KR20160146995A - 금속―공기 배터리용 어노드 및 전해질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캐소드(7), 어노드(11) 및 캐소드(7)와 어노드(11) 사이에 배치된 전해질을 포함하는 금속-공기 배터리(1), 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리에 관한 것으로, 어노드(11)는 나트륨 매트릭스(53) 내에 알루미늄 합금 입자들(54)을 함유하는 어노드 바디(12)를 포함하고/하거나, 전해질은 적어도 하나의 할로겐 및 적어도 하나의 계면활성제를 함유하는 수성 산 또는 수성 가성소다로 이루어진다.

Description

금속―공기 배터리용 어노드 및 전해질{ANODE AND ELECTROLYTE FOR A METAL-AIR BATTERY}
본 발명은 금속-공기 배터리, 특히 알루미늄-공기 배터리용 어노드에 관한 것이다. 본 발명은 또한 금속-공기 배터리, 특히 알루미늄-공기 배터리용 전해질에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 이러한 어노드 및/또는 이러한 전해질이 구비된 금속-공기 배터리에 관한 것이다.
금속-공기 배터리는 일반적으로 1차 전지이며, 즉 대기 중의 산소와 개별 금속의 화학적 반응으로 인한 소정의 전압을 생성하는 전기적으로 재충전 가능하지 않은 갈바닉 전지(galvanic cell)이다. 이러한 1차 전지는 또한 연료 전지로서 지정될 수 있다. 1차 전지와 다르게, 2차 전지는 전기적으로 재충전될 수 있는 소위 재충전가능한 배터리이다.
아연-공기 배터리에 대한 예시적인 구조는 WO 2012/156972 A1로부터 알려져 있다.
재충전 가능한 배터리에서 사용하기 위한 아연 전극은 WO 2013/150519 A1로부터 알려져 있다.
WO 2013/128445 A1로부터 소비된 연료, 즉 아연이 액화제의 도움으로 제거되는 금속-공기 배터리가 알려져 있다.
금속-공기 배터리에 대해 배터리를 대기 모드로 전이시키도록 세척 용액을 이용하여 전해질을 씻어내는 것이 WO 2013/150520 A1로부터 알려져 있다.
금속-공기 배터리에 대해 원하는 바와 같이 전해질을 갱신하는 것이 WO 2013/150521 A1로부터 알려져 있다.
금속-공기 배터리 및 개별 재충전 가능한 배터리로의 전력 필요량의 상응하는 분배에 의해 달라지는 전력 필요량이 만족되는 방식으로 재충전 가능한 전기 에너지 저장 디바이스, 즉 재충전 가능한 배터리에 금속-공기 배터리를 커플링하는 것이 WO 2014/009951 A1로부터 알려져 있다. 이러한 수단에 의해 금속-공기 배터리는 재충전 가능한 배터리로 완충되고 전력 변동이 재충전 가능한 배터리에 의해 보상될 수 있기 때문에 금속-공기 배터리가 비교적 일정한 방식으로 동작될 수 있다.
충전 가능한 배터리에 대한 제어는 DE 11 2010 002 707 T5, DE 11 2009 000 223 T5, DE 10 2011 002 549 A1, DE 10 2013 107 033 A1 및 DE 24 17 571 A로부터 알려져 있다.
금속-공기 배터리는 매우 높은 화학 에너지 밀도를 가지기 때문에 전기 자동차에서의 용도로 큰 관심을 받을 수 있다. 이러한 금속-공기 배터리의 도움으로, 전기 자동차의 범주가 재충전가능한 배터리와 비교하여 뚜렷하게 증가될 수 있다.
금속-공기 배터리가 갖는 문제점은 금속-공기 배터리의 도움으로 전달될 수 있는 전기 에너지를 자동차에 의해 실질적으로 요구되는 전기 에너지로 자동차에 대해 적합하게 동적 적응하는 것을 가능하게 하는 전력 제어의 구현이다. 전기 모터 드라이브를 갖는 자동차에서, 원하는 전기 에너지는 일반적으로 안정적인 상태가 아닌 구동 모드로부터 발생하는 심각한 변동을 겪게 된다. 만약 금속-공기 배터리가 높은 전력에 대해 지정되면, 배터리의 수명은 비교적 작은 전력만이 요구될 때조차도 감소된다. 따라서 예를 들어 전력 버퍼로서 재충전 가능한 배터리와 결합되는 복잡한 전력 제어가 일반적으로 요구된다.
본 발명은 금속-공기 배터리 또는 관련 동작 방법 또는 특히 배터리에 대해 높은 효율성 및/또는 높은 수명을 갖는 것으로 특징지어지는 이러한 배터리가 장착된 자동차에 대한 향상된 실시예를 제공하는 문제와 관련된다.
이러한 문제는 독립항들의 주제사항에 의해 본 발명에 따라 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들의 주제사항이다.
본 발명의 제1 독립적인 양태에 따르면, 어노드는 나트륨 매트릭스 내에 알루미늄 합금 입자들을 함유하는 어노드 바디를 포함한다. 물을 함유하는 전해질과 결합되면, 일반적으로 물과 나트륨의 접촉으로 인해 격렬한 반응이 발생하지만 이러한 경우에 이것은 알루미늄 입자들에 의해 안정화된다. 그럼에도, 높은 전력을 가능하게 하는 개별 전해질 내의 어노드 또는 어노드 바디의 우수한 용해가능성이 존재한다. 금속-공기 배터리의 에너지 효율성이 본 발명에 따라 제안된 어노드를 이용하여 향상될 수 있다.
입자들이 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 40㎛ 내지 60㎛의 입자 크기를 갖는 실시예가 바람직하다. 입자들이 약 50㎛의 입자 크기를 갖는 실시예가 특히 바람직하다. 선택된 입자 크기의 결과로서, 비교적 넓은 표면이 원하는 전해질 반응을 제공하는 알루미늄 합금에 대해 획득된다.
다른 바람직한 실시예에서, 어노드 바디 내의 입자 비율은 40% 내지 80%, 바람직하게는 60% 내지 70%의 범위 내에 존재할 수 있다. 이러한 경우에 어노드 바디 내의 입자들의 비율이 약 65%인 실시예가 특히 바람직하다. 전술된 백분율 상세값은 중량백분율에 관한 것이다. 어노드 바디 내에 남아있는 비율은 나트륨 매트릭스에 의해 형성된다. 65% 입자 비율을 이용하여 매트릭스가 어노드 바디 내의 35%의 비율을 가진다.
알루미늄 합금이 지르코늄을 함유하는 실시예가 특히 중요하다. 알루미늄에 지르코늄을 합금함으로써, 전해질에 노출된 어노드의 표면 상의 패시브 층(passive layer)의 형성이 수소의 형성이 선호되지 않는 반면 동시에 이송 과전압으로 인한 손실이 뚜렷하게 감소되는 정도까지 특히 방지될 수 있다. 어노드 표면에 있는 전해질은 이송 과전압을 정의하는 어노드 표면의 패시베이션(passivation)을 발생시킨다. 패시브 층이 넓을수록, 패시브 층에 침투하기 위해 요구되는 이송 과전압은 더 높다. 지르코늄을 추가함으로써, 패시브 층의 형성이 감소될 수 있으며 이는 이송 과전압을 낮출 수 있다. 패시브 층의 형성이 지르코늄의 합금에 의해 완전히 억제되지는 않는다는 점이 중요하다. 알루미늄의 경우에 패시브 층의 부재는 수소를 형성하기 위해 알루미늄이 물과 접촉하여 분해되는 결과를 낳을 수 있다. 그러나, 전해질 내의 이러한 수소의 강한 형성은 금속-공기 배터리 내에서 바람직하지 않다.
바람직한 추가의 발전에 따르면, 알루미늄 합금은 0.01% 내지 1.00% 지르코늄을 함유할 수 있으며, 0.05% 내지 0.80% 지르코늄의 함유량이 바람직하다. 약 0.5% 지르코늄의 함유가 특히 바람직하다. 특히, 일반적으로 방지될 수 없는 불순물과 별개로, 알루미늄 합금의 나머지가 알루미늄에 의해 형성된다. 여기에서도 백분율 상세값은 중량 백분율이다.
이러한 어노드를 생산하기 위해서, 추가로 알루미늄 합금을 포함하는 입자 재료가 나트륨 융해물 내에 도입되는 방법이 제안되며 여기에서 나트륨 융해물을 포함하는 어노드 또는 어노드 바디가 그 안에 도입된 알루미늄 입자 재료와 주조된다. 특히, 이에 따라 로드형(rod-shaped) 원통형 어노드 바디가 획득될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 금속-공기 배터리의 어노드의 어노드 바디로서 나트륨 매트릭스 내에 알루미늄 합금 입자들을 함유하는 고체를 사용하는 것이 제안된다.
본 발명의 제2 독립적인 양태에 따르면, 금속-공기 배터리용 전해질이 적어도 하나의 할로겐 및 적어도 하나의 계면활성제를 함유하는 수성 산 또는 수성 가성소다에 의해 형성된다. 수성 가성소다가 바람직하다. 개별 할로겐의 도움으로, 어노드 표면에서의 화학적 반응이 할로겐을 추가한 결과로서 증가될 수 있으며, 산 또는 가성소다는 개별 금속 어노드의 패시브 층에 더욱 잘 침투할 수 있다. 개별 계면활성제를 추가한 결과로서, 계면활성제가 어노드 표면에서의 전해질과의 전자 교환을 증가시키기 때문에 전기화학적 반응이 증가될 수 있다. 또한 계면활성제는 반응 동안 형성된 기체의 용해 증가를 가져올 수 있으며 이 또한 화학적 반응을 증가시킨다. 따라서 본 발명에 따른 전해질 또한 금속-공기 배터리의 에너지 효율성을 향상시키는 결과를 낳는다.
바람직하게는 개별 산 또는 가성소다는 물 내에 10% 내지 40% 비율을 포함한다. 20%±5%의 산 또는 가성소다가 바람직하다. 여기에서도 백분율 상세값은 중량 백분율이다.
바람직한 실시예에 따르면, 산 또는 가성소다 내에 0.1% 내지 4.0%, 바람직하게는 0.5% 내지 2% 비율의 할로겐을 포함할 수 있다. 여기에서도 백분율은 중량 백분율이다. 할로겐은 바람직하게는 플루오라이드, 특히 칼륨 알루미늄 펜타플루오라이드를 포함한다.
다른 실시예에서, 산 또는 가성소다는 0.1% 내지 2%의 농도, 바람직하게는 0.2% 내지 1%의 농도의 계면활성제를 함유할 수 있다. 바람직하게는 계면활성제는 라우릴 황산염나트륨이다.
본 발명에 따르면, 금속-공기 배터리, 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리의 전해질로서 적어도 하나의 할로겐 및 적어도 하나의 계면활성제를 함유하는 수성 산 또는 수성 계면활성제를 함유하는 조성을 이용하는 것이 추가로 제안된다.
바람직하게는 알루미늄-공기 배터리로서 구성될 수 있는 본 발명에 따른 제1 금속-공기 배터리에서, 전술된 타입과 같은 적어도 하나의 어노드를 구성하도록 제공된다. 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리로서 구성될 수 있는 본 발명에 따른 제2 금속-공기 배터리에서, 전술된 타입과 같은 전해질을 구성하도록 제공된다. 여기에서 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리로서 구성된 금속-공기 배터리가 전술된 타입의 적어도 하나의 어노드 및 전술된 타입의 전해질을 포함하는 실시예가 바람직하다.
바람직하게는 이러한 구조와 관련하여, 이러한 금속-공기 배터리는 자신의 부분이 배터리의 하우징 내에 배치된 속이 빈 원통형 캐소드 내에 금속 어노드를 배치하는 일반적인 아이디어에 기초한다. 전해질 공간은 어노드와 캐소드 사이에 방사상으로 위치된다. 공기 공간은 캐소드와 하우징 사이에 방사상으로 위치된다. 이것에 의해 매우 작은 배터리 구조를 생성할 수 있으며 그에 따라 높은 전력 밀도가 획득될 수 있다. 또한, 이러한 구조는 한 편으로는 전해질에 대한 그리고 다른 한 편으로는 공기에 대한 특히 바람직한 흐름 가이드를 가능하게 한다. 따라서, 공기 공간에 유동적으로 접속된 하우징의 공기 유입구로부터 공기 공간에 유동적으로 접속된 하우징의 공기 배출구까지 이어지는 하우징을 통과하는 공기 통로가 제공된다. 따라서 공기 통로에 이어지며 캐소드 상에서 작용하는 공기 흐름이 공기 공급 디바이스의 도움으로 생성될 수 있다. 또한 전해질 공간에 유동적으로 접속된 하우징의 전해질 유입구로부터 전해질 공간에 유동적으로 접속된 하우징의 전해질 배출구까지 이어지는 하우징을 통과하는 전해질 통로가 제공된다. 전해질 통로에 이어지며 어노드 및 캐소드 상에서 작용하는 전해질 흐름이 이제 전해질 공급 디바이스의 도움으로 생성될 수 있다. 하우징, 공기 공간, 캐소드, 전해질 공간 및 어노드의 동축 배치의 결과로서, 공기 통로 및 전해질 통로에 대해 낮은 흐름 저항이 획득되며 그에 따라 특히 한 편으로는 공기 통로를 따르는 공기에 대해 그리고 다른 한편으로는 전해질 통로를 따르는 전해질에 대해 큰 부피 흐름이 획득될 수 있다. 결과적으로 후속하여 특히 간단한 방식으로 충분한 산소가 캐소드에 공급될 수 있다. 또한, 충분히 사용되지 않은 전해질이 어노드에 후속하여 공급될 수 있거나 또는 소비된 전해질이 제거될 수 있다. 현재의 접속에서 바디 상의 유체의 "작용(action)"은 바디의 접촉이 유체가 양의 압력에 의해 공급되는지 또는 음의 압력에 의해 추출되는지 여부와 무관하게 개별 유체에 의해 작용되는 것으로서 이해될 수 있다.
또한, 공기 통로에 따르는 공기의 용량 흐름이 비교적 큰 범위 내에서 조정가능하도록, 즉 가변적이도록 공기 공급 디바이스를 구성하는 것이 특히 가능하다. 유사하게 전해질 공급 디바이스는 전해질의 용량 흐름이 비교적 큰 범위 내에서 조정가능하도록, 즉 가변적이도록 간단하게 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 금속-공기 배터리에서 탭(tap)될 수 있는 전력은 특히 단순하게 전해질 흐름을 변화시킴으로써 수압으로 및/또는 공기 흐름을 변화시킴으로써 공기로 조정될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 금속-공기 배터리는 어노드가 알루미늄 합금을 포함하거나 이것으로 구성되는 전해질에 노출된 어노드 바디를 갖도록 알루미늄-공기 배터리로서 구성된다.
바람직한 실시예에 따르면, 제어 디바이스는 한 편으로는 공기 공급 디바이스에 전기적으로 접속되고 다른 한 편으로는 전해질 공급 디바이스에 전기적으로 접속되는 금속-공기 배터리의 동작을 위해 제공될 수 있다. 제어 디바이스는 이제 금속-공기 배터리에서의 전력 필요량에 따라 이러한 전력 필요량에 적응된 공기 흐름을 생성하도록 공기 공급 디바이스를 작동시키고/시키거나 이러한 전력 필요량에 적응된 전해질 흐름을 생성하도록 전해질 공급 디바이스를 작동시키도록 구성 또는 프로그램될 수 있다. 전해질 및/또는 공기의 용량 흐름을 다르게 함으로써, 금속-공기 배터리에서 탭될 수 있는 전력이 달라질 수 있다. 공기 및/또는 전해질의 용량 흐름이 상당히 큰 범위 내에서 비교적 단순하고 비교적 신속하게 변화될 수 있기 때문에, 금속-공기 배터리에서 탭될 수 있는 전력은 여기에 제시된 절차에 의해 현재 요구되는 전력에 대해 상당히 신속하게 적응될 수 있다. 특히, 금속-공기 배터리에서 탭될 수 있는 제공된 전력은 공기 흐름 및/또는 전해질 흐름을 감소시킴으로써 낮은 전력 필요량에 단기간 내에 적응될 수 있으며 그에 따라 금속-공기 배터리의 수명이 뚜렷하게 길어질 수 있다. 여기에서 제시되는 전력 제어 또는 전력 조정은 수압식으로 또는 공기압식으로 동작한다.
특히, 제어 디바이스는 전력 제어를 획득할 수 있고 이때 전력 필요량을 원하는 값으로서 고려하며 금속-공기 배터리의 전기적 또는 갈바닉 전력 접속부에서 현재 측정된 전력을 실질적인 값으로서 고려한다. 원하는 값-실질적인 값의 비교에 의해서, 제어 디바이스는 그에 따라 전해질 및/또는 공기에 대한 용량 흐름을 추적할 수 있다.
다른 바람직한 추가의 발전에 따르면, 제어 디바이스는 전력 필요량에 따라 이러한 전력 필요량에 적응된 전해질 흐름을 생성하도록 전해질 공급 디바이스를 작동시키고 적응된 전해질 흐름에 적응된 공기 흐름을 생성하도록 공기 공급 디바이스를 작동시키도록 구성 또는 프로그램될 수 있다. 다시 말하면, 제어 디바이스는 처음에 제1 단계에서 전력 필요량에 대해 요구된 전해질의 용량 흐름을 결정하며 그에 따라 전해질 공급 디바이스를 작동시킨다. 전술된 제1 단계와 표면상 동시에 발생할 수 있는 제2 단계에서, 제어 디바이스는 결정된 전해질 용량 흐름에 따라 이에 대해 요구되는 공기 용량 흐름을 결정하며 그에 따라 공기 공급 디바이스를 작동시킨다.
다른 바람직한 추가의 발전에서, 제어 디바이스는 금속-공기 배터리를 셧다운하기 위해 전해질의 전해질 통로를 비우도록 전해질 공급 디바이스를 작동시키도록 구성 또는 프로그램되어 제공될 수 있다. 이렇게 전해질 통로, 특히 전해질 공간을 비운 것의 결과로서, 금속-공기 배터리 내의 어노드와 전극 사이의 화학적 반응이 완전히 방해되며 그에 따라 어노드의 분해 또는 용해가 크게 감소된다. 따라서 배터리의 수명이 길어진다.
다른 바람직한 실시예에서, 어노드는 하우징 상에 자신의 세로방향 중심축 둘레에서 회전할 수 있게 장착될 수 있다. 하우징에 대한 어노드의 감김가능성(twistability)의 결과로서, 수직 하우징에 대한 어노드의 회전이 획득될 수 있다. 그에 따라 어노드는 또한 하우징에 대해 토크 방지(torque-proof)인 캐소드에 대해 회전한다. 회전하는 어노드는 어노드 둘레의 전해질의 흐름을 증가시킨다. 동시에, 원심력의 결과로서 반응 생성물이 어노드로부터 더욱 잘 풀려날 수 있으며, 이는 전해질에 대해 이용가능한 어노드의 표면 면적을 증가시킨다.
만약 어노드가 하우징 내에 회전 가능하게 배치되면, 예를 들어 전기 모터에 의해서 상응하는 회전식 드라이브가 어노드를 회전으로 설정하도록 기본적으로 제공될 수 있다. 이와 다르게 어노드는 어노드의 회전이 전해질을 전해질 경로 내로 몰도록 구성되어 제공될 수 있다. 이것에 의해 어노드는 추가의 기능을 획득한다. 어노드가 회전중일 때 전해질을 몰아가는, 전해질 공간에 노출된 자신의 외부 측 상의 흐름 가이드 구조를 갖는 추가의 발전이 특히 바람직하다. 특히, 스크류 형태로 배치된 날개가 고려가능하다.
다른 실시예에 따르면, 어노드가 전해질 흐름에 의해, 즉 수압으로 구동되어 제공될 수 있다. 이를 위해서, 전해질은 전해질 흐름이 회전식으로 어노드를 구동하도록 어노드를 통해 가이드된다. 따라서, 전해질 흐름의 운동 에너지는 어노드를 회전으로 설정하도록 사용된다. 따라서 추가의 에너지 소비 전기 드라이브가 생략될 수 있다.
바람직한 추가의 발전에 따르면, 전해질 유입구는 전해질 공간의 제1 단부 영역에서 전해질 공간에 접하게 배치될 수 있는 반면에 전해질 배출구는 전해질 공간의 제2 단부 영역에 구체적으로 축의 방향으로 배치된다. 전해질 유입구 및 전해질 배출구의 이격 배치의 결과로서, 전해질 공간의 표면상 축방향의 스루-플로우가 전해질에 대해 획득된다. 전해질 유입구의 접선식 배치의 결과로서, 스크류 형태의 스루-플로우가 선회 흐름(swirling flow)으로서 또한 지정될 수 있는 전해질 공간 내에 획득된다. 표면 마찰의 결과로서, 선회 흐름은 어노드의 회전 움직임을 발생시킨다. 접선식 배치는 캐소드의 세로방향 중심축에 대해 직교하게 이어지는 캐소드의 또는 공기 공간의 단면에서 발견될 수 있다.
이에 더하여 또는 이와 다르게, 어노드는 어노드가 전해질 흐름에 노출될 때 어노드에 토크를 전달하는 전해질 공간에 노출된 자신의 외부 측 상의 흐름-가이드 구조를 가질 수 있다. 따라서, 전해질 흐름의 운동 에너지는 어노드를 구동하도록 사용될 수 있다.
어노드의 회전은 특히 어노드로부터 반응 생성물의 방출을 가능하게 하기에 충분히 높은 원심력이 생성되도록 선택될 수 있는 상당히 높은 회전 속도를 가진 전해질의 상응하는 용량 흐름에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어 분당 300회의 회전에 이르는 회전 속도가 고려될 수 있다.
하우징은 편의상 전기적으로 절연성인 재료, 예를 들어 플라스틱으로부터 절연되거나 또는 제조된다. 하우징 내에 어노드를 배치하는 것은 바람직하게는 어노드의 세로방향 중심축 및 따라서 또한 캐소드의 세로방향 중심축이 배터리의 사용 상태에서 실질적으로 수직하게 연장하도록 달성된다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 어노드 또는 어노드 바디는 원통형으로 구성될 수 있으며 금속 지지 플레이트에 기계적으로 그리고 전기적으로 접속될 수 있다. 이러한 설계는 어노드가 하우징 내에 보다 단순하게, 예를 들어 캐소드 내에 동축으로 배치되는 것을 가능하게 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 특히 원형 지지 플레이트는 하우징 상의 축방향 베어링에 의해 어노드의 세로방향 중심축 둘레에서 회전할 수 있게 장착될 수 있다. 따라서, 어노드는 자신의 지지 플레이트의 영역 내의 하우징 상에서 회전할 수 있게 장착된다. 지지 플레이트는 어노드와 상이한 금속으로 제조될 수 있으며, 그에 따라 지지 플레이트의 영역 내의 적절한 마운팅(mounting)의 형성이 단순화된다. 축방향 베어링에 의해서, 축방향 힘이 어노드와 하우징 사이에서 특히 간단히 지지될 수 있다. 축방향 베어링은, 예를 들어 배터리의 동작 상태에서 상단에 배치된 하우징의 축방향 면 상에 배치될 수 있다.
다른 추가의 발전에서, 전기적 음극을 나타내는 금속-공기 배터리의 어노드 측 갈바닉 전력 접속이 축방향 베어링 상에 형성될 수 있다. 축방향 베어링은 고정 영역으로서 또한 지정될 수 있으며 어노드 측 전력 접속의 형성에 특히 적합한 하우징에 견고하게 접속된 영역을 구비한다. 그 결과, 이러한 어노드 측 전력 접속은 하우징에 대해 어노드 자신이 회전 가능함에도 고정적이다. 배터리에서의 전류 수집이 그에 따라 단순화된다.
다른 추가의 발전에 따르면, 축방향 베어링은 평면 베어링으로서 구성될 수 있으며 하우징 측 환형 베어링 쉘 내에 놓이고 지지 플레이트가 기대어지며 어노드가 회전할 때 지지 플레이트가 슬라이딩하는 슬라이딩 금속 링을 포함한다. 평면 베어링으로서 축방향 베어링을 구성한 결과로서, 어노드와 축방향 베어링 사이에서의 전력 전달을 단순화하는 축방향 베어링 또는 슬라이딩 금속 링과 지지 플레이트 사이에서 상당히 큰 접촉 영역이 획득될 수 있다.
슬라이딩 금속 링이 슬라이딩 금속 합금으로 제조된 환형 바디 및 바람직하게는 환형 바디를 가열시킬 수 있는 환형 바디 내에 배치된 적어도 하나의 금속 가열 컨덕터를 포함하는 실시예가 특히 바람직하다. 환형 바디의 가열은 슬라이딩 금속 링과 지지 플레이트 사이의 전력 전달을 향상시킬 수 있다.
가열 컨덕터의 전원은 가열 컨덕터가 환형 바디 상에서 표면 융해가 발생하는 슬라이딩 금속 합금의 융해점 아래이지만 동시에 슬라이딩 금속 합금의 융해점에 매우 가까운 사전결정된 동작 온도까지 환형 바디를 가열하도록 구성되는 추가의 발전이 특히 바람직하다. 여기에서 슬라이딩 금속 합금은 예를 들어 융해점이 50℃와 300℃ 사이에 놓일 수 있는 저융점(low-melting) 합금이다. 사전결정된 동작 온도는 예를 들어 융해점의 10% 내지 15% 아래에 놓이며 특히 융해점보다 약 40℃ 아래이다. 따라서 융해가 발생한 표면의 결과로서, 액체 금속 필름이 하이드로 베어링의 방식으로 지지 플레이트가 슬라이딩하는 슬라이딩 금속 링의 표면 상에 형성된다. 한 편으로, 지지 플레이트와 슬라이딩 금속 링 사이의 마찰이 그에 따라 뚜렷하게 감소된다. 다른 한 편으로 액체 금속 필름의 결과로서 뚜렷하게 향상된 전기 접촉이 획득된다. 예를 들어, 서로 접촉하는 표면들의 산화층의 형성이 액체 금속 필름에서 감소될 수 있다. 본 명세서에 제시된 구성의 결과로서, 지지 플레이트와 축방향 베어링 사이에 극도로 낮은 손실의 전기적 접촉이 획득될 수 있으며 그에 따라 높은 전류가 낮은 전압에서 획득될 수 있다.
원하는 동작 온도가 환형 바디 내에서 조정될 수 있도록 돕는 가열 컨덕터의 전원을 제어하는 것은, 예를 들어 온도 측정에 의해 달성될 수 있다. 개별 가열 컨덕터를 PTC 요소와 직렬로 접속시키는 것 또한 고려될 수 있으며 여기에서 PTC는 정온도 계수를 뜻한다. 개별 PTC 요소는 원하는 동작 온도로 튜닝된다. 이러한 방식으로, 개별 가열 컨덕터의 자가-조정 가열이 환형 바디를 사전결정된 동작 온도로 특히 가열시킬 수 있는 주요 전기적 지출 없이 제공될 수 있다.
개별 가열 컨덕터의 전원은 어노드와 어노드 측 갈바닉 전력 접속 사이의 전류 통로로 편의상 포함될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 공기 공급 디바이스는 공기 흐름 내의 산소 비율을 증가시키는 공기 유입구 상류의 농축 디바이스를 가질 수 있다. 따라서, 혼입된 산소에 대한 공기 흐름의 농축이 달성되며 그에 따라 캐소드에서의 전기분해 기능을 향상시킨다. 이러한 농축 디바이스에는, 예를 들어 상응하는 필터 막(membrane) 또는 상응하는 분자 체(sieve)가 장착될 수 있으며 그에 따라 한쪽에서는 질소 비율이 증가하고 산소 비율이 감소하는 반면 다른 한쪽에서는 질소 비율이 감소하고 산소 비율이 증가한다. 예를 들어, 이러한 농축 디바이스의 도움으로 자연적인 산소 함유량이 공기 중에서 약 20%에서 90% 이상으로 증가될 수 있다.
만약 주기적으로 재생성되어야만 하는 필터 매체가 여기에서 사용된다면, 적어도 하나의 농축 유닛에 의한 산소 비율의 증가가 영구적으로 수행될 수 있는 반면 동시에 다른 농축 유닛이 재생성될 수 있도록 농축 디바이스는 둘 이상의 농축 유닛을 포함한다.
다른 바람직한 실시예에서, 전해질 공급 디바이스는 플로우(flow) 및 리턴(return)을 포함하는 전해질 회로를 구비할 수 있다. 플로우는 전해질 탱크로부터 전해질 유입구로 이어지는 반면 리턴은 전해질 배출구로부터 전해질 탱크로 이어진다. 이러한 닫힌 전해질 회로를 이용함으로써, 전해질이 영구적으로 사용될 수 있다. 특히, 그에 따라 전해질이 전해질 통로를 통과하는 흐름 동안 완전히 사용되지 않을 정도로 높은, 전해질에 대해 더 높은 용량의 플로우가 가능하다.
바람직한 추가의 발전에 따르면, 전해질을 몰기 위한 플로우 펌프가 플로우 내에 배치된다. 예를 들어, 전해질 통로를 통해 가이드되는 전해질의 현재 용량 흐름이 플로우 펌프에 의해 조정될 수 있다.
다른 실시예에서, 전해질을 몰기 위한 리턴 펌프가 리턴 내에 배치될 수 있다. 리턴 펌프는 전해질 배출구로부터 전해질 탱크로 전해질을 수송하도록 사용된다. 이것은 특히 예를 들어 전해질 회로의 제어가능한 환기 및 통기와 함께 전해질 공간 또는 전해질 통로를 비우기 위해 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 전해질로부터 반응 생성물을 제거하기 위한 전해질 정화 디바이스가 리턴 내에 배치될 수 있다. 이러한 전해질 정화 디바이스는 편의상 리턴 펌프의 하류에 위치되며, 예를 들어 막을 갖는 원심분리기로서 구성될 수 있다. 전해질 정화 디바이스를 이용하여, 전해질 공간으로부터 오는 전해질은 준비된 전해질이 전해질 공간으로 다시 공급될 수 있는 방식으로 준비될 수 있다. 전해질의 소비는 이러한 수단에 의해 최소화된다.
다른 바람직한 실시예에서, 기체 분리 디바이스는 액체 전해질로부터 기체를 제거하기 위해 리턴 내에 배치될 수 있다. 특히 수소인 기체는 금속-공기 배터리 내의 전해질 반응에서 형성될 수 있다. 기체는 예를 들어 전해질 기능의 효율성을 향상시키기 위해서 액체 전해질로부터 분리되어야만 한다. 특히 전해질 내의 임의의 형태의 거품 또한 방지되어야만 한다. 기체 분리 디바이스는, 예를 들어 노즐을 이용하여 동작할 수 있으며 그에 따라 특히 비교적 쉽게 분리될 수 있는 큰 기체 방울이 전해질 내에 형성된다.
바람직한 추가의 실시예에 따르면, 기체 분리 디바이스는 분리된 기체의 화학적 에너지를 전기 에너지 및/또는 열 에너지로 변환하기 위한 변환 디바이스에 기체관선을 통해서 유동적으로 접속될 수 있다. 따라서, 폐기물로서 축적되는 기체의 화학적 에너지가 금속-공기 배터리의 전체 에너지 효율성을 향상시키도록 사용될 수 있다.
바람직한 추가의 발전에 따르면, 변환 디바이스는 예를 들어 백금 그물을 포함하는 촉매 버너일 수 있다. 기체 수소는 물을 생성하도록 대기 중의 산소와 반응된다. 생성된 열은 배터리를 가열하도록 사용될 수 있다. 이와 다르게, 변환 디바이스는 수소 기체가 전류 및 열을 형성하기 위해 산소 기체와 반응되는 수소-공기 연료 전지에 의해 형성될 수 있다. 열은 다시 배터리를 가열하도록 사용될 수 있다. 전기적 에너지는 또한 배터리 내부에서 사용될 수 있거나 또는 추가의 전력으로서 사용될 수 있다. 적절한 수소-공기 연료 전지는 저온 연료 전지 또는 PEM 연료 전지로서 구성될 수 있으며 여기에서 PEM은 양성자 교환막을 의미한다. 원리적으로, 고온 연료 전지, 특히 SOFC 연료 전지로서의 실시예 또한 고려가능하며, 여기에서 SOFC는 고체 산화물 연료 전지를 의미한다.
변환 디바이스와 남아있는 금속-공기 배터리 사이의 열 전달이, 예를 들어 적절한 방식으로 전해질 회로 내에 포함된 열 전달 에이전트의 도움으로 달성될 수 있다. 또한 이러한 열 전달 에이전트를 이용하여 초과 열이 전해질로부터 나올 수 있다. 그 다음 열은 특히 전해질 반응을 향상시키기 위해 어노드 및/또는 캐소드를 가열하도록 사용될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 공기 유입구가 공기 공간에 접하게 배치될 수 있다. 이에 더하여 또는 이와 다르게, 공기 배출구가 공기 공간에 접하게 배치될 수 있다. 공기 유입구 또는 공기 배출구의 접선식 배치는 스크류 형태로서, 즉 소용돌이 흐름으로서 공기 공간 내에 공기 흐름을 구성하도록 사용될 수 있으며, 그 결과로서 공기 공간 내의 공기 흐름에 대한 증가된 체류 시간이 획득된다. 이것은 공기 흐름과 캐소드 사이의 산소의 전달을 증가시킨다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 어노드를 가열하도록 유도 가열이 제공될 수 있다. 이러한 유도 가열은, 예를 들어 어노드의 영역 내에 고정적인, 공간적으로 불균일한 전기장을 생성하는 적어도 하나의 유도코일을 이용하여 동작한다. 이러한 전기장 내에서 어노드를 이동시키거나 회전시킴으로써, 어노드 내에, 특히 전해질 공간을 마주하는 벽 영역 내에 열이 유도되며 이는 전해질 반응을 뚜렷하게 향상시킨다.
개별 유도 가열은 캐소드의 영역 내에 배치될 수 있으며 그 결과 특히 소형의 설계가 획득될 수 있다. 어노드는 특히 전해질 공간을 마주하는 벽 영역 내에서 유도 가열의 도움으로 가열될 수 있다. 이러한 수단에 의해서 실질적인 반응 구역을 가열시키도록 비교적 작은 에너지만이 요구된다. 반응 구역 내의 증가된 온도는 금속-공기 배터리의 에너지 효율성을 증가시킨다.
배터리 시스템은 전술된 타입의 복수의 금속-공기 배터리들을 포함할 수 있으며, 배터리들의 공기 통로를 통해 개별 공기 흐름을 생성하기 위한 공통 공기 공급 디바이스 및/또는 배터리들의 전해질 통로를 통해 개별 전해질 흐름을 생성하기 위한 공통 전해질 공급 디바이스 및/또는 배터리들을 동작시키기 위한 공통 제어 디바이스에 의해 특징지어진다. 배터리들은 자신들의 공기 통로 및/또는 자신들의 전해질 통로와 직렬로 또는 병렬로 유동적으로 접속될 수 있다. 이러한 설계는 고성능 배터리 시스템의 구현을 단순화한다. 특히, 공통 공기 수송 디바이스가 복수의 배터리들에 대해 사용될 수 있다. 이에 더하여 또는 이와 다르게 전해질 수송 디바이스가 복수의 배터리들에 대해 사용될 수 있다. 이에 더하여 또는 이와 다르게, 공통 제어 디바이스가 복수의 배터리들에 대해 사용될 수 있기 때문에 배터리 시스템의 제어 또는 조정 또한 단순화된다.
바람직하게는 주행차량을 포함할 수 있는 자동차는 전기 모터 드라이브를 가질 수 있으며 전술된 타입의 적어도 하나의 금속-공기 배터리와 맞춤화될 수 있다. 이러한 자동차는 특히 개별 금속-공기 배터리에 비완충 커플링되는 전기 드라이브의 전원에 대한 전력 전자기기에 의해 특징지어진다. 전기적 비완충 커플링은 삽입된 전기 에너지 저장 디바이스 없이, 즉 특히 삽입된 재충전가능한 배터리 없이 이루어지는 직류 접속에 대응한다. 본 발명은 따라서 자동차에 대해 예를 들어 재충전가능한 배터리와 같은 추가의 전기 에너지 저장 디바이스의 중재가 생략될 수 있도록 전기 드라이브의 전원에 대해 직접 개별 금속-공기 배터리를 사용하는 일반적인 아이디어에 기초한다.
금속-공기 배터리의 전력 출력을 수압으로 또는 공기로 제어 또는 조정하는 이러한 배터리를 동작하기 위한 방법은 일반적인 아이디어에 기초한 방법에 기초할 수 있다. 다시 말하면, 금속-공기 배터리의 전력 제어 또는 전력 조정이 전해질 및/또는 공기의 용량 흐름의 특정 변화에 의해 달성된다. 이러한 공기 또는 수압식 힘의 조정 또는 제어는 예를 들어 팬(fan) 및/또는 펌프와 같은 종래의 구성요소들을 이용하여 특히 간단하게 획득될 수 있다.
따라서 작동되는 바람직한 실시예에 따라 전해질 흐름의 적응을 위해 자신의 수송 용량을 증가시키거나 감소시키도록 작동되는 적어도 하나의 전해질 수송 디바이스, 예로서 적절한 펌프가 제공될 수 있다. 이에 더하여 또는 이와 다르게 공기 흐름의 적응을 위해 자신의 수송 용량을 증가시키거나 감소시키도록 작동되는 적어도 하나의 공기 수송 디바이스, 예로서 적절한 팬이 제공될 수 있다.
본 발명의 추가로 중요한 특성 및 장점이 종속항, 도면 및 도면을 참조한 도면에 대한 관련 설명으로부터 획득된다.
전술된 특성들 및 이후에 설명될 특성들은 개별로 명시된 조합으로만 사용될 수 있는 것은 아니며 본 발명의 프레임워크로부터 벗어나지 않고 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있음이 이해된다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들이 도면에 도시되고 아래에 상세하게 설명되었으며 이러한 설명에서 동일한 참조번호는 동일하거나 유사하거나 또는 기능적으로 동일한 구성요소를 지칭한다.
도면들은, 각 경우에서 개략적으로 다음을 도시한다:
도 1은 주변 구성요소들이 없는 금속-공기 배터리의 고도로 단순화된 회로도와 유사한 개략적인 도면,
도 2는 도 1과 유사하지만 주변 구성요소들이 있는 모습의 도면.
도 1 및 2에 따르면, 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리를 포함하는 금속-공기 배터리(1)가 전기적으로 절연되고 바람직하게는 예를 들어 플라스틱과 같은 전기적으로 절연성인 재료로 이루어진 하우징(2)을 포함한다. 도시된 예에서, 하우징(2)은 원통형 컨테이너로서 구성되며 플레이트형, 특히 원형인 기저부(4)뿐만 아니라 원통형 재킷(3)을 구비한다. 아래에서는 짧게 배터리(1)로 지정되는 금속-공기 배터리(1)의 설치 상태 또는 사용 준비된 상태에서, 하우징(2)은 하우징(2)의 세로방향 중심축(5)이 실질적으로 수직으로, 즉 도 1에 화살표에 의해 나타내어지는 중력 방향(6)에 실질적으로 평행하게 정렬되도록 배치된다. 배터리(1)는 하우징(2) 내에 배치되고 배터리(1)의 사용 준비된 상태에서 바람직하게는 특히 캐소드(7)의 세로방향 중심축(8)이 중력 방향(6)에 대해 실질적으로 평행하게 이어지도록 적어도 하나의 속이 빈 원통형의 캐소드(7)를 더 포함한다. 도시된 예에서 하우징(2) 및 캐소드(7)는 두 세로방향 중심축(5, 8)이 동일한 위치에 있도록 서로에 대해 동축으로 그리고 동심으로 배치된다. 캐소드(7)는 하우징(2) 내의 전해질 공간(10)으로부터 공기 공간(9)을 분리시킨다. 캐소드(7)는 일반적으로 다공성 재료로 이루어지며 그에 따라 넓은 표면 면적이 일반적으로 액체인 전해질에 대해 이용가능하게되며 이는 공기 내에 함유된 기체 산소와 접촉을 가능하게 한다. 예를 들어, 캐소드는 투과성 막(membrane)으로부터 형성될 수 있거나 또는 이러한 막을 포함할 수 있다.
또한 배터리(1)는 전해질 공간(10) 내에 배치된 적어도 하나의 금속 어노드(11)를 포함한다. 어노드(11)는 예를 들어 세로방향 중심축(13)을 갖는 원통형 어노드 바디(12)를 소유하며 캐소드(7)에 동축이고 그에 동심으로 배치된다. 따라서 세로방향 중심축(5, 8, 13)은 여기에서 동일한 위치에 있다.
공기 통로(14)는 하우징(2)을 통해 이어지고, 이러한 공기 통로는 도 1에서 화살표로 표시되었으며 공기 공간(9)을 통해서 하우징(2) 내에서 하우징(2)의 공기 유입구(15)를 하우징의 공기 배출구(16)에 유동적으로 접속시킨다. 또한, 전해질 통로(17)는 하우징(2)을 통해 이어지고, 이러한 전해질 통로는 도 1에서 화살표에 의해 표시되었으며 전해질 공간(10)을 통해서 하우징(2)의 전해질 유입구(18)를 하우징(2)의 전해질 배출구(19)에 유동적으로 접속시킨다.
배터리(1)는 공기 공급 디바이스(20)와 추가로 맞춰지며 이것의 도움으로 배터리(1)의 동작 중에 공기 통로(14)를 따르고 그에 따라 캐소드(7)에 대해 작용하며, 즉 그에 대해 흐르거나 그 둘레를 흐르는 공기 흐름이 배터리(1)의 동작을 위해 생성될 수 있다. 또한, 전해질 공급 디바이스(21)가 제공되며 이것의 도움으로 배터리(1)의 동작 중에 전해질 통로(17)를 따르고 그에 따라 한 편으로는 어노드(11)에 대해 작용하며 다른 한 편으로는 캐소드(7)에 대해 작용하는, 즉 그에 대해 흐르거나 그 둘레를 흐르는 전해질 흐름이 배터리(1)의 동작을 위해 생성될 수 있다.
도 2에 따른 배터리(1)의 동작을 위해서 예를 들어 컨트롤러의 형태인 제어 디바이스(22)가 제공된다. 제어 디바이스(22)는 예를 들어 상응하는 제어 디바이스(23)를 통해서 공기 공급 디바이스(20) 및 전해질 공급 디바이스(21)에 전기적으로 접속된다. 제어 디바이스(22)는 상응하는 신호선(24)을 통해서 본 명세서에 상세하게 나타나지 않은 배터리(1)의 센서 시스템에 추가로 전기적으로 접속될 수 있다. 만약 배터리(1)가 상위 시스템, 특히 자동차에서 사용된다면, 전기 에너지의 공급을 위해서, 제어 디바이스(22)는 본 명세서에 도시되지 않은 자동차 또는 시스템의 제어부에 이러한 제어선(24)을 통해 추가로 접속되며 그에 따라 제어 디바이스(22)가 시스템 또는 자동차의 전류 전력 필요량을 인지한다. 이러한 전력 필요량은 이 경우에 배터리(1)에 대한 전력 필요량과 일치한다.
이제 제어 디바이스(22)가 배터리(1)에서의 전류 전력 필요량에 따라 공기 공급 디바이스(20)가 전력 필요량에 적응된 공기 흐름을 생성하고/하거나 전해질 공급 디바이스가 전력 필요량에 적응된 전해질 흐름을 생성하는 방식으로 공기 공급 디바이스(20) 및/또는 전해질 공급 디바이스(21)를 작동시키도록 구성되거나 프로그램된다. 바람직하게는 제어 디바이스(22)의 구성 또는 프로그래밍은 제1 단계에서 전력 필요량에 따라서 처음에는 예를 들어 특징선 또는 특징 영역에 의해서 또는 적절한 계산식에 의해서 적절한 전해질 흐름을 결정한 다음 결정된 전해질 흐름을 생성하는 방식으로 전해질 공급 디바이스(21)를 작동시키는 방식으로 달성된다. 거의 동시에 발생할 수 있는 제2 단계에서, 제어 디바이스(22)는 유사하게 특징선 또는 특징 영역에 의해서 또는 적절한 계산 식에 의해서 결정된 전해질 흐름에 대해 요구되는 공기 흐름을 결정할 수 있으며 그에 따라 공기 공급 디바이스(20)를 결정된 공기 흐름을 생성하도록 작동시킬 수 있다.
따라서 제어 디바이스(22)는 배터리(1)의 수압식 또는 공기압식 힘의 제어 또는 힘의 조정을 가능하게 한다. 만약 전력 필요량이 증가하면, 전해질 및 공기에 대한 용량 흐름이 따라서 증가된다. 다른 한편으로 만약 전력 필요량이 감소되면, 전해질 및 공기에 대한 용량 흐름이 따라서 감소된다. 따라서, 배터리(1)의 마모, 즉 어노드(11)의 분해가 최소화된다. 그 결과 배터리(1)는 비교적 긴 수명을 가진다.
제어 디바이스(22)는 예를 들어 배터리(1)를 셧다운하기 위해 이것이 전해질 공급 디바이스(21)를 작동시켜 전해질의 전해질 공간(10) 또는 전체 전해질 통로(17)를 비우도록 추가로 프로그램되거나 구성될 수 있다. 이것은 상응하는 중성 또는 비활성 관류액(flushing medium)을 이용해 관류되는 것으로 이어질 수 있다.
특히 도 1로부터 유추될 수 있는 바와 같이, 바람직한 실시예에 따른 어노드(11)는 하우징(2) 상에서 자신의 세로방향 중심축(13) 둘레에서 회전할 수 있게 장착될 수 있다. 상응하는 회전식 이동은 도면들에서 회전식 화살표(25)에 의해 나타내어졌다. 어노드(11)의 회전식 이동의 결과로서, 어노드(11)와 전해질 사이의 접촉이 향상되고, 이것은 전류 생성에 대한 전해질 반응을 증가시킨다. 동시에, 상응하는 회전 속도에서의 어노드(11)의 회전은 원심력을 발생시킬 수 있으며 이는 어노드(11)로부터 반응 생성물의 방출을 야기하여 전해질 반응의 효율성을 증가시킬 수 있다. 어노드(11) 또는 이것의 어노드 바디(12)는 금속 지지 플레이트(26) 상에 배치되고 기계적으로 그리고 전기적으로 이것에 접속된다. 이와 관련하여, 지지 플레이트(26)는 또한 어노드(11)의 원주로서 카운팅될 수 있다. 지지 플레이트(26)는 하우징(2) 상에 축방향 베어링(27)에 의해서 어노드(11)의 세로방향 중심축(13) 둘레를 회전할 수 있게 장착된다. 이를 위해서, 축방향 베어링(27)은 기저부(4)와 마주하지 않는 하우징 재킷(3)의 면(28) 상에 배치된다.
배터리(1)는 두 개의 갈바닉 또는 전력 접속부(29, 30), 즉 어노드(11)에 전기적으로 접속된 음극을 나타내는 제1 전력 접속부(29) 및 캐소드(7)에 전기적으로 접속된 양극을 나타내는 제2 전력 접속부(30)를 소유한다.
본 명세서에 도시된 바람직한 예에서, 어노드 측 갈바닉 전력 접속부(29)는 축방향 베어링(27) 상에 형성되고 그에 견고하게 접속되며, 그 결과로 이것이 하우징(2)에 대해 고정되며 비고정 또는 회전 어노드(11)와 달리 고정 또는 토크 방지 방식으로 배치된다.
축방향 베어링(27)은 기본적으로 롤러 베어링으로서 구성될 수 있다. 그러나 축방향 베어링(27)이 평면 베어링으로서 구성되는 바람직한 실시예가 도시되었다. 특히, 축방향 베어링(27)은 이를 위해서 슬라이딩 금속 링(31) 및 환형 베어링 쉘(32)을 포함할 수 있다. 베어링 쉘(32)은 하우징(2) 상에 견고하게 배치된다. 슬라이딩 금속 링(31)은 베어링 쉘(32) 내에 삽입된다. 이를 위해서 이 예에서의 베어링 쉘(32)이 축방향으로 개방된 환형 홈(groove)(33)을 가진다. 슬라이딩 금속 링(31)은 환형 홈(33) 내에 놓인다. 지지 플레이트(26)는 슬라이딩 금속 링(31) 상에 기대어지며 배터리(1)의 동작 중에 그 위에서 슬라이딩할 수 있다. 슬라이딩 금속 링(31)은 슬라이딩 금속 합금으로 이루어진 환형 바디(34) 및 환형 바디(34) 내에 배치된 적어도 하나의 금속 가열 컨덕터(35)를 구비한다. 환형 바디(34)는 가열 컨덕터(35)의 도움으로 가열될 수 있다. 본 명세서에 도시되지 않은 가열 컨덕터(35)의 전원은 가열 컨덕터(35)가 한 편으로는 슬라이딩 금속 합금의 융해점 아래에 있으며 다른 한 편으로는 환형 바디(34) 상에서 표면 융해가 발생하는 슬라이딩 금속 합금의 융해점에 매우 가까운 사전결정된 동작 온도까지 환형 바디(34)를 가열시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 동작 온도는 슬라이딩 금속 합금의 융해점 아래의 약 10% 내지 20%이다. 저융점 합금은 편의상 250℃ 내지 350℃의 최대 융해점을 갖는 슬라이딩 금속 합금으로서 사용된다. 환형 바디(34)를 사전결정된 동작 온도까지 가열하는 것은 환형 바디(34)에서의 표면 융해를 발생시키며 그에 따라 환형 바디(34)의 외부 표면이 적어도 지지 플레이트(26)의 영역 내에서 액화된다. 한 편으로, 이것은 극도로 낮은 마찰력을 갖는 수압식 평면 베어링을 발생시킨다. 다른 한 편으로, 슬라이딩 금속 링(31)과 지지 플레이트(26) 사이의 전기 접촉이 그에 따라 뚜렷하게 향상되어 큰 전류가 낮은 전압에서 전달될 수 있는 결과를 가진다.
가열 컨덕터(35)의 전술된 전원은 예를 들어 환형 바디(34)에서 원하는 동작 온도를 조정하도록 온도 센서와 함께 제어 디바이스(22)의 도움으로 제어 또는 조정될 수 있는 별개의 전원에 의해 구현될 수 있다. 단순화된 경우에 전원은 적절한 지점에서 가열 컨덕터(35)와 직렬 접속된 적어도 하나의 PTC 요소의 도움으로 구현될 수 있다. 특히 각각의 PTC 요소를 포함할 수 있는 축방향 베어링(32)과 지지 플레이트(26) 사이의 흐름 통로 내에 평행하게 가열 컨덕터(35)를 도입하는 것이 고려될 수 있다.
본 명세서에 또한 도시된 다른 바람직한 실시예에 따르면, 전해질 통로(17)는 배터리(1)의 동작 동안 전해질 흐름이 회전할 수 있게 장착된 어노드(11)를 회전식으로 구동하도록 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)를 통과하여 가이드된다. 이를 위해서 전해질 유입구(18)는 전해질 공간(10)에 접선식으로 배치될 수 있다. 따라서 전해질 공간(17)으로의 전해질의 유입이 캐소드(7)에 근접하게 발생한다. 또한 전해질 유입구(18)는 여기에서는 기저부(4)에 대해 말단으로 또는 상단에 설치된 상태로 전해질 공간(10)의 제1 단부 영역 상에 배치되어 제공될 수 있는 반면 전해질 배출구(19)는 제1 단부 영역으로부터 원거리에 있는 전해질 공간(10)의 제2 단부 영역 상에 배치된다. 도 1의 예 또는 설치된 상태에서, 전해질 배출구(19)는 기저부(4)에 근접하게, 즉 바닥에 위치된다. 도시된 예에서 전해질 배출구(19)는 또한 기저부(4)를 통해 가이드되고 축방향으로 배향된다. 전해질 공간(10)의 대향하는 축방향 단부들에 있는 전해질 유입구(18) 및 전해질 배출구(19)의 배치는 전해질 공간(10)을 통한 전해질의 축방향 흐름을 야기한다. 전해질 유입구(18)의 접선식 배치는 마찰 효과의 결과로서 어노드(11)를 회전식으로 구동하는 전해질 공간(10) 내의 소용돌이 흐름 또는 스크류형 흐름을 생성한다. 그러나, 전해질 공간(10) 내의 소용돌이 흐름은 또한 전해질 공간(10) 내의 전해질에 대해 비교적 높은 체류 시간을 가지고 비교적 높은 흐름 속도를 가능하게 한다.
예에서, 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)는 전해질 공간(10)에 노출된 흐름-가이드 구조(37)를 갖는 외부 측(36) 상에 형성된다. 흐름-가이드 구조(37)는 어노드(11)가 전해질 흐름에 의해 작용될 때 어노드(11)에 토크를 전달할 수 있는 방식으로 구성된다. 흐름-가이드 구조(37)는 따라서 어노드(11)를 구동하기 위한 전해질 흐름의 운동 에너지를 활용할 수 있다. 흐름-가이드 구조(37)는, 예를 들어, 스크류형 날개 또는 날개 섹션에 의해 형성될 수 있다. 흐름-가이드 구조(37)는 여기에서 접선식으로 전해질 유입구(18)에 점증식으로 제공되었지만 이와 다르게 제공될 수도 있다.
전술된 예에서 적절한 방식으로 생성된 전해질 흐름이 어노드(11)를 회전식으로 구동하도록 사용되는 반면, 다른 실시예에 따르면 전해질을 몰기 위해, 즉 전해질 흐름을 생성하기 위해 노드(11)의 회전을 사용하도록 제공될 수 있다. 이를 위해서, 도 2의 가로막힌 선에 의해 나타내어진, 어노드(11)를 회전식으로 구동하는 회전식 드라이브(56)가 제공될 수 있다. 이 예에서, 예를 들어 전기 모터일 수 있는 회전식 드라이브(56)는 어노드 바디(12)를 운반하는 지지 플레이트(26)를 구동시킨다. 이러한 경우에, 흐름-가이드 구조(37)는 예를 들어 프로펠러와 같은 축방향 흐름 기계의 회전자 날(blade)과 같이 동작한다. 이러한 경우에 구동된 어노드(11)는 전해질 수송 디바이스를 형성한다. 제어 디바이스(22)는 원하는 바와 같이 회전식 드라이브(56)를 작동시킬 수 있도록 상응하는 제어선(23)을 통해 회전식 드라이브(56)에 전기적으로 접속될 수 있다.
도 2에 따르면, 공기 공급 디바이스(20)는 공기 유입구(15)의 상류에 농축 디바이스(38)를 구비하여 이것의 도움으로 공기 흐름 내의 산소 비율이 증가될 수 있다. 농축 디바이스(38)는 이러한 경우에 적절한 필터 구조물, 특히 막 등에 의해 동작할 수 있다. 따라서 농축 디바이스(38) 하류의 공기 흐름은 농축 디바이스(38)의 상류의 공기 흐름에 비교하여 상당히 증가된 산소 비율을 가진다. 부응하게 감소된 산소 비율 또는 증가된 질소 비율을 갖는 공기 흐름은 배출 공기선(39)을 통해 농축 디바이스(38)로부터 제거될 수 있다. 여기에서 공기 공급 디바이스(20)는 공기 흐름을 몰거나 생성하기 위한 팬(fan)(40)을 추가로 소유한다. 팬(40)은 제어 디바이스(22)에 의해 작동될 수 있다. 또한, 본 명세서에 도시되지 않은 "정상" 공기 필터가 공기 공급 디바이스(20) 내에 포함될 수 있으며 이것에 의해 액체 및/또는 고체 불순물이 공기 밖으로 걸러질 수 있다.
도 2에 따르면 전해질 공급 디바이스(21)는 플로우(42) 및 리턴(43)을 포함하는 닫힌 전해질 사이클(41)과 맞춰진다. 플로우(42)는 전해질을 제공하기 위한 전해질 탱크(44)를 전해질 유입구(18)에 유동적으로 접속시킨다. 플로우 펌프(45)는 제어 디바이스(22)의 도움으로 작동될 수 있는 플로우(42) 내에 위치된다. 리턴(43)은 전해질 배출구(19)를 전해질 탱크(44)에 유동적으로 접속시키며 제어 디바이스(22)의 도움으로 작동될 수 있는 리턴 펌프(46)를 포함한다. 플로우 펌프(45) 및 리턴 펌프(46)는 여기에서 전해질 수송 디바이스를 형성한다.
또한, 전해질 정화 디바이스(47)는 리턴(43) 내의 리턴 펌프(46)의 하류에 위치되며, 이것의 도움으로 반응 생성물이 전해질로부터 제거될 수 있다. 따라서, 전해질의 준비가 전해질 정화 디바이스(47) 내부에서 일어나며 그에 따라 정화된 또는 소비되지 않은 전해질이 전해질 탱크(44)에 공급될 수 있다. 전해질 정화 디바이스(47)는, 예를 들어 원심분리기, 특히 막을 막는 원심분리기로서 구성될 수 있다. 원심분리기는 전해질 흐름의 운동 에너지에 의해 구동되는 백 제트(back jet) 원심분리기로서 구성될 수 있다.
또한, 기체 분리 디바이스(48)는 리턴(43) 내에 배치될 수 있으며 이것의 도움으로 액체 전해질로부터 기체가 분리될 수 있다. 이러한 예에서, 기체 분리 디바이스(48)는 리턴 펌프(46)의 하류에 또는 전해질 정화 디바이스(47)의 하류에 위치된다. 분리된 기체는 특히 전해질 공간(10) 내의 전해질 반응 동안 형성된 수소 기체를 포함한다. 향상된 기체 분리를 위해서 기체 분리 디바이스(48)는 복수의 노즐을 포함할 수 있으며 이것에 의해 액체 전해질이 빠져나갈 수 있다. 노즐들이 액체 전해질로부터 기체의 분리를 단순화하는 거품 형성을 강화한다는 것이 나타내어졌다.
기체 분리 디바이스(48)는 기체관선(49)을 통해 변환 디바이스(50)에 유동적으로 접속되며 이것의 도움으로 분리된 기체의 화학적 에너지가 전기 에너지 및/또는 열 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 변환 디바이스(50)는 촉매 버너를 포함하며 그에 따라 연소가능한 기체가 열을 생성하도록 발열식으로 변환된다. 이와 다르게 변환 디바이스(50)는 수소-공기 연료 전지를 포함할 수 있으며 이것은 대기 중 산소의 도움으로 분리된 수소 기체를 열과 전기 에너지로 변환시킨다. 변환 디바이스(50)의 도움으로 분리된 기체로부터 변환된 에너지는 화살표(51)에 따라서 배터리(1) 또는 개별 상위 시스템, 즉 특히 자동차로 공급될 수 있다.
또한 열 교환기(55)는 리턴(43) 내에 위치될 수 있으며 이것의 도움으로 복귀된 전해질이 냉각될 수 있다. 그에 따라 소산된 열은 전해질 공간(10) 내의 반응 구역으로 공급될 수 있거나 또는 배터리(1)에 대한 상위 시스템, 특히 자동차로 공급될 수 있다. 도 2의 예에서 열 교환기(55)는 기체 분리 디바이스(48) 내에 통합된다.
도 1에 따르면, 공기 공간(9) 내의 공기 흐름의 체류 시간을 증가시키도록, 적어도 공기 유입구(15)가 공기 공간(9)에 접선식으로 배치되어 제공될 수 있다. 또한 공기 유입구(15) 및 공기 배출구(16)는 서로 원거리인 공기 공간(9)의 단부들에 배치된다. 여기에서 소위 반대-흐름(counter-flow) 원리가 전해질 통로(17) 및 공기 통로(14)에 대해 구현될 수 있도록 전해질 통로(17)에 비교하여 역 배치가 바람직하다. 따라서, 예에서 공기 유입구(15)는 기저부(4)에 근접하게 위치되는 반면 공기 배출구(16)는 기저부(4)에서 먼 곳에 위치된다.
유도 가열(52)이 이 예에서 캐소드(7)의 영역 내에 위치되는 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)를 가열하도록 제공될 수 있다. 이러한 유도 가열(52)의 도움으로 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)가 한 편으로는 비접촉 방식으로 가열될 수 있다. 다른 한편으로 가열은 특히 전해질 흐름에도 노출되는 전해질 공간(10)을 마주하는 외부 측(36)의 영역 내에서 발생한다. 결과적으로, 가열은 특히 향상된 전해질 반응을 위해 증가된 온도가 요구되는 곳에서 발생한다. 유도 가열(52)은 특히 수직 자기장이 유도로 인해 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)의 원하는 표면 가열에 대해 어노드(11)의 상대적인 움직임으로만 발생하는 원주 방향의 교류 자기 편극으로 발생되도록 구성된다. 어노드(11)의 상대적인 움직임은 자신의 세로방향 중심축(13) 둘레의 어노드(11)의 회전에 의해 달성된다. 유도 가열은 속도 제어되며 이때 어노드(11)의 회전 속도는 전해질의 부피 흐름에 의존한다.
여기에서 나타내어지는 바람직한 예에서는 단지 하나의 캐소드(7) 및 하나의 어노드(11)만이 하우징(2) 내에 배치되지만, 다른 실시예에서는 동일한 하우징(2) 내에 복수의 캐소드(7) 및 복수의 어노드(11)를 배치하도록 제공될 수 있다. 동일한 캐소드(7) 내에 복수의 어노드(11)를 배치하는 것 또한 고려될 수 있다.
도 2에서 전반적으로 참조번호(57)로 지정된 배터리 시스템은 전술된 타입의 적어도 두 개의 금속-공기 배터리(1)를 포함하지만 여기에서 주변 골재 또는 구성요소들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 공통 전해질 공급 디바이스(21)를 가진 복수의 배터리(1)에 개별 전해질 흐름이 공급될 수 있다. 특히, 공통 제어 디바이스(22)는 복수의 배터리(1) 또는 배터리 시스템(57)을 동작시키도록 사용될 수 있다. 특히, 공통 수송 디바이스가 또한 개별 배터리(1)를 위해 공기 흐름 또는 전해질 흐름으로 사용될 수 있다. 배터리(1)는 전기적으로 직렬로 또는 병렬로 접속될 수 있다. 배터리(1)의 이러한 전해질 통로(17)는 독립적으로 병렬로 또는 직렬로 유동적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 공통 전해질 회로(41)가 제공될 수 있으며 여기에서 복수의 배터리는 예를 들어 전해질 정화 디바이스(47) 및/또는 기체 분리 디바이스(48)와 같은 전해질 회로(41)의 추가의 구성요소들이 함께 사용될 수 있도록 유동적으로 포함된다. 유사하게, 배터리(1)의 공기 통로(14)는 병렬로 또는 직렬로 유동적으로 배치될 수 있으며 여기에서 또한 예를 들어 농축 디바이스(38) 또는 공기 필터와 같은 공기 공급 디바이스(20)의 추가의 구성요소들이 함께 사용될 수 있다.
전기 모터 드라이브를 구비한 자동차가 개별 전기 모터에 대해 에너지를 제공하기 위해 전술된 타입의 적어도 하나의 배터리(1) 또는 전술된 배터리 시스템(57)과 맞춰질 수 있다. 수압식 또는 물과 공기압의 전력 제어 또는 전력 조정의 결과로서, 여기에서 제시되는 배터리(1)는 특히 무거운 재충전가능한 배터리 등이 생략될 수 있도록 자동차의 개별 전력 소비자 또는 상응하는 전력 전자기기에 전기적으로 원칙적 비완충 접속될 수 있는 것이 특히 바람직하다.
이러한 금속-공기 배터리(1) 또는 이러한 배터리 시스템(57)을 동작하기 위해서, 이제 금속-공기 배터리(1) 또는 배터리 시스템(57)에 대한 전력 필요량에 따라서 개별 배터리(1)에 대한 적절한 전해질 흐름 및/또는 적절한 공기 흐름이 생성되어 제공될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 편의상 전해질 흐름을 적응시키기 위해서 각각의 전해질 수송 디바이스, 즉 바람직하게는 전해질 펌프(45, 46) 또는 회전식으로 구동되는 어노드(11)가 그에 따라서 자신의 수송 용량을 증가 또는 감소시키도록 작동되고/되거나 공기 흐름을 적응시키기 위해서 각각의 공기 수송 디바이스, 즉 바람직하게는 팬(40)이 그에 따라서 자신의 수송 용량을 증가 또는 감소시키도록 작동되어 제공될 수 있다.
어노드(11)는 도 1에 따라 그리고 특히 바람직한 실시예에 따라 알루미늄 합금의 입자들(54)이 내장되는 나트륨 매트릭스(53) 내의 어노드 바디(12)를 포함하도록 생성될 수 있다. 따라서 이것은 알루미늄 나트륨 합금이 아니라 알루미늄 나트륨 합성 재료이다. 이것이 획득됨에 따라 입자들(54)을 형성하는 알루미늄 합금을 포함하는 입자 재료가 매트릭스(53)를 형성하는 나트륨 융해물로 도입된다. 어노드(11) 또는 어노드 바디(12)는 알루미늄 합금의 입자들(54)을 함유하는 이러한 융해된 나트륨의 도움으로 주조될 수 있다.
입자들(54)은 예를 들어 10㎛ 내지 100㎛의 입자 크기를 가질 수 있다. 바람직한 입자 크기는 40㎛ 내지 60㎛이다. 특히 바람직하게는 약 50㎛의 입자 크기를 가진다. 어노드 바디(12) 내의 입자들(54)의 비율은 바람직하게는 40% 내지 80%의 범위 내에 있다. 60% 내지 70%의 입자 비율이 바람직하다. 특히 바람직하게는 약 65%의 입자 비율을 가진다. 여기에서 백분율은 중량 백분율을 의미한다.
입자들(54)이 생성되는 알루미늄 합금은 바람직한 실시예에 따르면 지르코늄을 함유할 수 있다. 알루미늄 합금 내의 지르코늄은 어노드 바디(12)의 외부 측(36)에서의 장벽 층의 형성을 감소시켜 알루미늄 산화물과 수소를 형성하는 물과 알루미늄의 직접 반응이 크게 방지되게 한다. 알루미늄 합금은 바람직하게는 0.01% 내지 1.00%의 지르코늄을 함유한다. 0.05% 내지 0.8%의 지르코늄 비율이 바람직하다. 약 0.5%의 지르코늄 비율이 특히 바람직하다. 전술된 백분율 상세값은 중량백분율이다. 알루미늄 합금은 제조로 인한 방지할 수 없는 불순물을 제외하면 오직 알루미늄으로만 이루어진다.
전해질은 바람직하게는 적어도 하나의 할로겐 및 적어도 하나의 계면활성제가 추가되는 수성 산 또는 수성 가성소다로 이루어진다. 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드, 아스타틴 및 우눈셉튬이다. 특히 불소, 염소, 브롬 및 요오드가 전해질로서 고려된다. 여기에서는 불소가 바람직하다. 할로겐은 순수한 형태로 사용되지 않으며 불소 화합물, 특히 염을 함유하는 불소, 소위 플루오라이드의 형태로 사용된다. 계면활성제는 두 가지 상(phase) 사이의 계면 장력을 감소시키고 분산의 형성을 가능하게 하거나 돕거나 또는 용해제로서 작용하는 물질이다.
전해질에 대해 사용되는 산 또는 가성소다는 물 내에서 10% 내지 40%의 농도를 가진다. 바람직한 농도는 15% 내지 25%의 범위 내에 있다. 특히 바람직하게는 약 20%의 농도를 가진다. 할로겐은 산 또는 가성소다 내에서 0.1% 내지 4.0%의 비율을 가진다. 바람직하게는 0.5% 내지 2.0%의 할로겐 비율을 가진다. 바람직한 할로겐은 칼륨 알루미늄 펜타플루오라이드이다. 계면활성제는 산 또는 가성소다 내에 0.1% 내지 2.0%의 비율을 가진다. 0.2% 내지 1.0%의 계면활성제 비율이 바람직하다. 라우릴 황산나트륨이 계면활성제로서 바람직하다. 전술된 백분율 상세값은 중량백분율로서 이해되어야만 한다.

Claims (18)

  1. 나트륨 매트릭스(53) 내에 알루미늄 합금 입자들(54)을 함유하는 어노드 바디(12)를 포함하는 알루미늄-공기 배터리용 어노드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자들(54)이 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 40㎛ 내지 60㎛의 입자 크기를 갖는 것으로 특징지어지는, 어노드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 어노드 바디(12) 내의 상기 입자들(54) 비율은 40% 내지 80%, 바람직하게는 60% 내지 70%의 범위 내에 있는 것으로 특징지어지는, 어노드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 지르코늄을 함유하는 것으로 특징지어지는, 어노드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.01% 내지 1.00%의 지르코늄을 함유하는 것으로 특징지어지는, 어노드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.05% 내지 0.80%의 지르코늄을 함유하는 것으로 특징지어지는, 어노드.
  7. 금속-공기 배터리(1)의 어노드(11)의 어노드 바디(12)로서 나트륨 매트릭스(53) 내에 알루미늄 합금 입자들(54)을 함유하는 고체를 사용하는 용도.
  8. 알루미늄-금속 배터리(1)용 어노드(11)를 제작하는 방법으로서,
    - 알루미늄 합금을 포함하는 입자상 물질(granular material)이 나트륨 융해물 내에 도입되고,
    - 상기 나트륨 융해물을 포함하는 상기 어노드(11)의 어노드 바디(12)가 도입된 입자상 물질을 이용하여 주조되는, 방법.
  9. 적어도 하나의 할로겐 및 적어도 하나의 계면활성제를 함유하는 수성 산 또는 수성 가성소다로 이루어진 알루미늄-공기 배터리(1)용 전해질.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산 또는 가성소다는 수분 중 10% 내지 40%을 포함하는 것으로 특징지어지는, 전해질.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 할로겐은 상기 산 또는 가성소다 내에 0.1% 내지 4.0% 비율을 포함하는 것으로 특징지어지는, 전해질.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 할로겐은 상기 산 또는 가성소다 내에 0.5% 내지 2.0% 비율을 포함하는 것으로 특징지어지는, 전해질.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할로겐은 플루오라이드, 바람직하게는 칼륨 알루미늄 펜타플루오라이드인 것으로 특징지어지는, 전해질.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계면활성제는 상기 산 또는 가성소다 내의 0.1% 내지 2.0%의 비율을 포함하는 것으로 특징지어지는, 전해질.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 계면활성제는 상기 산 또는 가성소다 내의 0.2% 내지 1.0%의 비율을 포함하는 것으로 특징지어지는, 전해질.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계면활성제는 라우릴 황산염나트륨인 것으로 특징지어지는, 전해질.
  17. 알루미늄-공기 배터리(1)의 전해질로서 적어도 하나의 할로겐 또는 적어도 하나의 계면활성제를 함유하는 수성 산 또는 수성 가성소다로 이루어지는 구성의 사용.
  18. 금속-공기 배터리, 바람직하게는 알루미늄-공기 배터리로서,
    - 캐소드(7),
    - 어노드(11),
    - 상기 캐소드(7)와 상기 어노드(11) 사이에 배치된 전해질을 포함하되,
    - 상기 어노드(11)는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 어노드로서 구성되고/되거나 상기 전해질은 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 전해질로서 구성되는, 배터리.
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