KR100815250B1

KR100815250B1 - 금속 연료전지

Info

Publication number: KR100815250B1
Application number: KR1020070018631A
Authority: KR
Inventors: 김연덕; 김용규
Original assignee: 김연덕
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-03-19

Abstract

본 발명은 상부가 개방되고 측벽면에는 다수의 관통된 통공이 형성된 케이스와; 상기 케이스의 외부 벽 둘레를 빈틈없이 감싸고 있는 카본시트와; 상기 카본시트의 외주면을 감싸고 있는 스테인레스 재질의 메쉬망과; 상기 케이스의 내부에 삽착되고 중심부가 관통되어 있는 마그네슘을 주성분으로 하는 금속 전극체와; 상기 케이스의 상단에 탈착가능하게 끼워지는 뚜껑;을 포함하는 금속 연료전지에 관한 것으로,

상기 금속 연료전지는 산소가 유입되는 케이스 외부면에 카본시트를 장착하여, 상기 카본시트에 의해 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성이 향상됨에 따라 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키기 때문에 백금이나 니켈과 같은 고가의 촉매를 사용하지 않고도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생산이 가능하다.

케이스, 카본시트, 메쉬망, 금속 전극체, 뚜껑

Description

금속 연료전지{A metal fuel cell}

도 1은 본 발명의 금속 연료전지를 나타낸 결합 사시도

도 2는 도 1의 금속 연료전지를 나타낸 분해 사시도

도 3은 도 1의 금속 연료전지를 나타낸 단면도

도 4a는 본 발명의 금속 연료전지에 대한 전류량의 측정하여 나타낸 그래프

도 4b는 본 발명의 금속 연료전지에 대한 전력의 크기를 측정하여 나타낸 그래프

도 5a는 본 발명의 금속 연료전지에 대한 초당 전압과 전류를 측정하여 나타낸 그래프

도 5b는 비교 예로서 카본시트가 제거된 금속 연료전지에 대한 초당 전압과 전류를 측정하여 나타낸 그래프

<도면의 주요부호에 대한 상세한 설명>

10 : 케이스

11 : 통공

20 : 카본시트

30 : 메쉬망

40 : 금속 전극체

50 : 뚜껑

51 : 보조뚜껑 52 : 토출공

본 발명은 금속 연료전지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 고가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않고도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있는 금속 연료전지에 관한 것이다.

통상적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서, 산화· 환원반응을 이용한 발전장치라는 점에서는 화학전지와 같지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달리 연료전지는 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다는 점에서 차이가 있다.

이러한 연료전지는 1839년 영국의 W.R.그로브에 의해 그 원리가 확립되었다가 1959년 5kW의 수소-산소 연료전지가 영국의 F.T.베이컨에 의해 실증시험으로써 각광을 받게 되었으며, 1960~1970년대에 걸쳐 제미니 및 아폴로 우주선에 연료전지가 탑재된 이래, 그 활용영역이 확대되면서 군사장비 및 전동스쿠터 등의 배터리, 주택용 난방장치를 비롯하여 특히 최근에는 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발하 게 진행되고 있는 상태이다.

이와 같은 연료전지는 연료의 연소과정에서 열에너지가 전기에너지로 바로 변환되기 때문에 기존에너지원보다 효율이 10 ~ 20% 정도 높으며, 공해요인이 없는 청정에너지로서 소음 및 진동이 적어 도심지에도 건설이 가능하여 부지선정이 용이할 뿐만 아니라 다른 발전방식에 비해 설치면적이 작고 유지비용이 적어 앞으로도 대체에너지로서 그 연구가 활발하게 이루어질 전망이다.

이러한 연료전지의 기본 원리는 전기분해의 역 원리로서, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시키면 물을 생성함과 동시에 전기를 외부로 취출함(즉, 발전하는)에 따라 수소와 산소를 계속 공급하면 지속적인 전기에너지를 얻게 된다.

이러한 연료전지는 사용하는 연료에 따라 수소를 비롯한 메탄과 천연가스 등을 사용하는 기체 연료전지; 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진 등을 사용한 액체 연료전지; 마그네슘이나 알루미늄, 아연 등을 사용한 금속 연료전지;로 구분된다.

본 발명은 원료로서 마그네슘을 주성분으로 한 금속 원료전지에 관한 것이므로, 이에 대해서만 좀 더 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 마그네슘은 무기전해질 내에서 하기 화학식 1과 같이 전기화학 반응에 의해 수소를 발생시킨다는 것은 이미 잘 알려져 있다.

Mg + 2H⁺ + 2e^- = MgH₂

MgH₂ +H₂O = Mg²⁺ + 2OH^- + 2H₂

일반적인 금속 연료전지가 전해질 용액과 이를 경계로 양쪽에 양극(cathode)과 음극(anode)이 배치되도록 구성되어 있다면, 마그네슘은 용액 안의 수산기(OH^-)와 반응하여 전자를 발생하는 음극(anode)이 되면서 전기가 통하지 않는 수산화마그네슘으로 변하게 되고, 전극의 부식반응에 의해 수소도 발생시키게 된다. 반면, 전자를 받아들이는 양극(cathode)에서는 공기 중의 산소와 반응하여 수산기(OH^-)를 만들어 내며, 이러한 수산기(OH^-)는 다시 마그네슘과 반응하여 전자를 발생시킨다.

또한, 이러한 금속 연료전지에는 산소와의 반응속도를 더 높여 에너지효율을 향상시키기 위하여 백금이나 니켈과 같은 촉매를 사용하게 되는데, 이와 같이 촉매로 사용되는 백금이나 니켈은 고가의 물질이기 때문에 충분한 양을 사용하지 못하고 매우 적은 양만 제한적으로 사용되고 있다.

따라서, 현재까지는 대량생산이 용이하지 않아 높은 가격에 판매되고 있는 금속 연료전지의 생산원가를 절감하기 위하여 고가의 백금이나 니켈을 대체할 수 있는 저렴한 촉매물질이나 촉매의 사용없이 충분한 에너지효율을 얻을 수 있는 연료전지에 관한 연구가 진행되고 있으나 아직까지는 그 결과가 미비한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 구성된 것으로, 고 가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않고도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮출 수 있는 금속 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

마그네슘을 주성분으로 하는 금속을 연료로 사용하는 연료전지에 있어서,

상부가 개방되고 측벽면에는 다수의 관통된 통공이 형성된 케이스와;

상기 케이스의 외부 벽 둘레를 빈틈없이 감싸고 있는 카본시트와;

상기 카본시트의 외주면을 감싸고 있는 스테인레스 재질의 메쉬망과;

상기 케이스의 내부에 삽착되고 중심부가 관통되어 있는 금속 전극체와;

상기 케이스의 상단에 탈착가능하게 끼워지는 뚜껑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지를 제공함으로써 달성된다.

이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 발명이 도면에 도시된 실시예 만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 연료전지를 나타낸 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지를 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 연료전지를 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속 연료전지는 연료전지의 모양을 이루 는 케이스(10)와, 케이스(10)의 외부 측벽면에 차례로 적층된 카본시트(20) 및 메쉬망(30)과, 마그네슘을 주성분으로 하는 금속 전극체(40), 케이스(10)의 상단에 덮어지는 뚜껑(50)으로 구성되어 있다.

먼저, 케이스(10)는 연료전지의 전체적인 모양을 이루며 통상적으로 상부는 개방되고 내부에는 공간부를 갖는 원통형으로 형성되지만, 그 모양이 단지 원통형으로 한정되는 것은 아니며 그 외 다른 다양한 모양으로 형성될 수 있음은 자명한 사실이다. 또한, 이러한 케이스(10)의 벽면에는 외부로 부터 산소가 유입될 수 있도록 다수의 관통된 통공(11)이 형성되어 있다.

상기한 케이스(10)는 그 재질로서 폴리프로필렌(PP), 염화비닐수지(PVC), 아크릴수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET) 등과 같은 열경화성 수지가 사용하여 성형된 것을 사용한다.

카본시트(20)는 카본의 함유량이 70% 이상인 고순도인 분말체를 압착하여 성형한 다음 케이스(10)의 외주면에 빈틈없이 부착하게 되며, 산소의 원활한 유입을 위해 인위적으로 다수의 기포구멍을 형성할 수 있다.

이러한 카본시트(20)는 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성을 향상시킴에 따라 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키게 되며, 이에 본 발명의 연료전지가 별도의 촉매없이도 충분한 에너지효율을 나타낼 수 있도록 하는 역할을 수행하게 된다.

메쉬망(30)은 케이스(10)를 감싸고 있는 카본시트(20)의 외부를 역시 빈틈없이 감싸지도록 장착되어 카본시트(20)가 외부환경에 의해 파손되는 것을 방지하고 보호하는 역할을 수행하며, 그 재질은 부식성에 좋은 스테인레스 제품을 사용하는 것이 바람직하다.

금속 전극체(40)는 연료전지의 화학반응 중 음극에 해당하는 전극체로서 마그네슘을 주성분으로 하며, 케이스(10)의 내부에 삽착 및 고정된다. 이러한 금속 전극체(40)의 중심부는 관통된 관체형으로 성형되어, 상기 금속 전극체(10)가 케이스(10)에 내삽되면 관통된 중심부의 내부에 전해질 용액(A)이 충진된다.

상기 금속 전극체(40)는 그 성분으로 마그네슘 90 ~ 95중량부, 알루미늄 4 ~ 10중량부, 아연 1 ~ 5중량부로 구성되고, 그 외 망간, 실리콘, 철, 구리, 니켈 등의 금속들이 미량 함유된 분말을 다이캐스팅 공법에 의해 성형된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 상기와 같이 주성분을 마그네슘으로 하되 그 외 기타성분으로 다른 금속이 함유된 전극체가 순수 마그네슘으로만 이루어진 전극체보다 화학반응이 훨씬 원활하게 나타나기 때문이다.

뚜껑(50)은 케이스(10)의 상단에 탈착가능하게 결합되어 케이스(10)에 충진될 전해질 용액이 외부로 새지 않도록 하는 역할을 수행하게 되는데, 이를 위하여 뚜껑(50)은 그 재질로서 비교적 탄성을 갖는 내열성 수지로 이루어지고 케이스(10) 상단에 억지끼움에 의해 결합되도록 하여 결합부위에 빈틈이 없는 기밀성을 갖도록 한다.

또한, 이와 같은 뚜껑(50)은 용액이 새지 않도록 하는 것과 동시에 연료전지의 화학반응에 의해 발생된 수소 가스는 외부로 배출되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 상기 뚜껑(50)의 중심부에 다수의 토출공(52)이 원주형으로 형성되고, 상기 토출공(52)의 상단으로 토출공(52)을 모두 덮을 수 있는 보조뚜껑(52)이 별도로 제작되어 뚜껑(50)과 중심부에서 결합된 이중 구조를 갖는다.

따라서, 연료전지의 화학반응에 의해 수소 가스가 지속적으로 발생되면 케이스(10)의 내부압력이 높아짐에 따라 팽창된 수소가스가 보조뚜껑(51)을 강제로 들어 올린 후 토출공(52)을 통해 외부로 배출되도록 한다. 또한, 연료전지의 화학반응이 종결되어 수소 가스의 발생이 중단되면 보조뚜껑(51)은 원상태로 복귀되어 토출공(52)의 상단을 덮어 차단시킴에 따라 케이스(10)와 뚜껑(50)의 기밀성을 다시 유지하게 된다. 상기 보조뚜껑(51)은 수소가스에 강제로 들려진 후 용이하게 원상태로 복귀되도록 하기 위하여 그 모양을 삿갓형으로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 케이스 내의 금속 전극체(40) 중심부에 충진되어 화학반응하는 전해질 용액(A)으로는 염화나트륨(NaCl) 수용액이 사용하는 것이 바람직하며, 통상적으로 12%의 농도의 수용액을 사용하였을 때 비교적 안정적이고 높은 전류를 생성하는 것으로 알려져 있다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 금속 연료전지에 대한 에너지효율을 측정하기 위하여, 중량비율로 마그네슘이 92%, 알루미늄 6%, 아연 1%, 망간 0.45%를 비롯하여 실리콘, 철, 구리, 니켈이 미량 함유된 금속분말을 다이캐스팅 공법에 의해 외직경 6.2㎜, 내직경 4.6㎜, 높이 80㎜를 갖는 관형의 금속 전극체를 제조하고, 상기 전극체를 폴리프로필렌 재질의 케이스에 내장시킨 다음, 상기 케이스 외주면에 카본시트와 스테인레스 메쉬망을 차례로 감싸고, 케이스 상단에는 밀폐가능한 뚜껑을 장착시킨 후, 상기 메쉬망에 양극을 연결하고 금속 전극체에 음극 을 연결하여 금속 연료전지를 제조하였고, 상기와 같이 제조된 금속 연료전지 내부에 전해질로서 염화나트륨(NaCl) 수용액을 3%, 5%, 12%의 농도 별로 나누어 전압에 따른 전류의 측정하여 그 결과를 도 4a에 나타내었고, 전력의 크기를 측정하여 도 4b에 나타내었다.

상기 도 4a와 4b에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 구성을 갖는 금속 연료전지는 전해질의 농도별로 차이는 있으나 충분한 전류가 발생됨을 알 수 있으며, 그 중에서도 전해질의 농도가 12%인 염화나트륨 수용액을 사용하였을 때 가장 효율적인 전류와 전력을 생성함을 알 수 있었다.

또한, 상기와 같이 제조된 금속 연료전지의 초당 전압과 전류를 측정하여 도 5a에 나타내었으며, 이에 대한 비교예로서 본 발명의 금속 연료전지에서 카본시트를 제거한 다음 초당 전압과 전류를 측정하여 도 5b에 함께 나타내었다.

상기 도 5a와 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 구성을 갖는 금속 연료전지는 카본시트가 제거된 비교예와 비교하여 전류량은 비슷하게 나타나나 전압량이 2배 이상 증가됨을 확인할 수 있었으며, 이는 카본시트가 추가로 장착된 금속 연료전지의 경우 화학반응의 활성화로 인하여 높은 전류와 안정된 전력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 금속 연료전지는 카본시트가 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성을 향상시킴에 따라 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키기 때문에 백금이나 니켈과 같은 고가의 촉매를 사용하지 않고도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생 산이 가능하다.

아울러, 본 발명의 금속 연료전지는 대용량의 배터리에 적용될 수 있으며, 이에 발생전압을 높이기 위하여 금속 연료전지를 직렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우 금속 연료전지를 직렬로 연결한 갯수만큼 출력되는 전압은 배가 되기 때문에 전동스쿠터 등을 구동하는 300~1.000Watt 모터의 대용량 배터리로 사용이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 금속 연료전지는 산소가 유입되는 케이스 외부면에 카본시트를 장착하여, 상기 카본시트에 의해 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성이 향상됨에 따라 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키기 때문에 백금이나 니켈과 같은 고가의 촉매를 사용하지 않고도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생산이 가능한 효과를 가져온다.

Claims

마그네슘을 주성분으로 하는 금속을 연료로 사용하는 연료전지에 있어서,

상부가 개방되고 측벽면에는 다수의 관통된 통공이 형성된 케이스와;

상기 케이스의 외부 벽 둘레를 빈틈없이 감싸고 있는 카본시트와;

상기 카본시트의 외주면을 감싸고 있는 스테인레스 재질의 메쉬망과;

상기 케이스의 내부에 삽착되고 중심부가 관통되어 있는 금속 전극체와;

상기 케이스의 상단에 탈착가능하게 끼워지는 뚜껑;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 전극체는 마그네슘 90 ~ 95중량부, 알루미늄 4 ~ 10중량부, 아연 1 ~ 5중량부를 포함하는 금속 분말을 다이캐스팅 공법에 의해 성형된 것임을 특징으로 하는 금속 연료전지.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 뚜껑은 케이스 상단에 억지끼움에 의해 결합되어 기밀성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
청구항 3에 있어서, 상기 뚜껑은 그 중심부에 다수의 토출공이 원주형으로 형성되고, 상기 토출공의 상단으로 토출공을 완전히 덮을 수 있는 보조뚜껑이 별도로 제작되어 뚜껑과 중심부에서 결합된 이중 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
청구항 3에 있어서, 상기 전해질은 12%의 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액인 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
청구항 1의 금속 연료전지를 다수개 배열하고 상호 직렬로 연결한 구성을 포함함을 특징으로 하는 전동스쿠터용 대용량 배터리.