KR101815497B1 - Portable direct carbon fuel cell - Google Patents

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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 탄소 연료 캐트리지가 셀 사이에 삽입되고, 탄소 연료 캐트리지는 공기와의 접촉을 차단하고, 탄소 연료 캐트리지가 탑재된 직접탄소 연료전지는 숯으로 된 버너 장치에 탑재되어 온도를 상승시킴으로써 전기를 발생하도록 구성된 휴대용 직접탄소 연료전지에 관한 것이다.
본 발명은 그 내부에 탄소 연료가 탑재되고 가열부에 결합되어 연소를 통해 온도가 상승되면 전기를 발생할 수 있는 휴대용 직접탄소 연료전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to a direct carbon fuel cell in which a carbon fuel cartridge is inserted between cells, a carbon fuel cartridge interrupts contact with air, and a direct carbon fuel cell mounted with a carbon fuel cartridge is mounted on a charcoal burner device, To a portable direct carbon fuel cell configured to generate electricity.
The present invention can provide a portable direct carbon fuel cell capable of generating electricity when the carbon fuel is mounted in the interior thereof and is coupled to the heating unit to raise the temperature through the combustion.

Description

휴대용 직접탄소 연료전지 {PORTABLE DIRECT CARBON FUEL CELL}PORTABLE DIRECT CARBON FUEL CELL [0002]

본 발명은 휴대용 직접탄소 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소 연료 캐트리지가 셀 사이에 삽입되고, 탄소 연료 캐트리지는 공기와의 접촉을 차단하고, 탄소 연료 캐트리지가 탑재된 직접탄소 연료전지는 숯으로 된 버너 장치에 탑재되어 온도를 상승시킴으로써 전기를 발생하도록 구성된 휴대용 직접탄소 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a portable direct carbon fuel cell, and more particularly, to a carbon direct fuel cell wherein carbon-fuel cartridges are inserted between cells, the carbon fuel cartridge is shielded from contact with air, and a direct carbon fuel BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] A battery is a portable direct carbon fuel cell that is mounted in a charcoal burner device and configured to generate electricity by raising the temperature.

직접탄소 연료전지(DCFC)는 탄소를 연료로 하는 전기화학 반응을 이용하는 연료전지이다. 직접탄소 연료전지는 상대적으로 매장량이 풍부한 석탄을 최소한의 연료 처리 비용으로 사용할 수 있으므로 완전한 신재생에너지 시대가 도래하기까지의 과도기적 시기에 가장 경제적인 발전시스템으로 자리매김할 수 있을 것으로 기대된다. 직접탄소 연료전지의 이론 최고 효율은 타 연료전지보다 높은 유망한 기술이다.Direct carbon fuel cells (DCFC) are fuel cells that utilize electrochemical reactions with carbon as fuel. Direct carbon fuel cells are expected to be the most economical power generation system in the transitional period until the full renewable energy age can be reached because coal with a relatively rich reservoir can be used for the minimum fuel processing cost. The theoretical maximum efficiency of direct carbon fuel cells is a promising technology than other fuel cells.

직접탄소 연료전지는 석탄, 바이오매스 연료 등 탄소 연료를 기반으로 하는 에너지 변환장치이기 때문에 당초에는 석탄화력발전 대체 등 대규모 발전을 염두에 두고 기술 개발이 추진되어 왔다. 미국 Point Source Power사가 출력 5V, 500 mA의 휴대용 전원을 개발하여 발표하였으며, 무게는 236그램으로 스마트폰 충전용 전원, LED조명용 전원 장치로 사용하기 위한 것이다.Since direct carbon fuel cells are energy conversion devices based on carbon fuels such as coal and biomass fuel, technological development has been promoted in the beginning with large-scale development such as replacement of coal-fired power generation. Point Source Power Inc. has developed a portable power source with output of 5V and 500 mA and weighs 236 grams. It is intended to be used as a power source for smartphone charging power and LED lighting.

[선행기술문헌][Prior Art Literature]

[특허문헌][Patent Literature]

한국등록특허 제1123963호Korea Patent No. 1123963

한국등록특허 제1341512호Korean Registered Patent No. 1341512

본 발명의 목적은 휴대하여 간편하게 이용할 수 있으며, 가열부에 설치하여 전기를 발생시킬 수 있는 원통형 타입 또는 평판형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a portable direct carbon fuel cell of a cylindrical type or a flat plate type which can be easily carried and easily installed in a heating unit to generate electricity.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원통형 직접탄소 연료전지 셀, 탄소 연료 캐트리지, 보호관, 에어 벤트 캡 및 절연체를 포함하며, 상기 탄소 연료 캐트리지는 원통형 직접탄소 연료전지 셀 내부에 삽입되어 있는 휴대용 원통형 직접탄소 연료전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a direct carbon fuel cell comprising a cylindrical direct carbon fuel cell, a carbon fuel cartridge, a protective tube, an air vent cap and an insulator, The present invention provides a portable cylindrical direct carbon fuel cell comprising:

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소 연료 캐트리지가 삽입된 원통형 직접탄소 연료전지 셀의 일단면에, 에어 벤트 캡을 설치하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, it is preferable to provide an air vent cap on one end face of the cylindrical direct carbon fuel cell having the carbon-fuel cartridge inserted therein.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소 연료 캐트리지 내의 탄소 연료는 가루, 비즈 또는 펠렛 형태인 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon fuel in the carbon-fuel cartridge may be in the form of powder, beads or pellets.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어를 더 포함하며, 상기 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어는 전기 부하와 연결되어 생산된 전기를 전달할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cathode lead wire and the anode lead wire further comprise a cathode lead wire and an anode lead wire, wherein the cathode lead wire and the anode lead wire are connected to an electric load to transmit the produced electricity.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 절연체는 원통형 직접탄소 연료전지 셀과 보호관의 사이의 접촉 부분에 배치된다.In one embodiment of the present invention, the insulator is disposed at a contact portion between the cylindrical direct carbon fuel cell and the protection tube.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 휴대용 원통형 직접탄소 연료전지는 연료 버너 내부에 배치되어 전기를 생산할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a portable cylindrical direct carbon fuel cell is disposed within a fuel burner to produce electricity.

또한, 본 발명은 평판형 직접탄소 연료전지 셀, 탄소 연료 캐트리지, 상기 탄소 연료 캐트리지가 배치되는 연료 컨테이너 및 셀 케이싱을 포함하며, 상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀은 상기 탄소 연료 캐트리지가 배치되는 연료 컨테이너 위에 공기극이 위로 향하도록 가로로 배치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 평판형 직접탄소 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a flat carbon direct fuel cell system comprising a flat carbon steel fuel cell, a carbon fuel cartridge, a fuel container in which the carbon fuel cartridge is disposed, and a cell casing, Wherein the fuel cell stack is disposed horizontally with the air electrode facing up on the fuel container to be disposed.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 탄소 연료 캐트리지 내의 탄소 연료는 플레이트 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon fuel in the carbon-fuel cartridge may be in the form of a plate.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어를 더 포함하며, 상기 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어는 전기 부하와 연결되어 생산된 전기를 전달할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the cathode lead wire and the anode lead wire further comprise a cathode lead wire and an anode lead wire, wherein the cathode lead wire and the anode lead wire are connected to an electric load to transmit the produced electricity.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀과 탄소 연료 캐트리지 사이에 공극을 두어 공기가 공급될 수 있도록 구성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, air can be supplied by providing a space between the flat carbon type direct carbon fuel cell and the carbon fuel cartridge.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 휴대용 평판형 직접탄소 연료전지는 연료 버너 내부에 배치되어 전기를 생산할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the portable planar direct carbon fuel cell is disposed inside the fuel burner to produce electricity.

본 발명은 그 내부에 탄소 연료가 탑재되고 가열부에 결합되어 연소를 통해 온도가 상승되면 전기를 발생할 수 있는 휴대용 직접탄소 연료전지를 제공할 수 있다.The present invention can provide a portable direct carbon fuel cell capable of generating electricity when the carbon fuel is mounted in the interior thereof and is coupled to the heating unit to raise the temperature through the combustion.

또한 본 발명은 원통형 타입 또는 평판형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지를 제공할 수 있다.Further, the present invention can provide a portable direct carbon fuel cell of a cylindrical type or a flat type.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 원통형 DCFC의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 평판형 DCFC의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 평판형 DCFC가 장착된 시스템 바디를 버너에 결합할 수 있는 구조를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 원통형 DCFC의 연속운전 과정을 촬영한 사진이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 원통형 DCFC의 연속운전시 셀 전압을 측정한 그래프이고 도 5b는 원통형 DCFC의 연속운전시 V-I-P 성능곡선을 측정한 그래프이다.1 is a side cross-sectional view of a cylindrical DCFC according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of a planar DCFC according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view schematically showing a structure capable of coupling a system body equipped with a plate-type DCFC to a burner according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a continuous operation process of a cylindrical DCFC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a graph of cell voltage measured during continuous operation of a cylindrical DCFC according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a graph illustrating a VIP performance curve during continuous operation of a cylindrical DCFC.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various other forms.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is thoroughly disclosed and that those skilled in the art will fully understand the scope of the present invention.

그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well known components, well known operations, and well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise, and the constituents and acts referred to as " comprising (or comprising) " do not exclude the presence or addition of one or more other constituents and actions .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless they are defined.

이하, 본 발명에 따른 휴대용 직접탄소 연료전지에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a portable direct carbon fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지는 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100), 탄소 연료 캐트리지(10), 에어 벤트 캡(70) 및 절연체(90)를 포함한다.1, a cylindrical direct type carbon fuel cell of the present invention includes a cylindrical direct carbon fuel cell 100, a carbon fuel cartridge 10, an air vent cap 70, and an insulator 90 do.

상기 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100) 내부에는 상기 탄소 연료 캐트리지(10)가 포함되어 있다.The carbon fuel cartridge 10 is contained in the cylindrical direct carbon fuel cell 100.

상기 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100)은 원통 형상으로 구성되고, 비전도성 물질로 형성될 수 있다.The cylindrical direct carbon fuel cell 100 may have a cylindrical shape and may be formed of a nonconductive material.

본 발명에서 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100)은 본 기술분야에서 공지된 원통형 직접탄소 연료전지 셀의 구조로 제조된 것을 제한 없이 사용할 수 있다.In the present invention, the cylindrical direct carbon fuel cell 100 may be any of those manufactured by a structure of a cylindrical direct carbon fuel cell known in the art.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 원통형 직접탄소 연료전지 셀은 다공성 연료극 지지체 파우더인 NiO, 8 몰% 이트리아 안정화 지르코니아, 기공형성제로서 카본블랙을 각각 정량하여 용매와 혼합하고 건조한 후, 이를 채질하여 채질이 완료된 파우더와 유기 바인더, 증류수, 가소제, 윤활제를 혼련하여 제조 된 압출 페이스트로 관형 지지체를 압출성형하여 압출된 성형체를 제조하고, 이를 가소결한 가소결 위에 연료극 기능성층(Anode Functional Layer, AFL), 전해질(Electrolyte), 공기극(Cathode) 순으로 코팅한 뒤 열처리하여 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cylindrical direct carbon fuel cell is prepared by mixing NiO, 8 mol% yttria stabilized zirconia as a porous anode support powder, carbon black as a pore-forming agent, mixing with a solvent, An extruded paste is prepared by extruding a tubular support with an extruding paste prepared by kneading powdered and finished organic binder, distilled water, a plasticizer and a lubricant, and extruding the extruded paste. An anode functional layer, AFL), an electrolyte (electrolyte), and an air electrode (cathode) in this order, followed by heat treatment.

상기 탄소 연료 캐트리지(10) 내부에는 가루, 비즈 또는 펠렛 형태의 탄소 연료가 포함되어 있다.The carbon fuel cartridge 10 contains carbon fuel in the form of powder, beads or pellets.

본 발명에서 사용하는 탄소 연료로는 바이오매스, 석탄, 카본블랙, 활성탄과 같은 고체 탄소계 연료들을 분말을 제조하여 가루, 비즈 혹은 펠렛의 형태로 제작하여 사용할 수 있으나, 반드시 이제 제한되는 것은 아니다.As the carbon fuel used in the present invention, solid carbon-based fuels such as biomass, coal, carbon black, and activated carbon may be prepared into powders, beads or pellets by using powders, but the powders are not necessarily limited.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 전지 부하선이 장착된 연료극지지 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100) 내부에 탄소 연료 캐트리지를 삽입한 후 공기 공급 제어부인 에어 벤트 캡(70)을 조립한다. In one embodiment of the present invention, the carbon fuel cartridge is inserted into the fuel electrode supporting cylindrical direct carbon fuel cell 100 equipped with the battery load line, and then the air vent cap 70 as the air supply control unit is assembled.

상기 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100) 내부에 탄소 연료가 탑재되어야 하기 때문에 연료극 전류 집전체로 인해 탄소 연료 캐트리지(10) 삽입에 장애가 되지 않도록 컴팩트한 연료극 집전체를 설계해야 한다. 따라서 연료극 집전은 Ni펠트 또는 Ag메쉬를 연료극에 최대한 얇게 부착하고 Ag와이어를 집전선으로 사용하도록 한다. Since the carbon fuel must be loaded in the cylindrical direct carbon fuel cell 100, a compact anode current collector should be designed so that it does not interfere with the insertion of the carbon fuel cartridge 10 due to the anode current collector. Therefore, Ni electrode or Ag mesh should be adhered as thin as possible on the anode and Ag wire should be used as the collector wire.

상기 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100)의 일단면에 에어 벤트 캡(70)을 설치하여 소량의 공기를 연료 내로 공급하면 탄소 연료의 불연소를 유도하게 되어 CO가스를 발생하게 하여 연료로 사용하도록 한다.When an air vent cap 70 is installed on one end face of the cylindrical direct carbon fuel cell 100 to supply a small amount of air into the fuel, the carbon fuel will be unburned to generate CO gas, do.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 에어 벤트 캡(70)은 페라이트계 STS를 사용하여 제조된 것을 사용한 것이 바람직하나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the air vent cap 70 is preferably made of ferrite STS, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 보호관(80)이 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100) 위에 형성될 수 있다. 상기 보호관은 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100)을 보호하고 공기 공급을 용이하게 하는 역할을 한다.In one embodiment of the present invention, the protective tube 80 May be formed on the cylindrical direct carbon fuel cell 100. The protection tube protects the cylindrical direct carbon fuel cell 100 and facilitates air supply.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 보호관(80)으로는 STS계 필터를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the STS filter may be used as the protective tube 80.

상기 절연체(90)는 원통형 직접탄소 연료전지 셀(100)과 보호관(80)의 사이의 접촉 부분에 배치되어 절연 특성을 제공한다.The insulator 90 is disposed at a contact portion between the cylindrical direct carbon fuel cell 100 and the protection tube 80 to provide insulation characteristics.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 절연체(90)는 알루미나를 사용하여 제조된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the insulator 90 may be made of alumina, but is not limited thereto.

상술한 원통형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지는 연소 버너 등의 내부에 배치되고 연소 버너의 연소를 통해 온도가 올라가면 원통형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지의 전기가 발생하게 된다. 발생된 전기는 배터리에 충전하거나 다른 외부 전기 부하(60)와 연결되어 사용한다.The direct type carbon direct fuel cell of the above-mentioned cylindrical type is disposed inside a combustion burner or the like, and when the temperature is raised through the combustion of the combustion burner, electricity is generated in the cylindrical direct type carbon carbon fuel cell. The generated electricity is used to charge the battery or to be connected to another external electric load (60).

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 원통형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지가 배치되는 연소 버너는 수초 내지 수십초 이내에 600~1000 ℃의 작동 온도까지 도달하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, it is preferred that the combustion burner in which the cylindrical direct type carbon carbon fuel cell is disposed reaches the operating temperature of 600 to 1000 ° C within a few seconds to several tens of seconds.

본 발명에 따른 원통형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지는 캐소드 납 와이어(50) 및 애노드 납 와이어(40)를 더 포함하며, 상기 캐소드 납 와이어(50) 및 애노드 납 와이어(40)는 전기 부하(60)와 연결되어 생산된 전기를 전달한다. The cylindrical direct-type carbon fuel cell of the present invention further comprises a cathode lead wire 50 and an anode lead wire 40, wherein the cathode lead wire 50 and the anode lead wire 40 are connected to an electrical load 60 ) To deliver the electricity produced.

본 발명의 다른 양태는 평판형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a portable direct carbon fuel cell of the planar type.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지는 평판형 직접탄소 연료전지 셀(100), 탄소 연료 캐트리지(10), 상기 탄소 연료 캐트리지가 배치되는 연료 컨테이너(11) 및 셀 케이싱(20)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the planar direct type carbon fuel cell according to the present invention includes a planar direct carbon fuel cell 100, a carbon fuel cartridge 10, a fuel container in which the carbon fuel cartridge is disposed 11 and a cell casing 20. As shown in FIG.

상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀(100)은 상기 탄소 연료 캐트리지(10)가 배치되는 연료 컨테이너(11) 위에 공기극이 위로 향하도록 가로로 배치된다.The planar direct carbon fuel cell 100 is disposed horizontally with the air electrode facing upward on the fuel container 11 where the carbon-fuel cartridge 10 is disposed.

본 발명에서 평판형 직접탄소 연료전지 셀(100)은 본 기술분야에서 공지된 평판형 직접탄소 연료전지 셀의 구조로 제조된 것을 제한 없이 사용할 수 있다.In the present invention, the planar direct carbon fuel cell 100 may be manufactured using any structure of a planar direct carbon fuel cell known in the art without limitation.

상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀(100)은 탄소 연료 캐트리지(10) 위에 자중에 의해 접촉하도록 하고 탄소 연료가 소모함에 따라 자연스럽게 상기 셀(100)이 자중에 의해 아래로 이동하도록 하여 탄소 연료와 셀(100)의 연료극이 항상 접촉 상태가 유지되도록 하는 것이 바람직하다.The direct-plate-type direct carbon fuel cell 100 is brought into contact with the carbon-fuel cartridge 10 by its own weight. As the carbon fuel is consumed, the cell 100 is naturally moved downward by its own weight, It is preferable that the fuel electrode of the cell 100 is always kept in the contact state.

상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀(100)과 탄소 연료 캐트리지(10) 사이에 공극을 두어 공기가 공급될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이 공극 사이로 공급된 공기는 탄소 연료의 불연소 반응을 일으키게 하여 CO 생성을 촉진하게 되면 생산된 CO는 직접탄소 연료전지의 연료로 사용되게 된다. 공기극의 공기 공급은 자연 대류에 의해 공급되도록 공기에 노출되어 있다. It is preferable that air is supplied by providing a space between the flat carbon type direct carbon fuel cell 100 and the carbon fuel cartridge 10. The air supplied through these pores causes a non-combustion reaction of the carbon fuel, thereby promoting the generation of CO. The generated CO is directly used as the fuel for the carbon fuel cell. The air supply of the air electrode is exposed to air to be supplied by natural convection.

즉, 공기 중에는 대략 20.9%의 산소와 2%의 수분을 함유하고 있어 탄소 연료는 공기 중의 산소 및 물과 접촉하여 아래 반응식과 같은 반응이 일어나 생산된 CO는 직접탄소 연료전지의 연료로 사용되게 된다.That is, the air contains approximately 20.9% of oxygen and 2% of water, so that the carbon fuel comes into contact with oxygen and water in the air and the reaction as shown in the following reaction occurs, so that the produced CO is directly used as the fuel of the carbon fuel cell .

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

C + 1/2O2(농도 적음) → CO2 + COC + 1 / 2O 2 (low concentration) → CO 2 + CO

C + H2O → CO+ H2 C + H 2 O - > CO + H 2

CO + O2- → CO2 + 2e- CO + O 2- → CO2 + 2 e-

상기 탄소 연료 캐트리지(10) 내부에는 플레이트 형태의 탄소 연료를 사용할 수 있다.Inside the carbon-fuel cartridge 10, a plate-shaped carbon fuel may be used.

상술한 바와 같이 상기 탄소 연료로는 바이오매스, 석탄, 카본블랙, 활성탄과 같은 고체 탄소계 연료들을 분말을 제조하여 가루, 비즈 혹은 펠렛의 형태로 제작하여 사용할 수 있으며, 이를 연료 캐트리지에 채워 셀 연료극 하단부에 위치시켜 사용하는 것이 바람직하다.As described above, the carbon-based fuels may be prepared by preparing solid carbon-based fuels such as biomass, coal, carbon black, and activated carbon in the form of powder, beads or pellets, It is preferable to use it at the lower end of the anode.

본 발명에 따른 평판형 직접탄소 연료전지에서 셀(100)은 탄소 연료 캐트리지(10) 위에 자중에 의해 접촉하도록 하고(lift-up) 탄소 연료가 소모함에 따라 자연스럽게 셀(100)이 자중에 의해 아래로 이동하도록 하여(lower down) 탄소 연료와 셀의 연료극이 항상 접촉상태가 유지되도록 하였다.According to the invention In a flat-type direct carbon fuel cell, the cell 100 is brought into contact with the carbon-fuel cartridge 10 by its own weight, and the cell 100 is naturally moved downward by its own weight as the carbon fuel is consumed So that the carbon fuel and the fuel electrode of the cell are always kept in contact with each other.

본 발명에 따른 평판형 직접탄소 연료전지에서 전류 집전체(30)은 캐소드 납 와이어(50) 및 애노드 납 와이어(40)를 더 포함하며, 상기 캐소드 납 와이어(50) 및 애노드 납 와이어(40)는 전기 부하(60)와 연결되어 생산된 전기를 전달한다. According to the invention The current collector 30 of the planar direct carbon fuel cell further comprises a cathode lead wire 50 and an anode lead wire 40 which are electrically connected to an electrical load 60) to transmit the generated electricity.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 직접탄소 연료전지(200)는 DCFC 셀 시스템 바디에 포함되어 버너(300)에 결합될 수 있다.Referring to FIG. 3, the planar direct carbon fuel cell 200 according to the present invention may be included in the DCFC cell system body and coupled to the burner 300.

상기 버너(300)를 연소시켜 평판형 직접탄소 연료전지(200)의 온도를 상승시켜 작동 온도에 도달하게 되면 전기가 발생하게 된다. 발생된 전기는 배터리에 충전하거나 다른 외부 전기 부하(60)와 연결되어 사용한다.When the burner 300 is burned to raise the temperature of the planar direct carbon fuel cell 200 to reach the operating temperature, electricity is generated. The generated electricity is used to charge the battery or to be connected to another external electric load (60).

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 평판형 타입의 휴대용 직접탄소 연료전지가 배치되는 연소 버너는 30분 이내에 600~1000 ℃의 작동 온도까지 도달하는 것이 셀의 열충격에 대한 내성의 단점을 개선하는데 있어서 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the combustion burner in which the portable direct carbon fuel cell of the planar type is disposed reaches the operating temperature of 600 to 1000 占 폚 within 30 minutes in improving the disadvantage of resistance to thermal shock of the cell desirable.

실시예Example

휴대용 원통형 직접탄소 연료전지의 제작Manufacture of Portable Cylindrical Direct Carbon Fuel Cell

고체산화물연료전지의 제작방법을 기반으로 관형 연료극 지지체 탄소연료전지 단위전지를 제작하였다. 다공성 연료극 지지체 파우더를 제조하기 위하여 NiO(JT. Baker, USA), 8 mol% yttria stabilized zirconia(TZ-8YSZ, Tosoh Co.), 기공형성제인 카본블랙(carbon black, Korea Carbon Black Co. KOREA)을 각각 정량하여 용매인 에탄올과 함께 습식 볼 밀링법(Wet Ball milling method)을 적용하여 혼합한 뒤 95 ℃의 온도에서 건조하였다. 건조 된 연료극 지지체 파우더를 No.100 μm 크기의 채를 이용하여 채질(Sieving)하였다. 채질이 완료된 파우더와 유기 바인더, 증류수, 가소제, 윤활제를 혼련(kneading)하여 제조 된 압출 페이스트로 외부직경이 13mm인 관형 지지체를 압출성형 하였다. 압출된 성형체는 상온에서 48시간 롤링 건조 한 뒤 가소결 하였다. 가소결은 350-750-1100 ℃의 3단계 승온 과정을 통해 진행되었으며 가소결을 통하여 기공형성제, 유기바인더, 증류수, 가소제, 윤활제 등의 첨가물을 제거하였다. 가소결체 위에 연료극 기능성층(Anode Functional Layer, AFL), 전해질(Electrolyte), 공기극(Cathode) 순으로 코팅한 뒤 열처리하였다. 연료극 지지체와 전해질 층 사이에 연료극 기능성층을 얇게 코팅함으로서 전기화학반응 자리를 증가 시킬 수 있었다. 연료극 기능성층은 가소결체 위에 NiO-YSZ 슬러리를 딥코팅법(Dip slurry Coating method)을 적용하여 코팅하였으며, 1000 ℃의 온도에서 열처리 하였다. 8YSZ 전해질 슬러리를 제조한 뒤 연료극 기능성층 위에 진공 슬러리 코팅법(Vacuum slurry coating metod)을 통하여 코팅한 뒤 1400 ℃ 온도에서 소결하였다. 공기극은 연료극 기능성층과 마찬가지로 딥코팅법을 이용하여 전해질 층 위에 LSM(La0.85Sr0.15)0 . 9MnO3)/YSZ, LSM, LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3) 순으로 코팅하였다. 코팅 된 복합공기극층(Composite Cathodes Layer)은 상온에서 충분히 건조시킨 뒤 1150 ℃의 온도에서 열처리 하였다. 연료극의 NiO를 Ni로 환원시켜 전극역할을 수행할 수 있도록, 공기극 소결체를 700 ℃의 온도에서 질소와 수소의 혼합가스(10 % H2)를 흘려주며 환원하였다. 환원체 내부에 Ni 와이어를 점용접(Spot welding)한 Ni 펠트를 넣어 연료극 집전을 하였으며, 공기극 코팅 면 위에 Ag 와이어와 Ag 메시를 이용하여 공기극 집전하였다. 전류집전 후 셀 양 끝을 open cap(SUS 430)으로 유리 밀봉재(Glass seal, Mico)를 이용하여 밀봉하였다.Based on the manufacturing method of the solid oxide fuel cell, a tubular anode support carbon fuel cell unit cell was fabricated. 8 mol% yttria stabilized zirconia (TZ-8YSZ, Tosoh Co.) and carbon black (Korea Carbon Black Co., KOREA) were used to prepare porous anode support powder. And then wet-ball milling method was applied together with ethanol as a solvent, followed by drying at a temperature of 95 ° C. The dried anode support powder was sieved using a No. 100 μm-sized sieve. A tubular support having an outer diameter of 13 mm was extruded with an extrusion paste prepared by kneading powdered powder, organic binder, distilled water, plasticizer, and lubricant. The extruded molded body was rolled and dried at room temperature for 48 hours and plasticized. The plasticizations proceeded through a three - step heating process at 350-750-1100 ℃. The additives such as pore formers, organic binders, distilled water, plasticizers and lubricants were removed through plasticization. Anode Functional Layer (AFL), Electrolyte, and Cathode were coated in this order on the plastic substrate, followed by heat treatment. It was possible to increase the electrochemical reaction site by thinly coating the anode functional layer between the anode support and the electrolyte layer. The anode functional layer was coated with a NiO-YSZ slurry by dip coating method (Dip Slurry Coating method) on the calcined body and heat-treated at a temperature of 1000 ° C. 8YSZ electrolyte slurry was prepared and then coated on the anode functional layer by a vacuum slurry coating method and sintered at 1400 ° C. As for the air electrode, LSM (La 0.85 Sr 0.15 ) 0 was formed on the electrolyte layer by the dip coating method like the anode functional layer . 9 MnO 3 ) / YSZ, LSM, and LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ). The coated composite cathode layer was sufficiently dried at room temperature and then heat-treated at a temperature of 1150 ° C. The anode sintered body was reduced by flowing a mixed gas of nitrogen and hydrogen (10% H 2 ) at a temperature of 700 ° C so that the NiO of the anode could be reduced to Ni to serve as an electrode. Nickel wire spot welded with Ni wire was placed inside the reducing body, and the anode pole was collected by using Ag wire and Ag mesh on the cathode pole side. After current collection, both ends of the cell were sealed with an open cap (SUS 430) using a glass seal (Mico).

상기와 같이 제조된 원통형 직접탄소 연료전지 셀 내부에 탄소 연료가 충전된 탄소 연료 캐트리지를 삽입한 후 공기 공급 제어부인 에어 벤트 캡을 조립하고 연료극 집전체를 구성하였고 도 4에 나타난 바와 같이 연속운전을 수행하였다.After inserting the carbon fuel cartridge filled with the carbon fuel into the cylindrical direct carbon fuel cell fabricated as described above, the air vent cap, which is an air supply control unit, was assembled and the fuel electrode collector was constructed. As shown in FIG. 4, Respectively.

시험예Test Example

실시예에서 제조된 원통형 직접탄소 연료전지를 연속운전하여 단위면적당 2 mA의 일전한 전류를 인가하며 약 한시간동안 셀 전압을 측정하여 도 5a에 나타내었다. 또한 원통형 직접탄소 연료전지 셀에 10초마다 전류를 0.1 A씩 증가시키며 셀 전압을 측정하였으며 이 값을 토대로 셀 전력을 계산하여 도 5b에 나타내었다.The cylindrical direct carbon fuel cell manufactured in the example was continuously operated to apply a current of 2 mA per unit area, and the cell voltage was measured for about one hour and is shown in FIG. 5A. Also, the cell voltage was measured by increasing the current by 0.1 A every 10 seconds in the cylindrical direct carbon fuel cell, and the cell power was calculated based on this value and shown in FIG. 5B.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10: 탄소 연료 캐트리지 11: 연료 컨테이터
20: 셀 케이싱 30: 전류 집전체
40: 애노드 납 와이어 50: 캐소드 납 와이어
60: 전기 부하 70: 에어 벤트 캡
80: 보호관
90: 절연체
300: 버너10: Carbon Fuel Cartridge 11: Fuel Container
20: cell casing 30: current collector
40: anode lead wire 50: cathode lead wire
60: Electric load 70: Air vent cap
80: Protector
90: Insulator
300: Burner

Claims (11)

원통형 직접탄소 연료전지 셀;
원통형 직접탄소 연료전지 셀 내부에 삽입되어 있는 탄소 연료 캐트리지;
원통형 직접탄소 연료전지 셀 외부에 형성되어 있는 보호관;
원통형 직접탄소 연료전지 셀의 일단면에 위치하고 보호관과 연결되어 있는 에어 벤트 캡;
원통형 직접탄소 연료전지 셀과 보호관 사이의 접촉부분에 배치되어 있는 절연체; 및
원통형 직접탄소 연료전지 셀의 일면에 연결되고 전기 부하와 연결되어 생산된 전기를 전달하는 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어;를 포함하고,
버너 장치에 탑재되어 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는,
휴대용 원통형 직접탄소 연료전지.
A cylindrical direct carbon fuel cell;
A carbon fuel cartridge inserted within a cylindrical direct carbon fuel cell;
A protective tube formed outside the cylindrical direct carbon fuel cell;
An air vent cap positioned at one end of the cylindrical direct carbon fuel cell and connected to the protective tube;
An insulator disposed at a contact portion between the cylindrical direct carbon fuel cell and the protection tube; And
A cathode lead wire and an anode lead wire connected to one side of the cylindrical direct carbon fuel cell and communicating with the electric load to transfer the produced electricity,
Characterized in that it is mounted on a burner device and generates electricity.
Portable cylindrical direct carbon fuel cell.
삭제delete [청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][Claim 3 is abandoned upon payment of the registration fee.] 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 연료 캐트리지 내의 탄소 연료는 가루, 비즈 또는 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 원통형 직접탄소 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon fuel in the carbon-fuel cartridge is in the form of powder, beads or pellets.
삭제delete 삭제delete [청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][Claim 6 is abandoned due to the registration fee.] 청구항 1에 있어서,
버너 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 원통형 직접탄소 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel cell is disposed inside the burner.
연료 컨테이너;
연료 컨테이너에 배치되어 있는 탄소 연료 캐트리지;
탄소 연료 캐트리지가 배치되는 연료 컨테이너 위에 공기극이 위로 향하도록 가로로 배치되어 있는 평판형 직접탄소 연료전지 셀;
평판형 직접탄소 연료전지 셀의 일면에 연결되어 셀을 고정시키는 셀 케이싱(casing);
평판형 직접탄소 연료전지 셀의 일면에 연결되고 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어에 연결되는 전류 집전체; 및
전류 집전체에 연결되고 전기 부하와 연결되어 생산된 전기를 전달하는 캐소드 납 와이어 및 애노드 납 와이어;를 포함하고,
여기서, 상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀은 상기 탄소 연료 캐트리지 위에 자중에 의해 접촉되도록 되어 있어 탄소 연료가 소모함에 따라 자연스럽게 상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀이 자중에 의해 아래로 이동하도록 하여 탄소 연료와 평판형 직접탄소 연료전지 셀의 연료극이 항상 접촉 상태가 유지되도록 구성되어 있으며,
버너 장치에 탑재되어 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는,
휴대용 평판형 직접탄소 연료전지.
Fuel container;
A carbon fuel cartridge disposed in the fuel container;
A planar direct carbon fuel cell having a cathode disposed horizontally above a fuel container on which a carbon fuel cartridge is disposed;
A cell casing connected to one surface of the planar direct carbon fuel cell and fixing the cell;
A current collector connected to one side of the planar direct carbon fuel cell and connected to the cathode lead wire and the anode lead wire; And
A cathode lead wire and an anode lead wire connected to the current collector and connected to the electric load to transmit the produced electricity,
Here, the flat type direct carbon fuel cell is brought into contact with the carbon-fuel cartridge by its own weight, so that the flat carbon-type direct carbon fuel cell can naturally move downward due to its own weight as the carbon fuel is consumed, And the fuel electrode of the flat-type direct carbon fuel cell are always kept in contact with each other,
Characterized in that it is mounted on a burner device and generates electricity.
Portable planar direct carbon fuel cell.
[청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][8] has been abandoned due to the registration fee. 청구항 7에 있어서,
상기 탄소 연료 캐트리지 내의 탄소 연료는 플레이트 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 평판형 직접탄소 연료전지.
The method of claim 7,
Wherein the carbon fuel in the carbon-fuel cartridge is in the form of a plate.
삭제delete 청구항 7에 있어서,
상기 평판형 직접탄소 연료전지 셀과 탄소 연료 캐트리지 사이에 공극을 두어 공기가 공급될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 평판형 직접탄소 연료전지.
The method of claim 7,
Wherein the direct carbon fuel cell is configured such that air can be supplied by providing a space between the planar direct carbon fuel cell and the carbon fuel cartridge.
[청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][Claim 11 is abandoned upon payment of the registration fee.] 청구항 7에 있어서,
버너 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 평판형 직접탄소 연료전지.The method of claim 7,
Wherein the direct carbon fuel cell is disposed above the burner.
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JP2015534220A (en) * 2012-09-21 2015-11-26 デンマークス・テクニスク・ユニベルシタツトＤａｎｍａｒｋｓ Ｔｅｋｎｉｓｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｔ Rechargeable carbon-oxygen battery

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