WO2023277226A1 - 열전기화학 전지 시스템 - Google Patents
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- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
Definitions
- the present invention relates to a thermoelectrochemical battery system, and specifically, in an electrolyte with neutral pH, non-noble metal carbide is used as an electrode material to prevent a decrease in conversion efficiency due to a low Seebeck coefficient and to prevent the electrode from being oxidized, resulting in excellent economic efficiency. It relates to a thermoelectrochemical cell system using a non-noble metal carbide electrode with high commercialization potential.
- thermoelectric effect means a reversible and direct energy conversion between heat and electricity, and is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material. These thermoelectric phenomena are the Peltier effect applied to the cooling field using the temperature difference between both ends formed by the externally applied current and the Seebeck effect applied to the power generation field using the electromotive force generated from the temperature difference between the ends of the material. (Seebeck effect).
- thermoelectric cooling is a non-vibration, low-noise, eco-friendly cooling technology that does not use refrigerant gas that causes environmental problems, and the development of high-efficiency thermoelectric cooling materials is expanding its application to general-purpose cooling fields such as refrigerators and air conditioners.
- thermoelectric materials are applied to parts where heat is emitted in automobile engines and industrial factories, power generation is possible by the temperature difference between the ends of the materials. Thermoelectrochemical cell systems have been adopted and used.
- thermoelectrochemical cell system consists of an electrolyte and two or more electrodes, and supplies electricity by converting thermal energy into electrical energy through a temperature difference between electrodes according to oxidation and reduction reactions of electrolyte materials. Accordingly, many studies on electrolytes and electrodes that can be adopted and used in thermoelectrochemical cell systems have been conducted in the past.
- thermoelectrochemical cell systems The most common electrolyte material that can be used in thermoelectrochemical cell systems is hexacyanoferrate ( ⁇ ), which has a Seebeck coefficient of 1.4mV/K, so it can efficiently convert thermal energy into electrical energy. there is.
- electrically conductive polymers are adopted and used. When electrically conductive polymers are used, they have excellent electrical properties but have low Seebeck coefficients representing thermoelectric properties, and conductive polymers with high Seebeck coefficients have remarkable conductivity. There is a disadvantage that is relatively low, and finally, a problem of having a remarkably low thermoelectric efficiency (ZT) compared to inorganic materials due to a low power factor value has occurred.
- ZT thermoelectric efficiency
- the first developed electrode is a platinum electrode that can stably convert thermal energy into electrical energy within the operating voltage and temperature.
- platinum In addition to platinum, research has been conducted to convert more energy by increasing the operating surface area using carbon nanotubes, which are carbon-based materials.
- carbon nanotubes which are carbon-based materials.
- platinum electrodes or carbon nanotube-based electrodes have problems in commercialization due to their high material cost per power and low economic feasibility. Therefore, a method of using a non-noble metal material such as copper or nickel, rather than a noble metal such as platinum, as an electrode by adjusting an electrolyte material or operating conditions has been sought. This was specifically disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1747165.
- it was difficult to adopt non-noble metals as electrodes for thermoelectrochemical cell systems because the electrodes themselves were corroded and dissolved due to the oxidation reaction of the electrodes within the electrolyte and operating voltage.
- thermoelectrochemical cell occupied a large part due to the characteristics of the electrolyte.
- the method to produce more energy in the same environment, that is, the same temperature difference, is a method of adjusting the characteristics of the electrolyte or the state of the electrolyte, and the electrode is limited to helping the state change. Therefore, the development of thermoelectrochemical cells has focused on developing electrolytes with high Seebeck coefficients.
- thermoelectrochemical cell As a study to increase the Seebeck coefficient of a thermoelectrochemical cell, many studies have been conducted to use an ionic liquid as an electrolyte or to develop other solutes. However, although the voltage increased as much as the Seebeck coefficient increased, the conductivity decreased correspondingly, so that high conversion efficiency could not be shown within the same temperature difference. That is, in order to increase the efficiency of the thermoelectrochemical cell, it is necessary to increase the current flowing at the same time as increasing the voltage. The control of the electrolyte can increase the voltage, but there is a disadvantage that the flowing current cannot be controlled. This is because an electrolyte having a high Seebeck coefficient, high electrical conductivity and low thermal conductivity is required to increase conversion efficiency, but in general, the Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity are in a trade-off relationship with each other.
- the present invention adopts a non-noble metal-based carbide as the material of the electrode among the components of the thermoelectrochemical battery system and adopts an electrolyte in a neutral pH state to prevent the electrode from being consumed during energy conversion, thereby promoting economic feasibility.
- An object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation system capable of further increasing the variation efficiency of a thermoelectric power generation system, which has been mainly determined by providing a thermoelectrochemical cell system capable of increasing conversion efficiency by preventing the Seebeck coefficient from being lowered, even through electrodes.
- thermoelectrochemical cell system includes an electrolyte capable of oxidation-reduction according to a temperature difference and containing ferri/ferrocyanide; A first electrode and a second electrode immersed in the electrolytic paint; wherein the temperature difference is the temperature difference between the first electrode and the second electrode, an oxidation reaction of ferrocyan ion occurs on the electrode surface of the high temperature part, and the low temperature part
- the pH of the electrolyte is 7
- the first electrode and the second electrode are carbides of non-noble metals.
- the non-noble metal is titanium or tungsten.
- the present invention employs non-noble metal carbide as a material for an electrode, so that corrosion and dissolution of the electrode do not occur compared to conventional noble or non-noble metal-based metals, so that economic feasibility can be secured.
- the present invention has another advantage of avoiding loss in conversion efficiency by supplementing the problem of lowering the Seebeck coefficient compared to the case of adopting an alkaline electrolyte by adopting and using an electrolyte having a neutral pH.
- thermoelectrochemical cell system shows the overall configuration of a thermoelectrochemical cell system according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 shows the energy conversion efficiency of tungsten carbide and cyclic voltammetry when tungsten carbide obtained by carbonizing tungsten, which is a non-noble metal material, and pure tungsten are used as electrode materials, respectively.
- thermoelectrochemical cell system shows the overall configuration of a thermoelectrochemical cell system according to an embodiment of the present invention.
- thermoelectrochemical cell system according to the present invention was simply constructed in a laboratory according to the configuration of a conventional thermoelectrochemical cell system.
- the high-temperature part was heated using a heater, and the low-temperature part was cooled using a Peltier element so that a constant temperature difference, that is, a temperature gradient, occurred at both ends of the thermoelectric power generation system.
- a constant temperature difference that is, a temperature gradient
- an electrolyte was formed between the high temperature part and the low temperature part, but the oxidation reaction of the electrode occurred in the electrolyte.
- carbides of tungsten (W) and titanium (Ti), which are non-precious metal materials were selected and used as electrodes
- hexacyanoferrate which is mainly used as an electrolyte in conventional thermoelectrochemical battery systems, was used as an electrolyte. It was prepared by dissolving 0.4 M in distilled water and used.
- tungsten carbide (WC x ) and titanium carbide (TiC) were prepared through heat treatment by grinding and flattening the surface of tungsten or titanium metal and then heating under a methane (CH 4 ) atmosphere using an induction heater.
- thermoelectrochemical cell system according to an embodiment of the present invention was configured by fastening in the following order.
- the surface of the tungsten or titanium metal to be used as an electrode is ground to make the surface of the electrode flat, and the carbide is produced by heat treatment in a methane atmosphere through an induction heater. Either one of manufactured tungsten carbide or titanium carbide is selected and used as the first electrode and the second electrode.
- An electrolyte is prepared by dissolving 0.4 M each of hexacyanoferrate(II) and hexacyanoferrate(III) in distilled water. At this time, the reason for dissolving 0.4M is to facilitate mass transfer according to the maximum solubility.
- a first electrode and a second electrode are attached to both ends of the thermoelectrochemical cell system of this embodiment, respectively, and an electrolyte is poured between them to make contact with both electrodes.
- a high-temperature part heated by a heater is connected to the end of the first electrode and a low-temperature part cooled by a Peltier element is connected to the end of the second electrode to form a temperature gradient necessary for generating electromotive force of the thermoelectrochemical cell system.
- the difference is confirmed by measuring the energy conversion efficiency in each thermoelectrochemical cell system according to the difference of each electrode material by measuring the voltage within a specific resistance. Therefore, when the same neutral state electrolyte is used under the same environment, the effect of generating electricity according to the material of the electrode, that is, the power generation performance can be compared.
- FIG. 2 shows the energy conversion efficiency of tungsten carbide and cyclic voltammetry when tungsten carbide obtained by carbonizing tungsten, which is a non-noble metal material, and pure tungsten are used as electrode materials, respectively.
- FIG. 3 shows the energy conversion efficiency of titanium carbide and cyclic voltammetry according to the pH change of the electrolyte when titanium carbide, which is a non-noble metal material, titanium carbide, and platinum (Pt) are used as electrode materials, respectively.
- titanium carbide lacks absolute values in terms of current and generated energy compared to platinum electrodes, but can have sufficient economic feasibility in terms of cost compared to platinum electrodes. Therefore, it is expected that there is sufficient possibility of commercialization by adopting it.
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Abstract
본 발명은 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 pH가 중성인 전해질에서 비귀금속계 탄화물을 전극의 소재로 하여 제백계수가 낮아져 변환 효율이 떨어짐을 방지하고 전극이 산화되지 않도록 함으로써 경제성이 우수하여 상용화 가능성이 높은 비귀금속계 탄화물 전극을 이용한 열전기화학 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 비귀금속계 금속 탄화물을 전극의 소재로 채택하여 종래의 귀금속계 금속 또는 비귀금속계 금속을 전극의 소재로 사용할 때에 비해 전극의 부식 및 용해 현상이 발생되지 않으므로 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 있으며, pH가 중성인 상태인 전해질을 채택하여 사용함으로써 알칼리성 상태의 전해질을 채택한 경우에 비해 제벡계수가 낮아지는 문제점을 보완함으로써 변환 효율에서 손해를 보지 않도록 한다는 다른 장점이 있다.
Description
본 발명은 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 pH가 중성인 전해질에서 비귀금속계 탄화물을 전극의 소재로 하여 제백계수가 낮아져 변환 효율이 떨어짐을 방지하고 전극이 산화되지 않도록 함으로써 경제성이 우수하여 상용화 가능성이 높은 비귀금속계 탄화물 전극을 이용한 열전기화학 전지 시스템에 관한 것이다.
열전 현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 이러한 열전 현상은 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도 차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도 차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전 분야에 응용하는 제벡 효과(Seebeck effect)로 구분된다.
이러한 열전 현상은 온도 전자기기의 발열 문제에 대응하는 능동형 냉각 시스템과 DNA에 응용되는 정밀온도제어시스템 등 기존의 냉매가스 압축방식의 시스템으로는 해결 불가능한 분야에서의 수요가 확대되고 있다. 또한 열전 냉각은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경 냉각기술이며, 고효율의 열전 냉각 재료의 개발로 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭이 확대되고 있다. 또한 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 열이 방출되는 부분에 열전 재료를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도 차에 의한 발전이 가능하게 되며, 태양에너지의 사용이 불가능한 화성, 토성 등의 우주 탐사선에는 이미 이러한 열전기화학 전지 시스템이 채택되어 사용되고 있다.
열전기화학 전지 시스템은 전해질과 2개 이상의 전극으로 이루어져 있으며, 전해질 물질의 산화 및 환원반응에 따라 전극 사이의 온도차를 통해 열에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 공급하게 되어 있다. 이에 따라, 열전기화학 전지 시스템에 채택되어 사용될 수 있는 전해질과 전극에 대한 연구가 종래로부터 많이 수행되어 왔다.
열전기화학 전지 시스템에 사용될 수 있는 가장 일반적인 전해질 물질로는 헥사시아노철(Ⅲ)산염(hexacyanoferrate(Ш))으로서 1.4mV/K의 제백계수를 가지므로 열 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 이 물질 이외에 전기 전도성 고분자를 많이 채택하여 사용하는데, 전기 전도성 고분자를 사용하는 경우 전기적 특성은 우수하나 열전 특성을 나타내는 제벡(Seebeck) 계수가 낮으며, 제벡 계수가 높은 전도성 고분자의 경우에는 전도도가 현저하게 낮은 단점이 있어 최종으로는 역률(Power factor)값이 낮아 무기 재료에 비해 현저하게 낮은 열전 효율(ZT)을 가지는 문제점이 발생되었다. 따라서, 유기 용매 중에 더 높은 제벡계수를 가지는 전해질 물질을 채택하거나 다른 물질을 첨가하여 제벡 계수를 증가시키는 방향으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 이러한 유기 전해물질을 채택한 선행특허기술로서는 한국등록특허 제10-2106269호 등이 있다.
한편, 열전기화학 전지 시스템의 주요 구성요소로서 전극에 대한 연구도 많이 수행되어 왔다. 가장 먼저 개발된 전극은 백금 전극으로 작동 전압 및 온도 내에서 안정적으로 열 에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있도록 하였다. 백금 이외에 탄소기반 물질인 카본나노튜브를 이용하여 작동 표면적을 넓힘으로써 더 많은 에너지를 변환하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 백금 전극이나 카본나노튜브 기반 전극은 전력당 물질 단가가 너무 높아 경제성이 떨어져 상용화에 문제가 있었다. 따라서, 전해질 물질 또는 작동조건을 조절하여 백금과 같은 귀금속이 아닌 구리나 니켈과 같은 비귀금속 금속 소재를 전극으로 활용할 수 있는 방안에 대해서 모색되었다. 이에 대해서는 한국등록특허 제10-1747165호에서 구체적으로 개시하였다. 다만, 비귀금속계 금속을 열전기화학 전지 시스템의 전극으로 채택하기 어려웠던 것은 전해질 및 작동 전압 내에서 전극의 산화반응으로 인해 전극 자체가 부식 및 용해된다는 문제점이 여전히 남아 있었기 때문이었다.
한편, 종래의 열전기화학 전지의 변환 효율은 전해질의 특성이 큰 부분을 차지하였다. 같은 환경 즉 동일한 온도차에서 더 많은 에너지를 생산할 수 있도록 하는 방법은 전해질의 특성, 또는 전해질의 상태를 조절하는 방법으로 전극은 상태 변화에 도움을 두는 정도에서 그쳤다. 따라서, 열전기화학 전지의 개발은 제벡 계수가 높은 전해질을 개발하는 것에 집중되었다.
열전기화학 전지의 제벡계수를 증가시키기 위한 연구로 전해질은 이온성 액체를 사용하거나, 다른 용질을 개발 하는 연구가 많이 이루어졌다. 하지만, 제벡계수가 증가한 만큼 전압은 증가하였지만, 그만큼 전도도가 감소하여, 같은 온도차 내에서 높은 변환 효율을 보이지 못한다. 즉, 열전기화학 전지의 효율을 증가시키기 위해서는, 전압을 증가시키는 것과 동시에 흐르는 전류를 증가시켜야 한다. 전해질의 조절은 전압을 증가시킬 수 있지만 흐르는 전류를 조절할 수 없다는 단점이 존재한다. 변환 효율을 증가시키기 위하여 높은 제벡계수, 높은 전기전도도 및 낮은 열전도도를 가지는 전해질이 필요하나, 일반적으로 제벡계수, 전기전도도 및 열전도도는 서로 상충관계(trade-off)관계이기 때문이다.
또한, 비귀금속계 금속 소재 기반의 전극개발은 전해질을 염기성으로 조절하거나, 산화 전극을 활용하는 방법이 연구되었다. 하지만 염기성 전해질을 사용할 경우 제벡 계수가 낮아져 변환 효율에서 손해를 보고, 산화 전극을 사용할 시 전극을 지속적으로 교환해 주어야하는 경제적 단점이 존재하기 때문에 전해질의 pH가 중성인 조건에서 안정적으로 산화하지 않는 전극의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점 및 한계점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서,
본 발명은 열전기화학 전지 시스템의 구성요소 중 전극의 소재를 비귀금속계 탄화물로 채택하고, pH가 중성인 상태의 전해질을 채택하여 구성함으로써 에너지 변환 중 전극이 소모되는 것을 방지함으로써 경제성을 도모하는 한편 제벡계수가 낮아지지 않도록 함으로써 변환 효율을 높일 수 있는 열전기화학 전지 시스템을 제공함에 해 주로 결정되던 열전 발전 시스템의 변동 효율을 전극을 통해서도 더욱 높일 수 있는 열전 발전 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템은, 온도차에 따라 산화 환원이 가능하며 페리/페로시아나이드를 포함하는 전해질; 상기 전해칠에 침지되는 제1전극과 제2전극;을 포함하며, 상기 온도차는 상기 제1전극과 상기 제2전극의 온도차이고, 고온부의 전극표면에서는 페로시안이온의 산화반응이 발생하고, 저온부의 전극표면에서는 페리시안이온의 환원반응이 발생하여 전기를 발생시키는 열전기화학 전지 시스템에 있어서, 상기 전해질의 pH는 7이며, 상기 제1전극과 제2전극은 비귀금속계 금속의 탄화물인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 비귀금속계 금속은 티타늄 또는 텅스텐인 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명은 비귀금속계 금속 탄화물을 전극의 소재로 채택하여 종래의 귀금속계 금속 또는 비귀금속계 금속을 전극의 소재로 사용할 때에 비해 전극의 부식 및 용해 현상이 발생되지 않으므로 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 pH가 중성 상태인 전해질을 채택하여 사용함으로써 알칼리성 상태의 전해질을 채택한 경우에 비해 제벡계수가 낮아지는 문제점을 보완함으로써 변환 효율에서 손해를 보지 않도록 한다는 다른 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 것이다.
[규칙 제91조에 의한 정정 11.03.2022]
[규칙 제91조에 의한 정정 11.03.2022]
도 2는 전극 소재로 귀금속계 금속인 백금과 비귀금속계 소재인 텅스텐, 비금속계 소재인 탄소를 각각 채택하였을 때의 에너지 변환효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 2는 전극 소재로 귀금속계 금속인 백금과 비귀금속계 소재인 텅스텐, 비금속계 소재인 탄소를 각각 채택하였을 때의 에너지 변환효율을 비교하여 도시한 것이다.
[규칙 제91조에 의한 정정 11.03.2022]
도 3은 전극 소재로 비귀금속계 소재인 텅스텐을 탄화시킨 텅스텐 탄화물과 순수 텅스텐을 각각 채택하였을 때의 순환 볼타메트리와 텅스텐 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.
도 3은 전극 소재로 비귀금속계 소재인 텅스텐을 탄화시킨 텅스텐 탄화물과 순수 텅스텐을 각각 채택하였을 때의 순환 볼타메트리와 텅스텐 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 통하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 것이다.
도 1에서는 통상적인 열전기화학 전지 시스템의 구성에 따라 간단하게 실험실에서 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템을 구성한 것을 나타내었다.
본 실시예에서 고온부는 히터를 이용하여 가열하였으며, 저온부는 펠티에 소자를 이용하여 냉각시켜 열전 발전 시스템의 양 측단에 일정한 온도차 즉 온도 구배가 발생하도록 하였다. 이때 고온부와 저온부 사이에는 전해질을 구성하되 전해질에서 전극의 산화 반응이 일어나는 형태로 구성하였다. 이때 전극으로는 비 귀금속 금속 소재인 텅스텐(W)과 티타늄(Ti)의 탄화물을 채택하여 사용하였으며, 전해질로는 통상적인 열전기화학 전지 시스템의 전해질로 주로 사용되는 헥사시아노철산염(hexacyanoferrate)를 증류수에 0.4 M을 녹여 제조하여 사용하였다.
한편, 텅스텐 탄화물(WCx)과 티타늄 탄화물(TiC)은 텅스텐 또는 티타늄 금속의 표면을 갈아 평평하게 만든 후 인덕션 히터를 사용하여 메탄(CH4) 분위기 하에서 가열하여 열처리를 통해 제조하였다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전기화학 전지 시스템은 다음과 같은 순서로 체결하여 구성하였다.
1. 전극의 제조
전극으로 사용할 텅스텐 또는 티타늄 금속의 표면을 갈아 전극 표면을 평평하게 만들고, 이를 인덕션 히터를 통해 메탄 분위기 하에서 열처리를 하여 탄화물을 제조한다. 제조된 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물 중 어느 하나를 선택하여 제1전극과 제2전극으로 한다.
2. 전해질의 제조
헥사시아노철(Ⅱ)산염(hexacyanoferrate(Ⅱ)), 헥사시아노철(Ⅲ)산염(hexacyanoferrate(Ш))을 각각 0.4M씩 증류수에 녹여 전해질을 제작한다. 이때 0.4M을 녹이는 이유는 최대 용해도에 맞추어 물질 전달을 원활하게 하기 위함이다.
3. 전해질과 전극의 결합
본 실시예의 열전기화학 전지 시스템의 양 끝에 각각 제1전극과 제2전극을 부착하고, 그 사이에 전해질을 부어 양 전극에 접촉시킨다.
4. 고온부와 저온부의 결합
제1전극의 끝에는 히터에 의하 가열되는 고온부를, 제2전극의 끝에는 펠티에 소자에 의해 냉각되는 저온부를 각각 연결하여 열전기화학 전지 시스템의 기전력 발생에 필요한 온도구배를 형성한다.
5. 에너지 변환 효율의 측정 및 평가
특정한 저항 내에서 전압을 측정하여 각각의 전극 소재의 차이에 따른 각각의 열전기화학 전지 시스템에서의 에너지 변환 효율을 측정하여 그 차이를 확인한다. 따라서, 동일한 환경하에서 동일한 중성 상태의 전해질을 채택하였을 때 전극의 소재에 따른 전기 발생 효과 즉 발전 성능을 비교할 수 있게 된다.
도 2는 전극 소재로 비귀금속계 소재인 텅스텐을 탄화시킨 텅스텐 탄화물과 순수 텅스텐을 각각 채택하였을 때의 순환 볼타메트리와 텅스텐 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.
도 2의 왼쪽 그래프를 확인하였을 때, 중성 전해질 조건 내에서 탄화물을 형성하지 않은 텅스텐 전극의 경우, 산화 반응에 따른 순환 볼타메트리 그래프가 대칭성을 갖지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 전극 소모에 따라 전극을 교체해야 한다는 문제점을 발생시킬 수 있다. 하지만 텅스텐 탄화물 전극의 경우 중성 전해질 내에서 전극의 산화반응이 일어나지 않는 대칭성의 순환 볼타메트리 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 별도의 전극의 산화 반응이 일어나는 것이 아닌, 페리/페로시아나이드의 산화, 환원 반응만 안정적으로 일어나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 텅스텐 탄화물 전극을 채택하면 전극 소모가 발생되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
아울러, 도 2의 오른쪽 그래프를 통해 텅스텐 탄화물의 열-전기화학 전지 내에서의 에너지 변환에 따른 전압, 전류, 그리고 에너지양을 확인할 수 있다. 도 2의 오른쪽 그래프에 의하면 백금(Pt) 전극에 비해 텅스텐 탄화물 전극이 동일한 온도 및 작동 환경하에 더 많은 전류밀도와 에너지양을 보이는 것을 확인할 수 있어 백금 촉매에 비해 비용적인 측면에서 경제적일 뿐만 아니라 전지 자체의 효능도 더 높다는 것을 확인할 수 있었다.
도 3은 전극 소재로 비귀금속계 소재인 티타늄을 탄화시킨 티타늄 탄화물과 백금(Pt)을 각각 채택하였을 때의 전해질의 pH 변화에 따른 순환 볼타메트리와 티타늄 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.
도 3의 왼쪽 그래프를 확인하였을 때, 티타늄 탄화물을 형성하였을 때 중성, 그리고 알칼리 성질의 전해질 내에서 페리/페로시아나이드 전해질의 가역적인 산화, 환원 반응이 일어나는 것을 확인할 수 있고, 그 정도가 백금 전극과 거의 비슷한 것을 실험결과를 통해 확인할 수 있었다. 따라서, 티타늄 탄화물을 전극으로 채택하여 사용하는 경우에도 전극의 소모가 발생되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
아울러, 도 3의 오른쪽 그래프를 통해 티타늄 탄화물의 열-전기화학 전지 내에서의 에너지 변환에 따른 전압, 전류, 그리고 에너지양을 확인할 수 있다. 검은색으로 표기된 백금(Pt) 전극과 비교하였을 때, 티타늄 탄화물의 경우 백금 전극에 비해 상대적으로 전류와 발생 에너지양에서 절대적인 값은 부족하지만, 백금 전극에 비해 소요되는 비용 측면에서는 충분히 경제성을 가질 수 있으므로 이를 채택하여 상용화의 가능성은 충분히 있을 것으로 예상된다.
Claims (2)
- 온도차에 따라 산화 환원이 가능하며 페리/페로시아나이드를 포함하는 전해질; 상기 전해칠에 침지되는 제1전극과 제2전극;을 포함하며,상기 온도차는 상기 제1전극과 상기 제2전극의 온도차이고,고온부의 전극표면에서는 페로시안이온의 산화반응이 발생하고, 저온부의 전극표면에서는 페리시안이온의 환원반응이 발생하여 전기를 발생시키는 열전기화학 전지 시스템에 있어서,상기 전해질의 pH는 7이며,상기 제1전극과 제2전극은 비귀금속계 금속의 탄화물인 것을 특징으로 하는 열전기화학 전지시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 비귀금속계 금속은 티타늄 또는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 열전지화학 전지시스템.
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