WO2021118241A1 - 지속 발전이 가능한 발전기 - Google Patents

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WO2021118241A1
WO2021118241A1 PCT/KR2020/018005 KR2020018005W WO2021118241A1 WO 2021118241 A1 WO2021118241 A1 WO 2021118241A1 KR 2020018005 W KR2020018005 W KR 2020018005W WO 2021118241 A1 WO2021118241 A1 WO 2021118241A1
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WO
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electrode
generator
solution
electromotive force
generated
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Application number
PCT/KR2020/018005
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English (en)
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하현호
현승민
정수환
소혜미
이진영
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한국기계연구원
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a generator capable of sustainable power generation, and more particularly, to a generator having a carbon electrode and capable of continuous power generation capable of continuously generating power using an ionization solution such as seawater.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, by using each of a pair of electrodes as various carbon electrodes such as carbon nanotubes, graphene, graphite, etc. and oxides thereof, and using ions present in an ionization solution such as seawater.
  • a generator capable of sustainable power generation capable of continuously producing electrical energy without input of physical electrochemical energy from the outside.
  • the generator includes an ionizing solution, a first electrode and a second electrode.
  • the first electrode is disposed in the ionization solution and includes a material having a relatively high surface potential.
  • the second electrode is disposed to be spaced apart from the first electrode by a predetermined distance in the ionization solution, and includes a material having a relatively low surface potential.
  • both an electrode potential of the first electrode in contact with the ionization solution and an electrode potential of the second electrode in contact with the ionization solution may be negative surface potentials.
  • the potential difference of the surface potential between the first electrode and the second electrode may be 200 mV or more.
  • both the first electrode and the second electrode may include carbon.
  • the greater the difference between the defects present in the first electrode and the second electrode, the greater the generated electromotive force may be.
  • the duration of the generated electromotive force may increase.
  • the duration of the generated electromotive force may increase.
  • the first electrode includes at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene
  • the second electrode includes at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene.
  • the surface may include carbon oxide substituted with an oxygen group.
  • the ionization solution may include at least one of seawater, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl 2 ) solution, iron chloride (FeCl 2 ) solution, and cesium chloride (CsCl) solution.
  • NaCl sodium chloride
  • CaCl 2 calcium chloride
  • FeCl 2 iron chloride
  • CsCl cesium chloride
  • the duration of the generated electromotive force may be greatest.
  • non-uniform pores may be formed on the surfaces of the first electrode and the second electrode.
  • the electromotive force generated by itself due to the potential difference between the first electrode and the second electrode is dissipated, and the dissipated electromotive force is the ionization of the first electrode and the second electrode. As it is left in the solution, it may recover again after a certain period of time has elapsed.
  • it may further include a first current collector attached to at least a portion of the surface of the first electrode.
  • a second current collector attached to at least a partial surface of the second electrode may be further included.
  • each of the first and second current collectors may include a metal or one or more metal alloys.
  • the generator includes a generator case, a first electrode, a second electrode, a separator and an ionization solution.
  • the generator case has an inner space sealed by the combination of the upper case and the lower case.
  • the first electrode is disposed in the inner space and includes a material having a relatively high surface potential.
  • the second electrode is disposed above or below the first electrode in the inner space, and includes a material having a relatively low surface potential.
  • the separator is disposed between the first electrode and the second electrode.
  • the ionizing solution is filled in the enclosed space.
  • an electromotive force may be generated by itself without providing external power by a potential difference between the first electrode and the second electrode.
  • an external force or electrochemical energy input such as a flow of seawater by configuring each of a pair of electrodes with various carbon materials and oxides thereof and using ions present in an ionization solution such as seawater. Because it can continuously generate electricity in the ocean, it is possible to supplement and solve the limitations or problems of the existing seawater power generation system, and through this, it is possible to provide an eco-friendly and sustainable next-generation generator that can produce energy.
  • the electromotive force is dissipated according to the use of energy, when the pair of electrodes are left in the ionization solution, the electromotive force is recovered and generated again after a certain period of time, so that a sustainable generator can be constructed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a generator capable of continuous power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph illustrating a voltage generated through the generator of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a graph illustrating a voltage generated according to a defect difference between a pair of electrodes in the generator of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a graph illustrating a voltage generated according to an amount of an electrode material used for a pair of electrodes in the generator of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a graph illustrating a voltage generated according to a concentration of an ionization solution in the generator of FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a graph illustrating voltages generated according to the type of ionization solution in the generator of FIG. 1 .
  • Figure 7a is a perspective view showing a generator capable of continuous power generation according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7b is a cross-sectional view of Figure 7a.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a voltage generated through the generator of FIG. 7A.
  • 9A and 9B are graphs illustrating enlarged partial sections of the graph of FIG. 8 .
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a generator capable of continuous power generation according to an embodiment of the present invention.
  • the generator 1 includes a first electrode 10 , a first current collector 11 , a second electrode 20 , a second current collector 21 , and an ionization solution 30 . , and a container 50 .
  • the first electrode 10 is disposed in the ionization solution 30 and includes a carbon material.
  • the first electrode 10 is a carbon-based material having a relatively high surface potential compared to the second electrode 20 to be described later, for example, carbon nanotube, carbon paper. ), graphite, and at least one of graphene.
  • the second electrode 20 is disposed in the ionization solution 30 and spaced apart from the first electrode 10 by a predetermined distance.
  • the second electrode 20 also includes a carbon material, but the second electrode 20 may include a carbon oxide material having a relatively low surface potential compared to the first electrode 10 .
  • At least one of carbon nanotube, carbon paper, graphite, and graphene, the surface of which is substituted with an oxygen group, is carbon oxide (carbon oxide).
  • the first electrode 10 includes a material having a relatively high surface potential
  • the second electrode 2 includes a material having a relatively low surface potential.
  • the first electrode 10 substantially functions as a cathode
  • the second electrode 20 substantially functions as an anode.
  • first electrode 10 and the second electrode 20 are both located inside the ionization solution 30 , and the first electrode 10 and the second electrode 20 are Upon contact with the solution, both an electrode potential of the first electrode 10 and an electrode potential of the second electrode 20 have a negative surface potential.
  • the first electrode 10 is formed to have a relatively higher surface potential than the second electrode 20 . It actually plays the role of an anode.
  • the surface potential difference between the two electrodes may be 200 mV or more.
  • the first electrode 10 is made of a carbon material having a relatively high surface potential
  • the second electrode 20 is made of a carbon oxide material having a relatively low surface potential compared to the first electrode 10 .
  • the surface potential difference may be 200 mV or more.
  • the surface potential difference between the two electrodes may be about 220 mV.
  • the surface potential difference between the two electrodes may vary depending on the material of the first electrode 10 and the material of the second electrode 20.
  • first current collector 11 and the second current collector 21 may be attached to each of the first electrode 10 and the second electrode 20 .
  • Each of the first and second current collectors 11 and 21 may be made of an electrically conductive metal such as gold or copper or an alloy of one or more metals, and the first electrode 10 and the second electrode
  • the low electrical conductivity of (20) can be supplemented to increase the current generation efficiency.
  • the second electrode 20 is carbon oxide having relatively low electrical conductivity, it is preferable to attach the second current collector 21 to the second electrode 20, and the first electrode 10 is Since it includes a material having relatively high electrical conductivity, the first current collector 11 may be selectively attached to the first electrode 10 .
  • a separator (not shown) may be interposed to maintain a predetermined distance between the pair of first and second electrodes 10 and 20 .
  • the ionization solution 30 is a solution in which the electrolyte can exist in an ionic state, for example, sea water, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl 2 ) solution, iron chloride (FeCl 2 ) solution, and cesium chloride. (CsCl) solution may be at least one.
  • the solute contained in each solution in the sodium chloride solution, calcium chloride solution, iron chloride solution or cesium chloride solution may have a concentration of, for example, 0.1 wt% to 10 wt%, but is not limited thereto, and a concentration higher than this is possible. .
  • water may be used as a solvent for the preparation of the solutions, and alternatively, a polar protic solvent such as ethanol, ammonia, acetic acid and the like may be used.
  • a polar protic solvent such as ethanol, ammonia, acetic acid and the like may be used.
  • the vessel 50 accommodates the first electrode 10 , the first current collector 11 , the second electrode 20 , the second current collector 21 , and the ionization solution 50 . It is a case
  • the container 50 may have a rectangular frame shape with a cross section and a rectangular block shape with an open top and an open top as a whole.
  • the upper portion of the container 50 may be manufactured in an open shape, but may have a closed shape so that only the configuration of the conductive wire 40 for providing the generated electromotive force to the outside is exposed to the outside.
  • the container 50 may be a pouch-shaped case or may be implemented as a coin cell-shaped case, and the shape is not limited.
  • the generator 1 when the conductive wire 40 is connected to the first electrode 10 and the second electrode 20 , electrons are generated in the second electrode 20 . Thus, a predetermined current flows along the conductive wire 40 .
  • FIG. 2 is a graph illustrating a voltage generated through the generator of FIG. 1 .
  • FIG. 2 shows the voltage actually generated through the generator 1 of FIG. 1 , and in order to confirm the voltage generation, the first electrode 10 specimen of carbon nanotubes is placed in a predetermined container 50 . And a second electrode 20 specimen of graphene oxide was positioned.
  • each of the specimens of the first electrode 10 and the second electrode 20 was manufactured to have a width * length * thickness of 20 mm * 20 mm * 20 ⁇ m, and the distance between the two specimens was between 0.5 mm and 2 mm. was maintained.
  • the specimen size and the distance between the specimens do not limit the scope of the present embodiment and may vary according to specific embodiments.
  • seawater was used as the ionization solution 30 , and the first and second current collectors 11 and 21 each including a metal material were attached to the specimens of the pair of electrodes 10 and 20 , and the The voltage and current applied between the first and second current collectors 11 and 21 were measured.
  • first and second electrodes 10 and 20 are simply connected to each other. It was confirmed that electrical energy was generated between the first and second electrodes 10 and 20 only by placing the ionization solution 30 in the seawater.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a voltage generated according to a defect difference between a pair of electrodes in the generator of FIG. 1 .
  • the first electrode 10 is formed of carbon nanotubes (CNT)
  • the second electrode 20 is formed of carbon nanotubes (CNT), graphite, or carbon paper.
  • CP carbon nanotubes
  • GO graphene oxide
  • the generator 1 shown in FIG. 1 was configured, and the electromotive force (voltage, Vo) generated from the generator 1 was measured.
  • D/G values between the first electrode 10 and the second electrode 20 may be formed differently.
  • the D/G value is a value derived through Raman measurement, which determines the degree of defects present in the carbon electrode. As the D/G value increases, the D/G value present in the carbon electrode increases. It means that the defect is large.
  • the first electrode 10 is formed of carbon nanotubes (CNT)
  • the second electrode 20 is formed of carbon nanotubes (CNT), graphite, or carbon paper (CP).
  • CNT carbon nanotubes
  • CP carbon paper
  • GO graphene oxide
  • an electrode having a relatively low defect for example, , CNT electrode used as the first electrode
  • the potential difference between the two electrodes is further increased, the magnitude of the generated electromotive force is ultimately increased.
  • the first electrode 10 and the Non-uniform pores may be formed on the surface of the second electrode 20 .
  • the process of manufacturing the first electrode 10 and the second electrode 20 for example, it may be formed through a process such as non-uniform application.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a voltage generated according to an amount of an electrode material used for a pair of electrodes in the generator of FIG. 1 .
  • the first electrode 10 is formed of carbon nanotubes (CNT)
  • the second electrode 20 is formed of graphene oxide (GO)
  • the duration of the electromotive force increases while generating energy, which means that the amount of generated energy increases.
  • the duration of the generated electromotive force or the total amount of generated energy can be variously controlled, so that the capacity design of the various generators 1 can be implemented.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a voltage generated according to a concentration of an ionization solution in the generator of FIG. 1 .
  • the duration of the electromotive force increases while generating energy, which means that the amount of generated energy increases.
  • the concentration of the ionization solution by variously controlling the concentration of the ionization solution, the duration of the generated electromotive force or the total amount of generated energy can be variously controlled, so that the capacity design of the various generators 1 can be implemented.
  • FIG. 6 is a graph illustrating voltages generated according to the type of ionization solution in the generator of FIG. 1 .
  • the time at which the electromotive force is generated is different depending on the ions generated by each solution, and it can be confirmed that the duration of the generated electromotive force increases as the ions are generated in the order of Na + ⁇ K + ⁇ Cs + . . (discharge duration: Na + ⁇ K + ⁇ Cs + )
  • the duration of the electromotive force increases in the order of Na + ⁇ K + ⁇ Cs + , which means that the amount of generated energy increases.
  • the energy capacity increases in the order of increasing the ionic mobility.
  • the type of the ionization solution is varied, and the duration of the generated electromotive force or the total amount of generated energy can be variously controlled, so that the capacity design of the various generators 1 can be implemented.
  • Figure 7a is a perspective view showing a generator capable of continuous power generation according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7b is a cross-sectional view of Figure 7a.
  • the generator 100 according to this embodiment is substantially the same as the generator 1 described with reference to FIG. 1 except that the generator 100 is manufactured in a coin cell shape, and thus overlapping description is omitted. do.
  • the generator 100 according to the present embodiment is manufactured in the form of a coin-cell-shaped battery.
  • the generator 100 includes a coin-shaped case including an upper case 101 and a lower case 102 .
  • the upper case 101 is coupled to the upper portion of the lower case 102 , and the upper case 101 and the lower case 102 form a sealed inner space therein.
  • the second electrode 110 , the separator 120 , and the first electrode 130 are sequentially stacked from the lower case 102 to the upper case 101 , and optionally a spacer. 140 and the spring 150 may be additionally stacked.
  • the ionization solution 170 is filled in the sealed inner space inside the case.
  • FIG. 7B it is illustrated that the second electrode 110 is positioned on the lower case 102 and the first electrode 130 is positioned on the second electrode 110 , but this Alternatively, the first electrode 130 , the separator 120 , and the second electrode 110 may be sequentially stacked in a direction from the lower case 102 to the upper case 101 . In this case, it is of course possible that the spacer 140 and the spring 150 are additionally stacked on the second electrode 110 .
  • the first electrode 130 is a material having a relatively high surface potential and includes a carbon material.
  • the first electrode 130 is a carbon nanotube, carbon It may include at least one of paper, graphite, and graphene.
  • the second electrode 110 includes carbon oxide as a material having a relatively low surface potential.
  • the second electrode 110 includes at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene.
  • One surface may include carbon oxide substituted with an oxygen group.
  • the surface potential difference between the first electrode 130 and the second electrode 110 may be 200 mV or more.
  • the separator 120 is interposed between the first electrode 130 and the second electrode 110 and spaced apart so that the two electrodes 110 and 130 do not conduct electricity with each other.
  • the separator 120 may be made of a material that has insulating properties and allows ions to pass therethrough.
  • the separator 120 may be formed of a glass fiber having a net structure.
  • the separator 120 includes the pair of first and second electrodes 110 and 130 . Since the ionization solution 170 may be contained in the net structure of the glass fiber as well as spaced apart from each other, the efficiency of generating electric energy may be increased.
  • the spacer 140 and the spring 150 are interposed between the upper case 101 and the first electrode 130 to fill the inner space and the pair of first and second electrodes 110 and 130 . ) serves to pressurize, and as described above, the spacer 140 and the spring 150 may be selectively provided inside the case of the generator 100 .
  • the generator 100 may further include a gasket 160 that is a substantially ring-shaped member disposed along the inner side surface of the lower case 102 .
  • the outer circumferential surface of the upper case 101 is coupled to the gasket 160 so that the upper case 101 can be coupled to the lower case 102 , at the same time sealing the inner space of the case and the upper and lower cases. It is possible to prevent current between the (101, 102).
  • the ionization solution 170 is a solution in which the electrolyte can exist in an ionic state as described in FIG. 1, for example, seawater, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl 2 ) solution, iron chloride (FeCl 2 ) solution, and It may be at least one of a cesium chloride (CsCl) solution.
  • NaCl sodium chloride
  • CaCl 2 calcium chloride
  • FeCl 2 iron chloride
  • CsCl cesium chloride
  • the solute contained in each solution in the sodium chloride solution, calcium chloride solution, iron chloride solution, or cesium chloride solution may have a concentration of, for example, 0.1 wt% to 10 wt%.
  • water or a polar protic solvent such as ethanol, ammonia, acetic acid and the like may be used for the preparation of the solutions.
  • the ionization solution 170 may be filled in the entire sealed space within the case, and furthermore, it permeates and exists between the separation membranes 120 , thereby increasing the electrical energy generation efficiency.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a voltage generated through the generator of FIG. 7A.
  • 9A and 9B are graphs illustrating enlarged partial sections of the graph of FIG. 8 .
  • the generator 100 in this embodiment also continuously generates electrical energy.
  • the reason that the voltage gradually drops after 150 hours is estimated because only a small amount of the ionization solution 170 was present in the generator 100 and the ionization solution 170 was consumed over time. Therefore, the ionization solution 170 ), it is estimated that electric energy can be generated for much longer than 150 hours.
  • the voltage periodically drops to 0 mV because the generator 100 is intentionally discharged to check whether continuous current generation is possible.
  • FIG. 9A is an enlarged view from 50 hours to 70 hours in the graph of FIG. 8, and FIG. 9B is an enlarged view from 51.3 hours to 51.8 hours in more detail.
  • an external force such as a flow of seawater or electrochemical energy is input by configuring each of a pair of electrodes with various carbon materials and oxides thereof and using ions present in an ionization solution such as seawater Since it can continuously generate power even in the absence of a power generation system, it is possible to supplement and solve the limitations or problems of the existing seawater power generation system, thereby providing an eco-friendly and sustainable next-generation generator capable of energy production.
  • the electromotive force is dissipated over time, when the pair of electrodes are left on the ionizing solution, the electromotive force is recovered and generated again after a predetermined time elapses, so that a sustainable generator can be constructed.

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Abstract

지속 발전이 가능한 발전기는 이온화 용액, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함한다. 상기 제2 전극은 상기 이온화 용액 내에 상기 제1 전극과 소정 거리 이격되어 배치되며, 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극의 전위차에 의해, 외부 전력의 제공없이 스스로 기전력이 발생된다.

Description

지속 발전이 가능한 발전기
본 발명은 지속 발전이 가능한 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소전극을 구비하며 해수 등의 이온화 용액을 이용하여 지속적으로 발전할 수 있는 지속 발전이 가능한 발전기에 관한 것이다.
바다는 지구 표면의 70% 이상을 차지하고 있으며 많은 에너지를 가지고 있는 자원 중 하나이므로 바다를 이용하여 친환경 에너지를 생산하기 위한 노력이 많이 이루어지고 있다. 기존의 해수를 이용한 발전 시스템은 염도차, 조력, 파력 등을 이용하였다. 또한 현재 많은 연구에서 해수 발전을 위하여 물의 흐름에서 에너지를 얻는 연구가 이루어지고 있다.
기존의 염도차, 조력, 파력 발전의 경우 지리적 조건이나 날씨나 기후와 같은 영향이 존재하여 지속적인 에너지를 생산하는데 한계를 가지고 있으며, 해수발전에서 현재 많은 연구가 이루어지고 있는 분야에서도 외부에서 공급되거나 자연에 존재하는 물리적인 에너지가 있어야만 이 에너지로부터 전기 에너지를 생산할 수 있기 때문에 그 활용에 한계가 존재한다.
이러한 해수를 이용한 발전 시스템과 관련된 선행기술문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2016-0018356호가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 한쌍의 전극 각각을 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트 등의 다양한 탄소전극 및 이들의 산화물로 사용하고 해수 등의 이온화 용액에 존재하는 이온들을 이용함으로써 외부로부터의 물리적 전기화학적 에너지 투입없이 전기 에너지를 지속적으로 생산할 수 있는 지속 발전이 가능한 발전기를 제공한다.
상기한 본 발명의 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 발전기는 이온화 용액, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함한다. 상기 제2 전극은 상기 이온화 용액 내에 상기 제1 전극과 소정 거리 이격되어 배치되며, 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극의 전위차에 의해, 외부 전력의 제공없이 스스로 기전력이 발생된다.
일 실시예에서, 상기 이온화 용액에 접촉함에 따라 상기 제1 전극이 가지는 전극 포텐셜(potential), 및 상기 이온화 용액에 접촉함에 따라 상기 제2 전극이 가지는 전극 포텐셜은 모두 음의 표면전위일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 표면전위의 전위차는 200mV 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 모두 탄소(carbon)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 존재하는 디펙트(defect)의 차이가 클수록 상기 발생되는 기전력이 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 포함하는 탄소 물질의 양이 증가할수록 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온화 용액의 농도가 증가할수록 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 전극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온화 용액은 해수, 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 염화철(FeCl2) 용액, 염화세슘(CsCl) 용액 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온화 용액이 염화세슘 용액인 경우, 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 가장 클 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 표면에는 불균일한 기공들이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지의 사용에 따라, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위차에 의해 스스로 발생되는 기전력은 소멸하고, 상기 소멸된 기전력은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 상기 이온화 용액에 방치됨에 따라 일정 시간의 경과후 다시 회복되어 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극의 적어도 일부 표면에 부착되는 제1 집전체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전극의 적어도 일부 표면에 부착되는 제2 집전체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 집전체들 각각은, 금속 또는 하나 이상의 금속 합금을 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 발전기는 발전기 케이스, 제1 전극, 제2 전극, 분리막 및 이온화 용액을 포함한다. 상기 발전기 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스의 결합에 의해 밀폐된 내부 공간을 가진다. 상기 제1 전극은 상기 내부 공간에 배치되며, 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함한다. 상기 제2 전극은 상기 내부 공간에서 상기 제1 전극의 상부 또는 하부에 배치되며, 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함한다. 상기 분리막은 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 이온화 용액은 상기 밀폐 공간 내에 채워진다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위차에 의해, 외부 전력의 제공없이 스스로 기전력이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 다양한 탄소 재질 및 이들의 산화물로 한쌍의 전극 각각을 구성하고 해수 등의 이온화 용액에 존재하는 이온들을 이용함으로써 해수의 흐름 등의 외력이나 전기화학적 에너지 투입이 없는 상태에서도 지속적으로 발전할 수 있으므로 기존 해수 발전시스템의 한계나 문제점을 보완하고 해결할 수 있고, 이를 통하여 친환경적이고 지속적으로 에너지 생산이 가능한 차세대 발전기를 제공할 수 있다.
이 경우, 한 쌍의 전극 모두 포텐셜을 음의 표면전위로 유지한 상태에서 지속적인 기전력의 발생이 가능하며, 상기 전극에 포함되는 디펙트의 차이가 클수록 기전력은 증가하고, 상기 전극에 포함되는 탄소의 양이 증가하거나, 이온화 용액의 농도가 증가할수록, 나아가 이온화 용액으로 염화세슘 용액을 사용할수록 기전력의 지속시간이 증가하므로, 필요한 기전력의 크기 및 지속시간을 고려하여, 다양한 발전기를 설계할 수 있다.
특히, 상기 기전력은, 에너지의 사용에 따라 소멸된 후에도, 상기 한 쌍의 전극이 이온화 용액 상에 방치되는 경우, 일정시간 경과후 다시 회복되어 발생되므로, 지속 가능한 발전기의 구성이 가능하다.
나아가, 상기 발전기의 경우, 소정의 케이스 내부에 최적화 설계되도록 제작이 가능하므로, 다양한 형태로의 제작 및 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지속 발전이 가능한 발전기를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 발전기를 통해 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1의 발전기에서 한 쌍의 전극들 사이의 디펙트(defect) 차이에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1의 발전기에서 한 쌍의 전극들에 사용되는 전극 물질의 양에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1의 발전기에서 이온화 용액의 농도에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1의 발전기에서 이온화 용액의 종류에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 지속 발전이 가능한 발전기를 도시한 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 단면도이다.
도 8은 도 7a의 발전기를 통해 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 그래프의 일부 구간을 확대하여 도시한 그래프들이다.
* 부호의 설명
1, 100 : 발전기 10, 130: 제1 전극
20, 110: 제2 전극 11 : 제1 집전체
21: 제2 집전체 30: 이온화 용액
40: 도선 50: 용기
120: 분리막 140: 스페이서
150: 스프링
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~을 포함한다', '~으로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 중 하나 이상의 생략이나 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지속 발전이 가능한 발전기를 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 발전기(1)는 제1 전극(10), 제1 집전체(11), 제2 전극(20), 제2 집전체(21), 이온화 용액(30), 및 용기(50)를 포함한다.
상기 제1 전극(10)은 상기 이온화 용액(30) 내에 배치되며 탄소(carbon) 재질을 포함한다.
이 경우, 상기 제1 전극(10)은 후술되는 상기 제2 전극(20)에 비해 상대적으로 표면전위가 높은 탄소 계열의 소재로서, 예를 들어 카본 나노튜브(carbon nanotube), 카본 페이퍼(carbon paper), 그라파이트(graphite), 및 그래핀(graphene) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제2 전극(20)은 상기 이온화 용액(30) 내에 배치되며 상기 제1 전극(10)에서 소정 거리 이격되어 배치된다.
상기 제2 전극(20) 역시 카본 재질을 포함하되, 상기 제2 전극(20)은 상기 제1 전극(10)에 비해 상대적으로 표면전위가 낮은 탄소산화물(carbon oxide) 재질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 2 전극(20)은 카본 나노튜브(carbon nanotube), 카본 페이퍼(carbon paper), 그라파이트(graphite), 및 그래핀(graphene) 중 적어도 하나의, 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드(carbon oxide)로 구성될 수 있다.
이상과 같이 상기 제1 전극(10)은 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함하고, 상기 제2 전극(2)은 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함함에 따라, 상기 발전기(1)에서 상기 제1 전극(10)은 실질적으로 양극( cathode)의 역할을 수행하며, 상기 제2 전극(20)은 실질적으로 음극(anode)의 역할을 수행한다.
다만, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20)은 모두 상기 이온화 용액(30)의 내부에 위치하는 것으로, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20)이 상기 이온화 용액에 접촉함에 따라, 상기 제1 전극(10)이 가지는 전극 포텐셜(potential) 및 상기 제2 전극(20)이 가지는 전극 포텐셜(potential)은 모두 음의 표면전위를 가진다.
즉, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20) 모두 음의 표면전위를 가지지만, 상기 제1 전극(10)이 상대적으로 상기 제2 전극(20)보다 표면전위가 높게 형성되어 실질적으로 양극의 역할을 수행한다.
이상과 같이, 상기 제1 전극(10)은 상대적으로 표면전위가 높은 재질이고 상기 제2 전극(20)은 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 구성됨에 따라, 예를 들어, 상기 두 전극들간 표면전위차가 200mV 이상일 수 있다.
즉, 상기 제1 전극(10)은 상대적으로 표면전위가 높은 탄소 재질이고 상기 제2 전극(20)은 제1 전극(10)에 비해 상대적으로 표면전위가 낮은 탄소산화물 재질로 구성되며 두 전극들간 표면전위차가 200mV 이상일 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(10)이 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)를 포함하고 상기 제2 전극(20)이 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 포함하는 경우, 두 전극들간 표면전위차는 대략 220mV일 수 있다.
이 경우, 상기 제1 전극(10)의 재질과 상기 제2 전극(20)의 재질에 따라 두 전극들간 표면전위차가 달라질 수 있는데 표면전위차가 높을수록 전류가 더 많이 생성될 수 있으므로 상기 표면전위차는 200mV 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20)의 각각에는 상기 제1 집전체(11) 및 상기 제2 집전체(21)가 부착될 수 있다.
상기 제1 및 제2 집전체들(11, 21) 각각은 금, 구리 등과 같이 전기전도성을 가지는 금속 또는 하나 이상의 금속의 합금으로 구성될 수 있고, 상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20)의 낮은 전기전도성을 보완하여 전류 생성 효율을 높일 수 있다.
이 경우, 상기 제2 전극(20)은 전기전도성이 비교적 낮은 탄소 산화물이므로 상기 제2 집전체(21)를 상기 제2 전극(20)에 부착하는 것이 바람직하고, 상기 제1 전극(10)은 상대적으로 전기전도성이 높은 재질을 포함하므로 상기 제1 집전체(11)는 선택적으로 상기 제1 전극(10)에 부착될 수 있다.
나아가, 도면에 도시하지 않았지만 상기 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(10, 20) 사이에 일정 간격을 유지하기 위해 분리막(미도시)이 개재될 수 있다.
상기 이온화 용액(30)은 전해질이 이온 상태로 존재할 수 있는 용액으로, 예를 들어 해수(sea water), 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 염화철(FeCl2) 용액, 및 염화세슘(CsCl) 용액 중 적어도 하나일 수 있다.
이 때 상기 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 염화철 용액 또는 염화세슘 용액에서 각 용액에 포함되는 용질은 예를 들어 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 그 이상의 농도도 가능하다.
또한 상기 용액들의 제조를 위해 물을 용매로 사용할 수 있고, 이와 달리 에탄올, 암모니아, 아세트산 등과 같은 극성 양자성 용매를 사용할 수도 있다.
상기 용기(50)는 상기 제1 전극(10), 상기 제1 집전체(11), 상기 제2 전극(20), 상기 제2 집전체(21), 및 상기 이온화 용액(50)을 수용하는 케이스이다.
상기 용기(50)는 도 1에 도시된 바와 같이, 단면이 사각 프레임 형상을 가지며 상부가 개구된 형태의 전체적으로 상부가 개구된 사각 블록 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 용기(50)의 상부는 개구된 형태로 제작될 수도 있으나, 발생되는 기전력을 외부로 제공하기 위한 도선(40) 등의 구성만 외부로 노출되도록 밀폐된 형상일 수 있다.
이와 달리, 상기 용기(50)는 파우치 형태의 케이스일 수도 있고 코인셀 형상의 케이스로 구현될 수도 있으며, 그 형상은 제한되지는 않는다.
이상과 같이 본 실시예에 의한 상기 발전기(1)에 의하면, 상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20)에 도선(40)을 연결하면 상기 제2 전극(20)에서 전자가 생성되어 상기 도선(40)을 따라 소정 전류가 흐르게 된다.
즉, 상기 이온화 용액(30)으로 해수나 염화나트륨(NaCl) 용액을 사용한 경우 두 전극 표면에 정전기적 인력으로 나트륨 이온(Na+)이 전극 표면에 모이며 전기이중층(electric double layer)을 형성한다. 이때 상기 제1 전극 (10)에 비하여 상기 제2 전극(20)의 표면전위가 더 낮으므로, 나트륨 이온이 더 많이 붙게 되어 상기 제 1 전극(10)과 상기 제2 전극(20) 사이에 전위차가 형성되고, 이에 의한 기전력이 발생하여 도선(40)을 흐르는 전류가 생성된다. 이 때 생성되는 전류는 미량이기는 하지만 일정한 전압을 유지하며 지속적으로 생성된다.
도 2는 도 1의 발전기를 통해 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
즉, 도 2는 도 1의 상기 발전기(1)를 통해 실제 생성되는 전압을 도시한 것으로, 상기 전압 생성을 확인하기 위해, 소정의 용기(50)에 탄소 나노튜브의 제1 전극(10) 시편과 그래핀 옥사이드의 제2 전극(20) 시편을 위치시켰다.
보다 구체적으로, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20) 시편들 각각은 가로*세로*두께를 20mm*20mm*20μm의 크기로 제작하였고, 두 시편들간 거리를 0.5mm 내지 2mm 사이를 유지하였다. 물론, 이러한 시편 크기와 시편간 거리는 본 실시예의 범위를 제한하지 않으며 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 이온화 용액(30)으로서 해수를 사용하였고, 한 쌍의 전극들(10, 20)의 시편에 각각 금속 재질을 포함하는 제1 및 제2 집전체들(11, 21)을 부착하고 상기 제1 및 제2 집전체들(11, 21)에 사이에 걸리는 전압과 전류를 측정하였다.
이러한 상기 발전기(1)를 200시간 동안 측정한 결과 도 2의 그래프를 얻었다.
도 2의 그래프를 참조하면, 260mV 내지 290mV 사이의 전압 및 대략 1 ㎂/㎠의 전류밀도를 갖는 전기 에너지가 지속적으로 생성됨을 확인할 수 있었다.
즉 본 실시예에 의한 상기 발전기(1)를 통해 해수의 흐름이나 외력 등의 물리적 에너지나 전기화학적 에너지가 공급되지 않는 상태에서, 단순히 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(10, 20)을 상기 이온화 용액(30)으로서 상기 해수 내에 배치시킨 것만으로 상기 제1 및 제2 전극들(10, 20) 사이에 전기 에너지가 생성됨으로 확인하였다.
한편, 이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 다양한 조건에 따른 생성되는 전기 에너지의 변화를 고찰하기 위한 실험 결과를 설명한다.
도 3은 도 1의 발전기에서 한 쌍의 전극들 사이의 디펙트(defect) 차이에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
예를 들어, 상기 제1 전극(10)을 카본 나노튜브(carbon nanotubes, CNT)로 형성하고, 상기 제2 전극(20)을 카본 나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 카본 페이퍼(carbon paper, CP) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)로 형성한 상태에서, 도 1에 도시된 발전기(1)를 구성하여, 상기 발전기(1)로부터 발생하는 기전력(voltage, Vo)을 측정하였다.
상기와 같이 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)을 제작함으로써, 상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20) 사이에서의 D/G 값을 서로 다르게 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 D/G 값이란, Raman 측정을 통해 도출되는 값으로 탄소 전극에 존재하는 디펙트(defect) 정도를 판별하는 값으로, 상기 D/G 값이 증가할수록 상기 탄소 전극에 존재하는 디펙트(defect)가 큼을 의미한다.
즉, 상기 제1 전극(10)을 카본 나노튜브(carbon nanotubes, CNT)로 형성하고, 상기 제2 전극(20)을 카본 나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 카본 페이퍼(carbon paper, CP) 및 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)로 형성함에 따라, 상기 제1 전극(10)과 상기 제2 전극(20) 사이의 D/G 차이값은 각각, 0.012, 0.128, 0.17, 0.771로 변화된다. 즉, 두 전극들 사이의 표면의 디펙트(defect)의 차이가 증가하게 된다.
그리하여, 도 3을 참조하면, 상기 두 전극들 사이의 D/G 차이값이 증가함에 따라, 즉 두 전극들 사이에서, 표면의 결함 정도의 차이가 증가함에 따라, 상기 발생되는 기전력(Vo)의 크기가 증가함을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 전극의 표면에 존재하는 결함(defect)의 증가에 따라 산소(oxygen) 작용기가 증가되며, 해당 전극의 표면 전위가 낮아지는데, 이에 따라, 상대적으로 낮은 결함을 갖는 전극(예를 들어, 제1 전극으로 사용되는 CNT 전극)과 같이 사용되는 경우, 두 전극 사이의 전위차가 더욱 증가하게 되므로, 궁극적으로 상기 발생되는 기전력의 크기가 증가하게 된다.
나아가, 상기와 같이 제1 전극(10) 및 제2 전극(20)에 결함이 형성되며 그 결함의 차이가 클수록 기전력의 크기가 증가하므로, 본 실시예에서의 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20)의 표면에는 불균일한 기공들이 형성될 수 있다.
또한, 이러한 불균일한 기공들의 경우, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20)을 제작하는 공정에서, 예를 들어, 도포를 불균일하게 수행하는 등의 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 4는 도 1의 발전기에서 한 쌍의 전극들에 사용되는 전극 물질의 양에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 4는, 상기 제1 전극(10)을 카본 나노튜브(carbon nanotubes, CNT)로 형성하고, 상기 제2 전극(20)을 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)로 형성하며, 상기 제1 전극(10) 및 상기 제2 전극(20)의 재료의 양을 변경시키면서, 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정한 결과이다.
도 4를 참조하면, 상기 재료의 양을 1.74mg, 2.60mg 및 3.48mg으로 변화시키면서 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정할 결과, 상기 재료의 양이 증가함에 따라, 발생되는 기전력의 크기는 유사한 범위의 크기를 가지지만, 상기 재료의 양이 증가함에 따라, 방전 시 기전력이 유지되는 시간이 증가함을 확인할 수 있다.
즉, 상기 전극에 사용되는 재료의 양이 증가함에 따라, 에너지를 생산하는 동안에 상기 기전력의 지속시간이 증가하게 되며, 이는 곧 발생되는 에너지의 용량이 증가함을 의미한다.
이에 따라, 상기 전극에 사용되는 재료의 양을 다양하게 조절함으로써, 발생되는 기전력의 지속시간 또는 발생되는 에너지의 총량을 다양하게 제어할 수 있어, 다양한 발전기(1)의 용량 설계를 구현할 수 있다.
도 5는 도 1의 발전기에서 이온화 용액의 농도에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 5는, 상기 제1 및 제2 전극들(10, 20)의 재료를 일정하게 유지한 상태에서, 상기 이온화 용액(30)을 염화나트륨 용액으로 사용하고 용액의 농도를 변경시키면서, 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정한 결과이다.
도 5를 참조하면, 상기 염화나트륨 용액의 농도를 0.1 wt%, 3.5 wt% 및 10 wt%로 변화시키면서 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정할 결과, 상기 농도가 증가함에 따라, 발생되는 기전력의 크기는 유사한 범위의 크기를 가지지만, 상기 재료의 양이 증가함에 따라, 방전 시 기전력이 유지되는 시간이 증가함을 확인할 수 있다.
즉, 상기 이온화 용액의 농도가 증가함에 따라, 에너지를 생산하는 동안에 상기 기전력의 지속시간이 증가하게 되며, 이는 곧 발생되는 에너지의 용량이 증가함을 의미한다.
이에 따라, 상기 이온화 용액의 농도를 다양하게 조절함으로써, 발생되는 기전력의 지속시간 또는 발생되는 에너지의 총량을 다양하게 제어할 수 있어, 다양한 발전기(1)의 용량 설계를 구현할 수 있다.
도 6은 도 1의 발전기에서 이온화 용액의 종류에 따라 생성되는 전압을 도시한 그래프이다.
도 6은, 상기 제1 및 제2 전극들(10, 20)의 재료를 일정하게 유지한 상태에서, 상기 이온화 용액(30)으로 각각 10 wt%의 염화나트륨 용액, 10 wt%의 염화칼륨 용액, 및 10 w%의 염화세슘 용액을 사용하여, 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정한 결과이다.
도 6을 참조하면, 상기 서로 다른 용액에 대하여 상기 두 전극 사이에서 발생되는 기전력의 상태를 측정할 결과, 용액의 종류에 따라 방전 시 기전력이 유지되는 시간이 서로 다름을 확인할 수 있다.
이 경우, 기전력이 발생하는 시간은, 각 용액에 의해 생성되는 이온에 따라 서로 다르며, Na+< K+< Cs+ 의 순서로 이온이 발생할수록 발생되는 기전력의 지속시간이 증가함을 확인할 수 있다. (방전 지속시간: Na+< K+< Cs+)
즉, Na+< K+< Cs+ 의 순서로 상기 기전력의 지속시간이 증가하게 되며, 이는 곧 발생되는 에너지의 용량이 증가함을 의미한다. 이는, 이온의 이동속도(ionic mobility)가 빠른 순서로 에너지의 용량이 커짐을 의미한다.
이에 따라, 상기 이온화 용액의 종류를 다르게 하며, 발생되는 기전력의 지속시간 또는 발생되는 에너지의 총량을 다양하게 제어할 수 있어, 다양한 발전기(1)의 용량 설계를 구현할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 지속 발전이 가능한 발전기를 도시한 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 단면도이다.
본 실시예에 의한 상기 발전기(100)는 코인셀 형상으로 상기 발전기(100)가 제작되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 발전기(1)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 발전기(100)는 코인셀(coin-cell) 형상의 전지 형태로 제작된다.
즉, 본 실시예에서, 상기 발전기(100)는 상부 케이스(101)와 하부 케이스(102)를 포함하는 동전 형상의 케이스를 포함한다.
상기 상부 케이스(101)는 하부 케이스(102)의 상부에 결합되며, 상기 상부 케이스(101) 및 상기 하부 케이스(102)는 내부에 밀폐된 내부 공간을 형성한다.
그리하여, 상기 밀폐된 내부 공간에, 제2 전극(110), 분리막(120) 및 제1 전극(130)이 상기 하부 케이스(102)로부터 상기 상부 케이스(101) 방향으로 차례로 적층되고, 선택적으로 스페이서(140) 및 스프링(150)이 추가적으로 적층될 수 있다. 또한, 상기 케이스 내부의 밀폐된 내부 공간에는 이온화 용액(170)이 채워진다.
이 경우, 도 7b에서는, 상기 하부 케이스(102) 상에 상기 제2 전극(110)이 위치하고, 상기 제2 전극(110)의 상부에 상기 제1 전극(130)이 위치하는 것을 예시하였으나, 이와 달리, 상기 제1 전극(130), 상기 분리막(120) 및 상기 제2 전극(110)이 상기 하부 케이스(102)로부터 상기 상부 케이스(101) 방향으로 차례로 적층될 수도 있다. 이 경우, 상기 스페이서(140) 및 상기 스프링(150)이 상기 제2 전극(110)의 상부에 추가로 적층되는 것도 물론 가능하다.
한편, 도 1을 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 상기 제1 전극(130)은 상대적으로 표면전위가 높은 재질로서 탄소 재질을 포함하며, 예를 들어 상기 제1 전극(130)은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 전극(110)은 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로서 탄소산화물을 포함하며, 예를 들어 상기 제2 전극(110)은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 전극(130)과 상기 제2 전극(110)간 표면전위차는 200mV 이상일 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 분리막(120)은 상기 제1 전극(130)과 상기 제2 전극(110) 사이에 개재되어 배치되며 두 전극들(110, 130)이 서로 통전하지 않도록 이격시킨다. 이 경우, 상기 분리막(120)은 절연성을 가지며 이온들이 통과할 수 있는 재질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 분리막(120)은 네트 구조의 글래스 파이버(glass fiber)로 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 분리막(120)은 상기 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(110, 130)을 서로 이격시킬 뿐만 아니라 글래스 파이버의 네트 구조에 상기 이온화 용액(170)을 함유할 수 있으므로 전기에너지 생성 효율을 높일 수 있다.
상기 스페이서(140)와 상기 스프링(150)은 상기 상부 케이스(101)와 상기 제1 전극(130) 사이에 개재되어 내부 공간을 충진하고 상기 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(110, 130)을 가압하는 역할을 하며, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 스페이서(140) 및 상기 스프링(150)은 상기 발전기(100)의 케이스의 내부에 선택적으로 구비될 수 있다.
또한 상기 발전기(100)는, 상기 하부 케이스(102) 내부 측면을 따라 배치되는 대략 링(ring) 형상의 부재인 가스켓(160)을 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 상부 케이스(101)의 외주면이 상기 가스켓(160)에 결합됨으로써 상기 상부 케이스(101)를 상기 하부 케이스(102)에 결합할 수 있고 이와 동시에 케이스 내부 공간을 밀폐시키고 상기 상부 및 하부 케이스들(101, 102) 사이의 통전을 방지할 수 있다.
상기 이온화 용액(170)은 도 1에서 설명한 바와 마찬가지로 전해질이 이온 상태로 존재할 수 있는 용액으로, 예를 들어 해수, 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 염화철(FeCl2) 용액, 및 염화세슘(CsCl) 용액 중 적어도 하나일 수 있다.
이 때 상기 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 염화철 용액, 또는 염화세슘 용액에서 각각의 용액에 포함되는 용질은 예를 들어 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 가질 수 있다.
또한 상기 용액들의 제조를 위해 물 또는 에탄올, 암모니아, 아세트산 등과 같은 극성 양자성 용매를 사용할 수 있다.
상기 이온화 용액(170)은 케이스 내의 밀폐 공간 전체에 채워질 수 있고, 나아가, 상기 분리막(120) 사이에도 스며들어 존재함으로써 전기에너지 생성 효율을 높일 수 있다.
도 8은 도 7a의 발전기를 통해 생성되는 전압을 도시한 그래프이다. 도 9a 및 도 9b는 도 8의 그래프의 일부 구간을 확대하여 도시한 그래프들이다.
도 8, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 발전기(100)도 지속적으로 전기에너지를 생성함을 확인할 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 발전기(100)의 상기 제1 전극(130)과 상기 제2 전극(110) 사이에 적어도 150시간까지는 250mV 내지 270mV의 전압으로 1 ㎂/㎠의 전류밀도를 갖는 전기에너지가 생성되었다.
다만, 150시간 이후에 전압이 점차 떨어지는 것은, 상기 발전기(100) 내에 소량의 이온화 용액(170)만 존재하였는데 시간이 지남에 따라 이온화 용액(170)이 소모되었기 때문으로 추정되며 따라서 이온화 용액(170)이 충분하다면 150시간 보다 훨씬 오래 전기에너지를 생성할 수 있을 것으로 추정된다.
한편 도 8의 그래프에서 전압이 주기적으로 0 mV로 떨어지는 것은 지속적인 전류 생성이 가능한지 확인하기 위해 의도적으로 상기 발전기(100)를 방전하였기 때문이다.
이와 관련하여 도 9a는 도 8의 그래프 중 50시간부터 70시간까지를 확대한 것이고, 도 9b는 보다 구체적으로, 51.3시간부터 51.8시간까지를 확대한 것이다.
도 9b에 도시한 것처럼 대략 수십 초의 방전시간(Td) 동안 상기 제1 및 제2 전극들(130, 110) 사이에 도선을 연결면, 상기 발전기(100)의 전류가 모두 소모되고 전압이 0 mV로 떨어진다.
그 후 도선을 제거하고 상기 제1 및 제2 전극들(130, 110) 사이의 전압을 측정하면 "Tr"로 표시한 회복시간 동안 전압이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉 외부로부터 별도의 물리력이나 전기화학적 에너지를 인가하지 않은 상태에서 상기 제1 및 제2 전극들(130, 110) 사이에 다시 기전력이 형성되며 대략 3시간의 회복시간(Tr) 후에 다시 처음의 전압 수준으로 복귀하였다(도 9a 참조).
그리고 도 8에 도시한 것처럼 대략 시간 간격으로 방전시간(Td) 동안 방전 동작을 반복하더라도 방전 후 회복시간(Tr) 동안 최초 전압수준으로 복귀하였고 따라서 외부의 에너지의 투입이 없어도 지속적으로 전기에너지를 생성함을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 다양한 탄소 재질 및 이들의 산화물로 한쌍의 전극 각각을 구성하고 해수 등의 이온화 용액에 존재하는 이온들을 이용함으로써 해수의 흐름 등의 외력이나 전기화학적 에너지 투입이 없는 상태에서도 지속적으로 발전할 수 있으므로 기존 해수 발전시스템의 한계나 문제점을 보완하고 해결할 수 있고, 이를 통하여 친환경적이고 지속적으로 에너지 생산이 가능한 차세대 발전기를 제공할 수 있다.
이 경우, 한 쌍의 전극 모두 포텐셜을 음의 표면전위로 유지한 상태에서 지속적인 기전력의 발생이 가능하며, 상기 전극에 포함되는 디펙트의 차이가 클수록 기전력은 증가하고, 상기 전극에 포함되는 탄소의 양이 증가하거나, 이온화 용액의 농도가 증가할수록, 나아가 이온화 용액으로 염화세슘 용액을 사용할수록 기전력의 지속시간이 증가하므로, 필요한 기전력의 크기 및 지속시간을 고려하여, 다양한 발전기를 설계할 수 있다.
특히, 상기 기전력은, 시간의 경과에 따라 소멸된 후에도, 상기 한 쌍의 전극이 이온화 용액 상에 방치되는 경우, 일정시간 경과후 다시 회복되어 발생되므로, 지속 가능한 발전기의 구성이 가능하다.
나아가, 상기 발전기의 경우, 소정의 케이스 내부에 최적화 설계되도록 제작이 가능하므로, 다양한 형태로의 제작 및 설계가 가능하다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 이온화 용액;
    상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 이온화 용액 내에 상기 제1 전극과 소정 거리 이격되어 배치되며, 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함하는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 제2 전극의 전위차에 의해, 외부 전력의 제공없이 스스로 기전력이 발생되는 것을 특징으로 하는 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 용액에 접촉함에 따라 상기 제1 전극이 가지는 전극 포텐셜(potential), 및 상기 이온화 용액에 접촉함에 따라 상기 제2 전극이 가지는 전극 포텐셜은 모두 음의 표면전위인 것을 특징으로 하는 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 표면전위의 전위차는 200mV 이상인 것을 특징으로 하는 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 모두 탄소(carbon)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 존재하는 디펙트(defect)의 차이가 클수록 상기 발생되는 기전력이 증가하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 포함하는 탄소 물질의 양이 증가할수록 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 증가하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이온화 용액의 농도가 증가할수록 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 증가하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 전극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 용액은 해수, 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 염화철(FeCl2) 용액, 염화세슘(CsCl) 용액 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이온화 용액이 염화세슘 용액인 경우, 상기 발생되는 기전력의 지속시간이 가장 큰 것을 특징으로 하는 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 표면에는 불균일한 기공들이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    에너지의 사용에 따라, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위차에 의해 스스로 발생되는 기전력은 소멸하고,
    상기 소멸된 기전력은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 상기 이온화 용액에 방치됨에 따라 일정 시간의 경과후 다시 회복되어 발생하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 표면에 부착되는 제1 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 적어도 일부 표면에 부착되는 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 집전체들 각각은, 금속 또는 하나 이상의 금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
  16. 상부 케이스와 하부 케이스의 결합에 의해 밀폐된 내부 공간을 갖는 발전기 케이스;
    상기 내부 공간에 배치되며, 상대적으로 표면전위가 높은 재질을 포함하는 제1 전극;
    상기 내부 공간에서 상기 제1 전극의 상부 또는 하부에 배치되며, 상대적으로 표면전위가 낮은 재질을 포함하는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 분리막; 및
    상기 밀폐 공간 내에 채워진 이온화 용액을 포함하는 발전기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전위차에 의해, 외부 전력의 제공없이 스스로 기전력이 발생되는 것을 특징으로 하는 발전기.
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