KR20180062242A - 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지 - Google Patents

멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지 Download PDF

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Abstract

공기 흡입부 또는 공기 정화부가 2개 이상 병렬 배치된 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지가 개시된다. 개시된 금속 공기 전지는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀을 구비하는 전지 모듈 및 상기 전지 모듈에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다. 공기 공급부는 공기를 흡입 및 압축하는 공기 흡입부와 수분 및 질소 등의 불순물을 흡축하는 공기 정화부를 포함한다. 여기서, 공기 흡입부 또는 공기 정화부 중 적어도 하나는 2개 이상의 모듈이 병렬 배치된 구조를 가질 수 있다.

Description

멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지 {Metal air battery including multi moduled air supply unit}
개시된 실시예들은 금속 공기 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 흡입부 또는 공기 정화부가 2개 이상 병렬 배치된 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지에 관한 것이다.
금속 공기 전지는 복수의 금속 공기 전지셀을 포함하며, 각각의 금속 공기 전지셀은 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.
공기 흡입부 또는 공기 정화부가 2개 이상 병렬 배치된 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지를 제공한다.
일 실시예에 따른 금속 공기 전지는, 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀을 포함하는 전지 모듈; 및 상기 전지 모듈에 공기를 공급하는 공기 공급부;를 포함하며, 상기 공기 공급부는 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입부 및 흡입된 공기 중의 불순물을 제거하는 공기 정화부를 포함하고, 여기서 상기 공기 흡입부는 병렬 배치된 다수의 모듈을 갖는 멀티 모듈 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공기 흡입부는, 공기를 저장하는 하나의 공기 탱크; 및 외부의 공기를 흡입하여 상기 공기 탱크에 제공하는 것으로, 상기 공기 탱크에 연결된 다수의 압축기;를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 공기 흡입부는, 공기를 저장하는 다수의 공기 탱크; 외부의 공기를 흡입하여 상기 다수의 공기 탱크에 제공하는 것으로, 상기 다수의 공기 탱크에 각각 연결된 다수의 압축기; 및 각각의 공기 탱크로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 것으로, 상기 다수의 공기 탱크에 각각 연결된 다수의 밸브;를 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지는 상기 다수의 공기 탱크 내부의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계를 포함하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 공기 전지는 상기 다수의 압력계로부터 제공되는 상기 다수의 공기 탱크 내부의 압력 정보를 기초로 상기 다수의 밸브를 제어하여 상기 다수의 공기 탱크로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부의 압력이 가장 큰 공기 탱크의 공기 배출량을 최대로 조절하고 내부의 압력이 가장 작은 공기 탱크의 공기 배출량을 최소로 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크의 밸브를 닫아서 공기 배출을 중단시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 큰 순서로 적어도 하나의 공기 탱크의 밸브만을 열고 나머지 공기 탱크들의 밸브를 닫도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크의 내부 압력 변화에 따라 공기를 배출하는 공기 탱크를 실시간으로 바꾸어 선택하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크에 연결된 압축기를 최대로 가동시키고, 내부 압력이 최대 압력에 도달한 공기 탱크에 연결된 압축기의 가동을 중단하거나 또는 최소로 가동시키도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 압축기의 크기 및 부하가 모두 동일할 수 있다.
상기 다수의 압축기의 크기 또는 부하가 서로 다를 수 있다.
상기 다수의 공기 탱크의 용량이 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 공기 정화부는 병렬 배치된 다수의 모듈을 갖는 멀티 모듈 구조일 수 있다.
상기 공기 정화부는 병렬로 배열된 다수의 공기 정화 모듈을 포함하며, 상기 공기 정화부는 상기 공기 흡입부로부터 제공된 공기는 상기 다수의 공기 정화 모듈에 배분되어 공급되고, 상기 다수의 공기 정화 모듈로부터 배출된 공기는 상기 전지 모듈에 공급되도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 공기 정화 모듈은 각각 흡탈착 방식으로 공기 중의 수분 및 질소를 제거하거나 분리막 방식으로 공기 중의 수분 및 질소를 제거하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 공기 정화 모듈은 병렬로 배치된 제 1 흡착부와 제 2 흡착부를 포함하며, 상기 제 1 흡착부는 불순물을 흡착하는 제 1 흡착재와 포화된 제 1 흡착재를 재생시키는 제 1 재생부를 포함하고, 상기 제 2 흡착부는 불순물을 흡착하는 제 2 흡착재와 포화된 제 2 흡착재를 재생시키는 제 2 재생부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 각각의 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption) 방식, TSA(thermal swing adsorption) 방식, PTSA(pressure thermal swing adsorption) 방식 또는 VSA(vacuum swing adsorption) 방식으로 운전될 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 공기 정화 모듈은 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 다수의 분리막을 구비하는 산소분리기 및 상기 산소분리기 내부의 산소를 출력하는 펌프를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 금속 공기 전지에서, 공기 흡입부 또는 공기 정화부를 멀티 모듈로 나누어 운전하면 각각의 모듈의 효율이 증가할 수 있다. 따라서, 공기 흡입부 또는 공기 정화부를 단 하나의 모듈로 사용하는 경우에 비하여 멀티 모듈 구조의 공기 공급부의 성능이 향상될 수 있다. 그 결과, 공기 공급부의 전체적인 크기를 줄일 수 있어서 금속 공기 전지의 무게 및 부피를 감소시켜 금속 공기 전지의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속 공기 전지의 공기 공급부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 정화부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 공기 정화부의 하나의 공기 정화 모듈의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 8은 도 6에 도시된 공기 정화부의 하나의 공기 정화 모듈의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 9 및 도 10은 공기 정화부를 멀티 모듈 구조로 구성하는 경우의 효과를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속 공기 전지의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 금속 공기 전지(100)는 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀(111)을 포함하는 전지 모듈(110) 및 전지 모듈(110)에 공기를 공급하는 공기 공급부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 금속 공기 전지(100)는 전지 모듈(110) 및 공기 공급부(130)의 동작에 관련된 다수의 센서들을 포함하는 센서부(120), 및 공기 공급부(130)의 동작을 제어하는 제어부(140)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(120)는 공기 공급부(130)의 공기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력계, 공기 공급부(130)로부터 전지 모듈(110)로 공급되는 공기 중의 산소 농도를 측정하는 산소 센서 등을 포함할 수 있다.
전지 모듈(110)은 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀(111)을 포함할 수 있다. 전지 모듈(110) 내의 각각의 금속 공기 전지셀(111)은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 금속이 리튬(Li)인 경우, 금속 공기 전지셀(111)은 방전시에 리튬(Li)과 산소가 반응하여 리튬 산화물(Li2O2)을 생성하는 반응을 통해 전기를 생성한다. 또한, 방전시와 역으로 충전시에는 리튬 산화물에서 리튬 금속이 환원되고 산소가 발생하게 된다. 리튬 이외에도 다양한 금속을 사용할 수 있으며, 그 반응 원리는 리튬과 동일할 수 있다. 예를 들어, 나트륨 공기 전지셀, 아연 공기 전지셀, 칼륨 공기 전지셀, 칼슘 공기 전지셀, 마그네슘 공기 전지셀, 철 공기 전지셀, 알루미늄 공기 전지셀 또는 상기 언급된 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금 공기 전지셀이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전지 모듈(110)의 방전 동작시에는 산소가 필요하므로 전지 모듈(110)에 산소를 지속적으로 공급할 필요가 있다. 공기 공급부(130)는 대기 중의 공기를 흡입하여 전지 모듈(110)에 공기를 공급하는 역할을 한다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 금속 공기 전지(100)의 공기 공급부(130)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 공기 공급부(130)는 외부의 공기를 흡입하도록 구성된 공기 흡입부(131), 및 흡입된 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 공기 정화부(136)를 포함할 수 있다. 공기 흡입부(131)는 제어부(140)의 제어에 따라 공기 흡입량을 조절하도록 구성될 수 있다. 또한, 공기 정화부(136)는 제어부(140)의 제어에 따라 흡입된 공기 내의 불순물을 제거하여 전지 모듈(110)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 최적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 공기 정화부(136)는 흡입된 공기 중의 수분 및 질소를 제거할 수 있다. 공기 중에 수분이 존재하게 되면, 금속 공기 전지셀(111)의 방전시에 수산화리튬이 생성될 수 있으며, 이로 인해 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도 및 수명이 감소하게 된다. 또한, 흡입된 공기 중의 질소를 제거함으로써 전지 모듈(110)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 공기 정화부(136)는 제 1 배출부(136a)를 통해 수분 및 질소를 배출하고, 제 2 배출부(136b)를 통해 산소 농도가 증가한 건조 공기를 전지 모듈(110)에 공급할 수 있다.
한편, 금속 공기 전지(100)의 부피 및 무게가 커질수록 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도가 낮아지게 된다. 따라서 금속 공기 전지(100)의 성능을 유지 또는 향상시키면서 금속 공기 전지(100)를 소형화시키면 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 본 실시예에 따르면, 공기 공급부(130)의 공기 흡입부(131) 및 공기 정화부(136) 중에서 적어도 하나를 병렬 배치된 다수의 모듈을 갖는 멀티 모듈 구조를 제작함으로써, 공기 흡입부(131) 또는 공기 정화부(136)의 성능을 유지 또는 향상시키는 동시에 상기 공기 흡입부(131) 또는 공기 정화부(136)의 부피 및 무게를 줄여서 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도를 증가시키는 방안을 제시한다.
예컨대, 도 3은 일 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부(131)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 3을 참조하면, 공기 흡입부(131)는 공기를 저장하는 하나의 공기 탱크(132), 하나의 공기 탱크(132)에 연결된 다수의 압축기(compressor)(133a, 133b, 133c, 133d), 및 제어부(140)의 제어에 따라 공기 탱크(132)로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 출력 밸브(135)를 포함할 수 있다. 도 3에는 예시적으로 4개의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)가 공기 탱크(132)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)는 병렬로 배치될 수 있다. 즉, 각각의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)는 외부의 공기를 흡입하여 하나의 공기 탱크(132)에 제공할 수 있다.
이렇게 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)를 사용하여 공기를 흡입하는 경우, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)에 의해 흡입되는 공기의 총량과 동일한 양의 공기를 흡입하는 하나의 압축기를 사용하는 것보다 공기 흡입부(131)의 부피 및 무게를 줄일 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부(131)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 4를 참조하면, 공기 흡입부(131)는 공기를 저장하는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d), 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)에 각각 연결된 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d), 및 제어부(140)의 제어에 따라 각각의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 다수의 출력 밸브(135a, 135b, 135c, 135d)를 포함할 수 있다. 한편, 센서부(120)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 내부의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계(121a, 121b, 121c, 121d)를 포함할 수 있다. 도 4에는 예시적으로 공기 흡입부(131)가 4개의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 4에는 하나의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)에 대해 하나의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)가 각각 연결된 것으로 도시되었으나, 도 3과 마찬가지로 하나의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)에 대해 다수의 압축기가 연결될 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)는 병렬로 배치될 수 있다. 즉, 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)로부터 배출되는 공기는 하나의 공기 유로를 통해 공기 정화부(136)에 제공될 수 있다.
도 4에 도시된 구조에서, 제어부(140)는 다수의 압력계(121a, 121b, 121c, 121d)로부터 제공되는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 내부의 압력 정보를 받고, 압력 정보를 기초로 다수의 출력 밸브(135a, 135b, 135c, 135d)를 제어하여 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)로부터 배출되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 중에서 내부의 압력이 가장 큰 공기 탱크의 공기 배출량을 최대로 조절하고 내부의 압력이 가장 작은 공기 탱크의 공기 배출량을 최소로 조절할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크의 출력 밸브를 닫아서 공기 배출을 중단시키고 내부 압력이 기준 압력보다 높아질 때까지 유휴 상태에 들게 할 수 있다. 대신에, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 중에서 내부 압력이 가장 큰 어느 하나의 공기 탱크의 출력 밸브만을 열고 나머지 공기 탱크들의 출력 밸브를 닫을 수 있다. 그런 후, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)의 내부 압력 변화에 따라 공기를 배출하는 공기 탱크를 실시간으로 바꾸어 선택할 수 있다. 또는, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 중에서 내부 압력이 큰 순서로 두 개 이상의 공기 탱크의 출력 밸브만을 열고 나머지 공기 탱크들의 출력 밸브를 닫을 수도 있다.
또한, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)의 내부 압력 정보에 따라 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)의 동작을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d) 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크에 연결된 압축기를 최대로 가동시키고, 내부 압력이 최대 압력에 도달한 공기 탱크에 연결된 압축기의 가동을 중단하거나 또는 최소로 가동시킬 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에 따르면, 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c, 132d)의 내부 압력 상태에 따라 능동적으로 대응할 수 있기 때문에, 공기 흡입부(131)는 일정한 양의 공기를 중단 없이 지속적으로 공기 정화부(136)에 공급할 수 있다. 또한, 단지 하나의 공기 탱크와 하나의 압축기를 사용하는 경우에 비하여, 공기 흡입부(131)의 전체적인 크기를 줄일 수도 있다.
도 4에는 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)의 크기 및 부하가 모두 동일한 것으로 도시되었지만, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c, 133d)의 크기 또는 부하가 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 도 5는 또 다른 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 흡입부(131)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 5를 참조하면, 공기 흡입부(131)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c), 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c)에 각각 연결된 것으로 상이한 크기를 갖는 다수의 압축기(133a, 133b, 133c), 및 제어부(140)의 제어에 따라 각각의 공기 탱크(132a, 132b, 132c)로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 다수의 출력 밸브(135a, 135b, 135c)를 포함할 수 있다. 또한 센서부(120)는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c) 내부의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계(121a, 121b, 121c)를 포함할 수 있다.
도 5에는 예시적으로 하나의 압축기(133a)의 크기가 가장 크고 그보다 작은 나머지 2개의 압축기(133b, 133c)가 동일한 크기를 갖는 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c)의 크기가 모두 다를 수도 있다. 또는, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c) 중에서 가장 큰 크기를 갖는 압축기가 2개 이상 존재할 수도 있다. 또한, 도 5에는 다수의 공기 탱크(132a, 132b, 132c)가 동일한 크기를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c)의 크기가 상이함에 따라 각각의 압축기(133a, 133b, 133c)에 연결된 공기 탱크(132a, 132b, 132c)의 용량 및 출력 밸브(135a, 135b, 135c)의 성능도 필요에 따라 다르게 선택될 수도 있다.
이러한 구조에서, 다수의 압축기(133a, 133b, 133c) 중에서 크기가 가장 큰 하나 이상의 압축기(133a)에 연결된 공기 탱크(132a)로부터 주로 공기를 공급하고, 크기가 가장 큰 압축기(133a)에 연결된 공기 탱크(132a)로부터의 공기 공급이 부족한 부분을 작은 크기의 압축기(133b, 133c)에 연결된 공기 탱크(132b, 132c)들로 채울 수 있다. 또한, 전지 모듈(110)에서 필요로 하는 공기의 양의 변화에 따라 다수의 압축기(133a, 133b, 133c) 중에서 일부를 선택적으로 조합하여 공기를 공급할 수도 있다.
한편, 공기 정화부(136)를 멀티 모듈 구조로 제작할 수도 있다. 예를 들어, 도 6은 일 실시예에 따른 멀티 모듈 구조를 갖는 공기 정화부(136)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 구성도이다. 도 6을 참조하면, 공기 정화부(136)는 병렬로 배열된 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)을 포함할 수 있다. 또한, 공기 정화부(136)는 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)의 공기 배출부에 각각 연결된 다수의 밸브(138a, 138b, 138c, 138d)를 더 포함할 수 있다. 도 6에는 예시적으로 4개의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)이 병렬로 배열된 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 6에는 편의상 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)이 모두 동일한 크기로 도시되었지만, 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)의 용량이 서로 다를 수도 있다.
공기 흡입부(131)로부터 제공된 공기는 공기 정화부(136)의 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)에 배분되어 공급된다. 그러면 각각의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)은 서로 독립적으로 동작하여 수분 및 질소를 제거하고 산소 농도가 증가된 건조 공기를 각각의 밸브(138a, 138b, 138c, 138d)를 통해 배출할 수 있다. 그리고, 각각의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)은 제거된 수분과 질소를 별도의 배출부를 통해 금속 공기 전지(100)의 외부로 배출할 수 있다. 다수의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)로부터 배출된 산소 농도가 증가된 건조 공기는 다시 하나의 공기 유로를 통해 전지 모듈(110)에 공급될 수 있다.
각각의 공기 정화 모듈(137a, 137b, 137c, 137d)은 예를 들어 흡탈착 방식으로 수분 및 질소를 제거할 수도 있으며, 또는 분리막 방식으로 수분 및 질소를 제거할 수도 있다. 예를 들어, 도 7은 도 6에 도시된 공기 정화부(136)의 하나의 공기 정화 모듈(137)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 7에 도시된 공기 정화 모듈(137)은 흡탈착 방식으로 수분 및 질소를 여과시키도록 구성된다. 도 7을 참조하면, 공기 정화 모듈(137)은 병렬로 배치된 제 1 흡착부(31)와 제 2 흡착부(32)를 포함할 수 있다. 제 1 흡착부(31)는 제 1 흡착재(31a)와 제 1 재생부(31b)를 포함하며, 제 2 흡착부(32)는 제 2 흡착재(32a)와 제 2 재생부(32b)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 흡착재(31a, 32a)는 공기 중의 질소와 같은 불순물을 흡착하기 위한 것이다. 예컨대, 제 1 및 제 2 흡착재(31a, 32a)는 제올라이트(zeolite) LiX, 알루미나, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 여기서, MOF는 유기분자에 배위된 금속 이온 또는 금속 클러스터로 이루어져, 다공성인 1차, 2차 또는 3차 구조를 형성하는 결정성 화합물을 의미한다. 또한, ZIF는 이미다졸레이트 리간드에 의해 연결된(linked) MN4(M은 금속)의 사면체 클러스터로 이루어진 나노다공성 화합물을 의미한다.
제 1 및 제 2 재생부(31b, 32b)는 포화된 제 1 및 제 2 흡착재(31a, 32a)를 재생시키기 위한 것이다. 제 1 및 제 2 재생부(31b, 32b)는 포화된 제 1 및 제 2 흡착재(31a, 32a)를 재생시키기 위하여, 제 1 및 제 2 흡착부(31, 32)의 내부 압력 또는 온도를 조절하도록 구성될 수 있다.
이러한 구조를 갖는 공기 정화 모듈(137)은, 예를 들어, PSA(pressure swing adsorption) 방식으로 운전될 수 있다. 예컨대, 제 1 흡착부(31)의 내부 압력을 증가시켜 제 1 흡착재(31a)에 수분 및 질소 등의 불순물을 흡착시킨다. 그리고, 산소 농도가 증가된 남은 공기를 제 1 흡착부(31)로부터 제 1 배출구(113a)로 배출한다. 그 동안에, 제 2 흡착부(32)의 내부 압력을 감소시켜 제 2 흡착재(32a)에 흡착된 수분 및 질소를 탈착시키고, 탈착된 수분 및 질소를 제 2 흡착부(32)로부터 제 2 배출구(113b)로 배출한다. 제 1 흡착재(31a)가 포화되면, 반대로 제 1 흡착부(31)의 내부 압력을 감소시키고 제 2 흡착부(32)의 내부 압력을 증가시킨다. 그러면, 제 1 흡착부(31)에서 탈착 동작이 수행되고 제 2 흡착부(32)에서 흡착 동작이 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 제 1 흡착부(31)와 제 2 흡착부(32)를 번갈아 동작시킬 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 흡착부(31, 32)의 내부 압력을 조절하여 전지 모듈(110)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 조절할 수 있다.
그러나 공기 정화 모듈(137)의 운전 방식은 반드시 PSA에만 한정되지는 않는다. 예를 들어, 공기 정화 모듈(137)은 PSA(pressure swing adsorption) 외에도, TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption) 또는 이들 중 2 이상의 방법으로 운전되도록 구성될 수 있다. 여기서, PSA는 높은 분압에서 특정 가스가 흡착재(31a, 32a)에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 분압이 감소할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다. 또한, TSA는 상온에서 특정 가스가 흡착재(31a, 32a)에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 온도가 증가할 경우 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다. 그리고, PTSA는 PSA와 TSA가 조합된 기술을 의미한다. 마지막으로, VSA는 대기압 부근에서 특정 가스가 흡착재(31a, 32a)에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공하에서 상기 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미한다.
도 8은 도 6에 도시된 공기 정화부(136)의 하나의 공기 정화 모듈(137)의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 8에 도시된 공기 정화 모듈(137)은 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성될 수 있다. 도 8을 참조하면, 공기 정화 모듈(137)은 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 산소분리기(34) 및 펌프(36)를 포함할 수 있다. 산소분리기(34) 내에는 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 분리막(35)이 배치될 수 있다. 도 8에는 편의상 하나의 분리막(35)이 도시되어 있지만, 실제로는 다수의 분리막(35)들이 다층 구조로 배치될 수 있다. 예를 들어, 분리막(35)은 BSCF산화물(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)로 이루어질 수 있다.
공기 흡입부(131)로부터 흡입된 공기는 산소분리기(34)에 제공되며, 산소분리기(34) 내의 분리막(35)은 공기 중의 산소를 여과할 수 있다. 산소분리기(34)에서 산소를 분리하고 남은 기체는 제 2 배출구(113b)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 펌프(36)는 산소분리기(34)의 내부에 있는 산소를 출력하여 제 1 배출구(113a)를 통해 전지 모듈(110)에 산소를 제공할 수 있다.
도 9 및 도 10은 공기 정화부(136)를 멀티 모듈 구조로 구성하는 경우의 효과를 보이는 그래프이다. 먼저, 도 9는 공기 정화부(136)에서 배출되는 공기의 산소 농도와 공기 유량 사이의 관계를 보이는 것이다. 도 9에서 '◆'로 표시된 것은 하나의 흡착 모듈을 사용하는 비교예의 결과이며, '*'로 표시된 것은 비교예에서 사용된 흡착 모듈의 1/4 용량을 갖는 하나의 흡착 모듈을 사용한 결과이다. 도 9의 그래프를 참조하면, 전지 모듈(110)에 제공되는 공기 중의 산소 농도가 40%일 때 비교예는 약 110 LPM 정도의 공기를 공급할 수 있다. 반면, 비교예에서 사용된 흡착 모듈의 1/4 용량을 갖는 하나의 흡착 모듈을 사용하였음에도, 실시예는 전지 모듈(110)에 제공되는 공기 중의 산소 농도가 40%일 때 약 70 LPM 정도의 공기를 공급할 수 있다. 따라서, 비교예에서 사용된 흡착 모듈의 1/4 용량을 갖는 2개 이상의 흡착 모듈을 병렬로 배열하여 사용한다면 비교예에 비하여 공기 정화부(136)의 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 그래프를 참조하면, 비교예와 실시예에서 흡착 모듈의 총 용량이 동일하다면, 실시예의 경우 공기 정화부(136)의 무게가 비교예에 비하여 약 60%가 감소하고 무게대비 유량이 약 2.5배 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 공기 정화부(136)를 멀티 모듈 구조로 제작하면 금속 공기 전지(100)의 무게 및 부피를 감소시켜 금속 공기 전지(100)의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
상술한 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31, 32.....흡착부 31a, 32a.....흡착재
31b, 32b.....재생부
100.....금속 공기 전지 110.....전지 모듈
111.....금속 공기 전지셀 120.....센서부
121.....압력계 130.....공기 공급부
140.....제어부 131.....공기 흡입부
132.....공기 탱크 133.....압축기
135, 138.....밸브 136.....공기 정화부
137.....공기 정화 모듈 120.....센서부
140.....센서부

Claims (19)

  1. 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀을 포함하는 전지 모듈; 및
    상기 전지 모듈에 공기를 공급하는 공기 공급부;를 포함하며,
    상기 공기 공급부는 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입부 및 흡입된 공기 중의 불순물을 제거하는 공기 정화부를 포함하고,
    상기 공기 흡입부는 병렬 배치된 다수의 모듈을 갖는 멀티 모듈 구조인 금속 공기 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 흡입부는:
    공기를 저장하는 하나의 공기 탱크; 및
    외부의 공기를 흡입하여 상기 공기 탱크에 제공하는 것으로, 상기 공기 탱크에 연결된 다수의 압축기;를 포함하는 금속 공기 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 흡입부는:
    공기를 저장하는 다수의 공기 탱크;
    외부의 공기를 흡입하여 상기 다수의 공기 탱크에 제공하는 것으로, 상기 다수의 공기 탱크에 각각 연결된 다수의 압축기; 및
    각각의 공기 탱크로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 것으로, 상기 다수의 공기 탱크에 각각 연결된 다수의 밸브;를 포함하는 금속 공기 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 공기 탱크 내부의 압력을 각각 측정하는 다수의 압력계를 포함하는 센서부를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 압력계로부터 제공되는 상기 다수의 공기 탱크 내부의 압력 정보를 기초로 상기 다수의 밸브를 제어하여 상기 다수의 공기 탱크로부터 배출되는 공기의 양을 조절하는 제어부를 더 포함하는 금속 공기 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부의 압력이 가장 큰 공기 탱크의 공기 배출량을 최대로 조절하고 내부의 압력이 가장 작은 공기 탱크의 공기 배출량을 최소로 조절하도록 구성된 금속 공기 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크의 밸브를 닫아서 공기 배출을 중단시키도록 구성된 금속 공기 전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 큰 순서로 적어도 하나의 공기 탱크의 밸브만을 열고 나머지 공기 탱크들의 밸브를 닫도록 구성된 금속 공기 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크의 내부 압력 변화에 따라 공기를 배출하는 공기 탱크를 실시간으로 바꾸어 선택하도록 구성된 금속 공기 전지.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수의 공기 탱크 중에서 내부 압력이 기준 압력보다 낮은 공기 탱크에 연결된 압축기를 최대로 가동시키고, 내부 압력이 최대 압력에 도달한 공기 탱크에 연결된 압축기의 가동을 중단하거나 또는 최소로 가동시키도록 구성된 금속 공기 전지.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 압축기의 크기 및 부하가 모두 동일한 금속 공기 전지.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 압축기의 크기 또는 부하가 서로 다른 금속 공기 전지.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 공기 탱크의 용량이 서로 다른 금속 공기 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 정화부는 병렬 배치된 다수의 모듈을 갖는 멀티 모듈 구조인 금속 공기 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 공기 정화부는 병렬로 배열된 다수의 공기 정화 모듈을 포함하며, 상기 공기 정화부는 상기 공기 흡입부로부터 제공된 공기는 상기 다수의 공기 정화 모듈에 배분되어 공급되고, 상기 다수의 공기 정화 모듈로부터 배출된 공기는 상기 전지 모듈에 공급되도록 구성된 금속 공기 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다수의 공기 정화 모듈은 각각 흡탈착 방식으로 공기 중의 수분 및 질소를 제거하거나 분리막 방식으로 공기 중의 수분 및 질소를 제거하도록 구성된 금속 공기 전지.
  17. 제 15 항에 있어서,
    각각의 공기 정화 모듈은 병렬로 배치된 제 1 흡착부와 제 2 흡착부를 포함하며, 상기 제 1 흡착부는 불순물을 흡착하는 제 1 흡착재와 포화된 제 1 흡착재를 재생시키는 제 1 재생부를 포함하고, 상기 제 2 흡착부는 불순물을 흡착하는 제 2 흡착재와 포화된 제 2 흡착재를 재생시키는 제 2 재생부를 포함하는 금속 공기 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    각각의 공기 정화 모듈은 PSA(pressure swing adsorption) 방식, TSA(thermal swing adsorption) 방식, PTSA(pressure thermal swing adsorption) 방식 또는 VSA(vacuum swing adsorption) 방식으로 운전되는 금속 공기 전지.
  19. 제 15 항에 있어서,
    각각의 공기 정화 모듈은 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 다수의 분리막을 구비하는 산소분리기 및 상기 산소분리기 내부의 산소를 출력하는 펌프를 포함하는 금속 공기 전지.
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