KR101454448B1 - 튜브형 아연금속 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브형 아연금속 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중공을 가지는 튜브형태의 음극집전체 외측에 격리막과 공기양극부재가 차례대로 둘러 설치되고 그 내부에 아연금속구슬과 함께 전해액이 충전되어, 아연금속구슬이 전해액 속에서 외부로부터 유입되는 공기 중의 산소의 환원반응에 의해 생성되는 수산화 이온과 반응하여 전기를 생산하는 튜브형태로 구성됨으로써, 형태가 자유롭고 용량 변화가 가능하여 설계를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 설치에 따른 공간 제약을 해소시켜 응용분야를 확대할 수 있는 튜브형 아연금속 연료전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 튜브형태로 제조된 중공을 가지는 금속 매쉬의 음극집전체; 상기 음극집전체의 외측에 둘러 설치되는 다공질의 격리막; 상기 음극집전체의 내측에 충전되는 아연금속구슬; 상기 격리막의 외측에 둘러 설치되는 것으로 상기 음극집전체의 내부로 공급되는 전해액의 외부 유출을 막고 외부로부터 공기의 유입을 가능하게 하는 공기양극부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지를 기술적 요지로 한다.

Description

튜브형 아연금속 연료전지{Tubular Zinc air fuel cell}

본 발명은 튜브형 아연금속 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중공을 가지는 튜브형태의 음극집전체 외측에 격리막과 공기양극부재가 차례대로 둘러 설치되고 그 내부에 아연금속구슬과 함께 전해액이 충전되어, 아연금속구슬이 전해액 속에서 외부로부터 유입되는 공기 중의 산소의 환원반응에 의해 생성되는 수산화 이온과 반응하여 전기를 생산하는 튜브형태로 구성됨으로써, 형태가 자유롭고 용량 변화가 가능하여 설계를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 설치에 따른 공간 제약을 해소시켜 응용분야를 확대할 수 있는 튜브형 아연금속 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 아연금속 연료전지(혹은 아연 공기 연료전지)는 아연금속을 연료로 사용하는 것으로 아연금속을 전해액 속에서 외부 공기와 반응하여 생성되는 전자를 집전하여 전기를 생산하는 차세대 전지이다.

이러한 아연금속 연료전지는 양극활물질로서 공기 중의 산소를 사용하여 상대적으로 음극에 많은 양의 아연금속이 충전되어 에너지밀도가 높고, 자기방전이 적어 전지 용량을 모두 소비할 때까지 일정 전압이 유지되며, 전기 생산으로 생성되는 산화아연은 독성이 없고 폭발 위험이 없어 환경친화적인 것이 특징이다.

여기서 종래의 아연금속 연료전지는 복수 개의 셀이 연속적으로 적치된 박스형, 일반 전지와 같은 원통형, 및 원통형을 일정 높이로 자른 것과 같은 버튼형으로 구성되어 있다.

즉, 종래의 아연금속 연료전지는 모두 정형화된 형태로서 전극 면적이 한정되어 있으므로 설계시 전지 용량을 늘리는데 한계가 있을 뿐만 아니라 자유롭게 구부러지거나 휘어지지 않는 형태로서 공간이 협소한 장소에 설치할 때 공간 제약이 많아 응용분야가 제한되는 문제점들이 있다.

이러한 문제점들을 일거에 해소하기 위해서는 전지 형태의 변형을 통해 전지 용량을 간단하게 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 설치에 따른 공간 제약을 해소하여 응용분야를 확대할 수 있는 아연금속 연료전지에 대한 개발이 절실한 실정이다.

국내 등록특허공보 제10-0528580호, 2005.11.08.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-0875105호, 2008.12.15.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1010236호, 2011.01.17.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 아연금속 연료전지를 종래와 달리 사각형이나 원통형이나 버튼형이 아닌 자유롭게 구부러지거나 휘어질 수 있는 유연성을 가진 튜브 형태로 구성하여 전지 용량을 간단하게 조절 가능하여 설계를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 공간에 따른 제약을 해소하여 응용분야를 더욱 확대할 수 있도록 하는 튜브형 아연금속 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 튜브형 아연금속 연료전지는, 튜브형태로 제조된 중공을 가지는 금속 매쉬의 음극집전체; 상기 음극집전체의 외측에 둘러 설치되는 다공질의 격리막; 상기 음극집전체의 내측에 충전되는 아연금속구슬; 상기 격리막의 외측에 둘러 설치되는 것으로 상기 음극집전체의 내부로 공급되는 전해액의 외부 유출을 막고 외부로부터 공기의 유입을 가능하게 하는 공기양극부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 공기양극부재는, 공기양극; 다공질 및 소수성의 시트부재; 및 다공질의 필름부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 공기양극은, 금속 매쉬의 양극집전체; 및 상기 양극집전체의 내면에 코팅되는 촉매전극;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 촉매전극은, 산소환원촉매; 활성탄소; 및 상기 산소환원촉매와 활성탄소를 결합시키는 결합제;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 시트부재는, 폴리테트라플루오로에틸렌 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 필름부재는, 망상구조를 가지는 고분자 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전해액은, 상기 음극집전체의 양단을 연결하는 공급관을 따라 펌프의 작동에 의해 상기 음극집전체의 내부에서 일방향으로 순환 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 공급관에는, 상기 전해액에 포함된 분순물을 제거하는 여과수단이 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은,

먼저, 유연성을 가진 튜브 형태로 구성되므로 제품 설계를 매우 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 길이나 직경 변화를 통하여 전지 용량의 한계를 간단하게 극복할 수 있는 효과가 있다.

또한, 구부러지거나 휘어지는 형태 변형도 가능하므로 설치시 공간에 따른 제약이 적고 공간 활용도가 우수하여 응용분야를 확대할 수 있는 효과가 있다.

특히, 전기자동차의 구동 전원으로 사용하는 경우 전기자동차의 바닥이나 구석진 공간에 설치가 가능하므로 전기자동차를 매우 용이하게 설계할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 튜브형 아연금속 연료전지의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 튜브형 아연금속 연료전지의 사용 상태도.

본 발명에 따른 튜브형 아연금속 연료전지는, 연료인 아연금속을 음극으로 하고 공기를 양극으로 하여 아연금속이 전해액 속에서 공기 중에 포함된 산소의 환원반응으로부터 생성되는 수산화 이온과 반응하여 전기를 생산하는 공기연료전지이다.

특히, 본 발명에 따른 튜브형 아연금속 연료전지는, 형태가 자유롭고 변형이 가능하여 설계시 전지 용량의 선택이 자유로워 용이하게 설계할 수 있을 뿐만 아니라 설치시 공간 제약을 해소시켜 응용분야를 확대할 수 있는 것이 특징이다.

이러한 특징은, 종래의 아연금속 연료전지와 달리 박스형태나 원통형태나 단추형태가 아닌 쉽게 휘어지고 구부러지는 유연성을 가지는 튜브형태로 구성한 것에 의해 달성된다.

즉, 튜브형태로 제조된 중공의 음극집전체의 외측에 격리막이 둘러 설치되고, 음극집전체의 내부에 아연금속구슬이 충전되며, 격리막의 외측에 공기양극부재가 둘러 설치되어, 아연금속구슬이 음극집전체의 내부로 공급되는 전해액 속에서 외부로부터 유입되는 공기 중에 포함된 산소의 환원반응에 의해 생성되는 수산화 이온과 반응하면서 전기를 생산하는 구성에 의해 달성된다.

따라서 형태가 자유로운 튜브형태로 구성됨에 따라 길이나 직경 변화를 통해 전지 용량을 간단하게 조절 가능하여 설계를 용이하게 할 수 있고, 휘거나 구부러지는 변형이 가능하여 협소한 공간에도 구애 없이 간편하게 설치할 수 있으며, 이를 통해 아연금속 연료전지의 응용분야를 더욱 확대시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 튜브형 아연금속 연료전지의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 튜브형 아연금속 연료전지의 사용 상태도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 튜브형 아연금속 연료전지(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 음극집전체(10), 격리막(20), 아연금속구슬, 및 공기양극부재(30)를 포함하여 구성된다.

즉, 음극집전체(10)와 아연금속구슬은 음극을 구성하고 공기양극부재(30)는 양극을 구성하여 격리막(20)에 의해 분리되는 구조인데, 각 구성에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.

먼저, 상기 음극집전체(10)는, 내부에 아연금속구슬이 충전되고 전해액이 내부를 통과하도록 중공을 가지는 금속막으로 구성되는 것으로, 이는 아연금속구슬이 전해액 속에서 산화 반응하면서 생성되는 전자를 집전하는 것이다.

이때 음극집전체(10)는 전해액이 내외부로 통과 가능하도록 다공질의 매쉬 구조로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 음극집전체(10)는 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 금, 백금 등의 도전성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

여기서 음극집전체(10)의 내부로는 전해액이 공급된다. 상기 전해액은 음극집전체(10)의 내부에서 아연금속구슬의 산화 반응과, 외부의 공기 속에 포함된 산소의 환원을 가능하게 하는 것이다.

여기서 전해액은 수산화칼륨(KOH) 등과 같은 알칼리 수용액으로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 전해액은 음극집전체(10)의 내부를 채움과 동시에 아연금속구슬이 상호 간의 전기적인 접촉이 유지할 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 음극집전체(10)의 양단을 연결하는 공급관(40)을 따라 펌프(50)에 의해 일방향으로 순환 공급되는 것이 바람직하다.

단, 공급관(40)에는 아연금속구슬의 산화 반응으로 인해 석출되는 산화아연 등의 불순물을 전해액으로부터 분리 제거하기 위한 여과수단(60)이 더 설치되는 것이 바람직하다.

따라서 여과수단(60)에 의해 불순물이 제거된 전해액은 전해액수조(70)에 일시 저수된 후 공급관(40)을 따라 공급되고 전해액수조(70)를 통해 전해액의 보충이 가능하다.

다음으로, 상기 격리막(20)은, 음극집전체(10)의 외측에 둘러 설치되는 것으로, 이는 음극을 구성하는 금속아연구슬과 음극집전체(10), 양극을 구성하는 공기양극부재(30) 간의 전기적인 직접 접촉을 막는 것이다.

이때 격리막(20)은 음극집전체(10)와 공기양극부재(30)를 전기적으로 분리하면서 공기양극부재(30)에서 생성되는 수산화 이온이 원활하게 통과되도록 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀 필름을 물에 젖도록 친수 처리된 것으로 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 아연금속구슬은, 음극집전체(10)의 내부에 충전되는 것으로, 이는 음극집전체(10)의 내부에 공급되는 전해액 속에서 산화 반응하면서 전자를 생성하는 (-) 전극이다.

즉, 아연금속구슬은 전해액에서 산화 반응하여 전자를 생성함과 동시에 아연산염 이온을 생성하는 것이다. 이렇게 생성되는 전자는 음극집전체(10)로 집전되고, 아연산염 이온은 전해액 내에서 포화농도가 초과하면 산화아연으로 석출되면서 아연금속구슬의 외면에 막 형태로 형성된다.

이때 아연금속구슬은 전해액에서 산화 반응하면서 상기 산화아연으로 석출됨에 따라 그 부피가 시간이 갈수록 서서히 줄어들게 되므로 완전히 소진되어 전기적인 연결이 단절되기 전에 주기적으로 충전해야 한다.

다음으로, 상기 공기양극부재(30)는, 격리막(20)의 외측에 둘러 설치되는 것으로, 이는 음극집전체(10)로부터 전자를 공급받아 외부의 공기 중에 포함된 산소를 환원시키는 (+) 전극이다.

즉, 공기양극부재(30)는, 외부의 공기 중에 포함된 산소를 음극집전체(10)로부터 전달받은 전자를 이용하여 환원 반응을 유도하여 수산화 이온을 생성하는 것이다.

상기 수산화 이온은 농도구배에 의해 전해액을 통해서 음극집전체(10)로 이동하고, 이때 아연금속구슬의 산화와 산소의 환원으로 화학에너지가 전기에너지로 변환된다.

여기서 공기양극부재(30)는, 공기양극(31), 시트부재(32), 및 필름부재(33)를 포함하여 구성되는데, 상기 공기양극(31)은, 양극집전체(31b), 및 촉매전극(31a)으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 양극집전체(31b)는, 음극집전체(10)로부터 전자를 공급받아 이를 촉매전극(31a)으로 원활하게 공급할 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 이는 다공질의 매쉬 구조로서 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 금, 백금 등의 도전성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 촉매전극(31a)은, 산소환원촉매와 활성탄소 및 결합체가 혼합된 것으로, 이는 양극집전체(31b)의 내면에 코팅되어 외부의 공기 중에 포함된 산소와 전해액의 물이 전자를 공급받아 수산화 이온을 생성할 때 산소의 환원반응을 원활하게 하는 것이다.

상기 활성탄소는 입자형태로 산소환원촉매가 담지될 수 있는 자리를 제공하는 것이고, 상기 결합제는 입자형태의 활성탄소와 산소환원촉매를 서로 결합시켜 시트형태로 제조 가능하도록 하는 것이다.

상기 시트부재(32)는, 공기양극(31)의 외측에 둘러 설치되어 격리막(20)으로부터 젖어 들어오는 전해액이 외부로 유출되지 않도록 차단함과 동시에 외부의 공기가 공기양극(31)의 내부로 유입되도록 통기로를 제공하는 것이다.

즉, 시트부재(32)는 상기한 목적을 달성할 수 있도록 다공성 및 소수성(疏水性)이 요구되는데, 이를 위해서는 폴리테트라플루오로에틸렌 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 필름부재(33)는, 시트부재(32)의 외측에 둘러 설치되는 것으로, 이는 마감부재로서 외부의 공기가 내부로 원활하게 유입될 수 있도록 망상 구조를 가지는 고분자 재질 등으로 구성되는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 튜브형 아연금속 연료전지는, 아연금속 연료전지를 쉽게 구부러지고 휘어지는 튜브 형태로 구성됨에 따라 형태가 자유롭고 용량 변화가 가능하여 설계가 매우 용이할 뿐만 아니라 쉽게 휘어지거나 구부러져 설치 공간에 대한 제약을 해소하여 다양한 응용분야로 확대할 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

10: 음극집전체 20: 격리막
30: 공기양극부재 31: 공기양극
31a: 촉매전극 31b: 양극집전체
32: 시트부재 33: 필름부재
40: 공급관 50: 펌프
60: 여과수단 70: 전해액수조
100: 튜브형 아연금속 연료전지

Claims (8)

1. 튜브형태로 제조된 중공을 가지는 금속 매쉬의 음극집전체(10);
   상기 음극집전체(10)의 외측에 둘러 설치되는 다공질의 격리막(20);
   상기 음극집전체(10)의 내측에 충전되는 아연금속구슬;
   상기 격리막(20)의 외측에 둘러 설치되는 것으로 상기 음극집전체(10)의 내부로 공급되는 전해액의 외부 유출을 막고 외부로부터 공기의 유입을 가능하게 하는 공기양극부재(30);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기양극부재(30)는,
   공기양극(31);
   다공질 및 소수성의 시트부재(32); 및
   망상구조의 필름부재(33);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 공기양극(31)은,
   금속 매쉬의 양극집전체(31b); 및
   상기 양극집전체(31b)의 내면에 코팅되는 촉매전극(31a);로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 촉매전극(31a)은,
   산소환원촉매;
   활성탄소; 및
   상기 산소환원촉매와 활성탄소를 결합시키는 결합제;로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
5. 제2항에 있어서,
   상기 시트부재(32)는,
   폴리테트라플루오로에틸렌 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
6. 제2항에 있어서,
   상기 필름부재(33)는,
   망상 구조의 고분자 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
7. 제1항에 있어서,
   상기 전해액은,
   상기 음극집전체(10)의 양단을 연결하는 공급관(40)을 따라 펌프(50)의 작동에 의해 상기 음극집전체(10)의 내부에서 일방향으로 순환 공급되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 공급관(40)에는,
   상기 전해액에 포함된 분순물을 제거하는 여과수단(60)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 튜브형 아연금속 연료전지.

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