(57)【要約】      （修正有）【課題】集電の効果を極大化し、複雑な導線構成が必要でなく、構造物が単純で、大容量構成が容易で、費用が安く、機械的に安定し、大きい電流量に関係なく使用可能な集電方式を実現する。【解決手段】発電機システム内部に存在する液状又は気状の作動流体を利用した集電方式で、液状の作動流体を含浸することができる金属フェルト（ｆｅｌｔ）のような多孔性構造体１１０をセル１２０間に挿入して連結させ、セル周囲に存在する作動流体が自然に含浸して集電する。集電体は、複数個の熱変換発電セルのうち隣接した熱変換発電セルの間に位置する。すなわち、第１熱変換発電セル１２０ａ、第１熱変換発電セルと隣接した第２熱変換発電セル１２０ｂ、第１熱変換発電セルと第２熱変換発電セルとの間に位置して電気的に連結する集電体１１０を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接した熱変換発電用単位セルの間に位置して電気的に連結する集電体において、
多孔性構造を有すること
を特徴とする、集電体。
【請求項２】
前記集電体は、
多孔性であるフェルト（ｆｅｌｔ）状の四角形の金属面が巻き物構造に巻かれた形状であること
を特徴とする、請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記集電体は、
中空の円柱状に構成され、全ての面が多孔性であるフェルト状であること
を特徴とする、請求項１に記載の集電体。
【請求項４】
前記集電体は、弾性及び伝導性を有する金属で構成され、
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
を特徴とする、請求項１に記載の集電体。
【請求項５】
前記熱変換発電用単位セルは、
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
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の集電体。
【請求項６】
複数個の熱変換発電用単位セルの並列集電構造において、
前記複数個の熱変換発電用単位セルのうち第１熱変換発電用単位セルと、
前記第１熱変換発電用単位セルと隣接した第２熱変換発電用単位セルと、
前記第１熱変換発電用単位セルと前記第２熱変換発電用単位セルとの間に位置して電気的に連結する請求項１の集電体と
を含むことを特徴とする、複数個の熱変換発電用単位セルの並列集電構造。
【請求項７】
直列集電部において、
請求項６の複数個の熱変換発電用単位セルの並列集電構造間の陽（＋）極と陰（−）極が直列に連結されたこと
を特徴とする、直列集電部。
【請求項８】
多数個の熱変換発電用単位セルを含む熱変換発電機において、
前記熱変換発電機は、
前記請求項７の直列集電部と、
前記直列集電部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直列集電部の熱変換発電用単位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、前記直列集電部の熱変換発電用単位セルで作動流体の蒸気を移送する蒸発部と、
前記凝縮部と前記蒸発部の空間を連結して作動流体が移送できる循環部と、
前記蒸発部と前記直列集電部の熱変換発電用単位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と
を含むことを特徴とする、熱変換発電機。
【請求項９】
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の下部に位置する金属リングと
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の熱変換発電機。
【請求項１０】
前記作動流体は、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの少なくとも何れか一つ以上含むこと
を特徴とする、請求項８に記載の熱変換発電機。
【請求項１１】
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器と
を含むことを特徴とする、請求項８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、システムの電力水準を所望の容量に構成するための方法であって、多孔性集電物質を用いた熱変換発電セル間の直列及び並列連結構造並びにこれを含む発電機等の活用に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
ＡＭＴＥＣ（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。
ＡＭＴＥＣ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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
ＡＭＴＥＣ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。
ＡＭＴＥＣ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。
【０００７】
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。
【０００８】
ＡＭＴＥＣ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。
【０００９】
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。
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。
【００１０】
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、ＡＭＴＥＣ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。
【００１１】
特許文献１は、作動流体と溶融塩の熱交換を利用した地熱発電システム及び方法に関するものであって、廃熱や太陽熱が貯蔵された溶融塩を作動流体と熱交換させることで電気を発生させることができ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、作動流体と溶融塩の熱交換を利用した地熱発電システムは、集熱部内部に溶融塩を収容して地盤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内部に前記溶融塩の熱源を熱交換によって伝達される作動流体を収容し、それぞれの前記溶融塩収容部を覆いながら地盤に一定間隔に離隔して設置される複数個の作動流体収容部、前記作動流体収容部に連結されて前記作動流体収容部から発生する蒸気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、システムの電力水準を所望する容量で構成するための方法は依然として解決しなければならない状態で残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】大韓民国登録特許第１０−１２４０３９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＡＭＴＥＣシステムの電力水準を所望の容量で構成するために、単位セル自体の容量を育てる方法と多数個のセルを直列又は並列で構成してシステムの電圧及び電流を育てる方法が試みられている。
【００１４】
大容量ＡＭＴＥＣシステムを製造するために、単位セル自体の容量を育てるため従来に試みられる方法は、大型の器物を製造するための工程が非常に難しいだけでなく、機械的にも脆弱になる可能性があり、製作に所要される設備もまた高価な装備を要求することになる。
【００１５】
また、大型の単位セルを製造したとしても、システム故障時に大型セルを交換又は修理するために多くの費用が所要されるため、小型セルをスタックで構成してシステム容量を所望の容量で構成することになる。
【００１６】
従来の方式は、図６で確認できるように、単位セルを巻線型集電体を利用して円筒形セルを巻く方式で集電した後、集電用ワイヤーを結合する方式で直列又は並列型スタックを構成したが、このような方式はワイヤーを結合する方法において再現性が具現され難い点があり、ワイヤーを結合する方法である導線を巻くのに時間と努力がたくさん必要である。また、導線短絡の危険があり、全流量が大きい場合、非常に太い導線又は多数個の導線が必要で、回路を構成するのに困難が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願発明は、発電機システム内部に存在する液状又は気状の作動流体を利用した集電方式で、液状の作動流体を含浸することができる金属フェルト（ｆｅｌｔ）のような多孔性構造体をセル間に挿入して連結させ、セル周囲に存在する作動流体が自然に含浸して集電がなされる方式である。
このために、隣接した熱変換発電セルの間に位置し、電気的に連結する集電体を利用する。
【００１８】
より詳しくは、複数個の熱変換発電セルのうち、第１熱変換発電セル、第１熱変換発電セルと隣接した第２熱変換発電セル、第１熱変換発電セルと第２熱変換発電セルとの間に位置して電気的に連結する集電体を含んでいてもよい。
前記複数個の熱変換発電セルの並列集電構造間の陽（＋）極と陰（−）極が直列に連結される直列集電部を構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
前記集電体で使用される物質は、金属フェルト（ｆｅｌｔ）のような多孔性構造体自体も通電性及び緩衝効果が大きく、一般的な電気的集電体として使用される物質であってもよい。
【００２０】
また、液状金属が多孔質内部に吸収される場合、ウェットコンテクト（ｗｅｔ  ｃｏｎｔａｃｔ）でセル間の界面抵抗が非常に低くなって集電の効果を極大化することができるという長所がある。
【００２１】
これと共に、複雑な導線構成が必要でなく、構造物が単純で、大容量構成が容易で、費用が安く、機械的に安定し、大きい電流量に関係なく使用可能な集電方式である。
また、高い集電効率と電流量に関係なく集電可能であり、短絡の危険がない。
最後に、運転中に存在する作動流体蒸気及び液体を利用可能という長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本願発明による並列集電構造と直列集電部を示す。
【図２】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。
【図３】本願発明による熱変換発電機の作動原理を示す構成図である。
【図４】本願発明の熱変換発電セルを示す。
【図５】本願発明の並列集電構造と直列集電部の集電原理を示す構成図である。
【図６】従来の方法による集電原理を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本願発明による並列集電構造と直列集電部を示す。
隣接した熱変換発電セル１２０の間に位置し電気的に連結する集電体１１０において、多孔性である構造を有する。
前記集電体１１０は、多孔性フェルト（ｆｅｌｔ）状の四角形の金属面が巻き物構造で巻かれた形状であってもよい。
また、中空の円柱状に構成され、全ての面が多孔性であるフェルト状などの多様な形態であってもよいが、これに限定される訳ではない。
【００２４】
前記集電体１１０は、弾性及び伝導性を有する金属で構成され、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のが望ましいだろう。
図４は、本願発明の熱変換発電セル１２０を示す。
【００２５】
前記熱変換発電セル１２０は、チューブ型の金属支持体１２２、前記チューブ型金属支持体１２２の内部表面に形成された多孔性内部電極１２１、前記チューブ型金属支持体１２２の外部表面に形成された固体電解質１２３、前記固体電解質１２３の表面に形成された多孔性外部電極１２４を含んでいてもよい。
【００２６】
前記金属支持体１２２と前記金属支持体１２２の内部表面に形成された内部電極１２１は、一つに構成されてもよい。すなわち、金属支持体１２２として作用する内部電極１２１を形成して使用することができる。
【００２７】
前記金属支持体１２２は多孔性金属支持体であり、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｗ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｎｉ−Ｆｅ，ｓｔａｉｎｌｅｓｓ，ｂｒｏｎｚｅのうち少なくとも何れか一つ以上を含んでいてもよい。
前記固体電解質１２３は、ベータアルミナ系固体電解質、
ＮＡＳＩＣＯＮ系固体電解質のうち少なくとも何れか一つ以上を含んでいてもよい。
最も望ましいのは、ベータアルミナ系固体電解質を使用することである。
【００２８】
図１から確認できるように、複数個の熱変換発電セル１２０の並列集電構造１００として、前記複数個の熱変換発電セル１２０のうち第１熱変換発電セル１２０ａ、前記第１熱変換発電セル１２０ａと隣接した第２熱変換発電セル１２０ｂ、前記第１熱変換発電セル１２０ａと前記第２熱変換発電セル１２０ｂとの間に位置して電気的に連結する集電体１１０を含んでいてもよい。
【００２９】
前記複数個の熱変換発電セル１２０の並列集電構造１００を含む直列集電部２００において、前記複数個の熱変換発電セル１２０の並列集電構造１００間の陽（＋）極と陰（−）極が直列に連結されていてもよい。
図２は、本願発明の実施例による単位熱変換発電機の原理を示す構成図である。
【００３０】
多数個の熱変換発電セル１２０を含む熱変換発電機３００において、直列集電部２００、前記直列集電部２００を位置させることができるケース３２０、前記ケース３２０上端部に位置して前記直列集電部２００の熱変換発電セル１２０を通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部３３０、前記ケース３２０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、前記直列集電部２００の熱変換発電セル１２０で作動流体蒸気を移送する蒸発部３４０、前記凝縮部３３０と前記蒸発部３４０の空間を連結して作動流体が移送できる循環部３６０、前記蒸発部３４０と前記直列集電部２００の熱変換発電セル１２０との間を接合する接合部３５０及び前記ケース３２０下端部を加熱する熱源を含んでいてもよい。
【００３１】
前記接合部３５０は、絶縁性を有するアルファアルミナ、前記蒸発部３４０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むことが好ましいだろう。
【００３２】
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、最も好ましいのは、Ｎａを利用することであるが、これに限定される訳ではない。
前記凝縮部３３０は、上部の低温低圧作動流体が通過する毛細管ウィック３３１、前記毛細管ウィック３３１上部の凝縮器３３２を含んでいてもよい。
前記循環部３６０は、前記凝縮部３３０に連結される毛細管循環ウィック３６１であってもよい。
図５は、本願発明の並列集電構造と直列集電部の集電原理を示す構成図である。
直列集電部の一つの並列集電構造が（＋）を示せば、他のもう一つの並列集電構造は（−）を示し、一つの直列集電部は（＋）、（−）を示すことになる。
図６は、従来の方法による集電原理を示す構成図である。
【００３３】
従来には、単位セルを巻線型集電体を利用して円筒形セルを巻く方式で集電した後、集電用ワイヤーを結合する方式で直列又は並列型スタック（ｓｔａｃｋ）形態に構成した。
【００３４】
このような従来の方法は、ワイヤーを結合する方法において再現性が具現され難い点があり、ワイヤーを結合する方法である導線を巻くのに時間と努力がたくさん必要である。また、導線短絡の危険があり、全流量が大きい場合、非常に太い導線又は多数個の導線が必要であり、回路を構成するのに困難が存在する。
【００３５】
本願発明は、発電機システム内部に存在する液状又は気状の作動流体を利用した集電方式で、液状の作動流体を含浸することができる金属フェルト（ｆｅｌｔ）のような多孔性構造体をセル間に挿入して連結させ、セル周囲に存在する作動流体が自然に含浸して集電がなされる方式である。
前記金属フェルトのような多孔性構造体自体も通電性及び緩衝効果が大きく、電気的集電体で使用される物質であってもよい。
【００３６】
また、液状金属が多孔質内部に吸収される場合、ウェットコンタクト（ｗｅｔ
ｃｏｎｔａｃｔ）でセル間の界面抵抗が非常に低くなって集電の効果を極大化することができるという長所がある。
これと共に、構造物が単純で、容易に手に入れることができ、費用が安く、機械的に安定し、大きい電流量に関係なく使用可能な集電方式である。
したがって、運転中に存在する作動流体の蒸気及び液体を利用可能であるという長所がある。
【００３７】
本発明を添付された図面と共に説明したが、これは本発明の要旨を含む多様な実施形態の中の一つの実施例に過ぎず、当業界で通常の知識を有する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ことは明確である。したがって、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るべきであり、本発明の要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だろう。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ことを明確にする。
【符号の説明】
【００３８】
１００    並列集電構造
１１０    集電体
１２０    熱変換発電セル
１２０ａ    第１熱変換発電セル
１２０ｂ    第２熱変換発電セル
１２１    内部電極
１２２    金属支持体
１２３    固体電解質
１２４    外部電極
２００    直列集電部
３００    発電機
３２０    ケース
３３０    凝縮部
３３１    毛細管ウィック
３３２    凝縮器
３４０    蒸発部
３５０    接合部
３６０    循環部
３６１    毛細管循環ウィック
【図１】
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【図２】
2014220983.tif 000004
【図３】
2014220983.tif 000005
【図４】
2014220983.tif 000006
【図５】
2014220983.tif 000007
【図６】
2014220983.tif 000008