Alkali-metall termisk till elektrisk omvandlare

Alkalimetall -termisk-till-elektrisk omvandlare (AMTEC), som ursprungligen kallades natriumvärmemotorn ( SHE ) uppfanns av Joseph T. Kummer och Neill Weber på Ford 1966 och beskrivs i US-patenten 3404036 , 3458356 , 3535163 och 4049877 . Det är en termiskt regenererande elektrokemisk anordning för direkt omvandling av värme till elektrisk energi . Den kännetecknas av hög potentiell effektivitet och inga rörliga delar förutom arbetsvätskan, vilket gör den till en kandidat för rymdkraftsapplikationer.

Beskrivning

Sammanfattning

En Alkali-metall termisk till elektrisk omvandlare fungerar genom att pumpa något, vanligtvis natrium, även om vilken alkalimetall som helst kommer att göra, genom, runt och över en krets. Värmen förångar natriumet i ena änden. Detta sätter det på högt tryck. Den passerar sedan genom/över anoden och frigör elektroner och därmed laddas. Den passerar sedan genom en elektrolyt för att leda den till andra sidan. Detta fungerar eftersom den valda elektrolyten kan leda joner, men inte elektroner så bra. Vid katoden får alkalimetallen tillbaka sina elektroner, vilket effektivt pumpar elektroner genom den externa kretsen. Trycket från elektrolyten skjuter den till en lågtrycksångkammare, där den "svalnar" till en vätska igen. En elektromagnetisk pump, eller en veke, tar detta flytande natrium tillbaka till den heta sidan.

Fördjupad beskrivning

Den här enheten accepterar en värmetillförsel i området 900–1300 K och producerar likström med förutspådd enhetseffektivitet på 15–40 %. I AMTEC drivs natrium runt en sluten termodynamisk cykel mellan en värmebehållare med hög temperatur och en svalare behållare vid värmeavvisningstemperaturen. Det unika med AMTEC-cykeln är att natriumjonledning mellan ett högtrycks- eller -aktivitetsområde och ett lågtrycks- eller -aktivitetsområde på vardera sidan av en starkt joniskt ledande eldfast fast elektrolyt är termodynamiskt nästan ekvivalent med en isotermisk expansion av natriumånga mellan samma höga och låga tryck. Elektrokemisk oxidation av neutralt natrium vid anoden leder till natriumjoner , som passerar den fasta elektrolyten, och elektroner , som färdas från anoden genom en extern krets, där de utför elektriskt arbete, till lågtryckskatoden, där de rekombinerar med joner för att producera lågtrycksnatriumgas. Natriumgasen som genereras vid katoden färdas sedan till en kondensor vid en värmeavvisande temperatur på kanske 400–700 K, där flytande natrium ombildas. AMTEC är således en elektrokemisk koncentrationscell , som omvandlar det arbete som genereras av expansion av natriumånga direkt till elektrisk kraft.

Omvandlaren är baserad på elektrolyten som används i natrium-svavelbatteriet , natrium beta″-aluminiumoxid, en kristallin fas med något varierande sammansättning innehållande aluminiumoxid, Al ₂ O ₃ , och natriumoxid, Na ₂ O, i ett nominellt förhållande av 5:1, och en liten mängd av oxiden av en metall med små katjoner, vanligtvis litium eller magnesium, som stabiliserar beta″-kristallstrukturen. Den sodium beta″-aluminiumoxid solid electrolyte (BASE) keramen är nästan isolerande med avseende på transport av elektroner och är en termodynamiskt stabil fas i kontakt med både flytande natrium och natrium vid lågt tryck.

Utveckling

Encelliga AMTEC:er med öppna spänningar så höga som 1,55 V och maximal effekttäthet så hög som 0,50 W / cm ² fast elektrolytarea vid en temperatur på 1173 K (900 °C) har erhållits med långtidsstabila eldfasta metallelektroder .

Effektiviteten för AMTEC-celler har nått 16 % i laboratoriet. Högspänningsmoduler med flera rör förutspås ha 20–25 % verkningsgrad, och effekttätheter upp till 0,2 kW/ L verkar kunna uppnås inom en snar framtid. visar att ersättning av natrium med en kaliumarbetsvätska ökar toppeffektiviteten från 28 % till 31 % vid 1100 K med ett 1 mm tjockt BASE-

Det mesta arbetet med AMTEC har gällt anordningar för natriumarbetsvätskor. Kalium AMTEC har körts med kalium beta″-aluminiumoxid fast elektrolytkeramik och visar förbättrad effekt vid lägre driftstemperaturer jämfört med natrium AMTEC.

En detaljerad kvantitativ modell av masstransport- och gränsytkinetikbeteendet hos AMTEC-elektroder har utvecklats och använts för att passa och analysera prestandan hos en mängd olika elektroder och för att göra förutsägelser om prestandan hos optimerade elektroder. Den elektrokemiska gränsytkinetiken kan ytterligare beskrivas kvantitativt med en tunnel-, diffusions- och desorptionsmodell. En reversibel termodynamisk cykel för AMTEC visar att den i bästa fall är något mindre effektiv än en Carnot-cykel.

En relaterad teknologi, Johnsons termoelektriska energiomvandlare , använder ett liknande koncept för att pumpa positiva joner genom ett jonselektivt membran, med väte snarare än en alkalimetall som arbetsvätska.

Ansökningar

AMTEC kräver energitillförsel vid blygsamma förhöjda temperaturer och är därför lätt att anpassa till alla värmekällor, inklusive radioisotop , koncentrerad solenergi , extern förbränning eller en kärnreaktor . Ett solenergiomvandlingssystem baserat på en AMTEC kan ha fördelar jämfört med andra teknologier för vissa applikationer inklusive ( värmeenergilagring med fasförändringsmaterial) och energiomvandling i en kompakt enhet. Det totala systemet skulle kunna uppnå så högt som 14 W/ kg med nuvarande kollektorteknologi och framtida AMTEC-konverteringseffektivitet. Energilagringssystemet har potential för batterier, och de temperaturer som systemet fungerar vid tillåter lång livslängd och reducerad radiatorstorlek (värmeavvisande temperatur på 600 K).

NASA undersökte AMTEC-konvertering som en nästa generations radioisotopkraftkälla för applikationer i rymden, men tekniken valdes inte för nästa generations system.

Medan rymdkraftssystem är av inneboende intresse, kan markbaserade applikationer erbjuda storskaliga applikationer för AMTEC-system. Med den förväntade effektiviteten på 25 % för enheten och de beräknade kostnaderna på 350 USD /kW, kan AMTEC visa sig vara användbart för ett mycket brett utbud av distribuerade generationstillämpningar , inklusive självdrivna fläktar för högeffektiva ugnar och varmvattenberedare och strömförsörjning för fritidsfordon .