KR100994508B1 - Thermoelectric Generation Module Using Hydrogen Peroxide as Heat Source and Heat Sink - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온부, 열전소자 및 고온부가 구비된 열전발전 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 과산화수소를 열원과 냉매로 이용한 열전발전 모듈은 과산화수소(H2O2)가 이송되는 냉각부; 상기 냉각부에서 이송된 과산화수소가 촉매에 의해 물과 산소로 분해되어 열이 발생되는 반응부; 및 상기 냉각부와 반응부 사이에 구비된 열전소자;를 포함하여 구성되며, 상기 냉각부를 통해 이송되는 과산화수소가 냉매로 작용하는 특징이 있으며, 상기 열전소자가 상기 냉각부의 과산화수소 및 상기 반응부의 과산화수소 분해시 발생하는 분해열에 의해 온도구배를 갖는 특징이 있다.The present invention relates to a thermoelectric power module having a low temperature unit, a thermoelectric element, and a high temperature unit. Specifically, a thermoelectric power module using hydrogen peroxide as a heat source and a refrigerant includes a cooling unit to which hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is transferred; A reaction part in which hydrogen peroxide transferred from the cooling part is decomposed into water and oxygen by a catalyst to generate heat; And a thermoelectric element provided between the cooling unit and the reaction unit, wherein the hydrogen peroxide transferred through the cooling unit serves as a refrigerant, and the thermoelectric element decomposes hydrogen peroxide of the cooling unit and hydrogen peroxide of the reaction unit. It has a characteristic that it has a temperature gradient due to decomposition heat generated during the process.
과산화수소, 열전소자, 열전모듈, 촉매, 분해 Hydrogen peroxide, thermoelectric element, thermoelectric module, catalyst, decomposition
Description
본 발명은 과산화수소를 열원과 냉매로 사용하여 동력원의 부피 감소가 가능하고, 저온부와 고온부의 온도 구배가 커 효율이 높으며, 초소형 동력원으로 사용 가능하며, 친환경적인 열전발전 모듈을 제공하는 것이다. The present invention can reduce the volume of the power source by using hydrogen peroxide as the heat source and the refrigerant, the temperature gradient of the low temperature portion and the high temperature portion is high efficiency, and can be used as a small power source, to provide an environmentally friendly thermoelectric power module.
미세가공공정(MEMS) 기술을 비롯한 정밀 가공 공정 기술의 발전에 따라 기존의 장치를 소형화하려는 연구가 최근 많이 시도되고 있다. 이러한 소형 시스템들은 센서와 같은 단일 기기부터 초소형 비행체, 소형 로봇 등과 같은 복잡한 시스템 까지 전 분야에 걸쳐서 개발되고 있으며 이러한 시스템의 동력원으로는 기존의 2차 전지가 사용되고 있다. In recent years, many researches have been made to miniaturize existing devices according to the development of the precision processing process technology including the micro machining process (MEMS) technology. These small systems are being developed all over the field, from single devices such as sensors to complex systems such as micro air vehicles and small robots. Existing secondary batteries are being used as a power source for such systems.
그러나 2차 전지의 낮은 에너지 밀도와 충전 방식의 불편함을 해결하기 위한 대체 동력원에 대한 연구/개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.However, research / development of alternative power sources to solve the low energy density of the secondary battery and the inconvenience of the charging method is actively conducted worldwide.
초소형 동력원으로서 연구되어 왔던 마이크로 열기관은 고속 구동부의 소형화에 어려움이 있다는 단점이 있다. 열전발전은 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 열 에너지로부터 전기에너지를 생산하는 방식으로 마이크로 열기관과 달리 구동부가 없어 내구성이 우수하고 소형화가 용이하다는 장점이 있다. The micro heat engine, which has been studied as a miniature power source, has a disadvantage in that it is difficult to miniaturize the high speed drive unit. Thermoelectric power generation uses the Seebeck effect to produce electrical energy from thermal energy, unlike micro heat engines.
열전발전을 위해서는 열전소자와 열원 그리고 저온부 냉각을 위한 냉각장치가 필요하다. 열전발전의 발전 성능은 열전소자 고온부와 저온부의 온도차에 의해 결정되며 성능 향상을 위해서는 많은 온도차가 요구된다. Thermoelectric power generation requires a thermoelectric element, a heat source, and a cooling device for cooling the low temperature part. The power generation performance of thermoelectric power generation is determined by the temperature difference between the high and low temperature parts of the thermoelectric element, and a large temperature difference is required to improve the performance.
기존의 발열 반응을 열원으로 한 열전발전 모듈은 촉매 연소 반응을 열원으로 하여 열전소자 고온부에는 연소기를 부착하고 저온부에는 다수의 평판형 핀(fin)이 형성된 히트 싱크를 부착하는 방식을 사용하였다. 이 경우 저온부의 냉각이 대기 중의 공기를 이용한 자연 대류(Natural Convection)를 통해 이루어지고 이로 인해 히트 싱크의 크기가 반응기와 열전 소자에 비해 비대하거나 발전 성능이 저하되는 현상이 나타나는 문제점이 있다(J. A. Federici, D. G. Norton, T. Br㎻ggemann, K. W. Voit, E.D. Wetzel, D. G. Vlachos. Catalytic microcombustors with integrated thermoelectric elements for portable power production, 2006, Vol. 161, Journal of Power Source, 1469 - 1478).The conventional thermoelectric power module using the exothermic reaction as a heat source used a method of attaching a combustor to a high temperature part of a thermoelectric element and attaching a heat sink having a plurality of flat fins to a low temperature part using a catalytic combustion reaction as a heat source. In this case, the cooling of the low temperature part is performed through natural convection using air in the air, which causes a problem that the size of the heat sink is larger than that of the reactor and the thermoelectric element or the power generation performance is degraded (JA Federici). , DG Norton, T. Brgggemann, KW Voit, ED Wetzel, DG Vlachos.Calytic microcombustors with integrated thermoelectric elements for portable power production, 2006, Vol. 161, Journal of Power Source, 1469-1478).
또한, 촉매 연소를 열원으로 사용하며 연소에 필요한 공기를 열전소자 저온부의 냉매로 사용하여 저온부를 냉각시키는 방식으로 강제 대류 방식을 사용한다(대한민국 등록특허 제0849504). 그러나 냉매로서 공기의 낮은 성능에 문제가 있으며 연소 반응을 이용함에 따라 온실 가스인 이산화탄소, 일산화탄소가 발생한다는 문제를 안고 있다.In addition, a catalytic convection is used as a heat source, and a forced convection method is used to cool the low temperature part by using the air required for combustion as a refrigerant of the low temperature part of the thermoelectric element (Korean Patent No. 0849504). However, there is a problem in the low performance of the air as a refrigerant, and there is a problem that carbon dioxide, carbon monoxide, which are greenhouse gases are generated by using the combustion reaction.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연소가 아닌 분해열을 열원으로 사용하고 액체상의 냉매로 저온부를 구성하여, 동력원의 부피 감소가 가능하고, 저온부의 냉각 효율이 우수하며, 저온부와 고온부의 온도 구배가 커 효율이 높고, 초소형 동력원으로 사용 가능하며, 친환경적인 열전발전 모듈을 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems is to use the heat of decomposition rather than combustion as a heat source and to form a low temperature portion with a liquid refrigerant, it is possible to reduce the volume of the power source, excellent cooling efficiency of the low temperature portion, high temperature portion and high temperature portion The large temperature gradient provides high efficiency, small power source, and environmentally friendly thermoelectric power module.
과산화수소를 열원과 냉매로 이용한 열전발전 모듈은 과산화수소(H2O2)가 이송되는 냉각부; 상기 냉각부에서 이송된 과산화수소가 촉매에 의해 물과 산소로 분해되어 열이 발생되는 반응부; 및 상기 냉각부와 반응부 사이에 구비된 열전소자;를 포함하여 구성되며, 상기 냉각부를 통해 이송되는 과산화수소가 냉매로 작용하는 특징이 있으며, 상기 열전소자가 상기 냉각부의 과산화수소 및 상기 반응부의 과산화수소 분해시 발생하는 분해열에 의해 온도구배를 갖는 특징이 있다.The thermoelectric power module using hydrogen peroxide as a heat source and a refrigerant includes a cooling unit to which hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is transferred; A reaction part in which hydrogen peroxide transferred from the cooling part is decomposed into water and oxygen by a catalyst to generate heat; And a thermoelectric element provided between the cooling unit and the reaction unit, wherein the hydrogen peroxide transferred through the cooling unit serves as a refrigerant, and the thermoelectric element decomposes hydrogen peroxide of the cooling unit and hydrogen peroxide of the reaction unit. It has a characteristic that it has a temperature gradient due to decomposition heat generated during the process.
상기 반응부는 발포금속으로 구성된 금속폼; 및 은, 백금 및 망간산화물에서 하나 이상 선택된 촉매;를 포함하여 구성되는 특징이 있다.The reaction unit is a metal foam consisting of a foamed metal; And silver, at least one catalyst selected from platinum and manganese oxides.
상기 반응부는 상기 금속폼 표면에 상기 촉매, 바람직하게는 은, 백금, 또는 이들의 혼합물이 전기 도금되어 있는 특징이 있다.The reaction part is characterized in that the catalyst, preferably silver, platinum, or a mixture thereof is electroplated on the metal foam surface.
상기 반응부는 알루미나, 실리카 및 티타니아에서 하나 이상 선택된 세라믹입자를 더 포함하여 구성되며, 상기 금속폼에 코팅된 상기 세라믹 입자에 상기 촉매가 담지되어 있는 특징이 있다.The reaction unit further comprises ceramic particles selected from one or more selected from alumina, silica, and titania, and the catalyst is supported on the ceramic particles coated on the metal foam.
상기 반응부는 유체 유입 공극 및 유체 배출 공극이 양 단에 구비되고 두 공극을 연결하는 내부 공극이 구비된 금속판을 포함하여 구성되어, 상기 금속판의 상기 내부 공극에 상기 금속폼 및 상기 촉매가 구비되는 특징이 있다.The reaction part includes a metal plate having a fluid inlet gap and a fluid outlet gap at both ends and an inner gap connecting the two pores, wherein the metal foam and the catalyst are provided in the inner gap of the metal plate. There is this.
상기 반응부를 구성하는 상기 금속폼은 니켈폼인 것이 바람직하다.The metal foam constituting the reaction portion is preferably nickel foam.
상기 냉각부는 금속판을 포함하여 구성되며, 상기 금속판의 일 단에는 과산화수소가 유입되는 공극이 구비되고 타 단에는 과산화수소가 배출되는 공극이 구비되며, 상기 금속판의 내부에는 두 공극을 연결하는 유체 이동 채널(channel)이 하나 이상 구비된 특징이 있다.The cooling unit includes a metal plate, one end of the metal plate is provided with pores through which hydrogen peroxide is introduced, and the other end is provided with pores through which hydrogen peroxide is discharged, and a fluid movement channel connecting the two pores inside the metal plate ( one or more channels).
냉각부의 상기 채널은 직사각 및 정사각을 포함하는 사각 기둥, 원기둥 또는 육각기둥 형상의 기공인 특징이 있으며, 상기 채널의 표면에는 표면 굴곡이 형성된 것이 바람직하다.The channel of the cooling unit is characterized in that the pores of the rectangular column, cylinder or hexagonal column shape including a rectangle and a square, the surface of the channel is preferably formed with surface curvature.
상기 냉각부는 알루미늄인 것이 바람직하다.It is preferable that the said cooling part is aluminum.
상기 냉각부 및 상기 반응부는 각각 두께:너비의 길이비가 1: 2 내지 10인 판형인 것이 바람직하며, 상기 두께는 2mm 내지 10mm인 것이 바람직하다.The cooling unit and the reaction unit are each preferably in the form of a plate having a thickness: width ratio of 1: 2 to 10, and the thickness is preferably 2 to 10mm.
상기 열전발전 모듈은 상기 반응부를 중심으로 하여 상기 반응부 상부 및 하부 각각에 열전소자 및 냉각부가 적층된 구조를 가지며, 상기 상부 및 하부에 구비된 냉각부에서 각각 이송된 과산화수소가 단일한 상기 반응부로 유입되어 분해되는 특징이 있다.The thermoelectric power module has a structure in which a thermoelectric element and a cooling unit are stacked on the upper and lower portions of the reaction unit with respect to the reaction unit, and the hydrogen peroxide transferred from the cooling units provided at the upper and lower portions is the single reaction unit. It is characterized by inflow and decomposition.
이때, 상기 열전발전모듈은 상기 적층된 구조를 일 단위체로 하여, 둘 이상의 상기 단위체가 적층된 구조인 것이 바람직하다.In this case, the thermoelectric power module is preferably a structure in which two or more units are stacked using the stacked structure as one unit.
본 발명은 초소형 동력원으로 적합한 열전발전 모듈에 관한 기술로, 과산화수소의 촉매 분해 반응에서 발생하는 분해열을 열원으로 하여 열 생성에 의해 오염물질이 배출되지 않는 친환경적인 방법인 장점이 있으며, 에너지 단위 밀도가 높은 장점이 있으며, 안정적인 열원의 공급이 가능한 장점이 있다.The present invention relates to a thermoelectric power module suitable as an ultra small power source, and has an advantage of being an environmentally friendly method in which pollutants are not discharged by heat generation using the heat of decomposition generated in the catalytic decomposition reaction of hydrogen peroxide as a heat source. There is a high advantage, there is an advantage that can supply a stable heat source.
본 발명의 열전발전 모듈은 저온부에 마이크로 채널 형상으로 액상의 과산화수소의 이송 경로가 형성되며, 미세 공극 내에 구비된 촉매(금속폼상에 구비된 촉매)를 통해 이송된 과산화수소가 분해되므로, 모듈의 크기를 수 mm이하로 초소형화 할 수 있는 장점이 있다.The thermoelectric power module of the present invention is formed in the microchannel shape of the transfer path of the liquid hydrogen peroxide in the low temperature portion, the hydrogen peroxide transferred through the catalyst (catalyst provided on the metal foam) is provided in the micro-pores, so that the size of the module There is an advantage that can be miniaturized to a few mm or less.
본 발명의 냉각부는 촉매 분해 반응 전 이송되는 상온 상압의 조건에서 액체 상태인 과산화수소를 저온부 냉각을 위한 냉매로 사용하여, 저온부 냉각 장치의 소형화를 구현하고 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The cooling unit of the present invention uses hydrogen peroxide in a liquid state at a normal temperature and atmospheric pressure transferred before the catalytic decomposition reaction as a refrigerant for cooling the low temperature part, thereby realizing miniaturization of the low temperature part cooling device and improving the cooling efficiency.
본 발명의 반응부는 과산화수소가 물 및 산소로 분해되는 분해 반응이 다공성 금속 폼에 구비된 촉매에 의해 일어나, 촉매의 양을 최소화 하며 단시간 내에 완전 분해 가능한 장점이 있다.The reaction part of the present invention has the advantage that the decomposition reaction in which hydrogen peroxide is decomposed into water and oxygen is caused by the catalyst provided in the porous metal foam, thereby minimizing the amount of the catalyst and completely decomposing within a short time.
본 발명의 열전발전 모듈은 반응부, 열전소자 및 냉각부를 포함하여 구성된 모듈을 단위체로 하여, 상기 단위체의 적층에 의해 발전 용량의 용이하게 조절 가능한 장점이 있다.The thermoelectric power module of the present invention has an advantage in that a module including a reaction unit, a thermoelectric element, and a cooling unit is used as a unit, and the power generation capacity can be easily adjusted by stacking the unit.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 열전발전 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, the thermoelectric power module of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided by way of example so that the spirit of the invention to those skilled in the art can fully convey. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Also, like reference numerals denote like elements throughout the specification.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명에 따른 열전발전 모듈은 과산화수소(H2O2)가 이송되는 냉각부; 상기 냉각부에서 이송된 과산화수소가 촉매에 의해 물과 산소로 분해되어 열이 발생되는 반응부; 및 상기 냉각부와 반응부 사이에 구비된 열전소자;를 포함하여 구성되며, 상기 냉각부를 통해 이송되는 과산화수소가 냉매로 작용하는 특징이 있으며, 상기 열전소자가 상기 냉각부의 과산화수소 및 상기 반응부의 과산화수소 분해시 발생하는 분해열에 의해 온도구배를 갖는 특징이 있다.The thermoelectric power module according to the present invention includes a cooling unit to which hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is transferred; A reaction part in which hydrogen peroxide transferred from the cooling part is decomposed into water and oxygen by a catalyst to generate heat; And a thermoelectric element provided between the cooling unit and the reaction unit, wherein the hydrogen peroxide transferred through the cooling unit acts as a refrigerant. It has a characteristic that it has a temperature gradient due to decomposition heat generated during the process.
본 발명의 열전 발전 모듈은 단면이 원 또는 다각형인 봉형의 반응부를 중심으로 상기 열전소자 및 냉각부가 동심 구조로 구성될 수 있으며, 판형의 반응부를 중심으로 판형의 열전소자 및 판형의 냉각부가 적층되어 적층된 판 구조로 구성될 수 있다.In the thermoelectric power module of the present invention, the thermoelectric element and the cooling unit may be configured in a concentric structure with a rod-shaped reaction unit having a circular or polygonal cross section. It may be composed of a laminated plate structure.
도 1은 적층된 판 구조를 갖는 본 발명의 열전발전 모듈의 바람직한 일예로, 반응부(20)에서 발생한 과산화수소 분해열의 효율적인 이용을 위해, 상기 반응부(20)를 중심으로 반응부(20) 상부 및 하부로 열전소자(30A, 30B)와 냉각부(10A, 10B)가 적층된 구조를 도시한 것이다. 발명의 열전발전 모듈(100)은 과산화수소(H2O2)가 이송되는 냉각부(10A, 10B); 상기 냉각부(10A, 10B)에서 이송된 과산화수소가 촉매에 의해 물과 산소로 분해되어 열이 발생되는 반응부(20); 및 상기 냉각부(10A, 10B)와 반응부(20) 사이에 구비된 열전소자(30A, 30B);를 포함하여 구성되며, 상기 냉각부(10A, 10B)를 통해 이송되는 과산화수소가 냉매로 작용하는 특징이 있으며, 상기 열전소자(30A, 30B)가 상기 냉각부(10A, 10B)의 과산화수소 및 상기 반응부(20)의 과산화수소 분해시 발생하는 분해열에 의해 온도구배를 갖는 특징이 있다.1 is a preferred example of the thermoelectric power module of the present invention having a laminated plate structure, in order to efficiently use the hydrogen peroxide decomposition heat generated in the
도 1에 도시된 바와 같이 열전발전 모듈(100)의 열전소자(30A, 30B)에 차가운 면(cold plane)을 제공하는 냉각부(10A, 10B)는 액상의 과산화수소가 이송됨과 동시에, 상기 과산화수소를 냉매로 하여 열전소자(30A, 30B)를 냉각시키는 특징이 있다.As shown in FIG. 1, the
상기 냉각부(10A, 10B)에서 이송되는 과산화수소는 열전소자(30A, 30B)를 냉각시키며 열전소자(30A, 30B)의 냉각에 의해 가온된 상태로 반응부(20)로 공급되게 된다.Hydrogen peroxide transferred from the
상기 반응부(20)는 가온된 과산화수소를 공급받아 상기 반응부(20)에 구비된 촉매에 의해 과산화수소가 물과 산소로 분해되는 분해반응이 수행되어 분해열을 생성하고, 열전소자(30A, 30B)에 뜨거운 면(hot plane)을 제공한다. The
상기 열전소자(30A, 30B)는 냉각부(10A, 10B)의 과산화수소에 의해 냉각되고, 반응부(20)에서 발생하는 분해열에 의해 가온되어, 양 단의 열구배에 의해 기전력을 발생한다.The
상술한 바와 같이, 본 발명의 열전발전 모듈(100)은 냉매와 에너지원이 동일한 물질인 과산화수소인 특징이 있으며, 상세하게, 과산화수소의 촉매 분해 반응에서 발생하는 열을 열원으로 하고, 상온 상압의 조건에서 액체 상태인 과산화수소를 저온부 냉각을 위한 냉매로 사용하는 특징이 있다. 저온부의 냉각이 대기 또는 공기를 이용한 자연대류가 아닌 액상의 과산화수소를 사용함에 따라 뛰어난 냉각 특성을 가지며, 종래의 핀 형상의 히트 싱크에서 벗어나 평판형의 극소형 냉각부를 구성할 수 있는 장점이 있다.As described above, the
또한, 에너지원으로 과산화수소를 사용함에 따라, 연료가 고 에너지 밀도를 가지는 장점이 있으며, 냉각부와 함께 극소형 마이크로 모듈의 구현이 가능하며, 연소가 아닌 분해열을 열원으로 하여 수소 및 물이 배출되는 친환경적인 동력원인 장점이 있다. In addition, by using hydrogen peroxide as an energy source, the fuel has the advantage of having a high energy density, it is possible to implement a micro-mini-module with the cooling unit, the hydrogen and water is discharged by using the heat of decomposition as a heat source, not combustion. It has the advantage of being an environmentally friendly power source.
도 2는 본 발명에 따른 열전발전 모듈(100)의 냉각부(10A 또는 10B)를 보다 상세히 도시한 일 예로, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 바람직하게 본 발명의 열전발전 모듈(100)에 구비되는 냉각부(10)는 열전도율이 높은 금속, 바람직하게는 알루미늄을 구성되며, 바람직하게 금속판의 형상이다. Figure 2 is an example showing in more detail the
상기 냉각부(10)는 과산화수소를 냉매 및 에너지원로 사용하는 특징에 의해 얇은 박판형상을 갖는 장점이 있다. 동력원의 소형화, 에너지원의 원활한 공급(열전소자의 뜨거운 면의 안정적인 온도 유지) 및 열전소자 차가운 면의 균일한 냉각을 위해 상기 냉각부(10)의 금속판은 두께:너비(두께 방향과 수직인 최단 길이)의 길이비가 1: 2 내지 10인 판형인 특징이 있으며, 상기 두께는 2mm 내지 10mm인 특징이 있다.The
도 2(a)에 도시한 바와 같이 상기 냉각부(10)는 금속판(11)을 포함하여 구성되며, 상기 금속판(11)의 일 단에는 과산화수소가 유입되는 공극(12)이 구비되고 타 단에는 과산화수소가 배출되는 공극(16)이 구비되며, 상기 금속판의 내부에는 두 공극(12 및 16)을 연결하는 유체 이동 채널(channel)(14)이 하나 이상 구비된 특징이 있다.As shown in FIG. 2A, the cooling
상기 유체 이동 채널은 냉매인 과산화수소가 금속판(11)과 접촉하는 면적을 향상시키며 원활하게 반응부(20)로 과산화수소를 공급하기 위한 것으로, 도 2(b)에 도시한 단면도와 같이 다수개의 유체 이동 채널(14) 구비되는 경우, 채널들의 각 끝에서 서로 연결(13, 15)되어 과산화수소 유입 또는 배출 공극(12, 16)과 연결되는 것이 바람직하다.The fluid movement channel improves the area where the hydrogen peroxide, which is a refrigerant, contacts the
도 2(c)의 채널 단면도 일 예와 같이, 상기 채널은 직사각 및 정사각을 포함하는 사각 기둥, 원기둥 또는 육각기둥 형상의 기공인 특징이 있으며, 도 2(b) 또는 도 2(c)에 도시한 바와 같이 각 채널은 서로 분리되어(금속판과 동일 재질의 격벽으로 분리되어) 있는 것이 바람직하다.As shown in the example of the cross-sectional view of the channel of Figure 2 (c), the channel is characterized in that the pores of the rectangular column, cylinder or hexagonal column shape including a rectangular and square, shown in Figure 2 (b) or 2 (c). As described above, each channel is preferably separated from each other (separated by a metal plate and a partition wall of the same material).
또한, 냉각 효과를 향상시키기 위해 도 2(c)에 도시한 바와 같이 상기 채널의 표면에는 표면 굴곡(요철)이 형성된 것이 바람직하다. 상기 표면 굴곡은 물리적 스크래치(scratch), 화학적 에칭, 기계적 가공등에 의해 형성되는 굴곡을 포함한다.In addition, in order to improve the cooling effect, as shown in FIG. The surface curves include curves formed by physical scratches, chemical etching, mechanical processing, and the like.
도 3은 본 발명에 따른 열전발전 모듈(100)의 반응부(20)를 보다 상세히 도시한 일 예로, 도 3에 도시한 바와 같이 바람직하게 본 발명의 열전발전 모듈(100)에 구비되는 반응부(20)는 외각 하우징(housing) 역할을 하는 금속판(21); 및 상기 금속판 내부에 구비되며 촉매가 구비된 금속폼(25);을 포함하여 구성된다. 상기 반응부(20)의 금속판(21)은 열전도율이 높은 금속, 바람직하게는 알루미늄을 구성된다. 상기 반응부(20)의 금속판(21)은 상기 냉각부(10)와 유사하게 동력원의 소형화, 열전소자의 뜨거운 면의 안정적인 온도 유지를 위해 상기 두께:너비(두께 방향과 수직인 최단 길이)의 길이비가 1: 2 내지 10인 판형인 특징이 있으며, 상기 두께는 2mm 내지 10mm인 특징이 있다.Figure 3 is an example showing in more detail the
도 3(a)에 도시된 바와 같이 상기 반응부(20)의 금속판(21)은 유체(냉각부에서 이송된 과산화수소) 유입 공극(27) 및 유체(과산화수소가 분해되어 생성된 물 및 산소) 배출 공극(22)이 양 단에 구비되고 두 공극(22 및 27)을 연결하는 내부 공극(23, 24 및 26)이 구비된 특징이 있으며, 상기 금속판(21)의 상기 내부 공극(24)에 상기 촉매가 구비된 금속폼(25)이 구비되는 특징이 있다.As shown in FIG. 3A, the
도 3(b)에 도시한 단면도와 같이 상기 촉매가 구비된 금속폼(25)은 상기 금속판(21) 내부 공극(24)에 구비되며, 상기 금속폼(25)의 형상과 유사한 내부 공극(24)은 각 끝단에서 유체 유입 또는 배출 공극(27, 22)과 연결(23, 26)된다.As shown in the cross-sectional view of FIG. 3 (b), the
상기 금속폼은 연속 기공이 형성된 발포금속으로 높은 열전도율을 제공하며, 촉매와 과산화수소간의 높은 비표면적을 제공하는 촉매 담지체 역할을 하며, 바람직하게 니켈폼이다. The metal foam is a foamed metal with continuous pores, provides a high thermal conductivity, serves as a catalyst carrier providing a high specific surface area between the catalyst and hydrogen peroxide, preferably nickel foam.
상기 촉매는 은, 백금 및 망간산화물에서 하나 이상 선택된 물질이며, 상기 금속폼의 중량 100을 기준으로 10 내지 20 중량부의 촉매가 담지되는 것이 바람직하다. The catalyst is a material selected from one or more of silver, platinum and manganese oxide, it is preferable that 10 to 20 parts by weight of the catalyst based on the
상기 촉매가 구비된 금속폼(25)은 은전구체, 백금전구체 및 망간 전구체에서 하나 이상 선택된 전구체 용해액에 금속폼을 담지시켜 전구체 용해액으로 금속폼을 코팅한 후 이를 열처리하여 제조하거나, 상기 금속폼에 은, 백금, 또는 이들의 혼합물을 전기 도금하여 제조한다.The
바람직하게, 상기 금속폼의 비표면적을 보다 향상시키기 위해, 상기 반응부(20)는 알루미나, 실리카 및 티타니아에서 하나 이상 선택된 세라믹입자를 더 포함하여 구성되며, 상기 금속폼에 상기 세라믹 입자를 코팅 한 후, 상기 세라믹 입자에 상기 촉매가 담지된 구조이다. 상기 세라믹 입자는 금속폼의 중량 100을 기준으로 20 내지 60 중량부인 것이 바람직하며, 통상의 졸-겔법에 의해 세라믹 입자가 코팅된 금속폼에 담지되는 촉매는 금속폼의 중량 100을 기준으로 5 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.Preferably, in order to further improve the specific surface area of the metal foam, the
상기 반응부(20) 또는 냉각부(10)는 알루미늄 판재에 유입구, 배출구, 내부 기공, 채널등을 가공한 후, 레이저 용접을 이용한 접합을 통해 제조한다. The
상기 반응부(20)과 상기 냉각부(10) 사이에 구비되는 열전소자(30)는 전기적으로는 절연된 두 개의 기판(도 4의 31, 33)들 사이에 배치되고 (금속 배선에 의해)직렬 접속된 다수의 p형 및 n형 반도체 소자들(일 예로, n 다이오드 및 p 다이오드들, 도 4의 32)이 교번되어 형성된 통상의 열전소자구조를 포함하며, 박막형 p형 및 n형 반도체 소자들로 구성된 열전소자를 포함한다.The thermoelectric element 30 provided between the
도 4는 본 발명의 열전발전 모듈(100) 사시도(도 4(a)) 및 부분 절단 사시도(도 4(b))의 일 예로, 도 1과 유사하게, 상기 반응부(20)의 상부 및 하부로 각각 열전소자(30A, 30B)와 냉각부(10A, 10B)를 구비하여 높은 열 효율을 갖는 바람직한 일 예이다. 4 is an example of a perspective view (FIG. 4 (a)) and a partially cut perspective view (FIG. 4 (b)) of the
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열전발전 모듈(100)은 과산화수소 유입구(12) 및 배출구(16)가 양 단에 구비되고, 내부에 바람직하게 다수개의 유체 이송 채널(14)이 형성된 금속판(11)을 포함하여 구성된 냉각부(10A, 10B); 유체(냉각부에서 이송된 과산화수소) 유입 공극(27) 및 유체(과산화수소가 분해되어 생성된 물 및 산소) 배출 공극(22)이 양 단에 형성되어 있으며, 촉매가 구비된 금속폼이 양 단 공극(27, 22)과 연결된(23, 26) 내부 공극(24)에 구비된 반응부(20); 및 상기 냉각부(10)과 반응부(20)사이에 구비된 열전소자(30);를 포함하여 구성되는 특징이 있다. As shown in FIG. 4, the
상술한 바와 같이 액상의 과산화수소를 냉매로 사용함과 동시에 촉매 분해에 의해 과산화수소를 에너지원으로 사용하는 본 발명의 특징에 의해, 상기 냉각부(10) 및 상기 반응부(20)는 초 박형/초 미세형 금속판 구조인 특징이 있으며, 두께:너비(두께 방향과 수직인 최단 길이)의 길이비가 1: 2 내지 10이고, 상기 두께가 2mm 내지 10mm인 특징이 있다. 이에 따라, 본 발명의 열전발전 모듈(도 4와 유사한 구조)은 일 변의 길이가 수십 mm인 큐브 형상을 가지는 초 미세크기의 동력원인 장점이 있다.As described above, the cooling
도 4에 도시한 바와 같이 상기 반응부(20)는 단일한 금속판(11)에 서로 대응 되는 두 쌍의 유체 유입구 및 유체 배출구가 구비되어, 대응되는 한 쌍의 유체 유입구 및 유체 배출구 각각을 연결하는 내부 공극 마다 촉매가 구비된 금속폼이 위치할 수 있다. 이때, 대응되는 한 쌍의 유체 유입구 및 유체 배출구 각각을 연결하는 내부 공극은 서로 분리되어 있는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 4, the
상기 반응부(20)는 도 4와 같이 다수개의 촉매가 구비된 금속폼을 포함하여 구성될 수 있으며, 다수개의 금속폼 각각이 구비되는 내부 공극은 서로 분리되어 있으며, 내부 공극 각각에 유체 유입구 및 유입구에 대응되는 유체 배출구가 구비된 것이 바람직하다. The
본 발명에 따른 열전발전모듈은 상기 도 4와 유사한 적층된 구조를 일 단위체로 하여, 둘 이상의 상기 단위체가 좌/우 또는 상/하로 적층된 특징이 있으며, 상기 단위체의 적층에 의해 발전 용량이 제어되는 특징이 있다.The thermoelectric power module according to the present invention has a stacked structure similar to that of FIG. 4 as one unit, wherein two or more units are stacked left / right or up / down, and the generation capacity is controlled by stacking the units. There is a characteristic to become.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims as well as the claims to be described later will belong to the scope of the present invention. .
도 1은 본 발명에 따른 열전발전 모듈의 일 구성도이며, 1 is a configuration diagram of a thermoelectric power module according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 열전발전 모듈에 구비되는 냉각부의 사시도 및 단면도이며, 2 is a perspective view and a cross-sectional view of the cooling unit provided in the thermoelectric power module according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 열전발전 모듈에 구비되는 반응부의 사시도 및 단면도이며, 3 is a perspective view and a cross-sectional view of a reaction unit provided in the thermoelectric power module according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 열전발전 모듈의 일 사시도 및 부분 단면 사시도이다.4 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a thermoelectric power module according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 열전발전 모듈 10, 10A, 10B : 냉각부100:
20, 20A, 20B : 반응부 30A, 30B : 열전소자20, 20A, 20B:
12 : 과산화수소 유입구 16 : 과산화수소 배출구12: hydrogen peroxide inlet 16: hydrogen peroxide outlet
14 : 채널 27 : 유체 유입구14
22 : 유체 배출구 24 : 내부 기공22: fluid outlet 24: internal pores
25 : 촉매가 구비된 금속폼 11, 21 : 금속판25: metal foam with
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