(57)【要約】      （修正有）【課題】外部の熱で駆動されて電気を発生させるアルカリ金属熱電変換器システムの温度を均一に向上させて効率を極大化させ、必要とする持続的な熱源を提供する。【解決手段】多数個の熱変換発電セル１１０を含む熱変換発電機１００において、多数個の熱変換発電セル１１０、多数個の熱変換発電セル１１０を位置させることができるケース１２０、ケース１２０上端部に位置して前記多数個の熱変換発電セル１１０を通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部、ケース１２０下端部に位置して作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させて多数個の熱変換発電セル１１０で作動流体蒸気を移送する蒸発部、凝縮部と接しているケース１２０外部の上端面を除く残りの面に位置して、熱流体を通過させる熱交換器、凝縮部と前記蒸発部との空間を連結して作動流体が移送できる循環部、蒸発部と多数個の熱変換発電セル１１０との間を接合する接合部を含む。【選択図】図２
2014220982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を含み、多数個の熱変換発電セルを含む熱変換発電機において、
前記熱変換発電機は、
多数個の熱変換発電セルと、
前記多数個の熱変換発電セルを位置させることができるケースと、
前記ケース上端部に位置して、前記多数個の熱変換発電セルを通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部と、
前記ケース下端部に位置して、作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させ、前記多数個の熱変換発電セルで作動流体蒸気を移送する蒸発部と、
前記凝縮部と接している前記ケース外部の上端面を除いた残りの面に位置し、熱流体を通過させる熱交換器と、
前記凝縮部と前記蒸発部との空間を連結して作動流体が移送できる循環部と、
前記蒸発部と前記多数個の熱変換発電セルとの間を接合する接合部と、
前記ケースの下端部を加熱する熱源とを含む
ことを特徴とする熱変換発電機。
【請求項２】
前記熱交換器は、
高温の流体を流入する一つ以上の入口と、
熱交換がなされた低温の流体を排出する一つ以上の出口と、
熱流体が通過する流動部とを含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項３】
前記熱流体は、
気体、液体の形状を含む物質のうち少なくとも何れか一つ以上含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項４】
前記熱交換器は、
前記熱変換発電機内部の温度勾配を均一にする
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項５】
前記熱変換発電セルは、
チューブ型の金属支持体と、
前記チューブ型金属支持体の内部表面に形成された多孔性内部電極と、
前記チューブ型金属支持体の外部表面に形成された固体電解質と、
前記固体電解質の表面に形成された多孔性外部電極とを含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項６】
前記金属支持体は、多孔性金属支持体として、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒのうち少なくとも何れか一つ以上を含む
請求項５に記載の熱変換発電機。
【請求項７】
前記固体電解質は、ベータアルミナ系又はＮＡＳＩＣＯＮ系固体電解質であり、薄膜で形成される
請求項５に記載の熱変換発電機。
【請求項８】
前記多孔性電極は、Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，ＰｔＷ，ＲｈＷ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＳｉＮ，ＲｕＯ，Ｒｕ２Ｏ，ＲｕＷ，ＮｂＣの少なくとも何れか一つ以上を含む
請求項５に記載の熱変換発電機。
【請求項９】
前記熱変換発電セルにおいて、電極と金属支持体が電気的に連結されて発電した電気を制御する発電部を含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項１０】
前記接合部は、
前記熱変換発電セルで生成された電気が前記発電部に流れていくようにするために、絶縁性を有する材質からなる
請求項９に記載の単位熱変換発電機。
【請求項１１】
前記接合部は、
絶縁性を有するアルファアルミナと、
前記蒸発部と接合性を高めるために前記アルファアルミナ下部に位置する金属リングとを含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項１２】
前記作動流体は、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉのうち少なくとも何れか一つ以上含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項１３】
前記凝縮部は、
上部の低温低圧作動流体が通過する毛細管ウィックと、
前記毛細管ウィック上部の凝縮機とを含む
請求項１に記載の熱変換発電機。
【請求項１４】
前記循環部は、前記凝縮部に連結される毛細管循環ウィックである
請求項１に記載の熱変換発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、外部の熱で駆動され、電気を発生させるアルカリ金属熱電変換器システムの温度を均一に向上させて効率を極大化させて、必要とする持続的な熱源を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ金属熱電変換器（Ａｌｋａｌｉ  Ｍｅｔａｌ  Ｔｈｅｍａｌ  ｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、熱エネルギーから電気エネルギーを生産することが可能な熱変換電気発生装置である。
【０００３】
イオン伝導性を有するベータアルミナ固体電解質（Ｂｅｔａ−Ａｌｕｍｉｎａ  Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ：ＢＡＳＥ）の両端に温度差を与えれば、セル内部に充電されているＮａの蒸気圧の差によってＮａ＋イオンになってから電解質を介して陰極から陽極に拡散後、中性化される過程で電気が発生する。
この時、低電圧、大電流が発生するが、直列や並列に連結してモジュール化する場合、大容量発電が可能である。
【０００４】
アルカリ金属熱電変換器技術は、宇宙用電力源として開発がスタートした技術であって、単位面積当たり高い電力密度、高効率、安定性を保持するという長所がある。
また、熱源は、太陽エネルギー、化石燃料、廃熱、地熱、原子炉など多様な熱源を使用できるという長所があり、既存の発電方式とは異なり、タービンやモーターのような駆動部なしに電気を生産することができる発電セルから構成され、熱と接触される部位から直接電気を生産することができ、直列又は並列でモジュール化する場合、数ｋＷから数百ＭＷ規模の大容量発電が可能である。
廃熱の形態は、排ガス、排空気、廃温水、廃蒸気などがあり、生産工程の製品の顕熱、反応熱もまた廃熱に分類され、これらの廃熱回収は、腐食性物質を含むか否か、温度及び流量の条件により適用可能な熱交換器の形態及び規格と材質なども多様に適用されている。
このような廃熱利用装置としては、廃熱回収器、全熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器などがあり、特別な場合に別途の回収システムが考慮されている。
【０００５】
アルカリ金属熱電変換器は、高品質の電気を熱源から直接生産して効率を上げることができ、既存の水力発電、火力発電、原子力発電、潮力発電、風力発電などの発電技術を代替できる有望な技術として台頭している。
アルカリ金属熱電変換器発電技術の特徴のうちの一つは、他の熱電気変換素子に比べて簡単な構造を持ちながらも高いエネルギー変換効率を有することである。
特に太陽電気変換システム（ｓｏｌａｒ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｐｌａｎｔ）と比較すると、タービンなどの機械的駆動部が必要なく、熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）と比較すると、高容量、高効率のシステムに適用することができるという長所がある。
【０００６】
アルカリ金属熱電変換器で電気を生産する過程を具体的に見てみると、Ｎａ蒸気が熱源によって高温高圧領域である蒸発器で蒸気状態に変わって、Ｎａ＋がベータアルミナ固体電解質（Ｂｅｔａ−Ａｌｕｍｉｎａ
Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ：ＢＡＳＥ）で通過し、自由電子は陰極（ａｎｏｄｅ）から電気負荷で通過して陽極（ｃａｔｈｏｄｅ）に戻ってきて低温低圧領域のベータアルミナ固体電解質の表面から出るイオンと再結合して中性化される過程で電気を発生する。
【０００７】
電気を発生するエネルギー源又は原動力（ｄｒｉｖｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）は、熱変換発電機内部にＮａの蒸気圧が最も大きく作用し、また、作用流体の濃度差、温度差によってＮａが固体電解質を通過する過程で発生する自由電子を電極を通じて集電することによって発電が可能となる。
固体電解質には、ベータアルミナ（Ｂｅｔａ−Ａｌｕｍｉｎａ）とＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ  ｓｕｐｅｒ−ｉｏｎｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が使用される。
【０００８】
しかし、ＮＡＳＩＣＯＮは長時間高温に露出した時、結晶構造の安定性が問題になっている実情である。
ベータアルミナには、ｂｅｔａ'−ａｌｕｍｉｎａとｂｅｔａ''−ａｌｕｍｉｎａの二種類がある。
ｂｅｔａ''−ａｌｕｍｉｎａが層状構造がさらに発展しており、Ｎａ＋イオンの伝導性がはるかに良いため、一般的に使用されている。
中性のＮａ蒸気は、低圧領域の凝縮器内表面で冷却によって凝縮され、毛細管ウィックにより蒸発器に移動して蒸発器で再び蒸気状態に変わる過程を繰り返すことになる。蒸発器の温度は９００〜１１００Ｋの範囲にあり、凝縮器の温度は５００〜６００Ｋになるのが一般的である。
また、アルカリ金属熱電変換器の熱変換電気発生効率は４０％まで可能であり、出力密度が高く、別途の駆動部位が必要ない簡単な構造という長所などを有している。
【０００９】
特許文献１は、作動ガスと溶融塩の熱変換を利用した地熱発電システム及び方法であって、作動ガスの地盤内熱交換による地熱発電システム及び方法に関するものである。より詳しくは、作動ガスと溶融塩の熱交換を利用した地熱発電システムは、集熱部と、内部に溶融塩を収容して熱伝達部に一定間隔で離隔して設置される複数個の溶融塩収容部、前記集熱部の熱源を前記溶融塩収容部の溶融塩に伝達する熱交換部、地盤に設置されて前記溶融塩の熱源を熱交換によって伝達される作動ガスが流出入される熱伝達部、前記熱伝達部に連結されて前記作動ガスのエネルギーを利用して機械エネルギーを発生させるタービン部及び前記タービン部に連結されて前記機械エネルギーを利用して電気エネルギーを発生させる発電部を含むことを特徴とする。しかし、外部の熱で駆動されて電気を発生させるアルカリ金属熱電変換器システムの温度を均一に向上させて効率を極大化させ、必要とする持続的な熱源を提供する技術に対する必要性は依然として残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】大韓民国登録特許第１０−１２３９７７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明は、外部の熱で駆動されて電気を発生させるアルカリ金属熱電変換器システムの温度を均一に向上させて効率を極大化させ、必要とする持続的な熱源を提供することを課題とする。
【００１２】
従来に使用される方式は、加熱部を一方に置いて、Ｎａなどの作動流体が加熱されて気化し、アルカリ金属熱電変換器において電気化学的に利用されて、冷却部で凝縮され液状Ｎａなどの作動流体の形態で循環する方式を採択した。
より詳しくは、図１で確認できるように、従来の熱変換発電機２００は、下部の熱源２８０により作動流体が加熱されて蒸発部２４０で蒸発し、凝縮部２３０で凝縮される方式を使用した。
しかし、このような方式は、一方に位置する熱源によって熱源の周辺部だけ熱源の直接的影響を受けることになり、アルカリ金属熱電変換器セル自体にも温度勾配を与えて部位別に他の電気化学的な効率を示すようになり、熱勾配に伴う応力発生でセラミック及び接合部の機械的特性を低下させるという短所がある。
また、壁面など冷却部以外の望まない部位で気状のＮａなどの作動流体の凝結が起きて、作動流体の循環に良くない影響を及ぼしかねない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
熱交換器を含む多数個の熱変換発電セルを含む熱変換発電機は、多数個の熱変換発電セル、多数個の熱変換発電セルを位置させることができるケース、ケース上端部に位置して前記多数個の熱変換発電セルを通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部、ケース下端部に位置して作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させ、多数個の熱変換発電セルで作動流体の蒸気を移送する蒸発部、凝縮部と接しているケース外部の上端面を除く残りの面に位置し、熱流体を通過させる熱交換器、凝縮部と前記蒸発部との空間を連結して作動流体が移送できる循環部、蒸発部と多数個の熱変換発電セルとの間を接合する接合部と前記ケース下端部を加熱する熱源を含む。
このような構成を通じて、温度勾配がなく、熱流体が熱交換器を介してシステム温度を高めた後に循環する方式でリサイクル可能なため、効率が非常に高いシステム構成が可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明の構成を使用すれば、温度勾配がなく、熱流体が熱交換器を介してシステム温度を高めた後に循環する方式でリサイクル可能なため、効率が非常に高いシステム構成が可能である。
また、既存のシステムとは違って、システム内に温度勾配がほとんどないため、熱衝撃が非常に小さく、アルカリ金属熱電変換器を構成するセル性能が一定に保持され得るという長所がある。
これと共に、システムと冷却部の温度差が大きく、凝縮が冷却部にのみ効率的になされるため、Ｎａなどの作動流体の循環が円滑になされるという長所がある。
これを通じて、システム効率を極大化させることができ、最後に、熱交換器は熱流体の入口及び出口だけが必要なコンパクトな形態で製造可能であり、モジュール構成が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の熱変換発電機の作動原理を示す構成図
【図２】本願発明による熱交換器を含む熱変換発電機の作動原理を示す構成図
【図３】本願発明による単位熱変換発電機の原理を示す構成図
【図４】本願発明による熱変換発電セルを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図３は、本願発明による単位熱変換発電機の原理を示す構成図である。また、図２は、本願発明による熱交換器を含む熱変換発電機の作動原理を示す構成図である。
熱交換器を含み、多数個の熱変換発電セル１１０を含む熱変換発電機１００は、多数個の熱変換発電セル１００、前記多数個の熱変換発電セル１１０を位置させることができるケース１２０、前記ケース１２０上端部に位置して前記多数個の熱変換発電セル１１０を通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部１３０、前記ケース１２０下端部に位置して作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させ、前記多数個の熱変換発電セル１１０で作動流体の蒸気を移送する蒸発部１４０、前記凝縮部１３０と接している前記ケース１２０外部の上端面を除く残りの面に位置し、熱流体を通過させる熱交換器１７０、前記凝縮部１３０と前記蒸発部１４０の空間を連結して作動流体が移送できる循環部１６０、前記蒸発部１４０と前記多数個の熱変換発電セル１１０との間を接合する接合部１５０及び前記ケース１２０下端部を加熱する熱源を含む。
【００１７】
前記熱交換器１７０は、温度勾配を均一にして高温の流体を流入する一つ以上の入口、交換がなされた低温の流体を排出する一つ以上の出口、熱流体が通過する流動部を含んでいてもよいが、これに限定される訳ではない。
前記熱流体は気体、液体の形状を含む物質中の少なくとも何れか一つ以上が含まれてもよい。
【００１８】
図４は、本願発明による熱変換発電セルを示す。
前記熱変換発電セル１１０は、チューブ型の金属支持体１１２、前記チューブ型金属支持体１１２の内部表面に形成された多孔性内部電極１１１、前記チューブ型の金属支持体１１２の外部表面に形成された固体電解質１１３及び前記固体電解質１１３の表面に形成された多孔性外部電極１１４を含んで構成することができる。
【００１９】
前記金属支持体１１２と前記金属支持体１１２の内部表面に形成された内部電極１１１は、一つで構成されてもよい。すなわち、金属支持体１１２として作用する内部電極１１１を形成して使用することができる。
前記金属支持体１１２は、多孔性金属支持体としてＭｏ，Ｔｉ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒのうち少なくとも何れか一つ以上を含むことが好ましいだろう。
また、前記固体電解質１１３は、ベータアルミナ系又はＮＡＳＩＣＯＮ系固体電解質であり、薄膜で形成されたものが望ましく、より好ましくは、ベータアルミナ系薄膜であるが、これに限定される訳ではない。
前記多孔性電極は、Ｍｏ，Ｎｉ，Ａｌ，ＰｔＷ，ＲｈＷ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＳｉＮ，ＲｕＯ，Ｒｕ２Ｏ，ＲｕＷ，ＮｂＣの少なくとも何れか一つを含むことが好ましい。
【００２０】
前記熱変換発電セル１１０において、電極と金属支持体が電気的に連結され、発電した電気を制御する発電部をさらに含んでいてもよい。
前記接合部１５０は、前記熱変換発電セル１１０で生成された電気が、前記発電部に流れていくようにするため、絶縁性を有する材質からなっていてもよく、絶縁性を有するアルファアルミナ、前記蒸発部１４０と接合性を高めるために前記アルファアルミナの下部に位置する金属リングを含んでいてもよい。
【００２１】
前記作動流体は、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの少なくとも何れか一つ以上含んでいてもよく、Ｎａであるのが最も好ましいが、これに限定される訳ではない。
前記凝縮部１３０は、上部の低温低圧作動流体が通過する毛細管ウィック１３１、前記毛細管ウィック１３１上部の凝縮器１３２を含んでいてもよい。
また、前記循環部１６０は、前記凝縮部１３０に連結される毛細管循環ウィック１６１であってもよい。
【００２２】
前記のような本願発明の構成を通じて、外部の熱で駆動されて電気を発生させるアルカリ金属熱電変換器システムの温度を均一に向上させて効率を極大化させ、必要とする持続的な熱源を提供する。
このような構成を通じて、温度勾配がなく、熱流体が熱交換器を介してシステム温度を高めた後に循環する方式でリサイクル可能なので、効率が非常に高いシステム構成が可能である。
また、既存のシステムとは違って、システム内に温度勾配が殆どないため、熱衝撃が非常に小さく、アルカリ金属熱電変換器を構成するセル性能が一定に保持され得るという長所がある。
これと共に、システムと冷却部の温度差が大きく、凝縮が冷却部にのみ効率的になされるため、Ｎａなどの作動流体の循環が円滑になされるという長所がある。
これを通じて、システム効率を極大化させることができ、最後に、熱交換器は熱流体の入口及び出口だけが必要なコンパクト形態でモジュール構成が容易である。
【００２３】
本発明を添付された図面と共に説明したが、これは本発明の趣旨を含む多様な実施形態の中の一つの実施例に過ぎず、当業者が容易に実施することができるようにするところにその目的があるので、本発明は、前記説明された実施例にのみ限定されるのではない。本発明の保護範囲は、下記の請求の範囲によって解釈され、本発明の趣旨を外れない範囲内での変更、置換、代替などによりそれと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれる。
また、図面の一部の構成は、構成をより明確に説明するためのもので、実際よりも誇張されたり縮小されて提供されたものである。
【符号の説明】
【００２４】
１００    熱変換発電機
１１０    熱変換発電セル
１１１    内部電極
１１２    金属支持体
１１３    固体電解質
１１４    外部電極
１２０    ケース
１３０    凝縮部
１３１    毛細管ウィック
１３２    凝縮器
１４０    蒸発部
１５０    接合部
１６０    循環部
１６１    毛細管循環ウィック
１７０    熱交換器
１７１    流体移動方向
１８０    熱源
２００    従来の熱変換発電機
２１０    従来の熱変換発電セル
２２０    従来のケース
２３０    従来の凝縮部
２４０    従来の蒸発部
２６１    従来の毛細管循環ウィック
２８０    従来の熱源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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