KR100964862B1 - 전극 카트리지, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

전극 카트리지, 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템이 개시된다. 전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극, 산화 전극에서 전자를 받아 전해질 수용액으로부터 수소를 발생시키는 환원 전극, 수소를 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막(liquid-gas separation membrane), 및 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 기액 분리막을 지지하는 지지체를 포함하는 전극 카트리지(electrode cartridge)는, 수소 발생 시, 전해질 수용액이 수소에 동반되어 역류하는 현상이 방지될 수 있고, 이동 시, 전해질 수용액이 유동되어 외부로 누출되는 현상이 방지될 수 있어, 결과적으로, 수소 발생 및 전기 에너지 발생 효율이 향상될 수 있다.
연료 전지(fuel cell), 수소 발생, 카트리지(cartridge)

Description

전극 카트리지, 이를 구비한 수소 발생 장치 및 연료 전지 발전 시스템{Electrode cartridge, apparatus for generating hydrogen and fuel cell power generation system having the same}
본 발명은 전극 카트리지, 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지란 연료(수소, LNG, LPG, 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전 기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
연료 전지 중에서 소형 휴대용 전자기기에 적용하기 위해서 연구 중인 연료 전지는 수소를 연료로 이용하는 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)와 같이 액체 연료를 직접 연료로 이용하는 직접 액체 연료 전지가 있다. 이 중, 수소를 연료로 이용하는 고분자 전해질 연료 전지는 출력 밀도가 높으나, 수소 를 공급하기 위한 장치가 별도로 필요하게 된다.
고분자형 전해질 연료 전지의 연료로서의 수소를 발생시키기 위한 방법은 알루미늄의 산화 반응, 금속 보로하이드라드계의 가수 분해 및 금속 전극체 반응으로 나뉘어 질 수 있으며, 그 중 수소의 발생을 효율적으로 조절 가능한 방법으로 금속 전극체를 이용한 방법이 있다. 이는 주로 마그네슘의 전극이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 도선을 통하여 다른 금속체에 연결하여 물의 분해 반응으로 수소를 발생시키는 방법으로서, 연결된 도선의 단락, 사용되는 전극체 간의 간격 및 사이즈와 관계되어 수소의 발생을 조절 할 수 있다.
그러나, 이러한 수소 발생 방법에 의하는 경우, 수소 발생 시, 전해질 수용액이 연료 전지 스택(stack)으로 역류할 수 있고, 전해조가 전복되어 전해질 수용액이 외부로 누출될 우려가 있어 문제가 되어 왔다.
본 발명은, 수소 발생 시 전해질 수용액의 역류 현상 및 이동 시 전해질 수용액의 누출 현상이 방지될 수 있는 전극 카트리지, 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극, 산화 전극에서 전자를 받아 전해질 수용액으로부터 수소를 발생시키는 환원 전극, 수소를 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 산화 전극 및 환 원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막(liquid-gas separation membrane), 및 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 기액 분리막을 지지하는 지지체를 포함하는 전극 카트리지(electrode cartridge)가 제공된다.
기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 기액 분리막을 지지하는 프레임(frame)을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은, 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어질 수 있다.
지지체는 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재일 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 수소에 동반된 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며, 흡습층은 기액 분리막 사이에 개재될 수 있다.
기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
기액 분리막은, 불소 수지(PTFE, poly tetra fluoro ethylene)를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극 및 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소 배출구가 형성되는 하우징(housing), 수소를 발생시키며, 수소가 수소 배출구를 통해 배출되도록 하우징의 내부에 삽입되는 전극 카트리지, 및 하우징이 밀폐되도록 하우징에 결합되는 커버(cover)를 포함하되, 전극 카트리지는, 전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극, 산화 전극에서 전자를 받아 전해질 수용액으로부터 수소를 발생시키는 환원 전극, 수소를 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막, 및 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 기액 분리막을 지지하는 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치가 제공된다.
기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 기액 분리막을 지지하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은, 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어질 수 있다.
지지체는 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재일 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 수소에 동반된 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며, 흡습층은 기액 분리막 사이에 개재될 수 있다.
기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
기액 분리막은, 불소 수지를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극 및 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함할 수 있다.
접속 단자와 전기적으로 연결되어, 산화 전극 및 환원 전극의 통전을 제어하는 컨트롤 유닛(control unit)을 더 포함할 수 있다.
수소의 누출을 방지하도록 하우징과 커버 사이에 개재되는 실링재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수소 배출구가 형성되는 하우징, 수소를 발생시키며, 수소가 수소 배출구로 배출되도록 하우징의 내부에 삽입되는 전극 카트리지, 하우징이 밀폐되도록 하우징에 결합되는 커버, 및 전극 카트리지에서 발생된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(fuel cell)를 포함하되, 전극 카트리지는, 전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극, 산화 전극에서 전자를 받아 전해질 수용액으로부터 수소를 발생시키는 환원 전극, 수소를 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막, 및 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 기액 분리막을 지지하는 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템이 제공된다.
기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 기액 분리막을 지지하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은, 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어질 수 있다.
지지체는 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재일 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 수소에 동반된 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함할 수 있다.
기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며, 흡습층은 기액 분리막 사이에 개재될 수 있다.
기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
기액 분리막은, 불소 수지를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
산화 전극 및 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 산화 전극 및 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함할 수 있다.
접속 단자와 전기적으로 연결되어, 산화 전극 및 환원 전극의 통전을 제어하는 컨트롤 유닛(control unit)을 더 포함할 수 있다.
수소의 누출을 방지하도록 하우징과 커버 사이에 개재되는 실링재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 카트리지, 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템은, 수소 발생 시, 전해질 수용액이 수소에 동반되어 역류하는 현상이 방지될 수 있고, 이동 시, 전해질 수용액이 유동되어 외부로 누출되는 현상이 방지될 수 있어, 결과적으로, 수소 발생 및 전기 에너지 발생 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 카트리지, 수소 발생 장치 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전극 카트리지 일 실시예의 수소 발생 원리를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 전극 카트리지의 일 실시예를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2의 A 부분을 나타낸 부분 절개도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전극 카트리지(electrode cartridge, 100), 전해질 수용액(105), 산화 전극(110), 환원 전극(115), 기액 분리막(liquid-gas separation membrane, 120), 단위 기액 분리막(122, 124, 126), 흡습층(130), 지지체(140), 프레임(frame, 150), 접속 단자(155)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 기액 분리막(120)이 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 감싸도록 배치됨으로써, 수소 발생 시, 전해질 수용액(105)이 수소에 동반되어 역류하는 현상이 방지될 수 있고, 이동 시, 전해질 수용액(105)이 유동되어 외부로 누출되는 현상이 방지될 수 있어, 결과적으로, 수소 발생 효율이 향상될 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
또한, 기액 분리막(120)의 팽창이 방지되도록 지지하는 지지체(140)가 구비됨으로써, 수소 발생에 따라 기액 분리막(120)의 내부 압력이 상승하더라도 폭발 등의 우려 없이 안전하게 사용할 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
또한, 지지체(140)로서 관통홀이 형성된 판재를 이용함으로써, 기액 분리막(120)의 팽창을 효과적으로 방지할 수 있음과 동시에, 수소가 용이하게 통과할 수 있어 수소 발생 효율이 향상될 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 또한, 프레임(150)은 기액 분리막(120)이 일정한 형태를 유지하게 하여 기액 분리막(120)으로 둘러싸인 공간의 부피가 감소되지 않도록 함으로써, 기액 분리막(120)의 내부 공간이 유지되도록 하고, 이로써, 기액 분리막(120) 내부에 위치한 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 외부 자극으로부터 보호할 수 있고, 기액 분리막(120) 내부에 전해질 수용액(105)을 보다 용이하게 주입할 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
또한, 기액 분리막(120)이 복수의 단위 기액 분리막(122, 124, 126)으로 구성되고 프레임에 각각 지지됨으로써, 보다 용이한 제조 공정을 통해 구현될 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
또한, 흡습층(130)을 기액 분리막(120) 사이에 개재시킴으로써, 수소에 동반된 잔여 전해질 수용액(105)을 제거할 수 있어, 발생되는 수소의 습도를 더욱 낮출 수 있는 전극 카트리지(100)가 제시된다.
먼저, 도 1을 참조하여, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)에서 일어나는 반응에 대하여 설명하도록 한다.
산화 전극(110)은, 활성 전극으로, 전해질 수용액(105) 내에서 전자를 발생 시킬 수 있다. 산화 전극(110)은, 예를 들어, 마그네슘(Mg)으로 이루어질 수 있으며, 이 산화 전극(110)과 수소의 이온화 경향의 차이 때문에 산화 전극(110)이 전해질 수용액(105) 속에서 전자를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화될 수 있다.
이 때 생성되는 전자는 산화 전극(110)과 전기적으로 연결된 환원 전극(115)으로 이동될 수 있다. 따라서, 산화 전극(110)은 전자를 생성함에 따라서 소모된다. 또한, 산화 전극(110)은 후술할 환원 전극(115)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
환원 전극(115)은, 비활성 전극으로 산화 전극(110)과 달리 소모되지 않기 때문에 산화 전극(110)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다. 환원 전극(115)은, 전해질 수용액(105) 내에 위치하여 산화 전극(110)에서 발생된 전자를 받아 전해질 수용액(105)으로부터 수소를 발생시킬 수 있다. 환원 전극(115)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 이루어질 수 있으며, 전자와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 즉, 환원 전극(115)에서의 화학 반응을 살펴보면, 환원 전극(115)에서는 전해질 수용액(105)이 산화 전극(110)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다. 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)에서의 화학 반응은 다음의 화학식 1과 같다.
산화 전극(110): Mg → Mg2 + + 2e-
환원 전극(115): 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
한편, 전해질 수용액(105)은 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl, 또는 이들의 조합 등이 사용될 수 있으며, 전해질 수용액(105)은 수소 이온을 포함할 수 있다.
기액 분리막(120)은, 환원 전극(115)에서 발생된 수소를 전해질 수용액(105)과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 감싸도록 배치될 수 있다.
즉, 기액 분리막(120)은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질, 즉, 불소 수지(PTFE, poly tetra fluoro ethylene)로 이루어질 수 있고, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 감싸도록 배치될 수 있으므로, 기액 분리막(120)의 내부에 전해질 수용액(105)이 주입되어 수소가 발생되면, 기액 분리막(120)에 의해 전해질 수용액(105)과 분리된 수소는, 기액 분리막(120)의 전 면을 통하여 외부로 방출할 수 있다.
이에 따라, 수소 발생 시, 전해질 수용액(105)이 수소에 동반되어 역류하는 현상이 방지될 수 있고, 이동 시, 전해질 수용액(105)이 유동되어 외부로 누출되는 현상이 방지될 수 있어, 결과적으로, 수소 발생 장치의 수소 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 흡습층(130)은, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 감싸도록 배치되어, 수소에 동반된 전해질 수용액(105)을 흡수할 수 있다. 즉, 기액 분리막(120)은 서로 이격되도록 복수로 배치될 수 있고, 이들 이격된 공간에 흡습층(130)이 개재될 수 있으므로, 기액 분리막(120)에서 전해질 수용액(105)과 분리되어 방출되는 수소에 남아 있을 수 있는 잔여 전해질 수용액(105)을 흡수함으로써, 수소의 습도를 더욱 낮출 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 프레임(150)은, 기액 분리막(120)의 내부에 공간이 유지되도록 기액 분리막(120)을 지지할 수 있다. 즉, 기액 분리막(120)으로 둘러싸인 공간의 부피가 감소되지 않도록 기액 분리막(120)이 일정한 형태를 유지하게 할 수 있으므로, 기액 분리막(120) 내부에 위치한 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 외부 자극으로부터 보호할 수 있고, 기액 분리막(120) 내부에 전해질 수용액(105)을 보다 용이하게 주입할 수 있다.
이 경우, 기액 분리막(120)은, 프레임(150)에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막(122, 124, 126)으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 각 단위 기액 분리막(122, 124, 126)을 프레임(150)에 각각 본딩함으로써, 간단히 각 단위 기액 분리막(122, 124, 126)이 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 감싸게 할 수 있으므로, 보다 용이하고 효율적으로 전극 카트리지(100)를 제조할 수 있다.
지지체(140)는, 기액 분리막(120)의 팽창을 방지하도록 기액 분리막(120)을 지지할 수 있다. 즉, 지지체(140)는 기액 분리막(120)의 외부를 커버하여 수소 발생에 의해 기액 분리막(120)이 팽창되는 것을 방지할 수 있으므로, 수소 발생에 따 라 기액 분리막(120)의 내부 압력이 상승하더라도 폭발 등의 우려 없이 안전하게 사용할 수 있고, 프레임(150)에 의해 한정되는 부피 이상으로 부피가 증가하지 않아 외부 장치에도 영향을 미치지 않을 수 있다.
이 때, 지지체(140)는 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재일 수 있다. 지지체(140)로서 관통홀이 형성된 판재를 이용함으로써, 기액 분리막(120)을 전면을 균일하게 지지할 수 있어 기액 분리막(120)의 팽창을 효과적으로 방지할 수 있음과 동시에, 관통홀에 의해 수소가 용이하게 통과할 수 있어, 전극 카트리지(100)의 안정성과 효율성을 동시에 향상시킬 수 있다.
접속 단자(155)는, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)과 전기적으로 연결되어, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)을 외부 장치와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 즉, 접속 단자(155)는, 산화 전극(110) 및 환원 전극(115)과 전기적으로 연결되고, 프레임(150)을 관통하며 돌출될 수 있어, 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
접속 단자(155)와 전기적으로 연결되는 외부 장치에 의하여 산화 전극(110)과 환원 전극(115) 간의 통전이 조절될 수 있고, 이에 따라, 환원 전극(115)에서 수소가 발생되는 시간 및 양이 조절될 수 있다.
여기서, 외부 장치는, 수소 발생 장치의 일부일 수 있으며, 이에 대하여는 이하, 수소 발생 장치를 설명하는 일 실시예에서 후술하도록 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예에 대하 여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다. 도 4를 참조하면, 수소 발생 장치(200), 전극 카트리지(260), 하우징(housing, 270), 수소 배출구(272), 커버(cover, 275), 컨트롤 유닛(control unit, 280), 실링재(285)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 기액 분리막(도 2의 120)이 산화 전극(도 1의 110) 및 환원 전극(도 1의 115)을 감싸도록 배치되고 기액 분리막(도 2의 120)의 팽창이 방지되도록 지지하는 지지체(도 2의 140)가 구비됨으로써, 수소 발생의 효율성 및 안정성이 향상될 수 있고, 전극 카트리지(260)를 간편하게 교환할 수 있어, 보다 용이하고 효과적으로 수소 배출구(272)를 통해 수소를 일방향으로 배출시켜 이용할 수 있는 수소 발생 장치(200)가 제시된다.
본 실시예의 경우, 전극 카트리지(260)에 대한 구성 및 작용은 전술한 실시예와 동일 또는 상응하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하고, 이하, 전술한 실시예와의 차이점인 하우징(270), 수소 배출구(272), 커버(275), 컨트롤 유닛(280), 실링재(285)에 대하여 설명하도록 한다.
하우징(270)은, 내부에 수소를 발생시키는 전극 카트리지(260)가 삽입될 수 있고 상부에 수소 배출구(272)가 형성될 수 있으므로, 전극 카트리지(260)에서 발생된 수소는 하우징(270)의 수소 배출구(272)를 통해 일 방향으로 배출되어 연료 전지 등의 외부 장치에 공급될 수 있다.
이 때, 전극 카트리지(260)가 삽입된 후, 하우징(270)의 내부를 커버하도록 커버(275)가 결합되어 하우징(270)을 밀폐시킬 수 있으며, 이 커버(275)와 하우징(270) 사이에는 실링재(285)가 개재될 수 있어, 전극 카트리지(260)에서 발생된 수소의 누출을 방지할 수 있다.
컨트롤 유닛(280)은, 접속 단자(도 2의 155)와 전기적으로 연결되어, 산화 전극(도 1의 110) 및 환원 전극(도 1의 115)의 통전을 제어할 수 있다. 즉, 컨트롤 유닛(280)은 전극 카트리지(260)의 접속 단자(도 2의 155)와 전기적으로 연결되도록 하우징(270)의 하부에 결합될 수 있으며, 이에 따라, 접속 단자(도 2의 155)와 전기적으로 연결되는 산화 전극(도 1의 110) 및 환원 전극(도 1의 115)은, 컨트롤 유닛(280)에 의하여 통전이 제어됨으로써, 환원 전극(도 1의 115)에서 수소가 발생되는 시간 및 양이 조절될 수 있다.
다시 말해, 컨트롤 유닛(280)은 연료 전지 등의 외부 장치에 요구되는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 산화 전극(도 1의 110)에서 환원 전극(도 1의 115)으로 흐르는 전자의 양을 증가시킬 수 있고, 그 요구되는 값이 작으면 산화 전극(도 1의 110)에서 환원 전극(도 1의 115)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 컨트롤 유닛(280)은 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 산화 전극(도 1의 110)과 환원 전극(도 1의 115) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절하거나, 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 산화 전극(도 1의 110)과 환원 전극(도 1의 115) 사이에 흐르는 전자의 양을 조절할 수 있다.
한편, 하우징(270)과 컨트롤 유닛(280) 사이에 실링재(287)가 개재될 수 있으며, 이에 따라, 전극 카트리지(260)에서 발생된 수소가 외부로 누출되지 않고 연료 전지 등의 외부 장치로 공급될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 5를 참조하면, 연료 전지 발전 시스템(300), 수소 발생 장치(390), 연료 전지(fuel cell, 395) 가 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 기액 분리막(도 2의 120)이 산화 전극(도 1의 110) 및 환원 전극(도 1의 115)을 감싸도록 배치되고 기액 분리막(도 2의 120)의 팽창이 방지되도록 지지하는 지지체(도 2의 140)가 구비됨으로써, 수소 발생의 효율성 및 안정성이 향상될 수 있고, 전극 카트리지를 간편하게 교환할 수 있어, 결과적으로 보다 효과적으로 전기 에너지를 생산할 수 있는 연료 전지 발전 시스템(300)이 제시된다.
본 실시예의 경우, 수소 발생 장치(390)에 대한 구성 및 작용은 전술한 실시예와 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이하, 전술한 일 실시예와 차이점인 연료 전지(395)에 대하여 설명하도록 한다.
연료 전지(395)는, 전극 카트리지(도 2의 100)에서 발생된 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 수소 발생 장치(390)의 전극 카트리 지(도 2의 100)에서 발생된 저습도의 수소는 연료 전지(395)의 연료극으로 이동될 수 있고, 이에 따라, 수소 발생 장치(390)에서 생성된 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전류를 생산할 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전극 카트리지 일 실시예의 수소 발생 원리를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 전극 카트리지의 일 실시예를 나타낸 사시도.
도 3은 도 2의 A 부분을 나타낸 부분 절개도.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 발전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 전극 카트리지(electrode cartridge)
120: 기액 분리막(liquid-gas separation membrane)
122, 124, 126: 단위 기액 분리막 105: 전해질 수용액
110: 산화 전극 115: 환원 전극
130: 흡습층 140: 지지체
150: 프레임(frame) 155: 접속 단자

Claims (31)

  1. 전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 상기 전해질 수용액으로부터 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 수소를 상기 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막(liquid-gas separation membrane); 및
    상기 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 상기 기액 분리막을 지지하며, 상기 수소가 관통하도록 관통홀이 형성된 판재인 지지체를 포함하는 전극 카트리지(electrode cartridge)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리막이 일정한 형태를 유지하여 상기 기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 상기 기액 분리막을 지지하는 프레임(frame)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 카트리지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 상기 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 카트리지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 상기 수소에 동반된 상기 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함하는 전극 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며,
    상기 흡습층은 상기 기액 분리막 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 전극 카트리지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 카트리지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 불소 수지(PTFE, poly tetra fluoro ethylene)를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 전극 카트리지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함하는 전극 카트리지.
  10. 수소 배출구가 형성되는 하우징(housing);
    수소를 발생시키며, 상기 수소가 상기 수소 배출구를 통해 배출되도록 상기 하우징의 내부에 삽입되는 전극 카트리지; 및
    상기 하우징이 밀폐되도록 상기 하우징에 결합되는 커버(cover)를 포함하되,
    상기 전극 카트리지는,
    전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 상기 전해질 수용액으로부터 상기 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 수소를 상기 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막; 및
    상기 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 상기 기액 분리막을 지지하며, 상기 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재인 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기액 분리막이 일정한 형태를 유지하여 상기 기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 상기 기액 분리막을 지지하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 상기 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 상기 수소에 동반된 상기 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함하는 수소 발생 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며,
    상기 흡습층은 상기 기액 분리막 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 불소 수지를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 수소 발생 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 접속 단자와 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극의 통전을 제어하는 컨트롤 유닛(control unit)을 더 포함하는 수소 발생 장치.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 수소의 누출을 방지하도록 상기 하우징과 상기 커버 사이에 개재되는 실링재를 더 포함하는 수소 발생 장치.
  21. 수소 배출구가 형성되는 하우징;
    수소를 발생시키며, 상기 수소가 상기 수소 배출구로 배출되도록 상기 하우징의 내부에 삽입되는 전극 카트리지;
    상기 하우징이 밀폐되도록 상기 하우징에 결합되는 커버; 및
    상기 전극 카트리지에서 발생된 상기 수소의 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(fuel cell)를 포함하되,
    상기 전극 카트리지는,
    전해질 수용액 내에서 전자를 발생시키는 산화 전극;
    상기 산화 전극에서 상기 전자를 받아 상기 전해질 수용액으로부터 상기 수소를 발생시키는 환원 전극;
    상기 수소를 상기 전해질 수용액과 분리하여 외부로 방출시키기 위해, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되는 기액 분리막; 및
    상기 기액 분리막의 팽창을 방지하도록 상기 기액 분리막을 지지하며, 상기 수소가 통과하도록 관통홀이 형성된 판재인 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기액 분리막이 일정한 형태를 유지하여 상기 기액 분리막의 내부에 공간이 유지되도록 상기 기액 분리막을 지지하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 상기 프레임에 각각 지지되는 복수의 단위 기액 분리막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  24. 삭제
  25. 제21항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 감싸도록 배치되어, 상기 수소에 동반된 상기 전해질 수용액을 흡수하는 흡습층을 더 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 기액 분리막은 서로 이격되도록 복수로 배치되며,
    상기 흡습층은 상기 기액 분리막 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 다수의 기공이 형성된 소수성 물질을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 기액 분리막은, 불소 수지를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 연료 전지 발전 시스템.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 산화 전극 및 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극을 외부 장치와 전기적으로 연결시키는 접속 단자를 더 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 접속 단자와 전기적으로 연결되어, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극 의 통전을 제어하는 컨트롤 유닛을 더 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 수소의 누출을 방지하도록 상기 하우징과 상기 커버 사이에 개재되는 실링재를 더 포함하는 연료 전지 발전 시스템.
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