KR20160136221A - 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법 - Google Patents

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160136221A
KR20160136221A KR1020160034672A KR20160034672A KR20160136221A KR 20160136221 A KR20160136221 A KR 20160136221A KR 1020160034672 A KR1020160034672 A KR 1020160034672A KR 20160034672 A KR20160034672 A KR 20160034672A KR 20160136221 A KR20160136221 A KR 20160136221A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
adsorption
module
concentration
battery cell
Prior art date
Application number
KR1020160034672A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102547799B1 (ko
Inventor
고정식
권혁재
임동민
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to US15/132,720 priority Critical patent/US10074884B2/en
Publication of KR20160136221A publication Critical patent/KR20160136221A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102547799B1 publication Critical patent/KR102547799B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04171—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal using adsorbents, wicks or hydrophilic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/128—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법이 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 전지 셀 모듈과, 불순물을 흡착하는 흡착부를 포함하며 상기 흡착부에 의해 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈을 포함하는 것으로써, 상기 금속 공기 전지는 불순물의 농도를 검출하는 검출 모듈;을 더 포함하며, 상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생부와, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

Description

공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법 {Metal air battery having air purification module, electrochemical cell having air purification module and operation method of the metal air battery}
금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법이 개시된다.
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.
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.
금속 공기 전지를 운전할 경우, 양극 측에 공기를 공급하여 산소 분자를 활물질로 사용하게 된다. 이때, 공기에 포함된 수분(H2O)과 같은 불순물들이 금속 과산화물(예를 들어, Li2O2)의 생성을 방해하여 금속 공기 전지의 용량 및 수명을 저하시키게 된다.
일 구현예는 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 전기화학 전지를 제공한다.
다른 구현예는 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 제공한다.
일 측면에 따른 금속 공기 전지는,
금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈과, 불순물을 흡착하는 흡착부를 포함하며 상기 흡착부에 의해 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈을 포함하는 금속 공기 전지로써,
상기 금속 공기 전지는 불순물의 농도를 검출하는 검출 모듈;을 더 포함하며,
상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생부와, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 불순물은 수분(H2O)을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 재생부를 작동시킬 수 있다.
상기 흡착부는 병렬로 배치된 복수의 흡착 챔버를 포함하고, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 복수의 흡착 챔버 중 어느 하나는 수분을 흡착하여 상기 전지 셀 모듈에 정화된 공기를 공급하며, 상기 복수의 흡착 챔버 중 다른 하나는 상기 재생부에 의해 수분을 탈착시켜 외부로 배출할 수 있다.
상기 재생부는 상기 흡착부를 가열하도록 구성될 수 있다.
상기 흡착부와 직렬로 배치되며, 상기 흡착부를 통과한 공기를 정화시켜 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 제2 흡착부;를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부와 병렬로 배치되며, 상기 흡착부의 흡착 용량보다 작은, 보조 흡착부;를 더 포함할 수 있다.
상기 검출 모듈은, 상기 공기 정화 모듈의 상류 및 하류 중 적어도 하나의 위치에 배치될 수 있다.
상기 흡착부는 PSA(pressure swing adsorption), TSA(temperature swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 중 적어도 하나의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다.
상기 전지 셀 모듈의 상기 금속은 리튬일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 금속 공기 전지의 운전방법은,
상기 전지 셀 모듈을 충전 또는 방전하는 단계;
공기 중에 포함된 불순물의 농도를 검출하는 검출 단계; 및
검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부에 의해 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생 단계;를 포함할 수 있다.
상기 불순물은 수분을 포함할 수 있다.
상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도를 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시킬 수 있다.
상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시킬 수 있다.
상기 흡착부는 병렬로 배치된 복수의 흡착 챔버를 포함하고, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 복수의 흡착 챔버 중 어느 하나는 수분을 흡착하여 상기 전지 셀 모듈에 정화된 공기를 공급하며, 상기 복수의 흡착 챔버 중 다른 하나는 상기 재생부에 의해 수분을 탈착시켜 외부로 배출할 수 있다.
상기 재생 단계에서는, 상기 흡착부에 흡착된 수분을 탈착시키도록 상기 흡착부를 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전기화학 전지는,
화학 반응을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈;
불순물을 흡착하는 흡착부를 포함하며 상기 흡착부에 의해 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈; 및
불순물의 농도를 검출하는 검출 모듈;을 포함하며,
상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생부와, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 불순물은 수분(H2O)을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시키며, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 재생부를 작동시킬 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따른 금속 공기 전지 및 전기화학 전지는 공기 중에 포함된 수분의 농도를 검출하고, 이를 바탕으로 전지 셀 모듈에 공급되는 공기를 정화하는 공기 정화 모듈을 재생(recycling)시킴으로써, 수분에 의한 전지 셀 모듈의 부반응을 방지할 수 있으며, 그에 따라 금속 공기 전지 및 전기화학 전지의 에너지 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략도이며,
도 2는 도 1의 공기 정화 모듈의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 비교예에 따른 공기 정화 모듈을 통과한 공기의 이슬점 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 통과한 공기의 이슬점 온도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 6은 흡착부에 대한 가열 시간 및 가열 온도의 변화에 따라, 흡착부로부터 탈착되는 수분의 정도(intensity)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 공기 정화 모듈의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 검출 모듈의 배치가 변경된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 일 실시예에 따른 금속 공기 전지 및 상기 금속 공기 전지의 운전방법을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략도이며, 도 2는 도 1의 공기 정화 모듈(20)의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 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.
전지 셀 모듈(10)은 화학 반응을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전지 셀 모듈(10)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성한다.
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.
[반응식 1]
Li + 1/2O2 → 1/2Li2O2
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.
[반응식 2]
4Li + 6H2O + O2 → 4(LiOH·H2O)
공기 정화 모듈(20)은 전지 셀 모듈(10)과 유체 연통(fluid communication)된다. 공기 정화 모듈(20)은 외부로부터 유입된 공기(A1) 중의 수분을 제거하여 공기(A1)를 정화시키고, 상기 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 공기 정화 모듈(20)은 수분을 흡착하는 흡착부(210)를 포함한다.
다만, 이러한 흡착부(210)에 흡착 가능한 수분의 양은 제한될 수 있다. 그에 따라, 공기(A1)에 포함된 수분의 양이 증가하거나, 흡착부(210)의 사용 기간이 길어질 경우, 흡착부(210)는 수분을 더 이상 흡착하지 못하고 포화될 수 있다. 흡착부(210)가 포화될 경우, 흡착부(210)는 정상적인 작동이 어려울 수 있다. 외부로부터 유입된 공기(A1)가 흡착부(210)를 통과하더라도, 공기(A1) 중에 포함된 수분이 제거되지 않고 전지 셀 모듈(10)로 전달될 수 있다.
실시예에 따른 공기 정화 모듈(20)은 흡착부(210)에 흡착된 수분을 탈착시켜 흡착부(210)를 재생시키는 재생부(240)를 포함한다.
흡착부(210)는 온도가 낮을 때 수분에 대한 흡착이 진행되며, 온도가 높을 때 수분에 대한 탈착이 진행될 수 있다. 예를 들어, 흡착부(210)는 내부 온도가 50℃ ~ 200℃ 일 때, 수분에 대한 탈착이 진행될 수 있다.
흡착부(210)에 흡착된 수분을 탈착시키도록, 재생부(240)는 흡착부(210)를 가열하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 재생부(240)는 흡착부(210)를 가열하는 히터일 수 있다. 다만, 재생부(240)의 구성은 이에 한정되지 아니하며, 흡착부(210)를 직접적 또는 간접적으로 가열할 수 있다면, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 재생부(240)는 흡착부(210)에 가열된 공기를 공급하는 부재일 수도 있다.
상술한 실시예에서는, 재생부(240)가 흡착부(210)를 가열하는 구성인 예를 중심으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되지는 아니하며, 흡착부(210)로부터 수분을 제거하기 위한 구성이라면, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 재생부(240)는 흡착부(210) 주변의 압력을 낮추는 구성일 수도 있으며, 재생용 유체를 흡착부(210)에 공급하는 구성일 수도 있다.
금속 공기 전지는 공기(A2) 중에 포함된 수분의 농도를 검출하는 검출 모듈(30)을 포함할 수 있다. 공기 정화 모듈(20)은 검출 모듈(30)에 의해 검출된 수분 농도에 기초하여, 재생부(240)의 작동을 제어하는 제어부(250)를 포함할 수 있다.
제어부(250)는 검출 모듈(30)에 검출된 수분의 농도를 소정의 기준 농도와 비교하여, 재생부(240)의 작동 여부를 결정할 수 있다.
외부 환경의 변화에 따라, 대기 중에 포함된 수분의 양은 달라지며, 공기 정화 모듈(20)에 유입된 공기(A1) 중에 포함된 수분의 양이 달라질 수 있다. 일 예로서, 금속 공기 전지가 위치한 장소가 변함에 따라, 대기 중에 포함된 수분의 양이 달라질 수 있다. 다른 예로서, 계절이 달라짐에 따라, 대기 중에 포함된 수분의 양이 달라질 수 있다. 또 다른 예로서, 날씨가 달라짐에 따라, 대기 중에 포함된 수분의 양이 달라질 수 있다. 예를 들어, 비가 오지 않을 때, 대기 중의 수분의 양은 상대적으로 낮지만, 비가 올 때에는 대기 중의 수분의 양은 상대적으로 높아진다.
실시예에 따른 금속 공기 전지는, 검출 모듈(30)에 의해 공기(A2) 중에 포함된 수분의 농도를 실시간 또는 주기적으로 검출하고, 이러한 검출 정보에 기초하여 재생부(240)를 선택적으로 작동시킬 수 있다. 그리하여, 공기(A2) 중에 포함된 수분의 양이 증가할 경우, 재생부(240)를 작동시킴으로써, 흡착부(210)의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
만일 금속 공기 전지가 검출 모듈(30)을 포함하지 않을 경우, 공기(A1) 중에 포함된 수분의 증가에 따른 흡착부(210)의 성능 저하를 방지할 수 없으며, 그에 따라 금속 공기 전지의 에너지 밀도 및 수명이 저하된다.
그러나, 실시예에 따르면, 수분의 농도를 검출하는 검출 모듈(30) 및 이러한 검출 모듈(30)에 의해 검출된 수분의 농도에 기초하여 재생부(240)의 작동을 제어하는 제어부(250)에 의해, 흡착부(210)의 성능 저하를 방지할 수 있다.
검출 모듈(30)은 공기 정화 모듈(20)의 하류에 배치될 수 있다. 예를 들어, 검출 모듈(30)은 공기 정화 모듈(20)과 전지 셀 모듈(10) 사이에 배치될 수 있다. 검출 모듈(30)은 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2) 중에 포함된 수분의 농도를 검출함으로써, 흡착부(210)의 포화 여부를 정확히 판단할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 비교예에 따른 공기 정화 모듈을 통과한 공기(A2)의 이슬점 온도를 나타낸 그래프이다. 도 4는 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2)의 이슬점 온도를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 공기 정화 모듈에 재생부(240)가 포함되지 않을 때, 이러한 공기 정화 모듈을 통과한 공기(A2)의 이슬점 온도의 변화를 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 공기 정화 모듈을 통과한 공기(A2)는 5시간을 경과한 이후부터, 이슬점 온도가 급격히 증가한다. 이는, 측정 후 5시간 경과되었을 때, 흡착부(210)가 수분으로 포화되어 더 이상 흡착하지 못하는 것을 의미할 수 있다. 그리하여, 5시간 이후에는, 외부로부터 유입된 공기(A1)는 흡착부(210)를 통과하더라도 수분이 여과되지 않고 그대로 전지 셀 모듈(10)에 공급되게 된다.
도 3b는 도 3a의 금속 공기 전지의 전원을 오프시킨 이후, 다시 전원을 온 시켰을 때, 공기 정화 모듈을 통과한 공기(A2)의 이슬점 온도의 변화를 나타낸다. 도 3b를 참조하면, 공기 정화 모듈을 통과한 공기(A2)는 영하 30도 이하의 이슬점 온도를 가지지 못한다. 즉, 흡착부(210)가 이미 수분으로 포화된 상태이기 때문에, 금속 공기 전지의 전원을 껐다가 다시 작동시키더라도, 흡착부(210)의 성능이 개선되지 않게 된다.
도 4는 수분으로 포화된 흡착부(210)를 재생부(240)에 의해 가열시켰을 때, 이러한 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2)의 이슬점 온도의 변화를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 공기 정화 모듈(20)에서는, 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2)의 이슬점이 소정 시간이 경과하더라도 일정 온도 이하의 이슬점을 가지게 된다. 예를 들어, 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2)는 적어도 4시간 동안 영하 40도 이하의 이슬점 온도를 가지게 된다. 이는, 재생부(240)에 의해 흡착부(210)에 흡착된 수분이 분리되어 흡착부(210)가 재생되었기 때문이다.
따라서, 실시예에 따른 금속 공기 전지는, 재생부(240)에 의해 수분을 탈착시킴으로써, 재생부(240)를 포함하지 않는 공기 정화 모듈보다, 오랫동안 성능을 유지할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 금속 공기 전지는, 재생부를 포함하지 않는 금속 공기 전지에 비해, 2배 이상 수명이 길어질 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 금속 공기 전지의 운전 방법의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 금속 공기 전지는 방전을 시작한다(S100). 금속 공기 전지의 방전이 진행되는 동안, 공기 정화 모듈(20)은 공기(A1) 중의 수분을 여과 또는 정화하여, 정화된 공기를 전지 셀 모듈(10)로 공급한다(S101).
검출 모듈(30)은 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기 중에 포함된 수분의 농도를 검출한다. 제어부(250)는 검출 모듈(30)에 의해 검출된 수분의 농도에 기초하여, 재생부(240)의 작동 여부 및 작동 시기 등을 결정할 수 있다.
제어부(250)는, 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도(L1)와 비교한다(S110). 예를 들어, 검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)보다 작은지 여부를 판단한다. 제1 기준 농도(L1)는 흡착부(210)의 흡착 능력의 50%~99%, 60%~95%, 또는 70%~90%일 수 있다.
검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)보다 작을 경우, 제어부(250)는 재생부(240)를 작동시키지 않는다. 그에 따라, 방전이 진행되는 동안, 금속 공기 전지는 공기 정화 모듈(20)을 통해 수분이 정화된 공기를 전지 셀 모듈(10)로 계속 공급한다(S111).
검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)와 동일하거나, 그보다 클 경우에는, 검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)보다 큰 제2 기준 농도(L2)보다 작은지 여부를 판단한다(S120).
검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)보다 크고, 제2 기준 농도(L2)보다 작은 경우에는, 충전이 진행될 때 흡착부(210)를 재생시키라는 명령을 메모리에 입력한다(S121). 즉, 방전이 진행되는 동안에는 재생부(240)를 작동시키지 않고, 충전이 진행될 때 재생부(240)를 작동시켜 흡착부(210)를 재생한다.
검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)보다 클 경우에는, 제어부(250)는 전지 셀 모듈(10)이 방전을 진행하는 동안에도 재생부(240)를 작동시켜 흡착부(210)를 재생할 수 있다(S122). 검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)와 동일한 경우에도, 제어부(250)는 전지 셀 모듈(10)이 방전을 진행하는 동안에 재생부(240)를 작동시켜 흡착부(210)를 재생할 수 있다. 전지 셀 모듈(10)이 방전을 진행하는 동안, 재생부(240)를 작동시키기 위한 구조에 대해서는, 도 7 내지 도 10을 참조하여, 후술하기로 한다.
제어부(250)는 검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)보다 작아질 때까지, 재생부(240)를 작동시킨다. 검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)보다 작아지면, 충전이 진행될 때 흡착부(210)를 재생시키라는 명령을 메모리에 입력한다(S121).
이후, 방전이 진행되는 동안, 제어부(250)는 재생부(240)를 작동시키지 않고, 공기 정화 모듈(20)에 의해 정화된 공기(A2)를 전지 셀 모듈(10)에 공급한다(S111). 방전이 정지되면, 전지 셀 모듈(10)에 공기 공급을 중단한다(S112).
다음으로, 금속 공기 전지의 충전의 시작 여부를 판단한다(S200). 금속 공기 전지의 충전이 시작될 때, 제어부(250)는 메모리에 저장된 정보를 체크할 수 있다(S210).
충전이 진행될 때 재생부(240)를 작동시키는 명령이 메모리에 입력된 경우에는, 금속 공기 전지의 충전과 함께 재생부(240)에 의한 흡착부(210)의 재생을 진행한다(S211). 그에 따라, 흡착부(210)에 흡착된 수분이 탈착되어, 외부로 배출될 수 있다. 충전이 진행될 때 재생부(240)를 작동시키는 명령이 메모리에 입력되지 않은 경우에는, 흡착부(210)의 재생 없이 충전을 진행한다(S212).
금속 공기 전지의 충전이 진행되지 않을 경우, 방전 시작 여부를 판단한다(S220). 금속 공기 전지의 방전이 시작되면, 상술한 절차와 동일한 절차를 진행한다. 다만, 금속 공기 전지의 방전 및 충전이 진행되지 않으면, 금속 공기 전지는 방전 및 충전 없이, 대기 상태일 수 있다(S221).
도 6은 흡착부(210)에 대한 가열 시간 및 가열 온도의 변화에 따라, 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 정도를 나타낸 그래프이다. 도 6에서는, 흡착부(210)의 흡착재로써 제올라이트(zeolite) LiX를 사용하였다.
도 6에서는, 흡착부(210)가 수분으로 포화된 상태일 때(I), 수분으로 포화된 흡착부(210)를 100℃로 1시간 동안 가열한 상태일 때(II), 수분으로 포화된 흡착부(210)를 100℃로 2시간 동안 가열한 상태일 때(III), 수분으로 포화된 흡착부(210)를 200℃로 1시간 동안 가열한 상태일 때(IV)에서, 가열 온도에 따라 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 양을 나타낸다.
I의 경우, 흡착부(210)의 가열 온도를 증가시킴에 따라 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 양은 증가하다고 감소한다. 예를 들어, 약 180℃까지의 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 증가하다가, 180℃를 초과한 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 감소한다.
II의 경우, 흡착부(210)의 가열 온도를 증가시킴에 따라 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 양은 증가하다고 감소한다. 예를 들어, 약 100℃부터 약 180℃ 사이의 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 증가하며, 180℃를 초과한 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 감소한다.
III의 경우, 흡착부(210)의 가열 온도를 증가시킴에 따라 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 양은 증가하다고 감소한다. 예를 들어, 약 100℃부터 약 180℃ 사이의 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 증가하며, 180℃를 초과한 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 감소한다.
IV의 경우, 흡착부(210)의 가열 온도를 증가시킴에 따라 흡착부(210)로부터 탈착되는 수분의 양은 증가하다고 감소한다. 예를 들어, 약 200℃부터 약 350℃ 사이의 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 증가하며, 약 350℃를 초과한 가열 구간에서는 탈착되는 수분의 양이 감소한다.
도 7은 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20a)의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7에서는, 편의상 제어부(250)에 대한 도시를 생략한다. 도 7을 참조하면, 흡착부(210a)는 병렬로 배치된 복수 개의 흡착 챔버를 포함한다. 예를 들어, 흡착부(210a)는 제1 흡착 챔버(211)와 제2 흡착 챔버(212)를 포함한다.
제1 흡착 챔버(211)와 제2 흡착 챔버(212) 각각에는, 흡착재(2100)와 재생부(240)가 배치된다.
상기 흡착재(2100)는 공기(A1) 중의 수분을 선택적으로 흡착한다. 예로써, 이러한 흡착재(2100)는 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.
흡착부(210a)는 제1 흡착 챔버(211)와 제2 흡착 챔버(212)를 통해 교대로 수분을 흡착하여 전지 셀 모듈(10)에 정화된 공기를 공급한다. 일 예로써, 흡착부(210a)는 PSA(pressure swing adsorption)에 의해 운전되도록 구성될 수 있다. 흡착부(210a)는 제1, 제2 흡착 챔버(211, 212)의 압력을 증감시킴으로써, 흡착부(210a)에 의해 공기 중의 수분을 흡착 또는 탈착할 수 있다. 예를 들어, 제1 흡착 챔버(211)의 내부 압력을 증가시켜 수분을 흡착하여 전지 셀 모듈(10)로 정화된 공기(A2)를 공급하고, 제2 흡착 챔버(212)의 내부 압력을 감소시켜 흡착재(2100)에 흡착된 수분을 탈착시켜 외부로 공기(A3)를 배출할 수 있다.
다만, 흡착부(210a)의 운전 방식은 PSA에 한정되지 아니하며, 다양할 수 있다. 예를 들어, 흡착부(210a)는 PSA(pressure swing adsorption) 외에도, TSA(temperature swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption) 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 용어 「PSA」는 높은 분압에서 특정 가스가 흡착재(2100)에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 분압이 감소할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미하고, 용어 「TSA」는 상온에서 특정 가스가 흡착재(2100)에 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 흡착재(2100)에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공하에서 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다.
상기 재생부(240)는, 흡착재(2100)를 가열하는 히터일 수 있다. 재생부(240)는 흡착재(2100)에 접촉하여 가열할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 재생부(240)는 흡착재(2100)에 이격 배치되더라도, 대류 또는 복사에 의해 가열할 수도 있다.
검출 모듈(30)에 의해 검출된 수분의 농도가 기준 농도를 벗어날 경우, 재생부(240)는 흡착부(210a)를 재생시키도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 검출 모듈(30)에 의해 검출된 수분의 농도가 제1 기준 농도(L1)와 동일하거나 초과할 경우, 재생부(240)가 작동할 수 있다.
재생부(240)의 작동 시기는 검출된 수분의 농도를 제2 기준 농도(L2)와 비교하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)를 벗어날 경우에는, 금속 공기 전지의 방전이 진행될 때에도 재생부(240)가 작동할 수 있다. 그러나, 검출된 수분의 농도가 제2 기준 농도(L2)를 벗어나지 않을 경우에는, 금속 공기 전지의 방전이 진행될 때에는 재생부(240)가 작동하지 않으며, 충전이 진행될 때 재생부(240)가 작동할 수 있다.
금속 공기 전지의 방전이 진행될 때, 제1, 제2 흡착 챔버(211, 212)는 교번하여 전지 셀 모듈(10)로 정화된 공기를 공급한다. 제1, 제2 흡착 챔버(211, 212) 중 어느 하나는 전지 셀 모듈(10)로 정화된 공기를 공급하며, 제1, 제2 흡착 챔버(211, 212) 중 다른 하나는 재생부(240)를 작동시켜 흡착재(2100)를 재생한다. 예를 들어, 제1 흡착 챔버(211)는 재생부(240)가 작동하지 않으며 전지 셀 모듈(10)로 정화된 공기(A2)를 공급하며, 제2 흡착 챔버(212)는 재생부(240)가 작동하여 흡착재(2100)를 재생한다. 이를 통해, 금속 공기 전지가 방전이 진행되더라도, 흡착부(210a)의 일부는 재생부(240)에 의해 수분이 탈착될 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20b)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 공기 정화 모듈(20b)은 제2 흡착부(220)를 더 포함할 수 있다. 흡착부(210a)에 대해서는, 상술한 실시예와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.
제2 흡착부(220)는 흡착부(210a)와 직렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 흡착부(220)는 흡착부(210a)와 전지 셀 모듈(10) 사이에 배치될 수 있다. 제2 흡착부(220)는 흡착부(210a)를 통과한 공기를 정화시켜 전지 셀 모듈(10)로 공급한다.
제2 흡착부(220)는 흡착부(210a)와 다른 불순물을 흡착할 수 있다. 예를 들어, 제2 흡착부(220)는 질소를 흡착하여 산소를 농축시킬 수 있다.
제2 흡착부(220)는 질소 외에도 수분을 더 흡착할 수 있다. 예를 들어, 제2 흡착부(220)는 공기 중에 포함된 수분의 적어도 일부를 흡착할 수 있다. 그에 따라, 흡착부(210a)가 수분으로 포화되더라도, 제2 흡착부(220)에 의해 수분이 일시적으로 흡착될 수 있다.
그리하여, 흡착부(210a)에 포함된 재생부(240)가 작동하는 동안 또는 작동이 진행되기 전에, 공기(A1) 중의 수분이 흡착되지 않고 흡착부(210a)를 통과하더라도, 제2 흡착부(220)에 의해 수분이 흡착될 수 있다. 그에 따라, 금속 공기 전지가 방전 중일 때에도, 재생부(240)에 의한 흡착부(210a)로부터 수분의 탈착이 진행될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 공기 정화 모듈(20c)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 공기 정화 모듈(20c)은 보조 흡착부(230)를 더 포함할 수 있다. 흡착부(210a)에 대해서는, 상술한 실시예와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.
보조 흡착부(230)는 흡착부(210a)와 병렬로 배치될 수 있다.
보조 흡착부(230)는, 흡착부(210a)에 비해 부피가 작을 수 있다. 보조 합착부(230)는 흡착부(210a)의 흡착 용량보다 작을 수 있다. 그에 따라, 공기 정화 모듈(20)에서 보조 흡착부(230)가 차지하는 부피를 작게할 수 있다.
보조 흡착부(230)는, 흡착부(210a)가 재생부(240)에 의해 재생되는 동안, 임시적으로 수분 흡착에 사용될 수 있다.
공기 정화 모듈(20c)이 보조 흡착부(230)를 더 포함함으로써, 금속 공기 전지가 방전 중일 때에도, 재생부(240)에 의한 흡착부(210a)로부터 수분의 탈착이 원활하게 진행될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 검출 모듈(30)이 공기 정화 모듈(20)의 하류에 배치된 예를 중심으로 설명하였다. 그러나, 검출 모듈(30)의 배치는 이에 한정되지 않으며, 달라질 수 있다.
예를 들어, 검출 모듈(30a)은 도 10과 같이, 공기 정화 모듈(20)의 상류에 배치될 수 있다. 검출 모듈(30a)은 공기 정화 모듈(20)에 유입되는 공기(A1) 중에 포함된 수분의 농도를 검출할 수 있다. 이 경우, 제어부(250)에는 유입된 공기(A1) 중에 포함된 수분의 농도와 정화된 공기(A2) 중에 포함된 수분의 농도의 대응(mapping) 정보가 미리 입력될 수 있다. 그에 따라, 제어부(250)는 검출 모듈(30)에 의해 검출된 정보에 기초하여, 공기 정화 모듈(20)을 통과한 공기(A2) 중에 포함된 수분의 농도를 계산할 수 있다. 그리하여, 제어부(250)는 상술한 실시예에서 설명한 것과 동일한 방식으로, 재생부(240)의 작동을 제어할 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)의 구성을 설명한다.
도 11을 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.
하우징(11)은 음극 금속층(12), 음극 전해질막(13), 산소 차단층(14), 양극층(15) 및 기체 확산층(16)을 수용하여 이들을 밀봉하는 역할을 수행한다.
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.
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.
일례로서, 상기 전해질은 고분자계 전해질, 무기계 전해질 또는 이들을 혼합한 복합 전해질을 포함하는 고체상일 수 있으며, 구부러질 수 있도록 제조될 수 있다.
다른 예로서, 상기 전해질은 금속염을 용매에 용해시켜 형성된 것일 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
양극층(15)에 포함된 전해질은 음극 전해질막(13)에 포함된 리튬염 및 선택적으로 금속염을 포함할 수 있다.
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.
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.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌, 스티렌-부타디엔 고무 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
기체 확산층(16)은 양극층(15)에 정화된 공기(A2)를 골고루 공급하는 역할을 수행한다.
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.
상기 다공성 구조를 갖는 금속으로서, 스펀지 형태의 발포 금속이나 금속 섬유 매트가 사용될 수 있다.
상기 다공성 세라믹으로서, 마그네슘-알루미늄 실리케이트(magnesium-aluminium silicate)가 사용될 수 있다.
상기 다공성 폴리머로서 다공성 폴리에틸렌, 다공성 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
상기 다공성 탄소 소재로서, 탄소 섬유를 사용한 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 직물(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다.
본 발명의 금속 공기 전지에 구비된 전지 셀 모듈(10)은 상술한 구조에 한정되지 않으며, 다른 다양한 구조를 가질 수 있다.
상기 금속-공기전지는 금속 1차 전지, 금속 2차 전지에 모두 사용가능하다. 또한 그 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 코인형, 버튼형, 시트형, 적층형, 원통형, 편평형, 뿔형 등을 예시할 수 있다. 또한 전기 자동차 등에 이용하는 대형 전지에도 적용할 수 있다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "공기(air)"는 대기 공기로 제한되는 것은 아니며, 산소를 포함하는 기체의 조합, 또는 순수 산소 기체를 포함할 수 있다. 이러한 용어 "공기"에 대한 넓은 정의가 모든 용도, 예를 들어 공기 전지, 공기 공기극 등에 적용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 금속 공기 전지에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10 : 전지 셀 모듈 20 : 공기 정화 모듈
210 : 흡착부 2100 : 흡착재
211 : 제1 흡착 챔버 212 : 제2 흡착 챔버
220 : 제2 흡착부 230 : 보조 흡착부
240 : 재생부 250 : 제어부
30 : 검출 모듈

Claims (20)

  1. 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈과, 불순물을 흡착하는 흡착부를 포함하며 상기 흡착부에 의해 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈을 포함하는 금속 공기 전지로써,
    상기 금속 공기 전지는 불순물의 농도를 검출하는 검출 모듈;을 더 포함하며,
    상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생부와, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는, 금속 공기 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순물은 수분(H2O)을 포함하는, 금속 공기 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시키는, 금속 공기 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 재생부를 작동시키는, 금속 공기 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡착부는 병렬로 배치된 복수의 흡착 챔버를 포함하고,
    상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 복수의 흡착 챔버 중 어느 하나는 수분을 흡착하여 상기 전지 셀 모듈에 정화된 공기를 공급하며, 상기 복수의 흡착 챔버 중 다른 하나는 상기 재생부에 의해 수분을 탈착시켜 외부로 배출하는, 금속 공기 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재생부는 상기 흡착부를 가열하도록 구성된, 금속 공기 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기 정화 모듈은,
    상기 흡착부와 직렬로 배치되며, 상기 흡착부를 통과한 공기를 정화시켜 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 제2 흡착부;를 더 포함하는, 금속 공기 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 정화 모듈은,
    상기 흡착부와 병렬로 배치되며, 상기 흡착부의 흡착 용량보다 작은, 보조 흡착부;를 더 포함하는, 금속 공기 전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 검출 모듈은,
    상기 공기 정화 모듈의 상류 및 하류 중 적어도 하나의 위치에 배치된, 금속 공기 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 흡착부는 PSA(pressure swing adsorption), TSA(temperature swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption), 선택적 분리 방법 중 적어도 하나의 방법으로 운전되도록 구성된 금속 공기 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀 모듈의 상기 금속은 리튬인, 금속 공기 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 금속 공기 전지의 운전방법으로서,
    상기 전지 셀 모듈을 충전 또는 방전하는 단계;
    공기 중에 포함된 불순물의 농도를 검출하는 검출 단계; 및
    검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부에 의해 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생 단계;를 포함하는, 금속 공기 전지의 운전 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 불순물은 수분을 포함하는, 금속 공기 전지의 운전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도를 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시키는, 금속 공기 전지의 운전 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시키는, 금속 공기 전지의 운전방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 흡착부는 병렬로 배치된 복수의 흡착 챔버를 포함하고,
    상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 복수의 흡착 챔버 중 어느 하나는 수분을 흡착하여 상기 전지 셀 모듈에 정화된 공기를 공급하며, 상기 복수의 흡착 챔버 중 다른 하나는 상기 재생부에 의해 수분을 탈착시켜 외부로 배출하는, 금속 공기 전지의 운전방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 재생 단계에서는, 상기 흡착부에 흡착된 수분을 탈착시키도록 상기 흡착부를 가열하는, 금속 공기 전지의 운전방법.
  18. 화학 반응을 이용하여 전기를 생성하는 전지 셀 모듈;
    불순물을 흡착하는 흡착부를 포함하며 상기 흡착부에 의해 정화된 공기를 상기 전지 셀 모듈로 공급하는 공기 정화 모듈; 및
    불순물의 농도를 검출하는 검출 모듈;을 포함하며,
    상기 공기 정화 모듈은, 상기 흡착부에 흡착된 불순물을 탈착시키는 재생부와, 상기 검출 모듈에 의해 검출된 불순물의 농도에 기초하여, 상기 재생부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는, 전기화학 전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 불순물은 수분(H2O)을 포함하는, 전기화학 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 제1 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 충전이 진행될 때 상기 재생부를 작동시키며,
    상기 검출 모듈에 의해 검출된 수분의 농도를 상기 제1 기준 농도보다 높은 제2 기준 농도와 비교하여, 상기 전지 셀 모듈의 방전이 진행될 때, 상기 재생부를 작동시키는, 전기화학 전지.
KR1020160034672A 2015-05-19 2016-03-23 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법 KR102547799B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/132,720 US10074884B2 (en) 2015-05-19 2016-04-19 Metal air battery having air purification module and method of operating the metal air battery

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20150069793 2015-05-19
KR1020150069793 2015-05-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160136221A true KR20160136221A (ko) 2016-11-29
KR102547799B1 KR102547799B1 (ko) 2023-06-27

Family

ID=57706405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160034672A KR102547799B1 (ko) 2015-05-19 2016-03-23 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102547799B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008021500A (ja) * 2006-07-12 2008-01-31 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20080148935A1 (en) * 2004-12-20 2008-06-26 Idatech, Llc Temperature-based breakthrough detection and pressure swing adsorption systems and fuel processing systems including the same
US20130106359A1 (en) * 2011-10-28 2013-05-02 Ngk Insulators, Ltd. Metal-air battery system including co2 selective absorber and operating method therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080148935A1 (en) * 2004-12-20 2008-06-26 Idatech, Llc Temperature-based breakthrough detection and pressure swing adsorption systems and fuel processing systems including the same
JP2008021500A (ja) * 2006-07-12 2008-01-31 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20130106359A1 (en) * 2011-10-28 2013-05-02 Ngk Insulators, Ltd. Metal-air battery system including co2 selective absorber and operating method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
KR102547799B1 (ko) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12005392B2 (en) Electrochemical process for gas separation
US10074884B2 (en) Metal air battery having air purification module and method of operating the metal air battery
KR102277904B1 (ko) 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법
KR102607858B1 (ko) 전기화학 전지 및 그의 운전 방법
US10381698B2 (en) Metal air battery having air purification module, electrochemical cell having air purification module and method of operating metal air battery
CN106356591B (zh) 金属空气电池及其操作方法
US10538164B2 (en) Rechargeable battery assembly for a vehicle
KR102395777B1 (ko) 공기 공급 모듈을 구비하는 금속 공기 전지 및 금속 공기 전지의 운전방법
KR102547799B1 (ko) 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법
KR102496478B1 (ko) 공기 정화 모듈을 구비하는 금속 공기 전지, 전기화학 전지 및 이들의 운전방법
US10530001B2 (en) Scrubbing device for gas used in a fuel cell and method of scrubbing gas using the device
US10797368B2 (en) Metal air battery system
EP3651244A1 (en) Metal air battery and method of operating the metal air battery

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right