에 의해 수소가 발생되기 시작한 후에는, 환원 전극(120)에서 발생된 수소를 이용하여 연료 전지 등의 외부 장치에서 생산되는 전기 에너지의 일부를 공급 받아 구동될 수 있다.
그러나, 수소 발생 장치(100)를 최초로 구동하고자 하는 경우, 즉, 산화 전극(110)과 환원 전극(120)이 통전되지 않아 수소가 발생되지 않음으로써, 연료 전지 등의 외부 장치로부터 제어부(140)의 작동을 위한 전기 에너지도 공급 받을 수 없는 경우에는, 초기 수소 발생을 위하여 수소 발생제(170)가 이용될 수 있다.
즉, 수소 발생 장치(100)의 최초 구동 시, 다시 말해, 제어부(140)가 작동될 수 없어 산화 전극(110)과 환원 전극(120)이 통전되기 이전에, 전해질 수용액(135)과의 반응을 통해 수소를 발생시키는 수소 발생제(170)를 이용하여, 연료 전지 등의 외부 장치에 수소를 공급함으로써, 연료 전지 등의 외부 장치로부터 제어부(140)의 시동을 위한 전기 에너지를 공급 받을 수 있는 것이다. 이에 대하여는 이하, 수소 발생제(170)를 설명하는 부분에서 다시 설명하도록 한다.
수소 발생제(170)는, 전술한 바와 같이, 제어부(140)를 시동시키기 위해, 전해조(130) 내부에 수용되어 전해질 수용액(135)과의 반응에 의해 수소를 발생시킬 수 있다. 수소 발생제(170)는 전해질 수용액(135)이 주입되기 이전에 전해조(130) 내부에 수용되어 있으므로, 전해조(130) 내부에 전해질 수용액(135)이 주입되면, 이와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
수소 발생제(170)와 전해질 수용액(135)과의 반응에 의하여 수소가 발생되면, 이 수소는 연료 전지와 같은 외부 장치로 공급될 수 있고, 연료 전지 등의 외부 장치는 이 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 이 전기 에너지의 일부는 제어부(140)로 공급되어 제어부(140)를 시동시킬 수 있으므로, 이 후에는 시동된 제어부(140)에 의하여 산화 전극(110) 및 환원 전극(120)을 통전시킴으로써 수소를 발생시킬 수 있다.
이 때, 수소 발생제(170)는, 상술한 바와 같이, 제어부(140)를 시동시킬 정도의 수소만을 발생시키면 족하므로, 그에 상응하는 미량만을 전해조(130)의 내부에 수용시키는 경우라도 효과적으로 수소 발생 장치(100)를 시동시킬 수 있다.
이와 같이, 수소 발생제(170)를 이용하여 수소 발생 장치(100)의 제어부(140)를 시동시킴으로써, 배터리 등의 보조 전원을 이용하는 종래 기술에 비하여 수소 발생 장치(100) 전체의 사이즈를 소형화할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
한편, 수소 발생제(170)는, 알루미늄(Al) 및 알칼리 금속 수산화물(alkali metal hydroxide)을 포함하는 물질, 수소화리튬(LiH), 수소화칼슘(CaH2), 수소화나트륨(NaH) 및 수소화마그네슘(MgH2)으로 이루어질 수 있으며, 이 때, 알칼리 금속 수산화물은 알루미늄과 전해질 수용액(135)의 화학 반응을 보조하는 촉매제 역할을 할 수 있다. 이들의 각 화학 반응은 다음의 화학식 2와 같다.
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
LiH + H2O → LiOH + H2
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2
NaH + H2O → NaOH + H2
MgH2 + H2O → Mg(OH)2 + 2H2
또한, 수소 발생제(170)는 전해조(130), 산화 전극(110), 환원 전극(120), 또는 이들 중 2 이상의 구성 요소의 표면에 코팅될 수 있고, 이에 따라, 전해질 수용액(135)과 반응할 수 있는 표면적이 넓어져 보다 효과적으로 수소를 발생시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치를 구비한 연료 전지 발전 시스템에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, 연료 전지 발전 시스템(200), 연료 전지(250), 수소 발생 장치(260), 산화 전극(210), 환원 전극(220), 전해조(230), 전 해질 수용액(235), 제어부(240), 수소 발생제(270)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 전해조(230) 내부에 수소 발생제(270)를 수용시킴으로써, 산화 전극(210) 및 환원 전극(220)의 통전을 제어하는 제어부(240)의 시동을 위한 보조 전원이 제거될 수 있고, 이에 따라, 전체 사이즈가 소형화될 수 있고, 제조 단가가 절감될 수 있으며, 결과적으로 보다 효과적으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 연료 전지 발전 시스템(200)이 제시된다.
본 실시예의 경우, 수소 발생 장치(260), 산화 전극(210), 환원 전극(220), 전해조(230), 전해질 수용액(235), 제어부(240) 및 수소 발생제(270)에 대한 구성 및 작용은 전술한 일 실시예와 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 전술한 일 실시예와 차이점인 연료 전지(250)에 대하여 설명하도록 한다.
연료 전지(250)는, 환원 전극(220) 및 수소 발생제(270)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 수소 발생 장치(260)에서 발생된 순수한 수소는 연료 전지(250)의 연료극으로 이동될 수 있고, 이에 따라, 전술한 수소 발생 장치(260)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전류를 생산할 수 있다.
즉, 연료 전지(250)는 수소 발생 장치(260)의 최초 구동 시, 수소 발생제(270)와 전해질 수용액(235)과의 반응에 의하여 발생된 수소를 공급 받아 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 이 전기 에너지의 일부는 제어부(240)로 공급되어 제어부(240)를 시동시킬 수 있다.
이후, 시동된 제어부(240)는 산화 전극(210) 및 환원 전극(220)을 통전시킬 수 있으며, 이에 따라 환원 전극(220)에서 발생된 수소는 연료 전지(250)로 공급될 수 있다.
이후, 연료 전지(250)는 이 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하고 이 중 일부를 제어부(240)의 구동을 위하여 공급할 수 있으며, 이에 따라, 수소 발생 장치(260)는 지속적으로 수소를 발생시킬 수 있게 된다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 수소 발생 장치 110: 산화 전극(anode)
120: 환원 전극(cathode) 130: 전해조
135: 전해질 수용액 140: 제어부
170: 수소 발생제

Claims (6)

  1. 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극(anode);
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극(cathode);
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 간의 통전을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부를 시동시키기 위해, 상기 전해조 내부에 수용되어 상기 전해질 수용액과의 반응에 의해 수소를 발생시키는 수소 발생제를 포함하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 발생제는, 알루미늄(Al) 및 알칼리 금속 수산화물(alkali metal hydroxide)을 포함하는 물질, 수소화리튬(LiH), 수소화칼슘(CaH2), 수소화나트륨(NaH) 및 수소화마그네슘(MgH2)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 발생제는, 상기 전해조, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 표면에 코팅(coating)되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  4. 전해질 수용액을 담는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극과 상기 환원 전극 간의 통전을 제어하는 제어부;
    상기 제어부를 시동시키기 위해, 상기 전해조 내부에 수용되어 상기 전해질 수용액과의 반응에 의해 수소를 발생시키는 수소 발생제; 및
    상기 환원 전극 및 상기 수소 발생제에서 발생된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(fuel cell)를 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수소 발생제는, 알루미늄 및 알칼리 금속 수산화물을 포함하는 물질, 수소화리튬, 수소화칼슘, 수소화나트륨 및 수소화마그네슘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수소 발생제는, 상기 전해조, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
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