요소 고체연료가 저장된 인체 노폐물 연료전지{Stored urea solid fuel of the powder form in direct urine fuel cell}

제안기술은 인체 노폐물 연료전지(DUFC, Direct Urine Fuel Cell)의 높은 효율을 위한 고체연료 사용에 관한 것으로 더욱 상세하게는 분리판 내 미세유로에 요소로 만들어진 고체연료를 위치시켜 단순히 물을 주입함으로써 요소 수용액을 만들어, 만들어진 액체 연료를 미세유로를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으켜 작동할 수 있는 요소 고체연료가 저장된 인체 노폐물 연료전지에 관한 발명이다.

연료전지는 수소와 산소를 연료로 하여 전기와 열, 물을 발생시키는 시스템으로, 연소과정이 없어 발전효율이 높으며 유해 배출 가스가 적은 청정 발전 시스템이다. 연료전지는 높은 밀도를 가질 뿐만 아니라, 운전 온도가 낮고 소음이 없으며 외부에서 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기에너지를 생산할 수 있기 때문에 국방, 수송, 건물 및 발전용 등에 사용할 수 있으며 작은 크기로 인하여 휴대폰, 노트북 등 휴대용으로도 사용할 수 있다.

연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 4가지 유형으로 나누어지며, 전해질에 따라 작동 온도, 출력 용량, 용도 등이 다르다. 고온형 연료전지인 MCFC(Molten Carbonate fuel cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)는 600℃ 이상의 고온에서 작동하고 니켈 등 저렴한 금속촉매를 사용하며 발전효율이 높고 고출력이며, 저온형 연료전지인 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), AFC(Alkaline Fuel Cell), DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)는 200℃ 이하의 저온에서 작동하며, 시동시간이 짧고 부하변동성이 뛰어나지만 백금 등 고가의 금속 촉매를 사용해야한다.

특히, 연료전지의 동작을 위해 인체 노폐물의 주성분인 요소(Urea)를 이용할 경우, 다른 수소 이온을 사용하는 것보다 더욱 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다. 요소를 이용한 연료전지의 경우, 요소에서 수소를 발생시키는 촉매를 비백금 촉매인 니켈, 망간 등을 이용하기 때문에 기존의 연료전지보다 저가의 촉매 전극 생산이 가능하여 경제성이 매우 크다.

하지만 인체 노폐물 연료전지를 사용하기 위해서는 지속적인 인체 노폐물이 제공되거나, 요소가 포함된 액체 형태의 연료로 사용 가능한 인체 노폐물을 항상 지니고 있어야 한다. 하지만 액체 형태의 연료는 무게로 인하여 휴대가 어려워 휴대용 및 군용으로는 사용하기 어렵다.

최근에는 연료전지에 사용 가능한 고체 분말 형태로 만들어 연료전지에 사용하려는 방법이 연구되고 있다. 하지만 이러한 방법은 연료전지 작동을 위한 연료를 만들어야 하는 어려움과 만들어진 수용액만으로 연료전지를 작동해야 하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 고체연료를 이용한 연료전지의 효율적인 운반 및 특성 증가를 개선시킬 수 있는 연료극 분리판의 미세유로에 요소로 만들어진 고체연료를 부착하거나 충진하고 물을 주입하여 요소 수용액을 만들어 미세유로를 통한 연료공급으로 연료전지를 구동하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지의 연료가 부족할 시에 인체 노폐물을 직접 이용하여 연료전지를 작동시키는데 목적이 있다.

본 발명은 작동이 간단하고, 고에너지 밀도, 고효율, 저비용, 내구성. 편의성, 신속한 정비 및 간단한 전환 장치를 제공하고, 휴대용의 독립된 전원으로서 사용 가능한 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.

연료전지 연료극(Anode) 분리판의 미세유로 내에는 요소로 만들어진 고체 연료가 저장되어 있으며, 상기 연료극 분리판 하단의 액체주입구를 통해 상기 미세유로에 물을 주입하여 생성된 요소 수용액을 상기 미세유로를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.

저장용기에 저장된 고체연료에 물을 주입하여 만들어진 요소 수용액을 연료전지 연료극 분리판의 미세유로에 주입하여, 상기 수용액이 상기 미세유로를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 분리판의 미세유로에 요소로 만들어진 고체연료를 저장하고 물을 주입하여 요소 수용액을 만들어 미세유로를 통해 공급하므로 기존의 액체연료를 주입하는 연료전지보다 향상된 연료의 효율 및 연료전지 작동 효율을 높일 수 있는 효과가 있으며, 인체 노폐물을 직접 이용 가능하여 휴대용으로서 높은 활용도를 가질 수 있는 효과가 있다.

또한 인체 노폐물 연료 전지뿐만 아니라 연료를 고체화할 수 있는 모든 연료전지에서 사용 가능한 효과가 있다.

도 1은 인체 노폐물 연료전지의 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 1 실시예.
도 3은 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 2 실시예.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 인체 노폐물 연료전지의 모식도를 도시하고 있다.

전자는 차단하며 음이온의 확산을 가능하게 하는 전해질 막을 사이에 두고 양전극에서 각각 인체 노폐물의 주성분인 요소(Urea)의 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나며 산화반응 시 발생된 전자를 통해서 필요한 전기를 얻어내는 에너지원이다. 도면의 왼쪽인 연료극에서는 요소 수용액 (CO(NH ₂ ) ₂ solution)이 연료로 들어가며, 오른쪽 공기극에서는 가습 분위기 형성을 위한 가습된 O ₂ 와 H ₂ O가 들어가게 된다. 연료전지 내에서 반응 후, 생성되는 물은 생성물인 CO _2, N ₂ 와 함께 연료극으로 빠져나오며, 가습된 O ₂ 중 반응에 참여하지 않고 남은 가습된 O _{2 ,} H ₂ O와 생성된 H ₂ 는 공기극으로 빠져나가게 된다.

인체 노폐물을 사용하는 연료전지의 전체 화학 반응은,

2CO(NH ₂ ) ₂ + 3O ₂ → 2CO ₂ + 4H ₂

이며, 각각의 전극에서 발생하는 전기화학 반응은 다음과 같다.

연료극에서의 반응 : CO(NH ₂ ) ₂ + 6OH ^- → N ₂ + CO ₂ + 5H ₂ O + 6e ^- E ⁰ =-0.746 V

공기극에서의 반응 : O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4OH ^- E ⁰ =0.4 V

인체 노폐물 연료전지에서의 이론적 기전력은 1.146 V 가 된다.

도 2는 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 1 실시예를 도시하고 있다.

연료전지 연료극(Anode) 분리판(1)의 미세유로 내에는 요소로 만들어진 고체연료(요소(CO(NH ₂ ) ₂ )고체형태)가 저장되어 있으며, 상기 분리판(1) 하단의 액체주입구(4)를 통해 상기 미세유로(2)에 물을 주입하여 생성된 요소 수용액(CO(NH ₂ ) ₂ solution)을 상기 미세유로(2)를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으키게 된다.

상기 미세유로(2)는 상기 연료극 분리판(1)의 한 단면에 그루브가 형성되어 있고, 상기 그루브가 형성된 단면과 마주하는 다른 하나의 분리판의 단면에 형성된 그루브와 맞닿아 형성될 수 있다. 또한 관 형태로도 형성될 수도 있으며, 상기 미세유로(2)의 형태는 제작자의 임의 선택할 수 있도록 한다.

요소로 만들어진 상기 고체연료의 저장은 딥 코팅(Dip coating) 방법, 스핀 코팅(Spin coating) 방법, 잉크젯(Inkjet) 방법, 닥터 블레이드(Doctor blade) 방법, 습식 코팅(Wet coating) 방법 등을 이용하여 상기 연료극 분리판(1) 위에 상기 고체 연료를 도포 후 표면을 연마하여 상기 미세유로(2) 내에 상기 고체 연료가 저장되도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 2 실시예를 도시하고 있다.

연료극 분리판(1) 측면에 저장용기(3)를 형성하여 요소로 만들어진 분말 형태의 고체연료(요소(CO(NH ₂ ) ₂ )고체형태)를 저장한다. 상기 저장용기(3)에 저장된 고체연료에 상기 저장용기(3) 상단에 배치된 액체주입구(4)를 통해 물을 주입하여 생성된 요소 수용액(CO(NH ₂ ) ₂ solution)을 연료전지 연료극 분리판(1)의 미세유로(2)에 주입하여 상기 요소 수용액이 상기 미세유로(2)를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으키게 된다.

상기 액체주입구(4)를 상기 저장용기(3)의 상단에 배치하여 물이 상기 고체연료를 녹이며 상기 미세유로(2)를 이동할 수 있도록 하여 미반응되는 상기 고체연료가 남지 않도록 하여 촉매 활성 및 연료전지 효율을 높일 수 있다.

상기 미세유로(2)는 상기 연료극 분리판(1)의 한 단면에 그루브가 형성되어 있고, 상기 그루브가 형성된 단면과 마주하는 다른 하나의 분리판의 단면에 형성된 그루브과 맞닿아 형성될 수 있다. 또한 관 형태로도 형성될 수도 있으며, 상기 미세유로(2)의 형태는 제작자의 임의 선택할 수 있도록 한다.

상기 저장용기(3)와 상기 연료극 분리판(1)은 서로 평행하여 배치된다.

상기 연료극 분리판(1)에 형성된 상기 미세유로(2)는 연료전지의 크기를 고려하여 최적의 크기로 제작한다. 상기 고체연료는 상기 미세유로(2)의 직경에 비해 작은 크기로 형성한다.

상기 연료전지 분리판(1)으로는 흑연계 또는 비흑연계 모두 적용 가능하다. 흑연계의 약한 기계적 강도로 인하여 휴대용 및 수송용 등의 연료전지에 적용 시에는 금속 분리판을 사용할 수 있으며, 상기 미세유로(2) 및 상기 저장용기(3) 내의 상기 고체연료를 모두 소진했을 경우에는 인체 노폐물을 연료로 직접 사용할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 연료극 분리판
2 : 미세유로
3 : 저장용기
4 : 액체주입구