KR20230013123A - 할로겐 기반 열-전기화학 변환기 - Google Patents

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Abstract

랭킨 사이클에서 작동하는 전기화학적 직접 열-전기 변환기를 사용하여 전기 에너지를 생성하는 방법이 제공된다. 변환기는 작동 유체, 제1 막 전극 접합체를 포함하는 고온 전기화학 전지, 제2 막 전극 접합체를 포함하는 저온 전기화학 전지, 제1 전기화학 전지에 결합되는 기화기; 상기 제2 전기화학 전지에 결합되는 콘덴서; 및 외부 부하를 포함한다. 방법은 제1막 전극 접합체에서 작동 유체를 액체로 도입하고, 제1막 전극 접합체를 통해 작동 유체를 팽창시켜 증기로 기화시킨 후, 제2막 전극 접합체에서 다시 냉각 및 응축하여 액체로 만드는 방법에 관한 것이다.

Description

할로겐 기반 열-전기화학 변환기
본 출원은 2020년 5월 21일에 출원된 미국 가출원 번호 63/028,125의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 여기에 참조로 포함된다.
열 에너지 또는 화학 에너지를 전기 에너지로 또는 그 역으로 변환하는 것은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 공지된 전기화학 전지 또는 배터리는 산화되는 반응물의 이온 및 전자가 별도의 경로를 통해 환원되는 반응물로 전달되는 화학 반응에 의존한다. 구체적으로, 전자는 외부 부하를 통해 배선을 통해 전기적으로 전달되고 이온은 전해질 분리기를 통해 전도된다.
그러나, 배터리 형태 전기화학 전지는 제한된 양의 에너지만을 생산할 수 있는데, 배터리 케이싱(casing)의 한계가 그 안에 함유될 수 있는 이용 가능한 반응물의 양을 제한하기 때문이다. 이러한 셀은 전극에 역 극성(reverse polarity) 전류/전압을 인가함으로써 재충전되도록 설계될 수 있지만, 이러한 재충전은 별도의 전원을 필요로 한다. 이러한 종래의 배터리 유형 전기화학 전지의 또 다른 단점은 재충전 과정 동안 일반적으로 셀을 사용할 수 없다는 것이다.
연료 전지는 배터리 형태의 전기화학 전지와 관련된 이러한 문제들을 극복하려는 노력의 일환으로 개발되었다. 통상적인 연료 전지에서, 화학 반응물은 전기화학 전지에 연속적으로 공급되고 반응 생성물이 연속적으로 제거된다. 배터리와 유사한 방식으로, 연료 전지는 일반적으로 전자 및 비-이온화된 종의 통과를 차단하는 선택적 전해질을 통해 이온화된 종을 전도하여 작동하므로 전자는 반응을 완료하기 위해 외부에서 전기 부하를 통과해야 한다.
가장 일반적인 유형의 연료 전지는 전극 중 하나를 통해 수소를 통과시키고 다른 전극을 통해 산소를 통과시키는 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM) 수소-산소 연료 전지이다. 수소 이온은 수소-산소 화학 반응의 전압 전위 하에서 양성자 전도성 전해질 분리기 또는 PEM을 통해 전지의 산소 측으로 전도된다. 전해질 분리기 또는 PEM의 어느 한 측에 있는 다공성 전극은 외부 회로를 거쳐 외부 부하를 통해 화학 반응에 관련된 전자를 연결하는 데 사용된다. 전자와 수소 이온은 시스템에서 배출되는 물을 생성하기 위해 전지의 산소 측에 있는 산소와의 반응에서 수소를 재구성한다. 전지에 수소와 산소를 연속적으로 공급하여 연속적인 전류를 유지한다.
기계식 열 엔진은 또한 전력을 생산하기 위해 설계 및 사용되었다. 기계식 열 기관은 열역학 사이클로 작동하는데, 여기서는 축 일(shaft work)이 피스톤 또는 터빈을 이용하여 수행되어 작동 유체를 압축한다. 압축 공정은 저온에서 수행되고, 압축 후에, 작동 유체는 고온으로 상승한다. 고온에서, 작동 유체는 피스톤 또는 터빈과 같은 부하에 대해 팽창되도록 허용되고, 이에 따라 축 일을 생산한다. 작동 유체를 이용하는 모든 엔진 작동의 핵심은 고온에서 작동 유체를 팽창시킴으로써 생산되는 것보다 저온에서 작동 유체를 압축하는데 더 적은 일이 요구된다는 것이다. 이것은 작동 유체를 이용하는 모든 열역학 기관에 해당된다.
예를 들어, 증기 기관은 랭킨(Rankine) 열역학 사이클로 작동하는데, 여기서는 물이 고압으로 펌핑되며, 이후 가열되어 증기로 되고 피스톤 또는 터빈을 통해 팽창되어 일을 수행한다. 내연 기관은 오토(Otto) 사이클로 작동하는데, 여기서는 저온 주위 공기가 피스톤에 의해 압축되고 이후 실린더 내부의 연료 연소를 통해 매우 고온으로 가열된다. 사이클이 계속됨에 따라, 피스톤에 대해 가열된 공기의 팽창은 사이클의 저온 압축 부분 중에 소모되는 것보다 더 많은 일을 생산한다.
스털링(Stirling) 기관은 높은 효율을 갖고 열원의 선택에서 더 많은 다양성을 제공하는 기관을 제공하려는 노력의 일환으로 스털링 사이클로 작동하도록 개발되었다. 이상적인 스털링 열역학 사이클은 고온에서의 열 입력 및 저온에서의 열 방출로 작동하는 기관의 이론적인 최대 효율을 정의하는 이상적인 카르노(Carnot) 사이클과 동등한 효율을 갖는다. 그러나, 모든 기계식 기관처럼, 스털링 기관은 그의 기계적으로 움직이는 부품과 관련된 신뢰성 및 효율 손실을 겪는다.
기계식 열 기관에 내재하는 문제들을 피하려는 노력의 일환으로, 알칼리 금속 열-전기화학 전환(AMTEC) 셀이 열-전기화학 열 기관으로서 고안되었다. AMTEC 열 기관은 나트륨과 같은 이온화 가능한 작동 유체가 고온에서 전기화학 셀을 통과하도록 함으로써 압력을 이용하여 전압 전위 및 전류를 발생시킨다. 전극은 전류를 외부 부하에 연결한다. 전해질 분리기를 가로지르는 압력 차이는 녹은 나트륨 원자가 전해질을 통과하도록 함에 따라 전기적 일이 수행된다. 나트륨은 전해질로 들어올 때 이온화되고, 이에 따라 외부 회로에 전자를 방출한다. 전해질의 다른 측에서는, 전지 및 연료 전지 형태 전기화학 셀에서 일어나는 공정과 거의 동일한 방식으로, 나트륨 이온이 전자와 재결합하여 전해질을 떠날 때 나트륨을 재구성한다. 저압 및 고온에 있는 재구성된 나트륨은 팽창된 기체로서 전기화학 셀을 떠난다. 이 기체는 이후 냉각 및 응축되어 다시 액체 상태로 된다. 얻어지는 저온 액체는 이후 재-가압된다. AMTEC 기관의 작동은 랭킨 열역학 사이클과 유사하다.
AMTEC 기술에 관한 많은 공개문헌이 이용 가능하다. 예를 들어, Conceptual design of AMTEC demonstrative system for 100 t /d garbage disposal power generating facility, Qiuya Ni et al. (Chinese Academy of Sciences, Inst. of Electrical Engineering, Beijing, China)을 참고. 또 다른 대표적인 공개문헌은 Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC), 35th, Las Vegas, NV (July 24-28, 2000), Collection of Technical Papers. Vol. 2 (A00-37701 10-44)이다. 또한, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 190, p. 1295-1299. REPORT NUMBER(S)- AIAA Paper 2000-3032를 참고.
낮은 압력에서 전극을 떠나는 고온 팽창 가스의 냉각 및 재응축 동안 방출된 열은 엔트로피 손실의 상당한 원인을 나타내므로 AMTEC 열 엔진 비효율성을 나타낸다. AMTEC 엔진은 또한 알칼리 금속 작동 유체의 부식성이 강한 특성으로 인해 신뢰성 문제를 겪고 있다. AMTEC 열 기관은 알칼리 금속 작동 유체의 높은 부식성 때문에 신뢰성 문제를 겪는다. 이들은 또한 매우 제한된 유용성을 갖는다. 구체적으로, AMTEC 기관은 매우 고온에서만 작동할 수 있는데, 이온 전도성 고체 전해질이 고온에서만 실용적인 전도성 수준을 달성하기 때문이다. 실제로, 심지어 저온 가압 공정도 상대적으로 고온에서 일어나야 하는데, 알칼리 금속 작동 유체가 사이클을 통해 이동할 때 항상 그 녹는 온도를 계속 초과하여야 하기 때문이다. 기계식 펌프, 심지(wicks) 및 심지어 전자-유체(magneto-hydrodynamic) 펌프가 저온 작동 유체를 가압하는데 사용되었다.
통상적인 기계식 및 열-전기화학 열 기관의 상술한 결점을 극복하려는 노력의 일환으로, 2003년 4월 28일에 출원된 미국 특허 제7,160,639호, 2015년 8월 10일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2015/044435 및 2016년 3월 9일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2016/21508에 개시된 바와 같이 존슨(Johnson) 열-전기화학 변환기(JTEC) 시스템이 개발되었고, 3개 문서의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
JTEC의 보다 최근의 개발은 막 전극 접합체 및 변환기 내에서 일정한 규정된 압력 비율을 유지하도록 작동하는 제어 회로를 갖는 전기화학적 직접 JTEC에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 여분의 수소는 변환기의 고압측으로 펌핑되고, 추가로 펌핑된 수소는 멤브레인 전극 접합체 스택의 멤브레인을 통한 분자 수소 확산으로 인한 정상적인 압력 손실을 보상한다. 분리막 멤브레인을 통한 분자 수소의 확산은 시간이 지남에 따라 출력 밀도의 상당한 감소를 나타낸다. 확산이 막 전극 접합체의 전극에 걸친 압력 차이를 감소시켜 출력 전압을 감소시키기 때문이다. 분자 수소의 확산은 또한 고압에서 저압으로 확산되는 수소 분자가 전력을 생성하기 위한 전기화학 반응을 거치지 않고 발생하기 때문에 효율성 감소를 유발한다. 따라서 막 전극 접합체와 제어 회로는 변환기 내에서 규정된 압력 비율을 일정하게 유지하도록 작동한다.
JTEC에 대한 일반적인 도전은 넓은 막 전극 접합체 표면적에 대한 필요성인데, 이는 유용한 수준의 전력이 달성되어야 한다면 각각의 막 전극 접합체당 이용 가능한 작은 전압 수준을 보완하기 위해 높은 수준의 전류가 필요하기 때문이다. 결과적으로 기존의 JTEC 시스템은 제조하기 어려울 수 있다. 따라서 막 전극 접합체 쌍당 더 높은 전압(전위)을 제공하는 JTEC에 대한 필요성이 남아 있다.
에너지 수요가 계속 증가함에 따라 화석 연료는 여전히 에너지 자원에서 지배적인 역할을 한다. 이에 대한 연구는 특히 저급 폐열을 사용하여 에너지 손실을 최소화하여 연료 소비를 줄이고 궁극적으로 더 높은 변환 효율을 달성하는 것과 관련하여 큰 수요가 있다. 이를 위해 잘 알려진 시스템의 최적화는 발전을 위한 경로를 제공할 수 있다. 유기 랭킨 사이클(organic Rankine cycle), 칼리나 사이클(Kalina cycle), 및 초임계 사이클(Supercritical cycle)과 같은 오늘날 이용 가능한 기술 중에서, 유기 랭킨 사이클은 동일한 열에 대해 15~50% 더 많은 전력 출력을 생성할 수 있는 유일한 사이클이며 주로 낮은 유지 보수로 전력을 생성하기 위한 저온 열 회수에 적합하다는 것은 잘 알려져 있다. D. Huijuan Chen, Yogi Goswami, Elias K. Stefanakos, "A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat" Renew Sustain Energy Rev., vol. 14, pp. 3059-3067 (2010)를 참조.
실제로, 랭킨 사이클은 태양 에너지, 바이오매스 에너지 및 지열과 같은 다양한 저급 열 에너지를 재활용하는 것으로 널리 알려져 있으며 성능은 일반적으로 구체적인 작동 유체 특성과 관련이 있다. 그러나 일부 연구자들은 작동 유체가 하이브리드 시스템의 경로로 이어지는 주기의 효율성과 거의 관련이 없다고 주장하였다. A. Perna, M. Minutillo, E. Jannelli, "Investigations on an advanced power system based on a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell and an organic Rankine cycle for heating and power production" Energy, vol. 88, pp. 874-884 (2015)를 참조.
그러나 연료 전지와 랭킨 사이클을 포함하는 하이브리드 시스템은 아직 근본적인 기술로 구체화되지 않았다. 실제로 인산계 연료전지는 낮은 출력밀도와 높은 제조원가에도 불구하고 나피온계 연료전지에 비해 내구성과 체계가 높고 작동온도 범위가 넓어 가장 상용화된 것으로 평가받고 있다. H. Ito, "Economic and environmental assessment of phosphoric acid fuel cell-based combined heat and power system for an apartment complex", Int'l . J Hydrogen Energy, vol. 42, pp. 15449-15463 (2017); and S. Wang, S.P. Jiang, "Prospects of fuel cell technologies" National Science Review, vol. 4, pp. 163-166 (2017)를 참조. 랭킨 사이클과 결합할 때 이러한 성능은 실제 작동 및 설계에 대한 한계를 제안하는 열역학 제1법칙을 사용하여 평가되었다. "Doosan fuel cell to verify using ORC with PAFC" Fuel Cell Bulletin, p. 1 (2019)를 참조. 본 발명의 변환기는 이러한 문제점들을 회피한다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시할 목적으로, 여기서 바람직한 실시형태가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배치 및 수단에 제한되지 않는 것으로 이해된다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열-전기화학 변환기의 도면이다;
도 2는 도 1에 도시된 열-전기화학 변환기의 작동 구성의 개략도이다; 및
도 3은 도 1에 도시된 열-전기화학 변환기의 막 전극 접합체 및 하우징의 분해도이다.
특정 용어가 다음의 설명에 편의상으로만 사용되고 제한되지 않는다. 용어 "근위(proximal)", "원위(distal)", "위쪽으로", "아래쪽으로", "하부" 및 "상부"는 참고가 이루어진 도면에서 방향을 지정한다. 용어 "안쪽으로" 및 "바깥쪽으로"는 각각 본 발명에 따른 장치 및 이의 지정된 부품의 기하학적 중심 쪽으로 및 그로부터 멀어지는 방향을 말한다. 여기서 구체적으로 기재되지 않는 한, 용어 "a", "an" 및 "the"는 하나의 구성요소에 제한되지 않지만, 대신에 "적어도 하나의"를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 용어는 상기에서 언급된 용어, 그 파생어 및 유사한 용어를 포함한다.
또한, "제1", "제2" 및 이들과 유사한 것과 같은 용어는 명확성의 목적을 위해서만 제공되는 것으로 이해될 것이다. 이들 용어에 의해 특정된 구성요소 또는 부품, 및 이들의 작동은 용이하게 바뀔 수 있다. 또한, MEA 셀 어레이와 MEA 셀 스택은 혼용되어 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 직접 가열 전기 변환기(10)가 도시되어 있다. 전기화학적 직접 열-전기 변환기(10)는 제1 온도에서 작동하는 제1 전기화학 전지(100), 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 작동하는 제2 전기화학 전지(110), 제1 전기화학 전지(100)와 제2 전기화학 전지(110)를 연결하는 도관 시스템(112), 및 도관 시스템(112) 내부에 포함되어 이를 통해 이동하는 작동 유체의 공급원을 포함한다. 각각의 전기화학 전지(100, 110)는 하나 이상의 막 전극 접합체를 포함한다. 일 실시예에서, 변환기(10)는 저온 전기화학 전지(100)와 고온 전기화학 전지(110)를 함께 연결하는 열교환기(미도시)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 작동 유체는 할로겐 및 황으로 구성된 그룹에서 선택된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 작동 유체는 바람직하게는 브롬(bromine) 또는 요오드화물(iodide)과 같은 할로겐이다. 다른 실시예에서, 작동 유체는 바람직하게는 황이다.
보다 구체적으로, 도 1을 참조하면, 제1 전기화학 전지(100)는 저온 히트 싱크 QL(즉, 냉원)에 결합된 제1 막 전극 접합체(MEA)(116)를 포함한다. 이와 같이, 제1 MEA(116)는 저온 MEA이고 제1 전기화학 전지(100)는 변환기(10)의 저온측을 나타낸다. 제2 전기화학 전지(110)는 고온 열원(QH)에 연결된 제2 MEA(118)를 포함한다. 이와 같이, 제2 MEA(118)는 고온 MEA이고, 제2 전기화학 셀(110)은 변환기(10)의 고온측을 나타낸다. 작동 중에, 냉각은 제1 MEA(116)에 공급되고 열은 제2 MEA(118)에 공급된다.
변환기의 저온측(100) 및 고온측(110) 모두에 MEA(116, 118)의 어레이 또는 스택이 존재할 수 있다. MEA(116, 118)는 예를 들어 더 높은 전체 출력 전압을 달성하기 위해 직렬로 연결되거나 더 높은 전체 출력 전류를 달성하기 위해 병렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 MEA(116, 118)는 도 2에 도시된 바와 같이 외부 부하(115)와 전기적으로 직렬로 배열된다. 또한, 제1 및 제2 MEA(116, 118)는 폐쇄 루프 내에서 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
각각의 MEA(116, 118)는 작동 유체의 이온을 전도할 수 있는 비다공성 막(120) 및 비다공성 막(120)의 반대편에 위치한 전자를 전도할 수 있는 다공성 전극(122)을 포함한다.
막(120)은 이온 전도성 막 또는 양성자 전도성 막인 것이 바람직하다. 막(120)은 바람직하게는 대략 0.1㎛ 내지 500㎛, 보다 바람직하게는 대략 1㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는다. 보다 구체적으로, 막(120)은 바람직하게는 양성자 전도성 물질, 보다 바람직하게는 폴리머 양성자 전도성 물질 또는 세라믹 양성자 전도성 물질로 제조된다. MEA(116, 118)의 막(120)은 반드시 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 주어진 MEA 116, 118에 대해 선택된 재료는 의도된 작동 온도에 따라 달라진다. 일 실시예에서, 막(120)은 Hori 등의 미국 특허 제4,927,793호에 개시된 바와 같이 일반식 Nax Aly Ti3 + x-y Ti4 + 8-x O16으로 표시되는 화합물을 포함하는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 이 물질이 넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 양성자 전도성을 나타내기 때문이다. 그러나, 원하는 온도 범위에 걸쳐 적절한 양성자 전도성을 나타내는 임의의 재료, 바람직하게는 임의의 폴리머 또는 세라믹 재료가 막(120)을 형성하는 데 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 막(120)은 하이드로늄 베타(hydronium beta) '' 알루미나로 형성된다.
각각의 MEA(116, 118)의 전극(122)은 바람직하게는 약 0.1㎛ 내지 1cm, 보다 바람직하게는 약 10㎛ 정도의 두께를 갖는 얇은 전극이다. 각각의 MEA(116, 118)의 다양한 구성요소(즉, 전극(122) 및 막(120))에 대해 상이한 재료를 사용하면 재료 사이의 열 팽창 계수의 차이로 인해 매우 높은 열 응력이 발생할 수 있다. 따라서, MEA(116, 118)의 전극(122)은 바람직하게는 막(120)과 동일한 재료로 구성되거나 형성된다. 그러나, 전극(122)은 바람직하게는 다공성 구조인 반면, 막(120)은 바람직하게는 비다공성 구조이다. 또한, 전극(122)과 막(120)은 열팽창 계수가 유사한 서로 다른 물질로 형성될 수 있음을 이해할 것이다.
일 실시예에서, 다공성 전극(122)은 추가 물질(들)로 도핑되거나 주입되어 전자 전도성 및 촉매 물질을 제공할 수 있고, 작동 유체의 산화 및 환원을 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 MEA는 다음과 같이 형성된다. 작동 유체, 바람직하게는 브롬의 이온을 전도할 수 있는 고체 전해질 재료가 디스크로 형성된다. 이온 전도성 디스크는 기체 및 액체에 대해 불투과성이다. 고체 전해질 디스크의 각 면은 고체 전해질 디스크의 표면에서 전기화학 반응을 촉진하도록 설계된 전극 재료 및 전류 수집기로 코팅되어 MEA(116, 118)를 생성한다.
도 3을 참조하면, 각각의 MEA(116, 118)는 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(140) 내에 위치된다. 각각의 하우징(140)은 유리 또는 내부 유리 라이닝 층이 제공되는 금속(예를 들어, 스테인레스 스틸)과 같은 다른 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 할로겐 또는 황과 접촉할 때 안정적인 것으로 알려지거나 발견된 다른 재료가 하우징(140)을 형성하는 데 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
변환기(10)는 바람직하게는 기화기(142) 및 콘덴서(144)를 더 포함한다. 보다 구체적으로, 변환기(10)의 고온 MEA(118)에 해당하는 고온측은 기화기(142)를 포함하거나 이에 연결되며, 반면 저온 MEA(116)에 해당하는 저온측은 콘덴서(144)를 포함하거나 이에 결합된다.
본 발명의 변환기(10)는 작동 유체가 증발 및 응축되는 기상 사이클에서 작동한다. 보다 구체적으로, 변환기(10)는 랭킨 사이클에서 동작한다. 제한된 수의 유체만이 랭킨 사이클에서 실행 가능한 활용에 필요한 화학적, 환경적, 열역학적 및 안전 특성의 조합을 갖는다는 것은 기술 분야에서 잘 받아들여져 왔다. 예를 들어, McLinden et al., Nat. Commun., 8 (2017), Article 14476를 참조. 이는 일부 작동 유체가 냉각 사이클에서 우수한 열역학적 성능을 나타내는 반면, 환경 또는 안전 특성으로 인해 사용이 어려워 전력 생산 사이클에서 성능이 낮은 다른 유체를 사용해야 하기 때문이다. 특히 브롬은 오존층 파괴 가능성이 높기 때문에 일반적으로 랭킨 사이클에서 활용하는 것으로 고려되지 않았다. 그러나, 본 발명의 변환기에서 브롬의 높은 오존 파괴 가능성과 관련된 위험은 변환기가 폐쇄 시스템으로 작동하기 때문에 무시할만하다는 것이 발견되었다.
작동 중에, 변환기(10)의 일측은 액체인 작동 유체로 완전히 채워지는 반면, 변환기(10)의 타측은 액체인 작동 유체로 부분적으로만 채워진다. 고온 MEA(118)에서 액상 작동 유체는 초기에 고온 고압 상태에 있다. 작동 유체가 고온 고압 상태에서 고온 저압 상태로 고온 MEA(118)를 가로질러 팽창함에 따라 전력이 생성된다. 열(QH)은 박막 멤브레인(thin film membrane)(120)에 공급되어 거의 일정한 온도 팽창 프로세스를 달성한다. 변환기(10)의 고온 측에서, 액상 작동 유체는 또한 기화기(142)에 의해 증기상으로 기화된다. 작동 유체는 이어서 펌핑되거나 증기로서 저온 MEA(116)로 이송된다. 저온 MEA(116)에서는 전기 에너지가 공급되어 증기상 작동 유체를 저온 저압 상태에서 저온 고압 상태로 펌핑한다. 압착 과정에서 양성자 전도막(120)의 열(QL)을 제거하여 작동유체의 온도를 냉각시킨다. 변환기(10)의 저온측에서 기상 작동 유체는 콘덴서(144)에 의해 다시 액체, 특히 고압 액체로 응축된다. 고압 액상 작동 유체는 사이클이 계속됨에 따라 고온 MEA(118)로 다시 펌핑된다. 따라서 본 발명의 변환기(10)는 폐쇄 루프 엔진이고 랭킨 사이클을 사용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 액체를 펌핑하는 것은 가스를 압축하는 것과 비교하여 매우 적은 작업을 필요로 하기 때문에, 랭킨 사이클에 대한 역작업 비율은 더 높은 전체 장치 전압을 허용하므로 유리한 것으로 간주된다. 또한 작동 유체의 끓는점이 상대적으로 낮기 때문에 장치 전압은 폐열 온도(즉, 100oC 내지 200oC 사이)에서도 더 높을 수 있다.
당업자라면 전술한 실시예에 대해 넓은 발명적 개념을 벗어나지 않고 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에서 수정을 포함하도록 의도된다는 것이 이해된다.

Claims (8)

  1. 할로겐 및 황으로 구성된 그룹에서 선택되는 작동 유체;
    히트싱크 및 히트싱크의 온도보다 높은 온도에 있는 열원;
    작동 유체가 가로질러 흐르도록 구성된 제1 막 전극 접합체를 포함하고, 상기 제1 막 전극 접합체는 제1 다공성 전극, 제2 다공성 전극 및 상기 제1 및 제2 다공성 전극 사이에 샌드위치된 적어도 하나의 이온 전도성 막을 포함하며, 열원에 결합되는 제1 전기화학 전지;
    작동 유체가 가로질러 흐르도록 구성된 제2 막 전극 접합체를 포함하고, 상기 제2 막 전극 접합체는 제1 다공성 전극, 제2 다공성 전극 및 상기 제1 및 제2 다공성 전극 사이에 샌드위치된 적어도 하나의 이온 전도성 막을 포함하며, 히트싱크에 결합되는 제2 전기화학 전지;
    상기 제1 전기화학 전지에 결합되는 기화기;
    상기 제2 전기화학 전지에 결합되는 콘덴서; 및
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지와 직렬로 연결되는 외부 부하를 포함하고,
    여기서 상기 작동 유체는 상기 제1 막 전극 접합체에 액체로 도입되어, 제1 막 전극 접합체가 전압을 발생시키도록, 상기 제1 막 전극 접합체를 통해 팽창하고, 증기상으로 기화되며, 및
    여기서 작동 유체는 증기상에서 제2 막 전극 접합체에 도입되고 냉각되며 다시 액체 상태로 응축되는 전기화학적 직접 열-전기 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체는 브롬(bromine) 및 요오드화물(iodide) 중 하나인 전기화학적 직접 열-전기 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 작동 유체는 브롬인 전기화학적 직접 열-전기 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는 랭킨 사이클(Rankine cycle)에서 작동하도록 구성되는 전기화학적 직접 열-전기 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 막 전극 접합체 각각은 유리를 포함하는 하우징 내에 위치되는 전기화학적 직접 열-전기 변환기.
  6. 전기화학적 직접 열-전기 변환기를 사용하여 열을 전기 에너지로 생성하는 방법으로서, 상기 변환기는:
    할로겐 및 황으로 구성된 그룹에서 선택되는 작동 유체;
    히트싱크 및 히트싱크의 온도보다 높은 온도에 있는 열원;
    작동 유체가 가로질러 흐르도록 구성된 제1 막 전극 접합체를 포함하고, 제1 막 전극 접합체는 제1 다공성 전극, 제2 다공성 전극 및 상기 제1 및 제2 다공성 전극 사이에 샌드위치된 적어도 하나의 이온 전도성 막을 포함하며, 열원에 결합되는 제1 전기화학 전지;
    작동 유체가 가로질러 흐르도록 구성된 제2 막 전극 접합체를 포함하고, 제2 막 전극 접합체는 제1 다공성 전극, 제2 다공성 전극 및 상기 제1 및 제2 다공성 전극 사이에 샌드위치된 적어도 하나의 이온 전도성 막을 포함하며, 히트싱크에 결합되는 제2 전기화학 전지;
    상기 제1 전기화학 전지에 결합되는 기화기;
    상기 제2 전기화학 전지에 결합되는 콘덴서; 및
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지와 직렬로 연결되는 외부 부하를 포함하고,
    상기 방법은
    액체인 작동 유체로 변환기의 한쪽을 완전히 채우고 액체인 작동 유체로 변환기의 다른 쪽을 부분적으로 채우는 단계,
    상기 제1막 전극 접합체에 작동 유체를 액체로 도입하여, 제1 막 전극 접합체가 전압을 발생시키도록, 상기 제1 막 전극 접합체를 통해 상기 액체가 팽창하고, 기화기에 의해 증기상으로 기화되는 단계, 및
    상기 제2막 전극 접합체에서 작동 유체를 증기로 도입하고 상기 증기를 다시 냉각 및 응축하여 액상으로 만드는 단계에 의하여 랭킨 사이클(Rankine cycle)에서 변환기를 작동하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 작동 유체는 브롬 및 요오드화물 중 하나인 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 작동 유체는 브롬인 방법.
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