KR102141560B1

KR102141560B1 - 합금전극을 이용한 수소이온전지

Info

Publication number: KR102141560B1
Application number: KR1020190130533A
Authority: KR
Inventors: 성낙영
Original assignee: 주식회사 구들택
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-08-05
Also published as: WO2021080183A1

Abstract

본 발명은 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연 등을 이용한 합금으로 전극을 구성하고 상기 전극으로 형성한 진공 셀의 내측에 수소를 주입하며 진공 셀의 외측에서 열에너지를 가하면 크롬, 망간, 철로 구성한 (-)전극으로 수소에서 분리된 전자(e)가 이동하고, 니켈, 구리, 아연으로 구성한 (+)전극으로 수소에서 분리된 수소이온(H+)이 이동하며, 상기 전자(e)는 외부도선을 통해 (+)전극으로 이동하여 상기 수소이온(H+)과 만나서 수소로 재결합하는 합금전극을 이용한 수소이온전지에 관한 것으로서, 종래의 수소를 이용한 연료전지에서 수소를 연료로서 지속적으로 공급해야 하고 수소이온과 전자의 재결합에 의해 생성된 수소를 산소로 산화시키므로 물이 배출되는 것과 달리 합금전극을 이용하여 전지의 외장을 이루는 -전극과 +전극을 구성하고 내부를 진공상태로 형성하며 수소를 주입하고 전지의 외부에서 열에너지를 가하므로 전지의 내부에서 수소분자가 수소이온과 전자로 분리되고 다시 수소이온과 전자가 결합하여 수소분자로 재결합하는 과정을 전지의 외부에서 열에너지를 가하는 동안 지속적으로 반복하므로 기존의 수소연료전지의 연료인 수소와 산소의 추가 공급 없이 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

합금전극을 이용한 수소이온전지{Hydrogen ion battery using alloy electrode}

본 발명은 합금전극을 이용하는 수소이온전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연 등을 이용한 합금으로 전극을 구성하고 상기 전극으로 형성한 진공 셀의 내측에 수소를 주입하며 진공 셀의 외측에서 열에너지를 가하면 크롬, 망간, 철로 구성한 (-)전극으로 수소에서 분리된 전자(e)가 이동하고, 니켈, 구리, 아연으로 구성한 (+)전극으로 수소에서 분리된 수소이온(H+)이 이동하며, 상기 전자(e)는 외부도선을 통해 (+)전극으로 이동하여 상기 수소이온(H+)과 만나서 수소로 재결합하는 합금전극을 이용한 수소이온전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(燃料電池, Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 이 화학반응은 촉매층 내에서 촉매에 의해 이루어지며 연료가 계속 공급되는 한 지속적으로 발전할 수 있다. 전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한, 전지의 전극은 반응을 하여 충전, 방전 상태에 따라서 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다. 연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40 ~ 60% 정도로 대단히 높으며 반응과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연가스와 메탄올, LPG(액화석유가스), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽고 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한, 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 화력발전방식에 비해 훨씬 적은 토지 면적이 필요하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력발전을 대체할 수 있으며 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소 그리고 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다. 연료전지의 종류에는 용융탄산염 연료전지와 고분자전해질 연료전지와 고체산화물 연료전지와 직접메탄올 연료전지와 직접에탄올 연료전지 및 인산형 연료전지와 직접탄소 연료전지 등이 있다.

한편, 수소(水素, Hydrogen)는 주기율표의 첫 번째 자리를 차지하며, 가장 가벼운 원소이고 우주 질량의 약 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소이다. 수소는 단어 그대로 물(H₂O)을 만드는 원소이다. 수소가 만드는 물은 생명계에 필수적이며 모든 유기화합물에는 수소가 결합하여 있다. 지구상에 존재하는 원소 상태의 수소는 주로 이원자 분자인 H₂기체지만, 별에서 주로 플라스마 상태로 존재한다. 별의 수소는 핵융합 반응을 통해 별의 에너지를 제공하는 연료이다. 태양도 수소 핵융합으로 에너지를 방출하고, 태양에서 나오는 빛으로 식물이 광합성을 하고 식물은 먹이 사슬을 통해 사람과 동물의 먹을거리가 되기 때문에 수소는 모든 생물의 에너지원이라 볼 수도 있다.

상기와 같이 합금과 수소를 이용하는 연료전지와 관련된 선행기술로는 국내 공개특허공보 공개번호 제10-1998-067367호에 수소를 연료로 사용하고 수소를 흡수할 수 있는 금속인 팔라디움 금속으로 음극과 양극의 두 전극을 구성하고 두 전극 사이에 양성자가 흐를 수 있도록 전해질 또는 양이온 전도체를 배치하여 음극에 수소를 공급하고 양극에 공기 또는 산소를 공급하여 양극에서 재생성된 수소를 산소로 산화하여 물 상태로 제거함으로써 음극과 양극의 수소 농도의 차이에 의하여 전압 및 전류를 발생시키는 연료전지가 개시되어 있고 또, 국내 공개특허공보 공개번호 제10-2014-0012299호에 글루코스를 수열합성법과 열분해법 방법을 이용하여 반도체 표면에 두께 1 나노미터 이하의 흑연구조의 탄소막을 균일하게 형성시키면서, 탄소막의 지지체가 되는 반도체 광촉매 본연의 구조와 결정성을 그대로 유지하고, 반도체 광촉매에 발생되는 광전자들을 외부 계의 양성자에게 잘 전달할 수 있게 되므로 전자 정공 재결합을 효과적으로 억제할 수 있으며, 물을 분해하여 수소를 발생시키는 광촉매로서 매우 높을 활성을 가진 흑연 구조의 탄소막을 코팅한 반도체 광촉매 및 제조방법이 개시되어 있으며 또한, 국내 공개특허공보 공개번호 제10-2006-0020024호에 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기발생부와 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부와 공기를 전기 발생부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터와 적어도 하나의 세퍼레이터에 연결 설치되는 자성체를 구비한 연료 전지 시스템 및 스택이 개시되어 있고 또, 국내 공개특허공보 공개번호 제10-2009-0124280호에 수소이온을 포함하는 전해질 수용액을 담고 있는 전해조, 전해조에 수용되며 전자를 발생시키는 산화전극, 전해조에 수용되며 산화전극으로부터 전자를 받아 수소를 발생시키는 환원전극 및 산화전극과 환원전극 사이에 전기적으로 연결되어, 산화전극으로부터 환원전극으로 이동하는 전자의 양을 제어하는 트랜지스터를 포함하는 수소발생장치는 사용자의 요구에 따라 원하는 수소의 양을 정확하게 제어가능하고, 무조건 많은 수소를 발생시켜 남는 수소를 공기 중에 흘려 버리지 아니하여도 되므로 연료의 낭비를 줄일 수 있으며, 수소를 정확하게 공급해 주기 위해서 필요한 기체 펌프나 액체 펌프가 필요 없게 되어 소음 및 전력 소모를 줄일 수 있는 수소발생장치 및 연료전지 발전 시스템이 개시되어 있다.

그러나 상기의 선행기술들은 연료인 수소를 추가적으로 공급해줘야 하고 수소이온과 전자의 재결합에 의해 생성된 수소를 산소로 산화시켜서 물로 배출하므로 산소 또한 추가로 공급해줘야 하며, 이를 위해 구성이 복잡해지는 문제점이 발생한다.

본 발명은 열에너지를 가해 수소분자에서 분리된 전자(e)를 보다 잘 끌어당길 수 있도록 (-)전극을 크롬(Cr)과 망간(Mn) 및 철(Fe)을 이용하여 구성하고, 수소분자에서 분리된 수소이온(H+)을 보다 잘 이동시킬 수 있도록 (+)전극을 니켈(Ni)과 구리(Cu) 및 아연(Zn)으로 구성하였으며, 합금전극에 백금(Pt)과 팔라듐(Pd) 등의 촉매를 이용하여 전자(e)를 더욱 활성화시키도록 하였으며, 열에너지를 가해 수소분자를 분리시키고, 분리된 전자(e)는 (-)전극으로 이동하며, 분리된 수소이온(H+)은 (+)전극으로 이동하고, 상기 전자(e)는 외부도선을 통하여 (+)전극에서 다시 수소분자로 결합하도록 하여 완성하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 선행기술들의 문제점을 해결하고 보완하기 위한 것으로서, 크롬과 망간과 철을 이용하여 -전극을 구성하고, 니켈과 구리와 아연을 이용하여 +전극을 구성하며, 상기의 -전극과 +전극으로 만든 합금전극을 진공의 셀을 구성하는 외측부재로 하고, 내측에 수소를 채우고 전해질층을 형성하여 외부에서 가해지는 열에너지로 인해 수소분자가 수소원자로 다시 분리되었다가 재결합하는 반복적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 합금전극을 이용한 수소이온전지를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 해결수단으로는 종래 일반적인 연료전지의 구성이 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만, 연료전지는 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급하는 것이다.

그러나 본 발명에서는 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급하는 연료전지가 아닌 전지 내에 미리 채워넣은 수소가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되었다가 결합하는 화학반응을 이용한다.

즉, 수소를 진공셀의 내측에 채워 넣고 -전극과 +전극을 구성하는 셀의 외측부를 합금 전극으로 구성하며, 열에너지를 가할 수 있도록 +전극 하부의 셀 외측부에 열 발생부를 형성하여 수소분자가 -전극에서 수소이온과 전자로 분리되었다가 +전극에서 수소분자로 재결합하는 반복적인 반응을 통하여 전기 에너지를 얻을 수 있다.

상기와 같이 원통형상 또는 박스형상으로 수소이온전지를 구성하는 데 있어서, 합금전극을 이용하여 -전극(70)과 +전극(80)을 구성하며, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 접합부에 절연체(16)를 구성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 내측에는 빈 공간을 형성하며, 상기 빈 공간이 외부와 연결되도록 상부에는 수소주입구(40)를 형성하고, 하부에는 진공배출구(45)를 형성하여 수소를 주입하도록 진공상태인 셀내측부(20)를 형성하고, -전극(70)과 +전극(80)의 외부에는 감싸는 형태로 셀(10)을 형성하며, 상기 셀(10)의 +전극(80) 방향의 하단에는 셀내측부(20)에 열에너지를 공급하는 열발생부(90)를 구성하고, 상기 열발생부(90)에 연료를 공급하는 연료공급관(95)을 연결하며, 상기 셀(10)의 외측부 상단에는 연소배출구(15)를 형성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)을 연결하는 외부도선(50)을 포함하여 본체(1)로 구성한다.

상기 셀내측부(20)를 둘러싸는 형태의 -전극(70)과 +전극(80)에서 -전극(70)은 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe) 중에서 어느 1종 또는 2종 이상을 선택하여 합금 전극으로 형성하고, +전극(80)은 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 중에서 어느 1종 또는 2종 이상을 선택하여 합금 전극으로 형성하고, 상기 셀내측부(20)에 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 촉매로 형성하여 전자(e)의 움직임을 활성화한다. 상기 촉매는 수소산화환원 반응이 매우 빠르게 반응이 일어나도록 하는데 도움을 주며, 이를 위하여 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 촉매로 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 셀(10)의 외측부를 형성하는 -전극(70)과 +전극(80)은 크롬과 망간과 철과 니켈과 구리 및 아연을 이용한 합금으로 구성하며, 상기 전이금속들은 주기율표에서 4주기 6족에서 12족까지의 원소들이다. 때문에 다른 원소들은 한 주기에서 주족 원소의 화학적 성질이 원자가 전자의 수가 변화함에 따라 크게 변하지만, 전이 금속들은 주어진 족에서뿐만 아니라, 같은 주기에서도 많은 유사성을 보인다. 또한, 전이 금속은 이온화되는 과정에서 4s 오비탈의 에너지가 3d 오비탈의 에너지보다 상당히 높아지므로 중성원자 상태에서 에너지 준위가 3d보다 낮았던 4s오비탈에서 전자가 먼저 나가게 된다.

또한, 9족인 코발트를 중심으로 6족, 7족, 8족인 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe)은 반도체의 에노드 성질을 10족, 11족, 12족인 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn)은 캐소드 성질을 나타낸다.

그러므로 -전극(70)을 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe)을 이용한 합금으로 형성하거나 또는 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하거나 +전극(80)을 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn)을 이용한 합금으로 형성하거나 또는 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하면 수소분자(H₂)가 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 분리되었을 때 전자(e-)는 -전극(70)으로 이동하여 외부도선(50)을 따라서 -전극(70)의 외부로 이동하고 다시 외부도선(50)을 따라서 +전극(80)으로 이동한다. 이때 셀내측부(20)에서는 분리된 수소이온(H+)이 +전극(80)으로 이동하고 상기의 +전극(80)으로 이동한 전자(e-)와 결합하여 수소분자(H₂)가 된다.

상기 셀내측부(20)의 내측과 셀(10)의 외측을 연결하도록 셀(10)의 상부에는 수소주입구(40)를 추가로 형성하고, 셀(10)의 하부에는 진공배출구(45)를 추가로 형성하여 셀내측부(20)를 진공상태로 할 때는 수소주입구(40)를 닫고 진공배출구(45)를 이용하여 진공상태로 형성하며, 셀내측부(20)에 수소를 주입할 때는 진공배출구(45)를 닫고 수소주입구(40)를 이용하여 수소를 주입한다.

상기 셀내측부(20)에 형성하는 전해질층(30)은 액체상태와 고체상태 중에서 어느 하나를 선택하여 형성한다. 전해질은 물처럼 극성을 띈 용매에 녹아서 이온을 형성함으로써 전기를 통하는 물질이다.

상기 본체(1)의 외부를 감싸는 셀(10)의 외장은 유리섬유 또는 합성수지 중에서 어느 1종을 선택하여 단독으로 구성하거나 또는 2종 모두를 혼합하여 구성한다.

상기와 같이 본체(1)의 하단인 +전극(80)의 하부에 형성한 열발생부(90)에서 연료공급관(95)을 통하여 공급받은 열을 이용하여 셀내측부(20)에 열에너지를 지속적으로 공급함으로써 셀내측부(20)에 충진된 수소가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되었다가 결합하는 반복적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 수소이온전지를 구성할 수 있다.

본 발명인 합금전극을 이용한 수소이온전지는 종래의 수소를 이용한 연료전지에서 수소를 연료로서 지속적으로 공급해야 하고 수소이온과 전자의 재결합에 의해 생성된 수소를 산소로 산화시키므로 물이 배출되는 것과 달리 합금전극을 이용하여 전지의 외장을 이루는 -전극과 +전극을 구성하고 내부를 진공상태로 형성하며 수소를 주입하고 전지의 외부에서 열에너지를 가하므로 전지의 내부에서 수소분자가 수소이온과 전자로 분리되고 다시 수소이온과 전자가 결합하여 수소분자로 재결합하는 과정을 전지의 외부에서 열에너지를 가하는 동안 지속적으로 반복하므로 기존의 수소연료전지의 연료인 수소와 산소의 추가 공급 없이 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 합금전극을 이용한 수소이온전지의 상단사시도이다.
도 2는 본 발명인 합금전극을 이용한 수소이온전지의 하단사시도이다.
도 3은 본 발명인 합금전극을 이용한 수소이온전지의 개념도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하였다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 합금전극을 이용한 수소이온전지의 상단사시도이고, 도 2는 합금전극을 이용한 수소이온전지의 하단사시도이며, 도 3은 합금전극을 이용한 수소이온전지의 개념도로서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면,

종래의 수소연료전지(hydrogen fuel cell)의 원리는 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생되는데, 연료전지는 이러한 전기분해의 역반응을 이용한 장치이다. 석유, 가스 등에서 추출된 수소를 연료로 공급하여 공기 중의 산소와 반응시켜 전기와 열을 생산하는 것으로 일반 화학전지와 달리 연료와 공기가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 수소연료전지는 화석연료를 이용하는 터빈발전방식에 비해 에너지 효율이 높으며 소음이 없고 온실가스 발생이 적은 친환경 에너지원이다.

일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.

본 발명에서는 상기와 같은 수소연료전지에서 전기가 발생하는 원리를 이용하여 본체(1)는 합금전극을 이용하여 -전극(70)과 +전극(80)을 구성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 접합부에 절연체(16)를 구성하며, 상기 -전극(70)과 +전극(80)이 둘러싸는 셀내측부(20)는 진공상태이고 전해질층(30)을 형성하며 수소를 주입하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)을 연결하는 외부도선(50)을 구성하며, 상기 +전극(80)의 하단에는 열발생부(90)를 구성하고, 상기 열발생부(90)에는 연료공급관(95)을 연결하며, 상기 -전극(70)과 +전극(80)과 열발생부(90)는 셀(10)에 의해 둘러싸여서 형성된다. 또한, 상기 셀(10)의 상단부 일측에는 연소배출구(15)를 구성한다.

상기 전해질층(30)은 액체상태와 고체상태로 구성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)을 구성하는 것은 크롬과 망간과 철과 니켈 및 구리와 아연 등으로 구성한다. 상기 셀(10)은 -전극(70)을 구성하는 합금 전극과 +전극(80)을 이루는 합금 전극으로 구성하고 셀내측부(20)를 진공상태로 형성하고 수소를 주입한다.

-전극(70)을 이루는 합금은 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe)이고 또한, 다공성 보강재에 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe)로 형성한 금속 박막을 결합하여 구성한다.

+전극(80)을 이루는 합금은 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn)이고 또한, 다공성 보강재에 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn)으로 형성한 금속 박막을 결합하여 구성하는 것도 가능하다.

본체(1)의 외부를 감싸는 외장인 셀(10)은 -전극(70)과 +전극(80)으로 이루어진 셀내측부(20)와 열발생부(90)를 기계적으로 보호하고, 외부로부터의 오염을 방지한다. 상기 -전극(70)과 +전극(80)으로 이루어진 셀내측부(20)를 보호하는 셀(10)의 전기적 반응을 고려하여 비반응 재료로 외장을 구성해야 하며, 상기 본체(1)의 외부를 감싸는 외장인 셀(10)은 열발생부(90)에서 발생하는 열을 감당할 수 있도록 유리섬유 또는 합성수지를 사용하거나 상기와 같이 전기적 반응을 고려하여 비반응 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 전이금속 또는 전이원소는 주기율표의 d-구역 원소를 말하는 것으로서 주기율표의 3족에서 12족 원소가 모두 포함된다. 전이 금속이라는 이름은 원소들을 분류하던 초기에 원자번호 순으로 원소를 나열하면 이 원소들이 전형 원소로 전이되는 중간 단계 역할을 한다 하여 붙여진 이름이다.

상기의 전이금속에는 셀내측부(20)의 외측을 형성하는 -전극(70)과 +전극(80)을 구성하는 크롬과 망간과 철과 니켈과 구리 및 아연이 포함된다. 상기 전이금속들은 주기율표에서 4주기 6족에서 12족까지의 원소들이므로 다른 원소들의 경우 한 주기에서 주족 원소의 화학적 성질이 원자가 전자의 수가 변화함에 따라 크게 변하지만, 전이 금속들은 주어진 족에서뿐만 아니라, 같은 주기에서도 많은 유사성을 보이고 전이 금속은 이온화되는 과정에서 4s 오비탈의 에너지가 3d 오비탈의 에너지보다 상당히 높아지므로 중성원자 상태에서 에너지 준위가 3d보다 낮았던 4s오비탈에서 전자가 먼저 나가게 되므로 -전극(70)을 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe)을 이용한 합금으로 형성하거나 또는 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하거나 +전극(80)을 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn)을 이용한 합금으로 형성하거나 또는 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하면 수소분자(H₂)가 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 분리되었을 때 전자(e-)는 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe)로 구성한 -전극(70)으로 이동하고 수소이온(H+)은 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn)으로 구성한 +전극(80)으로 이동하며, 상기 -전극(70)으로 이동한 전자(e-)는 외부도선(50)을 따라서 셀(10)의 외부에서 전류를 형성한다.

다시 전자(e-)는 +전극(80)으로 이동하여 수소이온(H+)과 결합하여 수소분자(H₂)가 된다.

상기 셀(10)의 내측에 형성한 전해질층(30)을 통하여 수소분자(H₂)에서 분리된 수소이온(H+)이 +전극(80)으로 이동한다.

상기 전해질층(30)은 고체상태 또는 액체상태로 형성하며 -전극(70)과 +전극(80)과 전해질층 사이의 밀착 정도와 이물질의 개입 여부가 중요한 변수가 될 수 있으므로 -전극(70)과 +전극(80)과 전해질층(30)은 증착 방법에 의해 접착시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 셀내측부(20)의 내측에는 수소를 채우는데, 이를 위하여 셀내측부(20)의 내측과 셀(10)의 외측을 통공하여 연결하도록 닫힘 부재를 형성한 수소주입구(40)와 진공배출구(45)를 셀(10)의 상부와 하부에 각각 형성한다.

셀(10)의 하부 내측에는 열발생부(90)가 위치한다. 상기 +전극(80)에 열을 가하여 -전극(70)에 전자(e-)를 주고 이동한 수소이온(H+)이 +전극(80)에서 다시 전자(e-)를 만나 수소분자(H₂)로 재결합한다.

또한, 셀(10)의 외측 상부의 일측에는 연소배출구(15)를 형성하여 셀(10)의 내측 하부에 형성한 열발생부(90)에서 발생한 열에너지를 +전극(80)에 공급하고 셀(10)의 내측을 따라서 이동하여 연소배출구(15)를 통하여 외부로 방출한다.

종래의 수소를 이용한 연료전지에서는 연료로 공급되는 수소가 전해질과 접촉되어야 하므로 전극은 수소가 확산할 수 있는 다공성판이었고 다공성판인 2개의 가스전극과 이들을 격리하는 전해질로 구성하였다. 또한, 음극의 한쪽에 수소가 투입되고 반대쪽이 전해액과 접촉되면 수소는 다공성판을 통하여 전해액 쪽으로 확산하고 전해액은 다공성판 속으로 투입되어 이 두 가지 물질이 다공성판 내에서 만나서 연료전지의 반응인 수소가 전자와 수소이온으로 분해되어 전자는 전극을 통하여 외부도선으로 흐르고, 수소이온은 전해액에 용해되는 반응이 이루어진다. 연료전지의 +전극이 산소 또는 공기에 노출되면, -전극으로부터 흘러온 전자와 전해액에 용해되어 있는 수소이온이 재결합함으로써 수소가 생성되고, 이 수소는 산소와 결합하여 물로서 제거되므로 반복적인 반응을 통하여 전류가 발생한다. 따라서 연료전지에서는 수소와 전해액이 접촉되어야 하므로 연료전지의 전극은 다공성 판으로 구성된다.

상기와 같이 연료전지의 성능 즉, 연료전지의 에너지 효율에는 전극의 재질이 중요한 영향을 미치며, 기존의 연료전지의 전극은 다공성, 전해질과 반응하지 않은 내식성, 양호한 전자도전성 및 고도의 기계적 강도가 요구되었다. 그러나 이러한 조건을 갖춘 전극을 제조하는 것은 고도로 복잡한 기술이 필요하므로 기존의 연료전지의 제조단가를 높이는 원인이 되었다.

이에 본 발명에서는 에너지의 효율을 높이기 위하여 -전극(70)을 크롬(Cr)과 망간(Mn) 및 철(Fe)을 이용한 합금으로 형성하거나 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하고 +전극(80)은 니켈(Ni)과 구리(Cu) 및 아연(Zn)을 이용한 합금으로 형성하거나 다공성 보강재에 금속 박막을 결합하여 구성하여 완성하였다.

본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 하고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1. 본체
10. 셀
15. 연소배출구
16. 절연체
20. 셀내측부
30. 전해질층
40. 수소주입구
45. 진공배출구
50. 외부도선
60. 전구
70. -전극
80. +전극
90. 열발생부
95. 연료공급관

Claims

원통형상 또는 박스형상으로 수소이온전지를 구성하는데 있어서,
합금전극을 이용하여 -전극(70)과 +전극(80)을 구성하며, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 접합부에 절연체(16)를 구성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 내측에는 빈 공간을 형성하여 수소를 주입하며 진공상태인 셀내측부(20)를 형성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)의 외부에는 감싸는 형태로 셀(10)을 형성하며, 상기 셀(10)의 +전극(80) 방향의 하단에는 셀내측부(20)에 열에너지를 공급하는 열발생부(90)를 구성하고, 상기 열발생부(90)에 연료를 공급하는 연료공급관(95)을 연결하며, 상기 셀(10)의 외측부 상단에는 연소배출구(15)를 형성하고, 상기 -전극(70)과 +전극(80)을 연결하는 외부도선(50)을 포함하여 본체(1)로 구성하는 합금전극을 이용한 수소이온전지.
청구항 1에 있어서,
상기 셀내측부(20)를 둘러싸는 형태의 -전극(70)과 +전극(80)에서 -전극(70)은 크롬(Cr) 또는 망간(Mn) 또는 철(Fe) 중에서 어느 1종 또는 2종 이상을 선택하여 합금 전극으로 형성하고, +전극(80)은 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 중에서 어느 1종 또는 2종 이상을 선택하여 합금 전극으로 형성하며, 상기 셀내측부(20)에 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 촉매로 형성하여 전자(e)의 움직임을 활성화하는 것을 특징으로 하는 합금전극을 이용한 수소이온전지.
청구항 1에 있어서,
상기 셀내측부(20)의 내측과 셀(10)의 외측을 연결하도록 셀(10)의 상부에는 수소주입구(40)를 추가로 형성하고, 셀(10)의 하부에는 진공배출구(45)를 추가로 형성하여 셀내측부(20)를 진공상태로 할 때는 수소주입구(40)를 닫고 진공배출구(45)를 이용하여 진공상태로 형성하며, 셀내측부(20)에 수소를 주입할 때는 진공배출구(45)를 닫고 수소주입구(40)를 이용하여 수소를 주입하는 것을 특징으로 하는 합금전극을 이용한 수소이온전지.
청구항 1에 있어서,
상기 셀내측부(20)의 중앙부에는 전해질층(30)을 형성하며, 상기 전해질층(30)은 액체상태와 고체상태 중에서 어느 하나를 선택하여 형성하는 것을 특징으로 하는 합금전극을 이용한 수소이온전지.
청구항 1에 있어서,
상기 본체(1)의 외부를 감싸는 셀(10)의 외장은 유리섬유 또는 합성수지 중에서 어느 1종을 선택하여 단독으로 구성하거나 또는 2종 모두를 혼합하여 구성하는 것을 특징으로 하는 합금전극을 이용한 수소이온전지.