KR20180043745A - 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지 - Google Patents

물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함한 복수개의 금속공기 연료전지 단위 셀로 이루어져 있는 금속공기 연료전지에 있어서, 상기 음극과 양극은 분리막을 사이에 두고 대면하도록 적층되어 있고, 상기 금속공기 연료전지는 금속공기 연료전지 단위 셀의 말단으로부터 연장되어 있는 전해질 주입관을 포함하고, 상기 전해질 주입관으로부터 주입된 조해성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지를 제공한다.
본 발명에 따른 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지는 가정에서도 쉽게 취급할 수 있는 조해성 물질을 전해질로 사용함으로서, 공기 중에서 흡수한 수분을 금속공기 연료전지에 사용하게 된다. 이를 통해 금속공기 연료전지는 물을 지속적으로 주입해 주어야 하는 단점을 극복할 수 있는 효과를 얻게 된다.
또한 금속공기 연료전지에서 소비된 수분으로 인해 조해성 물질은 더 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 효과를 얻게 된다. 더욱이 금속공기 연료전지를 포함한 장치는 악취제거, 살균, 인테리어용 조명, 배터리 충전 등 다양한 곳에 활용될 수 있다.

Description

물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지{Metal air fuel cell without water supply}
본 발명은 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극에서의 금속(알루미늄, 마그네슘, 리튬 등)의 산화반응과 양극에서의 산소환원반응을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 조해성 물질을 포함한 금속공기 연료전지에 관한 것이다.
금속공기 연료전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지밀도가 2 ~ 5배 이상 높기 때문에 차세대 전지로 각광받고 있다. 금속공기 연료전지는 리튬, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 철 등의 금속을 음극에 사용하며, 양극은 코발트, 니켈, 또는 탄소 등의 산소환원촉매를 이용한다. 특히 음극에 알루미늄 금속을 사용한 알루미늄공기 연료전지는 수용성 전해질을 사용하여 자동차에 적용할 경우 한번에 1600 km를 주행할 정도로 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
상기 알루미늄공기 연료전지는 수용성 전해질 또는 비수용성 전해질을 사용할 수 있으며, 알루미늄공기 연료전지는 전해질로 수산화칼륨(KOH), 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등의 염기성 수용액을 사용한다. 알루미늄 전지의 전력밀도를 향상시키기 위해서는 고농도의 염기성 수용액이 필요하지만, 이때 부반응으로 수소의 발생량이 많아져 전류효율이 낮아진다. 이로 인해 황화칼륨 등의 수소발생억제제를 사용하기도 하지만 수소발생을 완벽하게 제어할 수는 없다. 특히 수소발생은 강한 염기성에서 매우 빠르게 일어나기 때문에 적절한 pH 조절이 중요하다.
수용성 전해질을 사용하는 알루미늄공기 연료전지는 알루미늄의 산화반응에 의해 전기를 발생시킨 후 전기적으로 충전이 어려운 1차 전지이다. 하지만 산화된 알루미늄을 교체해주면 다시 전력을 생산할 수 있게 된다.
이와 같이 전기적인 충전이 아닌 연료금속 교체를 통해 기존 2차 전지보다 빠르게 충전을 할 수 있는 장점이 있다. 특히 이는 전기자동차, 전기오토바이, 또는 전기휠체어 등에 적용될 경우 기존 2차전지 보다 충전속도가 빠른 장점을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
금속공기 연료전지는 상기한 바와 같이 반응과정에서 물이 소모되게 된다. 또한 공기 중으로 수분이 증발될 수 있기 때문에 물을 지속적으로 공급해 주어야 한다.
또한, 금속공기 연료전지는 강한 염기성 전해질을 사용할 때 출력이 높아지기 때문에 대부분 수산화나트륨이나 수산화칼륨 등의 전해질을 사용한다. 이로 인해 일상생활에서 사용하기 위해서는 염기성 물질이 새지 않을 수 있도록 설계하여야 하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점들로 인해 금속공기 연료전지는 일부 군사용으로 적용되고 있으나, 일상생활에 적용되는 제품이 매우 제한적이다.
따라서, 상기 문제점을 극복하기 위한 방안으로서 물 공급이 필요 없으며, 금속공기 연료전지의 성능을 높일 수 있는 연구 개발이 시급한 실정이다.
한국공개특허 제2016-0108938호(2016.09.21. 공개)
본 발명의 목적은 공기 중의 수분을 매우 강력하게 흡수하는 조해성 물질을 전해질로 사용함으로서 수분의 증발을 막고, 더 나아가 공기 중의 수분을 흡수하여 금속공기 연료전지에 공급함으로서, 물을 지속적으로 공급하지 않고도 구동이 가능한 금속공기 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함한 복수개의 금속공기 연료전지 단위 셀로 이루어져 있는 금속공기 연료전지에 있어서, 상기 음극과 양극은 분리막을 사이에 두고 대면하도록 적층되어 있고, 상기 금속공기 연료전지는 금속공기 연료전지 단위 셀의 말단으로부터 연장되어 있는 전해질 주입관을 포함하고, 상기 전해질 주입관으로부터 주입된 조해성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 금속공기 연료전지를 포함한, 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지는 가정에서도 쉽게 취급할 수 있는 조해성 물질을 전해질로 사용함으로서, 공기 중에서 흡수한 수분을 금속공기 연료전지에 사용하게 된다. 이를 통해 금속공기 연료전지는 물을 지속적으로 주입해 주어야 하는 단점을 극복할 수 있는 효과를 얻게 된다.
또한 금속공기 연료전지에서 소비된 수분으로 인해 조해성 물질은 더 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 효과를 얻게 된다. 더욱이 금속공기 연료전지를 포함한 장치는 악취제거, 살균, 인테리어용 조명, 배터리 충전 등 다양한 곳에 활용될 수 있다.
도 1은 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지를 나타낸 도면;
도 2는 염화리튬(LiCl) 및 염화바륨(BaCl2)의 전기화학적 성능 평가를 나타낸 도면;
도 3은 염화칼슘(CaCl2)의 전기화학적 성능 평가를 나타낸 도면;
도 4는 염화칼륨(KCl)의 전기화학적 성능 평가를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명인 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 전해질에 흡습성이 매우 높은 조해성 물질을 사용함으로써 금속공기 연료전지의 반응과정에서 소모되는 물의 공급을 별도로 하지 않더라도 금속공기 연료전지의 성능 및 편의성을 향상시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 음극에서의 금속(알루미늄, 마그네슘, 리튬 등)의 산화반응과 양극에서의 산소환원반응을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 금속공기 연료전지에 관한 것으로서, 금속공기 연료전지는 금속이 산화되고 산소가 환원되는 과정에서 물이 소모된다. 또한, 공기와 접촉되는 양극에서 물이 증발될 수 있기 때문에 금속공기 연료전지에 물을 지속적으로 공급해 주어야 하는 문제점을 해결하기 위해 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지에 관한 것이다.
본 발명은 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함한 복수개의 금속공기 연료전지 단위 셀로 이루어져 있는 금속공기 연료전지에 있어서, 상기 음극과 양극은 분리막을 사이에 두고 대면하도록 적층되어 있고, 상기 금속공기 연료전지는 금속공기 연료전지 단위 셀의 말단으로부터 연장되어 있는 전해질 주입관을 포함하고, 상기 전해질 주입관으로부터 주입된 조해성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지를 제공한다.
본 발명인 물 공급이 필요 없는 금속공기 연료전지(10)는, 리튬, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 철 중에서 어느 하나의 금속으로 이루어진 음극(11)과, 코발트, 니켈, 또는 탄소 중에서 어느 하나의 산소환원촉매로 이루어진 양극(12)과, 상기 음극(11)과 양극(12) 사이에 부직포, 친수성고분자 필름 등으로 이루어진 분리막(13)이 개재되어 있는 연료전지 단위 셀이 복수개 적층되어 있는 형태로 이루어져 있다.
상기 연료전지 단위 셀이 적층된 형태의 금속공기 연료전지(10)는 전해질 주입관(14)을 통해 조해성 물질(15)이 주입되고, 주입된 조해성 물질(15)은 분리막(13)에 공급된다.
상기 조해성 물질은 염화리튬(LiCl), 염화마그네슘(MgCl2), 염화칼륨(KCl), 염화칼슘(CaCl2), 염화아연(ZnCl2), 산화아연(ZnO), 및 염화바륨(BaCl2)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 조해성 물질 중에서, 특히 2가 양이온의 염화물질은 일반적으로 공기 중 물을 흡수하는 조해성이 높으며, 염화이온은 금속공기 연료전지의 반응속도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
기존 금속공기 연료전지에 주로 사용되는 수산화나트륨 등의 강염기 전해질은 조해성 물질이긴 하지만 강한 염기성 물질로서 일반인이 취급하기 어렵고, 위험하며 공기 중의 이산화탄소에 의해 탄산염이 석출될 수 있는 문제점이 있다.
이와 같이 상기한 바와 같은 이유로 인해, 본 발명은 2가 금속의 이염화물은 제설제로 사용되는 물질로서 주변에서 쉽게 구할 수 있고, 상대적으로 일반 가정에서 취급하기에 적합한 조해성 물질로 잘 알려진 염화마그네슘(MgCl2) 또는 염화칼슘(CaCl2) 등의 조해성 물질을 전해질로 이용하는 것이 바람직하다.
또한 1가 금속의 염화물을 조해성 물질로 이용할 경우 공기중의 수분을 흡수하여 반응에 이용함으로서, 장시간 운전이 가능한 장점이 있어, 염화리튬(LiCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등의 조해성 물질을 전해질로 이용하는 것이 바람직하다.
상기 금속공기 연료전지는 상기 조해성 물질로부터 흡수된 물을 전해질로 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 조해성 물질(15)로부터 흡수된 수분(16) 또한 전해질로서 이용되어 전해질 주입관(14)을 통해 모세관 현상 등에 의하여 분리막(13)에 공급된다.
조해성 물질(15)은 수분을 제거할 수 있으므로, 장롱, 옷장, 화장실(욕실) 등에서 발생하는 수분을 조해성 물질(15)에 의해 흡수시켜 수분(16)을 제거함과 동시에 금속공기 연료전지(10)를 구동할 수 있어 다양한 용도로 금속공기 연료전지를 활용할 수 있는 잇점이 있다.
이와 같이 장착할 경우 금속공기 연료전지(10)는 수분(16)을 연속적으로 공급받을 수 있게 된다. 흡수된 수분(16)은 금속공기 연료전지(10)의 하기 반응식 1, 및 반응식 2에 의해 소모되며, 이로 인해 조해성 물질(15)은 더 많은 양의 공기중의 수분(16)을 흡수할 수 있게 된다.
[반응식 1]
양극 :　O2 + 2H2O + e- → 4OH-
[반응식 2]
음극 : Me + nOH- → Men+(OH)n + ne-
이와 같이 금속공기 연료전지(10)와 조해성 물질(15)을 함께 사용함으로서, 금속공기 연료전지(10)는 수분(16) 공급을 원활하게 유지할 수 있게 되며, 조해성 물질(15)은 더 많은 양의 수분(16)을 흡수할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 상기 금속공기 연료전지를 포함한, 장치를 제공한다.
상기 장치는 살균 장치, 오존발생 장치, 조명 장치, 및 베터리 충전 장치로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 장치에서 발생한 전기는 다양한 곳에 사용될 수 있다. 특히 장롱, 옷장, 화장실(욕실) 등에 적용될 경우 발생된 전기에너지를 통해 악취제거와 살균 효과를 추가적으로 얻을 수 있는 잇점이 있다.
<실험예 1> 염화리튬(LiCl) 및 염화바륨(BaCl 2 )의 전기화학적 성능 평가
조해성 물질로 염화리튬(LiCl)과 염화바륨(BaCl2)을 사용하였을 때의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 시간-전류법(chronoamperometry; 이하 'CA') 분석을 수행하였다.
구체적으로, 작업전극(Working electrode; WE)을 알루미늄호일 구조체 전극으로 사용하였고, 상대전극(Counter electrode; CE)을 흑연(Graphite)으로 사용하였으며, 기준전극(Reference electrode; RE)을 Ag/AgCl 전극으로 사용한 3-전극 시스템을 이용하였다.
실온(25℃)에서 5 mV/s의 스캔 속도(scan rate)로 0.1 M의 염화리튬(LiCl)과 0.1 M의 염화바륨(BaCl2)을 각각 전해질로 사용하여 -0.3 V의 전압을 가하여 시간에 대한 전류 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내었다.
구체적으로, 도 2(a)는 조해성 물질인 염화리튬(LiCl) 전해질에서 알루미늄 구조체를 -0.3 V에서 산화전류를 측정한 결과이다.
도 2를 참조하면, 수십 mA의 전류를 얻을 수 있었으며, 방전용량은 약 1,800 mAh 정도를 얻었다. 이는 일반 원통형 배터리(AA형)정도의 용량에 2배 정도 수준의 전력을 얻을 수 있을 것으로 기대되는 결과이다.
또한, 도 2(b)를 참조하면, 염화바륨(BaCl2)을 전해질로 사용했을 경우에는 -0.2 V에서 10 mA 정도의 전류를 얻을 수 있으며, 방전용량이 약 3,000 mAh로 높게 측정되었다. 이는 일반 원통형 배터리(AA형)에 3배 정도 수준의 전력을 얻을 수 있을 것으로 기대되는 결과이다.
<실험예 2> 염화칼슘(CaCl 2 )의 전기화학적 성능 평가
조해성 물질로 염화칼슘(CaCl2)을 사용하였을 때의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 선형 전위 훑음법(Linear sweep voltametry; 이하 'LSV') 분석을 수행하였다.
구체적으로, 상기 3-전극 시스템을 이용하여 실온(25℃)에서 5 mV/s의 스캔 속도(scan rate)로 포화 농도의 염화칼슘(CaCl2)을 전해질로 사용하여 LSV 분석을 1 내지 5회 수행하였고, 그 결과를 도 3(a)에 나타내었다.
구체적으로, 도 3(a)는 조해성 물질인 염화칼슘(CaCl2) 전해질에서 전압에 따른 전류의 특성을 평가한 결과이다.
도 3(a)를 참조하면, 1차에서 5차 스캔(평가)으로 진행될수록 전류가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 알루미늄호일 구조체 전극이 전류를 인가할수록 표면 부동층이 용해되어 표면이 활성화되는 효과로 인한 것이다. 평가결과 특히 Cl-가 전해질에 포함될 때 이러한 현상이 크게 관찰되었으며, 이는 전해질에 Cl-가 포함될 경우 높은 전류을 얻을 수 있는 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 3(b)는 염화칼슘(CaCl2) 전해질에서 알루미늄호일 구조체 전극의 방전특성을 평가한 결과이다.
도 3(b)를 참조하면, 12시간 이상 동안 수십 mA 이상의 전류로 방전되었으며, 이때 용량은 780 mAh로 평가되었다. 이전 결과보다 방전용량이 낮은 이유는 알루미늄 구조체 전극 중 외부쪽에 노출된 알루미늄호일만이 반응에 참여하고 내부의 알루미늄호일은 반응하지 못했기 때문으로 사료된다.
<실험예 3> 염화칼륨(KCl)의 전기화학적 성능 평가
조해성 물질로 염화칼륨(KCl)을 사용하였을 때의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 LSV 분석을 수행하였다.
구체적으로, 상기 3-전극 시스템을 이용하여 실온(25℃)에서 5 mV/s의 스캔 속도(scan rate)로 0.1 M의 염화칼륨(KCl)을 전해질로 사용하여 LSV 분석을 수행하였고, 대조군으로 0.1 M의 탄산나트륨(Na2CO3)과 0.1 M의 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 이용하여 추가적으로 LSV 분석을 수행하여 그 결과를 도 4(a)에 나타내었다.
구체적으로, 도 4(a)는 KCl, NaHCO3, Na2CO3 전해질에 따른 알루미늄호일 구조체 전극의 전압-전류 곡선이다.
도 4(a)를 참조하면, 이는 상기 설명한 바와 같이, 전해질 내에 존재하는 Cl- 이온이 있을 때 더 높은 전류를 얻을 수 있음을 보인 실험 결과로서, Cl- 이온이 알루미늄호일 구조체 전극의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 보여준다.
또한, 조해성 물질로 염화칼륨(KCl)을 사용하였을 때의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 CA 분석을 수행하였다.
구체적으로, 상기 3-전극 시스템을 이용하여 실온(25℃)에서 5 mV/s의 스캔 속도(scan rate)로 0.1 M의 염화칼륨(KCl)을 전해질로 사용하여 0.2 V의 전압을 가하여 시간에 대한 전류 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 4(b)에 나타내었다.
구체적으로, 도 4(b)는 염화칼륨(KCl) 전해질에서 알루미늄호일 구조체 전극의 방전특성을 평가한 결과이다.
도 4(b)를 참조하면, 40시간 이상 동안 수십 mA이상의 전류로 방전되었으며, 이때 용량은 2,300 mAh로 평가되었다. 이는 일반 원통형 배터리(AA형)에 2배 이상의 전력을 얻을 수 있을 것으로 기대되는 결과이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
(10): 금속공기 연료전지
(11): 음극
(12): 양극
(13): 분리막
(14): 전해질 주입관
(15): 조해성 물질
(16): 수분

Claims (7)

  1. 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함한 복수개의 금속공기 연료전지 단위 셀로 이루어져 있는 금속공기 연료전지에 있어서,
    상기 음극과 양극은 분리막을 사이에 두고 대면하도록 적층되어 있고,
    상기 금속공기 연료전지는 금속공기 연료전지 단위 셀의 말단으로부터 연장되어 있는 전해질 주입관을 포함하고,
    상기 전해질 주입관으로부터 주입된 조해성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극은,
    리튬, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 철 중에서 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은,
    코발트, 니켈, 또는 탄소 중에서 어느 하나의 산소환원촉매인 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 조해성 물질은,
    염화리튬(LiCl), 염화마그네슘(MgCl2), 염화칼륨(KCl), 염화칼슘(CaCl2), 염화아연(ZnCl2), 산화아연(ZnO), 및 염화바륨(BaCl2)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속공기 연료전지는,
    상기 조해성 물질로부터 흡수된 물을 전해질로 이용하는 것을 특징으로 하는, 금속공기 연료전지.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 금속공기 연료전지를 포함한, 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 장치는,
    살균 장치, 오존발생 장치, 조명 장치, 및 베터리 충전 장치로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 장치.
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CN111509335A (zh) * 2019-01-30 2020-08-07 青岛海尔智能技术研发有限公司 一种金属空气电池
KR20220092002A (ko) * 2020-12-24 2022-07-01 포항공과대학교 산학협력단 전고체 금속-공기 전지

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