DE1294515B

DE1294515B - Thermoelektrisches Element mit einer Lithium-Verbindung als thermoelektrisch wirksamem Teil

Info

Publication number: DE1294515B
Application number: DEE24905A
Authority: DE
Inventors: Ovshinsky Stanford R
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1962-05-28
Filing date: 1963-05-28
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3508968A; GB990144A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Element zum Erzeugen einer Gleichspannung mit zwei auf verschiedenen Temperaturen gehaltenen Metallelektroden, zwischen denen sich als thermoelektrisch wirksamer Teil eine Lithiumverbindung befindet.
Es sind bereits derartige thermoelektrische Elemente bekannt, bei denen eine Lithiumverbindung, nämlich Li F, als thermoelektrisch wirksames Glied zwischen Elektroden aus rostfreiem Stahl angeordnet sind. Der Nachteil dieser Elemente besteht darin, daß die erzeugbare Gleichspannung verhältnismäßig niedrig ist, sofern nicht 'eine größere Anzahl solcher thermoelektrischer Elemente hintereinandergeschaltet werden.
Außerdem sind thermoelektrische Elemente bekannt, bei denen einer der zwischen Metallelektroden angeordneten Schenkel aus einer Lithiumverbindung besteht. Der Anteil des Lithiums in der Verbindung ist dabei relativ gering; er beträgt bis zu 10 Molprozent. Dabei wird Wert darauf gelegt, daß sich Einkristalle bilden, so daß die Herstellung verhältnismäßig hohe Kosten verursacht. Dabei wird in erster Linie daran gedacht, eine solche thermoelektrische Vorrichtung nicht als spannungerzeugendes Element, sondern als Kühlvorrichtung zu verwenden, obwohl es auch als Spannungserzeuger insbesondere dann verwendbar ist, wenn mehrere solcher Thermoelemente vereint werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisches Element zu schaffen, das trotz einfachen Aufbaues und niedriger Herstellungskosten ohne Verwendung sehr teurer einzelner Bauteile eine hohe Gleichspannung erzeugen kann.
Diese Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Element der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß das Element derart ausgebildet ist, daß die Lithiumverbindung betriebsmäßig im geschmolzenen Zustand zwischen den Elektroden gehalten werden kann.
Die Verwendung einer Lithiumverbindungsschmelze für den obengenannten Zweck gibt die Gewähr dafür, daß relativ große Temperaturunterschiede zwischen den Metallelektroden angewendet werden können, so daß verhältnismäßig hohe Spannungen im Voltbereich erzeugbar sind. Dabei ist es nicht erforderlich, speziell und genau mit Lithium dotierte Glieder zu verwenden, die relativ teuer sind. Die Verwendung von Flüssigkeiten als thermoelektrische Materialien ist an sich bereits bekannt, doch war es bisher nicht bekannt, Lithiumverbindungen im geschmolzenen Zustand für diesen Zweck zu verwenden. Zu den hierfür geeigneten Lithiumverbindungen gehören Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxyd, Lithiumorthosilikat, Lithiumsulfat, Lithiumacetat, Lithiummetasilikat, Lithiummetaborat, Lithiumfluorid, Lithiumnitrid, Lithiumnitrat, Lithiumoxyd, Lithiumorthophosphat und Mischungen von je zwei oder mehreren dieser Verbindungen.
Wenn Lithiumverbindungen atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt werden, ist es zweckmäßig, Lithiumverbindungen zu verwenden, die im wesentlichen nicht hygroskopisch und im wesentlichen wasserunlöslich sind. In weiterer Ausbildung der Er- i findung wird daher eine Lithiumverbindung verwendet, die eine Löslichkeit in kaltem Wasser von weniger als 15 Teilen je 100 Teile Wasser, vorzugsweise weniger als 8 Teilen je 100 Teile Wasser, haben.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Lithiumverbindung luftdicht in einem Gefäß eingeschlossen. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn Lithiumverbindungen verwendet werden, die stärker hygroskopisch und nicht unerheblich wasserlöslich sind. Eine solche Lithiumverbindung ist beispielsweise Lithiumacetat. Dabei ist es zweckmäßig, eine der Elektroden als Teil des Gefäßes auszubilden. Wenn die andere der Elektroden als konzentrisch in das Gefäß hineinragender Stab ausgebildet wird, sind nicht nur die Herstellungskosten verhältnismäßig niedrig, sondern zeichnet sich das Element auch durch einen verhältnismäßig geringen Raumbedarf aus.
Es können Lithiumverbindungen verwendet werden, die durch eine vollständige oder nahezu vollständige Verbrennung metallischen Lithiums in Luft oder Sauerstoff erhalten wurden. Solche Verbindungen dürften Mischungen von Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxyd und Lithiumoxyd sein, die darin im wesentlichen in annähernd gleichen Teilen vorliegen.
Mit derartigen Elementen können Gleichspannungen von etwa 2,5 Volt bei Temperaturunterschieden von etwa 300° C erreicht werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Beispielen noch näher erläutert.
F i g. 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausbildungsform eines Elements nach der Erfindung; F i g. 2 ist ein Querschnitt durch eine andere Ausbildungsform, und F i g. 3 ist ein Querschnitt durch eine dritte Ausbildungsform nach der Erfindung.
Das thermoelektrische Element 10 gemäß F i g. 1 enthält eine erste Elektrode 11 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall in Becherform. Die becherförmige Elektrode 11 ist mit einer Verlängerung oder Führung 12 versehen, an der sie elektrisch kontaktiert werden kann. Eine zweite Elektrode 13 ragt als Stab in die becherförmige Elektrode 11, im Abstand davon, hinein. Auch diese zweite Elektrode kann aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall bestehen. Sie ragt mit dem Teil 14 nach oben über den Becherrand hinaus und ist dort elektrisch kontaktiert. Zwischen den Elektroden 11,13 befindet sich eine Lithiumverbindung 15 der oben beschriebenen Art. Sie berührt die Elektroden 11,13. Um die Gleichspannung zwischen den Elektroden 11,13 zu erzeugen, wird die eine der Elektroden 11,13 erwärmt, während die andere auf einer kühleren Temperatur gehalten wird. Beispielsweise wird die kleinere, stabförmige Elektrode 13 erwärmt, während die größere, becherförmige Elektrode 11 niedrigeren Temperaturen ausgesetzt wird, z. B. der Umgebungstemperatur. Durch diese asymmetrische Erwärmung wird eine Temperaturdifferenz in der Lithiumverbindung 15 zwischen den Elektroden 13,11 hergestellt. Dadurch wird eine erhebliche Gleichspannung zwischen den Elektroden 11,13 erzeugt; der Betrag der Gleichspannung ist abhängig von der Größe der Temperaturdifferenz. Wenn z. B. die Lithiumverbindung 15 aus metallischem Lithium durch Verbrennen in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre hergestellt wird, beträgt die Gleichspannung annähernd 2,5 Volt bei Temperaturdifferenzen von ungefähr 300° C. Der Teil 14 der Elektrode 13 kann unter Verwendung von brennbaren Gasen erwärmt werden, indem eine Flamme auf sie gerichtet wird.
Das thermoelektrische Element 10 kann auch für Temperaturmessungszwecke verwendet werden. Dabei kann die metallische Elektrode 11 auf einer Bezugstemperatur, z. B. der Umgebungstemperatur, gehalten werden, und die andere metallische Elektrode 13 wird den zu messenden Temperaturen ausgesetzt. So erzeugt das Element 10 eine Spannung entsprechend der zu messenden Temperatur und gibt diese Temperatur mittelbar an. Da eine erhebliche Gleichspannung durch das erfindungsgemäße Element erzeugt wird, können genaue Temperaturmessungen mit einfachen Meßvorrichtungen vorgenommen werden. Es ist nicht notwendig, dabei teure Verstärker zu verwenden.
Unter Betriebsbedingungen befindet sich die Lithiumverbindung 15 im geschmolzenen Zustand. Sie kann in der becherförmigen Elektrode 11 durch geeignete Bindemittel, z. B. durch keramische Lithiumfritten, an ihrem Platz gehalten werden.
Eine andere Art, die geschmolzene Lithiumverbindung 15 in der becherförmigen Elektrode 11 zu halten, ist in F i g. 2 gezeigt. Das dort dargestellte thermoelektrische Element 20 entspricht in seiner Konstruktion und Betriebsweise dem thermoelektrischen Element 10 von F i g. 1, und es werden gleiche Bezugsziffern für gleiche Teile verwendet. Das thermoelektrische Element 20 ist mit einem Deckel 21 für das offene Ende der becherförmigen Elektrode 11 versehen. Dieser wird auf geeignete Art, z. B. durch Verschweißung, an seinem Platz gehalten. Der Deckel 21 ist zentral mit einem elektrischen Isolator 22 versehen, der z. B. aus Keramik besteht. Er trägt und umschließt den Teil 14 der Elektrode 13. Der Deckel 21 und der Isolator 22 dienen zum Verschließen der becherförmigen Elektrode 11. Wenn die Lithiumverbindung 15 in geschmolzenem Zustand ist, kann sie nicht aus dem Becher entweichen. Dieser Deckel 21 mit seinem Isolator 22 dient auch dazu, die Lithiumverbindung 15 von der freien Luft abzukapseln, so daß sie gegen Zersetzung oder andere Einflüsse geschützt ist. Nötigenfalls kann ein indifferentes Gas, z. B. Helium, in Berührung mit der Lithiumverbindung 15 eingeschlossen werden, um diese zusätzlich zu schützen.
Gemäß F i g. 3 weist das thermoelektrische Element 25 eine erste Elektrode 26 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall in Form einer Scheibe auf. Auf einer Oberfläche dieser metallischen Elektrode 26 befindet sich eine Lithiumverbindung 28 in Kontakt mit der metallischen Elektrode 26. Eine zweite metallische Elektrode 29 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall steht in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Lithiumverbindung 28, so daß die Lithiumverbindung 28 zwischen den zwei metallischen Elektroden 26, 29 angeordnet ist. Die Elektroden 26, 29 sind mit Verlängerungen bzw. Leitungen 27, 30 zum Anschließen eines elektrischen Stromkreises versehen. Die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden 29, 26 wird z. B. durch Erhitzen der metallischen Elektrode 29 erzeugt. Auch hier kann das thermoelektrische Element 25 eingekapselt und ein indifferentes Gas verwendet werden. Zu diesem Zweck wird ein Deckel 31 aus z. B. Glas verwendet, der sich von der Elektrode 26 zur Elektrode 29 erstreckt und mit dieser verbunden ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Thermoelektrisches Element zum Erzeugen einer Gleichspannung mit zwei auf verschiedenen Temperaturen gehaltenen Metallelektroden, zwischen denen sich als thermoelektrisch wirksamer Teil eine Lithiumverbindung befindet, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Element derart ausgebildet ist, daß die Lithiumverbindung (15; 28) betriebsmäßig im geschmolzenen Zustand zwischen den Elektroden (11,13; 26, 29) gehalten werden kann.
2. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumverbindung (15; 28) eine Löslichkeit in kaltem Wasser von weniger als 15 Teilen je 100 Teile Wasser hat.
3. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumverbindung (15; 28) eine Löslichkeit in kaltem Wasser von weniger als 8 Teilen je 100 Teile Wasser hat.
4. Thermoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumverbindung (15; 28) luftdicht in einem Gefäß eingeschlossen ist.
5. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine (11; F i g. 2) der Elektroden einen Teil des Gefäßes bildet.
6. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden als in das Gefäß konzentrisch hineinragender Stab (13) ausgebildet ist.