KR101228435B1 - 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명에 의한 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리는, 바다 표면과 해저 사이의 수중에 설치되는 관형의 라이저 내부에 배치되는 구동장치에 전력을 공급하여 주기 위한 것으로, 상기 라이저 내부에 배치되고, 전해질 내에서 산소와 반응하여 전자를 생성시키는 아연볼이 수용되는 수용공간을 가지고 전자를 집전시킬 수 있는 재질로 형성되는 음극 주머니; 상기 음극 주머니에 수용되어 있는 전해질을 순환시키기 위한 복수의 순환관들; 및 상기 복수의 순환관들의 경로 상에 배치되어 상기 음극 주머니 내에서 발생된 산화아연을 필터링하기 위한 필터;를 구비하여서, 상기 음극 주머니에 의해 집전된 전자로부터 발생되는 전력을 상기 구동장치에 공급하여 주고, 상기 전해질 내에 함유되어 있는 산화아연을 지속적으로 필터링시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리{Zinc-air fuel cell assembly for ocean}

본 발명은 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원유와 같은 해양 에너지를 채굴할 있도록 바다 표면과 해저 사이의 수중에 설치되어 구동되는 BOP(Blow Out Preventer;분출방지밸브) 등의 구동장치에 전력을 공급하여 줄 수 있도록 구조가 개선된 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리이다.

최근에 자연을 보존하고자 하는 환경정책과 그린 에너지 정책에 부합하여 매연이 발생되지 않는 전기자동차, 모터바이크, 전기버스 등이 화제가 되고 있는 실정이다.

아연-공기 연료전지는 전해질 내에서 금속과 공기 중의 산소가 반응하여 생성되는 전자를 집전하여 전기를 생성하는 것으로, 근자에 연료에서 생성되는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 전통적인 연료전지를 대체하는 연료전지로서 개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.

도 1은 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 어셈블리의 사용상태를 보인 단면도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 어셈블리는 음극 주머니(1)와 그 음극 주머니(1) 내부에 배치되는 집전체(2)와 상기 집전체를 커버하는 하우징(4)으로 이루어진다.

상기 음극 주머니(1)는 전도성이 우수한 구리, 청동, 황동과 같은 재질로 이루어지고, 복수의 패널이 서로 결합됨으로써 전해질이 수용될 수 있는 수용공간을 형성하게 된다.

상기 음극 주머니(1) 내부에는 구 형상의 아연볼(3)이 전해질과 함께 수용된다. 상기 집전체(2)는, 상기 음극 주머니(1) 내부에서 상기 아연볼(3)과 외부에서 공급되는 공기 중의 산소 간의 반응에 의해 생성되는 전자를 집전하는 역할을 한다. 여기서, 상기 산소는 상기 음극 주머니(1)를 폐쇄하는 하우징(4)을 통해 상기 음극 주머니(1) 내부로 유입된다.

이러한 구성을 가지는 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 어셈블리는 애노드 측과 캐소드측에서 아래와 같은 반응에 의해 전기의 생성을 가능하게 한다.

애노드측: Zn+2OH- ===> ZnO+H₂O+2e-

캐소드측: ½O₂+ H₂O +2e- ===> 2OH-

이러한 원리에 의해 전기를 생성하는 아연-공기 연료전지 어셈블리는, 지금까지 대체에너지로서의 활용도가 매우 낮은 실정이다.

특히, 원유와 같은 해양에너지 채굴시에 전력을 공급하기 위한 수단으로서의 아연-공기 연료전지 어셈블리는, 그 개발 또는 활용이 전무한 실정이다.

따라서, 해양에서 아연-공기 연료전지 어셈블리를 전력공급수단으로서 활용이 이루어지게 된다면, 수소를 이용한 2차 전지 등에 비하여 안정성이 보장될 뿐만 아니라 예기치 못한 폭발로 인하여 설비들이 파손되는 결과를 미리 예측하여 설계에 반영하지 않아도 되기 때문에 전력공급 시스템의 설계를 용이하게 수행할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 바다 표면과 해저 사이의 수중에서 구동되는 구동장치에 전력을 공급하여 줄 수 있는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 해양에서의 전력 생성 효율을 높일 수 있는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 해양용 아연-공기 연료전지 셀 어셈블리는, 바다 표면과 해저 사이의 수중에 설치되는 관형의 라이저 내부에 배치되는 구동장치에 전력을 공급하여 주기 위한 것으로, 상기 라이저 내부에 배치되고, 전해질 내에서 산소와 반응하여 전자를 생성시키는 아연볼이 수용되는 수용공간을 가지고 전자를 집전시킬 수 있는 재질로 형성되는 음극 주머니; 상기 음극 주머니에 수용되어 있는 전해질을 순환시키기 위한 복수의 순환관들; 및 상기 복수의 순환관들의 경로 상에 배치되어 상기 음극 주머니 내에서 발생된 산화아연을 필터링하기 위한 필터;를 구비하여서, 상기 음극 주머니에 의해 집전된 전자로부터 발생되는 전력을 상기 구동장치에 공급하여 주고, 상기 전해질 내에 함유되어 있는 산화아연을 지속적으로 필터링시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 산소는 통과하고 전해질은 통과할 수 없는 미세기공이 형성되어 있으며, 상기 복수의 순환관들에 접속됨으로써 상기 음극 주머니와의 전해질 순환을 가능하게 하는 커버블럭을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 커버블럭은, 상기 음극 주머니로부터 상기 순환관들 중 어느 하나 측으로 전해질의 배출을 가능하게 하도록, 그 어느 하나의 순환관에 접속되는 전해질 배출구와, 상기 어느 하나의 순환관에 유입된 전해질이 재차 상기 음극 주머니 내로 유입될 수 있도록 상기 순환관들 중 다른 하나에 접속되는 전해질 유입구를 구비하고, 상기 필터는 상기 어느 하나의 순환관의 경로 상에 배치되고, 상기 다른 하나의 순환관의 경로 상에는 액체펌프가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 커버블럭으로부터 배출되는 전해질을 일시적으로 수용시킬 수 있는 저장공간을 가지는 전해질 저장통;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은, 상기 전해질 저장통과 커버블럭 사이에 배치되고, 그 전해질 저장통과 커버브럭과 소통가능하게 연결되어 있는 전해질측 매개블럭;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 전해질측 매개블럭은, 상기 전해질 저장통에 착탈가능하게 결합되고, 상기 커버블럭은, 상기 전해질측 매개블럭에 착탈가능하게 결합되는 것이 바람직하다.

상기 전해질측 매개블럭은 환 형으로 형성되어 있으며, 방사형으로 배열되는 복수의 안착홈을 구비하고, 상기 커버블럭은, 상기 복수의 안착홈을 따라 방사형으로 배열되며, 상기 복수의 커버블럭들은, 각각 상기 안착홈에 끼워맞춤됨으로써, 상기 전해질측 매개블럭에 착탈가능하게 결합되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리는, 바다 표면과 해저 사이의 수정에 설치되는 라이저 내부에 전해질 순환수단을 설치하여 두고, 반응셀 내에서 발생되는 산화아연을 지속적으로 걸러 내어 줌으로써, 전해질 내에서의 아연볼과 산소와의 반응효율을 높여 전자 생성효율을 더욱 높일 수 있게 하고, 이에 따라 원유와 같은 해양에너지 채굴을 위하여 수중에서 구동되는 BOP(Blow Out Preventer;분출방지밸브) 등의 구동장치에 더 큰 전력을 효율적으로 공급하여 줄 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 종래기술에 의한 아연-공기 연료전지 어셈블리의 사용상태를 보인 단면도.
도 2는 본 발명 일실시예의 채용상태를 개략적으로 보인 채용상태도.
도 3은 본 발명 일실시예의 결합 사시도.
도 4는 본 발명 일실시예의 분리 사시도.
도 5는 본 발명 일실시예의 측면도.
도 6은 본 발명 일실시예에 채용된 반응셀의 사시도.
도 7은 도 6의 반응셀에서의 산소 유동 경로를 보인 도면.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리(100)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명 일실시예의 채용상태를 개략적으로 보인 채용상태도이고, 도 3은 본 발명 일실시예의 결합 사시도이며, 도 4는 본 발명 일실시예의 분리 사시도이며, 도 5는 본 발명 일실시예의 측면도이며, 도 6은 본 발명 일실시예에 채용된 반응셀의 사시도이며, 도 7은 도 6의 반응셀에서의 산소 유동 경로를 보인 도면이다.

본 발명은, 바다 표면과 해저 사이의 수중에 설치되는 관형의 라이저(R) 내부에 배치되는 BOP(B;분출방지밸브)(Blow Out Preventer) 등의 구동장치에 전력을 공급하여 주기 위한 것으로, 반응셀과 전해질 순환수단과 산소 공급수단을 포함하여 이루어진다.

먼저, 전력 생성 효율을 높일 수 있도록 하는 상기 반응셀과 산소 공급수단에 대해 설명하기로 한다.

본 발명 일실시예에 채용된 반응셀은, 음극 주머니(10)와 집전체(12)와 그 음극 주머니(10)를 폐쇄하는 커버블럭(14)을 포함하여 이루어진다.

상기 음극 주머니(10)는, 전자를 집전할 수 있는 재질인 전도성이 우수한 구리, 청동, 황동과 같은 재질로 이루어지고, 내부에 구 형상의 아연볼(미도시)과 전해질이 수용될 수 있는 수용공간을 가진다.

이러한 음극 주머니(10)는, 상기 아연볼이 산소 공급수단에 의해 공급되는 산소와 반응하여 생성된 전자를 집전시키는 기능을 발휘하기는 하나, 본 실시예에서는 집전 효율을 더욱 높일 수 있도록 상기 음극 주머니(10) 내에 배치되는 집전체(12)가 더 구비되어 있다.

상기 집전체(12)는, 상기 음극 주머니(10) 내의 수용공간을 복수개로 구획함으로써, 아연볼과 산소와의 반응에 의해 생성되는 전자와의 접촉면적을 크게 하여 전자의 집전효율을 더욱 높일 수 있게 한다.

상기 커버블럭(14)은, 상기 산소 공급수단과 음극 주머니(10)를 서로 소통가능하게 연결시킬 수 있도록 그 음극 주머니(10)를 감싸는 형태로 배치되고 상기 산소 공급수단과 접속된다.

이러한 커버블럭(14)은, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 공기는 통과하고 전해질은 통과할 수 없는 미세기공이 형성되어 있는 기공부(14a)와, 상기 산소통(20)으로부터 공급되는 산소가 상기 기공부(14a) 측으로 유입될 수 있게 하는 유동로(14b)를 구비한다.

본 실시예에서, 상기 유동로(14b)는, 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 복수의 채널(14c)에 의해 구획됨으로써, 상기 산소의 기공부(14a)로의 유입효율을 높일 수 있게 한다.

그리고, 상기 기공부(14a)와 유동로(14b)는, 상기 음극 주머니(10)를 사이에 두고 상기 커버블럭(14)의 양측에 각각 형성된다. 이와 같이 상기 유동로(14b)가 한 쌍으로 이루어지게 됨으로써, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 상기 산소 공급수단에 접속되는 산소 유입관(16)과 바다 표면 위쪽과 소통되는 산소 배출관(18)은 각각 분기형으로 형성되어 있다.

이러한 유동로(14b)는 본 발명의 일실시예의 구현을 위해 채택되었을 뿐, 예컨대 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 한 쌍의 유동로(14b)가 서로 소통되도록 구성되고 분기형이 아닌 단일관 형상의 산소 유입관(16)과 산소 배출관(18) 구조가 채택되는 것도 가능함은 물론이다.

본 실시예에서 상술한 바와 같은 반응셀 내로 산소를 유입시키기 위한 산소 공급수단으로는, 산소통(20)과, 일측이 상기 산소통(20)에 접속되고 타측이 상기 산소 유입관(16) 측에 접속되는 산소측 매개블럭(22)을 구비한다.

이와 같이, 상기 산소측 매개블럭(22)은, 상기 산소통(20)과 반응셀 사이에 배치되어, 그 산소통(20)과 반응셀에 접속됨으로써 그 산소통(20)과 반응셀 간의 연결이 원활하게 이루어지게 하고, 상기 산소통(20)으로부터 공급되는 산소를 일시적으로 저장한 후 각각의 반응셀 내로 공급하여 줌으로써 갑작스런 산소의 유입을 방지하는 댐퍼 역할을 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명은, 바다 표면과 해저 사이의 수정에 설치되는 라이저(R) 내부에 산소통(20)을 배치하여 두고, 그 산소통(20)으로부터 공급되는 산소와 음극 주머니(10) 내에 수용되는 아연볼을 반응시켜서 전자를 생성할 수 있도록 구성됨으로써, 원유와 같은 해양에너지 채굴을 위하여 수중에서 구동되는 분출방지밸브(B) 등의 구동장치에 전력을 공급하여 줄 수 있는 장점을 가지고, 수소를 이용한 2차 전지에 비하여 안정성이 우수함은 물론 제품 설계가 용이하며 구조의 간소화를 이룰 수 있는 장점을 가진다.

특히, 본 실시예에서는 관 형상의 라이저(R)를 이용한 최적 배치가 가능하도록 상기 반응셀과 산소통(20)이 상기 라이저(R) 내부에 방사형으로 배치됨에 따라 전자 생성 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예를, 반응셀과 산소 공급수단의 각 구성, 배치구조 및 결합구조를 중심으로 하여 설명하였다.

이하, 본 발명의 일실시예에 채용된 반응셀과 전해질 순환수단의 구성 및 그 구성으로부터 도출되는 효과를 중심으로 상세하게 설명하기로 한다.

상기 전해질 순환수단은, 상기 반응셀에 구비되는 음극 주머니(10)에 수용되어 있는 전해질을 순환시키기 위한 복수의 순환관(24)(26)들과, 그 순환관(24)(26)들의 경로 상에 배치되는 필터(32)를 포함하여 이루어진다.

상기 필터(32)는, 상기 복수의 순환관(24)(26)들의 경로 상에 배치되어 상기 음극 주머니(10) 내에서 발생된 산화아연을 필터링하기 위한 것으로, 상기 산화아연이 마이크로 단위의 입자 형태를 가짐에 따라 공지의 입자필터(32) 등이 채용될 수 있다.

본 실시예에서 상기 커버블럭(14)은, 도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 전해질 배출구(14d)와 전해질 유입구(14e)를 구비한다. 상기 전해질 배출구(14d)는, 상기 순환관들 중 어느 하나(24)에 접속되어, 상기 음극 주머니(10)로부터 상기 순환관들 중 어느 하나(이하 '제1순환관(24)'이라 함) 측으로 전해질의 배출을 가능하게 하고, 상기 전해질 유입구(14e)는, 상기 순환관들 중 다른 하나(이하 '제2순환관(26)'이라 함)에 접속되어, 상기 어느 하나의 순환관(24)에 유입된 전해질이 재차 상기 음극 주머니(10) 내로 유입될 수 있게 한다.

본 실시예에서 상기 전해질 유입구(14e)는, 상기 커버블럭(14)의 외면에 설치되는 연결관(28)에 마련되는 부분으로, 상기 연결관(28)이 상기 제2순환관(26)에 접속됨으로써 전해질 유입을 위한 경로 형성이 가능하게 된다.

본 실시예에서는, 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(26)의 사이에는 전해질을 일시적으로 수용하기 위한 전해질 저장통(30)이 마련된다. 그리고, 상기 제1순환관(24)의 경로 상에는 상술한 필터(32)가 설치되고 상기 제2순환관(26)의 경로 상에는 상기 전해질 저장통(30)에 수용되어 있는 전해질을 펌핑하기 위한 공지의 액체펌프(34)가 마련되어 있다.

본 실시예에서, 상기 반응셀과 전해질 저장통(30) 간의 연결은, 전해질측 매개블럭(36)을 통해 이루어지고, 상기 전해질측 매개블럭(36) 내에는 상기 제2순환관(26)과 함께 액체펌프(34)가 마련되어 있다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 전해질 저장통(30)에 전해질측 매개블럭(36)이 끼워맞춤되고, 상기 전해질측 매개블럭(36)에 상기 반응셀의 커버블럭(14)이 끼워맞춤됨으로써, 상기 반응셀과 전해질 저장통(30) 간의 결합이 이루어지게 된다.

특히, 도 3 및 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 반응셀은 관형의 라이저(R)의 특성을 이용한 최적배치를 가능하도록 그 라이저(R) 내에 방사형으로 복수개 배열됨으로써 전자의 집전 효율을 높일 수 있게 하고, 나아가 상기 전해질측 매개블럭(36)에 착탈가능하게 결합됨으로써 제품의 조립작업의 효율을 높일 수 있게 한다.

즉, 본 실시예에서, 상기 전해질측 매개블럭(36)에는 복수의 안착홈(36a)이 방사형으로 형성되어 있고 상기 커버블럭(14)들이 각각 상기 안착홈(36a)에 끼워맞춤됨으로써 조립작업 및 설치작업의 효율을 높일 수 있고, 상기 커버블럭(14)과 전해질측 매개블럭(36) 간의 결합시에 전해질 순환을 위한 제1순환관(24)과 전해질 배출구(14d) 간의 접속 및 제2순환관(26)과 전해질 유입구(14e) 간의 접속이 동시에 이루어지게 함으로써 제품의 조립 및 설치작업의 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

결국, 본 실시예에 따른 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리는, 바다 표면과 해저 사이의 수정에 설치되는 라이저(R) 내부에 전해질 순환수단을 설치하여 두고, 반응셀 내에서 발생되는 산화아연을 지속적으로 걸러 내어 줌으로써, 전해질 내에서의 아연볼과 산소와의 반응효율을 높여 전자 생성효율을 더욱 높일 수 있게 하고, 이에 따라 원유와 같은 해양에너지 채굴을 위하여 수중에서 구동되는 BOP(Blow Out Preventer;분출방지밸브) 등의 구동장치에 더 큰 전력을 효율적으로 공급하여 줄 수 있는 장점을 가진다.

한편, 도면 중 미설명부호 38은 상기 반응셀들의 상측에 결합되는 마감캡이다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

10:음극 주머니 12:집전체
14:커버블럭 14a:기공부
14b:유동로 14c:채널
14d:전해질 배출구 14e:전해질 유입구
16:산소 유입관 18:산소 배출관
20:산소통 22:산소측 매개블럭
24:제1순환관 26:제2순환관
28:연결관 30:전해질 저장통
32:필터 34:액체펌프
36:전해질측 매개블럭 36a:안착홈
B:분출방지밸브 R:라이저

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 바다 표면과 해저 사이의 수중에 설치되는 관형의 라이저 내부에 배치되는 구동장치에 전력을 공급하여 주기 위한 것으로,
   상기 라이저 내부에 배치되고, 전해질 내에서 산소와 반응하여 전자를 생성시키는 아연볼이 수용되는 수용공간을 가지고 전자를 집전시킬 수 있는 재질로 형성되는 음극 주머니; 상기 음극 주머니에 수용되어 있는 전해질을 순환시키기 위한 복수의 순환관들; 및 상기 복수의 순환관들의 경로 상에 배치되어 상기 음극 주머니 내에서 발생된 산화아연을 필터링하기 위한 필터;를 구비하여서, 상기 음극 주머니에 의해 집전된 전자로부터 발생되는 전력을 상기 구동장치에 공급하여 주고, 상기 전해질 내에 함유되어 있는 산화아연을 지속적으로 필터링시킬 수 있도록 구성되고,
   상기 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 산소는 통과하고 전해질은 통과하지 않도록 차단하는 미세기공이 형성되어 있으며, 상기 복수의 순환관들에 접속됨으로써 상기 음극 주머니와의 전해질 순환을 가능하게 하는 커버블럭을 구비하며,
   상기 커버블럭은, 상기 음극 주머니로부터 상기 순환관들 중 어느 하나 측으로 전해질의 배출을 가능하게 하도록, 그 어느 하나의 순환관에 접속되는 전해질 배출구와, 상기 어느 하나의 순환관에 유입된 전해질이 재차 상기 음극 주머니 내로 유입될 수 있도록 상기 순환관들 중 다른 하나에 접속되는 전해질 유입구를 구비하며,
   상기 필터는 상기 어느 하나의 순환관의 경로 상에 배치되고, 상기 다른 하나의 순환관의 경로 상에는 액체펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,
   상기 커버블럭으로부터 배출되는 전해질을 일시적으로 수용시킬 수 있는 저장공간을 가지는 전해질 저장통;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전해질 저장통과 커버블럭 사이에 배치되고, 그 전해질 저장통과 커버브럭과 소통가능하게 연결되어 있는 전해질측 매개블럭;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전해질측 매개블럭은, 상기 전해질 저장통에 착탈가능하게 결합되고,
   상기 커버블럭은, 상기 전해질측 매개블럭에 착탈가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리.
7. 제6항에 있어서,
   상기 전해질측 매개블럭은 환 형으로 형성되어 있으며, 방사형으로 배열되는 복수의 안착홈을 구비하고,
   상기 커버블럭은, 상기 복수의 안착홈을 따라 방사형으로 배열되며,
   상기 복수의 커버블럭들은, 각각 상기 안착홈에 끼워맞춤됨으로써, 상기 전해질측 매개블럭에 착탈가능하게 결합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 해양용 아연-공기 연료전지 어셈블리.

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