KR102086386B1 - Metal fuel cell and metal fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지는 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator); 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛; 및 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액을 포함한다. 이때, 상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지한다.According to one or more exemplary embodiments, a metal fuel cell includes an anode electrode, which is a first tube structure having upper and lower portions open; A cathode electrode positioned in the first tube structure and extending along a length direction of the first tube structure; A separator disposed inside the first tube structure, the separator being a second tube structure having an open top and a closed bottom; Moss zinc pellets received inside the second tube structure; And an electrolyte supplied from an upper portion of the first tube structure and flowing to the lower portion of the first tube structure after contacting the first tube structure, the moss zinc pellet, and the cathode electrode. In this case, the separator prevents contact between the moss zinc pellets and the anode electrode.
Description
본 발명은 금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이끼 아연 펠렛(mossy zinc pellets)을 음극 활성 물질로 적용하는 금속 연료 전지 및 금속 연료 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to metal fuel cells and metal fuel systems, and more particularly, to metal fuel cells and metal fuel systems in which mossy zinc pellets are applied as negative electrode active materials.
일반적으로, 금속 연료 전지는 금속 공기 전지라고도 불리우며, 음극으로 철, 아연, 마그네슘, 알루미늄 등의 금속을 적용하고, 양극으로 산소 전극과 같은 공기확산 전극을 적용하는 전지를 말한다. 공기 중의 산소를 양극의 활성 물질로 적용함으로써, 무게가 가벼운 장점이 있으며, 음극 재료는 상대적으로 안전하고 값싼 금속을 적용하기 때문에 높은 에너지를 구현할 수 있을 것으로 전망되고 있다. In general, a metal fuel cell is also called a metal air battery, and refers to a battery in which a metal such as iron, zinc, magnesium, aluminum, etc. is applied as a cathode, and an air diffusion electrode such as an oxygen electrode is used as the anode. By applying oxygen in the air as the active material of the anode, it has the advantage of being light in weight, and the cathode material is expected to realize high energy because of the relatively safe and cheap metal applied.
이 중에서도 아연을 연료로서 사용하는 경우인 아연 연료 전지를 사용하는 시스템은 에너지의 순환 즉 충전과 방전, 금속연료의 산화와 환원에 의한 회수가 가능하여 발전기 및 전력저장 장치로의 사용이 기대되고 있다. 이러한 아연 연료 전지에 사용되는 아연 연료의 형태는 판, 구슬, 분말, 전기 도금 등 여러 형태가 있다. Among these, a system using a zinc fuel cell, which uses zinc as a fuel, is expected to be used as a generator and a power storage device because energy can be recycled, ie, charged and discharged, and recovered by oxidation and reduction of metal fuel. . The zinc fuel used in the zinc fuel cell has various forms such as plates, beads, powders, and electroplating.
연료로서 사용되는 아연들에 있어서 가장 큰 문제는 표면 산화에 의한 부도체화(passivation)이라고 할 수 있다. 전류 밀도나 전해액 내 징케이트 농도가 높을수록 이 현상은 심해지는데, 부도체 표면이 형성되면, 더 이상의 방전이 되지 않기 때문에 연료 이용률이 낮아진다는 단점이 있고, 심각한 경우 셀을 해체하여 재구성을 해야 하는 단점이 있다. The biggest problem with zinc used as fuel is the passivation by surface oxidation. The higher current density or zinc concentration in electrolyte, the worse this phenomenon is.If the non-conductor surface is formed, there is a disadvantage that the fuel utilization rate is lowered because no further discharge is made. There is this.
이러한 단점을 극복하기 위해, 유동화 베드 구조, 고정 베드 구조, 전해핵 순환식 유동 구조의 제안 및 이러한 구조에서의 다양한 기술이 등장하였으며, 현재도 관련 기술의 연구가 계속되고 있다.In order to overcome these disadvantages, a fluidized bed structure, a fixed bed structure, a proposal of electrolytic core circulation flow structure, and various technologies in such a structure have emerged, and the research of the related technology continues.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 연료 전지에서, 음극 활성 물질의 부도체화를 억제하고 높은 방전 효율을 얻기 위한 구조 및 방법을 제시한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to propose a structure and method for suppressing insulatorization of a negative electrode active material and obtaining high discharge efficiency in a metal fuel cell.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 높은 방전 효율을 획득할 수 있는 금속 연료 전지를 구비하는 금속 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a metal fuel cell system having a metal fuel cell capable of obtaining the above-described high discharge efficiency.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 연료 전지의 음극 활성 물질 및 전해액의 재생 및 재활용 방법을 제시하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to propose a method for regeneration and recycling of the negative electrode active material and the electrolyte of the metal fuel cell.
일 측면에 따르는 금속 연료 전지가 개시된다. 상기 금속 연료 전지는 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator); 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛; 및 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액을 포함한다. 이때, 상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지한다.A metal fuel cell according to one aspect is disclosed. The metal fuel cell may include an anode electrode, which is a first tube structure having upper and lower portions open; A cathode electrode positioned in the first tube structure and extending along a length direction of the first tube structure; A separator disposed inside the first tube structure, the separator being a second tube structure having an open top and a closed bottom; Moss zinc pellets received inside the second tube structure; And an electrolyte supplied from an upper portion of the first tube structure and flowing to the lower portion of the first tube structure after contacting the first tube structure, the moss zinc pellet, and the cathode electrode. In this case, the separator prevents contact between the moss zinc pellets and the anode electrode.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터; 및 상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집하는 전해액 용기를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the metal fuel cell may include a filter disposed under the first tube structure to filter the electrolyte solution; And an electrolyte container disposed under the filter to collect the filtered electrolyte solution.
다른 실시 예에 있어서, 상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어될 수 있다. In another embodiment, the supply speed of the electrolyte to the first tube structure may be controlled slowly so that the electrolyte flowing into the electrolyte container falls into the state of droplets.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 징케이트를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연의 성형체일 수 있다.In another embodiment, the moss zinc pellets may have a size of 1 to 10 mm, and may be a molded body of moss zinc electrolytically extracted from an electrolyte solution including a zincate.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 60% 내지 90% 의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다. In another embodiment, the moss zinc pellets may have an apparent density ratio of 60% to 90%.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 분리막은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛은 통과를 막는 기능을 수행할 수 있다.In another embodiment, the separation membrane may pass through the electrolyte, and the moss zinc pellet may perform a function of preventing passage.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 상부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 상부 절연체 튜브; 및 상기 제1 튜브 구조물의 하부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 하부 절연체 튜브를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the metal fuel cell, the upper insulator tube, a portion of which is inserted into and fixed between the first tube structure and the second tube structure on top of the first tube structure; And a lower insulator tube under the first tube structure, a portion of which is inserted and fixedly disposed between the first tube structure and the second tube structure.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 제1 튜브 구조물의 외주 면에 배치되는 양극 전극 단자를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the metal fuel cell may further include a positive electrode terminal disposed on an outer circumferential surface of the first tube structure.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상기 상부 절연체 튜브 내부로 도입되어 배치되는 전해액 주입관; 및 상기 상부 절연체 튜브의 측벽에 배치되는 전해액 오버플로우 배출관을 더 포함할 수 있다.In another embodiment, the metal fuel cell, the electrolyte injection tube is introduced into the upper insulator tube disposed; And an electrolyte overflow discharge pipe disposed on the sidewall of the upper insulator tube.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 하부 절연체 튜브는 상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터; 및 상기 필러의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구를 구비하는 격벽을 포함할 수 있다.In another embodiment, the lower insulator tube may include a filter for filtering the electrolyte solution and flowing downward; And a partition wall disposed below the filler and having an opening through which the filtered electrolyte solution passes.
한편, 다른 측면에 따르는 금속 연료 전지 시스템이 개시된다. 상기 금속 연료 전지 시스템은, 음극 활성 물질로서의 이끼 아연 펠렛, 및 상기 이끼 아연 펠렛과 접촉하면서 유동하는 전해액을 포함하는 금속 연료 전지; 상기 금속 연료 전지로부터 배출되는, 징케이트(zincate)를 포함하는 전해액을 전기 분해하여 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀; 및 상기 생성된 이끼 아연을 응집시켜 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 포함한다.Meanwhile, a metal fuel cell system according to another aspect is disclosed. The metal fuel cell system includes a metal fuel cell comprising moss zinc pellets as a negative electrode active material, and an electrolyte flowing in contact with the moss zinc pellets; An electrolysis extraction cell which electrolysis decomposes an electrolyte containing zincate, which is discharged from the metal fuel cell, to produce moss zinc; And a pellet manufacturing unit for agglomerating the produced moss zinc to produce the moss zinc pellets.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속 연료 전지는, 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극; 상기 제1 튜브 구조물의 내부 중심부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극; 및 상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator)을 포함하고, 상기 이끼 아연 펠렛은 상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되며, 상기 전해액은 상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동할 수 있다. In one embodiment, the metal fuel cell, an anode electrode which is a first tube structure having an upper and lower portions open; A cathode electrode positioned in an inner center of the first tube structure and extending along a length direction of the first tube structure; And a separator disposed inside the first tube structure, the separator being a second tube structure having an open top and a closed bottom, wherein the moss zinc pellet is housed inside the second tube structure. The electrolyte may be supplied from an upper portion of the first tube structure to contact the first tube structure, the moss zinc pellet, and the cathode electrode, and then flow down to the lower portion of the first tube structure.
다른 실시 예에 있어서, 상기 전해추출 셀은 0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m2의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동될 수 있다.In another embodiment, the electrolytic extraction cell may be driven at a cell current density of 0.1 to 0.5 kA / m 2 and a cell voltage of 1.9 to 2.5V for an electrolyte having a zinc concentration of 0.3 to 1.0 mol / L. have.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 제조되는 이끼 아연은 100nm 이하의 크기를 가지는 이끼 형태의 아연의 군집체이며, 10% ~ 20%의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다.In another embodiment, the prepared moss zinc is a population of zinc in the form of moss having a size of 100 nm or less, and may have an apparent density ratio of 10% to 20%.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 펠렛 제조부는 상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm2의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시킬 수 있다.In another embodiment, the pellet manufacturing unit may agglomerate the lichen zinc by applying a pressure of 0.1 to 1 kg / cm 2 to the lichen zinc.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연 펠렛은 1 ~ 10 mm의 크기를 가지는 성형체이며, 60% 내지 90%의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다. In another embodiment, the moss zinc pellets are shaped bodies having a size of 1 to 10 mm, and may have an apparent density ratio of 60% to 90%.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 전해추출 셀에서 상기 이끼 아연이 추출되어 아연 농도가 감소된 상기 전해액은 상기 아연 연료 전지로 제공되어 재활용될 수 있다. In another embodiment, the electrolyte solution in which the zinc concentration is reduced by extracting the moss zinc from the electrolytic extraction cell may be provided to the zinc fuel cell and recycled.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 다. 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 종래의 활성 물질 재질에 비해, 상대적으로 낮은 밀도를 가지며, 표면에서의 부도체화(패시베이션) 현상이 억제되면서도 반응성이 우수하다. 그 결과, 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 재질에 비해, 높은 출력을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, moss zinc pellets are applied as a negative electrode active material. The moss zinc pellets have a relatively low density compared to conventional active material materials such as zinc beads or zinc powder, and are excellent in reactivity while suppressing insulatorization (passivation) on the surface. As a result, the moss zinc pellets may exhibit a high output compared to materials such as zinc beads or zinc powder.
상기 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지로부터 배출되는 전해액으로부터 이끼 아연을 채취하고, 상기 이끼 아연을 응집시켜 제조된다. 이와 같이, 배출 전해액으로부터 이끼 아연을 채취함으로써, 배출 전해액으로부터 아연 농도가 낮은 전해액으로 재생할 수 있다. 상기 재생된 전해액은 상기 금속 연료 전지에 재투입될 수 있다.The moss zinc pellet is produced by collecting the moss zinc from the electrolyte discharged from the metal fuel cell and agglomerating the moss zinc. In this way, by collecting the moss zinc from the discharged electrolyte, it is possible to regenerate the electrolyte solution having a low zinc concentration from the discharged electrolyte. The regenerated electrolyte may be reinserted into the metal fuel cell.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 이끼 아연 펠렛을 이용하여 방전하는 금속 연료 전지, 상기 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀, 및 상기 이끼 아연을 응집하여 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 구비하는 금속 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 금속 연료 시스템은, 지속적으로 고출력 방전이 가능하면서도, 용이하게 재생 및 순환이 될 수 있는 이끼 아연 펠렛을 전극 활성 물질로 적용할 수 있는 장점이 있다. According to an embodiment of the present invention, a metal fuel cell for discharging using the moss zinc pellets, an electrolytic extraction cell for producing the moss zinc, and a pellet manufacturing unit for producing the moss zinc pellets by agglomerating the moss zinc A metal fuel cell system can be provided. As described above, the metal fuel system has the advantage of being able to continuously apply high-power discharge and moss zinc pellets that can be easily regenerated and circulated as an electrode active material.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 금속 연료 전지의 하부를 설명하는 절단 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 비교예에 따르는 금속 연료 전지의 정전류 모드의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 비교예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 나타내는 사진이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 통해 제조된 이끼 아연을 나타내는 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 펠렛 제조 공정을 통해 제조된 이끼 아연 펠렛을 나타내는 사진이다.1 is a block diagram schematically illustrating a metal fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram schematically showing a metal fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view schematically showing a metal fuel cell according to one embodiment of the present invention.
4 is a cutaway perspective view illustrating a lower portion of the metal fuel cell of FIG. 3.
5 is a perspective view schematically showing an assembly of a metal fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a discharge test result of a metal fuel cell according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a discharge experiment result in the constant current mode of a metal fuel cell according to a comparative example of the present invention.
8 and 9 are photographs observed after the discharge test of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are photographs observed after the discharge test of the negative electrode active material according to a comparative example of the present invention.
12 is a photograph showing a lichen zinc manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
13 and 14 are photographs showing moss zinc produced through the lichen zinc production process according to an embodiment of the present invention.
15 is a photograph showing moss zinc pellets manufactured through a moss zinc pellet manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. Hereinafter, exemplary embodiments will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the width, thickness, etc. of the components are enlarged in order to clearly express the components of each device. When described in the drawings as a whole, at the point of view of the observer, when one element is referred to as being positioned on top of another, this means that one element may be placed directly on top of another or that additional elements may be interposed between them. Include.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Like reference numerals in the drawings indicate substantially the same elements as each other. In addition, singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as 'comprise' or 'have' include the features, numbers, steps, operations, components, and parts described. Or combinations thereof, it is to be understood that they do not preclude the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
상술한 바와 같이, 금속 연료 전지는 크게 유동화 베드 및 고정 베드로 분류될 수 있다. 먼저, 유동화 베드를 살펴보면, Denis Doniat 등은 미국등록특허 3,887,400에서 유동화 베드식 아연연료전지를 제안하였다. 부유할 수 있는 크기로서 20 ~ 30㎛크기의 아연 입자들을 포함하는 부유액(suspension)을 사용하였고, 여기서 아연 금속 입자들의 표면 부도체화를 방지하기 위해 전해액을 아래에서 위로 순환을 시키고 전류를 모을 수 있는 니켈 가우즈 음극에 유동하는 아연 입자들을 접촉시킴으로써 전기화학적인 반응을 유지하였다. As mentioned above, metal fuel cells can be broadly classified into fluidized beds and fixed beds. First, looking at the fluidized bed, Denis Doniat et al. Proposed a fluidized bed zinc fuel cell in US Patent No. 3,887,400. As a floating size, a suspension containing zinc particles having a size of 20 to 30 µm was used, in which an electrolyte was circulated from below to collect current to prevent surface decontamination of the zinc metal particles. The electrochemical reaction was maintained by contacting the flowing zinc particles to the nickel goose cathode.
John Rayner Backhurst 등은 미국등록특허 3,879,225에서 금속 연료 슬러리를 셀의 아래부분의 수평으로 나 있는 슬롯을 통해 밀어 넣고 셀 안에서 부유하게 하여 음극 메쉬에 접촉하게 한 형상을 제안하였다. John Rayner Backhurst et al. Proposed a shape in which U. S. Patent No. 3,879, 225 pushes a metal fuel slurry through a horizontal slot at the bottom of the cell and floats in the cell to contact the cathode mesh.
Frank Solomon 은 미국등록특허 4,147,839에서, 또 하나의 유동화 베드식 아연연료전지를 제안하였는데, 아연 입자 슬러리를 셀의 상부에서 주입하고 셀 안의 교반기를 사용하여 유동시키면서 아연 입자들이 음극에 접촉하도록 하는 구성을 가졌다.Frank Solomon, in US Patent 4,147, 839, proposed another fluidized bed zinc fuel cell, in which zinc particles were injected at the top of the cell and flown using a stirrer in the cell to allow zinc particles to contact the cathode. Had
한편, 유동화 베드의 경우 전해액을 셀의 아래에서 주입하여 금속 아연 입자들을 부유하게 하는 것과 위에서 주입한 다음 교반기를 사용하여 부유하게 하는 구성을 가지는 데, 이를 위해서는 입자들이 충분히 작아야 하고, 또 운영하는데 펌프를 사용하는 부수적인 에너지가 많이 소요되며 입자들의 전극에 대한 접촉이 부족하기 때문에 고출력을 내기 어렵다는 단점들이 있었다.On the other hand, in the fluidized bed, the electrolyte is injected into the bottom of the cell to make the metal zinc particles float and the top is injected and then floated using a stirrer. There is a disadvantage in that it takes a lot of ancillary energy to use a high output because the lack of contact of the particles to the electrode.
분말의 경우에는 입자의 보통 크기가 작기 때문에 분말 자체를 투입하는 경우보다 유동성이 있는 겔 형태로 주입하는 것이 유리하다. Jeffrey A. Colburn 등은 미국등록특허 6,911,274에서, 분체상의 금속 아연 연료와 전해액을 저장 용기에 함께 보관하였다가 펌프를 사용하여 각 셀에 공급하는 방식에 대해 제시하고 있다. 그러나 이렇게 입자들 자체를 순환시키는 경우는 순환시스템에 많은 부하가 걸리게 되며 배관이 막힐 우려가 있다. In the case of powder, since the average size of the particles is small, it is advantageous to inject in the form of a fluid gel rather than the case of the powder itself. Jeffrey A. Colburn et al., In US Pat. No. 6,911,274, discloses a method of storing powdered metal zinc fuel and electrolyte together in a storage container and then supplying each cell using a pump. However, circulating the particles themselves puts a lot of load on the circulation system and there is a risk of clogging the pipe.
또한, 유동화 베드는 지속적인 전해액의 순환이나 교반이 필요하지만, 이에 따른 기계적인 마모와 복잡한 기구로 인한 잦은 고장을 피하기 어렵다. In addition, the fluidized bed requires continuous circulation or agitation of the electrolyte, but it is difficult to avoid frequent failures due to mechanical wear and complicated mechanisms.
한편, 유동화 베드 형태의 금속연료전지와 더불어, 고정 베드 형태의 개발도 이루어졌다. 고정 베드는 금속 연료를 채운 셀에 전해액을 순환시키는 방식이다. 순환에 필요한 에너지와 부대 장치들에 대한 부담이 훨씬 감소하였고, 셀의 크기도 감소시킬 수 있었다.On the other hand, in addition to the fluidized bed-type metal fuel cell, the development of the fixed bed form was also made. The fixed bed circulates the electrolyte in a cell filled with metal fuel. The burden on energy and auxiliary devices needed for circulation was much reduced and the size of the cells could be reduced.
고정 베드에 채워진 금속 연료는 전해액의 흐름에 의해 떠내려가지 않도록 기계적 견고함과, 적절한 크기를 갖고 있어야 하므로, 패시베이션 현상으로부터 자유롭지 못하다는 단점이 있다. 흔히 사용되는 형태 중 하나로서 구슬이나 펠렛이 채워진 셀에 전해액을 순환시키는 방식이 있다. 직경 1 ~ 5㎜의 아연 구슬은 쉽게 셀 안으로 이동해 들어갈 수 있으며, 셀에 채워진 다음에는 전해액이 순환되면 지속적으로 소모되면서 방전을 하게 된다. The metal fuel filled in the fixed bed must be mechanically robust and appropriately sized so as not to be floated by the flow of the electrolyte, and thus, it is not free from passivation. One commonly used form is to circulate electrolyte in beads or pellet-filled cells. Zinc beads with a diameter of 1-5 mm can easily move into the cell, and after being filled in the cell, the electrolyte is continually consumed and discharged as the electrolyte circulates.
여기에 주로 사용되는 아연 구슬들은 금속 아연을 용융한 후 냉각하는 과정에서 제작되는 것으로서 치밀한 용융 표면들을 가지고 있기 때문에 전해액의 활동도가 낮아지면 표면산화가 일어나 구슬들 간의 전기적 접촉이 불량해 질 뿐 아니라, 구슬 내부의 아연 금속은 소모되지 않은 상태로 끝나는 경우가 많아 낮은 방전 깊이를 보이는 현상이 빈번히 발생할 수 있다. The zinc beads used here are manufactured in the process of melting and cooling the metal zinc and have dense molten surfaces. Therefore, when the activity of the electrolyte decreases, surface oxidation occurs and the electrical contact between the beads becomes poor. In other words, zinc metal in the bead often ends up in an unconsumed state, and thus a low discharge depth may occur frequently.
John F. Cooper는 미국등록특허 5,434,020 에서 0.1 ~ 5 ㎜ 크기의 아연 입자들을 채운 아랫부분이 좁아지도록 기울어진 셀을 제안하였다. 방전이 진행되면서 아연 입자들은 점점 크기가 작아지기 때문에 셀의 아랫부분에서 그 입자들의 크기에 적합한 셀 간격이 되도록 설계한 것이다. 전해액은 셀의 아랫부분에서 들어와서 윗부분을 통해 배출되지만 그 반대의 흐름도 가능하다고 하였다. John F. Cooper proposed a cell inclined to narrow the lower portion of the US Patent 5,434,020 filled with 0.1 to 5 mm of zinc particles. As the discharge proceeds, the zinc particles become smaller in size, so they are designed to have a cell gap that is appropriate for the size of the particles at the bottom of the cell. The electrolyte enters the bottom of the cell and exits through the top, but vice versa.
Jeffrey A. Colburn 등은 미국등록특허 5,952,117에서 재충진이 가능한 형태를 제안하였는데, 금속 아연 입자들과 전해액이 있는 저장용기에서 뽑아 올려 위로부터 셀에 공급하고, 전부 다 소모되면 셀에서 분리할 수 있도록 한 것이다. 이 기술은 소모된 연료를 셀 시스템에서 분리하여 아연 재생 장치와 연계하여 재사용할 수 있도록 한 것이다.Jeffrey A. Colburn et al. Proposed a refillable form in U.S. Patent No. 5,952,117, which was taken up from a storage container with metal zinc particles and electrolyte and supplied to the cell from above and separated from the cell when it was exhausted. It is. The technology allows the spent fuel to be separated from the cell system and reused in conjunction with the zinc regeneration unit.
셀 안에 아연 입자 혹은 펠렛을 충진할 때 지나치게 높은 밀도로 채우게 되면 전해액의 흐름이 방해를 받을 뿐 아니라 펠렛의 무게가 지나치게 무거워서 셀의 파괴가 일어날 수 있는데 진동이나 충격을 받는 경우 쉽게 일어날 수 있는 문제점이 있다. 특히 전기 자동차와 같이 이동을 하는 전원이라면 더 문제가 될 수 있다. 그렇기 때문에 충진 밀도를 낮추면서도 입자들 간의 전기적 접촉이 잘 이루어져서 내부 저항이 낮게 유지되도록 개선된 물질을 사용할 필요가 있다. Filling zinc particles or pellets in the cell with too high a density may not only disturb the flow of the electrolyte, but also cause the destruction of the cell due to excessive weight of the pellets. have. In particular, a power source that moves like an electric vehicle can be more problematic. Therefore, there is a need to use an improved material to lower the packing density and to achieve good electrical contact between the particles, thereby keeping the internal resistance low.
또한, 내부의 아연 입자들의 부도체화가 심해지는 경우, 출력의 감소가 일어나고 연료 이용률도 감소하게 된다. 반대로, 고정 베드와는 달리 유동화 베드에서는 이러한 현상을 많이 줄일 수 있는데 그 이유는, 작은 입자들을 지속적으로 움직이게 하기 때문이다. 하지만, 고정 베드에서는 아연 입자들이 움직이지 않기 때문에 이러한 현상을 피하기 어려운 상황이 된다. 특히 독립된 입자들, 즉, 분말, 펠렛, 구슬을 장입하게 되는 셀에서는 각 입자들 간의 전기적 통전 능력을 잃을 수 있기 때문에 그 방전 특성이 저하하게 되는 단점이 있다.In addition, in the case where the decontamination of the zinc particles therein becomes severe, the output decreases and the fuel utilization decreases. Conversely, unlike fixed beds, fluidized beds can reduce this much because they keep small particles moving continuously. However, this situation is difficult to avoid because the zinc particles do not move in the fixed bed. In particular, in the cell into which the independent particles, ie, powder, pellets, or beads, may lose electric conduction ability between the particles, the discharge characteristics of the particles may be deteriorated.
한편, 유동화 베드 또는 고정 베드에서 적용되는 전해액 순환형은 다음과 같은 종래의 문제점이 있을 수 있다. 즉, 전해액 순환형은 징케이트를 충분히 용해하기에는 많은 양의 전해액이 필요하게 된다는 것으로서, 전반적으로 비용 및 무게, 부피의 증가로 이어져 상용화가 문제가 될 수 있다. On the other hand, the electrolyte circulation type applied in the fluidized bed or fixed bed may have the following conventional problems. In other words, the electrolyte circulation type requires a large amount of electrolyte to sufficiently dissolve the zinc ate, which leads to an increase in cost, weight, and volume, and thus, commercialization may be a problem.
또한, 금속연료전지가 방전 동작만을 하게 된다면, 누적된 징케이트 이온으로 인해 결국 수산화아연이 석출하여 순환계통의 장애를 유발하게 된다. 그러므로 합리적인 전해액 관리를 위해서는 전해액의 징케이트 농도를 낮출 필요가 있다. 한 예로서 수산화칼슘을 첨가하여 KOH 전해액 내의 징케이트 이온 농도를 낮추는 방법이 있으며, 칼슘 징케이트(calcium zincate CaZn(OH)4*2H2O) 형태로 석출하게 된다. Aaron L. Zhu et al. “Increasing the electrolyte capacity of Alkaline Zn-Air Fuel Cells by Scavenging Zincate with Ca(OH)2”, Chem Electorchem DOI:10.1002/celc.201402251, 2014 에 실린 내용이며, 미국특허 US 2010/0196768 A1에도 게시되어 있다. 이와 같이, 전해액의 반응성을 높게 유지할 수 있을 지라도, 이러한 방법은 아연을 바로 재활용할 수 없다는 중요한 단점이 있다. In addition, if the metal fuel cell only performs a discharge operation, zinc hydroxide precipitates due to accumulated zinc ions, which may cause a disruption of the circulation system. Therefore, it is necessary to lower the zinc concentration of electrolyte for rational electrolyte management. As an example, there is a method of lowering the concentration of zinc ions in KOH electrolyte by adding calcium hydroxide, and precipitated in the form of calcium zincate (calcium zincate CaZn (OH) 4 * 2H 2 O). Aaron L. Zhu et al. “Increasing the electrolyte capacity of Alkaline Zn-Air Fuel Cells by Scavenging Zincate with Ca (OH) 2”, Chem Electorchem DOI: 10.1002 / celc.201402251, 2014, and is also published in US 2010/0196768 A1. . As such, although the reactivity of the electrolyte can be maintained high, this method has an important disadvantage that zinc cannot be recycled immediately.
또한, 전해액 순환형의 또 한 가지의 중요한 문제점은 셀의 높이에 따른 내부 압력의 증가이다. 셀에 전해액을 가득 채우는 경우 셀의 아래 부분으로 갈수록 전해액의 수압이 증가하게 되며, 장시간 사용하였을 때 공기 양극에서의 전해액의 누설(flooding)과 공기 양극 안에서의 석출물의 누적을 가져온다. 그렇기 때문에 이러한 내부 압력을 경감시킬 수 있는 방법이 필요하다. In addition, another important problem of the electrolyte circulation type is the increase in internal pressure along the height of the cell. When the cell is filled with electrolyte, the pressure of the electrolyte increases as it goes to the lower part of the cell, and when used for a long time, leakage of the electrolyte at the air anode and accumulation of precipitates in the air anode are caused. Therefore, there is a need for a method that can alleviate this internal pressure.
한편, 고정 베드인 경우 내부에 전해액을 젖은 상태로 유지할 수 있는 조건이 되어 있으므로 전해액을 완전히 채우지 않아도 필요한 출력을 낼 수가 있다고 판단된다. 즉 입자들 간의 접촉점에서 전해액이 목(neck) 형태로 젖어 있게 되는 것이다. 특히 작고 비 표면적이 큰 입자들인 경우 보다 더 많은 양의 전해액을 함유할 수 있다. 그러므로 셀의 상부에서 전해액을 뿌려주는 것 만으로 이런 상황을 유지할 수 있고, 이것은 전해액을 채우지 않아도 되기 때문에 내부 압력이 낮은 상태에서 유지할 수 있게 된다. On the other hand, in the case of a fixed bed, since it is a condition that can maintain the electrolyte solution in the wet state, it is determined that the required output can be achieved without completely filling the electrolyte solution. That is, the electrolyte is wet in the form of a neck at the point of contact between the particles. It may contain a larger amount of electrolyte than in the case of particles which are particularly small and have a large specific surface area. Therefore, this situation can be maintained only by spraying the electrolyte from the top of the cell, which can be maintained at a low internal pressure because it does not need to fill the electrolyte.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에서는 고정 베드 및 전해액 순환형 구조를 채택하여, 부도체화를 억제하여 고출력 방전이 가능하면서도, 용이하게 재생 및 순환이 될 수 있는 이끼 아연 펠렛을 적용하는 금속 연료 전지 및 금속 연료 전지 시스템을 제시한다.In the embodiment of the present invention described below, the fixed fuel cell and the electrolyte circulating structure is adopted, a metal fuel cell applying moss zinc pellets that can be easily regenerated and circulated while being capable of high output discharge by suppressing insulator formation. And a metal fuel cell system.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a metal fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic diagram schematically showing a metal fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 금속 연료 전지 시스템(1)은 금속 연료 전지(10), 전해추출 셀(20), 펠렛 제조부(30) 및 외부 전원(40)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the metal
금속 연료 전지(10)는 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용할 수 있다. 이때, 본 명세서에서, '이끼 아연 펠렛' 이란, 약 1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 후술하는 징케이트(Zincate)를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연으로부터 성형된 이끼 아연의 응집체를 의미할 수 있다. 이때, 상기 이끼 아연 펠렛은 60% 내지 90%의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다. 이러한 수치의 겉보기 밀도비는 상기 이끼 아연 펠렛이 다공성 구조를 가지고 있는 점에서 기인할 수 있다.The
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 금속 연료 전지(10)는 공기 전극인 양극 전극(110), 및 양극 전극(110)과 이격하여 배치되는 음극 전극(120)을 포함할 수 있다. 금속 연료 전지(10)는 일 예로서, 수산화칼륨(KOH)을 포함하는 수용액을 전해액(162)으로 포함할 수 있다. 전해액(162)은 금속 연료 전지(10)의 상부로 유입된 후에, 금속 연료 전지(10)를 아래 방향으로 통과하면서 방전 반응에 참여한다. 상기 방전 반응을 거친 전해액(164)는 필터(152)가 배치되는 하부 절연체 튜브(150)를 통과하여 전해액 용기(160)로 배출된다.More specifically, referring to FIG. 2, the
한편, 이끼 아연 펠렛(140)은 양극 전극(110)과 음극 전극(120) 사이에 배치된 튜브 형태의 분리막(130) 내에 수용될 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 양극 전극(110)은 상하부가 개방된 튜브 구조물의 형태를 가질 수 있다. 음극 전극(120)은 상기 튜브 구조물 내부에 위치하며, 봉 형태 또는 튜브 구조물 형태를 가질 수 있다. 분리막(130)은 양극 전극(110)과 이격하여 배치됨으로써, 이끼 아연 펠렛(140)이 양극 전극(110)과 직접 접촉하여 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.Meanwhile, the
이끼 아연 펠렛(140)은 전해액(162) 내에서 산화되면서 전자를 방출할 수 있다. 상기 전자는 복수의 이끼 아연 펠렛(140)을 경유하여 음극 전극(120)에 전달될 수 있다. 이때, 상기 이끼 아연 펠렛이 전자를 방출하는 반응 및 상기 방출된 전자가 음극 전극(120)에 도달하는 반응을 음극 반응이라 지칭할 수 있다. 음극 전극(120)은 외부 도선(미도시)으로 양극 전극(110)과 연결됨으로써, 음극 전극(120)에 도달한 상기 전자가 양극 전극(110)으로 이동할 수 있다. The
양극 전극(110)은 공기 중에서 흡수한 산소, 음극 전극(120)으로부터 이동한 전자, 및 전해액(162) 중의 물을 이용하여, 수산화 이온(OH-)을 생성하는 양극 반응을 진행할 수 있다.The
상기 음극 반응 및 상기 양극 반응을 통해, 금속 연료 전지(10)의 방전 동작이 진행될 수 있다. 상기 방전 동작이 진행되는 동안, 전해액(162)에는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 징케이트가 용해될 수 있다. 상기 징케이트는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 산화아연 또는 수산화아연 등이 전해액에 용해된 염을 의미할 수 있다.Through the cathode reaction and the anode reaction, the discharge operation of the
상기 방전 동작을 통해 생성되는 상기 징케이트가 용해된 전해액(162)은 금속 연료 전지(10)의 하부에 위치하는 필터(152)를 통과한 후에 전해액 용기(160)에 수용될 수 있다. 상기 수용된 고농도 징케이트를 구비하는 전해액은 전해추출 셀(20)로 전달된다.The electrolyte 162 in which the zincate is generated through the discharging operation may be accommodated in the
도 1 및 도 2를 참조하면, 전해추출 셀(20)은 금속 연료 전지(10)로부터 배출된 전해액을 전기 분해하여, 상기 징케이트로부터 이끼 아연을 추출할 수 있다. 상기 전해 추출에 필요한 전력은 외부 전원(40)으로부터 공급받을 수 있다.1 and 2, the
상기 이끼 아연은 일 예로서, 100 nm 이하의 크기(직경)을 가지는 일차 입자들(primary particles)을 포함할 수 있다. 상기 이끼 아연은 이끼 형태를 가지는 아연의 군집체이며, 약 10% 내지 20% 의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다. 상기 이끼 아연은 펠렛 제조부(30)로 전달될 수 있다.The moss zinc may include, for example, primary particles having a size (diameter) of 100 nm or less. The lichen zinc is a cluster of zinc having a mossy form, and may have an apparent density ratio of about 10% to 20%. The moss zinc may be delivered to the
일 실시 예에 있어서, 상기 이끼 아연을 추출하는 공정은, 0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m2의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동되는 조건으로 진행될 수 있다. 전류밀도가 0.5 kA/m2 보다 높으면 입자의 크기가 커지며 이끼 아연이 아니라, 금속광택을 갖는 아연 입자들이 형성될 수 있다. 또한 아연 농도가 1.0 mol/L 보다 낮으면, 이끼 아연 보다는 덴드라이트 같은 입자들이 형성될 수 있다.In one embodiment, the step of extracting moss zinc, the cell current density of 0.1 to 0.5 kA / m 2 and cell voltage conditions of 1.9 to 2.5V for an electrolyte having a zinc concentration of 0.3 to 1.0 mol / L It may proceed to the condition driven in. If the current density is higher than 0.5 kA / m 2 , the particle size increases and zinc particles having metallic luster, rather than moss zinc, may be formed. In addition, when the zinc concentration is lower than 1.0 mol / L, particles such as dendrites may be formed rather than moss zinc.
도 1 및 도 2를 참조하면, 펠렛 제조부(30)는 상기 전해추출 셀(20)에서 추출된 이끼 아연을 응집시켜, 이끼 아연 펠렛을 제조한다. 상기 이끼 아연 펠렛은 전해추출 셀(20)에서 생성된 낮은 겉보기 밀도비의 이끼 아연 군집체들에 대해 적절한 응력이 인가됨으로써 생성되는, 상기 이끼 아연의 응칩체일 수 있다. 일 예로서, 상기 응력을 인가하는 방법은, 수직 방향의 프레싱, 롤러를 이용하는 롤 프레싱, 압출 등을 포함할 수 있다. 펠렛 제조부(30)는 상기 이끼 아연의 응집에 필요한 전력을 외부 전원(40)으로부터 공급받을 수 있다.1 and 2, the
일 실시 예에 있어서, 펠렛 제조부(30)는 상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm2의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시킬 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 약 60% 내지 90%의 겉보기 밀도비를 가질 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 약 1 ~ 10 mm의 크기를 가지도록 절단되어 제조될 수 있다. In one embodiment, the
상기 성형된 이끼 아연 펠렛은 음극 활성 물질로서, 재활용될 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 상기 성형된 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지(10) 내부의 분리막(130) 내부에 수용되도록 재투입될 수 있다.The molded moss zinc pellets can be recycled as a negative electrode active material. As shown in FIG. 2, the molded moss zinc pellet may be re-injected to be accommodated in the
도 1 및 도 2를 참조하면, 전해추출 셀(20)에서 상기 이끼 아연이 추출된 후에, 저농도의 징케이트가 용해된 전해액은 필터부(50)를 통과한 후에, 펌프(60)에 의해 금속 연료 전지(10) 내부에 재공급될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, after the moss zinc is extracted from the
상술한 바와 같이, 전해액 및 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지(10) 내에서 방전 반응에 참여한 후에, 고농도의 징케이트를 포함하는 전해액으로 변환된 후에 금속 연료 전지(10)로부터 배출될 수 있다. 상기 배출된 전해액은 전해추출 셀(20) 및 펠렛 제조기(30)를 통해 재생된 후에 금속 연료 전지(10) 내로 재공급되어 재활용될 수 있다.As described above, the electrolyte solution and the moss zinc pellets may be discharged from the
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 3의 금속 연료 전지의 하부를 설명하는 절단 사시도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing a metal fuel cell according to one embodiment of the present invention. 4 is a cutaway perspective view illustrating a lower portion of the metal fuel cell of FIG. 3.
도 3 및 도 4를 참조하면, 금속 연료 전지(10)는 양극 전극(110), 음극 전극(120), 분리막(130)을 포함한다. 또한, 금속 연료 전지(10)는 양극 전극(110)의 상부에 위치하는 상부 절연체 튜브(140), 및 양극 전극(110)의 하부에 위치하는 하부 절연체 튜브(150)을 포함한다.3 and 4, the
도 3 및 도 4에 도시되지는 않았지만, 음극 활성 물질로서의 이끼 아연 펠렛이 분리막(130) 내부에 수용될 수 있다. 분리막(130)은 상기 이끼 아연 펠렛과 양극 전극(110)이 직접 접촉하는 것을 억제할 수 있다. Although not shown in FIGS. 3 and 4, moss zinc pellets as a negative electrode active material may be accommodated in the
또한, 도 3 및 도 4에 도시되지는 않았지만, 전해액이 전해액 주입관(172)을 통해, 상부 절연체 튜브(140)의 내부로 공급될 수 있다. 상기 전해액은 음극 전극(120), 양극 전극(110), 및 상기 이끼 아연 펠렛과 접촉하여, 금속 연료 전지 반응에 참가한 후에, 양극 전극(110)의 하부로 배출될 수 있다.Also, although not shown in FIGS. 3 and 4, the electrolyte may be supplied into the
양극 전극(110)은 상하부가 개방된 제1 튜브 구조물(110)일 수 있다. 양극 전극(110)은 공기 양극으로 기능할 수 있다. 양극 전극(110)은 일 예로서, 탄소와 소수성 고분자인 불소 수지, 및 촉매 등이 결합된 물질일 수 있다. 양극 전극(110)은 상단 단자부(115) 및 하단 단자부(117)을 구비할 수 있다. 상단 단자부(115) 및 하단 단자부(117)는 도선(미도시)을 통해 음극 전극(120)과 연결될 수 있다. 단자부(115) 및 하단 단자부(117)는 도전성 재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로서, 스테인레스강으로 이루어질 수 있다.The
양극 전극(110)은 공기 중에서 흡수한 산소, 상기 도선을 통해 음극 전극(120)으로부터 이동한 전자, 및 전해액 중의 물을 이용하여, 상기 전해액 내에서 수산화 이온(OH-)을 생성하는 양극 반응을 진행할 수 있다.The
음극 전극(120)은 상기 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물(110)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다. 음극 전극(120)은 튜브 구조물 형태 또는 봉 형태를 가질 수 있다. 음극 전극(120)은 일 예로서, 황동, 인청동, 철, 니켈, 은, 철 등의 재질로 이루어질 수 있다. 음극 전극(120)은 전해액 내에서, 상기 이끼 아연 펠렛이 산화되면서 발생하는 전자를 수집할 수 있다. 음극 전극(120)에 수집된 전자는 외부 도선(미도시)을 통해 양극 전극(110)의 단자부(115, 117)로 이동할 수 있다. 한편, 상기 이끼 아연 펠렛이 전자를 방출하는 반응 및 상기 방출된 전자가 음극 전극(120)에 수집되는 반응을 음극 반응이라 지칭할 수 있다. The
도 3 및 도 4를 참조하면, 분리막(130)은 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물(130)일 수 있다. 분리막(130)은 일 예로서, 친수성 다공성 필름일 수 있다. 분리막(130)은 내알칼리성 고분자 재질을 포함할 수 있다. 분리막(130)은 일 예로서, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등의 재질로 이루어질 수 있다.3 and 4, the
분리막(130)은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛이 통과하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 상기 이끼 아연 펠렛은 제2 튜브 구조물(130)의 내부에 수용될 수 있다. 제2 튜브 구조물(130)이 제1 튜브 구조물(110)과 공간적으로 이격되어 배치됨으로써, 분리막(130)은 상기 이끼 아연 펠렛과 양극 전극(110)이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.The
도 3을 참조하면, 상부 절연체 튜브(140)는 제1 튜브 구조물(110)과 제2 튜브 구조물(130) 사이에서 끼움 결합될 수 있다. 구체적으로, 상부 절연체 튜브(140)의 일부분이 제1 튜브 구조물(110) 내부에 삽입되어 고정 배치될 수 있다. 상부 절연체 튜브(140)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 3, the
이때, 상단 단자부(115)가 상부 절연체 튜브(140)가 끼움 결합된 제1 튜브 구조물(110)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상단 단자부(115)는 상부 절연체 튜브(140)가 제1 튜브 구조물(110)에 고정 결합되는 것을 도울 수 있다.In this case, the
도 3을 참조하면, 상부 절연체 튜브(140) 내부에는 전해액 주입관(172)이 배치될 수 있다. 또한, 상부 절연체 튜브(140)의 측벽에는 전해액 오버 플로우 배출관(182)이 배치될 수 있다. 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 전해액이 금속 연료 전지(10) 내부로 공급될 때, 일시적으로 금속 연료 전지(10)에서 전해액이 넘치는 것을 방지하기 위해 설치될 수 있다. 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 상부 절연체 튜브(140)의 적절한 높이에 배치되어, 상부 절연체 튜브(140) 내부의 상기 전해액을 외부로 배출할 수 있다.Referring to FIG. 3, an
도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 절연체 튜브(150)은 제1 튜브 구조물(110)과 제2 튜브 구조물(130) 사이에서 끼움 결합될 수 있다. 구체적으로, 하부 절연체 튜브(150)의 일부분이 제1 튜브 구조물(110)의 내부에 삽입되어 고정 배치될 수 있다. 하부 절연체 튜브(150)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다.3 and 4, the
이때, 하단 단자부(117)가 하부 절연체 튜브(150)가 끼움 결합된 제1 튜브 구조물(110)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 하단 단자부(117)는 하부 절연체 튜브(150)가 제1 튜브 구조물(110)에 고정 결합되는 것을 도울 수 있다.In this case, the lower
하부 절연체 튜브(150)은 상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터(152)를 포함할 수 있다. 필터(152)는 일 예로서, PP 부직포로 이루어질 수 있다. 필터(152)는 제1 튜브 구조물(110)의 하부에서 하부 절연체 튜브(150)의 내부를 커버하도록 설치될 수 있다.The
또한, 하부 절연체 튜브(150)는 필터(152)의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구(156)를 구비하는 격벽(154)를 포함할 수 있다. 격벽(154)는 일 예로서, FRP 재질로 이루어질 수 있다. 격벽(154)은 하부 절연체 튜브(150)의 내부를 커버하도록 설치될 수 있다.In addition, the
격벽(154)의 개구(156)를 통과한 전해액은 배출구(158)를 통해, 하부 절연체 튜브(150)의 외부로 배출될 수 있다.The electrolyte passing through the
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 에에 따르는 금속 연료 전지(10)에서는, 상기 양극 반응 및 상기 음극 반응을 통해, 전지의 방전 동작이 진행될 수 있다. 상기 방전 동작이 진행되는 동안, 상기 전해액에는 상기 음극 반응의 부산물로 생성되는 징케이트가 용해된다. As described above, in the
상기 방전 동작을 통해 생성되는 상기 징케이트가 용해된 전해액은 금속 연료 전지(10)의 하부에 위치하는 필터(152)를 통하여 여과된 후에 외부로 배출될 수 있다. The electrolyte in which the zincate generated through the discharging operation is dissolved may be discharged to the outside after being filtered through the
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 복수의 금속 연료 전지(10)가 전해액 용기(160)에 설치된 슬롯(미도시)에 안착되어 배치될 수 있다. 일 금속 연료 전지(10)의 음극 전극(120)과, 이웃하는 다른 금속 연료 전지(10)의 양극 전극(110)을 외부 도선(미도시)를 통해 서로 연결시킴으로써, 복수의 금속 연료 전지(10)가 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 이와 같이, 상기 슬롯의 개수를 증가시킴으로써, 상기 슬롯에 안착할 금속 연료 전지(10)의 개수를 증가시킬 수 있다. 5 is a perspective view schematically showing an assembly of a metal fuel cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, a plurality of
복수의 금속 연료 전지(10)의 전해액 주입관(172)은 하나의 전해액 주입 모음관(170)과 연결될 수 있다. 또한, 복수의 금속 연료 전지(10)의 전해액 오버 플로우 배출관(182)은 하나의 전해액 배출 모음관(180)에 연결될 수 있다.The
일 실시 예에서, 복수의 금속 연료 전지(10)는 하나의 전해액 용기(160)를 공유할 수 있다. 이때, 금속 연료 전지(10)로의 전해액 공급 속도를 충분히 느리게 조절하여, 금속 연료 전지(10) 내부를 통과한 전해액(164)이 액적의 상태로 전해액 용기(160)로 낙하하도록 할 수 있다. 이에 따라, 복수의 금속 연료 전지(10)를 통과하여 낙하하는 전해액(164)이 연속된 흐름을 형성하는 것을 억제함으로써, 전해액 용기(160) 내에 수용된 전해액을 통해 금속 연료 전지(10)가 서로 전기적으로 통전되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 복수의 금속 연료 전지(10) 내에서 발생하는 전지 반응시 각각의 금속 연료 전지(10) 별로 누전 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. In one embodiment, the plurality of
또한, 전해액 공급 속도를 충분히 느리게 조절하여, 상기 전해액이 금속 연료 전지(10)의 내부를 통과하면서, 금속 연료 전지(10)에 과도한 압력을 인가하는 것을 억제할 수 있다. 이로서, 금속 연료 전지(10)의 출력이 감소하거나 누설되는 것을 방지할 수 있다. 또한 전해액 용기(160)에 다량의 전해액(164)이 모이기 전에 전해액(164)을 전해추출 셀로 신속하게 전달함으로써 금속 연료 전지(10)를 지속적으로 운영할 수 있다. In addition, the rate of supply of the electrolyte solution is sufficiently slowed to prevent the application of excessive pressure to the
이하에서는, 구체적인 실험예를 통해, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail through specific experimental examples.
실시예Example - 금속 연료 전지 제작 -Metal Fuel Cell Fabrication
직경 34㎜ 길이 100㎜의 튜브 구조물인 공기 양극 전극을 만들고 양단에 직경 32㎜의 FRP 재질의 상부 절연체 튜브 및 하부 절연체 튜브를 각각 10㎜씩 삽입하였다. 이어서, 스테인리스강으로 된 상단 단자부 및 하단 단자부를 상기 공기 양극 전극에 설치하였다. 하부 절연체 튜브에는 FRP 재질의 판상으로 격벽을 설치하였다. 그 격벽 상에는 PP 부직포로 이루어진 필터를 배치하였다. 상기 양극 전극의 튜브 구조물 내에 분리막을 감아서 배치시켰다. An air anode electrode, a tube structure having a diameter of 34 mm and a length of 100 mm, was made, and 10 mm of upper insulator tubes and lower insulator tubes of 32 mm diameter FRP material were inserted at both ends. Subsequently, an upper terminal portion and a lower terminal portion made of stainless steel were provided on the air anode electrode. The lower insulator tube was provided with a partition wall made of FRP plate. On the partition, the filter which consists of PP nonwoven fabric was arrange | positioned. The separator was wound around the tube structure of the anode electrode.
그 다음, 상기 분리막 내에 아연 연료를 채워 넣었다. 아연 연료를 채워넣은 양은 유효한 양극 전극의 길이 80㎜를 채울 수 있는 양을 넣었다. 상기 아연 연료로는, 비교예 1로서, 직경 3㎜의 구슬 형태의 아연 300g을 제공하였으며, 비교예 2로서, 알칼라인 전지용으로 적용되는 100 μm 크기의 아연 분말 300g을 제공하였다. 실시예 1로서, 50g의 이끼 아연 펠렛을 제공하였으며, 실시예 2로서, 60g의 이끼 아연을 제공하였다. 이때, 이끼 아연은 전해액으로부터 전해 추출되어 실시예 1의 이끼 아연 펠렛으로 성형되기 이전의 아연 추출물을 의미한다. 그리고 상기 양극 전극의 튜브 구조물 중심에는 음극 전극으로서 직경 4㎜의 황동 튜브를 설치하였다. Then, zinc fuel was filled into the separator. The amount of zinc fuel was filled in to fill the effective 80 mm length of the positive electrode. As the zinc fuel, as Comparative Example 1, 300g of zinc in the form of a bead having a diameter of 3 mm was provided, and as Comparative Example 2, 300g of zinc powder having a size of 100 μm applied to an alkaline battery was provided. As Example 1, 50 g of lichen zinc pellets were provided, and as Example 2, 60 g of lichen zinc pellets were provided. At this time, the moss zinc refers to the zinc extract before the electrolytic extraction from the electrolyte solution to be molded into the moss zinc pellet of Example 1. In addition, a brass tube having a diameter of 4 mm was installed at the center of the tube structure of the anode electrode as the cathode electrode.
실시예Example - 이끼 아연 제조 -Lichen Zinc Production
외부 전원을 사용하여 징케이트를 포함하는 전해액을 전해 추출하여 이끼 아연을 제조하였다. 직류 전원을 이용하여 정전류 모드로 전해 추출을 진행하였다.Lithium zinc was prepared by electrolytic extraction of an electrolyte solution containing a zincate using an external power source. Electrolytic extraction was performed in a constant current mode using a DC power supply.
KOH 35 ~ 45%의 수용액을 전해액으로 적용하되, 아연 연료 전지에서 방전 동작 수행 후에 배출된 것을 적용하였다. 이때, 전해액은 ZnO 농도가 1.0 mol/L 이하를 유지하는 용액이다. 전해추출 셀은 음극에는 황동 판을 양극에는 스텐레스 강 메쉬를 적용하였다. 두 개의 마주보는 전극들 사이의 거리는 5㎝이었다. 양극에서는 미세한 산소 기포가 생성되었고, 음극에서는 이끼 아연이 형성되었고, 이것을 진동을 주어 아래로 떨어뜨리면서 전극 간 단락이 되는 것을 방지하였다. 초기에는 전착 도금층이 보이다가 전해를 계속하면서 검은 색의 입자들만이 형성되었다. An aqueous solution of 35% to 45% KOH was applied as an electrolyte, but discharged after performing a discharge operation in a zinc fuel cell. At this time, the electrolyte solution is a solution to maintain the ZnO concentration 1.0 mol / L or less. The electrolytic extraction cell was a brass plate for the cathode and a stainless steel mesh for the anode. The distance between two opposing electrodes was 5 cm. Fine oxygen bubbles were generated at the anode, and moss zinc was formed at the cathode, which vibrated to prevent the short-circuit between the electrodes. Initially, the electrodeposition plating layer was visible and continued electrolysis, forming only black particles.
전해 추출시 전류밀도 0.1 ~ 0.5 kA/㎡ 에서 생산하였다. 이때의 셀 간 전압은 1.9 ~ 2.5V 를 유지시켰다.The electrolytic extraction produced at a current density of 0.1-0.5 kA / m2. At this time, the inter-cell voltage was maintained at 1.9 to 2.5V.
생성된 이끼 아연을 판 위에 올려 놓고 0.1 내지 1 kg/cm2의 압력을 인가하여 눌러주면, 전해액은 주변으로 빠져 나가고, 이끼 아연이 응집되었다. 이것을 5 ㎜ 이하의 크기로 절단하여 펠렛을 만들었다. When the produced moss zinc was put on a plate and pressed by applying a pressure of 0.1 to 1 kg / cm 2 , the electrolyte solution went out to the surroundings, and moss zinc was agglomerated. This was cut to a size of 5 mm or less to make pellets.
실험예Experimental Example - 방전 시험 -Discharge test
상기 실시예에서 제조한 금속 연료 전지에서, 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2의 음극 활성 물질을 적용하여 방전 실험을 진행하였다.In the metal fuel cell prepared in Example, a discharge experiment was conducted by applying the negative electrode active materials of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 1 and Example 2.
상술한 바와 같이, 비교예 1은 음극 활성 물질로서, 직경 3㎜의 구슬 형태의 아연을 적용하였으며, 비교예 2는 100 μm 크기의 아연 분말을 적용하였다. 이에 반해, 실시예 1은 음극 활성 물질로서, 이끼 아연 펠렛을 적용하였으며, 실시예 2는 이끼 아연을 적용하였다. As described above, Comparative Example 1 was applied as a negative electrode active material, zinc in the form of beads having a diameter of 3mm, and Comparative Example 2 was applied to 100 μm zinc powder. In contrast, Example 1 applied moss zinc pellets as a negative electrode active material, and Example 2 applied moss zinc.
고찰Review
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 금속 연료 전지의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 보다 상세하게는 도 6은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(610 그래프) 및 실시예 2의 이끼 아연을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(620 그래프)를 전류-전압 곡선을 통해 도시하고 있다.6 is a graph showing a discharge test result of a metal fuel cell according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 6 shows the results of the discharge experiment using the moss zinc pellets of Example 1 as the negative electrode active material (610 graphs) and the discharge experiment results using the moss zinc of Example 2 as the negative electrode active material (620 graphs). It is shown through the voltage curve.
도 6을 참조하면, 실시예 1의 그래프(610)의 경우가 실시예 2(620)의 경우보다 출력이 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1의 경우, 9A 이상의 전류가 발생한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the output of the
도 7은 본 발명의 일 비교예에 따르는 금속 연료 전지의 정전류 모드의 방전 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 보다 상세하게는 도 7은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(610 그래프) 및 실시예 2의 이끼 아연을 음극 활성 물질로 적용한 방전 실험 결과(620 그래프)를 전류-전압 곡선을 통해 도시하고 있다.7 is a graph showing a discharge experiment result in the constant current mode of a metal fuel cell according to a comparative example of the present invention. More specifically, FIG. 7 shows current-discharge test results (610 graphs) in which the moss zinc pellets of Example 1 were applied as the negative electrode active material and discharge test results (620 graphs) in which the moss zinc of Example 2 was applied as the negative electrode active material. It is shown through the voltage curve.
도 7을 참조하면, 실시예 1의 경우, '9A 인가 테스트'에서도 상대적으로 높은 출력을 발생시켰으며, 상대적으로 높은 방전 깊이(DOD: depth of discharge)를 나타내었다. 실시예 2의 경우, '3A 인가 테스트' 수준의 출력을 나타내고 있다. 한편, 방전 초기에 9A 또는 3A로 정전류 모드에서 테스트 하다가, 셀의 전압이 낮아짐에 따라, 1A로 방전 전류를 전환하여 테스트를 지속하였다. 이때, 실시예 1 및 실시예 2의 연료 이용률(또는 방전 깊이)는 각각 68%, 34%로 차별되었다.Referring to FIG. 7, in the case of Example 1, a relatively high output was generated even in the '9A application test', and a relatively high depth of discharge (DOD) was shown. In Example 2, the output of the "3A application test" level is shown. On the other hand, while the test in the constant current mode at 9A or 3A at the beginning of the discharge, the test was continued by switching the discharge current to 1A as the voltage of the cell was lowered. At this time, the fuel utilization rate (or discharge depth) of Example 1 and Example 2 was discriminated by 68% and 34%, respectively.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다. 도 8은 실시예 1의 이끼 아연 펠렛의 형상을 나타내고 있으며, 도 9는 실시예 2의 이끼 아연의 형상을 나타내고 있다. 8 and 9 are photographs observed after the discharge test of the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention. 8 has shown the shape of the moss zinc pellet of Example 1, and FIG. 9 has shown the shape of the moss zinc of Example 2. FIG.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도 9의 실시예 2의 경우가, 아연 부산물이 상대적으로 밝은 색으로 분산되어 있는 것을 볼 수 있고, 이는 이끼 아연 분말이 산화되었음을 나타내고 있다. 반면에, 실시예 1의 이끼 아연 펠렛은 활성이 높은 표면을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.8 and 9, in the case of Example 2 of FIG. 9, it can be seen that zinc by-products are dispersed in a relatively bright color, which indicates that the moss zinc powder has been oxidized. On the other hand, it can be seen that the moss zinc pellet of Example 1 maintains a high activity surface.
한편, 방전 시험 결과, 비교예 1 및 2의 경우, 각각 5A의 전류를 출력하여, 실시예 1의 경우보다, 출력이 낮았다. 비교예 1 및 2의 연료 이용률은 모두 20% 이하 였으며, 40 ~ 50 Ah 정도에서 출력이 모두 종료되었다. 이때, 방전 테스트가 완료된 비교예 1 및 2의 음극 활성 물질의 상태를 관찰하였다.On the other hand, in the discharge test results, in the case of Comparative Examples 1 and 2, a current of 5 A was output, respectively, and the output was lower than in the case of Example 1. The fuel utilization rates of Comparative Examples 1 and 2 were all 20% or less, and the outputs were all finished at about 40 to 50 Ah. At this time, the state of the negative electrode active material of Comparative Examples 1 and 2 in which the discharge test was completed was observed.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 비교예에 따르는 음극 활성 물질을 방전 시험 후 관찰한 사진이다. 도 10을 참조하면, 비교예 1의 경우, 표면이 산화된 상태로 부도체화된 덩어리가 관찰되었다. 도 11을 참조하면, 비교에 2의 경우, 분말 입자가 서로 뭉쳐서 시멘트화가 된 것으로 관찰되었다.10 and 11 are photographs observed after the discharge test of the negative electrode active material according to a comparative example of the present invention. Referring to FIG. 10, in Comparative Example 1, a nonconducted mass was observed with the surface oxidized. Referring to FIG. 11, in the case of
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 나타내는 사진이다. 도 12를 참조하면, 정전류 모드에서 음극에서 형성되는 이끼 아연을 관찰할 수 있다. 투명 PVC 셀에서 전해 추출을 통해 이끼 아연이 발생하는 모습을 나타내고 있다. 12 is a photograph showing a lichen zinc production process according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, it is possible to observe moss zinc formed at the cathode in the constant current mode. Moss zinc is produced through electrolytic extraction in transparent PVC cells.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 제조 과정을 통해 제조된 이끼 아연을 나타내는 사진이다. 상술한 바와 같이, 징케이트를 포함하는 전해액을 전해 추출함으로써, 생성된 이끼 아연을 관찰하였다. 상기 이끼 아연은 100 nm 이하의 크기를 가지는 일차 입자들로 이루어지는 군집체의 형상을 확인할 수 있다.13 and 14 are photographs showing moss zinc produced through the lichen zinc production process according to an embodiment of the present invention. As above-mentioned, the moss zinc produced | generated by electrolytic extraction of the electrolyte solution containing a jincate was observed. The moss zinc can confirm the shape of the cluster consisting of primary particles having a size of 100 nm or less.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 이끼 아연 펠렛 제조 공정을 통해 제조된 이끼 아연 펠렛을 나타내는 사진이다. 전해 추출을 통해 생성된 이끼 아연에 대해 0.1 내지 1 kg/cm2의 압력을 인가함으로써, 상대적으로 겉보기 밀도비가 향상된 이끼 아연의 응집체를 생성하였다. 그리고, 이러한 이끼 아연의 응집체를 5 mm의 크기로 절단함으로써, 도시된 것과 같은 이끼 아연 펠렛을 제조할 수 있다.15 is a photograph showing moss zinc pellets manufactured through a moss zinc pellet manufacturing process according to an embodiment of the present invention. A pressure of 0.1 to 1 kg / cm 2 was applied to the moss zinc produced through electrolytic extraction, thereby producing agglomerates of moss zinc with relatively improved apparent density ratios. Then, by cutting the aggregate of such moss zinc to a size of 5 mm, moss zinc pellets as shown can be produced.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 이끼 아연 펠렛을 음극 활성 물질로 적용할 수 있다. 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 종래의 활성 물질 재질에 비해, 상대적으로 낮은 밀도를 가지며, 표면에서의 부도체화(패시베이션) 현상이 억제되면서도 반응성이 우수하다. 그 결과, 상기 이끼 아연 펠렛은 아연 구슬 또는 아연 분체와 같은 재질에 비해, 높은 출력을 나타낼 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, lichen zinc pellet may be applied as the negative electrode active material. The moss zinc pellets have a relatively low density compared to conventional active material materials such as zinc beads or zinc powder, and are excellent in reactivity while suppressing insulatorization (passivation) on the surface. As a result, the moss zinc pellets may exhibit a high output compared to materials such as zinc beads or zinc powder.
상기 이끼 아연 펠렛은 금속 연료 전지로부터 배출되는 전해액으로부터 이끼 아연을 채취하고, 상기 이끼 아연을 응집시켜 제조된다. 이와 같이, 배출 전해액으로부터 이끼 아연을 채취함으로써, 배출 전해액으로부터 아연 농도가 낮은 전해액으로 재생할 수 있다. 상기 재생된 전해액은 상기 금속 연료 전지에 재투입되어 재활용될 수 있다.The moss zinc pellet is produced by collecting the moss zinc from the electrolyte discharged from the metal fuel cell and agglomerating the moss zinc. In this way, by collecting the moss zinc from the discharged electrolyte, it is possible to regenerate the electrolyte solution having a low zinc concentration from the discharged electrolyte. The regenerated electrolyte may be recycled to the metal fuel cell and recycled.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 이끼 아연 펠렛을 이용하여 방전하는 금속 연료 전지, 상기 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀, 및 상기 이끼 아연을 응집하여 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 구비하는 금속 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 이와 같이, 상기 금속 연료 시스템은, 지속적으로 고출력 방전이 가능하면서도, 용이하게 재생 및 순환이 될 수 있는 이끼 아연 펠렛을 전극 활성 물질로 적용할 수 있는 장점이 있다. According to an embodiment of the present invention, a metal fuel cell for discharging using the moss zinc pellet, an electrolytic extraction cell for producing the moss zinc, and a pellet manufacturing unit for agglomeration of the moss zinc to produce the moss zinc pellets A metal fuel cell system can be provided. As described above, the metal fuel system has the advantage of being able to continuously apply high-power discharge and moss zinc pellets that can be easily regenerated and circulated as an electrode active material.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당 업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the drawings and embodiments, those skilled in the art various modifications and embodiments disclosed in the present application within the scope not departing from the spirit of the present application described in the claims below It will be understood that it can be changed.
100: 이끼 아연 펠렛, 110: 양극 전극,
115: 상단 단자부, 117: 하단 단자부,
120: 음극 전극, 130: 분리막,
140: 상부 절연체 튜브, 150: 하부 절연체 튜브,
152: 필터, 154: 격벽, 156: 개구, 158: 배출구,
160: 전해액 용기, 162 & 164: 전해액,
170: 전해액 주입 모음관, 172: 전해액 주입관,
180: 전해액 배출 모음관, 182: 전해액 오버 플로우 배출관. 100: lichen zinc pellet, 110: anode electrode,
115: upper terminal portion, 117: lower terminal portion,
120: cathode electrode, 130: separator,
140: upper insulator tube, 150: lower insulator tube,
152: filter, 154: partition wall, 156: opening, 158: outlet,
160: electrolyte container, 162 & 164: electrolyte solution,
170: electrolyte injection tube, 172: electrolyte injection tube,
180: electrolyte discharge collection tube, 182: electrolyte overflow discharge tube.
Claims (19)
상기 복수의 금속 연료 전지 각각은
상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator);
상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛;
상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액; 및
상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터를 포함하되,
상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지하고
상기 전해액 용기는 상기 복수의 금속 연료 전지의 상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집하며,
상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어되는
금속 연료 전지 집합체.
A plurality of metal fuel cells and an electrolyte container unique to the plurality of metal fuel cells,
Each of the plurality of metal fuel cells
An anode electrode which is a first tube structure having an upper and lower portions opened;
A cathode electrode positioned in the first tube structure and extending along a length direction of the first tube structure;
A separator disposed inside the first tube structure, the separator being a second tube structure having an open top and a closed bottom;
Moss zinc pellets received inside the second tube structure;
An electrolyte supplied from an upper portion of the first tube structure and flowing into a lower portion of the first tube structure after contacting the first tube structure, the moss zinc pellet, and the cathode electrode; And
A filter disposed below the first tube structure to filter the electrolyte;
The separator prevents contact between the moss zinc pellets and the anode electrode
The electrolyte container is disposed under the filter of the plurality of metal fuel cells to collect the filtered electrolyte solution,
The feed rate of the electrolyte to the first tube structure is controlled slowly so that the electrolyte flowing into the electrolyte container falls into the state of droplets.
Metal fuel cell assembly.
상기 이끼 아연 펠렛은
1 ~ 10 mm의 크기를 가지며, 징케이트를 포함하는 전해액으로부터 전해 추출된 이끼 아연의 성형체인
금속 연료 전지 집합체.
According to claim 1,
The moss zinc pellets
It has a size of 1 to 10 mm, and is a molded body of moss zinc extracted electrolytically from an electrolyte solution containing a zincate.
Metal fuel cell assembly.
상기 이끼 아연 펠렛은
60% 내지 90% 의 겉보기 밀도비를 가지는
금속 연료 전지 집합체.
According to claim 1,
The moss zinc pellets
Having an apparent density ratio of 60% to 90%
Metal fuel cell assembly.
상기 분리막은 상기 전해액은 통과시키고, 상기 이끼 아연 펠렛은 통과를 막는 기능을 수행하는
금속 연료 전지 집합체.
According to claim 1,
The separator passes the electrolyte and the moss zinc pellets performs a function of preventing passage.
Metal fuel cell assembly.
상기 제1 튜브 구조물의 상부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 상부 절연체 튜브; 및
상기 제1 튜브 구조물의 하부에서, 일부분이 상기 제1 튜브 구조물과 상기 제2 튜브 구조물 사이에 삽입되어 고정 배치되는 하부 절연체 튜브를 더 포함하는
금속 연료 전지 집합체.
According to claim 1,
An upper insulator tube, on a portion of the first tube structure, a portion of which is inserted and fixedly disposed between the first tube structure and the second tube structure; And
A lower insulator tube below the first tube structure, a portion of which is inserted and fixedly disposed between the first tube structure and the second tube structure;
Metal fuel cell assembly.
상기 제1 튜브 구조물의 외주 면에 배치되는 양극 전극 단자를 더 포함하는
금속 연료 전지 집합체.
The method of claim 7, wherein
Further comprising a positive electrode terminal disposed on the outer circumferential surface of the first tube structure
Metal fuel cell assembly.
상기 상부 절연체 튜브 내부로 도입되어 배치되는 전해액 주입관; 및
상기 상부 절연체 튜브의 측벽에 배치되는 전해액 오버플로우 배출관을 더 포함하는
금속 연료 전지 집합체.
The method of claim 7, wherein
An electrolyte injection tube introduced into the upper insulator tube and disposed; And
Further comprising an electrolyte overflow discharge pipe disposed on the side wall of the upper insulator tube
Metal fuel cell assembly.
상기 하부 절연체 튜브는
상기 전해액을 여과하여 하부로 유동시키는 필터; 및
상기 필터의 하부에 배치되고, 상기 여과된 전해액이 통과하는 개구를 구비하는 격벽을 포함하는
금속 연료 전지 집합체.
The method of claim 7, wherein
The lower insulator tube is
A filter for filtering the electrolyte to flow downward; And
A partition wall disposed below the filter, the partition having an opening through which the filtered electrolyte solution passes;
Metal fuel cell assembly.
상기 금속 연료 전지로부터 배출되는, 징케이트(zincate)를 포함하는 전해액을 전기 분해하여 이끼 아연을 생성하는 전해추출 셀; 및
상기 생성된 이끼 아연을 응집시켜 상기 이끼 아연 펠렛을 제조하는 펠렛 제조부를 포함하고,
상기 금속 연료 전지 집합체는
복수의 금속 연료 전지 및 상기 복수의 금속 연료 전지가 공유하는 전해액 용기를 포함하되,
상기 복수의 금속 연료 전지 각각은
상하부가 개방된 제1 튜브 구조물인 양극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 위치하여 상기 제1 튜브 구조물의 길이 방향을 따라 연장되는 음극 전극;
상기 제1 튜브 구조물의 내부에 배치되며, 상부가 개방되고 하부가 폐쇄된 제2 튜브 구조물인 분리막(separator);
상기 제2 튜브 구조물의 내부에 수용되는 이끼 아연 펠렛;
상기 제1 튜브 구조물의 상부로부터 공급되어 상기 제1 튜브 구조물, 상기 이끼 아연 펠렛 및 상기 음극 전극과 접촉한 후에, 상기 제1 튜브 구조물의 하부로 유동하는 전해액; 및
상기 제1 튜브 구조물의 하부에 배치되어, 상기 전해액을 여과시키는 필터를 포함하되,
상기 분리막은 상기 이끼 아연 펠렛과 상기 양극 전극 사이의 접촉을 방지하고,
상기 전해액 용기는 상기 복수의 금속 연료 전지의 상기 필터의 하부에 배치되어, 상기 여과된 상기 전해액을 수집하며,
상기 전해액의 상기 제1 튜브 구조물로의 공급 속도는, 상기 전해액 용기로 유동하는 상기 전해액이 액적의 상태로 낙하하도록 느리게 제어되는
금속 연료 전지 시스템.
A metal fuel cell assembly including moss zinc pellets as a negative electrode active material, and an electrolyte flowing in contact with the moss zinc pellets;
An electrolysis extraction cell which electrolysis decomposes an electrolyte containing zincate, which is discharged from the metal fuel cell, to produce moss zinc; And
A pellet manufacturing unit for agglomerating the produced moss zinc to produce the moss zinc pellets;
The metal fuel cell assembly is
A plurality of metal fuel cells and an electrolyte container shared by the plurality of metal fuel cells,
Each of the plurality of metal fuel cells
An anode electrode which is a first tube structure having an upper and lower portions opened;
A cathode electrode positioned in the first tube structure and extending along a length direction of the first tube structure;
A separator disposed inside the first tube structure, the separator being a second tube structure having an open top and a closed bottom;
Moss zinc pellets received inside the second tube structure;
An electrolyte solution supplied from an upper portion of the first tube structure and flowing into the lower portion of the first tube structure after contacting the first tube structure, the moss zinc pellet, and the cathode electrode; And
A filter disposed below the first tube structure to filter the electrolyte;
The separator prevents contact between the moss zinc pellets and the anode electrode,
The electrolyte container is disposed under the filter of the plurality of metal fuel cells to collect the filtered electrolyte solution,
The feed rate of the electrolyte to the first tube structure is controlled slowly so that the electrolyte flowing into the electrolyte container falls into the state of droplets.
Metal fuel cell system.
상기 전해추출 셀은
0.3 내지 1.0 mol/L의 아연 농도를 가지는 전해액에 대해, 0.1 내지 0.5 kA/m2의 셀 전류 밀도 및 1.9 내지 2.5V의 셀 전압 조건에서 구동되는
금속 연료 전지 시스템.
The method of claim 11, wherein
The electrolytic extraction cell
For electrolytes with zinc concentrations of 0.3 to 1.0 mol / L, they are driven at cell current densities of 0.1 to 0.5 kA / m 2 and cell voltage conditions of 1.9 to 2.5V.
Metal fuel cell system.
상기 제조되는 이끼 아연은
100nm 이하의 크기를 가지는 이끼 형태의 아연의 군집체이며, 10% ~ 20%의 겉보기 밀도비를 가지는
금속 연료 전지 시스템.
The method of claim 11, wherein
Lichen zinc prepared above
A colony of mossy zinc with a size of 100 nm or less, with an apparent density ratio of 10% to 20%.
Metal fuel cell system.
상기 펠렛 제조부는
상기 이끼 아연에 0.1 내지 1 kg/cm2의 압력을 인가하여, 상기 이끼 아연을 응집시키는
금속 연료 전지 시스템.
The method of claim 11, wherein
The pellet manufacturing unit
Applying a pressure of 0.1 to 1 kg / cm 2 to the lichen zinc, to aggregate the lichen zinc
Metal fuel cell system.
상기 이끼 아연 펠렛은
1 ~ 10 mm의 크기를 가지는 성형체이며, 60% 내지 90%의 겉보기 밀도비를 가지는
금속 연료 전지 시스템.
The method of claim 11, wherein
The moss zinc pellets
A molded article having a size of 1 to 10 mm, having an apparent density ratio of 60% to 90%
Metal fuel cell system.
상기 전해추출 셀에서 상기 이끼 아연이 추출되어 아연 농도가 감소된 상기 전해액은 상기 금속 연료 전지로 제공되어 재활용되는
금속 연료 전지 시스템.The method of claim 11, wherein
The moss zinc is extracted from the electrolytic extraction cell and the electrolyte having a reduced zinc concentration is provided to the metal fuel cell and recycled.
Metal fuel cell system.
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KR1020160150974A KR102086386B1 (en) | 2016-11-14 | 2016-11-14 | Metal fuel cell and metal fuel cell system using the same |
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