KR101336941B1

KR101336941B1 - 내부전극 개방형 암텍 단위셀

Info

Publication number: KR101336941B1
Application number: KR1020130007046A
Authority: KR
Inventors: 김선동; 김세영; 우상국; 주종훈; 한인섭; 서두원; 서민수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-12-04
Also published as: JP5657073B2; JP2014143169A; US9607774B2; US20140202513A1

Abstract

본 발명은 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀, 이의 제조방법, 회로연결 방법에 대한 것으로 종래 AMTEC 단위셀의 내부집전에 있어 발생하던 어려움을 내부전극의 일부를 외부로 개방하여 단위셀의 외부에서 직접 내부전극과 외부전극을 전기적으로 연결할 수 있도록 하고 금속 지지체를 내부전극으로 사용함으로써 내구성과 안정성을 가지고 고체전해질을 박막으로 제조하여 효율이 향상되며 제조 공정이 간소해진 AMTEC 단위셀 및 그 제조방법, 회로연결 방법에 관한 것이다.

Description

내부전극 개방형 암텍 단위셀 {AMTEC Cell with Partially Opened Internal Electrode and Method For Manufacturing the AMTEC Cell.}

본 발명은 AMTEC(Alkali Metal Themal to Eletric Converter) 단위셀에 대한 것으로 AMTEC 단위셀의 내부전극의 일부가 외부로 개방되어 있어 내부로 직접 집전하지 않고도 외부에서 내부전극과 외부전극이 가능한 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀 및 그 제조방법, AMTEC 단위셀에서의 전기적 연결방법에 관한 것이다.

AMTEC 기술은 우주용 전력원으로 개발이 시작된 기술로서, 단위면적당 높은 전력밀도, 고효율, 안정성을 유지하는 장점이 있다. 또한 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등 다양한 열원을 사용할 수 있는 장점이 있고, 기존의 발전방식과는 달리 터빈이나 모터와 같은 구동부 없이 전기를 생산할 수 있는 발전 셀로 구성되어 열과 접촉되는 부위에서 직접 전기를 생산할 수 있고 직렬 또는 병렬로 모듈화하는 경우 수KW에서 수백MW 규모의 대용량 발전이 가능하다. 현재 폐열을 회수하는 기술은 열교환기나 폐열 보일러를 사용하여 열수나 연소용 공기 등의 형태로 회수하고 있다. AMTEC은 고품질의 전기를 직접 생산하여 효율을 높일 수 있어 기존의 기술을 대체할 수 있는 유망한 기술로 대두되고 있다.

AMTEC에서 전기를 생산하는 과정을 구체적으로 살펴보면, Na 증기가 열원에 의해 고온 고압 영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)로 통과하고, 자유전자들은 음극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 양극(cathode)으로 돌아와서 저온저압영역의 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화되는 과정에서 전기를 발생한다.

전기를 발생하는 에너지원 또는 원동력(driving force)은 열변환 발전기 내부에 Na의 증기압이 가장 크게 작용하고 또한 작용유체의 농도 차이, 온도 차이로 인해 Na이 고체전해질을 통과하는 과정에서 발생하는 자유전자를 전극을 통해 집전함으로써 발전이 가능하게 된다.

고체전해질에는 베타알루미나와 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICN)이 사용될 수 있다. 베타 알루미나에는 beta'-alumina 와 beta''-alumina 두가지 종류가 있다. beta''-alumina가 층상구조가 더욱 발전되어 있어 Na+이온의 전도성이 훨씬 좋기 때문에 일반적으로 사용되고 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0135291은 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 케이스; 상기 케이스 내에 배치되는 작동유체; 상기 케이스의 내부를 구획하는 고체 전해질; 상기 고체 전해질의 일 면에 배치되는 제1 전극; 상기 고체 전해질의 타 면에 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부를 교대로 가열하는 열원;을 포함하는 단위 열전환 발전기 및 열전환 발전 시스템에 관한 것으로 본 발명은 전극에 발생하는 전자를 포집하기 위해서 집전체를 사용하고 있고 하단부와 상단부에 열원이 교대로 작동하는 것을 특징으로 한다.

AMTEC용 전해질 물질은 고온에서 구조적으로 안정하고 금속 양이온만을 선택적으로 통과시킬 것이 요구되며, beta''-alumina(beta'' alumina solid electrolyte:BASE) 세라믹스가 대표적으로 이용되고 있다. 이외에도 뛰어난 양이온 전도로 각광받고 있는 나시콘(NASICON; Na super-ionic conductor)이 고온용 고체전해질 물질로 연구된 바 있으나 장시간 고온에 노출되었을 때 결정구조의 안정성이 문제가 되고 있는 실정이다.

BASE 튜브는 Na 이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 중요한 소재로써 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며 Na 이온이 잘 통과할 수 있는 층상구조를 갖는 재료의 선정 및 이의 제조가 요구되고 있다. 현재 Na-beta-alumina가 제조되어 유사한 NaS전지에 이용되고 있다.

AMTEC은 작동 환경이 고온이며 부식성이 강하며, 또한 튜브라는 형상과 다양한 접합부위가 존재한다는 문제로 인하여 내부집전에 큰 어려움이 따르고 있다. 셀 내부를 계면손실 없이 집전하기도 어렵지만 집전 후 lead wire를 외부로 끌어오기도 힘든 상황이며 특히 AMTEC 모듈의 통상적인 구조가 하부를 고온부로 형성하여 어려움이 있는 상황이다. 또한 접합부위는 전기적으로 절연이 요구되므로 일측 개방형 튜브의 관통면으로 lead wire를 유도하기에 어려움이 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다공성 금속 튜브를 제조하여 이를 지지체 및 내부전극으로 사용하고, 상기 내부전극의 굴곡진 부분, 즉 내부전극이 내측 및 외측으로 개방되는 부분에 금속 필러(filler)를 충진하여 기공을 밀폐하게 되고, 내부전극의 굴곡진 부분을 제외한 나머지 부분에는 고체전해질을 박막으로 코팅하고, 상기 고체전해질 위에 외부전극을 코팅하여 AMTEC 셀이 내구성을 가짐과 동시에 고체전해질을 박막으로 치밀한 미세구조를 가지도록 할 수 있으며, 내부전극의 일부가 외부로도 개방되어 있어 내부 집전 구조 없이도 외부에서 바로 내부전극과 외부전극을 전기적으로 연결할 수 있어 종래 내부집전의 어려움을 해결할 수가 있다.

본 발명은 AMTEC 단위셀에 있어 튜브형의 다공성 금속 지지체를 내부전극으로 사용하여, 내부전극이 외부로 노출되는 부분은 금속 필러를 충진하는 공정을 하고, 그 나머지 부분은 내부전극 위에 고체전해질층을 형성하기 위해 코팅공정을 사용하였고, 고체전해질층 위에 외부전극을 형성하였다. 내부전극의 일부가 외부로 개방되어 있는 구조를 가지기 때문에 집전이 매우 용이해지고 시스템 구조가 간단해진다. 단위셀 내부로 전선을 연결할 필요가 없기 때문에 내부집전 와이어(wire) 단락, 계면에 의한 전기 손실 및 short-circuit 등의 문제가 발생하지 않을 뿐만 아니라 접합 등 조립공정이 간단하게 된다.

또한 금속 지지체를 사용하기 때문에 고온 및 고압의 환경에서도 내구성을 가질 뿐만 아니라 금속 지지체에 고체전해질층을 코팅공정으로 박막으로 치밀한 미세구조를 갖도록 만들 수 있어 효율을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법을 순서대로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 구성도이다.
도 4는 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 내부전극과 외부전극을 연결하여 회로를 연결하는 작동원리를 보여주는 구성도이다.

본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀 및 그 제조방법, 회로 연결 방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 상기 AMTEC 단위셀의 제조방법은 다공성 금속 재질로 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태 중에서 어느 하나의 형상을 하고 있는 머리(110)와 양면이 개방된 원통 형태의 몸체(120)를 포함하는 튜브형상을 가지는 내부전극(100)을 제조하는 단계, 상기 머리(110) 부분에 기공을 밀폐하기 위하여 금속 필러(filler)를 충진하는 단계, 상기 몸체(120)의 외측면에 고체전해질(200)을 코팅하는 단계, 상기 고체전해질(200)을 코팅한 부분의 외측면에 외부전극(300)을 코팅하는 단계를 포함하여 이루어지게 된다.

도 2a는 다공성 금속 재질로 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태 중에서 어느 하나의 형상을 하고 있는 머리(110)와 양면이 개방된 원통 형태의 몸체(120)를 포함하는 튜브형상을 가지는 내부전극(100)을 제조하는 단계를 나타내는 구성도이다. 이때, 상기 내부전극(100)의 재질은 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 니켈-철 합금, 스테인리스, 철, 청동 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되게 되는데 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.

도 2b는 내부전극(100)의 머리(110) 부분에 기공을 밀폐하기 위하여 금속 필러(filler)를 충진하는 단계를 보여주는 구성도로서, 금속 필러(filler)를 내부전극(100)의 머리(110)에 금속 용융 침투법, 필러메탈법 중의 어느 하나의 방법을 이용하여 충진하게 된다. 이때 금속 용융 침투법은 금속 필러(filler)를 유도가열하여 brazing을 통해 충진하는 방법이고, 필러메탈법은 용접을 통해 금속 필러(filler)를 충진하게 된다. 금속 필러(filler)로는 니켈 합금 또는 티타늄 합금을 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.

도 2c는 내부전극(100)의 몸체(120)의 외측면에 고체전해질(200)을 코팅하는 단계를 보여주는 구성도로서, 상기 고체전해질(200)은 베타 알루미나계(beta''-alumina계) 또는 나시콘계(Na super-ionic conductor:NASICN계) 고체 전해질 중 어느 하나로 구성되며, 상기 고체전해질(200)의 코팅은 용사 코팅 또는 플라즈마 코팅 중 적어도 어느 하나를 이용하여 박막으로 코팅층을 형성하게 되나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 상기 고체전해질(200)을 코팅할 때 상기 내부전극(100)의 몸체에만 고체전해질(200)을 코팅할 수도 있겠으나, 실제 제작공정에서는 내부전극(100)의 머리(110) 부분의 경계에서 기공이 완전하게 밀폐되지 않은 부분이 발생할 수 있으므로 내부전극(100)의 머리(110) 부분 중에서 몸체(120)와 경계를 이루는 부위에도 코팅을 하여 내부전극(100)의 머리(110) 부위에서 기공을 통하여 기체가 통하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 코팅공정을 통해 고체전해질이 조밀 구조를 가지면서 박막으로 형성할 수 있어 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 2d는 고체전해질(200)을 코팅한 부분의 외측면에 외부전극(300)을 코팅하는 단계를 보여주는 구성도로서, 상기 외부전극(300)은 몰리브덴, 니켈, 알루미늄, PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru₂O, Rh₂W 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되게 되나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.

도 3은 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 구성도로서, 상기 AMTEC 단위셀은 다공성 금속 재질의 튜브형태의 내부전극(100)을 포함하여 구성하고, 상기 내부전극(100)은 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태 중에서 어느 하나의 형상을 한 머리(110)와 양면이 개방된 원통 형상의 몸체(120)를 포함하여 구성하고, 상기 머리(110)는 기공이 밀폐되어 있고, 상기 몸체(120)의 외측면에 형성된 고체전해질(200), 상기 고체전해질(200) 위에 형성된 외부전극(300)을 포함하여 구성하게 된다. 내부전극(100)은 전극으로서의 기능 뿐만 아니라 AMTEC 단위셀의 지지체로서도 기능하게 되고, 따라서 고온 고압의 환경에서도 내구성 및 안정성을 갖는다.

이때 상기 내부전극(100)의 머리(110) 부위의 형상은 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태를 가지는데, 이는 단지 내부전극으로 할 수 있는 형상을 예시한 것이며, 내부전극(100)에서 머리(110)의 형상은 상기 예시로 제한되지 않음은 물론이다. 그리고 내부전극(100)은 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 니켈-철 합금, 스테인리스, 철, 청동 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는데 내부전극(100)의 재질은 상기 구성의 합금체로도 구성될 수 있을 것이며 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.

고체전해질(200)은 베타 알루미나계(beta''-alumina계) 또는 나시콘계(Na super-ionic conductor:NASICN계) 고체 전해질 중 어느 하나이고, 상기 고체전해질은 박막으로 형성되게 되어 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

외부전극(300)은 몰리브덴, 니켈, 알루미늄, PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru₂O, Rh₂W 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되게 되나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.

도 4는 본 발명인 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 내부전극(100)과 외부전극(300)을 연결하여 회로를 연결하는 작동원리를 보여주는 구성도로서 상기 AMTEC 단위셀의 내부전극(100)에서 머리(110)의 외측면과 외부전극(300)을 도체를 이용하여 전기적으로 연결하게 되면 회로를 연결할 수 있게 된다. 기존에는 AMTEC 단위셀 내부로 집전체를 삽입하여 전기적 연결을 형성하였는데, AMTEC 단위셀의 외부에서 바로 집전을 할 수 있다는 장점이 있다.

또한 AMTEC 단위셀을 포함하여 AMTEC 발전기를 만들 수 있는데, 상기 AMTEC 발전기는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀을 다수개 포함하고, 케이스, 상기 케이스 내부에 배치하는 작동유체, 상기 케이스 상단부에 위치하여 상기 AMTEC 단위셀을 통과한 작동유체를 포집하여 응축하는 응축부, 케이스 하단부에 위치하여 작동유체 증기를 이송하는 증발부, 상기 응축부와 상기 증발부의 공간을 연결하여 작동유체가 이송될 수 있는 순환부, 상기 증발부와 상기 AMTEC 단위셀 사이를 접합하는 접합부를 포함하여 구성되게 된다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

100: 내부전극 110: 내부전극의 머리
120: 내부전극의 몸체 200: 고체전해질
300: 외부전극

Claims

내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법에 있어서,
(i) 다공성 금속 재질로 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태 중에서 어느 하나의 형상을 하고 있는 머리와 양면이 개방된 원통 형태의 몸체를 포함하는 튜브형상을 가지는 내부전극을 제조하는 단계;
(ii) 상기 머리 부분에 기공을 밀폐하기 위하여 금속 필러(filler)를 충진하는 단계;
(iii) 상기 몸체의 외측면에 고체전해질을 코팅하는 단계;
(iv) 상기 고체전해질을 코팅한 부분의 외측면에 외부전극을 코팅하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (i) 단계의 내부전극의 재질은 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 니켈-철 합금, 스테인리스, 철, 청동 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (ii) 단계는 금속 필러(filler)를 내부전극의 머리에 금속 용융 침투법, 필러메탈법 중의 어느 하나의 방법을 이용하여 충진하는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (iii) 단계의 고체전해질은 베타 알루미나계(beta''-alumina계) 또는 나시콘계(Na super-ionic conductor:NASICN계) 고체 전해질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (iii) 단계의 고체전해질의 코팅은 용사 코팅 또는 플라즈마 코팅 중 적어도 어느 하나를 이용하여 박막으로 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (iv) 단계의 외부전극은 몰리브덴, 니켈, 알루미늄, PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru₂O, Rh₂W 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
내부전극 개방형 AMTEC 단위셀의 제조방법.
내부전극 개방형 AMTEC 단위셀에 있어서,
다공성 금속 재질의 튜브형태의 내부전극,
상기 내부전극은 반구, 반타원구 또는 일면이 개방된 원통 형태 중에서 어느 하나의 형상을 한 머리와 양면이 개방된 원통 형상의 몸체를 포함하여 구성하고,
상기 머리로 기체가 통과할 수 없도록 기공이 밀폐되어 있고,
상기 몸체의 외측면에 형성된 고체전해질,
상기 고체전해질 위에 형성된 외부전극
을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀.
제 7항에 있어서,
상기 내부전극은 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 니켈, 니켈-철 합금, 스테인리스, 철, 청동 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀.
제 7항에 있어서,
상기 고체전해질은 베타 알루미나계(beta''-alumina계) 또는 나시콘계(Na super-ionic conductor:NASICN계) 고체 전해질 중 어느 하나이고,
상기 고체전해질은 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀.
제 7항에 있어서,
상기 외부전극은 몰리브덴, 니켈, 알루미늄, PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru₂O, Rh₂W 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 단위셀.
상기 7항 내지 11항 중 어느 한 항의 AMTEC 단위셀의 회로연결 방법에 있어서,
상기 내부전극의 머리의 외측면과 외부전극을 도체를 이용하여 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 AMTEC 단위셀의 회로연결 방법.
AMTEC 발전기에 있어서,
상기 7항 내지 11항 중 어느 한 항의 AMTEC 단위셀을 다수 개 포함하고,
케이스,
상기 케이스 내부에 배치하는 작동유체,
상기 케이스 상단부에 위치하여 상기 AMTEC 단위셀을 통과한 작동유체를 포집하여 응축하는 응축부,
케이스 하단부에 위치하여 작동유체 증기를 상기 AMTEC 단위셀로 이송하는 증발부,
상기 응축부와 상기 증발부의 공간을 연결하여 작동유체가 이송될 수 있는 순환부,
상기 증발부와 상기 AMTEC 단위셀 사이를 접합하는 접합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부전극 개방형 AMTEC 발전기.