KR102711707B1 - Thermoelectric cell system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 pH가 중성인 전해질에서 비귀금속계 탄화물을 전극의 소재로 하여 제백계수가 낮아져 변환 효율이 떨어짐을 방지하고 전극이 산화되지 않도록 함으로써 경제성이 우수하여 상용화 가능성이 높은 비귀금속계 탄화물 전극을 이용한 열전기화학 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 비귀금속계 금속 탄화물을 전극의 소재로 채택하여 종래의 귀금속계 금속 또는 비귀금속계 금속을 전극의 소재로 사용할 때에 비해 전극의 부식 및 용해 현상이 발생되지 않으므로 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 있으며, pH가 중성인 상태인 전해질을 채택하여 사용함으로써 알칼리성 상태의 전해질을 채택한 경우에 비해 제벡계수가 낮아지는 문제점을 보완함으로써 변환 효율에서 손해를 보지 않도록 한다는 다른 장점이 있다.The present invention relates to a thermoelectrochemical battery system, and more particularly, to a thermoelectrochemical battery system using a non-precious metal carbide electrode, which has excellent economic feasibility and thus has a high possibility of commercialization, by preventing a decrease in conversion efficiency due to a decrease in the Seebeck coefficient by using a non-precious metal carbide as an electrode material in a pH-neutral electrolyte and preventing the electrode from being oxidized.
The present invention has the advantage of ensuring economic feasibility by adopting a non-precious metal metal carbide as an electrode material, so that corrosion and dissolution of the electrode do not occur compared to when using a conventional precious metal or non-precious metal as an electrode material. In addition, by adopting and using an electrolyte having a neutral pH, the problem of a lower Seebeck coefficient is compensated for compared to when an alkaline electrolyte is adopted, so that there is no loss in conversion efficiency.
Description
본 발명은 열전기화학 전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 pH가 중성인 전해질에서 비귀금속계 탄화물을 전극의 소재로 하여 제백계수가 낮아져 변환 효율이 떨어짐을 방지하고 전극이 산화되지 않도록 함으로써 경제성이 우수하여 상용화 가능성이 높은 비귀금속계 탄화물 전극을 이용한 열전기화학 전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a thermoelectrochemical battery system, and more particularly, to a thermoelectrochemical battery system using a non-precious metal carbide electrode, which has excellent economic feasibility and thus has a high possibility of commercialization, by preventing a decrease in conversion efficiency due to a decrease in the Seebeck coefficient by using a non-precious metal carbide as an electrode material in a pH-neutral electrolyte and preventing the electrode from being oxidized.
열전 현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 이러한 열전 현상은 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도 차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도 차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전 분야에 응용하는 제벡 효과(Seebeck effect)로 구분된다.Thermoelectric effect refers to a reversible, direct energy conversion between heat and electricity, and is a phenomenon that occurs due to the movement of electrons and holes within a material. This thermoelectric effect is divided into the Peltier effect, which uses the temperature difference between the two ends formed by the externally applied current to apply it to the refrigeration field, and the Seebeck effect, which uses the electromotive force generated from the temperature difference between the two ends of the material to apply it to the power generation field.
이러한 열전 현상은 온도 전자기기의 발열 문제에 대응하는 능동형 냉각 시스템과 DNA에 응용되는 정밀온도제어시스템 등 기존의 냉매가스 압축방식의 시스템으로는 해결 불가능한 분야에서의 수요가 확대되고 있다. 또한 열전 냉각은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경 냉각기술이며, 고효율의 열전 냉각 재료의 개발로 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭이 확대되고 있다. 또한 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 열이 방출되는 부분에 열전 재료를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도 차에 의한 발전이 가능하게 되며, 태양에너지의 사용이 불가능한 화성, 토성 등의 우주 탐사선에는 이미 이러한 열전기화학 전지 시스템이 채택되어 사용되고 있다.This thermoelectric phenomenon is increasingly in demand in areas where existing refrigerant gas compression systems cannot solve the problem of heat generation in thermoelectric devices, such as active cooling systems and precision temperature control systems applied to DNA. In addition, thermoelectric cooling is an eco-friendly cooling technology that does not use refrigerant gas, which causes environmental problems, and is vibration-free and low-noise. With the development of high-efficiency thermoelectric cooling materials, its application range is expanding to general-purpose cooling fields such as refrigerators and air conditioners. In addition, if thermoelectric materials are applied to parts that emit heat, such as automobile engines and industrial plants, power generation becomes possible due to the temperature difference that occurs at both ends of the material. This thermoelectrochemical cell system has already been adopted and used in space probes to Mars and Saturn, where solar energy cannot be used.
열전기화학 전지 시스템은 전해질과 2개 이상의 전극으로 이루어져 있으며, 전해질 물질의 산화 및 환원반응에 따라 전극 사이의 온도차를 통해 열에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 공급하게 되어 있다. 이에 따라, 열전기화학 전지 시스템에 채택되어 사용될 수 있는 전해질과 전극에 대한 연구가 종래로부터 많이 수행되어 왔다. A thermoelectrochemical cell system is composed of an electrolyte and two or more electrodes, and supplies electricity by converting thermal energy into electrical energy through the temperature difference between the electrodes according to the oxidation and reduction reactions of the electrolyte material. Accordingly, much research has been conducted in the past on electrolytes and electrodes that can be adopted and used in thermoelectrochemical cell systems.
열전기화학 전지 시스템에 사용될 수 있는 가장 일반적인 전해질 물질로는 헥사시아노철(Ⅲ)산염(hexacyanoferrate(Ш))으로서 1.4mV/K의 제백계수를 가지므로 열 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 이 물질 이외에 전기 전도성 고분자를 많이 채택하여 사용하는데, 전기 전도성 고분자를 사용하는 경우 전기적 특성은 우수하나 열전 특성을 나타내는 제벡(Seebeck) 계수가 낮으며, 제벡 계수가 높은 전도성 고분자의 경우에는 전도도가 현저하게 낮은 단점이 있어 최종으로는 역률(Power factor)값이 낮아 무기 재료에 비해 현저하게 낮은 열전 효율(ZT)을 가지는 문제점이 발생되었다. 따라서, 유기 용매 중에 더 높은 제벡계수를 가지는 전해질 물질을 채택하거나 다른 물질을 첨가하여 제벡 계수를 증가시키는 방향으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 이러한 유기 전해물질을 채택한 선행특허기술로서는 한국등록특허 제10-2106269호 등이 있다. The most common electrolyte material that can be used in a thermoelectrochemical cell system is hexacyanoferrate(Ш), which has a Seebeck coefficient of 1.4 mV/K, so it can efficiently convert thermal energy into electrical energy. In addition to this material, electrically conductive polymers are often used. When electrically conductive polymers are used, the electrical properties are excellent, but the Seebeck coefficient, which indicates the thermoelectric properties, is low. In addition, in the case of conductive polymers with a high Seebeck coefficient, the conductivity is significantly low, which ultimately leads to a problem of a significantly low power factor and a significantly lower thermoelectric efficiency (ZT) compared to inorganic materials. Therefore, much research has been conducted in the direction of adopting an electrolyte material with a higher Seebeck coefficient in an organic solvent or adding another material to increase the Seebeck coefficient. Prior patented technologies that adopt such organic electrolyte materials include Korean Patent No. 10-2106269, etc.
한편, 열전기화학 전지 시스템의 주요 구성요소로서 전극에 대한 연구도 많이 수행되어 왔다. 가장 먼저 개발된 전극은 백금 전극으로 작동 전압 및 온도 내에서 안정적으로 열 에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있도록 하였다. 백금 이외에 탄소기반 물질인 카본나노튜브를 이용하여 작동 표면적을 넓힘으로써 더 많은 에너지를 변환하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 백금 전극이나 카본나노튜브 기반 전극은 전력당 물질 단가가 너무 높아 경제성이 떨어져 상용화에 문제가 있었다. 따라서, 전해질 물질 또는 작동조건을 조절하여 백금과 같은 귀금속이 아닌 구리나 니켈과 같은 비귀금속 금속 소재를 전극으로 활용할 수 있는 방안에 대해서 모색되었다. 이에 대해서는 한국등록특허 제10-1747165호에서 구체적으로 개시하였다. 다만, 비귀금속계 금속을 열전기화학 전지 시스템의 전극으로 채택하기 어려웠던 것은 전해질 및 작동 전압 내에서 전극의 산화반응으로 인해 전극 자체가 부식 및 용해된다는 문제점이 여전히 남아 있었기 때문이었다. Meanwhile, many studies have been conducted on electrodes as the main components of thermoelectrochemical cell systems. The first electrode developed was a platinum electrode, which was able to stably convert thermal energy into electrical energy within the operating voltage and temperature. In addition to platinum, studies have been conducted to convert more energy by increasing the operating surface area using carbon nanotubes, a carbon-based material. However, platinum electrodes or carbon nanotube-based electrodes have too high a unit cost per power, making them economically unfeasible, and thus there were problems with commercialization. Therefore, methods have been sought to utilize non-precious metal materials such as copper or nickel as electrodes instead of precious metals such as platinum by adjusting the electrolyte material or operating conditions. This is specifically disclosed in Korean Patent No. 10-1747165. However, it was difficult to adopt non-precious metals as electrodes in thermoelectrochemical cell systems because there was still a problem that the electrode itself was corroded and dissolved due to the oxidation reaction of the electrode within the electrolyte and operating voltage.
한편, 종래의 열전기화학 전지의 변환 효율은 전해질의 특성이 큰 부분을 차지하였다. 같은 환경 즉 동일한 온도차에서 더 많은 에너지를 생산할 수 있도록 하는 방법은 전해질의 특성, 또는 전해질의 상태를 조절하는 방법으로 전극은 상태 변화에 도움을 두는 정도에서 그쳤다. 따라서, 열전기화학 전지의 개발은 제벡 계수가 높은 전해질을 개발하는 것에 집중되었다. Meanwhile, the conversion efficiency of conventional thermoelectrochemical cells was largely determined by the characteristics of the electrolyte. The method of producing more energy in the same environment, that is, under the same temperature difference, was limited to the characteristics of the electrolyte or the method of controlling the state of the electrolyte, and the electrode only helped in the change of state. Therefore, the development of thermoelectrochemical cells was focused on developing electrolytes with a high Seebeck coefficient.
열전기화학 전지의 제벡계수를 증가시키기 위한 연구로 전해질은 이온성 액체를 사용하거나, 다른 용질을 개발 하는 연구가 많이 이루어졌다. 하지만, 제벡계수가 증가한 만큼 전압은 증가하였지만, 그만큼 전도도가 감소하여, 같은 온도차 내에서 높은 변환 효율을 보이지 못한다. 즉, 열전기화학 전지의 효율을 증가시키기 위해서는, 전압을 증가시키는 것과 동시에 흐르는 전류를 증가시켜야 한다. 전해질의 조절은 전압을 증가시킬 수 있지만 흐르는 전류를 조절할 수 없다는 단점이 존재한다. 변환 효율을 증가시키기 위하여 높은 제벡계수, 높은 전기전도도 및 낮은 열전도도를 가지는 전해질이 필요하나, 일반적으로 제벡계수, 전기전도도 및 열전도도는 서로 상충관계(trade-off)관계이기 때문이다.Many studies have been conducted to increase the Seebeck coefficient of thermoelectrochemical cells, using ionic liquids as electrolytes or developing other solutes. However, although the voltage increases as the Seebeck coefficient increases, the conductivity decreases as much, so that high conversion efficiency cannot be achieved within the same temperature difference. In other words, in order to increase the efficiency of a thermoelectrochemical cell, the voltage must be increased while also increasing the flowing current. Controlling the electrolyte has the disadvantage of being able to increase the voltage but not controlling the flowing current. In order to increase the conversion efficiency, an electrolyte with a high Seebeck coefficient, high electrical conductivity, and low thermal conductivity is required, but generally, the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity are in a trade-off relationship.
또한, 비귀금속계 금속 소재 기반의 전극개발은 전해질을 염기성으로 조절하거나, 산화 전극을 활용하는 방법이 연구되었다. 하지만 염기성 전해질을 사용할 경우 제벡 계수가 낮아져 변환 효율에서 손해를 보고, 산화 전극을 사용할 시 전극을 지속적으로 교환해 주어야하는 경제적 단점이 존재하기 때문에 전해질의 pH가 중성인 조건에서 안정적으로 산화하지 않는 전극의 개발이 필수적으로 요구되고 있다. In addition, the development of electrodes based on non-precious metal materials has been studied by adjusting the electrolyte to alkaline or utilizing an oxidation electrode. However, when using an alkaline electrolyte, the Seebeck coefficient decreases, resulting in a loss in conversion efficiency, and when using an oxidation electrode, the electrode must be continuously replaced, which is an economic disadvantage. Therefore, the development of an electrode that does not oxidize stably under conditions where the pH of the electrolyte is neutral is essential.
본 발명은 종래 기술의 문제점 및 한계점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, The present invention has been devised to solve the problems and limitations of the prior art.
본 발명은 열전기화학 전지 시스템의 구성요소 중 전극의 소재를 비귀금속계 탄화물로 채택하고, pH가 중성인 상태의 전해질을 채택하여 구성함으로써 에너지 변환 중 전극이 소모되는 것을 방지함으로써 경제성을 도모하는 한편 제벡계수가 낮아지지 않도록 함으로써 변환 효율을 높일 수 있는 열전기화학 전지 시스템을 제공함을 목적으로 한다.The present invention aims to provide a thermoelectrochemical cell system which adopts a non-precious metal carbide as the electrode material among the components of the thermoelectrochemical cell system and adopts an electrolyte having a neutral pH, thereby preventing the electrode from being consumed during energy conversion, thereby promoting economic efficiency and increasing conversion efficiency by preventing the Seebeck coefficient from decreasing.
본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템은, 온도차에 따라 산화 환원이 가능하며 페리/페로시아나이드를 포함하는 전해질; 상기 전해칠에 침지되는 제1전극과 제2전극;을 포함하며, 상기 온도차는 상기 제1전극과 상기 제2전극의 온도차이고, 고온부의 전극표면에서는 페로시안이온의 산화반응이 발생하고, 저온부의 전극표면에서는 페리시안이온의 환원반응이 발생하여 전기를 발생시키는 열전기화학 전지 시스템에 있어서, 상기 전해질의 pH는 7이며, 상기 제1전극과 제2전극은 비귀금속계 금속의 탄화물인 것을 특징으로 한다.The thermoelectrochemical cell system according to the present invention comprises: an electrolyte capable of oxidation and reduction depending on a temperature difference and containing ferri/ferrocyanide; a first electrode and a second electrode immersed in the electrolytic solution; wherein the temperature difference is a temperature difference between the first electrode and the second electrode, and an oxidation reaction of ferrocyanide ions occurs on the electrode surface of a high temperature part and a reduction reaction of ferricyanide ions occurs on the electrode surface of a low temperature part to generate electricity; wherein the pH of the electrolyte is 7, and the first electrode and the second electrode are characterized in that they are carbides of non-precious metals.
본 발명은 상기 비귀금속계 금속은 티타늄 또는 텅스텐인 것을 다른 특징으로 한다.The present invention is further characterized in that the non-precious metal is titanium or tungsten.
본 발명은 비귀금속계 금속 탄화물을 전극의 소재로 채택하여 종래의 귀금속계 금속 또는 비귀금속계 금속을 전극의 소재로 사용할 때에 비해 전극의 부식 및 용해 현상이 발생되지 않으므로 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.The present invention adopts a non-precious metal carbide as an electrode material, so that corrosion and dissolution of the electrode do not occur compared to when a conventional precious metal or non-precious metal is used as an electrode material, thereby ensuring economic feasibility.
또한, 본 발명은 pH가 중성 상태인 전해질을 채택하여 사용함으로써 알칼리성 상태의 전해질을 채택한 경우에 비해 제벡계수가 낮아지는 문제점을 보완함으로써 변환 효율에서 손해를 보지 않도록 한다는 다른 장점이 있다.In addition, the present invention has another advantage of not causing a loss in conversion efficiency by adopting and using an electrolyte having a neutral pH, thereby solving the problem of a lower Seebeck coefficient compared to when an alkaline electrolyte is adopted.
도 1은 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 것이다.
도 2는 전극 소재로 귀금속계 금속인 백금과 비귀금속계 소재인 텅스텐, 비금속계 소재인 탄소를 각각 채택하였을 때의 에너지 변환효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 3은 전극 소재로 비귀금속계 소재인 텅스텐을 탄화시킨 텅스텐 탄화물과 순수 텅스텐을 각각 채택하였을 때의 순환 볼타메트리와 텅스텐 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.
도 4는 전극 소재로 비귀금속계 소재인 티타늄을 탄화시킨 티타늄 탄화물과 백금(Pt)을 각각 채택하였을 때의 전해질의 pH 변화에 따른 순환 볼타메트리와 티타늄 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.Figure 1 illustrates the overall configuration according to one embodiment of a thermoelectrochemical cell system according to the present invention.
Figure 2 shows a comparison of energy conversion efficiencies when platinum, a precious metal, tungsten, a non-precious metal, and carbon, a non-metal, are used as electrode materials.
Figure 3 shows the cyclic voltammetry and energy conversion efficiency of tungsten carbide when tungsten carbide, which is carbonized tungsten, a non-precious metal material, and pure tungsten are used as electrode materials, respectively.
Figure 4 shows the cyclic voltammetry and energy conversion efficiency of titanium carbide according to the pH change of the electrolyte when titanium carbide, a non-precious metal material, and platinum (Pt) were each used as electrode materials.
이하, 첨부된 도면들을 통하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 것이다.Figure 1 illustrates the overall configuration according to one embodiment of a thermoelectrochemical cell system according to the present invention.
도 1에서는 통상적인 열전기화학 전지 시스템의 구성에 따라 간단하게 실험실에서 본 발명에 의한 열전기화학 전지 시스템을 구성한 것을 나타내었다. Fig. 1 shows a thermoelectrochemical cell system according to the present invention simply configured in a laboratory according to the configuration of a conventional thermoelectrochemical cell system.
본 실시예에서 고온부는 히터를 이용하여 가열하였으며, 저온부는 펠티에 소자를 이용하여 냉각시켜 열전 발전 시스템의 양 측단에 일정한 온도차 즉 온도 구배가 발생하도록 하였다. 이때 고온부와 저온부 사이에는 전해질을 구성하되 전해질에서 전극의 산화 반응이 일어나는 형태로 구성하였다. 이때 전극으로는 비 귀금속 금속 소재인 텅스텐(W)과 티타늄(Ti)의 탄화물을 채택하여 사용하였으며, 전해질로는 통상적인 열전기화학 전지 시스템의 전해질로 주로 사용되는 헥사시아노철산염(hexacyanoferrate)를 증류수에 0.4 M을 녹여 제조하여 사용하였다.In this embodiment, the high temperature section was heated using a heater, and the low temperature section was cooled using a Peltier element so that a constant temperature difference, i.e. a temperature gradient, was generated at both ends of the thermoelectric power generation system. At this time, an electrolyte was formed between the high temperature section and the low temperature section, and it was configured in a way that an oxidation reaction of the electrode occurred in the electrolyte. At this time, carbides of tungsten (W) and titanium (Ti), which are non-precious metal materials, were adopted and used as the electrodes, and the electrolyte was prepared by dissolving 0.4 M of hexacyanoferrate, which is mainly used as the electrolyte of a typical thermoelectrochemical cell system, in distilled water.
한편, 텅스텐 탄화물(WCx)과 티타늄 탄화물(TiC)은 텅스텐 또는 티타늄 금속의 표면을 갈아 평평하게 만든 후 인덕션 히터를 사용하여 메탄(CH4) 분위기 하에서 가열하여 열처리를 통해 제조하였다. Meanwhile, tungsten carbide (WC x ) and titanium carbide (TiC) were manufactured through heat treatment by grinding and flattening the surface of tungsten or titanium metal and then heating it in a methane (CH 4 ) atmosphere using an induction heater.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전기화학 전지 시스템은 다음과 같은 순서로 체결하여 구성하였다.Meanwhile, a thermoelectrochemical cell system according to one embodiment of the present invention was configured by connecting in the following order.
1. 전극의 제조 1. Manufacturing of electrodes
전극으로 사용할 텅스텐 또는 티타늄 금속의 표면을 갈아 전극 표면을 평평하게 만들고, 이를 인덕션 히터를 통해 메탄 분위기 하에서 열처리를 하여 탄화물을 제조한다. 제조된 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물 중 어느 하나를 선택하여 제1전극과 제2전극으로 한다. The surface of the tungsten or titanium metal to be used as the electrode is ground to make the electrode surface flat, and then heat-treated in a methane atmosphere using an induction heater to manufacture a carbide. Either the manufactured tungsten carbide or titanium carbide is selected and used as the first electrode and the second electrode.
2. 전해질의 제조2. Preparation of electrolyte
헥사시아노철(Ⅱ)산염(hexacyanoferrate(Ⅱ)), 헥사시아노철(Ⅲ)산염(hexacyanoferrate(Ш))을 각각 0.4M씩 증류수에 녹여 전해질을 제작한다. 이때 0.4M을 녹이는 이유는 최대 용해도에 맞추어 물질 전달을 원활하게 하기 위함이다.Electrolytes are prepared by dissolving 0.4 M each of hexacyanoferrate(Ⅱ) and hexacyanoferrate(Ш) in distilled water. The reason for dissolving 0.4 M is to facilitate mass transfer at the maximum solubility.
3. 전해질과 전극의 결합3. Combination of electrolyte and electrode
본 실시예의 열전기화학 전지 시스템의 양 끝에 각각 제1전극과 제2전극을 부착하고, 그 사이에 전해질을 부어 양 전극에 접촉시킨다.A first electrode and a second electrode are attached to each end of the thermoelectrochemical cell system of this embodiment, and an electrolyte is poured between them to contact the two electrodes.
4. 고온부와 저온부의 결합4. Combination of high temperature and low temperature parts
제1전극의 끝에는 히터에 의하 가열되는 고온부를, 제2전극의 끝에는 펠티에 소자에 의해 냉각되는 저온부를 각각 연결하여 열전기화학 전지 시스템의 기전력 발생에 필요한 온도구배를 형성한다.A high temperature section heated by a heater is connected to the end of the first electrode, and a low temperature section cooled by a Peltier element is connected to the end of the second electrode to form a temperature gradient necessary for generating electromotive force in a thermoelectrochemical cell system.
5. 에너지 변환 효율의 측정 및 평가5. Measurement and evaluation of energy conversion efficiency
특정한 저항 내에서 전압을 측정하여 각각의 전극 소재의 차이에 따른 각각의 열전기화학 전지 시스템에서의 에너지 변환 효율을 측정하여 그 차이를 확인한다. 따라서, 동일한 환경하에서 동일한 중성 상태의 전해질을 채택하였을 때 전극의 소재에 따른 전기 발생 효과 즉 발전 성능을 비교할 수 있게 된다.By measuring the voltage within a specific resistance, the energy conversion efficiency in each thermoelectrochemical cell system according to the difference in each electrode material is measured and the difference is confirmed. Therefore, when the same neutral electrolyte is adopted under the same environment, the power generation effect, i.e. power generation performance, according to the electrode material can be compared.
도 2는 전극 소재로 비귀금속계 소재인 텅스텐을 탄화시킨 텅스텐 탄화물과 순수 텅스텐을 각각 채택하였을 때의 순환 볼타메트리와 텅스텐 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다. Figure 2 illustrates the cyclic voltammetry and energy conversion efficiency of tungsten carbide when tungsten carbide, which is carbonized tungsten, a non-precious metal material, and pure tungsten are used as electrode materials, respectively.
도 2의 왼쪽 그래프를 확인하였을 때, 중성 전해질 조건 내에서 탄화물을 형성하지 않은 텅스텐 전극의 경우, 산화 반응에 따른 순환 볼타메트리 그래프가 대칭성을 갖지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 전극 소모에 따라 전극을 교체해야 한다는 문제점을 발생시킬 수 있다. 하지만 텅스텐 탄화물 전극의 경우 중성 전해질 내에서 전극의 산화반응이 일어나지 않는 대칭성의 순환 볼타메트리 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 별도의 전극의 산화 반응이 일어나는 것이 아닌, 페리/페로시아나이드의 산화, 환원 반응만 안정적으로 일어나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 텅스텐 탄화물 전극을 채택하면 전극 소모가 발생되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. When checking the left graph of Fig. 2, in the case of a tungsten electrode that does not form carbide in a neutral electrolyte condition, it can be confirmed that the cyclic voltammetry graph according to the oxidation reaction is not symmetrical. This can cause a problem that the electrode must be replaced due to electrode consumption. However, in the case of a tungsten carbide electrode, a symmetrical cyclic voltammetry result was obtained in which the oxidation reaction of the electrode did not occur in a neutral electrolyte. In other words, it can be confirmed that only the oxidation and reduction reactions of ferri/ferrocyanide occur stably, rather than a separate oxidation reaction of the electrode occurring. Therefore, it was confirmed that electrode consumption does not occur when a tungsten carbide electrode is adopted.
아울러, 도 2의 오른쪽 그래프를 통해 텅스텐 탄화물의 열-전기화학 전지 내에서의 에너지 변환에 따른 전압, 전류, 그리고 에너지양을 확인할 수 있다. 도 2의 오른쪽 그래프에 의하면 백금(Pt) 전극에 비해 텅스텐 탄화물 전극이 동일한 온도 및 작동 환경하에 더 많은 전류밀도와 에너지양을 보이는 것을 확인할 수 있어 백금 촉매에 비해 비용적인 측면에서 경제적일 뿐만 아니라 전지 자체의 효능도 더 높다는 것을 확인할 수 있었다. In addition, the voltage, current, and energy amount according to energy conversion in the thermo-electrochemical cell of tungsten carbide can be confirmed through the graph on the right side of Fig. 2. According to the graph on the right side of Fig. 2, it can be confirmed that the tungsten carbide electrode shows a higher current density and energy amount than the platinum (Pt) electrode under the same temperature and operating environment, and thus it can be confirmed that it is not only more economical in terms of cost than the platinum catalyst, but also that the efficiency of the cell itself is higher.
도 3은 전극 소재로 비귀금속계 소재인 티타늄을 탄화시킨 티타늄 탄화물과 백금(Pt)을 각각 채택하였을 때의 전해질의 pH 변화에 따른 순환 볼타메트리와 티타늄 탄화물의 에너지 변환효율을 도시한 것이다.Figure 3 shows the cyclic voltammetry and energy conversion efficiency of titanium carbide according to the pH change of the electrolyte when titanium carbide, a non-precious metal material, and platinum (Pt) were each used as electrode materials.
도 3의 왼쪽 그래프를 확인하였을 때, 티타늄 탄화물을 형성하였을 때 중성, 그리고 알칼리 성질의 전해질 내에서 페리/페로시아나이드 전해질의 가역적인 산화, 환원 반응이 일어나는 것을 확인할 수 있고, 그 정도가 백금 전극과 거의 비슷한 것을 실험결과를 통해 확인할 수 있었다. 따라서, 티타늄 탄화물을 전극으로 채택하여 사용하는 경우에도 전극의 소모가 발생되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.When checking the left graph of Fig. 3, it was confirmed that when titanium carbide was formed, a reversible oxidation and reduction reaction of the ferri/ferrocyanide electrolyte occurred in a neutral and alkaline electrolyte, and it was confirmed through the experimental results that the degree was almost similar to that of the platinum electrode. Therefore, it was confirmed that no consumption of the electrode occurred even when titanium carbide was adopted and used as an electrode.
아울러, 도 3의 오른쪽 그래프를 통해 티타늄 탄화물의 열-전기화학 전지 내에서의 에너지 변환에 따른 전압, 전류, 그리고 에너지양을 확인할 수 있다. 검은색으로 표기된 백금(Pt) 전극과 비교하였을 때, 티타늄 탄화물의 경우 백금 전극에 비해 상대적으로 전류와 발생 에너지양에서 절대적인 값은 부족하지만, 백금 전극에 비해 소요되는 비용 측면에서는 충분히 경제성을 가질 수 있으므로 이를 채택하여 상용화의 가능성은 충분히 있을 것으로 예상된다. In addition, the voltage, current, and energy amount according to energy conversion in the thermo-electrochemical cell of titanium carbide can be confirmed through the graph on the right side of Fig. 3. Compared to the platinum (Pt) electrode marked in black, titanium carbide is relatively inferior in absolute values to the platinum electrode in terms of current and energy generation, but it can be sufficiently economical in terms of cost compared to the platinum electrode, so it is expected that there is sufficient possibility of commercialization by adopting it.
100 : 전해질
200 : 제1전극
300 : 제2전극
400 : 고온부
500 : 저온부100 : Electrolyte
200 : 1st electrode
300 : 2nd electrode
400 : High temperature section
500 : Low temperature section
Claims (2)
상기 온도차는 상기 제1전극과 상기 제2전극의 온도차이고,
고온부의 전극표면에서는 페로시안이온의 산화반응이 발생하고, 저온부의 전극표면에서는 페리시안이온의 환원반응이 발생하여 전기를 발생시키는 열전기화학 전지 시스템에 있어서,
상기 전해질의 pH는 7이며,
상기 제1전극과 제2전극의 소재는 티타늄 탄화물 또는 텅스텐 탄화물인 것을 특징으로 하는 열전기화학 전지시스템.
An electrolyte capable of oxidation and reduction depending on a temperature difference and containing ferri/ferrocyanide; a first electrode and a second electrode immersed in the electrolyte;
The above temperature difference is the temperature difference between the first electrode and the second electrode,
In a thermoelectrochemical cell system in which electricity is generated by an oxidation reaction of ferrocyanide ions on the electrode surface in the high temperature region and a reduction reaction of ferricyanide ions on the electrode surface in the low temperature region,
The pH of the above electrolyte is 7,
A thermoelectrochemical battery system, characterized in that the materials of the first electrode and the second electrode are titanium carbide or tungsten carbide.
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