KR101075145B1 - 나트륨-유황전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나트륨-유황전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 나트륨-유황전지 모듈은 나트륨-유황전지(21)를 상변이 물질(Phase change material:PCM)을 함유한 용기(23)에 수납하고, 이 나트륨-유황전지(21)를 고정하도록 용기(23) 내에 규사(25)를 충전하며, 용기 외부는 단열재(27)가 감싸도록 구성한다.
본 발명에 의하면, 상변이 물질을 사용하여 스스로 열관리를 할 수 있는 나트륨-유황전지 모듈을 구성하므로 단열 시스템이 간소화되어 시스템 경제성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
나트륨-유황전지, 상변이 물질

Description

나트륨-유황전지 모듈{NaS battery module}
본 발명은 나트륨-유황전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변이 물질(Phase change material:PCM)의 열저장 특성을 이용한 단열 시스템을 적용하는 나트륨-유황전지 모듈에 관한 것이다.
나트륨-유황전지(NaS전지)는 야간 전력을 비축하여 주간에 이용하는 것으로 부하평준화를 실시하고 전력설비의 합리적 이용을 촉진할 목적으로 개발 도입한 전지이다.
나트륨-유황전지는 음극에 나트륨(Na)를 양극에 유황(S)를 사용하고, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타 알루미늄 세라믹스를 사용한다.
단전지 전체는 원통 구조로 금속용기에 밀폐되어 있으며, 중심으로부터 나트륨극(-극), 베타알루미나(전해질), 외곽에 유황극(+극)순으로 구성되어 있다.
나트륨-유황전지의 원리는 300~350℃부근에서 베타알루미나 입자층에 나트륨 이온을 전도시켜 반대극인 유황극과 반응하여 기전력을 발생시켜 방전하게 되며, 충전시에는 전기 에너지를 투입하여 나트륨 이온을 나트륨 전극으로 환원시켜 전기를 저장하게 된다.
이러한 나트륨-유황전지는 주재료인 나트륨과 유황이 자연계에 대량으로 존재하여 고갈의 우려가 없고 완전 밀폐형 구조의 단전지를 사용한 클린 전지이며 고충방전 효율로 자체방전이 없어 효율적으로 전기를 저장할 수 있는 장점을 갖는다.
한편, 이러한 나트륨-유황전지는 고온형 전지이므로 단전지를 집합화하여 진공단열용기에 수납하여 모듈로서 사용한다.
도 1은 일반적인 나트륨-유황전지 모듈을 보인 단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 진공단열용기(11)는 진공을 이용한 내부 이중막 구조(상부 진공차단용기와 하부 진공차단용기가 결합된 구조)를 가지고 있으며, 운전개시시에는 측면의 전기히터(13)로 승온하고 충전과 방전시에는 나트륨-유황전지(15)에서 발생하는 열을 보온하는 구성으로 된다.
구체적으로, 나트륨-유황전지는 충전과 방전시 전기화학적 반응이 각각 흡열과 발열 반응이므로 운전온도인 300~350℃를 유지하기 위해 단열 시스템 내에서 내부온도의 발산과 단열을 진공도의 차이를 두어 조절한다.
그러나, 종래의 나트륨-유황전지는 운전온도에 따라 진공도를 관리하기 위해 외부의 진공펌퍼를 사용하여 낮아진 진공도를 올리는 작업을 해야하므로 추가적인 에너지 투입이 필요한 문제점이 있다.
또, 단열 시스템 구성시 진공도를 관리하기 위한 센서 및 진공펌퍼와 같은 복잡한 열관리 시스템을 추가적으로 구성해야 하는 문제점이 있다.
또, 이러한 복잡한 열관리 시스템은 전력을 소모하게 되므로 전기 저장 효율을 낮추는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잠열을 이용하는 상변이 물질(Phase change material:PCM)을 사용하여 스스로 열관리를 할 수 있는 단열 시스템을 구성함으로써 단열 시스템을 간소화하고 시스템 경제성을 향상시킬 수 있도록 한 나트륨-유황전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 나트륨-유황전지를 상변이 물질을 함유한 용기에 수납하고, 상기 나트륨-유황전지를 고정하도록 상기 용기에 규사를 충전하며, 상기 용기의 외부를 단열재가 감싸도록 구성한다.
상기 상변이 물질은 녹는점이 250~350℃인 물질이다.
상기 상변이 물질은 NaNO3, KNO3, KOH 중 선택된 1종 이상이다.
상기 상변이 물질을 함유한 용기는 금속재로 형성된다.
상기 상변이 물질을 함유한 용기는 Al, Co, Cr, Ti, Fe, Mg 중 선택된 1종 이상의 합금 보호피막을 형성한다.
본 발명은 상변이 물질을 사용하여 스스로 열관리를 할 수 있는 나트륨-유황전지 모듈을 구성한다. 따라서 단열 시스템이 간소화되어 시스템 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상변이 물질의 자발적 반응을 이용하여 나트륨-유황전지의 내부온도를 유지하므로 시스템의 운전이 용이한 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 나트륨-유황전지 모듈의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 나트륨-유황전지 모듈의 바람직한 실시예를 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 나트륨-유황전지 모듈은 나트륨-유황전지(21)를 상변이 물질(Phase change material:PCM)을 함유한 용기(23)에 수납하고, 이 나트륨-유황전지(21)를 고정하도록 용기(23) 내에 규사(25)를 충전하며, 용기 외부는 단열재(27)가 감싸도록 구성한다. 여기서, 나트륨-유황전지(21)는 나트륨-유황 단전지의 집합 이고, 용기는 예를 들어 사각 형상이다.
상변이 물질은 용기(23)를 형성하는 내벽과 외벽 사이에 삽입되어 일체로 결합된 구조를 갖는다.
상변이 물질은 녹는점이 250~350℃인 물질을 채용한다. 보다 상세하게는 상변이 물질은 나트륨-유황전지(21)의 작동온도 부근에서 녹는점을 가지는 NaNO3, KNO3, KOH 중 선택된 1종 이상이 사용된다.
이러한 상변이 물질은 스스로 열을 저장하여 나트륨-유황전지(21) 온도가 상변이 물질 용융 온도 이하로 떨어지면 상변이 물질이 충전하고 있던 열을 발산하여 전지를 일정한 온도로 유지시킨다. 이는 나트륨-유황전지의 운전온도를 외부의 추가적인 에너지 공급 없이 스스로 조절 가능하게 한다.
상변이 물질은 녹는점이 250℃보다 낮은 물질을 사용하면 나트륨-유황전지 의 성능 내지 수명을 저하시키거나 안전성을 위협할 수 있고, 녹는점이 350℃보다 높은 물질을 사용하면 열의 발산 및 흡수기능이 원활하지 않아 나트륨-유황전지의 운전온도의 조절이 불가하다.
용기는 내벽과 외벽 사이에 위치한 상변이 물질과 내부의 단전지와의 열전달이 쉽게 일어나야 하므로 금속재로 형성한다. 금속재의 예로는 부식성에 강한 SUS재질(스테인레스)이 적합하다.
용기는 Al, Co, Cr, Ti, Fe, Mg 중 선택된 1종 이상의 합금을 보호피막으로 형성하는 방식처리를 실시한다.
상변이 물질 NaNO3, KNO3, KOH는 300℃ 부근에서 녹는점을 가지는 물질로 용융상태에서 금속 부식성이 높다. 따라서, SUS재질의 용기가 용융 상태의 상변이 물질에 의해 부식되는 것을 방지하기 위해 상변이 물질을 함유한 용기에 합금 보호피막을 형성하는 방식 처리를 실시한다.
Al, Co, Cr, Ti, Fe, Mg 중 선택된 1종 이상은 내식성 향상 합금원소로 SUS재질 용기(23)의 보호피막으로 형성시 내식성 향상 효과가 우수하다.
합금 보호피막의 경우 열전도도가 높아야 하므로 세라믹 물질의 피막 보다는 금속 합금 피막이 보다 효과적이다. 금속 합금 피막은 용기(23)의 내부식성을 높여 나트륨-유황전지(21)의 사용수명을 향상시킨다.
참고로, 방식 처리는 금속도금 및 플라즈마 스프레이 공정을 이용할 수 있다.
규사(25)는 나트륨-유황전지(21)를 용기내 고정하기 위해 채용된다. 규사(25)는 모래 또는 돌가루 등을 분쇄한 것을 사용할 수 있다.
단열재(27)는 보온을 위한 것으로 내열성이 높은 단열재를 사용한다. 예를 들어 암면, 질석, 퍼라이트(Perlite), 탄소섬유, 흑연섬유 등이 사용될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 나트륨-유황전지 모듈의 작용을 설명하면 다음과 같다.
나트륨-유황전지(21)는 초기에 전기가 충전되어 있는 상태로 제조된다.
이때, 나트륨-유황전지(21)는 단전지는 집합화하여 상변이 물질이 함유된 용 기에 수납되고, 용기 내부에 규사를 충전하여 고정된다. 용기(23)는 내식성 향상 합금원소에 의해 코팅되어 있으며, 용기의 외부는 단열재로 둘러싸인 이중 내벽 구조를 갖는다.
이와 같은 구조로 된 나트륨-유황전지 모듈에서는 전지가 방전시에 전기화학 반응에 의하여 내부에서 열을 발산하게 된다. 이때 발생하는 열은 상변이 물질을 이용하여 축열하게 되고, 내부의 온도는 일정한 운전온도를 유지하게 된다.
다시 충전시에는 전기화학 반응이 흡열이기 때문에 주변을 열을 흡수하게 된다. 이때, 상변이 물질이 축적하고 있던 열을 발산하면서 나트륨-유황전지 운전에 필요한 열을 공급하게 된다.
이와 같이, 상변이 물질의 잠열을 이용한 나트륨-유황전지 모듈은 기존의 나트륨-유황전지 모듈에 비해 간편한 열관리 시스템을 구성할 수 있고, 자발적 반응을 이용하므로 스스로 내부온도를 유지하는 작용을 할 수 있다.
참고로, 잠열이란 어떤 물질이 상전이 될 때 즉, 고체에서 액체 또는 액체에서 고체로 될 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미한다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 나트륨-유황전지 모듈을 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 나트륨-유황전지 모듈의 바람직한 실시예를 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11:진공단열용기 13:전기히터
15,21:나트륨-유황전지
23:용기 25:규사
27:단열재

Claims (5)

  1. 나트륨-유황전지를 상변이 물질(Phase change material:PCM)을 함유한 용기에 수납하고, 상기 나트륨-유황전지를 고정하도록 상기 용기에 규사를 충전하며, 상기 용기의 외부는 단열재가 감싸도록 구성한 것을 특징으로 하는 나트륨-유황전지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상변이 물질은 녹는점이 250~350℃인 물질인 것을 특징으로 하는 나트륨-유황전지 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상변이 물질은 NaNO3, KNO3, KOH 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나트륨-유황전지 모듈.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상변이 물질을 함유한 용기는 금속재로 형성된 것을 특징으로 하는 나트륨-유황전지 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상변이 물질을 함유한 용기는 Al, Co, Cr, Ti, Fe, Mg 중 선택된 1종 이상의 합금 보호피막을 형성한 것을 특징으로 하는 나트륨-유황전지 모듈.
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