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.
An alkali metal thermal to electric converter (AMTEC, originally called the sodium heat engine or SHE) is a thermally regenerative electrochemical device for the direct conversion of heat to electrical energy. It is characterized by high potential efficiencies and no moving parts except for the working fluid, which make it a candidate for space power applications. This device accepts a heat input in a range 900–1300 K and produces direct current with predicted device efficiencies of 15–40%. In the AMTEC, sodium is driven around a closed thermodynamic cycle between a high temperature heat reservoir and a cooler reservoir at the heat rejection temperature. The unique feature of the AMTEC cycle is that sodium ion conduction between a high pressure or activity region and a low pressure or activity region on either side of a highly ionically conducting refractory solid electrolyte is thermodynamically nearly equivalent to an isothermal expansion of sodium vapor between the same high and low pressures. Electrochemical oxidation of neutral sodium at the anode leads to sodium ions, which traverse the solid electrolyte, and electrons, which travel from the anode through an external circuit, where they perform electrical work, to the low pressure cathode, where they recombine with the ions to produce low pressure sodium gas. The sodium gas generated at the cathode then travels to a condenser at the heat rejection temperature of perhaps 400–700 K, where liquid sodium reforms. The AMTEC thus is an electrochemical concentration cell, which converts the work generated by expansion of sodium vapor directly into electric power. The converter is based on the electrolyte used in the sodium–sulfur battery, sodium beta″ alumina, a crystalline phase of somewhat variable composition containing aluminum oxide, Al2O3, and sodium oxide, Na2O, in a nominal ratio of 5:1, and a small amount of the oxide of a small cation metal, usually lithium or magnesium, which stabilizes the beta″ crystal structure. The sodium beta″ alumina solid electrolyte (BASE) ceramic is nearly insulating with respect to transport of electrons and is a thermodynamically stable phase in contact with both liquid sodium and sodium at low pressure.
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.