KR200212789Y1

KR200212789Y1 - 자동차, 수소가스발생시 폐냉열을 이용한 열전발전기 시스템.

Info

Publication number: KR200212789Y1
Application number: KR2019990028210U
Authority: KR
Inventors: 박수규; 박종욱
Original assignee: 박수규; 박종욱
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-02-15

Abstract

본 고안은 기관을 작동시키기 위한 수소가스 연료의 발생장치로 자동차에 필요한 전기 에너지를 자체 생산하여 수소를 연료(Fuel) 발생장치로 사용하고, 자동차 엔진의 폐열을 이용한 열전 발전(Thermocouples Generator)을 조합하는 복합적인 시스템을 고안한 것으로, 상세하게는 기관을 작동시키기 위한 수소는 전기 에너지를 이용한 물 분해 과정에서 얻고, 이때 필요한 전기 에너지는 기관에서 발생하는 폐열을 이용한 열전발전으로부터 얻는 데 있어서, 수소가스를 생산하는데 전력이 필요하므로 전해조에 직류 전류를 통전 시키면 전기 분해에 의한 수소가스 발생시 전해조에서 많은 분해열이 발생되어 열전 발전시스템으로 전력이 발생할 수 있도록 한 것으로, 열전(Thermocouples)은 열간압연으로 만들어져 강한 인장력과 열적강도가 250℃-400℃까지 연속적인 냉각이 필요없이 정상적으로 운용되는 것이 특징으로, 열전도 발전온도는 30℃에서 300℃까지 발전 전력이 이루어지기 때문에 연속적으로 사용할 수 있고, 열에너지가 전기적에너지로 변환이 가능하면서 사용범위가 광범위하고 엔진에서 발생하는 고온의 배기머플러, 엔진 오일, 냉각수, 블럭 폐열 등을 이용한 열전 발전 시스템으로 전해조와 배기머플러에 알루미늄 열흡수판을 장착, 열전 발전기(Thermocouples Generator)를 부착하여, 강력한 열변환 발전기 용량에 알맞게 다변화 할 수 있는 시스템으로 설치하고 자동차 에어컨을 모터 구동시스템 변경 구성으로 열전발전기 용량을 증가시켜서 소비전력량을 충당하면, 종래 차량의 시스템보다 안전적으로 전력을 공급할 수 있으며, 남은 전기는 대용량 배터리에 축적하여 시동 시 사용할 수 있으며, 부족한 전력은 기관 폐열을 이용한 열전 발전 시스템에서 충당하고, 일정 수소가스 압이 발생되면 안전 장치에 의해 엔진에 수소 가스 연료가 전달되어 자동차 자체에서 생산된 기관 연료로 사용하므로 수소가스 폭발에 대한 불안도 해소할 수 있으며, 기계식 발전이 아니므로 엔진 부하(load)가 걸리지 않고, 고효율의 소비전력으로 자체 사용할 수 있으며, 수소가스와 열전 발전시스템을 조합한 내연기관 및 버너 수소가스연료로 공급되며, 또한 안전성을 고려하여 본 고안은 수소 가스탱크 위험적요소 및 폭발할 문제점을 미연에 방지하는 고안으로 수소가스를 저장하지 않는다, 수소에너지는 값이 저렴하고 천연적이지만 메탈 하이드라이드 탱크에 액상.고체.기체로 탱크에 저장하면 위험을 안고 있다. 높은 기압을 요구 하는데 반해 본고안은 수소가스 메인 탱크가 필요하지 않으므로 수소가스를 직접 발생 연료로 사용하기 때문에 수소탱크 온도를 조절할 필요가 없는 것이 본 고안의 특징이다.

Description

자동차, 수소가스발생시 폐냉열을 이용한 열전발전기 시스템.{Thermocouples electric power generating system by utiliting waste energy of cooling/heating, H gas fuel generating and electrolytic Automobile.}

본 고안은 자동차 기관의 배기 가스에 의한 폐열,엔진 오일, 냉각수 폐열 등을 이용하여 열전발전기(Thermocouples Generator)시스템으로 전력을 얻고, 물을 전기분해에 의한 수소가스의 발생장치로 자동차에 필요한 에너지를 자체 생산하는시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 엔진 오일, 블럭, 배기 머풀러의 폐열을 이용하여 머플러에 알루미늄 열흡수판을 장착하고 열전 발전기(Thermocouples Generator)를 부착하는 것으로, 전력을 얻어 수소가스의 발생장치 사각형전해조 외부면에 알루미늄 열흡수판을 장착하고 열전발전기를 부착하여 전력을 발생시켜 수소가스를 연료로 사용할 수 있는 조합 구성 병행시스템으로 수소가스를 자체(自體)에서 생산하고, 소비되는 폐열을 이용 순환과정이 반복되어 전력을 발생시키는 장치를 제공한다. 남은 전기에너지는 조절기와 외부전원공급방수잭, 인버터로 직류 전류를 통전 변환병행으로 대용량 배터리에 충전되어 수소발생장치 전원용으로 공급되도록 하였다. 종래의 내연기관은 수송용,산업용 등 각 분야에서 기술의 발전에 따라 대체연료의 필요성에 봉착해 있다. 특히 가솔린 기관은 승객 운송용으로 널리 사용되면서 HC,CO,NO_x등 배기 유해물 배출에 의한 문제점으로 심각한 사회문제로 대두되었으며, 탄화수소 연료의 사용으로 인해 발생하는 이산화탄소(CO₂) 때문에 도쿄선언에서는 20OO년부터 온실가스 감축협약을 맺었고, 수소차량은 1차메탈 하이드라이드 탱크(Metal Hydride Tank)와 보조탱크 수소저장 메인탱크는 차량값에 비해 고가이며, 수소 메인탱크 (Main Tank)가 충격 손상될 경우 위험성이 높다.

본 고안의 목적은 화석에너지의 고갈로 인한 에너지 부족현상에 대비한 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지매체로 꼽히는 수소에너지와 대체전원으로서 개발의 필요성과 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 차지하는 비율이 늘어날 전망이므로 연료를 열전 발전시스템으로 응용 구성하여 고효율의 경제적인 자가즉석연료화 시스템으로, 생산 소비 과정이 수소가스가 지닌 위험성을 해소하고, 경제성을 고려 공해없는 연소로 환경 오염이 적고, 또한 순수한 물을 원료로 사용하여 수소를 제조하고 그 수소가 연소되어 물이 되는 순환과정으로 수소연료(Fuel)와 열전 발전(Thermocouples Generator)조합시스템으로 자동차 동력원으로서 구조는 기존 자동차와 같지만 자가즉석발전 원리에 의한 고효율의 연료로 사용할 수 있도록 제공하기 위한 목적이다.

도 1은 자동차에 열전발전기를 도시한 사시도.

도 2는 본 고안에 사용되는 내연기관 수소가스 발생시 폐열을 이용한 열전발전기 시스템.

도 3은 차량 내연기관의 배기머풀러에 알루미늄 열흡수판을 장착하고, 열전 발전기를 부착한 예시도.

도 4는 수소가스 발생장치및 사각형 전해조 열전 발전기를 부착한 예시도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 열전 발전기 2 : DC-DC 컨버터 3 : AC.DC 인버터

4 : 외부전원공급방수잭 5 : 배터리 6 : 전자회로 7 : 냉각 휀

8 : 압력스위치 9 : 사각형전해조 10 : 안전판 11 : 분리기

12 : 플럭스 탱크 13 : 압력게이지 14 : 레규레이터 15 : 플래쉬 백

16 : 가스 중간밸브 17 : 엔진콘트롤유니트 18 : 엔진 룸 19 : 배기머플러

20 : 알루미늄 열흡수판 21 : 볼트

본 고안에 따르면 자동차 엔진의 폐열을 이용하여 전력을 발전, 물 전기분해에 의한 수소가스의 발생장치로 자동차에 필요한 에너지를 자체 생산하는 시스템을고안한 것으로, 상세하게는 수소가스를 생산하려면 전력이 필요하므로 엔진에서 발생하는 열전(Thermocouples)이 열간압연으로 만들어져 강한 인장력과 열적강도가 250℃-400℃까지 연속적인 냉각이 필요없이 정상적으로 운용되는 것이 특징으로, 전력이 19Watts, 부하전압이 2.38Volts, 내부저항이 0.3A, 전류가 8Amps, 무부하전압 5.0Volts, 효율 4,5%로 열전도 발전온도는 30℃에서 300℃까지 발전 전력이 이루어지기 때문에 연속적으로 사용할 수 있고, 열에너지가 전기적에너지로 변환이 가능하면서 사용범위가 광범위하고 엔진에서 발생하는 고온의 배기머플러(19) 가스에 의한 폐열, 엔진 오일, 냉각수, 블럭 폐열 등을 이용한 열전 발전 시스템으로 사각형전해조와 배기머플러에 알루미늄 열흡수판(20)을 장착, 열전발전기(1)(Thermocouples Generator)을 부착하여, 강력한 열변환 발전기 용량에 알맞게 다변화 할 수 있는 시스템으로 발전기(Alternater)용량을 증가시켜서 소비전력량을 충당, 공급할 수 있으며, 남은 전기는 대용량 배터리에 축적하여 시동 시 사용하고 부족한 전기는 기관 폐열을 이용한 열전발전기(1)에서 충당하므로 엔진 부하(load)가 걸리지 않으며, 수소에너지와 자체기관의 폐열로 고효율의 전력발전기술로 내연기관의 연료로 사용할 수 있도록 한 고안이다.이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 자동차에 열전발전(1)기를 도시한 것이고, 도 2는 본 고안에 사용되는 내연기관 및 수소가스 발생시 폐열을 이용한 열전 발전기 시스템이며, 도 3은 차량 내연기관의 배기머풀러에 알루미늄 흡수판(20)을 장착하고, 열전발전기를 부착한 예시도이다. 도 4는 수소가스 발생장치 및 사각형 전해조 열전발전기를 부착한 예시도로서, 자동차 기관에서 배출되는 고온의 배기가스, 엔진, 블럭, 배기머풀러(19),냉각수의 폐열 등을 이용하여 배기머풀러와 사각형전해조(9) 둘레에 열전 발전기 (Thermocouples Generator)(1)를 배치하여 배터리(5) DC-DC 컨버터(Converter)(2)를 직병렬시스템으로 구성 전원이 교류전원을 직류로 변환시키는 인버터(Inverter)(3)에서 회로차단기(Circuit Breaker)를 거쳐 무접점 회로스위치(S C R S/W)(9)로 전류가 ON/OFF 전원을 공급하는 시스템으로, 수소가스 발생장치로 양극과 음극에 일정한 사이를 두고 절연체로 구성되어 있는 다수개의 도체봉은 양극(+)과 음극(-)이 교차로 장치하고 사각형의 전해조(9)내 순수한 물과 전해질을 첨가 혼합하여 전해조에 채운 상태에서 직류 전류를 통과시켜 전기 분해하게 되는데 이때 전해질로는 수산화 칼륨, 수산화나트륨, 묽은 황산, 등을 사용하며, 산화로 인한 부식과 스테인레스에 니켈, 인바등을 도금하거나, 크롬산리튬 첨가로 금속의 부식을 억제하여 부식을 예방토록 하였다. 산화되지 않는 스테인레스 316 금속으로 사각형 전해조(9) 외부에 알루미늄 열흡수판(20)을 장착 볼트로 고정(21)시키고 열전발전기(Thermocouples Generator)(1)를 부착하여, 전해조내의 압력 설정치가 P=3,5kg 이상이 되면 안전판(Relief Valve)(1O)을 통해 가스가 방출되도록 조절하여,수소가스에 포함되어 있는 수산화 칼륨, 수중기 등 불순물을 여과 분리기(Separator)(11)에서 수소가스의 분출압력을 일정하게 유지시키며 역화가스 조절을 고정 유지시켜 가스 사용시 역류 현상을 차단해 수소가스가 분출되는 압력을 조절하기 위하여 압력게이지(Pressure guage)(13)가 달린 레규레이터(Regurator)(14)와 가스 역류방지용 플래쉬 백(Flash Back)(15)을 이중으로 설치하며, 비상시 및 정비중에는 외부전원공급방수잭(4)이 이용되어 엔진콘트롤유니트(17)에서 엔진(18)으로 양질의 수소 가스 연료를 공급해주며, 자동차 버너용으로 사용시 중간밸브(16)로도 조작할 수 있도록 한 연료장치로 수소가스를 이용한 연료가 실용화 단계에 와 있으며, 열전 발전기의 장착으로 탱크 중량을 해소할 수 있는 새로운 동력원의 상용화로 한 단계 앞선 완전 무공해라는 점에서도 21세기에 각광 받을 고효율의 경제성 기술성 생산성 가치가 뛰어난 연료화 시스템으로 경쟁력을 확보할 수 있는 대체에너지의 수급효과에 새로운 패러다임 구축으로 각종 내연기관에 활용 할 수 있도록 한 고안이다.

이상에서와 같이 본 고안에 의하면, 수소가스를 연료로 사용하는 자동차및 버너의 연료로 개발하려면 기계, 화학, 전기소재 등 여러 분야의 기술이 접목되어 국내 대체에너지 수급효과에 기여할 수 있는 것으로, 운전중이나 주차중에도 항상 수소가스을 축적 유지되므로, 엔진의 구동을 원활하게 할 수 있다. 고효율의 열량을 생산할 수 있는 경제적인 시스템 구성으로, 본 고안은 순수한물과 .엔진. 블럭, 머풀러 등 폐열을 이용한 열전 발전 시스템으로 열량작동은 250℃에서 400℃까지 연속적으로 냉각이 필요없이 정상적으로 작동되므로 사슬모양의 연계고리 형식으로 사용할 수 있는 조합연료 시스템이며, 이들 중 하나만을 사용하는 단(單)에너지 시스템은 에너지의 모든 영역을 합리적으로 해결할 수 없으므로 보다 편리하고 안전한 사회 생활을 영위하기 위하여 현재의 화석에너지, 가솔린 및 차량용 L P G 는 고가이고, 안전하지 못하므로 수소에너지의 원료로 물은 자원적으로 제약을 받지 않는다. 또한 연소 생성물이 물이므로 공해물질이 배출되지 않는다. 본 고안은 자동차 연료를 즉석 생산에서 연소를 위한 연료로 일괄 하나로 이루어지게 고안하여 초기 엔진 작동열쇠에 예열 후 안전 장치에 의해 수소가스가 자체 생산 연소 되어지는 하나로시스템으로 수소가스 연료 메인 탱크(Main Tank)폭발 위험도 미연에 방지할 수 있으며, 수소 가스를 엔진으로 바로 공급하므로 경제성 생산성 안전성을 제공하는 것으로, 화석 연료는 생성 기간이 아주 길지만,가솔린 엔진에 소요되는 수소의 양 예측은, 배기량: 2.0L 회전속도: 2000rpm 출력:50ps 1시간당 연료 소모량:1Okg/h 가솔린의 저위 발열량:44MJ/kg 수소저위 발열량 :120MJ/kg 수소의 기체상(R): 4,124KJ/(kg,K) 사용온도(T): 30OK로 가정(27℃) 이상 기체방정식,Pv=RT를 사용. 공급압력 P=3,5kg/cm²이를 SI 단위로 환산하면 343. 233kPav=V/m이므로 V=mRT/P이다. 가솔린에 비해 수소의 저위 발열량은 120/44=2.73배 이므로, m=10/2.73=3.66kgV 수소=(3.66*4.124*300)/343.233=13.2m³=13,200L 상위와 같이 고효율 대체에너지이며 물.전기.화학물질을 원료로 사용하여 수소가스를 제조하고 그 수소가스 연소되어 물이되는 순환과정은 빠르기 때문에 지구상의 물질 순환 질서를 어지럽히지 않는다는 것이 본 고안의 목적이다

Claims

내연기관의 배기머풀러에서 배출되는 폐열을 이용하여 열전발전기를 발전시키고 이 전기로 물을 전기분해하여 고순도의 수소가스를 발생시키며 이 수소가스를 연료로 내연기관에 공급하도록 이루어지고,

상기 배기머풀러와 전해조 외부에 알루미늄 내열흡수판을 장착하고 열전발전기를 부착하여 화학적 전기발전시스템으로 조합 구성시킨 것을 특징으로 하는 자동차 수소가스 발생시 폐냉열을 이용한 열전발전기 시스템.
제1항에 있어서, 초기 내연기관 작동은 충전된 배터리로 행하며,

비상시 및 정비작업시에는 외부전기공급잭이용과 인버터 동작으로 수소가스를 생산하고,

수소가스 제어공급은 자동압 발생 무접점 회로시스템으로 행하는 것을 특징으로 하는 자동차 수소가스 발생시 폐냉열을 이용한 열전발전기 시스템.