KR101616896B1 - 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 고체전해질관; 상기 고체전해질관과 유황을 수용하는 양극용기; 상기 고체전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재; 상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개; 및 상기 카트리지관의 내부에 설치되고, 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따른 상기 나트륨과의 밀도 변화율의 차이에 따라 상기 나트륨의 표면에 떠있거나 가라앉으면서 상기 나트륨 배출공을 차단하는 안전장치를 포함한다.

Description

나트륨 유황 전지{sodium sulfur battery}
본 발명은 나트륨 유황 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 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 전지로써 개발되고 있다.
나트륨 유황 전지는 음극으로 나트륨(Na)을 사용하고, 양극으로 유황(S)을 사용하며, 전해질로 나트륨이온 전도성을 갖는 고체전해질의 베타알루미나 세라믹을 사용한다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 상기 전해질관은 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가진 베타알루미나 세라믹을 튜브 형태로 제조한 구조이다. 상기 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다. 이에 나트륨 이온이 전해질관인 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다.
나트륨 유황 전지는 구동 중 전해질관이 파손되는 경우, 양극의 유황이 전해질관의 파손 부위를 통해 음극으로 흘러 들어감으로써, 음극의 나트륨과 접촉되어 급격한 화학반응을 일으키게 된다.
나트륨과 유황은 접촉시 다황화나트륨 화합물을 생성하게 된다. 다황화나트륨 화합물의 형성 반응은 엔탈피변화가 300℃에서 약 -380 ~ -470 kJ/mole의 값을 갖는 발열반응이다. 이에 양극의 유황이 음극의 나트륨과 다량 반응시 전지가 화재 또는 폭발될 위험이 있다. 나트륨 유황 전지는 최고 약 700 ~ 800 g의 나트륨을 전지내에 담고 있어서 모든 나트륨과 유황이 반응한다고 가정하였을 때 최고 약 6 ~ 7 MJ의 에너지를 발산하며 전지의 온도는 순간적으로 1000℃ 이상으로 상승하게 된다.
이에 나트륨 유황 전지는 전해질관의 내측에 구비되어 전해질관 파손시 유황의 유입을 차단하는 안전관이 설치된다. 안전관의 내부에는 나트륨이 수납된 음극용기가 설치되며, 음극용기 하부에 형성된 구멍을 통해 나온 나트륨이 안전관과 음극용기 사이를 지나 안전관과 전해질관 사이의 틈새로 공급된다.
상기 안전관은 열팽창계수가 큰 금속재로 전해질관과 미세한 틈을 유지한다. 따라서 상기 안전관은 전해질관의 파손시 유황과 나트륨의 발열반응에 의한 급격한 온도 상승으로 팽창되어 전해질관의 내면에 밀착된다. 이에 파손부위로 나트륨 공급이 차단되어 추가적인 화학반응과 발열을 막게 된다.
그러나, 상기한 종래의 구조는 안전관이 제대로 역할을 수행하기 위해서는 전해질관의 내주면 전체에 걸쳐 전해질관 내주면과 안전관 사이의 틈새가 균일한 간격을 이루어야 한다.
전해질관과 안전관 사이에 위치한 모든 틈새를 일정한 간격으로 조절하기 위해서는 전해질관과 안전관의 정확한 수치 측정과 조절은 물론, 안전관 제조시 정확한 확관을 위한 복잡한 설비의 구축이 요구된다. 또한, 안전관 확관시 안전관과 전해질관 사이의 접촉 부위에 발생되는 응력으로 전해질관이 파손될 가능성이 높다.
특히, 국부적인 전해질관의 파손시 순간적인 대량 발열로 인해 전해질관 파손부위 주변의 온도가 금속재 안전관의 녹는점 이상으로 상승하여, 대량의 나트륨이 음극용기로부터 파손부위로 유입되어 폭발적인 발열반응을 유발하는 근본적인 문제를 안고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 사용되는 종래의 기술을 이용한 전지 설계의 예를 설명하면 다음과 같다. 금속재 안전관을 고체전해질관 내부벽에 근접하게 수납하고, 고무주머니를 안전관 내부에 다시 삽입한 후 고무주머니를 강하게 팽창시킴으로써 안전관을 소성 변형시켜 확관한다. 이 때, 안전관과 고체전해질관 사이의 간극은 예컨대, 10㎛ ~ 3mm 의 범위의 간극을 가지며, 상기 간극은 안전관의 개구단부로부터 바닥부에 이르는 전 둘레에 있어서 균일하게 소정의 미소한 크기를 갖는다. 안전관 내부에는 안전관 내벽과 미소하며 일정한 크기의 틈을 유지하는 나트륨 수납용기가 설치된다. 나트륨은 나트륨 수납용기 아래쪽에 위치한 작은 구멍을 통해 수납용기/안전관 사이의 간극을 따라 나트륨의 준위가 상승하고 안전관 상부에 위치한 개구단부를 통해 안전관/고체전해질관 사이의 간극으로 다시 공급된다. 고체전해질관 파손시 유황이 음극으로 흘러 들어오거나, 나트륨이 양극으로 흘러 들어가면, 유황과 나트륨이 반응하여 순간적이고 급격한 온도상승을 유발하게 된다. 이 온도상승으로 인하여 고체전해질보다 열팽창계수가 큰 금속재 안전관은 고체전해질관의 내벽에 밀착되도록 팽창하게 되며, 나트륨 카트리지관 내부와 카트리지관/안전관 사이에 존재하는 나트륨이 파손부로 공급되는 것을 차단하여 추가적인 발열반응을 억제시킬 수 있다.
이러한 구조의 나트륨 유황 전지의 제조 방법은 안정성을 향상시킬 수 있지만, 안전관/고체전해질관 사이에 위치한 모든 미세한 틈의 간극을 일정하게 조절하기 위해서는 고체전해질 표면의 정확한 수치 측정과 조절, 확관을 위한 복잡한 설비의 구축, 확관시 안전관/고체전해질관 접촉부위에 발생하는 응력에 의한 고체전해질관의 파손 가능성 증대 등의 기술적, 경제적 문제점을 안고 있었다.
본 발명은 전지의 안전성을 확보할 수 있도는 나트륨 유황 전지를 제공하고자 한다.
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 고체전해질관;
상기 고체전해질관과 유황을 수용하는 양극용기;
상기 고체전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재;
상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개; 및
상기 카트리지관의 내부에 설치되고, 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따른 상기 나트륨과의 밀도변화율의 차이에 따라 상기 나트륨의 표면에 떠있거나 가라앉으면서 상기 나트륨 배출공을 차단하는 안전장치를 포함하는 나트륨 유황 전지가 제공될 수 있다.
상기 안전장치는 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따라 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작은 밀도변화율을 가질 때에는 상기 나트륨의 표면에 떠있고, 상기 나트륨의 밀도 변화율보다 큰 밀도 변화율을 가질 때에는 상기 나트륨 속으로 가라앉아 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 플러깅 부재; 및
상기 플러깅 부재의 내부에 중공 형상으로 형성되고, 상기 플러깅 부재의 밀도변화율이 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작을 때에는 상기 플러깅 부재가 떠 있는 상태를 유지할 수 있도록 진공상태 또는 기체가 충전되기 위한 중공부를 포함할 수 있다.
상기 플러깅 부재는 상기 나트륨 배출공을 용이하게 차단할 있도록 구형상, 원뿔형상 또는 쐐기형상으로 형성될 수 있다.
상기 플러깅 부재의 무게는 상기 카트리지관 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도) 이하일 때에는 상기 나트륨 표면 위에 떠 있고, 상기 카트리지관 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도)) 이상일 때에는 가라 앉을 수 있도록 설정될 수 있다.
상기 중공부에 충전되는 기체는 질소 가스, 또는 헬륨, 아르곤 가스와 같은 불활성 기체로 이루어질 수 있다.
상기 나트륨 유황 전지의 작동 온도는 300℃~350℃이고, 상기 기준온도는 통상적인 전지 작동 온도보다 높은 350℃ 이상일 수 있다.
상기 카트리지관의 바닥면은 평면형 또는 그 중앙부쪽으로 갈수록 하향 경사를 갖는 곡면형으로 이루어질 수 있다.
상기 나트륨 배출공은 상기 플러깅 부재가 가라앉을 때 상기 플러깅 부재가 완전히 밀착될 수 있도록 원뿔형상으로 이루어질 수 있다.
상기 플러깅 부재는 용융점이 상기 기준온도 보다 높은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 플러깅 부재는 내부식 코팅처리가 될 수 있다.
상기 고체전해질관은 베타알루미나로 제작된 튜브형태일 수 있다.
상기 절연부재는 알파알루미나로 형성된 링 형태일 수 있다.
상기 카트리지관의 외벽에 흑연을 코팅한 구조일 수 있다.
상기 카트리지관과 상기 고체전해질관 사이의 간격은 10㎛ ~ 3mm일 수 있다.
상기 카트리지관과 상기 고체전해질관 사이의 공간에 세라믹 분말 또는 다공성 금속 폼(metal foam)이 삽입된 구조일 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 고체전해질 파손과 같은 비정상적인 상황에서 카트리지관의 배출공을 막아 나트륨이 고체전해질관으로 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 고체전해질관 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 고체전해질관 파손가능성을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 베타알루미나와 알파알루미나 절연링　간의 유리접합부가 파손될 경우에도 단전지의 온도를 활물질의 누출 및 화재가 발생하지 않는 온도범위로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 개략적인 단면도로서, 전지의 온도가 기준온도(Tc)보다 낮은 경우의 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 개략적인 단면도로서, 전지의 온도가 기준온도(Tc)와 같거나 기준온도(Tc)보다 높은 경우의 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 안전장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 온도 상승에 따른 플러깅 부재의 부피에 해당하는 나트륨 무게 또는 밀도 변화를 나타내는 개략적인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 내부에 중공부가 형성된 플러깅 부재와 액상 나트륨의 온도 상승에 따른 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
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 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 개략적인 단면도로서, 전지의 온도가 기준온도(Tc)와 같거나 기준온도(Tc)보다 낮은 경우의 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 개략적인 단면도로서, 전지의 온도가 기준온도(Tc)보다 높은 경우의 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지의 안전장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 유황 전지는, 베타알루미나 세라믹으로 제조된 고체전해질관(10);
상기 고체전해질관(10)의 내부에 위치하고 나트륨(Na)이 채워진 카트리지관(12);
상기 고체전해질관(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 고체전해질관(10) 외측에 배치되며, 내부에는 고체전해질관(10)과의 사이에 유황이 담겨진 집전체(18)가 채워진다. 집전체(18)는 예를 들어, 내부에 기공이 형성된 탄소펠트로, 기공 내에 유황이 담겨 진다.
상기 양극용기(14)는 원통 형태로 이루어지며, 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 소재로 제조된다. 본 실시예에서 상기 양극용기는 Al3003 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 합금 외에 다른 합금으로 이루어질 수 있다. 또한 양극용기(14)의 내면에는 Cr, Fe-Cr, Mo 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 상기 양극용기(14)는 양극의 외부 단자의 역할을 수행할 수 있다.
상기 고체전해질관(10)은 나트륨 이온을 통과시킬 수 있는 베타알루미나 세라믹으로 이루어진다. 상기 고체전해질관(10)은 튜브 형태로 이루어져 소정 간격을 두고 카트리지관(12)을 감싸며 설치된다.
상기 카트리지관(12)은 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 304 합금 또는 탄소강 등으로 이루질 수 있다. 상기 카트리지관(12)의 표면에는 Cr, Fe-Cr, Mo 등을 주성분으로 하는 내식층이 코팅될 수 있다. 또한, 상기 카트리지관은 고온(예컨대, 350℃ 이상) 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 고체전해질관(10)과 접촉할 수 있도록 나트륨이 빠져나올 수 있는 나트륨 배출공(13)이 형성된다. 상기 나트륨 배출공(13)을 통해 유출된 나온 나트륨은 고체전해질관(10)과 카트리지관(12) 사이에 채워져 고체전해질관(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 고체전해질관(10) 사이의 간격은 10㎛ ~ 3mm 로 형성될 수 있다.
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 고체전해질관(10)의 상단과 양극용기(14)의 상단 사이에 접합된다. 상기 절연부재(16)의 내측면에 고체전해질관(10)이 유리접합 공정을 통해 접합되며, 외측면에 금속으로 제작된 양극용기(14)가 열압축접합 공정을 통해 접합된다. 그리고 카트리지관(12)에 결합되는 음극덮개(17)가 고체전해질관 및 양극용기와 이격되어 상기 절연부재(16)에 접합된다.
또한, 상기 카트리지관(12)의 내부에 설치되고, 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따른 상기 나트륨과의 밀도 변화율의 차이에 따라 상기 나트륨의 표면에 떠있거나 가라앉으면서 상기 나트륨 배출공(13)을 차단하는 안전장치(40)를 포함할 수 있다.
상기 안전장치(40)는 도 1에 도시된 바와 같은 원통형 나트륨 유황 전지를 예로 들어 설명하지만, 액체 또는 기체 상태의 활물질을 사용하는 어떠한 전지의 경우에도 적용될 수 있다.
상기 안전장치(40)는 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따라 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작은 밀도변화율을 가질 때에는 상기 나트륨의 표면에 떠있고, 상기 나트륨의 밀도변화율보다 큰 밀도변화율을 가질 때에는 상기 나트륨 속으로 가라앉아 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 플러깅 부재(41); 및
상기 플러깅 부재의 내부에 중공 형상으로 형성되고, 상기 플러깅 부재의 밀도 변화율이 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작을 때에는 상기 플러깅 부재가 떠 있는 상태를 유지할 수 있도록 진공 상태 또는 기체가 충전되기 위한 중공부(42)를 포함할 수 있다.
상기 카트리지관(12)의 바닥면은 평면형 등으로 형성될 수 있지만, 상기 플러깅 부재(41)가 가라 앉은 후 정확하게 상기 나트륨 배출공(13)을 차단할 수 있도록 상기 카트리지관(12)의 바닥면 중앙부쪽으로 하향 경사를 갖는 곡면형으로 이루어질 수 있다.
상기 카트리지관(12)의 바닥면의 하향 경사 각도는 예컨대, 10도 내지 45도 범위 내일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 나트륨 배출공(13)의 형상은 원통형상 등으로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 상기 플러깅 부재(41)가 가라앉을 시 상기 플러깅 부재(41)가 완전히 밀착될 수 있도록 원뿔형상으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 나트륨을 공급할 수 있는 형상이면 어떠한 형상으로도 가능하다.
상기 나트륨 배출공(13)은 상기 카트리지관(12)에 수용된 나트륨을 상기 고체전해질관(10)의 내부로 용이하게 공급할 수 있도록 상기 카트리지관(12)의 하단부 중앙부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 플러깅 부재(41)는 상기 나트륨 배출공(13)을 용이하게 차단할 있도록 볼과 같은 구형상으로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 원뿔형상, 쐐기형상 등으로 형성될 수 있으며, 그 하단면이 평면형 또는 곡면형으로 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 플러깅 부재(41)의 무게는 상기 카트리지관(12) 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재(41)의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도)(Tc) 이하일 때에는 상기 나트륨 표면 위에 떠 있고, 상기 카트리지관(12) 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재(41)의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도)(Tc) 이상일 때에는 가라 앉을 수 있도록 설정될 수 있다(도 4 참조).
상기 중공부(42)에 충전되는 기체는 질소 가스, 또는 헬륨, 아르곤 가스 등과 같은 불활성 기체로 이루어질 수 있다.
상기 나트륨 유황 전지의 작동 온도는 예컨대, 300℃~350℃ 일 수 있다.
따라서, 상기 기준온도(Tc)는 예컨대, 400℃ 이상 일 수 있다.
또한, 상기 플러깅 부재(41)는 용융점이 상기 기준온도(Tc) 보다 높은 온도, 예컨대, 800도 이상인 스테인레스 스틸(예컨대, STS 304) 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 플러깅 부재(41)는 내부식 코팅처리가 되어 있다.
이하에서는 플러깅 부재(41)를 구형상으로 형성한 경우, 상기 플러깅 부재(41)의 치수 결정에 사용될 수 있는 요소들을 열거하면 다음과 같다.
rmedia: 나트륨의 밀도=f(T)
rshell: 플러깅 부재의 밀도 =f(T)
rgas: gas(가스) 또는 vacuum(진공)의 밀도~0
rball: gas+shell(플러깅 부재와 중공부의 전체)의 밀도=f(T)
d: 플러깅 부재의 두께(=R-r)~constant(일정함) (여기서, R은 플러깅 부재의 중심(O)으로부터의 외경을 가리키며, r은 플러깅 부재의 중심(O)으로부터의 내경을 가리킴)
Vball=플러깅 부재의 부피=4/3 πR3
mball=플러깅 부재의 무게=4/3 πR3 ·rball
또한, 상기 플러깅 부재의 작동에 필요한 사항을 고려하면 다음과 같다.
(1) mball이 플러깅 부재 부피만큼의 Na(나트륨) 무게보다 가볍다면 떠 있는다.
(2) mball이 플러깅 부재 부피만큼의 Na(나트륨) 무게보다 무겁다면 가라앉는다.
(3) 기준온도(Tc) 이하에서 mball이 가볍도록 하고, 기준온도(Tc) 이상에서 mball이 무겁도록 하면, 플러깅 부재의 온도가 Tc 이하에서 Tc 이상으로 온도가 변화하면 플러깅 부재는 가라앉는다.
(4) 기준온도(Tc)는 사용기준에 따라 다양한 온도가 될 수 있으며, 이는 플러깅 부재의 두께(d)와 플러깅 부재의 크기를 조정하여 다양한 기준온도(Tc) 이상에서 플러깅 부재가 주변 나트륨(media)보다 무거워지도록 조정 가능하다.
이와 같이 구성되는 상기 안전 장치(40)의 플러깅 부재(41)를 나트륨 유황 전지의 상기 카트리지관(12)에 적용시킬 경우, 작동 순서는 다음과 같다. 도 4에 전지의 온도에 따른 플러깅 부재(41)와 나트륨(Na)의 밀도 변화를 개략적으로 도시하였으며, 도 1 및 도 2에 전지의 온도(T)가 플러깅 부재(41)의 기준온도(Tc)보다 작을 때와 크거나 같을 경우의 플러깅 부재(41)의 위치를 표시하였다.
먼저, 전지의 정상작동 상태에서는 상기 카트리지관 내의 나트륨(Na)은 일정한 준위를 유지하는데, 이 때, 상기 카트리지관 내의 온도(T)는 기준온도(Tc)보다 낮으며 상기 안전장치(40)의 플러깅 부재(41)는 도 1과 같이 상기 나트륨 표면에 떠있는 상태을 유지하고 있으므로, 상기 카트리지관(12)에 수용된 나트륨이 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 상기 고체전해질관(10)의 내부, 즉 상기 카트리지관(12)와 상기 고체전해질관(10)의 사이로 정상적으로 공급될 수 있다.
그리고, 상기와 같이 상기 나트륨 배출공(13)을 통하여 상기 나트륨을 공급하다가, 상기 고체전해질관(10)이 파손되는 등으로 인하여 나트륨 유황 전지가 정상 작동온도 이상의 고온에 도달되면, 상기 나트륨(Na)의 밀도는 온도에 따라 감소하며 (drNa/dT), 상기 플러깅 부재(41)의 밀도는 그보다 작은 기울기(drball/dT<drNa/dT)로 감소한다.
상기 플러깅 부재(41)의 부피는 열팽창에 따라 소폭 증가하지만 각 온도에서의 부피는 나트륨(Na)과 상기 플러깅 부재(41)가 동일하므로, 밀도만 비교하면 된다.
즉, 상기 플러깅 부재(41)의 밀도감소율은 플러깅 부재(41)의 두께(d)와 상기 플러깅 부재의 크기를 조정하여 조정 가능하다. 상기 플러깅 부재(41)의 밀도는 상기 플러깅 부재(41)와 상기 중공부(42)의 진공 또는 공기의 이종 소재의 부피분율로서 결정된다.
그리고, 상기 카트리지관(12) 내부의 온도가 기준온도(Tc)에 도달하면, drball>drNa 이 되어 떠 있는 상기 플러깅 부재(41)가 상기 나트륨 속으로 가라앉아, 상기 카트리지관(12)의 나트륨 배출공(13)을 차단한다.
또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 내부에 중공부가 형성된 플러깅 부재와 액상 나트륨의 온도 상승에 따른 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 상기 플러깅 부재는 스테인레스 스틸(STS304)로 제작되고, 플러깅 부재의 내경은 25.00 mm이고, 외경은 25.96 mm이다. 이 때, 온도 상승에 따른 상기 플러깅 부재와 액상 나트륨의 밀도 변화를 나타내고 있으며, 기준온도(Tc)는 396℃이다.
10: 고체전해질관 12: 카트리지관
13: 나트륨 배출공 14: 양극용기
16: 절연부재 17: 음극 덮개
18: 탄소펠트 40: 안전장치
41: 플러깅 부재 42: 중공부

Claims (15)

  1. 나트륨을 담지하며 하부에 용융된 나트륨을 배출하는 나트륨 배출공이 형성된 카트리지관;
    상기 카트리지관을 수용하며 나트륨 이온을 통과시키는 고체전해질관;
    상기 고체전해질관과 유황을 수용하는 양극용기;
    상기 고체전해질관과 상기 양극용기 사이의 공간을 절연하는 절연부재;
    상기 카트리지관 상부를 밀폐하게 설치되는 음극 덮개; 및
    상기 카트리지관의 내부에 설치되고, 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따른 상기 나트륨과의 밀도 변화율의 차이에 따라 상기 나트륨의 표면에 떠있거나 가라 앉으면서 상기 나트륨 배출공을 차단하는 안전장치
    를 포함하고,
    상기 안전장치는 상기 카트리지관 내의 온도 변화에 따라 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작은 밀도변화율을 가질 때에는 상기 나트륨의 표면에 떠있고, 상기 나트륨의 밀도변화율보다 큰 밀도변화율을 가질 때에는 상기 나트륨 속으로 가라앉아 상기 나트륨 배출공을 차단하기 위한 플러깅 부재; 및
    상기 플러깅 부재의 내부에 중공 형상으로 형성되고, 상기 플러깅 부재의 밀도변화율이 상기 나트륨의 밀도변화율보다 작을 때에는 상기 플러깅 부재가 떠 있는 상태를 유지할 수 있도록 진공 상태 또는 기체가 충전되기 위한 중공부를 포함하고,
    상기 플러깅 부재의 무게는 상기 카트리지관 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도) 이하일 때에는 상기 나트륨 표면 위에 떠 있고, 상기 카트리지관 내부의 온도가 상기 나트륨의 밀도 변화율과 상기 플러깅 부재의 밀도 변화율이 만나는 교차 지점의 온도(기준 온도) 이상일 때에는 가라 앉을 수 있도록 설정되고,
    상기 중공부에 충전되는 기체는 질소 가스, 헬륨 또는 아르곤 가스와 같은 불활성 기체로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플러깅 부재는 상기 나트륨 배출공을 용이하게 차단할 있도록 구형상, 원뿔형상 또는 쐐기형상으로 형성되는 나트륨 유황 전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨 유황 전지의 작동 온도는 300 ℃~350℃이고,
    상기 기준온도는 350 ℃ 이상인 나트륨 유황 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관의 바닥면은 평면형 또는 그 중앙부쪽으로 갈수록 하향 경사를 갖는 곡면형으로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나트륨 배출공은 상기 플러깅 부재가 가라앉을 때 상기 플러깅 부재가 완전히 밀착될 수 있도록 원뿔형상으로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 플러깅 부재는 용융점이 상기 기준온도 보다 높은 금속으로 이루어지는 나트륨 유황 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플러깅 부재는 내부식 코팅처리가 되어 있는 나트륨 유황 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고체전해질관은 베타알루미나로 제작된 튜브형태인 나트륨 유황 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연부재는 알파알루미나로 형성된 링 형태인 나트륨 유황 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관의 외벽에 흑연을 코팅한 구조의 나트륨 유황 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지관과 상기 고체전해질관 사이의 간격은 10㎛ ~ 3mm인 나트륨 유황 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 카트리지관과 상기 고체전해질관 사이의 공간에 세라믹 분말 또는 다공성 금속 폼(metal foam)이 삽입된 구조의 나트륨 유황 전지.
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