DE3942553A1 - Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator zur Um­ wandlung von Wärme in elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche thermoelektrischen Generatoren finden dort eine Anwendung, wo Wärme unmittelbar in elektrische Energie umzusetzen ist. Ein solcher Generator weist zwei auf un­ terschiedlichen Temperaturen gehaltene Räume auf. Zwi­ schen diesen wird ein Wärmetransportmittel hin- und her­ gepumpt. Als Wärmetransportmittel kann beispielsweise ein Alkalimetall verwendet werden. Der erste Raum des thermoelektrischen Generators wird vorzugsweise auf ei­ ner Temperatur von 800 bis 1000°C gehalten, während die Temperatur in dem zweiten Raum auf 200 bis 350°C be­ trägt. Die beiden Räume sind durch einen alkaliionenlei­ tenden Festelektrolyten voneinander getrennt. Über eine Leitung, in die eine Pumpe eingebaut ist, kann das flüs­ sige Alkalimetall von dem zweiten Raum in den ersten Raum zurückgepumpt werden. Bei den bis jetzt bekannten Einrichtungen erfolgt das Zurückpumpen des Alkalimetalls mit Hilfe einer elektromagnetischen Pumpe. Von Nachteil ist bei diesen Einrichtungen, daß die elektromagnetische Pumpe relativ genau eingeregelt werden muß, um den Fluß des Alkalimetalls an die jeweilige elektrische Lei­ stungsabnahme anzupassen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß diese elektromagnetischen Pumpen relativ groß sind und viel elektrische Energie verbrau­ chen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die Regelung der Pumpe in Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsabnahme auto­ matisch erfolgt und der Energieverbrauch der Pumpe redu­ ziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Pumpe durch einen alkali­ ionenleitenden Festelektrolyten gebildet. Dieser ist scheibenförmig ausgebildet und senkrecht zur Strömungs­ richtung in die Leitung eingebaut, welche die beiden Räume des thermoelektrischen Generators miteinander ver­ bindet. Der Festelektrolyt ist so ausgebildet, daß ein dichter Abschluß zwischen den beiden Leitungsabschnitten erfolgt, und das Natrium, welches von dem Raum mit nie­ drigerer Temperatur kommt, ausschließlich durch den Festelektrolyten hindurch geleitet wird. Um den elektri­ schen Widerstand dieser elektrochemischen Pumpe gering zu halten, ist sie als Schicht mit einer Dicke von nur 0,1 mm ausgebildet und auf einen Träger aufgetragen. Ist der Querschnitt der Leitung, welche die beiden Räume 2 und 3 verbindet, nicht größer als 1-3 cm, so wird beid­ seitig der Pumpe ein elektrisches Anschlußelement inner­ halb der Leitung installiert. Das elektrische Anschluß­ element, welches sich in Strömungsrichtung des Alkali­ metalls vor der Pumpe befindet, wird an das elektrische Anschlußelement angeschlossen, das mit der Elektrode verbunden ist. Das in Strömungsrichtung hinter der Pumpe angeordnete elektrische Anschlußelement wird mit dem elektrischen Anschlußelement verbunden, das in dem auf höherer Temperatur gehaltenen Raum installiert ist. Ist der Querschnitt der Leitung zwischen den beiden Räumen größer als 5 cm, so kann auf die beiden elektrischen Anschlußelemente vor und hinter der Pumpe verzichtet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert.

Die einzige zur Beschreibung gehörende Figur zeigt einen thermoelektrischen Generator 1, der zwei Räume 2 und 3 aufweist, die sich auf unterschiedlichen Temperaturnive­ aus befinden. Die beiden Räume 2 und 3 werden durch ei­ nen Zylinder 23 gebildet. Sie sind durch einen Festelek­ trolyten 4 und eine Elektrode 5 voneinander getrennt. Der Raum 2 wird auf einer Temperatur von 800 bis 1000°C gehalten, während der Raum 3 eine Temperatur zwischen 200 und 350°C aufweist. Im Raum 2 ist ein erstes elek­ trisches Anschlußelement 6 installiert und isoliert aus dem Raum 2 nach außen geführt. Mit der Elektrode 5, die unmittelbar an den Festelektrolyten 4 anschließt und dem Raum 3 zugewandt ist, ist ein zweites elektrisches An­ schlußelement 7 verbunden, das isoliert aus dem Raum 3 herausgeführt ist. Die beiden Räume 2 und 3 sind über eine Leitung 10 miteinander verbunden. Über diese Lei­ tung wird das Wärmetransportmittel 8 aus dem Raum 3 in den Raum 2 geleitet. Hierfür ist eine Pumpe 11 vorge­ sehen, die erfindungsgemäß als elektrochemische Pumpe ausgebildet ist. Sie wird durch einen alkaliionenleiten­ den Festelektrolyten gebildet. Die Pumpe 11 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Scheibe aus­ gebildet. Der Querschnitt der Scheibe ist an den Innen­ durchmesser der Leitung 10 angepaßt, so daß die Leitung 10 durch die Pumpe 11 in zwei hermetisch gegeneinander abgedichtete Abschnitte 10A und 10B aufgeteilt ist. Um den elektrischen Widerstand der Pumpe 11 klein zu hal­ ten, ist der sie bildende Festelektrolyt als dünne Schicht mit einer Dicke von 0,1 mm ausgebildet. Die Schicht ist auf einen Träger (hier nicht dargestellt) aus einem porösen keramischen Material aufgetragen. Hierfür kann beispielsweise Titannitrid verwendet wer­ den. Der Träger wird vorzugsweise aus einem Pulver mit einer Körngröße von größer 5µm gepreßt. Er ist als Scheibe ausgebildet, dessen Außendurchmesser an den In­ nendurchmesser der Leitung 10 angepaßt ist. Beidseitig der Pumpe 11 ist je ein elektrisches Anschlußelement 16 bzw. 17 installiert und isoliert aus der Leitung 10 her­ ausgeführt. Über eine elektrische Leitung 16 L ist das elektrische Anschlußelement 16 mit dem elektrischen An­ schlußelement 6, das im Raum 2 installiert ist, elek­ trisch leitend verbunden. Über eine elektrische Leitung 17 L steht das elektrische Anschlußelement 17 mit dem elektrischen Anschlußelement 7 in Verbindung. Auf die elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlußelementen 6 und 16 bzw. 7 und 17 kann verzichtet werden, wenn der Querschnitt der Leitung 10 einen Durchmesser aufweist, der etwa einem Drittel des Durchmessers entspricht, den der Zylinder 23 aufweist. Vorzugsweise sollte der Durch­ messer der Leitung 10 größer als 5 cm sein. Mit Hilfe einer künstlichen Wärmequelle oder gebündelter Sonnen­ energie wird der Raum 2 auf einer Temperatur von 800 bis 1000°C gehalten. Hierdurch wird erreicht, daß das in dem Raum 2 befindliche Alkalimetall, das bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch Natrium gebildet wird, verdampft und durch den Festelektrolyten 4 und die Elektrode 5 in den Raum 3 wandert. Die Tem­ peratur in dem Raum 3 wird auf 200 bis 350°C gehalten. Hierfür ist ein Kondensator (hier nicht dargestellt), der das Natrium auf diese Temperatur abkühlt. Für den Rücktransport des Natriums aus dem Raum 3 in den Raum 2 ist die erfindungsgemäße Pumpe 11 vorgesehen. Da zwi­ schen den beiden Seiten der Pumpe 11 eine Potential­ differenz besteht, wird das Natrium aus dem Raum 3 in den Raum 2 zurückgepumpt. Der Rücktransport des Natriums in den Raum 2 erfolgt in Abhängigkeit von der verbrauch­ ten elektrischen Leistung durch den Verbraucher 20, der an die beiden Anschlußelemente 6 und 7 angeschlossen ist.

Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator ist nicht an die in der Figur dargestellte Ausführungsform gebunden. Insbesondere ist eine andere Gestaltung der Räume 2 und 3 abweichend von der Zylinderform möglich. Die Beta′′-Al₂O₃ Keramik kann beispielsweise auch als Rohr ausgebildet sein.

Claims (5)

1. Thermoelektrischer Generator (1) mit zwei auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Räumen (2 und 3), die durch einen alkaliionenleitenden Feste­ lektrolyten (4) und eine Elektrode (5) voneinander ge­ trennt sind, wobei ein Wärmetransportmittel (8) über eine Leitung (10) von dem Raum (3) mit der tieferen Tem­ peratur in den Raum (2) mit der höheren Temperatur ge­ pumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetrans­ portmittel (8) mit einer elektrochemischen Pumpe (11) von dem Raum (3) in den Raum (2) gepumpt wird.

2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (11) durch einen alkaliionenleitenden Festelektrolyten aus Betaaluminiu­ moxid gebildet ist, und daß der Festelektrolyt als Schicht mit einer Dicke von 0,1 mm ausgebildet und auf einen Träger aus einem porösen keramischen Material auf­ getragen ist.

3. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pum­ pe (11) in der Leitung (10) nahe des heißen Raumes (2) angeordnet.

4. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des die Pumpe (11) bildenden Festelektrolyten an den Innendurch­ messer der Leitung (10) angepaßt ist, und daß der Trä­ ger, auf den der Festelektrolyt aufgetragen ist, aus einem keramischen Pulver mit einer Korngröße größer 5µm so gepreßt ist, daß sich eine Porosität von größer 50% einstellt.

5. Thermoelektrischer Generator nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Pumpe (11) jeweils ein elektrisches Anschlußelement (16, 17) angeordnet ist, daß das in Strömungsrichtung gesehen hinter der Pumpe (11) angeordnete elektrische Anschlußelement (16) mit einem elektrischen Anschlußele­ ment (6) des Raumes (2) über eine elektrische Leitung (16L) verbunden ist, während das in Strömungsrichtung vor der Pumpe (11) angeordnete elektrische Anschluß­ element (17) über eine Leitung (17L) mit dem elektri­ schen Anschlußelement (7) des Raums (3) elektrisch lei­ tend in Verbindung steht.