DE4016930C2

DE4016930C2 - Thermoelektrischer Konverter nach dem AMTEC-Prinzip

Info

Publication number: DE4016930C2
Application number: DE19904016930
Authority: DE
Inventors: Franz Huber; Wilhelm Peppler; Helmut Will
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2010-05-26
Also published as: DE4016930A1; DE4042356C2; DE4042356A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Konverter nach dem AMTEC-Prinzip gem. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einem solchen thermoelektrischen Konverter wird Wärme direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dies geschieht, in einem thermoelektrischen Prozeß, ohne daß bewegliche Teile benötigt werden, z. B. in dem sogen. AMTEC-Prozeß.

Das Funktionsprinzip ist z. B. aus:
T. Cole
Thermoelectric energy conversion with solid electrolytes Science, Vol. 221, p. 915, 1983 und
J. V. Lasecki, R. F. Novak, J. R. McBride, J. T. Brickway, and T. K. Hunt
Research Staff, Ford Motor Company
A one hundred watt sodium heat engine
Copyright American Institute of Aeronautics and Astronomics, Inc., 1987,
bekannt und wird zum Verständnis kurz erläutert.

Der thermodynamische Prozeß kann in erster Näherung mit einem isothermen Kreisprozeß verglichen werden. Eine Zelle besteht im wesentlichen aus dem Zellengehäuse, dem rohrförmigen Festelektrolyten mit anliegender poröser, mehrschichtiger Elektrode auf der Außenseite und der isolierten Stromabführung aus dem Gehäuse. In dem Inneren des Festelektrolyten befindet sich Natrium hoher Temperatur (700°C bis 1000°C) bei entsprechendem Sättigungsdruck von 0,2 bis 2,0 bar. Das Natrium wird durch eine Wärmequelle auf dieser Temperatur gehalten. Im Außenraum um den Elektrolyten ist Natriumdampf bei 10^-3 bis 10^-5 bar der an der als Wärmesenke ausgebildeten von außen gekühlten Gehäusewand kondensiert. Durch das Energiepotential über den Elektrolyten werden Natriumionen (+), und nur für solche besteht eine Durchlässigkeit, auf die Unterdruckseite transportiert. Dadurch ergibt sich eine Ladungsdifferenz über der Wand des Festelektrolyten. Auf der Seite mit hohem Druck herrscht ein Überschuß von Elektronen, sie ist daher negativ. Bleibt der Stromkreis offen, stellt sich entsprechend dem Gefälle eine maximale Spannung ein, der weitere Ionentransport hört auf. Bei Belastung des Stromkreises stellen sich niedrigere Spannungen ein, da das System einen Innenwiderstand besitzt. Die auf der Niederdruckseite ankommenden Natriumionen rekombinieren mit den Elektronen zu Natriumatomen, die dampfförmig zur Kondensatoberfläche wandern. Das kondensierte Natrium wird mit einer elektromagnetischen Pumpe in die Zelle zurückgefördert. Wegen der geringen spezifischen Natriummenge wird weniger als 1% der elektrischen Leistung für den Pumpvorgang benötigt.

Das AMTEC-Verfahren weist die folgenden Kennwerte auf:

Zur Optimierung eines solchen AMTEC-Systems, insbesondere im Hinblick auf den erreichbaren Wirkungsgrad müssen nun folgende Probleme gelöst werden:

Serienschaltung und Einkopplung der Prozeßwärme

Um technisch verwertbare Spannungen aus einem AMTEC-System zu gewinnen, müssen viele Festelektrolytkörper in Serie geschaltet werden. Eine weitere Bedingung zur Optimierung eines AMTEC-System besteht darin, daß die Prozeßwärme von der Wärmequelle möglichst gleichmäßig an die Wand des Festelektrolyten übertragen wird. Dies wird bisher durch Flüssigmetallumwälzung über einen externen Wärmetauscher oder durch Wärmeeinstrahlung von außen auf den Festelektrolyten erreicht. Beide Methoden haben folgende konstruktive und verfahrenstechnische Nachteile. Eine Serienschaltung mehrerer Festelektrolyten in einem Gehäuse wurde bisher so verwirklicht, daß die Einzelzellen durch isolierende Aluminiumoxidkörper elektrisch getrennt im Gehäuse angeordnet werden. Die für den Prozeß erforderliche geringe Menge Natrium wird über Kapillarrohre, die an eine gemeinsame elektromagnetische Pumpe angeschlossen sind, zurück in jede Einzelzelle gefördert.

Diese Kapillarrohre stellen einen elektrischen Nebenschluß dar und führen damit zu einem elektrischen Leitungsverlust. Die Wärme für den eigentlichen Prozeß wird durch Wärmestrahlung von außen in die Festelektrolyten übertragen. Diese Übertragung führt leicht zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in axialer Richtung der Festelektrolyten, was eine ungleichmäßige lokale Leistungserzeugung und Belastung zur Folge hat.

Wärmeverluste durch Strahlung

Wärmeverluste durch Wärmestrahlung von dem bis auf zu 1000°C befindlichen Festelektrolyten zu der gegenüberstehenden 300°C bis 400°C heißen Kondensatorfläche mindern den Umwandlungswirkungsgrad der Anordnung erheblich. Die bekannte Lösung sieht eine Verspiegelung der Kondensatorfläche vor. Auch bei optimaler Verspiegelung bleiben die Wärmeverluste noch zu hoch. Der Wirkungsgrad wird auch dann noch zu sehr reduziert. Als weiterer erwiesener Nachteil ist mit zu berücksichtigen, daß bei längerem Betrieb diese Verspiegelung unwirksam werden kann.

Aus der US-PS 48 08 240 ist ein Konverter mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Weiter ist es aus der US-PS 45 10 210 bekannt, den unter dem Rohr außerhalb der Seitenwände des Gehäuses, an denen die Wärmezufuhr erfolgt, gelegenen Teil des Gehäuses als Kondensatorfläche auszubilden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, bei einem thermoelektrischen Konverter der eingangs beschriebenen Art die Wärmeverluste durch Wärmestrahlung zu verringern und dabei eine verbesserte Serienschaltung der Konverterelemente zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale h) bis k) vor. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Konverters ergeben sich aus den Kennzeichen der Unteransprüche 2 bis 6.

Durch den nach oben gesetzten Kondensator ist es nun möglich, das Zellengehäuse auf annähernd gleicher Temperatur wie den Festelektrolyten zu halten. Damit entfallen die Wärmeverluste durch Strahlung zu einer relativ kalten Oberfläche hin fast vollständig. Da der Natriumdampf aus dem AMTEC-Prozeß jedoch axial abgeführt werden muß, entstehen Druckverluste, die eine gewisse Wirkungsgradreduzierung bewirken könnten. Durch eine großflächige Ausführung der Strömungswege bleiben die Verluste gering. Der Gewinn durch den Wegfall der Strahlungsverluste ist jedoch sehr viel höher als der Verlust durch den vergrößerten Druckabfall, wenn von Kondensationstemperaturen größer als 350°C ausgegangen wird.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Wärmeeinkopplung über Wärmestrahlung in Verbindung mit einem bei Naturkonvektion arbeitenden Flüssigmetallsiedekreislauf. Durch eine geringfügige Temperaturerhöhung im Bereich der Dichtungsstelle Festelektrolyt-Metall bzw. Gehäuse wird ein elektrisch isolierender Abschnitt auf der Oberfläche des Festelektrolyten erreicht. Erst dadurch wird eine besonders günstige Serienschaltung ermöglicht und damit die abgegebene Spannung erhöht, der Strom entsprechend erniedrigt. Ebenfalls werden Leistungs- und Wärmeverluste entscheidend verringert. Bei dem neuen Konverter werden die Wärmestrahlungsverluste durch spezielle Anordnung des Kondensators minimiert. Durch diese Anordnung wird eine zusätzliche Wärmerückgewinnung durch den Einbau eines Rekuperators ermöglicht. Der Flüssigmetallsiedekreislauf bewirkt des weiteren eine gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung des Festelektrolyten und damit eine Reduzierung der thermischen Beanspruchung dieser keramischen Komponente.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch das Ausführungsbeispiel des neuen Konverters und

Fig. 2 die Einzelheit A in der Fig. 1.

Das einzelne Konverterelement gem. der Fig. 1 besteht im wesentlichen aus der eigentlichen stromabgebenden Zelle mit den Elementenzellengehäuse 1 aus Metall, Festelektrolytabschnitte 2, Elektrodenabschnitte 3 außen und Elektrodenabschnitte 4 innen jeweils aus leitendem Material. Bei der dargestellten Ausführungsform sind jeweils, wie später ausgeführt wird, mehrere Abschnitte 2 übereinander bzw. elektrisch hintereinander geschaltet, prinzipiell würde jedoch ein einzelner genügen.

Räumlich über den Elementen 1 bis 4 der stromabgebenden Zellen ist der Kondensator 5 angeordnet, der aus dem Kondensatorraum 6 und der Kondensationsfläche 7 besteht und ein geschlossenes Metallgehäuse bildet. Der Raum 6 steht in Verbindung mit dem oberen Außenraum 8 im Gehäuse 1, d. h. dieser mündet mit seinem oben offenen Ende 9 in den Kondensatorraum 6. Um das Ende 9 herum liegt der untere ringförmige Teil 10 des Kondensatorraumes 6, von welchem Kanäle 11 zum Ableiten des Kondensates wegführen. Der Kondensator 5 weist dabei etwas größeren Durchmesser als das Ende 9 auf.

Die Stromableitung von dem obersten der äußeren Elektrodenabschnitte 3 erfolgt durch den Kondesator 5 über das Zwischenstück 12 als Stromleiter und die darüber angeschlossene, gegenüber dem Gehäuse 1 isolierte Durchführung 13 als Pluspol. Im oberen Bereich des Kondensatorraumes 6 können Strahlungsbleche 14 angeordnet sein. Im Kondensatorraum 6 kann zur Wärmerückgewinnung zusätzlich eine Rekuperatorschleife 15 eingebaut werden.

Wie bereits erwähnt, sind bei der dargestellten Ausführung mehrere Elektrolytabschnitte 2 zur Erhöhung der Spannung hintereinanderliegend in Abschnitte aufgeteilt und elektrisch hintereinander geschaltet. Eine Verbindungsstelle ist vergrößert in der Fig. 2 dargestellt. Entsprechend der Aufteilung des Festelektrolyten 2 in ein oberes Teil 2a und ein unteres 2b sind auch die inneren und äußeren Elektroden 3 und 4 in Abschnitte 3a und 3b bzw. 4a und 4b unterteilt. Durch einen metallisch leitenden Zwischenring 16 werden jeweils die oberen a von den unteren Teilstücken b des Elektrolyten 2 getrennt und gleichzeitig an der Verbindungsstelle von innen nach außen abgedichtet, so daß der Innenraum 17 im Festelektrolyten 2 vom Außenraum 18 getrennt bleibt. Dieser Außenraum 18 mündet nach oben in den oberen Außenraum 8.

Die Rohrabschnitte 2a, b mit den Elektrodenschichten 3a, b und 4a, b sind durch die leitenden Ringe 16 voneinander getrennt, auf denen sie aufsitzen, wobei die jeweils eine oder weitere innere Elektrodenschicht z. B. 4a mit dem oder den Ringen 16 elektrisch in Verbindung stehen und jeweils eine äußere Elektrodenschicht 3b eines unteren Rohrabschnittes von außen durch eine Brücke 19 elektrisch an den oder bei Hintereinanderschaltung an die Ringe 16 angeschlossen sind.

Eine Serienschaltung zur Erhöhung der Spannung geht somit von einer oder der oberen Innenelektrode 4a über den oder die Zwischenringe 16 zu der oder den unteren Außenelektroden 3b.

Die Ringe 16 besitzen dabei an ihrem inneren Rand 20 eine nach unten weisende Tropfkante 21, deren Spitze das Natrium ohne elektrische Leitung auf die Oberkante 22 der nächst unteren inneren Elektrodenschicht 4b tropfen läßt. Die ist deswegen erforderlich, um einen Kurzschluß durch den an der Innenseite der Festelektrolyten abfließenden Natriumfilm zu vermeiden, denn der Natriumkreis arbeitet mit gesättigtem Dampf der wiederum kondensiert.

Die Funktionsweise an dieser Stelle gem. der Fig. 2 ist nun folgende:
Ein Teil Q_zu2 der Prozeßwärme wird von außen durch die Wand des Gehäuses 1 in den Festelektrolyten 2 durch Strahlung übertragen, d. h. gegenüber dem Festelektrolyten 2 befindet sich außen eine strahlende Fläche, die eine höhere Temperatur als die Natriumsättigungstemperatur aufweist. Der von Elektrodenschichten 3b, 4b freie Abschnitt der Festelektrolyten 2b nimmt eine höhere Temperatur als die Sättigungstemperatur an. Ein Natriumfilm als unerwünschter elektrischer Kurzschluß tritt nicht auf. In den Übergängen zwischen den Abschnitten wird dem Elektrolyten 2 durch den Wandlerprozeß keine Wärme entzogen. Dies führt dazu, daß dort auch die Temperatur des Festelektrolyten 2 über die Sattdampftemperatur im Inneren ansteigt. Es kann sich kein Natriumfilm bilden, bzw. ein vorübergehend entstandener Natriumfilm wird sofort wieder verdampft. Ein isolierender Abschnitt zwischen den Elektrolytabschnitten 2 wird damit aufrechterhalten. Das kondensierte Natrium fließt von der oberen Innenelektrode 4a zum Zwischenring 16 und tropft über die Kante 21 ab. Zusätzlich muß die untere Innenelektrode 4b im isolierenden Bereich vom Festelektrolyten 2b an der Oberkante 22 nach innen gezogen werden, um das abtropfende Natrium wieder aufzufangen. Durch diese zwischengeschalteten Isolierstrecken ist es möglich, viele Abschnitte in einer Anordnung zur Serie zusammenzuschalten. Entscheidend ist, daß dabei nur ein Natriumsiedesystem zur Versorgung des AMTEC-Systems benötigt wird. Alle Nebenschlüsse, die sich leistungsmindernd auswirken, entfallen.

Am unteren Ende des Konverterelementes gem. Fig. 1 ist ein Siedefinger 23 in der Art eines Wärmerohres angebracht. Über diesen Siedefinger 23 wird ein Teil Q_zu1 der Prozeßwärme und in Pfeilrichtung 24 die erforderliche Natriummenge für den Wandlerprozeß selbst in den Zellmodul eingekoppelt, dabei erfolgt der Wärmeeintrag in die Zelle über die Dampfphase und bildet das Kondensat den erforderlichen Flüssigkeitsfilm. Um den Natriumkreislauf zu schließen, wird das Natriumkondensat aus dem nicht dargestellten Kondensatorsumpf zu einer Pumpe geleitet, die es ggf. durch den Rekuperator 15 zurück in den Siedefinger 23 pumpt. Der Siedefinger 23 bildet zusammen mit dem Gehäuse 1, der untersten inneren Elektrode 4, z. B. dem Teil 4b, den Minuspol des Konverters. Auf dem Siedefinger sitzen die - wie bereits im vorstehenden beschrieben - übereinanderliegenden und hintereinandergeschalteten Festelektrolytabschnitte 2. Das Zellengehäuse 1, über den ein Teil Q_zu2 eingekoppelt werden kann, umgibt diese mit Abstand, wobei der Siedefinger 23 unten aus dem Gehäuse 1 herausragt.

Die Anordnung Siedefinger 23 und darüberliegende Festelektrolytabschnitte 2 bildet eine Zweiphasennaturkonvektionsschleife, wie sie auch von Wärmerohren her bekannt ist. Die sich ausbildende, nach oben gerichtete gesättigte Dampfströmung 25 führt zur Vergleichmäßigung der Temperatur am Festelektrolyten 2 durch internen Dampftransport. Der Elektrolyt 2 wirkt zugleich als Kondensatorfläche, so daß sich auf der inneren Fläche ein Natriumfilm ausbildet, aus dem auch der eigentliche AMTEC-Prozeß gespeist wird. Der verbleibende Überschuß an kondensiertem Natrium fließt an der inneren Seite infolge der Schwerkraft nach unten zurück in den Siedefinger 23. Um den elektrischen Innenwiderstand möglichst gering zu halten - der Natriumfilm allein ist zu hoch - ist die Innenwand mit der inneren Elektrode 4, z. B. aus einem Metallvlies, versehen. Diese innere Elektrode 4 wird dabei vollkommen vom Natrium benetzt. Der überhitzte Natriumdampf aus dem AMTEC-Prozeß strömt im Gehäuse 1 nach oben und kondensiert an den Kondensationsflächen 9 im Kondensator 5. Das Kondensat wird danach durch den Kanal 11 abgeleitet.

Bezugszeichenliste

1 Zellengehäuse
2 Festelektrolyt
3 Elektrodenabschnitte außen
4 Elektrodenabschnitte innen
5 Kondensator
6 Kondensatorraum
7 Kondensationsfläche
8 oberer Außenraum
9 offenes Ende
10 ringförmiger Teil
11 Kanal
12 Zwischenstück
13 Durchführung
14 Strahlungsblech
15 Rekuperator
16 Zwischenring
17 Innenraum im Elektrolyt
18 Außenraum vom Elektrolyt
19 elektrische Brücke
20 Rand
21 Tropfkante
22 Oberkante
23 Siedefinger
24 Natriumeinlaß
25 Dampfströmung
26 Natriumdampf
Q_zu Wärmezufuhr

Claims

1. Thermoelektrischer Konverter nach dem AMTEC-Prinzip mit den folgenden Merkmalen:

a) einem Metallgehäuse (1) als Minuspol,
b) mindestens einem Rohr (2) im Gehäuseinnenraum aus einem Natriumionen transportierenden Festelektrolyt mit mindestens einer koaxial eng anliegenden porösen und leitenden Elektrodenschicht (3) auf der Rohraußenseite mit elektrischem Anschluß als Pluspol sowie einer vlies- oder siebartigen Metallstruktur im Rohr (2),
c) Gehäuseinnenraum und Rohrinnenraum sind druckmäßig voneinander getrennt,
d) flüssigem Natrium als Wärmeträger mit Zufuhr von unten an der Rohrinnenseite mit Wärmezufuhr (24) aus einer Wärmequelle,
e) innerem Überdruck im Rohr (2) zur Erzeugung einer Druckdifferenz,
f) einem Dampfraum (18) für Natriumdampf um das Rohr (2) herum bzw. um dessen Elektrodenschicht,
g) einer Kondensatorfläche (7) für den Natriumdampf als Teil des Gehäuses (1) mit Verbindung zum Dampfraum und Rückführung des kondensierten Natriums zur Wärmequelle,

gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

h) der Dampfraum (18) im Gehäuse (1) mündet mit seinem oberen offenen Ende (9) in den Kondensatorraum (6) eines den oberen Teil des Gehäuses (1) bildenden Kondensators (5), der größeren Durchmesser als das offene Ende (9) aufweist,
i) die von der Wand des Kondensators (5) gebildete Kondensatorfläche (7) liegt über dem Rohr (2) außerhalb des Bereiches der Wärmezufuhr Q_zu,
k) vom unteren ringförmigen Teil (10) des Kondensatorraumes (6) führen Kanäle (11) weg, die den Rückfluß des kondensierten Natriums in den Gehäuseinnenraum verhindern und das kondensierte Natrium der Wärmequelle wieder zuleiten.

2. Konverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

l) auf der Innenseite des Rohres (2) aus Festelektrolyt ist eine weitere innere leitende und poröse Elektrodenschicht (4) aufgebracht, auf deren Innenseite die vliesartige oder siebartige Metallstruktur sitzt.

3. Konverter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

l1) die innere Elektrode und Metallstruktur (4) ragt nach unten aus dem Rohr (3) heraus und ist mit dem rohrförmigen Gehäuseunterteil (23) elektrisch leitend verbunden.

4. Konverter nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

m) die dem Rohr (2) aus Festelektrolyt gegenüberliegende Fläche des Gehäuses (1) weist höhere Temperatur als die Natriumsättigungstemperatur auf und überträgt zusätzliche Wärme auf das Rohr (2).

5. Konverter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

m) das Rohr (2) mit den beiden Elektrodenschichten (3, 4) ist in mehrere übereinanderliegende Abschnitte (2a, 2b) unterteilt, wobei mindestens die Elektrodenabschnitte jedes Teiles voneinander getrennt sind,
o) die Elektrodenabschnitte (3a, 3b; 4a, 4b) sind dabei jedoch wechselseitig hintereinander geschaltet, wobei der jeweils äußere (3b) eines unteren Abschnittes mit dem inneren des darüberliegenden (4a) elektrisch verbunden ist.

6. Konverter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

p) die Rohrabschnitte (2a, b) mit den Elektrodenschichten (3a, b und 4a, b) sind durch leitende Ringe (16) voneinander getrennt, auf denen sie aufsitzen, wobei jeweils die innere Elektrodenschicht (4a) eines Rohrabschnitts (2a) mit dem Ring (16), auf dem dieser Rohrabschnitt (2a) aufsitzt, elektrisch in Verbindung steht und die äußere Elektrodenschicht (3b) des nächst unteren Rohrabschnittes (2b) von außen durch eine Brücke (19) elektrisch an diesem Ring (16) angeschlossen ist,
q) die Ringe (16) besitzen an ihrem inneren Rand (20) eine nach unten weisende Tropfkante (21) , deren Spitze das Natrium ohne elektrische Leitung auf die Oberkante (22) der nächst unteren inneren Elektrodenschicht (4b) tropfen läßt.