WO2015160151A1 - 열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 - Google Patents

열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템 Download PDF

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WO2015160151A1
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electrolyte
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강태준
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부산대학교 산학협력단
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric device and a thermoelectric system including the same, and more particularly, to a thermoelectric device and a thermoelectric system including the same by using a liquid electrolyte to convert the thermo-electric energy at a temperature difference between both ends.
  • Thermoelectric element is a device using the thermoelectric effect represented by the interaction between heat and electricity, the device using the Seebeck effect that generates electrical energy by the temperature difference, the phenomenon that heat absorption / generation occurs by the applied electrical energy.
  • Used Peltier elements Thermoelectric devices are widely used in a wide range of industries such as space, aviation, semiconductors, and power generation.
  • thermoelectric element technology that collects waste heat and converts it into electrical energy has been attracting attention.
  • Thermocouples also known as thermogalvanic cells or thermal electrochemical cells, are power generation mechanisms based on the temperature dependence of the electrochemical redox potential of the electrolyte, direct conversion of thermo-electric energy, simple components, It has the advantages of semi-permanent durability, low maintenance cost and no carbon emissions. Therefore, the thermal cell technology is reported as the most effective coping technology for waste heat energy recovery. In particular, since it has the advantage of efficiently absorbing the waste heat of 100 ° C or less on the basis of mechanical flexibility and low production cost, researches for improving the efficiency of thermoelectric devices using thermoelectric electrolytes have been actively conducted recently.
  • thermoelectric device that can be variously applied to solar cells, automotive cooling devices, etc. by having a flow cell structure.
  • Another object of the present invention is to provide a thermoelectric system utilizing a thermoelectric device capable of additionally producing electric power while being used as a solar cell or an automobile cooling device.
  • thermoelectric device in one aspect, includes a flow channel portion through which a liquid electrolyte flows, a first electrode disposed in one region of the flow channel portion, and a second electrode disposed in the flow channel portion in a region different from the one region. Wherein the liquid electrolyte is redoxed at a temperature difference between the first electrode and the second electrode.
  • thermoelectric device may further include an electrolyte transporter for flowing the liquid electrolyte.
  • thermoelectric device may further include an electrolyte cooling unit for lowering the temperature of the liquid electrolyte.
  • the liquid electrolyte may include hexacyano iron trivalent anion (Fe (CN) 6 3- ) and hexacyano iron tetravalent anion (Fe (CN) 6 4- ).
  • thermoelectric system in another aspect, includes a heat generating device, a flow channel portion connected to the heat generating apparatus and a liquid electrolyte flows, a first electrode disposed in one region of the flow channel portion, and the flow channel portion; And a thermoelectric device including a second electrode disposed at a region different from one region, wherein the liquid electrolyte is redox-reduced by a temperature difference between the first electrode and the second electrode.
  • thermoelectric system may further include an electrolyte cooling device connected to the thermoelectric device to lower the temperature of the liquid electrolyte.
  • the heat generating device is a solar cell
  • the thermoelectric device may be a water-cooled cooler
  • the liquid electrolyte is a cooling water for cooling the solar cell.
  • the heat generating device is a vehicle engine
  • the liquid electrolyte may be a cooling water for cooling the engine of the vehicle.
  • a simple flow cell without any limitation in the form of a channel flow path part can be manufactured using a thermoelectric device including a flow channel part through which a liquid electrolyte flows.
  • a thermoelectric device including a flow channel part through which a liquid electrolyte flows.
  • at least one hot electrode and at least one cold electrode may be freely disposed at any position of the flow channel portion.
  • the liquid electrolyte may be variously used as a water-cooled cooler of a solar cell or a cooling device of an automobile engine so as to serve as cooling water.
  • thermoelectric device the temperature of the liquid electrolyte may be kept constant, and in the thermoelectric system, the thermoelectric device may be used as a cooling device, and at the same time, additional electrical energy may be produced, thereby increasing power output of the thermoelectric system.
  • thermoelectric device 1 is a conceptual diagram illustrating a flow type thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 2A, 2B, and 2C are diagrams for exemplarily describing a structure of the thermoelectric device described with reference to FIG. 1.
  • thermoelectric system 3 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention in which a thermoelectric device of a flow type and a heat generating device are hybridized.
  • thermoelectric system 4A and 4B are diagrams for exemplarily describing a structure of the thermoelectric system described with reference to FIG. 3.
  • thermoelectric system including a solar cell as a heat generating device.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • thermoelectric device 1 is a conceptual diagram illustrating a flow type thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the thermoelectric device 100 includes a flow channel portion 110, a first electrode 120, and a second electrode 130 through which a liquid electrolyte flows.
  • the liquid electrolyte undergoes an oxidation-reduction reaction due to the temperature difference between the first electrode 120 and the second electrode 130.
  • the flow channel part 110 is a path through which the liquid electrolyte flows, and forms a channel between the first electrode 120 and the second electrode 130.
  • the shape of the flow channel portion 110 is not limited in the present invention.
  • the flow channel portion 110 may be in the form of a pipe through which the liquid electrolyte may continuously flow, or may be in the form of a box in which the liquid electrolyte may be circulated therein.
  • the first electrode 120 is disposed in one region of the flow channel part 110, and the second electrode 130 is disposed in a region different from the region in which the first electrode 120 is disposed. That is, each of the first electrode 120 and the second electrode 130 need only be provided in the flow channel part 110 to be in contact with the liquid electrolyte, and the position thereof is not limited to a specific position.
  • One of the first electrode 120 and the second electrode 130 becomes a hot electrode having a higher temperature than the other electrode, and the other electrode becomes a cold electrode.
  • the first electrode 120 is a hot electrode and the second electrode 130 is a cold electrode will be described.
  • the liquid electrolyte adjacent to the first electrode 120 is oxidized.
  • the first electrode 120 receives electrons from the liquid electrolyte, and electrons are provided to an external load connected to the first electrode 120 to provide power. Produced.
  • the electrons are transferred to the second electrode 130 connected to the external load.
  • the second electrode 130 provides electrons to the oxidized liquid electrolyte to reduce the liquid electrolyte.
  • the liquid electrolyte is electrically balanced through the oxidation / reduction reaction of the liquid electrolyte by the first electrode 120 and the second electrode 130.
  • the liquid electrolyte may include hexacyano iron trivalent anion (Fe (CN) 6 3- ) and hexacyano iron tetravalent anion (Fe (CN) 6 4- ).
  • the first electrode 120 is provided with electrons emitted while the trivalent anion (Fe (CN) 6 3- ) is generated, and the second electrode 130 receives electrons with hexacyano iron tetravalent anion (Fe). (CN) 6 4- ).
  • the thermoelectric device 100 may further include an electrolyte transport unit 140.
  • the electrolyte transporter 140 may be connected to the flow channel part 110 to flow the liquid electrolyte.
  • the electrolyte transport unit 140 may be a pump.
  • the thermoelectric device 100 may further include an electrolyte cooling unit 150.
  • the temperature of the first electrode 120 is increased by receiving external heat, and the liquid electrolyte heated by the first electrode 120 may be lowered while passing through the electrolyte cooling unit 150.
  • the liquid electrolyte that has passed through the electrolyte cooling unit 150 may be provided to the second electrode 130.
  • the electrolyte cooling unit 150 may be a heat radiating device, for example, it may be a radiator.
  • thermoelectric device 2A, 2B, and 2C are diagrams for exemplarily describing a structure of the thermoelectric device described with reference to FIG. 1.
  • the electrolyte transport unit 140 and the electrolyte cooling unit 150 described with reference to FIG. 1 may be connected to the flow channel part 110 of FIGS. 2A, 2B, and 2C, respectively.
  • 2A, 2B, and 2C the arrangement structure of the flow channel part 110 and the first and second electrodes 120 and 130 will be briefly described. It is not limited to the example.
  • thermoelectric device 101 illustrated in FIG. 2A may include first and second electrodes 120 and 130 disposed at both sides of the channel channel part 110, and may be disposed to face each other.
  • first and second electrodes 120 and 130 are disposed on both sides of the flow channel part 110, but they may be disposed to be offset from each other.
  • the first electrode 120 and the second electrode 130 may be arranged in a line along the flow direction of the liquid electrolyte.
  • a liquid electrolyte in contact with the first electrode 120 may be provided as the second electrode 130 and the liquid electrolyte in contact with the second electrode 130 may be the first electrode.
  • the first and second electrodes 120 and 130 may be disposed at two arbitrary positions of the flow channel unit 110, and may be configured to provide a simple flow cell.
  • the thermoelectric device 103 may include a flow channel unit 110, a first electrode 120, a second electrode 130, and a separation member 160.
  • the first electrode 120 and the second electrode 130 are disposed to face each other with the separating member 160 in the center.
  • the first and second electrodes 120 and 130 may be insulated from each other by the separating member 160.
  • the flow direction of the liquid electrolyte in the flow channel part 110 is provided with the liquid electrolyte in contact with the first electrode 120 as the second electrode 130 and the liquid electrolyte in contact with the second electrode 130 is the first electrode. Set to 120.
  • thermoelectric device 100 has an advantage in that the shape of the channel flow path part 110 is not limited and the arrangement of the first and second electrodes 120 and 130 is free. have.
  • the temperature of the liquid electrolyte may be kept constant.
  • the liquid electrolyte may be variously used as a water-cooled cooler of a solar cell or a cooling device of an automobile engine so as to serve as a cooling water.
  • the power production efficiency of the thermoelectric device 100 may be improved.
  • the thermoelectric system 500 to which the thermoelectric device 100 according to the present invention is applied will be described in detail with reference to FIG. 3, and examples of the thermoelectric system 500 will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. do.
  • thermoelectric system 3 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric system according to an embodiment of the present invention in which a thermoelectric device of a flow type and a heat generating device are hybridized.
  • the thermoelectric system 500 includes a thermoelectric device including a flow channel unit 110, first and second electrodes 120 and 130, and an electrolyte transport unit 140, and a heat connected to the thermoelectric device.
  • the generator 200 is included.
  • the thermoelectric system 500 may further include an electrolyte transport unit 140 for allowing the liquid electrolyte to flow in the flow channel channel unit 110 and / or an electrolyte cooling unit 150 for cooling the liquid electrolyte. Except for the heat generating device 200, since it is substantially the same as that described in FIG.
  • the heat generating device 200 transmits heat to the first electrode 120 which is a hot electrode as a heat source of the thermoelectric device.
  • the heat generating device 200 may be disposed adjacent to the first electrode 120 to effectively receive the heat emitted by the heat generating device 200.
  • the heat generating device 200 refers to any device that emits heat to the outside.
  • a solar cell, the engine for automobiles, etc. are mentioned.
  • the heat generator 200 is a solar cell or an automobile engine, the heat generator 200 emits heat while converting energy, and the waste heat at this time may be transferred to the thermoelectric device.
  • the liquid electrolyte flowing through the flow channel unit 110 may be heated and oxidized (or reduced) in the first electrode 120 and then cooled in the electrolyte cooling unit 150 to be provided to the second electrode 130.
  • the liquid electrolyte that is reduced (or oxidized) and cooled in contact with the second electrode 130 may be provided to the heat generating device 200 to lower the temperature of the heat generating device 200.
  • the liquid electrolyte flowing through the path as described above may be used as cooling water for cooling the heat generating device 200.
  • the thermoelectric device may generate additional power due to the temperature difference between the first electrode 120 and the second electrode 130.
  • thermoelectric system 4A and 4B are diagrams for exemplarily describing a structure of the thermoelectric system described with reference to FIG. 3.
  • the electrolyte transporter 140 described with reference to FIG. 3 may be connected to the flow channel part 110 of each of FIGS. 4A and 4B. 4A and 4B, the arrangement of the thermoelectric device and the heat generating device 200 will be briefly described. However, these are merely examples and are not limited to the embodiments shown.
  • thermoelectric system 501 illustrated in FIG. 4A the heat generating device 200 and the electrolyte cooling unit 150 are connected to the channel channel unit 110, and the first electrode 120 is connected to the channel channel unit 110. And the second electrode 130 is disposed. The first electrode 120 and the second electrode 130 may be disposed at any position of the flow channel unit 110.
  • the first electrode 120 may be disposed adjacent to the heat generating device 200 such that a liquid electrolyte heated by heat emitted by the heat generating device 200 may be provided as a hot electrode. As the first electrode 120 is disposed adjacent to the heat generating device 200, the temperature of the first electrode 120 is increased.
  • the second electrode 130 may be disposed adjacent to the electrolyte cooling unit 150 so that the liquid electrolyte may be provided to the second electrode 130 after being cooled to some extent by the electrolyte cooling unit 150. . Since the temperature of the second electrode 120 is lower as the second electrode 130 is disposed adjacent to the electrolyte cooling unit 150, the temperature difference between the first electrode 120 and the second electrode 130 may be maximized. have.
  • thermoelectric system 502 illustrated in FIG. 4B the heat generating device 200 and the electrolyte cooling unit 150 are connected to the channel channel unit 110, and the first electrode 120 is connected to the channel channel unit 110.
  • the second electrode 130 are disposed, and the first electrode 120 and the second electrode 130 interpose the separating member 160.
  • the liquid electrolyte heated by the heat emitted by the heat generating device 200 is provided to the second electrode 130 via the electrolyte cooling unit 150 after contacting the first electrode 120 which is a hot electrode.
  • the liquid electrolyte may be provided to the heat generating device 200 in a cooled state after being provided to the second electrode 130 to cool the heat generating device 200.
  • thermoelectric system 500 there is no limitation in the shape of the channel flow path part 110 and the arrangement of the first and second electrodes 120 and 130 is free, thereby generating a heat generating device.
  • the connection between the 200 and the thermoelectric device is easy. Therefore, the liquid electrolyte may be used in various ways such as a water-cooled cooler of a solar cell or a cooling device of an automobile engine so as to serve as a cooling water.
  • the power production efficiency of the thermoelectric device may be improved.
  • thermoelectric system including a solar cell as a heat generating device.
  • thermoelectric system includes a thermoelectric device including a channel channel part 110, first and second electrodes 120 and 130, and an electrolyte transport part 140, and a thermoelectric device connected to the thermoelectric device.
  • Solar cell 201 The solar cell 201 is disposed on the first electrode 120, and waste heat generated when the solar cell 201 converts sunlight into electrical energy may be transmitted to the first electrode 120.
  • the first and second electrodes 120 and 130 face each other with the passage channel part 110 interposed therebetween, but the arrangement thereof is not particularly limited as described with reference to FIG. 1.
  • the thermoelectric device may be a water-cooled cooler disposed on a rear surface of the solar cell 201 to cool the solar cell 201 with a liquid electrolyte. At the same time, the thermoelectric device absorbs the waste heat of the solar cell 201 to produce additional power in addition to the power produced by the solar cell 201.
  • thermoelectric system substantially the same as the thermoelectric system shown in FIG. 5 was constructed in a laboratory, and the solar cell 201 was irradiated with an AM 1.5G standard light source at an external temperature of 15 ° C.
  • the temperature of the outer side of the thermoelectric device, that is, the side where the second electrode 130 is disposed was maintained at 15 ° C., and the surface temperature of the solar cell 201 was 34 ° C.
  • the temperature between the thermoelectric device and the solar cell 201 was about 25.3 °C, it was confirmed that the current density is about 0.9 mA / cm 2 .
  • the surface temperature of the conventional solar cell increases with light irradiation time, and the surface temperature rises to about 61 ° C. when the light irradiation time is about 40 minutes.
  • the open circuit voltage decreases and the current per unit area decreases.
  • the photoelectric efficiency also decreases as the surface temperature of the solar cell increases.
  • thermoelectric system according to the present invention including the thermoelectric device can minimize the rise in the surface temperature of the solar cell 201 by cooling the solar cell 201. Accordingly, the thermoelectric device can prevent the temperature of the solar cell 201 from rising and the performance thereof from decreasing. At the same time, it can be seen that the thermoelectric device significantly improves the current density of the thermoelectric system by producing additional power.
  • thermoelectric system that hybridizes a thermoelectric device having a flow channel portion in which a liquid electrolyte flows to a heat generating device 200 that requires a cooling device for thermal management, such as a solar cell or an automobile, is efficiently constructed. It is possible to produce additional electrical energy while maintaining thermal management.
  • the thermoelectric device may generate power even by using only heat emitted by the heat generating device 200 without an independent driving unit for driving the same, and may be easily connected in series / parallel. Therefore, the thermoelectric system 500 according to the present invention can be used in various ways from small devices for portable purposes to large devices.
  • thermoelectric device 200 when the heat generating device 200 is a solar cell driven by two electrodes, the first electrode 120 of the thermoelectric device is shared, that is, the first electrode 120 By sequentially stacking the semiconductor layer and the electrodes on the structure, the structure of the heat generating device 200 in the thermoelectric system 500 may be simplified.
  • thermoelectric system 500 may further include a temperature maintaining device (not shown).
  • the constant temperature maintaining device may maintain a constant temperature of the liquid electrolyte in the thermoelectric device. By maintaining a constant temperature of the liquid electrolyte it is possible to improve the cooling efficiency and power production efficiency.

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Abstract

열전 장치는 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부, 유로 채널부의 일 영역에 배치된 제1 전극 및 유로 채널부의 일 영역과 다른 영역에 배치된 제2 전극을 포함하고, 액상 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 온도 차이로 산화-환원된다.

Description

열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템
본 발명은 열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액상 전해질을 이용하여 양단의 온도 차이로 열-전기에너지를 변환시키는 열전 장치 및 이를 포함하는 열전 시스템에 관한 것이다.
열전 소자(thermoelectric element)는 열과 전기의 상호작용으로 나타내는 열전 효과를 이용한 소자로서, 온도차에 의해 전기적 에너지를 발생하는 제베크 효과를 이용한 소자, 인가된 전기적 에너지에 의해 열의 흡수/발생이 일어나는 현상을 이용한 펠티에 소자 등이 있다. 열전 소자는 우주, 항공, 반도체, 발전 등 산업전반에서 광범위하게 이용되고 있다.
최근 에너지 문제를 해결하기 위한 대체 에너지 개발 및 에너지 효율 향상을 위한 다양한 노력이 전 세계적으로 활발하다. 이의 일환으로 폐열을 회수하여 전기에너지로 변환함으로써 에너지 사용 효율을 향상시키는 열전 소자 기술이 주목받고 있다. 온도차 부식 전지(thermogalvanic cell) 혹은 열-전기화학 전지(thermal electrochemical cell)로도 알려진 열전지는 전해질의 전기화학적 산화환원 전위의 온도 의존성에 기반한 전력 생산 기구로 열-전기에너지의 직접 변환, 단순한 구성요소, 반영구적 내구성, 낮은 유지비용 및 탄소 무배출이라는 장점을 가진다. 따라서 열전지 기술은 폐열 에너지 회수를 위한 가장 효과적인 대처 기술로 보고되고 있다. 특히, 기계적 유연성 및 낮은 생산 단가를 바탕으로 100 ℃ 이하의 생활 폐열을 효율적으로 흡수할 수 있는 장점 가지므로 최근 열전 전해질을 이용한 열전 소자의 효율 향상을 위한 연구가 활발하다.
한편, 대체 에너지로서 태양 에너지 활용을 위한 태양 전지에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만, 태양 전지는 작동 온도에 민감한 광전효율을 나타내고, 온도가 높아짐에 따라 그 효율이 낮아진다. 이를 해결하기 위한 태양 전지의 열 관리(thermal management) 및 활용은 차세대 태양 전지 개발에 있어 중요한 요소로 사료된다. 태양 전지의 열 관리를 위해 공냉(air cooling) 또는 수냉(water cooling) 장치가 이용되고 있으나 이에 의한 태양 전지의 성능 회복은 초기 효율의 대략 10 내지 30% 정도의 낮은 수준에 불과하다.
본 발명의 일 목적은 플로우 셀(flow cell) 구조를 가짐으로써 태양 전지나 자동차용 냉각 장치 등으로 다양하게 적용할 수 있는 열전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 태양 전지나 자동차용 냉각 장치 등으로 이용되면서도 부가적으로 전력 생산까지 가능한 열전 장치를 활용한 열전 시스템을 제공하는 것이다.
일 측면으로서, 본 발명에 따른 열전 장치는 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부, 상기 유로 채널부의 일 영역에 배치된 제1 전극 및 상기 일 영역과 다른 영역의 상기 유로 채널부에 배치된 제2 전극을 포함하고, 상기 액상 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 온도 차이로 산화-환원된다.
일 실시예에서, 상기 열전 장치는 상기 액상 전해질을 유동시키는 전해질 수송부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열전 장치는 상기 액상 전해질의 온도를 낮추는 전해질 냉각부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액상 전해질은 헥사시아노철 3가 음이온 (Fe(CN)6 3-) 및 헥사시아노철 4가 음이온(Fe(CN)6 4-)을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 따른 열전 시스템은, 열발생 장치, 상기 열발생 장치와 연결되고 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부, 상기 유로 채널부의 일 영역에 배치된 제1 전극 및 상기 유로 채널부의 상기 일 영역과 다른 영역에 배치된 제2 전극을 포함하는 열전 장치를 포함하고, 상기 액상 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 온도 차이로 산화-환원된다.
일 실시예에서, 상기 열전 시스템은 상기 열전 장치와 연결되어 상기 액상 전해질의 온도를 낮추는 전해질 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열발생 장치는 태양 전지이고, 상기 열전 장치는 상기 액상 전해질이 상기 태양 전지를 냉각시키는 냉각수인 수냉식 쿨러일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열발생 장치는 자동차용 엔진이고, 상기 액상 전해질은 상기 자동차용 엔진을 냉각시키는 냉각수일 수 있다.
본 발명에 따르면, 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부를 포함하는 열전 장치를 이용하여 채널 유로부의 형태에 제한이 없는 단순한 플로우 셀을 제작할 수 있다. 이때, 상기 유로 채널부의 임의의 위치에 적어도 1개의 핫 전극과 적어도 1개의 콜드 전극을 자유롭게 배치할 수 있다. 이에 따라, 상기 액상 전해질이 냉각수의 역할을 할 수 있도록 태양 전지의 수냉식 쿨러나 자동차용 엔진의 냉각 장치 등으로 다양하게 이용될 수 있다.
또한, 열전 장치에서는 액상 전해질의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 열전 시스템에서는 열전 장치를 냉각 장치로 이용하면서도 동시에 추가적인 전기 에너지를 생산할 수 있어 열전 시스템의 전력 생산량을 증가시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 타입의 열전 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에서 설명한 열전 장치의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 플로우 타입의 열전 장치와 열발생 장치가 하이브리드된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 설명한 열전 시스템의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 열발생 장치로 태양 전지를 포함하는 열전 시스템의 일 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 타입의 열전 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 열전 장치(100)는 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부(110), 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 포함한다. 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130)의 온도 차이에 의해서 상기 액상 전해질이 산화-환원 반응을 한다.
상기 유로 채널부(110)는 상기 액상 전해질이 유동하는 경로로서, 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130) 사이의 채널을 형성한다. 상기 유로 채널부(110)의 형상은 본 발명에서 제한되지 않는다. 상기 유로 채널부(110)는 상기 액상 전해질이 연속적으로 유동할 수 있는 파이프 형태일 수도 있고, 상기 액상 전해질을 내부에서 순환시킬 수 있는 박스 형태일 수도 있다.
상기 유로 채널부(110)의 일 영역에 상기 제1 전극(120)이 배치되고, 상기 제1 전극(120)이 배치된 영역과 다른 영역에 상기 제2 전극(130)이 배치된다. 즉, 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(130) 각각은 상기 유로 채널부(110)에 상기 액상 전해질과 접촉하도록 구비만 되면 되고, 그 위치는 특정 위치에 제한되지 않는다. 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130) 중 어느 하나가 다른 전극보다 온도가 상대적으로 높은 핫 전극이 되고, 다른 전극이 콜드 전극이 된다. 이하에서는, 상기 제1 전극(120)이 핫 전극이고 상기 제2 전극(130)이 콜드 전극인 경우에 대해서 설명하기로 한다.
일례로, 상기 제1 전극(120)의 온도가 올라가면, 상기 제1 전극(120)과 인접한 액상 전해질은 산화된다. 상기 액상 전해질의 산화 반응을 통해서 상기 제1 전극(120)은 상기 액상 전해질로부터 전자(electron)를 제공받고, 전자가 상기 제1 전극(120)과 연결된 외부 부하(external load)에 제공되어 전력이 생산된다. 동시에, 상기 전자는 상기 외부 부하와 연결된 상기 제2 전극(130)으로 전달된다. 상기 제2 전극(130)은 산화된 액상 전해질에 전자를 제공하여 상기 액상 전해질을 환원시킨다. 상기 제1 전극(120) 및 상기 제2 전극(130)에 의한 상기 액상 전해질의 산화/환원 반응을 통해서 액상 전해질은 전기적으로 평형 상태를 유지한다.
예를 들어, 상기 액상 전해질은 헥사시아노철 3가 음이온 (Fe(CN)6 3-) 및 헥사시아노철 4가 음이온(Fe(CN)6 4-)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(120)은 3가 음이온 (Fe(CN)6 3-)이 생성되면서 방출되는 전자를 제공받고, 상기 제2 전극(130)은 전자를 받아 헥사시아노철 4가 음이온(Fe(CN)6 4-)으로 환원시킬 수 있다.
상기 열전 장치(100)는 전해질 수송부(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 전해질 수송부(140)는 상기 유로 채널부(110)와 연결되어 상기 액상 전해질을 유동시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 수송부(140)는 펌프(pump)일 수 있다.
한편, 상기 열전 장치(100)는 전해질 냉각부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(120)은 외부의 열을 제공받아 온도가 상승하고, 상기 제1 전극(120)에 의해서 가열된 상기 액상 전해질은 상기 전해질 냉각부(150)를 통과하면서 온도가 낮아질 수 있다. 상기 전해질 냉각부(150)를 통과한 액상 전해질은 상기 제2 전극(130)으로 제공될 수 있다. 상기 전해질 냉각부(150)는 방열 장치일 수 있고, 일례로 라디에이터일 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에서 설명한 열전 장치의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 1에서 설명한 전해질 수송부(140) 및 전해질 냉각부(150)는 도 2a, 도 2b 및 도 2c 각각의 유로 채널부(110)에 연결될 수 있다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하여 상기 유로 채널부(110), 상기 제1 및 제2 전극들(120, 130)의 배치 구조에 대해서 간략하게 설명하지만, 이들은 일례에 불과하고, 제시된 실시예에 한정되지 않는다.
도 2a에 도시된 열전 장치(101)를 일례로 들면, 유로 채널부(110)의 양측에 제1 전극(120)과 제2 전극(130)이 배치되고, 이들은 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 도면으로 도시하지 않았으나, 이와 다르게 상기 유로 채널부(110)의 양측에 제1 및 제2 전극들(120, 130)이 배치되되, 이들은 서로 어긋나게 배치될 수도 있다. 또한, 도 2b에 도시된 열전 장치(102)와 같이 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 액상 전해질의 유동 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b 각각의 액상 전해질의 유동 방향은, 제1 전극(120)과 접촉한 액상 전해질이 제2 전극(130)으로 제공되고 제2 전극(130)과 접촉한 액상 전해질은 제1 전극(120)으로 제공되도록 설정되고, 이와 같은 유로 채널부(110)의 임의의 2개의 위치에 상기 제1 및 제2 전극들(120, 130) 각각을 설치하여 단순한 플로우 셀을 구성할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 열전 장치(103)는 유로 채널부(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 분리 부재(160)를 포함할 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 분리 부재(160)를 가운데 두고 서로 마주하여 배치된다. 상기 분리 부재(160)에 의해서 제1 및 제2 전극들(120, 130)이 서로 절연될 수 있다. 유로 채널부(110)에서 액상 전해질의 유동 방향은, 제1 전극(120)과 접촉한 액상 전해질이 제2 전극(130)으로 제공되고 제2 전극(130)과 접촉한 액상 전해질은 제1 전극(120)으로 제공되도록 설정된다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 본 발명에 따른 열전 장치(100)는 상기 채널 유로부(110)의 형태에 제한이 없고 상기 제1 및 제2 전극들(120, 130)의 배치가 자유롭다는 장점이 있다. 또한, 상기 열전 장치(100)에서는, 상기 액상 전해질의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
이와 같은 점에 의해, 상기 액상 전해질이 냉각수의 역할을 할 수 있도록 태양 전지의 수냉식 쿨러나 자동차용 엔진의 냉각 장치 등으로 다양하게 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 액상 전해질이 유동함에 따라 상기 열전 장치(100)의 전력 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 열전 장치(100)가 적용된 열전 시스템(500)에 대해서 구체적으로 설명하고, 열전 시스템(500)의 일례들을 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 플로우 타입의 열전 장치와 열발생 장치가 하이브리드된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 열전 시스템(500)은 유로 채널부(110), 제1 및 제2 전극들(120, 130) 및 전해질 수송부(140)를 포함하는 열전 장치와, 상기 열전 장치와 연결된 열발생 장치(200)를 포함한다. 이때, 상기 열전 시스템(500)은 유로 채널부(110)에서 액상 전해질이 유동할 수 있도록 하는 전해질 수송부(140) 및/또는 액상 전해질을 냉각시키는 전해질 냉각부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 열발생 장치(200)를 제외하고는 도 1에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 중복되는 구체적인 설명은 생략한다.
열발생 장치(200)는 상기 열전 장치의 열원으로서, 핫 전극인 제1 전극(120)으로 열을 전달한다. 열발생 장치(200)는 제1 전극(120)과 인접하게 배치되어 열발생 장치(200)가 방출하는 열을 효과적으로 제공받을 수 있다. 여기서 열발생 장치(200)는 외부로 열을 방출하는 모든 장치를 지칭하는 것이다. 열발생 장치(200)의 예로서는, 태양 전지, 자동차용 엔진 등을 들 수 있다. 열발생 장치(200)가 태양 전지, 자동차용 엔진인 경우에는, 열발생 장치(200)는 에너지를 변환하면서 열을 방출하고, 이때의 폐열이 상기 열전 장치로 전달될 수 있다.
유동 채널부(110)를 유동하는 액상 전해질은 제1 전극(120)에서 가열되고 산화 (또는 환원)된 후 전해질 냉각부(150)에서 냉각되어 제2 전극(130)에 제공될 수 있다. 제2 전극(130)과 접촉하여 환원(또는 산화)되고 냉각된 액상 전해질은 열발생 장치(200)로 제공되어 열발생 장치(200)의 온도를 낮출 수 있다. 상기와 같은 경로로 유동하는 액상 전해질이 열발생 장치(200)를 냉각시키는 냉각수로서 이용될 수 있다. 동시에, 상기 열전 장치는 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130)의 온도 차이로 인해서 추가 전력을 생산할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 설명한 열전 시스템의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 3에서 설명한 전해질 수송부(140)는 도 4a 및 도 4b 각각의 유로 채널부(110)에 연결될 수 있다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기 열전 장치 및 열발생 장치(200)의 배치 구조에 대해서 간략하게 설명하지만, 이들은 일례에 불과하고 제시된 실시예에 한정되지 않는다.
도 4a에 도시된 열전 시스템(501)을 보면, 열발생 장치(200)와 전해질 냉각부(150)가 유로 채널부(110)와 연결되고, 유로 채널부(110)에 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 배치된다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 유로 채널부(110)의 임의의 위치에 배치될 수 있다.
일례로, 제1 전극(120)은 핫 전극으로서 열발생 장치(200)가 방출하는 열에 의해서 가열된 액상 전해질이 제공될 수 있도록 열발생 장치(200)에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 전극(120)이 열발생 장치(200)와 인접하게 배치될수록 제1 전극(120)의 온도는 높아진다.
제2 전극(130)은 콜드 전극으로서 액상 전해질이 전해질 냉각부(150)에 의해서 어느 정도 냉각된 후에 제2 전극(130)으로 제공될 수 있도록 전해질 냉각부(150)와 인접하게 배치될 수 있다. 제2 전극(130)이 전해질 냉각부(150)와 인접하게 배치될수록 제2 전극(120)의 온도가 낮아지므로, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)의 온도 차이를 최대화시킬 수 있다.
도 4b에 도시된 열전 시스템(502)을 참조하면, 열발생 장치(200)와 전해질 냉각부(150)가 유로 채널부(110)와 연결되고, 유로 채널부(110)에 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)이 배치되며, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 분리 부재(160)를 개재시킨다.
열발생 장치(200)가 방출하는 열에 의해서 가열된 액상 전해질은 핫 전극인 제1 전극(120)과 접촉한 후에, 전해질 냉각부(150)를 거쳐 제2 전극(130)에 제공된다. 액상 전해질은 제2 전극(130)으로 제공된 후에 냉각된 상태로 다시 열발생 장치(200)로 제공되어 열발생 장치(200)를 냉각시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 본 발명에 따른 열전 시스템(500)에서는 상기 채널 유로부(110)의 형태에 제한이 없고 상기 제1 및 제2 전극들(120, 130)의 배치가 자유롭기 때문에 열발생 장치(200)와 열전 장치의 연결이 용이하다. 따라서, 상기 액상 전해질이 냉각수의 역할을 할 수 있도록 태양 전지의 수냉식 쿨러나 자동차용 엔진의 냉각 장치 등으로 다양하게 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 액상 전해질이 유동함에 따라 상기 열전 장치의 전력 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 열발생 장치로 태양 전지를 포함하는 열전 시스템의 일 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 열전 시스템은 유로 채널부(110), 제1 및 제2 전극들(120, 130) 및 전해질 수송부(140)를 포함하는 열전 장치와, 상기 열전 장치와 연결된 열발생 장치로서 태양 전지(201)를 포함한다. 태양 전지(201)는 제1 전극(120) 상에 배치되어, 태양 전지(201)가 태양광을 전기 에너지로 변환할 때 발생하는 폐열이 상기 제1 전극(120)에 전달될 수 있다. 도 5에서는, 제1 및 제2 전극들(120, 130)이 유로 채널부(110)를 개재하면서 서로 마주한 것을 일례로 도시하였으나, 도 1에서 설명한 것과 같이 이들의 배치는 특별히 제한되지 않는다.
상기 열전 장치는 태양 전지(201)의 배면에 배치되어 액상 전해질이 태양 전지(201)를 냉각시키는 수냉식 쿨러일 수 있다. 동시에, 상기 열전 장치는 태양 전지(201)의 폐열을 흡수하여 태양 전지(201)가 생산하는 전력 이외에 추가 전력을 생산할 수 있다.
실제로, 도 5에 도시된 열전 시스템과 실질적으로 동일한 열전 시스템을 실험실에서 구성하고, 외부 온도 15℃ 조건에서 태양 전지(201)에 AM 1.5G 표준 광원을 조사한 실험을 수행하였다. 상기 열전 장치의 외측, 즉 제2 전극(130)이 배치된 측의 온도는 15℃로 유지되고 태양 전지(201)의 표면 온도는 34℃이었다. 이때, 상기 열전 장치와 태양 전지(201) 사이의 온도는 약 25.3℃이었고, 전류 밀도는 약 0.9 mA/cm2 임을 확인하였다.
이와 비교하여 태양 전지(201)만을 포함하는 장치(이하, 종래의 태양 전지)에서, AM 1.5G 표준 광원을 이용하여 외부 온도 15 ℃에서 광을 조사한 시간에 따른 태양 전지의 표면 온도, 전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 광전 효율(Eff)을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1
광 조사 시간(분) 온도(℃) 전류밀도(Jsc, mA/cm2) 개방 전압(Voc, V) 광전 효율(Eff, %)
10 47.2 -4.75 4.32 14.1
20 53.9 -4.77 4.22 13.7
30 58.5 -4.80 4.14 13.4
40 61.0 -4.78 4.10 13.2
표 1을 참조하면, 종래의 태양 전지는 표면 온도가 광 조사 시간에 따라 상승하고, 광 조사 시간이 약 40분인 경우에는 그 표면 온도가 약 61℃까지 상승함을 알 수 있다. 종래의 태양 전지의 표면 온도가 높아짐에 따라, 개방 전압이 감소하고 단위 면적당 전류가 감소함을 알 수 있다. 또한, 광전 효율 또한 태양 전지의 표면 온도가 높아짐에 따라 저하된다.
즉, 종래 태양 전지와 비교하여, 열전 장치를 포함하는 본 발명에 따른 열전 시스템은 상기 열전 장치가 태양 전지(201)를 냉각시킴으로써 태양 전지(201)의 표면 온도 상승을 최소화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 열전 장치는 태양 전지(201)의 온도가 상승하여 그 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 동시에, 상기 열전 장치는 추가적인 전력을 생산함으로써 열전 시스템의 전류 밀도를 현저하게 향상시킴을 확인할 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 태양 전지나 자동차와 같이 열 관리를 위해 냉각 장치가 필요한 열발생 장치(200)에 액상 전해질이 유동하는 유동 채널부를 갖는 열전 장치를 하이브리드(hybrid)시킨 열전 시스템을 구성하여 효율적으로 열 관리를 하는 동시에 추가적인 전기 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 상기 열전 장치는 이의 구동을 위한 독립적인 구동부 없이 열발생 장치(200)가 방출하는 열만을 이용해서도 전력을 생산할 수 있고 직/병렬 연결이 용이하다. 따라서 본 발명에 따른 열전 시스템(500)은 휴대 목적의 소형 장치부터 대형 장치까지 다양하게 이용할 수 있다.
한편, 도면으로 도시하지 않았으나, 상기 열발생 장치(200)가 2개의 전극으로 구동되는 태양 전지인 경우, 상기 열전 장치의 상기 제1 전극(120)을 공유하여, 즉 상기 제1 전극(120) 상에 상기 반도체층 및 전극을 순차적으로 적층함으로써 열전 시스템(500)에서의 열발생 장치(200)의 구조를 단순화시킬 수도 있다.
또한, 상기 열전 시스템(500)은 정온 유지 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 정온 유지 장치는 상기 열전 장치 내의 상기 액상 전해질의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 상기 액상 전해질의 온도를 일정하게 유지시킴에 따라 냉각 효율 및 전력 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부;
    상기 유로 채널부의 일 영역에 배치된 제1 전극; 및
    상기 일 영역과 다른 영역의 상기 유로 채널부에 배치된 제2 전극을 포함하고,
    상기 액상 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 온도 차이로 산화-환원되는 열전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상 전해질을 유동시키는 전해질 수송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상 전해질의 온도를 낮추는 전해질 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액상 전해질은 헥사시아노철 3가 음이온 (Fe(CN)6 3-) 및 헥사시아노철 4가 음이온(Fe(CN)6 4-)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열전 장치.
  5. 열발생 장치; 및
    상기 열발생 장치와 연결되고 액상 전해질이 유동하는 유로 채널부, 상기 유로 채널부의 일 영역에 배치된 제1 전극 및 상기 일 영역과 다른 영역의 유로 채널부에 배치된 제2 전극을 포함하는 열전 장치를 포함하고,
    상기 액상 전해질은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 온도 차이로 산화-환원되는,
    열전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전 장치와 연결되어 상기 액상 전해질의 온도를 낮추는 전해질 냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열발생 장치는 태양 전지이고,
    상기 열전 장치는 상기 액상 전해질이 상기 태양 전지를 냉각시키는 냉각수인 수냉식 쿨러인 것을 특징으로 하는,
    열전 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 열발생 장치는 자동차용 엔진이고,
    상기 액상 전해질은 상기 자동차용 엔진을 냉각시키는 냉각수인 것을 특징으로 하는,
    열전 시스템.
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