KR20200119450A - 금속공기전지용 전해질 순환처리장치 - Google Patents

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김병우
박희수
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지용 전해질 순환처리장치는, 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구되고 금속공기전극(200)의 체결돌기(210)에 체결되는 체결홈(111-1)이 상부로 돌출된 몸통(111)과, 몸통(111)의 상부를 개폐하면서 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(112-2)이 형성된 뚜껑(112)을 포함하는 몸체(110)와; 몸통(111)의 내부의 일측에 형성되어 금속공기전극(200)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 공급받는 부산물 전해질 유입부(120)와; 몸통(111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(120)에 이웃하게 위치하며 부산물이 제거된 전해질을 공급받는 전해질 보관부(130)와; 몸통(111) 내부의 부산물 전해질 유입부(120)와 전해질 보관부(130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(120)에서 전해질 보관부(130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거하는 필터부(140)와; 전해질 보관부(130)의 전해질을 금속공기전극(200)으로 공급하는 전해질 이송부(150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속공기전지용 전해질 순환처리장치{Electrolyte Circulation System for air cell}
본 발명은 금속공기전지의 발전시에 발생되는 부산물을 전해질로부터 제거하여 부산물이 금속음극 및 공기양극에 부착되면서 발생되는 출력저하, 수명저하 및 공기양극의 파손을 방지할 수 있는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속공기전지는 금속을 음극 활물질로 하고 공기를 양극활물질로 하는 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.
금속공기전지의 성능은 공기양극의 에너지밀도와 금속음극과 전해질과의 반응특성에 따라서 크게 영향을 받게 되므로 금속종류와 전해질과의 상관관계를 고려한 금속재료들이 사용되고 있다. 알루미늄 금속인 경우 수산화나트륨계 전해질에서 가장 우수한 출력특성을 나타내고 있으며, 마그네슘금속인 경우는 염화나트륨 전해질에서 가장 우수한 출력특성을 나타내고 있고, 아연금속인 경우는 수산화칼륨 전해질에서 가장 우수한 출력특성을 나타내는 것으로 보고되었으며 또한 유해물질의 생성이 거의 없고 화학적으로 안정되므로 사용면에서 매우 안전한 전지로 평가되고 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.
이러한 금속공기전지는 발전 시간 및 가동 시간에 비례하여 부산물이 발생하는 특징이 있으며 생성된 부산물은 순환되면서 응집되면서 금속음극 및 공기양극에 부착되면서 발생되는 출력저하, 수명저하 및 공기양극의 파손시키는 문제가 있다.
또한, 생성된 부산물은 배관라인 등에 도가 높은 상태로 남아있어 전해질 순환 방해를 발생시키는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1751707호(2017.06.22)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속공기전지의 발전시에 발생되는 부산물을 전해질로부터 제거하여 부산물이 금속음극 및 공기양극에 부착되면서 발생되는 출력저하, 수명저하 및 공기양극의 파손을 방지할 수 있는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지용 전해질 순환처리장치는, 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구되고 금속공기전극(200)의 체결돌기(210)에 체결되는 체결홈(111-1)이 상부로 돌출된 몸통(111)과, 몸통(111)의 상부를 개폐하면서 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(112-2)이 형성된 뚜껑(112)을 포함하는 몸체(110)와; 몸통(111)의 내부의 일측에 형성되어 금속공기전극(200)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 공급받는 부산물 전해질 유입부(120)와; 몸통(111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(120)에 이웃하게 위치하며 부산물이 제거된 전해질을 공급받는 전해질 보관부(130)와; 몸통(111) 내부의 부산물 전해질 유입부(120)와 전해질 보관부(130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(120)에서 전해질 보관부(130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거하는 필터부(140)와; 전해질 보관부(130)의 전해질을 금속공기전극(200)으로 공급하는 전해질 이송부(150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부산물 전해질 처리장치는, 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구된 몸통(1111)과, 몸통(1111)의 상부를 개폐하며 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(1112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(1112-2)이 다수개 형성된 뚜껑(1112)을 포함하는 몸체(1110)와; 몸통(1111)의 내부에서 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 일부가 개구되어 있으며 서로 다른 금속공기전극(2000)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 각각의 구역으로 공급받는 부산물 전해질 유입부(1120)와; 몸통(1111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(1120)에 이웃하게 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 부산물이 제거된 전해질을 공급받는 전해질 보관부(1130)와; 몸통(1111) 내부의 부산물 전해질 유입부(1120)와 전해질 보관부(1130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(1120)에서 전해질 보관부(1130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거하는 필터부(1140)와; 전해질 보관부(1130)의 전해질을 금속공기전극(2000)으로 공급하는 전해질 이송부(1150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고출력 금속공기전지는 금속공기양극의 외면을 지지하는 공기양극 지지체들이 뚜껑에 나사결합되지 않기 때문에 공기양극의 파손시에 손쉽게 교체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 공기양극에 밀착되는 양극바의 밀착면을 조절하여 공기양극으로부터 고출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지와 전해질 순환처리장치의 결합관계를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 순환처리장치의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지와 전해질 순환처리장치의 체결상태를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질 순환처리장치의 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속공기전지와 전해질 순환처리장치의 결합관계를 나타내는 도면.
이하의 본 발명에 대한 상세한 설명들은 본 발명이 실시될 수 있는 실시예이고 해당 실시예에 대한 예시로써 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한 각각의 기재된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서 후술되는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 발명에서 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.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지용 전해질 순환처리장치(100)는 금속공기전지(200)의 하단에 고정된다. 금속공기전지(200)는 몸체 일측에 체결돌기(210)가 형성되고, 하단 일측에는 부산물이 포함된 전해질을 배출하는 배출구(220)가 형성되고, 하단 타측에는 부산물이 처리된 전해질을 공급받는 유입구(230)가 형성된다. 여기서 금속공기전지(200)의 내부 구성은 일반적으로 널리 알려진 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기전지용 전해질 순환처리장치(100)는 몸체(110), 부산물 전해질 유입부(20), 전해질 보관부(30), 분리판, 필터부(40), 전해질 이송부(50)를 포함한다.
몸체(110)는 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구된 몸통(111)과, 몸통(111)의 상부를 개폐하는 뚜껑(112)으로 이루어진다. 몸통(111)의 외면에는 상부로 돌출된 체결홈(111-1)이 형성되어 금속공기전극(200)의 일측에 형성된 체결돌기(210)에 클립방식으로 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 뚜껑(112)의 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(112-2)이 형성된다. 이때, 유입공(112-1) 및 배출공(112-2)에는 체크밸브(미도시)가 형성되어 전해질의 배출을 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 뚜껑(112)의 유입공(112-1)은 연결관(300)을 통해 금속공기전극(200)이 배출구(220)에 연결되어 부산물 전해질을 제공받고, 뚜껑(112)의 배출공(112-2)은 전해질 보관부(30)의 내부로 연장된 연결관(300)을 통해 금속공기전극(200)의 유입구(230)에 연결되어 부산물이 제공된 전해질을 공급하게 된다.
부산물 전해질 유입부(120)는 몸통(111)의 내부의 일측에 형성되어 금속공기전극(200)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 공급받는다. 부산물 전해질 유입부(120)로 공급된 전해질에 포함된 부산물의 일부는 바닥으로 침전되게 된다.
전해질 보관부(130)는 몸통(111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(120)에 이웃하게 위치하며 부산물이 제거된 전해질을 공급받는다.
필터부(140)는 몸통(111) 내부의 부산물 전해질 유입부(120)와 전해질 보관부(130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(120)에서 전해질 보관부(130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거한다.
전해질 이송부(150)는 전해질 보관부(130)의 전해질을 금속공기전극(200)으로 공급한다. 이때, 전해질 이송부(150)는 배출공(112-2)에 연결된 연결관(300)에 설치된 이송펌프인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 순환처리장치(100)의 작동과정을 살펴본다.
먼저, 순환처리장치(100)의 뚜껑(112)에 형성된 유입공(112-1)과 금속공기전극(200)의 배출구(220)를 연결관(300)으로 연결하고, 뚜껑(112)의 배출공(112-2)과 금속공기전극(200)의 유입구(230)를 연결관(300)으로 연결한다. 그리고, 뚜껑(112)을 몸통(111)의 상단에 위치시킨 몸통(111)을 금속공기전지의 하단에 결합한다.
금속공기전극(200)의 배출구(220)의 체크밸브를 오픈시키면 부산물이 포함된 전해질이 순환처리장치(100)의 부산물 전해질 유입부(120)로 유입된다. 유입된 부산물이 포함된 전해질은 부산물 전해질 유입부(120)의 바닥면으로부터 순차적으로 차오르면서 1차적으로 부산물이 바닥으로 낙하되면서 침전된다. 그리고, 부산물이 포함된 전해질은 분리판에 형성된 필터부(140)를 통과하면서 2차적으로 부산물이 제거된 상태로 전해질 보관부(130)로 이동하게 된다.
한편, 전해질 보관부(130)로 유입된 전해질은 이송모터에 의해 뚜껑(112)의 배출공(112-2)에 연결된 연결관(300)을 통해 금속공기전지의 유입구(230)로 이동되면서 순환된다.
한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부산물 전해질 처리장치(1100)는 몸체(1110), 부산물 전해질 유입부(1120), 전해질 보관부(1130), 필터부(1140), 전해질 이송부(1150)를 포함한다.
몸체(1110)는 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구된 몸통(1111)과, 몸통(1111)의 상부를 개폐하는 뚜껑(1112)으로 이루어진다. 뚜껑(1112)의 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(1112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(1112-2)이 다수개 형성된다. 이때, 유입공(1112-1) 및 배출공(1112-2)에는 체크밸브(미도시)가 형성되어 전해질의 배출을 제어하는 것이 바람직하다. 뚜껑(1112)의 유입공(1112-1)들은 연결관(300)을 통해 서로 다른 금속공기전극(2000)이 배출구(2100)에 연결되어 부산물 전해질을 제공받고, 뚜껑(1112)의 배출공(1112-2)들은 전해질 보관부(1130)의 내부로 연장된 연결관(300)을 통해 서로 다른 금속공기전극(2000)의 유입구(2200)에 연결되어 부산물이 제공된 전해질을 공급하게 된다.
부산물 전해질 유입부(1120)는 몸통(1111)의 내부에서 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 일부가 개구되어 있으며 서로 다른 금속공기전극(2000)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 각각의 구역으로 공급받는다. 부산물 전해질 유입부(1120)로 공급된 전해질에 포함된 부산물의 일부는 바닥으로 침전되게 된다.
전해질 보관부(1130)는 몸통(1111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(1120)에 이웃하게 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 부산물이 제거된 전해질을 공급받는다.
필터부(1140)는 몸통(1111) 내부의 부산물 전해질 유입부(1120)와 전해질 보관부(1130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(1120)에서 전해질 보관부(1130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거한다.
전해질 이송부(1150)는 전해질 보관부(1130)의 전해질을 금속공기전극(2000)으로 공급한다. 이때, 전해질 이송부(1150)는 배출공(1112-2)에 연결된 연결관(300)에 설치된 이송펌프인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질 순환처리장치는 부산물 전해질 유입부(1120)와 전해질 보관부(1130)가 분리벽(1121)에 의해 별도의 구역으로 다수개 형성되어 있기 때문에 금속공기전극(2000)에 체결하지 않은 상태에서 다수의 금속공기전극(2000)으로부터 부산물이 포함된 전해질을 구역별로 공급받아 부산물을 제거하여 순환시킬 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100, 1000 : 전해질 순환처리장치
110, 1100 : 몸체
111, 1111 : 몸통
111-1 : 체결홈
112, 1112 : 뚜껑
112-1, 1112-1 : 유입공
112-2, 1112-2 : 배출공
120, 1120 : 부산물 전해질 유입부
130, 1121 : 전해질 보관부
130, 1130 : 전해질 보관부
140, 1140 : 필터부
150, 1150 : 전해질 이송부

Claims (6)

  1. 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구되고 금속공기전극(200)의 체결돌기(210)에 체결되는 체결홈(111-1)이 상부로 돌출된 몸통(111)과, 몸통(111)의 상부를 개폐하면서 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(112-2)이 형성된 뚜껑(112)을 포함하는 몸체(110)와;
    몸통(111)의 내부의 일측에 형성되어 금속공기전극(200)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 공급받는 부산물 전해질 유입부(120)와;
    몸통(111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(120)에 이웃하게 위치하며 부산물이 제거된 전해질을 공급받는 전해질 보관부(130)와;
    몸통(111) 내부의 부산물 전해질 유입부(120)와 전해질 보관부(130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(120)에서 전해질 보관부(130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거하는 필터부(140)와;
    전해질 보관부(130)의 전해질을 금속공기전극(200)으로 공급하는 전해질 이송부(150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 뚜껑(112)의 유입공(112-1)과 배출공(112-2)은 연결관(300)을 통해 금속공기전기에 연결되는 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 뚜껑(112)의 유입공(112-1) 및 배출공(112-2)에는 체크밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
  4. 내부가 중공된 형상으로 상부가 개구된 몸통(1111)과, 몸통(1111)의 상부를 개폐하며 부산물이 포함된 전해질이 유입되는 유입공(1112-1)과 부산물이 제거된 전해질이 배출되는 배출공(1112-2)이 다수개 형성된 뚜껑(1112)을 포함하는 몸체(1110)와;
    몸통(1111)의 내부에서 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 일부가 개구되어 있으며 서로 다른 금속공기전극(2000)에서 배출되는 부산물이 포함된 전해질을 각각의 구역으로 공급받는 부산물 전해질 유입부(1120)와;
    몸통(1111)의 내부에서 부산물 전해질 유입부(1120)에 이웃하게 다수의 분리벽(1121)으로 분리되고 부산물이 제거된 전해질을 공급받는 전해질 보관부(1130)와;
    몸통(1111) 내부의 부산물 전해질 유입부(1120)와 전해질 보관부(1130) 사이에 위치하며 부산물 전해질 유입부(1120)에서 전해질 보관부(1130)로 이동하는 전해질에 포함된 부산물을 제거하는 필터부(1140)와;
    전해질 보관부(1130)의 전해질을 금속공기전극(2000)으로 공급하는 전해질 이송부(1150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 뚜껑(1112)의 유입공(1112-1)과 배출공(1112-2)은 연결관(300)을 통해 금속공기전기에 연결되는 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 뚜껑(1112)의 유입공(1112-1) 및 배출공(1112-2)에는 체크밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 금속공기전지용 전해질 순환처리장치.
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KR101751707B1 (ko) 2016-12-01 2017-07-21 대한민국(육군참모총장) 금속공기연료전지 및 그 제조방법

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