KR101631553B1 - 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징 및 이를 이용한 열전발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electiric Convertor)에 있어서, AMTEC 셀 하우징 내의 순환윅(wick)구조를 단순화시킨 AMTEC 셀 하우징과 상기 AMTEC 셀 하우징을 이용한 열전발전장치 및 이의 발전방법에 관한 것이다. 본 발명은 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)의 하우징에 있어서, 상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 멤브레인(610)이 형성되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징을 제공한다.
Description
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electiric Convertor)에 있어서, AMTEC 셀 하우징 내의 순환윅(wick)구조를 단순화시킨 AMTEC 셀 하우징과 상기 AMTEC 셀 하우징을 이용한 열전발전장치 및 이의 발전방법에 관한 것이다.
열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electiric Convertor) 기술은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하여 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 열변환 전기발생장치에 관한 기술이다. AMTEC기술은 열전소자를 이용하는 열전발전시스템을 대체하기위해 개발이 시작된 기술이며, 단위면적당 높은 전력밀도와 고효율, 저가격 그리고 사용중에는 안정성이 유지되는 것을 요구하고 있는 것이 특징이다. AMTEC 기술은 미국 포드사에 의해 시스템의 개념이 제안된 이래 초기에는 전기자동차의 전원공급장치로 연구가 시작되었고, 이후에는 우주용 발전시스템으로 각광받아서 미국 NASA에 의해서 개발이 주도되었다. 현재는 우주용의 전력원으로 반도체식의 열전발전시스템이 사용되고 있으나 효율이 낮고, 발전시스템이 무거운 단점이 있다. 또한, 최근에는 원자력 연구소의 폐열을 활용하기 위해 원자력 발전소의 냉각부에 장치하는 2차 발전장치로도 활용이 모색되고 있다. 단위면적당 높은 전력밀도, 고효율, 안정성을 유지하는 장점이 있다. AMTEC의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등 다양한 열원을 사용할 수 있는 장점이 있다. 현재 폐열을 회수하는 기술은 열교환기나 폐열 보일러를 사용하여 열수나 연소용 공기 등의 형태로 회수하고 있으나, 이에 대하여 AMTEC은 고품질의 전기를 직접 생산하여 효율을 높일 수 있어 기존의 기술을 대체할 수 있는 유망한 기술로 대두되고 있다.
AMTEC은 종래의 발전방식과는 달리 터빈이나 모터와 같은 구동부 없이 전기를 생산할 수 있는 발전 셀로 구성되어 열과 접촉되는 부위에서 직접 전기를 생산할 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 모듈화하는 경우 수KW에서 수백MW 규모의 대용량 발전이 가능하여 미래지향적인 신발전기술로 평가받고 있다. 특히 단위질량당 출력밀도가 태양광 발전, 스터링 엔진에 약 2~3배 정도이므로 우주용, 군사용 및 고온폐열을 이용한 전원기술에 광범위하게 응용이 가능하고 액체금속의 순환을 위한 모세관윅을 채용함으로써 기계적인 요소가 불필요하므로 장치의 안정성이 큰 장점을 갖고있다.
또한 AMTEC은 고효율로 MW급의 대용량의 열전기 변환기 활용은 물론 열병합으로 복합이용시에는 70%이상의 에너지 이용율을 향상시킬 수 있어 열전소자 (thermoelectric device)와 같은 다른 직접적인 열전변환장치보다 높은 변환효율을 갖고 있으며, 무소음 발전 및 에너지 유효 이용율의 증대와 피크 부하저감 등을 위해서 연구개발의 필요성이 큰 기술이라고 할 수 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 통과한다. 즉, 이온전도성을 갖는 베타 알루미나 고체전해질(BASE,Beta-Alumina Solid Electrolyte)의 양단에 온도차(ΔT)를 주면 셀 내부에 충전된 액체 Na의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새 층으로 Na+ 이온의 이동이 일어나게 된다.
자유전자들은 양극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 음극(cathode)으로 돌아와서 저온저압영역의 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화(Neutralization)되는 과정에서 전기를 발생하게 되며, 이 경우, 단일 전기화학적 셀의 OCV(open circuit voltage)는 1.6V이상이 얻어진다.
상술한 바와 같이, 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. 이때 출력형태는 저전압, 대전류가 발생하게 되는데 이들을 모듈화하여 모을 경우 대용량 발전이 가능하다.
고체전해질에는 베타알루미나와 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICN)이 사용될 수 있다. Beta”alumina는 1943년 일본의 야마구치(Yamaguchi)와 스즈키(Suzuki)에 의해 개발되었고, 1967년 야오(Yao)와 쿠머(Kummer)에 의하여 Na+ 이온의 전도성이 발견되면서 현재 NAS 전지용 전해질 및 AMTEC 전해질로 사용되고 있다.
베타 알루미나에는 beta'-alumina 와 beta''-alumina 두가지 종류가 있다. beta''-alumina가 층상구조가 더욱 발전되어 있어 더욱 양호한 Na+이온의 전도성을 갖기 때문에 일반적으로 사용되고 있다. 상기의 BASE(Beta Alumina Solid Electrolyte)는 Na+ 이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 중요한 소재로써 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며 Na+ 이온이 잘 통과할 수 있는 층상구조가 요구된다. 현재 Na-beta-alumina가 제조되어 NaS 전지 등에 이용되고 있다.
BASE 튜브의 두께에 따라 전력밀도가 상이하게 나타날 수 있으며, 이에 따라 전력밀도를 높이기 위해서는 두께를 가능한 줄여야 하나, 두께가 줄었을 경우에도 고온에서 내구성을 유지할 수 있는 강도 등을 가져야 한다. 또한 튜브의 길이는 길수록 단위 중량 당 전력은 많이 생산할 수 있으나 중량이 무거워지는 단점이 있다.
전극(electrode)은 발전효율과 관계되는 출력밀도(power density)와 밀접한 관련이 있기 때문에 특별히 중요한 요소라고 할 수 있다. 일반적으로 AMTEC은 출력밀도가 0.8~1.2W/㎠ 로 높다. 이러한 전극은 AMTEC의 BASE 소재인 β˝-Al2O3에 보통 ㎛ 단위의 두께로 코팅되어지며 기공을 함유한다. 그리고 전해질 표면에 수 ㎛ 단위의 두께의 전극이 입혀지고 그 위에 금속망, 다시 그 위에 와이어 리드선이 접속하는 방식으로 집전이 이루어 진다. 따라서 접촉하는 각 재료와의 열팽창계수 차이 등 특성차이를 고려하여야 하며 전극의 두께 등의 변수도 정밀히 제어되어져야 한다. 또한 AMTEC의 발전을 위해서 전류밀도는 전극면적을 최대로 높이는 것이 좋지만, 발전성능의 향상과 높은 효율을 달성하기 위해서는 전극 면의 내부저항을 줄이는 것도 고려되어야 한다.
구동유체용 알칼리 금속으로는 Na, K, Li 등이 연구된 바 있다. Na이 구동유체인 경우는 가열부의 온도가 1100K, 저온부의 온도가 650K 부근에 이르며, 용융점이 더 낮은 K의 경우는 가열부과 저온부의 구동온도를 각각 120K 정도 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그러므로 열역학적인 이론효율은 K을 구동유체로 사용하는 AMTEC 시스템이 더 높으나, 실제 적용상의 문제로 인해서 Na을 구동유체로 이용하는 시스템이 일반적이다.
도 1은 종래의 AMTEC 전지를 설명하기 위한 설명도이다. 상기 AMTEC기술의 작동원리는 알카리금속인 Na증기가 열원(1)에 의해 고압영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이온 베타알루미나 고체전해질(BASE, Beta Alumina Solid Electrolyte)(2)로 통과하게 된다. 이때, 자유전자들은 양극(3)으로부터 집전되어 집전선로(7)를 따라 외부로 나가 전기부하에 따른 일을 한 후 음극(4)으로 돌아와서 저압영역의 BASE표면에서 나오는 이온과 재결합함으로써 전기를 발생하는 것이다. 중성의 Na 증기는 저압영역의 응축기(5) 내표면에서 저온유체의 냉각에 의해 응축되며 응축액은 모세관윅(6)에 의해 증발기로 귀환하여 사이클을 완료하게 된다.
일반적으로, 금속유체의 증발기와 응축기의 온도는 각각 900~1100K와 500~650K로 설정되며, 이러한 온도조건에서 Na의 증발응축으로 열변환 전기발생 효율이 40%까지 가능한 특징이 있다. 여기에서, AMTEC 셀의 구성요소들과 금속과의 접합은 시스템 구성에 있어서 매우 중요하다. AMTEC 시스템을 제작하는데 있어서 β˝-Al2O3과 α-Al2O3 또는 SUS 재료와의 접합은 필수불가결하며, 특히 폭발위험성이 있는 Na의 밀봉이 반드시 안전하게 행해져야 하므로 접합은 매우 중요한 연구과제이다.
또한, 상기 AMTEC는 외부의 열원으로부터 열을 받아 내부에 있는 증발기로 열을 전달시키는데, 기존의 AMTEC에서는 전도에 의해 증발기내부로 열을 공급하므로서 높은 온도차가 요구되므로 열원의 온도가 높아야 하고, 기존의 응축기는 전도에 의해 방열시키므로서 장치가 커지는 단점이 있어 그로 인해 열변환 전기발생의 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다. 같은 이유로, 상기 AMTEC는 금속유체의 증발에 열공급이 전도에 의해 이루어짐으로써 높은 온도차가 요구되어 열원의 온도도 높은 온도가 필요하였으며, 금속유체의 증기를 응축시키기 위한 응축기도 전도에 의해 이루어짐으로써 전열면적이 커지는 문제점이 발생한다.
AMTEC 기술의 동향으로서, 포드(Ford) 및 GE 등에서 단위셀 및 모듈 생산기술에 대한 연구를 수행하였으며, 특히 우주용 AMTEC 발전성능개발에 관한 연구를 수행한 바 있다. Ford사는 1kW급 발전기에서 원격응축기(remote condenser)를 설치한 발전장치로 4,500시간 이상을 운전하였으며, 발전부 온도 1100K, 응축부 온도 625K에서 전류 12A, 출력 4.2W, 출력밀도 0.71W/㎠, 효율 25%를 달성한 바 있다.
러시아에서는 1960년대 이후 미국과의 본격적인 우주기술개발에 대한 경쟁이 시작되면서 반도체식을 비롯하여 알칼리변환기술에 대한 연구개발이 진행되었으며, Kurchatov 연구소의 경우, Na와 K을 작동유체로 한 수백 W급-수십 MW급 발전기술을 이미 개발한 바 있다.
최근의 AMTEC연구로서 일본의 시바우라대학에서 2007년도에 나트늄 순환에 위크를 사용한 AMTEC의 성능평가 연구를 행하였으며, 연구결과에서 가열온도와 냉각 온도변화에 따른 전압, 전류 및 출력에 대한 결과를 도출하였다. 시바우라대학은 2002년도 IECEC에 발표한 소형 AMTEC셀에 대한 열설계 연구에서 직경이 3mm인 BASE튜브를 다수인 37개로 AMTEC시스템을 구성하여 900℃에서 5watt의 전기를 얻는 시스템을 구성하여 예상 열변환 발전효율을 30%로 기대하고 있다. 이에 추가하여 벌집구조(honeycomb)를 이용하면 다량의 열변환발전이 가능한 것으로 판단하고 연구 중에 있다.
종래기술로서, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0135291호는 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 것으로서 전극에 발생하는 전자를 포집하기 위해서 집전체를 사용하고 있고 하단부와 상단부에 열원이 교대로 작동하는 열전환 발전 시스템을 개시한 바 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 AMTEC 전지는 BASE튜브와 모세관윅, 응축기, 열원 등의 복잡한 구조를 가진다. 그러나 상기와 같은 구조는 모세관윅의 이음부에 의한 흐름장애 유발, 모세관윅의 협소한 단면적 등의 구조적 문제로 높은 순환효율을 기대하기 어려운 문제가 있다. 또한, 종래의 방식은 응축부와 모세관윅을 포함하는 순환부와 가열부를 원기둥 형태로 별도 제작하여 결합하는 방식이어서 그 제조공정이 난해하였다.
즉, 본 발명은 모세관윅의 효율적인 구조적 개선을 통하여 순환효율 향상 및 제조의 용이성을 향상시키는 과제를 해결하고자 한다.
이에, 본 발명은 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체와, 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)과, 상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 상기 가열부(400)와 응축부(500)를 포함하는 하우징(600); 상기 하우징(600)의 가열부(400)측에 설치되는 Na 충전부(410); 상기 하우징(600) 내에 설치되며 상기 양극(100), 음극(200) 및 다공성전해질(300)을 포함하는 튜브(700); 상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 멤브레인(610)이 설치되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치를 제공하여 상기와 같은 과제를 해결하고자 한다.
열전발전장치(AMTEC)는 우주용 발전시스템과 같이 가혹한 환경이나 원자력발전소의 폐열을 이용하는 등의 경우 높은 안정성과 내구성이 보장되어야 하며, 이를 위하여 소형이면서도 간결한 구조가 요구된다. 이에, 본 발명은 하우징의 내측벽에 형성된 멤브레인 또는 다수의 컬럼 형태의 모세관윅을 제공함으로써 모세관윅(wick)을 중심으로 BASE튜브가 배열되는 종래의 복잡한 구조를 갈음한다.
이러한 구성은 첫째, 시스템 온도구배를 최소화하고, 둘째로, 컴팩트한 모듈화의 구현을 가능하게 하며, 셋째로 순환윅의 넓은 단면적을 확보하고 순환저해 요소를 제거함으로써 Na 응축 및 순환을 원활하게 하고, 넷째로 구조를 단순화시켜 내구성 및 제작의 용이성을 향상시킨다. 즉 상기와 같은 이유에 따라 본 발명의 열전발전장치는 열전변환 시스템의 효율을 극대화시키게 된다.
도 1은 종래의 AMTEC의 실시예를 설명하기 위한 설명도.
도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 하우징의 일부를 절단한 일 실시예의 요부발췌 사시도.
도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 하우징의 일부를 절단한 다른 실시예의 요부발췌 사시도.
도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 일 실시예의 단면도.
도 5는 도 4의 튜브의 a 부분의 요부 확대 단면도.
도 6은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 발전방법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 하우징의 일부를 절단한 일 실시예의 요부발췌 사시도.
도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 하우징의 일부를 절단한 다른 실시예의 요부발췌 사시도.
도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 일 실시예의 단면도.
도 5는 도 4의 튜브의 a 부분의 요부 확대 단면도.
도 6은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 발전방법을 도시한 순서도.
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electiric Convertor)에 있어서, AMTEC 셀 하우징 내의 순환윅(wick)구조를 단순화시킨 AMTEC 셀 하우징과 상기 AMTEC 셀 하우징을 이용한 열전발전장치 및 이의 발전방법에 관한 것이다. 이하 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 하우징의 일부를 절단한 일 실시예의 요부발췌 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)의 하우징에 있어서, 상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 멤브레인(610)이 형성되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징을 제공한다. 상기 하우징(600)에 형성되는 순환윅 멤브레인(610)은 다공성 금속(porous metal)의 멤브레인인 것이 바람직하다.
상기와 같은 순환윅 멤브레인(610)은 하우징(600)의 내벽에 증착 및 코팅되어 형성될 수 있다. 상기의 순환윅 멤브레인(610)은 종래의 모세관윅에 비하여 매우 넓은 단면적을 가진다. 이러한 특성에 따라 보다 효율적인 전하운반체의 순환효율을 기대할 수 있게 된다. 이를 위하여, 상기의 순환윅 멤브레인(610)은 응축부(500) 및 Na 충전부(410)와 Na가 소통할 수 있도록 연결된다. 상기 응축부(500)는 올라온 Na가 하우징(600)의 내벽에 형성된 순환윅으로 이동할 수 있도록 Na의 통로를 제공하며 선택적투과성 멤브레인, 다공성물질, 메쉬 등으로 제조될 수 있다.
즉, 종래의 모세관윅 구조는 이음부에서 순환이 원활하지 않았으며 응축부와 모세관윅을 포함하는 순환부와 가열부의 복잡한 구성에 따라 제조공정이 난해한 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 상기의 구조는 하우징(600) 순환윅 멤브레인(610)을 형성시킴으로써 구조를 단순화시키고 전하운반체 이동통로의 단면적을 크게 높여 순환효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
본 발명의 순환윅 멤브레인(610)은 순환되는 전하운반체의 양에 따라 상기 순환윅 멤브레인(610)의 단면적을 조절해야할 경우가 있을 수 있으며, 이에 따라 순환윅 멤브레인(610)의 두께를 조절할 수 있다.
또한, 순환윅의 단면적을 조절하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)의 하우징에 있어서, 상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 컬럼(620)이 다수개 설치되도록 구성하는 것도 가능하다.
상기와 같은 실시예에 있어서, 다공성 순환윅 컬럼(620)은 순환되는 전하운반체의 양에 따라 순환윅 컬럼(620)의 갯수를 조절할 수 있으며, 각 컬럼(620)의 단면적을 조절하는 것도 가능하다.
본 발명은 이에 나아가, 상기의 하우징을 적용한 열전발전장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 열전발전장치는 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체와, 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)과, 상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 상기 가열부(400)와 응축부(500)를 포함하는 하우징(600); 상기 하우징(600)의 가열부(400)측에 설치되는 Na 충전부(410); 상기 하우징(600) 내에 설치되며 상기 양극(100), 음극(200) 및 다공성전해질(300)을 포함하는 튜브(700); 상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 멤브레인(610)을 포함한다.
상기 하우징(600)에 형성되는 순환윅 멤브레인(610)은 상술한 바와 같이, 다공성 금속(porous metal) 멤브레인인 것이 바람직하며, 또한 상술한 바와 같이 상기 순환윅 멤브레인(610)에 갈음하여 다수개의 순환윅 컬럼(620)을 적용할 수 있다.
상기 양극(100) 및 음극(200)은 PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru2O, Rh2W, 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 니켈-철 합금, 스테인리스, 철(Fe), 청동 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨, 칼륨, 리튬 중 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있으며, 바람직하게는 나트륨(Na)을 적용한다.
도 5는 도 4의 튜브의 a 부분의 요부 확대 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 양극(100)에서 Na가 Na+와 전자(e-)가 되고, 상기 Na+는 다공성전해질(300)을 통과하여 음극(200)에서 전자를 받아 다시 Na가 되면서 순환된다.
즉, Na 증기가 가열부(400)의 열원에 의해 고온 고압인 증기상태로 변하여 Na+이 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)인 다공성전해질(300)로 통과한다. 즉, 이온전도성을 갖는 베타 알루미나 고체전해질(BASE,Beta-Alumina Solid Electrolyte)의 양단에 온도차(ΔT)를 주면 셀 내부에 충전된 액체 Na의 증기압 차가 추진력이 되어 Na+ 이온의 이동이 일어나게 된다. 자유전자들은 양극(anode)(100)으로부터 전기부하로 통과하여 음극(cathode)으로 돌아와서 저온저압영역의 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화(Neutralization)되는 과정에서 전기를 발생하게 되며, 이 경우, 단일 전기화학적 셀에서 1.6V이상의 OCV(open circuit voltage)가 얻어진다. 이 과정에서 전자는 터미널(800, 900)을 통하여 이동한다.
한편, Na이 구동유체인 경우는 일반적으로 가열부의 온도가 1100K, 응축부의 온도가 650K 부근에 이르게 된다. 용융점이 더 낮은 K를 적용하는 경우는 가열부과 응축의 구동온도를 각각 120K 정도 낮출 수 있다는 장점이 있어 열역학적인 이론효율은 K을 구동유체로 사용하는 AMTEC 시스템이 더 높다. 그러나 실제 적용상의 문제로 인해서 Na을 구동유체로 이용하는 시스템이 일반적으로 적용되고 있다. 상기 가열부(400)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다영한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.
상기의 다공성전해질(300)은 Na 이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 소재로써 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며, Na+ 이온이 잘 통과할 수 있는 층상구조를 갖는 재료가 적용되어야 한다. 이에 따라 상기 다공성전해질(300)은 베타알루미나(β˝-Al2O3; Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICN)계의 고체전해질인 것이 바람직하다.
상술한 열전발전장치는, 가열부(400)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100); 상기 증발된 전하운반체 중 일부가 양극(100)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s200); 상기 전자를 내 놓은 전하운반체가 다공성전해질(300)을 통과하는 단계(s300); 상기 다공성전해질(300)을 통과한 전하운반체가 음극(200)을 통과하면서 전자를 받는 단계(s400); 상기 음극(200)을 통과한 전하운반체가 튜브(700)외측으로 나가 응축부(500)로 이동하는 단계(s500); 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600); 상기 액체로 응축된 전하운반체가 하우징(600)의 내측벽에 형성되는 다공성윅을 통해 가열부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700)를 포함하는 발전방법으로 전기를 생산한다.
상기 가열부(400)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100)의 가열부(400)의 온도는 900K-1200K으로 설정되며, 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600)에서의 상기 응축부(500)의 온도는 500-700K로 설정되는 것이 바람직하다. 상기의 온도는 상술한 바와 같이, Na이 구동유체인 경우는 일반적으로 가열부의 온도가 1100K, 저온부의 온도가 650K 부근으로 설정이 되며, 용융점이 더 낮은 칼륨(K)을 적용하는 경우는 가열부과 저온부의 구동온도를 각각 120K 정도 낮추어 설정할 수 있다. 즉 적용하는 작동유체에 따라 해당 온도를 설정한다. 상술한 바와 같이, 상기 가열부(400)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다영한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.
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 하는 데에 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. 양극
200. 음극
300. 다공성전해질
400. 가열부
500. 응축부
600. 하우징
700. 튜브
800, 900. 터미널
200. 음극
300. 다공성전해질
400. 가열부
500. 응축부
600. 하우징
700. 튜브
800, 900. 터미널
Claims (14)
- 삭제
- 삭제
- 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)의 하우징에 있어서,
상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 컬럼(620)이 다수개 설치되고,
운반되는 알카리금속 전하운반체의 양에 따라 상기 순환윅 컬럼(620)의 갯수 또는 단면적이 조절되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징.
- 제 3항에 있어서,
상기 하우징(600)에 형성되는 순환윅 컬럼(620)의 재질은 다공성 금속(porous metal)인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징.
- 삭제
- 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체와, 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)과, 상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서,
상기 가열부(400)와 응축부(500)를 포함하는 하우징(600);
상기 하우징(600)의 가열부(400)측에 설치되는 Na 충전부(410);
상기 하우징(600) 내에 설치되며 상기 양극(100), 음극(200) 및 다공성전해질(300)을 포함하는 튜브(700);
상기 하우징(600)의 내측벽에 상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다공성 순환윅 컬럼(620)이 다수개 설치되고,
운반되는 알카리금속 전하운반체의 양에 따라 상기 순환윅 컬럼(620)의 갯수 또는 단면적이 조절되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
- 삭제
- 제 6항에 있어서,
상기 하우징(600)에 형성되는 순환윅 컬럼(620)의 재질은 다공성 금속(porous metal)인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 양극(100) 및 음극(200)은 PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru2O, Rh2W, 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 니켈-철 합금, 스테인리스, 철(Fe), 청동 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 다공질의 멤브레인인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨, 칼륨, 리튬 중 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 다공성전해질(300)은 베타알루미나(Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICN)계의 고체전해질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
- 열전발전을 하기 위하여 전하를 운반하는 알카리금속 전하운반체와, 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)과, 상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)와, 상기 가열부(400)와 응축부(500)를 포함하는 하우징(600)과, 상기 하우징(600)의 가열부(400)측에 설치되는 Na 충전부(410)와 상기 하우징(600) 내에 설치되며 상기 양극(100), 음극(200) 및 다공성전해질(300)을 포함하는 튜브(700)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)의 발전방법에 있어서,
i) 가열부(400)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100);
ii) 상기 증발된 전하운반체 중 일부가 양극(100)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s200);
iii) 상기 전자를 내 놓은 전하운반체가 다공성전해질(300)을 통과하는 단계(s300);
iv) 상기 다공성전해질(300)을 통과한 전하운반체가 음극(200)을 통과하면서 전자를 받는 단계(s400);
v) 상기 음극(200)을 통과한 전하운반체가 튜브(700)외측으로 나가 응축부(500)로 이동하는 단계(s500);
vi) 상기 응축부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600);
vii) 상기 액체로 응축된 전하운반체가 하우징(600)의 내측벽에 형성되는 다공성윅을 통해 가열부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700);
를 포함하고,
상기 액체로 응축된 전하운반체가 하우징(600)의 내측벽에 형성되는 다공성윅을 통해 가열부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700)에서, 상기 다공성윅은,
상기 알카리금속 전하운반체의 통로가 되며, 상기 응축부(500) 및 가열부(400)의 Na 충전부(410)와 연결되는 다수개의 다공성 순환윅 컬럼(620)이고,
운반되는 알카리금속 전하운반체의 양에 따라 상기 순환윅 컬럼(620)의 갯수 또는 단면적이 조절되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법. - 삭제
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020140055132A KR101631553B1 (ko) | 2014-05-08 | 2014-05-08 | 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 하우징 및 이를 이용한 열전발전장치 |
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