KR102296102B1 - Sustainably power-generating fuel cell using sea water - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소전극을 구비한 연료전지로서, 이온화 용액; 상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질로 이루어진 양극; 및 상기 이온화 용액 내에서 상기 양극에서 소정 거리 이격되어 배치되며 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 이루어진 음극;을 포함하고, 상기 양극과 음극 사이의 표면전위의 전위차가 200mV 이상이며, 상기 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 발생하는 기전력에 의해 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell having a carbon electrode, comprising: an ionization solution; an anode disposed in the ionization solution and made of a material having a relatively high surface potential; and a cathode disposed at a predetermined distance from the anode in the ionization solution and made of a material having a relatively low surface potential, wherein the potential difference between the surface potential between the anode and the cathode is 200 mV or more, and between the anode and the cathode To provide a fuel cell, characterized in that the electric current is generated by the electromotive force generated by the potential difference.

Description

지속적으로 발전가능한 해수 연료전지 {Sustainably power-generating fuel cell using sea water} Sustainably power-generating fuel cell using sea water

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소전극을 구비하며 해수 등의 이온화 용액을 이용하여 지속적으로 발전할 수 있는 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell having a carbon electrode and capable of continuously generating electricity using an ionizing solution such as seawater.

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 얻거나 습도차, 물의 증발, 물의 젖음 등을 활용하여 에너지를 얻는 연구가 이루어지고 있다. Since the sea occupies more than 70% of the earth's surface and is one of the resources with a lot of energy, many efforts are being made to produce eco-friendly energy using the sea. The existing power generation system using seawater used salinity difference, tidal power, and wave power. In addition, many studies are currently being conducted to obtain energy from the flow of water for seawater power generation, or to obtain energy by using humidity difference, evaporation of water, wetness of water, etc.

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.In the case of existing salinity, tidal, and wave power generation, there are geographical conditions and influences such as weather and climate, so there is a limit to continuous energy production. There is a limit to its utilization because it is possible to produce electrical energy from this energy only when there is physical energy present in it.

특허문헌: 한국 공개특허번호 제2016-0018356호 (2016년 2월 17일 공개)Patent Literature: Korean Patent Publication No. 2016-0018356 (published on February 17, 2016)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 양극과 음극을 각각 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 연료전지를 제공한다.The present invention has been devised to solve the above problems, by using the anode and the cathode as various carbon electrodes and oxides thereof, such as carbon nanotubes, graphene, and graphite, respectively, and using ions present in an ionization solution such as seawater. A fuel cell capable of continuously producing electrical energy without input of physical electrochemical energy from the outside is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소전극을 구비한 연료전지로서, 이온화 용액; 상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질로 이루어진 양극; 및 상기 이온화 용액 내에서 상기 양극에서 소정 거리 이격되어 배치되며 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 이루어진 음극;을 포함하고, 상기 양극과 음극 사이의 표면전위의 전위차가 200mV 이상이며, 상기 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 발생하는 기전력에 의해 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell having a carbon electrode, comprising: an ionization solution; an anode disposed in the ionization solution and made of a material having a relatively high surface potential; and a cathode disposed at a predetermined distance from the anode in the ionization solution and made of a material having a relatively low surface potential, wherein the potential difference between the surface potential between the anode and the cathode is 200 mV or more, and between the anode and the cathode To provide a fuel cell, characterized in that the electric current is generated by the electromotive force generated by the potential difference.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소전극을 구비한 연료전지로서, 상부 케이스와 하부 케이스의 결합에 의해 밀폐된 내부 공간을 갖는 연료전지 케이스; 상기 밀폐 공간 내에서 하부 케이스의 상부에 배치되며 상대적으로 표면전위가 낮은 재질의 음극; 상기 음극 위에 배치되며 상대적으로 표면전위가 높은 재질의 양극; 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막; 및 상기 밀폐 공간 내에 채워진 이온화 용액;을 포함하며, 상기 양극과 음극 사이의 표면전위의 전위차가 200mV 이상이며, 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 발생하는 기전력에 의해 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell having a carbon electrode, comprising: a fuel cell case having an inner space sealed by a combination of an upper case and a lower case; a cathode disposed on the lower case in the enclosed space and made of a material having a relatively low surface potential; an anode disposed on the cathode and made of a material having a relatively high surface potential; a separator disposed between the anode and the cathode; and an ionization solution filled in the sealed space, wherein the potential difference of the surface potential between the anode and the cathode is 200 mV or more, and the fuel is characterized in that the current is generated by the electromotive force generated by the potential difference between the anode and the cathode. battery is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 다양한 탄소 재질 및 이들의 산화물로 양극과 음극을 각각 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 해수발전 시스템을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an anode and a cathode are each made of various carbon materials and oxides thereof, and ions present in an ionization solution such as seawater are used, so that even in a state without external force or electrochemical energy input such as a flow of seawater. Since it can continuously generate electricity, 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 seawater power generation system that can produce energy.

도1은 일 실시예에 따른 해수 연료전지를 설명하는 도면,
도2는 도1의 해수 연료전지가 생성하는 전압을 나타내는 도면,
도3은 일 실시예에 따른 코인셀 형상의 해수 연료전지를 나타내는 도면,
도4는 도3의 해수 연료전지가 생성하는 전압을 나타내는 도면,
도5는 도4의 전압 그래프를 확대한 도면이다. 1 is a view for explaining a seawater fuel cell according to an embodiment;
2 is a view showing the voltage generated by the seawater fuel cell of FIG. 1;
3 is a view showing a coin cell-shaped seawater fuel cell according to an embodiment;
4 is a view showing a voltage generated by the seawater fuel cell of FIG. 3;
5 is an enlarged view of the voltage graph of FIG.

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.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

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.As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used in the specification, the expressions 'comprising', 'consisting of', and 'consisting of' mean the omission of one or more of the mentioned elements or the presence or addition of one or more other elements in addition to the mentioned elements. do not exclude

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 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. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically explain and help the understanding of the invention. However, readers with enough knowledge in this field to understand the present invention It can be recognized that it can be used without specific content. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and that are not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion in describing the present invention.

도1은 일 실시예에 따른 해수 연료전지를 나타낸다. 도면을 참조하면 일 실시예에 따른 연료전지는 양극(10), 음극(20), 이온화 용액(30), 및 이들을 수용하는 용기(50)를 포함한다.1 shows a seawater fuel cell according to an embodiment. Referring to the drawings, a fuel cell according to an embodiment includes an anode 10 , a cathode 20 , an ionization solution 30 , and a container 50 accommodating them.

양극(10)은 이온화 용액(30) 내에 배치되며 카본 재질로 구성된다. 일 실시예에서 음극(20)에 비해 상대적으로 표면전위가 높은 카본 계열의 소재로서, 예를 들어 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함한다. The anode 10 is disposed in the ionization solution 30 and is made of a carbon material. In one embodiment, as a carbon-based material having a relatively high surface potential compared to the negative electrode 20 , for example, it includes at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene.

음극(20)은 이온화 용액(30) 내에 배치되며 양극(10)에서 소정 거리 이격되어 배치된다. 음극(20)은 양극(10)에 비해 상대적으로 표면전위가 낮은 탄소산화물, 즉 카본 옥사이드 재질로 구성된다. 예를 들어 일 실시예에서 음극(20)은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드로 구성될 수 있다. The cathode 20 is disposed in the ionization solution 30 and spaced apart from the anode 10 by a predetermined distance. The negative electrode 20 is composed of a carbon oxide having a relatively low surface potential compared to the positive electrode 10 , that is, a carbon oxide material. For example, in one embodiment, the negative electrode 20 may be composed of carbon oxide in which the surface of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene is substituted with an oxygen group.

일 실시예에서 양극(10)은 상대적으로 표면전위가 높은 재질이고 음극(20)은 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 구성되며 두 전극간 표면전위차가 200mV 이상일 수 있다. 일 실시예에서 양극(10)은 상대적으로 표면전위가 높은 카본 재질이고 음극(20)은 양극(10)에 비해 상대적으로 표면전위가 낮은 카본 옥사이드 재질로 구성되며 두 전극간 표면전위차가 200mV 이상일 수 있다. In an embodiment, the anode 10 is made of a material having a relatively high surface potential, and the cathode 20 is made of a material having a relatively low surface potential, and the surface potential difference between the two electrodes may be 200 mV or more. In one embodiment, the positive electrode 10 is a carbon material having a relatively high surface potential, and the negative electrode 20 is composed of a carbon oxide material having a relatively low surface potential compared to the positive electrode 10, and the surface potential difference between the two electrodes can be 200 mV or more. have.

예를 들어 도시한 실시예에서 양극(10)은 카본 나노튜브로 구성하였고 음극(20)은 그래핀 옥사이드로 구성하였는데, 이 경우 양극(10)은 대략 120mV의 표면전위를 가지며 음극(20)은 대략 -100mV의 표면전위를 가지므로 두 전극간 표면전위차는 대략 220mV이다. 양극(10)의 재질과 음극(20)의 재질에 따라 두 전극간 표면전위차가 달라질 수 있는데 표면전위차가 높을수록 전류가 더 많이 생성될 수 있으므로 표면전위차가 200mV 이상인 것이 바람직하다. For example, in the illustrated embodiment, the positive electrode 10 is composed of carbon nanotubes and the negative electrode 20 is composed of graphene oxide. In this case, the positive electrode 10 has a surface potential of approximately 120 mV and the negative electrode 20 is Since it has a surface potential of approximately -100 mV, the surface potential difference between the two electrodes is approximately 220 mV. The surface potential difference between the two electrodes may vary depending on the material of the anode 10 and the material of the cathode 20. The higher the surface potential difference, the more current can be generated, so the surface potential difference is preferably 200 mV or more.

양극(10)과 음극(20)의 각각에는 집전체(11,21)가 부착될 수 있다. 집전체(11,21)는 금, 구리 등 전기전도성의 임의의 금속 또는 하나 이상의 금속의 합금으로 구성될 수 있고, 양극(10)과 음극(20)의 낮은 전기전도성을 보완하여 전류 생성 효율을 높일 수 있다. 음극(20)은 전기전도성이 비교적 낮은 탄소 산화물이므로 집전체(21)를 부착하는 것이 바람직하고 양극(10)은 상대적으로 전기전도성이 높으므로 발명의 구체적 실시 형태에 따라 선택적으로 집전체(11)를 부착할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만 두 전극(10,20) 사이에 일정 간격을 유지하기 위해 분리막(도시 생략)을 설치할 수 있다. Current collectors 11 and 21 may be attached to each of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 . The current collectors 11 and 21 may be made of any metal having electrical conductivity such as gold, copper, or an alloy of one or more metals, and the current generation efficiency is improved by supplementing the low electrical conductivity of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 . can be raised Since the negative electrode 20 is a carbon oxide having relatively low electrical conductivity, it is preferable to attach the current collector 21, and the positive electrode 10 has relatively high electrical conductivity, so the current collector 11 selectively according to a specific embodiment of the invention. can be attached. In addition, although not shown in the drawings, a separator (not shown) may be installed to maintain a predetermined distance between the two electrodes 10 and 20 .

이온화 용액(30)은 전해질이 이온 상태로 존재할 수 있는 용액으로, 예를 들어 해수(sea water), 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 및 염화철(FeCl2) 용액 중 적어도 하나일 수 있다. 이 때 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 또는 염화철 용액에서 각 용질은 예를 들어 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 가질 수 있으나 대안적 실시예에서 그 이상의 농도도 가능하다. 또한 이들 용액의 제조를 위해 물을 용매로 사용할 수 있고, 또는 에탄올, 암모니아, 아세트산 등과 같은 극성 양자성 용매를 사용할 수 있다. 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, and iron chloride (FeCl 2 ) solution. can At this time, each solute in the sodium chloride solution, calcium chloride solution, or iron chloride solution may have a concentration of, for example, 0.1 wt% to 10 wt%, but in an alternative embodiment, a concentration higher than that is possible. In addition, for the preparation of these solutions, water may be used as a solvent, or a polar protic solvent such as ethanol, ammonia, acetic acid and the like may be used.

용기(50)는 양극(10), 음극(20), 및 이온화 용액(50)을 수용하는 케이스이며 발명의 구체적 실시 형태에 따라 형상이나 재질이 달라질 수 있다. 예를 들어 용기(50)는 파우치 형태의 케이스일 수도 있고 코인셀 형상의 케이스로 구현될 수도 있다. The container 50 is a case for accommodating the positive electrode 10 , the negative electrode 20 , and the ionization solution 50 , and may have a different shape or material according to a specific embodiment of the present invention. For example, the container 50 may be a pouch-shaped case or may be implemented as a coin cell-shaped case.

상술한 구성의 연료전지 구성에 의하면, 양극(10)과 음극(20)에 도선(40)을 연결하면 음극(20)에 전자가 생성되어 도선(40)을 따라 소정 전류가 흐르는 것을 발견하였다. 예컨대 이온화 용액으로 해수나 NaCl 용액을 사용한 경우 나트륨 이온(Na+)이 음극(20) 주위로 모이고 염소 이온(Cl-)이 양극(10) 주위로 모이면서 양극(10)과 음극(20) 사이에 전위차가 형성되고 이에 의한 기전력에 의해 도선(40)을 흐르는 전류가 생성된다. 이 때 생성되는 전류는 미량이기는 하지만 일정한 전압을 유지하며 지속적으로 생성된다. According to the fuel cell configuration having the above-described configuration, it was found that when the conductive wire 40 is connected to the positive electrode 10 and the negative electrode 20 , electrons are generated in the negative electrode 20 and a predetermined current flows along the conductive wire 40 . For example, when seawater or NaCl solution is used as the ionization solution, sodium ions (Na+) are collected around the cathode 20 and chlorine ions (Cl-) are collected around the anode 10, and between the anode 10 and the cathode 20 A potential difference is formed and a current flowing through the conductive wire 40 is generated by the electromotive force. Although the current generated at this time is small, it maintains a constant voltage and is continuously generated.

이와 관련하여 도2는 본 발명에 따른 연료전지가 생성하는 전압을 나타내는 실험 그래프이다. 실험을 위해 비이커 등의 용기(50)에 카본 나노튜브의 양극(10) 시편과 그래핀 옥사이드의 음극(20) 시편을 사용하였다. 양극(10) 및 음극(20) 시편은 각각 가로*세로*두께를 20mm*20mm*20μm의 크기로 제작하였고, 두 시편간 거리를 0.5mm 내지 2mm 사이를 유지하였다. 그러나 이러한 시편 크기와 시편간 거리는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그리고 이온화 용액(30)으로서 해수를 사용하였고, 양쪽 전극(10,20)의 시편에 각각 금속 집전체(11,21)를 부착하고 이 집전체(11,21)에 사이에 걸리는 전압과 전류를 측정하였다. In this regard, FIG. 2 is an experimental graph showing the voltage generated by the fuel cell according to the present invention. For the experiment, a positive electrode 10 specimen of carbon nanotube and a negative electrode 20 specimen of graphene oxide were used in a container 50 such as a beaker. The positive electrode 10 and negative electrode 20 specimens were prepared in a size of 20 mm * 20 mm * 20 μm in width * length * thickness, respectively, and the distance between the two specimens was maintained between 0.5 mm and 2 mm. However, the size of the specimen and the distance between the specimens do not limit the scope of the present invention and may vary depending on specific embodiments. And seawater was used as the ionization solution 30, and the metal current collectors 11 and 21 were attached to the specimens of both electrodes 10 and 20, respectively, and the voltage and current applied between the current collectors 11 and 21 were measured. measured.

이러한 연료전지를 200시간 동안 측정한 결과 도2의 그래프를 얻었다. 이 그래프에 따르면 260mV 내지 290mV 사이의 전압 및 대략 1 ㎂/㎠의 전류밀도를 갖는 전기 에너지가 지속적으로 생성되었다. 즉 본 발명의 연료전지에 의하면 해수의 흐름이나 외력 등의 물리적 에너지나 전기화학적 에너지가 공급되지 않고 단순히 두 전극(10,20)을 해수 내에 배치시킨 것만으로 두 전극(10,20) 사이에 전기 에너지가 생성됨으로 확인하였다. As a result of measuring this fuel cell for 200 hours, the graph of FIG. 2 was obtained. According to this graph, electrical energy with a voltage between 260 mV and 290 mV and a current density of approximately 1 μA/cm 2 was continuously generated. That is, according to the fuel cell of the present invention, no physical energy or electrochemical energy such as a flow of seawater or an external force is supplied, and electricity is provided between the two electrodes 10 and 20 simply by placing the two electrodes 10 and 20 in seawater. It was confirmed that energy was generated.

도3은 본 발명의 연료전지를 코인셀 형상의 연료전지로 구현한 예시적 실시예를 나타낸 것으로 도3(a)는 연료전지의 사시도이고 도3(b)는 내부 단면도를 개략적으로 도시하였다. 3 is a view showing an exemplary embodiment in which the fuel cell of the present invention is implemented as a coin cell-shaped fuel cell. FIG. 3 (a) is a perspective view of the fuel cell, and FIG. 3 (b) is a schematic internal cross-sectional view.

도면을 참조하면 본 발명의 코인셀 연료전지는(100)는 종래의 코인셀 전지와 같이 동전 형상의 전지로 구현될 수 있다. Referring to the drawings, the coin cell fuel cell 100 of the present invention may be implemented as a coin-shaped battery like a conventional coin cell battery.

일 실시예에서 코인셀 연료전지(100)는 상부 케이스(101)와 하부 케이스(102)를 포함하는 동전 형상의 케이스를 구비한다. 상부 케이스(101)는 하부 케이스(102)의 상부에 결합되어 밀폐된 내부 공간이 형성된다. 이 밀폐 공간 내에서 하부 케이스(102)의 상부에 차례로 음극(110), 분리막(120), 양극(130)이 적층되고, 선택적으로 스페이서(140) 및 스프링(150)이 추가적으로 적층될 수 있으며, 케이스 내부의 밀폐된 공간에 이온화 용액(170)이 채워진다. In one embodiment, the coin cell fuel cell 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 to form a sealed inner space. In this sealed space, the negative electrode 110, the separator 120, and the positive electrode 130 are sequentially stacked on the upper part of the lower case 102, and optionally the spacer 140 and the spring 150 can be additionally stacked, The ionization solution 170 is filled in the sealed space inside the case.

도1을 참조하여 설명한 것과 같이 양극(130)은 상대적으로 표면전위가 높은 재질로 구성된다. 예를 들어 양극(130)은 상대적으로 표면전위가 높은 카본 재질로 구성되며, 예컨대 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함한다. 음극(110)은 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 구성된다. 예를 들어 음극(110)은 양극(130)에 비해 상대적으로 표면전위가 낮은 카본 옥사이드 재질로 구성되며, 예컨대 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드로 구성될 수 있다. 이 때 일 실시예에서 양극(130)과 음극(110) 간 표면전위차는 200mV 이상인 것이 바람직하다. As described with reference to FIG. 1 , the anode 130 is made of a material having a relatively high surface potential. For example, the positive electrode 130 is made of a carbon material having a relatively high surface potential, and includes, for example, at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene. The cathode 110 is made of a material having a relatively low surface potential. For example, the negative electrode 110 is composed of a carbon oxide material having a relatively low surface potential compared to the positive electrode 130, for example, the surface of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene is substituted with an oxygen group. It may be composed of carbon oxide. At this time, in an embodiment, the surface potential difference between the anode 130 and the cathode 110 is preferably 200 mV or more.

분리막(120)은 양극(130)과 음극(110) 사이에 개재되어 배치되며 두 전극(110,130)이 통전하지 않도록 이격시킨다. 분리막(120)은 절연성의 임의의 재질로 구성될 수 있다. 일 실시예에서 분리막(120)은 네트 구조의 글래스 파이버로 구성될 수 있으며 이 경우 두 전극(110,130)을 이격시킬 뿐만 아니라 글래스 파이버의 네트 구조에 이온화 용액(170)을 함유할 수 있으므로 전기에너지 생성 효율을 높일 수 있다. The separator 120 is interposed between the positive electrode 130 and the negative electrode 110 and spaced apart so that the two electrodes 110 and 130 do not conduct electricity. The separator 120 may be made of any insulating material. In an embodiment, the separator 120 may be formed of a glass fiber having a net structure. In this case, the two electrodes 110 and 130 may be spaced apart, and the ionization solution 170 may be contained in the net structure of the glass fiber, thereby generating electrical energy. efficiency can be increased.

스페이서(140)와 스프링(150)은 상부 케이스(101)와 양극(130) 사이에 개재되어 내부 공간을 충진하고 두 전극(110,130)을 가압하는 역할을 하며 실시 형태에 따라 코인셀 연료전지(100) 내에 선택적으로 구비될 수 있다. 또한 일 실시예에서 하부 케이스(102) 내부 측면을 따라 배치되는 대략 링 형상의 부재인 가스켓(160)을 더 포함할 수 있다. 상부 케이스(101)의 외주면이 가스켓(160)에 결합됨으로써 상부 케이스(101)를 하부 케이스(102)에 결합할 수 있고 이와 동시에 케이스 내부 공간을 밀폐시키고 두 케이스(101,102) 사이의 통전을 방지할 수 있다. The spacer 140 and the spring 150 are interposed between the upper case 101 and the positive electrode 130 to fill the inner space and press the two electrodes 110 and 130, and according to the embodiment, the coin cell fuel cell 100 ) may be optionally provided within. In addition, in one embodiment, the lower case 102 may further include a gasket 160 that is a substantially ring-shaped member disposed along the inner side. Since the outer peripheral surface of the upper case 101 is coupled to the gasket 160, the upper case 101 can be coupled to the lower case 102, at the same time sealing the inner space of the case and preventing energization between the two cases 101 and 102. can

이온화 용액(170)은 도1의 실시예와 마찬가지로 전해질이 이온 상태로 존재할 수 있는 용액으로, 예를 들어 해수, 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 및 염화철(FeCl2) 용액 중 적어도 하나일 수 있다. 이 때 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 또는 염화철 용액에서 각 용질은 예를 들어 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 가질 수 있다. 또한 이들 용액의 제조를 위해 물 또는 에탄올, 암모니아, 아세트산 등과 같은 극성 양자성 용매를 사용할 수 있다. The ionization solution 170 is a solution in which the electrolyte can exist in an ionic state, as in the embodiment of FIG. 1 , for example, seawater, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl 2 ) solution, and iron chloride (FeCl 2 ) solution. There may be at least one. At this time, each solute in sodium chloride solution, calcium chloride solution, or iron chloride solution may have a concentration of, for example, 0.1 wt% to 10 wt%. It is also possible to use water or a polar protic solvent such as ethanol, ammonia, acetic acid and the like for the preparation of these solutions.

이온화 용액(170)은 케이스 내의 밀폐 공간 전체에 채워질 수 있고, 또한 바람직하게는 분리막(120) 사이에도 스며들어 존재함으로써 전기에너지 생성 효율을 높일 수 있다. The ionization solution 170 may be filled in the entire sealed space in the case, and preferably also permeates between the separation membranes 120 to increase the efficiency of generating electrical energy.

도4와 도5는 위와 같은 코인셀 형상의 연료전지(100)가 지속적으로 전기에너지를 생성함을 보여주는 그래프로서, 도4는 도3의 해수 연료전지(100)가 생성하는 전압을 나타낸다. 4 and 5 are graphs showing that the coin cell-shaped fuel cell 100 as above continuously generates electric energy, and FIG. 4 shows the voltage generated by the seawater fuel cell 100 of FIG. 3 .

도4의 그래프에서 알 수 있듯이 연료전지(100)의 양극(130)과 음극(110) 사이에 적어도 150시간까지는 250mV 내지 270mV의 전압으로 1 ㎂/㎠의 전류밀도를 갖는 전기에너지가 생성되었다. 150시간 이후에 전압이 점차 떨어지는 것은, 코인셀 연료전지(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. As can be seen from the graph of FIG. 4 , electrical energy having a current density of 1 μA/cm 2 was generated at a voltage of 250 mV to 270 mV between the anode 130 and the cathode 110 of the fuel cell 100 for at least 150 hours. It is estimated that the voltage gradually decreases after 150 hours because only a small amount of the ionization solution 170 exists in the coin cell fuel cell 100 and the ionization solution 170 is consumed over time. Therefore, the ionization solution 170 ), it is estimated that electric energy can be generated for much longer than 150 hours.

한편 도4의 그래프에서 전압이 주기적으로 0 mV로 떨어지는 것은 지속적인 전류 생성이 가능한지 확인하기 위해 의도적으로 코인셀 연로전지(100)를 방전하였기 때문이다. 이와 관련하여 도5(a)는 도4의 그래프 중 50시간부터 70시간까지를 확대한 것이고 도5(b)는 그 중에서도 51.3시간부터 51.8시간까지를 확대한 것이다. Meanwhile, in the graph of FIG. 4 , the voltage periodically drops to 0 mV because the coin cell fuel cell 100 is intentionally discharged to check whether continuous current generation is possible. In this regard, FIG. 5(a) is an enlarged view from 50 hours to 70 hours in the graph of FIG. 4, and FIG. 5(b) is an enlarged view from 51.3 hours to 51.8 hours among them.

도5(b)에 도시한 것처럼 대략 수십 초의 방전시간(Td) 동안 두 전극(110,130) 사이에 도선을 연결하여 코인셀 연료전지(100)의 전류가 모두 소모되고 전압이 0 mV로 떨어진다. 그 후 도선을 제거하고 두 전극(110,130) 사이의 전압을 측정하면 "Tr"로 표시한 회복시간 동안 전압이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉 외부로부터 별도의 물리력이나 전기화학적 에너지를 인가하지 않은 상태에서 두 전극(110,130) 사이에 다시 기전력이 형성되며 대략 3시간의 회복시간(Tr) 후에 다시 처음의 전압 수준으로 복귀하였다(도5(a) 참조). As shown in FIG. 5( b ), by connecting a conductive wire between the two electrodes 110 and 130 for a discharge time Td of about several tens of seconds, all the current of the coin cell fuel cell 100 is consumed and the voltage drops to 0 mV. After that, when the conducting wire is removed and the voltage between the two electrodes 110 and 130 is measured, it can be seen that the voltage gradually increases during the recovery time indicated by “Tr”. That is, in the state where no separate physical force or electrochemical energy is applied from the outside, an electromotive force is again formed between the two electrodes 110 and 130, and after a recovery time (Tr) of about 3 hours, it returns to the initial voltage level again (Fig. 5 (Fig. 5). a) see).

그리고 도4에 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. And as shown in FIG. 4, even if the discharge operation is repeated for the discharge time Td at approximately time intervals, it returns to the initial voltage level during the recovery time Tr after discharging, thus continuously generating electric energy without input of external energy. was confirmed.

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 아니되며 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that various modifications and variations are possible from the description of this specification. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.

10: 양극 10: 음극
11, 21: 집전체 30: 이온화 용액
40: 도선 50: 용기
100: 코인셀 연료전지 110: 음극
120: 분리막 130: 양극
140: 스페이서 150: 스프링 10: positive electrode 10: negative electrode
11, 21: current collector 30: ionization solution
40: lead wire 50: vessel
100: coin cell fuel cell 110: negative electrode
120: separator 130: positive electrode
140: spacer 150: spring

Claims (10)

탄소전극을 구비한 연료전지로서,
이온화 용액;
상기 이온화 용액 내에 배치되고 상대적으로 표면전위가 높은 재질로 이루어진 양극; 및
상기 이온화 용액 내에서 상기 양극에서 소정 거리 이격되어 배치되며 상대적으로 표면전위가 낮은 재질로 이루어진 음극;을 포함하고,
상기 양극이 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나로 구성되고,
상기 음극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드로 구성되고,
상기 양극과 음극 사이의 표면전위의 전위차가 200mV 이상이며,
상기 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 발생하는 기전력에 의해 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지. A fuel cell having a carbon electrode, the fuel cell comprising:
ionizing solution;
an anode disposed in the ionization solution and made of a material having a relatively high surface potential; and
In the ionization solution, the cathode is disposed at a predetermined distance from the anode and is made of a material having a relatively low surface potential;
The positive electrode is composed of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene,
The negative electrode is composed of carbon oxide in which the surface of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene is substituted with an oxygen group,
The potential difference of the surface potential between the anode and the cathode is 200 mV or more,
The fuel cell, characterized in that generating a current by the electromotive force generated by the potential difference between the anode and the cathode. 제 1 항에 있어서,
상기 이온화 용액은 해수(sea water), 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 및 염화철(FeCl2) 용액 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. The method of claim 1,
The ionization solution comprises at least one of sea water, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl2) solution, and iron chloride (FeCl2) solution. 제 1 항에 있어서,
상기 양극이 카본 나노튜브로 구성되고 상기 음극이 그래핀 옥사이드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지. The method of claim 1,
The fuel cell, characterized in that the positive electrode is composed of carbon nanotubes and the negative electrode is composed of graphene oxide. 제 2 항에 있어서,
상기 이온화 용액으로 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 또는 염화철 용액 중 하나를 사용하는 경우, 이 사용되는 용액에서 용질이 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지. 3. The method of claim 2,
When one of a sodium chloride solution, a calcium chloride solution, or an iron chloride solution is used as the ionization solution, the solute in the solution used has a concentration of 0.1 wt% to 10 wt%. 제 1 항에 있어서,
상기 음극의 적어도 일부 표면에 부착되고, 금속 또는 하나 이상의 금속의 합금으로 이루어진 전기전도성의 제1 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. The method of claim 1,
The fuel cell according to claim 1, further comprising an electrically conductive first current collector attached to at least a portion of the surface of the negative electrode and made of a metal or an alloy of one or more metals. 제 5 항에 있어서,
상기 양극의 적어도 일부 표면에 부착되고, 금속 또는 하나 이상의 금속의 합금으로 이루어진 전기전도성의 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. 6. The method of claim 5,
and an electrically conductive second current collector attached to at least a portion of the surface of the positive electrode and made of a metal or an alloy of one or more metals. 탄소전극을 구비한 연료전지로서,
상부 케이스(101)와 하부 케이스(102)의 결합에 의해 밀폐된 내부 공간을 갖는 연료전지 케이스;
상기 밀폐 공간 내에서 하부 케이스의 상부에 배치되며 상대적으로 표면전위가 낮은 재질의 음극(110);
상기 음극 위에 배치되며 상대적으로 표면전위가 높은 재질의 양극(130);
상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막(120); 및
상기 밀폐 공간 내에 채워진 이온화 용액(170);을 포함하며,
상기 양극이 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나로 구성되고,
상기 음극은 카본 나노튜브, 카본 페이퍼, 그라파이트, 및 그래핀 중 적어도 하나의 표면이 산소기로 치환된 카본 옥사이드로 구성되고,
상기 양극과 음극 사이의 표면전위의 전위차가 200mV 이상이며,
양극과 음극 사이의 전위차에 의해 발생하는 기전력에 의해 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지. A fuel cell having a carbon electrode, the fuel cell comprising:
a fuel cell case having an inner space sealed by the combination of the upper case 101 and the lower case 102;
The cathode 110 is disposed on the upper portion of the lower case in the sealed space and made of a material having a relatively low surface potential;
an anode 130 disposed on the cathode and made of a material having a relatively high surface potential;
a separator 120 disposed between the anode and the cathode; and
Including; ionization solution 170 filled in the closed space,
The positive electrode is composed of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene,
The negative electrode is composed of carbon oxide in which the surface of at least one of carbon nanotubes, carbon paper, graphite, and graphene is substituted with an oxygen group,
The potential difference of the surface potential between the anode and the cathode is 200 mV or more,
A fuel cell, characterized in that the current is generated by the electromotive force generated by the potential difference between the anode and the cathode. 제 7 항에 있어서,
상기 이온화 용액은 해수(sea water), 염화나트륨(NaCl) 용액, 염화칼슘(CaCl2) 용액, 및 염화철(FeCl2) 용액 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. 8. The method of claim 7,
The ionization solution comprises at least one of sea water, sodium chloride (NaCl) solution, calcium chloride (CaCl2) solution, and iron chloride (FeCl2) solution. 제 7 항에 있어서,
상기 양극이 카본 나노튜브로 구성되고 상기 음극이 그래핀 옥사이드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지. 8. The method of claim 7,
The fuel cell, characterized in that the positive electrode is composed of carbon nanotubes and the negative electrode is composed of graphene oxide. 제 8 항에 있어서,
상기 이온화 용액으로 염화나트륨 용액, 염화칼슘 용액, 또는 염화철 용액 중 하나를 사용하는 경우, 이 사용되는 용액에서 용질이 0.1 wt% 내지 10 wt%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지. 9. The method of claim 8,
When one of a sodium chloride solution, a calcium chloride solution, or an iron chloride solution is used as the ionization solution, the solute in the solution used has a concentration of 0.1 wt% to 10 wt%.
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