KR20140111066A - 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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김경식
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강호철
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Abstract

본 발명은 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 리튬 공기전지 및 리튬 공기전지의 공기유입관에 연결되어 유입되는 공기를 여과 및 가열하는 에어 컨디셔닝 장치를 포함하여, 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.

Description

리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차 {Lithium air battery system and vehicle having the same}
본 발명은 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 리튬 공기전지로 유입되는 공기를 여과 및 가열하여 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 소비에 따른 이산화탄소 배출량의 증가 및 원유가격의 급격한 변동 등을 배경으로 자동차의 에너지원은 가솔린 및 경유에서 전기에너지로 전환하는 기술개발이 주목을 받고 있다. 전기 자동차의 실용화는 진행되고 있으며, 장거리 주행을 위해서는 축전지인 리튬 이온 배터리의 대용량화 및 고에너지 밀도화가 요구되고 있다. 그러나 현재 리튬 이온 배터리는 배터리 용량에 제약이 있어 장거리 주행이 곤란한 단점이 있다. 따라서 이론 상 리튬 이온 배터리 보다 대용량이며 고에너지 밀도를 가진 리튬 공기 배터리가 주목을 받고 있다.
리튬 공기전지는 공기 중의 산소를 활물질로 이용하는 양극을 갖는 전지로, 양극에 있어서 산소의 산화 환원 반응을 행함에 따라 전지를 충방전 할 수 있는 전지이다.
일반적으로, 리튬 공기전지는 리튬 이온의 흡착 및 방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 상기 양극과 음극 사이에 리튬 이온 전도성 매체를 구비한다.
그리고 리튬 공기전지는 이론 에너지 밀도가 3000Wh/kg 이상이며, 이는 리튬 이온 배터리보다 대략 10배의 에너지 밀도에 해당된다. 아울러, 리튬 공기 전지는 친환경적이며, 리튬 이온 배터리보다 개선된 안전성을 제공할 수 있다.
그러나 리튬 공기전지는 공기 중의 산소를 양극 활물질로 사용하므로 공기의 상태에 따라 리튬 공기전지의 성능이 달라질 수 있으며, 이로 인해 리튬 공기전지로 유입되는 공기의 상태를 조절하여 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 공기전지 시스템이 필요한 실정이다.
US 2012/0028164 A1 (2012.02.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 리튬 공기전지의 공기유입관에 에어 컨디셔닝 장치가 연결되어 유입되는 공기를 여과 및 가열함으로써 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 리튬 공기전지 시스템은, 리튬 공기전지; 및 상기 리튬 공기전지의 공기유입관에 연결되어, 상기 리튬 공기전지로 유입되는 공기를 여과 및 가열하는 에어 컨디셔닝 장치; 를 포함한다.
또한, 상기 에어 컨디셔닝 장치는, 공기가 유입되는 유입부; 공기 중에 포함된 큰 입자를 여과하는 프리 필터; 작은 입자를 여과하는 파티클 필터; 공기를 가열하는 히터; 및 공기가 배출되며 리튬 공기전지의 공기유입관에 연결되는 배출부; 를 포함한다.
또한, 상기 배출부는 여과 및 가열된 공기의 일부를 외부로 배출시키는 에어 벤트가 형성된다.
또한, 상기 에어 컨디셔닝 장치는 공기를 40℃ 내지 50℃로 가열한다.
또한, 상기 리튬 공기전지로부터 증발되는 전해질용매 증기와 공기의 혼합 기체가 유입되어, 혼합 기체에서 전해질용매를 분리 및 회수하여 상기 리튬 공기전지로 이송하는 전해질용매 회수 장치를 더 포함한다.
그리고 본 발명의 자동차는 상기 리튬 공기전지 시스템을 포함한다.
또한, 상기 리튬 공기전지 시스템은 상기 자동차의 폐열을 이용하여 공기를 가열한다.
본 발명의 리튬 공기전지 시스템 및 이를 포함하는 자동차는 리튬 공기전지의 공기유입관에 에어 컨디셔닝 장치가 연결되어 리튬 공기전지로 유입되는 공기를 여과 및 가열하여, 활성화 에너지를 낮춰 화학반응을 원활하게 함으로써 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 공기전지 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 시스템을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 시스템을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지의 히터로 사용될 수 있는 자동차의 폐열이 발생되는 부분을 나타낸 자동차의 구조를 나타낸 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 리튬 공기전지 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 공기전지 시스템의 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 및 리튬 공기전지 시스템을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 공기전지 시스템(1000)은, 리튬 공기전지(100); 및 상기 리튬 공기전지(100)의 공기유입관(120)에 연결되어, 상기 리튬 공기전지(100)로 유입되는 공기를 여과 및 가열하는 에어 컨디셔닝 장치(300); 를 포함한다.
우선, 리튬 공기전지(100)는 도 2와 같이 내부에 공기가 유입되어 다공질공기극(160)에서 공기 중의 산소를 활물질로 하여 산소의 산화 환원 반응에 의해 충방전을 일으키는 전지로서, 하우징(110), 리튬금속(140), 전해질부(150), 다공질공기극(160), 공기 수용부(112), 공기유입관(120) 및 공기유출관(130)을 포함한다.
하우징(110)은 내부에 수용부(111)가 형성되며, 하우징(110)의 수용부(111)에 리튬금속(140), 전해질부(150) 및 다공질공기극(160)이 수용된다. 그리고 하우징(110)의 내부에는 다공질공기극(160)의 상측에 공기 수용부(112)가 형성되어, 공기 수용부(112)에는 공기유입관(120) 및 공기유출관(130)이 연결된다.
이때, 리튬금속(140)은 수용부(111)의 하측에 구비되고 다공질공기극(160)은 리튬금속(140)의 상측에 이격되어 구비되며, 리튬금속(140)과 다공질공기극(160) 사이에는 전해질부(150)가 구비되어 리튬금속(140)과 다공질공기극(160) 사이에서 리튬 이온을 전달하는 역할을 한다. 전해질부(150)는 리튬금속(140)의 상측에 밀착되는 유기전해질을 함유한 분리막, 분리막의 상측에 밀착되는 고체전해질 및 고체전해질과 다공질공기극(160) 사이에 채워지는 수용성전해질을 포함할 수 있다.
그리고 다공질공기극(160)은 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 촉매층으로 형성될 수 있다. 이때, 다공질공기극(160)은 하우징(110)의 공기 수용부(112)의 개방된 하측을 밀폐하도록 결합되되, 상측에 기체확산층이 위치되고 하측에 촉매층이 위치되도록 결합될 수 있다. 그리하여 공기 수용부(112)에 수용되는 공기가 기체확산층을 통해 확산되어, 촉매층에서 리튬이온과 공기 중의 산소와 산화환원 반응을 일으킬 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 리튬 공기전지(100)는 공기유입관(120)으로 공기가 유입되어 리튬금속(140)이 산화 환원 반응함으로써 충방전이 일어나며, 리튬금속(140)이 음극(애노드, anode)이 되고, 다공질공기극(160)이 양극(캐쏘드, cathode)이 되며, 리튬금속(140)과 다공질공기극(160) 사이에 전해질부(150)가 구비되어 리튬 공기전지(100)가 구성된다.
그리고 에어 컨디셔닝 장치(300)는 리튬 공기전지(100)의 공기유입관(120)에 연결되어, 리튬 공기전지(100)로 유입되는 공기를 여과 및 가열시킨다.
즉, 에어 컨디셔닝 장치(300)는 리튬 공기전지(100)의 양극 활물질로 사용되는 공기를 여과하여 불순물을 제거하고, 여과된 공기를 가열하여 산화 환원 반응이 일어나기 용이하도록 하는 역할을 한다.
여기에서 화학 반응(산화 환원 반응)의 속도는 온도의 상승에 따라 매우 급격하게 증가하게 되고, 일반적으로 온도 10℃ 상승에 화학 반응 속도는 2배가 된다.
즉, 아래의 식(1)인 아레니우스식(Arrhenius equation)을 통해 알 수 있듯이, 반응속도상수(k)는 절대온도(T)의 역수의 지수함수이므로, 온도가 상승하면 반응속도상수(k)가 증가하므로 화학 반응 속도가 증가되는 것을 알 수 있다.
Figure pat00001
식(1)
그리고 활성화 에너지(Ea) 감소 시 반응속도상수(k)가 증가하여 화학 반응 속도가 증가된다. (k: 반응속도상수, T: 절대온도, R: 기체상수, A: 빈도계수 또는 빈도인자, Ea: 활성화 에너지)
그리하여 본 발명의 리튬 공기전지 시스템은, 리튬 공기전지의 공기유입관에 에어 컨디셔닝 장치가 연결되어 리튬 공기전지로 유입되는 공기를 여과 및 가열하여, 활성화 에너지를 낮추는 역할을 하여 화학반응을 원활하게 함으로써 리튬 공기전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고 상기 에어 컨디셔닝 장치(300)는, 공기가 유입되는 유입부(310); 공기 중에 포함된 큰 입자를 여과하는 프리 필터(320); 작은 입자를 여과하는 파티클 필터(330); 공기를 가열하는 히터(340); 및 공기가 배출되며 리튬 공기전지(100)의 공기유입관(120)에 연결되는 배출부(350); 를 포함할 수 있다.
즉, 도 3과 같이 에어 컨디셔닝 장치(300)의 일측인 유입부(310)로 외부 공기가 유입되어 프리 필터(320)를 거치며 공기 중의 큰 불순물 입자가 걸러지고, 파티클 필터(330)를 거치며 작은 불순물 입자들이 걸러진다. 그리고 여과된 공기는 히터(340)를 거치며 가열되어 배출부(350)와 연결되는 공기유입관(120)을 통해 리튬 공기전지(100)로 공급된다.
이때, 유입부(310)에는 외부 공기를 유입시키기 위해 팬(fan)이 설치될 수 있으며, 프리 필터(320), 파티클 필터(330) 및 히터(340)는 도시된 바와 같이 서로 밀착된 형태로 배치될 수 있으며, 각각 이격되도록 배치될 수도 있다.
또한, 상기 배출부(350)는 여과 및 가열된 공기의 일부를 외부로 배출시키는 에어 벤트(360)가 형성될 수 있다.
즉, 에어 컨디셔닝 장치(300)의 배출부(350) 및 리튬 공기전지(100)의 공기유입관(120) 내부의 공기 압력이 상승되는 경우 공기의 일부를 배출할 수 있도록 배출부(350) 일측에 에어 벤트(360)가 형성될 수 있다. 이때, 에어 벤트(360)에는 릴리프 밸브가 설치되어 공기의 압력에 따라 배출을 제어할 수도 있다.
그리하여 리튬 공기전지(100)의 공기 수용부(112)로 공급되는 공기의 압력을 조절하여, 리튬 공기전지(100)의 양극인 다공질공기극(160)의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 상기 에어 컨디셔닝 장치는 공기를 40℃ 내지 50℃로 가열할 수 있다. 이는 리튬 공기전지(100)로 공급되는 온도가 높을수록 좋으나, 공기의 온도가 너무 낮으면 리튬 공기전지의 성능이 저하되고, 공기의 온도가 너무 높으면 리튬 공기전지(100) 내부 전해질의 전해액용매의 증발이 심해져 리튬 공기전지의 성능이 저하되고 수명이 단축될 수 있다. 그러므로 공기의 온도를 40℃ 내지 50℃로 가열하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상대습도는 아래의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.
상대습도 = (현재 수증기압/포화수증기압) ㅧ 100 식(2)
그리고 아래의 표 1의 온도에 따른 포화수증기압을 통해서도 알 수 있듯이, 공기의 온도를 올리면 포화수증기압(Saturated Vapor Pressure)이 높아져 매우 건조해지므로 50℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
Figure pat00002
또한, 상기 리튬 공기전지(100)로부터 증발되는 전해질용매 증기와 공기의 혼합 기체가 유입되어, 혼합 기체에서 전해질용매를 분리 및 회수하여 상기 리튬 공기전지(100)로 이송하는 전해질용매 회수 장치(200)를 더 포함할 수 있다.
여기에서 리튬 공기전지(100)는 충방전이 일어나는 과정에서 전해질용매의 증발이 일어나며, 리튬 공기전지(100)로 공급되는 공기가 에어 컨디셔닝 장치(200)에 의해 가열되므로 전해질용매의 증발이 더욱 빨라질 수 있으며, 증발된 전해질용매는 공기 수용부(112)에서 공기유출관(130)을 따라 공기와 함께 외부로 배출되게 된다. 이로 인해 전해질용매가 지속적으로 증발될 경우, 리튬 공기전지의 성능이 저하되며 작동이 중지되는 원인이 될 수 있다. 이때, 증발되는 전해질용매는 유기계 전해질용매 또는 수계 전해질용매일 수 있다.
따라서 도 4와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 시스템(1000)은 증발된 전해질용매를 회수하여 리튬 공기전지(100)로 다시 주입할 수 있는 전해질용매 회수 장치(200)를 포함할 수 있다.
그리하여, 에어 컨디셔닝 장치(300)에서 공기의 가열 및 리튬 공기전지(100)에서 충방전에 의해 전해액용매가 증발되더라도, 전해액용매 회수 장치(200)에서 전해액용매를 회수하여 다시 리튬 공기전지(100)로 공급될 수 있도록 하여, 리튬 공기전지(100)의 성능저하 및 수명 단축을 방지할 수 있다.
그리고 전해질용매 회수 장치(200)는 반응부(210), 회수부(220), 전해질용매 여과부(230), 기체유입관(240) 및 전해질용매 이송관(260)을 포함할 수 있다.
반응부(210)는 내부에 공간부(211)를 구비하며, 공간부(211)는 밀폐공간을 형성한다. 반응부(210)는 리튬 공기전지(100) 내부에서 전해질부(150)로부터 증발된 전해질용매 증기와 공기가 혼합된 기체가 유입되어 전해질용매와 공기가 분리되는 공간으로, 유입되는 기체가 반응할 수 있는 충분한 공간을 형성하며 공간부(211)는 밀폐되는 것이 바람직하다. 이때, 반응부(210) 내부로 유입되는 공기와 전해질용매 증기가 혼합된 기체를 혼합기체라 명명한다.
회수부(220)는 반응부(210)에서 공기와 분리되어 회수된 전해질용매가 저장되는 공간으로 반응부(210)의 하부에 구비되며, 반응부(210)의 공간부(211)와 연통되도록 형성된다. 즉, 전해질용매 회수 장치(200)는 회수부(220)가 반응부(210)의 하부에 구비되어 중력에 의해 특별한 장치 없이도 회수된 전해질용매가 회수부(220)에 저장될 수 있으며, 회수된 전해질용매가 리튬 공기전지(100)로 용이하게 전달될 수 있는 효과가 있다. 이때, 리튬 공기전지(100)의 위치는 리튬 공기전지 전해질용매 회수 장치(200) 보다 낮은 위치에 구비되는 것이 바람직하다.
전해질용매 여과부(230)는 반응부(210) 내부에 구비되어 리튬 공기전지(100)로부터 들어오는 혼합기체를 분리한다. 즉, 혼합기체에서 전해질용매 증기를 분리하여 전해질용매 액체가 되도록 한다. 그리고 전해질용매 여과부(230)에서 분리된 전해질용매는, 공간부(211)와 연통되며 반응부(210)의 하부에 형성되는 회수부(220)에 모이게 된다.
그리고 기체유입관(240)은 일단부가 리튬 공기전지(100)의 공기유출관(130)과 연결되고, 타단부가 반응부(210)의 일측에 연결된다. 이때, 기체유입관(240)은 반응부(210)의 상부 일측에 연결되어, 중력에 의해 회수되는 전해질용매의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있다.
전해질용매 이송관(260)은 일단부가 회수부(220)에 연결되고 타단부가 리튬 공기전지(100)에 연결된다. 전해질용매 이송관(260)은 반응부(210)에서 분리된 전해질용매를 다시 리튬 공기전지(100)로 주입하기 위한 것으로, 전해질용매 이송관(260) 상에는 체크밸브(261)가 구비되어 리튬 공기전지(100)로 주입되는 전해질용매의 역류를 방지할 수 있다. 이때, 회수부(220)는 리튬 공기전지(100)의 수용부(111)와 전해질용매 이송관(260)으로 연결되어, 리튬 공기전지(100)의 수용부(111)에서 증발되어 부족해진 전해액용매를 보충할 수 있다.
그리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 시스템(1000)은 리튬 공기전지(100) 내부에서 증발된 전해질용매를 포함하는 혼합기체를 전해질용매 여과부에서 공기와 전해질용매로 분리하고, 분리된 전해질용매를 다시 리튬 공기전지의 내부로 주입될 수 있도록 하여 리튬 공기전지(100)의 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고 일단부가 상기 반응부(210)에 연결되어 전해질용매 여과부(230)를 통과한 기체가 배출되는 기체유출관(250)을 더 포함할 수 있다. 이때, 기체유출관(250)은 반응부(210)의 상부 타측에 연결되며, 기체유입관(240)의 반대측에 형성된다. 그리하여 혼합기체가 반응부(210) 내부로 유입되어 공기와 전해질용매로 분리되며, 분리된 전해질용매는 회수부(220)에 모이게 되고 공기는 기체유출관(250)을 통해 배출될 수 있다.
또한, 전해질용매 여과부(230)는, 체 형태로 구비되는 제1여과수단(231) 및 패드 형태로 구비되는 제2여과수단(232)을 포함한다.
여기에서 제1여과수단(231)은 체 형태로 형성되어 격자의 공간을 혼합기체가 통과하며 전해질용매 증기의 응축된 입자가 걸러진다. 이때, 제1여과수단(231)은 체 형태로 형성되어 반응부(210) 내부에 복수개로 구비되되, 각각의 제1여과수단(231)을 이루는 격자의 간격이 서로 다르게 형성될 수 있다. 또한, 여과부(230)는 리튬 공기전지(100)로부터 혼합기체가 유입되는 입구측에 구비된 제1여과수단(231a) 및 그 하측에 구비된 제1여과수단(231b)과, 기체가 유출되는 출구측에 구비되는 제1여과수단(231d) 및 그 상측에 구비되는 제1여과수단(231c)을 포함하여 총 4개의 제1여과수단(231a, 231b, 231c, 231d)이 구비될 수 있다. 이때, 입구측에 구비되는 제1여과수단(231a)은 격자가 가장 크게 형성되고, 출구측에 구비되는 제1여과수단(231d)은 격자가 가장 작게 형성되며, 입구측에서 출구측으로 갈수록 제1여과수단(231a, 231b, 231c, 231d)을 이루는 격자가 촘촘하게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 혼합기체의 흐름이 진행될수록 제1여과수단(231a, 231b, 231c, 231d)을 이루는 격자의 간격이 좁아진다. 즉, 혼합기체가 지나는 제1여과수단(231a, 231b, 231c, 231d)이 혼합기체가 유입되는 입구측에서 출구측으로 갈수록 격자의 간격이 좁아지므로, 입구측의 제1여과수단(231a)에서는 가장 큰 전해질용매 증기의 응축입자가 걸러지며, 출구측의 제1여과수단(231d)에서는 가장 작은 전해질용매 증기의 응축입자가 걸러지게 된다. 그리하여 혼합기체가 입구측에서 출구측으로 이동하면서 크기가 가장 큰 전해질용매 증기의 응축입자부터 가장 작은 전해질용매 증기의 응축입자까지 단계적으로 전해질용매가 걸러져 분리되므로 더욱 효과적으로 전해질용매를 회수할 수 있다.
그리고 제2여과수단(232)은 패드 형태로 형성되며, 반응부(210) 내부에 복수개로 구비된다. 제2여과수단(232)은 기체의 흐름에 개입하여 전해질용매 증기를 응축하기 위해 큰 비표면적을 가지는 다공성 알루미늄이나 스테인리스로 구성되는 것이 바람직하며, 부식의 영향을 최소화하기 위하여 세라믹재료로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전해질용매 여과부(230)는 반응부(210)의 내부에 구비되는 복수개의 고정벽(233)을 더 포함할 수 있다. 즉, 제1여과수단(231) 및 제2여과수단(232)이 반응부(210) 내부에 구비되기 위해서는 고정수단이 필요하다. 따라서 전해질용매 여과부(230)는 판 형상으로 형성되는 고정벽(233)들에 의해 견고하게 고정될 수 있다.
또한, 전해질용매 여과부(230)는, 반응부(210)의 높이 방향으로 평행하게 복수개의 고정벽(233)이 구비되되, 고정벽(233)들이 간격을 형성하도록 구비될 수 있다. 즉, 반응부(210)의 공간부(211) 내부에 반응부(210)의 높이 방향으로 복수 개의 고정벽(233)이 평행하게 고정되며, 고정벽(233)들 사이에 제1여과수단(231) 및 제2여과수단(232)이 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전해질용매 여과부(230)는 고정벽(233)의 일부는 반응부(210)의 하측에 고정되며, 나머지는 반응부(210)의 상측에 고정되되, 반응부(210)의 하측에 고정되는 고정벽(233)과 반응부(210)의 상측에 고정되는 고정벽(233)이 교번되어 배치될 수 있다. 즉, 판 형상의 고정벽(233)이 반응부(210)의 내부를 구획하도록 형성되어 혼합기체가 제1여과수단(231) 및 제2여과수단(232)을 단계적으로 거치며 전해액용매가 회수되도록 할 수 있다.
또한, 전해질용매 여과부(230)는 제1여과수단(231)과 제2여과수단(232)이 고정벽(233) 사이에 구비되되, 교번되어 고정될 수 있다. 즉, 리튬 공기전지(100)로부터 유입되는 기체가 제1여과수단(231) 및 제2여과수단(232)을 교번되어 통과할 수 있도록 형성되어, 혼합기체 내부에 존재하는 전해질용매 증기를 응축하여 더욱 효과적으로 회수할 수 있다.
그리고 본 발명의 자동차는 상기 리튬 공기전지 시스템(1000)을 포함한다.
즉, 리튬 공기전지 시스템(1000)을 동력원으로 이용하는 하이브리드 자동차 또는 전기자동차가 등에 리튬 공기전지 시스템(1000)이 장착되어 구성될 수 있으며, 내연기관 자동차에 리튬 공기전지 시스템(1000)이 장착되어 사용될 수도 있다.
이때, 상기 리튬 공기전지 시스템(1000)은 상기 자동차의 폐열을 이용하여 공기를 가열할 수 있다.
즉, 리튬 공기전지 시스템(1000)의 히터(340)를 자동차의 폐열을 이용할 수 있는 열교환기 등으로 형성하여 리튬 공기전지(100)로 공급되는 공기를 가열할 수 있도록 하여, 리튬 공기전지(100)의 성능을 향상시키고 내연기관 자동차, 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 자동차는 크게 내연기관(동력원: 엔진) 자동차, 하이브리드(동력원: 엔진 +배터리) 자동차 및 순수 전기(동력원: 배터리) 자동차로 구분을 할 수 있으며, 이들 자동차가 운행될 때 열을 발생시키는 열원(heat sources)으로는 도 5와 같이 내연기관(엔진), 제동장치(브레이크) 및 전기모터(electric motor) 등이 있다. 우선 자동차의 공기조화(HVAC; Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템의 경우 외부공기의 입자(particles)를 걸러내는 필터(filter)를 장착하고 있으며, 엔진이 작동된 이후에 엔진의 과열을 방지하기 위하여 냉각수가 순환된다. 겨울철 자동차 내부의 난방은 엔진의 외부를 순환하여 온도가 상승된 냉각수의 열을 흡수한 공기를 사용한다. 자동차의 공기조화 시스템은 덕트(duct)와 같은 배관 형태로서 이루어지게 되는데, 따라서 본 발명에서 목적하는 바 공기 중의 입자를 걸러내고, 40℃ 내지 50℃의 온도로 상승된 공기를 만들어 리튬-공기전지로 공급하는 것은, 자동차 공기조화 시스템의 큰 변화 없이 리튬-공기전지 시스템으로 연결하여 가능하게 된다. 한편, 엔진에서 연소되어 배출되는 고온의 배기 가스는 머플러(muffler)를 지나게 되는데, 순간적인 온도가 1000℃ 에 달하므로 간단한 열교환 장치를 이용하여 공기의 온도를 상승시키는 것이 가능하다. 따라서 앞에서 나열한 자동차에 존재하는 열원들과 필터링(filtering) 시스템을 이용하여 리튬-공기 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 것이다. 그리고 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 경우에는 전기모터에서 발생되는 열을 이용해 공기를 가열하여 리튬-공기전지로 공급할 수 있다. 이것은 자동차에 관한 일례이며, 폐열이 발생하는 기계 장치에 리튬-공기전지를 동력원으로 사용할 경우에 간단한 열교환 장치를 사용하여 목적하는 바 공기 중의 입자를 걸러내고, 40℃ 내지 50℃의 온도로 상승된 공기를 만들어 리튬-공기전지로 공급하는 것은 기계 장치의 큰 변화 없이 가능함은 명백하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 리튬 공기전지 시스템
100 : 리튬 공기전지
110 : 하우징 111 : 수용부
112 : 공기 수용부
120 : 공기유입관 130 : 공기유출관
140 : 리튬금속 150 : 전해질부
160 : 다공질공기극
200 : 전해질용매 회수 장치
210 : 반응부 211 : 공간부
220 : 회수부
230 : 전해질용매 여과부 231 : 제1여과수단
232 : 제2여과수단 233 : 고정벽
240 : 기체유입관
250 : 기체유출관
260 : 전해질용매 이송관 261 : 체크밸브
300 : 에어 컨디셔닝 장치
310 : 유입부 320 : 프리 필터
330 : 파티클 필터 340 : 히터
350 : 배출부 360 : 에어 벤트

Claims (7)

  1. 리튬 공기전지; 및
    상기 리튬 공기전지의 공기유입관에 연결되어, 상기 리튬 공기전지로 유입되는 공기를 여과 및 가열하는 에어 컨디셔닝 장치; 를 포함하는 리튬 공기전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 컨디셔닝 장치는,
    공기가 유입되는 유입부; 공기 중에 포함된 큰 입자를 여과하는 프리 필터; 작은 입자를 여과하는 파티클 필터; 공기를 가열하는 히터; 및 공기가 배출되며 리튬 공기전지의 공기유입관에 연결되는 배출부; 를 포함하는 리튬 공기전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배출부는 여과 및 가열된 공기의 일부를 외부로 배출시키는 에어 벤트가 형성되는 리튬 공기전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에어 컨디셔닝 장치는 공기를 40℃ 내지 50℃로 가열하는 리튬 공기전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 공기전지로부터 증발되는 전해질용매 증기와 공기의 혼합 기체가 유입되어, 혼합 기체에서 전해질용매를 분리 및 회수하여 상기 리튬 공기전지로 이송하는 전해질용매 회수 장치를 더 포함하는 리튬 공기전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 리튬 공기전지 시스템을 포함하는 자동차.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 리튬 공기전지 시스템은 상기 자동차의 폐열을 이용하여 공기를 가열하는 자동차.
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