KR100343392B1 - 알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 전원의 도움이 없이 2차 전지를 충전할 수 있는 소형의 휴대형 전원 공급기에 관한 것으로, 더 자세하게는 메탄올 및 에탄올 등의 알콜류를 연료로 하는 액체형 연료전지를 이용하여 자체에서 발생되는 전기적 에너지를 2차 전지의 충전에 필요한 전원으로 사용할 수 있도록 해주는 2차 전지의 충전을 위한 소형 휴대 전원 공급기에 관한 것이다.

본 발명의 휴대용 전원 공급기는 본 발명자의 선 특허출원(특허출원 제 98-42165호)된 단극형 마이크로 연료 전지를 전원 발생 장치로 하여 전압 조정기와 함께 2차 전지의 충전기로 사용하는 것으로, 전지의 연료인 알콜류의 혼합물을 탈·부착 가능한 소형의 압축형 연료 저장기에 저장하고 필요시 이를 연료로 하여 전기 에너지를 발생시키며, 전원 공급 장치와 일체형 또는 별도로 구성되는 전압 조정기로 연료전지에서 발생되는 전기 에너지를 조절하여 2차 전지를 충전하는 장치이다.

본 발명의 소형 전원 공급기는 자체에서 발생되는 전기을 사용하는 바, 연료 전지에 필요한 연료만 사전에 확보되면 장소와 시간에 구애됨이 없이 2차 전지를 충전할 수 있다. 또한, 소형이기 때문에 휴대하고 움직이면서도 충전이 가능한 잇점이 있다.

따라서, 본 발명의 전원 공급기는 전기 공급이 어려운 외따른 곳이나, 고정 전원의 유무와는 상관없이 한 곳에서 일정 시간 머무를 수 없는 경우에 특히 효과적으로 사용될 수 있다.

Description

알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급장치{Portable electric power supplier by using a direct alcohol fuel cell}

본 발명은 2차 전지의 충전에 사용할 수 있는, 액체 연료전지를 이용한 휴대용 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 무선 통신기 등에 쓰이는 다양한 2차 전지를 충전해야 할 경우, 종래 상용의 전원을 이용할 수 없는 지역적 제한이 있는 곳에서도 장소와 시간에 구애됨이 없이 2차 전지를 충전할 수 있도록, 스스로 전기적 에너지를 발생시킬 수 있는 액체 연료전지를 전기 에너지의 공급원으로 한 소형의 휴대형 자가 발전 시스템에 관한 것이며, 액체 연료전지의 반응에 쓰이는 연료로는 적절히 혼합된 알콜 연료를 탈·부착 가능한 소형의 압축형 저장 용기에 넣어 필요시 발전용 연료로 사용할 수 있게 하므로써 충전에 필요한 전기를 발생시킬 수 있도록 한, 휴대용 전원 공급 장치에 관한 것이다.

현대 산업 사회는 전자 제품의 시대라 할 수 있을 만큼 수 많은 전자 제품에 의존하여 영위되고 있다. 그리고, 전자 기술의 발전과 함께 전자 제품의 소형화가 신속히 진행되어 가고 있으며, 전자 제품을 손쉽게 휴대할 수 있게 되어 고정된 전원에 연결되어서만 동작하던 전자 제품들이 휴대형 전원 즉, 건전지나 2차 전지에 의해서도 동작할 수 있도록 변화하기 시작하였다.

따라서, 건전지 뿐만아니라 충전하여 재사용이 가능한 2차 전지의 발달과 더불어 전기 콘센트에 고정되었던 많은 전자 제품들이 전원 콘센트의 유무에 관계없이 장소와 시간에 구애받지 않고 사용이 가능한 포터블(portable)형으로 새롭게 변모하였다.

그러나, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 무선 통신기 등에 사용되는 충전용 2차 전지의 성능이 향상되고는 있으나 그 사용 가능 시간의 증가에는 한계가 있는 것이고, 현재 2차 전지의 재충전에 쓰이는 충전기는, 외부에서 공급되는 전기를 고정된 장소에서, 충전에 적합하도록 전기적 에너지를 변화시켜 단순히 중계만을 하는 장치이기 때문에, 전원이 없는 외따른 곳에서는 2차 전지의 충전이 불가능할 뿐 아니라 전원이 있다고 하여도 충전하는 시간 동안에는 한 곳에 머물러야 하는 등의 지역적이고도 시간적인 제약이 많이 따르게 된다.

그리고, 휴대폰의 경우는 건전지를 직접 사용할 수 있도록 해주거나 건전지로써 휴대폰용 충전 건전지를 충전할 수 있도록 해주는 보조 장치가 개발되기도 하였으나 건전지 자체의 전기적 용량이 적어 다른 용도의 충전용 전원으로는 부적합하며, 용량을 키우기 위한 건전지 수의 증가는 건전지 자체의 부피가 너무 커지는 단점도 있고 건전지 구입에 따른 경제성도 고려의 대상이 된다. 더욱이 건전지 사용의 증가는 환경 오염이라는 2차적인 문제도 야기시키게 된다.

또한, 환경 오염과 전혀 상관이 없으며 비교적 장소의 제약을 받지 않는 무제한 에너지 원인 태양열을 이용하는 방법으로써 태양 전지도 고려의 대상이 될 수는 있으나, 우천 시나 밤 시간 또는 태양을 볼 수 없는 밀폐된 공간에서는 사용이 불가능한 단점이 있다.

따라서, 공간에 제약을 받지 않고 필요로 하는 시간에 즉시 2차 전지를 충전할 수 있는, 충전기 스스로 자체적인 전기적 에너지를 발생시키므로써 충전용 전원을 확보할 수 있는 휴대형 전원 공급 장치가 필요하게 된다.

상기의 자체 동력원으로 가장 적합한 것으로는 새로운 에너지 원이며 발전 효율이 높고 공해 물질의 배출없는, 환경 친화적인 연료전지가 우선 고려될 수 있을 것이다.

2차 전지의 충전용 전원으로써 손쉽게 휴대가 가능한 전원 공급기를 개발함에 있어서 중요한 점은 경제성, 환경 친화성, 편리성, 안전성 등 이며, 이를 고려하여 현재 개발 가능한 전원들 중에서 가장 적합한 휴대용 연료전지를 선택하고, 이를 이용하여 시간과 장소에 관계 없이 손쉽게 2차 전지를 충전할 수 있으며 환경 오염을 시키지 않는 자연 친화적인 충전용 전원 공급기를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 전원 공급기를 이용하여 2차전지의 충전 과정을

보인 개략도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

1. 전원 공급장치 2. 전압조정기

3. 2차전지 13. 액체연료 저장실

11. 연료전지 스택 14. 가스 배출구 및 안전핀

본 발명의 2차 전지 충전을 위한 휴대용 전원 공급기에 적용되는 액체형 연료전지는 메탄올, 에탄올, 노르말-프로판올(n-proponol), 2-프로판올, 부탄올, 포름 알데히드( formaldehyde), 포름산(formic acid), 디메톡시 메탄(dimethoxy meth- ane), 트리메톡시 메탄(trimethoxy methane), 트록산(troxane) 등의 알콜류 및 이들을 적정 비율로 혼합한 알콜 연료를 사용하는 것으로, 이들 연료를 손쉽게 휴대가 가능한 압축형 연료 저장기에 저장하며, 필요시 이를 발전용 연료로 사용하여 화학 반응에 의해 발생하는 전기적 에너지를 2차 전지의 충전에 사용하는 장치이다.

본 발명 전원 공급기의 핵심인 액체형 연료전지는 손쉽게 가지고 다닐 수 있을 정도의 소형이라는 점을 제외하면 종래의 연료전지와 동일한 반응 미케니즘을 갖는 바, 종래의 연료전지에 대하여 기본적인 전극 반응을 간략히 살펴보면 다음과같은 특성이 있다.

연료전지는 메탄올이나 천연가스 등의 탄화수소 계열의 연료 속에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소가 결합하는 화학 반응 즉, 물에 대한 전기 분해 반응의 역반응에 의해 발생하는 전자의 흐름을 이용하는 발전 장치이다.

이 때, 양극과 음극에서 일어나는 두 전극 반응은 아래와 같다.

양극반응 : 2H₂→ 4H⁺+ 4e^-

음극반응 : O₂+ 4H⁺+ 4e^-→ 2H₂O

전체반응 : 2H₂+ O₂→ 2H₂O

상기와 같이 각기 하나의 양극과 음극에서 즉, 단위 셀에서 일어나는 전극 반응에 의해 얻을 수 있는 전위는 약 1.2볼트 정도로 매우 약하다. 따라서, 실제 사용할 수 있는 전력을 얻기 위해서는 여러 개의 양극과 음극을 차례로 쌓아서 필요한 전기를 얻게되며 그와 같이 순서대로 전극이 쌓인 것을 스택(stack)이라고 한다.

연료전지는 상기와 같이 수소와 산소의 화학적 반응 에너지가 직접 전기적인 에너지로 변환되는 고효율의 청정 발전 기술로서, 우주선의 전원 공급용으로 개발되어 현재는 이를 일반용으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 연료전지는 사용되는 연료에 따라 기체형 및 액체형 연료전지로 구분되며, 전해질의 종류에 따라서는 알칼리형, 인산형, 용융 탄산염형, 고체 산화물형및 고체 고분자형 등으로 구분된다.

일반적으로 수소를 사용하는 기체형 연료전지는 에너지 밀도가 크다는 장점이 있으나 수소 가스의 취급에 상당한 주의를 요하고, 연료인 수소 가스를 생산하기 위하여 메탄올이나 에탄올 등의 연료 개질 장치등과 같은 부대 설비가 추가적으로 필요한 문제점이 있다.

그러나, 액체 연료는 기체 연료에 비하여 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 연료전지의 운전 온도가 낮으며 연료 개질 장치와 같은 부대 설비가 필요하지 않기 때문에 액체형 연료전지는 소형의 이동형 전원으로 적합하다고 알려지고 있다.

따라서, 본 발명의 전원 공급기는 알콜류를 연료로 사용하는 액체형 연료전지를 이용하는 바, 메탄올을 연료로 할 때 전극에서 일어나는 전기 화학적 반응 미케니즘을 살펴보면 다음과 같다.

양극반응 : CH₃OH + H₂O → CO₂+ 6H⁺+ 6e^-E = 0.04 V

음극반응 : 3/2 O₂+ 6H⁺+ 6e^-→ 3H₂O E = 1.23 V

전체반응 : CH₃OH + 3/2 O₂→ CO₂+ 2H₂O E = 1.19 V

즉, 상기의 연료전지는 메탄올의 산화 반응과 수소의 환원 반응으로부터 얻어지는 기전력의 힘이 2차 전지의 충전에 사용되는 것이다.

그러나, 상기의 반응 결과에서도 알 수 있듯이 단위 셀에서 발생되는 전위는이론적으로 약 1.2볼트이나 메탄올 분해시 발생되는 부반응에 의한 촉매의 피독, 메탄올의 크로스오버(cross over) 등에 의하여 0.3∼0.4볼트 전위에서 수십 mA/cm²정도의 전류만이 생산된다. 따라서, 연료전지를 상용 목적으로 이용하기 위해서는 단위 셀을 필요한 만큼 집적시켜야 하는 바, 단위 셀의 구조가 연료 전지의 소형화에 있어 핵심 사항이 된다.

연료전지를 소형화 하기 위해서는 일반적인 바이폴라(bipolar)형 구조로는 불가능 하다. 바이폴라형 연료 전지에서는 양극과 전류 집전체 사이로 연료가 공급되고 음극과 또 하나의 전류 집전체 사이로는 공기가 통과하면서 상기의 전극 반응이 일어나게 되는데, 이러한 연료와 공기를 공급하기 위한 연료 펌프와 송풍기 등의 부대 장치가 필요하게 되므로써 연료전지를 휴대 가능할 정도의 소형으로 제작하기에는 거의 불가능하게 된다.

따라서, 새로운 구조의 연료전지가 필요하게 되며, 이는 본 발명자의 선 특허출원(특허출원 제 98-42165호)된 단극형 마이크로 연료전지를 통하여 구현될 수 있을 것이다. 단극형 마이크로 연료전지를 간략히 살펴보면 다음과 같다.

상기 선 특허출원된 단극형 마이크로 연료전지는 종래 바이폴라형 연료전지의 문제점을 해결하기 위한 것으로 전극의 적층 형태를 바이폴라형에서 모노폴라(monopolar)형으로 변화시켜 하나의 전해질 및 분리판 위에 여러 개의 단일 극을 배치하는 구성을 하게 된다.

즉, 연료전지의 스택을 구성함에 있어 종래의 ‘＋ ’극과 ‘- ’극을 직렬로 연결하는 바이폴라형이 아닌 ‘＋ ’극은 ‘＋ ’극끼리 연결하여 한 평면 상에 위치시키고, ‘- ’극은 ‘- ’극끼리 연결하여 또 다른 한 평면 상에 위치시키므로써 연료 전지의 부피를 최소화 한 것에 그 기술적 특징이 있는 연료전지이다..

도1은 상기의 모노폴라형 마이크로 액체 연료전지를 전원의 공급원으로 하여 2차 전지를 충전하는 일실시예의 충전 과정에 대한 개략도이다.

도시한 바와 같이 혼합 알콜류의 액체 연료를 주입구(12)를 통하여 탈·부착 가능한 압축형 연료 저장실(13)에 저장하고, 반응 제어 스위치(16)을 누르면 연료 전지 스택(11)에서 전기 화학적인 반응이 일어나게 되어 전기가 발생한다. 그리고, 연료전지의 반응이 일어남과 동시에 발생하는 이산화탄소 가스는 가스 배출구(14)를 통해 외부로 배된다.

한편, 연료전지 스택(11)에서 발생된 전기는 출력단자(15)와 전압 조정기(2)의 입측 접속단자(21)를 통하여 전압 조정기(2)에 이르게되며, 이는 전압 조절 스위치(23)에 의하여 2차 전지의 충전에 필요한 수준으로 조정되어 최종적으로는 전압 조정기의 출력단자(22)와 접촉하는 2차 전지(3)의 입력단자(31)를 통하여 2차 전지를 충전시키게 된다.

그리고, 상기의 충전 과정에서 전원 공급기의 출력 전압과 2차 전지의 충전에 필요한 전압과의 차이를 조절해 주는 가변형 전압 조정기(2)는, 각 종의 전자 제품들이 종류에 따라 다양한 사양의 2차 전지를 사용하므로 이들을 모두 충전할 수 있기 위해서는 반드시 필요하고, 이러한 전압 조정기는 전원 공급 장치(1)에 연결되는 별도의 장치로 하거나 전원 공급 장치(1)에 일체형으로 부착할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 단극형 마이크로 액체 연료전지를 이용하여 구성되는 소형의 휴대형 전원 공급기를 2차 전지의 충전에 사용하므로써, 종래의 고정된 전기 공급원 유무 및 시간과 공간적 제약에 구애됨이 없이 2차 전지에 의하여 동작되는 각종 전자 제품을 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 전원 공급 장치의 하우징(housing)에 액체형 연료 전지의 단위 셀들의 집합인 단극형 마이크로 연료전지(특허출원 제98-42165호)로 이루어진 연료전지 스택이 내장되고, 전지의 반응에 필요한 연료를 저장하는 압축형 연료 저장기가 하우징의 내부 일측에 장착되어 연료전지 스택과 결합되며, 하우징 외부에 연료 전지의 전극 반응 시 발생하는 이산화탄소의 외부 방출을 위한 가스 배출구와 전극 반응을 제어하는 반응 제어 스위치 및 전지에서 발생한 전기를 외부로 전달해 주는 전원 출력단자를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압축형 연료 저장기는 하우징에서 분리 가능하게 결합되는 것임을 특징으로 하는 알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급 장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기의 출력단자에는 전압 조정기가 부가적으로 연결되어 구성된 것임을 특징으로 하는 알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 전압 조정기는 하우징에 일체로 결합된 것임을 특징으로 하는 알콜 연료전지를 이용한 휴대형 전원 공급 장치.