KR20210091417A - An electrode for metal air fuel cell and the metal air fuel cell including the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrode for a metal air fuel cell and a metal air fuel cell including the same. The metal air fuel cell has an electrode including a plurality of holes filled with mixed powder of magnesium and aluminum to enable generation of a continuous voltage according to penetration of electrolyte, thereby increasing energy density, a charging capacity, etc.

Description

금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지{An electrode for metal air fuel cell and the metal air fuel cell including the same}An electrode for metal air fuel cell and the metal air fuel cell including the same

본 발명은 금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지 에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a metal-air fuel cell and a metal-air fuel cell including the same.

금속공기 연료전지는 금속을 음극 활물질로 하고 공기를 양극 활물질로 하는 신개념의 전지로서 매우 높은 전기적 퍼텐셜을 갖고 있다. 또한, 다른 수소 연료전지와 달리 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서 값싼 전해질을 매질로 사용하기 때문에 제작비가 저렴하고 환경적으로 깨끗하며, 유해가스의 발생이 없는 청정 에너지원으로 알려져 있다. 금속공기 연료전지의 성능은 공기극(양극)의 에너지밀도 및 금속극(음극)과 전해질의 반응특성에 따라서 크게 영향을 받게 되므로, 음극의 금속종류와 전해질과의 상관관계를 고려한 금속재료들이 사용되고 있다(도 1 참조).A metal-air fuel cell is a new concept battery that uses metal as an anode active material and air as a cathode active material, and has a very high electrical potential. In addition, unlike other hydrogen fuel cells, since they use a cheap electrolyte as a medium without using a noble metal catalyst, they are known as a clean energy source that is inexpensive, environmentally clean, and does not generate harmful gases. Since the performance of a metal-air fuel cell is greatly affected by the energy density of the cathode (anode) and the reaction characteristics between the metal electrode (cathode) and the electrolyte, metal materials that consider the correlation between the metal type of the anode and the electrolyte are used. (See Fig. 1).

특히, 알루미늄-공기연료전지, 마그네슘-공기연료전지, 아연-공기연료전지는 에너지밀도가 높아 고용량 전지 제조가 가능하고, 반응물질인 알루미늄, 마그네슘 및 아연과 전해질 용액인 수산화나트륨용액, 소금물, 및 수산화칼륨용액은 가격이 저렴하고, 친환경적인 장점이 있어서 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등을 위한 대룡량 전지로 사용 가능할 것으로 예상되고 있다.In particular, aluminum-air fuel cells, magnesium-air fuel cells, and zinc-air fuel cells have high energy densities, so high-capacity batteries can be manufactured. Potassium hydroxide solution is expected to be usable as a Daeryongyang battery for electric vehicles and energy storage systems because of its low price and eco-friendly advantages.

한편, 종래의 금속공기 연료전지는 금속 음극이 알루미늄, 아연 또는 마그네슘 등과 같은 활성 금속 또는 그 분말 등으로 단순히 판형이나 블록형태로 성형되어 이루어짐에 따라 금속음극의 반응 면적이 협소하여 전지의 에너지밀도나 충전 용량 등의 효율이 저하되는 문제가 있었다.On the other hand, in the conventional metal-air fuel cell, as the metal anode is simply formed into a plate or block shape with an active metal such as aluminum, zinc or magnesium, or a powder thereof, the reaction area of the metal anode is narrow, so that the energy density of the battery is reduced. There was a problem in that efficiency such as charging capacity was lowered.

대한민국 공개특허 2015-0139260Republic of Korea Patent Publication 2015-0139260

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속공기 연료전지의 에너지밀도, 충전용량 등을 향상시킬 수 있는 금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide an electrode for a metal-air fuel cell capable of improving the energy density, charging capacity, etc. of the metal-air fuel cell, and a metal-air fuel cell including the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,

본 발명의 일 실시예서,In one embodiment of the present invention,

금속공기 연료전지용 전극으로서,An electrode for a metal-air fuel cell, comprising:

상기 전극은, 다수의 홀이 형성된 금속 플레이트를 포함하며,The electrode includes a metal plate in which a plurality of holes are formed,

상기 다수의 홀은, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 혼합분말이 충전 되어 있는 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극을 제공한다.The plurality of holes provides an electrode for a metal-air fuel cell, characterized in that the mixed powder of magnesium (Mg), aluminum (Al) and zinc (Zn) is filled.

또한, 본 발명의 일 실시예서,In addition, in one embodiment of the present invention,

상기 전극을 포함하는 금속공기 연료전지를 제공한다.It provides a metal-air fuel cell including the electrode.

본 발명에 따른 금속공기 연료전지용 전극은, 1종 또는 2종 이상의 금속 소재를 포함하는 금속 플레이트에 형성된 다수의 홀에 마그네슘, 알루미늄 및 아연의 혼합분말이 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.The electrode for a metal-air fuel cell according to the present invention is characterized in that a mixed powder of magnesium, aluminum and zinc is filled in a plurality of holes formed in a metal plate including one or more metal materials.

이러한 경우, 금속 공기 전지 가동시 전해액이 상기 혼합분말 내부로 침투되면서 전압이 연속적으로 발생 가능하게 하며, 이에 따라 금속공기 연료전지의 금속 전극의 효율적인 운용 및 지속 반응의 균일성 등을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In this case, it is possible to continuously generate a voltage as the electrolyte penetrates into the mixed powder during operation of the metal-air battery, thereby improving the efficient operation of the metal electrode of the metal-air fuel cell and the uniformity of the continuous reaction. There is an advantage.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지의 모식도이다.1 is a schematic diagram of an electrode for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a cross-section of an electrode for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네슘 및 알루미늄의 혼합분말이 충전되는 다수의 홀을 포함하는 금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a metal-air fuel cell and a metal-air fuel cell including the same, and more particularly, to an electrode for a metal-air fuel cell including a plurality of holes filled with a mixed powder of magnesium and aluminum, and metal-air including the same It is about fuel cells.

보다 구체적으로, 본 발명은 일 실시예에서, More specifically, the present invention in one embodiment,

금속공기 연료전지용 전극으로서,An electrode for a metal-air fuel cell, comprising:

상기 전극은, 다수의 홀이 형성된 금속 플레이트를 포함하며,The electrode includes a metal plate in which a plurality of holes are formed,

상기 다수의 홀은, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 혼합분말이 충전 되어 있는 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극을 제공한다.The plurality of holes provides an electrode for a metal-air fuel cell, characterized in that the mixed powder of magnesium (Mg), aluminum (Al) and zinc (Zn) is filled.

본 발명에서, "금속공기 연료전지용 전극" 이란, 금속공기 연료전지용 음극(금속극)을 의미할 수 있다. 상기 금속공기 연료전지용 음극은 금속으로 이루어지며, 음극(금속극)과 양극(공기극) 사이에서 산화환원반응이 일어나 음극에 집전된 전자가 양극으로 이동하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.In the present invention, "electrode for a metal-air fuel cell" may mean a negative electrode (metal electrode) for a metal-air fuel cell. The anode for a metal-air fuel cell is made of metal, and an oxidation-reduction reaction occurs between the cathode (metal electrode) and the anode (air electrode) so that the electrons collected in the cathode move to the anode to generate electrical energy.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, various It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극의 모식도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극의 단면을 나타내는 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지의 모식도이다.1 is a schematic diagram of an electrode for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a cross-section of an electrode for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention It is a schematic diagram of a metal-air fuel cell according to

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 금속공기 연료전지를 상세히 설명한다.Hereinafter, an electrode for a metal-air fuel cell and a metal-air fuel cell including the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3 .

도 1 및 도 2에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극(100)은 다수의 홀(111)이 형성된 금속 플레이트(110)를 포함하며, 상기 다수의 홀(111)은, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 혼합분말이 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.1 and 2, the electrode 100 for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a metal plate 110 having a plurality of holes 111 formed therein, and the plurality of holes ( 111) is characterized in that it is filled with a mixed powder of magnesium (Mg), aluminum (Al) and zinc (Zn).

먼저, 전극(100) 의 몸체를 이루는 금속 플레이트(110)는 산화·환원반응이 일어났을 때, 전자가 집전되는 곳으로, 금속으로 형성될 수 있으며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Ma), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 알루미늄과 아연 또는 마그네슘과 아연의 합금으로 이루어질 수 있다.First, the metal plate 110 constituting the body of the electrode 100 is a place where electrons are collected when an oxidation/reduction reaction occurs, and may be formed of a metal, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Ma), aluminum (Al), and may be made of one or more metals selected from the group consisting of zinc (Zn). For example, it may be made of an alloy of aluminum and zinc or magnesium and zinc.

특히, 금속공기 연료전지에서 음극(100)(금속극)은 그 자체가 에너지원으로 작용하기 때문에, 음극(100)으로 사용될 금속을 선택하는 것은 매우 중요하다. 이론적으로 알루미늄(Al)이나 마그네슘(Mg)은 수소에 비해 높은 유도전류 용량, 높은 비에너지 및 높은 음의 표준전극전위를 갖기 때문에, 금속공기 연료전지의 음극(100)으로 알루미늄이나 마그네슘을 사용할 수 있다.In particular, in the metal-air fuel cell, since the negative electrode 100 (metal electrode) itself acts as an energy source, it is very important to select a metal to be used as the negative electrode 100 . Theoretically, aluminum or magnesium cannot be used as the cathode 100 of a metal-air fuel cell because aluminum (Al) or magnesium (Mg) has higher induced current capacity, higher specific energy, and higher negative standard electrode potential than hydrogen. there is.

다만, 실제 사용에 있어서, 알루미늄 또는 마그네슘 전극의 음 전위는 알루미늄 또는 마그네슘 상에 형성되는 패시브 층(passive layer) 으로 인해 화학반응이 일어나는 표면적이 작고 불순물에 의한 자체 부식이 일어나기 쉽다.However, in actual use, the negative potential of the aluminum or magnesium electrode has a small surface area on which a chemical reaction occurs due to a passive layer formed on the aluminum or magnesium, and self-corrosion by impurities is easy to occur.

따라서, 상기 알루미늄 또는 마그네슘 전극의 특성을 개선하기 위해서는 순(pure) 알루미늄 또는 마그네슘에 아연과 같은 금속 원소가 도핑된 합금을 음극(100)으로 사용할 수 있다. 이러한 합금으로 이루어진 전극(100)을 금속공기 연료전지의 음극(100)으로 사용할 경우에는 다른 종류의 음극(100)을 사용한 금속공기 연료전지에 비해 음극(100)과 양극 간 산화환원반응이 크게 활성화될 수 있어, 금속공기 연료전지가 비교적 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있고, 부식 저항(corrosion resistance)이 커져 음극(100)에서 발생하는 자체부식이 크게 감소될 수 있다.Accordingly, in order to improve the characteristics of the aluminum or magnesium electrode, an alloy in which pure aluminum or magnesium is doped with a metal element such as zinc may be used as the negative electrode 100 . When the electrode 100 made of such an alloy is used as the negative electrode 100 of the metal-air fuel cell, the oxidation-reduction reaction between the negative electrode 100 and the positive electrode is significantly activated compared to the metal-air fuel cell using another type of negative electrode 100 . Therefore, the metal-air fuel cell may have a relatively high energy conversion efficiency, and corrosion resistance may be increased, so that self-corrosion occurring in the anode 100 may be greatly reduced.

아울러, 상기 금속 플레이트(110)의 평균두께는 평균 5 내지 40 mm 범위일 수 있으며, 평균 7 내지 30 mm 두께, 평균 9 내지 20 mm 두께 또는 평균 10 mm 두께일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 만일 금속 플레이트(110)의 평균 두께가 5 mm 미만인 경우, 전자를 집전하기 위한 금속 플레이트(110)의 두께가 너무 얇아 전자를 용이하게 집전하지 못할 뿐만 아니라 강도가 저하될 수 있다. 아울러, 상기 금속 플레이트(110)의 두께가 40 mm를 초과하는 경우, 금속 플레이트와 전해질 간의 반응이 진행되는 과정에서 발생되는 산화물에 의해 일정 반응 시간이 진행된 후에는 발생된 산화물의 증가에 따라 금속 플레이트와 전해질 간의 반응속도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 금속 플레이트(110)의 두께 범위가 바람직하다.In addition, the average thickness of the metal plate 110 may range from an average of 5 to 40 mm, an average thickness of 7 to 30 mm, an average thickness of 9 to 20 mm, or an average thickness of 10 mm. However, the present invention is not limited thereto. If the average thickness of the metal plate 110 is less than 5 mm, the thickness of the metal plate 110 for collecting electrons is too thin to not easily collect electrons, and strength may be reduced. In addition, when the thickness of the metal plate 110 exceeds 40 mm, the metal plate according to the increase of the generated oxide after a certain reaction time is progressed by the oxide generated in the course of the reaction between the metal plate and the electrolyte proceeds. There may be a problem in that the reaction rate between the electrolyte and the electrolyte is lowered. Therefore, the thickness range of the above-described metal plate 110 is preferable.

한편, 금속 플레이트(110)의 두께는 축방향을 중심으로, 일측(a)에서 타측(b) 으로 갈수록 금속 플레이트(110)의 두께가 점진적으로 줄어들도록 형성될 수 있다. 여기서, 일측(a) 이라 함은 금속 플레이트(110)의 상부를 의미할 수 있으며, 타측(b) 이라 함은 상기 금속 플레이트(110)의 상부의 반대편인 하부를 의미할 수 있다. 즉, 금속 플레이트(110)의 두께는 상부에서 하부로 갈수록 점진적으로 얇아지도록 형성될 수 있다.Meanwhile, the thickness of the metal plate 110 may be formed such that the thickness of the metal plate 110 gradually decreases from one side (a) to the other side (b) in the axial direction. Here, one side (a) may mean an upper portion of the metal plate 110 , and the other side (b) may mean a lower portion opposite to the upper portion of the metal plate 110 . That is, the thickness of the metal plate 110 may be formed to gradually decrease from the top to the bottom.

예를 들면, 금속 플레이트(110)의 일측의 두께(Ta) 및 타측의 두께(Tb) 비율(Ta:Tb) 은 1:0.8 내지 0.6일 수 있으며, 보다 구체적으로, 1:0.7의 비율일 수 있다. 이는 금속공기 연료전지의 지속적인 반응을 위한 것으로, 금속 플레이트와 전해질간의 반응시 발생되는 금속 산화물들의 양이 증가될수록 중력 방향으로 집적되어 침전될 수 있는 구조를 갖도록 한 이유일 수 있다. 한편, 금속 플레이트(110)의 타측(Tb) 의 두께가 일측의 두께(Ta) 대비 0.6 미만인 경우, 금속 플레이트와 전해질 사이의 반응 과정에서 금속 플레이트 하단부에서 얇은 두께의 금속 플레이트의 반응 속도가 증가할 수 있는 문제가 발생할 수 있으며, 타측(Tb) 의 두께가 일측의 두께(Ta) 대비 0.8을 초과하는 경우, 금속 플레이트와 전해질 사이에서 발생된 금속 산화물이 중력 방향으로 집적 및 침전되는 속도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, Ta:Tb 는 상술한 범위가 바람직하다.For example, the ratio (T a :T b ) of the thickness (T a ) of one side and the thickness (T b ) of the other side of the metal plate 110 may be 1:0.8 to 0.6, more specifically, 1:0.7 may be a ratio of This is for the continuous reaction of the metal-air fuel cell, and may be the reason for having a structure that can be accumulated and precipitated in the direction of gravity as the amount of metal oxides generated during the reaction between the metal plate and the electrolyte increases. On the other hand, the other side (T b) having a thickness of one side of the thickness (T a) preparation of 0.6 is less than the reaction rate of the metal plate and the thin-thick metal plate in the bottom metal plate in the course of the reaction between the electrolyte of the metal plate 110 and may cause problems that can be increased, the other side (T b) having a thickness of, if it exceeds 0.8 compared to the thickness (T a) of one side, the metal oxide occurs between the metal plate and the electrolyte are integrated and precipitate in the direction of gravity of the There may be problems with slowing down. Therefore, T a :T b is preferably in the above-mentioned range.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속공기 연료전지용 전극(100)의 금속 플레이트(110)는 다수의 홀(111)이 형성될 수 있다. 상기 홀(111)은 원기둥, 타원기둥 및 다각기둥 중 어느 하나의 형태일 수 있다. 상기 다각기둥은 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 칠각기둥, 팔각기둥 및 n 각 기둥으로(n은 9 내지 30 의 자연수) 등 일 수 있다. 예를 들면, 상기 홀(111)은 원기둥 형태로 금속 플레이트(110)에 형성될 수 있으며, 상기 홀(111)의 직경은 5 내지 30 mm 범위일 수 있으며, 구체적으로, 평균 6 내지 25 mm 범위, 평균 7 내지 20 mm 범위, 8 내지 15 mm 범위일 수 있으며, 또는 평균 10 mm 범위일 수 있다.A plurality of holes 111 may be formed in the metal plate 110 of the electrode 100 for a metal-air fuel cell according to an embodiment of the present invention. The hole 111 may have any one shape of a cylinder, an elliptical pillar, and a polygonal pillar. The polygonal prism may be a triangular prism, a quadrangular prism, a pentagonal prism, a hexagonal prism, a heptagonal prism, an octagonal prism, and an n prism (n is a natural number between 9 and 30). For example, the hole 111 may be formed in the metal plate 110 in a cylindrical shape, and the diameter of the hole 111 may be in the range of 5 to 30 mm, specifically, in the range of 6 to 25 mm on average. , in the range of 7 to 20 mm on average, in the range of 8 to 15 mm, or in the range of on average of 10 mm.

한편, 홀(111)의 직경이 5mm 미만인 경우에는, 금속 분말을 홀에 충전시키는 성형 과정에서 성형 시간이 오래 소요되어 제조 단가가 상승하는 문제가 발생할 수 있으며, 홀(111)의 직경이 30mm를 초과하는 경우에는, 사용되는 금속 혼합 분말의 사용량이 증가되어 제조 단가가 상승하는 문제가 발생할 수 있다.On the other hand, when the diameter of the hole 111 is less than 5 mm, the molding time is long in the molding process of filling the hole with the metal powder, which may cause a problem that the manufacturing cost increases, and the diameter of the hole 111 is 30 mm When it exceeds, the amount of the mixed metal powder used may be increased, which may cause a problem in that the manufacturing cost increases.

상기 홀(111)에는 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 혼합분말이 충전되어 있는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 상기 다수의 홀(111)에 마그네슘과 알루미늄, 아연 분말이 충전되어 있으므로, 전극(100)의 표면적을 증가시킬 수 있고, 전해액의 침투에 의하여 연속 전압의 발생이 가능하며, 이에 따라 금속공기 연료전지의 에너지 밀도, 충전용량 등을 향상시킬 수 있다.The hole 111 is characterized in that the mixed powder of magnesium (Mg), aluminum (Al) and zinc (Zn) is filled. More specifically, since the plurality of holes 111 are filled with magnesium, aluminum, and zinc powder, the surface area of the electrode 100 can be increased, and continuous voltage can be generated by the penetration of the electrolyte, thus It is possible to improve the energy density and charging capacity of metal-air fuel cells.

상기 다수의 홀(111)에 충전되는 혼합분말은 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 내지 180 중량부 및 아연 분말 40 내지 70 중량부를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 마그네슘 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 80 내지 120 중량부 및 아연분말 50 내지 60 중량부를 포함할 수 있다. 여기서, 중량비 및 중량부는 전체중량에 대한 중량비율을 의미할 수 있다. The mixed powder filled in the plurality of holes 111 may include 60 to 180 parts by weight of aluminum powder and 40 to 70 parts by weight of zinc powder based on 100 parts by weight of magnesium powder. More specifically, based on 100 parts by weight of magnesium, 80 to 120 parts by weight of aluminum and 50 to 60 parts by weight of zinc powder may be included. Here, the weight ratio and the weight part may mean a weight ratio with respect to the total weight.

한편, 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 중량부 미만인 경우에는 혼합 금속 분말과 전해질간의 반응 과정에서 혼합 금속 분말이 초기 에너지 발생 이후 아연의 느린 반응 속도에 의해 지속적인 에너지 생성 차이가 문제될 수 있으며, 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 180 중량부 초과하는 경우, 반응 초기에 마그네슘과 알루미늄의 반응이 급격하여 아연 분말이 느리게 반응을 하거나 비진행될 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 아울러, 아연분말이 40 중량부 미만인 경우, 마그네슘 분말이나 알루미늄 분말에 비해 아연 분말의 양이 적어 반응 초기에 마그네슘과 알루미늄의 반응이 급격하여 아연 분말이 느리게 반응을 하거나 비진행될 수 있는 문제가 발생할 수 있으며, 아연분말이 70 중량부를 초과하는 경우, 혼합 금속 분말과 전해질간의 반응 과정에서 혼합 금속 분말이 초기 에너지 발생 이후 아연의 느린 반응 속도에 의해 지속적인 에너지 생성 차이가 문제될 수 있다. 따라서, 상술한 혼합비율이 바람직하다.On the other hand, in the case of less than 60 parts by weight of aluminum powder based on 100 parts by weight of magnesium powder, the difference in energy generation may be a problem due to the slow reaction rate of zinc after the initial energy generation of the mixed metal powder in the reaction process between the mixed metal powder and the electrolyte. And, based on 100 parts by weight of the magnesium powder, when it exceeds 180 parts by weight of the aluminum powder, the reaction between magnesium and aluminum is rapid at the beginning of the reaction, so that the zinc powder may react slowly or may not proceed. In addition, when the zinc powder is less than 40 parts by weight, the amount of zinc powder is smaller than that of magnesium powder or aluminum powder, so the reaction between magnesium and aluminum is rapid at the beginning of the reaction, so that the zinc powder may react slowly or not proceed. In addition, when the zinc powder exceeds 70 parts by weight, the difference in energy generation may be a problem due to the slow reaction rate of zinc after the initial energy generation of the mixed metal powder in the reaction process between the mixed metal powder and the electrolyte. Therefore, the above-mentioned mixing ratio is preferable.

한편, 상기 다수의 홀(111)에 충전되는 마그네슘 분말과 알루미늄 분말, 아연 분말의 혼합비율은 상부에서 하부까지 구간별 상이하게 할 수 있으며, 금속 플레이트(110)의 축을 중심으로 일측(a) 보다 타측(b)에 위치한 다수의 홀(111)에 마그네슘 분말이 알루미늄 분말 및 아연 분말보다 많이 충전될 수 있다. 여기서, 일측(a)은 금속 플레이트(110)의 상부를 의미하며, 타측(b)은 금속 플레이트(110)의 하부를 의미할 수 있다. On the other hand, the mixing ratio of magnesium powder, aluminum powder, and zinc powder filled in the plurality of holes 111 may be different for each section from the upper part to the lower part, and from one side (a) to the axis of the metal plate 110 . Magnesium powder may be filled in more than aluminum powder and zinc powder in the plurality of holes 111 located on the other side (b). Here, one side (a) may mean an upper portion of the metal plate 110 , and the other side (b) may mean a lower portion of the metal plate 110 .

구체적으로, 금속 플레이트(110)의 일측(a)에 위치한 다수의 홀(111)에 충전되는 혼합분말의 비율은 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 130 내지 160 중량부 및 아연 분말 60 내지 70 중량부 범위일 수 있으며, 타측(b) 에 위치한 다수의 홀(111)에 충전되는 혼합분말의 비율은 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부 및 아연 분말 40 내지 75 중량부 범위일 수 있다.Specifically, the ratio of the mixed powder filled in the plurality of holes 111 located at one side (a) of the metal plate 110 is 130 to 160 parts by weight of aluminum powder and 60 to 70 parts by weight of zinc powder based on 100 parts by weight of magnesium powder. It may be in the range of parts by weight, and the ratio of the mixed powder to be filled in the plurality of holes 111 located on the other side (b) is 60 to 75 parts by weight of aluminum powder and 40 to 75 parts by weight of zinc powder based on 100 parts by weight of magnesium powder. can be a range.

보다 구체적으로, 금속 플레이트(110)가 길이 방향에 따라 3 등분으로 구간을 나눴을 때, 금속 플레이트(110)의 상부(1/3)에는 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말은 130 내지 160 중량부, 아연 분말 60 내지 70 중량부일 수 있으며, 중간부(1/3) 에는 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 100 내지 130 중량부일 수 있으며, 아연 분말이 50 내지 100 중량부일 수 있다. 아울러, 하부(1/3) 에는 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부일 수 있으며, 아연 분말 40 내지 75 중량부일 수 있다. 상술한 바와 같이, 구간에 따라 마그네슘, 알루미늄 및 아연의 혼합비율을 다르게 하는 것은 반응속도를 높이기 위한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 혼합 분말과 전해질간의 반응이 지속적으로 반응할 수 있도록 혼합 비율을 조절하기 때문이다.More specifically, when the metal plate 110 is divided into three equal parts along the length direction, the upper part (1/3) of the metal plate 110 contains 100 parts by weight of magnesium powder, and 130 to 160 parts by weight of aluminum powder. Parts by weight may be 60 to 70 parts by weight of zinc powder, and may be 100 to 130 parts by weight based on 100 parts by weight of magnesium powder in the middle part (1/3), and 50 to 100 parts by weight of zinc powder. In addition, based on 100 parts by weight of magnesium powder in the lower part (1/3), 60 to 75 parts by weight of aluminum powder may be used, and 40 to 75 parts by weight of zinc powder. As described above, varying the mixing ratio of magnesium, aluminum, and zinc according to the section is to increase the reaction rate, and more specifically, adjusting the mixing ratio so that the reaction between the metal mixed powder and the electrolyte can continuously react. because it does

이러한 금속공기 연료전지용 전극(100)은 금속 플레이트에 다수의 홀(111)을 가공하고, 상기 홀(111)에 혼합분말을 충전할 수 있다. 이때, 각각의 분말과의 용이하게 결합을 하기 위하여, 바인더를 추가하여 분말을 혼합하고, 상기 홀(111)에 닥터브레이트 등을 이용하여 충전할 수 있다. 상기 바인더는, 통상의 바인더일 수 있다. The electrode 100 for the metal-air fuel cell may process a plurality of holes 111 in a metal plate and fill the holes 111 with mixed powder. At this time, in order to easily bond with each powder, a binder may be added to mix the powder, and the hole 111 may be filled with a doctor brake or the like. The binder may be a conventional binder.

다음으로, 상기 홀(111)에 혼합분말이 충전되었으면, 상온에서 건조하여 금속공기 연료전지용 전극(100)을 제조할 수 있다.Next, when the mixed powder is filled in the hole 111 , it is dried at room temperature to manufacture the electrode 100 for a metal-air fuel cell.

나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상기 전극(100)을 포함하는 금속공기 연료전지를 제공한다.Furthermore, the present invention, in one embodiment, provides a metal-air fuel cell including the electrode (100).

본 발명에 따른 금속공기 연료전지는 앞서 설명한 금속공기 연료전지용 전극(100)을 포함하여, 지속적인 전지 에너지 생성을 통한 연속 사용이 가능한 우수한 특징을 갖는다. 이때, 상기 금속공기 연료전지는 공기 양극막을 포함하는 양극(200)(공기극); 본 발명에 따른 전극(100)을 포함하는 음극(100); 및 상기 양극(200)과 음극(100) 사이에 존재하는 분리막(300)을 포함할 수 있다.The metal-air fuel cell according to the present invention includes the electrode 100 for a metal-air fuel cell described above, and has excellent characteristics that can be used continuously through continuous cell energy generation. At this time, the metal-air fuel cell includes an anode 200 (air electrode) including an air anode film; a cathode 100 including an electrode 100 according to the present invention; and a separator 300 present between the positive electrode 200 and the negative electrode 100 .

금속공기 연료전지의 양극(200)(공기 전극, air cathode)에는 공기 중의 산소 공급이 이루어진다. 금속공기 연료전지가 높은 에너지 변환 효율을 갖기 위해서는 양극(200)에서의 화학 반응이 신속하게 이루어져야 하고, 양극(200)이 높은 전기전도성을 가져야 하는데, 이를 위해서는 양극(200)은 스테인레스 스틸, 니켈, 철, 구리, 금 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다. 또한, 상기 양극(200)은 기체를 투과시킬 다공판의 형태일 수 있다.Oxygen in the air is supplied to the anode 200 (air cathode) of the metal-air fuel cell. In order for the metal-air fuel cell to have high energy conversion efficiency, a chemical reaction in the anode 200 must be rapidly performed, and the anode 200 must have high electrical conductivity. For this purpose, the anode 200 is made of stainless steel, nickel, It may be one selected from the group consisting of iron, copper, gold and platinum. In addition, the anode 200 may be in the form of a perforated plate through which gas passes.

분리막(300)은 수산화 이온(OH-) 이외의 다른 물질이 통과하지 못하도록 막는 역할을 수행한다. 이때, 상기 분리막(300)은 이온 전도성 및 친수성이 우수하고 전기적으로 부도체이며, 고농도의 수산화 용액에 대하여 안정성이 우수한 소재를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(300)으로는 예를 들어, 수계 전해액에 적합하도록 개량된 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리에틸렌(PE, polyethylene) 등을 포함하는 폴리올레핀(polyolefin) 또는 나일론(Nylon) 등의 폴리아미드(polyamide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The separation membrane 300 serves to prevent passage of substances other than hydroxide ions (OH-). In this case, the separator 300 may use a material having excellent ion conductivity and hydrophilicity, an electrically non-conductive material, and excellent stability to a high concentration of hydroxide solution. Specifically, as the separator 300, for example, polyolefin (polyolefin) or nylon (Nylon) including polypropylene (PP, polypropylene), polyethylene (PE, polyethylene) improved to be suitable for an aqueous electrolyte solution, etc. It may include any one of polyamides.

전해액은 수산화 이온(OH-)을 포함하는 수용액이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해액으로는 가성칼리(KOH) 수용액, 가성소다(NaOH) 수용액 등을 사용할 수 있다. 아울러, 상기 수산화 용액의 수산화 이온 농도는 5 M 이상의 고농도일 수 있고, 구체적으로, 6±0.5M 일 수 있다. 본 발명의 금속공기 연료전지는 전해액의 수산화 이온 농도를 상기 범위로 제어함으로써 충방전 시 음극활물질의 불용성으로 인한 금속의 비가역성 증가를 억제할 수 있는 이점이 있다.The electrolyte solution is not particularly limited as long as it is an aqueous solution containing hydroxide ions (OH-). Specifically, as the electrolyte, an aqueous solution of caustic potassium (KOH), an aqueous solution of caustic soda (NaOH), or the like may be used. In addition, the hydroxide ion concentration of the hydroxide solution may be a high concentration of 5 M or more, specifically, may be 6 ± 0.5M. The metal-air fuel cell of the present invention has an advantage in that it is possible to suppress an increase in the irreversibility of a metal due to the insolubility of the anode active material during charging and discharging by controlling the hydroxide ion concentration of the electrolyte within the above range.

본 발명에 따른 금속공기 연료전지용 전극은, 금속 플레이트에 형성된 다수의 홀(111)에 마그네슘 및 알루미늄의 혼합분말이 충전되어 있어, 전해액의 침투에 따른 연속 전압의 발생이 가능하며, 이에 따라 금속공기 연료전지의 에너지 밀도, 충전용량 등을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In the electrode for a metal-air fuel cell according to the present invention, a mixed powder of magnesium and aluminum is filled in the plurality of holes 111 formed in the metal plate, so that continuous voltage can be generated according to the penetration of the electrolyte, and thus the metal air There is an advantage in that the energy density and charging capacity of the fuel cell can be improved.

100 : 연료전지용 전극(음극)
110 : 금속 플레이트
111 : 홀
200 : 양극
300 : 분리막100: electrode for fuel cell (cathode)
110: metal plate
111: Hall
200: positive electrode
300: separator

Claims (10)

금속공기 연료전지용 전극으로서,
상기 전극은, 다수의 홀이 형성된 금속 플레이트를 포함하며,
상기 다수의 홀은, 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)의 혼합분말이 충전 되어 있는 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극.
An electrode for a metal-air fuel cell, comprising:
The electrode includes a metal plate having a plurality of holes formed therein,
The plurality of holes are filled with a mixed powder of magnesium (Mg), aluminum (Al) and zinc (Zn).
 제1항에 있어서,
혼합분말은, 마그네슘 분말 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 내지 180 중량부 및 아연 분말 40 내지 70 중량부를 포함하는 금속공기 연료전지용 전극.
According to claim 1,
The mixed powder is an electrode for a metal-air fuel cell comprising 60 to 180 parts by weight of an aluminum powder and 40 to 70 parts by weight of a zinc powder, based on 100 parts by weight of the magnesium powder.
 제1항에 있어서,
상기 다수의 홀에 충전되는 마그네슘, 알루미늄 및 아연분말의 혼합비율은 구간에 따라 상이하며,
금속 플레이트의 일측(a) 보다 타측(b)에 위치한 다수의 홀에 마그네슘 분말이 알루미늄 및 아연 분말 대비 많이 충전되는 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극.
According to claim 1,
The mixing ratio of magnesium, aluminum and zinc powder filled in the plurality of holes is different depending on the section,
An electrode for a metal air fuel cell, characterized in that the magnesium powder is charged more than the aluminum and zinc powder in the plurality of holes located on the other side (b) of the metal plate than the one side (a).
 제3항에 있어서,
금속 플레이트의 일측(a)에 위치한 다수의 홀에 충전되는 혼합분말은, 마그네슘 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 130 내지 160 중량부 및 아연 분말 60 내지 70 중량부 범위이며,
금속 플레이트의 타측(b)에 위치한 다수의 홀에 충전되는 혼합분말은, 마그네슘 100 중량부를 기준으로, 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부 및 아연 분말 40 내지 75 중량부 범위인 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극.
4. The method of claim 3,
The mixed powder filled in the plurality of holes located on one side (a) of the metal plate is in the range of 130 to 160 parts by weight of aluminum powder and 60 to 70 parts by weight of zinc powder, based on 100 parts by weight of magnesium,
The mixed powder filled in the plurality of holes located on the other side (b) of the metal plate is metal-air fuel, characterized in that 60 to 75 parts by weight of aluminum powder and 40 to 75 parts by weight of zinc powder, based on 100 parts by weight of magnesium electrode for battery.
 제1항에 있어서,
금속 플레이트는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Ma), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어진 금속공기 연료전지용 전극.
According to claim 1,
The metal plate is made of one or more metals selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Ma), aluminum (Al), and zinc (Zn). Electrodes for air fuel cells.
 제5항에 있어서,
금속 플레이트는, 알루미늄과 아연 또는 마그네슘과 아연의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극.
6. The method of claim 5,
The metal plate is an electrode for a metal-air fuel cell, characterized in that made of an alloy of aluminum and zinc or magnesium and zinc.
 제1항에 있어서,
금속 플레이트의 평균두께는, 평균 5 내지 40 mm 범위인 금속공기 연료전지용 전극.
According to claim 1,
The average thickness of the metal plate, the average range of 5 to 40 mm for a metal-air fuel cell electrode.
 제7항에 있어서,
금속 플레이트의 일측(a)에서 타측(b)으로 갈수록 금속 플레이트의 두께가 점진적으로 줄어들며,
상기 금속 플레이트의 일측의 두께(Ta) 및 타측의 두께(Tb) 의 비율(Ta:Tb)은 1:0.8 내지 0.6 인 것을 특징으로 하는 금속공기 연료전지용 전극.
8. The method of claim 7,
The thickness of the metal plate gradually decreases from one side (a) to the other side (b) of the metal plate,
The ratio of the thickness (T a) and the thickness (T b) of the other side of the one side of the metal plate (a T: T b) is 1: metal air fuel cell electrode, characterized in that 0.8 to 0.6.
 제1항에 있어서,
다수의 홀은, 평균 직경이 5 내지 30 mm 인 금속공기 연료전지용 전극.
According to claim 1,
The plurality of holes have an average diameter of 5 to 30 mm for an electrode for a metal-air fuel cell.
 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전극을 포함하는 금속공기 연료전지.A metal-air fuel cell comprising the electrode according to any one of claims 1 to 9.
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