KR20190060619A - 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함에 관한 것으로, 구체적으로는 잠수함 외측에 카트리지 형태의 전지를 탑재하여 스노클 혹은 수상항해 시에 대기의 산소를 아연-공기전지에 공급하여 발전하여 배터리를 충전하고, 함 부하에 전력을 공급 하는 방식의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함에 관한 것이다.
본 발명은 잠수함의 외측에 아연-공기 전지를 구비하고, 이를 통하여 발전한 전기를 잠수함 내부의 배터리 시스템으로 전기를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

아연-공기 전지를 탑재한 잠수함{Submarine with zinc-air battery}
본 발명은 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함에 관한 것으로, 구체적으로는 잠수함 외측에 카트리지 형태의 전지를 탑재하여 스노클 혹은 수상항해 시에 대기의 산소를 아연-공기전지에 공급하여 발전하여 배터리를 충전하고, 함 부하에 전력을 공급 하는 방식의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함에 관한 것이다.
전기 화학 전력원은 전기 에너지가 전기화학 반응에 의해서 생성될 수 있는 장치를 의미하며, 아연-공기 이차전지도 상기 전기 화학 전력원에 해당한다. 아연-공기 이차전지는 방전 중에 아연산화물로 변환되는 아연겔로 이루어진 아연겔 음극부를 채용하고, 양극으로는 물 분자를 포함하고 있는 투과성의 막으로서, 공기 중 의 산소와 접촉하여 수산화 이온을 발생시키는 막 형태의 공기 양극부를 채용한다.
이와 같은 아연-공기 이차전지는 종래의 수소 연료 전지에 비해 많은 장점들이 있다. 특히, 아연과 같은 연료가 금속이나 그 산화물로서 풍부하게 존재할 수 있기 때문에 공기-아연 이차전지로부터 제공된 에너지 공급이 가시적으로 고갈되지 않는 장점이 있다. 또한, 종래의 수소 연료 전지들은 재충진이 요구되는데 반해 공기-아연 이차전지는 전기적으로 재충전하여 사용할 수 있고, 통상적인 연료 전지들(<0.8V)보다 높은 출력전압(1.4 V)을 전달할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 방전 및 충전이 가능한 아연-공기 이차전지는 방전이 진행될수록 아연겔 음극부의 아연이 아연산화물화 되며, 충전 시에는 반대로 아연산화물의 산소가 분리 및 배출되어 본래의 아연으로 회귀하게 된다. 즉, 충분한 방전이 이루어진 경우에는 아연겔 음극부의 산소 배출 효율이 높을수록 아연-공기 이차전지의 충전 성능도 높아지게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2017-94961호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 잠수함 외측에 카트리지 형태의 전지를 탑재하여 스노클 혹은 수상항해 시에 대기의 산소를 아연-공기전지에 공급하여 발전하여 배터리를 충전하고, 함 부하에 전력을 공급 하는 방식의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 잠수함의 외측에 아연-공기 전지를 구비하고, 이를 통하여 발전한 전기를 잠수함 내부의 배터리 시스템으로 전기를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 아연-공기 전지는, 착탈식으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 아연-공기 전지는, 수중에서 비상 시 산소를 공급하기 위해 산소탱크와 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 산소탱크는, 연료전지 시스템에 산소를 공급하도록 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 아연-공기 전지에 공급되는 공기 중 일부는 디젤 엔진에 공급되도록 공기 공급라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 아연-공기 전지는, 디젤엔진 및 연료전지 시스템과 함께 상기 배터리 시스템을 충전하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 시스템은, 상기 잠수함의 추진력 시스템에 사용되고 남은 전기는 축전지에 저장되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 아연-공기 전지는, 전기 생성과정에서 발생된 물은 잠수함의 외부로 배출되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함에 의하면, 아연-공기 전지는 양극에 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 상대적으로 음극에 많은 양의 아연을 채울 수가 있어 질량 단위당 에너지 밀도가 높으며, 이로 인해 크기는 작아도 용량이 매우 크기 때문에 잠수함 내부의 디젤엔진 크기를 줄일 수 있어 공간 활용이 용이한 장점이 있다.
또한, 전기 생성 과정에서 발생하는 산화아연은 독성(毒性)이나 폭발위험성이 전혀 없고, 지구상에 풍부한 아연과 공기를 사용하기 때문에 환경친화적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 이하의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 본 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함을 상세히 설명한다.
일반적인 전지로서는 망간 건전지, 알칼리 망간 건전지, 공기 아연 (zinc-air) 전지 등의 1차 전지와, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-H) 전지, 리튬 이온 전지 등의 2차 전지가 사용되고 있다. 이들 중 공기 아연 전지는 1.4 V 의 상대적으로 높은 전압을 제공하며, 에너지 밀도가 높고 방전 용량이 크다는 장점을 갖는다. 또한, 전지의 방전이 완료될 때까지 거의 일정한 방전 특성을 나타내어, 중금속의 함유로 사용이 억제되고 있는 수은 전지를 대체할 수 있는 건전지로 생각되고 있다.
상기와 같은 이점으로 인해 공기 아연 전지는 군용 무기, 산업 장비 등 다양한 분야에 적용되어 오고 있으며, 본 발명에서는 잠수함 외측에 카트리지 형태의 전지를 탑재하여 스노클 혹은 수상항해 시에 대기의 산소를 아연-공기전지에 공급하여 발전하여 배터리를 충전하고 함 부하에 전력을 공급 하는 방식의 잠수함에 대한 것이다.
도 1은 본 발명 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함은 디젤엔진(140) 및 연료전지 시스템(150)을 통하여 잠수함의 추진력 및 잠수함 내의 부하에 사용된다. 여기에 본 발명 주요 구성인 아연-공기 전지(110)를 부가적으로 구비하고, 상기 아연-공기 전지(110)를 통해 스노클 혹은 수상항해 시에 대기의 산소를 아연-공기전지에 공급하여 발전하여 배터리를 충전하고 함 부하에 전력을 공급 하게 되는 것이다.
한편, 상기와 같이 구비되는 아연-공기 전지(110)는 카트리지 식으로 구성되어 착탈이 가능한 구조로 구성된다. 즉, 잠수함이 작전수행 후 기지로 복귀하여 미리 충전되어있는 별도의 아연-공기 전지로 교체하거나, 전지의 정비를 통해 즉시 잠수함의 재운용이 가능하도록 하기 위한 것이다.
한편, 상기 아연-공기 전지(110)는 수중에서 비상 시 산소를 공급하기 위해 산소탱크(130)와 연결되도록 구성된다. 상기 산소탱크(130)는 잠수함의 내부에 설치되어 잠수함 외측의 아연-공기 전지(110)와 연결되어 산소를 공급하게 된다. 따라서 산소탱크(130)에 저장된 산소를 아연-공기 전지(110)로 공급하고 발전하여 잠항작전일수를 기존 잠수함보다 늘릴 수 있는 장점이 있게 된다. 또한, 상기 아연-공기 전지(110)는 전기 생성과정에서 발생된 물은 잠수함(100)의 외부로 배출되도록 구성된다. 따라서 아연-공기 전지(110)의 경우 잠수함(100)의 외측에 설치되어 있기 때문에 쉽게 함외부로 물을 배출할 수 있게 된다.
이와 같은 상기 산소탱크(130)는 연료전지 시스템(150)에 산소를 공급하도록 연결된다. 상기 연료전지 시스템(150)은 수소-산소 연료전지로서 산소의 공급이 부족할 경우 산소탱크(130)를 통하여 산소를 공급받게 된다.
한편, 상기 아연-공기 전지(110)에 공급되는 공기 중 일부는 디젤 엔진(140)에 공급되도록 공기 공급라인(111)과 연결되도록 구성될 수 있다. 즉, 디젤 엔진(140)을 탑재한 잠수함의 경우 산소가 있어야 연소가 가능하므로 이에 대해 공기 공급라인(111)과 연결되도록 구성되는 것이다.
한편, 상기한 아연-공기 전지(110)는 디젤엔진(140) 및 연료전지 시스템(150)과 함께 상기 배터리 시스템(120)을 충전하도록 구성된다. 이와 같이 배터리 시스템(120)에 공급되어 충전된 전기는 잠수함의 추진력에 이용되고, 남은 전기는 축전지(160)에 저장되어 잠수함 내부에 전기가 필요한 곳에 사용된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함의 작동상태에 대하여 살펴보기로 한다.
우선 잠수함의 엔진을 작동시키기 방법으로는 수면으로 부상하여 배처럼 주행하거나, 잠수 상태에서 스노켈만 수면 위로 올려서 공기를 흡입하고 배기가스를 배출하면서 엔진이 작동된다.
이때 잠수함에 구비되는 디젤엔진(140) 및 연료전지(150)를 통하여 배터리 시스템(120)에 전기를 공급하고, 추가적으로 아연-공기 전지(110)를 통해 배터리 시스템(120)에 전기를 공급하게 된다.
특히, 잠수함이 디젤 엔진을 가동시키는 것은 배터리를 충전하기 위한 것으로서, 현대적 잠수함은 물 위에 떠 있을 때보다 물속에 있을 때가 훨씬 안정적이므로 스노켈링을 하면서 아연-공기 전지(110) 및 연료전지 시스템(150)을 이용하여 배터리 시스템(120)에 전기를 공급하게 된다. 게다가 잠수함이 깊게 잠수한 상태에서는 디젤 엔진 대신 상기한 아연-공기 전지(110) 및 연료전지 시스템(150)을 이용하여 배터리 시스템(120)에 전기를 공급하게 된다. 따라서 잠수함의 외측에 아연-공기 전지(110)를 구비하게 됨으로서 잠수함 내부의 디젤엔진의 사이즈를 줄일 수 있게 되고, 이로 인해 잠수함 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
한편, 아연-공기 전지(110)의 반응은 아래의 식으로 설명될 수 있다.
* Anode: Zn + 4OH- → Zn(OH)42 - + 2e- (E0 = －1.25 V)
* Fluid: Zn(OH)4 2 - → ZnO + H2O + 2OH-
* Cathode: 1/2 O2 + H2O + 2e- → 2OH- (E0 = 0.40 V pH＝11)
* 전체반응식: 2Zn + O2 → 2ZnO (E0 = 1.65 V)
즉, 대기 중의 산소가 전지의 공기극을 통해 전해액과 혼합되어 있는 아연과 반응해 작동되는 공기전지의 일종으로서, 전해액은 수산화칼륨 수용액을 사용하며, 음극 활물질로 아연, 양극 반응 물질로 공기중의 산소를 사용하는 전지이다.
이와 같은 아연-공기 전지는 양극에 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 상대적으로 음극에 많은 양의 아연을 채울 수가 있어 질량 단위당 에너지 밀도가 높다. 그러므로 크기는 작아도 용량이 매우 큰 것이 특징이다. 또 자기 방전(放電)이 적어 전지의 용량을 다 소비할 때까지 전압이 일정하게 유지된다.
또한, 전기 생성 과정에서 발생하는 산화아연은 독성(毒性)이나 폭발위험성이 전혀 없고, 지구상에 풍부한 아연과 공기를 사용하기 때문에 환경친화적이다. 귀금속 촉매를 사용하지 않아 백금을 사용하는 메탄올 연료전지보다 생산비용이 저렴한 장점이 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 잠수함 110 : 아연-공기 전지
111 : 공기 공급 라인 120 : 배터리 시스템
130 : 산소 탱크 140 : 디젤엔진
150 : 연료전지 시스템 160 : 축전지

Claims (8)

  1. 잠수함(100)의 외측에 아연-공기 전지(110)를 구비하고, 이를 통하여 발전한 전기를 잠수함(100) 내부의 배터리 시스템(120)으로 전기를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 아연-공기 전지(110)는,
    착탈식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 아연-공기 전지(110)는,
    수중에서 비상 시 산소를 공급하기 위해 산소탱크(130)와 연결되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 산소탱크(130)는,
    연료전지 시스템(150)에 산소를 공급하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 아연-공기 전지(110)에 공급되는 공기 중 일부는 디젤 엔진(140)에 공급되도록 공기 공급라인(111)과 연결되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 아연-공기 전지(110)는,
    디젤엔진(140) 및 연료전지 시스템(150)과 함께 상기 배터리 시스템(120)을 충전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템(120)은,
    상기 잠수함(100)의 추진력 시스템에 사용되고 남은 전기는 축전지(160)에 저장되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 아연-공기 전지(110)는,
    전기 생성과정에서 발생된 물은 잠수함(100)의 외부로 배출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함.
KR1020170158982A 2017-11-24 2017-11-24 아연-공기 전지를 탑재한 잠수함 KR20190060619A (ko)

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