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KR20170048115A - 공기 재순환을 통해 산소 농도를 유지하는 전기화학 전지 - Google Patents

공기 재순환을 통해 산소 농도를 유지하는 전기화학 전지 Download PDF

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KR20170048115A
KR20170048115A KR1020160006476A KR20160006476A KR20170048115A KR 20170048115 A KR20170048115 A KR 20170048115A KR 1020160006476 A KR1020160006476 A KR 1020160006476A KR 20160006476 A KR20160006476 A KR 20160006476A KR 20170048115 A KR20170048115 A KR 20170048115A
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South Korea
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air
battery module
oxygen
oxygen concentration
discharged
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권혁재
고정식
이흥찬
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삼성전자주식회사
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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.

Description

공기 재순환을 통해 산소 농도를 유지하는 전기화학 전지 {Electrochemical battery maintaining oxygen concentration by air recycling}
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.
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.
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.
전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환시킴으로써 전지 모듈 내의 산소 농도를 효율적으로 일정하게 유지시킬 수 있는 전기화학 전지를 제공한다.
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.
상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 공급부에 전달하는 공기 유로를 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부는, 외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입기; 및 흡입된 공기 중에서 산소를 분리하여 산소를 발생시키는 산소 발생기;를 포함할 수 있다.
상기 공기 유로는 상기 전지 모듈의 공기 배출구와 상기 산소 발생기 사이에 연결될 수 있다.
상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기와 상기 전지 모듈에서 배출된 공기가 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공될 수 있다.
상기 산소 발생기는 흡탈착 방식 또는 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성될 수 있다.
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.
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.
상기 공기 공급부는 상기 제 1 배출구로부터 배출되는 기체의 적어도 일부를 상기 산소 발생기로 환류시키도록 구성될 수 있다.
상기 환류되는 공기는 상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기 및 상기 전지 모듈에서 배출된 공기와 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공될 수 있다.
상기 공기 공급부는 흡입된 공기 중의 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함할 수도 있다.
상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 유입구에 직접 전달하는 공기 유로를 포함할 수 있다.
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.
상기 분리막은 분리된 산소를 상기 공기 유입구에 제공하며 산소 이외의 기체를 외부로 배출하도록 구성될 수 있다.
상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 유입구로 공기를 진행시키도록 상기 공기 유로 상에 배치된 공기 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기 재순환부는 상기 공기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
그러나, 전지 모듈(120)의 전기화학 전지셀이 연료 전지셀인 경우에는, 공기 공급부(110)에서 수분 제거부(112)가 생략될 수도 있다.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)로 이루어질 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.....제어부

Claims (24)

  1. 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 포함하며,
    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 구성된 전기화학 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 공급부에 전달하는 공기 유로를 포함하는 전기화학 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는:
    외부의 공기를 흡입하는 공기 흡입기; 및
    흡입된 공기 중에서 산소를 분리하여 산소를 발생시키는 산소 발생기;를 포함하는 전기화학 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기 유로는 상기 전지 모듈의 공기 배출구와 상기 산소 발생기 사이에 연결되어 있는 전기화학 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기와 상기 전지 모듈에서 배출된 공기가 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공되는 전기화학 전지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 산소 발생기는 흡탈착 방식 또는 분리부화막 방식으로 산소를 여과시키도록 구성된 전기화학 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    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 포함하는 전기화학 전지.
  8. 제 3 항에 있어서,
    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 포함하는 전기화학 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 상기 제 1 배출구로부터 배출되는 기체의 적어도 일부를 상기 산소 발생기로 환류시키도록 구성된 전기화학 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 환류되는 공기는 상기 수분 제거기에 의해 건조된 공기 및 상기 전지 모듈에서 배출된 공기와 혼합되어 상기 산소 발생기에 제공되는 전기화학 전지.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 흡입된 공기 중의 수분을 제거하는 수분 제거부를 더 포함하는 전기화학 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 유입구에 직접 전달하는 공기 유로를 포함하는 전기화학 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구에서 배출되어 상기 공기 유입구로 재순환되는 공기 중에서 산소를 분리하기 위하여 상기 공기 유로 상에 배치된 분리막을 더 포함하는 전기화학 전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리막은 분리된 산소를 상기 공기 유입구에 제공하며 산소 이외의 기체를 외부로 배출하도록 구성된 전기화학 전지.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로부터 상기 공기 유입구로 공기를 진행시키도록 상기 공기 유로 상에 배치된 공기 펌프를 더 포함하는 전기화학 전지.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브를 더 포함하는 전기화학 전지.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 모듈에 공급되는 공기 중의 산소 농도를 일정하게 유지하도록 상기 공기 공급부와 상기 공기 재순환부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 전기화학 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    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 제어하는 전기화학 전지.
  19. 제 17 항에 있어서,
    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 포함하는 전기화학 전지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    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 제어하는 전기화학 전지.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기 중의 산소 농도에 따라 상기 전지 모듈로부터 배출되는 공기를 재순환하거나 재순환하지 않도록 상기 공기 재순환부를 제어하는 전기화학 전지.
  22. 제 21 항에 있어서,
    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 제어하는 상기 전기화학 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 공기 재순환부는 상기 공기 배출구로 배출되는 공기를 상기 공기 공급부에 전달하는 공기 유로 및 상기 공기 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브를 포함하는 전기화학 전지.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 모듈은 공기 중의 산소를 양극 활물질로서 사용하는 적어도 하나의 금속 공기 전지셀 또는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함하는 전기화학 전지.
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