專利名稱：一種堿金屬熱機的制作方法
技術領域：
本發明一種堿金屬熱機，特別涉及以β”-Al2O3為固體電解質、堿金屬為工質的堿金屬熱機。
背景技術：
堿金屬熱機是一種以β”-Al2O3為固體電解質、堿金屬為工質的新型熱電能量轉換器件，其熱源可以是溫度在923K～1172K范圍內的任何熱源，以相應的供熱方式，組成模塊式發電裝置，來滿足不同容量電力負載的要求，其能量轉換效率可達30％～40％。與以電磁感應為工作原理的傳統發電機不同，該能源器件能夠使熱能直接轉換為電能，并且無運動部件、可靠性好、無噪音、免維護；與同樣是熱電直接轉換的溫差半導體器件或熱電子發電器件相比，具有能量轉換效率高等優點；在面積功率密度指標上，又優于光伏電池或燃料電池，是一種新型、高效、實用的能量轉換裝置，因而在能源、交通、軍工、航空航天等領域都有著十分廣闊的應用前景。
堿金屬熱機是一個由β”-Al2O3固體電解質和工質循環機構將其內部堿金屬工質分隔成壓力不同的兩部分的密閉容器。在高壓力端，堿金屬工質被熱源加熱，在堿金屬工質與固體電解質的界面，由壓力差形成化學勢梯度驅動堿金屬離子透過β”-Al2O3向低壓力端的多孔電極界面遷移。當外電路負載開路時，在β”-Al2O3固體電解質兩側形成電動勢，負載接通時，電子經外電路負載從高壓力端移動到低壓力端的多孔電極界面，并與堿金屬離子復合形成堿金屬蒸汽，到達冷凝器形成堿金屬溶液，再由循環機構(電磁泵或毛細芯)送回高壓力端，從而完成堿金屬工質的內部循環，并對負載提供連續穩定的電能。因此堿金屬熱機是堿金屬工質通過固體電解質等溫膨脹做功，而實現熱電能量的轉換的。
堿金屬熱機的能量轉換效率定義為單位面積的電極凈輸出電功率與單位面積的電極所需要的總熱輸入功率之比。熱輸入主要包括下列四項1.相當于液態堿金屬從溫度T1升高到T2所需要的熱量iCp(T2-T1)/F，i是電極電流密度(A/cm2)，Cp是液態堿金屬在T1～T2范圍的平均摩爾比熱(J/mol·K)，F為法拉第常數(9.648456×104C/mol)；2.堿金屬在β”-Al2O3固體電解質中進行等溫膨脹過程的吸熱(等于輸出電功率)；3.堿金屬在β”-Al2O3固體電解質/多孔電極界面蒸發所需的熱量iL/F，L是堿金屬的蒸發熱(J/mol)；4.寄生熱損失Q＝Qc+Qr，Qc是通過電輸出引線和支撐β”-Al2O3固體電解質的構件的熱傳導損失，Qr是輻射熱損失因此，堿金屬熱機的能量轉換效率可表示為η=iV-ΔW-ΔW′i{V+[L+cp(T2-T1)]/F}+Qc+Qr-12ΔW′]]>式中V為堿金屬熱機的輸出電壓(V)；Qc＝KT(T2-T1)/S；KT為電輸出引線的熱導(W/K)；Qr＝σ[T24-T14)]/Z(由斯蒂芬-玻爾茲曼定律得)；σ＝5.67×10-12W/cm2·K4，為黑體輻射常數；Z為考慮冷凝器表面的反射而引入的輻射衰減因子；1/2ΔW′為熱區工質中引線的歐姆損失；ΔW是工質循環機構的能耗。
從上面的效率公式可以看出，提高鈉熱機的熱電轉換效率的途徑，可以通過優化結構設計減少寄生熱損失，也可選擇蒸發熱L和液態比熱cp較小的循環工質。
另一方面，堿金屬熱機單體的伏安特性可以表示為V＝A-Bln(i+δ)-iR0
A是T2的函數，B是T2和T1的函數，R0是β”-Al2O3固體電解質的歐姆電阻率，也依賴于T2R0＝hT2(4.03×10-4exp(120/T2)+3.24×10-7exp(4725/T2))h是β”-Al2O3固體電解質的厚度。
上列表達式說明，堿金屬熱機的電特性對于β”-Al2O3固體電解質的厚度頗敏感，β”-Al2O3固體電解質越薄，堿金屬熱機的性能越好。
早在上世紀六十年代末，美國的J.T.Kummer和N.Weber基于β”-Al2O3固體電解質的發現和塊材、管材的制備成功并開始獲得應用，首次提出堿金屬熱機的概念(U.S.Patent No.3,458,356)，隨之，N.Weber完成了堿金屬熱機的原理分析(A Thermoelectric Device based on Beta Alumina SolidElectrolyte.Energy Conversition，Vol.14，No.1，1974)。闡明該裝置是一種不同于其它發電方式的靜態高效熱電直接轉換裝置。
R.K.Sievers等人在美國專利U.S.Patent No.5,228,922、U.S.PatentNo.5,942,719和U.S.Patent No.5,998,728中分別提出一種高電壓堿金屬熱機、堿金屬熱機絕緣封接技術和中心熱源式堿金屬熱機技術；Hausgen Paul E在美國專利U.S.Patent No.6,433,268中提出了堿金屬熱電轉換中熱輻射的控制來提高能量轉換效率，所指堿金屬熱機的β”-Al2O3固體電解質均采用管式結構，在電解質管的表面制備薄膜多孔電極，電解質管材的壁厚通常≥0.5mm，導致電解質的離子電導率較低，多管模塊的結構不夠緊湊，因而大大限制了其功率密度和能量轉換效率。
可見，采用管材β”-Al2O3固體電解質結構的堿金屬熱機雖然比較成熟，具有較穩定的性能，但仍然存在裝置體積和重量較大，導致功率密度較低，也限制了熱電轉換效率的進一步提高。因此開發體積小、重量輕、電特性和熱電轉換效率得以明顯改進的的新型堿金屬熱機，是實現堿金屬熱機在能源、國防和航天等領域的廣泛應用的有效途徑。

發明內容
本發明目的主要是提供一種平板雙極型堿金屬熱機，它具有體積小、功率密度高和能量轉換效率高等優點。本發明采用以下技術方案本發明堿金屬熱機是一個充有少量堿金屬的密閉容器，主要由循環工質、固體電解質薄膜、熱源、電磁泵或毛細芯等四部分構成。由在多孔電極表面制備的、厚度為10μm～300μm的β”-Al2O3固體電解質和工質循環機構(電磁泵或毛細芯)將其內部堿金屬工質分隔成壓力和溫度不同的高壓力端和低壓力端兩部分；最頂部為熱源，底部為平板型冷凝器，在熱源凝器之間為循環工質，多孔電極薄膜支撐的固體電解質薄膜把工質分隔成兩個壓力和溫度不同的部分，位于上部靠近熱源的是高壓力端，位于下部靠近冷凝器為低壓力端；高壓力端循環工質與固體電解質薄膜上表面涂覆薄膜集電體，該集電體為堿金屬熱機的負極；低壓力端循環工質與固體電解質薄膜上表面之間為多孔電極薄膜，該多孔電極薄膜為堿金屬熱機的負極；冷凝的堿金屬熔融液經右側端部的電磁泵或毛細芯進入熱端，經熱源加熱形成工質循環；再由左側端部引出正負電極為外電路負載提供電能；兩組如此結構的平板型堿金屬熱機單元上下對稱布置組成平板雙極型堿金屬熱機。
上述循環工質為堿金屬Na、K中的一種。
上述固體電解質為β”-Al2O3薄膜，厚度為10μm～300μm，在多孔電極表面直接形成。
上述熱源由石化能、核能、太陽能或過程余熱中的一種提供，工作溫度923～1273K。
上述堿金屬在高壓力側的電解質界面發生電離，離子通過固體電解質β”-Al2O3薄膜遷移到低壓力端的多孔電極，與來自負載電路的電子復合成堿金屬原子，從而在外電路為負載提供電能。
本發明堿金屬熱機中，堿金屬蒸汽離開多孔電極到達冷凝器，形成液態堿金屬，經電磁泵或毛細芯送回高壓端，從而形成內部工質自循環系統，為負載提供免維護的連續穩定的電流。
本發明堿金屬熱機中，由數個單體構成的模塊可以有共同的受熱面和冷凝面；模塊的受熱和冷凝都可以通過熱管傳熱方式來實現。
本發明的平板雙極型堿金屬熱機在壓力接近一個大氣壓的高壓力端，工質堿金屬被熱源加熱，在堿金屬與固體電解質的界面，由壓力差決定的化學勢梯度驅使鈉離子透過β”-Al2O3向低壓力端的電解質一多孔電極界面遷移，負載開路時在β”-Al2O3兩側便形成電動勢。負載接通時，電子從高壓力端經外電路到達多孔電極處，與離子復合形成堿金屬蒸汽，并穿過低壓力區到達冷凝器形成液態堿金屬，再經電磁泵或毛細芯送回高壓力端。β”-Al2O3實質上在能量轉換過程中起著選擇性滲透膜的作用，而堿金屬熱機是工質堿金屬通過固體電解質等溫膨脹做功實現能量轉換，為負載提供連續穩定和無噪音無污染的清潔電源。
本發明與現有技術相比所具有的優點在于現有技術均采用管式β”-Al2O3固體電解質，包括傳統的多管或輪胎式放射型等復合結構的堿金屬熱機。雖然通過β”-Al2O3管的組聯、改進管端部密封絕緣、采用中心熱源技術等，可以提高其熱電轉換的效率，但由于仍然采用管式β”-Al2O3為固體電解質，其厚度通常≥0.5mm，導致離子電導率和電流密度較低，，大大限制了其單體的功率密度。同時由于采用管式β”-Al2O3固體電解質，通常增加了不可利用的容積，導致裝置體積較大，寄生損失增加，這也降低了堿金屬熱機的熱電轉換效率和總體功率密度及能量密度，限制了其在軍工和航空航天等領域的推廣應用。本發明采用薄膜型β”-Al2O3為固體電解質，薄膜的厚度為10μm～300μm，與現有的技術中β”-Al2O3電解質通常≥0.5mm的厚度相比，電解質的厚度減小了幾倍甚至幾十倍，因此可顯著提高其電解質膜的離子電導，從而提高其功率密度。同時由于結構采用平板雙極型結構，可以大大減小總體裝置的體積和重量，便于實現堿金屬熱機的薄膜化、小型化和積層化，有利于堿金屬熱機的廣泛應用。


圖1為平板型堿金屬熱機單元結構示意圖；圖2為平板雙極型堿金屬熱機結構示意圖。
圖中1為高壓力端，堿金屬熔融液或熱蒸汽；2為堿金屬與固體電解質β”-Al2O3薄膜的界面；3為低壓力端，為蒸汽相堿金屬；4為多孔電極薄膜；5為經電磁泵或毛細芯循環的堿金屬熔融液或熱蒸汽；6為固體電解質β”-Al2O3薄膜；7為耐高溫絕緣封裝材料；8為冷凝的堿金屬熔融液；9為工質循環機構(電磁泵或毛細芯)；10為熱源；11為負極；12為正極；13為負載；14為開關；15為外電路；16為冷凝器。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。
如圖1所示，在一工作容器內由固體電解質β”-Al2O3薄膜5/多孔電極薄膜4組件和工質循環機構9(電磁泵或毛細芯)將其內部分隔為高壓力端1和低壓力端3兩部分，堿金屬通過電磁泵或毛細芯9由低壓力端3到達高壓力端1構成循環工質體系。最頂部為熱源10，底部為平板型冷凝器16，在熱源10和冷凝器16之間為循環工質，多孔電極薄膜支撐的固體電解質薄膜把工質分隔成高壓力端1和低壓力端3兩個部分，上部靠近熱源10的工質為高壓力端1，下部靠近冷凝器16的工質為低壓力端3；高壓力端1循環工質與固體電解質薄膜5表面(固體電解質薄膜的上表面)涂覆薄膜集電體，該集電體為堿金屬熱機的負極；低壓力端3循環工質與固體電解質薄膜5表面(固體電解質薄膜的上表面)之間為多孔電極薄膜4，該多孔電極薄膜為堿金屬熱機的負極11；經冷凝器16冷凝的堿金屬熔融液8經右側端部的電磁泵或毛細芯9進入高壓力端，經熱源加熱形成工質循環；再由左側端部引出正負電極為外電路負載提供電能。這樣構成圖1所示平板型堿金屬熱機單元。兩組該單元上下對稱布置組成圖2所示的平板雙極型堿金屬熱機。
高壓力端1由熱源10為其提供熱量，保持堿金屬處于高溫熔融狀態或氣態。在堿金屬與固體電解質β”-Al2O3薄膜的界面2處，由于化學勢梯度的驅動，堿金屬1發生電離，鈉離子通過β”-Al2O3固體電解質5，向多孔電極4遷移，同時電子通過負極11，經外電路15，流經負載13和開關14產生電流，到達多孔薄膜電極的鈉離子則與經外電路15到達正極12的電子復合形成鈉原子3，然后經冷凝器16冷凝形成液相堿金屬8，再經循環機構(電磁泵或毛細芯)9作用，返回到高壓力端1，這樣構成一個工質循環，在外電路15產生連續穩定的電流，為負載13提供電能，實現熱電能量的直接轉換，冷凝器的排熱則將通過熱管傳熱環節釋放并加以余熱的利用。絕緣材料7的功用于盡可能地抑制熱端和冷端之間的寄生損失。由于采用平板型結構，固體電解質β”-Al2O3薄膜的使用面積對器件容積之比大大增加，同時由于厚度減小，其離子電導顯著提高，這都有利于提高堿金屬熱機的熱電轉換效率和功率密度，采用雙極結構則進一步增加整體容積利用率，減小重量和體積。由于無運動部件和采用工質內循環，而具有無噪音和免維護等優點。
由本發明數個單體構成的模塊可以有共同的受熱面和冷凝面；所述模塊的受熱和冷凝都可通過熱管傳熱方式來實現。
本發明可以圖2所示的基本結構單元，組合為包含兩個或兩個以上基本結構單元的復合結構，以滿足負載的不同功率要求，采用該復合結構的堿金屬熱機可以大大減小其體積和重量，提高其功率密度。
權利要求
1.一種堿金屬熱機，包括循環工質、固體電解質薄膜[5]、熱源[10]、電磁泵或毛細芯[9]等四部分，其特征在于它采用平板型雙極結構，其發電器件的單體是由固體電解質β”-Al2O3薄膜分隔成壓力和溫度不同的兩部分的一個密閉容器，最頂部為熱源[10]，底部為平板型冷凝器[16]，在熱源[10]和冷凝器[16]之間為循環工質；多孔電極薄膜[4]支撐的固體電解質薄膜[5]把工質分隔成兩個壓力和溫度不同的部分，位于上部靠近熱源的是高壓力端[1]，位于下部靠近冷凝器為低壓力端[3]；高壓力端[1]循環工質與固體電解質薄膜[5]上表面涂覆薄膜集電體，該集電體為堿金屬熱機的負極；低壓力端[3]循環工質與固體電解質薄膜[5]上表面之間為多孔電極薄膜[4]，該多孔電極薄膜為堿金屬熱機的負極[11]；冷凝的堿金屬熔融液經右側端部的電磁泵或毛細芯[9]進入熱端，經熱源[10]加熱形成工質循環，再由左側端部引出正負電極為外電路負載提供電能；兩組如此結構的平板型堿金屬熱機單元上下對稱布置組成平板雙極型堿金屬熱機。
2.根據權利要求1所述的堿金屬熱機，其特征在于固體電解質薄膜[5]為β”-Al2O3薄膜，厚度為10μm～300μm。
3.根據權利要求1所述的堿金屬熱機，其特征在于熱源[10]由石化能、核能、太陽能或過程余熱中的一種來提供。
4.根據權利要求1所述的堿金屬熱機，其特征在于根據具體應用場合負載的需求，由數個單體構成模塊，再由若干個模塊串聯或并聯而成。
5.根據權利要求1和4所述的堿金屬熱機，其特征在于由數個單體構成的模塊可以有共同的受熱面和冷凝面；所述模塊的受熱和冷凝都可通過熱管傳熱方式來實現。
全文摘要
一種堿金屬熱機，特別涉及以β”－Al
文檔編號H01L37/00GK1761081SQ20041000966
公開日2006年4月19日 申請日期2004年10月14日 優先權日2004年10月14日
發明者譚強強, 童建忠, 倪秋芽 申請人:中國科學院電工研究所