KR20180054942A

KR20180054942A - 금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템

Info

Publication number: KR20180054942A
Application number: KR1020160150974A
Authority: KR
Inventors: 백동수; 이희택; 이정환; 이대희; 이건섭
Original assignee: 주식회사 미트; (주)덕진
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-25
Also published as: KR102086386B1

Abstract

일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지는 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator); 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛; 및 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액을 포함한다. 이때, 상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지한다.

Description

금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템{METAL FUEL CELL AND METAL FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이끼 아연 펠렛(mossy zinc pellets)을 음극 활성 물질로 적용하는 금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 연료 전지는 금속 공기 전지라고도 불리우며, 음극으로 철, 아연, 마그네슘, 알루미늄 등의 금속을 적용하고, 양극으로 산소 전극과 같은 공기확산 전극을 적용하는 전지를 말한다. 공기 중의 산소를 양극의 활성 물질로 적용함으로써, 무게가 가벼운 장점이 있으며, 음극 재료는 상대적으로 안전하고 값싼 금속을 적용하기 때문에 높은 에너지를 구현할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

이 중에서도 아연을 연료로서 사용하는 경우인 아연 연료 전지를 사용하는 시스템은 에너지의 순환 즉 충전과 방전, 금속연료의 산화와 환원에 의한 회수가 가능하여 발전기 및 전력저장 장치로의 사용이 기대되고 있다. 이러한 아연 연료 전지에 사용되는 아연 연료의 형태는 판, 구슬, 분말, 전기 도금 등 여러 형태가 있다.

연료로서 사용되는 아연들에 있어서 가장 큰 문제는 표면 산화에 의한 부도체화(passivation)이라고 할 수 있다. 전류 밀도나 전해액 내 징케이트 농도가 높을수록 이 현상은 심해지는데, 부도체 표면이 형성되면, 더 이상의 방전이 되지 않기 때문에 연료 이용률이 낮아진다는 단점이 있고, 심각한 경우 셀을 해체하여 재구성을 해야 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 유동화 베드 구조, 고정 베드 구조, 전해핵 순환식 유동 구조의 제안 및 이러한 구조에서의 다양한 기술이 등장하였으며, 현재도 관련 기술의 연구가 계속되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 연료 전지에서, 음극 활성 물질의 부도체화를 억제하고 높은 방전 효율을 얻기 위한 구조 및 방법을 제시한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 높은 방전 효율을 획득할 수 있는 금속 연료 전지를 구비하는 금속 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 연료 전지의 음극 활성 물질 및 전해액의 재생 및 재활용 방법을 제시하는 것이다.

일 측면에 따르는 금속 연료 전지가 개시된다. 상기 금속 연료 전지는 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator); 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛; 및 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액을 포함한다. 이때, 상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터; 및 상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집하는 전해액 용기를 더 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어될 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 징케이트를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연의 성형체일 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 60% 내지 90% 의 겉보기 밀도를 가질 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 분리막은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛은 통과를 막는 기능을 수행할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 상부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 상부 절연체 튜브; 및 상기 제1 튜브 구조물의 하부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 하부 절연체 튜브를 더 포함할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 외주 면에 배치되는 양극 전극 단자를 더 포함할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 상부 절연체 튜브 내부로 도입되어 배치되는 전해액 주입관; 및 상기 상부 절연체 튜브의 측벽에 배치되는 전해액 오버플로우 배출관을 더 포함할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 하부 절연체 튜브는 상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터; 및 상기 필러의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구를 구비하는 격벽을 포함할 수 있다.

한편, 다른 측면에 따르는 금속 연료 전지 시스템이 개시된다. 상기 금속 연료 전지 시스템은, 음극 활성 물질로서의 이끼 아연 펠렛, 및 상기 이끼 아연 펠렛과 접촉하면서 유동하는 전해액을 포함하는 금속 연료 전지; 상기 금속 연료 전지로부터 배출되는, 징케이트(zincate)를 포함하는 전해액을 전기 분해하여 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀; 및 상기 생성된 이끼 아연을 응집시켜 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부 중심부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 및 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator)을 포함하고, 상기 이끼 아연 펠렛은 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되며, 상기 전해액은 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동할 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 상기 전해추출 셀은 0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m²의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동될 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 제조되는 이끼 아연은 100nm 이하의 크기를 가지는 이끼 형태의 아연의 군집체이며, 10% ~ 20%의 겉보기 밀도를 가질 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 펠렛 제조부는 상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm²의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시킬 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 1 ~ 10 mm의 크기를 가지는 성형체이며, 60% 내지 90%의 겉보기 밀도를 가질 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 전해추출 셀에서 상기 이끼 아연이 추출되어 아연 농도가 감소된 상기 전해액은 상기 아연 연료 전지로 제공되어 재활용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 다. 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 종래의 활성 물질 재질에 비해, 상대적으로 낮은 밀도를 가지며, 표면에서의 부도체화(패시베이션) 현상이 억제되면서도 반응성이 우수하다. 그 결과, 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 재질에 비해, 높은 출력을 나타낼 수 있다.

상기 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지로부터 배출되는 전해액으로부터 이끼 아연을 채취하고, 상기 이끼 아연을 응집시켜 제조된다. 이와 같이, 배출 전해액으로부터 이끼 아연을 채취함으로써, 배출 전해액으로부터 아연 농도가 낮은 전해액으로 재생할 수 있다. 상기 재생된 전해액은 상기 금속 연료 전지에 재투입될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 이끼 아연 펠렛을 이용하여 방전하는 금속 연료 전지, 상기 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀, 및 상기 이끼 아연을 응집하여 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 구비하는 금속 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 금속 연료 시스템은, 지속적으로 고출력 방전이 가능하면서도, 용이하게 재생 및 순환이 될 수 있는 이끼 아연 펠렛을 전극 활성 물질로 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 금속 연료 전지의 하부를 설명하는 절단 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 비교예에 따르는 금속 연료 전지의 정전류 모드의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 비교예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 나타내는 사진이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 통해 제조된 이끼 아연을 나타내는 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 펠렛 제조 공정을 통해 제조된 이끼 아연 펠렛을 나타내는 사진이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.

복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 바와 같이, 금속 연료 전지는 크게 유동화 베드 및 고정 베드로 분류될 수 있다. 먼저, 유동화 베드를 살펴보면, Denis Doniat 등은 미국등록특허 3,887,400에서 유동화 베드식 아연연료전지를 제안하였다. 부유할 수 있는 크기로서 20 ~ 30㎛크기의 아연 입자들을 포함하는 부유액(suspension)을 사용하였고, 여기서 아연 금속 입자들의 표면 부도체화를 방지하기 위해 전해액을 아래에서 위로 순환을 시키고 전류를 모을 수 있는 니켈 가우즈 음극에 유동하는 아연 입자들을 접촉시킴으로써 전기화학적인 반응을 유지하였다.

John Rayner Backhurst 등은 미국등록특허 3,879,225에서 금속 연료 슬러리를 셀의 아래부분의 수평으로 나 있는 슬롯을 통해 밀어 넣고 셀 안에서 부유하게 하여 음극 메쉬에 접촉하게 한 형상을 제안하였다.

Frank Solomon 은 미국등록특허 4,147,839에서, 또 하나의 유동화 베드식 아연연료전지를 제안하였는데, 아연 입자 슬러리를 셀의 상부에서 주입하고 셀 안의 교반기를 사용하여 유동시키면서 아연 입자들이 음극에 접촉하도록 하는 구성을 가졌다.

한편, 유동화 베드의 경우 전해액을 셀의 아래에서 주입하여 금속 아연 입자들을 부유하게 하는 것과 위에서 주입한 다음 교반기를 사용하여 부유하게 하는 구성을 가지는 데, 이를 위해서는 입자들이 충분히 작아야 하고, 또 운영하는데 펌프를 사용하는 부수적인 에너지가 많이 소요되며 입자들의 전극에 대한 접촉이 부족하기 때문에 고출력을 내기 어렵다는 단점들이 있었다.

분말의 경우에는 입자의 보통 크기가 작기 때문에 분말 자체를 투입하는 경우보다 유동성이 있는 겔 형태로 주입하는 것이 유리하다. Jeffrey A. Colburn 등은 미국등록특허 6,911,274에서, 분체상의 금속 아연 연료와 전해액을 저장 용기에 함께 보관하였다가 펌프를 사용하여 각 셀에 공급하는 방식에 대해 제시하고 있다. 그러나 이렇게 입자들 자체를 순환시키는 경우는 순환시스템에 많은 부하가 걸리게 되며 배관이 막힐 우려가 있다.

또한, 유동화 베드는 지속적인 전해액의 순환이나 교반이 필요하지만, 이에 따른 기계적인 마모와 복잡한 기구로 인한 잦은 고장을 피하기 어렵다.

한편, 유동화 베드 형태의 금속연료전지와 더불어, 고정 베드 형태의 개발도 이루어졌다. 고정 베드는 금속 연료를 채운 셀에 전해액을 순환시키는 방식이다. 순환에 필요한 에너지와 부대 장치들에 대한 부담이 훨씬 감소하였고, 셀의 크기도 감소시킬 수 있었다.

고정 베드에 채워진 금속 연료는 전해액의 흐름에 의해 떠내려가지 않도록 기계적 견고함과, 적절한 크기를 갖고 있어야 하므로, 패시베이션 현상으로부터 자유롭지 못하다는 단점이 있다. 흔히 사용되는 형태 중 하나로서 구슬이나 펠렛이 채워진 셀에 전해액을 순환시키는 방식이 있다. 직경 1 ~ 5㎜의 아연 구슬은 쉽게 셀 안으로 이동해 들어갈 수 있으며, 셀에 채워진 다음에는 전해액이 순환되면 지속적으로 소모되면서 방전을 하게 된다.

여기에 주로 사용되는 아연 구슬들은 금속 아연을 용융한 후 냉각하는 과정에서 제작되는 것으로서 치밀한 용융 표면들을 가지고 있기 때문에 전해액의 활동도가 낮아지면 표면산화가 일어나 구슬들 간의 전기적 접촉이 불량해 질 뿐 아니라, 구슬 내부의 아연 금속은 소모되지 않은 상태로 끝나는 경우가 많아 낮은 방전 깊이를 보이는 현상이 빈번히 발생할 수 있다.

John F. Cooper는 미국등록특허 5,434,020 에서 0.1 ~ 5 ㎜ 크기의 아연 입자들을 채운 아랫부분이 좁아지도록 기울어진 셀을 제안하였다. 방전이 진행되면서 아연 입자들은 점점 크기가 작아지기 때문에 셀의 아랫부분에서 그 입자들의 크기에 적합한 셀 간격이 되도록 설계한 것이다. 전해액은 셀의 아랫부분에서 들어와서 윗부분을 통해 배출되지만 그 반대의 흐름도 가능하다고 하였다.

Jeffrey A. Colburn 등은 미국등록특허 5,952,117에서 재충진이 가능한 형태를 제안하였는데, 금속 아연 입자들과 전해액이 있는 저장용기에서 뽑아 올려 위로부터 셀에 공급하고, 전부 다 소모되면 셀에서 분리할 수 있도록 한 것이다. 이 기술은 소모된 연료를 셀 시스템에서 분리하여 아연 재생 장치와 연계하여 재사용할 수 있도록 한 것이다.

셀 안에 아연 입자 혹은 펠렛을 충진할 때 지나치게 높은 밀도로 채우게 되면 전해액의 흐름이 방해를 받을 뿐 아니라 펠렛의 무게가 지나치게 무거워서 셀의 파괴가 일어날 수 있는데 진동이나 충격을 받는 경우 쉽게 일어날 수 있는 문제점이 있다. 특히 전기 자동차와 같이 이동을 하는 전원이라면 더 문제가 될 수 있다. 그렇기 때문에 충진 밀도를 낮추면서도 입자들 간의 전기적 접촉이 잘 이루어져서 내부 저항이 낮게 유지되도록 개선된 물질을 사용할 필요가 있다.

또한, 내부의 아연 입자들의 부도체화가 심해지는 경우, 출력의 감소가 일어나고 연료 이용률도 감소하게 된다. 반대로, 고정 베드와는 달리 유동화 베드에서는 이러한 현상을 많이 줄일 수 있는데 그 이유는, 작은 입자들을 지속적으로 움직이게 하기 때문이다. 하지만, 고정 베드에서는 아연 입자들이 움직이지 않기 때문에 이러한 현상을 피하기 어려운 상황이 된다. 특히 독립된 입자들, 즉, 분말, 펠렛, 구슬을 장입하게 되는 셀에서는 각 입자들 간의 전기적 통전 능력을 잃을 수 있기 때문에 그 방전 특성이 저하하게 되는 단점이 있다.

한편, 유동화 베드 또는 고정 베드에서 적용되는 전해액 순환형은 다음과 같은 종래의 문제점이 있을 수 있다. 즉, 전해액 순환형은 징케이트를 충분히 용해하기에는 많은 양의 전해액이 필요하게 된다는 것으로서, 전반적으로 비용 및 무게, 부피의 증가로 이어져 상용화가 문제가 될 수 있다.

또한, 금속연료전지가 방전 동작만을 하게 된다면, 누적된 징케이트 이온으로 인해 결국 수산화아연이 석출하여 순환계통의 장애를 유발하게 된다. 그러므로 합리적인 전해액 관리를 위해서는 전해액의 징케이트 농도를 낮출 필요가 있다. 한 예로서 수산화칼슘을 첨가하여 KOH 전해액 내의 징케이트 이온 농도를 낮추는 방법이 있으며, 칼슘 징케이트(calcium zincate CaZn(OH)₄*2H₂O) 형태로 석출하게 된다. Aaron L. Zhu et al. “Increasing the electrolyte capacity of Alkaline Zn-Air Fuel Cells by Scavenging Zincate with Ca(OH)2”, Chem Electorchem DOI:10.1002/celc.201402251, 2014 에 실린 내용이며, 미국특허 US 2010/0196768 A1에도 게시되어 있다. 이와 같이, 전해액의 반응성을 높게 유지할 수 있을 지라도, 이러한 방법은 아연을 바로 재활용할 수 없다는 중요한 단점이 있다.

또한, 전해액 순환형의 또 한 가지의 중요한 문제점은 셀의 높이에 따른 내부 압력의 증가이다. 셀에 전해액을 가득 채우는 경우 셀의 아래 부분으로 갈수록 전해액의 수압이 증가하게 되며, 장시간 사용하였을 때 공기 양극에서의 전해액의 누설(flooding)과 공기 양극 안에서의 석출물의 누적을 가져온다. 그렇기 때문에 이러한 내부 압력을 경감시킬 수 있는 방법이 필요하다.

한편, 고정 베드인 경우 내부에 전해액을 젖은 상태로 유지할 수 있는 조건이 되어 있으므로 전해액을 완전히 채우지 않아도 필요한 출력을 낼 수가 있다고 판단된다. 즉 입자들 간의 접촉점에서 전해액이 목(neck) 형태로 젖어 있게 되는 것이다. 특히 작고 비 표면적이 큰 입자들인 경우 보다 더 많은 양의 전해액을 함유할 수 있다. 그러므로 셀의 상부에서 전해액을 뿌려주는 것 만으로 이런 상황을 유지할 수 있고, 이것은 전해액을 채우지 않아도 되기 때문에 내부 압력이 낮은 상태에서 유지할 수 있게 된다.

이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에서는 고정 베드 및 전해액 순환형 구조를 채택하여, 부도체화를 억제하여 고출력 방전이 가능하면서도, 용이하게 재생 및 순환이 될 수 있는 이끼 아연 펠렛을 적용하는 금속 연료 전지 및 금속 연료 전지 시스템을 제시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.

도 1을 참조하면, 금속 연료 전지 시스템(1)은 금속 연료 전지(10), 전해추출 셀(20), 펠렛 제조부(30) 및 외부 전원(40)을 포함한다.

금속 연료 전지(10)는 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용할 수 있다. 이때, 본 명세서에서, '이끼 아연 펠렛' 이란, 약 1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 후술하는 징케이트(Zincate)를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연으로부터 성형된 이끼 아연의 응집체를 의미할 수 있다. 이때, 상기 이끼 아연 펠렛은 60% 내지 90%의 겉보기 밀도를 가질 수 있다. 이러한 수치의 겉보기 밀도는 상기 이끼 아연 펠렛이 다공성 구조를 가지고 있는 점에서 기인할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 금속 연료 전지(10)는 공기 전극인 양극 전극(110), 및 양극 전극(110)과 이격하여 배치되는 음극 전극(120)을 포함할 수 있다. 금속 연료 전지(10)는 일 예로서, 수산화칼륨(KOH)을 포함하는 수용액을 전해액(162)으로 포함할 수 있다. 전해액(162)은 금속 연료 전지(10)의 상부로 유입된 후에, 금속 연료 전지(10)를 아래 방향으로 통과하면서 방전 반응에 참여한다. 상기 방전 반응을 거친 전해액(164)는 필터(152)가 배치되는 하부 절연체 튜브(150)를 통과하여 전해액 용기(160)로 배출된다.

한편, 이끼 아연 펠렛(140)은 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 배치된 튜브 형태의 분리막(130) 내에 수용될 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 양극 전극(110)은 상하부가 개방된 튜브 구조물의 형태를 가질 수 있다. 음극 전극(120)은 상기 튜브 구조물 내부에 위치하며, 봉 형태 또는 튜브 구조물 형태를 가질 수 있다. 분리막(130)은 양극 전극(110)과 이격하여 배치됨으로써, 이끼 아연 펠렛(140)이 양극 전극(110)과 직접 접촉하여 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이끼 아연 펠렛(140)은 전해액(162) 내에서 산화되면서 전자를 방출할 수 있다. 상기 전자는 복수의 이끼 아연 펠렛(140)을 경유하여 음극 전극(120)에 전달될 수 있다. 이때, 상기 이끼 아연 펠렛이 전자를 방출하는 반응 및 상기 방출된 전자가 음극 전극(120)에 도달하는 반응을 음극 반응이라 지칭할 수 있다. 음극 전극(120)은 외부 도선(미도시)으로 양극 전극(110)과 연결됨으로써, 음극 전극(120)에 도달한 상기 전자가 양극 전극(110)으로 이동할 수 있다.

양극 전극(110)은 공기 중에서 흡수한 산소, 음극 전극(120)으로부터 이동한 전자, 및 전해액(162) 중의 물을 이용하여, 수산화 이온(OH-)을 생성하는 양극 반응을 진행할 수 있다.

상기 음극 반응 및 상기 양극 반응을 통해, 금속 연료 전지(10)의 방전 동작이 진행될 수 있다. 상기 방전 동작이 진행되는 동안, 전해액(162)에는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 징케이트가 용해될 수 있다. 상기 징케이트는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 산화아연 또는 수산화아연 등이 전해액에 용해된 염을 의미할 수 있다.

상기 방전 동작을 통해 생성되는 상기 징케이트가 용해된 전해액(162)은 금속 연료 전지(10)의 하부에 위치하는 필터(152)를 통과한 후에 전해액 용기(160)에 수용될 수 있다. 상기 수용된 고농도 징케이트를 구비하는 전해액은 전해추출 셀(20)로 전달된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전해추출 셀(20)은 금속 연료 전지(10)로부터 배출된 전해액을 전기 분해하여, 상기 징케이트로부터 이끼 아연을 추출할 수 있다. 상기 전해 추출에 필요한 전력은 외부 전원(40)으로부터 공급받을 수 있다.

상기 이끼 아연은 일 예로서, 100 nm 이하의 크기(직경)을 가지는 일차 입자들(primary particles)을 포함할 수 있다. 상기 이끼 아연은 이끼 형태를 가지는 아연의 군집체이며, 약 10% 내지 20% 의 겉보기 밀도를 가질 수 있다. 상기 이끼 아연은 펠렛 제조부(30)로 전달될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연을 추출하는 공정은, 0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m²의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동되는 조건으로 진행될 수 있다. 전류밀도가 0.5 kA/m²보다 높으면 입자의 크기가 커지며 이끼 아연이 아니라, 금속광택을 갖는 아연 입자들이 형성될 수 있다. 또한 아연 농도가 1.0 mol/L 보다 낮으면, 이끼 아연 보다는 덴드라이트 같은 입자들이 형성될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 펠렛 제조부(30)는 상기 전해추출 셀(20)에서 추출된 이끼 아연을 응집시켜, 이끼 아연 펠렛을 제조한다. 상기 이끼 아연 펠렛은 전해추출 셀(20)에서 생성된 낮은 겉보기 밀도의 이끼 아연 군집체들에 대해 적절한 응력이 인가됨으로써 생성되는, 상기 이끼 아연의 응칩체일 수 있다. 일 예로서, 상기 응력을 인가하는 방법은, 수직 방향의 프레싱, 롤러를 이용하는 롤 프레싱, 압출 등을 포함할 수 있다. 펠렛 제조부(30)는 상기 이끼 아연의 응집에 필요한 전력을 외부 전원(40)으로부터 공급받을 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 펠렛 제조부(30)는 상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm²의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시킬 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 약 60% 내지 90%의 겉보기 밀도를 가질 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 약 1 ~ 10 mm의 크기를 가지도록 절단되어 제조될 수 있다.

상기 성형된 이끼 아연 펠렛은 음극 활성 물질로서, 재활용될 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 상기 성형된 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지(10) 내부의 분리막(130) 내부에 수용되도록 재투입될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전해추출 셀(20)에서 상기 이끼 아연이 추출된 후에, 저농도의 징케이트가 용해된 전해액은 필터부(50)를 통과한 후에, 펌프(60)에 의해 금속 연료 전지(10) 내부에 재공급될 수 있다.

상술한 바와 같이, 전해액 및 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지(10) 내에서 방전 반응에 참여한 후에, 고농도의 징케이트를 포함하는 전해액으로 변환된 후에 금속 연료 전지(10)로부터 배출될 수 있다. 상기 배출된 전해액은 전해추출 셀(20) 및 펠렛 제조기(30)를 통해 재생된 후에 금속 연료 전지(10) 내로 재공급되어 재활용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 3의 금속 연료 전지의 하부를 설명하는 절단 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 금속 연료 전지(10)는 양극 전극(110), 음극 전극(120), 분리막(130)을 포함한다. 또한, 금속 연료 전지(10)는 양극 전극(110)의 상부에 위치하는 상부 절연체 튜브(140), 및 양극 전극(110)의 하부에 위치하는 하부 절연체 튜브(150)을 포함한다.

도 3 및 도 4에 도시되지는 않았지만, 음극 활성 물질로서의 이끼 아연 펠렛이 분리막(130) 내부에 수용될 수 있다. 분리막(130)은 상기 이끼 아연 펠렛과 양극 전극(110)이 직접 접촉하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4에 도시되지는 않았지만, 전해액이 전해액 주입관(172)을 통해, 상부 절연체 튜브(140)의 내부로 공급될 수 있다. 상기 전해액은 음극 전극(120), 양극 전극(110), 및 상기 이끼 아연 펠렛과 접촉하여, 금속 연료 전지 반응에 참가한 후에, 양극 전극(110)의 하부로 배출될 수 있다.

양극 전극(110)은 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물(110)일 수 있다. 양극 전극(110)은 공기 양극으로 기능할 수 있다. 양극 전극(110)은 일 예로서, 탄소와 소수성 고분자인 불소 수지, 및 촉매 등이 결합된 물질일 수 있다. 양극 전극(110)은 상단 단자부(115) 및 하단 단자부(117)을 구비할 수 있다. 상단 단자부(115) 및 하단 단자부(117)는 도선(미도시)을 통해 음극 전극(120)과 연결될 수 있다. 단자부(115) 및 하단 단자부(117)는 도전성 재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로서, 스테인레스강으로 이루어질 수 있다.

양극 전극(110)은 공기 중에서 흡수한 산소, 상기 도선을 통해 음극 전극(120)으로부터 이동한 전자, 및 전해액 중의 물을 이용하여, 상기 전해액 내에서 수산화 이온(OH-)을 생성하는 양극 반응을 진행할 수 있다.

음극 전극(120)은 상기 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물(110)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 음극 전극(120)은 튜브 구조물 형태 또는 봉 형태를 가질 수 있다. 음극 전극(120)은 일 예로서, 황동, 인청동, 철, 니켈, 은, 철 등의 재질로 이루어질 수 있다. 음극 전극(120)은 전해액 내에서, 상기 이끼 아연 펠렛이 산화되면서 발생하는 전자를 수집할 수 있다. 음극 전극(120)에 수집된 전자는 외부 도선(미도시)을 통해 양극 전극(110)의 단자부(115, 117)로 이동할 수 있다. 한편, 상기 이끼 아연 펠렛이 전자를 방출하는 반응 및 상기 방출된 전자가 음극 전극(120)에 수집되는 반응을 음극 반응이라 지칭할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 분리막(130)은 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물(130)일 수 있다. 분리막(130)은 일 예로서, 친수성 다공성 필름일 수 있다. 분리막(130)은 내알칼리성 고분자 재질을 포함할 수 있다. 분리막(130)은 일 예로서, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등의 재질로 이루어질 수 있다.

분리막(130)은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛이 통과하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 상기 이끼 아연 펠렛은 제2 튜브 구조물(130)의 내부에 수용될 수 있다. 제2 튜브 구조물(130)이 제1 튜브 구조물(110)과 공간적으로 이격되어 배치됨으로써, 분리막(130)은 상기 이끼 아연 펠렛과 양극 전극(110)이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상부 절연체 튜브(140)는 제1 튜브 구조물(110)과 제2 튜브 구조물(130) 사이에서 끼움 결합될 수 있다. 구체적으로, 상부 절연체 튜브(140)의 일부분이 제1 튜브 구조물(110) 내부에 삽입되어 고정 배치될 수 있다. 상부 절연체 튜브(140)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다.

이때, 상단 단자부(115)가 상부 절연체 튜브(140)가 끼움 결합된 제1 튜브 구조물(110)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상단 단자부(115)는 상부 절연체 튜브(140)가 제1 튜브 구조물(110)에 고정 결합되는 것을 도울 수 있다.

도 3을 참조하면, 상부 절연체 튜브(140) 내부에는 전해액 주입관(172)이 배치될 수 있다. 또한, 상부 절연체 튜브(140)의 측벽에는 전해액 오버 플로우 배출관(182)이 배치될 수 있다. 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 전해액이 금속 연료 전지(10) 내부로 공급될 때, 일시적으로 금속 연료 전지(10)에서 전해액이 넘치는 것을 방지하기 위해 설치될 수 있다. 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 상부 절연체 튜브(140)의 적절한 높이에 배치되어, 상부 절연체 튜브(140) 내부의 상기 전해액을 외부로 배출할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 절연체 튜브(150)은 제1 튜브 구조물(110)과 제2 튜브 구조물(130) 사이에서 끼움 결합될 수 있다. 구체적으로, 하부 절연체 튜브(150)의 일부분이 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 삽입되어 고정 배치될 수 있다. 하부 절연체 튜브(150)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다.

이때, 하단 단자부(117)가 하부 절연체 튜브(150)가 끼움 결합된 제1 튜브 구조물(110)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 하단 단자부(117)는 하부 절연체 튜브(150)가 제1 튜브 구조물(110)에 고정 결합되는 것을 도울 수 있다.

하부 절연체 튜브(150)은 상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터(152)를 포함할 수 있다. 필터(152)는 일 예로서, PP 부직포로 이루어질 수 있다. 필터(152)는 제1 튜브 구조물(110)의 하부에서 하부 절연체 튜브(150)의 내부를 커버하도록 설치될 수 있다.

또한, 하부 절연체 튜브(150)는 필터(152)의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구(156)를 구비하는 격벽(154)를 포함할 수 있다. 격벽(154)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다. 격벽(154)은 하부 절연체 튜브(150)의 내부를 커버하도록 설치될 수 있다.

격벽(154)의 개구(156)를 통과한 전해액은 배출구(158)를 통해, 하부 절연체 튜브(150)의 외부로 배출될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지(10)에서는, 상기 양극 반응 및 상기 음극 반응을 통해, 전지의 방전 동작이 진행될 수 있다. 상기 방전 동작이 진행되는 동안, 상기 전해액에는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 징케이트가 용해된다.

상기 방전 동작을 통해 생성되는 상기 징케이트가 용해된 전해액은 금속 연료 전지(10)의 하부에 위치하는 필터(152)를 통하여 여과된 후에 외부로 배출될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 복수의 금속 연료 전지(10)가 전해액 용기(160)에 설치된 슬롯(미도시)에 안착되어 배치될 수 있다. 일 금속 연료 전지(10)의 음극 전극(120)과, 이웃하는 다른 금속 연료 전지(10)의 양극 전극(110)을 외부 도선(미도시)를 통해 서로 연결시킴으로써, 복수의 금속 연료 전지(10)가 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 이와 같이, 상기 슬롯의 개수를 증가시킴으로써, 상기 슬롯에 안착할 금속 연료 전지(10)의 개수를 증가시킬 수 있다.

복수의 금속 연료 전지(10)의 전해액 주입관(172)은 하나의 전해액 주입 모음관(170)과 연결될 수 있다. 또한, 복수의 금속 연료 전지(10)의 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 하나의 전해액 배출 모음관(180)에 연결될 수 있다.

일 실시 예에서, 복수의 금속 연료 전지(10)는 하나의 전해액 용기(160)를 공유할 수 있다. 이때, 금속 연료 전지(10)로의 전해액 공급 속도를 충분히 느리게 조절하여, 금속 연료 전지(10) 내부를 통과한 전해액(164)이 액적의 상태로 전해액 용기(160)로 낙하하도록 할 수 있다. 이에 따라, 복수의 금속 연료 전지(10)를 통과하여 낙하하는 전해액(164)이 연속된 흐름을 형성하는 것을 억제함으로써, 전해액 용기(160) 내에 수용된 전해액을 통해 금속 연료 전지(10)가 서로 전기적으로 통전되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 복수의 금속 연료 전지(10) 내에서 발생하는 전지 반응시 각각의 금속 연료 전지(10) 별로 누전 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 전해액 공급 속도를 충분히 느리게 조절하여, 상기 전해액이 금속 연료 전지(10)의 내부를 통과하면서, 금속 연료 전지(10)에 과도한 압력을 인가하는 것을 억제할 수 있다. 이로서, 금속 연료 전지(10)의 출력이 감소하거나 누설되는 것을 방지할 수 있다. 또한 전해액 용기(160)에 다량의 전해액(164)이 모이기 전에 전해액(164)을 전해추출 셀로 신속하게 전달함으로써 금속 연료 전지(10)를 지속적으로 운영할 수 있다.

이하에서는, 구체적인 실험예를 통해, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

실시예 - 금속 연료 전지 제작

직경 34㎜ 길이 100㎜의 튜브 구조물인 공기 양극 전극을 만들고 양단에 직경 32㎜의 FRP 재질의 상부 절연체 튜브 및 하부 절연체 튜브를 각각 10㎜씩 삽입하였다. 이어서, 스테인리스강으로 된 상단 단자부 및 하단 단자부를 상기 공기 양극 전극에 설치하였다. 하부 절연체 튜브에는 FRP 재질의 판상으로 격벽을 설치하였다. 그 격벽 상에는 PP 부직포로 이루어진 필터를 배치하였다. 상기 양극 전극의 튜브 구조물 내에 분리막을 감아서 배치시켰다.

그 다음, 상기 분리막 내에 아연 연료를 채워 넣었다. 아연 연료를 채워넣은 양은 유효한 양극 전극의 길이 80㎜를 채울 수 있는 양을 넣었다. 상기 아연 연료로는, 비교예 1로서, 직경 3㎜의 구슬 형태의 아연 300g을 제공하였으며, 비교예 2로서, 알칼라인 전지용으로 적용되는 100 μm 크기의 아연 분말 300g을 제공하였다. 실시예 1로서, 50g의 이끼 아연 펠렛을 제공하였으며, 실시예 2로서, 60g의 이끼 아연을 제공하였다. 이때, 이끼 아연은 전해액으로부터 전해 추출되어 실시예 1의 이끼 아연 펠렛으로 성형되기 이전의 아연 추출물을 의미한다. 그리고 상기 양극 전극의 튜브 구조물 중심에는 음극 전극으로서 직경 4㎜의 황동 튜브를 설치하였다.

실시예 - 이끼 아연 제조

외부 전원을 사용하여 징케이트를 포함하는 전해액을 전해 추출하여 이끼 아연을 제조하였다. 직류 전원을 이용하여 정전류 모드로 전해 추출을 진행하였다.

KOH 35 ~ 45%의 수용액을 전해액으로 적용하되, 아연 연료 전지에서 방전 동작 수행 후에 배출된 것을 적용하였다. 이때, 전해액은 ZnO 농도가 1.0 mol/L 이하를 유지하는 용액이다. 전해추출 셀은 음극에는 황동 판을 양극에는 스텐레스 강 메쉬를 적용하였다. 두 개의 마주보는 전극들 사이의 거리는 5㎝이었다. 양극에서는 미세한 산소 기포가 생성되었고, 음극에서는 이끼 아연이 형성되었고, 이것을 진동을 주어 아래로 떨어뜨리면서 전극 간 단락이 되는 것을 방지하였다. 초기에는 전착 도금층이 보이다가 전해를 계속하면서 검은 색의 입자들만이 형성되었다.

전해 추출시 전류밀도 0.1 ~ 0.5 kA/㎡ 에서 생산하였다. 이때의 셀 간 전압은 1.9 ~ 2.5V 를 유지시켰다.

생성된 이끼 아연을 판 위에 올려 놓고 0.1 내지 1 kg/cm²의 압력을 인가하여 눌러주면, 전해액은 주변으로 빠져 나가고, 이끼 아연이 응집되었다. 이것을 5 ㎜ 이하의 크기로 절단하여 펠렛을 만들었다.

실험예 - 방전 시험

상기 실시예에서 제조한 금속 연료 전지에서, 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2의 음극 활성 물질을 적용하여 방전 실험을 진행하였다.

상술한 바와 같이, 비교예 1은 음극 활성 물질로서, 직경 3㎜의 구슬 형태의 아연을 적용하였으며, 비교예 2는 100 μm 크기의 아연 분말을 적용하였다. 이에 반해, 실시예 1은 음극 활성 물질로서, 이끼 아연 펠렛을 적용하였으며, 실시예 2는 이끼 아연을 적용하였다.

고찰

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 보다 상세하게는 도 6은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(610 그래프) 및 실시예 2의 이끼 아연을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(620 그래프)를 전류-전압 곡선을 통해 도시하고 있다.

도 6을 참조하면, 실시예 1의 그래프(610)의 경우가 실시예 2(620)의 경우보다 출력이 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1의 경우, 9A 이상의 전류가 발생한 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 비교예에 따르는 금속 연료 전지의 정전류 모드의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 보다 상세하게는 도 7은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(610 그래프) 및 실시예 2의 이끼 아연을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(620 그래프)를 전류-전압 곡선을 통해 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 실시예 1의 경우, '9A 인가 테스트'에서도 상대적으로 높은 출력을 발생시켰으며, 상대적으로 높은 방전 깊이(DOD: depth of discharge)를 나타내었다. 실시예 2의 경우, '3A 인가 테스트' 수준의 출력을 나타내고 있다. 한편, 방전 초기에 9A 또는 3A로 정전류 모드에서 테스트 하다가, 셀의 전압이 낮아짐에 따라, 1A로 방전 전류를 전환하여 테스트를 지속하였다. 이때, 실시예 1 및 실시예 2의 연료 이용률(또는 방전 깊이)는 각각 68%, 34%로 차별되었다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다. 도 8은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛의 형상을 나타내고 있으며, 도 9는 실시예 2의 이끼 아연의 형상을 나타내고 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 도 9의 실시예 2의 경우가, 아연 부산물이 상대적으로 밝은 색으로 분산되어 있는 것을 볼 수 있고, 이는 이끼 아연 분말이 산화되었음을 나타내고 있다. 반면에, 실시예 1의 이끼 아연 펠렛은 활성이 높은 표면을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

한편, 방전 시험 결과, 비교예 1 및 2의 경우, 각각 5A의 전류를 출력하여, 실시예 1의 경우보다, 출력이 낮았다. 비교예 1 및 2의 연료 이용률은 모두 20% 이하 였으며, 40 ~ 50 Ah 정도에서 출력이 모두 종료되었다. 이때, 방전 테스트가 완료된 비교예 1 및 2의 음극 활성 물질의 상태를 관찰하였다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 일 비교예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다. 도 10을 참조하면, 비교예 1의 경우, 표면이 산화된 상태로 부도체화된 덩어리가 관찰되었다. 도 11을 참조하면, 비교에 2의 경우, 분말 입자가 서로 뭉쳐서 시멘트화가 된 것으로 관찰되었다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 나타내는 사진이다. 도 12를 참조하면, 정전류 모드에서 음극에서 형성되는 이끼 아연을 관찰할 수 있다. 투명 PVC 셀에서 전해 추출을 통해 이끼 아연이 발생하는 모습을 나타내고 있다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 통해 제조된 이끼 아연을 나타내는 사진이다. 상술한 바와 같이, 징케이트를 포함하는 전해액을 전해 추출함으로써, 생성된 이끼 아연을 관찰하였다. 상기 이끼 아연은 100 nm 이하의 크기를 가지는 일차 입자들로 이루어지는 군집체의 형상을 확인할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 펠렛 제조 공정을 통해 제조된 이끼 아연 펠렛을 나타내는 사진이다. 전해 추출을 통해 생성된 이끼 아연에 대해 0.1 내지 1 kg/cm²의 압력을 인가함으로써, 상대적으로 겉보기 밀도가 향상된 이끼 아연의 응집체를 생성하였다. 그리고, 이러한 이끼 아연의 응집체를 5 mm의 크기로 절단함으로써, 도시된 것과 같은 이끼 아연 펠렛을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용할 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 종래의 활성 물질 재질에 비해, 상대적으로 낮은 밀도를 가지며, 표면에서의 부도체화(패시베이션) 현상이 억제되면서도 반응성이 우수하다. 그 결과, 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 재질에 비해, 높은 출력을 나타낼 수 있다.

상기 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지로부터 배출되는 전해액으로부터 이끼 아연을 채취하고, 상기 이끼 아연을 응집시켜 제조된다. 이와 같이, 배출 전해액으로부터 이끼 아연을 채취함으로써, 배출 전해액으로부터 아연 농도가 낮은 전해액으로 재생할 수 있다. 상기 재생된 전해액은 상기 금속 연료 전지에 재투입되어 재활용될 수 있다.

이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당 업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 이끼 아연 펠렛, 110: 양극 전극,
115: 상단 단자부, 117: 하단 단자부,
120: 음극 전극, 130: 분리막,
140: 상부 절연체 튜브, 150: 하부 절연체 튜브,
152: 필터, 154: 격벽, 156: 개구, 158: 배출구,
160: 전해액 용기, 162 & 164: 전해액,
170: 전해액 주입 모음관, 172: 전해액 주입관,
180: 전해액 배출 모음관, 182: 전해액 오버 플로우 배출관.

Claims

상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator);
상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛; 및
상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액을 포함하되,
상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지하는
금속 연료 전지.
제1 항에 있어서,
상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터; 및
상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집하는 전해액 용기를 더 포함하는
금속 연료 전지.
제2 항에 있어서,
상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어되는
금속 연료전지.
제1 항에 있어서,
상기 이끼 아연 펠렛은
1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 징케이트를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연의 성형체인
금속 연료 전지.
제1 항에 있어서,
상기 이끼 아연 펠렛은
60% 내지 90% 의 겉보기 밀도를 가지는
금속 연료 전지.
제1 항에 있어서,
상기 분리막은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛은 통과를 막는 기능을 수행하는
금속 연료 전지.
제1 항에 있어서,
상기 제1 튜브 구조물의 상부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 상부 절연체 튜브; 및
상기 제1 튜브 구조물의 하부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 하부 절연체 튜브를 더 포함하는
금속 연료 전지.
제7 항에 있어서,
상기 제1 튜브 구조물의 외주 면에 배치되는 양극 전극 단자를 더 포함하는
금속 연료 전지.
제7 항에 있어서,
상기 상부 절연체 튜브 내부로 도입되어 배치되는 전해액 주입관; 및
상기 상부 절연체 튜브의 측벽에 배치되는 전해액 오버플로우 배출관을 더 포함하는
금속 연료 전지.
제7 항에 있어서,
상기 하부 절연체 튜브는
상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터; 및
상기 필러의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구를 구비하는 격벽을 포함하는
금속 연료 전지.
음극 활성 물질로서의 이끼 아연 펠렛, 및 상기 이끼 아연 펠렛과 접촉하면서 유동하는 전해액을 포함하는 금속 연료 전지;
상기 금속 연료 전지로부터 배출되는, 징케이트(zincate)를 포함하는 전해액을 전기 분해하여 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀; 및
상기 생성된 이끼 아연을 응집시켜 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 포함하는
금속 연료 전지 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 금속 연료 전지는
상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부 중심부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 및
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator)을 포함하고,
상기 이끼 아연 펠렛은 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되며,
상기 전해액은 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는
금속 연료 전지 시스템.
제12 항에 있어서,
상기 금속 연료 전지는
상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터; 및
상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집한 후에 상기 전해추출 셀에 상기 수집한 전해액을 제공하는 전해액 용기를 더 포함하는
금속 연료 전지 시스템.
제13 항에 있어서,
상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어되는
금속 연료전지.
제11 항에 있어서,
상기 전해추출 셀은
0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m²의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동되는
금속 연료 전지 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 제조되는 이끼 아연은
100nm 이하의 크기를 가지는 이끼 형태의 아연의 군집체이며, 10% ~ 20%의 겉보기 밀도를 가지는
금속 연료 전지 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 펠렛 제조부는
상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm²의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시키는
금속 연료 전지 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 이끼 아연 펠렛은
1 ~ 10 mm의 크기를 가지는 성형체이며, 60% 내지 90%의 겉보기 밀도를 가지는
금속 연료 전지 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 전해추출 셀에서 상기 이끼 아연이 추출되어 아연 농도가 감소된 상기 전해액은 상기 아연 연료 전지로 제공되어 재활용되는
금속 연료 전지 시스템.