KR101703772B1 - Stored urea solid fuel of the powder form in direct urine fuel cell - Google Patents
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Abstract
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.The proposed technology relates to the use of solid fuel for high efficiency of DUFC (Direct Urine Fuel Cell), more specifically, The present invention relates to a human waste fuel cell in which an aqueous solution is made and the produced liquid fuel flows along a micro flow path to generate a chemical reaction and can operate.
Description
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.The proposed technology relates to the use of solid fuel for high efficiency of DUFC (Direct Urine Fuel Cell), more specifically, The present invention relates to a human waste fuel cell in which an aqueous solution is made and the produced liquid fuel flows along a micro flow path to generate a chemical reaction and can operate.
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.Fuel cells generate electricity, heat and water by using hydrogen and oxygen as fuel. It is a clean power generation system with high combustion efficiency and high efficiency of generation and low emission of harmful emissions. Fuel cells not only have high density, but also can be used for defense, transportation, building and power generation because they can generate electricity continuously as long as the operating temperature is low, no noise and fuel is supplied from the outside. It can also be used as a portable notebook computer.
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.Fuel cells are divided into four types according to the type of electrolyte used. Depending on the electrolyte, operating temperature, output capacity, and usage are different. The MCFC (Molten Carbonate fuel cell) and SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), which are high temperature type fuel cells, operate at a high temperature of 600 ° C or higher and use an inexpensive metal catalyst such as nickel, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (AFC), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) operate at a low temperature of 200 ° C or less, have a short start-up time and excellent load fluctuation, but use expensive metal catalysts such as platinum.
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. Particularly, when Urea, which is the main component of the human body waste, is used for the operation of the fuel cell, higher energy efficiency can be expected than using other hydrogen ions. In the case of the fuel cell using the urea, since the catalyst for generating hydrogen from the urea uses nickel or manganese, which is a non-platinum catalyst, it is possible to produce the catalyst electrode at a lower cost than the conventional fuel cell, which is very economical.
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. However, in order to use a human waste fuel cell, it must be provided with continuous human waste products, or it should always contain human waste products that can be used as a fuel in a liquid form containing an element. However, liquid fuel is difficult to carry because it is difficult to carry because of its weight.
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.In recent years, a method to be used for a fuel cell has been studied in the form of a solid powder usable for a fuel cell. However, this method has the difficulties of making fuel for operating the fuel cell and the operation of the fuel cell by the prepared aqueous solution only.
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.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell separator, which can improve the efficient transportation and increase of characteristics of a fuel cell using solid fuel, To generate a urea aqueous solution and to drive the fuel cell by supplying fuel through the micro flow path.
본 발명은 연료전지의 연료가 부족할 시에 인체 노폐물을 직접 이용하여 연료전지를 작동시키는데 목적이 있다.An object of the present invention is to operate a fuel cell directly using human waste materials when fuel of the fuel cell is insufficient.
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.The present invention is simple in operation, has high energy density, high efficiency, low cost, and durability. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be used as a portable independent power source, providing convenience, quick maintenance, and simple switching device.
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.A fuel cell fuel cell according to any one of
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.The urea aqueous solution prepared by injecting water into the solid fuel stored in the storage container is injected into the microchannel of the fuel cell anode separator to cause the aqueous solution to flow along the microchannel to cause a chemical reaction.
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. According to the present invention, since the solid fuel made as an element is stored in the micro flow path of the separator and the water is injected to make the urea aqueous solution through the micro flow path, the efficiency of the fuel, There is an effect that the operation efficiency can be enhanced, and the human body waste can be used directly, so that it is possible to have high utilization as portable.
또한 인체 노폐물 연료 전지뿐만 아니라 연료를 고체화할 수 있는 모든 연료전지에서 사용 가능한 효과가 있다.In addition, there is an effect that can be used not only in a human waste fuel cell but also in any fuel cell capable of solidifying fuel.
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.1 is a schematic diagram of a human waste fuel cell.
FIG. 2 is a schematic diagram of a human waste fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a schematic view of a second embodiment of a human body waste fuel cell according to the present invention. FIG.
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.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 인체 노폐물 연료전지의 모식도를 도시하고 있다.Fig. 1 shows a schematic diagram of a human waste fuel cell.
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(NH2)2 solution)이 연료로 들어가며, 오른쪽 공기극에서는 가습 분위기 형성을 위한 가습된 O2와 H2O가 들어가게 된다. 연료전지 내에서 반응 후, 생성되는 물은 생성물인 CO2, N2 와 함께 연료극으로 빠져나오며, 가습된 O2중 반응에 참여하지 않고 남은 가습된 O2 , H2O와 생성된 H2는 공기극으로 빠져나가게 된다.The electrons are blocked and the oxidation reaction of the urea, which is the main component of the body waste, and the reduction reaction of oxygen occur in the positive electrode through the electrolyte membrane which enables the diffusion of anions, and the necessary electricity is obtained through the electrons generated in the oxidation reaction It is an energy source. In the fuel electrode on the left side of the drawing, the urea aqueous solution (CO (NH 2 ) 2 solution) enters the fuel and the right air electrode contains humidified O 2 and H 2 O for the humidification atmosphere formation. After the reaction in the fuel cell, the water produced is the product CO 2, N 2 Comes out of the fuel electrode with, does not participate in the moistening of the O 2 reaction product with the rest of the wet O 2, H 2 O H 2 is escape into the air electrode.
인체 노폐물을 사용하는 연료전지의 전체 화학 반응은, The total chemical reaction of a fuel cell using human waste,
2CO(NH2)2 + 3O2 → 2CO2 + 4H2 2CO (NH 2) 2 + 3O 2 →
이며, 각각의 전극에서 발생하는 전기화학 반응은 다음과 같다.And the electrochemical reactions occurring in the respective electrodes are as follows.
연료극에서의 반응 : CO(NH2)2 + 6OH- → N2 + CO2 + 5H2O + 6e- E0=-0.746 VReaction in the anode: CO (NH 2) 2 + 6OH - →
공기극에서의 반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- E0=0.4 VReaction in the air electrode: O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH - E 0 = 0.4 V
인체 노폐물 연료전지에서의 이론적 기전력은 1.146 V 가 된다.The theoretical electromotive force in a human waste fuel cell is 1.146 V.
도 2는 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 1 실시예를 도시하고 있다.FIG. 2 shows a first embodiment of a human body waste fuel cell according to the present invention.
연료전지 연료극(Anode) 분리판(1)의 미세유로 내에는 요소로 만들어진 고체연료(요소(CO(NH2)2)고체형태)가 저장되어 있으며, 상기 분리판(1) 하단의 액체주입구(4)를 통해 상기 미세유로(2)에 물을 주입하여 생성된 요소 수용액(CO(NH2)2 solution)을 상기 미세유로(2)를 따라 흘러가도록 하여 화학반응을 일으키게 된다.A solid fuel (element (CO (NH 2 ) 2 ) solid form made of urea is stored in the micro flow path of the fuel cell
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. The
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.The storage of the solid fuel made of the urea can be performed by using a dip coating method, a spin coating method, an inkjet method, a doctor blade method, a wet coating method, or the like The solid fuel may be coated on the
도 3은 본 발명에 따른 인체 노폐물 연료전지 모식도 제 2 실시예를 도시하고 있다.FIG. 3 is a schematic view of a second embodiment of a human body waste fuel cell according to the present invention.
연료극 분리판(1) 측면에 저장용기(3)를 형성하여 요소로 만들어진 분말 형태의 고체연료(요소(CO(NH2)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(NH2)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.And stores the anode bipolar plate (1) forms a reservoir (3) on the side of the solid fuel in powder form made of elements (element (CO (NH 2) 2) in solid form). (CO (NH 2 ) 2 solution) generated by injecting water into the solid fuel stored in the
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.The
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. The
상기 저장용기(3)와 상기 연료극 분리판(1)은 서로 평행하여 배치된다.The storage vessel (3) and the fuel electrode separation plate (1) are arranged parallel to each other.
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.The micro channel (2) formed in the fuel electrode separator (1) is manufactured to an optimum size in consideration of the size of the fuel cell. The solid fuel is formed to have a size smaller than the diameter of the micro flow path (2).
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.
The
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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
1 : 연료극 분리판
2 : 미세유로
3 : 저장용기
4 : 액체주입구1: anode separator plate
2: Fine flow path
3: Storage container
4: Liquid inlet
Claims (12)
상기 연료극(Anode)의 분리판(1) 내에 형성된 관 형태의 미세유로(2);
상기 미세유로에는 상기 분리판(1)의 액체주입구(4)를 통해 상기 미세유로(2)에 물을 주입함으로서 상기 미세유로를 따라 고체연료와 반응해 요소 수용액이 생성되도록 상기 미세유로의 내측 표면을 따라 저장된 고체연료인 CO(NH2)2층;
상기 연료극의 분리판 및 상기 연료극의 분리판에 대해 서로 평행하도록 마주하여 배열된 다른 분리판 각각의 단면에는 그루브가 형성되고, 서로 맞닿아 상기 관형태의 미세유로를 형성하며,
상기 각각 그루브는 딥 코팅(Dip coating), 스핀 코팅(Spin coating), 잉크젯(Inkjet), 닥터 블레이드(Doctor blade) 또는 습식 코팅(Wet coating) 중 어느 한 개 이상의 코팅방법에 의해 상기 고체연료가 상기 각각 그루브의 내측 표면에 도포되어 저장되는 것을 특징으로 하는 요소 고체연료가 저장된 인체 노폐물 연료전지.1. A fuel cell for an element solid fuel comprising a fuel electrode and an air electrode,
A tubular micro flow path 2 formed in the separator 1 of the fuel anode;
The microfluidic channel 2 is injected with water through the liquid inlet 4 of the separator 1 to react with the solid fuel along the microfluidic channel to generate an urea aqueous solution, A CO (NH 2 ) 2 layer, which is a solid fuel stored along the line;
Grooves are formed in the end faces of the separator plates of the fuel electrode and the separator plates of the fuel electrode arranged in parallel to each other so as to face each other and form the tube-shaped microchannels,
Each of the grooves may be formed by one or more coating methods such as dip coating, spin coating, ink jet ink, doctor blade, or wet coating, Wherein each of the fuel cells is coated and stored on the inner surface of the groove.
상기 고체연료를 모두 소진할 시에는 상기 연료극의 분리판 및 상기 다른 분리판을 분리한 뒤, 인체 노폐물을 상기 그루브에 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 요소 고체연료가 저장된 인체 노폐물 연료전지.The method according to claim 1,
And separating the separation plate of the fuel electrode and the other separator plate when the solid fuel is exhausted, wherein the waste matter of the human body is used as fuel in the groove.
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