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KR101078304B1 - 용매화 물질을 이용한 열전변환장치 - Google Patents

용매화 물질을 이용한 열전변환장치 Download PDF

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Publication number
KR101078304B1
KR101078304B1 KR1020100043298A KR20100043298A KR101078304B1 KR 101078304 B1 KR101078304 B1 KR 101078304B1 KR 1020100043298 A KR1020100043298 A KR 1020100043298A KR 20100043298 A KR20100043298 A KR 20100043298A KR 101078304 B1 KR101078304 B1 KR 101078304B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
metal
thermoelectric conversion
conversion device
solvating
Prior art date
Application number
KR1020100043298A
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English (en)
Inventor
전준현
박한우
김지범
이진구
Original Assignee
동국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동국대학교 산학협력단 filed Critical 동국대학교 산학협력단
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Priority to EP11780758.6A priority patent/EP2571070B1/en
Priority to PCT/KR2011/002804 priority patent/WO2011142541A2/ko
Priority to JP2013510014A priority patent/JP5456204B2/ja
Application granted granted Critical
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Abstract

본 발명은 용매화 물질인 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된 폐쇄된 구조의 셀, 분극, 및 가열부를 포함하여 물질의 유출을 방지하여 용매화 물질이 가역 가능한 상태를 유지할 수 있는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치는, 버려지는 열을 사용하여 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있기 때문에 기존의 석유, 석탄 등을 이용한 발전에 비해 자원의 낭비를 줄여줄 수 있다. 또한, 적은 열을 가하는 경우라도 양극의 온도 차에 의해 전기에너지가 발생된다는 장점을 가지며, 장치 크기를 다양화 할 수 있으며, 특히 용매화 물질의 가역적인 반응이 가능하여 연속적인 전기에너지의 생산이 가능하다는 장점이 있다. 아울러, 본 발명에 따른 열전변환장치는 셀 구조들을 직렬로 다발형태로 묶어 전력을 산출해 낼 수도 있어서 작은 전력을 필요로 하는 소형 기기에서부터 커다란 전력을 필요로 하는 대형 기기까지 폭넓게 적용이 가능하다.

Description

용매화 물질을 이용한 열전변환장치 {Thermoelectric transformation device using solvation materials}
본 발명은 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에 대한 것으로, 구체적으로는 용매화 물질인 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된 폐쇄된 구조의 셀, 분극, 및 가열부를 포함하여 물질의 유출을 방지하여 용매화 물질이 가역 가능한 상태를 유지할 수 있는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에 관한 것이다.
일반적인 열전변환을 통한 발전이라고 하면, 1821년 독일의 과학자 Seebeck이 서로 다른 두 금속을 접합하고 각각을 다른 온도에 노출시킬 경우 기전력이 발생하는 현상을 발견한 것을 토대로 발전 되어 왔다. 미국과 일본 등의 기존의 열전 전지는 p-n접합 구조를 이용한 것으로 대부분 박막 또는 나노와이드의 고효율의 열전물질 개발에 주력하고 있으며, 금속화합물 특성을 가지고 있는 대부분의 열전물질들은 양극 간의 온도 차(+극과 -극간의 △T) 에 의해 열전이 이루어 진다. 열전에 의한 성능은 열전 성능지수 ZT 로 표시하며 하기 식과 같다.
Figure 112010029719643-pat00001
그러나, 양 극간의 온도 차에서 반응하는 열전물질의 경우 크기와 무게에 비해 매우 낮은 열전 효율을 보여 에너지원으로서 사용이 거의 불가능할 뿐 아니라, 고온(100℃이상)의 온도 차(+극과 -극간의 온도 차
Figure 112010029719643-pat00002
)에서 반응하는 열전물질은 자동차, 핵 발전, 소각로 등의 대형 폐열 발전 환경이 반드시 필요하다는 단점이 존재하였다.
한편, 용매화 물질로 사용되는 메탈암모니아 및 메탈아민 물질은 해당 물질과 열전 응용방식이 세계적으로 새로운 에너지원으로 활용될 수 있는 가능성만이 확인된 상태이고, 아직 물질의 전기적인 현상의 실험단계에 머물러 있다. 용매화 물질이 현재까지 영하 65℃~영하 35℃에서 열전 현상이 존재한다는 실험 논문만이 발표된 상태로 아직은 기초적인 개발단계라 할 수 있다.
상술한 용매화 전자를 포함하는 화합물질인 용매화 물질은 그 금속의 농도에 따라 금속적인 특성과 비금속적인 특성을 갖는다. 액체 상태로 존재하게 되는 영하 34℃미만에서 알칼리금속 또는 알칼리토금속, 그리고 란탄계 금속 및 악티늄계 금속 등과의 합성에 의해 생성되는 것으로, 매화 물질인
Figure 112010029719643-pat00003
은 작은 열에 의해
Figure 112010029719643-pat00004
와
Figure 112010029719643-pat00005
로 분리된다.
Figure 112010029719643-pat00006
에 해당하는 물질인 알칼리금속, 알칼리토금속, 란탄계 금속 및 악티늄계 금속 경우 반응성이 커 산소나 물에 노출될 경우 쉽게 산화되고
Figure 112010029719643-pat00007
는 가벼워 쉽게 공기 중으로 흩어져 반응성이 저하 되는 단점이 있으며, 상대적으로 n값이 4인
Figure 112010029719643-pat00008
에서 안정적인 상태를 보인다. 물질의 합성에 대한 화학식은 하기와 같다.
Figure 112010029719643-pat00009
또한, 금속의 용매로 사용되는 것 중 한 가지인 암모니아에 포화된 농도가 높을수록 액체로 존재하는 용매화 물질은 동색(Bronze)을 띄게 되며, 높은 전기전도도와 금속이온 및 자유전자를 갖는 금속과 유사한 물리적 성질을 띄게 된다. 메탈암모니아물질의 농도가 0.01MPM 이하에서 solvated electron과 solvated cation을 포함하는 전해질 특성을 갖고 있으며, 2 ~ 5MPM에서 비금속 특성에서 금속적인 특성을 보이는 물질로의 변화가 이루어지고, 4MPM에서 자유전자가 발생된다. 약 20MPM에서는 수은과 비슷한 전기전도도에 도달하며, 22MPM에서 전기전도도가
Figure 112010029719643-pat00010
로 수은의 전기전도도(
Figure 112010029719643-pat00011
)을 넘어서게 된다.
용매화 물질의 다양한 농도 범위에서는 색상을 확인 할 수 있는데, 금속의 농도가 높아 금속의 성질을 띄고 있는 22MPM에서는 동색(Bronze)색상을 띄며, 그 농도가 낮아질수록 색이 점점 엷게 변해 붉은 색을 거쳐(Red shift) 2MPM에서는 파랑색(Blue)을 띄게 되는데, 이때 낮은 MPM의 용액에서는 파란색을 띄는 이유는 암모니아가 전자를 둘러싼 형태의 용매화 전자(solvated electron)를 포함하고 있기 때문이다. Kraus가 제안한 금속 용액에서의 이온화 반응은,
Figure 112010029719643-pat00012
와 같은 과정으로 메탈에서 하나의 전자를 방출하고
Figure 112010029719643-pat00013
로 감싸져 전자들이 주위를 둘러싸고 있는 형태가 된다.
리튬을 예로 들면, 리튬이 암모니아용액에 용해되는 과정에서 리튬에 의한 전자의 분리가 생겨나
Figure 112010029719643-pat00014
의 형태를 갖게 되고,
Figure 112010029719643-pat00015
와 같은 이온화 반응이 일어나게 된다.
일반적으로 높은 전자밀도를 가지고 있는 알칼리금속, 알칼리토금속, 란탄계 금속 및 악티늄계 금속은 암모니아에 용해되는 과정에서 생성된 전자는 암모니아로 방출되어 암모니아가 전자를 둘러싸는 형태의 용매화 전자(solvated electron)를 이루게 되는데, 용매화 물질 용액의 전기화학적인 산화 반응을 리튬(Li)으로 예를 들어 보면,
Figure 112010029719643-pat00016
와 같이, 용매화 물질 용액이 분해되어 자유전자와 암모니아 기체가 발생하게 되며, 발생된 전자와 암모니아가 결합하여 저농도에서 용매화 전자를 이루고 고농도에서 전자가 분리되어 자유 전자가 된다.
한편, 하기 반응식에 있어서 solvated electron 상태인
Figure 112010029719643-pat00017
는 용매화된 금속의 농도가 높아 짐에 따라 free electron인
Figure 112010029719643-pat00018
를 생성 할 수 있으며,
Figure 112010029719643-pat00019
를 다시 주입 시키거나 물질의 농도를 낮추게 되면 다시 용매화 전자 상태인
Figure 112010029719643-pat00020
를 생성 가능하다.
Figure 112010029719643-pat00021
또한, 8MPM 이하에서 발견되는 solvated electron은 메탈에서 분리된 전자와 암모니아 분자가 결합한 형태로, MPM이 낮으면 낮을수록 전자와 암모니아 분자 간의 결합이 더욱 더 많아져 절연체에 가까워지며, MPM이 높을수록 용매화 전자에서 전자가 분리되어, 4MPM이상 농도의 용매화 물질에서는 자유로운 전자가 발견된다.
상기와 같이, 용매화 물질이 합성되는 농도에 따라 메탈에서 생성된 전자와 암모니아가 결합한 형태인 용매화전자가 발견되었으며, 온도변화에 따른 용매화 물질의 산화 반응과 금속농도 변화에 따른 용매화 전자에서의 전자 탈출과 결합으로 열전능력이 확인되어 왔으나, 사용되는 알칼리 금속 및 알칼리토금속, 란탄계 금속 및 악티늄계 금속의 경우 반응성이 커 산소나 물에 노출될 경우 쉽게 산화되고, 암모니아 가스는 쉽게 공기 중으로 흩어짐으로서 반응성이 저하 되기 때문에 생성된 물질의 유출을 방지하여 용매화 물질이 가역 가능한 상태를 유지하기 위한 구조의 개발이 필요한 실정이었다. 따라서, 용매화 전자를 포함한 물질이 열에 의해 자유전자와 용매(기체)로 분리되며, 분리된 물질에서 발생한 기체에 의해 내부 압력이 증가하고 전자가 방출되어 전기에너지를 생성하게 됨에 있어서, 생성된 물질의 유출에 의해 가역적인 반응이 어렵기 때문에 이를 보완하기 위한 열전변환장치의 개발이 요구되고 있었다.
이에 본 발명자들은 상술한 종래기술 상의 문제점을 해결할 수 있는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치를 개발하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 용매화 물질인 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된 폐쇄된 구조의 셀, 분극, 및 가열부를 포함하여 물질의 유출을 방지하여 용매화 물질이 가역 가능한 상태를 유지할 수 있는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 용매화 물질로서 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된, 폐쇄된 구조를 가지는 셀; 상기 셀의 중앙에 위치하여 상기 셀을 양측으로 분리하는 분극; 및 상기 셀의 일측에 위치하는 가열부를 포함하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 셀의 양측에 각각 셀 외부와 내부를 관통하는 금속소재의 양극 및 음극이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 양극 및 음극은 알루미늄, 철, 백금, 은, 금, 및 상기 금속들 중 하나 이상을 포함한 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 양극 및 음극은 상기 가열부가 위치하여 가열되는 측이 양극이 되고, 다른 측이 음극이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 셀의 구조는 원통형, 판형, 튜브형, 원형 및 필름형으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 셀의 양측은 전도체 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 셀의 일측은 다른 일측에 비해 열전도도가 낮은 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 셀은 내부에 상기 용매화 물질과의 접촉면적을 넓히기 위한 금속 구조물을 내장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분극은 절연 소재이고, 상기 셀의 양측을 관통하는 통로역할을 하는 공간을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물은, 암모니아 및 아민 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과, 알칼리금속 및 알칼리토금속을 포함한 금속원소들 중 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 아민화합물은 메틸아민(methylamine), 에틸아민(ethylamine), 디글린(diglyme), 에탄올아민(ethanolamine), 디에탄올아민(diethanolamine), 프로필아민(propylamine, n-propylamine, isoproplyamine), 부틸아민(butylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 헥사민(hexamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 1, 3-프로판디아민(1,3-propanediamine), 1,2-1 프로판디아민(1,2-1 propanediamine), 1,4-부탄디아민(1,4-butanediamine), 1,5-펜탄디아민(1,5-diaminopentane), 헥산디아민(hexanediamine), 1,7-헵탄디아민(1,7-diaminoheptane), 1,8-옥탄디아민(1, 8-diaminooctane), 및 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속원소는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 바나듐(V), 타이타늄(Ti), 이트륨(Y)(3족), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr), 은(Ag), 백금(Pt), 수은(Hg), 납(Pb), 벨릴륨(Be), 란타늄(La), 세륨(Ce), 카드뮴(Cd), 및 유로퓸(Eu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가열부의 가열원은 폐열일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 열전변환장치를 사용하여 열을 전기에너지로 변환하는 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 열전변환장치의 셀의 양측 또는 양극 및 음극을 2차 전지의 양쪽 극에 연결하여 2차 전지를 충전하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치는, 버려지는 열을 사용하여 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있기 때문에 기존의 석유, 석탄 등을 이용한 발전에 비해 자원의 낭비를 줄여줄 수 있다. 또한, 적은 열을 가하는 경우라도 양극의 온도 차에 의해 전기에너지가 발생된다는 장점을 가지며, 장치 크기를 다양화 할 수 있으며, 특히 용매화 물질의 가역적인 반응이 가능하여 연속적인 전기에너지의 생산이 가능하다는 장점이 있다. 아울러, 본 발명에 따른 열전변환장치는 셀 구조들을 직렬로 다발형태로 묶어 전력을 산출해 낼 수도 있어서 작은 전력을 필요로 하는 소형 기기에서부터 커다란 전력을 필요로 하는 대형 기기까지 폭넓게 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 동작원리를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 기본 형태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 기본 형태의 단면도이다.
도 4, 5, 및 6은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 내부 면적을 늘리기 위해 다양한 형태의 금속 구조물을 내면에 부착한 모습을 나타낸 것 이다.
도 7은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀이 판 형태인 경우를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 투시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 분해도이다.
도 10은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 분극에 셀 양측의 통로가 되는 공간이 있는 모습과, 양극과 음극이 셀 몸체와 일체형인 열전변환장치를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에서 양극과 음극이 셀 몸체와 분리형인 열전변환장치를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치를 이용한 2차 전지의 충전 형태를 나타낸 것이다.
도 13은 용매화 물질의 기본이 되는 용매화 금속(Solvated metal)과 용매화 전자(Solvated electron)의 결합형태를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은, 용매화 물질인 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된 폐쇄된 구조의 셀, 분극, 및 가열부를 포함하여 물질의 유출을 방지하여 용매화 물질이 가역 가능한 상태를 유지할 수 있는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에 관한 것으로, 구체적으로 용매화 물질로서 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된, 폐쇄된 구조를 가지는 셀; 상기 셀의 중앙에 위치하여 상기 셀을 양측으로 분리하는 분극; 및 상기 셀의 일측에 위치하는 가열부를 포함하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치가 제공된다. 도 8은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 투시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 분해도이다.
하기에서 상술할 바와 같이 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치에서의 셀 구조는 용매화 물질의 가역적인 반응이 가능하여 연속적인 전기에너지의 생산을 위한 구조로서 폐쇄된 구조로 용매화 물질의 외부와 접촉을 방지하는 역할을 하기 때문에, 셀의 형태는 특별히 한정되지는 않으나, 원통형, 판형, 튜브형, 원형 및 필름형으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 셀 구조는 내장된 용매화 물질이 외부와 접촉할 수 없도록 내부 공간과 외부를 격리하는 완전히 폐쇄된 구조이다. 도 2는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 기본 형태를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 기본 형태의 단면도이다. 또한, 도 7은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀이 판 형태인 경우를 나타낸 것이다.
또한, 상기 셀의 재질은 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물과의 부식성을 고려하여 이들과의 반응성이 현저히 낮은 재질인 것이 바람직하며, 특히 메탈암모니아 사용 시 온도에 따라 기체상태로 존재하는 암모니아의 팽창에 따른 셀 내부의 압력증가를 고려하여, 셀의 소재에 있어서 소재의 강도에 따른 두께가 고려되어야 한다. 아울러, 열을 전기로 변환시켜 전기에너지를 생성하는 형태이므로 열전도도와 전기전도도를 고려해야만 한다. 열전도도에 있어서 온도변화에 따른 열 전달이 효과적으로 이루지고, 이와 동시에 열 평형에 쉽게 빠지지 않아야 하며, 열전물질에 의해 생성된 전기에너지의 손실을 최소화 하기 위해, 전기전도도가 매우 우수한 소재로 이루어져야 한다. 따라서, 상기 셀의 양측은 전도체 소재인 것이 바람직하다.
한편, 상기 가열부가 위치하는 상기 셀의 일측은 열을 빠르게 흡수하여 내부에 삽입된 물질이 열에 의한 화학반응을 일으켜 전자가 생성되도록 유도하는 부분으로써 열전도도 및 전기전도도가 높아 저항에 의한 전력의 손실을 방지 할 수 있는 것이 바람직하며, 셀의 다른 일측은 전달된 열에 의해 열평형 상태에 쉽게 도달하는 것을 방지하기 위하여 전기전도도는 높으나 열전도도는 상대적으로 낮은 소재로 이루어져 온도 차를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하기 때문에, 상기 셀의 일측은 다른 일측에 비해 열전도도가 낮은 소재인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 셀은 내부에 상기 용매화 물질과의 접촉면적을 넓히기 위한 금속 구조물을 내장할 수 있다. 이는 셀 내에 내장된 용매화 물질의 반응성을 늘려 주기 위한 것으로, 셀 내에 금속 구조물을 삽입해 줌으로서 보다 더 넓은 반응 면적을 가질 수 있어 더 많은 전자의 생성이 가능해지므로 다양한 형태의 금속 구조물을 셀 내부에 형성할 수 있다. 도 4, 5, 및 6은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 셀의 내부 면적을 늘리기 위해 다양한 형태의 금속 구조물을 내면에 부착한 모습을 나타낸 것이다.
한편, 분극은 셀의 중앙에 위치하여 셀을 양측으로 분리하는 역할을 하는 것으로, 용매화 물질로부터 분리된 전자가 셀의 몸체를 타고 흐르지 않고, 각 금속 전극으로만 이동할 수 있도록 절연 소재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 분극은 셀을 양측으로 분리하되, 상기 셀의 양측을 관통하는 통로역할을 하는 공간을 가지는 것이 바람직하다. 이는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 전기에너지 생성 반응 메커니즘에서 전자의 이동은 기체의 이동에 의해 이루어지기 때문에 생성된 전자의 이동이 이루어 질 수 있는 통로가 필요하기 때문이다. 상기 분극의 공간의 폭을 조절함으로서 온도 변화에 따른 양 극간 물질의 이동 속도를 조절할 수도 있다. 도 10는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 분극에 셀 양측의 통로가 되는 공간이 있는 모습을 나타낸 것이다.
한편, 상기 셀 내에 내장된 상기 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물은, 암모니아 및 아민 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과, 알칼리금속 및 알칼리토금속을 포함한 금속원소들 중 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기에서 아민 화합물은 아민류 화합물이면 특별히 제한되지는 않으나, 메틸아민(methylamine), 에틸아민(ethylamine), 디글린(diglyme), 에탄올아민(ethanolamine), 디에탄올아민(diethanolamine), 프로필아민(propylamine, n-propylamine, isoproplyamine), 부틸아민(butylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 헥사민(hexamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 1, 3-프로판디아민(1,3-propanediamine), 1,2-1 프로판디아민(1,2-1 propanediamine), 1,4-부탄디아민(1,4-butanediamine), 1,5-펜탄디아민(1,5-diaminopentane), 헥산디아민(hexanediamine), 1,7-헵탄디아민(1,7-diaminoheptane), 1,8-옥탄디아민(1, 8-diaminooctane), 및 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속원소는 알칼리금속 및 알칼리토금속을 포함한 금속원소이면 특별히 제한되지 아니하나, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 바나듐(V), 타이타늄(Ti), 이트륨(Y)(3족), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr), 은(Ag), 백금(Pt), 수은(Hg), 납(Pb), 벨릴륨(Be), 란타늄(La), 세륨(Ce), 카드뮴(Cd), 및 유로퓸(Eu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명에 따르면 상기 가열부의 가열원은 열을 발생하는 것이면 특별히 한정되지 아니하나, 본 발명은 버려지는 열을 사용하여서도 전기에너지를 생산 할 수 있기 때문에 기존의 석유, 석탄 등을 이용한 발전에 비해 자원의 낭비를 줄여줄 수 있어 가열원으로 폐열을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 열이 아주 적은 경우라도 양극의 온도 차에 의해 전기에너지가 발생되기 때문에 작은 열을 가하더라도 전기에너지 생산이 가능하다.
본 발명에 의하면, 상기 셀의 양측에 각각 셀 외부와 내부를 관통하는 금속소재의 양극 및 음극이 더 포함되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 분극으로 분리된 셀의 양측 자체가 양극 및 음극으로 작용할 수도 있으나, 상기와 같이 셀 외부와 내부를 관통하는 금속소재의 양극 및 음극이, 셀의 양측에 존재하면서 셀 내부의 용매화 물질과 접촉하고 있는 경우 셀 몸체를 전자가 타고 흐르면서 저항을 받는 정도를 줄여줄 수 있기 때문이다.
또한, 상기 양극 및 음극은 특별히 제한되지는 않으나 알루미늄, 철, 백금, 은, 금, 및 상기 금속들 중 하나 이상을 포함한 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 금속 중에서 전기전도도 및 열전도도가 우수한 것들을 사용하는 것이 바람직하기 때문이다.
아울러, 상기 양극 및 음극이라는 명칭은 상술한 가열부가 위치하여 가열되는 측을 양극, 다른 측을 음극이라고 칭함에서 유래한다. 가열되는 극으로부터 열이 전달되고 용매화 물질로부터 전자가 발생되어 다른 쪽 극으로 전자가 이동하여 셀 외부로 전자가 이동하면서 다시 가열되는 극으로 돌아오게 되기 때문에 가열부가 위치하여 가열되는 측이 양극이 되고, 가열되지 아니하는 측이 음극이 되는 것이다.
이하, 상술한 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치를 이용하여 열을 전기에너지로 변환하는 방법 및 그 메커니즘에 대해 상술한다.
상기와 같은 열전변환장치에서 가열부에서 셀의 일측 또는 양극을 가열하면, 셀 내의 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물에 열이 전달되어 화합물의 용매가 가스로 방출되게 된다. 용매를 방출한 용매화 물질은 상대적으로 고농도로 변화하게 되어 저농도에서 존재하던 용매화 전자가 분해되며 전자를 방출하여 셀의 다른 측 또는 음극으로 이동됨으로써 전기에너지가 생성되게 된다.
상기에서, 용매화 물질에 의해 생성된 용매화 전자가 열에 의해 분리되어, 용매 가스가 생성됨에 따라 금속의 농도가 높아지게 됨으로써, 전기에너지 생성에 유효한 자유전자를 방출하고 온도와 압력에 따라 다시 용매화 전자로 재결합하는 메커니즘이 제공되는 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치의 동작원리를 나타낸 것이고, 도 13은 용매화 물질의 기본이 되는 용매화 금속(Solvated metal)과 용매화 전자(Solvated electron)의 결합형태를 나타낸 것이다.
더욱 구체적으로는, 부피(V)가 일정한 상태에서는 물질의 몰수(n)과 온도(T)의 변화로 압력(P)가 결정지어 지는데, 부피가 일정한 셀 내부에 용매가스의 끓는점 이하 온도에서 액체상태로 존재하는 용매화 물질이 내장되어 있다고 할 때, 가열하여 끓는점 이상의 온도가 되면 액체로 존재하는 용매화 물질에서 용매가스가 분리되어 셀의 빈 공간은 용매가스로 채워지게 되고, 온도가 증가할수록 분리되어 존재하는 용매가스의 양이 많아지며 일정한 부피의 셀이기 때문에
Figure 112010029719643-pat00022
의 비례관계로서 더 큰 압력이 가해지게 된다. 또한, 상기 압력은 액체상태로 존재하는 용매화 물질에도 작용하게 되어 온도 증가에 따라 생성된 기체에 의해 일정 수준 이상의 압력이 가해지지 않게 되는데, 이에 따라 일정한 부피에서 증가되는 온도에 대한 보상 압력이 가해 짐으로써 물질 자체에서 더 이상의 기체 분리가 일어나지 않아 액체 상태로 존재하며 일정한 농도를 유지하게 되는 것이다. 이런 메커니즘을 통하여 본 발명에 따른 열전변환장치를 사용하여 전기에너지를 생산하는 반응은 가역적인 반응으로 용매화 물질의 가역적인 반응이 가능하여 연속적인 전기에너지의 생산이 가능하다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 다른 측면에 의하면 상기 열전변환장치의 셀의 양측 또는 양극 및 음극을 2차 전지의 양쪽 극에 연결하여 2차 전지를 충전할 수 있다. 도 15에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 열전변환장치의 셀의 양극 및 음극에 2차 전지의 양쪽 극을 각각 연결하여 전기에너지를 생산함으로서 연결된 2차 전지를 충전할 수 있다. 도 12는 본 발명에 따른 용매화 물질을 이용한 열전변환장치를 이용한 2차 전지의 충전 형태를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다
실시예 1
리튬 0.0369g 및 암모니아 0.7571g으로 구성된 용매화물질인 리튬 암모니아 화합물이 내장되어 있고, 두께 1.5 mm, 부피 7313 mm3 이며, 테프론 소재의 분극이 중앙에 위치하는 내부공간이 비어있는 폐쇄된 구조의 셀을 준비하였다. 상기 셀의 소재는 분극을 기준으로 일측은 알루미늄이고, 다른 일측은 철이었다. 20도의 환경에서 상기 셀의 알루미늄 소재 부분을 35도로 10분간 가열하였다. 전압 및 전류 측정 결과, 0.35V의 전압과 112㎂ 의 전류가 발생되는 것을 알 수 있었다.
실시예 2
리튬 0.019g 및 암모니아 0.0645g으로 구성된 용매화물질인 리튬 암모니아 화합물이 내장되어 있고, 두께 1.5 mm, 부피 7313 mm3 이며, 테프론 소재의 분극이 중앙에 위치하는 내부공간이 비어있는 폐쇄된 구조의 셀을 준비하였다. 상기 셀의 소재는 분극을 기준으로 일측은 알루미늄이고, 다른 일측은 철이었다. 20도의 환경에서 상기 셀의 알루미늄 소재 부분을 35도로 10분간 가열하였다. 전압 및 전류 측정 결과, 6.3V의 전압과 3.5㎂ 의 전류가 발생되는 것을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술 하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10 : 가열부
20, 21 : 셀의 몸체
30 : 분극
40: 양극
41: 음극
50: 분극의 통로 공간

Claims (15)

  1. 용매화 물질로서 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물이 내장된, 폐쇄된 구조를 가지는 셀;
    상기 셀의 중앙에 위치하여 상기 셀을 양측으로 분리하는 분극; 및
    상기 셀의 일측에 위치하는 가열부;
    를 포함하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 양측에 각각 셀 외부와 내부를 관통하는 금속소재의 양극 및 음극이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 및 음극의 소재는 알루미늄, 철, 백금, 은, 금, 및 이들 중 하나 이상을 포함한 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은 상기 가열부가 위치하여 가열되는 측이 양극이 되고, 다른 측이 음극이 되는 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 구조는 원통형, 판형, 튜브형, 원형 및 필름형으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 양측은 전도체 소재인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀의 양측에 있어서, 일측은 가열부이고, 다른 일측은 상기 가열부인 일측에 비해 상대적으로 열전도도가 낮은 소재인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀은 내부에 상기 용매화 물질과의 접촉면적을 넓히기 위한 금속 구조물을 내장하고 있는 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분극은 절연 소재이고, 상기 셀의 양측을 관통하는 통로인 공간을 가지는 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메탈암모니아 또는 메탈아민 화합물은, 암모니아 및 아민 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과, 알칼리금속 및 알칼리토금속을 포함한 금속원소들 중 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 아민화합물은 메틸아민(methylamine), 에틸아민(ethylamine), 디글린(diglyme), 에탄올아민(ethanolamine), 디에탄올아민(diethanolamine), 프로필아민(propylamine, n-propylamine, isoproplyamine), 부틸아민(butylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 헥사민(hexamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 1, 3-프로판디아민(1,3-propanediamine), 1,2-1 프로판디아민(1,2-1 propanediamine), 1,4-부탄디아민(1,4-butanediamine), 1,5-펜탄디아민(1,5-diaminopentane), 헥산디아민(hexanediamine), 1,7-헵탄디아민(1,7-diaminoheptane), 1,8-옥탄디아민(1, 8-diaminooctane), 및 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 금속원소는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 바나듐(V), 타이타늄(Ti), 이트륨(Y)(3족), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr), 은(Ag), 백금(Pt), 수은(Hg), 납(Pb), 벨릴륨(Be), 란타늄(La), 세륨(Ce), 카드뮴(Cd), 및 유로퓸(Eu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가열부의 가열원은 폐열인 것을 특징으로 하는 용매화 물질을 이용한 열전변환장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 열전변환장치를 사용하여 열을 전기에너지로 변환하는 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 열전변환장치의 셀의 양측, 또는 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 열전변환장치의 셀의 양극 및 음극을 2차 전지의 양쪽 극에 연결하여 2차 전지를 충전하는 방법.
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