KR102296102B1 - 지속적으로 발전가능한 해수 연료전지 - Google Patents

지속적으로 발전가능한 해수 연료전지 Download PDF

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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.

Description

지속적으로 발전가능한 해수 연료전지 {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.
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.
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.
특허문헌: 한국 공개특허번호 제2016-0018356호 (2016년 2월 17일 공개)
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.
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.
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.
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.
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.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~을 포함한다', '~으로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 중 하나 이상의 생략이나 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도3은 본 발명의 연료전지를 코인셀 형상의 연료전지로 구현한 예시적 실시예를 나타낸 것으로 도3(a)는 연료전지의 사시도이고 도3(b)는 내부 단면도를 개략적으로 도시하였다.
도면을 참조하면 본 발명의 코인셀 연료전지는(100)는 종래의 코인셀 전지와 같이 동전 형상의 전지로 구현될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도4와 도5는 위와 같은 코인셀 형상의 연료전지(100)가 지속적으로 전기에너지를 생성함을 보여주는 그래프로서, 도4는 도3의 해수 연료전지(100)가 생성하는 전압을 나타낸다.
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.
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.
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).
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.
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.
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

Claims (10)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극이 카본 나노튜브로 구성되고 상기 음극이 그래핀 옥사이드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극이 카본 나노튜브로 구성되고 상기 음극이 그래핀 옥사이드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 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.
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