具有突出的單元堆的熱電變換器的制造方法
【專利摘要】一種熱電變換器，該熱電變換器由被隔板分成高壓腔室和低壓腔室的充氣室形成并且包括從該隔板正交地突出到其中一個室的串聯(lián)耦合的堿金屬熱電電池的堆。
【專利說明】具有突出的單元堆的熱電變換器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年10月21日提交的，名稱為“Concentration-modeThermoelectric Converter (C-TEC)”的美國臨時專利申請N0.61/627，949的優(yōu)先權(quán)并且通過引用并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文公開涉及熱-電發(fā)電。
【背景技術(shù)】
[0004]圖1A和IB示出堿金屬熱電變換器(AMTEC)的現(xiàn)有技術(shù)實施方式100和200。在圖1A的實施方式中，充氣室101被分成高和低納蒸汽壓力腔室102、103，其中試管狀熱電單元105從高壓腔室突出到低壓腔室。每個單元均分別由被夾設(shè)在多孔內(nèi)部電極和多孔外部電極(陽極109和陰極111)之間的固體電解質(zhì)突出部107形成。固體電解質(zhì)用作離子導(dǎo)電體和電子屏障兩者，在兩個腔室之間(即，跨壓力梯度)傳導(dǎo)熱激活鈉離子，同時對應(yīng)的自由電子在陽極處被收集。所形成的跨固體電解質(zhì)的電勢產(chǎn)生從陽極通過外負荷115 (輸送電力)并且回到陰極的電流，其中電子與穿過電解質(zhì)的鈉離子以減少(或中和)至鈉蒸汽而重新結(jié)合。設(shè)置電磁泵(未示出)以使匯聚的液體金屬鈉從低壓腔室返回到高壓腔室。
[0005]為了限制功率消耗歐姆損耗，繞接線或其他輔助電流收集結(jié)構(gòu)通常覆蓋相對低電導(dǎo)率的多孔電極。不幸地，這樣的結(jié)構(gòu)傾向于在變換器的熱挑戰(zhàn)環(huán)境中過早地退化。例如，纏繞的線傾向于隨著時間的過去損失物理和電接觸(例如，由于線和它們環(huán)繞的線和結(jié)構(gòu)的不均勻的熱膨脹/收縮)，從而增大I2R損失并且因此使變換器的功率密度退化。
[0006] 在圖1B中以截面圖示出的熱電變換器120中，串聯(lián)耦合的、環(huán)狀A(yù)MTEC單元125r1253的堆在圓柱形充氣室122的上壁和下壁之間延伸，從而形成由固體電解質(zhì)單元壁分開的同心的環(huán)狀腔室122、123(8卩，高蒸汽壓力腔室和低蒸汽壓力腔室)。理論上，該布置通過提高輸出電壓(即，由于它們的串聯(lián)互連的優(yōu)勢的單獨的單元的電壓之和)并且相應(yīng)地降低整個變換器的輸出電流來減小困擾管狀單元設(shè)計的I2R損失。實際上，然而，該同軸腔室布置遭受許多缺點。首先，必須注意避免通過單元對單元的互連結(jié)構(gòu)使相鄰單元的陽極或陰極(即，處于不同電勢的電極)短路，必須注意通過在每個較低電勢單元的陽極和至下面較高電勢單元的互連件之間留出間隙131 (以詳圖示出130)(類似的間隙132設(shè)置在每個單元的陰極和至上方的較低電勢單元的互連件之間)解決的復(fù)雜性。不幸地，除非這些從發(fā)電立場構(gòu)成死區(qū)的電極間隙被不切實際地制造得很大，否則顯著地泄漏電流流過電壓梯度，從而使設(shè)備功率密度退化。而且，在存在熱鈉蒸汽時暴露的固體電解質(zhì)和導(dǎo)電的互連件的結(jié)合構(gòu)成三相點，在該三相點處由鈉電離釋放的電子通過單元對單元互連件被分流道單元陰極，進一步耗盡跨固體電解質(zhì)的電壓差并且因此進一步使變換器的功率密度退化。雖然濺射的非多孔絕緣體已被建議覆蓋間隙(并且因此覆蓋三相點)，但是這樣的覆蓋的生存能力是令人懷疑的，特別是在高壓腔室中。此外，研究顯示濺射涂膜對減少流過陽極和互連件之間的電壓梯度的泄漏電流作用很小。
[0007]變換器120的環(huán)狀設(shè)計帶來了附加的復(fù)雜化。舉例來說，單元堆和其至充氣室殼體的相對兩端的互連件在熱膨脹/收縮期間(即，當充氣室殼體和單元堆部件傾向于不均勻地展示膨脹/收縮時)經(jīng)受顯著地應(yīng)力/應(yīng)變、機械磨損力，其中機械磨損力傾向于使設(shè)備功率密度退化并且導(dǎo)致過早破壞，特別是在包括頻繁的溫度循環(huán)的應(yīng)用中。同軸加熱布置還增加復(fù)雜性(要求熱被注入盲孔中)并且傾向于因為熱從內(nèi)部熱源朝著充氣室的冷容器壁直接輻射而是熱效率低的。可能更重要地，熱源和充氣室壁之間的大的溫度梯度(以及單元堆和冷充氣室壁之間的相對短的距離)，并且使得難以防止鈉濃縮在單元堆表面上，因為導(dǎo)電鈉濃縮物造成的高度成問題的現(xiàn)象能短路單元彼此之間的不同電勢，從而嚴重地干擾變換器的操作。
[0008]又另外的問題困擾圖1B的實施方式。例如，跨堆中的最后的單元與其至殼體的互連件(即，鑒于殼體的兩端處的物理單元堆連接)之間的間隙的高電壓呈現(xiàn)泄漏電流源，其隨著單元計數(shù)并且因此隨著跨最后間隙的電壓增長變得愈加麻煩，泄漏比完整的堆中的相對少量的單元(例如，三個單元)更多的單元。類似地，用于使相鄰單元互連件的金屬板135不僅增加部件計數(shù)，而且構(gòu)成死區(qū)，所述死區(qū)隨著單元計數(shù)增長消耗單元堆表面積的漸增的比例，再次泄漏比少量堆疊的單元更多的單元。而且，在圖1A和IB的實施方式中，靈敏的裝置陰極通過至低壓蒸汽腔室的腔室壁的視線接觸而暴露，從而導(dǎo)致因來自殼體中的材料的污染(諸如從不銹鋼逸出的鉻或錳)而縮短電極的壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0009]本文的公開以示例的方式而不是以限制的方式在附圖的圖中示出，并且其中相似的附圖標記指的是相似的元件，并且附圖中:
[0010]圖1A和IB示出了現(xiàn)有技術(shù)堿金屬熱電變換器；
[0011]圖2示出了具有多堆從腔室限定隔板正交突出的堿金屬熱電變換單元的熱電變換器的實施例；
[0012]圖3示出了能用來在圖2的突出的單元堆內(nèi)實施單獨的單元的示例性低縱橫比熱電單元的橫截面；
[0013]圖4示出了根據(jù)一個實施方式的突出的單元堆的局部橫截面；
[0014]圖5示出了圖4的單元-單元互連件和突出隔離的展開圖，強調(diào)了陽極和單元互連件之間的延長的表面路徑長度；
[0015]圖6示出了突出的單元堆中的熱電單元的替代互連件；
[0016]圖7示出了根據(jù)圖6的隔離的電解質(zhì)實施例的突出的單元堆的剖面圖；
[0017]圖8示出了由圖7的實施例獲得的整體電互連件；
[0018]圖9A至圖9C示出了能被用來實施參照圖4至圖8描述的突出的隔離(或絕緣體)的離散的且板結(jié)合的隔離的另選實施方式；以及
[0019]圖10示出了在突出的單元堆內(nèi)的熱電單元的電極(電子導(dǎo)體)和電解質(zhì)的電阻的集總元件模型。
【具體實施方式】[0020]本文在各個實施例中公開了一種熱電變換器，該熱電變換器具有充氣室和一堆堿金屬熱電單元，其中充氣室由隔板分成高壓腔室和低壓腔室，并且一堆堿金屬熱電單元從隔板正交地突出到其中一個腔室中。在一個實施例中，隔板由大體上平坦的構(gòu)件形成，該大體上平坦的構(gòu)件在充氣室的側(cè)壁之間延伸以將充氣室分成高蒸汽壓力腔室和低蒸汽壓力腔室并且具有由蓋在其的未固定的端部上的相應(yīng)的單元堆覆蓋的一個或多個開口。通過僅在一端(即，在隔板的開口)處固定單元堆，單元堆自由膨脹和收縮而沒有經(jīng)受困擾在兩端固定的單元堆的機械應(yīng)力/應(yīng)變力。此外，通過將單元堆突出到高蒸汽壓力腔室使得熱從充氣室殼體朝著單元堆向內(nèi)被引導(dǎo)，獲得了高效的熱布置(即，因為通過單元堆輻射的熱能在高蒸汽壓力腔室中保持占優(yōu)勢，代替例如流到冷充氣室壁)，并且保持單元堆處于避免工作流體冷凝的溫度。而且，在多個實 施例中，給定堆中的單元借助連續(xù)接頭被電互連并且被密封，從而簡化了單元堆的構(gòu)造并且限制單元之間的死空間。在其他實施例中，分流電流由隔離屏障抑制，該隔離屏障從單元堆的壁向外(和/或向內(nèi))突出以增大單元電極和不同電勢的單元互連件之間的電路徑長度。在又另外的實施例中，單獨的單元的固體電解質(zhì)部件借助突出的隔離屏障到單元壁中的延伸和/或通過一個或多個陶瓷接頭與單元對單元互連件物理隔離以提供三相點隔離。這些和其他實施方式以及它們的特征和益處在下面進行討論。
[0021]圖2示出了熱-電變換器150的實施例，該熱電變換器150具有多個堿金屬熱電變換單元(Iei1-1ei,)的堆160，所述單元的堆從腔室限定隔板正交地突出。變換器150還被稱為“熱電”變換器，因為術(shù)語熱-電和熱電在本文可互換使用以指的是熱能對電的變換。在圖2所提出的示例中，隔板153由大體上平坦的圓盤形成，該圓盤繞圓柱形高壓腔室151的側(cè)壁(本文還被稱為外殼或變換器殼體)固定，從而將充氣室151分成高蒸汽壓力腔室155和低蒸汽壓力腔室156。在所示的實施方式中，電磁泵158在兩個腔室之間耦合以通過油繩(通過毛細管作用操作)將堿金屬液體從低壓腔室泵送到高壓腔室，或者在另選的實施例中可以米用任何其他的用于在腔室之間傳輸堿金屬液體的可行機構(gòu)。
[0022]被施加至與高壓腔室相鄰的充氣室壁的外表面的熱源159 (盡管熱源可以另選地或另外地突出到或被嵌入高壓腔室內(nèi)，和/或可以使用遠程鍋爐)以將其中的高壓堿金屬蒸汽(例如，鈉蒸汽、鉀蒸汽或任何其他可行的堿金屬蒸汽)加熱到如下溫度，該溫度在兩個腔室之間形成壓力(或濃度)梯度、用于設(shè)備操作的驅(qū)動力。更具體地，隔板153中的開口有效地將低壓腔室延伸到單元堆160的內(nèi)部，從而建立跨每個單元Ieii的固體電解質(zhì)壁的壓力或濃度梯度，該梯度促進堿金屬電離并且驅(qū)使電離的堿金屬離子通過固體電解質(zhì)到達每個單元的內(nèi)部表面。通過電離反應(yīng)釋放的電子由固體電解質(zhì)阻擋并且由多孔電極(即，陽極)收集在外部單元表面上，從而形成每個單元的外部表面和內(nèi)部表面之間的電勢。
[0023]仍參考圖2，單元互連結(jié)構(gòu)162在相鄰單元的陰極和陽極之間延伸(并且還密封相鄰單元之間的間隙以保持高壓腔室和低壓腔室之間的分離)以串聯(lián)地耦合堆160的構(gòu)成單元。因此，每個突出的單元堆160的整體電勢是堆疊的單元的數(shù)量(N)和每個單元的電壓(Vi^)的乘積，并且因此比單片突出單元的電壓高N倍。此外，這比較和假定了堆疊單元和單片單元突出部之間的可比較功率密度和凈阻抗，突出單元堆160的電流將是單片實施方式中流動的電流的1/N，這產(chǎn)生引人注目的較低的(B卩，除以N2)歐姆損失和因此產(chǎn)生相應(yīng)地較高的熱電變換效率。如下面所討論的，堆疊的單元突出的較高的輸出電壓/較低的輸出電流性質(zhì)提供用于較高阻抗電極的公差，并且因此提供在典型地由常規(guī)的設(shè)計所要求的昂貴的且不可靠的輔助電流收集結(jié)構(gòu)(例如繞接線)方面居先的設(shè)計。因此，在下面所討論的許多實施例中，陽極和陰極電極僅由多孔金屬沉積物形成，從而提高設(shè)備可靠性和耐久性并且使得能夠簡單且有效地實施圖2所示的更熱有效的腔室布置(B卩，在突出的單元堆的外側(cè)上的高壓腔室)。
[0024]形成單元堆的壁的固體電解質(zhì)板通常與用來形成充氣室殼體和隔板153的抗氧化材料(例如，不銹鋼)相比展現(xiàn)低熱膨脹率。因此，為了說明充氣室151、隔板153和突出的單元堆160的潛在的非均勻的熱膨脹，可延展的堆安裝構(gòu)件166被設(shè)置以將給定堆的起始單元(161J固定至對應(yīng)的隔板開口的周界。在一個實施方式中，例如詳圖170a和170b所示，堆安裝件166由銅焊或以其他方式固定和電耦合在隔板開口的周界和起始單元的下側(cè)之間的鈮圓頂(鑰、鉭、鈦、各種合金等也可以被使用)實現(xiàn)。該可延展的圓頂狀堆安裝件166可以被直接結(jié)合到低熱膨脹率的固體電解質(zhì)板172，而不需要接頭169處的不適當?shù)膽?yīng)力，而堆安裝件166的半徑將彈性變形以減輕在接頭168 (其可以被形成在關(guān)于隔板153中的開口放置的凹口、凹槽、溝槽或其他凹部內(nèi))中的高熱膨脹率隔板材料處引起的應(yīng)力，而沒有將該應(yīng)力傳遞至固體電解質(zhì)板172。因此，通過該布置，接頭168和169以及可延展的堆安裝件166將起始單元Iei1固定至隔板153 (密封隔板開口并且因此保持高壓腔室和低壓腔室之間的分離)并且將隔板電耦合至起始單元的陽極電極171。比較示出處于空閑(未加熱)和操作(加熱)狀態(tài)的變換器的兩個詳圖170a和170b，可延展的堆安裝構(gòu)件166在隔板變熱(當隔板和充氣室壁膨脹時擴大隔板開口)時關(guān)于圓頂半徑塑性變形(即，在堆安裝件/隔板接頭168處展示逐漸變大的內(nèi)部半徑并且因此使圓頂變平)，并且在隔板冷卻時收縮，從而保護接頭169以及突出的單元堆中的基部單元的固體電解質(zhì)板在由突出的單元堆160和隔板構(gòu)件153所見的溫度范圍內(nèi)不受可延展的堆安裝件166中形成的應(yīng)力的影響。 [0025]如上所討論的，圖2的突出的單元堆布置的單側(cè)安裝為單元堆軸向(即，沿垂直于充氣室隔板的方向)膨脹和收縮提供自由度，而沒有經(jīng)受使圖1B的兩側(cè)連接單元堆苦惱的機械壓縮和張力。另外，在單元堆的外側(cè)上建立高壓室(即，由內(nèi)而外的腔室的配置)確保了高壓堿金屬蒸汽迫使所有的單元互連接頭壓縮在一起，從而避免了能從相反配置或圖1B的雙側(cè)連接環(huán)狀腔室布置(經(jīng)受單元壁的彎曲并且因此經(jīng)受單元互連上的相當大的拉力)中的嚴重的拉伸壓力引起的災(zāi)難性的接頭破壞。而且，敏感的陰極在電解質(zhì)單元內(nèi)并且因此通過以下得到保護，由對污染源(例如，不銹鋼充氣室壁)的低視線暴露以及從電解質(zhì)組件外的鈉蒸汽通過隔板開口流入低壓腔室的較寬區(qū)域中的泵作用。由內(nèi)而外的腔室的配置還實現(xiàn)如上所述的熱有效的加熱配置，從而避免圖1A和圖1B所示的內(nèi)部加熱的單元的大的熱損失(以及對昂貴的熱屏蔽布置的需要)。
[0026]關(guān)于圖2所示的具體的實施方式，隔板開口、單元堆、每堆單元的特定數(shù)量、變換器取向等等僅為了說明目的被描述，任何以及所有這樣的參數(shù)可以在另選的實施方式中被改變。而且，雖然關(guān)于圓盤狀隔板中的圓形隔板開口(或孔)設(shè)置的圓柱形單元堆(以及對應(yīng)的圓柱形充氣室)在圖2中被示出并且在下面的示例中被闡述，但是根據(jù)給定的應(yīng)用或制造過程中的有益的形式因素，單元堆和對應(yīng)的隔板開口和/或隔板以及充氣室輪廓可以在另選的實施方式中具有其他形狀(例如三角形、四邊形或其他多邊形)。此外，雖然可延展的堆安裝構(gòu)件166被設(shè)置以減小通過使突出的單元堆與用來形成充氣室殼體和隔板(SP，分別151和153)的材料的的熱膨脹不同引起的應(yīng)力，在另選的實施方式中，充氣室殼體和/或隔板可以由這樣的材料(例如氧化鋁)形成，即，該材料展示類似于突出的單元堆內(nèi)的材料的熱膨脹系數(shù)，并且使得在一些設(shè)計中能夠省除可延展的堆安裝構(gòu)件166。
[0027]圖3圖示可以用來實施圖2的突出的單元堆內(nèi)的單獨的單元的示例性低縱橫比熱電單元185。如所示的，單元由圓柱形固體電解質(zhì)板187形成(例如，在鈉或鉀工作流體的情況下分別為鈉β或β ’’氧化鋁固體電解質(zhì)或鉀β或β ’’氧化鋁固體電解質(zhì)，或者β和β ’’相加穩(wěn)定劑的混合物等，所有這些在本文簡稱(含)為“基部(BASE)”)，該圓柱形固體電解質(zhì)板具有設(shè)置在其內(nèi)部和外部表面上的多孔電極以分別形成陰極188和陽極189。盡管多孔電極的相對低的電導(dǎo)，研究顯示，通過限制相對低的縱橫比(即，低高度-直徑比或低高度-周長比)單元中的單元高度并且提供限制非期望的分流電流的結(jié)構(gòu)，鑒于在堆疊的結(jié)構(gòu)中獲得的電流的減小可以忍受低電極電導(dǎo)，從而避免了對繞接線或其他昂貴的且不可靠的輔助電流收集的需要。更具體地，傾向于存在設(shè)計優(yōu)化，其中單元的高度足夠高以避免單元對單元互連的過度激增(從發(fā)電觀點看死區(qū))，但是不高到將電極阻抗提高到需要輔助電流收集的水平。在一些實施例中，例如在3.0厘米以下或者甚至在1.0厘米以下(例如，8毫米(8_))的單元高度可以落在該優(yōu)化范圍內(nèi)。例如，通過將腔室高度(堆的頂部和充氣室壁之間的較小的空閑溫度公差)除以目標單元高度，單元高度標準可以用來確定給定的變換器設(shè)計內(nèi)的單元計數(shù)。作為一示例，在4mm公差下具有10厘米室高度(在考慮可延展的堆安裝件的最大高度之后)的變換器中，十二個8_單元可以堆疊在隔板和充氣室之間。不同的優(yōu)化的單元高度可以應(yīng)用于利用不同類型的多孔電極、不同的化學(xué)處理(例如，作為工作流體的鉀蒸汽)、單元直徑等的實施例中。而且，對于圓錐形或圓柱形單元，至少，設(shè)計優(yōu)化可以在單元縱橫比(即，軸向長度與直徑的比)方面得到表現(xiàn)，相對于0.1至I的比并且優(yōu)選地但不必要地低于0.5。 [0028]圖4示出了根據(jù)一個實施例的突出的單元堆200的局部橫截面。如上述實施方式中，N個單元201中的每個單元均分別包括被夾設(shè)在多孔陽極電極207和多孔陰極電極209之間的固體電解質(zhì)板205 (例如，β雙主氧化鋁固體電解質(zhì)(BASE))。從每個較低電勢單元的陰極連續(xù)延伸到較高電勢相鄰單元(即，單元‘i’的陰極到單元‘i+1'的陽極，其中‘i’是單元指數(shù))的銅焊接頭211作用為串聯(lián)地耦合單元(從而在每個單元的陰極建立逐漸增量的電勢，i*V^)以及還密封單元之間的間隙的雙重功能。與被焊接在圖1B的現(xiàn)有技術(shù)單元堆中的相鄰單元之間的金屬板相比，單接頭互連件減少了部件計數(shù)(簡化并節(jié)約了裝置生產(chǎn))，并且產(chǎn)生單元之間的基本較小的死區(qū)，從而使得單元計數(shù)能夠延伸(例如，超過圖1B所示的三個單元)，而沒有過度地危及變換器的功率密度。
[0029]銅焊接頭212和214還分別設(shè)置在堆的底座和自由端(B卩，堆中的起始單元和最后單元)處，其中接頭212將堆中的起始(或基部)單元固定并電耦合至導(dǎo)電的、可延展的安裝構(gòu)件215 (并且因此固定并電耦合至充氣室隔板)，并且接頭214將堆中的最后的單元固定并電耦合至覆蓋堆的自由端的導(dǎo)電蓋218上。蓋218可以由導(dǎo)電金屬或者由復(fù)合材料(例如，具有電耦合至接頭214的導(dǎo)電底板的玻璃和/或陶瓷結(jié)構(gòu))實施。在所示實施方式中，引線221、導(dǎo)電桿等耦合至蓋218 (或者其導(dǎo)電部件)以形成單元堆的正端子。在具有多個單元堆的變換器中，用于每個單元堆的引線221均通過充氣室隔板中的對應(yīng)的開口布線并且可以在從充氣室殼體出來之前與用于其他單元堆(如果存在一個以上堆)的引線接合，或者可以在相應(yīng)的出口點處從充氣室直接離開(即，與形成單元的負端子的充氣室壁隔離)。
[0030]仍參考圖4，突出的隔離構(gòu)件被設(shè)置以克服困擾現(xiàn)有技術(shù)變換器120 (圖1B)的分流表面電流。更具體地，這里被稱為陽極側(cè)隔離器的環(huán)狀隔離構(gòu)件225關(guān)于每個電解質(zhì)單元的外周設(shè)置在單元的陽極207和到較高電勢單元的陽極的銅焊互連件211之間。類似的陰極側(cè)隔離器277也可以關(guān)于每個單元的內(nèi)周設(shè)置在單元的陰極209和到較低電勢單元的銅焊互連件之間。在兩種情況下，隔離器執(zhí)行覆蓋以其他方式暴露的電解質(zhì)板205的部分(限制電解質(zhì)/互連件接合到鈉蒸汽并且因此防止三相點和它們使能的非期望的分流電流)并且增大較高或較低電勢的電極和互連件211之間的表面路徑長度的雙重功能。增大的表面路徑長度對于阻擋被相信困擾圖1B的現(xiàn)有技術(shù)手段的表面水平分流電流(即，在鈉蒸汽中橫跨單元壁的表面流動的電子)特別有效，因為那些功率削弱電流被阻擋，而不必加寬陽極和至較高電勢單元的互連件之間的死區(qū)。
[0031]圖5示出了圖4的單元對單元互連件211和突出隔離器的展開圖，強調(diào)了陽極207和單元互連件211之間(B卩，圍繞陽極側(cè)隔離器)的延長的表面路徑長度‘V。在一個實施例中，例如，延長的表面路徑長度至少為陽極和單元互連件之間(即，如果隔離構(gòu)件被省略通過電絕緣隔離器)的距離‘X’的至少兩倍。在一個實施例中，突出距離‘Y’(即，陽極側(cè)隔離器遠離單元堆突出的距離，該距離在本示例中從固體電解質(zhì)板的表面測量)基本上大于陽極207的厚度(例如，至少大50%)和/或至少與陽極207和互連件211之間的直接距離‘X’ 一樣長。其他實施例可以采用足以限制給定的單元的陽極和至較高電勢的單元的互連件之間的分流電流的任何尺寸的突出隔離器。類似的考慮適用陰極側(cè)隔離器的尺寸，盡管較小隔離器寬度和突出距離可以應(yīng)用(例如，陽極側(cè)隔離器的對應(yīng)的尺寸的75%或50%)。
[0032]圖4和圖5所示的突出隔離器可以由足以經(jīng)受住高壓室和低壓室的金屬蒸汽環(huán)境的任何電絕緣材料實施，所述電絕緣材料包括例如，但不限于氧化招、氧化錯或其他高溫玻璃、陶瓷或金屬陶瓷。而且，高溫玻璃料231或其他附著材料可以用來將隔離構(gòu)件(或絕緣體)附著至固體電解質(zhì)板，如例如詳圖230中示出的。
[0033]圖5還示出復(fù)合互連結(jié)構(gòu)，該復(fù)合互連結(jié)構(gòu)可以被采用以代替連續(xù)的銅焊接頭211在相鄰單元之間電互連并且密封相鄰單元之間的間隙。在所示的實施方式中，復(fù)合互連件包括墊圈237 (例如，由鑰、鉭、鈦、鈮、金屬合金等形成)，該墊圈具有由玻璃料237 (或其他絕緣介質(zhì))界定的S狀截面，該玻璃料將墊圈固定在相鄰單元的固體電解質(zhì)板之間。端點銅焊接頭239被設(shè)置以將墊圈237電耦合至相鄰單元的電極(陰極和陽極)。在另選實施方式中，墊圈237可以具有大體上矩形(或者以其他方式四邊形)的橫截面，其中端點銅焊接頭被延伸以彌補單元電極和墊圈之間的距離。盡管連續(xù)的銅焊接頭通常與本文所述的實施方式結(jié)合來進行描述，但是在所有這樣的情況下，可以使用復(fù)合互連結(jié)構(gòu)，包括但不限于圖5所示的復(fù)合互連結(jié)構(gòu)。
[0034] 圖6示出了突出的單元堆中的熱電單元的另選的互連。如所示，突出的隔離構(gòu)件255和257延伸到相鄰的單元的固體電解質(zhì)板245之間的區(qū)域中，因此完全使固體電解質(zhì)與單元對單元互連件(即，銅焊接頭251)隔離。在所示實施方式中，玻璃或陶瓷接頭253被設(shè)置以將突出的隔離構(gòu)件255、257附接至相應(yīng)的電解質(zhì)板245，并且互連件251延伸穿過形成于隔離構(gòu)件之間的通道，從而將隔離構(gòu)件固定到彼此并且因此密封相鄰單元之間的間隙而同時形成單元對單元的電互連。如圖6顯示，陽極電極和陰極電極(247，249)沿著固體電解質(zhì)板的整個長度延伸(即，不存在隔離間隙)并且可以延伸超過陶瓷接頭253以及突出的隔離構(gòu)件255和257中的任一者或兩者的部分或全部短側(cè)。
[0035]圖7示出了根據(jù)圖6的隔離的電解質(zhì)實施方式的突出的單元堆的剖面圖。如圖4的實施方式中，連續(xù)的銅焊接頭262、264被用來使多個單元271在可延展的安裝件215(即，用于關(guān)于隔板開口安裝基部單元)和金屬或復(fù)合蓋218之間串聯(lián)地電互連。通過所示的布置，獲得相對高的電壓、低的歐姆損失單元，其中突出的隔離構(gòu)件抑制分流電流并且使得能夠?qū)⑾鄬Ω咦杩沟亩嗫纂姌O陽極和陰極用作跨單元壁的單獨的電流收集和傳導(dǎo)機構(gòu)。圖8示出了通過圖7的實施方式獲得的整體電互連，其中所有的導(dǎo)體被濃重遮蔽以強調(diào)電互連。如在上述實施方式中，單元堆的單側(cè)機械連接允許單元堆熱膨脹和收縮，而沒有經(jīng)受會快速磨損被固定在充氣室的相反兩端之間的單元堆的機械應(yīng)力/應(yīng)變力。因此，圖7和圖8的突出的單元堆實現(xiàn)了可以在各種應(yīng)用(包括那些要求頻繁的溫度循環(huán)的)中部署的高度實用、有效且堅固耐用的熱電變換器。
[0036]圖9A至圖9C示出了可以用來實施參照圖4至圖8的突出的隔離器(或絕緣體)的離散的且板集成的隔離器的另選的實施。更具體地，圖9A示出了其中離散的環(huán)狀隔離器303a和303b被固定至電解質(zhì)板305的外部表面和內(nèi)部表面(例如，在板的未由多孔電極覆蓋的相反兩端處的相應(yīng)的區(qū)域中)的單元橫截面301，并且因此大致對應(yīng)于參照圖4和圖5描述的結(jié)構(gòu)(注意，離散的隔離器303a和/或303b可以另選地被固定至電解質(zhì)板的頂部/底部表面，如圖6至圖8所不)。相反，圖9B和圖9C不出了其中突出的隔尚器與固體電解質(zhì)板集成地形成的突出的隔離器的板集成的實施方式。在圖9B的單元橫截面311所示實施方式中，電解質(zhì)板312在任一端處的徑向突出部314、316 (即，在一端向內(nèi)并且在另一端向外)涂覆有高介電材料(諸如高溫玻璃)以形成上述突出的隔離器。在圖9C的單元橫截面321所示的實施方式中，徑向電解質(zhì)突出部324和326被擴散或以其他方式植入有摻雜劑以破壞離子和電子電導(dǎo)率 ，再次形成增大單元互連結(jié)構(gòu)和較高/較低電勢的相鄰電極之間的表面路徑長度的突出隔離。
[0037]圖10示出了突出的單元堆(350)內(nèi)的熱電單元的電極(電子導(dǎo)體)和電解質(zhì)(離子導(dǎo)體)的電阻的集總元件模型，以及簡化的等同電路(360)。通常，用于任何發(fā)電機的最大功率在被連接至匹配的阻抗負荷Z時出現(xiàn)并且由P=V2/4Z描述，其中V是發(fā)電機開路電壓，并且Z是發(fā)電機阻抗。開路電壓受變換器操作溫度的影響，并且變換器通常經(jīng)受兩種類型的功率損失:寄生損失和發(fā)電機阻抗中的I2R損失。將這些用于堿金屬熱對電變換陰極的特定功率的識別和已知值，在i)寄生損失被充分限制以及2)1?損失足夠低以產(chǎn)生大于在小于900°C操作溫度下針對陰極面積的每平方厘米的接近300毫瓦(300mW)的特定功率時能產(chǎn)生有效的、高功率熱電變換器。如果使用電磁泵，設(shè)備中的固有損失包括鈉循環(huán)損失或鉀循環(huán)損失(即，蒸發(fā)的潛熱)以及泵功率。寄生損失主要包括熱損失(從熱側(cè)到冷側(cè)的輻射和熱傳導(dǎo))以及由于單元之間的隔離電阻造成的分流電流損失。對于具有高阻抗的較短單元，較高阻抗隔離被用在單元之間(例如，如上述突出的隔離結(jié)構(gòu)中)以減小該寄生損失。如上所述，將單元堆突出到高蒸汽壓力室(即，熱側(cè))通過屏蔽高壓室內(nèi)的熱電解質(zhì)顯著減小熱損失，并且鈉循環(huán)損失被大大固定。發(fā)電機中的電阻性的I2R損失在最大功率被輸送到匹配負載時等于輸出功率，因此電阻性損失應(yīng)該通常足夠低以滿足設(shè)計目標(例如，在小于900°C下300mW/cm2，或者在較高或較低操作溫度下分別較高或較低功率密度)。在本文的多個實施方式中，提供I)用于通過電子中和鈉離子的場所以及2)低壓側(cè)上的低鈉背壓以保持高電壓的陰極由具有相對短的電流收集距離的導(dǎo)電材料的薄的沉積(或以其他方式形成的)層來實施。通過限制單元高度(并且因此限制電流收集距離)到避免過度I2R損失的尺寸，并且將陰極厚度限制到避免抵抗蒸汽通道(即，通過電極和電解質(zhì)壁)的過度背壓的尺寸，可以獲得目標功率密度(例如，在一個實施方式中在小于900°C下300mW/cm2)，而沒有要求昂貴的且不可靠的輔助的電流收集結(jié)構(gòu)。其中每個構(gòu)成單元的高度在3.0cm以下或者甚至在1.0cm以下(例如，8mm)或具有0.1至I的軸向長度與直徑的比的堆疊的單元突出部已被確定以滿足這樣的設(shè)計目標，盡管具有在那些范圍之外的單元高度和/或縱橫比的突出的單元堆可以用于其他實施方式中。
[0038]在前述描述和附圖中，特定的術(shù)語和附圖標記已被闡述以提供本發(fā)明的全面理解。在一些情況下，術(shù)語和附圖標記可以暗示不被要求實行本發(fā)明的特定細節(jié)。例如，單元的任何具體數(shù)量、單元堆、單元尺寸、材料類型、部件形狀、互連或構(gòu)造的方式等可以不同于另選實施方式中在上描述的那些方式。術(shù)語“耦合的”在本文用來表示直接連接以及通過一個或多個介于之間的電路或結(jié)構(gòu)的連接。術(shù)語“示例性的”和“實施例”用來表示示例，不是優(yōu)選或要求。 [0039]雖然已經(jīng)參照其【具體實施方式】描述了本發(fā)明，但將明顯的是，在沒有脫離較寬的精神和范圍的情況下可以對其進行各種修改和改變。例如，實施例中的任一個實施例的特征或方面可以，至少在可行的情況下，與實施方式中的任何其他實施方式結(jié)合或者代替其配對特征或方面。因此，說明書和附圖被認為在說明性而非限制性意義上被考慮。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電變換器，所述熱電變換器包括: 充氣室；以及 多個在所述充氣室內(nèi)在堆中安裝到彼此的堿金屬熱電變換單元，所述堆具有第一端和第二端并且僅在所述第一端處被機械地固定至所述充氣室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電變換器，所述熱電變換器還包括蓋，所述蓋耦合至所述堆的所述第二端以使所述堆的內(nèi)部區(qū)域與在所述堆的外部的腔室分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電變換器，其中，所述充氣室包括蒸汽輸入，所述蒸汽輸入用于接收足以保持在所述堆外部的所述腔室和所述堆的所述內(nèi)部區(qū)域之間的壓差的堿金屬蒸汽流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱電變換器，其中，所述堆的所述熱電變換單元固定至彼此并且經(jīng)由導(dǎo)電接頭彼此串聯(lián)地電耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電變換器，其中，所述壓差在所述導(dǎo)電接頭上產(chǎn)生壓縮力。
6.一種熱電變換器，所述熱電變換器包括: 由隔板分成第一腔室和第二腔室的充氣室，所述隔板具有開口 ；以及 多個在堆中安裝到彼此的堿金屬熱電變換單元，所述堆關(guān)于所述隔板中的所述開口設(shè)置并且從所述隔板正交地突出到所述第二腔室中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電變換器，所述熱電變換器還包括蓋，所述蓋耦合至所述堆的與所述隔板中的所述開口相對的端部；以及導(dǎo)體，所述導(dǎo)體耦合至所述蓋并且延伸穿過所述堆的內(nèi)部區(qū)域以形成所述堆的第一電端子。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電變換器，所述熱電變換器還包括可延展的堆安裝構(gòu)件，所述堆安裝構(gòu)件用來將所述堆關(guān)于所述開口固定至所述隔板并且將所述堆中的所述熱電變換單元的起始的一個熱電變換單元的端子電耦合至所述隔板。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱電變換器，其中，所述堆被密封以使得能夠在所述第一腔室和所述第二腔室之間建立壓差以跨所述熱電變換單元中的每一個熱電變換單元的固體電解質(zhì)壁顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電變換器，其中，所述堆的所述熱電變換單元固定到彼此并且經(jīng)由導(dǎo)電接頭彼此串聯(lián)地電耦合，并且其中所述壓差在所述導(dǎo)電接頭上形成壓縮力。
11.一種熱電變換器，所述熱電變換器包括: 第一堿金屬熱電變換單元和第二堿金屬熱電變換單元，每個堿金屬熱電變換單元均包括設(shè)置在陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)構(gòu)件；以及 導(dǎo)電銅焊接頭，所述導(dǎo)電銅焊接頭從所述第一熱電變換單元的所述陽極連續(xù)延伸到所述第二熱電變換單元的所述陰極，并且將所述第一熱電變換單元和所述第二熱電變換單元物理地固定在堆中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電變換器，所述熱電變換器還包括蓋，所述蓋耦合至所述堆的一端以使所述堆的內(nèi)部區(qū)域與所述堆外部的腔室分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱電變換器，其中，第二腔室包括蒸汽輸入，所述蒸汽輸入用來接收足以保持所述堆的外部的所述腔室和所述堆的所述內(nèi)部區(qū)域之間的壓差的堿金屬蒸汽流。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱電變換器，其中，所述壓差在所述導(dǎo)電銅焊接頭上產(chǎn)生壓縮力。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電變換器，所述熱電變換器還包括 第三堿金屬熱電變換單元，所述第三堿金屬熱電變換單元具有設(shè)置在陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)構(gòu)件；以及 另一導(dǎo)電銅焊接頭，所述另一導(dǎo)電銅焊接頭從所述第二熱電變換單元的所述陽極連續(xù)延伸到所述第三熱電變換單元的所述陰極，并且將所述第三熱電變換單元物理地固定在所述堆中。
16.—種熱電變換器,所述熱電變換器包括: 在堆中安裝至彼此的第一堿金屬熱電變換單元和第二堿金屬熱電變換單元，所述第一單元和所述第二單元中的每個單元均包括設(shè)置在陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)構(gòu)件； 電互連結(jié)構(gòu)，所述電互連結(jié)構(gòu)從所述第一單元的所述陰極延伸到所述第二單元的所述陽極；以及 第一電絕緣屏障，所述第一電絕緣屏障設(shè)置在所述第一單元的所述陽極和所述電互連結(jié)構(gòu)之間并且遠離所述堆突出基本上大于所述第一單元的所述陽極的厚度的距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電變換器，其中，從所述第一單元的所述陽極到所述電互連結(jié)構(gòu)的所述第一電絕緣屏障上的表面路徑長度至少為所述第一單元的所述陽極和所述電互連結(jié)構(gòu)之間的距離 的兩倍。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電變換器，所述熱電變換器包括第二電絕緣屏障，所述第二電絕緣屏障設(shè)置在所述第二單元的所述陰極和所述電互連結(jié)構(gòu)之間，并且在與所述第一電絕緣屏障的所述突出相反的方向遠離所述堆突出。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電變換器，其中，所述第一電絕緣屏障經(jīng)由玻璃料固定至所述第一單元的所述固體電解質(zhì)構(gòu)件。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電變換器，其中，所述第一電絕緣屏障具有基本上四邊形的截面。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱電變換器，其中，所述第一電絕緣屏障在所述第一單元的所述固體電解質(zhì)構(gòu)件和所述第二單元的所述固體電解質(zhì)構(gòu)件之間延伸。
【文檔編號】H01L37/00GK104025328SQ201280051833
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】D·M·羅西, M·P·斯塔斯庫斯, D·W·納姆 申請人:納米轉(zhuǎn)化科技公司