KR20090114559A - 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치 - Google Patents
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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. 특히, 본 발명의 수소발생장치는 부산물 제거 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 단위 셀을 내장한 하우징이 개폐 가능한 구조로 구성되고, 또한 단위 셀에서 발생한 수소가 저장될 수 있는 별도의 수소저장용기를 구비하는 것에 주된 특징이 있는 것이다. 본 발명의 수소발생장치에서는 하우징을 개폐 가능한 구조로 하여 사용 후 재생 작업시에 가수분해 반응의 부산물을 쉽게 제거할 수 있게 된다. 또한 별도의 수소저장용기를 구비함으로써, 하우징 내 압력 상승시 수소를 외부로 방출해야 하는 문제를 해결할 수 있고, 연료전지 시동시에는 수소저장용기의 수소를 즉시 스택으로 공급할 수 있다.
연료전지, 수소발생장치, 수소화물, 전지, 스위치, 물공급수단
Description
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.
본 발명의 또 다른 목적은 수소 발생을 위해 화학적 수소화물을 이용함에 있어서 가수분해 반응에 필요한 물이 지속적으로 공급될 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가수분해 반응의 부산물을 제거하는 재생 공정을 용이하게 수행할 수 있는 수소발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발생한 수소의 압력 상승시에 수소를 외부로 방출해야 하는 문제를 해결할 수 있고, 연료전지 시동시에 수소를 즉시 스택으로 공급할 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 단위 셀들의 전극 간 회로 개폐를 위해 상기 도선에 설치되는 스위치를 포함하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치에 있어서,
상기 하우징이 반응 부산물의 제거가 용이하도록 본체 하우징과 캡 하우징으로 분리 구성되어 개폐 가능한 구조인 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 본체 하우징과 캡 하우징은 나사 체결 구조로 조립되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하우징의 수소 배출구에 연결 조립되어 상기 단위 셀들에서 발생한 수소를 수소 배출구를 통해 공급받아 저장하고 저장된 수소를 별도 출구를 통해 공급하는 수소저장용기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하우징과 상기 수소저장용기 사이의 관로에는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상으로, 본 발명의 수소발생장치는 화학적 수소화물의 가수분해 시스템에 화학전지의 개념을 도입함으로써 전지의 회로를 개방/폐쇄하는 방식으로 수소 발생 을 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 가지며, 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.
또한 본 발명의 수소발생장치에서는 가수분해 반응에 필요한 물을 추가로 공급하는 물공급수단을 이용하여 연료전지 스택이 배출하는 물을 각 단위 셀에 지속적으로 공급할 수 있으며, 이를 통해 가수분해의 효율을 높일 수 있고, 수소발생량을 증대시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 수소발생장치에서는 가수분해 반응에 필요한 물을 추가로 공급하는 물공급수단을 이용하여 연료전지 스택이 배출하는 물을 각 단위 셀에 지속적으로 공급할 수 있으며, 이를 통해 가수분해의 효율을 높일 수 있고, 수소발생량 을 증대시킬 수 있게 된다. 본 발명의 수소발생장치를 카트리지 형태로 제작하는 경우 반드시 물 보충 및 부산물 제거를 위한 카트리지 재생 공정이 필요하나, 연료전지 운전 중에 물공급수단에 의해 물이 스택에서 지속적으로 보충되므로 카트리지 교체 주기를 연장할 수 있다.
또한 본 발명의 수소발생장치에서 하우징을 개폐 가능한 구조로 하는 경우, 사용 후 재생 작업시에 가수분해 반응의 부산물을 쉽게 제거할 수 있게 된다.
또한 별도의 수소저장용기를 구비하여 하우징 내 압력 상승시 수소를 외부로 방출해야 하는 문제를 해결할 수 있고, 연료전지 시동시에 수소저장용기의 수소를 즉시 스택으로 공급할 수 있다. 특히, 단위 셀에서 발생하는 수소를 수소저장용기에 저장하였다 필요시 즉시 사용할 수 있고, 수소가 필요 없을 때 수소를 수소저장용기에 저장할 수 있는 장점이 있다.
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.
특히, 본 발명의 수소발생장치는 부산물 제거 작업을 용이하게 수행할 수 있 도록 단위 셀을 내장한 하우징이 개폐 가능한 구조로 구성되고, 또한 단위 셀에서 발생한 수소가 저장될 수 있는 별도의 수소저장용기를 구비하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
우선, 화학적 수소화물을 이용한 전지 타입의 수소발생장치에서 수소를 발생시키는 단위 셀에 대해 상술하기로 한다.
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 전극 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 사용하는 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.
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 전기적으로 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 일 실시예를 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 하우징 내부에 복수의 단위 셀들이 적층된 셀 모듈이 수납 되고, 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 발생한 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.
임시저장공간에 저장된 수소를 연료전지 스택의 연료로 공급하기 위해서는 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.
또한 각 단위 셀(110)로의 물공급을 위해서 하우징(101) 내부에는 셀 모듈의 단위 셀에 공급될 물이 임시로 저장되는 물저장공간(131)이 마련되고, 이 물저장공간(131)에는 외부의 물이 투입될 수 있도록 물공급관(132)이 연결된다. 이때, 하우징(101) 내부의 물저장공간(131)은 셀 모듈에서 단위 셀(110)들의 물 공급단이 위치된 쪽으로 구비되어야 하는데, 단위 셀(110)에서 수소 출구단 반대쪽에 위치된 물 공급단을 통해 물이 공급될 수 있도록, 수소가 저장되는 상기 임시저장공간(104)과는 반대쪽에 구비된다.
물공급관(132)은 도시된 바와 같이 하우징(101) 외부에서 물저장공간(131)에 직접 연결되도록 설치될 수 있으며, 하우징(101) 외측의 물공급관(132)에는 물의 역류를 방지하기 위해 체크밸브(133)가 설치된다. 체크밸브(133)는 스택에서 공급되는 물의 역류 현상을 방지하고, 하우징(물저장공간) 내부의 압력이 충분히 낮을 때에만 물이 공급되도록 한다.
바람직한 실시예에서, 연료전지 스택에서 배출되는 물(예를 들면, 스택의 캐소드에서 연료전지반응에 의해 발생한 생성수)이 물공급관(132)을 통해 하우징(101)의 물저장공간(131)에 공급되도록 할 수 있는데, 이때 물공급관(132)은 하우징(101)의 물저장공간(131)과 스택 사이에 연결되어 스택의 물을 물저장공간으로 공급하게 된다.
또한 물저장공간(131)과 셀 모듈 사이에는 물을 투과시켜주는 필터 형태의 물투과막(134)을 설치하여 물이 항시 셀 모듈의 단위 셀(110)들로 공급될 수 있도록 한다. 즉, 각 단위 셀(110)들의 물 공급단이 물을 공급받을 수 있도록 개방된 구조이고, 셀 모듈에서 수소투과막(121)의 반대쪽으로 각 단위 셀(110)들의 물 공급단에 물투과막(134)이 고정 설치되는 것이다. 이때, 물투과막(134)은 전해질이 채워진 셀 내부를 밀폐하도록 단위 셀(110)들의 물 공급단에 밀착시켜 하우징(101) 내에 고정 설치한다.
결국, 연료전지의 운전 중에 스택에서 배출된 물이 물공급관(132)을 통해 하우징(101)의 물저장공간(131)으로 투입되고, 물저장공간(131)에 투입된 물은 물투과막(134)을 통과하여 전해질이 충전된 셀 내부로 보충된다.
도 3의 실시예에서, 물저장공간(131)은 하우징(101) 내부에서 단위 셀(110) 들로 구성된 셀 모듈의 하측으로 구비되고, 물공급관(132)이 하우징(101) 하부의 물저장공간(131)으로 연결되며, 물투과막(134)은 셀 모듈의 하측으로, 수소투과막(121)은 셀 모듈의 상측으로 설치되고 있다.
본 발명의 수소발생장치에서 각 단위 셀의 내부에는 전해질이 충전됨으로써 일정량의 물이 저장되고, 물을 함유한 전해질이 물공급원 역할을 하여 수소화물의 가수분해 반응을 일으킨다. 그러나, 수소를 발생시키는 가수분해는 단위 셀 내부의 물을 지속적으로 소모하는 비가역반응이므로 수소 발생 동안에 단위 셀의 물은 점차 줄어들게 되며, 또한 가수분해의 방출열에 의해 온도가 상승하여 물이 증발되거나 수소 발생 제어 효율이 저하될 수 있다. 각 단위 셀 내의 물이 줄어들게 되면, 가수분해 효율이 저하되고, 수소발생량이 감소하며, 냉각요소인 물이 줄어들기 때문에 온도가 상승할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 상기와 같은 물공급수단을 구비하여 각 단위 셀에 지속적으로 물을 공급 및 보충하며, 이로써 가수분해 반응을 안정적으로 지속할 수 있는 효과 및 물 보충에 의한 추가적인 냉각 효과를 얻을 수 있다. 특히, 안정적인 가수분해 및 수소 발생을 위해서 이론적으로 필요한 물의 양보다 많은 양의 물이 필요하므로 물이 충분히 공급되면 이론치에 가까운 수소발생량을 안정적으로 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 수소발생장치에서 하우징(101)은 부산물 제거 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 개폐 가능한 구조로 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 하우징(101)은 단위 셀(110)들이 적층되어 구성된 셀 모듈 및 수소투과막(121) 등 이 내장되는 본체 하우징(101a)과, 임시저장공간(104)을 형성하는 캡 하우징(101b)으로 분리 구성되며, 본체 하우징(101a)과 캡 하우징(101b)은 체결수단에 의해 상호 조립되어 일체화된다.
바람직한 실시예에서, 상기 체결수단으로서 본체 하우징(101a)과 캡 하우징(101b)의 상호 결합부에 나사 체결 구조를 구비한다. 예를 들어, 본체 하우징(101a)의 결합부인 상단부 외주면과, 캡 하우징(101b)의 결합부인 하단부 내주면에 각각 나사선(101a-1,101b-1)을 형성하여, 본체 하우징(101a)의 상단부 외주면과 캡 하우징(101b)의 하단부 내주면이 나사선(101a-1,101b-1)에 의해 체결되도록 한다. 이와 같이 본체 하우징(101a)의 결합부와 그 대응부인 캡 하우징(101b)의 결합부를 나사 체결 구조로 결합되도록 하면, 사용 후 수소발생장치의 재생 작업시에 본체 하우징(101a)과 캡 하우징(101b)을 분리하여 비가역반응인 가수분해 반응의 부산물을 쉽게 제거할 수 있게 된다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 수소발생장치의 다른 실시예를 도시한 구성도로서, 별도의 수소저장용기를 구비한 실시예가 도시되어 있다.
도 4의 실시예는 수소가 저장될 수 있는 수소저장용기를 수소발생장치의 하우징 외부에 별도로 구비한 것으로, 수소저장용기(141)는 입구(142)와 출구(143)를 가지는 고압 용기이며, 수소가 투입되는 입구(142)는 수소발생장치의 하우징(101)에 구비된 수소 배출구(102)와 연결된다. 또한 수소저장용기(141)의 입구(142)와 하우징(101)의 수소 배출구(102)를 연결하는 관로에는 수소저장용기로 이동한 수소가 다시 수소발생장치의 하우징 내부로 역류하는 것을 방지하기 위한 체크밸 브(103a)가 설치된다.
이에 따라, 수소발생장치의 단위 셀(110)들에서 발생한 수소는 하우징(101) 내부에서 수소투과막(121)을 거쳐 임시저장공간(104)에 모아진 뒤 일정 압력 이상 충전되면 임시저장공간에서 별도 구비된 수소저장용기(141)로 이동되어 저장된다.
이때, 수소저장용기(141)에는 수소가 고압으로 충전 및 저장되며, 체크밸브(103a)는 고압으로 충전된 수소가 수소저장용기에서 수소발생장치의 하우징(101)으로 역류되지 않도록 한다. 연료전지의 운전 중에 단위 셀들이 수소를 발생시키는 동안(스위치 닫힘) 연료전지 스택은 우선적으로 수소저장용기의 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지반응을 하지만, 수소를 소모함에 따라 수소저장용기의 압력이 낮아지게 되면 수소가 발생하고 있는 수소발생장치의 임시저장공간(104)으로부터 수소저장용기(141)가 수소를 공급받아 충전된다.
상기 수소저장용기(141)를 하우징(101)과 연결함에 있어서, 수소저장용기와 하우징은 상호 분리가 가능하도록 배관 및 피팅 부품을 적절히 사용하여 연결한다. 즉, 수소저장용기(141)가 차량에 부착된 상태에서, 하우징(101)을 분리하여 수소저장용기를 제외한 나머지 수소발생장치(100)가 쉽게 탈부착 가능하도록 하는 것이다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 수소발생장치(100)를 카트리지 형태로 제작하여 사용하는 경우, 수소저장용기(141)를 제외한 나머지 수소발생장치를 쉽게 교체할 수 있게 된다.
수소저장용기(141)에 충전된 고압의 수소를 연료전지 스택의 연료로 공급하기 위해서는 수소저장용기의 출구(143)에 연료전지 스택으로 연결되는 수소공급관 (미도시함)이 연결되어야 하고, 상기 수소공급관에는 수소의 압력을 연료전지 스택에서 요구되는 압력으로 조절하는 압력 레귤레이터(미도시함)가 설치될 수 있다.
이와 같이 수소발생장치(100)의 하우징(101)에 별도의 고압 수소저장용기(141)를 연결하여 구비하면, 단위 셀(110)들에서 발생한 수소가 스택에서 필요로 하는 양보다 많이 발생하여, 임시저장공간(104)의 수소가 높아지는 압력에 의해 외부로 방출되어 버려지는 문제를 해결할 수 있게 된다.
본 발명의 수소발생장치에서 단위 셀들의 전극으로 연결된 전기회로의 개폐 작동에 의해 수소 발생이 조절되는데, 실제 수소가 발생하는 가수분해 반응은 화학반응으로서 전기회로의 개폐 작동 속도보다 느리게 반응을 일으킨다. 예를 들면, 차량에 시동을 걸기 위해 전기회로를 연결하였을 때(스위치 폐쇄) 수소화물의 가수분해 반응으로 충분한 수소량을 신속히 스택에 제공할 수 있지만, 차량을 멈추기 위해 전기회로를 열었을 때(스위치 개방)는 가수분해 반응에 의한 수소 발생은 즉시 중단되지 않고 서서히 반응이 멈추면서 일시적으로 수소 발생은 계속된다.
이때, 발생된 수소는 하우징(101)의 임시저장공간(104)에 저장될 수 있지만, 임시저장공간의 용량이 크지 않아 압력이 쉽게 올라갈 수 있는바, 별도의 수소저장용기가 없다면, 임시저장공간의 압력이 과도하게 상승할 경우 수소를 외부에 방출하여 버려야 한다.
하지만, 도 4의 실시예와 같이 별도의 수소저장용기(141)를 구비하면, 임시저장공간(104)의 압력이 적정 압력 이상으로 높아졌을 때에 자동으로 수소저장용기로 이동되어 저장될 수 있다. 이와 같이 수소저장용기에는 연료전지의 운전이 중 지된 뒤 발생한 임시저장공간의 잔류 수소를 저장할 수 있으며, 차량 시동시에는 수소저장용기의 수소를 즉시 스택으로 공급할 수 있다. 또한 임시저장공간의 압력이 과도하게 상승할 경우 방출되는 수소를 모두 사용할 수 있게 되어 수소 활용 효율을 높일 수 있게 된다.
한편, 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.
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 차량에서 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 불필요해지면서 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 일 실시예를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 수소발생장치의 다른 실시예를 도시한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 수소발생장치 101 : 하우징
104 : 임시저장공간 110 : 단위 셀
111 : (-) 전극 112 : (+) 전극
121 : 수소투과막 131 : 물저장공간
132 : 물공급관 133 : 체크밸브
134 : 물투과막
Claims (4)
- 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 단위 셀들의 전극 간 회로 개폐를 위해 상기 도선에 설치되는 스위치를 포함하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치에 있어서,상기 하우징이 반응 부산물의 제거가 용이하도록 본체 하우징과 캡 하우징으로 분리 구성되어 개폐 가능한 구조인 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 본체 하우징과 캡 하우징은 나사 체결 구조로 조립되는 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 하우징의 수소 배출구에 연결 조립되어 상기 단위 셀들에서 발생한 수소를 수소 배출구를 통해 공급받아 저장하고 저장된 수소를 별도 출구를 통해 공급하는 수소저장용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 하우징과 상기 수소저장용기 사이의 관로에는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학적 수소화물을 이용한 수소발생장치.
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