KR101433191B1 - 금속 연료전지 - Google Patents

금속 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101433191B1
KR101433191B1 KR1020130027256A KR20130027256A KR101433191B1 KR 101433191 B1 KR101433191 B1 KR 101433191B1 KR 1020130027256 A KR1020130027256 A KR 1020130027256A KR 20130027256 A KR20130027256 A KR 20130027256A KR 101433191 B1 KR101433191 B1 KR 101433191B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
container
air
anode
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020130027256A
Other languages
English (en)
Inventor
백동수
이대령
이희택
Original Assignee
주식회사 미트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 미트 filed Critical 주식회사 미트
Priority to KR1020130027256A priority Critical patent/KR101433191B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101433191B1 publication Critical patent/KR101433191B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H01M12/065—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode with plate-like electrodes or stacks of plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/138—Primary casings; Jackets or wrappings adapted for specific cells, e.g. electrochemical cells operating at high temperature
    • H01M50/1385—Hybrid cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
    • H01M50/148—Lids or covers characterised by their shape
    • H01M50/1535—Lids or covers characterised by their shape adapted for specific cells, e.g. electrochemical cells operating at high temperature
    • H01M50/1537—Lids or covers characterised by their shape adapted for specific cells, e.g. electrochemical cells operating at high temperature for hybrid cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/50—Methods or arrangements for servicing or maintenance, e.g. for maintaining operating temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

Abstract

금속 연료전지에 대한 발명이 개시된다. 전해액에 담기는 공기 양극 및 금속 음극판을 설정 각도로 기울어지게 설치함으로써 공기의 유입을 원활하게 하고, 발생된 금속 산화물 슬러지로부터 공기 양극 및 금속 음극판을 분리하기 용이하게 해주는 금속 연료전지에 관한 것이다. 개시된 금속 연료전지는, 전해액이 채워지는 제1용기와, 제1용기 내에 분리가능하게 설치되고, 외부 공기가 개방공간을 통해 유입되어 이동하는 제2용기와, 제2용기의 적어도 하나 이상의 부위에 구비되어 개방공간을 통해 유입된 공기가 접촉되는 공기 양극과, 전해액에 담기고, 공기 양극에 인접한 상태로 배치되는 금속 음극판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 연료전지{METAL-AIR FUEL CELL}
본 발명은 금속 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전해액에 담기는 공기 양극 및 금속 음극판을 설정 각도로 기울어지게 설치함으로써 공기의 유입을 원활하게 하고, 발생된 금속 산화물 슬러지로부터 공기 양극 및 금속 음극판을 분리하기 용이하게 해주는 금속 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 금속 연료전지(또는 금속 공기전지)는 금속이 갖고 있는 전기화학적인 에너지를 공기 산화에 의해 전력으로 바꾸어주는 것으로서 높은 에너지밀도와 안전성을 특징으로 갖고 있다.
금속 연료전지에서 사용하는 금속은 아연, 알루미늄, 마그네슘, 리튬을 비롯하여 그 외 귀금속을 제외한 모든 금속들이 해당된다. 금속 연료전지는 위와 같은 소모성 금속을 교체할 수 있는 형태의 음극으로, 공기 전극을 양극으로 사용하고 그 안에 전해액을 넣어서 구성된다.
금속 연료전지는 여러 가지 형태로 발전해 오고 있으며, 금속음극의 형태에 따라, 겔(gel)이나, 구슬, 판, 폼(foam)등의 여러 가지가 사용되고 있다.
그 중에서도 가장 단순한 형태의 것으로서 음극 금속판을 많이 사용하는 추세이며, 판을 사용하는 경우에는 저렴하면서도 쉽게 다룰 수 있는 장점을 갖는다.
금속연료전지의 형태는 여러 가지가 있으며, 가장 일반적인 것은 샌드위치형으로 공기 양극이 양 면에 있는 포켓 안에 금속 음극판을 삽입한 것이지만, 이와는 반대로 음극이 밖에 있으며 양극이 내부로 들어가 있어서 그 안에 공기가 흡입될 수 있도록 한 구조는 다루기가 쉽고 취약한 양극 부분이 보호가 되고 혹시 있을 수 있는 전해액의 누설의 경우에도 밖으로 새어나오지 않는다는 장점이 있어서 이 형태를 선택하는 경우도 많다. 그렇지만 이 방법은 전자의 경우에 비해 공기의 유입이 원활하지 않기 때문에 출력이 낮다는 단점이 있기 때문에 강제 송풍이 필요하다. 강제 송풍을 위해서는 팬과 기타 기계적, 전자적 구성품들이 추가되어야하기 때문에 비용과 무게의 상승이 수반된다. 강제 송품을 하지 않고 이 문제를 해결하기 위해서는 공기의 유입이 용이하도록 입구가 크게 개방된 형태를 가져야한다.
이 전지를 구성하는 것은 양극과 음극이 삽입된 어셈블리와 전해액을 담는 용기이다. 방전을 완료한 후에는 이 두 부분들을 서로 쉽게 분리할 수 있어야 내부의 고형분과 액체를 제거하고 청소가 가능할 수 있다.
금속 연료전지의 기술 분야에서 겪는 가장 큰 단점들로는 금속이 물과 반응하여 생성되는 산화물 혹은 수산화물의 누적으로 인해 발생하는 것들이다.
하나의 예를 들면, 마그네슘 연료전지의 경우는 전기화학반응에 의해 다량의 수산화마그네슘 슬러지(sludge)가 생성되는데, 이 슬러지는 전지 내부 공간을 채움으로써 전지의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 부품의 교체를 어렵게 하고 내부의 손상을 가져오는 단점이 있다.
내부에 쌓인 슬러지를 제거하기 가장 용이한 형태는 전극을 수평으로 배열하고 위에서부터 분리해내는 방법이 있다. 그렇지만, 전극의 표면에 쉽게 누적되어 전극의 활성을 현저히 저하시키는 문제점이 있다.
수직전극 배열의 경우는 슬러지가 바닥으로 가라앉아 전극에 누적되는 현상은 감소하지만, 양극 어셈블리를 음극 어셈블리로부터 분리하기 위해 위로 빼낼 때 양극의 심각한 손상을 가져오는 문제점이 있다. 전지 내부에서는 전해액의 흐름이 있으며, 이 흐름에 따라 퇴적물의 위치가 달라진다. 불리한 상황은 퇴적물이 양극과 음극 사이에 누적되는 것인데, 셀 안을 강제로 순환시킬 수 없는 단순하고 작은 시스템에서는 지속적인 출력을 얻지 못하게 한다. 양극과 음극 사이에 누적된 슬러지로 말미암아 양 전극사이의 전기 저항이 상승하고 이로 인해 전압 손실도 증가하게 된다. 이 슬러지와의 마찰로 인해 전극들을 서로 분리할 때 심각한 손상을 일으키며, 흔히 더 이상 사용하기 어려운 상태가 된다. 수평과 수직의 두가지를 혼용한 기울어진 형태는 이러한 단점들을 동시에 극복할 수 있게 한다. 따라서 적절한 각도와 공간을 확보하여 이런 문제를 해결하고자 한다.
또한 마그네슘이나 알루미늄 전극들을 전해액에 장시간 방치하였을 경우, 표면에 부도체 피막이 형성되어 재 방전을 하는 경우 정상 출력에 도달하는데 긴 시간이 걸리게 된다. 이런 경우 흔히 전지와 연결되는 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)의 작동이 되지 않게 하는 경우들이 자주 발생한다.
또한 다 수개의 셀을 사용하는 경우 한 개씩 취급하면 번거롭고 이동시 분리될 위험성이 있기 때문에 다 수개의 셀이 한 시스템에 들어있는 형태를 고안할 필요가 있다. 본 발명에서는 다수개의 셀을 포함하는 시스템의 경우 각 셀의 배열에 대한 이상적인 해결책을 제시한다.
기존의 금속 연료전지의 배경기술로서, 등록특허공보 제10-0997550호가 제안된 바 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창출된 것으로서, 전해액을 담고 있는 용기에, 전극들이 결합되어 있는 어셈블리인 내부 용기를 집어넣는 형태로서 내부 용기의 외부 면에 공기 양극 및 금속 음극판을 설정 각도로 기울어지게 설치함으로써 발생된 금속 산화물 슬러지로부터 공기 양극 및 금속 음극판을 분리하기 용이하게 해주는 금속 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 공기가 출입하는 공간을 크게 함으로써 공기 양극이 내부에 들어가는 형태를 갖고서도 출력저하를 방지할 수 있도록 하는 금속 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 공기 양극 및 금속 음극판에 연결되는 전선에 활성스위치를 구비하여 일정 휴식 기간 후 재사용시 회로를 단락시켜 금속 음극판의 금속 산화물을 제거함으로써 컨버터에 공급되는 전압을 승압하기 용이하게 할 수 있는 금속 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 제2용기에는 격자형상의 격자 프레임이 경사면에 구비하여 공기 양극 및 금속 음극판의 설치를 용이하게 해 줄 수 있는 금속 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 여러 개의 셀을 포함하는 한 시스템에서, 셀의 개수는 짝수 개이며 서로 음극 판이 바깥쪽을 향하도록 구성함으로써 다루기 쉽고, 교체가 용이한 형태를 갖게 하는 금속 연료전지를 제공하는 것이 목적이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지는, 전해액이 채워지는 제1용기; 상기 제1용기 내에 분리가능하게 삽입될 수 있고, 외부 공기가 개방공간을 통해 유입되는 제2용기; 상기 제2용기의 적어도 하나 이상의 부위에 구비되어 상기 개방공간을 통해 유입된 공기가 접촉되는 공기 양극; 및 상기 공기 양극에 인접한 상태로 배치되는 금속 음극판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2용기는 상측이 개방되고, 적어도 하나 이상의 경사면을 구비하며, 상기 공기 양극은 상기 경사면에 접착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2용기의 경사면에는 격자형상의 격자프레임이 형성되고, 상기 공기 양극과 상기 금속 음극판은 서로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2용기는 상기 공기 양극 측면으로 수직 절단시 직삼각형 또는 이등변 삼각형 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2용기에는 상기 제1용기의 상측 테두리에 안착되는 장착플랜지부가 상측 테두리에 구비되고, 상기 장착플랜지부에는 상기 제1용기의 상측 테두리에 삽입되는 끼움홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기 양극은 수직선을 기준으로 5 ~ 75°의 설치각도(α) 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 음극판은 상기 공기 양극의 설치각도(α)와 동일 또는 유사한 설치각도로 기울어지게 설치되므로 발생된 금속산화물이 제1용기의 금속 음극판의 뒷공간에 누적되게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 음극판은 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 아연 중에 선택된 어느 하나의 판이고, 상기 금속 음극판의 상부에는 음극 전선이 연결되는 전선 연결공이 형성된 단자부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2용기는 상기 금속 음극판의 단자부가 노출되는 개방구멍을 갖도록 설치면부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속연료전지에서 출력단자와 연결된 양극전선과 상기 음극전선 사이에는 휴식 기간 중에 상기 금속 음극판의 표면에서 발생하는 금속산화물 슬러지를 제거하도록 회로에 단락(短絡)을 발생시키는 활성화스위치가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속연료전지는, 네 개의 셀 또는 짝 수개의 셀들이 직렬로 연결된 단일시스템으로 구성되는 경우, 상기 제2용기에 장착된 상기 금속 음극판들이 상호 외측으로 향하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1용기에는 상기 금속 음극판이 상기 공기 양극과 평행하게 배치되도록 내벽면에 기울어진 경사리브가 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 연료전지는, 제1용기에 저장된 전해액에 담기는 공기 양극 및 금속 음극판을 설정 각도로 기울어지게 설치함으로써 발생된 금속 산화물 슬러지로부터 공기 양극 및 금속 음극판을 분리하기 용이하게 해줄 수 있다.
또한, 본 발명은 발생한 슬러지를 양극과 음극 사이가 아닌 뒷공간에 저장함으로써 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속연료전지의 출력단자에 활성스위치를 구비하여 일정 휴식 기간 후 재사용시 회로를 단락시켜 금속 음극판의 금속 산화물을 제거함으로써 짧은 시간 내에 활성화할 수 있다.
또한, 본 발명은 제2용기에는 격자형상의 격자 프레임이 경사면에 구비하여 공기 양극을 바깥쪽에서 접착하는 작업을 용이하게 해 줄 수 있다.
또한, 본 발명은 여러 개의 셀을 포함하는 한 시스템에서, 셀의 개수는 짝수 개이며 서로 음극 판이 바깥쪽을 향하도록 구성함으로써 다루기 쉽고, 교체가 용이한 형태를 갖게 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 조립 상태 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 공기 양극 및 금속 음극판의 기울기에 따른 전압-전류 특성 곡선 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 공기 양극 및 금속 음극판의 기울기에 따른 정전류 방전특성 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 정전류 방전 특성 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 비 교체 상태에서 3개의 금속연료판 연속 사용 상태를 보인 정전류 특성 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 활성화 스위치 사용 상태도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 분해 사시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 조립 사시도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지를 네 개의 셀로 결합한 단일 시스템의 구성도,
도 10은 도 9에 따른 금속 연료전지의 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지를 설명하도록 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 조립 상태 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 공기 양극 및 금속 음극판의 기울기에 따른 전압-전류 특성 곡선 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 공기 양극 및 금속 음극판의 기울기에 따른 정전류 방전특성 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 정전류 방전 특성 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 비 교체 상태에서 3개의 금속연료판 연속 사용 상태를 보인 정전류 특성 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 활성화 스위치 사용 상태도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지의 조립 사시도 이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지를 네 개의 셀로 결합한 단일 시스템의 구성도이고, 도 10은 도 9에 따른 금속 연료전지의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 10를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 연료전지(1)는, 제1용기(10), 제2용기(20), 공기 양극(40) 및 금속 음극판(50)을 포함한다.
제1용기(10)는 본 금속 연료전지(1)의 외형을 이루는 구성으로서, 전해액이 채워지는 구성이다.
제1용기(10)는 플라스틱 재질로 이루어지는 용기이고, 전해액은 물에 염화나트륨(NaCl)이 10%정도 함유되어 이루어진다. 물론, 염화나트륨의 비율은 증감될 수 있다.
제2용기(20)는 제1용기(10) 내에 분리가능하게 설치되고, 외부 공기가 개방공간(21)을 통해 유입되어 순환 이동한다.
제2용기(20)는 제1용기(10)보다 작게 형성되고, 제1용기(10)의 상측에서 하측으로 삽입되고, 하측에서 상측으로 이동하여 분리된다.
제2용기(20) 역시 플라스틱 재질로 이루어진다. 물론, 경우에 따라 제1용기(10) 및 제2용기(20) 모두 금속 재질로 제조할 수 있다. 금속 재질로 제조되는 경우, 단락을 방지하게 위해 표면에 도장하는 것과 같이 절연 처리를 필요로 한다.
공기 양극(40)은 제2용기(20)의 적어도 하나 이상의 부위에 구비되어 개방공간(21)을 통해 유입된 공기가 접촉된다. 즉, 공기 양극(40)은 경우에 따라 제2용기(20)의 2개 이상의 면에 구비될 수 있다. 이 경우 공기 양극(40) 증가로 인해 전기 발생 효율이 증가할 수 있다.
공기 양극(40)은 산소를 이용한 산소전극이고, 소모되지 않는 소재들로 이루어진 촉매로서, 금속 연료전지의 양극(anode) 역할을 수행한다.
제2용기(20)는 제1용기(10)에 장착된 상태에서, 상측으로부터 개방된 개방공간(21)을 통해 공기가 하측으로 유입되어 공기 양극(20)의 하부를 거쳐 경사지게 상측으로 상승하면서 산소를 공급한다.
제2용기(20)는 상측이 개방되고, 적어도 하나 이상의 경사면(22)을 구비한다. 공기 양극(40)은 경사면(22)에 접착된다.
금속 음극판(50)은 전해액에 담기고, 공기 양극(40)에 인접한 상태로 배치되어 음극(cathode)의 역할을 수행한다.
금속 음극판(50)은 금속 소재를 판재 형태로 성형 가공 또는 절단 가공을 통해 제조하여 사용하도록 한다.
금속 판재(50)는 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 아연 중에 선택된 어느 하나의 판일 수 있다.
제2용기(20)의 경사면(22)에는 격자형상의 격자프레임(24)이 형성된다.
공기 양극(40)은 격자프레임(24)에 외측에 접착되고 금속 음극판(50)과 공기 양극(40)은 이격되게 배치된다.
격자프레임(24)은 제2용기(20)의 경사면(22)에 일체로 형성하거나 별개로 제작하여 경사면(22)에 분리 또는 장착 가능하게 구성할 수 있다.
제2용기(20)와 공기 양극(40)은 수직 절단시 직삼각형 또는 이등변 삼각형 형태의 단면을 갖는다. 즉, 제2용기(20)와 공기 양극(40)은 측면에서 볼 때 프리즘 형태를 가진다.
제2용기(20)에는 제1용기(10)의 상측 테두리에 안착되는 장착플랜지부(26)가 상측 테두리에 구비된다.
장착플랜지부(26)에는 제1용기(10)의 상측 테두리에 삽입되어 걸리는 걸림턱(27)이 형성된다. 걸림턱(27)은 제1용기(10)의 상측 테두리의 내,외측면 및 상측면을 감싸는 상태로 끼워짐으로써 제2용기(20)가 제1용기(10)에 액체가 흘러나오지 않도록 견고하게 결합 되게 한다.
도 1을 참조하면, 공기 양극(40)과 금속 음극판(50)의 기울어진 배치로 인해, 공기와 전해액의 흐름이 원활하고 금속 음극판(50) 뒤로 금속 산화물이 쌓일 공간이 확보된다. 공기 양극(40)은 방전을 하면 열이 발생하므로 공기는 그 표면에서 위로 흐르게 되며 신선한 공기는 반대 공간에 유입되어 지속적인 대류가 형성이 된다. 금속 음극판(50)도 방전시 열이 발생하므로 대류가 형성이 되어 이동하다가, 금속 산화물 슬러지(80)로서 바닥에 축적되게 된다.
이와 같이, 본 발명의 공기 양극(40)과 금속 음극판(50)의 중력방향 즉 수직에 대한 배열 각도에 따라 가장 실용적이고 효율적인 범위를 정하는 것이 바람직하다.
따라서, 이를 감안하여 공기 양극(40))은 수직선을 기준으로 5 ~ 75°의 설치각도(α) 범위를 갖는다.
또한, 금속 음극판(50)은 공기 양극(40)의 설치각도(α)와 동일 또는 유사한 설치각도(β)로 기울어지게 설치되므로 발생된 금속산화물이 제1용기(10)의 바닥에 누적되게 한다.
도 1에서 제시된 설치각도(α)의 범위는 각 각도별 시험한 결과 적어도 5 도(deg.) 이상의 기울임이 있어야 공기 양극(40) 및 금속 음극판(50)이 구비된 제2용기(20)인 양극 어셈블리를 제1용기(10)로부터 제거하기가 용이 해진다. 그 이상의 각도에서는 양극 어셈블리를 위로 빼내는데 지장이 없다.
그렇지만 이 설치각도(α)가 90도가 되어 수평이 된다면, 두 가지 문제가 발생하게 되는데, 하나는 금속 산화물슬러지(70)가 금속 음극판(50) 상에 쌓이게 되어 특성이 저하된다는 것이며, 또 다른 하나는 금속 음극판(50)의 단자가 윗 방향으로 꺾이게 되어, 금속 음극판의 겹침성(Stackability)이 나빠진다는 것이다. 이러한 금속 연료전지(1)는 비상용으로 사용하는 경우가 많아 여러 개의 금속 음극판을 포장하여 보관하여야 하기 때문에 구부린 형태는 공간을 많이 차지하고 취급이 불편하여 제품의 가치가 많이 낮아지게 된다. 수평이 되면 내부의 공간 활용이나 공기와 전해액의 흐름도 좋지 않다.
도 1 내지 도 3에서 보여주듯이 기울어진 5 ~ 75°의 설치각도(α) 되면, 공기의 흐름이 원활한 공간이 형성되고 전해액의 경우도 흐름이 원활함과 동시에 생성된 산화물은 활성영역에서 벗어난 금속 음극판(50)의 뒷 공간에 누적되게 된다. 따라서 지속적인 출력이 나오는 것이다. 이러한 특성을 고려하면, 75 °이상의 기울임은 필요하지 않다는 것을 알 수 있다.
특히, 도 2의 기울기에 따른 전압 - 전류 특성 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 75°와 85°는 출력이 많이 감소함을 알 수 있다. 이것은 금속 음극판(50)의 표면에 존재하는 다량의 금속 산화물이 저항을 높이는 효과를 보였기 때문이다. 또한, 설치각도(α) 15°의 경우보다 25°의 경우가 더 높은 출력을 보임을 알 수 있다. 여기서는 마그네슘 금속 음극판(40)을 사용하는 예를 보이고 있다.
도 3의 기울기에 따른 정전류 특성에 나타난 바와 같이, 설치각도(α) 75° 이하의 각도에서는 비교적 일정한 전압을 유지하고 실용적인 전기 용량의 값을 보이고 있음을 알 수 있다. 그러나, 설치각도(α) 85°를 갖는 금속 연료전지의 경우에는 전압이 안정되지 않고 충분한 방전이 이루어지지 않음을 알 수 있다. 얻어진 전류 용량은 기울기에 따라 다르지만, 설치각도(α) 15 - 75° 범위의 시료는 동일하게 50Ah 값을 얻었으나 설치각도(α) 85도의 시료는 정상적인 값을 얻을 수 없을 정도로 빈약하게 나타났다.
도 4는 금속 연료전지의 정전류 방전 특성 그래프로서, 금속 음극판(50)의 기울임 각도(설치각도)는 20°이고 전극의 크기는 1.7 x 104 x 104(mm)로 하며, 측정 전류를 1A, 2A, 4A를 각각 측정하였을 때의 정전류 방전 특성 그래프를 도시하고 있다.
공기 양극 및 금속 음극판의 5 ~ 75°의 설치각도(α)에서는 전압 및 전류 특성이 유사하게 나오는 반면에, 공기 양극 및 금속 음극판의 85°의 설치각도(α)에서는 전압 및 전류특성 및 정전류 특성이 현저하게 나빠짐을 알 수 있다. 이때, 사용하는 전해액은 10%의 소금물을 사용하도록 한다.
도 5는 전해액 비 교체 상태에서 3개의 금속 음극판 연속 사용 상태를 보인 정전류 특성 그래프로서, 전해액을 한 번 제1용기(10)에 저장한 상태에서 일정시간 단위로 금속 음극판(3)을 3개 연속하여 교체할 때, 전류를 2 A로 공급할 때, 전압특성이 조금씩 저하되는 상태를 보인 그래프이다.
금속 음극판(50)은 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 아연 중에 선택된 어느 하나의 판으로서, 금속 연료 역할을 수행한다.
금속 음극판(50)의 상부에는 음극 전선(4)이 연결되는 전선 연결공(54)이 형성된 단자부(52)가 구비된다.
단자부(52)는 직사각형 또는 정사각형의 금속 판재에 손잡이 형태의 돌기를 일체 또는 별개로 구비하여 도전시킬 수 있게 하는 구성이다. 단자부(52)는 금속 음극판(50)의 상측 중심부 또는 상측 중심부를 기준으로 편심되는 위치에 구비될 수 있다. 이 단자부(52)에 작은 구멍(54)이 뚫려있으며, 이 구멍의 안 측면에 나사 탭(56)을 내어 볼트(58)를 사용하여 쉽게 결합할 수 있도록 한다.
제2용기(20)는 금속 음극판(50)의 단자부(52)가 노출되는 개방구멍(30)을 갖도록 설치면부(28)를 구비할 수 있다.
설치면부(28)는 제2용기(20)의 상측 테두리 내측에 일부 영역에 형성되고, 개방구멍(30)은 설치면부(28)의 전체 영역 중에 일부 영역에 상하 관통되도록 형성된다.
설치면부(28)에는 단자 구멍을 가지는 단자볼트를 하측에서 상측으로 삽입하여 상측에서 나비 너트 혹은 일반적인 바나나 잭을 사용하여 조여 주어 양극 전선(2) 및 음극 전선(4)을 고정하도록 구성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 공기 전극(40)에 연결된 양극전선(2)과 금속 음극판(50)에 연결된 음극전선(4)에는 금속 연료전지(1)에서 발생하는 전압을 승압하기 위해 컨버터(60)가 구비된다.
이 컨버터(60)는 DC-DC용으로 사용되는 것으로서, 하나 혹은 두 개의 금속 연료전지(1)에서 발생하는 전압이 보통 3V 이하이므로 통상 자주 사용하는 전압인 5V나 12V를 얻기 위해서는 이를 승압할 수 있기 위해 사용된다.
금속연료전지(1)는 사용하지 않고 용액을 채운 상태로 오래 놔두는 경우 금속 표면의 산화물 누적으로 인해 충분한 전압을 발생하지 못하게 되므로 아예 회로 작동을 못 하게 될 가능성이 크다. 예를 들면, 장시간 방치한 마그네슘 금속 음극판(40)의 표면에 형성된 부도체 막으로 인해 초기 출력이 낮아, 회복되는데 1~10분 정도의 시간이 필요하다.
따라서, 회로 자체를 단락시키고, 컨버터(60)의 입력을 바이패스(by-pass)할 수 있는 스위치를 구비하여 수초 간의 부식반응을 격렬하게 발생함으로써 양극과 음극의 전극 표면을 활성화시킬 필요성이 있다.
이를 위하여 양극전선(20)과 음극전선(4) 사이에는 휴식 기간 중에 금속 음극판(50)의 표면에서 발생하는 금속산화물 슬러지(80)를 제거하도록 회로에 단락(短絡, short-circuit)을 발생시키는 활성화 스위치(70)가 구비된다.
활성화 스위치(70)는 양극전선(2)과 음극전선(4)을 서로 연결하는 연결전선(6)에 구비된다. 활성화 스위치(70)를 작동하면, 양극전선(20)과 음극전선(4)을 연결하여 단락을 발생함으로써 공기 양극(40)과 금속 음극판(50)의 표면에 격렬한 부식반응을 일으켜 단시간에 발생 전압을 정상화시킬 수 있다.
즉, 활성화 스위치(70)는 마그네슘 전극 표면에서의 부식반응이 크게 촉진되면서 발생하는 수소가스로 인해 부도체 막이 제거되어 그 금속 표면이 높은 출력을 낼 수 있는 상태가 된다. 이때 활성화 스위치(70)는 수동 혹은 전자식 스위치로서 수 초간의 연결을 해 주는 작동을 하게 된다. 이 활성화 스위치는 잠깐만 사용하면 되므로 용수철 식으로 회복되게 하거나 전자적으로 수초간의 펄스를 주는 형태 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
도 6의 (A)를 참조하면, 활성화 스위치를 사용하지 않는 상태를 보인 그래프로서, 전류 차단시간(tn)이 길면 전력 회복시간(tr)도 길게 된다, 그러므로, 전압 회복이 서서히 이루어져 금속 연료전지의 품질이 떨어지는 문제점이 있다.
도 6의 (B)를 참조하면, 활성화 스위치를 사용하는 상태를 보인 그래프로서, 할성화 스위치(70)를 작동함에 따라 연결 전선(6)을 거쳐 양극전선(2)과 음극전선(4)에 연결된 공기 양극(40) 및 금속 음극판(50)에 단락이 발생하여 활성시간(ta) 동안 격렬한 부식반응으로 인해 금속 음극판(50)의 표면에 누적된 금속 산화물이 제거되어 전력 회복시간 없이 바로 고출력의 전압을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 금속연료전지(1)는, 네 개의 셀 또는 짝 수개의 셀들이 직렬로 연결된 단일시스템으로 구성될 수 있다.
이 경우, 제1용기(100)에 수용되는 제2용기(200)에 장착된 금속 음극판(50)들이 상호 마주보게 외측(바깥)을 향하도록 배치되도록 구성된다.
이때, 한 개의 셀을 가진 도 7과 도 8의 경우와 마찬가지로 공기 양극(40)들을 접착하기 용이하도록 하기 위해 공기 양극(40)의 카본면들이 바깥방향을 향하도록 하며 양 쪽에 두 개씩 대칭으로 배열된 모습으로 제작한다. 그렇게 함으로써 금속 음극판(50)이 밖으로 위치하게 하여 삽입 및 분리가 용이하도록 한다. 네 개의 셀로 구성된 용기의 경우, 전해액이 담겨진 제1용기(100)를 사등분하는 칸막이(101)가 존재하도록 하고, 각 양극 어셈블리가 각각의 칸에 삽입될 수 있도록 하는 형태를 가진다. 이때, 제2용기(200)에 매달린 양극 어셈블리들이 각각의 칸에 삽입될 수 있도록 하는 형태를 가진다.
물론, 본 발명의 금속연료전지(1)는, 4개의 제1용기(100)와 4개의 제2용기(200)가 일체로 연결되어 단일 시스템의 구성하는 것으로 설명할 수도 있다.
또한, 제1용기(10)(100)에는 금속 음극판(50)이 공기 양극(40)과 평행하게 배치되도록 내벽면에 기울어진 경사리브(11)(102)가 구비되는 상태로 도시한다.
경사리브(11)(102)는 제1용기(10)(100) 바깥 측에서 내측으로 서서히 경사지게 내려오다가 소정부위에서 공기 양극(40)과 평행하도록 금속 음극판(50)의 저면을 받쳐줄 수 있도록 경사지게 형성된다.
경사리브(11)(102)는 각각의 제1용기(10)(100)에 대해 한 개만 구비될 수도 있고, 그 이상 구비될 수도 있다. 경사리브(11)(102)는 제1용기(10)(100)에 대해 분리형 또는 일체형으로 구비될 수도 있다. 또한, 경사리브(11)(102)는 제1용기(10)(100)의 내벽면에 적절한 위치에 다양한 형상으로 변형가능하게 구비될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
2 : 양극전선 4 : 음극전선
6 : 연결전선 10,100 : 제1용기
20,120 : 제2용기 21 : 개방공간
22 : 경사면 24 : 격자프레임
26 : 장착플랜지부 28 : 설치면부
30 : 개방구멍 40 : 공기양극
50 : 금속음극판 52 : 단자부
54 : 전선연결공 56 : 탭
58 : 볼트 60 : 컨버터
70 : 활성스위치 80 : 금속산화물 슬러지
11, 102 : 경사리브 101 : 칸막이

Claims (12)

  1. 전해액이 채워지는 제1용기;
    상기 제1용기 내에 분리가능하게 설치되고, 외부 공기가 상부의 개방공간을 통해 유입되는 제2용기;
    상기 제2용기의 적어도 하나 이상의 부위에 구비되어 상기 개방공간을 통해 유입된 공기가 접촉되는 공기 양극; 및
    상기 공기 양극에 인접한 상태로 배치되는 금속 음극판을 포함하고,
    상기 금속 음극판은 상기 공기 양극의 설치각도(α)와 동일 또는 유사한 설치각도(β)로 기울어지게 설치되므로 발생된 금속산화물이 금속 음극판의 뒷공간에 누적되게 하는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2용기는 상측이 개방되고, 적어도 하나 이상의 경사면을 구비하며,
    상기 공기 양극은 상기 경사면에 구비되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2용기의 경사면에는 격자형상의 격자프레임이 형성되고,
    상기 공기 양극은 상기 격자 프레임의 외측에 접착되고, 상기 공기 양극과 상기 금속 음극판은 일정 거리를 두고 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2용기는 상기 공기 양극 측면방향으로 수직 절단시 직삼각형 또는 이등변 삼각형 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2용기에는 상기 제1용기의 상측 테두리에 안착되는 장착플랜지부가 상측 테두리에 구비되고,
    상기 장착플랜지부에는 상기 제1용기의 상측 테두리에 삽입되는 끼움홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 양극은 수직선을 기준으로 5 ~ 75°의 설치각도(α) 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 음극판은 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 아연 중에 선택된 어느 하나의 판이고,
    상기 금속 음극판의 상부에는 음극 전선이 연결되는 전선 연결공이 형성된 단자부가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 제2용기는 상기 금속 음극판의 단자부가 돌출되고, 돌출부에는 개방구멍이 나 있고, 그 구멍의 안 측면에 나사 탭을 낸 것을 갖도록 설치면부를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 양극에 연결된 양극전선과 상기 금속 음극판에 연결된 음극전선 사이에는 휴식 기간 중에 상기 금속 음극판의 표면에서 발생하는 금속산화물 슬러지를 제거하도록 회로에 단락(短絡)을 발생시키는 활성화스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 연료전지는, 네 개의 셀 또는 짝 수개의 셀들이 직렬로 연결된 단일시스템으로 구성되는 경우, 상기 제2용기에 장착된 상기 금속 음극판들이 상호 외측으로 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
  12. 제 1항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 제1용기에는 상기 금속 음극판이 상기 공기 양극과 평행하게 배치되도록 내벽면에 기울어진 경사리브가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속 연료전지.
KR1020130027256A 2013-03-14 2013-03-14 금속 연료전지 KR101433191B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130027256A KR101433191B1 (ko) 2013-03-14 2013-03-14 금속 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130027256A KR101433191B1 (ko) 2013-03-14 2013-03-14 금속 연료전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101433191B1 true KR101433191B1 (ko) 2014-08-27

Family

ID=51751114

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130027256A KR101433191B1 (ko) 2013-03-14 2013-03-14 금속 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101433191B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100997550B1 (ko) * 2009-01-08 2010-11-30 성동수 금속연료전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100997550B1 (ko) * 2009-01-08 2010-11-30 성동수 금속연료전지

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0665986B1 (en) Electrochemical power generating system
ES2751106T3 (es) Cátodo de oxidante gaseoso sumergible para sistema de célula electroquímica
US5318861A (en) Electrochemical metal-air cell and electrically and mechanically rechargeable anodes for use therein
US5434020A (en) Continuous-feed electrochemical cell with nonpacking particulate electrode
US6630262B2 (en) Metal-gas cell battery with soft pocket
KR101751707B1 (ko) 금속공기연료전지 및 그 제조방법
US20160218333A1 (en) Battery-affixing frame member, battery-affixing member, and electricity storage device
JP2005527069A (ja) 予備電池
JPS63310579A (ja) 複極式金属／空気バッテリー
CN103296338A (zh) 一种铝空气燃料电池系统
JP2005509262A (ja) 再充電及び燃料補給可能な金属空気型の電気化学セル
EP2954590B1 (en) Protected anode structure suitable for use in metal/air batteries
US5225291A (en) Deferred actuated battery assembly
KR101123636B1 (ko) 카트리지 분리형 금속 공기 전지
WO2014017085A1 (ja) 組電池の処理装置
US20010009735A1 (en) Metal-gas cell battery with soft pocket
KR101433191B1 (ko) 금속 연료전지
JP7100369B2 (ja) 金属空気電池
JP2008300356A (ja) 粉末燃料電池
WO2014017086A1 (ja) 組電池の処理方法
CN210516795U (zh) 一种电池盒内用的固定结构
CN107768779B (zh) 圆柱形液流金属空气电池及电池组
KR20200119450A (ko) 금속공기전지용 전해질 순환처리장치
JP4382542B2 (ja) 発電パネル及び電子機器
CN110444837B (zh) 空气电池组

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170818

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180814

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190820

Year of fee payment: 6