KR20120085344A - 금속-수소 화학반응 발전기. - Google Patents

금속-수소 화학반응 발전기. Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소를 에너지원으로 사용하기 위한 발명으로서, 기존에는 전기분해방식으로 수소를 생산하여 생산비가 많이 들었으며, 저온의 저장탱크에 저장하여 사용하기 때문에 수소 저장비용도 많이 들었으며, 폭발성이 높아 관리하기에도 문제가 많았다.
본 발명은 상기한 바와같은 문제점을 해결하기 위해 1차 베터리처럼 사용자가 낱개로 구입하여 음극제로 사용한 금속에 전해액이 접하도록하여 1차적인 전기에너지를 빌생시키면서 발생하는 수소를 바로 공기중에 산소와 반응시키면서 2차적인 전기에너지를 발생시키도록하여 수소 생산비용이 별도로 발생되지 않으며, 수소가 발생되는데로 바로 공기중에 산소와 반응시켜 물로 환원시켜 폭발의 위험성이 없이 경제적으로 수소에너지를 사용하기 편리하도록 한것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기이다.
OH라디칼수, 전해액보관통, 전해액마개, 마개오픈용나사, 촉매제, 고흡수성폴리머, 다공성활성탄, 공기전극, 1회용 용기, 음극제금속, 수소.

Description

금속-수소 화학반응 발전기.{Metal-hydrogen chemistry reaction generator}
본 발명은 금속과 공기중에 산소와의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 금속-공기전지와 수소연료전지에 관한 기술분야이다.
본 발명은 알루미늄, 아연, 마그네슘등의 음극제 금속을 공기중에 산소와 반응시 밀패시킨 전지들보다 에너지밀도가 높은 금속-공기전지와 금속-공기전지에 사용한 음극제가 전해액과 접하여 반응시 발생하는 효율성 높은 에너지원인 수소를 수소연료전지처럼 사용하기위한 것을 배경 기술로한다.
〈종래의 문헌정보〉
문헌 1:금속공기전지. (검색일: 2010. 03. 10)
문헌 2:OH라디칼수. (검색일: 2010. 04. 02)
문헌 3:수소에너지. (검색일: 2010. 05. 10)
문헌 4:수소연료전지. (검색일: 2010. 06. 01)
본 발명인 금속-수소 화학반응 발전기는 기존에 금속-공기전지들은 방전중 반응하며 발생하는 수소를 감극제로 다시 물로 환원시켜 사용하기 때문에 수소에너지를 활용하지 못하고, 음극제로 사용한 금속의 산화에 의해 발생되는 전기에너지만을 사용하는 점과, 무한정인 물을 원료로 제조할 수 있으며, 에너지밀도와 효율이 높으며, 환경친화적인 에너지원인 수소는 사용한 전기에너지보다 생산하기 위해서 사용하는 전기에너지가 3배이상 소모되며, 생산한 수소를 저장하기 위해서는 영하 240도를 유지하는 저온의 저장탱크가 필요하여 저장비용이 높으며, 폭발의 위험성이 높아 사용하기에 위험성이 높은 문제점들을 해결하여 수소를 쉽게 생산하여 사용하는 것을 과제로 한다.
재활용이 가능한 용기 내부 공간에 산업용, 가정용, 차량용에 적합한 전력량이 발생되도록 하는 일정량의 전해액과 그 전해액과 반응하여 수소를 발생시키는 음극제 금속, 자체 무게보다 다량의 전해액을 흡수하는 고흡수성 폴리머와 흡수성분리막, 촉매제가 코팅된 니켈메쉬망, 기공이 많아 많은량의 수소를 흡착시킬 수 있는 다공성활성탄, 전해액을 사용하기전까지 보관하는 전해액보관통등을 구성시켜 제작한 본 발명인 금속-수소 화학반응 발전기는 음극제로 사용한 금속과 전해액이 접하게 되면 양극제인 공기전극과의 반응으로 수소를 발생시키며 1차적인 전기에너지를 발생시키고, 1차 전기에너지를 발생시키는 과정중에 발생한 수소를 다공성탄소에 흡착되도록하여 흡착된 수소가 공기중에 산소와 반응하는 과정에서 2차 전기에너지를 발생시켜 사용할 수 있도록 하여, 수소를 생산하는 비용과 저장비용이 발생되지 않으며, 화학에너지에서 전기에너지로의 변환효율을 80％정도로 높여 에너 지 밀도가 크며, 음극제 금속의 산화에 의해 더 이상 수소를 발생시킬 수 없는 경우 수거하여 내부 구성물질을 재구성시켜 공급하여 환경 오염물질 발생이 거의 없는 환경친화적인 전기에너지 공급기로 활용 가능하여, 수소를 에너지원으로 사용하기 위해 발생되어 왔던 문제점들을 해결할 수 있는 금속-수소화학반응 발전기이다.
본 발명인 금속-수소 화학반응 발전기를 작게는 5～10KWh 정도의 전기에너지를 발생시키는 한사람이 들기 편한 크기의 용기로 제작하여 산업용, 가정용 비상 전원공급기로 사용 가능하며, 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거에 장착하여 사용시 충전이 필요없이 교체하여 사용 가능하고, 크게는 MW급으로 크게 제작하여 발전소처럼 제작하여 수소를 에너지원으로 환경오염물질을 배출하지 않으며 전기에너지를 공급할 수 있는 효과가 큰 금속-수소 화학반응 발전기이다.
본 발명인 금속-수소 화학반응 발전기의 구성 과 작용 및 원리를 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전해액 밀패용 탭부분(2)과 공기유입구(16), 음극단자 고정대(18), 양극단자 고정대(20)가 구성된 용기(1) 내부 공간의 상단부에 물리적인 힘을 가하면 개봉되는 전해액 마개(4)가 구성된 전해액 보관통(5)을 접착제 또는 나사로 고정시켜 전해액 보관부(30)을 구성시킨 다음, 백금,탄소나노튜브 촉매제중 한가지를 선택하여 코팅한 니켈메쉬 촉매망(7)을 용기(1)내부공간 형태에 맞춰 제작한 다음, 표면적이 1,100～3,000m2/g인 다공성활성탄(8)을 입경 1～8mm정도로 제작하여 니켈 메쉬 촉매망(7)에 넣어 봉한 다음 용기(1) 내부에 삽입하여 2차전기발생부(29)를 구성시킨 후, 하단부분에 공기유입구(11)가 형성된 친수성활성탄소과 소수성활성탄소를 니켈스폰지에 코팅한 공기전극(12), 그 표면위에, 부직포, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리비닐알코올 분리막 소재중 한가지를 선택하여 제1 분리막(13A)으로 사용하여 올려 놓은 다음, 그 표면위에 자체 무게보다 500～1,000배 정도의 물을 흡수할 수 있는 입경 0.1～0.5mm정도의 고흡수성 폴리머(14) 입자들을 뿌려서 구성시킨 다음, 그 표면 위에 알루미늄, 아연, 마그네슘중 한가지를 선택하여 0.05～0.5mm 두께의 박막으로 제작하여 올려 놓은 다음, 다시 고흡수성 폴리머(14)를 뿌려서 구성시킨 다음, 다시 같은 소재의 제2 분리막(13B)을 올려 놓은 후, 그 위에 공기전극(12)표면과 공기 접촉면이 많도록 한 공기구멍(9)이 구성된 다공성고정대(10)를 데고 두루마리 형태로 제작한 다음 용기(1) 내부공간에 삽입한 다음, 측면에 나사탭이 구성된 하단부 고정판(17)으로 다공성고정대(10)와 공기전극(12)의 일부분이 하단부분에 노출되도록 하여 내용물들을 밀착 고정시킨 다음, 끝이 뽀족한 나사 형태의 음극단자(19)를 음극단자 고정대(18)를 통하여 삽입하여 음극제 집전체 역할을 하도록하고, 하단부에 양극단자 고정대(20)로는 양극단자(21)를 삽입하여 양극단자(21) 끝부분이 공기전극(12)과 접하도록 하여 전기적인 연결이 가능하게 하여 1처전기발생부(28)를 구성시킨 후, 용기(1) 상단부의 전해액보관통(5)의 전해액 밀패용 탭부분(2) 구멍을 통하여 OH라디칼수, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 염화나트륨, 아세트산중에 한가지 또는 두가지를 혼합한 전해질을 선택하여 액화한 전해액(6)을 전해액보관통(5)에 주입한 다음, 끝부분이 뽀족한 전해액마개 오픈용 나사(3)로 전해액마개(4)에 근접되게 돌려 막아 전해액(6)이 누액 또는 비산되지 않도록 제작하여 전기발생부를 완성시킨 다음, 설치할 때는 용기고정용고무(22), 용기고정대(23), 다공성고정대홈(24)이 구성된 용기고정판(25)의 다공성고정대홈(24)에 다공성고정대(10)를 삽입하여 용기(1) 외부면이 용기고정대(23)의 용기고정용고무(23)에 의해 고정되도록 하여 사용한다.
이와 같은 구성에 의해 제작된 금속-수소 화학반응 발전기는 도면 제 2도에 도시한 바와같이 필요한 전력량만큼의 개수를 정하여 다수개 올려 놓을 수 있는 용기고정판(25)에 고정시켜 직렬 또는 병렬로 전선(26)으로 연결 후 마개오픈용나사(3)를 돌려 전해액마개(4)를 전해액보관통(5)에서 분리시키면 전해액(6)이 전해액마개(4) 구멍으로 흘러 나와 분리막(13A,13B)과 고흡수성 폴리머(14)에 흡수되면 음극제 금속(15)과 공기전극(12)의 반응에 의해 1차 전기에너지를 발생시키며 수소를 발생시키게 된다. 발생한 수소는 다공성활성탄(8)에 흡착되어 공기전극(12)과의 반응으로 2차 전기에너지를 발생시켜 회로(27)와 같이 외부로 전기에너지를 방출시키며, 용기(1)내의 음극제 금속(15)이 지닌 전력을 소진하였을 시 탈착하여 교환 또는 구입하여 재부착시켜 원활하게 전기에너지를 공급받을 수 있도록 한 금속-수소 화학반응 발전기를 제공한다.
상기한 바와같이 구성 및 작용을 하는 금속-수소 화학반응 발전기의 화학반응 원리를 설명하면 다음과 같다.
음극제 금속을 알루미늄, 아연, 마그네슘을 음극제 금속으로 선택하여 사용시에는 전해액(6)의 농도를 맞추어 음극제 금속(15)이 표면만 산화되지 않고 음극 제 금속(15) 전체가 산화되도록하여 에너지 밀도가 높도록하여 수소 발생량이 높도록 하였으며, 알루미늄을 음극제 금속으로 사용시 화학반응식과 1kg의 알루미늄 사용에 의해 발생되는 총 발전량은 다음과 같다.
〈화학식1〉
1차반응 음극: Al + 3OH- → 2Al(OH)3 +3e- + H2↑
양극: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
전체반응: 4Al + 3O2 +6H2O → 4Al(OH)3
2차반응 음극: H2 → 2H+ + 2e-
양극: ½O2 + 2H+ + 2e-
전체반응: H2 + ½O2 → H2O
〈전력발생량〉
알루미늄 1g 당 4.2Wh의 전력을 발생시키며, 1kg으로는 1차 반응에 의해 4,200Wh의 전기에너지가 발생되며, 사용된 2L용량의 전해질이 음극제금속과 반응하여 수소-->물-->수소로 반복적으로 생성되어, 총 발생되는 수소량은 약 2kg의 액화수소량 만큼인 40,000L 부피 정도로 발생하여 효율 45％로 약2,000Wh의 전기에너지를 2차 반응에 의해 발생시켜 총발전량은 6,200Wh이다.
아연을 음극제 금속으로 사용하였을 때의 화학반응식과 총 발전량은 다음과 같다.
〈화학식2〉
1차반응 음극: Zn + 2OH → ZnO + 2e- + H2↑
양극: ½O2 + H2O +2e- → 2OH-
전체반응: Zn + ½O2 → ZnO
2차반응 음극: H2 → 2H+ + 2e-
양극: ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + ½O2 → H2O
〈전력발생량〉
아연 1g당 5.6Wh의 전력을 발생시키며, 1kg으로는 1차 반응에 의해 5,600Wh의 전기에너지가 발생되며, 발생된 수소량은 1.8kg의 액화수소량 만큼인 36,000L 부피 정도로 발생하여 효율 45％를 적용하여 약 1,800Wh의 전기에너지를 2차 반응에 의해 발생시켜 총발전량은 7,400Wh이다.
마그네슘을 음극제 금속으로 사용하였을 때의 화학반응식과 총 발전량은 다음과 같다.
〈화학식3〉
1차반응 음극: Mg + 2OH- → Mg(OH)2 + 2e- +H2↑
양극: ½O2 +H2O + 2e- → 2OH-
전체반응: 2Mg + O2 → 2Mg(OH)2
2차반응 음극: H2 → 2H+ + 2e-
양극: ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + ½O2 → H2O
〈전력발생량〉
마그네슘 1g당 5.5Wh의 전력을 발생시키며, 1kg으로는 1차 반응에 의해 5,500Wh의 전기에너지가 발생되며, 발생한 수소량은 약 2.2kg의 액화수소량 만큼인 42,000L 부피 정도로 발생하여 효율 45％를 적용하여 약 2,200Wh의 전기에너지를 2차 반응에 의해 발생시켜 총 발전량은 7,700Wh이다.
본 발명은 음극제로 사용한 금속이 지닌 에너지를 수소발생에 의한 금속의 부식으로 소모하여 효율이 낮은 금속-공기전지의 단점과 수소를 에너지원으로 사용하기 위한 단점을 보완하여 대용량의 전기에너지를 발생시키는 1차 전지로 사용하기 위해 개발한 금속-수소 화학반응 발전기이다.
제 1도는 본 발명에 따른 금속-수소 화학반응 발전기의 측단면도.
제 2도는 본 발명에 따른 금속-수소 화학반응 발전기의 다수개 연결 상태를 도시한 측단면도.
제 3도는 본 발명에 따른 금속-수소 화학반응 발전기의 1차 전기에너지를 발생시키는 부분의 구성을 나타낸 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1. 용기 2.전해액밀패용 탭부분
3.마개오픈용 나사 4.전해액 마개
5.전해액 보관통 6.전해액
7.니켈메쉬 촉매망 8.다공성 활성탄
9.공기구멍 10.다공성 고정대
11.하단부 공기유입구 12.공기전극
13A,13B 분리막 14.고흡수성 폴리머
15.음극제 금속 16.공기 유입구
17.하단부 고정판 18.음극단자 고정대
19.음극단자 20.양극단자 고정대
21.양극단자 22.용기고정용 고무
23.용기고정대 24.다공성 고정대홈
25.용기고정판 26.연결용 전선
27.회로 28.1차전기발생부
29.2차전기발생부 30.전해액보관부

Claims (16)

  1. 본 발명은 1차전기발생부(28), 2차전기발생부(29), 전해액보관부(30)로 구성하여, 용기(1)내부 공간에 삽입하여 고정시킨 다음, 용기고정판(25)에 고정시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  2. 제 1항에 있어서, 1차전기발생부(28)의 구성은 제1분리막(13A)/고흡수성 폴리머(14)/음극제 금속(15)/고흡수성폴리머(14)/제2분리막(13B)으로 적층지게 구성 후, 다공성 고정대(10) 외부면에 공기전극(12)을 감은 후, 공기전극(12)을 중심으로 두루마리형태로 감은 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  3. 제 2항에 있어서, 제1,제2분리막(13A,13B)은 부직포, 폴리올레핀다공막,폴리이미드다공막,폴리비닐알코올다공막중 한가지를 선택하여 사용한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  4. 제 2항에 있어서, 고흡수성폴리머(14)는 입경 0.1～0.5mm 정도의 분말을 사용한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  5. 제 2항에 있어서, 음극제 금속(15)으로는 알루미늄, 아연, 마그네슘중 한가지를 선택하여 0.05～0.5mm 정도 두께로 제작하여 사용한 것을 특징으로 하는 금속 -수소 화학반응 발전기.
  6. 제 1항에 있어서, 2차전기발생부(29)는 니켈메쉬촉매망(7)으로 감싼 다공성 활성탄(8)/제1분리막(13A)/공기전극(12)으로 구성한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  7. 제 6항에 있어서, 니켈메쉬 촉매망(7)은 니켈메쉬 표면에 백금 또는 탄소나노튜브중 한가지를 선택하여 50～500미크론 두께로 코팅한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  8. 제 6항에 있어서, 다공성활성탄(8)은 입경 1～8mm의 결정을 사용한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  9. 제 6항에 있어서, 제1분리막(13A)과 공기전극(12)은 1차전기발생부(28)에서 사용한 제1분리막(13A)과 공기전극(12)의 길이를 연장하여 사용하는 것을 특징으로 하는 금속-공기 화학반응 발전기.
  10. 제 1항에 있어서, 전해액보관부(30)는 전해액밀패용 탭부분(2), 전해액마개 오픈용나사(3), 전해액 마개(4), 전해액 보관통(5), 전해액(6)으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  11. 제 10항에 있어서, 전해액보관통(5)의 하단부에 구성된 전해액마개(4)는 전해액밀패용 탭부분(2)의 전해액마개 오픈용나사(3)를 돌려 물리적인 힘을 가하여 전해액보관통(5)에서 분리되어 전해액(6)이 전해액 마개(4)를 장착했던 구멍을 통하여 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  12. 제 10항에 있어서, 전해액보관통(5)은 용기(1) 내부의 상단부에 접착시킨 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  13. 제 10항에 있어서, 전해액(6)은 OH라디칼수, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 염화나트륨, 아세트산중 한가지를 선택하여 사용한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  14. 제 1항에 있어서, 용기(1)에는 음극단자 고정대(18), 양극단자 고정대(20), 공기 유입구(16)과 하단부고정판(17)으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  15. 제 1항에 있어서, 용기(1)를 용기고정판(25)에서 부착 및 탈착이 용이하도록 용기고정판(25)에는 용기고정용 고무(22), 용기고정대(23), 다공성 고정대 홈(24)을 구성시킨 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
  16. 제 1항에 있어서, 1차전기발생부(28)는 음극제 금속(15)과 공기전극(12)의 반응에 의해서 1차전기에너지가 발생되며, 2차전기발생부(29)는 음극제 금속(15)의 산화에 의해 발생한 수소기체를 다공성활성탄(8)에 흡착시켜 공기전극(12)과 반응되도록하여 2차전기에너지를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 금속-수소 화학반응 발전기.
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