RU2355075C1

RU2355075C1 - Thermoelectrochemical generator

Info

Publication number: RU2355075C1
Application number: RU2007148898/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Тихонович Ворогушин (RU); Виктор Тихонович Ворогушин; Галина Борисовна Тельнова (RU); Галина Борисовна Тельнова; Константин Александрович Солнцев (RU); Константин Александрович Солнцев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2009-05-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: present invention relates to conversion of thermal energy into electrical energy in a thermoelectrochemical generator. According to the invention, the thermoelectrochemial generator has an anode cavity, filled with sodium vapour at high pressure, a cathode cavity, filled with sodium vapour at low pressure, separated by a ceramic electrolyte base on sodium β-aluminium oxide, coated on the side of the anode and cathode cavities with a porous anode and cathode, a heater using isotope energy, and a cooling device. The thermoelectrochemical generator has a device for periodic removal of heat from one of the cavities to the cooling device. If one of the cavities is thermally insulated, heat is taken from the other cavity and during thermal insulation from the cooling device to the first cavity. For this purpose, the device has cylinder which turns 180 degrees, in contact with the cooling device and the indicated cavities. Part of the edge of the surface of this cylinder is made from heat-conductive material, while the other is made from heat-insulating material. On the side of the heat-conductive surface and on the side of the heat-insulating surface, the cylinder has current collectors, which are in contact with the anode and cathode cavities.

EFFECT: improved mass and weight characteristics and increased efficiency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрохимическом генераторе (ТЭХГ). В отличие от известных термоэлектрических и термоионных безмашинных преобразователей, использующих энергию изотопов (1), ТЭХГ имеет более высокий к.п.д. за счет того, что подогреваемая зона анодной и катодной полости разнесена в пространстве от холодильника, а тепло Ленца-Джоуля (2), выделяемое в процессе генерирования электроэнергии, при максимальной температуре цикла может быть утилизировано полностью в самом термодинамическом цикле преобразователя (аналог) (3).The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy in a thermoelectrochemical generator (TEHG). In contrast to the well-known thermoelectric and thermionic machineless converters using isotope energy (1), TEHG has a higher efficiency due to the fact that the heated zone of the anode and cathode cavity is separated in space from the refrigerator, and the Lenz-Joule heat (2) generated during the generation of electricity at the maximum cycle temperature can be completely utilized in the thermodynamic cycle of the converter (analog) (3) )

Аналог содержит анодную полость, заполненную жидким натрием, отделенную керамическим электролитом на основе β-глинозема от катодной полости, заполненной парами натрия пониженного давления. Давление в катодной полости определяет температура холодильника-конденсатора. Причем поступление натрия от конденсатора к анодной полости осуществляется за счет столба жидкого натрия и в условиях земной гравитации не требуется дополнительная насосная система. Относительно известных преобразователей тепловой энергии в электрическую аналог имеет максимальное значение к.п.д. Однако в условиях невесомости ему необходима дополнительная насосная система, снижающая к.п.д. и весогабаритные показатели аналога.The analogue contains an anode cavity filled with liquid sodium, separated by a β-alumina ceramic electrolyte from a cathode cavity filled with reduced pressure sodium vapor. The pressure in the cathode cavity determines the temperature of the refrigerator-condenser. Moreover, the supply of sodium from the capacitor to the anode cavity is carried out at the expense of a column of liquid sodium and in the conditions of terrestrial gravity an additional pumping system is not required. Relatively known converters of thermal energy into electrical analogue has a maximum value of efficiency However, in zero gravity conditions, he needs an additional pumping system that reduces the efficiency and weight and dimensional characteristics of the analogue.

Известен ТЭХГ (4) (прототип), конструктивная схема которого изображена на фиг.1. Он содержит анодную полость, заполненную парами натрия повышенного давления - 1, катодную полость, заполненную парами натрия пониженного давления - 2, керамический электролит на основе β-глинозема - 3, керамическое кольцо - 4, пористый анод - 5, пористый катод - 6, нагреватель - 7, холодильник - 8, насосную систему - 9, испаритель - 10. Стрелками обозначены потоки натрия и тепла.Known TEHG (4) (prototype), a structural diagram of which is depicted in figure 1. It contains an anode cavity filled with sodium vapor of high pressure - 1, a cathode cavity filled with sodium vapor of low pressure - 2, a ceramic electrolyte based on β-alumina - 3, a ceramic ring - 4, a porous anode - 5, a porous cathode - 6, a heater - 7, refrigerator - 8, pump system - 9, evaporator - 10. The arrows indicate the flow of sodium and heat.

Из-за разности давлений между анодной и катодной полостью возникает ЭДС. При замыкании анода и катода через внешнюю нагрузку натрий в виде ионов перетекает через керамический электролит из полости повышенного давления в полость пониженного давления, генерируя электрический ток. Поскольку прототип содержит насосную систему, то он может работать в условиях космоса. Однако наличие ее у прототипа и дополнительного испарителя существенно ухудшает его весогабаритные характеристики и снижает к.п.д.Due to the pressure difference between the anode and cathode cavity, an emf occurs. When the anode and cathode are closed through an external load, sodium in the form of ions flows through the ceramic electrolyte from the pressure cavity to the pressure cavity, generating an electric current. Since the prototype contains a pumping system, it can work in space. However, its presence in the prototype and the additional evaporator significantly worsens its weight and size characteristics and reduces the efficiency

Для устранения указанных недостатков предложен ТЭХГ, конструктивная схема которого представлена на фиг.2. Предлагаемый ТЭХГ содержит анодную полость, заполненную парами натрия повышенного давления - 1, катодную полость, заполненную парами натрия пониженного давления - 2, керамический электролит на основе натриевого В-глинозема - 3, керамическое кольцо - 4, пористый анод - 5, пористый катод - 6, нагреватель, в частности, использующий энергию изотопов - 7, холодильник - 8, поворачивающийся на 180 градусов цилиндр - 9, термопроводящая часть образующей поверхности цилиндра 10, термоизолирующая часть образующей поверхности цилиндра - 11, токоотвод, контактирующий с поверхностью анодной полости - 12, токоотвод, контактирующий с поверхностью катодной полости - 13, стрелками обозначены потоки тепла.To eliminate these shortcomings proposed TEHG, a structural diagram of which is presented in figure 2. The proposed TEHG contains an anode cavity filled with sodium vapor of high pressure - 1, a cathode cavity filled with sodium vapor of low pressure - 2, a ceramic electrolyte based on sodium B-alumina - 3, a ceramic ring - 4, a porous anode - 5, a porous cathode - 6 , a heater, in particular, using isotope-7 energy, a refrigerator -8, a cylinder -9 rotating through 180 degrees, a thermally conductive part of the cylinder’s generatrix surface 10, a thermally insulating part of the cylinder’s generatrix-surface, 11, current collector, contacting with the surface of the anode cavity - 12, the collector in contact with the surface of the cathode cavity - 13, arrows indicate heat fluxes.

Предлагаемый термоэлектрохимический генератор, содержащий анодную полость, заполненную парами натрия высокого давления, катодную полость, заполненную парами натрия низкого давления, отделяемые друг от друга керамическим электролитом на основе натриевого β-глинозема, покрытым со стороны анодной и катодной полости пористыми анодом и катодом, подогреватель, использующий, в частности, энергию изотопов и холодильник, отличается тем, что содержит устройство периодического отвода тепла то от одной из полостей к холодильнику при термоизоляции от холодильника к другой полости, то отвода тепла от другой полости при термоизоляции первой полости, для чего это устройство содержит поворачивающийся на 180 градусов цилиндр, контактирующий с холодильником и указанными полостями, причем часть образующей поверхности этого цилинлра выполнена из теплопроводящего материала, а другая часть его образующей поверхности выполнена из термоизолирующего материала, при этом указанный цилиндр со стороны анодной полости и со стороны катодной полости содержит токоотводы, контактирующие с этими полостями.The proposed thermoelectrochemical generator containing an anode cavity filled with high pressure sodium vapor, a cathode cavity filled with low pressure sodium vapor, separated from each other by a ceramic electrolyte based on sodium β-alumina, coated on the side of the anode and cathode cavity with a porous anode and cathode, a heater, using, in particular, isotope energy and a refrigerator, it differs in that it contains a device for periodically removing heat from one of the cavities to the refrigerator with thermal insulation and from the refrigerator to another cavity, then heat removal from the other cavity during thermal insulation of the first cavity, for which this device contains a 180-degree rotating cylinder in contact with the refrigerator and the indicated cavities, moreover, part of the forming surface of this cylinder is made of heat-conducting material, and the other part its forming surface is made of thermally insulating material, while the specified cylinder from the side of the anode cavity and from the side of the cathode cavity contains down conductors in contact with these foul.

Предлагаемый ТЭХГ работает следующим образом. Натрий, находящийся в теплоизолированной полости, нагревается и испаряется. Давление пара натрия в этой полости становится больше давления пара натрия в другой охлаждаемой полости, которая контактирует теплопроводящей частью образующей цилиндра с холодильником. Из-за разности давлений между этими полостями возникает ЭДС. При замыкании электродов через внешнюю нагрузку натрий в виде ионов перетекает через керамический электролит из полости повышенного давления в полость пониженного давления. При выработке натрия в термоизолированной полости поворотом цилиндра на 180 градусов цилиндр своей термопроводящей поверхностью контактирует с этой полостью и холодильником, а термоизолированной поверхностью контактирует с другой полостью, термоизолируя ее от холодильника. Таким образом, первая полость становится катодной, а вторая полость становится анодной. Цикл повторяется. При этом токоотвод со стороны теплоизолированной поверхности цилиндра будет всегда отрицательный, а токоотвод со стороны теплопроводящей поверхности цилиндра будет, соответственно, положительный. Это упрощает коммутацию ТЭХГ в батарее. Предлагаемый ТЭХГ благодаря отсутствию испарителя и насосной системы имеет более высокие весогабаритные показатели и более высокий к.п.д. относительно известных космических безмашинных преобразователей. Поэтому предлагаемый ТЭХГ может найти применение для электропитания автономных космических энергоустановок, в частности для электропитания навигационных систем.The proposed TEHG works as follows. Sodium, located in a thermally insulated cavity, heats up and evaporates. The vapor pressure of sodium in this cavity becomes greater than the vapor pressure of sodium in another cooled cavity, which contacts the heat-conducting part of the cylinder forming with the refrigerator. Due to the pressure difference between these cavities, an EMF occurs. When the electrodes are closed through an external load, sodium in the form of ions flows through the ceramic electrolyte from the pressure cavity to the pressure cavity. When sodium is produced in a thermally insulated cavity, the cylinder rotates through 180 degrees with its thermally conductive surface in contact with this cavity and the refrigerator, and in the thermally insulated surface it contacts the other cavity, thermally insulating it from the refrigerator. Thus, the first cavity becomes cathode, and the second cavity becomes anode. The cycle repeats. In this case, the collector from the side of the thermally insulated surface of the cylinder will always be negative, and the collector from the side of the thermally conductive surface of the cylinder will be, respectively. This simplifies the switching of TEHG in the battery. The proposed TEHG due to the lack of an evaporator and a pumping system has higher weight and dimensions and a higher efficiency relatively well-known space machineless transducers. Therefore, the proposed TEHG may find application for powering autonomous space power plants, in particular for powering navigation systems.

Источники информацииInformation sources

1. У.Корлисс, Д.Хорви. Источники энергии на радиоактивных изотопах «Мир», Москва, 1967, 146-171.1. W. Corliss, D. Horvey. Sources of energy on radioactive isotopes "Mir", Moscow, 1967, 146-171.

2. Л.Н.Антропов. Теоретическая электрохимия. - М.: «Высшая школа», 1975, 19-21.2. L.N. Antropov. Theoretical electrochemistry. - M.: "Higher School", 1975, 19-21.

3. Журнал «Инженер», №4, 2004, 36-37.3. The journal "Engineer", No. 4, 2004, 36-37.

4. Journal of Power Sources 96 (2001), 343-351.4. Journal of Power Sources 96 (2001), 343-351.

Claims

A thermoelectrochemical generator containing an anode cavity filled with high pressure sodium vapors, a cathode cavity filled with low pressure sodium vapors, separated from each other by a ceramic β-alumina based electrolyte, coated with a porous anode and cathode on the side of the anode and cathode, a heater using in particular, isotope energy, and a refrigerator, characterized in that it comprises a device for periodically removing heat from one of the cavities to the refrigerator, while thermally insulating the other heat transfer from another cavity, when thermally insulated from the refrigerator of the first cavity, for which this device contains a 180 ° rotating cylinder in contact with the refrigerator and the indicated cavities, the part of the forming surface of this cylinder being made of heat-conducting material, and the other part of its forming the surface is made of heat-insulating material, wherein said cylinder on the side of the heat-conducting surface and on the side of the heat-insulated surface contains down conductors in contact with anode and cathode cavities.