KR20110083111A - 금속 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전해액을 연속적으로 공급 및 배출 할 수 있게 하여 침전물이 시멘트화되기 전, 침전물을 연속적으로 배출시킴으로서, 금속 연료 전지를 반영구적으로 사용할 수 있게 할 뿐만 아니라 생성되는 수소를 용이하게 포집할 수 있게 함으로서, 생성된 수소를 수소 연료 전지 등에 활용될 수 있도록 하는 금속 연료 전지에 관한 것이다.
본 발명은 금속 연료 전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 생성되는 수소를 용이하게 포집하여 반응 중 생성되는 수소를 수소 연료 전지 등에 활용될 수 있도록 하여 금속연료전지의 고효율화가 가능할 뿐만 아니라, 전해액을 연속적으로 공급 및 배출 할 수 있게 할 수 있게 함으로서, 생성되는 침전물 또한 타 활용수단에 활용될 수 있도록 할 뿐만 아니라 전해액이 연속적으로 공급되어, 금속연료전지를 연속적이고 반영구적으로 사용할 수 있게 하는 금속 연료 전지에 관한 것이다.
본 발명은 금속 연료 전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 생성되는 수소를 용이하게 포집하여 반응 중 생성되는 수소를 수소 연료 전지 등에 활용될 수 있도록 하여 금속연료전지의 고효율화가 가능할 뿐만 아니라, 전해액을 연속적으로 공급 및 배출 할 수 있게 할 수 있게 함으로서, 생성되는 침전물 또한 타 활용수단에 활용될 수 있도록 할 뿐만 아니라 전해액이 연속적으로 공급되어, 금속연료전지를 연속적이고 반영구적으로 사용할 수 있게 하는 금속 연료 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 금속 연료 전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 생성되는 수소를 용이하게 포집할 수 있도록 할 뿐만 아니라 전해액을 연속적으로 공급 및 배출 할 수 있게 할 수 있게 함으로서, 반응 중 생성되는 수소를 공기중에 발산시켜지 않고 수소 연료 전지등의 수쇼활용수단으로 재활용함으로 금속연료전지의 교효율화가 가능하고, 또한 금속연료전지에 전해액이 연속적으로 공급 및 배출되어, 금속연료전지를 연속적이고 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 금속연료전지 반응에서 생성되는 침전물 또한 타 활용수단에 활용될 수 있도록 하는 금속 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로 금속 연료 전지는 공기 중의 산소를 사용하여 음극으로 구성된 금속을 산화시키면서 전기를 생산하는 전지로서, 음극은 일반적으로 알루미늄, 마그네슘, 아연과 같은 금속들 또는 이들의 합금들이 사용되며, 전해액(또는 전해질)은 염 또는 알칼리 수용액 등이 사용된다.
아울러, 금속 공기 전지는 전해액이 차지하는 부피가 크며, 적어도 전체 부피의 30% 이상이 전해액으로 채워져 있다.
도 1 내지 도 3은 상기와 같은 종래의 금속 연료 전지와 관련된 기술로서, 대한민국 등록특허공보 제0520198호는 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 공기양극(1)의 사이에 금속연료전극(2)이 삽입되고, 상기 2개의 공기양극(1) 각각의 좌,우측 및 하부에 고분자필름(3)이 결합되는 구성으로서, 접어서 사용가능한 것을 특징으로 하며, 이러한 형태가 하나의 단위 전지를 구성하는 금속 연료 전지를 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제0905939호는 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 연료로서 흐름성이 좋은 아연 구슬(12)을 사용하고, 이 아연 구슬을 단위 셀(11) 내부에 설치되는 금속 그물망(16) 안에 수용시켜 금속 그물망(16)과 음극(13), 아연 구슬(12)끼리 서로 밀착되게 함으로써, 전기를 발생시키는 금속 연료 전지를 제안하였다.
한편, 대한민국 등록특허공보 제0859957호는 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 금속 연료 전지의 전기 발생 메커니즘을 적용하되, 전극 어셈블리(100,200)를 판상으로 만들어 서로 결합시키고 이를 쉽게 분리하여 소모된 연료 금속 음극(201)을 간편하게 제거할 수 있도록 한 금속연료전지를 제안하였다.
하지만, 상기와 같은 종래의 금속 연료 전지는, 금속1몰에 대하여 최대 2몰의 전자만을 생성시킬 수 있어 전지의 발전효율이 상대적으로 낮으며, 전지반응과정에서 발생하는 수소 기체를 공기중에 방출함으로서 연료전지가 작동하는 동안 지속적으로 대기를 오염시키는 문제점이 있있다.
또한 통상의 금속 연료 전지에서는 음극의 금속 연료 전극이 산화되면서 형성되는 금속 산화물 또는 금속 수산화물 등의 침전물이 금속연료전지의 내부 벽면, 음극 및 하부면 등에 침적되고 시멘트화 되어 연료전지의 효율이 급격히 저하되어 양극으로 사용하는 금속이 남아있더라도 연료전지를 장시간 연속적으로 사용하는 것이 불가능해지기 때문에 단시간 일시적 연료전지 생산에만 적용되는 문제점이 있다. 또한 연료전지 내부에 침척된 상기 금속수산화물 등은 세척도 이 어려우며, 강제적인 제거 시, 전지에 심각한 손상을 가하게 된다. 따라서 한번 사용한 금속연료전지는 대부분 일회만 사용 후 폐기처분하는 일회용만으로 사용할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같이 침전물이 다량 발생하였을 경우, 금속연료전지 자체를 폐기해야만 하는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 일회용만으로 사용하였기 때문에 생성되는 수소를 그대로 공기중에 방출하여 횐경을 오염시키고 연료전지의 효율이 매우 낮아지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속연료전지 반응에서 생성되는 수소를 용이하게 포집하여 반응 중 생성되는 수소를 공기중에 발산시켜지 않고 수소 연료 전지등의 수소활용수단으로 재활용함으로 금속연료전지의 고효율화 할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 전해액을 연속적으로 공급 및 배출 할 수 있게 할 수 있게 함으로서, 전해액이 연속적으로 공급 및 배출되어, 금속연료전지를 연속적이고 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 금속연료전지 반응에서 생성되는 침전물 또한 타 활용수단에 활용될 수 있도록 하는 금속 연료 전지를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로, 양측면에 공기양극이 결합된 하우징 및 상기 하우징 내부에 삽입되는 금속 연료 전극과 전해액을 포함하는 금속 연료 전지에 있어서, 상기 하우징의 상부 일단에, 상기 하우징의 상부를 밀폐하여 마감하는 수소포집부가 구비되는 금속 연료 전지를 제공한다.
아울러, 상기 수소 포집부는, 수소 활용수단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 하우징은, 상부 일단에 전해액 공급부가 구성되고, 하부 일단에 전해액 배출부가 구성되어, 전해액을 연속적으로 공급 및 배출할 수 있다.
또한, 상기 수소활용 수단은, 수소 연료전지 또는 수소 연소 수단일 수 있다.
또한, 수소 연소수단은, 수소를 연료로하여 빛을 발하는 램프일 수 있다.
또한, 상기 전해액은, 염화나트륨 수용액, 알카리 수용액, 마그네슘 수용액, 바닷물 중 하나이거나, 이들의 혼합으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전해액 배출부의 하부 일단에 침전물 여과장치를 더 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응 중 생성되는 수소기체를 수소 연료 전지 등의 타 활용수단으로 재 활용될 수 있도록 함으로서 금속연료전지의 교효율화가 가능하고, 또한 침전물을 용이하게 배출할 수 있도록 하여 금속연료전지를 반영구적으로 사용할 수 있게 할 뿐만 아니라 생성된 침전물을 재활용할 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래기술에 따른 금속 연료 전지를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 분해도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 단면도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 연료 전지의 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 분해도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 단면도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 연료 전지의 사시도
상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 그 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 분해도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료 전지의 단면도로서, 본 발명은 하우징(31) 및 금속 연료 전극(32)을 포함하여 구성되는 단위체(30)가 다공성의 공기확산판(40)을 매개로 하나이상 결합되어 구성된다.
상기 하우징(31)은, 후술되어질 각 구성요소를 내, 외부에 수용하여 하나의 단위체를 구성하도록 하는 수용체로서, 다양한 소재를 적용할 수 있으며, 생산효율 등을 고려할 때, 니트릴부타디엔 고무(nitrilebutadiene rubber: NBR), 에틸렌프로필렌디엔 고무(ethylenepropylene diene monomer rubber: EPDM) 또는 클로로프렌 고무(chloroprene : CR) 등의 고무계열의 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 하우징(31)의 양측면에는 공기 양극(31a)이 결합되고, 상부에 수소포집부(33)가 구성되며, 상부 일단에 전해액 공급부(34)가, 하부 일단에 전해액 배출부(35)가 형성된다.
상기 공기 양극(31a)은 공기로부터 산소를 지속적으로 받아들이고, 후술되어질 금속 연료 전극(32)이 소모되며 생성하는 전자를 흡수하여 수산화 이온(OH-)을 만드는 것으로서, 탄소가 도포된 니켈 메쉬를 적용하는 것이 바람직하며, 공기와의 접촉면(구체적으로는 상기 하우징의 외면측)에 소수성 필름층이 형성된다.
구체적으로는, 활성탄 분말을 불소수지 접착제인 폴리테트라플우오로에틸렌(polytetrafluoroethylene : PTFE) 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF, fluorone resin adhesive)를 혼합하여 니켈 메쉬에 접착한 후, 공기와의 접촉면에 다공성의 소수성 필름을 형성시킨다.
아울러, 상기 공기 양극(31a)은 후술되어질 금속 연료 전극(32)과 도선(32a)을 통해 연결된다.
상기 수소 포집부(33)는, 상기 하우징(31)의 상부를 밀폐, 마감하며 결합되어 금속 연료 전지(30)의 전기 생성과정에서 발생하는 수소를 포집하는 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 수소 연료 전지 등의 수소 활용수단(36)과 연결되며, 수소를 일정량 포집한 후, 또는 생성되는 즉시 연속적으로 상기 수소 활용수단(36), 즉, 수소 연료전지 등에 공급하여 활용될 수 있도록 한다.
상기 수소 포집부(33)와 수소 연료 전지 등의 활용 수단(36)이 연결됨에 있어, 도 6에 도시된 바와 같이, 수소 포집부(33)의 상부 일단에 연결관을 구비하여 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 활용수단(36)과 연결할 수 있으며, 상기 수소 연료 전지 등의 활용 수단(36)을 상기 수소 포집부(33)에 직접 장착하여 연결할 수도 있다.
상기 전해액 공급부(34) 및 전해액 배출부(35)는, 본 발명의 주 특징부로서, 상기 전해액 공급부(34)는 상기 하우징(31)의 상부 일단에 구성되고, 전해액 배출부(35)는 하우징의 하부 일단에 구성된다.
따라서, 상기 전해액 공급부(34)를 통해 전해액을 공급하고, 전해액 배출부(35)를 통해 전해액을 배출함으로서, 전해액이 연속적으로 공급 및 배출될 수 있게 하며, 이로 인해 상기 금속 연료 전지(30)의 반응중 생성되는 침전물의 시멘트화를 방지할 뿐만 아니라, 시멘트화가 되기 전 상기 침전물을 씻어냄으로서, 금속 연료 전지(30)를 반영구적으로 사용할 수 있게 된다.
아울러, 상기 전해액의 공급량 또는 배출량을 조절하기 위한 별도의 조절수단(35a)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 전해액 배출부(35)의 일단, 바람직하게는 상기 전해액 배출부(35) 측 조절수단(35a)의 하부에 별도의 침전물 여과장치 등을 구성함으로서, 상기 배출되는 전해액을 침전물과 여과액으로 분리한 후, 상기 침전물을 타 활용할 수단에 활용될 수 있도록 한다.
상기 금속 연료 전극은(32), 공급되는 전해액과 반응하여 전기를 발생시키는 것으로서, 아연, 알루미늄, 마그네슘 등 전해액과의 반응 중 전기를 생성할 수 있는 다양한 소재를 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 일 실시예로 마그네슘을 적용한 판상형의 금속 연료 전극을 적용하였다.
한편, 전해액은 염화나트륨 수용액, 알카리 수용액, 마그네슘 수용액 중 하나이거나, 이들의 혼합으로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 금속 연료 전지의 전기생성과정을 살펴보면 다음과 같다.
상기 금속 연료 전지(30)에 염화나트륨 수용액(통상의 소금물 또는 바닷물)이 공급되면, 상기 전해액과 금속 연료 전지(30), 공기양극(31a)이 반응하여 전기, 침전물 및 수소를 생성시키며, 아래에 그 반응식을 나타내었다.
Mg(마그네슘) -> Mg2+ + 2e-(전자) (1)
2H2O+ 2e- -> 2OH- + H2(g)(수소) (2)
NaCl(염화나트륨) -> Na+ + Cl- (3)
Mg2+ + 2Cl--> MgCl2(침전물) (4)
Na+ + OH- -> NaOH(수용액) (5)
금속연료전지에서는 (1) 식에서와 같이 금속 1몰에 대하여 전자 2몰이 생성되며, 이때 (2)식에서와 같이 수소기체 1몰이 생성된다. 다음 (6)-(8)식은 수소연료전지 반응식이다.
H2(g) -> 2H+ + 2e- (6)
1/2 O2(g) + 2e- -> 2O2- (7)
2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(ℓ) (8)
금속연료전지 반응에서 생성된 수소 기체를 수소연료전지에 공급하면 (6)식에서와같이 수소 1몰로부터 전자 2몰을 생성할 수 있다. 결과적으로 금속연료전지에서 발생하는 수소기체를 포집하여 수소활용수단인 수소연료전지 공급하면 금속 1몰로부터 금속연료전지에서 2몰의 전자와 수소연료전지에서 2몰의 전자를 생성할 수 있기 때문에 전체 적으로 4몰의 전자를 발생시킬 수 있게되어 통상적인 금속연료전지만을 사용한 경우 보다 본 발명에서의 연료전지 시스템으로 연료전지의 발전 효율은 2배로 증가하게 되어 고효율 연료전지 시스템을 구성하는 것이 가능하게 된다. 또한 수소 활용수단으로 수소연소화 램프에 결합하는 경우, 금속연료전지로부터 발생한 수소를 수소램프에서 연소시켜 야간에 빛을 발하는 램프로 사용하는 것이 가능하여 연료전지 시스템으로부터 통상의 발전량에 해당하는 전기 생산과 더불어 부가적으로 야간에 빛을 발하는 램프기능을 부가적으로 얻을 수 있어 고효율 연료전지 시스템을 구성하는 것이 가능해진다.
따라서, 본 발명은 생성되는 수소(H2(g))를 포집하여 다른 수소활용수단으로 공급하여 재활용될 수 있도록 함으로서 연료전지의 효율을 2배 향상시키고, 상기 전해액을 연속적으로 공급하고 배출함으로서, 상기와 같이 반응중 생성되는 침전물(MgCl2, NaOH)이 시멘트화 되기 전 씻어낼 뿐만 아니라 전기를 연속적으로 장시간 생성할 수 있게 됨으로서, 반영구적 사용이 가능할 뿐만 아니라, 또한 생성되는 침전물 배출액을 통하여 수거함으로서 타 활용수단에 공급할 수 있도록 함으로서, 그 활용성을 증가시키게 된다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
30 : 금속연료전지 31 : 하우징
31a : 공기 양극 32 : 금속 연료 전극
32a : 도선 33 : 수소 포집부
34 : 전해액 공급부 35 : 전해액 배출부
35a : 조절수단 36 : 수소활용 수단
31a : 공기 양극 32 : 금속 연료 전극
32a : 도선 33 : 수소 포집부
34 : 전해액 공급부 35 : 전해액 배출부
35a : 조절수단 36 : 수소활용 수단
Claims (7)
- 양측면에 공기양극이 결합된 하우징 및 상기 하우징 내부에 삽입되는 금속 연료 전극과 전해액을 포함하는 금속 연료 전지에 있어서,
상기 하우징의 상부 일단에, 상기 하우징의 상부를 밀폐하여 마감하는 수소포집부가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 수소 포집부는,
수소 활용수단과 연결되는 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 하우징은,
상부 일단에 전해액 공급부가 구성되고,
하부 일단에 전해액 배출부가 구성되어, 전해액을 연속적으로 공급 및 배출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 수소활용 수단은,
수소 연료전지 또는 수소 연소 수단을 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 4항에 있어서,
수소 연소수단은,
수소를 연료로하여 빛을 발하는 램프인 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 전해액은,
염화나트륨 수용액, 알카리 수용액, 마그네슘 수용액, 바닷물 중 하나이거나, 이들의 혼합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
- 제 3항에 있어서,
상기 전해액 배출부의 하부 일단에 침전물 여과장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 연료 전지.
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