KR102364851B1 - 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지 - Google Patents

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Abstract

양극의 냉각과 음극의 가열을 함께 수행할 수 있는 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지가 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 연장되도록 상기 금속 공기 전지셀의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 적어도 하나의 유체관을 포함하는 공기 채널부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 유체관은 상기 유체관에 공급된 공기가 상기 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 진행하면서 열교환을 하도록 구성될 수 있다.

Description

열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지 {Metal air battery including thermal management structure}
개시된 실시예들은 금속 공기 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극의 냉각과 음극의 가열을 함께 수행할 수 있는 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 복수의 금속 공기 전지 셀을 포함하며, 각각의 금속 공기 전지 셀은 이온의 흡장 및 방출이 가능한 음극과 공기 중의 산소를 활물질로서 사용하는 양극을 포함한다. 양극에서는 외부로부터 유입되는 산소의 환원 및 산화 반응이 일어나고 음극에서는 금속의 산화 및 환원 반응이 일어나며, 이때 발생하는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 추출한다. 예를 들어, 금속 공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속 공기 전지가 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 공기 전지는 기존의 리튬 이온 전지의 에너지 밀도보다 수배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
또한, 금속 공기 전지는 이상 고온에 의한 발화 가능성이 낮기 때문에 뛰어난 안정성을 가지며, 중금속을 사용할 필요가 없이 산소의 흡수 및 방출만으로 작동하기 때문에 환경 오염을 일으킬 가능성도 낮다. 이러한 다양한 장점으로 인해, 현재 금속 공기 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
양극의 냉각과 음극의 가열을 함께 수행할 수 있는 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지를 제공한다.
일 실시예에 따른 금속 공기 전지는, 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀을 포함하는 전지 모듈; 상기 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 연장되도록 상기 금속 공기 전지셀의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 적어도 하나의 유체관을 포함하는 공기 채널부; 및 상기 공기 채널부에 공기를 공급하는 공기 공급부;를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 유체관은 상기 유체관에 공급된 공기가 상기 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 진행하면서 열교환을 하도록 구성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 인접하여 배치된 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀을 포함하며, 상기 공기 채널부는 상기 제 1 금속 공기 전지셀에 배치된 제 1 유체관과 상기 제 2 금속 공기 전지셀에 배치된 제 2 유체관을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 유체관은 각각 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 유체관의 공기 유입부와 상기 제 2 유체관의 공기 유입부는 상기 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관은 하나의 공기 유입부를 공유할 수 있다.
상기 제 1 유체관의 공기 배출부와 상기 제 2 유체관의 공기 배출부는 상기 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀의 반대쪽 표면에 각각 배치될 수 있다.
상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관의 공통 공기 유입부의 면적은 상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관의 각각의 공기 배출부의 면적보다 클 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 유체관의 공기 유입부는 각각 상기 제 1 및 제 2 금속 공기 전지셀의 양극 측에 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 유체관의 공기 배출부는 각각 상기 제 1 및 제 2 금속 공기 전지셀의 음극 측에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 금속 공기 전지는, 상기 공기 공급부와 상기 공기 채널부 사이에 배치된 것으로, 상기 공기 공급부로부터 제공되는 공기를 상기 적어도 하나의 유체관에 균일하게 분배하는 매니폴드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 공기 전지는 상기 적어도 하나의 유체관 내부의 공기 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부는 상기 공기 채널부에 공급하는 공기의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함할 수 있다.
또한 상기 금속 공기 전지는, 상기 온도 센서에서 측정된 상기 적어도 하나의 유체관 내부의 공기 온도를 기초로 상기 공기 채널부에 공급하는 공기의 온도를 조절하도록 상기 온도 조절부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부는 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입부 및 흡입된 공기 중의 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지는 상기 금속 공기 전지셀의 양극 측 또는 음극 측에 배치된 열교환 구조를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 열교환 구조는 상기 금속 공기 전지셀의 양극 표면 또는 음극 표면에 형성된 요철 구조를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 열교환 구조는 상기 금속 공기 전지셀의 양극 표면 또는 음극 표면으로부터 수직하게 돌출된 다수의 납작한 판들을 포함할 수 있다.
각각의 금속 공기 전지셀은, 음극 금속층; 상기 음극 금속층 위에 배치된 전해질막; 및 산소를 활물질로 사용하는 것으로, 상기 전해질막 위에 배치된 양극층;을 포함할 수 있다.
각각의 유체관은 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하며, 상기 공기 유입부는 각각의 금속 공기 전지셀의 양극층에 인접하여 배치되고 상기 공기 배출부는 각각의 금속 공기 전지셀의 음극 금속층에 인접하여 배치될 수 있다.
하나의 금속 공기 전지셀에 대해 다수의 유체관이 배치될 수 있다.
상기 다수의 유체관은 상기 음극 금속층과 상기 양극층의 표면을 따라 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
또한, 각각의 금속 공기 전지셀은, 적어도 하나의 양극층; 각각의 양극층의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 전해질막; 및 상기 전해질막의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 음극 금속층;을 포함하며, 상기 전해질막 및 음극 금속층은 각각의 양극층의 제 1 측면의 맞은 편에 배치된 각각의 양극층의 제 2 측면이 외부로 노출되도록 배치될 수 있다.
상기 각각의 금속 공기 전지셀은 다수의 양극층을 포함하며, 하나의 전해질막 및 음극 금속층이 상기 다수의 양극층을 각각 둘러싸도록 반복적으로 절곡될 수 있다.
각각의 양극층마다 상기 유체관이 하나씩 배치될 수 있다.
각각의 유체관은 상기 양극층의 제 2 측면으로부터 상기 음극 금속층으로 연장되도록 각각의 금속 공기 전지셀의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다.
각각의 유체관은 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하며, 각각의 유체관의 공기 유입부와 공기 배출부는 상기 양극층의 제 1 측면과 제 2 측면 사이에 있는 상기 양극층의 제 3 측면을 향해 개방될 수 있다.
각각의 유체관의 일부는 상기 양극층의 제 3 측면의 맞은 편에 배치된 상기 양극층의 제 4 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
개시된 실시예에서는, 양극에 공급된 공기가 음극을 경유하여 방출되도록 공기 채널부가 구성되어 있다. 따라서, 양극을 냉각시키면서 가열된 공기를 음극에 공급함으로써 음극의 온도를 올릴 수 있다. 그 결과, 하나의 열 관리 구조를 이용하여 양극을 냉각시키는 동시에 음극에서 덴드라이트가 형성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 음극에서 온도 상승의 효과로 금속 이온 및 음극 주변 이온들의 활동도도 향상될 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 음극을 가열하기 위한 히터 등의 추가 장치가 요구되지 않으며, 간단한 구성으로 양극의 냉각과 음극의 가열을 동시에 달성할 수 있어서, 금속 공기 전지의 전체 에너지 밀도 및 출력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속 공기 전지의 공기 공급부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 양극측의 측면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 음극측의 측면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 금속 공기 전지셀의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지의 전지 모듈과 공기 채널부의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)는 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀(10)을 포함하는 전지 모듈(110), 상기 금속 공기 전지셀(10)의 양극 측으로부터 음극 측으로 연장되도록 금속 공기 전지셀(10)의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 적어도 하나의 유체관(121)을 포함하는 공기 채널부(120), 및 공기 채널부(120)에 공기를 공급하는 공기 공급부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 금속 공기 전지(100)는 공기 공급부(130)의 동작을 제어하는 제어부(140) 및 다수의 센서들을 포함하는 센서부(150)를 더 포함할 수 있다.
전지 모듈(110) 내의 각각의 금속 공기 전지셀(10)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 금속이 리튬(Li)인 경우, 금속 공기 전지셀은 방전시에 리튬(Li)과 산소가 반응하여 리튬 산화물(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성한다. 또한, 방전시와 역으로 충전시에는 리튬 산화물에서 리튬 금속이 환원되고 산소가 발생하게 된다. 리튬 이외에도 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 그 반응 원리는 리튬과 동일할 수 있다. 예를 들어, 나트륨 공기 전지셀, 아연 공기 전지셀, 칼륨 공기 전지셀, 칼슘 공기 전지셀, 마그네슘 공기 전지셀, 철 공기 전지셀, 알루미늄 공기 전지셀 또는 상기 언급된 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금 공기 전지셀이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속 공기 전지셀(10)의 방전 동작시에 양극에서는 금속 이온과 산소가 결합하면서 열이 발생하게 된다. 또한, 전류가 흐르면서 저항 성분으로 인해 추가적으로 열이 발생할 수 있다. 이렇게 발생한 열에 의해 양극의 온도가 상승하게 되면, 금속 공기 전지셀(10) 내에서 전해질의 분해, 전극의 부식, 부반응 등이 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위하여 금속 공기 전지셀(10)의 양극을 냉각시키는 것이 유리하다.
금속 공기 전지셀(10)의 양극의 냉각은 공기 공급부(130)가 공급하는 공기의 온도를 조절함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 금속 공기 전지(100)의 공기 공급부(130)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 공기 공급부(130)는 외부의 공기를 흡입하도록 구성된 공기 흡입부(131), 흡입된 공기 중의 수분을 제거하기 위한 수분 제거부(132), 및 수분이 제거된 공기의 온도를 조절하도록 구성된 온도 조절부(133)를 포함할 수 있다. 공기 흡입부(131)는 제어부(140)의 제어에 따라 공기 흡입량을 조절하도록 구성될 수 있다. 도 2에는 온도 조절부(133)가 공기 흐름 방향으로 수분 제거부(132)의 뒤에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 수분 제거부(132)와 온도 조절부(133)의 배치 순서는 바뀔 수도 있다.
수분 제거부(132)는 공기 흡입부(131)로부터 유입된 외부 공기에 포함된 수분 및 불순물을 제거하도록 구성될 수 있다. 공기 중에 수분이 존재하게 되면, 금속 공기 전지셀(10)의 방전시에 수산화리튬이 생성될 수 있으며, 이로 인해 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도 및 수명이 감소하게 된다. 이러한 점에서 수분 제거부(132)는 공기 건조기라고 부를 수 있다. 비록 상세하게 도시되지는 않았지만, 수분 제거부(132)는, 예를 들어, 공기 중에 포함된 수분을 흡착하는 흡착부 및 흡착부를 가열하여 흡착부에 흡착된 수분을 탈착시키는 가열부를 포함할 수 있다. 흡착부에서 탈착된 수분은 수분 공기 배출부(132a)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 또한, 수분 제거부(132)는 수분 외에도 공기 중의 질소 및 그 밖의 불순물을 제거하여 공기 채널부(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 증가시킬 수도 있다.
수분 제거부(132)에 의해 건조된 공기는 온도 조절부(133)에 제공될 수 있다. 온도 조절부(133)는 제어부(140)의 제어에 따라 공기 채널부(120)에 공급되는 공기의 온도를 낮출 수 있다. 예컨대, 공기 채널부(120)에 공급되는 공기의 온도는 실온(room temperature)으로 유지될 수 있다. 그러나, 금속 공기 전지셀(10)의 양극이 지나치게 과열될 경우에는 제어부(140)는 온도 조절부(133)를 동작시켜 공기 채널부(120)에 공급되는 공기의 온도를 더 낮출 수 있다. 이를 위해, 센서부(150)는 공기 채널부(120)의 적어도 하나의 유체관(121)의 내부의 공기 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있다. 제어부(140)는 온도 센서에서 측정된 적어도 하나의 유체관(121)의 내부의 공기 온도를 기초로 공기 채널부(120)에 공급하는 공기의 온도를 조절하도록 온도 조절부(133)를 제어할 수 있다. 그러나, 정상적인 환경에서는 실온의 공기만으로 금속 공기 전지셀(10)의 양극을 냉각시킬 수 있기 때문에, 제어부(140)는 온도 조절부(133)의 동작을 중단할 수도 있다. 한편, 수분 제거부(132)가 수분을 제거하는 동안 공기의 온도를 낮출 수 있다면, 온도 조절부(133)는 수분 제거부(132)와 통합될 수도 있다.
한편, 금속 공기 전지셀(10)의 충전과 방전을 반복하는 동안, 음극의 표면에서는 덴드라이트(dendrite)가 조금씩 성장하게 되는데, 이로 인해 음극 및 전해질이 손상될 수 있다. 이러한 덴드라이트는 높은 온도에서 성장이 억제되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 금속 공기 전지셀(10)의 양극은 냉각시키면서 음극은 가열하는 것이 금속 공기 전지셀(10)의 안정성 및 수명 확보에 유리할 수 있다. 개시된 금속 공기 전지(100)는 금속 공기 전지셀(10)의 양극의 냉각과 음극의 가열을 동시에 수행할 수 있는 열 관리 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 3은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 또한, 도 4는 도 3에 도시된 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 전지 모듈(110)은 나란하게 배치된 다수의 금속 공기 전지셀(10)들을 포함할 수 있다. 각각의 금속 공기 전지셀(10)은 음극 금속층(13), 음극 금속층(13)의 일측 표면 위에 배치된 전해질막(12), 및 산소를 활물질로 사용하는 것으로 전해질막(12)의 일측 표면 위에 배치된 양극층(11)을 포함할 수 있다. 음극 금속층(13)은 금속 이온을 흡장/방출하는 역할을 하는 것으로, 예컨대 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 전해질막(12)은 금속 이온을 양극층(11)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 전해질막(12)은 금속염을 용매에 용해하여 형성된 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 통상적으로 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속염으로는 LiN(SO2CF2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO3CF3)2, LiC4F9SO3, LiAlCl4 또는 LiTFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 등과 같은 리튬염을 사용할 수 있으며, 상술한 리튬염에 AlCl3, MgCl2, NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl2 등과 같은 다른 금속염을 더 추가할 수도 있다. 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.
또한, 전해질막(12)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대해 전도성을 갖는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 휘어질 수 있는 고분자계 분리막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분리막으로는 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 등을 사용할 수 있다. 이러한 분리막과 전해질이 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 전해질막(12)은 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI을 혼합하여 형성된 전해질을 다공성 분리막의 기공들 내에 함침시켜 전해질막(12)을 형성할 수 있다.
도 4에는 편의상 하나의 층으로 도시되어 있지만, 양극층(11)은 양극 전극과 기체 확산층을 포함할 수 있다. 양극 전극은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화/환원을 위한 촉매, 도전성 재료, 바인더 및 용매를 혼합한 후 건조하여 형성될 수 있다. 전해질은 앞서 설명한 리튬염 또는 금속염을 포함할 수 있다. 도전성 재료로는 예를 들어 도전성을 갖는 다공성 탄소계 재료, 금속 재료, 유기 재료, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 예컨대, 탄소계 재료로서는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 도전성 금속 재료는 예를 들어 금속 분말의 형태로 사용할 수 있다. 촉매로는, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등을 사용할 수 있으며, 또는 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 산화물을 사용할 수도 있다. 바인더로는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다.
기체 확산층은 공기 중의 산소를 흡수하여 양극 전극에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해 기체 확산층은 외부의 산소를 원활하게 확산시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt), 또는 스펀지상의 발포 금속이나 금속 섬유 매트를 사용하여 기체 확산층을 형성할 수 있다.
한편, 공기 채널부(120)는 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)으로부터 음극 금속층(13)으로 연장되도록 금속 공기 전지셀(10)의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 적어도 하나의 유체관(121)을 포함할 수 있다. 각각의 유체관(121)은 공기가 유입되는 공기 유입부(121a)와 공기가 배출되는 공기 배출부(121b)를 포함하는데, 공기 유입부(121a)는 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11) 측에 배치되어 있으며, 공기 배출부(121b)는 금속 공기 전지셀(10)의 음극 금속층(13) 측에 배치되어 있다. 또한, 금속 공기 전지(100)는 공기 공급부(130)와 공기 채널부(120) 사이에 배치된 공급용 매니폴드(manifold)(128)를 더 포함할 수 있다. 공급용 매니폴드(128)는 유체관(121)의 공기 유입부(121a)에 연결되어 있으며, 공기 공급부(130)로부터 제공되는 공기를 유체관(121)들에 균일하게 분배하도록 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 유체관(121)은 공기가 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)으로부터 음극 금속층(13)으로 진행하면서 열교환을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공기 유입부(121a)를 통해 유체관(121)으로 들어온 공기는 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)에 산소를 공급하는 동시에, 양극층(11)을 냉각시킬 수 있다. 상술한 바와 같이 유체관(121)에 공급되는 공기는 실온이며, 금속 공기 전지셀(10)의 방전 동작시에 양극층(11)의 온도는 약 60~70℃ 정도까지 상승할 수 있다. 따라서, 실온의 공기는 양극층(11)을 냉각시키는 데 충분할 수 있다. 양극층(11)과의 열교환을 통해 양극층(11)을 냉각시키는 동안 공기의 온도는 상승하게 된다.
온도가 상승한 공기는 유체관(121)을 따라 흐르면서 금속 공기 전지셀(10)의 음극 금속층(13)으로 진행하게 된다. 이를 위해, 금속 공기 전지셀(10)의 종단부는 유체관(11)의 내벽과 이격될 수 있다. 따라서, 공기는 금속 공기 전지셀(10)의 종단부를 돌아 금속 공기 전지셀(10)의 음극 금속층(13)에 도달할 수 있다. 양극층(11)에 의해 온도가 상승된 공기는 음극 금속층(13)과의 열교환을 통해 음극 금속층(13)을 가열할 수 있다. 예를 들어, 금속 공기 전지셀(10)의 방전 시의 전류 밀도가 약 1.2 mA/㎠이고, 기체 확산층의 열전도도가 약 1.5 W/m-K, 리튬 전극의 열전도도가 약 84.8 W/m-K, 전해질의 열전도도가 약 0.17 W/m-K, 공기의 열전도도가 약 0.02 W/m-K라고 할 때, 공기 유입부(121a)를 통해 유입되는 공기의 온도가 약 300K인 경우, 공기 배출부(121b)를 통해 배출되는 공기의 온도는 약 315K 내지 340K 정도까지 상승할 수 있다.
이러한 본 실시예에 따르면, 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)의 냉각과 음극 금속층(13)의 가열을 동시에 수행할 수 있다. 특히, 양극층(11)을 냉각시키면서 가열된 공기를 음극 금속층(13)에 공급함으로써 음극 금속층(13)의 온도를 올릴 수 있다. 그 결과, 하나의 열 관리 구조를 이용하여 양극층(11)을 냉각시키는 동시에 음극 금속층(13)에서 덴드라이트가 형성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 음극 금속층(13)을 가열하기 위한 히터 등의 추가 장치가 요구되지 않으며, 간단한 구성으로 양극층(11)의 냉각과 음극 금속층(13)의 가열을 동시에 달성할 수 있어서, 금속 공기 전지(100)의 전체 에너지 밀도 및 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 음극 금속층(13)에서의 온도 상승의 효과로 인해 음극 금속층(13)의 금속 이온 및 주변 이온들의 활동도도 향상될 수 있어서, 금속 공기 전지셀(10)의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 도 5의 정면도를 참조하면, 하나의 금속 공기 전지셀(10)에 대해 다수의 유체관(121)들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 다수의 유체관(121)들은 음극 금속층(13)과 양극층(11)의 표면을 따라 높이 방향으로 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 다수의 유체관(121)들 사이에는 격막(121c)이 배치될 수 있다. 격막(121c)에 의해 다수의 유체관(121)들의 다수의 공기 유입부(121a)들과 다수의 공기 배출부(121b)들이 분리될 수 있다. 하나의 유체관(121)의 공기 유입부(121a)와 공기 배출부(121b)는 동일한 높이에 위치할 수 있다. 따라서, 한 유체관(121)에 공급된 공기는 동일한 높이에 있는 양극층(11)과 음극 금속층(13)의 표면을 따라 흐를 수 있다. 각각의 격막(121c)은 음극 금속층(13)과 양극층(11)의 표면에 완전히 접촉할 수도 있지만, 약간의 간격을 두고 이격될 수도 있다. 격막(121c)이 음극 금속층(13)과 양극층(11)의 표면으로부터 떨어져 있는 경우, 다수의 공기 유입부(121a)들과 다수의 공기 배출부(121b)들이 완전히 분리되지 않을 수 있으며, 격막(121c)과 대향하는 음극 금속층(13)과 양극층(11)의 표면에도 공기가 공급되어 열교환이 일어날 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다. 도 6을 참조하면, 각각의 금속 공기 전지셀(10)에 대해 하나의 유체관(121)만이 배치될 수도 있다. 이 경우, 공기 채널부(120)는 도 5에 도시된 격막(121c)을 포함하지 않을 수 있다. 그러면, 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)과 음극 금속층(13)의 전체 표면이 하나의 유체관(121) 내에서 공기에 노출될 수 있다. 금속 공기 전지셀(10)의 하단부는 유체관(121)의 바닥면에 접촉하고 있으며 금속 공기 전지셀(10)의 상단부는 유체관(121)의 천장면에 접촉하고 있어서, 공기 유입부(121a)과 공기 배출부(121b)는 금속 공기 전지셀(10)에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 공기 유입부(121a)로 들어온 공기는 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)으로부터 음극 금속층(13)을 지나 공기 배출부(121b)로 나올 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이며, 도 8은 도 7에 도시된 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 정면도이다. 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 경우, 한 유체관(121)의 공기 유입부(121a) 및 공기 배출부(121b)는 다른 유체관(121)의 공기 유입부(121a) 및 공기 배출부(121b)와 완전히 분리되어 있다. 반면, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 유체관(121)이 하나의 공기 유입부(121a)를 공유할 수도 있다.
예를 들어, 도 7 및 도 8을 참조하면, 2개의 인접하여 배치된 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b)은 각각 유체관(121) 내에 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 유체관(121)의 공기 유입부(121a)와 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 유체관(121)의 공기 유입부(121a)는 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b) 사이에는 2개의 유체관(121)을 분리하는 격막이 배치되지 않을 수 있다. 결과적으로, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 유체관(121)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 유체관(121)은 하나의 공기 유입부(121a)를 공유하게 된다. 이 경우, 인접한 2개의 유체관(121)의 공통의 공기 유입부(121a)의 면적은 각각의 유체관(121)의 공기 배출부의 면적보다 클 수 있다. 예를 들어, 2개의 유체관(121)의 공통의 공기 유입부(121a)의 면적은 각각의 공기 배출부(121b)의 면적의 2배일 수 있다.
본 실시예에서, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b)은 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 양극층(11)은 공기 유입부(121a)를 향하도록 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 좌측에 위치할 수 있으며, 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 양극층(11)은 공기 유입부(121a)를 향하도록 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 우측에 위치할 수 있다. 또한, 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 음극 금속층(13)은 제 1 금속 공기 전지셀(10a)의 우측에 위치하며, 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 음극 금속층(13)은 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 좌측에 위치할 수 있다. 한편, 인접한 2개의 유체관(121)의 각각의 공기 배출부(121b)는 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 반대쪽 표면에 각각 배치될 수 있다. 따라서, 2개의 유체관(121)의 공통의 공기 유입부(121a)는 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b) 사이에서 양극층(11)에 인접하여 배치되며, 각각의 공기 배출부(121b)는 제 1 금속 공기 전지셀(10a)과 제 2 금속 공기 전지셀(10b)의 반대쪽에서 음극 금속층(13)에 인접하여 배치될 수 있다.
도 8에는 각각의 금속 공기 전지셀(10)에 대해 높이 방향을 따라 일정한 간격으로 다수의 유체관(121)들이 배치되어 있고, 다수의 유체관(121)들 사이에 각각 격막(121c)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)과 음극 금속층(13)의 전체 표면이 하나의 유체관(121) 내에서 공기에 노출될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 금속 공기 전지(100)는 공기와의 열교환 효율을 더욱 향상시키기 위하여 각각의 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11) 또는 음극 금속층(13)에 배치된 열교환 구조를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9에는 열교환 구조로서 양극층(11) 또는 음극 금속층(13)의 표면에 형성된 요철 구조(11a, 13a)를 도시하고 있다. 도 9에는 양극층(11)의 표면과 음극 금속층(13)의 표면에 모두 요철 구조(11a, 13a)가 형성된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극층(11)과 음극 금속층(13)의 열교환 효율에 따라서는, 양극층(11)의 표면에만 요철 구조(11a)가 형성될 수도 있으며, 또는 음극 금속층(13)의 표면에만 요철 구조(13a)가 형성될 수도 있다.
또한, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 횡단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 열교환 구조는 각각의 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)의 표면 또는 음극 금속층(13)의 표면으로부터 수직하게 돌출된 다수의 납작한 판(11b, 13b)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극층(11)의 표면에는 나란하게 배치된 다수의 납작한 판(11b)들이 양극층(11)의 표면에 수직하게 형성될 수 있으며, 음극 금속층(13)의 표면에는 나란하게 배치된 다수의 납작한 판(13b)들이 음극 금속층(13)의 표면에 수직하게 형성될 수 있다. 도 10의 경우에도, 양극층(11)과 음극 금속층(13)의 열교환 효율을 고려하여, 양극층(11)의 표면에만 납작한 판(11b)이 형성될 수도 있으며, 또는 음극 금속층(13)의 표면에만 납작한 판(13b)이 형성될 수도 있다.
지금까지는 하나의 금속 공기 전지셀(10)에 배치된 다수의 유체관(121)들의 공기 유입부(121a)와 공기 배출부(121b)가 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 정면을 향해 개방되어 있는 것으로 설명하였다. 그러나, 필요에 따라서는 공기 유입부(121a)와 공기 배출부(121b)의 입구가 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 정면이 아닌 다른 표면에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 도 11은 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 양극측의 측면도이며, 도 12는 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 음극측의 측면도이다.
도 11을 참조하면, 금속 공기 전지셀(10)의 양극층(11)에 인접하는 공기 유입부(121a)들의 입구는 공기 채널부(120)의 상부 표면에 배치될 수 있다. 이 경우, 각각의 공기 유입부(121a)는 공기 채널부(120)의 상부 표면에 있는 입구로부터 수직한 방향으로 연장되는 제 1 부분 및 제 1 부분으로부터 수평 방향으로 연장되는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 또한, 공기 공급부(130)로부터 제공되는 공기를 다수의 유체관(121)들에 분배하는 공급용 매니폴드(128)는 공기 채널부(120)의 상부 표면에 배치되어, 공기 유입부(121a)들의 입구에 연결될 수 있다.
그리고 도 12를 참조하면, 금속 공기 전지셀(10)의 음극 금속층(13)에 인접하는 공기 배출부(121b)들의 입구는 공기 채널부(120)의 하부 표면에 배치될 수 있다. 이 경우, 각각의 공기 배출부(121b)는 공기 채널부(120)의 하부 표면에 있는 입구로부터 수직한 방향으로 연장되는 제 1 부분 및 제 1 부분으로부터 수평 방향으로 연장되는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 하나의 유체관(121)에 대해 공기 유입부(121a)의 제 2 부분과 공기 배출부(121b)의 제 2 부분은 동일한 높이에 위치하여 서로 연결될 수 있다. 또한, 다수의 공기 배출부(121b)로부터 배출되는 공기를 수집하는 배출용 매니폴드(129)가 공기 채널부(120)의 하부 표면에 배치되어, 공기 배출부(121b)들의 입구에 연결될 수 있다.
도 11 및 도 12에는 공기 유입부(121a)들의 입구가 공기 채널부(120)의 상부 표면에 배치되고 공기 배출부(121b)들의 입구가 공기 채널부(120)의 하부 표면에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 필요에 따라서, 공기 유입부(121a)들의 입구와 공기 배출부(121b)들의 입구는 공기 채널부(120)의 정면, 하부 표면, 또는 상부 표면들에 분산되어 배치될 수 있다.
지금까지는, 금속 공기 전지셀(10)이 2차원 구조를 갖는 경우에 대해 설명하였다. 즉, 상술한 실시예들에서 금속 공기 전지셀(10)은 평판 형태의 양극층(11), 전해질막(12) 및 음극 금속층(13)이 단순히 적층된 구조를 갖는다. 그러나, 금속 공기 전지셀(10)은 이러한 2차원 구조에 한정되지 않으며, 산소 공급 효율을 향상시키고 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도를 향상시키기 위하여 3차원 구조를 가질 수도 있다.
예를 들어, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 13을 참조하면, 각각의 금속 공기 전지셀(20)은 양극층(11), 양극층(11)의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 전해질막(12), 및 전해질막(12)의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 음극 금속층(13)을 포함할 수 있다. 여기서, 전해질막(12) 및 음극 금속층(13)은 양극층(11)의 제 1 측면의 맞은 편에 배치된 각각의 양극층(11)의 제 2 측면이 외부로 노출되도록 배치될 수 있다. 또한, 양극층(11)의 제 2 측면 외에도 제 1 측면과 제 2 측면 사이에 있는 제 3 및 제 4 측면도 외부에 노출될 수 있다. 예컨대, 도 13에는 양극층(11)의 우측면, 정면, 및 배면이 외부에 노출될 수 있도록 전해질막(12)과 음극 금속층(13)은 양극층(11)의 좌측면을 감싸도록 구부러져 있는 것으로 도시되어 있다. 다시 말해서, 전해질막(12)은 양극층(11)의 좌측면, 하부 표면, 및 상부 표면을 완전히 덮도록 형성되어 있으며, 음극 금속층(13)은 전해질막(12)의 좌측면, 하부 표면, 및 상부 표면을 완전히 덮도록 형성될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 이러한 구조를 갖는 다수의 금속 공기 전지셀(20)들이 수직 방향을 따라 다수의 층으로 적층될 수 있다.
또한, 도 14는 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 금속 공기 전지셀(20')의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 금속 공기 전지셀(20')은 수직 방향을 따라 나란하게 배열된 다수의 양극층(11)들을 포함할 수 있으며, 하나의 전해질막(12)과 음극 금속층(13)이 다수의 양극층(11)들을 각각 둘러싸도록 반복적으로 구불구불하게 절곡될 수도 있다. 이러한 금속 공기 전지셀(20')은 도 13에 도시된 다수의 금속 공기 전지셀(20)들의 적층 구조를 대체할 수도 있다.
다시 도 13을 참조하면, 각각의 양극층(11)마다 유체관(121)이 하나씩 배치될 수 있다. 각각의 유체관(121)은, 외부에 노출되어 있는 양극층(11)의 제 2 측면(도 13에서 우측면)으로부터 수평 방향을 따라 음극 금속층(13)으로 연장되어 각각의 금속 공기 전지셀(20)의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 각각의 유체관(121)의 공기 유입부(121a)는 외부에 노출되어 있는 양극층(11)의 제 2 측면과 대향하여 배치되어 있으며, 공기 배출부(121b)는 양극층(11)의 제 1 측면(도 13에서 좌측면)을 둘러싸고 있는 음극 금속층(13)과 대향하여 배치될 수 있다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 공기 유입부(121a)와 공기 배출부(121b)의 입구는 양극층(11)의 좌우측면 사이에 있는 제 3 측면(도 13에서 정면)을 향해 개방될 수 있다. 그리고, 각각의 유체관(121)의 일부는 정면의 맞은 편에 배치된 양극층(11)의 제 4 측면(즉, 배면)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 도 13에는 서로 다른 높이에 배치된 다수의 유체관(121)들 사이에 격막(121c)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 격막(121c)은 생략될 수도 있다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)의 전지 모듈(110)과 공기 채널부(120)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 유체관(121)이 하나의 공기 유입부(121a)를 공유할 수도 있다. 예를 들어, 2개의 인접하여 배치된 제 1 금속 공기 전지셀(20a)과 제 2 금속 공기 전지셀(20b) 사이에 2개의 유체관(121)의 공통의 공기 유입부(121a)가 형성될 수 있다. 그리고, 인접한 2개의 유체관(121)의 각각의 공기 배출부(121b)는 제 1 금속 공기 전지셀(20a)과 제 2 금속 공기 전지셀(20b)의 반대쪽 표면에 각각 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 제 1 금속 공기 전지셀(20a)과 제 2 금속 공기 전지셀(20b)은 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 공기 전지셀(20a)의 전해질막(12)과 음극 금속층(13)은 양극층(11)의 우측면이 외부에 노출될 수 있도록 양극층(11)의 좌측면을 감싸며 절곡될 수 있다. 반면, 제 2 금속 공기 전지셀(20b)의 전해질막(12)과 음극 금속층(13)은 양극층(11)의 좌측면이 외부에 노출될 수 있도록 양극층(11)의 우측면을 감싸며 절곡될 수 있다. 따라서, 인접한 유체관(121)들의 공통의 공기 유입부(121a)는 제 1 금속 공기 전지셀(20a)의 양극층(11)의 우측면과 제 2 금속 공기 전지셀(20b)의 양극층(11)의 좌측면에 대향하여 배치될 수 있다.
지금까지, 열 관리 구조를 갖는 금속 공기 전지에 대한 다양한 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 권리범위를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 권리범위는 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 20'.....금속 공기 전지셀 11.....양극층
12.....전해질막 13.....음극 금속층
100.....금속 공기 전지 110.....전지 모듈
120.....공기 채널부 121.....유체관
121a.....공기 유입부 121b.....공기 배출부
128, 129.....매니폴드 130.....공기 공급부
131.....공기 흡입부 132.....수분 제거부
133.....온도 조절부 140.....제어부
150.....센서부

Claims (25)

  1. 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀을 포함하는 전지 모듈;
    상기 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 연장되도록 상기 금속 공기 전지셀의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 적어도 하나의 유체관을 포함하는 공기 채널부; 및
    상기 공기 채널부에 공기를 공급하는 공기 공급부;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 유체관은 상기 유체관에 공급된 공기가 상기 금속 공기 전지셀의 양극 측으로부터 음극 측으로 진행하면서 열교환을 하도록 구성된 금속 공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 모듈은 인접하여 배치된 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀을 포함하며,
    상기 공기 채널부는 상기 제 1 금속 공기 전지셀에 배치된 제 1 유체관과 상기 제 2 금속 공기 전지셀에 배치된 제 2 유체관을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 유체관은 각각 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하는 금속 공기 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유체관의 공기 유입부와 상기 제 2 유체관의 공기 유입부가 상기 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀 사이에 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관은 하나의 공기 유입부를 공유하는 금속 공기 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 유체관의 공기 배출부와 상기 제 2 유체관의 공기 배출부는 상기 제 1 금속 공기 전지셀과 제 2 금속 공기 전지셀의 반대쪽 표면에 각각 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관의 공통 공기 유입부의 면적은 상기 제 1 유체관과 상기 제 2 유체관의 각각의 공기 배출부의 면적보다 큰 금속 공기 전지.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유체관의 공기 유입부는 각각 상기 제 1 및 제 2 금속 공기 전지셀의 양극 측에 인접하여 배치되어 있으며, 상기 제 1 및 제 2 유체관의 공기 배출부는 각각 상기 제 1 및 제 2 금속 공기 전지셀의 음극 측에 인접하여 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급부와 상기 공기 채널부 사이에 배치된 것으로, 상기 공기 공급부로부터 제공되는 공기를 상기 적어도 하나의 유체관에 균일하게 분배하는 매니폴드를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유체관 내부의 공기 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도 센서를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 상기 공기 채널부에 공급하는 공기의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 금속 공기 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 센서에서 측정된 상기 적어도 하나의 유체관 내부의 공기 온도를 기초로 상기 공기 채널부에 공급하는 공기의 온도를 조절하도록 상기 온도 조절부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입부 및 흡입된 공기 중의 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지셀의 양극 측 또는 음극 측에 배치된 열교환 구조를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환 구조는 상기 금속 공기 전지셀의 양극 표면 또는 음극 표면에 형성된 요철 구조를 포함하는 금속 공기 전지.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환 구조는 상기 금속 공기 전지셀의 양극 표면 또는 음극 표면으로부터 수직하게 돌출된 다수의 납작한 판들을 포함하는 금속 공기 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각각의 금속 공기 전지셀은:
    음극 금속층;
    상기 음극 금속층 위에 배치된 전해질막; 및
    산소를 활물질로 사용하는 것으로, 상기 전해질막 위에 배치된 양극층;을 포함하는 금속 공기 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    각각의 유체관은 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하며,
    상기 공기 유입부는 각각의 금속 공기 전지셀의 양극층에 인접하여 배치되고 상기 공기 배출부는 각각의 금속 공기 전지셀의 음극 금속층에 인접하여 배치되는 금속 공기 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    하나의 금속 공기 전지셀에 대해 다수의 유체관이 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 다수의 유체관은 상기 음극 금속층과 상기 양극층의 표면을 따라 일정한 간격으로 배열되어 있는 금속 공기 전지.
  20. 제 1 항에 있어서,
    각각의 금속 공기 전지셀은:
    적어도 하나의 양극층;
    각각의 양극층의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 전해질막; 및
    상기 전해질막의 하부 표면, 제 1 측면, 및 상부 표면을 둘러싸도록 절곡된 음극 금속층;을 포함하며,
    상기 전해질막 및 음극 금속층은 각각의 양극층의 제 1 측면의 맞은 편에 배치된 각각의 양극층의 제 2 측면이 외부로 노출되도록 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 각각의 금속 공기 전지셀은 다수의 양극층을 포함하며, 하나의 전해질막 및 음극 금속층이 상기 다수의 양극층을 각각 둘러싸도록 반복적으로 절곡되어 있는 금속 공기 전지.
  22. 제 20 항에 있어서,
    각각의 양극층마다 상기 유체관이 하나씩 배치되어 있는 금속 공기 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    각각의 유체관은 상기 양극층의 제 2 측면으로부터 상기 음극 금속층으로 연장되도록 각각의 금속 공기 전지셀의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 금속 공기 전지.
  24. 제 23 항에 있어서,
    각각의 유체관은 공기가 유입되는 공기 유입부와 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하며,
    각각의 유체관의 공기 유입부와 공기 배출부는 상기 양극층의 제 1 측면과 제 2 측면 사이에 있는 상기 양극층의 제 3 측면을 향해 개방되어 있는 금속 공기 전지.
  25. 제 24 항에 있어서,
    각각의 유체관의 일부는 상기 양극층의 제 3 측면의 맞은 편에 배치된 상기 양극층의 제 4 측면을 둘러싸도록 배치된 금속 공기 전지.
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