KR20090114557A - 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치 - Google Patents

화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20090114557A
KR20090114557A KR1020080040243A KR20080040243A KR20090114557A KR 20090114557 A KR20090114557 A KR 20090114557A KR 1020080040243 A KR1020080040243 A KR 1020080040243A KR 20080040243 A KR20080040243 A KR 20080040243A KR 20090114557 A KR20090114557 A KR 20090114557A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
chemical hydride
unit cells
chemical
hydride
Prior art date
Application number
KR1020080040243A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101000611B1 (ko
Inventor
류희연
장규진
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020080040243A priority Critical patent/KR101000611B1/ko
Priority to JP2008170953A priority patent/JP2009269811A/ja
Priority to US12/286,013 priority patent/US8268139B2/en
Priority to DE102008042480A priority patent/DE102008042480A1/de
Priority to CNA2008101683772A priority patent/CN101572321A/zh
Publication of KR20090114557A publication Critical patent/KR20090114557A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101000611B1 publication Critical patent/KR101000611B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • C25B9/66—Electric inter-cell connections including jumper switches
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/60—Electric or hybrid propulsion means for production processes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치에 관한 것으로서, 금속 전극 사이에 화학적 수소화물과 촉매가 첨가된 전해질이 삽입되어 수소화물의 가수분해를 통해 수소를 발생시키는 단위 셀을 이용한 전지 타입의 수소발생장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수소발생장치에서는 수소화물의 가수분해를 이용한 시스템에 화학전지 개념을 도입하여 전지의 회로를 개폐하는 방식으로 수소 발생을 조절하고 수소발생량 및 속도를 쉽게 조절할 수 있게 된다. 또한 본 발명에 따른 수소발생장치에서는 종래의 화학적 수소화물에 사용되는 고가의 금속 촉매를 사용하지 않고 MgCl2와 같은 염을 사용하여 촉매 역할을 하게 함으로써 비용이나 환경적인 측면에서 우수한 장점을 가지게 된다.
연료전지, 수소발생장치, 수소화물, 전지, 스위치

Description

화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치{HYDROGEN GENERATION APPARATUS}
본 발명은 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템의 연료공급원으로 적용될 수 있도록 화학적 수소화물의 가수분해를 이용해 수소를 발생시키는 수소발생장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품이나 휴대용 장치의 전력을 공급하는 데에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 수소를 연료로 사용하고 산화제로 산소(공기)를 사용하는 연료전지, 예컨대 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.
이와 같이 수소를 연료로 사용하는 연료전지를 차량 구동을 위한 전력공급원으로 적용하기 위해서는 수소를 안전하게 저장하고 안정적으로 공급할 수 있는 수소저장시스템을 구비해야 한다.
현재 연료전지 차량에 적용될 수 있는 수소 저장 시스템으로는 고압 수소, 액화수소, 금속수소화물, 화학적 수소화물, 탄소나노튜브를 이용하는 것이 있다.
이 중에 고압 수소와 액화수소를 이용하는 기술이 많이 개발되어 있으나, 고압 수소의 경우 수소의 중량저장밀도가 낮아 차량의 주행 목표거리를 달성하기 위해서 상당히 큰 부피를 차지하여 차량 패키지에 많은 문제가 되고 있으며, 압력을 높일 경우 수소저장량은 증가할 수 있겠으나 안전과 비용에 관한 문제를 안고 있다.
또한 액화수소의 경우에는 고압 수소에 비해 수소저장밀도가 높으나 저온을 항상 유지해야 하며, 보일 오프(Boil Off) 등의 문제를 안고 있어 아직 해결해야 할 문제가 여전히 남아 있는 상태이다.
이를 대체하기 위한 금속수소화물(Metal Hydride, MH)과 화학적 수소화물 등을 이용하는 신 수소저장시스템에 관한 연구는 아직 기초적인 단계에 머물러 있다.
금속수소화물을 이용한 수소저장시스템은 수소저장합금의 온도와 압력을 조절하여 수소를 저장 및 방출할 수 있는 시스템으로, 가역반응을 위해 온도를 최소 150℃로 올려야 흡/방출이 용이하다. 또한 수소 흡/방출의 가역 범위로 대체로 이론 수소저장량보다 적은 수소가 흡/방출되고 반응속도도 느리므로, 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
화학적 수소화물을 이용한 수소저장시스템은 수소를 포함하고 있는 수소화물의 가수분해를 통해 수소를 발생시키는 시스템이다. 이러한 화학적 수소화물을 이용한 시스템에서는 수소화물에 포함된 수소량과 물(H2O)로부터 가수분해에 의해 수소화물에 포함된 수소량만큼의 수소를 부가적으로 얻으므로, 수소저장량이 수소화물의 수소저장용량의 2배가 된다. 또한 반응에 의한 수소 발생시에 반응열이 높지 않고 압력도 거의 상압 수준이므로 안전하게 관리될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 화학적 수소화물은 반응조절이 쉽지 않고 비가역반응이므로 재생작업을 별도로 해야 하는 단점이 있다.
종래 화학적 수소화물의 예로는 NaBH4와 LiBH4를 들 수 있는데, 소규모의 수소를 발생하는 재료로 적합하며 안전하다. 그러나, 이러한 재료들은 공기 중의 습기에 민감하고 불안정한 특성을 갖고 있어 다루기가 용이하지 않다. 또한 반응 중 생성된 부산물은 남아있는 반응물의 지속적인 반응을 저하시키는 경향이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 촉매를 첨가하여 반응을 촉진시켜 문제를 해결하고 있으나, 촉매로 사용되는 Pt, Pt-Re/Alumina 등의 금속이 고가(高價)인 귀금속이므로, 가격이 저렴한 촉매에 대한 연구가 진행되고 있다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 화학적 수소화물의 가수분해를 이용하여 수소를 발생시키는 과정에서 수소 발생을 용이하게 조절할 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화학적 수소화물에 사용되는 기존 고가의 금속 촉매를 사용하지 않고 상대적으로 저렴한 촉매 재료를 사용하여 비용 측면에서 우수한 장점을 가지는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응시 친환경적인 부산물의 생성으로 환경적인 측면에서 우수한 장점을 가지면서 연료전지 차량의 연료공급원으로 안전하고 용이하게 적용할 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
수소 배출구를 구비한 하우징;
전극 사이에 화학적 수소화물과 촉매가 첨가된 전해질이 삽입된 단위 셀들이 적층되어 구성되는 셀 모듈;
상기 단위 셀들의 전극을 병렬로 연결하는 도선; 및
상기 단위 셀들의 (+), (-) 전극 간 회로 개폐를 위해 상기 도선에 설치되는 스위치;
를 포함하여 구성되고, 상기 스위치의 닫힘시에 각각의 단위 셀 내에서 전해질을 물 공급원으로 하는 화학적 수소화물의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생하여 상기 수소 배출구를 통해 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 화학적 수소화물은 MgH2이고 상기 촉매는 MgCl2인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하우징 내부의 수소 배출구 측으로 단위 셀들에서 발생한 수소가 임시로 저장될 수 있는 임시저장공간이 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 셀 모듈의 일측으로 단위 셀들의 수소 출구단에 수소만을 선택적으로 투과시키는 수소투과막이 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상으로, 본 발명의 수소발생장치는 화학적 수소화물의 가수분해 시스템에 화학전지의 개념을 도입함으로써 전지의 회로를 개방/폐쇄하는 방식으로 수소 발생을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 수소발생장치에 의하면 화학적 수소화물에 사용되는 기존 고가의 금속 촉매 대신 상대적으로 저렴한 촉매 재료를 사용하므로 비용 측면에서 우수한 장점이 있다.
또한 친환경적인 부산물의 생성으로 환경적인 측면에서 우수한 장점을 가지 며, 연료전지 차량의 연료공급원으로 안전하고 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 수소발생장치는 카트리지 형태로 제작되어 제공될 수 있으며, 종래와 같은 고압 수소 충전 방식이 아닌 카트리지 교체 방식으로 차량을 운행할 수 있다. 이에 따라, 수소 충전 방식의 복잡한 충전 시스템이 필요 없는 장점이 있다. 특히, 카트리지 교체 방식에 의하면 종래의 수소충전소가 필요 없게 되며, 연료전지 차량의 보급에 제약이 되어 왔던 수소충전소의 설치 및 건립 비용 발생 등 여러 문제를 해결할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에서 연료공급원으로 이용될 수 있는 새로운 수소발생장치에 관한 것으로서, 금속 전극 사이에 화학적 수소화물과 촉매가 첨가된 전해질이 삽입되어 수소화물의 가수분해 반응을 통해 수소를 발생시키는 단위 셀을 이용한 전지 타입의 수소발생장치에 관한 것이다.
본 발명의 수소발생장치는, 화학적 수소화물의 가수분해를 이용한 종래의 시스템에서 가장 큰 문제점이었던 수소 발생 조절의 어려움을 개선한 것으로, 화학적 수소화물의 가수분해 시스템에 화학전지의 개념을 도입하여, 전지(Cell)의 회로를 개방/폐쇄하는 방식으로 수소 발생을 조절하고 수소발생량 및 속도를 조절하도록 구성된다.
화학전지는 자발적인 산화/환원반응에서 얻어지는 화학에너지를 전기에너지로 변화시키는 장치이다. 그러나, 산화/환원반응에서 생성된 수소는 전지의 기전력을 떨어뜨리는 분극작용을 하므로, 통상 감극제를 사용하여 분극작용의 문제를 해결한다. 즉, 분극작용을 하는 수소를 이산화망간이나 산화구리와 감극제와 반응시켜 물이 생성되도록 하는 것이다.
본 발명은 이러한 화학전지의 수소 발생 원리를 이용한 것으로, 상기한 감극제를 사용하는 대신, 수소를 발생시키는 화학적 수소화물을 전지의 전해질에 첨가하여, 수소발생량을 증가시키면서 그 수소 발생을 전지의 회로를 개방/폐쇄하는 방식으로 조절하게 된다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 수소발생장치에서 단위 셀의 구성을 도시한 단면도이고, 도 2는 단위 셀 내 수소 발생시의 단면도이다.
본 발명에 따른 수소발생장치는 수소 발생을 위해 화학적 수소화물과 촉매, 가수분해의 물 공급원인 전해질을 사용한 화학전지 방식의 구조를 채용한 것으로, 도 1에 도시된 복수의 단위 셀(Unit Cell)(110)들로 구성된다.
상기 단위 셀(100)은 전지의 (-), (+) 전극으로 사용되는 두 금속 전극(111,112) 사이에 가수분해에 의해 수소를 발생시키는 화학적 수소화물, 가수분해의 물 공급원이 되는 전해질, 그리고 원활한 수소 발생을 위한 촉매의 혼합물(113)을 삽입하여 구성한다.
여기서, 단위 셀(110)의 금속 전극(111,112)으로는 1차 전지에 사용되는 전 극 재료로서 Mg, Cu, Ni, Pb, Al, Li 등의 여러 금속 중에 화학적 수소화물, 촉매, 전해질 등의 사용 물질에 따라 적합한 금속을 선택하여 사용할 수 있다. 일 예로서, 후술하는 바와 같이, 마그네슘을 함유한 화학적 수소화물 및 촉매, 즉 화학적 수소화물로 MgH2를 사용하고 촉매로 MgCl2를 사용하는 경우라면, (-) 전극(111)으로 마그네슘 전극을, (+) 전극(112)으로 구리 전극을 채택하는 것이 바람직하다[Mg(s)→Mg2 + + 2e-, E0=2.37V / Cu2 + + 2e- = Cu(s), E0=0.34V].
본 발명에서 단위 셀(110)의 수소 발생을 위한 화학적 수소화물로는 MgH2, NaBH4, LiBH4, KBH4, NaAlH4, CaH2 및 LiH 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질이 사용될 수 있고, 촉매로는 MgCl2, NaCl, KCl, LiCl 및 CaCl2 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질이 사용될 수 있다.
본 발명의 수소발생장치에서 화학적 수소화물로서 가수분해를 통해 수소를 발생시킬 수 있는 물질은 부산물의 재생성과 환경적인 측면을 고려하여 선택 및 적용되어야 하며, 상기한 물질 중 MgH2의 사용이 바람직하다. MgH2는 가수분해시에 친환경적인 부산물인 Mg(OH)2를 생성하므로, MgH2를 사용할 경우 환경적인 측면에서 우수한 장점을 가지게 된다.
또한 MgH2를 화학적 수소화물로 사용할 때 촉매로는 마그네슘 육수소화물(MgCl2)을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 고가의 귀금속 촉매를 사용하 는 대신 저가의 MgCl2와 같은 염을 사용하게 되면 저렴한 비용으로 수소발생장치를 구성할 수 있게 된다.
종래의 화학적 수소화물의 가수분해에서는 수소화물의 표면에 수소 기포가 붙어 있어 기전력을 떨어뜨리는 문제가 있는데, 본 발명의 가수분해 시스템에서는 MgCl2를 촉매로 이용하여 반응물의 표면에 생기는 수소 기포를 잘 떨어져 나가게 한다. 이와 같이 MgCl2는 MgH2의 표면에 생기는 분극작용을 방지하고 또한 전해질의 역할도 수행하게 된다.
수소발생장치의 단위 셀에서 전해질은 가수분해에 사용되는 물을 공급하기 위한 것으로, 통상의 1차 화학전지에 사용되는 것으로서 물을 함유한 상용의 전해질 용액이 사용될 수 있으며, 순수 물을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 두 전극 사이에 화학적 수소화물이 함유된 전해질을 삽입하는 단위 셀 구조 자체에 대해서는 종래의 1차 전지에서 두 전극 사이에 전해질을 삽입한 셀 구조와 차이가 없다.
그리고, 단위 셀(110)의 (-) 전극(111)과 (+) 전극(112)에 연결된 도선에 회로 개폐용 스위치(124)를 설치하고, 상기 스위치의 개폐를 제어하여 수소 발생을 제어할 수 있도록 한다. 즉, 수소를 필요로 하지 않을 때에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 스위치(124)를 이용해 전지의 회로를 개방상태(Open Circuit)로 유지하다가, 수소 발생을 필요로 할 때에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전지 회로를 폐쇄(Closed Circuit)하여 전류가 흐르게 한다.
스위치에 의해 전지 회로가 폐쇄되는 경우에 수소화물에서는 수소가 발생하며, 촉매가 반응물의 표면에 생기는 수소 기포를 잘 떨어져 나가게 하면서 기전력이 떨어지는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한 전류가 흐르면 가수분해시에 발생하는 발열 문제를 전류가 어느 정도 줄여주는 효과도 있다.
도 1을 참조하면, 단위 셀의 바람직한 실시예로서, (-) 전극(111)으로 마그네슘 전극을, (+) 전극(112)으로 구리 전극을 사용한 예가 도시되어 있는데, 화학적 수소화물인 MgH2와 촉매작용을 위한 MgCl2 포화 수용액을 물을 함유한 1차 전지의 전해질과 혼합한 뒤 양측의 두 전극 사이에 충전하여 구성한다. 가수분해의 물 공급원인 전해질로는 상용의 1차 전지용 전해질 용액이 사용될 수 있으며, 순수한 물이 사용될 수도 있다.
하기 반응식은 단위 셀에서 수소 발생을 위한 반응식을 나타낸 것으로, 수소화물인 MgH2와 물이 반응하여 수소를 발생시키고, MgH2를 가수분해시킨 비가역반응의 부산물로 Mg(OH)2가 생성된다.
Figure 112008031116510-PAT00001
한편, 본 발명의 수소발생장치는, 실제 연료전지 시스템의 연료공급원으로 이용될 수 있도록, 전극 사이에 화학적 수소화물과 촉매, 전해질의 혼합물을 삽입한 복수의 단위 셀들로 구성되며, 각각의 단위 셀들이 (+)전극과 (-)전극이 전기적 으로 연결되는 회로 닫힘에 의해 동시에 수소를 발생시킴으로써 연료전지 스택에서 필요로 하는 충분한 양의 수소를 공급할 수 있게 된다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 수소발생장치의 실시예를 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 하우징 내부에 복수의 단위 셀들이 적층된 셀 모듈이 수납되고, 전체 단위 셀들이 전기적으로 병렬 연결되도록 회로가 구성된다.
여기서, 단위 셀(110)들을 필요한 적정 수만큼 적층하여 구성한 셀 모듈을 하우징(101) 내부에 수납하고, 단위 셀(110)들의 (-) 전극과 (+) 전극에 연결된 개별 도선을 극성 별로 공통 도선(122a)에 병렬로 연결한다. 또한 극성별 공통 도선(122a)을 하우징의 전극(122)에 연결하고, 단위 셀들의 (+) 전극과 (-) 전극이 선택적으로 연결될 수 있도록, 상기 하우징의 전극(122a)에 연결된 도선(123)에 스위치(124)가 설치된다. 이에 따라, 스위치(124)가 개폐될 경우에 단위 셀(110)들의 전극 간 회로가 동시에 개폐될 수 있게 된다.
상기 스위치(124)는 단위 셀(110)들의 수소 발생을 조절하기 위한 수단으로서, 스위치를 개방한 상태(Open Circuit)에서는 단위 셀의 가수분해 반응 및 수소 발생이 중지되고, 스위치를 폐쇄한 상태(Closed Circuit)에서는 (+), (-) 전극 간 회로를 통해 전류가 흐르면서 각 단위 셀로부터 수소가 발생한다.
또한 하우징(110)의 일측에는 수소가 배출될 수 있는 수소 배출구(102)가 형성되고, 상기 수소 배출구(102)에는 수소 공급을 단속할 수 있는 개폐밸브, 즉 수소공급밸브(103)가 설치된다.
상기 하우징(101) 내부의 수소 배출구(102) 측으로는 단위 셀(110)에서 발생 한 수소가 임시로 저장될 수 있는 임시저장공간(104)이 마련되고, 각 단위 셀(110)의 수소 출구단은 전해질 내에서 발생한 수소가 배출되도록 개방된 구조로 형성되되, 셀 모듈의 일측으로 단위 셀(110)들의 수소 출구단에 수소만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 수소투과막(121)이 고정 설치된다.
이에 각 단위 셀(110)들에서 발생한 수소가 수소투과막(121)을 통과하여 상기 임시저장공간(104)으로 이동한 뒤 수소 배출구(102)를 통해 공급된다. 수소투과막으로는 폴리머 재질의 수소(가스)투과막이 사용될 수 있으며, 셀 내부의 수소화물 슬러리나 물을 포함한 전해질은 차단하고 수소만이 통과하도록 한다.
도 3의 실시예에서, 하우징(10) 내부에서 셀 모듈 상측에 단위 셀(110)들에서 생성된 수소를 필요에 따라 수소 배출구(102)를 통해 즉시 공급할 수 있는 임시저장공간(104)이 마련되고, 이 임시저장공간(104)에 저장된 수소가 공급될 수 있도록 하우징(101) 상부에 수소 배출구(102)가 형성되고 있다.
본 발명의 수소발생장치(100)를 연료전지 시스템의 연료공급원으로 이용하기 위해서는 상기 스위치(124)의 구동을 제어하여 (+), (-) 전극 간 회로를 선택적으로 개폐함으로써 수소 발생을 제어해야 한다. 이를 위해, 연료전지 시스템 제어기에 의해 상기 스위치의 구동이 제어되도록 회로가 구성될 수 있다.
이때, 연료전지 시스템의 셧다운(Shutdown)시에는 연료전지 시스템 제어기의 제어신호에 의해 스위치가 개방되면서 수소 발생이 중지되고, 연료전지 시스템의 시동(Start up)시에는 스위치가 폐쇄되면서 수소 발생이 개시되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 수소발생장치(100)에서는 회로를 개폐하는 방식으로 수소 발생을 쉽게 조절할 수 있으며, 수소 발생 중 전류가 발생함에 따라 가수분해시의 발열에 의해 상승한 온도를 어느 정도 낮추어줄 수 있게 된다.
또한 수소 공급을 위해서는 상기 수소 배출구(102)에 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소공급관(미도시함)이 연결되어야 하고, 이때 수소공급관에는 수소의 압력을 연료전지 스택에서 요구되는 압력으로 조절하는 압력 레귤레이터(미도시함)가 설치될 수 있다.
상기한 본 발명의 수소발생장치는 1차 전지와 같은 화학전지 구조를 하고 있으므로 종래의 화학적 수소화물의 장치에는 필요한 펌프와 부산물 탱크가 필요하지 않다. 또한 본 발명의 수소발생장치는 전해질에 함유된 화학적 수소화물의 가수분해를 이용하는 것으로, 화학적 수소화물 없이 단순히 전해질을 통해 수소가 발생되는 시스템과는 분명한 차이가 있다.
즉, 전해질을 사용한 1차 전지 구조에서 전극에 전원을 인가하여 전기분해함으로써 수소를 발생시킬 수 있는 시스템(화학적 수소화물과 촉매를 사용하지 않음)에서는 전기분해를 위해 반드시 외부의 전기에너지를 공급해야 하나, 본 발명의 수소발생장치는 화학적 수소화물과 촉매를 전해질에 첨가하여 화학적 수소화물의 가수분해를 통해 수소를 발생시키는 점, 별도의 전원 공급 없이 회로 개폐만을 통해 수소 발생을 제어할 수 있다는 점에서 분명한 차이를 가진다.
그리고, 하우징 내부에 셀 모듈을 수납하여 구성한 본 발명의 수소발생장치는 통상의 1차 전지와 같이 카트리지 형태로 제공될 수 있다. 즉, 연료전지 차량 에서 교체 가능한 카트리지 형태로 제공되어 비가역반응 후 전해질의 물이 어느 정도 소모되고 나면 새로운 카트리지로 교체할 수 있도록 하는 것이다.
기존의 고압 수소탱크의 경우 수소의 중량저장밀도가 약 3wt%로 매우 낮지만, MgH2는 중량저장밀도가 15.3wt%로 높고 실제 발생량도 이론치에 근접한다. 이론적으로, MgH2의 가수분해시에 MgH2 1g 당 약 1.8리터의 수소가 발생하고, 연료전지 차량 1 충전 주행거리 500Km를 기준으로 하였을 때 MgH2는 약 32.5kg, 물은 45kg을 필요로 하게 된다(반응식 1 참조). 이를 위해, MgH2 500g을 사용하여 각 단위 셀을 구성하고, 이러한 단위 셀 65개를 병렬로 연결하여 셀 모듈을 구성할 수 있다. MgH2 32.5kg을 포함한 셀 모듈을 사용하여 카트리지 형태의 수소발생장치를 구성한 뒤 차량에 탑재하면 이론 및 실제 수소발생량이 약 5kg이 되므로 주행 거리 500km를 충분히 충족시킬 수 있다. 각 단위 셀 내에 저장되는 물은 가수분해 반응에서 충분히 많을수록 반응을 용이하게 하고 발열 온도를 낮추어주는 효과가 있지만 차량 탑재를 위해서는 중량과 부피를 최소화할 필요가 있으므로 필요한 최적 양을 계산하여 사용한다.
상기와 같이 카트리지 형태로 제공되는 경우에는 종래와 같이 수소탱크에 고압 수소를 충전하기 위한 복잡한 충전 시스템이 필요 없게 된다. 특히, 기존의 주유소에 카트리지 형태의 수소발생장치가 보급될 경우, 별도의 수소충전소 없이 언제든지 카트리지를 쉽게 차량에 교체 장착할 수 있으며, 수소충전소가 불필요해 지면서 연료전지 차량의 보급에 제약이 되어 왔던 수소충전소의 설치 및 건립 비용 발생 등 여러 문제를 해결할 수 있게 된다.
수소 발생을 위한 화학적 수소화물의 가수분해는 물을 소모하면서 부산물을 생성하는 비가역반응이므로 사용된 카트리지는 수거 후 재생 공정을 거쳐 재사용될 수 있다. 특히, 화학적 수소화물로 MgH2를 사용하는 경우에 반응 부산물로 친환경적인 Mg(OH)2를 생성하므로 안전하고 용이하게 재생 공정이 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명에서 단위 셀의 구성을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에서 단위 셀 내 수소 발생시의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 수소발생장치의 실시예를 도시한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 수소발생장치 101 : 하우징
104 : 임시저장공간 110 : 단위 셀
111 : (-) 전극 112 : (+) 전극
121 : 수소투과막

Claims (6)

  1. 수소 배출구를 구비한 하우징;
    전극 사이에 화학적 수소화물과 촉매가 첨가된 전해질이 삽입된 단위 셀들이 적층되어 구성되는 셀 모듈;
    상기 단위 셀들의 전극을 병렬로 연결하는 도선; 및
    상기 단위 셀들의 (+), (-) 전극 간 회로 개폐를 위해 상기 도선에 설치되는 스위치;
    를 포함하여 구성되고, 상기 스위치의 닫힘시에 각각의 단위 셀 내에서 전해질을 물 공급원으로 하는 화학적 수소화물의 가수분해 반응에 의해 수소가 발생하여 상기 수소 배출구를 통해 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학적 수소화물은 MgH2, NaBH4, LiBH4, KBH4, NaAlH4, CaH2 및 LiH 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매는 MgCl2, NaCl, KCl, LiCl 및 CaCl2 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학적 수소화물이 MgH2이고 상기 촉매가 MgCl2인 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징 내부의 수소 배출구 측으로 단위 셀들에서 발생한 수소가 임시로 저장될 수 있는 임시저장공간이 마련되는 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 모듈의 일측으로 단위 셀들의 수소 출구단에 수소만을 선택적으로 투과시키는 수소투과막이 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
KR1020080040243A 2008-04-30 2008-04-30 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치 KR101000611B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080040243A KR101000611B1 (ko) 2008-04-30 2008-04-30 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치
JP2008170953A JP2009269811A (ja) 2008-04-30 2008-06-30 水素発生装置
US12/286,013 US8268139B2 (en) 2008-04-30 2008-09-26 Hydrogen generation apparatus
DE102008042480A DE102008042480A1 (de) 2008-04-30 2008-09-30 Wasserstofferzeugungsvorrichtung
CNA2008101683772A CN101572321A (zh) 2008-04-30 2008-10-30 氢发生装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080040243A KR101000611B1 (ko) 2008-04-30 2008-04-30 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090114557A true KR20090114557A (ko) 2009-11-04
KR101000611B1 KR101000611B1 (ko) 2010-12-10

Family

ID=41231603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080040243A KR101000611B1 (ko) 2008-04-30 2008-04-30 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101000611B1 (ko)
CN (1) CN101572321A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013018994A1 (ko) * 2011-07-29 2013-02-07 휴그린파워(주) 부산물 저장 챔버를 장착한 일체형 화학수소화물 수소 발생 장치

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103172023A (zh) * 2013-03-21 2013-06-26 浙江高成绿能科技有限公司 一种电催化硼氢化钠溶液制氢的方法
US10074862B2 (en) * 2016-04-19 2018-09-11 Intelligent Energy Limited Hydrogen-generating compositions for a fuel cell
CN108011118B (zh) 2017-11-14 2020-11-20 上海柯来浦能源科技有限公司 一种水化氢化镁的能源系统
CN110048143B (zh) * 2018-01-16 2024-03-01 武汉众宇动力系统科技有限公司 氢燃料电池供氢装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7648786B2 (en) * 2006-07-27 2010-01-19 Trulite, Inc System for generating electricity from a chemical hydride

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013018994A1 (ko) * 2011-07-29 2013-02-07 휴그린파워(주) 부산물 저장 챔버를 장착한 일체형 화학수소화물 수소 발생 장치

Also Published As

Publication number Publication date
CN101572321A (zh) 2009-11-04
KR101000611B1 (ko) 2010-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7482081B2 (en) Battery system with in-situ and on-time continuous regeneration of the electrodes
CA2530848C (en) Modular portable battery charging system using hydrogen fuel cells
KR100790688B1 (ko) 수소저장탱크를 갖는 연료전지
KR101322231B1 (ko) 수소발생 카트리지용 연료
US7282294B2 (en) Hydrogen storage-based rechargeable fuel cell system and method
Raman et al. A direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell with reduced alkali crossover
US8124288B2 (en) Portable fuel cell power source
EP2048110A1 (en) Power generating apparatus
US20050106097A1 (en) System and method for generating and storing pressurized hydrogen
US8268139B2 (en) Hydrogen generation apparatus
KR101000611B1 (ko) 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치
JP2006298670A (ja) 水素発生方法及びその装置、並びに電気化学エネルギー生成方法及びそのシステム
EP2976803A1 (en) Metal/oxygen battery with oxygen pressure management
CN110661062B (zh) 金属-水-空气电池
EP1661199A2 (en) Hydrogen storage-based rechargeable fuel cell system
US20080268310A1 (en) Hydrogen generating apparatus and fuel cell system using the same
KR101000673B1 (ko) 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치
KR101449034B1 (ko) 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치
KR20090044250A (ko) 수소 발생장치 및 이를 채용한 연료전지
JP2007317496A (ja) 燃料電池発電システム
US20090263690A1 (en) Apparatus for generating hydrogen and fuel cell power generation system having the same
KR100835857B1 (ko) 수소저장화합물과 다공성 지지체를 이용한 수소화물복합체와 그 제조 방법
JP2004281393A (ja) 燃料電池発電システム
KR102480579B1 (ko) 수소공급 카트리지를 포함하는 소형 연료전지
KR102290557B1 (ko) 포름산 직접 연료전지 잠수함

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131129

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141128

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171129

Year of fee payment: 8