WO2010082745A2 - 금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a metal fuel battery cell and a metal fuel cell unit, in particular, it can be installed firmly, the negative electrode terminal, supplying oxygen and electrolyte continuously, and effectively remove the magnesium hydroxide generated during power generation to increase the power generation efficiency
  • the present invention relates to a metal fuel battery cell and a metal fuel battery unit using the same, which can be easily configured by simply connecting to each other.
  • a metal fuel battery cell that generates electricity using a metal electrode body, as shown in FIG. 1, is provided with a cell body 10 into which an electrolyte solution is injected and an inside of the cell body 10.
  • the metal electrode body 20 and the air electrode 40 provided on the circumferential surface of the cell body 10.
  • the cell body 10 is made of a cylindrical shape formed with a plurality of through holes 11 on the circumferential surface, the electrolyte is mainly used sodium chloride (NaCl) aqueous solution.
  • the metal electrode body 20 is manufactured by sintering, smelting, or liquid pressing by mixing magnesium, aluminum, and zinc, and fixed to the inside of the cell body 10 so as to be immersed in the electrolyte, and reacts with hydroxyl groups in the electrolyte. It is oxidized to an oxide, and in this process, electrons and hydrogen are generated to act as a cathode for generating electrons.
  • the air electrode 40 is composed of a carbon sheet 41 of a conductor and a metal mesh 42 made of stainless steel provided on the outer surface of the carbon sheet 41 to support the carbon sheet 41, It is coupled to surround the outer circumferential surface of the cell body 10 to block the through-hole 11 to prevent the electrolyte from leaking and at the same time the inner surface is in contact with the electrolyte to receive the electrons generated by the metal electrode body 20. It functions as the anode.
  • the metal mesh 42 tightly weaves very thin wire to support the carbon sheet 41 and at the same time improves the electrical conductivity of the carbon sheet 41.
  • the negative electrode terminal (not shown) is connected to the metal electrode body 20, and the positive electrode terminal (not shown) is connected to the air electrode 40.
  • magnesium hydroxide is generated by the reaction between the magnesium and the electrolyte, and as the magnesium hydroxide remains in the electrolyte, the electrochemical reaction efficiency of the electrolyte decreases. Power generation efficiency is reduced.
  • a metal fuel battery cell is actively progressed when oxygen is supplied in sufficient amount to cause a reduction reaction by electrons in the air electrode 40.
  • oxygen is supplied in sufficient amount to cause a reduction reaction by electrons in the air electrode 40.
  • there is no plan for supplying a sufficient amount of air into the container and there is a limit to improving the efficiency of the metal fuel battery cell.
  • the metal fuel battery cell has a low output voltage
  • a unit is formed by connecting the negative terminal and the positive terminal of the plurality of metal fuel battery cells in series with each other. In this way, the plurality of metal fuel battery cells are connected in series.
  • the above-mentioned problems are more largely acted, and the failure and durability of the electrical output characteristics are frequently generated.
  • One example of the metal fuel battery cell of the present invention for achieving the above technical problem is a cell body into which an electrolyte is injected, a metal electrode body installed inside the cell body, and a negative electrode terminal connected to the metal electrode body.
  • a metal fuel cell including an air electrode installed in a cell body so as to be spaced apart from the metal electrode body, and a positive electrode terminal connected to the air electrode, wherein the metal electrode body has an insertion hole in a longitudinal direction, and the negative electrode terminal The insertion hole is fixed to the insertion hole and the other end extends to the outside of the cell body.
  • the negative electrode terminal is formed of a conductor and an elastic metal plate wound in a cylindrical shape and a plurality of protrusions are formed on the outer circumferential surface and inserted into the insertion hole of the metal electrode body;
  • the terminal unit may be coupled to the cell body and connected to an end of the condenser unit.
  • an air supply port through which air is supplied and an electrolyte supply port through which an electrolyte is supplied are formed at an upper end of the cell body, and a discharge port is formed at a lower end of the cell body.
  • the electrolyte supply means connected to, and the air supply means connected to the air supply port may be further provided.
  • the inside of the cell body, one end is connected to the air supply port and the other end may be further provided with an extension tube extending between the air electrode and the metal electrode body.
  • the electrolytic solution supply port and the discharge port is provided with an electronic control valve, respectively, is provided in the cell body level sensor for sensing the level of the electrolyte in the cell body, and the water level sensor
  • a control unit for controlling the electronic control valve according to the signal may be further provided.
  • an electrolyte supply port to which the electrolyte supply device is connected and a discharge cell for discharging the electrolyte injected into the cell body is formed around the cell body
  • the metal fuel battery cell including a metal electrode body installed inside the cell body, and an air electrode provided on the circumferential surface of the cell body, the discharge port is formed on the front and rear surfaces of the lower side of the cell body, respectively
  • An outlet portion is formed with an extension, and the other side is formed with a connection portion in which the extension is tightly coupled.
  • the cell body has a rectangular cylindrical shape and consists of a cell body main body having an open top, a cover coupled to the opening of the top of the cell body main body, the metal electrode body may be fixed to the bottom of the cover. .
  • One example of the metal fuel cell unit of the present invention for achieving the above another technical problem is a cell body into which an electrolyte is injected, a metal electrode body installed inside the cell body, and a cathode connected to the metal electrode body.
  • a metal fuel battery unit comprising a plurality of metal fuel battery cells including a terminal, an air electrode installed in a cell body so as to be spaced apart from the metal electrode body, and a positive electrode terminal connected to the air electrode, in series with each other.
  • An air supply port for supplying air and an electrolyte supply port for supplying an electrolyte solution are formed at an upper end of the cell body, and a discharge port is formed at a lower end of the cell body, and an electrolyte supply means connected to the electrolyte supply port, and the air An air supply means connected to the supply port is provided.
  • each of the electrolyte supply port and the discharge port is provided with an electronic control valve, the water level sensor for sensing the level of the electrolyte solution in the cell body, the water level sensor According to the signal of the control unit for controlling the electronic control valve may be further provided.
  • the electrolyte supply means may include a storage tank which is connected to the outlet through the discharge pipe is stored the electrolyte discharged through the discharge port, a pump connected to the storage tank, and a water supply pipe connecting the pump and the electrolyte supply port. have.
  • the air supply means comprises an air compressor, a low pressure air tank and a high pressure air tank connected to the air compressor, the low pressure air tank is connected to the air supply port,
  • the high pressure air tank may be connected to the middle portion of the water supply pipe of the electrolyte supply means connected to the electrolyte supply port.
  • a lengthwise insertion hole is formed in the metal electrode body, and the cathode terminal is formed of a conductor and an elastic metal plate wound in a cylindrical shape, and a plurality of protrusions are formed on an outer circumferential surface to be inserted into the insertion hole of the metal electrode body.
  • a terminal portion coupled to the cell body and connected to an end portion of the condenser portion.
  • Another example of the metal fuel cell unit of the present invention for achieving the above another technical problem is an electrolyte supply port to which the electrolyte supply device is connected and a cell body having a discharge port through which the electrolyte injected into the cell body is discharged;
  • a plurality of metal fuel battery cells configured to include a metal electrode body installed inside the cell body and an air electrode provided on a circumferential surface of the cell body, and connected in series or in parallel with each other;
  • the discharge port is formed on the front and rear surfaces of the lower side of the cell body, respectively, an extension portion is formed on the discharge port on one side and the discharge port on the other side
  • the extension part is formed in the coupling portion is tightly coupled to each other, the metal fuel cell by structurally connecting and fixing the plurality of metal fuel battery cells by interconnecting the extension portion and the connection portion formed in the cell body of the metal fuel battery cell It is possible to form a drain passage that
  • the negative electrode terminal since the negative electrode terminal is extended to the outside of the cell body in the state inserted into the insertion hole formed in the metal electrode body, the negative electrode terminal can be fixed firmly, the cell Air supply port, electrolyte supply port and outlet are formed in the body, respectively, by controlling the supply and discharge of electrolyte by using control unit, supplying air and electrolyte continuously and discharging magnesium hydroxide which is a by-product of power generation, It can increase. By supplying air directly into the inside of the electrolyte using the extension tube, the supply efficiency of oxygen can be improved.
  • discharge ports are formed on the front and rear lower and rear surfaces of the cell bodies of the respective metal fuel cells, respectively, and connection parts are formed in the discharge ports to tightly couple the extension parts.
  • the battery cells can be easily connected and fixed to each other structurally.
  • the metal fuel battery unit can be compactly configured by minimizing the space occupied by the metal fuel battery cell.
  • by forming the drainage passage connecting the outlet of each cell body by the extension and the connecting portion there is no need to connect a separate discharge pipe of each cell body, the structure is simple and easy to install and maintain.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a conventional metal fuel cell.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a metal fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating the metal fuel cell of FIG. 2 in parts.
  • Figure 4 is a side cross-sectional view showing a metal fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a capacitor of the metal fuel cell of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view for describing the air electrode of the metal fuel cell of FIG. 4.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a metal fuel cell unit according to the present invention.
  • FIG. 8 is a front view illustrating the metal fuel cell unit of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a side view illustrating the metal fuel cell unit of FIG. 7.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a metal fuel battery cell and an electrolyte supply means, an air supply means, and a control unit according to the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a connection relationship between the electrolyte supply means and the air supply means of the metal fuel battery cell according to the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a metal fuel battery cell according to the present invention.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view illustrating the metal fuel battery cell of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a front cross-sectional view illustrating a connection relationship between a metal fuel battery cell and an electrolyte supply device according to the present invention.
  • FIG. 15 is a side cross-sectional view illustrating the metal fuel battery cell of FIG. 14.
  • 16 is a side cross-sectional view showing a fuel battery cell constructed by connecting a metal fuel battery cell according to the present invention.
  • 17 and 18 are perspective views showing a metal fuel cell unit according to the present invention.
  • the present invention provides a metal fuel cell unit comprising a metal fuel cell and a plurality of the fuel cells connected to each other in series and connected with an electrolyte supply means to an electrolyte supply port. Accordingly, embodiments of the present invention will be described in sequence the metal fuel cell and the metal fuel cell unit using the same.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a metal fuel cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an exploded perspective view of the metal fuel cell of Figure 2 expressed in parts.
  • Figure 4 is a side cross-sectional view showing a metal fuel cell according to the present invention
  • Figure 5 is a plan view for explaining the condenser portion of the metal fuel cell of Figure 4
  • Figure 6 illustrates the air electrode of the metal fuel cell of Figure 4 It is a side cross section for.
  • the metal fuel cell according to the present invention includes a cell body 10 into which an electrolyte is injected, a metal electrode body 20 installed inside the cell body 10, and a metal electrode.
  • the metal electrode body 20 is formed with the insertion hole 21 in the longitudinal direction, one end of the negative electrode terminal 30 is inserted and fixed to the insertion hole 21 and the other end is the outside of the cell body 10 Extends to, and is connected to the electrolyte supply means 60 and the air supply means 70 connected to the cell body 10, the control connected to the water level sensor 80 and the water level sensor 80 provided in the cell body 10
  • the unit 90 is further provided.
  • the cell body 10 has an opening 12a through which an air electrode 40 is coupled to a circumference thereof, and has a body body 12 having a cylindrical shape having an upper and lower end open, and a body body 12 of the body body 12.
  • An upper cover 13 provided at the upper end, a lower cover 14 coupled to the lower end of the body main body 12, and a bracket 15 installed inside the body main body 12 to support the metal electrode body 20.
  • the body body 12 has a high corrosion resistance, and is composed of a hard synthetic resin that is a non-conductor, the exhaust port 12b is formed at a position higher than the level of the electrolyte injected into the upper side, hydrogen generated during power generation The gas is configured to be exhausted to the outside through the exhaust port 12b.
  • a through hole 13a through which the negative electrode terminal 30 penetrates is formed in the center of the upper cover 13.
  • an air supply port 13b and an electrolyte supply port 13c to which the air supply means 70 and the electrolyte supply means 60 are connected are formed at both sides of the upper cover 13, respectively, and the lower cover 14 is formed on the lower cover 14.
  • a discharge port 14a through which the electrolyte solution injected into the body body 12 is discharged is formed, and the electrolytic solution supply port 13c and the discharge port 14a are provided with electronic control valves 13d and 14b, respectively.
  • the metal electrode body 20 is manufactured by mixing and sintering magnesium, aluminum, zinc, and the like, and is inserted into the cell body 10 so as to be placed on the bracket 15 of the cell body 10. Supported. At this time, the insertion hole 21 is formed to penetrate the upper and lower surfaces of the metal electrode body 20 in a circular shape.
  • the negative electrode terminal 30 is composed of a condenser portion 31 inserted into the insertion hole 21 of the metal electrode body 20 and a terminal portion 32 coupled to the cover and connected to an end of the condenser portion 31.
  • the condenser unit 31 is formed of a conductor and an elastic metal plate wound in a cylindrical shape, and a plurality of protrusions 31a are formed on the outer circumferential surface thereof. It is installed to protrude to the upper end of the electrode body 20.
  • the condenser part 31 is configured such that both ends of the metal plate constituting the condenser part 31 are spaced apart from each other by a predetermined distance (L), so that the diameter of the condenser part elastically stretches, as shown in FIG.
  • L a predetermined distance
  • the protrusion 31a is completely fixed to the insertion hole 21 by the self-elasticity of the condenser 31.
  • the terminal portion 32 is inserted into the through hole 13a formed in the cover, and is fixed to the upper end of the condenser portion 31 by pins not shown.
  • Air electrode 40 is formed in a sheet shape, the circumferential surface is tightly fixed to the opening 12a of the body body 12, so that the electrolyte solution injected into the cell body 10 does not flow to the outside Function and a catalyst function to allow the hydroxyl group and oxygen to react with each other by the electrons supplied through the anode terminal 50.
  • the air electrode 40 is embedded in the carbon sheet 31 made of carbon in the form of a sheet and the outer surface of the carbon sheet 31 so as to provide electrical conductivity of the carbon sheet 31. It is made of a stainless steel mesh 42 to improve and at the same time reinforce the carbon sheet 31, the outside is configured to improve the conductivity is coated with a conductive material.
  • the carbon sheet 31 is formed with a plurality of vent holes 41a penetrating the inner and outer sides.
  • the vent hole 41a is configured to have a diameter small enough to prevent the electrolyte injected into the cell body 10 from leaking to the outside.
  • the outside diameter of the vent hole 41a increases from the inside of the carbon sheet 31 toward the outside.
  • 41b is formed.
  • the large diameter portion 41b is formed deeper than the depth at which the stainless steel metal mesh 42 is embedded, so that the air vent 41a is not blocked by the stainless steel metal mesh 42. That is, while the vent hole 41a is very small in diameter, the cross section of the metal mesh 42 constituting the metal mesh 42 is larger than the vent hole 41a so that the vent hole 41a is blocked by the metal mesh 42.
  • the vent hole 41a since the large diameter portion 41b is provided outside the vent hole 41a, the vent hole 41a may be prevented from being blocked by the metal mesh 42.
  • the anode terminal 50 is made of a long rod-shaped conductor in the vertical direction, the lower end is fixed to the stainless steel metal mesh 42 in contact with the outer peripheral surface of the air electrode 40, the middle portion of the body by the pin 51 It is fixed to the outer surface of 12.
  • the electrolyte supply means 60 is composed of a pump 61 connected to the electrolyte supply port 13c and a storage tank 62 connected to the pump 61 and stored in the electrolyte, and the cell body (13) through the electrolyte supply port 13c.
  • the electrolyte is supplied into the inside of the container 10, and the flow of the electrolyte supplied into the cell body 10 can be controlled by turning on and off the electronic control valve 13d provided in the electrolyte supply port 13c.
  • the air supply means 70 is an air compressor connected to the air supply port 13b and continuously supplies air of a constant pressure into the cell body 10 through the air supply port 13b. At this time, one end of the cell body 10 is connected to the air supply port 13b, and the other end is further provided with an extension tube 71 extending between the air electrode 40 and the metal electrode body 20. That is, when air is simply injected into the upper surface of the electrolyte, oxygen in the air is not supplied to the electrolyte well, so that the air electrode 40 and the metal electrode body 20 that are immersed in the electrolyte using the extension tube 71 are disposed. The air is directly supplied to the air so that oxygen in the air can be smoothly supplied to the electrolyte.
  • the level sensor 80 is provided at the top of the body body 12 to monitor the level of the electrolyte injected into the body body 12, the state of the electrolyte is completely locked the top of the metal electrode body 20 If lower, it functions to output a signal.
  • the control unit 90 is provided with a time table that records timings for opening and closing the respective solenoid control valves 13d and 14b, and opens and closes the solenoid control valves 13d and 14b in accordance with the input timetable.
  • the electrolyte is injected into the interior of the cell, and the electrolyte inside the cell body 10 is controlled to be discharged through the outlet 14a.
  • control unit 90 detects the signal of the water level sensor 80, when the level of the electrolyte solution inside the cell body 10 is lower than the reference, when the signal is output from the water level sensor 80, the cell body ( 10)
  • the electronic control valve 14b provided at the electrolyte injection port is opened until the electrolyte level inside the electrolyte level is higher than the reference value to replenish the electrolyte solution.
  • Reference numeral 12c which has not been described, shows an exhaust pipe coupled to the exhaust port 12b.
  • the electrolyte and the air are supplied into the cell body 10 by the air supply means 70 and the electrolyte supply means 60. Accordingly, the oxidation and reduction reactions are continuously generated by the metal electrode body 20 and the air electrode 40 to generate electricity, and the generated hydrogen gas is discharged to the outside through the exhaust port 12b. .
  • magnesium hydroxide generated by the oxidation reaction of magnesium has a higher specific gravity than the electrolyte solution and sinks downward, thereby opening the electronic control valve 14b provided in the outlet port 14a to discharge the electrolyte solution containing magnesium hydroxide.
  • the control unit 90 opens the electronic control valve 13d to supply additional electrolyte, thereby lowering the level of the electrolyte. prevent.
  • the negative electrode terminal 30 is inserted into the insertion hole 21 formed in the metal electrode body 20 and extends to the outside of the cell body 10, the negative electrode terminal 30 is installed. It is very easy and has the advantage of high structural strength of the negative electrode terminal (30).
  • the negative electrode terminal 30 includes a condenser portion 31 formed by rolling a resilient metal plate in a cylindrical shape, and a terminal portion 32 fixed to the upper cover 13, so that the condenser portion 31 is formed of the metal electrode body 20.
  • the outer circumferential surface of the condenser portion 31 is tightly fixed to the insertion hole 21. Therefore, not only the electrical conductivity between the metal electrode body 20 and the negative electrode terminal 30 can be improved, and the negative electrode terminal 30 is firmly fixed to the metal electrode body 20.
  • the cell body 10 is provided with an air supply port 13b through which air is supplied, an electrolyte supply port 13c through which an electrolyte is supplied, and an outlet 14a, and an air supply port 13b and an electrolyte supply port ( 13c) is connected to the air supply means 70 and the electrolyte supply means 60, respectively, and additionally supply air and electrolyte as needed, and at the same time discharged as much electrolyte through the discharge port (14a), generated during power generation
  • the cell body 10 is further provided with an extension tube 71 through which the air supplied through the air supply port 13b is discharged between the air electrode 40 and the metal electrode body 20.
  • the electrolytic solution supply port 13c and the discharge port 14a are provided with electronic control valves 13d and 14b, respectively, and a control unit for receiving a signal from the water level sensor 80 provided in the cell body 10 ( By controlling the electronic control valves 13d and 14b by using 90), there is an advantage that the level of the electrolyte solution inside the cell body 10 can be prevented from being lowered.
  • vent holes 41a are formed in the carbon sheet 41 of the air electrode 40 to allow oxygen to be directly supplied to the electrolyte solution inside the cell body 10 through the vent holes 41a.
  • a large diameter portion 41b is formed outside the vent hole 41a to prevent the vent hole 41a from being blocked by the metal mesh 42 of the air electrode 40.
  • an opening 12a is formed in the body body 12 so that the periphery of the air electrode 40 is tightly fixed to the opening 12a. It is also possible to form a plurality of through holes, the air electrode 40 is installed so as to surround the outer peripheral portion of the body body (12).
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a metal fuel cell unit according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a front view illustrating the metal fuel cell unit of FIG. 7
  • FIG. 9 is a side view illustrating the metal fuel cell unit of FIG. .
  • 10 is a block diagram showing a metal fuel battery cell and an electrolyte supply means, an air supply means and a control unit according to an embodiment of the present invention
  • 11 is a block diagram showing a connection relationship between the electrolyte supply means and the air supply means of the metal fuel battery cell according to the present invention.
  • the same reference numerals for explaining the metal fuel cell unit and the same as Figures 2 to 6 play the same function and the detailed description thereof will be omitted.
  • the metal fuel cell unit includes a cell body 10 into which an electrolyte is injected and a metal electrode installed inside the cell body 10.
  • the body 20 the negative electrode terminal 30 connected to the metal electrode body 20, the air electrode 40 installed in the cell body 10 so as to be spaced apart from the metal electrode body 20, and the air electrode 40.
  • a metal fuel battery cell (C) including a positive terminal (50) connected to the plurality is made by connecting in series with each other. At this time, the metal fuel battery cell (C) is installed in the frame 1, as shown in Figures 7 and 8 are fixed and supported.
  • an air supply port 13b through which air is supplied and an electrolyte supply port 13c through which an electrolyte is supplied are formed at an upper end of the cell body 10.
  • a discharge port 14a is formed at the lower end of the 10.
  • the electrolyte supply means 60 connected to the electrolyte supply port 13c and the air supply means 70 connected to the air supply port 13b are further provided.
  • the electrolyte supply means 60 is connected to the discharge port 14a through the discharge pipe 63, the storage tank 62 in which the electrolyte discharged through the discharge port 14a is stored, and the pump 64 connected to the storage tank 62. And a water supply pipe 65 connecting the pump 64 and the electrolyte supply port 13c to supply the electrolyte stored in the storage tank 62 to the inside of the cell body 10 using the pump 64.
  • the electrolyte discharged through the outlet 14a of the cell body 10 is configured to be stored in the storage tank 62.
  • the water supply pipe 65 is divided into a plurality, as shown in Figure 11, is connected to the electrolyte supply port 13c of each metal fuel battery cell (C) at the same time, the discharge pipe 63 is each metal fuel battery cell It is configured to collect the electrolyte discharged from the discharge port (14a) of (C) to supply to the storage tank (62). And one side of the storage tank 62 is provided with an injection hole 62a is configured to replenish the electrolyte in the storage tank 62 through the injection hole (62a).
  • the storage tank 62 is provided with a plurality of diaphragms 62b having openings 62c formed at upper and lower ends thereof, and the electrolyte solution discharged through the discharge port 14a passes through the opening 62c and is included in the electrolyte solution. It is configured to filter magnesium hydroxide. Therefore, the electrolytic solution containing magnesium hydroxide generated during power generation is discharged to the storage tank 62 through the discharge port 14a, and the electrolytic solution filtered by magnesium hydroxide by the diaphragm 62b is pumped by the pump 64 and the water supply pipe 65. Circulated inside the cell body 10. Then, the flow of the electrolyte can be controlled by opening and closing the electronic control valves 13d and 14b provided in the electrolyte supply port 13c and the discharge port 14a.
  • the air supply means 70 is composed of an air compressor 72, a low pressure air tank 73 and a high pressure air tank 74 connected to the air compressor 72, and the low pressure air tank 73 is a first air supply pipe.
  • the water supply pipe 66 of the electrolyte supply means 60 connected to the air supply port 13b through the 73a, and the high pressure air tank 74 connected to the electrolyte supply port 13c through the second air supply 74a. It is connected to the middle part.
  • the low pressure air tank 73 and the high pressure air tank 74 is installed inside the case 75 fixed to the frame (1).
  • the low pressure air tank 73 is controlled to store low pressure air and continuously supplies low pressure air to the inside of the cell body 10 through the air supply port 13b.
  • the high pressure air tank 74 is controlled to store high pressure air in comparison with the low pressure air tank 73 to supply high pressure air to the water supply pipe 65, whereby an electrolyte solution in which air is mixed in advance in the water supply pipe 65 is formed. It is supplied to the inside of the cell body 10, to increase the air supply efficiency.
  • Reference numeral 12c which is not described, shows an exhaust pipe coupled to the exhaust port 12b, and reference numeral 100 shows a converter for converting the voltage or current of electricity output from the metal battery cell (C).
  • reference numeral 74b is connected to the high-pressure air tank 74 and the discharge pipe 63, and the middle portion shows an auxiliary air supply 74b with an electronic control valve (not shown), the magnesium hydroxide through the discharge pipe 63
  • the magnesium hydroxide is prevented from remaining inside the discharge pipe (63).
  • the electrolyte and the air are supplied into the cell body 10 by the air supply means 70 and the electrolyte supply means 60. Accordingly, the oxidation and reduction reactions are continuously generated by the metal electrode body 20 and the air electrode 40 to generate electricity, and the generated hydrogen gas is discharged to the outside through the exhaust port 12b. .
  • the magnesium hydroxide generated by the oxidation reaction of magnesium has a higher specific gravity than the electrolyte solution and sinks downward, thereby opening the electronic control valve 14b provided at the outlet 14a to discharge the electrolyte solution containing magnesium hydroxide.
  • the control unit 90 opens the electronic control valve 13d to supply additional electrolyte, thereby preventing the level of the electrolyte from decreasing. do.
  • the magnesium hydroxide is removed while passing through the diaphragm 62b of the storage tank 62, the pump The magnesium hydroxide supplied to the cell body 10 is circulated again by 64, and the magnesium hydroxide filtered through the storage tank 62 may be recycled through a separate reduction treatment.
  • the cell body 10 is provided with an air supply port 13b through which air is supplied, an electrolyte supply port 13c through which an electrolyte is supplied, and an outlet 14a, and an air supply port 13b.
  • the electrolyte supply port 13c are connected to the air supply means 70 and the electrolyte supply means 60, respectively, and additionally supply air and electrolyte as needed, and supply the electrolyte as much as necessary through the outlet 14a.
  • the high pressure air tank 74 of the air supply means 70 is connected to the water supply pipe 65, the air supplied to the cell body 10 by mixing the air in advance before the electrolyte is supplied to the cell body 10 Is smoothly mixed with the electrolyte has the advantage that can be induced to melt in the electrolyte.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a metal fuel battery cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 13 is an exploded perspective view showing the metal fuel battery cell of FIG.
  • FIG. 14 is a front cross-sectional view illustrating a connection relationship between a metal fuel battery cell and an electrolyte supply device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is a side cross-sectional view illustrating the metal fuel battery cell of FIG. 14.
  • 16 is a side cross-sectional view illustrating a fuel battery cell configured by connecting a metal fuel battery cell according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 17 and 18 are perspective views showing a metal fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals for explaining the metal fuel cell unit and the same as Figures 2 to 6 play the same function and the detailed description thereof will be omitted.
  • the metal fuel battery cell according to the present invention has a cell body 10 into which an electrolyte is injected and a metal electrode body installed inside the cell body 10, as described in FIG. 2. And an air electrode 40 provided on the circumferential surface of the cell body 10, and an electrolyte supply port 17 to which the electrolyte supply means 60 is connected to the circumferential part of the cell body 10.
  • a discharge port 16 through which the electrolyte injected into the cell body 10 is discharged is formed to connect the negative electrode terminal 30 and the positive electrode terminal 50 provided in the metal fuel battery cell C in series or in parallel with each other. And, it is configured to connect the electrolyte supply means 60 to the electrolyte supply port 17 to constitute a fuel cell unit.
  • the outlets 16 are respectively formed in the lower front and rear surfaces of the cell body 10, the outlet portion 16 of the one side of the outlet 16 is formed with an extension portion 18 and the other side outlet 16
  • the connection part 19 is formed in which the extension part 18 is tightly coupled, and the extension part 18 and the connection part 19 formed in the cell body 10 of the metal fuel battery cell C are interconnected to each other.
  • the metal fuel battery cells C are structurally connected and fixed to each other. At the same time, it is configured to form a drain passage 25 for interconnecting the discharge port 16 formed in the cell body 10 of each metal fuel battery cell (C).
  • the cell body 10 has an open top and is formed in a thin rectangular box shape, and includes a cell body main body 10a having a through hole 11 formed in front and rear surfaces, and an upper end of the cell body main body 10a. It is composed of a cover 10b coupled to the opening to seal the opening, and fixing holes 27 through which the fault bars 26 are inserted are fixed to both sides of the cell body 10 so as to penetrate the front and rear surfaces.
  • the electrolyte supply port 17 is formed on the upper side of the cell body 10, the electrolyte supply means 60 is the storage tank 62 and the pump 66 and pump connected to the storage tank 62 is stored electrolyte Consists of a connection pipe 67 connecting the 66 and the electrolyte supply port 17, the electrolyte stored in the storage tank 62 can be injected into the cell body 10 through the electrolyte supply port 17. It is configured to.
  • the outlet 16 is formed in a rectangular shape, as shown in FIGS. 15 and 16, a pair of front outlets 16a formed at both front lower sides of the cell body 10, and a rear surface of the cell body 10. It is composed of a pair of rear discharge port 16b formed on both sides of the lower end.
  • the extension portion 18 is configured in the form of a single tube extending forward from the front discharge port (16a) is provided with a packing (18a) in the circumference.
  • the connection portion 19 extends rearward from the rear outlet 16b and is configured in the form of a short pipe that is tightly fitted to the outside of the extension 18.
  • each cell body is formed by the extension part 18 and the connection part 19.
  • the outlet 16 of the 10 is hermetically connected to each other to form a drain passage 25 through which the electrolyte injected into the cell body 10 is discharged.
  • one end of the drain passage 25 is coupled to the end cap 68 for closing the end of the drain passage 25, the other end is coupled to the discharge pipe 69 is connected to the storage tank 62, the drain passage ( 25 is provided with a valve (69a) is configured to adjust the amount of the electrolyte discharged to the storage tank 62 through the discharge pipe (69).
  • the metal electrode body 20 has a rectangular plate shape corresponding to the inner space of the cell body body 10a, and is fixed to the lower end of the cover 10b by bolts 35 to cover the cell body body 10a. When coupled to the upper end of the metal electrode body 20 is inserted into the cell body 10 is fixed. In addition, one side of the cover 10b is provided with a cathode terminal 30 connected to the metal electrode body 20.
  • the air electrode 40 is formed in a thin rectangular sheet shape and is fixed to the inside front and rear surfaces of the cell body 10 to seal the through holes 11, and a plurality of minute vent holes penetrating the front and rear surfaces are formed through the vent holes. Air is supplied to the electrolyte injected into the cell body 10.
  • an anode terminal 50 connected to the metal electrode body 20 is connected to an outer surface of the cell body 10.
  • Reference numeral 28 which is not described, shows an auxiliary outlet formed on one side of the cell body 10 to be located above the electrolyte supply port 17, and the auxiliary outlet 28 is a storage tank through the auxiliary discharge pipe 69. 62 is connected to the storage tank 62 when the excessive amount of the electrolyte is supplied through the electrolyte supply port 17 to the storage tank 62 through the auxiliary outlet 28, so that the electrolyte in the cell body 10 is at a constant level. Keep it.
  • reference numeral 10c which is not described, illustrates a spacer that is inserted between the cell bodies 10 of the metal fuel battery cells c to be connected to support the cell bodies 10.
  • the extension part 18 and the connection part 19 formed on the cell bodies 10 of the plurality of metal fuel battery cells C are interconnected to each cell body 10. Fixing each of the metal fuel battery cells (C) by inserting the fault bars 26 so as to penetrate the formed fixing holes 27 at once, and the electrolyte supply means (17) to the electrolyte supply ports 17 of the metal fuel battery cells (C).
  • the metal fuel cell unit can be configured, and the negative electrode terminal 30 and the positive electrode terminal 50 provided in each metal fuel battery cell (C) ) Can be connected in series or in parallel to produce electricity. If necessary, it is also possible to fix the metal fuel battery cell (C), the electrolyte supply means (60) and the discharge pipe (69) to a predetermined support frame.
  • the discharge port 16 is formed on the lower front and rear surfaces of the cell body 10, respectively, and the extension part 18 and the connection part 19 are respectively formed at the discharge port 16. Is formed, and when the plurality of metal fuel battery cells (C) are connected to each other such that the extension part 18 and the connection part 19 are connected to each other, an outlet hole formed in the cell body 10 of each metal fuel battery cell C A drain passage 25 is formed that interconnects 16.
  • each metal fuel battery cell (C) is interconnected and fixed by the extension part 18 and the connection part 19, a separate support frame for supporting each metal fuel battery cell (C) Without a plurality of metal fuel battery cells (C) can be fixed to each other to configure a metal fuel cell unit, the configuration of the metal fuel cell unit is simpler, there is an advantage that the installation and maintenance of the metal fuel cell unit is easy. .
  • each metal fuel battery cell (C) is interconnected by the drainage passage 18 formed by connecting the extension portion 18 and the connection portion 19,
  • the discharge pipe 69 By connecting the discharge pipe 69 only to the drain passage 25, the electrolyte solution discharged from the plurality of cell bodies 10 may be discharged to the storage tank 62. Therefore, the structure of the discharge pipe 69 is simplified, compared to the conventional metal fuel battery cell or the metal fuel battery unit, in which a separate discharge pipe 69 must be connected to the discharge port 16 of each metal fuel battery cell C, respectively.
  • the fixing hole 27 into which the fault bar 26 is inserted and fixed passes through the front and rear surfaces, one side of the cell body 10 is coupled to the extension part 18 and the connection part 19 to connect a plurality of metal fuels. After interconnecting the battery cells (C), by tightening the fault bars 26 in the fixing hole 27, there is an advantage that can be firmly fixed to each of the metal fuel battery cells (C).
  • the metal fuel battery cell (C) can be fixed to each other in this way, there is no need to use a separate support frame for fixing the metal fuel battery cell (C), the structure of the metal fuel cell unit is further simplified.
  • the metal fuel battery cell (C) and the electrolyte supply device (60) can be installed at separate locations, there is an advantage of increasing the freedom of installation of the metal fuel battery cell (C) and the electrolyte supply device (60).
  • the metal fuel battery cell (C) occupies a minimum amount of metal fuel
  • the size of the entire battery unit can be compactly constructed.
  • the cell body 10 is composed of a rectangular cylindrical shape and consists of a cover (10b) detachably coupled to the cell body main body (10a) of the top is opened, the outlet 28 of the top of the cell body (10a). Since the metal electrode body 30 is fixed to the lower end of the cover 10b, when the life of the metal electrode body 30 expires, the metal electrode body 30 may be replaced by replacing the cover 10b on which the metal electrode body 30 is fixed. 30) has the advantage of easy replacement.
  • a plurality of vent holes are formed in the air electrode 40 to illustrate that the air is supplied to the electrolyte injected into the cell body 10 through the vent holes, but, if necessary, the cell body It is also possible to form an air supply port on one side of the (10), and to connect a separate air supply device to the air supply port, to force the air into the cell body (10).
  • the electrolyte discharged from each cell body 10 is circulated to the storage tank 62 of the electrolyte supply means by connecting the discharge pipe 69 connected to the storage tank 62 to the drain passage 25. If necessary, the discharge pipe 69 may be discharged into a separate tank from the storage tank 62 to remove the magnesium hydroxide discharged along with the electrolyte through post-processing and then supplied to the storage tank 62.

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Abstract

음극단자를 견고하게 설치할 수 있을 뿐 아니라, 산소와 전해액을 지속적으로 공급하고, 발전시 발생되는 수산화마그네슘을 효과적으로 제거하여 발전효율을 높일 수 있으며, 상호 간편하게 연결하여 손쉽게 유닛을 구성할 수 있는 금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛을 제시한다. 그 셀 및 유닛은 내부에 전해액이 주입되는 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체에 연결된 음극단자와, 금속전극체와 이격되도록 셀바디에 설치되는 공기전극 및 공기전극에 연결된 양극단자를 포함하는 금속연료전지에 있어서, 금속전극체에는 길이방향의 삽입공이 형성되며, 음극단자는 일단이 삽입공에 삽입 고정되며 타단은 셀바디의 외부로 연장된다.

Description

금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛
본 발명은 금속연료전지셀 및 금속연료전지유닛에 관한 것으로, 특히 음극단자를 견고하게 설치할 수 있고, 산소와 전해액을 지속적으로 공급하고, 발전시 발생되는 수산화마그네슘을 효과적으로 제거하여 발전효율을 높일 수 있으며, 상호 간단하게 연결하여 손쉽게 유닛을 구성할 수 있는 금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛에 관한 것이다.
일반적으로, 금속전극체를 이용하여 전기를 생산하는 금속연료전지셀은, 도 1에 도시한 바와 같이, 내부에 전해액이 주입되는 셀바디(10)와, 셀바디(10)의 내부에 설치되는 금속전극체(20)와, 셀바디(10)의 둘레면에 구비되는 공기전극(40)으로 이루어진다.
이때, 셀바디(10)는 둘레면에 다수개의 통공(11)이 형성된 통형상으로 이루어지며, 상기 전해액은 염화나트륨(NaCl) 수용액이 주로 사용된다. 그리고 금속전극체(20)는 마그네슘과 알루미늄, 아연 등을 섞어 소결, 제련 또는 액상프레싱하여 제작되며, 상기 전해액에 잠기도록 셀바디(10)의 내부에 고정설치된 것으로, 상기 전해액 중의 수산기와 반응하여 산화물로 산화되며, 이 과정에서 전자와 수소가 발생되어 전자가 발생되는 음극으로 작용한다.
또한, 공기전극(40)은 전도체인 카본시트(41)와, 카본시트(41)의 외측면에 구비되어 카본시트(41)를 지지할 수 있도록 된 스테인리스 재질의 금속망체(42)로 이루어져, 셀바디(10)의 외측둘레면을 감싸도록 결합되어 통공(11)을 막아 전해액이 누출되지 않도록 함과 동시에 내측면이 상기 전해액에 접촉되어 금속전극체(20)에 의해 발생된 전자를 전달받는 양극의 기능을 한다. 이때, 금속망체(42)는 매우 얇은 와이어를 촘촘하게 엮어 카본시트(41)를 지지함과 동시에, 카본시트(41)의 전기전도성을 개선하는 기능을 한다. 이때, 금속전극체(20)에는 도시안된 음극단자가 연결되고 공기전극(40)에는 도시안된 양극단자가 연결된다.
따라서 상기 음극단자와 양극단자를 상호 전기적으로 연결하면, 금속전극체(20)에서는 전자와 수소가 발생되며, 이와 같이 발생된 전자는 금속전극체(20)와 공기전극(40)을 연결하는 외부회로를 따라 공기전극(40)으로 전달되어, 전해액중의 수소 및 산소와 결합하여 물을 생성하는 환원반응을 일으키므로, 이러한 전기화학반응이 지속적으로 반복되어 전기를 생산할 수 있다. 필요에 따라, 여러 개의 금속연료전지셀의 음극단자와 양극단자를 직렬 또는 병렬로 연결하여 금속연료전지유닛을 구성함으로써, 전류 또는 전압을 높일 수 있도록 한다.
그런데, 이러한 금속연료전지는 금속전극체(20)에 음극단자를 연결하여야 하는데, 상기 음극단자를 금속전극체(20)에 연결하여 고정하는 것이 매우 번거롭고, 음극단자의 고정부위가 구조적으로 취약해진다.
이러한 금속연료전지셀은 지속적으로 전력을 사용할 경우, 상기 마그네슘과 전해액의 반응에 의해 전기가 통하지 않는 수산화마그네슘이 생성되는데, 이러한 수산화마그네슘이 전해액의 내부에 잔존함에 따라 전해액의 전기화학반응 효율이 떨어져 발전효율이 떨어지게 된다. 그런데, 이러한 금속연료전지셀은 공기전극(40)에서 전자에 의한 환원반응을 일으키기 위한 충분한 양의 산소가 공급되어야 반응이 활발하게 진행된다. 그러나 현재로서는 용기의 내부로 충분한 양의 공기를 공급할 방안이 마련되지 않아서, 금속연료전지셀의 효율을 향상시키는 데 한계가 있다.
나아가, 이러한 금속연료전지셀은 출력전압이 낮아서, 여러 개의 금속연료전지셀의 음극단자와 양극단자를 상호 직렬로 연결하여 유닛을 구성하여 사용되는데, 이와 같이, 여러 개의 금속연료전지셀을 직렬로 연결하여 제작된 금속연료전지유닛의 경우 전술한 문제점이 더욱 크게 작용하여, 내구성과 전기출력특성에 장애가 발생되는 경우가 자주 발생되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 음극단자를 견고하게 설치할 수 있을 뿐 아니라, 산소와 전해액을 지속적으로 공급하고, 발전시 발생되는 수산화마그네슘을 효과적으로 제거하여 발전효율을 높일 수 있으며, 상호 간편하게 연결하여 손쉽게 유닛을 구성할 수 있는 금속연료전지셀을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 금속연료전지셀을 이용한 금속연료전지유닛을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속연료전지셀의 하나의 예는 내부에 전해액이 주입되는 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 금속전극체에 연결된 음극단자와, 상기 금속전극체와 이격되도록 셀바디에 설치되는 공기전극 및 상기 공기전극에 연결된 양극단자를 포함하는 금속연료전지에 있어서, 상기 금속전극체에는 길이방향의 삽입공이 형성되며, 상기 음극단자는 일단이 상기 삽입공에 삽입 고정되며 타단은 상기 셀바디의 외부로 연장된다.
본 발명의 금속연료전지셀에 있어서, 상기 음극단자는 도전체이면서 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 감아 구성되며 외주면에는 다수개의 돌기가 형성되어 상기 금속전극체의 삽입공에 삽입 설치되는 콘덴서부와, 상기 셀바디에 결합되며 상기 콘덴서부의 단부에 연결되는 단자부를 포함할 수 있다.
바람직한 금속연료전지셀에 있어서, 상기 셀바디의 상단에는 공기가 공급되는 공기공급포트와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트가 형성되고, 상기 셀바디의 하단에는 배출구가 형성되며, 상기 전해액공급포트에 연결되는 전해액공급수단과, 상기 공기공급포트에 연결되는 공기공급수단이 더 구비될 수 있다. 이때, 상기 셀바디의 내부에는, 일단이 상기 공기공급포트에 연결되며 타단은 상기 공기전극과 금속전극체의 사이로 연장되는 연장관이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전해액공급포트와 배출구에는 전자제어밸브가 각각 구비되며, 상기 셀바디에 구비되어 셀바디 내부의 전해액의 수위를 감지하는 수위감지센서와, 상기 수위감지센서의 신호에 따라 상기 전자제어밸브를 제어하는 제어유닛이 더 구비될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속연료전지셀의 다른 예는 전해액공급장치가 연결되는 전해액공급포트와 셀바디의 내부로 주입된 전해액이 배출되는 배출구가 둘레부에 형성된 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 셀바디의 둘레면에 구비되는 공기전극을 포함하는 금속연료전지셀에 있어서, 상기 배출구는 상기 셀바디의 하측 전후면에 각각 형성되며, 일측의 배출구에는 연장부가 형성되고 타측의 배출구에는 상기 연장부가 수밀하게 결합되는 연결부가 형성된다.
본 발명의 바람직한 금속연료전지셀에 있어서, 상기 셀바디의 일측에는 고장바가 삽입 고정되는 고정공이 전후면을 관통도록 형성된다. 또한, 상기 셀바디는 사각 통형상으로 구성되며 상단이 개방되는 셀바디본체와, 상기 셀바디본체 상단의 개구부에 결합되는 커버로 구성되며, 상기 금속전극체는 상기 커버의 하단에 고정될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속연료전지유닛의 하나의 예는 내부에 전해액이 주입되는 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 금속전극체에 연결된 음극단자와, 상기 금속전극체와 이격되도록 셀바디에 설치되는 공기전극과, 상기 공기전극에 연결된 양극단자를 포함하는 금속연료전지셀을, 다수개 상호 직렬로 연결하여 이루어진 금속연료전지유닛에 있어서, 상기 셀바디의 상단에는 공기가 공급되는 공기공급포트와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트가 형성되고, 상기 셀바디의 하단에는 배출구가 형성되며, 상기 전해액공급포트에 연결되는 전해액공급수단과, 상기 공기공급포트에 연결되는 공기공급수단이 구비된다.
본 발명의 금속연료전지유닛에 있어서, 상기 전해액공급포트와 배출구에는 전자제어밸브가 각각 구비되며, 상기 셀바디에 구비되어 셀바디 내부의 전해액의 수위를 감지하는 수위감지센서와, 상기 수위감지센서의 신호에 따라 상기 전자제어밸브를 제어하는 제어유닛이 더 구비될 수 있다. 또한, 전해액공급수단은 배출관을 통해 상기 배출구에 연결되어 배출구를 통해 배출된 전해액이 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 연결된 펌프와, 상기 펌프와 상기 전해액공급포트를 연결하는 급수관을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 금속연료전지유닛에 있어서, 상기 공기공급수단은 에어컴프레서와, 상기 에어컴프레서에 연결된 저압에어탱크와 고압에어탱크를 포함하며, 상기 저압에어탱크는 상기 공기공급포트에 연결되고, 상기 고압에어탱크는 상기 전해액공급포트에 연결된 전해액공급수단의 급수관 중간부에 연결될 수 있다. 또한, 상기 금속전극체에는 길이방향의 삽입공이 형성되며, 상기 음극단자는 도전체이면서 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 감아 구성되며 외주면에는 다수개의 돌기가 형성되어 상기 금속전극체의 삽입공에 삽입 설치되는 콘덴서부와, 상기 셀바디에 결합되며 상기 콘덴서부의 단부에 연결되는 단자부를 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속연료전지유닛의 다른 예는 전해액공급장치가 연결되는 전해액공급포트와 셀바디의 내부로 주입된 전해액이 배출되는 배출구가 둘레부에 형성된 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 셀바디의 둘레면에 구비되는 공기전극을 포함하여 구성되며, 상호 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수개의 금속연료전지셀과; 상기 금속연료전지셀에 연결되어 전해액을 공급하는 전해액공급장치를 갖는 금속연료전지유닛에 있어서, 상기 배출구는 상기 셀바디의 하측 전후면에 각각 형성되며, 일측의 배출구에는 연장부가 형성되고 타측의 배출구에는 상기 연장부가 수밀하게 결합되는 연결부가 형성되어, 금속연료전지셀의 셀바디에 형성된 연장부와 연결부를 상호 연결하여 복수개의 금속연료전지셀를 상호 구조적으로 연결, 고정함과 동시에, 각 금속연료전지셀의 셀바디에 형성된 배출구를 상호 연결하는 배수통로를 형성할 수 있다.
본 발명의 금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛에 의하면, 음극단자가 금속전극체에 형성된 삽입공에 끼워진 상태로 셀바디의 외부로 연장되므로, 음극단자를 견고하게 고정할 수 있고, 셀바디에 공기공급포트와 전해액공급포트 및 배출구가 각각 형성되며, 제어유닛을 이용하여 전해액의 공급 및 배출을 제어함으로써, 지속적으로 공기와 전해액를 공급하고 발전의 부산물인 수산화마그네슘을 배출하여, 발전효율을 높일 수 있다. 연장관을 이용하여 전해액의 내부에 직접 공기를 공급함으로써, 산소의 공급효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 금속연료전지의 셀바디 하측 전후면에 배출구가 각각 형성되며, 배출구에는 연장부와 연장부가 수밀하게 결합되는 연결부가 각각 형성되어, 연장부를 다른 셀바디의 연결부에 결합하여 여러 개의 금속연료전지셀을 손쉽게 상호 구조적으로 연결, 고정할 수 있다. 나아가, 금속연료전지셀이 차지하는 공간을 최소화하여 금속연료전지유닛을 콤팩트하게 구성할 수 있다. 더 나아가, 연장부와 연결부에 의해 각 셀바디의 배출구를 연결하는 배수통로를 형성하여, 각 셀바디의 각각 별도의 배출관을 연결할 필요가 없어서, 구조가 간단하고 설치 및 유지보수가 간편하다.
도 1은 종래의 금속연료전지를 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속연료전지를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 금속연료전지를 부분별로 표현한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속연료전지를 나타낸 측단면도이다.
도 5는 도 4의 금속연료전지의 콘덴서부를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 도 4의 금속연료전지의 공기전극을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 금속연료전지유닛을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7의 금속연료전지유닛을 나타낸 정면도이다.
도 9는 도 7의 금속연료전지유닛을 설명하기 위한 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 금속연료전지셀 및 이에 연결된 전해액공급수단과 공기공급수단 및 제어유닛을 도시한 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 금속연료전지셀의 전해액공급수단과 공기공급수단의 연결관계를 도시한 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 금속연료전지셀을 도시한 사시도이다.
도 13은 도 12의 금속연료전지셀을 나타낸 분해사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 금속연료전지셀과 전해액공급장치의 연결관계를 설명하기 위한 정단면도이다.
도 15는 도 14의 금속연료전지셀을 도시한 측단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 금속연료전지셀을 연결하여 구성된 연료전지셀을 도시한 측단면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 금속연료전지유닛을 나타낸 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서는 음극단자를 견고하게 설치할 수 있을 뿐 아니라, 산소와 전해액을 지속적으로 공급하고, 발전시 발생되는 수산화마그네슘을 효과적으로 제거하여 발전효율을 높일 수 있으며, 상호 간편하게 연결하여 손쉽게 유닛을 구성할 수 있는 금속연료전지와 다수개의 상기 연료전지가 상호 직렬로 연결된 금속연료전지유닛 및 전해액공급포트에 전해액공급수단을 연결하여 구성한 금속연료전지유닛을 제시한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 상기 금속연료전지와 이를 이용한 금속연료전지유닛을 순차적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2의 금속연료전지를 부분별로 표현한 분해사시도이다. 도 4는 본 발명에 따른 금속연료전지를 도시한 측단면도이고, 도 5는 도 4의 금속연료전지의 콘덴서부를 설명하기 위한 평면도이며, 도 6은 도 4의 금속연료전지의 공기전극을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 2 내지 도 6에 의하면, 본 발명에 따른 금속연료전지는, 내부에 전해액이 주입되는 셀바디(10)와, 셀바디(10)의 내부에 설치되는 금속전극체(20)와, 금속전극체(20)에 연결된 음극단자(30)와, 금속전극체(20)와 이격되도록 셀바디(10)에 설치되는 공기전극(40) 및 공기전극(40)에 연결된 양극단자(50)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 금속전극체(20)에는 길이방향의 삽입공(21)이 형성되며, 음극단자(30)는 일단이 삽입공(21)에 삽입 고정되며 타단은 셀바디(10)의 외부로 연장되며, 셀바디(10)에 연결된 전해액공급수단(60) 및 공기공급수단(70)과, 셀바디(10)에 구비된 수위감지센서(80) 및 수위감지센서(80)에 연결된 제어유닛(90)이 더 구비된다.
이를 자세히 설명하면, 셀바디(10)는 둘레부에 공기전극(40)이 결합되는 개구부(12a)가 형성되며 상하단이 개방된 원통형상으로 구성된 바디본체(12)와, 바디본체(12)의 상단에 구비된 상부커버(13)와, 바디본체(12)의 하단에 결합되는 하부커버(14)와, 바디본체(12)의 내부에 설치되어 금속전극체(20)를 지지하는 브라켓(15)으로 이루어진다. 이때, 바디본체(12)는 내부식성이 높고, 부도체인 경질의 합성수지로 구성되며, 그 상단 일측에는 내부에 주입되는 전해액의 수위보다 높은 위치에 배기구(12b)가 형성되어, 발전시 발생되는 수소가스가 배기구(12b)를 통해 외부로 배기될 수 있도록 구성된다.
상부커버(13)의 중앙에는 음극단자(30)가 관통하는 관통공(13a)이 형성된다. 또한, 상부커버(13)의 양측에는 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)이 연결되는 공기공급포트(13b)와 전해액공급포트(13c)가 각각 형성되고, 하부커버(14)에는 바디본체(12)에 주입된 전해액이 배출되는 배출구(14a)가 형성되며, 전해액공급포트(13c) 및 배출구(14a)에는 각각 전자제어밸브(13d,14b)가 구비된다.
금속전극체(20)는 마그네슘과 알루미늄, 아연 등을 섞어 소결하여 제작된 것으로, 셀바디(10)의 브라켓(15)에 올려지도록 셀바디(10)의 내부에 삽입되어 브라켓(15)에 의해 지지된다. 이때, 삽입공(21)은 금속전극체(20)의 상하면을 원형으로 관통하도록 형성된다.
음극단자(30)는 금속전극체(20)의 삽입공(21)에 삽입 설치되는 콘덴서부(31)와, 상기 커버에 결합되며 콘덴서부(31)의 단부에 연결되는 단자부(32)로 이루어진다. 콘덴서부(31)는 도전체이면서 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 감아 구성되며 외주면에는 다수개의 돌기(31a)가 형성된 것으로, 돌기(31a)가 삽입공(21)의 내주면에 밀착됨과 동시에 상단이 금속전극체(20)의 상단으로 돌출되도록 설치된다.
이때, 콘덴서부(31)는 도 5에 도시한 바와 같이, 콘덴서부(31)를 이루는 금속판의 양단이 서로 일정간격(L) 이격되어, 직경이 탄력적으로 신축될 수 있도록 구성되어, 콘덴서부(31)를 삽입공(21)에 삽입하면 콘덴서부(31)의 자체탄성에 의해 돌기(31a)가 삽입공(21)에 완전히 밀착 고정된다. 단자부(32)는 상기 커버에 형성된 관통공(13a)에 삽입 설치되어, 도시안된 핀에 의해 콘덴서부(31)의 상단에 고정된다.
공기전극(40)은 시트형상으로 구성되어, 둘레면이 바디본체(12)의 개구부(12a)에 수밀하게 고정 설치되는 것으로, 셀바디(10) 내부에 주입된 전해액이 외부로 흘러나가지 않도록 하는 기능과, 양극단자(50)를 통해 공급된 전자에 의해 수산기와 산소가 상호 반응하도록 하는 촉매기능을 한다. 이때, 공기전극(40)은 도 6에 도시한 바와 같이, 카본을 시트형상으로 제작한 카본시트(31)와, 카본시트(31)의 외측면에 매입되어 카본시트(31)의 전기전도성을 개선함과 동시에 카본시트(31)를 보강하는 스테인리스 금속망체(42)로 이루어지며, 외부에는 도전성 물질이 코팅되어 전도성을 향상시킬 수 있도록 구성된다.
카본시트(31)에는 내외측면을 관통하는 다수개의 통기공(41a)이 형성된다. 통기공(41a)은 셀바디(10) 내부에 주입된 전해액이 외부로 누출되지 않을 정도로 작은 지름을 갖도록 구성된 것으로, 그 외측에는 카본시트(31)의 내측에서 외측으로 갈수록 내경이 넓어지는 대경부(41b)가 형성된다. 대경부(41b)는 스테인리스 금속망체(42)가 매입된 깊이보다 깊게 형성되어, 스테인리스 금속망체(42)에 의해 통기공(41a)이 막히지 않도록 한다. 즉, 통기공(41a)은 매우 지름이 작은 반면, 금속망체(42)를 이루는 금속망체(42)의 단면이 통기공(41a)보다 커서 금속망체(42)에 의해 통기공(41a)이 막일 수 있으나, 통기공(41a)의 외측에 대경부(41b)가 구비됨으로써, 금속망체(42)에 의해 통기공(41a)이 막히게 되는 것을 방지할 수 있다.
양극단자(50)는 상하방향으로 긴 막대형상의 도전체로 이루어지며, 하단은 공기전극(40)의 외주면에 스테인리스 금속망체(42)에 접촉되도록 고정설치고, 중간부가 핀(51)에 의해 바디본체(12)의 외부면에 고정된다.
전해액공급수단(60)은 전해액공급포트(13c)에 연결된 펌프(61)와, 펌프(61)에 연결되며 전해액에 저장된 저장탱크(62)로 이루어져, 전해액공급포트(13c)를 통해 셀바디(10)의 내부로 전해액을 공급하며, 전해액공급포트(13c)에 구비된 전자제어밸브(13d)를 on-off시켜 셀바디(10)의 내부로 공급되는 전해액의 흐름을 제어할 수 있다.
공기공급수단(70)은 공기공급포트(13b)에 연결된 에어컴프레서로서, 공기공급포트(13b)를 통해 셀바디(10)의 내부로 일정한 압력의 공기를 지속적으로 공급한다. 이때, 셀바디(10)의 내부에는 일단이 공기공급포트(13b)에 연결되며 타단은 상기 공기전극(40)과 금속전극체(20)의 사이로 연장되는 연장관(71)이 더 구비된다. 즉, 공기를 단순히 상기 전해액의 수면 상부로 주입할 경우 공기 중의 산소가 전해액에 잘 공급되지 않게 되므로, 연장관(71)을 이용하여 전해액에 잠겨있는 공기전극(40)과 금속전극체(20)의 사이로 공기를 직접 공급하여 공기 중의 산소가 전해액에 원활하게 공급될 수 있도록 한다.
수위감지센서(80)는 바디본체(12)의 상단에 구비되어 바디본체(12)에 주입된 전해액의 수위를 감시하는 것으로, 상기 전해액의 수위가 금속전극체(20)의 상단이 완전히 잠기는 상태보다 낮아질 경우, 신호를 출력하는 기능을 한다.
제어유닛(90)은 각 전자제어밸브(13d,14b)를 개폐시키는 타이밍을 기록한 타임테이블이 구비되어, 입력된 타임테이블에 따라 전자제어밸브(13d,14b)를 개폐시킴으로써, 셀바디(10)의 내부로 전해액이 주입되도록 함과 동시에, 셀바디(10) 내부의 전해액이 배출구(14a)를 통해 배출되도록 제어한다. 또한, 제어유닛(90)은 상기 수위감지센서(80)의 신호를 감지하여, 셀바디(10) 내부의 전해액 수위가 기준보다 낮아져 수위감지센서(80)에서 신호가 출력될 경우, 셀바디(10) 내부의 전해액 수위가 기준이상으로 높아질 때까지 상기 전해액주입포트에 구비된 전자제어밸브(14b)를 개방하여, 전해액을 보충한다. 설명하지 않은 도면번호 12c는 배기구(12b)에 결합된 배기관을 도시한 것이다.
제어유닛(90)의 제어에 의해 전자제어밸브(13d,14b)가 개방되면, 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)에 의해 셀바디(10)의 내부로 전해액과 공기가 공급되며, 이에 따라, 금속전극체(20)와 공기전극(40)에 의해 지속적으로 산화반응과 환원반응이 발생되어 전기를 생산할 수 있으며, 이때 발생된 수소가스는 배기구(12b)를 통해 외부로 배출된다.
그리고 마그네슘의 산화반응에 따라 발생되는 수산화마그네슘은 전해액에 비해 비중이 높아 아래쪽으로 가라앉으므로, 배출구(14a)에 구비된 전자제어밸브(14b)를 개방하여 수산화마그네슘이 포함된 전해액을 배출함과 동시에, 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)을 이용하여 추가적으로 공기와 전해액을 공급함으로써, 셀바디(10) 내부의 전해액의 수위를 일정하게 조절한다. 이때, 전해액이 과도하게 배출되어 셀바디(10) 내부의 전해액 수위가 낮아질 경우에는 제어유닛(90)이 상기 전자제어밸브(13d)를 개방하여 추가적으로 전해액을 공급함으로써, 전해액의 수위가 낮아지는 것을 방지한다.
이와 같이 구성된 금속연료전지는 음극단자(30)가 금속전극체(20)에 형성된 삽입공(21)에 삽입 설치된 상태에서, 셀바디(10)의 외부로 연장되므로, 음극단자(30)의 설치가 매우 용이하며, 음극단자(30)의 구조적 강도가 높은 장점이 있다.
음극단자(30)는 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 말아 구성된 콘덴서부(31)와, 상부커버(13)에 고정되는 단자부(32)로 이루어져, 콘덴서부(31)를 금속전극체(20)의 삽입공(21)에 삽입설치하면, 콘덴서부(31)의 외주면이 삽입공(21)에 밀착 고정된다. 따라서 금속전극체(20)와 음극단자(30)사이의 전기전도성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 음극단자(30)가 금속전극체(20)에 견고하게 고정되는 장점이 있다.
또한, 셀바디(10)에는 공기가 공급되는 공기공급포트(13b)와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트(13c) 및 배출구(14a)가 형성되고, 공기공급포트(13b)와 전해액공급포트(13c)에는 각각 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)이 연결되므로, 필요에 따라 공기와 전해액을 추가적으로 공급함과 동시에 보충된 만큼의 전해액을 배출구(14a)를 통해 배출함으로써, 발전시 발생되는 부산물인 수산화마그네슘을 효율적으로 제거하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, 셀바디(10)의 내부에는 공기공급포트(13b)를 통해 공급된 공기가 공기전극(40)과 금속전극체(20)의 사이로 배출되도록 하는 연장관(71)이 더 구비됨으로써, 공기 중의 산소가 전해액에 공급되는 효율을 향상시킴으로써, 환원작용을 촉진시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 전해액공급포트(13c) 및 배출구(14a)에는 전자제어밸브(13d,14b)가 각각 구비되며, 셀바디(10)에 구비된 수위감지센서(80)의 신호를 수신하는 제어유닛(90)을 이용하여, 전자제어밸브(13d,14b)를 제어함으로써, 셀바디(10) 내부의 전해액 수위가 낮아지는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 공기전극(40)의 카본시트(41)에는 다수개의 통기공(41a)이 형성되어, 산소가 통기공(41a)을 통해 셀바디(10) 내부의 전해액에 직접 공급되도록 하여, 산소의 공급을 더욱 원활히 할 수 있을 뿐 아니라, 통기공(41a)의 외측에는 대경부(41b)가 형성되어, 공기전극(40)의 금속망체(42)에 의해 통기공(41a)이 막히는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 경우, 바디본체(12)에는 개구부(12a)가 형성되어, 공기전극(40)의 둘레부가 개구부(12a)에 수밀하게 고정되는 것을 예시하였으나, 필요에 따라, 바디본체(12)에 다수개의 통공을 형성하고, 공기전극(40)이 바디본체(12)의 외측둘레부를 감싸도록 설치하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지유닛을 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 금속연료전지유닛을 나타낸 정면도이며, 도 9는 도 7의 금속연료전지유닛을 도시한 측면도이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지셀 및 이에 연결된 전해액공급수단과 공기공급수단 및 제어유닛을 도시한 구성도이다. 또한 도 11은 본 발명에 따른 금속연료전지셀의 전해액공급수단과 공기공급수단의 연결관계를 도시한 구성도이다. 이때, 금속연료전지유닛을 설명하기 위한 참조부호 중에 도 2 내지 도 6과 동일한 것은 동일한 기능과 역할을 하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 금속연료전지유닛은 도 2에서 설명한 바와 같이, 내부에 전해액이 주입되는 셀바디(10)와, 셀바디(10)의 내부에 설치되는 금속전극체(20)와, 금속전극체(20)에 연결된 음극단자(30)와, 금속전극체(20)와 이격되도록 셀바디(10)에 설치되는 공기전극(40)과, 공기전극(40)에 연결된 양극단자(50)를 포함하는 금속연료전지셀(C)을, 다수개 상호 직렬로 연결하여 이루어진다. 이때, 금속연료전지셀(C)은 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 프레임(1)에 설치되어 지지 고정된다.
본 발명은, 도 9에 도시한 바와 같이, 셀바디(10)의 상단에는 공기가 공급되는 공기공급포트(13b)와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트(13c)가 형성되고, 상기 셀바디(10)의 하단에는 배출구(14a)가 형성되며, 전해액공급포트(13c)에 연결되는 전해액공급수단(60)과, 공기공급포트(13b)에 연결되는 공기공급수단(70)이 더 구비된다.
전해액공급수단(60)은 배출관(63)을 통해 배출구(14a)에 연결되어 배출구(14a)를 통해 배출된 전해액이 저장되는 저장탱크(62)와, 저장탱크(62)에 연결된 펌프(64)와, 펌프(64)와 전해액공급포트(13c)를 연결하는 급수관(65)으로 이루어져, 펌프(64)를 이용하여 저장탱크(62) 내부에 저장된 전해액을 셀바디(10)의 내부로 공급하고, 셀바디(10)의 배출구(14a)를 통해 배출된 전해액을 저장탱크(62)에 저장할 수 있도록 구성된다.
이때, 급수관(65)은 도 11에 도시한 바와 같이, 다수개로 분기되어, 각 금속연료전지셀(C)의 전해액공급포트(13c)에 동시에 연결되며, 배출관(63)은 각 금속연료전지셀(C)의 배출구(14a)에서 배출된 전해액을 수집하여 저장탱크(62)로 공급할 수 있도록 구성된다. 그리고 저장탱크(62)의 일측에는 주입구(62a)가 구비되어 이 주입구(62a)를 통해 저장탱크(62)에 전해액을 보충할 수 있도록 구성된다.
또한, 저장탱크(62)의 내부에는 상하단에 개구부(62c)가 형성된 격판(62b)이 다수개 구비되어, 배출구(14a)를 통해 배출된 전해액이 개구부(62c)를 통과하면서, 전해액에 포함된 수산화마그네슘이 걸러질 수 있도록 구성된다. 따라서 발전시 발생되는 수산화마그네슘이 포함된 전해액은 배출구(14a)를 통해 저장탱크(62)로 배출되고, 격판(62b)에 의해 수산화마그네슘이 걸러진 전해액은 펌프(64)와 급수관(65)에 의해 셀바디(10)의 내부로 순환된다. 그리고 전해액공급포트(13c)와 배출구(14a)에 구비된 전자제어밸브(13d,14b)를 개폐시켜, 전해액의 흐름을 제어할 수 있다.
공기공급수단(70)은, 에어컴프레서(72)와, 에어컴프레서(72)에 연결된 저압에어탱크(73)와 고압에어탱크(74)로 구성되며, 저압에어탱크(73)는 제1 급기관(73a)을 통해 공기공급포트(13b)에 연결되고, 고압에어탱크(74)는 제2 급기관(74a)을 통해 전해액공급포트(13c)에 연결된 전해액공급수단(60)의 급수관(66) 중간부에 연결된다. 이때, 저압에어탱크(73)와 고압에어탱크(74)는 프레임(1)에 고정된 케이스(75)의 내부에 설치된다.
저압에어탱크(73)는 저압의 공기가 저장되도록 조절되어 공기공급포트(13b)를 통해 셀바디(10)의 내부에 저압의 공기를 지속적으로 공급한다. 그리고 고압에어탱크(74)는 저압에어탱크(73)에 비해 고압의 공기가 저장되도록 조절되어 급수관(65)에 고압의 공기를 공급함으로써, 급수관(65)의 내부에서 미리 공기가 혼합된 전해액이 셀바디(10)의 내부로 공급되어, 공기공급효율을 높일 수 있도록 한다.
설명하지 않은 도면번호 12c는 배기구(12b)에 결합된 배기관을 도시한 것이며, 도면번호 100은 금속전지셀(C)에서 출력된 전기의 전압이나 전류를 변환시키는 컨버터를 도시한 것이다. 그리고 도면번호 74b는 고압에어탱크(74)와 배출관(63)을 연결하며 중간부에는 도시안된 전자제어밸브가 구비된 보조급기관(74b)을 도시한 것으로, 배출관(63)을 통해 수산화마그네슘이 포함된 전해액을 배출할 때, 배출관(63)의 내부로 고압의 공기를 공급하여, 전해액과 수산화마그네슘이 빠른 속도로 배출되도록 가압함으로써, 배출관(63)의 내부에 수산화마그네슘이 남는 것을 방지한다.
제어유닛(90)의 제어에 의해 전자제어밸브(13d,14b)가 개방되면, 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)에 의해 셀바디(10)의 내부로 전해액과 공기가 공급되며, 이에 따라, 금속전극체(20)와 공기전극(40)에 의해 지속적으로 산화반응과 환원반응이 발생되어 전기를 생산할 수 있으며, 이때 발생된 수소가스는 배기구(12b)를 통해 외부로 배출된다.
또한, 마그네슘의 산화반응에 따라 발생되는 수산화마그네슘은 전해액에 비해 비중이 높아 아래쪽으로 가라앉으므로, 배출구(14a)에 구비된 전자제어밸브(14b)를 개방하여 수산화마그네슘이 포함된 전해액을 배출함과 동시에, 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)을 이용하여 추가적으로 공기와 전해액을 공급함으로써, 셀바디(10) 내부의 전해액의 수위를 일정하게 조절한다. 이때, 전해액이 과도하게 배출되어 셀바디(10) 내부의 전해액 수위가 낮아질 경우에는 제어유닛(90)이 전자제어밸브(13d)를 개방하여 추가적으로 전해액을 공급함으로써, 전해액의 수위가 낮아지는 것을 방지한다.
나아가, 수산화마그네슘이 포함된 상태로 배출구(14a)를 통해 배출된 전해액은 저장탱크(62)로 배출된 후, 저장탱크(62)의 격판(62b)을 통과하면서 수산화마그네슘이 제거된 후, 펌프(64)에 의해 다시 셀바디(10)로 공급되어 순환되며, 저장탱크(62)에 걸러진 수산화마그네슘은 별도의 환원처리를 거쳐 재활용될 수 있다.
이와 같이 구성된 금속연료전지유닛은 셀바디(10)에는 공기가 공급되는 공기공급포트(13b)와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트(13c) 및 배출구(14a)가 형성되고, 공기공급포트(13b)와 전해액공급포트(13c)에는 각각 공기공급수단(70)과 전해액공급수단(60)이 연결되므로, 필요에 따라 공기와 전해액을 추가적으로 공급함과 동시에 보충된 만큼의 전해액을 배출구(14a)를 통해 배출함으로써, 발전시 발생되는 부산물인 수산화마그네슘을 효율적으로 제거하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
특히, 공기공급수단(70)의 고압에어탱크(74)가 급수관(65)에 연결되어, 전해액이 셀바디(10)로 공급되기 전에 미리 공기를 혼합함으로, 셀바디(10)로 공급되는 공기가 전해액과 원활하게 혼합되어 전해액에 녹아들어가도록 유도할 수 있는 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지셀을 도시한 사시도이고, 도 13은 도 12의 금속연료전지셀을 나타낸 분해사시도이다. 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지셀과 전해액공급장치의 연결관계를 설명하기 위한 정단면도이고, 도 15는 도 14의 금속연료전지셀을 도시한 측단면도이다. 또한, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지셀을 연결하여 구성된 연료전지셀을 도시한 측단면도이다. 도 17 및 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료전지유닛을 나타낸 사시도이다. 이때, 금속연료전지유닛을 설명하기 위한 참조부호 중에 도 2 내지 도 6과 동일한 것은 동일한 기능과 역할을 하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 12 내지 도 18에 의하면, 본 발명에 따른 금속연료전지셀은 도 2에서 설명한 바와 같이, 내부에 전해액이 주입되는 셀바디(10)와, 셀바디(10)의 내부에 설치되는 금속전극체(20)와, 셀바디(10)의 둘레면에 구비되는 공기전극(40)으로 구성되며, 셀바디(10)의 둘레부에는 전해액공급수단(60)이 연결되는 전해액공급포트(17)와 셀바디(10)의 내부로 주입된 전해액이 배출되는 배출구(16)가 형성되어, 금속연료전지셀(C)에 구비된 음극단자(30)와 양극단자(50)를 상호 직렬 또는 병렬로 연결하고, 전해액공급포트(17)에 전해액공급수단(60)을 연결하여 연료전지유닛을 구성할 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 배출구(16)는 셀바디(10)의 하측 전후면에 각각 형성되며, 배출구(16) 중에서 일측의 배출구(16)에는 연장부(18)가 형성되고 타측의 배출구(16)에는 연장부(18)가 수밀하게 결합되는 연결부(19)가 형성되어, 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)에 형성된 연장부(18)와 연결부(19)를 상호 연결하여 복수개의 금속연료전지셀(C)을 상호 구조적으로 연결, 고정된다. 동시에, 각 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)에 형성된 배출구(16)를 상호 연결하는 배수통로(25)를 형성할 수 있도록 구성된다.
이를 자세히 설명하면, 셀바디(10)는 상단이 개방되며 두께가 얇은 사각 박스 형태로 구성되며 전후면에 통공(11)이 형성된 셀바디본체(10a)와, 상기 셀바디본체(10a) 상단의 개구부에 결합되어 개구부를 밀폐하는 커버(10b)로 구성되며, 상기 셀바디(10)의 양측에는 고장바(26)가 삽입 고정되는 고정공(27)이 전후면을 관통도록 형성된다.
그리고 전해액공급포트(17)는 셀바디(10)의 측면 상단에 형성되며, 전해액공급수단(60)은 전해액이 저장되는 저장탱크(62)와 저장탱크(62)에 연결된 펌프(66)와 펌프(66)와 전해액공급포트(17)를 연결하는 연결관(67)으로 구성되어, 저장탱크(62)에 저장된 전해액을 전해액공급포트(17)를 통해 셀바디(10)의 내부로 주입할 수 있도록 구성된다.
배출구(16)는 직사각 형태로 구성되며, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 셀바디(10)의 전면 하단 양측에 형성된 한 쌍의 전면배출구(16a)와, 셀바디(10)의 후면 하단 양측에 형성되는 한 쌍의 후면배출구(16b)로 구성된다. 이때, 연장부(18)는 전면배출구(16a)에서 전방으로 연장된 단관형태로 구성되며 둘레부에는 패킹(18a)이 구비된다. 또한, 연결부(19)는 후면배출구(16b)에서 후방으로 연장되어 연장부(18)의 외부에 수밀하게 끼움 결합되는 단관형태로 구성된다.
따라서 도 16에 도시한 바와 같이, 연장부(18)와 연결부(19)가 상호 결합되도록 복수개의 셀바디(10)를 상호 연결하면, 연장부(18)와 연결부(19)에 의해 각 셀바디(10)의 배출구(16)가 상호 기밀하게 연결되어 셀바디(10)에 주입된 전해액이 배출되는 배수통로(25)를 형성한다. 이때, 배수통로(25)의 일단에는 배수통로(25)의 단부를 폐쇄하는 단부캡(68)이 결합되고, 타단에는 저장탱크(62)에 연결되는 배출관(69)이 결합되며, 배수통로(25)에는 밸브(69a)가 구비되어 배출관(69)을 통해 저장탱크(62)로 배출되는 전해액의 양을 조절할 수 있도록 구성된다.
금속전극체(20)는 셀바디본체(10a)의 내부공간에 대응되는 사각 판 형상으로 구성되며, 볼트(35)로 커버(10b)의 하단에 고정되어 커버(10b)를 셀바디본체(10a)의 상단에 결합하면 금속전극체(20)가 셀바디(10) 내부에 삽입되어 고정된다. 또한, 커버(10b)의 일측에는 금속전극체(20)에 연결되는 음극단자(30)가 구비된다.
공기전극(40)은 얇은 사각시트형상으로 구성되어 통공(11)을 밀폐하도록 셀바디(10)의 내측 전후면에 고정되며, 전후면을 관통하는 미세한 통기공이 다수개 형성되어 통기공을 통해 셀바디(10)의 내부에 주입된 전해액에 공기가 공급되도록 한다. 또한, 셀바디(10)의 외측면에는 금속전극체(20)에 연결되는 양극단자(50)가 연결된다.
설명하지 않은 도면번호 28은 전해액공급포트(17)의 상부에 위치되도록 셀바디(10)의 일측에 형성된 보조배출구를 도시한 것으로, 보조배출구(28)는 보조배출관(69)을 통해 저장탱크(62)에 연결되어, 전해액공급포트(17)를 통해 과도한 양의 전해액이 공급되면 전해액이 보조배출구(28)를 통해 저장탱크(62)로 배수됨으로써, 셀바디(10) 내부의 전해액이 일정한 수위를 유지한다. 이때, 설명하지 않은 도면번호 10c는 상호 연결되는 금속연료전지셀(c)의 셀바디(10)의 사이에 끼워져 셀바디(10)를 지지하는 스페이서를 도시한 것이다.
따라서 도 16 내지 도 18에 도시한 바와 같이, 다수개의 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)에 형성된 연장부(18)와 연결부(19)를 상호 연결하고 각 셀바디(10)에 형성된 고정공(27)을 한꺼번에 관통하도록 고장바(26)를 끼워 각 금속연료전지셀(C)을 상호 고정한 후, 각 금속연료전지셀(C)의 전해액공급포트(17)에 전해액공급수단(60)을 연결하고 배수통로(25)에 배출관(69)을 연결함으로써, 금속연료전지유닛을 구성할 수 있으며, 각 금속연료전지셀(C)에 구비된 음극단자(30)와 양극단자(50)를 상호 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기를 생산할 수 있다. 필요에 따라, 금속연료전지셀(C)과 전해액공급수단(60) 및 배출관(69)을 소정의 지지프레임에 고정 설치하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 금속연료전지셀과 이를 이용한 금속연료전지유닛은, 셀바디(10)의 하측 전후면에는 배출구(16)가 각각 형성되며 배출구(16)에는 각각 연장부(18)와 연결부(19)가 형성되어, 연장부(18)와 연결부(19)가 상호 연결되도록 복수개의 금속연료전지셀(C)을 상호 연결하면, 각 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)에 형성된 배출구(16)를 상호 연결하는 배수통로(25)가 형성된다.
따라서 각 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)가 연장부(18)와 연결부(19)에 의해 상호 연결, 고정되므로, 각 금속연료전지셀(C)을 지지하기 위한 별도의 지지프레임 없이도 복수개의 금속연료전지셀(C)을 상호 고정하여 금속연료전지유닛을 구성할 수 있어서, 금속연료전지유닛의 구성이 더욱 간단해지고, 금속연료전지유닛의 설치 및 유지보수가 용이한 장점이 있다.
특히, 각 금속연료전지셀(C)의 셀바디(10)에 형성된 배출구(16)는 상기 연장부(18)와 연결부(19)가 연결되어 형성된 배수통로(18)에 의해 상호 연결되므로, 상기 배수통로(25)에만 배출관(69)을 연결함으로써 다수개의 셀바디(10)에서 배출된 전해액을 저장탱크(62)로 배출할 수 있다. 따라서 각 금속연료전지셀(C)의 배출구(16)에 각각 별도의 배출관(69)을 연결하여야 하는 종래의 금속연료전지셀 또는 금속연료전지유닛에 비해, 배출관(69)의 구조가 간단해지므로, 금속연료전지유닛의 설치 및 유지보수가 더욱 용이해지는 장점이 있다.
또한, 셀바디(10)의 일측에는 고장바(26)가 삽입 고정되는 고정공(27)이 전후면을 관통도록 형성되므로, 연장부(18)와 연결부(19)를 결합하여 다수개의 금속연료전지셀(C)을 상호 연결한 후, 고정공(27)에 고장바(26)를 끼워 조임으로써, 각 금속연료전지셀(C)을 상호 견고하게 고정할 수 있는 장점이 있다.
특히, 이와 같이 금속연료전지셀(C)을 상호 고정할 수 있어서, 금속연료전지셀(C)을 고정하기 위한 별도의 지지프레임을 사용할 필요가 없으므로, 금속연료전지유닛의 구조가 더욱 간단해질 뿐 아니라, 금속연료전지셀(C)과 전해액공급장치(60)를 각기 별도의 위치에 설치할 수 있어서, 금속연료전지셀(C)과 전해액공급장치(60)의 설치자유도를 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 별도의 지지프레임에 상기 금속연료전지셀(C)과 전해액공급수단(60) 및 배출관(69)을 고정설치 할 경우에도, 상기 금속연료전지셀(C)이 차지하는 공간을 최소화하여 금속연료전지유닛 전체의 사이즈를 콤팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
그리고 셀바디(10)는 사각 통형상으로 구성되며 상단이 개방되는 셀바디본체(10a)와, 셀바디본체(10a) 상단의 배출구(28)에 탈착가능하게 결합되는 커버(10b)로 구성되며, 금속전극체(30)는 커버(10b)의 하단에 고정되므로, 금속전극체(30)의 수명이 다되면, 금속전극체(30)가 고정된 커버(10b)를 교체함으로써 금속전극체(30)를 손쉽게 교체할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 경우, 공기전극(40)에 다수개의 통기공이 형성되어, 통기공을 통해 셀바디(10)의 내부에 주입된 전해액에 공기가 공급되도록 하는 것을 예시하였으나, 필요에 따라, 셀바디(10)의 일측에 공기공급포트를 형성하고, 공기공급포트에 별도의 공기공급장치를 연결하여, 셀바디(10)의 내부에 강제로 공기를 주입하도록 하는 것도 가능하다.
또한, 배수통로(25)에 저장탱크(62)에 연결되는 배출관(69)을 연결하여 각 셀바디(10)에서 배출된 전해액이 전해액 공급수단의 저장탱크(62)로 순환되도록 하는 것을 예시하였으나, 필요에 따라, 배출관(69)을 저장탱크(62)와 다른 별도의 탱크로 배출하여 후가공을 통해 전해액과 함께 배출된 수산화마그네슘을 제거한 후 저장탱크(62)로 공급하도록 하는 것도 가능하다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (14)

  1. 내부에 전해액이 주입되는 셀바디와; 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와; 상기 금속전극체에 연결된 음극단자와; 상기 금속전극체와 이격되도록 셀바디에 설치되는 공기전극과; 상기 공기전극에 연결된 양극단자를 포함하는 금속연료전지에 있어서,
    상기 금속전극체에는 길이방향의 삽입공이 형성되며, 상기 음극단자는 일단이 상기 삽입공에 삽입 고정되며 타단은 상기 셀바디의 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극단자는 도전체이면서 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 감아 구성되며 외주면에는 다수개의 돌기가 형성되어 상기 금속전극체의 삽입공에 삽입 설치되는 콘덴서부와, 상기 셀바디에 결합되며 상기 콘덴서부의 단부에 연결되는 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 셀바디의 상단에는 공기가 공급되는 공기공급포트와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트가 형성되고, 상기 셀바디의 하단에는 배출구가 형성되며,
    상기 전해액공급포트에 연결되는 전해액공급수단과, 상기 공기공급포트에 연결되는 공기공급수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  4. 제3항에 있어서, 상기 셀바디의 내부에는, 일단이 상기 공기공급포트에 연결되며 타단은 상기 공기전극과 금속전극체의 사이로 연장되는 연장관이 더 구비된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전해액공급포트와 배출구에는 전자제어밸브가 각각 구비되며,
    상기 셀바디에 구비되어 셀바디 내부의 전해액의 수위를 감지하는 수위감지센서와, 상기 수위감지센서의 신호에 따라 상기 전자제어밸브를 제어하는 제어유닛이 더 구비된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  6. 내부에 전해액이 주입되는 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 금속전극체에 연결된 음극단자와, 상기 금속전극체와 이격되도록 셀바디에 설치되는 공기전극과, 상기 공기전극에 연결된 양극단자를 포함하는 금속연료전지셀을, 다수개 상호 직렬로 연결하여 이루어진 금속연료전지유닛에 있어서,
    상기 셀바디의 상단에는 공기가 공급되는 공기공급포트와, 전해액이 공급되는 전해액공급포트가 형성되고, 상기 셀바디의 하단에는 배출구가 형성되며, 상기 전해액공급포트에 연결되는 전해액공급수단과, 상기 공기공급포트에 연결되는 공기공급수단이 구비된 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전해액공급포트와 배출구에는 전자제어밸브가 각각 구비되며, 상기 셀바디에 구비되어 셀바디 내부의 전해액의 수위를 감지하는 수위감지센서와, 상기 수위감지센서의 신호에 따라 상기 전자제어밸브를 제어하는 제어유닛이 더 구비된 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전해액공급수단은 배출관을 통해 상기 배출구에 연결되어 배출구를 통해 배출된 전해액이 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 연결된 펌프와, 상기 펌프와 상기 전해액공급포트를 연결하는 급수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
  9. 제6항에 있어서, 상기 공기공급수단은 에어컴프레서와, 상기 에어컴프레서에 연결된 저압에어탱크와 고압에어탱크를 포함하며, 상기 저압에어탱크는 상기 공기공급포트에 연결되고, 상기 고압에어탱크는 상기 전해액공급포트에 연결된 전해액공급수단의 급수관 중간부에 연결된 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
  10. 제6항에 있어서, 상기 금속전극체에는 길이방향의 삽입공이 형성되며, 상기 음극단자는 도전체이면서 탄성이 있는 금속판을 원통형으로 감아 구성되며 외주면에는 다수개의 돌기가 형성되어 상기 금속전극체의 삽입공에 삽입 설치되는 콘덴서부와, 상기 셀바디에 결합되며 상기 콘덴서부의 단부에 연결되는 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
  11. 전해액공급장치가 연결되는 전해액공급포트와 셀바디의 내부로 주입된 전해액이 배출되는 배출구가 둘레부에 형성된 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 셀바디의 둘레면에 구비되는 공기전극을 포함하는 금속연료전지셀에 있어서,
    상기 배출구는 상기 셀바디의 하측 전후면에 각각 형성되며, 일측의 배출구에는 연장부가 형성되고 타측의 배출구에는 상기 연장부가 수밀하게 결합되는 연결부가 형성된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  12. 제11항에 있어서, 상기 셀바디의 일측에는 고장바가 삽입 고정되는 고정공이 전후면을 관통도록 형성된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  13. 제11항에 있어서, 상기 셀바디는 사각 통형상으로 구성되며 상단이 개방되는 셀바디본체와, 상기 셀바디본체 상단의 개구부에 결합되는 커버로 구성되며, 상기 금속전극체는 상기 커버의 하단에 고정된 것을 특징으로 하는 금속연료전지셀.
  14. 전해액공급장치가 연결되는 전해액공급포트와 셀바디의 내부로 주입된 전해액이 배출되는 배출구가 둘레부에 형성된 셀바디와, 상기 셀바디의 내부에 설치되는 금속전극체와, 상기 셀바디의 둘레면에 구비되는 공기전극을 포함하여 구성되며, 상호 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수개의 금속연료전지셀과; 상기 금속연료전지셀에 연결되어 전해액을 공급하는 전해액공급장치를 갖는 금속연료전지유닛에 있어서,
    상기 배출구는 상기 셀바디의 하측 전후면에 각각 형성되며, 일측의 배출구에는 연장부가 형성되고 타측의 배출구에는 상기 연장부가 수밀하게 결합되는 연결부가 형성되어, 금속연료전지셀의 셀바디에 형성된 연장부와 연결부를 상호 연결하여 복수개의 금속연료전지셀를 상호 구조적으로 연결, 고정함과 동시에, 각 금속연료전지셀의 셀바디에 형성된 배출구를 상호 연결하는 배수통로를 형성할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 금속연료전지유닛.
PCT/KR2010/000167 2009-01-13 2010-01-11 금속연료전지셀 및 이를 이용한 금속연료전지유닛 WO2010082745A2 (ko)

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