DE4033346A1 - Thermoelektrische hochleistungs-umwandlungsvorrichtung auf duennschicht-alkalimetall basis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvor­ richtung auf Alkalimetallbasis (Alkali Metal Thermoelectric Conversion - AMTEC) und zwar insbesondere eine mit verbesser­ ter mechanischer Festigkeit und höherer Leistung.

Auf Alkalimetall beruhende thermoelektrische Umwandlungsvor­ richtungen wandeln Wärme direkt in elektrische Energie um unter Verwendung eines Festelektrolytelements aus β- Aluminiumoxid, das zwar Natriumionen, aber keine Elektronen leitet. Dieses Elektrolytelement bildet eine Grenzschicht zwischen mit Natrium gefüllten Hoch- und Niederdruckberei­ chen.

Die Temperatur im Elektrolytbereich ist erhöht, so daß der entsprechende Sättigungsdruck höher ist als im Niederdruckbe­ reich. Unter diesen Bedingungen entwickelt sich ein chemi­ sches Potential durch den Elektrolyt, das Natriumionen entlang lonenleiterebenen im Kristallgitter von der Hoch­ druckseite zur Niederdruckseite bewegt. Somit entsteht durch die auf der Niederdruckseite auftauchenden positiven Ionen und die durch die Ionisierung des neutralen Natriums freiwer­ denden Überschußelektronen, die sich an der Hochdruckseite ansammeln, über den Elektrolyten eine Ladungs- oder Poten­ tialdifferenz.

Elektronische leitende Schichten, die den Durchgang des Natriums zur Oberfläche des Elektrolyten ermöglichen, sind an beiden Seiten des Elektrolyten angeordnet. Diese leitenden Schichten sind durch einen Verbraucher verbunden und ermögli­ chen es den sich auf der Hochdruckseite ansammelnden Elektro­ nen zur Niederdruckseite zu wandern, wo sie sich wieder mit den überschüssigen Natriumionen verbinden, und dabei im Verbraucher elektrische Arbeit leisten. Das Natriumion, das durch den Elektrolyt gewandert ist und sich auf der Nieder­ druckseite mit einem Elektron vereinigt hat, dampft von der Elektrolytoberfläche ab und wird dann kondensiert, aufgefan­ gen und zurück zur Hochdruckseite gepumpt. Dem System wird Wärmeenergie zugeführt, um die erzeugte elektrische Energie und Abfallwärme zu ersetzen. US-Patent 48 08 240, das einem der Erfinder erteilt wurde, beschreibt ein geschichtetes, dampfgespeistes AMTEC-Modul, das nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeitet. Die in diesen Vorrichtungen eingesetzten β-Aluminiumoxide haben mechanische Eigenschaften, die sie für Störungen aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchun­ gen anfällig machen.

Zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehört die Bereit­ stellung einer mit Alkalimetall betriebenen thermoelektri­ schen Umwandlungsvorrichtung, bei der die Widerstandsfähig­ keit des Elektrolyten gegen mechanische und thermische Beanspruchungen wesentlich verbessert ist und damit ihre Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und Wartung erheblich erhöht sind.

Im allgemeinen umfaßt eine erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetallbasis ein poröses Glied mit im allgemeinen zwei Oberflächen, deren eine mit einer Ionen-leitenden Schicht beschichtet ist, wobei das Alkalimetall auf einer Seite dieses porösen Glieds unter Hochdruck und auf der anderen Seite des porösen Glieds unter Niederdruck angeordnet ist, wobei Alkalimetallionen, jedoch keine Elektronen, durch diese ionenleitende Schicht wandern und freie Elektronen durch einen äußeren Stromkreis laufen und sich mit Alkalimetallionen auf der Niederdruckseite der lonenleiterschicht wieder vereinigen, um so in diesem äußeren Stromkreis elektrische Energie nutzbar zu machen, sobald der Vorrichtung Wärmeenergie zugeführt wird.

Die in den Ansprüchen dargelegte Erfindung wird verdeutlicht in der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen analoge Teile jeweils durch die gleichen Bezugsnummern bezeichnet werden; diese Figuren bedeuten:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsge­ mäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalime­ tallbasis;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1, die eine röhrenförmige Ausbildungsform darstellt;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer alternativen thermo­ elektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetallbasis;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer alternativen rohrförmi­ gen Ausbildungsform;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer zusätzlichen rohrförmi­ gen Ausbildungsform;

Fig. 6 ist eine Teilschnittansicht einer Ausbildungsform, die mit flachen Platten arbeitet; und

Fig. 7 ist eine Teilschnittansicht einer Ausbildungsform, die mit Platten erweiterter Oberfläche arbeitet.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere Fig. 1 und 2 wird dort die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 auf Alkalimetallbasis gezeigt mit einer porösen, röhrenför­ migen Struktur 3 mit zwei Hauptflächen 5 und 7, die in einem Behältergefäß 9 angeordnet sind. Die poröse Struktur 3 besteht aus einem Material wie Niob, das stärker ist als der bisher verwendete β-Aluminiumoxidelektrolyt. Eine dünne β-Aluminiumoxidschicht 13 überzieht die eine der Hauptflä­ chen, die Außenfläche 5 der porösen Struktur 3 und ein poröser Dünnschichtleiter 15 ist über der β-Aluminiumoxid­ schicht 13 angeordnet und bildet eine Elektrode, und die poröse Struktur 3 oder eingeschlossenes Flüssigalkalimetall bildet eine zweite Elektrode. Die β-Aluminiumoxidschicht 13 teilt das Gefäß 9 in einen Hochdruckteil und einen Nieder­ druckteil, deren jeder ein flüssiges Alkalimetall 11 wie z. B. Natrium enthält. Die Elektroden sind elektrisch mit einem äußeren Stromkreis 17 verbunden. Eine elektromagnetische Pumpe oder ein sonstiges Pumpenmittel 19 pumpt Flüssigmetall vom Niederdruckteil zum Hochdruckteil. Das poröse Rohr 3 sorgt für die erforderliche mechanische Festigkeit, soweit mechanische Stoßbelastungen auftreten.

Flüssiges Hochdruck-Hochtemperatur-Natrium oder ein sonstiges flüssiges Alkalimetall füllt die Innenseite der porösen Rohrstruktur 3 und strömt hindurch. Die β-Aluminiumoxid­ schicht 13 ist undurchlässig für Natrium und Elektronen, jedoch nicht für Natriumionen, die hindurchwandern. Der äußere Stromkreis 17 verbindet elektrisch die Rohrstruktur 3 bzw. das flüssige Natrium, das als eine Elektrode für die von der porösen Schicht 15 auf dem β-Aluminiumoxid 13 gebildete Elektrode dient. Überschüssige Elektronen, die durch die Ionisierung des Natriums auf der Hochdruckseite der β-Aluminiumoxidschicht 13 freigesetzt werden, bewegen sich durch den äußeren Stromkreis 17, wenn im Verbraucher eine Leistung abzugeben ist, und vereinigen sich mit den Natrium­ ionen, die durch das β-Aluminiumoxid 13 auf die Niederdruck­ seite gewandert sind. Diese Wiedervereinigung erfolgt an der Schnittstelle zwischen dem β-Aluminiumoxid 13 und der porösen Schicht 15. Das Natrium verdampft infolge des niedrigeren Drucks im Niederdruckteil und der Dampf strömt zu den Gefäß­ wänden 9, die auf eine Temperatur unter der Temperatur des β-Aluminiumoxids 13 gekühlt werden, und kondensiert dort. Das kondensierte Natrium wird in den Hochdruckteil gepumpt und bildet so einen geschlossenen Kreislauf, der die der Vorrich­ tung zugeführte Wärme direkt in elektrische Energie umwan­ delt.

Fig. 3 zeigt eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetallbasis ähnlich wie die, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird, jedoch mit einer rohrförmigen Struktur 3a mit vergrößerter Oberfläche, die an der Außenseite 7a mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht 13a beschichtet ist. Eine dünne Schicht eines porösen Leitermaterials 15a liegt über der β-Aluminiumoxidschicht 13a und dient als Elektrode. Diese Ausführungsform vergrößert die Oberfläche der β-Aluminium­ oxidschicht 13a ohne Vergrößerung des Gesamtvolumens der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung auf Alkalimetall­ basis, um mehr elektrische Energie zu erzeugen.

In Fig. 4 ist eine β-Aluminiumoxidschicht 13b auf der inneren Oberfläche 7 der porösen Struktur 3 aufgetragen anstatt auf der äußeren Oberfläche gemäß den Fig. 1 und 2. Eine Elektrode 15b oder flüssiges Natrium ist auf der Innenseite des β-Aluminiumoxids 13b angeordnet. Der Hochdruckbereich wird vom β-Aluminiumoxid 13b umschlossen. Der äußere Stromkreis 17 wird zwischen die poröse Struktur 3 und die Elektrode 15b bzw. das im Inneren des β-Aluminiumoxids 13b angeordnete Natrium gelegt. Das β-Aluminiumoxid 13b ist in dieser Konfi­ guration widerstandsfähiger gegen die nach außen gerichteten radialen Druckbelastungen.

Die Ausbildungsform gemäß Fig. 5 hat, wie Fig. 3, die gleiche poröse Rohrstruktur 3a, jedoch mit vergrößerter Oberfläche; eine dünne Schicht β-Aluminiumoxid 13c ist auf einer Innen­ fläche 5a des gesinterten Rohrs 3a mit vergrößerter Oberflä­ che analog zu Fig. 4 angeordnet und arbeitet im wesentlichen genau so, nur daß die vergrößerte Fläche mehr elektrische Energie produziert.

Fig. 6 zeigt ein Paar poröser Strukturen 3d, die als flache Platten ausgebildet und auf einer Seite 5d mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht 13b überzogen sind. Diese flachen Platten lassen sich billig herstellen, sie können jedoch wegen des auf ihnen lastenden Druckunterschieds nur von beschränkter Größe sein oder müssen mit Streben oder Verstär­ kungsrippen versehen sein, wenn sie größer sind.

Gemäß Fig. 7 werden ein Paar poröser Strukturen 3e mit ver­ größerter Oberfläche eingesetzt anstatt der flachen gesinter­ ten Metallplatten aus Fig. 6. Diese Oberflächenerweiterung wurde durch wellige Ausbildung der gesinterten Metallplatten 3e erzielt, die mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht überzogen sind. Die Vorzüge dieser Welligkeit sind zweifach: Die Platten haben eine größere Oberfläche bei im wesentlichen gleichen Platzbedarf, und zeigen eine größere Steifheit oder Module größeren Querschnitts, um ohne Streben oder Verstär­ kungsrippen eine größere Oberfläche aufzuweisen.

Die porösen Strukturen 3 und 3a-3e bestehen aus einer Kombi­ nation von Molybdän, Niob, Rhodium, Tantal, Wolfram, Alumi­ niumoxid oder einem anderen feuerfesten Material oder einer Metallegierung hergestellt, die einen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten in etwa so groß wie β-Aluminiumoxid hat. Diese Materialien haben eine hohe Festigkeit und die dünne β-Aluminiumoxidschicht und die Porosität der porösen Struktur erleichtern den Transport der Natriumionen durch das β-Aluminiumoxid. Der Ionenwiderstand der dünnen β-Alumi­ niumoxidschicht ist geringer als der Widerstand der dickeren β-Aluminiumoxidschicht, die als tragendes Glied hergestellt wird, was zu höheren spezifischen Leistungsdichten, Watt/cm² führt im Vergleich zu thermoelektrischen Umwandlungsvorrich­ tungen auf Alkalimetallbasis laut Stand der Technik.

Während die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen den besten Weg zur Nutzung der vorliegenden Erfindung zeigen, wie sie derzeit vom Erfinder beabsichtigt ist, sind zahlrei­ che Änderungen und Anpassungen der Erfindung dem Fachmann ohne weiteres möglich. Daher gelten die obigen Ausführungs­ beispiele nur hinweisend und beispielhaft, und es ist in Erwägung zu ziehen, daß dem Fachmann zahlreiche Abänderungen und Anpassungen der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung möglich sind. Daher fallen auch alle Abänderungen und Anpas­ sungen unter den Umfang und die Wesensart der Erfindung.

Claims (17)

1. Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) auf Alkalimetallbasis, gekennzeichnet durch eine poröse Struktur (3), die im allgemeinen zwei Hauptoberflächen hat, deren eine mit einer ionenleitenden Schicht (3) beschichtet ist, auf einer Seite dieser porösen Struktur (3) ein Alkalimetall (11) unter Hochdruck, und auf der anderen Seite dieser porösen Struktur (3) ein Alkalimetall (11) unter Niederdruck angeord­ net ist, wobei Alkalimetallionen, jedoch keine Elektronen, durch die ionenleitende Schicht (13) wandern und freigewor­ dene Elektronen durch einen äußeren Stromkreis (17) fließen und sich auf der Niederdruckseite der ionenleitenden Schicht (13) wieder vereinigen, um eine nutzbare elektrische Energie im äußeren Stromkreis zu erzeugen, wenn der Vorrichtung Wärme zugeführt wird.

2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es sich bei dem Ionenleiter (13) um β-Aluminiumoxid handelt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Struktur (3) aus einer beliebigen Kombination von gesintertem Molybdän, Niob, Rhodium, Tantal, Wolfram oder sonstigen feuerfesten Metall bzw. Metallegierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, der sich dem des β-Aluminiumoxids annähert.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Struktur (3) rohrförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenleitende Schicht (13) auf der Außenseite der porösen rohrförmigen Struktur (3) angeordnet ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Schicht (15), die über der ionenleitenden Schicht angeordnet ist.

7. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die ionenleitende Schicht (13) aus β-Aluminiumoxid besteht und die poröse elektrisch leitende Schicht (15) aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich dem des β-Aluminiumoxids annähert.

8. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (19) zur Beförderung des Alkalimetalls (11) von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite.

9. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die ionenleitende Schicht (13) auf der Innenfläche (5) der porösen rohrförmigen Struktur (3) angeordnet ist.

10. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß es sich bei der ionenleitenden Schicht (13) um β-Aluminiumoxid handelt.

11. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die β-Aluminiumoxidschicht (13) ein sehr dünner Film ist.

12. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die poröse rohrförmige Struktur (3) eine erweiterte Oberfläche (5a, 7a) hat.

13. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die erweiterte Oberfläche (5a, 7a) durch Wellen in der porösen rohrförmigen Struktur (3a) gebildet wird.

14. Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) auf Alkalimetallbasis, gekennzeichnet durch eine poröse Struktur (3), die für flüssiges Alkalimetall (11) durchlässig ist und im allgemeinen mit zwei Hauptflächen (5, 7) versehen ist, deren eine mit β-Aluminiumoxid (13) beschichtet ist, die Alkalimetallionen, jedoch keine Elektronen, durchläßt; durch Anordnung des β-Aluminiumoxids (13) so, daß es einen Hoch­ druck-Alkalimetallteil und einen Niederdruck-Alkalimetallteil bildet; Mittel (19) zur Beförderung des flüssigen Alkalime­ talls (11) vom Niederdruckteil zum Hochdruckteil; Mittel zur Wärmezufuhr zum Hochdruckteil und Mittel zum Wärmeentzug vom Niederdruckteil; elektrische Anschlüsse an beiden Seiten des β-Aluminiumoxids, die mit einem äußeren Stromkreis (17) und einem Verbraucher elektrisch verbunden sind, um Elektronen zu liefern, die sich mit den Alkalimetallionen, die durch das β-Aluminiumoxid (13) gewandert sind, wiedervereinigen, um wieder Alkalimetall (11) zu bilden, und einen elektrischen Strom im äußeren Stromkreis (17) erzeugen.

15. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die poröse Struktur (3) aus einer Platte (3d) besteht, deren eine Hauptoberfläche mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht (5d) beschichtet ist.

16. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die poröse Struktur aus einer Platte (3d) mit vergrößerten Oberflächen besteht, deren eine mit einer dünnen β-Aluminiumoxidschicht (13e) beschichtet ist.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (3e) mit erweiterten Oberflächen wellig ausgebildet ist.