KR101747165B1 - 열전기화학 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도차에 따라 산화환원이 가능한 전해질; 상기 전해질에 침지되는 제1전극; 및 상기 전해질에 침지되는 제2전극을 포함하며, 상기 전해질은 pH x (단, 7<x<14)인 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로, 전해질의 pH가 pH x (단, 7<x<14)인 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 사용함으로써, 기존의 Pt 재질의 전극 또는 탄소 전극을 대체하는 비귀금속 재질의 전극을 사용할 수 있다.

Description

열전기화학 전지 시스템{Thermoelectrochemical cell system}

본 발명은 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 폐에너지를 활용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 열전기화학 전지 시스템에 관한 것이다.

한편, 본 발명에서, 상기 열전기화학 전지 시스템(Thermoelectrochemical cell system 또는 Thermal electrochemical cell)은, 온도차부식 전지(Thermogalvanic cell 또는 Thermal galvanic cell), 열전기화학 에너지 하베스터(Thermoelectrochemical energy harvester 또는 Thermal electrochemical energy harvester)로도 명명될 수 있다.

일반적으로, 열전변환 기술은, 열에너지와 전기적인 에너지를 변환하는 기술 이며, 다양한 일상생활이나 생산 활동으로 발생하는 폐에너지를 전력으로 변환하거나 전압을 인가해 온도차를 발생시키거나 하는 것이 가능하다.

최근 폐에너지를 활용하는 에너지 하베스팅 기술이 제시되고 있으며, 이러한, 폐에너지는 주로 폐열, 진동, 빛, 바람, 운동에너지, 전자기파 등의 형태로 발생되며 폐에너지 중에서도 폐열은 가정, 사무실, 발전소, 산업, 도시, 자연, 생물 등 에너지가 소모되는 모든 부분에서 발생되어 활용범위가 가장 큰 에너지라 할 수 있다.

하지만, 이러한 폐에너지는 활용하기가 힘든 저온의 저급폐열로 발생되기 때문에 이를 극복하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

일본공개특허 특개평 5-166554

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 폐에너지를 활용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 열전기화학 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 온도차에 따라 산화환원이 가능한 전해질; 상기 전해질에 침지되는 제1전극; 및 상기 전해질에 침지되는 제2전극을 포함하며, 상기 전해질은 pH x (단, 7<x<14)인 열전기화학 전지 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 어느 하나는 비귀금속 재질인 것을 특징으로 하는 열전기화학 전지 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 비귀금속은 Cu 또는 Ni인 열전기화학 전지 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전해질은 KOH를 포함하며, 상기 KOH의 첨가량은 상기 전해질의 pH가 pH x(7<x<14)에 해당할 수 있도록 몰농도를 제어하는 열전기화학 전지 시스템을 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 전해질의 pH가 pH x (단, 7<x<14)인 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 사용함으로써, 기존의 Pt 재질의 전극 또는 탄소 전극을 대체하는 비귀금속 재질의 전극을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, KOH를 전해질에 첨가하여, 전해질의 pH를 제어하여 비귀금속 재질의 전극을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전류밀도의 개선을 통한 성능 향상 효과 또한 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열전기화학 전기를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 일반적인 pourbaix diagram의 일예를 도시하는 사진이다.
도 3은 3전극 전기화학 전지를 이용한 실시예 및 비교예 전극의 cyclic voltammetry를 도시한 그래프이다.
도 4는 각 전극의 온도에 따른 개방전압 및 단락전류밀도를 도시하는 도면이다.
도 5는 각 전극의 dT=60K 에서의 출력밀도를 도시하는 도면이다.
도 6은 pH12와 pH7의 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆) 전해질을 Pt전극을 활용한 열전기화학 전지에서의 각 온도별 개방전압 및 단락전류밀도를 측정한 값을 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열전기화학 전기를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 열전 변환 소자의 일종인 열전기화학 전지(1)는 온도 차에 따라 산화환원이 가능한 전해질(2) 및 상기 전해질이 수용되는 전해조(3)를 포함한다.

또한, 상기 전해질에 침지되는 제1전극(6), 예를 들면, 음극을 포함하며, 또한, 상기 전해질에 침지되는 제2전극(7), 예를 들면, 양극을 포함한다.

상기 전해질에 있어서, 가장 대표적인 것은 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/ K₄Fe(CN)₆)가 있으며, 이는 수용액 상태로 되었을 때 전해질 내에서 Fe(CN)₆ ^{3 -}/Fe(CN)₆ ^4- 두 가지 상태로 존재하게 된다.

이때, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 양단에 온도차가 발생하게 되면 고온부의 전극표면에서는 Fe(CN)₆ ^{4 -}→Fe(CN)₆ ^{3 -}+e^- 의 산화반응이 발생되고, 저온부의 전극표면에서는 Fe(CN)₆ ^{3 -}+e^-→ Fe(CN)₆ ^{4 -}로 환원반응이 발생되어 양단의 전극에 전압차와 전류가 생성되는 산화환원 쌍을 구성하게 된다.

한편, 이러한 열전기화학 전지는 전해질의 레독스 커플의 전기화학반응을 이용하기 때문에 성능개선을 위한 연구의 범위가 제한적이다.

하기 식(1)은 열에너지 하베스터의 효율을 정의하는 제베크 계수로, 온도차(∂T)에 의한 발생되는 전압차(∂E)로 정의된다.

특히, 발생되는 전압차는 레독스 커플의 표준 환원 전위이며, 각각의 커플이 가지는 엔트로피 특성에 의해 정의되므로, 결과적으로 제베크 계수는 각 레독스 커플의 특성을 나타내는 항수라고 할 수 있다.

... 식(1)

... 식(2)

따라서, 전해질 특성에 의해 발생되는 전압은 이미 결정되므로 식(2)에서 나타나는 시스템의 출력을 개선하기 위해서는 높은 표준 환원 전위를 가지는 새로운 전해질 레독스 커플의 개발이나, 전극의 대면적화를 통한 전류밀도의 개선으로만 연구가 한정될 수밖에 없다.

현재까지는 여전히 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/ K₄Fe(CN)₆) 전해질 만큼 높은 제베크 계수를 가지면서도 가격적으로도 저렴한 우수한 전해질이 거의 보고되고 있지 않다

이로 인해 전극의 대면적화를 통한 전류밀도의 개선을 목표도 다양한 연구가 진행되고 있는 상황이기는 하나, 전극의 경우 전해질에서의 전기화학반응에 화학적, 물리적으로 안정적인 물질이 사용되어야 하며, 그 조건에 충족하는 물질로 백금이나, 탄소계열의 전극물질로 제한적으로 사용되고 있다.

이때, 백금의 경우 귀금속으로써 고가의 가격과 매장량의 한계로 실제 시스템 적용에 한계가 있으며, 나노화 된 카본의 경우 백금의 단점을 보완하면서도 선행연구를 통한 대면적화의 이점이 있기는 하지만, 복잡한 공정과 고가의 가격으로 인해 열전기화학 전지가 가지는 이점을 상쇄시켜 저렴하면서도 대면적화가 가능한 전극물질 선정이 절실한 상황이다.

따라서, 본 발명에서는 현재 한계점에 봉착한 열전기화학 전지의 성능을 개선하기 위해, 열전기화학 전지의 전극물질로 가장 적합한 전극물질을 제시함으로써, 새로운 개념의 열전기화학 전지를 제시하고자 한다.

일반적으로, 금속은 전기적 포텐셜과 pH조건에 따라 안정적인 금속결합 혹은 부식, 용해 등의 반응이 발생하며 이 반응으로 금속산화물이 발생된다.

이는 Pourbaix 다이어그램을 통해 확인이 가능하며 이를 통해 각 조건에 안정적인 전극물질 설계가 가능하다.

만약, 이를 이용하여 시스템의 작동 전압과 전해질의 pH를 고려하여 비귀금속 전극물질을 선정이 가능하다면 기존 시스템의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

즉, 상술한 바와 같이, 일반적인 열전기화학전지에서의 전극으로 백금을 사용하나, 상기 백금의 경우, 귀금속이기 때문에 고가의 가격 등의 문제로 인하여 실제의 열전기화학 전지의 시스템에 적용이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 출원인은 Pourbaix 다이어그램을 이용하여 각 조건에 적합한 비 귀금속의 전극물질을 선정하는 것을 연구/개발하였으며, 이와 동시에 각 조건에 따른 안정적인 구동이 가능한 전해질 선정을 통하여, 비귀금속 전극물질 사용에 적합한 새로운 시스템을 개발하고자 한다.

보다 구체적으로, Pourbaix 다이어그램을 통한 전극물질 선정에는 작동되는 전기적 포텐셜과 pH 등의 두 가지 변수를 고려해야 한다.

먼저, 첫번째 변수인 전기적 포텐셜의 경우 일반적으로 넓은 범위의 전기적 포텐셜이 주어지면 그 범위 내에서 안정적인 전극물질의 선정이 한정적이게 된다. 그러므로 우수한 제베크 계수를 가지면서도 표준 산화환원 전위의 범위가 크지 않은 전해질 선정이 필요하다.

열전기화학 전지의 가장 대표적인 전해질인 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/ K₄Fe(CN)₆)의 경우 표준 산화환원 전위가 +0.36V에서 형성이 되며, 이는 Pourbaix 다이어그램을 통한 전극물질 선정의 변수로 비교적 크지 않은 전압범위를 가진다.

또한, 현재까지 연구된 전해질 중에서 최상의 성능을 가지고 있으므로 본 연구에서는 Ferri/Ferro Cyanide 전해질을 기준으로 연구를 진행하였다.

다음으로, 두번째 변수인 pH의 경우, Ferri Cyanide(K₃Fe(CN)₆) 전해질을 기준으로 할 때, 수소이온과 반응을 고려하여야 한다. Ferri Cyanide는 수소이온과 만났을 때 Fe(CN)₆ ^{3 -} + 6H⁺ → 6HCN + Fe^{3 +} 으로 반응이 진행되며 전해질의 결합이 끊어지게 되어 전해질의 역할을 수행하지 못하게 된다.

그러므로 수소이온을 공급해야 하는 산성조건의 경우 Ferri Cyanide를 사용한 전해질의 사용이 제한되게 된다.

따라서 사용되는 전해질의 안정적인 구동을 위해 전해질의 pH 범위를 pH x (단, 7<x<14)로 한정하여 연구를 진행하였다.

즉, 본 발명에 따른 전해질은 pH x (단, 7<x<14)인 것을 특징으로 하며, 이는 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 의미한다.

이때, 본 발명에서 상기 전해질의 pH를 제어하는 것은, 상기 전해질에 일정 몰농도의 KOH를 첨가함으로써 제어할 수 있다.

본 발명에서 상기 KOH의 첨가량은 pH x(7<x<14)에 해당하는 몰농도인 것이 바람직하다.

즉, 상기 KOH의 첨가량은 상기 전해질의 pH가 pH x(7<x<14)에 해당할 수 있도록 몰농도를 제어할 수 있으며, 예를 들어, 상기 KOH 첨가량은 0.0011M 몰농도 내지 1M 몰농도로 첨가될 수 있다.

또한, 상기 전해질의 첨가량은 xK₃Fe(CN)₆/(1-x)K₄Fe(CN)₆ (0.2≤x≤0.8, 단위 M) 인 것이 바람직하다.

한편, 전해질 성능을 평가하는데 중요한 요소 중 하나가 이온전도도이며 이온전도도가 높을수록 높은 전류밀도를 가지게 된다.

일반적으로 KOH를 전해질에 첨가하게 되면 이온전도도가 더욱 높아지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 KOH를 전해질에 첨가하여, 전해질의 pH를 제어하여 비귀금속 재질의 전극을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전류밀도의 개선을 통한 성능 향상 효과 또한 기대할 수 있다.

도 2는 일반적인 pourbaix diagram의 일예를 도시하는 사진이다.

도 2를 참조하면, 일반적인 pourbaix diagram을 통해, 열전기화학 전지에서 사용되는 전해질의 pH와 동일한 조건의 pH에서 용식과정이 느린 물질을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, Fe(CN)₆ ^{3 -}/Fe(CN)₆ ^{4 -}의 환원 전위는 +0.36V에 해당하고, 따라서, 이러한 일반적인 표준환원전위를 통해 전해질의 환원 전위의 전압 범위에서 안정적으로 반응하는 금속을 선정할 수 있다.

*예를 들어, 열전기화학 전지에서 중성 전해질을 사용하는 경우, Pt의 경우는 전압 구간에서 용해되지 않고 높은 전위에서도 안정한 산화물 고체 상태인 것을 확인할 수 있다.

이때, pH 13에서 Fe(CN)₆ ^{3 -}/Fe(CN)₆ ^{4 -}의 환원 전위 근처 전압범위에서 용해가 발생하는 금속들은 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, HMO₂ ^- (M = Cu, Ni 등) 와 같은 느린 용식반응으로 인해 안정적인 반응을 하는 금속과 동일한 성질을 가짐을 알 수 있다.

따라서, 상술한 전해질로, 중성 전해질을 사용하지 않고, 본 발명에 따른 전해질인 pH x (단, 7<x<14)의 전해질, 즉, 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 사용하는 경우, 사용될 수 있는 전극의 pH 범위가 변경되어, 더욱 다양한 전극물질을 선정할 수 있다.

한편, Pourbaix 다이어그램을 통해 선정된 전극은 최종적으로 전기화학적 성능 평가를 통하여 실제 시스템에서 구동이 가능한 전극물질로 선정할 수 있다.

전기화학적 성능평가는 전극과 전해질 간의 안정적인 구동확인을 위해 Cyclic Voltammetry (CV) 측정을 진행하였으며, 실제 시스템의 성능평가를 위해 각 온도에 따른 개방회로전압, 단락전류밀도, 전압-출력밀도 측정으로 성능 평가를 진행하였다. 그 결과 Pourbaix diagram과 실제 시스템의 성능평가를 통해 pH x (단, 7<x<14) 내에서 고온의 작동 환경에서 안정적인 구동이 가능한 Cu, Ni, Pt, C 등의 전극물질을 선정하였으며, 본 발명에서는 가장 적합한 전극물질로 Cu 또는 Ni이 제시될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 열전기화학 전지 시스템은 온도차에 따라 산화환원이 가능한 전해질; 상기 전해질에 침지되는 제1전극; 및 상기 전해질에 침지되는 제2전극을 포함하며, 상기 전해질은 pH x (단, 7<x<14)인 것, 즉, 알칼라인 특성을 갖는 전해질인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 어느 하나는 비귀금속 재질인 것을 특징으로 하며, 상기 비귀금속 재질의 대표적인 예로, Cu 또는 Ni을 들 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 기재하기로 한다.

[실시예]

본 발명에서는 양단의 전극에 각각 고온과 저온의 온도 조건을 구성하는 열전기화학 전지를 사용하였다. 저온은 펠티어 소자 및 냉각장치를 활용하여 저온의 온도 조건을 구성하며, 고온은 전기저항을 이용한 발열장치 및 가열판을 활용하여 고온의 온도 조건을 구성하였다. 각 전극의 온도는 열전대로 정확한 온도를 측정하였으며 온도조절기를 통해 각 조건의 온도를 제어하였다.

본 발명에서는 열전기화학 전지의 가장 대표적인 전해질인 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆)를 사용하였으며, 이는, xK₃Fe(CN)₆/(1-x)K₄Fe(CN)₆ (0.2≤x≤0.8, 단위 M)의 몰농도의 전해질을 의미할 수 있다.

이때, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전해질은 pH x (단, 7<x<14)인 것, 즉, 알칼라인 특성을 갖는 전해질에 해당한다.

구체적으로는, pH 12의 0.4M의 K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆ (1:1 몰비율) 을 전해질로 사용하였으며, 전극은 펠렛 형태의 구리 및 니켈을 양단 전극으로 사용하였다.

[비교예]

상술한 실시예의 조건에서, 전극으로 펠렛 형태의 탄소 및 백금을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하였다.

먼저, 3 전극 전기화학 전지를 이용해 0.5M의 NaCl, 0.1M의 KOH 및 0.01K₄Fe(CN)₆을 전해질로 하여 각 전극의 cyclic voltammetry를 비교하였다.

도 3은 3전극 전기화학 전지를 이용한 실시예 및 비교예 전극의 cyclic voltammetry를 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 3전극 전기화학 전지를 이용한 구리, 니켈, 탄소, 백금 전극의 cyclic voltammetry를 비교한 결과, 실시예인 구리 전극의 경우, 상단 curve에서 Fe(CN)₆ ^{4 -}에서 Fe(CN)₆ ^{3 -}로 산화되는 peak과 하단 curve에서 Fe(CN)₆ ^{3 -}에서 Fe(CN)₆ ^4-으로 환원되는 peak이 정확하게 나타났으며, 가역적인 전기화학 반응을 나타내었다.

산화 및 환원 전압의 차는 0.08V로 Fe(CN)₆ ^{3 -}/Fe(CN)₆ ^{4 -} couple이 매우 빠르게 산화 환원되는 것을 확인할 수 있다.

이는 비교예인 탄소, 백금과 거의 동일한 측정값을 나타내는 것으로 열전기화학 전지에서의 전극으로써 구리의 사용가능성을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 알칼라인 전해질 조건에서 구리, 니켈 전극을 사용하여 가격이 저렴하면서도 탄소 및 백금과 동일한 성능을 가지는 새로운 알칼라인 열전기화학 전지 시스템의 가능성을 확인할 수 있다.

다음으로, 양단 전극의 온도는 저온부는 0℃로 고정하고, 고온부는 30℃에서 80℃ 까지 5℃ 간격으로 구성하며, potentiostat으로 전기화학테스트를 실시하였다.

도 4 및 도 5는 열전기화학 전지를 이용한 각 전극 성능그래프를 도시하는 그래프이다. 이때, 도 4는 각 전극의 온도에 따른 개방전압 및 단락전류밀도를 도시하고 있으며, 도 5는 각 전극의 dT=60K 에서의 출력밀도를 도시하고 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, potentiostat을 활용하여 각각의 전극을 사용한 열전기화학 전지의 전기화학테스트 결과는 다음과 같다.

먼저, 온도 변화에 따른 출력 전압을 측정한 결과, 실시예인 구리와 니켈, 비교예인 백금과 탄소전극 모두 온도에 따라 전압이 선형적으로 증가하는 모습을 보였고, 실제 열전기화학 전지의 전극으로 활용이 가능함을 알 수 있다.

제베크 계수는 실시예인 구리의 경우 1.41mV/K 로 나타났으며, 니켈의 경우 1.39mV/K 로 나타남을 확인할 수 있다.

비교예 또한 백금은 1.4mV/K, 탄소는 1.41mV/K로 측정되어, 실시예 및 비교예 모두 전해질로 사용된 Fe(CN)₆ ^{3 -}/Fe(CN)₆ ^{4 -}의 이론 제베크 계수 1.4mV/K와 거의 동일한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이는 전극의 안정적인 구동이 가능하다는 것을 의미하는 결과이다.

전류밀도는 60K 온도차에서 전기화학 측정 결과 실시예인 구리의 경우 17.84Am^-2 로 측정되었으며, 니켈의 17.79Am^{- 2} 로 측정됨을 확인할 수 있다.

비교예의 경우 백금과 카본이 각각 17.69Am^-2, 17.56Am^-2로 알칼라인 전해질을 사용한 실시예의 경우, 비교예보다 조금 더 전류밀도를 가지는 것을 확인할 수 있다.

출력 또한 구리의 경우 414.39mWm^-2 으로 측정되며 니켈의 경우 398.63mWm^-2 측정되어, 백금과 카본이 각각 393.29mWm^-2, 397.61mWm^-2로 나타난 것과 거의 동일한 성능으로 측정되었다.

도 4와 도 5의 결과에 따라, 본 발명에서는 전해질의 pH가 pH x (단, 7<x<14)인 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 사용함으로써, 기존의 Pt 재질의 전극 또는 탄소 전극을 대체하는 비귀금속 재질의 전극을 사용할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 KOH를 전해질에 첨가하여, 전해질의 pH를 제어하여 비귀금속 재질의 전극을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전류밀도의 개선을 통한 성능 향상 효과 또한 기대할 수 있다.

이하에서는 알카라인 전해질의 전류밀도의 개선을 설명하기로 한다.

알칼라인 전해질의 이온전도도 향상을 통한 전류밀도 증가를 확인은 실시예로 KOH 0.01M을 첨가한 전해질과 비교예로 pH7의 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆) 전해질로 비교하였으며, Pt전극을 사용한 열전기화학 전지에 적용하여 온도에 따른 개방전압과 단락전류 측정으로 분석하였다. 조건은 전기화학양단 전극의 온도는 저온부는 0℃로 고정하고, 고온부는 30℃에서 80℃ 까지 5℃ 간격으로 실험을 실시하였다.

도 6은 pH12와 pH7의 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆) 전해질을 Pt전극을 활용한 열전기화학 전지에서의 각 온도별 개방전압 및 단락전류밀도를 측정한 값을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 개방전압의 경우 실시예인 pH12의 전해질과 비교예인 pH7의 전해질 간의 차이가 크지 않은 반면, 단락전류밀도의 경우 평균적으로 1.42Am^{- 2} 의 차이로 실시예인 pH12의 전해질이 더욱 높게 나온 것을 확인할 수 있다.

따라서, 이를 통해 KOH를 사용한 알칼라인 열전기화학 전지의 경우 기존 시스템 대비 19%의 전류밀도의 성능향상을 기대할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 전해질의 pH가 pH x (단, 7<x<14)인 알칼라인 특성을 갖는 전해질을 사용함으로써, 기존의 Pt 재질의 전극 또는 탄소 전극을 대체하는 비귀금속 재질의 전극을 사용할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에서는, KOH를 전해질에 첨가하여, 전해질의 pH를 제어하여 비귀금속 재질의 전극을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전류밀도의 개선을 통한 성능 향상 효과 또한 기대할 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (4)

1. 온도차에 따라 산화환원이 가능한 전해질;
   상기 전해질에 침지되는 제1전극; 및
   상기 전해질에 침지되는 제2전극을 포함하며,
   상기 전해질은 pH x (단, 7<x<14)이고,
   상기 전해질은 Ferri/Ferro Cyanide(K₃Fe(CN)₆/ K₄Fe(CN)₆)을 포함하고,
   상기 온도차는 상기 제1전극과 상기 제2전극의 온도차이고,
   고온부의 전극표면에서는 Fe(CN)₆ ^4-→Fe(CN)₆ ^3-+e^- 의 산화반응이 발생되고, 저온부의 전극표면에서는 Fe(CN)₆ ^3-+e^-→ Fe(CN)₆ ^4-로 환원반응이 발생되는 열전기화학 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 어느 하나는 비귀금속 재질인 것을 특징으로 하는 열전기화학 전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 비귀금속은 Cu 또는 Ni인 열전기화학 전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 전해질은 KOH를 포함하며,
   상기 KOH의 첨가량은 상기 전해질의 pH가 pH x(7<x<14)에 해당할 수 있도록 몰농도를 제어하는 열전기화학 전지 시스템.
   

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