KR101584617B1 - An alkali metal thermal to electric converter and electricity generating method using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명은 전하를 운반하기 위한 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 증발부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 메인파이프(600), 상기 메인파이프(600)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(700), 커버파이프(700)와 메인파이프(600)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(500)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 개구부(610)를 포함하며, 상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(100) 및 음극(200)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)이 상기 증발부(400)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치를 제공한다. The present invention relates to an AMTEC unit cell and a power generation method of the AMTEC unit cell, which simplify the structure of a thermoelectric generator (AMTEC) using an alkali metal as a carrier of charge. The present invention relates to an electrochemical cell comprising an alkaline metal charge carrier for transporting charges, an anode 100 and a cathode 200 for transferring charges from the charge carrier, And a condenser (500) for condensing the evaporated charge carrier, wherein the evaporator (400) is located between the porous carrier (200) and the porous carrier (AMTEC) using an alkali metal as a carrier of charge, the main pipe 600 serving as a moving passage of the charge carrier, the main pipe 600 being coaxial with the main pipe 600, A cover pipe 700 formed around the cover pipe 700 and serving as a path of movement of the charge carrier passing through the cathode, a cover pipe 700 in the direction of the condenser 500 in order to communicate the charge carrier between the cover pipe 700 and the main pipe 600 0) end of the main pipe 600 adjacent to the end of the main pipe 600 and includes an anode 100 and a cathode 200 for exchanging electrons with the charge carrier, and a porous And the electrolyte 300 is formed on the wall surface of the main pipe 600 adjacent to the end of the cover pipe 700 in the direction of the evaporator 400.
Description
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an AMTEC unit cell and a power generation method of the AMTEC unit cell, which simplify the structure of a thermoelectric generator (AMTEC) using an alkali metal as a carrier of charge.
알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 기술은 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 특성이 있는 열변환 전기발생장치에 관한 기술로서 미국 포드사의 J.T. Kummer 등에 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. AMTEC기술은 이러한 열전소자를 이용하는 열전발전시스템을 대체하기 위해 개발이 시작된 기술이며, 단위면적당 높은 전력밀도와 고효율, 저가격 그리고 장시간의 구동 안정성이 유지되는 것을 요구하고 있는 것이 특징이다. 또한, 최근에는 원자력 연구소의 폐열을 활용하기 위해 원자력 발전소의 냉각부에 장치하는 2차 발전장치로도 활용이 모색되고 있다. 단위면적당 높은 전력밀도, 고효율, 안정성을 유지하는 장점이 있다. Alkali Metal Thermal to Electric Converter (AMTEC) technology, which uses alkali metal as a carrier of charge, is a technology related to a thermal conversion electricity generating device having a characteristic of converting thermal energy directly into electric energy. Since the concept of the system was proposed by Kummer et al., The research started as an electric vehicle power supply device in the early days. Then, it was developed as a space power generation system by US NASA. Currently, a semiconductor type thermoelectric power generation system is used as a space power source, but the efficiency is low and the power generation system is heavy. AMTEC technology has been developed to replace thermoelectric generation systems that use these thermoelectric elements. It is characterized by high power density per unit area, high efficiency, low cost, and long driving stability. In recent years, the utilization of the waste heat of the nuclear power research institute has been sought as a secondary power generation device installed in a cooling section of a nuclear power plant. High power density per unit area, high efficiency, and stability.
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. AMTEC's heat source has the advantage of using various heat sources such as solar energy, fossil fuel, waste heat, geothermal, and nuclear reactor. Currently, waste heat recovery technology uses heat exchangers and waste heat boilers to recover heat and water as combustion air. However, AMTEC can produce high-quality electricity directly and improve efficiency. Is emerging as a promising technology.
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.Unlike conventional power generation methods, AMTEC is a power generation cell capable of producing electricity without a driving part such as a turbine or a motor. It can produce electricity directly from heat-contacting parts. When it is modularized in series or in parallel, it can produce several hundreds of megawatts And it is evaluated as a future-oriented shoe technology. Especially, since the power density per unit mass is about 2 ~ 3 times that of solar power generation and stuttering engine, it can be widely applied to power supply technology using space, military, and high temperature waste heat and employs capillary wick for circulation of liquid metal Since mechanical elements are unnecessary, the stability of the apparatus is great.
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 에너지유효이용율의 증대와 피크 부하저감 등을 위해서 연구개발의 필요성이 큰 기술이라고 할 수 있다.In addition, AMTEC has a higher conversion efficiency than other direct thermoelectric conversion devices such as thermoelectric devices because it can improve the energy utilization rate by more than 70% when combined with thermoelectric converters as well as MW-class large-capacity thermoelectric converters with high efficiency. , The need for research and development is a major technology for increasing noise free power generation, increasing the effective utilization rate of energy, and reducing the peak load.
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.The process of producing electricity in AMTEC is as follows: The Na vapor is transformed into a vapor state by a heat source in a high-temperature and high-pressure evaporator, and Na + passes through a beta "Alumina Solid Electrolyte (BASE)". In other words, if a temperature difference (? T) is given to both ends of a beta "AlNiA solid electrolyte" having ionic conductivity, the difference in vapor pressure of liquid Na filled in the cell becomes a driving force, And the migration of Na + ions to the layer occurs.
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. The free electrons pass from the anode to the electric load and return to the cathode to recombine with the ions from the surface of the beta "Alumina Solid Electrolyte (BASE)" in the low-temperature and low-pressure region to neutralize (neutralize) In this case, the open circuit voltage (OCV) of a single electrochemical cell is 1.6 V or more.
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.As described above, the energy source or driving force for generating electricity is such that the vapor pressure of Na is the greatest in the thermal conversion generator and the Na is passed through the solid electrolyte due to the difference in concentration of working fluid and temperature difference It is possible to generate electricity by collecting free electrons generated in the electrode through the electrode. At this time, low voltage and high current are generated in the output form. If they are modularized, large capacity power generation is possible.
고체전해질에는 베타알루미나와 나시콘(Na super-ionic conductor: NASICON)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.Beta alumina and NAS superconductors (NASICON) can be used for the solid electrolyte. Beta'-alumina was developed by Yamaguchi and Suzuki in Japan in 1943 and discovered the conductivity of Na + ion by Yao and Kummer in 1967. Currently, the battery electrolyte and AMTEC electrolyte .
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. Beta alumina has two types of beta'-alumina and beta "-alumina. Beta" -alumina is generally used because it has better conductivity of Na + ion because its layer structure is more developed. The above-mentioned BASE (Beta "Alumina Solid Electrolyte) is an important material that generates electricity by passing Na + ions. It has high ion conductivity, high strength and durability due to dense microstructure, and a layered structure Currently, Na-beta-alumina is produced and used in NaS cells.
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.The power density may vary depending on the thickness of the BASE tube. Therefore, in order to increase the power density, the thickness should be reduced as much as possible. However, even if the thickness is reduced, the strength must be maintained to maintain the durability at high temperatures. Also, the longer the length of the tube, the more power per unit weight can be produced, but the weight is increased.
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 이루어진다. 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.Electrodes are particularly important because they are closely related to the power density associated with power generation efficiency. Generally, the output density of AMTEC is as high as 0.8 ~ 1.2 W / ㎠. These electrodes are coated on the base material of AMTEC, β "-Al 2 O 3 , usually in the thickness of μm, and contain pores. Electrodes with a thickness of several μm are coated on the surface of the electrolyte, Therefore, it is necessary to consider the difference in characteristics such as the difference in thermal expansion coefficient between each material to be contacted and the parameters such as the thickness of the electrode should be precisely controlled. It is preferable to increase the density of the electrode area to the maximum, but in order to improve the power generation performance and achieve high efficiency, it is also necessary to consider reducing the internal resistance of the electrode surface.
구동유체용 알칼리 금속으로는 Na, K, Li 등이 연구된 바 있다. Na이 구동유체인 경우는 증발부의 온도가 1100K, 저온부의 온도가 650K 부근에 이르며, 용융점이 더 낮은 K의 경우는 증발부과 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.Na, K, and Li have been studied as alkali metals for the driving fluid. In the case of Na as the driving fluid, the temperature of the evaporator reaches 1100 K and the temperature of the low temperature portion reaches 650 K. In the case of K having a lower melting point, the driving temperature of the evaporator and the low temperature portion can be lowered by 120 K, respectively. Therefore, the thermodynamic theoretical efficiency is higher for the AMTEC system using K as the driving fluid, but a system using Na as the driving fluid is generally used due to problems in practical application.
도 1은 종래의 AMTEC 전지를 설명하기 위한 설명도이다. 상기 AMTEC기술의 작동원리는 알카리금속인 Na증기가 열원(1)에 의해 고압영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이온 베타" 알루미나 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. 1 is an explanatory view for explaining a conventional AMTEC battery. The operating principle of the AMTEC technology is that the Na vapor, which is an alkali metal, is converted into a vapor state by the heat source 1 in the high pressure region and passed through the Na + ion beta "Alumina Solid Electrolyte (BASE) do. At this time, the free electrons are collected from the anode (3), go out along the current collecting line (7), work according to the electric load, return to the cathode (4) and recombine with ions coming out from the surface of the BASE in the low- It happens. Neutral Na vapor is condensed by cooling the low temperature fluid in the low pressure region of the condenser 5 and the condensate is returned to the evaporator by the capillary wick 6 to complete the cycle.
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.In general, the temperature of the evaporator and the condenser of the metal fluid is set to 900 to 1100 K and 500 to 650 K, respectively. The thermal conversion efficiency can be increased up to 40% by the evaporation condensation of Na under these temperature conditions. Here, the bonding of the components of the AMTEC cell to the metal is very important in the system configuration. The bonding of β "-Al 2 O 3 and α-Al 2 O 3 or SUS materials is indispensable in the production of AMTEC system, and sealing of Na which is explosion hazard must be done safely. It is an assignment.
또한, 상기 AMTEC는 외부의 열원으로부터 열을 받아 내부에 있는 증발기로 열을 전달시키는데, 기존의 AMTEC에서는 전도에 의해 증발기내부로 열을 공급함으로써 높은 온도차가 요구되므로 열원의 온도가 높아야 하고, 기존의 응축기는 전도에 의해 방열시킴으로써 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.The AMTEC receives heat from an external heat source and transfers heat to the evaporator inside. In the conventional AMTEC, since heat is supplied to the inside of the evaporator by conduction, a high temperature difference is required. Therefore, the temperature of the heat source must be high. The condenser is disadvantageous in that the device is enlarged by heat dissipation by conduction, thereby causing a problem that efficiency of heat conversion electricity generation is deteriorated. For the same reason, the AMTEC requires a high temperature difference due to conduction of heat supply to the evaporation of the metal fluid, and a high temperature of the heat source is required. Also, the condenser for condensing the vapor of the metal fluid is also conducted by conduction, A problem occurs.
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.As a trend of AMTEC technology, we have studied the technology of unit cell and module production in Ford and GE, and have conducted research on development of AMTEC power generation for space. Ford has operated for more than 4,500 hours with a remote condenser installed in a 1kW power generator. It has a power generation temperature of 1100K, a current of 12A at a condenser temperature of 625K, an output power of 4.2W, an output density of 0.71W / And 25% respectively.
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. In Russia, since the competition with the US for full-scale space technology development began in the 1960s, research and development on alkali conversion technology including semiconductor ceramics were carried out. In the case of Kurchatov research institute, several hundred W- We have already developed tens of MW power generation technology.
최근의 AMTEC연구로서 일본의 시바우라대학에서 2007년도에 나트륨 순환에 윅(Wick)를 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.
As a recent AMTEC study, Shibaura University of Japan conducted a study on the performance of AMTEC using Wick in sodium circulation in 2007. The results of the study showed that the voltage, current, and output The results were derived. Shibaura University, in 2002, published the IECEC miniature AMTEC cell for thermal design study. The AMTEC system was composed of 37 BASE tubes with a diameter of 3 mm, and a system for obtaining 5 watts of electricity at 900 ℃ was constructed. The power generation efficiency is expected to be 30%. In addition, a large amount of thermal conversion power generation is feasible using a honeycomb structure.
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 것으로서 전극에 발생하는 전자를 포집하기 위해서 집전체를 사용하고 있고 하단부와 상단부에 열원이 교대로 작동하는 열전환 발전 시스템을 개시한 바 있다.
Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0135291 includes a case including a first end and a second end; A working fluid disposed in the case; A solid electrolyte separating the interior of the case; A first electrode disposed on one side of the solid electrolyte; A second electrode disposed on the other surface of the solid electrolyte; And a heat source for alternately heating the first end portion or the second end portion, wherein the current collector is used to collect electrons generated in the electrode, and the lower end portion and the upper end portion A heat conversion power generation system in which a heat source is alternately operated.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 AMTEC 전지는 BASE튜브(8)와 모세관윅(6), 응축기(5), 열원(1) 등의 복잡한 구조를 가진다. 그러나 상기와 같은 구조는 보다 소형의 AMTEC 전지가 필요한 환경에 적합하지 아니하다. 특히 우주용 발전시스템과 같이 가혹한 환경에서의 안정적인 작동 및 내구성을 보장하기 위하여, 또는 원자력발전소의 폐열을 이용하는 경우와 같이 높은 안정성이 필요한 경우, 소형이면서도 안정성이 높은 구조의 AMTEC이 요구된다. 즉, 본 발명은 보다 높은 내구성 및 안정성이 요구되고, 소형의 AMTEC 전지가 필요한 환경에 적용하기 위한 작고 단순한 구조의 AMTEC 전지를 제공하고자 한다.
As shown in FIG. 1, the conventional AMTEC cell has a complex structure such as a
이에, 본 발명은 전하를 운반하기 위한 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 증발부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 메인파이프(600), 상기 메인파이프(600)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(700), 커버파이프(700)와 메인파이프(600)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(500)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 개구부(610)를 포함하며, 상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(100) 및 음극(200)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)이 상기 증발부(400)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치는 동심원 구조의 이중파이프를 적용하여 종래의 AMTEC 보다 더 작고 단순한구조를 제공하여 상기와 같은 과제를 해결하고자 한다.
An
열전발전장치는 우주용 발전시스템과 같이 가혹한 환경이나 원자력발전소의 폐열을 이용하는 등의 경우는 높은 안정성과 내구성이 보장되어야 하며, 이를 위하여 소형이면서도 간결한 구조를 갖는 AMTEC이 요구된다. 이에, 본 발명은 두 개의 동축의 파이프로 구성되는 단순한 구조를 제공함으로써 모세관윅(wick)을 중심으로 BASE튜브가 배열되는 종래의 복잡한 구조를 갈음한다. 즉, 종래의 AMTEC은 모세관윅과 BASE튜브를 별개의 구조로 구성한 것에 반해, 본 발명은 메인파이프와 커버파이프를 동심원상으로 구성하는 통합적인 이중파이프 구조를 적용하였다. 이는 모세관윅을 사용하지 아니함으로써 보다 단순하고 간결한 구조를 구현한 것이다. 본 발명은 상기와 같은 구성으로서 보다 소형화되고 안정성이 높으며 관리가 용이한 구조의 AMTEC을 제공한다. The thermoelectric power generation system is required to have high stability and durability in the case of a harsh environment such as a space power generation system or waste heat of a nuclear power plant. For this purpose, AMTEC having a compact and simple structure is required. Accordingly, the present invention provides a simple structure consisting of two coaxial pipes, thereby eliminating the conventional complicated structure in which BASE tubes are arranged around a capillary wick. That is, in the conventional AMTEC, the capillary wick and the BASE tube are formed in separate structures, whereas the present invention adopts an integrated double pipe structure in which the main pipe and the cover pipe are concentrically formed. This simplifies and simplifies the structure by not using the capillary wick. The present invention provides an AMTEC having the above-described structure, which is smaller in size, more stable, and easier to manage.
또한, 본 발명의 AMTEC은 높은 전력밀도를 얻을 수 있으며, 장치의 구동부가 필요 없어 보수가 필요하지 아니하므로 높은 경제성을 제공한다. 특히, 연료가 필요 없어 분산형 전원, 지역분산공급형 전원, 우주용 발전 시스템으로의 적용이 용이한 효과가 있다. 또한, 본 발명의 AMTEC은 향후 저탄소 녹색성장에 부합하는 친환경적 발전방법을 제공한다.
In addition, the AMTEC of the present invention can achieve high power density and does not require a drive part of the apparatus and does not require any maintenance, thus providing high economic efficiency. In particular, there is an effect that it is easy to apply to a distributed power source, a local distributed power source, and a space power generation system because fuel is not required. In addition, the AMTEC of the present invention provides an environmentally friendly power generation method compatible with low carbon green growth in the future.
도 1은 종래의 AMTEC의 실시 예를 설명하기 위한 설명도.
도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 요부발췌 단면도.
도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 셀멤브레인의 확대 단면도.
도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 a-a'선상의 횡단면도.
도 5는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 발전방법을 도시한 순서도. 1 is an explanatory diagram for explaining an embodiment of a conventional AMTEC;
2 is a cross-sectional view of a main portion of a thermoelectric generator using an alkali metal of the present invention as a carrier of charge.
3 is an enlarged cross-sectional view of a cell membrane of a thermoelectric generator using the alkali metal of the present invention as a carrier of charge.
4 is a cross-sectional view taken along line a-a 'of the thermoelectric generator using the alkali metal of the present invention as a carrier of charge.
5 is a flowchart showing a method of generating a thermoelectric generator using alkali metal of the present invention as a carrier of charge.
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다. 이하 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 요부발췌 단면도이고, 도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 셀멤브레인의 확대 단면도이다. The present invention relates to an AMTEC unit cell and a power generation method of the AMTEC unit cell, which simplify the structure of a thermoelectric generator (AMTEC) using an alkali metal as a carrier of charge. DETAILED DESCRIPTION OF THE
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전하를 운반하기 위한 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 증발부(400)와, 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(500)를 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 메인파이프(600)와 상기 메인파이프(600)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(700)와 커버파이프(700)와 메인파이프(600)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(500)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 개구부(610)를 포함하는 단순한 구조의 AMTEC을 제공한다. As shown in FIGS. 2 and 3, the present invention includes an alkali metal charge carrier for transporting charges, an
열전발전을 위하여 상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(100) 및 음극(200)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)이 상기 증발부(400)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성된다. 상기와 같은 단순한 구조는 도 1에 도시된 모세관윅(wick)(6)을 중심으로 BASE튜브(8)가 배열되는 종래의 복잡한 구조와 대비된다. 즉, 종래의 AMTEC은 모세관윅(6)과 BASE튜브(8)를 별개의 구조로 구성한 것에 반해, 본 발명은 메인파이프(600)와 커버파이프(700)를 동심원상으로 구성하는 이중파이프 구조를 적용하였다. 이는 모세관윅(600)을 사용하지 아니함으로써 보다 단순하고 간결한 구조를 구현한 것이다. An
상기의 메인파이프(600)는 전하운반체의 원활한 소통을 위하여 메인파이프(600)의 양 말단이 이어진 원형의 고리형상인 것이 바람직하다.
It is preferable that the
상기 양극(100) 및 음극(200)은 발전효율과 관계되는 출력밀도(power density)와 밀접한 관련이 있다. 상기 전극은 다공성전해질(300) ㎛ 단위의 두께로 코팅되어지며 기공을 포함한다. 일반적인 실시예로서, 전해질 표면에 수 ㎛ 단위의 두께의 전극이 입혀지고 그 위에 금속망, 다시 그 위에 와이어 리드선(900)이 접속하는 방식으로 집전이 이루어진다. 높은 출력밀도를 얻기 위해서는 접촉하는 각 재료와의 열팽창계수 차이 등 특성차이를 고려하여야 하며 전극의 두께 등의 변수도 고려되어야 한다. 이에 따라 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 것이 바람직하다.
The
상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨, 칼륨, 리튬 중 선택되는 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다. Na이 구동유체인 경우는 일반적으로 증발부의 온도가 1100K, 응축부의 온도가 650K 부근에 이르게 된다. 용융점이 더 낮은 K를 적용하는 경우는 증발부과 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 증발부(400)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다영한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.
The alkali metal charge carrier is preferably at least one selected from the group consisting of sodium, potassium, and lithium. When Na is a driving fluid, the temperature of the evaporator generally reaches 1100K and the temperature of the condenser reaches 650K. The application of K with a lower melting point has the advantage of lowering the driving temperature of the evaporation and condensation by about 120K, respectively. Therefore, the thermodynamic theoretical efficiency is higher for the AMTEC system using K as the driving fluid. However, due to practical application problems, systems using Na as the driving fluid are generally applied. The heat source of the
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:NASICON)계의 고체전해질인 것이 바람직하다.
The
도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 a-a'선상의 횡단면도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 AMTEC의 발전효율을 위하여, 상기 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)은 각각 멤브레인으로 형성되고, 상기 양극(100) 멤브레인과 음극(200) 멤브레인 및 다공성전해질(300) 멤브레인이 적층되어 하나의 셀멤브레인(800)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 하나의 셀멤브레인(800) 구조는 상술한 바와 같이 발전효율을 증대시키는 효과 외에도 제조공정을 단순화시키는 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 상기의 셀멤브레인(800)의 길이는 길수록 단위중량당 전력을 많이 생산할 수 있으나, 요구되는 환경에 따른 중량, 공간적 제약 등의 요인에 부합하도록 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 셀멤브레인(800) 구조의 양극(100) 및 음극(200)에 각각 와이어리드선(900)이 연결되어 집전 및 전자의 공급이 이루어진다.
4 is a cross-sectional view taken on line a-a 'of the thermoelectric generator using the alkali metal of the present invention as a carrier of charge. 3 and 4, for the power generation efficiency of the AMTEC, the
본 발명은 이에 나아가, 상기의 열전발전장치를 이용한 발전방법에 있어서, 도 5의 순서도에 나타난 바와 같이, 증발부(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 커버파이프(700)의 통로를 통하여 응축부(500)로 이동하는 단계(s500), 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600), 상기 액체로 응축된 전하운반체가 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700)를포함하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법을 제공한다.
The present invention further provides a method of generating electricity using the above-described thermoelectric generator, comprising the steps of: evaporating a charge carrier in a vapor state in a vaporizing unit (400) as shown in the flowchart of FIG. 5 (s100) A step (s200) of discharging electrons while a part of the carrier passes through the anode (100), a step (s300) of passing a charge carrier carrying the electrons through the porous electrolyte (300), a step A step (s400) of receiving the electrons while the charge carrier passes through the
상기 증발부(400)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100)의 증발부(400)의 온도는 950K-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 증발부의 온도가 1100K, 저온부의 온도가 650K 부근으로 설정이 되며, 용융점이 더 낮은 K를 적용하는 경우는 증발부과 저온부의 구동온도를 각각 120K 정도 낮추어 설정할 수 있다. 즉 적용하는 작동유체에 따라 해당 온도를 설정한다. 상술한 바와 같이, 상기 증발부(400)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다양한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.
The temperature of the
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 증발부(400)와 응축부(500)가 메인파이프(600)의 양 측에 설치됨으로써 상기 증발부(400)측 메인파이프(600)내의 압력(p1)과 증발부측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)과 응축부측 커버파이프(700) 내의 압력(p3)과 응축부측 메인파이프(600)내의 압력(p4)은
3 and 4, when the
(식 1) p1 > p2 > p3 > p4
(Expression 1) p1>p2>p3> p4
상기 (식 1)에 따른 압력구배를 갖게 된다. 상기와 같이 (식 1)에 따른 압력구배를 가짐에 따라 전하운반체들은 상기의 압력차에 의하여 움직이게 된다. And has a pressure gradient according to the above equation (1). As described above, the charge carriers have a pressure gradient according to Equation (1) and are moved by the above-described pressure difference.
증발된 전하운반체 중 일부가 양극(100)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s200)에서, 상기 전하운반체는 증발부(400)측 메인파이프(600)내의 압력(p1)과 증발부측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)의 압력차에 의한 드라이빙포스(driving force)에 의해 이동하게 된다. 이때 양극(100)을 통과하지 아니하고 그대로 응축부(500)로 직접 향하는 전하운반체도 있을 수 있으며, 이 경우 상기의 응축부(500)로 직접 향하는 전하운반체는 응축부(500)에 의해 응축되어 다시 증발부(400)로 회수되게 된다. In the step s200 of discharging electrons while the part of the evaporated charge carriers pass through the
이와 마찬가지로, 상기 음극(200)을 통과한 전하운반체가 커버파이프(700)의 통로를 통하여 응축부(500)로 이동하는 단계(s500)에서, 상기 전하운반체는 상기 증발부측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)과 응축부측 커버파이프(700) 내의 압력(p3)의 압력차에 의한 드라이빙포스에 의해 이동하게 된다. Similarly, in step s500 in which the charge carrier passing through the
한편, 개구부(610)는 그 크기가 작게 형성되어 메인파이프(600)내의 전하운반체가 커버파이프(700) 내로 들어오지 않게 하고, 커버파이프(700) 내의 전하운반체는 커버파이프(700) 내의 압력(p3)과 응축부측 메인파이프(600)내의 압력(p4)차에 의해 개구부(610) 밖으로 밀려나갈 수 있도록 구성할 수 있다. 이를 위하여, 상기 개구부(610)는 가스의 출입을 위한 미세한 핀홀(pin hole)로 형성시킬 수 있으나, 본 발명이 이와 같은 구성으로 한정되는 것은 아니다.On the other hand, the
또한, 상기 액체로 응축된 전하운반체가 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700)의 전하운반체는 압력차에 의해 이동하지만, 중력(重力)에 의해서도 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동할 수도 있다. 그러나 상기와 같은 방법은 중력이 존재하지 아니하는 우주공간에서는 적용할 수 없음은 물론이다. 그러나 메인파이프(600)가 양 말단이 이어지는 고리형으로 형성되는 경우 상기 전하운반체를 증발부(800)로 회수하는 것은 특별한 드라이빙포스가 없더라도 전하운반체의 흐름에 따라 이루어질 수 있다.
The charge carrier of the step s700 in which the charge carrier condensed with the liquid moves in the direction of the
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시 예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시 예에만 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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it should be understood that various changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. It is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas which fall within the scope of equivalence by alteration, substitution, substitution, Range. In addition, it should be clarified that some configurations of the drawings are intended to explain the configuration more clearly and are provided in an exaggerated or reduced size than the actual configuration.
100. 양극
200. 음극
300. 다공성전해질
400. 증발부
500. 응축부
600. 메인파이프
610. 개구부
700. 커버파이프
800. 셀멤브레인
900. 와이어리드선100. Anode
200. Cathode
300. Porous electrolyte
400. Evaporation part
500. Condensation part
600. Main pipe
610. Openings
700. Cover pipe
800. Cell membrane
900. Wire lead wire
Claims (13)
상기 전하운반체의 이동통로가 되는 메인파이프(600);
상기 메인파이프(600)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(700);
커버파이프(700)와 메인파이프(600)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(500)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 개구부(610);
를 포함하며,
상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(100) 및 음극(200)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)이 상기 증발부(400)방향 커버파이프(700) 말단에 인접한 메인파이프(600)의 벽면에 형성되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
An anode 100 and a cathode 200 for transferring charges from the charge carrier, and a cathode 200 disposed between the anode 100 and the cathode 200, An alkali metal comprising a porous electrolyte 300 selectively permeable to a charge carrier, an evaporation unit 400 for evaporating the charge carrier, and a condensing unit 500 for condensing the evaporated charge carrier, In a thermoelectric generator (AMTEC) used as a carrier,
A main pipe 600 serving as a path for moving the charge carriers;
A cover pipe 700 formed to surround the main pipe 600 in a coaxial manner and serving as a path of movement of the charge carrier passing through the cathode;
An opening 610 formed in the wall surface of the main pipe 600 adjacent to the end of the cover pipe 700 in the direction of the condenser 500 to communicate the charge carrier between the cover pipe 700 and the main pipe 600;
/ RTI >
An anode 100 and an anode 200 for exchanging electrons with the charge carrier and a porous electrolyte 300 selectively transmitting the charge carrier are connected to a main pipe (not shown) adjacent to the end of the cover pipe 700 in the direction of the evaporator 400 600). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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.
The method according to claim 1,
The positive electrode 100 and negative electrode 200 is PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru 2 O, Rh 2 W, molybdenum (Mo), titanium (Ti), tungsten (W), copper (Cu) , Nickel (Ni), nickel-iron alloy, stainless steel, iron (Fe), and bronze. The thermoelectric generator according to claim 1,
상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨, 칼륨, 리튬 중 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
The method according to claim 1,
Wherein the alkali metal charge carrier is at least one selected from the group consisting of sodium, potassium, and lithium.
상기 다공성전해질(300)은 베타" 알루미나(Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICON)계의 고체전해질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
The method according to claim 1,
Wherein the porous electrolyte 300 is a solid electrolyte of beta-alumina or Na super-ionic conductor (NASICON) type.
상기 양극(anode)(100) 및 음극(cathode)(200)과, 상기 양극(100) 및 음극(200) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(300)은 각각 멤브레인으로 형성되고, 상기 양극(100) 멤브레인과 음극(200) 멤브레인 및 다공성전해질(300) 멤브레인이 적층되어 하나의 셀멤브레인(800)을 형성하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
The method according to claim 1,
The anode 100 and the cathode 200 and the porous electrolyte 300 positioned between the anode 100 and the cathode 200 and selectively transmitting a charge carrier are each formed of a membrane , The anode 100 membrane, the cathode 200 membrane, and the porous electrolyte 300 membrane are laminated to form a cell membrane 800. The thermoelectric generator according to claim 1,
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 열전발전장치와, 상기 열전발전장치의 증발부(400)을 가열하는 열원을 포함하며, 상기 열전발전장치의 메인파이프(600)는 양말단이 이어진 고리형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전시스템.
A thermoelectric power generation system using an alkali metal charge carrier,
A thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 5 and a heat source for heating the evaporator (400) of the thermoelectric generator, wherein the main pipe (600) of the thermoelectric generator has a ring Wherein the thermally conductive material is formed in the form of a metal carrier.
i) 증발부(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 커버파이프(700)의 통로를 통하여 응축부(500)로 이동하는 단계(s500);
vi) 상기 응축부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600);
vii) 상기 액체로 응축된 전하운반체가 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
6. A method of generating electricity using the thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 5,
i) vaporizing (S100) the charge carrier in a gaseous state in the evaporator (400);
ii) discharging electrons through some of the evaporated charge carriers through the anode 100 (s200);
iii) the charge carrier carrying the electrons passes through the porous electrolyte (300) (S300);
iv) a step (s400) of receiving electrons while the charge carrier passing through the porous electrolyte 300 passes through the cathode 200;
v) moving the charge carrier passing through the cathode 200 to the condenser 500 through the passage of the cover pipe 700 (s500);
vi) a step (s600) in which the charge carrier moved to the condenser 500 is condensed to become a liquid;
vii) moving (S700) the charge carrier condensed with the liquid through the passage of the main pipe (600) in the direction of the evaporator (800);
Wherein the metal charge carrier is an alkaline metal.
상기 증발부(400)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100)의 증발부(400)의 온도는 950K-1200K인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the temperature of the evaporator (400) in the step (s100) of evaporating the charge carrier to the gaseous state in the evaporator (400) is 950K-1200K.
증발된 전하운반체 중 일부가 양극(100)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s200)에서,
상기 전하운반체는 증발부(400)측 메인파이프(600)내의 압력(p1)과 증발부측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)의 압력차에 의한 드라이빙포스(driving force)에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
8. The method of claim 7,
In step s200, in which some of the evaporated charge carriers pass through the anode 100 and emit electrons,
The charge carriers are moved by a driving force due to a pressure difference between the pressure p1 in the main pipe 600 on the evaporator 400 side side and the pressure p2 in the evaporator side cover pipe 700 Wherein the alkaline metal charge carrier is an alkaline metal.
상기 음극(200)을 통과한 전하운반체가 커버파이프(700)의 통로를 통하여 응축부(500)로 이동하는 단계(s500)에서,
상기 전하운반체는 상기 증발부측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)과 응축부측 커버파이프(700) 내의 압력(p3)의 압력차에 의한 드라이빙포스에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
8. The method of claim 7,
In step s500, in which the charge carrier passing through the cathode 200 moves to the condenser 500 through the passage of the cover pipe 700,
Wherein the charge carrier moves by a driving force due to a pressure difference between a pressure p2 in the cover pipe 700 on the evaporator side and a pressure p3 in the cover pipe 700 on the condenser side, A method of generating thermoelectric generators using the same.
상기 응축부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600)에서의 상기 응축부(500)는 500-700K의 온도로 전하운반체를 응축시키는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치의 발전방법.
8. The method of claim 7,
Characterized in that the condenser (500) in step (s600) wherein the charge carrier moving to the condenser (500) condenses to become a liquid condenses the charge carrier at a temperature of 500-700 K, characterized in that the charge carrier Method of power generation of a thermal power generation device.
상기 증발부(400)측 메인파이프(600)내의 압력(p1)과, 증발부(400)측 커버파이프(700) 내의 압력(p2)과, 응축부(500)측 커버파이프(700) 내의 압력(p3)과, 응축부(500)측 메인파이프(600)내의 압력(p4)은
(식 1) p1 > p2 > p3 > p4
상기 (식 1)에 따른 압력구배를 갖는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치의 발전방법.
8. The method of claim 7,
The pressure p1 in the main pipe 600 at the evaporator 400 side, the pressure p2 in the cover pipe 700 at the evaporator 400 and the pressure p2 in the cover pipe 700 at the condenser 500 (p3) in the main pipe 600 on the condenser 500 side
(Expression 1) p1>p2>p3> p4
And a pressure gradient according to Equation (1). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
i) 증발부(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 커버파이프(700)의 통로를 통하여 응축부(500)로 이동하는 단계(s500);
vi) 상기 응축부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600);
vii) 상기 액체로 응축된 전하운반체가 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700);
를 포함하고,
상기 액체로 응축된 전하운반체가 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s700)의 전하운반체는 중력(重力)에 의해 메인파이프(600)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치의 발전방법.6. A method of generating electricity using the thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 5,
i) vaporizing (S100) the charge carrier in a gaseous state in the evaporator (400);
ii) discharging electrons through some of the evaporated charge carriers through the anode 100 (s200);
iii) the charge carrier carrying the electrons passes through the porous electrolyte (300) (S300);
iv) a step (s400) of receiving electrons while the charge carrier passing through the porous electrolyte 300 passes through the cathode 200;
v) moving the charge carrier passing through the cathode 200 to the condenser 500 through the passage of the cover pipe 700 (s500);
vi) a step (s600) in which the charge carrier moved to the condenser 500 is condensed to become a liquid;
vii) moving (S700) the charge carrier condensed with the liquid through the passage of the main pipe (600) in the direction of the evaporator (800);
Lt; / RTI >
The charge carrier of the step s700 in which the charge carrier condensed with the liquid moves in the direction of the evaporator part 800 through the passage of the main pipe 600 is evaporated through the passage of the main pipe 600 by gravity, (800). ≪ / RTI >< RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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