KR101764486B1 - 금속 공기 전지 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것이다. 본 발명에 의한 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 전해질이 수용되어 있는 상기 하우징의 내부로 상기 산소를 강제 유입시켜 주기 위한 마이크로 버블 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 공기 전지 유닛{Metal air cell unit}

본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기생성 효율을 높일 수 있도록 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 발명에 의한 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 전해질이 수용되어 있는 상기 하우징의 내부로 상기 산소를 강제 유입시켜 주기 위한 마이크로 버블 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 버블 유닛은, 상기 하우징 내부의, 상기 음극 주머니의 최하단과 일정 간격 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 음극 주머니의 최하단 측에서 상기 마이크로 버블기 측으로 산화금속과 같은 불순물이 유입되는 것을 억제시킬 수 있도록, 상기 음극 주머니와 마이크로 버블기 사이에 배치되는 불순물 가이더;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 불순물 가이더에 의해 안내된 불순물들을 상기 하우징의 내부에서 외부로 분산하여 배출시킬 수 있도록, 상기 하우징은 한 쌍의 배출구들을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 전해질 내에서의 반응 후 생성되는 산화금속과 같은 불순물을 제거한 이후 그 전해질을 다시 상기 하우징 내로 유입시킬 수 있도록, 일측은 상기 하우징의 배출구에 접속되고 타측은 상기 하우징의 유입구에 접속되는 순환관;을 포함하고, 상기 마이크로 버블 유닛은, 상기 순환관의 경로 상에 배치되고, 상기 전해질이 수용되어 있는 상기 하우징의 내부로 상기 산소를 강제 유입시켜 주기 위한 마이크로 버블 생성부와, 그 마이크로 버블 생성부와의 사이에 상기 전해질이 통과되게 하는 환형의 경로 형성이 가능하도록 상기 마이크로 버블 생성부를 감싸는 형태로 배치되는 커버부를 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

상기 커버부와 마이크로 버블 생성부의 외면은, 상기 전해질의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있도록, 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 순환관의 경로 상에 마이크로 버블 유닛이 배치되어 있는 실시예에서는, 상기 마이크로 버블 생성부에 산소 주입이 가능하도록, 상기 커버부를 경유하여 상기 마이크로 버블 생성부에 접속되는 컴프레서;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 금속 공기 전지 유닛은, 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 종래기술에 의한 금속 공기 전지 유닛의 개략적인 개념을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛에 채용되는 하우징의 구조를 보인 사시도.

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

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 아연과 같은 금속이 전해질 내에서 산소와 반응을 하여 전기를 생성시키기 위한 것으로, 음극 주머니(10)와 하우징(13)과 마이크로 버블 유닛(14)을 포함하여 이루어진다.

상기 음극 주머니(10)는, 전지의 음극 역할을 하는 것으로, 예컨대 볼(ball) 형태의 아연과 같은 금속이 채워질 수 있도록 수용공간을 가진다. 즉, 상기 음극 주머니(10)는 복수의 아연볼(12)들이 내부에 채워진 후 빠져 나가지 못하도록 포켓(주머니) 형상으로 이루어지고, 외부에서 상기 수용공간 측으로 산소 및 전해질의 유입이 가능하도록 복수의 구멍들이 형성되어 있다.

한편, 상기 음극 주머니(10)의 일부를 집전체 역할을 하도록 구성하는 것도 가능하나, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 음극 주머니(10)의 수용공간에 그 음극 주머니(10)와 동일한 재질의 집전체(미도시)가 마련되게 하는 것도 가능하다. 여기서 상기 집전체는, 상기 음극 주머니(10) 내부에 그 음극 주머니(10)와 통전 가능하게 배치됨으로써, 상기 전해질 내에서의 아연볼(12)과 산소 간의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하게 된다.

상기 음극 주머니(10)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.

상기 하우징(13)은, 상기 음극 주머니(10)를 감싸는 형태로 배치되고 상기 음극 주머니(10)의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간(A)을 형성시키고, 후술할 순환관(15)이 접속되는 부분이다.

상기 마이크로 버블 유닛(14)은, 상기 하우징(13) 내부로 산소를 강제 유입시켜 주기 위한 것으로, 상기 전해질이 수용되어 있는 하우징(13) 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 마이크로 버블 유닛(14)이 전해질 내에 배치됨으로써 아연과 같은 금속 재질의 아연볼(12)과 산소 간의 접촉효율을 높일 수 있게 됨에 따라, 결국 전기생성 효율을 더욱 높일 수 있게 하는 장점을 가진다.

본 실시예에서는 상기 하우징(13) 내부의, 상기 음극 주머니(10)의 최하단과 일정 간격 이격된 위치에 배치된다.

이러한 배치구조에 의하면, 상기 마이크로 버블 유닛(14)에 의해 발생된 산소가 상기 음극 주머니(10)의 하측을 통해 그 음극 주머니(10) 내부로 유입되게 함으로써, 복수의 아연볼(12)들과 상기 산소 간의 접촉효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

도면 중 미설명부호 15는 상기 하우징(13) 내의 전해질을 순환시킬 수 있도록 그 전해질의 순환경로를 제공하는 순환관이고, 16은 상기 순환관(15)의 경로 상에 배치되어 하우징(13) 내에서 반응 후 생성되는 불순물인 산화아연을 걸러 내기 위한 필터이고, 17은 상기 순환관(15)에 배치되어 상기 전해질을 순환시키기 위한 동력을 인가하는 펌프이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도이다. 이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예의 구조에 더하여 불순물 가이더(25)와 하우징(23)에 마련된 한 쌍의 배출구(23a)들을 더 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 불순물 가이더(25)는, 상기 음극 주머니(20)의 하단의 서로 대칭인 위치에 한 쌍으로 마련되는 것으로, 상기 음극 주머니(20)의 하단 측 중심을 기준으로 하여 상측에서 하측 측으로 갈수록 사이의 간격이 점점 커지는 배치구조를 가진다.

이러한 불순물 가이더(25)는, 하측 사이의 간격이 상기 마이크로 버블 유닛(24)의 폭보다 큰 배치구조를 가짐으로써, 상기 마이크로 버블 유닛(24)의 상측을 커버하여, 상기 전해질 내에 잔류하는 산화아연이 그 마이크로 버블 유닛(24) 측으로 유입되는 것을 억제시킬 수 있게 한다.

또한, 상기 한 쌍의 배출구(23a)들은, 상기 불순물 가이더(25)의 하측에 인접하게 마련됨으로써, 상기 불순물 가이더(25)에 의해 안내된 산화아연을 순환관 측으로 원활하게 배출시킬 수 있게 한다.

한편, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예들과는 달리, 마이크로 버블 유닛(34)이 순환관(35)의 경로 상에 배치된다.

즉, 상기 순환관(35)은, 일측이 상기 하우징(33)의 배출구에 접속되고 타측이 상기 하우징(33)의 유입구에 접속됨으로써, 상기 전해질 내에서의 반응 후 생성되는 산화금속과 같은 불순물을 제거한 이후 정화된 전해질을 다시 상기 하우징(33) 내로 유입시켜 주기 위한 것이다.

상기 마이크로 버블 유닛(34)은, 상기 순환관(35)의 경로 상에 배치됨으로써, 앞에서 설명한 실시예들과 비교할 때 하우징 내부 구조를 간소화시킬 수 있게 하고, 정화된 전해질 내에 산소를 강제 유입시켜 줌으로써 금속볼과 산소 간의 반응효율 및 전기생성효율을 높여 준다.

이러한 마이크로 버블 유닛(34)은, 산소를 생성하여 전해질 내로 강제 유입시켜 주기 위한 마이크로 버블 생성부(34a)와, 상기 마이크로 버블 생성부(34a)를 감싸는 형태로 배치되는 커버부(34b)를 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 마이크로 버블 생성부(34a)와 커버부(34b) 사이의 환형의 경로로 전해질이 통과되게 하고 그 통과한 전해질에 산소를 강제 주입시켜 줌으로써, 상기 음극 주머니(30) 내의 아연볼(32)과 산소 간의 반응 효율을 높여 전기생성 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 한다.

도면 중 미설명부호 36은, 상기 마이크로 버블 생성부(34a)에 산소 주입이 가능하도록, 상기 커버부(34b)를 경유하여 상기 마이크로 버블 생성부(34a)에 접속되는 컴프레서이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 커버부(44b)와 마이크로 버블 생성부(44a)의 외면이 유선형으로 형성되는 것을 제외하고는 도 4에 도시한 실시예와 대부분 동일한 구조를 가진다. 이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 마이크로 버블 유닛(44)에 의해 전해질 흐름이 방해받는 것을 억제하여 하우징(43) 내에서의 반응효율을 높일 수 있게 한다.

한편, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛에 채용되는 하우징의 구조를 보인 사시도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 하우징(53)은, 공기는 통과하고 전해질은 통과할 수 없는 미세기공이 형성되어 있는 기공부(53a)를 포함하여 이루어진다.

이러한 구조의 하우징을 가지는 실시예에 의하면, 상기 하우징(53)의 기공부(53a)를 통한 산소의 자연 유입과 마이크로 버블 유닛에 의한 산소의 강제 유입이 동시에 가능하게 됨에 따라, 전기생성 효율을 더욱 높일 수 있게 한다.

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

10:음극 주머니 11:공간
12:아연볼 13:하우징
14:마이크로 버블 유닛 15:순환관
16:필터 17:펌프
A:공간

Claims (7)

1. 전해질 내에서 공기 중의 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 음극 주머니;
   상기 음극 주머니를 감싸는 형태로 배치되고 상기 전해질이 수용되는 하우징; 및
   상기 전해질이 수용되어 있는 상기 하우징의 내부로 상기 산소를 강제 유입시켜 주기 위한 마이크로 버블 유닛;을 포함하여 이루어지고,
   상기 마이크로 버블 유닛은, 상기 하우징 내부의, 상기 음극 주머니의 최하단과 일정 간격 이격된 위치에 배치되고,
   상기 음극 주머니의 최하단 측에서 상기 마이크로 버블기 측으로 산화금속과 같은 불순물이 유입되는 것을 억제시킬 수 있도록, 상기 음극 주머니와 마이크로 버블기 사이에 배치되는 불순물 가이더;를 더 포함하여 이루어지고,
   상기 불순물 가이더는, 상기 음극 주머니의 하단의 서로 대칭인 위치에 한 쌍으로 마련되며, 상기 음극 주머니의 하단 측 중심을 기준으로 하여 상측에서 하측 측으로 갈수록 사이의 간격이 점점 커지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속공기 전지 유닛.
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4. 제1항에 있어서,
   상기 불순물 가이더에 의해 안내된 불순물들을 상기 하우징의 내부에서 외부로 분산하여 배출시킬 수 있도록, 상기 하우징은 한 쌍의 배출구들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지 유닛.
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