用于产生氢气的装置以及具有该装置的燃料电池发电系统.pdf

本发明披露了一种用于产生氢气的装置以及具有该装置的燃料电池发电系统。根据本发明的一种实施方式的装置包括：电解槽，其中注入了电解质溶液；阳极，放置在电解槽内并构造成产生电子；阴极，放置在电解槽内并构造成通过接受来自阳极的电子而产生氢气；以及胶凝剂，容纳在电解槽内并构造成使电解质溶液凝胶化从而降低电解质溶液的流动性。

1.  一种用于产生氢气的装置，包括：
电解槽，其中注入了电解质溶液；
阳极，放置在所述电解槽内并构造成产生电子；
阴极，放置在所述电解槽内并构造成通过接受来自所述阳极的电子而产生氢气；以及
胶凝剂，容纳在所述电解槽内并构造成使所述电解质溶液凝胶化，从而降低所述电解质溶液的流动性。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述胶凝剂由包括高吸湿性树脂的材料制成。

3.  根据权利要求2所述的装置，其中，所述胶凝剂由包括选自由聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物组成的组中的任意一种的材料制成。

4.  根据权利要求1所述的装置，其中，将所述胶凝剂涂布在由所述电解槽、所述阳极以及所述阴极组成的组中的任何一个的表面上。

5.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述阳极和所述阴极的至少之一包括在其中形成的通孔，以致所述电解质溶液可以均匀填充在所述电解槽内。

6.  一种燃料电池发电系统，包括：
电解槽，其中注入了电解质溶液；
阳极，放置在所述电解槽内并构造成产生电子；
阴极，放置在所述电解槽内并构造成通过接受来自所述阳极的电子而产生氢气；
胶凝剂，容纳在所述电解槽内并构造成使所述电解质溶液凝胶化，从而降低所述电解质溶液的流动性；以及
燃料电池，构造成通过转化产生自所述阴极的所述氢气的化学能来产生电能。

7.  根据权利要求6所述的系统，其中，所述胶凝剂由包括高吸湿性树脂的材料制成。

8.  根据权利要求7所述的系统，其中，所述胶凝剂由包括选自由聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物组成的组中的任何一种的材料制成。

9.  根据权利要求6所述的系统，其中，将所述胶凝剂涂布在由所述电解槽、所述阳极以及所述阴极组成的组中的任何一个的表面上。

10.  根据权利要求6所述的系统，其中，所述阳极和所述阴极的至少之一包括在其中形成的通孔，以致所述电解质溶液可以被均匀填充在所述电解槽内。

用于产生氢气的装置以及具有该装置的燃料电池发电系统
相关申请的参考
本申请要求于2008年4月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2008-0036468号的优先权，其披露的全部内容以引用方式结合于本文。
技术领域
本发明涉及一种用于产生氢气的装置以及具有该装置的燃料电池发电系统。
背景技术
燃料电池执行通过电化学反应将燃料如氢气、LNG、LPG、甲醇等和空气的化学能直接转化成电和热的功能。虽然常规的发电技术采用燃料燃烧、蒸汽发生、涡轮机驱动方法以及发电机驱动方法，但燃料电池既没有燃烧过程也没有驱动装置。因此，燃料电池是一种新的高效、环境友好的发电技术。
研究用于小型便携式电子装置的燃料电池包括高分子电解质膜燃料电池(PEMFC)，其使用氢气作为燃料，以及直接液体燃料电池，如直接甲醇燃料电池(DMFC)，其使用液体燃料。在这里，高分子电解质膜燃料电池，其使用氢气作为燃料，具有高功率密度但需要分开的装置来供给氢气。
产生氢气作为用于高分子电解质膜燃料电池的燃料的方法使用铝氧化反应、金属硼氢化物的水解或金属电极反应，其中金属电极反应方法可以有效地控制氢气产生。利用导线将由镁电极电离成Mg²⁺离子而获得的电子连接于另一金属体，由此进行水分解反应产生氢气，该金属电极反应方法可以借助于连接导线的连接/断开、所用电极之间的间隙以及电极尺寸来控制氢气的发生。
然而，取决于如上所述的产生氢气的方法，氢气发生可以引起电解质溶液反向地流动到燃料电池堆并引起电解槽被翻转以致电解质溶液可以泄漏。
发明内容
本发明提供了一种用于产生氢气的装置以及一种燃料电池发电系统，当产生氢气时其可以防止电解质溶液反向地流动，以及当电解槽移动时可以防止电解质溶液泄漏到外部。
本发明的一个方面的特点在于产生氢气的装置。根据本发明的一种实施方式的装置可以包括：电解槽，其中注入了电解质溶液；阳极，放置在电解槽内并构造成产生电子；阴极，放置在电解槽内并构造成通过接受来自阳极的电子而产生氢气；以及胶凝剂，容纳在电解槽内并构造成使该电解质溶液凝胶化从而降低电解质溶液的流动性。
胶凝剂可以由包括高吸湿性树脂的材料制成。
胶凝剂可以由这样一种材料制成，该材料包括选自由聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物组成的组中的任意一种。
可以将胶凝剂涂布在选自由电解槽、阳极以及阴极组成的组中的任何一个的表面上。
阳极和阴极的至少之一可以包括在其中形成的通孔以致电解质溶液可以被均匀填充在电解槽内。
本发明的另一个方面的特点在于燃料电池发电系统。根据本发明的一种实施方式的系统可以包括：电解槽，其中注入了电解质溶液；阳极，放置在电解槽内并构造成产生电子；阴极，放置在电解槽内并构造成通过接受来自阳极的电子而产生氢气；胶凝剂，容纳在电解槽内并构造成使该电解质溶液凝胶化从而降低电解质溶液的流动性；以及燃料电池，构造成通过转化产生自阴极的氢气的化学能而产生电能。
胶凝剂可以由包括高吸湿性树脂的材料制成。
胶凝剂可以由这样一种材料制成，该材料包括选自由聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物组成的组中的任意一种。
可以将胶凝剂涂布在选自由电解槽、阳极以及阴极组成的组中的任何一个的表面上。
阳极和阴极至少之一可以包括在其中形成的通孔以致电解质溶液可以被均匀填充在电解槽内。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个方面的用于产生氢气的装置的一种实施方式的示意图。
图2是示出根据本发明的另一个方面的燃料电池发电系统的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
将参照附图详细描述根据本发明的用于产生氢气的装置以及燃料电池发电系统的一种实施方式。在参照附图的描述中，相同的标记数字将被指定给相同或相应的元件，并且将略去其重复描述。
图1是示出根据本发明的一个方面的用于产生氢气的装置的一种实施方式的示意图。图1示出的是用于产生氢气的装置100、阳极110、阴极120、通孔112和122、电解槽130、电解质溶液135、控制器140以及胶凝剂170。
根据本发明的该实施方式，通过在电解槽130内容纳胶凝剂170来使该电解质溶液135凝胶化，以致可以降低电解质溶液135的流动性。因此，提供了用于产生氢气的装置100，其可以防止当产生氢气时电解质溶液135伴随氢气的反向流动，以及可以防止当电解槽130移动时随着电解槽130被翻转或倾斜而电解质溶液135泄漏到外部。
电解槽130可以容纳通过分解反应释放氢气的电解质溶液135。阳极110和阴极120位于电解槽130内，以便容纳在电解槽130内的电解质溶液135可以产生氢气发生反应。
LiCl、KCl、NaCl、KNO₃、NaNO₃、CaCl₂、MgCl₂、K₂SO₄、Na₂SO₄、MgSO₄、AgCl等可以用于电解质溶液135。电解质溶液135可以包括氢离子。还可以通过胶凝剂170来使该电解质溶液135凝胶化。将在下文提供胶凝剂170的描述中描述此问题。
阳极110是活性电极，位于电解槽130内并可以产生电子。阳极110可以由例如镁(Mg)制成。由于阳极110和氢气的电离倾向之间的差异，通过在电解质溶液135中释放电子，阳极110可以被氧化成镁离子(Mg²⁺)。
在这里，产生的电子可以被转移到阴极120。因此，通过产生电子，阳极110被消耗并构造成在一定时期内被取代。阳极110可以由比下文描述的阴极120具有相对更高电离倾向的金属制成。
阴极120是非活性电极。由于阴极(不同于阳极110)不可能被消耗，所以可以使用比阳极110具有更薄厚度的阴极。阴极120位于电解槽130内并可以借助于产生自阳极110的电子来产生氢气。
阴极120可以由例如不锈钢制成，并且可以与电子起反应而产生氢气。即，在阴极120的化学反应中，电解质溶液135接受自阳极110转移的电子并在阴极120处被分解成氢气。在以下化学反应式(1)中描述阳极和阴极的反应。阳极110：Mg→Mg²⁺+2e^-
阴极120：2H₂O+2e^-→H₂+2(OH)^-
总反应：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂.........(1)
同时，阳极110或阴极120、或它们两者可以具有在其中形成的通孔112和122，以便被注入电解槽130的电解质溶液135可以被均匀填充在电解槽130内。
即，因为电解质溶液135能够在将电解质溶液135注入电解槽130内时经由通孔112和122而通过阳极110和阴极120之间的空间而移动，所以可以用电解质溶液135有效和均匀地填充电解槽130的内部，即使并没有将电解质溶液135直接注入阳极110和阴极120之间的空间或即使阳极110和阴极120之间的空间小而窄。
因为如上所述填充的电解质溶液135可以在注入电解质溶液的同时被凝胶化以致下文描述的胶凝剂170降低了电解质溶液的流动性，所以当产生氢气时，可以防止电解质溶液135伴随着氢气而损失，以及当用于产生氢气的装置移动时，可以防止氢气随着电解槽130被翻转而泄漏到外部。
控制器140电连接于阳极110和阴极120，并且可以控制阳极110和阴极120之间的电流。控制器140接受由外部装置如燃料电池等所需要的氢气量。如果量较大，则可以增加从阳极110流动到阴极120的电子的量。如果量很小，则可以减少从阳极110流动到阴极120的电子的量。
例如，由可变电阻器构成的控制器140能够通过改变可变电阻器的电阻值来控制在阳极110和阴极120之间流动的电子的量，或由通/断开关构成的控制器140能够通过控制通/断定时来控制在阳极110和阴极120之间流动的电子的量。
为了降低电解质溶液135的流动性，胶凝剂170被容纳在电解槽130内并且电解质溶液135可以被凝胶化。换言之，通过使用胶凝剂170来使该电解质溶液135凝胶化。因此，注入到电解槽130内的电解质溶液135的液态被变为具有降低的流动性的凝胶态，以致电解质溶液可以保持一定形状。
由于通过使用胶凝剂170来使该电解质溶液135凝胶化，所以当产生氢气时，可以防止电解质溶液135伴随着氢气而泄放，以便可以降低氢气的湿度。同时，氢气可以另外产生自得到保存而没有被泄放的电解质溶液135。因此，可以增加所产生氢气的总量。
此外，甚至当改变电解槽130的方向时，例如，当用于产生氢气的装置移动时电解槽130被翻转或倾斜，由于凝胶化的电解质溶液135的低流动性，电解质溶液135可以被保持而没有泄漏到外部。
胶凝剂170可以由包括高吸湿性树脂的材料制成。结果，因为具有高吸湿性树脂的胶凝剂170有力地吸收大量的电解质溶液135，所以电解质溶液135和胶凝剂170可以整个地处于具有低流动性的凝胶态。
在这里，聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物或它们的至少两种的任何组合可以用作胶凝剂170。因此，如上所述，胶凝剂170吸收大量的电解质溶液135，以致电解质溶液135和胶凝剂170可以整个地处于凝胶态。
此外，可以将胶凝剂170涂布在电解槽130、阳极110以及阴极120或它们的至少两者的表面上。因此，扩大了用于与电解质溶液135起反应的表面积，从而更有效地凝胶化该电解质溶液135。
接着，将描述根据本发明的另一个方面的燃料电池发电系统的一种实施方式。
图2是示出根据本发明的另一个方面的燃料电池发电系统的一种实施方式的示意图。在图2中，示出的是燃料电池发电系统200、用于产生氢气的装置260、阳极210、阴极220、通孔212和222、电解槽230、电解质溶液235、控制器240、胶凝剂270以及燃料电池250。
根据本发明的该实施方式，胶凝剂270被容纳在电解槽230内并且电解质溶液235被凝胶化，以致降低电解质溶液235的流动性，从而产生氢气时，可以防止电解质溶液235伴随着氢气而反向地流动，以及当电解槽230移动时，可以防止电解质溶液235随着电解槽230被翻转或倾斜而泄漏到外部。因此，提供了能够更有效地产生电能的一种燃料电池发电系统200。
在本发明的该实施方式中，因为用于产生氢气的装置260、阳极210、阴极220、通孔212和222、电解槽230、电解质溶液235、控制器240以及胶凝剂270的构造和运作与上述实施方式相同或对应，所以将省略其描述。在下文将描述与上述实施方式的差异，即燃料电池250。
通过转化由阴极220产生的氢气的化学能，燃料电池250可以产生电能。由用于产生氢气的装置260产生的低湿度氢气可以被转移到燃料电池250的燃料电极。因此，通过将由用于产生氢气的装置260产生的氢气的上述化学能转化成电能，可以产生直流电。
不同于上述实施方式的许多实施方式包括在本发明的范围内。