KR20170048115A

KR20170048115A - Electrochemical battery maintaining oxygen concentration by air recycling

Info

Publication number: KR20170048115A
Application number: KR1020160006476A
Authority: KR
Inventors: 권혁재; 고정식; 이흥찬
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-05-08
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: KR102506452B1

Abstract

전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있는 전기화학 전지가 개시된다. 개시된 전기화학 전지는, 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 유지하도록 구성된 공기 공급부, 및 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시키도록 구성된 공기 재순환부를 포함할 수 있다.An electrochemical cell capable of maintaining an oxygen concentration in a battery module efficiently by recirculating air discharged from the battery module is disclosed. The disclosed electrochemical cell may include an air supply unit configured to maintain a constant oxygen concentration in the air supplied to the battery module, and an air recirculation unit configured to recirculate air discharged from the battery module.

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an electrochemical cell,

개시된 실시예들은 전기화학 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있는 전기화학 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical cell, and more particularly, to an electrochemical cell capable of efficiently maintaining an oxygen concentration in a battery module by recirculating air discharged from the battery module.

전기화학 전지 중에서 금속 공기 전지와 연료전지는 양극에 산소를 포함하는 공기를 공급한다는 점에서 공통점이 있다. 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. 이러한 금속 공기 전지는 방전시에는 산소를 흡수하고 충전시에는 산소를 방출한다.Among the electrochemical cells, metal air cells and fuel cells have a common point in that they supply air containing oxygen to the anode. For example, a metal air cell includes a plurality of metal air battery cells, each of which includes a negative electrode capable of storing and releasing ions and a positive electrode using oxygen in the air as an active material. In the anode, reduction and oxidation of oxygen introduced from the outside takes place, and oxidation and reduction of the metal occur at the cathode. The chemical energy generated at this time is converted into electrical energy and extracted. These metal air cells absorb oxygen during discharging and release oxygen during charging.

또한, 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지에서 양극에 산소를 포함하는 공기가 공급되고 음극에 메탄올이나 수소 등과 같은 연료가 공급되면 양극과 음극 사이에 있는 전해질막을 통해 전기화학반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.A fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel directly into electric energy by an electrochemical reaction, and is a kind of power generation device capable of continuously producing electricity as long as fuel is supplied. In such a fuel cell, when air containing oxygen is supplied to the anode and fuel such as methanol or hydrogen is supplied to the cathode, the electrochemical reaction proceeds through the electrolyte membrane between the anode and the cathode to generate electricity.

전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있는 전기화학 전지를 제공한다.Provided is an electrochemical cell capable of efficiently maintaining the oxygen concentration in the battery module by recirculating air discharged from the battery module.

일 실시예에 따른 전기화학 전지는, 적어도 하나의 전기화학 전지셀을 포함하는 전지 모듈; 상기 전지 모듈에 공기를 공급하는 것으로, 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 유지하도록 구성된 공기 공급부; 및 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시키도록 구성된 공기 재순환부;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전지 모듈은 상기 공기 공급부로부터 공기가 유입되는 공기 유입구 및 상기 전지셀에서 반응하고 남은 공기를 배출하는 공기 배출구를 포함하고, 상기 공기 재순환부는 상기 전지 모듈의 공기 배출구를 통해 배출되는 공기를 상기 전지 모듈에 재순환시키도록 구성될 수 있다.An electrochemical cell according to an embodiment includes a battery module including at least one electrochemical cell; An air supply unit configured to supply air to the battery module to maintain a constant oxygen concentration in the air supplied to the battery module; And an air recirculation unit configured to recirculate air discharged from the battery module. Here, the battery module may include an air inlet through which the air flows from the air supply unit and an air outlet through which air remaining in the battery cell reacts. The air recirculation unit recirculates air discharged through the air outlet of the battery module And recycled to the battery module.

상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 공급부에 전달하는 공기 유로를 포함할 수 있다.The air recirculation unit may include an air flow path for transmitting the air discharged to the air discharge port to the air supply unit.

상기 공기 공급부는, 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입기; 및 흡입된 공기 중에서 산소를 분리하여 산소를 발생시키는 산소 발생기;를 포함할 수 있다.The air supply unit includes an air suction unit for sucking outside air; And an oxygen generator for generating oxygen by separating oxygen from the sucked air.

상기 공기 유로는 상기 전지 모듈의 공기 배출구와 상기 산소 발생기 사이에 연결될 수 있다.The air passage may be connected between the air outlet of the battery module and the oxygen generator.

상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기와 상기 전지 모듈에서 배출된 공기가 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공될 수 있다.The air dried by the water eliminator and the air discharged from the battery module may be mixed and supplied to the oxygen generator.

상기 산소 발생기는 흡탈착 방식 또는 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성될 수 있다.The oxygen generator may be configured to filter oxygen by an adsorption / desorption method or a separating membrane method.

예를 들어, 상기 흡탈착 방식은 PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), 및 VSA(vacuum swing adsorption) 중에서 어느 하나의 방식을 포함할 수 있다.For example, the adsorption / desorption method may include any one of PSA (pressure swing adsorption), TSA (thermal swing adsorption), PTSA (pressure thermal swing adsorption), and VSA (vacuum swing adsorption).

상기 산소 발생기는, 상기 전지 모듈에 연결되어 상기 분리한 산소를 상기 전지 모듈에 제공하는 제 1 배출구 및 산소를 분리하고 남은 기체를 배출시키는 제 2 배출구를 포함할 수 있다.The oxygen generator may include a first outlet connected to the battery module for providing the separated oxygen to the battery module, and a second outlet for discharging gas remaining after separating the oxygen.

상기 공기 공급부는 상기 제 1 배출구로부터 배출되는 기체의 적어도 일부를 상기 산소 발생기로 환류시키도록 구성될 수 있다.The air supply unit may be configured to return at least a part of the gas discharged from the first discharge port to the oxygen generator.

상기 환류되는 공기는 상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기 및 상기 전지 모듈에서 배출된 공기와 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공될 수 있다.The refluxed air may be mixed with the air dried by the water remover and the air discharged from the battery module, and may be supplied to the oxygen generator.

상기 공기 공급부는 흡입된 공기 중의 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함할 수도 있다.The air supply unit may further include a moisture removing unit for removing moisture in the sucked air.

상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 유입구에 직접 전달하는 공기 유로를 포함할 수 있다.The air recirculation unit may include an air flow path that directly transfers the air discharged to the air discharge port to the air inlet.

상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구에서 배출되어 상기 공기 유입구로 재순환되는 공기 중에서 산소를 분리하기 위하여 상기 공기 유로 상에 배치된 분리막을 더 포함할 수 있다.The air recirculation unit may further include a separation membrane disposed on the air flow path to separate oxygen from the air discharged from the air outlet and recirculated to the air inlet.

상기 분리막은 분리된 산소를 상기 공기 유입구에 제공하며 산소 이외의 기체를 외부로 배출하도록 구성될 수 있다.The separation membrane may be configured to provide separated oxygen to the air inlet and to discharge gas other than oxygen to the outside.

상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 유입구로 공기를 진행시키도록 상기 공기 유로 상에 배치된 공기 펌프를 더 포함할 수 있다.The air recirculation unit may further include an air pump disposed on the air passage to advance the air from the air outlet to the air inlet.

또한, 상기 공기 재순환부는 상기 공기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브를 더 포함할 수 있다.The air recirculation unit may further include a valve for opening or closing the air passage.

상기 전기화학 전지는 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 유지하도록 상기 공기 공급부와 상기 공기 재순환부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The electrochemical cell may further include a controller for controlling the air supply unit and the air recirculation unit to maintain a constant oxygen concentration in the air supplied to the battery module.

상기 제어부는 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도가 30% 이상 100% 미만의 범위 내에서 선택된 일정한 농도를 유지하도록 상기 공기 공급부와 상기 공기 재순환부를 제어할 수 있다.The control unit may control the air supply unit and the air recirculation unit so that the oxygen concentration in the air supplied to the battery module maintains a predetermined concentration within a range of 30% or more and less than 100%.

상기 전기화학 전지는 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도, 상기 전지 모듈 내의 산소 농도, 및 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도 중에서 적어도 하나의 산소 농도를 측정하는 산소 센서를 더 포함할 수 있다.The electrochemical cell may further include an oxygen sensor for measuring at least one oxygen concentration among the oxygen concentration in the air supplied to the battery module, the oxygen concentration in the battery module, and the oxygen concentration in the air discharged from the battery module have.

상기 전지 모듈 내의 산소 농도가 미리 규정된 농도보다 낮으면 상기 제어부는 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 증가시키도록 상기 공기 공급부를 제어하며, 상기 전지 모듈 내의 산소 농도가 미리 규정된 농도보다 높으면 상기 제어부는 상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 감소시키도록 상기 공기 공급부를 제어할 수 있다.Wherein the control unit controls the air supply unit to increase the oxygen concentration in the air supplied to the battery module when the oxygen concentration in the battery module is lower than a predetermined concentration, The control unit may control the air supply unit to reduce the oxygen concentration in the air supplied to the battery module.

상기 제어부는 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도에 따라 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환하거나 재순환하지 않도록 상기 공기 재순환부를 제어할 수 있다.The control unit may control the air recirculation unit so that the air discharged from the battery module is not recirculated or recirculated according to the concentration of oxygen in the air discharged from the battery module.

상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도가 대기 중의 산소 농도보다 낮으면, 상기 제어부는 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환하지 않도록 상기 공기 재순환부를 제어할 수 있다.When the oxygen concentration in the air discharged from the battery module is lower than the oxygen concentration in the atmosphere, the controller can control the air recirculation unit so as not to recirculate the air discharged from the battery module.

상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 공급부에 전달하는 공기 유로 및 상기 공기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브를 포함할 수 있다.The air recirculation unit may include an air flow path that transmits air discharged to the air discharge port to the air supply unit, and a valve that opens or closes the air flow path.

상기 전지 모듈은, 예를 들어, 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀 또는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함할 수 있다.The battery module may include, for example, at least one metal air battery cell using oxygen in the air as a cathode active material, or at least one fuel cell cell converting the chemical energy of the fuel into electrical energy by an electrochemical reaction .

개시된 전기화학 전지는 전지 모듈에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 대기 중의 산소 농도보다 높은 범위에서 최적으로 유지하여 전기화학 전지의 성능을 최적화할 수 있다. 따라서, 낮은 산소 농도에 의한 전기화학 전지의 성능 감소를 방지하고, 지나치게 높은 산소 농도에 의한 양극 물질의 열화를 방지할 수 있다.The disclosed electrochemical cell optimizes the performance of the electrochemical cell by optimally maintaining the oxygen concentration in the air supplied to the battery module in a range higher than the oxygen concentration in the atmosphere. Therefore, the performance of the electrochemical cell due to the low oxygen concentration can be prevented from being degraded, and the deterioration of the cathode material due to the excessively high oxygen concentration can be prevented.

또한, 개시된 전기화학 전지는 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. 즉, 개시된 전기화학 전지에 따르면, 전지 모듈 내에서의 반응에 참여하지 않고 배출되는 산소를 다시 사용하기 때문에 외부로부터 전지 모듈에 공급되는 공기의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 전지 모듈에 공기를 공급하기 위하여 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.In addition, the disclosed electrochemical cell can efficiently keep the oxygen concentration in the battery module constant by recirculating air discharged from the battery module. That is, according to the disclosed electrochemical cell, since the discharged oxygen is used again without participating in the reaction in the battery module, the amount of air supplied from the outside to the battery module can be reduced. Therefore, the power consumed to supply air to the battery module can be reduced.

도 1은 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2는, 예를 들어, 전지 모듈의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에, 산소 농도에 따른 전기화학 전지의 충전 및 방전 성능을 보이는 그래프이다.
도 3 및 도 4는, 예를 들어, 전지 모듈의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에, 산소 농도에 따른 전기화학 전지의 충방전 사이클을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 전기화학 전지의 공기 공급부 및 공기 재순환부의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 공기 공급부의 산소 발생기의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 7는 도 5에 도시된 공기 공급부의 산소 발생기의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 8은 도 1에 도시된 전기화학 전지의 공기 공급부 및 공기 재순환부의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 9는, 예를 들어, 전지 모듈의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에, 도 5에 도시된 공기 공급부와 공기 재순환부의 구조에서 공기 재순환부를 이용함으로써 외부로부터 공급되는 공기의 양을 줄일 수 있음을 예시적으로 보인다.
도 10은 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 고정할 때, 전지 모듈에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈에 실제 투입된 산소량의 비율에 따른 공기 공급 유량 감소의 감소 비율을 보이는 그래프이다.
도 11은 전지 모듈에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈에 실제 투입된 산소량의 비율을 일정하게 고정할 때, 산소 발생기에서의 산소 농축 효율에 따른 공기 공급 유량 감소의 감소 비율을 보이는 그래프이다.1 is a block diagram schematically showing the structure of an electrochemical cell according to an embodiment.
2 is a graph showing the charging and discharging performance of an electrochemical cell according to the oxygen concentration when the electrochemical battery cell of the battery module is a metal air cell, for example.
FIGS. 3 and 4 are graphs exemplarily showing charge / discharge cycles of an electrochemical cell according to oxygen concentration when, for example, the electrochemical cell of the battery module is a metal air cell.
5 is a block diagram schematically showing an exemplary structure of an air supply portion and an air recirculation portion of the electrochemical cell shown in FIG.
6 is a block diagram schematically showing an exemplary structure of the oxygen generator of the air supply unit shown in FIG.
7 is a block diagram schematically showing another exemplary structure of the oxygen generator of the air supply unit shown in FIG.
FIG. 8 is a block diagram schematically illustrating another exemplary structure of the air supply portion and the air recirculation portion of the electrochemical cell shown in FIG. 1; FIG.
9 is a graph showing the relationship between the amount of air supplied from the outside and the amount of air supplied from outside by using the air recirculation unit in the structure of the air supply unit and the air recirculation unit shown in Fig. 5, for example, when the electrochemical battery cell of the battery module is a metal air battery cell As shown in Fig.
10 is a graph showing a reduction ratio of air supply flow rate reduction according to the ratio of the amount of oxygen actually injected into the battery module to the amount of oxygen required in the battery module when the oxygen concentration in the air supplied to the battery module is fixed to a constant value.
11 is a graph showing a reduction ratio of air supply flow rate reduction according to the oxygen concentration efficiency in the oxygen generator when the ratio of the amount of oxygen actually injected into the battery module is fixed to the amount of oxygen required in the battery module.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 공기 재순환을 통해 산소 농도를 유지하는 전기화학 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.Hereinafter, an electrochemical cell which maintains oxygen concentration through air recirculation will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Furthermore, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. Also, in the layer structures described below, the expressions "top" or "on top"

도 1은 일 실시예에 따른 전기화학 전지의 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전기화학 전지(100)는 전기화학 전지셀을 포함하는 전지 모듈(120), 전지 모듈(120)에 공기를 공급하는 공기 공급부(110), 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환시키도록 구성된 공기 재순환부(130), 및 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 최적으로 일정하게 유지하기 위하여 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)의 동작을 제어하는 제어부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 전기화학 전지(100)는 산소의 농도를 측정하는 산소 센서(140)를 더 포함할 수 있다. 산소 센서(140)는 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도, 전지 모듈(120) 내의 산소 농도, 또는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도 중에서 적어도 하나의 산소 농도를 측정하도록 배치될 수 있다.1 is a block diagram schematically showing the structure of an electrochemical cell according to an embodiment. 1, an electrochemical cell 100 according to an embodiment includes a battery module 120 including an electrochemical battery cell, an air supply unit 110 for supplying air to the battery module 120, An air recirculation unit 130 configured to recirculate air discharged from the air recirculation unit 130 and an air recirculation unit 130 to maintain the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 at an optimum level, And a control unit 150 for controlling the operation of the control unit 150. The electrochemical cell 100 may further include an oxygen sensor 140 for measuring the concentration of oxygen. The oxygen sensor 140 measures at least one oxygen concentration among the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120, the oxygen concentration in the battery module 120, or the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120 .

전지 모듈(120)은 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀 또는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 전지 모듈(120) 내의 각각의 금속 공기 전지셀은 금속의 산화와 산소의 환원을 이용하여 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 금속이 리튬(Li)인 경우, 금속 공기 전지셀은 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.The battery module 120 may include at least one metal air battery cell using oxygen in the air as a cathode active material or at least one fuel cell cell that converts the chemical energy of the fuel into electrical energy by an electrochemical reaction. For example, when the electrochemical cell of the battery module 120 is a metallic air cell, each metallic air cell in the cell module 120 can generate electricity using oxidation of the metal and reduction of oxygen. have. For example, when the metal is lithium (Li), the metal air battery cell generates electricity through a reaction in which lithium (Li) reacts with oxygen to generate lithium oxide (Li ₂ O ₂ ) at the time of discharge. In addition, lithium metal is reduced in the lithium oxide and oxygen is generated during charging, as opposed to discharging. Various metals other than lithium may be used, and the reaction principle thereof may be the same as that of lithium. For example, an air air battery cell, a zinc air battery cell, a potassium air battery cell, a calcium air battery cell, a magnesium air battery cell, an iron air battery cell, an aluminum air battery cell or an alloy air A battery cell may be used.

또한, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 연료 전지셀인 경우, 전지 모듈(120) 내의 각각의 연료 전지셀은 연료의 산화에 의해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시켜 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 양극에 산소를 포함하는 공기가 공급되고 음극에 메탄올이나 수소 등과 같은 연료가 공급되면, 양극과 음극 사이에 있는 전해질막을 통해 전기화학반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.When the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a fuel cell, each fuel cell in the battery module 120 converts the chemical energy generated by oxidation of the fuel directly into electrical energy to generate electricity . For example, when air containing oxygen is supplied to the anode and fuel such as methanol or hydrogen is supplied to the cathode, electricity is generated as the electrochemical reaction proceeds through the electrolyte membrane between the anode and the cathode.

상술한 바와 같이, 전지 모듈(120)이 전기를 생성하는 동안에는 산소가 필요하므로 전지 모듈(120)에 산소를 지속적으로 공급할 필요가 있다. 전지 모듈(120)에 산소를 공급하는 방식으로, 통상적으로는, 대기 중의 공기를 전지 모듈(120)에 공급하거나 또는 액체 산소를 저장하고 있는 산소 저장부로부터 산소를 공급할 수도 있다. 대기 중의 공기를 전지 모듈(120)에 공급하는 경우에는, 대기 중의 산소 농도가 21% 정도에 불과하기 때문에 충분한 산소를 제공하기 위하여 약 5 bar 정도로 공기를 압축하여 전지 모듈(120)에 공급하기도 한다. 그런데, 이러한 고압의 압축 공기를 전지 모듈(120)에 공급하는 경우, 전지 모듈(120) 내부의 압력이 높기 때문에 전기화학 전지셀의 기계적 마모 및 손상 가능성이 높아질 수 있다. 또한, 공기를 압축하기 위하여 많은 에너지가 소모될 수 있으므로, 전기화학 전지(100)의 전체적인 효율이 떨어질 수 있다.As described above, since oxygen is required while the battery module 120 generates electricity, it is necessary to continuously supply oxygen to the battery module 120. It is also possible to supply air from the atmospheric air to the battery module 120 or to supply oxygen from the oxygen storage portion storing the liquid oxygen in a manner of supplying oxygen to the battery module 120. [ When the atmospheric air is supplied to the battery module 120, since the oxygen concentration in the atmosphere is only about 21%, the air is compressed to about 5 bar to supply sufficient oxygen to the battery module 120 . However, when the high-pressure compressed air is supplied to the battery module 120, the pressure inside the battery module 120 is high, so that the possibility of mechanical wear and damage of the electrochemical battery cell may increase. Further, since a large amount of energy may be consumed to compress the air, the overall efficiency of the electrochemical cell 100 may deteriorate.

본 실시예에 따른 공기 공급부(110)는 전지 모듈(120)에 압축 공기를 공급하는 대신에 전기 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 최적화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공기 공급부(110)는 대기 중의 공기를 흡입한 후 공기 중의 수분과 질소를 제거함으로써 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 증가시킬 수 있다. 특히, 공기 공급부(110)는 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 최적으로 조절하여 전기화학 전지(100)의 성능을 최적화하도록 구성될 수 있다.The air supply unit 110 according to the present embodiment may be configured to optimize the oxygen concentration in the air supplied to the electric module 120 instead of supplying the compressed air to the battery module 120. [ For example, the air supply unit 110 may increase the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 by removing air and moisture in the air after sucking air in the air. In particular, the air supply unit 110 may be configured to optimize the performance of the electrochemical cell 100 by optimally adjusting the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120.

공기 재순환부(130)는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 적어도 일부를 공기 공급부(110)에 제공하여 공기를 재순환시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전지 모듈(120)은 공기 공급부(110)로부터 공기가 유입되는 공기 유입구(120a)와 전지셀에서 반응하고 남은 공기를 배출하는 공기 배출구(120b)를 포함하며, 공기 재순환부(130)는 공기 배출구(120b)로 배출되는 공기를 공기 공급부(110)에 전달하는 공기 유로(131)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 공기 공급부(110)는 전지셀에서 충분한 반응 또는 균일한 전류밀도하의 반응이 일어나게 하기 위하여 반응에 필요한 산소량보다 더 많은 양의 산소를 전지 모듈(120)에 공급한다. 따라서, 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기에는 반응하지 않은 남은 산소가 포함될 수 있다. 공기 재순환부(130)는 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기를 전지 모듈(120)에 재순환시킴으로써 공기 공급부(110)의 부하를 줄일 수 있다.The air recirculation unit 130 may be configured to provide at least a portion of the air discharged from the battery module 120 to the air supply unit 110 so as to recirculate the air. For example, the battery module 120 includes an air inlet 120a through which the air flows from the air supply unit 110 and an air outlet 120b through which the remaining air reacts in the battery cell, and the air recirculation unit 130 And an air flow path 131 for transmitting the air discharged to the air discharge port 120b to the air supply unit 110. [ Generally, the air supply unit 110 supplies a greater amount of oxygen to the battery module 120 than the amount of oxygen necessary for the reaction to cause a reaction in the battery cell under a sufficient reaction or a uniform current density. Therefore, the air discharged through the air outlet 120b may contain unreacted remaining oxygen. The air recirculation unit 130 can reduce the load on the air supply unit 110 by recirculating the air discharged through the air outlet 120b of the battery module 120 to the battery module 120. [

제어부(150)는 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)의 동작을 제어함으로써 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 최적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 가장 간단한 제어 방식은 전지 모듈(120)의 상태를 고려하지 않은 피드포워드 방식이다. 공기 공급부(110)가 제공하는 공기 중의 산소 농도는 특정한 값으로 고정되어 있으며, 제어부(150)는 전지 모듈(120) 내부의 실제 산소 농도와 관계 없이 공기 공급부(110)가 특정한 산소 농도의 공기를 제공하도록 공기 공급부(110)를 제어할 수 있다.The control unit 150 can control the operation of the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 to optimally adjust the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120. For example, the simplest control method is a feed forward method that does not consider the state of the battery module 120. The control unit 150 controls the air supplying unit 110 to supply air having a specific oxygen concentration to the air supplying unit 110 regardless of the actual oxygen concentration in the battery module 120 (Not shown).

또한, 제어부(150)는 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도, 전지 모듈(120) 내의 산소 농도, 또는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도를 기초로 피드백 방식으로 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 산소 센서(140)로부터의 측정 결과를 수신하고, 전지 모듈(120) 내의 산소 농도가 미리 규정된 최적의 농도보다 낮으면, 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 증가시키도록 공기 공급부(110)를 제어할 수 있다. 또한, 전지 모듈(120) 내의 산소 농도가 미리 규정된 최적의 농도보다 높으면, 제어부(150)는 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 감소시키도록 공기 공급부(110)를 제어할 수 있다.The control unit 150 controls the amount of air supplied to the battery module 120 based on the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120, the oxygen concentration in the battery module 120, And the operation of the air recirculation unit 130 can be controlled. For example, the control unit 150 receives the measurement result from the oxygen sensor 140, and if the oxygen concentration in the battery module 120 is lower than the predetermined optimum concentration, It is possible to control the air supply unit 110 to increase the oxygen concentration in the air. If the oxygen concentration in the battery module 120 is higher than the predetermined optimum concentration, the control unit 150 can control the air supply unit 110 to reduce the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 have.

이하에서는, 전기화학 전지(100)의 동작을 향상시키고 최적화할 수 있는 최적의 산소 농도에 대해 알아본다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4는, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 전지 모듈(120) 내에 제공되는 공기 중의 산소 농도에 따른 전기화학 전지(100)의 성능 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.Hereinafter, the optimum oxygen concentration capable of improving and optimizing the operation of the electrochemical cell 100 will be described. For example, FIGS. 2 to 4 illustrate that when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air cell, the electrochemical cell according to the oxygen concentration in the air provided in the battery module 120, (100) according to an embodiment of the present invention.

도 2는, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 산소 농도에 따른 전기화학 전지(100)의 충전 및 방전 성능을 보이는 그래프이다. 도 2의 그래프에서 양극은 리튬 금속을 사용하였다. 방전시 전류밀도는 0.24 mA/㎠이고 전압이 1.7 V로 떨어질 때 방전을 중단하였다. 또한, 충전시 인가 전압은 4.3V였다. 도 2의 그래프를 참조하면, 전압이 1.7 V로 떨어질 때까지의 방전용량은 산소 농도가 100%인 경우에 약 550 mAh/g로 가장 우수하였다. 반면, 산소 농도가 21%인 경우에는 방전용량이 약 200 mAh/g로 가장 좋지 않았다. 그리고 산소 농도가 70%인 경우와 40%인 경우의 순으로 방전용량이 높았다. 산소 농도가 40%인 경우의 방전용량은 산소 농도가 100%인 경우의 방전용량의 약 80% 정도이며, 산소 농도가 70%인 경우의 방전용량은 산소 농도가 100%인 경우의 방전용량과 큰 차이가 없었다.2 is a graph showing the charging and discharging performance of the electrochemical cell 100 according to the oxygen concentration when the electrochemical cell of the battery module 120 is a metal air cell. In the graph of Fig. 2, lithium metal was used for the positive electrode. The discharge was stopped when the current density was 0.24 mA / cm 2 and the voltage dropped to 1.7 V at discharge. The applied voltage at the time of charging was 4.3V. Referring to the graph of FIG. 2, the discharge capacity until the voltage dropped to 1.7 V was the best at about 550 mAh / g when the oxygen concentration was 100%. On the other hand, when the oxygen concentration is 21%, the discharge capacity is about 200 mAh / g, which is the worst. The discharge capacity was higher in the order of 70% oxygen concentration and 40% oxygen concentration. The discharge capacity when the oxygen concentration is 40% is about 80% of the discharge capacity when the oxygen concentration is 100%, and the discharge capacity when the oxygen concentration is 70% is the discharge capacity when the oxygen concentration is 100% There was no big difference.

도 3은, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 산소 농도에 따른 전기화학 전지(100)의 충방전 사이클을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 3의 그래프에서 양극은 리튬 금속을 사용하였다. 방전시 전류밀도는 0.24 mA/㎠이고 전압이 1.7 V로 떨어질 때까지 방전을 진행하였다. 또한, 충전시 인가 전압은 4.3V였다. 100 mAh/g의 용량으로 충방전을 반복한 결과, 산소 농도가 21%인 경우와 100%인 경우가 비슷한 충방전 사이클 결과를 보였는데, 두 경우 모두 약 20회의 충반전 이후에 성능 열화가 나타났다. 그리고, 산소 농도가 70%인 경우에 가장 우수한 충방전 사이클을 보였다.3 is a graph illustrating a charge / discharge cycle of the electrochemical cell 100 according to oxygen concentration when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air cell, for example. In the graph of Fig. 3, lithium metal was used for the positive electrode. During the discharge, the current density was 0.24 mA / cm < 2 > and the discharge was continued until the voltage dropped to 1.7 V. [ The applied voltage at the time of charging was 4.3V. As a result of repetition of charging and discharging at a capacity of 100 mAh / g, the results of similar charging / discharging cycles with the oxygen concentration of 21% and 100% showed a deterioration in performance after about 20 charge / . And, when the oxygen concentration was 70%, the most excellent charge / discharge cycle was shown.

도 4는, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 산소 농도에 따른 전기화학 전지(100)의 충방전 사이클을 예시적으로 보이는 그래프로서, 300 mAh/g의 용량으로 충방전을 반복한 결과이다. 도 4에서 최초의 비용량 대비 80%의 비용량(즉, 240 mAh/g)이 될 때까지의 충방전 횟수는 산소 농도가 50%인 경우와 70%인 경우에 가장 우수하였다. 산소 농도가 21%인 경우에는 300 mAh/g의 방전용량을 1회만 기록하고 2회째부터 방전용량이 감소하였다. 산소 농도가 80%인 경우와 100%인 경우에는 7회째부터 최초의 비용량 대비 80%의 비용량에 도달하였다.4 is a graph exemplarily showing a charge / discharge cycle of the electrochemical cell 100 according to the oxygen concentration when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air cell, / g. < / RTI > In FIG. 4, the number of charging and discharging until the initial capacity of 80% of the specific capacity (that is, 240 mAh / g) was the best when the oxygen concentration was 50% or 70%. When the oxygen concentration was 21%, the discharge capacity of 300 mAh / g was recorded only once, and the discharge capacity was decreased from the second discharge. In the cases of 80% oxygen concentration and 100% oxygen concentration, a specific capacity of 80% of the initial specific capacity was reached from the seventh time.

상술한 결과들을 보면, 산소 농도가 100%인 경우에 전기화학 전지(100)의 방전 효율이 일시적으로 우수할 수는 있으나, 충방전이 반복됨에 따라 전기화학 전지(100)의 열화가 급격하게 진행된다는 것을 알 수 있다. 이러한 열화는 과다한 산소로 인하여 전극 및 전해질 등이 쉽게 산화되어 발생하는 것이다. 따라서, 100%의 산소를 전기화학 전지(100)에 공급하면 전기화학 전지(100)의 수명이 짧아질 수 있다. 또한, 산소 농도가 21%인 경우에는 산소의 부족으로 인하여 방전 효율과 충방전 횟수에서 모두 성능이 좋지 않았다.The above results show that although the discharge efficiency of the electrochemical cell 100 may be temporarily excellent when the oxygen concentration is 100%, the deterioration of the electrochemical cell 100 is abruptly progressed . This deterioration is caused by oxidation of an electrode and an electrolyte due to excessive oxygen. Therefore, when 100% oxygen is supplied to the electrochemical cell 100, the lifetime of the electrochemical cell 100 can be shortened. Also, when the oxygen concentration was 21%, the performance was not good at both the discharge efficiency and the number of charge / discharge cycles due to the lack of oxygen.

이상에서 알아본 바와 같이, 전기화학 전지(100)의 성능과 수명을 향상시키기 위해서는 대기 중의 산소 농도인 21%보다는 높고 100%보다는 낮은 산소 농도로 전기화학 전지(100)를 운전하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 전기화학 전지(100)의 전지 모듈(120) 내에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 30% 이상 100%미만의 범위 내에서 선택된 일정도 농도를 유지하도록 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 제어부(150)는 전지 모듈(120) 내에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 35% 이상 95%미만의 범위 내에서, 또는 50% 내지 80%의 범위 내에서 일정하게 유지되도록 조절할 수 있다.As described above, in order to improve the performance and lifetime of the electrochemical cell 100, it may be advantageous to operate the electrochemical cell 100 at an oxygen concentration higher than 21% and lower than 100% . For example, the control unit 150 may control the oxygen concentration in the air provided in the battery module 120 of the electrochemical cell 100 to maintain a predetermined constant concentration within a range of 30% to less than 100% . More specifically, the control unit 150 may adjust the oxygen concentration in the air provided in the battery module 120 so as to remain constant within a range of 35% or more to less than 95% or 50% to 80% .

도 2 내지 도 4에서는 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에 대해 알아보았지만, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 연료 전지셀인 경우에도 전지 모듈(120)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 적절한 범위에서 조절하는 것이 유리할 수 있다.Although the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air battery cell in FIGS. 2 to 4, even when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a fuel cell, It may be advantageous to adjust the oxygen concentration in the air to be provided in an appropriate range.

전지 모듈(120) 내에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 상술한 바와 같이 유지하기 위하여, 제어부(150)는 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 전지 모듈(120) 내부의 산소 농도를 미리 정해진 특정한 값으로 유지하도록 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(150)는 산소 센서(140)에서 측정된 실제 산소 농도와 목표 산소 농도를 비교하고, 그 비교 결과를 기초로 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 공기 공급부(110)를 제어하여 전지 모듈(120)에 제공되는 공기의 양 및 공기 중의 산소를 조절할 수 있으며, 공기 재순환부(130)를 제어하여 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기 중에서 공기 공급부(110)에 재활용되는 공기의 양을 조절할 수 있다.The control unit 150 may control the operation of the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 in order to maintain the oxygen concentration in the air provided in the battery module 120 as described above. For example, the control unit 150 may control the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 to maintain the oxygen concentration in the battery module 120 at a predetermined specific value. At this time, the control unit 150 compares the actual oxygen concentration measured by the oxygen sensor 140 with the target oxygen concentration, and controls the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 based on the comparison result. For example, the control unit 150 controls the air supply unit 110 to control the amount of air supplied to the battery module 120 and the oxygen in the air, and controls the air recirculation unit 130 to control the air outlet 120b The amount of air recycled to the air supply unit 110 can be controlled.

도 5는 도 1에 도시된 전기화학 전지(100)의 공기 공급부(110) 및 공기 재순환부(130)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 공기 공급부(110)는 외부의 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입기(111), 흡입된 공기 중의 수분을 제거하기 위한 수분 제거기(112), 및 흡입된 공기 중에서 산소를 분리하여 산소를 발생시키는 산소 발생기(113)를 포함할 수 있다. 공기 흡입기(111)는 제어부(150)의 제어에 따라 공기 흡입량을 조절하도록 구성될 수 있다. 도 5에는 수분 제거기(112)가 공기 흐름 방향으로 산소 발생기(113)의 앞에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 산소 발생기(113)와 수분 제거기(112)의 배치 순서는 바뀔 수도 있다. 예를 들어, 산소 발생기(113)가 공기 흐름 방향으로 수분 제거기(112)의 앞에 배치될 수도 있다. 또한, 산소 발생기(113)와 수분 제거기(112)가 하나의 구성으로 통합될 수도 있다. 이하에서는, 편의상 수분 제거기(112)가 공기 흐름 방향으로 산소 발생기(113)의 앞에 배치된 경우에 대해 설명한다.5 is a block diagram schematically illustrating an exemplary structure of the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 of the electrochemical cell 100 shown in FIG. Referring to FIG. 5, the air supply unit 110 includes an air suction unit 111 for sucking outside air, a moisture eliminator 112 for removing moisture in the sucked air, And an oxygen generator 113 for generating oxygen. The air sucker 111 may be configured to adjust the amount of air sucked under the control of the controller 150. Although the water eliminator 112 is shown in the air flow direction in front of the oxygen generator 113 in FIG. 5, the arrangement order of the oxygen generator 113 and the water eliminator 112 may be changed. For example, the oxygen generator 113 may be disposed in front of the water remover 112 in the air flow direction. In addition, the oxygen generator 113 and the water eliminator 112 may be integrated into one configuration. Hereinafter, the case where the water eliminator 112 is disposed in front of the oxygen generator 113 in the air flow direction will be described for convenience.

수분 제거기(112)는 공기 흡입기(111)로부터 유입된 외부 공기에 포함된 수분을 제거하도록 구성될 수 있다. 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 공기 중에 수분이 존재하게 되면, 전기화학 전지셀의 방전시에 수산화리튬이 생성될 수 있으며, 이로 인해 전기화학 전지(100)의 에너지 밀도 및 수명이 감소하게 된다. 이러한 점에서 수분 제거기(112)는 공기 건조기라고 부를 수 있다. 비록 상세하게 도시되지는 않았지만, 수분 제거기(112)는, 예를 들어, 공기 중에 포함된 수분을 흡착하는 흡착부 및 흡착부를 가열하여 흡착부에 흡착된 수분을 탈착시키는 가열부를 포함할 수 있다. 흡착부에서 탈착된 수분은 수분 배출구(112a)를 통해 외부로 배출될 수 있다.The moisture eliminator 112 may be configured to remove moisture contained in the external air introduced from the air inhale device 111. In the case where the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air battery cell, lithium hydroxide may be generated at the time of discharging the electrochemical battery cell when moisture is present in the air, The energy density and lifetime of the semiconductor device are reduced. In this respect, the water eliminator 112 may be referred to as an air dryer. Although not shown in detail, the water eliminator 112 may include, for example, a suction portion for adsorbing moisture contained in the air and a heating portion for desorbing moisture adsorbed to the adsorption portion by heating the adsorption portion. The water desorbed from the adsorption part can be discharged to the outside through the water outlet 112a.

그러나, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 연료 전지셀인 경우에는, 공기 공급부(110)에서 수분 제거부(112)가 생략될 수도 있다.However, when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a fuel cell, the water removing unit 112 may be omitted in the air supplying unit 110. [

수분 제거기(112)에 의해 건조된 공기는 산소 발생기(113)에 제공될 수 있다. 산소 발생기(113)는 건조된 공기 내에 포함된 이산화탄소나 질소 등의 불순물을 제거함으로써 공기 중의 산소 농도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 산소 발생기(113)는 흡탈착 방식 또는 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 산소 발생기(113)에서 여과된 산소는 제 1 배출구(113a)를 통해 전지 모듈(120)에 제공될 수 있다. 이를 위해 산소 발생기(113)의 제 1 배출구(113a)는 전지 모듈(120)의 공기 유입구(120a)에 연결될 수 있다. 한편, 산소를 분리하고 남은 기체는 제 2 배출구(113b)를 통해 외부로 배출될 수 있다.The air dried by the moisture eliminator 112 may be supplied to the oxygen generator 113. The oxygen generator 113 can increase the oxygen concentration in the air by removing impurities such as carbon dioxide and nitrogen contained in the dried air. For example, the oxygen generator 113 may be configured to filter oxygen by an adsorption / desorption method or a separating membrane method. In this manner, the oxygen filtered in the oxygen generator 113 can be supplied to the battery module 120 through the first outlet 113a. The first outlet 113a of the oxygen generator 113 may be connected to the air inlet 120a of the battery module 120. [ On the other hand, the gas remaining after the oxygen is separated can be discharged to the outside through the second outlet 113b.

도 5에 도시된 바와 같이, 산소 농도를 원하는 농도로 용이하게 조절하기 위하여 제 1 배출구(113a) 또는 제 2 배출구(113b)를 통해 배출되는 기체를 다시 산소 발생기(113)로 환류시킬 수도 있다. 예를 들어, 제 1 배출구(113a)로부터 전지 모듈(120)에 공급되는 공기의 일부를 다시 산소 발생기(113)로 환류시킬 수 있다. 이를 위해, 제 1 배출구(113a)로부터 산소 발생기(113)로 연결되는 환류 통로의 분기점에는 제 1 밸브(114a)가 배치될 수 있다. 제어부(150)는 제 1 밸브(114a)를 제어하여 제 1 배출구(113a)로부터 산소 발생기(113)로 환류되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 마찬가지로, 제 2 배출구(113b)로부터 배출되는 공기의 일부를 다시 산소 발생기(113)로 환류시킬 수 있다. 이를 위해, 제 2 배출구(113b)로부터 산소 발생기(113)로 연결되는 환류 통로의 분기점에는 제 2 밸브(114b)가 배치될 수 있다. 제어부(150)는 상기 제 2 밸브(114b)를 제어하여 제 2 배출구(113b)로부터 산소 발생기(113)로 환류되는 공기의 양을 조절할 수 있다.As shown in FIG. 5, the gas discharged through the first outlet 113a or the second outlet 113b may be returned to the oxygen generator 113 to easily adjust the oxygen concentration to a desired concentration. For example, a part of the air supplied from the first outlet 113a to the battery module 120 may be returned to the oxygen generator 113 again. To this end, the first valve 114a may be disposed at a branch point of the reflux passage connected from the first outlet 113a to the oxygen generator 113. The controller 150 controls the first valve 114a so as to adjust the amount of air that is returned from the first outlet 113a to the oxygen generator 113. [ Similarly, a part of the air discharged from the second outlet 113b may be returned to the oxygen generator 113 again. To this end, the second valve 114b may be disposed at a branch point of the reflux passage connected from the second outlet 113b to the oxygen generator 113. The controller 150 may control the second valve 114b to control the amount of air that is returned to the oxygen generator 113 from the second outlet 113b.

또한, 공기 재순환부(130)의 공기 유로(131)는 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)로 배출되는 공기를 산소 발생기(113)에 제공하도록 배치될 수 있다. 따라서, 공기 흡입기(111)와 수분 제거기(112)를 통해 공급되는 건조된 외부 공기와 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)로부터 배출되는 공기가 혼합된 공기가 산소 발생기(113)에 제공될 수 있다. 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)로부터 추가적으로 공기가 제공되기 때문에, 공기 흡입기(111)는 전지 모듈(120)에서 필요로 하는 공기의 양보다 적은 양의 공기만을 흡입할 수도 있다. 필요에 따라서는, 공기 배출구(120b)로부터 산소 발생기(113)로 제공되는 공기의 양을 능동적으로 조절할 수도 있다. 이를 위해, 공기 재순환부(130)는 공기 유로(131)에 배치된 제 3 밸브(132)를 더 포함할 수 있다. 제어부(150)는 공기 배출구(120b)로부터 산소 발생기(113)로 제공되는 공기의 양을 조절하기 위하여 제 3 밸브(132)를 제어할 수 있다. 제 3 밸브(132)는 제어부(150)의 제어에 따라 완전히 개방/폐쇄되거나 또는 부분적으로 개방될 수 있다. 또한, 제 1 배출구(113a)로부터 전지 모듈(120)에 공급되는 공기의 일부를 다시 산소 발생기(113)로 환류시키는 경우, 환류되는 공기는 수분 제거기(112)에 의해 건조된 공기 및 전지 모듈(120)에서 배출된 공기와 혼합되어 산소 발생기(113)에 제공될 수 있다.The air flow path 131 of the air recirculation unit 130 may be arranged to supply air to the oxygen generator 113 through the air outlet 120b of the battery module 120. Therefore, air mixed with the dried outside air supplied through the air inlets 111 and the water eliminator 112 and the air discharged from the air outlet 120b of the battery module 120 is supplied to the oxygen generator 113 . The air sucker 111 may suck only a smaller amount of air than the amount of air required by the battery module 120 because air is additionally provided from the air outlet 120b of the battery module 120. [ If necessary, the amount of air supplied from the air outlet 120b to the oxygen generator 113 may be actively controlled. For this, the air recirculation unit 130 may further include a third valve 132 disposed in the air passage 131. The controller 150 may control the third valve 132 to adjust the amount of air supplied to the oxygen generator 113 from the air outlet 120b. The third valve 132 may be fully opened / closed or partially opened under the control of the controller 150. When the part of the air supplied from the first outlet 113a to the battery module 120 is refluxed to the oxygen generator 113, the air to be refluxed is returned to the air generated by the water eliminator 112, 120 and may be supplied to the oxygen generator 113.

도 6은 도 5에 도시된 공기 공급부(110)의 산소 발생기(113)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 6에 도시된 산소 발생기(113)는 흡탈착 방식으로 산소를 여과시키도록 구성된다. 이 경우, 공기 공급부(110)는 제어부(150)의 제어에 따라 공기 중의 질소를 흡착하는 양을 조절함으로써 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 산소 발생기(113)는 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.FIG. 6 is a block diagram schematically showing an exemplary structure of the oxygen generator 113 of the air supply unit 110 shown in FIG. The oxygen generator 113 shown in FIG. 6 is configured to filter oxygen by an adsorption / desorption method. In this case, the air supplying unit 110 can adjust the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 by controlling the amount of nitrogen adsorbed in the air under the control of the controller 150. For example, referring to FIG. 6, the oxygen generator 113 may include a first adsorption unit 31 and a second adsorption unit 32 disposed in parallel. The first adsorption unit 31 includes a first adsorbent 31a and a first regeneration unit 31b and the second adsorption unit 32 includes a second adsorbent 32a and a second regeneration unit 32b can do.

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.The first and second adsorbents 31a and 32a are for adsorbing impurities such as nitrogen in the air. For example, the first and second adsorbents 31a and 32a may be selected from zeolite LiX, alumina, metal-organic framework (MOF), zeolitic imidazolate framework (ZIF), or a mixture of two or more thereof. Here, MOF refers to a crystalline compound consisting of a metal ion or metal cluster coordinated to an organic molecule and forming a porous primary, secondary or tertiary structure. ZIF also refers to a nanoporous compound consisting of tetrahedral clusters of MN4 (M is a metal) linked by an imidazolate ligand.

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.The first and second regeneration units 31b and 32b regenerate the saturated first and second adsorbents 31a and 32a. The first and second regeneration sections 31b and 32b regulate the internal pressure or temperature of the first and second adsorption sections 31 and 32 in order to regenerate the saturated first and second adsorbents 31a and 32a, .

이러한 구조를 갖는 산소 발생기(113)는, 예를 들어, PSA(pressure swing adsorption) 방식으로 운전될 수 있다. 예컨대, 제 1 흡착부(31)의 내부 압력을 증가시켜 제 1 흡착재(31a)에 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 질소를 탈착시키고, 탈착된 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(120)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 조절할 수 있다.The oxygen generator 113 having such a structure can be operated by, for example, a pressure swing adsorption (PSA) method. For example, the internal pressure of the first adsorption unit 31 is increased to adsorb impurities such as nitrogen to the first adsorbent 31a. The remaining air having increased oxygen concentration is discharged from the first adsorption unit 31 to the first outlet 113a. Meanwhile, the internal pressure of the second adsorbing portion 32 is decreased to desorb the nitrogen adsorbed to the second adsorbent 32a, and the desorbed nitrogen is discharged from the second adsorbing portion 32 to the second outlet 113b do. When the first adsorbent 31a is saturated, on the contrary, the internal pressure of the first adsorbing portion 31 is decreased and the internal pressure of the second adsorbing portion 32 is increased. Then, a desorption operation can be performed in the first adsorption unit 31 and an adsorption operation can be performed in the second adsorption unit 32. [ In this way, the first adsorption unit 31 and the second adsorption unit 32 can be operated alternately. At this time, it is possible to control the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 by adjusting the internal pressures of the first and second adsorption units 31 and 32.

그러나 산소 발생기(113)의 운전 방식은 반드시 PSA에만 한정되지는 않는다. 예컨대, 산소 발생기(113)는 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.However, the operation mode of the oxygen generator 113 is not limited to the PSA. For example, in addition to pressure swing adsorption (PSA), the oxygen generator 113 may be configured to operate by thermal swing adsorption (TSA), pressure thermal swing adsorption (PTSA), vacuum swing adsorption (VSA) . Here, PSA means a technique in which a specific gas is adsorbed or captured preferentially to the adsorbents 31a and 32a at a high partial pressure, and the specific gas is desorbed or released when the partial pressure is reduced. Further, TSA means a technique in which a specific gas is preferentially adsorbed or trapped at the adsorbents 31a and 32a at room temperature, and the specific gas is desorbed or released when the temperature is increased. And PTSA means a combination of PSA and TSA. Finally, VSA means a technique in which a specific gas is preferentially adsorbed or trapped in the adsorbents 31a and 32a at around atmospheric pressure, and operates under the principle that the specific gas is desorbed or released under vacuum.

도 7는 도 5에 도시된 공기 공급부(110)의 산소 발생기(113)의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 7에 도시된 산소 발생기(113)는 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성될 수 있다. 도 7을 참조하면, 산소 발생기(113)는 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 산소분리 모듈(34) 및 펌프(36)를 포함할 수 있다. 산소분리 모듈(34) 내에는 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 분리막(35)이 배치될 수 있다. 도 7에는 편의상 하나의 분리막(35)이 도시되어 있지만, 실제로는 다수의 분리막(35)들이 다층 구조로 배치될 수 있다. 예를 들어, 분리막(35)은 BSCF산화물(Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ)로 이루어질 수 있다.FIG. 7 is a block diagram schematically showing another exemplary structure of the oxygen generator 113 of the air supply unit 110 shown in FIG. The oxygen generator 113 shown in Fig. 7 can be configured to filter oxygen in a separating membrane type. Referring to FIG. 7, the oxygen generator 113 may include an oxygen separation module 34 and a pump 36 for separating nitrogen and oxygen in the air. In the oxygen separation module 34, a separation membrane 35 capable of selectively separating oxygen may be disposed. Although one separation membrane 35 is shown in Fig. 7 as a matter of convenience, in practice, a plurality of separation membranes 35 may be arranged in a multi-layer structure. For example, the separation membrane 35 may be made of a BSCF oxide (Ba _0.5 Sr _0.5 Co _0.8 Fe _0.2 O _{3 -δ} ).

수분 제거부(112)에 의해 건조된 공기는 산소분리 모듈(34)에 제공되며, 산소분리 모듈(34) 내의 분리막(35)은 공기 중의 산소를 여과할 수 있다. 필요에 따라서는, 산소분리 모듈(34) 내에 충분한 공기를 제공하여 분리 효율을 높이기 위하여, 수분 제거부(112)와 산소분리 모듈(34) 사이에 공기 압축기를 더 배치할 수도 있다. 산소분리 모듈(34)에서 산소를 분리하고 남은 기체는 제 2 배출구(113b)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 펌프(36)는 산소분리 모듈(34)의 내부에 있는 산소를 출력하여 제 1 배출구(113a)를 통해 전지 모듈(120)에 산소를 제공할 수 있다. 이때, 전지 모듈(120)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 조절하기 위하여, 수분 제거부(112)에 의해 건조된 공기의 일부를 펌프(36)로부터 출력되는 산소와 혼합할 수도 있다. 예를 들어, 수분 제거부(112)와 펌프(36) 사이에 밸브(37)가 배치될 수 있으며, 제어부(150)는 밸브(37)의 제어를 통해 전지 모듈(120)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 조절할 수 있다.The air dried by the water removing unit 112 is supplied to the oxygen separation module 34 and the separation membrane 35 in the oxygen separation module 34 can filter oxygen in the air. If desired, an air compressor may be further disposed between the water removal unit 112 and the oxygen separation module 34 to provide sufficient air in the oxygen separation module 34 to increase the separation efficiency. The oxygen remaining in the oxygen separation module 34 and the remaining gas can be discharged to the outside through the second outlet 113b. The pump 36 may output oxygen inside the oxygen separation module 34 to provide oxygen to the battery module 120 through the first outlet 113a. At this time, in order to adjust the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120, a part of the air dried by the water removing unit 112 may be mixed with the oxygen output from the pump 36. For example, a valve 37 may be disposed between the water removal unit 112 and the pump 36, and the control unit 150 may control the amount of air supplied to the battery module 120 through the control of the valve 37 The oxygen concentration can be adjusted.

도 8은 도 1에 도시된 전기화학 전지(100)의 공기 공급부(110) 및 공기 재순환부(130)의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 8을 참조하면, 공기 재순환부(130)는 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기 중에서 산소를 분리하기 위한 분리막(133)을 더 포함할 수 있다. 이러한 분리막(133)은 도 7에 도시된 분리막(35)과 동일한 것일 수 있다. 예컨대, 분리막(133)은 공기 유로(131) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 분리막(133)은 전지 모듈(120)의 공기 배출구(120b)를 통해 배출되어 공기 유로(131)를 따라 재순환되는 공기 중에서 산소만을 분리할 수 있다. 분리막(133)에서 분리된 산소는 공기 유로(131)를 따라 계속 진행하여 공기 유입구(120a)를 통해 전지 모듈(120)에 제공될 수 있다. 그리고, 분리막(133)에서 걸러진 산소 이외의 공기(예컨대, 질소)는 배출구(133a)를 통해 외부로 배출될 수 있다.FIG. 8 is a block diagram schematically showing another exemplary structure of the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 of the electrochemical cell 100 shown in FIG. Referring to FIG. 8, the air recirculation unit 130 may further include a separation membrane 133 for separating oxygen from the air discharged through the air outlet 120b of the battery module 120. This separation membrane 133 may be the same as the separation membrane 35 shown in Fig. For example, the separation membrane 133 may be disposed in the air passage 131. Therefore, the separation membrane 133 can separate only oxygen from the air that is discharged through the air outlet 120b of the battery module 120 and recirculated along the air flow path 131. [ The oxygen separated from the separation membrane 133 may continue to flow along the air flow path 131 and be supplied to the battery module 120 through the air inlet 120a. The air other than oxygen (for example, nitrogen) filtered by the separation membrane 133 can be discharged to the outside through the discharge port 133a.

본 실시예의 경우, 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기 중의 산소가 공기 유로(131) 내의 분리막(133)에 의해 분리되기 때문에, 공기 유로(131)가 산소 발생기(113)에 연결될 필요가 없다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공기 유로(131)는 전지 모듈(130)의 공기 유입구(120a)와 공기 배출구(120b) 사이에 연결될 수 있다. 예를 들어, 공기 유로(131)의 제 1 단부는 공기 배출구(120b)에 연결되며, 공기 유로(131)의 제 2 단부는 제 1 밸브(114a)에 연결되거나 또는 공기 유입구(120b)에 직접 연결될 수도 있다. 그러면, 공기 유로(131)는 공기 배출구(120b)로부터 배출되는 공기를 공기 유입구(120a)에 직접 전달할 수 있으며, 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기와 산소 발생기(113)를 통해 공급되는 공기는 공기 유입구(120a)에서 함께 혼합되어 전지 모듈(120)에 제공될 수 있다.Since the oxygen in the air discharged through the air outlet 120b is separated by the separation membrane 133 in the air passage 131, the air passage 131 need not be connected to the oxygen generator 113 . The air flow path 131 may be connected between the air inlet 120a and the air outlet 120b of the battery module 130 as shown in FIG. For example, the first end of the air passage 131 is connected to the air outlet 120b, and the second end of the air passage 131 is connected to the first valve 114a or directly to the air inlet 120b Lt; / RTI > The air flow path 131 can direct the air discharged from the air outlet 120b to the air inlet 120a and the air discharged through the air outlet 120b and the air supplied through the oxygen generator 113 May be mixed together at the air inlet 120a and provided to the battery module 120. [

또한, 분리막(133)의 산소 분리 효율을 향상시키고 공기 유로(131)에서의 공기 이동을 원활하게 하기 위하여 공기 재순환부(130)는 펌프(134)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프(134)는 공기 배출구(120b)와 분리막(133) 사이에서 공기 유로(131) 상에 배치되어, 공기를 공기 배출구(120b)로부터 공기 유입구(120a)로 진행시킬 수 있다.The air recirculation unit 130 may further include a pump 134 to improve the efficiency of oxygen separation in the separation membrane 133 and smooth air movement in the air channel 131. For example, the pump 134 may be disposed on the air passage 131 between the air outlet 120b and the separator 133 to advance air from the air outlet 120b to the air inlet 120a.

상술한 전기화학 전지(100)는 전지 모듈(120)에 제공되는 공기 중의 산소 농도를 대기 중의 산소 농도보다 높은 범위에서 최적으로 유지하기 때문에 전기화학 전지(100)의 성능을 최적화할 수 있다. 따라서, 낮은 산소 농도에 의한 전기화학 전지(100)의 성능 감소를 방지하고, 지나치게 높은 산소 농도에 의한 양극 물질의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 개시된 실시예들에 따르면, 전기화학 전지(100)는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈(120) 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. 즉, 전지 모듈(120) 내에서의 반응에 참여하지 않고 배출되는 산소를 다시 사용하기 때문에 외부로부터 전지 모듈(120)에 공급되는 공기의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 전지 모듈(120)에 공기를 공급하기 위하여 소모되는 전력, 예를 들어, 공기 흡입기(111), 수분 제거기(112), 및 산소 발생기(113)에서 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.The electrochemical cell 100 can optimize the performance of the electrochemical cell 100 because it optimally maintains the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 in a range higher than the oxygen concentration in the atmosphere. Therefore, the performance of the electrochemical cell 100 due to the low oxygen concentration can be prevented from being reduced, and the deterioration of the cathode material due to the excessively high oxygen concentration can be prevented. Also, according to the disclosed embodiments, the electrochemical cell 100 can efficiently maintain the oxygen concentration in the battery module 120 to be constant by recirculating the air discharged from the battery module 120. That is, since the oxygen discharged from the battery module 120 does not participate in the reaction, the amount of air supplied from the outside to the battery module 120 can be reduced. Thus, the power consumed in supplying the air to the battery module 120, for example, the air inhale 111, the water eliminator 112, and the oxygen generator 113 can be reduced.

도 9는, 예를 들어 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에, 도 5에 도시된 공기 공급부(110)와 공기 재순환부(130)의 구조에서 공기 재순환부(130)를 이용함으로써 외부로부터 공급되는 공기의 양을 줄일 수 있음을 예시적으로 보이고 있다. 도 9의 예에서, 전지 모듈(120) 내에서의 반응에 필요한 산소의 양을 60L/min라고 가정하고, 제어부(150)는 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 70%로 유지한다고 가정한다. 또한, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입되는 산소량의 비율을 2라고 가정한다. 즉, 전지 모듈(120) 내에서의 반응에 필요한 산소의 양이 60L/min이면, 전지 모듈(120)에는 120L/min의 산소가 공급된다. 그리고, 산소 발생기(113)의 산소 농축 효율을 60%라고 가정하고, 공기 중에서 산소 이외의 기체는 모두 질소라고 가정한다.9 is a view showing the structure of the air supply unit 110 and the air recirculation unit 130 shown in FIG. 5 when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air cell, 130, the amount of air supplied from the outside can be reduced. 9, assuming that the amount of oxygen required for the reaction in the battery module 120 is 60 L / min, the controller 150 maintains the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 at 70% . It is also assumed that the ratio of the amount of oxygen actually input to the battery module 120 to the amount of oxygen required by the battery module 120 is 2. That is, when the amount of oxygen required for the reaction in the battery module 120 is 60 L / min, 120 L / min of oxygen is supplied to the battery module 120. Assuming that the oxygen concentration efficiency of the oxygen generator 113 is 60%, it is assumed that all the gases other than oxygen in the air are nitrogen.

도 9를 참조하면, 전지 모듈(120)의 공기 유입구(120a)를 통해 공급되는 공기는 120L/min의 산소와 51L/min의 질소를 포함한다. 전지 모듈(120)의 동작시에 60L/min의 산소를 소모하므로 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기는 60L/min의 산소와 51L/min의 질소를 포함한다. 이 경우, 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기 중의 산소 농도는 약 54%이다. 공기 배출구(120b)를 통해 배출되는 공기는 공기 유로(131)를 통해 모두 산소 발생기(113)에 전달된다. 산소 농축 효율이 60%인 산소 발생기(113)가 120L/min의 산소를 추출하기 위해서는 200L/min의 산소가 필요하다. 공기 유로(131)를 통해 60L/min의 산소가 제공되므로, 공기 흡입기(111)는 140L/min의 산소를 추가적으로 산소 발생기(113)에 제공하면 된다. 예컨대, 대기 중의 산소 농도가 21%이므로, 공기 흡입기(111)는 140L/min의 산소와 527L/min의 질소를 외부로부터 흡입하고, 수분 제거기(112)가 흡입 공기 중의 수분을 제거한 다음, 산소 발생기(113)에 제공할 수 있다. 그러면 산소 발생기(113)에 공급되는 전체 공기는 200L/min의 산소와 578L/min의 질소를 포함하게 된다. 그런 후, 산소 발생기(113)는 제어부(150)의 제어에 따라 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 70%로 유지하기 위하여 80L/min의 산소와 527L/min의 질소를 외부로 배출하고, 120L/min의 산소와 51L/min의 질소를 전지 모듈(120)에 공급할 수 있다.Referring to FIG. 9, the air supplied through the air inlet 120a of the battery module 120 includes 120 L / min of oxygen and 51 L / min of nitrogen. Since the battery module 120 consumes 60 L / min of oxygen, the air discharged through the air outlet 120b contains 60 L / min of oxygen and 51 L / min of nitrogen. In this case, the oxygen concentration in the air discharged through the air outlet 120b is about 54%. The air discharged through the air outlet 120b is transmitted to the oxygen generator 113 through the air passage 131. [ The oxygen generator 113 having the oxygen concentration efficiency of 60% needs oxygen of 200 L / min to extract oxygen of 120 L / min. Since oxygen of 60 L / min is provided through the air channel 131, the air inhaler 111 may additionally supply 140 L / min of oxygen to the oxygen generator 113. For example, since the oxygen concentration in the atmosphere is 21%, the air inhaler 111 sucks oxygen of 140 L / min and nitrogen of 527 L / min from the outside, and after the water eliminator 112 removes moisture in the intake air, (113). Then, the total air supplied to the oxygen generator 113 contains 200 L / min of oxygen and 578 L / min of nitrogen. Then, the oxygen generator 113 supplies 80 L / min of oxygen and 527 L / min of nitrogen to the outside in order to maintain the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 to 70% under the control of the controller 150 And 120 L / min of oxygen and 51 L / min of nitrogen can be supplied to the battery module 120.

도 9의 예에서 알 수 있듯이, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 공기 재순환부(130)를 이용하여 재순환시키는 경우, 공기 흡입기(111)는 667L/min의 공기(140L/min의 산소와 527L/min의 질소)를 흡입하면 된다. 반면, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환하지 않는 경우에는, 산소 발생기(113)에 200L/min의 산소를 제공하기 위하여 공기 흡입기(111)는 952L/min의 공기(200L/min의 산소와 752L/min의 질소)를 흡입하여야 한다. 여기서, 752L/min의 질소는 대기 중의 산소 농도가 21%라고 가정하고 계산된 것이다. 따라서, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 공기 흡입기(111)가 흡입하는 공기의 양을 약 30% 정도 감소시킬 수 있으며, 공기 흡입기(111)와 수분 제거기(112)의 부하를 그만큼 줄일 수 있다.9, when the air discharged from the battery module 120 is recirculated by using the air recirculation unit 130, the air inlets 111 are supplied with 667 L / min of air (140 L / min of oxygen and Nitrogen of 527 L / min) may be sucked in. On the other hand, when the air discharged from the battery module 120 is not recirculated, in order to provide 200 L / min of oxygen to the oxygen generator 113, the air inlets 111 are filled with 952 L / min of air (200 L / And 752 L / min of nitrogen) should be inhaled. Here, nitrogen of 752 L / min is calculated assuming that the oxygen concentration in the atmosphere is 21%. Therefore, by recirculating the air discharged from the battery module 120, the amount of air sucked by the air inlets 111 can be reduced by about 30%, and the load of the air inlets 111 and the water removers 112 can be reduced Can be reduced.

한편, 도 10은, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 고정할 때, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입된 산소량의 비율에 따른 공기 공급 유량 감소의 감소 비율을 보이는 그래프이다. 예를 들어, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량이 60L/min일 때, 60L/min의 산소를 공급하면 상기 비율은 1이 된다. 상기 비율이 1인 경우에는, 전지 모듈(120)에 공급된 산소가 모두 소모되므로 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도는 0%가 될 것이다. 따라서 공기 흡입기(111)에서의 공기 공급 유량이 감소하지 않는다. 도 10의 그래프를 참조하면, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입된 산소량의 비율이 증가할수록, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도가 더 증가하며 공기 흡입기(111)에서의 공기 공급 유량이 더 감소하게 된다.10 is a graph showing the relationship between the concentration of oxygen in the air supplied to the battery module 120 and the electrical conductivity of the battery module 120 when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metallic air battery cell. 120 is a graph showing the rate of reduction of the air supply flow rate according to the ratio of the amount of oxygen actually injected into the battery module 120. FIG. For example, when the amount of oxygen required in the battery module 120 is 60 L / min, when 60 L / min of oxygen is supplied, the ratio becomes 1. If the ratio is 1, the oxygen supplied to the battery module 120 is consumed, so that the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120 will be 0%. Therefore, the air supply flow rate in the air inlets 111 does not decrease. 10, as the ratio of the amount of oxygen actually injected into the battery module 120 increases relative to the amount of oxygen required in the battery module 120, the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120 increases further, The air supply flow rate in the inhaler 111 is further reduced.

도 11은, 예를 들어, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입된 산소량의 비율을 일정하게 고정할 때, 산소 발생기(113)에서의 산소 농축 효율에 따른 공기 공급 유량 감소의 감소 비율을 보이는 그래프이다. 도 11의 그래프는 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입된 산소량의 비율을 2라고 가정한 것이다. 도 11을 참조하면, 산소 발생기(113)의 산소 농축 효율이 증가할수록, 전지 모듈(120)에 공급되는 공기 중의 산소 농도 및 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도가 증가하며, 공기 흡입기(111)에서의 공기 공급 유량도 감소하게 된다.11 is a graph showing the relationship between the amount of oxygen actually supplied to the battery module 120 and the amount of oxygen supplied to the battery module 120 in a case where the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air battery cell, A reduction ratio of the air supply flow rate reduction according to the oxygen concentration efficiency in the oxygen generator 113 is shown. The graph of FIG. 11 assumes that the ratio of the amount of oxygen actually input to the battery module 120 to the amount of oxygen required by the battery module 120 is 2. Referring to FIG. 11, as the oxygen concentration efficiency of the oxygen generator 113 increases, the oxygen concentration in the air supplied to the battery module 120 and the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120 increase, The flow rate of the air supplied from the fuel tank 111 also decreases.

도 10 및 도 11의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 전기화학 전지(100)의 전체적인 효율을 고려할 때, 공기 흡입기(111)에서의 공기 공급 유량의 감소 효과가 크지 않은 경우에는 공기의 재순환을 중지하는 것이 유리할 수도 있다. 즉, 전지 모듈(120)에서 요구되는 산소량 대비 전지 모듈(120)에 실제 투입된 산소량의 비율이 작을 때, 산소 발생기(113)의 산소 농축 효율이 낮을 때, 또는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도가 낮을 때, 제어부(150)는 제 3 밸브(132)를 폐쇄하여 공기의 재순환을 중지할 수도 있다. 예컨대, 제어부(150)는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도에 따라 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환하거나 재순환하지 않도록 공기 재순환부(130)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도가 대기 중의 산소 농도인 21%보다 낮으면, 제어부(150)는 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 재순환하지 않도록 공기 재순환부(130)를 제어할 수 있다.10 and 11, when the overall efficiency of the electrochemical cell 100 is considered, when the effect of decreasing the air supply flow rate in the air inhaler 111 is not large, the air recirculation is stopped May be advantageous. That is, when the ratio of the amount of oxygen actually injected into the battery module 120 is smaller than the amount of oxygen required in the battery module 120, when the oxygen concentration efficiency of the oxygen generator 113 is low or when the air discharged from the battery module 120 The controller 150 may close the third valve 132 to stop the recirculation of the air. For example, the control unit 150 may control the air recirculation unit 130 so that the air discharged from the battery module 120 is not recirculated or recirculated according to the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120. Specifically, when the oxygen concentration in the air discharged from the battery module 120 is lower than 21% of the oxygen concentration in the atmosphere, the controller 150 controls the air recirculation unit 130 (not shown) to recirculate the air discharged from the battery module 120 Can be controlled.

도 9 내지 도 11에서는 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 금속 공기 전지셀인 경우에 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 공기 재순환부(130)를 이용하여 재순환시키는 효과에 대해 알아보았다. 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 연료 전지셀인 경우에도, 전지 모듈(120)로부터 배출되는 공기를 공기 재순환부(130)로 재순환시킴으로써 전기화학 전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.9 to 11, the effect of recirculating the air discharged from the battery module 120 using the air recirculation unit 130 when the electrochemical battery cell of the battery module 120 is a metal air battery cell has been examined . The efficiency of the electrochemical cell 100 can be improved by recirculating the air discharged from the battery module 120 to the air recirculation unit 130 even when the electrochemical cell of the battery module 120 is a fuel cell .

지금까지, 공기 재순환을 통해 산소 농도를 유지하는 전기화학 전지에 대한 다양한 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 권리범위를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 권리범위는 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.Up to now, various embodiments of an electrochemical cell that maintains oxygen concentration through air recirculation have been described and shown in the accompanying drawings. It should be understood, however, that such embodiments are for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention. It is to be understood that the scope of the claims is not limited to the illustrated and described embodiments. Since various other modifications may occur to those of ordinary skill in the art.

31a, 32a.....흡착재 31b, 32b.....재생부
31, 32.....흡착부 34.....산소 분리 모듈
35, 133.....분리막 36.....펌프
37.....밸브 100.....전기 화학 전지
110.....공기 공급부 111.....공기 흡입기
112.....수분 제거기 112a.....수분 배출구
113.....산소 발생기 113a, 113b.....공기 배출구
114a, 114b, 132.....밸브 120.....전지 모듈
130.....공기 재순환부 131.....공기 유로
134.....펌프 140.....산소 센서
150.....제어부31a, 32a ..... sorbent material 31b, 32b ..... regeneration section
31, 32 ..... Adsorption part 34 ..... Oxygen separation module
35, 133 ..... Membrane 36 ..... Pump
37 ..... valve 100 ..... electrochemical cell
110 ..... air supply part 111 ..... air inhaler
112 ..... water eliminator 112a ..... water outlet
113 ..... oxygen generator 113a, 113b ..... air outlet
114a, 114b, 132 ..... valve 120 ..... battery module
130 ..... Air recirculation part 131 ..... Air flow
134 ..... Pump 140 ..... Oxygen sensor
150 ..... controller

Claims

A battery module including at least one electrochemical battery cell;
An air supply unit configured to supply air to the battery module to maintain a constant oxygen concentration in the air supplied to the battery module; And
And an air recirculation unit configured to recirculate air discharged from the battery module,
Wherein the battery module includes an air inlet through which air is introduced from the air supply unit and an air outlet through which air remaining in the battery cell reacts and discharges the air, An electrochemical cell configured to recirculate to a module.

The method according to claim 1,
Wherein the air recirculation unit includes an air flow path for delivering air discharged to the air discharge port to the air supply unit.

3. The method of claim 2,
The air supply unit includes:
An air suction unit for sucking outside air; And
And an oxygen generator for generating oxygen by separating oxygen from the sucked air.

The method of claim 3,
Wherein the air flow path is connected between the air outlet of the battery module and the oxygen generator.

5. The method of claim 4,
Wherein the air dried by the water eliminator and the air discharged from the battery module are mixed and supplied to the oxygen generator.

The method of claim 3,
Wherein the oxygen generator is configured to filter oxygen by an adsorption / desorption method or a separating membrane method.

The method according to claim 6,
The adsorption / desorption method includes any one of PSA (pressure swing adsorption), TSA (thermal swing adsorption), PTSA (pressure thermal swing adsorption), and VSA (vacuum swing adsorption).

The method of claim 3,
Wherein the oxygen generator includes a first outlet connected to the battery module for providing the separated oxygen to the battery module, and a second outlet for discharging gas remaining after separating oxygen.

9. The method of claim 8,
And the air supply unit is configured to return at least a part of the gas discharged from the first discharge port to the oxygen generator.

10. The method of claim 9,
Wherein the air to be refluxed is mixed with the air dried by the water remover and the air discharged from the battery module, and is supplied to the oxygen generator.

The method of claim 3,
Wherein the air supply unit further comprises a moisture removing unit for removing moisture in the sucked air.

The method according to claim 1,
Wherein the air recirculation unit includes an air flow path for directly delivering air discharged to the air discharge port to the air inlet.

13. The method of claim 12,
Wherein the air recirculation unit further comprises a separation membrane disposed on the air flow path for separating oxygen from air discharged from the air discharge port and recirculated to the air inlet.

14. The method of claim 13,
Wherein the separation membrane provides separated oxygen to the air inlet and discharges gas other than oxygen to the outside.

14. The method of claim 13,
Wherein the air recirculation unit further includes an air pump disposed on the air flow path to advance air from the air discharge port to the air inlet.

14. The method of claim 13,
Wherein the air recirculation unit further includes a valve that opens or closes the air flow path.

The method according to claim 1,
Further comprising a control unit for controlling the air supply unit and the air recirculation unit to maintain a constant oxygen concentration in the air supplied to the battery module.

18. The method of claim 17,
Wherein the control unit controls the air supply unit and the air recirculation unit such that the oxygen concentration in the air supplied to the battery module is maintained at a predetermined concentration within a range of 30% or more and less than 100%.

18. The method of claim 17,
Further comprising an oxygen sensor for measuring at least one oxygen concentration among the oxygen concentration in the air supplied to the battery module, the oxygen concentration in the battery module, and the oxygen concentration in the air discharged from the battery module.

20. The method of claim 19,
Wherein the control unit controls the air supply unit to increase the oxygen concentration in the air supplied to the battery module when the oxygen concentration in the battery module is lower than a predetermined concentration,
Wherein the control unit controls the air supply unit to reduce the oxygen concentration in the air supplied to the battery module when the oxygen concentration in the battery module is higher than a predetermined concentration.

20. The method of claim 19,
Wherein the control unit controls the air recirculation unit so as not to recirculate or recirculate the air discharged from the battery module according to the concentration of oxygen in the air discharged from the battery module.

22. The method of claim 21,
Wherein the controller controls the air recirculation unit so as not to recirculate the air discharged from the battery module when the oxygen concentration in the air discharged from the battery module is lower than the oxygen concentration in the air.

23. The method of claim 22,
Wherein the air recirculation unit includes an air flow path for delivering air discharged to the air discharge port to the air supply unit, and a valve for opening or closing the air flow path.

The method according to claim 1,
Wherein the battery module comprises at least one metal air battery cell using oxygen in the air as a cathode active material, or at least one fuel cell cell converting chemical energy of the fuel into electrical energy by an electrochemical reaction.