KR102484896B1 - 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템 - Google Patents

볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스택 형태로 구비된 리튬-공기 배터리의 산소 공급구에 볼텍스 튜브를 연결하여, 볼텍스 튜브에서 발생하는 고온 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하여 안정적인 반응을 유도할 수 있고, 동시에 볼텍스 튜브에서 발생하는 저온 기체를 리튬-공기 배터리의 냉각경로에 공급하여 리튬-공기 배터리의 원활한 냉각이 이루어질 수 있도록 한 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템{LITHIUM-AIR BATTERY SYSTEM USINF VOLTEX TUBE}
본 발명은 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 볼텍스 튜브를 이용하여 리튬-공기 배터리에 안정적인 반응을 위한 고온 기체를 공급하거나 냉각을 위한 저온 기체를 공급할 수 있도록 한 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템에 관한 것이다.
리튬-공기 배터리 시스템은 산소와 리튬의 반응을 통해 전기를 생산하는 2차 전지의 일종으로서, 전체 시스템의 효율적인 운전을 위해서 리튬-공기 배터리에 공급되는 산소의 온도를 적정하게 유지하여야 하고, 전체 시스템의 안정성을 위해서는 리튬-공기 배터리 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 방출 제어할 수 있어야 한다.
일반적인 리튬-공기 배터리 시스템의 경우, 봄베에서 리튬-공기 배터리로 공급되는 산소가 특별한 온도 조절 단계를 거치지 않은 채 공급되므로, 리튬-공기 배터리의 온도는 리튬-공기 배터리에 별도로 구비되는 냉각 장치를 통해서 조절되고 있다.
그러나, 리튬-공기 배터리에 냉각 경로를 갖는 냉각 장치를 장착해야 함에 따라 리튬-공기 배터리의 부피가 커지게 되고, 냉각 장치의 가동을 위한 외부에너지가 더 필요한 단점이 있으며, 또한 냉각 장치가 일정한 운전 조건으로 작동하지 않을 경우 리튬-공기 배터리의 화학적 반응 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택 형태로 구비된 리튬-공기 배터리의 기체 공급구에 볼텍스 튜브를 연결하여, 볼텍스 튜브에서 발생하는 고온 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하여 안정적인 반응을 유도할 수 있고, 동시에 볼텍스 튜브에서 발생하는 저온 기체를 리튬-공기 배터리의 냉각경로에 공급하여 리튬-공기 배터리의 원활한 냉각이 이루어질 수 있도록 한 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 리튬-공기 배터리; 상기 리튬-공기 배터리에 전기생성을 위한 반응 기체를 공급하는 기체공급수단; 및 상기 리튬-공기 배터리와 기체공급수단 사이에 배치되어, 기체공급수단으로부터 공급되는 기체를 고온의 기체와 저온의 기체로 분리 생성하는 볼텍스 튜브; 를 포함하고, 상기 볼텍스 튜브에서 생성되는 고온의 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하는 동시에 저온의 기체를 리튬-공기 배터리의 냉각경로에 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템을 제공한다.
특히, 상기 볼텍스 튜브의 메인바디에 형성된 압축기체 공급구 및 저온기체 배출구는 각각 기체를 공급하는 기체공급수단과 리튬-공기 배터리의 냉각경로 입구에 연결되고, 상기 볼텍스 튜브의 볼텍스 순환튜브에 형성된 고온기체 배출구는 리튬-공기 배터리의 기체 입구에 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기체공급수단은 기체저장탱크와, 기체저장탱크의 출구쪽에 장착되어 기체 배출 압력을 일정하게 조정하는 레귤레이터로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기체공급수단과 상기 볼텍스 튜브의 메인바디에 형성된 압축기체 공급구 사이에는 제1삼방향 밸브가 배치되고, 상기 리튬-공기 배터리의 기체 출구 및 냉각경로 출구에는 제2삼방향 밸브가 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1삼방향 밸브와 제2삼방향 밸브 간에는 리튬-공기 배터리로부터 배출되는 기체를 볼텍스 튜브로 재순환시키기 위한 재순환라인이 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 재순환라인에는 재순환 기체를 제1삼방향밸브쪽으로 불어주기 위한 블로워가 장착되고, 더욱이 상기 재순환라인의 말단부에는 제1삼방향 밸브로 흐르는 기체의 역류 방지를 위한 체크밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 볼텍스 튜브를 통과한 고온의 산소를 리튬-공기 배터리의 양극에 공급함으로써, 리튬-공기 배터리의 안정적인 전기 생성 반응을 유도할 수 있다.
둘째, 볼텍스 튜브를 통과한 저온의 산소를 리튬-공기 배터리의 냉각경로에 공급함으로써, 리튬-공기 배터리가 실시간으로 용이하게 냉각될 수 있다.
셋째, 별도의 동력이 필요없는 볼텍스 튜브를 이용하여 고압의 산소를 고온의 저압 산소와 저온의 저압 산소로 분리하여 리튬-공기 배터리에 공급할 수 있으므로, 전체 리튬-공기 배터리 시스템의 전기 생성을 위한 운전 효율 및 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
넷째, 기존에 리튬-공기 배터리에 별도로 장착되던 냉각시스템을 배제하거나 냉각시스템의 부하를 줄일 수 있으므로, 비용적인 측면에서 유리한 점이 있다.
도 1은 볼텍스 튜브의 구조 및 동작 상태를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템을 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템의 작동 상태를 도시한 구성도,
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 볼텍스 튜브의 구조 및 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 볼텍스 튜브의 구조 및 동작 상태를 나타낸다.
상기 볼텍스 튜브(100, Vortex Tube)는 고속으로 회전하는 소용돌이 기체를 자발적인 에너지 분리 현상을 이용하여 고온의 기체와 저온의 기체로 분리 생성하는 것으로서, 볼텍스 발생 챔버(104)를 갖는 메인바디(110)와, 메인바디(110)의 일측에 볼텍스 발생 챔버(104)와 연통되며 연결되는 볼텍스 순환튜브(120)와, 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부에 장착되어 고온기체 배출구(122) 크기를 조절하는 조절밸브(130) 등을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 메인바디(110)의 상부에는 볼텍스 발생 챔버(104)에 압축기체를 공급하는 압축기체 공급구(102)가 형성되고, 메인바디(110)의 타측에는 저온기체 배출구(106)가 형성된다.
따라서, 고압으로 압축된 압축기체가 압축기체 공급구(102)를 통해 볼텍스 발생 챔버(104)로 공급되면, 볼텍스 발생 챔버(104)의 벽면에 접하면서 볼텍스 순환튜브(120)를 향하며 수직 분사된다.
이어서, 상기 볼텍스 순환튜브(120)로 분사된 기체(G1)는 마치 회오리 바람과 같이 선회 에너지를 가지면서 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부 쪽으로 이동한다.
또한, 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부로 선회 이동하는 기체(G1)의 선회 운동에너지는 점성손실로 인하여 열 에너지로 변환됨으로써, 기체가 고온으로 상승하게 된다.
연이어, 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부에 장착된 조절밸브(130)가 소정의 개도로 개방된 상태이면, 위와 같이 열 에너지로 변환되면서 온도 상승된 고온의 기체 중 일부가 고온기체 배출구(122)를 통해 배출된다.
이와 동시에, 상기 고온기체 배출구(122)로 배출되지 않은 나머지 기체는 방향을 반대로 바꾸어 볼텍스 순환튜브(120)의 중심부를 따라 선회하며 역류하게 된다.
이때, 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 중심부를 따라 선회하며 역류하는 기체(G2)와, 이 역류 기체(G2)의 주변에서 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부로 선회 이동하는 기체(G1)는 거의 같은 온도를 나타내지만, 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 중심부를 따라 선회하며 역류하는 기체(G2)의 선회 속도가 더 느리기 때문에 총 엔탈피가 볼텍스 순환튜브(120)의 말단부로 선회 이동하는 기체(G1)에 비해 더 작은 상태가 된다.
이에, 상기 볼텍스 순환튜브(120)의 중심부를 따라 선회하며 역류하는 기체(G2)는 점차 열을 잃어버리며 냉각되어 저온의 기체 상태가 된 후, 저온기체 배출구(106)를 통해 배출된다.
본 발명은 상기와 같은 구성 및 동작을 하는 볼텍스 튜브를 이용하여, 고온 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하여 안정적인 반응을 유도할 수 있고, 동시에 저온 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하여 리튬-공기 배터리의 원활한 냉각이 이루어질 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템를 나타낸다.
도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템은 리튬-공기 배터리(200)와, 이 리튬-공기 배터리(200)에 전기생성을 위한 반응 기체를 공급하는 기체공급수단과, 상기 리튬-공기 배터리(200)와 기체공급수단 사이에 배치되어 기체공급수단으로부터 공급되는 기체를 고온의 기체와 저온의 기체로 분리 생성하는 볼텍스 튜브(100)를 포함하여 구성된다.
이러한 구성을 통하여, 상기 볼텍스 튜브(100)에서 생성되는 고온의 기체는 리튬-공기 배터리(200)의 양극에 공급되고, 동시에 저온의 기체는 리튬-공기 배터리(200)의 냉각경로에 공급된다.
이에, 상기 볼텍스 튜브(100)가 배터리 셀들이 스택 구조로 구비된 리튬-공기 배터리(200)에 기체(예, 산소 또는 공기)를 공급할 수 있게 연결된다.
보다 상세하게는, 상기 볼텍스 튜브(100)의 구성 중, 메인바디(110)의 상부에 형성된 압축기체 공급구(102)에 고압으로 압축된 기체를 공급하는 기체공급수단이 제1배선라인(131)을 매개로 연결되고, 메인바디(110)의 저온기체 배출구(106)는 리튬-공기 배터리(200)의 냉각경로 입구(204)에 제3배선라인(133)을 매개로 연결되며, 볼텍스 순환튜브(120)의 고온기체 배출구(122)는 리튬-공기 배터리(200)의 기체 입구(202)에 제2배선라인(132)을 매개로 연결된다.
또한, 상기 리튬-공기 배터리(200)의 기체 출구(206) 및 냉각경로 출구(208)에 각각 연결되는 제4배선라인(134) 및 제5배선라인(135)에는 제2삼방향 밸브(142)가 연결된다.
이때, 상기 기체공급수단은 산소 또는 공기와 같은 기체가 저장된 기체저장탱크(140)와, 기체저장탱크(140)의 출구쪽에 장착되어 기체 배출 압력을 일정하게 조정하는 레귤레이터(143)를 포함하여 구성될 수 있고, 또는 상기 기체공급수단은 외부공기를 압축하여 공급할 수 있는 컴프레서 등과 같은 외부공기 공급장치 등으로 채택될 수 있다.
또한, 상기 레귤레이터(143)와 상기 메인바디(110)의 압축기체 공급구(102)간에 연결된 제1배선라인(131)에는 제1삼방향 밸브(141)가 연결된다.
또한, 상기 제1삼방향 밸브(141)와 제2삼방향 밸브(142) 간에는 리튬-공기 배터리(200)로부터 배출되는 기체를 제1배선라인(131)을 경유하여 볼텍스 튜브(100)로 재순환시킬 수 있도록 한 재순환라인(136)이 연결되고, 재순환라인(136)에는 재순환 기체를 제1삼방향밸브(141)쪽으로 불어주기 위한 블로워(137)가 장착된다.
바람직하게는, 상기 재순환라인(136)에 체크밸브(138)를 장착하여, 재순환라인(136)을 따라 제1삼방향 밸브(141)로 흐르는 기체가 역류되는 것을 방지하도록 한다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템의 작동 흐름을 나타낸다.
먼저, 고압의 기체저장탱크(140: 예, 100bar 이상)로부터 기체(산소)가 배출된 후, 레귤레이터(143)에서 저압(2~5bar)으로 감압된다.
연이어, 상기 레귤레이터(143)에서 감압된 기체는 제1삼방향 밸브(141)를 통과하여 상기 볼텍스 튜브(100)로 흐르게 된다.
이어서, 상기 볼텍스 튜브(100)로 흘러 온 기체는 메인바디(110)의 압축기체 공급구(102)를 통하여 볼텍스 발생 챔버(104)로 공급된 후, 상기와 같이 고온의 기체(산소)와 저온의 기체(산소)로 분리된다.
한편, 상기 볼텍스 튜브(100)에서 분리되는 저온의 기체 온도(예, 저온의 산소 또는 공기 온도)는 볼텍스 튜브로 최초 공급되는 기체 압력에 의하여 조절될 수 있다.
즉, 상기 볼텍스 튜브에서 분리되는 기체의 최대 온도 감소폭은 볼텍스 튜브에 최초 공급되는 기체 압력에 비례한다.
예를 들어, 상기 볼텍스 튜브로 최초 공급되는 기체(예, 산소 또는 공기) 압력이 2 bar이면, 최초 공급되는 기체 온도 대비 볼텍스 튜브에서 분리되는 저온의 기체 온도는 약 17℃ 떨어지게 되고, 또한 볼텍스 튜브로 최초 공급되는 기체(예, 산소 또는 공기) 압력이 3 bar이면, 최초 공급되는 기체 온도 대비 볼텍스 튜브에서 분리되는 저온의 기체 온도는 약 27℃ 떨어지게 된다.
따라서, 상기 볼텍스 튜브에 최초 공급되는 기체 압력이 3 bar라 가정하면, 기체저장탱크의 기체 온도가 24℃일 때, 볼텍스 튜브에서 분리되는 저온의 기체 온도는 약 -3℃, 고온의 기체 온도는 약 34℃가 된다.
또한, 상기 볼텍스 튜브에 공급되는 기체 압력 및 유량 조절을 통하여 저온의 기체 온도는 약 -3℃ ~ 24℃ 범위로 조절 가능하고, 고온의 기체 온도는 약 24℃ 85℃ 범위까지 조절 가능하다.
이와 같이, 상기 볼텍스 튜브(100)로 공급된 기체가 고온의 기체(산소 또는 공기)와 저온의 기체(산소 또는 공기)로 분리된 후, 고온의 기체는 고온기체 배출구(122)를 통해 배출되는 동시에 리튬-공기 배터리(200)의 기체 입구(202)를 통과한 다음, 리튬-공기 배터리(200) 내의 양극(미도시됨)으로 공급되어 전기에너지를 생성하는 반응을 하게 된다.
이에, 상기 리튬-공기 배터리(200)의 전기 생성 반응에 고온의 기체를 사용함으로써, 전기화학적 반응을 더욱 활성화시킬 수 있고, 그에 따라 리튬-공기 배터리의 충전 용량 증가를 도모할 수 있다.
반면, 상기 볼텍스 튜브(100)로 공급된 기체가 고온의 기체와 저온의 기체로 분리된 후, 저온의 기체는 저온기체 배출구(106)를 통해 배출되는 동시에 리튬-공기 배터리(200)의 냉각경로 입구(204)를 통과한 다음, 리튬-공기 배터리(200) 내의 냉각경로(미도시됨)로 공급되어 리튬-공기 배터리의 전기 생성 반응시 발생하는 열을 냉각하게 된다.
이에, 리튬-공기 배터리(200)에 대한 냉각이 볼텍스 튜브에서 생성된 저온의 기체를 이용하여 이루어짐으로써, 기존에 리튬-공기 배터리에 별도 장착되던 냉각 장치를 배제시키거나 냉각장치의 부하를 줄일 수 있다.
또한, 기존에 리튬-공기 배터리에 별도 장착되는 냉각장치의 소모 동력을 줄일 수 있고, 냉각장치에 필요한 장비의 규모를 줄일 수 있다.
이때, 상기 리튬-공기 배터리(200)에 대한 냉각이 필요하지 않을 경우, 리튬 -공기 배터리의 배출측으로 저온의 기체를 바이패스시켜서 반응을 마친 배출 기체와 혼합되도록 함으로써, 반응을 마친 기체에 포함되어 유실되는 전해질을 응축시켜 전해질 유실을 줄일 수 있는 효과도 제공할 수 있다.
다음으로, 상기 리튬-공기 배터리(200)에서 반응을 마친 고온의 기체와 냉각을 마친 저온의 기체는 각각 기체 출구(206) 및 냉각경로 출구(208)를 통해 배출된 후, 제2삼방향 밸브(142)에서 합쳐진 다음, 재순환라인(136)을 따라 제1삼방향 밸브(141)로 재순환된다.
이에, 상기 제1삼방향 밸브(141)로 재순환된 기체를 볼텍스 튜브(100)로 재순환시킬 수 있다.
100 : 볼텍스 튜브
102 : 압축기체 공급구
104 : 볼텍스 발생 챔버
106 : 저온기체 배출구
110 : 메인바디
120 : 볼텍스 순환튜브
122 : 고온기체 배출구
130 : 조절밸브
131 : 제1배선라인
132 : 제2배선라인
133 : 제3배선라인
134 : 제4배선라인
135 : 제5배선라인
136 : 재순환라인
137 : 블로워
138 : 체크밸브
140 : 기체저장탱크
141 : 제1삼방향 밸브
142 : 제2삼방향 밸브
143 : 레귤레이터
200 : 리튬-공기 배터리
202 : 기체 입구
204 : 냉각경로 입구
206 : 기체 출구
208 : 냉각경로 출구

Claims (7)

  1. 리튬-공기 배터리;
    상기 리튬-공기 배터리에 전기생성을 위한 반응 기체를 공급하는 기체공급수단;
    상기 리튬-공기 배터리와 기체공급수단 사이에 배치되어, 기체공급수단으로부터 공급되는 기체를 고온의 기체와 저온의 기체로 분리 생성하는 볼텍스 튜브;
    를 포함하고,
    상기 볼텍스 튜브에서 생성되는 고온의 기체를 리튬-공기 배터리에 공급하는 동시에 저온의 기체를 리튬-공기 배터리의 냉각경로에 공급할 수 있도록 하되,
    상기 볼텍스 튜브의 메인바디에 형성된 압축기체 공급구 및 저온기체 배출구는 각각 기체를 공급하는 기체공급수단과 리튬-공기 배터리의 냉각경로 입구에 연결되고, 상기 볼텍스 튜브의 볼텍스 순환튜브에 형성된 고온기체 배출구는 리튬-공기 배터리의 기체 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체공급수단은 기체저장탱크와, 기체저장탱크의 출구쪽에 장착되어 기체 배출 압력을 일정하게 조정하는 레귤레이터로 구성되거나, 외부공기를 가압하여 공급하는 컴프레서로 채택되는 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체공급수단과 상기 볼텍스 튜브의 메인바디에 형성된 압축기체 공급구 사이에는 제1삼방향 밸브가 배치되고, 상기 리튬-공기 배터리의 기체 출구 및 냉각경로 출구에는 제2삼방향 밸브가 배치된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1삼방향 밸브와 제2삼방향 밸브 간에는 리튬-공기 배터리로부터 배출되는 기체를 볼텍스 튜브로 재순환시키기 위한 재순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 재순환라인에는 재순환 기체를 제1삼방향밸브쪽으로 불어주기 위한 블로워가 장착된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 재순환라인의 말단부에는 제1삼방향 밸브로 흐르는 기체의 역류 방지를 위한 체크밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 이용한 리튬-공기 배터리 시스템.
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