KR20190101934A - 무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 산소 및 전력 공급을 위한 재생 에너지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물을 연료로 하는 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 무산소 또는 저산소 환경인 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시, 우주도시, 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체에 산소 및 전력을 효과적으로 공급하기 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.

Description

무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 산소 및 전력 공급을 위한 재생 에너지 시스템{Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment}
본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물을 연료로 하는 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 무산소 또는 저산소 환경의 시설물인 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시, 우주도시, 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체에 산소 및 전력을 효과적으로 공급하기 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.
지구생태계는 현재 인구의 폭발적인 증가가 이어지고 있다. 이는 미래에 산소공급이 원활한 육지에서 모든 인간이 다 같이 살 수 없을 수도 있음을 의미한다. 더욱이 지구 온난화 현상은 지속적으로 해수면의 상승을 야기하고 있다.
또한, 저지대가 서서히 물에 잠기면 더더욱 인류의 주거 생활은 제약을 받고 있고, 육지의 사막화 또한 인류의 주거 생활을 제한하는 요인으로 작용하고 있다.
이러한 인류의 생존과 밀접한 관련이 있는 주거 장소의 제한 문제를 해결하기 위해 최근 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시 및 지중도시 등과 같이 인류가 살아가기에 꼭 필요한 산소가 없거나 부족한 환경에서의 인간을 포함한 생명체의 생존을 위한 건설 기술 개발의 필요성이 제기되고 있다.
해상도시의 경우에는 이미 개발이 많이 이루어졌지만 해중도시와 해저도시는 상대적으로 기술의 발전이 더딘 상태라 할 수 있다. 특히 해저 도시는 소규모 관광 상품용으로만 개발되어 상업성이 많이 부족한 것이 사실이다.
더불어 강이나 호수 아래의 수중도시, 땅 속의 지하도시와 지중도시도 담수를 확보할 수 있기 때문에 이곳에서도 인간을 포함한 생명체가 생존하기 위하여 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이며, 해수나 담수를 공급받을 수 있는 우주도시 역시 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지 시스템이 필요할 것이다.
또한, 상술한 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 및 우주도시와 같은 고정형 공간뿐만 아니라 잠수함, 잠수정, 우주선 등 이동형 공간 에서도 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이다.
최근 미국, 프랑스, 일본을 중심으로 해저도시 건설 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 미국은 플로리다 근해에 해저도시 건설을 시도하고 있으며 인간이 생존할 수 있는 체류기간 확인 실험을 진행하고 있다.
산소가 없는 해저도시에서 인류가 생존하기 위한 기본 필수 요건은 물, 산소, 전기 및 열에너지라 할 수 있다. 현재까지의 기술로 물은 해수담수화 설비를 통해서 얻어내고, 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하며, 전기 및 열 에너지는 조력, 파력, 풍력 등 해양 에너지원을 도입하여 사용하고 있다. 따라서, 시스템의 구성이 복잡해지고 이들 시스템들의 체계 연동 기술도 복잡다단할 수밖에 없다.
또한, 강이나 호수 아래의 수중도시와 땅속의 지하도시의 경우에는 강이나 호수로부터 담수를 직접 공급받거나 지하수를 담수로 이용할 수는 있으나 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하여야 하므로 별도의 에너지원이 도입되고 있으므로 이 역시 시스템들의 체계 연동 기술이 복잡다단하다.
이러한 문제 해결을 위해 물과 산소 및 전기 에너지를 하나의 시스템에서 공급할 수 있는 새로운 시스템의 요구가 있다.
한편, 최근에는 일체형 재생 연료 전지에 풍력 발전기 또는 태양 전지를 결합하여 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 전기 에너지를 공급하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근 연구 기술은 대용량의 전력 공급에 적합하며, 독립 전원 공급 또는 분산 전원 공급을 위한 소용량의 전력을 공급하는 데 적합하지 않다. 또한, 일체형 재생 연료전지로부터 전력을 생산할 때, 물의 전기 분해에 의한 수소와 산소의 생성량이 충분하게 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명자들은 무산소 또는 저산소 환경에 물, 산소 및 전기 에너지를 하나의 독립적인 에너지 시스템을 이용하여 제공하고자 연구 노력한 결과, 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 효과적으로 물, 산소 및 전기 에너지를 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 필요한 전기 에너지와 물, 산소를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 담수를 직접 사용할 수 있는 환경에서도 산소와 전기 에너지를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 독립 전원 및 분산전원을 제공할 수 있고, 수소 및 산소 생성 효율을 높일 수 있는 소용량의 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 설치되는 재생 에너지 시스템으로서, 전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지; 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치; 해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치; 상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하는 열 회수 기관; 상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 직접 이용하거나, 상기 열 에너지를 변환한 전기 에너지를 이용하여 상기 시설물의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치; 및 상기 외부 전기 공급 장치와 연결되어 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 시설물의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 전기 공급 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 수소와 산소를 생산하게 하고, 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 상기 시설물의 부하로 공급할 수 있으며, 상기 시설물의 부하의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치의 병렬 운전을 수행할 수 있고, 상기 외부 전기 공급 장치 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 분산 전원을 상기 부하로 공급할 수 있는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하며, 상기 시설물은 생명체의 생존공간을 제공하는 해상도시, 해중도시, 수중도시, 수중이동체 중 어느 하나 이상이고, 상기 시설물에 음용수, 산소, 전기에너지, 열 에너지 및 상기 시설물의 자세 제어에 필요한 추력 중 하나 이상을 일체로 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며, 상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고, 상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 저장 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기; 상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및 상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며, 상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함하고, 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀들의 양측에 집전체를 갖는데, 상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬로서, 상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는데, 상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압되고, 상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하며, 상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함하고, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합 또는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어지는데, 상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매층은 담체를 더 포함하는데, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리듐 합금 촉매를 포함하며, 상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더로서, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 상기 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 잉여 전기 에너지를 공급받아 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 또는 우주도시와 같은 고정형 시설물이나 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체와 같은 이동형 시설물에 필요한 전기 및 열 에너지와 물, 산소를 부가적으로 생산함으로써, 상기 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 가동률이 낮은 경우에도 상기 시설물들에 필요한 전기 및 열 에너지, 물, 및 산소를 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 전기 공급 장치와 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 독립 전원 또는 분산 전원으로 계통에 제공할 수 있으므로 에너지 발전효율을 매우 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 재생 에너지 시스템에 의하면, 연료 전지 모드로 동작시 발생하는 열을 난방용 및 해저 도시의 자세 제어용으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 전기 분해 모드에서 생성된 수소 및 산소 가스를 연료 전지 모드에서 재생하여 사용하므로 기존 연료 전지의 수소 이용률을 획기적으로 개선할 수 있어, 수소 및 산소 생성 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템이 구비된 해저도시의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 공급되는 전압에 따른 전류 특성 곡선을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 생산되는 수소와 산소의 량을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 연료 전지 모드시 생산되는 전압-전류 곡선을 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 바다(10) 속 해저도시(30) 내부에 설치되고, 해저도시(30)에 필요한 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지와 해저도시(30)의 자세 제어에 필요한 추력을 일체로 생성한다.
또한, 상기 해저도시(30)는 해저 바닥에 건설되는 해저도시뿐만 아니라 해중에 건설되는 해중도시를 포함하는 개념이다.
또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 해상도시나 강 또는 호수 내에 건설되는 수중도시, 지중도시 및 지하도시 나아가 우주도시 등과 같이 산소와 물을 필요로 하는 다양한 고정형 시설물에 설치될 수 있다.
또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 잠수함, 잠수정과 같은 수중이동체, 비행선과 같은 공중이동체와 우주선과 같은 우주 이동체인 이동형 시설물에도 설치가 가능하다.
즉, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지를 필요로 하는 어떠한 환경에도 적용가능한 시스템이다.
또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 전기 분해 모드로 동작하기 위한 에너지를 외부 전기 공급 장치(160)로부터 공급받을 수 있으며, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 상기 외부 전기 공급 장치(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 기본적으로 상기 해저도시(30)의 부하로 전력을 공급하며 잉여전력을 상기 재생 에너지 시스템(100)으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 풍력 발전기(161), 태양광 발전기(162)뿐만 아니라 파력 및 조력 발전기 등, 수중, 수상, 지하, 지상에 발전하는 공지된 다양한 발전 장치일 수 있다.
바람직하게는 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 소용량 전력공급에 적합하고 상대적으로 발전효율이 우수한 풍력 발전기 및 태양광 발전기로 구성된다.
또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상술한 발전 장치들뿐만 아니라 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성될 수도 있으며, 상기 축전 장치는 건전지와 같이 1회 사용가능한 1차 전지 및 충전지와 같이 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다.
또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상기 발전 장치 및 상기 축전 장치와 같은 전기 공급 기기들이 병렬로 연결되어 아래에서 설명할 제어 및 전력 공급 장치(140)에 의해 병렬운전될 수 있다. 이는 해저 도시(30)의 부하용량변화에 유연하게 대처할 수 있게 하기 위함이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 해수 담수화 장치(110), 일체형 재생 연료 전지(120), 가스 저장 장치(130) 및 제어 및 전력 공급장치(140)를 포함한다.
상기 해수 담수화 장치(110)는 해수를 담수로 변환하는 장치로써 상기 해저도시(30)에 필요한 식수와 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 연료인 물을 공급한다.
그러나 상기 해수 담수화 장치(110)는 호수 또는 강에 건설되는 수중도시와 지하수를 직접 공급받을 수 있는 지중도시의 환경에서는 포함되지 않거나 필요에 의해 사용될 수 있다.
상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 상기 해수 담수화 장치(110)의 물을 이용하여 상기 해저도시(30)에 필요한 산소를 생산하기 위한 것으로 전기 분해 모드 및 연료 전지 모드로 동작한다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 전기 분해 모드에서는 상기 외부 전기 공급 장치(160)로부터 전기 에너지를 공급받아 담수를 산화시켜 수소와 산소로 분해하고, 연료 전지 모드에서는 발생한 수소와 산소를 담수로 환원하며 전기 에너지를 생산한다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 전기 에너지는 상기 해저도시(30) 등의 부하(40)에 사용되고 남은 잉여 에너지를 이용하여 수소와 산소를 생산한다.
또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 복수 개의 단위 셀(단위전지)이 적층된 연료 전지 스택(stack)으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 스택은 인접하는 단위 셀들간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층된다.
또한, 도 3을 참조하면, 상기 단위 셀들(120')은 고분자 전해질막(121)과 상기 고분자 전해질막(121)의 양측에 열가압되어 부착되는 전극(122a,122b)를 포함하며, 상기 전극들(122a,122b)은 음극(122a)과 양극(122b)으로 구분된다.
또한, 상기 고분자 전해질막(121)은 상기 양극(122a)의 수소 가스가 상기 음극(122b)로 통과하지 못하게 하고 이온화된 수소만을 통과하게 하며, 본 발명에서는 상기 고분자 전해질막(121)으로 미국의 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'가 개발한 프로오르 기반의 전해질 멤브레인인 나피온112를 사용하였다.
그러나, 상기 고분자 전해질막(121)은 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'의 나피온117막, 나피온115막, 나피온212막을 사용할 수 있고, 'Gore'사의 Gore Select막을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 100℃ 내지 200℃로 열가압되어 상기 고분자 전해질막(121)에 결합한다..
또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 각각 촉매층(122a-2,122b-2)과 가스확산층(122a-1,122b-1)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 촉매(a) 및 바인더(c)를 포함하여 이루어지고 상기 촉매(a)는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합으로 이루어지거나, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어질 수 있으며, 상기 촉매(a)의 입자크기는 10nm 이하인 것을 사용한다. 그러나 상기 촉매(a)의 입자크기는 5nm 또는 3nm 이하의 입자로 한정하여 첨가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극(122a)은 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매가 포함되고, 상기 양극(122b)은 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매가 포함되도록 열가압하여 합착하였다.
또한, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)를 상기 고분자 전해질막(121)에 융착하기 위한 것으로, 상기 고분자 전해질막(121)과 상기 바인더(c)는 양이온 교환 작용기를 갖는 재료로 구성된다. 또한, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 바인더(c)는 나피온(Nafion) 바인더일 수 있으며, 상기 바인더(c)의 함량은 상기 촉매(a)의 함량에 대해 20wt%로 포함되도록 하였다.
그러나, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)의 함량에 대해 1wt% 내지 40wt%로 포함될 수 있다.
또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 상기 촉매(a)의 활성을 돕고 상기 촉매(a)를 물리적으로 지지하는 담체(b)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 담체(b)는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브로 제공될 수 있으며, 비표면적은 2000m2/g 이하인 것이 바람직하며, 1000m2/g, 500m2/g, 300m2/g 또는 100m2/g 이하의 비표면적을 갖는 담체로 한정하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 단위 셀들(120')이 적층된 연료 전지 스택의 양쪽에는 전자가 흐를 수 있게 하는 집전체(123a,123b)가 적층될 수 있다.
또한, 도 3에서는 상기 집전체(123a,123b)가 단위 셀(120')의 양측에 적층되는 것으로 도시하였으나 실질적으로 복수의 단위 셀(120')들이 적층된 스택의 양측에 적층되며, 상기 단위 셀(120')들은 서로 다른 전극이 교차하도록 적층된다.
또한, 상기 집전체(123a,123b)는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상을 표면에 코팅한 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬(mesh)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 집전체(123a,123b)에는 표면에 유체(물, 수소가스, 산소가스)의 흐름을 유도하는 채널(123a-1,123b-1)이 형성되고, 상기 채널(123a-1,123b-1)은 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 채널일 수 있다.
상기 가스 저장 장치(130)는 전기분해 모드시 상기 일체형 연료 전지(120)에서 발생한 수소와 산소를 압축하여 저장하거나 연료 전지 모드시 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 연료 전지(120)로 공급한다.
또한, 상기 가스 저장 장치(130)는 상기 일체형 연료 전지(120)에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기, 상기 가스 포집기에 연결되며, 포집된 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기 및 압축된 수소와 산소를 저장하는 가스 저장 탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기는 수소와 산소를 각각 1기압 내지 1000기압으로 압축시킬 수 있으며, 상기 가스 저장 탱크는 강철과 FRP로 강화된 밀폐용기, 합성 탱크, 강철용기 등을 사용할 수 있다.
상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 전기 에너지를 해저도시의 부하(40)로 공급하거나 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지(120)가 전기 분해 모드로 동작하게 한다.
또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 전기 분해 모드시, 상기 해수 담수화 장치(110)로부터의 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되게 하여 산소와 수소가 발생하게 한다.
또한, 상기 담수는 70℃로 가열된 물이 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급되게 하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 담수는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급될 수 있다.
이때, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다.
또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 연료 전지 모드시, 상기 가스 저장 장치(130)에 저장된 수소 및 산소가 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 전기 에너지가 생산되게 한다.
이때, 상기 수소는 75℃로 가열되어 단위 셀 당 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 단위 셀당 500cc/min의 유속으로 공급되게 하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 수소는 단위 셀 당 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있고, 상기 산도는 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 생산된 전기 에너지를 계통에 연계하여 부하(40)로 전기 에너지를 공급할 수 있고, 상기 부하(40)의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 병렬 운전을 수행할 수 있으며, 상기 외부 전기 공급 장치(160) 및 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 분산 전원을 상기 부하(40)로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 발생하는 열 에너지를 회수하여 저장하는 열 회수 장치(140)를 더 포함할 수 있으며, 회수된 열은 해저도시의 난방, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 유체를 가열하는데 이용된다.
또한, 상기 열 회수 장치(140)는 알루미늄, 황동, 구리, 청동 또는 주석이나 이들의 조합에 의해 제작될 수 있으며, 원통 다관형 또는 판형의 열 교환기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 해저도시(30)의 수평 자세를 유지하거나 이동하기 위한 추력을 발생하는 추력 발생 장치(150)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 열 회수 장치(140)에서 회수된 열을 이용하여 직접 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수 있고, 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수도 있다.
그러나, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 제어 및 전력 공급 장치(140)로부터 전기를 공급받아 추력을 발생시킬 수 있다..
도 4 및 도 5는 전기 분해 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)의 전압-전류 곡선과 생산되는 수소 및 산소의 량을 보여주는 도면으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 음극(122a)에는 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매를 도포하고, 양극(122b)에는 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매를 도포하였으며, 나피온 바인더는 촉매의 함량에 대하여 20wt%가 혼합되게 하였다. 또한, 나피온 112를 고분자 전해질 막(121)으로 사용하였으며, 타이타늄 판에 백금을 전착하여 집전체(123a,123b)를 구성하였다.
또한, 물은 70℃로 가열하여 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급하였고, 전기 에너지는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전압이 공급되게 하였다.
그 결과, 단위셀 25cm2 면적당 수소가 6cc/min 생성되었고, 산소가 10cc/min 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 6은 연료 전지 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)가 출력하는 전압-전류량과 일반 연료 전지의 전압-전류량을 비교 표시한 것으로, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 단위셀 25cm2 면적당 75℃의 수소가 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 500cc/min의 유속으로 공급되게 하였다.
그 결과, 일반 연료전지와 거의 동일한 전기 에너지가 출력됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:재생 에너지 시스템 110:해수 담수화 장치
120:일체형 재생 연료 전지 121:고분자 전해질 막
122a:음극 122b:양극
122a-1,122b-1:가스확산층 122a-2,122b-2:촉매층
123a,123b:집전체 123a-1,123b-1:채널
130:가스 저장 장치 140:열 회수 장치
150:추력 발생 장치

Claims (14)

  1. 무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 설치되는 재생 에너지 시스템으로서,
    전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지;
    상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치;
    해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치;
    상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하는 열 회수 기관;
    상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 직접 이용하거나, 상기 열 에너지를 변환한 전기 에너지를 이용하여 상기 시설물의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치; 및
    상기 외부 전기 공급 장치와 연결되어 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 시설물의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 전기 공급 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 수소와 산소를 생산하게 하고, 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 상기 시설물의 부하로 공급할 수 있으며, 상기 시설물의 부하의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치의 병렬 운전을 수행할 수 있고, 상기 외부 전기 공급 장치 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 분산 전원을 상기 부하로 공급할 수 있는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하며,
    상기 시설물은 생명체의 생존공간을 제공하는 해상도시, 해중도시, 수중도시, 수중이동체 중 어느 하나 이상이고,
    상기 시설물에 음용수, 산소, 전기에너지, 열 에너지 및 상기 시설물의 자세 제어에 필요한 추력 중 하나 이상을 일체로 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며,
    상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고,
    상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며,
    상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 저장 장치는
    상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기;
    상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및
    상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며,
    상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함하고, 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀들의 양측에 집전체를 갖는데,
    상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬로서,
    상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는데,
    상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압되고,
    상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하며,
    상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합 또는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어지는데,
    상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 촉매층은 담체를 더 포함하는데, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함하고,
    상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리듐 합금 촉매를 포함하며,
    상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더로서, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 상기 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
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JP2001023666A (ja) * 1999-07-08 2001-01-26 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置およびその制御方法

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