KR100520198B1 - 휴대용 금속연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 휴대용 금속연료전지는 2개의 공기양극의 사이에 금속연료전극이 삽입되고, 상기 2개의 공기양극 각각의 좌·우측 및 하부가 고분자 필름으로 결합된 것을 하나의 단위 전지로 하여, 접어서 사용가능하도록 구성된 것이다. 상기 공기양극에는 니켈도금강판 틀이 체결된 것을 특징으로 한다. 이러한 단위 전지를 직렬로 연결할 때에는, 인접하는 단위 전지 상호간의 공기양극 어셈블리 좌·우측 및 하부를 다시 고분자 필름으로 연결하고, 상기 공기양극 어셈블리와 금속연료전극의 각각에 결합되어 있는 단자를 연결하는 것이다.
이러한 본 발명의 구성에 따르면, 금속연료전지 내부에 금속연료전극이 제거된 상태에서 복수개의 전지를 접어서 압축하여 휴대할 수 있어, 손쉽게 운반할 수 있다는 매우 뛰어난 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 적은 부피와 중량으로 금속연료전지를 휴대하다가 전기가 필요할 때에는 이를 넓게 펼친 후에 물을 첨가한 뒤 금속 판을 꽂아 전선을 연결하여 전기를 손쉽게 발생토록 하는 것이다. 또한, 전기를 발생케 하기 위해, 각각의 단위 전지마다 물을 첨가해야 하는 불편함을 해소하고, 플라스틱 필름에 의해 형성된 전해액 통로부를 통해 하나의 단위 전지에 물을 첨가하여 동일한 효과를 발휘할 수 있도록 한다.

Description

휴대용 금속연료전지{A portable metal-air battery}
본 발명은 활물질을 외부에서 연속적으로 공급하는 전기화학적발전장치인 연료전지에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 공기 중의 산소를 사용하여 음극으로 구성된 금속을 산화시키면서 전기를 생산하는 금속연료전지에 관한 것이다.
이러한 금속연료전지는 음극으로서는 알루미늄과 마그네슘, 아연 혹은 이들의 합금들이 사용되며, 전해질로서는 염 혹은 알칼리 수용액이 사용된다. 종래의 금속연료전지 중 소형으로 사용되는 것은, 금속 캔 안에 음극 재료가 삽입되어 있는 단추형이거나 단단한 플라스틱 구조물 안에 음극 재료가 삽입되어 있는 형태가 일반적이었다. 또한 전압이 낮은 연료전지는 여러 개의 단위 전지를 직렬로 사용해야 한다.
따라서 기존의 금속연료전지는 고정적인 크기를 가지고 있으며 단단한 박스형이어서 휴대하기가 매우 불편하였으며, 공간도 많이 차지하는 문제가 있었다. 더욱이 복수개의 단위 전지를 직렬로 사용하는 경우에는 그러한 문제점은 가중되었다. 또한 복수개의 단위 전지를 직렬로 연결한 뒤, 전기를 발생하게 하기 위해서는 각각의 단위 전지마다 균등하게 물을 첨가하여야 하는 불편함도 있었다.
금속연료전극으로서 알루미늄과 마그네슘을 사용하는 경우에는 전류 효율이 높지 않아 일부 수소 가스가 발생하므로, 금속연료전지를 밀폐된 용기로 구성하는 것도 부적절하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가볍게 휴대할 수 있도록 무게 및 크기를 줄이고, 금속연료전극으로서 알루미늄과 마그네슘을 사용하되, 밀폐된 전지구조물이 아닌 개방된 전지구조물로 구성된 휴대용 금속연료전지를 제공하기 위한 것이다. 또한, 복수개로 단위 전지가 연결된 금속연료전지를 사용할 때, 각각의 단위 전지마다 균등하게 물을 첨가하여야 하는 불편을 해소하고, 하나의 단위 전지에만 간편하게 물을 첨가하여도 전기를 발생케 할 수 있는 휴대용 금속연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 휴대용 금속연료전지는 2개의 공기양극 사이에 금속연료전극이 삽입되고, 상기 2개의 공기양극 각각의 좌·우측 및 하부가 고분자 필름으로 결합된 것을 하나의 단위 전지로 하여, 접어서 사용가능한 것을 특징으로 한다. 여기서 불소수지가 도포된 공기양극의 상부에는 니켈도금강판 틀이 접착되고, 탄소가 도포된 공기양극의 상부에는 상기 니켈도금강판 틀의 테두리 부분이 압착되고 그 상부에 세퍼레이터가 부착된다. 이하에서는, 상기와 같은 방법으로 공정된 공기양극을 공기양극 어셈블리라고 칭한다. 금속연료전극은 알루미늄과 마그네슘을 주성분으로 하는 합금으로서 판상으로 되어 있으며, 상기 니켈도금강판 틀은 십자형의 창틀모양이다. 전해질로 사용되는 염은 상기 2개의 공기양극 사이에 처음부터 내재되어 있거나, 별도로 첨가할 수 있으며, 휴대시에는 전해액을 제거할 수 있도록 구성되어 있다.
복수개의 전지를 직렬로 연결하기 위해서는, 인접하는 단위 전지 상호간의 공기양극 어셈블리 좌·우측 및 하부를 다시 고분자 필름으로 결합하고, 공기양극 어셈블리 및 금속연료전극에 구비되어 있는 단자를 서로 연결하는 것이다. 이 고분자 필름에는 공기 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 단위 전지의 좌우측면 하부에는 전해액 통로구멍이 형성되어 있으며, 이 전해액 통로구멍 측면부에는 플라스틱 필름에 의해 형성된 전해액 통로부가 구비되어 있다. 나아가 직렬로 연결된 복수개의 전지의 측면에 플라스틱 필름으로 된 안전띠가 구비되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 휴대용 아연연료전지에 대해 상세히 설명한다.
우선, 단위 전지로서, 하나의 휴대용 금속연료전지의 내부구조에 대해서 설명한다. 본 발명에 의한 휴대용 금속연료전지는, 2개의 공기양극(1)의 사이에 금속연료전극(2)이 삽입되고, 상기 2개의 공기양극(1) 각각의 좌·우측 및 하부가 고분자 필름(3)으로 결합되어, 접어서 사용가능한 것을 특징으로 하며, 이러한 형태가 하나의 단위 전지를 구성한다.
여기서 불소수지(1-2) 도포된 공기양극(1)의 상부에는 니켈도금강판 틀(4)이 접착되고, 탄소(1-3)가 도포된 공기양극의 상부에는 상기 니켈도금강판 틀의 테두리부분(4-1)이 압착된 뒤 세퍼레이터(5)가 부착된다. 즉, 공기양극(1)은 니켈 메쉬의 어느 일면에는 불소수지 접착제를 사용하여 활성탄 혹은 활성탄소 섬유를 접착되고, 그 다른 일면에는 다공성불소수지가 접착되어 있는 것이다. 그러나 공기양극의 크기가 큰 경우에는, 발생하는 전류가 많고 자체의 저항 손실도 커지며 기계적으로 약해, 물을 채울 때 공기양극이 휘기 쉽다는 문제가 있다. 그렇기 때문에 전기전도성과 기계적인 강도를 갖도록 하면서 두께가 크게 증가하지 않도록 하기 위해서, 니켈도금강판 틀(4)이 필요한 것이다.
공기양극 어셈블리의 공정순서는 도1 및 도3에서 나타난 공정과 함께 설명하기로 한다. 우선 공기양극의 테두리 부분(1-1)을 에칭하여 비접착성의 특성을 감소시킨 뒤 접착제를 바른다. 그 후, 불소수지층(1-2) 위에 도 2와 같은 니켈도금강판 틀(4)을 체결하고, 니켈도금강판 틀의 테두리 부분(4-1)을 뒤쪽으로 접으면, 도 1의 세번째 도면과 같은 형상이 된다. 이 니켈도금강판 틀(4)은 십자형의 창틀모양을 하고 있어 물에 의해 공기양극이 휘는 것을 방지하게 된다. 그 후 프레스로 공기양극의 가장자리만을 압착하여 물이 새지 않도록 한다.
도 3은 도 1에 의해 제작된 공기양극의 뒷면을 제작하기 위한 공정을 나타내는 것으로서, 탄소(1-3)가 도포되어 있는 공기양극(1)의 다른 일면에는, 상기 니켈도금강판 틀의 테두리 부분(4-1)이 압착되고, 그 위헤 두께 0.2mm의 세퍼레이터(5)를 접착하는 것이다. 탄소층(1-3)은 접착력이 없기 때문에 니켈도금강판의 접힌 부분에 접착한다. 이로써 공기양극 어셈블리가 만들어지고 발생한 전기를 잘 빼내면서도 견고한 형태가 되는 것이다.
2개의 공기양극(1) 각각의 좌·우측 및 하부를 고분자 필름(3)으로 결합할 때에는, 공기양극(1)의 세퍼레이터(5)가 접착된 면을 서로 마주보게 한 뒤에 상부를 제외한 공기양극(1) 각각의 좌측부분, 우측부분 및 하부를 고분자 필름(3)으로 결합하는 것이다. 이 고분자 필름은 폴리 에틸렌, 폴리염화비닐수지 또는 폴리우레탄수지이며, 이 고분자 필름 때문에 전지를 접어서 사용할 수가 있는 것이다. 이 때, 인접하는 단위 전지 상호간은 공기양극 연결전선(6)에 의해 공기양극(1)이 서로 연결되도록 한다.
본 발명에 있어서, 금속연료전극(2)은 알루미늄과 마그네슘을 주성분으로 하는 합금으로서 판상으로 되어 있다. 이처럼 금속연료전극(2)을 알루미늄이나 마그네슘 계 합금을 사용하는 경우, 강 알칼리 전해질이 아닌 소금물이나 약 알칼리 용액에서 작동하게 되므로 굳이 밀폐된 전지 구조물을 사용하지 않아도 되는 것이다. 또한 알루미늄이나 마그네슘을 사용하는 경우 전류효율이 높지 못해 일부 수소 가스가 발생한다는 점을 생각할 때 밀폐된 전지 구조는 바람직하지도 않다.
실시예1
도4, 도5을 참고하여 복수개의 전지가 직렬로 연결된 형태를 설명한다.
복수개의 전지를 직렬로 연결할 때에는 하나의 단위 전지의 양극을 인접한 단위 전지의 음극과 연결한다. 즉, 금속연료전극의 단자(9)와 인접한 단위 전지의 공기양극(1)의 단자(8)를 결합하는 것이다. 다시 말해, 공기양극 어셈블리 및 금속연료전극(2)의 각각에는 전선과 연결된 단자가 구비되어 있어 손쉽게 복수개의 전지를 직렬로 연결할 수가 있는 것이다. 여기서 공기양극 어셈블리에는 양극전선 및 단자(8)가 연결되며, 금속연료전극(2)에는 금속연료전극 단자(9)가 금속연료전극의 상부에 부착되며, 이 금속연료전극 단자(9)에는 음극전선 및 단자(10)가 연결된다. 이 때, 인접하는 단위 전지 상호간은 공기양극 연결전선(6)에 의해 이미 공기양극(1)이 서로 연결되어 있는 상태이다.
또한, 인접하는 단위 전지 상호간에는, 공기양극(1) 각각의 좌·우측 및 하부를 고분자 필름(3)으로 결합하여 복수개의 전지를 서로 연결한다. 이때 상기 고분자 필름(3)에는 공기 구멍(7)이 형성되어 있으며 이 공기 구멍(7)은 단위 전지 사이에 공기를 원활히 통하게 하기 위함이다. 이 고분자 필름(3) 또한 폴리 에틸렌, 폴리염화비닐수지 또는 폴리우레탄수지이며, 이 고분자 필름 때문에 전지를 접어서 압축하여 사용할 수가 있는 것이다.
실시예2
전해질은 상기 2개의 공기양극(1) 사이에 처음부터 내재되어 있거나, 별도로 첨가할 수 있지만, 휴대시에는 전해액을 제거할 수 있도록 구성되어 있다. 여기서 전해액은 물을 첨가함으로써 만들 수 있다. 즉, 전지 내부에 건조된 염을 넣어둔 작은 종이 주머니를 넣고 물을 첨가함으로써, 염이 용해되어 전해액을 만들게 한다. 이 때 염과 같은 전해질은 처음부터 전지 내부에 내재되어 있을 수도 있으며, 별도로 전해질을 첨가한 뒤 물을 넣어 전해액을 만들게 할 수도 있다.
통상 전지의 상용전압은 12볼트가 일반적이며, 금속연료전지들의 동작전압은 1.2~1.0볼트이므로, 12개의 단위 전지를 직렬로 연결하여야 한다. 이처럼 복수개의 단위 전지가 직렬로 연결된 전지를 사용하여 전기를 발생하기 위해서는 단위전지 각각에 물을 균등하게 첨가하여야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해, 단위 전지의 좌우측 하부에 전해액 통로구멍(11)을 형성하고, 이 전해액 통로구멍(11) 측면부에는 플라스틱 필름에 의해 형성된 전해액 통로부(12)를 구비한다.(도5 및 도6 참조) 즉, 전해액 통로부(12)는 단위 전지 상호간에 전해액을 서로 교환할 수 있도록 하기 위한 것이다. 전해액 통로부(12)를 형성하게 하기 위한 플라스틱 필름은, 하나의 단위 전지를 만들기 위해 사용한 고분자 필름(3)과 동일한 재질이다. 이 플라스틱 필름의 폭은 전해액 통로구멍(11)의 직경보다 약간 크며, 테두리에만 열 접착을 한다. 이는 전지를 구성하기 전에 미리 열접착을 하여 붙여 놓으면 편리하다. 이처럼 플라스틱 필름을 열접착해 두면, 플라스틱 필름 사이에 전해액 통로부(12)가 형성되어, 각각의 단위 전지마다 균등하게 물을 첨가할 필요 없이, 하나의 단위 전지에 물을 첨가하여도 동일한 효과를 발휘할 수 있게 된다.
실시예3
직렬로 연결된 복수개의 전지들을 사용하지 않을 때에는 접어서 압축하여 보관하면 되지만, 이를 사용할 때에는 전지들을 펼쳐서 사용하여야 한다. 전지를 펼칠 때, 무리한 힘을 가할 경우에는 접착이 떨어질 수도 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 직렬로 연결된 복수개의 전지의 측면에 플라스틱 필름으로 된 안전띠(13)가 구비되어 있다.(도7 참조) 이 안전띠(13)는 폭 8mm의 투명 플라스틱 필름으로써 전지의 좌우 측면에 접착한다.
실시예4
전지를 사용하지 않을 때에나 이동 중일 때에는 도 8에서 보는 것처럼, 금속연료전극(2)을 제거하고 전지를 접어 압축하여 둔다. 다시 전지를 사용할 때에는 도 9에서 보는 것처럼 전지를 늘여 측면의 접혀있던 부분을 펴지게 하는 것이다. 이 때 금속연료전극(2)은 겹쳐서 가지고 다니다가, 전기가 필요할 때에는 2개의 공기양극(1) 사이에 삽입하여 사용하는 것이다.
이처럼 공기양극 어셈블리가 결합된 공기양극(1)의 두께는 1.3mm이하이며, 고분자 필름(3)의 두께가 0.2mm 이하이므로 고분자 필름(3)이 접혔을 때 1mm의 공간을 차지하게 되므로, 각 단위 전지 당 4mm 이하의 두께가 된다. 통상 전지의 상용 전압은 12볼트가 일반적이며, 금속연료전지의 동작전압은 1.2~1.0볼트이므로 12개의 단위 전지를 직렬로 연결한 뒤, 이 전지들을 접었을 때의 총 두께는 약 50mm정도이다. 이 전지를 사용하기 위해서 펼쳤을 때에는 각 단위 전지의 내부 간격 10mm, 공기양극(1)이 마주보는 공기통로 8mm가 추가되어, 단위 전지당 총 18mm가 추가되는데 전체적으로는 250mm가 총 길이가 된다. 즉, 전지들을 접었을 때보다 펼쳤을 때에는 5배의 길이가 증가되는 것이다.
실시예5
전해액은 12% 염화나트륨 용액과, 12% 염화나트륨 및 1%의 수산화나트륨이 혼합된 용액 2가지를 사용하였으며, 세퍼레이터(4)는 두게 0.1~0.2mm의 폴리 프로필렌 부직포를 사용하였다. 공기양극(1)은 니켈 메쉬에 활성탄을 접착제와 함께 붙이고 활성탄에는 촉매를 도핑하였으며, 공기와 접촉할 면에는 다공성의 테플론 막을 접착하여 용액이 밖으로 나갈 수 없으면서 공기는 들어갈 수 있는 기능을 부여하였다. 본 실험에서 공기양극은 미국의 이비오니스 사(Evionyx Ltd.)의 오-캣(O-CAT) 1330을 도입하여 사용하였다. 공기양극 어셈블리는 한 변이 190mm의 길이를 가지는 정사각형이며, 두께는 약 1mm이다. 알루미늄 전극으로서는 마그네슘 2.5% 함유된 합금을 사용하였고, 마그네슘 전극은 알루미늄 9%, 아연 1%를 함유하는 합금을 사용하였다. 두께는 2mm의 판을 사용하였으며, 길이 190mm, 폭 180mm이다. 전지의 좌우측면과 하부는 두께 0.1mm의 폴리우레탄 필름으로 둘러싸여있으며, 공기양극과 결합하는 부분은 접착을 하였다. 접착방법은 에폭시 수지를 이용하여 폴리우레탄 필름과 니켈도금강판을 접착했다.
전지의 구성 후 금속연료전극을 제거한 뒤, 전지를 접어 압축한 길이는 55mm이였으며, 전지를 펼친 길이는 250mm이였다.
12개의 단위 전지가 직렬로 구성된 금속연료전지 출력 12~13볼트범위에서, 알루미늄 전극을 사용한 경우, 12% 염화나트륨 용액에서는 30~36watt 였으며, 12% 염화나트륨 및 1% 수산화나트륨 혼합용액에서는 77~102watt의 출력을 나타내었다. 마그네슘 전극을 사용한 경우, 12% 수산화나트륨 용액에서 12~14볼트의 범위에서 85~180watt의 출력을 나타내었다.
상기한 발명의 구성에 따르면, 본 발명의 구성에 따르면, 금속연료전지 내부에 금속연료전극이 제거된 상태에서 복수개의 전지를 접어서 압축하여 휴대할 수 있어, 손쉽게 운반할 수 있다는 매우 뛰어난 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 적은 부피와 중량으로 금속연료전지를 휴대하다가 전기가 필요할 때에는 이를 넓게 펼친 후에 물을 첨가한 뒤 금속 판을 꽂아 전선을 연결하여 전기를 손쉽게 발생토록 하는 것이다. 또한, 전기를 발생케 하기 위해, 각각의 단위 전지마다 물을 첨가해야 하는 불편함을 해소하고, 플라스틱 필름에 의해 형성된 전해액 통로부를 통해 하나의 단위 전지에 물을 첨가하여 동일한 효과를 발휘할 수 있도록 한다.
도1은 공기양극 어셈블리의 제작과정 중 불소수지가 도포된 공기양극면의 제작과정을 나타내는 공정도이다.
도2는 니켈도금강판 틀의 테두리 부분을 펼친 상태에서의 니켈도금강판에 대한 정면도이다.
도3은 공기양극 어셈블리의 제작과정 중 탄소가 도포된 공기양극면의 제작과정을 나타내는 공정도이다.
도4는 금속연료전극의 정면도이다.
도5는 3개의 금속연료전지가 결합된 상태를 나타내는 사시도이다.
도6은 도5의 금속연료전지의 측면도이다.
도7는 복수개의 금속연료전지를 나타내는 사시도이다.
도8은 복수개의 금속연료전지가 접혀진 상태를 나타내는 도면이다.
도9는 복수개의 금속연료전지가 펼쳐진 상태를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 공기양극 1-1 : 공기양극의 테두리부분
1-2 : 불소수지층 1-3 : 탄소층
2 : 금속연료전극 3 : 고분자 필름
4 : 니켈도금강판 틀 4-1 : 니켈도금강판 틀의 테두리부분
5 : 세퍼레이터 6 : 공기양극 연결전선
7 : 공기 구멍 8 : 양극전선 및 단자
9 : 금속연료전극 단자 10 : 음극전선 및 단자
11 : 전해액 통로구멍 12 : 전해액 통로부
13 : 안전띠

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 불소수지가 도포된 공기양극의 상부에는 십자형태의 창틀모양으로 이루어진 니켈도금강판 틀이 접착되고, 탄소가 도포된 공기양극의 상부에는 상기 니켈도금강판 틀의 테두리 부분이 압착되고, 그 상부에 세퍼레이터가 부착된 2개의 공기양극 어셈블리와, 상기 2개의 공기양극 어셈블리에 첨가되는 전해질과, 상기 전해질이 첨가되는 2개의 공기양극 어셈블리 사이에 삽입되는 금속연료전극으로 이루어져, 전기를 발생하는 금속연료전지에 있어서,
    상기 2개의 공기양극 어셈블리 각각의 좌·우측 및 하부가 고분자 필름으로 결합된 것을 하나의 단위 전지로 하여, 인접하는 단위 전지 상호간의 공기양극 어셈블리 좌·우측 및 하부를 고분자 필름으로 다시 결합하고 상기 2개의 공기양극 어셈블리 및 금속연료전극에 구비된 단자를 연결하여 복수 개의 단위 전지를 직렬 연결함으로써, 상기 금속연료전극 및 전해질이 제거된 상태에서 상기 고분자 필름을 접어 압축시켜 사용 및 휴대가능한 것을 특징으로 하는 휴대용 금속연료전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고분자 필름에 공기구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 휴대용 금속연료전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단위 전지의 좌우측면 하부에 전해액 통로구멍이 형성되고,
    상기 전해액 통로구멍 측면부에는 플라스틱 필름에 의해 형성된 전해액 통로부가 구비된 것을 특징으로 하는 휴대용 금속연료전지.
  12. 제9항에 있어서,
    직렬로 연결된 복수개의 전지의 측면에 플라스틱 필름으로 된 안전띠가 구비된 것을 특징으로 하는 휴대용 금속연료전지
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