RU153984U1

RU153984U1 - MICROTHERMOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: RU153984U1
Application number: RU2015111892/28U
Authority: RU
Inventors: Ирина Валерьевна Попова; Степан Андреевич Конаков; Елена Вячеславовна Конакова
Original assignee: Открытое акционерное общество "ГИРООПТИКА" (ОАО "ГИРООПТИКА")
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Полезная модель относится к области микросистемной техники, в частности к микросистемам для получения электрической энергии путем прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электрический ток в термоэлектрических полупроводниковых батареях. Микротермоэлектрогенератор содержит корпус, выполненный в виде платы из кремния с сетчатой структурой, камеру сгорания, мембрану с нанесенным слоем платинового катализатора, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, размещенную на мембране, и металлическую крышку. Мембрана выполнена из проницаемого нанопористого оксида алюминия, а камера сгорания размещена вместе с полупроводниковой термоэлектрической батареей по одну сторону мембраны. Технический результат состоит в повышении КПД микротермоэлектрогенератора. 2 ил. The utility model relates to the field of microsystem engineering, in particular to microsystems for generating electrical energy by directly converting the heat of combustion of fuel into electric current in thermoelectric semiconductor batteries. The microthermoelectric generator comprises a housing made in the form of a silicon board with a mesh structure, a combustion chamber, a membrane with a platinum catalyst layer, a semiconductor thermoelectric battery located on the membrane, and a metal cover. The membrane is made of permeable nanoporous aluminum oxide, and the combustion chamber is placed together with a semiconductor thermoelectric battery on one side of the membrane. The technical result consists in increasing the efficiency of the microthermoelectric generator. 2 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области микросистемной техники, в частности к микросистемам для получения электрической энергии путем прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электрический ток в термоэлектрических полупроводниковых батареях.The proposed utility model relates to the field of microsystem engineering, in particular to microsystems for generating electrical energy by directly converting the heat of combustion of fuel into electric current in thermoelectric semiconductor batteries.

Известен микротермоэлектрогенератор (Россия, патент №2130216, опубл. 10.05.1999 г.) содержащий корпус, выполненный в виде слюдяной платы (подложки), мембрану (пленку), представляющую собой монокристаллическую матрицу n - InSb, на которую напылены индиевые токовые контакты, к которым припаиваются тонкие медные проволочки для измерения ЭДС. Один конец мембраны поддерживается при температуре T1, а другой - при температуре T2.Known microthermoelectric generator (Russia patent No. 2130216, publ. 05/10/1999) containing a housing made in the form of a mica board (substrate), a membrane (film), which is a single crystal n - InSb matrix, on which the indium current contacts are sprayed, to which soldered thin copper wires to measure EMF. One end of the membrane is maintained at a temperature of T1, and the other at a temperature of T2.

Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:Signs of an analogue coincide with the following features of the proposed utility model:

- корпус выполнен в виде пластины (подложки);- the housing is made in the form of a plate (substrate);

- мембрана выполнена в виде пленки.- the membrane is made in the form of a film.

К недостаткам известного аналога можно отнести невысокий КПД из-за сложности поддержания высокого градиента температур T1 и T2.The disadvantages of the known analogue include low efficiency due to the difficulty of maintaining a high temperature gradient T1 and T2.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является микротермоэлектрогенератор (US, патент №2011/0083710 А1, опубл. 04.14.2011 г.), содержащий корпус, выполненный в виде платы из кремния с сетчатой структурой, камеру сгорания, мембрану с нанесенным слоем платинового катализатора, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, размещенную на мембране, и металлическую крышку. Мембрана выполнена в виде непроницаемой кремниевой пленки. Камера сгорания и термоэлектрическая батарея размещены по разные стороны мембраны. В качестве топлива используется углеводородно-воздушная смесь, сгорающая на катализаторе в камере сгорания, что приводит к нагреву мембраны и горячего спая термоэлектрической батареи.Closest to the proposed utility model is a microthermoelectric generator (US Patent No. 2011/0083710 A1, publ. 04/04/2011), comprising a housing made in the form of a silicon board with a mesh structure, a combustion chamber, a membrane with a layer of platinum catalyst, a semiconductor thermoelectric battery located on the membrane, and a metal cover. The membrane is made in the form of an impermeable silicon film. The combustion chamber and thermoelectric battery are located on opposite sides of the membrane. The fuel used is a hydrocarbon-air mixture, which is burned on the catalyst in the combustion chamber, which leads to the heating of the membrane and the hot junction of the thermoelectric battery.

Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:The features of the prototype coincide with the following features of the proposed utility model:

- корпус выполнен в виде платы из кремния с сетчатой структурой;- the housing is made in the form of a silicon board with a mesh structure;

- на мембрану нанесен слой платинового катализатора;- a platinum catalyst layer is deposited on the membrane;

- полупроводниковая термоэлектрическая батарея размещена на мембране;- a semiconductor thermoelectric battery is placed on the membrane;

- крышка выполнена из металла.- the cover is made of metal.

К недостаткам известного прототипа можно отнести невысокий КПД, обусловленный неполным сгоранием топлива из-за непроницаемости мембраны, а также невысокий градиент температур Т1 и Т2, обусловленный значительным уровнем теплопроводности по мембране как в продольном, так и в поперечном направлении.The disadvantages of the known prototype include a low efficiency due to incomplete combustion of the fuel due to the impermeability of the membrane, as well as a low temperature gradient T1 and T2, due to the significant level of thermal conductivity along the membrane in both longitudinal and transverse directions.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель состоит в повышении КПД устройства.The problem to which the proposed utility model is aimed is to increase the efficiency of the device.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении полноты сгорания топлива, а также повышении температуры на горячих концах (спаях) термоэлектрической полупроводниковой батареи.The technical result achieved by solving the problem lies in increasing the completeness of fuel combustion, as well as increasing the temperature at the hot ends (junctions) of a thermoelectric semiconductor battery.

Технический результат достигается за счет того, что в микротермоэлектрогенераторе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из кремния с сетчатой структурой, камеру сгорания, мембрану с нанесенным слоем платинового катализатора, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, размещенную на мембране, и металлическую крышку, мембрана выполнена из проницаемого нанопористого оксида алюминия, а камера сгорания размещена по одну сторону мембраны вместе с термоэлектрической полупроводниковой батареей.The technical result is achieved due to the fact that in a microthermoelectric generator containing a housing made in the form of a silicon board with a mesh structure, a combustion chamber, a membrane coated with a platinum catalyst layer, a semiconductor thermoelectric battery placed on the membrane, and a metal cover, the membrane is made of permeable nanoporous aluminum oxide, and the combustion chamber is placed on one side of the membrane along with a thermoelectric semiconductor battery.

Существенными признаками, отличающими предлагаемую полезную модель от близкого аналога (прототипа), являются: выполнение мембраны из проницаемого нанопористого оксида алюминия и расположение камеры сгорания по одну сторону мембраны вместе с термоэлектрической батареей.The essential features that distinguish the proposed utility model from a close analogue (prototype) are: the membrane is made of permeable nanoporous aluminum oxide and the location of the combustion chamber on one side of the membrane together with a thermoelectric battery.

Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.These essential features are sufficient to achieve the claimed technical result.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема устройства. На фиг. 2 представлен фрагмент конструктивной схемы, а именно - мембрана с элементами полупроводниковой термоэлектрической батареи, в другой пропорции.The essence of the proposed utility model is illustrated by graphic images. In FIG. 1 shows a schematic structural diagram of a device. In FIG. 2 shows a fragment of a structural diagram, namely, a membrane with elements of a semiconductor thermoelectric battery, in a different proportion.

Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из кремния, в которой создана сетчатая структура. На плате 1 закреплена мембрана 2, выполненная их проницаемого нанопористого оксида алюминия. На мембране 2 сформирована полупроводниковая термоэлектрическая батарея 3 с нанесенным на ее поверхности диэлектрическим покрытием 4 (фиг 2), например, из оксида или нитрида кремния. На поверхности мембраны 2 со стороны термоэлектрической батареи 3 нанесен слой 5 наночастиц платины, служащий катализатором процесса окисления топлива. Над мембраной 2 вместе с термоэлектрической батареей 3 расположена камера сгорания 6. Здесь же в зоне 6 находятся горячие спаи термоэлектрической батареи 3. Холодные спаи термоэлектрической батареи находятся в контакте с металлической крышкой 7.The device (Fig. 1) comprises a housing 1 made in the form of a silicon board in which a mesh structure is created. On the board 1 is fixed a membrane 2 made of permeable nanoporous alumina. A semiconductor thermoelectric battery 3 is formed on the membrane 2 with a dielectric coating 4 deposited on its surface (FIG. 2), for example, of silicon oxide or nitride. A layer 5 of platinum nanoparticles is deposited on the surface of the membrane 2 from the side of the thermoelectric battery 3, which serves as a catalyst for the oxidation of fuel. A combustion chamber 6 is located above the membrane 2 along with the thermoelectric battery 3. Here, in the zone 6, there are hot junctions of the thermoelectric battery 3. Cold junctions of the thermoelectric battery are in contact with the metal cover 7.

Устройство работает следующим образом. Газообразное топливо (фиг. 1), например, водород, по каналам в плате 1 подается в полость под мембраной 2. В полость над мембраной 2 подается окислитель. По порам в мембране 2 топливо проникает в зону реакции 6, где контактирует с платиновым катализатором 5 и окислителем, который подается в избытке. Реакция каталитического окисления протекает с выделением тепла. В результате расположенные рядом горячие спаи термоэлектрической батареи 3 нагреваются. Холодные спаи термоэлектрической батареи 3 находятся в тепловом контакте с материалом крышки 7, которая за счет высокой теплопроводности и большой площади обеспечивает их эффективное охлаждение. Продукты сгорания уносятся потоком из объема устройства. За счет постоянной разницы температур между горячими и холодными спаями термоэлектрической батареи 3 возникает ЭДС, которая может быть использована внешним потребителем.The device operates as follows. Gaseous fuel (Fig. 1), for example, hydrogen, is fed through the channels in the board 1 into the cavity below the membrane 2. An oxidizing agent is fed into the cavity above the membrane 2. Through the pores in the membrane 2, the fuel penetrates into the reaction zone 6, where it is in contact with the platinum catalyst 5 and the oxidizing agent, which is supplied in excess. The catalytic oxidation reaction proceeds with the release of heat. As a result, adjacent hot junctions of the thermoelectric battery 3 are heated. Cold junctions of the thermoelectric battery 3 are in thermal contact with the material of the cover 7, which due to its high thermal conductivity and large area ensures their effective cooling. The combustion products are carried away by the flow from the volume of the device. Due to the constant temperature difference between the hot and cold junctions of the thermoelectric battery 3, an EMF occurs, which can be used by an external consumer.

Материал, из которого выполнена мембрана 2, может быть получен по технологии многостадийного электрохимического анодирования в растворах электролитов и может отличаться наличием пор с размерами от 10 до 500 нм, упорядочено расположенных перпендикулярно плоскости мембраны 2 в виде плотной гексагональной упаковки (фиг 2). Пористость пленки нанопористого оксида алюминия может достигать 15-20%. Особенности расположения пор определяют высокую газопроницаемость мембраны (порядка 30 м³/м²·атм.·час).The material from which the membrane 2 is made can be obtained by the technology of multi-stage electrochemical anodization in electrolyte solutions and can differ in the presence of pores with sizes from 10 to 500 nm, arranged arranged perpendicular to the plane of the membrane 2 in the form of a dense hexagonal packing (Fig. 2). The porosity of the film of nanoporous alumina can reach 15-20%. Features of the location of the pores determine the high gas permeability of the membrane (about 30 m ³ / m ² · atm. · Hour).

Повышение КПД устройства достигается за счет следующих факторов. Во-первых, за счет полноты сгорания топлива. Во-вторых, за счет повышения температуры горячего спая. В-третьих, за счет пористой структуры мембраны, ее теплопроводность вдоль плоскости мембраны становится незначительной, (порядка 1.6 Вт/м/К), что уменьшает потери тепла и, как следствие, способствует увеличению температурного градиента.Increasing the efficiency of the device is achieved due to the following factors. Firstly, due to the completeness of fuel combustion. Secondly, by increasing the temperature of the hot junction. Thirdly, due to the porous structure of the membrane, its thermal conductivity along the membrane plane becomes insignificant (of the order of 1.6 W / m / K), which reduces heat loss and, as a result, contributes to an increase in the temperature gradient.

Использование предлагаемой полезной модели позволит получать электроэнергию путем прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электрический ток с повышенным КПД.Using the proposed utility model will allow to obtain electricity by directly converting the heat of combustion of fuel into electric current with increased efficiency.

Claims

A microthermoelectric generator comprising a housing made in the form of a silicon circuit board with a mesh structure, a combustion chamber, a membrane coated with a platinum catalyst layer, a semiconductor thermoelectric battery placed on the membrane, and a metal cover, characterized in that the membrane is made of permeable nanoporous aluminum oxide, and a combustion chamber is placed on one side of the membrane with a semiconductor thermoelectric battery.