KR102496478B1

KR102496478B1 - Metal air battery having air purification module, electrochemical cell having air purification module and operation method of the same

Info

Publication number: KR102496478B1
Application number: KR1020150161723A
Authority: KR
Inventors: 고정식; 권혁재; 임동민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2023-02-07
Also published as: KR20160128886A

Abstract

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법이 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 것으로, 외부로부터 유입된 공기를 정화시켜 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈;을 포함하고, 상기 공기 정화 모듈은, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 복수의 불순물 중 제1 불순물을 여과하는 제1 공기 정화부와, 상기 복수의 불순물 중 상기 제1 불순물과 다른 제2 불순물을 여과하는 제2 공기 정화부를 포함할 수 있다.A metal-air battery having an air purification module and a method of operating the metal-air battery are disclosed. The disclosed metal-air battery is in fluid communication with a battery cell module, and includes an air purification module configured to purify air introduced from the outside and supply the battery cell module, wherein the air purification module is included in the air introduced from the outside. and a first air purifying unit filtering a first impurity from among the plurality of impurities, and a second air purifying unit filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities.

Description

Metal air battery having air purification module, electrochemical cell having air purification module and operation method of the same}

금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법이 개시된다.A metal-air battery, an electrochemical cell, and an operation method thereof are disclosed. More specifically, a metal-air battery, an electrochemical battery, and an operation method thereof having an air purification module are disclosed.

전기화학 전지, 예를 들어, 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.An electrochemical cell, for example, a metal-air battery, includes a plurality of metal-air battery cells, and each metal-air battery cell includes a negative electrode capable of occluding and releasing ions and a positive electrode using oxygen in the air as an active material. . Reduction and oxidation reactions of oxygen introduced from the outside occur at the anode, and oxidation and reduction reactions of metal occur at the cathode, and chemical energy generated at this time is converted into electrical energy for extraction. For example, a metal-air battery absorbs oxygen during discharge and releases oxygen during charge. As described above, since the metal-air battery uses oxygen present in the air, the energy density of the battery can be dramatically improved. For example, a metal-air battery may have an energy density several times higher than that of a conventional lithium ion battery.

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.In addition, metal-air batteries have excellent stability because they are less likely to ignite due to abnormally high temperatures, and are less likely to cause environmental pollution because they operate only by absorbing and releasing oxygen without using heavy metals. Due to these various advantages, many studies on metal-air batteries are currently being made.

금속 공기 전지를 운전할 경우, 양극 측에 공기를 공급하여 산소 분자를 활물질로 사용하게 된다. 이때, 공기에 포함된 수분(H₂O) 및 이산화탄소(CO₂)와 같은 불순물들이 금속 과산화물(예를 들어, Li₂O₂)의 생성을 방해하여 금속 공기 전지의 용량 및 수명을 저하시키게 된다.When operating a metal-air battery, air is supplied to the anode side to use oxygen molecules as an active material. At this time, impurities such as moisture (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ) contained in the air interfere with the production of metal peroxide (eg, Li ₂ O ₂ ), thereby reducing the capacity and lifespan of the metal-air battery. .

일 구현예는 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 전기화학 전지를 제공한다.One embodiment provides a metal-air battery and an electrochemical cell having an air purification module.

다른 구현예는 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 제공한다.Another embodiment provides a method of operating the metal-air battery.

일 측면에 따른 금속 공기 전지는,A metal-air battery according to one aspect,

금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈; 및A battery cell module that generates electricity using metal oxidation and oxygen reduction; and

상기 전지 셀 모듈과 유체 연통되는 것으로, 외부로부터 유입된 공기를 정화시켜 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈;을 포함하고,An air purification module that is in fluid communication with the battery cell module and purifies air introduced from the outside and supplies it to the battery cell module;

상기 공기 정화 모듈은, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 복수의 불순물 중 제1 불순물을 여과하는 제1 공기 정화부와, 상기 복수의 불순물 중 상기 제1 불순물과 다른 제2 불순물을 여과하는 제2 공기 정화부를 포함할 수 있다.The air purifying module may include a first air purifying unit filtering a first impurity among a plurality of impurities included in air introduced from the outside, and a second air purifying unit filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities. An air purifier may be included.

상기 금속 공기 전지는, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 복수의 불순물 중 적어도 하나의 불순물의 농도를 검출하는 농도 검출부와, 상기 농도 검출부에 검출된 정보에 기초하여, 상기 제1, 제2 공기 정화부의 운전을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The metal-air battery may include a concentration detector configured to detect a concentration of at least one impurity among a plurality of impurities included in air introduced from the outside, and the first and second air purifiers based on the information detected by the concentration detector. It may further include a control unit for controlling the operation of the unit.

상기 복수의 불순물은, 수분, 이산화탄소 및 질소 중 적어도 2 이상을 포함할 수 있다.The plurality of impurities may include at least two or more of moisture, carbon dioxide, and nitrogen.

상기 제2 공기 정화부는, 상기 제1 공기 정화부와 상기 전지 셀 모듈 사이에 배치되며, 상기 제1 공기 정화부를 통과한 공기에서 상기 제2 불순물을 여과할 수 있다.The second air purifying unit is disposed between the first air purifying unit and the battery cell module, and may filter the second impurities from air passing through the first air purifying unit.

상기 제2 공기 정화부는, 상기 전지 셀 모듈로 공급되는 공기 중의 산소 농도가 21% 이상이 되도록 산소를 농축할 수 있다.The second air purifier may concentrate oxygen such that the oxygen concentration in the air supplied to the battery cell module is 21% or higher.

상기 제어부는, 상기 농도 검출부에 의해 검출된 정보에 기초하여, 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 조절하며, 상기 제1 공기 정화부의 조절된 제1 소비 전력에 기초하여, 상기 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 조절할 수 있다.The controller adjusts the first power consumption of the first air purifier based on the information detected by the concentration detector, and based on the adjusted first power consumption of the first air purifier, the second air purifier Second power consumption of the purification unit may be adjusted.

상기 농도 검출부에 의해 검출된 상기 불순물의 농도가 증가될 때, 상기 제어부는 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 증가시키고 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 감소시킬 수 있다.When the concentration of the impurity detected by the concentration detector increases, the control unit may increase first power consumption of the first air purifier and decrease second power consumption of the second air purifier.

상기 농도 검출부에 의해 검출된 상기 불순물의 농도가 감소될 때, 상기 제어부는 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 감소시키고 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 증가시킬 수 있다.When the concentration of the impurity detected by the concentration detector decreases, the controller may decrease the first power consumption of the first air purifier and increase the second power consumption of the second air purifier.

상기 공기 정화 모듈은, 상기 제1, 제2 불순물과 다른 제3 불순물을 여과하는 제3 공기 정화부를 더 포함할 수 있다.The air purifying module may further include a third air purifying unit filtering a third impurity different from the first and second impurities.

상기 제1, 제2 공기 정화부는 하나의 챔버 내부에 배치되며, 상기 챔버 내부로 유입된 공기에서 상기 제1, 제2 불순물을 여과할 수 있다.The first and second air purifiers may be disposed inside one chamber and filter the first and second impurities from air introduced into the chamber.

상기 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다.The air purification module may be configured to be operated by pressure swing adsorption (PSA), thermal swing adsorption (TSA), pressure thermal swing adsorption (PTSA), vacuum swing adsorption (VSA), a selective separation method, or two or more of these methods. .

상기 공기 정화 모듈은 흡착재 및 선택적 투과막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The air purification module may include at least one of an adsorbent and a selective permeable membrane.

상기 흡착재는 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택될 수 있다.The adsorbent may be selected from zeolite, alumina, silica gel, metal-organic framework (MOF), zeolitic imidazolate framework (ZIF), activated carbon, or a mixture of two or more thereof.

상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다.The metal-air battery may be a lithium-air battery.

상기 금속 공기 전지는, 상기 제1 공기 정화부와 상기 제2 공기 정화부를 유체 연결하는 제1 연결 경로와, 상기 제2 공기 정화부와 상기 전지 셀 모듈을 유체 연결하는 제2 연결 경로와, 상기 제2 공기 정화부를 우회하며, 상기 제1, 제2 연결 경로를 유체 연결하는 바이패스 경로와, 상기 제2 공기 정화부로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 유량 조절부를 더 포함할 수 있다.The metal-air battery includes a first connection path for fluidly connecting the first air purifier and the second air purifier, a second connection path for fluidly connecting the second air purifier and the battery cell module, It may further include a bypass path bypassing the second air purifier and fluidly connecting the first and second connection paths, and a flow control unit controlling a flow rate of air supplied to the second air purifier.

상기 유량 조절부는, 상기 제2 공기 정화부에 의해 농축 가능한 공기 중의 최대 산소 농도의 95 % 이상의 산소 농도를 가질 수 있는 최대 공기 유량 이하가 되도록, 제2 공기 정화부에 의해 공급되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.The flow control unit controls the flow rate of air supplied by the second air purifier to be equal to or less than the maximum air flow rate that can have an oxygen concentration of 95% or more of the maximum oxygen concentration in the air condensable by the second air purifier. can be adjusted

상기 전지 셀 모듈에는, 상기 바이패스 경로를 통과한 공기와 상기 제2 공기 정화부를 통과한 공기가 혼합된 공기가 공급될 수 있다.Air in which the air passing through the bypass path and the air passing through the second air purifying unit may be mixed is supplied to the battery cell module.

본 발명의 다른 측면에 따른 금속 공기 전지의 운전방법은,A method of operating a metal-air battery according to another aspect of the present invention,

제1 공기 정화부에 의해, 외부로부터 유입된 공기에 포함된 복수의 불순물 중 제1 불순물을 여과하는 단계; 및filtering a first impurity from among a plurality of impurities included in air introduced from the outside by a first air purifier; and

제2 공기 정화부에 의해, 상기 복수의 불순물 중 상기 제1 불순물과 다른 제2 불순물을 여과하는 단계;를 포함할 수 있다.and filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities by a second air purifier.

상기 금속 공기 전지의 운전방법은, 상기 공기 정화 모듈로 유입되는 공기에 포함된 복수의 불순물 중 적어도 하나의 불순물의 농도를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 제1, 제2 불순물을 여과하도록 상기 제1, 제2 공기 정화부의 운전을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method of operating the metal-air battery may include detecting a concentration of at least one impurity among a plurality of impurities included in air introduced into the air purifying module; and controlling the operation of the first and second air purifiers to filter the first and second impurities based on the concentration of the detected impurities.

상기 제1, 제2 공기 정화부의 운전을 제어하는 단계에서는, 상기 농도 검출부에 의해 검출된 정보에 기초하여, 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 조절하며, 상기 제1 공기 정화부의 조절된 제1 소비 전력에 기초하여, 상기 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 조절할 수 있다.In the step of controlling the operation of the first and second air purifiers, the first power consumption of the first air purifier is adjusted based on the information detected by the concentration detector, and Based on the first power consumption, second power consumption of the second air purifier may be adjusted.

검출된 상기 불순물의 농도가 증가될 때, 상기 제어부는 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 증가시키고 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 감소시킬 수 있다.When the concentration of the detected impurity increases, the controller may increase first power consumption of the first air purifier and decrease second power consumption of the second air purifier.

검출된 상기 불순물의 농도가 감소될 때, 상기 제어부는 상기 제1 공기 정화부의 제1 소비 전력을 감소시키고 제2 공기 정화부의 제2 소비 전력을 증가시킬 수 있다.When the concentration of the detected impurity decreases, the controller may decrease the first power consumption of the first air purifier and increase the second power consumption of the second air purifier.

상기 제1 불순물을 여과하는 단계와 상기 제2 불순물을 여과하는 단계는, 순차적으로 또는 동시에 진행될 수 있다.The filtering of the first impurity and the filtering of the second impurity may be performed sequentially or simultaneously.

제1 공기 정화부에 의해 여과된 공기 중 일부는 제2 공기 정화부로 공급되고, 제1 공기 정화부에 의해 여과된 공기 중 나머지는 바이패스 경로로 공급되며, 상기 제2 공기 정화부에 의해 여과된 공기와 상기 바이패스 경로를 통과한 공기는 혼합되어 전지 셀 모듈로 공급될 수 있다.Part of the air filtered by the first air purifying unit is supplied to the second air purifying unit, and the rest of the air filtered by the first air purifying unit is supplied to the bypass path and filtered by the second air purifying unit. The air that has passed through the bypass path and the air that has passed through the bypass path may be mixed and supplied to the battery cell module.

유량 조절부에 의해, 제2 공기 정화부로 공급되는 공기의 유량이 조절될 수 있다.The flow rate of air supplied to the second air purifier may be adjusted by the flow rate controller.

상기 유량 조절부에 의해, 상기 제2 공기 정화부에 의해 농축 가능한 공기 중의 최대 산소 농도의 95 % 이상의 산소 농도를 가질 수 있는 최대 공기 유량 이하가 되도록, 제2 공기 정화부에 의해 공급되는 공기의 유량이 조절될 수 있다.The flow rate of the air supplied by the second air purifying unit is adjusted so that the flow rate of air supplied by the second air purifying unit is equal to or less than the maximum air flow rate that can have an oxygen concentration of 95% or more of the maximum oxygen concentration in the air condensable by the second air purifying unit. Flow can be regulated.

본 실시예의 또 다른 측면에 따른 전기화학 전지는,An electrochemical cell according to another aspect of this embodiment,

화학 반응을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈; 및A battery cell module generating electricity using a chemical reaction; and

상기 공기 정화 모듈은,The air purification module,

외부로부터 유입된 공기에 포함된 복수의 불순물 중 제1 불순물을 여과하는 제1 공기 정화부와,a first air purifier filtering a first impurity among a plurality of impurities included in the air introduced from the outside;

상기 복수의 불순물 중 상기 제1 불순물과 다른 제2 불순물을 여과하는 제2 공기 정화부를 포함할 수 있다.A second air purifying unit may be included to filter second impurities different from the first impurities among the plurality of impurities.

상기 전기화학 전지는, 상기 제1 공기 정화부와 상기 제2 공기 정화부를 유체 연결하는 제1 연결 경로와, 상기 제2 공기 정화부와 상기 전지 셀 모듈을 유체 연결하는 제2 연결 경로와, 상기 제2 공기 정화부를 우회하며, 상기 제1, 제2 연결 경로를 유체 연결하는 바이패스 경로와, 상기 제2 공기 정화부로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 유량 조절부를 더 포함할 수 있다.The electrochemical cell may include a first connection path for fluidly connecting the first air purifier and the second air purifier, and a second connection path for fluidly connecting the second air purifier and the battery cell module; It may further include a bypass path bypassing the second air purifier and fluidly connecting the first and second connection paths, and a flow control unit controlling a flow rate of air supplied to the second air purifier.

본 발명의 일구현예에 따른 금속 공기 전지 및 전기화학 전지는 전지 셀 모듈에 공급되는 공기에서 복수의 불순물을 제거함으로써, 불순물에 의한 부반응을 방지할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.A metal-air battery and an electrochemical battery according to an embodiment of the present invention remove a plurality of impurities from air supplied to a battery cell module, thereby preventing side reactions caused by impurities, thereby improving energy efficiency and can improve lifespan.

또한, 본 발명의 일구현예에 따른 금속 공기 전지는, 외부로부터 유입된 공기 중의 불순물 농도에 기초하여 복수의 공기 정화부의 운전을 제어함으로써, 금속 공기 전지의 운전 효율을 최대화할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the metal-air battery according to one embodiment of the present invention controls the operation of the plurality of air purifiers based on the impurity concentration in the air introduced from the outside, thereby maximizing the operating efficiency of the metal-air battery. The energy efficiency of metal-air batteries can be improved.

도 1은 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공기 정화 모듈를 포함한 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 실시예 1및 비교예 1, 2에 따른 금속 공기 전지에서 충방전 횟수의 증가에 따른 단위 중량당 전지 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈를 포함한 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 서로 다른 수분 농도를 가지는 공기가 공기 정화 모듈에 유입될 때, 전지 셀 모듈로 공급되는 공기 중의 수분의 농도 및 산소의 농도를 조절함에 따라 나타나는 금속 공기 전지의 출력 전력을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 도 2의 금속 공지 전지의 운전방법을 예시한 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈를 포함한 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 제2 공기 정화부에 유입되는 공기 유량에 따른 산소 유량 및 산소 농도를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈의 공기 유량에 대한 산소 농도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈에서, 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 것이다.
도 12a 및 도 12b는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈의 응답 속도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a schematic diagram of an electrochemical cell according to one embodiment.
2 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery including an air purification module according to an embodiment.
3 is a graph showing a change in battery capacity per unit weight according to an increase in the number of charge/discharge cycles in the metal-air batteries according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2;
4 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery including an air purification module according to another embodiment.
5A and 5B show the output power of a metal-air battery by controlling the concentration of moisture and oxygen in the air supplied to the battery cell module when air having different moisture concentrations is introduced into the air purification module. .
6A to 6C are diagrams illustrating an operating method of the metal-known battery of FIG. 2 .
7 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery including an air purification module according to another embodiment.
8 is a schematic view of a metal-air battery according to another embodiment.
9 illustrates the oxygen flow rate and oxygen concentration according to the air flow rate flowing into the second air purifying unit.
10 is a graph showing oxygen concentration versus air flow rate of the air purification module according to Examples 1 and 2;
11 illustrates a change in oxygen concentration with time in the air purification module according to Examples 1 and 2. Referring to FIG.
12A and 12B are graphs for explaining response speeds of air purification modules according to Examples 1 and 2. Referring to FIG.
13 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a battery cell module included in a metal-air battery.

이하, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, referring to FIG. 1 , a metal-air battery, an electrochemical cell, and an operating method of the metal-air battery according to an embodiment will be described in detail.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전기화학 전지는 전지 셀 모듈(10) 및 공기 정화 모듈(20)을 포함한다. 상기 전기화학 전지는 금속 공기 전지일 수 있다. 상기 금속 공기 전지는 리튬 공기 전지일 수 있다. 다만, 금속 공기 전지는 이에 한정되는 것은 아니며, 나트륨 공기 전지, 아연 공기 전지, 칼륨 공기 전지, 칼슘 공기 전지, 마그네슘 공기 전지, 철 공기 전지, 알루미늄 공기 전지 또는 상기 언급된 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금 공기 전지일 수 있다.Referring to FIG. 1 , an electrochemical cell according to an embodiment includes a battery cell module 10 and an air purification module 20 . The electrochemical cell may be a metal-air cell. The metal-air battery may be a lithium-air battery. However, the metal air battery is not limited thereto, and a sodium air battery, a zinc air battery, a potassium air battery, a calcium air battery, a magnesium air battery, an iron air battery, an aluminum air battery, or an alloy made of two or more metals mentioned above. It may be an air battery.

전지 셀 모듈(10)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성한다. The battery cell module 10 generates electricity using metal oxidation and oxygen reduction.

예를 들어, 상기 금속이 리튬(Li)인 경우, 상기 금속 공기 전지는 방전시에 하기 반응식 1과 같이 리튬(Li)과 산소가 반응하여 과산화리튬(Li₂O₂)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성한다. For example, when the metal is lithium (Li), the metal-air battery is discharged through a reaction in which lithium (Li) and oxygen react to generate lithium peroxide (Li ₂ O ₂ ) as in Scheme 1 below. generate electricity

[반응식 1][Scheme 1]

Li + 1/2O₂ → 1/2Li₂O₂ Li + 1/2O ₂ → 1/2Li ₂ O ₂

그러나, 공기 중에 불순물, 예를 들어, 수분(H₂O)이 존재하게 되면, 상기 금속 공기 전지는 하기 반응식 2와 같이 수산화리튬(LiOH)을 생성하는 반응으로 인해 에너지 밀도 및 수명이 감소하게 된다.However, when an impurity, for example, moisture (H ₂ O) is present in the air, the metal-air battery decreases energy density and lifespan due to a reaction of generating lithium hydroxide (LiOH) as shown in Scheme 2 below. .

[반응식 2][Scheme 2]

4Li + 6H₂O + O₂ → 4(LiOH·H₂O)4Li + 6H ₂ O + O ₂ → 4 (LiOH·H ₂ O)

공기 정화 모듈(20)은 전지 셀 모듈(10)과 유체 연통(fluid communication)된다.The air purification module 20 is in fluid communication with the battery cell module 10 .

또한, 공기 정화 모듈(20)은 외부로부터 유입된 공기(A1) 중의 불순물을 제거하여 공기(A1)를 정화시키고, 상기 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행한다. In addition, the air purification module 20 serves to purify the air A1 by removing impurities in the air A1 introduced from the outside, and to supply the purified air A2 to the battery cell module 10. do.

실시예에 따른 공기 정화 모듈(20)은 공기 정화 모듈(20)에 유입된 공기(A1)에서 복수의 불순물들을 여과할 수 있다.The air purifying module 20 according to the embodiment may filter a plurality of impurities from the air A1 introduced into the air purifying module 20 .

복수의 불순물은, 공기(A2) 중에 포함된 물질에서, 산소(O₂)를 제외한 다른 물질, 예를 들어, 수분(H₂O), 이산화탄소(CO₂) 및 질소(N₂) 중 적어도 2 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기 정화 모듈(20)은 제1, 제2 불순물을 여과할 수 있다.The plurality of impurities may be at least two of substances other than oxygen (O ₂ ), for example, moisture (H ₂ O), carbon dioxide (CO ₂ ), and nitrogen (N ₂ ), in substances contained in the air (A2). may contain more than For example, the air purification module 20 may filter first and second impurities.

도 2는 일 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20a)를 포함한 금속 공기 전지를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 공기 정화 모듈(20a)은 제1 공기 정화부(21)와 제2 공기 정화부(22)를 포함한다.2 is a diagram schematically illustrating a metal-air battery including an air purification module 20a according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 2 , the air purifying module 20a includes a first air purifying unit 21 and a second air purifying unit 22 .

제1 공기 정화부(21)는 제1 불순물을 여과할 수 있다. 제1 불순물은 수분, 이산화탄소 및 질소 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제1 공기 정화부(21)는 수분을 제거할 수 있다. 수분을 제거하는 제1 공기 정화부(21)는,"공기 건조기(air dryer)"로 불리울 수 있다.The first air purifier 21 may filter the first impurities. The first impurity may be any one of moisture, carbon dioxide, and nitrogen. For example, the first air purifier 21 may remove moisture. The first air purifier 21 that removes moisture may be referred to as an "air dryer".

제2 공기 정화부(22)는 제2 불순물을 여과할 수 있다. 제2 불순물은 수분, 이산화탄소 및 질소 중 어느 하나일 수 있다. 제2 불순물은 제1 불순물과 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 공기 정화부(21)가 수분을 제거할 때, 제2 공기 정화부(22)는 질소를 제거할 수 있다. 다만, 여기서 제2 공기 정화부(22)가 제2 불순물을 여과한다는 것은, 제2 불순물만 제거한다는 의미로 한정되지 아니하며, 예를 들어, 제1 불순물의 여과와 함께 제2 불순물을 여과하는 것을 포함할 수도 있다.The second air purifying unit 22 may filter the second impurities. The second impurity may be any one of moisture, carbon dioxide, and nitrogen. The second impurity may be different from the first impurity. For example, when the first air purifying unit 21 removes moisture, the second air purifying unit 22 may remove nitrogen. However, here, filtering the second impurities by the second air purifier 22 is not limited to the meaning of removing only the second impurities. For example, filtering the second impurities together with filtering the first impurities is not limited thereto. may also include

제2 공기 정화부(22)는 질소를 제거하여 산소를 농축할 수 있다. 제2 공기 정화부(22)는, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 공기 중의 산소 농도가 21% 이상, 예를 들어 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상이 되도록 산소를 농축할 수 있다. 산소를 농축하는 제2 공기 정화부(22)는 "산소 발생기(oxygen generator)"로 불리울 수 있다.The second air purifier 22 may concentrate oxygen by removing nitrogen. The second air purifier 22 may concentrate oxygen so that the oxygen concentration in the air supplied to the battery cell module 10 is 21% or higher, for example, 30% or higher, and more preferably 40% or higher. . The second air purifier 22 that enriches oxygen may be referred to as an "oxygen generator".

제2 공기 정화부(22)는 제1 공기 정화부(21)와 전지 셀 모듈(10) 사이에 배치될 수 있다. 제2 공기 정화부(22)는, 제1 공기 정화부(21)와 유체 연통되며, 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기에서 제2 불순물을 제거할 수 있다. The second air purifying unit 22 may be disposed between the first air purifying unit 21 and the battery cell module 10 . The second air purifying unit 22 is in fluid communication with the first air purifying unit 21 and can remove second impurities from the air that has passed through the first air purifying unit 21 .

공기 정화 모듈(20a)은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(temperature swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「PSA」는 높은 분압에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 분압이 감소할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「TSA」는 상온에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 온도가 증가할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「PTSA」는 상기 「PSA」 및 「TSA」가 조합된 기술을 의미하고, 용어 「VSA」는 대기압 부근에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공하에서 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다.The air purification module 20a may be configured to be operated by pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA), pressure thermal swing adsorption (PTSA), vacuum swing adsorption (VSA), a selective separation method, or two or more of these methods. can In this specification, the term "PSA" refers to a technology that operates on the principle that a specific gas is preferentially adsorbed or captured by an adsorbent at a high partial pressure, and the specific gas is desorbed or released when the partial pressure decreases, and the term "TSA" Means a technology that operates on the principle that a specific gas is preferentially adsorbed or captured by an adsorbent at room temperature, and when the temperature increases, the specific gas is desorbed or released, and the term "PTSA" refers to the "PSA" and "TSA" means a combined technology, and the term "VSA" refers to a technology that operates on the principle that a specific gas is preferentially adsorbed or captured by an adsorbent at near atmospheric pressure, and the specific gas is desorbed or released under vacuum.

제1, 제2 공기 정화부(21, 22)에는 흡착재(미도시)가 충전될 수도 있고, 선택적 투과막(미도시)이 배치될 수도 있으며, 흡착재가 충전되고 선택적 투과막도 배치될 수 있다.An adsorbent (not shown) may be filled in the first and second air purifiers 21 and 22, a selective permeable membrane (not shown) may be disposed, an adsorbent may be filled, and a selective permeable membrane may also be disposed. .

상기 흡착재는 공기(A1) 중의 불순물을 선택적으로 흡착한다. 이러한 흡착재는 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「MOF」는 유기분자에 배위된 금속 이온 또는 금속 클러스터로 이루어져, 다공성인 1차, 2차 또는 3차 구조를 형성하는 결정성 화합물을 의미한다. 또한 본 명세서에서, 용어 「ZIF」는 이미다졸레이트 리간드에 의해 연결된(linked) MN₄(M은 금속)의 사면체 클러스터로 이루어진 나노다공성 화합물을 의미한다. The adsorbent selectively adsorbs impurities in the air (A1). Such an adsorbent may be selected from zeolite, alumina, silica gel, metal-organic framework (MOF), zeolitic imidazolate framework (ZIF), activated carbon, or a mixture of two or more thereof. In the present specification, the term "MOF" refers to a crystalline compound composed of metal ions or metal clusters coordinated to organic molecules to form a porous primary, secondary or tertiary structure. Also, in the present specification, the term “ZIF” refers to a nanoporous compound consisting of a tetrahedral cluster of MN ₄ (M is a metal) linked by an imidazolate ligand.

상기 선택적 투과막은 공기(A1) 중의 불순물을 제외한 나머지 성분을 선택적으로 투과시킨다. 이러한 선택적 투과막은 서로 나란히 배치된(즉, 공기(A1)의 흐름 방향과 나란하게 배치된) 복수의 이온 교환 중공사막(ion exchange hollow fiber)을 포함할 수 있다.The selective permeable membrane selectively transmits components other than impurities in the air A1. The selective permeable membrane may include a plurality of ion exchange hollow fiber membranes disposed side by side with each other (ie, disposed in parallel with the flow direction of the air A1).

상기와 같이, 외부로부터 공기 정화 모듈(20a)로 유입된 공기(A1)가 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)를 통과하는 과정에서, 공기(A1) 중에 포함된 제1, 제2 불순물이 제거될 수 있다. As described above, while the air A1 introduced into the air purification module 20a from the outside passes through the first and second air purification units 21 and 22, the first and second air contained in the air A1 2 Impurities can be removed.

만일, 공기 정화 모듈이, 실시예와 달리, 하나의 불순물만을 여과하는 구조를 가질 경우, 여과 대상인 상기 불순물을 제외한 다른 불순물이 여과되지 않고 전지 셀 모듈(10)로 공급되며, 상기 다른 불순물에 따른 부반응을 피할 수 없게 된다. 그로 인해, 금속 공기 전지의 에너지 밀도가 감소하게 되고, 수명이 단축되게 된다.If the air purification module has a structure for filtering only one impurity, unlike the embodiment, impurities other than the impurity to be filtered are supplied to the battery cell module 10 without being filtered, and according to the other impurity side reactions cannot be avoided. As a result, the energy density of the metal-air battery is reduced and the life is shortened.

그러나, 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20a)에서는, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)에 의해, 공기(A1) 중에 포함된 복수의 불순물을 제거함으로써, 불순물에 의한 금속 공기 전지의 수명 단축을 방지하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.However, in the air purifying module 20a according to the embodiment, a plurality of impurities contained in the air A1 are removed by the first and second air purifying units 21 and 22, so that the metal-air battery caused by the impurities is removed. can prevent shortening of the life span and improve energy efficiency.

도 3은 실시예 1및 비교예 1, 2에 따른 금속 공기 전지에서 충방전 횟수의 증가에 따른 단위 중량당 전지 용량의 변화를 나타낸 것이다. 실시예 1(X)에 따른 금속 공기 전지의 공기 정화 모듈(20a)은 수분을 여과하는 제1 공기 정화부(21) 및 질소를 여과하여 산소를 농축하는 제2 공기 정화부(22)를 포함한다. 반면, 비교예 1(Y1)에 따른 금속 공기 전지의 공기 정화 모듈은 수분을 여과하는 제1 공기 정화부(21)만 포함하며, 비교예 2(Y2)에 따른 금속 공기 전지의 공기 정화 모듈은 질소를 여과하여 산소를 농축하는 제2 공기 정화부(22)만 포함한다.FIG. 3 shows a change in battery capacity per unit weight according to an increase in the number of charge/discharge cycles in the metal-air battery according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. The air purification module 20a of the metal-air battery according to Example 1 (X) includes a first air purification unit 21 for filtering moisture and a second air purification unit 22 for concentrating oxygen by filtering nitrogen. do. On the other hand, the air purifying module of the metal-air battery according to Comparative Example 1 (Y1) includes only the first air purifying unit 21 for filtering moisture, and the air purifying module of the metal-air battery according to Comparative Example 2 (Y2) It includes only the second air purification unit 22 that filters nitrogen and concentrates oxygen.

실시예 1(X)에 따른 공기 정화 모듈(20a)에 의해, 전지 셀 모듈(10)로 유입된 공기(A2)에는 제1 공기 정화부(21)에 의해 수분이 제거되어 수분 농도가 40 ppm이며, 제2 공기 정화부(22)에 의해 질소가 제거되고 산소가 농축되어 산소 농도가 70%이다. 이 경우, 금속 공기 전지는 충방전 횟수가 약 9회가 될 때까지, 단위 중량당 전지 용량이 300 mAh/g을 유지한다.By the air purifying module 20a according to Example 1 (X), moisture is removed from the air A2 introduced into the battery cell module 10 by the first air purifying unit 21 so that the moisture concentration is 40 ppm. And, nitrogen is removed by the second air purifying unit 22 and oxygen is concentrated so that the oxygen concentration is 70%. In this case, the metal-air battery maintains a battery capacity per unit weight of 300 mAh/g until the number of charge/discharge cycles reaches about 9 times.

비교예 1(Y1)에 따른 공기 정화 모듈에 의해, 전지 셀 모듈(10)로 유입된 공기(A2)에는 제1 공기 정화부(21)에 의해 수분이 제거되어 수분 농도가 40 ppm이지만, 질소가 제거되지 않으며 산소가 농축되지 않아 산소 농도는 21%이다. 이 경우, 금속 공기 전지는 충방전 횟수가 2회가 될 때부터 단위 중량당 전지 용량이 감소하기 시작한다. By the air purifying module according to Comparative Example 1 (Y1), moisture is removed from the air (A2) introduced into the battery cell module 10 by the first air purifying unit 21, and the moisture concentration is 40 ppm, but nitrogen is not removed and oxygen is not concentrated, so the oxygen concentration is 21%. In this case, the battery capacity per unit weight of the metal-air battery starts to decrease when the number of charge/discharge cycles becomes two.

비교예 2(Y1)에 따른 공기 정화 모듈에 의해, 전지 셀 모듈(10)로 유입된 공기(A2)에는 제2 공기 정화부(22)에 의해 질소가 제거되고 산소가 농축되어 산소 농도가 70%이나, 수분이 제거되지 않아 수분 농도가 68000 ppm (60℃에서 상대습도 50%)이다. 이 경우, 금속 공기 전지는 충방전 횟수가 약 4회가 될 때부터 단위 중량당 전지 용량이 급격히 감소한다.By the air purifying module according to Comparative Example 2 (Y1), nitrogen is removed from the air (A2) introduced into the battery cell module 10 by the second air purifying unit 22 and oxygen is concentrated so that the oxygen concentration is 70 %, but moisture is not removed, so the moisture concentration is 68000 ppm (50% relative humidity at 60℃). In this case, the battery capacity per unit weight of the metal-air battery rapidly decreases when the number of charge/discharge cycles is about 4 times.

상기와 같이 실시예 1(X)에 따른 공기 정화 모듈(20a)의 충방전 횟수가 비교예 1, 2(Y1, Y2)에 따른 공기 정화 모듈의 충방전 횟수의 약 2배 이상 길어진 것을 알 수 있다. 그로부터, 복수의 공기 정화부에 의해 복수의 불순물을 여과할 경우, 금속 공기 전지의 수명이 현저하게 증가된 것을 알 수 있다. As described above, it can be seen that the number of charging and discharging of the air purifying module 20a according to Example 1 (X) is about twice as long as the number of charging and discharging of the air purifying module according to Comparative Examples 1 and 2 (Y1, Y2). there is. From this, it can be seen that when a plurality of impurities are filtered by a plurality of air purifiers, the lifespan of the metal-air battery is remarkably increased.

한펴, 상술한 실시예에서는, 복수의 공기 정화부의 예로써, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)를 예시하였으나, 이에 한정되지 아니하며, 3개 이상의 공기 정화부를 포함할 수도 있다. In the above-described embodiment, the first and second air purifiers 21 and 22 are exemplified as examples of the plurality of air purifiers, but the present invention is not limited thereto, and three or more air purifiers may be included.

예를 들어, 도 4에 도시된 것처럼, 공기 정화 모듈(20b)은 제1, 제2 불순물과 다른 불순물인 제3 불순물을 여과하는 제3 공기 정화부(23)를 더 포함할 수 있다. 제1, 제2 불순물이 수분 및 질소일 경우, 제3 불순물은 이산화탄소일 수 있다.For example, as shown in FIG. 4 , the air purifying module 20b may further include a third air purifying unit 23 filtering third impurities that are different from the first and second impurities. When the first and second impurities are moisture and nitrogen, the third impurity may be carbon dioxide.

한편, 복수의 공기 정화부는 복수의 불순물을 제거하기 위하여 소정의 소비 전력을 소비하게 된다. 예를 들어, 제1 공기 정화부(21)는 제1 불순물을 제거하기 위하여 제1 소비 전력(E1)을 소비하며, 제2 공기 정화부(22)는 제2 불순물을 제거하기 위하여 제2 소비 전력(E2)을 소비하게 된다.Meanwhile, the plurality of air purifiers consume a predetermined amount of power to remove a plurality of impurities. For example, the first air purifier 21 consumes a first power consumption E1 to remove the first impurities, and the second air purifier 22 consumes a second power E1 to remove the second impurities. Power (E2) is consumed.

다시 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20a)은, 공기 정화 모듈(20a)에 유입된 공기 중의 적어도 하나의 불순물의 농도를 검출하는 농도 검출부(25)와, 농도 검출부(25)에 의해 검출된 정보에 기초하여, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)를 제어하는 제어부(26)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 공기 정화 모듈(20a)은 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)를 포함하되, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)에 의한 소비 전력의 증가를 최소화시킬 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the air purification module 20a according to the embodiment includes a concentration detection unit 25 for detecting a concentration of at least one impurity in the air introduced into the air purification module 20a, and a concentration detection unit 25 Based on the information detected by ), a controller 26 controlling the first and second air purifiers 21 and 22 may be further included. Through this, the air purifying module 20a may include the first and second air purifying units 21 and 22 and minimize an increase in power consumption by the first and second air purifying units 21 and 22. there is.

농도 검출부(25)는 공기 정화 모듈(20a)에 유입된 공기(A1)에 포함된 제1 불순물의 농도를 검출할 수 있다. 예를 들어, 농도 검출부(25)는 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분의 농도를 검출할 수 있다.The concentration detector 25 may detect the concentration of the first impurities included in the air A1 introduced into the air purification module 20a. For example, the concentration detector 25 may detect the concentration of moisture contained in the air A1 introduced from the outside.

제어부(26)는, 농도 검출부(25)에 의해 검출된 제1 불순물의 농도와 관련된 정보에 기초하여, 제1 공기 정화부(21)의 운전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 농도 검출부(25)에 의해 검출된 제1 불순물의 농도 변화량에 기초하여, 제1 공기 정화부(21)의 운전을 제어할 수 있다.The controller 26 may control the operation of the first air purifier 21 based on the information related to the concentration of the first impurity detected by the concentration detector 25 . For example, the operation of the first air purifier 21 may be controlled based on the change in concentration of the first impurity detected by the concentration detector 25 .

제1 불순물의 농도가 증가되었을 때, 제어부(26)는 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 증가시킬 수 있다. 제1 불순물의 농도가 감소되었을 때 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 감소시킬 수 있다. 제1 불순물의 농도의 변화가 없을 때, 제어부(26)는 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 유지할 수 있다. 여기서, 제1 불순물의 농도가 증가, 감소 또는 유지된다는 것은, 농도 검출부(25)에 의해 검출된 농도가 직전에 농도 검출부(25)에 의해 검출된 농도 (또는 소정의 기준 농도)와 비교하여 증가, 감소 또는 동일한 것을 의미할 수 있다. When the concentration of the first impurity increases, the controller 26 may increase the first power consumption E1 of the first air purifier 21 . When the concentration of the first impurity is reduced, the first power consumption E1 of the first air purifying unit 21 may be reduced. When there is no change in the concentration of the first impurity, the controller 26 may maintain the first power consumption E1 of the first air purifier 21 . Here, the increase, decrease, or maintenance of the concentration of the first impurity means that the concentration detected by the concentration detector 25 is increased compared to the concentration detected by the concentration detector 25 immediately before (or a predetermined reference concentration). , decrease or the same.

제1 공기 정화부(21)는 제1 소비 전력(E1)의 증가 또는 감소에 따라, 제1 공기 정화부(21)의 퍼징(purging) 유량 및 운전 시간 중 적어도 하나가 증가 또는 감소될 수 있다. In the first air purifying unit 21, at least one of a purging flow rate and an operating time of the first air purifying unit 21 may be increased or decreased according to an increase or decrease in the first power consumption E1. .

제어부(26)는, 상기와 같이 제1 공기 정화부(21)의 조절된 제1 소비 전력(E1)에 기초하여, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 조절할 수 있다. 그에 따라, 제2 소비 전력(E2)의 변화에 따라, 전지 셀 모듈(10)에 공급되는 공기(A2) 중의 산소 농도가 달라질 수 있다.The control unit 26 may adjust the second power consumption E2 of the second air purifying unit 22 based on the adjusted first power consumption E1 of the first air purifying unit 21 as described above. there is. Accordingly, the oxygen concentration in the air A2 supplied to the battery cell module 10 may vary according to the change in the second power consumption E2 .

일 예로서, 제어부(26)는 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)이 최대가 되도록, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 제어할 수 있다.As an example, the control unit 26 may control the second power consumption E2 of the second air purifying unit 22 to maximize the increase in output power ΔP _OUT of the metal-air battery.

금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)은, 아래 관계식 1과 같이, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)의 운전에 따른 전지 셀 모듈(10)의 출력 전력의 변화량((B1*ΔV_H2O + B1*ΔV_O2)*A)에서, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)의 운전으로 소비되는 소비 전력의 변화량(ΔE_H2O + ΔE_O2)을 차감한 값일 수 있다. 전지 셀 모듈(10)의 출력 전력의 변화량은, 전지 셀 모듈(10)의 전압 변화량(B1*ΔV_H2O + B1*ΔV_O2)에 소정의 전류 값(A)이 곱해질 수 있다. 여기서, B1, B2는 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)에 대한 가중치를 나타낸 것으로서, B1 + B2 = 1이다.The amount of increase in output power of the metal-air battery (ΔP _OUT ) is the amount of change in output power of the battery cell module 10 according to the operation of the first and second air purifiers 21 and 22 ((( B1*ΔV _H2O + B1*ΔV _O2 )*A), the amount of change in power consumption consumed by the operation of the first and second air purifiers 21 and 22 (ΔE _H2O + ΔE _O2 ) may be subtracted. The amount of change in output power of the battery cell module 10 is the amount of change in voltage of the battery cell module 10 (B1*ΔV _H2O + B1*ΔV _O2 ) may be multiplied by a predetermined current value (A). Here, B1 and B2 represent weights for the first and second air purifiers 21 and 22, and B1 + B2 = 1.

[관계식 1][Relationship 1]

제어부(26)는, 제1 불순물의 농도가 감소하고 산소의 농도가 증가함에 따라 전지 셀 모듈(10)의 전압이 상승하는 값과, 제1 불순물 농도를 감소시키고 산소의 농도를 증가시키기 위하여 소비되는 소비 전력을 비교하여, 금속 공기 전지의 출력 전력의 변화량(ΔP_OUT)이 최대가 되는 지점에서, 제2 공기 정화부(22)에 의해 소비되는 제2 소비 전력(E2)과 그에 따른 산소 농도를 결정할 수 있다.The control unit 26 determines the value at which the voltage of the battery cell module 10 increases as the concentration of the first impurity decreases and the concentration of oxygen increases, and consumption to decrease the concentration of the first impurity and increase the concentration of oxygen. The second power consumption E2 consumed by the second air purifying unit 22 and the corresponding oxygen concentration at the point where the variation in the output power of the metal-air battery (ΔP _OUT ) is maximized by comparing the power consumption can decide

도 5a는 외부로부터 유입된 공기에 포함된 수분의 농도가 제1 농도일 때, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 공기 중의 수분의 농도 및 산소의 농도를 조절함에 따라 나타나는 금속 공기 전지의 출력 전력을 나타낸다. 도 5b는 외부로부터 유입된 공기에 포함된 수분의 농도가 제2 농도일 때, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 공기 중의 수분의 농도 및 산소의 농도를 조절함에 따라 나타나는 금속 공기 전지의 출력 전력을 나타낸다. 여기서, 제1, 제2 농도는 서로 다른 소정의 수분 농도이다.5A shows the output power of the metal-air battery obtained by controlling the concentration of moisture and oxygen in the air supplied to the battery cell module 10 when the concentration of moisture contained in the air introduced from the outside is a first concentration. indicates FIG. 5B shows the output power of the metal-air battery obtained by controlling the concentration of moisture and oxygen in the air supplied to the battery cell module 10 when the concentration of moisture contained in the air introduced from the outside is the second concentration. indicates Here, the first and second concentrations are predetermined moisture concentrations different from each other.

도 5a를 참조하면, 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분 농도가 제1 농도일 때, 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)은 P1 지점에서 최대가 된다. 예를 들어, 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분 농도가 제1 농도일 때, 제1 공기 정화부(21)에 의해 수분 농도가 100 ppm이 되도록 외부 공기(A1)를 정화하고, 제2 공기 정화부(22)에 의해 산소 농도가 60%가 되도록 외부 공기(A1)를 정화할 때, 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)이 최대가 될 수 있다.Referring to FIG. 5A , when the moisture concentration in the air A1 introduced from the outside is the first concentration, the increase in output power (ΔP _OUT ) of the metal-air battery is maximized at the point P1 . For example, when the moisture concentration in the air (A1) introduced from the outside is the first concentration, the external air (A1) is purified by the first air purifier 21 so that the moisture concentration is 100 ppm, When the external air A1 is purified by the second air purifier 22 so that the oxygen concentration becomes 60%, the increase in output power ΔP _OUT of the metal-air battery may be maximized.

제어부(26)는, 금속 공기 전지의 출력 전력이 최대가 되도록, 제2 공기 정화부(22)에 의해 산소 농도가 60 %가 되도록, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 결정한다. The controller 26 controls the second power consumption E2 of the second air purifier 22 so that the oxygen concentration is 60% by the second air purifier 22 so that the output power of the metal-air battery is maximized. ) to determine

외부 환경의 변화에 따라, 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분의 농도가 변할 수 있다. 예를 들어, 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분의 농도가 제1 농도에서 제2 농도로 달라질 수 있다. 그에 따라, 도 5b와 같이, 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)은 P2 지점에서 최대가 될 수 있다. 예를 들어, 외부로부터 유입된 공기(A1)에 포함된 수분 농도가 제2 농도일 때, 제1 공기 정화부(21)에 의해 수분 농도가 500 ppm이 되도록 외부 공기(A1)를 정화하고, 제2 공기 정화부(22)에 의해 산소 농도가 21%가 되도록 외부 공기(A1)를 정화할 때, 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)이 최대가 될 수 있다. 상기와 같이, 외부 환경의 변화에 따라 금속 공기 전지의 출력 전력의 증가량(ΔP_OUT)이 최대가 되는 지점이 P1에서 P2로 변할 수 있다.The concentration of moisture included in the air A1 introduced from the outside may change according to changes in the external environment. For example, the concentration of moisture included in the air A1 introduced from the outside may vary from a first concentration to a second concentration. Accordingly, as shown in FIG. 5B , the amount of increase in output power (ΔP _OUT ) of the metal-air battery may be maximum at point P2 . For example, when the moisture concentration in the air (A1) introduced from the outside is the second concentration, the external air (A1) is purified by the first air purifier 21 so that the moisture concentration is 500 ppm, When the external air A1 is purified by the second air purifier 22 so that the oxygen concentration becomes 21%, the amount of increase in output power ΔP _OUT of the metal-air battery may be maximized. As described above, the point at which the increase in output power (ΔP _OUT ) of the metal-air battery is maximized may change from P1 to P2 according to changes in the external environment.

이러한 외부 환경의 변화에 따라, 제어부(26)는 금속 공기 전지의 출력 전력 의 증가량(ΔP_OUT)이 최대가 되도록 제2 공기 정화부(22)에 의해 산소 농도가 21 %가 되도록, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 결정한다. In accordance with this change in the external environment, the control unit 26 controls the second air so that the oxygen concentration is 21% by the second air purifying unit 22 so that the increase in the output power of the metal-air battery (ΔP _OUT ) is maximized. The second power consumption E2 of the purification unit 22 is determined.

이하, 도 1 및 도 6a 내지 도 6c을 참조하여 상기 금속 공기 전극의 운전방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of operating the metal-air electrode will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 6A to 6C.

금속 공기 전지는, 농도 검출부(25)를 통해 공기 정화 모듈(20)로 유입되는 공기(A1)에 포함된 적어도 하나의 불순물의 농도를 검출한다. 예를 들어, 농도 검출부(25)는 공기 정화 모듈(20)로 유입되는 공기에 포함된 수분의 농도를 검출한다. 공기 정화 모듈(20)로 유입된 공기(A1)는, 온도, 습도 등 다양한 외부 환경 변화에 의해 수분의 농도가 변할 수 있다. 농도 검출부(25)에 의해 검출된 농도에 기초하여, 공기(A1) 중의 수분의 농도 변화를 계산 또는 측정될 수 있다.The metal-air battery detects the concentration of at least one impurity included in the air A1 introduced into the air purification module 20 through the concentration detector 25 . For example, the concentration detector 25 detects the concentration of moisture contained in air introduced into the air purification module 20 . In the air A1 introduced into the air purification module 20, the moisture concentration may change due to various external environment changes such as temperature and humidity. Based on the concentration detected by the concentration detector 25, a change in the concentration of moisture in the air A1 can be calculated or measured.

제어부(26)는, 에너지 효율을 향상시키기 위하여, 검출된 수분 농도에 기초하여, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)의 운전을 제어할 수 있다. The controller 26 may control the operation of the first and second air purifiers 21 and 22 based on the detected moisture concentration in order to improve energy efficiency.

제어부(26)는 검출된 수분 농도의 변화에 기초하여, 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 유지, 증가 또는 감소시킬 수 있다. The controller 26 may maintain, increase, or decrease the first power consumption E1 of the first air purifier 21 based on the detected change in moisture concentration.

예를 들어, 검출된 수분의 농도가 이전에 검출된 수분의 농도보다 증가할 때, 제어부(26)는 증가한 수분을 여과하기 위하여 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 ΔE1만큼 증가시킬 수 있다. 검출된 수분의 농도가 이전에 검출된 수분의 농도보다 감소할 때, 제어부(26)는 감소한 수분만큼 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 ΔE1만큼 감소시킬 수 있다. 검출된 수분의 농도가 이전에 검출된 수분의 농도와 동일할 때에는, 제어부(26)는 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)을 유지시킬 수 있다.For example, when the detected moisture concentration is higher than the previously detected moisture concentration, the controller 26 sets the first power consumption E1 of the first air purifier 21 to filter the increased moisture. can be increased by ΔE1. When the detected moisture concentration is lower than the previously detected moisture concentration, the controller 26 may reduce the first power consumption E1 of the first air purifying unit 21 by ΔE1 by the decreased moisture content. When the detected moisture concentration is the same as the previously detected moisture concentration, the controller 26 may maintain the first power consumption E1 of the first air purifier 21 .

제어부(26)는 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1에 기초하여, 상기 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 ΔE2만큼 조절할 수 있다. The controller 26 may adjust the second power consumption E2 of the second air purifier 22 by ΔE2 based on the amount of change ΔE1 of the first power consumption E1 of the first air purifier 21 . there is.

도 6b를 참조하면, 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)이 ΔE1만큼 증가하였을 때, 제어부(26)는 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1만큼 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 줄일 수 있다. 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2는 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1과 동일할 수 있다. 다만, 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2는 이에 한정되지는 아니하며, 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1에 비례할 수도 있다.Referring to FIG. 6B , when the first power consumption E1 of the first air purifier 21 increases by ΔE1, the control unit 26 controls the second air purifier by the amount of change ΔE1 in the first power consumption E1. The second power consumption E2 of (22) can be reduced. The amount of change ΔE2 of the second power consumption E2 may be the same as the amount of change ΔE1 of the first power consumption E1. However, the amount of change ΔE2 of the second power consumption E2 is not limited thereto, and may be proportional to the amount of change ΔE1 of the first power consumption E1.

제2 공기 정화부(22)에 의해 정화된 공기(A2)의 산소 농도가 소정의 기준 값 이상이 되도록 하기 위하여, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2을 제한할 수 있다. 예를 들어, 제1 소비 전력(E1)의 증가량 ΔE1이 소정의 제한 소비 전력(E_limit)과 동일하거나 클 경우에는, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력의 변화량 ΔE2을 제한 소비 전력(E_limit)으로 제한할 수 있다. In order to make the oxygen concentration of the air A2 purified by the second air purifying unit 22 exceed a predetermined reference value, the amount of change ΔE2 in the second power consumption E2 of the second air purifying unit 22 is set. can be limited For example, when the increase ΔE1 of the first power consumption E1 is equal to or greater than the predetermined limited power consumption E _limit , the change ΔE2 of the second power consumption of the second air purifier 22 is limited to It can be limited by power (E _limit ).

더불어, 전지 셀 모듈(10)의 출력 전력이 소정의 기준 값 이상이 되도록, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2을 제한할 수 있다. 제2 소비 전력(E2)이 ΔE2만큼 감소시, 제2 공기 정화부(22)에 의해 정화된 공기 중의 산소 농도(C)가 ΔC만큼 감소하여, 전지 셀 모듈(10)의 전압(V)이 ΔV만큼 감소한다. 전지 셀 모듈(10)의 전압(V)이 V- ΔV로 감소할 경우, 전지 셀 모듈(10)의 출력 전력이 감소할 수 있다. 따라서, 전지 셀 모듈(10)의 전압(V-ΔV)이 소정의 제한 전압(V_limit)과 동일하거나 작아질 경우에는, 전지 셀 모듈(10)의 전압(V-ΔV)이 소정의 제한 전압(V_limit)이 되도록 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2를 줄일 수 있다. In addition, the variation ΔE2 of the second power consumption E2 of the second air purifying unit 22 may be limited so that the output power of the battery cell module 10 is equal to or greater than a predetermined reference value. When the second power consumption E2 decreases by ΔE2, the oxygen concentration C in the air purified by the second air purifier 22 decreases by ΔC, so that the voltage V of the battery cell module 10 decreases by ΔV. When the voltage V of the battery cell module 10 decreases to V-ΔV, output power of the battery cell module 10 may decrease. Therefore, when the voltage (V-ΔV) of the battery cell module 10 is equal to or smaller than the predetermined limit voltage (V _limit ), the voltage (V-ΔV) of the battery cell module 10 is the predetermined limit voltage The variation ΔE2 of the second power consumption E2 may be reduced so as to be (V _limit ).

전지 셀 모듈(10)의 전압(V-ΔV)이 소정의 제한 전압(V_limit)보다 클 경우에는, 제어부(26)는, 제2 공기 정화부(22)를 변화된 제2 소비 전력(E2- ΔE2)으로 운전한다. 또한, 제어부(26)는 전지 셀 모듈(10)을 변화된 전압(V- ΔV)으로 운전한다.When the voltage (V-ΔV) of the battery cell module 10 is greater than the predetermined limit voltage (V _limit ), the controller 26 switches the second air purifier 22 to the second power consumption (E2-). ΔE2). Also, the control unit 26 operates the battery cell module 10 at the changed voltage (V- ΔV).

도 6c를 참조하면, 제1 공기 정화부(21)의 제1 소비 전력(E1)이 ΔE1만큼 감소되었을 때, 제어부(26)는 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1만큼, 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)을 증가시킬 수 있다. 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2는 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1과 동일할 수 있다. 다만, 제2 소비 전력(E2)의 변화량 ΔE2는 이에 한정되지는 아니하며, 제1 소비 전력(E1)의 변화량 ΔE1에 비례할 수도 있다.Referring to FIG. 6C , when the first power consumption E1 of the first air purifying unit 21 is reduced by ΔE1, the control unit 26 adjusts the change in the first power consumption E1 by ΔE1 to the second air purifying unit 21. The second power consumption E2 of the unit 22 may be increased. The amount of change ΔE2 of the second power consumption E2 may be the same as the amount of change ΔE1 of the first power consumption E1. However, the amount of change ΔE2 of the second power consumption E2 is not limited thereto, and may be proportional to the amount of change ΔE1 of the first power consumption E1.

증가된 제2 소비 전력(E2 + ΔE2)에 의해, 제2 불순물의 여과 및 산소 농축이 증가하게 된다. 제2 소비 전력(E2)의 증가(E2+ΔE2)에 의한 산소 농도의 증가(C+ΔC) 및 그에 따른 전지 셀 모듈(10)의 전압 증가(V+ΔV)가 계산(또는 측정)될 수 있다.By the increased second power consumption (E2 + ΔE2), filtration of the second impurity and oxygen concentration are increased. The increase in oxygen concentration (C+ΔC) and the resulting increase in voltage (V+ΔV) of the battery cell module 10 due to the increase in the second power consumption E2 (E2+ΔE2) can be calculated (or measured). there is.

전지 셀 모듈(10)의 전압 증가량(ΔV)이 소정의 기준 전압(ΔV_min)보다 클 경우에는, 제어부(26)는 제2 공기 정화부(22)를 증가된 제2 소비 전력(E2+ΔE2)으로 운전한다. 또한, 제어부(26)는 전지 셀 모듈(10)을 변화된 전압(V+ΔV)으로 운전한다.When the voltage increase (ΔV) of the battery cell module 10 is greater than the predetermined reference voltage (ΔV _min ), the controller 26 sets the second air purifier 22 to the increased second power consumption (E2+ΔE2). ) to drive Also, the controller 26 operates the battery cell module 10 at the changed voltage (V+ΔV).

그러나, 상기 전지 셀 모듈(10)의 전압 증가량(ΔV)이 소정의 기준 전압(ΔV_min)과 동일하거나 작을 경우에는, 제어부(26)는 제2 공기 정화부(22)의 제2 소비 전력(E2)의 증가 없이, 기존의 제2 소비 전력(E2)로 운전한다. 또한, 제어부(26)는 전지 셀 모듈(10)을 전압 증가 없이, 기존의 전압(V)으로 운전한다.However, when the voltage increment (ΔV) of the battery cell module 10 is equal to or smaller than the predetermined reference voltage (ΔV _min ), the controller 26 controls the second power consumption of the second air purifier 22 ( It operates with the existing second power consumption E2 without an increase in E2). In addition, the control unit 26 operates the battery cell module 10 at the existing voltage (V) without increasing the voltage.

한편, 도 6a를 참조하면, 검출된 수분의 농도가 이전에 검출된 수분의 농도와 동일할 때에는, 제어부(26)는 제1 공기 정화부(21)를 제1 소비 전력(E1)의 변화 없이 운전한다. 그에 따라, 제2 공기 정화부(22)를 제2 소비 전력(E2)의 변화 없이 운전한다. 또한, 제어부(26)는 전지 셀 모듈(10)이 전압의 변화 없이, 기존의 전압(V)으로 운전한다.Meanwhile, referring to FIG. 6A , when the detected moisture concentration is the same as the previously detected moisture concentration, the controller 26 operates the first air purifier 21 without changing the first power consumption E1. drive Accordingly, the second air purifying unit 22 is operated without a change in the second power consumption E2. In addition, the control unit 26 operates the battery cell module 10 at the existing voltage (V) without changing the voltage.

상술한 수분 농도의 검출 및 그에 따른 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)의 운전 제어 과정은 소정 주기마다 반복적으로 진행될 수 있다.The above-described detection of the moisture concentration and the corresponding process of controlling the operation of the first and second air purifiers 21 and 22 may be repeatedly performed at predetermined intervals.

한편, 상술한 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20)에서는, 제어부(26)에 의해 제1 불순물을 여과하는 단계 및 제2 불순물을 여과하는 단계가 순차적으로 제어된 예를 설명하였다. 그러나, 공기 정화 모듈(20c)에서 제1, 제2 불순물을 여과하는 단계는 이에 한정되지 아니하며, 동시에 진행될 수도 있다. 예를 들어, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)가 도 7과 같이 하나의 챔버(29) 내부에 배치될 수 있다. 제1, 제2 공기 정화부(21, 22) 각각은 서로 흡착제일 수 있다. 그에 따라, 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)는 챔버(29) 내부로 유입된 공기에서 제1, 제2 불순물을 제거할 수 있다. 이 경우, 제어부(26)는 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)의 운전을 같이 제어한다Meanwhile, in the air purifying module 20 according to the above-described embodiment, an example in which the steps of filtering the first impurities and the steps of filtering the second impurities are sequentially controlled by the control unit 26 has been described. However, the steps of filtering the first and second impurities in the air purification module 20c are not limited thereto and may be performed simultaneously. For example, the first and second air purifiers 21 and 22 may be disposed inside one chamber 29 as shown in FIG. 7 . Each of the first and second air purifiers 21 and 22 may be adsorbents. Accordingly, the first and second air purifiers 21 and 22 may remove the first and second impurities from the air introduced into the chamber 29 . In this case, the controller 26 controls the operation of the first and second air purifiers 21 and 22 together.

도 8은 다른 실시예에 따른 금속 공기 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 8 is a schematic view of a metal-air battery according to another embodiment.

도 8을 참조하면, 금속 공기 전지는 공기 정화 모듈(20d)과 전지 셀 모듈(10)을 포함한다. 공기 정화 모듈(20d)은 제1 공기 정화부(21), 제2 공기 정화부(22), 제1 공기 정화부(21)와 제2 공기 정화부(22)를 유체 연결하는 제1 연결 경로(31), 제2 공기 정화부(22)와 전지 셀 모듈(10)을 유체 연결하는 제2 연결 경로(32), 상기 제2 공기 정화부(22)를 우회하는 바이패스 경로(33), 및 상기 제2 공기 정화부(22)로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 유량 조절부(27)를 포함한다.Referring to FIG. 8 , the metal-air battery includes an air purification module 20d and a battery cell module 10 . The air purifying module 20d includes a first air purifying unit 21, a second air purifying unit 22, and a first connection path fluidly connecting the first air purifying unit 21 and the second air purifying unit 22. (31), a second connection path 32 fluidly connecting the second air purifier 22 and the battery cell module 10, a bypass path 33 bypassing the second air purifier 22, and a flow control unit 27 for adjusting the flow rate of air supplied to the second air purification unit 22 .

제1 공기 정화부(21)는 제1 불순물을 여과할 수 있다. 예를 들어, 제1 공기 정화부(21)는 수분을 제거할 수 있다. The first air purifier 21 may filter the first impurities. For example, the first air purifier 21 may remove moisture.

제2 공기 정화부(22)는 제1 불순물과 다른 제2 불순물, 예를 들어, 질소를 제거할 수 있다. 제2 공기 정화부(22)는 질소를 제거함으로써, 산소를 농축할 수 있다. 예를 들어, 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기의 산소 농도가 21% 이상, 예를 들어 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상이 되도록, 제2 공기 정화부(22)는 산소를 농축할 수 있다.The second air purifier 22 may remove second impurities different from the first impurities, for example, nitrogen. The second air purifier 22 can concentrate oxygen by removing nitrogen. For example, the second air purifying unit 22 is configured such that the oxygen concentration of the air passing through the second air purifying unit 22 is 21% or higher, for example 30% or higher, and more preferably 40% or higher. Oxygen can be concentrated.

다만, 제2 공기 정화부(22)의 산소 농축 특성은, 제2 공기 정화부(22)에 유입되는 공기(A111)의 유량에 따라 달라질 수 있다. 왜냐하면, 제2 공기 정화부(22)에 의해 질소를 흡착 또는 제거할 수 있는 양에는 한계가 있기 때문이다. 다시 말해서, 제2 공기 정화부(22)가 흡착할 수 있는 흡착 용량이 정해져 있을 수 있다. 그에 따라, 제2 공기 정화부(22)의 흡착 용량을 벗어날 경우, 흡착 용량을 벗어난 질소는 제2 공기 정화부(22)에 의해 흡착되지 못하게 되며, 제2 공기 정화부(22)의 산소 농축 특성은 저하될 수 있다.However, the oxygen concentration characteristics of the second air purifying unit 22 may vary according to the flow rate of the air A111 introduced into the second air purifying unit 22 . This is because there is a limit to the amount of nitrogen that can be adsorbed or removed by the second air purifier 22 . In other words, the adsorption capacity that the second air purifier 22 can adsorb may be determined. Accordingly, when the adsorption capacity of the second air purifying unit 22 is exceeded, nitrogen outside the adsorption capacity is not adsorbed by the second air purifying unit 22, and oxygen concentration of the second air purifying unit 22 is prevented. properties may deteriorate.

도 9는 제2 공기 정화부(22)에 유입되는 공기 유량에 따른 산소 유량 및 산소 농도를 나타낸 것이다. 도 9에서는, 제2 공기 정화부(22)에 의해 농축 가능한 최대 산소 농도는 94 %이다.9 illustrates the oxygen flow rate and oxygen concentration according to the air flow rate flowing into the second air purifying unit 22 . In FIG. 9 , the maximum oxygen concentration that can be concentrated by the second air purifier 22 is 94%.

도 9를 참조하면, 제2 공기 정화부(22)에 공급된 공기가 30 L/min 일 때, 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기의 산소 농도가 94%로 나타난다. 제2 공기 정화부(22)에 공급된 공기의 유량이 30 L/min을 초과할 경우, 제2 공기 정화부(22)에 의해 정화된 공기의 산소 농도는 낮아진다.Referring to FIG. 9 , when the air supplied to the second air purifying unit 22 is 30 L/min, the oxygen concentration of the air passing through the second air purifying unit 22 is 94%. When the flow rate of the air supplied to the second air purifier 22 exceeds 30 L/min, the oxygen concentration of the air purified by the second air purifier 22 is lowered.

제2 공기 정화부(22)에 공급된 공기의 유량이 35 L/min 이하인 구간, 즉, 30 L/min ~ 35 L/min인 구간에서는, 제2 공기 정화부(22)에 의해 정화된 공기의 산소 농도는 완만히 낮아진다. 공기 유량이 35 L일 때, 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기 중의 산소 농도는 89% 일 수 있다.Air purified by the second air purifier 22 in a section where the flow rate of the air supplied to the second air purifier 22 is 35 L/min or less, that is, in a section between 30 L/min and 35 L/min. Oxygen concentration gradually decreases. When the air flow rate is 35 L, the oxygen concentration in the air passing through the second air purifying unit 22 may be 89%.

그러나, 제2 공기 정화부(22)에 공급된 공기의 유량이 35 L/min 를 초과할 경우, 제2 공기 정화부(22)에 의해 정화된 공기의 산소 농도는 급격히 낮아지며, 산소 유량의 증가 속도가 현저히 저하된다. However, when the flow rate of the air supplied to the second air purifying unit 22 exceeds 35 L/min, the oxygen concentration of the air purified by the second air purifying unit 22 rapidly decreases, and the oxygen flow rate increases. speed is significantly reduced.

다시 도 8을 참조하면, 이러한 점을 고려하여, 유량 조절부(27)는 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 조절할 수 있다.Referring back to FIG. 8 , in consideration of this point, the flow controller 27 may adjust the flow rate of the air A111 supplied to the second air purifier 22 .

유량 조절부(27)는 바이패스 경로(33)에 배치될 수 있다. 바이패스 경로(33)는 제1 연결 경로(31)와 제2 연결 경로(32)를 유체 연결할 수 있다. 이러한 바이패스 경로(33)에 유량 조절부(27)가 배치되며, 유량 조절부(27)는 바이패스 경로(33)로 공급되는 공기(A112)의 유량을 조절할 수 있다. 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기(A11)는 제2 공기 정화부(22)와 바이패스 경로(33)로 나뉘어 공급되기 때문에, 바이패스 경로(33)로 공급되는 공기(A112)의 유량을 조절함으로써, 제1 공기 정화부(21)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 조절할 수 있다. 다만, 유량 조절부(27)의 배치는 예시적인 것으로 이에 한정되지 아니하며, 제1 연결 경로(31)에 배치될 수도 있음은 물론이다.The flow control unit 27 may be disposed in the bypass path 33 . The bypass path 33 may fluidly connect the first connection path 31 and the second connection path 32 . A flow rate controller 27 is disposed in the bypass path 33, and the flow controller 27 can adjust the flow rate of the air A112 supplied to the bypass path 33. Since the air A11 that has passed through the first air purifier 21 is divided into the second air purifier 22 and the bypass path 33 and supplied, the air A112 supplied to the bypass path 33 The flow rate of the air A111 supplied to the first air purifying unit 21 may be adjusted by adjusting the flow rate of . However, the arrangement of the flow control unit 27 is illustrative and not limited thereto, and may be disposed in the first connection path 31, of course.

유량 조절부(27)는, 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기(A21)가 제2 공기 정화부(22)에 의해 농축 가능한 최대 산소 농도의 95 % 이상의 산소 농도를 가질 수 있는 최대 공기 유량 이하가 되도록, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 조절할 수 있다. The flow control unit 27 controls the maximum oxygen concentration at which the air A21 passing through the second air purifying unit 22 can have an oxygen concentration of 95% or more of the maximum oxygen concentration that can be concentrated by the second air purifying unit 22. The flow rate of the air A111 supplied to the second air purifying unit 22 may be adjusted to be less than or equal to the air flow rate.

일 예로써, 제2 공기 정화부(22)에 의해 농축 가능한 공기 중의 최대 산소 농도가 94%일 때, 상기 최대 산소 농도 94%의 95%인 약 89% 이상의 산소 농도를 가질 수 있는 최대 유량은 35 L/min 일 수 있다. 이 경우, 유량 조절부(27)는 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 35 mL 이하가 되도록 조절할 수 있다.As an example, when the maximum oxygen concentration in the air condensable by the second air purifier 22 is 94%, the maximum flow rate that can have an oxygen concentration of about 89% or more, which is 95% of the maximum oxygen concentration of 94%, is It may be 35 L/min. In this case, the flow rate controller 27 may adjust the flow rate of the air A111 supplied to the second air purifier 22 to 35 mL or less.

이와 같이, 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20d)은, 유량 조절부(27)에 의해, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 소정의 기준 유량 이하로 조절할 수 있다. 그에 따라, 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 제1 공기 정화부(21)에 공급되는 공기(A1)의 유량이 증가하더라도, 유량 조절부(27)에 의해 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량을 소정의 기준 유량 이하가 되도록 조절할 수 있다.As such, the air purifying module 20d according to the embodiment may adjust the flow rate of the air A111 supplied to the second air purifying unit 22 to a predetermined standard flow rate or less by the flow rate controller 27. there is. Accordingly, in the air purifying module 20d according to the embodiment, even if the flow rate of the air A1 supplied to the first air purifying unit 21 increases, the second air purifying unit ( The flow rate of the air A111 supplied to 22) may be adjusted to be equal to or less than a predetermined standard flow rate.

따라서, 실시예에 따른 공기 정화모듈에서는, 산소 농축 효율이 가장 좋은 최적의 지점에서, 산소 농축을 진행시킬 수 있다. 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기의 산소 농도가 소정 농도, 예를 들어, 85% 이상이 되도록, 제2 공기 정화부(22)는 산소를 농축할 수 있다.Therefore, in the air purification module according to the embodiment, oxygen concentration may be performed at an optimal point where oxygen concentration efficiency is highest. The second air purifying unit 22 may concentrate oxygen so that the oxygen concentration of the air passing through the second air purifying unit 22 is a predetermined concentration, eg, 85% or higher.

또한, 제2 공기 정화부(22)의 흡착 용량을 벗어난 범위에 비해, 제2 공기 정화부(22)의 흡착 용량 이내일 때, 산소 농도의 변화가 작기 때문에, 산소 농도를 안정적으로 제어할 수 있다.In addition, since the change in oxygen concentration is small within the adsorption capacity of the second air purifier 22 compared to the range outside the adsorption capacity of the second air purifier 22, the oxygen concentration can be stably controlled. there is.

도 10은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)의 공기 유량에 대한 산소 농도를 나타낸 그래프이다. 도 11은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서, 시간에 따른 산소 농도의 변화를 나타낸 것이다. 도 12a 및 도 12b는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)의 응답 속도를 설명하기 위한 그래프이다.10 is a graph showing oxygen concentration versus air flow rate of the air purification module 20d according to Examples 1 and 2. Referring to FIG. 11 illustrates a change in oxygen concentration with time in the air purification module 20d according to Examples 1 and 2. Referring to FIG. 12A and 12B are graphs for explaining the response speed of the air purification module 20d according to Embodiments 1 and 2.

도 10 내지 도 12b에서는, 실시예 1, 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는 동일한 특성을 가지는 제1, 제2 공기 정화부(21, 22)를 포함한다. 다만, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)은 바이패스 경로(33) 및 유량 조절부(27)를 포함하는 반면, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)은 바이패스 경로(33) 및 유량 조절부(27)를 포함하지 않는다. 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기의 산소 농도는 21 % 이며, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기 유량이 30 L/min 일 때, 최대 산소 농도 94% 가 나타난다.10 to 12B, the air purifying module 20d according to the first and second embodiments includes first and second air purifying units 21 and 22 having the same characteristics. However, while the air purification module 20d according to the second embodiment includes the bypass path 33 and the flow control unit 27, the air purification module 20d according to the first embodiment includes the bypass path 33 and a flow control unit 27. The oxygen concentration of the air passing through the first air purification unit 21 is 21%, and when the air flow rate supplied to the second air purification unit 22 is 30 L/min, the maximum oxygen concentration is 94%.

도 10을 참조하면, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기 유량과 동일한 공기 유량인 60 L/min 로 제2 공기 정화부(22)로 공급될 경우, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 공기(A2)의 산소 농도는 56.5 %로 나타났다.Referring to FIG. 10 , in the air purifying module 20d according to the first embodiment, the second air purifying unit 22 operates at an air flow rate of 60 L/min, which is the same as the air flow rate passing through the first air purifying unit 21. When supplied to the battery cell module 10, the oxygen concentration of the air (A2) supplied to the battery cell module 10 was found to be 56.5%.

실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 실시예 1과 달리, 유량 조절부(27)에 의해, 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기 유량의 일부인 35 L/min 로 제2 공기 정화부(22)로 공급되고, 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기 유량의 나머지인 25 L/min 로 바이패스 경로(33)로 공급된다. 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기(A21)와 바이패스 경로(33)를 통과한 공기(A22)가 혼합되어 전지 셀 모듈(10)로 공급된다. 이 경우, 제2 공기 정화부(22)를 통과한 공기(A21)의 산소 농도는 약 89 %이며, 바이패스 경로(33)를 통과한 공기(A22)의 산소 농도는 제1 공기 정화부(21)를 통과한 공기(A11)의 산소 농도와 동일한 약 21 %로 나타났으며, 그에 따라, 전지 셀 모듈(10)로 공급되는 혼합 공기(A2)의 산소 농도는 60 %로 나타났다.In the air purifying module 20d according to Example 2, unlike in Example 1, the second air purifying module 20d, which is a part of the flow rate of air passing through the first air purifying unit 21, is 35 L/min by the flow rate controller 27. It is supplied to the air purifier 22 and is supplied to the bypass path 33 at 25 L/min, which is the remainder of the air flow rate that passed through the first air purifier 21. The air A21 passing through the second air purifier 22 and the air A22 passing through the bypass path 33 are mixed and supplied to the battery cell module 10 . In this case, the oxygen concentration of the air A21 that has passed through the second air purifier 22 is about 89%, and the oxygen concentration of the air A22 that has passed through the bypass path 33 is the first air purifier ( 21) was found to be about 21%, which is the same as the oxygen concentration of the air (A11) passing through, and accordingly, the oxygen concentration of the mixed air (A2) supplied to the battery cell module 10 was found to be 60%.

상기와 같이, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기의 유량을 조절함으로써, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에 비해, 약 6.2 % 에 해당하는 산소 농도의 증가가 나타남을 확인할 수 있다. As described above, in the air purifying module 20d according to the second embodiment, by adjusting the flow rate of air supplied to the second air purifying unit 22, compared to the air purifying module 20d according to the first embodiment, about It can be seen that an increase in oxygen concentration corresponding to 6.2% appears.

도 11을 참조하면, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에 비해, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)이, 시간 변화에 대한 산소 농도의 변화가 작게 나타난다. Referring to FIG. 11 , compared to the air purifying module 20d according to the first embodiment, the air purifying module 20d according to the second embodiment exhibits a small change in oxygen concentration with respect to time.

상기와 같이, 시간에 따른 산소 농도의 변화가 다르게 이유는, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량에 따라, 제2 공기 정화부(22)의 흡착 성능이 포화되는 속도가 달라지기 때문이다. As described above, the reason why the oxygen concentration varies with time is that the adsorption performance of the second air purifying unit 22 is saturated according to the flow rate of the air A111 supplied to the second air purifying unit 22. Because the speed is different.

예를 들어, 실시예 1에 따른 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기 유량이 60 L/min일 경우 제2 공기 정화부(22)의 흡착 성능은 5 초만에 포화될 수 있는 반면, 실시예 2에 따른 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기 유량이 30 L/min 일 경우 제2 공기 정화부(22)의 흡착 성능은 10 초일 때 포화될 수 있다. For example, when the air flow rate supplied to the second air purifying unit 22 according to Example 1 is 60 L/min, the adsorption performance of the second air purifying unit 22 can be saturated in 5 seconds, whereas When the air flow rate supplied to the second air purifying unit 22 according to Example 2 is 30 L/min, the adsorption performance of the second air purifying unit 22 may be saturated in 10 seconds.

이와 같이, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에 비해, 제2 공기 정화부(22)에 공급되는 공기(A111)의 유량이 작기 때문에, 제2 공기 정화부(22)의 흡착 성능이 늦게 포화될 수 있다. 그리하여, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에 비해, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)이, 시간 변화에 대한 산소 농도의 변화가 작게 나타날 수 있다As described above, in the air purifying module 20d according to the second embodiment, the flow rate of the air A111 supplied to the second air purifying unit 22 is smaller than that of the air purifying module 20d according to the first embodiment. , the adsorption performance of the second air purifying unit 22 may be saturated late. Thus, compared to the air purifying module 20d according to the first embodiment, the air purifying module 20d according to the second embodiment may show a small change in oxygen concentration with respect to time change.

도 12a를 참조하면, 실시예 1에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 공기 정화 모듈(20d)을 통과한 산소 농도를 약 70 %에서 약 62 %로 조절하기 위해 약 110초가 소요된다. 반면, 도 12b를 참조하면, 실시예 2에 따른 공기 정화 모듈(20d)에서는, 공기 정화 모듈(20d)을 통과한 산소 농도를 약 63 %에서 약 56 %로 조절하기 위해 약 22초가 소요된다. 비록 산소 농도 범위가 다소 다르긴 하지만, 산소 농도를 조절하는 데 소요되는 시간이 실시예 2에 따를 때 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 12A , in the air purifying module 20d according to the first embodiment, it takes about 110 seconds to adjust the oxygen concentration passing through the air purifying module 20d from about 70% to about 62%. On the other hand, referring to FIG. 12B, in the air purifying module 20d according to the second embodiment, it takes about 22 seconds to adjust the oxygen concentration passing through the air purifying module 20d from about 63% to about 56%. Although the oxygen concentration range is somewhat different, it can be seen that the time required to adjust the oxygen concentration is significantly reduced when Example 2 is followed.

이하, 도 13을 참조하여 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)의 구성을 설명한다.Hereinafter, the configuration of the battery cell module 10 provided in the metal-air battery will be described with reference to FIG. 13 .

도 13을 참조하면, 전지 셀 모듈(10)은 하우징(11), 음극 금속층(12), 음극 금속층(12) 위에 배치된 음극 전해질막(13), 음극 전해질막(13) 위에 배치된 산소 차단층(14), 산소 차단층(14) 위에 배치된 양극층(15) 및 양극층(15) 위에 배치된 기체 확산층(16)을 포함한다.Referring to FIG. 13, the battery cell module 10 includes a housing 11, a negative electrode metal layer 12, a negative electrode electrolyte film 13 disposed on the negative electrode metal layer 12, and an oxygen barrier disposed on the negative electrode electrolyte film 13. layer (14), an anode layer (15) disposed over the oxygen barrier layer (14) and a gas diffusion layer (16) disposed over the anode layer (15).

하우징(11)은 음극 금속층(12), 음극 전해질막(13), 산소 차단층(14), 양극층(15) 및 기체 확산층(16)을 수용하여 이들을 밀봉하는 역할을 수행한다.The housing 11 serves to accommodate and seal the anode metal layer 12, the cathode electrolyte membrane 13, the oxygen barrier layer 14, the anode layer 15, and the gas diffusion layer 16.

음극 금속층(12)은 금속 이온을 흡장 및 방출하는 기능을 수행한다. 음극 금속층(12)은, 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.The cathode metal layer 12 functions to occlude and release metal ions. The anode metal layer 12 is, for example, lithium (Li), sodium (Na), zinc (Zn), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), aluminum (Al) or An alloy consisting of two or more of these may be included.

음극 전해질막(13)은 금속 이온을 산소 차단층(14)을 통해 양극층(15)으로 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 음극 전해질막(13)은 전해질을 포함할 수 있다. The cathode electrolyte membrane 13 serves to transfer metal ions to the anode layer 15 through the oxygen barrier layer 14 . To this end, the negative electrolyte membrane 13 may include an electrolyte.

일례로서, 상기 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 수 있도록 제조될 수 있다.As an example, the electrolyte may be a solid state including a polymer-based electrolyte, an inorganic electrolyte, or a composite electrolyte in which they are mixed, and may be manufactured to be bendable.

다른 예로서, 상기 전해질은 금속염을 용매에 용해시켜 형성된 것일 수 있다.As another example, the electrolyte may be formed by dissolving a metal salt in a solvent.

상기 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. Examples of the metal salt include LiN(SO ₂ CF ₂ CF ₃ ) ₂ , LiN(SO ₂ C ₂ F ₅ ) ₂ , LiClO ₄ , LiBF ₄ , LiPF ₆ , LiSbF ₆ , LiAsF ₆ , LiCF ₃ SO ₃ , LiN(SO ₂ Lithium salts such as CF ₃ ) ₂ , LiC(SO ₂ CF ₃ ) ₃ , LiN(SO ₃ CF ₃ ) ₂ , LiC ₄ F ₉ SO ₃ , LiAlCl ₄ or LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) may be used. , Other metal salts such as AlCl ₃ , MgCl ₂ , NaCl, KCl, NaBr, KBr, CaCl ₂ and the like may be further added to the above-mentioned lithium salt.

상기 용매는 이러한 리튬염 및 금속염을 용해시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 카보네이트(DMC)와 같은 카보네이트계 용매, 메틸 아세테이트와 같은 에스테르계 용매, 디부틸 에테르와 같은 에테르계 용매, 시클로헥사논과 같은 케톤계 용매, 트리에틸아민과 같은 아민계 용매, 트리에틸포스핀과 같은 포스핀계 용매 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The solvent may be used without limitation as long as it can dissolve the lithium salt and the metal salt. For example, the solvent may be a carbonate solvent such as dimethyl carbonate (DMC), an ester solvent such as methyl acetate, an ether solvent such as dibutyl ether, a ketone solvent such as cyclohexanone, or an amine solvent such as triethylamine. solvent, a phosphine-based solvent such as triethylphosphine, or a mixture of two or more thereof.

산소 차단층(14)은 산소의 투과를 방지하면서 금속 이온에 대한 전도성을 갖는 것일 수 있다. 이러한 산소 차단층(14)은 구부러질 수 있는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산소 차단층(14)은 폴리프로필렌 소재의 부직포나 폴리페닐렌 설파이드 소재의 부직포 등의 고분자 부직포 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지의 다공성 필름 또는 이들의 조합을 포함하는 다공성 분리막일 수 있다. The oxygen blocking layer 14 may have conductivity for metal ions while preventing oxygen from permeating. The oxygen blocking layer 14 may include a polymer material that can be bent. For example, the oxygen barrier layer 14 is a porous separator including a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, a porous film of an olefinic resin such as polyethylene or polypropylene, or a combination thereof. can

산소 차단층(14)과 음극 전해질막(13)은 각각 별개의 층으로 형성될 수도 있지만, 산소 차단 기능을 갖는 다공성 분리막의 기공들 내에 전해질을 함침시켜 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide; PEO)와 LiTFSI를 혼합하여 형성한 전해질을 다공성 분리막의 기공들 내에 함침시켜 음극 전해질막(13)과 산소 차단층(14)을 일체화시킬 수 있다.The oxygen barrier layer 14 and the cathode electrolyte membrane 13 may be formed as separate layers, but may also be formed as a single layer by impregnating an electrolyte into pores of a porous separator having an oxygen barrier function. For example, the cathode electrolyte membrane 13 and the oxygen barrier layer 14 may be integrated by impregnating an electrolyte formed by mixing polyethylene oxide (PEO) and LiTFSI into pores of the porous separator.

양극층(15)은 금속 이온의 전도를 위한 전해질, 산소의 산화 및 환원을 위한 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전해질, 촉매, 도전성 재료 및 바인더를 혼합한 후 용매를 첨가하여 양극 슬러리를 제조하고, 상기 양극 슬러리를 산소 차단층(14) 위에 도포한 후 건조시킴으로써 양극층(15)을 형성할 수 있다. 상기 용매는 음극 전해질막(13)에 포함된 전해질의 제조에 사용된 용매와 동일한 것일 수 있다.The anode layer 15 may include an electrolyte for metal ion conduction, a catalyst for oxidation and reduction of oxygen, a conductive material, and a binder. For example, after mixing the above-mentioned electrolyte, catalyst, conductive material, and binder, a solvent is added to prepare a cathode slurry, and the cathode layer 15 is formed by applying the cathode slurry on the oxygen barrier layer 14 and drying it. can form The solvent may be the same as the solvent used to prepare the electrolyte included in the anode electrolyte membrane 13 .

양극층(15)에 포함된 전해질은 음극 전해질막(13)에 포함된 리튬염 및 선택적으로 금속염을 포함할 수 있다. The electrolyte included in the cathode layer 15 may include a lithium salt and optionally a metal salt included in the anode electrolyte layer 13 .

상기 촉매는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 이들 중 2 이상의 합금 또는 이들의 조합으로부터 선택된 금속의 산화물을 포함할 수 있다.The catalyst may include an oxide of a metal selected from platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), an alloy of two or more of these, or a combination thereof. can

상기 도전성 재료는 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유 또는 탄소나노튜브와 같은 다공성을 갖는 탄소계 재료; 구리 분말, 은 분말, 니켈 분말 또는 알루미늄 분말과 같은 금속 분말 형태의 도전성 금속 재료 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 유기 재료 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. The conductive material may include a porous carbon-based material such as carbon black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, or carbon nanotube; It may include a conductive metal material in the form of a metal powder such as copper powder, silver powder, nickel powder or aluminum powder, a conductive organic material such as a polyphenylene derivative, or a mixture of two or more thereof.

상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The binder may include polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, styrene-butadiene rubber, or a mixture of two or more thereof.

기체 확산층(16)은 양극층(15)에 정화된 공기(A2)를 골고루 공급하는 역할을 수행한다. 다만, 이러한 기체 확산층(16)은 선택적인 구성 요소로써, 경우에 따라, 전지셀 모듈(10)에서 생략될 수도 있다.The gas diffusion layer 16 serves to evenly supply purified air A2 to the anode layer 15 . However, the gas diffusion layer 16 is an optional component and may be omitted from the battery cell module 10 in some cases.

기체 확산층(16)은 다공성 구조를 갖는 금속, 세라믹, 폴리머, 탄소 소재, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 기체 확산층(16)은 다공성 구조를 가짐으로써, 공기 정화 모듈(20)에서 배출된 공기(A2)를 흡수하여 원활하게 확산시킬 수 있다. The gas diffusion layer 16 may include a metal, ceramic, polymer, carbon material having a porous structure, or a mixture of two or more thereof. Since the gas diffusion layer 16 has a porous structure, it can absorb and diffuse the air A2 discharged from the air purification module 20 smoothly.

상기 다공성 구조를 갖는 금속으로서, 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트가 사용될 수 있다. As the metal having the porous structure, a foamed metal in the form of a sponge or a metal fiber mat may be used.

상기 다공성 세라믹으로서, 마그네슘-알루미늄 실리케이트(magnesium-aluminium silicate)가 사용될 수 있다. As the porous ceramic, magnesium-aluminium silicate may be used.

상기 다공성 폴리머로서 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. Porous polyethylene and porous polypropylene may be used as the porous polymer.

상기 다공성 탄소 소재로서, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다. As the porous carbon material, carbon paper, carbon cloth, and carbon felt using carbon fibers may be used.

본 발명의 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)은 상술한 구조에 한정되지 않으며, 다른 다양한 구조를 가질 수 있다.The battery cell module 10 provided in the metal-air battery of the present invention is not limited to the above structure and may have various other structures.

한편, 상술한 실시예에서는 전기화학 전지의 예로써, 금속 공기 전지를 예로 들어 설명하였으나, 전기화학 전지는 이에 한정되지는 아니한다. 예를 들어, 전기화학 전지는, 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 다른 전지, 예를 들어, 연료 전지일 수도 있다. 여기서, 전기화학 전지의 화학 반응은 공기 정화 모둘에 의해 정화된 공기가 양극층에 공급됨에 따라 발생할 수 있다.Meanwhile, in the above-described embodiment, a metal-air battery has been described as an example of the electrochemical cell, but the electrochemical cell is not limited thereto. For example, an electrochemical cell may be another cell capable of generating electrical energy using a chemical reaction, such as a fuel cell. Here, a chemical reaction of the electrochemical cell may occur as air purified by the air purifying module is supplied to the cathode layer.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to drawings and embodiments, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other implementations therefrom. will be able to understand Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the appended claims.

10: 전지 셀 모듈 11: 하우징
12: 음극 금속층 13: 음극 전해질막
14: 산소 차단층 15: 양극층
16: 기체 확산층
20, 20a, 20b, 20c, 20d: 공기 정화 모듈
21: 제1 공기 정화부 22: 제2 공기 정화부
23: 제3 공기 정화부 25: 농도 검출부
26: 제어부 27: 유량 조절부
29: 챔버 31, 32 : 제1, 제2 연결 경로
33: 바이패스 경로
A1, A2, A11, A12 : 공기 10: battery cell module 11: housing
12: anode metal layer 13: cathode electrolyte membrane
14: oxygen blocking layer 15: anode layer
16: gas diffusion layer
20, 20a, 20b, 20c, 20d: air purification module
21: first air purifier 22: second air purifier
23: third air purification unit 25: concentration detection unit
26: control unit 27: flow control unit
29: chambers 31, 32: first and second connection paths
33: bypass path
A1, A2, A11, A12: Air

Claims

A battery cell module that generates electricity using metal oxidation and oxygen reduction; and
An air purification module that is in fluid communication with the battery cell module and purifies air introduced from the outside and supplies it to the battery cell module;
The air purification module,
a first air purifier filtering a first impurity among a plurality of impurities included in the air introduced from the outside;
a second air purifier filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities;
The air purification module,
a concentration detector for detecting a concentration of at least one impurity among a plurality of impurities included in the air introduced from the outside;
a controller for controlling operation of the first and second air purifiers based on information detected by the concentration detector;
The control unit,
Based on the information detected by the concentration detector, a first power consumption of the first air purifier is adjusted;
Controlling the second power consumption of the second air purifier based on the adjusted first power consumption of the first air purifier, the metal-air battery.

delete

According to claim 1,
The plurality of impurities include at least two or more of moisture, carbon dioxide and nitrogen, a metal-air battery.

According to claim 1,
The second air purifying unit is disposed between the first air purifying unit and the battery cell module, and filters the second impurities from the air passing through the first air purifying unit.

According to claim 1,
Wherein the second air purifier concentrates oxygen so that the oxygen concentration in the air supplied to the battery cell module is 21% or more.

delete

According to claim 1,
wherein, when the concentration of the impurity detected by the concentration detection unit increases, the control unit increases first power consumption of the first air purifying unit and decreases second power consumption of the second air purifying unit.

According to claim 1,
and when the concentration of the impurity detected by the concentration detection unit decreases, the control unit reduces the first power consumption of the first air purifying unit and increases the second power consumption of the second air purifying unit.

According to claim 1,
The air purification module,
A metal-air battery further comprising a third air purifier filtering a third impurity different from the first and second impurities.

According to claim 1,
The first and second air purifiers are disposed inside one chamber and filter the first and second impurities from air introduced into the chamber.

According to claim 1,
The air purification module is a metal-air battery configured to be operated by pressure swing adsorption (PSA), thermal swing adsorption (TSA), pressure thermal swing adsorption (PTSA), vacuum swing adsorption (VSA), a selective separation method, or two or more of these methods. .

According to claim 11,
The air purification module includes at least one of an adsorbent and a selective permeable membrane.

According to claim 12,
The adsorbent is a metal-air battery selected from zeolite, alumina, silica gel, metal-organic framework (MOF), zeolitic imidazolate framework (ZIF), activated carbon, or a mixture of two or more thereof.

According to claim 1,
The metal-air battery is a lithium-air battery.

A battery cell module that generates electricity using metal oxidation and oxygen reduction; and
An air purification module that is in fluid communication with the battery cell module and purifies air introduced from the outside and supplies it to the battery cell module;
The air purification module,
a first air purifier filtering a first impurity among a plurality of impurities included in the air introduced from the outside;
a second air purifier filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities;
a first connection path fluidly connecting the first air purifier and the second air purifier;
A second connection path fluidly connecting the second air purifier and the battery cell module;
a bypass path bypassing the second air purifier and fluidly connecting the first and second connection paths;
The metal-air battery further comprises a flow control unit for adjusting the flow rate of the air supplied to the second air purifier.

According to claim 15,
The flow control unit controls the flow rate of air supplied by the second air purifier to be equal to or less than the maximum air flow rate that can have an oxygen concentration of 95% or more of the maximum oxygen concentration in the air condensable by the second air purifier. Conditioning, metal-air cells.

According to claim 15,
Wherein the battery cell module is supplied with mixed air of the air passing through the bypass path and the air passing through the second air purifier.

A method of operating the metal-air battery according to any one of claims 1, 3 to 5, and 7 to 17,
filtering a first impurity from among a plurality of impurities included in air introduced from the outside by a first air purifier; and
Filtering, by a second air purifier, second impurities different from the first impurities among the plurality of impurities.

According to claim 18,
detecting a concentration of at least one impurity among a plurality of impurities included in the air introduced into the air purification module; and
Controlling the operation of the first and second air purifiers to filter the first and second impurities based on the concentration of the detected impurities.

According to claim 19,
In the step of controlling the operation of the first and second air purifiers,
Based on the information detected by the concentration detector, a first power consumption of the first air purifier is adjusted;
Controlling second power consumption of the second air purifying unit based on the adjusted first power consumption of the first air purifying unit.

According to claim 20,
and increasing a first power consumption of the first air purifying unit and decreasing a second power consumption of the second air purifying unit when the concentration of the detected impurity increases.

According to claim 20,
and reducing the first power consumption of the first air purifying unit and increasing the second power consumption of the second air purifying unit when the concentration of the detected impurity decreases.

According to claim 18,
The step of filtering the first impurity and the step of filtering the second impurity are performed sequentially or simultaneously.

According to claim 18,
Part of the air filtered by the first air purifier is supplied to the second air purifier, and the rest of the air filtered by the first air purifier is supplied to the bypass path;
The method of operating a metal-air battery, wherein the air filtered by the second air purifier and the air passing through the bypass path are mixed and supplied to a battery cell module.

According to claim 24,
A method of operating a metal-air battery, wherein the flow rate of air supplied to the second air purifier is controlled by the flow rate controller.

According to claim 25,
The flow rate of the air supplied by the second air purifying unit is adjusted so that the flow rate of air supplied by the second air purifying unit is equal to or less than the maximum air flow rate that can have an oxygen concentration of 95% or more of the maximum oxygen concentration in the air condensable by the second air purifying unit. A method of operating a metal-air battery in which the flow rate is controlled.

A battery cell module generating electricity using a chemical reaction; and
An air purification module that is in fluid communication with the battery cell module and purifies air introduced from the outside and supplies it to the battery cell module;
The air purification module,
a first air purifier filtering a first impurity among a plurality of impurities included in the air introduced from the outside;
a second air purifier filtering a second impurity different from the first impurity among the plurality of impurities;
a first connection path fluidly connecting the first air purifier and the second air purifier;
A second connection path fluidly connecting the second air purifier and the battery cell module;
a bypass path bypassing the second air purifier and fluidly connecting the first and second connection paths;
The electrochemical cell further comprising a flow control unit for adjusting the flow rate of the air supplied to the second air purification unit.

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