KR20160079965A - 금속 공기 배터리용 스택 세척장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면, 하우징의 내부에 구성되는 금속 공기 배터리용 스택; 하우징의 내부에 구성되는 전해액순환탱크; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유입배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 전해액순환탱크의 전해액이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 전해액순환용 펌프; 하우징의 내부에 구성되는 세척액순환탱크; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유출배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인된 후 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 세척액순환탱크의 세척액이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 세척액순환용 펌프; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유입배관에 구성되어 전해액순환용 펌프에 의해 전해액순환탱크로부터 전해액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프의 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인되도록 하며 세척액순환용 펌프에 의해 세척액순환탱크로부터 세척액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀의 유체유입배관로 유입시 전해액순환용탱크의 연결을 차단하여 세척액의 순환이 가능하도록 하고 세척액순환용 펌프의 동작 오프시 개방되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 세척액이 세척액순환용탱크로 강제 드레인되도록 하는 제1전자밸브; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유출배관에 구성되어 세척액순환용 펌프에 의해 세척액순환탱크로부터 세척액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프에 의해 전해액순환탱크로부터 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀의 유체유입배관으로 유입된 전해액이 유체유입배관으로 유출시 세척액순환탱크의 연결을 차단하는 제2전자밸브; 및 하우징의 내부에 구성되며 금속 공기 배터리용 스택에 전해액이 전해액순환용탱크로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인되도록 한 후 세척액이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택이 세척되도록 하는 제어수단을 포함하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치가 제공된다.

Description

금속 공기 배터리용 스택 세척장치{Stack cleansing apparatus for air-electrode battery}

본 발명은 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 워터셀 등과 같은 금속과 물을 이용한 금속 공기 배터리의 스택에 있어서 상기 스택 또는 스택에 구성된 복수개의 단위셀에 유입된 물이 강제 드레인되도록 한 후 세척액이 유입되도록 하여 금속의 식각이나 부식을 방지하여 스택의 수명을 연장시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 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 금속 공기 배터리가 개발되고 있는 실정이다.

상기와 같은 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.

즉, 상기 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리는, 등록특허 10-1007554호, 공개특허 특2001-0101692호 및 공개특허 10-2012-0024094호 등에 개시된 바와 같이, 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.

다시 말해서, 종래의 금속 공기 배터리용 스택은, 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 배터리용 스택은, 비사용 중에도 셀블록에 존재하는 전해질 용액에 의해 상기 금속이 계속해서 식각 또는 부식하게 되기 때문에 상기 셀블록에 구성된 금속의 수명이 단축되고 그 잔류량이 적어지게 되면 셀블록을 교체해야 하는 주기도 단축되는 문제점이 있다.

또한, 상기 셀블록에는 상기 금속이 전해질 및 산소와의 반응시 촉매 기능을 제공하는 카본 재질의 촉매판 또는 촉매페이퍼가 구성되고 있다. 여기서, 상기 촉매판이나 촉매페이퍼의 경우 카본 입자가 압축된 상태에서 판넬 또는 페이퍼 형상으로 형성되기 때문에 그 표면에는 완전히 고착되지 않은 카본 입자가 존재하게 된다. 이에, 셀블록 내부에서 금속의 산화 반응시 카본 입자가 표면으로부터 분리되어 전해질의 유동에 의해 이동되면서 유동 속도가 낮은 지점에 적층되어 전해질 유입공이나 유출공이 막히게 되는 원인을 제공할 수 있고 이로 인하여, 금속의 산화 효율이 저하되고 이에, 집전 반응 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 워터셀 등과 같은 금속과 물을 이용한 금속 공기 배터리의 스택에 있어서 비운전시 또는 비사용시 상기 스택 또는 스택에 구성된 복수개의 단위셀에 유입된 물이 강제 드레인되도록 한 후 세척액이 유입되도록 하여 금속의 식각이나 부식을 방지하여 스택의 수명을 연장시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치를 제공하는 것이다.

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

본 발명에 의하면, 하우징의 내부에 구성되는 금속 공기 배터리용 스택; 하우징의 내부에 구성되는 전해액순환탱크; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유입배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 전해액순환탱크의 전해액이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 전해액순환용 펌프; 하우징의 내부에 구성되는 세척액순환탱크; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유출배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인된 후 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 세척액순환탱크의 세척액이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 세척액순환용 펌프; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유입배관에 구성되어 전해액순환용 펌프에 의해 전해액순환탱크로부터 전해액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프의 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인되도록 하며 세척액순환용 펌프에 의해 세척액순환탱크로부터 세척액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀의 유체유입배관로 유입시 전해액순환용탱크의 연결을 차단하여 세척액의 순환이 가능하도록 하고 세척액순환용 펌프의 동작 오프시 개방되어 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 유입된 세척액이 세척액순환용탱크로 강제 드레인되도록 하는 제1전자밸브; 금속 공기 배터리용 스택의 유체유출배관에 구성되어 세척액순환용 펌프에 의해 세척액순환탱크로부터 세척액이 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프에 의해 전해액순환탱크로부터 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀의 유체유입배관으로 유입된 전해액이 유체유입배관으로 유출시 세척액순환탱크의 연결을 차단하는 제2전자밸브; 및 하우징의 내부에 구성되며 금속 공기 배터리용 스택에 전해액이 전해액순환용탱크로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인되도록 한 후 세척액이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택이 세척되도록 하는 제어수단을 포함하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치가 제공된다.

여기서, 상기 금속 공기 배터리용 스택 세척장치는, 하우징의 내부에 구성되는 물공급탱크; 전해액순환탱크의 수위를 감지하는 수위감지센서; 및 전해액순환탱크와 물공급탱크 사이의 배관에 구성되어 전해액순환용 펌프의 동작에 의해 전해액순환탱크로부터 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 전해액 공급 순환시 전해액순환탱크의 수위가 일정 수위 이하일 경우 물공급탱크로부터 전해액순환탱크에 물이 보충되도록 하여 정상 범위의 수위를 유지하도록 하는 물보충용 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속 공기 배터리용 스택 세척장치는, 전해액순환탱크에 구성되어 전해액의 온도를 감지하는 온도감지센서와; 전해액순환탱크의 내부 또는 전해액유체유입배관이나 전해액유체유출배관에 구성되어 상기 전해액의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 전해액을 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도를 유지하도록 하는 항온수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속 공기 배터리용 스택 세척장치는, 하우징의 내부에 구성되는 세척액공급탱크; 세척액순환탱크의 산성도를 감지하는 산성도감지센서; 및 세척액순환탱크와 세척액공급탱크 사이의 배관에 구성되어 세척액순환용 펌프의 동작에 의해 세척액순환탱크로부터 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀에 세척액 공급 순환시 세척액순환탱크의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액공급탱크로부터 세척액순환탱크에 세척액이 보충되도록 하여 정상 범위의 산성도를 유지하도록 하는 세척액보충용 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면, 금속 공기 배터리용 스택에 전해액이 전해액순환용탱크로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택에 유입된 전해액이 전해액순환용탱크로 강제 드레인되도록 한 후 세척액이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택이 세척되도록 할 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 세척장치에 대한 구성을 개략적으로 나타낸 구성도;
도 2는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치의 하우징을 나타낸 도면;
도 3a 내지 도 3f는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 따른 세척방법을 나타낸 도면;
도 4는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 있어서 금속 공기 배터리용 스택을 나타낸 도면;
도 5는 도 4의 금속 공기 배터리용 스택에 있어서 단위셀 구조체를 나타낸 사시도;
도 6은 도 5의 단위셀 구조체를 나타낸 분해사시도; 및
도 7 내지 도 8은 각각 도 5의 단위셀 구조체에 있어서 셀블록의 정면과 배면을 나타낸 사시도이다.

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

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 대한 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치의 하우징을 나타낸 도면이며, 도 3a 내지 도 3f는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 따른 세척방법을 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 도 1의 금속 공기 배터리용 스택 세척장치에 있어서 금속 공기 배터리용 스택을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 금속 공기 배터리용 스택에 있어서 단위셀 구조체를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 단위셀 구조체를 나타낸 분해사시도이다. 또한, 도 7과 도 8은 각각 도 5의 단위셀 구조체에 있어서 셀블록의 정면과 배면을 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 세척장치(PP)는, 박스 형상을 가지는 보호용 하우징(HH), 하우징(HH)의 내부에 구성되는 금속 공기 배터리용 스택(SS), 하우징(HH)의 내부에 구성되는 전해액순환탱크(T1), 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 전해액순환용 펌프(P1), 하우징(HH)의 내부에 구성되는 물공급탱크(T2), 전해액순환탱크(T1)의 수위를 감지하는 수위감지센서(S1), 전해액순환탱크(T1)와 물공급탱크(T2) 사이의 배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)의 동작에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액(H1) 공급 순환시 전해액순환탱크(T1)의 수위가 일정 수위 이하일 경우 물공급탱크(T2)로부터 전해액순환탱크(T1)에 물(H2)이 보충되도록 하여 정상 범위의 수위를 유지하도록 하는 물보충용 밸브(V1), 전해액순환탱크(T1)에 구성되어 전해액(H1)의 온도를 감지하는 온도감지센서(S2), 전해액순환탱크(T1)의 내부 또는 전해액유체유입배관이나 전해액유체유출배관에 구성되어 상기 전해액(H1)의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 전해액(H1)을 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도를 유지하도록 하는 항온수단(미도시), 하우징(HH)의 내부에 구성되는 세척액순환탱크(T3), 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인된 후 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 세척액순환용 펌프(P2), 하우징(HH)의 내부에 구성되는 세척액공급탱크(T4), 세척액순환탱크(T3)의 산성도를 감지하는 산성도감지센서(S3), 세척액순환탱크(T3)와 세척액공급탱크(T4) 사이의 배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)의 동작에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액(C) 공급 순환시 세척액순환탱크(T3)의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액공급탱크(T4)로부터 세척액순환탱크(T3)에 세척액(C)이 보충되도록 하여 정상 범위의 산성도를 유지하도록 하는 세척액보충용 밸브(V2), 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 전해액(H1)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)의 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 하며 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관로 유입시 전해액순환용탱크(T1)의 연결을 차단하여 세척액(C)의 순환이 가능하도록 하고 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 개방되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인되도록 하는 제1전자밸브(EV1), 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관으로 유입된 전해액(H1)이 유체유입배관으로 유출시 세척액순환탱크(T3)의 연결을 차단하는 제2전자밸브(EV2) 및 하우징(HH)의 내부에 구성되며 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 한 후 세척액(C)이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택(SS)이 세척되도록 하는 제어수단(CB) 등을 포함한다.

하우징(HH)은, 박스 형상을 가지며 상기 구성부들이 보호되는 보호수단으로, 육면체 형상의 본체와 정면부에 본체 내부의 개폐를 가능하게 하는 도어가 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 정면의 도어에는 상기 제어수단(CB)에 의해 제어되는 구성부들의 동작 상태 즉, 전해액의 수위와 온도 및 세척액의 산성도나 집전 전압, 전류 및 전력 정보 등을 육안으로 확인하도록 하는 디스플레이수단이 구성될 수 있다. 또한, 외부로부터 공기(H)가 유입된 후 배기되는 순환을 통하여 후술된 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 복수개의 단위셀(S)들 사이로 공기(H)가 유입되도록 하는 환풍시설이 더 구성되는 것이 바람직하다.

금속 공기 배터리용 스택(SS)은, 소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상을 가지는 셀블록(100), 셀블록(100)의 정면부와 배면부에 각각 구성되어 상기 셀블록(100)의 개구 부위를 커버 및 밀폐하는 한 쌍의 양극집전판넬(200) 및 셀블록(100)의 측면으로부터 개구 부위에 삽입되어 한 쌍의 양극집전판넬(200)들에 각각 대면된 상태로 위치되는 음극집전판넬(300)을 포함하며, 셀블록(100)의 외부로부터 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300) 상호간의 대면된 공간에 공기(A) 중의 산소와 전해액(H1) 또는 물(H2)의 유입시 금속과 산소 및 전해액(H1) 또는 물(H2)의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 하는 단위셀 구조체(S)와, 상기 셀블록(100)의 정면과 배면 부위에 상기 한 쌍의 양극집전판넬(200)을 각각 커버하면서 스택 어셈블리의 외관을 형성하는 커버프레임(400)을 포함한다.

즉, 본 발명의 금속 공기 배터리용 스택(SS)은, 상기 커버프레임(400)의 내측에 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)이 구성된 셀블록(100)이 하나의 단위셀 구조체(S)로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 단위셀 구조체(S)들이 복수개가 직렬 적층되는 스택 구조를 통하여, 대용량, 대형화 및 증설된다.

상기 셀블록(100)은, 단위셀 구조체(S)의 하우징 수단으로, 소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상의 바디(110), 바디(110)의 정면부와 배면부에 각각 요홈 형성되며 후술된 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되도록 하여 상기 바디(110)의 개구 부위가 커버되도록 하는 양극집전판넬안착부(120), 바디(110)의 측면부로부터 후술된 음극집전판넬(300)이 개구 부위를 커버하면서 삽입 구성되도록 하여 한 쌍의 양극집전판넬(200)에 각 일면부위가 대면된 상태를 가지도록 하는 음극집전판넬삽입부(130), 바디(110)의 상측단과 하측단 또는 좌측단과 우측단에 각각 위치된 상태에서 정면부와 배면부를 향해 관통 형성되어 음극집전판넬(300)의 각 일면부와 이에 대면된 한 쌍의 양극집전판넬(200)의 반응공간 내부로 외부로부터 전해액(H1) 또는 물(H2)가 유입 및 유출되도록 하고 이를 통하여 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)와 양극집전판넬(200)에 의해 필터링되어 유입되는 공기(A) 중의 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 하는 반응물출입부(140), 바디(110)의 가장자리 부위에 위치되어 정면부로부터 배면부를 향해 관통 형성되어 복수개의 셀블록(100)들끼리 볼팅 수단에 의해 체결 및 결합되도록 하여 복수개의 직렬 적층을 통한 스택 구조를 가능하게 하여 대용량, 대형화 및 증설되도록 하는 확장체결부(150) 등을 포함한다.

여기서, 상기 셀블록(100)은, 내열성, 내유성 및 내약품성이 우수하고 소정의 강성을 가지는 합성수지 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 바디(110)는, 소정의 면적과 폭을 가지고 중앙에 개구부(111)가 형성된 블록 형상을 가지며, 측면부위에는 바디(110)의 내구성을 향상시킴과 동시에 단위셀 구조체(S) 또는 스택 어셈블리(SS)로의 조립시 해당 설치 위치에 용이하게 안착되도록 하는 안착돌기(112)가 더 형성될 수 있다.

여기서, 상기 바디(110)의 전체 단면적(정면에서 바라볼 때 기준)에 대한 개구부(111)의 단면적(정면에서 바라볼 때 기준)의 비는, 1:0.6 내지 1:0.7로 설정된다. 여기서, 상기 개구부(111)의 단면적이 0.7 보다 커지면 상기 공기(A)와 양극집전판넬(200)의 접촉면적은 증가하는 반면 바디(110)의 전체 강성이 저하되며, 반대로 0.6 보다 작어지면 상기 공기(A)와 양극집전판넬(200)의 접촉면적은 감소하는 반면 바디(110)의 전체 강성이 향상되므로, 1:0.65로 설정되는 것이 가장 바람직하다.

상기 양극집전판넬안착부(120)는, 바디(110)의 정면부와 배면부에 각각 요홈 형성되며 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되도록 하여 개구부(111)가 커버되도록 하는 양극집전판넬안착홈(121)과, 상기 양극집전판넬안착홈(121)에 소정 간격으로 요철 형성되어 상기 양극집전판넬안착홈(121)에 양극집전판넬(200)의 안착된 상태에서 전해액(H1) 또는 물(H2) 또는 전해액(H1) 또는 물(H2)와 산소를 포함하는 반응물(H)이 누수되는 것을 방지하는 복수개의 격벽(122)과 가이드홈(123)을 포함한다.

여기서, 상기 격벽(122)과 가이드홈(123)은, 상기 양극집전판넬(200)의 구성시 요철 구조를 통한 접촉 또는 접합 면적이 증대되도록 하여 내구성을 보다 향상시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는, 후술된 촉매부(210)의 니켈촉매메쉬(212)의 접착시 접착 부위인 격벽(122)의 상측면과 니켈촉매메쉬(212)의 하측면 사이에 접촉 불량으로 리크가 발생되더라도 반응물(H)이 누수되지 않고 가이드홈(123)으로 고이도록 하여 오링부재의 기능을 제공할 수 있다.

또한, 상기 양극집전판넬안착부(120)는, 양극집전판넬안착홈(121)에 후술된 양극집전판넬(200)의 촉매부(210) 안착 구성시 촉매부(210)의 니켈촉매메쉬(212)에 연결되어 양극 집전 기능을 제공하는 양극집전전극(230)이 상기 요홈 구조에 간섭되지 않은 상태로 셀블록(100) 바디(110)의 외부로 노출되도록 할 수 있는 전극노출홈(124)이 양극집전판넬안착홈(121)의 일부구간으로부터 연장 형성되는 것이 바람직하다.

상기 음극집전판넬삽입부(130)는, 바디(110)의 측면부에 형성된 삽입구(131)와, 이에 연통되며 바디(110)의 개구 부위 내주면에 형성된 가이드홈(132)을 포함하며, 상기 삽입구(131)와 가이드홈(132)을 통해 후술된 음극집전판넬(300)이 바디(110)의 개구 부위를 커버하면서 삽입 구성되고 한 쌍의 양극집전판넬(200)에 각 일면부위가 대면되어 소정의 반응공간이 형성된다.

상기 반응물출입부(140)는, 바디(110)의 상측단과 하측단 또는 좌측단과 우측단에 각각 위치된 상태에서 정면부와 배면부를 향해 관통 형성되거나 또는 측단부에 관통 형성되는 반응물유입구(141) 및 반응물유출구(142)와, 이에 연통되며 바디(110)의 개구 부위 내주면에 형성된 가이드홈(132)에 천공 형성되는 반응물유입공(143)과 반응물유출공(144)을 포함하며, 음극집전판넬(300)의 각 일면부와 이에 대면된 한 쌍의 양극집전판넬(200)의 반응공간 내부로 외부로부터 전해액(H1) 또는 물(H2)가 유입 및 유출되도록 하고 이를 통하여 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)와 양극집전판넬(200)에 의해 필터링되어 유입되는 공기(A) 중의 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 한다. 상기 반응공간 내부의 전해액(H1) 또는 물(H2)와 공기(A) 중의 산소는 상기 반응물유출공(144)과 반응물유출구(142)를 통해 반응공간의 외부로 유출된다.

여기서, 상기 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는, 복수개의 셀블록(100)들이 스택 구조로 직렬 적층되는 경우, 각각 인접한 셀블록(100)의 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)에 일렬로 연통될 수 있도록 정면부는 요부 형상을 가지고 배면부는 철부 형상을 가지는 요철 구조로 구성되는 것이 바람직하며, 이를 통하여 종래와 같이, 복수개의 셀블록(100)들마다 공기(A)가 순환되도록 하는 유로용 배관이 연결되지 않아도 되어 스택 어셈블리(SS)의 구성이 간단히 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는, 각각 상기 유체유입배관과 유체유출배관에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 확장체결부(150)는, 바디(110)의 가장자리 부위에 위치되어 정면부로부터 배면부를 향해 관통 형성되는 복수개의 체결공(151)을 포함하며, 복수개의 셀블록(100)들끼리 볼팅 수단에 의해 체결 및 결합되도록 하여 복수개의 직렬 적층을 통한 스택 구조를 가능하게 하여 대용량, 대형화 및 증설되도록 한다.

따라서 상기 셀블록(100)에 의하면, 단일의 바디(110)에 한 쌍의 양극집전판넬(200)과 상기 양극집전판넬(200)에 각각 일면부위가 대면되는 음극집전판넬(300)이 간단한 구성에 의해 안착되도록 한 상태에서 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)이 대면된 반응공간에서 금속 산화 반응을 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기와 같은 구성을 가지는 복수개의 셀블록(100)들이 상호간 볼팅 수단에 의해 체결 및 결합되는 것을 통하여 일렬로 적층 체결됨으로써, 단위셀 구조체(S)들이 용이하게 스택 구조를 가지면서 대용량 또는 대형화 및 증설되도록 할 수 있다.

상기 양극집전판넬(200)은, 상기 셀블록(100) 양극집전판넬안착부(120)의 양극집전판넬안착홈(121)에 각각 구성되어 상기 셀블록(100)의 개구 부위를 커버 및 밀폐하고 외부로부터 공기(A)가 상기 반응공간에 유입되도록 하여 촉매 반응시 양극이 집전되도록 하는 양극집전수단으로, 상기 셀블록(100)의 개구부(111)에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬안착홈(121)에 가장자리가 접착 구성되어 외부로부터 유입된 공기(A) 중 산소만이 상기 음극집전판넬(300)과의 반응공간 내부로 유입되도록 하여 상기 반응 공간에서 상기 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매부(210)와, 상기 촉매부(210)의 가장자리 상면으로부터 양극집전판넬안착홈(121)에 상호간 볼팅 결합되거나 또는 촉매부(210)의 가장자리 상면에 접착 구성되어 상기 촉매부(210)가 양극집전판넬안착홈(121)에 고정된 상태를 가지도록 하여 촉매부(210)의 전반적인 강성을 증대시키는 보강판넬부(220)를 포함한다.

여기서, 상기 촉매부(210)는, 외부의 공기(A) 중 산소 성분만이 음극집전판넬(300)과의 반응 공간으로 유입되도록 하여 상기 반응공간에서 산소와 전해액(H1) 또는 물(H2)에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 수단으로, 외부를 향해 노출 구성되는 카본 재질의 카본촉매판(211)과, 반응공간을 향해 대면 구성되는 니켈촉매메쉬(212)를 포함하며, 상호간 부착된 상태를 가진다.

상기 카본촉매판(211)은, 불소 코팅된 상태를 가지는 것이 바람직하고, 이를 통하여 공기(A) 중의 오염물질을 필터링함과 동시에 산소가 상기 음극집전프레임(300)과의 반응공간에 대해 전면적으로 확산되도록 하는 촉매 기능을 제공한다.

또한, 상기 니켈촉매메쉬(212)는, 상기 반응공간으로 유입되는 전해액(H1) 또는 물(H2)와 접촉시 산소를 발생시키는 촉매 기능을 제공함과 동시에, 구리, 황동, 청동, 니켈 등의 전도성물질인 양극집전전극(230)이 연결되어 집전 기능을 제공한다.

상기 음극집전판넬(300)은, 상기 셀블록(100) 음극집전판넬삽입부(130)의 삽입구(131)로부터 가이드홈(132)을 삽입되어 셀블록(100)의 개구 부위를 커버하고 양극집전판넬(200)과의 반응공간에 공기(A)와 전해액(H1) 또는 물(H2)의 유입에 따른 촉매 반응시 음극이 집전되도록 하는 음극집전수단으로, 상기 셀블록(100)의 개구부(111)에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬(200)의 촉매부(210)와 이격되도록 구성되어 소정의 반응공간이 형성되도록 하고 상기 반응공간에서 전해액(H1) 또는 물(H2) 및 공기(A) 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료부(310)를 포함한다.

여기서, 상기 금속연료부(310)는, 상기 셀블록(100)의 반응물출입부(140)를 따라 상기 반응공간에 유입 및 유출되는 전해액(H1) 또는 물(H2)와 상기 양극집전판넬(200)의 촉매부(210)를 통해 반응공간에 유입된 후 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)와 함께 유출되는 공기(A) 또는 산소에 의해 금속이 산화되도록 연료기능을 제공하는 수단으로, 알루미늄, 아연, 마그네슘 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나로 구성되어 상기 삽입구(131)를 따라 가이드홈(132)에 삽입되어 개구부(111)가 차폐되도록 하는 금속판(311)과, 상기 금속판(311)에 연결 구성되어 금속판(311)이 개구부(111)를 차폐하면서 삽입 구성시 삽입구(131)를 폐쇄하는 폐쇄판(312)을 포함한다.

또한, 상기 금속판(311)은, 상기 양극집전판넬(200)에 의해 상기 반응공간으로 제공되는 공기(A)와 외부로부터 셀블록(100)의 반응물출입부(140)로부터 제공되는 전해액(H1) 또는 물(H2)와 접촉되어 산화되며 구리, 황동, 청동, 니켈 등의 전도성물질인 음극집전전극(320)이 연결되어 집전 기능을 제공한다.

한편, 상기 커버프레임(400)은, 상기 단위셀 구조체(S)의 구성부들을 보호하기 위한 보호프레임으로, 셀블록(100)의 바디(110)에 형성된 개구부(111), 바디(110)의 상측단과 하측단 또는 좌측단과 우측단에 형성된 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142) 및 바디(110)의 가장자리 부위에 형성된 체결공(151)에 대응된 각 구성부와 소정의 면적을 가지는 플레이트로, 몸체가 강성을 유지할 수 있도록 알루미늄 또는 다른 금속 또는 합금의 재질을 가지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 금속 공기 배터리용 스택(SS)은, 상기와 같은 구성을 가지는 복수개의 단위셀(S) 즉, 셀블록(100)들이 직렬로 적층된 상태에서 각 확장체결부(150)의 체결공(151)이 체결수단에 의해 관통되면서 스택 구조로 배열된 후 상기 셀블록(100)들 중 좌측단과 우측단에 위치된 셀블록(100)의 정면부와 배면부에 각각 커버프레임(400)이 체결되는 것을 통하여 대용량, 대형화 및 증설된다. 이때, 상기 셀블록(100)들은, 각각의 반응물출입부(140) 중 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는 인접한 셀블록(100)들끼리 연통된 상태를 가지게 되는 것이 바람직하다. 또한, 상기와 같이 복수개의 셀블록(100)들끼리 직렬 적층시, 전해액(H1) 또는 물(H2)가 유동되는 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는 각 요철 구조를 통해 밀폐 및 연통된 상태를 가지게 되나 셀블록(100)의 바디(110) 사이에는 소정의 이격 공간이 존재하게 된다. 이에, 상기 이격 공간을 통하여 가장 좌측단과 우측단을 제외한 중심부에 위치된 셀블록(100)들의 반응공간에도 외부로부터 공기(A) 중의 산소만이 상기와 같은 과정을 통해 유입될 수 있다.

전해액순환탱크(T1)는, 하우징(HH)의 내부에 구성되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S) 셀블록(100)들에 구성되는 반응공간에 전해액(H1) 또는 물(H2)을 공급하기 위한 저장탱크이다.

전해액순환용 펌프(P1)는, 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관과 전해액순환탱크(T1)의 전해액유출배관측에 연결 구성되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)이 유입되도록 하여 단위셀(S)의 내부를 순환되도록 한 후 다시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관을 통해 전해액순환탱크(T1)로 유출되도록 하여, 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 의해 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)을 이용한 집전 반응이 이루어지도록 할 수 있다.

물공급탱크(T2)는, 하우징(HH)의 내부에 구성되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 전해액(H1)의 유입 및 순환을 통한 산화 반응 또는 집전 반응시 증발되는 물(H2)을 보충해주기 위한 저장탱크이다.

수위감지센서(S1)는, 전해액순환탱크(T1)에 구성되어 전해액(H1)의 수위를 감지하는 수위감지수단이다.

물보충용 밸브(V1)는, 전해액순환탱크(T1)와 물공급탱크(T2) 사이의 배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)의 동작에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액(H1) 공급 순환시 전해액순환탱크(T1)의 수위가 일정 수위 이하일 경우 물공급탱크(T2)로부터 전해액순환탱크(T1)에 물(H2)이 보충되도록 하여 정상 범위의 수위를 유지하도록 하는 전자밸브이다.

온도감지센서(S2)는, 전해액순환탱크(T1)에 구성되어 전해액(H1)의 온도를 감지하는 온도감지수단이다.

항온수단(미도시)은, 전해액순환탱크(T1)의 내부 또는 전해액유체유입배관이나 전해액유체유출배관에 구성되어 상기 전해액(H1)의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 전해액(H1)을 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도를 유지하도록 하는 공지의 냉각수단과 히팅수단을 포함한다.

세척액순환탱크(T3)는, 하우징(HH)의 내부에 구성되는 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S) 셀블록(100)들에 구성되는 반응공간에 세척액(C)을 공급하기 위한 저장탱크이다.

세척액순환용 펌프(P2)는, 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관과 세척액순환탱크(T3)의 세척액유출배관측에 연결 구성되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 유입되도록 하여 단위셀(S)의 내부를 순환되도록 한 후 다시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관을 통해 세척액순환탱크(T3)로 유출되도록 하여, 금속 공기 배터리용 스택(SS)가 집전 동작되지 않은 경우 반응공간 내부가 세척액(C)에 의해 중화되도록 하여 금속의 부식과 식각을 방지하고 또한, 전해액(H1)의 유동 방향에 따라 이동된 촉매수단의 입자들이 반대방향으로 이동 및 회수되도록 하여 추후 집전 동작시 집전 효율이 향상되도록 할 수 있다.

세척액공급탱크(T4)는, 하우징(HH)의 내부에 구성되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 세척액(C)의 유입 및 순환을 통한 중화 반응 또는 세척 작업시 세척액(C)의 산성도가 낮아지는 경우 세척액(C)을 보충해주기 위한 저장탱크이다.

산성도감지센서(S3)는, 세척액순환탱크(T3)의 산성도를 감지하는 산성도감지수단이다.

세척액보충용 밸브(V2)는, 세척액순환탱크(T3)와 세척액공급탱크(T4) 사이의 배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)의 동작에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액(C) 공급 순환시 세척액순환탱크(T3)의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액공급탱크(T4)로부터 세척액순환탱크(T3)에 세척액(C)이 보충되도록 하여 정상 범위의 산성도를 유지하도록 하는 전자밸브이다.

제1전자밸브(EV1)는, 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 전해액(H1)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)의 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 하며 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관로 유입시 전해액순환용탱크(T1)의 연결을 차단하여 세척액(C)의 순환이 가능하도록 하고 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 개방되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인되도록 하는 전자밸브이다.

제2전자밸브(EV2)는, 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관으로 유입된 전해액(H1)이 유체유입배관으로 유출시 세척액순환탱크(T3)의 연결을 차단하는 전자밸브이다.

즉, 상기 제1전자밸브(EV1)와 제2전자밸브(EV2)에 의하면, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 산화 반응을 통한 집전시, 제1전자밸브(EV1)에 의해 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 전해액(H1)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방되고, 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 폐쇄되어, 전해액(H1)이 전해액순환탱크(T1)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 순환된다.

이후, 상기와 같은 상태에서, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 산화 반응을 통한 집전 종료시 즉, 상기 전해액순환용 펌프(P1)의 동작 오프시 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인된다.

이후, 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 폐쇄되고, 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 개방되어, 세척액(C)이 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 순환된다.

이후, 상기와 같은 상태에서, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 중화 반응을 통한 세척 종료시 즉, 상기 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 제1전자밸브(EV1)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인된다.

제어수단(CB)은, 하우징(HH)의 내부에 구성되며 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 한 후 세척액(C)이 유입 순환 후 유출되도록 하하여 금속 공기 배터리용 스택(SS)이 세척되도록 한다.

즉, 제어수단(CB)에 따른 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 집전 제어는, 제1전자밸브(EV1)에 의해 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 전해액(H1)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방되고, 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 폐쇄된 후, 전해액(H1)이 전해액순환탱크(T1)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 순환되도록 하는 것을 통해 상기 단위셀(S)로부터 전기 에너지가 생성되도록 할 수 있다.

이때, 전해액순환용 펌프(P1)의 동작에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액(H1) 공급 순환시 전해액순환탱크(T1)의 수위가 일정 수위 이하일 경우에는 물보충용 밸브(V1)의 개방 동작에 의해 물공급탱크(T2)로부터 전해액순환탱크(T1)에 물(H2)이 보충되도록 하여 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)의 수량은 정상 범위의 수위를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 전해액(H1)의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 항온수단(미도시)에 의해 전해액(H1)을 가열 또는 냉각되어 항상 일정한 온도가 유지되고 이에, 전해액(H1)이 항상 최적의 반응 온도를 유지하도록 하여 집전 효율이 향상되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 단위셀(S)의 전기 화학 반응식은, [4M+3O2+6H2O ≒ 4M(OH)3+2.71v]와 같이 정의될 수 있으며, 상기 수학식에서 보는 바와 같이, 실제로 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.

또한, 제어수단(CB)에 따른 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 세척 제어는, 상기와 같은 상태에서, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 산화 반응을 통한 집전 종료시 즉, 상기 전해액순환용 펌프(P1)의 동작 오프시 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되고, 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 폐쇄되고 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 개방된 후, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 중화 반응을 통한 세척 종료시 즉, 상기 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 제1전자밸브(EV1)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인되도록 하는 것을 통해 세척액(C)이 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 일정 시간 순환되도록 하고 집전 제어시 높은 농도의 산성도를 가지는 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S) 반응공간이 세척액(C)에 의해 세척 및 중화되도록 하여 금속이 부식 또는 식각되는 것을 방지하여 수명을 향상시킬 수 있다.

이때, 세척액순환용 펌프(P2)의 동작에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액(C) 공급 순환시 세척액순환탱크(T3)의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액보충용 밸브(V2)의 개방 동작에 의해 세척액공급탱크(T4)로부터 세척액순환탱크(T3)에 세척액(C)이 보충되도록 하여 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 일정 농도의 산성도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 세척장치(PP)의 세척방법 및 작용에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택 세척장치(PP)의 세척방법은, 먼저, 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방된다.

이후, 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 폐쇄된다.

이후, 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)이 유입되고 단위셀(S)의 내부를 순환되도록 한 후 다시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관을 통해 전해액순환탱크(T1)로 유출되는 과정이 반복되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 의해 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)을 이용한 집전 반응이 이루어진다.

여기서, 전해액순환용 펌프(P1)의 동작에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액(H1) 공급 순환시 전해액순환탱크(T1)의 수위가 일정 수위 이하일 경우에는 물보충용 밸브(V1)의 개방 동작에 의해 물공급탱크(T2)로부터 전해액순환탱크(T1)에 물(H2)이 보충되어 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)의 수량이 정상 범위의 수위를 유지하게 된다.

또한, 전해액(H1)의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 항온수단(미도시)에 의해 전해액(H1)이 가열 또는 냉각되어 항상 일정한 온도가 유지된다.

한편, 상기와 같은 상태에서, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 산화 반응을 통한 집전 종료시 즉, 상기 전해액순환용 펌프(P1)의 동작이 오프되는 경우에는 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인된다.

이후, 제1전자밸브(EV1)에 의해 전해액순환탱크(T1)와 유체유입배관의 유로가 폐쇄되고 제2전자밸브(EV2)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관의 유로가 개방된다.

이후, 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 유입되고 단위셀(S)의 내부를 순환되도록 한 후 다시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관을 통해 세척액순환탱크(T3)로 유출되는 과정이 반복되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)가 집전 동작되지 않은 경우 반응공간 내부가 세척액(C)에 의해 중화되어 금속의 부식과 식각이 방지된다.

여기서, 세척액순환용 펌프(P2)의 동작에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액(C) 공급 순환시 세척액순환탱크(T3)의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액보충용 밸브(V2)의 개방 동작에 의해 세척액공급탱크(T4)로부터 세척액순환탱크(T3)에 세척액(C)이 보충되어 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 일정 농도의 산성도를 유지하게 된다.

이후, 상기 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 중화 반응을 통한 세척 종료시 즉, 상기 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 제1전자밸브(EV1)에 의해 세척액순환탱크(T3)와 유체유입배관의 유로가 개방된 상태가 유지되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인된다.

따라서 상술한 바에 의하면, 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 한 후 세척액(C)이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택(SS)이 세척되도록 할 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 (7)

1. 하우징(HH)의 내부에 구성되는 금속 공기 배터리용 스택(SS);
   하우징(HH)의 내부에 구성되는 전해액순환탱크(T1);
   금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액순환탱크(T1)의 전해액(H1)이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 전해액순환용 펌프(P1);
   하우징(HH)의 내부에 구성되는 세척액순환탱크(T3);
   금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관에 연결되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인된 후 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액순환탱크(T3)의 세척액(C)이 유입 및 순환된 후 유출되도록 하는 세척액순환용 펌프(P2);
   금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유입배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 전해액(H1)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)의 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 하며 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관로 유입시 전해액순환용탱크(T1)의 연결을 차단하여 세척액(C)의 순환이 가능하도록 하고 세척액순환용 펌프(P2)의 동작 오프시 개방되어 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 유입된 세척액(C)이 세척액순환용탱크(T3)로 강제 드레인되도록 하는 제1전자밸브(EV1);
   금속 공기 배터리용 스택(SS)의 유체유출배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 세척액(C)이 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)로 유입되도록 하고 전해액순환용 펌프(P1)에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)의 유체유입배관으로 유입된 전해액(H1)이 유체유입배관으로 유출시 세척액순환탱크(T3)의 연결을 차단하는 제2전자밸브(EV2); 및
   하우징(HH)의 내부에 구성되며 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로부터 유입 및 순환되도록 하여 집전 반응을 통하여 전기 에너지를 집전하고 이에 대한 전압, 전류 및 전력이 제어되도록 하며 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 집전 동작 오프시 금속 공기 배터리용 스택(SS)에 유입된 전해액(H1)이 전해액순환용탱크(T1)로 강제 드레인되도록 한 후 세척액(C)이 유입 순환 후 유출되도록 하여 금속 공기 배터리용 스택(SS)이 세척되도록 하는 제어수단(CB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
2. 제1항에 있어서,
   하우징(HH)의 내부에 구성되는 물공급탱크(T2);
   전해액순환탱크(T1)의 수위를 감지하는 수위감지센서(S1); 및
   전해액순환탱크(T1)와 물공급탱크(T2) 사이의 배관에 구성되어 전해액순환용 펌프(P1)의 동작에 의해 전해액순환탱크(T1)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 전해액(H1) 공급 순환시 전해액순환탱크(T1)의 수위가 일정 수위 이하일 경우 물공급탱크(T2)로부터 전해액순환탱크(T1)에 물(H2)이 보충되도록 하여 정상 범위의 수위를 유지하도록 하는 물보충용 밸브(V1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
3. 제1항에 있어서,
   전해액순환탱크(T1)에 구성되어 전해액(H1)의 온도를 감지하는 온도감지센서(S2)와;
   전해액순환탱크(T1)의 내부 또는 전해액유체유입배관이나 전해액유체유출배관에 구성되어 상기 전해액(H1)의 온도가 일정 온도 이상 또는 이하인 경우 전해액(H1)을 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도를 유지하도록 하는 항온수단(미도시)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
4. 제1항에 있어서,
   하우징(HH)의 내부에 구성되는 세척액공급탱크(T4);
   세척액순환탱크(T3)의 산성도를 감지하는 산성도감지센서(S3); 및
   세척액순환탱크(T3)와 세척액공급탱크(T4) 사이의 배관에 구성되어 세척액순환용 펌프(P2)의 동작에 의해 세척액순환탱크(T3)로부터 금속 공기 배터리용 스택(SS)의 단위셀(S)에 세척액(C) 공급 순환시 세척액순환탱크(T3)의 산성도가 일정 농도 이상일 경우 세척액공급탱크(T4)로부터 세척액순환탱크(T3)에 세척액(C)이 보충되도록 하여 정상 범위의 산성도를 유지하도록 하는 세척액보충용 밸브(V2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
5. 제1항에 있어서, 금속 공기 배터리용 스택(SS)은,
   소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상을 가지는 셀블록(100); 셀블록(100)의 정면부와 배면부에 각각 구성되어 상기 셀블록(100)의 개구 부위를 커버 및 밀폐하는 한 쌍의 양극집전판넬(200); 및 셀블록(100)의 측면으로부터 개구 부위에 삽입되어 한 쌍의 양극집전판넬(200)들에 각각 대면된 상태로 위치되는 음극집전판넬(300)을 포함하며, 셀블록(100)의 외부로부터 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300) 상호간의 대면된 공간에 공기(A) 중의 산소와 전해액(H1) 또는 물(H2)의 유입시 금속과 산소 및 전해액(H1) 또는 물(H2)의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 하는 단위셀 구조체(S)와;
   셀블록(100)의 정면과 배면 부위에 상기 한 쌍의 양극집전판넬(200)을 각각 커버하면서 스택 어셈블리의 외관을 형성하는 커버프레임(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
6. 제5항에 있어서, 커버프레임(400)의 내측에 복수개의 단위셀 구조체(S)들이 직렬 적층되는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.
7. 제5항에 있어서, 셀블록(100)은,
   소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상의 바디(110);
   바디(110)의 정면부와 배면부에 각각 요홈 형성되며 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되도록 하여 상기 바디(110)의 개구 부위가 커버되도록 하는 양극집전판넬안착부(120);
   바디(110)의 측면부로부터 음극집전판넬(300)이 개구 부위를 커버하면서 삽입 구성되도록 하여 한 쌍의 양극집전판넬(200)에 각 일면부위가 대면된 상태를 가지도록 하는 음극집전판넬삽입부(130);
   바디(110)의 상측단과 하측단 또는 좌측단과 우측단에 각각 위치된 상태에서 정면부와 배면부를 향해 관통 형성되어 음극집전판넬(300)의 각 일면부와 이에 대면된 한 쌍의 양극집전판넬(200)의 반응공간 내부로 외부로부터 전해액(H1) 또는 물(H2)가 유입 및 유출되도록 하여 상기 전해액(H1) 또는 물(H2)와 양극집전판넬(200)에 의해 필터링되어 유입되는 공기(A) 중의 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 하는 반응물출입부(140); 및
   바디(110)의 가장자리 부위에 위치되어 정면부로부터 배면부를 향해 관통 형성되어 복수개의 셀블록(100)들끼리 직렬 적층을 통한 스택 구조로 체결되도록 하는 확장체결부(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택 세척장치.

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