KR20210000068A - 산 염기 기반 연료전지 시스템 - Google Patents

산 염기 기반 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

산용액 및 염기용액을 연료전지의 전해질부에 공급함으로써 전기를 발생시키는 연료전지 시스템이 개시된다. 상기 연료전지 시스템은 폐산 및/또는 폐염기를 활용하여 연료전지를 구동시킬 수 있기 때문에 경제적일 수 있으며, 폐산 및/또는 폐염기를 중화시켜 배출시킴으로써 환경적으로 크게 기여하는 것일 수 있다.
또한, 상기 폐산 및/또는 폐염기를 상기 연료전지 시스템에 연속적으로 공급하여 줌으로써 생성되는 전기 에너지를 커패시터, 이차전지, 흐름전지 등의 에너지 저장 장치에 저장한 후에 타 산업에 전력원으로 활용할 수 있으므로, 매우 효율적이다.

Description

산 염기 기반 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM BASED ON ACIDIC OR BASIC WASTE WATER}
본 발명은 산용액 및 염기용액을 연료전지의 전해질부에 공급함으로써 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 화학 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 장치이다. 통상적인 연료전지에 있어서, 수소와 같은 기체상 연료는 애노드(anode: 산화용 전극)에 공급되고, 산소와 같은 산화제는 캐소드(cathode: 환원용 전극)에 공급된다. 상기 애노드에서 연료가 산화하면 이 연료로부터 상기 애노드 및 상기 캐소드에 연결되는 외부의 회로에 전자가 방출되고, 캐소드에서는 상기 산화된 연료에 의해 제공된 전자를 이용하여 상기 산화제가 환원된다.
수소/산소 연료전지에 있어서, 수소는 애노드에 공급되고, 산소는 캐소드에 공급된다. 상기 수소는 산화되어 수소이온을 형성함과 동시에 외부의 회로에 전자를 방출한다. 상기 수소이온은 전도성 고분자막을 통해 캐소드로 이동하여 상기 산소 종과 반응함으로써 물을 형성한다. 전형적인 수소/산소 연료전지의 반응은 다음과 같다:
애노드: 2H2 → 4H+ + 4e- (1)
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (산성)
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (염기성) (2)
순반응: 2H2 + O2 → 2H2O (3)
한편, 다수의 화학산업을 포함한 일부 산업 특성 상 상당한 양의 폐산(waste acid) 또는 폐염기(waste base)가 발생되고 있으며, 이는 유해 폐기물로 간주되어, 환경에 배출되기 전에 부가적인 처리를 요구한다. 따라서, 상기 폐산 또는 폐염기의 처리에 있어서, 부가적인 비용이 불가피하게 발생하며 이는 기업에 막대한 부담을 주고 있는 것이 현실이다.
이에, 본 발명자들은 상기 폐산 또는 폐염기의 처리와 관련하여 연료전지를 접목하여 연구하던 중, 연료전지 시스템에 상기 폐산 또는 폐염기를 공급원으로서 공급하고, 상기 연료전지의 전해질부에 포함된 양이온교환막 및 음이온교환막을 통하여 상기 폐산 또는 폐염기에 포함되어 있는 양이온 및 음이온을 각각 교환시킴으로써 연료전지를 구동시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다. 더불어, 상기 연료전지 시스템은 연료전지의 구동 뿐만 아니라 공급되는 폐산 또는 폐염기의 중화를 통하여 물 및 염의 형태로서 배출시키기 때문에 환경적으로도 크게 기여할 수 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2015-0041493호는 연료전지 폐열을 활용한 발전시스템 및 그 방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 산용액 및 염기용액을 연료전지의 전해질부에 공급함으로써 전기를 발생시키는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 캐소드 사이에 개재된 전해질부; 상기 애노드 및 캐소드를 연결하는 수소이동관과 도선; 및 상기 전해질부에 산용액, 물 및 염기용액을 각각 공급하는 산용액 공급부, 물 공급부 및 염기용액 공급부;를 포함하고, 상기 전해질부는 복수의 이온 교환막을 포함하는 15개 이상의 단위셀 및 상기 단위셀과 단위셀 사이의 물 이동부를 포함하고, 상기 단위셀은 제1 양이온교환막, 제1 음이온교환막, 제2 양이온교환막 및 제2 음이온교환막이 순차적으로 배치되고, 상기 제1 양이온교환막과 제1 음이온교환막 사이에 산용액 이동부, 상기 제1 음이온교환막과 제2 양이온교환막 사이에 물 이동부 및 상기 제2 양이온교환막과 제2 음이온교환막 사이에 염기용액 이동부를 포함하고, 상기 캐소드는 인접한 단위셀의 산용액 이동부와 양이온교환막으로 접해있고, 상기 애노드는 인접한 단위셀의 염기용액 이동부와 음이온교환막으로 접해있으며, 상기 산용액 공급부 및 염기용액 공급부는 상기 단위셀 내의 산용액 이동부 및 염기용액 이동부에 각각 산용액 및 염기용액을 공급하고, 상기 물 공급부는 상기 단위셀 내의 물 이동부 및 상기 단위셀 사이의 물 이동부에 물을 공급하는 것인 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 캐소드에서 수소 이온이 전자와 반응하여 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되고, 상기 생성된 수소기체가 상기 수소이동관을 통하여 애노드로 전달되며, 상기 애노드로 전달된 수소기체가 수산화이온과 반응하여 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되고, 상기 생성된 전자가 상기 도선을 통하여 상기 캐소드로 전달되는 것일 수 있다.
상기 산용액 및 염기용액 중 적어도 어느 하나는 폐산용액 또는 폐염기용액인 것일 수 있다.
상기 애노드 및 캐소드는 다공성 구조인 것일 수 있다.
상기 단위셀 내의 인접하는 양이온교환막 및 음이온교환막 간의 간격은 100 μm 내지 300 μm인 것일 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 단위셀을 15 개 이상 포함하는 것일 수 있다.
상기 애노드 및 캐소드는 각각 외측면이 집전판과 접해있는 것일 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 산용액 이동부, 염기용액 이동부 및 단위셀과 단위셀 사이의 물 이동부에서 배출되는 용액을 배출하는 제1 배출부 및 상기 단위셀 내의 물 이동부에서 배출되는 용액을 배출하는 제2 배출부를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 배출부에서 물이 배출되고, 상기 제2 배출부에서 염이 배출되는 것일 수 있다.
상기 산용액은 염산(hydrochloric acid, HCl)을 포함하고, 염기용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 염산의 클로라이드 이온이 상기 음이온교환막을 통하여 상기 산용액 이동부와 접해있는 물 이동부로 이동하며, 상기 수산화나트륨의 소듐 이온이 상기 양이온교환막을 통하여 상기 염기용액 이동부와 접해있는 물 이동부로 이동하여 상기 산용액 이동부 및 염기용액 이동부와 접해있는 물 이동부에서 소듐 클로라이드(sodium chloride, NaCl)가 형성되는 것일 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 형성된 소듐 클로라이드를 저장하는 소듐 클로라이드 탱크를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은,
복수 개의 상기 연료전지 시스템이 직렬 또는 병렬로 연결된 것인, 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료전지 시스템은 폐산 및/또는 폐염기를 활용하여 연료전지를 구동시킬 수 있기 때문에 경제적일 수 있으며, 폐산 및/또는 폐염기를 중화시켜 배출시킴으로써 환경적으로 크게 기여하는 것일 수 있다.
또한, 상기 폐산 및/또는 폐염기를 상기 연료전지 시스템에 연속적으로 공급하여 줌으로써 생성되는 전기 에너지를 커패시터, 이차전지, 흐름전지 등의 에너지 저장 장치에 저장한 후에 타 산업에 전력원으로 활용할 수 있으므로, 매우 효율적이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 복수 개의 연료전지 시스템이 직렬로 연결된 연료전지 스택을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 복수 개의 연료전지 시스템이 병렬로 연결된 연료전지 스택을 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은,
애노드(110); 캐소드(120); 상기 애노드(110) 및 캐소드(120) 사이에 개재된 전해질부(200); 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)를 연결하는 수소이동관(300)과 도선(400); 및 상기 전해질부(200)에 산용액, 물 및 염기용액을 각각 공급하는 산용액 공급부(500), 물 공급부(550) 및 염기용액 공급부(600);를 포함하고, 상기 전해질부(200)는 복수의 이온 교환막을 포함하는 15개 이상의 단위셀(220) 및 상기 단위셀(220)과 단위셀(220) 사이의 물 이동부(295)를 포함하고, 상기 단위셀(220)은 제1 양이온교환막(230), 제1 음이온교환막(240), 제2 양이온교환막(250) 및 제2 음이온교환막(260)이 순차적으로 배치되고, 상기 제1 양이온교환막(230)과 제1 음이온교환막(240) 사이에 산용액 이동부(270), 상기 제1 음이온교환막(240)과 제2 양이온교환막(250) 사이에 물 이동부(280) 및 상기 제2 양이온교환막(250)과 제2 음이온교환막(260) 사이에 염기용액 이동부(290)를 포함하고, 상기 캐소드(120)는 인접한 단위셀(220)의 산용액 이동부(270)와 양이온교환막으로 접해있고, 상기 애노드(110)는 인접한 단위셀(220)의 염기용액 이동부(290)와 음이온교환막으로 접해있으며, 상기 산용액 공급부(500) 및 염기용액 공급부(600)는 상기 단위셀(220) 내의 산용액 이동부(270) 및 염기용액 이동부(290)에 각각 산용액 및 염기용액을 공급하고, 상기 물 공급부(550)는 상기 단위셀(220) 내의 물 이동부(280) 및 상기 단위셀(220) 사이의 물 이동부(295)에 물을 공급하는 것인 연료전지 시스템(101)을 제공한다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 연료전지 시스템(101)을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 일반적인 연료전지와 같이 애노드(110), 캐소드(120), 전해질부(200) 및 도선(400)을 포함한다. 다만, 본원의 상기 연료전지 시스템(101)은 추가적으로 상기 전해질부(200)에 산용액, 물 및 염기용액을 각각 공급하는 산용액 공급부(500), 물 공급부(550) 및 염기용액 공급부(600)를 더 포함할 수 있으며, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)를 연결하는 수소이동관(300)을 더 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 상기 전해질부(200)가 복수의 이온 교환막을 포함하는 단위셀(220)을 포함하고, 상기 단위셀(220)에 산용액, 물 및 염기용액을 공급함으로써 상기 캐소드(120)에서 수소 이온이 전자와 반응하여 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되고, 상기 생성된 수소기체가 상기 수소이동관(300)을 통하여 애노드(110)로 전달되며, 상기 애노드(110)로 전달된 수소기체가 수산화이온과 반응하여 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되고, 상기 생성된 전자가 상기 도선(400)을 통하여 상기 캐소드(120)로 전달되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드(120)가 인접한 단위셀(220)의 산용액 이동부(270)와 양이온교환막으로 접해있음으로써, 산용액 이동부(270)에 공급되는 산용액에 포함된 수소이온이 상기 양이온교환막을 통하여 캐소드(120)로 전달될 수 있다. 상기 전달된 수소이온이 애노드(110)에서 생성된 전자와 하기 화학식 1과 같이 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되는 것일 수 있다.
<화학식 1>
4H+ + 4e- → 2H2(g)
이때, 상기 환원반응은 상온에서 환원 포텐셜값이 0 V일 수 있다.
또한, 상기 캐소드(120)에서 생성된 수소기체가 상기 수소이동관(300)을 통하여 애노드(110)로 전달되는 것일 수 있다. 이때, 상기 애노드(110)가 인접한 단위셀(220)의 염기용액 이동부(290)와 음이온교환막으로 접해있음으로써, 염기용액 이동부(290)에 공급되는 염기용액에 포함된 수산화이온이 상기 음이온교환막을 통하여 애노드(110)로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 전달된 수산화이온 및 수소기체가 하기 화학식 2와 같이 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되는 것일 수 있다.
<화학식 2>
4OH- + 2H2 → 4e- + 4H2O
이때, 상기 산화반응은 상온에서 환원 포텐셜값이 0.83 V일 수 있다.
상기 화학식 2에서 생성된 전자는 도선(400)을 통하여 상기 애노드(110)로 전달되는 것일 수 있으며, 따라서 상기 화학식 1의 반응이 다시 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산용액 및 염기용액 중 적어도 어느 하나는 폐산용액 또는 폐염기용액인 것일 수 있다. 상기 폐산용액 또는 폐염기용액은 산업적으로 방출될 수 있는 통상의 폐산용액 또는 폐염기용액일 수 있으며, 상기 연료전지 시스템(101)은 폐산용액 또는 폐염기용액을 통하여 연료전지를 구동시키기 때문에 경제적 비용이 크게 절감되는 것일 수 있다. 또한, 산업상 폐산용액 및 폐염기용액 중 어느 하나만 배출되는 것이 통상적인 바, 폐산용액을 배출하는 산업일 경우 염기용액은 따로 구입하여 공급하는 것일 수 있으며, 이와 반대일 경우에는 산용액을 따로 구입하여 공급하는 것일 수 있다. 다만, 폐산용액 및 폐염기용액 모두를 배출하는 산업일 경우 상기 배출된 폐산용액 및 폐염기용액을 모두 공급하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)는 애노드(110) 및 캐소드(120) 촉매로 사용될 수 있는 전극 또는 금속 촉매를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120) 전극은 은(Ag), 은 합금, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금 (M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 은(Ag), 은 합금, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 또한, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120) 전극의 금속 촉매로는 담체에 지지된 것으로서, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등을 담체로 하여 금속을 담지한 촉매를 사용할 수 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)는 다공성 구조인 것일 수 있다. 따라서, 상기 캐소드(120)에서 생성된 수소기체가 캐소드(120)로부터 탈착되어 상기 수소이동관(300)으로 전달될 수 있는 것일 수 있다. 또한, 상기 전달된 수소기체가 상기 수소이동관(300)을 통하여 애노드(110)로 전달되어 수산화이온과 반응하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드(120) 및 애노드(110)의 크기는 제한이 없으며, 상기 양이온교환막 및 음이온교환막의 크기는 상기 캐소드(120) 및 애노드(110)의 크기와 동일한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위셀(220) 내의 인접하는 양이온교환막 및 음이온교환막 간의 간격은 100 μm 내지 300 μm일 수 있으며, 바람직하게 150 μm 내지 200 μm인 것일 수 있다. 상기 간격이 100 μm 미만일 경우 간격이 매우 협소하여 압력손실이 많이 발생하기 때문에 산용액, 물 및 염기용액의 배출이 원활하지 않을 수 있으며, 300 μm 초과일 경우 상기 양이온교환막 및 음이온교환막 간의 간격이 너무 넓어 발생한 이온이 양쪽의 이온교환막으로 이동하는 거리가 멀어지기 때문에 이온이 이동하기 위한 저항의 크기가 커질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 상기 단위셀(220)을 15 개 이상 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게 100 개 이상 포함하는 것일 수 있다. 상기 연료전지 시스템(101)에서 상기 단위셀(220)을 많이 포함할수록 애노드(110) 및 캐소드(120) 간의 포센셜 값의 차이가 증가할 수 있으며, 애노드(110) 및 캐소드(120) 간의 포텐셜 값의 차이가 약 20 V일 때 연료전지가 경제적으로 상용화될 수 있는 의미가 있을 수 있다. 다만, 상기 단위셀(220)을 150 개 초과로 포함할 경우 상기 연료전지 시스템(101)의 부피가 불필요하게 커져 오히려 경제적이지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)는 각각 외측면이 집전판(800)과 접해있는 것일 수 있다. 상기 집전판(800)의 재질은 크게 제한이 없으며, 상기 애노드(110) 및 캐소드(120) 각각의 외측면에 접함으로써 발생하는 수소기체 또는 물이 상기 연료전지 시스템(101) 외부로 방출되는 것을 방지하는 것일 수 있다. 따라서, 상기 집전판(800)의 크기는 상기 애노드(110) 및 캐소드(120)와 동일한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 상기 산용액 이동부(270), 염기용액 이동부(290) 및 단위셀(220)과 단위셀(220) 사이의 물 이동부(295)에서 배출되는 용액을 배출하는 제1 배출부(650) 및 상기 단위셀(220) 내의 물 이동부(280)에서 배출되는 용액을 배출하는 제2 배출부(700)를 더 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 배출부(650)에서 물이 배출되고, 상기 제2 배출부(700)에서 염이 배출되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 산용액 이동부(270)에 공급되는 산용액은 수소 양이온이 양이온교환막을 통하여 이동되며, 음이온 또한 음이온교환막을 통하여 이동되어 배출 시 물만 배출되는 것일 수 있으며, 동일한 이유로 염기용액 이동부(600)에 공급되는 염기용액은 양이온이 양이온교환막을 통하여 이동되며, 수산화이온이 음이온교환막을 통하여 이동되어 배출 시 물만 배출되는 것일 수 있다. 또한, 상기 단위셀 간 물 이동부(295)에는 물 공급부(550)를 통하여 물이 공급되며, 일측면에 음이온교환막을 통하여 접한 염기용액 이동부(290)에서 상기 음이온교환막을 통하여 수산화이온이 전달되고, 타측면에 양이온교환막을 통하여 접한 산용액 이동부(270)에서 상기 양이온교환막을 통하여 수소이온이 전달되어 물이 생성되어 배출 시 물만 배출되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 산용액 이동부(270), 염기용액 이동부(290) 및 단위셀 간 물 이동부(295)에서 배출되는 용액은 물일 수 있으며, 이는 상기 제1 배출부(650)를 통하여 동일한 곳으로 배출되는 것일 수 있다. 반면, 상기 단위셀 내 물 이동부(280)에는 상기 물 공급부(550)를 통하여 물이 공급되나, 일측면에 음이온교환막을 통하여 접한 산용액 이동부(270)에서 음이온이 전달되고, 타측면에 양이온교환막을 통하여 접한 염기용액 이동부(290)에서 양이온이 전달되어 상기 음이온 및 양이온이 염을 형성하기 때문에 배출되는 용액은 염일 수 있으며, 상기 염은 상기 제2 배출부(700)를 통하여 동일한 곳으로 배출되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 각각의 상기 산용액 공급부(500), 물 공급부(550) 및 염기용액 공급부(600)에서 산용액 이동부(270), 물 이동부(280, 295) 및 염기용액 이동부(290)로 연결되는 배관에는 펌프 및 밸브가 설치되어 있는 것일 수 있다. 상기 펌프 및 밸브를 설치함으로써 공급되는 산용액, 물 및 염기용액의 유량 또는 유속을 적절하게 조절하여 상기 연료전지 시스템(101)을 원활히 작동시킬 수 있는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산용액은 H+ 양이온 및 F-, Cl-, Br-, I-, SO4 2-, NO3 -, ClO4 - 중 어느 하나의 음이온을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 염기용액은 Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+ 중 어느 하나의 양이온 및 OH-의 음이온을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 바람직하게 상기 산용액은 염산(hydrochloric acid, HCl)을 포함하고, 염기용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH)을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 염산의 클로라이드 이온이 상기 음이온교환막을 통하여 상기 산용액 이동부(270)와 접해있는 물 이동부(280)로 이동하며, 상기 수산화나트륨의 소듐 이온이 상기 양이온교환막을 통하여 상기 염기용액 이동부(290)와 접해있는 물 이동부(280)로 이동하여 상기 산용액 이동부(270) 및 염기용액 이동부(290)와 접해있는 물 이동부(280)에서 소듐 클로라이드(sodium chloride, NaCl)가 형성되는 것일 수 있다. 한편, 상기 연료전지 시스템(101)은 상기 형성된 소듐 클로라이드를 저장하는 소듐 클로라이드 탱크를 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 소듐 클로라이드 탱크는 상기 제2 배출부인 것일 수 있다. 상기 형성된 소듐 클로라이드는 양이온교환막 및 음이온교환막을 통하여 전달된 소듐 이온 및 클로라이드 이온으로 형성된 것이므로, 불순물을 거의 포함하지 않는 고순도 소듐 클로라이드인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 운전 시작 시에 애노드(110)에 수소기체를 외부에서 공급하여 주는 것일 수 있다. 이는 운전 시작 시 애노드(110)에 수소기체가 공급되어야 애노드(110)에 접해있는 염기용액 이동부(290)로부터 음이온교환막을 통하여 전달된 수산화이온이 반응하여 전자가 생성되며, 상기 전자가 캐소드(120)로 전달되어야 상기 연료전지 시스템(101)이 운전될 수 있기 때문일 수 있다. 다만, 상기 연료전지 시스템(101)의 운전이 시작되면 상기 캐소드(120)에서 수소기체가 생성되어 상기 생성된 수소기체가 상기 애노드(110)로 수소이동관(300)을 통하여 전달될 수 있기 때문에 외부에서 공급되는 수소기체는 그 공급을 정지시키는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)은 도선(400)에 커패시터, 축전기, 이차전지 또는 흐름전지 등의 에너지 저장 장치(미도시)를 연결함으로써 운전 시 발생되는 전기 에너지를 수집하는 것일 수 있다. 따라서, 상기 수집된 전기 에너지를 기타 산업에 전력원으로서 사용하는 것일 수 있다. 즉, 상기 연료전지 시스템(101)은 산용액 및 염기용액을 공급하여 줌으로써 애노드(110)에서 발생하는 전자가 상기 도선(400)을 통하여 캐소드(120)로 전달되는 것이며, 이때 상기 도선(400)에 커패시터 또는 축전기를 연결하여 발생된 전기 에너지를 재활용하는 것일 수 있다.
본원의 제 2 측면은,
복수 개의 상기 제 1 측면의 연료전지 시스템(101)이 직렬 또는 병렬로 연결된 것인, 연료전지 스택을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제 2 측면에 따른 상기 연료전지 스택을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 상기 연료전지 시스템(101)이 직렬로 연결된 연료전지 스택을 나타내는 개략도이고, 도 3은 상기 연료전지 시스템(101)이 병렬로 연결된 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 2에 따라 상기 연료전지 시스템(101)은 직렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 수 있다. 이때, 상기 연료전지 시스템(101) 간의 연결은 도선(400)으로 연결된 것일 수 있으며, 이 경우 본원의 제 1 측면에 따른 상기 연료전지 시스템(101)에 있어서, 애노드(110) 및 캐소드(120)를 연결하는 도선(400)이 단일 연료전지 시스템(101) 내에서 연결된 구조가 아닌 이웃하는 연료전지 시스템(101) 간에 연결된 형태일 수 있다. 즉, 본원의 제 1 측면의 연료전지 시스템(101)의 개략도를 나타낸 도 1에서 수소이동관(300)을 포함한 모든 구성이 도 2에 나타낸 연료전지 시스템(101) 각각의 구성과 같은 것이나, 도선(400)만은 이웃하는 연료전지 시스템(101)과 연결된 형태이며, 직렬로 연결된 연료전지 스택 양 끝단의 연료전지 시스템(101) 또한 상기 도선(400)으로 연결되어 있는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)이 직렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 경우, 캐소드(120)에서 수소 이온이 전자와 반응하여 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되고, 상기 생성된 수소기체가 수소이동관(300)을 통하여 애노드(110)로 전달되며, 상기 애노드(110)로 전달된 수소기체가 수산화이온과 반응하여 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되고, 상기 생성된 전자가 도선(400)을 통하여 이웃하는 연료전지 시스템(101)의 캐소드(120)로 전달되는 것일 수 있다. 상기와 같은 원리로 직렬로 연결된 각각의 연료전지 시스템(101)이 작동하는 것일 수 있으며, 이때 일측 끝단에 위치한 연료전지 시스템(101)의 애노드에서 발생한 전자는 타측 끝단에 위치한 연료전지 시스템(101)의 캐소드로 전달되어 상기 연료전지 스택이 전체적으로 작동하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)이 직렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 경우 각각의 연료전지 시스템(101)에서 발생되는 전기 에너지를 수집하여 기타 산업의 전력원 등으로 사용하는 것일 수 있으며, 구체적으로 연료전지 스택 전체의 전류는 일정하나 전압이 증가하기 때문에 전력을 증가시킬 수 있는 것일 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(101) 10 개를 직렬로 연결한 연료전지 스택의 경우, 각각의 연료전지 시스템(101)에서 0.83 V의 전위차가 발생한다고 가정하면 상기 연료전지 스택 전체에서는 8.3 V의 전위차가 발생할 수 있는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 3에 따라 상기 연료전지 시스템(101)은 병렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 수 있다. 이때, 상기 연료전지 시스템(101) 간의 연결은 도선(400)으로 연결된 것일 수 있으며, 이 경우 본원의 제 1 측면에 따른 상기 연료전지 시스템(101)에 있어서, 애노드(110) 및 캐소드(120)를 연결하는 도선(400)이 단일 연료전지 시스템(101) 내에서 연결된 구조가 아닌 모든 연료전지 시스템(101) 간에 연결된 형태일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)이 병렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 경우, 캐소드(120)에서 수소 이온이 전자와 반응하여 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되고, 상기 생성된 수소기체가 수소이동관(300)을 통하여 애노드(110)로 전달되며, 상기 애노드(110)로 전달된 수소기체가 수산화이온과 반응하여 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되고, 상기 생성된 전자가 도선(400)을 통하여 모든 연료전지 시스템(101)의 캐소드(120)로 전달되는 것일 수 있따. 상기와 같은 원리로 병렬로 연결된 각각의 연료전지 시스템(101)이 작동하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 연료전지 시스템(101)이 병렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성할 경우 각각의 연료전지 시스템(101)에서 발생되는 전기 에너지를 수집하여 기타 산업의 전력원 등으로 사용하는 것일 수 있으며, 구체적으로 연료전지 스택 전체의 전압은 일정하나 전류가 증가하기 때문에 전력을 증가시킬 수 있는 것일 수 있다.
101: 연료전지 시스템
110: 애노드
120: 캐소드
200: 전해질부
220: 단위셀
230: 제1 양이온교환막
240: 제1 음이온교환막
250: 제2 양이온교환막
260: 제2 음이온교환막
270: 산용액 이동부
280: 단위셀 내 물 이동부
290: 염기용액 이동부
295: 단위셀 간 물 이동부
300: 수소이동관
400: 도선
500: 산용액 공급부
550: 물 공급부
600: 염기용액 공급부
650: 제1 배출부
700: 제2 배출부
800: 집전판

Claims (12)

  1. 애노드;
    캐소드;
    상기 애노드 및 캐소드 사이에 개재된 전해질부;
    상기 애노드 및 캐소드를 연결하는 수소이동관과 도선; 및
    상기 전해질부에 산용액, 물 및 염기용액을 각각 공급하는 산용액 공급부, 물 공급부 및 염기용액 공급부;
    를 포함하고,
    상기 전해질부는 복수의 이온 교환막을 포함하는 15개 이상의 단위셀 및 상기 단위셀과 단위셀 사이의 물 이동부를 포함하고,
    상기 단위셀은 제1 양이온교환막, 제1 음이온교환막, 제2 양이온교환막 및 제2 음이온교환막이 순차적으로 배치되고, 상기 제1 양이온교환막과 제1 음이온교환막 사이에 산용액 이동부, 상기 제1 음이온교환막과 제2 양이온교환막 사이에 물 이동부 및 상기 제2 양이온교환막과 제2 음이온교환막 사이에 염기용액 이동부를 포함하고,
    상기 캐소드는 인접한 단위셀의 산용액 이동부와 양이온교환막으로 접해있고, 상기 애노드는 인접한 단위셀의 염기용액 이동부와 음이온교환막으로 접해있으며,
    상기 산용액 공급부 및 염기용액 공급부는 상기 단위셀 내의 산용액 이동부 및 염기용액 이동부에 각각 산용액 및 염기용액을 공급하고, 상기 물 공급부는 상기 단위셀 내의 물 이동부 및 상기 단위셀 사이의 물 이동부에 물을 공급하는 것인 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드에서 수소 이온이 전자와 반응하여 환원반응을 통하여 수소기체가 생성되고,
    상기 생성된 수소기체가 상기 수소이동관을 통하여 애노드로 전달되며,
    상기 애노드로 전달된 수소기체가 수산화이온과 반응하여 산화반응을 통하여 물 및 전자가 생성되고,
    상기 생성된 전자가 상기 도선을 통하여 상기 캐소드로 전달되는 것인, 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산용액 및 염기용액 중 적어도 어느 하나는 폐산용액 또는 폐염기용액인 것인, 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 및 캐소드는 다공성 구조인 것인, 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀 내의 인접하는 양이온교환막 및 음이온교환막 간의 간격은 100 μm 내지 300 μm인 것인, 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 및 캐소드는 각각 외측면이 집전판과 접해있는 것인, 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 산용액 이동부, 염기용액 이동부 및 단위셀과 단위셀 사이의 물 이동부에서 배출되는 용액을 배출하는 제1 배출부 및 상기 단위셀 내의 물 이동부에서 배출되는 용액을 배출하는 제2 배출부를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 배출부에서 물이 배출되고, 상기 제2 배출부에서 염이 배출되는 것인, 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산용액은 염산(hydrochloric acid, HCl)을 포함하고, 염기용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH)을 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 염산의 클로라이드 이온이 상기 음이온교환막을 통하여 상기 산용액 이동부와 접해있는 물 이동부로 이동하며, 상기 수산화나트륨의 소듐 이온이 상기 양이온교환막을 통하여 상기 염기용액 이동부와 접해있는 물 이동부로 이동하여 상기 산용액 이동부 및 염기용액 이동부와 접해있는 물 이동부에서 소듐 클로라이드(sodium chloride, NaCl)가 형성되는 것인, 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 형성된 소듐 클로라이드를 저장하는 소듐 클로라이드 탱크를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  12. 복수 개의 상기 제1항의 연료전지 시스템이 직렬 또는 병렬로 연결된 것인, 연료전지 스택.
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KR970005464A (ko) * 1995-07-21 1997-02-19 나가이 유즈루 금속섬유 소결 다공체의 연속 제조 방법 및 장치.
WO2008044499A1 (fr) * 2006-10-06 2008-04-17 Yukinobu Mori Dispositif de génération d'hydrogène

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