KR101584271B1 - 금속 공기 전지 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것으로, 전해질 내에서 공기 중의 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 음극 주머니; 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고 전해질이 수용되는 하우징; 및 음극 주머니와 하우징 사이의 공간에 산소를 강제 주입시켜 주기 위한 주입수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 공기 전지 유닛{Metal air cell unit}

본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질 내에서 아연과 산소와의 반응 효율을 높여줄 수 있는 구조가 개선된 금속 공기 전지 유닛에 관한 것이다.

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

금속 공기 전지 유닛은 전해질 내에서 아연과 공기 중의 산소가 반응하여 생성되는 전자를 집전하여 전기를 생성하는 것으로, 근자에 연료에서 생성되는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 전통적인 연료전지를 대체하는 연료 전지로서 개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.

상기 금속 공기 전지 유닛은 전자 생성을 위한 반응계의 구조가 간소하여 경량화 및 전력소비 절감을 통해 고용량 배터리의 구현을 통해 사용효율을 높이고자 하는 전기자동차의 개발추세에 부합하는 것으로 부각되고 있다.

이러한 금속 공기 전지 유닛의 일례인 아연-공기 전지 유닛이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 아연 공기 전지 유닛은 미국등록특허 US 6,153,328호에 개시된 기술로서, 복수의 반응셀이 나란하게 배열되어 있는 수평형 스택 구조가 채택되었다.

이러한 금속 공기 전지 유닛은, 애노드 전극 측에서 집전된 전자가 캐소드 전극으로 이동하면서 전류를 발생시키고, 발생된 전류를 배터리에 저장되게 한다. 여기서, 금속 공기 전지 유닛은, 애노드 측과 캐소드측에서 아래와 같은 반응에 의해 전기의 생성을 가능하게 한다.

애노드측: Zn+2OH- ===> ZnO+H₂O+2e-

캐소드측: ½O₂+ H₂O +2e- ===> 2OH-

이러한 종래기술에 의한 금속 공기 전지 유닛은, 공기 중의 산소가 캐소드 측에 공급되어야 하는데, 이러한 산소의 유입은 공기를 막 투과 방식으로 상기 캐소드 측에 투과시킴으로써 산소와 금속 간의 반응을 가능하게 한다.

그러나, 이러한 방식에 의하면 산소가 상기 캐소드를 형성하는 하우징의 표면을 경유하여 상기 금속과 반응을 하도록 되어 있기 때문에, 산소와 금속 간의 반응효율이 낮아 결국 전기 생성 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기 생성 효율을 높일 수 있게 하는 금속 공기 전지 유닛을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛은 전해질 내에서 공기 중의 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 음극 주머니; 상기 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고 상기 전해질이 수용되는 하우징; 및 상기 음극 주머니와 하우징 사이의 공간에 산소를 강제 주입시켜 주기 위한 주입수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 채용된 상기 주입수단은, 상기 음극 주머니와 하우징 사이에 배치되고, 내측에 산소가 유입될 수 있는 유입공간이 형성되어 있고 상기 유입공간과 음극 주머니의 내측을 소통시키는 복수의 구멍들이 형성되어 있는 에어튜브;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기 복수의 구멍들 사이의 간격은 상기 산소가 강제 유입되는 측에서 멀어지는 방향으로 갈수록 점점 작아지는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 주입수단은, 상기 음극 주머니와 하우징 사이의 공간을 구획함으로써, 상기 하우징과의 사이에 산소가 유입될 수 있게 하는 유입공간을 형성시키는 분리막;을 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 버블 형태로 산소를 발생시키는 마이크로 버블 유닛이 전해질 내에 배치됨으로써 아연과 같은 금속 재질의 아연볼과 산소 간의 접촉효율을 높일 수 있게 됨에 따라, 결국 전기생성 효율을 더욱 높일 수 있게 하는 장점을 가진다.

도 1은 종래 금속 공기 전지 유닛을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 다른 마이크로 볼 유닛을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 도면.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 다른 마이크로 볼 유닛을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 도면이며, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면도이다.

상기 도면에 도시된 실시예는, 아연과 같은 금속이 전해질 내에서 산소와 반응을 하여 전기를 생성시키기 위한 것으로, 음극 주머니(100)와 하우징(200)과 주입수단(300)을 포함하여 이루어진다.

음극 주머니(100)는, 전지의 음극 역할을 하는 것으로, 예컨대 볼(ball) 형태의 아연과 같은 금속(110)이 채워질 수 있도록 수용공간을 가진다. 즉, 상기 음극 주머니(100)는 복수의 아연볼(110)들이 내부에 채워진 후 빠져나가지 못하도록 포켓(주머니) 형상으로 이루어지고, 외부에서 수용공간 측으로 산소 및 전해질의 유입이 가능하도록 복수의 구멍(120)들이 형성되어 있다.

한편, 음극 주머니(100)의 일부를 집전체 역할을 하도록 구성하는 것도 가능하나, 본 발명의 다른 실시예에서는 음극 주머니(100)의 수용공간에 그 음극 주머니(100)와 동일한 재질의 집전체(미도시)가 마련되게 하는 것도 가능하다. 여기서 상기 집전체는, 상기 음극 주머니(100) 내부에 그 음극 주머니(100)와 통전 가능하게 배치됨으로써, 상기 전해질 내에서의 아연볼과 산소 간의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하게 된다.

그리고 상기 음극 주머니(100)와 집전체는, 각각 집전이 가능하도록 구리, 황동, 청동, 니켈 등 전도성 재질로 이루어지고, 내식성 및 전자 집전 능력을 향상시키기 위해, 금, 은, 백금 등 도금 처리되는 것이 바람직하다.

하우징(200)은, 음극 주머니(100)를 감싸는 형태로 배치되고 음극 주머니(100)의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서의 하우징(200)은 전해질을 지속적으로 공급받기 위해 전해질 유입구를 구비하고, 하우징(200) 내에서 반응 후 생성되는 불순물인 산화아연을 배출하기 위한 배출구를 포함할 수 있다.

그리고 주입수단(300)은 음극 주머니(100)와 하우징(200) 사이의 공간에 산소를 강제 주입시켜 주기 위한 것으로, 상기 전해질이 수용되어 있는 음극 주머니(100)와 하우징(200) 내부에 배치됨으로써 산소 유입 효율을 더욱 높일 수 있게 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 금속 공기 전지 유닛은, 버블 형태로 산소를 발생시키는 주입수단(300)이 음극 주머니(100)와 하우징(200) 사이의 전해질 내에 배치됨으로써 아연과 같은 금속 재질의 아연볼(110)과 산소 간의 접촉효율을 높일 수 있게 됨에 따라, 결국 전기생성 효율을 더욱 높일 수 있게 하는 장점을 가진다.

본 발명의 다른 실시예에서 도면을 통해 설명하지 않았으나, 주입수단(300)이 하우징(200) 내부의, 음극 주머니(100)의 최하단과 일정 간격 이격된 위치에 추가적으로 배치될 수 있다. 이러한 배치구조에 의하면, 주입수단(300)에 의해 발생된 산소가 음극 주머니(100)의 하측 및 양측을 통해 그 음극 주머니(100) 내부로 유입되게 함으로써, 복수의 아연볼들과 상기 산소 간의 접촉효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 도면을 통해 설명하지 않았으나, 상기 하우징(200) 내의 전해질을 순환시킬 수 있도록 그 전해질의 순환경로를 제공하는 순환관(미도시) 일측이 하우징(200)의 유입구에 연결되고, 타측이 하우징(200)의 배출구에 연결될 수도 있다.

그리고, 순환관의 경로 상에는 하우징(200) 내에서 반응 후 생성되는 불순물인 산화아연을 걸러 내기 위한 필터와 상기 전해질을 순환시키기 위한 동력을 인가하는 펌프가 설치될 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 주입수단(300)은 에어튜브(310)와 같은 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 채용된 에어튜브(310)는 음극 주머니(100)와 하우징(200) 사이에 배치되고, 내측에 산소가 유입될 수 있는 유입공간이 형성되어 있으며, 유입공간과 음극 주머니(100)의 내측을 소통시키는 복수의 구멍(320)들이 형성된다.

이러한 에어튜브(310)는 산소를 공급받기 위한 산소유입구(301)가 구비되는 것이 바람직하며, 산소유입구(301)를 통해서는 산소공급장치(미도시)와 연결되어 산소가 공급되는 것이 바람직하나 이에 한정하지 않고 산소가 포함된 공기가 공급될 수도 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 채용된 에어튜브(310)에 구비된 복수의 구멍(320)들 사이의 간격은 산소가 강제 유입되는 측에서 멀어지는 방향으로 갈수록 점점 작아지는 것이 바람직하다. 이때, 음극 주머니(100)에도 산소 및 전해질의 유입이 가능하도록 복수의 구멍(120)들이 구비되어 있음에 따라, 본 발명의 일 실시예에 채용된 에어튜브(310)에 형성된 구멍(320)과 동일한 간격을 유지하는 것이 바람직하나 이를 한정하는 것은 아니다.

만약, 에어튜브(310)의 구멍(320)과 음극 주머니(100)의 구멍(120)이 동일한 간격을 유지하고 있을 경우, 에어튜브(310)의 구멍(320)을 통해 공급되는 산소가 음극 주머니(100)의 구멍(120)을 통해 원활하게 공급될 수 있다.

한편, 에어튜브(310)에 구비된 복수의 구멍들의 간격이 산소가 강제 유입되는 측에서 멀어지는 방향으로 갈수록 점점 작아질 경우, 산소유입구를 통해 공급되는 산소가 산소유입구 측에서 음극 주머니(100)측으로 공급되지 않고 멀어지는 방향측으로 분산되어 공급될 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 도면이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 채용된 주입수단(300)은 분리막(400)으로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 일 실시예에서와 달리, 분리막(400)이 음극 주머니(100)와 하우징(200) 사이의 공간을 구획함으로써, 산소가 유입될 수 있는 유입공간을 형성한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(200)에는 분리막(400)이 착/탈될 수 있도록 가이드 채널이 구비되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 음극 주머니(100) 양측에 산소 유입 공간을 형성할 수 있도록 양측에 분리막(400)이 삽입되어 설치되었으나, 상황에 따라 분리막(400) 중 어느 하나를 설치하지 않고 용량이 큰 음극 주머니(100)를 설치할 수도 있다.

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

100 : 음극 주머니 200 : 하우징
300 : 주입수단 310 : 에어튜브
320 : 구멍 400 : 분리막

Claims (4)

1. 전해질 내에서 공기 중의 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 음극 주머니; 상기 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고 상기 전해질이 수용되는 하우징; 및 상기 음극 주머니와 하우징 사이의 공간에 산소를 강제 주입시켜 주기 위한 주입수단;을 포함하여 이루어지되,
   상기 주입수단은,
   상기 음극 주머니와 하우징 사이에 배치되고, 내측에 산소가 유입될 수 있는 유입공간이 형성되어 있고 상기 유입공간과 음극 주머니의 내측을 소통시키는 복수의 구멍들이 형성되어 있는 에어튜브;를 포함하고,
   상기 복수의 구멍들 사이의 간격은 상기 산소가 강제 유입되는 측에서 멀어지는 방향으로 갈수록 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지 유닛.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 주입수단은,
   상기 음극 주머니와 하우징 사이의 공간을 구획함으로써, 상기 하우징과의 사이에 산소가 유입될 수 있게 하는 유입공간을 형성시키는 분리막;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지 유닛.

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