RU2061984C1

RU2061984C1 - Thermoelectric generator

Info

Publication number: RU2061984C1
Application number: RU9393014299A
Authority: RU
Inventors: П.М. Бологов
Original assignee: Физико-энергетический институт
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1993-03-23
Publication date: 1996-06-10

Abstract

FIELD: electrochemical generators with one working material. SUBSTANCE: thermoelectrochemical generator has heat source, hermetically sealed vessel filled with alkaline metal, diaphragm made of selective porous material and installed inside vessel so that it comes in contact through its one side with porous electrode electrically connected to current lead insulated from vessel; its other side contacts capillary-tube core connecting diaphragm to vessel wall. Heat source is placed inside vessel and held down against diaphragm by means of contact members. The latter may be made of material possessing transformation induced plasticity. Thermoelectric generator may be provided with set of series-switched electricity generating elements. Alkaline metal content does not exceed rated holding capacity of cores. EFFECT: improved efficiency due to reduced energy loss. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимическим генераторам с одним рабочим веществом и может быть использовано в ядерной энергетике. Известны термоэлектрохимические генераторы (ТЭХГ) с высокотемпературным нагревом, описанные в [1] и [2] ТЭХГ, как правило, содержит полости с натрием, находящимся в жидком или парообразном состоянии. Полости разделены мембраной, пропускающей только ионы натрия, что позволяет на стороне высокого давления собрать электроны ионизации натрия и через полезную нагрузку вернуть электроны натрию на стороне низкого давления. Низкое давление достигается снижением температуры охлаждением и конденсацией паров натрия. Жидкий натрий подается в зоны высокого давления насосом. К недостаткам известных конструкций можно отнести сравнительно большие габариты высоковольтных устройств и довольно высокие тепловые утечки при преобразовании химической и тепловой энергий в электрическую. The invention relates to electrochemical generators with one working substance and can be used in nuclear energy. Known thermoelectrochemical generators (TEHG) with high-temperature heating, described in [1] and [2] TEHG, as a rule, contains cavities with sodium in a liquid or vapor state. The cavities are separated by a membrane that allows only sodium ions to pass through, which makes it possible to collect sodium ionization electrons on the high pressure side and return sodium electrons on the low pressure side through the payload. Low pressure is achieved by lowering the temperature by cooling and condensation of sodium vapor. Liquid sodium is pumped to high pressure zones. The disadvantages of the known designs include the relatively large dimensions of high-voltage devices and relatively high heat leakage during the conversion of chemical and thermal energies into electrical energy.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является устройство описанное в [3] Известный термоэлектрический генератор состоит из герметичного корпуса, заполненного щелочным металлом мембраны из избирательно пористого материала, расположенной внутри корпуса и контактирующей одной стороной с пористым электродом, электрически связанным с изолированным от корпуса токовыводом, а другой стороной, контактирующей с капилярным фитилем, соединяющим мембрану со стенкой корпуса. Прототип тоже характеризуется значительными тепловыми утечками. The closest in technical essence to the claimed one is the device described in [3]. The known thermoelectric generator consists of a sealed enclosure filled with an alkali metal membrane of selectively porous material located inside the enclosure and in contact with one side with a porous electrode electrically connected to a current terminal isolated from the enclosure, and the other side in contact with a capillary wick connecting the membrane to the wall of the housing. The prototype is also characterized by significant heat leaks.

Перед авторами стояла задача создания устройства, лишенного указанных недостатков. Предлагается для достижения указанного результата в термоэлектрическом генераторе источник тепла расположить внутри герметичного корпуса и поджать его к мембране и капиллярному фитилю при помощи контактного элемента. Контактный элемент может быть выполнен из материала с памятью формы. Термоэлектрический генератор, может быть конструктивно выполнен в виде гирлянды последовательно скоммутированных электрогенерирующих элементов, расположенных в общем корпусе. Каждый из электрогенерирующих элементов состоит из последовательно контактирующих пористого электрода, пористой мембраны фитиля источника тепла и контактного элемента. Объем щелочного металла не должен превышать номинальную емкость фитилей, а корпус с внутренней стороны должен бить выполнен из несмачиваемого щелочным металлом материала. The authors were faced with the task of creating a device devoid of these shortcomings. It is proposed to achieve the specified result in a thermoelectric generator, place the heat source inside the sealed enclosure and press it against the membrane and capillary wick using a contact element. The contact element may be made of material with shape memory. The thermoelectric generator can be structurally made in the form of a garland of sequentially commutated power generating elements located in a common housing. Each of the power generating elements consists of a series-contacting porous electrode, a porous membrane of the wick of a heat source and a contact element. The volume of alkali metal should not exceed the rated capacity of the wicks, and the body on the inside should be made of non-wettable alkali metal material.

Поджатие источника тепла, расположенного в герметичном корпусе к капиллярному фитилю, позволяет снизить температурный перепад. Выполнение контактного элемента из материала с памятью формы позволят улучшить тепловой контакт и стабилизировать характеристики генератора. Выполнение генератора многоэлементным позволяет поднять рабочее напряжение при малых мощностях и габаритах. Дозирование объема натрия и выполнение внутренней стенки из несмачиваемого материала позволяет избежать электрического замыкания соседних элементов потеками натрия на холодной стенке. Таким образом достигается указанный технический результат,
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, где 1-токовывод, 2 - сильфон, 3 -термоввод, 4 -верхний экран, 5 -корпус ТЭХГ, 6 -изоляция, 7 - капиллярный фитиль, 8-пористая мембрана, 9 -источник тепла, 10 -контактный элемент, 11 нижний теплоизолятор, 12 -пористый электрод.Preloading a heat source located in an airtight housing to a capillary wick reduces the temperature difference. The implementation of the contact element from a material with shape memory will improve thermal contact and stabilize the characteristics of the generator. The implementation of the multi-element generator allows you to raise the operating voltage at low capacities and dimensions. Dosing the volume of sodium and the implementation of the inner wall of non-wettable material avoids electrical shorting of neighboring elements by sodium leakage on a cold wall. Thus, the specified technical result is achieved,
In FIG. 1 shows the inventive device, where 1-current output, 2 - bellows, 3 - thermal input, 4 - upper screen, 5 - housing TEHG, 6 - insulation, 7 - capillary wick, 8-porous membrane, 9 - heat source, 10-pin element, 11 lower heat insulator, 12 - porous electrode.

Пористая мембрана 8 выполнена из твердого электролита (натрий-бэта-глинозем). Верхняя сторона мембраны имеет токосъемное покрытие. Контактный элемент 10 выполнен из материала с памятью формы. The porous membrane 8 is made of solid electrolyte (sodium-beta-alumina). The upper side of the membrane has a current collector coating. Contact element 10 is made of material with shape memory.

Устройство работает следующим образом. Бароэлектрический генератор, оснащенный источником тепла, например, с делящимся веществом, помещается в ядерный реактор. Он может быть выполнен конструктивно как узел ядерного реактора. К генератору, оснащенному изотопным или химическим источником тепла, это требование не предъявляется. При достижении рабочей температуры (фитиль 7 за счет капиллярных сил подает щелочной металл (натрий) к нижней стороне избирательно пористой мембраны 8. При этом возникает перепад давления натрия на мембране. Ионы натрия пройдя через мембрану, отдают свой заряд пористому электроду 12, соединенному с токовыводом 1. Поскольку температура базового перехода материала с памятью формы, из которого изготовлен контактный элемент 10, находится немного ниже нижнего предела рабочих температур, то в рабочем состоянии источник тепла будет всегда поджат к фитилю и мембране. The device operates as follows. A baroelectric generator equipped with a heat source, for example, with fissile material, is placed in a nuclear reactor. It can be performed constructively as a nuclear reactor assembly. A generator equipped with an isotopic or chemical heat source is not required. When the operating temperature is reached (wick 7, due to capillary forces, feeds an alkali metal (sodium) to the underside of the selectively porous membrane 8. This causes a pressure drop across the membrane. Sodium ions pass through the membrane and give their charge to the porous electrode 12 connected to the current output 1. Since the temperature of the base transition of the material with the shape memory of which the contact element 10 is made is slightly lower than the lower limit of operating temperatures, in the working state the heat source will always be pressed to wick and membrane.

Не трансформированное тепло снимается с корпуса генератора 5 либо теплоносителем ядерного реактора, либо при помощи специальных средств. При этом отсутствует необходимость подвода тепловой энергии к генератору извне. Non-transformed heat is removed from the generator body 5 either by the coolant of a nuclear reactor, or by special means. At the same time, there is no need to supply thermal energy to the generator from the outside.

Использование изобретения позволит повысить эффективность тормоэлектрохимического генератора, а также создать условия для получения высокого напряжения при малой мощности и малых габаритах. Using the invention will improve the efficiency of the electrochemical generator, as well as create conditions for high voltage at low power and small dimensions.

Источники информации:
1. Патент Великобритании N 14614071, НКИ HIS.Information sources:
1. British patent N 14614071, NCI HIS.

2. Патент США N 4220692, НКИ 429-l04, 1980. 2. US patent N 4220692, NKI 429-l04, 1980.

3. Патент США N 4857421, МКИ НО1М 10/39, НКИ 429/104, 1989. 3. US patent N 4857421, MKI HO1M 10/39, NCI 429/104, 1989.

Claims

1. A thermoelectrochemical generator containing a heat source, a sealed case with an alkali metal, a current output isolated from the body, and an electric generating element located inside the body, consisting of successively contacting surfaces of the porous electrode, a porous membrane of a superionic conductor and a wick, the electrode being electrically connected to the current output, and the wick is in contact with the wall of the housing, characterized in that the power generating element further comprises a clamping contact element, and a heat source is located between the last and the wick.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the contact element is made of material with shape memory.

3. The generator according to claim 1, characterized in that it contains a series of sequentially commutated power generating elements.

4. The generator according to claim 1, characterized in that the volume of alkali metal does not exceed the capacity of the wicks.