DE4001401C1 - Electrical lead for thermoelectric alkali-metal converter - has electrode in alkali-metal vapour chamber of converter and insulated from chamber walls - Google Patents
Electrical lead for thermoelectric alkali-metal converter - has electrode in alkali-metal vapour chamber of converter and insulated from chamber wallsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter für das
Anodenpotential eines thermoelektrischen Alkalimetall-Konverters
entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Thermoelektrische Alkalimetall-Konverter werden als AMTEC-Zellen
bezeichnet.
Die AMTEC-Zelle ist in der Veröffentlichung von Terry Cole mit
dem Titel "Thermoelectric Energy Conversion with Solid
Electrolytes", Science, Vol. 221, No. 4614 (September 1983),
Seiten 915 bis 920 eingehend beschrieben.
In den Fig. 7 dieser Veröffentlichung ist der Aufbau einer AMTEC-
Zelle dargestellt.
In einer AMTEC-Zelle wird Strom durch Direktkonversion von
Wärme erzeugt. Dazu wird mittels eines Druckgefälles ionisiertes
Natrium durch einen Festelektrolyten getrieben. Der Festelektrolyt
besteht aus β′′-Aluminat, auf dessen beiden Seiten metallische
[(vgl. die obengenannte Veröffentlichung) oder keramische (vgl. EP 2 28 890 A2)] Elektroden angeordnet sind. Beim Eintritt in den Elektrolyten
gibt das Natrium sein Valenzelektron an die erste
Elektrode ab und nimmt auf der Austrittsseite ein Elektron aus
der zweiten Elektrode auf. Wenn die erste Elektrode, die mit
flüssigem Natrium in Kontakt steht, mit der zweiten Elektrode,
die im Natrium-Dampfraum angeordnet ist, über einen Verbraucher
elektrisch verbunden wird, fließt ein nutzbarer Strom.
Aus der obengenannten Zeitschrift ist es auch bekannt, als elektrische Leiter zum Abgreifen
der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode metallische Leiter zu verwenden.
Die Potentialdifferenz einer AMTEC-Zelle beträgt ca. 1 V. Wegen
der geringen Spannung müssen die Stromverbindungen von den
Elektroden aus der AMTEC-Zelle heraus einen großen Querschnitt
besitzen, um die ohmschen Verluste klein zu halten. Andererseits
leiten diese Stromdurchführungen durch das Zellgehäuse
hindurch Wärme ab und reduzieren damit die Nutzleistung der
Zelle.
Bei Metallen bleibt das Verhältnis elektrische Leitfähigkeit
zum Wärmeleitvermögen in engen Grenzen, entsprechend der Wiedemann-
Franzschen Gesetzmäßigkeit.
Der elektrische Widerstand von metallischen Leitern kann zwar
durch Vergrößerung des Querschnitts vermindert werden, jedoch
wird hierbei gleichzeitig das Wärmeleitvermögen erhöht.
Metallische Leiter erweisen sich aus diesem Grund insbesondere
als wenig geeignet, das Potential der zweiten, mit dem heißen
Natriumdampf in Kontakt stehenden Elektrode aus der AMTEC-
Zelle zu leiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter der eingangs genannten Art
vorzuschlagen, durch den die Wärmeleitung aus der AMTEC-Zelle
bei gleichem elektrischem Leitvermögen vermindert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Leiter der
eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs
genannten Merkmalen gelöst.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung an.
In der Tabelle sind für einige Metalle und keramische Materialien
die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und
das Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit zu Wärmeleitfähigkeit
angegeben.
Unter den Metallen weist Kobalt mit 0,233 · 106 W-1 Ω-1 K den
höchsten Wert für dieses Verhältnis auf, während die entsprechenden
Werte für Kupfer und Silber deutlich niedriger liegen.
Der Wert für Kobalt wird jedoch insbesondere durch die Keramikmaterialien
ZrB₂ und TiB₂ mit 0,43 · 106 bzw. 0,37 · 106
deutlich übertroffen. Selbst das im Vergleich zu den beiden
genannten Keramikmaterialien weniger gut geeignete ZrN übertrifft
noch den Wert für Kobalt.
Ursache für die hohe Leitfähigkeit der keramischen Materialien
MeB₂ (Me=Nebengruppenmetall) sind zweidimensionale Netze der
Boratome im Kristallgitter. Es handelt sich um Sechseck-Wabennetze,
die alternierend zwischen den Metallschichten eingelagert
sind. Die Metallatome liefern dabei die für die Ausbildung
des graphitartigen Netzes erforderlichen Elektronen.
Es versteht sich von selbst, daß wegen ihrer geringeren elektrischen
Leitfähigkeit keramische Leiter im Vergleich zu metallischen
Leitern einen größeren Querschnitt aufweisen müssen.
Wie sich aus der Tabelle ergibt, liegt die Wärmeleitfähigkeit
keramischer Leiter mit derselben elektrischen Leitfähigkeit,
wie sie ein metallischer Leiter aufweist, trotz des
größeren Querschnitts unterhalb der Wärmeleitfähigkeit des metallischen
Leiters.
Je nach Konstruktion der AMTEC-Zelle kann der keramische Leiter
dem heißen Natriumdampf ausgesetzt sein. In diesem Fall
kann die Keramik gegen den korrosiven Angriff des Natriums
durch einen metallischen, gegen Natrium beständigen Überzug
geschützt werden.
Der metallische Überzug soll dabei so dünn sein, daß die elektrische
Leitung im wesentlichen in der Keramik erfolgt und das
Metall nur eine geringe Wärmebrücke bildet.
Wegen der thermischen Ausdehnung bei den hohen Betriebstemperaturen
einer AMTEC-Zelle soll der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Schutzmetalls dem der Keramik entsprechen. Für
TiB₂ mit einem Ausdehnungskoeffizienten α=7,4 · 10-6 K-1 ist
ein Überzug aus Niob (α=8 · 10-6 K-1) gut geeignet. Für ZrB₂
(α=6,8 · 10-6 K-1) kann ein Überzug aus Molybdän (α=6 ·
10-6 K-1) gewählt werden.
Da der elektrische Leiter in diesen Fällen gegen die äußere,
das Alkalimetall-Dampfraum umschließende Wand der AMTEC-Zelle
elektrisch isoliert werden muß, wird der metallische Überzug
zumindest partiell durch einen weiteren, keramischen Überzug
abgedeckt.
Im Fall eines mit Niob überzogenen keramischen Leiters aus
TiB₂ kann Aluminiumoxid als keramischer Überzug verwendet werden.
Aluminiumoxid weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
auf (α=8 · 10-6 K-1), der im Bereich der Werte für α von
TiB₂ und Niob liegt. Die Verbindung des Niobüberzugs mit Aluminiumoxid
kann durch Löten
erfolgen.
Claims (7)
1. Elektrischer Leiter für das Anodenpotential eines thermoelektrischen
Alkalimetall-Konverters
- - der mit der sich positiv aufladenden, im Alkalimetall- Dampfraum des Konverters angeordneten Elektrode elektrisch leitend verbunden ist,
- - der durch den Alkalimetall-Dampfraum des Konverters und
- - elektrisch isoliert durch die äußere, den Alkalimetall- Dampfraum einschließende Wand des Konverters geführt ist,
gekennzeichnet durch
- - ein keramisches, elektrisch leitendes Material,
- - dessen Wert für das Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit über dem von Kobaltmetall liegt.
2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
die Zusammensetzung MeB₂, wobei Me ein Nebengruppenmetall
darstellt.
3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
die Zusammensetzung ZrB₂ oder TiB₂.
4. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
die Zusammensetzung ZrN.
5. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet
durch einen dünnen metallischen, gegen Alkalimetall-
Dampf beständigen Überzug, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
im Bereich des Leitermaterials liegt.
6. Elektrischer Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß er zumindest im Bereich seiner Kontaktstelle mit
der äußeren Wand des Konverters mit Al₂O₃ überzogen ist.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US-Z.: Science, Bd. 221, 1983, Nr. 4614, S. 915-920 * |
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