ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 1997 года по МПК H01M14/00 

Изобретение относится к источникам электроэнергии с непосредственным преобразованием тепла в электричество и может быть использовано при создании автономных источников электроэнергии на органическом топливе и при создании утилизаторов высокоэнергетического тепла, например выхлопных газов и дыма.

Известны машинные и безмашинные или прямые преобразователи тепловой энергии в электрическую [1] К машинным преобразователям относятся паротурбинные и газотурбинные установки, а также двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стивлинга, поршневые расширительные машины. Основными типами прямых преобразователей теплоты являются теплоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические. Помимо рассмотренных преобразователей теплоты известны также другие преобразователи первичной энергии, это химической топливные элементы или электрохимические генераторы и световой фотоэлектрические батареи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь в виде водородно-кислородного топливного элемента [2] Преобразователь состоит из двух отсеков, разделенных ионообменной мембраной, к боковым поверхностям которой прижаты электроды, выполненные в виде сетки. Электроды соединены с токосъемниками. С одной стороны мембраны находится водовод, с другой кислород. Со стороны кислоpодного электрода имеются фитили для отвода образующейся воды и трубки, в которых циркулирует охлаждающая вода. Водородный и кислородный отсеки между собой не соединены. Все это находится внутри корпуса. Отдельные такие элементы электрически коммутируются в батарею топливных элементов
Подобный элемент является преобразователем с расходом рабочего тепла, что приводит к ограниченному ресурсу и энергоемкости.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение длительного ресурса работы, высокой энерговыработки и возможность использования тепловой энергии, полученной любым способом, в том числе утилизируемой.

Указанный технический результат достигается преобразователем тепловой энергии непосредственно в электрическую, содержащем герметичный корпус, разделенный на два отсека, заполненных газообразными веществами, между которыми размещена ионопроницаемая мембрана, на обеих боковых поверхностях которой размещены электроды, снабженными токовыводами, а один из отсеков снабжен системой отвода тепла, в котором один из отсеков снабжен системой подвода тепла, оба отсека сообщаются между собой и заполнены одним и тем же газом, в качестве которого выбран двухатомный газ, который при нагреве диссоциирует в одноатомный газ, а в качестве материала ионопроницаемой мембраны выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомному газу выбранного двухатомного газа.

На чертеже приведена схема преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую.

Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую содержит корпус 1, часть 2 которого выполнена в виде теплоподводящей системы, например камеры с нагретым газом или жидким теплоносителем, возможно выполнение этой камеры в виде камеры сгорания. Ионообменная мембрана 3 делит внутреннее пространство внутри корпуса 1 на два отсека нагреваемый 4 и охлаждаемый 5. На обеих сторонах мембраны 3 размещены контактирующие с ней газопроницаемые электроды 6 и 7, например в виде сетки, каждый из которых снабжен изолированными от корпуса 1 токовыводами 8 и 9, которые через герметичные токовыводы 10 выведены за пределы корпуса 1. Отсек 5 снабжен системой отвода тепла 11, которая может быть выполнена с циркуляцией теплоносителя, на основе тепловых труб или в виде теплоизлучающих ребер. Отсек 4 и 5 заполнены двухатомным газом, например иодом. Отсеки 4 и 5 сообщаются между собой, например в виде трубки, щели, капилляра 12 в ионообменной мембране или в виде отдельного узла, который может быть выполнен также в виде дросселя или обратного клапана.

Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую работает следующим образом.

Тепло из теплопроводящей системы 2 нагревает двухатомный газ в отсеке 4. При нагреве, начиная с некоторой температуры, двухатомный газ диссоциирует на моноатомный газ с поглощением некоторого количества тепловой энергии, пропорционального удельной теплоте диссоциации выбранного двухатомного газа. Образовавшийся в результате диссоциации в отсеке 4 атомарный газ обладает более высоким химическим потенциалом, чем газ в отсеке 5 в молекулярном состоянии (при равных давлениях). За счет этой разности химических потенциалов можно получить электрическую работу, если ни разделены электролитом (ионообменной мембраной 3), содержащей ионы, которые могут быть получены при ионизации атома газа (например иода) присоединением к нему электрона. Тогда, если со стороны атомарного газа поверхность электролита контактирует дополнительно с электронным проводником (электродом 6), атомы газа будет захватывать электроны электронного проводника и переходить в виде ионов в электролит. Если другая сторона электролита также контактирует с электронным проводником (электрод 7), но с этой стороны расположен молекулярный газ, то в силу его меньшего химического потенциала, чем у атомарного газа, процесс ионизации молекулярного газа будет происходить в меньшей степени. В результате электронный проводник 6 со стороны атомарного газа имеет более положительный потенциал, чем проводник 7 со стороны молекулярного газа. Поэтому при замыкании проводников через внешнюю цепь потечет электрический ток. Кроме того, концентрация ионов выше со стороны электролита 3, контактирующего с атомарным газом (нагреваемый отсек 4), поэтому при замыкании электродов 6 и 7 внутри электролита 3 возникает диффузионный ток ионов. В результате такого процесса происходит перенос рабочего вещества из той части системы, где его химический потенциал выше (отсек 4 с атомарным газом), в ту часть, где его химический потенциал ниже (отсек 5 с молекулярным газом). Поэтому при замыкании электродов через внешнюю цепь давление газа в охлаждаемом отсеке 5 будет повышаться, а в нагреваемом отсеке 4 понижаться. Чтобы организовать постоянный процесс генерирования электроэнергии, необходимо обеспечить переход двухатомного газа с охлаждаемой стороны электролита на обогреваемую. Это реализуется путем соединения отсеков 4 и 5 с помощью трубки 12, которая может быть выполнена также в виде обратного клапана или дросселя. Непреобразованная часть тепловой мощности отводится системой 11 отвода тепла, которая может быть выполнена на основе циркулирующего теплоносителя, на основе тепловых труб или в виде теплопередающих ребер.

Таким образом, часть тепловой энергии, затраченной на нагрев и диссоциацию двухатомного газа на одноатомный с помощью ионообменной мембраны, превращается в электроэнергию. В качестве двухатомного газа целесообразно выбрать галоген, так как другие двухатомные газы имеют слишком высокие значения теплот диссоциации. Среди галогенов наилучшим является иод. По аналогии с гальваническим элементом ЭДС Е преобразователя может быть записано в виде
E B / Г,
где В стандартный изобарный потенциал реакции диссоциации, а Г число Фарадея (96500 кул/г.экв).

При давлении 10 тыс. Па для иода
В [эВ] 151100 100- 779 N [К] (2)
И соответственно
Е [B] А + ВТ 0,788 0,000552 Т [K] (3)
Для Т 600 К и 1000 К соответственно Е 0,470 В и 0,26 В.

Итоговая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую может быть охарактеризована электрическим КПД h Е/A, где Е определяется (1), а А первый член выражения (2). Для Т 600 и 1000 К соответственно получим 0,600 и 0,338. С использованием этих значений h полный КПД преобразования тепловой энергии в электрическую
h h а,
где а доля тепловой энергии, поглощенная при диссоциации двухатомного газа, получим h 0,2 0,4 в зависимости от температуры и значения а.

Таким образом, преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую обладает относительно высоким КПД и длительным ресурсом в связи с отсутствием расходуемых компонентов.

Использование: автономные источники энергии, преобразователи бросового тепла. Сущность изобретения: преобразователь тепловой энергии содержит герметичный корпус, разделенный ионообменной мембраной на два отсека, заполненных двухатомным газом, диссоциирующим при нагреве в одноатомный газ. К обеим сторонам мембраны примыкают газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами. Один из отсеков снабжен системой подвода тепла, а другой - системой отвода тепла. В качестве материала мембраны выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомарному газу, а в качестве двухатомного газа выбран газ с малой энергией диссоциации, например галогены: иод, фтор, хлор, бром. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую, содержащий герметичный корпус, разделенный на два сообщающихся между собой отсека, заполненных газообразным веществом, между которыми размещена ионопроницаемая мембрана, на обеих боковых поверхностях которой размещены газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами, причем один из отсеков снабжен системой подвода тепла, а другой системой отвода тепла, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества выбран двухатомный газ, который при нагреве диссоциирует в одноатомный газ, а в качестве материала ионопроницаемой мембраны выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомарному газу выбранного двухатомного газа. 2. Преобразователь по п. 1, отличающееся тем, что в качестве двухатомного газа выбран газ с малой энергией диссоциации. 3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что в качестве двухатомного газа с малой энергией диссоциации выбран галоген, иод, фтор, хлор, бром. 4. Преобразователь по пп. 1 3, отличающийся тем, что оба отсека сообщаются между собой через дроссель или обратный клапан.