KR20060043761A - 개스 발생용 전지 - Google Patents

Abstract

특히 윤활유 공급기구의 작동을 위한 개스 발생용 전지가 제공된다. 이 전지는, 전원을 포함하는 회로에 접속되는 2개의 전극과, 질소(N₂)를 포함하는 개스의 전기화학적 발생을 위한 화학식 NX₃를 갖는 아지드(azide)를 포함하는 전해 수용액(aqueous electrolyte fluid)으로서 상기 2개의 전극 사이에 위치한 상기 전해 수용액을 가진다. 전해액은 전기화학적 반응 동안에 형성되는 수산화물(hydroxide) 이온의 화학적 결합을 위해 첨가물로서 마그네슘염(magnesium salt)을 포함한다.

윤활유 공급기구, 개스 발생, 전지

Description

개스 발생용 전지{CELL FOR GAS GENERATION}

도 1은 자유 소다 알칼리액 내용물에 대한 함수로서의 순수 아지드화 나트륨 요액으로부터 개스 발생을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 개스 발생용 전지의 구조를 도시한 도면.

도 3은 니켈이 전지 전압에 미치는 영향을 도시한 도면.

도 4는 상이한 온도들에서 전지 전류의 함수로서의 전지 전압을 도시한 도면.

본 발명은, 특히 윤활유 공급기구의 작동을 위한 개스 발생용 전지로서, 전원을 포함하는 회로에 접속되는 2개의 전극을 가지며, 상기 2개의 전극 사이에는 질소(N₂)를 포함하는 개스의 전기화학적 발생을 위한 화학식 NX₃를 갖는 아지드(azide)를 포함하는 전해 수용액이 배치되어 있는, 개스 발생용 전지에 관한 것이다.

실제로, 개스-발생 전지를 통해 윤활유 공급기구에 의해 분배되는 윤활유의 양을 계량하는 것은 공지되어 있다. 여기서 개스를 사용하여 생성된 압력은, 그에 대응하는 윤활유를 상기 공급기로부터 배출시킨다. 이와 관련하여, 갈바니 전지(galvanic cell)의 전극들에서의 수소나 산소의 발생은, 예를 들어 DE 35 32 335 C2에서 잘 공지되어 있다. 필요하다면 수소 발생용 아연 애노드(zinc anode)를 사용하거나, 산소 발생용 망간 이산화물 캐쏘드(manganese dioxide cathode)를 사용하여, 전지는 그 자체로 충분히 큰 전압을 공급할 수 있다. 이런 식으로, 전극들 사이에 흐르는 전해질 스트림은 외부적으로 조절가능한 저항을 통해 조절될 수 있다. 또한, 전류 세기의 조절을 더욱 양호하게 할 수 있는 배터리가 제공될 수도 있다.

참고 문헌 DE 692 26 770 T2로부터 하나의 개스 전지가 공지되어 있는데, 여기서, 질소는 아지드화 나트륨 용액(sodium azide solution)으로부터 예를 들어 전기 분해를 통해 형성된다. 아지드화 나트륨 수용액의 전기 분해에서, 개스 발생 속도는 질소의 형성이 증가함에 따라 빠르게 떨어진다. 이 개스 발생 속도 강하는 반응 동안에 형성된 수산화물 이온(hydroxide ions)으로 인해 용액의 pH가 크게 증가하기 때문이다. 이러한 반응식은 이하와 같다:

2 NaN₃ + 2 H₂O -> 3 N₂ + H₂ + 2 NaOH

높은 pH 값에서, 자유 질소(free nitrogen)의 형성은 발생하지 않고, 오직 물(water)만 분해된다. 이러한 문제를 해결하는데 있어서 인산염과 같은 버퍼 물 질은 대개 적합하지 않은데, 이는 그 버퍼 용량이 너무 낮기 때문이다.

요오드화칼륨(potassium iodide) 및 티오시안산칼륨(potassium thiocyanate)을 첨가하여 개선될 수 있으나, 이들은 금속에 관해 활동적으로(aggressively) 행동하지 않아 귀금속이나 흑연 전극을 사용해야만 하는 그러한 물질이다.

본 발명의 목적은 양호한 개스 발생 속도를 가지며 앞서 기술했던 특성을 갖는 전지를 제공하는 것이다.

이들 목적 및 다른 목적들은, 전기화학적 반응 동안 형성된 수산화물 이온들의 화학적 결합을 위한 첨가물로서 마그네슘염(magnesium salt)이 전해액에 포함되는 개스발생용 전지에 의해, 본 발명에 따라 달성된다. 마그네슘염과 수산화물 이온들로부터 형성된 수산화마그네슘(magnesium hydroxide)은 대단히 작은 용해성 물질만을 가진다. 따라서, 수산화마그네슘은 전해액의 반응 평형상태로부터 회수(withdraw)된다. 나아가, 마그네슘은 그 구성성분이 전기화학적으로 중성이며, 침전된 수산화물 겔로서, 물을 포함하며 전해액 내의 이온 마이그레이션에 주목할만큼 영향을 주지 않는다.

본 발명에 따르면, 질소의 형성이 증가하는 경우에도 전해액의 pH를 좁은 범위 내에서 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 먼저, 아지드로부터 형성된 히드라조익 산(hydrazoic acid)은 약산성인 동시에 고휘발성의 산(acid)이므로, 용액은 선두로부터 우측의 약알칼리가 되도록 조절된다. 전해액은 8 내지 10 사이의 pH를 가질 수 있다. 양호하게는, pH는 8 - 9.5이다. 아지드화 나트륨으로부터 아지드 가 형성되는 것이 실용적인 한, 양호하게는 황산마그네슘(magnesium sulfate) 또는 과염소산마그네슘(magnesium perchlorate)이 마그네슘염으로서 사용된다. 전해액으로부터, 형성된 수산화물 이온의 충분한 회수를 보장하기 위해, 아지드의 양에 비례하여 마그네슘염이 화학양론적으로 추가되거나 또는 과잉 추가된다.

전해액에는, 양호하게는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및/또는 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide)로 이루어진 부동제가 추가될 수 있다. 이런식으로, 저온에서도 개스 전지의 적절한 작동이 보장된다. 캐쏘드를 형성하는 전극의 수소 과전압을 방지하기 위해, 전해액은 첨가물로서 니켈황산(nickel sulfate)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 귀금속으로 이루어진 전극 뿐만 아니라, 양호하게는 크롬-니켈강과 같은 강철 또는 흑연으로 이루어진 전극상에서 아지드의 직접적인 산화가 가능하다. 대안으로서, 전극들은 흑연 분말이 매립된 플라스틱으로 만들어질 수 있다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 그러나, 도면들은 예시를 위한 것이지 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.

도 1은 종래 기술(the state of the art)에 따른, 자유 소다 알칼리 함유량에 대한 함수로서의, 순수 아지드화 나트륨 용액(sodium azide solution)으로부터의 개스 발생을 나타내는 도면이다. 이하의 식에 따라, 아지드의 분해 동안에 형성되는 소다 알칼리는 낮은 농도에서도 개스 발생 속도의 뚜렷한 감소를 유발한다

2 NaN₃ + 2 H₂O --> 3 N₂ + H₂ + 2 NaOH

그 결과, 전지의 효율성은 증가하는 개스 생성에 따라 신속하게 떨어진다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른, 특히 윤활유 공급기구의 작동에 특히 적합한 개스 발생용 전지의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 이 전지는 전원(2)을 포함하는 회로(3)에 접속되기 위한 2개의 전극(1, 1')를 가진다. 전원(2)은 예를 들어 시판중인 배터리 버턴 전지로 형성될 수 있다. 아지드화 나트륨(NaN₃)을 포함하는 전해 수용액(4)은 2개의 전극(1, 1') 사이에 위치해 있고, 여기서 액체는 질소(N₂)를 포함하는 개스를 발생하는 역할을 한다. 전해액(4)을 수용하기 위해, 다공체나 구멍들이 제공된 용기 형태의 적절한 용기나 수용체(5)가 제공된다. 용기 내에는 스폰지, 부직포(nonwoven fabric), 또는 유사한 저장 매체가 배치될 수 있다. 인가된 전압에 의해, 애노드(1)에서는 이하의 반응이 발생한다:

2 N₃ ^- --> 3 N₂ + 2 e^-

한편, 수소 이온들의 대응하는 감소가 캐쏘드(1')에서 발생한다:

2 H⁺ + 2 e^- --> H₂

캐쏘드(1')에 적용되는 반응식에 따라, 반응 동안에 수소 이온들이 소진되기 때문에, 질소의 생성 동안에 수산화물 이온들의 농도는 뚜렷하게 증가한다. 전해액의 pH의 동반 증가를 방지하기 위해, 전기화학적 반응 동안에 형성되는 수산화물 이온들의 화학적 결합을 위한 마그네슘염이 전해액(4)에 첨가되었다. 수산화마그 네슘은 대단히 작은 용해성 물질만을 가진다. 그 결과, 마그네슘염과 수산화물로부터 형성된 수산화마그네슘은 하기의 식에 따라 전해액(4)으로부터 침전된다.

Mg²⁺ + 2 OH^- --> Mg(OH)₂

이것은 캐쏘드(1')에서 형성된다. 본 발명에 따른 전해액은 양호하게는 크롬-니켈강과 같은 강철이나, 흑연과 같은 종래의 물질을 전극(1, 1')으로서 사용하는 것을 가능하게 해준다. 대안으로서, 전극들(1, 1')은 흑연 분말이 매립된 플라스틱으로부터 형성될 수도 있다.

예

이하의 전해액이 생성되었다:

a) 15.0 g의 아지드화 나트륨, 31 g의 과염소산마그네슘, 함유량 중량비 83 %의 100 ml 수용액.

b) a)와 같은 배합에 0.25g의 황산니켈 * 6 H₂O.

과염소산마그네슘은, 저 용해성을 갖는 수산화마그네슘을 형성함으로써 반응 동안에 형성된 소다 알칼리를 묶어둔다(bind). 이 수산화마그네슘은 침전물로서 침전되며, 그리하여 반응 평행 상태로부터 회수된다.

과염소산마그네슘의 사용은, 전해액이 액체를 -20℃ 이하로 유지한다는 점에서 잇점이 있다. 그 결과, 부동제가 첨가될 필요가 없고, 전해액은 스폰지에 용이 하게 흡수될 수 있다. 이런 식으로, 실제적 작동에서, 위치에 관계없이 개스와 전해액의 용이한 분리가 나타난다. 전해액을 포함하는 전지(도 2 참조)의 처분은 소각을 통해 이루어질 수 있다. 과염소산마그네슘은 물에 용이하게 용해될 수 있어서, 전해질의 부피가 작게 유지될 수 있다. -20 ℃의 온도에서도, 과염소산(perchloric acid)은 전술한 조건에서 비활성 물질로서 행동하는 안정된 화합물이다. 질소 원소(elemental nitrogen)의 형성은 이하의 반응식에 따라 발생한다:

2 NaN₃ + Mg(ClO₄)₂ + 2H₂O --> 3 N₂ + H₂ + Mg(OH₂) + 2 NaClO₄

용액은, 약 알칼리성이고, 흡습성이며, 무취이고, 공격적이지 않으며, 분해되지 않고 유지된다. 이 용액의 1 ㎖은 실험 조건에 따라 75 내지 100 ㎖의 개스(N₂ 및 H₂)를 산출할 수 있다.

도 3은 전해 전류 밀도의 함수로서, 예 b)에 따른 황산니켈의 첨가가 총 전지 전압에 미치는 영향을 도시하고 있다. 이와 관련하여, 10㎜ ×10㎜의 흑연 전극이 사용되었다. 도 3은 황산니켈을 첨가함으로써 캐쏘드를 형성하는 전극의 수소 과전압이 감소될 수 있음을 보여주고 있으며, 대응적으로 더 낮아지는 전압이 동일한 전지 전류에서 설정됨을, 용액 a)와 비교하여 도시하고 있다.

도 4는 +20℃ 및 -20℃에서 전류 밀도의 함수로서 전지 전압의 추이를 도시하고 있다. 온도를 낮추게 되면 동일한 전지 전류에서 더 높은 전지 전압이 요구된다는 것이 명백하다. 도 4에 도시된 도면은, -20 ℃에서도 충분히 큰 전지 전류를 보장함으로써 본 발명에 따른 전지의 이용을 가능케해주는 예 b)에 따른 전해액 에 대해 작성되었다.

본 발명의 몇가지 실시예들이 도시되고 기술되었지만, 첨부된 특허청구범위의 정신과 영역으로부터 벗어나지 않고 많은 변경과 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

양호한 개스 발생 속도를 가지며 앞서 기술했던 특성을 갖는 전지가 제공된다.

Claims (12)

1. 개스 발생용 전지에 있어서,

   (a) 전원을 포함하는 회로;

   (b) 상기 회로에 접속된 제1 및 제2 전극들; 및

   (c) 상기 전극들 사이에 위치하고, 전기화학적 반응으로 질소를 포함하는 개스를 발생하기 위한 화학식 XN₃을 갖는 아지드(azide)를 포함하는 전해 수용액으로서, 상기 전기화학적 반응 동안에 수산화물 이온들의 화학적 결합을 위한 마그네슘염(magnesium salt)을 포함하는 것인, 상기 전해 수용액

   을 포함하는 개스 발생용 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 아지드는 아지드화 나트륨(sodium azide)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마그네슘염은 황산마그네슘(magnesium sulfate)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마그네슘염은 과염소산마그네슘(magnesium perchlorate)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘염은 아지드의 양에 관해 화학양론적으로 첨가되거나 과잉 첨가되는 것인, 개스 발생용 전지.
6. 제1항에 있어서, 상기 전해 수용액에 첨가되는 부동제(anti-freeze agent)를 더 포함하는 개스 발생용 전지.
7. 제6항에 있어서, 상기 부동제는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 요소를 더 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 전해 수용액은 캐쏘드를 형성하는 상기 제1 및 제2 전극들 중 하나의 수소 과전압을 방지하기 위한 황산 니켈(nickel sulfate)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 전극들은 강철(steel)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 전극들은 크롬-니켈강(chrome-nickel steel)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
11. 제1항에 있어서, 상기 전극들은 흑연(graphite)을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.
12. 제1항에 있어서, 상기 전극들은 흑연 분말이 매립된 플라스틱을 포함하는 것인, 개스 발생용 전지.

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