DE4033346A1 - Thermoelektrische hochleistungs-umwandlungsvorrichtung auf duennschicht-alkalimetall basis - Google Patents
Thermoelektrische hochleistungs-umwandlungsvorrichtung auf duennschicht-alkalimetall basisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvor
richtung auf Alkalimetallbasis (Alkali Metal Thermoelectric
Conversion - AMTEC) und zwar insbesondere eine mit verbesser
ter mechanischer Festigkeit und höherer Leistung.
Auf Alkalimetall beruhende thermoelektrische Umwandlungsvor
richtungen wandeln Wärme direkt in elektrische Energie um
unter Verwendung eines Festelektrolytelements aus β-
Aluminiumoxid, das zwar Natriumionen, aber keine Elektronen
leitet. Dieses Elektrolytelement bildet eine Grenzschicht
zwischen mit Natrium gefüllten Hoch- und Niederdruckberei
chen.
Die Temperatur im Elektrolytbereich ist erhöht, so daß der
entsprechende Sättigungsdruck höher ist als im Niederdruckbe
reich. Unter diesen Bedingungen entwickelt sich ein chemi
sches Potential durch den Elektrolyt, das Natriumionen
entlang lonenleiterebenen im Kristallgitter von der Hoch
druckseite zur Niederdruckseite bewegt. Somit entsteht durch
die auf der Niederdruckseite auftauchenden positiven Ionen
und die durch die Ionisierung des neutralen Natriums freiwer
denden Überschußelektronen, die sich an der Hochdruckseite
ansammeln, über den Elektrolyten eine Ladungs- oder Poten
tialdifferenz.
Elektronische leitende Schichten, die den Durchgang des
Natriums zur Oberfläche des Elektrolyten ermöglichen, sind an
beiden Seiten des Elektrolyten angeordnet. Diese leitenden
Schichten sind durch einen Verbraucher verbunden und ermögli
chen es den sich auf der Hochdruckseite ansammelnden Elektro
nen zur Niederdruckseite zu wandern, wo sie sich wieder mit
den überschüssigen Natriumionen verbinden, und dabei im
Verbraucher elektrische Arbeit leisten. Das Natriumion, das
durch den Elektrolyt gewandert ist und sich auf der Nieder
druckseite mit einem Elektron vereinigt hat, dampft von der
Elektrolytoberfläche ab und wird dann kondensiert, aufgefan
gen und zurück zur Hochdruckseite gepumpt. Dem System wird
Wärmeenergie zugeführt, um die erzeugte elektrische Energie
und Abfallwärme zu ersetzen. US-Patent 48 08 240, das einem
der Erfinder erteilt wurde, beschreibt ein geschichtetes,
dampfgespeistes AMTEC-Modul, das nach dem oben beschriebenen
Prinzip arbeitet. Die in diesen Vorrichtungen eingesetzten
β-Aluminiumoxide haben mechanische Eigenschaften, die sie für
Störungen aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchun
gen anfällig machen.
Zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehört die Bereit
stellung einer mit Alkalimetall betriebenen thermoelektri
schen Umwandlungsvorrichtung, bei der die Widerstandsfähig
keit des Elektrolyten gegen mechanische und thermische
Beanspruchungen wesentlich verbessert ist und damit ihre
Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und
Wartung erheblich erhöht sind.
Im allgemeinen umfaßt eine erfindungsgemäße thermoelektrische
Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetallbasis ein poröses
Glied mit im allgemeinen zwei Oberflächen, deren eine mit
einer Ionen-leitenden Schicht beschichtet ist, wobei das
Alkalimetall auf einer Seite dieses porösen Glieds unter
Hochdruck und auf der anderen Seite des porösen Glieds unter
Niederdruck angeordnet ist, wobei Alkalimetallionen, jedoch
keine Elektronen, durch diese ionenleitende Schicht wandern
und freie Elektronen durch einen äußeren Stromkreis laufen
und sich mit Alkalimetallionen auf der Niederdruckseite der
lonenleiterschicht wieder vereinigen, um so in diesem äußeren
Stromkreis elektrische Energie nutzbar zu machen, sobald der
Vorrichtung Wärmeenergie zugeführt wird.
Die in den Ansprüchen dargelegte Erfindung wird verdeutlicht
in der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den
begleitenden Zeichnungen, in denen analoge Teile jeweils
durch die gleichen Bezugsnummern bezeichnet werden; diese
Figuren bedeuten:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsge
mäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalime
tallbasis;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der
Fig. 1, die eine röhrenförmige Ausbildungsform darstellt;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer alternativen thermo
elektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetallbasis;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer alternativen rohrförmi
gen Ausbildungsform;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer zusätzlichen rohrförmi
gen Ausbildungsform;
Fig. 6 ist eine Teilschnittansicht einer Ausbildungsform,
die mit flachen Platten arbeitet; und
Fig. 7 ist eine Teilschnittansicht einer Ausbildungsform,
die mit Platten erweiterter Oberfläche arbeitet.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere Fig. 1
und 2 wird dort die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung
1 auf Alkalimetallbasis gezeigt mit einer porösen, röhrenför
migen Struktur 3 mit zwei Hauptflächen 5 und 7, die in einem
Behältergefäß 9 angeordnet sind. Die poröse Struktur 3
besteht aus einem Material wie Niob, das stärker ist als der
bisher verwendete β-Aluminiumoxidelektrolyt. Eine dünne
β-Aluminiumoxidschicht 13 überzieht die eine der Hauptflä
chen, die Außenfläche 5 der porösen Struktur 3 und ein
poröser Dünnschichtleiter 15 ist über der β-Aluminiumoxid
schicht 13 angeordnet und bildet eine Elektrode, und die
poröse Struktur 3 oder eingeschlossenes Flüssigalkalimetall
bildet eine zweite Elektrode. Die β-Aluminiumoxidschicht 13
teilt das Gefäß 9 in einen Hochdruckteil und einen Nieder
druckteil, deren jeder ein flüssiges Alkalimetall 11 wie z. B.
Natrium enthält. Die Elektroden sind elektrisch mit einem
äußeren Stromkreis 17 verbunden. Eine elektromagnetische
Pumpe oder ein sonstiges Pumpenmittel 19 pumpt Flüssigmetall
vom Niederdruckteil zum Hochdruckteil. Das poröse Rohr 3
sorgt für die erforderliche mechanische Festigkeit, soweit
mechanische Stoßbelastungen auftreten.
Flüssiges Hochdruck-Hochtemperatur-Natrium oder ein sonstiges
flüssiges Alkalimetall füllt die Innenseite der porösen
Rohrstruktur 3 und strömt hindurch. Die β-Aluminiumoxid
schicht 13 ist undurchlässig für Natrium und Elektronen,
jedoch nicht für Natriumionen, die hindurchwandern. Der
äußere Stromkreis 17 verbindet elektrisch die Rohrstruktur 3
bzw. das flüssige Natrium, das als eine Elektrode für die von
der porösen Schicht 15 auf dem β-Aluminiumoxid 13 gebildete
Elektrode dient. Überschüssige Elektronen, die durch die
Ionisierung des Natriums auf der Hochdruckseite der
β-Aluminiumoxidschicht 13 freigesetzt werden, bewegen sich
durch den äußeren Stromkreis 17, wenn im Verbraucher eine
Leistung abzugeben ist, und vereinigen sich mit den Natrium
ionen, die durch das β-Aluminiumoxid 13 auf die Niederdruck
seite gewandert sind. Diese Wiedervereinigung erfolgt an der
Schnittstelle zwischen dem β-Aluminiumoxid 13 und der porösen
Schicht 15. Das Natrium verdampft infolge des niedrigeren
Drucks im Niederdruckteil und der Dampf strömt zu den Gefäß
wänden 9, die auf eine Temperatur unter der Temperatur des
β-Aluminiumoxids 13 gekühlt werden, und kondensiert dort. Das
kondensierte Natrium wird in den Hochdruckteil gepumpt und
bildet so einen geschlossenen Kreislauf, der die der Vorrich
tung zugeführte Wärme direkt in elektrische Energie umwan
delt.
Fig. 3 zeigt eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung
auf Alkalimetallbasis ähnlich wie die, die in den Fig. 1 und
2 gezeigt wird, jedoch mit einer rohrförmigen Struktur 3a mit
vergrößerter Oberfläche, die an der Außenseite 7a mit einer
dünnen β-Aluminiumoxidschicht 13a beschichtet ist. Eine dünne
Schicht eines porösen Leitermaterials 15a liegt über der
β-Aluminiumoxidschicht 13a und dient als Elektrode. Diese
Ausführungsform vergrößert die Oberfläche der β-Aluminium
oxidschicht 13a ohne Vergrößerung des Gesamtvolumens der
thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetall
basis, um mehr elektrische Energie zu erzeugen.
In Fig. 4 ist eine β-Aluminiumoxidschicht 13b auf der inneren
Oberfläche 7 der porösen Struktur 3 aufgetragen anstatt auf
der äußeren Oberfläche gemäß den Fig. 1 und 2. Eine Elektrode
15b oder flüssiges Natrium ist auf der Innenseite des
β-Aluminiumoxids 13b angeordnet. Der Hochdruckbereich wird vom
β-Aluminiumoxid 13b umschlossen. Der äußere Stromkreis 17
wird zwischen die poröse Struktur 3 und die Elektrode 15b
bzw. das im Inneren des β-Aluminiumoxids 13b angeordnete
Natrium gelegt. Das β-Aluminiumoxid 13b ist in dieser Konfi
guration widerstandsfähiger gegen die nach außen gerichteten
radialen Druckbelastungen.
Die Ausbildungsform gemäß Fig. 5 hat, wie Fig. 3, die gleiche
poröse Rohrstruktur 3a, jedoch mit vergrößerter Oberfläche;
eine dünne Schicht β-Aluminiumoxid 13c ist auf einer Innen
fläche 5a des gesinterten Rohrs 3a mit vergrößerter Oberflä
che analog zu Fig. 4 angeordnet und arbeitet im wesentlichen
genau so, nur daß die vergrößerte Fläche mehr elektrische
Energie produziert.
Fig. 6 zeigt ein Paar poröser Strukturen 3d, die als flache
Platten ausgebildet und auf einer Seite 5d mit einer dünnen
β-Aluminiumoxidschicht 13b überzogen sind. Diese flachen
Platten lassen sich billig herstellen, sie können jedoch
wegen des auf ihnen lastenden Druckunterschieds nur von
beschränkter Größe sein oder müssen mit Streben oder Verstär
kungsrippen versehen sein, wenn sie größer sind.
Gemäß Fig. 7 werden ein Paar poröser Strukturen 3e mit ver
größerter Oberfläche eingesetzt anstatt der flachen gesinter
ten Metallplatten aus Fig. 6. Diese Oberflächenerweiterung
wurde durch wellige Ausbildung der gesinterten Metallplatten
3e erzielt, die mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht
überzogen sind. Die Vorzüge dieser Welligkeit sind zweifach:
Die Platten haben eine größere Oberfläche bei im wesentlichen
gleichen Platzbedarf, und zeigen eine größere Steifheit oder
Module größeren Querschnitts, um ohne Streben oder Verstär
kungsrippen eine größere Oberfläche aufzuweisen.
Die porösen Strukturen 3 und 3a-3e bestehen aus einer Kombi
nation von Molybdän, Niob, Rhodium, Tantal, Wolfram, Alumi
niumoxid oder einem anderen feuerfesten Material oder einer
Metallegierung hergestellt, die einen thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten in etwa so groß wie β-Aluminiumoxid hat.
Diese Materialien haben eine hohe Festigkeit und die dünne
β-Aluminiumoxidschicht und die Porosität der porösen Struktur
erleichtern den Transport der Natriumionen durch das
β-Aluminiumoxid. Der Ionenwiderstand der dünnen β-Alumi
niumoxidschicht ist geringer als der Widerstand der dickeren
β-Aluminiumoxidschicht, die als tragendes Glied hergestellt
wird, was zu höheren spezifischen Leistungsdichten, Watt/cm2
führt im Vergleich zu thermoelektrischen Umwandlungsvorrich
tungen auf Alkalimetallbasis laut Stand der Technik.
Während die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
den besten Weg zur Nutzung der vorliegenden Erfindung zeigen,
wie sie derzeit vom Erfinder beabsichtigt ist, sind zahlrei
che Änderungen und Anpassungen der Erfindung dem Fachmann
ohne weiteres möglich. Daher gelten die obigen Ausführungs
beispiele nur hinweisend und beispielhaft, und es ist in
Erwägung zu ziehen, daß dem Fachmann zahlreiche Abänderungen
und Anpassungen der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung
möglich sind. Daher fallen auch alle Abänderungen und Anpas
sungen unter den Umfang und die Wesensart der Erfindung.
Claims (17)
1. Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) auf
Alkalimetallbasis, gekennzeichnet durch eine poröse Struktur
(3), die im allgemeinen zwei Hauptoberflächen hat, deren eine
mit einer ionenleitenden Schicht (3) beschichtet ist, auf
einer Seite dieser porösen Struktur (3) ein Alkalimetall (11)
unter Hochdruck, und auf der anderen Seite dieser porösen
Struktur (3) ein Alkalimetall (11) unter Niederdruck angeord
net ist, wobei Alkalimetallionen, jedoch keine Elektronen,
durch die ionenleitende Schicht (13) wandern und freigewor
dene Elektronen durch einen äußeren Stromkreis (17) fließen
und sich auf der Niederdruckseite der ionenleitenden Schicht
(13) wieder vereinigen, um eine nutzbare elektrische Energie
im äußeren Stromkreis zu erzeugen, wenn der Vorrichtung Wärme
zugeführt wird.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß es sich bei dem Ionenleiter (13) um β-Aluminiumoxid
handelt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die poröse Struktur (3) aus einer beliebigen Kombination
von gesintertem Molybdän, Niob, Rhodium, Tantal, Wolfram oder
sonstigen feuerfesten Metall bzw. Metallegierung mit einem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, der sich dem
des β-Aluminiumoxids annähert.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die poröse Struktur (3) rohrförmig ausgebildet ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die ionenleitende Schicht (13) auf der Außenseite der
porösen rohrförmigen Struktur (3) angeordnet ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
elektrisch leitende Schicht (15), die über der ionenleitenden
Schicht angeordnet ist.
7. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß die ionenleitende Schicht (13) aus β-Aluminiumoxid
besteht und die poröse elektrisch leitende Schicht (15) aus
einem Metall oder einer Metallegierung besteht, die einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich dem des
β-Aluminiumoxids annähert.
8. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Mittel (19) zur Beförderung des Alkalimetalls (11) von der
Niederdruckseite zur Hochdruckseite.
9. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die ionenleitende Schicht (13) auf der Innenfläche
(5) der porösen rohrförmigen Struktur (3) angeordnet ist.
10. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß es sich bei der ionenleitenden Schicht (13) um
β-Aluminiumoxid handelt.
11. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die β-Aluminiumoxidschicht (13) ein sehr dünner Film
ist.
12. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die poröse rohrförmige Struktur (3) eine erweiterte
Oberfläche (5a, 7a) hat.
13. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß die erweiterte Oberfläche (5a, 7a) durch Wellen in
der porösen rohrförmigen Struktur (3a) gebildet wird.
14. Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) auf
Alkalimetallbasis, gekennzeichnet durch eine poröse Struktur
(3), die für flüssiges Alkalimetall (11) durchlässig ist und
im allgemeinen mit zwei Hauptflächen (5, 7) versehen ist,
deren eine mit β-Aluminiumoxid (13) beschichtet ist, die
Alkalimetallionen, jedoch keine Elektronen, durchläßt; durch
Anordnung des β-Aluminiumoxids (13) so, daß es einen Hoch
druck-Alkalimetallteil und einen Niederdruck-Alkalimetallteil
bildet; Mittel (19) zur Beförderung des flüssigen Alkalime
talls (11) vom Niederdruckteil zum Hochdruckteil; Mittel zur
Wärmezufuhr zum Hochdruckteil und Mittel zum Wärmeentzug vom
Niederdruckteil; elektrische Anschlüsse an beiden Seiten des
β-Aluminiumoxids, die mit einem äußeren Stromkreis (17) und
einem Verbraucher elektrisch verbunden sind, um Elektronen zu
liefern, die sich mit den Alkalimetallionen, die durch das
β-Aluminiumoxid (13) gewandert sind, wiedervereinigen, um
wieder Alkalimetall (11) zu bilden, und einen elektrischen
Strom im äußeren Stromkreis (17) erzeugen.
15. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die poröse Struktur (3) aus einer Platte (3d)
besteht, deren eine Hauptoberfläche mit einer dünnen
β-Aluminiumoxidschicht (5d) beschichtet ist.
16. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die poröse Struktur aus einer Platte (3d) mit
vergrößerten Oberflächen besteht, deren eine mit einer dünnen
β-Aluminiumoxidschicht (13e) beschichtet ist.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte (3e) mit erweiterten Oberflächen wellig
ausgebildet ist.
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