DE102018120047B3

DE102018120047B3 - AMTEC-Energiewandler und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102018120047B3
Application number: DE102018120047.1A
Authority: DE
Inventors: Alexandru Onea; Wolfgang Hering; Robert Stieglitz
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-08-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen AMTEC bereit, der eine Trennwand zwischen Hoch- und Niedertemperaturbereich aufweist, in die mindestens ein BASE-Element mit jeweils zwei Elektroden integriert sind, sowie weiterhin elektrische Leitungen, an die die Elektroden angeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des oben genannten AMTEC bereit. An der Trennwand sind Kondensationsstäbe derart angeordnet, dass sie in die BASE-Elemente hineinragen. Über den Stirnflächen der BASE-Elemente ist die Trennwand perforiert, um den Eintritt des Arbeitsmediums vom Hochtemperaturbereich in die BASE-Elemente zu gewährleisten und die Rückströmung des Arbeitsmediums zu vermeiden. Die zu lösende Aufgabe liegt darin, einen konstruktivem Aufbau vorzustellen, bei dem nachträgliche Metall-BASE Verbindungen wie z.B. Hartlötungen, Schweißungen und Verklebungen entfallen, sowie Nebenschlussströme von den elektrischen Komponenten innerhalb der Trennwand zum Gehäuse zu unterbinden. Die Aufgabe wird durch einen AMTEC gelöst, der eine elektrisch isolierende Trennwand aufweist, in die BASE-Elemente, Elektroden, Anoden- und Kathoden, Stromsammler, Stromdurchführungen, elektrische Leitungen und Kondensationsstäbe eingebettet sind, wodurch die elektrische Isolation der in der Trennwand integrierten Komponenten gegenüber dem AMTEC-Gehäuse gegeben ist und wodurch nachträgliche Verbindungen zwischen Komponenten in der Trennwand entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft einen AMTEC-Energiewandler, der auf dem AMTEC-Prinzip (AMTEC, engl.: Alkali-Metal Thermal-to-Energy Converter) beruht, gemäß dem ersten Patentanspruch, sowie ein Herstellungsverfahren hierzu, gemäß Patentanspruch 20.
Der Anwendungsbereich, in dem die Erfindung eingesetzt werden soll, ist die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in technischen Systemen.
Ein AMTEC-Energiewandler, im Folgenden AMTEC genannt, der auf dem AMTEC-Prinzip beruht, nutzt die Abwärme, zum Beispiel von Gasturbinen, zur Erzeugung elektrischer Energie [1, 2]. Er besteht aus einem Gehäuse, das in thermischem Kontakt zu einer Fläche, an der Abwärme entnommen wird, steht. Dadurch fließt Wärme über den entstandenen thermischen Kontakt in den AMTEC. Der AMTEC ist mit einem Arbeitsmedium aus Alkali-Metall-Dampf, z. B. Natrium, gefüllt.
Kernstück des AMTEC ist ein poröser Festelektrolyt aus Beta-Aluminiumoxid. Dieser Festelektrolyt, das sogenannte BASE-Element (BASE, engl.: Beta Alumina Solid Electrolyte) trennt das Innere des AMTEC in zwei Bereiche, einen Hochtemperaturbereich sowie einen Niedertemperaturbereich. Der Druck im Niedertemperaturbereich ist im Vergleich zum Druck im Hochtemperaturbereich verringert.
Im Hochtemperaturbereich besteht der thermische Kontakt des AMTEC zu der Fläche, an der die Abwärme entnommen wird. Aufgrund des Wärmeflusses von dieser Abwärme-Fläche in den AMTEC, erhitzt sich dieser Bereich gegenüber dem Niedertemperaturbereich. Der Dampfdruck ist in diesem Bereich höher als im Niedertemperaturbereich auf der anderen Seite der BASE, so dass sich zusätzlich zu einem Temperaturgradienten ein Druckgradient über die BASE einstellt.
Die BASE stellt eine Barriere für Alkali-Metall-Atome dar. Sie ist jedoch durchlässig für Alkali-Metall-Ionen. Deshalb wird die BASE sowohl im Hochtemperatur- als auch im Niedertemperaturbereich elektronenleitend kontaktiert. An diese Kontakte wird ein äußerer elektrischer Verbraucher angeschlossen, so dass Hochtemperatur- und Niedertemperaturbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
Daraus resultiert eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Hochtemperaturbereich und Niedertemperaturbereich.
Alkali-Metall-Atome werden zu Alkali-Metall-Ionen reduziert und treten aufgrund der elektrochemischen Potentialdifferenz vom Hochtemperaturbereich durch die BASE in den Niedertemperaturbereich ein. Die Elektronen fließen über den äußeren elektrischen Verbraucher. Im Niedertemperaturbereich rekombinieren die Alkali-Metall-Ionen wieder zu Alkali-Metall-Atomen.
Beim Übergang durch die BASE auf die Seite des Niedertemperaturbereichs nimmt die Temperatur des Alkali-Metall-Dampfes ab, bis er kondensiert. Das Kondensat wird über eine Rückspeiseleitung wieder dem Hochtemperaturbereich zugeführt, so dass ein kontinuierlicher Energieumwandlungsbetrieb möglich ist.
Ein AMTEC, der zur Energieumwandlung ein Element aus einer einzelnen BASE enthält, erzeugt einen hohen Strom bei einer geringen Spannung über den äußeren Verbraucher. Zur Erhöhung dieser Spannung werden mehrere AMTEC zu einem AMTEC-System elektrisch in Reihe schaltet. Die Spannung über einen einzelnen AMTEC wird zusätzlich erhöht, indem innerhalb des AMTEC-Gehäuses mehrere BASE-Elemente über Elektroden elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Parasitäre Nebenschluss-Ströme, z.B. zwischen den Elektroden der BASE-Elemente und dem Gehäuse des AMTEC oder zwischen den Elektroden verschiedener BASE-Elemente, setzen die Energie-Effizienz des AMTEC herab. Aufgrund dessen ist eine ausreichende elektrische und ionische Isolation der einzelnen BASE-Elemente unumgänglich. Herstellungsbedingt lassen sich Leckströme jedoch nicht immer vollständig unterdrücken.
Stand der Technik
Aus [3] ist ein AMTEC bekannt, der aus mehreren in Reihe geschalteten BASE-Elementen besteht. Die einzelnen BASE-Elemente teilen sich einen gemeinsamen Kondensator. Die Rückleitung des Natriums erfolgt nicht über Kapillar-Rohre in jede einzelne BASE, da diese Rohre elektrische Nebenschlüsse darstellen. Somit werden Leistungsverluste vermieden. Durch den gemeinsamen Kondensator werden somit Leistungsverluste minimiert. Gleichzeitig werden auch Wärmeverluste durch Wärmestrahlung reduziert, da der gemeinsame Kondensator näherungsweise die gleiche Temperatur aufweist, wie die BASE-Elemente.
Ein weiterer AMTEC ist in [4] offenbart. Er enthält ebenfalls mehrere in Reihe geschaltete BASE-Elemente. Ein isolierendes Bauteil trägt die einzelnen BASE-Elemente. Es verhindert sowohl einen Elektronen- als auch einen Ionentransport und beugt dadurch Nebenschluss-Strömen zwischen den Elektroden der einzelnen BASE-Elemente vor. Der Aufbau der BASE-Elemente und der Kondensator-Räume ist in [5] beschrieben.
In [6] ist ein zylinderförmiges BASE-Element beschrieben, das zur Vermeidung von elektrischen Nebenschlüssen mit dem Gehäuse an einem isolierenden kreisförmigen Verbindungsstück angebracht ist. Dieser Verbinder ist in eine Trägerplatte eingelassen. Er isoliert das BASE-Element elektrisch gegenüber der Trägerplatte. Das zylinderförmige BASE-Element weist drei Schichten auf. Die innere Schicht besteht aus einer porösen metallischen inneren Elektrode, die dem Hochtemperaturraum zugewandt ist. Die zweite Schicht bildet der Festkörperelektrolyt. Die dem Niedertemperaturbereich zugewandte äußere Elektrode stellt die dritte Schicht dar. Die erste und zweite Schicht sind am Kopf des Zylinders geschlossen. Über eine elektrische Durchführung durch diese beiden Schichten wird auf die interne Elektrode zugegriffen.
Prinzipiell sind die elektrischen Isolierungen in einem AMTEC mit konstruktivem Aufwand verbunden und stellen gleichzeitig Schwachstellen dar. An diesen Stellen treten vorzugsweise Undichtigkeiten auf und herstellungsbedingt ist die mechanische Festigkeit herabgesetzt. Zur Herstellung elektrischer isolierter Bauteile, werden elektrisch isolierende Materialien, wie z.B. Keramiken, mit elektrisch leitenden Materialien verbunden, z.B. durch Hartlötung. Dabei werden die Bauteile Temperaturen oberhalb von 450°C ausgesetzt. Insbesondere die Struktur der Keramiken wird dadurch geschwächt. Für Bauteile, die für einen gasdichten Betrieb in der korrosiven Natrium-Umgebung eines AMTEC vorgesehen sind, ist dies kritisch.
Technische Aufgabe
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, einen AMTEC vorzuschlagen, der die oben genannten Einschränkungen überwindet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen AMTEC vorzuschlagen, der die oben genannten Einschränkungen überwindet.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch einen AMTEC mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und durch ein Verfahren zur Herstellung des AMTEC nach Anspruch 20 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße AMTEC umfasst ein Gehäuse, vorzugsweise aus einem Metall, mit einer Wandung um ein abgeschlossenes Volumen, das mit einem Arbeitsmedium, vorzugsweise einem Alkali-Metall gefüllt ist. Das Arbeitsmedium liegt vorzugsweise als Fluid vor, d.h. als Flüssigkeit oder als Gas, wie z.B. als Dampf, besonders bevorzugt als Dampf. Das abgeschlossene Volumen definiert das Arbeitsvolumen des AMTEC. Das Gehäuse weist eine Ein- und Auslassvorrichtung für das Arbeitsmedium auf.
Das Gehäuse des AMTEC enthält als wesentliches Merkmal eine elektrisch isolierende Trennwand innerhalb des abgeschlossenen Volumens, wodurch das Volumen in einen Hochtemperaturbereich und einem Niedertemperaturbereich geteilt wird. Die Trennwand zwischen dem Hochtemperaturbereich und dem Niedertemperaturbereich besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid, und weist mindestens ein integriertes BASE-Element, mit jeweils einer Stirnfläche, einer Mantelfläche, einem Querschnitt und jeweils zwei Elektroden, d.h. einer Kathode und einer Anode auf. Das mindestens eine BASE-Element ist dabei derart in die Trennwand integriert, dass es die Wandung des Gehäuses nicht berührt.
Jedes BASE-Element weist eine Austauschfläche auf, die durch seine Stirnfläche und Mantelfläche gebildet wird und durch die Alkali-Metall-Ionen des Arbeitsmediums treten. Als Arbeitsmedium werden AlkaliMetalle wie z.B. vorzugsweise Natrium verwendet. Es kommt zu folgender chemischer Reaktion, hier beispielhaft für Natrium erläutert: Na → e^- + Na⁺ (1)
Die Natrium-Atome werden zu Natrium-Ionen oxidiert und treten aufgrund des Druckgradienten vom Hochtemperaturbereich durch die BASE in den Niedertemperaturbereich ein. Die Elektronen fließen über den äußeren elektrischen Verbraucher. Im Niedertemperaturbereich werden die Natrium-Ionen wieder zu Natrium-Atomen reduziert gemäß: e^- + Na⁺ → Na (2)
Die Trennwand weist mindestens zwei integrierte elektrische Leitungen auf, die jedoch voneinander elektrisch isoliert sind. An diese elektrischen Leitungen wird jeweils eine Elektrode, d.h. die Anode bzw. Kathode, des mindestens einen BASE-Elements, mit jeweils einem elektrischen Anschluss angeschlossen. Die Elektroden des mindestens einen BASE-Elements sind ebenfalls zumindest teilweise in die Trennwand integriert. Sie verlaufen zumindest teilweise innerhalb der elektrisch isolierenden Trennwand und sind miteinander elektrisch nur über das BASE-Element verbunden, bzw. über einen angeschlossenen externen Verbraucher. Sie sind gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert.
Die Trennwand weist weiterhin eine metallische Umrandung und mindestens zwei elektrische Durchführungen auf. Die elektrischen Durchführungen sind mit jeweils einem elektrischen Anschluss an die elektrischen Leitungen in der Trennwand angeschlossen und in das elektrisch isolierende Material der Trennwand integriert, ohne elektrischen Kontakt zum Gehäuse des AMTEC. Die elektrischen Durchführungen dienen dem Anschluss eines äußeren elektrischen Verbrauchers. Die metallische Umrandung der Trennwand dient der Befestigung der Trennwand am Gehäuse des AMTEC, die beispielsweise über eine Schweißung erfolgt.
Die Trennwand weist zusätzlich als wesentliches Merkmal elektrisch leitende Kondensationsstäbe auf, wobei für jedes BASE-Element ein Kondensationsstab vorgesehen ist, die derart in die Trennwand integriert sind, dass sie jeweils in das mindestens eine, in die Trennwand integrierte BASE-Element hineinragen und mit der Anode des jeweiligen BASE-Elements elektrisch verbunden sind.
Als weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen AMTEC weist die Trennwand über der Stirnfläche eines BASE-Elements mindestens eine Durchbruchsanordnung auf. Durch diese mindestens eine Durchbruchsanordnung tritt das Arbeitsmedium vom Hochtemperaturbereich in das BASE-Element ein, wo es an den Kondensationsstäben kondensiert.
Die Trennwand weist zusätzlich, auf der dem Hochtemperaturbereich zugewandten Seite, eine um die Wandung des Gehäuses laufende elektrisch isolierende Barriere auf. Dadurch werden Kurzschlüsse und Nebenschlüsse zwischen den BASE-Elementen und dem Gehäuse des AMTEC im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediumes auf der Trennwand verhindert.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsmäßen AMTEC ist die Trennwand aus elektrisch isolierendem Material, in das mindestens ein BASE-Element integriert ist. Die Trennwand bewirkt die elektrische Isolation der einzelnen BASE-Elemente gegenüber einander und gegenüber der Wandung des Gehäuses. Im Speziellen werden dadurch Nebenschluss-Ströme von den BASE-Elementen zur Wandung des Gehäuses unterdrückt.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Trennwand sind die zumindest teilweise in ihr verlaufenden Elektroden der BASE-Elemente und die isoliert von den Elektroden verlaufenden elektrischen Leitungen. Beide sind dadurch ebenfalls gegenüber dem Gehäuse des AMTEC elektrisch isoliert. Ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden und den elektrischen Leitungen, die in die Trennwand integriert sind, erfolgt über einen elektrischen Anschluss. Die Elektroden eines BASE-Elements innerhalb der Trennwand sind elektrisch nur über das jeweilige BASE-Element verbunden, wodurch Nebenschluss-Ströme zwischen den Elektroden unterschiedlicher BASE-Elemente sowie zwischen den Elektroden und dem Gehäuse verhindert werden.
Auf der Seite des Hochtemperaturbereichs wird entweder das Gehäuse des mit dem Arbeitsmedium befüllten AMTEC in thermischen Kontakt zu einer Wärmequelle gebracht, oder ein Arbeitsmedium wird mit hoher Temperatur in den Hochtemperaturbereich zugeführt. Die Erwärmung des Arbeitsmediums erfolgt hierbei über ein externes Rückführsystem. Durch die Zuführung des erwärmten Arbeitsmediums wird der Hochtemperaturbereich gegenüber dem Niedertemperaturbereich erhitzt.
Das Arbeitsmedium liegt im Hochtemperaturbereich gasförmig vor. Auf der anderen Seite der Trennwand befindet sich die der Wärmequelle abgewandte Seite des Gehäuses. Es besteht somit über die Trennwand, zwischen Hochtemperaturbereich und Niedertemperaturbereich, ein Temperaturgradient und, da das Volumen des AMTEC in sich abgeschlossen ist, auch ein Druckgradient. Durch den Druckgradienten wird das gasförmige Arbeitsmedium aus dem Hochtemperaturbereich durch die Durchbruchsanordnung in der Trennwand gedrückt. Von dort gelangt es in die BASE-Elemente. Es kühlt in den BASE-Elementen hinter der Trennwand ab und kondensiert zumindest teilweise an den Kondensationsstäben, die in die BASE-Elemente hineinragen. Ist ein äußerer elektrischer Verbraucher an die elektrischen Durchführungen angeschlossen, trennen sich im Arbeitsmedium Alkali-Metall-Ionen und Elektronen voneinander. Die Alkali-Metall-Ionen treten durch die BASE-Elemente und rekombinieren auf der Kathodenseite wieder mit den Elektronen, die über den äußeren Verbraucher geflossen sind, zu elektrisch neutralen Alkali-Metall-Atomen. Die herrschenden thermodynamischen Zustände auf der Kathodenseite (niedriger Druck und niedrige Temperatur) führen dazu, dass das Arbeitsmedium auf die Kathodenseite dampfförmig vorliegt. Der Niedertemperaturbereich ist temperierbar, vorzugsweise kühlbar, so dass sich vorzugsweise an der Wandung des Niederdruckbereichs ein Alkali-Metall-Flüssigkeitsfilm niederschlägt, d.h das Alkali-Metall der Wandung des Niederdruckbereichs zumindest teilweise kondensiert.
Über ein internes und/oder externes Rückführsystem und eine interne und/oder externe Rückführleitung wird das Arbeitsmedium, d.h. das Alkali-Metall im Niedertemperaturbereich gesammelt und von dort wieder in den Hochtemperaturbereich geleitet. Das Rückführsystem wird über eine Pumpe betrieben und/oder ist als Dochtsystem ausgestaltet.
Ausführungsbeispiele
In einer Ausführung umfasst der erfindungsgemäße AMTEC ein Gehäuse, das im Hochtemperaturbereich eine divergente Verbreiterung ausgehend von einer Fläche der Wandung, an der Abwärme von einer Wärmequelle in den AMTEC fließt, zu der Trennwand hin, aufweist. Der Querschnitt des Gehäuses wird demzufolge in Richtung der Trennwand größer. Weiterhin weist das Gehäuse hinter der Trennwand, im der Wärmequelle abgewandten Niedertemperaturbereich, eine konvergente Verjüngung von der Trennwand weg auf. Der Querschnitt des Gehäuses nimmt dadurch in Richtung von der Trennwand weg ab.
Durch die divergente Ausführungsform des Gehäuses im Hochtemperaturbereich und dem damit anwachsenden Querschnitt des Gehäuses zur Trennwand hin, wird der Staudruck des Alkali-Metall-Dampfes durch seine sinkende Strömungsgeschwindigkeit erniedrigt und der statische Druck zur Trennwand hin erhöht. Der Niedrigtemperaturbereich des AMTEC hat eine konvergente Form und verjüngt sich von der Trennwand weg. Dadurch ist der statische Druck hinter der Trennwand, wo der Gehäusequerschnitt am größten ist, maximal und nimmt in Richtung der Verjüngung ab, während sich der Staudruck bzw. die Geschwindigkeit des strömenden Arbeitsmediums erhöht. Dadurch wird die Abfluss-Geschwindigkeit des Arbeitsmediums in ein Rückführsystem erhöht. Gleichzeitig wird aber auch der Druckgradient zwischen Hochtemperaturbereich und Niedertemperaturbereich weiter erhöht. Dadurch wird die Leistung des AMTEC gesteigert. Die beschriebene Gehäuseform eignet sich auch für einen AMTEC, der herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte BASE-Elemente benutzt.
In einer Ausführung umfasst der erfindungsgemäße AMTEC mindestens zwei zueinander in Reihe geschaltete BASE-Elemente, wobei die Trennwand zwischen zwei unterschiedlichen BASE-Elementen und zwischen den BASE-Elementen und der Wandung des Gehäuses mindestens eine elektrisch isolierende Barriere auf der dem Hochtemperaturbereich zugewandten Seite aufweist, so dass jedes einzelne BASE-Element durch eine elektrisch isolierende Barriere vollständig umschlossen ist. Dadurch wird verhindert, dass im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediums im Hochtemperaturbereich auf der Trennwand ein Flüssigkeitsfilm entsteht, der zwei BASE-Elemente elektrisch kurzschließt. Weiterhin wird verhindert, dass die Wandung des Gehäuses und die BASE-Elemente im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediums auf der Trennwand kurzgeschlossen werden. Die Höhe einer elektrischen Barriere um ein BASE-Element ist dabei größer, als der Pegel des kondensierten Arbeitsmediums. Dadurch wird ein Überlaufen des kondensierten Arbeitsmediums über die elektrischen Barrieren verhindert.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich die Trennwand durch ihre metallische Umrandung aus. Diese Umrandung bietet die Möglichkeit, die Trennwand mit der vorzugsweise metallischen Wandung des Gehäuses zu verschweißen und/oder zu verlöten. Ein weiteres wesentliches Merkmal der Trennwand stellen die in die metallische Umrandung eingebetteten elektrischen Durchführungen dar. Durch sie wird eine galvanische Trennung zwischen der Wandung des Gehäuses und aller in der Trennwand integrierten elektrisch leitenden Elemente, d.h. den BASE-Elementen, den Elektroden, den elektrischen Anschlüssen, den elektrischen Leitungen und den Kondensationsstäben, gegenüber dem Gehäuse des AMTEC gewährleistet und Nebenschluss-Ströme werden vermieden.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen AMTEC weist die Stirnfläche eines BASE-Elements und/oder ein Querschnitt durch ein BASE-Element eine Symmetrie auf und ist vorzugsweise rechteckig, dreieckig, kreisförmig und/oder sternförmig. Diese Ausführung der BASE-Elemente bietet die Möglichkeit, auf das Verhältnis von Austauschfläche zu Arbeitsvolumen Einfluss zu nehmen. Bei einem vergleichsweise geringen Arbeitsvolumen und/oder einer geringen Menge an Arbeitsmedium bietet beispielsweise ein BASE-Element mit einem dreieckigen Querschnitt eine erhöhte Austauschfläche im Vergleich zu einem BASE-Element mit einem kreisförmigen Querschnitt.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen AMTEC weist die Mantelfläche eines BASE-Elements eine 3-dimensionale Topographie auf. Dabei ist ein Querschnitt durch die Mantelfläche eines BASE-Elements vorzugsweise sternförmig, gewellt und/oder gerippt. Diese Ausführung der BASE-Elemente bietet die Möglichkeit, auf das Verhältnis von Austauschfläche zu Arbeitsvolumen Einfluss zu nehmen. Bei einem vergleichsweise geringen Arbeitsvolumen und/oder einer geringen Menge an Arbeitsmedium bietet beispielsweise ein BASE-Element mit einer gerippten Mantelfläche eine erhöhte Austauschfläche im Vergleich zu einem BASE-Element mit einer Mantelfläche, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist entsprechend einer kreisförmigen Stirnfläche.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich durch eine Trennwand aus, in der die Elektroden und Stromdurchführungen zumindest teilweise als elektrisch leitende Platten ausgeformt sind, wobei die elektrisch leitenden Platten Lochanordnungen aufweisen und vorzugsweise aus einem Metall und/oder einem Verbund aus Metall und Keramik bestehen. Die Lochanordnungen der elektrisch leitenden Platten sind dabei vorzugsweise über der Stirnfläche eines BASE-Elements angeordnet. Weiterhin sind die Lochanordnungen der elektrisch leitenden Platten zumindest teilweise versetzt gegenüber der mindestens einen Durchbruchsanordnung in der Trennwand angeordnet, wobei die Trennwand vorzugsweise einen Hohlraum über und/oder unter den elektrisch leitenden Platten aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass das Arbeitsmedium durch die mindestens eine Durchbruchsanordnung in der Trennwand über der Stirnfläche des BASE-Elements in den Hohlraum über der elektrisch leitenden Platte strömt und von dort durch die Lochanordnungen in der elektrisch leitenden Platte in das BASE-Element eintritt. Weiterhin ist die Rückströmung des Arbeitsmediums vom BASE-Element zurück in den Hochtemperaturbereich durch den Versatz der Durchbruchsanordnung gegenüber den Lochanordnungen reduziert.
In dieser Ausführungsform sind die Kondensationsstäbe, die in die BASE-Elemente hineinragen vorzugsweise mit den elektrisch leitenden Platten verbunden und bestehen ebenfalls aus elektrisch leitendem Material. Dadurch ist es möglich, die Kondensationsstäbe direkt als Anode zu verwenden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Durchbruchsanordnung im Bereich des BASE-Elements zwischen Hochtemperaturbereich und BASE-Element mindestens ein Mittel zur Steuerung des Arbeitsmediums auf. Vorzugsweise sind die Mittel zur Steuerung des Arbeitsmediums derart angeordnet, dass die Rückströmung des Arbeitsmediums vom BASE-Element zurück in den Hochtemperaturbereich reduziert ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anode mindestens einen Anoden-Stromsammler und mindestens eine zumindest teilweise elektrisch isolierte Stromdurchführung. Der mindestens eine Anoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromdurchführung stehen in elektrischem und mechanischem Kontakt zueinander. Der Anoden-Stromsammler dient als Anodenfläche bzw. vergrößert die Fläche der Anode. Der Anoden-Stromsammler wird durch die Stromdurchführung auf die Druck-Seite des BASE-Elements positioniert, ohne das BASE-Element selbst zu berühren. Die Stromdurchführung ist elektrisch leitend verbunden über einen elektrischen Anschluss mit einer elektrischen Leitung in der Trennwand. Die Stromdurchführung ersetzt in dieser Ausführungsform vorzugsweise einen elektrisch leitenden Kondensationsstab und weist auf ihrer Außenseite zumindest teilweise eine elektrische Isolierung auf.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC ist der mindestens eine Anoden-Stromsammler als metallische Fläche und/oder als Drahtgeflecht und/oder als Elektrodenschicht ausgestaltet. Der Anoden-Stromsammler ist im Arbeitsmedium exponiert und dient dazu die Ladungsträger, vorzugsweise die Elektronen aus dem Arbeitsmedium, die bei der Oxidation der Natrium-Atome werden zu Natrium-Ionen oxidiert zu sammeln und der Stromdurchführung zuzuleiten.
In einer weiteren Ausführungsform (Dampf-Anode) umfasst die Anode zusätzlich zu dem mindestens einen Anoden-Stromsammler und der mindestens einen zumindest teilweise elektrisch isolierten Stromdurchführung weiterhin mindestens eine Elektrodenschicht als Anoden-Stromsammler, auf einer Druck-Seite des BASE-Elements. Die Elektrodenschicht besteht vorzugsweise aus einer sehr dünnen porösen Beschichtung. Ein Überblick über die für die Elektrodenschicht in Frage kommenden Materialien ist in [7] dargestellt. Die mindestens eine Elektrodenschicht, der mindestens eine Anoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromdurchführung stehen in elektrischem Kontakt miteinander. In dieser Ausführungsform ist der Anoden-Stromsammler direkt auf diese Elektrodenschicht aufgebracht und elektrisch mit der Elektrodenschicht verbunden. Die Stromdurchführung ist elektrisch leitend verbunden mit dem Anoden-Stromsammler und über einen elektrischen Anschluss mit einer elektrischen Leitung in der Trennwand. Die mindestens eine Elektrodenschicht besteht aus einem leitfähigem Material, bevorzugt aus einem Metall, besonders bevorzugt aus Molybdän und/oder Titancarbid und/oder Titannitrid und/oder Titandiborid, und ist zumindest teilweise auf die dem Hochtemperaturbereich zugewandten Seite der Mantelfläche des BASE-Elements abgeschieden, z.B. mittels eines Magnetron-Sputter-Verfahrens. Die bevorzugte Dicke der abgeschiedenen Elektrodenschicht beträgt zwischen 0.25 µm und 50 µm. Der mindestens eine Anoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromdurchführung bestehen vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Wolfram, Platin, Silber, Gold und/oder aus Legierungen dieser Elemente. Der mindestens eine Anoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromzuführung sind vorzugsweise mittels eines 3-D-Druckverfahrens hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathode mindestens eine elektrisch leitende Elektrodenschicht und mindestens einen elektrisch leitenden Kathoden-Stromsammler und mindestens eine elektrisch leitende Stromdurchführung. Ein Überblick über die für die Elektrodenschicht in Frage kommenden Materialien ist in [7] dargestellt. Die Elektrodenschicht besteht vorzugsweise aus einer sehr dünnen porösen Beschichtung, die auf dem BASE-Element aufgetragen wird. Die mindestens eine Elektrodenschicht, der mindestens eine Kathoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromdurchführung stehen in elektrischem Kontakt miteinander. Die mindestens eine Elektrodenschicht besteht dabei aus einem leitfähigem Material, bevorzugt aus einem Metall, besonders bevorzugt aus Molybdän und/oder Titancarbid und/oder Titannitrid und/oder Titandiborid, vorzugsweise mittels eines Magnetron-Sputter-Verfahrens. Die bevorzugte Dicke der abgeschiedenen Elektrodenschicht beträgt zwischen 0.25 µm und 50 µm. Der mindestens eine Kathoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromdurchführung bestehen vorzugsweise aus Nickel, Molybdän, Wolfram, Platin, Silber, Gold und/oder aus Legierungen dieser Elemente. Der mindestens eine Kathoden-Stromsammler und die mindestens eine Stromzuführung sind vorzugsweise mittels eines 3-D-Druckverfahrens hergestellt. Die Stromdurchführung ist elektrisch leitend verbunden über einen elektrischen Anschluss mit einer elektrischen Leitung in der Trennwand.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrodenschicht der Kathode auf einer Unterdruck-Seite des BASE-Elements aufgebracht, d.h. vorzugsweise auf der Mantelfläche des BASE-Elements, die dem Niedertemperaturbereich zugewandt ist.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich durch eine Trennwand aus, die integrierte metallische Elemente enthält, wobei zwischen den elektrischen Elementen in der Trennwand, d.h. den BASE-Elementen, den Elektroden, den elektrischen Anschlüssen, den elektrischen Leitungen und den Kondensationsstäben, und den metallischen Elementen kein elektrischer Kontakt besteht und wobei die metallischen Elemente zumindest teilweise aus der Trennwand hinausragen. Die metallischen Elemente in der Trennwand dienen der Verstärkung der mechanischen Festigkeit der Trennwand. Die zumindest teilweise aus der Trennwand hinausragenden metallischen Elemente ermöglichen die Herstellung einer gasdichten Anbindung der Trennwand an das Gehäuse, beispielsweise durch Schweißung.
Ergänzend zu den oben genannten Ausführungsformen ergibt sich eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC. Diese zeichnet sich durch eine Trennwand aus, die zusätzlich zu den elektrischen Elementen und/oder den metallischen Elementen durchströmbare, gasdichte Temperierkanäle enthält, wobei die Temperierkanäle von den elektrischen Elementen elektrisch isoliert sind. Über das Gehäuse des AMTEC sind die Temperierkanäle von außen ansteuerbar und werden von außen mit einem Kühl- und/oder Heizmedium versorgt, vorzugsweise mit einem Kühlmedium, wodurch die Temperatur der Trennwand gegenüber der Temperatur des Hochtemperaturbereichs erniedrigt wird. Dadurch kondensiert das Arbeitsmedium auf den Kondensationsstäben.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich durch eine Trennwand aus, die auf dem Niedertemperaturbereich einen zumindest teilweise perforierten Strahlungsschild aufweist, der durchlässig für das Arbeitsmedium ist, wobei der Strahlungsschild um die BASE-Elemente herum angeordnet ist. Der perforierte Strahlungsschild ist vorzugsweise als einseitig offener Zylinder oder als einseitig offener Quader ausgebildet, wobei die offene Stirnfläche des Zylinders oder die offene Seitenfläche des Quaders von der Trennwand und den darin integrierten BASE-Elementen verschlossen wird. Der Strahlungsschild reduziert die thermische Strahlung des AMTEC-Gehäuses auf die BASE-Elemente. Dadurch werden parasitäre, thermische Verluste minimiert, z.B. wird die Verdampfung des kondensierten Arbeitsmediums reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC besteht die Trennwand zumindest teilweise aus einem keramischen Schichtverbund mit mehreren Einzelschichten, wobei die Einzelschichten des Schichtverbunds unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Vorzugsweise besteht die Schicht der Trennwand, die dem Hochtemperaturbereich zugewandt ist, aus einer Keramik mit einer vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeit, um die Erwärmung der Komponenten innerhalb der Trennwand und des Niedertemperaturbereichs zu reduzieren. Vorzugsweise besteht die Schicht der Trennwand, die dem Niedertemperaturbereich zugewandt ist, aus einer Keramik, die eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um die Kühlung des Arbeitsmediums zu ermöglichen. Mindestens eine Schicht der Trennwand besteht weiterhin vorzugsweise aus einer Keramik, die eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, wodurch die Trennwand mechanisch stabilisiert wird.
Eine zusätzliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse des AMTEC ein integriertes Rückführsystem enthält. Die Rückführleitung wird hierbei vorzugsweise durch eine Bohrung in der Trennwand vom Niedertemperaturbereich in den Hochtemperaturbereich geführt.
Nach der Passage der Trennwand und der BASE-Elemente wird das kondensierte Arbeitsmedium im Niedertemperaturbereich gesammelt und über das Rückführsystem vom Niedertemperaturbereich durch die Trennwand in den Hochtemperaturbereich geleitet. Ein Rückführsystem innerhalb des AMTEC-Gehäuses hat konstruktive und sicherheitstechnische Vorteile, da die Anzahl der Schweißnähte im Gehäuse des AMTEC reduziert wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse des AMTEC ein externes Rückführsystem aufweist, wobei die Rückführleitung durch die Wandung außerhalb des Gehäuses vom Niedertemperaturbereich in den Hochtemperaturbereich geführt ist.
Eine zusätzliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse des AMTEC sowohl ein internes als auch ein externes Rückführsystem aufweist.
In den drei letztgenannten Ausführungsformen wird sowohl das interne als auch das externe Rückführsystem vorzugsweise über eine Pumpe betrieben und/oder ist als Dochtsystem ausgestaltet. In der vorzugsweisen Ausgestaltung als Dochtsystem bewirken Kapillarkräfte die Führung des Arbeitsmediums entgegen der Schwerkraft im Rückführsystem vom Niedertemperaturbereich in den Hochtemperaturbereich.
Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung des AMTEC für einen Betrieb in Dampf-Dampf- oder Flüssigkeit-Dampf-Konfiguration. Für eine Dampf-Dampf-Konfiguration liegt das Arbeitsmedium im AMTEC sowohl im Niedertemperaturbereich des Elektrolytes als auch im Hochtemperaurbereich des Elektrolytes gasförmig vor. Für eine Flüssigkeit-Dampf-Konfiguration liegt das Arbeitsmedium im AMTEC auf der Druck-Seite des BASE-Elements als Flüssigkeit, kondensiert beispielsweise an einem Kondensationsstab, und im Niedertemperaurbereich gasförmig vor. In die Trennwand integrierbare Temperierkanäle werden dabei vorzugsweise von außen mit Kühlmitteln angesteuert und gespeist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen AMTEC werden mindestens ein Keramikpulver und mindestens ein Metallpulver, beide geeignet für eine generative Fertigung der Trennwand, bereitgestellt.
Als Keramikpulver ist vorzugsweise Aluminium-Oxid und/oder ZirkoniumOxid verwendbar. Als Metallpulver ist zur Herstellung aller stromtragenden Komponenten, die in der Trennwand integriert sind, vorzugsweise ein Metall mit einer vergleichsweise hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, Silber oder Gold verwendbar. Da diese Materialien mit flüssigem Natrium reagieren können, müssen die gegen dieses Arbeitsmedium abgedichtet werden. Für die strukturgebenden Bestandteile der Trennwand eignen sich mit Keramiken zusammenschweißbare oder zusammenlötbare Metalle, vorzugsweise Mo-41%Re, Nb1%Zr, Molybdän, Eisen-Nickel-Legierungen wie z.B. Invar, vorzugsweise Invar 42.
In einem zweiten Verfahrensschritt folgt der generative Aufbau der Trennwand mit integriert gebildeten BASE-Elementen und/oder Elektroden und/oder elektrischen Leitungen und/oder Kondensationsstäben und/oder Stromdurchführungen und/oder Stromsammlern und/oder elektrisch isolierenden Barrieren zwischen unterschiedlichen BASE-Elementen sowie der elektrisch isolierenden Barriere zwischen den BASE-Elementen und der Wandung des Gehäuses.
Generative Fertigungsmethoden, die zur Herstellung der Trennwand und der in ihr integrierten elektrisch leitenden Elemente in Frage kommen, sind zum einen Pulverbettverfahren, wie z.B. Laserschmelzen und Lasersintern, sowie Freiraumverfahren, wie z.B. Metall-Pulver-Auftragsverfahren, Flüssigmaterialverfahren, sowie Schichtaufbauverfahren, wie z.B. 3-D Siebdruck.
In einem dritten Verfahrensschritt werden das Gehäuse, das Rückführsystem und die Trennwand mit den integrierten Komponenten zu einem gasdichten Verbund zusammengefügt. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Rückführsystem und der Trennwand mit den integrierten Komponenten zu einem gasdichten Verbund erfolgt vorzugsweise durch eine Keramik-Metall-Lötung.
Die Anwendung generativer Fertigungsmethoden ermöglicht eine einfache Herstellung der Trennwand als ein Verbund aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Komponenten.
Die Fertigung der Trennwand und der in ihr enthaltenen Komponenten beschränkt sich auf wenige Schritte. Dadurch dass durch die Herstellung ein Verbund entsteht, müssen keine Fertigungstoleranzen eingehalten werden. Insbesondere entfallen auch Fertigungsschritte zum Zusammenfügen der einzelnen Komponenten insbesondere durch Hartlötung oder Verklebungen. Insbesondere durch Hartlötungen entstehen thermische Verzüge und die Struktur der Keramik wird geschwächt.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Ausgestaltungen mit Figuren im Folgenden näher erläutert. Es zeigen

1 eine prinzipielle Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC, wobei die elektrisch isolierende Trennwand ein BASE-Element mit zwei Elektroden, einen Kondensationsstab, zwei elektrischen Leitungen und zwei elektrischen Durchführungen aufweist, jeweils gegenüber der Wandung des Gehäuses vollständig isoliert, sowie eine metallischen Umrandung um die Trennwand zur mechanischen Verbindung mit dem Gehäuse,
2 ein beispielhaftes BASE-Element gemäß 1, wobei die Trennwand eine Durchbruchsanordnung über der Stirnfläche des BASE-Elements aufweist sowie einen Kondensationsstab, der in das BASE-Element hineinragt,
3 a ein BASE-Element gemäß 2, wobei die Trennwand eine Durchbruchsanordnung über der Stirnfläche des BASE-Elements aufweist und wobei die Elektrode über der Stirnfläche des BASE-Elements zumindest teilweise als elektrisch leitende Platte ausgestaltet ist, die mindestens eine Lochanordnung aufweist, wobei die Lochanordnungen gegenüber der Durchbruchsanordnung versetzt angeordnet ist, und wobei die Trennwand einen Hohlraum über der elektrisch leitenden Platte aufweist,
3 b - d einen Querschnitt durch ein BASE-Element gemäß 2, wobei die Trennwand eine Durchbruchsanordnung über der Stirnfläche des BASE-Elements mit mindestens einem Mittel zur Steuerung des Arbeitsmediums aufweist, und wobei die Anode einen Anoden-Stromsammler aufweist und eine Stromdurchführung, die zumindest teilweise elektrisch isoliert ist, und wobei die Kathode eine Elektrodenschicht auf der Mantelfläche des BASE-Elements aufweist, sowie einen Kathoden-Stromsammler und eine zumindest teilweise isolierte Stromdurchführung,
4 eine weitere Ausführungsform mit mehreren in Reihe geschalteten BASE-Elementen zur Erhöhung der Ausgangsspannung des AMTEC, wobei die Elektroden gemäß 3 a als perforierte elektrisch leitende Platten ausgestaltet sind, deren Lochanordnungen gegenüber den Durchbruchsanordnungen in der Trennwand versetzt zueinander angeordnet sind und wobei das Gehäuse vorzugsweise im Hochtemperaturbereich eine divergente Form und im Niedertemperaturbereich eine konvergente Form aufweist,
5 a mehrere in Reihe geschaltete BASE-Elemente gemäß 3 a in der Trennwand, wobei die Trennwand zusätzlich metallische Elemente zur Verstärkung ihrer mechanischen Festigkeit sowie durchströmbare, gasdichte Temperierkanäle aufweist,
5 b einen Schnitt durch die Trennwand, wobei die Trennwand aus einem keramischen Schichtverbund mit mehreren Einzelschichten besteht,
6 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC, wobei die Trennwand elektrisch isolierende Barrieren auf der dem Hochtemperaturbereich zugewandten Seite aufweist,
7 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC, wobei die Trennwand elektrisch isolierende Barrieren auf der dem Hochtemperaturbereich zugewandten Seite aufweist sowie Verlängerungsstützen an den Kondensationsstäben, die in den Hochtemperaturbereich hineinragen.
8 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC, wobei das mindestens eine BASE-Elemente über einen direkten und unbeschränkten Kontakt zu dem dampfförmigen Arbeitsmedium im Hochtemperaturbereich verfügt.

Figurenbeschreibung:
Anhand von 1 soll zunächst der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer PrinzipSkizze gezeigt werden. Die Befüllung mit dem benötigten Arbeitsmedium erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung.
Der erfindungsgemäße AMTEC weist ein Gehäuse 1 mit einer Wandung 2 um ein abgeschlossenes Volumen 3 auf. Das Gehäuse 2 des AMTEC enthält das Arbeitsmedium 6, z. B. Natrium. Eine elektrisch isolierende Trennwand 7 teilt das abgeschlossene Volumen 3 in einen Niedertemperaturbereich 9 und einen Hochtemperaturbereich 8. Im Hochtemperaturbereich 8 steht das Gehäuse 1 des AMTEC in thermischem Kontakt 38 zu einer Wärmequelle. Über den thermischen Kontakt 38 fließt Wärme in den AMTEC. Die Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Wahlweise wird, anstatt über den thermischen Kontakt 38 des AMTEC zu einer Wärmequelle, bereits erhitztes Arbeitsmedium 6 direkt in das Gehäuse 1 des AMTEC eingespeist. Die Erhitzung des Arbeitsmediums 6 erfolgt durch einen thermischen Kontakt des Rückführsystems 34 an eine Wärmequelle, d.h. entweder ist die Wärmequelle direkt mit dem AMTEC gekoppelt oder das Arbeitsmedium 6 übernimmt Wärme aus einer Wärmequelle, die nicht direkt mit AMTEC verbunden ist.
Ein BASE-Element 10 aus Festkörperelektrolyt mit einer Stirnfläche 11, einer Mantelfläche 12 und einem Querschnitt 13 ist in die Trennwand 7 integriert. Das BASE-Element 10 weist zwei Elektroden, eine Anode 14 und eine Kathode 15 auf. Die Anode 14 weist einen Anoden-Stromsammler 42 und eine Stromdurchführung 43 auf. Der Anoden-Stromsammler 42 und die Stromdurchführung 43 sind der Einfachheit halber in 1 zunächst nicht einzeln dargestellt. Die Anode 14 entspricht hier dem Arbeitsmedium 6, das vorzugsweise in flüssiger Form vorliegt und das elektrisch leitend ist. Unter der für AMTEC relevante Temperatur- und Druckniveaus wird das Arbeitsmedium 6 in Kontakt mit dem BASE Element 10 auch in Abwesenheit einer Elektrode ionisieren. Der Anoden-Stromsammler 42 schwimmt im Arbeitsmedium 6 und hat vorzugsweise die Form eines Zylinders. Der Querschnitt des Anoden-Stromsammlers 42 ist vorzugsweise ähnlich der Form des BASE-Querschnittes 13. Die Stromdurchführung 43 auf der Anoden-Seite ist elektrisch verbunden mit dem Anoden-Stromsammler 42 und der elektrischen Leitung 17 über einen elektrischen Anschluss 16a. Die Kathode 15 besteht aus einer Elektrodenschicht 47, vorzugsweise einer sehr dünnen porösen Beschichtung, die auf dem BASE-Element 10 aufgetragen wird, einem Kathoden-Stromsammler 45 und einer Stromdurchführung 44. Ein Überblick über die für die Elektrodenschicht 47 in Frage kommenden Materialien ist in [7] dargestellt. Elektrodenschicht 47, Kathoden-Stromsammler 45 und Stromdurchführung 44 sind der Einfachheit halber in 1 zunächst nicht einzeln dargestellt. Der Kathoden-Stromsammler 45 auf der Kathode 15 ist im direkten Kontakt mit der Kathode 15 und vorzugsweise in Form von Drahtgestricken, Netzen, Schellen, Ringen und spiralförmigen Drähten ausgebildet. Die Stromdurchführung 44 auf der Kathoden-Seite ist elektrisch verbunden mit dem Kathoden-Stromsammler 45 und der elektrischen Leitung 17 über einen elektrischen Anschluss 16b. Die Stromdurchführung 43 auf der Anoden-Seite dient auch als Kondensationsstab 20, um das Arbeitsmedium 6 im BASE-Element 10 zu kondensieren. Die Stromdurchführung 43 verläuft zumindest teilweise auf der dem Hochtemperaturbereich 9 des AMTEC zugewandten Seite der Mantelfläche 12 des BASE-Elements 10 und ist teilweise in der Trennwand 7 integriert. Die Stromdurchführung 43 soll elektrisch isoliert sein, um mögliche elektrische Kurzschlüsse mit dem Arbeitsmedium 6 zu vermeiden. Um eine kompakte Konfiguration des AMTEC zu erreichen und die Anzahl der BASE-Elemente 10 pro AMTEC-Modul zu maximieren, ist eine enge Verbindung der Stromdurchführung 44 an der äußeren Oberfläche des BASE-Elements 10 zu realisieren.
Ein in die Trennwand 7 integrierter Kondensationsstab 20 reicht in das BASE-Element 10 hinein. An ihm kondensiert das Arbeitsmedium 6 und sammelt sich in dem BASE-Element 10. Der Kondensationsstab 20 ist mit der Elektrode 14 des BASE-Elements 10 elektrisch leitend verbunden.
Das BASE-Element 10 ist derart innerhalb der Trennwand 7 angeordnet, dass ein Abstand zur Wandung 2 des Gehäuses 1 existiert und das BASE-Element 10 dadurch die Wandung 2 des Gehäuses 1 nicht berührt. Zwischen den BASE-Elementen 10 und der Wandung 2 befinden sich Strahlungsschilder 31, um thermische Verluste zu reduzieren. Weiterhin sind in die Trennwand 7 zwei elektrische Leitungen 17 eingebettet, die jeweils mit den Stromdurchführungen 43 (Anoden-Seite), 44 (Kathoden-Seite) beide zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung 48 durch einen elektrischen Anschluss 16a, 16b elektrisch verbunden werden. Die beiden Stromdurchführungen 43, 44 und die jeweils mit ihnen verbundenen elektrischen Leitungen 17 sind durch ihre Integration in die Trennwand 7 bzw. aufgrund des Abstands zwischen dem BASE-Element 10 und dem Gehäuse 1 des AMTEC elektrisch isoliert. Weiterhin sorgt eine um die Wandung 2 des Gehäuses 1 laufende elektrisch isolierende Barriere 19 für eine elektrische Isolation des BASE-Elements 10 im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediums 6 und der Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms auf der Trennwand 7.
Die Trennwand 7 weist weiterhin eine metallische Umrandung 21 zum Verbau mit dem Gehäuse 1 auf, sowie zwei elektrische Durchführungen 22 innerhalb der elektrisch isolierenden Trennwand 7, die dem Anschluss eines äußeren elektrischen Verbrauchers 37 dienen. Die elektrischen Durchführungen 22 sind in die elektrisch isolierende Trennwand 7 integriert und stehen nicht in elektrischem Kontakt zum Gehäuse 1 des AMTEC oder zur metallischen Umrandung 21 der Trennwand. An die elektrischen Durchführungen 22 sind über einen elektrischen Anschluss 23 die beiden elektrischen Leitungen 17 angeschlossen.
Über der Stirnfläche 11 des BASE-Elements 10 weist die Trennplatte 7 mindestens eine Durchbruchsanordnung 18 auf. Durch diese mindestens eine Durchbruchsanordnung 18 strömt das Arbeitsmedium 6 vom Hochtemperaturbereich 8 in das BASE-Element 10.
Im Niedertemperaturbereich 9 kondensiert das Arbeitsmedium, wird gesammelt und über ein Rückführsystem 34 und eine Rückführleitung 35 zurück in den Hochtemperaturbereich 8 gespeist. Im Niedertemperaturbereich 9, wird das kondensierte Arbeitsmedium 6 gesammelt und das Kondensat 39 über ein Rückführsystem 34 wieder in den Hochtemperaturbereich 8 zurückgeführt. Die Rückführleitung 35 des Rückführsystems 34 verläuft in der dargestellten Ausführungsform außerhalb des AMTEC-Gehäuses 1. Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Ein Rückführsystem 34, das innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft und durch eine Bohrung 36 in der Trennwand 7 führt, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Das Rückführsystem 34 ist derart durch die Trennwand 7 geführt, dass sie keine der elektrisch leitenden Elemente in der Trennwand 7, d.h. das BASE-Element 10, die Elektroden 14, 15, die Anoden- und Kathoden-Stromsammler 42, 44, die elektrischen Anschlüsse 16a, 16b, die elektrischen Leitungen 17 und die Stromdurchführungen 43, 45, berührt. Ein Rückführsystem 34, das sowohl außerhalb als auch innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Die Befüllung des AMTEC-Gehäuses 1 mit dem Arbeitsmedium 6 erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung.
Diese vorzugsweise Ausgestaltung des AMTEC stellt die elektrische Isolation der in der Trennwand 7 integrierten Elemente, d.h. dem BASE-Element 10, der Elektroden 14, 15, der Anoden- und Kathoden-Stromsammler 42, 45, der elektrischen Anschlüsse 16a, 16b, der elektrischen Leitungen 17 und der Stromdurchführungen 43, 44 gegenüber dem Gehäuse 1 des AMTEC sicher. Da keine metallische Verbindung (z.B. Lötung) zwischen den BASE-Elementen 10 und der Trennwand 7 des Moduls vorhanden ist, werden Nebenschlussströme zwischen diesen Elementen und einem möglichen metallischen Übergangsstück und dem Gehäuse 1 verhindert. Dies verhindert die Herabsetzung der Leistung des AMTEC. Durch die Integration des BASE-Elements 10, der Elektroden 14, 15, der Anoden- und Kathoden-Stromsammler 42, 45, der elektrischen Anschlüsse 16a, 16b, der elektrischen Leitungen 17 und der Stromdurchführungen 43, 44 in die Trennwand 7 entfällt die Notwendigkeit die elektrisch isolierende Trennwand 7 mit den elektrisch leitenden Elementen durch z.B. Hartlötung zu verbinden. Es entsteht ein kompakter Verbund aus der Trennwand 7 und den darin integrierten Elementen, der die oben beschrieben Vorteile aufweist.
Die gezeigte vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AMTEC umfasst ein Gehäuse 1, das im Hochtemperaturbereich 8 eine divergente Verbreiterung 24 ausgehend von dem thermischen Kontakt 38, über den Abwärme von einer Wärmequelle in den AMTEC fließt, zu der Trennwand 7 hin, aufweist. Der Querschnitt des Gehäuses 1 wird demzufolge in Richtung der Trennwand 7 größer.
Durch die divergente Ausführungsform des Gehäuses 1 im Hochtemperaturbereich 8 und dem damit anwachsenden Querschnitt des Gehäuses 1 zur Trennwand 7 hin, wird der Staudruck des Arbeitsmediums 6 durch seine sinkende Strömungsgeschwindigkeit erniedrigt und der statische Druck zur Trennwand 7 hin erhöht. Dadurch ist der statische Druck um die Trennwand 7, wo der Gehäusequerschnitt am größten ist, maximal. Dadurch wird die Abfluss-Geschwindigkeit des Arbeitsmediums 6 in den Niedertemperaturbereich und somit in das Rückführsystem 34 erhöht. Gleichzeitig wird aber auch der Druckgradient zwischen den divergenten Hochtemperaturbereich 8 und den konvergenten Niedertemperaturbereich 9 erhöht. Dadurch wird die Leistung des AMTEC gesteigert.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Trennwand 7 um ein BASE-Element 10 gemäß 1. Über der Stirnfläche 11 des hier zylinderförmig dargestellten BASE-Elements 10 weist die Trennwand 7 eine Durchbruchsanordnung 18 auf, durch die das Arbeitsmedium 6 in das BASE-Element 10 gelangt und dort kondensiert. Ein in die Trennwand 7 integrierter Kondensationsstab 20 reicht in das BASE-Element 10 hinein. An ihm kondensiert das Arbeitsmedium 6 und sammelt sich in dem BASE-Element 10. Der Kondensationsstab 20 ist mit dem Anoden-Stromsammler 42 des BASE-Elements 10 elektrisch leitend verbunden. Die Stromdurchführung 44 auf der Kathodenseite verläuft zumindest teilweise auf der dem Hochtemperaturbereich 9 des AMTEC zugewandten Seite der Mantelfläche 12 des BASE-Elements 10 und ist teilweise in der Trennwand 7 integriert. Um eine feste Verbindung der Schnittstelle Trendwand 7 - BASE-Elemente 10 zu ermöglichen, kann ein lokaler Versatz zwischen der Stromdurchführung 44 und der Mantelfläche 12 vorgesehen werden.
3 a zeigt ein BASE-Element gemäß 2, wobei die Trennwand 7 eine Durchbruchsanordnung 18 über der Stirnfläche 11 des BASE-Elements 10 aufweist und wobei die Stromdurchführung 43 auf der Anodenseite über der Stirnfläche 11 zumindest teilweise als perforierte, elektrisch leitende Platte 26 ausgestaltet ist. Die Lochanordnungen 27 der elektrisch leitenden Platte 26 sind gegenüber der Durchbruchsanordnung 18 in der Trennwand 7 versetzt angeordnet, um eine Rückströmung des Arbeitsmediums 6 im Hochtemperaturbereich 8 zu verhindern.
3 b - d zeigten jeweils ein BASE-Element 10 gemäß 2, wobei die Trennwand 7 eine Durchbruchsanordnung 18 über der Stirnfläche 11 des BASE-Elements 10 aufweist und wobei die Elektrode (Anode) 14 einen Anoden-Stromsammler 42 und eine Stromdurchführung 43, zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung 48, aufweist. Weiterhin weist die Elektrode (Kathode) 15 eine Elektrodenschicht 47 und einen Kathoden-Stromsammler 45 und eine Stromdurchführung 44, zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung 48, auf. Die Durchbruchsanordnung 18 in der Trennwand 7 weist Mittel zur Steuerung 18a des Arbeitsmediums 6 im Bereich des BASE-Elements 10 zwischen Hochtemperaturbereich 8 und BASE-Element 10 auf, um eine Rückströmung des Arbeitsmediums 6 in den Hochtemperaturbereich 8 zu verhindern. Die Anode 14 entspricht hier dem Arbeitsmedium 6, das im BASE-Element 10 vorzugsweise in flüssiger Form vorliegt und das elektrisch leitend ist. Unter der für AMTEC relevante Temperatur- und Druckniveaus wird das Arbeitsmedium 6 in Kontakt mit dem BASE Element 10 auch in Abwesenheit einer Elektrode ionisieren. Der Anoden-Stromsammler 42 schwimmt im Arbeitsmedium 6 und hat vorzugsweise die Form eines Zylinders. Der Querschnitt des Anoden-Stromsammlers 42 ist vorzugsweise ähnlich der Form des BASE-Querschnittes 13. Die Kathode 15 besteht aus einer Elektrodenschicht 47, vorzugsweise einer sehr dünnen porösen Beschichtung, die auf dem BASE-Element 10 aufgetragen wird, einem Kathoden-Stromsammler 45 und einer Stromdurchführung 44. Ein Überblick über die für die Elektrodenschicht 47 in Frage kommenden Materialien ist in [7] dargestellt. Der Kathoden-Stromsammler 45 ist im direkten Kontakt mit der Kathode 15 und vorzugsweise in Form von Drahtgestricken, Netzen, Schellen, Ringen und spiralförmigen Drähten ausgebildet. Um eine kompakte Konfiguration des AMTEC zu erreichen und die Anzahl der BASE-Elemente 10 pro AMTEC-Modul zu maximieren, ist eine enge Verbindung der Stromdurchführung 44 auf der Kathodenseite, an der der Niedertemperaturbereich 9 zugewandten Seite der Mantelfläche 12 des BASE-Elements 10, zu realisieren. Die Stromdurchführung 44 auf der Kathoden-Seite ist elektrisch verbunden mit dem Kathoden-Stromsammler 45 und der elektrischen Leitung 17 über einen elektrischen Anschluss 16b. Die Stromdurchführung 43 auf der Anoden-Seite dient auch als Kondensationsstab 20, um das Arbeitsmedium 6 im BASE-Element 10 zu kondensieren. Die Stromdurchführung 43 ist teilweise in der Trennwand 7 integriert. Die Stromdurchführung 43 soll elektrisch isoliert sein, um mögliche elektrische Kurzschlüsse mit dem Arbeitsmedium 6 zu vermeiden.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC gezeigt. Sie umfasst eine Trennwand 7 mit mehreren in Reihe geschalteten BASE-Elementen 10 zur Erhöhung der Ausgangsspannung des AMTEC, wobei die Elektroden 14, 15 zumindest teilweise als elektrisch leitende Platten 26 ausgestaltet sind. Die Trennwand 7 weist auf der dem Hochtemperaturbereich 8 zugewandten Seite zwischen den unterschiedlichen BASE-Elementen 10 elektrisch isolierende Barrieren 19 mit dreieckigem Querschnitt auf. Im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediums 6 auf der Trennwand 7 wird durch die Barrieren 19 verhindert, dass unterschiedliche BASE-Elemente 10 kurzgeschlossen werden. Die Elektrode 14 ist über einen elektrischen Anschluss 16a elektrisch mit einer elektrischen Leitung 17 in der Trennwand 7 verbunden. Die Elektrode 15 ist über einen elektrischen Anschluss 16b elektrisch mit einer elektrischen Leitung 17 in der Trennwand 7 verbunden.
Die in der Trennwand 7 integrierten, elektrisch leitenden Platten weisen Lochanordnungen 27 auf, die gegenüber den Durchbruchsanordnungen 18 in der Trennwand 7 versetzt angeordnet sind. Dadurch wird eine Rückströmung des Arbeitsmediums 6 verhindert.
Die gezeigte vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen AMTEC umfasst ein Gehäuse 1, das im Hochtemperaturbereich 8 eine divergente Verbreiterung 24 ausgehend von dem thermischen Kontakt 38, über den Abwärme von einer Wärmequelle in den AMTEC fließt, zu der Trennwand 7 hin, aufweist.
Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Wahlweise wird, anstatt über den thermischen Kontakt 38 des AMTEC zu einer Wärmequelle, bereits erhitztes Arbeitsmedium 6 direkt in das Gehäuse 1 des AMTEC eingespeist. Die Erhitzung des Arbeitsmediums 6 erfolgt durch einen thermischen Kontakt des Rückführsystems 34 an eine Wärmequelle.
Der Querschnitt des Gehäuses 1 wird in Folge der Verbreiterung 24 des Gehäuses 1 in Richtung der Trennwand 7 größer. Weiterhin weist das Gehäuse 1 hinter der Trennwand 7, im der Wärmequelle abgewandten Niedertemperaturbereich 9, eine konvergente Verjüngung 25 von der Trennwand 7 weg auf. Der Querschnitt des Gehäuses 1 nimmt dadurch in Richtung von der Trennwand 7 weg ab.
Durch die divergente Ausführungsform des Gehäuses 1 im Hochtemperaturbereich 8 und dem damit anwachsenden Querschnitt des Gehäuses 1 zur Trennwand 7 hin, wird der Staudruck des Arbeitsmediums 6 durch seine sinkende Strömungsgeschwindigkeit erniedrigt und der statische Druck zur Trennwand 7 hin erhöht. Der Niedertemperaturbereich 9 des AMTEC-Gehäuses 1 hat eine konvergente Form und verjüngt sich von der Trennwand weg. Dadurch ist der statische Druck hinter der Trennwand 7, wo der Gehäusequerschnitt am größten ist, maximal und nimmt in Richtung der Verjüngung 25 ab, während sich der Staudruck bzw. die Geschwindigkeit des strömenden Arbeitsmediums 6 erhöht. Dadurch wird die Abfluss-Geschwindigkeit des Arbeitsmediums 6 in ein Rückführsystem 34 erhöht. Gleichzeitig wird aber auch der Druckgradient im Niedertemperaturbereich 9 und zwischen Hochtemperaturbereich 8 und Niedertemperaturbereich 9 weiter erhöht. Dadurch wird die Leistung des AMTEC gesteigert.
Die Trennwand 7 weist auf der dem Niedertemperaturbereich 9 zugewandten Seite perforierte Strahlungsschilder 31 auf. Die perforierte Strahlungsschilder 31 sind um die in Reihe geschalteten BASE-Elemente 10 angeordnet, um die parasitäre Verluste zu minimieren und damit den Wirkungsgrad des AMTEC zu erhöhen. Die perforierte Strahlungsschilder 31 erlauben den Durchtritt des Arbeitsmediums 6 in den Niedertemperaturbereich 9, nachdem es die BASE-Elemente 10 verlassen hat.
Im Niedertemperaturbereich 9, der sich von der Trennwand 7 weg hin verjüngt, wird das kondensierte Arbeitsmedium 6 gesammelt, vorzugsweise zusätzlich gekühlt durch ein Kühlsystem 40, und über ein Rückführsystem 34 und eine Rückführleitung 35 wieder in den Hochtemperaturbereich 8 zurückgeführt. Die Rückführleitung 35 des Rückführsystems 34 verläuft innerhalb des Gehäuses 1, wobei die Rückführleitung 35 durch eine Bohrung 36 in der Trennwand 7 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 geführt wird. Die Befüllung mit dem benötigten Arbeitsmedium 6 erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung. Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Ein Rückführsystem 34, das außerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Ein Rückführsystem 34, das sowohl außerhalb als auch innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Die Befüllung des AMTEC-Gehäuses 1 mit dem Arbeitsmedium 6 erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung.
5 a zeigt einen Ausschnitt aus der Trennwand 7 des AMTEC. Dargestellt sind mehrere in die Trennwand 7 integrierte, in Reihe geschaltete BASE-Elemente 10 gemäß 4 dargestellt. Die Trennwand 7 kann zusätzlich metallische Elemente 29 enthalten. Die Elemente 29 dienen der Verstärkung der mechanischen Festigkeit der Trennwand 7 und ihrer Befestigung am Gehäuse 1, die beispielsweise über eine Schweißung erfolgt. Weiterhin sind in die Trennwand 7 durchströmbare, gasdichte Temperierkanäle 30 integriert, wobei die Temperierkanäle 30 gegenüber den elektrisch leitenden Elementen in der Trennwand 7, d. h. den BASE-Elementen 10, den Elektroden 14, 15, den elektrischen Anschlüssen 16a, 16b, den elektrischen Leitungen 17 elektrisch isoliert sind. Die Trennwand 7 mit den metallischen Elementen 29 und Temperierkanälen 30 kann durch additive Fertigungsverfahren hergestellt werden.
5 b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Trennwand 7, die in einer vorzugsweisen Ausführung aus einem keramischen Schichtverbund 32 mit mehreren Einzelschichten 33 besteht, wobei die Einzelschichten 33 des Schichtverbunds 32 unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten und/oder unterschiedliche mechanische Festigkeiten aufweisen. Der keramische Schichtverbund 32 ist vorzugsweise herstellbar durch additive Fertigungsmethoden.
Eine vorzugsweise Ausführung des erfindungsgemäßen AMTEC ist in 6 dargestellt. Sie umfasst mehrere in Reihe geschaltete BASE-Elemente 10 zur Erhöhung der Ausgangsspannung, wobei die Elektroden 14 zumindest teilweise als elektrisch leitende Platten 26 ausgestaltet sind.
Diese elektrisch leitenden Platten 26 weisen vorzugsweise Lochanordnungen 27 auf, die gegenüber den Durchbruchsanordnungen 18 in der Trennwand 7 versetzt angeordnet sind. Dadurch wird eine Rückströmung des Arbeitsmediums 6 verhindert. Diese Ausführungsform zeichnet sich vorzugsweise durch ein Gehäuse 1 aus, das im Hochtemperaturbereich 8 eine Verbreiterung 24 und im Niedertemperaturbereich 9 eine Verjüngung 25 aufweist.
Das Gehäuse verbreitert sich im Hochtemperaturbereich 9 vorzugsweiseausgehend von einer Fläche der Wandung, die in thermischem Kontakt 38 zu einer Wärmequelle steht und über die Abwärme von der Wärmequelle in den AMTEC fließt, divergent zur Trennwand 7 hin. Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Wahlweise wird, anstatt über den thermischen Kontakt 38 des AMTEC zu einer Wärmequelle, bereits erhitztes Arbeitsmedium 6 direkt in das Gehäuse 1 des AMTEC eingespeist. Die Erhitzung des Arbeitsmediums 6 erfolgt hier durch einen thermischen Kontakt des Rückführsystems 34 an eine Wärmequelle.
Weiterhin weist das Gehäuse 1 hinter der Trennwand 7, im der Wärmequelle abgewandten Niedertemperaturbereich 9, eine konvergente Verjüngung 25 von der Trennwand 7 weg auf.
Durch die divergente Ausführungsform des Gehäuses 1 im Hochtemperaturbereich 8 und dem damit anwachsenden Querschnitt des Gehäuses 1 zur Trennwand 7 hin, wird der Staudruck des Alkali-Metall-Dampfes durch seine sinkende Strömungsgeschwindigkeit erniedrigt und der statische Druck zur Trennwand 7 hin erhöht. Der Niedrigtemperaturbereich 9 des Gehäuses 1 hat eine konvergente Form und verjüngt sich von der Trennwand weg. Dadurch ist der statische Druck hinter der Trennwand 7, wo der Gehäusequerschnitt am größten ist, maximal und nimmt in Richtung der Verjüngung 25 ab, während sich der Staudruck bzw. die Geschwindigkeit des strömenden Arbeitsmediums 6 erhöht. Dadurch wird die Abfluss-Geschwindigkeit des Arbeitsmediums 6 in ein Rückführsystem 34 erhöht. Gleichzeitig wird aber auch der Druckgradient zwischen Hochtemperaturbereich 8 und Niedertemperaturbereich 9 weiter erhöht. Dadurch wird die Leistung des AMTEC gesteigert.
Zusätzlich enthält die Trennwand 7 der in 6 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC vorzugsweise ein metallisches Element 29 in Form einer perforierten Platte, wobei die Lochanordnungen der Platte dem Querschnitt 13 der BASE-Elemente 10 entsprechen und über den Stirnflächen 11 der BASE-Elemente 10 angeordnet sind. Zwischen den elektrisch leitenden Elementen in der Trennwand 7, d. h. den Elektroden 14, 15, den elektrischen Anschlüssen 16a, 16b, den elektrischen Leitungen 17 und der perforierten Platte 29 besteht kein elektrischer Kontakt. Das metallische Element 29 in Form einer perforierten Platte verstärkt die Trennwand 7 mechanisch. Es ragt über die elektrisch isolierende Trennwand 7 heraus ermöglicht den Verbund mit dem Gehäuse 1 des AMTEC, vorzugsweise durch Verschweißung.
Zwischen den unterschiedlichen BASE-Elementen 10 sind auf der Trennwand 7 elektrisch isolierende Barrieren 19 aufgebracht, um einen Kurzschluss der unterschiedlichen BASE-Elemente 10 im Falle einer Kondensation des Arbeitsmediums 6 auf der dem Hochtemperaturbereich 8 zugewandten Seite der Trennwand 7 zu verhindern.
Im Niedertemperaturbereich 9, der sich von der Trennwand 7 weg hin verjüngt, wird das kondensierte Arbeitsmedium 6 gesammelt, vorzugsweise zusätzlich gekühlt durch ein Kühlsystem 40, und das Kondensat 39 über eine Einlassvorrichtung 4 in ein Rückführsystem 34 eingespeist und über eine Auslassvorrichtung 5 wieder in den Hochtemperaturbereich 8 zurückgeführt. Die Rückführleitung 35 des Rückführsystems 34 verläuft in der dargestellten Ausführungsform außerhalb des AMTEC-Gehäuses 1. Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Ein Rückführsystem 34, das innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft und durch eine Bohrung 36 in der Trennwand 7 führt, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Ein Rückführsystem 34, das sowohl außerhalb als auch innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Die Befüllung des AMTEC-Gehäuses 1 mit dem Arbeitsmedium 6 erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung.
In Ergänzung zu 6 zeigt 7 eine vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen AMTEC, die Verlängerungsstützen 46 an den Kondensationsstäben 20 aufweist. Die Verlängerungsstützen 46, die über den BASE-Elementen 10 angeordnet sind, ragen hier in den Hochtemperaturbereich 8 hinein und können in Kontakt sein mit der Wandung 2 des Hochtemperaturbereichs 8. Diese Verlängerungsstützen 46, vorzugsweise rohrsegmentförmig, aus elektrisch isolierendem Material, bereiten die Kondensation des Arbeitsmediums 6 im Hochtemperaturbereich 8 vor und dienen der Erhöhung der Stabilisation der Anordnung der Kondensationsstäbe 20 gegenüber dem Gehäuse 1.
Im Niedertemperaturbereich 9, der sich von der Trennwand 7 weg hin verjüngt, wird das kondensierte Arbeitsmedium 6 gesammelt, vorzugsweise zusätzlich gekühlt durch ein Kühlsystem 40, und das Kondensat 39 über eine Einlassvorrichtung 4 in ein Rückführsystem 34 eingespeist und über eine Auslassvorrichtung 5 wieder in den Hochtemperaturbereich 8 zurückgeführt. Die Rückführleitung 35 des Rückführsystems 34 verläuft in der dargestellten Ausführungsform außerhalb des AMTEC-Gehäuses 1. Diese Darstellungsform dient der Übersichtlichkeit. Ein Rückführsystem 34, das innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft und durch eine Bohrung 36 in der Trennwand 7 führt, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Ein Rückführsystem 34, das sowohl außerhalb als auch innerhalb des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft, um das Arbeitsmedium 6 vom Niedertemperaturbereich 9 in den Hochtemperaturbereich 8 zurückzuleiten, ist ebenfalls in die Ausführungsform integrierbar. Die Befüllung des AMTEC-Gehäuses 1 mit dem Arbeitsmedium 6 erfolgt durch eine nicht dargestellte Vorrichtung.
Einleitend ferner wird in 8 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen AMTEC dargestellt. Sie umfasst eine Dampf-Dampf Konfiguration des AMTEC Moduls. In dieser Gestaltung des Moduls wird das Arbeitsmedium 6 dampfförmig in die BASE-Elemente 10 eingebracht. Deswegen verfügen die BASE-Elemente 10 über einen direkten und unbeschränkten Kontakt zu dem dampfförmigen Arbeitsmedium 6 in Hochtemperaturbereich 8. Da das dampfförmige Arbeitsmedium 6 elektrisch nicht leitend ist, verfügen die BASE-Elemente 10 über eine Elektrode 14 in Form einer dünnen, porösen Schicht 41 auch auf der Anoden-Seite. Die Elektronen werden von einem Anoden-Stromsammler 42 gesammelt und weiter geführt durch die Stromdurchführung 43, die zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung 48 versehen ist, zur elektrischen Leitung 17 über einen elektrischen Anschluss 16a. Um die Kondensation des Arbeitsmediums auf der Anoden-Seite zu verhindern wird vorzugsweise ein elektrischer Heizer 49 verwendet. Der Heizer 49 wird vorzugsweise in die BASE Elemente 10 integriert. Der elektrische Anschluss des Heizers 49 kann in der Trennwand 7 oder in der Wandung 2 integriert werden. Die Rückführung 34 des Arbeitsmediums 6 vom Niedertemperaturbereich 9 zum Hochtemperaturbereich 8 erfolgt über eine Rückführleitung 35, die entweder innerhalb des Moduls integriert ist durch eine Bohrung 36 in der Trennwand 7, oder die außerhalb des Moduls des AMTEC-Gehäuses 1 verläuft.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Wandung
3: Volumen
4: Einlassvorrichtung
5: Auslassvorrichtung
6: Arbeitsmedium
7: Trennwand
8: Hochtemperaturbereich
9: Niedertemperaturbereich
10: BASE-Element
11: Stirnfläche
12: Mantelfläche
13: Querschnitt
14: Anode
15: Kathode
16a: Elektrischer Anschluss, anodenseitig
16b: Elektrischer Anschluss, kathodenseitig
17: Elektrische Leitung
18: Durchbruchsanordnung
18a: Mittel zur Steuerung des Arbeitsmediums
19: Elektrisch isolierende Barriere
20: Elektrisch leitender Kondensationsstab
21: Metallische Umrandung
22: Elektrische Durchführung
23: Elektrischer Anschluss
24: Verbreiterung
25: Verjüngung
26: Elektrisch leitende Platte
27: Lochanordnung
28: Hohlraum
29: Metallisches Element
30: Temperierkanal
31: Perforierter Strahlungsschild
32: Schichtverbund
33: Einzelschicht
34: Rückführsystem
35: Rückführleitung
36: Bohrung
37: Äußerer Verbraucher
38: Thermischer Kontakt zu einer Wärmequelle
39: Kondensat
40: Kühlsystem
41: Elektrodenschicht (Anodenseite)
42: Anoden-Stromsammler
43: Stromdurchführung (Anodenseite)
44: Stromdurchführung (Kathodenseite)
45: Kathoden-Stromsammler
46: Verlängerungsstützen
47: Elektrodenschicht (Kathodenseite)
48: Elektrische Isolierung
49: Heizer

Bezugszeichenliste

[1] T. Cole, Thermoelectric Energy Conversion with Solid Electrolytes, Science, 231 (2083) 916.
[2] F. Harbach, R. Knödler und H.-P. Boßmann, Thermoelektrische Festelektrolyt-Generatoren, Physik in unserer Zeit, 1 (2092) 34.
[3] DE 40 42 356 A1
[4] US 6 239 350 B1
[5] US 6 239 350 B1
[6] US 2014 / 0 251 405 A1
[7] A. Onea, N. Diez d.i. Rios Ramos, W. Hering, J.L. Palacios, R. Stieglitz, AMTEC clusters for power generation in a concentrated solar power plant, Magnetohydrodynamics, 51 (3) 495-507, 2015

Claims

AMTEC, umfassend, a) ein Gehäuse (1) mit einer Wandung (2) um ein abgeschlossenes Volumen (3) sowie einer Ein- (4) und Auslassvorrichtung (5) für ein Arbeitsmedium (6), b) eine Trennwand (7) innerhalb des Volumens (3), - wobei die Trennwand (7) das Volumen (3) in einen Hochtemperaturbereich (8) und einem Niedertemperaturbereich (9) teilt, und - wobei die Trennwand (7) zwischen Hochtemperaturbereich (8) und Niedertemperaturbereich (9) elektrisch isolierend ist, und - wobei die Trennwand (7) mindestens ein BASE-Element (10) mit jeweils einer Stirnfläche (11), einer Mantelfläche (12) und einem Querschnitt (13) und jeweils zwei Elektroden (14, 15), nämlich eine Anode (14) und eine Kathode (15) aufweist, und - wobei die jeweils mindestens eine Anode (14) und Kathode (15) mit jeweils einem elektrischen Anschluss (16a, 16b) an je eine elektrische Leitung (17) in der Trennwand (7) angeschlossen ist, - wobei die Elektroden (14, 15) zumindest teilweise innerhalb der Trennwand (7) verlaufen und gegenüber einander und gegenüber dem Gehäuse (1) elektrisch isoliert sind, und - wobei im Bereich des BASE-Elements (10) mindestens eine Durchbruchsanordnung (18) zwischen Hochtemperaturbereich (8) und BASE-Element (10) vorhanden ist, - wobei das mindestens eine BASE-Element (10) nicht die Wandung (2) des Gehäuses (1) berührt, und - wobei die Trennwand (7) zur Wandung (2) des Gehäuses (1) hin, auf der dem Hochtemperaturbereich (8) zugewandten Seite, eine elektrisch isolierende Barriere aufweist, - wobei für jedes des mindestens einen BASE-Elements (10) ein elektrisch leitender Kondensationsstab (20) vorhanden ist, der an der Trennwand (7) angeordnet in das BASE-Element (10) hineinragt, und der mit der Anode (14) des BASE-Elements (10) elektrisch verbunden ist.
AMTEC nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Trennwand (7) eine metallische Umrandung (21) aufweist, mit mindestens zwei elektrischen Durchführungen (22), mit jeweils einem elektrischen Anschluss (23) an die elektrischen Leitungen (17).
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Stirnfläche (11) und der Querschnitt (13) eines BASE-Elements (10) eine Symmetrie aufweisen.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Stirnfläche (11) und/oder die Mantelfläche (12) eines BASE-Elements (10) eine 3-dimensionale Topographie aufweist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrische Leitung (17) der Elektrode (14) in der Trennwand (7) zumindest teilweise als elektrisch leitende Platte (26) ausgeformt ist, wobei die elektrisch leitende Platte (26) mindestens eine Lochanordnung (27) aufweist, - die Trennwand (7) mindestens einen Hohlraum (28) über und/oder unter der als elektrisch leitende Platte (26) ausgeformten Elektrode (14) aufweist, wobei die mindestens eine Lochanordnung (27) in der elektrisch leitenden Platte (26) zumindest teilweise versetzt zu der mindestens einen Durchbruchsanordnung (18) zwischen Hochtemperaturbereich (8) und BASE-Element (10) angeordnet ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Mittel zur Steuerung (18a) des Arbeitsmediums (6) in der mindestens einen Durchbruchsanordnung (18) im Bereich des BASE-Elements (10) zwischen Hochtemperaturbereich (8) und BASE-Element (10) vorhanden ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anode (14) mindestens einen Anoden-Stromsammler (42) und mindestens eine Stromdurchführung (43) zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung (48) umfasst.
AMTEC nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - der mindestens eine Anoden-Stromsammler (42) als metallische Fläche und/oder als Drahtgeflecht und/oder als Elektrodenschicht ausgestaltet ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anode (14) mindestens eine Elektrodenschicht (41) als Anoden-Stromsammler (42) auf einer Druck-Seite des BASE-Elements (10) umfasst.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kathode (15) mindestens eine Elektrodenschicht (47) und mindestens einen Kathoden-Stromsammler (44) und mindestens eine Stromdurchführung (45) zumindest teilweise mit einer elektrischen Isolierung (48)umfasst.
AMTEC nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Elektrodenschicht (47) der Kathode (15) auf einer Unterdruck-Seite des BASE-Elements (10) aufgebracht ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Gehäuse (1) im Hochtemperaturbereich (8) eine divergente Verbreiterung (24) zu der Trennwand (7) hin und/oder im Niedertemperaturbereich (9) eine konvergente Verjüngung (25) von der Trennwand (7) weg aufweist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der AMTEC mindestens zwei zueinander in Reihe geschaltete BASE-Elemente (10) enthält, wobei die Trennwand (7) zwischen unterschiedlichen BASE-Elementen (10) und zwischen den BASE-Elementen (10) und der Wandung (2) des Gehäuses (1) mindestens eine weitere elektrisch isolierende Barriere (19) auf der dem Hochtemperaturbereich (8) zugewandten Seite aufweist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Trennwand (7) mindestens ein metallisches Element (29) enthält, wobei sowohl zwischen den Elektroden (14, 15) und dem mindestens einen metallischen Element als auch zwischen den elektrischen Anschlüssen (16a, 16b) und dem mindestens einen metallischen Element (29) als auch zwischen den elektrischen Leitungen (17) in der Trennwand (7) und dem mindestens einen metallischen Element (29) kein elektrischer Kontakt besteht.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Trennwand (7) mindestens einen durchströmbaren, gasdichten Temperierkanal (30) enthält.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Trennwand (7) zumindest teilweise aus einem keramischen Schichtverbund (32) mit mehreren Einzelschichten (33) besteht, wobei die Einzelschichten (33) des Schichtverbunds (32) unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten und/oder unterschiedliche mechanische Festigkeiten aufweisen.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Trennwand (7) auf der dem Niedertemperaturbereich (9) zugewandten Seite mindestens einen zumindest teilweise perforierten Strahlungsschild (31) aufweist, wobei der Strahlungsschild (31) um das mindestens eine BASE-Element (10) angeordnet ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Rückführsystem (34) mit einer Rückführleitung (35) in oder außerhalb des Gehäuses (1) vorhanden ist, wobei die Rückführleitung (35) vom Niedertemperaturbereich (9) in den Hochtemperaturbereich (8) geführt ist.
AMTEC nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem mindestens einen BASE-Element mindestens ein Heizer (49) vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines AMTEC nach einem der Ansprüche 1-19, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Bereitstellen mindestens eines Keramikpulvers und mindestens eines Metallpulvers geeignet zu einer generativen Fertigung der Trennwand (7), - Generatives Aufbauen der Trennwand (7) mit integriert gebildeten BASE-Elementen (10) und/oder elektrisch leitenden Kondensationsstäben (20) und/oder Elektroden (14, 15) und/oder elektrischen Leitungen (17) und/oder elektrischen Anschlüssen (16a, 16b) und/oder elektrisch isolierenden Barrieren (19) auf der Trennwand (7) und/oder einer metallischen Umrandung (21) und/oder elektrischen Durchführungen (22) und/oder mindestens einer Durchbruchsanordnung zwischen Hochtemperaturbereich (8) und BASE-Element (10), - Zusammenfügen des Gehäuses (1), des Rückführsystems (34), des Strahlungsschildes (31) und der generativ hergestellten Trennwand (7) zu einem gasdichten Verbund.