ТЕРМОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ТЭХГ)
THERMOELECTROCHEMICAL GENERATOR

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрохимическом генераторе (ТЭХГ). В отличие от известных термоэлектрических и термоионных безмашинных преобразователей, использующих энергию изотопов (1), ТЭХГ имеет более высокий к.п.д. за счет того, что подогреваемая зона анодной и катодной полости разнесена в пространстве от холодильника, а тепло Ленца-Джоуля (2), выделяемое в процессе генерирования электроэнергии, при максимальной температуре цикла может быть утилизировано полностью в самом термодинамическом цикле преобразователя (аналог) (3).
Аналог содержит анодную полость, заполненную жидким натрием, отделенную керамическим электролитом на основе β-глинозема от катодной полости, заполненной парами натрия пониженного давления. Давление в катодной полости определяет температура холодильника-конденсатора. Причем поступление натрия от конденсатора к анодной полости осуществляется за счет столба жидкого натрия и в условиях земной гравитации не требуется дополнительная насосная система. Относительно известных преобразователей тепловой энергии в электрическую аналог имеет максимальное значение к.п.д. Однако в условиях невесомости ему необходима дополнительная насосная система, снижающая к.п.д. и весогабаритные показатели аналога.
Известен ТЭХГ (4) (прототип), конструктивная схема которого изображена на фиг.1. Он содержит анодную полость, заполненную парами натрия повышенного давления - 1, катодную полость, заполненную парами натрия пониженного давления - 2, керамический электролит на основе β-глинозема - 3, керамическое кольцо - 4, пористый анод - 5, пористый катод - 6, нагреватель - 7, холодильник - 8, насосную систему - 9, испаритель - 10. Стрелками обозначены потоки натрия и тепла.
Из-за разности давлений между анодной и катодной полостью возникает ЭДС. При замыкании анода и катода через внешнюю нагрузку натрий в виде ионов перетекает через керамический электролит из полости повышенного давления в полость пониженного давления, генерируя электрический ток. Поскольку прототип содержит насосную систему, то он может работать в условиях космоса. Однако наличие ее у прототипа и дополнительного испарителя существенно ухудшает его весогабаритные характеристики и снижает к.п.д.
Для устранения указанных недостатков предложен ТЭХГ, конструктивная схема которого представлена на фиг.2. Предлагаемый ТЭХГ содержит анодную полость, заполненную парами натрия повышенного давления - 1, катодную полость, заполненную парами натрия пониженного давления - 2, керамический электролит на основе натриевого В-глинозема - 3, керамическое кольцо - 4, пористый анод - 5, пористый катод - 6, нагреватель, в частности, использующий энергию изотопов - 7, холодильник - 8, поворачивающийся на 180 градусов цилиндр - 9, термопроводящая часть образующей поверхности цилиндра 10, термоизолирующая часть образующей поверхности цилиндра - 11, токоотвод, контактирующий с поверхностью анодной полости - 12, токоотвод, контактирующий с поверхностью катодной полости - 13, стрелками обозначены потоки тепла.
Предлагаемый термоэлектрохимический генератор, содержащий анодную полость, заполненную парами натрия высокого давления, катодную полость, заполненную парами натрия низкого давления, отделяемые друг от друга керамическим электролитом на основе натриевого β-глинозема, покрытым со стороны анодной и катодной полости пористыми анодом и катодом, подогреватель, использующий, в частности, энергию изотопов и холодильник, отличается тем, что содержит устройство периодического отвода тепла то от одной из полостей к холодильнику при термоизоляции от холодильника к другой полости, то отвода тепла от другой полости при термоизоляции первой полости, для чего это устройство содержит поворачивающийся на 180 градусов цилиндр, контактирующий с холодильником и указанными полостями, причем часть образующей поверхности этого цилинлра выполнена из теплопроводящего материала, а другая часть его образующей поверхности выполнена из термоизолирующего материала, при этом указанный цилиндр со стороны анодной полости и со стороны катодной полости содержит токоотводы, контактирующие с этими полостями.
Предлагаемый ТЭХГ работает следующим образом. Натрий, находящийся в теплоизолированной полости, нагревается и испаряется. Давление пара натрия в этой полости становится больше давления пара натрия в другой охлаждаемой полости, которая контактирует теплопроводящей частью образующей цилиндра с холодильником. Из-за разности давлений между этими полостями возникает ЭДС. При замыкании электродов через внешнюю нагрузку натрий в виде ионов перетекает через керамический электролит из полости повышенного давления в полость пониженного давления. При выработке натрия в термоизолированной полости поворотом цилиндра на 180 градусов цилиндр своей термопроводящей поверхностью контактирует с этой полостью и холодильником, а термоизолированной поверхностью контактирует с другой полостью, термоизолируя ее от холодильника. Таким образом, первая полость становится катодной, а вторая полость становится анодной. Цикл повторяется. При этом токоотвод со стороны теплоизолированной поверхности цилиндра будет всегда отрицательный, а токоотвод со стороны теплопроводящей поверхности цилиндра будет, соответственно, положительный. Это упрощает коммутацию ТЭХГ в батарее. Предлагаемый ТЭХГ благодаря отсутствию испарителя и насосной системы имеет более высокие весогабаритные показатели и более высокий к.п.д. относительно известных космических безмашинных преобразователей. Поэтому предлагаемый ТЭХГ может найти применение для электропитания автономных космических энергоустановок, в частности для электропитания навигационных систем.
Источники информации
1. У.Корлисс, Д.Хорви. Источники энергии на радиоактивных изотопах «Мир», Москва, 1967, 146-171.
2. Л.Н.Антропов. Теоретическая электрохимия. - М.: «Высшая школа», 1975, 19-21.
3. Журнал «Инженер», №4, 2004, 36-37.
4. Journal of Power Sources 96 (2001), 343-351.