KR20090034303A - 배터리의 배터리 셀 안전 회로 - Google Patents

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마크 퍼어트만
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네오스 인터네셔널 게엠바하
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Abstract

본 발명은 전기 화학적 전압/전류원에 대한 것으로, 특히 해수 및/또는 알칼리 용액이 전해질로 사용 가능한 연료 전지 또는 배터리에 대한 것이다. 본 발명에 따른 전기 화학적 전압/전류원은 전기 화학적 금속-공기 전지 셀에 사용되기에 적합한 적어도 하나의 애노드(2), 적어도 하나의 소수성 층을 구비하며 평판 형태인 적어도 하나의 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)를 포함한다. 케이싱은 적어도 하나 이상의 액체 불투과성 벽체에 의해 정의되는 내부 공간인 케이싱 공간(4)을 구비하며, 공기 또는 산소는 적어도 하나의 개구부를 통해 상기 케이싱 공간(4) 내부로 공급된다. 케이싱 공간(4)의 하나 이상의 액체 불투과성 벽체들 중 적어도 하나는 캐소드 또는 캐소드의 소수성 층에 의해 적어도 영역 구분적으로 형성된다. 애노드(2)는 스페이싱(spacing, 13)을 형성함으로써 캐소드(3)로부터 이격되며, 케이싱 공간(4) 바깥쪽에 위치한다. 애노드(2)와 캐소드(3) 사이의 스페이싱(13)은 적어도 부분적으로 전해질(5)로 채워질 수 있으며, 전해질로는 해수(21), 염수 또는 알칼리 용액이 사용된다.
연료 전지, 배터리, 기체 확산 캐소드, 공기 캐소드

Description

배터리의 배터리 셀 안전 회로{Safety circuit for battery cells of a battery}
본 발명은 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원에 대한 것으로, 특히 해수(seawater) 및/또는 알칼리성 용액이 전해질로서 사용 가능한 금속-공기 전지 또는 연료 전지에 관한 것이다.
이러한 전기 화학적 에너지, 전압, 및/또는 전류원은 여러 응용 분야에서 에너지원으로 사용하기에 적합한 것들이다. 예를 들어, 선박이나 기타 수상 교통 수단, 전자 장치, 장난감 등에서 사용될 수 있다. 다양한 형태의 소위 해수 전지가 널리 알려져 있는데, 이러한 해수 전지들은 해수를 전해질로 사용하며 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)와 같은 기본 구성요소들을 포함한다. 해수 전지들 중 잘 알려지 있는 형태 중 하나로는 마그네슘 애노드를 가지는 마그네슘/산소 전지가 있는데, 이것은 해수를 전해질로서 사용할 뿐 아니라 해수에 용해되어 있는 산소를 산화제로도 사용하고 있다.
이러한 전지 셀에서 발생하는 화학 반응을 다음과 같다.
애노드에서, 마그네슘은 다음과 같은 반응을 일으킨다.
2Mg = 2Mg2+ + 4e-.
캐소드에서, 산소는 다음과 같은 반응식에 따라 소비된다.
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-.
이를 정리하면, 다음과 같은 식으로 단순화된다.
2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2.
애노드 물질은, 예를 들어, 마그네슘, 아연, 이러한 원소들의 혼합물 및 합금이 될 수 있다.
미국특허 제4,822,698호는 해수를 사용하는 에너지 전지 셀/배터리에 대한 발명을 개시한다. 여기에 개시된 배터리는 앞서 언급한 전기 화학적 반응에 따라 작동하는데, 마그네슘이나 아연이 애노드 물질로 사용되고 산소 전극(oxygen electrode)이 캐소드 물질로 사용된다. 캐소드에 제공되는 산소는 해수에 용해된다. 이와 같은 해수 전지는 원통형 산소 전극 캐소드을 가진다. 또한 마그네슘이나 아연을 함유하는 단일한 또는 복수개의 애노드 막대(anode rod)를 구비하는 구조이다. 산소 전극은, 예를 들어 미국 특허 제6,372,371호에 개시된 다른 배터리들에 다양한 형태로 사용되고 있는 산소 전극들과 유사하다. 공기로 포화된 해수에서, 개시된 배터리는 약 1.5V의 전압으로 50 mA의 전류를 공급하는 것이 가능하다. 캐소드은 약 800cm2 정도의 면적을 가진다. 배터리는 약 1W/m2의 다소 작은 에너지 밀도를 가진다.
미국특허 제5,405,717호는 상기 미국특허 제4,822,698호와 비교해서 다소 증가된 전력을 공급하는 해수 전지를 개시하고 있다. 이러한 전력 상승은 파도에 의한 효과에 기인하는 것인데, 파도는 캐소드를 통과하는 해수의 유량을 증가시켜 산소를 공급한다. 전지 셀 구조는 해수의 흐름을 안내하는 부재를 구비하는데, 이러한 부재는 해수가 전지 내로 원활하게 흐르도록 한다. 해수는 산소를 많이 함유하고 있지 않기 때문에-바다 표면에서 약 10g/cm3이며 지리적 위치나 깊이에 따라 더 낮은 값을 가지게 됨-이러한 전지의 에너지 밀도 역시 상대적으로 작다.(1-1.5 W/m2) 이와 같은 에너지 밀도는 대기 중에서의 종래의 금속-공기 전지보다 약 100배 정도 작은 값이다.
미국특허 제5,225,291호는 해수 전지를 개시하고 있는데, 하이브리드 캐소드를 사용함으로써 용존 산소가 존재할 경우나 존재하지 않을 경우 모두 동작 가능한 해수 전지를 개시하고 있다. 이러한 전지 셀은 용존 산소가 존재(약 10g/m3)할 경우 1-1.35 V의 전압에서 약 50 ㎂/cm2의 전력을 생성한다. 용존 산소가 없는 경우의 전지 셀의 반응은 약 0.5V의 전압을 발생시킨다. 이러한 전지는 작은 출력 전력을 가지는 장기사용 전지이다.
미국특허 제5,427,871호는 갈바니 해수 전지 셀(Galvanic seawater cell) 및 배터리에 대한 것으로, 특히 산화제로 해수에 용해되어 있는 산소를 사용하는 전지에 대한 것이다. 상기 특허는 종래의 캐소드와 비교해 개선된 캐소드 구조를 갖는 갈바니 전지 셀을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 상기 특허는 일반적인 "연구 실 용기 닦는 브러쉬(laboratory bottle brush)" 형태를 갖는 개선된 기하학적 구조의 캐소드 구조를 개시한다. 이러한 브러쉬 형상은 다수의 가는 탄소 섬유로 구성되는데, 이들 탄소 섬유 각각은 서로 분리되어 있다. 이러한 섬유들이 서로 붙어 있는 경우에는, 해수에 용해되어 있는 산소가 외부 표면에만 공급되게 된다. 섬유들은 해수에서 안정적으로 존재할 수 있는 도전성 물질로 만들어 진다. 예를 들어, 구리 또는 은 합금, 촉매처리된 스테인리스 스틸(catalyzed stainless steel), 티타튬 및/또는 탄소가 사용될 수 있다. 표면이 촉매 처리된 탄소 섬유가 산소 저감 물질로 바람직하다. 상기 특허에서 개시되는 탄소 섬유 캐소드는 직경 7000nm의 섬유 3000개로 구성되는 사(絲, yarn)에서 만들어진다. 브러쉬는 용매와 열에 의해 처리된다. 전체적으로, 제안되고 있는 탄소 구조는 다공성 산소-탄소 캐소드와 유사하다.
미국 특허 제5,427,871호에 따른 캐소드 브러쉬(30mm에서 150mm)는, 한 가지 실시예에서는, 해수 표면에 위치하는 테스트 셀 내부의 4개의 마그네슘 애노드 막대에 의해 둘러싸여진다. 부하는 250mA 정도에 대응된다. 전지 셀의 전력(시간에 대한 전지 셀 전압)은 0.8-1V 에서 0.2-0.3V로의 통상의 전지 셀 전압 강하에 영향을 받게 된다. 거의 잔잔한 상태의 해수에서는 10-20시간의 주기로 전지 셀 전압 강하가 발생한다. 용존 산소, 과산화수소 또는 염소가 충분하고, 해수의 염분이 충분한 경우, 이러한 전지 셀의 출력은 약 1V 전압과 약 0.3-0.4A 전류값을 가진다. 이 경우, 에너지 밀도는 약 0.002W/cm2 또는 0.003W/cm3이 된다.
상술한 원리에 따른 배터리는 "Proceedings of the Ocean Drilling program, Initial Reports Volume 191 by Kanazawa, T. Sager, W.W., Escutia, C., et al.,2001"에 기재되어 있다. 여기에서 애노드는 직경이 0.184m이고 애노드 연결 장치를 포함한 길이가 2.2m인 AZ61 마그네슘 합금 막대이다. 애노드은 캐소드 요소에 의해 둘러싸여 지는데, 이들 캐소드 요소는 티타늄 프레임에 매달려 있다. 애노드의 중량은 120kg이다. 티타늄 캐소드의 중량은 40kg이다. 캐소드 요소들은 원주상에 배열된 탄소 섬유와 티타튬 와이어 코어로 구성된다.
발생가능한 셀 전압은 약 1.6V인데, 이 값은 해수의 전도도에 매우 밀접한 관계를 가지는 것이며, 해수의 온도 및 염분에 따라 달라질 수 있다. 최대 전지 전력은 캐소드에 공급되는 산소의 공급률에 따라 달라진다. 산소 공급률은 해수 내의 산소 농도에 비례하며 해수의 깊이가 깊어질수록 산소 공급률은 급격하게 떨어진다. 각 전지 셀 당 6W의 특정 전력 출력을 얻기 위해서는, 최소 유량 20mm/s, 3ppm의 산소 농도, 및 20‰의 염분 농도가 필요하다. 24V DC/DC 컨버터는 낮은 셀 전압(1.6V)을 출력 전압(24V)로 변환시킨다. 전지 셀 전압이 1.2V 보다 낮아지면, 24V DC/DC 컨버터는 전지 셀 전압이 1.41V로 상승할 때까지 비활성 상태가 된다.
앞에서 언급한 배터리들 및 전지 셀들은 연속적으로 전력을 출력할 수 있는 기간에 상당한 제한을 받고 있다. 이것은 해수에 있는 산소 분자들의 확산이 늦으므로 인해, 용존 산소를 함유하는 해수가 거의 정체되어 있는 기간의 정도에 의해 배터리/전지 셀 내에서 발생하는 전압 강하에 따른 것이다.(공기 중에서는 이러한 과정은 좀더 빠른 속도로 이루어진다.) 캐소드 표면으로의 산소의 이동은 상술한 배터리/전지 셀 들의 전력을 실질적으로 제한하는 반응 단계에 해당한다.
해수를 전해질로 사용하는 갈바니 형태의 해수 전지 중 다른 형태는 마그네슘 애노드와 염화 구리 또는 염화 은으로 구성되는 캐소드를 포함한다. 이들 장시간용 배터리는 해수 내에 산소가 용해될 것을 필요로 하지 않지만, 출력 에너지 밀도가 낮고 통상적으로 무거우며 상당한 공간을 필요로 한다. 출력 에너지가 1 와트-년(watt-year)인 Mg/CuCl 배터리는 길이가 8 1/2 피트이고, 직경이 9 인치이며, 무게가 약 100 파운드 정도가 된다. 게다가, 이들 배터리는 디자인 측면에서 제한된 디자인 유연성(flexibility)을 가지며 길이 방향의 형태 측면에서도 제한적이다. 이러한 예들로는 미국특허 제4,601,961호, 제5,288,564호, 제6,656,628호 등에 개시되어 있으며, 이들 내용은 본 출원의 일부가 된다.
금속-공기 전지 셀들은 알루미늄, 마그네슘, 또는 아연 등의 금속으로 된 애노드와 이 금속 애노드로부터 일정한 공간을 두고 배치되어 애노드와 접촉하지 않는 공기 캐소드를 포함하는 것으로 알려져 있다. 애노드와 캐소드 사이에는 적합한 전해질이 제공된다. 애노드은 전해질 내에 담겨진다. 이러한 배터리들의 다양한 실시예들, 이들 배터리들의 제조 방법 및 사용방법의 다양한 실시예들은 여러 선행기술들, 예를 들어 미국특허 제5,004,654호, 제5,360,680호, 제5,376,471호, 제5,415,949호, 및 제5,316,632호 등에 의해 알려져 있다. 전형적인 금속-공기 배터리들과 금속-공기 연료 전지들은, 예를 들어, 미국특허 제6,127,061호에 기재되어 있다. 이러한 배터리 및 연료 전지들은 전압/전류 특성, 전력 및 에너지 밀도 특성, 디자인 유연성 특성 등에서 좋은 성능 특성을 가진다. 그러나, 이들 금속-공기 전지들은 해수를 사용할 수 없거나 해수에 침수될 수 없다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 해수에서 사용가능한 에너지원으로서 기능할 수 있고, 디자인 유연성을 가지며 적절한 무게를 가지는 전기-화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원을 제공하는 데 있다.
이러한 본 발명의 목적을 해결하기 위한 본 발명은 해수 및/또는 알칼리 용액이 전해질로 사용 가능한 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원으로, 특히 연료 전지 또는 배터리 형태가 되며,
(a) 전기 화학적 금속-공기 전지 셀에 사용되기에 적합한 적어도 하나의 애노드;
(b) 적어도 하나의 소수성 층을 구비하며 평판 형태인 적어도 하나의 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드; 및
(c) 하나 이상의 액체 불투과성 벽체에 의해 정의되며, 공기 또는 산소가 적어도 하나의 개구부를 통해 내부로 공급될 수 있는 내부 공간인 케이싱 공간(4)을 구비한 케이싱;을 포함하며,
(d) 상기 케이싱 공간의 하나 이상의 액체 불투과성 벽체들 중 적어도 하나는, 적어도 부분적으로 또는 영역-구분적(region-wise)으로, 상기 캐소드의 소수성 층에 의해 형성되며,
(e) 상기 애노드은 스페이싱(spacing)을 형성함으로써 캐소드로부터 이격되며, 상기 케이싱 공간 바깥쪽에 위치하며,
(f) 상기 애노드와 캐소드 사이의 상기 스페이싱은 적어도 부분적으로 전해질로 채워질 수 있으며, 상기 전해질은 해수, 염수 또는 알칼리 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 새로운 구조의 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원, 특히 다양한 해수 응용품이나 장비들에 사용될 수 있는 금속-공기 배터리/연료 전지의 새로운 구조가 제공된다. 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은, 해수에 용해된 산소가 전혀 없거나 거의 없는 경우에도 문제를 발생시키지 않고 작동 가능하다는 장점을 갖는다. 이는 케이싱 공간의 개구부를 통해 캐소드에 외부 공기가 공급될 수 있는 방식을 사용함으로써 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원가 해수 내에서도 사용가능하게 하기 때문이다. 종래 기술에 따른 해수 배터리와 달리, 본 발명의 경우, 해수에 용해된 산소를 이용해 캐소드를 환원하는 것이 필요하지 않고, 공기로부터 산소를 바로 이용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 거의 연속적으로 에너지를 공급할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 친환경적으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 하나의 전지 셀 또는 복수의 전지 셀을 포함하며, 그 외에도 추가적인 구성요소/프레임/케이싱/ 및 DC/DC 변환기 등과 같은 장치들을 포함한다. 각 전지 셀은 케이싱 공간의 내부 구성요소로 하나의 공기 캐소드 또는 한쌍의 공기 캐소드를 가지며, 하나 이상의 외부 애노드 요소를 구비한다. 각각의 외부 애노드 요소는 알루미늄, 아연, 마그네슘, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 아연 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 물질로 만들어진다. 애노드는 캐소드와 작은 간격을 두고 떨어지도록 배치되는데, 애노드 각각 역시 서로 떨어져서 형성되며 캐소드와 접촉하지 않는다. 전해질로서 해수가 애노드와 캐소드 사이에 제공된다. 외부 애노드은 완전히 또는 부분적으로 전해질에 담겨진다. 본 발명에 있어서, 해수가 전해질로 바람직하나 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 알칼리 용액을 전해질로 하더라도 동작 가능하다.
애노드은 알루미늄, 아연, 마그네슘, 및 이들의 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질로 만들어진다. 또한, 상당한 양의 첨가물로 갈륨, 인듐, 주석, 카드뮴, 납 등이 제공될 수 있다.
공기/기체 확산 캐소드는 복수의 층을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 적어도 하나의 전류 컬렉터 메쉬(mesh), 고-분산 다공성 탄소를 가진 기체 불투과성 친수성 활성층 및 기체 투과성 소수성 층을 포함할 수 있다.
에너지, 전압 및/또는 전류원의 케이싱은 플라스틱으로 만들어지며, 액체 기밀성을 가지도록 캐소드들이 설치된 하나 이상의 프레임 또는 프레임 형태의 구조체를 포함한다. 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원의 바람직한 실시예에서, 케이싱 공간의 벽체는 거의 입방체 모양을 갖도록 형성된다. 본 발명의 기술분야의 당업자들이라면 이러한 벽체의 형태로 다른 형태를 사용하는 것이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 케이싱 공간의 적어도 2개의 서로 대향하는 벽체들은 평판 형태의 캐소드 또는 캐소드의 소수성 층에 의해 각각이 적어도 영역 구분적으로 형성되는 것이 바람직하다.
케이싱 공간으로는 케이싱 공간 벽체 중 하나에 형성되는 적어도 하나의 관통 구멍을 통해 공기나 산소가 공급될 수 있다. 본 발명의 에너지, 전압 및/또는 전류원의 특정한 용도와 관련하여, 특히 해수에서의 에너지, 전압 및/또는 전류원의 위치와 관련하여, 관통 구멍은 케이싱 공간의 벽체의 상부 영역에 배열되는 것이 바람직하며, 나아가 더욱 바람직하게는 입방체를 형성하는 케이싱 공간 벽체들 중 상부 측면 벽체에 형성되는 것이 좋다. 다른 실시예에서는, 공기 공급 라인이 형성될 수 있는데, 공기 공급 라인은 상부 방향으로 연장 형성되는 것이 바람직하며 일체형으로 액체 기밀 방식으로 관통 구멍과 연결되거나 관통 구멍 내부로 연장 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 풍선이나 탱크와 같은 용기가 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원과 연결될 수 있는데, 특히 공기 또는 기체로 충전된 또는 충전 가능한 케이싱 공간과 연결될 수 있다. 공기 또는 기체는 용기에 형성된 적어도 하나의 개구부로부터 케이싱 공간으로, 특히 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드로 공급될 수 있다. 이 실시예에서, 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 대기에 영향을 받지 않는데, 이에 따라 용기는 케이싱 공간 내부에 배치될 수 있다. 또한, 공급 배관을 통해 공기 또는 기체가 용기로부터 케이싱 공간으로, 특히 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드로 공급될 수도 있다.
본 발명의 추가적인 특성들은 첨부된 특허청구범위의 종속 청구항들과 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명 및 첨부된 도면들로부터 도출될 수 있다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 단일 또는 2개의 캐소드를 포함하는 통상의 금속-공기 배터리/연료 전지의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버스(inverse) 연료 전지/배터리의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리가 해수에 담겨져 있는 모습의 단면도이다.
도 5 및 6은 도 3에 도시된 인버스 배터리가 병렬 및 직렬로 연결된 모습을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 인버스 해수 배터리의 모습의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 금속-공기 배터리 / 연료 전지
2 : 애노드 3 : 캐소드
4 : 케이싱 공간 5 : 전해질
6 : 측면 벽체 7 : 바닥 벽체
8 : 연료 전지 / 공기-금속 배터리, 전압 / 전류원
9 : 플라스틱 케이싱 10 : 메쉬형 층
11 : 전기 배선 12 : 케이블
13 : 스페이싱 14 : 관통 구멍
15 : 프레임 구조체 17 : 공기 공급 배관
18 : 전극 연결 19 : 음의 출력
20 : 양의 출력 21 : 해수
22 : 부하 23 : 고무 스트립 테이프
24 : 관통 구멍 25 : 상부 벽체
26 : 하부 벽체 27-30 : 측면 벽체
도 1 및 2는 하나의 단일 캐소드을 구비하는 금속-공기 배터리/연료 전지(1)와 2개의 캐소드(bi-cathode, 3)를 구비하는 금속-공기 배터리/연료 전지(1)를 각각 도시한다. 단일 및 2개의 캐소드(3)는 각각 기체 투과성 소수성 층이 대기와 대향하여 환원 작용을 위한 산소를 흡수하도록 배열 및 배치되어 있다. 도 1에 도시된 금속-공기 배터리/연료 전지(1)에서, 단일 캐소드(3)는 측면 벽체(6) 및 바닥 벽체(7)와 함께 내부 케이싱 공간(4)을 형성하는데, 내부 케이싱 공간(4) 내부에는 전해질이 채워진다. 애노드(2)는 전해질(5) 내부에 담겨져 있다. 도 2에 도시된 금속-공기 배터리/연료 전지(1)에서는, 측면 벽체(6)가 2개의 캐소드(3)에 의해 형성된다. 단일 캐소드(3)와 2개의 캐소드(3)는 각각 소수성 층을 구비하는데, 소수성 층은 기체에 불투과성이며 케이싱 공간(4)을 대향하는 측면에 형성된다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지, 전압 및/또는 전류원, 즉 인버스 연료 전지/공기-금속 배터리(8)를 도시한다. 전기 화학적 에너지, 전압 및/또는 전류원(8)은 실질적으로 직육면체 형태인 플라스틱 케이싱(9)을 구비한다. 케이싱(9)은 상부 벽체(25), 하부 벽체(26), 및 측면 벽체들(27, 28, 29, 30)에 의해 형성된다. 케이싱(9)의 측면 벽체들(28, 29)은 2개의 편평한 평판 형태의 캐소드(3)에 의해 형성된다. 2개의 캐소드(3) 각각은 케이싱(9)의 프레임 구조체(15)에 액체 기밀이 되도록 하는 적합한 방식으로 연결된다. 2개의 프레임 구조체(15)는 각각 상부 및 하부 벽체(25, 26) 및 측면 벽체들(27, 28)에 일체로 연결되거나 이들 내부로 연장 형성된다.
캐소드(3) 및 2개의 캐소드(3)는 각각 공기/기체 확산 캐소드이다. 각 캐소드들은 열가소성 화합 물질로 형성되고 다층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 다층 구조에서 하나의 층은 전류 컬렉터 층이 되는데, 수지상 돌출부(dendritic protrusions)를 구비하며, 니켈, 구리와 같은 불활성 금속에 금, 니켈, 납, 주석 등을 도금한 것들 중 선택되는 것으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 기체 불투과성 친수성 활성층도 형성되는데 이러한 층은 고분산 다공성 탄소로 만들어지는 것이 좋다. 나아가 다공성 탄소로 만들어지는 기체 투과성 소수성 층이 더 형성될 수 있다. 소수성 층과 친수성 활성층은 백금-팔라듐(Pt-Pd) 또는 은 또는 산화은과 같은 귀금속 및/또는 탄소 나노튜브와 같은 복합 매크로사이클(macrocycle) 또는 킬레이트(chelates)에 의해 촉매 처리될 수 있다. 기체 투과성 소수성 층으로는 PTFF 다공성 멤브레인이 사용될 수 있다.
일반적으로, 기체 확산 캐소드(3)는 미국특허 제4,448,856호, 제4,885,217호, 제5,313,701호, 제5,441,823호, 제6,127,061호, 및 제6,203,940호 등에 개시되는 많은 실시예들의 일반적인 금속-공기 배터리/연료전지에서 사용되는 산소/공기 전극과 유사하다. 상술한 특허들은 적절한 전극의 형성하는데 참고자료로 사용될 수 있다.
벽체들(25-30)과 프레임(15)에 의해 정해지는 케이싱 공간은 상부 측면 벽체(25)에 형성된 관통 구멍(24)을 포함한다. 이 관통 구멍(24)을 통해 공기 또는 산소가 케이싱 공간(4)으로 공급될 수 있다. 공기 공급 배관(17)은 상부 측면 벽체(25)로부터 수직 방향으로 연장 형성된다. 공기 공급 배관(17)은 그 단부들 중 어느 하나가 관통 구멍(24)에 연결되거나 관통 구멍 안으로 연장 형성된다. 공기 공급 배관에 의해 전기 화학적 에너지, 전압 및/또는 전류원은 해수 내로 깊게 잠길 수 있게 된다. 여기서, 공기 공급 배관의 다른 단부, 즉 케이싱 공간(4)과 반대되는 방향에 있으며 개구부(14)가 형성된 단부는 해수면 위에 위치한다는 것이 중요하다. 그러면, 케이싱 공간(4)과 캐소드(3)는 공기 공급 배관을 통해 외부 공기나 대기 성분을 계속 공급받을 수 있게 된다.
캐소드(3) 각각은 케이싱 공간(4)을 대향하는 측면에 형성된 기체 투과성 소수성 층을 구비한다. 각 캐소드(3)의 외부 측면, 즉 케이싱 공간(4)으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 측면에는 기체 불투과성 친수성 활성층이 형성된다. 메쉬 형태의 층(10)은 캐소드의 외부 및 내부 층 사이에 배치되며, 전기 배선(11), 특히 전기적 플러스 연결을 형성하는 전기 케이블에 연결된다.
케이싱 공간(4) 외부, 즉 캐소드(3)와 반대되는 쪽에 평판-형태(plate-shaped) 애노드(2)가 배열된다. 애노드(2)는 캐소드(3)와 소정의 거리를 두고 이격되도록 배열되어 스페이싱(13)을 형성한다.
런다운(run-down)된 이후에, 애노드판(2)은 새로운 애노드판과 쉽게 기계적으로 교체될 수 있다(배터리 충전). 애노드 매트릭스 물질은 알루미늄, 아연, 마그네슘, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속에 의해 만들어지며, 첨가물로 갈륨, 인듐, 주석, 카드뮴, 및 납 등을 하나 이상으로 상당량 포함할 수 있다.
각 애노드은 전기 배선 또는 케이블(12)에 연결되는 연결 단자(18)를 구비한다. 연결 단자는 전기적 마이너스 연결을 형성한다.
도 4는 해수(21)에 담겨진 상태의 인버스 배터리(8)의 측단면을 도시한다. 스페이싱(13)을 사이에 둔 애노드(2) 및 캐소드(3)의 배열에 각각 대응되는 배선 및 케이블(11, 12)들은 연료 전지의 두 쌍의 플러스/마이너스 출력(19, 20)을 형성한다.
인버스 배터리(8)의 기본적인 전기 화학적 반응과정은 다음과 같은 해수 용액에서의 전기 화학 반응을 이용하여 설명한다.
애노드(2)(알루미늄 음의 전극)의 용해는 스페이싱(13)에서 하기의 식과 같이 발생한다.
4Al + 16OH- → 4Al(OH)4 - + 12e-
산소 분자는 대기로부터 공기 공급 배관(17)과 관통 구멍(24)을 거쳐 케이싱 공간(4)으로 들어오고 기체 확산 캐소드(3)의 기체 투과성 층으로 확산한다. 용액 내의 산소의 확산이 매우 천천히 발생하여 출력 전압의 저하와 전압의 저하, 및 이에 따른 전력 중단 현상을 초래하였던 종래 기술에 따른 해수 배터리와 달리, 본 발명의 배터리의 경우 대기에 직접 노출되기 때문에 본 발명에 따른 배터리에서의 산소 분자의 확산은 매우 빠른 속도로 일어난다.
양의 전극/기체 확산 캐소드(3)에서의 산소의 환원은 다음과 같은 식에 따라 발생한다.
3O2 + 6H2O + 12e- = 12OH-
요약하면,
4Al + 3O2 + 6H2 → 4Al(OH)3
이와 같은 산화 환원 반응에서, 전자들은 각각 애노드(2)에서부터 배선(11) 및 부하(22), 한 쌍의 출력 단자(19, 20)의 배선(12)을 따라 각각의 기체 확산 캐소드(3)로 흘러가고, 이에 따라 부하는 각각의 출력 단자(19, 20)에 분리되어 연결된다. 도 5는 단극 배선(11, 12)을 병렬로 연결함으로써 형성되는 애노드(2)와 캐소드(3)가 각각 병렬로 배열되거나 병렬로 연결되는 모습을 도시한다. 이러한 전기 회로 연결의 병렬 연결은 각 개별 연료 전지 셀의 출력 전압을 가지게 하고, 소스 임피던스를 양적으로 2배 작아지게 한다. 따라서 전류 및 전력은 양적으로 2배 높아진다. 이러한 경우, 전류의 손실은 없다.
도 6은 제1 연료 전지에 속하는 출력 단자(20)의 양의 배선(11)이 제2 연료 전지의 출력 단자(19)의 배선(12)에 연결되는 애노드(2)와 캐소드(3)의 직렬 연결을 도시한다. 직렬 연결은 매우 좁은 스페이싱(13) 내의 해수 전해질로 인한 전류 손실 감소에 따라 출력 전압을 거의 2배로 증가시킨다.
본 발명에 따른 인버스 해수 배터리의 개략도가 도 7에 도시된다. 육면체 형태의 플라스틱 케이싱(9)의 크기는 9cm × 5cm × 2cm이며, 폴리에틸렌인 플라스틱 물질로 형성된다.
애노드의 재료로는 99.4% w/w의 알루미늄에, 알루미늄 매트릭스에 편입되는 0.6%w/w의 인듐이 첨가물로 추가된 것이 사용된다. 애노드 평판의 크기는 8.5cm × 4.5cm × 0.2cm이며, 각 평판의 무게는 28g이다. 애노드(2)는 음의 전극 연결 단자(18)를 구비하는데, 음의 전극 연결 단자(18)는 전류 컬렉터가 되는 절연 배선(12)에 연결된다. 애노드 평판(12)은 고무 스트립 테이프(23)에 의해 케이싱(9)의 양 측면에 느슨하게 부착된다. 애노드 평판 표면과 캐소드(3)의 기체 불투과성 친수성 활성 외부층 사이의 스페이싱(13)의 폭은 1.5mm이다.
캐소드(3)의 캐소드층은 측면 각각에 32㎠로, 합쳐서 약 64㎠의 크기를 갖는 전기 화학적 반응을 위한 활성 영역을 구비한다. 열가소성 화합물 캐소드 층은 친수성 활성층, 기체 투과성 소수성 층, 및 전류 컬렉터 메쉬층과 같은 3개의 층을 가진다. 전류 컬렉터 메쉬, 예를 들어 니켈 메쉬는 소수성 및 친수성 화합물의 혼합물 속에 들어가는데, 이에 따라 니켈 메쉬와 앞서 언급한 층들사이의 견고한 결합이 발생하게 된다. 캐소드 구조 및 그 제조 방법에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 주요 구성에 해당하지 않는다.
테스트에서, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리는 물 1리터당 해수 염분이 5% w/w의 농도로 들어가 있는 해수 용액에 완전히 담겨진다. 전기 회로에서 측정된 전압은 병렬 연결의 경우(도 5) 출력 단자(19, 20)에서의 각 연료 전지 셀의 전압이 1.2V를 초과하였다. 직렬 연결의 경우(도 6), 시험 배터리는 약 2.2V의 전압을 보여주었고 끊김없이 지속적으로 1A의 부하에서 1.4V의 전압 뿐 아니라 0.6A의 부하에서 약 1.9V의 전압을 공급하였다.
배터리가 50% 정도 방전된 경우, 애노드의 중량은 약 50%로 감소하였으며, 에너지 용량은 약 70 와트-시(watt-hours)였다. 에너지 밀도는 해수 용액 내에서 전기 화학적 반응이 발생한 캐소드/애노드 스페이싱에서 약 0.03W/㎠이었다. 이들 값들은 종래 해수 배터리에서의 값들의 10배를 넘는 값들이다.
이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원은 상술한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 이하 기재되는 특허청구범위에 기재된 내용의 범위 내에서 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 산정할 수 있는 여러 가지 변형된 형태 역시 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (22)

  1. 해수(21) 및/또는 알칼리 용액이 전해질로 사용 가능한 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원으로, 특히 연료 전지 또는 배터리 형태가 되며,
    (a) 전기 화학적 금속-공기 전지 셀에 사용되기에 적합한 적어도 하나의 애노드(2);
    (b) 적어도 하나의 소수성 층을 구비하며 평판 형태인 적어도 하나의 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3); 및
    (c) 하나 이상의 액체 불투과성 벽체(15, 25-30)에 의해 정의되며, 공기 또는 산소가 적어도 하나의 개구부(24)를 통해 내부로 공급될 수 있는 내부 공간인 케이싱 공간(4)을 구비한 케이싱(9):을 포함하며,
    (d) 상기 케이싱 공간(4)의 하나 이상의 액체 불투과성 벽체(15, 25-30)들 중 적어도 하나(29, 30)는, 적어도 부분적으로 또는 영역-구분적(region-wise)으로, 상기 캐소드(3)의 소수성 층에 의해 형성되며,
    (e) 상기 애노드(2)는 스페이싱(spacing, 13)을 형성함으로써 캐소드(3)로부터 이격되며, 상기 케이싱 공간(4) 바깥쪽에 위치하며,
    (f) 상기 애노드(2)와 캐소드(3) 사이의 상기 스페이싱(13)은 적어도 부분적으로 전해질(5)로 채워질 수 있으며, 상기 전해질은 해수(21), 염수 또는 알칼리 용액인 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케이싱은 플라스틱 재질로 형성되며, 액체 밀봉 방식으로 캐소드(3)가 설치되는 프레임(15) 또는 프레임 형태 구조물(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이싱 공간(4)의 벽체(15, 25-30)들은 실질적으로 입방체 모양을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱 공간(4)의 적어도 2개의 서로 대향하는 벽체(29, 30)들 각각은 상기 평판 형태의 캐소드(3) 또는 상기 평판 형태 캐소드(3)의 소수성 층에 의해 적어도 영역 구분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드(3) 각각은 상기 케이싱 공간(4)으로부터 멀어지는 쪽 측면에 평판 형태의 애노드(2)가 위치하도록 형성되며, 상기 평판 형태의 애노드(2)는 상기 케이싱(4)에 착탈 가능하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱 공간(4)에는 상기 케이싱 공간 벽체(25)들 중 하나에 형성된 적어도 하나의 관통 구멍(24)을 통해 공기 또는 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  7. 제6항에 있어서, 상기 관통 구멍(24)은 캐소드(3)에 의해 형성되는 것이 아닌 케이싱 공간(4)의 벽체(25)에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  8. 제6항 또는 7항에 있어서, 전압/전류원(8)의 미리 정해진 용도에 있어서, 상기 관통 구멍(24)은 상기 케이싱 공간(4)의 상부 영역에 있는 벽체(15, 25-30)들에 배열되며, 특히 입방체 모양을 형성하는 케이싱 공간 벽체(15, 25-30)들 중 상부의 측면 벽체(25)에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  9. 제6항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 방향으로 연장 형성되는 공기 공급 배관(17)이 액체 밀봉식으로 상기 관통 구멍에 일체형으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  10. 제6항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 공급 배관은 상기 관통 구멍(24)과 반대되는 방향에 형성된 공기 입구 개구부(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  11. 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드(3)는 기체 투과성 소수성 층, 기체 불투과성 친수성 층, 및 전기적 도전성 요소를 포함하며, 상기 전기적 도전성 요소는 전기적 도전층 또는 전류 컬렉터 층인 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  12. 제1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱 공간(4)의 상기 벽체들(15, 25-30)은 상기 벽체들(15, 25-30)에 형성된 관통 구멍(14)을 제외한 부분에서 상기 케이싱 공간(4)을 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  13. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 투과성 소수성 층은 상기 케이싱 공간(4)을 대향하는 쪽에 배열되며, 상기 기체 불투과성 친수성 층은 상기 케이싱 공간(4)으로부터 멀어지는 쪽에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  14. 제1항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 도전층 또는 전류 컬렉터 층은 각각 상기 기체 투과성 소수성 층과 상기 기체 불투과성 친수성 층 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  15. 제1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)는 열가소성 탄소 화합물인 플라스틱-탄소 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  16. 제1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)는, 니켈 또는 이와 유사한 불활성 금속 또는 금, 백금, 니켈, 납 또는 주석으로 도금된 알루미늄 또는 구리 또는 이와 유사한 반응성(non-inert) 금속으로 된 적어도 하나의 전기적 도전층 또는 전류 컬렉터 층을 포함하는 다수의 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  17. 제1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 도전층 또는 전류 컬렉터 층은 각각 수지상 돌출부(dendritic protrusion)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  18. 제1항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)는 소수성 층 및 친수성 층을 포함하는데,
    상기 친수성 층은 백금-팔라듐(Pt-Pd), 금, 또는 산화은과 같은 귀금속, 및/또는 탄소 플러렌(carbon fullerenes)이나 탄소 나노튜브와 같은 복합 매크로사이 클(macrocycle) 또는 킬레이트(chelates)에 의해 촉매 처리된 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  19. 제1항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 풍선이나 탱크와 같은 용기가 상기 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원에 연결되되, 상기 케이싱, 특히 상기 케이싱 공간(4)에 연결되며,
    상기 케이싱 공간(4)은 공기 또는 기체로 충진되거나 충진될 수 있으며,
    상기 기체는 상기 용기에 형성된 적어도 하나의 개구부를 통해 상기 케이싱 공간(4)으로 공급될 수 있으며, 특히 상기 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  20. 제1항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용기는 상기 케이싱 공간(4) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  21. 제1항 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서, DC/DC 또는 DC/AC 변환기가 부하에 적합하도록 상기 케이싱 공간 내부에 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
  22. 제1항 내지 21항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 또는 기체가 상기 용기로부터 상기 케이싱 공간(4)으로, 특히 상기 기체 확산 캐소드 또는 공기 캐소드(3)에 공급되도록 하는 공급 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 에너지 및/또는 전압 및/또는 전류원.
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