KR19980025149A - 조합전지의 냉각방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축전지를 조합한 조합전지의 냉각방법에 관한 것으로서, 전지간에 있어서의 온도의 불균일을 억제하고, 전지성능불균일을 억제하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 구성에 있어서, 단위전지(10)는, 단전지(7)의 전조(2)의 바깥쪽에 형성한 볼록부(8)끼리 접하고, 오목부(9)에 의해 단전지(7)의 사이에 상하방향의 공간(11)를 형성한 구조로 되어 있고, 그 단위전지(10)는 알루미늄제이 판(12)과 철제의 밴드(13)에 의해 양단부의 단전지(7)를 집합방형으로 구속하고 있으며, 그 단위 전지를 가로를 향하게 하고, 단자를 동일방향으로하여, 냉매가 전극기둥이 형성된 면을 향해서 흐르도록한 구성인 것을 특징으로 한 것이다.

Description

조합전지의 냉각방법
본 발명은, 축전지를 조합한 조합전지의 냉각방법에 관한 것이다.
밀폐형 알칼리축전지는, 니켈카드뮴전지 및 니켈·수소축전지로 대표되고, 에너지밀도가 높고, 신뢰성에 뛰어나고 있기 때문에 포터블기기(비디오카메라, 캡톱컴퓨터, 휴대용전화등)의 전원으로서 수많이 사용되고 있다. 이들 단전지는, 케이스가 금속제이고, 형상이 원통 또는 각주형이고, 용향은 0.5~3Ah정도이며, 소형의 밀폐형알칼리측전지이다. 실제사용에 있어서는, 수개애서부터 10수개의 단전지를 수지케이스나튜브속에 수납해서 사용하는 것이 일반적이다. 이들 소형의 밀폐형알칼리측전지는, 전지용량이 0.5~3Ah정도이기 때문에, 충방전시에 있어서의 단전지당의 발열량은 적다. 따라서, 수지케이스나 튜브속에 수납해서 사용했을 경우, 발열과 방열의 균형이 적절하게 행하여지고 있었기 때문에, 전지의 온도상승에 관한 현저한 문제는 발생하지 않았다.
또, 알칼리축전지의 전해군은 충방전의 반복에 의해 팽창하나, 케이스는 금속성의 원통형이기 때문에, 전극군의 팽창에 의한 케이스의 변형 등의 현저한 과제는 없었다. 각 주형의 경우도 소형이기 때문에, 케이스등에 특별한 고안은 필요로 하지 않았다.
그러나, 최근에 와서, 가전제품에서부터 전기자동차 등의 이동용 전원에 이르기까지 에너지밀도가 높은 고신뢰성의 중·대형전지(중형전지는 용량 10~100Ah, 대형전지는 용량 100Ah이상으로 정의한다. 사용개수는 어느것이나 모두 몇 개에서부터 수 100개로 정의한다.)가 강력히 요망되고 있다. 중·대형전지로서는, 개방형의 니켈카드뮴전지나 납축전지가 에너지저장용이나 UPS용 등에 사용되고 있으나, 사용기간에서의 액주입등의 보수의 번잡함이 있다. 따라서, 가전제품에서부터 전기자동차에 이르는 이동용 전원으로서는, 전지의 보수불필요화 즉 밀폐화가 필요하다. 이상과 같이, 가전제품에서부터 전기자동차에 이르는 이동용전원으로서 알칼리축전지를 사용하는 경우, 전지의 밀폐화와 중·대형화를 동시에 행할 필요가 있다. 즉, 단전지의 밀폐화를 도모하면서, 단전지의 전기용량의 증대와 전지전압을 증가하기 위하여 다수의 단전지를 직렬로 접속하는 것이 필요하다.
전지는, 충방전에 수반해서 전극반응에 의한 반응열이나 주울열(Joule's heat)이 발생한다. 단전지의 전기용량의 증대 및 밀폐화에 의해 발생하는 열량이 증가하고, 전지외부에의 방열이 지연되고, 발생한 열이 전지내부에 축열되는 결과, 소형전지보다도 전지내부의 온도가 상승한다. 또, 이와 같은 대용향의 단전지를 직렬로 접속한 단위전지나 단위전지를 직렬로 접속한 조합전지는, 수10셀에서부터 수100셀을 인접하도록 배치되기 때문에, 이 열을 어떻게 외부에 방출할 것인가가 문제로 되어있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 일본국 특개평 3-291867호 공보에서는, 양긍과 음극과 전해액에 의해서 구성되고, 충전지에 발열을 수반하는 단축전지를 다수개 배열한 시스템에 있어서, 각 단전지간에 공기가 유통하는 공간을 형성하는 축전지시스템의 방열장치가 제안되고 있다.
그러나, 자동차용에 대표되는 이동용의 전지는, 차량탑재스페이스가 적고, 많은 전지를 탑재하기 위해서는 전지를 2단으로 적층할 필요가 있다. 단순히 2단으로 적층했을 경우, 냉각용의 공기의 흐름은 위로부터 아래 또는 아래로부터 위로되고, 먼저의 전지로부터 제거된 열을 지닌 따뜻한 공기나 나중의 전지로 흘러, 나중전지의 냉각능력이 떨어진다. 먼저의 전지가 나중의 전지와 냉각능력의 차이가 생기면, 전지온도의 차에 의해 층전효율에 차이가 생겨버려, 전지용량이 불균일하게 되어 버린다.
전지용량이 불균일하게 되면, 용량이 적은 전지에 있어서는 방전말기에 과방전으로 되어버려, 발열량이 급격히 증대한다고 하는 위험한 상황으로 된다. 또, 이와 같은 충방전의 반복에 의해서, 사이클수명도 짧아진다고 하는 것이 예측된다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하는 것으로서, 이와 같은 전지간에 있어서의 온도의 불균일을 억제하고, 전지성능불균일이 없는 뛰어난 조합전지의 냉각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 단전지(單電池)의 구성도
도 2는 본 발명의 일실시형태에 의한 단위전지의 구성도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 조합전지의 구성도
도 4는 비교예 1의 조합전지의 구성도
도 5는 비교예 2의 조합전지의 구성도
도 6은 수명시험의 결과를 표시한 도면
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 조합전지의 구성도
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 조합전지의 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1:전극군2:전조(電槽)
3:양극단자4:음극단자
5:안전밸브6:덮개
7:단전지(單電池)8:볼록부
9:오목부10:단위전지
11:공간12:알루미늄제의 판
13:철제의 밴드
상기 목적을 달성하는 본 발명의 구성은, 직육면체이며, 내부에 전극군을 수납하고, 일면에만 양극 및 음극의 전극기둥(極柱)을 가지고, 적어도 다른 전조와 접촉하는 면에는 냉매를 통과시키기 위한 공간을 만드는 돌기를 구비한 전조를 복수개 유지한 단위전지를 복수개 조합한 조합전지로서, 냉매는 비연속적으로 전조의 리브를 형성한 면과 접촉하고, 전극기둥을 구비한 면에 대향하는 면으로부터 전극기둥을 가진 면을 향해서 냉매를 흐르게하는 것이다.
상기 구성에 의해, 전지내에서 발생한 열을 전지외부에 효율좋게 방출할 수 있고, 전지마다의 온도차를 적게할 수 있다. 따라서, 각 전지의 용량불균일을 방지할 수 있고, 사이클수명특성에 뛰어난 조합전지를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에서 본 발명에서 사용한 밀폐식 알칼리축전지의 단전지와, 도 2에 단위전지의 구조를 표시한다.
전극군(1)은 다음과 같이 작성하였다. 양극판은 활성물질인 수산화니켈분말을 발포상니켈다공체에 충전하고, 소정의 치수로 압연(壓延)·절단하고, 전극판 1매당의 용량이 10Ah의 니켈양극을 작성하였다. 다음에, 음극판은 전기화학적으로 수소의 흡장(吸藏)·방출이 가능한 MmNi3.6Co0.7Mn0.4Al0.4의 조성을 가진 수소흡장합금분말을 결착제와 함께 펀칭금속에 코팅하여, 소정으 치수로 압연·절단하고, 전극판 1매당의 용량이 13Ah의 수소흡장합금음극을 작성하였다.
이들 양·음극판을 각각 주머니형상의 세퍼레이터로 둘러사고, 세퍼레이터로 둘러싸인 양극판 10매와 음극판 11매를 교호로 조합하여, 전극군(1)을 작성하였다. 또한, 전극군(1)은 전조(2)의 안치수에 대해서 약 85~100%의 두께를 가지도록 작성하였다. 이 전극군(1)에 전극기둥인 구리와 니켈에 의해 구성된 양극단자(3)와 음극단자(4)를 접속하고, 폴리프로필렌제의 전조(2)에 삽입하였다. 다음에, 알칼리전해액 180㎤를 액주입했다. 그리고, 이 전조(2)의 개구부를, 안전밸브(5)(작동압력 2~3kg/㎠)를 구비한 덮개(6)에 의해 밀폐하고, 단전지(7)를 작성하였다.
전조(2)는 바깥쪽에 상하방향으로 냉매를 흐르게하기 위한 다수의 리브 즉 볼록부(8)와 오목부(9)를 형성한 구조이다. 즉, 냉매는, 리브를 형성한 전조에 똑같이 연속해서 접촉하는 것은 아니고, 리브에 의해 분단되어서 비연속적으로 접촉하게 된다. 또한 볼록부(8)의 높이는 1.5㎜이며, 단전지(7)는 처음충방전(충전=10A×15시간, 방전=20A에서 1.0V까지)을 행하고, 전해군(1)을 팽창시키므로써 전극군(1)의 가장외부가 전조(2)와 접하는 상태로 하였다. 이 단전지(7)는 양극에 의해 전지용량이 규제되고, 전지용량은 100Ah이다.
이와 같이 작성한 단전지(7)를 10개 직렬로 접속하고, 도 2에 표시한 바와 같은 단위전지(12)를 작성하였다. 이 단위전지(1)는, 단전지(7)의 전조(2)의 바깥쪽에 형성한 볼록부(8)끼리 접하고, 오목부(9)에 의해 단전지(7)의 사이에 상하방향의 공간(11)를 형성한 구조로 되어 있다. 단위전지(10)는 알루미늄제의 판(12)과 철제의 밴드(13)에 의해 양단부의 단전지(7)를 집합방향으로 구속한 구성으로 되어 있다. 또한 전지압은 12V이다.
이 단위전지를 2개를 사용하여 2단으로 적층할때의 냉각방법에 대해서 비교예를 포함해서, 다음의 3종류를 비교했다. 또한, 각 도면에 있어서 냉매가 흐르는 방향을 화살표를 사용해서 표시했다(본 실시예). 도 3과 같이 전지를 가로로 향하게 하고, 단자를 동일방향으로하여, 냉매가 전극기둥이 형성된 면을 향해서 흐르드록 한다(비교예 1). 도 4와 같이 전지를 세로의 상태 그대로, 냉매가 연속해서 단위전지를 냉각하도록 한다(비교예 2). 도 5와 같이 전조표면의 볼록부의 방향을 가로방향의 것을 사용하여, 마찬가지의 전지를 제작하고, 전지는 세로방향 그대로, 냉매가 단전지를 횡단하도록 한다.
본 발명과 비교예 1, 2의 3종류의 구성을 2개의 단위전지를 사용해서 사이클 수명시험을 행하였다. 시험은, 10A에서 12시간 충전한 후, 1시간 방치하고, 20A에서 20V끼지 방전했다. 단위전지의 방전용량의 계산은, 전지전압이 20V까지의 방전시간을 사용해서 계산하였다. 충전시에는, 단위전지의 단전지간 및 알루미늄제의 판과 단전지간의 각각의 공간부분에 도면의 화살표방향으로 팬에 의해 송풍을 행하였다. 공간부분(13)을 통과하는 공기의 풍속은 2.0m/sec로 했다. 환경온도는 20℃로 했다. 시험결과를 도 6에 표시하였다.
도 6으로부터 명백한 바와 같이, 수명시험의 결과, 비교예 1의 단위전지의 용량이 먼저 저하하고, 또 비교예 2의 단위전지의 용량이 저하하였다. 본 발명의 단위전지는 가장 장수명이었다. 이것은, 먼저 비교예 1의 단위전지는 아래쪽으로 부터의 냉각풍이 하부의 단위전지를 냉각하고, 그 열을 지닌채 상부의 단위전지의 각 단전지사이를 통과한다. 따라서 상부의 전치는 그다지 냉각되지 않고, 그 결과 2개의 단위전지간에서 온도가 불균일하게 되어 버린다. 이온도불균일에 의해, 충전효율에 차이를 초래하여, 방전용량이 달라진다. 상부의 단위전지는 과방전에 이르고, 음극의 합금의 부식이 진행되어, 단수명으로 되었다. 다음에 비교예 2는 상하의 온도차는 없어지고 단전지간의 불균일은 없어지나, 좌우에서의 온도차가 발생한다. 이에 의해 전극판내부에 있어서의 충전효율에 차이가 발생하고, 전극판내부의 반응이 불균일하게 되므로써, 충전시국부적으로 과충전으로 되거나, 방전시과방전으로 되고, 활성물질의 열악화가 진행되어, 수명이 짧아진다.
그에 대해서, 본 발명의 단위전지는 각 전지에 균일하게 냉각풍이 통과하고, 단전지간의 불균일이 없다. 또, 냉각풍의 출구쪽은 온도가 올라가나 단자를 개재해서 전극판군으로부터의 열이 제거되고, 전극판내부의 불균일도 억제된다. 따라서 장수명이 달성되었다.
또한 비교예 1은 송풍되는 단면이 비교예 2의 절반이므로 총송풍량도 비교예 2의 절반이였다. 비교에 1과 비교예 2의 총송풍량을 동일하게 하기 위해, 비교예 1의 송풍유량을 2배로 하면 사이클수명특성은 비교예 2보다도향상되는 것이 확인되었다.
또한, 도 7과 같이 이 구성을 등을 맞대고 2개 배열하므로써, 보다 많은 전지를균일하게 냉각할 수 있고, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 또, 도 8과 같이 이렇게해서 만들어진 구성을 송풍출구를 위하여 약간 떨어지게해서 배열하므로써, 보다 많은 전지를 균일하게 냉각할 수 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 직육면체이며, 내부에 전극군을 수납하고, 일면에만 양극 및 음극의 전극기둥을 가지고, 적어도 다른 전조와 접촉하는 면에는 냉매를 통과시키기 위한 공간을 만드는 돌기를 구비한 전조를 복수개 유지한 단위전지를 복수개 조합한 조합전지로서, 냉매는 비연속적으로 전조의 리브를 형성한 면과 접촉하고, 전극기둥을 구비한 면에 대향하는 면으로부터 전극기둥을 가진 면을 향해서 냉매를 흐르게 하는 조합전지의 냉각방법에 의하므로, 전지내에서 발생한 열을 전지외부에 효율좋게 방출할 수 있고, 전지마다의 온도차를 적게 할수 있다. 따라서, 각 전지의 용량불균일을 방지할 수 있고, 사이클수명특성에 뛰어난 조합전지의 냉각방법을 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 직육면체이며, 내부에 전극군을 수납하고, 일면에만 양극 및 음극의 전극기둥을 가지고, 적어도 다른 전조와 접촉하는 면에는 냉매를 통과시키기 위한 공간을 만드는 돌기를 구비한 전조를 복수개 유지한 단위전지를 복수개 조합한 조합전지로서, 상기 전극기둥을 구비한 면에 대향하는 면으로부터 상기 전극기둥을 가진 면을 향해서 냉매를 흐르게 한 것을 특징으로 하는 조합전지의 냉각방법.
  2. 제 1항에 있어서, 냉매가 상기 돌기를 형성한 전조의 면과 비연속적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 조합전지의 냉각방법.
  3. 직육면체이며, 내부에 전극군을 수납하고, 일면에만 양극 및 음극의 전극기둥을 가지고, 적어도 다른 전조와 접촉하는 면에는 냉매를 통과시키기 위한 공간을 만드는 돌기를 구비한 전조를 복수개 유지한 단위전지를 가로로향하게하고, 상기 전극기둥을 구비한 면이 동일방향으로 되도록 적층한 조합전지로서 상기 전극기둥을 구비한 면에 대향하는 면으로부터 상기 전극기둥을 가진면을 향해서 냉매를 흐르게한것을 특징으로 조합전지의 냉각방법.
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