Введение

Электрохимическое устройство для преобразования тепла Алкалометалл тепло-электрический преобразователь (AMTEC, первоначально называемый натриевым тепловым двигателем или SHE) является тепловозобновляющим электрохимическим устройством для прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Он характеризуется высокой потенциальной эффективностью и отсутствием движущихся частей, за исключением рабочей жидкости, что делает его кандидатом для космических энергетических приложений. Это устройство принимает тепло вход в диапазоне 9001300 K и производит постоянный ток с прогнозируемой эффективностью устройства 1540%. В AMTEC натрий проходит по замкнутому термодинамическому циклу между высокотемпературным тепловым резервуаром и более холодным резервуаром при температуре отторжения тепла. Уникальной особенностью цикла AMTEC является то, что проводимость ионов натрия между областью высокого давления или активности и областью низкого давления или активности по обе стороны высоко ионически проводящего огнеупорного твердого электролита термодинамически почти эквивалентна изотермическому расширению паров натрия между теми же высокими и низкими давлениями. Электрохимическое окисление нейтрального натрия на аноде приводит к ионам натрия, которые проходят через твердый электролит, и электронам, которые перемещаются от анода через внешнюю цепь, где они выполняют электрическую работу, к катоду низкого давления, где они рекомбинируют с ионами для получения низкого давления натрия газа. Газ натрия, образующийся в катоде, затем поступает в конденсатор при температуре отторжения тепла, возможно, 400700 К, где жидкий натрий преобразуется. Таким образом, AMTEC представляет собой электрохимический концентрационный элемент, который преобразует работу, полученную при расширении паров натрия, непосредственно в электрическую энергию. Конвертер основан на электролите, используемом в натриево-серной батарее, натриевой бета-алюминии, кристаллической фазе несколько переменного состава, содержащей оксид алюминия, Al2O3 и оксид натрия, Na2O, в номинальном соотношении 5:1, и небольшое количество оксида небольшого катионного металла, обычно лития или магния, который стабилизирует бета-кристаллическую структуру. Керамика натрия бета-алюминиевого твердого электролита (BASE) почти изолирует по отношению к транспортировке электронов и является термодинамически стабильной фазой в контакте как с жидким натрием, так и с натрием при низком давлении.

Разработка

Одноклеточные AMTEC с открытым напряжением до 1,55 В и максимальной плотностью мощности до 0,50 Вт/см2 твердой электролитной поверхности при температуре 1173 К (900 °C) получены с помощью долговременно стабильных рефракторных металлических электродов. Эффективность клеток AMTEC достигла 16% в лаборатории. Предполагается, что высоковольтные многотрубные модули будут иметь эффективность 20-25%, а плотность мощности до 0,2 кВт/л, по-видимому, будет достижима в ближайшем будущем. Расчеты показывают, что замена натрия рабочей жидкостью из калия увеличивает максимальную эффективность с 28% до 31% при 1100 К с трубкой BASE толщиной 1 мм. Большинство работ по AMTEC касалось устройств с натриевой рабочей жидкостью. Калийные AMTEC работали с калийными бета-алюминиевыми твердыми электролитами и демонстрировали улучшенную мощность при более низких рабочих температурах по сравнению с натриевыми AMTEC. Была разработана подробная количественная модель массового транспорта и интерфейса кинетики поведения электродов AMTEC, которая используется для приспособления и анализа производительности широкого спектра электродов и для прогнозирования производительности оптимизированных электродов. Интерфейсную электрохимическую кинетику можно дополнительно описать количественно с помощью модели туннелирования, диффузии и десорбции. Возвратный термодинамический цикл для AMTEC показывает, что он в лучшем случае немного менее эффективен, чем цикл Карно. Связанная технология, термоэлектрический преобразователь энергии Джонсона, использует аналогичную концепцию перекачивания положительных ионов через ионно-селективную мембрану, используя водород, а не щелочный металл в качестве рабочей жидкости.

Приложения

AMTEC требует ввода энергии при умеренно повышенных температурах и, таким образом, легко адаптируется к любому источнику тепла, включая радиоизотопы, но технология не была выбрана для систем следующего поколения. В то время как космические энергетические системы представляют внутренний интерес, наземные приложения могут предложить широкомасштабные приложения для систем AMTEC. При прогнозируемой эффективности 25% для устройства и прогнозируемых затратах 350 USD/kW, AMTEC может оказаться полезным для очень широкого спектра применений распределенной генерации, включая самонаправленные вентиляторы для высокоэффективных печей и водонагревателей и источников питания для рекреационных автомобилей.