KR20190056877A - 건식 금속 공기 연료전지 및 이를 이용한 휴대용 랜턴 - Google Patents

건식 금속 공기 연료전지 및 이를 이용한 휴대용 랜턴 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극에 금속을 사용하고 양극에 공기극을 사용한 금속 공기 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극과 공기극으로 구성된 셀 유닛과 매질인 전해질 용액을 분리 배치하고, 필요 시 전해질 용액이 셀 유닛에 공급되도록 하여 즉시 전력 생산이 가능한 건식 금속 공기 연료전지에 관한 것이다.
또한, 위 건식 금속 공기 연료전지를 사용하여 장기간 보관이 가능하고, 간단한 동작으로 전력을 생산하여 랜턴을 구동시킬 수 있는 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴에 관한 것이다.

Description

건식 금속 공기 연료전지 및 이를 이용한 휴대용 랜턴{Dry type Metal Air Fuel Cell and Portable Lantern using the Same}
본 발명은 음극에 금속을 사용하고 양극에 공기극을 사용한 금속 공기 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극과 공기극으로 구성된 셀 유닛과 매질인 전해질 용액을 분리 배치하고, 필요 시 전해질 용액이 셀 유닛에 공급되도록 하여 즉시 전력 생산이 가능한 건식 금속 공기 연료전지에 관한 것이다.
또한, 위 건식 금속 공기 연료전지를 사용하여 장기간 보관이 가능하고, 간단한 동작으로 전력을 생산하여 랜턴을 구동시킬 수 있는 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴에 관한 것이다.
금속 공기 연료전지는 금속을 음극 활물질로 하고 공기를 양극 활물질로 하는 신개념의 전지로서 매우 높은 전기적 퍼텐셜을 갖고 있다. 또한, 다른 수소연료전지와 달리 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서 값싼 전해질을 매질로 사용하기 때문에 제작비가 저렴하고 환경적으로 깨끗하며 유해가스의 발생이 없는 청정 에너지원으로 알려져 있다. 금속 공기 연료전지의 성능은 공기극(양극)의 에너지밀도 및 금속극(음극)과 전해질의 반응특성에 따라서 크게 영향을 받게 되므로 음극의 금속종류와 전해질과의 상관관계를 고려한 금속재료들이 사용되고 있다.
특히, 알루미늄-공기연료전지, 마그네슘-공기연료전지, 아연-공기연료전지는 에너지밀도가 높아 고용량 전지 제조가 가능하고 반응물질인 알루미늄, 마그네슘, 및 아연과 전해질 용액인 수산화나트륨용액, 소금물, 및 수산화칼륨용액은 가격이 저렴하고 친환경적인 장점이 있어서 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등을 위한 대용량 전지로 사용 가능할 것으로 예상되고 있다.
위와 같은 금속 공기 연료전지는 전해질 용액이 전극에 공급되는 동안 지속적으로 전력이 생산되며, 전해질 용액 및 음극을 소모하기 때문에 전해질 용액이나 음극을 재공급하지 않으면 장시간 사용이 불가한 단점이 있다.
특히 휴대용 랜턴의 경우 장기간 보관하다가 비상 시 사용하는 경우가 많아 금속 공기 연료전지를 적용하는데 어려움이 많았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전해질 용액과 전극을 분리 배치하되, 전해질 용액을 연질의 탱크에 수용하고 탱크의 타공을 통해 전해질 용액이 전극에 공급되도록 하여 전력을 발생시키는, 건식 금속 공기 연료전지를 제공함에 있다.
또한, 위와 같은 건식 금속 공기 연료전지를 적용하여 장시간 보관이 가능하고 필요시에만 전해질 탱크 타공 동작을 통해 즉시 사용이 가능한 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴을 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 건식 금속 공기 연료전지는, 내부가 중공된 전지케이스; 상기 전지케이스 내부 일측에 배치되며, 전해질 용액이 충전되는 전해질 탱크; 상기 전지케이스 내부 상기 전해질 탱크의 타측에 이격 배치되며, 단위전지가 다단으로 적층된 셀 스택을 포함하는 셀 유닛; 상기 셀 유닛 상에 형성되며, 상기 단위전지에 공기 공급을 위한 공기 유입 공간; 상기 전지케이스를 관통하여 외부와 상기 공기 유입 공간을 연통하는 에어홀; 및 상기 전해질 탱크의 타공을 위해 상기 셀 유닛 일측에 구비되는 타공침을 포함하며, 상기 셀 유닛의 일측 방향 이동에 의해 상기 타공침이 상기 전해질 탱크를 타공하여 타공을 통해 흘러나온 전해질 용액을 상기 셀 스택에 공급한다.
또한, 상기 타공침은, 상기 셀 유닛의 일방향 회동에 의해 상기 전해질 탱크의 타측면을 타공한다.
또한, 상기 전해질 탱크와, 상기 셀 유닛 사이에는 상기 셀 유닛의 타측 방향으로 탄성을 가하도록 탄성부재가 구비된다.
또한, 상기 셀 스택은, 음극; 상기 음극의 외측에 접합되는 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 외측에 접합되는 양극을 포함하며, 상기 공기는 상기 양극의 외면에 공급되고, 상기 전해질 용액은 상기 멤브레인에 공급된다.
또한, 상기 셀 유닛은, 내부에 공기유입 공간이 형성되도록 다단으로 적층된 셀 스택의 일단과 타단을 각각 고정하는 제1 및 제2 하우징; 상기 제1 및 제2 하우징을 연결하는 연결하우징을 포함하고, 상기 제1 하우징은 상기 전지케이스 내부 전해질 탱크가 구비된 전해질 공간과, 상기 공기 유입 공간을 구획하되, 전해질 용액이 상기 멤브레인에 공급되도록 상기 제1 하우징을 관통하는 전해질 공급홀이 형성된다.
또한, 상기 타공침은, 상기 제1 하우징의 일면에서 일측 방향으로 구비된다.
또한, 상기 양극은, 파우더 형태로 이루어진 카본층과, 상기 카본층을 지지하도록 카본층의 외면에 접합되는 지지층으로 이루어지며, 상기 지지층은, 상기 카본층으로 공기 유입이 원활하도록 폼 형태로 이루어진다.
본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 랜턴은, 상술된 건식 금속 공기 연료전지; 상기 금속 공기 연료전지가 수용되는 메인 케이스; 및 상기 메인 케이스의 일측에 구비되는 점등부를 포함하며, 상기 점등부는, LED와, 상기 연료전지의 전지극과 맞닿아 연료전지에서 공급되는 전기를 상기 LED에 전달하는 소켓을 포함한다.
또한, 상기 메인 케이스 상에는 상기 연료전지의 제1 에어홀과 연통되는 제2 에어홀이 관통 형성된다.
아울러, 상기 메인 케이스의 타측에는 상기 셀 유닛을 일측으로 이동시키기 위한 구동부가 구비되며, 상기 케이스와 구동부 사이에는 안전 클립이 구비된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 건식 금속 공기 연료전지는 장기간 성능 저하 없이 보관이 가능하고 필요시에 전해질 용액을 전극에 공급하여 즉시 사용이 가능하기 때문에 휴대용 또는 비상용 전기 제품 특히 랜턴 등에 적용이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명의 건식 금속 공기 연료전지는 통상의 1차전지 및 2차전지에 비해 친환경적이라, 환경오염을 방지하고, 가격이 저렴한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴의 전체사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 랜턴 단면도 (보관 시)
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 휴대용 랜턴 단면도 (사용 시)
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛 전체사시도
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛 횡단면도
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛 종단면도
도 7은 도 6의 부분 확대도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 건식 금속공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴(1000, 이하 "랜턴")대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 랜턴(1000)의 전체사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 랜턴(1000)의 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 랜턴(1000)은 건식 금속공기 연료전지(100, 이하 "전지")가 수용되는 메인 케이스(200)와, 메인 케이스(200)의 일측에 구비되어 전지(100)의 전원을 통해 점등되는 점등부(300)와, 메인 케이스(200)의 타측에 구비되어 사용자의 가압을 통해 일측 방향으로 이동하여 전지(100)를 구동하는 구동부(500)를 포함한다.
또한 메인 케이스(200) 상에는 전지(100)의 양극에 공기를 공급하기 위한 제2 에어홀(210)이 형성되며, 구동부(500) 상에는 랜턴(1000) 보관 시 구동부(500)가 가압되어 전지(100)가 구동되는 것을 방지하기 위한 안전클립(600)이 구비된다.
위와 같은 랜턴(1000)의 세부 구성에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 메인 케이스(200)는 내부가 중공된 원통형으로 내부에 전지(100)가 구비된다. 전지(100)는 전지케이스(110)와, 전해질 탱크(120)와, 셀 유닛(130)을 포함한다. 이때 메인 케이스(200)의 내부는 일측에 전해질 탱크(120)가 구비된 전해질 용액 공간과, 타측에 셀 유닛(130)이 구비된 공기유입공간으로 구분될 수 있다.
전지케이스(110)는 내부에 전해질 용액이 충전되는 전해질 탱크(120) 및 셀 스택(140)을 포함하는 셀 유닛(130)이 구비되며, 일단에 전지(100)에서 생성된 전기를 공급하기 위한 전지양극(111)이 구비되고, 제2 에어홀(210)과 연통되어 셀 스택(140)의 양극에 공기를 공급하기 위한 제1 에어홀(112)이 형성된다. 도면상에는 도시되지 않았으나, 전지(100)의 전지음극은 메인 케이스(200)와 연결되어 점등부(300)와 메인 케이스(200) 결합 시 점등부(300)의 음극과 연결되도록 구성된다.
전해질 탱크(120)는 전지케이스(110)의 내부 일측에 구비되며, 전해질 용액이 충전된다. 셀 유닛(130)은 공기와 접촉하는 양극과 전해질 용액에 함침 되는 음극을 포함하는 복수의 단위 전지가 이격 배치된 셀 스택(140)이 구비된다. 또한 셀 유닛(130)의 일단부에는 구동부(500)의 일측 방향 가압에 의해 일측 회동하여 전해질 탱크(120)에 타공을 형성하기 위한 타공침(131)이 복수 개 구비된다. 또한, 전해질 탱크(120)와 셀 유닛(130) 사이에는 탄성부재(150)가 복수 개 구비된다. 탄성부재(150)는 셀 유닛(130)에 탄성을 가하여 구동부(500)를 가압하는 힘이 제거되었을 때 셀 유닛(130)을 타측 방향으로 이동시키도록 구비된다. 도 2는 보관 시 전지(100)의 상태를 도시한 도면으로 셀 유닛(130)의 일단에 구비된 타공침(131)과 전해질 탱크(120)가 이격된 상태를 유지하여 전해질 용액이 셀 유닛(130)의 셀 스택(140)에 공급되지 않는 상태를 나타낸다.
아울러 점등부(300)는 LED(310)가 구비된 소켓(320)을 포함하며 소켓(320)은 양극단자가 전지양극(111)에 맞닿고, 음극단자가 메인케이스(200)에 맞닿아 전지(100)에서 공급되는 전원을 통해 LED(310)를 점등시킨다.
도 3에는 구동부(500)의 가압을 통해 전해질 탱크(120)가 타공된 상태를 나타낸 랜턴(1000)의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 사용자가 구동부(500)를 가압하여 구동부(500)가 일측으로 이동하면, 구동부(500)의 일측에 구비된 셀 유닛(130)이 구동부(500)의 가압에 의해 일측으로 이동하게 된다. 이때, 셀 유닛(130)의 일단에 구비된 타공침(131)이 전해질 탱크(120)의 타면을 관통하여 타공을 형성하게 된다. 다음으로 도면상에는 도시되지 않았으나, 구동부(500)를 가압하는 힘이 제거되면, 탄성부재(140)의 탄성에 의해 셀 유닛(130)과 구동부(500)가 타측 방향으로 이동 복귀하게 되고, 전해질 탱크(120)의 타공을 통해 전해질 용액이 흘러나와 셀 유닛(130)의 셀 스택(140)에 공급되어 전지(100)가 발전하게 된다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 셀 유닛(130)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛(130)의 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛(130)의 횡방향 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 셀 유닛(130)은 다단으로 이격 적층되는 단위전지로 이루어진 셀 스택(140)과, 셀 스택(140)의 일측이 고정되는 제1 하우징(132)과, 셀 스택(140)의 타측이 고정되는 제2 하우징(133)과, 셀 스택(140) 주변에 공기 유입 공간(136)이 형성되도록 제1 하우징(132)과 제2 하우징(133)을 연결하는 연결 하우징(134)을 포함한다. 특히 제1 하우징(132)은 전지케이스(110) 내부 전해질 탱크(120)가 구비된 전해질 공간과, 전지케이스(110) 내부 셀 유닛(130)이 구비된 측의 공기 유입 공간(136)을 격리하도록 구성될 수 있다.
이때 제1 하우징(132) 상에는 전해질 탱크(120)의 타공을 위한 타공침(131)과, 전해질 탱크(120)에서 유출된 전해질 용액을 셀 스택(140)에 공급하기 위한 전해질 공급홀(135)이 형성된다. 또한 상기 전해질 용액이 상기 공기 유입 공간에 유입되지 않도록 전해질 공급홀(135)과, 공기 유입 공간은, 제1 하우징(132)을 통해 구획될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 셀 유닛(130)의 종방향 단면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 확대단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 셀 유닛(130)에 구비된 셀 스택(140)의 단위 전지는 복수 개가 상하 이격 배치되고, 길이방향 양측은 상술한 바와 같이 제1 하우징(132)과 제2 하우징(133)에 고정되고, 폭 방향 양측이 연결 하우징(134)에 고정된다.
이때, 상기 단위전지는, 중앙에 금속 재질의 음극(141)이 배치되고, 음극(141)의 외측에는 전해질 용액이 함침 되는 멤브레인(142)이 배치된다. 또한, 멤브레인(142)의 외측에는 양극(143)이 배치되고, 양극(143)의 외측에는 셀 스택(140)의 지지를 위한 격자형 지지프레임(144)이 배치된다.
따라서 전해질 공급홀(135)은 셀 스택(140)의 음극(141) 및 멤브레인(142)과 연통되어 멤브레인(142)에 전해질 용액을 공급하게 되고, 멤브레인(142)을 통해 음극(141)과, 양극(143)의 내측면이 전해질 용액과 반응하도록 한다. 또한 양극(143)의 외측면은 공기 유입 공간에 노출되도록 하여 공기와 반응하도록 한다.
이때 양극(143)은 파우더 형태로 이루어진 카본층과 카본층을 지지하기 위해 카본층의 외측에 접합되는 폼 형태의 지지층으로 구성된다. 지지층을 폼 형태로 구성하여 카본층에 공기가 원활히 유입되도록 구성된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 휴대용 랜턴
100 : 건식 금속공기 연료전지
110 : 전지케이스
111 : 전지극 112 : 제2 에어홀
120 : 전해질 탱크
130 : 셀 유닛 131 : 타공침
132, 133, 134 : 하우징 135 : 전해질 공급홀
136 : 공기 유입 공간
140 : 셀 스택 141 : 음극
142 : 멤브레인 143 : 양극
144 : 지지프레임
150 : 탄성부재
200 : 메인 케이스 210 : 제1 에어홀
300 : 점등부 310 : LED
320 : 소켓
500 : 구동부
600 : 안전 클립

Claims (10)

  1. 내부가 중공된 전지케이스;
    상기 전지케이스 내부 일측에 배치되며, 전해질 용액이 충전되는 전해질 탱크;
    상기 전지케이스 내부 상기 전해질 탱크의 타측에 이격 배치되며, 단위전지가 다단으로 적층된 셀 스택을 포함하는 셀 유닛;
    상기 셀 유닛 상에 형성되며, 상기 단위전지에 공기 공급을 위한 공기 유입 공간;
    상기 전지케이스를 관통하여 외부와 상기 공기 유입 공간을 연통하는 에어홀; 및
    상기 전해질 탱크의 타공을 위해 상기 셀 유닛 일측에 구비되는 타공침을 포함하며,
    상기 셀 유닛의 일측 방향 이동에 의해 상기 타공침이 상기 전해질 탱크를 타공하여 타공을 통해 흘러나온 전해질 용액을 상기 셀 스택에 공급하는, 건식 금속 공기 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 타공침은, 상기 셀 유닛의 일방향 회동에 의해 상기 전해질 탱크의 타측면을 타공하는, 건식 금속 공기 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질 탱크와, 상기 셀 유닛 사이에는 상기 셀 유닛의 타측 방향으로 탄성을 가하도록 탄성부재가 구비되는, 건식 금속 공기 연료전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 셀 스택은,
    음극;
    상기 음극의 외측에 접합되는 멤브레인; 및
    상기 멤브레인의 외측에 접합되는 양극을 포함하며,
    상기 공기는 상기 양극의 외면에 공급되고, 상기 전해질 용액은 상기 멤브레인에 공급되는, 건식 금속 공기 연료전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 셀 유닛은,
    내부에 공기유입 공간이 형성되도록 다단으로 적층된 셀 스택의 일단과 타단을 각각 고정하는 제1 및 제2 하우징;
    상기 제1 및 제2 하우징을 연결하는 연결하우징을 포함하고,
    상기 제1 하우징은 상기 전지케이스 내부 전해질 탱크가 구비된 전해질 공간과, 상기 공기 유입 공간을 구획하되, 전해질 용액이 상기 멤브레인에 공급되도록 상기 제1 하우징을 관통하는 전해질 공급홀이 형성된, 건식 금속 공기 연료전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 타공침은, 상기 제1 하우징의 일면에서 일측 방향으로 구비된, 건식 금속 공기 연료전지.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 양극은,
    파우더 형태로 이루어진 카본층과, 상기 카본층을 지지하도록 카본층의 외면에 접합되는 지지층으로 이루어지며,
    상기 지지층은, 상기 카본층으로 공기 유입이 원활하도록 폼 형태로 이루어진, 건식 금속 공기 연료전지.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 건식 금속 공기 연료전지;
    상기 금속 공기 연료전지가 수용되는 메인 케이스; 및
    상기 메인 케이스의 일측에 구비되는 점등부를 포함하며,
    상기 점등부는,
    LED와, 상기 연료전지의 전지극과 맞닿아 연료전지에서 공급되는 전기를 상기 LED에 전달하는 소켓을 포함하는, 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 메인 케이스 상에는 상기 연료전지의 제1 에어홀과 연통되는 제2 에어홀이 관통 형성되는, 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 메인 케이스의 타측에는 상기 셀 유닛을 일측으로 이동시키기 위한 구동부가 구비되며, 상기 케이스와 구동부 사이에는 안전 클립이 구비되는, 건식 금속 공기 연료전지를 이용한 휴대용 랜턴.
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