KR20200008440A - 해수 전지 셀 및 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리 - Google Patents

해수 전지 셀 및 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리 Download PDF

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Abstract

해수 전지 셀이 개시된다. 본 해수 전지 셀은 음극과 양극을 갖는 해수 전지 모듈, 해수 전지 모듈과 결합되며, 음극과 양극을 해수로부터 수밀하는 수밀 구조체, 음극 및 상기 양극 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 수밀 커넥터부 및 음극 및 양극 중 나머지 하나와 전기적으로 연결되고, 인접하는 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부와 결합되는 제2 수밀 커넥터부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 해수에 완전히 잠길 수 있는 해수 전지 셀이 다양한 분야에 적용될 수 있다.

Description

해수 전지 셀 및 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리{SEAWATER BATTERY COMPRISING SEAWATER BATTERY CELLS}
본 발명은 해수 배터리에 관한 것으로 더 상세하게는 바다의 무한한 자원을 이용하는 해수 전지 셀 및 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리에 관한 것이다.
최근 노트북, 핸드폰 등 휴대용 전자 기기의 사용이 급격히 증가함에 따라 이들 기기에 전원을 공급하기 위한 이차전지 기술 또한 많은 관심을 받고 있다. 이들 기기의 성능이 발달하면서 전력 소비량 또한 증가하게 되었고, 그에 따라 고용량, 고전압의 배터리에 대한 필요성 또한 대두되고 있다. 따라서 기존 이차전지의 단점을 보완하고 고성능, 고효율의 배터리를 설계하기 위한 많은 공학자들의 노력을 바탕으로 이차전지의 성능이 상당수준 향상되었으나, 여전히 많은 한계점을 드러내고 있는 것이 현실이다.
한편, 배터리 중에 하나인 해수 배터리(Sea Water Battery)는 사실상 무한 자원인 해수를 이용하여 전기 에너지를 저장 및 생산하는 친환경, 저비용의 안전한 배터리로써, 해수에 녹아있는 나트륨 이온과 물의 화학 반응을 통해 전기에너지를 저장하고 필요시 생산할 수 있다.
해수 배터리는 리튬-이온, 리튬-폴리머 등 현재 광범위하게 사용되고 있는 기존 배터리 대비 2배의 용량의 전기를 제공하거나 혹은 절반의 크기에 동일한 용량의 전기를 공급하는 것이 가능하며, 반복적인 충전 및 방전에 의한 성능저하가 유발되지 않고, 외부충격으로 인한 폭발의 위험성이 존재하지 않는 장점을 가지며, 전량 수입에 의존하는 리튬을 필요로 하지 않으므로 기술 독립성 측면에서도 상당한 의미가 있다.
다만, 해수 배터리를 적용하는데는 기술적인 어려움들이 있어 이를 극복하기 위한 방법들이 필요하다 할 것이다.
한편, 상기와 같은 정보는 본 발명의 이해를 돕기 위한 백그라운드(background) 정보로서만 제시될 뿐이다. 상기 내용 중 어느 것이라도 본 발명에 관한 종래 기술로서 적용 가능할지 여부에 관해, 어떤 결정도 이루어지지 않았고, 또한 어떤 주장도 이루어지지 않는다.
공개특허공보 제10-2018-0025616호(공개일 : 2018.3.9
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 일 실시 예는 해수 전지 셀 또는 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리 전체가 해수에 잠기더라도 충방전이 정상적으로 수행되는 해수 배터리를 제안한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀은 음극과 양극을 갖는 해수 전지 모듈; 상기 해수 전지 모듈과 결합되며, 상기 음극과 상기 양극을 해수로부터 수밀하는 수밀 구조체; 상기 음극 및 상기 양극 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 수밀 커넥터부; 및 상기 음극 및 상기 양극 중 나머지 하나와 전기적으로 연결되고, 인접하는 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부와 결합되는 제2 수밀 커넥터부를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 해수 전지 셀은 상기 수밀 구조체 내에 배치되고, 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 일정한 충전 전류가 공급되게 하는 정전류 모듈을 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 해수 전지 셀은 상기 정전류 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어, 상기 해수 전지 모듈의 충전 결함을 인식하여 표시하는 결합 체크 모듈을 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 수밀 구조체는 상기 음극, 및 상기 양극을 완전히 감싸고, 상기 제1 수밀 커넥터부가 관통하는 제1 연결 홀과, 상기 제2 수밀 커넥터부가 관통하는 제2 연결 홀을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수밀 구조체는 상기 음극, 상기 양극, 상기 제1 수밀 커넥터부의 일부, 및 상기 제2 수밀 커넥터부의 일부에 절연물질을 몰딩하여 형성될 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 해수 전지 셀은 상기 정전류 모듈의 타단과 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 수밀 커넥터부 및 상기 제2 수밀 커넥터부는 착탈식 구조를 포함하여, 인접한 해수 전지 셀 및 충전 전압 인가 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리는, 복수의 해수 전지 셀; 및 상기 복수의 해수 전지 셀과 전기적으로 연결되어, 상기 복수의 해수 전지 셀에 충전 전압을 인가하는 충전 전압 인가 모듈을 포함하며, 상기 복수의 상기 해수 전지 셀 각각은, 음극과 양극을 갖는 해수 전지 모듈과 결합되어, 상기 음극과 상기 양극을 해수로부터 수밀하는 수밀 구조체, 상기 음극 및 상기 양극 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 수밀 커넥터부, 및 상기 음극 및 상기 양극 중 나머지 하나와 전기적으로 연결되고, 인접하는 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부와 결합되는 제2 수밀 커넥터부를 포함하며, 충전 전압 인가 모듈은 전기적으로 연결되지 않은 제1 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부 및 전기적으로 연결되지 않은 제2 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부와 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 복수의 해수 전지 셀 각각은, 상기 수밀 구조체 내에 배치되고, 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 일정한 충전 전류가 공급되게 하는 정전류 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 해수 전지 셀 각각은, 상기 정전류 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어, 상기 해수 전지 모듈의 충전 결함을 인식하여 표시하는 결합 체크 모듈을 더 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 해수 배터리는 상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 병렬로 연결된 경우, 상기 복수의 해수 전지 셀 및 상기 충전 전압 인가 모듈 사이에 배치되어, 상기 복수의 해수 전지 셀에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 해수 전지 셀 각각은, 상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 직렬로 연결된 경우 해수 전지 모듈에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 해수 전지 셀 각각에 포함된 상기 제1 수밀 커넥터부 및 제2 수밀 커넥터부의 핀 매핑에 기초하여, 상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 직렬 또는 병렬 연결로 결정될 수 있다.
또한, 상기 복수의 해수 전지 셀 각각에 포함된 상기 제1 수밀 커넥터부 및 상기 제2 수밀 커넥터부는 착탈식 구조를 포함하여, 인접한 해수 전지 셀 및 충전 전압 인가 모듈과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면 아래와 같은 효과가 있다.
첫째로, 해수 전지 셀의 양극 및 음극이 해수로부터 완전히 수밀되어 해수 전지 셀 또는 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리 전체가 해수에 노출되더라도 안전하게 충전 및 방전이 수행될 수 있다.
둘째로, 해수 배터리를 구성하는 해수 전지 셀들 각각에 대한 작동 결함에 대한 인식이 가능해짐으로써, 작동 결함이 있는 해수 전지 셀만 교체될 수 있다.
셋째로, 상기 해수 전지 셀로 과전압이 인가되지 않게 되어, 해수 전지 셀에 과전압이 인가되는 것이 방지될 수 있다.
넷째로, 상기 해수 전지 셀이 충전 전압을 인가하는 모듈과 직렬 또는 병렬로 연결되더라도 동작이 정상적으로 수행될 수 있다.
다섯째로, 해저에서도 상기 해수 전지 셀 및 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리가 이용될 수 있으므로, 해저에서 구동되는 다양한 기계에 상기 해수 전지 셀 및 해수 배터리가 적용될 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀에 사용되는 해수 전지 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a) 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 배터리에 포함된 하나의 해수 전지 셀의 구조를 나타낸다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀에 포함된 제1 수밀 커넥터부와 제2 수밀 커넥터부의 핀 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀 간에 병렬로 연결된 경우를 나타내는 시스템도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압을 인가하는 모듈과 해수 전지 모듈 간에 병렬로 연결된 경우의 구조 및 신호의 흐름을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압을 인가하는 모듈과 해수 전지 모듈 간에 직렬로 연결된 경우의 구조 및 신호의 흐름을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과전압 방지 모듈의 회로를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전류 모듈의 회로를 나타낸다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 모듈(120)의 외관을 설명하기 위한 도면이다. 해수 전지 모듈(120)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀에 포함된 전지(Battery)이다.
도 1을 참고하면, 해수 전지 모듈(120)은 해수에 녹아 있는 Na 이온과 물의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 저장 및 생산하는 모듈이며, 양극 집전체, 해수, 고체전해질, 음극물질, 음극 집전체 및 유기 전해액을 포함할 수 있다. 여기서, 양극 집전체는 해수양극과 전자 간 전기화학 반응이 발생할 수 있는 장소이며, 촉매를 코팅해 주는 카본소재로 형성되어 충방전 전압 차이를 줄일 수 있다. 해수(양극물질)는 나트륨 이온을 무한히 공급하는 에너지 자원이며, 고체전해질(가령, NASICON)은 Na 이온만 통과시키는 특수 세라믹 소재로 형성되어 분리막과 전해질의 역할을 할 수 있으며, 음극물질은 해수로부터 이동해 온 나트륨 이온을 저장해 전기를 저장하고, 유기전해액은 고체전해질과 음극물질 간 나트륨 이온을 이동시키되 전자는 이동을 방지할 수 있다.
해수 전지 모듈(120)은 음전극(121, 이하 음극)과 양전극(123, 이하 양극)을 포함한다. 상기 음극(121)과 양극(123)은 외부에 돌출되게 형성될 수 있다. 이에, 음극(121)과 양극(123)이 해수에 직접적으로 닿는 경우 전기적인 문제가 발생되는데, 상기 음극(121)과 양극(123)을 모두 해수로부터 수밀하는 구조가 필요하다. 후술할 해수 전지 셀(SWC)은 해수로부터 해수 전지 모듈(120)의 음극(121)과 양극(123)을 보호하는 구조를 포함한다.
이하에서는 해수 배터리(100)에 포함된 하나의 해수 전지 셀(SWC)의 구조를 도 2(a) 및 도 3을 참고하여 설명하기로 한다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀(SWC)의 외관을 나타내며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 전지 셀(SWC)의 회로의 외관을 나타낸다.
도 2(a) 내지 도 2(c)를 참고하면, 해수 전지 셀(SWC)은 제1 수밀 커넥터부(CF), 제2 수밀 커넥터부(CM), 해수 전지 모듈(120), 및 수밀 구조체 (110)를 포함하며, 수밀 구조체(110)는 제1 수밀 커넥터부(CF), 제2 수밀 커넥터부(CM) 및 해수 전지 모듈(120)을 전기적으로 연결할 수 있다.
먼저 제1 수밀 커넥터부(CF)와 제2 수밀 커넥터부(CM)는 커넥터부 자체가 해수에 침습을 방지하는 수밀 구조를 포함한다. 제1 수밀 커넥터부(CF)와 제2 수밀 커넥터부(CM)는 인접한 수밀 커넥터부(CF, CM)와 착탈식으로 연결될 수 있으며, 충전 전압 인가 모듈, 그 외 다양한 기기들과 연결될 수 있는 구조를 포함할 수 있다.
제1 수밀 커넥터부(CF)와 제2 수밀 커넥터부(CM)의 내부에는 음극/양극에 해당되는 핀과 충전용 음극/양극 핀을 포함할 수 있으며, 핀에 대응되는 도선을 포함할 수 있다.
제1 수밀 커넥터부(CF)와 제2 수밀 커넥터부(CM)는 해수 전지 모듈(120)의 음극 또는 양극에 연결될 수 있다. 가령, 제1 수밀 커넥터부(CF)는 해수 전지 모듈(120)의 음극에 연결되고 제2 수밀 커넥터부(CM)는 해수 전지 모듈(120)의 양극에 각각 연결될 수 있다. 다만, 전기적인 특성에 따라 제1 수밀 커넥터부(CF)가 해수 전지 모듈(120)의 양극에 연결되고 제2 수밀 커넥터부(CM)가 해수 전지 모듈(120)의 음극에 연결될 수도 있다.
다만, 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)가 직접적으로 해수 전지 모듈(120)의 음극 또는 양극에 연결되는 것은 아니고, 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)의 도선들을 통해서 해수 전지 모듈(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 수밀 커넥터부(CF)는 인접한 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부(CM)에 연결되거나 충전 전압 인가 모듈 등과 연결될 수 있으며, 제2 수밀 커넥터부(CM)는 인접한 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부(CM)에 연결되거나, 충전 전압 인가 모듈 등과 연결될 수 있다.
수밀 구조체(110)는 외부로 노출된 해수 전지 모듈(120)의 음극과 양극을 전부 수밀하도록 형성되어 해수의 침습을 방지할 수 있다. 수밀 구조체(110)는 제1 수밀 커넥터부(CF)가 관통하는 제1 연결 홀과 제2 수밀 커넥터부(CM)가 관통하는 제2 연결 홀을 구비할 수 있으며, 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)에 포함된 도선들이 관통하는 복수의 홀도 기판 또는 절연물질 상에 형성될 수 있다.
또한, 해수 전지 모듈(120) 각각은 3200 mW/hour 의 충전이 가능하나, 구현 예에 따라 달라질 수 있다. 해수 전지 모듈(120)에는 충전 전류가 10mA 로 설정될 수 있으며, 이때의 충전 전압이 3.7V 가 넘지 않게 해야하나, 구현 예에 따라 달라질 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)는 인접한 수밀 커넥터부(CF, CM)와 착탈식으로 연결될 수 있는 구조를 포함하며, 내부에 녹색(112G), 적색(112R), 황색(112Y), 청색(112B)의 도선을 포함할 수 있다.
또한, 해수 전지 모듈(120)의 음극(도 1의 121) 및 양극(도 1의 123)이 수밀 구조체(110)에 의해 수밀될 수 있다. 이에 따라, 해수 전지 모듈(120)이 해수에 잠길 수 있게 된다.
다만, 도선들이 관통되는 연결 홀 및 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)가 관통되는 연결 홀(111A, 111B)이 수밀 구조체(110)에 포함될 수 있다. 그 외, 수밀 구조체(110)는 제1 수밀 커넥터부(CF)의 일부 및 제2 수밀 커넥터부(CM)의 일부를 절연물질로 몰딩하는 구조를 포함할 수 있다.
한편, 수밀 구조체(110) 내부에는 정전류 모듈이 배치될 수 있다. 정전류 모듈은 해수 전지 모듈(120)의 음극과 양극에 전기적으로 연결되어 해수 전지 모듈(120)에 일정한 충전 전류가 공급되게 할 수 있는데, 정전류 모듈은 구동 트랜지스터의 이미터에 전류 검출 저항을 넣고 트랜지스터의 베이스-이미터간 전압을 이용하여 일정한 전류가 해수 전지 모듈(120)에 공급되게 할 수 있다.
또한, 해수 전지 셀(SWC)의 결함 유무를 표시할 수 있는 결함 체크 모듈인 LED(113, Light Emitting Diode)가 수밀 구조체(110)의 내부에 배치될 수 있다. LED(113)는 해수 전지 셀(SWC)의 종지 전압이 특정 V 인 경우 특정 V 이하에서는 점등되지 않게 구현되어 특정 해수 전지 셀(SWC)의 결함 유무가 체크될 수 있다. 여기서, 특정 V는 2V 일 수 있으나, 구현 예에 따라 다르게 설정될 수 있다. 즉, 특정 해수 전지 셀(SWC)의 LED(113)가 점등되지 않으면 충전이 정상적이지 않음이 인식되어 표시될 수 있다.
또한, 수밀 구조체(110)의 내부에는 상기 정전류 모듈의 타단과 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈(120)에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈이 더 포함될 수 있다. 해수 전지 모듈(120)이 충전 전압 인가 모듈과 직렬로 연결된 경우, 해수 전지 셀(SWC)마다 상기 과전압 방지 모듈이 적용될 수 있다.
이하에서는 상술한 제1 수밀 커넥터부(CF) 와 제2 수밀 커넥터부(CM)에 포함된 복수의 핀들에 대해 도 4(a) 및 도 4(b)를 참고하여 설명하기로 한다. 도 4(a)는 해수 전지 셀(SWC)에 포함된 제1 수밀 커넥터부(CF) 의 복수의 핀을 나타내고, 도 4(b)는 해수 전지 셀(SWC)에 포함된 제2 수밀 커넥터부(CM) 의 복수의 핀을 나타낸다.
공통적으로 제1 수밀 커넥터부(CF) 및 제2 수밀 커넥터부(CM)은 빨강 도선에 대응되는 제1 핀, 노랑 도선에 대응되는 제2 핀, 초록 도선에 대응되는 제3 핀, 파랑 도선에 대응되는 제4 핀을 포함한다. 여기서, 도선의 색상은 다양하게 구현될 수 있으나 표준이나 관용적으로 쓰이는 방법에 의해 다르게 적용될 수 있다.
도 4(a)를 참고하면, 제1 수밀 커넥터부(CF)의 제1 핀은 해수 전지 셀의 양극핀이고, 제2 핀은 해수 전지 셀의 음극핀이며, 제3 핀은 충전 양극핀, 제4핀은 충전 음극핀으로 매핑될 수 있다. 이는, 솔라 패널과 같은 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 병렬로 연결되는 경우와 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 직렬로 연결되는 경우에도 동일한 핀 매핑이 수행될 수 있다.
한편, 도 4(b)를 참고하면 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 병렬로 연결되느냐 직렬로 연결되느냐에 따라 제2 수밀 커넥터부(CM)의 핀 매핑은 제1 수밀 커넥터부(CF)의 핀 매핑과 다를 수 있다.
먼저, 충전 전압 인가 모듈과 해수 전지 셀들이 병렬로 연결된 경우 제1 수밀 커넥터부(CF)의 핀 배치와 동일하다. 이 경우, 제1 핀이 해수 전지 셀의 양극핀이고, 제2 핀이 해수 전지 셀의 음극핀이며, 제3 핀이 충전 양극핀, 제4핀이 충전 음극핀으로 매핑될 수 있다.
그러나, 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 직렬로 연결되는 경우, 제1 핀이 해수 전지 셀의 양극핀이고, 제2 핀이 해수 전지 셀의 음극핀인 것은 동일하나, 제3 핀이 충전 음극핀이고, 제4핀이 충전 양극핀으로 매핑될 수 있다. 이는 해수에 있는 나트륨 이온이 양극을 띄는 상황에서 회로를 변경하지 않고, 핀 매핑의 차이만 두어 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 직렬로 연결되는 간편한 방법이라 할 수 있다.
다만, 충전 전압 인가 모듈과 복수의 해수 전지 셀이 직렬로 연결되는 경우에는 과충전 방지 모듈에 해당되는 과전압 방지 모듈이 복수의 해수 전지 셀 각각에 모두 포함될 수 있는데, 이는 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압 인가 모듈인 솔라 패널(20)과 해수 전지 셀들(SWC11~4N) 간에 병렬로 연결된 경우를 나타내는 시스템도이다.
우선, 태양광을 통해 솔라 패널(20)에 에너지가 발생되어 충전이 개시될 수 있다. 과전압 방지 회로는 1개만 구현되어 해수 전지 셀들(SWC11~4N)에 인가되는 충전 전압을 3.7 V로 제한할 수 있다. 다만, 이는 구현 예에 따라 다를 수 있다.
해수 전지 셀들(SWC11~4N)은 공급되는 전압에 기초하여 에너지를 생성한 후, 각종 부하(50)에 에너지를 공급할 수 있다. 해수 전지 셀들(SWC11 내지 SWC4N)은 제1 수밀 커넥터부 및 제2 수밀 커넥터부를 통해 연결될 수 있으며, 솔라 패널(20)과 전기적으로 연결될 수 있고, 각종 부하(50)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 해수 전지 셀(SWC11 내지 SWC4N)을 포함하는 해수 배터리(100)를 나타낸다.
실시 예에서, 해수 배터리(100)는 충전 전원을 공급하는 충전 전압 인가 모듈(20)과 연결되어 충전될 수 있다. 충전 전압 인가 모듈(20)과 해수 배터리(100)가 연결되는 커넥터는 4핀으로 구성될 수 있으며, 커넥터의 4핀은 충전 음극핀, 충전 양극핀, 해수 전지 음극핀, 및 해수 전지 양극핀을 포함할 수 있다.
해수 배터리(100)는 복수의 해수 전지 셀(SWC11 내지 SWC4N)이 배치되는 배터리함(BOX)을 포함할 수 있으며, 배터리함(BOX)은 4열로 배열될 수 있으며, 1열당 25개의 해수 전지 셀이 배치될 수 있다. 다만, 배터리함(BOX)의 사이즈나 배터리함(BOX)에 배치되는 해수 전지 셀의 수는 구현 예에 따라 다를 수 있으며, 상기 배터리함(BOX) 없이 해수 배터리(100)가 구현될 수도 있다.
해수 배터리(100)에 포함된 복수의 해수 전지 셀(SWC11 내지 SWC4N) 각각은 해수가 스며들지 않는 제1 및 제2 수밀 커넥터부(CF, CM), 부하에 전원을 공급하는 해수 전지 모듈, 해수 전지 모듈과 제1 및 제2 수밀 커넥터부(CF, CM)를 연결하는 회로를 포함할 수 있으며, 상기 회로 역시 해수가 스며들지 않게 수밀된 몰딩 내부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 해수 배터리(100) 전체가 해수에 잠기더라도 충방전에 문제가 발생되지 않는다.
충전 전압 인가 모듈(20)은 전기적으로 연결되지 않은 특정 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부 및 전기적으로 연결되지 않은 특정 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시 예에 불과하며 충전 전압 인가 모듈(20)은 복수의 해수 전지 셀들과 회로를 통해 병렬로 또는 직렬로 연결될 수 있다.
복수의 해수 전지 셀(SWC11 내지 SWC4N)은 충전 전압 인가 모듈(20)과 병렬로 연결될 수 있으며, 만약 4개의 해수 전지 셀을 예로 설명하면, 제1 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부(CF)는 제2 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부(CM)와, 제2 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부(CF)는 제3 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부(CM)와 연속적으로 연결되며, 제3 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부(CF)와 제4 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부(CM)가 연결되며, 제1 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부(CM) 및 제4 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부(CF)는 충전 전압 인가 모듈(20)과 연결될 수 있다. 이와 달리, 다른 실시 예에서, 충전 전압 인가 모듈(20)은 솔라 패널 대신 전력을 생산할 수 있는 윈드 터빈이 적용될 수 있으나, 실시 예가 이에 국한되는 것은 아니다.
충전 전압 인가 모듈(20)에 의해 충전 전압이 인가되면, 해수에 포함된 Na 이온이 이동하는 원리에 따라 해수 전지 모듈을 통해 에너지가 생산되고, 생산된 에너지는 각종 부하에 공급될 수 있다.
특히, 도 6의 해수 배터리(100)는 해수면 아래에 잠긴 상태에서도 정상적으로 충전 및 방전이 수행될 수 있어, 반드시 전극 부위가 잠기지 말아야하는 기존의 해수 배터리보다 큰 개선점을 가진다고 할 것이다.도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압을 인가하는 모듈과 해수 전지 모듈 간에 병렬로 연결된 경우의 구조 및 신호의 흐름을 나타내며, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전 전압을 인가하는 모듈과 해수 전지 모듈 간에 직렬로 연결된 경우의 구조 및 신호의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참고하면, 솔라 패널, 윈드 터빈 등이 복수의 해수 전지 셀과 전기적으로 연결되어, 상기 복수의 해수 전지 셀에 충전 전압을 인가하는 충전 전압 인가 모듈에 해당되며, 상기 솔라 패널 등에서 충전 전원이 인가되면, 해수 배터리(100)는 하나의 과충전 방지 모듈(130)을 통해 충전이 과하게 수행되는 것을 방지할 수 있다. 과전압 방지 모듈에 해당되는 과충전 방지 모듈(130)은 해수 전지 모듈(SWC)에 설정된 전압값 이상이 인가되지 않도록 제어할 수 있다. 가령, 해수 전지 모듈(SWC)이 3.7V 이상이 되지 않도록 과충전 방지 모듈(130)이 전압을 조정할 수 있다.
제1 해수 전지 모듈(SWC1) 내지 제N 해수 전지 모듈(SWCN) 각각은 정전류 모듈, 결함체크 모듈을 포함할 수 있다. 부하는 각 해수 전지 모듈에 포함될 수 있으며, 외부에 별도로 구현되어 발생된 에너지를 소비할 수 있다.
제1 해수 전지 모듈(SWC1) 내지 제N 해수 전지 모듈(SWCN)은 정전류 모듈을 구비하는데 각각의 정전류 모듈은 정전류로 해수 전지 모듈을 충전하는 모듈이며, 결함체크 모듈은 해수 전지 모듈의 충전 오류가 검출할 수 있다.
한편, 결함체크 모듈은 통신 모듈을 더 구비하여 결함체크에 관한 정보를 외부로 전송할 수도 있다. 가령, 결함체크 모듈은 LED 등으로 결함 여부의 문제를 표출할 수 있으며, 결함이 발생된 경우, 발전 시스템에 문제가 발생되었음을 알리는 메시지를 전송할 수 있다. 결함체크 모듈은 이외에 컨트롤러를 더 포함하여, 미리 LED 등의 사용기간, 현재 전압값 등을 기초로 교체 예정될 해수 전지 셀에 대한 정보를 외부로 제공할 수 있다.
한편, 도 8을 참고하면, 충전 전압을 인가하는 모듈과 해수 전지 모듈 간에 직렬로 연결된 경우에는 충전 전원을 동시에 인가받는 것이 아니므로, 제1 해수 전지 모듈 내부에도 과충전 방지 모듈이 필요하며, 제2 해수 전지 모듈 내부에도 과충전 방지 모듈이 필요하다. 이에 따라, 과전압이 해수 전지 셀 각각에 가해지는 것이 방지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과충전 방지 모듈의 회로를 나타낸다. 상기 회로는 병렬로 구성되는 경우 충전 전압 인가 모듈과 해수 전지 모듈 간에 하나만 배치될 수 있으며, 직렬로 구성되는 경우, 해수 전지 모듈마다 구현될 수 있다. 과충전 방지 모듈은 특정 전압 이상이 인가되면 제노 다이오드를 통해 항복 전류가 역방향으로 흐르게 되어 과충전을 인식하고 이를 방지할 수 있는 회로이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 에에 따른 정전류 모듈의 회로를 나타낸다. 정전류 모듈은 구동 트랜지스터의 이미터에 전류 검출 저항을 넣고 트랜지스터의 베이스-이미터간 전압(약 0.6V)을 이용하여 정전류가 해수 전지 모듈에 공급되게 할 수 있다.
한편, 본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 마찬가지로, 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
이와 같이, 본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 음극과 양극을 갖는 해수 전지 모듈;
    상기 해수 전지 모듈과 결합되며, 상기 음극과 상기 양극을 해수로부터 수밀하는 수밀 구조체;
    상기 음극 및 상기 양극 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 수밀 커넥터부; 및
    상기 음극 및 상기 양극 중 나머지 하나와 전기적으로 연결되고, 인접하는 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부와 결합되는 제2 수밀 커넥터부를 포함하는 해수 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수밀 구조체 내에 배치되고, 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 일정한 충전 전류가 공급되게 하는 정전류 모듈을 더 포함하는 해수 전지 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정전류 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어, 상기 해수 전지 모듈의 충전 결함을 인식하여 표시하는 결합 체크 모듈을 더 포함하는 해수 전지 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수밀 구조체는 상기 음극, 및 상기 양극을 완전히 감싸고, 상기 제1 수밀 커넥터부가 관통하는 제1 연결 홀과, 상기 제2 수밀 커넥터부가 관통하는 제2 연결 홀을 포함하는 해수 전지 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수밀 구조체는 상기 음극, 상기 양극, 상기 제1 수밀 커넥터부의 일부, 및 상기 제2 수밀 커넥터부의 일부에 절연물질을 몰딩하여 형성되는 해수 전지 셀.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 정전류 모듈의 타단과 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함하는 해수 전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수밀 커넥터부 및 상기 제2 수밀 커넥터부는 착탈식 구조를 포함하여, 인접한 해수 전지 셀 및 충전 전압 인가 모듈과 전기적으로 연결되는 해수 전지 셀.
  8. 복수의 해수 전지 셀; 및
    상기 복수의 해수 전지 셀과 전기적으로 연결되어, 상기 복수의 해수 전지 셀에 충전 전압을 인가하는 충전 전압 인가 모듈을 포함하며,
    상기 복수의 상기 해수 전지 셀 각각은,
    음극과 양극을 갖는 해수 전지 모듈과 결합되어, 상기 음극과 상기 양극을 해수로부터 수밀하는 수밀 구조체,
    상기 음극 및 상기 양극 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 제1 수밀 커넥터부, 및
    상기 음극 및 상기 양극 중 나머지 하나와 전기적으로 연결되고, 인접하는 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부와 결합되는 제2 수밀 커넥터부를 포함하며,
    충전 전압 인가 모듈은 전기적으로 연결되지 않은 제1 해수 전지 셀의 제1 수밀 커넥터부 및 전기적으로 연결되지 않은 제2 해수 전지 셀의 제2 수밀 커넥터부와 전기적으로 연결되는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 해수 전지 셀 각각은,
    상기 수밀 구조체 내에 배치되고, 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 연결되어 상기 해수 전지 모듈에 일정한 충전 전류가 공급되게 하는 정전류 모듈을 더 포함하는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 해수 전지 셀 각각은,
    상기 정전류 모듈의 일단과 전기적으로 연결되어, 상기 해수 전지 모듈의 충전 결함을 인식하여 표시하는 결합 체크 모듈을 더 포함하는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 병렬로 연결된 경우, 상기 복수의 해수 전지 셀 및 상기 충전 전압 인가 모듈 사이에 배치되어, 상기 복수의 해수 전지 셀에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함하는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 해수 전지 셀 각각은,
    상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 직렬로 연결된 경우 해수 전지 모듈에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 방지 모듈을 더 포함하는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 해수 전지 셀 각각에 포함된 상기 제1 수밀 커넥터부 및 제2 수밀 커넥터부의 핀 매핑에 기초하여, 상기 복수의 해수 전지 셀이 상기 충전 전압 인가 모듈과 직렬 또는 병렬 연결로 결정되는, 복수의 해수 전지 셀을 구비한 해수 배터리.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 해수 전지 셀 각각에 포함된 상기 제1 수밀 커넥터부 및 상기 제2 수밀 커넥터부는 착탈식 구조를 포함하여, 인접한 해수 전지 셀 및 충전 전압 인가 모듈과 전기적으로 연결가능한, 복수의 해수 전지 셀을 포함하는 해수 배터리.

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