KR102475890B1 - 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법이 개시된다. 개시된 금속 공기 전지시스템은, 외부로부터 공기가 유입되는 공기 흡입 장치와, 방전 반응을 수행하는 것으로 방전 반응 시 산소가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및 산소가 배출되는 적어도 하나의 배출구를 포함하는 금속 공기 전지 모듈과, 상기 공기 흡입 장치와 상기 금속 공기 전지 모듈 사이를 연결하는 유로 연결 유닛을 포함한다. 여기서, 상기 금속 공기 전지 모듈은 복수회의 방전 반응을 수행하고, 상기 방전 반응들이 진행됨에 따라 상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 서로 교대로 바뀐다. 그리고, 상기 금속 공기 전지 모듈은 상기 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하며, 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거한다.

Description

금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법{Metal air battery system and method for operating the same}
금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 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 방전 시에는 산소를 흡수하고 충전 시에는 산소를 방출한다. 이와 같이 금속 공기 전지가 공기 중에 존재하는 산소를 이용하기 때문에, 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 한편, 금속 공기 전지에서는 수분이나 이산화탄소 등과 같은 미량의 불순물이나 방전 중에 발생되는 방전 생성물이 전지를 열화(deterioration)시키는 요인으로 작용할 수 있다.
예시적인 실시예는 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
외부로부터 공기가 유입되는 공기 흡입 장치(air intake apparatus);
상기 공기 흡입 장치로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행하는 것으로, 방전 반응 시 상기 산소가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및 상기 산소가 배출되는 적어도 하나의 배출구를 포함하는 금속 공기 전지 모듈; 및
상기 공기 흡입 장치와 상기 금속 공기 전지 모듈 사이를 연결하는 유로 연결 유닛;을 포함하고,
상기 금속 공기 전지 모듈은 복수회의 방전 반응을 수행하고, 상기 방전 반응들이 진행됨에 따라 상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 서로 교대로 바뀌며,
상기 금속 공기 전지 모듈은 상기 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하며, 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템이 제공된다.
상기 공기 흡입 장치는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 정화기(purifier); 및 상기 정화기에 의해 정화된 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기(separator);를 포함할 수 있다.
상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 상기 유로 연결 유닛에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부는 상기 공기 흡입 장치의 역구동에 의해 상기 공기 흡입 장치로 유입된 후 외부로 배출될 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부는 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급함으로써 제거될 수 있다. 여기서, 상기 공기 흡입 장치가 상기 유로 연결 유닛을 통하여 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급할 수 있다.
상기 금속 공기 전지 시스템은 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시키는 진공 펌프를 더 포함할 수 있다. 상기 진공 펌프는 상기 유로 연결 유닛과 연결되도록 마련될 수 있다.
상기 금속 공기 전지 시스템은 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 불활성 가스를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 산소의 적어도 일부를 제거하는 불활성 가스 공급 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스는 예를 들면, 아르곤, 헬륨 또는 질소를 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스 공급 유닛은 상기유로 연결 유닛과 연결되도록 마련될 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈은 적어도 하나의 전지 셀(battery cell)을 포함하고, 상기 전지 셀들 각각은 양극, 음극 및 전해질을 포함할 수 있다. 상기 금속 공기 전지 모듈은 복수의 전지 셀을 포함하고, 상기 전지 셀들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
방전 반응 시 공기 흡입 장치로부터 산소가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및 상기 산소가 배출되는 적어도 하나의 배출구를 포함하는 금속 공기 전지 모듈을 포함하는 금속 공기 전지 시스템을 작동하는 방법에 있어서,
상기 금속 공기 전지 모듈은 복수회의 방전 반응을 수행하고, 상기 방전 반응들을 진행함에 따라 상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치를 서로 교대로 바꾸며,
상기 금속 공기 전지 모듈은 상기 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하며, 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법이 제공된다.
상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 상기 공기 흡입 장치와 상기 금속 공기 전지 모듈 사이를 연결하는 유로 연결 유닛에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 공기 흡입 장치의 역구동에 의해 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 여기서, 상기 공기 흡입 장치가 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급할 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 진공을 이용하여 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 불활성 가스를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 산소의 적어도 일부를 제거할 수 있다.
예시적인 실시예들에 의하면, 금속 공기 전지 시스템에서 금속 공기 전지 모듈이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치는 서로 교대로 바뀜으로써 금속 공기 전지 모듈의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈은 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하게 되고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출함으로써 금속 공기 전지 모듈의 내부에 남아 있는 산소에 의한 열화를 방지할 수 있으며, 금속 공기 전지 모듈의 수명도 증대시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5e는 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 구성요소가 기판에 존재한다고 설명될 때, 그 구성요소는 기판에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 구성요소가 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 구성요소를 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
금속 공기 전지의 일종인 리튬 공기 전지는 음극으로 리튬을 사용하고 양극은 활물질로서 공기 중의 산소를 이용하며, 양극과 음극 사이에는 전해질이 마련되어 있다. 리튬 공기 전지의 경우 방전 시 전지 셀 내부에서는 다음과 같은 정반응(forward reaction)이 일어나게 된다.
2Li+ + O2 + 2e- --> Li2O2 ------------ (1)
리튬 공기 전지에서는 방전 반응시 리튬 금속의 산화 반응에 의해 리튬 이온과 전자가 생성되고, 리튬 이온은 전해질을 통해 이동하고, 전자는 외부 도선을 따라 양극으로 이동하게 된다. 그리고, 외부 공기에 포함된 산소가 양극으로 유입된 다음 도선을 따라 이동한 전자에 의해 환원되면 방전 생성물인 Li2O2가 생성된다. 그리고, 충전 반응은 방전 반응과 반대 방향으로 진행되게 된다.
리튬 공기 전지의 방전 시에는 산소를 포함하는 공기를 전지의 내부로 주입해주어야 하는데, 이 때 수분이나 이산화탄소 등과 같은 미량의 불순물이 다음과 같은 부반응들(side reactions)을 일으킴으로써 전지의 수명을 제한할 수 있다.
2Li2O2 + 2H2O --> 4LiOH + O2 ---------------- (2)
2LiOH + CO2 --> Li2CO3 + H2O ---------------- (3)
2Li+ + 1/2 O2 + CO2 + 2e- --> Li2CO3 ----------- (4)
일반적인 리튬 공기 전지에서는 전지 모듈의 공기 유입구 및 공기 배출구가 고정되어 있다. 따라서, 전지 모듈 내부의 공기 유입구 쪽은 불순물의 함량이 높은 공기가 지속적으로 공급되게 되므로 공기 배출구 쪽에 비해 열화가 더 빠른 속도로 진행될 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈 내부의 전지 셀들의 위치에 따라 열화 속도가 달라지게 되므로 리튬 공기 전지의 수명이 단축될 수 있다. 또한, 리튬 공기 전지의 충전 시에는 전지 셀 내부에 남아 있는 산소가 전해질의 분해를 촉진시킴으로써 리튬 공기 전지의 수명을 단축시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 1a 내지 도 1e를 참조하면, 금속 공기 전지 시스템(100)은 공기 흡입 장치(air intake apparatus,110), 금속 공기 전지 모듈(metal air battery module,120) 및 유로 연결 유닛(130)을 포함한다. 공기 흡입 장치(110)는 방전 반응 시 그 구동에 의해 외부로부터 공기를 흡입한다. 이러한 공기 흡입 장치(110)는 정화기(purifier,111)와 분리기(separator,112)를 포함할 수 있다. 여기서, 정화기(111)는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 역할을 할 수 있다. 그리고 분리기(112)는 정화된 공기를 산소와 질소를 분리하는 역할을 할 수 있다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)의 분리기(112)에 의해 분리된 산소가 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급됨으로써 방전 반응이 수행될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 공기 흡입 장치로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 금속 공기 전지 모듈(120)에는 산소가 유입되거나 또는 산소가 배출되는 제1 및 제2 개구(opening, 121,122)가 형성되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 개구(121,122)는 각각 후술하는 바와 같이 방전 반응들이 진행됨에 따라 산소의 유입구 및 산소의 배출구가 되거나 또는 산소의 배출구 및 산소의 유입구가 될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 전지 셀(battery cell, 미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 전지 셀들 각각은 공기 흡입 장치(110)로부터 공급받은 산소를 이용하여 방전 반응을 수행하게 된다. 전지 셀들 각각은 양극(cathode), 음극(anode), 및 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 여기서, 양극은 산소를 활물질로 사용하여 산소의 산화 환원 반응이 일어나며, 음극은 금속의 산화 환원 반응이 일어난다. 그리고, 전해질은 양극과 음극 사이의 금속 이온의 전도를 가능하게 한다.
양극은 다공성의 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극은 카본 블랙, 그라파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소나노튜브, 탄소 섬유 등과 같은 다공성 탄소계 재료를 포함할 수 있다. 또한, 양극은 예를 들어 금속 섬유, 금속 메쉬 등과 같은 금속성 도전성 재료 또는 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 양극은 다른 다양한 도전성 재료를 포함할 수 있다. 이러한 도전성 재료들은 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 한편, 양극에는 바인더, 수계 전해질(aqueous electrolyte) 또는 비수계 전해질(non-aqueous electrolyte) 또는 산화 환원을 돕기 위한 촉매 등이 더 포함될 수도 있다.
음극은 금속 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 음극은 예를 들어 리튬(Li), 나트륨(Na), 아연(Zn), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 이들 중 2 이상으로 이루어진 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 전해질은 금속 이온을 전도시킬 수 있는 물질로서, 비수계 전해질, 수계 전해질 또는 고체 전해질(solid electrolyte)을 포함할 수 있다.
유로 연결 유닛(130)은 공기 흡입 장치(110)와 금속 공기 전지 모듈(120)의 사이를 연결한다. 이를 위해, 공기 흡입 장치(110)와 유로 연결 유닛(130) 사이는 제1 유로(171)에 의해 연결되어 있으며, 유로 연결 유닛(130)과 금속 공기 전지 모듈(120) 사이는 제2 유로(172)에 의해 연결되어 있다. 여기서, 제2 유로(172)는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)에 연결되어 있다. 한편, 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)는 제3 유로(173)를 의해유로 연결 유닛(130)과 연결되어 있다. 그리고, 유로 연결 유닛(130)에는 외부로 통하는 제4 및 제5 유로(174,175)가 연결되어 있다. 유로 연결 유닛(130)은 필요에 따라 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 유로(171,172,173,174,175) 중 일부를 선택적으로 서로 연결시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 유로 연결 유닛(130)으로는 예를 들면, 멀티 웨이 밸브(multi-way valve)가 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 다양한 형태의 밸브 시스템이 사용될 수 있다.
이러한 금속 공기 전지 시스템(100)에서, 금속 공기 전지 모듈(120)은 복수회의 방전 반응을 수행하며, 이러한 방전 반응들이 진행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈(100)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치는 유로 연결 유닛(130)에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에서 충전 반응들을 수행하게 되며, 이러한 충전 반응들 시에는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아있는 산소의 적어도 일부를 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 외부로 배출시켜 제거할 수 있다. 이때, 유로 연결 유닛(130)을 이용하여 산소의 배출구를 닫음으로써 외부 공기의 유입을 막을 수도 있다.
이하에서는 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 금속 공기 전지 시스템(100) 및 그 작동 방법을 설명하기로 한다. 구체적으로, 도 1a 및 도 1c는 각각 금속 공기 전지 시스템(100)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응 및 2차 방전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 그리고, 도 1b 및 도 1d는 각각 금속 공기 전지 시스템(100)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응 및 2차 충전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 도 1e는 도 1d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예를 도시한 것이다.
도 1a에는 금속 공기 전지 시스템(100)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있으며, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 1a를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다. 즉, 제1 개구(121)가 산소의 유입구가 될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제1 개구(121)를 통해 산소를 공급 받아 1차 방전 반응을 수행하게 된다. 한편, 금속 공기 전지 모듈(121)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 배출된다. 즉, 제2 개구(122)는 산소의 배출구가 될 수 있다. 제2 개구(122)를 통해 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 1차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제1 개구(121)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 1차 방전 반응 과정에서는 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 유입구 및 산소의 배출구가 될 수 있다.
도 1b에는 금속 공기 전지 시스템(100)에서 1차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있다.
도 1b를 참조하면, 1차 방전 반응이 진행된 다음, 금속 공기 전지 모듈(120)은 외부의 전원을 이용하여 1차 충전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 1차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 공기 흡입 장치(110)의 역구동(reverse driving)에 의해 외부로 배출될 수 있다. 구체적으로, 유로 연결 유닛(130)에 의해 제1 유로(171)와 제3 유로(173)가 서로 연결된 상태에서 공기 흡입 장치(110)가 역구동하게 되면, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 제2 개구(122)를 통해 배출된다. 그리고, 제2 개구(122)를 통해 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 다음, 제1 유로(171)를 통해 공기 흡입 장치(110)에 유입된다. 그리고, 이렇게 제1 유로(171)를 통해 공기 흡입 장치(110)에 유입된 산소는 외부로 배출되게 된다.
도 1c에는 금속 공기 전지 시스템(100)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있으며, 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 서로 연결하고 있다.
도 1c를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다. 즉, 제2 개구(122)가 산소의 유입구가 될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제2 개구(122)를 통해 산소를 공급 받아 2차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 배출된다. 즉, 제1 개구(121)가 산소의 배출구가 될 수 있다. 제1 개구(121)를 통해 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제5 유로(175)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 2차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제2 개구(122)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 2차 방전 반응 과정에서는 1차 방전 반응 과정과는 달리 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 배출구 및 산소의 유입구가 될 수 있다.
도 1d에는 금속 공기 전지 시스템(100)에서 2차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있다.
도 1d에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정은 도 1b에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정과 동일하다. 따라서, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 1e에는 도 1d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예가 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있다. 도 1e를 참조하면, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소는 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 외부로 배출될 수 있다. 구체적으로, 유로 연결 유닛(130)에 의해 제1 유로(171)와 제2 유로(172)가 서로 연결된 상태에서 공기 흡입 장치(110)가 역구동하게 되면, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소는 제1 개구(121)를 통해 배출된다. 그리고, 제1 개구(121)를 통해 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 다음, 제1 유로(171)를 통해 공기 흡입 장치(110)에 유입된다. 그리고, 이렇게 제1 유로(171)를 통해 공기 흡입 장치(110)에 유입된 산소는 외부로 배출되게 된다. 이와 같이, 도 1e에 도시된 2차 충전 반응 과정에서는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편, 이상에서는 1차 방전 과정에서 2차 방전 과정으로 넘어가면서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 1차 방전 과정 또는 2차 방전 과정 중에 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 즉, 방전 과정들이 진행됨에 따라 다양한 방식으로 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(100)은 상기한 방전 반응들 및 충전 반응들을 교대로 반복적으로 수행할 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 교대로 바뀌게 됨으로써 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다. 일반적으로, 금속 공기 전지 모듈의 내부에서는 산소의 배출구 쪽에 비해 산소의 유입구 쪽에 불순물의 함량이 높은 산소가 공급된다. 따라서, 금속 공기 전지 모듈에서 산소의 유입구 위치와 산소의 배출구 위치가 고정되어 있는 경우에는 방전 반응들이 수행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈의 내부에서 산소의 유입구 쪽에 배치된 전지셀들이 산소의 배출구 쪽에 배치되는 전지셀들에 비해 열화가 더 빠른 속도로 진행됨으로써 금속 공기 전지 모듈의 수명이 단축될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(100)에서는 방전 반응들이 진행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치를 서로 교대로 바뀌게 함으로써 금속 공기 전지 모듈(120) 내부의 전지 셀들이 열화되는 속도를 균일하게 할 수 있으며, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(100)에서는 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 외부로 배출할 수 있다. 이에 따라, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소에 의한 열화를 방지할 수 있으므로, 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 보다 증대시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 금속 공기 전지 시스템(200)은 공기 흡입 장치(110), 금속 공기 전지 모듈(120) 및 유로 연결 유닛(130)을 포함한다. 공기 흡입 장치(110)는 방전 반응 시 그 구동에 의해 외부로부터 공기를 흡입한다. 이러한 공기 흡입 장치(110)는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 정화기(111)와 정화된 공기를 산소와 질소를 분리하는 분리기(112)를 포함할 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 공기 흡입 장치(110)로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 금속 공기 전지 모듈(120)에는 산소가 유입되거나 또는 산소가 배출되는 제1 및 제2 개구(121,122)가 형성되어 있다. 금속 공기 전지 모듈(120)은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 전지 셀(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 전지 셀들 각각은 공기 흡입 장치(110)로부터 공급받은 산소를 이용하여 방전 반응을 수행하게 된다. 전지 셀들 각각은 양극, 음극, 및 전해질을 포함할 수 있다. 여기서, 양극은 산소를 활물질로 사용하여 산소의 산화 환원 반응이 일어나며, 음극은 금속의 산화 환원 반응이 일어난다. 그리고, 전해질은 양극과 음극 사이의 금속 이온의 전도를 가능하게 한다.
유로 연결 유닛(130)은 공기 흡입 장치(110)와 금속 공기 전지 모듈(120)의 사이를 연결한다. 이를 위해, 공기 흡입 장치(110)과 유로 연결 유닛(130) 사이는 제1 유로(171)에 의해 연결되어 있으며, 유로 연결 유닛(130)과 금속 공기 전지 모듈(120) 사이는 제2 유로(172)에 의해 연결되어 있다. 여기서, 제2 유로(172)는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)에 연결되어 있다. 한편, 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)는 제3 유로(173)를 의해 유로 연결 유닛(130)과 연결되어 있다. 그리고, 유로 연결 유닛(130)에는 외부로 통하는 제4 및 제5 유로(174,175)가 연결되어 있다.
이러한 금속 공기 전지 시스템(200)에서, 금속 공기 전지 모듈(120)은 복수회의 방전 반응을 수행하며, 이러한 방전 반응들이 진행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치는 유로 연결 유닛(130)에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에는 충전 반응들을 수행하게 되며, 이러한 충전 반응들 시에는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아있는 산소의 적어도 일부가 퍼징(purging)에 의해 외부로 배출되어 제거될 수 있다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 금속 공기 전지 시스템(200) 및 그 작동 방법을 설명하기로 한다. 구체적으로, 도 2a 및 도 2c는 각각 금속 공기 전지 시스템(200)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응 및 2차 방전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 그리고, 도 2b 및 도 2d는 각각 금속 공기 전지 시스템(200)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응 및 2차 충전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 도 2e는 도 2d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예를 도시한 것이다.
도 2a에는 금속 공기 전지 시스템(200)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있으며, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 2a를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제1 개구(121)를 통해 산소를 공급 받아 1차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 배출된다. 제2 개구(122)를 통해 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 1차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제1 개구(121)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 1차 방전 반응 과정에서는 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 유입구 및 산소의 배출구가 될 수 있다.
도 2b에는 금속 공기 전지 시스템(200)에서 1차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있으며, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 2b를 참조하면, 1차 방전 반응이 진행된 다음, 금속 공기 전지 모듈(120)은 외부의 전원을 이용하여 1차 충전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 1차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 퍼징(purging)에 의해 외부로 배출될 수 있다.
구체적으로, 공기 흡입 장치(110)의 구동에 의해 외부의 공기가 공기 흡입 장치에 흡입되고, 이렇게 흡입된 공기는 정화된 다음, 산소와 질소로 분리된다. 그리고, 공기 흡입 장치(110)에서 분리된 질소는 제1 유로(171)를 통해 배출되고, 이렇게 배출된 질소는 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 질소는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 질소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다. 이와 같이, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 질소가 공급되면 퍼징에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 산소 및 질소가 제2 개구(122)를 통해 배출되게 되고, 이렇게 배출되는 산소 및 질소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로와 제4 유로를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소 및 질소는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 2c에는 금속 공기 전지 시스템(200)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있으며, 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 서로 연결하고 있다.
도 2c를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제2 개구(122)를 통해 산소를 공급 받아 2차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 배출된다. 제1 개구(121)를 통해 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(!30)에 유입된 산소는 제5 유로(175)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 2차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제2 개구(122)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에서 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 2차 방전 반응 과정에서는 1차 방전 반응 과정과는 달리 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 배출구 및 산소의 유입구가 될 수 있다.
도 2d에는 금속 공기 전지 시스템(200)에서 2차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있다.
도 2d에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정은 도 2b에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정과 동일하다. 따라서, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 공기 흡입 장치(110)가 질소를 제1 개구(121)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급함으로써 제거될 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 있는 산소 및 질소는 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 2e에는 도 2d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예가 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있으며, 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 서로 연결하고 있다.
도 2e를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)의 구동에 의해 외부의 공기가 공기 흡입 장치(110)에 흡입되고, 이렇게 흡입된 공기는 정화된 다음, 산소와 질소로 분리된다. 그리고, 공기 흡입 장치(110)에서 분리된 질소는 제1 유로(171)를 통해 배출되고, 이렇게 배출된 질소는 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 질소는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 질소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다. 이와 같이, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 질소가 공급되면 퍼징에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 산소 및 질소가 제1 개구(121)를 통해 배출되게 되고, 이렇게 배출되는 산소 및 질소는 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛은 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소 및 질소는 제5 유로(175)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 도 2e에 도시된 2차 충전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 질소를 제2 개구(122)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급함으로써 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 1차 방전 과정에서 2차 방전 과정으로 넘어가면서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 1차 방전 과정 또는 2차 방전 과정 중에 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 즉, 방전 과정들이 진행됨에 따라 다양한 방식으로 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(200)은 상기한 방전 반응들 및 충전 반응들을 교대로 반복적으로 수행할 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 교대로 바뀌게 되고, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 공기 흡입 장치(110)가 금속 공기 전지 모듈(120)에 질소를 공급함으로써 외부로 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소에 의한 열화를 방지할 수 있고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명도 증대시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 금속 공기 전지 시스템(300)은 공기 흡입 장치(110), 금속 공기 전지 모듈(120), 유로 연결 유닛(130) 및 진공 펌프를 포함한다. 공기 흡입 장치(110)는 방전 반응 시 그 구동에 의해 외부로부터 공기를 흡입한다. 이러한 공기 흡입 장치(110)는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 정화기(111)와 정화된 공기를 산소와 질소를 분리하는 분리기(112)를 포함할 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 공기 흡입 장치(110)로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 금속 공기 전지 모듈(120)에는 산소가 유입되거나 또는 산소가 배출되는 제1 및 제2 개구(121,122)가 형성되어 있다. 금속 공기 전지 모듈(120)은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 전지 셀(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 전지 셀들 각각은 공기 흡입 장치(110)로부터 공급받은 산소를 이용하여 방전 반응을 수행하게 된다. 전지 셀들 각각은 양극, 음극, 및 전해질을 포함할 수 있다. 여기서, 양극은 산소를 활물질로 사용하여 산소의 산화 환원 반응이 일어나며, 음극은 금속의 산화 환원 반응이 일어난다. 그리고, 전해질은 양극과 음극 사이의 금속 이온의 전도를 가능하게 한다.
유로 연결 유닛(130)은 공기 흡입 장치(110)와 금속 공기 전지 모듈(120)의 사이를 연결한다. 이를 위해, 공기 흡입 장치(110)과 유로 연결 유닛(130) 사이는 제1 유로(171)에 의해 연결되어 있으며, 유로 연결 유닛(130)과 금속 공기 전지 모듈(120) 사이는 제2 유로(172)에 의해 연결되어 있다. 여기서, 제2 유로(172)는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)에 연결되어 있다. 한편, 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)는 제3 유로(173)에 의해 유로 연결 유닛(130)과 연결되어 있다. 그리고, 유로 연결 유닛(130)에는 외부로 통하는 제4 및 제5 유로(174,175)가 연결되어 있다. 또한, 유로 연결 유닛(130)과 진공 펌프(140) 사이에는 제6 유로(176)에 의해 연결되어 있다. 유로 연결 유닛은 필요에 따라 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 유로(171,172,173,174,175,176) 중 일부를 선택적으로 서로 연결시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
진공 펌프(140)는 충전 반응 과정에서 진공을 이용하여 금속 공기 전지 모듈(120) 내에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 역할을 한다. 이러한 진공 펌프(140)는 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)과 연결되도록 마련될 수 있다.
이와 같은 금속 공기 전지 시스템(300)에서, 금속 공기 전지 모듈(120)은 복수회의 방전 반응을 수행하며, 이러한 방전 반응들이 진행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치는 유로 연결 유닛(130)에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에는 충전 반응들을 수행하게 되며, 이러한 충전 반응들 시에는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아있는 산소의 적어도 일부가 진공 펌프(140)의 구동에 의해 외부로 배출되어 제거될 수 있다.
이하에서는 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 금속 공기 전지 시스템(300) 및 그 작동 방법을 설명하기로 한다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3c는 각각 금속 공기 전지 시스템(300)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응 및 2차 방전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 그리고, 도 3b 및 도 3d는 각각 금속 공기 전지 시스템(300)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응 및 2차 충전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 도 3e는 도 3d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예를 도시한 것이다.
도 3a에는 금속 공기 전지 시스템(300)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(!30)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있으며, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 3a를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제1 개구(121)를 통해 산소를 공급 받아 1차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 배출된다. 제2 개구(122)를 통해 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 1차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제1 개구(121)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 1차 방전 반응 과정에서는 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 유입구 및 산소의 배출구가 될 수 있다.
도 3b에는 금속 공기 전지 시스템(300)에서 1차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제6 유로(176)를 서로 연결하고 있다.
도 3b를 참조하면, 1차 방전 반응이 진행된 다음, 금속 공기 전지 모듈(120)은 외부의 전원을 이용하여 1차 충전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 1차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 진공에 의해 제거될 수 있다. 즉, 진공 펌프(140)가 구동되면, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 제2 개구(122)를 통해 배출되며, 이렇게 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제6 유로(176)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제6 유로(176)를 통해 진공 펌프(140) 쪽으로 배출될 수 있다.
도 3c에는 금속 공기 전지 시스템(300)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있으며, 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 서로 연결하고 있다.
도 3c를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제2 개구(122)를 통해 산소를 공급 받아 2차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 배출된다. 제1 개구(121)를 통해 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제5 유로(175)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 2차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제2 개구(122)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 2차 방전 반응 과정에서는 1차 방전 반응 과정과는 달리 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 배출구 및 산소의 유입구가 될 수 있다.
도 3d에는 금속 공기 전지 시스템(300)에서 2차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로와 제6 유로를 서로 연결하고 있다.
도 3d에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정은 도 3b에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정과 동일하다. 따라서, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 진공 펌프(140)의 구동에 의해 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출되어 제거될 수 있다.
도 3e에는 도 3d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예가 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제6 유로(176)를 서로 연결하고 있다.
도 3e를 참조하면, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 진공에 의해 제거될 수 있다. 즉, 진공 펌프(140)가 구동되면, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 제1 개구(121)를 통해 배출되며, 이렇게 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제6 유로(176)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제6 유로(176)를 통해 진공 펌프(140) 쪽으로 배출될 수 있다.
한편, 이상에서는 1차 방전 과정에서 2차 방전 과정으로 넘어가면서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 1차 방전 과정 또는 2차 방전 과정 중에 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 즉, 방전 과정들이 진행됨에 따라 다양한 방식으로 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(300)은 상기한 방전 반응들 및 충전 반응들을 교대로 반복적으로 수행할 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 교대로 바뀌게 되고, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 진공 펌프(140)의 구동에 의해 외부로 배출시켜 제거할 수 있다. 이에 따라, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소에 의한 열화를 방지할 수 있고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명도 증대시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 다른 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 금속 공기 전지 시스템(400)은 공기 흡입 장치(110), 금속 공기 전지 모듈(120), 유로 연결 유닛(130) 및 불활성 가스 공급 유닛(150)를 포함한다. 공기 흡입 장치(110)는 방전 반응 시 그 구동에 의해 외부로부터 공기를 흡입한다. 이러한 공기 흡입 장치(110)는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 정화기(111)와 정화된 공기를 산소와 질소를 분리하는 분리기(112)를 포함할 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 공기 흡입 장치(11)로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 금속 공기 전지 모듈(120)에는 산소가 유입되거나 또는 산소가 배출되는 제1 및 제2 개구(121,122)가 형성되어 있다. 금속 공기 전지 모듈(120)은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 전지 셀(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 전지 셀들 각각은 공기 흡입 장치(110)로부터 공급받은 산소를 이용하여 방전 반응을 수행하게 된다. 전지 셀들 각각은 양극, 음극, 및 전해질을 포함할 수 있다. 여기서, 양극은 산소를 활물질로 사용하여 산소의 산화 환원 반응이 일어나며, 음극은 금속의 산화 환원 반응이 일어난다. 그리고, 전해질은 양극과 음극 사이의 금속 이온의 전도를 가능하게 한다.
유로 연결 유닛(130)은 공기 흡입 장치(110)와 금속 공기 전지 모듈(120)의 사이를 연결한다. 이를 위해, 공기 흡입 장치(110)와 유로 연결 유닛(130) 사이는 제1 유로(171)에 의해 연결되어 있으며, 유로 연결 유닛(130)과 금속 공기 전지 모듈(120) 사이는 제2 유로(172)에 의해 연결되어 있다. 여기서, 제2 유로(172)는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)에 연결되어 있다. 한편, 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)는 제3 유로(173)에 의해 유로 연결 유닛(130)과 연결되어 있다. 그리고, 유로 연결 유닛(130)에는 외부로 통하는 제4 및 제5 유로(174,175)가 연결되어 있다. 또한, 유로 연결 유닛(130)과 불활성 가스 공급 유닛(150) 사이에는 제6 유로(176)에 의해 연결되어 있다. 유로 연결 유닛(130)은 필요에 따라 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 유로(171,172,173,174,175,176) 중 일부를 선택적으로 서로 연결시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
불활성 가스 공급 유닛(150)은 충전 반응 시 금속 공기 전지 모듈(120) 내에 불활성 가스(inert gas)를 공급함으로써 퍼징(purging)에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 역할을 한다. 여기서, 불활성 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4b, 도 4d 및 도 4e에는 불활성 가스로 질소가 사용된 경우를 예시적으로 도시되어 있다. 이러한 불활성 가스 공급 유닛(150)은 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)과 연결되도록 마련될 수 있다.
이와 같은 금속 공기 전지 시스템(400)에서, 금속 공기 전지 모듈(120)은 복수회의 방전 반응을 수행하며, 이러한 방전 반응들이 진행됨에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치는 유로 연결 유닛(130)에 의해 서로 교대로 바뀔 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에는 충전 반응들을 수행하게 되며, 이러한 충전 반응들 시에는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아있는 산소의 적어도 일부가 불활성 가스 공급 유닛(!50)의 구동에 의해 외부로 배출되어 제거될 수 있다.
이하에서는 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 금속 공기 전지 시스템(400) 및 그 작동 방법을 설명하기로 한다. 구체적으로, 도 4a 및 도 4c는 각각 금속 공기 전지 시스템(400)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응 및 2차 방전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 그리고, 도 4b 및 도 4d는 각각 금속 공기 전지 시스템(400)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응 및 2차 충전 반응을 수행하는 모습을 도시한 것이다. 도 4e는 도 4d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예를 도시한 것이다.
도 4a에는 금속 공기 전지 시스템(400)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있으며, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 4a를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제1 개구(121)를 통해 산소를 공급 받아 1차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 배출된다. 제2 개구(122)를 통해 배출된 산소는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 1차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제1 개구(121)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 1차 방전 반응 과정에서는 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 유입구 및 산소의 배출구가 될 수 있다.
도 4b에는 금속 공기 전지 시스템(400)에서 1차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 1차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제6 유로(176)를 서로 연결하고 있고, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 4b를 참조하면, 1차 방전 반응이 진행된 다음, 금속 공기 전지 모듈(120)은 외부의 전원을 이용하여 1차 충전 반응을 수행할 수 있다. 이러한 1차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 퍼징(purging)에 의해 외부로 배출될 수 있다.
구체적으로, 불활성 가스 공급 유닛(150)이 구동되면, 질소 등과 같은 불활성 가스가 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)으로 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제6 유로(176)와 제2 유로(172)를 연결하고 있으므로, 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 불활성 가스는 제2 유로(172)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급될 수 있다. 여기서, 불활성 가스는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제1 개구(121)를 통해 유입될 수 있다. 이와 같이, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 불활성 가스가 공급되면 퍼징에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 금속 공기 전지 모듈(!20) 내에 있는 산소 및 불활성 가스가 제2 개구(122)를 통해 배출되게 되고, 이렇게 배출되는 산소 및 불활성 가스는 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 연결하고 있으므로, 제3 유로(173)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소 및 불활성 가스는 제4 유로(174)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 4c에는 금속 공기 전지 시스템(400)에서 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 방전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 서로 연결하고 있으며, 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 서로 연결하고 있다.
도 4c를 참조하면, 공기 흡입 장치(110)가 구동되어 외부로부터 공기가 공기 흡입 장치(110)로 유입된다. 이렇게 공기 흡입 장치(110)로 유입된 공기는 정화기(111)에 의해 수분이 제거되고 정화된 다음, 분리기(112)에 의해 산소와 질소로 분리된다. 이어서, 분리된 산소는 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제1 유로(171)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 여기서, 산소는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다.
금속 공기 전지 모듈(120)은 제2 개구(122)를 통해 산소를 공급 받아 2차 방전 반응을 수행하게 된다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 배출된다. 제1 개구(121)를 통해 배출된 산소는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제5 유로(175)를 연결하고 있으므로, 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소는 제5 유로(175)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이, 2차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)가 산소를 제2 개구(122)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)에 공급하고, 금속 공기 진지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구(121)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 2차 방전 반응 과정에서는 1차 방전 반응 과정과는 달리 제1 및 제2 개구(121,122)가 각각 산소의 배출구 및 산소의 유입구가 될 수 있다.
도 4d에는 금속 공기 전지 시스템(400)에서 2차 방전 반응 후 금속 공기 전지 모듈(120)이 2차 충전 반응을 수행하는 모습이 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제2 유로(172)와 제6 유로(176)를 서로 연결하고 있고, 제3 유로(173)와 제4 유로(174)를 서로 연결하고 있다.
도 4d에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정은 도 4b에 도시된 금속 공기 전지 모듈(120)의 2차 충전 반응 과정과 동일하다. 따라서, 2차 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부는 불활성 가스 공급 유닛(150)의 구동에 의해 제2 개구(122)를 통해 외부로 배출되어 제거될 수 있다.
도 4e에는 도 4d에 도시된 2차 충전 반응의 변형예가 도시되어 있다. 여기서, 유로 연결 유닛(130)은 제1 유로(171)와 제2 유로(172)를 서로 연결하고 있고, 제3 유로와 제6 유로(173,176)를 서로 연결하고 있다.
도 4e를 참조하면, 불활성 가스 공급 유닛(150)이 구동되면, 불활성 가스가 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)으로 유입된다. 유로 연결 유닛(130)은 제6 유로(176)와 제3 유로(173)를 연결하고 있으므로, 제6 유로(176)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 불활성 가스는 제3 유로(173)를 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급될 수 있다. 이러한 불활성 가스는 금속 공기 전지 모듈(120)의 제2 개구(122)를 통해 유입될 수 있다. 이와 같이, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 불활성 가스가 공급되면 퍼징에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120) 내에 있는 산소 및 불활성 가스가 제1 개구(121)를 통해 배출되게 되고, 이렇게 제1 개구(121)를 통해 배출되는 산소 및 불활성 가스는 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된다. 여기서, 공기 흡입 장치(110)를 역구동시키게 되면 제2 유로(172)를 통해 유로 연결 유닛(130)에 유입된 산소 및 불활성 가스는 제1 유로(171)를 통해 공기 흡입 장치(110)로 유입된 다음, 외부로 배출될 수 있다.
한편, 이상에서는 1차 방전 과정에서 2차 방전 과정으로 넘어가면서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 1차 방전 과정 또는 2차 방전 과정 중에 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 즉, 방전 과정들이 진행됨에 따라 다양한 방식으로 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(400)은 상기한 방전 반응들 및 충전 반응들을 교대로 반복적으로 수행할 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 교대로 바뀌게 되고, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 불활성 가스 공급 유닛(150)의 구동에 의해 외부로 배출시켜 제거할 수 있다. 이에 따라, 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소에 의한 열화를 방지할 수 있고, 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명도 증대시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 예시적인 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템 및 그 작동 방법을 도시한 것이다. 도 5a 내지 도 5e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(500)은 금속 공기 전지 모듈(120)에 복수개의 제1 개구(121a,121b) 및 복수개의 제2 개구(122a,122b)이 형성되어 있다는 점을 제외하면 도 1a 내지 도 1e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(100) 및 그 작동방법이 동일하다. 도 5a 내지 도 5e에는 금속 공기 전지 모듈(120)에 2개의 제1 개구(121a,121b) 및 2개의 제2 개구(122a,122b)가 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 제2 유로(172)는 복수개의 유로(172a.172b)로 분기된 다음, 이렇게 분기된 유로들(172a,172b)이 제1 개구들(121a,121b)과 연결되어 있다. 그리고, 제3 유로(173)는 복수개의 유로(173a,173b)로 분기된 다음, 이렇게 분기된 유로들(173a,173b)이 제2 개구들(122a,122b)과 연결되어 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 1차 방전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)로부터 제1 유로(171)를 통해 공급되는 산소는 제2 유로(172)를 경유하다가 복수의 유로(172a,172b)로 나뉘어진 다음, 제1 개구들(121a,121b)을 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 이 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제2 개구들(122a,122b)을 통해 복수의 유로(173a,173b)로 배출되며 이렇게 배출되는 산소는 제3 유로(173)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 1차 방전 반응 과정에서는 제1 개구부들(121a,121b)이 산소의 유입구들이 되며, 제2 개구부들(122a,122b)이 산소의 배출구들이 될 수 있다.
그리고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 2차 방전 반응에서는 공기 흡입 장치(110)로부터 제1 유로(171)를 통해 공급되는 산소는 제3 유로(173)를 경유하다가 복수의 유로(173a,173b)로 나뉘어진 다음, 제2 개구들(122a,122b)을 통해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부로 공급된다. 이 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 반응하지 않고 남은 산소는 제1 개구들(121a,121b)을 통해 복수의 유로(172a,172b)로 배출되며 이렇게 배출되는 산소는 제2 유로(172)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 2차 방전 반응 과정에서는 1차 방전 반응과는 달리 제1 개구부들(121a,121b)이 산소의 배출구들이 되며, 제2 개구부들(122a,122b)이 산소의 유입구들이 될 수 있다.
한편, 도 5b 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 방전 반응들 사이에 수행되는 충전 반응 과정에서는 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소가 외부로 배출될 수 있다. 도 5b 및 도 5d에서는 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소가 제2 개구들(122a,122b)을 통해 외부로 배출되는 경우가 도시되어 있다. 한편, 도 5e에 도시된 바와 같이 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소는 공기 흡입 장치(110)의 역구동에 의해 제1 개구들(121a,121b)을 통해 외부로 배출될 수도 있다.
한편, 이상에서는 1차 방전 과정에서 2차 방전 과정으로 넘어가면서 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 1차 방전 과정 또는 2차 방전 과정 중에 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 즉, 방전 과정들이 진행됨에 따라 다양한 방식으로 산소의 유입구 위치 및 산소의 배출구 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 실시예에 따른 금속 공기 전지 시스템(500)은 상기한 방전 반응들 및 충전 반응들을 교대로 반복적으로 수행할 수 있다. 여기서, 금속 공기 전지 모듈(120)이 방전 반응들을 진행함에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)에서 산소의 유입구들 위치 및 산소의 배출구들 위치가 서로 교대로 바뀌게 되고, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 증대시킬 수 있다. 그리고, 금속 공기 전지 모듈(120)에 복수개의 산소 유입구 및 복수개의 산소 배출구를 마련함으로써 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 있는 전지 셀들이 열화되는 속도를 보다 균일하게 할 수 있으며, 이에 따라 금속 공기 전지 모듈(120)의 수명을 보다 증대시킬 수 있다. 또한, 금속 공기 전지 모듈(120)은 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하고, 이러한 충전 반응 과정에서 금속 공기 전지 모듈(120)의 내부에 남아 있는 산소의 적어도 일부를 제거함으로써 금속 공기 전지 모듈이 산소에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 이상에서는 복수개의 제1 개구(121a,121b) 및 복수개의 제2 개구(122a,122b)가 마련되는 구성이 도 1a 내지 도 1e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(100)에 응용되는 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 복수개의 제1 개구(121a,121b) 및 복수개의 제2 개구(122a,122b)가 마련되는 구성은 도 2a 내지 도 2e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(200), 도 3a 내지 도 3e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(300), 및 도 4a 내지 도 4e에 도시된 금속 공기 전지 시스템(400)에도 얼마든지 적용 가능하다.
100,200,300,400,500.. 금속 공기 전지 시스템
110.. 공기 흡입 장치
111.. 정화기
112.. 분리기
120.. 금속 공기 전지 모듈
121.. 제1 개구
122.. 제2 개구
130..유로 연결 유닛
171,172,173,174,175,176,177.. 유로

Claims (20)

  1. 외부로부터 공기가 유입되는 공기 흡입 장치(air intake apparatus);
    상기 공기 흡입 장치로부터 산소를 공급받아 방전 반응을 수행하는 것으로, 방전 반응 시 상기 산소가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및 상기 산소가 배출되는 적어도 하나의 배출구를 포함하는 금속 공기 전지 모듈; 및
    상기 공기 흡입 장치와 상기 금속 공기 전지 모듈 사이를 연결하는 유로 연결 유닛;을 포함하고,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 복수회의 방전 반응을 수행하고, 상기 방전 반응들이 진행됨에 따라 상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 서로 교대로 바뀌며,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 상기 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하며, 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 흡입 장치는 외부로부터 유입된 공기를 정화하고 수분을 제거하는 정화기(purifier); 및 상기 정화기에 의해 정화된 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기(separator);를 포함하는 금속 공기 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 상기 유로 연결 유닛에 의해 서로 교대로 바뀌는 금속 공기 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부는 상기 공기 흡입 장치의 역구동에 의해 상기 공기 흡입 장치로 유입된 후 외부로 배출되는 금속 공기 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부는 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급함으로써 제거되는 금속 공기 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 흡입 장치가 상기 유로 연결 유닛을 통하여 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급하는 금속 공기 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시키는 진공 펌프를 더 포함하는 금속 공기 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 진공 펌프는 상기 유로 연결 유닛과 연결되도록 마련되는 금속 공기 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 불활성 가스를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 산소의 적어도 일부를 제거하는 불활성 가스 공급 유닛을 더 포함하는 금속 공기 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤, 헬륨 또는 질소를 포함하는 금속 공기 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급 유닛은 상기유로 연결 유닛과 연결되도록 마련되는 금속 공기 전지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 적어도 하나의 전지 셀(battery cell)을 포함하고, 상기 전지 셀들 각각은 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 금속 공기 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 복수의 전지 셀을 포함하고, 상기 전지 셀들은 직렬 또는 병렬로 연결된 금속 공기 전지 시스템.
  14. 방전 반응 시 공기 흡입 장치로부터 산소가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및 상기 산소가 배출되는 적어도 하나의 배출구를 포함하는 금속 공기 전지 모듈을 포함하는 금속 공기 전지 시스템을 작동하는 방법에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 복수회의 방전 반응을 수행하고, 상기 방전 반응들을 진행함에 따라 상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치를 서로 교대로 바꾸며,
    상기 금속 공기 전지 모듈은 상기 방전 반응들 사이에 충전 반응들을 수행하며, 상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유입구의 위치 및 상기 배출구의 위치는 상기 공기 흡입 장치와 상기 금속 공기 전지 모듈 사이를 연결하는 유로 연결 유닛에 의해 서로 교대로 바뀌는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 공기 흡입 장치의 역구동에 의해 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시키는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 공기 흡입 장치가 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 질소를 공급하는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 진공을 이용하여 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 있는 산소의 적어도 일부를 외부로 배출시키는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 공기 전지 모듈의 충전 시 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 불활성 가스를 공급함으로써 상기 금속 공기 전지 모듈의 내부에 산소의 적어도 일부를 제거하는 금속 공기 전지 시스템의 작동 방법.
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