KR101333204B1 - 마그네슘 배터리 - Google Patents

Abstract

밀도가 높은 마그네슘(Mg)을 외부 케이스(-)로 사용하여 충전/방전 속도를 향상시키고, 캐소드 제조에 용이성을 제공하여 연료전지의 생산성을 높이도록 한 마그네슘 배터리가 개시된다.
개시된 마그네슘 배터리는 상부에 통공이 형성되는 케이스와; 상기 케이스의 내벽과 에어갭이 형성되고 외주연에 카본 시트가 감긴 카본 봉과; 상기 카본 봉의 상부 및 하부에 형성되는 상부/하부 절연재와; 상기 케이스의 내부에 충진되는 전해질과; 상기 케이스의 통공에 설치되어 상기 카본 봉과 상기 케이스를 전기적으로 분리하기 위한 가스켓으로 구현함으로써, 충전/방전 속도를 향상시키고 마그네슘 배터리의 제조에 용이함을 제공하며, 오폐수 문제를 제거하여 친환경적인 마그네슘 배터리를 제공해주게 되는 것이다.

Description

마그네슘 배터리{Magnesium battery}

본 발명은 마그네슘(Mg) 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀도가 높은 마그네슘(Mg)을 외부 케이스(-)로 사용하여 충전/방전 속도를 향상시키고, 캐소드 제조에 용이성을 제공하여 연료전지의 생산성을 높이도록 한 마그네슘 배터리에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서, 산화·환원반응을 이용한 발전장치라는 점에서는 화학전지와 같지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달리 연료전지는 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다는 점에서 차이가 있다.

이러한 연료 전지는 사용하는 연료에 따라 수소를 비롯한 메탄과 천연가스 등을 사용하는 기체 연료전지, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진 등을 사용하는 액체 연료전지, 마그네슘이나 알루미늄, 아연 등을 사용한 금속 연료전지로 구분된다.

이 중 본 발명은 금속 연료전지 분야에 해당하며, 이하에서는 금속 연료전지에 대해서만 다루기로 한다.

특히, 마그네슘을 이용한 금속 연료전지는 마그네슘이 무기전해질 내에서 하기 화학식 1과 같이 전기화학 반응에 의해 수소를 발생시킨다는 것은 이미 잘 알려져 있다.

일반적인 금속 연료전지가 전해질 용액과 이를 경계로 양쪽에 양극(cathode)과 음극(anode)이 배치되도록 구성되어 있다면, 마그네슘은 용액 안의 수신기(OH^-)와 반응하여 전자를 발생하는 음극(anode)이 되면서 전기가 통하지 않는 수산화마그네슘으로 변하게 되고, 전극의 부식반응에 의해 수소도 발생시키게 된다. 반면, 전자를 받아들이는 양극에서는 공기 중의 산소와 반응하여 수산기를 만들어 내며, 이러한 수산기는 다시 마그네슘과 반응하여 전자를 발생시킨다.

이러한 금속 연료전지에 있어서 산소와의 반응속도를 더 높여 에너지효율을 향상시키기 위하여 백금이나 니켈과 같은 촉매를 사용하게 되는 데, 이와 같은 촉매로 사용되는 백금이나 니켈은 고가의 물질이기 때문에 충분한 양을 사용하지 못하고 매우 적은 양만 제한적으로 사용하고 있다. 따라서 고가의 백금이나 니켈을 대체할 수 있는 저렴한 촉매물질이나 촉매의 사용 없이 충분한 에너지 효율을 얻을 수 있는 연료전지에 관한 연구가 진행되고 있다.

금속 연료전지에 대한 종래기술이 대한민국 등록실용신안 등록번호 20-0295862호(2002.11.08. 등록)(고안의 명칭: 병 모양의 소형 금속 연료전지)(이하, "종래기술"이라 약칭함)에 개시되어 있다.

개시된 종래기술은 캐소드와 애노드를 포함하고 염화나트륨(NaCl; 소금) 혹은 알칼리성 전해질을 포함하며, 연료로 알루미늄 또는 마그네슘 또는 아연 혹은 이들의 합금들 중 하나를 사용하는 연료전지에 있어서, 상부가 개방된 병 모양으로 이루어지고 그 내부에는 전지연료가 저장되고, 병의 상부에는 뚜껑이 구비되어 내용물이 누설되지 않도록 금속 연료전지를 구현하였다.

이렇게 구현된 금속 연료전지는 두 개의 단위 셀들이 직렬로 연결된 형태로서, 금속 연료 전극 판을 쉽게 탈착할 수 있는 구조로 되어 있고 용액이 새지 않으면서 내부의 가스가 배출되는 기능이 있어서 전해질의 주입 및 배출이 용이하고, 자체를 투명한 재료로 함으로써 내부를 들여다 볼 수 있다.

특히, 사용하기 편리하고 교육용으로 전시효과가 있는 장점이 있다.

1. 대한민국 등록실용신안 등록번호 20-0295862호(2002.11.08. 등록)(고안의 명칭: 병 모양의 소형 금속 연료전지)

그러나 상기와 같은 일반적인 금속 연료전지 및 종래기술은 캐소드를 알루미늄이나 아연으로 형성하기 때문에 밀도가 낮아 충전/방전 속도가 늦어 충전/방전이 원활하지 않다는 단점이 있으며, 카본을 압착하여 사용하기 때문에 케이스를 고정하기 위한 지그 등이 필요하고 카본 압착에 따라 제조 시간이 많이 소요되어 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 일반적인 금속 연료전지 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 밀도가 높은 마그네슘(Mg)을 외부 케이스(-)로 사용하여 충전/방전 속도를 향상시킬 수 있도록 한 마그네슘 배터리를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 카본 봉에 카본 시트를 감아서 캐소드를 제조함으로써, 캐소드 제조에 용이성을 제공하여 연료전지의 생산성을 높이도록 한 마그네슘 배터리를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전해질로서 염화나트륨(NaCl) 수용액을 이용함으로써 오폐수를 제거할 수 있어 일반적인 금속 연료전지에서 발생하는 오폐수에 의한 환경 문제도 해소할 수 있도록 한 마그네슘 배터리를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "마그네슘 배터리"는,

상부에 통공이 형성되는 케이스와;

상기 케이스의 내벽과 에어갭이 형성되고 외주연에 카본 시트가 감긴 카본 봉과;

상기 카본 봉의 상부 및 하부에 형성되는 상부/하부 절연재와;

상기 케이스의 내부에 충진되는 전해질과;

상기 케이스의 통공에 설치되어 상기 카본 봉과 상기 케이스를 전기적으로 분리하기 위한 가스켓을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 케이스는 알루미늄 또는 아연에 비해 밀도가 높은 마그네슘으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 카본 시트는 메쉬가 형성되고 상기 케이스의 내벽과 마주하는 면에는 니켈 액체를 함침하며, 그 상부에는 쇼트 방지를 위해 차단제로 종이를 증착한 것을 특징으로 한다.

상기 전해질은 염화나트륨 수용액을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부 절연재는 상기 카본 봉이 하락하는 것을 방지하기 위한 지지 돌기가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 밀도가 높은 마그네슘(Mg)을 외부 케이스(-)로 사용함으로써 충전/방전 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 카본 봉에 카본 시트를 감아서 캐소드를 제조함으로써, 캐소드 제조에 용이성을 제공하여 연료전지의 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 전해질로서 염화나트륨(NaCl) 수용액을 이용함으로써 오폐수를 제거할 수 있어 일반적인 금속 연료전지에서 발생하는 오폐수에 의한 환경 문제도 해소할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 배터리의 정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 배터리의 평단면도.
도 3a 및 도 3b는 전해질의 농도에 따른 전류/전력 비교도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 배터리의 정단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 배터리의 평단면도로서, 상부에 통공(11)이 형성되는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내벽(12)과 에어갭이 형성되고 외주연에 카본 시트(60)가 감긴 카본 봉(20)과, 상기 카본 봉(20)의 상부 및 하부에 형성되는 상부/하부 절연재(31)(32)와, 상기 케이스(10)의 내부에 충진되는 전해질(40)과, 상기 케이스(10)의 통공(11)에 설치되어 상기 카본 봉(20)과 상기 케이스(10)를 전기적으로 분리하기 위한 가스켓(50)으로 구성된다.

주지한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 마그네슘 배터리가 화학 반응 등을 통해 마그네슘 배터리로서 작용하는 과정은 일반적인 연료전지와 동일하므로, 그의 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하 본 발명에 따른 마그네슘 배터리에 대한 제조 과정 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 케이스(10)는 연료전지의 전체적인 모양을 이루며 통상적으로 상부에는 통공(11)이 형성되고 내부에는 공간부를 갖는 원통형으로 형성되지만, 그 모양이 단지 원통형으로 한정되는 것은 아니며 그외 다른 다양한 모양으로 형성될 수 있음은 자명한 사실이다.

상기 케이스(10)는 알루미늄 또는 아연에 비해 밀도가 높은 마그네슘(Mg)으로 성형하여, 충전 및 방전 속도를 빠르게 함으로써 충전 및 방전이 원활하게 이루어지도록 한다. 여기서 케이스(10)는 연료전지의 화학 반응 중 음극(-)에 해당하는 전극체로 작용한다.

또한, 케이스(10)는 부식 방지를 위해 니켈도금 코팅제, SUS 착색, 아연 3가 흑색크로메이트중 어느 하나로 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 카본 봉(20)은 상기 케이스(10)의 내벽(12)과 에어갭을 형성하도록 상기 케이스(10)에 내장되는 데, 그 외주연에는 카본 시트(60)가 감긴다. 여기서 카본 시트(60)는 메쉬가 형성되고 상기 케이스(10)의 내벽(12)과 마주하는 면에는 니켈 액체를 함침하여, 연료전지의 화학반응에 의해 생성된 전자의 전도성을 향상시키고 전체적인 반응속도를 빠르게 진행시키게 된다. 따라서 연료전지가 별도의 촉매없이도 충분한 에너지효율을 나타낼 수 있도록 하는 역할을 수행하게 된다. 아울러 니켈 액체를 함침한 후에는 그 상부에 쇼트 방지를 위해 차단제로 종이를 증착하여 사용하는 것이 바람직하다.

이렇게 카본 봉(20)에 카본 시트(60)를 감아서 사용하게 되면, 기존 연료전지에서와 같이 카본을 압착하여 사용하는 것에 비하여 연료전지의 제조에 용이성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 카본을 압착하여 사용하려면 케이스를 지지하기 위한 지그가 필요하고, 상기 지그에 케이스를 고정한 후 다시 카본을 충진하기때문에 연료전지의 제조가 복잡하고 이로 인해 연료전지의 생산성이 저하된다. 이에 반하여 본 발명은 카본 봉에 카본 시트를 단순히 감아서 케이스에 삽입하는 방식으로 연료전지를 제조함으로써, 케이스를 고정하기 위한 지그도 필요 없으며 신속 편리하게 연료전지를 제조할 수 있어 생산성도 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

여기서 카본 봉(20) 및 카본 시트(60)는 양극(+)으로 작용하며, 카본 시트(60)를 카본 봉(20)에 감아서 케이스(10)에 삽입하게 되면, 이후 카본 시트(60)가 카본 봉(20)으로부터 벌어지게 되어, 카본 봉(20)과 카본 시트(60) 간에는 공간이 형성되며, 이러한 공간에는 전해질인 염화나트륨 수용액이 채워지게 된다.

상기 케이스(10)와 카본 봉(20) 하부 사이에는 하부 절연재(32)를 설치하여 케이스(10)와 카본 봉(20)이 전기적으로 분리되도록 하게 되는 데, 여기서 하부 절연재(32)에는 상기 카본 봉(20)이 하락하는 것을 방지하기 위한 지지 돌기(32a)가 형성된다. 예컨대, 케이스(10)에 카본 시트(60)가 감긴 카본 봉(20)을 삽입하여 카본 봉(20)을 장착한 상태에서, 상부에서 카본 봉(20)에 힘을 가하면 카본 봉(20)의 상부가 케이스(10) 내로 삽입되는 문제가 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 하부 절연재(32)에 지지 돌기(32a)를 형성하고, 상기 지지 돌기(32a)를 통해 카본 봉(20)을 지지할 수 있도록 함으로써, 상부에서 카본 봉(20)을 눌러도 카본 봉(20)이 케이스(10) 내로 삽입되는 것을 방지하게 되는 것이다.

상기 카본 봉(20)을 케이스(10)에 내장한 상태에서는 전해질인 염화나트륨 수용액(소금물)을 주입하게 된다. 여기서 전해질의 농도별로 전류와 전력 생성에 차이가 발생할 수 있으며, 본 발명에서는 도 3a 및 도 3b와 같이 전해질 농도를 변경하면서 다양한 실험을 수행한 결과 전해질의 농도가 12%인 염화나트륨 수용액을 사용하였을 때 가장 효율적인 전류와 전력을 생성함을 확인하였다. 따라서 본 발명에서도 전해질인 염화나트륨 수용액의 농도가 12%인 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 카본 봉(20)의 상부 및 케이스(10)의 내벽 사이에는 절연 물질로 이루어진 상부 절연재(31)가 설치된다. 상부 절연재(31)가 설치된 후에는 상기 케이스(10)에 형성된 통공(11)을 절연 물질로 이루어진 가스켓(50)으로 봉합을 하여 카본 봉(20)과 케이스(10) 간을 전기적으로 분리하고 동시에 기밀을 유지하게 된다.

이렇게 작용하는 본 발명에 따른 마그네슘 배터리의 제조 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 음극(-)인 마그네슘 재질로 이루어진 케이스(10)를 성형하게 되고, 성형된 상기 케이스(10)의 하부에 하부 절연재(32)를 설치한다. 다음으로, 양극(+)인 카본 봉(20)에 카본 시트(60)를 감아서 상기 케이스(10)에 형성된 통공을 통해 삽입하여 카본 봉(20)의 하부가 하부 절연재(32)에 밀착되도록 하여 카본 봉(20)을 케이스(10)에 내장한다. 이후 카본 봉(20)의 상부와 케이스(10)의 내벽 사이에 상부 절연재(31)를 설치한다. 여기서 상부 절연재(31)나 하부 절연재(32)는 절연물질을 주입한 후 경화시켜 형성하는 방식으로 구현 가능하다. 다음으로, 케이스(10)와 카본 봉(20) 사이의 빈틈을 가스켓(50)으로 봉입하여 양극과 음극을 전기적으로 분리함과 동시에 기밀을 유지하게 된다. 이러한 과정을 통해 마그네슘 배터리를 제조하게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10… 케이스
20… 카본 봉
31, 32… 상부/하부 절연재
40… 전해질(염화나트륨 수용액)
50… 가스켓
60… 카본 시트

Claims (5)

1. 상부에 통공이 형성되는 케이스와;
   상기 케이스의 내벽과 에어갭이 형성되고 외주연에 카본 시트가 감긴 카본 봉과;
   상기 카본 봉의 상부 및 하부에 형성되는 상부/하부 절연재와;
   상기 케이스의 내부에 충진되는 전해질과;
   상기 케이스의 통공에 설치되어 상기 카본 봉과 상기 케이스를 전기적으로 분리하기 위한 가스켓을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 배터리.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스는 알루미늄 또는 아연에 비해 밀도가 높은 마그네슘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 배터리.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 카본 시트는 메쉬가 형성되고 상기 케이스의 내벽과 마주하는 면에는 니켈 액체를 함침하며, 그 상부에는 쇼트 방지를 위해 차단제로 종이를 증착한 것을 특징으로 하는 마그네슘 배터리.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 전해질은 염화나트륨 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 배터리.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 하부 절연재는 상기 카본 봉이 하락하는 것을 방지하기 위한 지지 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 배터리.

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