DE4007541C1 - Direct conversion of heat into electrical energy - using solar collector to transfer hydrogen from stove to high pressure chamber bounded by foil coated electrolyte - Google Patents
Direct conversion of heat into electrical energy - using solar collector to transfer hydrogen from stove to high pressure chamber bounded by foil coated electrolyteInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktkonversion von Wärme in der (Größenordnung: 150-300°C) in elektrische Energie unter Verwendung von mindestens einem protonenleitenden, schichtförmigen Festkörperelektrolyten, auf dem beidseitig wasserstoffdurchlässige, gegeneinander isolierte Teilschichten als Elektroden angebracht sind.The present invention relates to a method for direct conversion of heat in the (order of magnitude: 150-300 ° C) in electrical energy using at least one proton-conducting, layered solid state electrolyte, on the bilaterally hydrogen-permeable, mutually insulated Partial layers are attached as electrodes.
Ein Verfahren zur Energiedirektumwandlung ist als sogen. AMTEC-Verfahren - the alkali metal thermoelectrical converter - bekannt (vgl. T. Cole, Thermoelectric Energy Conversion with Solid Electrolytes, Science 221/1983/1915). Das Prinzip dieses Verfahrens ist die Trennung der Natriumionen und der Elektronen mittels β-Aluminiumoxyds in einer Zelle. Der β-Al₂O₃-Elektrolyt ist mit einer porösen Elektrode beschichtet. Die Zelle besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse, das durch den β- Al₂O₃-Elektrolyten mit der Elektrode in zwei elektrisch isolierte Räume untereilt wird. Durch das Einbringen von Natrium bei höheren Temperaturen in einen Teilraum wird ein Differenzdruck erzeugt. Die Natriumionen, und nur die, wandern durch den Elektrolyten und bewirken eine Ladungsdifferenz zwischen der Elektrodenseite mit hohem und der Elektrodenseite mit niedrigem Natriumpartialdruck. Auf der Seite mit höherem Natriumpartikeldruck liegt ein Elektronenüberschuß vor und daher wird diese Elektrode negativ. Bei offenem Stromkreis stellt sich entsprechend der Druckdifferenz eine maximale Spannung ein.A method for direct energy conversion is as so-called. AMTEC process - the alkali metal thermoelectrical converter - (see T. Cole, Thermoelectric Energy Conversion with Solid Electrolytes, Science 221/1983/1915). The principle of this Process is the separation of sodium ions and electrons by means of β-alumina in a cell. The β-Al₂O₃ electrolyte is coated with a porous electrode. The cell consists essentially of a housing which is defined by the β- Al₂O₃ electrolyte with the electrode in two electrically isolated Rooms is divided. By introducing sodium at higher temperatures in a subspace becomes a differential pressure generated. The sodium ions, and only the ones, migrate through the electrolyte and cause a charge difference between the electrode side with high and the electrode side with low sodium partial pressure. On the side with higher Sodium particle pressure is an electron surplus before and therefore, this electrode becomes negative. With open circuit turns according to the pressure difference a maximum Tension.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch das Arbeiten mit den reaktionsfreudigen Alkalimetallen. Außerdem ist die Stabilität des β-Al₂O₃-Elektrolyten für die erforderliche hohe Betriebstemperatur fraglich und die Problematik der positiven Elektrode noch nicht zufriedenstellend gelöst. Der Betrieb des AMTEC-Systems setzt auf der Niederdruckseite Temperaturen größer 300°C voraus, da sonst die Volumenströme des Natriumdampfes bei dem dann herrschenden geringen Sattdampfdruck zu großen Druckverlusten und damit zu hohen Einbußen am Wirkungsgrad führen. Das heißt, das AMTEC-Verfahren benötigt auf der heißen Seite eine Temperatur von wenigstens 800°C um einen thermodynamischen Wirkungsgrad von ca. 35% zu erreichen. Soll Solarenergie eingesetzt werden, stellt dieses Temperaturniveau sehr hohe Anforderungen an die Solaranlage.A disadvantage of this method, however, is working with the reactive alkali metals. Besides, the stability is of the β-Al₂O₃ electrolyte for the required high operating temperature questionable and the problem of the positive Electrode not yet solved satisfactorily. Operation of the AMTEC-Systems sets temperatures on the low pressure side greater than 300 ° C ahead, otherwise the volume flows of the sodium vapor at the then prevailing low saturated steam pressure too large pressure drops and thus high losses of efficiency to lead. That means the AMTEC process needed on the hot Side a temperature of at least 800 ° C to a thermodynamic To achieve efficiency of about 35%. Should solar energy are used, this temperature level is very high high demands on the solar system.
Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Verfahren zur Direktkonversion von Wärme in elektrische Energie zu schaffen, welches bei erheblich niedrigeren Temperaturen als bisher arbeitet, so daß zur Wärmeerzeugung bei ihm auch einfachere Solarkollektoren verwendet werden können.The present invention now has for its object a method for direct conversion of heat into electrical energy too create, which at considerably lower temperatures than so far works, so that for heat production with him also simpler Solar collectors can be used.
Zur Lösung schlägt nun die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, das durch die Verfahrensschritte a) bis f) im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist.As a solution, the present invention proposes a method before, by the method steps a) to f) in the claim 1 is marked.
Weitere vorteilhafte Einzelmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Kennzeichen der Unteransprüche 2 bis 9.Further advantageous individual features of the method according to the invention arise from the characteristics of the dependent claims. 2 till 9.
Nach den neuen Verfahren wird durch Aufrechterhalten einer Druck- und/oder Temperaturdifferenz des Wasserstoffgases elektrische Energie erzeugt, wobei sich das Gas in zwei Räumen befindet. Die Räume sind mit einem Protonenleiter getrennt. Der Protonenleiter ist von beiden Seiten von wasserstoffdurchlässigen Metallfolien umschlossen, die Räume sind elektrisch voneinander isoliert. Das Druckgefälle treibt nun Wasserstoff als Ion durch den Feststoffelektrolyten bzw. die folienartigen Schichten. Zwischen Ein- und Austrittsseite entsteht ein Spannungspotential, so daß eine elektrische Nutzleistung abgegriffen werden kann. Das Druckgefälle entsteht vorzugsweise durch Entladen eines Wasserstoffspeichers, bei hohen Temperaturen und dem höheren Druck bzw. Beladen bei geringeren Temperaturen und mit den niederen Druck. Als Wärmequelle kann vorteilhafterweise Solarenergie eingesetzt werden.According to the new method, by maintaining a Pressure and / or temperature difference of the hydrogen gas electric Generates energy, with the gas in two rooms. The rooms are separated by a proton conductor. The Proton conductor is from both sides of hydrogen permeable Metal foils enclosed, the rooms are electric isolated from each other. The pressure gradient now drives hydrogen as ion through the solid electrolyte or the foil-like Layers. There is a voltage potential between the inlet and outlet side, so that a useful electrical power tapped can be. The pressure gradient is preferably formed by Discharge a hydrogen storage, at high temperatures and the higher pressure or loading at lower temperatures and with the low pressure. As a heat source can advantageously Solar energy can be used.
Nach dem Verfahren können gute Wirkungsgrade bereits unter 200°C erreicht werden. Mit 250°C können für die Dehydrierung Wirkungsgrade erreicht werden, die besser als die des Standes der Technik sind. Bei geeigneter Koppelung mit verschiedenen Speichermaterialien ist auch ein Zweistufenprozeß möglich mit entsprechenden Gewinn an Nutzleistung. Organische Wasserstoffspeichermedien gestatten, geschlossene Kreisläufe mit geringeren Pumpleistungen. Das niedrigere Temperaturniveau erlaubt die Koppelung des Verfahrens mit den bekannten Parabolrinnensolarkollektoren.After the procedure, good efficiencies already under 200 ° C can be achieved. With 250 ° C can be used for dehydration Efficiencies are achieved that are better than those of the state the technology. With suitable coupling with different Storage materials is also possible with a two-step process corresponding profit of useful power. Organic hydrogen storage media allow closed circuits with lower Pump powers. The lower temperature level allows the coupling of the process with the known parabolic trough solar collectors.
Die Vorteile des Verfahrens mit dem Wasserstoff-Energie-Generator sind in seiner einfachen Funktion und der daraus herrührenden einfachen Bauweise einer Anlage und der leichten Integrierung zur Nutzung der Sonnenenergie zu sehen. Beim Aufbau der Anlage sind keine neuen, hochtechnologischen Verfahren erforderlich. Das Energieumwandlungsverfahren ist umweltfreundlich und bietet sich für breitgefächerte Anwendungsmöglichkeiten an.The advantages of the process with the hydrogen energy generator are in its simple function and the resulting simple design of a plant and easy integration to see the use of solar energy. In construction The plant does not require any new, high-tech processes. The energy conversion process is environmentally friendly and is suitable for a wide range of applications on.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden und anhand der Figur beschrieben, die schematisch das Kreislaufschema des neuen Verfahrens zeigt.Further details of the method according to the invention are described in the following and with reference to the figure, which is schematic the circuit diagram of the new method shows.
Die Figur zeigt schematisch den Wasserstoff-Energie-Generator 1 in einem Kreislauf. Die Anordnung bewirkt, daß die Wasserstoffatome an einer Metallfolie 3 im Bereich 6 des höheren Wasserstoffdruckes absorbiert werden und danach als Wasserstoffionen durch den Protonenleiter 4 wandern, um in der Metallfolie 5 im Raum 7 mit niedrigerem Druck mit Elektronen zu rekombinieren. Bei Betriebstemperaturen von über 100°C wird man einen Feststoffprotonenleiter 4 einsetzen. Bei niedrigeren Temperaturen kann auch ein wäßriger Elektrolyt verwendet werden, dabei muß nur sichergestellt sein, daß die Metallfolien 3 und 4 durch deren isolierende Umrandung 8 den Elektrolyt 4 dicht einschließen. Die gesamte Schicht 2 kann dabei durch ein geeignetes Netzgewebe wegen der Druckdifferenz gestützt und stabilisiert werden. Das Netzgewebe kann dabei zugleich als elektrischer Leiter dienen. Die Druckdifferenz zwischen den mit den Permeationsschichten 2 getrennten Räumen 6 und 7 wird durch eine Art "Abpumpen" und "Kompression" mittels Hydridspeichern erreicht. Das Verfahren erweist sich dabei als besonders geeignet zur Nutzung der Sonnenenergie, dazu wird der Wasserstoffenergiegenerator mit einer Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden bzw. in flüssigen organischen Verbindungen kombiniert, wobei es bekannt ist, daß gewisse Metalle und Metallegierungen den Wasserstoff chemisch binden und dadurch Hydride bilden. Diese chemische Bindung erfolgt unter Wärmeentwicklung. Zur Wasserstofffreisetzung muß wieder Wärme zugeführt werden, was durch Einkopplung von Sonnenenergie über Solarkollektoren erfolgen kann.The figure shows schematically the hydrogen-energy generator 1 in a circuit. The arrangement causes the hydrogen atoms to be absorbed on a metal foil 3 in the region 6 of higher hydrogen pressure and thereafter migrate as hydrogen ions through the proton conductor 4 to recombine with electrons in the metal foil 5 in the space 7 at lower pressure. At operating temperatures above 100 ° C, a solid proton conductor 4 will be used. At lower temperatures, an aqueous electrolyte can be used, it must only be ensured that the metal foils 3 and 4 by their insulating border 8 close the electrolyte 4 tight. The entire layer 2 can be supported and stabilized by a suitable mesh because of the pressure difference. The mesh can serve as an electrical conductor at the same time. The pressure difference between the spaces 6 and 7 separated by the permeation layers 2 is achieved by a type of "pumping off" and "compression" by means of hydride reservoirs. The process proves to be particularly suitable for the use of solar energy, to the hydrogen energy generator is combined with a hydrogen storage in metal hydrides or in liquid organic compounds, it being known that certain metals and metal alloys chemically bond the hydrogen and thereby form hydrides. This chemical bonding takes place with evolution of heat. To release hydrogen heat must again be supplied, which can be done by coupling solar energy through solar panels.
Dieser Vorgang wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:This process is represented by the following equation:
Um eine kontinuierliche Wasserstofffreisetzung aus dem Metallhydrid sicherzustellen, muß somit laufend Wärme zugeführt werden.To get a continuous release of hydrogen from the Ensuring metal hydride must therefore constantly supplied heat become.
Die Metallhydride mit einem Zersetzungsdruck über 1 bar bei Temperaturen bereits unter 100°C werden als Niedertemperatur- Hydride und die Hydride, bei denen die Druckgrenze von 1 bar bei höheren Temperaturen liegen, als Hochtemperatur-Hydride bezeichnet. The metal hydrides with a decomposition pressure above 1 bar at Temperatures below 100 ° C are considered low-temperature Hydrides and the hydrides, where the pressure limit of 1 bar at higher temperatures than high temperature hydrides designated.
Die Niederdruckhydride werden charakterisiert mit:The low-pressure hydrides are characterized by:
Die Hochtemperaturhydride zeigen etwa folgende Werte:The high temperature hydrides show approximately the following values:
In der Figur ist weiterhin schematisch die Ankopplung der Sonnenenergie an den Wasserstoff-Energie-Generator im Kreislauf schematisch dargestellt. Durch die Zersetzung z. B. eines Metallhydrids 9 im Speicher 10 als Speichermaterial durch die Einkopplung der Sonnenenergie 11 über Kollektoren 14 wird Wasserstoff unter höherem Druck in den H₂-Energie-Generator 1 freigesetzt. Durch das Beladen eines anderen Hydrids 12 im Hydridspeicher 13 unter gleichzeitiger Kühlung 15 (Abführung für Hydridbildungswärme, ΔH wird zwischen den beiden Räumen 6 und 7 des Wasserstoff-Energie-Generators 1 eine Druckdifferenz bewirkt und damit eine Spannung 11 zwischen den beiden Metallfolien 3 und 5 erzeugt. Durch ein wechselweises Be- und Entladen des Wasserstoffs in den Hydridspeichern 9 und 12 kann ein annähernd kontinuierlicher Betrieb des Generators erreicht werden.In the figure, the coupling of the solar energy to the hydrogen-energy generator is shown schematically in the circuit schematically. By the decomposition z. As a metal hydride 9 in the memory 10 as a storage material by the coupling of solar energy 11 via collectors 14 hydrogen is released under higher pressure in the H₂-energy generator 1 . By loading another hydride 12 in the hydride storage 13 with simultaneous cooling 15 (discharge for hydride formation heat, ΔH is effected between the two chambers 6 and 7 of the hydrogen-energy generator 1, a pressure difference and thus a voltage 11 between the two metal foils 3 and 5 By alternately loading and unloading the hydrogen in the hydride reservoirs 9 and 12 , an approximately continuous operation of the generator can be achieved.
In analoger Weise kann der Generator 1 als weiteres Beispiel auch mit flüssigen organischen H₂-Speichern gekoppelt werden. Bekannt ist das SystemIn an analogous manner, the generator 1 can be coupled as a further example with liquid organic H₂ stores. The system is known
Die charakteristischen Werte in diesem MTW-System (Methylcyclohexan- Toluol-Wasserstoff) sind:The characteristic values in this MTW system (methylcyclohexane) Toluene-hydrogen) are:
Die erzeugte Ruhespannung des Generators ist umso höher, je größer die Druckdifferenz ist, daher ist im Betrieb der Anlage nach dem Verfahren durch Umpumpen des Wasserstoffs und Erhöhung des Druckes im Negativladungsraum eine weitere Wärmeeinkopplung durch Sonnenenergie auch in dieser Anlagezone möglich. Beim Einbeziehen von H₂-Speicher in das Stromerzeugungssystem kann der effektive Druckunterschied zwischen den zwei Räumen durch Einbringen von Inertgas in die H₂-Niederdruckzone gegenüber der H₂-Hochdruckzone abgebaut werden. Für die sich aufbauende Spannung zwischen den zwei Metallfolien und den Protonenleiter ist entscheidend lediglich der tatsächliche H₂-Differenz- Partialdruck der beiden Räume. Durch die effektive Druckangleichung kann die Belastung der Trennmembrane verringert werden:The generated rest voltage of the generator is the higher, depending greater the pressure difference, therefore, is in the operation of the plant according to the method by pumping the hydrogen and increasing the pressure in the negative charge space another heat input by solar energy also possible in this investment zone. When incorporating H₂ memory in the power generation system can be the effective pressure difference between the two rooms by introducing inert gas in the H₂-low pressure zone opposite the H₂-high pressure zone are degraded. For the building up Tension between the two metal foils and the proton conductor is decisive only the actual H₂ difference Partial pressure of the two rooms. By the effective Pressure equalization can reduce the stress on the separation membrane become:
Das neue Verfahren beinhaltet somit folgende wesentliche Verfahrensschritte:The new process thus includes the following essential process steps:
- a) Austreiben von in einem Wasserstoffspeicher gebundenem Wasserstoff durch die zu konvertierende Wärme wodurch ein Wasserstoffdruck erzeugt wird, a) expulsion of hydrogen bound in a hydrogen storage through the heat to be converted creating a hydrogen pressure is produced,
- b) Einbringen des Wasserstoffdruckes in einen Raum, der durch eine der beiden Metallschichten des Elektrolyten begrenzt wird,b) introducing the hydrogen pressure into a space through delimited one of the two metal layers of the electrolyte becomes,
- c) Diffusion des Wasserstoffs durch die eine Metallschicht in den Protonenleiter,c) diffusion of hydrogen through a metal layer in the proton conductor,
- d) Ladungstrennung durch Wanderung der Wasserstoffionen durch den Protonenleiter,d) charge separation by migration of the hydrogen ions through the proton conductor,
- e) Diffusion des Wasserstoffs durch die zweite Metallschicht, unter Rekombination der Wasserstoffionen und Elektronen in der Schicht, in die Niederdruckzone eines Raumes, der durch die andere der beiden Metallschichten begrenzt wird,e) diffusion of the hydrogen through the second metal layer, under recombination of hydrogen ions and electrons in the layer, in the low-pressure zone of a room through the other of the two metal layers is bounded,
- f) Abgreifen der elektrischen Spannung oder der erzeugten elektrischen Energie an den beiden Elektroden,f) picking up the electrical voltage or generated electrical energy at the two electrodes,
- g) Einbringen des Wasserstoffs in einen Wasserstoffspeicher, aus welchem er mittels Wärme wieder ausgetrieben werden kann.g) introducing the hydrogen into a hydrogen storage, from which it is expelled again by means of heat can.
Dabei kann der Wasserstoff in der Niederdruckzone gem. dem Schritt g) in einem Wasserstoffspeicher chemisch gebunden und dieser weiter gem. Schritt a) behandelt werden. Es können auch gem. den Schritten a) und g) zwei Wasserstoffspeicher verwendet werden bzw. an das System angeschlossen werden, die wechselseitig mit Wasserstoff beladen und wieder entladen werden, wobei die Freisetzung des Wasserstoffs aus den Wasserstoffspeichern durch Einkoppeln von Solarenergie folgt. Der Wasserstoffdruck in der Zone höheren Druckes kann durch zusätzliches Einkoppeln von Sonnenenergie mittels Temperaturerhöhung ebenfalls erhöht werden. Schließlich kann noch in der Niederdruckseite zur Druckangleichung mit der Hochdruckseite ein Inertgas, z. B. Stickstoff oder Edelgas, bei konstantem Wasserstoffpartialdruck zugegeben werden. Letztlich kann als Beispiel für die Elektrolytschicht Ta₂O₅ eingesetzt werden, welches beidseitig mit Palladium, Nickel, Platin oder Legierungen oder Mehrschichtaufbau dieser Metalle beschichtet ist.In this case, the hydrogen in the low pressure zone acc. the Step g) chemically bound in a hydrogen storage and this further gem. Step a) are treated. It can too gem. the steps a) and g) uses two hydrogen storage be connected to the system, which are mutually be charged with hydrogen and discharged again, the release of hydrogen from the hydrogen storage by coupling solar energy follows. The hydrogen pressure in the zone of higher pressure can by additional Coupling of solar energy by means of temperature increase also increase. Finally, still in the low pressure side for pressure equalization with the high pressure side of an inert gas, z. As nitrogen or noble gas, at constant hydrogen partial pressure be added. Ultimately, as an example of the electrolyte layer Ta₂O₅ be used, which on both sides with palladium, nickel, platinum or alloys or Multilayer structure of these metals is coated.
Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Wasserstoff-Energie-Generator
2 Schicht
3 Metallfolie
4 Festkörperelektrolyt, Protonenleiter
5 Metallfolie
6 Raum hohen Drucks
7 Raum niederen Drucks
8 Umrandung
9 Hydrid
10 Speicher
11 Sonnenenergie
12 Hydrid
13 Speicher
14 Sonnenkollektor
15 Kühlung 1 hydrogen energy generator
2 layer
3 metal foil
4 solid electrolyte, proton conductor
5 metal foil
6 room of high pressure
7 room of low pressure
8 border
9 hydride
10 memory
11 solar energy
12 hydride
13 memory
14 solar panel
15 cooling
Claims (9)
- a) Austreiben von in einem Wasserstoffspeicher gebundenem Wasserstoff durch die zu konvertierende Wärme wodurch ein Wasserstoffdruck erzeugt wird,
- b) Einbringen des Wasserstoffdruckes in einen Raum, der durch eine der beiden Metallschichten des Elektrolyten begrenzt wird,
- c) Diffusion des Wasserstoffs durch die eine Metallschicht in den Protonenleiter,
- d) Ladungstrennung durch Wanderung der Wasserstoffionen durch den Protonenleiter,
- e) Diffusion des Wasserstoffs durch die zweite Metallschicht, unter Rekombination der Wasserstoffionen und Elektronen in der Schicht, in die Niederdruckzone eines Raumes, der durch die andere der beiden Metallschichten begrenzt wird,
- f) Abgreifen der elektrischen Spannung oder der erzeugten elektrischen Energie an den beiden Elektroden,
- g) Einbringen des Wasserstoffs in einen Wasserstoffspeicher, aus welchem er mittels Wärme wieder ausgetrieben werden kann.
- a) expelling hydrogen bound in a hydrogen storage by the heat to be converted, whereby a hydrogen pressure is generated,
- b) introduction of the hydrogen pressure into a space bounded by one of the two metal layers of the electrolyte,
- c) diffusion of the hydrogen through the one metal layer into the proton conductor,
- d) charge separation by migration of the hydrogen ions through the proton conductor,
- e) diffusion of the hydrogen through the second metal layer, with recombination of the hydrogen ions and electrons in the layer, into the low pressure zone of a space bounded by the other of the two metal layers,
- f) picking up the electrical voltage or the generated electrical energy at the two electrodes,
- g) introducing the hydrogen into a hydrogen storage, from which it can be expelled by means of heat again.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4007541A DE4007541C1 (en) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Direct conversion of heat into electrical energy - using solar collector to transfer hydrogen from stove to high pressure chamber bounded by foil coated electrolyte |
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DE4007541A DE4007541C1 (en) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Direct conversion of heat into electrical energy - using solar collector to transfer hydrogen from stove to high pressure chamber bounded by foil coated electrolyte |
Publications (1)
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DE (1) | DE4007541C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104764218A (en) * | 2014-01-06 | 2015-07-08 | 张建城 | Device for providing heat energy for chemical storage battery through solar condensation device |
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1990
- 1990-03-09 DE DE4007541A patent/DE4007541C1/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
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Z.: Science 221, 1983, 1915... * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104764218A (en) * | 2014-01-06 | 2015-07-08 | 张建城 | Device for providing heat energy for chemical storage battery through solar condensation device |
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