KR20160082374A

KR20160082374A - 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체

Info

Publication number: KR20160082374A
Application number: KR1020140190444A
Authority: KR
Inventors: 정강옥; 강명원
Original assignee: 정강옥; 강명원
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-08

Abstract

본 발명에 의하면, 소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상을 가지는 셀블록; 셀블록의 정면부와 배면부에 각각 구성되어 상기 셀블록의 개구 부위를 커버하는 한 쌍의 양극집전판넬; 및 셀블록의 개구 부위에 삽입 구성되어 한 쌍의 양극집전판넬들에 각각 대면된 상태로 위치되는 음극집전판넬을 포함하며, 셀블록의 외부로부터 상기 양극집전판넬과 음극집전판넬 상호간의 대면된 반응공간에 공기 중의 산소와 물의 유입시 금속과 산소 및 물의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전판넬과 음극집전판넬로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체가 제공된다.

Description

금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체{Unit cell structure of stack for air-electrode battery}

본 발명은 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 워터셀 등과 같은 금속과 물을 이용한 금속 공기 배터리의 스택을 구성하는 단위셀에 있어서 단위셀의 구성이 하나의 셀블록에 하나의 음극집전판넬과 한 쌍의 양극집전판넬이 간단하게 조립 구성되도록 하여 조립 효율을 향상시키고 복수개의 셀블록이 스택으로의 적층을 통한 대용량 및 대형화 작업이 용이하도록 할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체에 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 스택의 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 배터리용 스택의 경우, 집전주머니를 가지는 셀블록의 하우징 내부에 음극용 집전전극과 양극용 집전전극이 구성되어 하나의 단위셀로 제조되고 있다.

이에, 상기 단위셀들이 대용량, 대형화 및 증설을 위해서는 복수의 셀블록들이 스택 구조로 연속 배열된 후 각각의 셀블록 마다 전해질과 공기가 순환되도록 하는 유로용 배관과 이에 연결된 펌핑수단 등이 연결 구성되어야 하기 때문에, 그 작업이 매우 복잡하고 제조원가가 증가되는 문제점이 있다.

한편, 상기 금속 공기 배터리용 스택의 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 워터셀 등과 같은 금속과 물을 이용한 금속 공기 배터리의 스택을 구성하는 단위셀에 있어서 단위셀의 구성이 하나의 셀블록에 하나의 음극집전판넬과 한 쌍의 양극집전판넬이 간단하게 조립 구성되도록 하여 조립 효율을 향상시키고 복수개의 셀블록이 스택으로의 적층을 통한 대용량 및 대형화 작업이 용이하도록 할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 음극집전수단이 판넬 타입의 금속으로 구성되도록 하여 금속의 공급을 위한 구성부를 생략하여 조립작업을 간편히 하고 제조비용을 절감할 수 있는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 양극집전수단이 판넬 타입의 촉매로 구성되도록 하여 상기 음극집전수단 금속의 전면(全面)에 공기중의 산소가 확산되도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체를 제공하는 것이다.

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

여기서, 셀블록은, 소정의 면적과 폭을 가지고 중앙 부위가 개구된 블록 형상의 바디; 바디의 정면부와 배면부에 각각 요홈 형성되며 한 쌍의 양극집전판넬이 각각 안착 구성되도록 하여 상기 바디의 개구 부위가 커버되도록 하는 양극집전판넬안착부; 바디의 측면부로부터 음극집전판넬이 개구 부위를 커버하면서 삽입 구성되도록 하여 한 쌍의 양극집전판넬에 각 일면부위가 대면된 상태를 가지도록 하는 음극집전판넬삽입부; 바디의 상측단과 하측단 또는 좌측단과 우측단에 각각 위치된 상태에서 정면부와 배면부를 향해 관통 형성되어 음극집전판넬의 각 일면부와 이에 대면된 한 쌍의 양극집전판넬의 반응공간 내부로 외부로부터 물이 유입 및 유출되도록 하여 상기 물과 양극집전판넬에 의해 필터링되어 유입되는 공기 중의 산소에 의해 음극집전판넬의 금속이 산화 반응되도록 하는 반응물출입부; 및 바디의 가장자리 부위에 위치되어 정면부로부터 배면부를 향해 관통 형성되어 복수개의 셀블록들끼리 직렬 적층을 통한 스택 구조로 체결되도록 하는 확장체결부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 양극집전판넬은, 셀블록의 개구부에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬안착홈에 가장자리가 접착 구성되어 외부로부터 유입된 공기 중 산소만이 음극집전판넬과의 반응공간 내부로 유입되도록 하여 상기 반응 공간에서 상기 산소에 의해 음극집전판넬의 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매부와; 촉매부의 가장자리 상면으로부터 양극집전판넬안착홈에 상호간 볼팅 결합되거나 또는 촉매부의 가장자리 상면에 접착 구성되어 촉매부가 양극집전판넬안착홈에 고정된 상태를 가지도록 하여 촉매부의 전반적인 강성을 증대시키는 보강판넬부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 음극집전판넬은, 셀블록의 개구부에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬의 촉매부와 이격되도록 구성되어 소정의 반응공간이 형성되도록 하고 상기 반응공간에서 물 및 공기 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료부를 포함하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면, 중앙이 개구된 단일의 셀블록 정면과 배면에 판넬 형상을 가지는 한쌍의 양극집전판넬이 접착 구성되고 그 사이에 각 양극집전판넬에 대면되어 소정의 반응공간을 형성하는 판넬 형상을 가지는 단일의 음극집전판넬이 삽입 구성됨으로써, 단위셀 구조체의 간단한 조립 구성을 가능하게 하여 조립 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 단일의 셀블록에 양극집전판넬과 음극집전판넬이 하나의 단위셀 구조체로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 복수의 단위셀 구조체들이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 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 스택의 단위셀 구조체를 나타낸 사시도;
도 2는 도 1의 단위셀 구조체를 나타낸 분해사시도;
도 3과 도 4는 각각 도 1의 단위셀 구조체에 있어서 셀블록의 정면과 배면을 나타낸 사시도; 및
도 5는 도 1의 단위셀 구조체들이 복수개가 직렬 적층된 스택 어셈블리를 나타낸 도면.

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

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 단위셀 구조체를 나타낸 분해사시도이다. 또한, 도 3과 도 4는 각각 도 1의 단위셀 구조체에 있어서 셀블록의 정면과 배면을 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 1의 단위셀 구조체들이 복수개가 직렬 적층된 스택 어셈블리를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체(S)는, 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 물(H)의 유입시 금속과 산소 및 물(H)의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 한다.

여기서, 본 발명의 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체(S)는, 상기 셀블록(100)의 정면과 배면 부위에 상기 한 쌍의 양극집전판넬(200)을 각각 커버하는 커버프레임(400)이 더 구성되어 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(SS)의 외관을 형성하며 그 사이에 배열 구성된 단위셀 구조체(S)의 구성 요소들을 보호할 수 있으며, 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 증설되는 것이 바람직하다.

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 물(H)이 유입 및 유출되도록 하고 이를 통하여 상기 물(H)과 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 물(H) 또는 물(H)과 산소를 포함하는 반응물이 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 반응물이 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 물(H)이 유입 및 유출되도록 하고 이를 통하여 상기 물(H)과 양극집전판넬(200)에 의해 필터링되어 유입되는 공기(A) 중의 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 한다. 상기 반응공간 내부의 물(H)과 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.

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 물(H)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 물(H)과 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 물(H)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 물(H) 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 물(H)과 상기 양극집전판넬(200)의 촉매부(210)를 통해 반응공간에 유입된 후 상기 물(H)과 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 물(H)과 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.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체(S)의 제조방법 및 작용에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체(S)의 제조방법은, 셀블록(100)의 정면과 배면에 각각 형성되는 양극집전판넬안착부(120)에 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되는 단계와, 셀블록(100)의 음극집전판넬삽입부(130)를 통해 음극집전판넬(300)이 삽입 구성되어 음극집전판넬(300)의 일면과 양극집전판넬(200)이 각각 대면되어 소정의 반응공간이 형성되는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 양극집전판넬안착부(120)에 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되는 단계는, 양극집전판넬(200)의 촉매부(210) 중 니켈촉매메쉬(212)의 가장자리가 양극집전판넬안착홈(121)에 접착제 등과 같은 접착수단을 통해 접착된 상태에서, 그 상측면에 해당되는 카본촉매판(211)의 가장자리에 윈도우 형상을 가지는 보강판넬(220)의 가장자리가 위치된 후, 양극집전판넬안착홈(121)에 볼팅 결합 또는 카본촉매판(211)의 가장자리에 접착되는 과정에 의해 이루어진다.

또한, 상기 음극집전판넬삽입부(130)를 통해 음극집전판넬(300)이 삽입 구성되는 단계는, 금속연료부(310)의 금속판(311)이 셀블록(100)의 음극집전판넬삽입부(130)의 삽입구(131)에 위치된 상태에서, 개구부(111)의 내주면에 형성된 가이드홈(132)을 따라 삽입되어 개구부(111)가 폐쇄된 후, 폐쇄판(312)에 의해 삽입구(131)가 폐쇄되는 과정에 의해 이루어진다.

따라서 상기와 같이 단일의 셀블록(100)에 한쌍의 양극집전판넬(200)이 접착 구성되고 그 사이에 각 양극집전판넬(200)에 대면되어 소정의 반응공간을 형성하는 판넬 형상을 가지는 단일의 음극집전판넬(300)이 삽입 구성되는 것을 통하여, 단위셀 구조체(S)가 간단하게 조립 구성될 수 있다.

이후, 상기와 같은 상태에서, 펌프(P)로부터 반응물유입구(141)와 반응물유출공(143)을 통하여 상기 셀블록(100)의 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)의 대면에 의해 형성되는 반응공간으로 물(H)이 유입되도록 하고 양극집전판넬(200)에 의해 필터링되어 공기(A) 중의 산소가 상기 반응공간으로 유입되도록 한 후 반응물유출공(143)과 반응물유출구(142)를 통하여 저장공간으로 유출되도록 하는 동작을 통하여, 상기 음극집전판넬(300)이 공기(A) 중의 산소와 물(H)과 산화 반응되면서 전류 또는 전자의 이동이 발생되도록 할 수 있고, 이를 양극집전판넬(200)의 양극집전전극(230)과 음극집전판넬(300)의 음극집전전극(320)에 집전되도록 할 수 있다.

여기서, 상기 반응공간에는 공기(A) 중의 산소만이 양극집전판넬(200)의 카본촉매판(211)과 니켈촉매메쉬(212)를 통과 및 유입되고, 이때, 상기 물(H)은 셀블록(100)의 반응물유입구(141)와 반응물유입공(143)을 통하여 금속판(311)의 일면과 타면에 전면(全面) 접촉된 상태를 가지면서 유입된다.

이에, 음극집전판넬(300)이 금속판(311)으로 구성되도록 하여 종래와 같은 금속의 공급을 위한 구성부가 생략될 수 있어 조립작업을 간편히 하고 제조비용을 절감할 수 있고 또한, 양극집전판넬(200)에 판넬 타입의 촉매부(210)가 구성되도록 하여 상기 음극집전판넬(300)의 금속판(311) 전면(全面)에 공기(A) 중의 산소가 확산되도록 하여 집전 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 단위셀 구조체(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 구조체(S)는 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, 상기와 같은 구성을 가지는 복수개의 단위셀 구조체(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 금속 공기 배터리용 스택 어셈블리(SS)로 대용량, 대형화 및 증설될 수 있다.

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.

여기서, 상기 반응물유입구(141)에 물(H)이 유입되도록 하는 유입배관은 상기 반응물유출구(142)로부터 물(H)이 유출되도록 하는 유입배관에 비해 더 큰 직경을 가지는 것을 통하여 상기 반응공간에 항상 충분한 양의 물(H)이 공급되도록 하는 것이 바람직하고, 이때, 상기 유입배관에는 상기 반응공간의 물(H)이 외부로 펌프(P)에 연결된 저수공간이 아닌 외부로 드레인되도록 하는 드레인밸브가 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 상태에서, 복수개의 단위셀 구조체(S) 중 가장 좌측단의 셀블록(100)의 정면부에 위치된 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는 각각 펌프(P)에 배관을 통해 연결되고, 가장 우측단의 셀블록(100) 배면부를 향해 관통 형성된 반응물유입구(141)와 반응물유출구(142)는 폐쇄되는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 상태에서, 펌프(P)로부터 상기 가장 좌측단의 셀블록(100)의 정면부에 위치된 반응물유입구(141)에 물(H)의 공급되는 경우 상기 물(H)은 각각의 셀블록(100)에 형성된 반응물유입구(141)와 반응물유입공(143)을 경유하여 각 셀블록(100)의 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)의 대면에 의해 형성되는 모든 반응공간에 유입되고, 이때, 상기 반응공간에는 양극집전판넬(200)에 의해 필터링된 공기(A) 중의 산소가 유입되어, 상기 음극집전판넬(300)이 공기(A) 중의 산소와 물(H)과 산화 반응되면서 전류 또는 전자의 이동이 발생되고 양극집전판넬(200)의 양극집전전극(230)과 음극집전판넬(300)의 음극집전전극(320)에 집전되도록 한 후, 상기 각 반응공간의 반응물이 각 셀블록(100)의 반응물유출공(143)과 반응물유출구(142)를 통하여 외부의 저장공간으로 유출되는 동작이 반복되어 향상된 집전 효율을 가지도록 할 수 있다.

여기서, 상기와 같이 복수개의 셀블록(100)들끼리 직렬 적층시, 물(H)이 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.

따라서 상술한 바에 따른 단위셀 구조체(S)에 의하면, 중앙이 개구된 단일의 셀블록(100) 정면과 배면에 판넬 형상을 가지는 한쌍의 양극집전판넬(200)이 접착 구성되고 그 사이에 각 양극집전판넬(200)에 대면되어 소정의 반응공간을 형성하는 판넬 형상을 가지는 단일의 음극집전판넬(300)이 삽입 구성됨으로써, 단위셀 구조체(S)의 간단한 조립 구성을 가능하게 하여 조립 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 단일의 셀블록(100)에 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)이 하나의 단위셀 구조체(S)로 구성되도록 한 후 상기와 같은 구성의 복수의 단위셀 구조체(S)들이 직렬 적층되는 스택 구조를 가지도록 하여 대용량, 대형화 및 증설이 용이하도록 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

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 커버하는 한 쌍의 양극집전판넬(200); 및
셀블록(100)의 개구 부위에 삽입 구성되어 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 반응공간에 공기(A) 중의 산소와 물(H)의 유입시 금속과 산소 및 물(H)의 화학 반응이 이루어지도록 하여 상기 양극집전판넬(200)과 음극집전판넬(300)로부터 양극과 음극의 집전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제1항에 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 물(H)이 유입 및 유출되도록 하여 상기 물(H)과 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 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 바디(110)는,
소정의 면적과 폭을 가지고 중앙에 개구부(111)가 형성된 블록 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 양극집전판넬안착부(120)는,
바디(110)의 정면부와 배면부에 각각 요홈 형성되며 한 쌍의 양극집전판넬(200)이 각각 안착 구성되도록 하는 양극집전판넬안착홈(121)과;
양극집전판넬안착홈(121)에 소정 간격으로 요철 형성되는 복수개의 격벽(122)과 가이드홈(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 음극집전판넬삽입부(130)는,
바디(110)의 측면부에 형성된 삽입구(131)와;
이에 연통되며 바디(110)의 개구 부위 내주면에 형성된 가이드홈(132)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 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 각각 연통되며 바디(110)의 개구 부위 내주면에 형성된 가이드홈(132)에 천공 형성되는 반응물유입공(143)과 반응물유출공(144)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 확장체결부(150)는,
바디(110)의 가장자리 부위에 위치되어 정면부로부터 배면부를 향해 관통 형성되는 복수개의 체결공(151)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 양극집전판넬(200)은,
셀블록(100)의 개구부(111)에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬안착홈(121)에 가장자리가 접착 구성되어 외부로부터 유입된 공기(A) 중 산소만이 음극집전판넬(300)과의 반응공간 내부로 유입되도록 하여 상기 반응 공간에서 상기 산소에 의해 음극집전판넬(300)의 금속이 산화 반응되도록 촉매기능을 제공하는 촉매부(210)와;
촉매부(210)의 가장자리 상면으로부터 양극집전판넬안착홈(121)에 상호간 볼팅 결합되거나 또는 촉매부(210)의 가장자리 상면에 접착 구성되어 촉매부(210)가 양극집전판넬안착홈(121)에 고정된 상태를 가지도록 하여 촉매부(210)의 전반적인 강성을 증대시키는 보강판넬부(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제8항에 있어서, 촉매부(210)는,
외부를 향해 노출 구성되는 카본 재질의 카본촉매판(211)과;
반응공간을 향해 대면 구성되는 니켈촉매메쉬(212)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제2항에 있어서, 음극집전판넬(300)은,
셀블록(100)의 개구부(111)에 대응된 면적을 가지고 양극집전판넬(200)의 촉매부(210)와 이격되도록 구성되어 소정의 반응공간이 형성되도록 하고 상기 반응공간에서 물(H) 및 공기(A) 중의 산소에 의해 산화되는 금속을 통하여 연료 기능을 제공하는 금속연료부(310)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.
제10항에 있어서, 금속연료부(310)는,
알루미늄, 아연, 마그네슘 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나로 구성되는 금속판(311)인 것을 특징으로 하는 금속 공기 배터리용 스택의 단위셀 구조체.