CN114361495B - 便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的方法与装置。高压储氢罐中的氢气和微型吸气泵抽入的空气在管道中预混，通入微燃烧室中燃烧。氢火焰通过微燃烧室壁面加热阴极，阴极内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体，在N型半导体中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N‑P结界面势垒进入P型半导体，流经导线和负载重新回到阴极，实现发电。本发明采用氢气微燃烧供能，更加低碳环保，循环供电快捷。以热电辐射增强的热电子发电方式进行热电转换，热能利用率高，氢化学能至电能的转换效率高，整体具有高比能量密度和高比功率特征。
Description
技术领域
本发明涉及氢微燃烧电源领域，具体涉及一种氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置与方法。
背景技术
现在越来越多的人青睐于户外运动，喜欢到户外体验大自然，但户外用电不方便，常常出门时需要携带移动电源。市面上常用的主要是锂电池，但它充放电速率较低，比能量密度较小，且废弃锂电池的处置也会对环境造成较大污染。氢能作为最清洁且能量密度最高的燃料，是一种理想的化学储能介质。零碳的氢来源主要是将太阳能发电和风电通过电解等方式转换成氢能储存起来，以供用电时使用。氢燃料电池是一种有效的氢直接发电的便捷式电源，但在极寒等极端环境下发电性能会恶化。另一方面，可通过微燃烧的方式将氢能转换成热能，再通过热电转换提供电力，传统的热电转换方法包括半导体热电、热光伏和热电子发电等。热电子发电以电子作为载能工质，通过阴极热电子发射至阳极的方式将阴极热量转换电能输出，具有约30％的转换效率，但其阳极工作温度较高(常处于500-800℃)，导致阳极反向发射电子较多，抑制了热电的有效转换，不适合应用于便携式热电子供电源领域。
发明内容
针对现有技术的阳极工作温度较高(常处于500-800℃)，抑制了热电的有效转换，导致其不合适在便携式热电子供电电源领域应用的问题，本发明提供了：
一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，包括燃料罐，机箱外壳(5)，阴极(6)，隔绝层(7)，N型半导体(8)，P型半导体(9)，微燃烧室(11)，
所述燃料罐与微燃烧室(11)通过管道相连，使燃料可以进入微燃烧室燃烧，
N型半导体(8)与P型半导体(9)相连接形成P-N结，
阴极(6)紧贴微燃烧室(11)外壁，
阴极(6)与N型半导体之间设有隔绝层(7)，
阴极(6)和P型半导体(9)可作为电源的两极外接负载。
作为优选，所述燃料罐为高压储氢罐(1)，使相同的体积和重量条件下，能存放更多燃料，以提高便携性和防止碳排放。
作为优选，所述N型半导体(8)为掺有Ⅴ族元素的InSb薄膜，P型半导体(9)采用掺有Ⅲ族元素的InSb基底,其掺杂浓度范围1×1017～1×1019cm-3。
作为优选，所述的微燃烧室(11)由耐高温绝缘材料Al2O3或SiC制成。
作为优选，所述的微燃烧室(11)为平板结构，微燃烧室(11)内部设有蛇形管道，以便增大接触面，充分利用氢燃烧热能。
作为优选，所述的微燃烧室(11)上、下表面均有热电辐射增强热电子发电器件，通过串连组合，增大输出电压。
作为优选，所述的阴极(6)为耐高温金属，表面蒸镀低功函数材料LaB6，降低热电子发射势垒。
作为优选，所述的隔绝层(7)为耐高温的绝缘体。如可选用Al2O3、SiO2等。
作为优选，一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，还包括用于向微燃烧室吸入助燃气体的微型吸气泵(2)，位于燃料罐与微燃烧室(11)之间的，用于调节燃料流量的电动阀(3)，位于微燃烧室内的电火花点火器(10)，微燃烧室(11)，用于控制微型吸气泵(2)、电动阀(3)、电火花点火器(10)的控制电路模块(12)。
使用一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电装置进行供电的方法，包括如下步骤：
S1、储氢罐(1)中的氢气和微型吸气泵(2)抽入的空气在管道(4)中预混，
S2、预混后的气体通入微燃烧室(11)中燃烧，氢火焰通过微燃烧室壁面加热阴极(6)，
S3、阴极(6)内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体(8)，
S4、自由电子在N型半导体(8)中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体(9)，形成阴极(6)与P型半导体(9)之间的电势差，
S5、在阴极(6)与P型半导体(9)之间外接负载，实现为负载供电。
本发明原理为：为了进一步提升氢微燃烧电源的发电效率，提出了一种新型的氢微燃烧热电辐射增强热电子发电的方法，通过N-P半导体替代金属阳极，实现热电子发射效应与热电辐射效应的耦合，提升氢能微燃烧热电子发电的输出电压及输出功率。
高压储氢罐中的氢气和微型吸气泵抽入的空气在管道中预混，通入微燃烧室中燃烧。氢火焰通过微燃烧室壁面加热阴极，通过热电辐射增强热电子发电的方式进行热电转换，提供电能。热电辐射增强热电子发电是指阴极内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体，在N型半导体中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体，流经导线和负载重新回到阴极，实现发电。为进一步提高发电效果，可用P型半导体为基底，N型半导体为薄膜，沉积于P型半导体表面，共同组成阳极。阴极和阳极之间通过隔绝层进行电、热隔绝，阴阳极间距离通过隔绝层的厚度控制。氢气经电动阀与空气混合后，在微燃烧室内经电火花点火器点火燃烧。氢气的流速由电动阀调节，空气的流速由微型吸气泵调控。电动阀和电火花点火器由控制电路模块控制，并通过控制总线连接。
本发明的有益效果为：通过利用阳极的热能，提高输出功率，降低了阳极高温对发电效果的影响，提高了便携式热电子供电电源的能源经济性。可采用氢气微燃烧供能，更加低碳环保，循环供电快捷。以热电辐射增强的热电子发电方式进行热电转换，热能利用率高，氢化学能至电能的转换效率高，整体具有高比能量密度和高比功率特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为氢微燃烧热电辐射增强热电子发电的装置结构示意图。
图2为氢微燃烧室内部结构的顶视图。
图3为氢微燃烧热电辐射增强热电子装置连接负载的结构示意图。
图4为热电辐射增强热电子发射的电子轨迹图。
图中，1-高压储氢罐，2-微型吸气泵，3-电动阀，4-管道，5-机箱外壳，6-阴极，7-阴阳极隔绝层，8-N型半导体，9-P型半导体，10-电火花点火器，11-微燃烧室，12-控制电路模块，13-控制总线，14-导线
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电装置，其特征在于包括高压储氢罐(1)，微型吸气泵(2)，电动阀(3)，管道(4)，机箱外壳(5)，阴极(6)，隔绝层(7)，N型半导体(8)，P型半导体(9)，电火花点火器(10)，微燃烧室(11)，控制电路模块(12)，控制总线(13)，导线(14)。各部件均封装于机箱外壳(5)内，构成便携式移动供电装置。高压储氢罐(1)中的氢气和微型吸气泵(2)抽入的空气在管道(4)中预混，通入微燃烧室(11)中燃烧。氢火焰通过微燃烧室(11)壁面加热阴极(6)，通过热电辐射增强热电子发电的方式进行热电转换，提供电能。氢气经电动阀(3)与空气混合，在微燃烧室(11)经电火花点火器(10)点火燃烧。氢气的流速由电动阀(3)调节，空气的流速由微型吸气泵(2)调控。电动阀(3)和电火花点火器(10)由控制电路模块(12)控制，并通过控制总线(13)连接。如图2所示，微燃烧室(11)采用Al2O3、SiC等耐高温绝缘材料制备，为平板结构，内部管道为蛇形结构，氢燃烧气体通过蛇形管道加热微燃烧室(11)上、下两壁面，便于充分利用氢燃烧热能。如图3所示，微燃烧室(11)上、下表面均有热电辐射增强热电子发电器件，通过串联组合，增大输出电压。热电辐射增强热电子发电器件的导线经机箱外壳(5)的输电接口连接至外部负载。
热电辐射增强热电子发电机理如图4所示，阴极(6)内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体(8)，在N型半导体(8)中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体(9)，流经导线(14)和负载重新回到阴极(6)，实现发电。其中，阴极(6)为耐高温金属，表面蒸镀如LaB6等低功函数材料，降低热电子发射势垒。N型半导体(8)为掺有Ⅴ族元素的InSb薄膜，P型半导体(9)采用掺有Ⅲ族元素的InSb基底,其掺杂浓度范围1×1017～1×1019cm-3。N型半导体(8)和P型半导体(9)共同组成阳极。阴极(6)和阳极之间通过隔绝层(7)进行电、热隔绝，阴阳极间距离通过隔绝层(7)的厚度控制。隔绝层(7)为耐高温的绝缘体，如Al2O3、SiO2等。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：包括燃料罐、机箱外壳(5)、阴极(6)、隔绝层(7)、N型半导体(8)、P型半导体(9)、微燃烧室(11)，
所述燃料罐与微燃烧室(11)通过管道相连，使燃料可以进入微燃烧室燃烧，
所述N型半导体(8)与P型半导体(9)相连接形成P-N结，
所述阴极(6)紧贴微燃烧室(11)外壁，
所述阴极(6)与N型半导体之间设有隔绝层(7)，
所述阴极(6)和P型半导体(9)可作为电源的两极外接负载，
阴极(6)内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体(8)，在N型半导体(8)中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体(9)。
2.如权利要求1所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述燃料罐为高压储氢罐(1)。
3.如权利要求1所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述N型半导体(8)为掺有Ⅴ族元素的InSb薄膜，P型半导体(9)采用掺有Ⅲ族元素的InSb基底,其掺杂浓度范围1×1017～1×1019cm-3。
4.如权利要求1所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述的微燃烧室(11)由耐高温绝缘材料Al2O3或SiC制成。
5.如权利要求4所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述的微燃烧室(11)为平板结构，微燃烧室(11)内部设有蛇形管道。
6.如权利要求5所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述的微燃烧室(11)上、下表面均有热电辐射增强热电子发电器件，通过串连组合，增大输出电压。
7.如权利要求5所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述的阴极(6)为耐高温金属，表面蒸镀低功函数材料LaB6，降低热电子发射势垒。
8.如权利要求1所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：所述的隔绝层(7)为耐高温的绝缘体。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电的装置，其特征在于：还包括用于向微燃烧室吸入助燃气体的微型吸气泵(2)，位于燃料罐与微燃烧室(11)之间的，用于调节燃料流量的电动阀(3)，位于微燃烧室内的电火花点火器(10)，微燃烧室(11)，用于控制微型吸气泵(2)、电动阀(3)、电火花点火器(10)的控制电路模块(12)。
10.使用如权利要求9所述的一种便携式氢微燃烧热电辐射增强热电子供电装置进行供电的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、储氢罐(1)中的氢气和微型吸气泵(2)抽入的空气在管道(4)中预混，
S2、预混后的气体通入微燃烧室(11)中燃烧，氢火焰通过微燃烧室壁面加热阴极(6)，
S3、阴极(6)内的自由电子被热化并以热电子发射的方式进入N型半导体(8)，
S4、自由电子在N型半导体(8)中被二次热化后，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体(9)，形成阴极(6)与P型半导体(9)之间的电势差，
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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