KR101032547B1 - 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치 - Google Patents

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KR101032547B1 KR20090127780A KR20090127780A KR101032547B1 KR 101032547 B1 KR101032547 B1 KR 101032547B1 KR 20090127780 A KR20090127780 A KR 20090127780A KR 20090127780 A KR20090127780 A KR 20090127780A KR 101032547 B1 KR101032547 B1 KR 101032547B1
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battery unit
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이호일
이동조
설신수
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 전지 내의 산화된 금속 분말을 회수하여 이를 환원시켜 환원된 금속 분말을 전지로 다시 공급하는 금속공기전지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 분말을 공기 중의 산소와 결합하여 산화되면서 전기를 발생시키도록 금속 분말 슬러리가 채워지는 금속공기전지 단위전지부;와, 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말을 슬러리 상태로 만들어 금속 분말 슬러리를 공급하는 금속 분말 슬러리 공급부;와, 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 금속공기전지 단위전지부에서 산화된 금속 분말을 제거하는 산화 금속 분말 제거부;와, 금속공기전지 단위전지부와 금속 분말 슬러리 공급부 사이를 개폐하는 공급밸브;와, 금속공기전지 단위전지부와 산화 금속 분말 제거부 사이를 개폐하는 배출밸브;와, 산화 금속 분말 제거기로부터 산화된 금속 분말을 공급받아 금속 분말로 환원시켜서 금속 분말 슬러리 공급부로 환원된 금속 분말을 공급하는 금속 분말 재처리부; 및 금속공기전지 단위전지부 내부의 산화된 금속 분말을 배출시키거나 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말 슬러리를 공급하도록, 금속공기전지 단위전지부의 남아있는 전력량 또는 금속공기전지 단위전지부의 사용 전력량 체크와, 금속 분말 슬러리 공급부, 산화 금속 분말 제거부, 공급밸브 및 배출밸브를 포함하여 작동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치에 의해 달성된다. 이에 따라, 금속 분말 슬러리를 자동적으로 그리고 반복적으로 금속공기전지에 공급함으로써 전기화학적인 충전 및 방전형 전지의 개 발 없이 전지시스템의 유지보수를 최소화하여 장기간 사용할 수 있는 효과가 있다.
금속 전지, 금속공기전지

Description

금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치{Metal slurry circulating type metal-air battery equipment}
본 발명은 금속 연료 전지 기술 또는 금속공기전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지 내의 산화된 금속 분말을 회수하여 이를 환원시켜 환원된 금속 분말을 전지로 다시 공급하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치에 관한 것이다.
기존의 수소연료전지와 달리 금속을 연료로 공급하는 금속연료전지는 금속재료로 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철 및 리튬 혹은 이의 합금으로 이루어진다.
금속공기전지는 근본적으로 1차 전지의 개념으로 한번 사용하여 모두 방전되면 폐기해야 하지만, 최근 들어 리튬 이온, 리튬 폴리머 및 리튬 이온 폴리머 2차 전지가 자동차나 대용량 전력저장장치용으로 적용 검토되면서 리튬 이온, 리튬 폴리머 및 리튬 이온 폴리머 2차 전지의 부족한 에너지밀도의 단점을 극복하여 향후 대체할 수 있는 기술로 고에너지 밀도를 갖는 금속공기전지 기술이 대두하고 있다. 이에 금속공기전지는 아직까지는 재충전 수명 및 방전효율 등에 문제가 있어서 2차 전지의 개념처럼 방전한 후 전기화학적으로 재충전할 수 있는 기술이 현재 개발진행중이다.
또한, 전기화학적 충전 또는 방전의 문제점을 극복하고 금속공기전지 본래의 고에너지밀도 특성을 활용하기 위해서는 금속극 소재가 소모되면 기계적으로 재충전하는 방식이 고려되고 있으며, 이러한 기계적 재충전방식은 금속극을 통째로 카트리지 형태로 교체하거나 금속 분말을 슬러리형태로 주입하는 방식이 검토되고 있다. 그러나, 기계적 재충전방식은 카트리지형의 경우 주기적으로 금속극을 교체해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속공기전지가 일정시간이 경과 하거나 금속공기전지의 일정 전력량 이하가 되면 산화된 금속 분말을 자동적으로 제거하고 새 금속 분말을 공급하는 기능과 동시에 산화된 금속 분말을 재생하여 환원된 금속 분말로 공급할 수 있는 금속 분말 슬러리 순환식 금속공기전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은, 금속 분말을 공기 중의 산소와 결합하여 산화되면서 전기를 발생시키도록 금속 분말 슬러리가 채워지는 금속공기전지 단위전지부;와, 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말을 슬러리 상태로 만들어 금속 분말 슬러리를 공급하는 금속 분말 슬러리 공급부;와, 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 금속공기전지 단위전지부에서 산화된 금속 분말을 제거하는 산화 금속 분말 제거부;와, 금속공기전지 단위전지부와 금속 분말 슬러리 공급부 사이를 개폐하는 공급밸브;와, 금속공기전지 단위전지부와 산화 금속 분말 제거부 사이를 개폐하는 배출밸브;와, 산화 금속 분말 제거기로부터 산화된 금속 분말을 공급받아 금속 분말로 환원시켜서 금속 분말 슬러리 공급부로 환원된 금속 분말을 공급하는 금속 분말 재처리부; 및 금속공기전지 단위전지부 내부의 산화된 금속 분말을 배출시키거나 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말 슬러리를 공급하도록, 금속공기전지 단위전지부의 남아있는 전력량 또는 금속공기전지 단위전지부의 사용 전력량 체크와, 금속 분말 슬러리 공급부, 산화 금속 분말 제거부, 공급밸브 및 배출밸브를 포함하여 작동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치에 의해 달성된다.
또한, 금속 분말 슬러리 공급부와 금속 분말 재처리부 사이를 개폐하는 제 1 밸브 및 산화 금속 분말 제거부와 금속 분말 재처리부 사이를 개폐하는 제 2 밸브를 더 포함할 수 있다.
또, 금속 분말은, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철 및 리튬 혹은 이들 중 둘 이상의 합금으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치는, 금속 분말 슬러리를 자동적으로 그리고 반복적으로 금속공기전지에 공급함으로써 전기화학적인 충전 및 방전형 전지의 개발 없이 전지시스템의 유지보수를 최소화하여 장기간 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 목적은, 금속 분말을 공기 중의 산소와 결합하여 산화되면서 전기를 발생시키도록 금속 분말 슬러리가 채워지는 금속공기전지 단위전지부(10);와, 금속공기전지 단위전지부(10)와 연결되어 금속공기전지 단위전지부(10)로 금속 분말을 슬러리 상태로 만들어 금속 분말 슬러리를 공급하는 금속 분말 슬러리 공급부(20);와, 금속공기전지 단위전지부(10)와 연결되어 금속공기전지 단위전지부(10)에서 산화된 금속 분말을 제거하는 산화 금속 분말 제거부(30);와, 금속공기전지 단위전지부(10)와 금속 분말 슬러리 공급부(20) 사이를 개폐하는 공급밸브(61);와, 금속공기전지 단위전지부(10)와 산화 금속 분말 제거부(30) 사이를 개폐하는 배출밸브(62);와, 산화 금속 분말 제거부(30)로부터 산화된 금속 분말을 공급받아 금속 분말로 환원시켜서 금속 분말 슬러리 공급부(20)로 환원된 금속 분말을 공급하는 금속 분말 재처리부(40); 및 금속공기전지 단위전지부(10) 내부의 산화된 금속 분말을 배출시키거나 금속공기전지 단위전지부(10)로 금속 분말 슬러리를 공급하도록, 금속공기전지 단위전지부(10)의 남아있는 전력량 또는 금속공기전지 단위전지부(10)의 사용 전력량 체크와, 금속 분말 슬러리 공급부(20), 산화 금속 분말 제거부(30), 공급밸브(61) 및 배출밸브(62)를 작동시키는 제어부(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치에 의해 달성된다.
또한, 금속 분말 슬러리 공급부(20)와 금속 분말 재처리부(40) 사이를 개폐하는 제 1 밸브(63) 및 산화 금속 분말 제거부(30)와 금속 분말 재처리부(40) 사이를 개폐하는 제 2 밸브(64)를 더 포함할 수 있다.
또, 금속 분말은, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철 및 리튬 혹은 이들 중 둘 이상의 합금으로 형성될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
들어가기에 앞서 금속공기전지는 이미 공지되고 상용화되어 공공연히 실시되고 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치는, 금속공기전지 단위전지부(10), 금속 분말 슬러리 공급부(20), 산화 금속 분말 제거부(30), 공급밸브(61), 배출밸브(62), 금속 분말 재처리부(40) 및 제어부(50)를 포함한다.
금속공기전지 단위전지부(10)는, 내부에 금속 분말 슬러리가 채워져 금속 분말이 공기중의 산소와 결합하여 산화함으로써 전기를 발생시키며, 금속 분말의 양에 따라 일정한 전력량을 가진다. 여기서, 금속공기전지 단위전지부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 지속적인 전력을 생산하기 위해 다수의 금속공기전지 단위전지부(10)가 병렬로 연결될 수 있으며, 여기에 사용되는 금속 분말은 아연, 알루미늄, 마그네슘, 철 및 리튬 혹은 이들 중 둘 이상의 합금이 사용될 수 있다.
금속 분말 슬러리 공급부(20)는, 금속공기전지 단위전지부(10)의 상단과 연결되며, 금속공기전지 단위전지부(10)에 금속 분말 슬러리를 공급하도록 금속 분말을 슬러리 형태로 만든다. 이에 따른 상세한 설명은 후술한다.
산화 금속 분말 제거부(30)는, 금속공기전지 단위전지부(10)에서 산화된 금 속 분말 및 금속 분말을 회수하기 위해 금속공기전지 단위전지부(10)의 하단과 연결된다. 물론 산화된 금속 분말만 회수하면 좋겠지만, 산화되지 않은 소정의 금속 분말이 섞여 있을 수 있기 때문에 모두 회수하는 것이 바람직하다. 여기서, 산화 금속 분말 제거부(30)는, 금속공기전지 단위전지부(10)에서 산화된 금속 분말 및 금속 분말을 강제 회수하기 위해 펌프(미도시) 또는 이송용 스크루(미도시) 등이 사용된다.
공급밸브(61)는, 금속 분말 슬러리 공급부(20)와 금속공기전지 단위전지부(10) 사이에 설치되어 금속 분말 슬러리 공급부(20)에서 금속공기전지 단위전지부(10)로 공급하는 금속 분말 슬러리의 공급량을 조절한다. 이에 따라, 공급밸브(61)의 개폐에 따라 금속공기전지 단위전지부(10)에 일정량의 금속 분말 슬러리를 공급할 수 있다.
배출밸브(62)는, 금속공기전지 단위전지부(10)와 산화 금속 분말 제거부(30) 사이를 개폐하기 위해 금속공기전지 단위전지부(10)와 산화 금속 분말 제거부(30) 사이에 설치되며 평상시에는 닫힌 상태를 유지하다가 금속공기전지 단위전지부(10)에서 일정량의 금속 분말이 산화되거나 일정 시간이 흐르면 산화된 금속 분말이 산화 금속 분말 제거부(30)로 이송되도록 배출밸브(62)를 개방한다.
금속 분말 재처리부(40)는, 금속 분말 슬러리 공급부(20)와 산화 금속 분말 제거부(30) 사이에 배치되어 금속 분말 슬러리 공급부(20) 및 산화 금속분말 제거부와 연결되며 산화 금속 분말 제거부(30)로부터 산화된 금속 분말을 공급받아 금속 분말을 원상태로 환원시켜서 금속 분말 슬러리 공급부(20)로 환원된 금속 분말 을 공급한다. 이에 따라, 산화된 금속을 환원시켜 재생함으로써 금속공기전지 단위전지부(10)의 수명을 연장할 수 있다.
제어부(50)는, 금속공기전지 단위전지부(10)의 전력 사용량 또는 남아있는 전력량을 체크하여 금속 분말 슬러리 공급부(20), 산화 금속 분말 제거부(30), 공급밸브(61) 및 배출밸브(62)의 작동 및 해제를 제어한다. 즉, 금속공기전지 단위전지부(10)에 주입된 금속 분말의 산화 진행 상태를 알기 위해 금속공기전지 단위전지부(10)에 남아있는 전력량을 체크하여 금속 분말의 산화 진행 상태를 파악할 수 있다. 여기서, 제어부(50)는 금속 분말 재처리부(40)의 작동 상태도 제어할 수 있다. 이에 따른 자세한 설명은 본 발명의 작동상태에서 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 금속 분말 슬러리 공급부(20)와 금속 분말 재처리부(40) 사이를 개폐하는 제 1 밸브(63)가 설치될 수 있으며, 금속 분말 재처리부(40)와 산화 금속 분말 제거부(30) 사이를 개폐하는 제 2 밸브(64)가 설치될 수 있다. 또한, 제 1 밸브(63) 및 제 2 밸브(64)는 상술한 제어부(50)에 의해 제어를 받을 수 있다. 여기에, 산화된 금속 분말, 금속 분말 또는 금속 분말 슬러리를 용이하게 이송시키기 위해 금속 분말 슬러리 공급부(20) 및 금속 분말 재처리부(40) 중 어느 한곳 또는 두 곳에 펌프(미도시) 또는 이송용 스크루(미도시)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 산화된 금속 분말, 금속 분말 또는 금속 분말 슬러리를 용이하게 이송할 수 있다.
여기서, 각 구성 간의 연결은 관으로 연결되며 각 구성 간에 연결된 관에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치의 작동상태를 상세히 설명하기로 한다.
제어부(50)에서 금속공기전지 단위전지부(10)에 남아있는 전력량을 실시간으로 체크하여 전력량이 기 설정된 값 이하면 제어부(50)는 배출밸브(62)를 열고 금속공기전지 단위전지부(10) 내부에 산화된 금속 분말을 흡입하기 위해 산화 금속 분말 제거부(30)가 작동한다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 금속공기전지 단위전지부(10)가 병렬로 연결된 경우 이 중에서 잔여 전력량을 체크하여 잔여 전력량이 가장 낮은 금속공기전지 단위전부(10)에 연결된 배출밸브(62)를 개방한다.
산화 금속 분말 제거부(30)가 금속공기전지 단위전지부(10) 내부의 산화 금속 분말 및 금속 분말을 모두 흡입하면 배출밸브(62)를 닫고 제 2 밸브(64)를 열어서 금속 분말 재처리부(40)로 산화 금속 분말 및 금속 분말을 금속 분말 재처리부(40)로 이송시킨다.
이송이 끝나면 제 2 밸브(64)를 닫고 금속 분말 재처리부(40)를 작동시켜 산화된 금속 분말을 원상태의 금속 분말로 환원시킨다. 환원이 끝나면 제 1 밸브(63)를 열어서 환원된 금속 분말을 금속 분말 슬러리 공급부(20)에 공급한다.
환원된 금속 분말의 공급이 끝나면 제 1 밸브(63)를 닫고 금속 슬러리 공급부를 작동시켜 금속 분말을 슬러리 상태로 만든다. 금속 분말이 슬러리 상태가 되면 공급밸브(61)를 열어서 금속 분말 슬러리를 금속공기전지 단위전지부(10)에 주입하고 주입이 끝나면 공급밸브(61)를 닫는다.
한편, 각 구성들의 작동 제어는 제어부(50)에서 이루어지고, 개략적인 제어단계의 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있으며, 상술한 본 발명의 작동상태와 중복되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명에서는 슬러리형 금속 분말이 사전에 설계된 일정 출력으로 일정시간 경과한 후에는 자동으로 배출되고 새로운 슬러리형 금속 분말이 자동으로 공급되는 금속공기전지이고 산화된 금속 분말을 재생할 수 있는 장치를 구비하여 금속 분말이 순환되는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치에 사용된 동일한 번호는 필요에 따라 그 설명을 생략할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 된다. 따라서 상기에서 설명한 것 외에도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 실시 예에 대한 설명만으로도 쉽게 상기 실시 예와 동일 범주 내의 다른 형태의 본 발명을 실시할 수 있거나, 본 발명과 균등한 영역의 발명을 실시할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치를 블록으로 나타낸 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치를 블록으로 나타낸 개략적인 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에서 제어부의 제어단계를 나타낸 제어 블록도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10; 금속공기전지 단위전지부 20; 금속 분말 슬러리 공급부
30; 산화 금속 분말 제거부 40; 금속 분말 재처리부
50; 제어부 61; 공급밸브
62; 배출밸브 63; 제 1 밸브
64; 제 2 밸브

Claims (3)

  1. 금속 분말을 공기 중의 산소와 결합하여 산화되면서 전기를 발생시키도록 금속 분말 슬러리가 채워지는 금속공기전지 단위전지부;
    상기 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 상기 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말을 슬러리 상태로 만들어 금속 분말 슬러리를 공급하는 금속 분말 슬러리 공급부;
    상기 금속공기전지 단위전지부와 연결되어 상기 금속공기전지 단위전지부에서 산화된 금속 분말을 제거하는 산화 금속 분말 제거부;
    상기 금속공기전지 단위전지부와 상기 금속 분말 슬러리 공급부 사이를 개폐하는 공급밸브;
    상기 금속공기전지 단위전지부와 상기 산화 금속 분말 제거부 사이를 개폐하는 배출밸브;
    상기 산화 금속 분말 제거기로부터 산화된 금속 분말을 공급받아 금속 분말로 환원시켜서 상기 금속 분말 슬러리 공급부로 환원된 금속 분말을 공급하는 금속 분말 재처리부; 및
    상기 금속공기전지 단위전지부 내부의 산화된 금속 분말을 배출시키거나 상기 금속공기전지 단위전지부로 금속 분말 슬러리를 공급하도록, 상기 금속공기전지 단위전지부의 남아있는 전력량 또는 상기 금속공기전지 단위전지부의 사용 전력량 체크와, 상기 금속 분말 슬러리 공급부, 상기 산화 금속 분말 제거부, 상기 공급밸 브 및 상기 배출밸브를 포함하여 작동시키는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 분말 슬러리 공급부와 상기 금속 분말 재처리부 사이를 개폐하는 제 1 밸브 및 상기 산화 금속 분말 제거부와 상기 금속 분말 재처리부 사이를 개폐하는 제 2 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 분말은,
    아연, 알루미늄, 마그네슘, 철 및 리튬 혹은 이들 중 둘 이상의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 슬러리 순환식 금속공기전지 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06176776A (ja) * 1992-12-07 1994-06-24 Nissan Motor Co Ltd 改良型金属空気電池
US5558947A (en) 1995-04-14 1996-09-24 Robison; George D. Rechargeable battery system and method and metal-air electrochemical cell for use therein
KR20010110437A (ko) * 1999-12-16 2001-12-13 데이또꾸샤 가부시키가이샤 히터 지지구조 및 유리판 벤딩 성형을 위한 가열로
KR20020064317A (ko) * 1999-11-24 2002-08-07 메탈릭 파워 인코포레이티드 금속/공기 연료전지, 전지 또는 금속 회수 장치에서수지상의 형성을 막는 시스템 및 방법

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