CN100414730C - 一种碱金属热机 - Google Patents
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Abstract
一种碱金属热机，特别涉及以β”-Al2O3为固体电解质、碱金属为工质的碱金属热机。是一种以β”-Al2O3固体电解质薄膜为离子导体、碱金属为工质，内充碱金属的密闭容器，内部被β”-Al2O3固体电解质薄膜分隔成压力和温度不同的两个部分，被热源加热的碱金属工质由其化学势梯度为驱动力而电离，产生电位差，并通过碱金属工质的循环实现不间断热电转换，从而提供一种稳定的电能输出。碱金属热机无运动部件、寿命长、无噪音、污染小、免维护。本发明采用平板双极结构，采用薄膜工艺制作电解质，大大减小了厚度，具有能量转换效率和和功率密度明显提高、体积小、重量轻等优点。
Description
技术领域
本发明一种碱金属热机，特别涉及以β”-Al2O3为固体电解质、碱金属为工质的碱金属热机。
技术背景
碱金属热机是一种以β”-Al2O3为固体电解质、碱金属为工质的新型热电能量转换器件，其热源可以是温度在923K～1172K范围内的任何热源，以相应的供热方式，组成模块式发电装置，来满足不同容量电力负载的要求，其能量转换效率可达30％～40％。与以电磁感应为工作原理的传统发电机不同，该能源器件能够使热能直接转换为电能，并且无运动部件、可靠性好、无噪音、免维护；与同样是热电直接转换的温差半导体器件或热电子发电器件相比，具有能量转换效率高等优点；在面积功率密度指标上，又优于光伏电池或燃料电池，是一种新型、高效、实用的能量转换装置，因而在能源、交通、军工、航空航天等领域都有着十分广阔的应用前景。
碱金属热机是一个由β”-Al2O3固体电解质和工质循环机构将其内部碱金属工质分隔成压力不同的两部分的密闭容器。在高压力端，碱金属工质被热源加热，在碱金属工质与固体电解质的界面，由压力差形成化学势梯度驱动碱金属离子透过β”-Al2O3向低压力端的多孔电极界面迁移。当外电路负载开路时，在β”-Al2O3固体电解质两侧形成电动势，负载接通时，电子经外电路负载从高压力端移动到低压力端的多孔电极界面，并与碱金属离子复合形成碱金属蒸汽，到达冷凝器形成碱金属溶液，再由循环机构(电磁泵或毛细芯)送回高压力端，从而完成碱金属工质的内部循环，并对负载提供连续稳定的电能。因此碱金属热机是碱金属工质通过固体电解质等温膨胀做功，而实现热电能量的转换的。
碱金属热机的能量转换效率定义为单位面积的电极净输出电功率与单位面积的电极所需要的总热输入功率之比。热输入主要包括下列四项：
1.相当于液态碱金属从温度T1升高到T2所需要的热量iCp(T2-T1)/F，i是电极电流密度(A/cm2)，Cp是液态碱金属在T1～T2范围的平均摩尔比热(J/mol·K)，F为法拉第常数(9.648456×104C/mol)；
2.碱金属在β”-Al2O3固体电解质中进行等温膨胀过程的吸热(等于输出电功率)；
3.碱金属在β”-Al2O3固体电解质/多孔电极界面蒸发所需的热量iL/F，L是碱金属的蒸发热(J/mol)；
4.寄生热损失Q＝Qc+Qr，Qc是通过电输出引线和支撑β”-Al2O3固体电解质的构件的热传导损失，Qr是辐射热损失因此，碱金属热机的能量转换效率可表示为：
式中：V为碱金属热机的输出电压(V)；
Qc＝KT(T2-T1)/S；
KT为电输出引线的热导(W/K)；
Qr＝σ[T2 4-T1 4)]/Z(由斯蒂芬-玻尔兹曼定律得)；
σ＝5.67×10-12W/cm2·K4，为黑体辐射常数；
Z为考虑冷凝器表面的反射而引入的辐射衰减因子；1/2ΔW′为热区工质中引线的欧姆损失；ΔW是工质循环机构的能耗。
从上面的效率公式可以看出，提高钠热机的热电转换效率的途径，可以通过优化结构设计减少寄生热损失，也可选择蒸发热L和液态比热cp较小的循环工质。
另一方面，碱金属热机单体的伏安特性可以表示为：
V＝A-Bln(i+δ)-iR0
A是T2的函数，B是T2和T1的函数，R0是β”-Al203固体电解质的欧姆电阻率，也依赖于T2：
R0＝hT2(4.03×10-4exp(120/T2)+3.24×10-7exp(4725/T2))
h是β”-Al2O3固体电解质的厚度。
上列表达式说明，碱金属热机的电特性对于β”-Al2O3固体电解质的厚度颇敏感，β”-Al2O3固体电解质越薄，碱金属热机的性能越好。
早在上世纪六十年代末，美国的J.T.Kummer和N.Weber基于β”-Al2O3固体电解质的发现和块材、管材的制备成功并开始获得应用，首次提出碱金属热机的概念(U.S.Patent No.3,458,356)，随之，N.Weber完成了碱金属热机的原理分析(A ThermoelectricDevice based on Beta Alumina Solid Electrolyte.Energy Conversition，Vol.14，No.1，1974)。阐明该装置是一种不同于其它发电方式的静态高效热电直接转换装置。
R.K.Sievers等人在美国专利U.S.Patent No.5,228,922、U.S.Patent No.5,942,719和U.S.Patent No.5,998,728中分别提出一种高电压碱金属热机、碱金属热机绝缘封接技术和中心热源式碱金属热机技术；Hausgen Paul E在美国专利U.S.PatentNo.6,433,268中提出了碱金属热电转换中热辐射的控制来提高能量转换效率，所指碱金属热机的β”-Al2O3固体电解质均采用管式结构，在电解质管的表面制备薄膜多孔电极，电解质管材的壁厚通常≥0.5mm，导致电解质的离子电导率较低，多管模块的结构不够紧凑，因而大大限制了其功率密度和能量转换效率。
可见，采用管材β”-Al2O3固体电解质结构的碱金属热机虽然比较成熟，具有较稳定的性能，但仍然存在装置体积和重量较大，导致功率密度较低，也限制了热电转换效率的进一步提高。因此开发体积小、重量轻、电特性和热电转换效率得以明显改进的新型碱金属热机，是实现碱金属热机在能源、国防和航天等领域广泛应用的有效途径。
发明内容
本发明目的主要是提供一种平板双极型碱金属热机，它具有体积小、功率密度高和能量转换效率高等优点。本发明采用以下技术方案：本发明碱金属热机是一个充有少量碱金属的密闭容器，主要由循环工质、固体电解质薄膜、热源、电磁泵或毛细芯等四部分构成。由在多孔电极表面制备的、厚度为10μm～300μm的β”-Al2O3固体电解质和工质循环机构(电磁泵或毛细芯)将其内部碱金属工质分隔成压力和温度不同的高压力端和低压力端两部分；最顶部为热源，底部为平板型冷凝器，在热源凝器之间为循环工质，多孔电极薄膜支撑的固体电解质薄膜把工质分隔成两个压力和温度不同的部分，位于上部靠近热源的是高压力端，位于下部靠近冷凝器为低压力端；高压力端循环工质与固体电解质薄膜上表面涂覆薄膜集电体，该集电体为碱金属热机的负极；低压力端循环工质与固体电解质薄膜上表面之间为多孔电极薄膜，该多孔电极薄膜为碱金属热机的负极；冷凝的碱金属熔融液经右侧端部的电磁泵或毛细芯进入热端，经热源加热形成工质循环；再由左侧端部引出正负电极为外电路负载提供电能；两组如此结构的平板型碱金属热机单元上下对称布置组成平板双极型碱金属热机。
上述循环工质为碱金属Na、K中的一种。
上述固体电解质为β”-Al2O3薄膜，厚度为10μm～300μm，在多孔电极表面直接形成。
上述热源由化石能源、核能、太阳能或过程余热中的一种提供，工作温度923～1273K。
上述碱金属在高压力侧的电解质界面发生电离，离子通过固体电解质β”-Al2O3薄膜迁移到低压力端的多孔电极，与来自负载电路的电子复合成碱金属原子，从而在外电路为负载提供电能。
本发明碱金属热机中，碱金属蒸汽离开多孔电极到达冷凝器，形成液态碱金属，经电磁泵或毛细芯送回高压端，从而形成内部工质自循环系统，为负载提供免维护的连续稳定的电流。
本发明碱金属热机中，由数个碱金属热机单体构成的碱金属热机模块可以有共同的受热面和冷凝面；模块的受热和冷凝都可以通过热管传热方式来实现。
本发明的平板双极型碱金属热机在压力接近一个大气压的高压力端，工质碱金属被热源加热，在碱金属与固体电解质的界面，由压力差决定的化学势梯度驱使钠离子透过β”-Al2O3向低压力端的电解质-多孔电极界面迁移，负载开路时在β”-Al2O3两侧便形成电动势。负载接通时，电子从高压力端经外电路到达多孔电极处，与离子复合形成碱金属蒸汽，并穿过低压力区到达冷凝器形成液态碱金属，再经电磁泵或毛细芯送回高压力端。β”-Al2O3实质上在能量转换过程中起着选择性渗透膜的作用，而碱金属热机是工质碱金属通过固体电解质等温膨胀做功实现能量转换，为负载提供连续稳定和无噪音无污染的清洁电源。
本发明与现有技术相比所具有的优点在于：现有技术均采用管式β”-Al2O3固体电解质，包括传统的多管或轮胎式放射型等复合结构的碱金属热机。虽然通过β”-Al2O3管的组联、改进管端部密封绝缘、采用中心热源技术等，可以提高其热电转换的效率，但由于仍然采用管式β”-Al2O3为固体电解质，其厚度通常≥0.5mm，导致离子电导率和电流密度较低，大大限制了其单体的功率密度。同时由于采用管式β”-Al203固体电解质，通常增加了不可利用的容积，导致装置体积较大，寄生损失增加，这也降低了碱金属热机的热电转换效率和总体功率密度及能量密度，限制了其在军工和航空航天等领域的推广应用。本发明采用薄膜型β”-Al2O3为固体电解质，薄膜的厚度为10μm～300μm，与现有的技术中β”-Al2O3电解质通常≥0.5mm的厚度相比，电解质的厚度减小了几倍甚至几十倍，因此可显著提高其电解质膜的离子电导，从而提高其功率密度。同时由于结构采用平板双极型结构，可以大大减小总体装置的体积和重量，便于实现碱金属热机的薄膜化、小型化和积层化，有利于碱金属热机的广泛应用。
附图说明
图1为平板型碱金属热机单元结构示意图；
图2为平板双极型碱金属热机结构示意图。
图中：1为高压力端，为碱金属熔融液或热蒸汽；
2为碱金属与固体电解质β”-Al2O3薄膜的界面；
3为低压力端，为蒸汽相碱金属；
4为多孔电极薄膜；
5为经电磁泵或毛细芯循环的碱金属熔融液或热蒸汽；
6为固体电解质β”-Al2O3薄膜；
7为耐高温绝缘封装材料；
8为冷凝的碱金属熔融液；
9为工质循环机构(电磁泵或毛细芯)；
10为热源；
11为负极；
12为正极；
13为负载；
14为开关；
15为外电路；
16为冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，在一工作容器内由固体电解质β”-Al2O3薄膜5/多孔电极薄膜4组件和工质循环机构9(电磁泵或毛细芯)将其内部分隔为高压力端1和低压力端3两部分，碱金属通过电磁泵或毛细芯9由低压力端3到达高压力端1构成循环工质体系。最顶部为热源10，底部为平板型冷凝器16，在热源10和冷凝器16之间为循环工质，多孔电极薄膜支撑的固体电解质薄膜把工质分隔成高压力端1和低压力端3两个部分，上部靠近热源10的工质为高压力端1，下部靠近冷凝器16的工质为低压力端3；高压力端1循环工质与固体电解质薄膜5表面(固体电解质薄膜的上表面)涂覆薄膜集电体，该集电体为碱金属热机的负极；低压力端3循环工质与固体电解质薄膜5表面(固体电解质薄膜的上表面)之间为多孔电极薄膜4，该多孔电极薄膜为碱金属热机的负极11；经冷凝器16冷凝的碱金属熔融液8经右侧端部的电磁泵或毛细芯9进入高压力端，经热源加热形成工质循环；再由左侧端部引出正负电极为外电路负载提供电能。这样构成图1所示平板型碱金属热机单元。两组该单元上下对称布置组成图2所示的平板双极型碱金属热机。
高压力端1由热源10为其提供热量，保持碱金属处于高温熔融状态或气态。在碱金属与固体电解质β”-Al2O3薄膜的界面2处，由于化学势梯度的驱动，碱金属1发生电离，钠离子通过β”-Al2O3固体电解质5，向多孔电极4迁移，同时电子通过负极11，经外电路15，流经负载13和开关14产生电流，到达多孔薄膜电极的钠离子则与经外电路15到达正极12的电子复合形成钠原子3，然后经冷凝器16冷凝形成液相碱金属8，再经循环机构(电磁泵或毛细芯)9作用，返回到高压力端1，这样构成一个工质循环，在外电路15产生连续稳定的电流，为负载13提供电能，实现热电能量的直接转换，冷凝器的排热则将通过热管传热环节释放并加以余热的利用。绝缘材料7的功用于尽可能地抑制热端和冷端之间的寄生损失。由于采用平板型结构，固体电解质β”-Al2O3薄膜的使用面积对器件容积之比大大增加，同时由于厚度减小，其离子电导显著提高，这都有利于提高碱金属热机的热电转换效率和功率密度，采用双极结构则进一步增加整体容积利用率，减小重量和体积。由于无运动部件和采用工质内循环，而具有无噪音和免维护等优点。
由本发明数个碱金属热机单体构成的碱金属热机模块可以有共同的受热面和冷凝面；所述碱金属热机模块的受热和冷凝都可通过热管传热方式来实现。
本发明可以图2所示的平板双极型碱金属热机的基本结构单元，组合为包含两个或两个以上平板双极型碱金属热机基本结构单元的复合结构，以满足负载的不同功率要求，采用该复合结构的碱金属热机可以大大减小其体积和重量，提高其功率密度。
Claims (5)
1. 一种碱金属热机，包括循环工质、固体电解质薄膜[5]、热源[10]、电磁泵或毛细芯[9]，其特征在于它采用平板型双极结构，其发电器件的单体是由固体电解质β”-Al2O3薄膜分隔成压力和温度不同的两部分的一个密闭容器，最顶部为热源[10]，底部为平板型冷凝器[16]，在热源[10]和冷凝器[16]之间为循环工质；多孔电极薄膜[4]支撑的固体电解质薄膜[5]把工质分隔成两个压力和温度不同的部分，位于上部靠近热源的是高压力端[1]，位于下部靠近冷凝器为低压力端[3]；高压力端[1]循环工质与固体电解质薄膜[5]上表面涂覆薄膜集电体，该集电体为碱金属热机的负极；低压力端[3]循环工质与固体电解质薄膜[5]上表面之间为多孔电极薄膜[4]，该多孔电极薄膜为碱金属热机的负极[11]；冷凝的碱金属熔融液经右侧端部的电磁泵或毛细芯[9]进入热端，经热源[10]加热形成工质循环，再由左侧端部引出正负电极为外电路负载提供电能；两组如此结构的平板型碱金属热机单元上下对称布置组成平板双极型碱金属热机。
2. 根据权利要求1所述的碱金属热机，其特征在于：固体电解质薄膜[5]为β”-Al2O3薄膜，厚度为10μm～300μm。
3. 根据权利要求1所述的碱金属热机，其特征在于：热源[10]由化石能源、核能、太阳能或过程余热中的一种来提供。
4. 根据权利要求1所述的碱金属热机，其特征在于：该热机根据具体应用场合负载的需求，由数个碱金属热机单体构成碱金属热机模块，再由若干个碱金属热机模块串联或并联成。
5. 根据权利要求1或4所述的碱金属热机，其特征在于：由数个碱金属热机单体构成的碱金属热机模块可以有共同的受热面和冷凝面；所述碱金属热机模块的受热和冷凝都可通过热管传热方式来实现。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5039351A (en) * | 1989-11-17 | 1991-08-13 | Westinghouse Electric Corp. | High performance thin film alkali metal thermoelectric device |
| US5066337A (en) * | 1990-08-16 | 1991-11-19 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Thermal power transfer system using applied potential difference to sustain operating pressure difference |
| US5089054A (en) * | 1990-11-28 | 1992-02-18 | Westinghouse Electric Corp. | Flat plate alkali metal thermoelectric converter module |
-
2004
- 2004-10-14 CN CNB2004100096655A patent/CN100414730C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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