МИКРОТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к области микросистемной техники, в частности к микросистемам для получения электрической энергии путем прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электрический ток в термоэлектрических полупроводниковых батареях.
Известен микротермоэлектрогенератор (Россия, патент №2130216, опубл. 10.05.1999 г.) содержащий корпус, выполненный в виде слюдяной платы (подложки), мембрану (пленку), представляющую собой монокристаллическую матрицу n - InSb, на которую напылены индиевые токовые контакты, к которым припаиваются тонкие медные проволочки для измерения ЭДС. Один конец мембраны поддерживается при температуре T1, а другой - при температуре T2.
Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- корпус выполнен в виде пластины (подложки);
- мембрана выполнена в виде пленки.
К недостаткам известного аналога можно отнести невысокий КПД из-за сложности поддержания высокого градиента температур T1 и T2.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является микротермоэлектрогенератор (US, патент №2011/0083710 А1, опубл. 04.14.2011 г.), содержащий корпус, выполненный в виде платы из кремния с сетчатой структурой, камеру сгорания, мембрану с нанесенным слоем платинового катализатора, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, размещенную на мембране, и металлическую крышку. Мембрана выполнена в виде непроницаемой кремниевой пленки. Камера сгорания и термоэлектрическая батарея размещены по разные стороны мембраны. В качестве топлива используется углеводородно-воздушная смесь, сгорающая на катализаторе в камере сгорания, что приводит к нагреву мембраны и горячего спая термоэлектрической батареи.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- корпус выполнен в виде платы из кремния с сетчатой структурой;
- на мембрану нанесен слой платинового катализатора;
- полупроводниковая термоэлектрическая батарея размещена на мембране;
- крышка выполнена из металла.
К недостаткам известного прототипа можно отнести невысокий КПД, обусловленный неполным сгоранием топлива из-за непроницаемости мембраны, а также невысокий градиент температур Т1 и Т2, обусловленный значительным уровнем теплопроводности по мембране как в продольном, так и в поперечном направлении.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель состоит в повышении КПД устройства.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении полноты сгорания топлива, а также повышении температуры на горячих концах (спаях) термоэлектрической полупроводниковой батареи.
Технический результат достигается за счет того, что в микротермоэлектрогенераторе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из кремния с сетчатой структурой, камеру сгорания, мембрану с нанесенным слоем платинового катализатора, полупроводниковую термоэлектрическую батарею, размещенную на мембране, и металлическую крышку, мембрана выполнена из проницаемого нанопористого оксида алюминия, а камера сгорания размещена по одну сторону мембраны вместе с термоэлектрической полупроводниковой батареей.
Существенными признаками, отличающими предлагаемую полезную модель от близкого аналога (прототипа), являются: выполнение мембраны из проницаемого нанопористого оксида алюминия и расположение камеры сгорания по одну сторону мембраны вместе с термоэлектрической батареей.
Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема устройства. На фиг. 2 представлен фрагмент конструктивной схемы, а именно - мембрана с элементами полупроводниковой термоэлектрической батареи, в другой пропорции.
Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из кремния, в которой создана сетчатая структура. На плате 1 закреплена мембрана 2, выполненная их проницаемого нанопористого оксида алюминия. На мембране 2 сформирована полупроводниковая термоэлектрическая батарея 3 с нанесенным на ее поверхности диэлектрическим покрытием 4 (фиг 2), например, из оксида или нитрида кремния. На поверхности мембраны 2 со стороны термоэлектрической батареи 3 нанесен слой 5 наночастиц платины, служащий катализатором процесса окисления топлива. Над мембраной 2 вместе с термоэлектрической батареей 3 расположена камера сгорания 6. Здесь же в зоне 6 находятся горячие спаи термоэлектрической батареи 3. Холодные спаи термоэлектрической батареи находятся в контакте с металлической крышкой 7.
Устройство работает следующим образом. Газообразное топливо (фиг. 1), например, водород, по каналам в плате 1 подается в полость под мембраной 2. В полость над мембраной 2 подается окислитель. По порам в мембране 2 топливо проникает в зону реакции 6, где контактирует с платиновым катализатором 5 и окислителем, который подается в избытке. Реакция каталитического окисления протекает с выделением тепла. В результате расположенные рядом горячие спаи термоэлектрической батареи 3 нагреваются. Холодные спаи термоэлектрической батареи 3 находятся в тепловом контакте с материалом крышки 7, которая за счет высокой теплопроводности и большой площади обеспечивает их эффективное охлаждение. Продукты сгорания уносятся потоком из объема устройства. За счет постоянной разницы температур между горячими и холодными спаями термоэлектрической батареи 3 возникает ЭДС, которая может быть использована внешним потребителем.
3
2
Материал, из которого выполнена мембрана 2, может быть получен по технологии многостадийного электрохимического анодирования в растворах электролитов и может отличаться наличием пор с размерами от 10 до 500 нм, упорядочено расположенных перпендикулярно плоскости мембраны 2 в виде плотной гексагональной упаковки (фиг 2). Пористость пленки нанопористого оксида алюминия может достигать 15-20%. Особенности расположения пор определяют высокую газопроницаемость мембраны (порядка 30 м/м·атм.·час).
Повышение КПД устройства достигается за счет следующих факторов. Во-первых, за счет полноты сгорания топлива. Во-вторых, за счет повышения температуры горячего спая. В-третьих, за счет пористой структуры мембраны, ее теплопроводность вдоль плоскости мембраны становится незначительной, (порядка 1.6 Вт/м/К), что уменьшает потери тепла и, как следствие, способствует увеличению температурного градиента.
Использование предлагаемой полезной модели позволит получать электроэнергию путем прямого преобразования теплоты сгорания топлива в электрический ток с повышенным КПД.