[发明专利]热-电化学转换器

说明书

热－电－化学转换器，直接热‑电引擎具有单片共烧结陶瓷结构或单片熔融聚合物结构，其在连续闭合流动回路中包含工作流体。共烧结的陶瓷或熔融聚合物结构包括含有热交换器、第一高密度电化学堆和第二高密度电化学堆的管道系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年8月11日提交的美国临时专利申请No.62/035,560的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

发明背景

可以通过多种方式实现热能或化学能向电能的转化，或反之亦然。例如，已知的电化学电池或电池组(battery)依靠化学反应，其中被氧化的反应物的离子和电子通过单独的路径被转移到被还原的反应物。具体地，电子通过布线经外部负载作电传输，它们在其中执行工作，并且离子通过电解质隔膜传导。

然而，电池组型电化学电池仅能产生有限的能量，因为电池外壳的限制限制了其中可能包含的可用反应物的量。虽然这种电池可以被设计为通过在电极上施加反极性电流/电压来再充电，但是这种再充电需要单独的电源。此外，在再充电过程期间，电池通常不可用。

已经开发了燃料电池以试图克服与电池组型电化学电池相关的问题。在常规燃料电池中，化学反应物被连续地供应到电化学电池并从电化学电池移除。以类似于电池的方式，燃料电池通过使电离物质通过选择性电解质来起作用，该选择性电解质通常阻断电子和非电离物质的通过。

最常见类型的燃料电池是氢-氧燃料电池，其使氢穿过电极之一并且使氧穿过另一电极。氢离子在氢和氧的化学反应电位下通过电解质隔膜传导到电池的氧侧。在电解质隔板的任一侧上的多孔电极用于将参与化学反应的电子经由外部电路耦合到外部回路。电子和氢离子重新构成氢并完成反应，而电池氧侧的氧导致产生从系统中排出的水。通过向电池连续供应氢和氧来维持连续电流。

机械热力发动机也被设计并用于产生电力。这种机械热机以热力循环操作，其中使用活塞或涡轮机作轴功以压缩工作流体。压缩过程在低温下进行，并且在压缩之后，工作流体升高到更高的温度。在高温下，允许工作流体相对于诸如活塞或涡轮机的负载膨胀，从而产生轴功。采用工作流体的所有发动机的操作的关键是在低温下压缩工作流体所需的功要低于在高温下膨胀工作流体所产生的功。这是使用工作流体的所有热力发动机的情况。

例如，蒸汽发动机在兰金热力循环上操作，其中水被泵到高压，然后被加热成蒸汽并通过活塞或涡轮膨胀以作功。内燃机在奥托循环上运行，其中低温环境空气被活塞压缩，然后通过汽缸内的燃料燃烧加热到非常高的温度。随着循环继续，受热空气对活塞的膨胀产生比在较低温度压缩过程期间消耗的更多的功。

斯特林发动机已经被开发以在斯特林循环上操作，试图提供具有高效率并且在热源的选择中提供更多通用性的发动机。理想的斯特林热力循环具有与理想的卡诺循环相同的效率，其确定了在高温下的热输入和低温下的排热操作的发动机的理论最大效率。然而，与所有机械发动机一样，斯特林发动机遭受与其机械运动部件相关的可靠性问题和效率损失。

为了避免机械热机所固有的问题，碱金属热-电化学转化(AMTEC)电池已被设计为热电化学热引擎。AMTEC热发动机通过在高温下迫使可电离的工作流体(例如钠)通过电化学电池而利用压力来产生电压电位和电流。电极将电流耦合到外部负载。当电解质隔膜两端的压力差迫使熔融的钠原子通过电解质时，作电功。钠在进入电解质时被电离，从而将电子释放到外部电路。在电解质的另一侧，钠离子与电子重新结合以在离开电解质时重建钠，这种方式与在电池和燃料电池型电化学电池中发生的过程大致相同。处于低压和高温的重构钠作为膨胀气体离开电化学电池。然后将气体冷却并冷凝回液体状态。然后将所得的低温液体再加压。AMTEC发动机的操作接近兰金热力循环。