KR20160024104A

KR20160024104A - 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리

Info

Publication number: KR20160024104A
Application number: KR1020140110496A
Authority: KR
Inventors: 정강옥; 강명원
Original assignee: 정강옥; 강명원
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-03-04

Abstract

본 발명에 의하면, 스택 어셈블리의 외관을 형성하며 그 사이에 배열 구성되는 구성요소를 보호하기 위한 제1 및 제2보호프레임; 상기 제1 및 제2보호프레임의 내측에 구성되며 외부로부터 공기가 유입되는 유로를 가지는 양극집전프레임; 및 상기 양극집전프레임에 대면된 상태로 위치되어 하나의 단위셀을 구성하고 외부로부터 물이 유입되는 유로를 가지된 음극집전프레임을 포함하며, 상기 양극집전프레임과 음극집전프레임의 상호간 대면된 부위의 공간 내부에서 금속과 공기 및 물의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전프레임과 음극집전프레임으로부터 집전이 이루어지도록 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리가 제공된다.

Description

금속 공기 배터리용 스택 어셈블리{Stack assembly for air-electrode battery}

본 발명은 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 공기 배터리에 있어서 공기가 유입되는 양극집전프레임과 금속판넬이 구성된 음극집전프레임이 보호프레임의 내측에 하나의 단위셀로 구성되도록 하거나 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 집전 반응 효율을 향상시키고 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 관한 것이다.

최근 자연을 보존하고자 하는 환경정책과 그린 에너지 정책에 부합하여 매연이 발생되지 않는 전기자동차, 모터바이크, 전기버스 등이 화제가 되고 있는 실정이다. 이에, 환경오염물을 전혀 배출하지 않는 고농도의 수소를 연료로 이용하는 수소연료전지 등이 차세대 에너지 자원으로 가장 각광을 받고 있으나, 일산화탄소 등의 불순물의 유입으로 기존의 에너지 자원들 보다 이용이 어려워 다른 연료를 이용하는 연료전지가 개발되고 있는 실정이다.

상기와 같은 연료전지들 중 하나인 금속 공기 배터리는, 연료로 사용되는 금속을 통해 일산화탄소 피독의 위험을 제거하고 수소를 대체할 수 있는데, 가장 일반적인 연료로 아연 또는 알루미늄 금속이 사용되며, 양극 활성물질로 공기 중의 산소가 이용되고 음극 활성물질로는 아연 또는 알루미늄이 사용된다.

상기 금속 공기 배터리는, 등록특허 10-1007554호, 공개특허 특2001-0101692호 및 공개특허 10-2012-0024094호 등에 개시된 바와 같이, 금속(아연) 공기 배터리용 스택 어셈블리는, 금속이 저장되는 복수의 셀블록과, 상기 셀블록이 지지되는 프레임블록을 포함한다. 여기서, 상기 각 셀블록은 인접한 셀블록들 사이사이에 공기가 유입될 수 있도록 서로 이격되게 배치되고, 상기 셀블록들 사이에 유입되는 공기는 상기 셀블록에 저장된 금속과 반응하여 상기 금속을 산화금속으로 변화시키면서 전기가 발생되도록 한다.

즉, 종래의 금속 공기 배터리는, 상기 셀블록의 내부에 집전주머니를 구성하고, 상기 집전주머니에 전해질과 함께 볼 타입 또는 펠렛 타입의 금속이 수용되도록 한 후, 전해질 내에서 금속과 공기 중의 산소가 반응하여 생성되는 전기가 집전주머니를 통해 집전되도록 하고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 금속 공기 배터리의 스택 어셈블리의 경우, 상기 셀블록의 집전주머니에 공급 수용되는 볼 또는 펠렛 타입의 금속이 공기와의 반응시 산화됨에 따라 그 잔류량이 적어지게 되면 상기 셀블록을 교체해야 한다. 이에, 상기 문제점을 해결하기 위하여 상기 집전주머니에 금속이 주기적으로 공급되도록 할 수 있으나 이를 위해서는, 금속의 양을 감지하는 감지수단과 함께 공급수단이 셀블록에 구성되기 때문에 구성이 복잡해지고 제조원가가 증가되며 금속의 과공급시 과충전이 발생하게 되는 등의 동작 제어가 어려운 문제점이 있다.

또한, 상기 금속 공기 배터리의 스택 어셈블리의 경우, 상기 셀블록 즉, 단일의 셀 하우징 내부에 음극용 집전전극과 양극용 집전전극이 모두 구성되기 때문에, 대용량, 대형화 및 증설을 위해서는 복수의 셀블록을 스택 구조로 연속 배열한 후 각각의 셀블록 마다 전해질과 공기가 순환되도록 하는 유로용 배관과 이에 연결된 펌핑수단 등이 연결 구성되어야 하며, 이에, 그 작업이 매우 복잡하고 제조원가가 증가되는 문제점이 있다.

한편, 상기 금속 공기 배터리의 경우, 상기 셀블록에 유입되는 공기가 상기 볼 또는 펠렛 타입의 금속에 충분히 고르게 접촉되는 것이 매우 중요한데, 상기와 같이 볼 또는 펠렛 타입의 금속이 셀 하우징의 집전주머니에 공급 충전되는 경우 금속 입자간의 공극 부위에만 접촉이 이루어져 금속의 산화 효율이 저하되고 이에, 집전 반응 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 금속 공기 배터리에 있어서 공기가 유입되는 양극집전프레임과 금속판넬이 구성된 음극집전프레임이 보호프레임의 내측에 하나의 단위셀로 구성되도록 하고 상호간 대면된 부위의 공간 내부에서 금속과 공기 및 액체의 화학 반응이 이루어지도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보호프레임의 내측에 양극집전프레임과 음극집전프레임이 하나의 단위셀로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 음극집전프레임에 판넬 타입의 금속이 구성되도록 하여 금속의 공급을 위한 구성부를 생략하여 조립작업을 간편히 하고 제조비용을 절감할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 양극집전프레임에 판넬 타입의 촉매가 구성되도록 하여 상기 음극집전프레임의 금속의 전면(全面)에 공기중의 산소가 확산되도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 제공하는 것이다.

한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

여기서, 상기 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리는, 상기 보호프레임의 내측에, 상기 양극집전프레임과 음극집전프레임이 대면 결합된 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1보호프레임 몸체의 하부와 상부에 각각 공기유입공과 물유출공가 형성되고, 제2보호프레임 몸체의 상부와 하부에 각각 공기유출공과 물유입공이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양극집전프레임은, 일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체; 상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 공기유입공과 공기유출공에 연통되어 공기가 유입 또는 유출되는 공기유입통공과 공기유출통공; 상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부; 상기 몸체의 일측면에 상기 공기유입통공으로부터 개구부까지 연통 형성되는 공기유입유로; 상기 몸체의 일측면에 상기 개구부로부터 공기유출통공까지 연통 형성되는 공기유출유로; 상기 개구부에 장착 구성되어 상기 공기유입통공과 공기유입유로를 따라 유입된 공기 중 산소만이 상기 몸체의 타측면으로 공급되도록 하고 나머지 공기가 상기 공기유출유로와 공기유출통공을 따라 유출되도록 하여 음극집전프레임과의 반응 공간에서 상기 산소에 의해 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매수단; 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부를 사이에 두고 상호간 결합되어 상기 촉매수단이 개구부에 실링된 상태로 구성되도록 하며 몸체의 전반적인 강성을 증대시키는 한 쌍의 보강판넬; 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부의 가장자리에 구성되는 실링수단; 및 상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 음극집전프레임과 단위셀의 구조로 보호프레임에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 촉매수단은, 상기 몸체의 일측면에 노출 구성되는 카본 재질의 카본촉매판과; 상기 몸체의 타측면에 노출 구성되는 니켈촉매메쉬를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 음극집전프레임은, 일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체; 상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 물유입공과 물유출공에 연통되어 물이 유입 또는 유출되는 물유입통공과 물유출통공; 상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부; 상기 몸체의 일측면에 상기 물유입통공으로부터 개구부까지 연통 형성되는 물유입유로; 상기 몸체의 일측면에 상기 개구부로부터 물유출통공까지 연통 형성되는 물유출유로; 상기 개구부에 장착 구성되어 상기 물이 상기 물유입통공과 물유입유로를 따라 상기 몸체의 일측면으로 공급 및 물유출유로와 물유출통공을 따라 유출되도록 하고 양극집전프레임과의 반응 공간에서 물 및 공기 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료수단; 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부의 가장자리에 구성되는 실링수단; 및 상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 양극집전프레임과 단위셀의 구조로 보호프레임에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속연료수단은, 알루미늄, 아연, 마그네슘 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나로 구성되는 금속판이 상기 몸체의 타측면으로부터 개구부를 차폐하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면, 금속 공기 배터리에 있어서 공기가 유입되는 양극집전프레임과 금속판넬이 구성된 음극집전프레임이 보호프레임의 내측에 하나의 단위셀로 구성되도록 하고 상호간 대면된 부위의 공간 내부에서 금속과 공기 및 액체의 화학 반응이 이루어지도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 제공할 수 있다.

또한, 상기 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 의하면, 보호프레임의 내측에 양극집전프레임과 음극집전프레임이 하나의 단위셀로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 할 수 있다.

또한, 상기 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 의하면, 음극집전프레임에 판넬 타입의 금속이 구성되도록 하여 금속의 공급을 위한 구성부를 생략하여 조립작업을 간편히 하고 제조비용을 절감할 수 있다.

또한, 상기 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 의하면, 양극집전프레임에 판넬 타입의 촉매가 구성되도록 하여 상기 음극집전프레임의 금속의 전면(全面)에 공기중의 산소가 확산되도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 나타낸 분해사시도;
도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리의 양극집전프레임을 나타낸 사시도, 분해사시도 및 측단면도;
도 3a 내지 도 3c는 각각 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리의 음극집전프레임을 나타낸 사시도, 분해사시도 및 측단면도; 및
도 4는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 있어서 양극집전프레임과 음극집전프레임이 하나의 단위셀로 구성된 후 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지는 것을 나타낸 분해사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리를 나타낸 분해사시도이고, 도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리의 양극집전프레임을 나타낸 사시도, 분해사시도 및 측단면도이며, 도 3a 내지 도 3c는 각각 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리의 음극집전프레임을 나타낸 사시도, 분해사시도 및 측단면도이고, 도 4는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리에 있어서 양극집전프레임과 음극집전프레임이 하나의 단위셀로 구성된 후 복수의 단위셀이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지는 것을 나타낸 분해사시도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)는, 양측에 위치되어 스택 어셈블리의 외관을 형성하며 그 사이에 배열 구성되는 구성요소를 보호하기 위한 제1 및 제2보호프레임(110,120), 상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)의 내측에 구성되며 외부로부터 공기(A)가 유입되는 유로를 가지는 양극집전프레임(130) 및 상기 양극집전프레임(130)에 대면된 상태로 위치되어 하나의 단위셀(S)을 구성하고 외부로부터 물(H)이 유입되는 유로를 가지된 음극집전프레임(140)을 포함하며, 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)의 상호간 대면된 부위의 공간 내부에서 금속과 공기 및 물의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)으로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 한다.

여기서, 본 발명의 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)는, 상기 보호프레임(110,120)의 내측에 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)이 하나의 단위셀(S)로 구성되도록 한 후, 상기와 같은 구성의 단위셀(S)들이 복수개가 직렬 적층되는 스택 구조를 통하여, 대용량, 대형화 및 증설되는 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)은, 상기 단위셀(S)의 구성부들을 보호하기 위한 보호프레임으로, 소정의 면적을 가지는 플레이트 형상을 가지고, 상부와 하부에 각각 외부로부터 공기(A)나 물(H)이 유입 또는 유출되는 반응물출입공이 천공 형성되는데, 보다 바람직하게는, 제1보호프레임(110) 몸체의 하부와 상부에 각각 공기유입공(111)과 물유출공(112)가 형성되고, 제2보호프레임(120) 몸체의 상부와 하부에 각각 공기유출공(121)과 물유입공(122)이 형성되며, 상기 반응물출입공은 상호간 대향된 위치를 가진다.

또한, 상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)은, 몸체의 가장자리 부위에 내측면의 단위셀(S)과 고정 결합된 상태에서 상호간 고정 결합될 수 있도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공(113,123)이 천공 형성된다.

여기서, 상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)은, 몸체가 강성을 유지할 수 있도록 알루미늄 또는 다른 금속 또는 합금의 재질을 가지는 것이 바람직하며, 내측면 즉, 상기 단위셀(S)의 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)이 접촉되는 부위에는 가스켓 또는 오링 등과 같은 실링부재가 구성되어 상기 반응물인 공기(A)와 물(H)이 각 대면 부위의 틈으로 누수되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

상기 양극집전프레임(130)은, 상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)의 내측에 구성되며 외부로부터 공기(A)가 유입되는 유로를 가지는 양극집전수단으로, 일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체, 상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 공기유입공(111)과 공기유출공(121)에 연통되어 공기(A)가 유입 또는 유출되는 공기유입통공(131)과 공기유출통공(132), 상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부(133), 상기 몸체의 일측면에 상기 공기유입통공(131)으로부터 개구부(133)까지 연통 형성되는 공기유입유로(134), 상기 몸체의 일측면에 상기 개구부(133)로부터 공기유출통공(132)까지 연통 형성되는 공기유출유로(135), 상기 개구부(133)에 장착 구성되어 상기 공기유입통공(131)과 공기유입유로(134)를 따라 유입된 공기(A) 중 산소만이 상기 몸체의 타측면으로 공급되도록 하고 나머지 공기(A)가 상기 공기유출유로(135)와 공기유출통공(132)을 따라 유출되도록 하여 후술된 음극집전프레임(140)과의 반응 공간에서 상기 산소에 의해 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매수단(136), 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(133)를 사이에 두고 상호간 결합되어 상기 촉매수단(136)이 개구부(133)에 실링된 상태로 구성되도록 하며 몸체의 전반적인 강성을 증대시키는 한 쌍의 보강판넬(137), 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(133)의 가장자리에 구성되는 오링 등과 같은 실링수단(미도시) 및 상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 음극집전프레임(140)과 단위셀(S)의 구조로 보호프레임(110,120)에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공(139) 등을 포함한다.

여기서, 상기 몸체는 내열성, 내유성 및 내약품성이 우수하고 소정의 강성을 가지는 합성수지 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체의 전체 면적에 대한 개구부(133)의 면적의 비 즉, 몸체의 전면적:개구부(133)의 면적은 1:0.6 내지 1:0.7로 설정된다. 여기서, 상기 개구부(133)의 면적이 0.7 보다 커지면 상기 공기(A)와 촉매수단(136)의 접촉면적은 증가하는 반면 몸체의 전체 강성이 저하되며, 반대로 0.6 보다 작어지면 상기 공기(A)와 촉매수단(136)의 접촉면적은 감소하는 반면 몸체의 전체 강성이 향상되므로, 1:0.65로 설정되는 것이 가장 바람직하다.

상기 촉매수단(136)은, 상기 몸체의 일측면에 형성된 공기유로를 따라 유동되는 공기(A) 중 산소 성분만이 몸체의 타측면으로 제공되도록 하여 후술된 음극집전프레임(140)과의 반응 공간에서 상기 산소에 의해 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 수단으로, 몸체의 일측면에 노출 구성되는 카본 재질의 카본촉매판(136a)과, 몸체의 타측면에 노출 구성되는 니켈촉매메쉬(136b)를 포함하며, 상기 촉매판들은 상호간 부착된 상태를 가진다.

상기 카본촉매판(136a)은, 불소 코팅된 상태를 가지는 것이 바람직하고, 이를 통하여 공기(A) 중의 오염물질을 필터링함과 동시에 산소가 상기 음극집전프레임(140)과의 반응 공간에 대해 전면적으로 확산되도록 하는 촉매 기능을 제공한다.

또한, 상기 니켈촉매메쉬(136b)는, 후술된 음극집전프레임(140)으로부터 상기 반응 공간으로 제공되는 물(H)과 접촉시 산소를 발생시키는 촉매 기능을 제공함과 동시에, 구리, 황동, 청동, 니켈 등의 전도성물질인 양극집전전극(130A)이 연결되어 집전 기능을 제공한다.

상기 음극집전프레임(140)은, 상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)의 내측에 구성되며 외부로부터 물(H)가 유입되는 유로를 가지는 음극집전수단으로, 일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체, 상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 물유입공(122)과 물유출공(112)에 연통되어 물(H)이 유입 또는 유출되는 물유입통공(141)과 물유출통공(142), 상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부(143), 상기 몸체의 일측면에 상기 물유입통공(141)으로부터 개구부(143)까지 연통 형성되는 물유입유로(144), 상기 몸체의 일측면에 상기 개구부(143)로부터 물유출통공(142)까지 연통 형성되는 물유출유로(145), 상기 개구부(143)에 장착 구성되어 상기 물(H)이 상기 물유입통공(141)과 물유입유로(144)를 따라 상기 몸체의 일측면으로 공급 및 물유출유로(145)와 물유출통공(142)을 따라 유출되도록 하고 양극집전프레임(130)과의 반응 공간에서 물(H) 및 공기(A) 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료수단(146), 상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(143)의 가장자리에 구성되는 오링 등과 같은 실링수단(미도시) 및 상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 양극집전프레임(130)과 단위셀(S)의 구조로 보호프레임(110,120)에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공(149) 등을 포함한다.

또한, 상기 몸체의 전체 면적에 대한 개구부(143)의 면적의 비 즉, 몸체의 전면적:개구부(143)의 면적은 1:0.6 내지 1:0.7로 설정된다. 여기서, 상기 개구부(143)의 면적이 0.7 보다 커지면 상기 물(H)과 금속연료수단(146)의 접촉면적은 증가하는 반면 몸체의 전체 강성이 저하되며, 반대로 0.6 보다 작어지면 상기 물(H)과 금속연료수단(146)의 접촉면적은 감소하는 반면 몸체의 전체 강성이 향상되므로, 1:0.65로 설정되는 것이 가장 바람직하다.

상기 금속연료수단(146)은, 상기 몸체의 일측면에 형성된 물이동유로를 따라 유동되는 물(H)이 몸체의 타측면으로 제공되지 못하도록 개구부(143)를 폐쇄하고 상기 양극집전프레임(130)과의 반응 공간에서 상기 공기(A) 또는 산소와 물(H)에 의해 금속이 산화되도록 연료기능을 제공하는 수단으로, 알루미늄, 아연, 마그네슘 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나로 구성되는 금속판(146a)이 상기 몸체의 타측면으로부터 개구부(143)를 차폐하면서 부착된 상태를 가진다.

여기서, 상기 금속판(146a)은, 상기 양극집전프레임(130)으로부터 상기 반응 공간으로 제공되는 공기(A)와 음극집전프레임(140)으로부터 제공되는 물(H)과 접촉되어 산화시 구리, 황동, 청동, 니켈 등의 전도성물질인 음극집전전극(140A)이 연결되어 집전 기능을 제공한다.

따라서 상술한 바에 따른 단위셀(S)은, 각각 판넬 형상의 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)을 포함하고, 양극집전프레임(130)의 몸체 타측면에 음극집전프레임(140)의 몸체 일측면이 마주보며 결합되어 소정 면적의 반응 공간이 제공된 상태로 보호프레임(110,120)의 내측면에 결합 구성된다.

여기서, 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)의 타측면 개구부(133,143)의 내주면에는 상기 몸체의 두께에 비해 얇은 두께를 가지는 플랜지가 형성되어, 상기 프레임들의 대면 결합시 플랜지와 몸체 표면 사이의 두께 차이에 따른 소정 면적의 반응 공간이 제공될 수 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 단위셀(S)은, 외부의 제1펌프(P1)로부터 제1보호프레임(110)을 경유하여 양극집전프레임(130)의 몸체 일측면에 유입된 후 제2보호프레임(120)으로 유출되는 공기(A) 중의 산소가 양극집전프레임(130)의 촉매수단(136)을 관통하여 양극집전프레임(130)의 몸체 타측면의 반응 공간으로 제공되도록 하고, 외부의 제2펌프(P2)로부터 제2보호프레임(120)을 경유하여 음극집전프레임(140)의 몸체 일측면에 유입된 후 제1보호프레임(110)으로 유출되는 물(H)이 음극집전프레임(140)의 몸체 일측면의 반응 공간으로 제공되도록 하여, 상기 음극집전프레임(130)이 공기(A) 중의 산소와 물(H)과 산화 반응되면서 전류 또는 전자의 이동이 발생되도록 할 수 있고, 이를 양극집전프레임(130)의 양극집전전극(130A)과 음극집전프레임(140)의 음극집전전극(140A)에 집전되도록 할 수 있다.

여기서, 상기 단위셀(S)이 구성된 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)의 전기 화학 반응식은, [4M+3O2+6H2O ≒ 4M(OH)3+2.71v]와 같이 정의될 수 있으며, 상기 수학식에서 보는 바와 같이, 실제로 금속 공기 단위셀(S)은 2.7v 보다 낮은 전압에서 전형적으로 0.7v 내지 1.5v에서 작동될 수 있고 에너지의 나머지는 열로 방출되며, 이는 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)에 있어서, 상기 보호프레임(110,120)의 내측에 하나의 단일셀(S)이 구성되는 경우, 제1보호프레임(110)의 내측 즉, 타측면에 양극집전프레임(130)의 일측면이 대면 결합되고 상기 양극집전프레임(130)의 타측면에 음극집전프레임(140)의 일측면이 대면 결합되어 소정 면적의 반응 공간이 제공되며 상기 음극집전프레임(140)의 타측면에 제2보호프레임(120)의 외측 즉, 일측면이 대면 결합되도록 하고 있다.

그러나 본 발명에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)의 경우, 상기 제1보호프레임(110)과 양극집전프레임(130)의 대면 부위에 판넬 형상의 보조판넬(150)이 더 구성되어 상기 제1보호프레임(110)을 통해 양극집전프레임(130)의 일측면에 유입된 공기(A)가 대면 결합 부위 사이로 누수되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

여기서, 제1보호프레임(110)과 제2보호프레임(120) 사이에 복수의 단위셀(S)이 스택 구조로 구성되는 경우에도 상기 보조판넬(150)이 단위셀(S)과 단위셀(S) 사이에 더 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1보호프레임(110) 내지 제2보호프레임(120)의 내측에 구성되는 모든 구성요소의 대면 부위에는 대면 결합 부위의 가장자리를 실링하는 가스켓(160)이 더 구성되어 상기 대면 결합 부위 사이로 반응물이 누수되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조판넬(150)의 경우 상기 보호프레임(110,120), 양극집전프레임(130) 및 음극집전프레임(140)과 체결되도록 하는 체결공(미부호)과 반응물이 출입되도록 하는 출입공(미부호)을 가지는 것이 바람직하고, 상기 가스켓(160)의 경우, 상기 체결공(미부호)과 출입공(미부호) 이외에도 개구부(미부호)를 가지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리의 작용에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에 일점 쇄선으로 표시된 바와 같이, 제1펌프(P1)에 의해 제1보호프레임(110)의 공기유입공(111)으로 유입된 공기(A)가 양극집전프레임(130)의 몸체에 구성된 공기유입통공(131), 상기 몸체의 일측면에 형성된 공기유입유로(134)와 공기유출유로(135) 및 몸체에 구성된 공기유출통공(132)을 순차적으로 경유한 후, 제2보호프레임(120)의 공기유출공(121)으로 유출 및 순환된다.

여기서, 상기 공기(A)가 양극집전프레임(130) 몸체의 일측면 개구부(133)에 위치시, 개구부(133)의 일측면에 구성된 촉매수단(136) 중 카본촉매판(136a)에 의해 공기(A) 중의 산소는, 양극집전프레임(130) 몸체의 개구부(133) 타측면에 구성된 니켈촉매메쉬(136b)를 통과하여 음극집전프레임(140)과의 결합에 따라 형성되는 소정 면적의 반응 공간으로 제공된다.

또한, 도 1에 일점 쇄선으로 표시된 바와 같이, 제2펌프(P2)에 의해 제2보호프레임(120)의 물유입공(122)으로 유입된 물(H)이 음극집전프레임(140)의 몸체에 구성된 물유입통공(141), 상기 몸체의 타측면에 형성된 물유입유로(144)와 물유출유로(145) 및 몸체에 구성된 물유출통공(142)을 순차적으로 경유한 후, 제1보호프레임(110)의 물유출공(112)으로 유출 및 순환된다.

여기서, 상기 물(H)은, 음극집전프레임(140) 몸체의 타측면 개구부(143)에 위치되는 경우 개구부(143)를 폐쇄하면서 구성된 금속연료수단(146)의 금속판(146a)의 일측면에 전면(全面) 접촉된 상태를 가지면서 양극집전프레임(130)과의 결합에 따라 형성되는 소정 면적의 반응 공간으로 제공된다.

따라서 상기 양극집전프레임(130)의 타측면과 이에 대면되는 음극집전프레임(140)의 일측면 사이에 제공되는 반응 공간에 유입된 공기(A) 중의 산소와 물(H)에 의해 금속판(146a)이 산화되는 전기 화학 반응에 의해 전류 또는 전자의 이동이 발생하게 되고, 이때, 양극집전프레임(130)의 양극집전전극(130A)과 음극집전프레임(140)의 음극집전전극(140A)에 전류가 집전되게 된다.

따라서 상술한 바와 같이 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(100)에 따르면, 공기(A) 또는 산소가 유입되는 양극집전프레임(130)과 금속판(146a)이 구성된 음극집전프레임(140)이 보호프레임(110,120)의 내측면에 하나 또는 복수의 단위셀(S)로 구성된 상태에서 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)의 내부 반응 공간에서 금속판(146a)과 공기(A) 및 물(H)이 상호간 전기 화학 반응이 이루어지도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 보호프레임(110,120)의 내측에 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)이 하나의 단위셀(S)로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 복수의 단위셀(S)이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 할 수 있다.

또한, 음극집전프레임(140)에 금속판(146a)을 가지는 금속연료수단(146)이 구성되도록 하여 종래와 같은 금속의 공급을 위한 구성부가 생략될 수 있어 조립작업을 간편히 하고 제조비용을 절감할 수 있다.

또한, 양극집전프레임(130)에 판넬 타입의 촉매수단(136)이 구성되도록 하여 상기 음극집전프레임(140)의 금속판(146a)의 전면(全面)에 공기(A) 중의 산소가 확산되도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

상술한 본 발명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구 범위와 청구 범위의 균등한 것에 의해 정해져야 한다.

Claims

스택 어셈블리의 외관을 형성하며 그 사이에 배열 구성되는 구성요소를 보호하기 위한 제1 및 제2보호프레임(110,120);
상기 제1 및 제2보호프레임(110,120)의 내측에 구성되며 외부로부터 공기(A)가 유입되는 유로를 가지는 양극집전프레임(130); 및
상기 양극집전프레임(130)에 대면된 상태로 위치되어 하나의 단위셀(S)을 구성하고 외부로부터 물(H)이 유입되는 유로를 가지된 음극집전프레임(140)을 포함하며,
상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)의 상호간 대면된 부위의 공간 내부에서 금속과 공기 및 물의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)으로부터 집전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 보호프레임(110,120)의 내측에,
상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)이 대면 결합된 복수의 단위셀(S)이 직렬 적층되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 제1보호프레임(110) 몸체의 하부와 상부에 각각 공기유입공(111)과 물유출공(112)가 형성되고,
제2보호프레임(120) 몸체의 상부와 하부에 각각 공기유출공(121)과 물유입공(122)이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제3항에 있어서, 상기 양극집전프레임(130)은,
일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체;
상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 공기유입공(111)과 공기유출공(121)에 연통되어 공기(A)가 유입 또는 유출되는 공기유입통공(131)과 공기유출통공(132);
상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부(133);
상기 몸체의 일측면에 상기 공기유입통공(131)으로부터 개구부(133)까지 연통 형성되는 공기유입유로(134);
상기 몸체의 일측면에 상기 개구부(133)로부터 공기유출통공(132)까지 연통 형성되는 공기유출유로(135);
상기 개구부(133)에 장착 구성되어 상기 공기유입통공(131)과 공기유입유로(134)를 따라 유입된 공기(A) 중 산소(O2)만이 상기 몸체의 타측면으로 공급되도록 하고 나머지 공기(A)가 상기 공기유출유로(135)와 공기유출통공(132)을 따라 유출되도록 하여 음극집전프레임(140)과의 반응 공간에서 상기 산소에 의해 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매수단(136);
상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(133)를 사이에 두고 상호간 결합되어 상기 촉매수단(136)이 개구부(133)에 실링된 상태로 구성되도록 하며 몸체의 전반적인 강성을 증대시키는 한 쌍의 보강판넬(137);
상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(133)의 가장자리에 구성되는 실링수단(미도시); 및
상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 음극집전프레임(140)과 단위셀(S)의 구조로 보호프레임(110,120)에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공(139)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제4항에 있어서,
상기 몸체의 전체 면적에 대한 개구부(133)의 면적의 비는 1:0.6 내지 1:0.7인 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제4항에 있어서, 상기 촉매수단(136)은,
상기 몸체의 일측면에 노출 구성되는 카본 재질의 카본촉매판(136a)과;
상기 몸체의 타측면에 노출 구성되는 니켈촉매메쉬(136b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제4항에 있어서, 상기 음극집전프레임(140)은,
일정 두께와 소정 면적의 플레이트 형상을 가지는 몸체;
상기 몸체의 상부와 하부에 각각 천공 형성되어 상기 물유입공(122)과 물유출공(112)에 연통되어 물(H)이 유입 또는 유출되는 물유입통공(141)과 물유출통공(142);
상기 몸체의 중앙에 개구 형성되는 개구부(143);
상기 몸체의 일측면에 상기 물유입통공(141)으로부터 개구부(143)까지 연통 형성되는 물유입유로(144);
상기 몸체의 일측면에 상기 개구부(143)로부터 물유출통공(142)까지 연통 형성되는 물유출유로(145);
상기 개구부(143)에 장착 구성되어 상기 물(H)이 상기 물유입통공(141)과 물유입유로(144)를 따라 상기 몸체의 일측면으로 공급 및 물유출유로(145)와 물유출통공(142)을 따라 유출되도록 하고 양극집전프레임(130)과의 반응 공간에서 물(H) 및 공기(A) 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료수단(146);
상기 몸체의 일측면과 타측면에 위치된 상태에서 개구부(143)의 가장자리에 구성되는 실링수단(미도시); 및
상기 몸체의 가장자리 부위에 천공 형성되어 인접한 양극집전프레임(130)과 단위셀(S)의 구조로 보호프레임(110,120)에 고정 결합되도록 고정수단이 관통되는 복수의 체결공(149)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 몸체의 전체 면적에 대한 개구부(143)의 면적의 비는 1:0.6 내지 1:0.7인 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제7항에 있어서, 상기 금속연료수단(146)은,
알루미늄, 아연, 마그네슘 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나로 구성되는 금속판(146a)이 상기 몸체의 타측면으로부터 개구부(143)를 차폐하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 제1보호프레임(110)과 양극집전프레임(130)의 대면 부위에 위치되는 판넬 형상의 보조판넬(150)과;
상기 양극집전프레임(130)과 음극집전프레임(140)의 대면 부위에 대면 결합 부위의 가장자리를 실링하는 가스켓(160)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리.