KR101321484B1 - 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치 - Google Patents

워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치를 개시한다.
본 발명에 따른 워터 발전 장치용 전해질은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태로 구현되는 것을 특징으로 한다.

Description

워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치{Electrolyte and Stacked Electrode Body for Water Generator and Manufacturing Method of the Same, and Water Generator Having the Same}
본 발명은 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 양극과 음극 사이에 탄소 분말과 n형 반도체 분말을 순수와 혼합하여 전해질을 제조하고, 이러한 전해질로 구현되는 전해질층이 양극 및 음극 사이에 삽입된 단위 전극체를 복수개 적층한 적층 전극체를 제조하며, 상기 적층 전극체를 용기 내로 수용한 후 상기 용기 내에 순수 또는 소금물과 같은 전해액을 넣어 상기 전해질층과의 화학 반응에 의해 전기를 생성하는 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치에 관한 것이다.
종래 전기를 생산하기 위한 발전 시스템으로 화력 발전, 수력 발전, 원자력 발전, 풍력 발전, 조력 발전, 및 태양광 발전 등이 사용되고 있다.
석탄, 석유, 및 천연가스와 같은 화석 연료의 사용에 의존하는 화력 발전은 화석 원료의 고갈 문제 및 이산화탄소 배출에 따른 환경 오염 문제로 인하여 그 사용이 줄어들고 있는 추세이다.
수력 발전은 산악 지형에 댐을 건설하여야 하므로, 댐의 건설 비용이 높다는 문제가 있었다. 또한, 평지에서는 댐 건설이 불가능하므로 지형상으로 건설 장소의 확보가 어렵거나 불가능한 경우가 발생한다.
원자력 발전은 화력 발전을 대체하기 위한 대안으로 도입되었지만 항상 안전성 문제를 내포하고 있다. 구체적으로, 구소련의 체르노빌 원자력 발전소의 사고, 미국 스리마일 원자력 발전소의 방사능 누출 사고, 및 최근 일본의 동북부 관동 대지진으로 인한 후쿠시마 원자력 발전소의 사고 등으로 인한 방사능 누출에 따른 인명 피해는 물론 환경 오염 문제로 인하여 원자력 발전소의 건설 중단 및 폐쇄를 요구하는 목소리가 커지고 있다.
상술한 문제점들을 해소하기 위한 대안으로 재상 가능한 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 구체적으로, 풍력 발전, 조력 발전, 및 태양광 발전 등에 대한 관심이 높아지고 있다.
그러나, 풍력 발전은 평야 지대가 적은 국가에서는 적용하기 어렵다는 문제가 있으며, 조력 발전은 바다가 없는 국가에서는 사용이 불가능하며, 또한 바다가 있는 국가라도 조수 간만의 차가 크지 않으면 적용이 어렵다는 문제가 있다.
또한, 태양광 발전은 자연 에너지를 사용하고 공해 발생이 없는 청정 에너지원이라는 장점을 갖는다. 그러나, 태양광 발전은 발전량에 비해 고비용(high costs)이 요구되고, 유효 발전 시간이 길지 않아 발전 피크(peak)는 하루에 3-4시간 정도에 불과하며, 날씨 및 계절에 따라 발전량의 변화가 크다는 등의 문제점으로 인하여 아직까지는 상용화 단계에 이르지 못하고 있다.
따라서, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
1. 대한민국 공개특허 제10-2007-0059304호(2007년 06월 12일 공개) 2. 대한민국 공개실용신안제20-0008533호(2000년 05월 15일 공개) 3. 대한민국 특허 제10-0779926호(2007년 11월 30일 공고) 4. 대한민국 공개특허 제10-2010-0114990호(2010년 10월 27일 공개) 5. 대한민국 공개특허 제10-2004-0012737(2004년 02월 10일 공개) 6. 대한민국 공개특허 제10-2009-0107050(2009년 10월 12일 공개) 7. 대한민국 공개특허 제10-2010-0075109(2010년 07월 02일 공개) 8. 대한민국 특허 제10-0990752호(2010년 10월 29일 공고)
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양극과 음극 사이에 탄소 분말과 n형 반도체 분말을 순수와 혼합하여 전해질을 제조하고, 이러한 전해질로 구현되는 전해질층이 양극 및 음극 사이에 삽입된 단위 전극체를 복수개 적층한 적층 전극체를 제조하며, 상기 적층 전극체를 용기 내로 수용한 후 상기 용기 내에 순수 또는 소금물과 같은 전해액을 넣어 상기 전해질층과의 화학 반응에 의해 전기를 생성하는 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 워터 발전 장치용 전해질은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체는 하나 이상의 단위 전극체가 직렬로 적층되는 구성을 포함하고, 상기 하나 이상의 단위 전극체는 각각 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 삽입되는 전해질로 구성되며, 상기 전해질층은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태의 전해질 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따른 워터 발전 장치는 각각이 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 삽입되는 전해질층으로 구성되는 하나 이상의 단위 전극체가 직렬로 적층되는 적층 전극체; 및 상기 적층 전극체를 수용하는 용기(container)를 포함하고, 상기 전해질층은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태의 전해질 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질로 구현되며, 상기 용기 내에 순수 또는 전해액을 주입하면 전기가 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4 특징에 따른 워터 발전 장치용 전해질의 제조 방법은 a) 탄소 분말 및 n형 반도체 분말을 각각 순수와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계; b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제를 주입하여 상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액을 얻는 단계; c) 상기 전해액을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계; 및 d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 5 특징에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체의 제조 방법은 a) 탄소 분말 및 n형 반도체 분말을 각각 순수와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계; b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제를 주입하여 상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액을 얻는 단계; c) 상기 전해액을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계; d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계; e) 상기 전해질로 구현되는 전해질층이 양극 및 음극 사이에 삽입된 단위 전극체를 하나 이상 형성하는 단계; 및 f) 상기 하나 이상의 단위 전극체를 직렬로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 워터 발전 장치용 전해질 및 적층 전극체 및 그 제조 방법, 및 이를 구비한 워터 발전 장치를 사용하면, 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 본 발명의 워터 발전 장치의 구조가 매우 간단하며 또한 물이 있는 곳에서는 언제든지 발전이 가능하다.
2. 본 발명의 워터 발전 장치의 제조 비용 및 제조 시간이 현저하게 감소된다.
3. 본 발명은 종래 기술에 비해 대규모의 발전 설비(발전소 또는 댐)를 건설하기 위한 넓은 장소 및 막대한 비용 지출이 불필요하다.
4. 본 발명은 수원(예를 들어, 수력 발전용 댐 건설 장소, 하천, 저수지, 용수로, 호수, 바다의 연안 등)이 있는 곳에서 매우 간편하게 설치 및 사용이 가능하다.
5. 본 발명은 가정, 대형 빌딩, 병원, 관공서, 선박 등 발전이 필요한 모든 장소에서 맞춤형으로 설치 및 사용될 수 있으며, 또한 비사용 전원으로 사용될 수도 있다.
6. 본 발명은 유해 물질을 포함하지 않으며 수소와 같은 폭발성 물질이 발생하지 않으므로 매우 높은 안전성을 가지며, 이산화탄소 및 공해 물질이 발생하지 않으므로 친환경적이다.
7. 본 발명의 워터 발전 장치의 사이즈의 가변 또는 수의 증감을 통해 소규모에서 대규모의 발전량에 대한 요구에 용이하게 대응할 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 일반적인 볼타 전지의 원리 및 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 및 그 제조 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 및 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 구현예를 도시한 사진이다.
도 2e는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 적층 전극체에 사용되는 압력 인가 부재의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 2f는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 용기 내에 순수를 2cc 주입한 후 5분 간격으로 60분 동안 측정한 전압 및 단락전류의 그래프를 도시한 도면이다.
도 2g는 동일한 조건 하에서 4종류의 전해액을 사용하여 전압, 전류, 출력 및 효율을 측정한 실험 장치 및 결과 데이터를 도시한 도면이다.
도 2h는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 일반적인 볼타 전지의 원리 및 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 볼타 전지는 전극체(100)가 직렬로 복수개 적층된 적층 전극체(100a)로 구성되어 있다. 각각의 전극체(100)는 아연판으로 이루어진 양극(anode: 110), 구리판으로 이루어진 음극(cathode: 120), 및 상기 양극(110)과 음극(120) 사이에 삽입된 전해질(130)로 구성된다. 전해질(130)로는 묽은 황산 또는 식염수가 사용될 수 있다. 이러한 전해질(130)이 용매에 용해된 것이 전해액(130a)이다.
상술한 볼타 전지에서는, 아연(Zn)이 이온화 경향이 크기 때문에 아연 이온(Zn2 +)으로 되어 전해액(130a)에 녹아 나온다. 양극(110)과 음극(120)을 전선으로 연결하면 양극(110)인 아연판의 전자는 음극(120)인 구리판으로 이동하고, 이동한 전자는 수소 이온(H+)과 결합하여 구리판에서 수소 기체(H2)가 발생한다.
상술한 볼타 전지는 처음 기전력이 1.1V이지만, 약 2 내지 3분 후에는 대략 0.4V로 떨어진다. 그 원인은 구리판에서 발생한 수소 기체가 구리판 주위에 막을 형성하여 수소 이온의 환원 반응을 방해하는 분극 현상이 발생하기 때문이다. 또한, 아연판은 끊임없이 부식 및 용해되며 또한 편극도 커서 현재는 거의 사용되고 있지 않다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 및 그 제조 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질(230)을 제조하기 위해서는 탄소 분말(232) 2그램(gram) 및 n형 반도체 분말(234) 0.2그램을 각각 순수(236) 20cc와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조한다. 이 때, 탄소 분말(232) 및 n형 반도체 분말(234)의 중량비는 대략 1: 0.05 내지 0.20의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 그 후, 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 혼합액에 용제(solvent: 238)를 3cc 주입한다. 이 경우, 혼합액과 용제(238)의 중량비는 대략 20:1 내지 40:1의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 탄소 분말(232) 및 n형 반도체 분말(234)이 용제(238)에 의해 서로 흡착된 액체 상태의 전해액(230a)을 얻는다. 여기서, 탄소 분말(232)의 재료로는 예를 들어 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 카본블랙(carbon black)이 사용되고, n형 반도체 분말(234)의 재료로는 예를 들어 이산화티탄(TiO2), 또는 산화코발트(cobalt oxide) 등과 같은 금속 산화물(metal oxide)이 사용되며, 용제(238)로는 예를 들어 아세톤이 사용될 수 있다.
그 후, 전해액(230a)을 대략 200℃의 온도에서 1시간 정도 가열하여 소성한다. 전해액(230a)을 가열하면 용제(238)가 휘발되고 소성체가 얻어진다. 그 후, 소성체를 분쇄하여 소성체 분말 형태의 본 발명의 전해질(230)을 얻는다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상술한 소성체 분말에 예를 들어 규산나트륨(Na2SiO3) 분말을 혼합하여 본 발명의 전해질(230)을 얻을 수도 있다. 이러한 규산나트륨 분말은 후술하는 알갱이 분말 형태의 본 발명의 전해질(230)을 전해질층(231)로 사용하는 도 2d에 도시된 본 발명의 워터 발전 장치(201)의 출력(전력)을 증가시키는데 기여한다. 이 때, 소성체 분말과 규산나트륨(Na2SiO3) 분말의 혼합 비율은 중량비로 대략 1:1이 바람직하다.
상술한 방법으로 얻어진 본 발명의 소성체 분말 형태의 전해질(230)은 미세 분말이 아닌 알갱이 상태(grain state)의 분말(이하 "알갱이 분말(grain powder)"이라 합니다)의 형태를 갖는다. 이러한 알갱이 분말은 예를 들어 성형틀 또는 압축 장치 등을 이용하여 압축하여 시트 형태(sheet shape)로 형성될 수도 있다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 및 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2c를 도 2a 및 도 2b와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)는 하나 이상의 단위 전극체(200)가 직렬로 적층되는 구성을 포함하고, 상기 하나 이상의 단위 전극체(200)는 각각 양극(210), 음극(220), 및 상기 양극(210)과 상기 음극(220) 사이에 삽입되는 전해질층(230)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에 사용되는 전해질층(231)은 상술한 본 발명의 서로 흡착된 탄소 분말(232) 및 n형 반도체 분말(234)과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태를 갖는 전해질(230) 또는 상기 알갱이 분말을 예를 들어 성형틀 또는 압축 장치 등을 이용하여 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질(230)로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에 사용되는 단위 전극체(200)의 양극(210)은 예를 들어 알루미늄판으로 이루어지고, 음극(220)은 예를 들어 구리판으로 이루어진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에서는, 양극(210)으로 사용되는 알루미늄판의 두께(h1) 및 음극(220)으로 사용되는 구리판의 두께(h2)는 각각 1.0mm이고, 전해질층(231)의 두께(h3)는 0.5mm로 제조되었다. 따라서, 단위 전극체(200)의 높이는 2,5mm이고, 4개의 전극체(200)가 적층되어 구성된 적층 전극체(200a)의 높이(H)는 10mm이다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에서 알루미늄판 및 구리판의 두께(h1,h2)과 전해질층(231)의 두께(h3)는 사용자의 선택 사양으로 증가 또는 감소될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
또한, 도 2c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에서 사용된 단위 전극체(200)의 수가 4개인 것으로 예시적으로 도시되어 있지만, 당업자라면 단위 전극체(200)의 수도 3개 이하 또는 5개 이상일 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 구현예를 도시한 사진이다.
도 2d를 도 2a 내지 도 2c와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)는 각각이 양극(210), 음극(220), 및 상기 양극(210)과 상기 음극(220) 사이에 삽입되는 전해질층(231)으로 구성되는 하나 이상의 단위 전극체(200)가 직렬로 적층되는 적층 전극체(200a); 및 상기 적층 전극체(200a)를 수용하는 용기(container: 240)를 포함하고, 상기 전해질층(231)은 서로 흡착된 탄소 분말(232)과 n형 반도체 분말(234)과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태의 전해질(230) 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질(230)로 구현되고, 상기 용기(240) 내에 순수 또는 소금물과 같은 전해액을 주입하면 전기가 발생되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)에 사용되는 단위 전극체(200)의 양극(210)은 예를 들어 알루미늄판으로 이루어지고, 음극(220)은 예를 들어 구리판으로 이루어진다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)는 상기 적층 전극체(200a)의 상부 또는 하부와 상기 용기(240) 사이에 위치하며, 상기 적층 전극체(200a)에 압력을 가하는 압력 인가 부재(250)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 압력 인가 부재(250)는 예를 들어 용수철과 같은 탄성 부재로 구현되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
좀 더 구체적으로, 도 2e는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 적층 전극체에 사용되는 압력 인가 부재의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 2e를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)의 적층 전극체(200a)에 사용되는 압력 인가 부재(250)는 적층 전극체(200a)의 상부 및 하부에 장착되는 클램핑 장치(252)로 구현될 수 있다.
한편, 전해질층(321)으로 알갱이 분말 형태의 전해질(230)이 사용되는 경우, 용기(240) 내에 주입된 순수가 압력 인가 부재(250) 또는 클램핑 장치(252)에 의해 가압된 알갱이 분말 내로 스며들어 알갱이 분말이 성기게 뭉쳐진 농축된 분말 시트(concentrated powder sheet)의 형태(231a)로 변한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)에 사용될 수 있는 압력 인가 부재(250) 또는 클램핑 장치(252)는 적층 전극체(200a)의 상부 및 하부에서 압력을 인가함으로써 전해질층(231)을 양극(210)과 음극(220) 사이에서 밀착 접촉 상태로 유지할 수 있다. 전해질층(231)이 양극(210)과 음극(220) 사이에서 밀착되면, 양극(210) 및 음극(220)의 내측 표면과 접촉하는 전해질층(231)의 접촉 면적이 증가하여 발전 효율이 높아진다,
도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 워터 발전 장치(201)에 사용되는 적층 전극체(200a)의 높이(H)가 10mm(즉, 1cm)이므로, 워터 발전 장치(201)의 용기(240)의 높이 및 직경은 30mm 이하의 매우 소형의 사이즈를 갖는 발전 장치라는 점에 유의하여야 한다. 그러나, 당업자라면 워터 발전 장치(201)에 사용되는 적층 전극체(200a)를 구성하는 각각의 단위 전극체(200) 자체의 사이즈는 물론 적층되는 단위 전극체(200)의 수에 따라 적층 전극체(200a)의 사이즈(높이 및 직경)의 사용자의 필요에 따라 충분히 증가할 수 있으므로, 본 발명의 워터 발전 장치(201)를 임의의 사이즈로 제조할 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
또한, 적층 전극체(200a)를 구성하는 각각의 단위 전극체(200)가 원통 형상을 구비한 것으로 예시적으로 도시되어 있지만, 당업자라면 적층 전극체(200a)를 구성하는 각각의 단위 전극체(200)가 정사각 기둥, 직각 기둥, 타원 기둥 등 다양한 형상을 가질 수 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)에서는 순수를 주입하여 발전이 이루어 질 때, 음극(220)에서 수소 기체가 발생하지 않았다. 수소 기체가 발생하지 않으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)에서는 음극(220)에서 종래 볼타 전지와는 달리 분극 현상의 발생이 방지되는 장점이 달성된다.
도 2f는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치의 용기 내에 순수를 2cc 주입한 후 5분 간격으로 60분 동안 측정한 전압 및 단락전류의 그래프를 도시한 도면이다.
도 2f를 참조하면, 도시된 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 전압의 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)는 대략 15분 후에 대략 2.57(V)의 최대치 전압을 나타내었고, 이후 대략 35분에서 60분까지 대략 2.48V) 내지 2.5(V) 범위의 거의 일정한 전압을 유지하였다. 또한, 단락 전류의 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)는 대략 10분 후에 대략 9,000(㎂) 또는 9(㎃)의 최대치 단락전류를 나타내었고, 이후 대략 25분부터 60분까지 대략 4,400 내지 5,200(㎂) 또는 4.4 내지 5.2(㎃) 범위의 거의 일정한 단락전류를 유지하였다.
상술한 그래프의 해석으로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치(201)에서는 주입된 순수가 하나 이상의 단위 전극체(200) 내의 전해질층(231)과 반응하여 전기를 생성할 수 있음을 명백히 보여주고 있다.
도 2g는 동일한 조건 하에서 4종류의 전해액을 사용하여 전압, 전류, 출력 및 효율을 측정한 실험 장치 및 결과 데이터를 도시한 도면이다.
도 2g를 참조하면, 양극으로 아연판이 사용되었고, 음극으로는 구리판이 사용되었다. 또한, 전해액으로, 순수, 순수 + NaCl(소금물), 본 발명 전해액(구체적으로, 도 2a 및 도 2b에 도시된 전해액(230a)), 및 본 발명 전해액 + NaCl의 4종류가 사용되었다. 실험은 양극과 음극에 전압계 또는 전류계를 연결한 후, 4종류의 전해액에 대해 각각 전압 또는 전류를 측정하는 방식으로 이루어졌다. 출력(전력)은 P(전력) = V(전압) x I(전류)의 공식에 의해 계산되었고, 효율은 순수의 출력을 기준으로 상대적인 출력값으로 계산되었다.
도 2g에 도시된 결과 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 전해액(230a)을 사용하는 경우, 순수에 비해 1,400배, 소금물에 비해 14배의 효율을 나타내었고, 본 발명 전해액 + NaCl의 경우 순수에 비해 4,600배, 소금물에 비해 46배의 효율을 나타내었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치는 전해질층(231)의 원료로 사용되는 전해액(230a)/전해액(203a) + NaCl을 사용하는 경우, 종래 기술의 전해액인 순수 및 소금물에 비해 각각 1,400배 및 14배/4,600배 및 46배의 매우 큰 효율 향상을 보여주고 있다. 또한, 본 발명의 전해액(230a)을 단독으로 사용하는 경우보다 NaCl을 혼합하여 사용하는 경우가 대략 3.3배의 더 큰 효율 향상을 보여주고 있다.
도 2h는 도 2d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 2h를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)는 n개의 적층 전극체(200a1,...,200an)를 직렬로 연결하여 이루어진다. 여기서, n개의 적층 전극체(200a1,...,200an)는 각각 도 2c에 도시된 본 발명에 따른 적층 전극체(200a)와 동일하다.
다시 도 2h를 참조하면, 양극(210)으로 사용되는 알루미늄판의 두께(h1) 및 음극(220)으로 구리판의 두께(h2)는 각각 20㎛이고, 전해질층(231)의 두께(h3)는 10㎛로 제조되었다. 따라서, n개의 적층 전극체(200a1,...,200an) 각각을 구성하는 단위 전극체(200)의 높이는 50㎛(즉, 0.05mm)이다. 도 2h에 도시된 단위 전극체(200)의 높이는 도 2c에 도시된 단위 전극체(200)의 높이의 1/50로 매우 얇게 형성되어 있다. 여기서, n개의 적층 전극체(200a1,...,200an)는 각각 4개의 단위 전극체(200)로 구성되므로, 각각의 높이는 200㎛(즉, 0.2mm)이다. 따라서, n이 500인 경우 도 2h에 도시된 적층 전극체(200a)의 높이(H)는 100mm이다. 즉, 도 2h에 도시된 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)는 도 2c에 도시된 워터 발전 장치용 적층 전극체(200a)와 비교하여 단위 전극체(200)의 수가 500배 증가하므로, 높이 증가는 10배이지만 출력은 500배 증가한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 워터 발전 장치(201)는 적층 전극체(200a)를 구성하는 단위 전극체(200)의 높이를 감소시킴과 동시에 단위 전극체(200)의 수를 증가시킴으로써, 사용자가 원하는 전력 출력을 용이하게 얻을 수 있다는 장점이 달성된다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
도 3a를 도 2a 및 도 2b와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법(300a)은 a) 탄소 분말(232) 및 n형 반도체 분말(234)을 각각 순수(236)와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계(310); b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제(238)를 주입하여 상기 탄소 분말(232) 및 상기 n형 반도체 분말(234)이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액(230a)을 얻는 단계(320); c) 상기 전해액(230a)을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계(330); 및 d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질(230)을 얻는 단계(340)를 포함한다.
대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법(300a)의 상기 단계 d)는 d1) 상기 소성체를 분쇄하여 얻어지는 소성체 분말과 규산나트륨 분말을 혼합하여 알갱이 분말 형태의 전해질(230)을 얻는 단계일 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법(300a)에서, 상기 탄소 분말(232) 및 상기 n형 반도체 분말(234)의 중량비는 대략 1: 0.05 내지 0.20의 범위를 갖는 것이 바람직하고, 상기 혼합액과 상기 용제(238)의 중량비는 대략 20:1 내지 40:1의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소성체 분말과 상기 규산나트륨 분말의 혼합 비율은 중량비로 대략 1:1이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법(300a)에서, 상기 탄소 분말(232)의 재료로는 예를 들어 탄소나노튜브 또는 카본블랙이 사용되고, 상기 n형 반도체 분말(234)의 재료로는 예를 들어 이산화티탄, 또는 산화코발트 등과 같은 금속 산화물이 사용되며, 상기 용제(238)로는 예를 들어 아세톤이 사용될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법(300)은 a) 탄소 분말(232) 및 n형 반도체 분말(234)을 각각 순수(236)와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계(310); b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제(238)를 주입하여 상기 탄소 분말(232) 및 상기 n형 반도체 분말(234)이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액(230a)을 얻는 단계(320); c) 상기 전해액(230a)을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계(330); 및 d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질(230)을 얻는 단계(340); e) 상기 전해질(230)로 구현되는 전해질층(231)이 양극(210) 및 음극(220) 사이에 삽입된 단위 전극체(200)를 하나 이상 형성하는 단계(350); 및 f) 상기 하나 이상의 단위 전극체(200)를 직렬로 적층하는 단계(360)를 포함한다.
대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법(300)의 상기 단계 d)는 d1) 상기 소성체를 분쇄하여 얻어지는 소성체 분말과 규산나트륨 분말을 혼합하여 알갱이 분말 형태의 전해질(230)을 얻는 단계일 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법(300)에서, 상기 탄소 분말(232) 및 상기 n형 반도체 분말(234)의 중량비는 대략 1: 0.05 내지 0.20의 범위를 갖는 것이 바람직하고, 상기 혼합액과 상기 용제(238)의 중량비는 대략 20:1 내지 40:1의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소성체 분말과 상기 규산나트륨 분말의 혼합 비율은 중량비로 대략 1:1이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법(300)에서, 상기 탄소 분말(232)의 재료로는 예를 들어 탄소나노튜브 또는 카본블랙이 사용되고, 상기 n형 반도체 분말(234)의 재료로는 예를 들어 이산화티탄, 또는 산화코발트 등과 같은 금속 산화물이 사용되며, 상기 용제(238)로는 예를 들어 아세톤이 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법(300)에 사용되는 상기 양극(210)은 알루미늄판으로 구현되고, 상기 음극(220)은 구리판으로 구현될 수 있다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
100,200: 전극체 100a,200a,200a1,200an: 적층 전극체
110,210: 양극 120,220: 음극
130,230: 전해질 130a,230a: 전해액
201: 워터 발전 장치 231: 전해질층
232: 탄소 분말 234: n형 반도체 분말
236: 순수 238: 용제
240: 용기 250: 압력 인가 부재
252: 클램핑 장치

Claims (14)

  1. 워터 발전 장치용 전해질에 있어서,
    상기 전해질은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태로 구현되는 워터 발전 장치용 전해질.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 분말의 재료로 탄소나노튜브 또는 카본블랙이 사용되고,
    상기 n형 반도체 분말의 재료로 이산화티탄 또는 금속 산화물이 사용되는
    워터 발전 장치용 전해질.
  3. 발전 장치용 적층 전극체에 있어서,
    하나 이상의 단위 전극체가 직렬로 적층되는 구성을 포함하고,
    상기 하나 이상의 단위 전극체는 각각 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 삽입되는 전해질층으로 구성되며,
    상기 전해질층은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태의 전해질 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질로 구현되는
    워터 발전 장치용 적층 전극체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄소 분말의 재료로 탄소나노튜브 또는 카본블랙이 사용되고,
    상기 n형 반도체 분말의 재료로 이산화티탄 또는 금속 산화물이 사용되는
    워터 발전 장치용 적층 전극체.
  5. 발전 장치에 있어서,
    각각이 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 삽입되는 전해질층으로 구성되는 하나 이상의 단위 전극체가 직렬로 적층되는 적층 전극체; 및
    상기 적층 전극체를 수용하는 용기(container)
    를 포함하고,
    상기 전해질층은 서로 흡착된 탄소 분말 및 n형 반도체 분말과 선택적으로 규산나트륨 분말을 함유하는 알갱이 분말 형태의 전해질 또는 상기 알갱이 분말을 압축하여 형성된 시트 형태의 전해질로 구현되며,
    상기 용기 내에 순수 또는 전해액을 주입하면 전기가 발생되는
    워터 발전 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 워터 발전 장치는 상기 적층 전극체의 상부 또는 하부와 상기 용기 사이에 위치하며, 상기 적층 전극체에 압력을 가하는 압력 인가 부재를 추가로 포함하는 워터 발전 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 워터 발전 장치는 상기 적층 전극체의 상부 및 하부에 장착되는 클램핑 장치를 추가로 포함하는 워터 발전 장치.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 분말의 재료로 탄소나노튜브 또는 카본블랙이 사용되고,
    상기 n형 반도체 분말의 재료로 이산화티탄 또는 금속 산화물이 사용되며,
    상기 양극은 알루미늄판으로 이루어지며,
    상기 음극은 구리판으로 이루어지는
    워터 발전 장치.
  9. 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법에 있어서,
    a) 탄소 분말 및 n형 반도체 분말을 각각 순수와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계;
    b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제를 주입하여 상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액을 얻는 단계;
    c) 상기 전해액을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계; 및
    d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계
    를 포함하는 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 d)는 d1) 상기 소성체를 분쇄하여 얻어지는 소성체 분말과 규산나트륨 분말을 혼합하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계인 워터 발전 장치용 전해질 제조 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말의 중량비는 1: 0.05 내지 0.20의 범위를 갖고,
    상기 혼합액과 상기 용제의 중량비는 20:1 내지 40:1의 범위를 갖는
    워터 발전 장치용 전해질 제조 방법.
  12. 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법에 있어서,
    a) 탄소 분말 및 n형 반도체 분말을 각각 순수와 혼합하여 탄소분말 분산액 및 n형 반도체 분말 분산액을 제조하는 단계;
    b) 상기 탄소분말 분산액 및 상기 n형 반도체 분말 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액에 용제를 주입하여 상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말이 서로 흡착된 액체 상태의 전해액을 얻는 단계;
    c) 상기 전해액을 가열 및 소성하여 소성체를 얻는 단계;
    d) 상기 소성체를 분쇄하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계;
    e) 상기 전해질로 구현되는 전해질층이 양극 및 음극 사이에 삽입된 단위 전극체를 하나 이상 형성하는 단계; 및
    f) 상기 하나 이상의 단위 전극체를 직렬로 적층하는 단계
    를 포함하는 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단계 d)는 d1) 상기 소성체를 분쇄하여 얻어지는 소성체 분말과 규산나트륨 분말을 혼합하여 알갱이 분말 형태의 전해질을 얻는 단계인 워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 탄소 분말 및 상기 n형 반도체 분말의 중량비는 1: 0.05 내지 0.20의 범위를 갖고,
    상기 혼합액과 상기 용제의 중량비는 20:1 내지 40:1의 범위를 갖는
    워터 발전 장치용 적층 전극체 제조 방법.
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