KR100727237B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 수소 또는 탄소수가 1 내지 6인 탄화수소를 저장하기 위한 탄소나노튜브 저장부; 상기 탄소나노튜브 저장부에 열을 공급하여 탄소나노튜브로부터 수소 또는 탄화수소를 분리시키기 위한 열공급부; 상기 탄소나노튜브로부터 분리된 수소 또는 탄화수소를 산화환원반응시켜 전압를 생성하기 위한 연료전지부; 상기 연료전지부로부터 생성된 출력전압을 피충전물의 단자에 인가하기 위한 최종 전도체 터미널을 포함하는 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 열공급부에서 제공되는 열을 이용하여 탄소나노튜브에 저장된 수소 또는 탄화수소를 분리시켜 이를 연료전지의 연료로 공급함으로써 전기를 발생시키는 열전지를 적용하여 휴대폰, 비디오 카메라, 및 휴대용 컴퓨터 등과 같은 전자기기용 이차전지의 충전장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열전지는 자기방전이 없기 때문에 오랜 기간동안 별도의 보수 없이 장착되어 있다가 일회적으로 전력을 공급해야 하는 미사일, 유도탄(guided bomb), 지뢰 또는 수뢰와 같은 군사무기 등의 특수용도로 사용할 수 있다.

탄소나노튜브, 열공급패드, 연료전지, 열전지, 이차전지, 충전장치

Description

탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법{Thermal battery including carbon nanotube and using method for the same}

도 1은 본 발명에 따라 탄소나노튜브가 포함된 평판형 열전지의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따라 탄소나노튜브가 포함된 원통형 열전지의 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따라 탄소나노튜브 저장부, 열공급부 및 연료전지부로 구성된 열전지의 모듈을 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 열전지가 적용된 평판형 이차전지 충전장치를 핸드폰에 연결한 형태를 나타낸 개략도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

101. 탄소나노튜브 102. 열공급패드

103. 탄소나노튜브 저장패드 104. 연료전지용 멤브레인과 촉매전극

105. 집전체 106. 부착패드

107. 최종 전도체 터미날

201. 열공급통 202. 연료전지용 MEA

203. 탄소나노튜브통

301. 고분자 전해질 멤브레인 302. 애노드 촉매층

303. 캐소드 촉매층 304. 탄소종이

305. 집전체 306. 탄화수소기체

307. 탄소나노튜브 308. 탄소나노튜브 저장패드

309. 열공급물질 310. 점화원 또는 열공급가동장치

401. 휴대폰 본체 402. 평판형 충전장치

403. 휴대폰 디스플레이 판넬 404. 이차전지

405. 부착패드 406. 휴대폰 충전터미날

407. 이차전지 충전장치 충전터미날

본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 열공급부로부터 제공되는 열을 이용하여 탄소나노튜브에 저장된 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 탈착시켜 이를 연료전지의 연료로 공급함으로써 발생되는 전기를 적용하여 전자기기용 이차전지의 충전장치 및 특수용도의 무보수 일회사용 열전지로 사용할 수 있는 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법에 관한 것이다.

종래의 열전지는 애노드(anode) 전극 물질로서 칼슘, 마그네슘, 리튬 또는 이들의 혼합물을 사용하고, 캐소드(cathode) 물질로서 산화텅스텐(WO₃), 칼슘크로메 이트(CaCrO₄), 산화바나듐(V₂O₅), 이황화철(FeS₂) 또는 이들의 혼합물을 사용하며, 전해질로서 염화리튬-염화칼륨을 사용하여 제조된다. 그러나, 칼슘 및 리튬 화합물을 주로 사용하는 상기 종래 열전지는 수분이 함유된 대기중에서 수분에 의해 쉽게 산화되어 취급 및 보관이 어려울 뿐만 아니라, 아르곤 분위기의 챔버내에서 제조하여야 하는 등의 제조공정상의 어려움이 따른다. 또한, 상기 열전지는 그 사용 용도가 미사일용 열전지와 같이 무보수 1회 사용을 목적으로 하는 특수용 전지로서 극히 제한되는 단점이 있다.

한편, 현재 휴대용 전기제품의 주전원으로서 사용되는 이차전지로는 니켈/수소합금전지 및 리튬이온전지 등이 있으며, 이들의 재료를 변경하고 구조를 개선함으로써 그 성능이 급속도로 향상되고 있다. 그러나, 이러한 이차전지는 이를 구성하고 있는 양극의 활물질 양에 의해 질량 또는 부피대비 에너지용량에 있어서 이론적인 한계를 갖기 때문에, 별도의 보조 이차전지를 따로 소지하거나 또는 적정 충전장치를 준비해야 하는 번거로움이 따른다.

특히, 최근 들어 휴대용 전기제품중 하나인 이동통신 단말기의 사용자는 급속도로 증가하고 있을 뿐만 아니라, 이러한 기술을 활용한 화상정보 송수신가능 이동통신 단말기, 인터넷접속가능 이동통신 단말기 등의 신기술 도입으로 그 이용도는 계속 증가하고 있지만, 현재 상용되고 있는 리튬이온전지 등의 이차전지 성능은 그 한계에 달해 있는 실정이다.

따라서, 별도의 전원공급을 받지 못하는 지역에서의 원활한 기기 사용을 위 해서는 수십개의 이차전지를 별도로 소장해야 하나, 이럴 경우 이차전지의 무거운 중량이 큰 문제점으로 야기된다. 또한, 전술한 문제점을 극복하기 위한 방안으로서, 상기 이차전지의 적정 충전장치로서 태양전지를 이용한 충전장치를 소지하는 방법이 있지만, 태양전지의 특성상 태양광이 비추는 주간에만 사용될 수 있으며, 더욱이 광전환 효율의 한계로 인하여 빠른 충전이 어려운 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 우수한 구조적 안정성 및 수소 저장능력을 갖는 탄소나노튜브를 이용하여 일시적으로 발열 가능한 열공급부의 열을 적용하여 상기 탄소나노튜브에 저장된 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 탈착시켜 이를 연료전지의 연료로 공급함으로써 전기를 발생시킬 수 있는 열전지를 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 취급 및 보관이 용이하고, 구조적으로 안정하며, 자기방전 없이 오랜 기간동안 별도의 보수 없이 장착되어 있다가 필요시 일정 출력과 전력 에너지를 공급할 수 있는 열전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 열전지의 이용방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열전지는 수소 또는 탄소수가 1 내지 6인 탄화수소를 저장하기 위한 탄소나노튜브 저장부; 상기 탄소나노튜브 저장부에 열을 공급하여 탄소나노튜브로부터 수소 또는 탄화수소를 분리시키기 위한 열공급부; 상기 탄소나노튜브로부터 분리된 수소 또는 탄화수소를 산화환원반응시켜 전압 를 생성하기 위한 연료전지부; 상기 연료전지부로부터 생성된 출력전압을 피충전물의 단자에 인가하기 위한 최종 전도체 터미널을 포함하는 탄소나노튜브를 포함한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 본 발명의 열전지를 이차전지 충전장치에 적용한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 방법은 본 발명의 열전지를 무보수 일회사용 특수 열전지에 적용한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 일시적으로 발열 가능한 열공급부의 열을 이용하여 탄소나노튜브에 저장된 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 탈착시켜 이를 연료전지의 연료로 공급함으로써 전기를 발생시킬 수 있는 열전지 및 이를 전자기기용 이차전지의 충전장치 및 무보수 일회사용 특수 열전지에 적용하여 사용할 수 있는 탄소나노튜브를 포함하는 열전지 및 이의 이용방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 열전지는 탄소나노튜브 저장부, 열공급부, 연료전지부 및 최종 전도체 터미널로 구성된다.

본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있으며, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 속이 비어 있는 물질이다. 상기 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택 성, 뛰어난 전계방출 특성 및 고효율의 수소저장매체 특성 등을 갖는다. 본 발명의 탄소나노튜브는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학기상 증착법, 전기분해방법, 또는 불꽃(flame) 합성방법 등의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 이와 같이 제조된 탄소나노튜브는 20㎚이하의 직경 및 0.1∼10㎛의 길이를 가지며, 경량의 물질로서 구조가 안정하고 튜브 내에 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 많아 이를 이용하여 수소 또는 탄화수소를 저장할 수 있다. 한편, 상기 탄소나노튜브에 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 저장하기 위해서는 온도 90∼310K 및 압력 1∼100kg/㎠의 특정 조건하에서 목적하는 수소 또는 탄화수소 기체와 접촉시킨다. 이와 같이 수소 또는 탄화수소 기체가 저장된 탄소나노튜브를 상압에서 대기중에 노출시켜도 저장된 수소 또는 탄화수소 기체는 방출되지 않는다. 따라서, 상기 탄소나노튜브에서 수소 또는 탄화수소를 방출시키기 위해서는 약 70∼300℃의 온도로 유지시켜야 한다. 본 발명은 이러한 탄소나노튜브가 수소 또는 탄화수소 기체에 대해 갖는 저장 및 방출 특성을 이용한다. 이 때, 상기 저분자량의 탄화수소는 바람직하게는 탄소수 1∼6의 탄화수소이며, 좀 더 바람직하게는 메탄, 에탄, 아세틸렌 및 디메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택된다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 약 300℃의 온도에서 1분 이상동안 형태의 변경이 없는 재질로서 일정한 크기의 그물망 형태로 짜여진 고분자, 플라스틱 용기 또는 다공성 필터 재질로 된 탄소나노튜브 저장패드를 이용하여 수소와 같은 기체의 흐름에 영향을 받지 않도록 고정될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 탄소나노튜브가 갖는 수소 방출 특성을 이용하기 위하여 수소 또는 탄화수소 기체를 저장한 탄소나노튜브가 일정 수준 이상의 온도로 승온될 수 있도록 열을 공급할 수 있는 장치로서 상기 탄소나노튜브에 면접촉되어 부착되며, 1회 이상 사용가능한 열공급부가 제공된다. 상기 열공급부는 상기 탄소나노튜브에 원활히 열공급을 하기 위한 물질 및 점화원으로 구성되어 있으며, 항시 발열하는 것이 아니라 임의적으로 필요시 사용할 수 있도록 형성된다. 즉, 열전지의 가동이 필요한 경우, 서로 격리되어 있던 열공급용 물질간에 접촉이 이루어지면서 화학반응에 의해 발열하게 되거나, 또는 별도의 특정 점화원에 의해 열공급용 물질을 자극함으로써 발열반응을 일으킬 수 있다.

이러한 일시적 발열을 위해서는 열공급용 물질 및 점화원으로서 다음과 같은 물질을 이용한 여러가지 방법 중 택일하거나 또는 병행하여 사용할 수 있다. 첫째로는 산화칼슘과 물을 접촉시키거나 또는 마그네슘, 철, 니켈 및 염화마그네슘 등으로 구성된 혼합물질을 물과 반응시켜 급격한 발열반응을 유도하는 방법이 있다. 둘째로는 소듐 아세테이트를 이용해 물을 과냉각시킨 상태에서 금속재질의 결정화 여기재를 자극시켜 고화되면서 발생되는 열을 이용하는 방법이 있다. 셋째로는 지르코늄과 바륨크로메이트(BaCrO₄) 혼합물 또는 철과 포타슘크로레이트(KClO₄) 혼합물을 그대로 사용하는 방법, 상기 혼합물을 가압성형을 통해 일정한 형상으로 사용하는 방법, 상기 혼합물을 유리 섬유와 같은 물질에 함침시키는 등의 다양한 형태로 성형한 후 이에 일정한 충격을 가하거나 또는 전기적 스파크를 일으켜 발열시키 는 물질 또는 장치를 이용하는 방법이 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 방법에 제한되지 않고, 1회 이상의 사용을 목적으로 발열시킬 수 있는 공지된 모든 방법을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지부는 상기 수소 또는 탄화수소를 산화시켜 수소 이온만을 선택적으로 분리시키는 애노드 촉매층, 상기 수소 이온을 산소와 환원반응시키는 캐소드 촉매층, 및 상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치하며 수소이온에 대하여 선택적 투과성을 갖는 고분자 전해질 멤브레인으로 구성된다.

상기 애노드 촉매층은 Pt, Ru, Os, Ir, Mo 및 W로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 금속촉매를 포함하며, 상기 캐소드 촉매층은 Pt, Mo 및 W으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 금속촉매를 포함한다. 또한, 상기 고분자 전해질은 나피온(nafion), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리스티렌술포닉에시드 (polystyrene sulfonic acid), 폴리비닐리로덴플로라이드(polyvinylodene fluoride) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 따라서, 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 수소이온에 대한 선택적 투과성이 높은 고분자 전해질 멤브레인을 사이에 두고 상기 고분자 멤브레인 표면 양쪽에 얇게 도포되어 있다. 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층에는 선택된 금속촉매가 비표면적이 크고 전기전도성이 우수한 카본 주성분의 담체 표면에 존재한다.

이렇게 촉매층을 형성하고 있는 화합물들은 다시 다공성의 탄소종이(carbon paper)에 의해 지지된다. 상기 탄소종이는 액체연료가 쉽게 촉매입자와 반응하여 산화될 수 있도록 다공성이며, 산화반응시 발생되는 전류를 잘 전달할 수 있도록 비저항이 매우 낮은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이렇게 모여지는 전류는 다른 단위 연료전지의 반대편 극쪽 집전체와 연결될 수 있도록 탄소종이 표면에는 다시 금속의 집전체가 위치된다. 이러한 금속 집전체는 카본종이 표면위에 진공상태에서 증착법 등을 통해 코팅될 수 있다.

한편, 상기 애노드 촉매층, 캐소드 촉매층, 집전체 및 고분자전해질은 하나로 작용되며, 출력요망 전력의 전압 및 전류량에 따라 다른 크기로 배열된 후 직렬연결, 병렬연결 또는 이들이 혼합된 형태로 연결될 수 있다.

본 발명의 방법은 또한 상기 연료전지로부터 발생된 전력을 피충전물의 충전단자 위치에 맞추어 전달하기 위해 각 전도체 터미날을 용이하게 접촉시키는 단계를 포함한다.

상기 최종 전도체 터미날을 이차전지와 같은 피충전물의 충전터미날에 접촉시켜 고정화시키기 위하여 부착패드를 사용할 수 있다. 상기 부착패드는 플라스틱과 같은 물체 표면에 부착되는 특성을 지닌 부착성 패드 및 평상시 접착성을 보호하기 위한 비부착성 보호패드로 구성된다. 상기 비부착성 보호패드를 떼어내는 경우 부착패드의 부착면이 노출되며, 이와 같이 노출된 부착면은 완전히 투명하지는 않더라도 상기 이차전지 충전장치의 터미날을 상기 이차전지의 충전터미날에 연결하기 용이하도록 육안으로 볼 수 있어야 한다. 즉, 부착패드는 비부착성 면과 부착성 면으로 이루어진 두 종류의 물질이 한 형태로 붙어 있다가 이차전지 충전장치 사용시 비부착성 면을 떼어내어 충전대상의 이차전지에 상기 이차전지 충전장치를 부착하여 사용한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브가 포함된 평판형 열전지의 일례를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 수소를 저장 할 수 있는 탄소나노튜브(101)는 수소와 같은 기체의 흐름에 영향을 받지 않도록 일정한 크기의 저장패드(103)로 고정된다. 열공급용 물질 및 점화원으로 구성된 열공급패드(102)는 수소를 저장하고 있는 탄소나노튜브(101)에 열을 공급하여 상기 탄소나노튜브(101)로부터 저장된 수소를 탈착시킨다. 상기 탄소나노튜브(101)로부터 탈착된 수소는 애노드 촉매층, 캐소드 촉매층 및 고분자 전해질 멤브레인으로 이루어진 연료전지(104)를 통해 산화 및 환원된다. 한편, 각각의 촉매층을 형성하고 있는 화합물들은 다시 다공성의 탄소종이(도시되지 않음)에 의해 지지된다. 상기 탄소종이는 산화반응시 발생되는 전류를 잘 전달할 수 있도록 비저항이 매우 낮은 것을 사용하며, 이렇게 형성된 전류를 다른 단위 연료전지의 반대편 극의 집전체(105)와 연결할 수 있도록 탄소종이 표면에는 다시 금속의 집전체(105)가 위치된다. 이러한 금속 집전체(105)는 카본종이 표면위에 진공상태에서 증착법 등을 통해 코팅하여 형성시킬 수 있다. 상기 캐소드 촉매층, 애노드 촉매층, 집전체 및 고분자전해질은 하나로 작용되며 출력요망 전력의 전압 및 전류량에 따라 다른 크기로 배열된 후 직렬연결, 병렬연결 또는 이들이 혼합된 형태로 연결될 수 있다. 상기 연료전지(104)로부터 형성된 출력전압을 최종 전도체 터미날(107)을 통해 이차전지의 충전터미날과 같은 피충전물의 단자 위치에 맞추어 인가시킨다. 상기 최종 전도체 터미날(107)은 부착패드(106)를 이용하여 이차전지의 충전터미날에 고정된다.

또한, 본 발명에 따른 열전지는 평판형 구조 뿐만 아니라 원통형 구조로서 제조될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브가 포함된 원통형 열전지를 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, 전술한 바와 같은 열공급용 물질 및 점화원이 장착된 열공급통(201)은 탄소나노 튜브 및 이를 저장할 수 있는 용기가 장착된 탄소나노튜브통(203)과 인접하여 탄소나노튜브에 열을 공급할 수 있으며, 또한 상기 탄소나노튜브통(203)은 연료전지(202)와 인접해 있다. 한편, 상기 열공급통(201) 및 탄소나노튜브통(203)은 서로 반대로 위치될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전지 구조형태로서 평판형 및 원통형을 예로 들어 설명하였지만, 이에 본 발명의 열전지의 형태가 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 열전지의 구조를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 상기 열전지 모듈의 단면도를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 애노드 촉매층(302) 및 캐소드 촉매층(303)은 수소이온에 대한 선택적 투과성이 높은 고분자 전해질 멤브레인(301)을 사이에 두고 위치한다. 또한, 상기 각각의 애노드 촉매층(302) 및 캐소드 촉매층(303)을 형성하고 있는 화합물들은 다시 다공성의 탄소종이(304)에 의해 지지된다. 탄소종이(304)는 산화반응시 발생되는 전류를 잘 전달할 수 있도록 비저항이 매우 낮은 것을 사용하며, 이렇게 모여지는 전류를 다른 단위 연료전지의 반대편 극쪽 집전체(305)와 연결할 수 있도록 탄소종이(304) 표면에는 다시 금속의 집전체(305)가 위치한다. 이러한 금속 집전체(305)는 카본종이(304) 표면위에 진공상태에서 증착법 등을 활용해 코팅될 수 있다. 한편, 상기 캐소드 촉매층(303), 애노드 촉매층(302), 집전체(305) 및 고분자 전해질 멤브레인(301)은 하나로 작용되며 출력요망 전력의 전압 및 전류량에 따라 다른 크기로 배열된 후 직렬연결, 병렬연결, 또는 이들이 혼합된 형태로 연결될 수 있다. 탄소나노튜브(307)로부터 탈착된 수소(306)는 탄소종이를 통해 연료전극에 전달되며, 상기 탄소나노튜브(307)는 탄소나노튜브 저장패드(308)에 의해 고정된다. 상기 탄소나노튜브(307)에 열을 공급하기 위한 열공급패드는 열공급용 물질(309) 및 점화원(310)으로 구성된다. 즉, 본 발명의 열전지 또는 이차전지 충전장치 가동시, 서로 격리되어 있는 열공급용 물질(309), 예를 들어 산화칼슘 및 점화원(310), 예를 들어 물이 혼합되게 함으로써 발열을 일으킨다.

본 발명에 따른 열전지는 또한 휴대폰, 비디오 카메라, 및 휴대용 컴퓨터 등과 같은 전자기기용 이차전지의 충전장치에 적용되어 사용될 수 있다.

일례로서, 본 발명에 따른 열전지가 적용된 평판형 이차전지 충전장치를 핸드폰에 연결하는 형태의 개략도를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 기존의 핸드폰은 다양한 화상정보를 제공하는 핸드폰의 디스플레이장치(403), 휴대폰 본체(401), 및 이차전지(404)로 구성되어 있다. 본 발명에 따라 탄소나노튜브와 열공급패드 및 연료전지로 구성된 이차전지 충전장치(402)는 필요시 부착패드(405)를 이용하여 상기 이차전지 충전장치용 충전 터미날(407)을 휴대폰의 충전터미날(406)에 접촉시킨 후, 발열장치를 가동시켜 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 일시적으로 발열하는 열공급부의 열을 이용하여 수소를 상온, 상압에서 저장할 수 있는 탄소나노튜브로부터 수소 또는 저분자량의 탄화수소를 탈착시켜 이를 연료전지의 연료로 사용함으로써 전기를 발생시킬 수 있는 열전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열전지는 취급 및 보관이 용이하고 경량이기 때문에 휴대폰, 비디오 카메라, 휴대용 컴퓨터 등과 같은 전자기기의 임시적 전력 공급장치, 즉 이차전지 충전장치로서 적용되어 별도의 장치없이 1회 이상 사용될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 열전지는 구조적으로 안정할 뿐만 아니라, 자기방전 없이 오랜 기간동안 별도의 보수 없이 장착되어 있다가 필요시 일회만 가동되어야하는 상태에서도 일정 출력과 전력 에너지를 안정적으로 공급할 수 있기 때문에 미사일, 유도탄 및 지뢰 등의 군사무기와 같은 특수 열전지로 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 경량의 탄소나노튜브부, 열공급부, 연료전지부 및 최종 전도체 터미날로 구성된 열전지가 적용된 충전장치의 전도체 터미날을 기존 방전된 이차전지에 연결하여 필요시 전력 에너지를 공급함으로써 이동통신용 단말기 등의 전자기기를 사용함에 있어서 별도의 이차전지가 없거나 또는 충전장치가 없는 상황하에서 임시적 전력 공급장치로서 이용할 수 있는 열전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 열전지는 미사일, 유도탄 및 지뢰 등의 군사무기와 같이 수년동안 무보수의 상태에서 일회만 가동되어야하는 상태에서도 안정적으로 필요한 전력을 공급할 수 있는 특수 열전지로서 사용될 수 있다.

Claims (11)

1. 수소 또는 탄소수가 1 내지 6인 탄화수소를 저장하기 위한 탄소나노튜브 저장부;

   상기 탄소나노튜브 저장부에 면접촉되어 부착되며, 필요시 일시적으로 상기 탄소나노튜브 저장부에 열을 공급하여 탄소나노튜브로부터 수소 또는 탄화수소를 분리시키기 위한 열공급부;

   상기 탄소나노튜브로부터 분리된 수소 또는 탄화수소를 산화환원반응시켜 전압를 생성하기 위한 연료전지부;

   상기 연료전지부로부터 생성된 출력전압을 피충전물의 단자에 인가하기 위한 최종 전도체 터미널;

   을 포함하며,

   상기 열공급부는 열공급용 화학물질 및 점화원을 함유하되, 열전지의 가동이 필요한 경우, (i) 외부 자극을 통해서 서로 격리되어 있던 열공급용 화학물질간에 접촉이 이루어지면서 화학반응에 의해 발열반응이 유도되도록 구성되거나, 또는 (ii) 외부 자극 또는 점화원에 의해 열공급용 화학물질이 자극되어 발열반응이 유도되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 저장부 및 열공급부는 평판상의 패드 형태인 것을 특징으로 하는 열전지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열공급부 및 연료전지부는 탄소나노튜브 저장부의 표면에 면접촉된 것을 특징으로 하는 열전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 연료전지부는 연료공급부 및 탄소나노튜브 저장부 중 어느 하나를 중심으로 동심상에 순차적으로 배치된 것을 특징으로 열전지.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 연료전지부는 상기 탄소나노튜브 저장부로부터 분리된 수소 또는 탄화수소를 산화시켜 수소 이온만을 선택적으로 분리시키는 애노드 촉매층, 상기 수소 이온을 산소와 환원반응시키는 캐소드 촉매층, 및 상기 애노드 촉매층과 상기 캐소드 촉매층 사이에 위치되며 수소 이온에 대하여 선택적 투과성을 갖는 고분자 전해질 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지.
6. 제5항에 있어서, 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 각각 다공성 탄소종이에 의해 지지되며, 상기 탄소종이 표면에는 금속 집전체가 형성된 것을 특징으로 하는 열전지.
7. 제5항에 있어서, 상기 애노드 촉매층은 Pt, Ru, Os, Ir, Mo 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속촉매를 포함하며, 상기 캐소드 촉매층은 Pt, Mo 및 W으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전지.
8. 제5항에 있어서, 상기 고분자 전해질은 나피온(nafion), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리스티렌술포닉에시드(polystyrene sulfonic acid), 폴리비닐리로덴플로라이드(polyvinylodene fluoride) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 열전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 아세틸렌 및 디메틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 열전지.
10. 제1항에 따른 열전지를 이차전지 충전장치에 적용한 것을 특징으로 하는 이용방법.
11. 제1항에 따른 열전지를 무보수 일회사용 특수 열전지에 적용한 것을 특징으로 하는 이용방법.

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