KR20130065031A - 가스 재순환형 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리에 관한 것으로서, 전해액의 조기 감소 현상이 개선되어 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있는 차량용 배터리를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 각 셀에서 배출되는 가스가 포집되도록 구비되는 가스포집부와; 상기 각 셀과 가스포집부를 분리하는 구획판에 설치되어 각 셀 내에 생성된 가스와 상기 가스포집부 내 가스 압력에 따라 각 셀과 가스포집부 간의 선택적인 가스 이동이 이루어지도록 하는 밸브와; 상기 가스포집부의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 가스포집부 내 가스를 외부 배출하는 과압방지밸브;를 포함하는 가스 재순환형 배터리가 개시된다.

Description

가스 재순환형 배터리{Gas Recirculation Type Battery}
본 발명은 차량용 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전해액의 조기 감소 현상이 개선되어 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있는 차량용 배터리에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 자동차에는 시동모터, 점등장치, 멀티미디어 기기 등의 차량 내 각종 전장부품에 전력을 공급하는 배터리가 필수적으로 탑재되어 있다.
이러한 자동차의 배터리는 충/방전 가능한 이차전지 형태로 제공되고 있는데, 충전시 발전기나 충전기에서 공급되는 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하였다가, 방전시 차량 내 전장부품의 사용에 따라 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 공급한다.
이러한 차량용 배터리로는 납축전지(Lead Acid battery)가 주로 사용되고 있으며, 통상의 납축전지에서 양극으로는 과산화납(PbO2)이, 음극으로는 해면상(海綿狀)의 납(Pb)이 사용되고, 전해액(Electrolyte)으로는 묽은 황산(H2SO4)이 사용되고 있다.
도 1은 차량용 배터리로 널리 사용되고 있는 납축전지의 일례를 나타내는 도면으로, 복수개의 셀 중 특정 셀 위치에서 취한 납축전지의 횡단면도이며, 도시된 구성이 각 셀에 동일하게 적용된다.
납축전지(10)의 케이스(11) 내부공간이 복수개의 셀 공간으로 구획되어 있고, 이때 도 1에 나타낸 바와 같이 각 셀(11a)의 내부공간에는 전해액이 충전된다.
또한 전해액이 충전된 각 셀(11a)의 내부공간에 격리판(13)(예, 폴리에틸렌 재질)이 설치되어, 각 셀(11a)의 내부공간이 격리판(13)에 의해 구획된다(전해액이 유동할 수 있는 구조임).
그리고, 각 셀(11a)에서 격리판(13)에 의해 구획된 각 공간에는 차량에 전기적으로 연결되는 양극(14)과 음극(15)이 설치된다.
상기 케이스(11)는 셀(11a) 내부에 채워진 전해액의 외부 유출이 방지되도록 어느 정도 기밀성 있게 밀폐되고, 케이스 상면에는 물 보충과 가스 배출을 위한 마개(도시하지 않음) 등이 설치된다.
이러한 납축전지 구성에서 충/방전시 화학반응식은 아래와 같다.
(충전) PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (방전)
방전시에는 전해액 내의 황산이 소모되면서 물이 생성되는데, 이로 인해 전해액의 농도가 점점 묽어지고, 양극과 음극에서 모두 황산납이 생성된다.
반대로 충전시에는 물이 소모되면서 황산이 생성되는데, 이로 인해 전해액의 농도가 점차 짙어지고, 양극과 음극에서 과산화납과 납이 재생성된다.
이러한 납축전지에서는 충/방전 중 위의 화학반응 과정에서 발생한 물이 전기분해 작용에 의해 분해되면서 산소(O2)와 수소(H2) 가스가 발생하며, 사용 동안 가스를 외부로 방출시키므로 전해액이 감소하는 경향을 나타낸다.
따라서, 충/방전시 발생하는 산소와 수소의 외부 방출을 줄이고 전해액 감소를 줄일 수 있는 AGM VRLA(Valve Regulated Lead Acid) 배터리가 사용되고 있다.
상기 AGM VRLA 배터리는 전해액 흡수가 가능한 다공성 소재, 즉 AGM으로 제작된 격리판을 사용하고, 이와 더불어 가스 방출의 최소화를 위해 케이스 내부공간에 일정 수준 이상의 과압 발생시 가스를 배출하는 과압방지밸브가 케이스 상면에 설치된다.
이러한 AGM VRLA 배터리는 AGM(Absorbent Glass Mat) 소재의 격리판이 전해액을 흡수하고 있는 상태에서 충/방전시 발생하는 산소와 수소가 AGM 격리판의 통기 구조를 통해 화학적으로 반응하여 물로 순환되는 메커니즘을 갖는다.
도 2는 종래의 AGM VRLA 배터리를 도시한 단면도로서, AGM VRLA 배터리 역시 복수개의 셀로 구성되는데, 특정 셀 위치에서 취한 배터리의 횡단면도이다.
배터리(10a)의 케이스(11) 내부공간이 복수개의 셀 공간으로 구획되어 있고, 이때 도 2에 나타낸 바와 같이 각 셀(11a)의 내부공간에는 전해액이 충전된다.
또한 전해액이 충전된 각 셀(11a)의 내부공간에는 전해액을 흡수할 수 있는 다공성(통기성) 구조의 AGM 격리판(13a)이 설치된다.
그리고, 각 셀(11a)에서 AGM 격리판(13a)에 의해 구획된 각 공간에는 차량에 전기적으로 연결되는 양극(14)과 음극(15)이 설치된다.
상기 케이스(11)의 각 셀(11a)은 내부에 채워진 전해액의 외부 유출이 방지되도록 기밀성 있게 밀폐되고, 케이스(11) 상면에는 일정 수준 이상의 과압 발생시에만 가스를 배출할 수 있는 과압방지밸브(16)가 설치된다.
이러한 AGM VRLA 배터리(10a)에서는 각 셀(11a)의 내부공간에서 여분의 전해액이 AGM 격리판(13a)에 흡수되어 있으므로(전해액 비유동) 배터리 사용 동안 전해액의 누액이 방지될 수 있게 된다.
또한 AGM VRLA 배터리(10a)에서는 산소 재결합(Oxygen Recombination) 원리를 이용하여 과충전시 양극(14)에서 발생하는 산소를 다시 물로 환원시킴으로써 전해액 손실을 막아 사용 중 물 보충이 필요 없는 이점이 있다.
도 3은 AGM VRLA 배터리의 반응 과정을 나타내는 도면으로, 이를 설명하면 다음과 같다.
통기성을 갖는 AGM 격리판(13a)을 통해 양극(14)과 음극(15) 사이의 가스 이동이 가능하도록 되어 있으며, 외부가 밀폐되어 가스가 배출되지 않는 조건에서 양극(14)에서 발생한 산소가 음극(15)으로 이동하여 산소 재결합 원리에 의해 물을 재생성하게 된다.
그러나, AGM VRLA 배터리(10a)는 충/방전시 발생하는 수소와 산소가 AGM 격리판(13a)의 통기 구조를 통해 양극(14)과 음극(15) 사이를 이동하면서 물을 재생성하므로 우수한 내구력을 가지지만, 기본적으로 전해액 용량이 작고(AGM 격리판에 함습된 전해액 양이 적음), 충/방전시 전해액 감소율이 높은 단점을 가지는 것으로 알려져 있다.
특히, 종래의 AGM VRLA 배터리(10a)에서는 밸브(16)를 통해 일정 수준 이상의 과압 발생시에만 가스를 방출하므로 전해액 조기 감소를 도 1의 납축전지(10)에 비해 줄일 수 있는 이점은 있으나, 이 역시 가스를 불필요하게 과다 방출할 수 있는 구조를 가지므로 전해액 조기 감소의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전해액의 조기 감소 현상이 개선되어 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있는 차량용 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 각 셀에서 배출되는 가스가 포집되도록 구비되는 가스포집부와; 상기 각 셀과 가스포집부를 분리하는 구획판에 설치되어 각 셀 내에 생성된 가스와 상기 가스포집부 내 가스 압력에 따라 각 셀과 가스포집부 간의 선택적인 가스 이동이 이루어지도록 하는 밸브와; 상기 가스포집부의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 가스포집부 내 가스를 외부 배출하는 과압방지밸브;를 포함하는 가스 재순환형 배터리를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 구획판에 설치되는 밸브는, 상기 각 셀의 구획판에 설치되어 해당 셀의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 셀 내부의 가스를 가스포집부로 배출하는 배출밸브와; 상기 각 셀의 구획판에 설치되어 가스포집부의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 가스포집부의 가스를 해당 셀로 배출하는 재순환 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 재순환 밸브의 임계압이 과압방지밸브의 임계압에 비해 낮게 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 가스포집부는 배터리 케이스 내부공간에 전체 셀을 밀폐하도록 횡 설치되는 구획판에 의해 셀 상측의 배터리 케이스 내부공간에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 가스 재순환형 배터리에서는 개별 셀의 압력 상승시 종래에 외부로 배출되던 가스를 가스 발생량이 적은 셀로 재순환시킬 수 있으므로 가스의 외부 방출량을 감소시킬 수 있고, 이에 전해액 조기 감소 개선, 배터리의 수명 증대, 내구성 및 신뢰성 향상의 이점이 있게 된다.
도 1은 종래의 납축전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 AGM VRLA 배터리를 도시한 단면도이다.
도 3은 AGM VRLA 배터리에서 반응 과정을 나타내는 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 재순환형 배터리를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전해액의 조기 감소 현상이 개선되어 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있는 가스 재순환형 배터리에 관한 것이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 재순환형 배터리를 나타내는 단면도로서, 도 4는 특정 셀 위치에서 취한 배터리의 횡단면도이며, 셀 하나의 단면 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 재순환형 배터리의 종단면도로서, 배터리를 구성하는 전체 셀을 나타낸 것이다.
배터리(10a)에서 과압방지밸브(16)를 제외하고는 도 4에 도시된 구성이 각 셀(11a)에 동일하게 적용된다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리(10a)는 종래의 AGM VRLA 배터리를 개선한 것으로, 배터리(10a)가 복수개의 셀(11a)로 구성되는 점, 그리고 각 셀(11a)의 내부에 설치되는 양극(14)과 음극(15), 각 셀(11a)의 내부에 충전되는 전해액, 각 셀(11a)의 내부에 설치되는 AGM 격리판(13a) 등의 기본 구성에 있어서는 공지의 AGM VRLA 배터리에서와 차이가 없다.
즉, 배터리(10a)의 케이스(11) 내부공간이 복수개의 셀 공간으로 구획되어 있고(도 5 참조), 이때 각 셀(11a)의 내부공간에 전해액이 충전되며, 또한 전해액이 충전된 각 셀(11a)의 내부공간에 전해액을 흡수할 수 있는 다공성(통기성) 소재로 제작된 AGM 격리판(13a)이 설치된다.
또한 각 셀(11a)에서 AGM 격리판(13a)에 의해 구획된 각 공간에 차량에 전기적으로 연결되는 양극(14)과 음극(15)이 설치된다.
상기 케이스(11)의 각 셀(11a)은 후술하는 구획판(11b)에 의해 전해액의 외부 유출이 방지될 수 있도록 기밀성 있게 밀폐되고, 케이스(11) 상면에는 일정 수준 이상의 과압 발생시에만 가스를 배출할 수 있는 과압방지밸브(16)가 설치된다.
이러한 구성에서 각 셀(11a)의 내부공간에 충전된 여분의 전해액이 AGM 격리판(13a)에 흡수되어(전해액 비유동) 배터리 사용 동안 전해액의 누액이 방지될 수 있게 된다.
또한 본 발명의 실시예에서, 충방전시 전해질 내 양극(14)과 음극(15)에서 산소와 수소가 발생하는 메커니즘, 양극(14)과 음극(15) 사이의 통기성 AGM 격리판(13a)을 통해 가스가 이동하여 물을 재생성하는 메커니즘, 그 밖의 전류 생성을 위한 전기화학반응 메커니즘에 대해서는 통상의 AGM VRLA 배터리와 차이가 없으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 배터리(10a)는 상기한 기본 구성에 더하여 전체 셀(11a)에서 배출되는 가스가 포집될 수 있는 가스포집부(17)를 가지며, 각 셀(11a)의 내부공간과 가스포집부(17)의 내부공간 사이에서 가스를 선택적으로 이동시키기 위한 밸브(18,19)가 설치된다.
상기 가스포집부(17)는 배터리(10a)의 케이스(11) 내부공간을 전체 셀(11a)의 내부공간과 그 상측의 공간으로 구획하는 구획판(11b)을 설치하여 형성될 수 있는데, 이때 구획판(11b)이 케이스(11)의 내부공간에서 상측 가스포집부(17)의 내부공간을 남겨둔 상태로 셀(11a)들을 밀폐하도록 횡 설치된다.
즉, 상기 구획판(11b)에 의해 각 셀(11a)의 내부공간이 밀폐되도록 하면서 밀폐된 각 셀(11a)의 공간과 가스포집부(17)의 공간이 분리되도록 하는 것이다.
이러한 구조에서 케이스(11) 상면에 설치되는 과압방지밸브(16)는 가스포집부(17) 내에 일정 수준 이상의 과압 발생시 가스를 배출하는 밸브가 된다.
또한 각 셀(11a)과 가스포집부(17)를 구획하고 있는 구획판(11b)에 각 셀(11a)마다 셀 내부의 가스 압력이 일정 수준 이상이 될 경우 셀 내부의 가스를 가스포집부(17)로 배출하는 배출밸브(18)가 설치되고, 이와 더불어 각 셀(11a)의 구획판(11b)에 가스포집부(17)의 내부 압력이 일정 수준 이상이 될 경우 가스포집부(17)의 가스를 해당 셀(11a)로 재순환 배출하는 재순환 밸브(19)가 설치된다.
상기 배출밸브(18)와 재순환 밸브(19)는 공히 미리 설정된 임계압(설계압) 이상의 압력 작용시에만 밸브의 내부 유로가 열리면서 가스를 일방향으로 통과시키는 밸브로서, 기본적으로는 임계압 이상의 압력 작용에 의해 정해진 한 방향으로만 가스를 통과시키는 밸브이며, 케이스(11) 상면에 설치되는 기존의 과압방지밸브(16)와 동일한 작동 원리 및 구성을 갖는 밸브가 될 수 있다.
단, 배출밸브(18)는 각 셀(11a)에서 셀 내부의 가스를 가스포집부(17)로 배출하는 밸브이고, 재순환 밸브(19)는 가스포집부(17)의 가스를 셀(11a) 내부로 배출하여 재순환시키기 위한 밸브이며, 과압방지밸브(16)는 가스포집부(17)의 가스를 배터리 외부로 배출하는 밸브이다.
이때, 동일한 공간의 가스를 배출하게 되는 재순환 밸브(19)와 과압방지밸브(16)의 경우 각 밸브가 열리도록 설정된 임계압이 서로 다르게 설정되어야 하는데, 재순환 밸브(19)에서 내부 유로가 열리면서 가스를 유통시키도록 설정되는 재순환 밸브의 임계압이 과압방지밸브(16)의 임계압보다 낮게 설정된다.
이에 따라, 각 셀(11a)의 내부에서 충/방전시 가스가 발생하여 셀의 내부 압력이 임계압 이상이 되는 경우 해당 셀의 가스가 배출밸브(18)를 통해 가스포집부(17)로 배출되고, 결국 가스포집부(17)에는 전체 셀(11a)에서 각각 배출된 가스가 포집되어 모이게 된다.
이어 가스포집부(17)에 모인 가스에 의해 가스포집부의 내부 압력이 증가하고, 이후 가스포집부(17)의 내부 압력이 재순환 밸브(19)의 임계압 이상이 되는 경우 가스 발생량이 적은 낮은 압력의 셀들로 재순환 밸브를 통해 가스포집부의 가스가 재순환된다.
이와 같이 재순환 밸브를 통해 셀 내부로 들어온 가스는 셀 내에서 화학반응을 일으키는데 사용되어 물로 변환된다.
통상적으로 열을 많이 받는 외곽의 셀이 중간의 셀에 비해 가스 발생량이 많으므로 외곽의 셀에서 배출된 가스가 가스 발생량이 적은 중간의 셀로 재순환되게 된다.
또한 전체 셀(11a)의 내부 압력과 2차 공간인 가스포집부(17)의 내부 압력이 포화된 상태에서는 배출밸브(18)와 재순환 밸브(19)를 통한 가스 이동이 없게 되는데, 이때 가스포집부(17)의 내부 압력이 과압방지밸브(16)의 임계압 이상으로 상승하게 되면, 비로소 과압방지밸브가 열리게 되면서 가스포집부의 가스를 외부로 배출하게 된다.
결론적으로 개별 셀의 압력 상승시 종래에 외부로 배출되던 가스를 가스 발생량이 적은 셀로 재순환시킴으로써 고온에서도 가스의 외부 방출량을 감소시킬 수 있고, 이에 배터리의 수명을 증대시킬 수 있게 된다.
또한 AGM VRLA 배터리에서 각 셀에 주입되는 전해액의 양을 늘리는 것도 가능해진다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 전해액의 조기 감소 현상이 개선되어 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 배터리(납축전지) 10a : AGM VRLA 배터리
11 : 케이스 11a : 셀
11b : 구획판 13 : 격리판
13a : AGM 격리판 14 : 양극
15 : 음극 16 : 과압방지밸브
17 : 가스포집부 18 : 배출밸브
19 : 재순환 밸브

Claims (4)

  1. 각 셀(11a)에서 배출되는 가스가 포집되도록 구비되는 가스포집부(17)와;
    상기 각 셀(11a)과 가스포집부(17)를 분리하는 구획판(11b)에 설치되어 각 셀(11a) 내에 생성된 가스와 상기 가스포집부(17) 내 가스 압력에 따라 각 셀(11a)과 가스포집부(17) 간의 선택적인 가스 이동이 이루어지도록 하는 밸브(18,19)와;
    상기 가스포집부(17)의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 가스포집부(17) 내 가스를 외부 배출하는 과압방지밸브(16);
    를 포함하는 가스 재순환형 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구획판(11b)에 설치되는 밸브(18,19)는,
    상기 각 셀(11a)의 구획판(11b)에 설치되어 해당 셀(11a)의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 셀(11a) 내부의 가스를 가스포집부(17)로 배출하는 배출밸브(18)와;
    상기 각 셀(11a)의 구획판(11b)에 설치되어 가스포집부(17)의 내부 압력이 설정된 임계압 이상인 조건에서 가스포집부(17)의 가스를 해당 셀(11a)로 배출하는 재순환 밸브(19);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 재순환형 배터리.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 재순환 밸브(19)의 임계압이 과압방지밸브(16)의 임계압에 비해 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 재순환형 배터리.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가스포집부(17)는 배터리 케이스(11) 내부공간에 전체 셀(11a)을 밀폐하도록 횡 설치되는 구획판(11b)에 의해 셀 상측의 배터리 케이스 내부공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 재순환형 배터리.
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