KR20140092274A - 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치 - Google Patents

수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소연료전지와 열전반도체를 이용하여 물을 생성시켜, 물이 부족 하거나 구하기 힘든 난해한 환경에서 물을 생성시킴과 동시에 그렇게 생성된 물을 식수로 사용할 수 있는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치에 관한 것으로,
캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되는 한편, 상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)과 연결되어 집수통(30)에 집수 된 물이 정수 처리가 되어 음용이 용이한 식수가 될 수 있도록 정수처리 하는 정수장치(40)가 더 포함하여 구성된다.

Description

수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치{A hydrogen fuel cell and the hydrogen fuel cell-powered electric energy generated in the semiconductor thermoelectric dehumidifier equipped with a device using the water produced and water}
본 발명은 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치에 관한 것으로 더욱 상세히는 수소연료전지와 열전반도체를 이용하여 물을 생성시켜, 물이 부족하거나 구하기 힘든 난해한 환경에서 물을 생성시킴과 동시에 그렇게 생성된 물을 식수로 사용할 수 있는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치에 관한 것이다.
물부족은 세계 여러 나라에서 문제가 되고 있으며, 더욱이 사회가 발전하고 있음에도 2000년에 발표된 세계 보건 기구(World Health Organization)의 보고서에 따르면, 전 세계에서 11억 명의 사람들이 "개선된 식수원"에 접하지 못하고 있으며, 이 보고서는 또한, 매년 40억 건의 설사병이 발생하고 있고, 이러한 질병의 주된 원인은 깨끗한 물을 접할 수 없는 것에 있는 것으로 평가하였다.
물은 우리 인류에 가장 중요한 생명의 원천임에도 불구하고, 일부 국가에서는 해마다 물부족현상을 겪고 있으며, 군인이나 사막지역 등 극한 환경조건에 있는 경우에는 물을 구하기는 더욱더 힘든 것이 사실이다.
이에 따라 담수시설과 같이 물을 생성하기 위한 여러 가지 방법이 시도되고 있으며, 특허출원 제10-1998-0034450호(발명의 명칭 : 물 생성 장치)에서는 공기를 냉동시스템의 증발기와 접촉시키는 것에 의하여 공기 중에 포함된 습기를 응축시켜 식수로 사용하도록 한 장치가 게시되고 있으며, 실용신안등록출원 제20-2002-0032615호(고안의 명칭 : 음용수 생성장치)에서는 공기순환구조와 응결수단 및 정수수단과 관련된 시스템의 구조 및 기능을 최적화시켜 시스템의 효율성 및 음용수의 안정성을 월등하게 향상시킨 음용수 생성장치에 관한 것이 게시되어 있다.
상기와 같은 장치들은 대기중의 공기를 이용한다는 점에서 장점이 있을 수 있으나, 대기중의 습도가 낮은 건조한 날에는 물을 생성함에 있어 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서 본원 발명에서는 공기에 포함된 습기를 이용하는 것이 아니라, 차량에 탑재될 수 있는 연료전지와, 제습 장치를 이용하여 물을 생성하고자 하는 것이다.
이에 본원 발명에서는 상기와 같은 문제점을 일소키 위해 안출한 것으로 대기 중의 공기가 아닌 연료전지의 화학반응 과정에서 물을 수득하고, 연료전지에서 생산되는 전기에너지를 인가받아 사용하는 열전반도체로부터 물을 수득한 다음, 집수 및 정수과정을 거쳐 음용이 용이한 식수를 생성함으로써 물을 구하기 힘든 험난한 산악지대와, 군용으로 요긴하게 사용할 수 있는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 수소연료전지와 열전반도체를 이용한 물 생성 및 식수장치(S)는,
캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되는 한편,
상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되는 한편,
상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)에 집수 될 수 있도록 구비된 집수통(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되는 한편,
상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)과 연결되어 집수통(30)에 집수 된 물이 정수 처리가 되어 음용이 용이한 식수가 될 수 있도록 정수처리 하는 정수장치(40)가 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 수소연료전지와 열전반도체를 이용한 물 생성 및 식수장치는 휴대 및 차량에 탑재할 수 있으며, 특히 차량에 탑재할 경우 산악지대나 군용으로 사용할 수 있어 극한 상황에서도 식수를 공급받을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시 예를 보인 개략적인 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 수소연료전지를 개략적으로 도시한 구조도
도 3은 본 발명의 제습기를 개략적으로 도시한 구조도
이하, 첨부된 도면 및 바람직한 실시 예에 따라 본원 발명을 상세히 설명한다.
먼저 본원 발명에서 제공하는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치(S)의 핵심은 도 1에서 도시된 바와 같이 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 수소연료전지와, 열전반도체를 구비하는 제습기로부터 각각 물을 수득하여 집수 및 정수처리과정을 거쳐 식수로 사용하도록 한 것이다.
이에 따라 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성된다.
또한 상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)과 연결되어 생성된 물은 집수통(30)에 집수 및 보관된다.
또한 집수통(30)에 집수 된 물은 정수장치(40)를 통해 정수 처리가 되어 음용이 용이한 식수가 되도록 한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전 장치이다. 이러한 이유로 최근에는 휴대용, 자동차용, 건물용 및 대용량 발전 등의 다양한 분야에서 응용되어 사용되고 있다.
또한 연료전지(Fuel cell) 시스템은 개략적으로 전기를 생산하는 스택(Stack)과, 연료전지의 연료가 되는 도시가스를 수소로 전환하는 개질기(Reformer)가 포함된 M-BOP(Mechanical Balance of Plants) 및 전지를 제어하고, DC를 AC로 변환하여 안정적인 전기를 공급하기 위한 E-BOP(Electrical Balance of Plants)로 구성되어있다.
이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 살펴보면 도 2에서 도시된 바와 같이 캐소드(cathode, 12)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode, 11)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.
그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀 하나에서 발생 되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 셀을 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다.
이러한 스택에 수소를 공급하기 위한 연료원(fuel source)으로는, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질이 이용되며, 개질기에서 그 연료원으로부터 수소를 추출하여 스택에 공급하게 된다.
또한 개질기의 세부 구성으로는, 도시되지 않았으나 탈황기와, 리포머, 버너, 물 공급용 펌프, 열교환기, 일산화탄소(CO) 제거유닛 등이 구비되어 있는데, 상기한 수소 추출과정은 상기 리포머에서 진행된다.
즉, 탄화수소 계열의 가스와 물 공급용 펌프를 통해 들어온 수증기가, 버너에 의해 가열되는 리포머 안에서 화학식 1과 같은 반응을 일으키며 수소를 생성하게 된다.
<화학식 1>
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
이때 부산물로서 이산화탄소만 생성되는 것이 아니라 일산화탄소도 같이 생성되기 때문에 일산화탄소(CO) 제거유닛에서 일산화탄소를 10ppm 이하로 떨어뜨리는 반응이 화학식 2 내지 5와 같이 진행되며, 그러한 화학반응 과정에서 물을 수득할 수 있는 것이다.
<화학식 2>
CO + H2O → CO2 + H2
<화학식 3>
CO + ½O2 → CO2
<화학식 4>
H2 + ½O2 → H2O
<화학식 5>
CO + 3H2 → CH4 + H2O
또한 상기와 같은 화학반응 과정에서 수득한 물은 집수로(25)를 통해 집수통(30)으로 집수 된다.
또한 열전반도체를 구비하는 제습기(20)는 도 3에서 도시된 바와 같이 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 부착되며 제습기(20)를 가동하게 되면 콜드블록(22)의 표면에 습기가 맺히게 된다.
이렇게 맺힌 습기를 집수로(25)를 통해 집수통(30)에 집수하여 물을 생성할 수 있는 것이며, 그렇게 생성된 물은 집수통과 연결된 정수장치(40)를 통해 사람이 사용할 수 있는 식수로 정수처리가 되는 것이다.
이때 상기 집수로는 통상의 통수용 파이프를 채택하여 사용할 수 있으며, 정수장치로부터 곧바로 물을 음용 할 수 있도록 밸브(미도시)를 구비할 수 있다.
전술한 바와 같이 수소연료전지는 휴대용, 자동차용, 건물용 및 대용량 발전 등의 다양한 분야에서 응용할 수 있는데, 이러한 수소연료전지를 제습기와 동시에 차량에 탑재를 할 경우 자동차의 주행은 물론, 자동차의 내부에서 발생 되는 습기를 제습할 수 있음과 동시에 제습기를 수소연료전지에서 발생 되는 전기에너지에 의해 작동되도록 하면 보다 많은 양의 물을 생성시킬 수가 있다.
특히, 산악지대를 여행하는 사람이나 군인들에게는 더욱더 요긴하게 사용할 수 있으며, 그 이외의 물을 구하기 힘든 환경조건에서도 물을 생성시켜 음용 할 수 있다.
S:물 생성 및 식수장치
10:수소연료전지 11:애노드
12:캐소드 13:전해질막
20:제습기 21:열전반도체
22:콜드블록 23:방열판
24:쿨링팬 25:집수로
30:집수통 40:정수장치

Claims (3)

  1. 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되는 한편,
    상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되도록 한 것을 특징으로 하는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치.
  2. 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(14)가 구성되는 한편,
    상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)에 집수 될 수 있도록 구비된 집수통(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치
  3. 캐소드(12)에는 산소를 포함한 공기가 애노드(11)에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(13)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생 되도록 함과 동시에 그러한 화학반응에 의해 물을 생성시키는 수소연료전지(10)가 구비되며, 그 수소연료전지(10)의 일측으로 생성된 물이 집수 되도록 하는 집수로(14)가 구성되는 한편,
    상기 수소연료전지와 연결 구성되어 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지에 의해 작동하는 열전반도체(21)가 구비되며, 그 열전반도체(21)의 일측에는 직립핀이 다수 개 형성되어 습기가 표면에 맺히는 콜드블록(22)이 구성됨과 동시에 상기 콜드블록(22)의 타측에는 방열판(23)과 쿨링팬(24)이 순차적으로 열전반도체(21)와 부착고정된 제습기(20)에도 콜드블록(22)의 표면에 맺힌 습기가 집수 되도록 하는 집수로(25)가 구성되어 수소연료전지와, 제습기에서 동시 또는 선택적으로 물이 생성되며 생성된 물이 집수통(30)과 연결되어 집수통(30)에 집수 된 물이 정수 처리가 되어 음용이 용이한 식수가 될 수 있도록 정수처리 하는 정수장치(40)가 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지와 그 수소연료전지에서 발생 된 전기에너지로 작동하는 열전반도체가 구비된 제습기를 이용한 물 생성 및 식수장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017086624A1 (ko) * 2015-11-20 2017-05-26 기민전자 주식회사 마이크로 연료전지를 구비한 방한겸용 다기능 구명복
US10464643B2 (en) 2016-07-12 2019-11-05 Daegu Gyeongbuk Institute Of Science And Technology Fuel cell-based life jacket

Cited By (2)

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WO2017086624A1 (ko) * 2015-11-20 2017-05-26 기민전자 주식회사 마이크로 연료전지를 구비한 방한겸용 다기능 구명복
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