（轮机工程专业论文）amtec性能的理论计算和实验模拟.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 碱金属热电转换装置( t h ea l k a l i m e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i c c o n v e r t e r ) ，简写为a m t e c ，是一种正处于研究阶段的新型能量转换技术。 a m t e c 利用碱金属( 锂、钾、钠) 作为工作物质，b a s e ( ”a l ，d ；s o l i d e l e c t r o l y t e ) 作为介质，这种陶瓷材料对离子是良导体，对电子几乎是绝缘 体，这一点也是这种能量转换技术的基础。 a m t e c 技术在世界范围内得到了广泛的重视，在美国、日本和前苏联国 家，这项技术研究已取得了一定的成绩，美国这项技术发展很快，已经计划 用在航天器上。我国在a m t e c 技术领域的研究工作基本处于起步阶段，但国 内的相关技术研究已经具备了很好的基础，目前已有生产厂家和研究院所生 产固体电解质等相关材料，与这些生产厂家和研究院所开展技术合作，我们 就可以进行这种能量转换技术的研究和推广工作。 由于此项技术还没有成熟，没有相关的系统理论和整体的效率公式，各 个国家所进行的研究也都是很初步的，进行的探索主要有a m t e c 装置所涉及 到的各个部件的理论模型和实验研究，以及在此基础上的简单实验装置的实 验研究。 本论文是针对课题组在研项目“热电直接转换技术”的，所采用的理论 方法和实验设备也是在课题组现有设备基础之上的。由于此项研究在相关领 域内尤其是在国内，还是一项较新技术，没有相关的资料可以借鉴和消化， 加之a m t e c 技术涉及的不确定性因素太多，国内外对h m t e c 系统都没有一个 整体的理论模型和基本理论，论文作者对收集到的国外资料加以分析，逐步 消化，加上实际简单模型的实验，得出了一系列结论，本文也正是在这个基 础之上形成的。 本论文包括的主要内容有： ( 】) b a s e 性能对a m t e c 转换器的影响； 啥搴滚工程大学矮士学搜论文 b a s e 是a m t e c 装爨中最基本的部件，整个转换器的运行也j l 三是基于b a s e 的独特传导特陡静。本谂文献徽蕊角度分聿斤了b a s e 酶绣梅及它澎成茯褥子导 体的原因；实验研究了影响b a s e 传导特性的因豢，详细阐明了在装置遴行时 在b a s e 内部发生的变化和热稳定性。 ( 2 ) 电极性能对a m t e c 转换器的影响； 电极性能怒除b a s e 以夕 影响整个转换器性能的最关键因素之一。本论文 从实验稠理论两个方露分析了影响电极性能的围素，综合已有研究刨造性的 提出了鼹适合与a m t e c 转换装鬣的电极成型方法，并综合已有公式，分析了 a m t e c 输出功攀与效率随时闯变化的规律。 ( 3 ) 毛细性能对a m t e c 转换器的影响： 耱牲豹毛缨性2 是完戏装爨内部工终麴矮 霪强豹撩要条 譬，本论文麓单 分析了材料的跑细性能及毛细芯的成型方法，在以后的研究中还要从嫩高的 是度上磺究毛绥经爨砖装置戆怒魏影嚷及各癸毫甥接瓣。 ( 4 ) 各个部件理论模型、设计性能及实验性能； 本论文售漆国努已窍部箨疆论公式，挺爨了逶台本瀑题缀磺究拔溅豹部 件理论公式并加以实验验证，在以后的研究中隳提出一套最适合装置的理论 模型。 本论文中从概念上设计了装置中的集流器，冷凝器和蒸发器，并分析了 各个霞毹。 关键 霉：a m t e c 技术；b a s e ；奄援；安狻淫能；设计魏麓 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea l k a l im e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i c i t yc o n v e r t e r ( a m t e c ) i sav e r yn e w t e c h n o l o g yw h i c hb e i n gr e s e a r c h e di n t h ew o r l d t h i st e c h n o l o g yu s e sa l k a l i m e t a l ( s u c h a s l i t h i u m ，p o t a s s i u m a n ds o d i u m ) a st h e w o r k i n gf l u i d ， b a s e ( f l ”一4 屯q s o l i de l e c t r o l y t e ) a st h em e d i u m t h i st e c h n o l o g yi sb a s e do n t h eu n i q u ep r o p e r t i e so fb a s et h a ti sa ne x c e l l e n ti o n i cc o n d u c t o rb u tap o o r e l e c t r o nc o n d u c t o r ， t h e r ei sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ea m t e c ，i na m e r i c a 、j a p a na n d s o v i e tu n i o nc o u n t r i e s ，t h i st e c h n o l o g yh a so b t a i n e ds o m ed e v e l o p m e n t a m e r i c a p l a n s t ou s et h i st e c h n o l o g yi ns p a c e f l i g h t a l t h o u g ho u rc o u n t r yi sp r e l i m i n a r yi n t h ea m t e c t e c h n o l o g y ，t h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sg o o df o u n d a t i o n i no u rc o u n t r y t h e r ea r em a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hs c h o o l sc a l lp r o d u c et h e s o l i de l e c t r o l y t ea n do t h e rm a t e r i a l w ec a nc a r r yt h r o u g ha n de x t e n dt h i s t e c h n o l o g y s ol o n ga sw ec a r lc o r p o r a t ew i t ht h e s em a n u f a c t u r e r sa n ds c h o o l s b e c a u s et h i st e c h n o l o g yi sn o tm a t u r e ，t h e r ei sn oc o r r e l a t i v es y s t e m i ct h e o r y a n du n i t a r ye f f i c i e n c ye x p r e s s i o n s ，t h er e s e a r c ho ft h ec o u n t r i e si sa l s op r i m a r y t h ea t t e m p t sa r e t or e s e a r c ht h e c o m p o n e n t s m o d e lo fa m t e ca n dt h e e x p e r i m e n t r e s e a r c h t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c t t h et h e r m a lt oe l e c t r i c i t yd i r e c t l y t e c h n o l o g y ”o fo u rw o r k g r o u p ，t h ea d o p t i v et h e o r e t i cm e t h o da n d t e s te q u i p m e n t a r eb a s e do nt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n b e c a u s et h i s r e s e a r c hw o r ki sa d v a n c e d r e l a t i v e l y ，e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y ，t h e r ei sn o c o r r e l a t i v eb a s et h e o r yd a t u mt o u s ef o rr e f e r e n c ea n da s s i m i l a t i o n ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ea r es om a n y u n c e r t a i n f a c t o ri n v o l v e di nt h i st e c h n o l o g y ，t h e r ei sn oi n t e g e rt h e o r e t i cm o d e la n db a s e t h e o r y t h ea u t h o ro f t h i sp a p e rc o l l e c t e da n da n a l y z e dt h ec o r r e l a t i v em a t e r i a l ， m a d et h ee x p e r i m e n to f t h ea c t u a lm o d e l ，d e d u c eas e r i e sc o n c l u s i o n ，t h ep a p e ri s b a s e do nt h i s t h i sp a p e ri n v o l v e dt h e s ec o n t e n t ： ( 1 ) t h e p e r f o r m a n c eo f b a s e a n dt h ee f f e c to f o nt h ea m t e c ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b a s ei st h em o s te s s e n t i a lc o m p o n e n ti nt h ea m t e c ，t h ec i r c u l a t eo f t h e a m t e ci sa l s ob a s e do nt h ep a r t i c u l a rc o n d u c tc h a r a c t e r i s t i co f t h eb a s e t h i s w o r ka n a l y z e dt h em i c r o m a c h i n e r yo ft h eb a s e a n dh o wt om a k et h eb a s eb e g o o d i o n c o n d u c t o r ；i n v e s t i g a t e d t h ef a c t o r sw h i c h a f f e c tt h ec o n d u c t c h a r a c t e r i s t i co ft l l eb a s e e x p l a i n e dt 1 1 ec h a n g eo ft h eb a s e w h e nt h ea m t e c w o r k i n g ，e x p l a i n e dt h et h e r m a ls t a b i l i t yo f t h e b a s e ( 2 ) t h e p e r f o r m a n c eo f t h ee l e c t r o d ea n d t h ee f f e c to fi to nt h ea m t e c ； t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o d ei st h em o s te s s e n f i a lc o m p o n e n te x c e p tt h e b a s ew h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea m t e c 1 1 1 i sw o r ka n a l y z e dt h e f a c t o r sw h i c ha f f e c tm e p e r f o f i n a n c e o ft h ee l e c t r o d e t h e o r e t i c a l l y m a d e x p e r i m e n t a l l y ，s y n t h e s i z e d t h ee x i s tr e s e a r c h , p u tf o r w a r dh o w t om a k ee l e c t r o d e t of i tt h ea m t e c ，b a s e do nt h ee x i s tf o r m u l a ，a n a l y z e dt h ec h a n g er u l eo ft h e p o w e r a n d e 街c i e n c y o f t h ea m t e c ( 3 ) t h e c a p i l l a r yp e r f o r m a n c ea n d t h ee f f e c to fi to nt h ea m t e c ； t h ec a p i l l 撕t vo fm a t e d a ii so n eo ft h ee s s e n t i a lc o n d i t i o nw h i c hc o m p l e t e t h ec i r c u l a t i o no ft h e w o r k i n gl i q u i d t 1 1 i s w o r ka n a l y z e dt h e c a p i l l a r i t y o f m a t e r i a la n dh o wt om a k e c a p i l l a r y w i c k ( 4 ) 1 1 1 en u m e r i cm o d e l 、d e s i g na n d e x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e o ft h e a m t e c s c o m p o n e n t s ； 1 1 1 i sw o r ku s et h ee x i s tc o m p o n e n tt h e o r ym o d e lf o rr e f e r e n c e ，p u tf o r w a r d t h e c o m p o n e n tt h e o r y m o d e lt om e e tt h ea c t u a ld e m a n d ，a n dp r o v e dt h e c o r r e c t n e s so ft h em o d e l ，i nt h el a t t e r s t u d y ，w ew i l lb r i n gf o r w a r dt h e m o s t c o m p a t i b l et h e o r y m o d e l t h i sw o r k d e s i g n e d t h ec u r r e n tc o l l e c t o r 、o n d e n s e r 、e v a p o r a t o rc o n c e p t u a l l y i na d d i t i o n a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ec o m p o n e n t s k e y w o r d ：a m t e c ；b a s e ；e l e c t r o d e ；e x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e ： d e s i g np e r f o r m a n c e ；一一i ；堕玺鎏翟塾耋坠鲨塞；一一；。；一。 第1 章绪论 1 1 研究目的及意义 a m t e c ( 碱金属热电直接转换) 技术是世界上科技发达国家开展研究 的一项能量转换技术，a m t e c 装置既可作为现有火电站的前置循环使用，也 可单独作为热电站的发电机组用于工业发电，它既可用于航天器、水下潜器 作为安静型高能量密度的发电设备，也可作为蓄热转换器用于民用运输工 具。它的研究开发将带动一系列相关高技术领域的研究与发展，它的应用将 带来电力工业与动力工业的一场革命。因此，本项目的研究对电力工业、动 力技术的发展和新能源利用具有重要的意义。 a m t e c 装置可以与高温蓄热器相结合构成蓄热式热电直接转换装置。 这种装置能量密度高( o 2 o 5 k w h k g ) ，它既无体积重量变化，也无噪声 和排放物，它既可用于水下作战平台作为不依赖于空气的动力源来使用，也 可用在航天器上作为太阳能转换器的补充能源来使用。因此，本项技术研究 对水下作战平台、水下安静型潜器和航天飞行器的动力技术发展具有重要的 意义。 对a m t e c 的开发和以后的应用主要有： ( 1 ) 太阳能系统开发，其中包括利用太阳能作为a m t e c 的转换器的 热源，把a m t e c 转换器用在航天器种，作为航天器的自维持能源。 ( 2 ) 小型的a m t e c 转换器作为传统原电池和蓄电池的替代品，可以 减少传统转换器应用时而带来的环境污染，延长转换器的使用寿命。 ( 3 ) 作为未来行星探索任务的航天器的能源系统，把放射性同位素衰 变产生的能量作为a m t e c 的热源，设计更适合于航天器的a m t e c 能量系 统的结构，采用新材料，从而达到航天任务的要求。 ( 4 )以核反应堆产生的能量作为a m t e c 能量系统的热源，应用于各 种系统，其关键技术是以碱金属钠作为反应堆的冷却剂和传热介质，网时钠 哈尔滨工程大学硕士学位论文 又作为a m t e c 系统中的碱金属； 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内方面 在国内进行a m t e c 技术研究的单位很少，可供查询的资料也很少，这 也表明国内研究落后于国外，因此我们有必要开展此项研究，争取早日改变 这种现状。 1 2 2 国外方面 1 9 6 2 年美国福特汽车公司在依赖b a s e 的独特电性质的钠硫电池发展 过程中，首先采用了热动力的钠浓缩电池，这种新的装置叫做钠热机或碱金 属热电转换装置( a m t e c ) 。a m t e c 可与传统热机相媲美，这也是a m t e c 的雏形。 w e b e r 在1 9 7 4 年正式提出了碱金属热电直接转换( a m t e c ) 的技术， a m t e c 利用碱金属( 在此论文中我们以钠作为研究的碱金属，事实上由于 碱金属钠的最适合于此项技术，所进行的研究多数针对钠，论文中也以钠作 为研究对象) 离子在压力差的作用下沿b a s e 的扩散实现热电的转换，是一 种热重复性的电化学转换器。a m t e c 技术正处于发展过程中，实验装置得 到的转换效率为1 9 ，对系统的分析证明效率在近期内可达3 0 ，超过3 5 也是可能的。 随着a m t e c 技术的进一步发展，蒸气阳极多管a m t e c 的制造、测试、 性能都有了进步，以适合航天和陆地的应用。美国计划把这种能源系统用在 木z - - 探测及冥王星快速通道计划( p l u t o e x p r e s s ，p x ) 中。本卫二和p x 航 天器中的a m t e c 能源系统计划寿命分别为7 年和1 0 1 5 年。 a m t e c 在地面应用有：偏远地区的便携式能量供应系统、废热发电系 统、能量自补给型加热炉、多次充电式转换器、跨国运输等。综合地说， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a m t e c 可用以交通、运输工具、通讯中转站、气象设备、度假区、建筑工 地等多种场合。 1 9 8 3 年a m t e c 的工作原理得到进一步完善，而a m t e c 的研究工作在 二十世纪九十年代开始在世界范围内迅速发展，参与研究的主要国家有美国、 日本、前苏联国家。 美国的主要研究机构有： ( 1 ) j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b ) ，主要研究工作有a m t e c 系统及其部件的性 能和制造； ( 2 ) a m p s ( a d v a n c e d m o d u l a rp o w e r s y s t e m s ) ，主要研究成果是制造并 测试了p x 系列a m t e c 转换器单元； ( 3 ) a f e l ( a i r f o r c er e s e a r c hl a b ) ，主要进行a m t e c 的各种性能。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文旨在建立a m t e c 转换器各个部件的理论模型，并利用现有设备 进行实验验证。现有的实验设备主要有a m t e c 转换试验台、磁控真空溅射 镀膜设备、激光加工设备以及一些检测手段。主要包括分析a m t e c 转换器 的整体性能和各个部件特性分析，其中部件分析包括：b a s e ( 4 一爿f ，0 ； s o l i de l e c t r o l y t e ) 工作原理及影响因素；电极制作及性能影响因素；毛细芯 制作及性能；集流器的制作和性能；蒸发器的模型及性能分析；冷凝器的结 构及性能分析；壳体性能对转换器的影响；热源的类型及性能分析；几何形 状对转换器性能的影响。 对于上述各项工作，主要采用利用现有模型和实际实验验证的方法，得 出一些重要结论并提出对以后科研有指导意义的建议。 ；一；丝鎏三垄丝至圭兰l ! ：l ：圣；一；。； 第2 章a m t e c 基本理论 2 1a m t e c 工作原理 a m t e c 转换器是热可再生性的电化学热电直接转换装置，它利用碱金 属( 实际的研究中多采用液态钠作为工作物质，也可以采用锂和钾作为工作 物质，在本论文中以碱金属钠作为研究对象，在文章中没有特别指出的情况 下，碱金属特指钠) 作为工作物质，固体电解质b a s e ( 卢”一a i 。0 ；s o l i d e l e c t r o l y t e ) 作为离子导体，这种装置的工作基础是b a s e 为碱金属离子的良 导体，是电子的不良导体。 b a s e ( 本论文中所研究的b a s e 主要针对圆管状的b a s e ，在本论文中， 除了特殊指出以外，b a s e 即为管状) 两表面分别镀上多孔电极材料，阳极接 触高压区，阴极接触低压区，电极提供电子的传输通道，液态钠进入到转换 器热端区域，吸收外加能量温度，由于沿b a s e 壁的热动力势差和压差，钠原 子在阳极和b a s e 交界面处电离： n a _ n a + + e 一 ( 2 1 ) 钠离子在沿b a s e 的压差作用下从阳极( a n o d e ) 沿b a s e 绝热扩散到阴极 ( c a t h o d e ) ，电子通过外部负载产生电流做功，之后到达阴极与b a s e 交界面 处的钠离子中和形成钠原子： n a + + e 一_ n a 4 ( 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1a m t e c 工作原理图 中性钠原子离开多孔电极后，形成钠蒸气，在冷凝器处释放凝固潜热而凝固， 几乎整个温度降低都发生在低压蒸气区，冷却的液态钠由毛细芯的毛细作用 返回到高温蒸发器区，b a s e 管的温度比蒸发器温度稍高，以防止钠蒸气在 b a s e 管内凝固，造成短路等问题。a m t e c 工作原理如图2 1 所示。 2 2a m t e c 的特点分析 a m t e c 属于静止能量转换，它直接把热能转换成电能。传统的动态能 量转换是依靠部件的运动来完成能量转化，而静态能量转化则不涉及部件的 运动。 a m t e c 是一个有热重复性的电化学装置，热重复性是指工作流体的热 量在一个工作循环以后不离开系统，而不像内燃机那样在工作循环以后一些 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热量随废气排出系统，工作流体的热量在下一个循环中得以重复利用( 实际 是工作流体自我循环) ，从而提高了系统的总效率。这个系统利用碱金属( 锂， 钠，钾) 作为工作物质，电化学过程包括碱金属原子在电极和电解质的表面 电离，产生的电子通过外部负载，作功并最终在另一个电极上与钠离子中和， 碱金属热电转换技术与传统的发电方式相比有很多优势，这些优势中有一些 属于静止能量转换所共有的，其它的则是a m t e c 技术所特有的： ( 1 ) 高效率：这是最重要的一个优势，a m t e c 有很高的效率，理论上 可以接近卡诺循环效率，在高温端温度1 0 0 0 1 3 0 0 k ，低温端温度4 0 0 7 0 0 k ， a m t e c 的最高理想效率可达4 0 。 ( 2 ) 高能量密度：a m t e c 有高的能量密度，计算能量密度1 9 8 w k g 已经达到并且有望达到o 5 k w k g 。 ( 3 ) 由于没有运动部件减少了摩擦、磨损、断裂和噪声问题，使得 a m t e c 成为免维护装置，一旦系统运行起来，很少甚至不需要外界的介入。 ( 4 ) 由于没有化学反应和运动部件，a m t e c 的可靠性很高。 ( 5 ) 虽然a m t e c 是高温运罩亍装置，但其所应用的材料都可以很容易的 得到，a m t e c 转换器也可以在一个很经济的水平下制造得到。 ( 6 ) a m t e c 运行的高温度允许其可与其它的发电装置相串联，其它装 置的排热端与a m t e c 的热端相连，效率比单个装置高。 ( 7 ) a m t e c 通常输出高电流强度，低电压的电能，a m t e c 转换器适 于模块化设计，这就意味着由小的转换器可以组成很大规模的能量系统。 2 3 a m t e c 现存局限 虽然m t e c 技术有前面所提到的很多优势，但存在一些问题，其中的 一个问题就是不能得到令人满意的效率，这个问题是由设计原因引起的；另 一个问题就是转换器输出能量随时间的减少，在国外a m t e c 模型中， a m t e c 转换器输出功率由1 7 2 h 的2 4 5 w 经过1 8 0 0 0 h 降低到1 2 7 w ，输出 功率的减少也意味着转换器转换效率的降低，这个问题妨碍了转换器在对长 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间运行有最低量要求的场合的应用，包括遥远太空开发和偏远地区应用。 2 4a m t e c 的组成结构 a m t e c 的主要结构有：b a s e ，电极，集流器，蒸发器，毛细芯( 液态 钠回流通道) ，冷凝器，隔热器，壳体，热源。这些组成结构中，b a s e 和 电极是影响a m t e c 性能的最主要的因素，对它们的研究和开发也一直是研 究者们的主要工作。 2 5a m t e c 的分类 a m t e c 的分类标准主要有两种，按照碱金属元素在b a s e 内部存在的 状态，可以将a m t e c 分成液阳极a m t e c 和气阳极a m t e c ；按照a m t e c 内部b a s e 的数目不同可以将a m t e c 分成单管a m t e c 和多管a m t e c ， 按照热源的类型，可以将a m t e c 分为常规热源a m t e c 和非常规热源 a m t e c 。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章a m t e c 整体性能分析 3 1 单管a m t e c 转换器性能分析 3 ，1 1 单管液阳极a m t e c 转换器性能分析 单管液阳极a m t e c 转换器是世界上最早进行研究的，液阳极主要是指 钠在转换器阳极处的状态是液态，这种转换器的主要特点就是： ( 1 ) 装置结构简单( 省去了气阳极通常都采用的集流器和一层电极) ； ( 2 ) 能量密度高( 由于钠在液态时钠离子密度远远高于它在气态时的密 度) ； ( 3 ) 由液态钠导致的短路问题难以较好的解决。 从以上的分析可以看出，只要我们较好地解决了转换器内部的短路问题， 液阳极a _ m t e c 转换器的优势可以更好的体现出来。 圈3 1 液阳极a m t e c 工作原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 解决短路问题示意图 如图3 2 所示，在b a s e 管下部设置一个排出液态钠的部件，当液态钠 沿b a s e 管向下流动时，为了防止液态钠造成转换器阳极与转换器壁之间的 短路问题( 接地) ，在b a s e 管下部设置一个排钠部件，这个部件同b a s e 管支撑体和转换器壁之间是绝缘的，从而避免了短路。这种设计方式只是解 决短路的一种设想，随着设计的进一步优化，解决的方法也会随之优化。 31 2 单管气阳极a m t e o 转换器的性能分析 与单管液阳极a m t e c 转换器相比较，液阳极a m t e c 没有短路问题， 但结构复杂，能量密度低。与液阳极a m t e c 转换器进行进一步比较，国外 研究倾向于气阳极，他们认为只要把气阳极a m t e c 的结构进行优化设计， 就可以解决结构问题，因为在液阳极a m t e c 转换器中钠的状态我们难以精 确控制，加之解决液阳极a m t e c 转换器短路问题的装置在真空条件下很难 保证与转换器其它部件完全绝缘，又考虑到转换器对输入热源的适应性( 我 们在后面会加以分析) ，论文作者认为气阳极更具有优势。图3 - 3 是气阳极 a m t e c 转换器的一个典型结构。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 气阳极a m t e c 结构简图 3 2 多管气阳极a m t e c 整体性能分析 一般来说，多管a m t e c 转换器也可以有两种形式，那就是液阳极和气 阳极，但是由于多管a m t e c 转换器的结构复杂，解决液阳极所固有的短路 问题是极其困难的，所以多管a m t e c 转换器都设计成气阳极形式。气阳极 a m t e c 转换器的主要结构有：蒸发器、毛细芯、冷凝器和隔热装置其它的 结构在前边的论述中都已说明。我们在第四章就各个部分进行详细分析。 多管蒸气阳极a m t e c 所具有的特点是： ( 1 ) 输出电流大，由于转换器内部将各个b a s e 管串联起来，所以多 管a m t e c 转换器所输出的电流较单管a m t e c 转换器要高得多，不仅可直 接用在需要大电流电能的场合，还可以利用中间转换装置将此大电流电能转 换成高电压的电能，就可以进行远距离传输和更为广泛的应用； ( 2 ) 转换效率高，由于转换器内部设置了多个防止热量损失的装置， 使得更多的热量可以转换成电能，从而使得整个转换器的转换效率增大； ( 3 ) 能量密度低，由于同样是气阳极转换器，所以转换器的能量密度 比液阳极转换器要低； ( 4 ) 结构复杂，制造成本较高，由于多管a m t e c 转换器内需布置较 多的装置用来解决短路和热损失等问题，使得多管a m t e c 转换器的结构比 单管a m t e c 转换器要复杂得多，由此带来的不确定性因素影响到了转换器 的可靠性，这也是此项研究的困难所在。 但是随着高性能材料和研究的进一步深入，多管a m t e c 中所涉及到的 困难会得以解决，此类型转换器也会得到更为广泛的应用，发达国家已经计 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 划将多管a m t e c 转换器用到各种航天器上，传统的能量转换概念也经历着 前所未有的转变。 ；鳖三堡奎兰i 些耋! 塞i l 鎏；。； 第4 章部件模型分析 4 1b a s e 性能对转换器效率的影响 4 1 1b a s e 的工作原理 b a s e 是一种致密的微晶粒烧结陶瓷，如图4 1 所示。1 3 “一a 1 ：o ，是按比 例组成的化合物，它的结晶形状为六方体，是尖晶石层与n a o 层相互交错叠 和而成的。其中- a i ：o ，又称三基块邝一2 0 ，又称二基块。在导电层( n a 0 ) 中，由于离子( n a + 及0 2 一) 的松散分布而出现了许多间隙，成为米氏晶面，使 n a + 能沿( n a o ) 图4 ib a s e 结构图 2 ；一；堕丝鳖鐾鳖堡圭箜窒兰鎏；一；一； ； 图4 2b a s e 位置及a m t e c 简单原理图 层移动。而在由四层离子最密程度填充的尖晶石层( a b c a ) 中，其间隙有a l “ 进入而不存在n a + 的通道，故d ”一a i ，o ，对n a + 的传导有很强的各相异性。 b a s e 把a m t e c 分成两个部分：高温( 9 0 0 1 3 0 0 k ) 、高压( 1 0 1 0 0 p a ) ， 低温( 4 0 0 7 0 0 k ) 、低压( 小于5 0 帕) ，b a s e 只允许钠离子通过，而钠原 子和电子不能通过。 b a s e 是a m t e c 转换器中一个最重要的部件，如图4 2 所示。a m t e c 转换器的运行正是基于1 3 一a 1 ，o ，的独特传导特性的，b a s e 性能的任何改变 都可以显著的影响能量输出。事实上，在a m t e c 运行过程中b a s e 的材料 和传导特性正在发生变化，这些变化可以分为热分解、化学污染。热分解所 表现的形式有：材料中钠的损失、材料中熔化的树枝状晶体的形成、裂纹的 产生和扩散、显微组织的变化。电解质中钠元素的损失可以导致b a s e 离子 阻抗的增加，熔化树枝状晶体在b a s e 厚度方向的形成导致阴阳极之间的电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流断流从而减小外部负载中的电流，裂纹的产生可以使钠蒸气从高压区不经 过电离直接流到低压区，这又使经过外部负载的电子减少，像晶粒增长之类 的微观组织变化可使b a s e 的离子阻抗增加。化学污染是指钠蒸气在高温高 压条件下同转换器中不锈钢材料的化学反应，反应的产物会进入到液态钠中 或沉积在b a s e 的表面，阻塞b a s e 的毛细孔或进入到其陶瓷结构中，沉积 到b a s e 结构的晶粒边界或取代结构中的离子，所有这些情况都可以导致 b a s e 离子阻抗的增加，因此b a s e 的变化减小了转换器的输出能量。 4 1 2b a s e 的热稳定性 在a m t e c 转换器运行过程中，当温度高于9 7 3 k ，特别是在高于1 2 3 3 k 时，p a 1 ，o ，中n a o ，的含量会减少。实验证明，a m t e c 转换器在真空环 境下运行1 0 0 一5 0 0 小时，温度到达1 2 7 3 k 时，p 。一a i ：o ，由于n a o ，的减少 会转变成o r 一a 1 ，o3 。在温度低于1 6 0 0 k 时，p a i ，o ，、p 一a i ，o ，和 0 【一a i ，o ，之间的转变是非常缓慢的，在温度低于1 2 0 0 k 时，这种转变是可 以忽略的。当b a s e 表层转化成a a 1 ，o ，的厚度达到l n m 时，b a s e 对n a + 的阻抗会明显增大，n a + 的传输速度的减慢会直接降低转换器的输出电流， 整个转换器的输出功率会明显减小。 4 2a m t e c 电极分析 4 ，2 1 a m t e c 电极涂覆技术 a m t e c 电极通常采用镀膜的方法制造，常用的方法有：真空蒸发镀膜 法、磁控溅射镀膜方法、金属粉末涂覆法。 真空蒸发镀膜法是把b a s e 材料置于高温金属蒸气环境下，将膜材置于 真空室中，通过蒸发源加热使其蒸发。空间气体分子的平均自由程大于真空 室的线性尺寸以后，蒸气的原子或分子从蒸发源表面逸出，很少与其它分子 或原子碰撞，可直接到达被镀的b a s e 基片表面上，凝结后形成薄膜。从而 形成两电极。此种方法过程简单，但涉及到的化学反应容易污染b a s e ，产 1 4 跨尔滨工程大学矮学使论文 生前边所述的种种缺陷。 磁控溅射镀貘方法是把b a s e 栝瓣簧予一定静真警环壤下，再商忿环境 中充入惰性气体，装鬣中的电子枪产生电子，电子在电场的作用下运动，在 运动的过程中充入的惰往气律分子发生碰撞惰性气体分子电离出正豹离予， 然后此离子又在电场的f 乍用下岗速轰击靶材表面，使靶材发生溅射，溅射离 子在磁场和电场的双熏作用下沉积到b a s e 袭箍，形成电极。此种镀膜方法 具有离速、低激、低损伤等优点，但容易形成镀膜过于致密，使钠离子通过 时的阻抗增加，从而影响a m t e c 的转换效率。 金属粉末涂疆法怒把金属粉末用袅譬接裁刷谯b a s e 表面，然后在特定的 气体环境中进行加热、保温，使金属粉米在b a s e 表面形成均匀的多孔电极。 这秘方法的特点是过穰麓单，彤成熬彀极孔缀率容易达到要求，缺点楚据热 和保濑过程主鼹在氢气之类的环境下进行，有爆炸的髋险性。 溅魅镀骥楚裂震溅射现象米达到铡敬各秘薄貘的爨鹣，鄯在囊空黧中利 用荷能离子轰疆靶材袭面，使被轰击出的粒子在基底上沉积的技术。它与真 空蒸镀耀进套戮下且令特熹： ( 1 ) 溅射镀膜是依靠动墩交换作用使固体材料的原子，分子进入气相， 溅射楚豹粒予平均髓爨缝为1 0 e v ，离予囊空蒸发粒子麴t 0 0 德左右，滋积在 基底表顾上之后，尚有足够的劝能在熬底表面上迁移，因而膜层质量较好， 与基残结台率戳。 ( 2 ) 任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别不如其蒸发特性的差 羯大，帮使裔络点材辩氇可醴避行溅射，对予食金，诧合耱繇辩易裁成与靶 材组分比例相同的薄膜，因此溅射镀腆应用非常广泛。 ( 3 ) 溅射镀膜中的入射鞭子一般希胡气体放电法得妥，霞而萁工作压 力在1 0 4 p a 一1 0 p a 范围，所以溅射粒予在飞行剥基体前往往已与真空黛内的 气体分子发生碰撞，箕运动方向随机偏离原来的方向，而且溅射一般楚从较 大靶袭面积中射出的，因丽比粪空蒸镀蜜易彳导到均匀i 隧度的膜层，对于具有 沟槽、台阶等镀件，能够将阴极效应遣成膜厚差勇4 减小到可忽略的程度。但 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是，较高压力下溅射会使薄膜中含有较多的气体分子。 溅射镀膜除磁控溅射外，一般沉积速率都比较低，设备比真空蒸镀复杂， 价格较高，但是操作单纯，工艺重复性好，易实现工艺控制自动化。溅射镀 膜比较适宜大规模集成电路、磁盘、光盘等高新技术产品的连续生产，也适 宜于大面积高质量镀膜玻璃等产品的连续生产。 在溅射镀膜工艺方面需要指出的是： ( 1 ) 靶的选择和镀膜前处理十分重要，制备靶的方法有多种，不能有 气泡，靶平面应平整光洁。 ( 2 ) 靶的冷却很重要，尤其是磁控溅射靶。 ( 3 ) 对于热导率小、内应力大的靶，溅射功率不能太大，溅射时间不 能太长，以免局部区域的蒸发量多于溅射量，更好避免靶破裂。 ( 4 ) 在正式溅射前，常进行预溅射( 此时减少冷却水或通热水，并适 当提高溅射功率，以除去靶表面吸附其余杂质。 ( 5 ) 为使基底表面洁净以及有微观的凹凸不平，增强膜层结合力，有 时可对基体进行反复溅射( 即在基体上加相对等离子体为负的偏压) 或离子 轰击。 ( 6 ) 在预溅射或溅射前，必须对镀膜室内所有部件进行严格的清洗和 干燥。 本论文中所涉及到的电极制作方法是磁控溅射镀膜方法，实验室中已有 成套设备，在经过一定的实验摸索后。所制作的电极己基本达到了性能要求。 4 2 2 电极材料 a m t e c 的电极应具备以下特点： ( 1 ) 良好的电导率； ( 2 ) 在a m t e c 高温运行时不与a m t e c 组件材料发生反应，尤其使 用工作物质钠发生反应，从而使电极材料特性发生衰变； ( 3 ) 具有皂好的可加工性，即可以通过上述电极制作方法在较经济的 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水平下制得； ( 4 ) 与b a s e 表面具有较强的亲和力，制成的电极牢固可靠； ( 5 ) 对碱金属离子( 钠离子) 具有很强的通透性。 电极尤其是阴极是a m t e c 转换器中的关键部件，电极氧化还原钠并反 复从反应区输送电子和钠离子的能力是a m t e c 系统获得高效率的关键因 素。实际的a m t e c 转换器常用的电极材料有w r 。、m o r e 、r e 、i r ，这 些材料在高温环境下很难和钠元素发生反应，采用磁控溅射方法可以较容易 得在b a s e 表面形成电极层。 为了找到更为合适的电极材料，国外的研究人员进行了一些过渡金属氮 化物和碳化物与b a s e 和钠在高温运行时反应的实验，表4 1 所示为几种金属 氮化物和碳化物的特性。 表4 1 一些过渡金属氮化物和碳化物的特性 材料 熔点室温时的电导率室温时的热膨胀系数 o c1 0 5 s m 一11 0 一k 一1 m o 2 6 2 0 1 9 25 5 m 0 2 c 2 6 9 0 7 5 24 9 n b c 3 5 0 01 6