KR101849090B1 - 금속 공기 전지 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것으로, 전해질 내에서 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 복수개의 음극 케이싱; 음극 케이싱과의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간을 형성시킬 수 있도록, 그 음극 케이싱을 감싸는 형태로 배치되고, 음극 케이싱과는 극성이 다른 단자가 접속되는 양극 케이싱; 전해질이 유입되는 유입구와 그 전해질이 배출되는 배출구를 각각 구비하고, 복수개의 음극 케이싱이 내부에 구비된 양극 케이싱을 각각 수용할 수 있도록 복수개의 수용공간을 구비한 하우징; 및 금속볼과 전해질 내의 산소와의 반응에 의해 변화되는 음극 케이싱의 무게에 따라 금속볼의 추가 공급 여부를 판단할 수 있도록, 음극 케이싱과 양극 케이싱 사이에 배치되어 음극 케이싱에 수용된 금속볼의 무게와 수위 중 적어도 어느 하나를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 금속 공기 전지 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속간의 반응 효율이 낮아지는 것을 방지하지 위해, 산소와의 반응에 의해 그 중량 및 크기가 줄어드는 금속불이 수용된 음극 케이스의 무게를 측정하거나, 음극 케이스에 수용된 금속볼의 수위를 측정할 수 있도록, 구조가 개선된 금속 공기 전지 유닛에 관한 것이다.
최근에 자연을 보존하고자 하는 환경정책과 그린 에너지 정책에 부합하여 매연이 발생되지 않는 전기자동차, 모터바이크, 전기버스 등이 화제가 되고 있는 실정이다.
금속 공기 전지 유닛은 전해질 내에서 아연과 공기 중의 산소가 반응하여 생성되는 전자를 집전하여 전기를 생성하는 것으로, 근자에 연료에서 생성되는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 전통적인 연료전지를 대체하는 연료 전지로서 개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.
상기 금속 공기 전지 유닛은 전자 생성을 위한 반응계의 구조가 간소하여 경량화 및 전력소비 절감을 통해 고용량 배터리의 구현을 통해 사용효율을 높이고자 하는 전기자동차의 개발추세에 부합하는 것으로 부각되고 있다.
이러한 금속 공기 전지 유닛의 일례인 아연-공기 전지 유닛이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 아연 공기 전지 유닛은 미국등록특허 US 6,153,328호에 개시된 기술로서, 복수의 반응셀이 나란하게 배열되어 있는 수평형 스택 구조가 채택되었다.
이러한 금속 공기 전지 유닛은, 애노드 전극 측에서 집전된 전자가 캐소드 전극으로 이동하면서 전류를 발생시키고, 발생된 전류를 배터리에 저장되게 한다. 여기서, 금속 공기 전지 유닛은, 애노드 측과 캐소드측에서 아래와 같은 반응에 의해 전기의 생성을 가능하게 한다.
애노드측: Zn+2OH- ===> ZnO+H₂O+2e-
캐소드측: ½O₂+ H₂O +2e- ===> 2OH-
이러한 종래기술에 의한 금속 공기 전지 유닛은, 공기 중의 산소가 캐소드 측에 공급되어야 하는데, 이러한 산소의 유입은 공기를 막 투과 방식으로 상기 캐소드 측에 투과시킴으로써 산소와 금속 간의 반응을 가능하게 한다.
그러나, 이러한 방식에 의하면 산소가 상기 캐소드를 형성하는 하우징의 표면을 경유하여 상기 금속과 반응을 하도록 되어 있기 때문에, 산소와 금속간의 반응효율이 낮아 결국 전기 생성 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래 금속 공기 전지 유닛은 금속볼이 산소와 반응하여 그 중량이나 크기가 줄어들기 때문에 이를 임계량 이상의 금속볼이 유지되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 음극 케이싱에 수용되는 금속볼의 중량 또는 수위를 검지할 수 있는 금속 공기 전지 유닛을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛은, 전해질 내에서 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 복수개의 음극 케이싱; 상기 음극 케이싱과의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간을 형성시킬 수 있도록, 그 음극 케이싱을 감싸는 형태로 배치되고, 상기 음극 케이싱과는 극성이 다른 단자가 접속되는 양극 케이싱; 상기 전해질이 유입되는 유입구와 그 전해질이 배출되는 배출구를 각각 구비하고, 상기 복수개의 음극 케이싱이 내부에 구비된 양극 케이싱을 각각 수용할 수 있도록 복수개의 수용공간을 구비한 하우징; 및 상기 금속볼과 전해질 내의 산소와의 반응에 의해 변화되는 상기 음극 케이싱의 무게에 따라 금속볼의 추가 공급 여부를 판단할 수 있도록, 상기 음극 케이싱과 양극 케이싱 사이에 배치되어 상기 음극 케이싱에 수용된 금속볼의 무게와 수위 중 적어도 어느 하나를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 채용된 상기 측정 유닛은, 상기 음극 케이싱의 하단부와 상기 양극 케이싱의 하단부 사이에 배치되어, 상기 음극 케이싱의 무게를 측정하기 위한 로드셀;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극 케이싱의 하단부와 상기 양극 케이싱의 하단부 사이에 절연을 위해 마련되고, 상기 로드셀이 안착될 수 있는 설치홈이 형성되어 있는 하측 스페이서;를 더 포함하여 이루어지고, 상기 음극 케이싱은, 상기 하측 스페이서의 설치홈에 상기 로드셀이 배치된 상태에서 그 설치홈에 삽입되는 돌출보스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 음극 케이싱의 외측면과 상기 양극 케이싱의 내측면 사이에 절연을 위해 마련되고, 광센서의 광조사부가 설치되는 적어도 하나의 제1스페이서; 및 상기 음극 케이싱의 중심을 기준으로 하여 상기 제1스페이서와 대칭인 위치에 마련되고, 상기 광센서의 광검출부가 설치되는 적어도 하나의 제2스페이서;를 포함하여 이루어지고, 상기 음극 케이싱은, 상기 광센서의 기능이 발휘될 수 있도록, 상기 광조사부에 의해 조사되는 빛이 상기 광검출부에 도달할 수 있게 하는 광 투과공을 포함하여 이루어질 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속볼을 수용하는 음극 케이싱를 감싸는 형태로 양극 케이싱이 형성되고, 음극 케이싱와 양극 케이싱 사이에 음극 케이싱의 무게를 측정할 수 있는 측정 유닛이 배치되는 구조를 가짐으로써, 간편한 구조를 가지면서도 금속볼의 교체 시기를 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 케이싱이 음극 케이싱을 감싸는 구조를 가지고, 양극 케이싱과 음극 케이싱 사이에 로드셀이 설치되는 구조를 가짐으로써, 간단한 구조로도 금속볼의 교체시기를 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 분리 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 결합 사시도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 음극 케이스와 양극 케이스의 결합 구조를 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 채용된 로드셀의 설치구조를 설명하기 위한 확대도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 채용된 광센서 수단을 설명하기 위한 확대도를 포함하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 분리 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 결합 사시도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 음극 케이스와 양극 케이스의 결합 구조를 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 채용된 로드셀의 설치구조를 설명하기 위한 확대도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 채용된 광센서 수단을 설명하기 위한 확대도를 포함하는 단면도이다.
이하, 하기에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛에 대하여 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛의 결합 사시도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 음극 케이스와 양극 케이스의 결합 구조를 나타낸 참고도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 채용된 로드셀의 설치구조를 설명하기 위한 확대도. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 채용된 광센서 수단을 설명하기 위한 확대도를 포함하는 단면도이다.
상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 유닛은 음극 케이싱(100), 양극 케이싱(200), 하우징(300) 및 측정 유닛을 포함하여 이루어진다.
음극 케이싱(100)은 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 전해질 내에서 산소와 반응하는 금속볼이 수용된다. 본 발명의 일 실시예에 채용된 음극 케이싱(100)은 전해질 내에서 산소와 반응하는 금속볼이 수용된다.
이러한, 음극 케이싱(100)는 전지의 음극 역할을 하는 것으로 예컨대 볼(ball) 형태의 아연과 같은 금속볼이 채워지는 것이 바람직하다. 즉, 음극 케이싱(100)는 복수의 금속볼들이 내부에 채워진 후 빠져 나가지 못하도록 포켓(케이싱) 형상으로 이루어지고, 외부에서 수용공간 측으로 산소 및 전해질의 유입이 가능하도록 복수의 구멍들이 형성될 수도 있으나, 이를 한정하는 것은 아니다.
한편, 음극 케이싱(100)의 일부를 집전체 역할을 하도록 구성하는 것도 가능하고, 음극 케이싱(100)의 수용공간에 그 음극 케이싱(100)와 동일한 재질의 집전체(미도시)가 마련되게 하는 것도 가능하다. 여기서 상기 집전체는, 음극 케이싱(100) 내부에 그 음극 케이싱(100)와 통전 가능하게 배치됨으로써, 전해질 내에서의 아연볼과 산소 간의 반응에 의해 발생되는 전자를 집전하게 된다.
음극 케이싱(100)와 집전체는, 각각 집전이 가능하도록 구리, 황동, 청동, 니켈 등 전도성 재질로 이루어지고, 내식성 및 전자 집전 능력을 향상시키기 위해, 금, 은, 백금 등 도금 처리되는 것이 바람직하다.
그리고, 양극 케이싱(200)은 음극 케이싱(100)과의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간을 형성시킬 수 있도록, 그 음극 케이싱(100)을 감싸는 형태로 배치되고, 상기 음극 케이싱(100)과는 극성이 다른 단자가 접속된다.
또한, 하우징(300)은 전해질이 유입되는 유입구와 그 전해질이 배출되는 배출구를 각각 구비하고, 복수개의 음극 케이싱(100)이 내부에 구비된 양극 케이싱(200)을 각각 수용할 수 있도록 복수개의 수용공간을 구비한다. 하우징(300)은 음극 케이싱(100) 및 양극 케이싱(200)과 달리 절연체인 것이 바람직하다.
한편, 측정 유닛은 금속볼과 전해질 내의 산소와의 반응에 의해 변화되는 상기 음극 케이싱(100)의 무게에 따라 금속볼의 추가 공급 여부를 판단할 수 있도록, 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200) 사이에 배치되어 상기 음극 케이싱(100)에 수용된 금속볼의 무게와 수위 중 적어도 어느 하나를 측정하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 무게 감지(510) 장치와 금속 연료 자동 주입 수단에 연결될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속볼을 수용하는 음극 케이싱을 감싸는 형태로 양극 케이싱이 형성되고, 음극 케이싱와 양극 케이싱 사이에 음극 케이싱의 무게를 측정할 수 있는 측정 유닛이 배치되는 구조를 가짐으로써, 간편한 구조를 가지면서도 금속볼의 교체 시기를 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 상기 측정 유닛은 로드셀(500)로 이루어지는 것이 바람직하며, 음극 케이싱(100)의 하단부와 양극 케이싱(200)의 하단부 사이에 배치되어, 금속볼이 수용된 음극 케이싱(100)의 무게를 측정한다. 본 발명의 일 실시예에 채용된 로드셀(500)은 원통 형상으로 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 이는 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200)의 하부에 외부 전해질 연결관을 연결하기 위한 구멍이 존재할 경우, 이에 대응되도록 로드셀(500) 또한 환형으로 형성되는 것이 바람직하나 이를 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 양극 케이싱(200)이 음극 케이싱(100)을 감싸는 구조를 가지고, 양극 케이싱(200)과 음극 케이싱(100) 사이에 로드셀(500)이 설치되는 구조를 가짐으로써, 간단한 구조로도 금속볼의 교체시기를 확인할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200) 사이에 하측 스페이서(600)가 더 포함될 수 있다.
이와 같이, 하측 스페이서(600)는 절연체이면서 탄성을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이에, 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200) 사이에 하측 스페이서(600)가 더 구비됨으로써, 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200)이 직접적인 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 음극 케이싱(100)과 양극 케이싱(200) 사이에는 로드셀(500)과 스페이서(600)가 같이 구비되어도, 하측 스페이스(600)가 탄성을 가짐으로써, 로드셀(500)이 음극 케이싱(100)의 무게를 측정이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 음극 케이스와 양극 케이스의 결합 구조를 나타낸 참고도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 채용된 하측 스페이서(600)에는 설치홈(610)이 구비될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 채용된 하측 스페이서(600)의 설치홈(610)이 구비됨으로써, 로드셀(500)을 설치홈(610)에 안착시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 하측 스페이서(600)의 설치홈(610)에 로드셀(500)이 안착됨으로서 금속 공기 전지 유닛 조립 시, 로드셀(500)의 위치를 가이드할 필요 없이 하측 스페이서(600)의 설치홈(610)에 삽입함으로써, 로드셀(500)의 설치를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 채용된 하측 스페이서(600)에 대응되어, 음극 케이싱(100)에는 상기 하측 스페이서(600)의 설치홈(610)에 상기 로드셀(500)이 배치된 상태에서 그 설치홈(610)에 삽입되는 돌출보스(110)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이와 같이, 음극 케이싱(100)에 돌출보스(110)가 구비됨으로써 음극 케이싱(100)과 하측 스페이서(600)간의 조립을 용이하면서도, 음극 케이싱(100)의 무게를 로드셀(500)이 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 채용된 광센서 수단을 설명하기 위한 확대도를 포함하는 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 일 실시예에서의 구성인 음극 케이싱(100), 양극 케이싱(200), 하우징(300) 및 측정 유닛을 포함하되, 한 쌍의 스페이서(600) 및 광센서(700)를 더 포함한다.
이하 하기에서는 일 실시예에서의 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고, 추가 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
적어도 한 쌍의 스페이서(600) 중 제1스페이서에는 음극 케이싱(100)의 외측면과 상기 양극 케이싱(200)의 내측면 사이에 절연을 위해 마련되고, 광센서(700)의 광조사부가 설치된다.
그리고, 한 쌍의 스페이서(600) 중 제2스페이서에는 음극 케이싱(100)의 중심을 기준으로 하여 일측 스페이서(600)와 대칭인 위치에 마련되고, 광센서(700)의 광검출부가 설치된다.
또한, 음극 케이싱(100)은 광센서(700)의 기능이 발휘될 수 있도록, 상기 광조사부에 의해 조사되는 빛이 상기 광검출부에 도달할 수 있게 하는 광 투과공(120)을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 광센서(700)의 광조사부와 광검출부간에 통신을 통해 금속볼의 수위를 확인할 수 있게 됨에 따라, 금속볼의 교체 시기를 용이하게 검출할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광센서(700)가 이용됨에 따라 밀폐구조를 갖기 용이한 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 각 실시예에서는 로드셀(500)과 광센서(700)를 각각 설치한 것으로 설명하고 있으나, 로드셀(500)과 광센서(700)을 모두 채용할 수도 있다.
이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.
100 : 음극 케이싱 200 : 양극 케이싱
300 : 하우징 500 : 로드셀
600 : 스페이서 700 : 광센서
300 : 하우징 500 : 로드셀
600 : 스페이서 700 : 광센서
Claims (4)
- 전해질 내에서 산소와 반응하는 금속볼이 수용되는 복수개의 음극 케이싱;
상기 음극 케이싱과의 사이에 전해질이 수용될 수 있는 공간을 형성시킬 수 있도록, 그 음극 케이싱을 감싸는 형태로 배치되고, 상기 음극 케이싱과는 극성이 다른 단자가 접속되는 양극 케이싱;
상기 전해질이 유입되는 유입구와 그 전해질이 배출되는 배출구를 각각 구비하고, 상기 복수개의 음극 케이싱이 내부에 구비된 양극 케이싱을 각각 수용할 수 있도록 복수개의 수용공간을 구비한 하우징; 및
상기 금속볼과 전해질 내의 산소와의 반응에 의해 변화되는 상기 음극 케이싱의 무게에 따라 금속볼의 추가 공급 여부를 판단할 수 있도록, 상기 음극 케이싱과 양극 케이싱 사이에 배치되어 상기 음극 케이싱에 수용된 금속볼의 무게와 수위 중 적어도 어느 하나를 측정하기 위한 측정 유닛;을 포함하여 이루어지고,
상기 측정 유닛은, 상기 음극 케이싱의 하단부와 상기 양극 케이싱의 하단부 사이에 배치되어, 상기 음극 케이싱의 무게를 측정하기 위한 로드셀;을 포함하여 이루어지며,
상기 음극 케이싱의 하단부와 상기 양극 케이싱의 하단부 사이에 절연을 위해 마련되고, 상기 음극 케이싱과 양극 케이싱의 직접적인 접촉을 방지하고, 상기 로드셀이 안착될 수 있는 설치홈이 형성되어 있는 하측 스페이서;를 더 포함하여 이루어지고,
상기 음극 케이싱의 외측면과 상기 양극 케이싱의 내측면 사이에 절연을 위해 마련되고, 광센서의 광조사부가 설치되는 적어도 하나의 제1스페이서; 및
상기 음극 케이싱의 중심을 기준으로 하여 상기 제1스페이서와 대칭인 위치에 마련되고, 상기 광센서의 광검출부가 설치되는 적어도 하나의 제2스페이서;를 포함하여 이루어지고,
상기 음극 케이싱은, 상기 광센서의 기능이 발휘될 수 있도록, 상기 광조사부에 의해 조사되는 빛이 상기 광검출부에 도달할 수 있게 하는 광 투과공을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지 유닛. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 음극 케이싱은, 상기 하측 스페이서의 설치홈에 상기 로드셀이 배치된 상태에서 그 설치홈에 삽입되는 돌출보스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 전지 유닛. - 삭제
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