KR102458594B1

KR102458594B1 - 단위전지 탈착식 열전변환모듈

Info

Publication number: KR102458594B1
Application number: KR1020150160503A
Authority: KR
Inventors: 서민수; 김선동; 이욱현; 우상국
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2022-10-31
Also published as: KR20170057506A

Abstract

본 발명은 단위전지들이 간단하게 탈부착식으로 결합될 수 있는 열전변환모듈를 제공하는 것이 목적이다.
이를 위하여, 둘 이상의 단위전지; 및 상기 단위전지를 탈착식으로 수용하는 수용체를 포함하는 열전변환모듈로서, 상기 수용체가, 둘 이상의 단위전지 삽입홈을 포함하는 몸체; 상기 몸체를 가열하기 위한 가열부; 및 상기 삽입홈에 삽입될 단위전지로부터의 전기를 인출하기 위해 상기 삽입홈으로부터 연장되는 리드선을 포함한다.
이러한 특징에 의하면, 단위전지들이 간단하게 탈부착식으로 결합될 수 있어, 열전변환모듈의 유지 및 보수가 간편해지고, 고른 열전달에 따라 열구배가 안정적으로 되기 때문에, 열효율이 향상되어 각 단위전지의 출력이 종래보다 우수하게 된다.

Description

단위전지 탈착식 열전변환모듈{AMTEC HAVING DETACHABLE UNIT CELLS}

본 발명은 알칼리금속을 작동유체로 하는 열전변환모듈(AMTEC; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 대한 것이며, 보다 구체적으로는 다수의 단위전지를 손쉽게 탈부착시킬 수 있어 유지, 보수가 용이하고 출력 성능이 향상된 열전변환모듈에 관한 것이다.

알칼리금속을 작동유체로 하는 열전변환 기술은 열에너지를 전기에너지로 정적 변환하는 기술로서, 내부 작동유체인 금속 나트륨 등의 액체가 고온의 열원에 의해 고압 영역인 증발부에서 증기 상태로 변하여 나트륨 이온만 베타알루미나 고체전해질(BASE, Beta Alumina Solid Electrolyte)을 통과하고, 자유전자들은 애노드로부터 전기 부하로 통과하여 캐소드로 돌아와서 저압영역의 BASE 표면에서 나오는 이온과 재결합함으로서 전기를 발생하는 원리이다.

금속유체의 증발부와 응축부는 각각 900~1100K와 500~650K에서 나트륨의 증발과 응축에 의해 열을 직접 전기로 변환하며 열전변환효율은 35% 이상도 가능한 특징을 갖고 있다.

이와 같이 알칼리금속을 작동유체로 하는 열전기변환모듈(이하 간단히 열전변환모듈라 한다)기술은 터빈과 같은 구동부품이 없이 알칼리금속의 이온만 통과시키면서 전기를 발생시키는 BASE의 특성을 이용하는 기술이며, 공급열원으로는 화석연료를 포함하여 고온폐열, 태양에너지, 방사성 동위원소, 원자로 등의 다양한 열원을 직접 전기로 변환하는 장점을 갖고 있다.

특히 단위질량당 출력밀도가 태양광 발전, 스털링 엔진의 약 2~3배 정도이므로 우주용, 군사용 및 고온폐열을 이용한 전원기술에 광범위하게 응용이 가능하고 액체금속의 순환을 위한 모세관윅을 채용함으로써 기계적인 요소가 불필요하므로 장치의 안정성이 큰 장점도 있다. 또한 열병합과 복합이용 시에는 70% 이상의 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있어 무소음 발전 및 에너지 유효 이용률의 증대와 피크부하 저감 등에 활용이 큰 기술이라고 할 수 있다.

이러한 열전변환모듈에서는 BASE, 캐소드, 애노드 등을 포함하는 단위전지가 중요한 구성요소이며, 전체 열전변환모듈는 필요에 따라 이들 단위전지를 여러 개 연결하여 장치를 구성할 수 있다. 하지만, 종래에는 단위전지를 용이하게 연결하는 장치가 없었으며, 또 BASE셀 하나의 파손이 전체 시스템 파손으로 연결되는 불안정한 구조였다. 즉 단위전지 중 일부에 문제가 생겨 전체 시스템에 영향을 미칠 경우, 이를 용이하게 유지, 보수할 수 있는 방법이 없었다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단위전지들이 간단하게 탈부착식으로 전기적으로 연결되는 모듈전지가 있는 열전변환모듈를 제공하는 것이 목적이다.

또 본 발명은 일부 단위전지에 문제가 생길 경우에도 손쉽게 유지, 보수가 가능한 열전변환모듈를 제공하는 것이 목적이다.

또 본 발명은 열원에 부착함에 있어서, 열전도도가 제어 가능하고 정온 유지가 가능한 열전변환모듈를 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 아래와 같은 구성으로 이루어지는 열전변환모듈를 제공한다.

둘 이상의 단위전지; 및

상기 단위전지를 탈착식으로 수용하는 수용체를 포함하며,

상기 수용체는,

둘 이상의 단위전지 삽입홈을 포함하는 몸체;

상기 몸체를 가열하기 위한 가열부; 및

상기 삽입홈에 삽입될 단위전지로부터의 전기를 인출하기 위해 상기 삽입홈으로부터 연장되는 리드선을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.

몸체의 형상은 특히 한정되지 않고 삽입홈을 구비할 수 있는 형태이면 되는데, 고른 열전달을 위해 원형인 것이 특히 바람직하다. 몸체의 재질은 열전도도가 높고 700-1,000℃를 유지할 수 있는 금속이나 세라믹이 바람직하다.

삽입홈의 개수는 열전변환모듈에서 요구되는 설계에 따라 적절히 설정할 수 있다. 따라서 필요에 따라 장치를 용이하게 소형화 또는 대형화할 수 있다.

각 삽입홈의 크기는 단위전지가 삽입될 수 있도록, 단위전지 외경보다는 커야 한다. 또 몸체로부터 단위전지 컨테이너 외벽으로의 열전달을 용이하게 하기 위해, 삽입홈의 내경은 단위전지 컨테이너 외경과 거의 비슷하게 형성되는 것이 바람직하다.

몸체에는 300℃ 이상 어떠한 열원에서도 정온유지가 되도록 설계되며, 가열부가 결합된다. 몸체는 단위전지로 열을 전달하기 위한 것으로서 재질이나 형상은 특히 한정되지 않으며, 몸체 하부에 위치할 수도 있다. 바람직한 실시예에서 가열부는 몸체를 둘러싸는 원통형으로 형성된다. 가열부는 상부 가열부와 하부 가열부로 구성된다. 하부 가열부는 상대적으로 고온으로 가열을 하여 단위전지에서 작동유체가 증발되도록 하며, 상부 가열부는 상대적으로 저온을 유지하도록 하여, 후술할 단위전지 내의 작동유체가 응축되도록 한다. 하부 가열부는 열전도도가 높은 소재로 이루어지는 반면, 상부 가열부는 열전도도가 낮은 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 몸체에는 상기 단위전지의 애노드 및 캐소드와 전기적 연결을 위한 접속부가 더 포함될 수 있다. 접속부에는 리드선이 연결된다.

리드선은 각 단위전지에서 발생된 전기를 외부로 전달하는 집전 매체로서의 역할을 한다. 리드선은 몸체 내부를 통해 연장되어 열전변환모듈 외부로 인출된다. 리드선의 재질은 특히 한정되지 않으며, 몸체와의 절연을 위해 피복되어 있다. 각 삽입홈에서 연장되는 리드선은 필요에 따라 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 병렬로 연결할 경우, 각 단위전지 중 일부에 문제가 생길 경우에도 전체 열전변환모듈는 정상적인 작동에 문제가 없다.

수용체에는 또한 각 단위전지의 정상작동을 확인할 수 있는 모니터링 수단이 형성될 수 있다. 모니터링 수단은 각 삽입홈에서 인출되는 리드선을 통한 전력을 확인함으로써, 어떤 삽입홈의 단위전지가 작동하지 않는지 파악할 수 있다. 구체적으로 각 단위전지간의 바이패스회로 또는 트랜지스터를 통하여 이루어질 수 있다.

한편 단위전지는 지지체 내에 BASE, 애노드, 캐소드를 포함하는 BASE셀이 내장되고, 지지체가 수납되는 컨테이너 형태로 이루어지는 밀폐계로서 형성되며, 내부에서 작동유체가 한 사이클을 형성하는 완성된 하나의 전지로서 이루어진다. 따라서 작동유체는 단위전지 내부에서만 순환하므로 다른 단위전지 또는 수용체와 작동유체를 공유하지 않아도 된다.

BASE에는 작동유체인 알칼리금속이 수용된다. BASE는 알칼리금속의 이온만 통과시키면서 전기를 발생시키는 역할을 한다.

작동유체는 금속나트륨(Na)이 대표적이며, 그 밖에 칼슘, 칼륨, 리튬 등 다양한 알칼리금속을 사용할 수 있다.

애노드는 작동유체가 통과하면서 전자를 내어놓도록 해주며, 캐소드는 작동유체가 통과하면서 전자를 받도록 해준다. 본 발명에서는 작동유체가 액체 또는 기체인 경우 모두 적용 가능하며, 액체일 경우에는 애노드가 필요하지 않다.

단위전지의 하부는 고온부로 형성되며, 상부는 저온부로 형성된다. 저온부에서는 BASE셀을 통과하여 나온 작동유체가 응축되며, 응축된 작동유체는 다음 사이클을 위해 다시 BASE셀 내로 공급된다.

BASE셀은 지지체 내에 형성되며, 지지체는 다시 컨테이너에 수납됨으로써 단위전지를 형성한다. 본 발명에서는 컨테이너와 지지체, 그리고 지지체와 BASE셀 간의 공간을 최소로 한다. 이에 따라 가열부에서 가열되는 열이 컨테이너, 지지체를 통해 BASE셀로 신속하고 효과적으로 전달되므로 열손실이 발생되지 않아, 전체 열전변환모듈의 효율이 향상된다.

전술한 본 발명에 의하면 아래와 같은 효과가 있다.

단위전지들이 간단하게 탈부착식으로 결합될 수 있어, 열전변환모듈의 유지 및 보수가 간편해진다.

또 일부 단위전지에 문제가 생겨도 전체 열전변환모듈의 성능 및 작동에는 문제가 없게 된다.

또 고른 열전달에 따라 열구배가 안정적으로 되기 때문에, 열효율이 향상되어 각 단위전지의 출력이 종래보다 우수하게 된다.

또 각 단위전지가 작동유체를 공유하지 않으므로 구조가 간단하게 된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전변환모듈를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전변환모듈의 단위전지를 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전변환모듈를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 종래 일반적인 열전변환모듈의 구조를 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
주요 도면 부호의 설명
10: 열전변환모듈 100: 수용체
110: 몸체 112: 삽입홈
114: 접속부 116: 리드선
120: 가열부 200: 단위전지
210: BASE 220: 애노드
230: 캐소드 240: 지지체
260: 컨테이너

이하 본 발명을 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

이하 설명에 있어서, "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전변환모듈를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

본 실시예의 열전변환모듈(10)는 크게 둘 이상의 단위전지(200)와, 이들 단위전지를 수용하는 수용체(100)로 구성된다.

수용체(100)는 단위전지(200)를 수용하여 열원으로부터 열전달을 하는 것으로서, 본 실시예에서는 원통형 몸체(110) 형상으로 이루어진다. 원통형으로 함으로써, 수용되는 단위전지(200) 전체에 대해 고른 열전달이 이루어진다. 몸체(110)의 재질은 열전도도가 높은 금속이나 세라믹으로 이루어진다.

몸체(110)에는 단위전지(200)를 수용하기 위한 삽입홈(112)이 형성된다. 삽입홈(112)의 수는 전체 열전변환모듈(10)의 용량, 크기 등에 따라 적절히 정할 수 있으며, 본 실시예에서는 10개이다. 삽입홈(112)의 크기는 단위전지(200)가 삽입될 수 있도록, 단위전지(200) 외경보다는 커야 한다. 몸체(110)로부터 단위전지(200)로의 열전달을 용이하게 하기 위해, 삽입홈(112)의 내경은 단위전지(200)의 외경과 거의 비슷하게 형성되어, 공간을 최소로 하는 것이 열효율 면에서 바람직하다.

몸체(110)에는 가열부(120)가 결합된다. 가열부(120)는 몸체(110)를 통해 단위전지(200)로 열을 전달하기 위한 것으로서 본 실시예에서는 몸체(110)를 둘러싸는 원통형으로 형성된다. 이러한 형상에 따라 몸체(110) 전체를 고르게 가열할 수 있어, 열전달 효율을 높일 수 있다.

한편 삽입홈(112)에는 상기 단위전지(200)와의 전기적 연결을 위한 접속부(114)가 형성되어 있다. 접속부(114)는 삽입홈(112)의 바닥에 위치하며, 단위전지(200)와 전기적으로 연결된다. 접속부(114)의 위치는 한정되지 않으며, 도 3에서처럼 삽입홈(112)의 내벽으로부터 연장될 수도 있다.

접속부(114)에는 리드선(116)이 연결된다. 리드선(116)은 각 단위전지(200)에서 발생된 전기를 외부로 전달하는 집전 매체로서의 역할을 한다. 리드선(116)은 몸체(110) 내부를 통해 연장되어 열전변환모듈(10) 외부로 인출된다. 리드선(116)의 재질은 전도성 금속이며, 몸체(110)와의 절연을 위해 피복되어 있다. 각 삽입홈(112)에서 연장되어 나오는 리드선(116)은 필요에 따라 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 병렬로 연결할 경우, 각 단위전지(200) 중 일부에 문제가 생길 경우에도 전체 열전변환모듈(10)는 정상적인 작동에 문제가 없다.

한편 수용체(100)에는 또한 각 단위전지(200)의 정상작동을 확인할 수 있는 모니터링 수단(미도시)이 형성될 수 있다. 모니터링 수단은 각 삽입홈에서 인출되는 리드선(116)을 통한 전력을 확인함으로써, 어떤 삽입홈(112)의 단위전지(200)가 작동하지 않는지 파악할 수 있다.

단위전지(200)는, BASE(210), 애노드(220), 캐소드(230)로 이루어지는 BASE셀이 지지체(240) 내에 내장되고, 지지체(240)가 수납되는 컨테이너(260)를 포함하여 이루어진다. 이러한 단위전지(200)는 밀폐계로서 형성되며, 내부에서 작동유체(WF)가 한 사이클을 형성하는 완성된 하나의 전지로서 이루어진다. 따라서 작동유체(WF)는 단위전지(200) 내부에서만 순환하므로 다른 단위전지(200) 또는 수용체(110)와 작동유체를 공유하지 않아도 된다.

BASE(210) 내에는 작동유체(WF)가 수용된다. 애노드(220)는 작동유체(WF)가 통과하면서 전자를 내어놓도록 해주며, 캐소드(230)는 작동유체가 통과하면서 전자를 받도록 해준다. 상기 캐소드(230)의 두께는 수나노미터 내지 마이크로미터 범위에서 형성된다. 작동유체(WF)가 액체일 경우에는 애노드는 없어도 된다.

BASE(210), 애노드(220), 캐소드(230)로 이루어지는 BASE셀은 지지체(240) 내에 형성된다. 지지체(240)의 하부는 수용체(100)의 삽입홈(112)과 전기적으로 통하도록 하기 위한 인출부가 형성된다. 지지체(240)와 BASE셀 사이의 공간은 종래에 비해 좁게 형성되어 있다. 이에 따라, 열전달이 효율적으로 이루어진다. 즉 불필요한 내부공간(불용공간)이 작으므로 열응답이 빠르고, 방사와 복사로 인한 열전달율이 높고, 정온유지가 용이하다.

지지체(240)는 다시 컨테이너(260)에 수납됨으로써 밀폐된 단위전지(200)를 형성한다.

이상 설명한 구조의 열전변환모듈(10)의 작동을 설명한다.

우선 요구되는 개수의 단위전지(200)를 수용체(100)에 삽입한다. 이어서 가열부(120)를 작동시켜 몸체(110)의 온도를 올린다. 이에 따라 상승된 몸체(110)로부터 삽입홈에 들어 있는 단위전지(200)로 열이 전달된다. 이때 열전달이 전체적으로 균일하게 이루어지기 때문에 열구배가 안정적이어서, 단위전지(200) 내의 BASE셀이 깨어지는 일이 발생되지 않는다. 작동유체(WF)는 BASE(210)를 통과하게 되고, 이때 자유전자들은 애노드(220)를 통해 집전되고, 삽입홈(112) 하부의 접속부(114)를 거쳐 리드선(116)을 통해 인출된다. 이후 전기부하에 따른 일을 한 후 캐소드(220)를 통해 돌아온다. 이때 리드선(116)들이 직렬로 연결되면 출력을 높일 수 있다. 병렬로 연결되면 용량을 높일 수 있고, 각 단위전지(200) 중 하나에 문제가 생기더라도 전체 열전변환모듈(10)의 출력은 변화가 없어 안정적 작동이 가능하다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 이 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

둘 이상의 단위전지; 및
상기 단위전지를 탈착식으로 수용하는 수용체를 포함하며,
상기 수용체는,
둘 이상의 단위전지 삽입홈을 포함하는 몸체;
상기 몸체를 가열하기 위한 가열부; 및
상기 삽입홈에 삽입될 단위전지로부터의 전기를 인출하기 위해 상기 삽입홈으로부터 연장되는 리드선을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 수용체가 원통형인 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 1에 있어서,
상기 삽입홈이 2개 내지 10개인 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 수용체에는 상기 각 단위전지의 작동상태를 감시하기 위한 모니터링 수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 가열부는 상기 몸체를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 삽입홈에 상기 단위전지와의 전기 접촉을 위한 접속부가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 6에 있어서,
상기 접속부가 상기 삽입홈 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 6에 있어서,
상기 접속부가 상기 삽입홈 측면부에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 1에 있어서,
상기 몸체가 금속 또는 세라믹 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 1에 있어서,
상기 각 단위전지에서 인출되는 리드선들이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 1에 있어서,
상기 각 단위전지에서 인출되는 리드선들이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 단위전지는,
BASE(Beta Alumina Solid Electrolyte), 캐소드를 포함하여 구성되는 BASE셀;
상기 BASE셀이 내장되는 지지체; 및
상기 지지체가 내장되는 컨테이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 12에 있어서,
상기 컨테이너가 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 12에 있어서,
상기 BASE셀이 애노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.
◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

청구항 12에 있어서,
상기 캐소드와 연결되는 인출부가 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전변환모듈.