KR20110109141A - 카트리지 분리형 금속 공기 전지 - Google Patents

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Abstract

카트리지 분리형 금속 공기 전지에 대한 발명이 개시된다. 개시된 카트리지 분리형 금속 공기 전지는, 인쇄회로기판, 인쇄회로기판상에 돌출 형성되는 음극침, 인쇄회로기판상에 음극침을 감싸면서 돌출되어 공간을 형성하는 공기 양극 및 공기 양극의 공간 내에 분리장착 가능하게 설치되고, 장착시 음극침과 접촉되는 전해액 포켓과 금속 연료가 구비되는 연료 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

카트리지 분리형 금속 공기 전지{CARTRIDGE SEPERATE TYPE METAL-AIR BATTERY}
본 발명은 금속 공기 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 반 영구적으로 사용가능한 전극어셈블리에 금속연료 카트리지를 일회용으로 분리 장착가능하게 설치하므로 연료 교환을 손쉽게 수행하여 사용상의 편리함을 제공하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 금속 연료 전지는 금속과 공기의 반응에 의해 얻어지는 전기에너지를 사용하는 것으로서 오랜 기간 많은 연구 개발이 진행되어 왔다. 특히 그 안전성과 경제성, 고 에너지 밀도로 인해 근래에 매우 필요한 전지로서 위치를 차지하고 있다.
하지만, 금속 연료 전지는 고체 금속 연료를 사용하며 그 생성물도 고체이므로 전지 시스템에 모두 내재하기 때문에 기계적인 청소나 교체가 매우 어려운 것으로 알려져 왔다.
금속 연료 전지는 금속을 전기화학적인 연료로서 사용하여 전기를 발생하는 장치로서 마그네슘, 알루미늄, 아연, 특별하게는 리튬이 사용된다. 또한 가능한 금속 연료로서, 철, 실리콘, 망간, 티타늄과 같은 원소들도 이론상 가능하여 시도된 바들이 있다.
이 금속들을 산화시키는데 있어서 상대전극인 공기 양극 또는 산소 전극(이하 공기 양극이라고 함), 일부에서는 기체 확산 전극 등 다양한 이름으로 불리는 전극이 사용되며, 특히 공기를 사용하는 경우, 우리들 주변에 무한히 존재하는 산화제이므로 금속 연료만 교체해주면 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.
또한, 기계적인 충전이 가능하여 여러 형태의 재 충전식 금속 연료 전지가 개발되어 있으며, 전기 충전에 비해, 충전시간이 짧기 때문에 아웃 도어나 군용 전지로서 매우 적합한 휴대용 전원이다.
그리고, 금속 연료 전지 혹은 금속 공기 전지는 그 높은 비에너지와 안전성으로 인해 비상용과 보청기용, 군용으로 사용되고 있다.
이 중에서 야외에서 금속연료를 교환할 수 있는 부류는 충전시간이 극히 짧다는 장점 때문에 많은 연구가 되어오고 있다.
통상적으로, 1~10시간이 소요되는 일반 충전식 전지는 군용이나 비상용, 아웃 도어용으로는 불리하여 사용자들은 수 분 이하의 충전시간이 소요되는 금속 연료 전지를 필요로 하고 있다.
그러나, 몇 가지 중요한 이유들로 인해 시장성은 제한되고, 사용자 역시 불편을 겪어야 하는데, 연료 교환시 내부의 금속 산화물 찌꺼기를 제거해야 한다는 문제점과, 다수의 금속 연료를 연결하는 단자들의 연결이 불편하다는 문제점과, 여기에 단자들 간의 부식과 접촉 저항 손실이 크다는 문제점들에 부딪치게 된다.
이는 금속 전극이 산화되면서 발생하는 여러 가지 문제점들과, 접촉 단자들의 문제점, 높은 자가방전율과 생산시 겪게 되는 까다로운 특성과 이에 따른 높은 불량의 문제점이 따르기 때문이다.
현재까지 개발된 금속 연료 전지의 구조들에 대해 소개하면 다음과 같다.
미국등록특허 제6,057,052호(Cell for metal-air battery, Yaron Shrim et al)는 공기 양극이 양면을 에워싸고 그 안에 금속 연료 포켓이 들어가게 되어 있는 전형적인 금속 연료 전지의 구조를 보여주며, 전극 단자들과 연결부위의 복잡한 구조들을 제시하였다. 이 발명의 경우에는 금속 연료 전극을 별도로 구비하면 연료를 교체할 때 단자들을 연결해주어야 하는 별도의 작업이 필요하며, 이로 인해 단자의 접촉 저항 손실과 단자 무게의 증가 단자를 결합하는 불편한 작업들이 추가된다.
미국등록특허 제6,312,844호(Metal air fuel cell battery system having means for discharging and recharging metal fuel cards supplied from cassette type storage device, by Sadeg. Faris)에서는 카세트형의 금속 연료 카드를 사용한 시스템을 보여주고 있으나 음극 카세트를 빼내고 이동하여 충전과 방전을 별로로 하는 형태로서 편의성이 부족하다.
또, 미국특허 출원 제2002-0160247호(Metal air cell system, George Tzong-Chyi Tzeng et al)에서는 유연한 양극 어셈블리 내부에 공기가 주입되고, 외부는 연료 전극으로 둘러싸인 구조를 고안하였다. 단단한 종전의 것에 비해 양극 어셈블리를 셀로부터 제거할 때 잘 빠져나올 수 있지만, 여전히 불편하다는 문제점을 지니고 있다.
국제 출원 WO 제2002/073732호(Refuelable metal air electrochemical cell and refuelable anode structure for electrochemical cell, Ma Fuyuan et al.)에서는 양극 포켓에 음극 카트리지를 삽입하는 형태로서 음극 카트리지 안에 금속 연료 겔이 들어있으며 상단에 단자를 포함하고 있다. 이것 역시 음극과 양극이 분리가 되어 있어서 단자의 결합이 필요하다.
또, 국제출원 WO 제2003/041211호(Rechargeable and refuelable metal air electrochemical cell, Tsai Tsepin et al)은 아연 연료를 채운 음극을 공기 양극 어셈블리에 넣고 방전하여 전기를 생산하고 이것을 꺼내어 충전용 양극을 포함하는 셀에 넣어 전기적 충전까지 할 수 있는 것을 보고하였다. 이것 역시 음극어셈블리가 별도로 분리되어 있기 때문에 매우 불편하다.
그리고 국제출원 WO 제2003/071620호(Metal air cell system, Tsai Tsepin et al)는 양극 구조물에 들어 있는 겔화된 음극 구조물을 양극 구조물로부터 용이하게 분리해내도록 고안하였다. 역시 수직으로 빼내는 작업이 쉽지 않고 빼는 과정에서 겔이 붕괴되거나 셀 내부를 상하게 할 수 있다.
국제출원 제WO2004/038829호(System for convenient introduction and removal of electrolyte in mechanically rechargeable metal air cells, William Moris et al)에서는 금속 연료 카트리지를 편리하게 장입하고 제거하는 방법에 대해 기술하였으나 카트리지 외벽에 단자가 구비되어야 하며 이 단자는 전지케이스의 단자와 결합되어야 하는 제약조건을 여전히 갖고 있다.
현재까지 개발된 금속 연료 전지의 단점들은 모두 소모된 연료 전극을 빼내기 어려운 상황에서 기인하며, 이에 대한 문제점들을 열거하면 다음과 같다.
기본적으로 양극과 음극 단자는 결합이 되어 있어야 하며 그렇게 함으로써 각 셀간의 단자 결합의 수고를 제거할 수 있다. 한국특허등록 제0523268호(아연겔의 재충전이 가능한 아연 연료 전지, 백동수)에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 구조를 지니고 있다.
이 발명에서는 전극 간의 결합이 이미 이루어져 있으며 단지 아연겔만을 주입하거나 빼내는 것만으로 반복적인 사용이 가능하게 되어 있다. 그렇지만 아연겔을 주입하는 별도의 장치가 있어야 하며 주입하는 시간도 많이 걸리게 되고 소모된 아연겔을 제거하는 것이 완전하지 않다는 단점이 있다. 또한 아연겔을 장기간 보관할 수 없다는 문제로 인해 사용상의 제약이 많다.
금속 연료의 장기 보존성의 문제가 심각한 이유는 그 안에 전해질과 함께 음극 집전체(current collector)가 들어 있기 때문이다. 음극 집전체는 구리 혹은 구리 합금이나 기타 금속으로 되어 있는데 이들과의 접촉시 부식 회로를 형성하기 때문이다. 이를 방지 하기 위해서는 전해액을 별도로 보관하는 것이 가장 효과적이며 차선책으로는 이 집전체과 같이 있지 않고, 분리되도록 하는 것이다.
장기 보존성을 확보하기 위해서 전해액을 별도로 보관하는 형태는 한국특허등록 제0897367호(전해액을 격리보관한 금속 공기 전지, 백동수 등)에서 유연한 전지 어셈블리와 유연한 전해액 용기가 고정된 크기의 전지케이스 안에 있으면서 격막을 터뜨리면 전해액이 유입되면서 활성화되는 것을 제안한다.
또한, 한국특허등록 제0886589호, 미국 출원 제2008-0124599A1호(공기 아연 전지, 백동수)에서는 전해액 용기를 별도로 전지의 상부에 위치하게 하며 시작할 때는 용기를 눌러서 전해액이 주입되도록 하였다.
상기한 특허들은 일회용 전지에 국한된 것으로서 비상용으로 사용할 수 있도록 장기보존성을 부여한 것이지만, 연료의 재충전이나 소모된 연료의 교체가 불가능하다.
이러한 두 가지 목적을 다 달성하는 것으로서는 한국특허등록 제0859957호(스택형 연료전지, 백동수)에서는 전해액을 별도로 보관하는 기능을 갖고 있으나, 음극어셈블리와 양극어셈블리를 교대로 케이스에 넣어서 조여야 하는 불편함이 있고, 비록 겔을 사용한다고 하더라도 전해액이 스며 나오는 부작용을 막기 어려운 단점이 있다.
그리고, 상기한 여러 기존의 결과에서 초래한 공통적인 단점은 먼저 금속 연료를 음극 카트리지 안에 넣었기 때문에 발생하는 것으로서, 음극은 별도의 금속성 물체를 필요하게 되고 이로 인한 갈바닉 부식이 존재하여 보존 기간을 짧게 할 뿐 아니라 단자들을 연결하는 것이 불편하고 단자의 부식의 문제가 있다.
전술한 발명은 본 발명이 속하는 기술분야의 배경기술을 의미하며, 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창출된 것으로서, 반 영구적으로 사용가능한 전극 어셈블리에 금속 연료 카트리지를 일회용으로 분리 장착가능하게 설치하므로 연료 교환을 손쉽게 수행하여 사용상의 편리함을 제공하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지를 제공하는 것이 목적이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지는, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 상에 돌출 형성되는 음극침; 상기 인쇄회로기판 상에 상기 음극침을 감싸면서 돌출되어 공간을 형성하는 공기 양극; 및 상기 공기 양극의 공간 내에 분리장착 가능하게 설치되고, 장착시 상기 음극침과 접촉되는 전해액 포켓과 금속 연료가 구비되는 연료 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 한다,
또한, 상기 음극침은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 수직으로 고정되고, 상기 공기양극은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 접착제로 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극침은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 형성되되, 상기 공기양극의 중심 또는 주변에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극침은 상부 끝단이 날카롭고 바닥부위가 넓은 형태의 전기전도성 재질이고, 상기 전해액 포켓의 바닥을 통과하는 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극침의 단자와 상기 공기 양극의 단자는 상기 인쇄회로기판을 관통하여 상기 인쇄회로기판의 배면에 형성된 도전층과 납땜으로 연결 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인쇄회로기판의 배면에는 누전방지를 위해 도전층과 납땜을 덮어주는 절연층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기 양극의 상측에는 상부를 고정하고, 상기 연료카트리지와 결합하기 위한 공기 양극 상판을 구비하는 것을 특징으로 한다,
또한, 상기 공기 양극 상판에는 끼움 홈이 형성되고, 상기 끼움 홈에 상기 공기 양극의 상부가 삽입되어 접착제로 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료카트리지는 상기 전해액 포켓과 상기 금속 연료를 상, 하부에 각각 수용하는 연료용기; 상기 연료용기의 상측 가장 자리에 형성된 용기 상판; 및 상기 용기 상판에 덮여지는 상측 덮개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 연료는 아연, 마그네슘, 알루미늄, 리튬 중 어느 하나이거나 그들의 합금이며, 10~1000 μm 크기의 분말 상으로서, 그 안에 분말상의 겔화제인 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 아크릴 수지, 전분, 한천, 밀가루, 젤라틴, 곡물가루 및 상업화된 제품인 카보풀(BF Goodrich 사의 Carbopol™ ) 중에 선택된 적어도 어느 일부와 섞여 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전해액 포켓은 진공 성형한 얇은 플라스틱재질의 필름용기에 전해액이 수용되고, 상측에 동종의 필름덮개가 접착 또는 융착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필름덮개는 상기 필름용기 상측 테두리에서 외측으로 돌출되는 걸림부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료용기는 다공성 물질로 이루어지고, 주변에는 멤브레인 혹은 세퍼레이터가 둘러싼 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료 용기의 바닥은 탄력있는 고무 혹은 고무 성질의 플라스틱 재질로 되어 있어서 쉽게 관통이 되면서 상기 음극 침과 밀착한 특성을 보이도록 하는 탄성막으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료카트리지는 상기 용기 상판, 상기 전해액 포켓 주변 및 상기 덮개가 서로 접착되어 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지는 상기 인쇄회로기판 상에 상기 음극침을 다수 배열하여 금속 공기 전지를 여러 개의 셀로 이루는 직렬회로로 구성되는 경우, 상기 인쇄회로기판에서 에칭에 의해 다수의 음극침과 공기 양극이 직렬로 연결되어 사용 전압을 높이도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예 및 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지는 상기 공기 양극은 개별의 음극침을 각각 덮거나 다수의 음극침을 모두 덮도록 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지는 반 영구적으로 사용가능한 전극 어셈블리에 금속 연료 카트리지를 일회용으로 분리 장착가능하게 설치하므로 연료 교환을 손쉽게 수행하여 사용상의 편리함을 제공할 수 있다.
또한, 금속연료와 전해질의 장기보존성을 확보할 수 있어서 비상용 혹은 야외용, 전기 차량용으로 사용할 수 있다.
또한, 공기 양극의 중심부에서 금속재질의 음극침이 금속 연료에 의해 둘러싸이게 됨으로써 갈바닉 부식 반응에 의한 수소 발생이나 음극 침의 부식 층의 형성을 방지하는 효과가 있다.
또한, 전해액이 필름용기 안에 들어있으므로 삽입할 때 전해액이 사용자에게 접촉될 가능성은 없으며 제거할 때에는 겔이 형성되어 카트리지 안에 갇혀 있으므로 사용이 간편하고 안전한 취급이 가능하다.
또한, 재충전시 연료 카트리지를 삽입하기만 하면 되고 여기에 단자 연결이나 용액을 별도로 주입할 필요가 없기 때문에 짧은 시간 내에 신속한 재충전이 되는 장점이 있다.
또한, 내부에 집전체로 사용될 이종의 금속이 존재하지 않기 때문에 금속 연료를 쉽게 재생하는 것이 가능하다.
또한, 더 나아가 인쇄회로기판에 음극과 양극이 집합적으로 심은 직렬 회로 어레이 구조로 인해 조립과 생산이 편리하고, 양산성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분리 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 삽입 전 상태 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 삽입 상태 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 방전 진행상태 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 분리 후 상태도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 저면 사시도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 저면 사시도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지를 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 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분리 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 삽입 전 상태 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 삽입 상태 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 방전 진행상태 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 카트리지의 분리 후 상태도이다.
도 1 내지 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지(100)는, 인쇄회로기판(10), 인쇄회로기판(10) 상에 돌출 형성되는 음극침(20), 인쇄회로기판(10) 상에 음극침(20)을 감싸면서 돌출되어 공간(32)을 형성하는 공기 양극(30) 및 공기 양극(30)의 공간 내에 분리장착 가능하게 설치되고, 장착시 음극침(20)과 접촉되는 전해액 포켓(70)과 금속 연료(62)가 구비되는 연료 카트리지(50)를 포함한다.
인쇄회로기판(10), 음극침(20) 및 공기 양극(30)을 포함하여 반영구적으로 사용이 가능한 전극 어셈블리가 구성된다.
음극침(20)은 인쇄회로기판(10)의 바닥에 수직으로 고정된다.
음극침(20)은 인쇄회로기판(10)의 바닥에 형성되되, 공기 양극(30)의 중심 또는 주변에 형성된다. 본 발명의 실시예에서는 공기 양극(30)의 중심에 형성되는 상태를 도시하고 기술한다.
음극침(20)은 상부 끝단이 날카롭고 바닥부위가 넓은 형태의 전기전도성 재질이고, 전해액 포켓(70)의 바닥을 통과하는 길이를 갖는다.
음극침(110)은 상단이 표족한 모습을 가지므로 연료 카트리지(50)의 금속연료(62)와 전해액 포켓(70)을 뚫고 들어가기에 용이한 구조이며, 기계적인 강도와 금속 연료(62)와의 전기적인 접촉을 고려하여 선택되어야 한다.
음극은 금속재질의 음극침(110)으로 만들어서 전지의 중심에 놓이고, 그 주변을 공기 양극(30)으로 둘러싸는 형태로 제작되어 금속재질의 음극침(30)이 금속 연료(62)에 의해 둘러싸이게 됨으로써 갈바닉 부식 반응에 의한 수소 발생이나 음극 침(30)의 부식 층의 형성을 방지하는 효과가 있다.
음극침(110)으로 사용가능한 금속들은 금속 연료보다도 더 노블(Noble)한 금속들이 모두 포함되고 일반적으로 조달이 가능한 재료로서는 철, 구리 혹은 구리합금, 즉 황동 및 청동, 니켈 혹은 니켈합금, 은, 금, 티타늄, 탄소(흑연) 등이며, 이들의 합금 외에도 적절하게 도금된 것들이 모두 사용될 수 있다.
음극침(20)의 단자(22)와 공기 양극(30)의 단자(34)는 인쇄회로기판(10)을 관통하여 인쇄회로기판(10)의 배면에 형성된 도전층(12)과 납땜(16)으로 연결 고정된다.
남땜(16)을 하는 경우에는 용융 납에 담그는 딥 코팅(dip coating)방법이 일반화되어 있으므로 신속하고 편리하게 작업할 수가 있다.
인쇄회로기판(10)의 배면에는 누전방지를 위해 도전층(12)과 남땜(16)을 덮어주는 절연층(14)이 형성된다.
공기양극(30)은 인쇄회로기판(10)의 바닥에 접착제(36)로 고정된다.
접착제(36)는 칠하는 형태뿐 아니라 절연층(14)과 같은 재질을 선택한 후 한꺼번에 딥 코팅하여 간편하게 처리할 수도 있다.
공기 양극(30)의 상측에는 상부를 고정하고, 연료 카트리지(50)와 결합하기 위한 공기 양극 상판(40)을 구비한다.
공기 양극 상판(30)에는 끼움홈(42)이 형성되고, 끼움홈(42)에 공기 양극(30)의 상부가 삽입되어 접착제(44)로 고정된다.
공기 양극(30)은 촉매화된 카본과 소수성 불소수지의 혼합체로서 집전체로 사용되는 금속 메쉬(metal mesh)나 금속 폼(metal foam)에 접착하여 제작된 것으로서 판상 또는 관상의 것도 제작이 가능하다.
본 발명의 실시 예에서는 공기 양극(30)이 상부가 개방되고 내부에 공간(32)을 형성하는 원기둥 형상으로 형성된다. 물론, 공기 양극(30)은 다각형 기둥을 포함한 여러 가지 형상으로 제조하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료카트리지(50)는 전해액 포켓(70)과 금속 연료(62)를 상, 하부에 각각 수용하는 연료용기(60), 연료용기(60)의 상측 가장 자리에 형성된 용기 상판(68) 및 용기 상판(68)에 덮여지는 상측 덮개(80)를 포함한다.
연료용기(60)는 다공성 물질로 이루어지고, 주변에는 멤브레인(64) 혹은 세퍼레이터가 둘러싼 형태를 갖는다. 도면에서는 편의를 위해 멤브레인(64)으로 도시하였으나 이는 권리를 제한하지 않는다.
여기서, 멤브레인(64)은 가교화된 폴리비닐알코올수지나 폴리아크릴 수지와 같은 친수성 수지가 많이 사용되며 그 외에도 투습성 수지인 셀룰로오스 계나 나피온(NAFION) 등 다양한 멤브레인이 사용이 가능하며 일반화되어 있기 때문에 자세한 언급은 하지 않는다.
세퍼레이터는 부직포와 같은 것으로서 폴리프로필렌이나 폴리에칠렌과 나일론계가 많이 사용된다.
연료용기(60)는 다공성 물질로 이루어지고, 주변에는 멤브레인(64) 혹은 세퍼레이터가 둘러싼 형태를 가지므로 탄성막(66)의 관통위치(67)를 통해 관통된 음극침(20)에 의해 필름용기(74)가 터지면서 흘러내린 전해액의 이온과 액상 용액의 출입을 용이하게 하면서도 겔 안에 있는 고형분이 밖으로 새어나가지 않도록 한다.
금속 연료(62)는 아연, 마그네슘, 알루미늄, 철, 실리콘, 망간, 티타늄, 리튬 중 어느 하나이거나 그들의 합금이며, 10~1000 μm 크기의 분말 상으로서, 그 안에 분말 상의 겔화제인 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 아크릴 수지, 전분, 한천(agar), 밀가루, 젤라틴 및 곡물가루 중에 선택된 적어도 어느 일부와 섞여 있다.
한편, 금속 연료(62)에 부가하여 첨가원소로서 주석(Sn), 구리(Cu), 납(Pb), 수은(Hg), 철(Fe), 망간(Mn), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 안티몬(Sb), 실리콘(Si), 비스무트(Bi), 붕소(B) 등이 일부 혼입될 수 있다. 이러한 금속 외에도 금속 입자들 간의 도전성을 향상시키기 위해 카본입자들을 같이 넣어주는 경우도 있으며, 이것은 전기 충전성을 부여하고자 하는 경우 더 유리한 방법이 될 수 있다.
분말 상의 겔화제에는 상업화된 겔화제인 카보폴(BF Goodrich 사의 Carbopol™ )등이 사용되며 이들은 미세한 분말의 형태로서 금속 연료와 함께 혼입될 수 있다.
전해액 포켓(70)은 진공 성형한 얇은 연질의 필름용기(74)에 전해액(72)이 수용되고, 상측에 동종의 필름덮개(76)가 접착 또는 융착되어 밀폐된 용기로 만든다.
필름용기(74)는 고분자 필름으로서 진공 성형으로 형성된다.
필름덮개(76)는 필름용기(74) 상측 테두리에서 외측으로 돌출되는 걸림부(78)가 형성된다. 걸림부(78)은 용기 상판(68)에 접촉되어 걸린다.
전해액 포켓(70)의 제조공정은 자동으로 이루어져 신속한 제조가 가능하다.
필름용기(222)의 재질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아크릴, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, ABS, 염화비닐, 불화비닐 수지 등으로 구성된 두께 0.01mm ~ 0.4mm 범위의 것이 사용된다. 이 중에서 전해액이 알칼리성인 경우와 내열성, 견고성(rigidity)를 고려하면, 대체적으로 폴리프로필렌이 더 바람직한 선택이다.
상측 덮개(80)는 견고한 재질로서 유리섬유 강화플라스틱이나, 나일론, ABS, PP와 같은 엔지니어링 플라스틱, 직물 강화 플라스틱 등이 사용되며, 전해액 포켓(70)을 사이에 두고 연료 용기(60)의 용기 상판(68)과 접착 또는 융착되어 결합 된다.
전해액(221)은 금속연료(62)가 아연인 아연 연료 전지의 경우, 알칼리 용액이며, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬과 같은 수산화 알칼리가 5~60% 정도 된다. 금속연료(62)가 알루미늄인 알루미늄 연료 전지의 경우는 알칼리 농도가 5~20% 정도이다. 금속연료(62)가 마그네슘인 마그네슘 연료 전지의 경우, 소금물을 사용하며, 그 농도는 2~20% 정도이다.
연료용기(60)의 바닥은 탄력 있는 고무 혹은 고무 성질의 플라스틱 재질로 되어 있어서 쉽게 관통이 되면서 음극침(20)과 밀착한 특성을 보이도록 하는 탄성막(66)으로 이루어진다.
탄성막(66)은 EPDM, 클로로프렌 고무, 불소수지고무, EPR, 우레탄 고무 혹은 우레탄 수지들 포함한 각종 고무 및 고무 탄성을 갖는 고분자 재질이 모두 가능하다. 단 전해액에 견딜 수 있는 특성을 가진 재질을 선택하여야 할 것이다.
탄성막(66)에는 음극침(20)이 쉽게 관통하도록 관통위치(67)를 갖는다. 탄성막(66)은 음극침(20)의 진입이 용이하도록 요홈부를 갖거나 약간 절개된 상태로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지를 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 저면 사시도 이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지는 상기한 일 실시 예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지와 대부분의 구성이 유사하므로 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하고, 동일한 구성에 대하여서는 자세한 설명을 생략한다.
도 7과 도 8을 참조하면, 본 다른 실시 예의 금속 공기 전기(200)에서, 여러 개의 금속 연료 전지 셀을 어떻게 한꺼번에 구성하는가를 도해해주고 있다. 금속 연료전지의 단위전지의 전압은 비교적 낮기 때문에 실용적인 전압을 얻기 위해서는 여러 개의 셀을 직렬로 연결을 해 주어야하므로 이로 인한 복잡해진 생산과정과 비용 상승이 있다.
본 다른 실시 예의 금속 공기 전기(200)는, 인쇄회로기판(10) 상에 음극침(20)을 다수 배열하여 금속 공기 전지를 여러 개의 셀로 이루는 직렬회로로 구성되는 경우, 인쇄회로기판(10)에서 에칭에 의해 다수의 음극침(20)과 공기 양극(30)이 직렬로 연결되어 사용 전압을 높이도록 구성된다.
도 7 및 도 8에서는 14개의 셀로 구성된 금속 공기 전기(200) 시스템을 보여주고 있는데, 14개의 공기 양극(30)을 한 개의 인쇄회로기판(130)에 고정하고, 인쇄회로기판(10)의 바닥 배면에 직렬 연결하고 도전층(12)을 에칭으로 형성한 전극 패턴을 보여주고 있다.
이때, 14개의 공기 양극(30)은 14개의 음극침(20)을 각각 덮도록 구성되고, 14개의 공기 양극(30)은 한 개의 공기 양극 상판(40)에 결합된다.
그리고, 상부에 위치한 연료카트리지(150)는 한 개의 상측 덮개(80)에 일체로 접착 형성된 14개의 연료용기(60)가 내부에 전해액 포켓과 금속연료를 구비한 상태로 구성되어 있다.
연료카트리지(150)가 하부로 이동하면서 14개의 연료용기(60)가 14개의 공기양극(30)에 삽입되면서 14개의 음극침(20)에 의해 관통되면서 흘러내린 전해액이 금속연료와 혼합되면서 높은 전압의 전기를 생산하도록 조립 구성된다.
다른 실시 예의 금속 공기 전기(200)는 14개의 셀 어레이를 한 번에 삽입하여 활성화활 수 있기 때문에 시간과 비용이 절감되는 것이다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지를 설명한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 분해 사시도이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 저면 사시도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지(300)는 상기한 일 실시 예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지와 대부분의 구성이 유사하므로 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하고, 동일한 구성에 대하여서는 자세한 설명을 생략한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 다른 실시 예의 금속 공기 전기(300)는 대형 셀의 경우 어떻게 구성할 것인가를 도시하고 있다. 인쇄회로기판(10), 음극침(10) 및 공기 양극(30)을 포함한 전극어셈블리에는 넓은 셀의 모형에 맞추어 음극 침(10)을 한 개의 인쇄회로기판(10) 상에 다수 개를 배열하였고, 다수의 음극침(10) 주변에 인쇄회로기판(10) 상에 한 개의 공기 양극(30)을 형성한다.
다수의 음극침(10)이 인쇄회로기판(10)에서 한 전극에 들어오도록 음극(-) 전극 패턴(310)을 형성하도록 하였다.
그리고, 음극(-) 전극 패턴(310)에 대응하여 일정 간격으로 이격되고, 한 개의 공기 양극(30)과 연결되는 양극(+) 전극 패턴(320)을 인쇄회로기판(10)에 형성한다.
연료 카트리지(250)는 타원형의 연료용기(60)에 금속연료(62)를 담고, 전해액(72)을 담은 필름용기(74)를 필름덮개(70)를 접착하여 전해액 포켓(70)을 제조한 후, 전해액 포켓(72)을 연료용기(60)의 금속연료(62) 상에 보관하고, 상부에서 상측 덮개(80)를 덮어줌으로써 구성된다.
연료용기(60)의 바닥인 탄성막(66)에는 다수의 음극침(20)이 쉽게 관통하도록 그의 갯수에 맞게 관통위치(67)를 갖는다.
이와 같은 방식으로 전지의 출력과 규모를 확대하면서도 본 발명에서 추구하는 목적을 달성할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지의 작용 및 효과를 살펴보도록 한다.
우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 카트리지(50)를 전극 어셈블리로 이동시킨다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 카트리지(50)의 탄성막(66)의 관통 위치(67)에 음극침(110)이 뚫고 들어가면서 금속연료(62) 분말을 통과하고, 그 다음 전해액 포켓(220)의 바닥을 뚫게 된다.
그러면, 필름용기(74)에 저장된 전해액(72)이 스며들면서 금속연료(62)에 포함된 겔화제의 겔화 진행된다. 일부 전해액(72)은 멤브레인(64) 또는 세퍼레이터를 통과하여 공기 양극(30)과의 접촉이 이루어져서 비로소 금속 공기 전지(100)의 활성화가 진행된다.
이때, 음극 침(20)은 금속 연료(62)의 겔에 둘러싸이게 되고, 낮은 접촉 저항을 갖게 되어 집전체 역할을 하게 된다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 방전이 진행되면서 금속연료(62)는 금속 산화물로 변하면서 부피가 증가하게 되고, 이것은 파괴된 전해액 포켓(70)의 필름용기(74)가 전해액(72)에 의해 확보하였던 공간을 줄이면서 추가 공간을 확보하게 된다.
연이어, 도 6에 도시된 바와 같이, 방전이 모두 완료되면 내부에는 금속 산화물과 겔이 가득 차게 되며 모두 사용된 연료 카트리지(50)를 음극침(20)에서 빼내는 동작을 통해 연료 카트리지(50) 안에 내재된 상태에서 전극 어셈블리로부터 간편하게 제거할 수 있다.
이 방법의 장점은 내부의 산화물 찌꺼기를 깨끗하게 제거할 수 있지만 일부 소량의 산화물이 용액 안에서 석출함으로써 멤브레인(64)의 외부에 존재할 수도 있다. 그러나 대체적으로 적은 양이며 적절한 청소를 주기적으로 해 줌으로써 누적되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 아연을 금속연료로 사용하는 아연 연료전지의 경우, 일부 용해되어 있던 산화아연이 밖에서 석출하지만 새 카트리지를 삽입시 새로운 용액에 의해 재용해되며 기본적으로 소량의 산화아연은 해롭지 않기 때문에 무리 없이 사용할 수가 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지(100)를 예를 들어 설명하였지만, 다른 실시 예 또는 또 다른 실시 예에 따른 카트리지 분리형 금속 공기 전지(200)(300) 역시 작용 및 효과는 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
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.
10 : 인쇄회로기판 12 : 도전층
14 : 절연층 16 : 납땜
20 : 음극침 22 : 단자
30 : 공기양극 32 : 공간
34 : 단자 36 : 접착제
40 : 끼움홈 44 : 접착제
50 : 연료카트리지 60 : 연료 용기
62 : 금속연료 64 : 멤브레인
66 : 탄성막 70 : 전해액 포켓
72 : 전해액 74 : 필름용기
76 : 필름덮개 80 : 상측 덮개

Claims (17)

  1. 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판 상에 돌출 형성되는 음극침;
    상기 인쇄회로기판 상에 상기 음극침을 감싸면서 돌출되어 공간을 형성하는 공기 양극; 및
    상기 공기 양극의 공간 내에 분리장착 가능하게 설치되고, 장착시 상기 음극침과 접촉되는 전해액 포켓과 금속 연료가 구비되는 연료 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극침은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 수직으로 고정되고,
    상기 공기양극은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 접착제로 고정되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 음극침은 상기 인쇄회로기판의 바닥에 형성되되, 상기 공기양극의 중심 또는 주변에 형성되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 음극침은 상부 끝단이 날카롭고 바닥부위가 넓은 형태의 전기전도성 재질이고, 상기 전해액 포켓의 바닥을 통과하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 음극침의 단자와 상기 공기 양극의 단자는 상기 인쇄회로기판을 관통하여 상기 인쇄회로기판의 배면에 형성된 도전층과 납땜으로 연결 고정되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 배면에는 누전방지를 위해 도전층과 납땜을 덮어주는 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 양극의 상측에는 상부를 고정하고, 상기 연료카트리지와 결합하기 위한 공기 양극 상판을 구비하는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공기 양극 상판에는 끼움홈이 형성되고, 상기 끼움홈에 상기 공기 양극의 상부가 삽입되어 접착제로 고정되는 것을 특징으로 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료카트리지는 상기 전해액 포켓과 상기 금속 연료를 상, 하부에 각각 수용하는 연료용기;
    상기 연료용기의 상측 가장 자리에 형성된 용기 상판; 및
    상기 용기 상판에 덮여지는 상측 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  10. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 아연, 마그네슘, 알루미늄, 철, 실리콘, 망간, 티타늄, 리튬 중 어느 하나이거나 그들의 합금이며, 10~1000 μm 크기의 분말 상으로서, 그 안에 분말상의 겔화제인 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 아크릴 수지, 전분, 한천, 밀가루, 젤라틴, 곡물가루 및 상업화된 카보풀 중에 선택된 적어도 어느 일부와 섞여 있는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  11. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 전해액 포켓은 진공 성형한 얇은 연질의 필름용기에 전해액이 수용되고, 상측에 동종의 필름덮개가 접착 또는 융착되는 것을 특징으로 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 필름덮개는 상기 필름용기 상측 테두리에서 외측으로 돌출되는 걸림부가 형성되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료용기는 다공성 물질로 이루어지고, 주변에는 멤브레인 혹은 세퍼레이터가 둘러싼 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 용기의 바닥은 탄력 있는 고무 혹은 고무 성질의 플라스틱 재질로 되어 있어서 쉽게 관통이 되면서 상기 음극 침과 밀착한 특성을 보이도록 하는 탄성막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료카트리지는 상기 용기 상판, 상기 전해액 포켓 주변 및 상기 덮개가 서로 접착되어 밀폐되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판상에 상기 음극침을 다수 배열하여 금속 공기 전지를 여러 개의 셀로 이루는 직렬회로로 구성되는 경우, 상기 인쇄회로기판에서 에칭에 의해 다수의 음극침과 공기 양극이 직렬로 연결되어 사용 전압을 높이도록 구성된 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 공기 양극은 개별의 음극침을 각각 덮거나 다수의 음극침을 모두 덮도록 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 카트리지 분리형 금속 공기 전지.
KR1020100028733A 2010-03-30 2010-03-30 카트리지 분리형 금속 공기 전지 KR101123636B1 (ko)

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