KR100523268B1 - 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연금속을 연료로 하여 공기 중의 산소에 의해 산화시킴으로써 전지를 얻는 아연연료전지에 있어서, 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지에 관한 것이다.
아연연료전지 내부를 아연겔로 충전시켜 출력을 향상시킴과 아울러 소모된 아연겔을 신속하게 제거하고 재충전하기 위해, 본 발명에 의한 아연연료전지는, 음극은 무수은 아연겔(1)과 음극침(2)으로 구성되고, 양극은 공기양극(3)으로 구성되고, 상기 공기양극(3)의 내측면에는 원통형의 다공성 튜브(4)가 결합되며, 내부를 밀폐시키기 위해 음극캔(5), 불소수지 밀폐링(6)과 개스킷(7) 및 양극이중관(8)이 게재된 아연연료전지가 직렬로 배치된다. 여기서 상기 음극침(2)은, 그 저면에 음극단자(9)가 결합되어 있으며, 상기 공기양극(3)은, 공기양극(3)의 끝부분에 절곡부(10)가 형성되고, 이 절곡부(10)는 상기 양극이중관(8)의 내측면에 밀착되며, 상기 절곡부(10)의 내측면은 소수성의 다공성불소수지막이 형성되고, 상기 절곡부(10)의 외측면은 니켈메쉬가 형성되어 있다. 또한 상기 양극이중관(8)은, 그 저면에 양극단자(11)가 형성되어 있으며, 이 양극단자(11)는, 아연연료전지를 직렬로 배치하였을 때 인접하는 아연연료전지의 음극단자(9)와 결합된다. 전지의 상부에는 전지뚜껑(12)이 체결되고, 전지의 하부에는 다중 셀 홀더(13)가 체결되며, 상기 셀 홀더(13)는, 상기 양극단자(11) 및 음극단자(9)가 노출될 수 있도록 그 저면부에 구멍(14)이 형성되어 있다.

Description

아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지{A refuelable zinc-air fuel cell with zinc gel}
본 발명은 활물질을 외부에서 연속적으로 공급하는 전기화학적발전장치인 연료전지에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지에 관한 것이다.
아연연료전지란 아연금속을 연료로 하여 공기 중의 산소에 의해 산화시킴으로써 전지를 얻는 것을 말한다. 소용량의 아연연료전지는 보청기를 비롯하여 각종 전자제품용으로 개발·사용되고 있으나, 근래에는 대용량의 전지를 필요로 하는 발전기들이 출현하고, 특히 차량의 동력원으로서 재충전이 가능한 아연연료전지에 대한 개발이 점차적으로 이루어지고 있다.
아연겔의 재충전방법의 하나로, 전기적인 충전방법이 있으나, 이는 그 과정이 매우 까다로울 뿐만 아니라 아연연료전지 내부의 공기양극이 붕괴되어 충전이 어렵다. 그러나 소모된 연료를 제거하고 새로운 연료를 주입하는 기계적인 재충전방법은 매우 바람직하고 유용성도 크지만, 이러한 과정도 간단하지 않다.
종래에는 아연판이나 구슬, 분말 등을 사용하여 재충전시키고 여과기나 기계적으로 소모된 연료를 제거하는 방법이 사용되었으며, 이러한 방법은 많은 시간과 번거로움이 따르고, 그 밖의 여러가지 자체적인 문제점을 야기했다.
재충전방법과 관련된 종래의 기술을 나열하면 다음과 같다.
US 3,871,918에서는 아연분말을 음극겔로 사용하는 것을 개시하였다. 아연분말을 소결하거나 압력을 가하여 판으로 만드는 것이어서 아연분말이 침적하는 것을 방지하기 위해 아크릴아미드, 아크릴산과 같은 고분자화될 수 있는 성분을 첨가하였지만, 이는 아연겔의 재충전이 불가능한 형태이다.
US 4,842,963에서는 재충전할 수 있는 전지에 관한 것이지만, 다공성의 전극에 아연을 코팅한 음극과 내부에 알칼리 용액을 순환시킬 수 있는 펌프가 게재되어 있다. 펌프를 사용함으로써 구조가 복잡해지고 추가적인 에너지가 소요되는 문제점이 있다.
US 4,147,839에서는 슬러리 형태의 아연음극을 개시하고 있다. 재충전은 교반을 통해 이루어지며, 소모된 물질들은 압력이나 진공을 사용하여 배출하였다. 이는 구조가 복잡할 뿐만 아니라 교반에 에너지가 소요되고 작은 시스템에는 적용하기 어렵다는 난점이 있다.
US 5,006,424에서는 아연분말베드를 사용하고 내부는 용액의 밀도차에 의해 전해질이 순환하는 형태를 개시하였다. 이는 중력에만 의존하도록 구성되어 있어 용액의 순환이 완전치 않으며 이동식시스템에는 적합하지 않다.
US 5,599,637에서는 금속판에 아연분말을 압착하여 붙인 형태의 음극을 사용하는 것을 보고하고 있다. 금속입자들 사이에 전해질이 들어있으며, 이 음극판을 전지에 삽입하여 사용하는 형태이다. 음극판을 만드는 공정이 번거롭고 비교적 규모가 큰 재생공장이 필요하다는 난점이 있다.
EP 589,101에서는 US 5,599,637에서 얻어진 형태의 음극판을 다중으로 한꺼번에 전지에 삽입하는 공정에 대한 보고를 하였다. 전지는 필요한 전압을 얻기 위해 여러개의 단위 셀을 직렬로 연결하여야 하는데 기계적으로 재충전하는 공정이 까다롭고 역시 규모가 큰 충전설비가 요구된다.
US 5,847,427에서는 아연금속입자를 음극으로서 사용하는 베드형태로서 대류에의해 알칼리 용액이 순환하게 되어 있는 형태이다. 이것 역시 중력에만 의존하기 때문에 용액의 순환이 완전치 않으며 작거나 이동하는 시스템에는 적합하지 않다.
US 5,952,117에서는 아연구슬들을 사용하여 연속적으로 금속연료를 공급하게 되어 있는 형태를 개시하였다. 아연구슬로 구성된 음극의 성능을 유지하기 위해 알칼리 용액을 강제 순환시키는 펌프가 구비되어야 한다. 아연구슬을 사용하기 때문에 출력이 낮으며, 또한 작은 시스템에는 부적합하고 순환을 시키는데 에너지가 소요된다는 것이 단점이다.
US 2002/0142203에서는 음극금속 판에 아연분말과 기타 친수성 유기물첨가제로 구성된 페이스트를 발라주어 이것을 전지에 삽입하여 음극으로 사용하는 형태이다. 재충전은 이 판에 페이스트를 다시 발라줌으로써 가능하지만 이 방법도 재충전방법이 신속하거나 편리하지 않다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 아연연료전지 내부의 전해질의 순환시스템이나 펌프, 필터 등을 채택하지 않는 대신, 아연겔을 사용하되, 이러한 아연겔을 신속하게 재충전할 수 있도록 구성된 아연연료전지를 제공하기 위한 것이다.
다시 말하면, 아연겔을 사용해서 전지의 무게를 감소시키고 출력을 향상시키되, 소모된 아연겔을 신속히 제거하고 새로운 아연겔로 재충전하기 위해 전지의 내부구조를 변형한 아연연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 아연연료전지는, 아연연료전지 내부를 아연겔로 충전시켜 출력을 향상시킴과 아울러 소모된 아연겔을 신속하게 제거하고 재충전하기 위한 것으로, 그 내부구조는 다음과 같다. 음극은 무수은 아연겔과 음극침으로 구성되고, 양극은 공기양극으로 구성되고, 상기 공기양극의 내측면에는 원통형의 다공성 튜브가 결합되며, 내부를 밀폐시키기 위해 음극캔, 불소수지 밀폐링과 개스킷 및 양극이중관이 게재된 아연연료전지가 직렬로 배치된다. 여기서 상기 음극침은, 그 저면에 음극단자가 결합되어 있으며, 상기 공기양극은, 외측면에 소수성의 다공성 불소 수지막이 붙어 있으며 내측면에는 친수성의 세퍼레이터 혹은 멤브레인이 붙어 있다. 공기양극의 끝부분에 절곡부가 형성되고, 이 절곡부는 상기 양극이중관의 내측면에 밀착되며, 상기 절곡부의 외측면은 공기 양극 안에 니켈메쉬가 형성되어 있다. 또한 상기 양극이중관은, 그 저면에 양극단자가 형성되어 있으며, 이 양극단자는, 아연연료전지를 직렬로 배치하였을 때 인접하는 아연연료전지의 음극단자와 결합된다. 전지의 상부에는 전지뚜껑이 체결되고, 전지의 하부에는 다중 셀 홀더가 체결되며, 상기 셀 홀더는, 상기 양극단자 및 음극단자가 노출될 수 있도록 그 저면부에 구멍이 형성되어 있다.
본 발명에서 아연겔의 재충전설비는, 진공펌프, 산화아연겔 저장부와 산화아연겔 흡입부로 구성된 산화아연겔 흡입설비 및, 겔 펌프, 아연겔 저장부와 아연겔 주입부로 구성된 아연겔 주입설비에 있어서, 상기 산화아연겔 저장부에 결합되어 있는 산화아연겔 흡입튜브 및 상기 아연겔 주입부에 결합되어 있는 아연겔 주입튜브가 다중으로 구성되어 있다.
마지막으로 본 발명에서 아연겔의 재충전방법은 상기의 아연겔의 재충전설비를 통해 다중의 산화아연겔 흡입튜브로 재충전이 가능한 아연연료전지의 내부로부터 아연겔을 배출하는 과정과, 다중의 아연겔 주입튜브로 아연겔을 주입하는 과정을 거쳐, 아연겔을 신속하게 재충전할 수 있도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지와, 아연겔의 재충전설비 및 재충전방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지는 전체적으로 원통형의 형상을 하고 있다. 도1은 본 발명에 의한 아연연료전지의 단면도이며, 도2는 도1에 있어서의 A의 확대도이고, 도3은 도1에 있어서의 B의 확대도이며, 도로서, 상기 도면들에 의해 본 발명에 의한 아연연료전지의 내부구조를 설명하면 다음과 같다.
음극은 무수은 아연겔(1)과 음극침(2)으로 구성되고, 양극은 공기양극(3)으로 구성되고, 상기 공기양극(3)의 내측면에는 원통형의 다공성 튜브(4)가 결합되며, 내부를 밀폐시키기 위해 음극캔(5), 불소수지 밀폐링(6)과 개스킷(7) 및 양극이중관(8)이 게재된 아연연료전지가 직렬로 배치된다. 직렬로 배치된 아연연료전지는 도8에서 도시한 바와 같으며, 이처럼 직렬로 배치하기 위해 각각의 아연연료전지의 결합에 대해서는 하기의 실시예3과 함께 설명하기로 한다.
상기 아연겔(1)은 보관 및 이송이 용이하며 전지의 출력을 높이기 위해 아연분말의 형태로 사용한다. 이러한 아연분말을 겔의 형태로 사용하면 분말이 전지의 바닥에 침적되는 것을 방지하고 사용 후에는 시멘트화하는 것을 방지할 수 있다. 상기 아연겔(1)은 수은을 함유하지 않은 아연겔이며, 아연겔의 유기물 첨가제(겔화제)로는 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드로시프로필메틸 셀룰로오스(hydroxypropylmethyl cellulose), 젤라틴(gelatine), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리부틸비닐 알코올(polybutylvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리아크릴 아미드(polyacrylic amide) 등이나 가교화된 폴리아크릴산(polyacrylic acid)을 사용한다. 특히 가교화된 폴리아크릴수지가 겔화제로서 매우 적합하며, 미국의 미에프 굿리치(BF Goodrich)사에서 생산되는 카르보폴(Carbopol)-940이 이에 해당한다.
상기 음극침(2)은, 그 저면에 음극단자(9)가 결합되어 있다. 이 음극침(2)은 아연연료전지의 저면에 접지되어 있으며, 이는 아연분말이 산화되면서 발생하는 전자들을 받을 수 있도록 하기 위함이다. 또한 음극침(2)을 전지의 저면에 접지하도록 한 것은 전지의 상부를 통해서는 아연겔의 재충전을 위해 산화아연겔 흡입튜브와 아연겔 주입튜브가 삽입되기 때문이다.
상기 공기양극(3)은, 외측면에 소수성의 다공성 불소 수지막이 붙어 있으며 내측면에는 친수성의 세퍼레이터 혹은 멤브레인이 붙어 있다. 공기양극(3)의 끝부분에 절곡부(10)가 형성되고, 이 절곡부(10)는 상기 양극이중관(8)의 내측면에 밀착되며, 상기 절곡부의 외측면은 공기 양극 안의 니켈메쉬가 형성되어 있다.
또한, 상기 공기양극(3)에는 활성탄 혹은 활성탄 섬유, 카본 나노튜브를 성형한 후 공기양극(3)의 저면부에 소수성의 다공성 불소 수지 막을 접착한다. 이러한 소수성의 불소 수지 막을 접착함으로 인해, 용액이 밖으로 유출될 수 없으면서 공기는 유입할 수 있는 기능을 부여하기 위함이다. 다만, 카본 나노튜브를 사용하지 않고 활성탄이나 활성탄 섬유를 사용하는 경우는 전기전도도가 낮기에 금속망과 접착시켜 사용하며, 상기 금속망은 내식성이 우수한 니켈을 사용하여 만드는 것이 일반적이다. 공기양극(3)은 니켈 망에 의해 전기를 전도하므로 길이가 긴 경우의 전기저항도 무시할 수 없을 정도로 커질 수 있는데 특히 접촉부위에서의 저항도 문제가 될 수 있다. 따라서 접촉저항을 작게 하기 위해 공기양극(3)의 끝부분에 절곡부(10)를 형성시키는 것이다.
상기 공기양극(3)의 내측면에는 세퍼레이터가 결합되어 있으며, 이 세퍼레이터는 0.2mm의 두께의 얇은 필름으로 이온과 물은 통과시키지만 아연입자들이 공기양극과 접촉하는 것을 방지한다.
상기 다공성 튜브(4)는 도4에서 보는 바와 같이 원통형으로 구성되어 있다. 이는 전지 내부에 아연 겔을 용이하게 충전하거나 배출하고, 작업시 전지 내부에 가해지는 압력의 변화를 견뎌내기 위함이다.
또한 아연연료전지 하부의 양극이중관(8)은, 그 저면에 양극단자(11)가 형성되어 있으며, 상기 양극단자(11)는, 아연연료전지를 직렬로 배치하였을 때 인접하는 아연연료전지의 음극단자(9)와 결합된다.
전지의 상부에는 전지뚜껑(12)이 체결되고, 전지의 하부에는 다중 셀 홀더(13)가 체결되며, 상기 다중 셀 홀더(13)는, 상기 양극단자(11) 및 음극단자(9)가 노출될 수 있도록 그 저면부에 구멍(14)이 형성되어 있다. 상기 전지뚜껑(12)은 플라스틱으로 제조되며, 상기 다중 셀 홀더(14)는, 양극단자(11)와 음극단자(9)를 직렬로 연결하여 전지들을 고정하고 전기적인 절연을 유지하기 위해 그 저면부에 구멍(14)이 형성되어 있다.
아연연료전지의 상하부는, 다공성 튜브 내부(4)로 삽입될 수 있도록 제조된 금속튜브(15)와, 외측면에 홈이 형성되어 있는 금속바퀴(16)를 이용하여 압착된다. 즉, 아연연료전지의 하부에서는, 다공성 튜브(4), 음극캔(5), 불소수지 밀폐링(6), 개스킷(7), 양극이중관(8)을 한꺼번에 결합하여 용액이 세지 않도록 하기 위해 두꺼운 금속튜브(15)를 다공성 튜브(4) 내부로 삽입하고 외측면에 홈이 형성되어 있는 금속바퀴(16)를 사용하여 조이면서 회전시킴으로써 압착한다. 전지의 상부의 경우에는, 다공성 튜브(4), 불소수지 밀폐링(6), 개스킷(7), 양극이중관(8)을 한꺼번에 결합하여 용액이 세지 않도록 하기 위해 두꺼운 금속튜브(15)를 다공성 튜브(4) 내부로 삽입하고 외측면에 홈이 형성되어 있는 금속바퀴(16)를 사용하여 조이면서 회전시킴으로써 압착한다. 전지의 상부는 하부와는 달리 음극캔(5)이 존재하지 않는다.
본 발명에서 아연겔의 재충전설비는, 진공펌프(101), 산화아연겔 저장부(102)와 산화아연겔 흡입부(103)로 구성된 산화아연겔 흡입설비 및, 겔 펌프(105), 아연겔 저장부(106)와 아연겔 주입부(107)로 구성된 아연겔 주입설비에 있어서, 상기 산화아연겔 흡입부(103)에 결합되어 있는 산화아연겔 흡입튜브(108) 및 상기 아연겔 주입부(107)에 결합되어 있는 아연겔 주입튜브(109)가 다중으로 구성되어 있다.
마지막으로 본 발명에서 아연겔의 재충전방법은 상기의 아연겔의 재충전설비를 통해 다중의 산화아연겔 흡입튜브(108)로 아연겔(1)을 배출하는 과정과, 다중의 아연겔 주입튜브(109)로 아연겔을 주입하는 과정을 거쳐, 아연겔을 신속하게 재충전할 수 있도록 한다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.
실시예1
직경(외경) 24mm, 높이 80mm, 두께 1mm의 폴리프로필렌 다공성 튜브(4)를 가공한 뒤, 도1과 같은 본 발명에 의한 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지를 제조하였다. 상기 양극이중관(8)은 0.25mm 두께의 니켈도금강판이며, 상기 음극캔(5)은 내측면에 구리도금(30g/㎡)을 외측면에는 니켈로 도금된 총 0.25mm 두께의 강판이다. 상기 공기양극(3)은 미국의 이비오니스(Evionyx)사에서 생산하는 오-캣(O-cat) 1330이라는 공기양극이며, 세퍼레이터는 미국의 이비오니스(Evionyx)사에서 생산하는 멤브리온(MembrionTM)이라는 상표명을 가진 세퍼레이터를 사용하였다. 상기 아연겔(1)은 67wt%의 아연분말과 33wt%의 전해질로 구성되어 있다. 상기 아연분말은 평균 200㎛ 크기의 아연분말로서, 철(Fe) 3ppm, 납(Pb) 30ppm, 창연(Bi) 180ppm, 인듐(In) 180ppm, 알루미늄(Al) 65ppm, 나머지는 아연(Zn)으로 구성되어 있으며, 벨기에의 유미코어(Umicore)사에서 생산되는 분말이다. 전해질 용액으로는 37%의 수산화칼륨을 사용하였으며, 겔화제로는 나트륨-카르복시메틸 셀룰로오스(Sodium carboxymethyl cellulose) 4%, 구연산 3 나트륨 2 수화물(Tri sodium citrate 2 hydrate) 1%, 산화아연 4%, 물 53%로 구성되어 있다. 음극침(2)은 직경 3mm의 구리봉이며, 하나의 아연연료전지에 주입된 겔의 총 중량은 10g이다.
전류시험 중 누액발생 여부는 15ohm의 외부저항을 사용하여 발생전류가 초기의 50%이하로 될 때까지의 전류량을 측정하였으며, 그 결과 11 ~ 12 Ah였다. 진공 펌프에 연결된 스텐레스 금속튜브에 내용물을 집어넣고 제거한 결과, 모두 깨끗하게 전지로부터 제거되었으며, 제거된 산화아연겔은 작은 덩어리 형태를 유지하여 여과백에 의해 쉽게 제거되었다.
실시예2
본 발명에 의한 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지의 성형방법을 도5의 금속튜브가 결합된 아연연료전지의 단면도와 도6의 금속바퀴의 정면도와 함께 자세히 설명한다.
도5는 금속튜브가 결합된 아연연료전지의 단면도로서, 전지의 상부를 금속튜브(15)를 이용하여 성형하는 방법을 나타내고 있다. 도1과 같은 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지에 있어서, 아연연료전지의 하부에서는, 다공성 튜브(4), 음극캔(5), 불소수지 밀폐링(6), 개스킷(7), 양극이중관(8)을 한꺼번에 결합하여 용액이 세지 않도록 하기 위해 두꺼운 금속튜브(15)를 다공성 튜브(4) 내부로 삽입하고 외측면에 홈이 형성되어 있는 금속바퀴(16)를 사용하여 조이면서 회전시킴으로써 압착한다. 전지의 상부의 경우에는, 다공성 튜브(4), 불소수지 밀폐링(6), 개스킷(7), 양극이중관(8)을 한꺼번에 결합하여 용액이 세지 않도록 하기 위해 두꺼운 금속튜브(15)를 다공성 튜브(4) 내부로 삽입하고 외측면에 홈이 형성되어 있는 금속바퀴(16)를 사용하여 조이면서 회전시킴으로써 압착한다.
실시예3
아연연료전지는 출력이 1.4볼트 이하로서 매우 낮기 때문에 디씨-디씨 컨버터(DC-DC converter)로 승압하거나 아연연료전지를 여러개 직렬로 연결하여야 한다. 다중 셀 홀더에 관한 도면인 도7과 도8 및 직렬로 배치된 아연연료전지에 관한 단면도인 도9를 참고하여 이에 대해 자세히 살펴본다.
도9과 같이 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지를 직렬로 배치하고, 아연연료전지의 하부에는 도7 및 도8과 같은 다중 셀 홀더(13)를 삽입한다. 다중 셀 홀더(13)를 삽입한 이후, 다중 셀 홀더(13)의 저면부에 형성된 구멍(14)을 통해 아연연료전지의 양극이중관(8)의 저면부에 형성되어 있는 양극단자(11) 및 전지저면의 중앙에 형성되어 있는 음극단자(9)를 통과시키고, 상기 양극단자(11)를 인접하는 아연연료전지의 음극단자(9)와 결합시킨다. 상기 양극단자(11)와 음극단자(9)를 결합시킬 때는 땜납을 사용하거나 점용접(spot welding)이 적절하다.
상기 다중 셀 홀더(13)는 직렬로 배치된 전지들을 고정하고 전지적인 절연을 유지하도록 하기 위함이다.
실시예4
본 발명에서 아연겔의 재충전방법은, 도10의 산화아연겔의 흡입제거설비와 도11의 아연겔 주입설비 및 아연겔의 재충전과정을 나타내는 흐름도인 도12와 함께 자세히 설명한다.
우선, 직렬로 배치된 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지에서, 전지 뚜껑(12)을 개폐시킨 뒤, 전지 내부로 다중의 산화아연겔 흡입튜브(108)를 삽입하여 소모된 아연겔을 진공으로 배출시킨다. 소모된 겔을 배출할 때, 상기 겔이 시멘트화되지 않았다면 쉽게 제거가 되지만 단단하게 굳은 경우에는 많은 양의 물을 사용하여 적신 후에 제거한다. 소모된 아연겔을 제거한 뒤에는, 다중의 겔 주입 튜브(109)를 통해 아연겔을 투입한다. 전지를 사용할 때에는 전지뚜껑(12)을 닫아 용액이 유출되거나 증발되지 않도록 하고, 배출된 산화아연겔은 재생공장을 통해 금속아연으로 환원되거나 세척 후에 산화아연분말로서 판매될 수 있다..
이처럼 다중의 산화아연겔 흡입 튜브(108) 및 다중의 겔 주입 튜브(109)를 사용함으로써 아연겔을 신속하게 배출시키거나 재충전시킬 수 있다. 다중으로 된 산화아연 겔 흡입 튜브(108) 또는 겔주입 튜브(109)는 순차적으로 혹은 동시에 사용될 수 있다. 상기 산화아연겔 흡입 튜브(108)를 통해 배출된 소모된 산화아연은 산화아연겔 저장부(102)으로 이동되고, 상기 겔 주입 튜브(109)에 의하여 아연겔 저장부(106)으로부터 아연겔이 아연연료전지 내부로 이동된다.
본 발명에서의 아연겔의 재충전방법에 있어서, 전지 내에 아연겔을 주입하는 과정보다는 소모된 겔을 배출하는 과정이 중요하다. 아연겔의 유기물 첨가제의 농도가 낮거나 전해질이 부족하면, 아연입자들이 서로 접착되어 단단한 물질이 된다. 이러한 현상은 전지의 성능을 크게 떨어뜨리고 결국은 전지를 분해해야 하는 경우까지 만든다.
통상 알려진 바에 따르면 아연분말과 전해질의 중량비는 67% : 22%가 적당하며, 유기물 첨가제는 0.22 ~ 1.1%의 범위내에서 사용될 수 있으며, 이중 0.7 ~ 1.0%가 적당한 범위이다. 유기물 첨가제의 농도가 1.1% 이상인 경우에는 점도가 지나치게 높아서 전지조립이 어렵고, 0.7% 이하인 경우에는 겔이 분리되고 아연 입자들의 침강이 일어나서 안정성이 없다.
상기와 같은 아연입자들의 접착을 방지하기 위해서는 전해질의 양을 증가시켜야 하며, 겔화제의 농도는 1% 이상으로 유지하여 아연이나 금속입자들이 서로 엉겨붙는 것을 방지한다. 겔화제의 농도를 높이는 경우 겔 주입기의 높은 동력이 요구되지만 온도를 약간 높이면 점도가 많이 낮아서 문제되지 아니하며, 높은 점도의 겔을 이송시키는 스크류 압출기를 사용하면 주입에 문제가 없다. 겔을 장기간 방치하여 수분의 손실이 크면 전지는 장기간사용하기 어렵다. 이때에는 셀룰로오스계 겔화제를 사용하는 것이 바람직하며, 알칼리 스트르 계(alkali citrate)도 일부 첨가하면 겔이 단단해지는 것을 방지 할 수 있다.
상기의 아연겔의 충전이 가능한 아연연료전지와, 아연겔의 재충전설비 및 재충전방법에 따르면, 아연금속연료를 신속하고 편리하게 재충전할 수 있으며, 전지 내부에 순환펌프나 교반설비를 필요로 하지 않으므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 배출물은 재생 공장으로 보내져 환경오염이 없고 재생 공장에서 충분한 수익을 가져올 수 있다. 차량의 동력원으로 사용되는 경우에는, 소규모 전력원으로서 장시간 사용할 수 있으며, 주유소와 같은 시설을 통해 쉽게 충전이 가능하고 또한 충전설비가 있다면 지속적으로 사용할 수 있다.
도 1 본 발명에 의한 아연연료전지의 단면도
도 2 도1에 있어서의 A의 확대도
도 3 도1에 있어서의 B의 확대도
도 4 다공성 튜브의 정면도
도 5 금속튜브가 결합된 아연연료전지의 단면도 및 그 저면도
도 6 금속바퀴의 정면도
도 7 다중 셀 홀더의 저면도
도 8 다중 셀 홀더의 단면도
도 9 직렬로 배치된 아연연료전지의 단면도
도 10 산화아연겔의 흡입제거설비를 나타내는 설치도
도 11 아연겔 주입설비를 나타내는 설치도
도 12 아연겔의 재충전과정을 나타내는 흐름도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 아연겔 2 : 음극침
3 : 공기양극 4 : 다공성튜브
5 : 음극캔 6 : 불소수지 밀폐링
7 : 개스킷 8 : 양극이중관
9 : 음극단자 10 : 절곡부
11 : 양극단자 12 : 전지뚜껑
13 : 다중 셀 홀더 14 : 구멍
15 : 금속튜브 16 : 금속바퀴
101 : 진공펌프 102 : 산화아연겔 저장부
103 : 산화아연겔 흡입부 104 : 직렬로 연결된 아연연료전지부
105 : 겔 펌프 106 : 아연겔 저장부
107 : 아연겔 주입부 108 : 산화아연 흡입튜브
109 : 아연겔 주입튜브

Claims (8)

  1. 음극은 무수은 아연겔과 음극침으로 구성되고, 양극은 공기양극으로 구성되고, 상기 공기양극의 내측면에는 원통형의 다공성 튜브가 결합되며, 내부를 밀폐시키기 위해 음극캔, 불소수지 밀폐링과 개스킷 및 양극이중관이 게재된 아연연료전지가 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극침은, 그 저면에 음극단자가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기양극은, 공기양극의 끝부분에 절곡부가 형성되고, 이 절곡부는 상기 양극이중관의 내측면에 밀착되며, 상기 절곡부의 내측면은 소수성의 다공성불소수지막이 형성되고, 상기 절곡부의 외측면은 니켈메쉬가 형성된 것을 특징으로 하는 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극이중관의 저면부에는 양극단자가 결합되고, 상기 양극단자는, 아연연료전지를 직렬로 배치하였을 때 인접하는 아연연료전지의 음극단자와 결합되는 것을 특징으로 하는 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    전지의 상부에는 전지뚜껑이 체결되고
    전지의 하부에는 다중 셀 홀더가 체결되며, 상기 다중 셀 홀더는, 상기 양극단자 및 음극단자가 노출될 수 있도록 그 저면부에 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 아연겔의 재충전이 가능한 아연연료전지.
  6. 삭제
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