KR100849504B1 - 마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 채널형 촉매연소기에서 연소를 진행하여 열전소자에 열원을 제공하고 전기를 발생시키는 발전장치에 관한 것으로, 마이크로 채널을 적용함으로써 전체 시스템을 소형으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 연소기 내부 채널의 한쪽 면에는 촉매를 담지하여 미소 스케일에서도 안정적으로 연소가 가능하게 하고, 반대쪽 면에서는 열전소자의 고온부를 구성하여, 유입되는 찬 혼합기로 열전소자 저온부를 냉각함과 동시에 혼합기로 열을 재순환시켜 연소효율과 화염 안정성을 높이고 궁극적으로 열전발전 효율을 극대화시킬 수 있는 열전 발전 모듈에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 열전소자 양단의 온도차를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전발전 장치를 구성함에 있어서, 연소실 내부 채널의 한쪽 면에 촉매가 설치된 연소기와 ; 상기 연소기의 촉매가 설치된 면의 반대쪽 면에 부착된 열전소자를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

열전 발전, 촉매 연소기, 열전소자, 마이크로 채널, 냉각핀

Description

마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈{A thermo-electric power generating module using a micro channel-type catalytic combustor}

도 1은 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 일예를 도시한 단면 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 일예를 도시한 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 다른 일예를 도시한 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈을 상하로 적층한 또 다른 일예를 도시한 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈을 횡방향으로 적층한 또 다른 일예를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1 : 열전소자

2 : 연소기

21 : 연료-공기 혼합기 공급로

22 : 연소실

3 : 연소용 촉매

4 : 연료-공기 혼합기 유입관

5 : 배기가스 배출관

본 발명은 마이크로 열전 발전 모듈과 이러한 모듈을 확장하여 적용한 발전기에 관한 것으로서, 상세하게는 마이크로 채널 연소기 내부의 채널 한쪽 면에 연소용 촉매를 담지하여 촉매연소를 진행함으로써 미소 스케일 내에서도 안정된 연소가 가능하게 하며, 촉매 담지면의 반대쪽 면에는 열전소자의 고온부를 부착하여 구성하는 열전 발전 모듈에 관한 것이다.

또한 본 발명은 열전소자의 저온부에는 차가운 연료-공기의 혼합기가 통과하게 함으로써 열전소자 고온부와 저온부의 온도차를 증가시켜 열전발전 효율을 증가시키며 동시에 차가운 연료-공기 혼합기로 연소열의 일부를 재순환시킴으로써 연소 안정성과 연소효율을 증가시킬 수 있는 열전발전 모듈에 관한 것이다.

기존의 초소형 전기 발전장치는 1, 2차전지나 마이크로 연료전지와 같은 전기-화학적(Electro-chemical) 작용을 이용한 시스템과 열-화학적(Thermo- chemical) 작용을 이용한 시스템으로 크게 대별된다.

이 중에서 1, 2차전지는 장시간 사용가능 여부를 판단하는 에너지밀도가 너무 낮기 때문에 향후 개발될 전기, 전자장비나 군사용 휴대장비에 사용되기 힘들 것으로 전망되고 있다.

대체 시스템으로서 개발되고 있는 마이크로 연료전지는 아직까지 단가가 너무 비싸고 사용 수명이 충분히 길지 못하며 에너지밀도는 높지만 출력밀도가 기존 전지에 비해 낮은 단점이 있다.

또 다른 대체 시스템으로 개발되고 있는 열-화학적 시스템은 연료의 연소열에서부터 궁극적으로 전기를 생산해내는 마이크로 엔진, 마이크로 열전발전 시스템 등을 들 수 있다.

이 중에서 마이크로 엔진은 뛰어넘어야 할 기술적인 문제가 많아 향후 많은 연구가 이루어질 필요가 있는 것으로 알려져 있으며, 제작이 된다고 하더라도 엔진 자체에는 움직이는 부품을 포함하고 있기 때문에 기본적으로 소음을 유발하는 단점이 있다.

이들 시스템에 비해 마이크로 연소기와 열전소자로 구성되는 마이크로 열전발전 시스템은 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 것으로서, 연소용 공기 공급 펌프 이외에는 움직이는 부품을 포함하지 않기 때문에 소음이 상대적으로 매우 작고 열전소자의 가격이 저가인 제품이 많으며 스케일이 매우 작은 마이크로 열전소자의 개발도 이루어지고 있어 컴팩트하면서도 저가의 발전 시스템을 구성할 수 있는 장점을 가지고 있다.

연소기를 이용한 마이크로 열전 발전 시스템을 구성함에 있어 마이크로 연소기의 스케일을 ??칭거리(quenching distance) 보다 작은 크기로 제작하게 되면 연소기 체적대비 표면적의 비가 커지게 되어 벽면을 통한 열손실이 증가하게 되어 화염 안정화가 어려워지는 문제가 있어 컴팩트한 시스템 구성이 곤란한 점이 있었다.

또한 현재까지 개발된 대부분의 열전발전 시스템의 단점으로는 열전소자에서 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전발전 효율이 너무 낮기 때문에 폐열이 아닌 의도적으로 연소열을 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전 모듈을 구성하는 것은 실용적인 측면에서 어려움이 많았다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 발명된 것으로, 매우 작은 스케일의 연소기 내부 채널의 한쪽 면에 촉매를 담지하여 안정적으로 연소를 진행시킴으로써 열전소자의 고온부로 안정적으로 열원을 공급할 수 있는 컴팩트한 마이크로 열전발전 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 촉매층의 반대쪽 면에는 열전소자의 고온부를 부착하고 열전소자 부착면의 반대면(저온부)에는 차가운 연료-공기 혼합기가 흐르게 함으로써 고온부와 저온부의 온도차를 증가시켜 열전발전 효율을 증가시킴과 동시에 유입 혼합기로 연소열의 일부를 재순환시킴으로써 연소효율을 증가시켜 전체 열전발전 효율을 증가시킨 단위 열전발전 모듈을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 상기 열전발전 모듈을 적층함으로써 발전용량의 확장이 용이한 열전발전 시스템을 구성함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 연소기와 열전소자의 제베크 효과를 이용한 전기 발생장치를 구성함에 있어서, 연소기 내부 채널의 한쪽 면에 연소용 촉매가 담지되어 있는 마이크로 연소기와 ; 상기 연소용 촉매층의 반대쪽 면에 설치된 열전소자를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 위와 같이 구성된 열전 발전 모듈을 상하로 적층하여 발전 용량의 확장이 용이하도록 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 일예를 도시한 단면 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 일예를 도시한 단면도이고, 3는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 다른 일예를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 또 다른 일예를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 열전 발전 모듈의 또 다른 일예를 도시한 사시도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 열전 발전 모듈은 채널형 연소실(22)의 내벽에 연소용 촉매(3)가 채널을 따라서 유동방향으로 길게 설치되어 있다.

상기 연소용 촉매(3)는 공급되는 연료-공기 혼합기가 마이크로 채널 사이의 매우 작은 공간의 연소실에서 안정된 연소반응을 유지할 수 있도록 도와주는 역할을 하며 연료로는 메탄 등의 탄화수소 계열의 연료가 사용될 수 있다.

상기 연소용 촉매(3)로는 일반적으로 연소용으로 많이 사용되는 Pt, Pd, Rh 촉매 등이 사용될 수 있으며, 연소를 안정화 시킬 수 있는 촉매라면 종류에 무관하게 사용 가능하다.

상기 연소실(22)은 도시한 바와 같이 연소기(2)의 내부에 마이크로 채널 사이에 형성된 좁은 공간으로서 공급되는 연료-공기의 혼합기가 연소반응에 참가하여 열을 발생하게 된다.

상기 연소기(2)는 도시한 바와 같이 다수의 채널형 격실로 구분되어 연료-공 기 혼합기의 공급로(21)와 연소실(22)이 교번적으로 구성되며, 상기 열전소자(1)는 연료-공기 혼합기 공급로(21)의 내벽에 유동방향으로 길게 고정 설치되고, 상기 촉매(3)는 채널의 반대편에 있는 연소실(22)의 내벽에 설치된다. 상기 촉매(3)와 열전소자(1)는 교번적으로 구성될 때 촉매층은 촉매층끼리 열전소자는 열전소자끼리 대향되도록 설치된다.

이와 같이 상기 연소기(2)는 열전소자(1), 연소실(22) 및 촉매(3)로 구성되는 단위 열전 발전 모듈을 구성하며 발전 용량 확장을 위해서는 이 단위 열전발전 모듈은 도 4에 도시한 바와 같이 상하로 다수를 적층하거나 도 5에 도시한 바와 같이, 횡방향으로 다수를 적층 설치하여 구성함으로서 출력이 더 큰 열전 발전 시스템을 구성할 수 있다.

상기 연소기(2)에 형성된 격실들은 상기한 바와 같이 연료-공기 혼합기 공급로(21)와 연소실(22)로 구분되며, 공급되는 혼합기는 연료-공기 혼합기 공급로(21)를 경유하여 연소실(22)로 공급되며 이 과정에서 연료-공기 혼합기 공급로(21)의 내벽에 설치된 열전소자(1)의 저온부를 냉각시킨다.

즉, 열전소자(1)의 고온부는 상기 연소실(22)에서 촉매(3)가 담지되어 있는 면의 반대쪽 면에 부착 설치되어 연소실(22)에서 발생하는 고온의 열원을 받아들이고 저온부는 공급되는 차가운 연료-공기 혼합기의 흐름에 의해 냉각되어 고온부와 저온부 사이의 온도차가 높아지게 되어 열전소자의 전기 발생 효율이 높아지게 된다.

또한, 상기 열전소자(1)의 저온부에는 냉각효율을 증가시키기 위해 마이크로 냉각핀(4)을 추가로 설치할 수도 있다.

상기 냉각핀(4)은 도 3에 도시한 바와 같이 연소기(2)의 채널 중 연료-공기 혼합기 공급로(21)의 벽면에 부착된 열전소자(1)의 저온부측 면에 밀착되게 설치되며 냉각핀(4)의 길이방향과 혼합기가 흐르는 방향이 일치하도록 하여 공급되는 혼합기가 냉각핀에 의해 저항을 받지 않도록 한다.

미 설명 부호 21a는 상기 연료-공기 혼합기 공급로(21)에 연료가 혼합된 공기를 공급??기 위한 연료-공기 혼합기 유입관이고, 22a는 상기 연소실(22)에서 연소된 후 배출되는 배기가스 배출관이다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 후술하는 청구범위에 의해 제시되는 본 발명의 범주와 기술적 사상을 벗어남이 없이 많은 수정 및 변형이 가능하다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명은 마이크로 채널형 연소기를 채택하여 열전발전 시스템 크기를 컴팩트화 시킬 수 있으며, 촉매에 의해 마이크로 채널 내에서도 안정한 연소를 이루고 열전소자에 고온의 열원을 안정적으로 공급하여 연속적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 열전소자를 채널의 한쪽 면에 연속적으로 부착시킬 수 있기 때문에 열전소자를 활용할 수 있는 면적이 넓은 장점이 있으며, 연소열 중 일부가 열전소자의 저온부를 통해 유입되는 연료-공기 혼합기에 재순환됨으로써 연소효율이 증가하고, 저온부의 온도를 대류효과에 의해 낮추게 됨으로써 열전소자 고온부와 저온부 의 온도차 증가를 유도해 열전발전 효율을 높일 수 있다.

본 발명에서 고안한 채널형 연소실은 상하 혹은 횡방향으로 적층이 용이하기 때문에 발전 용량의 확장이 용이하며 이로 인해 큰 용량의 열전발전 시스템도 컴팩트하게 설계할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 촉매 연소방식을 도입함으로써 매우 희박한 조건에서도 연료를 완전 연소에 가까운 상태로 연소시킴으로써 배기가스 중의 유해성분 농도를 줄일 수 있어 통상의 연소형 열전발전 장치보다 청정한 시스템을 구성할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 문언에 의해서만 제한 해석될 수 있다.

Claims (5)

1. 열전소자의 제베크(Seebeck) 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전 모듈을 구성함에 있어서,

   연소기 내부 채널의 벽면에 촉매(3)가 담지되어 있는 마이크로 채널형 연소기(2)와 ; 상기 연소기(2)의 촉매가 담지된 면의 반대쪽 면에 고온부가 부착되는 열전소자(1)를 포함하여 구성되고,

   상기 연소기(2)는 다수의 채널형 격실로 구분되어 연료 -공기 혼합기 공급로(21)와 연소실(22)이 교번적으로 구성되며, 상기 열전소자(1)는 연료-공기 혼합기 공급로(21)의 내벽에 고온부가 부착되어 설치되고, 상기 촉매(3)는 연소실(22)의 내벽에 설치됨을 특징으로 하는 마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열전소자(1)의 저온부(바깥면)에는 냉각핀(4)이 더 설치될 수 있음을 특징으로 하는 마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 열전 발전 모듈들을 서로 상하 혹은 횡방향으로 적층함으로써 발전용량 확장을 용이하게 할 수 있는 마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매(3)는 Pt, Pd, Rh 등의 연소용 촉매를 사용 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 채널형 촉매 연소기를 이용한 열전 발전 모듈.

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