KR101047558B1 - 축전지 - Google Patents

Abstract

방전 과정에 발생되는 저농도 전해액은 수(水)채널(40)에 포집되며, 충전 과정에 발생되는 고농도 전해액은 전해액 채널(50)에 포집되도록 구성된 축전지(1)가 소개된다. 상기 채널들(40,50)에 채워진 전해액들은 배출기구(60)에 의해 강제로 채널들(40,50) 밖으로 배출되어 서로 섞이면서 발열 반응을 일으킨다. 이러한 축전지에 따르면 저온에서의 성능 저하가 방지될 수 있다.

축전지, 전해액, 온도, 성능, 시동

Description

축전지{STORAGE BATTERY}

본 발명은 저온 성능의 저하를 방지하기 위한 전해액 승온 수단을 갖는 축전지에 관한 것이다.

축전지는 화학작용에 의해 기전력을 발생시키는 장치로서, 충전과 방전의 반복이 가능하여 통상적으로 2차 전지로 불리운다.

이러한 축전지는 저온에서 성능이 저하된다. 예를 들어, 차량에 많이 사용되는 납축전지는 -20℃ 정도의 온도에서 성능이 50% 정도 저하된다. 때문에 겨울철 차량 시동이 잘 걸리지 않는 문제가 발생되며, 혹한 지역의 경우, 표준 용량 보다 더 큰 납축전지를 사용하거나 별도의 가열 장치를 사용하기도 한다.

주지된 바와 같이, 상기 납축전지에는 양극으로 과산화납(PbO₂), 음극으로 해면상(海綿狀)의 납(Pb)을 사용하며, 전해액으로 묽은 황산(H₂SO₄)이 사용된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저온에서의 성능 저하를 방지할 수 있는 축전지를 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축전지는, 내부에 양극과 음극이 이격 설치된 케이싱; 이 케이싱 내에 채워지며, 물보다 비중이 크고, 물과 발열 반응을 일으킬 수 있는 이온성 용질이 물에 희석된 상태인 전해액; 케이싱 내부 일측에 마련되어 방전 과정에 발생되는 저농도 전해액이 유입되는 수(水)채널; 케이싱 내부 타측에 마련되어 충전 과정에 발생되는 고농도 전해액이 유입되는 전해액 채널; 및 상기 채널들 내부의 전해액들을 강제로 채널들 밖으로 강제로 배출하기 위한 배출기구;을 포함한다. 여기서, 상기 채널들은 배출기구에 의해 배출되는 저농도 전해액과 고농도 전해액이 케이싱 내에서 서로 직접적으로 섞일 수 있도록 구성된다.

상기 수채널은, 상단부에 마련된 제1 유입구와, 하단부에 마련되며 내측에 가요성의 제1 셔터가 설치된 제2 유입구를 구비할 수 있으며, 상기 전해액 채널은, 하단부에 마련된 제3 유입구와, 상단부에 마련되며 외측에 가요성의 제2 셔터가 설치된 유출구를 구비할 수 있다.

상기 채널들에는 내부에 채워진 전해액들의 대류를 위한 히터가 설치될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 주위 온도가 상당히 저온으로 떨어져도 전해액의 온도를 순간적으로 상승시켜 축전지의 성능을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. 따라서, 혹한 지역에서 굳이 표준 용량 이상의 축전지를 사용할 필요가 없다.

또한, 발열 반응에 의한 열로 전해액을 직접 가열하므로, 전해액 가열 효율이 우수하다.

또한, 상기 발열 반응에 충전 및 방전 과정에 부산하는 저농도 전해액과 고농도 전해액이 이용되므로, 축전지가 작동되는 동안에는 필요로 하는 때에 언제든지 전해액의 승온이 가능하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본원발명은 물보다 비중이 크고, 물과 발열 반응을 일으키는 이온성 용질이 물에 희석된 상태인 전해액을 사용하는 축전지에 적용 가능하다. 이하 설명되는 실시예는 납축전지이다.

도 1에서 보듯이, 실시예에 따른 축전지(1)는 전해액(20)이 채워진 케이싱(10) 내부에 양극(11)과 음극(12)이 이격 설치된 구조를 갖는다. 케이싱(10) 내부 좌우 측에는 전해액(20)이 자연 유입될 수 있도록 구성된 수(水)채널(40)과 전해액 채널(50)이 마련되며, 이들 채널(40,50) 내에는, 각각, 전해액을 채널(40,50) 외부로 배출하기 위한 배출기구의 예로서 히터(60)가 설치된다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 축전지에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 1에서 보듯이, 상기 케이싱(10)은 내부에 채워진 전해액(20)이 외부로 유출되는 것이 방지될 수 있도록 어느 정도 기밀성 있게 밀폐된다. 케이싱(10) 상면 에는 통상의 납축전지와 마찬가지로 물의 보충이나 가스의 내출을 위한 마개가 마련될 수 있다.

상기 음극(12)은 양극(11) 보다 이온화도가 높으며, 방전 과정에서 전자가 음극(12)으로부터 양극(11)으로 흐른다. 양극(11)으로는 과산화납(PbO₂)이 그리고 음극(12)으로는 납(Pb)이 사용된다. 도면에 구체적으로 도시되지 않았지만, 통상의 납축전기와 같이 양극(11)과 음극(12)은 차량에 전기적으로 연결된다.

상기 전해액(20)으로는 묽은 황산(H₂SO₄)이 사용된다. 아래의 반응식 1에서 보듯이, 방전 과정(오른쪽 방향)에서, 전해액(20) 내의 황산이 소모되며 물이 생성되고, 이에 따라 전해액(20) 농도가 점점 묽어지게 된다. 그리고, 양극(11)과 음극(12)에서는 모두 황산납이 생성된다. 반대로, 충전 과정(반응식 1의 왼쪽 방향)에서는, 물이 소모되고 황산이 생성되어 전해액(20)의 농도가 점차 짙어진다. 한편, 황산은 물보다 큰 1.2~1.3 정도의 비중을 갖는다.

[반응식 1]

(충전) PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ↔ 2PbSO₄ + 2H₂O (방전)

도 2에서 보듯이, 상기 수채널(40)은, 방전 과정에 발생되는 물에 의해 희석된 저농도 전해액이 유입될 수 있도록, 케이싱(10) 좌측 상단부에 마련된 제1 유입구(41)를 구비한다. 물의 비중이 황산보다 작으므로, 방전 과정에서 발생된 물은 상부로 부상하여 제1 유입구(41)로 자연 유입될 수 있다. 케이싱(10) 좌측 하단부에는 내측에 제1 셔터(31)가 설치된 제2 유입구(42)가 마련된다. 이 제1 셔터(31) 는 선단 측이 가느다란 가요성 재질로서, 수채널(40) 내에 상방향 흐름이 발생될 때, 외부로부터 수채널(40) 내부로의 흐름을 허용한다.

도 2 및 도 3에서 보듯이, 상기 전해액 채널(50)은, 충전 과정에서 발생되는 황산으로 인하여 농도가 짙어진 고농도 전해액이 유입될 수 있도록, 케이싱(10) 우측 하단부에 마련된 제3 유입구(51)를 구비한다. 충전 과정에서 발생된 황산 침하하여 제3 유입구(51)로 자연 유입될 수 있다. 케이싱(10) 우측 상단부에는 외측에 제2 셔터(32)가 설치된 유출구(52)가 마련된다. 제2 셔터(32)는, 제1 셔터(31)와 마찬가지로 선단 측이 가느다란 가요성 재질이며, 전해액 채널(50) 내에 상방향 흐름이 발생될 때, 내부로부터 외부로의 전해액의 흐름을 허용한다.

상기 히터(60)는 각 채널 내부에 포집된 전해액을 밖으로 배출하기 위한 기구로서, 이 히터(60)는 상기 양극(11)으로부터 전류를 공급받아 가열되어, 각 채널 내부에 포집된 전해액의 대류를 발생시킨다. 이러한 히터(60)는 릴레이(80)를 통하여 양극(11)에 연결되며, 이 릴레이(80)의 온/오프는 제어기(90)에 의해 제어된다. 도 2에서 도면번호 70은 전해액(20)의 온도 측정을 위한 온도 센서이며,이 온도 센서의 측정값은 제어기(90)로 송출된다.

도 2에서 보듯이, 상기 히터(60)가 가열되면 각 채널 내부의 전해액은 순간적으로 데워져 위로 상승하며, 이에 따라 수채널(40)에서는 시계 방향으로의 전해액 순환이, 그리고 전해액 채널(50)에서는 반시계 방향으로의 전해액 순환이 발생된다. 이때, 수채널(40)의 제1 유입구(41)를 통하여는 상기 저농도 전해액이 배출되며, 전해액 채널(50)의 유출구(52)를 통해서는 상기 고농도 전해액이 배출되는데, 이들 전해액은 도 2에서 20a로 표시된 반응 영역에서 서로 섞이면서 발열 반응을 일으키며, 이 반응열에 의해 전해액(20)의 온도가 순간적으로 상승된다.

앞서 설명된 도면과 함께 도 4를 참조하여 상기 반응열을 이용한 전해액 승온 모드의 작동 과정에 대하여 살펴본다.

상기 전해액 승온 모드는 시동 준비 단계에서 실행된다. 일례로, 키 스위치가 온에 놓여지면, 상기 제어기(90)는 현재 전해액(20) 온도가 기준값(일례로 0℃) 이상인지 확인하여, 전해액(20) 온도가 기준값 미만이면 상기 전해액 승온 모드를 실행하며, 그렇지 않은 경우에는 그 작동을 종료한다.

상기, 전해액 승온 모드에서, 제어기(90)는 축전지(1)를 방전시킴과 아울러 릴레이(80)를 온시켜 양극(11)으로부터 히터(60)로 전류가 공급되도록 한다. 이에 의해 히터(60)가 뜨거워져, 수채널(40)과 전해액 채널(50)에 각각 대류가 발생되며, 상기 반응 영역(20a)에서 저농도 전해액과 고농도 전해액이 서로 섞이게 된다. 제어기(90)는 전해액(20)의 온도를 주기적으로 체크하여, 전해액(20)의 온도가 기준값 이상으로 상승하면, 릴레이(80)를 오프시키며 전해액 승온 모드를 종료한다.

한편, 상기 전해액 승온 모드가 키 스위치 온에서 실행된 경우, 사용자가 키 스위치 위치를 스타트에 놓더라도, 엔진의 시동은 걸리지 않는다. 전해액 승온 모드를 통해, 저온의 전해액이 순간적으로 가열되어 적정 수준까지 온도가 올라가면, 전해액 승온 모드가 종료되면서, 엔진의 시동이 걸리게 된다. 이러한 전해액 승온 모드를 갖는 축전지는 디젤 차량에 있어 특히 그 효과가 클 것이다. 당연하게도, 가솔린 차량에의 적용을 배제하지 않는다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축전지의 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 축전지가 전해액 승온 모드로 작동되는 상태가 도시된 도면,

도 3은 도 2에 도시된 유출구 측의 확대 도면,

도 4는 도 1에 도시된 축전지가 전해액 승온 모드로 작동되는 과정의 설명을 위한 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 축전지 10: 케이싱

11: 양극 12: 음극

20: 전해액 31,32: 셔터

40: 수채널 41: 제1 유입구

42: 제2 유입구 50: 전해액 채널

51: 제3 유입구 52: 유출구

60: 히터 70: 온도 센서

80: 릴레이 90: 제어기

Claims (4)

1. 내부에 양극과 음극이 이격 설치된 케이싱;

   상기 케이싱 내에 채워지며, 물보다 비중이 크고, 물과 발열 반응을 일으키는 이온성 용질이 물에 희석된 상태인 전해액;

   방전 과정에 발생되는 저농도 전해액이 유입될 수 있도록, 상기 케이싱 내부 일측에 상하방향으로 형성되어 상단이 개방되고 하단은 선택적으로 전해액이 유입될 수 있도록 구성된 수(水)채널;

   충전 과정에 발생되는 고농도 전해액이 유입될 수 있도록, 상기 케이싱 내부 타측에 상하방향으로 형성되며 하단이 개방되고 상단은 선택적으로 전해액이 배출될 수 있도록 구성된 전해액 채널; 및

   상기 채널들 내부에 강제적인 상방향 흐름을 발생시켜 내부 전해액을 채널 상단을 통해 각각 채널들 밖으로 배출시킬 수 있도록, 채널들 내부에 각각 설치된 배출기구;을 포함하며,

   상기 채널들은 배출기구에 의해 배출되는 저농도 전해액과 고농도 전해액이 케이싱 내에서 서로 직접적으로 섞일 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 축전지.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 수채널은, 상단에 마련되어 개방된 제1 유입구와 하단부에 마련되어 내측에 가요성의 제1 셔터가 설치된 제2 유입구를 구비하고,

   상기 전해액 채널은, 하단에 마련되어 개방된 제3 유입구와, 상단에 마련되어 외측에 가요성의 제2 셔터가 설치된 유출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 배출기구는 전류 공급에 의해 가열되어 전해액의 대류 순환을 발생시킬 수 있는 히터인 것을 특징으로 하는 축전지.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 히터는, 양극으로부터 전류가 선택적으로 공급될 수 있도록, 양극과 연결된 것을 특징으로 하는 축전지.

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