KR101919969B1 - 나트륨 유황 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

열 발생량에 따라 단열 정도를 조절하여 최적의 온도 조건에 맞춰 방열량을 제어할 수 있도록, 복수개의 나트륨 유황 전지가 수납되는 용기와, 상기 용기의 개방된 상단에 설치되는 덮개, 상기 덮개 외측면을 덮어 덮개를 보온하는 적어도 하나 이상의 단열판, 상기 단열판을 회동시켜 덮개를 선택적으로 덮는 구동부를 포함하는 나트륨 유황 전지 모듈을 제공한다.

Description

나트륨 유황 전지 모듈{SODIUM-SULFUR RECHARGEABLE BATTERY MODULE}

본 발명은 나트륨 유황 전지 모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 방열 구조를 개선하여 방열량을 용이하게 조절할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지 모듈에 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 세라믹스를 사용한다. 베타알루미나는 나트륨 이온만을 통과시키는 성질을 가지고 있어, 나트륨 이온이 상기 베타알루미나를 거쳐 음극과 양극 간을 이동함으로써 충방전이 이루어진다. 나트륨 유황 전지는 전해질관 및 전해질관을 둘러싸는 양극용기를 포함한다. 전해질관의 내부는 나트륨으로 채워지고, 전해질관과 양극용기 사이에는 유황과 탄소펠트가 위치한다.

상기한 나트륨 유황 전지는 복수개가 하나의 용기 내에 수납되어 집적화됨으로써 대용량의 나트륨 유황 전지 모듈을 이루게 된다.

상기 나트륨 유황 전지 모듈은 고온으로 운전되는 단전지의 고온 상태를 유지하고, 단전지가 수납되는 내부 공간과 외부 공간을 단열시켜 에너지 손실이 없어야 한다. 이에 상기 나트륨 유황 전지 모듈은 수납되는 단전지의 열관리를 위해 단열구조의 용기가 사용된다. 구체적으로 나트륨 유황 전지 모듈은 단열 용기를 통해 운전 온도인 300~350℃를 유지하게 된다.

최근 들어 전지 모듈의 단위 체적당 에너지 밀도를 높이기 위해, 전지모듈의 대형화 및 고부하 운전이 시도됨에 따라 운전시 발생되는 발열도 보다 커지고 있다. 이에 전지 모듈에서 발생되는 발열량이 단열 용기의 열 손실을 상회하여 단열 용기 내부에 축열이 발생된다. 또한, 장시간 사용시 단전지의 열화가 진행되어 단열 용기 내부에 축적되는 열도 증가하게 된다.

따라서 상기와 같이 단열 용기 내에 축적되는 축열을 적절히 제거하지 않으면, 단열 용기의 내부 온도가 지나치게 상승하여 전지 모듈에 악영향을 주거나, 충방전 종료 후 단열 용기의 내부 온도가 초기값으로 복귀하지 않는 등의 이상 현상이 발생된다.

이에 종래에는 용기를 진공구조로 하여 운전 온도에 따라 진공도를 관리함으로써 용기의 단열성을 저하시켜 방열량을 조절하였다.

그러나, 상기한 종래의 구조는 진공도 관리를 위해 진공펌프를 사용함에 따라 추가적인 에너지 소모가 많고 구조가 복잡한 단점이 있다. 또한 용기의 측면을 통해 방열이 이루어짐에 따라 용기 내부 중앙쪽의 단전지와 용기 측면쪽의 단전지 간에 온도차가 커져 성능이 저하되는 문제가 발생된다.

또한, 종래에는 용기를 덮는 덮개에 복수개의 단열판을 적층 가능하게 설치하여 온도에 따라 단열판의 적층 개수를 조절함으로써 방열량을 조절하는 구조가 개시되어 있다. 그러나 상기한 구조 역시, 복수개의 단열판을 구비하여야 하고 관리자가 수동으로 덮개를 덮어줘야 하므로 MW 단위의 대용량 모듈에는 적용하기 어렵다.

이에 나트륨 유황 전지 모듈의 축열관리를 위한 새로운 기술의 개발이 요원한 실정이다.

이에, 열 발생량에 따라 단열 정도를 조절하여 최적의 온도 조건에 맞춰 방열량을 제어할 수 있도록 된 나트륨 유황 전지 모듈을 제공한다.

또한, 방열량의 제어가 기계적으로 이루어질 수 있도록 된 나트륨 유황 전지 모듈을 제공한다.

이를 위해 본 전지 모듈은 복수개의 나트륨 유황 전지가 수납되는 용기와, 상기 용기의 개방된 상단에 설치되는 덮개, 상기 덮개 외측면을 덮어 덮개를 보온하는 적어도 하나 이상의 단열판, 상기 단열판을 회동시켜 덮개를 선택적으로 덮는 구동부를 포함할 수 있다.

본 전지 모듈은 상기 용기의 외측면에 설치되어 용기를 보온하는 단열재를 더 포함할 수 있다.

상기 덮개는 스테인레스 재질로 이루어질 수 있다.

상기 덮개의 상단에는 상기 단열판을 지지하는 지지부재가 설치되고, 상기 단열판은 일측단에 길이방향을 따라 회동축이 설치되어 상기 지지부재에 회전가능하게 축결합되는 구조일 수 있다.

상기 구동부는 상기 단열판의 회동축에 설치되는 피니언기어와, 상기 용기의 측면에 설치되는 안내레일, 상기 안내레일을 따라 이동가능하게 설치되고 상기 피니언기어에 맞물려 피니언기어를 회전시키는 랙기어, 상기 랙기어에 연결되어 랙기어를 직선이동시키는 구동실린더를 포함할 수 있다.

상기 구동부는 상기 전지 모듈의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 출력신호를 연산하여 상기 구동실린더를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 전지 모듈의 온도에 따라 방열량을 적절히 제어할 수 있고 최적의 온도 조건에서 운전이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 방열량 제어가 기계적으로 이루어져 작업을 보다 간편하고 능률적으로 수행할 수 있게 된다.

또한, 전지 모듈의 용기에 대한 단열성을 충분히 확보하면서도 방열이 충분히 이루어질 수 있게 되어, 용기의 열손실을 최소화하고, 용기 보온을 위한 에너지 손실을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 모듈의 측단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 모듈의 정단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 모듈의 일부 구성을 보다 상세하게 도시한 사시도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 나트류 유황 전지 모듈의 작용을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.

도 1은 본 실시예에 따른 나트륨 유황 전지 모듈을 도시하고 있으며, 도 2와 도 3은 본 전지 모듈의 단면을 도시하고 있다.

도면을 참조하면, 나트륨 유황 전지 모듈(10)(이하, 설명의 편의를 위한 전지 모듈이라 한다)은 복수개의 나트륨 유황 전지(이하, 설명의 편의를 위해 단전지라 한다)를 대용량으로 집적화시킨 것으로, 복수개의 단전지(12)와, 상기 단전지(12)가 수납되는 용기(14)와, 상기 용기(14)의 개방된 상단을 덮어 내부를 밀폐하는 덮개(18)를 포함한다. 상기 용기(14)는 예를 들어 사각형태로 이루어질 수 있으며, 그 크기는 단전지의 수납 정도에 따라 달라질 수 있다.

상기 용기(14)는 금속재로 형성될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 상기 용기(14) 내부에는 수납되는 복수개의 단전지(12)를 고정하기 위한 충전재가 채워진다. 상기 충전재로는 모래 또는 돌가루 등을 분쇄한 규사 등이 사용될 수 있다.

본 실시예에서 상기 용기(14)는 외측면에 단열재(16)가 설치된다. 상기 단열재(16)는 전지 모듈(10)의 보온을 위한 것으로 내열성을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어 상기 단열재(16)는 암면, 질석, 퍼라이트(Perlite), 탄소섬유, 흑연섬유 등이 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 상기 덮개(18)는 용기(14)와 같이 금속재로 형성될 수 있으며, 부식성 및 방열 특성이 양호한 스테인레스 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단열재(14)와 별도로 상기 용기(14)는 보온을 위한 구조로써 자체적으로 진공 구조로 이루어질 수 있다. 상기 용기는 상기한 구조 외에 다양한 보온 구조를 구비할 수 있다.

상기 덮개(18)는 용기(14)의 상단에 설치되어 전지 모듈(10)의 상면을 이룬다. 본 실시예에서 상기 덮개(18)는 용기(14)와 달리 진공구조 또는 외측면에 단열재가 설치되지 않는 구조로 되어 있다. 이에 상기 전지 모듈(10)은 용기(14)를 이루는 측면과 바닥면은 단열재(16)에 의해 보온이 되고, 상면인 덮개(18)는 보온이 되지 않는 구조로, 덮개(18)를 통해서 대부분의 방열이 이루어지게 된다.

여기서 본 전지 모듈(10)은 상기와 같이 단열재(16)가 구비되지 않은 덮개(18)를 통해 열을 방열하고 그 방열량을 제어하는 구조로 되어 있다.

이를 위해, 본 전지 모듈(10)은 상기 덮개(18)에 회동가능하게 설치되어 덮개의 외측면을 덮어 덮개(18)를 보온하는 복수개의 단열판(20)과, 상기 단열판(20)을 회동시켜 덮개(18)를 선택적으로 덮기 위한 구동부(30)를 더 포함한다.

이에 단열판(20)을 덮개(18) 상부에서 회동시켜 덮개(18)를 덮어줌으로써 전지 모듈(10)의 측면과 바닥면과 같이 전지 모듈(10)의 상단도 보온이 이루어지게 되며, 단열판(20)을 회동시켜 덮개(18)에 대해 수직으로 세워주게 되면 덮개(18)가 대기중으로 노출되면서 방열량이 커지게 된다.

상기 단열판(20)은 전지 모듈(10)의 상단을 이루는 덮개(18)의 보온을 위한 것으로 내열성을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어 상기 단열판(20)은 암면, 질석, 퍼라이트(Perlite), 탄소섬유, 흑연섬유 등이 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

또한, 본 실시예에서 상기 단열판(20)은 길게 연장되어 길이가 폭보다 상대적으로 긴 바 형태로, 복수개가 덮개(18)를 따라 연속적으로 배치된 구조로 되어 있다. 그리고 상기 각 단열판(20)은 각각 덮개에 대해 회동가능하게 결합된다. 상기 단열판(20)은 덮개(18)의 외측면 전체를 덮을 수 있으면 그 개수나 크기에 있어서 특별히 한정되지 않는다.

상기 각 단열판(20)의 회동을 위해, 상기 덮개(18)의 상단에는 상기 단열판(20)을 지지하는 지지부재(22)가 설치되고, 상기 단열판(20)은 일 측단에 길이방향을 따라 회동축(24)이 설치되어 상기 지지부재(22)에 회전가능하게 축결합되는 구조로 되어 있다.

즉, 도시된 바와 같이 덮개의 양 측단에는 각각 지지부재(22)가 수직으로 돌출 설치된다. 그리고 상기 단열판(20)에 설치되는 회동축(24)이 상기 지지부재(22)에 회전가능하게 설치된다. 이에 상기 각 단열판(20)은 회동축(24)을 중심으로 지지부재(22)에 대해 회동가능하게 지지된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회동축(24)은 단열판(20)의 길이방향에 대해 양쪽 측단 중 어느 한쪽 측단에 치우쳐져 설치된다. 이는 단열판(20)이 덮개쪽으로 회동되었을 때 덮개(18) 외측면에 단열판(20)이 밀착되도록 하기 위함이다. 또한, 상기 덮개(18)와 접하는 상기 단열판(20)의 회동축(24) 쪽 측단 모서리는 회동시 덮개(18)와 간섭되지 않도록 모따기 되거나 둥글게 만곡 형성될 수 있다.

상기 구동부(30)는 상기 단열판(20)의 회동축(24)에 설치되는 피니언기어(31)와, 상기 용기의 측면에 설치되는 안내레일(34), 상기 안내레일(34)을 따라 이동가능하게 설치되고 상기 피니언기어(31)에 맞물려 피니언기어(31)를 회전시키는 랙기어(32), 상기 랙기어(32)에 연결되어 랙기어(32)를 직선이동시키는 구동실린더(33)를 포함한다.

상기 구동부는 단열판(20)의 회동축(24) 중 일측 선단쪽에 배치되어, 회동력을 가하는 구조일 수 있다.

상기 구동실린더(33)는 전지 모듈(10)에 고정 설치된 별도의 브라켓(35)에 지지되어 상기 랙기어(32) 선단에 연결된다.

이에 구동실린더(33)가 구동되면 구동실린더(33)의 피스톤로드에 연결된 랙기어(32)가 안내레일(34)을 따라 왕복이동되고, 랙기어(32)에 피니언기어(31)로 맞물려 있는 회동축(24)이 회전되어 회동축(24)에 설치된 단열판(20)이 회동되어 덮개(18) 외측면을 덮거나 노출시키게 된다.

상기 피니언기어(31)는 지지부재(22) 외측으로 돌출된 상기 회동축(24)의 선단에 고정설치된다. 또한, 본 실시예에서 상기 랙기어(32)는 길게 연장된 하나의 부재로 전지 모듈의 용기(14) 측면에 배치되어 각각의 피니언기어(31)와 맞물리게 된다. 이에 본 실시예에서 단열판(20)은 각각 개별적으로 피니언기어(31)를 구비하며, 각각의 피니언기어(31)는 하나의 랙기어(32)에 맞물려진 구조로 되어 있다. 따라서 하나의 랙기어(32) 구동으로 본 전지 모듈에 구비된 전체 단열판(20)을 같이 회동시킬 수 있게 된다. 본 전지 모듈은 이러한 구조에 한정되지 않으며, 상기 구동부가 각 단열판에 각각 구비되어 각 단열판을 개별적으로 회동시키는 구조 역시 적용 가능하다.

여기서 상기 랙기어(32)는 전지 모듈의 용기의 측면에서 직선으로 이동되어야 하므로, 상기 안내레일(34)에 의해 받쳐 지지된다.

본 실시예에서 상기 안내레일(34)은 전지 모듈의 용기(14) 측면에 설치되며, 직각으로 절곡되어 랙기어(32)의 외측면과 하단을 받쳐 지지하는 구조로 되어 있다. 이에 상기 랙기어(32)가 안내레일(34) 내측에 놓여져 외측으로 이탈되지 않고 직선으로 슬라이딩 가능하게 된다.

한편, 본 실시예에서 상기 구동부(30)는 상기 전지 모듈(10)의 온도를 검출하는 온도센서(36)와, 상기 온도센서(36)의 출력신호를 연산하여 상기 구동실린더(33)를 제어작동하는 컨트롤러(37)를 더 포함한다. 상기 온도센서(36)는 전지 모듈(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 전지 모듈(10)에서 발생되는 열을 검출하게 된다.

이에 컨트롤러(37)는 상기 온도센서(36)에서 검출된 온도값에 따라 구동실린더(33)를 제어하여 단열판(20)이 덮개(18)를 덮거나 외부에 노출되도록 조절함으로써, 덮개(18)를 통해 배출되는 방열량을 알맞게 제어할 수 있게 된다.

이하, 본 전지 모듈의 작용에 대해 도 4와 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

나트륨 유황 전지 모듈의 특성상 에너지 효율 향상을 위해 고온 하에서 작동되며, 용기 내부 공간의 고열은 용기와 본 장치에 의해 보온되어 적정하게 유지된다. 전지 모듈의 운전이 계속됨에 따라 전지 모듈의 용기 내부에는 축열이 발생되며, 이에 전지 모듈(10)의 온도는 적정 관리 범위를 넘어 높아지게 된다.

이때 본 장치는 단열판(20)을 회동시켜 덮개(18)의 대기 접촉면적을 늘림으로써 덮개(18)를 통해 열을 보다 많이 방열시킬 수 있게 된다.

즉, 온도센서(36)에 의해 검출된 온도값에 따라 전지 모듈에 과도한 열 발생이 검출되면 컨트롤러(37)는 구동실린더(33)를 제어작동시키게 되고, 구동실린더(33)의 신장작동에 따라 랙기어(32)가 이동되어 맞물려 있는 피니언기어(31)를 회전시키게 된다.

피니언기어(31)가 회전됨에 따라 피니언기어(31)가 설치된 단열판(20)이 지지부재(22)에 대해 회동된다. 이에 덮개(18)를 덮고 있던 단열판(20)는 덮개(18)에서 회동되어 덮개(18) 외측면에 대해 수직상태로 세워지게 되고, 덮개(18)의 표면은 대기중으로 노출된다. 따라서 대기에 노출되어 열을 대기중으로 방열하는 덮개(18) 표면적의 증대로 보다 많은 열이 방열되어 전지 모듈(10)의 온도를 낮출 수 있게 된다.

또한, 열이 방열되어 전지 모듈(10)이 적정 온도로 운전되면 컨트롤러(37)는 구동실린더(33)를 제어작동하여 단열판(20)을 원상태로 회동시켜 된다. 지지부재(22)에 대해 회동된 단열판(20)은 덮개(18)의 외측면을 덮게 된다. 이에 덮개(18)는 단열판(20)에 의해 보온되어 열의 방출을 최소화함으로써, 최적의 운전 온도를 계속 유지할 수 있게 된다.

이와 같이 덮개(18)를 덮어 보온하는 단열판(20)를 회동시키는 것으로 전지 모듈(10)의 온도에 따라 덮개(18)를 통한 열 방출량을 제어할 수 있게 된다. 또한, 용기 전면을 통해서는 단열성을 확보하면서 전지 모듈의 상면을 이루는 덮개를 통해서 방열이 이루어지도록 하여 전지 모듈 내부의 단전지 간의 온도 차를 최소화할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 전지 모듈 12 : 단전지
14 : 용기 16 : 단열재
18 : 덮개 20 : 단열판
22 : 지지부재 24 : 회동축
30 : 구동부 31 : 피니언기어
32 : 랙기어 33 : 구동실린더
34 : 안내레일 36 : 온도센서
37 : 컨트롤러

Claims (6)

1. 복수개의 나트륨 유황 전지가 수납되는 용기와, 상기 용기의 개방된 상단에 설치되는 덮개, 상기 덮개 외측면을 덮어 덮개를 보온하며, 복수로 구성되어 서로 이격 배치된 단열판, 상기 단열판을 수직으로 회동시켜 덮개를 선택적으로 덮는 구동부를 포함하고,
   상기 덮개의 상단에는 상기 단열판을 지지하는 지지부재가 설치되고, 상기 단열판은 일측단에 길이방향을 따라 회동축이 설치되어 상기 지지부재에 회전가능하게 축결합되며,
   상기 구동부는 상기 단열판의 회동축에 설치되는 피니언기어와, 상기 용기의 측면에 설치되는 안내레일, 상기 안내레일을 따라 이동가능하게 설치되고 상기 피니언기어에 맞물려 피니언기어를 회전시키는 랙기어, 상기 랙기어에 연결되어 랙기어를 직선이동시키는 구동실린더를 포함하는 나트륨 유황 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용기의 외측면에 설치되어 용기를 보온하는 단열재를 더 포함하는 나트륨 유황 전지 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 덮개는 스테인레스 재질로 이루어진 나트륨 유황 전지 모듈.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동부는 상기 전지 모듈의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서의 출력신호를 연산하여 상기 구동실린더를 제어작동하는 컨트롤러를 더 포함하는 나트륨 유황 전지 모듈.

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