KR20120065346A

KR20120065346A - 전기화학적 에너지 저장체의 냉각 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120065346A
Application number: KR1020127006264A
Authority: KR
Inventors: 요르그 카이저; 볼커 헤니게; 홀게르 미쿠스; 팀 쇠퍼
Original assignee: 리-텍 배터리 게엠베하
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-06-20
Also published as: JP2013502677A; CN102576881A; WO2011020616A1; EP2467891A1; US20120231304A1; BR112012002769A2; DE102009038065A1

Abstract

본 발명의 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬을 함유하는 갈바니 셀을 냉각하기 위한 장치에는, 화재 발생시에 소화 효과를 가지며, 에너지 저장체, 에너지 저장체의 하우징(201), 또는 에너지 저장체의 부품들 또는 그 부품들의 하우징을 관통하여 또는 그 주위로 냉각제가 제공된다.

Description

전기화학적 에너지 저장체의 냉각 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR COOLING AN ELECTROCHEMICAL ENERGY STORE}

본 발명은 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬 이온 저장 전지의 냉각 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 종류의 전기화학적 저장체는 예를 들면 차량에 사용된다. 그러나, 본 발명은 리튬을 포함하지 않은 전기화학적 에너지 저장체 및 차량과는 무관한 경우에도 사용될 수 있다.

선출원인 독일 특허출원 DE 10 2009 038 065.5호는 원용에 의해 그 내용 전체가 본 명세서에 포함된다.

전기화학적 에너지 저장체를 냉각하기 위한 장치 및 방법은 여러 가지가 해당 기술분야에 알려져 있다.

특허 문헌 DE 10 2005 017 648 A1은 복수 개의 저장 셀 및 상기 저장 셀과 열 전도 가능하게 접촉되어 있는 하나 이상의 용기(volume)를 구비한 액체 냉각식 전지로서, 상기 용기는 통과하여 흐르는 냉각 매체를 수용할 수 있는 전지를 개시한다. 이 경우에 각각의 저장 셀은, 내부 압력이 미리 정해진 매체 압력을 초과할 때 저장 셀을 개방하여 저장 셀 용기를 외부와 연결시키는 안전 밸브를 구비한다. 이 경우에, 안전 밸브들은 그 밸브들 중 하나가 개방되면, 통과하여 흐르는 냉각 매체를 가질 수 있는 용기와 개방형 안전 밸브를 구비한 저장 셀의 내부 사이에 연결이 이루어지도록, 저장 셀에 설치된다.

전기화학적 에너지 저장체를 냉각하기 위한 그 밖의 장치와 방법이 개시되어 있지만, 여기서는 그것들을 남김없이, 또는 어떤 식으로든 대표로 제시할 수는 없다. 그러나, 이러한 장치와 방법들은 서로 상이할 수 있지만, 그것들이 모두 공통적으로 가지는 한 가지 사실은 전기화학적 에너지 저장체가 과열되어, 가능하게는 그 결과로서 화재를 일으킬 수 있는 것을 절대적으로 확실하게 방지할 수는 없다는 점이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에너지 저장체에서의 과열, 특히 화재가 초래되는 것을 완화시킬 수 있는, 전기화학적 에너지 저장체의 냉각 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 특허청구범위의 독립항 중 어느 한 항에 따른 장치 및 방법에 의해 해결된다. 종속항은 유리한 개발 사항을 보호하고자 제시된다.

본 발명에 따르면, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀(galvanic cell)의 냉각 장치 및 방법으로서, 화재 발생시에 소화 효과를 가진 냉각제가, 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징 또는 상기 에너지 저장체의 부품들 또는 상기 부품들의 하우징 주위에 또는 관통하여 흐르는, 냉각 장치 및 방법이 제공된다.

상기 과제는 또한, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀을 냉각시키기 위해, 폴리머, 계면활성제, 에스테르 오일 및 물의 혼합물을 사용하는 방법, 또는 냉각제로서 물과 함께 폴리머, 계면활성제 및/또는 에스테르 오일의 혼합물 형태로 되어 있는 첨가제를 사용하는 방법으로서, 상기 냉각제는 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징, 또는 상기 에너지 저장체의 부품들, 또는 상기 부품들의 하우징 주위에 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에 소화 효과를 가지는, 방법에 의해 해결된다.

본 발명의 설명과 관련하여, 전기화학적 에너지 저장체란 전기 에너지가 인출될 수 있고 그 내부에서 전기화학적 반응이 일어나는 임의의 종류의 에너지 저장체로 이해해야 한다. 상기 전기화학적 에너지 저장체라는 용어는 특히 모든 종류의 갈바니 셀, 특히 1차 셀, 2차 셀 및 그러한 셀로 만들어진 전지에 대한 상기 셀의 상호접속부를 포괄한다. 이러한 종류의 전기화학적 에너지 저장체는 일반적으로, 세퍼레이터에 의해 분리된 음극 및 양극을 구비한다. 상기 전극들 사이에서 전해질에 의해 이온 수송이 일어난다.

본 발명의 문맥 내에서 냉각제란 유동가능한 물질, 특히 기상 또는 액상의 열 전달 매체로서, 주위로부터 열을 흡수하여 그 열을 유동에 의해 수송하고, 또한 그 열을 주위에 방출할 수 있으며, 열 수송 매체 내의 열 전도에 의한 열 수송 및/또는 공기역학적 또는 수력학적 유동, 특히 대류 방식의 흐름에 의한 열 수송에 적합한 물리적 성질을 가지는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 해당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 열 수송 매체의 주요한 예는, 공기 또는 물, 또는 기타 통상적 냉각제이다. 응용 분야에 따라, 화학적으로 불활성인 (반응성이 낮은) 기체 또는 액체, 예를 들면 희가스(noble gas) 또는 액화 희가스, 또는 높은 열 용량 및/또는 열 전도도를 가진 물질도 통상적으로 사용된다.

이러한 문맥에서 유동가능한 물질이란, 공기역학적 또는 수력학적 의미에서 흐름이 형성될 수 있는 임의의 물질, 또는 이러한 종류의 흐름이 유지될 수 있는 임의의 물질을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 그러한 물질의 예는 특히 기체와 액체이다. 그러나, 이러한 의미 내의 유동은 액체 또는 기체와 미세하게 분포된 고체의 혼합물, 소위 에어로졸, 또는 콜로이드 용액 중에 유지될 수 있고 또는 발생될 수 있다.

본 발명과 관련하여 소화 효과란, 화재에 대응하는 효과, 즉 화재의 발생을 방지하거나 화재의 결과를 완화시킬 수 있는 효과로 이해해야 한다.

이러한 문맥에서, 화재란 에너지 저장체 또는 에너지 저장체의 부품들 또는 그의 주변 환경이 원하지 않은 화학적 반응에서 변환되거나 분해되는 일체의 공정으로 이해해야 한다. 이러한 의미에서 화재는, 특히 구조적 부재 또는 에너지 저장체의 컴포넌트 또는 그의 주변 환경의 발열성 화학 반응으로서, 에너지 저장체 또는 그것의 컴포넌트의 과열로 인해 빈번하게 일어나는 화학 반응이다.

본 발명의 설명과 관련하여, 점탄성 유체란 점탄성을 나타내는 유체로 이해해야 한다. (이상적인) 유체는 임의의 저속 전단 변형(strain)에 대해 (다소의) 저항을 갖지 않는 물질로 이해된다. 압축성 유체(기체)와 비압축성 유체(액체)는 서로 구분된다. 기체와 액체에 대한 대부분의 물리적 법칙이 (다소간) 동일하게 적용되고, 그것의 많은 성질들이 정량적으로만 다를 뿐이고 정성적으로는 원칙적으로 다르지 않기 때문에, 통상적 용어인 "유체"가 사용된다. 실제의 유체는 나타내는 거동에 따라, 유체의 유동 역학(flow mexhanics)을 가진 것으로 설명되는 "뉴턴 유체"와 레올로지(rheology)를 가진 것으로 설명되는 비-뉴턴 유체"로 구분된다. 이 경우에 차이는 매체의 유동성에 있으며, 전단 스트레스와 왜곡 속도(distortion velocity) 또는 전단 속도 사이의 기능적 관계로 설명된다.

점탄성은 예를 들면 폴리머 용융체 또는 고체형 플라스틱과 같은 유체의 시간-의존성, 온도-의존성 및/또는 주파수-의존성 탄성을 표시하는 데 사용된다. 점탄성은 부분적으로는 탄성, 부분적으로는 점성 거동에 의해 특징화된다. 외부의 힘을 제거한 다음, 물질은 불완전하게 초기 상태로 되돌아가고, 잔여 에너지는 유동 공정의 형태로 추출된다.

본 발명의 설명과 관련하여, 겔(gel)이란 적어도 제1의, 흔히 고상(solid phase), 및 적어도 제2의, 흔히 액상(liquid phase)을 포함하는 미세하게 분산된 시스템으로 이해해야 한다. 겔은 흔히 콜로이드를 나타낸다. 이 경우에 고상은 스펀지형 삼차원 망을 형성하고, 그것의 기공은 액체 또는 기체로 채워진다. 이 경우에, 두 가지 상은 흔히 서로 완전히 투과한다. 콜로이드는 또 다른 매체(고체, 기체 또는 액체)인 분산매 중에 미세하게 분포되어 있는 입자 또는 액적을 의미한다.

본 발명의 유리한 개발 내용은 특허청구범위의 종속항의 대상이다.

본 발명에 따른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 에너지 저장체가 정상적으로 작동하고 있을 때에는 닫혀있는 냉각제 회로를 통해 흐르고, 상기 냉각제는 화재 발생시 주어진 지점에서 폐쇄된 냉각제 회로로부터 배출되어 상기 지점에서 소화 효과를 가질 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 방식으로, 화재에 처한 특정 지점에서 소화 효과가 발휘될 수 있고, 동시에 냉각제 효과도 유지될 수 있다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치는, 화재 발생시 냉각제 회로로부터 주어진 지점에서 냉각제가 배출될 때, 냉각제 압력을 일으키는 메커니즘을 구비한다. 본 발명의 이 구현예는 냉각제 압력과 관련될 수 있으므로, 냉각 시스템으로부터 특정 지점에서 냉각제가 배출될 때, 그 지점에서의 소화 효과를 발휘하도록 냉각 효과는 대체로 또는 완벽하게 유지된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 겔 또는 점탄성 유체이다. 겔은 흔히 유체에 비해 향상된 냉각 효과와 관련된다. 겔의 유체 성분의 증발 속도는 흔히 유체의 증발 속도보다 느리다. 그 결과, 액체 성분의 체류 시간 및 활성 시간이 개선되는 것이 보통이다. 동시에, 겔은 화재 자리에서 공기를 효과적으로 밀어내는 것을 보장할 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 콜로이드형 점탄성 유체이다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 물을 함유한다. 물은 쉽게 이용할 수 있고, 많은 경우에 매우 효과적인 냉각제이자 소화제이다. 물의 적합성은 전기화학적 에너지 저장체의 갈바니 셀에 대한 특정 기술의 선택에 의해 제한될 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 물과 폴리머, 계면활성제 및/또는 에스테르 오일의 혼합물로 구성된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제, 하나 이상의 에스테르 오일 및 물의 혼합물을 포함한다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 냉각제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 W 중량%의 물의 혼합물로 구성되고, 하기 관계를 충족시킨다:

10≤P≤35,

1≤T≤10,

10≤E≤35,

20≤W≤55, 및

P + T + E + W = 100.

25≤P≤31,

4≤T≤8,

18≤E≤28,

38≤W≤48, 및

P + T + E + W = 100.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 냉각제의 총량 기준으로, 약 28%의 하나 이상의 폴리머, 약 6%의 하나 이상의 계면활성제, 약 23%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 약 43%의 물의 혼합물로 구성된다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 10∼1,000mPas 범위의 동적 점도를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제는 에너지 저장체가 정상적으로 작동하고 있을 때에는 닫혀있는 냉각제 회로를 통해 흐르고, 냉각제가 냉각제 회로로부터 배출될 때에는 특정 지점에서 닫혀있는 냉각제 회로로부터 배출되고, 냉각제 회로로부터 배출되는 첨가제와 혼합됨으로써, 겔 또는 점탄성 유체가 형성되도록 설계되어 있다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 장치에 있어서, 냉각제로서 물이 사용되는데, 물은 에너지 저장체가 정상적으로 작동하고 있을 때에는 닫혀있는 냉각제 회로를 통해 흐르고, 상기 냉각제 회로는 화재 발생시 주어진 지점에서 닫혀있는 냉각제 회로로부터 물이 배출되고, 냉각제 회로로부터 배출되는 첨가제와 혼합됨으로써, 겔 또는 점탄성 유체가 형성되도록 설계되어 있다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치에 있어서, 상기 첨가제는 하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제, 및 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함한다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치에 있어서, 상기 첨가제는, 첨가제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, 및 E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하고, 하기 관계를 충족시킨다:

12≤P≤78,

1≤T≤22,

12≤E≤78, 및

P + T + E = 100.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치의 경우에, 상기 첨가제는, 첨가제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, 및 E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하고, 하기 관계를 충족시킨다:

45≤P≤55,

8≤T≤12,

35≤E≤45, 및

P + T + E = 100.

본 발명에 따른 특히 바람직한 장치의 경우에, 상기 첨가제는 약 50 중량%의 하나 이상의 폴리머, 약 10 중량%의 하나 이상의 계면활성제, 및 약 40 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함한다.

또한, 특히 바람직한 것은, 냉각제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 W 중량%의 물의 혼합물을 사용하는 것이며, 상기 성분들의 양은 하기 관계를 충족시킨다:

10≤P≤35,

1≤T≤10,

10≤E≤35,

20≤W≤55, 및

P + T + E + W = 100.

25≤P≤31,

4≤T≤8,

18≤E≤28,

38≤W≤48, 및

P + T + E + W = 100.

또한, 특히 바람직한 것은, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀을 냉각하기 위한 냉각제로서, 약 28%의 하나 이상의 폴리머, 약 6%의 하나 이상의 계면활성제, 약 23%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 약 43%의 물의 혼합물을 사용하는 것이고, 상기 냉각제는 에너지 저장체, 에너지 저장체의 하우징 또는 에너지 저장체의 부품들 또는 그 부품들의 하우징 주위로 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에는 첨가제와 함께 소화 효과를 가진다.

또한, 특히 바람직한 것은, 첨가제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, 및 E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일을 포함하는 혼합물의 형태로 첨가제를 사용하는 것이며, 상기 성분들의 양은 하기 관계를 충족시킨다:

12≤P≤78,

1≤T≤22,

12≤E≤78, 및

P + T + E + W = 100.

45≤P≤55,

8≤T≤12,

35≤E≤45, 및

P + T + E = 100.

또한, 특히 바람직한 것은, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀을 냉각하기 위한 냉각제로서, 약 50%의 하나 이상의 폴리머, 약 10%의 하나 이상의 계면활성제, 및 약 40%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 물과 함께 사용하는 것이고, 상기 냉각제는 에너지 저장체, 에너지 저장체의 하우징 또는 에너지 저장체의 부품들 또는 그 부품들의 하우징 주위로 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에는 첨가제와 함께 소화 효과를 가진다.

본 발명에 의하면, 에너지 저장체의 과열, 특히 화재가 초래되는 것을 완화시킬 수 있는, 전기화학적 에너지 저장체의 냉각 장치 및 방법이 제공된다.

이하에서 바람직한 예시적 구현예를 이용한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른, 전기화학적 에너지 저장체의 냉각용 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른, 전기화학적 에너지 저장체의 본 발명에 따른 냉각 방법의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 구현예에 따른, 전기화학적 에너지 저장체의 본 발명에 따른 냉각 방법의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 구현예에 따른, 전기화학적 에너지 저장체의 본 발명에 따른 냉각 방법의 개략도이다.

도 1 내지 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 에너지 저장체는 전기화학적 에너지 저장체의 여러 가지 컴포넌트가 설치되어 있는 하우징(101, 201, 301, 401)을 구비한다. 이들 컴포넌트는 세퍼레이터에 의해 서로 분리되어 있고, 이온-전도성 전해질이 그 사이에 수용되어 있는 전극(105, 106)을 포함한다. 이 경우에, 활성 물질은 전기화학적 에너지 저장체, 즉 갈바니 셀 내에 상이하게 설치될 수 있다.

이러한 종류의 구성은 소위 전극 와인딩(winding) 또는 전극 스택(stack)이다. 본 발명은 전극의 특별한 구성 및 갈바니 셀 내의 추가적 활성 물질에 한정되는 것은 아니다. 도 1 내지 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 전극(105, 106)은 흔히 소위 내측 커넥터(107, 207, 307, 407 및 108, 208, 308, 408)를 통해 소위 외측 전류 커넥터(102, 202, 302, 402 및 103, 203, 303, 403)에 접속된다. 이 경우에, 양극(105, 205, 305, 405)은 포지티브 커넥터(102, 202, 302, 402)에 접속되고, 음극(106, 206, 306, 406)은 네거티브 커넥터(103, 203, 303, 403)에 접속된다. 갈바니 셀에서의 내측 단락을 방지하는 세러페이터(112, 212, 312, 412)는 통상 반대 전극들 사이에 설치된다.

갈바니 셀의 충전 또는 방전 공정중에, 상기 셀에서 화학 반응이 일어나는데, 이것은 흔히 실질적인 발열과 관련된다. 그러므로, 전기화학적 에너지 저장체의 설계에 따라, 원치 않는, 이러한 발열로 인해 불필요한 또는 허용될 수 없는 온도 상승이 초래되는 것을 방지하기 위해 냉각이 필요할 수 있다. 도 1 내지 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명은 에너지 저장체, 그 저장체의 하우징(101, 201, 301, 401) 또는 에너지 저장체의 부품들 또는 그 부품들의 하우징 주위에 또는 관통하여 흐르는 냉각제(109, 209, 309, 409)를 제공한다. 또한, 본 발명에 따르면 이 냉각제는 화재 발생시 소화 효과를 가지도록 제공된다.

본 발명의 토대를 이루는 기본적 사상은 다양한 방식으로 실행될 수 있다. 본 발명의 제1 예시적 구현예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예시적 구현예에서, 냉각제가 전기화학적 에너지 저장체의 내부와 매우 양호하게 열 접촉이 되어도, 그와 동시에 정상적 가동시 냉각제와 에너지 저장체의 내부 사이에 화학 반응을 촉진시키는 직접적인 접촉은 피하도록 바람직하게 설계되어 있는 특별한 유동 채널(104)을 통해 냉각제(109)가 흐른다. 그 결과, 냉각제는 화재 발생시에 소화 효과를 가질 수 있고, 상기 유동 채널(104)은 화재 발생시에 냉각제가 유동 채널로부터 배출될 수 있고, 그 결과 전기화학적 에너지 저장체 내에서 소화 효과를 가질 수 있도록 바람직하게 설계되어 있다. 이것은 예를 들면, 유동 채널이 화재에 의해 국소적으로 파괴되거나 적어도 개방됨으로써 냉각제(109)가 유동 채널(104)로부터 배출될 수 있도록 설계되어 있으므로 이루어질 수 있다.

도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 예시적 구현예는, 유동 채널(204)로부터 냉각제(209)의 비상 조치는, 화재 발생시 유동 채널(204)을 선택적으로 개방함으로써 냉각제가 전기화학적 에너지 저장체 내부로 유출되도록 하는 특별한 메커니즘(210)에 의해 실행된다. 그러한 메커니즘(210)의 바람직한 예는 블로우-아웃 디스크(blow-out disc)이며, 예를 들면 바람직하게는 적합한 온도 센서 및 적합한 컨트롤 로직(control logic)에 연결될 수 있는 열 제어식 밸브 또는 전기 제어식 밸브이다.

도 3은 본 발명의 제3 예시적 구현예를 개략적인 형태로 나타내는 것으로, 냉각제(309)가 통과하여 흐르는 유동 채널(304)이 전기화학적 에너지 저장체의 하우징(301) 외부에 설치되고, 열 전도 메커니즘(311)이 유동 채널(304)과 전기화학적 에너지 저장체의 하우징(301) 사이에서 충분히 양호한 열 전도 접촉을 보장한다. 본 발명의 제4 예시적 구현예가 도 4에 개략적으로 도시되어 있는데, 이 경우에는 도 2에 도시된 것과 유사한 메커니즘(410)이 제공되어 있고, 화재 발생시 유동 채널로부터 냉각제의 제어된 비상 조치가 실행되도록 되어 있는 점이 제3 예시적 구현예와 주된 차이점이다.

본 발명은 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 이들 예시적 구현예가 가지는 공통점은, 냉각제가 전기화학적 에너지 저장체, 그것의 하우징 또는 에너지 저장체의 부품, 또는 그 부품의 하우징 주위로 또는 통과하여 흐르고, 상기 냉각제는 화재 발생시 소화 효과를 가진다는 사실이다. 이 경우에, 냉각제는 바람직하게는 도 1 내지 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 에너지 저장체가 정상적으로 작동할 때에는 닫혀있는 냉각제 회로를 통하여 흐른다. 이 냉각제 회로는, 바람직하게는 유동 채널을 포함하는데, 화재 발생시에 냉각제가 특정 지점에서 폐쇄-사이클 냉각 시스템으로부터 유출될 수 있고, 이러한 지점에서 소화 효과를 가질 수 있도록 설계되어 있다.

본 발명의 다른 구현예와 조합될 수 있는 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예는, 화재 발생시 냉각제가 냉각 회로로부터 소정 지점에서 배출될 때, 메커니즘에 의해 냉각제 압력이 생성되도록 되어 있다. 이러한 종류의 메커니즘은 여러 가지 방식으로 실현될 수 있다. 바람직한 한 가지 선택안은 냉각제 압력이 펌핑 메커니즘에 의해 제어됨으로써, 상기 압력이 일정하게 유지되거나, 또는 냉각제가 특정 지점에서 유출될 때 적어도 냉각제 회로의 연속적 작동을 보장하는 레벨로 유지될 수 있는 방법을 포함한다. 그러나, 이러한 종류의 메커니즘은 또한, 냉각제가 특정 지점에서 한정된 시점에만 및/또는 제한된 양으로만 배출되는 것을 보장하여, 냉각제 압력 손실이 제한되거나, 저장 설비로부터 후속적인 냉각제 공급에 의해 신속히 균형을 잡을 수 있게 하는 밸브 컨트롤 시스템을 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 냉각제로서 겔 또는 점탄성 유체를 사용하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 그러한 겔 또는 점탄성 유체는, 예를 들면 겔 농축액과 같은 대응하는 첨가제를 물에 혼합함으로써 용이하게 재조될 수 있다. 경험상 이러한 종류의 겔은, 적합한 첨가제 또는 겔 농축액에 의해 물이 난연성, 열-흡수성 겔로 바뀌고, 상기 겔은 또한 매끄러운 표면에 잘 부착되기 때문에 화재를 보다 신속하게 제어할 수 있으며, 따라서 겔 중에 결합된 물은 미사용 상태로 사라지지 않기 때문에 보다 효과적으로 소화 효과가 활용될 수 있다. 따라서, 순수한 물이 아니고 수계 겔을 사용함으로써, 상대적으로 적은 양의 물과 적은 양의 냉각제로 동일한 소화 효과를 얻을 수 있고, 이는 폐쇄-사이클 냉각 시스템 내 냉각제 압력이 더 용이하게 유지된다는 것을 의미한다. 이점은 화재 발생시 냉각제 압력의 상실로 인해 냉각제의 냉각 효과가 지나치게 감소되는 것을 피할 수 있기 때문에 특히 유리하다.

겔 또는 점탄성 유체 이외에도, 콜로이드형 또는 콜로이드형 점탄성 유체가 냉각제로서 특히 바람직하다. 이 경우에 특히 바람직한 것은 물을 함유하는 냉각제이다. 또한, 특히 바람직한 것은, 하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제, 하나 이상의 에스테르 오일 및 물의 혼합물을 포함하는 냉각제이다. 이 경우에, 특히 바람직한 것은 약 28%의 하나 이상의 폴리머, 약 6% 이상의 계면활성제, 약 23% 이상의 에스테르 오일 및 약 43%의 물의 혼합물을 포함하는 냉각제이다.

이러한 조성을 가진 냉각제는 바람직하게는 그 구조 내에 물에 의해 약간 팽윤되는 초흡수성 폴리머를 함유한다. 에스테르 오일의 첨가를 통해, 상기 폴리머는 더 많은 물을 흡수하지 않도록 방지된다. 이러한 종류의 혼합물을 적합한 양의 물에 도입함으로써, 워터-인-오일(water-in-oil) 에멀젼이 오일-인-워터(oil-in-water) 에멀젼으로 바뀌고, 따라서 소위 상-반전(phase-reversal)이 일어난다. 그 결과 방출되는 초흡수성 폴리머의 잔류 흡수 용량에 의해 나머지 물이 결합된다.

이 공정은, 예를 들면, 흐르는 물에서의 교반, 펌핑 또는 혼합에 의해 운동 에너지의 공급을 통해 두드러지게 가속화될 수 있다. 그 결과, 얻고자 하는 점도 레벨이 냉각제 유동 채널의 유출 개구부에서 신속하게 조절될 수 있고, 겔은 배출되는 즉시 사용가능하다.

더욱 바람직한 것은 100∼1,000mPas 범위의 동적 점도를 가진 냉각제이다. 이 경우에, 일반적으로 점성이 높을수록 냉각제의 소화 효과가 증진되지만, 반면에 냉각제가 유동 채널을 통하여 흐르는 것이 더 어려워진다. 따라서, 냉각제가 유동 채널에서 유출되기 전에는 냉각제의 점도가 낮게 유지되고, 냉각제가 유동 채널에서 유출될 때에는 냉각제의 점도가 가능한 한 빨리 증가되는, 본 발명의 예시적 구현예가 바람직하다. 이것은, 예를 들면, 물 또는 다른 저점도 유체가 유동 채널 내의 냉각제로서 사용될 경우, 화재 발생시에 냉각제가 유동 채널에서 유출될 때 첨가제가 냉각제에 혼입되고, 상기 첨가제는 거의 지체됨이 없이, 즉 가능한 한 빨리 점도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.

냉각제로서 물이 사용되고, 상기 냉각제는 에너지 저장체가 정상적으로 작동할 때에는 닫혀있는 냉각 회로를 통해 흐르는 본 발명의 예시적 구현예가 바람직하고, 상기 시스템은 화재 발생시 특정 지점에서 폐쇄-사이클 냉각 시스템으로부터 물이 배출되어, 물이 냉각 시스템에서 유출될 때 첨가제가 물에 혼입됨으로써, 겔 또는 점탄성 유체가 형성될 수 있도록 설계되어 있다.

이 경우에, 하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제, 및 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하는 첨가제를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

또한 특히 바람직한 것은, 약 50%의 하나 이상의 폴리머, 약 10%의 하나 이상의 계면활성제, 및 약 40%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하는 첨가제이다.

혼합물의 비율을 평가할 때, 상기 냉각 및 소화 혼합물 또는 상기 첨가제의 유리한 효과는 냉각 및 소화 혼합물의 점탄성 및 물에 결합하는 능력을 토대로 한다. 그 결과, 매끄러운 표면에 대한 상기 냉각제의 접착성도 증가될 수 있다. 상기 유체는 사용되지 않은 상태로 유실되지 않는다.

특히 폴리머, 에스테르 오일, 계면활성제 및 물의 혼합물에 있어서, 운동 에너지의 영향 하에 혼합비를 적절히 평가함으로써, 휴면 스테이지(resting stage)에 비해 점도의 현저한 감소가 이루어진다. 이러한 방식으로, 이러한 종류의 저점도 혼합물이 냉각 회로를 통해 흐를 수 있고, 동시에 화재 지점에서 그 냉각 회로로부터 배출될 때 높은 점도를 나타낸다. 따라서, 그러한 혼합물의 유동성은 주로 유속에 의존한다.

유체가 겔 구조에 화학적-물리적으로 내포됨으로써, 고온에서의 유체의 증발 속도 역시 현저히 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체 소비량이 현저히 감소될 수 있다.

화재 지점에서, 겔 구조에 혼입된 유체는 비교적 높은 층 두께와 감소된 증발 속도로 인해 더 큰 냉각 효과를 가질 수 있다. 이 효과는 매우 높은 온도에서 화재 진압시 특히 중요하다.

Claims

전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀(galvanic cell)의 냉각 장치로서,
화재 발생시 소화 효과를 가진 냉각제가, 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징 또는 상기 에너지 저장체의 부품들 또는 상기 부품들의 하우징 주위에 또는 관통하여 흐르는 것을 특징으로 하는,
냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각제는, 상기 에너지 저장체가 정상적으로 작동할 때에는 닫혀있는 냉각 회로(104, 204, 304, 404)를 통해 흐르고, 화재 발생시에는 주어진 지점에서 상기 냉각제가 닫혀있는 상기 냉각 회로로부터 배출되어 상기 지점에서 소화 효과를 가질 수 있게 설계되어 있는, 냉각 장치.
제2항에 있어서,
화재 발생시 상기 냉각 회로로부터 주어진 지점에서 상기 냉각제가 배출될 때, 냉각제 압력을 상승시키는 장치를 구비한, 냉각 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 냉각제로서 겔 또는 점탄성 유체를 사용하는 냉각 장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
물을 함유하는 냉각제를 사용하는 냉각 장치.
제5항에 있어서,
하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제, 하나 이상의 에스테르 오일 및 물의 혼합물을 포함하는 냉각제를 사용하는 냉각 장치.
제6항에 있어서,
상기 냉각제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 W 중량%의 물의 혼합물을 포함하고, 하기 관계를 충족시키는 냉각제를 사용하는 냉각 장치:
10≤P≤35,
1≤T≤10,
10≤E≤35,
20≤W≤55, 및
P + T + E + W = 100.
제6항에 있어서,
약 28%의 하나 이상의 폴리머, 약 6%의 하나 이상의 계면활성제, 약 23%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 약 43%의 물의 혼합물을 포함하는 냉각제를 사용하는 냉각 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
100∼1,000mPas 범위의 동적 점도를 가진 냉각제를 사용하는 냉각 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 저장체가 정상적으로 작동하고 있을 때에는 닫혀있는 냉각제 회로를 통해 흐르는 냉각제를 사용하고, 특정 지점에서 닫혀있는 상기 냉각제 회로로부터 상기 냉각제가 배출되고, 상기 냉각제가 상기 냉각제 회로로부터 배출될 때 첨가제와 혼합되어, 겔 또는 점탄성 유체가 형성되도록 설계되어 있는 냉각 장치.
제10항에 있어서,
상기 냉각제로서 물을 사용하고, 하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제 및 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하는 첨가제를 사용하는 냉각 장치.
제11항에 있어서,
상기 첨가제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, 및 E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하고, 하기 관계를 충족시키는 첨가제를 사용하는 냉각 장치:
12≤P≤78,
1≤T≤22,
12≤E≤78, 및
P + T + E = 100.
제11항에 있어서,
약 50%의 하나 이상의 폴리머, 약 10%의 하나 이상의 계면활성제 및 약 40%의 하나 이상의 에스테르 오일의 혼합물을 포함하는 첨가제를 사용하는 냉각 장치.
전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀의 냉각 방법으로서,
냉각제가 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징 또는 부품들, 또는 상기 부품들의 하우징 주위로 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에 소화 효과를 가지는 것을 특징으로 하는,
냉각 방법.
하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제 및/또는 하나 이상의 에스테르 오일 및 냉각제로서 물의 혼합물의, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀의 냉각에 사용되는 용도로서,
상기 냉각제가 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징 또는 부품들, 또는 상기 부품들의 하우징 주위로 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에 소화 효과를 가지는 것을 특징으로 하는,
혼합물의 용도.
제15항에 있어서,
상기 혼합물이 상기 냉각제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제, E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 W 중량%의 물을 포함하고, 하기 관계를 충족시키는, 혼합물의 용도:
10≤P≤35,
1≤T≤10,
10≤E≤35,
20≤W≤55, 및
P + T + E + W = 100.
제15항에 있어서,
상기 혼합물이, 약 28%의 하나 이상의 폴리머, 약 6%의 하나 이상의 계면활성제, 약 23%의 하나 이상의 에스테르 오일 및 약 43%의 물을 포함하는, 혼합물의 용도.
하나 이상의 폴리머, 하나 이상의 계면활성제 및/또는 하나 이상의 에스테르 오일 및 냉각제로서 물을 포함하는 혼합물 형태인 첨가제의, 전기화학적 에너지 저장체, 특히 리튬-함유 갈바니 셀의 냉각에 사용되는 용도로서,
상기 냉각제가 상기 에너지 저장체, 상기 에너지 저장체의 하우징 또는 부품들, 또는 상기 부품들의 하우징 주위로 또는 관통하여 흐르고, 화재 발생시에 상기 첨가제와 함께 소화 효과를 가지는 것을 특징으로 하는,
첨가제의 용도.
제18항에 있어서,
상기 혼합물이 상기 첨가제의 총량 기준으로, P 중량%의 하나 이상의 폴리머, T 중량%의 하나 이상의 계면활성제 및 E 중량%의 하나 이상의 에스테르 오일을 포함하고, 하기 관계를 충족시키는, 첨가제의 용도:
12≤P≤78,
1≤T≤22,
12≤E≤78, 및
P + T + E = 100.
제18항에 있어서,
상기 혼합물이 약 50%의 하나 이상의 폴리머, 약 10%의 하나 이상의 계면활성제 및 약 40%의 하나 이상의 에스테르 오일을 포함하는, 첨가제의 용도.