KR101206251B1 - 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전지 내의 분극 현상을 방지함으로써 과충전을 방지하고 축전기의 수명을 연장시킬 수 있는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지에 관한 것으로서, 특히 내부가 전해질로 채워지고 양극판 및 음극판을 포함하여 구성된 축전지에 있어서, 상기 축전지의 상부에 구비되고, 일측에 소정의 배출구를 형성하여 상기 축전지의 하부로부터 모여진 전해질을 상기 배출구를 통해 배출시키는 펌프 본체; 상부가 상기 펌프 본체 하부의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 상부에서 하부 방향으로 입구가 넓어지는 형태를 가짐으로써, 상기 축전지 상층부의 전해질이 상기 입구를 통해 상기 펌프 본체로 포집되도록 하는 포집판; 및 가는 관의 형태로서 상기 축전지의 하부에서 상부로 길이 방향으로 배치되며, 상기 상부에 위치한 일단은 상기 펌프 본체의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 하부에 위치한 타단에서 유입된 전해질이 상부의 상기 펌프 본체로 상승되도록 하는 펌핑 파이프를 포함한다.

Description

전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지{CHARGER HAVING A FUNCTION OF SELF CIRCULATION ABOUT ELECTROLYTE}

본 발명은 전해질의 작용에 의해 충전이 되는 축전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전지 내의 분극 현상을 방지함으로써 과충전을 방지하고 축전기의 수명을 연장시킬 수 있는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지에 관한 것이다.

충전지는 화학 물질의 화학적 변화가 끝나면 전지의 수명도 다하고 더 이상 재생할 수 없는 1차 전지와는 달리 화학 물질의 변화가 끝나더라도 다시 외부에서 전기 에너지가 공급되면 작용 물질이 재생되므로 충전과 방전을 되풀이하여 쓸 수 있는 배터리를 의미한다. 한편, 2차 전지의 일종으로 자동차의 에너지 공급처 등에 사용되는 충전용 배터리는 두 개의 전극판을 전해액(전해질)에 잠기게 하고 각 전극의 활성 물질과 전해액이 갖는 화학적 에너지를 양극과 음극을 연결한 외부 회로에서 전기적 에너지로 발생(방전)시키고 반대로 화학 에너지로도 환원(충전)시킬 수 있는 장치를 말한다.

상기한 충전용 배터리로서 통상의 황산 전해액 배터리(납 축전지)는 진한 황산 수용액에 담근 납의 음극판과 이산화납의 양극판, 양 전극으로 구성되어 전극 반응을 통해 황산납을 생성시키고 황산납이 오랫동안 충방전 사이클을 거치면서 충전시 이탈되지 않고 전극에 달라붙는 피막이 형성되고 달라붙은 피막이 전극판을 부식시키면서 전기 출입시 내부 저항을 증가시켜 화학과 전기적 반응 통로를 차단시키는 황산화 현상(sulfation)이 일어나서 배터리의 성능을 저하시키고 수명을 단축시키게 되는 것으로, 충전용 배터리의 성능 향상과 수명을 연장시키기 위해서는 배터리 전극판에 달라붙은 황산염을 효과적으로 제거하여 전극의 성능을 회복시키고 회복된 전극판 표면을 보호하여 깨끗하게 유지시킬 수 있게끔 종래의 황산 전해액을 대체하여 저온에서도 전극판을 보호하고 온도의 변화에 관계없이 기전력이 유지되고 독성과 부식성이 없어 기존의 황산 전해액의 문제점을 개선한 개질된 전해질로 교체하여야 한다.

이와 같이 대부분의 축전지는 전하의 이동과 전하 용량을 갖게 하는 전해질을 포함한다. 그런데, 이러한 전해질이 전하의 이동을 원활하게 해 주지 못할 경우 축전지의 성능은 제 기능을 발휘할 수 없다. 따라서, 상기 전해질의 운용 특성이 축전지의 성능에 상당한 영향을 미친다.

한편, 축전지 중, 특히 제품의 높이가 높은 축전지의 경우 축전지 내의 전해질에서 상하의 비중 차이가 발생하게 되며, 이러한 비중 차이로 인한 축전지 내의 전위차가 발생하여 분극 현상이 발생하게 된다. 상기 분극 현상으로 인해 축전기는 주변의 에너지 소모가 없음에도 불구하고 스스로 방전하게 되어 에너지를 잃게 된다.

종래의 축전지는 이러한 분극 현상을 방지하기 위하여 과충전을 시키거나 주변에 부가 장치를 달아 전해질이 잘 섞일 수 있도록 한다. 그러나, 이러한 경우에는 상당한 비용이 발생하게 된다.

이러한 충전지의 전해액 순환을 위한 방법에 관한 기술로서, 대한민국공개특허공보 제2008-0016233호의 "차량의 납축전지(현대자동차주식회사)"(문헌 1)에는 모세관을 통해 배출되는 전해액을 전해액 용기측으로 순환할 수 있도록 밸브와 펌프를 구비한다. 그러나, 상기 방법은 축전지 주위에 별도의 전해액 용기를 구비하여야 하므로 상술한 바와 같이 상당한 비용이 발생한다는 문제점이 있다.

[문헌 1] 대한민국공개특허공보 제2008-0016233호 차량의 납축전지(현대자동차) 2008.02.21

본 발명의 목적은 충전지 내부에 채워지는 전해질의 공급을 원활히 함으로써 충전량을 절감하고 수명을 연장할 수 있는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 충전지 주변에 부가 장치 없이 충방전시 발생하는 극소량의 기포로도 전해질의 교반이 이루어지도록 함으로써 축전지의 수명을 연장할 수 있는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지를 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지는, 내부가 전해질로 채워지고 양극판 및 음극판을 포함하여 구성된 축전지에 있어서, 상기 축전지의 상부에 구비되고, 일측에 소정의 배출구를 형성하여 상기 축전지의 하부로부터 모여진 전해질을 상기 배출구를 통해 배출시키는 펌프 본체; 상부가 상기 펌프 본체 하부의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 상부에서 하부 방향으로 입구가 넓어지는 형태를 가짐으로써, 상기 축전지 상층부의 전해질이 상기 입구를 통해 상기 펌프 본체로 포집되도록 하는 포집판; 및 가는 관의 형태로서 상기 축전지의 하부에서 상부로 길이 방향으로 배치되며, 상기 상부에 위치한 일단은 상기 펌프 본체의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 하부에 위치한 타단에서 유입된 전해질이 상부의 상기 펌프 본체로 상승되도록 하는 펌핑 파이프를 포함한다.

바람직하게는, 상기 펌프 본체는 상기 펌핑 파이프를 통해 상승된 전해질이 모이는 제1 공간; 상기 포집판을 통해 포집된 전해질이 모이는 제3 공간; 및 상기 제1 공간과 제3 공간 사이에서 통로를 형성하는 제2 공간을 포함한다.

바람직하게는, 상기 펌프 본체는 상기 제3 공간 내부에 기포가 모이면, 상기 모여진 기포가 상기 배출구를 통해 상기 펌프 본체 밖으로 배출되며, 상기 기포의 배출에 따라 상기 제1 공간에 모여진 전해질이 상기 배출구를 통해 함께 배출된다.

바람직하게는, 상기 펌프 본체는 상기 펌프 본체 내에 모여진 상기 전해질이 상기 배출구를 통해 배출되면, 상기 펌프 본체 내부가 진공 상태가 되어, 상기 축전지 하단부의 전해질이 상승하여 상기 펌프 본체 내부로 다시 채워진다.

바람직하게는, 상기 펌프 본체는 상기 전해액을 상부로 끌어올릴 수 있는 펌프 수단; 및 상기 펌프 본체 내의 적어도 하나의 공간에서 전해액의 이동을 개폐하는 적어도 하나의 밸브를 더 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 축전지에서 전해질의 공급을 원활히 함으로써 충전지의 성능을 향상시킬 수 있으며 충전시 소량의 충전만으로도 만충전시킴으로써 과충전을 방지하고 전력을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 축전지 주변에 별도의 부가 장치를 설치하지 않고서도 전해질을 섞이도록 함으로써 축전지 제조 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.

아울러, 충전 또는 방전 중 발생하는 극소량의 기포를 가지고도 전해질의 교반이 이루어지도록 함으로써 충전량을 절감하고 과충전을 방지하여 축전지의 수명을 연장하는 효과를 가질 수 있다.

이로써, 본 발명에 따라 축전지의 수명이 약 25% 정도 늘어나고 전력량은 약 15%의 절감 효과가 나타난다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지의 제1 순환 단계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지의 제2 순환 단계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지의 제3 순환 단계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지의 제4 순환 단계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차단막 구조를 갖는 포집판을 포함하는 축전지를 나타내는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성 요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

본 발명은 별도의 외부 장치 없이도 축전지 내부에 채워지는 전해질을 순환시킴으로써 축전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지를 제안한다. 한편, 본 발명에서는 축전지의 충전 또는 방전(사용) 중에 발생하는 극소량의 기포를 이용하여 전해질의 교반이 발생되도록 한다.

이를 위해, 본 발명에서는 전해질의 상부에 전해질을 포집하기 위한 포집판을 구비하고, 전해질의 하부에서 상부로 관통하는 펌핑 파이프를 구비하여 전해질의 상승이 용이하게 이루어지도록 한다. 또한, 상기 펌핑 파이프의 상부로 상승된 전해질과 포집판을 통해 포집된 전해질은 펌프 본체로 공급되며, 펌프 본체의 일측에 구비된 배출구를 통해 공급된 전해질이 배출됨으로써, 전해질의 순환이 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 4는 모두 본 발명의 실시예에 따라 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지를 도시한 도면으로서, 도면의 순서에 따라 각 단계별로 전해질의 순환 절차가 이루어지는 과정을 도시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지의 제1 순환 단계를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 축전지(100)는 내부에 기본적으로 (+)극판(11) 및 (-)극판(12)을 구비하며, 전해질(31)(또는 전해액)의 순환을 위해 본 발명의 실시예에 따라 포집판(21), 펌프 본체(22) 및 펌핑 파이프(23) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 축전지(100)는 1차로 내부에서 발생된 기포(또는, 개스(gas))를 축전지(100) 내부의 상층부에서 모아주는 포집판(21), 상기 포집판(21)을 통해 모아진 기포의 출력을 증강시켜 전해질(31)의 상승이 용이하게 이루어지도록 하는 펌프 본체(22), 상기 배출되는 기포에 의해 용이하게 전해질(31)을 상승시키는 펌핑 파이프(23)로 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 예컨대, 상기 포집판(21)은 축전지(100)의 상층부에서 하부 방향으로 입구가 넓어지는 부채꼴 형태를 형성함으로써, 축전지(100) 상층부의 전해질(31)이 펌프 본체(22)로 용이하게 포집되도록 한다.

또한, 펌핑 파이프(23)는 가는 관의 형태로서 축전지(100)의 하층부에서 상층부로 길이 방향으로 배치되며, 축전지(100)의 하층부에서 유입된 전해질(31)이 상층부의 펌프 본체(22)로 용이하게 상승되도록 한다.

한편, 상기 포집판(21)에 의해 포집된 전해질(31)과 상기 펌핑 파이프(23)에 의해 상승된 전해질(31)이 모이는 상기 펌프 본체(22)는 도시된 바와 같이 3개의 공간으로 구분될 수 있다. 즉, 상기 펌핑 파이프(23)를 통해 상승된 전해질(31)이 모이는 제1 공간(25a), 상기 포집판(21)을 통해 포집된 전해질(31)이 모이는 제3 공간(25c) 및 상기 제1 공간(25a)과 제3 공간(25c) 사이에서 통로를 형성하는 제2 공간(25b)으로 구분될 수 있다.

또한, 상기 제1 공간(25a)에서 펌핑 파이프(23)와 접하는 일단의 반대측 타단에는 배출구(24)가 형성됨으로써, 상기 제1 공간(25a)에 모여진 전해질(31)이 상기 배출구(24)를 통해 배출되는 것에 의해 전해질(31)의 순환 작용이 발생되도록 한다. 아울러, 상기 제3 공간(25c)에 모여진 전해질(31)은 상기 제2 공간(25b)을 거쳐 상기 제1 공간(25a)을 통해 배출구(24)로 배출될 수도 있다.

이하, 상기와 같이 형성된 구조를 통해 기포(32)를 이용하여 전해질(31)의 순환이 발생하는 절차를 도 1 내지 도 4와 함께 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 포집판(21)을 통해 포집된 기포(32)는 펌프 본체(22)의 제3 공간(25c)으로 포집되어 축적이 된다. 아울러, 펌핑 파이프(23)를 통해 상승된 전해질(31)은 펌프 본체(22)의 제1 공간(25a)까지 상승하여 축적된다.

한편, 상기 포집판(21)을 통해 포집된 기포(32)가 상기 제3 공간(25c) 내에 완전히 모이게 되면 상기 모여진 기포(32)가 배출구(24)를 통해 펌프 본체(22) 밖으로 배출된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 펌핑 파이프(23) 내에 있는 전해질(31)이 상측으로 토출되며, 이에 따라 제1 공간(25a)에 모여지는 전해질(31)은 배출구(24)를 통해 배출된다.

이와 같이, 상기 펌프 본체(22) 내에 모여진 전해질(31)이 빠져나가게 되면, 상기 펌프 본체(22) 내부는 진공 상태가 된다. 이에 따라 축전지(100) 하단부의 전해질이 상승하게 되며, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프 본체(22) 내에 전해질(31)이 채워지게 된다.

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 펌프 본체(22) 내에 기포(32)가 다시 채워지면 도 1의 상태로 되돌아가게 되며, 상술한 절차를 계속해서 반복하게 된다. 이와 같은 메커니즘에 의해 축전지(100) 하부에 위치한 전해질(31)은 축전지(100) 상부로 상승하고, 축전지(100) 상부의 펌프 본체(22)의 배출구(24)를 통해 배출된 전해질(31)은 다시 하강함으로써 축전지(100) 내에서 전해질(31)의 순환이 이루어지게 된다.

즉, 축전지(100) 상부에 구비된 펌프 본체(22)로 전해질(31)이 축적되고, 상기 축적된 전해질(31)이 배출되면서 진공 상태가 되어 축전지(100) 하단부의 전해질(31)이 위로 상승하여 다시 펌프 본체(22)에 전해질이 채워지게 된다. 이때, 다시 전해질(31)로 채워진 펌프 본체(22)에 기포(32)가 다시 채워지면 도 1의 상태로 되어 재차 반복 되풀이됨으로써 축전지(100) 하부의 전해질(32)이 위로 순환되어 진다.

한편, 상기 펌프 본체(22)에는 전해액(31)을 상부로 끌어올릴 수 있는 펌프 수단을 더 구비할 수 있으며, 상기 펌프 본체(22) 내의 각 공간에는 적어도 하나의 밸브를 설치함으로써 전해질(31)의 순환 작용을 보다 원활하게 할 수도 있다.

한편, 전지는 사용시 양극(+)이 성장을 하는데 이 성장으로 인하여 양극(+)과 음극(-)의 단락(전기적 쇼트)의 가능성이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 상기 포집판(21)의 일단을 연장하여 양극과 음극 사이에 위치시켜 차단막 역할을 함으로써 단락을 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차단막 구조를 갖는 포집판을 포함하는 축전지를 나타내는 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 포집판(21)이 극군의 상부에서 양극과 음극 사이에 위치하면서 음극 집합 연결부 하부에서 차단막 역할을 하여 상기 양극과 음극 간의 단락을 방지할 수가 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 양극(+)이 성장하면, 음극(-)의 단자와 단락이 발생할 수 있다. 따라서, 포집판(21)이 양극 및 음극 사이 공간에 위치시킴으로써 양극 및 음극의 단자 간 단락을 차단시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

11 : (+)극판 12 : (-)극판
21 : 포집판 22 : 펌프 본체
23 : 펌핑 파이프 24 : 배출구
25a : 제1 공간 25b : 제2 공간
25c : 제3 공간 25d : 제3 공간 수면
25e : 제1 공간 수면 31 : 전해질
32 : 기포 100 : 축전지

Claims (5)

1. 내부가 전해질로 채워지고 양극판 및 음극판을 포함하여 구성된 축전지에 있어서,
   상기 축전지의 상부에 구비되고, 일측에 소정의 배출구를 형성하여 상기 축전지의 하부로부터 모여진 전해질을 상기 배출구를 통해 배출시키는 펌프 본체;
   상부가 상기 펌프 본체 하부의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 상부에서 하부 방향으로 입구가 넓어지는 형태를 가짐으로써, 상기 축전지 상층부의 전해질이 상기 입구를 통해 상기 펌프 본체로 포집되도록 하며, 양극 및 음극 사이 공간에 위치함으로써 상기 양극 및 음극의 단자간 단락을 차단시키는 포집판; 및
   가는 관의 형태로서 상기 축전지의 하부에서 상부로 길이 방향으로 배치되며, 상기 상부에 위치한 일단은 상기 펌프 본체의 일측과 연결되고, 상기 축전지의 하부에 위치한 타단에서 유입된 전해질이 상부의 상기 펌프 본체로 상승되도록 하는 펌핑 파이프를 포함하는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 펌프 본체는,
   상기 펌핑 파이프를 통해 상승된 전해질이 모이는 제1 공간;
   상기 포집판을 통해 포집된 전해질이 모이는 제3 공간; 및
   상기 제1 공간과 제3 공간 사이에서 통로를 형성하는 제2 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 펌프 본체는,
   상기 제3 공간 내부에 기포가 모이면, 상기 모여진 기포가 상기 배출구를 통해 상기 펌프 본체 밖으로 배출되며, 상기 기포의 배출에 따라 상기 제1 공간에 모여진 전해질이 상기 배출구를 통해 함께 배출되는 것을 특징으로 하는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 펌프 본체는,
   상기 펌프 본체 내에 모여진 상기 전해질이 상기 배출구를 통해 배출되면, 상기 펌프 본체 내부가 진공 상태가 되어, 상기 축전지 하단부의 전해질이 상승하여 상기 펌프 본체 내부로 다시 채워지는 것을 특징으로 하는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 펌프 본체는,
   상기 전해액을 상부로 끌어올릴 수 있는 펌프 수단; 및
   상기 펌프 본체 내의 적어도 하나의 공간에서 전해액의 이동을 개폐하는 적어도 하나의 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질 자가 순환 기능을 갖는 축전지.
   

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