KR101036831B1 - 휴대용 금속 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부가 개방되고 측벽면에는 다수의 관통된 통공이 형성된 케이스와; 상기 케이스의 내부에 내장되며 후술되는 카본시트의 외주면과 밀착된 스테인레스 재질의 메쉬망과; 상기 메쉬망과 함께 후술되는 금속전극체의 외주면을 감싸고 있으며, 세라믹 입자가 포함된 카본시트와; 상기 카본시트의 내부에 위치되고, 내부공간부가 형성되어 전해질 용액이 충진된 금속 전극체와; 상기 케이스의 상단에 밀폐성을 갖고 탈착가능하게 끼워지는 뚜껑;을 포함하는 휴대용 금속 연료전지에 관한 것으로,

상기 금속 연료전지는 카본시트 내에 세라믹 입자가 포함되도록 함에 따라 전자의 전도성을 높이고 산소와의 반응속도를 빠르게 진행시켜 전체적인 에너지효율을 향상시킴으로써 제품의 소형화가 가능하여 휴대가 용이할 뿐만 아니라 고가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않아도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생산이 가능하다.

케이스, 세라믹, 카본시트, 메쉬망, 금속 전극체, 뚜껑

Description

휴대용 금속 연료전지{A portable metal fuel cell}

본 발명은 휴대용 금속 연료전지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 산소의 반응속도를 높여 에너지 효율을 향상시킴에 따라 전체적인 구성요소들을 소형화하여도 충분한 전력량을 공급할 수 있어 휴대가 용이한 금소 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 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 대 체에너지로서 그 연구가 활발하게 이루어질 전망이다.

상기 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 되며, 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.

이중 마그네슘을 주성분으로 한 금속 원료전지의 경우 마그네슘이 무기전해질 내에서 하기 화학식 1과 같이 전기화학 반응에 의해 수소를 발생시키는 점을 이용한 것으로, 마그네슘의 경우 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.

Mg + 2H⁺ + 2e^- = MgH₂

MgH₂ +H₂O = Mg²⁺ + 2OH^- + 2H₂

한편, 이러한 마그네슘을 이용한 금속 연료전지의 경우 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.

이에 본 발명자는 선출원하여 등록된 등록번호 제10-0815250호를 통하여 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 금속 연료전지를 소개한 바 있다.

그러나, 최근 금속 연료전지의 사용이 급증함에 따라 휴대가 용이한 소형화 제품에 대한 연구가 진행되고 있으나, 지금까지 나온 제품들은 그 크기를 축소할 경우 축소된 크기만큼 산소의 유입량이 줄어들어 마그네슘과 반응할 수 있는 전자의 발생이 원활하지 못하기 때문에 충분한 전력을 공급하지 못하여 비효율적이라는 문제점이 있었다.

따라서, 금속 연료전지의 소형화를 위해서는 전자의 전도성을 더욱 향상시켜 산소의 반응성을 더욱 가속화시킴으로써 에너지효율을 높여야 하나, 아직까지는 이에 대한 방안이 마련되지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부공기로부터 유입된 산소의 양이 적더라도 전자의 전도성을 높여 산소와의 반응속도를 높여 에너지효율을 향상시킴에 따라 전체적인 구성요소들을 소형화하여도 충분한 전력량을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 고가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않아 제조비용을 절감할 수 있는 휴대용 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 내부에 내장되며 후술되는 카본시트의 외주면과 밀착된 스테인레스 재질의 메쉬망과;

상기 메쉬망과 함께 후술되는 금속전극체의 외주면을 감싸고 있으며, 세라믹 입자가 포함된 카본시트와;

상기 카본시트의 내부에 위치되고, 내부공간부가 형성되어 전해질 용액이 충진된 금속 전극체와;

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

상술한 바와 같이 본 발명의 휴대용 금속 연료전지는 카본시트 내에 세라믹 입자가 포함되도록 함에 따라 전자의 전도성을 높이고 산소와의 반응속도를 빠르게 진행시켜 전체적인 에너지효율을 향상시킴으로써 제품의 소형화가 가능하여 휴대가 용이할 뿐만 아니라 고가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않아도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생산이 가능한 효과를 가져온다.

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 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지를 부분절개하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 연료전지를 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금속 연료전지는 전체적인 모양을 이루는 케이스(10)가 위치되고, 케이스(10)의 내부에는 차례대로 메쉬망(20) 및 카본시트(30)와, 마그네슘을 주성분으로 하는 금속 전극체(40)가 각각 위치되며, 케이 스(10)의 상단에는 밀폐성을 갖는 뚜껑(50)이 구비되어 있다.

먼저, 케이스(10)는 연료전지의 전체적인 모양을 이루며, 상부는 개방되고 내부에는 각 구성요소들이 내장될 수 있는 공간부가 구비되어 있다. 단 첨부된 도면에서는 상기 케이스(10)의 모양을 육면체형으로 도시하였으나, 이에 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. 아울러, 상기 케이스(10)에 형성된 통공(11)을 통해 외부 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위하여 기공성을 갖는 직물류를 커버로 사용할 수 있으며, 이 경우 외관을 미려하게 할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

또한, 메쉬망(20)은 카본시트(30)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.

또한, 카본시트(30)는 상기 메쉬망(20)과 함께 금속 전극체(40)의 외주면에 위치되며, 그 제조방법으로는 카본의 함유량이 70% 이상인 고순도인 분말체와 세라믹 입자를 적정량의 에폭시 수지와 혼합하고 압착하여 성형함으로써 제조된다. 성형과정에서 산소의 원활한 유입을 위해 인위적으로 다수의 기포구멍을 형성할 수 있다.

이와 같이 제조된 카본시트(20)의 경우 카본 특유의 특성 뿐만 아니라 세라믹 입자의 특성으로 인하여 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성을 향상시킴에 따라 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키게 되며, 이에 연료전지가 적은 산소량과 별도의 촉매없이도 충분한 에너지효율을 나타냄에 따라 전체적인 제품의 크기를 소형화할 수 있게 된다.

즉, 상기와 같이 카본시트(20)에 세라믹을 첨가할 시 후술되는 실시예에서 보여주는 바와 같이 대략적으로 5% 이상의 전기 효율이 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 세라믹의 역할이 연료전지 내로 산소공급을 더욱 원활하게함으로써전기발생율을 높이는 것이다.

이때 상기 카본 분말체 100중량부에 대하여 세라믹 입자 및 에폭시 수지는 각각 10~30중량부, 20~40중량부가 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 상기 범위 내에서 세라믹 입자가 10중량부보다 낮게 첨가되면 본 발명에서 추구하는 효과인 전기효율의 향상이 미비하게 나타나며, 30중량부 이상을 첨가하더라도 더 이상의 전기효율의 향상 없이 상대적으로 카본 분말체의 양만 줄어들기 때문이다.

아울러, 에폭시 수지의 경우 20중량부보다 적게 첨가되면 세라믹과 카본 분말체와의 결합력을 떨어뜨려 장기간 사용과정에서 세라믹이 박리되어 내구성이 좋지 못하며. 40중량부를 초과하게 되면 카본 분말체 사이에 많은 양의 에폭시 수지가 남아 있게 되어 카본 분말체와 세라믹의 다공성을 감소시키기 때문이다.

또한, 상기 세라믹 입자는 전기적인 특성을 활용하여 전기전달이 원활하고 산소공급이 용이한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이는 공지된 대부분의 세라믹 의 공통적인 특성이므로 특별히 그 재질에서 한정은 없으나, 본 발명에서는 화산재나, 옥, 화강석 재질인 것이 사용된다. 이 때 상기와 같이 사용되는 세라믹의 바람직한 입자크기는 100~500㎛로써 이는 너무 미분말일 경우 제조과정에서 성형하기가 어렵고, 이보다 더 큰 입자의 경우 카본 분말체 내에 골고루 분산되기 어렵기 때문이다.

금속 전극체(40)는 연료전지의 화학반응 중 음극에 해당하는 전극체로서 마그네슘을 주성분으로 하며, 케이스(10)의 내부에 삽착 및 고정되며 외부면에는 카본시트(30)가 위치되도록 한다. 이러한 금속 전극체(40)의 중심부에는 내부 공간부가 형성되어 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.

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.

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.

미설명 부호인 (60)은 연료전지의 전력을 외부의 전자제품으로 공급하기 위한 접속단자(60)이다.

한편, 본 발명에서는 전기 용량을 높이기 위하여 전술한 구성을 갖는 금속 연료전지를 적어도 두개 이상 직렬로 연결하여 발생전압을 높일 수 있으며, 이 경우 금속 연료전지를 직렬로 연결한 갯수만큼 출력되는 전압은 배가 되기 때문에 대용량 배터리로도 사용이 가능하다.

이와 같은 두개 이상의 금속 연료전지를 직결로 연결함에 있어 휴대성을 높이기 위하여 케이스(10)와 또 다른 케이스(10) 사이에 접철구조를 형성하는 것이 바람직하다.

도 4a와 도 4b는 본 발명의 연료전지에 대한 또 다른 사용상태를 나타낸 사시도로서, 케이스(10)와 또 다른 케이스(10) 사이에 회전가능한 흰지를 포함하는 연결구(70)가 부착되어 있으며, 이에 따라 도4a와 같이 서로 직렬로 연결된 두개의 연료전지를 펼쳐서 사용이 가능하고, 또는 도 4b와 같이 연결구(70)를 회전시켜 연료전지를 접어서도 사용이 가능하다.

아울러, 상기와 같이 두개 이상이 직렬로 배열된 금속 연료전지에 있어서, 상기 케이스(10)와 또 다른 케이스(10)에는 서로 접촉되는 면에 고정돌기(15a)와 고정홈(15b)을 형성하여 접철시 유동되지 않고 고정되도록 하는 것이 바림직하다.

이상과 같은 본 발명의 금속 연료전지는 카본시트 내에 세라믹 입자가 포함되도록 함에 따라 전자의 전도성을 높이고 산소와의 반응속도를 빠르게 진행시켜 전체적인 에너지효율을 향상시킴으로써 제품의 소형화가 가능하여 휴대가 용이할 뿐만 아니라 고가의 촉매인 백금이나 니켈을 사용하지 않아도 비교적 높은 전력을 얻을 수 있어 제조비용을 절감함에 따라 경제적이고 생산원가를 낮춰 대량생산이 가능하다.

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 가로 110㎜ 세로 130㎜ 높이10㎜를 갖는 육면체형태의 금속 전극체를 제조하고, 상기 전극체의 외주면에 카본시트와 스테인레스 메쉬망을 차례로 감싼 상태로 폴리프로필렌 재질의 케이스에 내장시킨 다음, 금속 전극체 내부에 전해질로서 12% 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 충진시키고, 케이스 상단에는 밀폐가능한 뚜껑을 장착시킨 후, 상기 메쉬망에 양극을 연결하고 금속 전극체에 음극을 연결하여 도 1 내지 도 3의 구조를 갖는 금속 연료전지(A)를 제조하였다.

이와 아울러, 상기 금속 연료전지(A)와 동일한 방법으로 제조하되, 상기 카 본시트로서 카본 분말체 100g과, 화산재나, 옥, 화강석으로 이루어진 세라믹 입자 30g, 에폭시 수지 40g을 압착성형한 것을 사용하여 본 발명에 해당하는 세라믹이 첨가된 카본시트를 사용한 금속 연료전지(B)를 제조하였다.

이와 같이 제조된 두 종류의 금속 연료전지(A,B)에 대하여 전류 발생량을 측정한 결과, 기존 카본시트만을 사용한 금속 연료전지(A)의 경우 약 1A를 발생시키는데 반해, 본 발명에 해당하는 세라믹이 첨가된 카본시트를 사용한 금속 연료전지(B)의 경우 1.05A로 약 5%가 증가된 수치를 보여주었으며, 일주일간의 계속적인 부하시험일 경우 그 차이는 30% 정도까지 증가된 전류량을 보여주었다.

도 1은 본 발명의 연료전지를 나타낸 사시도

도 2는 도 1의 연료전지를 부분절개하여 나타낸 분해 사시도

도 3은 도 1의 연료전지를 나타낸 단면도

도 4a와 도 4b는 본 발명의 연료전지에 대한 또 다른 사용상태를 나타낸 사시도

<도면의 주요부호에 대한 상세한 설명>

10 : 케이스

11 : 통공

15a : 고정돌기

15b : 고정홈

20 : 메쉬망

30 : 카본시트

40 : 금속 전극체

50 : 뚜껑

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 마그네슘을 포함하는 금속을 연료로 사용하는 연료전지에 있어서,

   상부가 개방되고 측벽면에는 다수의 관통된 통공이 형성된 케이스와;

   상기 케이스의 내부에 내장되며 후술되는 카본시트의 외주면과 밀착된 스테인레스 재질의 메쉬망과;

   상기 메쉬망과 함께 후술되는 금속전극체의 외주면을 감싸고 있으며, 세라믹 입자가 포함된 카본시트와;

   상기 카본시트의 내부에 위치되고, 내부공간부가 형성되어 전해질 용액이 충진된 금속 전극체와;

   상기 케이스의 상단에 밀폐성을 갖고 탈착가능하게 끼워지는 뚜껑;을 포함하되,

   상기 카본시트는 카본의 함유량이 70% 이상인 고순도인 카본 분말체 100중량부에 대하여 세라믹 입자 10~30중량부, 에폭시 수지 20~40중량부를 첨가하여 혼합하고 압착하여 성형함으로써 제조됨을 특징으로 하는 휴대용 금속 연료전지.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 세라믹 입자는 화산재, 옥, 화강석 재질인 것을 특징으로 하는 휴대용 금속 연료전지.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 금속 연료전지가 두개 이상이 배열되고 상호 직렬로 연결한 구성을 포함함을 특징으로 하는 휴대용 금속 연료전지.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 케이스와 또 다른 케이스 사이에는 회전가능한 흰지를 포함하는 연결구가 부착된 것을 특징으로 하는 휴대용 금속 연료전지.

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