[发明专利]具有突出的单元堆的热电变换器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月21日提交的，名称为“Concentration-mode Thermoelectric Converter（C-TEC）”的美国临时专利申请No.61/627,949的优先权并且通过引用并入。

技术领域

本文公开涉及热-电发电。

背景技术

图1A和1B示出碱金属热电变换器（AMTEC）的现有技术实施方式100和200。在图1A的实施方式中，充气室101被分成高和低纳蒸汽压力腔室102、103，其中试管状热电单元105从高压腔室突出到低压腔室。每个单元均分别由被夹设在多孔内部电极和多孔外部电极（阳极109和阴极111）之间的固体电解质突出部107形成。固体电解质用作离子导电体和电子屏障两者，在两个腔室之间（即，跨压力梯度）传导热激活钠离子，同时对应的自由电子在阳极处被收集。所形成的跨固体电解质的电势产生从阳极通过外负荷115（输送电力）并且回到阴极的电流，其中电子与穿过电解质的钠离子以减少（或中和）至钠蒸汽而重新结合。设置电磁泵（未示出）以使汇聚的液体金属钠从低压腔室返回到高压腔室。

为了限制功率消耗欧姆损耗，绕接线或其他辅助电流收集结构通常覆盖相对低电导率的多孔电极。不幸地，这样的结构倾向于在变换器的热挑战环境中过早地退化。例如，缠绕的线倾向于随着时间的过去损失物理和电接触（例如，由于线和它们环绕的线和结构的不均匀的热膨胀/收缩），从而增大I²R损失并且因此使变换器的功率密度退化。

在图1B中以截面图示出的热电变换器120中，串联耦合的、环状AMTEC单元125₁-125₃的堆在圆柱形充气室122的上壁和下壁之间延伸，从而形成由固体电解质单元壁分开的同心的环状腔室122、123（即，高蒸汽压力腔室和低蒸汽压力腔室）。理论上，该布置通过提高输出电压（即，由于它们的串联互连的优势的单独的单元的电压之和）并且相应地降低整个变换器的输出电流来减小困扰管状单元设计的I²R损失。实际上，然而，该同轴腔室布置遭受许多缺点。首先，必须注意避免通过单元对单元的互连结构使相邻单元的阳极或阴极（即，处于不同电势的电极）短路，必须注意通过在每个较低电势单元的阳极和至下面较高电势单元的互连件之间留出间隙131（以详图示出130）（类似的间隙132设置在每个单元的阴极和至上方的较低电势单元的互连件之间）解决的复杂性。不幸地，除非这些从发电立场构成死区的电极间隙被不切实际地制造得很大，否则显著地泄漏电流流过电压梯度，从而使设备功率密度退化。而且，在存在热钠蒸汽时暴露的固体电解质和导电的互连件的结合构成三相点，在该三相点处由钠电离释放的电子通过单元对单元互连件被分流道单元阴极，进一步耗尽跨固体电解质的电压差并且因此进一步使变换器的功率密度退化。虽然溅射的非多孔绝缘体已被建议覆盖间隙（并且因此覆盖三相点），但是这样的覆盖的生存能力是令人怀疑的，特别是在高压腔室中。此外，研究显示溅射涂膜对减少流过阳极和互连件之间的电压梯度的泄漏电流作用很小。

变换器120的环状设计带来了附加的复杂化。举例来说，单元堆和其至充气室壳体的相对两端的互连件在热膨胀/收缩期间（即，当充气室壳体和单元堆部件倾向于不均匀地展示膨胀/收缩时）经受显著地应力/应变、机械磨损力，其中机械磨损力倾向于使设备功率密度退化并且导致过早破坏，特别是在包括频繁的温度循环的应用中。同轴加热布置还增加复杂性（要求热被注入盲孔中）并且倾向于因为热从内部热源朝着充气室的冷容器壁直接辐射而是热效率低的。可能更重要地，热源和充气室壁之间的大的温度梯度（以及单元堆和冷充气室壁之间的相对短的距离），并且使得难以防止钠浓缩在单元堆表面上，因为导电钠浓缩物造成的高度成问题的现象能短路单元彼此之间的不同电势，从而严重地干扰变换器的操作。