KR20170070502A - 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기 및 이를 이용한 형상기억합금의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기 및 이를 이용한 형상기억합금의 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지를 통해 생산되는 전기에 의해 발생되는 열과, 상기 연료전지에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 동시에 이용하여 형상기억합금을 구동하는 구동기 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다.

Description

연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기 및 이를 이용한 형상기억합금의 구동방법{APPARATUS FOR DRIVING SHAPE MEMORY ALLOY USING FUEL CELL, AND METHOD FOR DRIVING SHAPE MEMORY ALLOY THEREOF}

본 발명은 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기 및 이를 이용한 형상기억합금의 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지를 통해 생산되는 전기에 의해 발생되는 열과, 상기 연료전지에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 동시에 이용하여 형상기억합금을 구동하는 구동기 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다.

기존의 형상기억합금 구동기는 전선을 통하여 직접 형상기억합금 구동기에 전류를 인가하여 그때 발생하는 열을 이용하여 구동을 시켰다. 이러한 구동방식은 전류를 인가하기 위한 배터리가 항상 필요하여 그 부피가 크고, 배터리의 용량도 한정되어 있어 충전을 위한 시간이 필요한 점들이 단점으로 지적되어 왔다.

이러한 점을 해결하고자, 비특허문헌 (Von Howard Ebron et al.,"Fuel-Powered Artificial Muscles", Science 311, 1580(2006); DOI: 10.1126/science.1120182)에 연료전지 기술을 적용한 형상기억합금 구동기에 대해 개시되어 있다. 이러한 구동기는 연료전지에서 발생하는 전기만을 사용하여 구동을 하거나, 형상기억합금에 촉매도금을 하고 구동기 근처에서 화학반응을 일으켜 가열하는 방식 등이 제안되었다.

그러나, 이러한 구동기는 연료전기에서 발생하는 전기만을 이용하기 때문에 구동 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기에 있어서, 연료전지를 통해 생산되는 전기에 의해 발생되는 열과, 상기 연료전지에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 동시에 이용하여 형상기억합금을 구동하는 구동기의 개발이 필요하게 되었다.

Von Howard Ebron et al.,"Feul-Powered Artificial Muscles", Science 311, 1580(2006); DOI: 10.1126/science.1120182

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지를 통해 생산되는 전기에 의해 발생되는 열과, 상기 연료전지에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 동시에 이용하여 형상기억합금을 구동하는 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기를 제공함에 있다.

본 발명은 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기에 관한 것으로, 전기를 생산하는 연료전지부(100); 및 상기 연료전지부(100)와 연결되어, 상기 연료전지부(100)에서 생산되는 전기의 발열과, 상기 연료전지부(100)에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열에 의해 구동되는 형상기억합금부(200); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상기억합금 구동기는 상기 형상기억합금부(200)와 연결되며, 상기 연료전지부(100)에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 상기 형상기억합금부(200)로 전달하는 열전달부(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열전달부(300)는 상기 연료전지부(100)의 음극과 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상기억합금 구동기는 상기 연료전지부(100)로부터 상기 형상기억합금부(200)로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어하는 제어부(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구동방법에 있어서, 연료전지부(100)로부터 전기가 생산되는 동시에, 상기 연료전지부(100)로부터 반응물이 생성될 때 열이 발생되는 연료전지 반응단계(S100); 상기 연료전지부(100)로부터 생산되는 전기를 이용하여 열을 발생시키는 열 발생단계(S200); 및 형상기억합금부(200)가 상기 전기를 통해 발생되는 열과, 상기 반응물에 의해 발생되는 열로 인해 구동되는 형상기억합금 구동단계(S300); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상기억합금 구동단계(S300)는 상기 연료전지부(100)로부터 상기 형상기억합금부(200)로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기 및 이를 이용한 형상기억합금 구동방법에 관한 것으로, 본 발명은 연료전지를 통해 생산되는 전기에 의해 발생되는 열과, 상기 연료전지에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 동시에 이용하여 형상기억합금을 구동하기 때문에, 구동 효율이 높은 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기의 구성도
도2는 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기의 일실시예
도3은 본 발명에 따른 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구성방법의 순서도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도1은 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기의 구성도이며, 도2는 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기의 일실시예이다.

도1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기는 연료전지부(100)와 형상기억합금부(200)로 이루어지며, 연료전지에서 발생하는 전기와, 연료전지에 의해 생성되는 반응물에서 발생하는 열을 이용하여, 형상기억함금을 구동시키는 것이다.

연료전지부(100)는 수소와 산소를 연료로 사용한다. 상기 연료전지부(100)는 수소와 산소를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 본 발명에서는 상기 전기 에너지를 전기 발열시켜, 이때 발생하는 열은 형상기억함금을 구동하는데 사용한다. 또한, 상기 연료전지부(100)는 전지 발열시키기 위한 전기 발열 장치가 더 구비될 수도 있다.

형상기억합금부(200)는 상기 연료전지부(100)와 연결되어, 상기 연료전지부(100)에서 생산되는 전기의 발열과, 상기 연료전지부(100)에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열에 의해 구동된다. 상기 형상기억합금부(300)는 일정 온도 이상에서는 기억된 형태로 돌아가려는 성질이 있기 때문에, 상기 연료전지부(100)에서 발생하는 열을 이용하여 구동시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기는 열전달부(300)가 더 포함되기도 한다.

열전달부(300)는 연료전지부(100)와 형상기억합금부(200) 사이에 연결되어 구비된다. 상기 열전달부(300)는 상기 연료전지부(100)에서 반응물이 생성될 때, 열이 발생되는데, 이 열을 형상기억합금부(200)로 전달하는 역할을 한다. 이러한, 상기 열전달부(300)는 열교환기, 열전달매체 등이 바람직하지만, 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 열전달부(300)의 재질은 열전도율이 높은 알루미늄, 금, 은 텅스텐, 구리 등의 금속을 사용할 수도 있고, 금속이 아닌 열전도율이 높은 다양한 재질 중 하나 이상이 선택적으로 적용될 수도 있다.

이때, 상기 열전달부(300)는 상기 연료전지부(100)의 음극과 연결되기도 한다. 상기 연료전지부(100)는 음극에서 물이 생성되며, 이때 물은 물 저장부(110)에 저장된다. 또한, 상기 물 저장부(110)에 저장된 물은 수소와 산소로 다시 전기분해되어 연료로 사용된다. 이때, 연료전지부(100) 음극에서 물이 생성될 때, 열이 발생하는 데, 상기 열은 열전달부(300)를 통해 형상기억함금부(200)로 전달된다. 형상기억합금부(200)는 전기 발열된 열과 상기 열전달부(300)를 통해 전달된 열을 동시에 이용하여 구동하기 때문에, 기존에 연료전지에서 생산되는 전기만을 이용하여 구동하는 형상기억합금 방식보다 구동 효율이 더 높은 장점이 있다.

또한, 본 발명의 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기는 제어부(400)를 더 포함하기도 한다.

상기 제어부(400)는 일측이 연료전지부(100)와 형상기억합금부(200) 사이와 연결되며, 타측이 열전달부(300)와 형상기억합금부(200) 사이와 연결된다. 이러한 제어부(400)는 상기 연료전지부(100)에서 상기 형상기억합금부(200)로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어하는 역할을 한다.

상기 제어부(400)는 스위치나 자동밸브일 수 있으며, 형상기억합금부(200)에서 원하는 힘과 변위에 따라 전류량 및 열유량을 조절 및 제어할 수 있다.

형상기억합금부(200)는 전류량 및 열유량의 세기에 따라 변하는 힘과 변위가 다르게 되는데, 제어부(400)를 통해 전류량 및 열유량을 조절하게 되면, 원하는 힘과 변위를 만들 수 있다.

예를 들어, 형상기억합금부(200)의 변위를 작게 하고 싶을 때는 제어부(400)를 통해 전류량 및 열유량의 세기를 작게 제어하며, 형상기억합금부(200)의 변위를 크게 하고 싶을 때는 제어부(400)를 통해 전류량 및 열유량의 세기를 크게 제어한다.

다음으로 본 발명의 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구동방법에 대해 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구성방법의 순서도이다.

본 발명의 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구동방법은 연료전지 반응단계(S100), 열 발생단계(S200) 및 형상기억합금 구동단계(S300)로 이루어진다.

연료전지 반응단계(S100)는 연료전지부(100)로부터 전기가 생산되는 동시에, 상기 연료전지부(100)로부터 반응물이 생성될 때 열이 발생되는 단계이다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 연료전지 반응단계(S100)는 연료인 수소와 산소가 공급되어 반응을 통해 전기가 생산되고, 이때 음극에서는 물이 생성된다. 또한, 음극에서 물이 생성될 때 열이 발생한다. 생성된 물은 물 저장부(110)로 이동되어 저장되고, 이후 연료가 필요할 시, 수소와 산소로 전기분해되어 재사용된다.

열 발생단계(S200)는 상기 연료전지부(100)로부터 생산되는 전기를 이용하여 열을 발생시키는 단계이다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 열 발생단계(S200)는 수소와 산소가 연료전지부(100)로 공급되면, 전기 에너지가 발생하는데, 이때 발생되는 전기 에너지는 전기 발열 장치를 통해 열 에너지로 변환시켜 열을 발생시킨다. 이러한 열을 형상기억함금을 구동하는데 사용한다.

형상기억합금 구동단계(S300)는 형상기억합금부(200)가 상기 열 발생단계(S200)에서 발생되는 열과, 연료전지부(100)의 반응물에 의해 발생되는 열을 동시에 이용하여 구동되는 단계이다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 형상기억합금 구동단계(S300)는 연료전지부(100)에서 반응을 통해 전기와 물이 발생하는데, 이때, 상기 전기는 전기 발열 장치와 같은 장치를 통해 전기 에너지를 열 에너지로 변환되어 형상기억합금에서 사용되는 동시에, 상기 열 발생단계(S200)에서 발생하는 열을 형상기억합금에 사용한다. 즉, 상기 형상기억합금 구동단계(S300)는 종래의 연료전지부(100)에서 생산되는 전기 에너지만 이용하는 것이 아닌, 전기 에너지와 반응물이 생성될 때 발생하는 열을 동시에 사용함으로써, 구동 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 형상기억합금 구동단계(S300)는 상기 연료전지부(100)로부터 상기 형상기억합금부(200)로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 형상기억합금 구동단계(S300)는 제어부(400)가 구비되어, 상기 제어부(400)를 통해 전류량 및 열유량을 조절 및 제어하여, 형상기억합금이 원하는 힘과 변위로 만들 수 있다. 이때, 상기 형상기억합금은 전류량 및 열유량에 따라 변화되는 힘과 변위가 다른데, 형상기억합금에서 큰 변위가 필요할 때는 전류량 및 열유량을 크게 제어하고, 형상기억합금에서 작은 변위가 필요할 때는 전류량 및 열유량을 작게 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(400)는 스위치나 자동밸브일 수 있으며, 형상기억합금부(200)에서 원하는 힘과 변위에 따라 전류량 및 열유량을 조절 및 제어할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 연료전지부
110 : 물 저장부
200 : 형상기억합금부
300 : 열전달부
400 : 제어부
S100 : 연료전지 반응단계
S200 : 열 발생단계
S300 : 형상기억합금 구동단계

Claims (6)

1. 전기를 생산하는 연료전지부; 및
   상기 연료전지부와 연결되어, 상기 연료전지부에서 생산되는 전기의 발열과, 상기 연료전지부에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열에 의해 구동되는 형상기억합금부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 형상기억합금 구동기는
   상기 형상기억합금부와 연결되며, 상기 연료전지부에서 반응물이 생성될 때 발생되는 열을 상기 형상기억합금부로 전달하는 열전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 열전달부는
   상기 연료전지부의 음극과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 형상기억합금 구동기는
   상기 연료전지부로부터 상기 형상기억합금으로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 형상기억합금 구동기.
   
5. 제1항에 따른 형상기억합금 구동기를 이용한 형상기억합금의 구동방법에 있어서,
   연료전지부로부터 전기가 생산되는 동시에, 상기 연료전지부로부터 반응물이 생성될 때 열이 발생되는 연료전지 반응단계;
   상기 연료전지로부터 생산되는 전기를 이용하여 열을 발생시키는 열 발생단계; 및
   열 발생단계에서 발생되는 열과, 상기 연료전지부의 반응물에 의해 발생되는 열로 인해 구동되는 형상기억합금 구동단계;
   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금의 구동방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 형상기억합금 구동단계는
   상기 연료전지부로부터 상기 형상기억합금으로 전달되는 전류량 및 열유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금의 구동방법.
   

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