KR20120095996A - 열전 효과 및 각각 열을 발생시키고 소산시키는 2 개의 화학 반응들, 즉 발열 반응 및 흡열 반응을 사용하는 발전기 - Google Patents
열전 효과 및 각각 열을 발생시키고 소산시키는 2 개의 화학 반응들, 즉 발열 반응 및 흡열 반응을 사용하는 발전기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 열원 (5), 열 싱크 (6) 및 각각 열원 (5) 과 열 싱크 (6) 와 접촉하는 적어도 2 개의 영역 (4a 및 4b) 이 제공된 열전 변환기 (1) 를 포함하는, 열전 효과를 사용하는 발전기에 관한 것이다. 열원 (5) 은 수소의 촉매 연소와 같은 발열 화학 반응을 하우징한다. 열 싱크 (6) 는 적어도 하나의 생성물이 발열 화학 반응의 시약들 중 하나를 구성하는 흡열 화학 반응을 하우징한다. 일단 열 싱크 (6) 에 의해 생성된 상기 생성물은 그 후 그것이 반응하는 열원 (5) 의 입력부 (7) 로 보내진다. 흡열 화학 반응은 특히 메탄올 스팀 리포밍 반응이다.
Description
본 발명은 적어도,
- 발열 화학 반응의 중심이며, 적어도 하나의 시약을 상기 발열 화학 반응에 공급하는 수단을 포함하는 열원,
- 흡열 화학 반응의 중심이며, 흡열 화학 반응의 적어도 하나의 생성물을 소개시키는 수단을 포함하는 열 소산기, 및
- 각각 열원 및 열 소산기에 접촉하는 적어도 2 개의 영역이 제공되는 열전 변환기를 포함하는, 열전 효과에 기초한 발전기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 열전 효과에 기초한 발전기를 구현하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 그러한 발전기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재, 운반가능한 발전기를 개발하기 위한 많은 노력이 행해진다.
운반가능한 발전기를 제조하는 가능한 방법들 중 하나는 열전 변환기, 즉 제벡 효과에 의해 열 에너지의 전기 에너지로의 변환의 원리에 기초한 동작 디바이스를 사용하는 것으로 구성된다.
특히, 도 1 에 도시된 바와 같이, 그러한 변환기 (1) 는 전기적으로 직렬로 그리고 열적으로 병렬로 접속된 일련의 수개의 커플들에 의해 형성된 모듈을 포함한다.
각 커플은 특히 양의 제벡 계수를 갖는 도전 또는 반도전 재료에 의해 형성된 열전 소자 (2a), 및 음의 제벡 계수를 갖는 도전 또는 반도전 재료에 의해 형성된 열전 소자 (2b) 로 구성된다. 열전 소자 (2a 및 2b) 는 상기 열전 소자들의 직렬의 전기 접속을 획득하기 위해 도전성 재료에 의해 형성된 정션 (3a) (고온측 정션) 또는 정션 (3b) (저온측 정션) 에 의해 둘 씩 서로 접속된다. 더욱이, 모듈을 구성하는 열전 소자 (2a 및 2b) 는 제 1 면 (4a) 로부터 제 2 면 (4b) 으로의 열 구배 (ΔT = Tc-Tf) 의 적용으로 인해, 그것의 전기 저항 뿐아니라 그것의 제 1 면 (4a) 로부터 제 2 면 (4b) 으로의 모듈을 통한 열 플럭스를 최적화 하기 위해, 열적으로 병렬로 접속된다. 그러한 열 플럭스는 그 후 전하 캐리어들의 변위, 따라서 전류 (I) 의 출현을 수반한다.
특히, 열전 소자 (2a 및 2b) 가 각각 양의 제벡 계수 (S2a 로 표시) 및 음의 제벡 계수 (S2b) 를 갖는 경우, 그들의 제벡 계수들은 서로에 가산되고, 모듈의 전위차 (V) 는 다음의 식을 갖는다.
V = N×(S2b-S2a)×ΔT = N×Snp×ΔT
여기서,
- N 은 모듈의 열전 소자 (2a 및 2b) 의 커플들의 수에 대응하고,
- ΔT 는 열전 변환기의 고온 영역 및 저온 영역으로 또한 불리는, 열전 변환기의 2 개의 면 (4a 및 4b) 사이에 적용되는 열 구배 (Tc-Tf) 에 대응하며,
- Snp 는 열전 소자 (2a 및 2b) 사이의 미분 제벡 계수에 대응한다.
변환기의 내부 저항 (rint) 과 동일한 저항성 부하에 대한, 그러한 열전 변환기에 의해 출력된 최대 전력은 다음 식 (1) 을 갖는다.
여기서, Tc 및 Tf 는 각각 변환기의 고온 영역의 온도 및 저온 영역의 온도이다.
또한, 그러한 변환기의 이상적인 출력은 재료를 통한 열 플럭스에 대한, 변환기의 내부 저항과 동일한 부하 저항기 (R) 로 출력된, 유용한 전력의 비에 대응한다. 그것은 특히 아래의 식 (2) 를 갖는다.
식 (1) 및 식 (2) 는 열전 변환기의 전력 및 출력이 열전 변환기의 2 개의 면들 사이에 적용된 열 구배 (ΔT = Tc-Tf) 에 직접 관련된다는 것을 보여준다. 따라서, 열전 변환기 형태의 임의의 시스템에서, 열 구배의 존재는 따라서 그것의 성능에 대해 결정하는 것이고, 특히 양호한 에너지 유효성을 얻기 위한 것이다.
열전 변환기에 적용되는 열 구배는 특히 열전 변환기의 면 (4a) 을 고온 (Tc) 로 불리는 온도로 유지하는 데 사용되는 열원 및 열전 변환기의 면 (4b) 을 저온 (Tf) 으로 불리는 온도로 유지하는데 사용되는 열 소산기에 의존한다.
열원의 경우, 산소 또는 부탄, 프로판 또는 에틸렌과 같은 다른 연료의 촉매 연소로서의 발열 화학 반응에 의해 생성된 열을 활용하는 것이 제안되었다. 그 후 생성된 열은 열전 변환기의 면 (4a) 를 충분히 높은 온도 (Tc) 로 유지하는 것을 가능하게 한다.
한편, 높은 에너지 성능을 보장하기 위해 충분히 높은 열 구배를 얻기 위해, 그것의 저온 측 상에서, 열 변환기에 의해 축적된 열 전력을 소개하는 것을 허용하는 시스템은 Tc 보다 훨씬 낮은 온도 (Tf) 를 얻기 위해 강력해야 한다 (열 평형에서 ΔT > 200 ℃). 그러나, 현재 사용되는 냉각에 의한 강력한 해결책은 부피가 크고 열전 변환기에 의해 생성된 에너지의 부분 또는 전체를 소비한다. 그것은 현존하는 시스템의 낮은 전력 밀도 및 열악한 전체 에너지 수율을 설명한다: 송풍기에서, 물 또는 냉각 유체의 순환을 갖는 시스템에서, 또는 냉각 유체 및 연료의 제조에서 손실된 에너지.
일례로서, 특허 US6313393 은 열전달을 개선하기 위해 미세구조를 갖는 아키텍쳐를 사용하는 전력 발전기를 제안한다. 그러한 발전기는 열원으로서 사용되는 마이크로채널의 형태의 연소실을 포함한다. 그 연소실은 특히 연료의 발열 화학 반응의 중심이다. 그 화학 반응에 의해 방출된 열은 그 후 열 에너지를 전류로 변환하도록 의도된 디바이스로 전달되고, 전류는 그 후 출력 와이어에 의해 디바이스 외부로 전달될 수 있다. 그 후, 디바이스를 통해 흐른 후에, 열 플럭스는 열 소산기에 의해 회수된다. 이러한 열 소산기는 예를 들어 열 제거기, 열 교환기를 형성하기 위해 냉각 유체의 통로를 위한 마이크로채널이 제공된 시스템, 흡열 화학 반응의 중심인 마이크로채널 반응기에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 목적은 에너지 성능이 종래 기술에 비해 개선된, 열전 효과에 기초한 발전기를 제안하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 충분히 컴팩트하고 구현이 용이하면서, 발전기의 전체 에너지 성능이 열화되지 않고 높은 열 구배가 적용될 수 있는 열전 변환기를 포함하는, 열전 효과에 기초한 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 적어도,
- 발열 화학 반응의 중심이며, 적어도 하나의 시약을 상기 발열 화학 반응에 공급하는 수단을 포함하는 열원,
- 흡열 화학 반응의 중심이며, 흡열 화학 반응의 적어도 하나의 생성물을 소개시키는 수단을 포함하는 열 소산기, 및
- 각각 열원 및 열 소산기에 접촉하는 적어도 2 개의 영역이 제공되는 열전 변환기를 포함하는, 열전 효과에 기초한 발전기로서, 열원을 공급하는 수단이 열 소산기를 위해 소개하는 수단에 접속되고, 흡열 화학 반응의 상기 생성물이 발열 화학 반응의 상기 시약을 형성하는 것을 특징으로 하는 점에서 달성된다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 또한 상기 발열 화학 반응의 상기 시약을 형성하는 상기 흡열 화학 반응의 상기 생성물이 수소인 것을 특징으로 하는 발전기의 구현의 방법에 의해 달성된다.
이러한 목적은 또한 특히 나노메트릭 사이즈의 분말 주입 몰딩의 적어도 하나의 단계에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는, 열전 효과에 기초한 발전기를 위한 제조 방법에 의해 달성된다.
다른 이점과 특징이 비제한적인 예들로서 주어지고 첨부된 도면에서 표현된 본 발명의 특정의 실시형태들에 대한 다음의 설명으로부터 더욱 명확하게 부각될 것이다.
- 도 1 은 열전 변환기의 개략도의 단면도를 나타낸다.
- 도 2 는 본 발명에 따른 발전기의 제 1 실시형태의 개략 단면도를 나타낸다.
- 도 3 은 도 2 에 따른 발전기에서의 채널들을 통한 시약의 흐름에 따른 고온 및 저온 각각의 진전을 나타낸다.
- 도 4 및 도 5 는 열전 변환기와 커플링된 연료 셀를 포함하는 발전기의 특정의 실시형태들의 단면도 및 개략도를 각각 나타낸다.
- 도 6 은 본 발명에 따른 발전기의 제 2 실시형태를 개략 단면도로 도시한다.
- 도 7 은 도 4 에 따른 발전기에서의 채널들을 통한 시약의 흐름에 따른 고온 및 저온 각각의 진전을 나타낸다.
- 도 8 은 도 2 에 따른 발전기의 대안적인 실시형태의 평면도를 도시한다.
- 도 9 는 본 발명에 따른 발전기의 특정의 실시예를 개략적으로 도시한다.
- 도 10 은 상이한 높이의 열전 소자들을 포함하는 열전 변환기 실시예에 대한 고온 영역에서의 온도 (Tc) 에 따른 전력 밀도의 진전을 나타낸다.
- 도 11 은 흡열 화학 반응을 위한 액체 시약의 질량 흐름 레이트에 따른 흡열 흐름 및 출력 전력의 진전을 나타낸다.
- 도 1 은 열전 변환기의 개략도의 단면도를 나타낸다.
- 도 2 는 본 발명에 따른 발전기의 제 1 실시형태의 개략 단면도를 나타낸다.
- 도 3 은 도 2 에 따른 발전기에서의 채널들을 통한 시약의 흐름에 따른 고온 및 저온 각각의 진전을 나타낸다.
- 도 4 및 도 5 는 열전 변환기와 커플링된 연료 셀를 포함하는 발전기의 특정의 실시형태들의 단면도 및 개략도를 각각 나타낸다.
- 도 6 은 본 발명에 따른 발전기의 제 2 실시형태를 개략 단면도로 도시한다.
- 도 7 은 도 4 에 따른 발전기에서의 채널들을 통한 시약의 흐름에 따른 고온 및 저온 각각의 진전을 나타낸다.
- 도 8 은 도 2 에 따른 발전기의 대안적인 실시형태의 평면도를 도시한다.
- 도 9 는 본 발명에 따른 발전기의 특정의 실시예를 개략적으로 도시한다.
- 도 10 은 상이한 높이의 열전 소자들을 포함하는 열전 변환기 실시예에 대한 고온 영역에서의 온도 (Tc) 에 따른 전력 밀도의 진전을 나타낸다.
- 도 11 은 흡열 화학 반응을 위한 액체 시약의 질량 흐름 레이트에 따른 흡열 흐름 및 출력 전력의 진전을 나타낸다.
도 2 및 도 3 에 도시된 특정의 실시형태에 따르면, 열전 효과에 기초한 발전기는 도 1 에 도시된 바와 같은 열전 변환기 (1) 를 포함한다.
또한, 열전 변환기 (1) 는 열전 변환기 (1) 의 2 개의 대향 면 (4a 및 4b) 사이의 열 구배 (ΔT = Tc-Tf) 를 획득하기 위해 열원과 열 소산기 사이에 개재된다. 면 (4a 및 4b) 은 열전 변환기 (1) 의 고온 영역 및 저온 영역을 각각 형성하며, 이들 각각은 열 플럭스, 즉 고온 영역에 대해 고온 플럭스 (φhot) 및 저온 영역에 대해 저온 플럭스 (φcold) 에 제공된다.
도 2 에서, 열원 및 열 소산기는 평행한 길이방향 축을 갖는 제 1 및 제 2 순환 채널 (5 및 6) 에 의해 각각 형성된다. 또한, 열전 변환기 (1) 의 2 개의 대향 면 (4a 및 4b) 은 각각 제 1 및 제 2 순환 채널 (5 및 6) 의 부분의 한계를 정한다. 또한, 제 1 및 제 2 순환 채널 (5 및 6) 은 각각 화학 반응의 중심인 것으로 의도된다: 제 1 순환 채널 (5) 에 대해 발열 화학 반응 및 제 2 순환 채널 (6) 에 대해 흡열 화학 반응.
제 1 순환 채널 (5) 은 그 단부들 중 하나에서 제 1 순환 채널 (5) 에 발열 화학 반응의 적어도 하나의 시약을 제공하도록 의도된 입력 개구 (7) 를 포함한다. 도 2 에서, 그것은 또한 이로운 방식으로 제 1 입력 개구 (7) 근처에 배치된 추가의 입력 개구 (8) 을 포함한다. 이러한 추가의 입력 개구 (8) 는 특히 발열 화학 반응의 다른 시약이 제 1 순환 채널 (5) 에 제공되도록 의도된다. 제 1 순환 채널 (5) 은 마지막으로 그것의 다른 단부에서 제 1 순환 채널 (5) 의 다른 단부에 배열된 출력 개구 (9) 를 포함한다.
발열 화학 반응은 바람직하게는 수소 (H2 또는 이수소 (dihydrogene)) 에 대한 촉매 연소 반응이다. 이러한 화학 반응에 따르면, 수소는 물과 열을 생성하기 위해, 예를 들어 주위 공기에 의해 제공된 산소와 반응한다. 수소에 대한 연소 반응은 매우 강력하여 140 MJ/kg 의 칼로리 값을 갖는다. 또한, 이러한 연소 반응의 플레임 온도는 1500 ℃ 이상에 도달할 수 있다. 어떤 경우에는, 수소가 부탄과 같은 다른 연료로 대체될 수 있다. 그러나, 수소는 다른 연료 보다 더 높은 칼로리 값을 갖기 때문에 바람직한 연료로 남는다. 부탄은 50 MJ/kg 의 칼로리 값을 갖는다.
일반적으로, 그러한 반응은 그것의 출력을 개선하는 것을 가능하게 하는 촉매의 도움으로 수행된다. 바람직하게 사용되는 촉매는 예를 들어 백금 피복 탄소 (platinized carbon) 와 같은 나노메트릭 형태의 백금이지만, 촉매는 또한 루테늄, 토륨, 은, 구리, 아연, 철과 팔라듐의 합금, 니켈 및 망간 중에서 선택될 수 있다. 예시로서, 제 1 순환 채널 (5) 은 예를 들어 그 내면이 마이크로메트릭 또는 나노메트릭 사이즈의 백금 입자로 커버되는 벽에 의해 형성될 수 있다. 또한, 이들 백금 입자에 의해 형성된 촉매 코팅은 바람직하게는 표면 반응을 증가시키고 따라서 반응 수율을 증가시키기 위해 강한 다공성을 가질 수 있다.
따라서, 발열 화학 반응은 반응 혼합물을 입력 개구 (7 및 8) 로부터 출력 개구 (9) 로 그것의 내부에서 순환하게 하면서, 촉매 연소실을 형성하는 제 1 순환 채널 (5) 내에서 발생한다. 초기에, 반응 혼합물은 주로 공기와 수소로 구성되며, 그 후 반응 혼합물은 그것이 출력 개구 (9) 에서 주로 물을, 제 1 순환 채널 (5) 의 길이에 따라서는 정말로 물만을 포함할 때까지 초기 시약에 유리하게 제 1 순환 채널 (5) 을 따라 수증기가 점점 풍부해진다. 발열 화학 반응에 의해 생성된 물은 바람직하게는 출력 개구 (9) 에서 수집될 수 있다. 특히, 흡열 반응의 형태에 따라서, 그것은 흡열 화학 반응을 위한 시약으로서 사용될 수 있다. 따라서, 제 1 순환 채널 (5) 을 따라 방출되는 열은 입력 개구 (7 및 8) 로부터 출력 개구 (9) 로 점점 감소한다. 이것은 특히 열전 변환기의 면 (4a) 상에서 획득된 고온 온도에 대응하는 온도 (Tc) 의 진전을 나타내는 도 3 에 도시되어 있다.
또한, 제 2 순환 채널 (6) 은 그것의 단부들 중 하나에서 제 2 순환 채널 (6) 에 흡열 화학 반응의 적어도 하나의 시약을 공급하도록 의도된 적어도 하나의 제 1 입력 개구 (10) 를 포함한다. 그것은 또한 다른 단부에서 흡열 화학 반응의 반응 혼합물 및 특히 흡열 화학 반응의 적어도 하나의 생성물을 소개하도록 의도된 출력 개구 (11) 를 포함한다. 또한, 이러한 출력 개구 (11) 는 제 1 순환 채널 (5) 의 입력 개구 (8) 에 접속된다.
흡열 화학 반응은 그것의 생성물 중 적어도 하나가 발열 화학 반응의 시약들 중 하나를 형성하도록 선택된다. 특히, 발열 화학 반응이 수소에 대한 촉매 연소 반응인 경우, 흡열 화학 반응이 수소를 획득하는 것을 가능하게 하는 반응들 중에서 선택되어, 일단 형성되면 그것이 제 1 순환 채널 (5) 의 입력 개구 (7) 로 다시 향하게 되도록 한다.
수소를 생성하는 것을 가능하게 하는 수개의 흡열 화학 반응들이 존재한다: 에탄올, 메탄올, 에틸렌 글리콜, 메틸시클로헥산, 글리세롤, 헥산, 메탄의 리포밍, 또는 암모니아 크래킹.
아래의 표 1 및 표 2 는 2 개의 화합물, 즉 메탄올 및 메틸시클로헥산으로부터의 리포밍 처리를 위한 흡열 화학 반응들의 에너지 평형을 예로서 도시한다.
바람직한 방법으로, 흡열 화학 반응은 수소 및 이산화탄소를 생성하기 위해 열과 수증기의 존재하에 메탄올이 반응하게 하는 것으로 이루어지는, 메탄올으로부터의 스팀 리포밍 반응이다. 정말로, 다양한 탄화수소 중에서, 메탄올의 선택은 많은 이점을 갖는다: 그것은 생성하기가 쉽고, 특히 암모니아나 다른 탄화수소에 비해 그다지 독성이 없다. 그것은 다른 탄화수소 (주로 300 ℃ 로부터 600℃ 까지) 에 비해 적당한 온도 (통상 150 - 250 ℃) 에서 리포밍하며, 그것은 화학 반응 (증발 + 리포밍) 동안 높은 흡열 에너지 밀도를 갖는다. 그것은 많은 에너지 (
720 kJ/kg) 를 흡수하며, 이것은 열전 변환기 (1) 의 고온 영역과 저온 영역 사이의 열 플럭스를 평형시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 메탄올에 대한 스팀 리포밍 반응의 수율은, 그 반응이 구리, 아연, 알루미늄, 지르코늄 및 팔라듐 중에서 선택된 촉매의 존재하에서 수행되는 경우, 250 ℃ 와 300 ℃ 사이의 온도에 대해, 100 % 에 가까울 수 있다. 따라서, 제 2 순환 채널 (6) 은 제 1 순환 채널 (5) 처럼 그 내벽이 마이크로메트릭 또는 나노메트릭 사이즈의 촉매 입자로 커버된 벽에 의해 형성될 수 있다.
도 2 에 따른 발전기 (1) 에서, 흡열 화학 반응은 반응 혼합물이 입력 개구 (10) 로부터 출력 개구 (11) 로 그 내부에서 순환하게 함으로써 제 2 순환 채널 (6) 내부에서 발생한다. 따라서, 제 2 순환 채널 (6) 은 예를 들어 메탄올의 리포밍에 의해 흡열 화학 반응의 경우에 리포밍 챔버를 형성한다. 입력 개구 (10) 에서, 반응 혼합물은 주로 메탄올과 수증기로 구성되고, 반응 혼합물은 그것이 (제 2 순환 채널의 길이에 따라) 반응의 생성물을 출력 개구 (9) 에서 주로 포함할 때까지 초기의 시약에 유리하게 제 2 순환 채널 (6) 을 따라 수소 및 이산화탄소가 점점 더 풍부하게 된다. 따라서, 제 2 순환 채널 (6) 을 따른 흡수된 열의 양은 입력 개구 (10) 로부터 출력 개구 (11) 로 점점 감소하고, 이것은 제 2 순환 채널 (6) 을 따른 온도의 증가를 유도한다. 이것은 특히 열전 변환기의 면 (4b) 상에서 획득되는 소위 저온에 대응하는 온도 (Tf) 의 진전을 나타내는 도 3 에 도시된다.
메탄올 또는 다른 탄화수소에 대한 리포밍 반응의 경우, 출력 개구 (11) 에서 반응하지 않은, 흡열 화학 반응의 시약은 수소 처럼, 촉매 연소에 의해 소비되어 열 플럭스에 기여하도록 제 1 순환 채널 (5) 의 입력 개구 (7) 를 향해 보내질 수 있다.
도 2 에서, 반응 혼합물은 각각 제 1 및 제 2 순환 채널 (5 및 6) 을 통해 반대 방향으로 순환하며, 이것은 도 3 에 도시된 바와 같이 2 개의 반응 혼합물의 길을 따라 열 구배 (Tc-Tf) 를 최적화하는 것을 허용한다. 그 후, 열 구배는 열전 변환기 (1) 에 기인하여 제벡 효과에 의해 전류로 변환될 것이다. 또한, 획득된 열 구배는 바람직하게는 200 ℃ 보다 더 높다.
고온 플로우를 생성하기 위해 발열 화학 반응의 중심을 형성하는 열원 및 저온 흐름 뿐아니라 발열 화학 반응의 시약을 생성하기 위해 흡열 화학 반응의 중심을 형성하는 열 소산기와 열전 변환기의 열적 커플링은 그 성능, 특히 에너지 성능이 개선될 수 있는 발전기를 획득하는 것을 가능하게 한다.
이것은 부분적으로 특정의 흡열 화학 반응을 선택함으로써 수행되어, 상기 반응의 생성물들 중 적어도 하나가 발열 화학 반응의 시약들 중 하나이도록 하며, 후자는 열 소산기로부터 열원으로 적어도 부분적으로 다시 보내진다.
그러한 용액을 사용하면, 발열 화학 반응의 시약을 저장하기 위한 공간적 요구의 문제 또는 종래 기술에 따른 열 소산기의 큰 사이즈에 기인한 문제로부터, 그리고 열소산기가 작동하게 하기 위한 에너지 공급의 문제로부터 자유하며서, 열 평형에서 높은 열 구배를 획득하는 것이 가능하다.
또한, 그러한 발전기의 제조 뿐아니라 그것의 시동이 단순화된다. 게다가 작용 중인 시약의 질량의 상당한 감소가 획득되며, 이것은 열전 효과에 기초한 발전기의 질량 에너지 밀도를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 열전 효과에 기초한 발전기는 매우 자율적이며, 적은 공간 요구를 갖고 매우 최적화된다.
그러나, 그러한 발전기를 사용하여 그러한 성능 및 특히 에너지 성능을 획득하는 것은 이러한 발전기의 동작에 관련된 많은 팩터들이 발전기에 대한 단일의 및 최적의 동작 포인트를 발견하기 위해 고려되어야만 하기 때문에 세심한 주의를 요한다. 특히,
- 2 개의 화학적, 각각 흡열 및 발열 반응 사이의 양호한 화학적 커플링,
- 열원으로부터 열 소산기로의 열 교환을 보장하는 것을 허용하는 양호한 열적 커플링 및
- 요구된 전력의 생성을 보장하는 것을 허용하는 양호한 전기적 커플링을 획득하는 것이 필요하다.
이들 3 가지 유형의 커플링은 또한 서로 종속적이다.
수소의 촉매 연소 반응은 메탄올로부터의 리포밍 반응 보다 예를 들어 5 배 더 강력하다. 따라서, 메탄올에 대한 리포밍 반응이 완료되는 경우, 생성된 수소의 1/5 만이 발열 촉매 연소 반응에 사용된다.
결과적으로, 평형을 획득하기 위해, 추가의 입력 개구 (8) 를 통해 공기 흐름을 제어함으로써 화학적 촉매 연소 반응을 완화시키는 것이 유용할 수 있다. 산소 부족 또는 과잉은 촉매 연소 반응의 수율을 상당히 낮추는 것을 가능하게 한다.
다른 대안에 따르면, 가능한 여과 후에, 흡열 화학 반응에 의해 과잉으로 생성된 수소를 소비하기 위해 열전 변환기를 연료 셀과 연관시키는 것이 또한 가능하다. 예시로서, 도 4 및 도 5 는 과잉으로 생성된 수소를 수집하기 위해 제 2 순환 채널 내의 소개 수단에 접속된 연료 셀을 포함하는 발전기의 실시형태들을 나타낸다.
특히, 도 4 에서, 열전 변환기 (1) 는 연소실 (5) 과 리포밍 챔버 (6) 사이에 배열된다. 리포밍 챔버 (6) 는 그 리포밍 챔버에 메탄올 및 물을 공급하는 것을 가능하게 하는 입력부 (10) 및 적어도 리포밍 처리의 생성물들, 즉 주로 수소와 이산화 탄소를 소개하는 것을 가능하게 하는 출력부 (11) 를 포함한다. 출력부 (11) 는 상기 생성물들을 연소실의 입력부 (7) 를 향해, 또는 연료 셀 (12) 의 입력부를 향해 보내는 밸브 (14) 에 공급관 (13) 을 통해 접속된다. 또한, 이산화 탄소의 여과 시스템 (15) 은 연료 셀 (12) 의 입력부와 밸브 (14) 사이에 배열된다. 이러한 실시형태에서, 연료 셀은 따라서 리포밍 챔버에 의해 과잉으로 생성되며, 연소실에 유용하지 않은 수소를 사용한다.
역으로, 도 5 에 도시된 다른 실시형태에서는, 연소실 (5) 에 연료 셀 (12) 에 의해 사용되지 않은 수소를 공급하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 경우, 연료 셀 (12) 은 연소실 (5) 의 입력부 (7) 와 리포밍 챔버 (6) 의 출력부 (11) 사이에 배열되어, 연료 셀 (12) 에 의해 소비되지 않았고, 초기에 리포밍 챔버 (6) 로부터 온 수소를 수집한다.
본 발명의 다른 전개에 따르면, 발전기는 연료 셀과는 다른 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발전기는 열 소산기의 입력부 앞에 배열된 일련의 마이크로터빈들을 포함하여, 흡열 화학 반응의 시약들의 순환에 의해 생성된 기계적 에너지을 수집할 수 있다. 이러한 일련의 마이크로터빈들의 추가는 발전기의 에너지 효율을 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있다.
또한, 흡열 화학 반응에 관하여, 열전 변환기의 고온 영역과 저온 영역 사이의 최고의 가능한 열 구배를 보장하기 위해 낮은 리포밍 온도를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 예를 들어 S/C 로도 기재되는 비율 "스팀 대 탄소" 를 제어함으로써 획득될 수 있다. 메탄올의 경우, 4 내지 5 의 비율 (S/C) 로 50 ℃ 에서 스팀 리포밍의 반응을 수행하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 50 ℃ 에서, 스팀 리포밍 반응은 또한 일산화 탄소도 생성한다. 그러나, 이러한 생성물은 특히 발전기가 연료 셀을 포함하는 경우 해로울 수 있다. 따라서, 메탄올에 대한 스팀 리포밍 반응은 바람직하게는 200 ℃ 와 400 ℃ 사이의 리포밍 온도에서 수행되고, 바람직하게는 250 ℃ 와 300 ℃ 사이에서 수행된다.
또한, 양호한 동작 포인트를 획득하는 것을 가능하게 하는 주요 파라미터는 열전 변환기의 열 전도성인 것으로 보인다. 그러나, 디바이스의 정확한 동작을 보장하기 위해, 따라서 충분한 전력을 생성하는 최선의 타협을 발견하기 위해 이러한 파라미터를 제어할 수 있기 위해서는:
1) 매우 높은 열 구배 및 따라서 최대 전력 출력을 획득하기 위해, 연소실 내의 온도 (Tc) 는 최대 (메탄올에 대한 스팀 리포밍 반응과 커플링된 수소에 대한 촉매 연소 반응에 대해 750 - 800 ℃) 인 것,
2) 열 소산기 내의 온도 (Tf) 는 그것의 정확한 동작을 보장하고 반응 수율을 최대화하기 위해 최소인 것. 예를 들어, Tf 는 수소의 촉매 연소 반응과 커플링된 메탄올로부터의 스팀 리포밍의 경우 약 200 ℃ 내지 400 ℃ 인 것,
3) 열원과 열 소산기가 각 소자가 최고의 가능한 반응 수율을 얻는 것을 허용하는 디멘젼 (채널들의 사이즈, 촉매, ...) 를 갖는 것, 및
4) 열전 변환기가 열적으로 디멘젼되는 것이 보장되는 것이 필요하다.
열원 및 열 소산기와는 대조적으로, 열전 변환기는 단지 그 자신의 성능만을 고려하여 디멘젼될 수 없다. 변환기의 내부 저항을 감소시키기 위해 열전 소자에 대한 최대 적재율 (filling ratio) 및 낮은 높이로, 최대 전력 출력을 획득하려고 시도하는 것은 사실상 가능하지 않다. 사실상, 열전 변환기는 열원 및 열 소산기와 물리적으로 접촉하고 있기 때문에 이둘 두 소자들에 종속한다. 따라서, 그것의 열 전도성을 디멘젼하여, 미리 설정된 온도 (예를 들어, 700 ℃ 와 800 ℃ 사이) 에서 고정된 Tc 값에 대해 그리고 흡열 반응에 의해 미리 결정된 흡수된 에너지의 양에 대해, 값 (Tf) 가 미리 결정된 온도 (예를 들어, 수소에 대한 촉매 연소 반응과 커플링된 메탄올로부터의 스팀 리포밍의 경우 200 ℃ 와 400 ℃ 사이) 로 유지되도록 할 필요가 있다.
간단히 말하면, 디바이스의 정확한 동작을 보장하는 것을 가능하게 하는 최적의 열 전도성과 디바이스에 의해 출력되는 전력 사이의 타협을 획득하기 위해, 디멘젼 관점으로부터 설계되어야 한다. 특히, 그것은 다음의 식들과 부합하도록 열적으로 디멘젼된다:
φconduction = φcold - φSeebeckCold - φjoule
φconduction = φhot - φSeebeckHot + φjoule
여기서,
- φconduction 은 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로의 열전 변환기를 통한 열 플럭스이고,
- φcold 및 φhot 는 각각 흡열 화학 반응 및 발열 화학 반응에 의해 흡수된 열 플럭스들이며,
- φSeebeckHot 및 φSeebeckCold 는 각각 열원과 접촉하는 영역 (4a) 에서 그리고 열 소산기와 접촉하는 영역 (4b) 에서의 제벡 열 플럭스들이며, 특히, 말하자면 φSeebeckHot 는 N.S.I.Tc 이고, φSeebeckCold 는 N.S.I.Tf 이며, 여기서 N 은 열전 변환기를 형성하는 열전 소자들의 수에 대응하고, S 는 재료의 제벡 계수에 대응하며, I 는 열전 소자들을 통한 전류이고, Tf 및 Tc 는 각각 영역 (4a) 및 영역 (4b) 의 온도들이고,
- φjoule 은 열전 변환기에서의 주울 효과에 의해 생성된 열 플럭스이다.
예로서, 메탄올과 물의 250 g/h 의 흐름 (즉, φendo 는 = 90 W/㎠) 에 대해, 50 % 의 적재율 (변환기의 표면/열전 소자들의 누적 표면) 에 대해, 및 (발열 반응 수율을 통해) 700 ℃ 로 조정된 Tc 의 값에 대해, Tf 가 200 ℃ 와 400 ℃ 사이에 있도록, 열전 소자들의 두께가 0.8 mm 와 1.5 mm 사이에 있는 것이 필요하다.
열전 변환기 (1) 의 열전 소자 (2a 및 2b) 를 형성하는 재료(들) 의 특성은 바람직하게는 고온 영역 및 저온 영역 양자 모두에 대해 고려된 온도의 범위에 따라 선택된다. 따라서, 흡열 화학 반응이 메탄올의 촉매 스팀 리포밍 반응이고 발열 화학 반응이 수소의 촉매 연소 반응인 경우, 열전 소자 (2a 및 2b) 는 SiGe 로 제조될 수 있다. 사실, SiGe 는 이러한 커플의 화학 반응들에 대해 고려된 온도 범위, 즉 고온 영역과 저온 영역 사이의 약 525 ℃ 의 평균 온도를 갖는 고온 영역의 최대 온도 (Tc = 900 ℃) 와 저온 영역의 최소 온도 (약 150 ℃ 의 Tf) 에서 최선의 열전 성능을 갖는다.
예로서, SiGe 기반 열전 변환기의 경우 그리고 고온측 상의 연소 에너지를 흡수하고 수소를 생성하기 위해 메탄올의 리포밍을 사용함으로써, 이론적인 최대 전기 에너지 밀도 Eelec max 는 38 Wh/kg (메탄올 + 물) 과 같고, Tc = 800 ℃ 이고 Tf 는 300 ℃ 이다. 또한, 나노구조-SiGe-기반 열전 변환기를 사용함으로써, 약 60 Wh/kg 의 에너지 밀도를 획득하는 것이 가능하다.
다른 열전 재료들은 합금 Bi2Te3 로서 또한 사용될 수 있다. 특히, 이러한 합금은 모듈 내의 세그먼트들을 형성하기 위해 합금 SiGe 와 조합하여 사용될 수 있고, Bi2Te3 로 제조된 열전 소자 (2a 및 2b) 의 커플들에 의해 형성된 세그먼트는 바람직하게는 온도 (Tc) 가 더 낮은 영역에 배열된다.
바람직하게는, 흡열 화학 반응의 주요 시약이, 물과 혼합된 암모니아, 메탄올, 또는 에탄올의 경우와 같이, 액체 형태이면, 흡열 화학 스팀 리포밍 반응 자체 전에 상기 시약에 대한 흡열 증발 에너지가 열전 변환기 (1) 의 저온측 상의 더 양호한 냉각을 획득하기 위해 수집될 수 있다. 또한, 열전 변환기 (1) 는 바람직하게는 에너지 평형을 최적화하기 위해, 임의의 열전 소자 없이, 순수 열 전도 재료에 의해 형성된 영역을, 제 2 순환 채널 (7) 의 입력부 및 제 1 순환 채널 (6) 의 출력부에서, 포함할 수 있다.
일례로서 그리고 도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 단 하나의 형태의 열전 소자 커플들 대신에, 열전 변환기 (1) 는 제 1 및 제 2 순환 채널 (5 및 6) 사이의 열 교환의 여러 영역들을 정의하기 위해, 적어도 2 개의 별개의 열전 소자 커플들을 포함할 수 있다. 특히, 도 6 에서, 열전 변환기 (1) 는 최적 성능 (우수성의 최대 팩터) 이 정상 상태 온도 범위에 대응하는 3 개의 영역 (T1, T2 및 T3) 을 포함한다 (도 7). 예로서, 열전 변환기 (1) 는 제 2 순환 채널 (6) 의 입력부 및 제 1 순환 채널 (5) 의 출력부 (9) 에 배열된 영역 (T1) 을 포함한다. 이러한 영역 (T1) 은 바람직하게는 흡열 화학 반응에 대한 액체 시약의 증발을 허용하는 영역이다. 이 경우, 이러한 영역은 임의의 열전 소자를 포함하지 않고, 열 전도성 재료에 의해 형성된다. 그것은 일단 증발하면 상기 시약을 사전 가열하도록 의도되고, 또한 열 전도성 재료로 제조된 영역 (T2) 옆에 배열된다. 대안적인 실시형태에서, 영역 (T1 및 T2) 는 합병될 수 있다. 영역 (T3) 은 예를 들어, 반응 혼합물이 제 2 순환 채널의 출력 개구 (11) 쪽으로 이동할 때, 영역 (T2) 의 근처에 저온을 위해 Bi2Te3 로 제조되고, 고온을 위해 SiGe 로 제조된 적어도 2 개의 형태의 열전 소자들을 포함할 수 있다.
또한, 열전 소자 (2a 및 2b) 는 나노 집합체 (nanoaggregate) 들 사이의 계면의 포논 (phonon) 들의 확산에 조력하는 나노 구조 열전 재료에 의해 형성될 수 있으며, 이것은 그들의 열전도성을 상당히 감소시키고 동시에 그들의 열전 성능을 개선하는 것을 가능하게 한다.
제 1 및 제 2 순환 채널은 도 2 및 도 6 에 도시된 것들과 같이 반드시 직선일 필요는 없다. 그들은 다른 형태를 가질 수 있다. 일예로서 그리고 도 8 에 도시된 바와 같이, 그들은 나선형 구성을 가질 수 있다. 그러한 형태는 열 누설응ㄹ 제한하는 것이 가능하기 때문에 바람직하다. 발전기의 가장 고온 지점이 나선의 중심에 있기 때문에, 그것은 외부와 고립된다. 다른 가능한 형태는 토로이드 구성이다. 동일한 방식으로, 열원 및 열 소산기는, 그 표면이 촉매에 의해 커버되고 열 교환을 개선시키도록 의도되는 소위 "콘스트럭탈 (constructal)" 지오메트리에 따라 배열된 채널들 또는 마이크로채널들의 세트에 의해 형성될 수 있다. 트리-구조 형태의 지오메트리들도 또한 사용될 수 있다.
열 소산기를 형성하는 제 2 순환 채널 (5) 은 바람직하게는, 흡열 화학 반응의 생성물이 발열 화학 반응에 대한 시약으로서 사용될 수 있도록, 열원으로 흡열 화학 반응의 생성물들 중 적어도 하나를 다시 향하게 하는 것을 가능하게 하는 한, 흡열 화학 반응을 수행하는 것을 가능하게 하는 임의의 다른 수단에 의해 대체될 수 있다. 예로서, 제 2 순환 채널 (5) 은 바람직하게는 마이크로메트릭 사이즈이고 흡열 화학 반응을 위한 촉매 코팅에 의해 커버된 복수의 구멍을 포함하는, 예를 들어 알루미나 또는 니켈로 제조된 다공성 박막에 의해 대체될 수 있다. 이 경우, 잉크 제트 인쇄와 같은 인쇄 기술에 의해 또는 화학 기상 증착 기술에 의해 촉매의 퇴적이 수행될 수 있다. 제 1 순환 채널 (5) 에 대해서도 동일하다.
흡열 화학 반응의 시약의 도입이 임의의 적합한 수단에 의해 또한 수행될 수 있다. 예를 들어, 시약이 액체인 경우 시약을 주입하는 펌프를 사용하는 것이 가능하다. 다른 해결책은 시약이 액체인 경우 시약을 펌핑하기 위해 발열 화학 반응에 의해 방출된 열을 사용하는 것으로 이루어질 수도 있다. 예시로서, 모세관 내부에서 펌핑되도록 유체를 증발시키는 것으로 구성되는 소위 모세관 펌핑 기술을 사용할 수 있다. 유체-가스 계면에서, 그 후 유체를 흡인하도록 의도된 압력을 생성하는 메니스커스가 형성된다. 반응 가스의 경우, (예를 들어, 부탄의 경우) 그 가스가 압력 하에 있는 경우, 이 압력은 예를 들어 다른 유체를 또한 운반하는 인젝터를 사용함으로써 열 소산기에 시약을 공급하는데 사용될 수 있다.
흡열 화학 반응에 의해 획득된 생성물의 적어도 하나의 부분이 발열 반응에서의 시약으로서 사용되도록 열원으로 다시 향하게 될 수 있는 경우, 발열 화학 반응의 시약의 도입은 또한 임의의 기지의 수단에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 가스 시약을 주입하는 종래의 미니펌프의 사용이 고려될 수 있다. "크누센 (Knudsen)" 타입의 콤프레서 또는 수소 분배 채널들에서 벤츄리 효과 (venturi effect) 에 기초한 펌프를 사용하는 것도 가능하다.
열전 효과에 기초한 발전기는 예를 들어 마이크로 전기 분야에서 사용되고, 큰 열전 소자 밀도를 제공하는 이점, 따라서 큰 전기 에너지의 이점을 갖는 박막의 성막 기술에 의해 수행될 수 있다. 그것은 또한 특히 나노메트릭 사이즈의 분말로부터 (microPIM 으로도 불리는 기술), 또는 열전 재료 소결 또는 브레이징 (brazing) 에 의해, 분말 주입 몰딩 (powder injection molding) 또는 PIM 의 적어도 하나의 단계와 같은 더욱 전통적인 기술에 의해 획득될 수 있다.
특히, 소위 "PIM" 또는 "microPIM" 기술은 사실 대량 생산을 수행하기 위해 고가가 아니면서 복잡한 패턴들로 금속, 세라믹 재료, ... 와 같은 여러 형태의 재료들에 의한 부품들의 형성을 바람직하게는 단 하나의 단계로 수행하는 것을 가능하게 한다. 또한, "PIM" 또는 "microPIM" 방법은 공동-주입 (co-injection) 을 수행하기 위해 여러 재료들을 혼합하는 것을 가능하게 한다. 특히, 동일한 동작으로 분말 형태의 열전 재료로, 열전 소자의 기계적 지지를 형성하도록 의도된 다공성 실리콘 산화물과 같은 약간 전기 전도성 재료의 매트릭스를 제조하는 것이 가능하다. 유체 순환 채널 및 촉매 퇴적은 또한 이러한 동일한 기술에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 동일한 플레이트에:
- 유체 분배 채널들
- 열전 소자들
- 가스-가스 교환기
- 유체 증발기
- 모세관 펌프
를 통합하는 것이 가능하다.
완전한 시스템은 수 개의 플레이트를 포함할 수 있고, 조립은 (곧은 또는 나선의 지오메트리) 은 마지막 소결 단계에서 행해질 수 있다.
특정의 실시형태에 따르면, 도 9 에 도시된 발전기는 실리콘 산화물로 제조된 기계적 지지체 상에 배열되고, 그 열전 특성이:
- λ = 1.5 W/mK,
- ρ = 2.5 mΩ.cm 및
- S = 400 μV/K
으로, 고온 영역과 저온 영역 사이의 600 ℃ 의 평균 온도 (Tm) 에 최적인, SiGe 로 제조된 열전 소자를 포함하는 열전 변환기 (1) 로 제조되었으며, 여기서 λ 는 변환기의 열 전도성이고, ρ 는 변환기의 전기 전도성이며, S 는 변환기의 총 제벡 계수이다.
발전기는 수소의 촉매 연소의 중심이고 열전 변환기의 고온 면 상에 750 ℃ 와 900 ℃ 사이의 온도 (Tc) 를 생성하는 열원 (5) 을 포함한다. 특히, 그것은 코팅된 백금 피복 탄소를 갖는 다공성 알루미나로 제조된 박막으로 구성된다.
발전기는 또한 열전 발전기 (1) 의 저온 면 상에서 722 Wh/kg 의 시약을 흡수할 수 있고, 200 ℃ 와 300 ℃ 사이의 온도 (Tf) 를 갖는, 메탄올 스팀 리포밍 반응의 중심인 열 소산기 (6) 를 포함한다. 특히, 열 소산기는 ZnO 및 CuO 의 나노메트릭 입자들로 코팅된 다공성 알루미나의 박막으로 구성된다.
이러한 발전기에 대해 획득되는 열 구배는 변환기의 터미널에서 약 500 ℃ 내지 600 ℃ 이다. 게다가, 열전 변환기 (1) 는 열 소산기 (6) 의 시약 입력부에 배열된 증발기 (16) 를 포함한다. 벤츄리 펌프 (17) 는 또한 열 소산기 (6)의 출력부와 열원 (5) 의 입력부 사이에 배열되어, 열원 (5) 에 공기를 공급하며, 시약들을 갖는 탱크 (18) 는 열 소산기 (6) 앞에 배열된다.
이러한 발전기에 대해, 저온 플럭스는 물에 대한 증발 제한에 의해 제한된다. 사실, 물 가열 체제 (약 100 W/㎠) 를 초월하여, 메탄올을 리포밍하기 위한 액체 시약 탱크는 가스성 물 막에 의해 열원 (6) 으로부터 고립된다. 따라서, 액체 시약 탱크 (18) 에 의해 흡수될 수 있는 에너지의 최대량은 약 150 W/㎠ 이다. 따라서, 그러한 발전기의 최대 전력 밀도는 연료 셀의 전력 밀도 보다 높은 약 7.5 W/㎠ 이다.
도 9 에 따른 발전기의 파라미터들은 아래의 표에 표시된다.
| 파라미터 | 단위 | 값 |
| 고온 영역의 온도 (Tc) | K | 1073 |
| 저온 영역의 온도 (Tf) | K | 573 |
| 열전 소자의 높이 (H) | M | 가변 |
| 고온 소스의 표면 (Ahs) | M2 | 1.00E-04 |
| 열전 변환기의 총 표면 (Ate) | M2 | 1.00E-04 |
| 열전 소자의 총 표면 (Anp) | M2 | 4.00E-06 |
| SiO2 로 제조된 매트릭스의 열 전도성 (kSiO2) | W/m/K | 0.08 |
| 열전 소자의 열 전도성 (Knp) | W/m/K | 3 |
| 타입 n 의 열전 소자의 제벡 계수 (Sn) | V/K | -4.00E-04 |
| 타입 p 의 열전 소자의 제벡 계수 (Sp) | V/K | 4.00E-04 |
| 정션의 수 (N) | 25 | |
| 열전 소자의 저항률 (Rho) | Ohm.m | 5.00E-05 |
| 열전 소자의 폭 (Ith) | M | 1.00E-03 |
도 10 에 도시된 바와 같이, 도 9 에 도시된 것과 같은 발전기의 전력 밀도가, 가열 체제를 피하고 전력 밀도를 최대화하기 위해, 동작 온도들 (Tc 및 Tf) 에 따라 변환기를 열적으로 디멘젼하기 위해, 3 개의 높이의 열전 소자들: 0.8 mm (곡선 A), 1 mm (곡선 B) 및 2 mm (곡선 C) 에 대해, 온도 (Tc) 에 따라 측정되었다. 따라서, (약 50 % 의 열전 소자 적재율을 갖는) 연구된 변환기에 대해, 열전 소자는 약 750 ℃ 의 Tc 를 얻기 위해 1 mm 의 높이를 가져야 한다. (더 낮은 적재율을 갖는, 다른 재료를 갖는, 그리고 다른 지오메트리 배열을 갖는) 열전 변환기의 다른 구성에 대해, 열전 변환기를 통한 전도 플럭스 φconduction 가 아래의 2 개의 식들:
φconduction = φcold - φSeebeckCold - φjoule
φconduction = φhot - φSeebeckHot + φjoule
에 부합하도록, 상기 변환기의 열적 디멘져닝을 재검사하는 것이 필요하다.
또한, 도 11 에서, 흡열 플럭스 뿐아니라 상기의 예에 따른 발전기에 대한 전력 출력이 흡열 화학 반응에 대한 액체 시약의 질량 흐름에 따라 평가되었다. 최대 전력 밀도 (150 W/㎠) 가 액체 시약의 200 g/h 의 흐름에 대해 획득된다. 이것은 발전기의 전기 에너지의 질량 밀도:
Eelec max = 40 Wh/kg (메탄올 + 물)
를 평가하는 것을 가능하게 한다.
Claims (15)
- 열전 효과에 기초한 발전기로서,
- 발열 화학 반응의 중심이며, 적어도 하나의 시약을 상기 발열 화학 반응에 공급하는 수단 (7) 을 포함하는 열원 (5),
- 흡열 화학 반응의 중심이며, 상기 흡열 화학 반응의 적어도 하나의 생성물을 소개 (evacuating) 하는 수단 (11) 을 포함하는 열 소산기 (6), 및
- 상기 열원 (5) 및 상기 열 소산기 (6) 에 각각 접촉하는 적어도 2 개의 영역 (4a, 4b) 이 제공되는 열전 변환기 (1) 를 적어도 포함하고,
상기 열원에 공급하는 상기 수단 (7) 은 상기 열 소산기를 소개하는 상기 수단 (11) 에 접속되고, 상기 흡열 화학 반응의 상기 생성물은 상기 발열 화학 반응의 상기 시약을 형성하는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 1 항에 있어서,
상기 열원 (5) 및 상기 열 소산기 (6) 는 각각 적어도 제 1 순환 채널 및 제 2 순환 채널에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 순환 채널 및 상기 제 2 순환 채널은 평행한 길이방향 축을 갖고, 상기 열전 변환기 (1) 는 상기 제 1 순환 채널과 상기 제 2 순환 채널 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 순환 채널 및 상기 제 2 순환 채널은 나선형 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 순환 채널 및 상기 제 2 순환 채널의 각각은 상기 제 1 순환 채널 또는 상기 제 2 순환 채널과 각각 연관된 상기 흡열 화학 반응 또는 상기 발열 화학 반응을 위한 촉매 코팅이 제공된 내면을 포함하는 벽에 의해 한계가 정해지는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 소산기 (6) 는 상기 흡열 화학 반응을 위한 촉매 코팅으로 커버된 복수의 구멍을 포함하는 다공성 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 소산기 (6) 를 소개하는 상기 수단 (11) 에 접속된 연료 셀 (12) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 변환기 (1) 는 다음의 식들에 부합하도록 열적으로 디멘젼되는 것을 특징으로 하는 발전기.
φconduction = φcold - φSeebeckCold - φjoule
φconduction = φhot - φSeebeckHot + φjoule
여기서,
- φconduction 은 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로의 상기 열전 변환기를 통한 열 플럭스이고,
- φcold 및 φhot 는 각각 상기 흡열 화학 반응 및 상기 발열 화학 반응에 의해 흡수된 열 플럭스들이며,
- φSeebeckHot 및 φSeebeckCold 는 각각 상기 열원과 접촉하는 상기 영역 (4a) 에서 그리고 상기 열 소산기와 접촉하는 상기 영역 (4b) 에서의 제벡 열 플럭스들이며,
- φjoule 은 상기 열전 변환기에서의 주울 효과에 의해 생성된 열 플럭스이다. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전 변환기 (1) 는 적어도 2 개의 별개의 열전 소자 커플들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된, 열전 효과에 기초한 발전기를 구현하는 방법으로서,
상기 발열 화학 반응의 상기 시약을 형성하는 상기 흡열 화학 반응의 상기 생성물이 수소인 것을 특징으로 하는 발전기 구현 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 발열 화학 반응은 수소의 촉매 연소 반응이고, 상기 흡열 화학 반응은 촉매 리포밍 반응인 것을 특징으로 하는 발전기 구현 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 촉매 리포밍 반응은 구리, 아연, 알루미늄, 지르코늄 및 팔라듐 중에서 선택된 촉매를 사용하여 메탄올 및 물로부터 수행되는 것을 특징으로 하는 발전기 구현 방법. - 제 12 항에 있어서,
200 ℃ 보다 높은 열 구배 (ΔT) 가 상기 열전 변환기 (1) 의 상기 2 개의 영역 (4a, 4b) 사이에 유지되는 것을 특징으로 하는 발전기 구현 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 열원 (5) 과 상기 열 소산기 (6) 가 평행한 길이방향 축을 갖는 제 1 순환 채널 및 제 2 순환 채널에 의해 각각 형성됨에 따라, 제 1 반응 혼합물 및 제 2 반응 혼합물이 각각 상기 제 1 순환 채널 및 상기 제 2 순환 채널을 통해 반대의 방향을 따라 순환하는 것을 특징으로 하는 발전기 구현 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된, 열전 효과에 기초한 발전기를 제조하는 방법으로서,
특히 나노메트릭 사이즈인 분말 주입 몰딩의 적어도 하나의 단계에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는 발전기 제조 방법.
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