RU2197054C1

RU2197054C1 - Термоэлектрический генератор (варианты)

Info

Publication number: RU2197054C1
Application number: RU2001111718A
Authority: RU
Inventors: З.Р. Исмагилов; М.А. Керженцев; Н.В. Шикина; С.В. Куденкова; И.З. Исмагилов
Original assignee: Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2003-01-20

Abstract

Изобретение предназначено для преобразования тепловой энергии сжигания топлива в электрическую. Термоэлектрический генератор работает на жидком или газообразном топливе и включает камеру каталитического сжигания топлива. Последняя содержит катализатор и термоэлектрические преобразователи, причем термоэлектрические преобразователи выполнены из множества термоэлементов, заключенных между двумя керамическими или металлическими пластинами. Камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем. Катализатор нанесен либо на высокотемпературную поверхность термоэлектрического преобразователя, либо на трехмерную структуру, расположенную на высокотемпературной поверхности термоэлектрического преобразователя и заполняющую внутреннее пространство камеры сжигания. Каталитическое сжигание топлива осуществляется на поверхности термоэлектрического преобразователя либо в непосредственной близости от нее. Для сжигания различных топлив подобраны оптимальные составы каталитических материалов, а также соотношение топливо/воздух таким образом, что температура в каталитической камере сжигания регулируется в пределах 105-600^oС. Конструкция генератора выполнена компактной и позволяет осуществить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к электрическим генераторам, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию в электрическую. Более конкретно изобретение относится к тем устройствам, где используется энергия сжигания топлива. Область применения - преимущественно автономные источники электроэнергии для освещения бытовых радио- и электроприборов, радиостанций, сигнальных ламп, маяков, а также для управления электроприборами на газо- и нефтепроводах.

Известны устройства, преобразующие тепловую энергию сжигания топлива в электрическую. Работающий на жидком топливе термоэлектрический генератор с противоточным регенеративным теплообменником (патент США 4218266, H 01 L 35/28, опубл. 19.08.80 г.) включает: камеру сгорания с входным и выходным отверстиями, установленные на ее стенках термоэлектрические преобразователи, источник жидкого углеводородного топлива, средства для распыления топлива, средства для подачи воздуха и образования горючей смеси топлива с воздухом, средства для зажигания горючей смеси и средства для предварительного нагрева воздуха, подаваемого на смешение с распыленным топливом - теплообменник, установленный на выходе из камеры сгорания. Таким образом, используется тепло выходящих из камеры сгорания газов и увеличивается эффективность генератора. Температура отходящих газов при прохождении через теплообменник снижается с 700 до 200^oС, за счет этого снижается вероятность обнаружения генератора по инфракрасному излучению.

Термоэлектрическая полевая горелка (патент США 4773847, H 01 L 35/28, опубл. 27.09.88 г.) работает на жидком топливе, в двух режимах: режиме зажигания и в стационарном режиме. Из описания очевидно, что работа этой горелки основана на каталитическом сжигании топлива. Согласно формуле изобретения, термоэлектрическая горелка включает предварительную (стартовую) горелку, средства для подачи воздуха в смеси с распыленным жидким топливом в стартовую горелку в режиме зажигания, средства для зажигания горючей смеси в стартовой горелке, средства для отключения средств зажигания и прекращения подачи жидкого топлива в стартовую горелку, когда ее стенки прогреются до определенной температуры; главную горелку, соединенную со стартовой горелкой, средства для введения горючей смеси после выключения стартовой горелки, средства для зажигания горючей смеси в главной горелке, средства для управления главной горелкой при сжигании горючей смеси в стационарном режиме; множество термоэлектрических преобразователей, расположенных вокруг главной горелки, и средства для переноса тепла от главной горелки при работе ее в стационарном режиме к термоэлектрическим преобразователям для выработки электроэнергии. В частном случае главная горелка выполнена таким образом, что ее ограничивают перфорированные керамические пластины из каталитического материала (либо с каталитическим покрытием). Предусмотрена охлаждающая система для термоэлектрических преобразователей, включающая трубопровод, охлаждающие ребра, примыкающие к каждому из термоэлектрических преобразователей, и охлаждающий вентилятор. Полевая термоэлектрическая горелка используется как автономный источник тепла (для приготовления пищи) и электрической энергии.

Известен термоэлектрический генератор, включающий каталитическую горелку и цилиндрический кожух, содержащий теплообменную жидкость (патент США 3881962, H 01 V 1/00, опубл. 6.05.75 г.), работающий на жидком и газообразном топливе. Согласно п.1 формулы изобретения, термоэлектрический генератор включает горелку для сжигания топлива, в присутствии кислорода; бойлер, включающий цилиндрический кожух, содержащий нагреваемую жидкость и расположенный вокруг полой центральной части, в которой размещена горелка для нагревания жидкости; множество термоэлектрических преобразователей для перевода тепловой энергии в электрическую; множество каналов для подачи нагретой жидкости от кожуха к термоэлектрическим преобразователям и для возврата жидкости в кожух; теплоаккумулирующие средства, находящиеся в тепловом контакте с каналами для отвода тепла от термоэлектрических преобразователей; горелка включает каталитический реактор, расположенный в центральной части внутри бойлера и содержащий внешнюю реакционную поверхность для полного сжигания топлива, расположенную вблизи кожуха.

В термоэлектрическом генераторе используется теплоперенос от жидкой фазы к газообразной с помощью бойлера, внутри которого расположена горелка. Тепло от сжигания топлива нагревает кожух, внутри которого находится испаряющаяся жидкость. Полученный таким образом пар течет по ряду теплообменных трубок, отходящих от бойлера к горячим соединениям термоэлементов. Электроэнергия вырабатывается за счет разности потенциалов между горячими и холодными соединениями термоэлементов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является термоэлектрический генератор, описанный в патенте США 3881962. Заявляемый термоэлектрический генератор также работает как на жидком, так и на газообразном топливе, и в нем используется каталитическое сжигание. В термоэлектрическом генераторе, описанном в патенте США 3881962, область сжигания топлива конструктивно отделена от места расположения термоэлементов. В других описанных выше устройствах предусмотрено охлаждение термоэлементов с помощью вентилятора или теплообменника. Это связано с тем, что область, где расположены термоэлементы, должна иметь температуру, не превышающую 200^oС. Решение этой задачи в известных устройствах приводит к усложнению их конструкции, увеличению габаритов и, следовательно, к увеличению стоимости изделия.

Задача, решаемая изобретением: упрощение конструкции, компактность и удешевление изделия, повышение эффективности его работы.

Сущность изобретения и его отличительные признаки.

Поставленная задача решается следующим образом. Предложен термоэлектрический генератор, преобразующий тепло сжигания жидкого или газообразного топлива, включающий камеру каталитического сжигания топлива, содержащую катализатор, и термоэлектрические преобразователи, причем термоэлектрические преобразователи состоят из множества термоэлементов и заключены между двумя керамическими или металлическими пластинами; камера каталитического сжигания образована по крайней мере одним термоэлектрическим преобразователем; катализатор нанесен на высокотемпературную поверхность термоэлектрического преобразователя, в качестве катализатора на поверхность термоэлектрических преобразователей нанесен по крайней мере один благородный металл в виде частиц, фольги или проволочной сетки;
либо катализатор нанесен в виде частиц на вторичный слой, например, оксида алюминия, полученный золь-гель методом на поверхности термоэлектрических преобразователей;
либо в качестве катализатора на поверхность термоэлектрических преобразователей нанесен по крайней мере один оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода и благородные металлы в виде частиц.

В другом варианте предлагаемого термоэлектрического генератора камера каталитического сжигания образована по крайней мере одним термоэлектрическим преобразователем и заполнена трехмерной структурой, содержащей катализатор и расположенной на высокотемпературной поверхности термоэлектрического преобразователя,
в качестве катализатора трехмерная структура содержит по крайней мере один благородный металл и/или оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода;
в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена металлом в виде губки;
либо в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена керамическим высокопористым ячеистым материалом, на который нанесен катализатор в виде частиц;
либо в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена волокнистым материалом, на который нанесен катализатор в виде частиц.

Заявляемый термоэлектрический генератор содержит источник топлива, средства для смешения топлива с воздухом и средства для подачи горючей смеси в камеру каталитического сжигания.

Заявляемый термоэлектрический генератор содержит средства для предварительного нагревания катализатора до температуры начала каталитической реакции окисления топлива, например, электрический нагреватель и средства для его отключения после достижения температуры каталитической реакции.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого термоэлектрического генератора являются:
- термоэлектрические преобразователи выполнены в виде двух керамических или металлических пластин, между которыми заключены термоэлементы;
- камера каталитического сжигания образована по крайней мере одним термоэлектрическим преобразователем;
- катализатор нанесен на высокотемпературную поверхность термоэлектрических преобразователей;
в другом варианте термоэлектрического генератора:
- катализатор нанесен на трехмерную структуру, расположенную на высокотемпературной поверхности термоэлектрических преобразователей, заполняющую внутреннее пространство камеры сжигания.

На фиг.1 изображена схема термоэлектрического генератора, работающего на газообразном топливе (соответствует первому из описанных вариантов). На фиг. 2 и 3 изображены схемы термоэлектрических генераторов, работающих преимущественно на жидком топливе (соответствуют второму из описанных вариантов). На всех схемах камеры сжигания изображены в продольном разрезе.

Изображенный на фиг. 1 термоэлектрический генератор содержит источник топлива 1, например баллон с пропан-бутановой смесью, узел смешения топлива с воздухом - эжектор 2, камеру каталитического сжигания 3, верхняя и нижняя стенки которой образованы термоэлектрическими преобразователями 4 с нанесенным на их высокотемпературные поверхности катализатором 5. Для предварительного прогрева катализатора камера сжигания снабжена электронагревателем 6.

Изображенный на фиг.2 работающий преимущественно на жидком топливе термоэлектрический генератор содержит емкость с топливом, например бензином 7, откуда через распределительное устройство 8 топливо поступает в расположенную ниже камеру каталитического сжигания 3, верхняя стенка которой выполнена с перфорацией для доступа воздуха, а нижняя стенка образована термоэлектрическим преобразователем 4, к высокотемпературной поверхности которого присоединена трехмерная каталитическая структура 9, заполняющая внутренний объем камеры сжигания 3. Для предварительного прогрева катализатора камера сжигания снабжена электронагревателем (на схеме не показан).

Изображенный на фиг. 3 термоэлектрический генератор также работает на жидком топливе и отличается от изображенного на фиг.2 системой подачи топлива. В данном случае емкость с топливом 7 расположена снизу от камеры сжигания 3 и снабжена фитилем 10, верхняя стенка камеры сжигания образована термоэлектрическим преобразователем 4, к высокотемпературной поверхности которого присоединена трехмерная каталитическая структура 9.

Заявляемый термоэлектрический генератор работает следующим образом. Рассмотрим 1-й вариант термоэлектрического генератора, изображенный на фиг.1. Предварительный нагрев катализатора 5 до температуры каталитического окисления углеводородов осуществляют включением электронагревателя 6, работающего от аккумулятора. При достижении необходимой температуры электронагреватель отключают. В камеру каталитического сжигания 3 через эжектор 2 подают смесь топлива с воздухом. Сжигание топлива осуществляется на поверхности катализатора 5, нанесенного на термоэлектрические преобразователи 4. Поверхности термоэлектрических преобразователей с нанесенным катализатором нагреваются и возникает разность температур между горячими и холодными соединениями термоэлементов.

Изображенный на фиг.2 термоэлектрический генератор (2-й вариант) работает аналогично. Жидкое топливо из емкости 7 через распределительное устройство 8 подают в камеру каталитического сжигания 3, где оно распределяется по трехмерной каталитической структуре 9. Воздух в камеру 3 поступает через перфорированную верхнюю стенку. После достижения температуры каталитической реакции (нагрев осуществляют с помощью электронагревателя, на схеме не показан) начинается каталитическое сжигание топлива во всем объеме камеры 3 и поверхность термоэлектрического преобразователя 4, образующего нижнюю стенку камеры сжигания 3, нагревается.

Изображенный на фиг.3 термоэлектрический генератор (2-й вариант) работает аналогично. Отличие заключается в том, что жидкое топливо из емкости 7, расположенной снизу, поступает по фитилю 10 в камеру 3 и распределяется по трехмерной каталитической структуре 9, термоэлектрический преобразователь 4 образует верхнюю стенку камеры сжигания; воздух в камеру сжигания поступает через перфорированную боковую стенку.

В приведенных ниже примерах конкретного выполнения заявляемого термоэлектрического генератора описаны составы каталитических материалов и способы их нанесения на поверхность термоэлектрических преобразователей, либо на трехмерную структуру, заполняющую камеру каталитического сжигания.

Пример 1. Камера сжигания образована двумя термоэлектрическими преобразователями, в свободное пространство между которыми подают топливовоздушную смесь (фиг.1). На высокотемпературные поверхности пластин термоэлектрических преобразователей, обращенные в камеру сжигания, нанесена мелкодисперсная платина в количестве 0,5 мас. % по отношению к массе пластины. Катализатор предварительно нагревают электронагревателем до температуры зажигания (100-150^oС). После нагрева катализатора электронагреватель отключают и в камеру сгорания подают смесь водорода и воздуха, содержащую 3 об. % водорода, с расходом 10 м³/ч. В результате каталитической реакции происходит окисление водорода, выделяется тепло и происходит нагрев пластин термоэлектрических преобразователей за счет теплоты реакции до температуры 200-250^oС. В результате разности потенциалов между горячими и холодными соединениями термоэлементов вырабатывается электроэнергия. Электрическая мощность данного устройства составляет 30 Вт при общей тепловой мощности устройства - 900 Вт.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, но отличается тем, что на пластины термоэлектрических преобразователей золь-гель методом нанесен вторичный слой из γ-Аl₂О₃. На вторичный слой нанесена мелкодисперсная платина в количестве 0,5 мас. % по отношению к массе вторичного слоя.

Пример 3. Аналогичен примеру 1, но отличается тем, что в качестве топлива используют бутан. Катализатор предварительно нагревают электронагревателем до температуры зажигания (200-250^oС). После нагрева катализатора электронагреватель отключают и в камеру сжигания подают смесь бутана и воздуха, содержащую 5 об. % бутана, с расходом 10 м³/ч. В результате каталитической реакции происходит окисление бутана и нагрев пластин термоэлектрических преобразователей за счет теплоты реакции до температуры 400-450^oС. В результате разности потенциалов между горячими и холодными соединениями термоэлементов вырабатывается электроэнергия. Электрическая мощность данного устройства составляет 60 Вт при общей тепловой мощности устройства - 1770 Вт.

Пример 4. Аналогичен примеру 3, но отличается тем, что на пластины термоэлектрических преобразователей золь-гель методом нанесен вторичный слой из γ-Аl₂О₃. На вторичный слой нанесена мелкодисперсная платина в количестве 0,5 мас. % по отношению к массе вторичного слоя.

Пример 5. Аналогичен примеру 4, но отличается тем, что на вторичный слой методом пропитки нанесены оксид марганца и мелкодисперсный палладий в количествах соответственно 5 и 0,1 мас. % по отношению к массе вторичного слоя.

Пример 6. Рассмотрим 2-й вариант термоэлектрического генератора, изображенный на фиг. 2. Нижняя стенка камеры сжигания образована термоэлектрическим преобразователем. К высокотемпературной поверхности пластины, обращенной в камеру сгорания, присоединена трехмерная структура из пенометалла (Ni, Ni-Cr). На пенометалл нанесен вторичный слой из γ-Аl₂О₃. На вторичный слой нанесена мелкодисперсная платина в количестве 0,5 мас. % по отношению к массе вторичного слоя. Над трехмерной каталитически активной структурой расположено распределительное устройство подачи топлива в виде множества перфорированных труб. Воздух в камеру сгорания поступает через перфорированную верхнюю стенку. Трехмерную структуру из пенометалла предварительно нагревают электронагревателем до температуры зажигания (200-250^oС). После нагрева катализатора электронагреватель отключают и в камеру сжигания подают метанол с расходом 0,32 кг/ч (0,4 л/ч) и воздух с расходом 10 м³/ч. Метанол испаряется в трубках распределительного устройства и равномерно поступает в каталитически активный слой пенометалла. В результате каталитической реакции окисления метанола происходит разогревание слоя пенометалла до температуры 400-450^oС и нагрев пластины термоэлектрического преобразователя до температуры 200-250^oС за счет переноса тепла от трехмерной структуры. В результате разности потенциалов между горячими и холодными соединениями термоэлементов вырабатывается электроэнергия. Электрическая мощность данного устройства составляет 60 Вт при общей тепловой мощности устройства -1770 Вт.

Пример 7. Аналогичен примеру 6, но в качестве топлива используется этанол, подаваемый с расходом 0,23 кг/ч (0,29 л/ч).

Пример 8. Аналогичен примеру 6, но в качестве трехмерной структуры используют керамический высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ). На ВПЯМ золь-гель методом нанесен вторичный слой из γ-Аl₂О₃. На вторичный слой методом пропитки нанесены оксид марганца и мелкодисперсный палладий в количествах соответственно 5 и 0,1 мас.% по отношению к массе вторичного слоя.

Пример 9. Аналогичен примеру 6, но в качестве трехмерной структуры используют волокнистый алюмосиликатный материал. На волокнистый материал методом пропитки нанесен каталитически активный слой оксида железа и мелкодисперсной платины в количествах соответственно 10 и 0,1 мас. %.

Пример 10. Аналогичен примеру 9, но отличается устройством подачи топлива (фиг. 3). Жидкое топливо (метанол) поступает за счет капиллярных сил по фитилю, нижний конец которого помещен в емкость с топливом, а верхний конец размещен в трехмерной структуре из волокнистого материала, на который нанесен катализатор.

Приведенные примеры показывают работоспособность заявляемого устройства, а именно возможность получения электроэнергии путем преобразования тепловой энергии каталитического сжигания различных видов топлива. Описанные в примерах виды топлива и составы катализаторов не являются исчерпывающими, они иллюстрируют возможность выполнения термоэлектрического генератора, в камере сжигания которого поддерживается необходимый интервал температур.

Заявляемый термоэлектрический генератор имеет простую конструкцию и позволяет преобразовывать теплоту каталитического сжигания топлива в электроэнергию без промежуточного теплоносителя и без применения дополнительных средств для охлаждения термоэлементов. Это позволяет значительно упростить и удешевить изделие и тем самым сделать его более компактным и эффективным.

Claims

1. Термоэлектрический генератор, преобразующий тепло сжигания топлива, включающий камеру каталитического сжигания топлива, содержащую катализатор, термоэлектрические преобразователи, источник топлива, средства для смешения топлива с воздухом и средства для подачи горючей смеси в камеру каталитического сжигания, средства для предварительного нагревания катализатора до температуры каталитической реакции окисления топлива, например электрический нагреватель, и средства для его отключения после достижения температуры каталитической реакции, отличающийся тем, что термоэлектрические преобразователи выполнены из множества термоэлементов, заключенных между двумя керамическими или металлическими пластинами, камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем и катализатор нанесен на высокотемпературную поверхность термоэлектрического преобразователя.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора на поверхность термоэлектрических преобразователей нанесен, по крайней мере, один благородный металл в виде частиц, фольги или проволочной сетки.

3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что катализатор нанесен в виде частиц на вторичный слой, например, оксида алюминия, полученный золь-гель методом на поверхности термоэлектрических преобразователей.

4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора на поверхность термоэлектрических преобразователей нанесен, по крайней мере, один оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода и благородные металлы, в виде частиц.

5. Генератор по п. 4, отличающийся тем, что катализатор нанесен в виде частиц на вторичный слой, например, оксида алюминия, полученный золь-гель методом на поверхности термоэлектрических преобразователей.

6. Термоэлектрический генератор, преобразующий тепло сжигания топлива, включающий камеру каталитического сжигания топлива, содержащую катализатор, термоэлектрические преобразователи, источник топлива, средства для смешения топлива с воздухом и средства для подачи горючей смеси в камеру каталитического сжигания, средства для предварительного нагревания катализатора до температуры каталитической реакции окисления топлива, например, электрический нагреватель, и средства для его отключения после достижения температуры каталитической реакции, отличающийся тем, что термоэлектрические преобразователи выполнены из множества термоэлементов, заключенных между двумя керамическими или металлическими пластинами, камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем и заполнена трехмерной структурой, содержащей катализатор и расположенной на высокотемпературной поверхности термоэлектрического преобразователя.

7. Генератор по п. 6, отличающийся тем, что в качестве катализатора трехмерная структура содержит, по крайней мере, один благородный металл и/или оксид металла, выбранного из группы, включающей переходные металлы IV периода.

8. Генератор по п. 6, отличающийся тем, что в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена металлом в виде губки.

9. Генератор по п. 6 или 7, отличающийся тем, что в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена керамическим высокопористым ячеистым материалом, на который нанесен катализатор в виде частиц.

10. Генератор по п. 6 или 7, отличающийся тем, что в качестве трехмерной структуры камера каталитического сжигания заполнена волокнистым материалом, на который нанесен катализатор в виде частиц.