KR20200084530A - 이차전지 가스 분석장치 - Google Patents

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KR20200084530A KR1020190000552A KR20190000552A KR20200084530A KR 20200084530 A KR20200084530 A KR 20200084530A KR 1020190000552 A KR1020190000552 A KR 1020190000552A KR 20190000552 A KR20190000552 A KR 20190000552A KR 20200084530 A KR20200084530 A KR 20200084530A
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 이차전지를 수용하는 챔버; 상기 챔버의 유입구에 배치되고, 상기 챔버로 유입되는 공급가스의 유량을 측정하는 제1유량계; 및 상기 챔버의 배출구에 배치되고, 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스의 유량을 측정하는 제2유량계;를 포함한다.

Description

이차전지 가스 분석장치{Apparatus for Analyzing Venting Gas in Secondary Electric Cell}
본 발명은 이차전지용 분석장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 발화 상황에서 발생하는 가스의 분석하도록 구성된 이차전지 가스 분석장치에 관한 것이다.
이차전지는 대기오염물질을 발생시키지 않는 에너지원으로 이용되고 있다. 그러나 이러한 이차전지는 과충전 또는 과열 상태에서 발화되어 여러 가스를 배출할수 있다. 따라서, 이차전지의 과충전 및 과열 상태를 발생하는 가스의 양, 온도, 조성 등을 정확하게 분석할 수 있는 장치의 개발이 필요하다.
참고로, 본 발명과 관련된 선행기술로는 특허문헌 1 및 2가 있다.
KR 2016-0066909 A KR 2012-0050667 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이차전지의 발화상황에서 발생하는 가스량, 가스온도, 가스조성을 신뢰할 수 있는 수준으로 분석할 수 있는 이차전지 가스 분석장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 이차전지를 수용하는 챔버; 상기 챔버의 유입구에 배치되고, 상기 챔버로 유입되는 공급가스의 유량을 측정하는 제1유량계; 및 상기 챔버의 배출구에 배치되고, 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스의 유량을 측정하는 제2유량계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버에 배치된 이차전지의 과열 또는 과충전 상태를 유발하도록 구성되는 과부하수단을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버 내부의 온도 및 압력을 측정하는 제1센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스의 성분을 분석하도록 구성되는 분석수단을 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스를 냉각하도록 구성되는 냉각수단을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스를 포집하도록 구성되는 수용부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치에서 상기 수용부는, 이차전지가 발화되기 전 상기 챔버로부터 배출되는 가스를 포집하도록 구성되는 제1수용용기; 및 이차전지가 발화된 후 상기 챔버로부터 배출되는 가스를 포집하도록 구성되는 제2수용용기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스가 상기 제1분석챔버 또는 상기 제2분석챔버로 유동되도록 유로를 조정하는 방향전환밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 제1분석챔버로 유입되는 배출가스의 유량을 측정하도록 구성되는 제3유량계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치는 상기 제1분석챔버로 유입되는 배출가스의 온도 및 압력을 측정하도록 구성된 제2센서를 포함한다.
본 발명은 이차전지의 발화상황에서 발생하는 가스량, 가스의 온도 및 조성을 정확하게 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치의 구성도
도 2는 도 1에 도시된 이차전지 가스 분석장치의 사용 상태도
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치를 설명한다.
이차전지 가스 분석장치(100)는 이차전지(200)로부터 누설되는 가스를 분석하도록 구성된다. 그러나 본 명세서에서 설명되는 분석장치(100)가 이차전지만으로 분석하도록 이용되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 분석장치는 과열 또는 과부하 상태에서 가스를 발생시키는 어떠한 제품도 분석하도록 이용되거나 또는 부분적으로 변경될 수 있다.
이차전지 가스 분석장치(100)는 챔버(110), 제1유량계(122), 제2유량계(124)를 포함한다. 그러나 이차전지 가스 분석장치(100)의 구성이 전술된 구성들로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이차전지 가스 분석장치(100), 제3유량계(126), 과부하수단(130), 센서(142, 144), 분석수단(150), 냉각수단(160), 수용부(170), 방향전환밸브(180)를 더 포함할 수 있다.
챔버(110)는 분석 대상물인 이차전지(200)를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 챔버(110)는 이차전지(200)를 내부에 수용하는 내부공간을 포함할 수 있다. 챔버(110)의 내부공간은 복수의 이차전지(200)를 수용하도록 구성될 수 있다. 부연 설명하면, 챔버(110)의 내부공간은 이차전지(200)의 병렬 또는 직렬 배치가 가능한 체적을 가질 수 있다. 일 예로, 챔버(110)의 내부공간은 20L 체적을 갖도록 설계될 수 있다. 이와 같은 제한된 체적을 갖는 챔버(110)는 측정 분해능을 10배 이상 향상시킬 수 있다.
챔버(110)는 이차전지(200)의 수납 및 반출이 가능한 구조를 구성될 수 있다. 예를 들어, 챔버(110)는 내부공간을 선태적으로 폐쇄하는 덮개를 포함할 수 있다. 챔버(110)의 덮개는 작업자가 내부공간에 배치된 이차전지(200)의 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 투명 또는 반투명 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 덮개의 재질이 투명 또는 반투명 재질로 한정되는 것은 아니다.
챔버(110)는 상당한 열과 압력에 견딜 수 있도록 구성된다. 부연 설명하면, 챔버(110)는 열과 압력에 강한 재질로 구성될 수 있다. 일 예로, 챔버(110)는 20bar의 압력을 견디도록 설계될 수 있다.
아울러, 챔버(110)의 내부는 산성 배출가스에 강한 내식성 재질로 구성될 수 있다.
챔버(110)는 유체의 유입 및 배출이 가능하도록 구성된다. 부연 설명하면, 챔버(110)의 일 측에는 유입구가 형성되고, 타 측에는 배출구가 형성될 수 있다. 참고로, 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 챔버(110)의 유입구 및 배출구에는 개폐 밸브가 배치될 수 있다.
제1유량계(122)는 챔버(110)로 유입되는 유체의 유량을 측정하도록 구성된다. 부연 설명하면, 제1유량계(122)는 챔버(110)의 유입구 측에 배치되어, 챔버(110)로 공급되는 비활성 기체의 유량을 측정한다. 제1유량계(122)에서 측정된 유량정보는 분석수단(150) 또는 다른 제어수단에 송출될 수 있다.
제2유량계(124) 및 제3유량계(126)는 챔버(110)로부터 배출되는 유체의 유량을 측정하도록 구성된다. 부연 설명하면, 제2유량계(124) 및 제3유량계(126)는 챔버(110)의 배출구 측에 배치되어, 챔버(120)로부터 배출되는 혼합가스의 유량을 측정한다. 여기서, 혼합가스는 챔버(110)로 공급되는 비활성 기체와 2차전지로부터 누설되는 가스일 수 있다. 제2유량계(124) 및 제3유량계(126)에서 측정된 유량정보는 분석수단(150) 또는 다른 제어수단에 송출될 수 있다.
유량계(122, 124, 126)의 제품사양은 100L/min로 제한될 수 있으며, 유량계(122, 124, 126)와 직접적 또는 간접적으로 연결되는 배관들도 유량계(122, 124, 126)의 제품사양에 맞도록 설계될 수 있다.
유량계(122, 124, 126)는 분석 대상물인 이차전지(200)의 과부하 상태에서 배출되는 가스량을 산출하도록 이용될 수 있다. 부연 설명하면, 이차전지(200)의 배출가스 량은 제1유량계(122)와 제2유량계(124) 또는 제1유량계(122)와 제3유량계(126) 간의 계기 편차에 의해 산출될 수 있다.
과부하수단(130)은 분석 대상물이 과부하 상태가 되도록 구성된다. 부연 설명하면, 과부하수단(130)은 챔버(110)에 형성되어 챔버(110)의 내부공간에 배치된 이차전지(200)의 과열상태 또는 이차전지(200)의 과충전 상태를 유발시킬 수 있다. 이러한 기능을 수행하기 위한 과부하수단(130)의 일 형태로는 가열기가 될 수 있으며, 다른 형태로는 과충전장치가 될 수 있으며, 또 다른 형태로는 가열기와 과충전장치를 모두 구비한 장치가 될 수도 있다. 한편, 과부하수단(130)의 한 형태가 과충전장치인 경우에는, 챔버(110)의 내부에 이차전지(200)와 과부하수단을 연결하는 연결단자가 더 형성될 수 있다.
센서(142, 144, 146)는 분석 대상물의 주변 온도 및 압력, 그리고 배출가스의 온도 및 압력을 측정하도록 구성된다. 부연 설명하면, 제1센서(142)는 챔버(110)에 배치되어 챔버(110) 내부의 온도 및 압력을 측정하고, 제2센서(144) 및 제3센서(146)는 챔버(110)의 배출구 측에 배치되어 챔버(110)로부터 배출되는 배출가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있다.
분석수단(150)은 챔버(110)로부터 배출되는 배출가스의 성분을 분석하도록 구성된다. 부연 설명하면, 분석수단(150)은 배출가스 중에 포함된 CO, CO2, VOC, FH, SO2, NO2 등의 조성을 분석하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 분석수단(150)의 한 형태로 GC 분석기(Gas Chromatography)가 사용될 수 있다. 그러나 분석수단(150)의 형태가 GC 분석기로 한정되는 것은 아니다.
냉각수단(160)은 챔버(110)로부터 배출되는 가스의 온도를 낮추도록 구성된다. 부연 설명하면, 냉각수단(160)은 챔버(110)로부터 배출되는 고온의 가스에 의해 분석수단(150) 등의 장치가 오작동하거나 파손되는 것을 방지할 수 있도록, 배출가스의 온도를 낮출 수 있다. 참고로, 냉각수단(160)은 고온의 가스를 저온의 공기 또는 저온의 액체(물 또는 열매체)를 이용하여 냉각시키도록 구성될 수 있다.
수용부(170)는 챔버(110)로부터 배출된 배출가스를 수용하도록 구성된다. 수용부(170)는 제1수용용기(172) 및 제2수용용기(174)를 포함할 수 있다. 부연 설명하면, 제2수용용기(174)는 분석 대상물(즉, 이차전지)이 과부하 상태에 이르기 전에 배출되는 가스를 수용하도록 구성되고, 제1수용용기(172)는 분석 대상물(즉, 이차전지)이 과부하 상태에 이른 후에 배출되는 가스를 수용하도록 구성될 수 있다. 바꿔서 표현하면, 제2수용용기(174)는 저온의 배출가스를 수용할하도록 구성되고, 제1수용용기(172)는 고온의 배출가스를 수용하도록 구성될 수 있다.
방향전환밸브(180)는 챔버(110)로부터 배출되는 가스가 제1수용용기(172) 또는 제2수용용기(174)로 유동되도록 유로를 조정한다. 예를 들어, 방향전환밸브(180)는 유량계(122, 124, 126), 센서(142, 144), 또는 분석수단(150)에 의해 분석 대상물이 과부하 상태라고 인지되면, 챔버(110)와 제1수용용기(172)를 연결하는 유로를 개방하고, 챔버(110)와 제2수용용기(174)를 연결하는 유로를 차단할 수 있다. 이와 반대로, 방향전환밸브(180)는 유량계(122, 124, 126), 센서(142, 144), 또는 분석수단(150)에 의해 분석 대상물이 정상상태라고 인지되면, 챔버(110)와 제1수용용기(172)를 연결하는 유로를 차단하고, 챔버(110)와 제2수용용기(174)를 연결하는 유로를 개방할 수 있다.
다음에서는 도 2를 참조하여 도 1에 도시된 이차전지 가스 분석장치를 이용한 이차전지 가스 분석방법을 설명한다.
본 실시 예에 따른 이차전지 가스 분석장치(100)는 아래와 같은 순서로 작동될 수 있다.
1) 기준가스 공급단계
본 단계는 기준가스를 챔버(110)로 공급하는 일련의 공정을 모두 포함한다. 부연 설명하면, 본 단계에서는 챔버(110)의 유입구로 비활성 가스를 일정한 유속으로 공급한다. 이에 따라, 본 단계에서는 제1유량계(122)에서 측정되는 수치와 제2유량계(124) 및 제3유량계(126)에서 측정되는 수치는 동일할 수 있다.
2) 이차전지 과부하 형성단계
본 단계는 이차전지의 과부하 상태를 유발하는 일련의 공정을 모두 포함한다. 부연 설명하면, 본 단계에서는 챔버(110)의 내부를 소정의 온도까지 상승시키거나 또는 챔버(110)에 배치된 이차전지(200)의 과충전 상태를 유발한다. 이에 따라, 본 단계에서는 이차전지(200)로부터 분석용 가스가 누설되어, 기준가스와 함께 챔버(110)의 배출구로 배출될 수 있다.
3) 냉각 단계
본 단계는 챔버(110)로부터 배출되는 가스의 온도를 낮추는 일련의 공정을 모두 포함한다. 부연 설명하면, 본 단계에서는 챔버(110)로부터 배출되는 고온의 혼합가스(기준가스와 분석용 가스)를 소정의 온도로 냉각시킨다. 혼합가스의 냉각은 공기 또는 유체 등을 이용하여 이루어질 수 있다.
4) 분석 단계
본 단계는 혼합가스의 성분을 분석하는 일련의 공정을 모두 포함한다. 부연 설명하면, 본 단계에서는 챔버(110)로부터 배출되는 혼합가스를 실시간으로 수집하여 혼합가스 중에 포함된 CO, CO2, VOC, FH, SO2, NO2 등의 조성을 분석한다. 여기서, 혼합가스의 분석은 GC 분석기를 이용할 수 있다.
혼합가스의 분석 시점은 유량계(122, 124)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1유량계(122)와 제2유량계(124)의 측정 수치가 현저하게 상이해지면, 해당 시점부터 이차전지로부터 가스가 누설되는 것으로 인지하고 혼합가스의 분석을 시작할 수 있다.
5) 가스 포집 단계
본 단계는 챔버(110)로부터 배출되는 혼합가스를 포집하는 일련의 공정을 모두 포함한다. 부연 설명하면, 본 단계는 기준가스를 포집하는 제1공정 및 분석용 가스를 포함하는 가스를 포집하는 제2공정을 포함한다. 여기서, 제1공정 및 제2공정의 전환은 방향전환밸브(180)를 통해 선택적으로 이루어질 수 있다.
위와 같이 구성된 이차전지 가스 분석장치 및 분석방법은 개방형 챔버(110)에서 다수의 유량계(122, 124, 126)를 통해 분석대상물인 이차전지에서 발생하는 가스량을 신속하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 분석대상물인 이차전지에서 발생하는 가스를 신속하게 분석할 수 있으므로, 이차전지의 가스 분석신뢰성 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술된 실시형태에 기재된 다양한 특징사항은 그와 반대되는 설명이 명시적으로 기재되지 않는 한 다른 실시형태에 결합하여 적용될 수 있다.
100 이차전지 가스 분석장치
110 챔버
122 제1유량계
124 제2유량계
126 제3유량계
130 과부하수단
142 제1센서
144 제2센서
146 제3센서
150 분석수단
160 냉각수단
170 수용부
172 제1수용용기
174 제2수용용기
180 방향전환밸브

Claims (10)

  1. 이차전지를 수용하는 챔버;
    상기 챔버의 유입구에 배치되고, 상기 챔버로 유입되는 공급가스의 유량을 측정하는 제1유량계; 및
    상기 챔버의 배출구에 배치되고, 상기 챔버로부터 배출되는 배출가스의 유량을 측정하는 제2유량계;
    를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버에 배치된 이차전지의 과열 또는 과충전 상태를 유발하도록 구성되는 과부하수단을 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 온도 및 압력을 측정하는 제1센서를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 챔버로부터 배출되는 배출가스의 성분을 분석하도록 구성되는 분석수단을 더 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버로부터 배출되는 배출가스를 냉각하도록 구성되는 냉각수단을 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버로부터 배출되는 배출가스를 포집하도록 구성되는 수용부를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수용부는,
    이차전지가 발화되기 전 상기 챔버로부터 배출되는 가스를 포집하도록 구성되는 제1수용용기; 및
    이차전지가 발화된 후 상기 챔버로부터 배출되는 가스를 포집하도록 구성되는 제2수용용기;
    를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버로부터 배출되는 배출가스가 상기 제1분석챔버 또는 상기 제2분석챔버로 유동되도록 유로를 조정하는 방향전환밸브를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1분석챔버로 유입되는 배출가스의 유량을 측정하도록 구성되는 제3유량계를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1분석챔버로 유입되는 배출가스의 온도 및 압력을 측정하도록 구성된 제2센서를 포함하는 이차전지 가스 분석장치.
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