KR101507946B1 - 나트륨 유황 전지 - Google Patents

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Abstract

나트륨 유황 전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 나트륨을 담지하며 하부에 용융된 나트륨을 배출하는 나트륨 배출공이 형성된 카트리지관; 상기 카트리지관을 수용하며 나트륨 이온을 통과시키는 고체 전해질관; 상기 고체 전해질관과 유황을 수용하는 양극용기; 상기 고체 전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재; 상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개; 상기 나트륨 배출공의 상부에 제공되고, 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 스토퍼부재; 및 상기 스토퍼부재의 상부에 고정 결합되고, 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 자동으로 용융되어 끊어지는 고정부재를 포함한다.

Description

나트륨 유황 전지{sodium sulfur battery}
본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 안전성을 높인 나트륨 유황 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 나트륨 유황 전지는 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기 방전이 없으며, 불규칙적인 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성으로, 대용량 전력 저장용 전지로 개발되고 있다.
나트륨 유황 전지는 음극 활물질로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극 활물질로 유향(S)을 사용하며, 고체 전해질로 나트륨 이온 전도성을 갖는 베타 알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 고체 전해질관 및 고체 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 고체 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타-알루미나 세라믹을 이용하여 한쪽 끝이 막힌 관(Tube) 형태로 제조된다. 음극용기의 내부는 나트륨으로 채워지고, 고체 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 베타알루미나 전해질관을 통과하여 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.
나트륨 유황전지에 고체 전해질관으로 사용되는 베타 알루미나는 세라믹으로 전성과 연성이 매우 낮기 때문에, 약간의 크랙으로도 쉽게 균열이 발생하고 궁국적으로 전해질관 자체가 파괴될 가능성이 있다. 따라서 나트륨 유황전지를 구동하는 중에 전해질관에 균열이 가게 되면, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통하여 음극 부로 흘러 들어가 나트륨과 직접 접촉하게 된다.
만약 유황과 나트륨이 직접 접촉하여 반응하게 되면, 다황화 나트륨(Na2Sx) 반응물을 생성하게 된다. 이러한 나트륨 황화물의 형성 반응은 엔탈피 변화가 300℃에서 -380 ~ -470KJ/mole의 값을 갖는 발열반응이다. 따라서 나트륨 유황 전지에서 양극의 유황과 음극의 나트륨이 다량으로 반응하게 되면 나트륨 유황 전지는 정상 작동온도 이상으로 과열하게 되어 화재 및 폭발의 위험이 있다. 나트륨 유황 전지는 전지용량에 따라 다르지만 최고 약 700 ~ 800g의 나트륨을 전지 내에 담고 있다. 이와 같은 경우 전지내의 모든 나트륨과 유황이 반응한다고 가정하였을 경우 최고 약 6 ~ 7MJ의 에너지를 발산하여 전지의 온도는 순간적으로 1000℃ 이상으로 상승하게 되어 폭발을 수반하는 대형 사고로 이어질 수 있다.
종래에는 상기와 같은 급격한 온도 상승을 방지하기 위해, 고체 전해질관의 내측과 음극용기 사이에 소정의 간극을 두고 원통형 안전관이 설치된다. 나트륨은 안전관과 고체 전해질관 사이에 형성된 간극 사이로 유입되어 전해질관에 접촉하게 된다. 이러한 안전관은 통상 열팽창계수가 큰 금속재, 예를 들어 알루미늄을 사용하여 제조된다.
상기 금속재 안전관은, 고체 전해질관이 파손될 경우 나트륨과 유황이 직접 접촉하여 발열반응이 일어나고 이로 인해 온도가 상승할 때, 방사상으로 팽창되어 전해질관의 내벽에 밀착됨으로써 나트륨의 흐름을 차단하는 개념으로 설계되었다. 이에 나트륨의 공급이 차단되어 추가적인 화학반응 및 이로 인한 발열을 막을 수 있게 된다.
그러나, 금속재 안전관은 온도 상승에 의한 팽창으로 안전관과 고체 전해질관과의 내면 사이에 형성된 간극을 줄일 수는 있지만, 안전관의 금속 표면 특성과 고체 전해질관의 다공질 세라믹 표면 특성 때문에 이 간극 자체를 완전히 차단할 수는 없다. 따라서 금속재 안전관이 팽창한다고 하여도 양 소재의 표면 특성으로 불가피하게도 이 간극에 미세한 틈이 형성될 수 밖에 없다.
이와 같이, 종래에는 금속재 안전관과 세라믹인 고체 전해질관 사이에 형성될 불가피한 미세한 틈을 통해 유황과 나트륨이 직접 접촉하게 되어 유황과 나트륨의 접촉을 완벽히 차단할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 이러한 종래의 구조는 금속재 안전관을 가공할 때 안전관과 고체 전해질관 사이의 간극을 균일하게 유지할 수 있도록 금속관의 사이즈를 정밀하게 가공하여야 하므로 복잡한 설비의 구축이 요구되어 제조 비용이 높아지는 단점이 있다.
또한, 상기한 종래의 전지는 고체 전해질관의 파손부위가 커서 순간적인 대량 발열로 온도가 급격히 상승할 경우, 금속재 안전관 자체가 용융되어 그 형상을 유지할 수 없기 때문에 안전관으로서의 역할을 수행하지 못하는 경우가 발생된다.
또한, 나트륨 유황 전지는 통상 베타 알루미나로 제작된 고체 전해질관 상부를 알파 알루미나로 제작된 절연링으로 접합을 한다. 이때, 베타 알루미나와 알파 알루미나는 유리질로 접합을 하게 되는 데, 이 유리질 접합부는 온도가 상승할 경우 파손하게 되어 음극용기 내부에 있는　대량의 나트륨과 유황의 직접 반응으로 인한 급격한 발열은 차단할 수 없다는 문제점을 내포하고 있다.
이에, 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지를 제공한다.
또한, 기존의 구조로는 단전지의 온도 상승을 제한할 수 없는 상황이 발생할 경우에도 음극용기 카트리지 내부에 잔존하는 다량의 나트륨과 유황의 반응을 제한함으로써 나트륨과 유황의 추가반응을 방지할 수 있는 나트륨 유황 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 나트륨을 담지하며 하부에 용융된 나트륨을 배출하는 나트륨 배출공이 형성된 카트리지관;
상기 카트리지관을 수용하며 나트륨 이온을 통과시키는 고체 전해질관;
상기 고체 전해질관과 유황을 수용하는 양극용기;
상기 고체 전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재;
상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개;
상기 나트륨 배출공의 상부에 제공되고, 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 스토퍼부재; 및
상기 스토퍼부재의 상부에 고정 결합되고, 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 자동으로 용융되어 끊어지는 고정부재
를 포함하는 나트륨 유황 전지가 제공될 수 있다.
상기 스토퍼부재는 상기 카트리지관 상단부 또는 상기 음극 덮개의 하부에 고정 결합될 수 있다.
상기 카트리지관의 바닥면은 곡면형 또는 평면형으로 형성될 수 있다.
상기 나트륨 배출공의 형상은 원통형 또는 원뿔형(conical)으로 형성될 수 있다.
상기 고정부재는 상기 스토퍼부재보다 낮은 융점을 갖는 일정한 길이의 와이어로 이루어질 수 있다.
상기 와이어의 용융온도는 380℃~450℃ 범위 내일 수 있다.
상기 고정부재의 와이어는 용융되어도 상기 카트리지관 내의 나트륨과 화학 반응을 일으키지 않는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 스토퍼부재는 상부에서 하부로 갈수록 뾰족한 쐐기 형상으로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼부재는 원통체 형상 또는 사각체 형상으로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼부재의 하단부는 평면형 또는 곡면형으로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼부재는 정상적인 전지 작동 상태에서는 상기 나트륨 배출공을 통하여 나트륨을 공급할 수 있도록 상기 나트륨 배출공과 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 스토퍼부재와 상기 나트륨 배출공간의 간격은 전지가 정상적으로 작동하는 300~400℃의 온도범위에서 0.1mm 이상일 수 있다.
상기 스토퍼부재는 고온 내부식성과 내열성이 우수하고 열팽창율은 낮은 재질로 이루어질 수 있다.
상기 스토퍼부재는 흑연, 산화물, 탄화물, 질화물, 탄소강, 스테인레스강, 니켈, 텅스텐 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 스토퍼부재가 상기 나트륨 배출공과 접촉하는 끝단의 너비 혹은 직경은 상기 나트륨 배출공의 직경보다 같거나 크게 이루어질 수 있다.
상기 카트리지 바닥이 곡면인 경우에는 상기 스토퍼부재의 하단부의 곡률반경은 상기 카트리지 바닥부의 곡률반경보다 작거나 동일한 값을 가질 수 있다.
상기 스토퍼부재는 상기 고정부재보다 큰 중량을 가질 수 있다.
상기 고정부재는 상기 카트리지관의 상단부 또는 상기 음극 덮개의 하부와 용접에 의하여 고정 결합될 수 있다.
상기 고체 전해질관은 베타 알루미나로 제작된 튜브형태일 수 있다.
상기 절연부재는 알파 알루미나로 형성된 링 형태일 수 있다.
상기 카트리지관은 SUS 306 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 양극용기는 Al 3003 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 카트리지관은 외벽에 흑연을 코팅한 구조일 수 있다.
상기 카트리지관은 외벽에 흑연 포일을 압착한 구조일 수 있다.
상기 카트리지관과 상기 고체 전해질관 사이의 간격은 100㎛ ~ 3mm일 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 고체전해질 파손과 같은 비정상적인 상황에서 카트리지관의 배출공을 막아 나트륨이 고체 전해질관으로 공급되는 것을 원천적으로 차단함으로써 대량의 나트륨이 유황과 반응하는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 나트륨과 유황의 급속한 반응으로 인한 전지 온도 상승과 폭발의 위험을 낮추고 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.
또한, 안전관 없이도 전지의 안전성을 높일 수 있게 된다.
또한, 안전관이나 고체 전해질관 등의 부품간 미세 틈 조절이 불량하거나 조립의 정밀도를 높이지 않아도 전지의 안전성을 충분히 확보할 수 있어, 전지의 제조원가를 낮춰 원가 경쟁력을 높일 수 있게 된다.
또한, 안전관 조립을 위한 복잡한 공정이 불필요하여 제조 공정을 단순화하고, 제조시 발생될 수 있는 고체 전해질관 파손 가능성을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 베타 알루미나와 알파 알루미나 절연링　간의 유리 접합부가 파손될 경우에도 단전지의 온도를 활물질의 누출 및 화재가 발생하지 않는 온도범위로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 나트륨 유황 전지(이하, 전지라 한다)는 베타 알루미나 세라믹으로 제조된 고체 전해질관(10)과, 고체 전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관(12)과, 고체 전해질관(10)의 외부에 위치하며 황(S)을 수용하는 양극용기(14), 상기 카트리지관(12)과 양극용기(14) 사이를 절연하는 절연부재(16)를 포함한다.
상기 양극용기(14)는 고체 전해질관(10) 외측에 배치되며, 내부에는 고체 전해질관(10)과의 사이에 유황이 담겨진 펠트집전체(18)가 채워진다. 펠트집전체(18)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨지게 된다.
상기 양극용기(14)는 원통 형태로 이루어지며, 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 제조된다. 본 실시예에서 상기 양극용기는 Al 3003 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 Al 3003 합금은 Al-Mn이 주성분인 합금이며, 상기 합금 외에 Al6xxx 또는 Al5xxx 계열 합금으로 이루어질 수 있다. 또한 양극용기(14)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(14)는 양극의 외부 단자의 역할을 수행할 수 있다.
상기 고체 전해질관(10)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타 알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 고체 전해질관(10)은 튜브 형태로 이루어져 소정 간격을 두고 카트리지관(12)을 감싸며 설치된다.
상기 카트리지관(12)는 나트륨이 수용되며, 내측 상부 공간에는 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성가스가 소정의 압력으로 채워질 수 있다. 상기 카트리지관(12)은 원통형태로 이루어지며, 양극용기(14)와 동일하게 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 상기 카트리지관(12)은 SUS 306 합금으로 이루질 수 있다. SUS 306 합금은 니켈이 포함되어 내부식성 특성을 갖는다.
카트리지관(12)의 표면에는 크롬, 몰리브덴 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 또한, 상기 카트리지관은 고온 다황화 나트륨에 대한 내부식성 향상을 위해 외벽에 흑연을 코팅하거나, 외벽에 흑연 포일을 압착한 구조일 수 있다. 상기 카트리지관(12) 상부는 나트륨 주입구가 형성된 음극 덮개(17)가 설치되어 카트리지관을 밀폐한다. 상기 카트리지관(12)의 음극 덮개(17)는 음극의 외부 단자 역할도 수행할 수 있다.
상기 카트리지관(12)의 하단에는 카트리지관(12)에 채워진 나트륨이 고체 전해질관(10)과 접촉할 수 있도록 나트륨이 빠져나올 수 있는 나트륨 배출공(13)이 형성된다. 상기 나트륨 배출공(13)을 통해 유출된 나온 나트륨은 고체 전해질관(10)과 카트리지관(12) 사이에 채워져 고체 전해질관(10)의 내벽과 접촉한다. 이하 설명에서 상부 또는 상단이라 함은 나트륨 배출공이 지면을 향하도록 하여 전지를 세웠을 때를 기준으로 위쪽을 의미하며, 하부 또는 하단이라 함은 그 반대쪽을 의미한다.
상기 카트리지관(12)과 상기 고체 전해질관(10) 사이의 간격은 100㎛ ~ 3mm 로 형성될 수 있다. 상기 간격이 상기 범위를 벗어나게 되면 모세관현상이 제대로 일어나지 못해 나트륨이 카트리지관과 고체 전해질관 사이로 충분히 유입되지 못하거나 유입량이 과도해지게 된다.
상기 카트리지관(12)과 양극용기(14) 사이에는 음극과 양극의 쇼트(short)를 방지하기 위한 절연부재(16)가 설치되어 카트리지관(12)과 양극용기(14)를 절연시킨다. 상기 절연부재(16)는 알파알루미나 세라믹으로 이루어진 링 형태의 구조물로, 절연부재(16)에 고체 전해질관(10)의 상단과 양극용기(14)의 상단 사이에 접합된다. 상기 절연부재(16)의 내측면에 고체 전해질관(10)이 유리 접합 공정을 통해 접합되며, 외측면에 금속으로 제작된 양극용기(14)가 열압축접합 공정을 통해 접합된다. 그리고 카트리지관(12)에 결합되는 음극덮개(17)가 고체 전해질관 및 양극용기와 이격되어 상기 절연부재(16)에 접합된다.
또한, 상기 카트리지관(12)의 내부에 설치되고, 나트륨 유황 전지의 정상 작동온도 이상의 온도에서 용융 또는, 팽창 또는 수축되면서 상기 나트륨 배출공(13)을 차단하는 안전장치(40)를 포함할 수 있다.
상기 카트리지관(12)의 바닥면은 곡면형 또는 평면형 등으로 형성될 수 있다.
상기 나트륨 배출공(13)의 형상은 원통형, 원뿔형(conical) 등으로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 나트륨을 공급할 수 있는 형상이면 어떠한 형상으로도 가능하다.
상기 나트륨 배출공(13)은 상기 카트리지관(12)에 수용된 나트륨을 상기 고체 전해질관(10)의 내부로 용이하게 공급할 수 있도록 상기 카트리지관(12)의 하단부 중앙부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 안전장치(40)는 상기 나트륨 배출공(13)의 상부에 제공되고, 상기 나트륨 배출공(13)을 차단하기 위한 스토퍼부재(41); 및
상기 스토퍼부재(41)의 상부와 고정 결합됨과 아울러 상기 카트리지관(12) 상부에 고정 결합되고, 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 자동으로 용융되어 끊어지는 고정부재(42)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스토퍼부재(41)는 정상적인 전지 작동 상태에서는 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 나트륨을 공급할 수 있도록 상기 나트륨 배출공(13)과 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 스토퍼부재(41)는 다황화나트륨 등에 직접 노출되므로 상기 카트리지관(12)의 재질과 마찬가지로 고온 내부식성과 내열성이 우수하고 열팽창율은 낮은 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 흑연, 산화물, 탄화물, 질화물, 탄소강, 스테인레스강, 니켈, 텅스텐 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 스토퍼부재(41)는 상기 고정부재(42)가 용융되어 끊어질 경우 용이하게 자중에 의하여 낙하하면서 상기 나트륨 배출공(13)을 차단할 때 충격을 주지 않도록 상기 고정부재(42)보다 큰 중량을 가질 수 있다.
또한, 상기 스토퍼부재(41)는 대략 1~20g의 중량 범위 내일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 스토퍼부재(41)의 형상은 특별히 한정하지 않으나 상기 나트륨 배출공(13)에 용이하게 삽입되면서 상기 나트륨 배출공(13)을 효과적으로 차단할 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 상부에서 하부로 갈수록 뾰족한 쐐기 형상으로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼부재(41)와 상기 나트륨 배출공(13)간의 간격은 전지가 정상적으로 작동하는 온도범위(예컨대, 300~400℃)에서 예컨대, 0.1mm 이상의 간격을 유지하는 것이 바람직하다. 이보다 낮은 온도에서는 더 넓은 간격이 형성되므로 전지의 초기 컨디셔닝에 필요한 신속한 나트륨 공급이 가능하고, 0.1mm 이상의 간격은 정상적인 전지 작동에 필요한 나트륨 공급속도가 유지되는 수준이다.
여기서, 상기 스토퍼부재(41)와 상기 나트륨 배출공(13)간의 간격은 상기 나트륨의 순도, 음극 제조 조건 등에 따라서는 일정한 기간 이상 사용하는 과정에서 Na2O이나 나트륨 합금 생성 등이 상기 스토퍼부재의 표면에 발생할 수 있으므로, 이를 감안하여 설정될 수 있다.
또한, 상기 스토퍼부재(41)와 상기 나트륨 배출공(13)간의 간격이 결정되면, 이를 기준으로 상기 스토퍼부재(41) 및 고정부재(42)의 재질을 설정하고, 상기 스토퍼부재(41)와 고정부재(42)의 길이는 열팽창율, 고온 내부식 특성, 크립(Creep)율, 융점 등을 검토하여 설정될 수 있다.
상기 스토퍼부재(41)는 예컨대, SUS 316(18Cr-12Ni-2.5Mo-0.08C) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 고정부재(42)는 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에서 용융되어 끊어지면 상기 스토퍼부재(41)가 상기 나트륨 배출공(13)를 효과적으로 차단할 수 있도록 상기 카트리지관(12)의 상단부 중앙부에 용접 등에 의하여 고정 결합되고, 상기 스토퍼부재(41)보다 낮은 융점을 갖는 와이어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 고정부재(42)는 상기 스토퍼부재(41)의 상단부에 용접 등에 의하여 고정 결합될 수 있으며, 바람직하게는 상기 스토퍼부재(41)의 상단부 중앙부와 상기 나트륨 배출공(13)의 길이 방향 중심선의 교차 부위에 용접 등에 의하여 고정 결합될 수 있다.
상기 고정부재(42)의 와이어는 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 끊어질 수 있도록 용융온도가 380℃~450℃ 범위내일 수 있다.
또한, 상기 고정부재(42)의 와이어는 Zn, Al-Zn(조성 범위 Zn 70~100%), Al-Zn-Mg 계(융점 380~500℃를 가지는 전조성)으로 이루어질 수 있다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 작동에 대해서 설명한다.
전지의 정상작동 상태에서는 상기 안전장치(40)의 스토퍼부재(41)와 상기 카트리지관(12)의 나트륨 배출공(13)와 일정한 간격, 예컨대 0.1mm 간격을 유지하고 있으므로, 상기 카트리지관(12)에 수용된 나트륨이 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 상기 고체 전해질관(10)의 내부, 즉 상기 카트리지관(12)와 상기 고체 전해질관(10)의 사이로 정상적으로 공급될 수 있다.
상기와 같이, 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 상기 나트륨을 공급하다가, 상기 고체 전해질관(10)이 파손되는 등으로 인하여 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면, 상기 안전장치(40)의 고정부재(42)가 용융되어 끊어지게 되고, 상기 고정부재(42)가 용융되어 끊어짐에 따라 상기 스토퍼부재(41)가 상기 카트리지관(12)의 하부 중앙부로 자중에 의하여 낙하하게 된다.
상기 스토퍼부재(41)가 상기 카트리지관(12)의 하부 중앙부로 낙하함에 따라 상기 스토퍼부재(41)의 쐐기 형상 부분이 상기 나트륨 배출공(13)에 삽입되어 상기 나트륨 배출공(13)을 폐쇄하면서 차단하게 되므로, 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 상기 고체 전해질관(10)으로 공급되는 나트륨의 공급이 차단되는 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 나트륨 유황 전지는 하기에서 특히 설명하는 사항 이외에는 상기 제1 실시예와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 스토퍼부재(41a)는 상기 카트리지관(12)의 하단부와 접촉하면서 상기 나트륨 배출공(13)을 효과적으로 차단할 수 있도록 원통체 형상 또는 사각체 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 스토퍼부재(41a)의 하단부는 평면형, 도 2에 도시된 바와 같이 곡면형 또는 원추형 등으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 스토퍼부재(41a)는 상기 나트륨 배출공(13)과 접촉하는 끝단의 너비 혹은 직경은 상기 나트륨 배출공(13)의 직경보다 같거나 크게 하는 것이 상기 나트륨 배출공(13)의 폐쇄에 유리하다.
또한, 상기 카트리지관(12)의 바닥이 곡면인 경우에는 상기 스토퍼부재(41a)의 하단부의 곡률반경은 상기 카트리지관(12) 바닥부의 곡률반경보다 작거나 동일한 값을 가지는 것이 상기 나트륨 배출공(13)의 폐쇄에 유리하다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 나트륨 유황 전지는 하기에서 특히 설명하는 사항 이외에는 상기 제1 실시예와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 고정부재(42b)는 상기 음극 덮개(17)의 하부에 용접 등에 의하여 고정결합될 수 있다.
상기 고정부재(42b)는 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에서 용융되어 끊어지면 상기 스토퍼부재(41b)가 상기 나트륨 배출공(13)를 효과적으로 차단할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 상기 음극 덮개(17)의 하단부 중앙부에 결합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나트륨 유황 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 나트륨 유황 전지는 하기에서 특히 설명하는 사항 이외에는 상기 제3 실시예와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 스토퍼부재(41c)는 상기 카트리지관(12)의 하단부와 접촉하면서 상기 나트륨 배출공(13)을 효과적으로 차단할 수 있도록 원통체 형상 또는 사각체 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 스토퍼부재(41c)의 하단부는 평면형, 도 4에 도시된 바와 같이 곡면형 또는 원추형 등으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 스토퍼부재(41c)는 상기 나트륨 배출공(13)과 접촉하는 끝단의 너비 혹은 직경은 상기 나트륨 배출공(13)의 직경보다 같거나 크게 하는 것이 상기 나트륨 배출공(13)의 폐쇄에 유리하다.
또한, 상기 카트리지관(12)의 바닥이 곡면인 경우에는 상기 스토퍼부재(41c)의 하단부의 곡률반경은 상기 카트리지관(12) 바닥부의 곡률반경보다 작거나 동일한 값을 가지는 것이 상기 나트륨 배출공(13)의 폐쇄에 유리하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 고체 전해질과 12: 카트리지관
13: 나트륨 배출공 14: 양극용기
16: 절연부재 17: 음극 덮개
18: 펠트집전체 40: 안전장치
41: 스토퍼부재 42: 고정부재

Claims (25)

  1. 나트륨을 담지하며 하부에 용융된 나트륨을 배출하는 나트륨 배출공이 형성된 카트리지관;
    상기 카트리지관을 수용하며 나트륨 이온을 통과시키는 고체 전해질관;
    상기 고체 전해질관과 유황을 수용하는 양극용기;
    상기 고체 전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재;
    상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개;
    상기 나트륨 배출공의 상부에 제공되고, 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 스토퍼부재; 및
    상기 스토퍼부재의 상부에 고정 결합되고, 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 자동으로 용융되어 끊어지는 고정부재
    를 포함하고,
    상기 스토퍼부재는 상기 카트리지관 상단부 또는 상기 음극 덮개의 하부에 고정 결합되는 나트륨 유황 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관의 바닥면은 곡면형 또는 평면형으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 나트륨 배출공의 형상은 원통형 또는 원뿔형(conical)으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 스토퍼부재보다 낮은 융점을 갖는 일정한 길이의 와이어로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 와이어의 용융온도는 380℃~450℃ 범위 내인 나트륨 유황 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고정부재의 와이어는 용융되어도 상기 카트리지관 내의 나트륨과 화학 반응을 일으키지 않는 재질로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 스토퍼부재는 상부에서 하부로 갈수록 뾰족한 쐐기 형상으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 스토퍼부재는 원통체 형상 또는 사각체 형상으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스토퍼부재의 하단부는 평면형 또는 곡면형으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스토퍼부재는 정상적인 전지 작동 상태에서는 상기 나트륨 배출공을 통하여 나트륨을 공급할 수 있도록 상기 나트륨 배출공과 일정한 간격을 유지하는 나트륨 유황 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스토퍼부재와 상기 나트륨 배출공간의 간격은 전지가 정상적으로 작동하는 300~400℃의 온도범위에서 0.1mm 이상인 나트륨 유황 전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 스토퍼부재는 고온 내부식성과 내열성이 우수하고 열팽창율은 낮은 재질로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스토퍼부재는 흑연, 산화물, 탄화물, 질화물, 탄소강, 스테인레스강, 니켈, 텅스텐 중에서 어느 하나로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 스토퍼부재가 상기 나트륨 배출공과 접촉하는 끝단의 너비 혹은 직경은 상기 나트륨 배출공의 직경보다 같거나 크게 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 카트리지 바닥이 곡면인 경우에는 상기 스토퍼부재의 하단부의 곡률반경은 상기 카트리지 바닥부의 곡률반경보다 작거나 동일한 값을 가지는 나트륨 유황 전지.
  17. 삭제
  18. 나트륨을 담지하며 하부에 용융된 나트륨을 배출하는 나트륨 배출공이 형성된 카트리지관;
    상기 카트리지관을 수용하며 나트륨 이온을 통과시키는 고체 전해질관;
    상기 고체 전해질관과 유황을 수용하는 양극용기;
    상기 고체 전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재;
    상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개;
    상기 나트륨 배출공의 상부에 제공되고, 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 스토퍼부재; 및
    상기 스토퍼부재의 상부에 고정 결합되고, 상기 나트륨 유황 전지가 정상 작동 온도 이상의 온도에 도달하면 용융되어 자동으로 용융되어 끊어지는 고정부재
    를 포함하고,
    상기 스토퍼부재는 상기 고정부재보다 큰 중량을 가지고,
    상기 고정부재는 상기 카트리지관의 상단부 또는 상기 음극 덮개의 하부와 용접에 의하여 고정 결합되는 나트륨 유황 전지.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질관은 베타 알루미나로 제작된 튜브형태인 나트륨 유황 전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 절연부재는 알파 알루미나로 형성된 링 형태인 나트륨 유황 전지.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관은 스테인리스 스틸로 이루어진 나트륨 유황 전지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 양극용기는 Al 합금으로 이루어진 나트륨 유황 전지.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관은 외벽에 흑연을 코팅한 구조의 나트륨 유황 전지.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관은 외벽에 흑연 포일을 압착한 구조의 나트륨 유황 전지.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관과 상기 고체 전해질관 사이의 간격은 100㎛ ~ 3mm인 나트륨 유황 전지.
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