납 축전지 개요

비상전원인 무정전 전원공급장치(無停電 電源供給裝置,UPS, Uninterruptible Power Supply)에 사용되는 축전지는 일반적으로 납 축전지(lead–acid battery)로서 이에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

 

납 축전지 개요

예비동력원으로 사용되는 축전지설비는 축전지, 충전장치, 인버터 장치 등으로 구성되며 상시 전원이 정전되었을 때 비상발전기가 가동되어 정격전압을 확보할 때 까지 예비전원으로 사용한다.

 

축전지설비 및 UPS 개요에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/694

예비동력원(비상발전기, UPS 등)

 

 

납 축전지 구조 

산업현장에서 일반적으로 많이 사용하는 납 축전지는 양(+)극으로 쓰이는 이산화 납판과 음(-)극으로 쓰이는 납판이 묽은 황산에 잠겨 있는 이차 전지로서 다음 그림과 같은 구조를 하고 있다.

구형 납 축전지는 밀폐 상태가 안 좋아 주기적으로 진한 황산을 채워 넣어주어야 했지만 현재 시판중인 납 축전지는 내부가 완전히 밀폐되어 황산 누출의 위험이 없다.

* 음(-)극은 산화전극을 일컫는 말이며, 양(+)극은 환원전극을 일컫는 말이다.

 

<그림 1> 납 축전지

 

 

납 축전지 작동 원리(충전 및 방전)

환전충전 상태에서 양(+)극판의 작용물질은 갈색의 과산화납(PbO2), 음(-)극판은 해면상(海綿狀)의 회색납(Pb)을 20 ℃에서 약 1,280 g/㎤ 묽은 황산의 전해액에 담아있다. 전원을 사용하면 전류는 양극에서 사용하는 설비를 거쳐 음극으로 흐르고, 전자는 반대로 음극에서 양극으로 흐른다.

 

<충전>

방전할 때 양극판에서는 4가의 과산화납(PbO2)은 납-양이온(Pb4+)과 2가의 산소-음이온(O2-)으로 분해된다. 음극으로부터 사용하는 전기설비를 거쳐 양극으로 전자가 이동하면, 4가의 납-양이온(Pb4+)으로부터 2가의 납-양이온(Pb2+)이생성된다. 2가의 납-양이온(Pb2+)은 전해액에서 해리된 2가의 황산-음이온(SO42-)과 반응해 황산납(PbSO4)이 다음 화학식과 같이 반응한다.

 

PbO2 + H2SO4 + 2H⁺ + 2e →  PbSO4 + 2H2O

 

양(+)극판으로부터 자유롭게 분리된(전리된) 2가의 산소-음이온(O2-)은 전해액에서 해리된 1가의 수소-양이온(H+)과 반응해 물을 생성한다.

 

<방전>

또한, 방전할 때 음극판에서 다음 식과 같이 양극판으로 전자를 보내기 때문에,전기적으로 중성상태의 납(Pb)이, 2가의 납-양이온(Pb2+)으로 변화된 다음, 전해액내의 황산-음이온(SO42-)과 반응해 황산납(PbSO4)이 된다.

 

Pb +H2SO4 → PbSO4 + 2H⁺ + 2e

 

방전이 끝나면 양극판의 갈색 과산화납 (PbO2)과 음극판의 회색 납(Pb)은 모두백색의 황산납(PbSO4)으로 변화된다. 이때 황산용액은 전리된 후, 이온반응을 통해 물을 생성한다.

 

 

<과방전 vs. 과충전>

따라서 전해액의 밀도(ρ)는 약 1.2~1.14 g/㎤ 정도로 낮아진다. 축전지가 더 이상 방전되어서는 아니 되는 축전지의 하한전압을 방전종지전압이라 하고, 12 V 납축전지의 경우, 정격전류로 방전하였을 경우, 약 20시간 후에는 완전히 방전되어 10.5 V의 방전종지전압에 이르게 된다. 방전종지전압 이하로의 방전 또는 정격용량의 80% 이상 방전된 상태를 과방전이라고 한다.

 

충전할 때 충전장치는 방전의 역순으로 축전지의 양(+)극판에서 전자를 흡수하여,이를 음(-)극판으로 이송한다. 전해액으로부터 2가의 황산-음이온(SO42-)이 양(+)극으로 이동해서 자신이 가지고 있던 전하를 양(+)극에 주면서 불안정한 4가의 과황산화납(Pb(SO4)2)이 된다.

 

인가된 충전전압은 과황산화납(Pb(SO4)2)을 4가의 납-양이온(Pb4+)과 2가의황산-음이온(SO42-)으로 분리시킨다. 4가의 납-양이온(Pb4+)은 물로부터 전리된 2가의 산소-음이온(O2-)과 반응해 과산화납(PbO2)이 된다. 양(+)극판으로부터 자유롭게 분리된(전리된) 황산-음이온(SO42-)은 물로부터 해리된 수소-양이온(H⁺)과 반응해 황산(H2SO4)이 된다.

 

이 때 과충전하면 과충전 1 Ah당 단전지에서 약 0.34 ㎖의 물을 전기분해하고, 수소가스가 약 0.42 ℓ, 산소가 0.21 ℓ씩 발생한다. 수소나 산소는 무색, 무취이나 황산 흄이 동시 발생해서 시큼한 자극적인 냄새가 난다.

 

 

납축전지 저장소 관리

납축전지를 저장하는 저장소는 과충전 시 발생하는 수소에 의한 폭발위험이 있어 축전지 실의 환기장치 용량은 수소의 LEL 3.5 % 이하로 유지하고, 안전율을 5로 가정하면 다음과 같은 식으로 산출할 수 있다. 

 

안전율을 5로 준 것은 황산흄이 주위의 철 등과 반응해서 수소를 발생하기 때문이다.

 

환기량 = 5.5/1,000 C x N (㎥/hr)

여기서, N : 2V 단전지의 수

            C : 10 기간율 공칭(정격)용량

 

환풍기는 천장 또는 벽면 상부에 설치하고, 축전지 실이 매우 넓은 경우는 큰 용량의 환풍기 1 대 보다 작은 용량의 환풍기를 여러 개로 분리하여 가급적 축전지에 가깝게 설치하는 것이 좋다. 하지만, 밀폐형 고정축전지는 큐비클(Cubicle)에 내장해도 방열을 위한 환기구가 설치되었다면 별도의 축전지실이나 환기설비 설치는 꼭 필요하지 않다.

 

Reference : 1. 화공안전 기술편람 2.https://ko.wikipedia.org/wiki/