KR101835403B1 - 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지 및 이를 이용한 장기 구동 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존 연료 전지와 배터리를 결합하여 연속구동 시간을 대폭 증가시키는 것으로, 알루미늄 공기 전지와 고분자전해질연료전지 시스템을 결합하여 알루미늄 공기 전지에서 발생하는 수소 가스를 연료 전지의 연료 극으로 이송하여 연료 전지를 구동함으로써 초기 시동시에는 배터리에서 전원을 공급하고, 수소 연료가 공급되어 연료 전지가 활성화된 후로는 연료 전지에서도 전원을 공급함으로써 배터리의 출력 밀도를 높이고 전원의 연속 구동 시간을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)을 덮는 하우징 캡(111)과, 상기 하우징(110) 내의 일면으로부터 타면을 향해 순차적으로 위치하는 메탈 에어 양극(120)과, KOH 전해질(130)과, 메탈 에어 음극(140)과, 절연막(150)과, 연료 전지 음극(160)과, 연료 전지 양극(170)을 포함하되, 상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 상기 연료 전지 음극(160)으로 이송하는 유통로(180)를 더 포함한다.

Description

메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지 및 이를 이용한 장기 구동 배터리 시스템{CELL COMBINED METAL-AIR CELL AND FUEL CELL AND LONG-PERIOD DRIVING BATTERY SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지 및 이를 이용한 장기 구동 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 공기 전지와 고분자 전해질 연료 전지 시스템을 결합하여 알루미늄 공기 전지에서 발생되는 수소 가스를 고분자 전해질 연료 전지의 연료극으로 이송하여 연료 전지를 구동시키는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지 및 이를 이용한 장기 구동 배터리 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 비디오카메라, 휴대용 전화, 노트북 컴퓨터, 휴대용 개인정보단말기(PDA), 등의 휴대용 무선 기기 제품이 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 이들 제품의 구동 전원으로서 사용되는 이차전지의 중요성이 증대되고 있다. 이차전지는 충전과 방전을 거듭하여 반복 사용할 수 있으므로, 일회용 전지에 비해 경제적이다.
가장 널리 사용되고 있는 이차전지로는 리튬 이차전지를 들 수 있는데, 친환경적인 전기 자동차(EV/HEV)의 개발의 가속화와 더불어 고출력, 고용량, 고에너지 밀도를 가지는 리튬 이차전지에 대한 요구가 급증하고 있다.
하지만, 현재 상용화되고 있는 리튬 이차전지는 에너지밀도가 낮으며, 희토류 금속인 리튬의 불안정한 공급으로 제조비용이 상승하고, 유기 전해질의 사용으로 인한, 안정성 문제점으로 인해, 리튬 이차전지를 다양한 대용량 에너지 저장매체로 사용하기에는 아직까지 한계가 있다.
또한, 대용량 에너지 저장매체로 사용하기 위한 하이브리드 전지가 개발되고 있다. 하지만, 기존의 하이브리드 전지는 리튬 전지와 연료 전지를 혼합한 형태로 연료 전지의 구동을 위해서는 수소를 포함하는 카트리지를 장착해야만 구동이 가능하였다.
그리고 리튬 배터리를 적용하기 때문에, 배터리 시스템에서 리튬 배터리가 차지하는 공간이 매우 제한적이며, 이에 따른 전지 용량의 한계를 가지고 있었다.
게다가 리튬 배터리의 온도와 환경 안정성에 대한 문제는 여전히 존재하며, 경제적인 비용 부담도 가지고 있었다.
한편, 리튬 전지와 연료 전지를 이용한 하이브리드 전지로 회로 구성시, 각각 개별적으로 컨트롤 해야하는 단점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 요구를 해소하기 위해 제안된 것으로서, 그 목적은 기존 연료 전지와 배터리를 결합하여 연속구동 시간을 대폭 증가시키는 것으로, 알루미늄 공기 전지와 고분자전해질연료전지 시스템을 결합하여 알루미늄 공기 전지에서 발생하는 수소 가스를 연료 전지의 연료 극으로 이송하여 연료 전지를 구동함으로써 초기 시동시에는 배터리에서 전원을 공급하고, 수소 연료가 공급되어 연료 전지가 활성화된 후로는 연료 전지에서도 전원을 공급함으로써 배터리의 출력 밀도를 높이고 전원의 연속 구동 시간을 증가시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지로서, 하우징(110)과, 상기 하우징(110)을 덮는 하우징 캡(111)과, 상기 하우징(110) 내의 일면으로부터 타면을 향해 순차적으로 위치하는 메탈 에어 양극(120)과, KOH 전해질(130)과, 메탈 에어 음극(140)과, 절연막(150)과, 연료 전지 음극(160)과, 연료 전지 양극(170)을 포함하되, 상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 상기 연료 전지 음극(160)으로 이송하는 유통로(180)를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 유통로(180)의 일 부위에는 오염 물질을 여과하고, 수소 가스의 역류를 방지하는 여과 필터부(181)를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 메탈 에어 음극(140)은 알루미늄 분말, 알루미늄 호일 및 알루미늄 패널 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 알루미늄 분말, 상기 알루미늄 호일 또는 상기 알루미늄 패널의 입자 크기는 50㎛ ~ 200㎛이다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 KOH 전해질의 농도는 30몰% ~ 38몰%이다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 메탈 에어 양극(120)은 망간산화물(MnO2) 또는 페로브스카이트(Perovskite) 화합물을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 절연막((150)은 PP(폴리프로필렌), PE(폴리에틸렌), PP/PE 이중코팅막, PS(폴리스타일렌) 중 어느 하나인 폴리머 중합체로 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지는, 상기 연료 전지 음극(160) 또는 상기 연료 전지 양극(170)은 카본(Carbon) 또는 비백금 촉매로 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 장기 구동 배터리 시스템은 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 전지 모듈(100')과, 상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 포집하여 공급하는 수소 가스 포집 및 공급 모듈(200)과, 전력 컨버팅 모듈과, 직렬 회로 구성 모듈과, 센싱 모듈과, 입출력 모듈들을 제어하는 제어 모듈(300)을 포함한다.
본 발명에 의하면, 수소 카트리지의 교체 없이 알루미늄 에어 배터리에서 발생하는 수소 가스를 직접 연료 전지의 연료로 사용함으로써, 카트리지 교체에 대한 비용 부담이 없는 효과가 있다.
또한, 리튬 전지에 비해 배터리 용량이 3배가량 증가하여 대용량 구현이 가능하며, 모바일 기기는 물론 고용량을 요하는 군용, 드론 등 특수 목적 용도로 다양하게 응용할 수 있다.
그리고 알루미늄 에어 전지와 연료 전지를 직렬로 연결하여 전압을 상승시키고 전류 밀도를 크게 상승시킬 수 있으며, 장기 구동 배터리 시스템을 단순화할 수 있는 장점이 있다.
게다가, 본 시스템의 가격을 1/3 이하로 낮출 수 있으며, 1회 충전으로 알루미늄 에어 전지의 전해질양에 비례하여 구동 시간을 연장할 수 있는 장점이 있다.
한편, 기존에는 수소를 포함하는 카트리지의 연료 저장 한계로 인해 구동 시간에 대한 제약이 있었으나, 본 시스템은 전해질 내에서 전기 분해되어 발생하는 수소를 사용함으로써, 저장 용량을 증가시키고 무게를 감소할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지의 구성을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 장기 구동 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
최근에 전자 산업의 급격한 발달로 인해 에너지에 대한 수요는 전례 없을 정도의 극심한 단계에 이르렀으며, 향후에도 이러한 요구는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 현재 사용되고 있는 에너지원은 화석연료(석유, 석탄, 천연가스 등)이며 비록 이 같은 에너지원을 필요한 에너지로 전환하는 것은 상대적으로 저렴하나 화석연료를 통해 공급되는 에너지는 제한적이다. 게다가 환경적으로 문제가 되는 온실 가스를 방출하는 문제점도 따른다. 외국에서 구입할 경우 복잡한 외교 문제도 거쳐야 하므로 대체 에너지원을 찾는 것은 필수적이다. 현재까지 대체 에너지 기술을 위한 상당한 연구들이 진행되어왔지만 단일 기술만으로는 세계의 모든 에너지 수요를 모두 충당할 수는 없을 것이라 여겨진다. 다양한 기술이 요구될 것이며 대부분 전기력을 포함하고 있기 때문에 에너지 저장용 전원시스템으로 사용하는 전지는 현대생활에서 없어서는 안 될 필수품처럼 여러 산업 분야의 에너지 관련 핵심 기술로 인식되고 있다. 일상생활에서 사용되고 있는 전지의 예를 들어보면 노트북, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라를 비롯하여 휴대할 수 있는 전자기기들 등이 있고 나아가 전기 자동차와 같이 고출력 기기에도 전지가 사용되면서 그 적용분야는 더욱 확대되고 있다. 전지 산업의 규모는 전 세계 약 500억 달러에 이를 정도로 매우 크며, 우리나라의 경우 연간 약 700억 원 정도의 시장규모를 가지고 있다.
전지란 전자를 주고받는 화학반응(산화·환원반응)에 의해 발생하는 에너지를 전기에너지 형태로 사용하는 기구를 말한다. 특히, 노트북이나 휴대폰에 사용하는 전지처럼 여러 번 반복 사용하는 전지를 2차 전지(secondary cell 혹은 rechargeable cell)라고 한다. 일반적으로 전지는 2개의 전극(electrode)과 전해질(electrolyte)로 구성되며, 전극에서는 산화·환원반응이 일어나면서 이온은 전해질을 통해 이동하게 되고, 전자는 도선을 따라 흐른다.
메탈 에어 전지는 모든 전기화학적 에너지 저장 기술에서 가장 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 전지 시스템 중 하나이다. 방전 시, 금속 이온은 음극에서 양극으로 전해질을 통해 이동하며, 전자는 전선을 따라 흐른다. 충전 시에는 반대로 외부 전압에 의해 양극이 전자를 뺏기면서 산화되어 금속 이온을 방출하고, 음극에서는 전자를 받아 환원되면서 메탈 이온과 결합하여 반복적인 사용이 가능하다.
현재 가장 널리 사용되고 있는 전지중의 하나인 리튬 이온 전지는 음극 재질로 순수 금속이 아닌 LiC6 graphite를 사용하며, 양극으로는 층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물, 인산철리튬 등을 이용한다. 이 구조와 달리 메탈 에어 전지는 음극에 금속을 쓰고 양극에 공기를 사용하는 전지로 전기화학적 반응을 거쳐 해당 금속을 산화/환원시켜 작동하는 원리다. 현재 가장 많이 연구되는 메탈 에어 전지로는 음극에 리튬이나 아연을 전극으로 사용하는 리튬 에어 전지와 아연 에어(Zinc Airㆍ아연 공기) 전지가 있다. 리튬 에어 전지는 음극에 순수한 금속을 사용하기 때문에 LiC6 graphite를 사용하는 리튬-이온 전지에 비해 기본적으로 단위 면적당 훨씬 많은 전자가 나올 수 있어 이론적으로 약 수십배 이상 큰 에너지 밀도를 가지고 있다.
일본의 경우 도요타가 리튬 및 아연 에어 전지 연구에 가장 활발한 모습을 보이고 있으며, 일본산업기술종합연구소(AIST)도 리튬 에어 전지를 연구하고 있다. 이 밖에 일본의 여러 대학도 리튬 이온 전지 다음의 차세대 전지로서 메탈 에어 전지에 주목하고 연구에 심혈을 기울이고 있다. 또한, IBM은 한번 충전으로 최대 800㎞까지 주행 가능한 고효율 리튬 에어 전지 개발을 목표로 연구개발에 적극적으로 나서고 있다. 하지만, 이들 메탈 에어 전지가 주행거리를 획기적으로 올릴 수 있다는 점에서 이상적인 전지임에도 불구하고 상용화까지는 아직 현실적으로 극복해야 할 기술적 문제점도 많다.
아연 에어 전지의 경우, 리튬에 비해 저렴한 아연을 이용하여 가격 경쟁력과 안전성에서도 매우 높은 것으로 알려져 있으나 충·방전 기술 개발에 어려움을 겪으며 아직까지는 1차 전지에 머무르고 있는 문제점이 있다. 현실적인 대안으로 음극부분을 카트리지 타입으로 바꾸는 형식의 기술이 연구되고 있으나, 근본적으로 충·방전이 불가능하다면 시장성은 없다는 게 업계의 관측이다.
미국 보스턴에서 개최된 재료연구학회(MRS; Materials Research Society) 가을 회의에서 미국 에너지부 산하 SRNL(Savannah River National Laboratory) 소속의 과학자인 Ming Au는 리튬 에어 전지만큼 에너지 밀도가 높은 전지가 없다고 밝혔듯이 과학자들은 이러한 전지가 동일한 중량의 리튬 이온 전지보다 5 ~ 10배 이상의 에너지 및 동일한 부피의 리튬 이온 전지보다 2배 이상의 에너지를 보유할 수 있는 것으로 추정하고 있다.
메탈 에어 전지의 한 예로 리튬 에어 전지는 리튬으로 만들어진 음극과 주변 공기로부터 산소를 끌어당기는 다공성 물질로 만들어진 공기 양극으로 이루어진다. 이때, 공기 양극을 이루는 다공성 물질은 주로 탄소 기반의 구조체를 사용하는 것으로 인식되어 왔다. 리튬이 산소와 결합할 때, 리튬은 산화리튬을 형성하고 에너지를 방출한다. 무거운 산화물 대신 공기를 전극으로 사용하는 것이므로 리튬 에어 전지의 양극은 리튬 이온 전지의 양극보다 훨씬 더 가볍고 이로 인하여 리튬-에어 전지는 더 높은 에너지 밀도를 갖게 된다.
재료연구학회에서 Au 및 그의 연구진이 동전 크기의 재충전이 가능한 리튬 에어 전지가 600 mAh/g의 에너지 밀도를 갖추고 있다는 사실을 증명했으며 이러한 에너지 밀도는 현재 100-150 mAh/g의 에너지 밀도를 나타내는 리튬 이온 전지보다 훨씬 더 높은 수준이다. 하지만, 리튬 에어 전지의 경우 아연 에어 전지에 비해 밀도가 높으나 순수 리튬을 사용하는 것의 위험성이 높다는 단점도 상존한다.
또한, 연료전지(fuel cell)는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전형 전지로서, 일반 배터리와 달리 외부로부터 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 여러 단계를 거치는 동안 효율의 손실이 발생하는 기존의 발전 방식과는 달리 바로 전기를 만들 수 있어서 내연기관보다 효율이 2배가량 높다.
연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 분류될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 수소 또는 메탄올 및 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생산 시스템으로서, 반응액체/가스가 공급되는 애노드와 캐소드가 있고 그 사이에 프로톤 전도막이 개재된 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)로 구성된다.
애노드에서는 촉매들이 수소나 메탄올을 산화해서 프로톤을 형성하고 이것들이 프로톤 전도막을 지난 후에 캐소드에서 촉매들에 의해서 산소와 반응하여 전기를 생산하게 된다. 이러한 구조의 연료전지에서는 촉매의 역할이 매우 중요하다.
현재 PEMFC의 경우에는 무정형 탄소 담체에 Pt 입자를 분산시킨 것을 애노드와 캐소드 양극 모두 사용하고 있으며 DMFC의 경우는 애노드에는 PtRu, 캐소드에서는 Pt을 금속 입자 자체로 사용하거나 무정형 탄소 담체에 분산되어 있는 것을 사용하고 있다.
촉매는 전체 연료전지 생산 비용 중에서 많은 부분을 차지하게 되어서 연료전지의 대량생산 및 상업화에 매우 중요 영향을 미친다. 따라서 적은 양을 사용하면서 높은 활성을 내는 촉매의 개발에 대한 필요성이 점차 높아지고 있다.
이에 의거하여, 본 발명에 따른 전지(100)의 일례로 알루미늄을 사용한 메탈 에어 전지와 고분자전해질연료전지를 결합한 구성을 기본으로 하는 하이브리드 시스템이다.
도 1은 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지의 구성을 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)는, 하우징(110)과, 하우징(110)을 덮는 하우징 캡(111)과, 하우징(110) 내의 일면으로부터 타면을 향해 순차적으로 위치하는 메탈 에어 양극(120)과, KOH 전해질(130)과, 메탈 에어 음극(140)과, 절연막(150)과, 연료 전지 음극(160)과, 연료 전지 양극(170)을 포함하되, 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 연료 전지 음극(160)으로 이송하는 유통로(180)를 더 포함한다.
여기서, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)는, 유통로(180)의 일 부위에는 오염 물질을 여과하고, 수소 가스의 역류를 방지하는 여과 필터부(181)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)에서, 메탈 에어 음극(140)은 알루미늄 분말, 알루미늄 호일 및 알루미늄 패널 중 어느 하나로 이루어지며, 이러한 알루미늄 분말, 알루미늄 호일 또는 알루미늄 패널의 입자 크기는 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.
알루미늄 분말, 알루미늄 호일 또는 알루미튬 패널과 같은 알루미늄 입자의 입도 분포가 50㎛ 이하일 경우에는 전해질과 접속하는 면적이 증가하여 반응 속도가 빠르게 진행되며, 200㎛ 이상일 경우에는 전해질과 접촉면적이 감소하여 반응속도가 느리게 진행되어 목표로 하는 수소 발생량의 제어가 어렵게 되기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)에서, KOH 전해질(130)의 농도는 30몰% ~ 38몰%이다.
이러한 KOH 전해질(130)의 농도가 30몰% 이하일 경우 이온전도도가 줄어들며, 수소발생반응이 우세하게된다. 또한, KOH 전해질(130)의 농도가 38몰% 이상일 경우 이온전도도가 높아지는 반면 물질전달저항이 증가하게 되어 내부저항이 증가하는 현상이 발생하게 된다. 따라서, KOH 전해질(130)의 농도는 30몰% ~ 38몰%인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)에서, 메탈 에어 양극(120)은 망간산화물(MnO2) 또는 페로브스카이트(Perovskite) 화합물을 포함한다.
여기서, 페로브스카이트(Perovskite) 화합물은 La, Sr, Co, Ni, Mn, Ba 등인 것이 바람직하다.
또한, 절연막((150)은 PP(폴리프로필렌), PE(폴리에틸렌), PP/PE 이중코팅막, PS(폴리스타일렌) 중 어느 하나인 폴리머 중합체로 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지(100)에서, 연료 전지 음극(160) 또는 연료 전지 양극(170)은 카본(Carbon) 또는 비백금 촉매로 이루어진다. 여기서, 비백금 촉매는 Ni, Co, Au 등인 것이 바람직하다.
이러한 연료 전지 음극(160) 또는 연료 전지 양극(170)은 카본과 비백금 촉매로 구성된 전극과 가스를 확산시킬 수 있는 확산층, 연료를 공급할 수 있는 연료 공급 유로를 포함할 수 있다.
한편, 연료 전지 양극(170)은 별도의 유로를 포함하지 않고 공기 중에 개방된 상태로 반응하는 구조를 가진다.
다음으로, 도 2는 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 장기 구동 배터리 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 장기 구동 배터리 시스템(1000)은 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 전지 모듈(100')과, 상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 포집하여 공급하는 수소 가스 포집 및 공급 모듈(200)과, 전력 컨버팅 모듈과, 직렬 회로 구성 모듈과, 센싱 모듈과, 입출력 모듈들을 제어하는 제어 모듈(300)을 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 장기 구동 배터리 시스템(1000)은 회로 구성에 있어서, 전력 컨버팅 모듈과, 직렬 회로 구성 모듈과, 센싱 모듈과 입출력 모듈을 포함하여, 이러한 시스템의 안정성을 향상시키기 위한 제어 모듈을 포함하고 있다.
앞서 상술한 바와 같이 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 전지 모듈(100)'은 하우징(110)과, 하우징(110)을 덮는 하우징 캡(111)과, 하우징(110) 내의 일면으로부터 타면을 향해 순차적으로 위치하는 메탈 에어 양극(120)과, KOH 전해질(130)과, 메탈 에어 음극(140)과, 절연막(150)과, 연료 전지 음극(160)과, 연료 전지 양극(170)을 포함하되, 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 연료 전지 음극(160)으로 이송하는 유통로(180)를 더 포함하는 전지로 구성되어 있다.
수소가스포집 및 공급 모듈(200)은 전지 모듈(100')에서 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 연료 전지 음극(160)으로 이송시 발생하는 초과 수소 가스를 포집하여 저장하고 있다가 적절한 시기에 공급하는 역할을 수행한다.
한편, 제어 모듈(300)은 전력 컨버팅 모듈과, 직렬 회로 구성 모듈과, 센싱 모듈과, 입출력 모듈들을 제어한다.
본 시스템(1000)에서는, 수소 가스를 연료전지 연료극으로 이송하여 연료전지를 구동한다. 초기 시동시에는 배터리에서 전원을 공급하고, 수소연료가 공급되어 연료전지가 활성화된 후로는 연료전지에서도 전원을 공급함으로써 배터리의 출력밀도를 높이고 전원의 연속구동 시간을 증가시키게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 장기 구동 배터리 시스템(1000)은 수소 카트리지가 없어도 구동가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지
100' : 전지 모듈
110 : 하우징
111 : 하우징 캡
120 : 메탈 에어 양극
130 : KOH 전해질
140 : 메탈 에어 음극
150 : 절연막
160 : 연료 전지 음극
170 : 연료 전지 양극
180 : 유통로
181 : 여과 필터기
200 : 수소가스포집 및 공급 모듈
300 : 제어 모듈

Claims (9)

  1. 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지로서,
    하우징(110)과,
    상기 하우징(110)을 덮는 하우징 캡(111)과,
    상기 하우징(110) 내의 일면으로부터 타면을 향해 순차적으로 위치하는 메탈 에어 양극(120)과, KOH 전해질(130)과, 메탈 에어 음극(140)과, 절연막(150)과, 연료 전지 음극(160)과, 연료 전지 양극(170) 및,
    상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 상기 연료 전지 음극(160)으로 이송하는 유통로(180)를 포함하되,
    상기 메탈 에어 음극(140)은 알루미늄 분말, 알루미늄 호일 및 알루미늄 패널 중 어느 하나이고,
    상기 알루미늄 분말, 상기 알루미늄 호일 또는 상기 알루미늄 패널의 입자 크기는 50㎛ ~ 200㎛이고,
    상기 KOH 전해질의 농도는 30몰% ~ 38몰%인 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유통로(180)의 일 부위에는 오염 물질을 여과하고, 수소 가스의 역류를 방지하는 여과 필터부(181)를 더 포함하는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탈 에어 양극(120)은 망간산화물(MnO2) 또는 페로브스카이트(Perovskite) 화합물을 포함하는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연막(150)은 PP(폴리프로필렌), PE(폴리에틸렌), PP/PE 이중코팅막, PS(폴리스타일렌) 중 어느 하나인 폴리머 중합체로 이루어지는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 음극(160) 또는 상기 연료 전지 양극(170)은 카본(Carbon) 또는 비백금 촉매로 이루어지는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지.
  9. 제 1 항 , 제 2 항 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항으로 이루어지는 전지(100)를 갖는 전지 모듈(100')과,
    상기 메탈 에어 음극(140)으로부터 배출되는 수소 가스를 포집하여 공급하는 수소 가스 포집 및 공급 모듈(200)과,
    전력 컨버팅 모듈과, 직렬 회로 구성 모듈과, 센싱 모듈과, 입출력 모듈들을 제어하는 제어 모듈(300)을 포함하는 메탈 에어 전지 및 연료 전지를 결합한 전지를 이용한 장기 구동 배터리 시스템.
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