KR100502451B1 - 소프트 포켓을 갖는 금속-기체 셀 배터리 및 이를 위한소프트 포켓 재료 - Google Patents

소프트 포켓을 갖는 금속-기체 셀 배터리 및 이를 위한소프트 포켓 재료 Download PDF

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Abstract

아연-공기 셀 배터리와 같은 금속-기체 셀 충전 배터리는 하나 이상의 배터리 셀을 가진다. 각 배터리 셀은 한 쌍의 기체 음극 사이에 끼어 있는 금속성 양극을 포함한다. 각 기체 음극은 강체의 리테이너 내에 배치되어 있다. 각 기체 음극의 리테이너는 전해질을 담을 수 있고 확장 가능한 소프트 포켓에 의해 서로서로 부착된다. 양극이 소프트 포켓 내에 배치된다. 셀은 소프트 포켓을 확장함으로써 기계적으로 연료를 다시 보관할 수 있다. 이에 따라 셀로부터 다 쓴 양극을 쉽게 제거하고 새로운 양극을 셀 내로 쉽게 넣을 수 있다.

Description

소프트 포켓을 갖는 금속-기체 셀 배터리 및 이를 위한 소프트 포켓 재료 {METAL-GAS CELL BATTERY WITH SOFT POCKET AND SOFT POCKET MATERIAL FOR THE METAL-GAS CELL BATTERY}
본 발명은 금속-공기 셀 배터리와 같은 메탈-기체 셀 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적으로 재충전할 수 있는 금속-공기 셀 배터리에 관한 것이다.
본원은 발명의 명칭이 "Metal-Gas Cell Battery With Soft Pocket"인 미국 특허 출원 제09/681,260호(2001년3월9일 출원)와 발명의 명칭이 "Metal-Gas Cell Battery With Soft Pocket"인 미국 특허 출원 제09/682,012호(2001년 7월 9일 출원)의 CIP(Continuation-in-part) 출원이다.
탄화수소 연료 차량을 무연의 전기 자동차로 대체하기 위하여 많은 국가가 더욱 힘있고, 오래 가는 배터리를 찾고 있다. 이와 관련하여, 최근 아연-공기 배터리와 같은 금속-기체 셀 배터리에 초점을 맞춘 많은 연구 개발이 이뤄지고 있다. 아연-공기 배터리는 지금까지 알려진 배터리 중에서 이론적으로는 가장 높은 비에너지를 갖는 것 중 하나에 속한다. 그러나 아연-공기 배터리 차량을 탄화 수소 연소 차량의 대용으로 사용하기에는 많은 문제를 극복해야만 한다.
모든 금속-기체 셀 배터리는 복수의 셀을 갖는다. 각 셀은 일정량의 알칼리성 전해질이 사이에 들어있는 적어도 하나의 기체-방출 음극과 금속의 양극을 가지며, 기계적으로 분리된 판 형태를 갖는다. 금속-기체 셀 배터리의 동작을 보면, 산소와 같은 반응성 기체가 각각의 기체-방출 음극에서 반응하여 음이온을 만든다. 이 음이온은 양극에서, 금속으로 된 양극 소재와 반응한다. 이에 따라 각각의 음극 및 양극 사이에는 전기 에너지 차이가 생기게 된다. 이 셀을 직렬로 연결하면, 모든 셀의 합산 전기 에너지는 상당히 커질 수 있으므로 이를 전력원으로 이용할 수 있다. 그러나 알려진 바와 같이, 배터리의 동작으로 인하여 금속의 양극 재료는 점차 고갈되어지므로 배터리를 주기적으로 재충전해야만 한다.
금속-기체 셀 배터리는 전기적으로 또는 기계적으로 충전될 수 있다. 현재의 전력망에는 전기적으로 충전하는 것이 더욱 수월하지만 전기적으로 충전된 배터리는 가용 수명이 매우 제한적이다. 게다가, 전기적으로 충전가능한 금속-기체 배터리는 이중 기능성 또는 추가로 기체를 방출하는 전극을 필요로 한다. 이러한 이중 기능성 또는 추가의 기체 방출 전극을 사용하게 되면 배터리는 매우 무거워지고, 다루기 어렵고 복잡해지게 된다.
따라서, 현재 금속-기체 셀 배터리에서 선택되고 있는 충전 모드는 다 쓴 금속성 양극을 새로운 양극으로 물리적으로 교체하는 기계적인 연료 보급 방법이다. 기계적인 연료 보급은 두 가지 방법으로 실행될 수 있다. 첫번째 방법으로는, 전해질 내에 부유하는 금속 알갱이 또는 분말로 금속성 양극을 만드는 것이다. 금속 알갱이 또는 분말을 다 쓰고 나면, 이를 셀로부터 제거한 후 새로운 알갱이나 분말을 셀 내로 채운다. 미국 특허 제3,981,747호, 제5,006,424호, 제5,434,020호 및 제5,558,947호는 아연 입자 또는 알갱이를 양극으로 사용하는 방법에 대하여 기재하고 있다.
금속-기체 배터리에 기계적으로 연료를 보급하는 두번째 방법은 첫번째 방법과 비슷하다. 두번째 방법으로는, 금속성 양극을 강체의 구조물(rigid structure)로 만드는 것이다. 금속성 양극을 다 쓰고 나면 이 양극을 제거한 후 교체 양극을 셀 내에 다시 설치한다. 두 가지 방법 중 두번째 방법이 이론적으로나, 설치, 유지 및 동작에서 간단하기 때문에 이 방법이 일반적으로 채택되고 있다. 미국 특허 제3,513,030호, 제5,203,526호, 제5,318,861호, 제5,366,822호, 제5,418,080호, 제5,447,805호, 제5,753,384호, 제5,904,999호 및 제6,057,053호 등에서는 강체의 양극 구조물을 교체하는 방식으로 금속-기체 셀 배터리에 기계적으로 연료를 보급하는 다양한 방법이 기재되어 있다. 위 특허 문헌에 기재된 바는 모두 본 발명에 참조되어 본 명세서의 일부를 이룬다.
금속-기체 셀 배터리 관련 기술 분야에서의 종래기술의 문제점은 강체의 양극 구조물을 셀로부터 제거하고 다시 셀에 삽입하는 것이 어려운 데 있다. 지지 구조물이 전부 강체로 되어 있는 종래의 셀에서는, 양극을 제거하고 다시 삽입하기 위한 틈새(clearance)가 일반적으로 매우 적다. 양극의 제거 및 재삽입시 기체 음극 및 분리판이 종종 마모되기도 한다. 미국 특허 제4,389,466호 및 제4,560,626호에서는 이러한 문제점을 해결하고자 하고 있다. 그러나 이들 특허에 기재되어 있는 배터리에서 사용되는 콘 형상의 전류 집전 장치와 금속성 양극은 그 사이의 전체 접촉 면적이 큰 전류에 대해서까지는 충분하지 않다. 게다가, 이들 특허에 기재되어 있는 배터리 내의 전류 집전 장치상의 핀포인트는 금속성 양극의 삽입 및 인출을 매우 어렵게 한다. 미국 특허 제5,286,578호에서도 이러한 문제를 해결하고자 시도하고 있다. 이 특허에서는 전체가 플렉시블한 하우징으로 금속-기체 셀 배터리를 만드는 것을 제안하고 있다. 그러나 이러한 하우징은 깨지기 쉽고 반복된 연료 공급을 견디지 못한다. 미국 특허 제5,415,9349호 및 제5,650,241호에서도 전체가 플렉시블한 하우징에 대하여 기재하고 있다. 이 하우징 시스템은 너무 복잡하여 제조, 유지 및 동작에 비용이 많이 든다.
미국 특허 제4,389,466호 및 제4,560,626호는 소프트 포켓을 만들기 위한 재료로서 네오프렌을 이용하는 것에 대하여 기재하고 있다. 네오프렌은 당업계에서 가장 항-알칼리성 고무인 것으로 알려져 있지만 그 자체의 탄력성으로 인하여 네오프렌으로 소프트 포켓을 만들게 되면 변형이 너무 많이 되어 마치 물로 채운 고무 풍선같이 된다. 이로 인하여 네오프렌으로 제조된 소프트 포켓은 이후의 연료 보급 과정에서 너무 빨리 파괴되어 버린다.
미국 특허 제5,286,578호는 접을 수 있는 "가요성 플라스틱 재료"로 만든 접기 가능한 전기 화학적 셀에 대하여 기재하고 있다. 그러나 가용성 플라스틱 재료에 대한 상세한 내용에 대해서는 기재되어 있지 않다. 이와 유사하게, 미국 특허 제5,415,949호는 파우치 전극(pouch cathode)을 사용하는 것을 제안하고 있으나 이 파우치를 어떤 식으로 만드는가에 대해서는 시사하고 있는 바가 없다.
강체의 양극 구조물을 물리적으로 교체함으로써 기계적으로 연료를 보급하는 방식의 금속-기체 셀 배터리가 가지는 또다른 문제점으로는 알칼리성 전극의 잦은 누설에 있다. 가장 최근의 설계에서는, 금속-기체 셀의 하우징을 통상적으로 상면이 열리게 하고 있다. 여기서 열리는 부분은 셀 하우징과 양극 조립체의 돌출부 사이에 설치된 탄성 재질의 밀봉재에 의해 동작 동안에는 밀봉되어 있다. 게다가, 양극의 돌출부에 근접하게 셀의 최상단부분을 따라서 하나 또는 두개 정도의 작은 호기구를 설치하는 것이 통상적이다. 그러나 알칼리 용액은 양극 위를 슬금슬금 기어서 양극의 돌출부를 따라 셀 밖으로 빠져나갈려는 경향이 있다. 또한, 알칼리성 분무가 연속적으로 호기구를 통해 빠져나간다. 이러한 누설 및 분무는 양극위의 도전체와 음극의 공기를 빠르게 산화시킬 수 있다. 급작스런 산화는 접촉면 사이에 전기적 저항을 야기시키고 이로 인해 배터리 전력의 상당한 손실을 초래한다. 더우기, 알칼리성 전해질의 누설과 전해질 분무는 이러한 배터리를 배터리 외부의 금속 부재의 산화가 문제시되는 어떠한 환경에도 사용하기 어렵게 만든다. 결국, 조작 또는 동작 동안의 배터리의 어떠한 전복이라도 다량의 전해질이 배터리밖으로 누설되게 만든다.
따라서, 종래 기술의 앞서 언급한 문제점들을 극복하면서 양극 재료를 기계적으로 편리하게 교체함으로써 충전가능한 금속-기체 셀 배터리가 필요하다.
본 발명의 상기한 다양한 특징 및 장점은 다음의 설명, 특허청구범위 및 첨부한 도면을 통해 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 특징을 가지는 금속-기체 배터리의 일실시예에 대한 사시도,
도 2는 도 1의 배터리에 사용 가능한 금속-기체 셀의 사시도,
도 3은 도 2의 셀에 사용 가능한 양극의 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 셀 하우징의 분해도,
도 5는 도 2의 셀에 사용 가능한 한 쌍의 기체 음극의 사시도,
도 6은 본 발명에 사용 가능한 한 쌍의 셀의 분해도,
도 7은 도 6에 도시한 한 쌍의 셀의 사시도,
도 8은 도 7에 도시한 것과 같은 두 개의 셀의 단면도,
도 9는 도 8에서 원으로 표시한 부분의 상세도,
도 10은 도 4의 소프트 포켓을 접지 않은 상태를 도시한 도면,
도 11은 도 4의 소프트 포켓에 사용 가능한 코팅된 섬유의 제1 실시예의 단면도,
도 12는 도 4의 소프트 포켓에 사용 가능한 코팅된 섬유의 제2 실시예의 단면도,
도 13은 도 4의 소프트 포켓에 사용 가능한 코팅된 섬유의 제3 실시예의 단면도,
도 14는 도 4의 소프트 포켓에 사용 가능한 코팅된 섬유의 제4 실시예의 단면도,
도 15는 본 발명의 특징을 갖는 금속-기체 배터리의 다른 실시예에 대한 사시도,
도 16은 도 15의 배터리에 사용 가능한 금속-기체 셀의 단면도,
도 17은 도 15의 배터리에 사용 가능한 양극의 사시도,
도 18은 도 16에 도시한 셀 하우징의 분해도,
도 19는 도 18의 셀 하우징의 프레임의 일부에 대한 단면도,
도 20은 도 18의 셀 하우징의 프레임의 일부에 대한 단면도,
도 21은 도 16의 셀에 사용 가능한 한 쌍의 기체 음극의 사시도,
도 22는 본 발명에 사용 가능한 한 쌍의 셀의 분해도,
도 23은 도 22에 도시한 것과 같은 두 개의 셀의 단면도,
도 24는 도 22에 도시한 한 쌍의 셀의 사시도,
도 25는 도 22에 도시한 한 쌍의 셀 중 하나의 정면도,
도 26은 도 25의 셀의 단면도,
도 27은 도 25의 셀의 다른 단면도,
도 28은 도 25의 셀의 단면도이다.
본 발명은 이상의 필요성을 충족시킨다. 본 발명은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리에 관한 것이다. 각 배터리 셀은 (ⅰ) 강체의 평평한 제1 리테이너내에 배치되고, 기체는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 기체가 통하도록 하는 제1 기체 음극, (ⅱ) 강체의 평평한 제2 리테이너내에 배치되고, 공기는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 공기가 통하도록 하며, 제1 기체 음극과 전기적으로 접속되어 있으며, 제1 리테이너가 제2 리테이너에 가까이 근접하는 제1 리테이닝 위치와, 제1 리테이너가 상기 제2 리테이너로부터 멀리 떨어져 있는 제2 리테이닝 위치 사이로 제1 리테이너에 대하여 제2 리테이너가 이동가능한 제2 기체 음극, (ⅲ) 제1 기체 음극과 제2 기체 음극 사이에 배치되고, 플렉시블하고 평평한 제1 벽 및 제2 벽을 가지는 소프트 포켓, (ⅳ) 제1 및 제2 리테이너를 상기 제1 리테이닝 위치에 고정시키기 위한 소프트 포켓 폐쇄 기구, 그리고 금속성 양극을 포함한다. 제1 벽과 제2 벽은 각각 상단을 포함한 외면와 중앙의 개구를 가지고, 제1 벽의 외면와 상기 제2 벽의 외면은 각각의 상단을 제외한 부분과 서로 연결되어 있고, 제1 벽의 외면은 제1 리테이너에 부착되어 있고, 제2 벽의 외면은 상기 제2 리테이너에 부착되어 있다. 제1 리테이너, 제1 기체 음극, 제1 벽, 상기 제2 벽, 상기 제2 리테이너 및 제2 기체 음극은 함께 액체 보관용 소프트 포켓 챔버를 형성한다. 소프트 포켓 챔버는 소프트 포켓 하부, 소프트 포켓 상부 및 제1 벽 및 제2 벽의 상단 사이에 형성된 소프트 포켓 상단 개구부를 가진다. 소프트 포켓 상단 개구부는 제2 리테이닝 위치에서는 열려지고 제1 리테이닝 위치에서는 단단히 닫혀진다. 금속성 양극은 소프트 포켓 챔버 내에 배치되어 있다.
또한, 본 발명은 위 두 개의 기체 음극에 전기적으로 접속되어 있는 양(+)의 제1 배터리 단자와, 금속성 양극에 전기적으로 접속되어 있는 음(-)의 제2 배터리 단자를 포함한다.
바람직하게는, 기체 음극은 공기 음극이고 금속성 양극은 금속 아연으로 실질적으로 이루어진다.
바람직하게는, 금속성 양극의 전체가 소프트 포켓 챔버내에 배치된다.
바람직하게는, 배터리는 소프트 포켓 챔버의 상부에 배치되어 소프트 포켓 챔버와 외부 대기 사이의 압력 차이를 감소시키는 제2 반투과성 박막을 포함한다.
바람직하게는, 소프트 포켓은 섬유 강화 박막으로 이루어지는 데, 이 섬유 강화 박막은 네오프렌이 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 비닐 또는 나일론 섬유, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이 어느 한면에 코팅되어 있는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이 제1 면에 코팅되어 있고 제2 면에 PVC가 코팅되어 있는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌로 이루어진다. 섬유는 항 알카리성으로서 비닐, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 소프트 포켓 폐쇄 기구는 하나 이상의 셀을 둘러싸는 하나 이상의 스트랩을 구비한다. 이와 선택적으로, 소프트 포켓 폐쇄 기구는 하나 이상의 볼트와 너트를 구비할 수 있다. 바람직하게는 소프트 포켓은 단면이 W자 형상인 일체로 주조된 조각을 포함한다.
바람직하게는, 제1 벽의 외면에는 제1 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있고 제2 벽의 외면에는 제2 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있다.
다음의 설명은 본 발명에 대한 하나의 실시예와 이를 다양하게 변형한 실시예에 대한 것이다. 그러나 이러한 설명은 본 발명을 특정한 실시예에 대한 것으로 한정하고자 하기 위한 것은 아니며, 당업자라면 이외의 많은 실시예에 대해서도 충분히 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 금속-기체 셀 배터리(10)는 하나 이상의 배터리 셀(12), (+)의 제1 배터리 단자(14) 및 (-)의 제2 배터리 단자(도시하지 않음)를 포함한다. 통상적으로, 본 발명의 배터리(10)는 복수의 동일한 배터리 셀(12)을 포함한다. 다음에서 설명하는 실시예에서는, 배터리(10)는 복수의 배터리 셀(12)을 포함하고, 반응 가스는 공기로부터의 산소이고, 양극 재료는 아연 또는 이와 유사한 재료이다.
각 배터리 셀(12)은 제1 기체 음극(18), 제2 기체 음극(20) 및 이 제1 및 제2 기체 음극(18, 20) 사이에 배치된 소프트 포켓(22)을 포함한다. 소프트 포켓(22)은 소프트 포켓 챔버(94)를 형성한다. 각 배터리 셀(12)은 소프트 포켓 챔버(94)내에 배치된 금속성 양극(24)도 포함한다.
반드시 요구되는 것은 아니지만 금속성 양극(24)의 전체가 소프트 포켓 챔버(94) 내에 배치되는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 실시예에서, 본 발명의 배터리(10)는 직렬로 연결된 배터리 셀(12)을 포함하는 아연-공기 배터리이다. 배터리(10)는 요구되는 전압에 따른 일정 수의 배터리 셀(12)을 포함할 수 있다.
배터리(10)는 전측 커버판(26)과 후측 커버판(28)을 포함한다. 전측 커버판(26)은 첫번째 배터리 셀 내의 최외곽의 기체 음극(18)을 보호하고 후측 커버판(28)은 마지막 배터리 셀 내의 최외곽의 기체 음극(20)을 보호한다.
도 2 내지 도 9는 배터리(10)에 사용가능한 전형적인 셀(12)을 도시한다. 제1 기체 음극(18)은 강체의 평평한 제1 리테이너(34) 내에 배치된 기체 음극이다. 제1 기체 음극(18)은 기체는 스며들수 있지만 액체는 스며들지 못한다. 반응 가스로는 대기의 산소가 이용되는데, 제1 기체 음극(18)은 대기로부터의 산소가 셀(12) 내로 유입되도록 하는 통로 역할을 한다.
제2 기체 음극(20)은 강체의 평평한 제2 리테이너(38) 내에 배치된 기체 음극이다. 제2 기체 음극(20) 또한 기체는 스며들수 있지만 액체는 스며들지 못한다. 반응 가스는 대기의 산소가 이용되는데, 제2 기체 음극(20)은 대기로부터의 산소가 셀(12) 내로 유입되도록 하는 통로 역할을 한다.
제2 리테이너(38)는 제1 리테이너(34)에 대하여 상대적으로 이동하여, 제1 리테이닝 위치에서는 제1 리테이너(34)가 제2 리테이너(38)에 가까이 근접하도록 하고, 제2 리테이닝 위치에서는 제1 리테이너(34)와 제2 리테이너(38)가 멀리 떨어져 있도록 한다.
제1 기체 음극(18)과 제2 기체 음극(20) 모두 기체 음극(18, 20) 내로 충분한 공기가 유입되도록 하는 지지용 격자 부재(40)를 포함한다.
소프트 포켓(22)은 소프트 포켓 상단 개구부(42)를 가진다. 이 상단 개구부는 제2 리테이닝 위치에서는 개구되어 있고, 제1 리테이닝 위치에서는 단단히 닫혀진다. 여기서 "단단히 닫혀진다"는 의미는, 소프트 포켓의 상단 개구부(42)가 충분히 밀봉되어져 전해질 또는 전해질 분무가 소프트 포켓 챔버(94)로부터 누설되지 않도록 한다는 것을 뜻한다.
도 1에 도시한 것처럼, 소프트 포켓 폐쇄 기구(44)가 제1 리테이닝 위치에 있는 제1 및 제2 리테이너(34, 38)에 제공되고 있다. 도면에 도시된 실시예에서, 소프트 포켓 폐쇄 기구(44)는 한 쌍의 스트랩(46)으로 이루어져 있다. 다른 실시예로는, 하나의 스트랩(46) 또는 하나 이상의 클램프를 사용할 수도 있다. 또는 전측의 커버판(26)으로부터 후측의 커버판(28)까지 관통하는 스크류를 사용할 수도 있다. 스크류를 사용한 실시예에 대해서는 후술한다.
도면에 도시된 실시예에서, 각 스트랩(46)은 폴리프로필렌 또는 다른 적절한 재료로 된 통상적인 패킹용 스트랩일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 각 스트랩(46)의 대향하는 단부는 한 쌍의 평행한 세로 부재(50)와 하나의 가로 부재(52)를 갖는 H자 형상의 부재(48)에 부착되어 있다. 세로 부재(5)와 가로 부재(52)는 구조적인 강성을 제공하기 위하여 단면이 U자 형상으로 이루어질 수 있다. H자 형상의 부재(48)는 예를 들면 스크류를 이용하여 전측의 커버판(26)과 후측의 커버판(28)에 장착된다.
도 1로부터 알 수 있는 것처럼, H자 형상의 부재(48) 상의 세로 부재(50)는 한 쌍의 스트랩(46)을 아래로 조일 수 있는 래치 기구(54)를 포함한다. 각 스트랩(46)의 하단은 세로 부재(50) 중 하나의 하단에서 핀(55)으로 래치 기구(54)에 부착되어 있고, 각 스트랩(46)의 상단은 세로 부재(50) 중 하나의 상단에 가깝게 배치된 부착용 링(56)에 부착되어 있다. 부착용 링(56) 각각은 나사산을 가진 후크(58)를 가지고 있다. 후크(58)를 나사산을 따라 돌려서 부착용 링 내외로 움직이게 할 수 있다. 각 후크(58)는 두 개의 래치 기구(54) 중 하나에 결합할 수 있도록 배치되어 있다.
그러나 후측의 커버판(28) 상에 있는 H자 형상의 부재(48)에는 래치 기구(54), 핀(55), 링(56), 후크(58) 등이 설치되어 있지 않다. 후측의 커버판 위의 두 개의 스트랩(46) 각각은 두 개의 세로 부재(50) 내의 U자 형상의 홈통(60) 중 어느 하나 내에 유지되어 있다.
(+)의 제1 배터리 단자(14)는 도 1에 도시한 것과 같이 전측 커버판(26)에 배치된 수(male) 콘 형상 또는 원통 형상의 부재로 이루어진다. (-)의 제2 배터리 단자는 후측 커버판(28)에 배치된 암(female) 콘 형상 또는 원통 형상의 부재로 이루어진다. 제1 배터리 단자(14)는 두 개의 기체 음극(18, 20)에 전기적으로 접속되어 있다. 제2 배터리 단자는 양극(24)에 전기적으로 접속되어 있다.
냉각 및 반응용 산소를 배터리(10)에 공급하는 공기는 배터리(10)로 흘러들어가서 배터리 셀(12) 사이의 갭(62)을 통과한다.
도면에 도시된 실시예에서, 양극(24)은 전체가 소프트 포켓(22) 내에 설치되어 있다. 도 3은 전형적인 양극(24)을 상세하게 도시하고 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 양극(24)은 베이스 부(66)와 이 베이스 부(66) 위에 형성된 탭 부(68)를 가지는 전도성 지지 부재(64)를 포함한다. 지지 부재의 베이스 부(66)와 탭 부(68)는 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 구리가 싸고 튼튼하고 전도성이 높기 때문에 선호된다. 지지 부재의 베이스 부(66)는 재생 동안 손상 또는 변형을 최소화할 수 있을 정도로 튼튼해야 하며, 넓은 단면 영역을 따라서 고 전류가 전압 강하를 최소화하면서 흐를 수 있게 해야 한다. 도 3에 도시한 실시예에서, 지지 부재의 베이스 부(66)에 구멍과 슬롯(70)을 형성하여 지지 부재(64)의 무게를 가볍게 하고 금속 분말(71)(이에 대해서는 바로 다음에서 언급함)이 지지 부재의 베이스 부(66)에서 뭉쳐질 수 있도록 한다.
도 17에는 양극에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다.
아연 분말과 같은 금속 분말(71)은 지지 부재의 베이스 부(66)상에 가압되어 양극의 베이스 부(72)를 제공한다. 지지 부재의 베이스 부(66)에 형성된 구멍과 슬롯(70)은 모든 아연 분말(71)의 입자와 지지 부재의 베이스 부(66) 사이의 전기 저항이 거의 동일하도록 위치 및 구성하는 것이 바람직하다.
양극의 베이스 부(72)는 평평하고 넓은 표면적을 제공할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 양극(24)을 소프트 포켓(22) 내로 용이하게 설치하기 위해서는, 양극의 베이스 부(72)의 최하위단(74)이 최상위단(76)보다 길이가 짧은 것이 바람직하다. 따라서, 전형적인 실시예에서, 양극의 베이스 부(72)는 최하위단(74)이 최상위단(76)보다 길이가 약간 짧은 사다리꼴 형상을 갖는다. 이러한 실시예에서는, 소프트 포켓(22)도 동일한 모양을 갖도록 하는 것이 전형적이다.
지지 부재(64)의 탭 부(68)는 양극(24)을 소프트 포켓(22)에 설치하거나 제거할 때 다루기 편리하도록 하기 위한 것이다. 탭 부(68)는 다음에서 설명할 양극(24)을 위한 전기적 접속 수단을 제공한다. 동작 중에는 양극(24)의 전체가 소프트 포켓(22) 내에 배치되는 실시예에서는, 탭 부(68)는 밀봉 부재가 필요없다.
도 2 및 도 3에 도시한 것처럼 양극의 베이스 부(72)는 엔클로저 백(78) 내에 설치된다. 엔클로저 백(78)은 다공성 플라스틱 박막, 실로 짠 섬유 또는 실로 짜지 않은 섬유와 같은 적절한 다공성의 가요성 재료라면 된다. 엔클로저 백(78)은 한 쌍의 클립(80)과 함께 양극의 베이스 부(72)를 둘러싸고 있다.
도 4는 도 2에 도시한 배터리 셀(12)의 분해도이다. 이로부터 알 수 있는 것처럼, 소프트 포켓(22)는 가요성의 평평한 제1 벽(82)과 제2 벽(84)을 포함한다. 제1 벽(82)과 제2 벽(84) 모두 외면(86)과 중앙 개구부(88)를 가진다. 제1 벽(82)의 외면(86)은 상단(90)을 포함하고, 제2 벽(84)의 외면(86)은 상단(92)을 포함한다. 도면에 도시된 실시예에서, 제1 벽(82)의 외면(86)은 좌단 및 우단(83)을 더 포함하고, 제2 벽(84)의 외면(86)은 좌단 및 우단(83)을 더 포함한다. 제1 벽(82)의 외면(86)은 제1 리테이너(34)에 접착재 또는 이와 유사한 접착 수단을 통하여 부착되어 있으며, 제2 벽(84)의 외면(86)은 제2 리테이너(38)에 접착재 또는 이와 유사한 접착 수단을 통하여 부착되어 있다.
도 10은 소프트 포켓을 만드는 바람직한 방법에 대하여 도시하고 있다. 소프트 포켓(22)용으로 선택된 재료로 이루어진 하나의 판에 구멍을 뚫어서 도 10에 도시한 것과 같은 형상, 즉 두 개의 개구부(88), 외면(86), 좌단 및 우단(83), 상단(90) 및 상단(92)을 가지는 형상을 만든다. 이 재료를 선(87)을 따라 접어서 좌단과 후단(83)을 적절한 수단으로 밀봉하여 소프트 포켓(22)을 만든다. 상단(90) 및 상단(92)은 밀봉되지 않기 때문에 이에 따라 소프트 포켓의 상단 개구부(42)가 만들어진다. 접착면(89)은 제1 벽의 외면(86)을 제1 리테이너(34)에 부착하고 제2 벽(84)의 외면(86)을 제2 리테이터에 부착하기 위한 접착에 적절한 위치에 형성된다.
이와 같이 설계함으로써, 제1 리테이너(34), 제1 기체 음극(18), 제1 벽(82), 제2 벽(84), 제2 리테이너(38), 그리고 제2 기체 음극은 함께 소프트 포켓(22)을 밀봉할 수 있고 이에 따라 소프트 포켓 챔버(94)를 형성할 수 있다. 소프트 포켓 챔버(94)는 제1 벽(82)과 제2 벽(84)의 두 개의 상단(90, 92) 사이로 형성되는 상단 개구부(42)에서 개구되어 있다. 소프트 포켓 챔버(94) 내로 전해질을 주입하면, 이 전해질은 제1 벽(82)에 있는 중앙 개구부(88)를 통하여 제1 기체 음극(18)에 접촉하게 되고, 이와 비슷한 식으로 제2 벽(84)에 있는 중앙 개구부(88)를 통하여 제2 기체 음극(20)에 접촉하게 된다.
소프트 포켓(22)의 제1 벽 및 제2 벽(82, 84)은 가요성 박막 또는 기타 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 소프트 포켓(22)의 제1 및 제2 벽(82, 84)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 또는 기타 양호한 항-알칼리 특성을 가짐으로써 전해질로 인한 부식을 막을 수 있는 재료로 만들 수 있다.
전해질로부터의 부식을 막을 수 있는 기타 재료로는 에틸렌 프로필렌 디엔 모너머, 부틸 러버, 에틸렌 프로필렌 코폴리머, 그리고 클로로술포네이트화된 폴리에틸렌 등이 있다.
소프트 포켓(22)의 제1 벽 및 제2 벽(82, 84)을 만들기 위한 바람직한 재료는 섬유 강화 박막이다. 도 11은 본 발명에 사용 가능한 섬유 강화 박막(150)의 단면을 도시하고 있다. 이 섬유 강화 박막은 제1 면(156), 제2 면(158)을 갖는 섬유(154)와 코팅(152)을 포함한다. 도 11에 도시한 실시예에서, 섬유(154)는 제1 면(156)이 네오프렌 코팅재(152)로 코팅되어 있다. 섬유(154)가 짜여진 것이라면 네오프렌은 섬유(154)의 제 2면(158)까지 퍼져들 수 있다. 양호한 항 알칼리성 특성을 가질려면 섬유(154)를 비닐로 만든다. 나일론도 섬유(15)로 선택할만한 좋은 재료이긴 하지만 항알카리 특성이 비닐보다 떨어진다.
소프트 포켓(22)의 좌단 및 후단(83)을 밀봉하는 데 사용되는 것과 동일한 접착재를 사용하여 제1 벽(82)의 외면(86)을 제1 리테이너(34)에, 제2 벽(84)의 외면(86)을 제2 리테이너(38)에 부착시킬 수 있다. 섬유(154)가 한쪽면만 코팅되어 있으면, 코팅되지 않은 면이 리테이너(34, 38)에 부착되도록 하는 것이 좋다. 코팅재(152)가 네오프렌이라면 접착재도 네오프렌 접착재인 것이 좋다.
도 12는 본 발명에 사용 가능한 섬유 강화 박막(150)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서는, 섬유(154)는 제1 면(156)과 제2 면(158) 모두 코팅재(152)로 코팅되어 있다. 코팅재(152)가 네오프렌이라면, 이러한 구성은 리테이너(34, 38)에 대한 매우 양호한 접착성을 제공할 수 있다. 특히, 비싸긴 해도 이들이 ABS로 이루어져 있을 때 더욱 그러하다.
도 13은 본 발명에 사용 가능한 섬유 강화 박막(150)의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 섬유(154')는 제1 면(156)이 코팅재(152')로 코팅되어 있다. 여기서, 섬유(154')는 실로 짜지 않은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이고 코팅재(152')는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이다. 실로 짜지 않은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 섬유(154')로 사용하면, 소프트 포켓(22)을 형성하는 좌단 및 우단(83)을 열로 가해 밀봉할 수 있으므로 네오프렌으로 접착하는 것보다 훨씬 용이하다.
순수한 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌은 이러한 비극성 재료의 낮은 표면 에너지로 인하여 접착하기가 매우 힘들다. 이러한 재료를 접착하기 위하여, 접착을 하기 전에 표면 처리를 하는 많은 방법이 개발되었다. 이러한 방법들 모두 대량 생산시의 누설(leakage)에 대해서는 보증하고 있지 않다. 섬유(154')를 실로 짜지 않은 재료로 만들었을 때에는 비록 폴리에틸렌 섬유 또는 폴리프로필렌 섬유로 만들어졌다 하더라도, 그 자체의 다공성 표면으로 인하여 접착재가 흡수되어 ABS 플라스틱에 견고하게 부착될 수 있다. 그러나 실로 짜지 않은 섬유는 액체의 전해질이 스며들 수 있기 때문에 그것 하나만 가지고는 소프트 포켓(22)을 만들 수 없다.
도 14는 본 발명에 사용 가능한 섬유 강화 박막(150)의 또다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서는, 섬유(154')는 제1 면(156)이 코팅재(152')로 코팅되어 있고, 제2 면(158)이 코팅재(152'')로 코팅되어 있다. 여기서, 섬유(154')는 실로 짜지 않은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이고, 코팅재(152')는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이고, 코팅재(152'')는 PVC이다. 이 실시예에서는, PVC 코팅재(152'')로 코팅된 제2 면(158)이 리테이너(34, 38)와 부착되는 면이다.
도 5는 제1 기체 음극(18)과 제2 기체 음극(20)을 서로에 대하여 어떤 식으로 배치할 것인가에 대하여 도시하고 있다. 기체 음극(18, 20)은 산업계에 알려진 적절한 기체 음극이면 된다. 본 발명에 사용 가능한 전형적인 기체 음극은 Eltech Research Corportion과 Alupower, Inc에서 제조한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 제1 기체 음극(18)과 제2 기체 음극(20) 모두 그물망(96)을 포함한다. 가로로 배치된 전류 집전기(98)가 기체 음극(18, 20) 각각의 상단을 따라서 배치되어 있다. 도면에 도시된 실시예에서는, 두 쌍의 전기 접점(100)이 각 전류 집전기(98)로부터 뻗어 있다. 제2 리테이너(38)가 제1 리테이닝 위치에 배치되면, 전기 접점(100) 쌍은 서로서로 물리적으로 접촉하게 된다. 이러한 방법으로, 두 개의 기체 음극(18, 20)은 서로서로 전기적으로 접촉하게 된다.
도 21은 제1 기체 음극(18)과 제2 기체 음극(20)의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 두 개의 인접한 배터리 셀(12)의 분해도이다. 도 6에 도시된 실시예에서는, 연결용 블록(102)이 상하에 위치하여 제1 배터리 셀(12')의 제2 리테이너를 제2 배터리 셀(12'')의 제1 리테이터에 고정시키고 있다. 연결용 블록(102)은 암(female) 슬롯(104)을 가지고 있으며, 두 개의 인접한 리테이너(34, 38)는 서로 결합하여 연결용 블록(102)과 연결되기에 적합한 크기를 갖는 수(male) 장부(tenon)(106)를 형성한다. 또한 도 6은 측면에 있는 한 쌍의 연결 바(108)를 도시하고 있다. 각 연결 바(108)는 두 개의 인접한 리테이너(34, 38)가 제공하고 있는 장부(106)와 연결될 수 있는 크기를 가진 복수의 슬롯(104)을 가지고 있다. 연결 바(108)는 공기를 배터리 셀(12) 내로 유입시키기 위한 복수의 개구부(110)를 가진다.
도 6은 한 쌍의 서로 연결된 슬라이드 패스너의 구성을 도시하고 있다. 이 슬라이드 패스너는 각 셀(12)이 제2 리테이닝 위치를 넘어서까지 확장되지 못하도록 하는 확장 제한 부재(112)를 제공한다.
도 7은 한 쌍의 완전히 조립된 배터리 셀(12', 12'')을 도시한다. 이 배터리 셀은 도 8 및 도 9에 도시한 것처럼 서로 인접하게 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 배터리(10)에 사용 가능한 전형적인 한 쌍의 배터리 셀(12)의 단면도이다. 도 8에서, 제1 배터리 셀(12')은 제2 배터리 셀(12'')에 인접하게 배치되어 있다. 배터리 셀(12', 12'')은 각 셀(12)의 제1 리테이너(34)가 이에 대응하는 제2 리테이너(38)와 멀리 떨어져 있는 위치인 제2 리테이닝 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 도 8에 도시된 것처럼, 각 셀(12)의 소프트 포켓의 상단 개구부(42)는 각 셀(12)의 소프트 포켓의 상단 개구부(42)가 제2 리테이닝 위치를 넘어서까지 확장되지 못하도록 하는 확장 제한 부재(112)를 포함한다. 각 셀(12)의 소프트 포켓의 상단 개구부(42)는 확장 제한 부재(112)를 제외하고는 완전히 개구되어 있으므로 각 셀(12) 내의 양극을 소프트 포켓(22)으로부터 쉽게 빼낼 수 있고, 따라서 새로운 양극(24)을 각 소프트 포켓(22) 내로 쉽게 삽입할 수 있다. 제1 및 제2 리테이너(34, 38)가 제1 리테이닝 위치에 있을 때, 소프트 포켓의 상단 개구부(42)는 단단히 닫혀진다.
도 8에 도시한 것처럼, 본 발명의 배터리(10)는 소프트 포켓 챔버(94) 내에 있는 전해질(114)과 함께 동작한다. 이 전해질(114)은 전형적으로 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 염화나트륨의 수용액이다. 각 셀(12)의 과잉의 전해질(114)은 소프트 포켓 챔버(94)의 베이스에 있는 접을 수 있는 전해질 저장실(116) 내에 저장된다. 전해질(114)은 소프트 포켓(22)의 하부(118)에 있다. 여기에서는 소프트 포켓(94)에서 전해질(114)의 수위(120) 윗 부분을 소프트 포켓 챔버(94)의 상부(122)로 언급한다.
도면에 도시된 실시예에서, 각 셀(12) 내의 압력 평형은 소프트 포켓 챔버(94)의 상부(122)에 있는 반 투과성 박막(124)을 통하여 이루어진다. 이 반 투과성 박막(124)은 PTFE 또는 기타 적합한 반 투과성 박막 재료로 만든다. 배터리 셀(12) 내에서 생성된 어떤 기체라도 반 투과성 박막(124)을 통하여 대기로 빠져 나갈 수 있다. 따라서, 이 실시예에서의 배터리(10)는 종래 기술에 따른 금속-기체 셀 설계에서 통상적이었던 양극(24)의 상면 또는 셀 하우징의 호기구(breathing hole)가 필요 없다. 이 실시예에서는, 셀 내(12)의 분무와 액체는 모두 셀 내(12)에 남게 되며 셀(12) 밖으로 누출되지 않는다.
도 9는 도 8에 도시한 첫번째 배터리 셀(12)의 일부에 대한 상세도이다. 도 9에서 알 수 있는 것처럼, 제2 리테이너(38)를 제2 리테이닝 위치(도 8 및 도 9에 도시된 것과 같음)에서 제1 리테이닝 위치(즉, 소프트 포켓의 상단 개구부(42)를 단단히 닫았을 때임)로 옮기면, 양극의 지지 부재(64)의 탭 부(68)가 제1 리테이너(34)와 제2 리테이너(38) 사이에 견고히 유지된다.
제1 리테이너(34) 내에 주조되어 있는 U자 형상의 전도성 부재(128)가 양극의 지지 부재(64)의 탭 부(68)와 접촉한다. 첫번째 셀(12')의 제1 리테이너(34) 내의 U자 형상의 전도성 부재(128)는 인접하는 셀(12'')의 기체 음극(18, 20)(또는 첫번째 셀(12')이 최외곽 셀인 경우 음의 제2 배터리 단자)에 전기적으로 접속되어 있다. 두번째 셀(12'')의 제1 리테이너(34) 내의 U자 형상의 전도성 부재(128)는 전류 집전기(98)로부터 뻗어 있으며 첫번째 셀(12')의 제2 리테이너(38)의 외면(132)에 배치되어 있는 기체 음극의 전도성 부재(130)와 접촉함으로써 첫번째 셀(12')의 기체 음극(18, 20)에 전기적으로 접속되어 있다. 기체 음극의 전도성 부재(130)가 최외곽 셀(12'') 내에 있다면, 기체 음극의 전도성 부재(130)는 (+)의 제1 배터리 단자(14)와 직접 전기적으로 접속된다. U자 형상의 전도성 부재(128)와 기체 음극의 전도성 부재(130) 사이를 전기적으로 연결하기 쉽도록, U자 형상의 전도성 부재(128)와 기체 전극의 전도성 부재(130)의 접촉면을 은 또는 기타 접촉면의 산화를 방지할 수 있는 적합한 재료로 코팅할 수 있다.
소프트 포켓(22) 내에 배치되고, 양극(24)의 탭 부(68)에 근접한 제2 리테이너(38)는 탄성의 리테이닝 부재(134)를 포함한다. 이에 따라, 제2 리테이너(38)가 제1 리테이너(34)에 대하여 제1 리테이닝 위치에 있을 때, 소프트 포켓(22) 내에 있는 양극(24)의 탭 부(68)는 제2 리테이너(38)와 U자 형상의 전도성 부재(128) 사이에 견고하게 유지된다.
또한 U자 형상의 전도성 부재(128)는 배터리 셀(12)의 열을 전도하는 역할을 한다. 도면에 도시된 실시예에서, U자 형상의 전도성 부재(128)는 내부 면(136)으로 공기가 흘러 들게 하고, 제1 및 제2 리테이너(34, 38) 내에 있는 가로 통로(138)를 통하여 공기가 유통할 수 있도록 함으로써 열이 발산될 수 있도록 한다. 또한, 전류 집전기(98)로부터 뻗어 있는 전기 접점(100)도 배터리 셀(12)의 열을 전도하는 역할을 한다. 전류 집전기(98)는 기체 음극(18, 20)의 표면을 포함한 금속의 망(96)측으로 가압되어 있다. 따라서, 전류 집전기(98)는 배터리 셀(12) 내에서 생성된 열을 기체 음극(18, 20)의 공기측 면으로 전도한다.
본 발명에 따른 아연-공기 배터리와 같은 금속-기체 셀 배터리는 빠르게 연료를 보급하기에 적합하고 오랜 시간의 연료 교체에도 충분히 견딜 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 금속-기체 셀 배터리는 전해질 또는 전해질 분무를 누출하지 않는다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 15에 도시된 것처럼, 본 발명의 다른 실시예에서는, 상면과 하면에 있는 여러 쌍의 스크류(30) 및 너트(32)를 이용하여 커버 판(160, 162) 사이에 있는 복수의 금속-기체 셀과, 두 개의 파이(π)자 형상의 금속 피팅(164)을 결합해서 하나의 배터리화하고 있다. 각 셀의 소프트 포켓(168)의 개구부(166)는 스크류(30) 및 너트(32)로 단단히 폐쇄된다. 본 명에서에 기재된 바로부터 당업자가 알 수 있는 것처럼, 하나 이상의 볼트 및 너트를 이용하여 폐쇄 기구를 만드는 것도 가능할 것이다.
이 실시예에서는, (+)의 제1 배터리 단자(170)는 수(male) 콘 형상의 구조로 이루어질 수도 있고, 도 15에 도시된 것처럼 전측 커버판(160)에 배치된 아이-핀을 갖는 빨간 색 케이블일 수도 있다. (-)의 제2 배터리 단자(도시하지 않음)는 암(female) 콘 형상의 구조로 이루어질 수도 있고, 후측 커버판(162)에 배치된 아이-핀을 갖는 검정 색 케이블일 수도 있다. 제1 배터리 단자(170)는 제1 기체 음극(18) 및 제2 기체 음극(20)과 전기적으로 접속하며, 제2 배터리 단자는 양극(24)에 전기적으로 접속한다.
도 18은 도 16에 도시된 배터리 셀(16)의 분해도이다. 도 20에 도시된 것과 같은 단면이 W자 형상인 소프트 포켓(168)은 전해질로 인하여 부식되지 않는 비 전도성 소프트 재료이면 된다. 이러한 재료로는 앞서 언급한 것처럼 에틸렌-프로필렌 디엔 모너머, 부틸 러버, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 클로로술포네이트화한 폴리에틸렌 등이 있다. 도 19에 도시한 것처럼 소프트 포켓 챔버(172)은 제1 벽(178)과 제2 벽(180)의 상단(174, 176) 사이에 형성되는 상단 개구부(166)에서 열려져 있다.
도 20에 도시한 소프트 포켓(168) 상의 그루브(182, 184)는 제1 리테이너(188)의 외면(186)과 제2 리테이너(192)의 외면(190)으로 감싸져 있다. 도 26을 참조하면, 그루브(182, 184)의 네 개의 모서리는 외면(186, 190)의 네 개의 모서리 상에 견고하게 감싸져 있으며 그루브(182, 184)의 바깥면에 있는 금속 피팅(194, 196, 198, 200)을 가압함으로써 밀봉된다.
도 19에 도시한 또다른 실시예는, 두 개의 상단(174, 176)이 더욱 두껍고 어떤 종류의 박막보다도 탄력성이 있어서 신뢰성 있게 밀봉할 수 있다는 점에서 첫번째 설명한 실시예와는 다르다. 제1 리테이너(188)와 제2 리테이너(192)의 상단은 전체가 평평한 평면이고 소프트 포켓(168)의 개구부(166)의 전체 길이에 대하여 완전히 가압할 수 있을 정도로 길다. 도 18, 도 19 및 도 20에서 알 수 있는 것처럼, 소프트 포켓(168)은 단면이 W자 형상인 일체로 주조되어 있어서 그루브(184)와 외면(190) 사이의 접촉면 뿐만 아니라 그루브(182)와 외면(186) 사이의 접촉면을 통하여 누설이 되지 않도록 한다.
이 실시예에서는, 이러한 접촉면을 금속 피팅(194, 196, 198, 200)의 변형으로 인한 기계적 힘에 의해 신뢰성있게 밀봉할 수 있으므로 다른 종류의 접착재는 필요 없다. 또한, 소프트 포켓(168)의 본래 모드가 열린 상태라면, 동작 중에는 압축력만이 발생한다. 파이(π) 형상의 금속-피팅은 S자 형상의 전도성 부재(228)(도 26에는 도시하지 않음)의 전도성 표면(236)측으로 가해지는 양극의 지지 부재(64)의 탭 부(68)의 접촉력과, 제1 기체 음극(18)과 제2 기체 음극(20)의 전기 접점(100) 사이의 접촉력 뿐만 아니라 소프트 포켓(168)의 개구부(166)의 전체 길이를 따라서 균등하게 분배되는 조임력(tighting force)을 생성함으로써, 보다 신뢰성 있는 밀봉을 얻을 수 있도록 한다.
도 22 및 도 23은 두 개의 인접한 배터리 셀(16) 조립체의 분해도를 도시한다. 도 22에 도시한 실시예에서는, 연결용 블록(202)이 상하에 배치되어 제1 배터리 셀(16')의 제2 리테이너(192)를 제2 배터리 셀(16'')의 제1 리테이너(188)에 고정시킨다. 도 22 및 도 23에서 알 수 있는 것처럼, 연결용 블록(202)은 가압되어 암(female) 슬롯(204)을 형성하는 파이(π) 형상의 슬롯을 가지고 있다. 이 슬롯(204)은 셀(16', 16'')의 상단에 있는 인접한 두 개의 금속-피팅(194) 또는 셀(16', 16'')의 하단에 있는 인접한 두 개의 금속-피팅(198)에 의해 형성되는 수(female) 장부(208)와 끼워질 수 있을 정도의 크기를 가진다.
도 22는 각 셀(16)이 제2 리테이너 위치 이상으로 확장되는 것을 막기 위한 확장 제한 부재(210)를 제공하는 한 쌍의 서로 연결된 슬라이드 패스너의 구성을 도시하고 있다.
네 개의 스페이서(206)를 사용하여 인접한 두 개의 셀(16', 16'') 사이에 올바른 간격을 제공하며, 이에 따라 셀 사이의 갭(62)을 반응 공기가 통과할 수 있다.
도 24는 도 22에 도시한 것과 같이 서로가 인접하게 배치되어 있는 배터리 셀(16',16'') 쌍을 완전히 조립한 것이다.
접촉면(238)이 도 26에 도시한 S자 형상의 전도성 부재(228)의 일부를 이루고 있음을 알 수 있다. 전도성 부재(228)의 다른 하나의 면(236)은 양극의 지지 부재(64)의 탭 부(68)에 결합되어 있다. 접촉면(140)은 전류 집전기(98)의 전도성 부재(130)의 돌출면이고, 기체 음극(20)의 상단을 직접 감싸고 있다.
하나의 배터리 셀에는 하나의 접촉면(238)과 하나의 접촉면(140)이 있기 때문에 이 배터리 셀은 직렬로 연결되어 원하는 전압값을 얻을 수 있다.
도 25는 본 발명의 배터리에 사용 가능한 전형적인 금속-기체 셀(16)의 정면도이다. 연결용 블록(202)과 스페이서(206)가 도시된 위치에 설치되어 있다.
도 28은 도 25에서 C-C 선을 따라 절단한 단면도로서 소프트 포켓(168)이 동작 모드에 있다는 것을 나타낸다. 도 27은 도 25에서 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.
이상과 같이 본 발명을 설명하였으나, 앞서 설명한 점과 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 다양한 변경 및 변형례가 가능함은 물론이다.
본 발명은 신속히 연료를 보급할 수 있고 오랜 시간의 연료 교체에도 충분히 견딜 수 있는 아연-공기 배터리와 같은 금속-기체 셀 배터리를 제공한다. 또한 본 발명은 전해질 또는 전해질 분무를 누설하지 않는 금속-기체 셀 배터리를 제공한다.

Claims (74)

  1. (a) 적어도 하나의 배터리 셀,
    (b) 하기의 두 개의 기체 음극에 전기적으로 접속되어 있는 양(+)의 제1 배터리 단자, 그리고
    (c) 하기의 금속성 양극에 전기적으로 접속되어 있는 음(-)의 제2 배터리 단자
    를 포함하고,
    상기 배터리 셀은
    (ⅰ) 강체의 평평한 제1 리테이너 내에 배치되고, 기체는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 기체가 통하도록 하는 제1 기체 음극,
    (ⅱ) 강체의 평평한 제2 리테이너 내에 배치되고, 공기는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 공기가 통하도록 하며, 상기 제1 기체 음극과 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 제1 리테이너가 상기 제2 리테이너에 가까이 근접하는 제1 리테이닝 위치와, 상기 제1 리테이너가 상기 제2 리테이너로부터 멀리 떨어져 있는 제2 리테이닝 위치 사이로 상기 제1 리테이너에 대하여 상기 제2 리테이너가 이동 가능한 제2 기체 음극,
    (ⅲ) 상기 제1 기체 음극과 상기 제2 기체 음극 사이에 배치되고, 플렉시블하고 평평한 제1 벽 및 제2 벽을 가지는 소프트 포켓,
    (ⅳ) 상기 제1 및 제2 리테이너를 상기 제1 리테이닝 위치에 고정시키기 위한 소프트 포켓 폐쇄 기구, 그리고
    (ⅴ) 금속성 양극
    을 포함하고,
    상기 제1 벽과 상기 제2 벽은 각각 상단을 포함한 외면과 중앙 개구부를 가지고, 상기 제1 벽의 외면과 상기 제2 벽의 외면은 각각의 상단을 제외한 부분과 서로 연결되어 있고,
    상기 제1 벽의 외면은 상기 제1 리테이너에 부착되어 있고, 상기 제2 벽의 외면은 상기 제2 리테이너에 부착되어 있고,
    상기 제1 리테이너, 상기 제1 기체 음극, 상기 제1 벽, 상기 제2 벽, 상기 제2 리테이너 및 상기 제2 기체 음극은 함께 액체 보관용 소프트 포켓 챔버를 형성하고,
    상기 소프트 포켓 챔버는 소프트 포켓 하부, 소프트 포켓 상부 및 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽의 상단 사이에 형성된 소프트 포켓 상단 개구부를 가지고,
    상기 소프트 포켓 상단 개구부는 상기 제2 리테이닝 위치에서는 열려지고 상기 제1 리테이닝 위치에서는 단단히 닫혀지고,
    상기 금속성 양극은 상기 소프트 포켓 챔버 내에 배치되어 있는
    금속-기체 셀 축전 배터리.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리 셀은 상기 소프트 포켓 챔버 내에 배치된 전해질을 더 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  3. 제2항에서,
    상기 전해질은 수산화칼륨, 수산화나트륨 및 염화나트륨으로 이루어진 화합물의 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 수용액인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  4. 제2항에서,
    상기 전해질은 수산화칼륨을 포함하는 수용액인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  5. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓의 상부에 배치되어 기체가 상기 소프트 포켓의 상부 밖으로 흐를 수 있도록 하는 반투과성 박막을 포함하고, 상기 반투과성 박막은 기체는 스며들 수 있지만 액체는 스며들 수 없는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  6. 제5항에서,
    상기 반투과성 박막은 PTFE로 만들어진 금속-기체 셀 축전 배터리.
  7. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 적어도 하나의 스트랩(strap)을 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  8. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 복수의 스트랩을 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  9. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 하나 이상의 볼트 및 너트를 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  10. 제1항에서,
    상기 상단 개구부는 상기 제2 리테이닝 위치 너머로 상기 소프트 포켓의 상단 개구부가 확장하는 것을 제한하는 확장 제한 부재를 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  11. 제1항에서,
    상기 금속성 양극은 평평한 베이스 부와 탭 부를 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  12. 제11항에서,
    상기 양극의 베이스 부는 엔클로저 백(enclosure bag) 내에 배치되어 있는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  13. 제12항에서,
    상기 양극의 베이스 부는 하단과 상단을 가지고, 상기 양극의 베이스 부의 하단은 상기 양극의 베이스 부의 상단보다 길이가 짧은 금속-기체 셀 축전 배터리.
  14. 제13항에서,
    상기 양극의 베이스 부는 사다리꼴 형상인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  15. 제1항에서,
    상기 금속성 양극은 금속성 양극 재료가 부착되어 있는 전도성 지지 부재를 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  16. 제15항에서,
    상기 금속성 양극 재료는 아연인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  17. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 기체 음극은 각각 제1 및 제2 공기 음극인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  18. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 리테이너는 상기 제1 리테이닝 위치에 있으며, 상기 금속성 양극은 탄성의 리테이닝 부재를 통해 상기 소프트 포켓에 고정되어 있는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  19. 제18항에서,
    상기 탄성의 리테이닝 부재는 상기 제2 리테이너 내에 배치되어 있는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  20. 제1항에서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀은 복수의 배터리 셀인 금속-기체 셀 축전 배터리.
  21. 제20항에서,
    상기 복수의 배터리 셀은 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  22. 제11항에서,
    상기 배터리는 제1 최외곽 셀과 제2 최외곽 셀 사이에 끼워져 있는 복수의 내부 셀을 포함하고,
    각 내부 셀에 있는 양극의 탭 부는 전도성 부재를 통해 인접 셀의 기체 음극에 전기적으로 연결되어 있고,
    상기 전도성 부재는 상기 양극의 탭 부와 접촉하고 있는
    금속-기체 셀 축전 배터리.
  23. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓은 단면이 W자 형상인 주조된 내부 부분을 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  24. 제1항에서,
    상기 소프트 포켓은 섬유 강화 박막으로 이루어진 금속-기체 셀 축전 배터리.
  25. 제24항에서,
    상기 섬유 강화 박막은 항 알칼리성 섬유와, 상기 섬유 상의 적어도 하나의 항 알칼리성 코팅을 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  26. 제25항에서,
    상기 항 알칼리성 섬유는 비닐, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 프로필렌 디엔 모너머, 부틸 러버, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 그리고 클로로술포내이트화된 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 적어도 하나의 항 알칼리성 코팅은 네오프렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 PVC로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는 금속-기체 셀 축전 배터리.
  27. 제1항에서,
    상기 제1 벽의 외면에는 상기 제1 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있고 상기 제2 벽의 외면에는 제2 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있는 금속-기체 셀 축전 배터리.
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  55. (a) 제1 최외곽 배터리 셀 및 제2 최외곽 배터리 셀 사이에 끼워져 있는 복수의 내부 배터리 셀,
    (b) 상기 제1 최외곽 배터리 셀의 하기의 두 개의 공기 음극에 전기적으로 접속되어 있는 양(+)의 제1 배터리 단자, 그리고
    (c) 상기 제2 최외곽 배터리 셀의 하기의 아연 양극에 전기적으로 접속되어 있는 음(-)의 제2 배터리 단자
    를 포함하고,
    상기 배터리 셀은
    (ⅰ) 강체의 평평한 제1 리테이너 내에 배치되고, 기체는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 기체가 통하도록 하는 제1 공기 음극,
    (ⅱ) 강체의 평평한 제2 리테이너 내에 배치되고, 기체는 스며들 수 있으나 액체는 스며들지 못하고, 셀 내로 기체가 통하도록 하며, 상기 제1 공기 음극과 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 제1 리테이너가 상기 제2 리테이너에 가까이 근접하는 제1 리테이닝 위치와, 상기 제1 리테이너가 상기 제2 리테이너로부터 멀리 떨어져 있는 제2 리테이닝 위치 사이로 상기 제1 리테이너에 대하여 상기 제2 리테이너가 이동가능한 제2 공기 음극,
    (ⅲ) 상기 제1 공기 음극과 상기 제2 공기 음극 사이에 배치되고, 플렉시블하고 평평한 제1 벽 및 제2 벽을 가지는 소프트 포켓,
    (ⅳ) 상기 제1 및 제2 리테이너를 상기 제1 리테이닝 위치에 고정시키기 위한 소프트 포켓 폐쇄 기구,
    (ⅴ) 아연 양극, 그리고
    (ⅵ) 상기 소프트 포켓의 상부에 배치되어 기체가 상기 소프트 포켓의 상부 밖으로 흐를 수 있도록 하고, 기체는 스며들 수 있지만 액체는 스며들 수 없는 반투과성 박막
    을 포함하고,
    상기 제1 벽과 상기 제2 벽은 각각 상단을 포함한 외면과, 중앙 개구부를 가지고, 상기 제1 벽의 외면과 상기 제2 벽의 외면은 각각의 상단을 제외한 부분과 서로 연결되어 있고,
    상기 제1 벽의 외면은 상기 제1 리테이너에 부착되어 있고, 상기 제2 벽의 외면은 상기 제2 리테이너에 부착되어 있고,
    상기 제1 리테이너, 상기 제1 공기 음극, 상기 제1 벽, 상기 제2 벽, 상기 제2 리테이너 및 상기 제2 공기 음극은 함께 액체 보관용 소프트 포켓 챔버를 형성하고,
    상기 소프트 포켓 챔버는 소프트 포켓 하부, 소프트 포켓 상부 및 상기 제1 벽 및 상기 제2 벽의 상단 사이에 형성된 소프트 포켓 상단 개구부를 가지고,
    상기 소프트 포켓 상단 개구부는 상기 제2 리테이닝 위치에서는 열려지고 상기 제1 리테이닝 위치에서는 단단히 닫혀지고,
    상기 아연 양극은 상기 소프트 포켓 챔버 내에 배치되어 있으며, 평평한 베이스 부와 탭 부를 포함하고, 상기 양극의 베이스 부는 하단과 상단을 가지고, 상기 양극의 베이스 부의 하단은 상기 양극의 베이스 부의 상단보다 길이가 짧으며,
    각 내부 셀에 있는 양극의 탭 부는 전도성 부재를 통해 인접 셀의 공기 전극에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전도성 부재는 상기 양극의 탭 부와 접촉하고 있는
    아연-공기 셀 축전 배터리.
  56. 제55항에서,
    상기 배터리 셀은 상기 소프트 포켓 챔버 내에 배치된 전해질을 더 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  57. 제56항에서,
    상기 전해질은 수산화칼륨, 수산화나트륨 및 염화나트륨으로 이루어진 화합물의 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 수용액인 아연-공기 셀 축전 배터리.
  58. 제56항에서,
    상기 전해질은 수산화칼륨을 포함하는 수용액인 아연-공기 셀 축전 배터리.
  59. 제55항에서,
    상기 반투과성 박막은 PTFE로 만들어진 아연-공기 셀 축전 배터리.
  60. 제55항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 적어도 하나의 스트랩(strap)을 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  61. 제55항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 복수의 스트랩을 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  62. 제55항에서,
    상기 소프트 포켓 폐쇄 기구는 하나 이상의 볼트 및 너트를 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  63. 제55항에서,
    상기 상단 개구부는 상기 제2 리테이닝 위치 위로 상기 소프트 포켓의 상단 개구부가 확장하는 것을 제한하는 확장 제한 부재를 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  64. 제55항에서,
    상기 각 셀 내의 양극의 베이스 부는 엔클로저 백(enclosure bag) 내에 배치되어 있는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  65. 제55항에서,
    상기 각 셀 내의 양극의 베이스 부는 사다리꼴 형상인 아연-공기 셀 축전 배터리.
  66. 제55항에서,
    상기 아연 양극은 아연 양극 재료가 부착되어 있는 전도성 지지 부재를 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  67. 제55항에서,
    상기 제1 및 제2 리테이너는 상기 제1 리테이닝 위치에 있으며, 상기 아연 양극은 탄성의 리테이닝 부재를 통해 상기 소프트 포켓에 고정되어 있는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  68. 제67항에서,
    상기 탄성의 리테이닝 부재는 상기 제2 리테이너 내에 배치되어 있는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  69. 제55항에서,
    상기 복수의 배터리 셀은 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  70. 제55항에서,
    상기 소프트 포켓은 단면이 W자 형상인 주조된 내부 부분을 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  71. 제55항에서,
    상기 소프트 포켓은 섬유 강화 박막으로 이루어진 아연-공기 셀 축전 배터리.
  72. 제71항에서,
    상기 섬유 강화 박막은 항 알칼리성 섬유와, 상기 섬유 상의 적어도 하나의 항 알칼리성 코팅을 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  73. 제72항에서,
    상기 항 알칼리성 섬유는 비닐, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 프로필렌 디엔 모너머, 부틸 러버, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 그리고 클로로술포내이트화된 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 적어도 하나의 항 알칼리성 코팅은 네오프렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 PVC로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는 아연-공기 셀 축전 배터리.
  74. 제55항에서,
    상기 제1 벽의 외면에는 상기 제1 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있고 상기 제2 벽의 외면에는 제2 리테이너가 접착재 없이 기계적 힘으로 부착되어 있는 아연-공기 셀 축전 배터리.
KR10-2002-7014922A 2001-03-09 2002-03-07 소프트 포켓을 갖는 금속-기체 셀 배터리 및 이를 위한소프트 포켓 재료 KR100502451B1 (ko)

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